ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом.
Уровень техники
Двигатель внутреннего сгорания используют в качестве привода для автомобильных транспортных средств. В рамках настоящего описания термин «двигатель внутреннего сгорания» объединяет в себе дизельные, бензиновые, а также гибридные двигатели, работающие с использованием гибридного способа зажигания, и гибридные приводы, имеющие кроме двигателя внутреннего сгорания включаемую электроустановку, которая забирает мощность от двигателя или отдает ее при работе в качестве включаемого вспомогательного привода.
При проектировании двигателя внутреннего сгорания принципиальная цель заключается в сокращении расхода топлива, при этом главной задачей является повышение общего коэффициента полезного действия.
Проблема обеспечения низкого расхода топлива и, таким образом, высокого КПД особенно остро ощущается при использовании бензиновых двигателей с циклом Отто, т.е. двигателей с искровым зажиганием. Данная проблема обусловлена принципом работы такого двигателя. Управление нагрузкой осуществляется, как правило, с помощью расположенного во впускной системе дроссельного клапана. Перемещая дроссельный клапан, можно регулировать величину давления всасываемого воздуха ниже по потоку от дроссельного клапана. Чем меньше степень открытия дроссельного клапана, т.е. чем больше он блокирует поток во впускной системе, тем больше потеря давления всасываемого воздуха при прохождении через дроссельный клапан, и тем ниже давление всасываемого воздуха ниже по потоку от дроссельного клапана и выше по потоку от впуска в по крайней мере два цилиндра, т.е. камеры сгорания. Таким образом, при постоянном объеме камеры сгорания с помощью давления всасываемого воздуха можно регулировать массовый расход воздуха, т.е. количество смеси. Это также объясняет, почему количественное регулирование оказывается невыгодным именно при частичной нагрузке: малые нагрузки требуют сильного дросселирования и снижения давления во впускной системе, вследствие чего при уменьшении нагрузки и увеличении дросселирования возрастают потери при замене рабочей смеси.
Для снижения таких потерь были разработаны различные стратегии снижения степени дросселирования бензинового двигателя с циклом Отто.
Один из способов снижения степени дросселирования бензинового двигателя может заключаться, например, использовании бензинового двигателя с непосредственным впрыском. Прямой впрыск топлива является подходящим средством для реализации ступенчатой загрузки камеры сгорания. Непосредственный впрыск топлива в камеры сгорания позволяет в определенных границах осуществлять качественное регулирование смеси в бензиновом двигателе. Образование смеси осуществляется путем прямого впрыска топлива в воздух, находящийся в цилиндрах, а не путем внешнего смесеобразования, при котором топливо в системе впуска подается во всасываемый воздух.
Другая возможность оптимизации процесса горения в бензиновом двигателе заключается в использовании по крайней мере частично регулируемого клапанного механизма. В отличие от традиционных клапанных механизмов, в которых ход клапанов и фазы газораспределения являются постоянными, данные параметры, влияющие на процесс горения и расход топлива, могут в той или иной степени изменяться с помощью клапанных механизмов. В тех случаях, когда время закрытия впускного клапана и ход впускного клапана могут варьироваться, только за счет этого возможно управление без дросселирования и, таким образом, без потерь нагрузки. Попадающая во время впуска в камеру сгорания смесь или наддувочный воздух управляется не с помощью дроссельного клапана, а с помощью хода впускного клапана и его время открывания. Однако регулируемые клапанные приводы требуют очень больших затрат, и поэтому редко используются в серийном производстве.
Другим способом снижения степени дросселирования бензинового двигателя является отключение цилиндра, т.е. отключение отдельных цилиндров в определенных диапазонах нагрузки. КПД бензинового двигателя в режиме частичных нагрузок может улучшаться (т.е. повышаться) с помощью такого частичного отключения, поскольку отключение одного цилиндра многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания при постоянной мощности двигателя повышает нагрузку на остальные работающие цилиндры. Поэтому дроссельный клапан может или должен открываться для подачи нужного количества воздуха в эти цилиндры, в результате чего достигается снижение степени дросселирования двигателя. Находящиеся в постоянной эксплуатации цилиндры работают при частичном отключении в режиме повышенных нагрузок, в котором удельный расход топлива ниже. Диапазон нагрузок смещается в сторону более высоких значений.
При этом из-за больших объемов подаваемого воздуха или воздушной смеси цилиндры, работающие в режиме с частичным отключением, обладают улучшенным смесеобразованием и допускают большую рециркуляцию выхлопных газов.
Другие преимущества с точки зрения КПД заключаются в том, что отключенный цилиндр из-за отсутствия горения не создает потерь тепла путем теплопередачи от газообразных продуктов сгорания стенкам камеры сгорания.
Согласно предложенному решению, двигатель внутреннего сгорания имеет искровое зажигание и подходит для частичного отключения, т.е. является двигателем внутреннего сгорания с по крайней мере одним отключаемым цилиндром.
В качестве ближайшего аналога полезной модели может быть выбрана, например, конструкция двигателя внутреннего сгорания, описанная в публикации патентной заявки DE 102007018775 от 23.10.2008.
Известные из уровня техники многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания с частичным отключением и способы их эксплуатации обладают выраженным потенциалом усовершенствования, который будет кратко пояснен ниже.
Если при частичном отключении прерывается подача топлива к отключаемому цилиндру или деактивируется принудительное зажигание, то отключенные цилиндры продолжают участвовать в смене заряда, если не будет или не может быть деактивирован относящийся к данным цилиндрам клапанный механизм. Создаваемые при этом отключенными цилиндрами насосные потери снижают эффективность частичного отключения с точки зрения расхода топлива и КПД и ухудшают данные показатели, вследствие чего предпочтительность частичного отключения, по крайней мере частично, утрачивается, т.е. в результате этого частичное отключение фактически дает значительно меньшие преимущества.
На практике нет необходимости в устранении описанных выше отрицательных эффектов с помощью установки переключаемых клапанных механизмов, поскольку переключаемые клапанные механизмы, например, регулируемые, требуют очень больших затрат и не подходят для серийного производства.
Кроме того, переключаемые клапанные механизмы в двигателе внутреннего сгорания с турбонаддувом привели бы к дополнительным проблемам, поскольку турбина турбокомпрессора рассчитана на определенное количество выхлопных газов и, вместе с этим, на определенное количество цилиндров. При деактивации клапанного механизма отключенного цилиндра сокращается суммарный массовый расход цилиндрами двигателя из-за отсутствия массового расхода в отключенных цилиндрах. Поток выхлопных газов, поступающих через турбину, уменьшается, и вместе с ним снижается перепад давлений на турбине. Это приводит к тому, что степень наддува также понижается, т.е. уменьшается давление наддува, при этом на другие работающие цилиндры подается или может подаваться только малое количество свежего или наддувочного воздуха. Слабый поток наддувочного воздуха может также привести к возникновению помпажа при работе компрессора.
Вышеописанные эффекты приводят к ограничению применимости частичного отключения, в частности, к ограничению диапазона нагрузок, при которых можно использовать частичное отключение. Уменьшенный объем наддувочного воздуха, подаваемый при частичном отключении в работающие цилиндры, также снижает эффективность или качество сгорания и негативно влияет на расход топлива и вредные выбросы.
Давление наддува при частичном отключении, подаваемое в работающие цилиндры, и, таким образом, количество наддувочного воздуха можно, например, повысить с помощью уменьшения поперечного сечения турбины и одновременного удаления выхлопных газов, вследствие чего также может быть расширен диапазон нагрузок, играющий важную роль с точки зрения частичного отключения. Недостаток данного принципа заключается в том, что при работе всех цилиндров наддув будет недостаточным.
Давление наддува при частичном отключении, подаваемое в работающие цилиндры, и, таким образом, количество наддувочного воздуха можно также повысить с помощью использования турбины с переменной геометрией, позволяющей адаптировать действующее поперечное сечение турбины к текущему потоку выхлопных газов. Однако при этом повышается противодавление в системе отвода выхлопных газов выше по потоку от турбины, что также приводит к более высоким насосным потерям в работающих цилиндрах.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является обеспечение преимущества с точки зрения частичного отключения и выполнения наддува, заключающегося в увеличении крутящего момента при малых оборотах и при малых мощностях.
Данный эффект достигается с помощью двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, наддувом и по крайней мере двумя, преимущественно четырьмя, цилиндрами. Каждый из цилиндров имеет по крайней мере одно выпускное отверстие с присоединенной выпускной линией для отвода выхлопных газов через систему отвода выхлопных газов, и по крайней мере одно впускное отверстие с присоединенной впускной линией для подачи наддувочного воздуха через впускную систему. Цилиндры образуют по крайней мере две группы, состоящие в каждом случае из по крайней мере одного цилиндра, где по крайней мере один цилиндр первой группы продолжает работу даже при частичном отключении двигателя, а по крайней мере один цилиндр второй группы является переключаемым в зависимости от нагрузки. При этом предусмотрены по крайней мере одна система рециркуляции выхлопных газов и по крайней мере один турбокомпрессор, работающий на выхлопных газах, который содержит турбину, расположенную в системе отвода выхлопных газов и компрессор, расположенный в впускной системе. Конструкция отличается тем, что выпускные линии цилиндров каждой группы объединяются в каждом случае в общую выпускную линию, образуя выпускной коллектор, при этом обе общих выпускных линии соединены с двухпоточной турбиной, имеющей по крайней мере одно рабочее колесо, расположенное на вращающемся валу в корпусе турбины, таким образом, что каждая общая выпускная линия соединена с одним из двух впускных отверстий турбины, причем к каждому впускному отверстию проходит потоковый канал турбины. Также предусмотрен первый запорный элемент, выполненный с возможностью перекрывать в первом рабочем положении второй потоковый канал, относящийся ко второй группе цилиндров, и отделять его от по крайней мере одного рабочего колеса, а во втором рабочем положении открывать второй потоковый канал и соединять его с по крайней мере одним рабочим колесом.
Таким образом, двигатель оснащен двухпоточной турбиной, вследствие чего наддув, т.е. характеристика крутящего момента, значительно увеличивается, в частности, при частичном отключении.
Второй потоковый канал, относящийся к переключаемым цилиндрам, при частичном отключении блокируется с помощью запорного элемента. Тем самым предотвращается попадание выхлопных газов из продолжающих работу цилиндров во второй потоковый канал. Таким образом, происходящие в системе отвода выхлопных газов динамические волновые процессы могут использоваться для оптимизации динамики создаваемого наддува.
В связи с этим следует учитывать, что удаление газообразных продуктов сгорания из цилиндра при смене заряда преимущественно основывается на двух различных механизмах. Когда в начале смены заряда открывается выпускной клапан, газообразные продукты сгорания, по причине высокого давления на противоположном от места горения конце цилиндра и связанной с этим высокой разности давлений между камерой сгорания и выпускной линией, направляются с высокой скоростью по выпускной линии в систему отвода выхлопных газов. В зависимости от давления при данном процессе возникают высокие пики давления, также называемые импульсами предварения выпуска, которые распространяются вдоль выпускной линии со скоростью звука, при этом давление по мере увеличения пути в той или иной степени уменьшается в результате трения. Затем давления в цилиндре и выпускной линии выравниваются, вследствие чего газообразные продукты сгорания откачиваются не под воздействием давления, а под воздействием возвратно-поступательного движения поршня.
Импульсы высокого давления при предварении выпуска могут использоваться для импульсного наддува, вследствие чего предпочтительно поддерживать импульсы давления в системе отвода выхлопных газов и принимать меры, направленные на то, чтобы импульсы давления разных цилиндров не гасили и не усиливали друг друга.
При этом в соответствии с предложенным решением могут быть целесообразными двигатели внутреннего сгорания, в которых второй потоковый канал турбины при отключенных цилиндрах блокируется с помощью запорного элемента, за счет чего импульсы давления продолжающих работу цилиндров смогут распространяться во второй потоковый канал и рассеиваться или затухать, причем выхлопные газы, находящиеся во втором потоковом канале между по крайней мере одним отключаемым цилиндром и рабочим колесом, будут выполнять гасящую функцию.
В частности, при частичном отключении, при малых мощностях и низкой частоте вращения, при которых частота колебаний давления в системе отвода выхлопных газов уменьшается, предложенная конструкция двигателя внутреннего сгорания будет особенно предпочтительной, например, с точки зрения оптимизации, т.е. увеличения, крутящего момента при малых оборотах.
Кроме этого, в предлагаемой конструкции двигателя отвод выхлопных газов из по крайней мере одного отключенного цилиндра через систему отвода выхлопных газов при частичном отключении прерывается без необходимости установки дорогостоящих переключаемых клапанных механизмов для переключаемых цилиндров. В первом рабочем положении первый запорный элемент блокирует второй поток и закрывает выпускную линию цилиндра, переключаемого под воздействием нагрузки. По крайней мере один переключаемый цилиндр продолжает участвовать в смене заряда, когда соответствующий клапанный механизм продолжает работу и не деактивирован. Однако по крайней мере один переключаемый цилиндр не сообщает движение выхлопным газам, находящимся между его выпускными отверстиями и первым запорным элементом, или через турбину.
Предложенная конструкция двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом содержит улучшения с точки зрения оптимизации частичного отключения и наддува. Таким образом, достигается первый технический результат.
Предложенная конструкция двигателя внутреннего сгорания имеет по крайней мере два цилиндра или по крайней мере две группы с по крайней мере одним цилиндром в каждой. Двигатель внутреннего сгорания с тремя цилиндрами, расположенными в три группы по одному цилиндру в каждой, или двигатель с шестью цилиндрами, расположенными в три группы по два цилиндра в каждой, также соответствуют предложенному решению. Три группы цилиндров при частичном отключении могут последовательно включаться или отключаться, благодаря чему возможно двойное переключение, оптимизирующее процесс частичного отключения. Группы цилиндров также могут включать в себя различное количество цилиндров, например, в трехцилиндровом двигателе одна группа включает в себя один цилиндр, а одна группа состоит из двух цилиндров.
Предложенная конструкция двигателя внутреннего сгорания характеризуется лучшим КПД в режиме частичных нагрузок, т.е. при малых нагрузках, при этом под малой нагрузкой понимается нагрузка менее 50%, предпочтительно менее 30% от максимальной нагрузки при текущей частоте вращения.
Другие особенности предложенной конструкции двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом рассматриваются далее.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых первый запорный элемент расположен в конце второго потокового канала со стороны рабочего колеса. Таким образом, можно уменьшить объем выхлопных газов, находящихся между первым запорным элементом и рабочим колесом, препятствующий переносу выхлопных газов, образующихся в работающих цилиндрах, из первого потокового канала во второй. В результате, процесс импульсного наддува будет оптимизирован.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых оба потоковых канала или обе общих выпускных линии или выпускных коллектора групп цилиндров могут соединяться друг с другом, т.е. иметь по крайней мере одно соединение.
В связи с этим предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых два потоковых канала отделены друг от друга в корпусе турбины с помощью перегородки, при этом перегородка заканчивается со стороны рабочего колеса на расстоянии от по крайней мере одного рабочего колеса, и таким образом обеспечивает соединение обоих потоковых каналов на своем конце со стороны рабочего колеса.
Описанный выше импульсный наддув также имеет недостатки. Например, из-за импульсов давления в системе отвода выхлопных газов, как правило, ухудшается смена заряда. Цилиндры могут оказывать воздействие друг на друга при смене заряда. Волны давления от одного цилиндра проходят не только через выпускную линию данного цилиндра, но и вдоль выпускных линий других цилиндров, а иногда - до их выпускных отверстий, в результате чего уже отведенные выхлопные газы снова смогут попасть в данные цилиндры.
Также следует учитывать, что турбина может работать наиболее эффективно при постоянном давлении выхлопных газов. Соответственно для достижения максимальной эффективности работы турбины будет предпочтительным обеспечить по возможности стабильное давление выше по потоку от турбины, т.е. рабочего колеса, для создания так называемого подпорного наддува.
За счет соответствующего или максимального объема выхлопных газов выше по потоку от турбины могут сглаживаться пульсации давления в выпускных линиях. С этой точки зрения разделение потоков до рабочего колеса, с разделением объема системы отвода выхлопных газов выше по потоку от рабочего колеса на несколько более мелких объемов, было бы крайне нежелательным. Таким образом, для подпорного наддува будет предпочтительным соединить оба потока турбины, объединяя оба выпускных коллектора групп цилиндров.
Соответственно рассматриваемый вариант реализации предполагает наличие соединения между обоими потоковыми каналами. Расположенная в корпусе перегородка разделяет потоки, насколько это возможно, до самого рабочего колеса.
Для того чтобы перейти от импульсного наддува при частичном отключении к подпорному наддуву при работе всех цилиндров, необходимо открыть или перекрыть место соединения потоков.
Поскольку предложенная конструкция двигателя внутреннего сгорания уже имеет первый запорный элемент, переводимый для частичного отключения из второго рабочего положения в первое для перекрытия второго потокового канала, соответствующего по крайней мере одному отключенному цилиндру, было бы крайне предпочтительным использовать данный запорный элемент также и для открывания и закрывания соединения между потоковыми каналами.
Таким образом, предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых первый запорный элемент расположен на конце второго потокового канала со стороны рабочего колеса, и в первом рабочем положении блокирует соединение, а во втором положении открывает его.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых первый запорный элемент в первом рабочем положении соединяет второй потоковый канал с линией рециркуляции, а во втором рабочем положении отделяет второй потоковый канал от этой линии рециркуляции, при этом линия рециркуляции переходит во впускную линию по крайней мере одного переключаемого от нагрузки цилиндра.
В соответствии с данным вариантом реализации поток газа (выхлопных газов) из отключенного цилиндра не только блокируется, но и перенаправляется, а именно рециркулируется. В отключенный цилиндр при частичном отключении двигателя подается не наддувочный воздух, а выхлопные газы из общей выпускной линии, подаваемые через линию рециркуляции во впускную линию отключенного цилиндра для уменьшения насосных потерь отключенного цилиндра. Линия рециркуляции выполняет функцию обводного трубопровода и влияет на выравнивание давлений между стороной впуска и стороной выпуска отключенного цилиндра. Это значительно способствует сокращению насосных потерь. Отключенные цилиндры перекачивают рециркулированные выхлопные газы со стороны впуска на сторону выпуска аналогично компрессору.
Вследствие того, что горячие выхлопные газы при частичном отключении проходят через отключенные цилиндры, эти цилиндры не могут охлаждаться. Такой подход имеет преимущество, в частности, позволяя снизить вредные выбросы, особенно выбросы несгоревших углеводородов, поскольку отключенные цилиндры сразу после завершения частичного отключения сразу же достигают своей рабочей температуры. Строго говоря, во время частичного отключения горячие выхлопные газы не рециркулируются через линию рециркуляции непрерывным потоком, вместо этого, по крайней мере во время первого рабочего цикла частичного отключения, рециркулируются выхлопные газы из предшествующего рабочего цикла, то есть горячие выхлопные газы последнего рабочего цикла с воспламенением. Затем во время следующих рабочих циклов частичного отключения медленно остывающие выхлопные газы с той или иной долей холодного наддувочного воздуха подаются в по крайней мере один отключенный цилиндр. Тем не менее, в данном случае речь идет о рециркуляции горячих выхлопных газов.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых в линии рециркуляции расположен второй запорный элемент. Второй запорный элемент предназначен для регулировки количества рециркулируемых выхлопных газов и градиента давления между стороной впуска и выпуска отключенного цилиндра. В этом отношении второй запорный элемент также может использоваться для поддержания на одном уровне количества выхлопных газов во время частичного отключения.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых во впускной линии по крайней мере одного переключаемого под нагрузкой цилиндра расположен третий запорный элемент, открывающий впускную линию для подачи наддувочного воздуха при включенном цилиндре и закрывающий ее при отключенном цилиндре, при этом линия рециркуляции соединяется с впускной линией по крайней мере одного переключаемого под нагрузкой цилиндра ниже по потоку от этого третьего запорного элемента.
В соответствии с данным вариантом в отключенный цилиндр во время частичного отключения подается не наддувочный воздух, а только выхлопные газы из общей выпускной линии. Для этого впускные линии отключенных цилиндров закрываются с помощью запорных элементов, при этом линия рециркуляции соединяется с впускными линиями, отделенными от стороны впуска ниже по потоку от запорных элементов. При этом выполняется стопроцентная рециркуляция выхлопных газов.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых второй запорный элемент имеет плавную регулировку.
В частности, выполнение второго запорного элемента в виде плавно регулируемого клапана позволяет осуществлять точную дозировку возвращаемых в отключенный цилиндр выхлопных газов, аналогично регулировке коэффициента возврата системы рециркуляции выхлопных газов с помощью клапана EGR. Измерение количества рециркулируемых выхлопных газов может осуществляться в зависимости от рабочей точки, в частности, с учетом минимальных насосных потерь.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых первый запорный элемент и/или третий запорный элемент имеют двухступенчатое переключение.
Первый запорный элемент во время частичного отключения должен только перекрывать второй потоковый канал и открывать его после завершения частичного отключения, для чего достаточно использовать запорный элемент с двухступенчатым переключением. То же самое касается третьего запорного элемента, расположенного во впускной линии переключаемого цилиндра, который закрывает впускную линию отключенного цилиндра и открывает ее после завершения частичного отключения.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых первый запорный элемент и/или второй запорный элемент, и/или третий запорный элемент выполнены в виде клапана, поворачивающегося клапана или дроссельного клапана.
Запорные элементы могут иметь электрическое, гидравлическое, пневматическое, механическое или магнитное управление, предпочтительно с помощью контроллера двигателя.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых первый запорный элемент представляет собой линейно перемещаемый элемент, т.е. заслонку.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых в системе отвода выхлопных газов предусмотрена по крайней мере одна система обработки выхлопных газов, например, окислительный каталитический нейтрализатор, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, накопительный каталитический нейтрализатор, селективный каталитический нейтрализатор и/или сажевый фильтр.
В двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом с четырьмя цилиндрами, расположенными в один ряд, будут предпочтительными варианты реализации, в которых два крайних и два внутренних цилиндра образуют в каждом случае одну группу.
Для того чтобы во время импульсного надува при частичном отключении импульсы давления не объединялись с импульсами предварения выпуска, необходимо сгруппировать цилиндры соответствующим образом или соединить выпускные линии так, чтобы избежать взаимного влияния цилиндров в группе. В этом отношении в головке блока цилиндров с четырьмя цилиндрами, расположенными в один ряд, будет предпочтительно объединить в группу каждые два цилиндра, имеющие интервал зажигания, соответствующий 360° поворота коленчатого вала. Если, например, зажигание в цилиндрах осуществляется в последовательности 1-2 - 4-3 или 1-3 - 4-2, то будет предпочтительным объединение внешних цилиндров в первую группу, а внутренних цилиндров во вторую группу.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых имеется система рециркуляции выхлопных газов с линией, отходящей от системы отвода выхлопных газов и переходящей во впускную систему.
EGR
EGR
EGR
EGR
свеж
возд
EGR
свеж
возд
Рециркуляция выхлопных газов, т.е. возврат газообразных продуктов сгорания, является подходящим средством для снижения выбросов оксидов азота, при этом с увеличением рециркуляции выхлопных газов выбросы оксидов азота будут значительно уменьшаться. Доля рециркулированных выхлопных газов x определяется при этом с помощью следующего уравнения: x=m / (m+m. .), где m - масса возвращаемых выхлопных газов, m,  - подводимый и проходящий через компрессор и сжимаемый там свежий воздух. Для достижения значительного снижения выбросов оксидов азота необходимы высокие количества рециркулированных выхлопных газов, порядка xEGR≈60-70%.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых в линии рециркуляции выхлопных газов установлен клапан для регулировки количества рециркулированных выхлопных газов.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых линия рециркуляции выхлопных газов отходит из системы отвода выхлопных газов выше по потоку от турбины по крайней мере одного турбокомпрессора, работающего с помощью выхлопных газов, и вливается в систему впуска ниже по потоку от компрессора по крайней мере одного турбокомпрессора, работающего с помощью выхлопных газов.
При так называемой рециркуляции выхлопных газов высокого давления выхлопные газы отводятся из системы рециркуляции выхлопных газов выше по потоку от турбины и подаются в систему впуска ниже по потоку от компрессора, вследствие чего выхлопные газы не подвергаются обработке до рециркуляции, в частности, не проходят через сажевый фильтр, поскольку опасность загрязнения компрессора отсутствует.
При эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и турбонаддувом и одновременном использовании рециркуляции выхлопных газов высокого давления может возникнуть противоречие, так как рециркулируемые выхлопные газы больше не используются для привода турбины. При увеличении доли рециркуляции выхлопных газов снижается направляемый в турбину поток выхлопных газов. Уменьшенный поток выхлопных газов, проходящий через турбину, становится причиной меньшего перепада давлений в турбине, вследствие чего также снижается степень наддува, что равнозначно меньшему потоку наддувочного воздуха. Одним из решений данной проблемы является использование так называемой рециркуляции выхлопных газов низкого давления. В отличие от рециркуляции выхлопных газов высокого давления при рециркуляции выхлопных газов низкого давления в систему впуска подаются выхлопные газы, которые уже прошли через турбину. Для этого в систему рециркуляции выхлопных газов низкого давления включена линия рециркуляции, отходящая из системы отвода выхлопных газов ниже по потоку от турбины и входящая в систему впуска выше по потоку от компрессора.
Выхлопные газы, возвращенные на сторону впуска с помощью рециркуляции выхлопных газов низкого давления, смешиваются со свежим воздухом выше по потоку от компрессора. Полученная таким образом смесь из свежего воздуха и рециркулированных выхлопных газов образует наддувочный воздух, подаваемый и сжимаемый компрессором.
Поскольку в системе рециркуляции выхлопных газов низкого давления выхлопные газы проходят через компрессор, они перед этим должны быть подвергнуты обработке, в частности, пройти через сажевый фильтр. Необходимо предотвращать образование в компрессоре отложений, изменяющих его геометрию, в частности, поперечное сечение потока, и таким образом ухудшающих его эффективность.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых каждый цилиндр оснащен системой непосредственного впрыска топлива.
Предпочтительными при этом являются варианты реализации, в которых каждый цилиндр оснащен форсункой для непосредственного впрыска.
Подача топлива для частичного отключения в двигателе внутреннего сгорания с непосредственным впрыском деактивируется быстрее и надежнее, чем в двигателе внутреннего сгорания с впрыском во впускной коллектор, в котором остатки топлива во всасывающей трубе могут привести к нежелательным возгораниям в отключенном цилиндре.
Несмотря на это, могут быть предпочтительными варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и наддувом, в которых для подачи топлива используется впрыск во впускной коллектор.
Необходимо отметить, что различные двигатели внутреннего сгорания характеризуются различающимися вариантами их эксплуатации.
down
up
Предпочтительными будут варианты способа эксплуатации, в которых по крайней мере один переключаемый цилиндр второй группы переключают в зависимости от нагрузки T двигателя внутреннего сгорания таким образом, что этот цилиндр будет отключаться при невозможности достижения задаваемой нагрузки T, и включаться при превышении задаваемой нагрузки T.
down
up
Задаваемые нижние и верхнее значения предельных нагрузок T и T могут быть как одинаковыми, так и различными. При работающем двигателе внутреннего сгорания цилиндры первой группы находятся в режиме непрерывной работы. Переключение, т.е. включение или отключение, осуществляется во второй группе цилиндров.
down
up
Предпочтительными будут варианты способа эксплуатации, в которых задаваемая нагрузка T и/или T будет зависеть от скорости n вращения двигателя внутреннего сгорания. В этом случае будет иметь место не только одна конкретная нагрузка, при недостижении или превышении которой будет происходить переключение независимо от скорости n вращения. Вместо этого используется подход зависимости от скорости двигателя, будет определен диапазон характеристик, в которых происходит частичное отключение.
Принципиально в качестве критерия для частичного отключения возможно использование других рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, например, температуры двигателя или температуры охлаждающего средства после холодного запуска.
Предпочтительными будут варианты способа эксплуатации, в которых при отключении деактивируется подача топлива в по крайней мере один переключаемый цилиндр. В результате можно достичь преимуществ с точки зрения расхода топлива и выбросов вредных веществ, что соответствует цели частичного отключения, а именно сокращению расхода топлива и увеличению КПД.
Предпочтительными будут варианты способа эксплуатации, в которых каждый цилиндр для осуществления искрового зажигания оснащен запальным устройством, при этом запальное устройство по крайней мере одного переключаемого цилиндра деактивируется при отключении.
Вышеприведенные варианты способа эксплуатации касаются его использования в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, например, бензиновом двигателе с непосредственным впрыском, цилиндры которого для обеспечения искрового зажигания оснащены запальным приспособлением.
Краткое описание чертежей
Далее полезная модель более подробно рассматривается на примере двигателя внутреннего сгорания с наддувом в соответствии с Фиг. 1-3.
На Фиг. 1 схематически представлен первый вариант двигателя внутреннего сгорания с наддувом,
На Фиг. 2 схематически представлен половинный разрез по оси вращения рабочего колеса принципиального устройства двухпоточной турбины первого варианта двигателя с наддувом с первым запорным элементом во втором рабочем положении, и
На Фиг. 3 схематически представлен половинный разрез по оси вращения рабочего колеса турбины с Фиг. 2, с первым запорным элементом в первом рабочем положении.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 схематически показан первый вариант выполнения двигателя 13 внутреннего сгорания с наддувом. Речь идет о четырехцилиндровом рядном двигателе 13, в котором четыре цилиндра 1, 2, 3, 4 расположены вдоль продольной оси головки блока цилиндров, т.е. в ряд.
Каждый цилиндр 1, 2, 3, 4 имеет одну впускную линию 5a, 5b для подачи наддувочного воздуха через впускную систему 6 и выпускную линию 7a, 7b для отвода выхлопных газов через систему 8 отвода выхлопных газов.
Для обеспечения наддува двигатель 13 оснащен турбокомпрессором 12, работающего с помощью выхлопных газов, при этом турбина 12a расположена в системе 8 отвода выхлопных газов, а компрессор 12b расположен в общей впускной линии 6а впускной системы 6. Подаваемый в двигатель 13 свежий воздух сжимается в компрессоре 12b, для чего используется энтальпия потока выхлопных газов в турбине 12a. Турбина 12a представляет собой двухпоточную турбину 12a в виде спаренной турбины 12A. Ниже по потоку от турбины 12a находится система 16 нейтрализации выхлопных газов.
Двигатель 13 также оснащен системой 15 рециркуляции выхлопных газов, а именно, системой рециркуляции выхлопных газов высокого давления. Для этого линия 15a ответвляется от системы 8 отвода выхлопных газов выше по потоку от турбины 12a для возврата выхлопных газов и входит в впускную систему 6 ниже по потоку от компрессора 12b. В линии 15а системы 15 рециркуляции выхлопных газов расположен клапан 14 для регулировки доли рециркулированных выхлопных газов.
Четыре цилиндра 1, 2, 3, 4 образуют две группы по два цилиндра, при этом два внешних цилиндра 1, 4 образуют первую группу, в которой цилиндры 1, 4 продолжают работать даже при частичном отключении двигателя 13, а два внутренних цилиндра 2, 3 образуют вторую группу, в которой цилиндры 2, 3 могут отключаться в зависимости от нагрузки при частичном отключении.
Во впускных линиях 5b обоих внутренних цилиндров 2, 3 в качестве третьего запорного элемента установлены клапаны 9, открывающие впускные линии 5b для подачи наддувочного воздуха через впускную систему 6, когда внутренние цилиндры 2, 3 включены, или закрывающие эти линии, когда оба внутренних цилиндра 2, 3 отключаются при частичном отключении двигателя 13.
Выпускные линии 7a, 7b цилиндров 1, 2, 3, 4 каждой группы цилиндров объединяются в каждом случае в общие выпускные линии 7А, 7 В, образуя выпускной коллектор. Обе общих выпускных линии 7A, 7B соединены с двухпоточной турбиной 12a, при этом каждый общая выпускная линия 7A, 7B вливается в один потоковый канал 17A, 17B турбины 12а (см. также Фиг. 2 и 3).
В первом рабочем положении турбины 12a второй потоковый канал 17B, относящийся ко второй группе цилиндров, блокируется (т.е. отделяется от рабочего колеса 19) и соединяется с линией рециркуляции 10a, которая вливается во впускные линии 5b двух переключаемых в зависимости от нагрузки цилиндров 2, 3. Во втором рабочем положении турбины 12a второй потоковый канал 17B, открывается (т.е. соединяется с рабочим колесом 19), и одновременно отделяется от линии рециркуляции 10a.
Линия рециркуляции 10а предназначена для подачи выхлопных газов в отключенные цилиндры 2, 3 при частичном отключении. Предусмотренный в системе 10 рециркуляции выхлопных газов второй запорный элемент 11 предназначен для дозировки рециркулируемых выхлопных газов. Линия рециркуляции 10a обеспечивает при частичном отключении выравнивание давлений между стороной 6 впуска и стороной 8 выпуска отключенных цилиндров 2, 3, вследствие чего уменьшаются насосные потери данных цилиндров 2, 3 при частичном отключении.
На Фиг. 2 и 3 схематически в виде половинного разреза по оси 19a вращения рабочего колеса 19 показано принципиальное устройство двухпоточной турбины 12a первого варианта реализации двигателя внутреннего сгорания с наддувом, при этом на Фиг. 2 показана турбина 12a с первым запорным элементом 20 во втором рабочем положении, а на Фиг. 3 показана турбина 12a с первым запорным элементом 20 в первом рабочем положении.
Показанная на Фиг. 2 и 3 турбина 12a является спаренной турбиной 12A, отличающейся тем, что оба потоковых канала 17A, 17B расположены рядом друг с другом и обтекают рабочее колесо 19 по одинаковым радиусам по крайней мере на некоторых участках. Оба потоковых канала 17A, 17B спаренной турбины 12A, по крайней мере, на показанных половинных разрезах, проходят на одинаковом радиальном расстоянии от вала 19a турбины 12a в корпусе 18.
Перегородка 18a корпуса 18 турбины отделяет оба потоковых канала 17A, 17B друг от друга, в частности до места, находящегося на коротком расстоянии выше по потоку от входа в рабочее колесо 19. Свободный конец перегородки со стороны рабочего колеса 18a отделен пространством от рабочего колеса 19 и образует таким образом соединение 18b между обоими потоковыми каналами 17A, 17B.
Первый запорный элемент 20 расположен на конце второго потокового канала 17B со стороны рабочего колеса, блокирует указанное соединение 18b в своем первом рабочем положении (см. Фиг. 3) и открывает соединение 18b во втором своем рабочем положении (см. Фиг. 2).
Одновременно с этим первый запорный элемент 20 соединяет в первом рабочем положении второй потоковый канал 17B с линией рециркуляции 10a, 21 (см. Фиг. 3), а во втором рабочем положении отделяет второй потоковый канал 17B от данной линии рециркуляции 10a, 21 (см. Фиг. 2).
Первый запорный элемент 20 выполнен в виде заслонки 20a и переводится из первого рабочего положения (см. Фиг. 3) во второе рабочее положение (см. Фиг. 2) и наоборот посредством линейного перемещения (см. двойную стрелку).
Перечень ссылочных позиций
1
первый цилиндр, внешний цилиндр
2
второй цилиндр, внутренний цилиндр, переключаемый цилиндр
3
третий цилиндр, внутренний цилиндр, переключаемый цилиндр
4
четвертый цилиндр, внешний цилиндр
5a
впускная линия цилиндра первой группы
5b
впускная линия цилиндра второй группы
6
впускная система, сторона впуска
6a
общая впускная линия
7a
выпускная линия цилиндра первой группы
7A
общая выпускная линия первой группы цилиндров
7b
выпускная линия цилиндра второй группы, т.е. переключаемого цилиндра
7B
общая выпускная линия второй группы цилиндров
8
система отвода выхлопных газов, сторона выпуска
9
третий запорный элемент, клапан
10
система рециркуляции выхлопных газов
10a
линия рециркуляции
11
второй запорный элемент, клапан
12
турбокомпрессор на выхлопных газах
12a
турбина
12A
спаренная турбина
12b
компрессор
13
двигатель внутреннего сгорания, четырехцилиндровый рядный двигатель
14
клапан EGR.
15
система рециркуляции выхлопных газов
15a
линия (трубопровод)
16
система нейтрализации выхлопных газов
17A
первый потоковый канал
17B
второй потоковый канал
18
корпус турбины
18a
перегородка
18b
соединение
19
рабочее колесо
19a
вал, ось вращения рабочего колеса
20
первый запорный элемент
20a
заслонка
21
линия рециркуляции
n
скорость вращения двигателя внутреннего сгорания
T
нагрузка
T<sub>down</sub>
задаваемый нижний предел нагрузки
T<sub>max,n</sub>
максимальная нагрузка при текущей скорости n вращения
T<sub>up</sub>
задаваемый верхний предел нагрузки