Устройство турбонаддува двигателя внутреннего сгорания
DEVICE FOR TURBO-CHARGE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, работающим с использованием газотурбинного наддува.
Для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС) необходимо создать оптимальные условия для сгорания топлива, в частности обогатить воздушную смесь кислородом. Для этих целей в современных ДВС применяют турбонаддув, в результате чего давление впускного атмосферного воздуха возрастает и происходит увеличение его плотности, что, с одной стороны, обеспечивает повышение содержания кислорода, а с другой стороны - повышение температуры, что может привести к быстрому износу двигателя. Поэтому вопрос снижения температуры наддувочного воздуха, подаваемого в ДВС, является весьма актуальным для обеспечения длительной работы двигателя.
Известны устройства турбонаддува в двигателях внутреннего сгорания («Тюнинг автомобильных двигателей» Санкт-Петербург, В.Н. Степанов, 2000 г., стр. 55; Международный ежегодный каталог «Global Sourcing Guide 2006», стр. 216), в которых увеличение подачи воздуха во входной коллектор обеспечивается путем использования энергии отработавших газов для привода воздушного компрессора. Использование турбонаддува позволяет обеспечить сжигание большего количества топлива, в результате чего повышается выходная мощность двигателя по сравнению с мощностью, получаемой в условиях естественного всасывания. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечивает экономию топлива в расчете на единицу мощности и снижение токсичности отработавших газов за счет более полного сгорания топлива.
Недостатком известных устройств является отсутствие автоматической регулировки величины турбонаддува, что может привести как к тепловой перегрузке и даже разрушению турбины при больших оборотах двигателя, так и к низкой эффективности работы на низких оборотах из-за наличия так называемой «турбоямы». Ее наличие объясняется тем, что на малых оборотах или сразу после резкого нажатия на педаль газа давление выхлопных газов мало отличается от атмосферного давления, вследствие чего скорость вращение крыльчатки турбонагнетателя не достаточна для сжатия впускного воздуха до нужного объема. В результате этого возникает дефицит воздуха в горючей смеси и его составляющей - кислорода, что снижает приемистость двигателя.
Известны устройства турбонаддува, описанные, например, в патенте РФ №2425991 и патентной заявке US 20130152583, в которых автоматическая регулировка степени турбонаддува обеспечивается изменением геометрии турбонагнетателя по соответствующим командам блока управления. В известных устройствах обеспечивается изменение потока отработанных газов, попадающих на лопатки турбины для оптимизации мощности для заданной нагрузки.
При низких оборотах двигателя поток отработанных газов является небольшим и раскручивает турбину недостаточно быстро для резкого ускорения. В этот момент по сигналу блока управления направляющие лопатки турбины сдвигаются, что приводит к возрастанию числа оборотов турбины и увеличению давление наддува. Таким образом удается увеличить скорость вращения турбины без резкого увеличения объема отработанных газов.
На высоких оборотах двигателя и при высокой скорости газового потока по сигналу блока управления направляющие лопатки турбины раздвигаются, защищая от превышения числа оборотов и поддерживая давление наддува на уровне, требуемом для двигателя.
Изменением расстояния между направляющими лопатками с помощью привода посредством вакуумного регулятора или шагового электромотора можно управлять скоростью вращения турбины, и, как следствие - давлением наддувочного воздуха на выходе компрессора.
Данное техническое решение позволяет обеспечить управление потоком наддувочного воздуха, поступающего во входной коллектор двигателя, и как следствие - минимизировать эффект «турбоямы» и увеличить приемистость двигателя.
Однако описанные выше устройства характеризуются недостаточной надежностью работы, обусловленной ресурсным износом подвижных деталей, вследствие чего в механизме управления лопатками возникают чрезмерные люфты и появляется нагар, нарушающий подвижность его деталей. Наличие большого количества нагара приводит к снижению подвижности деталей и последующему их заклиниванию. По этой причине положение направляющих лопаток перестает соответствовать управляющему воздействию или, как крайний случай, направляющие лопатки вообще не поворачиваются. В результате давление надувочного воздуха перестает соответствовать необходимому для стабильной работы двигателя.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство турбонаддува ДВС описанные в патенте US 8,677,747.
Известное устройство турбонаддува содержит турбонагнетатель, включающий турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания, а выпуск соединен с атмосферой, и компрессор, выход которого через охладитель и дроссельную заслонку подключен к входному коллектору ДВС, воздушный фильтр, вход которого соединен с атмосферой, перепускной клапан, который включен между выходным коллектором ДВС и выходом турбины, байпасный клапан, который включен между входом дроссельной заслонки и входом компрессора, и блок управления, информационные входы которого подключены к датчикам, установленным на ДВС, педали акселератора, а также на входах воздушного фильтра и дроссельной заслонки, а соответствующие выходы подключены к управляющим входам дроссельной заслонки, перепускного клапана и байпасного клапана.
В качестве охладителя надувочного воздуха в известном устройстве использован интеркулер, представляющий собой теплообменник, состоящий из системы изогнутых «змейкой» тонких трубок и находящихся между ними пластин. Пластины увеличивают площадь поверхности интеркулера и обеспечивают лучшую теплоотдачу от наддувочного воздуха в атмосферу.
В известном устройстве турбонаддува ДВС осуществляют фильтрацию впускного атмосферного воздуха и его сжатие в турбонагнетателе с получением наддувочного воздуха, который затем охлаждают и подают во впускной коллектор ДВС. Одновременно измеряют температуру и давление наддувочного воздуха, по значениям которых регулируют скорость вращения турбонагнетателя путем управляемой подачи части выхлопных газов в атмосферу, минуя турбонагнетатель. Охлаждение наддувочного воздуха осуществляют атмосферным воздухом при прохождении через интеркулер.
Данное устройство обеспечивает управление наддувочным воздухом во входном коллекторе ДВС, и, как следствие, повышение динамики управления режимом работы ДВС. При этом улучшается приемистость ДВС, то есть сокращается время реакции режима работы ДВС на управляющее воздействие, например, нажатие педали акселератора.
Управление потоком наддувочного воздуха, поступающим во входной коллектор ДВС, осуществляется блоком управления по сигналам датчика акселератора, а также по сигналам датчиков температуры и давления, установленных на входном и выходном патрубках, блоке цилиндров ДВС, и на выходе компрессора, путем изменения положения дроссельной заслонки, байпасного и перепускного клапанов. При этом запрограммированный алгоритм регулирования обеспечивает максимальное приближение диапазона регулировки к заранее выбранному верхнему и нижнему пределам скоростей вращения вала компрессора с учетом температуры и давления впускного и наддувочного воздуха, а также режима работы ДВС.
Следует отметить, что известное устройство по составу и сути типично для современного автомобиля, а управление фактически обеспечивается за счет выбора алгоритма управления потоком наддувочного воздуха, подаваемым во входной коллектор ДВС, который заложен в программное обеспечение контроллера.
Однако известное устройство характеризуются недостаточно высокой динамикой управления потоком наддувочного воздуха, и, как следствие, режимом работы ДВС. Это обусловлено использованием в известном устройстве интеркулера, который является инерционным звеном на пути наддувочного воздуха к входному коллектору ДВС. Прежде чем надувочный воздух пройдет путь от компрессора к впускному коллектору ДВС, он должен заполнить всю систему трубок интеркулера. Изогнутые «змейкой» трубки увеличивают общую длину теплообменника и улучшают охлаждение наддувочного воздуха, однако каждый изгиб трубки создает дополнительное сопротивление проходящему по ней потоку наддувочного воздуха, что в целом снижает скорость прохождения наддувочного воздуха на пути от компрессора к входному коллектору ДВС.
Вследствие того, что интеркулер создает сопротивление проходящему через него потоку наддувочного воздуха, давление на выходе из интеркулера снижается, в связи с чем для получения заданного давления во впускном коллекторе ДВС необходимо поднимать давление на выходе компрессора, что приводит к дополнительному росту-температуры наддувочного воздуха.
При движении автомобиля по трудным участкам дорог (крутой подъем, пересеченная местность) поток внешнего атмосферного воздуха, охлаждающего интеркулер, будет минимальным, и интеркулер практически не будет охлаждать наддувочный воздух. При этом давление и температура наддувочного воздуха на выходе компрессора и на входном коллекторе ДВС не будут соответствовать требуемым значениям.
Таким образом, охлаждение наддувочного воздуха атмосферным воздухом и выполнение охладителя наддувочного воздуха в виде интеркулера приводит в известном техническом решении к снижению динамики управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания.
Кроме того, при запуске и прогреве турбодвигателя в холодную погоду он в течении продолжительного времени работает как обыкновенный атмосферный двигатель и из-за низкой температуры впускного воздуха во входном коллекторе падает качество смеси поступающей в цилиндры, что по информации из технических источников приводит к значительному увеличению вредных выбросов в атмосферу, превышающему в несколько раз нормативные значения, и наблюдается повышенный расход топлива. При этом также возрастает нагрузка на подшипники компрессора турбонагнетателя вследствие плохой смазки, что приводит к их повышенному износу.
Недостатком известного устройства также является и то обстоятельство, что при срабатывании байпасного клапана горячий наддувочный воздух поступает на вход компрессора и повышает и без того высокую температуру на его выходе. То есть возникает эффект замкнутого кольца, приводящий к значительному повышению температуры и снижению плотности наддувочного воздуха, что в конечном итоге также приводит к снижению динамики управления двигателем.
Технической задачей заявленного изобретения является разработка устройства турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, в котором организации охлаждения наддувочного воздуха в штатном режиме, а также подогрева впускного воздуха во время запуска и прогрева двигателя повышали бы динамику управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, содержащем турбонагнетатель, включающий турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания, а выпуск соединен с атмосферой, и компрессор, охладитель, соединенный с выходом компрессора и дроссельной заслонкой, сообщенной с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания, воздушный фильтр, вход которого соединен с атмосферой, перепускной клапан, установленный между выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания и выпуском турбины, байпасный клапан, вход которого подключен к выходу охладителя, и блок управления, информационные входы которого подключены к датчику акселератора и к датчикам температуры и давления двигателя внутреннего сгорания, а соответствующие выходы подключены к управляющим входам дроссельной заслонки, перепускного клапана и байпасного клапана, согласно изобретению, охладитель наддувочного воздуха имеет второй вход, сообщенный с выходом воздушного фильтра, и второй выход, сообщенный со входом компрессора, при этом устройство содержит регулируемый охладитель впускного атмосферного воздуха, установленный между входом компрессора и вторым выходом охладителя наддувочного воздуха, с которым соединен выход байпасного клапана, контроллер температуры впускного атмосферного воздуха, информационные входы которого подключены к дополнительным датчикам температуры и давления, установленным на входе и выходе регулируемого охладителя впускного атмосферного воздуха, а также к выходу блока управления, подключенному к управляющему входу байпасного клапана, при этом выход контроллера температуры впускного атмосферного воздуха подключен к управляющему входу регулируемого охладителя впускного атмосферного воздуха, а блок управления и контроллер температуры впускного атмосферного воздуха соединены информационной шиной.
При этом предпочтительно, чтобы охладитель наддувочного воздуха содержал воздуховод наддувочного воздуха, выполненный в виде полой протяженной камеры, имеющей входной и выходной патрубки меньшего поперечного сечения, служащие первыми входом и выходом, соответственно, входной и выходной коллекторы впускного атмосферного воздуха, входной и выходной патрубки которого служат вторыми входом и выходом охладителя наддувочного воздуха, при этом через входной коллектор впускного атмосферного воздуха проходит выходной патрубок воздуховода наддувочного воздуха, а через выходной коллектор впускного атмосферного воздуха проходит входной патрубок воздуховода наддувочного воздуха, соответственно, группу патрубков впускного атмосферного воздуха, смонтированных на наружной боковой поверхности воздуховода наддувочного воздуха так, что входной и выходной концы каждого патрубка впускного атмосферного воздуха соединены с входным и выходным коллекторами впускного атмосферного воздуха, соответственно, и группу охлаждающих пластин, закрепленных на патрубках впускного атмосферного воздуха.
Технический результат заявленного устройства турбонаддува двигателя внутреннего сгорания заключается в повышении динамики управления турбонаддувом, то есть сокращении времени реакции двигателя на управляющее воздействие. Это достигается за счет конструктивного выполнения охладителя наддувочного воздуха, в котором организован теплообмен между впускным атмосферным и наддувочным воздухом, и за счет управляемого охладителя впускного атмосферного воздуха, обеспечивающего охлаждение входного атмосферного воздуха перед подачей в турбонагнетатель. Введенный в состав устройства контроллер температуры впускного атмосферного воздуха обеспечивает формирование регулирующего сигнала для управляемого охладителя впускного атмосферного воздуха с целью поддержания заданной температуры атмосферного воздуха на входе компрессора.
Заявленное конструктивное выполнение охладителя наддувочного воздуха, в котором осуществляется разнонаправленное прямоточное движение впускного атмосферного и наддувочного воздуха вдоль общей теплопроводящей поверхности с одновременным охлаждением наддувочного воздуха, позволяет утверждать, что выход компрессора соединен с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания без наличия инерционных элементов и с возможностью обеспечения накопления воздуха в воздуховоде наддувочного воздуха. Названные конструктивные особенности заявленного устройства исключают потери давления на входном коллекторе двигателя внутреннего сгорания и позволяют минимизировать эффект «турбоямы».
Дополнительное повышение динамики управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания обеспечивает выполнение охлаждающих пластин на наружной боковой поверхности воздуховода наддувочного воздуха, что позволяет уменьшить тепловое сопротивление между элементами охладителя наддувочного воздуха и атмосферой, снизить температуру наддувочного воздуха и повысить его плотность на входе дроссельной заслонки.
Во время запуска и прогрева двигателя в предложенном устройстве обеспечивается подогрев впускного атмосферного воздуха за счет теплообмена прогревающегося воздуховода наддувочного воздуха с патрубками впускного атмосферного воздуха, что сокращает время выхода двигателя на номинальный режим и снижает выбросы вредных веществ в атмосферу.
Дополнительным эффектом от заявленного исполнения охладителя является автоматическое увеличение отбора тепла от потока наддувочного воздуха при увеличении нагрузки на двигатель благодаря соответствующему увеличению объема всасываемого атмосферного воздуха, приводящее к повышению динамики управления турбонаддувом двигателя и улучшению приемистости двигателя, снижению расхода топлива и повышению надежности двигателя за счет увеличения ресурса работы охладителя.
Изобретение описывается детально в нижеприведенном примере, не являющемся при этом исключительным и единственным в рамках патентуемого изобретения, со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг. 1 изображает функциональную схему устройства турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, согласно изобретению;
Фиг. 2 - охладитель в продольном разрезе, согласно изобретению.
Устройство турбонаддува ДВС содержит турбонагнетатель 1, включающий турбину 2 и компрессор 3, и двигатель 4 внутреннего сгорания (ДВС 4). ДВС 4 включает входной коллектор 5, выходной коллектор 6 и блок 7 цилиндров. Устройство содержит охладитель 8 наддувочного воздуха, первый вход 9 которого подключен к выходу компрессора 3, а первый выход 10 через дроссельную заслонку 11 подключен к входному коллектору 5 ДВС 4. Между впуском и выпуском турбины 2 установлен перепускной клапан 12. Согласно изобретению, охладитель 8 наддувочного воздуха имеет второй вход 13, соединенный с выходом воздушного фильтра 14, и второй выход 15, между которым и входом дроссельной заслонки 11 установлен байпасный клапан 16.
Отличительной особенностью настоящего изобретения является введение в схему устройства регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха, который установлен между вторым выходом 15 охладителя 8 наддувочного воздуха и входом компрессора 3. Регулируемый охладитель 17 впускного атмосферного воздуха может представлять собой как один из узлов системы кондиционирования автомобиля, так и самостоятельный модуль с различным выполнением исполнительных элементов, что известно, например, из WO 2013105152 А1, US 20120085512 A1, US 20100025125 А1, US 20140223925 А1. В качестве примера исполнительные элементы охладитель 17 впускного атмосферного воздуха могут представлять собой трубки с хладагентом или элементы Пельтье, размещенные на воздуховоде, соединяющем второй выход 15 охладителя 8 с компрессором 3. При этом, в зависимости от конкретного исполнения регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха, регулирование степени охлаждения производится как электрически управляемыми заслонками, так и регуляторами напряжения.
Устройство содержит датчик 18 акселлератора и датчики 19 температуры и давления, которые установлены на входном коллекторе 5, выходном коллекторе 6 и блоке 7 цилиндров ДВС 4, а также перед дроссельной заслонкой 11 и входе и выходе регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха.
Устройство также содержит блок 20 управления, выходы которого подключены к управляющим входам дроссельной заслонки 11, перепускного клапана 12 и байпасного клапана 16. Информационные входы блока 20 управления подключены к датчику 18 акселератора и к датчикам 19 температуры и давления, установленным на входном коллекторе 5, выходном коллекторе 6, блоке 7 цилиндров ДВС и на входе дроссельной заслонки 11.
С блоком 20 информационной шиной 21 соединен контроллер 22 температуры впускного атмосферного воздуха, информационные входы которого подключены к датчикам 19 температуры и давления, установленным на входе и выходе регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха, а также к выходу блока 20 управления, подключенному к управляющему входу байпасного клапана 16. Выход контроллера 22 температуры впускного атмосферного воздуха подключен к управляющему входу регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха.
Согласно изобретению, охладитель 8 наддувочного воздуха содержит воздуховод 23 наддувочного воздуха (фиг. 2), выполненный в виде полой протяженной камеры с входным и выходным патрубками 24, 25 меньшего поперечного сечения, присоединенными к камере посредством переходников 26, 27. Входной патрубок 24, являющийся первым входом 9 охладителя 8, сообщен с компрессором 3 (фиг. 1), а выходной патрубок 25, являющийся первым выходом 10 охладителя 8, сообщен с дроссельной заслонкой 11.
Следует отметить, что в поперечном сечении воздуховод 23 может иметь различную форму, например, круглую, овальную, прямоугольную, что определяется конструктивными особенностями и предполагаемым местом установки охладителя 8 в автомобиле.
Охладитель 8 наддувочного воздуха также содержит входной коллектор 28 впускного атмосферного воздуха, который закреплен на выходном торце воздуховода 23 наддувочного воздуха, а его входной патрубок служит вторым входом 13 охладителя 8. Выходной патрубок 25 воздуховода 23 наддувочного воздуха проходит через коллектор 28 впускного атмосферного воздуха.
Кроме того, охладитель 8 содержит выходной коллектор 29 впускного атмосферного воздуха, закрепленный на входном торце воздуховода 23 наддувочного воздуха через термоизолирующую прокладку 30. Выходной коллектор 29 имеет выходной патрубок, служащий вторым выходом 15 охладителя 8, который сообщен с регулируемым охладителем 17 впускного атмосферного воздуха (фиг. 1). Полость выходного коллектора 29 разделена на камеры 31, 32, в первой из которых размещен входной патрубок 24 воздуховода 23 наддувочного воздуха.
На наружной боковой поверхности воздуховода 23 наддувочного воздуха смонтирована группа патрубков 33 впускного атмосферного воздуха, входы которых соединены с коллектором 28 впускного атмосферного воздуха. Выходные концы патрубков 33 впускного атмосферного воздуха проходят во вторую камеру 32 выходного коллектора 29 впускного атмосферного воздуха через уплотнительные прокладки, исключающие «подсасывание» атмосферного воздуха.
Число патрубков 33 впускного атмосферного воздуха определяется конструктивными особенностями конкретного охладителя 8 и предполагаемым местом установки в автомобиле, так, чтобы достигалось покрытие всей внешней поверхности воздуховода 23 наддувочного воздуха поверхностями соответствующих патрубков 33. Между контактирующими поверхностями патрубков 33 и воздуховода 23 наддувочного воздуха сформирована общая теплопроводящая поверхность, посредством которой осуществляется теплообмен между наддувочным воздухом и входным атмосферным воздухом. Для этого патрубки 33 размещены на боковой поверхности воздуховода 23 с соблюдением минимально возможного теплового сопротивления, например, путем укладки на слой теплопроводящей пасты.
На каждом патрубке 33 закреплены охлаждающие пластины 34, выполняющие функцию радиаторов, уменьшающих тепловое сопротивление на участке патрубок 33 -атмосфера. Форма и размеры охлаждающих пластин 34 рассчитываются с точки зрения минимизации теплового сопротивления и места установки охладителя 8 в автомобиле. Возможен вариант закрепления дополнительных охлаждающих пластин 34 непосредственно на воздуховоде 23 между патрубками.
Устройство турбонаддува двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
После запуска ДВС 4 (фиг. 1) по команде блока 20 управления перепускной клапан 12 и байпасный клапан 16 закрываются, вследствие чего все выхлопные газы, поступающие из выходного коллектора 6 ДВС 4, направляются к турбине 2 турбонагнетателя 1, раскручивая ее и компрессор 3, который находится на одном валу с турбиной 2. При этом по команде контроллера 22 исполнительный элемент (например, трубки с хладогентом или элементы Пельтье) регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха выключен и воздушный поток без изменения температуры поступает на вход компрессора 3, в котором поток входного атмосферного воздуха сжимается, а его давление и температура повышаются по мере увеличения скорости вращения турбины 2, таким образом формируя поток наддувочного воздуха. Наддувочный воздух направляется на первый вход 9 охладителя 8, в котором после прохождения воздуховода 23 наддувочного воздуха через дроссельную заслонку 11 поступает во входной коллектор 5 ДВС 4. По мере прогрева воздуховода 23 наддувочного воздуха тепло передается группе патрубков 33, обеспечивая нагрев проходящего по нему впускного атмосферного воздуха. Повышение температуры впускного атмосферного воздуха на входе компрессора 3 приводит к пропорциональному повышению температуры на его выходе и, соответственно, во входном коллекторе 5 ДВС 4. За счет этого обеспечивается ускоренный (по сравнению с прототипом) прогрев ДВС 4 и выход его на номинальный температурный режим, обеспечивающий адекватную реакцию на сигнал с датчика 18 акселератора, то есть повышение динамики управления режимом работы двигателя и снижение уровня выбросов до номинального штатного уровня.
Информационные сигналы с датчиков 19, установленных на входе и выходе регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха, поступают на информационные входы контроллера 22, который формирует сигнал управления для регулируемого охладителя 17 впускного воздуха. В соответствии с этим сигналом обеспечивается стабилизация температуры впускного воздуха на входе компрессора 3 в заданных пределах как при изменении температуры и давления атмосферного воздуха, так и при изменении режимов работы и скорости движения автомобиля.
При поступлении с блока 20 управления команды на включение байпасного клапана 16 контроллер 22 формирует команды, поступающие на управляющий вход регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха на форсированное снижение температуры для ее стабилизации в заданных пределах на входе компрессора 3. Более подробно процесс охлаждения наддувочного воздуха будет описан ниже.
В штатном режиме работы ДВС 4 на вход блока 20 управления с датчиков 19 поступают информационные сигналы о режиме работы ДВС 4, в частности, о температуре и давлении наддувочного воздуха. Полученные значения обрабатываются блоком 20 управления, сравниваются с запрограммированными для конкретного режима работы значениями и в случае их отличия формируются сигналы, поступающие на управляющие входы перепускного клапана 12, байпасного клапана 16 и дроссельной заслонки 11, в результате чего происходит изменение положения названных регулировочных элементов. По сигналам с датчиков 19, установленных на входе и на выходе регулируемого охладителя 17 атмосферного воздуха контролер 22 формирует управляющий сигнал для регулируемого 17 охладителя атмосферного воздуха, определяющий степень необходимого охлаждения для достижения допустимого диапазона изменений температуры впускного атмосферного воздуха на входе компрессора 3. При регулировании также учитываются и параметры работы ДВС 4, информация о которых поступает в контроллер 22 из блока 20 управления по информационной шине 21, по которой в обратном направлении поступает информация о параметрах впускного атмосферного воздуха на входе компрессора 3, в том числе о градиенте изменения температуры. Следует отметить, что блок 20 управления и контроллер 22 могут быть в общем случае реализованы в рамках единого бортового процессорного блока автомобиля.
Поток впускного атмосферного воздуха через входной патрубок, т.е. через первый вход 13 (фиг. 2) поступает во входной коллектор 28 впускного атмосферного воздуха и далее по патрубкам 33 в камеру 32 выходного коллектора 29 впускного атмосферного воздуха.
Наддувочный воздух от компрессора 3 достигает дроссельной заслонки 11, проходя через входной патрубок 24, первый переходник 26, воздуховод 23 наддувочного воздуха, второй переходник 27 и выходной патрубок 25. Термоизолирующая прокладка 30 снижает тепловые потери в зоне подачи наддувочного воздуха в воздуховод 23.
Согласно заявляемому изобретению в охладителе 8 наддувочного воздуха организован теплообмен между двумя противоположно направленными потоками -наддувочного воздуха и впускного атмосферного воздуха. В связи с тем, что температура наддувочного воздуха вследствие сжатия в компрессоре 3 превышает температуру впускного атмосферного воздуха, а потоки движутся навстречу друг другу, осуществляется передача тепла от наддувочного воздуха к впускному атмосферному воздуху через общую теплопроводящую поверхность, то есть охлаждение наддувочного воздуха и, соответственно, нагрев впускного атмосферного воздуха. Вследствие низкого теплового сопротивления между боковой поверхностью воздуховода 23 наддувочного воздуха и патрубков 33, по которым проходит поток впускного атмосферного воздуха, охлаждение наддувочного воздуха происходит с небольшими тепловыми потерями.
В штатном режиме для снижения температуры нагретого впускного атмосферного воздуха перед подачей в компрессор 3 его охлаждают посредством регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха. На этапе запуска и прогрева ДВС 4 при низких температурах окружающей среды обеспечивается подогрев холодного впускного атмосферного воздуха на входе компрессора 3 за счет теплообмена между воздуховодом 23 наддувочного воздуха и патрубками 33.
Кроме того, в заявленной конструкции охлаждение наддувочного воздуха осуществляется посредством охлаждающих пластин 34, которые передают тепло от нагретого впускного атмосферного воздуха в атмосферу.
В предложенном устройстве наддувочный воздух поступает к дроссельной заслонке 11 из воздуховода 23 наддувочного воздуха, который представляет собой камеру для хранения и охлаждения воздуха, форма и объем которой определяются конкретными конструктивными особенностями автомобиля. Такое техническое решение позволяет обеспечить не только хранение и охлаждение воздуха, но и аккумулировать необходимый объем воздуха в воздуховоде для преодоления эффекта «турбоямы», длительность которой составляет 0,5-2 сек.
В предложенном изобретении объем воздуховода 23 наддувочного воздуха выбирается, исходя из возможности накопления необходимого количества воздуха для обеспечения работы ДВС 4, исключающего «турбояму». Вследствие этого при резком нажатии на педаль акселератора во входной коллектор 5 ДВС 4 через открытую дроссельную заслонку 11 из воздуховода 23 наддувочного воздуха мгновенно будет поставлено необходимое количество накопленного воздуха вне зависимости от скорости вращения крыльчатки компрессора 3 в момент нажатия педали. Это обеспечивает резкое увеличение числа оборотов ДВС 4 до требуемого значения и соответствующее увеличение температуры и давления отработавших газов, увеличивающих скорость вращения крыльчаток турбины 2 и компрессора 3.
Предложенное конструктивное выполнение охладителя 8 наддувочного воздуха, а именно, наличие параллельно включенных патрубков 33 впускного атмосферного воздуха и объемного воздуховода 23 наддувочного воздуха, выполняющего роль интегратора воздушного потока, в отличие от устройства-прототипа практически не ухудшает динамические характеристики канала поставки наддувочного воздуха во входной коллектор 5. Описанное конструктивное решение охладителя 8 наддувочного воздуха существенно отличается от известных устройств аналогичного назначения, в которых широко используемый змеевик охладителя, включенный на входе дроссельной заслонки, создает дополнительную задержку воздушного потока, тем самым увеличивая эффект «турбоямы» в двигателе.
Следует также отметить, что наличие объемного воздуховода 23 наддувочного воздуха позволяет уменьшить частоту включения байпасного клапана 16, через который горячий наддувочный воздух с выхода компрессора 3 подается к дроссельной заслонке 11 и далее на входной коллектор 5 ДВС 4. В предложенном устройстве вместо включения байпасного клапана 16 накопление наддувочного воздуха происходит в воздуховоде 23 по сигналам датчика 19, установленного на входе дроссельной заслонки 11, что позволяет дополнительно снизить температуру наддувочного воздуха непосредственно на входе во входной коллектор 5 ДВС 4.
Это утверждение в равной степени касается и частоты включения перепускного клапана 12. То есть в то время как в прототипе происходит включение названных клапанов по причине превышения заданного уровня давления наддувочного воздуха на входе дроссельной заслонки из-за ограниченного объема воздуха, который можно накопить в змеевике охладителя прототипа, в предложенном устройстве осуществляется «накачка» воздуха через патрубки 33 входного атмосферного воздуха в воздуховод 23 наддувочного воздуха. Благодаря конструктивным особенностям воздуховода 23 наддувочного воздуха в нем может содержаться гораздо больший объем воздуха, чем в змеевике охладителя прототипа, до достижения в нем заданного уровня давления надувочного воздуха, что снижает требования к сопротивлению воздушному потоку в патрубках 33 входного атмосферного воздуха предложенного устройства. По этой причине, как уже отмечалось выше, сечение патрубков 33 входного атмосферного воздуха в предложенном устройстве в гораздо меньше степени влияет на динамику работы двигателя, чем сечение змеевика охладителя в известном устройстве. Приведенные выше аргументы подтверждают, что предложенное техническое решение позволяет улучшить динамику работы двигателя, практически исключив эффект «турбоямы», который имеет место в известном устройстве, использованном в качестве прототипа.
В отличие от известного устройства, принятого в качестве прототипа, в заявляемом устройстве отсутствуют тонкие воздуховоды, обладающие высоким динамическим сопротивлением, которое приводит к задержке отработки сигналов управляющим воздушным потоком и к потере давления наддувочного воздуха. Напротив, в заявленном изобретении в средней части воздуховода 23 выполнен расширяющийся участок, снижающий динамическое сопротивление потоку наддувочного воздуха.
Дополнительным эффектом от заявленного выполнения охладителя 8 наддувочного воздуха является автоматическое увеличение отбора тепла от потока наддувочного воздуха при увеличении нагрузки на двигатель благодаря соответствующему увеличению объема всасываемого атмосферного воздуха, охлаждающего воздуховод наддувочного воздуха, следствием чего является повышение динамики управления турбонаддувом ДВС. То есть при движении автомобиля по трудным участкам дорог (крутой подъем, пересеченная местность или городской трафик с «пробками») поток внешнего атмосферного воздуха, охлаждающего воздуховод 23 наддувочного воздуха, не будет уменьшаться в отличие от устройства, использованного в качестве прототипа. При этом давление и температура наддувочного воздуха на выходе компрессора 3 и на входном коллекторе ДВС 4 будут соответствовать требуемым значениям, что всегда обеспечит адекватную реакцию ДВС 4 на изменение положения педали акселератора.
В предложенном устройстве турбонаддува ДВС для охлаждения наддувочного воздуха организуют прямоточное встречное движение впускного атмосферного воздуха и наддувочного воздуха вдоль общей теплопроводящей поверхности и регулируемое охлаждение впускного атмосферного воздуха перед подачей в компрессор турбонагнетателя посредством управляемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха и конвекционного обмена с атмосферой. При этом в заявленном устройстве обеспечивается синхронизация скорости потока охлаждающего воздуха (впускного атмосферного воздуха) и температуры наддувочного воздуха.
В известных технических решениях на тяжелых участках дорог при увеличении температуры наддувочного воздуха из-за низкой скорости потока атмосферного воздуха, набегающего на охладитель - интеркулер, резко снижается теплообмен на участке интеркулер - атмосфера, что приводит к повышению температуры наддувочного воздуха. При этом, чем выше температура наддувочного воздуха, тем меньший объем может быть подан в цилиндры ДВС, что обедняет горючую смесь и снижает приемистость (динамику управления) двигателя. В отличие от известных технических решений в заявленном устройстве при увеличении числа оборотов ДВС пропорционально возрастает забор впускного атмосферного воздуха, который в предложенном устройстве является охлаждающим для наддувного воздуха, что приводит к автоматическому снижению температуры наддувочного воздуха.