СИСТЕМА ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Настоящая полезная модель относится к системам и способам работы двигателя, включающего в себя систему турбонагнетателя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Турбонаддув двигателя внутреннего сгорания может как снижать внешние выбросы, так и повышать удельную выходную мощность двигателя, так как выхлопные газы из цилиндров двигателя могут направляться через турбину, а получающаяся в результате энергия использоваться для приведения в действие компрессора. Одна из примерных конфигураций встраивает выпускные отверстия, ведущие из цилиндров двигателя, и корпус турбины в саму головку блока цилиндров.
Традиционный турбонаддув двигателя внутреннего сгорания включает в себя головку блока цилиндров двигателя, которая направляет выхлопные газы в выпускной коллектор, который, в свою очередь, направляет выхлопные газы в корпус турбины и через турбину. Работа, извлекаемая из турбины, используется для приведения в движение компрессора, который повышает плотность воздуха, имеющегося в распоряжении для питания поршневой части двигателя. Ступень турбины типично является одноступенным радиальным блоком с каналом перепускной заслонки в бензиновом двигателе.
Некоторые современные двигатели используют концепцию, в которой выпускные отверстия из множества цилиндров направлены в одиночный выпуск в головке блока цилиндров. Этот газ затем направляется через корпус турбины в турбонагнетатель. Выпускной коллектор и турбонагнетатель типично выполнены из материалов, которые долговечны, когда подвергаются воздействию многократных высокотемпературных циклов, коренящихся в высокой температуре выхлопных газов, выходящих из цилиндров. Такие материалы имеют очень высокую стоимость. Авторы в материалах настоящего описания выявили, что некоторая часть стоимости могла бы быть сокращена удалением корпуса турбины и перемещением турбины в головку блока цилиндров. Головка блока цилиндров имеет охлаждающую рубашку, устраняя необходимость в дорогостоящем устойчивом к высоким температурам материале.
Головка блока цилиндров с встроенными выпускными каналами и корпусом турбонагнетателя раскрыта в US 2011/0173972 (опубл. 21.07.2011, МПК F01N 1/00, F01N 5/04). В этом примере уровня техники, большая часть коллекторной геометрии была встроена в головку блока цилиндров. Однако этот подход может быть проблематичным по той причине, что большое количество материала алюминиевой головки блока цилиндров должно охлаждаться посредством потока хладагента двигателя. Это могло бы вызывать увеличение тепла, отведенного в радиатор, и возможно ограничивать эксплуатационные качества транспортного средства во время предельных маневров в жаркие дни.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Различные примерные системы и способы раскрыты в материалах настоящего описания, чтобы по меньшей мере частично преодолеть проблемы, описанные выше.
В одном из примеров, система турбонагнетателя содержит корпус подшипника, содержащий турбину; по меньшей мере один компрессор, присоединенный к турбине через вал; при этом турбина содержит статорную ступень и роторную ступень, установленные на головку блока цилиндров посредством корпуса подшипника и расположенные в выпускном канале головки блока цилиндров. Система дополнительно может содержать осевую турбину, которая принимает выхлопные газы, все еще содержащиеся внутри головки блока цилиндров. Таким образом, размер турбонагнетателя может уменьшаться, и толчки выхлопных газов сохраняются для питания турбины.
В одном из вариантов предложена система, в которой турбина является осевой, радиальной или турбиной смешанного потока.
В одном из вариантов предложена система, в которой корпус подшипника дополнительно содержит коллектор горячих газов.
В одном из вариантов предложена система, в которой корпус подшипника и коллектор горячих газов являются одной деталью, причем деталь, содержащая корпус подшипника и коллектор горячих газов, дополнительно содержит каналы для масла и хладагента.
В одном из вариантов предложена система, в которой головка блока цилиндров дополнительно содержит канал перепускной заслонки.
В одном из вариантов предложена система, в которой канал перепускной заслонки приводится в действие приводом, присоединенным к турбонагнетателю или к головке блока цилиндров.
В одном из вариантов предложена система, в которой корпус подшипника изготовлен из литейного материала, такого как чугун.
В одном из вариантов предложена система, в которой роторная ступень использует один или более установочных штифтов для выравнивания положения и зазора венцов рабочего колеса турбины.
В одном из дополнительных аспектов предложена система для двигателя, содержащая:
головку блока цилиндров, которая включает в себя один или более выпускных каналов, содержащихся внутри головки блока цилиндров;
турбонагнетатель, содержащий одну или более турбин, содержащих роторную ступень, один или более компрессоров и один или более валов, присоединяющих турбину к одному или более компрессоров;
при этом один или более выпускных каналов содержит первый и второй выпуск, роторная ступень является присоединенной к первому выпуску, чтобы выхлопные газы, текущие через первый выпуск, побуждали турбину вращаться вокруг вала, а кроме того, приводили в движение компрессор, причем второй выпуск обходит роторную ступень, присоединенную к первому выпуску, а корпус турбины образован головкой блока цилиндров.
В одном из вариантов предложена система, в которой головка блока цилиндров выполнена с возможностью направления и ускорения потока выхлопных газов с требуемым углом падения и скоростью.
В одном из вариантов предложена система, в которой турбонагнетатель дополнительно содержит статорную ступень.
В одном из вариантов предложена система, в которой статорная ступень является сборным колесом из листовой нержавеющей стали, сваренным в форму, или литым статором.
В одном из вариантов предложена система, в которой статорная ступень содержит трассу для водяного охлаждения.
В одном из вариантов предложена система, в которой статорная ступень содержит крепежный элемент, и крепежный элемент является одним из защелки на месте, запрессовки на месте, системы винтов или системы V-образных бандажных зажимов.
В одном из вариантов предложена система, в которой головка блока цилиндров покрывает расположенные в ряд цилиндры двигателя.
В одном из вариантов предложена система, в которой одна или более турбин являются осевыми, радиальными или турбинами смешанного потока.
В одном из вариантов предложена система, дополнительно содержащая подшипник турбонагнетателя, закрепленный внутри головки блока цилиндров.
В одном из вариантов предложена система, дополнительно содержащая канал хладагента в головке блока цилиндров смежно турбине.
Кроме того, корпус подшипника дополнительно может содержать коллектор горячих газов, а корпус подшипника и коллектор горячих газов могут быть одной деталью. Таким образом, выхлопные газы, которые проходят через турбину, существенно охлаждаются по мере того, как энергия извлекается посредством турбины. Получающиеся в результате выхлопные газы более низкой температуры дают возможность использования материалов более низкой стоимости в корпусе подшипника и коллекторе, таких как чугун.
В еще одном примере, система для двигателя содержит головку блока цилиндров, которая включает в себя один или более выпускных каналов, содержащихся внутри головки блока цилиндров; турбонагнетатель, содержащий одну или более турбин, включающих в себя роторную ступень, одну или более компрессорных ступеней и один или более валов, присоединяющих турбину к компрессору; при этом один или более выпускных каналов включают в себя первый и второй выпуск, роторная ступень является присоединенной к первому выпуску, чтобы выхлопные газы, текущие через первый выпуск, побуждали турбину вращаться вокруг вала, а кроме того, приводили в движение компрессор, второй выпуск обходит роторную ступень, присоединенную к первому выпуску, и корпус турбины образован головкой блока цилиндров. Таким образом, система уменьшает количество материала головки блока цилиндров, подвергаемого воздействию горячих газов. Коллектор горячих газов может быть удален из головки блока цилиндров и перемещен в отливку, совместно используемую с корпусом подшипника. Эта конфигурация будет уменьшать тепло, отводимое в радиатор, чтобы было сравнимым с таковым у конфигурации встроенного выпускного коллектора, уже широко используемой в двигателях с турбонаддувом.
Кроме того, система может содержать статорную ступень, которая может быть сборным колесом из листовой нержавеющей стали, сваренным в форму, или литым статором. В других вариантах осуществления, система может не содержать статорную ступень, но головка блока цилиндров может быть выполнена с возможностью направления и ускорения потока выхлопных газов с требуемым углом падения и скоростью. Таким образом, конфигурация статорной ступени и головки блока цилиндров может повышать эффективность осевой турбины по сравнению с примерами уровня техники, а кроме того, встраивание турбины в головку блока цилиндров.
В еще одном примере, способ охлаждения двигателя содержит, внутри головки блока цилиндров, объединение потоков выхлопных газов из множества цилиндров, направление объединенного потока выхлопных газов из головки блока цилиндров в турбину, расположенную внутри корпуса подшипника, и направление объединенного потока выхлопных газов из турбины в коллектор горячих газов внутри корпуса подшипника. Таким образом, опорная поверхность турбонагнетателя может быть уменьшена, так же как уменьшение необходимости в жидкостной системе охлаждения для корпуса турбины, хотя такое охлаждение может обеспечиваться до некоторой степени.
Следует понимать, что сущность полезной модели, приведенная выше, представлена для ознакомления с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Не предполагается идентифицировать ключевые или существенные признаки заявленного предмета полезной модели, объем которой однозначно определен формулой полезной модели, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет полезной модели не ограничен вариантами осуществления, которые исключают какие-либо недостатки, отмеченные выше или в любой части этого описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает схематичное изображение двигателя с турбонаддувом в соответствии с настоящим раскрытием.
Фиг. 2 показывает общий вид головки блока цилиндров, присоединенной к корпусу подшипника.
Фиг. 3 показывает общий вид узла выпускного коллектора и турбонагнетателя.
Фиг. 4 показывает общий вид узла турбонагнетателя, выполненного с подводом масла и хладагента.
Фиг. 2 и 3 начерчены приблизительно в масштабе, но могут использоваться другие размеры.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Последующее описание относится к системам и способам работы двигателя, включающего в себя систему турбонагнетателя, например, как показано на фиг. 1.
Фиг. 1 - схематичное изображение, показывающее примерный двигатель 10, который может быть включен в силовую установку автомобиля. Двигатель 10 включает в себя головку 175 блока цилиндров, которая показана с четырьмя цилиндрами 30. Однако другие количества цилиндров могут использоваться в соответствии с данным раскрытием. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, системой управления, включающей в себя контроллер 12, и входными сигналами от водителя 132 транспортного средства через устройство 130 ввода. В этом примере, устройство 130 ввода включает в себя педаль акселератора и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала PP положения педали. Каждая камера 30 сгорания (например, цилиндр) двигателя 10 может включать в себя стенки камеры сгорания с поршнем (не показан), расположенными в них. Поршни могут быть присоединены к коленчатому валу 40, так чтобы возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть присоединен к по меньшей мере одному ведущему колесу транспортного средства через промежуточную систему трансмиссии (не показана). Кроме того, стартерный электродвигатель может быть присоединен к коленчатому валу 40 через маховик, чтобы давать возможность операции запуска двигателя 10.
Камеры 30 сгорания могут принимать всасываемый воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и могут выпускать выхлопные газы через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной коллектор 46 могут избирательно сообщаться с камерой 30 сгорания через соответствующие впускные клапаны и выпускные клапаны (не показаны). В некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания может включать в себя два или более впускных клапанов и/или два или более выпускных клапанов.
Топливные форсунки 50 показаны присоединенными непосредственно к камере 30 сгорания для впрыска топлива непосредственно в нее пропорционально длительности импульса сигнала FPW, принятого из контроллера 12. Таким образом, топливная форсунка 50 обеспечивает то, что известно в качестве непосредственного впрыска топлива в камеру 30 сгорания. Топливная форсунка, например, может быть установлена сбоку камеры сгорания или сверху камеры сгорания. Топливо может подаваться в топливную форсунку 50 топливной системой (не показана), включающей в себя топливный бак, топливный насос и направляющую-распределитель для топлива. В некоторых вариантах осуществления, камеры 30 сгорания, в качестве альтернативы или дополнительно, могут включать в себя топливную форсунку, расположенную во впускном коллекторе 44, в конфигурации, которая предусматривает то, что известно как впрыск топлива во впускной канал выше по потоку от каждой камеры 30 сгорания.
Впускной канал 42 может включать в себя дроссель 21 и 23, имеющий дроссельные заслонки 22 и 24, соответственно. В этом конкретном примере, положение дроссельных заслонок 22 и 24 может регулироваться контроллером 12 посредством сигналов, выдаваемых на привод, включенный в состав дросселями 21 и 23. В одном из примеров, приводы могут быть электрическими приводами (например, электродвигателями), конфигурацией, которая обычно указывается ссылкой как электронный регулятор дросселя (ETC). Таким образом, заслонки 21 и 23 могут приводиться в действие для варьирования всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания, между другими цилиндрами двигателя. Положение дроссельных заслонок 22 и 24 может выдаваться в контроллер 12 сигналом TP положения дросселя. Впускной канал 42, кроме того, может включать в себя датчик 120 массового расхода воздуха и датчик 122 давления воздуха в коллекторе для выдачи соответствующих сигналов MAF (массового расхода воздуха) и MAP (давления воздуха в коллекторе) в контроллер 12.
Выпускной канал 48 может принимать выхлопные газы из цилиндров 30. Цилиндры 30 могут быть присоединены к выпускному каналу 48 через множество клапанов и отверстий, дополнительно описанных ниже и со ссылкой на фиг. 3. Множество клапанов может открываться, чтобы предоставлять выхлопным газам возможность выходить из цилиндров 30 и поступать в выпускные отверстия 47, которые направляют выхлопные газы дальше, в выпускной канал 48. В примере, изображенном на фиг. 1, выпускные отверстия 47 расположены внутри головки 175 блока цилиндров. Следует принимать во внимание, что такая конфигурация может указываться ссылкой как «встроенный выпускной коллектор», в которой выпускной коллектор 46 расположен внутри головки 175 блока цилиндров.
Датчик 128 выхлопных газов показан присоединенным к выпускному каналу 48 выше по потоку от устройства 78 снижения токсичности выхлопных газов. Датчик 128 может быть выбран из числа различных пригодных датчиков для выдачи показания топливно-воздушного соотношения в выхлопных газах, например, таких как линейный кислородный датчик или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в выхлопных газах), двухрежимный кислородный датчик или EGO, датчик NOx, HC, или CO. Устройство 78 снижения токсичности выхлопных газов может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором (TWC), уловителем NOx, различными другими устройствами снижения токсичности выхлопных газов или их комбинациями. Температура выхлопных газов может измеряться одним или более датчиков температуры (не показаны), расположенных в выпускном канале 48. В качестве альтернативы, температура выхлопных газов может логически выводиться на основании условий работы двигателя, таких как скорость вращения, нагрузка, топливно-воздушное соотношение (AFR), запаздывание искрового зажигания, и т.д.
Контроллер 12 показан на фиг. 1 в качестве микрокомпьютера, включающего в себя микропроцессорный блок 102, порты 104 ввода/вывода, электронный запоминающий носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в качестве микросхемы 106 постоянного запоминающего устройства в этом конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимую память 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать различные сигналы с датчиков, присоединенных к двигателю 10, в дополнение к тем сигналам, которые обсуждены ранее, в том числе, измерение вводимого массового расхода воздуха (MAF) с датчика 120 массового расхода воздуха; температуру хладагента двигателя (ECT) с датчика 112 температуры, схематично показанного в одном месте внутри двигателя 10; сигнал профильного считывания зажигания (PIP) с датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), присоединенного к коленчатому валу 40; положение дросселя (TP) с датчика положения дросселя, как обсуждено; и сигнал абсолютного давления в коллекторе, MAP, с датчика 122, как обсуждено. Сигнал скорости вращения двигателя, RPM, может формироваться контроллером 12 из сигнала PIP. Сигнал давления в коллекторе, MAP, с датчика давления в коллекторе может использоваться для выдачи указания разряжения или давления во впускном коллекторе 44. Отметим, что могут использоваться различные комбинации вышеприведенных датчиков, такие как датчик MAF без датчика MAP, или наоборот. Во время стехиометрической работы, датчик MAP может давать показание крутящего момента двигателя. Кроме того, этот датчик, наряду с выявленной скоростью вращения двигателя, может давать оценку заряда (включающего в себя воздух), введенного в цилиндр. В одном из примеров, датчик 118, который также используется в качестве датчика скорости вращения двигателя, может вырабатывать заданное количество равноразнесенных импульсов на каждый оборот коленчатого вала 40. В некоторых примерах, постоянное запоминающее устройство 106 запоминающего носителя может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими команды, исполняемые процессором 102 для выполнения способов, описанных ниже, а также вариантов, которые предвосхищены, но специально не перечислены.
Двигатель 10 дополнительно может включать в себя компрессионное устройство, такое как турбонагнетатель или нагнетатель, включающий в себя по меньшей мере компрессор 60, расположенный выше по потоку от впускного коллектора 44. Что касается турбонагнетателя, компрессор 60 может по меньшей мере частично приводиться в действие турбиной 62, например, через вал 160 или другое соединительное устройство. Турбина 62 может присоединять выпускной коллектор 46 к выпускному каналу 48, например, через встроенный выпускной коллектор, как описано выше. Различные компоновки могут быть предусмотрены для осуществления привода компрессора. Что касается нагнетателя, компрессор 60 может по меньшей мере частично приводиться в движение двигателем и/или электрической машиной и может не включать в себя турбину. Таким образом, величина сжатия, обеспечиваемого для одного или более цилиндров двигателя посредством турбонагнетателя или нагнетателя, может регулироваться контроллером 12. В некоторых случаях, турбина 62, например, может приводить в движение электрогенератор для выдачи энергии в аккумуляторную батарею через приводной механизм турбонагнетателя. Энергия из аккумуляторной батареи затем может использоваться для приведения в движение компрессора 60 посредством электродвигателя. Кроме того, датчик 123 может быть расположен во впускном коллекторе 44 для выдачи сигнала BOOST (НАДДУВ) в контроллер 12.
Кроме того, выпускной канал 48 может включать в себя перепускную заслонку 26 для отведения выхлопных газов от турбины 62. В некоторых вариантах осуществления, перепускная заслонка 26 может быть многоступенной перепускной заслонкой, такой как двухступенная перепускная заслонка с первой ступенью, выполненной с возможностью регулировать давление наддува, и второй ступенью, выполненной с возможностью увеличивать тепловой поток в устройство 78 снижения токсичности выхлопных газов. Перепускная заслонка 26 может приводиться в действие посредством привода 150, который, например, может быть электрическим приводом, включающим в себя постоянные магниты. В различных вариантах осуществления, привод 150 может быть электродвигателем, управляемым давлением приводом или приводом с вакуумным управлением. Дополнительные подробности касательно перепускной заслонки 26 и привода 150 будут представлены ниже. Впускной канал 42 может включать в себя перепускной клапан 27 компрессора, выполненный с возможностью отводить всасываемый воздух вокруг компрессора 60. Перепускная заслонка 26 и/или перепускной клапан 27 компрессора могут управляться контроллером 12 через исполнительные механизмы (например, привод 150), например, чтобы открываться, когда требуется более низкое давление наддува.
Впускной канал 42 может дополнительно включать в себя охладитель 80 наддувочного воздуха (CAC) (например, промежуточный охладитель) для понижения температуры нагнетаемых турбонагнетателем или нагнетателем всасываемых газов. В некоторых вариантах осуществления, охладитель 80 наддувочного воздуха может быть воздушно-воздушным теплообменником. В других вариантах осуществления охладитель 80 наддувочного воздуха может быть воздушно-жидкостным теплообменником.
2
Система рециркуляции выхлопных газов (EGR) может направлять требуемую порцию выхлопных газов из выпускного канала 48 во впускной канал 42 через канал 140 EGR. Количество EGR, выдаваемой во впускной канал 42, может регулироваться контроллером 12 посредством клапана 142 EGR. Кроме того, датчик EGR (не показан) может быть расположен внутри канала EGR и может выдавать показание одного или более из давления, температуры, концентрации выхлопных газов. В качестве альтернативы, EGR может управляться посредством расчетного значения, основанного на сигналах с датчика MAF (выше по потоку), MAP (впускного коллектора), MAT (температуры газа в коллекторе) и датчика скорости вращения коленчатого вала. Кроме того, EGR может управляться на основании датчика O выхлопных газов и/или кислородного датчика на впуске (впускного коллектора). В некоторых условиях, система EGR может использоваться для регулирования температуры смеси воздуха и топлива внутри камеры сгорания. Фиг. 1 показывает систему EGR высокого давления, где EGR направляется из положения выше по потоку от турбины турбонагнетателя в положение ниже по потоку от компрессора турбонагнетателя. В других вариантах осуществления, двигатель, дополнительно или в качестве альтернативы, может включать в себя систему EGR низкого давления, где EGR направляется из ниже по потоку от турбины турбонагнетателя в выше по потоку от компрессора турбонагнетателя.
Фиг. 2 показывает общий вид узла 210 цилиндра в соответствии с настоящим раскрытием. Узел 210 цилиндров включает в себя головку 175 блока цилиндров, которая может крепиться к блоку цилиндров (не показан), который включает в себя множество камер 30 (например, цилиндр) сгорания двигателя 10, которая может включать в себя стенки камеры сгорания с поршнем (не показан), расположенным в них. Цилиндры могут быть расположены в рядной конфигурации, чтобы цилиндры были выровнены вдоль центральной оси головки блока цилиндров. В качестве альтернативы, цилиндры могут быть выровнены в V-образной конфигурации, плоской конфигурации или другой пригодной конфигурации. Когда прикреплена к блоку цилиндров, изображенная головка 175 блока цилиндров может формировать 4 цилиндра. В еще одном примере, узел цилиндров может использовать альтернативное количество цилиндров, такое как 3 цилиндра. Головка 175 блока цилиндров может быть отлита из пригодного материала, такого как чугун или алюминий. Головка блока цилиндров может включать в себя многочисленные компоненты, не изображенные в этом примерном ракурсе, в том числе, распределительные валы, впускные и выпускные клапаны, свечи зажигания, топливные форсунки 50, датчик 112 температуры, другие пригодные механические компоненты и другие пригодные датчики и приводы, например, такие как показанные на фиг. 1.
Как изображено, головка 175 блока цилиндров включает в себя четыре периметровых стенки. Стенки включают в себя первую боковую стенку 211, вторую боковую стенку 212, заднюю торцевую стенку 213 и переднюю торцевую стенку 214. Первая боковая стенка 211 может быть выполнена в виде впускной стороны головки блока цилиндров, взаимодействующей с впускными клапанами двигателя, и может включать компоненты, такие как клапаны и отверстия в качестве необходимых для сопряжения с впускным коллектором 44, и чтобы допускать или ограничивать поток всасываемого воздуха в головку блока цилиндров. Передняя торцевая стенка 214 может включать в себя компоненты в качестве необходимых для сопряжения с коленчатым валом 40, и чтобы предоставлять возможность присоединения коленчатого вала 40 к поршням, включенным в головку 175 блока цилиндров. Вторая боковая стенка 212 может быть выполнена в виде выпускной стороны головки блока цилиндров, взаимодействующей с выпускными клапанами двигателя, и может включать в себя компоненты, такие как один или более приливов 252 монтажных болтов, или другие устройства для установки корпуса 280 подшипника непосредственно на головку блока цилиндров. В этой примерной конфигурации, узел турбонагнетателя может быть присоединен непосредственно к головке блока цилиндров. В качестве альтернативы, узел турбонагнетателя может быть присоединен к головке блока цилиндров опосредованно. Узел турбонагнетателя и его возможные конфигурации дополнительно обсуждены ниже и со ссылкой на фиг. 3. Головка 175 блока цилиндров также может включать в себя множество частей 218 закрытия цилиндра.
Головка 175 блока цилиндров может включать в себя одну или более охлаждающих рубашек. Например, первая охлаждающая рубашка может быть расположена между выпускным коллектором 46 и границей раздела между головкой 175 блока цилиндров и блоком цилиндров. Вторая охлаждающая рубашка может быть расположена на противоположной стороне выпускного коллектора от первой охлаждающей рубашки. Первая и вторая охлаждающие рубашки могут быть соединены друг с другом проточным каналом. В некоторых примерах, первая и вторая охлаждающие рубашки могут быть присоединены к охлаждающей рубашке турбины через проточный канал. В еще одном примере, первая и вторая охлаждающие рубашки могут быть отдельными и работать на разных охлаждающих жидкостях или с разными подводами одной и той же хладагента. В еще одном примере, первая охлаждающая рубашка может быть расположена на впускной стороне множества цилиндров, а вторая охлаждающая рубашка расположена на выпускной стороне цилиндров. Две охлаждающих рубашки могут иметь существенно разные холодопроизводительности и могут быть присоединены к водяной системе охлаждения, включающей в себя радиатор, насос системы охлаждения, приводимый в действие двигателем, термостат, и т.д. В одном из примеров, охлаждающая рубашка, расположенная на выпускной стороне цилиндров, может иметь более высокую холодопроизводительность, чем охлаждающая рубашка на впускной стороне цилиндров, например, посредством более высокого расхода, увеличенной площади поверхности, и т.д. В еще одном примере, охлаждающая рубашка, расположенная на впускной стороне цилиндров, может иметь более высокую холодопроизводительность, чем охлаждающая рубашка на выпускной стороне цилиндров.
Головка 175 блока цилиндров включает в себя выпускной коллектор 46. Компоненты выпускного коллектора будут дополнительно обсуждены ниже и со ссылкой на фиг. 3 и включают в себя множество выпускных отверстий 47, присоединенных к цилиндрам 30, и множество выпускных направляющих 310, присоединенных к выпускным отверстиям 47. Выпускные направляющие 310 могут выпускать выхлопные газы в выпускной коллектор 320. Каждый цилиндр может иметь впускной и выпускной клапан. В некоторых случаях, каждый цилиндр может включать в себя два или более впускных клапана и два или более выпускных клапана. Каждый впускной и выпускной клапан может приводиться в действие впускным кулачком и выпускным кулачком, соответственно. В еще одном примере, впускной и выпускной клапаны могут приводиться в действие узлом обмотки и якоря клапана.
Одна или более выпускных направляющих 310 могут быть дополнительно выполнены с возможностью включать в себя перепускную заслонку 26 (не показана). В качестве альтернативы, перепускная заслонка 26 может быть включена в выпускной коллектор 320. Перепускная заслонка 26 может быть выполнена с возможностью управлять количеством выхлопных газов, которые обходят турбину. Перепускная заслонка 26 может приводиться в действие приводом 150 перепускной заслонки. Привод 150 перепускной заслонки может быть установлен на головке 175 блока цилиндров или на корпусе 280 подшипника. Перепускная заслонка может приводиться в действие в ответ на давление в выпускном коллекторе 275, превышающее пороговое значение, в качестве измеряемого датчиком давления (не показан), или в ответ на измерения датчика MAP выше требуемого значения, чтобы выдавать требуемый крутящий момент. Привод 150 перепускной заслонки может вводиться в действие или выводиться из работы в ответ на сигналы, отправляемые контроллером 12. Ввод в действие перепускной заслонки 26 предоставляет выхлопным газам возможность поступать на выпуск 290 выхлопных газов, а кроме того, в перепускную магистраль выхлопных газов (не показана), предоставляя выхлопным газам возможность обходить узел турбонагнетателя. Выпуск 290 выхлопных газов может быть заключен в корпусе 280 подшипника. Канал перепускной заслонки может иметь впуск, присоединенный к головке блока цилиндров, и выпуск, присоединенный к коллектору горячих газов внутри корпуса подшипника.
Корпус 280 подшипника может быть прикреплен к головке 175 блока цилиндров посредством монтажных болтов 250 и приливов 252 монтажных болтов, или через другие надлежащие крепежные устройства. Как изображено на фиг. 2 и 3, непосредственное присоединение корпуса 280 подшипника к головке 175 блока цилиндров в этой конфигурации предоставляет возможность, чтобы турбина 62 располагалась ближе к выпускному коллектору 320, предоставляя возможность для сохранения энергии выхлопных газов внутри двигателя 10. Как дополнительно обсуждено ниже и со ссылкой на фиг. 3, эта примерная конфигурация может предоставлять возможность, чтобы некоторые из компонентов узла турбонагнетателя, такие как роторная ступень и статорная ступень, были присоединены непосредственно к головке блока цилиндров, минимизируя объем пространства, занимаемого узлом турбонагнетателя. Корпус 280 подшипника может включать в себя другие компоненты, которые необходимы для установки компонентов узла турбонагнетателя, или компоненты, которые необходимы для установки дополнительных датчиков или приводов. Например, монтажный прилив для датчика кислорода выхлопных газов может быть включен в корпус 280 подшипника.
Фиг. 3 и 4 показывают общий вид узла турбонагнетателя в соответствии с данным раскрытием. Фиг. 3 показывает общий вид выпускных отверстий 47, выпускных направляющих 310 и узла 300 турбонагнетателя в соответствии с данным раскрытием. Фиг. 3 показывает примерный выпускной коллектор 46 для 3-цилиндрового двигателя, но также может включать меньшее количество цилиндров или дополнительные цилиндры, например, 2, 4, 5 или 6 цилиндров. Фиг. 4 показывает вид сбоку узла турбонагнетателя в соответствии с настоящим раскрытием. Выпускной коллектор 46 может быть включен в головку 175 блока цилиндров, как изображено на фиг. 2. Каждый цилиндр 30 может иметь один или более выпускных клапанов, присоединенных между цилиндром и выпускным отверстием 47. Выпускные отверстия 47 могут быть присоединены к выпускным направляющим 310. Выпускные отверстия принимают выхлопные газы, выпущенные из цилиндров во время работы двигателя. Выпускная направляющая может быть образована в виде слияния выпускных отверстий из смежных цилиндров или из цилиндров, которые не являются смежными.
Одна или более выпускных направляющих также могут включать в себя канал перепускной заслонки, как описано выше. В состоянии, где давление выхлопных газов в выпускном коллекторе 320 превышает заданное пороговое значение, контроллер 12 может вводить в действие привод 150 перепускной заслонки, предоставляя выхлопным газам возможность течь через перепускную заслонку 26 и на выпуск 290 выхлопных газов, где они могут направляться через перепускную магистраль выхлопных газов, обходя узел турбонагнетателя.
В еще одном примере, одна или более выпускных направляющих 310 могут направлять выхлопные газы обратно во впускной коллектор 44 для повторного ввода в двигатель 10 в качестве части специализированной системы рециркуляции выхлопных газов. В еще одном другом примере, клапан или другой механизм переключения может отводить поток выхлопных газов из одной или более выпускных направляющих 310 во впускной коллектор 44 в первом состоянии и в коллектор 320 выхлопных газов во втором состоянии.
Коллектор 320 выхлопных газов может быть заключен в корпусе 280 подшипника. В еще одном примере, коллектор выхлопных газов может быть заключен в головке 175 блока цилиндров. В еще одном другом примере, коллектор выхлопных газов может быть отдельным компонентом, присоединенным между головкой блока цилиндров и корпусом подшипника, или может содержать части как головки блока цилиндров, так и корпуса подшипника. Выхлопные газы могут направляться из коллектора 320 выхлопных газов в узел 300 турбонагнетателя.
Узел 300 турбонагнетателя может включать в себя корпус 280 подшипника, корпус 285 турбины, турбину 62, корпус 335 компрессора, компрессор 60, а также их компоненты, некоторые из которых дополнительно обсуждены ниже и со ссылкой на фиг. 4. Коллектор 320 выхлопных газов может быть изготовлен в качестве части корпуса 280 подшипника или может быть изготовлен отдельно. В примерной системе, изображенной на фиг. 3 и 4, турбина 62 является осевой турбиной, но также может быть радиальной турбиной или турбиной смешанного потока. Турбина может иметь одиночную ступень или многочисленные ступени. Статор также может иметь одиночную или многочисленные ступени. Что касается осевой турбины, поток выхлопных газов, набегающий на лопатки ротора турбины, может быть описан в качестве движущегося по существу в осевом направлении. В материалах настоящего описания, «по существу в осевом направлении» используется, чтобы означать, что поток выхлопных газов через турбину параллелен валу турбины. Впуск выхлопных газов может быть выполнен с возможностью направления выхлопных газов в по существу осевом направлении в турбину. В еще одном примере, турбина 62 может быть сконфигурирован, чтобы быть радиальной турбиной, где поток выхлопных газов, набегающий на лопатки ротора турбины движется по существу радиально, и где впуск выхлопных газов выполнен с возможностью направления выхлопных газов в направлении, по существу перпендикулярном валу турбины. В еще одном примере, выхлопные газы могут набегать на турбину в геометрии между осевой и радиальной, например, турбину смешанного потока.
Корпус 280 турбины может быть изготовлен из чугуна или других пригодных материалов, которые имеют высокую стойкость к тепловой деформации, или других материалов, подходящих для подвергания воздействию высоких температур, испытываемых во время работы двигателя. Статор 322 турбины может быть изготовлен посредством сваривания листов штампованного металла в надлежащие формы и конфигурации или может быть произведен в качестве отливки. Коллектор 350 турбины может быть изготовлен в качестве части корпуса 280 подшипника, который также может быть изготовлен из чугуна или других пригодных материалов, которые имеют высокую несущую способность по температуре. В этом примере, дополнительная жидкостная система охлаждения может быть или может не быть включена в состав.
Корпус 285 турбины также может быть изготовлен из материалов, таких как алюминий, и, таким образом, дополнительно может включать в себя жидкостную систему охлаждения, которая включена в или окружает корпус. Как показано на фиг. 4, подвод 401 масла и хладагента может подаваться в корпус 280 подшипника через каналы 402, встроенные в коллектор и корпус подшипника. Охлаждение также может поставляться внешними трубками и шлангами для хладагента. В еще одном примере, корпус 285 турбины может быть изготовлен в качестве отдельной детали от корпуса 280 подшипника и соединен с корпусом подшипника болтами или другими пригодными крепежными деталями.
Узел 300 турбонагнетателя включает в себя статор 322, ротор 325, турбину 62, компрессор 60, корпус 335 компрессора и корпус 280 подшипника. Турбина 62 может быть присоединена к компрессору 60 через один или более валов 160. Статор 322 может быть расположен внутри головки 175 блока цилиндров. В одном из примеров, статор 322 может быть изготовлен из сварных деталей листового металла из нержавеющей стали. Статор 322 может быть отлит в качестве отдельной детали или отливкой многочисленных деталей. Статор 322 может быть прикреплен различными схемами, в том числе, защелкиванием на месте, запрессовкой на месте или механически прикреплен болтами или v-образными бандажами. Статор может быть выполнен, чтобы вмещаться в ответную опору статора внутри головки блока цилиндров, которая как удерживает статор, так и предотвращает его вращение. В некоторых примерах, головка блока цилиндров может быть выполнена с возможностью действовать в качестве статора и выполнена с возможностью направления и ускорения потока выхлопных газов с требуемым углом падения и скоростью.
Ротор 325 также может быть расположен внутри головки 175 блока цилиндров. В одном из примеров, ротор может быть установлен посредством одного или более установочных штифтов. Корпус подшипника может иметь охладительные канал или каналы, проложенные возле креплений установочных штифтов, чтобы минимизировать тепловую деформацию корпуса подшипника и чтобы гарантировать, что ротор остается на месте и сохраняет достаточное расстояние между лопатками ротора и корпусом, чтобы не подвергаться стиранию лопаток и поддерживать минимальный зазор, необходимый для сохранения эффективности турбины.
Узел 300 турбонагнетателя также может включать в себя газовый коллектор 350, сопровождающий турбину. Газовый коллектор 350 может включать в себя тороидальный канал, в котором выхлопные газы могут направляться из турбины в одиночную выпускную часть 290 корпуса 280 подшипника. Газовый коллектор 350 дополнительно может объединяться с выпуском 290 выхлопных газов или может направлять выхлопные газы в устройство снижения токсичности выхлопных газов или систему рециркуляции выхлопных газов.
Корпус подшипника может включать в себя множество подшипников, которые могут быть предназначены как для осевой нагрузки, так и радиальной нагрузки. Подшипники могут включать в себя подшипник скольжения, шариковые подшипники, игольчатые подшипники, воздушные подшипники или другие такие надлежащие подшипники. Корпус турбины может трассироваться, чтобы включать в себя подачу масла и хладагента, подаваемую посредством питающей магистрали 420.
Компрессор 60 включает в себя корпус 335 компрессора, коллектор компрессора, насосное колесо и воздухоприемник (не показан). Насосное колесо компрессора может быть присоединено к турбине 62 посредством вала 160. Поток выхлопных газов через турбину 62 может вызывать вращательное движение приводного вала 160, который, в свою очередь, побуждает вращаться насосное колесо. Воздухоприемник подает воздух в компрессор 60, который затем сжимается компрессором 60. Сжатый воздух затем подается обратно во впускной коллектор 44 через последовательность трубопроводов, как описано выше и схематично изображено на фиг. 1.
Узел 300 турбонагнетателя изображен в качестве имеющего одиночную турбину и одиночную спираль турбины. В еще одном примере, узел 300 турбонагнеателя может включать в себя более чем одну турбину и более чем одну спираль, например, двухспиральную турбину. Узел 300 турбонагнетателя изображен в качестве имеющего одиночный компрессор, но может включать в себя более чем один компрессор. В примерной системе с более чем одной турбиной, турбины могут иметь концентрические валы, которые приводят в движение одиночный компрессор или многочисленные компрессоры. В еще одном примере, нагнетатель также может быть включен в систему транспортного средства.
Системы, изображенные на фиг. 1-4, могут давать возможность одной или более систем. Например, система турбонагнетателя содержит: корпус подшипника, включающий в себя турбину; по меньшей мере один компрессор, присоединенный к турбине через вал; при этом турбина содержит статорную ступень и роторную ступень, установленные на головку блока цилиндров посредством корпуса подшипника и расположенные в выпускном канале головки блока цилиндров. Турбина может быть осевой, радиальной или турбиной смешанного потока. Корпус подшипника дополнительно может содержать коллектор горячих газов. Корпус подшипника и коллектор горячих газов могут быть одной деталью, а деталь, содержащая корпус подшипника и коллектор горячих газов дополнительно может содержать каналы для масла и хладагента. Головка блока цилиндров дополнительно может содержать канал перепускной заслонки, которая может приводиться в действие приводом, присоединенным к турбонагнетателю или к головке блока цилиндров. Корпус подшипника может быть сделан из литейного материала, такого как чугун, или заводской сборки. Роторная ступень может использовать один или более установочных штифтов для выравнивания положения и зазора верхушек рабочего колеса турбины.
В еще одном примере, система для двигателя содержит головку блока цилиндров, которая включает в себя один или более выпускных каналов, содержащихся внутри головки блока цилиндров; турбонагнетатель, содержащий одну или более турбин, включающих в себя роторную ступень, компрессор и вал, присоединяющий турбину к компрессору; при этом один или более выпускных каналов включают в себя первый и второй выпуск, роторная ступень является присоединенной к первому выпуску, чтобы выхлопные газы, текущие через первый выпуск, побуждали турбину вращаться вокруг вала, а кроме того, приводить в движение компрессор, второй выпуск обходит роторную ступень, присоединенную к первому выпуску, и где корпус турбины образован головкой блока цилиндров. Турбонагнетатель может не содержать статорную ступень, и головка блока цилиндров может быть выполнена с возможностью направления и ускорения поток выхлопных газов с требуемым углом падения и скоростью. Турбонагнетатель дополнительно может содержать статорную ступень. Статорная ступень может быть сборным колесом из нержавеющей листовой стали, сваренным в форму, или литым статором и может включать в себя трассу для водяного охлаждения, и может включать в себя крепежный элемент, и крепежный элемент может быть одним из защелки на месте, запрессовки на месте, системы винтов или системы V-образных бандажных зажимов. Головка блока цилиндров может покрывать расположенные в ряд цилиндры двигателя. Одна или более турбин может быть осевыми, радиальными или турбинами смешанного потока. Подшипник турбонагнетателя может быть закреплен внутри головки блока цилиндров, а головка блока цилиндров может содержать каналы для хладагента, прилегающие к турбине.
Системы, изображенные на фиг. 1-4, также могут давать возможность одного или более способов. В одном из примеров, способ охлаждения двигателя включает в себя этапы, на которых осуществляют внутри головки блока цилиндров объединение потоков выхлопных газов из множества цилиндров; направление объединенного потока выхлопных газов из головки блока цилиндров в турбину, расположенную внутри корпуса подшипника; и направление объединенного потока выхлопных газов из турбины в коллектор горячих газов внутри корпуса подшипника. Способ дополнительно может включать в себя этап, на котором осуществляют во время первого состояния направление части потока выхлопных газов через канал перепускной заслонки, который имеет впуск, присоединенный к головке блока цилиндров, и выпуск, присоединенный к коллектору горячих газов.
Следует принимать во внимание, что конфигурации и процедуры, раскрытые в материалах настоящего описания, являются примерными по природе, и что эти специфичные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Например, вышеприведенная технология может быть применена к типам двигателя V6, I-2, I-3, I-4, I-6, V-12, оппозитному 2-цилиндровому, оппозитному 4-цилиндровому и другим типам двигателя. Предмет настоящего раскрытия включает в себя все новейшие и не очевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящего описания.
Последующая формула полезной модели подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных. Эти пункты формулы полезной модели могут указывать ссылкой на элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Следует понимать, что такие пункты формулы полезной модели включают в себя объединение одного или более таких элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены формулой полезной модели посредством изменения настоящей формулы полезной модели или представления новой формулы полезной модели в этой или родственной заявке. Такая формула полезной модели, более широкая, более узкая, равная или отличная по объему по отношению к исходной формуле полезной модели, также рассматривается в качестве включенной в предмет полезной модели настоящего раскрытия.