ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ТУРБОНАДДУВОМ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
TURBOCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR OPERATION THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) с турбонаддувом, который имеет по меньшей мере два турбокомпрессора на выхлопных газах и по меньшей мере одну головку цилиндров с по меньшей мере двумя цилиндрами. Изобретение также относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания данного типа. В рамках настоящего изобретения термин «двигатель внутреннего сгорания» относится к двигателям с искровым (принудительным) зажиганием, но также применим и к дизельным и гибридным двигателям внутреннего сгорания.
Уровень техники
В двигателях внутреннего сгорания имеется блок цилиндров и по меньшей мере одна головка цилиндров, которые соединены друг с другом с формированием цилиндров. Для контроля замены рабочей смеси требуются элементы управления двигателем внутреннего сгорания, которые обычно выполняют в виде клапанов, а также исполнительные устройства для приведения в действие указанных элементов управления. Механизм активации клапанов, необходимый для движения клапанов, включающий в себя сами клапаны, называется клапанным приводом. Клапанный привод часто размещают в конструкции головки цилиндров.
В процессе замены рабочей смеси продукты сгорания выводятся через выпускные отверстия цилиндров, а заполнение камеры сгорания, точнее, введение свежей смеси или свежего воздуха в камеру сгорания, осуществляется через впускные отверстия. Функцией клапанного привода является открывание и закрывание впускных и выпускных отверстий в нужное время с быстрым обеспечением наибольших сечений потока, чтобы поддерживать на минимальном уровне потери на дросселирование поступающего и выводимого потоков газа, а также для того, чтобы гарантировать лучшее заполнение камеры сгорания свежей смесью и эффективный, а точнее, полный, отвод выхлопных газов из камеры. В соответствии с известными решениями, в цилиндрах часто выполняют два или более впускных и выпускных отверстия. По меньшей мере два цилиндра двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению также имеют по крайней мере два выпускных отверстия.
Согласно уровню техники, подводимые к впускным отверстиям впускные каналы, а также соединенные с выпускными отверстиями выпускные каналы, то есть выхлопные трубопроводы, частично интегрированы в головку цилиндров. Выхлопные трубопроводы цилиндров обычно выполняют сливающимися в один общий выхлопной трубопровод или, как в двигателях внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению, в группы для формирования двух или более общих выхлопных трубопроводов. Слияние выхлопных трубопроводов с образованием общего выхлопного трубопровода, в общем случае и в контексте настоящего изобретения будет называться выпускным коллектором, причем часть выхлопного трубопровода, находящаяся выше по потоку турбины, расположена в общем выхлопном трубопроводе и является, согласно настоящему изобретению, частью выпускного коллектора.
Ниже по потоку коллектора выхлопные газы, в данном случае, подают к турбинам по меньшей мере двух турбокомпрессоров с целью нагнетания воздуха в двигатель внутреннего сгорания, а также при необходимости к одной или более системам нейтрализации (обработки) выхлопных газов.
Преимущества турбокомпрессора на выхлопных газах по сравнению, например, с механическим нагнетателем, заключаются в том, что не существует и не требуется прямой механической связи для передачи энергии между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания. В то время как механический нагнетатель берет необходимую для работы энергию полностью от двигателя, и таким образом снижает выходную мощность и негативно сказывается на эффективности двигателя, то турбокомпрессор использует энергию горячих выхлопных газов.
Турбокомпрессор на выхлопных газах содержит компрессор и турбину, расположенные на одном валу. Поток горячих выхлопных газов подается на турбину, расширяясь в ней с высвобождением энергии, в результате чего вал начинает вращаться. Из-за высоких угловых скоростей вал обычно закреплен на подшипниках скольжения. Энергия, переданная потоком выхлопных газов турбине, а в итоге валу, используется для приведения в действие компрессора, который подобным образом размещен на валу. Компрессор передает и сжимает нагнетаемый воздух, доставленный к нему, в результате чего достигается наддув цилиндров. При необходимости, используют устройство охлаждения нагнетаемого воздуха, благодаря которому сжатый воздух, подаваемый в камеру сгорания, охлаждается перед попаданием в цилиндры.
Наддув служит, главным образом, средством повышения мощности двигателя внутреннего сгорания. Здесь требуемый для процесса горения воздух сжимается, и в результате большая масса воздуха может быть доставлена к каждому цилиндру в процессе рабочего цикла. В этом случае, объем топлива и, следовательно, среднее полезное давление могут быть увеличены. Наддув является подходящим средством увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания без увеличения рабочего объема цилиндров, или для снижения рабочего объема цилиндров без уменьшения мощности двигателя. В любом случае, применение наддува приводит к увеличению объемной выходной мощности и улучшению удельной мощности двигателя внутреннего сгорания. При тех же граничных условиях для транспортного средства, таким образом, появляется возможность применять большие нагрузки при меньшем удельном расходе топлива.
При конфигурировании системы турбонаддува на выхлопных газах часто возникают трудности, когда в основном стремятся достичь значительного улучшения характеристик во всем диапазоне угловых скоростей двигателя. Согласно известному уровню техники, так или иначе, наблюдается сильное падение крутящего момента в случае достижения конкретной угловой скорости. Это падение можно понять, если взять во внимание, что коэффициент давления надувочного воздуха зависит от показателя давления в турбине. В случае, например, с дизельным двигателем, снижение угловой скорости двигателя приводит к уменьшению плотности потока выхлопных газов и, следовательно, к снижению показателя давления в турбине. Вследствие этого происходит дальнейшее снижение угловых скоростей и таким же образом уменьшается коэффициент давления надувочного воздуха, что и приводит к падению крутящего момента.
В принципе, возможно противодействовать уменьшению давления надувочного воздуха посредством уменьшения поперечного сечения турбины, что привело бы к увеличению показателя давления в турбине. Но это всего лишь смещает падение крутящего момента в область более низких угловых скоростей. Более того, вышеизложенный метод уменьшения поперечного сечения турбины имеет ограничения, так требуемый наддув и улучшение характеристик должны осуществляться без ограничений даже в области высоких угловых скоростей, то есть в случае большого потока выхлопных газов.
Согласно уровню техники, предполагается увеличить характеристики крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом с использованием различных средств.
Одним из таких средств, например, является уменьшение поперечного сечения турбины с одновременным использованием устройства сброса избыточного давления. Такую турбину также называют турбиной с перепускной заслонкой. Если плотность потока выхлопных газов превышает критическое значение, то часть потока в ходе так называемого сброса избыточного давления выхлопных газов проходит через перепускной канал в обход турбины. Этот метод имеет недостаток, заключающийся в том, что характер работы наддува является непредсказуемым на относительно высоких угловых скоростях или в случае относительно больших потоков выхлопных газов.
Характеристику крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом можно, кроме того, улучшить путем использования нескольких турбокомпрессоров, расположенных параллельно, то есть совокупности турбин с малым поперечным сечением, расположенных параллельно друг другу. В этом случае турбины активируются при возрастающем потоке выхлопных газов.
Двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющий по меньшей мере два турбокомпрессора, расположенных параллельно, также является объектом настоящего изобретения. Одна из турбин выполнена в качестве активируемой турбины, которая задействуется выхлопными газами, то есть активируется, только в случае относительно больших количеств выхлопных газов.
Предполагается расположить турбины настолько близко к выпускным отверстиям цилиндра, насколько это только возможно для того, чтобы оптимально использовать внутреннюю энергию горячих выхлопных газов, определяемую, в основном, давлением и температурой выхлопных газов, а также для обеспечения быстрого отклика турбокомпрессоров. Таким образом, теоретически предполагается свести к минимуму тепловую инерцию, а также объем системы трубопроводов между выпускными отверстиями на цилиндрах и турбинами, что может быть достигнуто уменьшением массы и длины выхлопных трубопроводов.
Для достижения указанных целей выхлопные трубопроводы по меньшей мере двух цилиндров сливаются по группам таким образом, что от каждого из цилиндров по меньшей мере один выхлопной трубопровод ведет к турбине первого турбокомпрессора, а другой выхлопной трубопровод ведет к турбине второго турбокомпрессора.
Согласно настоящему изобретению, турбина первого турбокомпрессора (первая турбина) является активируемой турбиной, и выпускные отверстия выхлопных трубопроводов, ведущих к этой турбине, соответственно являются задействуемыми или активируемыми выпускными отверстиями. Активируемые выпускные отверстия открываются только в случае относительно больших количеств выхлопных газов, тем самым активируя первую турбину, то есть приводя ее в действие выхлопными газами в процессе замены рабочей смеси.
По сравнению с вариантами осуществления настоящего изобретения, в которых выше по потоку турбин имеется единая согласованная система трубопроводов, вышеуказанное расположение группами, то есть использование двух отделенных друг от друга выпускных коллекторов, улучшает рабочие характеристики двигателя, в особенности при малых потоках выхлопных газов, так как уменьшают объем линии выше по потоку второй турбины, через которую постоянно проходят выхлопные газы. Это является очень эффективным, поскольку улучшает отклик при низких нагрузках и угловых скоростях, то есть в случае малых количеств выхлопных газов.
Недостатком такого двигателя является то, что активируемая турбина в неактивном состоянии полностью отрезана от потока выхлопных газов, то есть отработавшие газы вообще не подаются к деактивированной турбине. Причиной является использование раздельных выпускных коллекторов и неоткрывание активируемых выпускных отверстий в данном рабочем режиме, то есть при малых количествах выхлопных газов.
В результате отсутствия характерного потока выхлопных газов, в случае деактивации угловая скорость активируемой турбины существенно снижается. Слой жидкостной смазки истощается или исчезает полностью, таким образом, ранее чисто жидкостное трение сменяется на смешанное, а иногда на преобладающее сухое трение. Это увеличивает износ, снижает срок службы турбокомпрессора и в основном должно рассматриваться как критический фактор по отношению к восприимчивости системы наддува к неисправностям. В данном случае следует понимать, что деактивированная турбина также находится под воздействием вибраций и ударов в процессе работы двигателя, при этом из-за недостатка смазочного слоя отсутствует смягчение ударов подвижных компонентов.
Более того, необходимо принимать во внимание, что активируемая турбина должна запускаться, только когда она активирована. Даже если ротор активируемой турбины относительно малоинерционный благодаря размеру или использованию двух турбин, турбина при активации реагирует медленно. Запрошенный вращающий момент, таким образом, может быть обеспечен только с задержкой.
В свете вышеизложенного, целью настоящего изобретения является разработка двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, посредством которого могут быть преодолены проблемы и недостатки решений, известных из уровня техники, а также который имеет улучшенные рабочие характеристики при запуске активируемой первой турбины.
Следующим дополнительным объектом настоящего изобретения является разработка способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания данного типа.
Раскрытие изобретения
Первая цель изобретения достигается в двигателе внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющем по меньшей мере два турбокомпрессора на выхлопных газах и по меньшей мере одну головку цилиндров с по меньшей мере двумя цилиндрами. Каждый цилиндр имеет по меньшей мере два выпускных отверстия для вывода выхлопных газов, по меньшей мере одно из которых выполнено в виде активируемого выпускного отверстия. Каждое выпускное отверстие соединено с выхлопным трубопроводом, причем выхлопные трубопроводы активируемых выпускных отверстий по меньшей мере двух цилиндров сливаются в первый выпускной коллектор с образованием первого общего выхлопного трубопровода, который соединен с турбиной первого турбокомпрессора на выхлопных газах; а выхлопные трубопроводы других выпускных отверстий по меньшей мере двух цилиндров сливаются во второй выпускной коллектор с образованием второго общего выхлопного трубопровода, который соединен с турбиной второго турбокомпрессора; и где первый и второй выпускные коллекторы постоянным образом соединены друг с другом выше по потоку указанных двух турбин посредством по меньшей мере одного соединительного канала, который не может быть перекрыт (незакрываемого канала).
По сравнению с известными из уровня техники решениями, согласно которым два выпускных коллектора полностью отделены друг от друга, настоящим изобретением предусматривается соединение выпускных коллекторов друг с другом. Для этих целей имеется, по крайней мере, один соединительный канал, который не может быть перекрыт, то есть постоянно открыт и выполняет функцию дросселирующего узла (перепускного канала).
Соединительный канал позволяет некоторой части выхлопных газов перетекать из второго выпускного коллектора в первый даже в случае относительно низких количеств выхлопных газов. При этом активируемая турбина приводится в действие выхлопными газами из второго выпускного коллектора и соединительного канала даже в неактивном, то есть в отключенном состоянии.
T
В этом случае к активируемой турбине через соединительный канал подается только то количество выхлопных газов, которое обеспечивает поддержание угловой скорости вала турбины не ниже минимальной n. Поддержание определенной минимальной угловой скорости предотвращает или снижает истощение гидродинамического смазочного слоя в подшипнике скольжения вала первого турбокомпрессора. Следовательно, средство подачи малого количества выхлопного газа в активируемую турбину даже в деактивированном состоянии оказывает положительный эффект в отношении износа и срока службы турбокомпрессора. Более того, отклик активируемой турбины и наддува в целом улучшаются, так как активируемая турбина при активации запускается с более высоких начальных угловых скоростей. Требуемый крутящий момент можно обеспечить сравнительно быстро, то есть лишь с небольшой задержкой.
Таким образом, достигается первая цель изобретения, а конкретно обеспечение двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в котором устранены проблемы и недостатки, присущие известным из уровня техники решениям, и который имеет улучшенные рабочие характеристики при включении активируемой турбины.
Двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению также может иметь две головки цилиндров, например, если цилиндры расположены двумя рядами.
T
По крайней мере один соединительный канал должен обеспечивать необходимое количество выхлопных газов для поддержания минимальной угловой скорости n вала, а также он должен иметь соответствующие геометрические размеры. При этом участие в нагнетаемом давлении не является функцией активируемой турбины в деактивированном состоянии. Обеспечение требуемого количества выхлопных газов для этих целей является задачей не соединительного канала, но скорее первого выпускного коллектора, когда выпускные отверстия открыты или активированы.
Таким образом, предпочтительными являются варианты осуществления изобретения, в которых по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал образует место перепуска, которое вызывает снижение давления в потоке выхлопных газов, проходящем через него. Следовательно, обеспечивается прохождение только малого количества выхлопных газов через соединительный канал, а именно - точного количества, требуемого для поддержания конкретной минимальной угловой скорости вала турбины.
По меньшей мере один соединительный канал должен быть выполнен с размерами, соответствующими этой функции, то есть он должен быть меньше, чем, например, выхлопной трубопровод, соединенный с выпускным отверстием, который служит для подачи достаточного количества выхлопных газов к турбине с наименьшими потерями.
Cross,C
Cross,Ex
Таким образом, предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых наименьшее поперечное сечение A по меньшей мере одного соединительного канала меньше, чем наименьшее поперечное сечение A выхлопного трубопровода. Проходное сечение трубопровода или канала является параметром, который сильно влияет на пропускную способность, то есть количество выхлопных газов, проходящих через соединительный канал в единицу времени. Для сравнения, согласно настоящему изобретению проходное сечение определяют как перпендикулярное центральной элементарной струе потока.
Cross,C
Cross,Ex
Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых выполняется следующее соотношение: A≤0.3A.
Cross,C
Cross,Ex
Cross,C
Cross,Ex
Cross,C
Cross,Ex
В особенности предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых выполняются следующие соотношения: A≤0.2A; и предпочтительно A≤0.1A или A≤0.05A.
Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по крайней мере один незакрываемый соединительный канал ответвляется от выхлопного трубопровода второго выпускного коллектора и соединяет указанный выхлопной трубопровод второго выпускного коллектора, например, с выхлопным трубопроводом первого выпускного коллектора или с общим выхлопным трубопроводом первого выпускного коллектора.
Изобретение также охватывает варианты осуществления, в которых по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал соединяет выхлопной трубопровод активируемого выпускного отверстия одного цилиндра с выхлопным трубопроводом постоянно активированного отверстия другого цилиндра.
Согласно цели изобретения, намерение передачи (то есть подачи) лишь малых количеств выхлопных газов в первый выпускной коллектор через соединительный канал, доставка выхлопных газов к соединительному каналу через выхлопной трубопровод одиночного выпускного отверстия является теоретически достаточной. При этом благодаря тому, что практически одинаковое давление газов преобладает во всей выхлопной системе второго выпускного коллектора, то выхлопные газы других выхлопных трубопроводов второго выпускного коллектора также могут пройти (или проходят) в соединительный канал в результате противотока. Тем не менее, вариант, о котором идет речь, способствует осуществлению основной цели, то есть получению пониженного отвода выхлопных газов через соединительный канал.
Более или менее интенсивный противоток фракций выхлопных газов, отведенных из других выпускных отверстий, может быть необходим в зависимости от расположения места ответвления соединительного канала от второго выпускного коллектора.
Так как соединительный канал приводится в действие в основном только выхлопными газами одиночного выпускного отверстия, в потоке выхлопных газов, проходящих через соединительный канал могут возникнуть пульсации. Это приводит к неблагоприятному воздействию на активируемую турбину, приводимую в действие пульсирующим потоком выхлопных газов в деактивированном состоянии.
Если выхлопные трубопроводы постоянно активных выпускных отверстий объединены в составные выхлопные трубопроводы перед их слиянием в общий выхлопной трубопровод, могут быть предпочтительными варианты, в которых по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал ответвляется от составного выхлопного трубопровода второго выпускного коллектора.
Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал ответвляется от общего выхлопного трубопровода второго выпускного коллектора. Варианты, в которых соединительный канал ответвляется от общего выхлопного трубопровода, менее восприимчивы к пульсациям потока выхлопных газов, проходящего через соединительный канал.
Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал соединяет два общих выхлопных трубопровода друг с другом. В этом случае, удается избежать ситуации, в которой поток выхлопных газов, проходящий через соединительный канал, должен снова пройти через относительно узкие и несколько раз искривленные выхлопные трубопроводы отдельных выпускных отверстий, что приведет к дополнительным потерям давления.
Если два общих выхлопных трубопровода расположены близко друг к другу, то описанный вариант значительно сокращает длину соединительного канала.
Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых выхлопные трубопроводы по меньшей мере двух цилиндров сливаются в два общих выхлопных трубопровода внутри головки цилиндров.
Как уже было сказано, в процессе проектирования системы турбонаддува предполагается размещать турбины как можно ближе к выпускным отверстиям двигателя, чтобы свести к минимуму длину и объем системы трубопроводов выше по потоку турбин. При этом выгодным средством является значительная интеграция выпускных коллекторов в головку цилиндров или слияние выхлопных трубопроводов с образованием общих выхлопных трубопроводов внутри головки цилиндров.
Такая головка цилиндров характеризуется компактной конструкцией, в которой уменьшена общая длина выхлопных трубопроводов выпускного коллектора, а также объем выхлопных линий, расположенных выше по потоку турбины. Использование такой головки цилиндров также приводит к уменьшению количества компонентов, а, следовательно, и снижению стоимости, особенно затрат на сборку и на материально-техническое обеспечение. Компактная конструкция обеспечивает плотную упаковку привода в отсеке двигателя.
Согласно настоящему изобретению, нет необходимости объединять выхлопные трубопроводы всех цилиндров головки в два общих выхлопных трубопровода. Скорее есть необходимость группирования описанным способом только выхлопных линий по меньшей мере двух цилиндров.
Так или иначе, особенно эффективными являются варианты осуществления изобретения, в которых выхлопные трубопроводы всех цилиндров по меньшей мере одной головки цилиндров сливаются в два общих выхлопных трубопровода.
Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере одна головка цилиндров соединена с турбинами по меньшей мере двух турбокомпрессоров через соединительную часть. Соединительная часть соединена одним концом с головкой цилиндров, а другим концом - с турбинами с помощью непринудительной, принудительной и/или согласованной фиксации. Соединительная часть служит для передачи выхлопных газов от головки цилиндров в турбины, то есть для введения газов во входную область турбин. Для этих целей потоки выхлопных газов в основном также должны быть перенаправлены. Вариант является предпочтительным, если соединительная часть является литой деталью.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал интегрирован в соединительную часть (является ее составным элементом).
Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал интегрирован в головку цилиндров.
Включение соединительного канала в состав другого компонента, например головку цилиндров или соединительную часть, уменьшает количество компонентов, а также является предпочтительным с точки зрения предотвращения утечек.
В вариантах осуществления изобретения с внешним каналом можно применить средства крепления и дополнительные элементы уплотнения для таких каналов.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере один соединительный канал в месте, где он сообщается с первым выпускным коллектором, расположен вблизи активируемой турбины и направлен на нее, так что поток выхлопных газов, выходящий из соединительного канала, попадает прямо на ротор турбины без каких-либо значительных отклонений.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых предусмотрен привод по меньшей мере частично регулируемого клапана, предпочтительно привод полностью регулируемого клапана для активации выпускных отверстий.
Двигатели внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере одна головка цилиндров может соединяться со стороны сборочного конца с блоком цилиндров, и в которых выхлопные трубопроводы по меньшей мере двух цилиндров сливаются в два общих выхлопных трубопровода в рамках конструкции головки цилиндров, предпочтительно характеризуются тем, что один общий выхлопной трубопровод расположен на такой стороне другого общего выхлопного трубопровода, которая противоположна сборочному концу. Общие выхлопные трубопроводы в определенном смысле расположены друг над другом (в направлении продольной оси цилиндра), а при необходимости под углом друг к другу.
Эти варианты особенно подходят для использования соединительной части вышеупомянутого типа, так как два общих выхлопных трубопровода отходят от головки цилиндров близко друг к другу, что обеспечивает компактную, следовательно, необъемную и легкую конструкцию соединительной части.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых один турбокомпрессор расположен примыкающим сбоку к головке цилиндров, а другой турбокомпрессор расположен примыкающим сбоку к блоку цилиндров. Такая конфигурация гарантирует близкое расположение обеих турбин, одна над другой в направлении вдоль оси цилиндра, и в целом плотную компоновку привода.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере одна головка цилиндров оборудована встроенной рубашкой охлаждения. Двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом испытывает большую тепловую нагрузку, чем двигатели без наддува, в результате чего к системе охлаждения предъявлены большие требования.
Теоретически есть возможность выполнения системы охлаждения в форме как устройств воздушного охлаждения, так и устройств жидкостного охлаждения. Вследствие более высокой теплоемкости жидкостей по сравнению с воздухом, есть возможность отвести большее количество тепла посредством жидкостного охлаждения, чем воздушного.
Жидкостное охлаждение требует оборудования двигателя или головки цилиндров встроенной рубашкой охлаждения, то есть системой каналов хладагента, которые проводят охлаждающую жидкость через головку цилиндров. Тепло поглощается хладагентом, как правило, в воде с присадками, уже внутри головки цилиндров. Хладагент подается с помощью насоса, расположенного в охлаждающем контуре, таким образом, что она циркулирует в рубашке охлаждения. Тепло, которое поглощается хладагентом, таким образом отводится от внутренней части головки цилиндров, а затем отдается теплообменнику.
Используемые турбины могут иметь различную геометрию, которую можно адаптировать к соответствующему режиму работы двигателя внутреннего сгорания.
В частности, вторая турбина может представлять собой турбину с перепускной заслонкой. В такой турбине выхлопные газы проходят в обход турбины через перепускной канал, как только масса потока выхлопных газов превышает критическое значение. Для этих целей необходимо обеспечить наличие в перепускном канале запорного элемента.
Перепускной канал может сообщаться с одним из двух общих выхлопных трубопроводов ниже по потоку турбин, или, в предпочтительном варианте, может также сообщаться с первым выпускным коллектором выше по потоку первой турбины.
В таких вариантах осуществления перепускной канал может быть предпочтительно использован для раскрутки первой активируемой турбины незадолго перед ее активацией, за счет открывания перепускного канала.
Вторая дополнительная цель настоящего изобретения, а именно разработка способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, достигается за счет способа, в котором активируемые выпускные отверстия, которые не задействованы (деактивированы) в случае малого количества выхлопных газов, задействуют (активируют) при превышении заранее определенного количества выхлопных газов.
То, что было установлено в отношении двигателей внутреннего сгорания по изобретению, подобным образом применимо и к способу по изобретению. Активация выпускных отверстий означает активацию первой турбины. Предварительная раскрутка активируемой турбины через перепускной канал второй турбины, выполненной как турбина с перепускной заслонкой, остается неизменной.
В двигателях внутреннего сгорания без наддува количество выхлопных газов приблизительно соответствует частоте и/или нагрузке двигателя, в частности в зависимости от управления нагрузкой, используемого в отдельной ситуации. В традиционных двигателях с искровым зажиганием и количественным топливным регулированием, количество выхлопных газов увеличивается с увеличением нагрузки даже при постоянной частоте вращения двигателя. При этом в дизельных двигателях с качественным топливным регулированием, количество выхлопных газов зависит только от частоты вращения, так как при изменении нагрузки при постоянной частоте вращения изменяется состав смеси, а не ее количество.
Если двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению основан на количественном регулировании, при котором уровень нагрузки контролируется посредством количества свежей смеси, количество выхлопных газов может превышать соответствующее (то есть заранее определенное) количество выхлопных газов даже при постоянной частоте вращения, если нагрузка двигателя превышает определенное значение, так как количество выхлопных газов коррелирует с нагрузкой двигателя, причем количество выхлопных газов возрастает с ростом нагрузки и спадает с уменьшением нагрузки.
Напротив, если двигатель внутреннего сгорания основан на качественном регулировании, при котором нагрузка контролируется посредством состава свежей смеси и количество выхлопных газов изменяется исключительно вместе с частотой вращения двигателя, то есть прямо пропорционально частоте вращения, количество выхлопных газов превышает заранее определенное значение независимо от нагрузки в случае, если частота вращения двигателя внутреннего сгорания также превышает предварительно определенное значение.
Двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению является двигателем с турбонаддувом, так что должно быть также рассмотрено давление нагнетаемого воздуха со стороны впуска, которое может изменяться с нагрузкой и/или частотой вращения, а также оказывает влияние на количество выхлопных газов. Взаимосвязи, описанные выше в отношении количества выхлопных газов и нагрузки или частоты вращения, соответственно применяются только условно в общей форме. Таким образом, способ согласно изобретению связан в основном с количеством выхлопных газов, а не с нагрузкой или частотой вращения двигателя.
Если количество выхлопных газов становится меньше предварительно определенного значения, активируемые выпускные отверстия, а следом и активируемая турбина, снова деактивируются.
1
Предпочтительными являются варианты способа, в которых активируемые выпускные отверстия активируются, когда количество выхлопных газов превышает предварительно определенное значение на протяжении предварительно определенного периода времени Δt.
Введение дополнительного условия для активации первой турбины направлено на предотвращение чрезмерно частого переключения, в частности активации выпускных отверстий в случае, если количество выхлопных газов превышает заранее определенное значение только на короткий промежуток времени, а затем снова снижается, или колеблется возле этого значения без его превышения, обуславливающего активацию первой турбины.
2
По вышеизложенным причинам, предпочтительными являются варианты способа, в которых активируемые выпускные отверстия деактивируются, когда количество выхлопных газов становится меньше предварительно определенного значения и находится на этом уровне на протяжении предварительно определенного периода времени Δt.
Если вторая турбина представляет собой турбину с перепускной заслонкой, перепускной канал которой сообщается с первым выпускным коллектором выше по потоку первой турбины, то предпочтительными являются варианты способа, в которых первая активируемая турбина раскручивается незадолго перед активацией за счет открывания запирающего элемента, расположенного в перепускном канале.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано более подробно на основе примерного варианта осуществления согласно Фиг. 1.
На Фиг. 1 схематически изображен первый вариант осуществления двигателя внутреннего сгорания.
Осуществление изобретения
На Фиг. 1 схематически представлен первый вариант осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания, который оснащен двумя турбокомпрессорами 8, 9 на выхлопных газах. Каждый турбокомпрессор 8, 9 содержит турбину 8а, 9а и компрессор 8b, 9b. Горячие выхлопные газы расширяются в турбинах 8а, 9а с выделением энергии, и компрессоры 8b, 9b сжимают нагнетаемый воздух, который далее подается к цилиндрам 3 через впускные линии 13а, 13b и напорную воздушную камеру 14, в результате чего осуществляется турбонаддув двигателя 1.
Показанный на Фиг. 1 двигатель 1 является четырехцилиндровым рядным двигателем, в котором цилиндры 3 расположены вдоль продольной оси головки 2 цилиндров, то есть в ряд. Каждый цилиндр 3 имеет два выпускных отверстия 4а и 4b, которые соединены с выхлопным трубопроводом 5а, 5b для выпуска выхлопных газов из камеры цилиндра 3.
В каждом случае одно выпускное отверстие 4а каждого цилиндра 3 выполнено как переключаемое выпускное отверстие 4а, которое открывается только в процессе замены рабочей смеси, если количество выхлопных газов превышает заранее определенное значение. В этом случае, расположенная ниже по потоку первая турбина 8а активируется, то есть приводится в действие выхлопными газами. Выхлопные трубопроводы 5а активируемых выпускных отверстий 4а всех цилиндров 3 сливаются в первый выпускной коллектор 6а для формирования первого общего выхлопного трубопровода 7а, который соединен с турбиной 8а первого турбокомпрессора 8 (показано пунктирной линией).
Выхлопные трубопроводы 5b других выпускных отверстий 4b всех цилиндров 3 сливаются во второй выпускной коллектор 6b для формирования второго общего трубопровода 7b, который соединен с турбиной 9а второго турбокомпрессора 9 (показано сплошной линией).
В данном случае, выхлопные трубопроводы 5а, 5b сливаются с образованием общего выхлопного трубопровода 7а, 7b внутри головки 2 цилиндров. Как можно видеть из Фиг. 1, первый выпускной коллектор 6а и второй выпускной коллектор 6b постоянным образом соединены друг с другом выше по потоку обеих турбин 8а, 9а через незакрываемый соединительный канал 10.
Соединительный канал 10 выполняет функции перепускного канала, через который отработавшие газы проходят из второго выпускного коллектора 6b в первый выпускной коллектор 6а. Таким образом, обеспечивается приведение в действие активируемой турбины 8а выхлопными газами даже в деактивированном состоянии, то есть когда активируемые выпускные отверстия 4а закрыты. Поддержание определенной минимальной частоты вращения предотвращает или снижает истощение гидродинамического смазочного слоя подшипника скольжения первого турбокомпрессора 8, а также сокращает процесс раскрутки активируемой турбины 8а при ее активации, то есть когда активируемые выпускные отверстия 4а открыты.
Согласно Фиг. 1, вторая турбина 9а выполнена как турбина с перепускной заслонкой, перепускной канал 11 которой ответвляется от второго общего выхлопного трубопровода 7b, раздваивается и сообщается с первым выпускным коллектором 6а выше по потоку активируемой турбины 8а. Посредством открывания запорного элемента 12, расположенного в перепускном канале 11, активируемую турбину 8а можно раскрутить незадолго перед ее активацией.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
1 Двигатель внутреннего сгорания с наддувом;
2 Головка цилиндров;
3 Цилиндр;
4а Активируемое выпускное отверстие;
4b Выпускное отверстие;
5а Выхлопной трубопровод;
5b Выхлопной трубопровод;
6а Первый выпускной коллектор;
6b Второй выпускной коллектор;
7а Первый общий выхлопной трубопровод;
7b Второй общий выхлопной трубопровод;
8 Первый турбокомпрессор;
8а Первая турбина, активируемая турбина;
8b Первый компрессор;
9а Вторая турбина;
9b Второй компрессор;
10 Соединительный канал;
11 Перепускной канал;
12 Запорный элемент;
13а Первый впускной канал;
13b Второй впускной канал;
14 Напорная воздушная камера.
Cross,C
A Наименьшее поперечное сечение соединительного канала;
Cross,Ex
A Наименьшее поперечное сечение выхлопного трубопровода;
T
n Угловая скорость вала первого турбокомпрессора.