ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЧЕТЫРЬМЯ РАСПОЛОЖЕННЫМИ В РЯД ЦИЛИНДРАМИ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH FOUR CYLINDERS LOCATED IN ROW AND OPERATION METHOD THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с по меньшей мере одной головкой цилиндров с четырьмя цилиндрами, расположенными в ряд. Изобретение также относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания вышеуказанного типа, в котором цилиндры оснащены устройством для осуществления принудительного зажигания.
Уровень техники
Двигатель внутреннего сгорания имеет один блок цилиндров и по меньшей мере одну головку цилиндров, которые соединены друг с другом с образованием цилиндров. Блок цилиндров имеет цилиндрические отверстия для входа поршней и гильз цилиндра. Поршни направляются таким образом, что они могут двигаться аксиально в гильзах цилиндра и отграничивают вместе с гильзой цилиндра и по меньшей мере одной головкой цилиндра камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Практически все современные двигатели внутреннего сгорания работают на четырехтактном рабочем цикле. В процессе замены рабочей смеси продукты сгорания выводятся через выпускные отверстия по меньшей мере четырех цилиндров, а заполнение камеры сгорания свежей смесью или свежим воздухом осуществляется через впускные отверстия. Для управления заменой рабочей смеси в двигателе внутреннего сгорания необходимы элементы управления и исполнительные устройства для привода данных элементов управления. Для управления процессом замены рабочей смеси в практически всех четырехтактных двигателях в качестве элементов управления используют подъемные клапаны, которые в процессе работы двигателя внутреннего сгорания совершают вибрирующие возвратно-поступательные движения и таким способом открывают или закрывают впускные или выпускные отверстия. Необходимый для приведения в движение клапанов клапанный механизм вместе с клапанами будет обозначен как «клапанный привод». По меньшей мере одна головка цилиндров, как правило, используется для размещения данного клапанного привода.
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, впускные каналы, ведущие к впускным отверстиям, и выпускные каналы, или выпускные трубопроводы, которые присоединяются к выпускным отверстиям, по меньшей мере частично встраивают в головку цилиндров. Выпускные каналы цилиндров, как правило, объединяются в один общий выпускной трубопровод или объединяются в группы по несколько общих выпускных трубопроводов. Объединение выпускных каналов в общий выпускной трубопровод в рамках настоящего изобретения называется выпускным коллектором, причем фрагмент общего выпускного трубопровода, расположенный выше по потоку любой турбины, которая может быть размещена в общем выпускном трубопроводе, также может рассматриваться как часть выпускного коллектора. В отдельных случаях область впуска, или впускной корпус, турбины может также рассматриваться как часть выпускного коллектора, а именно, тогда, когда турбина располагается рядом с двигателем и однозначно различить область впуска и общий выпускной трубопровод не представляется возможным.
В двигателе внутреннего сгорания по изобретению выпускные каналы четырех цилиндров объединяются (сливаются) в общий выпускной трубопровод, образуя тем самым выпускной коллектор. При этом выпускные каналы цилиндров соединяются последовательно, а именно таким образом, что каждый раз по меньшей мере один выпускной канал расположенного снаружи цилиндра соединяется с по меньшей мере одним выпускным каналом соседнего цилиндра, образуя частичный выпускной трубопровод, и оба образованных таким образом частичных выпускных трубопровода четырех цилиндров соединяются в общий выпускной трубопровод. За счет этого достигается значительное сокращение общей протяженности всех выпускных каналов и, вместе с этим, объема коллектора. Полученный выпускной коллектор может быть при этом частично или полностью встроен в по меньшей мере одну головку цилиндров. Система отвода выхлопных газов выходит на внешнюю сторону головки цилиндров.
Откачивание отработавших газов из цилиндра двигателя внутреннего сгорания в процессе замены рабочей смеси основывается преимущественно на двух различных механизмах. Если в начале замены рабочей смеси выпускной клапан открывается рядом с нижней мертвой точкой, отработавшие газы устремляются с большой скоростью через выхлопное отверстие в выхлопную систему по причине повышенного давления, преобладающего в цилиндре ближе к окончанию процесса сгорания, и связанной с этим большой разницы в давлении между камерой сгорания и выпускным трактом. Данный потоковый процесс, осуществляемый за счет разницы давлений, сопровождается высоким скачком давления, который также называется импульсом опережения выпуска и распространяется вдоль выпускного трубопровода со скоростью звука, причем давление в большей или меньшей степени снижается с увеличением длины пути и в зависимости от трения в трубопроводе.
По мере того как процесс замены рабочей смеси продолжается, давления в цилиндре и выпускном трубопроводе продолжают выравниваться в большой степени, благодаря чему отработавшие газы вытесняются в основном за счет возвратно-поступательных движений поршня.
Динамические волновые процессы или колебания давления в системе отвода выхлопных газов гарантируют то, что эксцентрично работающие цилиндры многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания оказывают взаимное влияние друг на друга при замене заряда рабочей смеси, в частности также могут мешать друг другу. Следствием этого могут быть ухудшение значения вращающего момента или снижение производительности. При расположении выпускных каналов отдельного цилиндра на большом расстоянии друг от друга можно предотвратить взаимное влияние цилиндров при замене заряда рабочей смеси.
При этом необходимо учитывать, что колебания давления в газообразных средах распространяются волнами, которые идут через выпускные каналы и отражаются от закрытых и открытых концов трубопроводов. Поток выхлопных газов или местное давление выхлопных газов в системе отвода выхлопных газов является результатом наслаивания проходящих и отраженных волн. В зависимости от конкретного устройства системы отвода выхлопных газов волны давления, исходящие от цилиндра, идут не только через по меньшей мере один выпускной канал данного цилиндра, но и также вдоль выпускных каналов других цилиндров, возможно, до находящегося на конце соответствующего трубопровода выпускного отверстия.
Во время замены заряда рабочей смеси уже вытесненный или отведенный в выпускной канал выхлопной газ может, таким образом, снова попасть в цилиндр, а именно, вследствие действия волн давления от другого цилиндра.
Нежелательной будет ситуация, когда в конце замены заряда рабочей смеси на выпускном отверстии цилиндра возникнет избыточное давление или волна давления другого цилиндра будет распространяться вдоль выпускного канала в направлении выпускного отверстия, препятствуя отводу отработавших газов из этого цилиндра. Отработавшие газы на данной фазе замены заряда рабочей смеси вытесняются в значительной степени вследствие возвратно-поступательных движений поршня.
Проблемы при замене заряда рабочей смеси в многоцилиндровом двигателе внутреннего сгорания появляются при низком числе оборотов двигателя, во время перекрытия клапанов, когда впускной клапан открыт, а выпускной клапан еще не закрыт, выхлопной газ должен выдуваться из цилиндра в очень большом количестве, вызывая потери заряда при продувке. Это приводит, с одной стороны, к ухудшению КПД, но, с другой стороны, к лучшему наполнению цилиндра и, вместе с этим, к повышению производительности. Регулируемое клапанное распределение позволяет изменять состояние клапанов в зависимости от числа оборотов двигателя.
Вышеописанная проблема, касающаяся взаимного влияния цилиндров при замене заряда рабочей смеси, которое является результатом происходящих в системе отвода выхлопных газов динамических волновых процессов и которое может стать причиной ухудшения характеристики вращающего момента, имеет все большее значение при конструировании двигателей внутреннего сгорания. Причины этого изложены далее.
По многим причинам будет предпочтительным встроить выпускной коллектор, насколько это возможно, в по меньшей мере одну головку цилиндров, то есть свести вместе максимальное количество выпускных каналов с образованием общего выпускного трубопровода как можно дальше внутри самой головки цилиндров.
Это делает конструкцию двигателя внутреннего сгорания более компактной и позволяет осуществить плотную компоновку всего узла привода в моторном отсеке. Кроме того, снижаются расходы на производство и сборку, а также уменьшается масса двигателя внутреннего сгорания в особенности при полной интеграции выпускного коллектора в головку цилиндров.
Также максимально возможная интеграция системы выпускных каналов может оказывать положительное влияние также на расположение и функционирование системы нейтрализации отработавших газов, которая располагается после коллектора. Путь, проходимый горячими выхлопными газами к различным системам нейтрализации отработавших газов, должен быть максимально коротким, чтобы выхлопные газы не охлаждались, что важно для быстрейшего достижения системой нейтрализации отработавших газов рабочей температуры, особенно после холодного запуска двигателя внутреннего сгорания.
В связи с этим необходимо позаботиться о том, чтобы тепловая инерция участка выпускных каналов между выпускным отверстием цилиндра и системой нейтрализации отработавших газов была минимальной, что может быть достигнуто за счет сокращения массы и длины данного участка. Максимально возможная интеграция выпускного коллектора в головку цилиндров может помочь в достижении данной цели.
В двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом необходимо расположить турбину насколько возможно близко к месту выпуска, то есть выпускным отверстиям цилиндра, чтобы таким образом можно было оптимально использовать энтальпию горячих выхлопных газов, которая в значительной степени определяется давлением и температурой выхлопных газов, и обеспечить быстрый отклик турбокомпрессора. При этом тепловая инерция и объем системы трубопроводов между выпускными отверстиями цилиндров и турбиной также должны быть сведены к минимуму, по причине чего максимально возможная интеграция выпускного коллектора в головку цилиндров снова помогает достичь данной цели.
Максимально возможная интеграция выпускного коллектора в головку цилиндров, как уже было выше сказано, имеет множество преимуществ, но, кроме сокращения общей протяженности всех выпускных каналов, она также приводит к сокращению каждого отдельного выпускного канала, поскольку они соединяются непосредственно после выпускных отверстий, из-за чего проблема взаимного влияния цилиндров друг на друга при замене заряда рабочей смеси обостряется.
Обусловленное максимально возможной интеграцией в головку цилиндров сокращение выпускных каналов возможно лишь частично компенсировать за счет увеличения ширины головки цилиндров вертикально по отношению к продольной оси головки цилиндров, поскольку данный способ имеет ограничения на основании требований безопасности, в частности, по той причине, что в моторном отсеке должно быть достаточно места для беспрепятственной деформации во время аварии.
На основании вышесказанного задачей настоящего изобретения является разработка четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, обладающего компактной конструкцией и позволяющего устранить или уменьшить проблему взаимного влияния цилиндров друг на друга при замене заряда рабочей смеси.
Другой частной задачей настоящего изобретения является разработка способа эксплуатации такого двигателя внутреннего сгорания, в котором цилиндры оснащены устройством зажигания для осуществления принудительного зажигания.
Раскрытие изобретения
Первая частная задача решается с помощью двигателя внутреннего сгорания с по меньшей мере одной головкой цилиндров, который
- имеет четыре цилиндра, расположенных в ряд вдоль продольной оси головки цилиндров, причем каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие для отвода выхлопных газов из цилиндра через выхлопную систему, для чего к каждому выпускному отверстию присоединен выпускной канал, и в котором
- выпускные каналы цилиндров последовательно соединены с образованием общего выпускного трубопровода, причем по меньшей мере один выпускной канал внешнего цилиндра в каждом случае соединен с по меньшей мере одним выпускным каналом соседнего внутреннего цилиндра, образуя частичный выпускной трубопровод, до того, как оба частичных выпускных трубопровода от четырех цилиндров соединяются в общий выпускной трубопровод, и
- система отвода выхлопных газов выходит на внешнюю сторону головки цилиндров,
и отличающийся тем, что
- внешние участки стенки, которые в каждом случае отделяют друг от друга участок по меньшей мере одного выпускного канала внешнего цилиндра и участок по меньшей мере одного выпускного канала соседнего внутреннего цилиндра и выдаются в выхлопную систему, проходят в направлении внешней стороны головки цилиндров перпендикулярно продольной оси головки цилиндров на меньшее расстояние, чем внутренний участок стенки, который отделяет друг от друга участок двух частичных выпускных трубопроводов и участок выпускных каналов двух внутренних цилиндров и выдается в выхлопную систему.
На первом этапе выпускные каналы четырех цилиндров по меньшей мере одной головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания соединяются по группам, то есть попарно, причем в каждом случае внешний цилиндр и соседний внутренний цилиндр образуют одну цилиндровую пару, выпускные каналы которых сливаются, образуя частичный выпускной трубопровод. На втором этапе данные частичные выпускные трубопроводы затем ниже по потоку соединяются в выхлопной системе с образованием общего выпускного трубопровода, что позволяет сократить, таким образом, общую протяженность всех выпускных каналов. Последовательное соединение выпускных трубопроводов в общий выпускной трубопровод также способствует созданию компактной, то есть обладающей меньшим объемом, конструкции.
В соответствии с изобретением это осуществляется с помощью одной конструктивной особенности двигателя внутреннего сгорания, а именно с помощью того, что внешние участки стенки, которые в каждом случае отделяют друг от друга участок выпускных каналов цилиндровой пары, продолжаются в направлении внешней стороны головки цилиндров перпендикулярно продольной оси головки на меньшее расстояние, чем внутренний участок стенки, который отделяет друг от друга участок двух частичных выпускных трубопроводов двух цилиндровых пар.
Потоки выхлопных газов из двух групп цилиндров в соответствии с изобретением остаются разделенными на большем расстоянии, чем потоки выхлопных газов внутри группы. Конечно, с этой точки зрения, есть принципиальная возможность того, что цилиндры одной группы при замене заряда рабочей смеси будут продолжать оказывать влияние друг на друга. Однако конфигурация частичных выпускных трубопроводов и их разделение на большем расстоянии, соразмерное протяженности участка трубопровода, дает эффект, что одна группа цилиндров при замене заряда рабочей смеси не препятствует или значительно меньше мешает второй группе цилиндров. Таким образом, проблема взаимного влияния цилиндров при замене заряда рабочей смеси частично решается.
В данном случае тот факт, что цилиндры одной группы могут оказывать влияние друг на друга при осуществлении замены рабочей смеси благодаря конструкции двигателя по изобретению, может быть оценен как относительно некритичный, поскольку данному обстоятельству можно противодействовать с помощью дополнительных мер, а именно с помощью выбора подходящей последовательности зажигания.
В двигателе внутреннего сгорания с принудительным зажиганием могут быть предпочтительными варианты, в которых двигатель приводится в действие последовательностью зажигания 1-2-4-3 вместо традиционной последовательности запуска цилиндров 1-3-4-2 на интервале угла поворота коленчатого вала в 180°. Начиная с первого цилиндра моменты зажигания, измеренные в градусах угла поворота коленчатого вала, являются следующими: 0 - 180 - 360 - 540. При этом в отличие от традиционной схемы, цилиндры одной группы цилиндров зажигаются сразу же друг за другом, за счет чего цилиндры приобретают термодинамический сдвиг в 180° угла поворота коленвала.
Нумерация цилиндров двигателя внутреннего сгорания осуществляется согласно DIN 73021. В рядных двигателях цилиндры нумеруются по порядку, начиная со стороны, направленной в сторону сцепления.
Двигатель внутреннего сгорания по изобретению обладает компактной структурой и позволяет устранить проблему взаимного влияния цилиндров при замене заряда рабочей смеси, что решает первую частную задачу, лежащую в основе изобретения.
Двигатель внутреннего сгорания по изобретению может также иметь две головки цилиндров, если, например, цилиндры расположены в два ряда. Соответствующее изобретению соединение выпускных каналов уже в двух головках цилиндров может также использоваться для улучшения замены заряда рабочей смеси и передачи крутящего момента.
Другие предпочтительные варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания описаны со ссылками на зависимые пункты формулы.
Как уже было описано, предпочтительно, если выпускной коллектор, насколько это возможно, будет встроен в по меньшей мере одну головку цилиндров, то есть соединение выпускных каналов будет осуществляться в максимальном охвате уже внутри головки цилиндров, поскольку это позволит сделать конструкцию компактной, компоновку плотной и заключает в себе снижение издержек производства и массы. Кроме того, в результате могут проявиться также преимущества с точки зрения отклика турбокомпрессора, расположенного в выхлопной системе, или системы нейтрализации отработавших газов.
По вышеназванным причинам предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один выпускной канал внешнего цилиндра и по меньшей мере один выпускной канал соседнего внутреннего цилиндра в каждом случае будут соединяться внутри по меньшей мере одной головки цилиндров с образованием частичных выпускных трубопроводов.
Другими словами, соединение выпускных каналов обеих групп цилиндров в один, относящийся к данной группе цилиндров, частичный выпускной трубопровод имеет место, в соответствии с описанным вариантом, внутри головки цилиндров.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых внутренний участок стенки проходит в направлении внешней стороны по меньшей мере одной головки цилиндров перпендикулярно продольной оси по меньшей мере одной головки цилиндров, дальше, чем внешние участки стенки, на расстояние Δs, причем Δs≥5 мм.
Компьютерное моделирование показало, что в отдельном случае удовлетворительная характеристика вращающего момента может быть достигнута уже тогда, когда внутренний участок стенки проходит только на 5 мм или более за пределы внешних участков стенки, в направлении внешней стороны по меньшей мере одной головки цилиндров, причем расстояние Δs измеряется перпендикулярно продольной оси по меньшей мере одной головки цилиндров, а точкой отсчета служит точка на участке стенки, которая более всего выдается в выхлопную систему в направлении к внешней стороне.
Чем больше внутренний участок стенки выступает по сравнению с наружными участками, тем более четким будет разделение двух частичных выпускных трубопроводов друг от друга (в смысле расстояния) и тем заметнее будет проявляться необходимый эффект того, что группы цилиндров при замене заряда рабочей смеси не будут или будут в меньшей степени взаимно влиять друг на друга, в частности мешать друг другу.
По этой причине особенно предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых Δs>10 мм.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых свободный конец внутреннего участка стенки, который выдается в выхлопную систему, находится на расстоянии Δd (перпендикулярно продольной оси по меньшей мере одной головки цилиндров) от внешней стороны по меньшей мере одной головки цилиндров, причем Δd≤30 мм, предпочтительно Δd≤20 мм.
В этом контексте предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых Δd≥10 мм.
Вышеописанный вариант конструктивного исполнения характеризуется тем, что образованные в головке цилиндров частичные выпускные трубопроводы соединяются в общий выпускной трубопровод также внутри головки. По этой причине общий поток выхлопного газа, отводимый от головки цилиндров через выхлопную систему, выходит через единственное выпускное отверстие со стороны выпуска внешней стороны головки цилиндров.
Данный вариант конструктивного выполнения отличается очень компактной структурой, обладающей всеми преимуществами, которые заключает в себе полностью встроенный в головку цилиндров выпускной коллектор.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых конец внутреннего участка стенки, который выдается в выхлопную систему, находится на расстоянии ΔL от плоскости А, параллельной наружной стороне по меньшей мере одной головки цилиндров и проходящей через выпускные отверстия цилиндров, причем ΔL>D, где D представляет собой диаметр цилиндра. Предполагается, что наружная сторона располагается перпендикулярно монтажной плоскости, по которой по меньшей мере одна головка цилиндров может быть соединена с блоком цилиндров. В другом варианте плоскость А располагается не параллельно наружной стороне, а наоборот, перпендикулярно указанной монтажной плоскости.
Особенно предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых ΔL>1,2 D.
Плоскость А, в соответствии с изобретением, рассмотрена как проходящая через выпускные отверстия цилиндров, то есть плоскость А пересекает центральные линии выпускных отверстий, то есть содержит центры выпускных отверстий.
Расстояние ΔL в значительной степени определяет расстояние, на котором потоки выхлопных газов частичных выпускных трубопроводов отделены друг от друга. Чем большим будет выбрано расстояние ΔL, тем больше будут длины частичных выпускных трубопроводов и тем меньше смогут цилиндры оказывать влияние друг на друга во время процесса замены рабочей смеси.
По уже названным причинам предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых выпускные каналы цилиндров соединяются внутри по меньшей мере одной головки цилиндров в общий выпускной трубопровод, образуя тем самым встроенный впускной коллектор.
Тем не менее, также предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых выпускные каналы цилиндров соединяются в общий выпускной трубопровод за пределами по меньшей мере одной головки цилиндров. При этом выпускные каналы цилиндров могут также соединяться с образованием частичных выпускных трубопроводов внутри головки цилиндров, а эти частичные выпускные трубопроводы могут соединяться с образованием общего выпускного трубопровода за пределами по меньшей мере одной головки цилиндров. В этом случае выпускной коллектор имеет модульную структуру и объединяет в себе при этом встроенный в головку цилиндров участок выпускного коллектора и внешний коллектор или участок коллектора.
Дополнительно к мерам по изобретению, динамически протекающие волновые процессы в выхлопной системе могут сделать необходимым внешний коллектор или внешний участок коллектора для оптимизации замены заряда рабочей смеси и обеспечения, таким образом, удовлетворительных характеристик вращающего момента.
В этом контексте предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых внутренний участок стенки, который выдается в выхлопную систему, проходит также далеко, как и наружная сторона по меньшей мере одной головки цилиндров.
В данном случае потоки выхлопных газов в частичных выпускных трубопроводах отделены друг от друга внутренней частью стенки до того, как они выходят из головки цилиндров, и выхлопная система, таким образом, выходит из головки цилиндров в форме двух выпускных отверстий. Выпускные каналы цилиндров или частичные выпускные трубопроводы соединяются с образованием общего выпускного трубопровода ниже по потоку головки цилиндров, т.е. только за ее пределами.
Предпочтительными могут также быть такие варианты конструктивного исполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых внутренняя часть стенки, которая выдается в выхлопную систему, выступает за пределы наружной стороны по меньшей мере одной головки цилиндров. В соответствии с данным вариантом потоки выхлопных газов частичных выпускных трубопроводов являются отделенными друг от друга внутренним участком стенки даже после выхода из головки цилиндров.
В данном варианте выхлопная система также выходит из головки цилиндров в форме двух выпускных отверстий.
В этом случае внутренний участок стенки может быть при этом выполнен в виде части по меньшей мере одной головки цилиндров, причем до сборки участок стенки выступает из головки цилиндров и выдается наружу. В качестве альтернативы внутренний участок стенки может быть также выполнен модульным способом, причем первый фрагмент должен быть образован по меньшей мере одной головкой цилиндров, а другой фрагмент, продолжающий первый, должен быть образован внешним участком коллектора. Впускной корпус турбины, расположенной в общем выпускном трубопроводе, может также участвовать в образовании внутреннего участка стенки, образуя второй фрагмент. В обоих вышеназванных вариантах фрагмент, образованный внешним участком коллектора или впускным корпусом, может также выдаваться внутрь головки цилиндров.
Двигатели внутреннего сгорания соответствующего изобретению типа особенно подходят для осуществления наддува с помощью турбокомпрессора на выхлопных газах, причем по меньшей мере одна турбина должна быть расположена максимально близко к двигателю. В этом отношении двигатели внутреннего сгорания с по меньшей мере одним турбокомпрессором на выхлопных газах являются предпочтительными, причем турбина по меньшей мере одного турбокомпрессора расположена в общем выпускном трубопроводе и имеет область впуска для подачи выхлопных газов. Таким образом, весь выхлопной газ четырех цилиндров будет подаваться на турбину.
Преимущества турбокомпрессора, например, по сравнению с механическим компрессором заключаются в том, что отсутствует и не является необходимым механическое соединение для передачи мощности между компрессором и двигателем внутреннего сгорания. Если механический компрессор берет необходимую для его работы энергию в полном объеме у двигателя, то турбокомпрессор на выхлопных газах использует энергию горячих выхлопных газов. Отдаваемая турбине потоком выхлопных газов энергия используется для привода компрессора, который нагнетает и сжимает подаваемый ему наддувочный воздух, благодаря чему достигается наддув цилиндров. При необходимости может быть предусмотрена система охлаждения наддувочного воздуха, с помощью которой сжатый воздух охлаждается до попадания в цилиндры.
Наддув, в первую очередь, предназначен для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания. Наддув также используют для увеличения диапазона нагрузок в сторону более высоких нагрузок при одинаковых условиях, благодаря чему сокращается расход топлива.
Часто при превышении определенного количества оборотов наблюдается потеря крутящего момента. Характеристику крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом можно попытаться улучшить с помощью различных мер. Одним из примеров 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 или ротора турбины.
Характеристику крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом можно, кроме того, улучшить путем использования нескольких турбокомпрессоров, расположенных параллельно или последовательно, то есть совокупности турбин с малым поперечным сечением, расположенных параллельно друг другу или последовательно.
Кроме того, турбина может обладать изменяющейся геометрией, которая позволяет осуществить максимально возможную подгонку к каждому режиму двигателя внутреннего сгорания за счет регулирования геометрии турбины или ее эффективного поперечного сечения. При этом в области впуска турбины располагаются передвижные направляющие лопатки для воздействия на направление потока. В противоположность рабочим лопаткам вращающегося рабочего колеса направляющие лопатки не вращаются вместе с валом турбины.
Если турбина обладает жесткой неизменяющейся геометрией, направляющие лопатки располагаются не только стационарно, но и полностью неподвижно в области впуска, то есть жестко зафиксированы. При изменяющейся геометрии, напротив, направляющие лопатки хотя и располагаются стационарно, но не являются полностью неподвижными и могут вращаться вокруг своей оси, оказывая, таким образом, воздействие на поток.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одна головка цилиндров оснащена встроенной рубашкой охлаждения. Двигатели внутреннего сгорания с турбонаддувом подвержены термической нагрузке в большей степени, чем двигатели без наддува, из-за чего предъявляются более высокие требования к охлаждению.
Принципиально существует возможность использовать систему охлаждения в форме воздушного или жидкостного охлаждения. Однако с помощью жидкостного охлаждения возможно отводить значительно большее количество тепла по сравнению с воздушным охлаждением.
Жидкостное охлаждение требует оборудования двигателя внутреннего сгорания, то есть головки цилиндров или блока цилиндров, встроенной рубашкой охлаждения, то есть системой каналов хладагента, которые проводят охлаждающую жидкость через головку цилиндров. Тепло поглощается хладагентом, как правило, водой с присадками, уже внутри головки цилиндров. Хладагент подается с помощью насоса, расположенного в охлаждающем контуре, таким образом, что он циркулирует в рубашке охлаждения. Тепло, которое поглощается хладагентом, таким образом отводится от внутренней части головки цилиндров, а затем отдается теплообменнику.
Для двигателей внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых турбина по меньшей мере одного турбокомпрессора расположена в общем выпускном трубопроводе и имеет область впуска для подачи выхлопных газов, будут предпочтительными варианты, в которых внутренний участок стенки, выдающийся внутрь выхлопной системы, проходит в область впуска турбины.
Как уже было описано, внутренний участок стенки принципиально может, в том числе и в связи с вышеописанным вариантом конструкции, быть выполнен в виде части по меньшей мере одной головки цилиндров.
Однако предпочтительными могут быть также варианты конструктивного выполнения, в которых внутренний участок стенки выполнен модульным способом, причем по меньшей мере одна головка цилиндров образует один фрагмент, а область впуска турбины образует другой фрагмент. Здесь применимы вышеприведенные объяснения, относящиеся к выполнению внутреннего участка стенки.
Предпочтительными могут быть также варианты конструктивного выполнения, в которых внутренний участок стенки выполнен модульным способом, причем по меньшей мере одна головка цилиндров образует один фрагмент, а внешняя часть коллектора образует другой фрагмент.
Предпочтительными будут варианты конструктивного выполнения, в которых каждый цилиндр имеет по меньшей мере два выпускных отверстия для отвода выхлопных газов из цилиндра.
Как уже было сказано, во время замены заряда рабочей смеси целенаправленно обеспечиваются наибольшие сечения потока, чтобы поддерживать на минимальном уровне потери на дросселирование поступающего и выводимого потоков газа и обеспечивать эффективный отвод выхлопных газов. По этой причине будет предпочтительным снабдить цилиндры двумя или более выпускными отверстиями.
Вторая частная задача, лежащая в основе изобретения, а именно обеспечение способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания вышеописанного типа, цилиндры которого оснащены устройством зажигания для осуществления принудительного зажигания, решается с помощью способа, в котором цилиндры зажигают в последовательности 1-2-4-3, причем нумерация осуществляется по порядку, начиная от внешнего цилиндра, вдоль продольной оси по меньшей мере одной головки цилиндров.
То, что было установлено в отношении двигателей внутреннего сгорания по изобретению, подобным образом применимо и к способу по изобретению.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение рассматривается более подробно со ссылкой на чертежи.
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение первого варианта конструктивного выполнения головки цилиндров, в поперечном разрезе;
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение второго варианта конструктивного выполнения головки цилиндров, в поперечном разрезе;
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение третьего варианта конструктивного выполнения головки цилиндров, в поперечном разрезе.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 схематически показан в разрезе первый вариант конструктивного выполнения головки 1 цилиндров вместе с частью впускного корпуса 11 турбины 12.
Головка 1 цилиндров имеет четыре цилиндра 3, расположенных в ряд вдоль продольной оси 2 головки 1 цилиндров. Головка 1 цилиндров имеет, таким образом, два внешних цилиндра 3a и два внутренних цилиндра 3b.
Каждый цилиндр 3 имеет два выпускных отверстия 4, соединенных с выпускными каналами 5 выхлопной системы для их отвода. Выпускные каналы 5 цилиндров 3 последовательно соединяются в общий выпускной трубопровод 7, причем в каждом случае два выпускных канала 5 внешнего цилиндра 3а и два выпускных канала 5 соседнего внутреннего цилиндра 3b соединяются с образованием частичного выпускного трубопровода 6, относящегося к данной паре цилиндров, до того, как два частичных трубопровода 6 четырех цилиндров 3, 3а, 3b соединятся с образованием общего выпускного трубопровода 7.
При этом в каждом случае два выпускных канала 5 внешнего цилиндра 3а и участок двух выпускных каналов 5 соседнего внутреннего цилиндра 3b отделены друг от друга внешним участком 9а стенки, выдающимся в выхлопную систему, а участок двух частичных выпускных трубопроводов 6 и участок выпускных каналов 5 двух внутренних цилиндров 3b отделены друг от друга внутренним участком 9b стенки, который также выдается в выхлопную систему.
Как внутренний участок 9b стенки, так и внешние участки 9а стенки являются частью головки 1 цилиндров.
Внешние участки 9а стенки выступают по направлению к внешней стороне 8 головки 1 цилиндров на меньшее расстояние, чем внутренний участок 9b стенки. Внутренний участок 9b стенки проходит по направлению к внешней стороне 8 головки 1 цилиндров - перпендикулярно продольной оси 2 головки 1 цилиндров - дальше на расстояние Δs, чем внешние участки 9а стенки. Внутренний участок 9b стенки больше, чем внешние участки 9а стенки, на расстояние Δs.
В варианте, показанном на Фиг.1, свободный конец 9 с внутреннего участка 9b стенки доходит до внешней стороны 8 головки 1 цилиндров так, что потоки выхлопных газов частичных выпускных трубопроводов 6 отделены друг от друга внутренним участком 9b стенки, пока они не выйдут из головки 1 цилиндров, и выхлопная система выходит из головки 1 цилиндров в форме двух выпускных отверстий. Выпускные каналы 5 цилиндров 3 или частичные выпускные трубопроводы 6 пар цилиндров соединяются с образованием общего выпускного трубопровода 7 только за пределами головки 1 цилиндров.
В этом отношении выпускной коллектор 10 встроен в головку 1 цилиндров только частично. Расположенный внутри головки 1 цилиндров участок 10b коллектора дополняется участком 10а коллектора, расположенным снаружи головки 1 цилиндров, иначе говоря, внешним участком 10а коллектора.
В общем выпускном трубопроводе 7 расположена турбина 12 турбокомпрессора, которая имеет область 11 впуска для подачи выхлопных газов в цилиндр 3. При этом общий выпускной трубопровод 7 или выпускной коллектор 10 плавно переходят во впускной корпус 11 турбины 12, что обусловлено близким расположением турбины 12 к двигателю.
На Фиг.2 схематически показан в разрезе второй вариант головки 1 цилиндров вместе с частью впускного корпуса 11 турбины 12. Будут показаны только отличия от представленного на Фиг.1 варианта, по этой причине на остальные элементы Фиг.1 будет сделана ссылка. Для одних и тех же конструктивных элементов использованы одинаковые ссылочные позиции.
В отличие от варианта, показанного на Фиг.1, внутренний участок 9b стенки в варианте, показанном на Фиг.2, выходит за пределы внешней стороны 8 головки 1 цилиндров и простирается до области 11 впуска турбины 12.
Внутренний участок 9b стенки при этом имеет модульную конструкцию, причем головка 1 цилиндров образует первый фрагмент 9b', а область 11 впуска турбины 12 образует второй фрагмент 9b'', продолжающий первый фрагмент 9b'.
В этом варианте выхлопная система также выходит из головки 1 цилиндров в форме двух выпускных отверстий. Потоки выхлопных газов частичного выпускного трубопровода 6 продолжают быть разделенными внутренним участком 9b, 9b'' стенки даже после выхода из головки 1 цилиндров. Общий выпускной трубопровод 7 образуется здесь впускным корпусом 11 турбины 12.
Конец первого фрагмента 9b', который выступает внутрь выхлопной системы, выходит за пределы внешней стороны 8 головки 1 цилиндров, благодаря чему образуемый впускным корпусом 11 фрагмент 9b'' выдается в головку 1 цилиндров, продолжая первый фрагмент 9b'.
На Фиг.3 схематически показан в разрезе третий вариант головки 1 цилиндров. Будут показаны только отличия от представленного на Фиг.1 варианта, по этой причине на остальные элементы Фиг.1 будет сделана ссылка. Для одних и тех же конструктивных элементов использованы одинаковые ссылочные позиции.
В отличие от варианта, показанного на Фиг.1, внутренний участок 9b стенки показанного на Фиг.3 варианта не доходит до внешней стороны 8 головки 1 цилиндров. Напротив, свободный конец 9с внутреннего участка 9b стенки находится на расстоянии Δd от внешней стороны 8 головки 1 цилиндров.
Далее выпускные каналы 5 цилиндров 3 соединяются с образованием общего выпускного трубопровода 7 внутри головки 1 цилиндров, таким образом формируя встроенный выпускной коллектор 10. Выхлопная система выходит из головки 1 цилиндров в форме только одного отверстия.
Свободный конец 9с внутреннего участка 9b стенки находится на расстоянии ΔL перпендикулярно плоскости А, параллельной внешней стороне 8 головки 1 цилиндров и проходящей через выпускные отверстия цилиндров.
Список ссылочных позиций
1 - головка цилиндров
2 - продольная ось головки цилиндров
3 - цилиндр
3а - внешний цилиндр
3b - внутренний цилиндр
4 - выпускное отверстие
5 - выпускной канал
6 - частичный выпускной трубопровод
7 - общий выпускной трубопровод
8 - внешняя сторона головки цилиндра со стороны выпуска
9а - внешний участок стенки
9b - внутренний участок стенки
9b' - фрагмент внутреннего участка стенки
9b'' - другой фрагмент внутреннего участка стенки
9с - свободный конец внутреннего участка стенки
10 - выпускной коллектор
10а - часть выпускного коллектора, расположенная за пределами головки цилиндров
10b - часть выпускного коллектора, расположенная внутри головки цилиндров
11 - впускной корпус или область впуска турбины
12 - турбина
°KW - градус угла поворота коленчатого вала
А - плоскость, параллельная внешней стороне и проходящая через выпускные отверстия цилиндров
D - диаметр цилиндра
Δd - расстояние от свободного конца внутреннего участка стенки до внешней стороны головки цилиндров
ΔL -расстояние от свободного конца внутреннего участка стенки до плоскости А
Δs - расстояние, на которое длина внутренней части стенки превосходит длину внешней части стенки