ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ И ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SUPERCHARGING AND LIQUID COOLING

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с наддувом и жидкостным охлаждением, имеющему по меньшей мере одну головку блока цилиндров, которая может быть присоединена на торцевой стороне агрегата к блоку цилиндров, при этом для формирования контура охлаждения предусмотрены насос для подачи охлаждающей жидкости, теплообменник и вентиляционный резервуар, и по меньшей мере один турбонагнетатель от отработавших газов, в котором компрессор и турбина расположены на одном и том же валу, который с возможностью вращения установлен в корпусе подшипника с жидкостным охлаждением, причем для формирования системы жидкостного охлаждения корпус подшипника присоединен к контуру охлаждения двигателя внутреннего сгорания посредством соединительной линии и расположен между насосом и вентиляционным резервуаром.
В контексте настоящего изобретения термин «двигатель внутреннего сгорания» охватывает дизельные двигатели, двигатели с искровым зажиганием, а также гибридные двигатели внутреннего сгорания.
Для формирования отдельных цилиндров двигателя внутреннего сгорания по меньшей мере одна головка блока цилиндров присоединена на торцевой стороне агрегата к блоку цилиндров. Для удерживания поршней или гильз цилиндра блок цилиндров, который по меньшей мере совместно образует картер двигателя, имеет соответствующее количество отверстий цилиндра. Поршни направляются в гильзах цилиндра подвижным в осевом направлении образом и, вместе с гильзами цилиндра и головкой цилиндра, образуют камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Согласно предшествующему уровню техники, двигатели внутреннего сгорания все чаще и чаще наделены наддувом, при этом наддув, главным образом, является способом для повышения мощности, в котором воздух, требуемый для процесса сгорания в двигателе, подвергается сжатию.
Как правило, для наддува осуществляется использование турбонагнетателя от отработавших газов, в котором компрессор и турбина расположены на одном и том же валу, причем поток горячих отработавших газов подается в турбину, расширяясь в турбине с выделением энергии и приводя вал, который установлен в корпусе подшипника, во вращение. Энергия, подаваемая потоком отработавших газов на турбину и, в итоге, на вал, используется для приведения в движение компрессора, который расположен на валу подобным образом. Компрессор транспортирует и сжимает наддувочный воздух, подаваемый в него, в результате чего, достигается наддув цилиндров.
Преимущество турбонагнетателя от отработавших газов, например, относительно механического нагнетателя, состоит в том, что никакого механического соединения для передачи мощности не требуется между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания. Несмотря на то, что механический нагнетатель отбирает энергию, требуемую для приведения его в движение, от двигателя внутреннего сгорания и тем самым снижает выходную мощность и, следовательно, неблагоприятно влияет на коэффициент предпочтительного действия, турбонагнетатель от отработавших газов использует энергию отработавших газов у раскаленных отработавших газов.
Двигатели внутреннего сгорания с наддувом часто снабжены системой охлаждения наддувочного воздуха, посредством которой сжатый воздух для горения охлаждается перед входом в цилиндры. В результате, плотность наддувочного воздуха дополнительно увеличивается. Таким образом, охлаждение подобным образом вносит вклад в сжатие и лучший наддув камер сгорания, то есть улучшенный коэффициент наполнения.
Наддув является подходящим средством для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания наряду с сохранением неизменного рабочего объема двигателя или для снижения рабочего объема двигателя наряду с сохранением прежней мощности. Наддув всегда приводит к увеличению мощности на выходе на единицу рабочего объема двигателя и улучшенной удельной мощности на единицу массы. Для одних и тех же граничных условий транспортного средства, таким образом, можно смещать общую нагрузку по направлению к более высоким нагрузкам, на которых удельное потребление топлива ниже. Это также упоминается как уменьшение габаритов.
Встречаются проблемы в конфигурировании турбонаддува от отработавших газов, при этом в своей основе предпринимается попытка получить заметное увеличение коэффициента предпочтительного действия во всех диапазонах частот вращения. Согласно предшествующему уровню техники, серьезное падение крутящих моментов обычно наблюдается, если частота вращения падает ниже определенной частоты вращения. Согласно предшествующему уровню техники, была предпринята попытка улучшить характеристики крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом различными мерами, например, посредством малой конструкции поперечного сечения турбины и одновременного выпуска отработавших газов. Если массовый расход отработавших газов превышает критическое значение, часть потока отработавших газов проводится в ходе выпуска отработавших газов посредством обводной линии мимо «турбины регулятора давления наддува». Однако упомянутый подход имеет недостатки на относительно высоких частотах вращения.
Характеристика крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом также может быть улучшена множеством нагнетателей - турбонагнетателей от отработавших газов и/или механических турбонагнетателей, - являющихся предусмотренными в системе выпуска отработавших газов в параллельной и/или последовательной компоновке.
Двигатель внутреннего сгорания, имеющий по меньшей мере один турбонагнетатель от отработавших газов, также является предметом настоящего изобретения.
Двигатель внутреннего сгорания с наддувом сильнее нагружен термически благодаря увеличенному среднему давлению, чем традиционный безнаддувный двигатель, а потому также предъявляет повышенные требования к системе охлаждения. Чтобы удержать тепловую нагрузку в определенных пределах, двигатель внутреннего сгорания с наддувом обычно снабжен системой охлаждения, в дальнейшем также указываемой ссылкой как система охлаждения двигателя. Фундаментально возможно, чтобы система охлаждения принимала форму системы воздушного охлаждения или системы жидкостного охлаждения. Поскольку значительно большие количества тепла могут рассеиваться посредством системы жидкостного охлаждения, двигатель внутреннего сгорания данного типа обычно оснащен системой жидкостного охлаждения. Двигатель внутреннего сгорания, согласно изобретению, также является двигателем внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением.
Жидкостное охлаждение требует, чтобы двигатель внутреннего сгорания, то есть по меньшей мере одна головка блока цилиндров и/или блок цилиндров, были снабжены рубашкой охлаждающей жидкости, то есть требует системы каналов охлаждающей жидкости, которые проводят охлаждающую жидкость через головку блока цилиндров или блок цилиндров, что, в свою очередь, влечет за собой сложную конструкцию. Здесь механически и термически высоко нагруженные головка блока цилиндров или блок цилиндров, во-первых, ослабляются в показателях своей прочности в результате предоставления каналов охлаждающей жидкости, во-вторых, теплу не нужно, прежде всего, проводиться на поверхность, чтобы рассеиваться, как в случае системы воздушного охлаждения. Тепло, уже рассеяно в охлаждающую жидкость, обычно воду, снабженную добавками, внутри головки блока цилиндров или блока цилиндров. В этом случае охлаждающая жидкость подается из условия, чтобы она циркулировала посредством насоса, который расположен в контуре охлаждения и который обычно механически приводится в движение посредством привода с тяговым механизмом. Тепло, рассеянное в охлаждающую жидкость, в силу этого выпускается наружу головки блока цилиндров или блока цилиндров и вновь выделяется из охлаждающей жидкости в теплообменнике. Вентиляционный резервуар, предусмотренный в контуре охлаждения, служит для вентиляции охлаждающей жидкости или контура.
Подобно самому двигателю внутреннего сгорания, турбина по меньшей мере одного турбонагнетателя от отработавших газов также термически высоко нагружена. В результате, корпус турбины согласно предшествующему уровню техники изготавливается из теплостойкого, часто содержащего в себе никель, материала или должен быть снабжен системой жидкостного охлаждения, для того чтобы быть способным использовать меньшее количество теплостойких материалов. В Европейском патенте 1384857 A2 и публикации заявки на патент Германии DE 102008011257 A1 описаны турбины и корпуса турбин с жидкостным охлаждением.
Раскаленные отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания с наддувом также приводят к высокой тепловой нагрузке корпуса подшипника, а следовательно, подшипника вала нагнетателя. Связано с этим введение соответственно большого количества тепла в масло, которое подается в подшипник с целью смазки. Вследствие высокой частоты вращения вала нагнетателя подшипник обычно образован не в качестве роликового подшипника, а, скорее, в качестве подшипника скольжения. В результате относительного перемещения между валом и корпусом подшипника гидродинамическая смазочная пленка, которая способна к несению нагрузок, образуется между валом и отверстием подшипника.
Масло не должно превышать максимально допустимую температуру, так как вязкость уменьшается с возрастанием температуры, и характеристики трения ухудшаются, когда превышена определенная температура. Слишком высокая температура масла также ускоряет старение масла, при этом смазочные свойства масла также ухудшаются. Оба из этих явлений укорачивают интервалы обслуживания для замены масла и могут представлять угрозу для функциональных возможностей подшипника, при этом возможно даже необратимое разрушение подшипника, а потому турбонагнетателя.
По вышеупомянутым причинам корпус подшипника турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания данного типа, согласно предшествующему уровню техники, снабжен системой жидкостного охлаждения. Здесь должно быть проведено различие между системой жидкостного охлаждения корпуса подшипника и вышеупомянутой системой жидкостного охлаждения корпуса турбины. Тем не менее, две системы жидкостного охлаждения могут присоединяться друг к другу - по выбору, только периодически, то есть сообщаться друг с другом.
В противоположность охлаждению двигателя и охлаждению корпуса турбины, охлаждение корпуса подшипника должно поддерживаться, даже когда транспортное средство было заглушено, то есть двигатель внутреннего сгорания был отключен по меньшей мере в течение определенного периода времени после того, как двигатель внутреннего сгорания был отключен для того, чтобы предотвращать невосполнимый ущерб в результате тепловой перегрузки.
Это в своей основе может быть реализовано дополнительным насосом с электроприводом, который, например, питается бортовой аккумуляторной батареей, такой насос подает охлаждающую жидкость через соединительную линию сквозь корпус подшипника, когда двигатель внутреннего сгорания был отключен, а потому гарантирует охлаждение корпуса подшипника у подшипника, даже когда двигатель внутреннего сгорания не находится в действии. Предоставление дополнительного насоса, однако, является сравнительно дорогостоящей мерой.
Предшествующий уровень техники также раскрывает концепции, которые обходятся без дополнительного насоса. В этом случае соединительная линия, которая ведет из контура охлаждения системы охлаждения двигателя через корпус подшипника турбонагнетателя от отработавших газов на расстояние, достаточное для достижения вентиляционного резервуара, сконструирована в качестве восходящей линии по меньшей мере выше по потоку корпуса подшипника. Подача охлаждающей жидкости, когда двигатель внутреннего сгорания отключен, реализуется посредством того, что упоминается как термосифонный эффект, который, по существу, основан на двух механизмах.
Благодаря вводу тепла, которое продолжается, даже когда двигатель внутреннего сгорания отключен, из нагретого корпуса подшипника в охлаждающую жидкость, находящуюся в соединительной линии, температура охлаждающей жидкости возрастает, в результате чего плотность охлаждающей жидкости уменьшается, а объем, занятый охлаждающей жидкостью, увеличивается. Перегрев охлаждающей жидкости, кроме того, может приводить к частичному испарению охлаждающей жидкости, а потому охлаждающая жидкость переходит в газообразную фазу. В обоих случаях охлаждающая жидкость расширяется и занимает больший объем, в результате чего, в конечном счете, дополнительная охлаждающая жидкость вытесняется, то есть передается в направлении вентиляционного резервуара. Охлаждающая жидкость подается в результате отрицательного давления, которое появляется.
Использование термосифонного эффекта для охлаждения корпуса подшипника, когда двигатель внутреннего сгорания отключен, часто вызывает проблемы на практике. Вследствие условий ограниченного пространства в моторном отсеке транспортного средства, часто невозможно сообразовать соединительную линию в качестве восходящей линии, расположенной выше по потоку от корпуса подшипника, или реализовывать перепад, который требуется для термосифонного эффекта, в геодезической высоте между корпусом подшипника и вентиляционным резервуаром. Причины являются следующими.
Постоянное стремление при использовании турбонагнетателя от отработавших газов состоит в том, чтобы располагать турбину по меньшей мере одного нагнетателя как можно ближе к выпуску двигателя внутреннего сгорания, то есть выпускным отверстиям цилиндров для того, чтобы тем самым оптимально быть способным использовать энтальпию горячих отработавших газов, энтальпия окончательно определяется давлением отработавших газов и температурой отработавших газов, и гарантировать свойства быстрой реакции турбонагнетателя. По причинам, упомянутым выше, турбина по меньшей мере одного турбонагнетателя от отработавших газов обычно расположена непосредственно на головке блока цилиндров, а потому в положении, которое имеет сравнительно большую геодезическую высоту, то есть в установленном положении на двигателе внутреннего сгорания расположена в верхней точке относительно других компонентов и узлов.
Это установленное положение турбины или корпуса турбины делает трудным конструировать соединительную линию выше по потоку от корпуса подшипника в качестве восходящей линии, в которой геодезическая высота непрерывно возрастает. Это происходит потому, что вентиляционный резервуар не может быть расположен на произвольной высоте над корпусом подшипника. В частности, по причинам безопасности, то есть вследствие требований, наложенных на безопасность при столкновении транспортного средства, компоненты и узлы, установленные в моторном отсеке, должны поддерживать минимальное расстояние от капота двигателя. Сохранение предписанного безопасного расстояния от капота двигателя приводит всего лишь к небольшому перепаду по высоте между корпусом подшипника и вентиляционным резервуаром, отсутствию перепада по высоте или, в практическом случае, даже к отрицательному перепаду по высоте, при котором корпус подшипника находится на большей геодезической высоте, чем вентиляционный резервуар.
Вышеописанные обстоятельства делают подачу охлаждающей жидкости с использованием термосифонного эффекта значительно более затруднительной. Неблагоприятное установленное положение вентиляционного резервуара увеличивает сопротивление, против которого охлаждающая жидкость должна подаваться из корпуса подшипника. Результатом является более длинный период пребывания в корпусе подшипника, при этом охлаждающая жидкость может сильно перегреваться, и давление может резко возрастать даже в соединительной линии, расположенной выше по потоку от корпуса подшипника.
В результате, даже сильно перегретый пар охлаждающей жидкости относительно высокого давления, в частности пар охлаждающей жидкости, проходит через соединительную линию в вентиляционный резервуар. Это, во-первых, может приводить к тепловой перегрузке, повреждению или разрушению резервуара, который обычно изготовлен из пластмассы. Во-вторых, увеличенное давление в резервуаре может приводить к клапану регулировки давления, расположенному в резервуаре, открывающемуся неуправляемым образом и выпускающим парообразную охлаждающую жидкость в окружающую среду. Это может вызывать нежелательное создание шума, в частности, свистящего. Резервуар обычно снабжен крышкой, которая закрывает отверстие резервуара, которая служит для заливки охлаждающей жидкости, а часто также вмещает клапан регулировки давления. Сильно перегретая охлаждающая жидкость также может действовать на крышку и/или уплотнитель крышки и приводить к прикипанию крышки.
Вышеописанные условия давления и температуры могут приводить к пульсирующей подаче охлаждающей жидкости, при которой охлаждающая жидкость вводится в вентиляционный резервуар через соединительную линию толчками. Это имеет результатом вспенивание и обогащение охлаждающей жидкости воздухом. Эти эффекты действуют против реального назначения вентиляционного резервуара, а именно дегазации, то есть вентиляции охлаждающей жидкости.
Вопреки уровню техники, изложенного выше, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать двигатель внутреннего сгорания с наддувом и жидкостным охлаждением, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, в котором охлаждение корпуса подшипника оптимизировано в отношении вышеупомянутых требований, в частности в отношении тепловой нагрузки вентиляционного резервуара.
Эта задача достигается посредством двигателя внутреннего сгорания с наддувом и жидкостным охлаждением, имеющим
по меньшей мере одну головку блока цилиндров, которая может быть присоединена на торцевой стороне агрегата к блоку цилиндров, при этом для формирования контура охлаждения предусмотрены насос для подачи охлаждающей жидкости, теплообменник и вентиляционный резервуар, и
по меньшей мере один турбонагнетатель от отработавших газов, в котором компрессор и турбина расположены на одном и том же валу, который с возможностью вращения установлен в корпусе подшипника с жидкостным охлаждением, при этом для формирования системы жидкостного охлаждения корпус подшипника присоединен к контуру охлаждения двигателя внутреннего сгорания посредством соединительной линии и расположен между насосом и вентиляционным резервуаром,
который характеризуется тем, что
соединительная линия ведет в вентиляционный резервуар, который, в дополнение к объему охлаждающей жидкости, также содержит объем газа в точке, на которую воздействует охлаждающая жидкость.
Согласно изобретению, соединительная линия ведет ниже уровня поверхности охлаждающей жидкости в вентиляционный резервуар, то есть сильно перегретая, и, возможно, газообразная охлаждающая жидкость, поступающая из корпуса подшипника, транспортируется в объем охлаждающей жидкости в вентиляционном резервуаре с использованием термосифонного эффекта.
Несмотря на то, что ввод перегретой охлаждающей жидкости выше уровня охлаждающей жидкости незамедлительно вызывал бы сильное тепловое напряжение, возможно повреждение внутренней стенки вентиляционного резервуара, если перегретая охлаждающая жидкость подается ниже уровня поверхности, она смешивается непосредственно с охлаждающей жидкостью, уже находящейся в резервуаре, при этом температура смешивания, которая возникает значительно ниже температуры перегретой охлаждающей жидкости. Следовательно, тепловая нагрузка резервуара значительно снижается посредством меры, предложенной, согласно изобретению, а именно предоставлением соединительной линии возможности вести в охлаждающую жидкость вентиляционного резервуара ниже уровня поверхности.
Двигатель внутреннего сгорания, согласно изобретению, поэтому добивается задачи, на которой основано изобретение, более конкретно – задачи, предоставляемой двигателем внутреннего сгорания с наддувом и жидкостным охлаждением, в котором охлаждение корпуса подшипника оптимизировано, в частности, в отношении тепловой нагрузки вентиляционного резервуара.
Ввод перегретой охлаждающей жидкости через соединительную линию в жидкую охлаждающую жидкость в вентиляционном резервуаре также демпфирует пульсирующую подачу охлаждающей жидкости, при которой охлаждающая жидкость, поступающая из корпуса подшипника, вводится в вентиляционный резервуар толчками. В этом отношении избегается очень резко выраженное вспенивание или обогащение охлаждающей жидкости воздухом во время ввода упомянутой охлаждающей жидкости.
Не только температура резервуара снижается введением, согласно изобретению, охлаждающей жидкости ниже уровня поверхности. Также снижается давление в резервуаре, а потому не должно наблюдаться никакого непреднамеренного открывания клапана регулировки давления, предусмотренного в резервуаре. В результате, избегается нежелательное создание шума, например свистящего.
Поскольку охлаждающая жидкость в резервуаре не является твердым телом, но, скорее, является подвижной, положение уровня поверхности зависит от установленного положения или текущего положения резервуара. Для того чтобы обеспечивать фиксированную однозначную опорную точку, сделана ссылка на транспортное средство, которое припарковано на ровной земле и имеет двигатель внутреннего сгорания в установленном положении, то есть имеет вентиляционный резервуар в установленном пложении.
В случае двигателей внутреннего сгорания, имеющих по меньшей мере два цилиндра, предпочтительны варианты осуществления, в которых каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие для выпускания отработавших газов из цилиндра, и выпускная линия присоединена к каждому выпускному отверстию, при этом выпускные линии по меньшей мере двух цилиндров сходятся с образованием по меньшей мере одного интегрированного выпускного коллектора внутри головки блока цилиндров, чтобы образовать по меньшей мере одну общую выпускную линию, которая ведет в турбину по меньшей мере одного турбонагнетателя от отработавших газов.
В двигателях внутреннего сгорания, имеющих наддув отработавших газов, предпринята попытка, как уже упомянуто, располагать по меньшей мере одну турбину как можно ближе к выпуску цилиндров. Здесь целесообразно, чтобы выпускные линии, согласно описываемому варианту осуществления, сходились внутри головки цилиндра с образованием по меньшей мере одного интегрированного выпускного коллектора. Длина выпускных линий тем самым сокращается. Объем линии, то есть объем отработавших газов выпускных линий, расположенных выше по потоку от турбины, уменьшается, а потому улучшаются свойства реакции турбины. Укороченные выпускные линии также ведут к уменьшенной тепловой инерции выпускной системы, расположенной выше по потоку от турбины, а потому температура отработавших газов на выходе турбины повышается, в результате чего также становится более высокой энтальпия отработавших газов на впуске турбины. Более того, схождение выпускных линий в пределах головки блока цилиндров дает возможность уплотнить упаковку узла привода. Более того, тракт отработавших газов в другие системы последующей обработки отработавших газов также укорачивается и отработавшим газам дается малое время для охлаждения, в результате чего системы последующей обработки отработавших газов быстро достигают рабочей температуры или их температуры розжига, в частности, после холодного пуска двигателя внутреннего сгорания.
В случае двигателей внутреннего сгорания, имеющих три или более цилиндров, также предпочтительны варианты осуществления, в которых
по меньшей мере три цилиндра выполнены таким образом, что они образуют две группы, каждая имеет по меньшей мере один цилиндр, и
выпускные линии цилиндров каждой группы цилиндров сходятся, чтобы образовать общую выпускную линию с образованием выпускного коллектора.
Этот вариант осуществления, в частности, пригоден для использования двухканальной турбины. Двухканальная турбина имеет область впуска с двумя впускными каналами, при этом две общие выпускные линии присоединены к двухканальной турбине таким образом, что в каждом случае одна общая выпускная линия ведет в один впускной канал. Два потока отработавших газов, проводимые в общих выпускных линиях, по выбору, сходятся ниже по потоку от турбины. Однако группировка цилиндров или выпускных линий также дает преимущества использования множества турбин или турбонагнетателей от отработавших газов, при этом в каждом случае одна общая выпускная линия присоединена к одной турбине.
Дополнительные преимущественные варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом и жидкостным охлаждением будут пояснены вместе с зависимыми пунктами формулы изобретения.
Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых в установленном положении двигателя внутреннего сгорания впускное отверстие соединительной линии в вентиляционный резервуар находится на большей геодезической высоте, чем выпускное отверстие корпуса подшипника, при этом к выпускному отверстию присоединена соединительная линия.
Положительный перепад по высоте между корпусом подшипника и вентиляционным резервуаром, в котором впускное отверстие вентиляционного резервуара находится на большей геодезической высоте, чем выпускное отверстие корпуса подшипника, содействует транспортировке охлаждающей жидкости посредством термосифонного эффекта.
Особенно предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых соединительная линия выполнена в виде восходящей линии. Для использования или улучшения термосифонного эффекта предпочтительно, чтобы соединительная линия была расположена по меньшей мере выше по потоку от корпуса подшипника в качестве восходящей линии, в которой геодезическая высота непрерывно возрастает.
Тем не менее, также могут быть предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых в установленном положении двигателя внутреннего сгорания впускное отверстие соединительной линии в вентиляционный резервуар находится на меньшей геодезической высоте, чем выпускное отверстие корпуса подшипника, при этом к выпускному отверстию присоединена соединительная линия.
Требования, наложенные на компоновку в моторном отсеке и/или на поддержание достаточно большого безопасного расстояния от капота двигателя, могут неизбежно повлечь за собой, то есть оправдывать такое расположение вентиляционного резервуара.
Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых радиатор предусмотрен в соединительной линии между насосом и корпусом подшипника.
Радиатор понижает температуру охлаждающей жидкости перед входом в корпус подшипника и, таким образом, вносит вклад в увеличение времени пребывания, которое требуется для того, чтобы перегревать охлаждающую жидкость в корпусе подшипника подведением тепла.
Преимущества обеспечиваются, в частности, когда двигатель внутреннего сгорания отключается, когда охлаждение двигателя не находится в действии, а потому подразумевается, что корпус подшипника должен дополнительно охлаждаться в течение короткого времени посредством других мер или механизмов для того, чтобы избежать теплового перегрева.
Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых радиатор является радиатором, работающим по принципу воздушного охлаждения.
Как уже было упомянуто в отношении охлаждения двигателя, охлаждение, в принципе, может быть воздушным охлаждением или жидкостным охлаждением. Поскольку сравнительно небольшие количества тепла должны рассеиваться при охлаждении корпуса подшипника, более экономичным и отвечающим требованиям является предусматривать воздушный радиатор выше по потоку от корпуса подшипника.
Использование воздушного радиатора имеет дополнительные преимущества. Системы охлаждения для современных приводов моторного транспортного средства, например, таких как охлаждение двигателя внутреннего сгорания, согласно изобретению, предпочтительно снабжены высокоэффективными вентиляторными электродвигателями с электрическим приводом, которые приводят в движение колесо вентилятора и приводятся во вращение для того, чтобы выдавать достаточно высокий массовый расход воздуха, когда моторное транспортное средство находится в состоянии неподвижности, то есть неподвижно, или только на низких скоростях транспортного средства. Колесо вентилятора часто расположено в непосредственной близости от и на некотором расстоянии от теплообменника в передней торцевой области транспортного средства.
Воздушный радиатор, предусмотренный выше по потоку от корпуса подшипника, может быть расположен в моторном отсеке таким образом, чтобы воздушный поток, направленный через вентилятор, протекал вокруг воздушного радиатора и осуществлял вклад в вынос тепла на поверхности вследствие конвекции. Это, в частности, имеет преимущества, после того, как двигатель внутреннего сгорания отключен, когда вентилятор дополнительно подвергается электрическому приводу в течение короткого периода, и сохранение охлаждения особенно целесообразно и необходимо в отношении перегрева охлаждающей жидкости в корпусе подшипника.
По вышеупомянутым причинам предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых радиатор расположен между блоком цилиндров и теплообменником контура охлаждения.
Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых дроссельный элемент, который служит для ограничения пропускной способности охлаждающей жидкости, расположен в соединительной линии между насосом и вентиляционным резервуаром. Подразумевается, что пропускная способность охлаждающей жидкости через вентиляционный резервуар должна быть как можно меньшей, как также будет дополнительно упомянуто ниже.
Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых дроссельный элемент расположен ниже по потоку от корпуса подшипника в соединительной линии.
Однако предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в частности, в которых дроссельный элемент расположен выше по потоку от корпуса подшипника в соединительной линии, поскольку выше по потоку от корпуса подшипника жидкая охлаждающая жидкость проходит дроссельный элемент и дросселируется, тогда как ниже по потоку от корпуса подшипника присутствует перегретая и, возможно, парообразная охлаждающая жидкость, и дроссель может оказывать неблагоприятное воздействие на передачу охлаждающей жидкости с использованием термосифонного эффекта, в частности, мог бы способствовать пульсирующей подаче.
Также предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых клапан, который является саморегулируемым в качестве функции температуры охлаждающей жидкости, расположен в соединительной линии между насосом и вентиляционным резервуаром, при этом клапан служит для регулирования пропускной способности охлаждающей жидкости.
Клапан служит для предотвращения или для уменьшения передачи охлаждающей жидкости через корпус подшипника при низких температурах охлаждающей жидкости, в частности, после холодного пуска двигателя внутреннего сгорания и во время фазы прогрева.
Охлаждение или передача охлаждающей жидкости при низких температурах охлаждающей жидкости, в принципе, нежелательны, поскольку это противостоит быстрому нагреванию двигателя внутреннего сгорания и его узлов.
В дополнение, пропускная способность охлаждающей жидкости через вентиляционный резервуар, в частности, при низких температурах охлаждающей жидкости, должна быть как можно меньшей. Вентиляция, во-первых, требует определенного периода пребывания охлаждающей жидкости в вентиляционном резервуаре, а потому пропускная способность должна быть ограничена в своей основе. Во-вторых, низкая температура охлаждающей жидкости или большая вязкость охлаждающей жидкости, вызванная низкой температурой, ведет к охлаждающей жидкости, вновь обогащаемой воздухом, в то время как охлаждающая жидкость выпускается из вентиляционного резервуара, что является противоположным реальной задаче.
Саморегулируемый клапан, который также может упоминаться как управляемый термостатом клапан, изменяет поперечное сечение потока соединительной линии в качестве функции температуры охлаждающей жидкости, а потому регулирует пропускную способность охлаждающей жидкости через корпус подшипника таким образом, что пропускная способность увеличивается по мере того, как поднимается температура охлаждающей жидкости. Следовательно, в варианте осуществления на обсуждении не только есть нежелательная подача охлаждающей жидкости при противодействующих низких температурах охлаждающей жидкости, но подача охлаждающей жидкости, а потому охлаждение усиливается, то есть увеличивается на высоких температурах посредством увеличения пропускной способности, то есть открыванием клапана. Это имеет результатом подачу охлаждающей жидкости в корпус подшипника, согласно потребности, при этом транспортировка охлаждающей жидкости, как и раньше, основана на термосифонном эффекте.
Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых клапан расположен выше по потоку от корпуса подшипника в соединительной линии.
Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых клапан расположен ниже по потоку от корпуса подшипника в соединительной линии.
В противоположность вышеприведенному варианту осуществления, управляемый термостатом клапан в настоящем случае подвергается вторжению охлаждающей жидкости, нагретой в корпусе подшипника. Это предпочтительно, поскольку клапан может реагировать практически без задержки на температуру охлаждающей жидкости в корпусе подшипника, а потому при регулировании пропускной способности охлаждающей жидкости непосредственно приспособлен к управлению тепловым режимом потока в корпусе подшипника.
В случае клапана, расположенного выше по потоку от корпуса подшипника, неизбежно есть временная задержка, являющаяся результатом того обстоятельства, что охлаждающая жидкость, находящаяся в соединительной линии между клапаном и корпусом подшипника, сначала должна нагреваться посредством теплопроводности до того, как клапан может реагировать, открыванием на температуры, присутствующие в корпусе.
Тем не менее, как уже упомянуто, также предпочтительны варианты осуществления, в которых клапан расположен выше по потоку от корпуса подшипника в соединительной линии.
Клапан также может быть непосредственно интегрирован в корпус подшипника, что дает возможность незамедлительной реакции на температуры в корпусе подшипника. В дополнение, части клапана, например, корпус клапана, могут быть образованы совместно корпусом подшипника, и охлаждение корпуса подшипника может использоваться для охлаждения клапана. Это дает дополнительные преимущества, в частности, компактную конструкцию и экономию на весе. Клапан, к тому же, может быть интегрирован в двигатель внутреннего сгорания, в результате чего вышеупомянутые преимущества могут быть реализованы аналогичным образом.
Клапан может быть выполнен так, чтобы быть плавно регулируемым, или так, чтобы быть способным переключаться двухступенчатым образом. Плавно регулируемый клапан дает возможность подачи охлаждающей жидкости в корпус подшипника, согласно потребности во всех рабочих состояниях.
Клапан может иметь просачивающийся поток в закрытом положении. Упомянутый просачивающийся поток предотвращает полное закрытие соединительной линии на низких температурах, в результате чего транспортировка охлаждающей жидкости не может быть полностью предотвращена. Тем не менее, некоторая степень утечки клапана, то есть отсутствие герметичности, полезна для того, чтобы гарантировать, что термоэлемент, который расположен в клапане, и который, в конечном счете, инициирует процесс открывания, постоянно подвергается вторжению охлаждающей жидкости.
Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых соединительная линия ведет через блок цилиндров.
В установленном положении блок цилиндров обычно расположен низко в моторном отсеке, то есть на геодезической высоте, которая является низкой по сравнению с турбиной. Если соединительная линия, в таком случае, ведет через блок цилиндров выше по потоку от турбины, это предпочтительно, в частности, в отношении использования термосифонного эффекта и формирования соединительной линии в качестве восходящей линии. В этой конфигурации турбина и корпус подшипника, которые должны охлаждаться, расположены геодезически выше, чем блок цилиндров.
Однако также могут быть предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых соединительная линия ведет через головку блока цилиндров.
В случае двигателя внутреннего сгорания, в котором турбина расположена выше блока цилиндров, на той стороне торцевой стороны агрегата, которая является обращенной к головке блока цилиндров, соединительная линия также может вести из головки блока цилиндров в корпус подшипника турбины в отсутствие необходимости обходиться без конструкции линии в качестве восходящей линии.
По меньшей мере одна турбина может быть предусмотрена в качестве радиальной турбины, то есть поток, набегающий на лопатки рабочего колеса, движется,по существу, радиально. Здесь, «по существу, радиально» означает, что составляющая скорости в радиальном направлении является большей, чем осевая составляющая скорости. Вектор скорости потока пересекает вал или ось турбины, определенно под прямыми углами, если набегающий поток движется в точности радиально. Для того чтобы дать возможность, чтобы лопатки рабочего колеса подвергались набеганию потока радиально, область впуска для подачи отработавших газов часто сконструирована в качестве окружающего спирального или червячно-винтового корпуса, из условия, чтобы приток отработавших газов в турбину двигался, по существу, радиально.
Однако по меньшей мере одна турбина также может быть предусмотрена в качестве осевой турбины, в которой составляющая скорости в осевом направлении является большей, чем составляющая скорости в радиальном направлении.
По меньшей мере одна турбина может быть снабжена изменяемой геометрией турбины, которая дает возможность более точной адаптации к соответственной рабочей точке двигателя внутреннего сгорания посредством настройки геометрии турбины или эффективного поперечного сечения турбины. В этом случае регулируемые направляющие лопатки для оказания влияния на направление потока расположены в области впуска турбины. В противоположность лопаткам рабочего колеса вращающегося рабочего колеса, направляющие лопатки не вращаются с валом турбины.
Если турбина имеет постоянную неизменную геометрию, направляющие лопатки расположены в области впуска, чтобы быть не только неподвижными, но также полностью обездвиженными, то есть жестко закрепленными. В отличие от этого, в случае изменяемой геометрии, направляющие лопатки также расположены надлежащим образом, чтобы быть неподвижными, но не для того, чтобы быть полностью обездвиженными, а, скорее, для того, чтобы быть поворачиваемыми вокруг их оси, из условия, чтобы поток, набегающий на лопатки рабочего колеса, мог быть находящимся под влиянием.
Для того чтобы улучшать характеристики крутящего момента двигателя внутреннего сгорания, также можно использовать множество турбонагнетателей, турбины и компрессоры которых расположены последовательно или параллельно.
Изобретение будет подробнее описано ниже со ссылкой на примерный вариант осуществления, согласно фиг. 1, на которой схематично показан, на виде сбоку, первый вариант осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом и жидкостным охлаждением.
На фиг. 1 схематично показан, на виде сбоку, первый вариант осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания с наддувом и жидкостным охлаждением.
Двигатель 1 внутреннего сгорания содержит головку 1a блока цилиндров, которая присоединена на торцевой стороне 1c агрегата к блоку 1b цилиндров.
Для формирования системы 2 охлаждения двигателя предусмотрен насос 2a, посредством которого охлаждающая жидкость транспортируется через контур 2 охлаждения. Насос 2a присоединен через соединительную линию 5 к вентиляционному резервуару 2b, из которого обезгаженная охлаждающая жидкость вновь подается в контур 2 охлаждения посредством ее подачи в контур 2 охлаждения выше по потоку от насоса 2a.
Двигатель 1 внутреннего сгорания подвергается наддуву посредством турбонагнетателя 3 от отработавших газов, который содержит компрессор и турбину, которые скомопонованы на общем валу. Вал с возможностью вращения установлен в корпусе 4 подшипника с водяным охлаждением.
Для формирования системы охлаждения корпус 4 подшипника присоединен к контуру 2 охлаждения двигателя 1 внутреннего сгорания посредством соединительной линии 5 и расположен между насосом 2a и вентиляционным резервуаром 2b. В этом случае блок 1b цилиндров служит в качестве точки 7 удаления для охлаждающей жидкости и снабжен соединением 7 для соединительной линии 5.
Трубчатый воздушный радиатор 6, который снижает температуру охлаждающей жидкости перед входом в корпус 4 подшипника, расположен выше по потоку от корпуса 4 подшипника в соединительной линии.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 1, впускное отверстие 2d соединительной линии 5 в вентиляционный резервуар 2b находится на слегка большей геодезической высоте, чем выпускное отверстие 4a корпуса 4 подшипника, к которому присоединено выпускное отверстие соединительной линии 5. Положительный перепад в высоте между корпусом 4 подшипника и вентиляционным резервуаром 2b содействует термосифонному эффекту, даже если соединительная линия 5, расположенная выше по потоку от корпуса 4 подшипника, не сконструирована в данном случае в качестве восходящей линии с непрерывно увеличивающейся геодезической высотой.
Соединительная линия 5 ведет в вентиляционный резервуар 2b ниже уровня 2c охлаждающей жидкости. Сильно перегретая и, возможно, газообразная охлаждающая жидкость, поступающая из корпуса 4 подшипника, таким образом подается в объем охлаждающей жидкости 2e в вентиляционном резервуаре 2b.
Подача перегретой охлаждающей жидкости ниже уровня 2c жидкости имеет результатом смешивание с охлаждающей жидкостью, уже находящейся в резервуаре 2b, таким образом, значительно снижая тепловую нагрузку резервуара 2b.
Резервуар 2b оснащен крышкой 2f, которая закрывает отверстие резервуара, который служит для заполнения резервуара 2b охлаждающей жидкостью и к тому же вмещает клапан регулировки давления (не показан).
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 Двигатель внутреннего сгорания
1a Головка блока цилиндров
1b Блок цилиндров
1c Торцевая сторона агрегата
2 Контур охлаждения, система охлаждения двигателя
2a Насос
2b Вентиляционный резервуар
2c Уровень жидкости, уровень охлаждающей жидкости
2d Раструб, впускное отверстие в вентиляционный резервуар
2e Объем охлаждающей жидкости
2f Крышка
3 Турбонагнетатель от отработавших газов
4 Корпус подшипника
4a Выпускное отверстие из корпуса подшипника
5 Соединительная линия
6 Радиатор
7 Соединение, точка удаления