СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ГОЛОВКИ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к системам охлаждения головки блока цилиндров двигателей.
Уровень техники
Выпускные коллекторы двигателей внутреннего сгорания могут подвергаться большим тепловым нагрузкам. Особенно высокую тепловую нагрузку могут претерпевать выпускные коллекторы, встроенные в головки цилиндров, из-за характеристик теплопередачи цельной конструкции. Тепловую нагрузку встроенного выпускного коллектора и соседних компонентов можно уменьшить, введя в головку блока цилиндров охлаждающие рубашки. Охлаждающие рубашки могут уменьшить тепловые напряжения на головке блока цилиндров, вызванные теплом, создаваемым при работе двигателя. Например, головка блока цилиндров, имеющая встроенный выпускной коллектор, раскрыта в документе US 7367294. Верхняя и нижняя охлаждающие рубашки охватывают большую часть головки блока цилиндров для отвода тепла от головки блока цилиндров.
Однако авторы настоящего изобретения выявили некоторые недостатки вышеописанного подхода. Например, верхняя и нижняя охлаждающие рубашки могут не обеспечить равномерное охлаждение для головки блока цилиндров. Кроме того, из-за схемы течения отработавших газов в коллекторе фланец на выпуске выпускного коллектора может испытывать более высокие температуры, чем другие части головки блока цилиндров. И верхняя и нижняя охлаждающие рубашки в известном подходе могут обеспечить лишь ограниченное охлаждение зоны фланца. Кроме того, охлаждающая рубашка в известном подходе может не обеспечить достаточное количество охлаждения для снижения вероятности термической деструкции турбонагнетателя или компонентов, расположенных после выпускного коллектора. Кроме того, охлаждающие рубашки могут не обеспечить достаточное охлаждение в помощь функции каталитического нейтрализатора в системе снижения токсичности отработавших газов, расположенной после выпускного коллектора.
Раскрытие полезной модели
Таким образом, в настоящем документе описаны различные примерные системы и подходы. В одном примере предлагается головка блока цилиндров со встроенным выпускным коллектором, причем встроенный выпускной коллектор содержит фланец выпускного коллектора. Головка блока цилиндров содержит канал подвода охлаждающей жидкости в сообщении с проходом более высокого давления системы охлаждения головки блока цилиндров, канал отвода охлаждающей жидкости в сообщении с проходом более низкого давления системы охлаждения головки блока цилиндров, и проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце, по меньшей мере, частично пересекает фланец выпускного коллектора и находится в сообщении с каналом подвода охлаждающей жидкости и каналом отвода охлаждающей жидкости.
Таким путем температуру фланца можно уменьшить посредством подсистемы охлаждения фланца с тем, чтобы уменьшить тепловые напряжения на головке блока цилиндров. Подсистема охлаждения фланца может снизить вероятность термической деструкции головки блока цилиндров и компонентов, расположенных после нее, таких, как турбонагнетатель, система снижения токсичности отработавших газов и т.д. Таким образом, при использовании вышеописанной головки блока цилиндров характеристики двигателя, турбонагнетателя и системы снижения токсичности отработавших газов можно улучшить.
Это краткое описание преследует цель представить в упрощенном виде выбор концепций, дополнительно описываемых в подробном описании изобретения. Краткое описание не преследует цель определить основные или существенные отличительные признаки заявленного предмета изобретения, равно как не преследует цель быть использованным для ограничения объема заявленного предмета изобретения. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивается вариантами осуществления, устраняющими любые или все недостатки, отмеченные в любой части настоящего описания.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 приведено схематическое представление двигателя внутреннего сгорания.
На Фиг.2 приведено схематическое представление головки блока цилиндров и связанной с ней системой охлаждения, которые могут использоваться в двигателе внутреннего сгорания, показанном на Фиг.1.
На Фиг.3 приведена иллюстрация примерной головки блока цилиндров.
На Фиг.4 приведен разрез головки блока цилиндров, показанной на Фиг.3, причем головка блока цилиндров содержит перепускные проходы для охлаждающей жидкости.
На Фиг.5 приведен вид сбоку фланца выпускного коллектора, включенного в головку блока цилиндров, показанную на Фиг.3.
На Фиг.6 приведен еще один вариант осуществления фланца выпускного коллектора, включенного в головку блока цилиндров, показанную на Фиг.3.
На Фиг.7 приведен покомпонентный вид примерного фланца выпускного коллектора, уплотнительной прокладки и второго фланца.
На Фиг.8 приведен еще один вариант осуществления уплотнительной прокладки.
На Фиг.9 приведен вид сбоку второго фланца, показанного на Фиг.7.
На Фиг.10 приведен разрез фланца выпускного коллектора, уплотнительной прокладки и второго фланца, а также соответствующего канала подвода охлаждающей жидкости, канала отвода охлаждающей жидкости и прохода для охлаждающей жидкости в выпускном фланце.
На Фиг.11 приведен составной стержень для литья головки блока цилиндров, показанной на Фиг.3.
На Фиг.12 приведен разрез направляющих отработавших газов, включенных головку блока цилиндров, показанную на Фиг.3.
На Фиг.13 приведен стержень окна выпускного коллектора, включенный в составной стержень, показанный на Фиг.11.
На Фиг.14 приведен разрез входных каналов, включенных в головку блока цилиндров, показанную на Фиг.3.
На Фиг.15 приведен разрез первой наружной направляющей отработавших газов, включенной в головку блока цилиндров, показанную на Фиг.3.
На Фиг.16 приведен разрез еще одной части первой наружной направляющей отработавших газов, включенной в головку блока цилиндров, показанную на Фиг.3.
На Фиг.17 приведен разрез второй внутренней направляющей отработавших газов, включенной в головку блока цилиндров, показанную на Фиг.3.
На Фиг.18 приведен способ работы системы охлаждения головки блока цилиндров в головке блока цилиндров двигателя.
На Фиг.19 приведен способ работы системы охлаждения головки блока цилиндров в головке блока цилиндров двигателя.
Осуществление полезной модели
В настоящем документе описана головка блока цилиндров со встроенным выпускным коллектором. Головка блока цилиндров содержит проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце в сообщении с каналом подвода охлаждающей жидкости и каналом отвода охлаждающей жидкости. Канал подвода охлаждающей жидкости и канал отвода охлаждающей жидкости могут быть в сообщении с частями более высокого и более низкого давлений системы охлаждения головки блока цилиндров. Система охлаждения головки блока цилиндров может быть конструктивно исполненной для протекания охлаждающей жидкости через проходы в головке блока цилиндров. При этом может обеспечиваться охлаждение для выпускного фланца, который из-за характеристик потока во встроенном выпускном коллекторе может испытывать более высокие температуры. Более того, проход для охлаждающей жидкости на выпуске может обеспечивать охлаждение и для соседних компонентов, таких, как турбонагнетатель. При этом тепловые напряжения на выпускной фланец и компоненты после встроенного выпускного коллектора можно уменьшить. Таким образом, вероятность термической деструкции выпускного фланца, блока цилиндров или соседних компонентов, таких, как турбонагнетатель, можно снизить, тем самым повысив долговечность компонентов.
На Фиг.1 двигатель внутреннего сгорания 10, содержащий несколько цилиндров, из которых на Фиг.1 показан лишь один, управляется электронным контроллером 12 двигателя. Двигатель 10 содержит камеру сгорания 30, стенки 32 цилиндра с расположенным в нем поршнем 36, соединенным с коленчатым валом 40. Камера сгорания 30 показана сообщающейся с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Каждый клапан - впускной и выпускной - могут управляться кулачком 51 впускного клапана и кулачком 53 выпускного клапана. Альтернативно, один или несколько впускных и выпускных клапанов могут управляться узлом катушки и якоря клапана с электромеханическим управлением. Положение кулачка 51 впускного клапана может определяться датчиком 55 кулачка впускного клапана. Положение кулачка 53 выпускного клапана может определяться датчиком 57 кулачка впускного клапана.
Показан также впускной коллектор 44 между впускным клапаном 52 и воздухозаборной трубой 42. Топливо в топливную форсунку 66 подается топливной системой (не показана), включающей топливный бак, топливный насос и топливный распределитель (не показаны). Двигатель 10 на Фиг.1 конструктивно исполнен таким образом, что топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр двигателя, что известно специалистам как непосредственный впрыск. Топливная форсунка 66 получает рабочий ток из привода 68, который действует по команде контроллера 12. Кроме того, впускной коллектор 44 показан сообщающимся с факультативным электронным дросселем 62 с дроссельной заслонкой 64. В одном примере может использоваться система непосредственного впрыска низкого давления, в которой давление топлива может подниматься примерно до 20-30 бар. Альтернативно, для создания более высоких давлений топлива может использоваться двухступенчатая топливная система высокого давления.
Система зажигания 88 без распределителя подает искру зажигания в камеру сгорания 30 посредством свечи зажигания 92 в ответ на команду контроллера 12. Универсальный датчик кислорода в отработавших газах (UEGO) 126 показан подключенным к выпускному коллектору 48 до каталитического нейтрализатора отработавших газов 70. Альтернативно, вместо датчика UEGO 126 может использоваться датчик кислорода в отработавших газах с двумя состояниями.
В одном примере каталитический нейтрализатор отработавших газов 70 может содержать несколько «кирпичей» нейтрализатора. Еще в одном примере могут использоваться несколько устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое с несколькими «кирпичами». В одном примере каталитический нейтрализатор отработавших газов 70 может быть трехкомпонентным нейтрализатором.
Контроллер 12 показан на Фиг.1 как обычный микрокомпьютер, содержащий: микропроцессор 102, порты ввода/вывода 104, постоянное запоминающее устройство 106, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимое запоминающее устройство ПО и обычную шину данных. В дополнение к сигналам, рассмотренным ранее, контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, подключенных к двигателю 10, включая: температуру охлаждающей жидкости двигателя (ТОЖ) от датчика температуры 112, подключенного к рукаву охлаждения 114; сигнал датчика положения 134, подключенного к педали акселератора 130 для считывания силы, прикладываемой ногой 132; измерение давления во впускном коллекторе двигателя (АДК) от датчика давления 122, подключенного к впускному коллектору 44; сигнал датчика положения двигателя от датчика 118 на эффекте Холла, который считывает положение коленчатого вала 40; измерение массового расхода воздуха, поступающего в двигатель, от датчика 120, и измерение положения дроссельной заслонки от датчика 58. Для обработки контроллером 12 может считываться и барометрическое давление (датчик не показан). В одном предпочтительном аспекте настоящего изобретения датчик положения 118 двигателя за каждый оборот коленчатого вала выдает заданное количество равноотстоящих импульсов, по которому можно определить частоту вращения (ЧВ) двигателя.
В некоторых вариантах двигатель может подключаться к системе электродвигателя/аккумуляторной батареи в гибридном автомобиле. Гибридный автомобиль может иметь параллельное конструктивное исполнение, последовательное конструктивное исполнение или их вариант или сочетания.
При работе каждый цилиндр двигателя 10 обычно совершает четырехтактный цикл: этот цикл включает такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. На такте впуска выпускной клапан 54 закрывается, а впускной клапан 52 открывается. По впускному коллектору 44 в камеру сгорания 30 поступает воздух, и поршень 36 перемещается к дну цилиндра, чтобы увеличить объем в камере сгорания 30. Положение, в котором поршень 36 находится у дна цилиндра и в конце его хода (например, когда камера сгорания 30 пребывает в состоянии своего наибольшего объема), специалистами обычно называется нижней мертвой точкой (НМТ). На такте сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 перемещается к головке цилиндра, сжимая воздух в камере сгорания 30. Точка, в которой поршень 36 находится в конце своего хода, и ближайшая к головке цилиндра (например, когда камера сгорания 30 пребывает в состоянии своего наименьшего объема), специалистами обычно называется верхней мертвой точкой (ВМТ). В процессе, далее по тексту именуемом впрыском, в камеру сгорания подается топливо. В процессе, далее по тексту именуемом зажиганием, впрыснутое топливо воспламеняется посредством такого известного средства воспламенения, как свеча зажигания 92, приводящим к горению. На такте расширения расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно к НМТ. Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, на такте выпуска открывается выпускной клапан 54 для высвобождения сгоревшей топливной смеси в выпускной коллектор 48, и поршень возвращается в ВМТ. Следует отметить, что вышеприведенное описано просто как пример, и что моменты открытия и/или закрытия впускного и выпускного клапанов могут варьировать, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрытие впускного клапана или различные иные примеры.
В одном варианте осуществления датчик положения кривошипа при остановках и запусках имеет как нулевую скорость, так и двунаправленную функциональность. В некоторых случаях применения может использоваться двунаправленный датчик на эффекте Холла, в других - к мишени могут крепиться магниты. Магниты могут размещаться на мишени, и «просвет на месте отсутствующего зуба» можно потенциально исключить, если датчик способен обнаруживать изменение амплитуды сигнала (например, использование более мощного или более слабого магнита для локализации конкретного положения на колесе). Кроме того, используя двунаправленный датчик на эффекте Холла или эквивалента, при глушении положение двигателя может поддерживаться, но при повторном запуске может использоваться альтернативная стратегия для обеспечения того, что двигатель вращается в направлении движения вперед.
На Фиг.2 приведено схематическое представление системы охлаждения головки блока цилиндров 200 для двигателя. Понятно, что эта система охлаждения может включаться в двигатель 10, показанный на Фиг.1. Система охлаждения может предназначаться для отвода тепла от двигателя. Как более подробно описывается в настоящем документе, контроллер 12 может предназначаться для регулирования тепла, отводимого от двигателя, посредством контура охлаждающей жидкости 250. Таким путем температуру двигателя можно регулировать, обеспечивая повышение эффективности сгорания топлива, а также снижая тепловое напряжение на двигателе.
Система охлаждения 200 содержит контур охлаждающей жидкости 250, проходящий через один или несколько проходов 251 для охлаждающей жидкости в блоке цилиндров 252. В качестве рабочей жидкости в контуре охлаждающей жидкости может использоваться вода или иная подходящая охлаждающая жидкость. Блок цилиндров может содержать часть одной или нескольких камер сгорания. Понятно, что контур охлаждающей жидкости может проходить рядом с частями камер сгорания. При этом избыточное тепло, создаваемое при работе двигателя, может передаваться в контур охлаждающей жидкости. Головка 253 блока цилиндров может соединяться с блоком цилиндров с образованием сборки цилиндров. В собранном состоянии сборка цилиндров может содержать несколько камер сгорания. В число этих нескольких камер сгорания может входить камера сгорания 30, показанная на Фиг.1.
Кроме того, система охлаждения головки блока цилиндров содержит верхнюю охлаждающую рубашку 254 и нижнюю охлаждающая рубашка 256. Понятно, что верхняя и нижняя охлаждающие рубашки встроены в головку блока цилиндров. Верхняя охлаждающая рубашка содержит несколько проходов для охлаждающей жидкости 258. Аналогичным образом, нижняя охлаждающая рубашка содержит несколько проходов для охлаждающей жидкости 260. Как показано, верхняя охлаждающая рубашка содержит канал подвода охлаждающей жидкости 262, а нижняя охлаждающая рубашка содержит канал подвода охлаждающей жидкости 264. Однако понятно, что в других вариантах осуществления верхняя и/или нижняя охлаждающие рубашки могут содержать несколько каналов подвода. Например, верхняя охлаждающая рубашка может содержать один канал подвода, а нижняя охлаждающая рубашка может содержать несколько каналов подвода. Понятно, что в некоторых вариантах осуществления каналы подвода верхней и нижней охлаждающих рубашек могут подключаться к общим проходам для охлаждающей жидкости в блоке цилиндров. При этом верхняя и нижняя охлаждающие рубашки получают охлаждающую жидкость через соответствующие каналы подвода из общего источника, включенного в блок двигателя. Однако в других вариантах осуществления каналы подвода верхней и нижней охлаждающих рубашек могут подключаться к отдельным проходам для охлаждающей жидкости в блоке цилиндров.
Первая группа перепускных проходов для охлаждающей жидкости 266 может сообщать верхнюю охлаждающую рубашку 254 по текучей среде с нижней охлаждающей рубашкой 256. Аналогичным образом, вторая группа перепускных проходов для охлаждающей жидкости 268 может сообщать верхнюю охлаждающую рубашку по текучей среде с нижней охлаждающей рубашкой.
Каждый перепускной проход для охлаждающей жидкости, включенный в первую группу перепускных проходов для охлаждающей жидкости, может содержать ограничитель 270. Аналогичным образом, каждый перепускной проход для охлаждающей жидкости, включенный во вторую группу перепускных проходов для охлаждающей жидкости, может содержать ограничитель 271. Изменения различных характеристик (например, размер, форма и т.д.) ограничителей могут происходить при изготовлении головки 253 блока цилиндров. Поэтому ограничители 270, включенные в первую группу перепускных проходов для охлаждающей жидкости, могут быть иными по размеру, форме и т.д., чем ограничители 271, включенные во вторую группу перепускных проходов для охлаждающей жидкости. При этом головка блока цилиндров может быть изменена для самых разных двигателей, что повышает применимость головки блока цилиндров. Хотя в первой и второй группах перепускных проходов для охлаждающей жидкости показаны по два перепускных прохода для охлаждающей жидкости, в других вариантах осуществления количество перепускных проходов для охлаждающей жидкости, включенных в первую и вторую группы перепускных проходов для охлаждающей жидкости, может быть иным.
Перепускные проходы для охлаждающей жидкости позволяют охлаждающей жидкости проходить между охлаждающими рубашками в различных точках между каналами подвода и отвода верхней и нижней охлаждающих рубашек. При этом охлаждающая жидкость может протекать со сложной схемой течения, при которой охлаждающая жидкость протекает между верхней и нижней рубашками, в средине рубашки и в различных иных местах в рубашке. Смешанная схема течения снижает изменчивость температуры в головке блока цилиндров при работе двигателя, а также увеличивает количество тепловой энергии, которое может отводиться от головки блока цилиндров, тем самым улучшая характеристики двигателя.
Система охлаждения головки блока цилиндров может сообщаться по меньшей мере с одним проходом для охлаждающей жидкости 272, имеющимся во фланце выпускного коллектора 273. Фланец выпускного коллектора включен в выпускной коллектор 48. Проход для охлаждающей жидкости 272 содержит канал подвода охлаждающей жидкости 274 и канал отвода охлаждающей жидкости 275. Канал подвода охлаждающей жидкости может сообщаться с проходом более высокого давления для охлаждающей жидкости в системе охлаждения головки блока цилиндров, а канал отвода охлаждающей жидкости может сообщаться с проходом более низкого давления для охлаждающей жидкости в системе охлаждения головки блока цилиндров. Понятно, что проход более высокого давления для охлаждающей жидкости может включаться в верхнюю или нижнюю охлаждающую рубашку. Аналогичным образом, проход более низкого давления для охлаждающей жидкости может включаться в верхнюю или нижнюю охлаждающую рубашку. В одном конкретном примере проход более высокого давления для охлаждающей жидкости включен в нижнюю охлаждающую рубашку, а проход более низкого давления для охлаждающей жидкости включен в верхнюю охлаждающую рубашку. При этом охлаждающая жидкость может циркулировать у фланца, обеспечивая отвод тепла от фланца, используя существующую систему охлаждения в транспортном средстве. Поэтому понятно, что по сравнению с другими системами, в которых для обеспечения охлаждения для системы выпуска отработавших газов может использоваться независимая система охлаждения, стоимость производства можно уменьшить. Более того, можно снизить тепловые напряжения на фланце головки блока цилиндров, а также на соседних компонентах, тем самым повышая долговечность компонентов. Проход для охлаждающей жидкости в выпускном коллектором подробнее описывается в настоящем документе со ссылками на Фиг.3 и 5-10.
Верхняя охлаждающая рубашка содержит канал отвода 276. Канал отвода 276 может содержать ограничитель 277. Кроме того, нижняя охлаждающая рубашка содержит канал отвода 278. Понятно, что в других вариантах осуществления канал отвода 278 также может содержать ограничитель. Каналы отвода из верхней и нижней охлаждающих рубашек могут объединяться и сообщаться по текучей среде. Контур охлаждающей жидкости может затем проходить через один или несколько проходов для охлаждающей жидкости 280, содержащихся в радиаторе 282. Радиатор позволяет теплу передаваться из контура охлаждающей жидкости в окружающий воздух. Таким образом, тепло может отводиться из контура охлаждающей жидкости.
В контур охлаждающей жидкости также может включаться и насос 284. В канале отвода 276 верхней охлаждающей рубашки может располагаться термостат 286. Термостат 288 может располагаться и в канале подвода одного или нескольких проходов для охлаждающей жидкости 251 блока цилиндров 252. В других вариантах осуществления дополнительные термостаты могут располагаться в других местах в контуре охлаждающей жидкости, таких, как в канале подвода или канале отвода одного или нескольких проходов для охлаждающей жидкости в радиаторе, в канале подвода или канале отвода нижней охлаждающей рубашке, канале подвода верхней охлаждающей рубашки и т.д. Эти термостаты могут использоваться для регулирования количества текучей среды, протекающей через контур охлаждающей жидкости, в зависимости от температуры. В некоторых примерах термостаты могут управляться посредством контроллера 12. Однако в других примерах термостаты могут быть пассивными.
Понятно, что контроллер 12 может регулировать величину гидростатического напора, создаваемого насосом 284, чтобы регулировать расход охлаждающей жидкости через контур и, следовательно, количество тепла, отводимого от двигателя. Кроме того, в некоторых примерах контроллер 12 может предназначаться для динамического регулирования величины расхода охлаждающей жидкости через верхнюю охлаждающую рубашку посредством термостата 286. В частности, расход охлаждающей жидкости через верхнюю охлаждающую рубашку может уменьшаться, если температура двигателя ниже пороговой величины. При этом продолжительность подогрева двигателя при холодном запуске может снижаться, тем самым повышая эффективность сгорания и уменьшая выбросы. Понятно, что системы и компоненты на Фиг.2 показаны схематически, и цель показать относительное расположение компонентов не преследуется.
На Фиг.3 приведен вид в перспективном изображении примерной головки 253 блока цилиндров. Головка блока цилиндров может конструктивно исполняться для прикрепления к блоку цилиндров (не показан), который имеет одну или несколько камер сгорания, имеющих поршень, совершающий в них возвратно-поступательное движение. Головка блока цилиндров быть отлита из подходящего материала, такого, как алюминий. Другие компоненты собранной головки блока цилиндров упущены. Упущенные компоненты включают распределительные валы, крышки распределительных валов, впускные и выпускные клапаны, свечи зажигания и т.д.
Как показано, головка блока цилиндров 253 содержит четыре периметральные стенки. Эти стенки включают первую и вторую боковые стенки 302 и 304 соответственно. Кроме того, четыре периметральные стенки могут включать переднюю торцевую стенку 306 и заднюю торцевую стенку 308.
Нижняя стенка 312 может предназначаться для соединения с блоком цилиндров (не показан) с образованием камер сгорания двигателя, как описывалось выше. Кроме того, головка блока цилиндров может содержать канал дегазации 314, содержащий клапан, предназначенный для удаления газа из верхней охлаждающей рубашки. При этом количество газа в верхней и нижней охлаждающих рубашках может уменьшаться. Канал дегазации расположен в зоне, прилегающей к верхней поверхности верхней охлаждающей рубашки. В некоторых примерах канал дегазации может располагаться в верхней части (например, практически в наивысшей вертикальной точке) в верхней охлаждающей рубашке. Однако в других примерах канал дегазации может располагаться в другом подходящем месте. Канал дегазации может уменьшать количество газа (например, воздуха и/или водяного пара) в верхней и нижней охлаждающих рубашках, тем самым повышая эффективность работы верхней и нижней охлаждающих рубашек.
Головка 253 блока цилиндров содержит также выпускной коллектор 48, с которым сообщаются несколько направляющих отработавших газов. Направляющие отработавших газов проиллюстрированы на Фиг.12-17 и подробнее описываются со ссылками на эти фигуры. Направляющие отработавших газов сообщаться с выпускными клапанами для каждой камеры сгорания. При этом выпускной коллектор и направляющие отработавших газов могут быть встроенными в отливку головки блока цилиндров. Встроенные направляющие отработавших газов имеют ряд преимуществ, таких, как сокращение количества деталей двигателя, что позволяет снизить стоимость на протяжении всего цикла разработки двигателя. Кроме того, при использовании встроенного выпускного коллектора можно снизить стоимость товарно-материальных запасов и сборки.
Кроме того, головка блока цилиндров содержит фланец 273 выпускного коллектора, окружающий выпускной коллектор 48. Фланец содержит бобышки отверстий для болтов 310 или иные подходящие крепежные устройства, конструктивно исполненные для крепления к следующему выпускному компоненту, такому, как выпускной канал отработавших газов или впускной канал турбины, включенной в турбонагнетатель. При этом турбонагнетатель может устанавливаться непосредственно на головке блока цилиндров, чтобы уменьшить потери в двигателе. Турбонагнетатель может содержать турбину, приводимую отработавшими газами и подключенную к компрессору посредством приводного вала. Компрессор может предназначаться для повышения давления во впускном коллекторе.
Кроме того, головка блока цилиндров содержит канал подвода охлаждающей жидкости 274 в сообщении с проходом более высокого давления в системе охлаждения 200 головки блока цилиндров, показанной на Фиг.2, и канал отвода охлаждающей жидкости 275 в сообщении с проходом более низкого давления в системе охлаждения головки блока цилиндров. Как показано, проходы более высокого и более низкого давления проходят в головку блока цилиндров. Проходы более высокого и более низкого давления показаны на Фиг.10. Понятно, что проходы более высокого и/или более низкого давления в системе охлаждения головки блока цилиндров могут быть либо в верхней, либо в нижней охлаждающей рубашке. Как показано, фланец выпускного коллектора содержит также канал 315 фланца выпускного коллектора, пересекающий фланец выпускного коллектора. Канал фланца может быть литым или может фрезероваться после отливки головки блока цилиндров. Как показано, канал фланца выпускного коллектора проходит вокруг всего фланца выпускного коллектора. Иными словами, канал фланца выпускного коллектора обходит канал отвода отработавших газов 316. Однако в других вариантах осуществления канал фланца может частично пересекать фланец выпускного коллектора. Канал фланца может определять границу прохода для охлаждающей жидкости в выпускном фланце, по меньшей мере, частично пересекая фланец выпускного коллектора. Проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце может сообщаться с каналом подвода охлаждающей жидкости 274 и каналом отвода охлаждающей жидкости 275. При этом охлаждающая жидкость может циркулировать через проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце. Проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце может находиться между фланцем выпускного коллектора и фланцем следующего компонента, такого, как турбонагнетатель, проход для отработавших газов, устройство снижения токсичности отработавших газов и т.д., более подробно рассмотренных в настоящем документе. Секущая плоскость 320 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.4. Секущая плоскость 322 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.10. Секущая плоскость 324 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.12. Секущая плоскость 326 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.14. Секущая плоскость 328 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.15. Секущая плоскость 330 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.16. Секущая плоскость 322 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.17.
На Фиг.4 приведен вид с частичным вырезом головки 253 блока цилиндров, показанной на Фиг.3. Показан первый перепускной проход для охлаждающей жидкости 410. Первый перепускной проход для охлаждающей жидкости 410 может включаться в первую группу перепускных проходов для охлаждающей жидкости 266, показанную на Фиг.2. Возвращаясь к Фиг.4, стрелкой 412 обозначен обычный путь жидкости, протекающей через первый перепускной проход для охлаждающей жидкости из нижней охлаждающей рубашки в верхнюю охлаждающую рубашку. Как показано, охлаждающая жидкость проходит практически в вертикальном направлении по вертикальному проходу относительно вертикального движения поршней в цилиндре. Понятно, что ширина первого перепускного прохода для охлаждающей жидкости может быть изменена при изготовлении путем механической обработки. При этом перепускной проход для охлаждающей жидкости может выполняться в соответствии с требуемыми техническими условиями.
Первая группа перепускных проходов для охлаждающей жидкости может быть выровненной в радиальном направлении с двумя или более цилиндрами двигателя. Понятно, что это выравнивание может быть относительно одной линии симметрии. Кроме того, первая группа перепускных проходов для охлаждающей жидкости может отстоять от впускного и/или выпускного окон в двигателе. Расположение первой группы перепускных проходов для охлаждающей жидкости выровненной с двумя или более цилиндрами и на расстоянии от впускного и/или выпускного окон позволяет повысить конструктивную целостность головки блока цилиндров по сравнению с перепускными проходами для охлаждающей жидкости, которые могут располагаться рядом с впускным или выпускным окнами, что может снизить толщину металла, окружающего выпускной клапан, тем самым повышая вероятность деструкции или отказа выпускного или впускного клапанов. Кроме того, если перепускные проточные каналы выровнены таким образом, может использоваться проточный канал большего диаметра по сравнению с перепускными каналами для охлаждающей жидкости, расположенными рядом с впускным или выпускным клапанами.
Показан и второй перепускной проход для охлаждающей жидкости 414. Второй перепускной проход для охлаждающей жидкости 414 может включаться во вторую группу перепускных проходов для охлаждающей жидкости 268, показанную на Фиг.2. Второй перепускной проход для охлаждающей жидкости находится рядом с периферией головки блока цилиндров и отстоит от канала отвода отработавших газов 316. Поэтому понятно, что вторая группа перепускных проходов для охлаждающей жидкости может находиться рядом с периферией головки блока цилиндров и отстоять от выпускного коллектора. Стрелкой 416 обозначен обычный путь жидкости, протекающей через первый перепускной проход для охлаждающей жидкости из нижней охлаждающей рубашки в верхнюю охлаждающую рубашку. Как показано, колпачок 418 как направляет, так и ограничивает поток через второй перепускной проход для охлаждающей жидкости. Схема течения охлаждающей жидкости через вторую группу перепускных проходов для охлаждающей жидкости представляет собой дугу. Если для направления потока охлаждающей жидкости через второй перепускной проход для охлаждающей жидкости используется колпачок, это позволяет упростить процесс изготовления (например, механическую обработку) головки блока цилиндров.
На Фиг.5 приведен вид сбоку фланца 273 выпускного коллектора и канала отвода отработавших газов 316 выпускного коллектора 48, показанного на Фиг.3. Для обозначения подобных деталей использованы те же позиции.
На Фиг.6 приведен вид сбоку альтернативного варианта осуществления фланца 273 выпускного коллектора. Как показано, фланец выпускного коллектора содержит первый канал подвода охлаждающей жидкости 602 и первый канал отвода охлаждающей жидкости 604. Как уже отмечалось, первый канал подвода охлаждающей жидкости и первый канал отвода охлаждающей жидкости подключены к проходу более высокого давления в системе охлаждения головки блока цилиндров и проходу более низкого давления в системе охлаждения головки блока цилиндров. Первый фланцевый канал 606 проходит между первым каналом подвода охлаждающей жидкости и первым каналом отвода охлаждающей жидкости. Кроме того, фланец выпускного коллектора содержит второй канал подвода охлаждающей жидкости 608 и второй канал отвода охлаждающей жидкости 610. Второй фланцевый канал 612 проходит между вторым каналом подвода охлаждающей жидкости и вторым каналом отвода охлаждающей жидкости. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления каналы могут проходить также между первым и вторым каналами подвода охлаждающей жидкости и первым и вторым каналами отвода охлаждающей жидкости. Первый и второй каналы охлаждающей жидкости могут определять границу прохода для охлаждающей жидкости в выпускном фланце, что подробнее описывается в настоящем документе со ссылками на Фиг.7-10.
На Фиг.7 приведен покомпонентный вид фланца 273 выпускного коллектора, уплотнительной прокладки 702 и второго фланца 704. В собранном состоянии вышеупомянутые компоненты могут соединяться болтами 706 или иными подходящими крепежными деталями. Таким образом, в собранном состоянии между фланцем выпускного коллектора и вторым фланцем уложена уплотнительная прокладка.
Уплотнительная прокладка 702 может содержать внутреннее уплотнение 708 и наружное уплотнение 710. Внутреннее и наружное уплотнения определяют границу прохода для охлаждающей жидкости в выпускном фланце. Таким образом, внутреннее и наружное уплотнения позволяют охлаждающей жидкости циркулировать по фланцу выпускного коллектора и практически предотвращают утечку охлаждающей жидкости в поток отработавших газов или наружу из головки блока цилиндров.
В некоторых примерах внутреннее и наружное уплотнения могут быть многослойными металлическими выступами. Следовательно, уплотнения могут быть поднятыми. Иными словами, уплотнения могут иметь большую боковую толщину, чем другие части уплотнительной прокладки. Однако в других примерах могут использоваться другие подходящие уплотнения. Например, в дополнение или как альтернатива могут использоваться резиновые уплотнения. Хотя металлические уплотнения могут быть предпочтительнее из-за их способности выдерживать высокие температуры, которой не обладают резиновые уплотнения. Внутреннее уплотнение может находиться на стороне, касающейся как фланца выпускного коллектора, так и фланца 704. Кроме того, наружное уплотнение может находиться на стороне, касающейся как фланца выпускного коллектора, так и фланца 704.
Кроме того, уплотнительная прокладка содержит отверстия передачи 712. Как показано, отверстия передачи выровнены с каналом подвода охлаждающей жидкости 274 и каналом отвода охлаждающей жидкости 275. Однако возможны и другие выравнивания. При этом охлаждающая жидкость может циркулировать по фланцу выпускного коллектора, а также по фланцу 704. Понятно, что эта циркуляция охлаждающей жидкости может не только снизить температуру фланца выпускного коллектора, снижая тем самым вероятность термической деструкции головки блока цилиндров, но и снижает температуру соседних компонентов, таких, как турбонагнетатель, снижая тем самым вероятность термической деструкции соседнего компонента.
Однако в других вариантах осуществления уплотнительная прокладка 702 может не иметь отверстий передачи 712, и внутреннее и наружное уплотнения (708 и 710) могут быть только на стороне, контактирующей с фланцем выпускного коллектора. Таким образом, охлаждающая жидкость может циркулировать по фланцу выпускного коллектора. Однако тепло может передаваться от фланца 704 в охлаждающую жидкость посредством теплопроводности через уплотнительную прокладку 702.
На Фиг.8 приведен альтернативный вариант осуществления уплотнительной прокладки 702. Как показано, по уплотнительной прокладке проходит отверстие 802. Иными словами, отверстие обходит внутренний край 804 уплотнительной прокладки. Как показано, отверстие 802 перекрывают соединители 806. Понятно, что при использовании этих соединителей относительное положение внутреннего уплотнения относительно наружного уплотнения может быть практически фиксированным, что снижает вероятность неправильной сборки, такой, как неправильное размещение (например, разнесение) внутреннего и наружного уплотнений. В некоторых примерах, боковое расстояние одного или нескольких соединителей может быть неодинаковым. Понятно, что при таком расположении соединителей может создаваться схема течения охлаждающей жидкости, уменьшающая потери в проходе для охлаждающей жидкости в выпускном фланце. При этом эффективность системы охлаждения выпускного коллектора может повыситься по сравнению с системой охлаждения, имеющей соединители, расположенные с эквивалентными боковыми расстояниями.
На Фиг.9 приведен фланец 704. Фланец может включаться в расположенный ниже по потоку компонент, такой как турбонагнетатель или канал отработавших газов. Фланец 704 содержит канал 902. Канал 902 может быть фрезерованным или отлитым. Однако в других вариантах осуществления канал 902 может не включаться во фланец 704. Канал 902 может определять границу прохода для охлаждающей жидкости в выпускном коллекторе. Канал 902 позволяет большему количеству охлаждающей жидкости циркулировать по фланцу 704, увеличивая количество тепла, которое может отводиться от фланца и связанного с ним компонента.
На Фиг.10 приведен разрез фланца 273 выпускного коллектора, уплотнительной прокладки 702 и фланца 704. Общее направление потока отработавших газов по каналу отвода отработавших газов 316 обозначено стрелкой 1002. Охлаждающая жидкость в системе охлаждения головки блока цилиндров протекает из прохода более высокого давления 1004 в проход для охлаждающей жидкости 1006 выпускного фланца по каналу подвода охлаждающей жидкости 274. Как уже отмечалось, внутреннее уплотнение 708 и наружное уплотнение 710 определяют границу прохода для охлаждающей жидкости 1006 выпускного фланца. Кроме того, канал 315 во фланце выпускного коллектора и канал 902 могут также определять границу прохода для охлаждающей жидкости 1006 выпускного фланца. Однако в других примерах фланцевый канал 315 может не включаться во фланец выпускного коллектора, и/или канал 902 может не включаться во фланец 704. Понятно, что охлаждающая жидкость может протекать через отверстия передачи 712, показанные на Фиг.7. Таким образом, при работе системы охлаждения головки блока цилиндров охлаждающая жидкость протекает по части фланца 273 выпускного коллектора, а также фланца 704. Охлаждающая жидкость может выходить из прохода для охлаждающей жидкости 1006 выпускного фланца по каналу отвода охлаждающей жидкости 275 (показанному на Фиг.3, 4, 5 и 7), подключенному к проходу более низкого давления 1008 в системе охлаждения головки блока цилиндров. При этом тепло может отводиться как от фланца 273 выпускного коллектора, так и от фланца 704, со снижением тепловых напряжений на головке блока цилиндров, а также на расположенных дальше компонентах, таких, как турбонагнетатель.
На Фиг.11 приведен составной стержень 1100, содержащий верхний стержень 1102, нижний стержень 1104 и стержень 1106 окна выпускного коллектора. Эти стержни для литья расположены, как показано, и в процесс литья вместе помещаются в наружную форму. Металл, вливаемый в форму, может затем принимать форму литейных форм, отвердевая и образуя головку 253 блока цилиндров. Этот процесс литья является хорошо известным.
Как показано, проходящие вертикально выступы 1150, включенные как в верхний, так и нижний стержень, могут определять первую группу перепускных проходов для охлаждающей жидкости 266. Понятно, что перепускные проходы для охлаждающей жидкости могут ориентироваться вертикально относительно движения поршня. Выступающие вбок удлинения 1152 как в верхнем, так и в нижнем стержнях могут определять вторую группу перепускных проходов для охлаждающей жидкости 268. Понятно, что проходящее горизонтально удлинение 1103 может определять канал отвода 276 верхней охлаждающей рубашки, включая ограничитель 277.
Как показано, при литье выступы 1154 и 1156 образуют проходы для охлаждающей жидкости, проходящие из фланца в головку блока цилиндров. Концы этих выступов образуют канал подвода охлаждающей жидкости 274 и канал отвода охлаждающей жидкости 275. Однако понятно, что в других примерах проходы для охлаждающей жидкости могут фрезероваться после отливки головки блока цилиндров. Верхняя и нижняя охлаждающие рубашки имеют несколько проходов для охлаждающей жидкости, как уже отмечалось. Кроме того, стержень окна выпускного коллектора определяет выпускной коллектор, включая несколько направляющих отработавших газов, сообщающихся по текучей среде с каналом отвода отработавших газов.
На Фиг.12 приведен разрез выпускного коллектора 48, включенного в головку 253 блока цилиндров, показанную на Фиг.3. Канал отвода отработавших газов 316, включенный в выпускной коллектор, соединен с первой внутренней направляющей отработавших газов 1210 для цилиндра, расположенного между двумя другими цилиндрами. Первая внутренняя направляющая отработавших газов 1210 содержит первый входной канал 1212 и второй входной канал 1214, сходящиеся в зоне слияния 1216. Первый и второй входные каналы содержат первую и вторую точку входа направляющей клапана (1410 и 1412), показанные на Фиг.14. Понятно, что точки входа направляющих клапанов могут конструктивно исполняться таким образом, чтобы принимать часть выпускного клапана. Канал отвода отработавших газов 316 сообщается также со второй внутренней направляющей отработавших газов 1218. Вторая внутренняя направляющая отработавших газов 1218 включает первый входной канал 1220 и второй входной канал 1222, сходящиеся в зоне слияния 1224. Первый и второй входные каналы содержат первую и вторую точку входа направляющей клапана (1414 и 1416), показанные на Фиг.14. Направляющие отработавших газов принимают отработавшие газы из цилиндра при работе двигателя. Точки входа направляющих клапанов позволяют расположить выпускные клапаны в головке блока цилиндров так, что выпускные клапаны могут ограничивать поток газов из цилиндра в направляющие отработавших газов. Поэтому каждая внутренняя направляющая отработавших газов содержит два входных канала, подключенных к двум выпускным клапанам. Однако в других примерах первая и вторая внутренние направляющие отработавших газов каждая может содержать одну точку входа направляющей клапана. Поэтому в этих примерах первая внутренняя направляющая отработавших газов и вторая внутренняя направляющая отработавших газов каждая содержит один входной канал.
Понятно, что обе внутренние направляющие отработавших газов могут подключаться к цилиндрам, расположенным между двумя другими цилиндрами. Первая и вторая внутренние направляющие отработавших газов могут сходиться в зоне слияния 1226 для смешивания отработавших газов из внутренних цилиндров. Как показано, первая и вторая внутренние направляющие отработавших газов могут направляться практически прямым путем в канал отвода отработавших газов 316.
Кроме того, выпускной коллектор содержит первую наружную направляющую отработавших газов 1228 и вторую наружную направляющую отработавших газов 1230, сообщающиеся с каналом отвода отработавших газов 316. Первая и вторая наружные направляющие отработавших газов сообщаются с цилиндрами, расположенными на каждом конце ряда цилиндров. Иными словами, первая и вторая наружные направляющие отработавших газов сообщаются с самыми крайними цилиндрами ряда цилиндров с линейной конфигурацией. Первая наружная направляющая отработавших газов содержит первый входной канал 1232 и второй входной канал 1234, сходящиеся в зоне слияния 1236. Первый и второй входные каналы (1232 и 1234) содержат первую точку входа направляющей клапана и вторую точку входа направляющей клапана (1418 и 1420), показанные на Фиг.14. Аналогичным образом, вторая наружная направляющая отработавших газов содержит первый входной канал 1238 и второй входной канал 1240, сходящиеся в зоне слияния 1242. Первый и второй входные каналы (1238 и 1240) содержат первую точку входа направляющей клапана и вторую точку входа направляющей клапана (1422 и 1424), показанные на Фиг.14.
Вторая наружная направляющая отработавших газов 1230 и вторая внутренняя направляющая отработавших газов 1218 могут сходиться в зоне слияния 1244 для смешивания отработавших газов из внутренних и наружных цилиндров. Аналогичным образом, первая наружная направляющая отработавших газов 1228 и первая внутренняя направляющая отработавших газов 1210 могут сходиться в зоне слияния 1246 для смешивания отработавших газов из внутренних и наружных цилиндров.
Первая наружная направляющая отработавших газов имеет угол ввода 1248. Угол ввода 1248 может определяться как пересечение линии, параллельной прямой части наружной стенки 1250 первой наружной направляющей отработавших газов 1228, и плоскости, перекрывающей канал отвода отработавших газов 316. Наружная стенка первой наружной направляющей может быть вертикально выровненной стенкой рядом с боковой стенкой 302, показанной на Фиг.3. Из-за симметрии выпускного коллектора понятно, что вторая наружная направляющая отработавших газов имеет идентичный угол ввода.
Неожиданно обнаружено, что если наружные направляющие отработавших газов имеют угол ввода 15-17 градусов, разделение потока в отработавших газах при работе двигателя можно уменьшить, тем самым уменьшив потери в выпускном коллекторе. В частности, чтобы уменьшить разделение потока в выпускном коллекторе можно использовать угол ввода 15,5 градусов. Угол ввода в этих пределах может также ослабить воздействие отработавших газов на стенки выпускного коллектора. Кроме того, угол ввода в этих пределах может также уменьшить величину взаимного влияния между выпускными клапанами. Например, волны реакции, создаваемые при работе выпускных клапанов в наружных направляющих отработавших газов, могут распространяться за выпускной коллектор противоположно волнам реакции в других направляющих отработавших газов. Поэтому используются выпускные клапаны, имеющие угол ввода 15-17 градусов. При этом работа двигателя может улучшиться за счет уменьшения взаимного влияния между выпускными клапанами.
На Фиг.13 приведен стержень окна выпускного коллектора, показанный на Фиг.12. Хотя показан стержневой знак, понятно, что отработавшие газы могут проходить через проходы, созданные стержнем окна выпускного коллектора. Поэтому соответствующие части обозначены соответствующими позициями.
Линией 1318 указана секущая плоскость места начала зоны стержня окна выпускного коллектора первой наружной направляющей отработавших газов 1228, откуда измеряется площадь поперечного сечения первой наружной направляющей отработавших газов 1228. Линией 1320 указана секущая плоскость примерного места на криволинейной части первой наружной направляющей отработавших газов 1228, где может измеряться площадь поперечного сечения криволинейно части первой наружной направляющей отработавших газов 1228. Линиями 1326 и 1328 указаны секущие плоскости примерных мест на прямой части первой наружной направляющей отработавших газов 1228, где может измеряться площадь поперечного сечения прямой части первой наружной направляющей отработавших газов 1228. На линии 1318 первая наружная направляющая отработавших газов 1228 имеет первую площадь поперечного сечения. На линии 1320 первая наружная направляющая отработавших газов 1228 имеет вторую площадь поперечного сечения. На линиях 1326 и 1328 первая наружная направляющая отработавших газов 1228 имеет третью площадь поперечного сечения. Первая наружная направляющая отработавших газов 1228 расширяется от первой площади поперечного сечения ко второй площади поперечного сечения и сжимается от второй площади поперечного сечения к третьей площади поперечного сечения. Аналогично, линией 1322 второй наружной направляющей отработавших газов 1230 указана секущая плоскость места начала зоны стержня окна выпускного коллектора, откуда измеряется площадь поперечного сечения наружной направляющей отработавших газов. Линией 1324 указана секущая плоскость примерного места на криволинейной части второй наружной направляющей отработавших газов 1230, где может измеряться площадь поперечного сечения криволинейно части второй наружной направляющей отработавших газов 1230.
Линией 1310 указана секущая плоскость примерного места начала зоны стержня окна выпускного коллектора первой внутренней направляющей отработавших газов 1210, откуда измеряется площадь поперечного сечения внутренней направляющей отработавших газов 1210. Линией 1312 указана секущая плоскость примерного места первой внутренней направляющей отработавших газов 1210, откуда измеряется площадь поперечного сечения внутренней направляющей отработавших газов 1210. На линии 1310 первая внутренняя направляющая отработавших газов 1210 имеет первую площадь поперечного сечения. На линии 1312 первая внутренняя направляющая отработавших газов 1210 имеет вторую площадь поперечного сечения. Первая площадь поперечного сечения больше второй площади поперечного сечения. Аналогично, линией 1314 указана секущая плоскость примерного места начала зоны стержня окна выпускного коллектора второй внутренней направляющей отработавших газов 1218, откуда измеряется площадь поперечного сечения внутренней направляющей отработавших газов 1218. Линией 1316 указана секущая плоскость примерного места второй внутренней направляющей отработавших газов 1218, откуда измеряется площадь поперечного сечения внутренней направляющей отработавших газов 1218. Линией 1330 указана секущая плоскость еще одного примерного места второй внутренней направляющей отработавших газов 1218, откуда измеряется площадь поперечного сечения второй внутренней направляющей отработавших газов 1218.
2
2
2
2
2
2
На Фиг.14 приведен разрез первой точки входа направляющей клапана 1410 и второй точки входа направляющей клапана 1412 и соответствующих входных каналов (1212 и 1214) для первой внутренней направляющей отработавших газов 1210. Кроме того, на Фиг.14 показаны первая точка входа направляющей клапана 1414 и вторая точка входа направляющей клапана 1416, и соответствующие входные каналы (1220 и 1222) для второй внутренней направляющей отработавших газов 1218. Кроме того, на Фиг.14 показаны первая точка входа направляющей клапана 1418 и вторая точка входа направляющей клапана 1420, и соответствующие входные каналы (1232 и 1234) для первой наружной направляющей отработавших газов 1228. Кроме того, на Фиг.14 показаны первая точка входа направляющей клапана 1422 и вторая точка входа направляющей клапана 1424, и соответствующие входные каналы (1238 и 1240) для второй наружной направляющей отработавших газов 1430. Площадь поперечного сечения первой внутренней направляющей отработавших газов между каждой из двух точек входа направляющих клапанов (1410 и 1412) может равняться практически 716 мм. Для справки: передняя граница (линия 1310) и задняя граница (линия 1312) частей первой внутренней направляющей отработавших газов 1210 показаны на Фиг.13. Понятно, что площадь поперечного сечения измеряется в плоскости, перекрывающей направляющую отработавших газов и перпендикулярной линии 1450, касательной к центральной оси направляющей отработавших газов. Подобным образом, площадь поперечного сечения второй внутренней направляющей отработавших газов 1218 между каждой из двух точек входа направляющих клапанов (1414 и 1416) может равняться практически 716 мм. Для справки: передняя граница (линия 1314) и задняя граница (линия 1316) частей второй внутренней направляющей отработавших газов 1218 показаны на Фиг.13. Площадь поперечного сечения первой наружной направляющей отработавших газов между каждой из двух точек входа направляющих клапанов (1418 и 1420) может равняться практически 716 мм. Для справки: передняя граница (линия 1318) имеет площадь поперечного сечения, которая может равняться практически 716 мм, показаны на Фиг.13. Подобным образом, площадь поперечного сечения второй наружной направляющей отработавших газов 1230 между каждой из двух точек входа направляющих клапанов (1422 и 1424) может равняться практически 716 мм. Для справки: задняя граница (линия 1322) имеет площадь поперечного сечения, которая может равняться практически 716 мм, показаны на Фиг.13.
2
На Фиг.15 приведен разрез первой наружной направляющей отработавших газов 1228 в криволинейной части направляющей отработавших газов за точками входа направляющих клапанов (1418 и 1420) и до зоны слияния 1246 в направлении потока отработавших газов из цилиндра, показанных на Фиг.12. Как уже отмечалось, площадь поперечного сечения первой наружной направляющей отработавших газов начинается с первой площади и расширяется, когда направляющая отработавших газов искривляется, и сжимается, когда направляющая отработавших газов доходит до точки слияния, где отработавшие газы из одного цилиндра смешиваются с отработавшими газами другого цилиндра. Первая наружная направляющая отработавших газов 1228 начинается с первой площади практически 716 мм в месте за точками входа направляющих клапанов (1418 и 1420) в направлении потока отработавших газов.
2
Площадь поперечного сечения первой наружной направляющей отработавших газов в криволинейной части направляющей отработавших газов, показанной на Фиг.15, может быть 716 мм. Для справки: передняя граница (линия 1320) и задняя граница (линия 1326) криволинейной части первой наружной направляющей отработавших газов показаны на Фиг.13. Как уже отмечалось, площадь поперечного сечения может измеряться в плоскости, перекрывающей направляющую отработавших газов и перпендикулярной линии, касательной к центральной оси направляющей отработавших газов. Из-за симметрии в выпускном коллекторе вторая наружная направляющая отработавших газов по геометрии и размерам аналогична первой наружной направляющей отработавших газов.
На Фиг.16 приведен разрез первой наружной направляющей отработавших газов 1228 в прямой части направляющей отработавших газов за точками входа направляющих клапанов (1418 и 1420) в направлении потока отработавших газов и до зоны слияния 1246. Для справки: передняя граница (линия 1326) и задняя граница (линия 1328) прямой части первой наружной направляющей отработавших газов показаны на Фиг.13.
2
Площадь поперечного сечения прямой части первой наружной направляющей отработавших газов может быть меньше площади поперечного сечения криволинейной части первой наружной направляющей отработавших газов. Поэтому площадь поперечного сечения по длине первой наружной направляющей отработавших газов сжимается в прямой части направляющей отработавших газов. В частности, площадь поперечного сечения показанной прямой части направляющей отработавших газов может быть 651 мм. Из-за симметрии в выпускном коллекторе вторая наружная направляющая отработавших газов по геометрии и размерам аналогична первой наружной направляющей отработавших газов. Поэтому вторая наружная направляющая отработавших газов также может претерпевать расширение и последующее сжатие.
Было неожиданно установлено, что расширение и последующее сжатие в первой и второй наружных направляющих отработавших газов может уменьшить разделение потока отработавших газов в наружных направляющих отработавших газов, тем самым, снижая потери в выпускном коллекторе. При снижении потерь в выпускном коллекторе увеличивается энергия, подаваемая в турбину турбонагнетателя, расположенную после выпускного коллектора, благодаря чему повышается эффективность, а также потенциальная выходная мощность двигателя.
2
На Фиг.17 приведен разрез второй внутренней направляющей отработавших газов 1218 в части направляющей отработавших газов за точками входа направляющих клапанов (1414 и 1416) в направлении потока отработавших газов, и до зоны слияния 1244. Площадь поперечного сечения этой части может быть меньше площади поперечного сечения направляющей отработавших газов за точками входа направляющих клапанов в направлении потока отработавших газов. В частности, площадь поперечного сечения может быть 660 мм. Для справки: передняя граница (линия 1316) и задняя граница (линия 1330) части второй внутренней направляющей отработавших газов, рассмотренной выше, показаны на Фиг.13. При этом площадь поперечного сечения второй внутренней направляющей отработавших газов по длине направляющей отработавших газов сжимается. Из-за симметрии выпускного коллектора понятно, что первая внутренняя направляющая отработавших газов по геометрии и размерам аналогична второй внутренней направляющей отработавших газов.
Сжатие в первой и второй внутренних направляющих отработавших газов сосредотачивает отработавшие газы в центре канала отвода отработавших газов 316, тем самым ослабляя воздействие отработавших газов на стенки канала отвода отработавших газов 316. При этом могут уменьшаться потери в выпускном коллекторе. Следовательно, по сравнению с другими выпускными коллекторами, не имеющими сжатия, энергия, подаваемая в турбину посредством отработавших газов, может повышаться. При этом эффективность турбонагнетателя и, следовательно, двигателя может повышаться.
Головка блока цилиндров, показанная на Фиг.2-17, представляет собой головку блока цилиндров со встроенным выпускным коллектором, причем встроенный выпускной коллектор содержит фланец выпускного коллектора. Головка блока цилиндров содержит канал подвода охлаждающей жидкости в сообщении с проходом более высокого давления системы охлаждения головки блока цилиндров, канал отвода охлаждающей жидкости в сообщении с проходом более низкого давления системы охлаждения головки блока цилиндров и проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце, по меньшей мере, частично пересекающий фланец выпускного коллектора и в сообщении с каналом подвода охлаждающей жидкости и каналом отвода охлаждающей жидкости. Кроме того, в некоторых примерах указанный проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце содержит по меньшей мере один канал во фланце выпускного коллектора и канал во втором фланце, включенный в последующий компонент. В некоторых примерах этим последующим компонентом может быть турбонагнетатель. Кроме того, головка блока цилиндров может содержать уплотнительную прокладку, помещенную между фланцем выпускного коллектора и вторым фланцем, включенным в последующий компонент. Уплотнительная прокладка может содержать внутреннее уплотнение и наружное уплотнение, контактирующие с фланцем выпускного коллектора и вторым фланцем, и образующие границу прохода для охлаждающей жидкости в выпускном фланце. Кроме того, внутреннее и наружное уплотнения могут соединяться соединителями. Внутреннее и наружное уплотнения могут представлять собой металлические выступы. Канал подвода охлаждающей жидкости и канал отвода охлаждающей жидкости могут сообщаться с проходами для охлаждающей жидкости, проходящими в головку блока цилиндров. Кроме того, головка блока цилиндров может содержать второй проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце, по меньшей мере, частично пересекающий фланец выпускного коллектора, содержащий второй канал подвода охлаждающей жидкости, сообщающийся со второй зоной более высокого давления системы охлаждения головки блока цилиндров, и второй канал отвода охлаждающей жидкости, сообщающийся со второй зоной более низкого давления системы охлаждения головки блока цилиндров. В некоторых примерах система охлаждения головки блока цилиндров содержит верхнюю и нижнюю охлаждающие рубашки, и по меньшей мере один перепускной проход для охлаждающей жидкости, сообщающий верхнюю охлаждающую рубашку с нижней охлаждающей рубашкой. В некоторых примерах встроенный выпускной коллектор содержит несколько направляющих отработавших газов, причем каждая из направляющих отработавших газов имеет точку входа направляющей клапана и зону слияния, причем по меньшей мере один из нескольких направляющих отработавших газов имеет площадь поперечного сечения, которая сжимается между точкой входа направляющей клапана и зоной слияния, и по меньшей мере одна из нескольких направляющих отработавших газов имеет площадь поперечного сечения, которая расширяется в криволинейной части направляющей отработавших газов и которая сжимается в прямой части направляющей отработавших газов.
На Фиг.18 приведен способ 1800 работы системы охлаждения головки блока цилиндров в головке блока цилиндров двигателя, причем головка блока цилиндров имеет встроенный выпускной коллектор. Способ 1800 можно осуществлять системами и компонентами, описанными выше. Однако в других вариантах осуществления способ 1800 можно осуществлять другими подходящими системами и компонентами.
Вначале на стадии 1802 обеспечивают протекание охлаждающей жидкости в систему охлаждения головки блока цилиндров, встроенную в головку блока цилиндров, по меньшей мере из одного прохода для охлаждающей жидкости в блоке цилиндров. Как уже отмечалось, система охлаждения головки блока цилиндров может содержать несколько встроенных проходов для охлаждающей жидкости, и блок цилиндров соединяется с головкой блока цилиндров для образования по меньшей мере одной камеры сгорания.
В некоторых примерах стадия, на которой обеспечивают протекание охлаждающей жидкости в систему охлаждения головки блока цилиндров по меньшей мере из одного прохода для охлаждающей жидкости в блоке цилиндров, может включать стадию 1804, на которой обеспечивают протекание охлаждающей жидкости в верхнюю охлаждающую рубашку, включенную в систему охлаждения головки блока цилиндров, по меньшей мере из одного прохода для охлаждающей жидкости в блоке цилиндров. Кроме того, в некоторых примерах, стадия, на которой обеспечивают протекание охлаждающей жидкости в систему охлаждения головки блока цилиндров по меньшей мере из одного прохода для охлаждающей жидкости в блоке цилиндров, может включать стадию 1806, на которой обеспечивают протекание охлаждающей жидкости в нижнюю охлаждающую рубашку, включенную в систему охлаждения головки блока цилиндров, по меньшей мере из одного прохода для охлаждающей жидкости в блоке цилиндров.
Затем на стадии 1808 способ включает обеспечение протекания охлаждающей жидкости в проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце из зоны более высокого давления системы охлаждения головки блока цилиндров. Как уже отмечалось, проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце может находиться между фланцем выпускного коллектора канала отвода отработавших газов выпускного коллектора, встроенного в головку блока цилиндров, и вторым фланцем, включенным в компонент после встроенного выпускного коллектора. В некоторых примерах фланцевый проход для охлаждающей жидкости может обходить канал отвода отработавших газов. Однако в других примерах фланцевый проход для охлаждающей жидкости может лишь частично пересекать фланец выпускного коллектора. Как уже отмечалось, головка блока цилиндров может содержать уплотнительную прокладку, помещенную между фланцем выпускного коллектора и вторым фланцем, причем уплотнительная прокладка содержит внутреннее уплотнение и наружное уплотнение, контактирующие с первым фланцем и вторым фланцем и образующие границу прохода для охлаждающей жидкости во фланце.
Затем на стадии 1810 способ включает обеспечение протекания охлаждающей жидкости во второй проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце из зоны более высокого давления системы охлаждения головки блока цилиндров. Однако в других примерах стадия 1810 в способ 1800 может не включаться. Затем на стадии 1812 способ включает обеспечение протекания охлаждающей жидкости из прохода для охлаждающей жидкости в выпускном фланце в зону более низкого давления системы охлаждения головки блока цилиндров.
На стадии 1814 способ может включать протекание охлаждающей жидкости из второго прохода для охлаждающей жидкости в выпускном фланце в зону более низкого давления системы охлаждения головки блока цилиндров. Однако в других примерах стадию 1814 в способ 1800 могут не включать. Затем на стадии 1816 обеспечивают протекание охлаждающей жидкости между верхней и нижней охлаждающими рубашками по меньшей мере по одному перепускному проходу для охлаждающей жидкости, сообщающему верхнюю и нижнюю охлаждающие рубашки по текучей среде. Понятно, что в некоторых вариантах осуществления стадию 1816 могут осуществлять после стадии 1802 и до стадии 1806.
Затем на стадии 1818 способ включает протекание охлаждающей жидкости из системы охлаждения головки блока цилиндров в канал для охлаждающей жидкости, сообщающийся с радиатором. В некоторых примерах стадия, на которой обеспечивают протекание охлаждающей жидкости из системы охлаждения головки блока цилиндров в канал для охлаждающей жидкости, сообщающийся с радиатором, может включать стадию 1820, на которой обеспечивают протекание охлаждающей жидкости из канала отвода нижней охлаждающей рубашки в канал для охлаждающей жидкости, сообщающийся с радиатором. В некоторых других примерах стадия, на которой обеспечивают протекание охлаждающей жидкости из системы охлаждения головки блока цилиндров в канал для охлаждающей жидкости, сообщающийся с радиатором, может включать стадию 1822, на которой обеспечивают протекание охлаждающей жидкости из канала отвода верхней охлаждающей рубашки в канал для охлаждающей жидкости, сообщающийся с радиатором.
На Фиг.19 приведен способ 1900 работы системы охлаждения головки блока цилиндров в головке блока цилиндров двигателя. Способ 1900 можно осуществлять системами и компонентами, описанными выше. Однако в других вариантах осуществления способ 1900 можно осуществлять другими подходящими системами и компонентами.
Вначале на стадии 1902 способ включает определение, является ли температура двигателя ниже пороговой температуры. Пороговая температура может рассчитываться на основании физических свойств вида топлива, используемого в двигателе, типа системы снижения токсичности отработавших газов, подключенной к двигателю и т.д. Если определяют, что температура двигателя не ниже пороговой температуры (НЕТ на стадии 1902), в способе 1900 переходят к стадии 1904, на которой осуществляют способ 1800. После стадии 1904 способ заканчивают. Однако, если определяют, что температура двигателя ниже пороговой температуры (ДА на стадии 1902), в способе 1900 переходят к стадии 1906, на которой способ включает протекание охлаждающей жидкости в проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце из находящегося дальше теплообменника. При этом могут избирательно обеспечивать протекание охлаждающей жидкости в проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце из находящегося дальше теплообменника на основании температуры двигателя. Находящийся дальше теплообменник может использоваться для регенерации тепла отработавших газов из системы выпуска отработавших газов, сообщающейся с выпускным коллектором. При этом тепло отработавших газов может передаваться из отработавших газов в выпускной фланец при холодном запуске двигателя, чтобы сократить время на нагрев компонентов системы выпуска отработавших газов. Кроме того, способ может включать после стадии 1906 в некоторых примерах стадию, на которой практически блокируют поток охлаждающей жидкости из блока цилиндров в головку блока цилиндров. После стадии 1906 способ заканчивают. При этом тепло может передаваться в проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце при холодной запуске, повышая температуру системы выпуска отработавших газов и тем самым улучшая работу системы снижения токсичности отработавших газов после фланца выпускного коллектора.
Системы и способы, описанные в настоящем документе, позволяют иметь фланец, включенный в выпускной коллектор, снижая вероятность термической деструкции выпускного коллектора (например, фланца), тем самым повышая долговечность выпускного коллектора. Кроме того, понятно, что проход для охлаждающей жидкости в выпускном фланце может быть выполнен посредством изменения многих существующих деталей в головке блока цилиндров с уменьшением размеров и снижением стоимости головки блока цилиндров.
Понятно, что конструктивные исполнения и/или подходы, описанные в настоящем документе, по своему характеру являются примерными, и что эти конкретные варианты осуществления или примеры не должны рассматриваться в ограничительном для объема настоящего изобретения смысле, поскольку возможны многочисленные изменения. Предмет настоящего изобретения включает все новые и неочевидные комбинации и субкомбинации различных признаков, функций, действий и/или свойств, раскрытых в настоящем описании, а также любые и все их эквиваленты.