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

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с турбонаддувом.
Уровень техники
Двигатели внутреннего сгорания все чаще оборудуют турбонаддувом, который представляет собой, в первую очередь, способ увеличения мощности, при котором сжимают наддувочный воздух, необходимый для процесса сгорания в двигателе, в результате чего за рабочий цикл в каждый цилиндр может быть подано большее количество наддувочного воздуха. Таким образом, масса топлива, а следовательно, и среднее рабочее давление могут быть увеличены.
В рамках данного изобретения словосочетание «двигатель внутреннего сгорания» включает в себя дизельные двигатели, двигатели с искровым зажиганием, а также гибридные двигатели внутреннего сгорания.
Обычно для турбонаддува используют турбокомпрессор на выхлопных газах, в котором компрессор и турбина расположены на одном валу, где поток горячих выхлопных газов подается в турбину, расширяется в этой турбине с выделением энергии, таким образом вращая вал. Энергия, передаваемая валу потоком выхлопных газов, используется для приведения в действие компрессора, расположенного на этом же валу. Компрессор получает и сжимает подаваемый на него наддувочный воздух, в результате чего достигается турбонаддув цилиндров. В двигателе внутреннего сгорания, соответствующем настоящему изобретению, во впускном трубопроводе после компрессора предпочтительно предусмотрен охладитель наддувочного воздуха, за счет чего сжатый наддувочный воздух охлаждается до того, как он поступает в один из цилиндров. Охладитель снижает температуру и тем самым увеличивает плотность наддувочного воздуха, а значит, также способствует улучшению наддува цилиндров за счет увеличения массы воздуха. Фактически, сжатие достигается за счет охлаждения.
Преимущество турбокомпрессора на выхлопных газах, например, по отношению к механическому нагнетателю, заключается в отсутствии механического соединения для передачи требуемой мощности между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания. В то время как механический нагнетатель берет необходимую для его движения энергию непосредственно от двигателя внутреннего сгорания и, следовательно, снижает доступную мощность и негативно влияет на эффективность, турбокомпрессор на выхлопных газах использует энергию выхлопных газов в горячем потоке.
Турбонаддув подходит для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания с сохранением неизменного рабочего объема цилиндров или для снижения рабочего объема цилиндров с сохранением одного и того же уровня мощности. В любом случае, турбонаддув приводит к росту объемной мощности на выходе и увеличению соотношения мощность/вес. Для одинаковых ограничивающих условий транспортного средства становится возможным поднять общую нагрузку до более высоких значений при меньшем удельном расходе топлива. Вышесказанное также относится к уменьшению габаритов.
Таким образом, при конструировании и усовершенствовании двигателей внутреннего сгорания турбонаддув используют для снижения потребления топлива, т.е. повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания. С использованием желаемой конфигурации турбонаддува также возможно достичь преимуществ в отношении выбросов выхлопных газов. Посредством подходящего турбонаддува дизельного двигателя, например, становится возможным снизить выделения оксида азота без потерь эффективности. В то же время можно положительно влиять на углеводородные выбросы. Выбросы диоксида углерода, напрямую связанные с потреблением топлива, при снижении расхода топлива также уменьшаются.
Однако для соблюдения последующих предельных значений загрязняющих выбросов необходимы дальнейшие усовершенствования. В данном случае, цель разработок заключается, среди прочего, в снижении выделений оксида азота, которые имеют высокое значение, в особенности для дизельных двигателей. Поскольку образование оксидов азота требует не только избытка воздуха, но также и высоких температур, одна из концепций для снижения выбросов оксида азота заключается в разработке процессов сгорания с более низкими температурами сгорания.
EGR
EGR
EGR
EGR
свежего воздуха
EGR
свежего воздуха
В данном случае, рециркуляция выхлопных газов (EGR - Exhaust Gas Recirculation), то есть рециркуляция газообразных продуктов сгорания (отработавших газов) от стороны выпуска к стороне впуска, способствует достижению данной цели, поскольку при этом возможно значительное снижение выбросов оксида азота с увеличением скорости рециркуляции выхлопных газов. В данном случае, скорость рециркуляции выхлопных газов x определяется, как x=m/(m+m), где m обозначает массу рециркулированных выхлопных газов, а m - массу подаваемого свежего воздуха.
EGR
Для достижения значительного снижения выбросов оксидов азота необходимы высокие скорости рециркуляции выхлопных газов, которые могут достичь порядка x≈60%-70%.
При работе двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом выхлопных газов и одновременном использовании установки рециркуляции выхлопных газов может возникнуть конфликт, если посредством EGR высокого давления рециркулированные выхлопные газы изымают из выпускного трубопровода выше по потоку турбины, и эти газы больше недоступны для приведения турбины в движение.
В случае увеличения скорости рециркуляции выхлопных газов одновременно снижается поток выхлопных газов, поступающих в турбину. Уменьшенный массовый поток выхлопных газов, проходящих через турбину, приводит к снижению перепада давления в турбине, в результате чего уровень давления наддува также падает, что аналогично снижению массового потока компрессора. Помимо пониженного давления наддува, могут возникнуть дополнительные проблемы с работой компрессора, касающиеся границы помпажа в компрессоре. Могут также появиться недостатки с точки зрения загрязняющих выбросов, например, относящиеся к образованию сажи во время ускорения при использовании дизельных двигателей.
По этой причине необходимы такие разработки, которые, особенно при частичных нагрузках, обеспечивают достаточно высокие показатели давления наддува при одновременно больших скоростях рециркуляции выхлопных газов. Одно из возможных решений - так называемая EGR низкого давления.
В отличие от упомянутой выше EGR высокого давления, забирающей выхлопные газы из выпускного трубопровода, расположенного выше по потоку турбины, и подающей упомянутые выхлопные газы во впускной трубопровод ниже по потоку компрессора, в установке EGR низкого давления выхлопные газы, уже прошедшие через турбину, рециркулируются на впускную сторону. С этой целью установка EGR низкого давления содержит рециркуляционный трубопровод, который ответвляется от выпускного трубопровода после турбины и выходит во впускной трубопровод до компрессора.
Объектом настоящего изобретения также является двигатель внутреннего сгорания, работающий с турбонаддувом, обеспечиваемым турбокомпрессором на выхлопных газах, и оборудованный установкой EGR низкого давления.
Выхлопные газы, рециркулированные на сторону впуска посредством установки EGR низкого давления, смешиваются со свежим воздухом выше по потоку компрессора. Получаемая таким образом смесь свежего воздуха и рециркулированных выхлопных газов образует наддувочный воздух, подаваемый в компрессор и сжимаемый в нем, причем сжатый наддувочный воздух охлаждается в охладителе наддувочного воздуха ниже по потоку компрессора.
В данном случае не является недостатком, что выхлопные газы проходят через компрессор в ходе EGR низкого давления, так как в основном используют выхлопные газы, уже подвергшиеся нейтрализации, в частности, на сажевом фильтре, ниже по потоку турбины. По этой причине исключается риск отложений в компрессоре, изменяющих его геометрию, в частности поперечные сечения потока, а следовательно, снижающих эффективность компрессора.
Напротив, проблемы могут возникать ниже по потоку компрессора, в результате охлаждения сжатого наддувочного воздуха. В известных из уровня техники решениях охладитель наддувочного воздуха часто располагается сбоку и рядом с двигателем внутреннего сгорания, например на уровне картера, т.е. на уровне блока цилиндров или поддона для масла. В данном случае охладитель наддувочного воздуха не должен быть отдельным блоком, т.е. охладителем, предусмотренным исключительно для охлаждения наддувочного воздуха. Фактически, из уровня техники также известны конструкции, в которых охладитель, предусмотренный в передней части транспортного средства для охлаждения двигателя, одновременно выполняет функции охладителя наддувочного воздуха.
Во время охлаждения жидкости, ранее содержавшиеся в надувочном воздухе в газообразном состоянии, в частности, вода, могут конденсироваться, если температура точки росы компонента газового потока наддувочного воздуха является значительно более низкой. Благодаря конструкции охладителя наддувочного воздуха и тому факту, что оседающий конденсат не рассеивается, а подается в цилиндры постоянно, в чрезвычайно малых количествах потоком наддувочного воздуха в результате его движения, конденсат может собираться в охладителе наддувочного воздуха, а затем непредсказуемо, в больших количествах и случайным образом поступать из охладителя наддувочного воздуха в систему впуска, например, в случае горизонтального ускорения при движении по кривой, при подъеме в гору или при ударе. Последнее также называется гидравлическим ударом, который может привести не только к серьезным нарушениям работы двигателя внутреннего сгорания, но и к необратимому повреждению компонентов, расположенных после охладителя.
Описанная выше проблема обостряется с увеличением скорости рециркуляции, потому что с увеличением количества рециркулированных выхлопных газов, содержание отдельных компонентов выхлопных газов в наддувочном воздухе, в частности воды, содержащейся в выхлопных газах, неизбежно растет. В конструкциях, известных из уровня техники, ограничивают количество выхлопных газов, рециркулированных через установку EGR низкого давления, для того, чтобы снизить количество конденсирующейся жидкости или для предотвращения конденсации. Необходимое ограничение EGR низкого давления, с одной стороны, и высокие скорости рециркуляции выхлопных газов, необходимые для существенного снижения выбросов оксида азота, с другой стороны, требуют различного количества рециркулированных выхлопных газов. Законодательные требования по снижению выбросов оксида азота выделяют высокую степень важности данной проблемы на практике.
Указанное противоречие в двигателе внутреннего сгорания с турбонаддувом на выхлопных газах, оборудованном установкой EGR низкого давления и установкой охлаждения воздуха турбонаддува не может быть однозначно разрешено исходя из известного уровня техники.
В известных решениях необходимые высокие скорости рециркуляции могут быть достигнуты только за счет EGR высокого давления, со всеми сопутствующими неблагоприятными эффектами. Преимущества EGR низкого давления могут соответственно использоваться только в определенных пределах.
Во всех вариантах представленного изобретения сжатый наддувочный воздух из компрессора подают со стороны выпуска через охладитель наддувочного воздуха и впускной коллектор к стороне впуска к цилиндрам. Описанная выше конструкция и установка охладителя наддувочного воздуха влечет за собой относительно большое расстояние между компрессором и впускным отверстием на цилиндре. В данном случае фактически необходимо сохранять данное расстояние как можно меньшим для того, чтобы обеспечить быстрый отклик турбонаддува и сохранить максимально низкий уровень потерь давления в потоке наддувочного воздуха, в частности, в результате отклонений.
Большое расстояние во впускной системе также имеет недостатки, связанные с уровнем шума двигателя внутреннего сгорания, и приводит к появлению низкочастотных шумов, на которые можно повлиять только с большим трудом с помощью дополнительных мер в рамках конструкции подавления шума. В данном случае, необходимо учесть то, что шум двигателя внутреннего сгорания или транспортного средства оказывает значительное влияние на решение потенциального покупателя о приобретении транспортного средства.
На фоне вышеизложенного объектом настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, устраняющего недостатки, известные в уровне техники, и с помощью которого могут быть достигнуты особенно высокие скорости рециркуляции выхлопных газов с использованием EGR низкого давления.
Дополнительным подобъектом данного изобретения является способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания упомянутого типа.
Раскрытие изобретения
Первый подобъект достигается с помощью двигателя внутреннего сгорания с наддувом, имеющего
- по меньшей мере один цилиндр,
- по меньшей мере один впускной трубопровод, связанный с впускной системой, для подачи наддувочного воздуха в по меньшей мере один цилиндр через впускной коллектор, предусмотренный со стороны впуска, в которой каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно впускное отверстие,
- по меньшей мере один выхлопной трубопровод со стороны выпуска для отвода выхлопных газов, а также
- по меньшей мере один турбокомпрессор на выхлопных газах, содержащий турбину, расположенную по меньшей мере на одном выхлопном трубопроводе, а также компрессор, расположенный по меньшей мере на одном впускном трубопроводе; причем предусмотрена установка рециркуляции выхлопных газов, содержащая рециркуляционный трубопровод, ответвляющийся от выхлопного трубопровода ниже по потоку турбины и выходящий во впускной трубопровод выше по потоку компрессора,
и характеризующегося тем, что
- во впускном трубопроводе выше по потоку компрессора предусмотрен охладитель наддувочного воздуха, который расположен над по меньшей мере одним впускным отверстием по меньшей мере одного цилиндра, когда двигатель внутреннего сгорания находится в установленном положении.
В двигателе внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, охладитель наддувочного воздуха расположен над впуском цилиндра, т.е. над по меньшей мере одним впускным отверстием, таким, что охладитель расположен на большей высоте (геодезически, относительно уровня земли), чем по меньшей мере одно впускное отверстие. При таком расположении поток наддувочного воздуха не должен преодолевать разность высот на пути к цилиндрам. Следовательно, жидкость, конденсирующаяся во время охлаждения, не может оседать в охладителе или во впускной системе между охладителем и цилиндром. Любая жидкость, конденсирующаяся в охладителе, постоянно уносится потоком наддувочного воздуха, другими словами, увлекается кинетическим движением. В данном случае, перенос конденсата основан на движении наддувочного воздуха или на давлении наддува, создаваемом компрессором во впускной системе, и дополнительно приводится в движение действием силы тяжести, благодаря расположению охладителя наддувочного воздуха в соответствии с изобретением.
В данном случае, малое количество жидкости, подаваемое в цилиндры, не мешает безотказной работе двигателя внутреннего сгорания. Конденсат участвует в процессе сгорания и, в результате энтальпии парообразования, даже снижает температуру сгорания, в результате чего оказывается положительное влияние на формирование оксидов азота, другими словами, его снижение.
Впрочем, значительная разница по сравнению с известными из уровня техники концепциями состоит в том, что двигатель внутреннего сгорания в соответствии с изобретением не требует наложения ограничений на количество выхлопных газов, рециркулирующих по установке EGR низкого давления, поскольку обычно либо не возникает необходимости предотвращать конденсацию, либо нет необходимости жесткого ограничения количества конденсирующейся воды. Это позволяет значительно увеличить количество рециркулирующих выхлопных газов с помощью установки EGR низкого давления. В связи с этим, установка EGR низкого давления двигателя внутреннего сгорания, в соответствии с изобретением, может способствовать достижению высоких скоростей рециркуляции выхлопных газов, необходимых для снижения выбросов оксида азота в значительно большей степени, чем это возможно на основании известных из уровня техники решений.
Более того, является принципиально возможным расширительное использование только EGR низкого давления для тех областей трехмерной характеристики двигателя, в которых происходит рециркуляция выхлопных газов. Это является эффективным, поскольку становится возможным избежать использования EGR высокого давления в широких диапазонах работы двигателя внутреннего сгорания, в результате чего недостатки, связанные с упомянутой EGR высокого давления, также устраняются.
Известное в уровне техники противоречие, возникающее из-за различных требований к скорости рециркуляции, а именно, необходимости низкой скорости для EGR низкого давления и высокой скорости для снижения количества оксидов азота, может быть разрешено с помощью двигателя внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, и, следовательно, устранено.
Двигатель внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, таким образом, решает первую проблему, на которой основано изобретение, а именно, относящуюся к созданию двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, с помощью которого можно достичь высоких скоростей рециркуляции выхлопных газов посредством EGR низкого давления.
Эффективным является наличие в рециркуляционном трубопроводе запорного элемента, выполняющего функции клапана EGR низкого давления и используемого для регулировки скорости рециркуляции, другими словами - количества выхлопных газов, рециркулируемых через установку EGR низкого давления.
В данном случае, эффективны варианты, в которых клапан EGR низкого давления расположен в точке, в которой рециркуляционный трубопровод выходит во впускной трубопровод. В этом случае клапан предпочтительно выполнен в виде комбинированного клапана, с помощью которого количество рециркулированных выхлопных газов и всасываемого свежего воздуха определяется одновременно и скоординированным образом.
В соответствии с изобретением, двигатель внутреннего сгорания оборудован по меньшей мере одним турбокомпрессором на выхлопных газах для целей осуществления турбонаддува. В частности, эффективны варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых имеется по меньшей мере два турбокомпрессора, как объясняется ниже.
При использовании одного турбокомпрессора на выхлопных газах проявляется значительное снижение вращающего момента при недостижении определенной угловой скорости. Данное явление является нежелательным, потому что водитель ожидает соответствующего высокого вращающего момента, даже при низком уровне скорости вращения. По этой причине так называемая «турбояма» на низких скоростях вращения является одним из серьезнейших недостатков турбонаддува на выхлопных газах.
Указанное снижение вращающего момента понятно, если учесть то, что уровень давления наддува зависит от перепада давления в турбине. Например, для дизельного двигателя при понижении скорости вращения двигателя уменьшается массовый поток выхлопных газов, а следовательно, уменьшается перепад давления в турбине. В результате соотношение наддув-давление снижается аналогичным образом в сторону более низких скоростей вращения, эквивалентных падению вращательного момента.
В данном случае, падение давления наддува может, в принципе, быть нейтрализовано снижением размера поперечного сечения турбины, но это делает необходимым выпуск выхлопных газов при более высоких скоростях вращения, с недостатками в характеристиках наддува в указанном диапазоне скорости вращения.
Следовательно, также часто возникают попытки улучшить рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом использованием нескольких турбокомпрессоров на выхлопных газах, например, с помощью нескольких турбокомпрессоров на выхлопных газах, соединенных последовательно.
В результате последовательного соединения двух турбокомпрессоров на выхлопных газах, где один из турбокомпрессоров работает как ступень высокого давления, а другой - как ступень низкого давления, трехмерная характеристика компрессора может быть расширена, а именно как в сторону меньших, так и больших потоков в компрессоре.
В частности, для турбокомпрессора, работающего в качестве ступени высокого давления, возможен переход границы помпажа в сторону меньших потоков, в результате чего могут быть достигнуты высокие значения соотношения наддув-давление даже при небольших потоках компрессора, что значительно улучшает рабочие характеристики в нижнем диапазоне нагрузок. Это достигается за счет разработки турбины высокого давления для небольших массовых потоков выхлопных газов, и обеспечение обводной линии, через которую проходит увеличивающееся количество выхлопных газов после турбины высокого давления с увеличением массового потока выхлопных газов. Для этого обводная линия ответвляется от выхлопного трубопровода выше по потоку турбины высокого давления и снова входит в выхлопной трубопровод ниже по потоку турбины, причем в обводной линии предусмотрен запорный элемент для того, чтобы регулировать поток выхлопных газов, проходящих после турбины высокого давления.
Характеристика вращающего момента двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом может быть дополнительно улучшена с помощью нескольких параллельно соединенных турбокомпрессоров, которые имеют соответственно небольшие поперечные сечения турбин и запускаются последовательно.
Если цилиндры двигателя внутреннего сгорания разделены на две группы цилиндров, имеющих отдельные выхлопные трубопроводы, к каждому из двух выхлопных трубопроводов может быть прикреплен турбокомпрессор на выхлопных газах. В данном случае, турбина первого турбокомпрессора расположена в выхлопном трубопроводе первой группы цилиндров, тогда как турбина второго турбокомпрессора расположена в выхлопном трубопроводе второй группы цилиндров. Компрессоры турбокомпрессоров могут быть расположены параллельно или последовательно. Турбокомпрессоры могут иметь меньшие размеры и предназначаться для меньших потоков выхлопных газов. Лучший отклик наблюдается по сравнению с аналогичным двигателем внутреннего сгорания с одним турбокомпрессором за счет того, что два турбокомпрессора меньшего размера являются менее инертными, чем один большой турбокомпрессор, а ротор может быть ускорен или замедлен гораздо быстрее.
Эффективны варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых второй охладитель расположен в рециркуляционном трубопроводе установки EGR низкого давления. Указанный второй охладитель снижает температуру горячего потока выхлопных газов и, следовательно, увеличивает плотность выхлопных газов, до того как выхлопные газы смешиваются со свежим воздухом выше по потоку компрессора. За счет этого температура свежего заряда в цилиндре еще более снижается, в результате чего указанный охладитель также способствует улучшению наддува.
Предпочтительно, чтобы в конструкции была предусмотрена обводная линия, обходящая второй охладитель, и по которой выхлопные газы, рециркулирующие через установку EGR низкого давления, могут быть поданы во впускной трубопровод, обходящий второй охладитель.
Следующие преимущественные варианты двигателя внутреннего сгорания будут рассматриваться в соответствии с подпунктами формулы изобретения.
Имеют преимущества варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых вход охладителя наддувочного воздуха расположен на большей высоте, чем выход охладителя наддувочного воздуха. Такой вариант охладителя наддувочного воздуха гарантирует, что преимущества конструкции охладителя по изобретению полностью используются для переноса, и конденсат не скапливается в охладителе, просто потому, что выпускное отверстие находится на большей высоте, чем впускное (относительно уровня земли).
В данном случае, эффективны варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых охладитель наддувочного воздуха наклонен под углом α от впускного отверстия до выпускного отверстия охладителя наддувочного воздуха. В данном варианте охладитель наддувочного воздуха установлен под углом так, чтобы образовывать наклон между впускным и выпускным отверстиями, а также для переноса конденсата за счет силы тяжести уже в охладителе для того, чтобы противодействовать любому его накоплению. Что касается угла α, этот угол относится к воображаемой прямой, проходящей через впускное и выпускное отверстия.
При использовании турбокомпрессора, необходимо установить турбину как можно ближе к выпускному отверстию цилиндра, чтобы, таким образом, стало возможным оптимальное использование энтальпии горячих выхлопных газов, которая во многом определяется давлением и температурой выхлопных газов, а также обеспечение быстрого отклика турбины или турбокомпрессора. Более того, путь горячих выхлопных газов к различным системам последующей обработки выхлопных газов должен быть настолько коротким, насколько это возможно, чтобы время охлаждения выхлопных газов было как можно меньше, а системы последующей обработки могли достичь рабочей температуры или температуры запуска максимально быстро, в частности, после холодного старта двигателя внутреннего сгорания.
По указанным причинам турбокомпрессор и, следовательно, также компрессор располагают максимально близко к выпуску двигателя внутреннего сгорания со стороны выпуска. Особенно эффективным является выполнение выпускного коллектора встроенным в головку блока цилиндров, с объединенными выпускными трубопроводами цилиндров, для образования по меньшей мере одного полного выпускного трубопровода в пределах головки блока цилиндров.
Описанная выше установка нагнетателя влияет на то, что нагнетаемый (наддувочный) воздух, сжатый в компрессоре, должен, в основном, проходить от выпускной до впускной стороны, к цилиндрам.
В связи с этим эффективны варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых охладитель наддувочного воздуха расположен над по меньшей мере одним цилиндром между стороной выпуска и стороной впуска двигателя внутреннего сгорания и, таким образом, является наклоненным под углом α от впускной стороны к выпускной стороне. Если двигатели внутреннего сгорания имеют по меньшей мере одну головку цилиндров, снабженную клапанным приводом, охладитель наддувочного воздуха устанавливают над клапанным приводом между выпускной и впускной сторонами.
Упомянутые варианты приводят к очень компактной конструкции двигателя внутреннего сгорания и позволяют компактно размещать весь узел привода. Расстояние между компрессором и впускным отверстием на цилиндре максимально сокращено, что обеспечивает многочисленные преимущества.
Небольшое расстояние во впускной системе ниже по потоку компрессора обеспечивает быстрый отклик турбокомпрессора и снижает потери давления в потоке нагнетаемого воздуха вплоть до впуска камеры сгорания. Излишне длинные трубопроводы не используются, что уменьшает вес и объем впускной системы. Небольшое расстояние также оказывает положительное влияние на шумовые характеристики.
Большие части впускной системы образуются, другими словами объединяются, самим охладителем наддувочного воздуха, обеспечивая множество преимущественных вариантов охладителя и впускного коллектора, расположенного ниже по потоку.
Что касается угла α, было доказано, что более эффективны варианты, когда угол α удовлетворяет следующему критерию: α≥5°, предпочтительно 45°≥α≥5°.
Также эффективны варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых угол α удовлетворяет следующему критерию: α≥10°, предпочтительно 90°≥α≥10°.
Указанные углы или диапазон углов обеспечивают, в первую очередь, достаточно большой угол наклона охладителя или в охладителе и, во-вторых, компактность конструкции, в которой охладитель не выступает слишком сильно.
Эффективны варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых охладитель наддувочного воздуха расположен в высшей точке впускной системы.
В данном случае, представлены варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых высота в системе впуска непрерывно уменьшается в направлении потока от охладителя наддувочного воздуха к по меньшей мере одному впускному отверстию по меньшей мере одного цилиндра.
В частности, представлены варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых высота в системе впуска постоянно уменьшается по направлению потока от впускного отверстия в охладителе воздуха турбонаддува к по меньшей мере одному впускному отверстию по меньшей мере одного цилиндра.
Данная конструкция обеспечивает для потока наддувочного воздуха отсутствие необходимости преодолевать градиент по всему пути от впускного отверстия в охладителе наддувочного воздуха к по меньшей мере одному цилиндру, другими словами, имеется непрерывный уклон вниз в направлении потока.
Представлены также варианты двигателя внутреннего сгорания с водяным охлаждением.
В общем случае, установка охлаждения может быть выполнена в форме установки воздушного или жидкостного охлаждения, основываясь на принципах теплообменника. При воздушном охлаждении нагнетаемый воздух, проводимый через охладитель наддувочного воздуха, охлаждается потоком воздуха, получаемого из-за относительной скорости потока и/или получаемого с помощью вентилятора. Наоборот, жидкостное охлаждение требует создания охлаждающего контура, при необходимости, используя уже существующий контур, например контур охлаждения двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением. В данном случае, охладитель подается с помощью насоса, расположенного в охлаждающем контуре таким образом, чтобы упомянутый охладитель циркулировал и протекал через охладитель наддувочного воздуха. Тепло, отдаваемое наддувочным воздухом охлаждающей жидкости в охладителе, уносится и снова выделяется из охлаждающей жидкости в другом теплообменнике.
В результате значительно большей теплоемкости жидкости по отношению к воздуху, является возможным рассеивать значительно большие объемы тепла с помощью жидкостного охлаждения, чем при охлаждении воздухом. По этой причине при использовании двигателей внутреннего сгорания с турбонаддувом, в частности, имеющих установку рециркуляции выхлопных газов, эффективно использование охладителя наддувочного воздуха с жидкостным охлаждением, из-за относительно высокого количества рассеиваемого тепла.
Представлены варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых предусмотрена дополнительная установка рециркуляции выхлопных газов, содержащая трубопровод, ответвляющийся от выхлопного трубопровода выше по потоку турбины, и выходящий во впускной трубопровод ниже по потоку компрессора. Наличие установки рециркуляции выхлопных газов высокого давления может оказаться необходимым или целесообразным для того, чтобы получить высокие скорости рециркуляции, необходимые для снижения выделения оксида азота даже если, благодаря использованию установки охладителя наддувочного воздуха, соответствующей изобретению, формирование конденсата в системе впуска больше не приводит к ограничению на EGR низкого давления. В особенности, необходимо учитывать то, что рециркуляция выхлопных газов из выхлопного трубопровода во впускной трубопровод требует разности давлений, другими словами, градиента давлений, между сторонами выпуска и впуска. Для достижения требуемых высоких скоростей рециркуляции также необходим высокий градиент давления.
Представлены варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых указанный трубопровод выходит во впускной трубопровод ниже по потоку охладителя наддувочного воздуха. Выхлопные газы, рециркулирующие в установке EGR низкого давления, в основном, не подвергаются последующей обработке. Упомянутые выхлопные газы фактически представляют собой необработанные выбросы из двигателя внутреннего сгорания, и по этой причине желательно, чтобы выхлопные газы не проходили через охладитель наддувочного воздуха во избежание загрязнения охладителя.
Представлены варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых охладитель наддувочного воздуха, по крайней мере совместно образует впускной коллектор, ведущий к по меньшей мере одному впускному отверстию. Установка охладителя наддувочного воздуха, соответствующая изобретению, позволяет, как уже было сказано, получить очень компактную конструкцию и обеспечить короткие пути в системе впуска. Упомянутая идея может быть дополнена преимуществами системы впуска, полученной с помощью объединения компонентов.
Варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых охладитель наддувочного воздуха и впускной коллектор образуют единый компонент, имеют ряд преимуществ. Например, соединение компонентов во время сборки, а следовательно, необходимость стыковки элементов и проблема возможных утечек в точках соединения исключаются. Это также связано со снижением веса. Стоимость монтажных работ и затраты на материально-техническое обеспечение также снижаются.
Тем не менее также могут быть эффективны варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых охладитель наддувочного воздуха и впускной коллектор образуют узел, состоящий по меньшей мере из двух компонентов.
Модульная конструкция, в которой друг с другом соединены, по крайней мере, два компонента, имеет основное преимущество, заключающееся в том, что отдельные компоненты, в частности охладитель наддувочного воздуха, используются в различных вариантах в соответствии с принципом конструктора. Приспособляемость компонента обычно увеличивает объемы производства, в результате чего можно снизить производственные издержки.
Представлены варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых предусмотрен дополнительный охладитель в трубопроводе установки EGR низкого давления. Упомянутый дополнительный охладитель снижает температуру в горячем потоке выхлопных газов и, таким образом, повышает плотность выхлопных газов. Температура свежей смеси в цилиндре, таким образом, понижается, в результате чего дополнительный охладитель также содействует улучшению наддува свежей смеси в камеру сгорания.
Представлены варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых турбина по меньшей мере одного турбокомпрессора выхлопных газов имеет изменяемую геометрию, что позволяет более точно приспособиться к соответствующей рабочей точке двигателя внутреннего сгорания за счет регулировки геометрии турбины или эффективного поперечного сечения турбины. В данном случае, регулируемые направляющие лопатки для воздействия на направление потока устанавливают в области впуска турбины. В противоположность лопаткам вращающегося ротора, направляющие лопатки не вращаются вместе с валом турбины.
Если турбина имеет постоянную, неизменяемую геометрию, направляющие лопатки располагают в области впуска так, чтобы они были не только стационарными, но и полностью неподвижными, т.е. жестко зафиксированными. Напротив, в случае с изменяемой геометрией, направляющие лопатки также располагают стационарно, но не абсолютно неподвижно, чтобы они имели возможность вращаться вокруг собственной оси, чтобы можно было повлиять на поток, проходящий рядом с лопатками ротора.
Тем не менее в настоящем изобретении представлены варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых турбина по меньшей мере одного турбокомпрессора выхлопных газов имеет постоянную геометрию. По сравнению с изменяемой геометрией, значительно упрощается работа двигателя внутреннего сгорания или компрессора, благодаря контролю за двигателем. Более того, более простая конструкция турбины приводит к ценовому преимуществу турбокомпрессора выхлопных газов.
Второй подобъект, на котором основано изобретение, а именно способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом описанного выше типа, характеризуется тем, что количество выхлопных газов, рециркулированных с помощью системы рециркуляции выхлопных газов, определяют по снижению выбросов оксидов азота, без учета того, конденсируется ли жидкость, и в каких объемах, во время охлаждения в охладителе наддувочного воздуха.
Количество выхлопных газов, рециркулированных посредством рециркуляции выхлопных газов, относится, в данном случае, к выхлопным газам, рециркулированным в установке EGR низкого давления. То, что было установлено для двигателя внутреннего сгорания, соответствующего изобретению, также применимо и к способу по изобретению.
В целях охлаждения нагнетаемый воздух проходит через охладитель наддувочного воздуха, располагающийся над по меньшей мере одним впускным отверстием по меньшей мере одного цилиндра. Регулировка скорости рециркуляции, другими словами, количество выхлопных газов, рециркулированных в установке EGR низкого давления, осуществляют с основной целью снижения выбросов выхлопных газов. Любое выпадение конденсата не приводит к ограничению рециркуляции выхлопных газов, другими словами, количества рециркулированных выхлопных газов.
Тем не менее представлены варианты реализации способа, в которых количество выхлопных газов, рециркулированных в установке EGR низкого давления, не увеличивается, если общее количество конденсата, оседающего за единицу времени, превышает предварительно определенное значение. Указанный вариант допускает факт того, что невозможно подать произвольно большое количество жидкости, даже непрерывно, в процесс сгорания, происходящий в цилиндрах, без возникновения опасности для безотказной работы двигателя внутреннего сгорания.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более детально описано ниже, основываясь на двух примерах осуществления в соответствии с фиг.1 и 2.
Фиг.1 схематично изображает первый вариант двигателя внутреннего сгорания, и
Фиг.2 схематично изображает второй вариант двигателя внутреннего сгорания на виде сбоку и по частям.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 схематично показан первый вариант двигателя внутреннего сгорания 1, имеющего по меньшей мере один цилиндр 2.
Каждый цилиндр 2 имеет по меньшей мере одно впускное отверстие, в него подают наддувочный воздух через впускную систему 3, предусмотренную с впускной стороны 5а. Впускная система 3 содержит не только впускной трубопровод 4, но и впускной коллектор 6, ведущий к впускным отверстиям цилиндров 2. Для выпуска выхлопных газов каждый цилиндр 2 имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие, присоединенное к выхлопному трубопроводу 7.
Двигатель внутреннего сгорания 1, показанный на фиг.1, имеет турбонаддув, обеспечиваемый турбокомпрессором 8 на выхлопных газах, а также оборудован установкой 9 EGR низкого давления. Турбокомпрессор 8 имеет турбину 8b, расположенную в выхлопном трубопроводе 7, и компрессор 8а, расположенный во впускном трубопроводе 4. Для формирования установки 9 EGR низкого давления предусмотрен рециркуляционный трубопровод 9а, ответвляющийся от выхлопного трубопровода 7 ниже по потоку турбины 8b и выходящий во впускной трубопровод 4 выше по потоку компрессора 8а, и в котором предусмотрен охладитель 9b, понижающий температуру в горячем потоке выхлопных газов до их смешивания выше по потоку компрессора 8а со свежим воздухом, который всасывается через впускной трубопровод 4 через воздушный фильтр 3а. Более того, запорный элемент 9d, выполняющий функции клапана EGR низкого давления, расположен в рециркуляционном трубопроводе 9а, и предназначен для регулировки количества выхлопных газов, рециркулированных в установке 9 EGR низкого давления. Установка 9 EGR низкого давления имеет обводную линию 9с для перепуска охладителя 9b.
Ниже по потоку разветвления рециркуляционного трубопровода 9а в выхлопном трубопроводе 7 расположены две системы 14 последующей обработки, а именно окислительный каталитический нейтрализатор 14а и сажевый фильтр 14b, обеспечивающие поступление во впускную систему 3 через установку 9 EGR низкого давления только обработанных выхлопных газов.
Поскольку рециркуляция выхлопных газов из выхлопного трубопровода 7 во впускной трубопровод 4 требует перепада или градиента давлений, для регулировки противодавления выхлопных газов предусмотрена система 11. Дроссель 13, расположенный в выхлопном трубопроводе 7, имеет обводную линию 11а. Противодавление выхлопных газов выше по потоку дросселя 13 может быть изменено и контролироваться с помощью соответствующей регулировки дросселя 13 и запорного элемента 11b, предусмотренного в обводной линии 11а.
Выхлопные газы, поступающие через установку 9 EGR низкого давления во впускной трубопровод 4, смешиваются со свежим воздухом. Полученный таким образом наддувочный воздух подается в компрессор и сжимается. После компрессора 8а сжатый наддувочный воздух охлаждается в охладителе 10 наддувочного воздуха, предусмотренном во впускном трубопроводе 4.
Охладитель наддувочного воздуха 10 располагают над по меньшей мере одним впускным отверстием по меньшей мере одного цилиндра 2 и, в данном случае, размещают на наибольшей высоте во впускной системе 3 (относительно уровня земли). Высота относительно уровня земли в системе впуска 3 уменьшается в направлении потока от впускного отверстия 10а в охладителе 10 наддувочного воздуха к цилиндру 2 таким образом, чтобы образовать непрерывный нисходящий уклон в направлении движения потока. Также это достигается тем, что впускное отверстие 10а в охладителе 10 наддувочного воздуха расположено выше, чем выпускное отверстие 10b охладителя 10 наддувочного воздуха.
Для того чтобы было возможно достичь очень высоких скоростей рециркуляции выхлопных газов, предусмотрена дополнительная установка 12 рециркуляции выхлопных газов. Для формирования указанной установки 12 EGR высокого давления, предусмотрен трубопровод 12а, ответвляющийся от выхлопного трубопровода 7 выше по потоку турбины 8b и выходящий во впускную систему 3 после охладителя 10 наддувочного воздуха. Для регулировки количества выхлопных газов, рециркулируемых в установке 12 EGR высокого давления, в трубопроводе 12а предусмотрен запорный элемент 12b, выполняющий функции клапана EGR высокого давления.
На Фиг.2 схематично показан вид сбоку второго варианта двигателя внутреннего сгорания 1 по частям. Необходимо объяснить только отличия от варианта, приведенного на фиг.1, по этой причине будут делаться ссылки на фиг.1. Для одинаковых компонентов будут использоваться одни и те же ссылочные позиции.
В варианте, показанном на фиг.2, охладитель 10 наддувочного воздуха расположен таким образом, чтобы иметь наклон под углом α от впускного отверстия 10а к выпускному отверстию 10b охладителя 10 наддувочного воздуха таким образом, что впускное отверстие 10а в охладитель 10 наддувочного воздуха располагалось на большей высоте, чем выпускное отверстие 10b из охладителя 10 наддувочного воздуха.
В данном случае, охладитель 10 наддувочного воздуха расположен над по меньшей мере одним цилиндром 2 между выпускной стороной 5b и впускной стороной 5а двигателя внутреннего сгорания 1 таким образом, чтобы иметь наклон под углом α от впускной стороны 5а к выпускной стороне 5b.
Наддувочный воздух, подаваемый в компрессор 8а по впускному трубопроводу 4, проходит через охладитель 10 наддувочного воздуха и подается к или распределяется между цилиндрами 2 через впускной коллектор 6.
Ссылочные обозначения
1 Двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом
2 Цилиндр
3 Система впуска
3а Воздушный фильтр
4 Впускной трубопровод
5а Сторона впуска
5b Сторона выпуска
6 Впускной коллектор
7 Выхлопной трубопровод
8 Турбокомпрессор на выхлопных газах
8а Компрессор
8b Турбина
9 Установка EGR низкого давления, установка рециркуляции выхлопных газов
9а Рециркуляционный трубопровод
9b Второй охладитель
9с Обводная линия
9d Запорный элемент, клапан EGR низкого давления
10 Охладитель наддувочного воздуха
10а Впускное отверстие в охладитель наддувочного воздуха
10b Выпускное отверстие из охладителя наддувочного воздуха
11 Система регулировки противодавления выхлопных газов
11а Обводная линия
11b Запорный элемент
12 Дополнительная установка рециркуляции выхлопных газов, установка EGR высокого давления
12а Трубопровод
12b Запорный элемент, клапан EGR высокого давления
13 Дроссель
14 Система последующей обработки выхлопных газов
14а Окислительный каталитический нейтрализатор
14b Сажевый фильтр
α Наклон охладителя наддувочного воздуха
EGR Рециркуляция выхлопных газов
EGR
m Масса рециркулированных выхлопных газов
свежего воздуха
m Масса поступающего свежего воздуха или воздуха горения
EGR
x Скорость рециркуляции выхлопных газов.