УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОРМОЖЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ, СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИМЕЮЩЕЕ ЕГО ТРАСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
DEVICE FOR ENGINE BRAKING, OPERATION METHOD THEREOF AND VEHICLE HAVING SAME

Данное изобретение относится к устройству для торможения двигателем, предназначенному для двигателя внутреннего сгорания в автомобилях, в частности, в транспортных средствах для коммерческих перевозок, в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к способу по п. 15 формулы изобретения и к транспортному средству, в частности, транспортному средству для коммерческих перевозок по п. 19 формулы изобретения.
В частности, в случае двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия воздуха (дизельных двигателей) в транспортных средствах для коммерческих перевозок, известен практический подход, предусматривающий создание противодавления выхлопных газов в выхлопной системе посредством дроссельной заслонки в режиме холостого хода, причем упомянутое противодавление приводит к эффективному торможению двигателем, поскольку поршни двигателя внутреннего сгорания противодействуют этому давлению выхлопных газов во время такта выхлопа (выпускные клапаны открыты).
Широко известен практический подход для значительного увеличения эффекта такого устройства для торможения двигателем, предусматривающий дополнительное обеспечение декомпрессионного моторного тормоза, при этом, в дополнение регулярному срабатыванию клапанов в соответствии с четырехтактным принципом работы, выпускные клапаны также частично открыты во время такта сжатия. В данном случае, дополнительный эффект торможения возникает в результате дросселированного выпуска воздуха горения в выхлопную систему.
Возможно управление декомпрессионным моторным тормозом посредством выхлопа или жесткое управление. При работе с управлением посредством выхлопа, синхронизация клапанов, присущая выпускным клапанам, предусматривает такую конфигурацию, что выпускные клапаны нерегулярно открываются специально предназначенным образом благодаря противодавлению выхлопных газов, присутствующему, когда дроссельная заслонка закрыта («отскок клапанов»), и удерживаются открытыми посредством некоторого механизма до тех пор, пока не происходит следующее регулярное открывание клапанов.
В случае жестко управляемого декомпрессионного моторного тормоза, вмешательства в регулярную синхронизацию клапанов обычно осуществляют гидравлическими и механическими средствами, чтобы специально предназначенным образом удерживать выпускные клапаны частично открытыми, по меньшей мере, также во время такта сжатия.
Например, в документе AT 512332 A1 описано дросселирующее устройство, встроенное в турбину, работающую на выхлопных газах, для осуществляемого без обратной связи и/или с обратной связью управления режимом торможения двигателем, в котором дроссельная заслонка в корпусе турбины, работающей на выхлопных газах, вставлена в пространство для установки ротора, где заключен ротор турбины, т.е. находится непосредственно в области горловины приточного канала турбины, работающей на выхлопных газах. Замер этого типа требует внесения конструкторских изменений в конструкцию турбины и поэтому является относительно дорогостоящим.
Задача изобретения состоит в том, чтобы разработать устройство для торможения двигателем, предназначенное для двигателя внутреннего сгорания в автомобилях, в частности, в транспортных средствах для коммерческих перевозок, посредством которого мощность торможения двигателем, присущую двигателю внутреннего сгорания с турбонаддувом от выхлопной системы двигателя можно увеличить простым применительно к конструкции и функционально надежным способом, при этом температурная нагрузка двигателя внутреннего сгорания в режиме торможения двигателем должна поддерживаться как можно более низкой.
Эта задача решается посредством признаков, охарактеризованных в независимых пунктах формулы изобретения. Преимущественные варианты изобретения образуют объекты зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с п. 1 формулы изобретения, предложено устройство для торможения двигателем, предназначенное для двигателя внутреннего сгорания в автомобилях, в частности, в транспортных средствах для коммерческих перевозок, которое имеет впускную систему, выхлопную систему, газообменные клапаны (предпочтительно - управляемые по четырехтактному принципу), связанные с двигателем внутреннего сгорания, турбонаддув от выхлопной системы двигателя посредством по меньшей мере одного турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы двигателя, причем турбонагнетатель встроен в выхлопную систему и впускную систему, и блок торможения двигателем, причем блок торможения двигателем имеет декомпрессионный моторный тормоз, который влияет по меньшей мере на один выпускной клапан из газообменных клапанов, и дроссельную заслонку, которая расположена в выхлопной системе и вызывает увеличение давления выхлопных газов. Согласно изобретению, предложено расположить дроссельную заслонку выше по течению от и снаружи, предпочтительно - непосредственно выше по течению от и снаружи корпуса турбины, принадлежащего турбине, работающей на выхлопных газах, турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы двигателя (и поэтому - выше по течению от приточного канала корпуса турбины), и выполнить как направляющую поток заслонку, которая (безусловно) влияет на доступ газа в турбину, работающую на выхлопных газах. Таким образом, появляется возможность, по существу, без каких-либо дополнительных расходов на конструирование значительно увеличить давление наддува на стороне впуска в режиме торможения двигателем и тем самым увеличить массовый расход, требуемый в двигателе внутреннего сгорания для достижимой мощности торможения. Таким образом, дроссельная заслонка выполняет несколько функций одновременно: она гарантирует, предпочтительно - в условиях осуществляемого с обратной связью управления, достаточное противодавление выхлопных газов и дополнительно гарантирует выгодный приток в турбину с уменьшенным расходом выхлопных газов и пониженной энтальпией выхлопных газов аналогично работе управляющей заслонки на газовых турбинах, работающих на выхлопных газах, с изменяемой геометрией турбины.
Конкретнее, в отличие от дроссельной заслонки, расположенной ниже по течению от турбины, работающей на выхлопных газах, дроссельная заслонка, работающая выше по течению от турбины, работающей на выхлопных газах, в данном случае приводит к большему градиенту давления на турбине, работающей на выхлопных газах, в результате чего - благодаря большему массовому расходу и объемному расходу, который тогда возможен через турбину, работающую на выхлопных газах, - давление наддува и противодавление выхлопных газов можно значительно увеличить, вследствие чего также можно функционально надежным образом значительно увеличить мощность торможения двигателем без тепловой перегрузки двигателя внутреннего сгорания. Благодаря градиенту давления на дроссельной заслонке, расположенной выше по течению, меньшая нагрузка турбины, работающей на выхлопных газах, достигается в данном случае при том же самом противодавлении выхлопных газов, а это приводит к желаемому увеличению мощности торможения с увеличением противодавление выхлопных газов без повышенной нагрузки турбины, работающей на выхлопных газах.
Количество дроссельных заслонок предпочтительно зависит от количества потоков турбины, работающей на выхлопных газах, и поэтому в случае многопоточных конфигураций каждому потоку тогда выделяется специализированная дроссельная заслонка, и при этом, например, в случае двухпоточной конфигурации предусматриваются две дроссельные заслонки. В принципе, их можно сделать срабатывающими одновременно, например, располагая на общем валу и делая срабатывающими одновременно вследствие этого. Вместе с тем, в качестве альтернативы, можно также сделать их управляемыми и поэтому срабатывающими независимо друг от друга.
В случае многоступенчатого, в частности - двухступенчатого, наддува, дроссельную заслонку предпочтительно располагают выше по течению от первой турбины, работающей на выхлопных газах, если смотреть в направлении потока, первого или верхнего турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы двигателя.
В принципе, турбина, работающая на выхлопных газах, может быть любой подходящей турбиной, в частности - также турбиной, работающей на выхлопных газах, с изменяемой геометрией турбины (нагнетателем с ИГТ).
Посредством расположения упомянутой по меньшей мере одной дроссельной заслонки выше по течению от и - следовательно - снаружи корпуса турбины или приточного канала турбины, работающей на выхлопных газах, упомянутая заслонка не образует компонент турбины, работающей на выхлопных газах, а это приводит к позиционированию дроссельной заслонки с возможностью простой сборки при увеличенном количестве степеней свободы конструкции. В частности, тогда в данном случае появляется возможность избежать внесения конструкторских изменений в турбину, работающую на выхлопных газах, и при этом не нужно запасать большое количество разных турбин для семейств различных моделей. В соответствии с первым конкретным вариантом осуществления, который предпочтителен, в частности, для этой цели, тогда для турбины, работающей на выхлопных газах, в частности, для корпуса турбины, принадлежащего турбине, работающей на выхлопных газах, можно предусмотреть сообщение по текучей среде с выхлопным коллектором, в который впускают выхлопные газы по меньшей мере через один, а предпочтительно - через множество цилиндров двигателя внутреннего сгорания, причем между турбиной, работающей на выхлопных газах, и выхлопным коллектором, в частности, между корпусом турбины, принадлежащим турбине, работающей на выхлопных газах, и выхлопным коллектором и поэтому - непосредственно выше по течению от и снаружи корпуса турбины, принадлежащего турбине, работающей на выхлопных газах, - установлен отдельный модуль, имеющий дроссельную заслонку, причем упомянутый модуль жестко соединен и с корпусом турбины, и с выхлопным коллектором. Следовательно, в данном случае упомянутая, по меньшей мере, одна дроссельная заслонка образует часть отличающегося, отдельно устанавливаемого модуля или компонента со своим собственным корпусом, увеличивая универсальность конструкции и не требуя дополнительно внесения конструкторских изменений в турбину, работающую на выхлопных газах, и в выхлопной коллектор. В соответствии со вторым конкретным вариантом осуществления, предлагается компактная и выгодная при сооружении турбина, работающая на выхлопных газах, или компактный и выгодный при сооружении корпус турбины, принадлежащий турбине, работающей на выхлопных газах, турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы двигателя, подлежащая или подлежащий установке непосредственно на выхлопном коллекторе, в который выхлопные газы допускаются по меньшей мере через один, а предпочтительно - через множество цилиндров двигателя внутреннего сгорания, причем дроссельная заслонка расположена в области выхлопного коллектора и поэтому - непосредственно выше по течению от и снаружи корпуса турбины, принадлежащего турбине, работающей на выхлопных газах. Таким образом, это приводит к компоновке, которая - как и прежде - выгодна для эксплуатации турбины, работающей на выхлопных газах, и, помимо этого - к позиционированию дроссельной заслонки с возможностью простой сборки.
В качестве варианта, который выгоден, в частности, в функциональном контексте, упомянутая по меньшей мере одна дроссельная заслонка, которая предпочтительно имеет однолопастную или - что тоже возможно - многолопастную конструкцию, может быть расположена в области соединительного фланца корпуса отдельного модуля или выхлопного коллектора, в частности, в области стенки корпуса отдельного модуля или выхлопного коллектора, которая примыкает к соединительному фланцу и поэтому находится непосредственно выше по течению от и снаружи корпуса турбины, в частности, выше по течению от и снаружи приточного канала корпуса турбины. В частности, предпочтительным в данном случае является конкретный вариант осуществления, в котором дроссельная заслонка расположена - в области соединительного фланца или на соединительном фланце корпуса отдельного модуля или выхлопного коллектора, ведущего к турбине, работающей на выхлопных газах, - с возможностью поворота таким образом, что раскрывает проходное сечение потока выхлопных газов в открытом состоянии, предпочтительно - полностью, и сокращает проходное сечение потока выхлопных газов конкретно предназначенным образом в состоянии, в котором она в большей или меньшей степени закрыта. В этом случае, дроссельная заслонка предпочтительно расположена ближе к турбине, работающей на выхлопных газах, или к ее соединительному фланцу, в определенном открытом положении, в частности, в полностью открытом состоянии, при этом заслонка выступает за соединительный фланец в приточный канал турбины, работающей на выхлопных газах, по меньшей мере посредством свободной концевой области, чтобы таким образом эффективно выполнять свою функцию направления потока как можно ближе к турбине. В данном описании однолопастная конфигурация понимается как означающая, в частности, конструкцию, в которой одна лопасть выступает с более или менее максимальной эксцентричностью от оси поворота, которая предпочтительно расположена на конце, вследствие чего возникает возможность влиять на условия потока значительно эффективнее и с большей универсальностью по сравнению с центрическими многолопастными конфигурациями. Более того, ось поворота таких однолопастных дроссельных заслонок может быть встроена в секцию стенки выхлопного коллектора таким образом, который, в частности, прост применительно к конструкции. Однако центрические многолопастные конфигурации, в принципе, тоже возможны.
В преимущественном варианте изобретения, управлять дроссельной заслонкой в режиме торможения двигателем можно посредством устройства управления с обратной связью и/или без обратной связи, в частности, посредством электронного блока управления двигателем и в зависимости от противодавления выхлопных газов выше по течению от дроссельной заслонки и/или в зависимости от давления наддува во впускной системе двигателя внутреннего сгорания. Обнаружено, что таким образом можно достичь исключительно высокой мощности торможения двигателем, при этом уместно, в частности, управление, осуществляемое с обратной связью.
Противодавление выхлопных газов может быть обнаружено посредством датчика, в частности, посредством датчика давления, который функционально расположен выше по течению от дроссельной заслонки. В данном случае, функциональное расположение датчика выше по течению означает, что датчик не обязательно сам должен быть расположен именно в той точке, и что для уменьшения его тепловой нагрузки он может быть расположен на некотором расстоянии и отстоять от нее, и в таком случае датчик тогда соединен с областью, находящейся выше по течению от дроссельной заслонки, магистралью, которая открывается в выхлопную систему выше по течению от дроссельной заслонки. Эта магистраль предпочтительно выполнена как магистраль, спадающая к датчику, по отношению к направлению вертикальной оси, способствуя этим, например, предотвращению или по меньшей мере уменьшению образования конденсата, которое является недостатком в контексте результата измерения, показываемого датчиком.
Помимо этого, датчик, в частности - датчик давления, предпочтительно расположен ниже по течению от компрессора в области впускного коллектора, чтобы обнаруживать давление наддува.
Кроме того, срабатывание дроссельной заслонки может быть достигнуто посредством позиционера или серводвигателя, предпочтительно - позиционера или серводвигателя с пневматическим приводом, и соединенного с ним клапана, например, пропорционального клапана или циклически управляемого клапана. Таким образом, можно осуществлять точное управление мощностью торможения двигателем с помощью компонентов, которые конструктивно просты в управлении или присутствуют в транспортном средстве в любом случае. Вместе с тем, в качестве альтернативы, упомянутого срабатывания можно также добиться посредством электрического исполнительного механизма, управляемого устройством управления без обратной связи и/или с обратной связью.
В другом преимущественном вариантом осуществления изобретения, в устройство управления без обратной связи и/или с обратной связью, в частности - в электронный блок управления двигателем, можно подавать по меньшей мере один сигнал (B) торможения, который инициирует торможение двигателем, и/или сигнал (α) нагрузки и/или значение противодавления (PA) выхлопных газов и/или давления (PL) наддува во впускной системе, при этом, по меньшей мере, положением дроссельной заслонки можно управлять в соответствии с потребной мощностью торможения двигателем.
Помимо этого, можно также предусмотреть рециркуляцию выхлопных газов из выхлопной системы во впускную систему с помощью клапана рециркуляции выхлопных газов, предпочтительно - с электрическим или пневматическим управлением, в магистрали рециркуляции выхлопных газов.
И, наконец, эффект декомпрессионного торможения можно создать либо с помощью противодавления выхлопных газов, либо с помощью устройства, действие которого накладывается на управление клапанами двигателя внутреннего сгорания и которое предпочтительно является электрически, пневматически или гидравлически управляемым.
Дроссельная заслонка предпочтительно раскрывает полное поперечное сечение выходного отверстия, ведущего к турбине, работающей на выхлопных газах, в открытом положении, а в промежуточных положениях - вплоть до полного закрытия - отклоняет поток выхлопных газов к ротору турбины, принадлежащему турбине, работающей на выхлопных газах, таким образом, что поток выхлопных газов, который ускоряется за счет сужения поперечного сечения, движет ротор турбины. Посредством такого ускорения потока выхлопных газов, можно значительно увеличить мощность торможения двигателем в режиме торможения двигателем, когда ротор турбины, принадлежащий турбине, работающей на выхлопных газах, разгоняется потоком выхлопных газов, и давление наддува при этом тоже увеличивается.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, дроссельная заслонка расположена - если говорить о ее открытом положении, в котором дроссельная заслонка раскрывает полное поперечное сечение выходного отверстия, и/или о ее поверхности, - по меньшей мере частично заподлицо с поверхностью стенки канала, принадлежащей проточному каналу выхлопных газов, который образует выходное отверстие. Дроссельная заслонка предпочтительно заключена и/или находится в полости стенки канала и, если говорить о ее поверхности, выровнена заподлицо с поверхностью тех частей стенки канала, принадлежащей проточному каналу выхлопных газов, которые примыкают непосредственно к полости или упираются непосредственно в эту полость. Таким образом, достигается непрерывная, имеющая свободный край и даже по существу соответственно гладкая часть стенки, которая вносит вклад в снижение сопротивления потоку и вносит вклад в эффект дросселирования, создаваемый дроссельной заслонкой.
Даже если бы изобретение было пояснено выше в связи с дроссельной заслонкой, этот термин «дроссельная заслонка» явно следует понимать в широком, исчерпывающем смысле, а не сводить лишь к компоновкам поворачиваемой заслонки. Таким образом, если нет других пояснений, то термин «дроссельная заслонка» следует понимать, как включающий в себя также любые другие подходящие и/или неповоротные дросселирующие устройства, например, задвижки или поворотные задвижки.
Чтобы достичь вышеупомянутого эффекта, предложен способ эксплуатации устройства для торможения двигателем, предназначенного для двигателя внутреннего сгорания в автомобилях, причем устройство для торможения двигателем имеет впускную систему, выхлопную систему, газообменные клапаны, связанные с двигателем внутреннего сгорания, турбонадув от выхлопной системы двигателя посредством по меньшей мере одного турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы двигателя, причем турбонагнетатель встроен в выхлопную систему и впускную систему, и блок торможения двигателем, причем блок торможения двигателем имеет декомпрессионный моторный тормоз, который влияет по меньшей мере на один выпускной клапан из газообменных клапанов, и дроссельную заслонку, которая расположена в выхлопной системе и вызывает увеличение давления выхлопных газов. Согласно изобретению, дроссельная заслонка расположена выше по течению от и снаружи, предпочтительно - непосредственно выше по течению от и снаружи корпуса турбины, принадлежащего турбине, работающей на выхлопных газах, турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы двигателя. Кроме того, дроссельная заслонка образует направляющую поток заслонку, посредством которой определенный поток газа допускается в турбину, работающую на выхлопных газах, в соответствии с положением дроссельной заслонки.
Преимущества, полученные посредством способа согласно изобретению, идентичны уже упоминавшимся преимуществам устройства согласно изобретению. В этой связи, следует обратить внимание на замечания, сделанные выше.
В предпочтительном варианте осуществления способа, в режиме торможения двигателем дроссельную заслонку располагают, по меньшей мере, в одном определенном промежуточном положении между открытым положением и закрытым положением, а в упомянутом промежуточном положении дроссельная заслонка раскрывает определенное проходное сечение, и при этом проходное сечение, если смотреть в направлении потока выхлопных газов, сокращается подобно соплу, чтобы ускорить поток выхлопных газов, который течет через дроссельную заслонку и/или мимо нее. В упомянутом промежуточном положении ротор турбины, принадлежащий турбине, работающей на выхлопных газах, ускоряется потоком выхлопных газов в режиме торможения двигателем, и давление наддува, а также мощность торможения двигателем, увеличиваются. Дроссельная заслонка предпочтительно закрывает проточный канал выхлопных газов в закрытом положении полностью, т.е. дроссельная заслонка не раскрывает проходное сечение.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, дроссельная заслонка в своем промежуточном положении раскрывает проходное сечение, которое находится в диапазоне от 0,1% до 20%, предпочтительно - в диапазоне от 1% до 12%, наиболее предпочтительно - в диапазоне от 1,3% до 11,1% максимального проходного сечения. Таким образом, в режиме торможения двигателем достигается эффективное стимулирование ротора турбины и одновременно - также высокое давление выхлопных газов при торможении. Особо отметим, что, поскольку при все большем закрывании дроссельной заслонки скорость потока увеличивается, безусловное влияние оказывается на нарастание давления наддува. С другой стороны, не должно происходить слишком сильное дросселирование массового расхода. Если говорить о нарастании давления надува, то при вышеупомянутых предпочтительных значениях достигается оптимум обоих эффектов.
В дополнительном конкретном варианте осуществления, дроссельная заслонка в режиме отсутствия торможения двигателем раскрывает первое проходное сечение, предпочтительно - максимальное или полное проходное сечение, тогда как в режиме торможения двигателем дроссельная заслонка, особенно - в зависимости, по меньшей мере, от одного параметра, - раскрывает второе проходное сечение, которое меньше, чем первое проходное сечение, или закрывает проточный канал выхлопных газов полностью.
Если говорить о преимуществах, получаемых с помощью транспортного средства согласно изобретению, то следует обратить внимание на замечания, сделанные выше.
Если говорить о преимуществах, получаемых с помощью способа согласно изобретению и транспортного средства согласно изобретению, то следует обратить внимание на замечания, сделанные выше.
Ниже приводится более конкретное пояснение иллюстративного варианта осуществления изобретения с дополнительными подробностями.
На чертежах:
на фиг. 1 посредством только схематического изображения показан двигатель внутреннего сгорания для транспортного средства для коммерческих перевозок, имеющий впускную систему, выхлопную систему, турбонагнетатель с приводом от выхлопной системы двигателя и устройство для торможения двигателем, имеющее дроссельную заслонку выше по течению от турбины, работающей на выхлопных газах, причем упомянутой заслонкой управляет электронный блок управления двигателем;
на фиг. 2 посредством трехмерного изображения с частичным вырезом показана турбина, работающая на выхлопных газах, турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы двигателя, в которой дроссельная заслонка расположена на выхлопном коллекторе в области соединения;
на фиг. 3 показан график, относящийся к мощности торможения двигателем, которая может быть достигнута с помощью устройства для торможения двигателем, соответствующего фиг. 1 и 2, выражена в процентах и построена на графике зависимости от скорости двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 4 показан еще один график, иллюстрирующий среднее относительное противодавление выхлопных газов, обнаруживаемое посредством датчика и выраженное в барах; и
на фиг. 5 представлен график, демонстрирующий изменение относительного давления наддува (в барах) в зависимости от скорости двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 6 представлен разрез турбины, работающей на выхлопных газах, и выхлопного коллектора с дроссельной заслонкой в открытом положении; и
на фиг. 7 представлено изображение, соответствующее фиг. 6, с дроссельной заслонкой в промежуточном положении.
На фиг. 1 только схематически показан двигатель 1 внутреннего сгорания (например, шестицилиндровый дизельный двигатель внутреннего сгорания) для автомобиля, в частности, для транспортного средства для коммерческих перевозок, имеющий впускную систему 2 и выхлопную систему 3 (имеющую обычную конструкцию в тех местах, которые здесь не описывается). Во впускном коллекторе 4 впускной системы 2 может быть опционально предусмотрен дроссельный клапан 5.
Выхлопная система 3 имеет выхлопной коллектор 6, который соединен с камерами сгорания двигателя 1 внутреннего сгорания и соединен нижеописываемым образом с турбиной 8, работающей на выхлопных газах, турбонагнетателя 7 с приводом от выхлопной системы двигателя. Турбину 8, работающую на выхлопных газах, известным образом приводит в действие компрессор 9, причем упомянутый компрессор соединен с впускным коллектором 4 магистралью 10 и подает воздух горения при определенном давлении PL наддува в камеры сгорания двигателя 1 внутреннего сгорания. Выхлопные газы, вытекающие через выхлопной коллектор 6 и турбину 8, работающую на выхлопных газах, уносятся дальше выхлопной магистралью 11. Другие магистрали впускной системы 2 и выхлопной системы 3 двигателя 1 внутреннего сгорания в автомобиле не показаны.
В качестве устройства для торможения двигателем, двигатель 1 внутреннего сгорания имеет декомпрессионный моторный тормоз (не показан), который воздействует на газообменные клапаны или выходные клапаны двигателя 1 внутреннего сгорания. Кроме того, выше по течению от турбины 8, работающей на выхлопных газах, предусмотрена дроссельная заслонка 12, посредством которой можно получить определенное противодавление PA выхлопных газов.
Декомпрессионный моторный тормоз можно инициировать известным образом при управлении газами посредством повышенного противодавления PA выхлопных газов, которое имеет место, когда дроссельная заслонка 12 по меньшей мере частично закрыта, и при котором избирательно запускается «дрожание» или «отскок клапанов» в выпускных клапанах (см., например, документ DE 102008061412 A1), или во время такта сжатия двигателя внутреннего сгорания можно управлять механическим и/или гидравлическим открыванием выпускных клапанов (жесткое управление), накладываемым на привод клапана (см., например, DE 3922884 A1).
В отношении подробного варианта выполнения декомпрессионных моторных тормозов, то - в качестве альтернативы - можно сослаться на упомянутые публикации.
На фиг. 2 показан предпочтительный вариант осуществления дроссельной заслонки 12, которая расположена в выхлопном коллекторе 6 выше по течению от и ближе к турбине 8, работающей на выхлопных газах, турбонагнетателя 7 с приводом от выхлопной системы двигателя и установлена с возможностью поворота посредством вала 13 в области соединительного фланца 6a выхлопного коллектора 6 или на этом фланце, а в данном случае - более конкретно - на нижней секции стенки соединительного фланца 6a выхлопного коллектора 6. И хотя здесь показана только турбина, работающая на выхлопных газах, с одним потоком, в принципе, для турбины, работающей на выхлопных газах, также возможна многопоточная конструкция, например - двухпоточная конструкция. В этом случае, поток, который является, например, вторым, следует представлять, как обуславливаемый соответствующей конструкцией, при этом для каждого потока имеется соответствующая дроссельная заслонка 12, и тогда управлять всеми дроссельными заслонками 12 или все их приводить в действие можно независимо друг от друга или - в альтернативном варианте - совместно посредством общего вала (например, вала 13).
Дроссельная заслонка 12, которая - в качестве примера - показана здесь как однолопастная заслонка, то есть, заслонка, которая воплощена с максимальным эксцентриситетом и крепится на установленный с возможностью вращения вал 13, при этом выполнена как направляющий поток элемент, поскольку она раскрывает полное поперечное сечение выходного отверстия, ведущего к турбине 8, работающей на выхлопных газах, в открытым положением, а в промежуточных положениях - вплоть до полного закрывания - отклоняет поток выхлопных газов к ротору турбины (не виден на рассматриваемом чертеже), принадлежащему турбине 8, работающей на выхлопных газах, таким образом, что поток выхлопных газов, который ускоряется за счет сужения поперечного сечения, разгоняет ротор турбины наподобие функции изменяемой геометрии турбины или - опционально - импульсной нагрузки.
Как очевидно из фиг. 2, которая демонстрирует открытое состояние, дроссельная заслонка 12 в этом случае выступает посредством своей области свободного конца за соединительный фланец 6a в приточный канал 8b турбины 8, работающей на выхлопных газах, или за ее соединительный фланец 8a, например, приблизительно на половину своей длины - до некоторой точки, близкой к ротору турбины, в показанном здесь полностью открытом положении, чтобы интенсифицировать безусловно воздействующий падающий поток.
Вместе с тем, в качестве альтернативы встраиванию в выхлопной коллектор 6, как только что описано, дроссельная заслонка 12 также может быть частью отдельного модуля 28, имеющего дроссельную заслонку 12, как изображено лишь исключительно схематично на фиг. 2, причем упомянутый модуль установлен между корпусом турбины, принадлежащим турбине 8, работающей на выхлопных газах, и выхлопным коллектором 6’, который тогда примыкает к отдельному модулю 28 и жестко соединен, как с корпусом турбины, принадлежащим турбине 8, работающей на выхлопных газах, так и с выхлопным коллектором 6’. Таким образом, упомянутая по меньшей мере одна дроссельная заслонка в данном случае образует часть отличающегося, отдельно установленного модуля 28 или компонента со специализированным корпусом. В других аспектах, конструкция и эксплуатация аналогичны уже описанным выше.
В качестве позиционера, посредством которого возможно срабатывание дроссельной заслонки 12 с помощью штока 16 поршня и рычага 17, на выпускном коллекторе 6 дополнительно крепится держатель 14, который несет управляющий элемент 15 (например, цилиндропоршневой механизм), например, пневматический управляющий элемент. Управляющий элемент 15 может срабатывать, обеспечивая точное приведение в положения, находящиеся между открытым и полностью закрытым, посредством клапана (не показан), соединенного с источником рабочего тела, например, посредством пропорционального клапана или циклически управляемого клапана. В принципе, возможно также использование электрического исполнительного механизма аналогичным образом.
Для преимущественного регулирования дроссельной заслонки 12 или управления ею в режиме торможения двигателем (см. также фиг. 1), в качестве устройства управления без обратной связи и/или с обратной связью предпочтительно предусмотрен электронный блок 18 управления двигателем, в который предпочтительно подаются не только обычные рабочие параметры (скорость, температура, и т.д.) двигателя внутреннего сгорания, но и по меньшей мере один сигнал B в качестве сигнала торможения двигателем и один сигнал α нагрузки.
Помимо этого, значение давления PL наддува во впускном коллекторе 4 и значение противодавления PA выхлопных газов в выхлопном коллекторе 6 обнаруживаются посредством датчиков 19, 20, предпочтительно выполненных как датчики давления, и подаются в блок 18 управления через соответствующие сигнальные шины (не обозначены на рассматриваемом чертеже).
Датчик 20, предпочтительно - датчик давления, функционально расположен в выхлопном коллекторе 6 выше по течению от турбины 8, работающей на выхлопных газах. На фиг. 1 это показано абстрактно. Из тепловых соображений, в предлагаемом варианте осуществления (фиг. 2), датчик 20 не сам расположен сразу же и непосредственно выше по течению от дроссельной заслонки 12 в выхлопном коллекторе 6, а отстоит и находится на некотором расстоянии от нее на формованном конструктивном элементе 8c корпуса и соединен магистралью 21 с выхлопным коллектором 6 выше по течению от дроссельной заслонки 12. В данном случае, эта магистраль 21 предпочтительно выполнена как магистраль 21, спадающая к датчику, по отношению к направлению вертикальной оси. Разумеется, формованный конструктивный элемент 8c корпуса в рабочем состоянии холоднее, чем та область выхлопного коллектора 6, которая находится выше по течению от дроссельной заслонки 12, в которую открывается магистраль 21.
Турбонагнетатель 7 с приводом от выхлопной системы двигателя может опционально иметь перепускной клапан 22, посредством которого выхлопные газы можно отводить мимо ротора турбины, принадлежащего турбине 8, работающей на выхлопных газах, во избежание избыточного давления PL наддува. Перепускной клапан 22 может быть встроен непосредственно в турбину 8, работающую на выхлопных газах, и поэтому может быть не виден на изображении, соответствующем фиг. 2.
Помимо этого, также исключительно опционально, двигатель 1 внутреннего сгорания может иметь магистраль 23 рециркуляции выхлопных газов между впускной системой 4 и выхлопной системой 3, и в этой магистрали предусмотрен клапан 24 управления выхлопными газами, которым можно управлять посредством блока 18 управления двигателем. Как можно заметить из фиг. 1, отверстие магистрали 23 рециркуляции выхлопных газов, ведущее в выхлопной коллектор 6, предпочтительно находится выше по течению от дроссельной заслонки 12. Магистраль 23 рециркуляции выхлопных газов предпочтительно открывается во впускной коллектор 4 ниже по течению от устанавливаемого по выбору дроссельного клапана 5.
В режиме холостого хода автомобиля, торможение двигателем инициируется, в частности, посредством сигнала B и вызывает определенное закрывание дроссельной заслонки 12, зависящее, в числе прочих факторов, от скорости двигателя внутреннего сгорания и - если это уместно - от потребления желаемой мощности торможения. Помимо этого, закрыванием клапана 24 рециркуляции выхлопных газов можно управлять в зависимости от температуры, если это уместно.
Кроме того, закрытое положение дроссельной заслонки 12 определяется давлением PL наддува во впускном коллекторе 4 и противодавлением PA выхлопных газов в выхлопном коллекторе 6 двигателя внутреннего сгорания.
На соответствующих графиках согласно фиг. 3-5 показаны измеренные значения для декомпрессионного моторного тормоза, который - в качестве примера для данного случая - управляется давлением газов, и управляемой дроссельной заслонки 12, в каждом случае - зависящие от скорости n двигателя 1 внутреннего сгорания и относящиеся к достижимой конкретной мощности торможения (фиг. 3, кривая 25a), преобладающему противодавлению PA выхлопных газов на фиг. 4 (кривая 26a) и изменению давления PL наддува на фиг. 5 (кривая 27a), в каждом случае - по сравнению с обычной компоновкой и конфигурацией дроссельной заслонки 12 ниже по течению от турбины, работающей на выхлопных газах (кривые 25b, 26b, 27b).
Как легко заметить из этих графиков, мощность торможения двигателем в случае двигателя 1 внутреннего сгорания согласно изобретению, имеющего турбонагнетатель 7 с приводом от выхлопной системы двигателя, значительно увеличивается (кривая 25a). То же самое можно сказать о преобладающем противодавлении выхлопных газов (кривая 26a).
Кроме того, каждая из обеих кривых 25a, 26a, основанных на решении согласно изобретению, имеет ступенчато растущие градиенты.
Вместе с тем, примечательным и существенным, в частности - для значительного увеличения удельной мощности торможения двигателем (кривая 25a), является ступенчато нарастающее давление PL наддува (кривая 27a) даже при низких скоростях n двигателя 1 внутреннего сгорания, получаемое посредством дроссельной заслонки 12 согласно изобретению, выполняющей соответствующую функцию направления потока.
Как недвусмысленно показывают графики, за счет расположения дроссельной заслонки согласно изобретению выше по течению от турбины, работающей на выхлопных газах, достигается значительно увеличенное противодавление выхлопных газов по сравнению с дроссельной заслонкой, расположенной ниже по течению от турбины, работающей на выхлопных газах, а повышенная тепловая нагрузка двигателя внутреннего сгорания при этом отсутствует, несмотря на значительно увеличенную мощность торможения двигателем.
Хотя измеренные значения определялись на двигателе 1 внутреннего сгорания, имеющем декомпрессионный моторный тормоз, управляемый давлением газов, эти значения в той же степени уместны или допустимы для двигателей 1 внутреннего сгорания, имеющих турбонаддув от выхлопной системы двигателя и предусматривающих использование жестко управляемого декомпрессионного моторного тормоза.
max
На фиг. 6 и 7 показаны разрезы выхлопного коллектора 6 и турбины 8, работающей на выхлопных газах, турбонагнетателя 7 с приводом от выхлопной системы двигателя, и посредством этих разрезов подробнее поясняется режим работы. На фиг. 6 дроссельная заслонка 12 показана в открытом положении 29, в котором дроссельная заслонка 12 находится в нормальном режиме соответственно в режиме отсутствия торможения двигателем. В упомянутом открытом положении 29 дроссельная заслонка 12 раскрывает, например, полное соответствующее максимальное проходное сечение Q проточного канала 30 выхлопных газов, образованного выхлопным коллектором 6 и турбиной 8, работающей на выхлопных газах. Проточный канал 30 выхлопных газов также образует выходное отверстие.
Дроссельная заслонка 12 заключена и/или расположена в полости 31 стенки 32 канала, принадлежащей проточному каналу 30 выхлопных газов, таким образом, что дроссельная заслонка 12, если говорить о ее поверхности, выровнена заподлицо с поверхностью тех частей 33 стенки канала, принадлежащей проточному каналу 30 выхлопных газов, которые примыкают непосредственно к полости 31. Таким образом, достигается плавный переход между частями 33 стенки, принадлежащими стенке 32 канала, чтобы гарантировать конкретное низкое сопротивление потоку. Полость 31 имеет, например, зону 34, которая является частью выхлопного коллектора 6, и зону 35, которая является частью турбины 8, работающей на выхлопных газах.
Закрытое положение 36 дроссельной заслонки 12 схематически показано на фиг. 6 пунктирными линиями. Дроссельная заслонка 12 расположена в упомянутом закрытом положении, например, в режиме торможения двигателем. В упомянутом закрытом положении дроссельная заслонка 12 полностью блокирует проточный канал 30 выхлопных газов, так что давление выхлопных газов максимально нарастает. Лишь в качестве примера, отметим, что дроссельная заслонка 12 находится в упомянутом закрытом положении, когда участок 37 свободного конца находится в полости 38 стенки 32 канала. Полость 38 образована, например, на участке 39а стенки, принадлежащем стенке 32 канала, который противоположен участку 39, где крепится дроссельная заслонка 12. Помимо этого, полость 38 может быть расположена, например, на стороне выхлопного коллектора 6. В альтернативном варианте можно было бы расположить упомянутую полость 38 на стороне турбины 8, работающей на выхлопных газах.
Кроме того, эта полость адаптирована к контуру концевого участка 37 дроссельной заслонки 12 таким образом, что концевой участок дроссельной заслонки 12 в закрытом положением 36 находится в плоском контакте с участком 40 стенки полости, который образует полость 38. Таким образом, давление выхлопных газов нарастает, по существу, в закрытом положении 36 дроссельной заслонки 12. Помимо этого, если смотреть в направлении потока выхлопных газов, полость 38 расположена ниже по течению от точки 41 измерения, определяемой датчиком 20 давления.
Z
max
На фиг. 7 дроссельная заслонка 12 показана в промежуточном положении 42 между открытым положением 29 и закрытым положением 36. В упомянутом промежуточном положении дроссельная заслонка 12 находится, например, в режиме торможения двигателем. В упомянутом промежуточном положении 42 дроссельная заслонка 12 раскрывает проходное сечение Q, которое меньше, чем максимальное проходное сечение Q. Помимо этого, дроссельная заслонка 12 располагается в упомянутом промежуточном положении 42 таким образом, что проходное сечение проточного канала 30 выхлопных газов, если смотреть в направлении потока, сокращается подобно соплу, чтобы ускорить поток выхлопных газов, который течет через дроссельную заслонку 12 и/или мимо нее. Таким образом, ротор 43 турбины, принадлежащий турбине 8, работающей на выхлопных газах, движется потоком выхлопных газов в режиме торможения двигателем, в котором давление наддува, а также мощность торможения двигателем, увеличиваются.
max
В предпочтительном варианте, дроссельная заслонка 12 в своем промежуточном положении 42 раскрывает от 0,1% to 20%, предпочтительно - от 1% до 12%, наиболее предпочтительно - от 1,3% до 11,1% максимального проходного сечения Q, чтобы в режиме торможения двигателем гарантировать эффективный импульс на роторе 43 турбины и - одновременно - также высокое противодавление выхлопных газов.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ ЧЕРТЕЖЕЙ
1 Двигатель внутреннего сгорания
2 Впускная система
3 Выхлопная система
4 Впускной коллектор
5 Дроссельный клапан
6 Выхлопной коллектор
6a Соединительный фланец
7 Турбонагнетатель с приводом от выхлопной системы двигателя
8 Турбина, работающая на выхлопных газах
8a Соединительный фланец
8b Приточный канал
8c Формованный конструктивный элемент
9 Компрессор
10 Впускная магистраль
11 Выхлопная магистраль
12 Дроссельная заслонка
13 Вал
14 Держатель
15 Управляющий элемент
16 Исполнительный поршень
17 Рычаг
18 Блок управления двигателем
19 Датчик давления
20 Датчик давления
21 Магистраль
22 Перепускной клапан
23 Магистраль рециркуляции выхлопных газов
24 Клапан рециркуляции выхлопных газов
25 Кривая мощности торможения
26 Кривая противодавления PA выхлопных газов
27 Кривая давления PL
28 Отдельный модуль
29 Открытое положение
30 Проточный канал выхлопных газов
31 Полость
32 Стенка канала
33 Участок стенки
34 Участок на стороне выхлопного коллектора
35 Участок на стороне турбины, работающей на выхлопных газах
36 Закрытое положение
37 Концевой участок
38 Полость
39 Участок, где осуществляется крепление
39a Участок стенки
40 Участок стенки полости
41 Точка измерения
42 Промежуточное положение
43 Ротор турбины
max
Q максимальное проходное сечение
Z
Q Проходное сечение в промежуточном положении