ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ И СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ
SUPERCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF OPERATION OF SUPERCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с наддувом, содержащему головку блока цилиндров и четыре цилиндра в рядной компоновке вдоль продольной оси головки блока цилиндров, при этом каждый цилиндр содержит по меньшей мере один выходной проем для выпуска выхлопных газов из цилиндра через систему выпуска выхлопных газов и каждый выходной проем примыкает к выпускной магистрали, при этом
четыре цилиндра выполнены для образования двух групп, в каждом случае, с двумя цилиндрами,
выпускные магистрали цилиндров каждой группы цилиндров соединены, в каждом случае, в общую выпускную магистраль для образования выпускного коллектора, и
по меньшей мере одна турбина турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов расположена в каждой общей выпускной магистрали.
Изобретение также относится к способу работы двигателя внутреннего сгорания упомянутого типа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В контексте настоящего изобретения, выражение «двигатель внутреннего сгорания», в частности, охватывает двигатели с циклом Отто, но также дизельные двигатели и смешанные двигатели внутреннего сгорания, то есть двигатели внутреннего сгорания, которые работают с использованием смешанного процесса сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания содержат блок цилиндров и головку блока цилиндров, которые присоединены друг к другу для образования цилиндров. Головка блока цилиндров традиционно служит для удерживания клапанного привода. Чтобы управлять заменой заряда, двигатель внутреннего сгорания требует элементов управления и исполнительных устройств для приведения в действие упомянутых элементов управления. Для управления заменой заряда, в четырехтактных двигателях, почти исключительно подъемные клапаны используются в качестве элементов управления, такие подъемные клапаны выполняют колебательное подъемное движение во время работы двигателя внутреннего сгорания и такие подъемные клапаны открывают и закрывают входные и выходные проемы таким образом. Во время замены заряда газообразные продукты сгорания выпускаются через выходные проемы четырех цилиндров, и наддув камер сгорания, то есть впуск свежей смеси или наддувочного воздуха, происходит через входные проемы. Исполнительный механизм привода клапанов, требуемый для движения клапанов, включая сами клапаны, указывается ссылкой как клапанный привод.
Согласно предшествующему уровню техники впускные магистрали ведут во входные проемы, а выпускные магистрали, которые примыкают к выходным проемам, по меньшей мере частично встроены в головку блока цилиндров. Выпускные магистрали цилиндров обычно соединены для образования одной совместной общей выпускной магистрали или, иначе, групп для образования двух или более общих выпускных магистралей. Соединение выпускных магистралей для образования общей выпускной магистрали в целом, и в контексте настоящего изобретения, указывается ссылкой как выпускной коллектор.
Специфичная конфигурация системы выпуска выхлопных газов, более точно вариант, которым соединены выпускные магистрали четырех цилиндров, в отдельном случае зависят от соответствующей задачи, в частности от рабочих диапазонов, для которых рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания должны быть оптимизированы, и в частности также от того, подвергается ли двигатель внутреннего сгорания наддуву посредством турбонаддува с приводом от выхлопных газов.
Современные двигатели внутреннего сгорания, в большинстве случаев, все больше и больше оснащаются наддувом. Что касается наддува, обычно используется турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов, в котором компрессор и турбина расположены на одном и том же валу. Поток раскаленных выхлопных газов подается в турбину, расширяется в турбине с высвобождением энергии и, в силу этого, приводит нагнетатель во вращение. Энергия, сообщаемая потоком выхлопных газов турбине, а в конечном счете валу, служит для приведения в движение компрессора, подобным образом расположенного на валу, какой компрессор подает и сжимает наддувочный воздух, подводимый к нему, тем самым цилиндры двигателя внутреннего сгорания подвергаются наддуву.
Преимущества турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов, например, относительно механических нагнетателей, состоят в том, что никакого механического соединения для передачи мощности не существует и не требуется между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания. Несмотря на то, что механический нагнетатель отбирает энергию, требуемую для приведения его в движение, от двигателя внутреннего сгорания, и тем самым, снижает мощность на выходном валу, а следовательно, неблагоприятно влияет на коэффициент полезного действия, турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов использует энергию выхлопных газов раскаленных выхлопных газов.
Наддув, главным образом, служит для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания. Воздух, требуемый для процесса сгорания, сжимается, в результате чего большая масса воздуха может подаваться в каждый цилиндр за рабочий цикл. Таким образом, масса топлива и, следовательно, среднее эффективное давление может увеличиваться. Наддув является подходящим средством для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания наряду с сохранением неизменного рабочего объема двигателя или для снижения рабочего объема двигателя наряду с сохранением прежней мощности. В любом случае наддув приводит к увеличению объемной выходной мощности и к улучшенной удельной мощности. Для одних и тех же граничных условий транспортного средства, таким образом, можно смещать общую нагрузку по направлению к более высоким нагрузкам, на которых ниже удельный расход топлива.
Наддув, следовательно, содействует постоянным усилиям по усовершенствованию двигателей внутреннего сгорания для уменьшения расхода топлива, то есть для улучшения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Дополнительная фундаментальная задача состоит в том, чтобы уменьшать загрязняющие атмосферу выбросы. Наддув двигателя внутреннего сгорания, подобным образом, может быть целесообразным при решении этой проблемы. При целевой конфигурации наддува, в особенности, можно получать преимущества как в отношении коэффициента полезного действия, а также и в отношении выбросов с выхлопными газами.
Возникают проблемы при выполнении турбонаддува с приводом от выхлопных газов, при этом в своей основе предпринимается попытка получить заметное увеличение коэффициента полезного действия во всех диапазонах скоростей вращения двигателя. Если используется одиночный турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов, наблюдается заметное падение крутящего момента, если недобрана определенная скорость вращения двигателя. Упомянутое падение крутящего момента является нежелательным, если учесть, что степень повышения давления заряда является зависящей от коэффициента давления турбины. Если скорость вращения двигателя уменьшается, это ведет к меньшему массовому расходу выхлопных газов, а потому к более низкому коэффициенту давления турбины. Как результат, степень повышения давления заряда снижается подобным образом в направлении более низких скоростей вращения двигателя, что приравнивается падению крутящего момента.
Здесь фундаментально возможно, чтобы падение давления наддува нейтрализовывалось посредством уменьшения размера поперечного сечения турбины и связанного увеличения коэффициента давления турбины. Это, в конечном счете, противодействует падению давления всего лишь до незначительной степени и дополнительно смещает падение крутящего момента по направлению к более низким скоростям вращения двигателя. Более того, упомянутый подход, то есть уменьшение размера поперечного сечения турбины, подвержен пределам, так как требуемое усиление наддува и рабочих характеристик должно быть возможным без ограничения и до требуемой степени, даже на высоких скоростях вращения двигателя.
Предпринята попытка, с использованием многообразия мер, улучшить характеристику крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом.
Предпринята попытка сделать это, например, посредством небольшой конструкции поперечного сечения турбины и одновременной продувки выхлопных газов, при этом продувка выхлопных газов может регулироваться посредством давления наддува или посредством давления выхлопных газов. Такая турбина также указывается ссылкой как турбина с регулятором давления наддува. Если массовый расход выхлопных газов превышает критическое значение, часть потока выхлопных газов проводится, в ходе так называемой продувки выхлопных газов, посредством обводной магистрали мимо турбины. Упомянутый подход, однако, обладает недостатком, что характеристики наддува недостаточны при относительно высоких скоростях вращения двигателя.
В своей основе, также можно предложить небольшую конструкцию поперечного сечения турбины вместе с возможностью продувки наддувочного воздуха, при этом упомянутый вариант редко используется, благодаря связанным с энергией недостаткам продувки наддувочного воздуха, в особенности ухудшению рабочего коэффициента полезного действия, а обеспеченные компрессоры могут достигать пределов своей несущей способности подачи и, таким образом, требуемая мощность больше не может выдаваться.
Турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов, однако, также может быть предназначен для высоких скоростей вращения двигателя, с большим поперечным сечением турбины. Здесь система впуска, в таком случае, выполнена с возможностью обеспечения динамического наддува на низких скоростях вращения двигателя в результате волновых явлений. Недостатками здесь являются высокие издержки в показателях конструкции и инерционные характеристики во время изменений скорости вращения двигателя.
Турбина с изменяемой геометрией турбины дает возможность, в пределах определенного диапазона, адаптации геометрии турбины или эффективного поперечного сечения турбины под соответствующую рабочую точку двигателя внутреннего сгорания, чтобы регулирование геометрии турбины могло выполняться в отношении низкой и высокой скоростей вращения двигателя, а также для низкой и высокой нагрузок.
Характеристика крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом, более того, может преимущественно подвергаться влиянию посредством множества турбонагнетателей с приводом от выхлопных газов в последовательной компоновке.
В заключение, характеристика крутящего момента также может улучшаться посредством множества турбонагнетателей, которые расположены параллельно и которые имеют соответственно небольшие поперечные сечения турбины, такие как имеют место в двигателе внутреннего сгорания, который является предметом настоящего изобретения и который содержит две турбины, расположенные параллельно. Что касается конфигурации системы выпуска выхлопных газов, здесь должно быть произведено разграничение между двумя разными концепциями.
Согласно первому подходу, на низких скоростях вращения двигателя или в диапазоне более низких нагрузок, то есть в случае относительно низких расходов выхлопных газов, все выхлопные газы проводятся только через одну из турбин, а другая, вторая, турбина заблокирована посредством перекрывающего элемента, то есть выведена из работы. Таким образом, в достаточной мере высокий коэффициент давления турбины может иметь место даже в диапазоне более низких скоростей вращения двигателя. С увеличением расхода выхлопных газов вторая турбина затем вводится в действие посредством открывания перекрывающего элемента.
Перекрывающий элемент, однако, сильно нагружен термически, по этой причине для производства зачастую должны использоваться никельсодержащие материалы, которые являются относительно дорогостоящими, в частности, относительно материалов, используемых для головки блока цилиндров, например алюминия. Более того, проблемой становится не только расположение, но также и долговечность, то есть срок службы.
Перекрывающий элемент становится не нужен, если система выпуска выхлопных газов выполнена в соответствии с двигателем внутреннего сгорания согласно изобретению. Здесь четыре цилиндра выполнены для образования двух групп, в каждом случае с двумя цилиндрами. Выпускные магистрали каждой группы цилиндров соединены в каждом случае для образования общей выпускной магистрали для образования отдельного выпускного коллектора, при этом турбина турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов расположена в каждой из двух общих выпускных магистралей. Благодаря группировке объем выхлопных газов выше по потоку от каждой турбины меньше, в силу чего улучшаются характеристики реакции турбин и, соответственно, турбонагнетателей и характеристика крутящего момента в целом. Более того, группировка обычно ведет к укорачиванию общей длины всех выпускных магистралей, а также к уменьшению массы системы выпуска выхлопных газов выше по потоку от турбин. В результате уменьшения массы уменьшается тепловая инерция соответствующей части, и теплосодержание выхлопных газов, которое в значительной мере определяется совместно давлением и температурой, может использоваться эффективнее на стороне турбины.
Дополнительное преимущество группировки согласно изобретению цилиндров состоит в том, что на низких нагрузках или скоростях вращения двигателя, то есть в случае низких расходов выхлопных газов, толчок перед выходом может преимущественно использоваться для импульсного наддува. Посредством импульсного наддува высокие коэффициенты давления турбины могут достигаться даже на низких скоростях вращения турбины. Таким образом, также возможно, чтобы высокие степени повышения давления наддува, то есть высокие давления наддува, образовались только при низких расходах выхлопных газов.
Чтобы быть способными использовать динамические волновые явления, происходящие в системе выпуска выхлопных газов, в частности толчки перед выходом, для наддува и для улучшения рабочих характеристик двигателя внутреннего сгорания, должны сохраняться пики давления или толчки перед выходом в системе выпуска. В частности, полезно, если флуктуации давления в выпускной магистрали усиливаются или по меньшей мере не ослабляют друг друга и не уравновешивают друг друга.
Здесь целесообразно, чтобы выпускные магистрали или цилиндры были сгруппированы таким образом, чтобы высокие давления, в частности толчки перед выходом отдельных цилиндров, сохранялись в системе выпуска выхлопных газов. В головке блока цилиндров, содержащей четыре цилиндра в рядной компоновке, в этом смысле полезно, чтобы два цилиндра, которые имеют интервал зажигания 360°CA, объединялись, в каждом случае для образования группы цилиндров.
Импульсный наддув оказался особенно полезным для разгона ротора турбины, то есть для увеличения скорости вращения турбины, которая может падать в ощутимой степени при работе на холостом ходу двигателя внутреннего сгорания или на низкой нагрузке и которая должна часто вновь повышаться с как можно меньшей задержкой посредством потока выхлопных газов в случае повышенного требования нагрузки. Инерция ротора и трение в комплекте подшипников вала, как правило, замедляют разгон ротора до более высоких скоростей вращения, а потому мешают немедленному подъему давления наддува.
Исходя из уровня техники, изложенного выше, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить двигатель внутреннего сгорания с наддувом, который оптимизирован относительно рабочих характеристик, в частности в отношении характеристики крутящего момента, расхода и/или эффективности использования топлива.
Дополнительная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы детально изложить способ работы двигателя внутреннего сгорания упомянутого типа.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первая задача решается посредством двигателя внутреннего сгорания с наддувом, содержащим головку блока цилиндров и четыре цилиндра в рядной компоновке вдоль продольной оси головки блока цилиндров, при этом каждый цилиндр содержит по меньшей мере один входной проем для выпуска выхлопных газов из цилиндра через систему выпуска выхлопных газов и каждый выходной проем примыкает к выпускной магистрали, при этом
четыре цилиндра выполнены для образования двух групп, в каждом случае, с двумя цилиндрами,
выпускные магистрали цилиндров каждой группы цилиндров соединены, в каждом случае, в общую выпускную магистраль для образования выпускного коллектора, и
по меньшей мере одна турбина турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов расположена в каждой общей выпускной магистрали,
при этом
четыре цилиндра выполнены таким образом, что, в каждом случае, один наружный цилиндр и смежный внутренний цилиндр образуют группу, при этом цилиндры первой группы являются цилиндрами, которые работают постоянно при работе двигателя внутреннего сгорания, а цилиндры второй группы образованы в качестве цилиндров, которые вводятся в действие в зависимости от нагрузки и которые выводятся из работы в случае частичного вывода из работы при недоборе заданной нагрузки.
В двигателе внутреннего сгорания согласно изобретению цилиндры группы цилиндров образованы в качестве цилиндров, которые могут вводиться в действие в зависимости от нагрузки. Ниже, в целях различения, упомянутая группа будет указываться ссылкой как вторая группа, тогда как группа цилиндров, которая постоянно находится в действии - пока находится в действии двигатель внутреннего сгорания - будет указываться ссылкой как первая группа.
Вывод из работы цилиндра, то есть вывод из работы отдельных цилиндров в определенных диапазонах нагрузки, является одним из подходов к уменьшению дросселирования двигателя с циклом Отто. Коэффициент полезного действия двигателя с циклом Отто при работе на частичных нагрузках может улучшаться, то есть увеличиваться таким образом, так как вывод из работы одного цилиндра многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания повышает нагрузку на другие цилиндры, которые остаются в действии, если мощность двигателя остается постоянной, так что дроссельная заслонка может или должна дополнительно открываться, чтобы вводить большую массу воздуха в упомянутые цилиндры, в силу чего в целом достигается уменьшение дросселирования двигателя внутреннего сгорания. Цилиндры, которые постоянно находятся в действии, в таком случае, работают в области более высоких нагрузок, в которой удельный расход топлива является более низким, даже когда двигатель с циклом Отто работает на частичной нагрузке. Общая нагрузка смещается по направлению к более высоким нагрузкам.
Цилиндры, которые остаются в действии во время частичного вывода из работы, кроме того, демонстрируют улучшенное образование смеси, благодаря большей подаваемой массе воздуха, и допускают более высокие интенсивности рециркуляции выхлопных газов.
Дополнительные преимущества касательно коэффициента полезного действия достигаются по той причине, что выведенный из работы цилиндр благодаря отсутствию сгорания не порождает никаких пристеночных тепловых потерь, благодаря переносу тепла из газообразных продуктов сгорания на стенки камеры сгорания.
Частичный вывод из работы обладает дополнительными преимуществами по взаимодействию с наддувом с приводом от выхлопных газов, если цилиндры выполнены способом согласно изобретению, то есть образованы две группы цилиндров, в каждом случае, с двумя цилиндрами, и выпускные магистрали каждой группы цилиндров соединены, отдельно от выпускных магистралей другой группы цилиндров, чтобы, в каждом случае, образовать отдельную общую выпускную магистраль для образования независимого выпускного коллектора. Преимущества, осуществляемые в силу этого, выходят далеко за пределы только частичного вывода из работы. Сенергические эффекты достигаются, если частичный вывод из работы используется в двигателе внутреннего сгорания с наддувом согласно настоящему изобретению.
Если, при работе двигателя внутреннего сгорания с частичной нагрузкой, вторая группа цилиндров выводится из работы при недоборе заданной нагрузки, масса наддувочного воздуха, подаваемая в первую группу цилиндров, и, таким образом, расход выхлопных газов, выпускаемых из упомянутой группы цилиндров во время хода замены заряда, увеличиваются, по этой причине, при работе с частичной нагрузкой, большее количество выхлопных газов подается, то есть выдается, в первую турбину, которая предназначена для первой группы цилиндров и которая питается выхлопными газами из нее, чем в вариантах осуществления согласно предшествующему уровню техники. Как результат, рабочие характеристики нагнетателя и, таким образом, рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания улучшаются.
Хотя дизельные двигатели, то есть двигатели внутреннего сгорания с самовоспламенением, благодаря качественному регулированию, реализованному в них, демонстрируют более высокий коэффициент полезного действия, то есть более низкий расход топлива, чем двигатели с циклом Отто, в которых нагрузку регулируют посредством количественного управления посредством изменения наполнения цилиндров свежей смесью, в дизельных двигателях также имеет место, что расход топлива может уменьшаться посредством частичного вывода из работы, то есть посредством вывода из работы отдельных цилиндров в определенных диапазонах нагрузки. То, что было изложено в связи с двигателями с циклом Отто, также аналогичным образом применяется к дизельным двигателям.
Таким образом, решена первая задача, на которой основано изобретение, то есть предложен двигатель внутреннего сгорания с наддувом, который улучшен в отношении рабочих характеристик, в частности в отношении характеристики крутящего момента, расхода и/или эффективности использования топлива.
Группировка согласно изобретению четырех цилиндров, при которой, в каждом случае, один наружный и один смежный внутренний цилиндр образуют группу, имеет значительное преимущество над традиционной группировкой цилиндров четырехцилиндрового рядного двигателя, что два выпускных коллектора, которые образованы в головке блока цилиндров, расположены рядом друг с другом, то есть прилегающими друг к другу вдоль продольной оси головки блока цилиндров, при этом два выпускных коллектора могут входить из головки блока цилиндров на равном расстоянии от стороны сборочного торца головки блока цилиндров, то есть на одной и той же высоте, в силу чего можно осуществлять головку блока цилиндров с относительно небольшой конструктивной высотой, что является преимущественным в отношении компоновки в моторном отсеке. Подобным образом, упрощается соединение и компоновка турбонагнетателей с приводом от выхлопных газов. Можно без труда реализовать крайне плотно сопряженную компоновку турбин.
В противоположность, в случае традиционной группировки цилиндров согласно предшествующему уровню техники, в которой внутренние цилиндры образуют группу цилиндров, и наружные цилиндры образуют группу цилиндров, два выпускных коллектора расположены в головке блока цилиндров по меньшей мере частично друг над другом, в силу чего головка блока цилиндров имеет соответственно большую конструктивную высоту. Два выпускных коллектора выходят из головки блока цилиндров на разных расстояниях от стороны сборочного торца головки блока цилиндров, то есть не на одной и той же высоте. Соединение и компоновка турбонагнетателей с приводом от выхлопных газов в значительно большей степени затруднены благодаря обычно всего лишь небольшому разнесению коллекторов относительно друг друга.
Дополнительные полезные варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом будут пояснены в связи с зависимыми пунктами формулы изобретения.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых общие выпускные магистрали двух групп цилиндров соединены для образования совместной выпускной магистрали ниже по потоку от турбин. Соединение общих выпускных магистралей уменьшает полную длину выпускных магистралей и более того обладает преимуществами в отношении последующей очистки выхлопных газов, так как все выхлопные газы могут очищаться в общем процессе последующей очистки выхлопных газов, в частности, в каждом случае, необходимо обеспечить только один пример системы последующей очистки выхлопных газов конкретного типа.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых двигатель внутреннего сгорания является двигателем внутреннего сгорания с принудительным зажиганием. Как уже было обсуждено, благодаря количественному регулирования в двигателях с циклом Отто, есть относительно высокая потребность в концепциях для улучшения коэффициента полезного действия, по этой причине двигатель внутреннего сгорания с принудительным зажиганием особенно пригоден для конструирования согласно изобретению.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых выпускные магистрали цилиндров каждой группы цилиндров соединены в каждом случае для образования общей выпускной магистрали внутри головки блока цилиндров.
Как описано выше, существенное встраивание выпускного коллектора в головку блока цилиндров, то есть осуществление соединения выпускных магистралей группы цилиндров для образования общей выпускной магистрали в пределах головки блока цилиндров в наибольшей возможной степени, обладает многочисленными преимуществами.
Во-первых, встраивание коллектора приводит к более компактной конструкции двигателя внутреннего сгорания и более плотной компоновке узла привода в целом в моторном отсеке. Во-вторых, есть получающиеся в результате стоимостные преимущества при изготовлении и сборке. Подобным образом, уменьшается вес.
Короткие выпускные магистрали к тому же обладают благоприятным влиянием на компоновку и работу системы последующей очистки выхлопных газов, которая может быть обеспечена ниже по потоку от цилиндров. Тракт раскаленных выхлопных газов в системы последующей очистки выхлопных газов должен быть как можно более коротким, чтобы выхлопным газам давалось небольшое время для охлаждения, и системы последующей очистки выхлопных газов достигали своей рабочей температуры или температуры розжига как можно быстрее, в частности после холодного запуска двигателя внутреннего сгорания. В этом отношении, целесообразно минимизировать тепловую инерцию части выпускных магистралей между выходным проемом в цилиндре и системой последующей очистки выхлопных газов, что может достигаться уменьшением массы и длины упомянутой части, то есть укорачиванием соответствующих выпускных магистралей посредством встраивания коллекторов.
В случае двигателей внутреннего сгорания, подвергаемых наддуву посредством турбонагнетателей с приводом от выхлопных газов, предпринята попытка располагать турбины как можно ближе к выходу, то есть, к выходным проемам цилиндров, чтобы, в силу этого, быть способными оптимально использовать теплосодержание выхлопных газов раскаленных выхлопных газов, которое, в значительной степени, определяется давлением выхлопных газов и температурой выхлопных газов, и чтобы гарантировать характеристики быстрой реакции турбонагнетателей. Здесь к тому же тепловая инерция и объем системы магистралей между выходными проемами цилиндров и соответствующей турбиной должны быть минимизированы, по какой причине, в свою очередь, целесообразно, чтобы магистрали были укорочены посредством встраивания выпускных коллекторов в головку блока цилиндров.
Более того, в случае двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, может быть полезным, чтобы выпускные коллекторы были встроены в головку блока цилиндров с возможностью подключения в систему охлаждения, обеспеченную в головке блока цилиндров, и чтобы давать возможность тому, чтобы коллекторы не производились из термически высоко нагружаемых материалов, которые являются дорогостоящими.
Встраивание выпускных коллекторов в головку блока цилиндров часто имеет эффект, что цилиндры влияют друг на друга во время замены заряда. Согласно изобретению это может избегаться в силу группы, содержащей только два цилиндра, и упомянутых двух цилиндров, приводимых в действие с интервалом 360°CA, то есть сгорания в двух цилиндрах группы, инициируемого с интервалами 360°CA.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых выпускные коллекторы двух групп цилиндров могут быть присоединены друг к другу выше по потоку от турбин посредством соединительной магистрали с перекрывающим элементом, являющимся расположенным в соединительной магистрали.
Объем выхлопных газов выше по потоку от турбины, в таком случае, может изменяться, то есть приспосабливаться к разным условиям работы двигателя внутреннего сгорания, в частности разным расходам выхлопных газов, при этом что касается импульсного наддува на низких расходах выхлопных газов, оказалось полезным, чтобы цилиндры группировались таким образом, что толчки перед выходом отдельных цилиндров поддерживались в системе выпуска выхлопных газов. В головке блока цилиндров, содержащей четыре цилиндра в рядной компоновке, в этом смысле, полезно, чтобы два цилиндра, которые имеют интервал зажигания 360°CA, объединялись, в каждом случае для образования группы цилиндров, и чтобы два выпускных коллектора поддерживались разделенными друг от друга посредством закрытия перекрывающего элемента в соединительной магистрали.
В противоположность, чтобы дать турбине, которая обеспечена ниже по потоку от цилиндров в системе выпуска, возможность оптимальной работы на высоких расходах выхлопных газов, турбина должна подвергаться действию как можно более постоянного потока выхлопных газов, по этой причине давление, которое меняется как можно меньше, является предпочтительным выше по потоку от турбины в упомянутых условиях работы, чтобы осуществлять так называемый силовой наддув.
В результате соответственно большого объема выхлопных газов выше по потоку от турбины, пульсации давления в выпускных магистралях могут сглаживаться. В этом отношении, соединение выпускных коллекторов двух групп цилиндров выше по потоку от турбин посредством соединительной магистрали может оказаться полезным на относительно высоких расходах выхлопных газов.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых
каждый цилиндр содержит по меньшей мере один входной проем для подачи наддувочного воздуха через систему впуска, примыкающий к впускной магистрали,
впускные магистрали цилиндров каждой группы цилиндров соединены, в каждом случае для образования общей впускной магистрали для образования впускного коллектора, и
по меньшей мере один компрессор турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов расположен в каждой общей впускной магистрали.
Если цилиндры сгруппированы в варианте согласно изобретению и выпускные коллекторы двух групп выполнены в варианте согласно изобретению, полезно, чтобы система впуска была выполнена соответствующим образом, конкретно, как описано выше. В таком случае, можно, чтобы преимущества, реализованные на стороне выхлопных газов, использовались для наилучшего эффекта при образовании в достаточной мере высокого коэффициента давления турбины на входной стороне с целью образования удовлетворительного давления заряда посредством двух компрессоров.
Клапанный привод должен открывать и закрывать входные проемы и выходные проемы цилиндров в правильные моменты времени при замене заряда. Здесь быстрое открывание наибольших возможных поперечных сечений потока требуется, чтобы сохранять потери дросселирования втекающего потока наддувочного воздуха или вытекающего потока выхлопных газов как можно более низкими и чтобы гарантировать хорошее наполнение камеры сгорания свежей смесью и/или эффективный, то есть полный, выпуск выхлопных газов.
Поэтому, по причинам, изложенным выше, полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых каждый цилиндр содержит два выходных проема для выпуска выхлопных газов из цилиндра через систему выпуска выхлопных газов.
По тем же причинам полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых каждый цилиндр содержит два входных проема, для подачи наддувочного воздуха через систему впуска.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в котором обеспечен коленчатый вал, который принадлежит к кривошипно-шатунному приводу, и который, для каждого цилиндра, содержит кривошип коленчатого вала, предназначенный для цилиндра, при этом
кривошипы коленчатого вала расположены на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси коленчатого вала,
два кривошипа коленчатого вала двух цилиндров каждой группы цилиндров не смещены по окружности вокруг продольной оси коленчатого вала, чтобы два цилиндра группы цилиндров были механически синхронизированными цилиндрами, и
кривошипы коленчатого вала одной группы цилиндров расположены на коленчатом валу вращательно смещенными на 180° по кругу вокруг продольной оси относительно кривошипов коленчатого вала другой группы цилиндров.
Чтобы цилиндры группы не оказывали влияния друг на друга, в частности не мешали друг другу, при замене заряда, четыре цилиндра предпочтительно приводятся в действие, чтобы цилиндры из группы цилиндров имели как можно большее смещение в отношении своих рабочих процессов. С этой целью, при нормальной работе двигателя внутреннего сгорания, сгорание инициируют - например, посредством принудительного зажигания - попеременно в цилиндре первой группы цилиндров и в цилиндре второй группы цилиндров. Здесь могут быть полезны варианты способа, в которых цилиндры подвергают воспламенению в последовательности 1-3-2-4 или в последовательности 1-4-2-3. Нумерация цилиндров в двигателе внутреннего сгорания определена по DIN 73021. В случае рядных двигателей цилиндры нумеруются последовательно.
Цилиндры подвергают зажиганию с интервалами в каждом случае 180°CA, чтобы, начиная с первого цилиндра, моменты времени зажигания, измеренные в °CA, были следующими: 0-180-360-540. Следовательно, цилиндры из группы цилиндров имеют термодинамическое смещение в 360°CA. Если к тому же учесть, что выпускные клапаны обычно имеют длительность открывания между 220°CA и 260°CA, ясно, что, при выбранном порядке работы цилиндров, цилиндры группы не могут оказывать влияние друг на друга во время замены заряда, в особенности совершенно независимо от того, насколько коротким является расстояние до соединения выпускных магистралей ниже по потоку от выходных проемов для образования общей выпускной магистрали.
Порядок работы цилиндров, который отступает от традиционного порядка работы цилиндров 1-3-4-2, также требует коленчатого вала, который отличается от традиционного коленчатого вала, то есть конфигурации кривошипов коленчатого вала, которая отличается от традиционной конфигурации кривошипов коленчатого вала.
В обсуждаемом варианте осуществления используется коленчатый вал, с которым цилиндры из группы цилиндров являются механически синхронизированными, то есть проходят через верхнюю мертвую точку и нижнюю мертвую точку одновременно. С этой целью связанные кривошипы коленчатого вала двух цилиндров должны не иметь смещения по окружности вокруг продольной оси коленчатого вала. Термодинамическое смещение в 360°CA в таком случае осуществляется посредством порядка работы цилиндров.
Чтобы реализовать интервал зажигания в каждом случае 180°CA на всей полноте четырех цилиндров, кривошипы коленчатого вала одной группы цилиндров расположены на коленчатом валу вращательно смещенными на 180° по окружности относительно кривошипов коленчатого вала в другой группе цилиндров.
Турбины, которые используются, в основе, могут быть снабжены переменной геометрией турбины, которая может приспосабливаться посредством регулирования на соответствующую рабочую точку двигателя внутреннего сгорания. В отдельных ситуациях также может быть полезна конструкция регулятора давления наддува.
Полезны варианты осуществления, в которых двигатель внутреннего сгорания с наддувом оборудован системой охлаждения жидкостного типа.
Здесь полезны варианты осуществления, в которых головка блока цилиндров снабжена по меньшей мере одной встроенной охлаждающей рубашкой, чтобы образовать систему охлаждения жидкостного типа.
В частности, двигатели внутреннего сгорания с наддувом являются термически высоконагруженными, в результате чего относительно большие требования накладываются на систему охлаждения. Большие количества тепла могут рассеиваться посредством системы охлаждения жидкостного типа, по этой причине полезно, чтобы двигатель внутреннего сгорания был оборудован системой охлаждения жидкостного типа.
Охлаждение жидкостного типа требует, чтобы двигатель внутреннего сгорания, то есть головка блока цилиндров или блок цилиндров, были оборудованы встроенной охлаждающей рубашкой, то есть компоновкой каналов хладагента, которые проводят хладагент через головку блока цилиндров или блок цилиндров. Тепло рассеивается в хладагент уже внутри компонента. Сюда хладагент подается посредством насоса, расположенного в контуре охлаждения, чтобы упомянутый хладагент циркулировал в охлаждающей рубашке. Тепло, которое рассеивается в хладагент, в этом случае рассеивается из внутренней части головки или блока и вновь выделяется из хладагента на теплообменнике.
Вторая задача, на которой основано изобретение, более точно задача детального изложения способа работы двигателя внутреннего сгорания с наддувом описанного выше типа, достигается посредством способа, который отличается тем, что в цилиндрах сгорание инициируют с интервалами 180°CA.
Инициирование, то есть введение сгорания, может происходить посредством внешнего принудительного зажигания, например посредством свечи зажигания, или, иначе, посредством самовоспламенения или воспламенения от сжатия. В этом отношении способ может быть реализован в двигателях с циклом Отто, а также в дизельных двигателях и смешанных двигателях внутреннего сгорания.
То, что было изложено в связи с двигателем внутреннего сгорания согласно изобретению, подобным образом, применяется к способу согласно изобретению.
Могут быть полезны варианты способа, которые отличаются тем, что в цилиндрах сгорание инициируют в последовательности 1-3-2-4 и с интервалами 180°CA, при этом цилиндры пронумерованы и перечислены последовательно вдоль продольной оси головки блока, начиная с наружного цилиндра.
Однако также могут быть полезны варианты способа, которые отличаются тем, что в цилиндрах сгорание инициируют в последовательности 1-4-2-3 и с интервалами 180°CA, при этом цилиндры пронумерованы и перечислены последовательно вдоль продольной оси по меньшей мере одной головки блока, начиная с наружного цилиндра.
В двигателях внутреннего сгорания, чьи цилиндры оборудованы устройствами зажигания для воспламенения с принудительным зажиганием, полезны варианты способа, в которых цилиндры подвергают зажиганию посредством принудительного зажигания с интервалами 180°CA.
В двигателях внутреннего сгорания, чьи цилиндры приводятся в действие посредством самовоспламенения, полезны варианты способа, в которых самовоспламенение цилиндров инициируют с интервалами 180°CA.
Полезны варианты способа, в которых два цилиндра второй группы
down
выводят из работы при недоборе заданной нагрузки T, и
up
вводят в действие, если превышена заданная нагрузка T.
down
up
Здесь могут быть полезны варианты способа, в которых заданная нагрузка T и/или T зависит от скорости n вращения двигателя внутреннего сгорания.
Полезны варианты способа, в которых прекращают подачу топлива для выведенного из работы цилиндра и/или принудительное зажигание выведенного из работы цилиндра.
В двигателе внутреннего сгорания без наддува расход выхлопных газов приблизительно соответствует скорости вращения и/или нагрузке двигателя внутреннего сгорания, более точно в зависимости от регулирования нагрузки, используемого в отдельной ситуации. В традиционном двигателе с циклом Отто с количественным регулированием расход выхлопных газов возрастает с увеличением нагрузки даже при постоянной скорости вращения двигателя, тогда как в традиционных дизельных двигателях с качественным регулированием расход выхлопных газов зависит только от скорости вращения двигателя, так как в случае смещения нагрузки при постоянной скорости вращения двигателя изменяется состав смеси, но не количество смеси.
В случае двигателя внутреннего сгорания с наддувом посредством турбонаддува с приводом от выхлопных газов, следует учитывать, что давление наддува на стороне впуска может меняться в зависимости от нагрузки и/или скорости вращения двигателя и оказывать влияние на расход выхлопных газов. Зависимости, представленные выше в упрощенной форме между количеством выхлопных газов и нагрузкой или скоростью вращения двигателя, в таком случае, следовательно, не применяются в упомянутой общей форме.
Поэтому может быть полезным, чтобы частичный вывод из работы был основан на расходе выхлопных газов, а не на нагрузке. Частичный вывод из работы выполняется, если расход выхлопных газов падает ниже заданного расхода выхлопных газов.
В этом отношении могут быть полезны варианты способа, в которых два цилиндра второй группы
выводят из работы при недоборе заданного расхода выхлопных газов, и
вводят в работу, если превышен заданный расход выхлопных газов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет подробнее описано ниже на основе примерного варианта осуществления по фиг.1-3. На фигурах:
фиг.1 схематично показывает фрагмент первого варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания,
фиг.2 схематично показывает вид сверху выпускных коллекторов, встроенных в головку блока цилиндров, по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания, проиллюстрированному на фиг.1, и
фиг.3 показывает вариант осуществления коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания в виде схематичного эскиза.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 схематично показывает фрагмент первого варианта осуществления четырехцилиндрового рядного двигателя. Цилиндры 1, 2, 3, 4 расположены вдоль продольной оси головки 10 блока цилиндров. Каждый цилиндр 1, 2, 3, 4 снабжен выходным проемом 5a, который примыкает к выпускной магистрали 5 для выпуска выхлопных газов из цилиндров 1, 2, 3, 4 через систему 6 выпуска выхлопных газов.
Четыре цилиндра 1, 2, 3, 4 образуют две группы, в каждом случае с двумя цилиндрами 1, 2, 3, 4, при этом в каждом случае один наружный цилиндр 1, 4 и смежный внутренний цилиндр 2, 3 образуют группу. Выпускные магистрали 5 цилиндров 1, 2, 3, 4 каждой группы цилиндров соединены в каждом случае для образования общей выпускной магистрали 8 для образования отдельного выпускного коллектора 7. Турбина 17a турбонагнетателя 17 с приводом от выхлопных газов расположена в каждой общей выпускной магистрали 8, какая турбина приводит в движение связанный компрессор 17b, расположенный в системе впуска. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.1, два выпускных коллектора 7 встроены в головку 10 блока цилиндров, то есть выпускные магистрали 5 каждой группы соединены для образования общей выпускной магистрали 8 внутри головки 10 блока цилиндров.
Когда двигатель внутреннего сгорания находится в действии, цилиндры 3, 4 первой группы составляют цилиндры 3, 4 двигателя внутреннего сгорания, которые находятся в действии постоянно, тогда как цилиндры 1, 2 второй группы выполнены в качестве цилиндров 1', 2', которые могут вводиться в действие в зависимости от нагрузки и которые выводятся из работы в случае частичного вывода из работы при недоборе заданной нагрузки.
Фиг.2 схематично показывает вид сверху двух выпускных коллекторов 7, встроенных в головку 10 блока цилиндров, по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания, проиллюстрированного на фиг.1. Предпринята попытка просто пояснить дополнительные признаки относительно фиг.1, по этой причине сделана ссылка на фиг.1 и связанное описание. Одинаковые символы ссылок использовались для идентичных компонентов.
Выпускные магистрали 5 двух групп цилиндров соединены для образования общих выпускных магистралей 8 в пределах головки блока цилиндров отдельно друг от друга для образования двух встроенных выпускных коллекторов 7.
Фиг.3 показывает вариант осуществления коленчатого вала 15 двигателя внутреннего сгорания в виде схематичного эскиза.
Проиллюстрированный коленчатый вал 15 содержит пять подшипников 16 и, для каждого цилиндра, содержит кривошип 11, 12, 13, 14 коленчатого вала, связанный с цилиндром. Кривошипы 11, 12, 13, 14 коленчатого вала расположены на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси 15a коленчатого вала 15, при этом два кривошипа 11, 12, 13, 14 коленчатого вала двух цилиндров каждой группы цилиндров не имеют смещения по окружности вокруг продольной оси 15a коленчатого вала 15, чтобы цилиндры каждой группы цилиндров были механически синхронизированными цилиндрами. Кривошипы 11, 12 коленчатого вала первых двух цилиндров, то есть первой группы цилиндров, расположены со смещением на 180° по окружности на коленчатом валу 15 относительно кривошипов 13, 14 коленчатого вала третьего и четвертого цилиндров, то есть второй группы цилиндров. Момент M инерции, являющийся результатом массовых сил, предпочтительно должен уравновешиваться посредством балансировки масс (не показано).
ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ
1 Первый цилиндр, наружный цилиндр
1´ Отключаемый цилиндр второй группы цилиндров
2 Второй цилиндр, внутренний цилиндр
2´ Отключаемый цилиндр второй группы цилиндров
3 Третий цилиндр, внутренний цилиндр
4 Четвертый цилиндр, наружный цилиндр
5 Выпускная магистраль
5a Выходной проем
6 Система выпуска выхлопных газов
7 Выпускной коллектор
8 Общая выпускная магистраль
9 Впускная магистраль
9a Входной проем
10 Головка блока цилиндров
11 Кривошип коленчатого вала первого цилиндра
12 Кривошип коленчатого вала второго цилиндра
13 Кривошип коленчатого вала третьего цилиндра
14 Кривошип коленчатого вала четвертого цилиндра
15 Коленчатый вал
15a Продольная ось коленчатого вала
16 Подшипник коленчатого вала, подшипник
17 Турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов
17a Турбина
17b Компрессор
°CA Угол поворота коленчатого вала в градусах