СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к контролю и/или регулированию возможных утечек выхлопных газов из различных компонентов двигателя, а также направлению утечек в систему вентиляции картера.
Уровень техники
В двигателях внутреннего сгорания зачастую используют технологии улучшения различных характеристик двигателя. Однако эффективная технология, используемая в отношении одной части двигателя, может негативно повлиять на другие характеристики двигателя из-за увеличения сложности и/или использования дополнительных компонентов.
В качестве одного примера может быть рассмотрена технология снижения выбросов оксидов азота (NOx) в выхлопных газах двигателя, образующихся под воздействием высоких температур сгорания на азот и кислород во впускном воздухе, за счет рециркуляции выхлопных газов (EGR), при которой часть охлажденных выхлопных газов попадает обратно в камеру (камеры) сгорания двигателя и смешивается с впускным воздухом. При этом для увеличения полезной мощности двигателя может быть использован турбонагнетатель, использующий энергию выхлопных газов для привода компрессора и увеличения плотности впускного воздуха. Однако установка турбонагнетателя может усложнить процесс управления возможными нежелательными побочными продуктами в выхлопных газах.
В патенте США 6,089,019 (опубл. 18.06.2000) описана попытка решения проблемы увеличения сложности системы при одновременном использовании турбонагнетателя и рециркуляции выхлопных газов (EGR). В частности, в двигателе с турбонагнетателем впускные газы обычно имеют более высокое давление, чем выхлопные газы. Однако для возврата выхлопных газов во впускной коллектор выхлопные газы должны иметь более высокое давление, чем впускные газы. В указанном документе предлагается установить ограничительный клапан на участке выпускной линии выше по потоку от турбонагнетателя, который ограничит поток выхлопных газов и увеличит давление выхлопных газов. На впуске клапана системы рециркуляции EGR выхлопных газов создается увеличенное давление выхлопных газов, и клапан приводится в действие независимо от активации ограничительного клапана. Данное решение может быть выбрано в качестве аналога полезной модели.
Однако обнаружен ряд проблем, связанных с данным подходом. Например, в двигателе существуют другие области, где необработанные выхлопные газы могут быть все же выпущены в атмосферу, например области в двигателе с турбонагнетателем. Таким образом, необходимо разработать другую систему для снижения вредных выбросов, которые могут утекать или проходить через различные подвижные компоненты.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является обеспечение эффективного контроля и устранения утечек выхлопных газов в двигателе, не допуская их попадания в атмосферу.
Предложена система управления выхлопными газами двигателя, которая включает в себя механизм направления потока выхлопных газов в виде перепускной заслонки турбонагнетателя и полость, расположенную таким образом, чтобы улавливать выхлопные газы, вытекающие из подвижной части перепускной заслонки, а также канал для направления вытекших выхлопных газов в картер двигателя.
Утечки выхлопных газов могут возникать на перепускной заслонке турбонагнетателя.
Канал может быть соединен по текучей среде с картером через линию возврата масла для подшипника турбонагнетателя, через кожух кулачка, через головку цилиндров или через канал сапуна системы принудительной вентиляции картера.
Подвижная часть механизма направления потока выхлопных газов может представлять собой стержень, расположенный с возможностью перемещения в паре втулок, расположенных на расстоянии друг от друга, причем канал может включать в себя канавку, пересекающуюся со стержнем между втулками.
Полость может быть образована корпусом, герметично соединенным с механизмом направления потока выхлопных газов и ограничивающим объем вокруг части механизма направления потока выхлопных газов, из которой может произойти утечка.
Также предложена конструкция перепускной заслонки турбонагнетателя для двигателя, которая содержит корпус, герметично соединенный с частью перепускной заслонки, из которой может произойти утечка, а также канал от корпуса в систему принудительной вентиляции картера для переноса выхлопных газов, вытекающих из перепускной заслонки, в картер двигателя. Канал для потока выхлопных газов может включать в себя линию возврата масла для подшипника турбонагнетателя.
Часть перепускной заслонки, из которой может произойти утечка, может представлять собой стержень, расположенный внутри втулки с возможностью передачидвижения от исполнительного механизма клапану. При этом стержень может иметь привод от рычага или от диафрагмы.
Канал для потока выхлопных газов также может представлять собой канавку, пересекающуюся со стержнем, либо включать в себя зазор между двумя частями втулки.
Перепускная заслонка может дополнительно содержать две втулки на расстоянии друг от друга, а также стержень, расположенный внутри двух втулок с возможностью поступательного движения, причем канал для потока выхлопных газов может включать в себя канавку, расположенную в пространстве между втулками и пересекающуюся со стержнем.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлено схематическое поперечное сечение примера двигателя.
На Фиг. 2 представлено поперечное сечение перепускной заслонки турбонагнетателя, который может быть использован вместе с двигателем с Фиг. 1.
На Фиг. 3 представлено поперечное сечение другого варианта перепускной заслонки турбонагнетателя, который может быть использован вместе с двигателем с Фиг. 1.
На Фиг. 4 представлено поперечное сечение еще одного варианта перепускной заслонки турбонагнетателя, который может быть использован вместе с двигателем с Фиг. 1.
Осуществление полезной модели
Фиг. 1 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором представлено поперечное сечение двигателя 10, соответствующего предлагаемому решению. Некоторые элементы двигателя могут быть опущены или изображены в упрощенном виде для облегчения понимания настоящего описания. Например, некоторые области могут быть обозначены с помощью непрерывной поперечной штриховки, которая может обозначать сплошное тело, однако на практике обозначенные поперечной штриховкой области двигателя могут включать в себя различные компоненты и/или углубления или полости.
Фиг. 1 представляет собой поперечное сечение одного цилиндра 12 двигателя 10. Различные компоненты двигателя 10 могут управляться, по крайней мере, частично с помощью системы управления, которая может включать в себя контроллер (не показан), и/или с помощью входного сигнала, подаваемого водителем транспортного средства через устройство ввода, например, педаль газа (не показана). Цилиндр 12 может включать в себя камеру 14 сгорания. Поршень 16 может быть расположен внутри цилиндра 12 и совершать в нем возвратно-поступательное движение. Поршень 16 может быть соединен с коленчатым валом 18 с помощью шатуна 20, шейки 21 и колена 22, изображенных в данном примере вместе с противовесом 24. В некоторых примерах колено 22 и противовес 24 могут быть отдельными компонентами. Возвратно-поступательное движение поршня 16 может быть преобразовано во вращательное движение коленчатого вала 18. Коленчатый вал 18, шатун 20, шейка 21, колено 22 и противовес 24, а также другие, не показанные, элементы могут быть расположены в картере 26, где также находится масло. Коленчатый вал 18 может быть соединен с по крайней мере одним ведущим колесом транспортного средства через промежуточную трансмиссию. Кроме того, для запуска двигателя 10 может быть предусмотрен стартерный мотор, соединенный с коленчатым валом 18 с помощью маховика.
В камеру 14 сгорания воздух поступает из впускного канала 30, а газообразные продукты сгорания выводятся через выпускной канал 32. Впускной канал 30 могут выборочно сообщаться с камерой 14 сгорания через соответствующий впускной клапан 34 и выпускной клапан 36. Для регулирования количества воздуха, проходящего через впускной канал 30, может быть предусмотрен дроссель 31. В некоторых вариантах камера 14 сгорания может иметь два или более впускных клапана и/или два или более выпускных клапана.
В данном примере впускной клапан 34 и выпускной клапан 36 могут приводиться в действие системами 38 и 40 кулачкового привода. Системы 38 и 40 кулачкового привода каждая может содержать один или более кулачков 42 и может использовать одну или несколько систем, выбранных из следующего: системы переключения профиля кулачка (CPS), изменяемой синхронизации кулачка (VCT), изменяемой фазы газораспределения (VVT) и/или изменяемого подъема клапана (VVL), которые могут управляться контроллером 12 для изменения работы клапана. Кулачки 42 могут поворачиваться на соответствующих вращающихся коленчатых валах 44. Как показано, коленчатые валы 44 могут составлять конфигурацию с двумя верхними распределительными валами (DOHC), хотя возможны и другие конфигурации. Положение впускного клапана 34 и выпускного клапана 36 может быть определено позиционными датчиками (не показаны). В других вариантах управление впускным клапаном 34 и/или выпускным клапаном 36 может осуществляться электрическим клапанным приводом. Например, цилиндр 16 может иметь впускной клапан, управляемый с помощью электрического клапанного привода, и выпускной клапан, управляемый кулачковым приводом, включающим в себя системы CPS и/или VCT.
В одном варианте для каждого ряда цилиндров V-образного двигателя может быть использована двойная независимая система VCT. Например, в одном ряду V-образного двигателя цилиндр может иметь впускной и выпускной кулачки с независимой регулировкой, при этом установка фаз клапанного распределения каждого впускного и впускного кулачка может быть выполнена независимо от синхронизации коленчатого вала.
Топливная форсунка 50 показана соединенной непосредственно с камерой 14 сгорания для подачи топлива непосредственно внутрь цилиндра пропорционально ширине импульса сигнала, полученного от контроллера 12. Таким образом, топливная форсунка 50 обеспечивают так называемый непосредственный впрыск топлива в камеру 14 сгорания. Топливная форсунка 50 может быть установлена на стенке или в верхней части камеры сгорания. Топливо подается к топливной форсунке 50 с помощью топливной системы (не показана), которая включает в себя топливный бак, топливный насос и топливную рампу. В некоторых вариантах реализации камера 14 сгорания может альтернативно или дополнительно содержать топливную форсунку, установленную во впускном канале 30, в конфигурации, которая обеспечивает так называемый впрыск топлива во впускной канал, находящийся перед камерой 14 сгорания.
Система 52 зажигания может подавать искру зажигания в камеру сгорания 14 через свечу 54 зажигания в соответствии с сигналом опережения зажигания от контроллера 12 в выбранных рабочих режимах. Несмотря на то, что показаны компоненты искрового зажигания, в некоторых вариантах камера сгорания 14 или одна или более камер сгорания двигателя 10 могут работать в режиме воспламенения от сжатия с искрой зажигания или без искры.
Головка 60 цилиндров может быть соединена с блоком 62 цилиндров. Головка 60 цилиндров может быть выполнена с возможностью функционально размещать в себе или предоставлять опору для впускного клапана (клапанов) 34, выпускной клапан (клапаны) 36, соответствующие системы 38 и 40 клапанного привода и т.д. Головка 60 цилиндров также может быть опорой для коленчатых валов 44. Кожух 64 кулачка может быть соединен с головкой 60 цилиндров и/или установлен на ней, при этом в кожухе могут быть расположены соответствующие системы 38 и 40 клапанного привода и тому подобные системы. Другие компоненты, например, свеча 54 зажигания, могут быть расположены внутри головки 60 цилиндра и/или опираться на нее. Блок 62 цилиндров (блок двигателя) может быть выполнен с возможностью расположения в нем поршня 16. В одном примере головка 60 цилиндров может соответствовать цилиндру 12, расположенному на первом конце двигателя. Хотя на Фиг. 1 показан только один цилиндр 12 многоцилиндрового двигателя 10, каждый цилиндр 12 также может включать в себя собственные впускные/выпускные клапаны, топливную форсунку, свечу зажигания и т.д.
На Фиг. 1 также показан маслоотделитель 70, который может включать в себя камеру 72 отделения масла и нижнюю пластину 74, которая может составлять дно камеры 72 отделения масла. Показанный маслоотделитель 70 может являться частью кожуха 64 кулачка или может быть расположен в другом месте внутри двигателя 10, а также в месте, соединенном с ним. Нижняя пластина 74 и/или камера 72 отделения масла могут быть установлены на головке 64 цилиндра, или в ней, и/или опираться на нее. Маслоотделитель 70 может быть расположен вдоль части ряда двигателя, т.е. в направлении, практически параллельном осям коленчатых валов 44. Предполагается, что маслоотделитель 70 может также включать в себя кожух 64 кулачка. Маслоотделителя 70 также может содержать одну или несколько перегородок (не показаны).
Маслоотделитель 70 может являться частью системы 80 вентиляции картера двигателя. Система 80 вентиляции картера двигателя может представлять собой систему принудительной вентиляции картера (PCV). Система 80 вентиляции картера двигателя может являться частью двигателя 10, что позволит снизить количество нежелательных выхлопных газов, которые могут выходить из двигателя 10. Во время работы некоторые просачивающиеся газы 82, показанные на Фиг. 1 с помощью стрелок, могут проходить из камеры 14 сгорания в картер 26. Некоторые просачивающиеся газы 82 могут сгорать не полностью и могут повторно ступать в камеру 14 сгорания через первую линию 84 вентиляции картера, вторую линию 86 вентиляции картера и впускной канал 30, для обеспечения более полного сгорания. Однако просачивающиеся газы 82 могут содержать взвешенное масло, захваченное потоком газов из одной или нескольких областей внутри двигателя, например, из картера 26. При попытке отделения взвешенного масла из просачивающихся газов 82 смесь масла и просачивающихся газов 88, как показано стрелкой, может быть сначала пропущена через маслоотделитель 70.
Скорость потока вентиляционных газов картера, проходящих через систему 80 вентиляции картера для двигателя, может быть отрегулирована с помощью одного или более механизмов, которые могут включать в себя клапан 90. В некоторых случаях клапан 90 может представлять собой клапан системы принудительной вентиляции картера (PCV). В некоторых случаях может быть использована трубка 92 сапуна или канал сапуна и т.д., что позволит увеличить количество свежего воздуха, поступающего в картер 26 для выполнения продувки или снижения концентрации нежелательных картерных газов. В некоторых случаях трубка 92 сапуна может быть соединена с впускным коллектором и/или впускным каналом 30, используемым в качестве источника свежего воздуха.
Турбокомпрессор 94 может быть расположен на пути 96 всасывания воздуха для обеспечения сжатия всасываемого газа перед прохождением во впускной канал 30 двигателя 10. В некоторых вариантах может быть предусмотрен промежуточный охладитель (не показан), который обеспечит охлаждение впускного заряда до его поступления в двигатель. Турбокомпрессор 94 может приводиться в действие турбиной 98 на выхлопных газах, которая может приводиться в действие выхлопными газами, поступающими из выпускного коллектора 32. В некоторых случаях дроссель 31 может быть расположен ниже по потоку от турбокомпрессора 94, а не выше по потоку (как показано). Хотя это и не показано, двигатель 10 может иметь линию EGR рециркуляции выхлопных газов и/или систему EGR.
Поток выхлопных газов может регулироваться или управляться с помощью одного или более механизмов 99 направления потока выхлопных газов. Например, двигатель 10 может включать в себя перепускную заслонку 100, выполненную с возможностью выводить выхлопные газы из турбины 98 в выпускную линию 102. Перенаправление выхлопных газов может облегчить регулировку скорости вращения турбины 98, которая, в свою очередь, может регулировать скорость вращения турбокомпрессора 94. Перепускная заслонка 100 может быть выполнена в виде клапана. Перепускная заслонка 100 может быть использована, например, для регулировки максимального давления наддува в системе турбонагнетателя, которая может упростить защиту двигателя и турбонагнетателя.
Выпускная линия 102 может включать в себя одно или несколько устройств 104 для снижения токсичности выхлопа, которые могут иметь непосредственное соединение с выпускной линией 102. Одно или несколько устройств 104 могут представлять собой, например, трехходовой каталитический нейтрализатор, ловушку обедненного NOx, дизельный сажевый фильтр, окислительный каталитический нейтрализатор и т.д.
Двигатель 10 может включать в себя смазочную систему 106, например, систему масляной смазки, которая может включать в себя масляный насос 108 или иные исполнительные механизмы для накачки и/или сжатия масла, для перемещения смазки через смазочную систему 106. Масляный насос 108 может быть выполнен с возможностью засасывать масло из масляного бачка, расположенного в поддоне 110 картера, через канал 112 подачи. Смазочная система 106 может включать в себя различные патрубки 114, 116, 118 для подачи масла в различные масляные подсистемы. Масло может быть возвращено через один или несколько путей возврата, которые могут включать в себя возвратный канал 120, причем масло может протекать или попадать обратно в поддон 110 картера. Масло может быть отфильтровано с помощью масляного фильтра 122. Масляные подсистемы могут использовать поток масла для выполнения некоторых функций, например, для смазки, привода исполнительного механизма и т.д. Например, подсистемы могут включать в себя такие смазочные системы, как каналы для подачи масла к подвижным компонентам, например, к коленчатым валам, клапанам цилиндров и т.д. Другие масляные подсистемы могут включать в себя гидравлические системы с гидравлическими исполнительными механизмами и гидравлическими клапанами управления. При этом может быть использовано большее или меньшее количество масляных подсистем, чем в представленном примере.
Одна масляная подсистема может представлять собой смазочную систему 124 для подшипников турбины, которая может принимать масло через патрубок 118 подачи масла для турбины. Для обеспечения вращения турбокомпрессор 94 может быть соединен с турбиной 98 через вал 126 турбины. Вал 126 турбины может вращаться, опираясь на подшипники 128 турбины, и может смазываться с помощью смазочной системы 124 подшипников турбины. Масло может быть возвращено к другим деталям двигателя 10 для выполнения рециркуляции, фильтрации и т.д. через линию 130 возврата масла.
Как было сказано выше, перепускная заслонка 100 может быть примером механизма 99 направления потока выхлопных газов. Двигатель 10 также может включать в себя другие механизмы направления потока выхлопных газов, которые могут быть выполнены с возможностью управлять и/или направлять поток выхлопных газов в двигатель 10 и/или вокруг него. В некоторых случаях один или несколько механизмов 99 направления потока выхлопных газов могут пропускать разные количества неочищенных выхлопных газов в окружающую среду, например, из-за небольших зазоров между соседними деталями и/или из-за дефектных и/или изношенных уплотнений. Во многих случаях утечка (утечки) может быть небольшой, но при этом очень значительной и/или заметной. В свете глубокого изучения источников выбросов особое значение приобретают относительно небольшие утечки.
Примеры реализации полезной модели, могут включать в себя систему 132 управления выхлопными газами для двигателя 10. Система 132 управления выхлопными газами для двигателя может включать в себя полость 134, расположенную таким образом, чтобы улавливать выхлопные газы, вытекающие из подвижной части и/или сопряженных компонентов механизма 99 направления потока выхлопных газов. Система 132 управления выхлопными газами для двигателя также может включать в себя канал 136 для направления вытекающих выхлопных газов в картер 26 двигателя 10. Таким образом, можно контролировать и устранять даже относительно небольшие места утечек. Канал 136 может быть соединен по текучей среде с корпусом для переноса газов с помощью одного или нескольких соединений 138. Примерами корпусов для переноса газов могут быть сопряженные компоненты одного или нескольких соединений 138, которые могут включать в себя, не ограничиваясь этим, первую линию 84 вентиляции картера и трубку 92 сапуна. Одно или несколько соединений 138 могут обеспечить доступ газов в систему 80 принудительной вентиляции картера (PCV). Таким образом, газы, вытекающие из одного или нескольких механизмов 99, могут управляться или контролироваться системой 80 PCV вместо того, чтобы попадать в атмосферу.
В некоторых вариантах воплощения канал 136 может быть соединен по текучей среде с картером 26 через линию 130 возврата масла для подшипника 128 турбонагнетателя. В некоторых вариантах канал 136 может быть соединен по текучей среде с картером через кожух 64 кулачка. В некоторых вариантах канал 136 может быть соединен по текучей среде с картером 26 через головку 60 цилиндров. В некоторых вариантах канал 136 может быть соединен по текучей среде с картером 26 через канал 92 сапуна системы 80 принудительной вентиляции картера (PCV).
На Фиг. 2 представлен вид в разрезе примера механизма 99 направления потока выхлопных газов, который может представлять собой перепускную заслонку 100 турбонагнетателя; на Фиг. 3 представлен вид в разрезе другого примера перепускной заслонки 100 турбонагнетателя; а на Фиг. 4 представлен вид в разрезе еще одного примера перепускной заслонки 100 турбонагнетателя. Каждая перепускная заслонка 100 может быть использована вместе с двигателем с Фиг. 1 или другим двигателем. Изображенные перепускные заслонки 100 могут иметь одинаковые элементы и некоторые различия. Одинаковые детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
Каждая перепускная заслонка 100 может иметь впуск 140 и выпуск 142. Поток через перепускную заслонку 100 может управляться с помощью клапана 144. Каждая перепускная заслонка 100 может включать в себя полость 134, расположенную таким образом, чтобы улавливать выхлопные газы, вытекающие из подвижной части 146 перепускной заслонки 100. Каждая перепускная заслонка 100 также может включать в себя канал 136 для направления вытекающих выхлопных газов в картер 26 двигателя 10.
Подвижная часть 146 может представлять собой стержень 148, перемещающийся в паре втулок 150, расположенных на расстоянии друг от друга. Стержень 148 может представлять собой шток клапана. Канал 136 может включать в себя канавку 152, пересекающуюся со стержнем между втулками 150. В некоторых случаях полость 134 может быть расположена в корпусе 156, герметично соединенном с механизмом направления потока выхлопных газов, и ограничивать объем 158 вокруг части 154, из которой может произойти утечка, в механизме 99 направления потока выхлопных газов.
В некоторых вариантах подвижная часть 146 может быть соединена с диафрагмой 160, которая может перемещаться в зависимости от давления в объеме 162 между диафрагмой 160 и кожухом 164. Давление может изменяться в соответствии с соединением 166 для текучей среды. Соединение 166 может представлять собой отверстие контроллера наддува. Для смещения подвижной части 146, например, в закрытое положение может быть использована пружина 168.
Могут быть реализованы различные варианты перепускной заслонки 100 турбонагнетателя для двигателя 10. Перепускная заслонка 100 может иметь корпус 156, герметично соединенный с частью 154 перепускной заслонки 100, из которой может произойти утечка. Перепускная заслонка 100 также может включать в себя путь 136 потока от корпуса 156 в систему 80 принудительной вентиляции картера (PCV) для переноса выхлопных газов, вытекающих из перепускной заслонки 100, в картер 26 двигателя 10. Путь 136 потока может включать в себя линию 130 возврата масла для подшипника 128 турбонагнетателя.
Часть 154 перепускной заслонки, из которой может произойти утечка, может быть стержнем 148, расположенным внутри втулки 150 для передачи движения от исполнительного механизма 170 клапану 144. В некоторых случаях стержень 148 может приводиться в движение с помощью рычага 172.
В некоторых случаях стержень 148 может приводиться в движение с помощью диафрагмы 160. Путь 136 потока может представлять собой канавку 152, пересекающуюся со стержнем 148. Путь 136 потока может включать в себя зазор или пустое пространство 174 между двумя частями втулки 150. В некоторых случаях перепускная заслонка 100 турбонагнетателя может включать в себя две втулки 150, имеющие пустое пространство 174 между ними. Стержень 148 может быть расположен таким образом, чтобы двигаться по прямой в двух втулках 150. Путь 136 потока может включать в себя канавку 152, выровненную относительно пустого пространства 174 между втулками 150 и расположенную таким образом, чтобы пересекаться со стержнем 148.
Могут быть реализованы различные варианты перепускных заслонок 100 турбонагнетателя для двигателя 10. Перепускная заслонка 100 может включать в себя корпус 156, герметично соединенный с частью 154 перепускной заслонки 100, из которой может произойти утечка, и соединенной по текучей среде с картером 26 двигателя 10. В некоторых вариантах корпус 156 может быть соединен по текучей среде с картером 26 через систему 80 принудительной вентиляции картера. В некоторых вариантах корпус 156 может быть соединен по текучей среде с системой 80 принудительной вентиляции картера через линию 130 возврата масла для подшипника турбонагнетателя.