СИСТЕМА ДРОССЕЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ И/ИЛИ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА ТОРМОЖЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
THROTTLING DEVICE SYSTEM TO CONTROL AND/OR ADJUST ENGINE BRAKING MODE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Настоящее изобретение относится к системе дросселирующего устройства для управления и/или регулирования режима торможения двигателем двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом для автомобилей согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
В двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом режим торможения двигателем может быть форсирован путем дросселирования системы отработавших газов, например, с помощью заслонки в качестве дросселирующего устройства за счет установки дросселирующего устройства выше по потоку турбины, работающей на ОГ. Таким образом, путем управления дросселирующим устройством могут быть целенаправленно увеличены производительность компрессора, приводимого в действие турбиной, работающей на отработавших газах, или давление наддува в системе впуска необходимого для сгорания воздуха двигателя внутреннего сгорания, чтобы увеличить расход (охлаждение) воздуха и мощность торможения в режиме торможения двигателем. Дросселирующее устройство может быть образовано посредством заслонок, задвижек, поворотных задвижек и т.п. и пристроено, например, на впускном фланце корпуса турбокомпрессора, работающего на отработавших газах.
Кроме того, из DE 10228003 A1 известна конструкция турбины, в которой затратным образом два смещенных относительно друг друга впускных канала расположены со смещением относительно друг друга в потоке отработавших газов корпуса турбины. В одном из впускных каналов установлена направляющая решетка с нерегулируемыми неподвижными направляющими лопатками, а во втором впускном канале - направляющая решетка с регулируемыми направляющими лопатками. Очевидно, что такое разветвление каналов с направляющими решетками разного исполнения является трудоемким и потому дорогостоящим.
Задачей изобретения является создание системы дросселирующего устройства названного в начале вида, с помощью которой конструктивно простыми средствами можно добиться дальнейшего повышения мощности торможения в режиме торможения двигателем, в частности, на менее значительных оборотах двигателя внутреннего сгорания.
Решение этой задачи достигается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные выполнения и усовершенствования изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно изобретению предлагается, чтобы дросселирующее устройство для дросселирования потока отработавших газов было расположено в устьевой области упомянутого по меньшей мере одного впускного канала в приемном пространстве рабочего колеса таким образом, чтобы дросселирующее устройство в своем закрытом положении по существу полностью перекрывало упомянутый по меньшей мере один впускной канал и тем самым гидравлическую связь (соединение по потоку) с приемным пространством рабочего колеса. Благодаря такому исполнению и такой системе дросселирующего устройства согласно изобретению конструктивно простым способом гарантировано, что даже в самом нижнем диапазоне оборотов двигателя внутреннего сгорания возможны высокие противодавления отработавших газов и тем самым высокая мощность торможения двигателем.
Кроме того, согласно особенно предпочтительному варианту выполнения предусмотрено, чтобы в корпусе турбины, работающей на отработавших газах, для каждого потока отработавших газов предусматривался один единственный впускной канал, оканчивающийся в согласованном приемном пространстве рабочего колеса. Благодаря этому, с одной стороны, достигается существенное конструктивное упрощение, например, в отношении конструкции, описанной выше в DE 10228003 А1, а с другой, добиваются того, чтобы надежно и быстро достигалось повышение противодавления и, связанно с этим, высокая мощность торможения двигателем в нижнем диапазоне оборотов.
В частности, в случае, если упомянутый по меньшей мере один впускной канал в устьевой области имеет меньшее поперечное сечение канала, чем в области находящегося выше по потоку, предпочтительно снабженного соединительным фланцем впуска турбины, в сочетании с положением дросселирующего устройства вблизи рабочего колеса турбины, кроме того, предпочтительно может быть использовано то обстоятельство, что при небольшом частичном открытии дросселирующего устройства вследствие близости дросселирующего устройства к рабочему колесу турбины и при небольших поперечных сечениях канала отработавший газ с большой скоростью подается прямо на рабочее колесо турбины. В результате рабочее колесо приводится сильнее, так что давление наддува по сравнению с другими обычными решениями повышается, а при большом расходе воздуха достигается более высокая мощность торможения двигателем.
Кроме того, предпочтительно предусмотрено, чтобы приемное пространство рабочего колеса для создания устьевой области впускного канала, а также для создания по меньшей мере одного стенового участка впускного канала содержало спирально втянутый внутрь в направлении турбинного колеса стеновой участок корпуса, формирующий своего рода губку, образующую концевую область впускного канала. Тем самым создается технологически и функционально удобная система, реализуемая без существенных конструктивных изменений на корпусе турбины, работающей на отработавших газах.
Особенно предпочтительно предлагается, чтобы дросселирующее устройство было выполнено конструктивно простым способом в виде по меньшей мере одной поворотной откидной заслонки. Она в закрытом положении по существу полностью перекрывает проточный канал, а в полностью открытом положении, предпочтительно, полностью открывает проточный канал, так что она ни в коей мере не препятствует потоку. Для обеспечения последнего предлагается укладывать поворотную откидную заслонку, образующую дросселирующее устройство, в ее полностью открытом положении ее стороной, обращенной к впускному каналу и/или к приемному пространству рабочего колеса, в расположенную со стороны стенки корпуса выемку по существу заподлицо с поверхностью примыкающей области стенки корпуса, так чтобы она в этом положении образовывала по существу сплошь гладкий и/или ровный стеновой участок корпуса.
Кроме того, в предпочтительном усовершенствованном варианте выполнения изобретения заслонка с помощью оси поворота, параллельной оси вращения турбины, может переставляться простым способом.
Согласно очередному особенно предпочтительному варианту осуществления настоящей изобретательской идеи дросселирующее устройство, предпочтительно, выполнено таким образом, что оно по меньшей мере в одном определенном открытом положении, предпочтительно, более или менее открытом положении относительно полностью открытого положения, направляет соплообразно поток газа на турбину. Тем самым особенно удается еще более повысить мощность турбины, работающей на отработавших газах, путем своего рода импульсного наддува с помощью импульса газового потока на малых оборотах двигателя внутреннего сгорания.
На более высоких оборотах дросселирующее устройство открывается больше, и за счет положения дросселирующего устройства в малом поперечном сечении канала вблизи рабочего колеса турбины кинетическая энергия отработавшего газа может превращаться в большую энергию скорости турбины, работающей на отработавших газах, с более высоким коэффициентом полезного действия.
В очередном варианте выполнения изобретения дросселирующее устройство при работающем на отработавших газах турбокомпрессоре с изменяемой геометрией турбины и при направляющем устройстве, расположенном вокруг рабочего колеса турбины, может быть позиционировано выше по потоку относительно направляющего устройства, а также непосредственно смежно с ним. При этом дросселирующее устройство, предпочтительно, выполнено таким образом, что оно по меньшей мере в открытом положении, в частности, по меньшей мере в определенном промежуточном положении между полностью закрытым и полностью открытым положением направляет поток отработавших газов на направляющее устройство. В частности, если в определенном режиме торможения двигателем дросселирующее и направляющее устройства приведены в действие для достижения определенного расхода газа через турбину, работающую на отработавших газах, то это создает дополнительную функционально благоприятную возможность управления и регулирования давления наддува, или режима торможения двигателем, со стороны входа, отвечающую соответствующим преобладающим условиям эксплуатации. Кроме того, в результате разности давлений на дросселирующем устройстве разгружается вследствие тамошнего незначительного давления установленная в направлении потока после дросселя регулируемая направляющая решетка, благодаря чему увеличивается срок ее службы и могут достигаться большие мощности торможения двигателем.
Кроме того, в случае работающего на отработавших газах турбокомпрессоре с устройством перепускного клапана для снижения давления наддува в линии наддува двигателя внутреннего сгорания канал, отводящий отработавшие газы, может ответвляться от корпуса турбины ниже по потоку относительно дросселирующего устройства. Это имеет то преимущество, что в режиме торможения двигателем давления отработавших газов ниже по потоку относительно дросселирующего устройства меньше, и поэтому они в меньшей степени нагружают устройство перепускного клапана. Однако в принципе устройство перепускного клапана могло бы ответвляться и выше по потоку относительно дросселирующего устройства, если бы только что упомянутое преимущество не было желательным или если бы это было вызвано конструктивными соображениями.
При двухпоточной турбине, работающей на отработавших газах, дросселирующим устройством, предпочтительно, могут быть оснащены оба впускных канала, которое конструктивно и с точки зрения техники управления особенно просто образовано с помощью двойной откидной заслонки, управляющей обоими впускными каналами в поперечном сечении.
Наконец, особенно целесообразным способом дросселирующее устройство и/или направляющее устройство при изменяемой геометрии турбины в режиме торможения двигателем, среди прочего, могут управляться в зависимости от давления наддува в линии наддува двигателя внутреннего сгорания, чтобы таким образом управлять или регулировать мощность торможения двигателем, соответствующую рабочим режимам двигателя внутреннего сгорания (оборотам, температуре и т.п.) и автомобиля (скорости).
Кроме того, задача согласно изобретению решается с помощью турбокомпрессора, работающего на отработавших газах, согласно пункту 14 формулы изобретения, а также с помощью способа согласно пункту 15 формулы изобретения. Преимущества, вытекающие из этого, уже были более подробно показаны ранее в связи с системой дросселирующего устройства, так что в этом отношении делается ссылка на вышеизложенные положения.
Ниже со ссылкой на схемы и в качестве примера более подробно в дальнейших деталях поясняются два примера выполнения изобретения. При этом
фиг. 1 изображает поперечное сечение турбины, работающей на отработавших газах, турбокомпрессора, работающего на отработавших газах, для дизельного двигателя с заслонкой, встроенной в его проточный канал для режима торможения двигателем, и с направляющим аппаратом, расположенным вокруг турбины, работающей на отработавших газах;
фиг. 2 - в перспективе турбокомпрессор, работающий на отработавших газах, с двухпоточной турбиной, работающей на отработавших газах, с двойной заслонкой, встроенной в оба проточных канала турбины, работающей на отработавших газах, для режима торможения двигателем и
фиг. 3 - двойную заслонку на фиг. 2 в отдельности.
На фиг. 1 грубо схематично изображено поперечное сечение работающей на ОГ турбины 1 турбокомпрессора, работающего на ОГ (отработавших газах), для двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением в автомобилях. Если не описано, то турбокомпрессор, работающий на отработавших газах, имеет известную конструкцию с опорным корпусом, корпусом компрессора и корпусом 2 турбины 1, работающей на отработавших газах.
В спиральном в поперечном сечении корпусе 2 на валу 4 расположено рабочее колесо 3 турбины, показанное лишь штриховой линией, причем вал 4 приводит в движение непоказанное рабочее колесо компрессора турбокомпрессора, работающего на отработавших газах.
Вокруг турбинного колеса 3 расположено направляющее устройство, соответственно, направляющий аппарат 5 с регулируемыми направляющими поток лопатками 6, которые регулируются посредством непоказанного механизма перемещения для управления приводной мощностью, соответственно, поглощающей способностью рабочего колеса 3 турбины и, соответственно, могут действовать также как дросселирующее устройство.
Корпус 2 турбины, работающей на отработавших газах, имеет содержащий соединительный фланец впуск 2а турбины, к которому примыкает впускной канал 2b, оканчивающийся/переходящий в спиральный канал 7 в виде приемного пространства рабочего колеса корпуса 2. К впуску 2а известным образом подсоединена расположенная выше по потоку направляющая отработавшие газы система двигателя внутреннего сгорания.
Отработавший газ течет в направлении стрелки через впуск 2а турбины в корпус 2, проходит через впускной канал 2b и спиральный канал 7, направляющий аппарат 5 и рабочее колесо 3, а затем по центру и примерно перпендикулярно плоскости чертежа вытекает в следующую, направляющую отработавшие газы систему в атмосферу.
Во впускном канале 2b, отделенном от спирального канала 7 стеновым участком 2с корпуса, вблизи рабочего колеса 3, соответственно, и направляющего аппарата 5 расположено дросселирующее устройство в виде поворотной откидной заслонки 8, которая из закрытого положения, перекрывающего впускной канал 2b (показано сплошной линией), может переставляться в полностью открытое положение (показано штриховой линией).
В полностью закрытом положении откидная заслонка 8, ориентированная в направлении потока целенаправленно под определенным углом наискосок, соответственно, под углом упирается в торец 2d стенки 2с корпуса и тем самым перекрывает впускной канал 2b, в то время как в полностью открытом положении она повернута в подогнанную под заслонку 8 выемку, соответственно углубление 2е, таким образом, чтобы ее поверхность, обращенная к спиральному каналу 7, располагалась заподлицо с прилегающей стеновой областью спирального канала 7 и образовывала там по существу сплошь гладкую, соответственно ровную стенку канала, не препятствующую потоку отработавших газов и, в частности, способствующую предотвращению нежелательных завихрений потока.
Заслонка 8 благодаря установленному в корпусе 2 валу 9, ось поворота которого направлена параллельно оси вращения рабочего колеса 3, является регулируемой, причем вал 9 приводится во вращение с помощью установочного рычага 10 и нагружаемого, например, гидравлически, исполнительного двигателя, а также (непоказанного) электронного устройства управления и/или регулирования, управляющего режимом торможения двигателем.
Заслонка 8 может устанавливаться в промежуточные положения, в которых она образует со стенкой 2с корпуса, соответственно, его торцом 2d более или менее эффективное в проходном сечении сопло, направляющее отработавший газ непосредственно на направляющий аппарат 5 и на рабочее колесо 3. В частично открытом положении на заслонке устанавливается значительная разность давлений. Отработавший газ расширяется до более низкого давления, вследствие чего возникающее в результате этого увеличение объема, скорость потока отработавшего газа существенно повышаются и тем самым турбине, работающей на отработавших газах, также предоставляется значительно больше энергии. Одновременно направляющий аппарат, если он имеется, а также уплотнение вала за счет пониженного давления после заслонки существенно разгружаются.
Заслонка 8 в режиме принудительного холостого хода двигателя внутреннего сгорания автомобиля и в настроенном режиме торможения двигателем переставляется, в числе прочего, в зависимости от давления наддува в линии наддува двигателя внутреннего сгорания в закрытое или промежуточное положение таким образом, чтобы турбина 1, работающая на отработавших газах, с помощью соответствующего привода компрессора поддерживала определенное давление наддува, чтобы тем самым обеспечить большой расход воздуха через двигатель внутреннего сгорания и в этой связи за счет повышенного противодавления отработавших газов обеспечить большую мощность торможения двигателем.
При этом частота вращения двигателя, скорость автомобиля, соотношение давлений и температур и т.д. регистрируются с помощью техники регулирования и учитываются путем настройки и регулирования промежуточных положений заслонки 8. Кроме того, путем регулирования углов установки направляющих лопаток 6 к регулированию может быть привлечен также направляющий аппарат 5, работающий на отработавших газах турбокомпрессора 1 с изменяемой геометрией турбины.
Турбокомпрессор, работающий на отработавших газах, с описанной турбиной 1, работающей на отработавших газах, содержит также встроенный в корпус 2 устройство перепускного клапана (Waste Gate), состоящее, например, из перепускного трубопровода, обходящего рабочее колесо 3, и встроенного перепускного клапана, и служащее для того, чтобы при повышенных мощностных требованиях к двигателю внутреннего сгорания с большим количеством отработавших газов подавать отработавшие газы в обход рабочего колеса 3, чтобы ограничить давление наддува во входной линии наддува или избежать превышенной частоты вращения.
При этом (обозначенное штрихпунктиром) устье перепускной линии 11 позиционировано ниже по потоку относительно заслонки 8. Этим добиваются того, чтобы высокое давление отработавших газов, имеющее место в режиме торможения двигателем в направляющей отработавшие газы системе выше по потоку относительно заслонки 8, не могло действовать на перепускной клапан устройства перепускного клапана; то же самое относится к направляющему аппарату 5, который, соответственно, также нагружен в меньшей степени. Управление устройством перепускного клапана в режиме торможения может быть использовано также для регулирования давления наддува и тем самым для регулирования мощности торможения.
На фиг. 2 в перспективе изображен турбокомпрессор 12, работающий на отработавших газах, с компрессором 13, опорным корпусом 14 и с двухпоточной турбиной 15, работающей на отработавших газах, которая имеет не описанную известную конструкцию.
Таким образом, здесь корпус 16 турбины 15, работающей на отработавших газах, содержит два ориентированных параллельно друг другу спиральных канала, впускных канала и фланцевидных впуска турбины (по аналогии с фиг. 1), которые с помощью сплошной стенки 16а корпуса образуют два потока отработавших газов, с помощью которых на соответствующим образом выполненное (непоказанное) турбинное колесо отдельно или совместно подается отработавший газ. Поперечные сечения обоих потоков отработавших газов обычным способом могут быть выполнены разными по размеру.
В обоих впускных каналах корпуса 16, как в описании к фиг. 1, откидные заслонки 17а, 17b (изображенные на фиг. 2 открытыми) для управления режимом торможения двигателем двигателя внутреннего сгорания установлены с возможностью поворота посредством вала 9 и приведения в действие посредством установочного рычага 10.
Как, в частности, показано на фиг. 3, заслонки 17а, 17b образованы закрепленной на валу 9 двойной заслонкой 17 и имеют между собой зазор 18 для разделительной стенки 16а корпуса, а в остальном они подогнаны под формы поперечных сечений обоих впускных каналов в корпусе 16 турбины 15, работающей на отработавших газах. Однако в принципе разделение потоков можно доводить также только до заслонки. В этом случае разделительная стенка заканчивается у закрытой заслонки, и последняя в этом случае может быть выполнена однопоточной.
Установка в корпусе 16 и функция двойной заслонки 17 в режиме торможения двигателем соответствуют отдельной заслонке 8 на фиг. 1 и поэтому во избежание повторов еще раз не поясняются.
Альтернативно заслонки 17а, 17b могут быть установлены также с возможностью раздельного срабатывания, чтобы тем самым создать дополнительную степень свободы в управлении режимом мощности торможения двигателем, или желательной мощностью торможения, что, однако, соответственно увеличило бы трудоемкость управления.
Изобретение не ограничено описанными примерами выполнения. При известных условиях в качестве дросселирующих устройств для эксплуатации моторного тормоза могли бы быть использованы также соответственно установленные задвижки, поворотные заслонки и т.д.
Перечень позиций
1 турбина, работающая на отработавших газах
2 корпус
2а впуск турбины
2b впускной канал
2с стенка корпуса
2d торец
2е углубление
3 рабочее колесо турбины
4 вал
5 направляющий аппарат
6 направляющие лопатки
7 спиральный канал
8 откидная заслонка
9 вал
10 установочный рычаг
11 устье перепускного канала
12 турбокомпрессор, работающий на отработавших газах
13 компрессор
14 опорный корпус
15 турбина, работающая на отработавших газах
16 корпус
16а стенка корпуса
17 двойная откидная заслонка
17а заслонка
17b заслонка
18 зазор.