ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ И СИСТЕМОЙ ОБРАБОТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к двигателю внутреннего сгорания с наддувом.
Уровень техники
Двигатели внутреннего сгорания с наддувом используют, например, в качестве привода для транспортных средств. В рамках настоящего описания понятие "двигатель внутреннего сгорания" объединяет в себе дизельные двигатели, бензиновые двигатели с циклом Отто, а также гибридные двигатели внутреннего сгорания, другими словами, двигатели внутреннего сгорания, работающие с гибридным способом зажигания, и гибридные приводы, содержащие не только двигатель внутреннего сгорания, но и подключаемую к приводу электромашину, потребляющую мощность от двигателя или, в качестве вспомогательного привода предоставляющую дополнительную мощность.
Двигатели внутреннего сгорания все чаще оснащают наддувом, что является основным методом увеличения мощности. Для этого воздух, необходимый для процесса сгорания в двигателе, сжимают, в результате чего в каждый цилиндр может быть подано большее количество воздуха за один рабочий цикл. Таким образом, можно увеличить массу топлива и, следовательно, среднее полезное давление.
Форсирование является подходящим средством для увеличения мощности двигателя при неизменном рабочем объеме, или для уменьшения рабочего объема при сохранении мощности. В любом случае, наддув приводит к увеличению выхода объемной мощности и лучшему соотношению мощности к весу. При одинаковых граничных условиях транспортных средств диапазон нагрузок может быть смещен в сторону более высоких нагрузок, при которых удельное потребление топлива снижается. Такой эффект также называют «даунсайзинг» - снижение габаритов двигателя без потери рабочих характеристик.
Таким образом, наддув способствует развитию двигателей внутреннего сгорания в отношении уменьшения расхода топлива, т.е. увеличения коэффициента полезного действия двигателя, что обусловлено ограниченностью ресурсов в жидких энергоносителях, в частности, ограниченностью минерального масла, используемого в качестве сырья для получения топлива для двигателей внутреннего сгорания.
Как правило, для осуществления наддува используют турбокомпрессор, работающий на выхлопных газах, где компрессор и турбина расположены на одном валу. При этом горячий поток отработавшего воздуха подается на турбину, расширяется в этой турбине с высвобождением энергии, таким образом, вращая вал. Энергия, отдаваемая валу потоком выхлопных газов, также используется для привода расположенного на том же валу компрессора. Компрессор сжимает и нагнетает подаваемый в него наддувочный воздух, в результате чего обеспечивается наддув цилиндра. При необходимости может быть предусмотрено дополнительное устройство охлаждения наддувочного воздуха, которое охлаждает сжатый наддувочный воздух перед тем, как он попадет в цилиндры.
Преимущество турбокомпрессора, например, по сравнению с механическим компрессором, заключается в том, что механическая связь для передачи мощности между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания отсутствует или не является обязательной. В то время как механический компрессор получает всю энергию, необходимую для его работы, от двигателя внутреннего сгорания, тем самым, снижая создаваемую мощность и КПД, турбокомпрессор использует энергию выхлопных газов.
Проблемы наблюдаются в конструктивном исполнении турбокомпрессора, целью которого является значительное увеличение мощности во всех диапазонах частоты вращения двигателя. Когда частота вращения становится ниже определенного значения, в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом наблюдается сильное снижение крутящего момента. Этот эффект является нежелательным и потому относится к одному из самых больших недостатков турбокомпрессоров.
Такое падение крутящего момента становится понятным, если учесть, что степень наддува зависит от степени сжатия в турбине. Например, снижение числа оборотов двигателя ведет к уменьшению потока выхлопных газов и, следовательно, к меньшей степени сжатия в турбине. Таким образом, при низком числе оборотов также снижается степень наддува, что равносильно снижению крутящего момента.
Из уровня техники известно, что для улучшения характеристик крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом используют различные меры, например, небольшое сечение турбины и одновременный выпуск выхлопных газов, что также имеет свои недостатки при высоких оборотах двигателя. При превышении критической величины потока выхлопных газов часть потока выхлопных газов при выпуске отводится от турбины через перепускную линию.
На практике также можно объединить использование турбины небольшого сечения и выпуск наддувочного воздуха, но этот вариант редко используется из-за недостатков по расходу энергии, а имеющиеся нагнетатели могут достичь своего предела раньше, чем будет обеспечена требуемая мощность.
Тем не менее, турбокомпрессор может быть предназначен и для работы при высоком числе оборотов, например иметь большой диаметр турбины. При этом впускную систему конструируют таким образом, чтобы при низком числе оборотов динамический наддув происходил в результате волновых явлений. Недостатками такой конструкции являются высокие затраты на производство и большое время реакции на изменения числа оборотов.
Турбина с изменяемой геометрией позволяет выполнить дополнительную адаптацию геометрии турбины или ее эффективного поперечного сечения к соответствующей рабочей точке двигателя, чтобы можно было отрегулировать геометрию турбины с учетом низкого или высокого числа оборотов, а также с учетом низких или высоких нагрузок.
Характеристики крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом также можно улучшить за счет использования нескольких турбокомпрессоров, соединенных параллельно или последовательно, при необходимости в сочетании с механическим компрессором.
Двигатель внутреннего сгорания, соответствующий полезной модели, имеет по крайней мере два последовательно расположенных турбокомпрессора. За счет последовательного соединения турбокомпрессоров, из которых один турбокомпрессор служит ступенью низкого давления, а второй - ступенью высокого давления, можно расширить диапазон характеристик нагнетателя, а именно использовать как меньшие, так и большие потоки.
В частности, в турбокомпрессоре, используемом в качестве ступени высокого давления, можно сместить границу помпажа до меньших потоков, благодаря чему можно добиться высокой степени наддува даже при небольшом потоке из нагнетателя. Это существенно повышает крутящий момент в нижнем диапазоне частичной нагрузки. Этого можно достичь, приспособив конструкцию турбины высокого давления к небольшой массе потока выхлопных газов и предусмотрев перепускную линию, через которую выхлопные газы обходят турбину высокого давления при увеличении своей массы. Для этого перепускная линия отходит от выпускной линии выше по потоку от турбины высокого давления и снова выходит в выпускную линию ниже по потоку от турбины, при этом в перепускной линии расположен запорный элемент для регулировки обходящего турбину потока выхлопных газов.
Кроме того, конструкция с двумя последовательно соединенными турбокомпрессорами имеет и другие преимущества. Можно дополнительно увеличить мощность за счет наддува. Кроме того, отклик двигателя внутреннего сгорания с наддувом такого типа значительно улучшается по сравнению с аналогичным двигателем внутреннего сгорания с одноступенчатым наддувом, в частности, в диапазоне частичной нагрузки. Это связано с тем, что относительно меньшая ступень высокого давления не является такой инертной и медлительной, как относительно большой турбокомпрессор, используемый при одноступенчатом наддуве, так как рабочее колесо турбокомпрессора небольших размеров быстрее ускоряется и замедляется.
Это также может обеспечить преимущества, связанные с выбросами. Так как при ускорении необходимое увеличение подаваемой к цилиндрам воздушной массы с повышенным количеством топлива происходит с задержкой из-за инерции рабочих колес, наддувочный воздух в небольшом турбокомпрессоре высокого давления подается к двигателю практически без задержек. Таким образом, удается практически избегать рабочих состояний с повышенным количеством выхлопных газов.
Было доказано, что в сочетании с системой обработки выхлопных газов газотурбинный наддув может представлять собой проблему. Например, в европейской патентной заявке EP 1396619 A1 (опубл. 10.03.2004), которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога полезной модели, описан двигатель внутреннего сгорания с наддувом. Двигатель имеет впускную линию для подачи наддувочного воздуха, выпускную линию для отвода выхлопных газов, а также по крайней мере два последовательно соединенных турбокомпрессора на выхлопных газах, каждый из которых содержит турбину в выпускной линии и нагнетатель во впускной линии. Первый турбокомпрессор является ступенью низкого давления, а второй турбокомпрессор - ступенью высокого давления. Патентная заявка EP 1396619 A1 описывает одновременное использование турбонаддува выхлопными газами и обработку выхлопных газов, при этом предпочтительным является максимально близкое расположение системы обработки выхлопных газов к выпускному отверстию двигателя внутреннего сгорания. Для этого предложено несколько вариантов. В одном варианте в документе EP 1396619 предлагается перенаправлять поток выхлопных газов с помощью переключающих устройств и перепускных линий таким образом, чтобы он обходил обе турбины. Это имеет преимущества с точки зрения каталитического нейтрализатора, расположенного в выпускной линии ниже по потоку от турбин, в частности, после холодного пуска или при прогреве двигателя внутреннего сгорания, так как горячие выхлопные газы подаются непосредственно к катализатору, а не проводятся сперва с потерей тепла через турбины, которые следует рассматривать как области понижения температуры. Таким образом, после холодного пуска или при прогреве двигателя внутреннего сгорания каталитический нейтрализатор быстрее достигает точки начала температурного скачка. В другом варианте предусмотрено расположение каталитического нейтрализатора в перепускной линии, обходящей обе турбины.
Недостаток решения, описанного в EP 1396619, заключается в том, что вся масса выхлопных газов подается к катализаторам для их нагрева и при прогреве выхлопные газы вообще не проходят через турбины, и наддув отсутствует из-за недостатка давления.
В соответствии с известным уровнем техники решения такого конфликта между газотурбонаддувом и нейтрализацией выхлопных газов не предлагается.
EGR
Для удовлетворения растущих требований по предельным значениям выбросов оксидов азота все чаще используют систему рециркуляции выхлопных газов, т.е. рециркуляции выхлопных газов из выпускной линии во впускную линию, с помощью которой можно значительно снизить выброс оксидов азота, увеличив долю рециркуляции выхлопных газов. При этом долю рециркулированных выхлопных газов x определяют по следующей формуле:
EGR
EGR
EGR
frech air
х=m/(m+m)
EGR
frech air
где m - масса рециркулируемых выхлопных газов, m - подаваемый свежий воздух или воздух для сгорания (при необходимости направляемый и сжимаемый компрессором).
Система рециркуляции выхлопных газов предназначена также для уменьшения выбросов несгоревших углеводородов в диапазоне частичных нагрузок.
EGR
Для достижения заметного снижения выбросов оксидов азота необходимо большое количество рециркулируемых выхлопных газов, порядка x≈60-70%.
Однако в результате этого возникает конфликт при работе двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом выхлопными газами и одновременным использованием системы обработки выхлопных газов, когда рециркулируемые выхлопные газы забираются из выпускной линии выше по потоку от турбин и не могут быть использованы для работы турбины. Этот конфликт можно легко пояснить на примере двигателя внутреннего сгорания с одноступенчатым турбонаддувом выхлопными газами.
Одновременно с увеличением доли рециркулируемых выхлопных газов уменьшается поток оставшихся выхлопных газов, идущий к турбине. Меньший поток выхлопных газов через турбину означает меньшую степень сжатия в турбине. При снижении степени сжатия в турбине уменьшается и степень наддува, что также означает уменьшение потока нагнетателя. Помимо снижения давления наддува при работе нагнетателя могут возникнуть и другие проблемы, связанные с границей помпажа нагнетателя.
По этой причине необходимы такие концепции наддува, которые обеспечат, в частности, в диапазоне частичных нагрузок, достаточно высокое давление наддува одновременно с высокой долей рециркуляции выхлопных газов. Диапазон частичных нагрузок имеет большое значение, в частности, из-за испытания на токсичность выхлопных газов, установленного законодательством для проверки выбросов вредных веществ. Однако в принципе необходимо стремиться к достижению достаточно высокого давления наддува и высокой доле рециркуляции выхлопных газов при любых условиях работы.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является одновременное обеспечение достаточно высокого давления наддува и быстрого нагрева системы обработки выхлопных газов после холодного пуска.
Для достижения указанного эффекта предложен двигатель внутреннего сгорания с наддувом с впускной линией для подачи наддувочного воздуха, выпускной линией для отвода выхлопных газов, и по крайней мере двумя последовательно соединенными турбокомпрессорами, работающими на выхлопных газах, каждый из которых содержат турбину в выпускной линии и компрессор во впускной линии, причем один из турбокомпрессоров служит ступенью низкого давления, а второй турбокомпрессор -ступенью высокого давления.
При этом вторая турбина второго турбокомпрессора расположена выше по потоку от первой турбины первого турбокомпрессора, а второй компрессор второго турбокомпрессора расположен ниже по потоку от первого компрессора первого турбокомпрессора.
В системе предусмотрена первая перепускная линия, ответвляющаяся от выпускной линии выше по потоку от первой турбины с образованием точки разветвления, и вторая перепускная линия, которая ответвляется от выпускной линии выше по потоку от второй турбины, и в которой расположен запорный элемент.
В выпускной линии предусмотрена по крайней мере одна система обработки выхлопных газов, расположенная ниже по потоку от турбин, и система рециркуляции выхлопных газов, включающая в себя линию, ответвляющуюся от выпускной линии выше по потоку от обеих турбин и вливающуюся во впускную линию.
Отличительной особенностью заявленной конструкции является наличие клапана в указанной точке разветвления выпускной линии с перепускной линией.
Таким образом, двигатель внутреннего сгорания в соответствии с полезной моделью оснащен двумя последовательно соединенными турбинами, расположенными в выпускной линии, и двумя последовательно соединенными компрессорами, расположенными во впускной линии.
Предпочтительными являются варианты, в которых первый компрессор больше второго компрессора, так как при такой конструкции двигателя внутреннего сгорания первый компрессор представляет собой ступень низкого давления в рамках двухступенчатой компрессии, а второй компрессор сжимает уже предварительно сжатый воздух и, таким образом, представляет собой ступень высокого давления.
По этой же причине предпочтительными являются варианты, в которых первая турбина больше второй турбины. Это обусловлено тем, что вторая турбина служит в качестве турбины высокого давления, в то время как в первой турбине расширяется поток выхлопных газов, уже находящийся под относительно низким давлением и имеющий относительно небольшую плотность, так как он уже прошел через ступень высокого давления.
В соответствии с полезной моделью в турбине ступени высокого давления отсутствует перепускная линия, а турбина ступени низкого давления содержит перепускную линию, через которую выхлопные газы проходят в обход турбины.
При прогреве двигателя поток выхлопных газов (предпочтительно полностью) проходит через вторую турбину, т.е. турбину высокого давления, обходит первую турбину ниже по потоку от второй турбины по первой перепускной линии, отходящей от выпускной линии ниже по потоку от первой турбины, образуя точку разветвления, и снова вливается в выпускную линию.
Если во время прогрева двигателя через меньшую вторую турбину проходит весь поток выхлопных газов, это создает достаточно высокое давление наддува. Одновременно с этим, при прохождении выхлопных газов мимо первой турбины, большая турбина, которую следует рассматривать как область понижения температуры, становится не нужной, при этом поток горячих выхлопных газов направляется непосредственно к системе обработки выхлопных газов, вследствие чего после холодного пуска или при прогреве эта система быстрее достигает точки начала температурного скачка.
В точке разветвления, где первая перепускная линия отходит от выпускной линии, расположен клапан, который во время прогрева перекрывает выпускную линию и открывает перепускную линию так, что весь поток выхлопных газов проходит мимо первой большой турбины. Это представляет собой значительное преимущество по сравнению с традиционными вариантами, в которых клапан расположен в самой перепускной линии, и при открытом клапане выхлопные газы могут продолжать поступать в турбину ступени низкого давления. Несмотря на то, что турбина ступени низкого давления создает определенное сопротивление потоку, часть потока выхлопных газов проходит через большую первую турбину. Однако в рассматриваемых здесь режимах работы эта часть потока представляет собой довольно существенный процент всего потока выхлопных газов, и после холодного пуска не поступает непосредственно в систему нейтрализации выхлопных газов для ее нагрева.
Двигатель внутреннего сгорания в соответствии с полезной моделью позволяет устранить известные из уровня техники недостатки, в частности, после холодного пуска, одновременно обеспечить достаточно высокое давление наддува и быстрый нагрев системы обработки/нейтрализации выхлопных газов.
Система обработки выхлопных газов может представлять собой окислительный каталитический нейтрализатор, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, накопительный каталитический нейтрализатор, катализатор селективного восстановления и/или сажевый фильтр.
Предпочтительными являются варианты, в которых клапан, расположенный в точке разветвления, является трехходовым двухпозиционным клапаном или поворотной заслонкой.
При открывании первой перепускной линии из состояния полного ее перекрытия, заслонка может поворачиваться против направления потока выхлопных газов. Тогда в случае дефекта заслонки поток выхлопных газов переместит ее в положение, в котором первая перепускная линия перекрыта, а поток выхлопных газов проходит через обе турбины.
Предпочтительными являются варианты, в которых клапан имеет электрическое, гидравлическое, пневматическое, механическое или магнитное управление, предпочтительно посредством контроллера двигателя.
Предпочтительными являются варианты, в которых клапан управляется, т.е. может переключаться непрерывным образом или ступенчатым образом.
Предпочтительными являются варианты, в которых первая перепускная линия снова вливается в выпускную линию ниже по потоку от первой турбины.
Предпочтительными являются варианты, в которых вторая перепускная линия снова вливается в выпускную линию выше по потоку от первой турбины и ниже по потоку от второй турбины.
Преимущество того, что перепускные линии снова входят в выпускную линию, заключается в том, что можно направить весь поток выхлопных газов непосредственно к системе обработки выхлопных газов, расположенной в выпускной линии.
Предпочтительными являются варианты, в которых первый компрессор больше второго компрессор.
Предпочтительными являются варианты, в которых первая турбина больше второй турбины.
Предпочтительными являются варианты, в которых вторая турбина второго турбокомпрессора имеет изменяющуюся геометрию.
Изменяемая геометрия турбины повышает регулируемость наддува. Она обеспечивает плавное изменение геометрии турбины в зависимости от соответствующей рабочей точки двигателя внутреннего сгорания или от текущего потока выхлопных газов. В отличие от турбины с неизменной геометрией, не нужно искать компромиссные решения конструкции турбины, чтобы обеспечить удовлетворительный наддув во всех диапазонах числа оборотов или нагрузки.
В частности, сочетание турбины с изменяемой геометрией и перепускной линии, обходящей такую турбину, позволяет создать конструкцию турбины высокого давления, рассчитанную на очень маленькие потоки выхлопных газов и, соответственно, на нижний диапазон частичной нагрузки. Следовательно, можно добиться высокой степени сжатия в турбине даже при низком числе оборотов или при небольших потоках выхлопных газов.
Предпочтительными являются также варианты, в которых предусмотрена третья перепускная линия, ответвляющаяся от впускной линии ниже по потоку от первого компрессора, и в которой расположен запорный элемент. Такая перепускная линия может быть использована для выпуска наддувочного воздуха, и может вливаться во впускную линию выше по потоку от первого компрессора, за счет чего свежий воздух, не сжатый в первом компрессоре, не выпускается в атмосферу, а просто возвращается обратно. Для управления массой выдуваемого или возвращаемого свежего воздуха в перепускной линии предусмотрен запорный элемент.
Третья перепускная линия быть также может использована для впуска свежего воздуха, а именно в тех случаях, когда через первую большую турбину не проходит поток выхлопных газов, или же проходит лишь незначительное количество выхлопных газов, и вторая меньшая турбина выполняет работу компрессора. В таком случае первый компрессор представляет собой лишь сопротивление потока для свежего воздуха, который поступает ко второму компрессору. Перепускная линия позволяет обойти второй компрессор и, тем самым, дросселировать впускную линию.
Предпочтительными являются варианты, в которых во впускной линии ниже по потоку по потоку от компрессоров расположен охладитель наддувочного воздуха. Охладитель наддувочного воздуха понижает температуру наддувочного воздуха, что приведет к лучшему наполнению камеры сгорания воздухом, т.е. к большей воздушной массе.
Среди двигателей внутреннего сгорания по крайней мере с двумя цилиндрами, где каждый цилиндр имеет по крайней мере одно выпускное отверстие для вывода выхлопных газов из цилиндра и соединен с выпускным отверстием выпускной линии, предпочтительными являются варианты, в которых выпускные линии от по крайней мере двух цилиндров внутри головки блока цилиндров объединяются в по крайней мере одну общую выпускную линию.
В таком случае можно располагать турбины очень близко к выпускному отверстию двигателя внутреннего сгорания, т.е. близко к выпускным отверстиям цилиндров. В частности, преимущество такой конструкции состоит в оптимальном использовании тепловой функции выхлопных газов и обеспечении быстрого отклика турбин.
Встраивание выпускных коллекторов в головку блока цилиндров, помимо прочего, позволяет получить более компактную конструкцию головки блока цилиндров и, соответственно, двигателя внутреннего сгорания в соответствии с полезной моделью, а также позволяет компактно расположить всю двигательную установку. Кроме того, таким образом можно использовать жидкостное устройство охлаждения, предусмотренное в головке блока цилиндров, чтобы избежать необходимости изготавливать выпускные коллекторы из материалов, выдерживающих большую тепловую нагрузку, что требует больших затрат.
Среди форсированных двигателей внутреннего сгорания, имеющих по крайней мере одну головку блока цилиндров, которая может быть соединена с блоком цилиндров на монтажной торцевой стороне и которая оснащена по крайней мере одной рубашкой охлаждения, предпочтительными являются варианты, в которых по крайней мере одна встроенная рубашка охлаждения имеет нижнюю рубашку охлаждения, расположенную между выпускными линиями и монтажной торцевой стороной головки блока цилиндров, а также по крайней мере одну верхнюю рубашку охлаждения, расположенную на стороне выпускных линий, противоположной нижней рубашке.
В связи с этим предпочтительными являются варианты, в которых в наружной стенке головки блока цилиндров на некотором расстоянии от выпускных линий предусмотрено по крайней мере одно соединение между нижней и верхней рубашками охлаждения, из которого выходит по меньшей мере одна общая выпускная линия. Такое соединение служит для прохождения охлаждающей жидкости и расположено рядом с тем местом, где выпускные линии объединяются в общую выпускную линию.
Через такое соединение во внешней стенке головки блока цилиндров охлаждающая жидкость может переходить из нижней рубашки охлаждения в верхнюю рубашку охлаждения и наоборот. Для этого в головке блока цилиндров по крайней мере одно соединение расположено на той стороне встроенного выпускного коллектора, которая обращена в сторону от по крайней мере двух цилиндров. Таким образом, это соединение находится снаружи встроенного выпускного коллектора.
Под соединением в данном случае понимают отверстие или сквозной канал, который соединяет нижнюю рубашку охлаждения с верхней рубашкой охлаждения, и благодаря которому возможно движение охлаждающей жидкости между этими двумя рубашками.
С одной стороны, это позволяет обеспечить охлаждение в области внешней стенки головки блока цилиндров, от которого в известном уровне техники осознанно отказываются в пользу более компактной конструкции. С другой стороны, в дополнение к традиционному продольному потоку охлаждающей жидкости, т.е. потоку охлаждающей жидкости в направлении продольной оси головки блока цилиндров, появляется поперечный поток охлаждающей жидкости, проходящий перпендикулярно продольному потоку, предпочтительно в примерном направлении продольных осей цилиндров. При этом поток охлаждающей жидкости, проходящий через по крайней мере одно такое соединение, имеет решающее значение для отвода тепла. В частности, соответствующим образом изменяя размер сечения по крайней мере одного такого соединения, можно целенаправленно изменить скорость потока охлаждающей жидкости в соединении и, соответственно, теплоотвод в области такого соединения.
Поэтому предпочтительными являются варианты, в которых нижняя и верхняя рубашки охлаждения соединены друг с другом не на всем протяжении внешней стенки, а лишь на ее части. Благодаря этому можно повысить скорость потока в этом соединении, что приведет к повышению отвода тепла за счет конвекции. Преимущества такой конструкции заключаются в механической фиксации головки блока цилиндров.
Охлаждение головки блока цилиндров можно дополнительно улучшить целесообразным образом, создавая перепад давления между верхней и нижней рубашками охлаждения, из-за чего возрастает скорость в соединении, что, в свою очередь, приводит к увеличению отвода тепла из-за конвекции.
В соответствии с полезной моделью, по крайней мере одно указанное соединение расположено рядом с тем местом, где выпускные линии объединяются в общую выпускную линию.
В том месте, где выпускные линии объединяются в общую выпускную линию, и где собираются горячие выхлопные газы из цилиндров двигателя внутреннего сгорания, головка блока цилиндров подвергается особенно большой тепловой нагрузке.
Предпочтительными являются варианты, в которых предусмотрена перепускная линия, которая отходит от впускной линии выше по потоку от второго компрессора и снова вливается во впускную линию ниже по потоку от этого второго компрессора, при этом в указанной перепускной линии расположен запорный элемент.Такая перепускная линия обеспечивает обход компрессора высокого давления. Это позволяет регулировать поток свежего воздуха, проходящий через компрессор высокого давления, в зависимости от потока выхлопных газов, проходящего через турбину высокого давления, и доступной мощности турбины.
Предпочтительными являются варианты, в которых первая турбина, т.е. турбина ступени низкого давления, имеет изменяемую геометрию. Сказанное выше относительно турбины ступени высокого давления также действительно и для турбины ступени низкого давления, поэтому ниже будут приведены отсылки к уже описанным вариантам осуществления. Изменяемая геометрия турбины повышает регулируемость наддува. За счет регулировки лопастей обеспечивается плавное изменение геометрии турбины в зависимости от текущего потока выхлопных газов.
Предпочтительными являются варианты, в которых первая турбина имеет неизменяемую геометрию. Преимущество такого варианта заключается, прежде всего, в его стоимости. С одной стороны, при такой конструкции турбины отсутствует сложный и дорогостоящий механизм регулировки. С другой стороны, в соответствии с принципом конструкции турбиной не нужно управлять.
Предпочтительными являются варианты, в которых первый компрессор имеет фиксированную, неизменяемую геометрию. Преимущество компрессоров с неизменяемой геометрией, аналогично турбинам с неизменяемой геометрией, также заключается в меньшей стоимости, в частности, из-за более простой конструкции.
Первый компрессор также может иметь изменяемую геометрию (VCG). Преимущества изменяемой геометрии компрессора, в частности, проявляются в таких режимах работы, где через первую большую турбину проходит незначительное количество выхлопных газов, из-за чего первая турбина создает лишь небольшое количество мощности для нагнетания свежего воздуха. В таких случаях первый компрессор представляет собой лишь сопротивление потоку для подаваемого вторым компрессором свежего воздуха. Изменяемая геометрия компрессора позволяет дросселировать впускную линию, увеличивая сечение потока первого компрессора.
Предпочтительными являются варианты, в которых линия для рециркуляции выхлопных газов вливается во впускную линию ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха. Таким образом, поток выхлопных газов не проходит через охладитель наддувочного воздуха и, следовательно, не загрязняет его отложениями содержащихся в потоке выхлопных газов вредных веществ, например, частиц сажи и масла.
Предпочтительными являются варианты, в которых в линии рециркуляции выхлопных газов предусмотрен дополнительный охладитель. Этот дополнительный охладитель понижает температуру в потоке горячих выхлопных газов, тем самым повышая их плотность. За счет этого еще больше понижается температура заряда горючей смеси, возникающей при смешивании свежего воздуха и рециркулированных выхлопных газов. Таким образом, дополнительный охладитель также способствует лучшему заполнению камеры сгорания свежей смесью.
Предпочтительными являются варианты, в которых в линии рециркуляции выхлопных газов предусмотрен запорный элемент, предназначенный для управления количеством рециркулированных выхлопных газов.
При прогреве двигателя внутреннего сгорания открывается первая перепускная линия, а подача потока выхлопных газов к первой турбине по выпускной линии прекращается.
Краткое описание чертежей
Полезная модель более подробно поясняется на примере варианта осуществления со ссылкой на фигуру, где приведено схематическое изображение одного из вариантов выполнения двигателя внутреннего сгорания с наддувом согласно полезной модели.
Осуществление полезной модели
На фигуре показан первый вариант выполнения двигателя внутреннего сгорания 1 с наддувом на примере 6-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания с V-образной конфигурацией. Цилиндры 3 двигателя внутреннего сгорания 1 расположены в два ряда, образуя, таким образом, две группы цилиндров, в каждой из которых имеются выпускные линии для вывода горячих выхлопных газов, объединяющиеся в одну общую выпускную линию 4. При этом все выпускные линии 4 соединяются друг с другом, и во всех выпускных линиях преобладает одно и то же давление выхлопных газов. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания 1 имеет впускную линию 2 для подачи наддувочного воздуха или свежей смеси в цилиндры 3.
Двигатель внутреннего сгорания 1 оснащен двумя последовательно соединенными турбинами 6-1, 7-1, расположенными в выпускной линии 4, и двумя последовательно соединенными компрессорами 6-2, 7-2, расположенными во впускной линии 2, при этом турбины 6-1, 7-1 и компрессоры 6-2, 7-2 объединены с образованием турбокомпрессоров 6, 7. Таким образом, можно сжать наддувочный воздух, подаваемый в двигатель внутреннего сгорания 1, в две ступени, при этом первый турбокомпрессор 6 на выхлопных газах выступает в качестве ступени 6 низкого давления, а второй турбокомпрессор 7 на выхлопных газах - в качестве ступени 7 высокого давления.
По этой причине первый нагнетатель 6-2 больше второго нагнетателя 7-2, так как при такой конструкции двигателя 1 внутреннего сгорания первый компрессор 6-2 образует в рамках двухступенчатого сжатия ступень низкого давления, в то время как второй компрессор 7-2 сжимает предварительной сжатый воздух, тем самым представляя собой ступень высокого давления.
По той же причине первая турбина 6-1 больше второй турбины 7-1. Так как вторая турбина 7-1 выступает как ступень высокого давления, в то время как первая турбина 6-1 служит для расширения потока выхлопных газов, уже имеющим относительно низкое давление и плотность благодаря прохождению через ступень 7 высокого давления.
Ниже по потоку от компрессоров 6-2, 7-2 расположен охладитель 5 наддувочного воздуха. Охладитель 5 наддувочного воздуха понижает температуру наддувочного воздуха, тем самым увеличивая его плотность, что ведет к лучшему наполнению цилиндров 3 воздухом.
Вторая турбина 7-1 второго турбокомпрессора 7 имеет вторую перепускную линию 12, которая ответвляется от выпускной линии 4 выше по потоку от второй турбины 7-1 и снова вливается в выпускную линию 4 ниже по потоку от второй турбины 7-1, при этом в перепускной линии 12 расположен запорный элемент 13.
В варианте осуществления, показанном на фигуре, первая турбина 6-1 имеет неизменяемую геометрию. Для вывода выхлопных газов предусмотрена перепускная линия 14, которая отходит от выпускной линии 4 выше по потоку от первой турбины 6-1 и снова вливается в выпускную линию 4 ниже по потоку от первой турбины 6-1. В точке разветвления 8 расположен клапан 9 для управления перепускной линией 14 или потоком выдуваемых выпускных газов в выпускной линии 4.
В выпускной линии 4 ниже по потоку от турбин 6-1, 7-1 предусмотрена система 15 обработки выхлопных газов.
Первый компрессор 6-2 может быть оборудован третьей перепускной линией 10 (показанной пунктиром), которая отходит от впускной линии 2 ниже по потоку от первого компрессора 6-2. Эта перепускная линия 10 предназначена для выдува наддувочного воздуха и может возвращаться во впускную линию 2 выше по потоку от первого компрессора 6-2, благодаря чему наддувочный воздух, сжимаемый первым компрессором 6-2, не выдувается, а возвращается обратно. Для управления количеством выдуваемого или возвращаемого наддувочного воздуха в перепускной линии 10 предусмотрен запорный элемент 11.
Перечень ссылочных позиций
1
двигатель внутреннего сгорания с наддувом
2
впускная линия
3
цилиндры
4
выпускная линия, общая выпускная линия
5
охладитель наддувочного воздуха
6
первый турбокомпрессор на выхлопных газах, ступень низкого давления
6-1
первая турбина
6-2
первый нагнетатель
7
второй турбокомпрессор на выхлопных газах, ступень высокого давления
7-1
вторая турбина
7-2
второй нагнетатель
8
точка разветвления
9
клапан, двухпозиционный трехходовой клапан
10
третья перепускная линия
11
запорный элемент
12
вторая перепускная линия
13
запорный элемент
14
первая перепускная линия
15
система нейтрализации выхлопных газов