Способ эксплуатации приводного агрегата и приводной агрегат
Изобретение может быть использовано в системах управления двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Предложен способ эксплуатации приводного агрегата с бензиновым двигателем (1) и системой охлаждения выхлопного газа. Согласно способу воздух для сгорания, подводимый к цилиндру (3) бензинового двигателя (1) через впускной клапан, сжимается при помощи турбокомпрессора (12), который имеет турбину (13) с изменяемой геометрией лопаток. Впускной клапан закрывается, прежде чем поршень достигает в цилиндре (3) нижней мертвой точки. Подводимый к турбине выхлопной газ охлаждается в части выпускного трубопровода, в частности в выпускном коллекторе. Также предложен приводной агрегат для осуществления описанного способа и транспортное средство. Технический результат заключается в увеличении коэффициента полезного действия двигателя. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к способу эксплуатации приводного агрегата с признаками согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к приводному агрегату с признаками согласно ограничительной части пункта 10 формулы изобретения.
Заявитель просит установить приоритет по немецкой заявке на патент DE 10 2011122442.8 от 24.12.2011. Настоящим объем раскрытия этого документа в полном объеме включается в настоящую заявку.
В транспортных средствах, таких как, например, легковые автомобили или грузовые автомобили, как правило, для приведения в движение транспортного средства используются приводные агрегаты, выполненные в виде двигателей внутреннего сгорания. Как правило, двигатели внутреннего сгорания являются бензиновыми двигателями или дизельными двигателями. Для того чтобы сократить эксплуатационные расходы и снизить загрязнение окружающей среды транспортными средствами и для того чтобы повысить мощность, а также комфорт транспортного средства, в прошлом было предложено большое количество соответствующих усовершенствований для двигателей внутреннего сгорания.
Например, в DE 10159801 A1 раскрывается двигатель внутреннего сгорания с, по меньшей мере, одним нагнетателем, который приводится в движение струей выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, и с распределительным валом, который может перемещаться согласно способу Миллера. Последовательно или параллельно нагнетателю расположена дополнительная ступень компрессора, которая не приводится в движение струей выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания. При низких оборотах двигателя внутреннего сгорания посредством активации дополнительной ступени компрессора повышается давление наддува. Дополнительная ступень компрессора, которая не приводится в движение струей выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, может приводиться в движение, например, электричеством. Подобная ступень компрессора с электрическим приводом обозначается также как электрический бустер.
Способ Миллера известен из US 2670595. Описание способа Миллера можно также найти в статье «Цикл Миллера и Аткинсона у дизельного двигателя с наддувом» от Е. Шюттинга и других в журнале MTZ („Miller- und Atkinson-Zyklus am aufgeladenen Dieselmotor“, E. Schütting Motortechnische Zeitschrift), 2007 г., выпуск № 06, стр. с 480 по 485. Согласно способу Миллера после такта выпуска открывается впускной клапан, для того чтобы подводить воздух к цилиндру. Впускной клапан закрывается, прежде чем поршень достигает нижней мертвой точки такта впуска.
EP 2041414 B1 относится к способу эксплуатации бензинового двигателя, в котором по меньшей мере один впускной клапан бензинового двигателя закрывается слишком рано или слишком поздно и в котором поток воздуха для сгорания, направляемый к бензиновому двигателю, сжимается компрессором. По меньшей мере, при полной нагрузке к потоку воздуха для сгорания подводится часть потока возвращенного выхлопного газа в качестве рециркуляции выхлопного газа, и бензиновый двигатель приводится в движение с геометрической степенью сжатия больше чем 1:10.
DE 10233256 A1 относится к способу зажигания топливовоздушной смеси бензинового двигателя с прямым впрыском топлива при помощи предкамеры и искрового зажигания в предкамере. Предкамера находится в кинематической связи с небольшой полостью камеры сгорания в поршне.
Термодинамический коэффициент полезного действия бензиновых двигателей ограничен ввиду необходимого ограничения количественного управления нагрузкой, а также ввиду уменьшенной степени сжатия для предотвращения детонации двигателя. Один подход для исключения дросселирования в режиме частичной нагрузки и для возможного повышения геометрической степени сжатия представляет собой ранее упомянутый способ Миллера и известный из уровня техники способ Аткинсона. В данном способе при помощи раннего или позднего закрытия впускного клапана сокращаются расход воздуха и эффективное сжатие. Расход воздуха описывает качество смены заряда (рабочей смеси) и является отношением между фактическим количеством воздуха, которое было подведено к цилиндру во время такта впуска, к теоретически максимальному количеству воздуха. Вследствие этого двигатель не дросселируется, а также уменьшается температура в конце сжатия и тем самым склонность двигателя к детонации. Кроме того, может увеличиваться геометрическое сжатие. Тем не менее, известные в уровне техники способы Миллера и Аткинсона имеют значительную потерю мощности.
Поэтому задача данного изобретения состоит в том, чтобы увеличить коэффициент полезного действия бензинового двигателя, не уменьшая при этом мощность двигателя.
Эта задача решается с помощью способа эксплуатации приводного агрегата с бензиновым двигателем согласно пункту 1 формулы изобретения и соответственно с помощью приводного агрегата с бензиновым двигателем согласно пункту 10 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения раскрываются предпочтительные и целесообразные варианты осуществления и/или усовершенствованные варианты осуществления изобретения.
Согласно данному изобретению предоставляется способ эксплуатации приводного агрегата с бензиновым двигателем и системой охлаждения выхлопного газа. В предпочтительном варианте осуществления бензиновый двигатель является бензиновым двигателем с высокой степенью сжатия. Предпочтительный вариант осуществления может также обозначаться как бензиновый двигатель с высоким наддувом или с высокой степенью сжатия. Предпочтительно подведенный воздух для сгорания сжимается в цилиндре бензинового двигателя с геометрической степенью сжатия больше чем 1:10 и меньше чем 1:20. В частности, бензиновый двигатель является бензиновым двигателем с непосредственным впрыском. Другими словами, в предпочтительном варианте осуществления топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр.
В способе согласно изобретению воздух для сгорания, который подводится к цилиндру бензинового двигателя через впускной клапан, сжимается при помощи работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с турбиной, которая имеет изменяемую геометрию турбины. Согласно изобретению подводимые к турбине выхлопные газы охлаждаются в части выпускного трубопровода, в частности между выпускным клапаном бензинового двигателя и турбиной работающего на выхлопном газе турбокомпрессора. Предпочтительно выхлопные газы охлаждаются в выпускном коллекторе. Наиболее предпочтительно этот выпускной коллектор встроен в головку блока цилиндров бензинового двигателя.
Впускной клапан закрывается, прежде чем поршень достигает в цилиндре нижней мертвой точки цилиндра. Работающий на выхлопном газе турбокомпрессор предпочтительно включает в себя турбинное колесо и колесо компрессора, которые соединены друг с другом на валу. Турбинное колесо приводится в движение струей выхлопного газа бензинового двигателя. Колесо компрессора расположено в линии подачи воздуха для сгорания бензинового двигателя и, будучи приведено в движение при помощи соединенного с ним на валу турбинного колеса, сжимает воздух для сгорания, который подводится к цилиндрам бензинового двигателя. Эффективное поперечное сечение потока на входе в турбину выполнено переменным. Для этого, например, в корпусе турбины работающего на выхлопном газе турбокомпрессора, в котором (корпусе) расположено турбинное колесо, могут быть расположены регулируемые направляющие лопатки. Благодаря регулировке положения направляющих лопаток может изменяться частота вращения турбинного колеса при одинаковой струе выхлопного газа, вследствие чего может изменяться созданное колесом компрессора сжатие, так называемое давление наддува. Альтернативно эффективное поперечное сечение потока может варьироваться, например, при помощи подвижной втулки. Предпочтительно работающий на выхлопном газе турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины имеет радиальную турбину и радиальный компрессор. На входе турбинного колеса может быть предусмотрена система направляющих лопаток, которая регулируется электрическим исполнительным элементом. При этом благодаря развороту направляющих лопаток может варьироваться эффективное поперечное сечение потока перед турбинным колесом.
Благодаря раннему закрытию впускного клапана, прежде чем поршень достигает нижней мертвой точки, может увеличиваться степень сжатия бензинового двигателя, без возникновения при этом детонации двигателя. Благодаря изменчивости поперечного сечения потока на входе в турбину увеличивается рабочее поле характеристик турбины. Управление турбиной, в частности, производится в зависимости от требуемого давления наддува. При увеличивающейся нагрузке двигателя требуется более высокое давление наддува. Для его создания уменьшается поперечное сечение потока в турбине, для того чтобы создать повышенную мощность турбины. При этом в отличие от использования дизельного двигателя минимальное поперечное сечение потока турбины ограничивается максимально возможным противодавлением выхлопного газа. Тем самым управление также отличается от управления для работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с регулировкой побочного потока (Waste-Gate-регулятор давления наддува), так как в этом случае подобное ограничение в принципе не является необходимым.
Использование работающей на выхлопном газе турбины с изменяемой геометрией турбины приводит тем самым к более широко применимому полю характеристик компрессора, так что уже при средних нагрузках бензинового двигателя может создаваться достаточное давление наддува, для того чтобы компенсировать потери при наполнении, которые могут возникать благодаря раннему закрытию впускного клапана. Поэтому, в частности, в этих рабочих диапазонах может достигаться значительное увеличение термодинамического суммарного коэффициента полезного действия. Благодаря раннему закрытию впускного клапана в цилиндре во время такта впуска происходит дополнительное охлаждение воздуха для сгорания посредством расширения. Это приводит к сокращению работы сжатия, а также к снижению температуры технологического процесса, которая уменьшает склонность к детонации и потери тепла через стенки.
Кроме того, в способе согласно изобретению может уменьшаться температура выхлопного газа, вследствие чего создаются условия для выполнения работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с расчетом на низкие для бензиновых двигателей температуры выхлопного газа, например максимум на 850°С. Вследствие этого для бензинового двигателя по аналогии с современными дизельными двигателями возможен выбор материала, а также расчет величины зазора работающего на выхлопном газе турбокомпрессора, вследствие чего могут сокращаться расходы на работающий на выхлопном газе турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины. Кроме того, благодаря уменьшенному конструктивному исполнению зазора может увеличиваться коэффициент полезного действия турбины. Таким образом, в соответствии с данным способом по сравнению с эксплуатируемым согласно циклу Миллера бензиновым двигателем с работающим на выхлопном газе турбокомпрессором, который имеет жесткую геометрию турбины, может достигаться нейтральное относительно мощности увеличение коэффициента полезного действия.
Согласно одному варианту осуществления изменяемая геометрия турбины работающего на выхлопном газе турбокомпрессора регулируется в зависимости от нагрузки бензинового двигателя. Потери при наполнении, которые появляются благодаря раннему закрытию впускного клапана, свойственны, могут компенсироваться во всех диапазонах нагрузки бензинового двигателя соответствующим образом посредством регулировки изменяемой геометрии турбины благодаря более широкому полю характеристик работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с изменяемой геометрией турбины. Кроме того, в частности, в режиме работы с полной нагрузкой могут уменьшаться температура процесса и температура выхлопного газа, вследствие чего увеличивается коэффициент полезного действия бензинового двигателя, и могут использоваться экономичные материалы в выхлопном тракте и в турбине работающего на выхлопном газе турбокомпрессора.
Согласно другому варианту осуществления подводимый к цилиндру воздух для сгорания дополнительно сжимается при помощи компрессора с электрическим приводом, так называемого электрического бустера. Благодаря раннему закрытию впускного клапана, прежде чем поршень достигает в цилиндре нижней мертвой точки, сокращается расход воздуха, то есть уменьшается отношение фактического количества воздуха, которое подводится к цилиндру, к теоретически максимальному количеству воздуха в цилиндре. За счет сокращенного расхода воздуха может увеличиваться время отклика бензинового двигателя, в частности, на требование для увеличения числа оборотов или крутящего момента. При помощи компрессора с электрическим приводом время отклика бензинового двигателя может уменьшаться благодаря тому, что воздух для сгорания предварительно сжимается посредством компрессора с электрическим приводом и таким образом ускоряется работающий на выхлопном газе турбокомпрессор. Электрический привод компрессора потребляет мощность, например, менее чем 1 кВт и тем самым может приводиться в действие электрической сетью в 12 В, которая имеется, как правило, в транспортном средстве. Кроме того, комбинация из работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с изменяемой геометрией турбины и компрессора с электрическим приводом обеспечивает возможность эксплуатации компрессора с электрическим приводом лишь кратковременно для улучшения времени отклика бензинового двигателя, и, следовательно, нет необходимости в мерах для повышения электрической мощности электрической сети транспортного средства.
Благодаря предусмотренной в части вариантов осуществления комбинации работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с компрессором, который приводится в действие механически при помощи коленчатого вала, может достигаться очень широкое поле характеристик компрессора. Вследствие этого потери при наполнении, вызванные ранним закрытием впускного клапана, могут компенсироваться в широких диапазонах числа оборотов и нагрузки бензинового двигателя. Таким образом, может снова достигаться нейтральное относительно мощности увеличение коэффициента полезного действия бензинового двигателя в более широком диапазоне нагрузки бензинового двигателя.
Согласно усовершенствованному варианту осуществления изобретения перепускной клапан работающего на выхлопном газе турбокомпрессора может регулироваться в зависимости от нагрузки бензинового двигателя. Перепускной клапан направляет заданную часть выхлопных газов бензинового двигателя мимо турбины работающего на выхлопном газе турбокомпрессора. Подобный перепускной клапан обозначается также как регулятор давления наддува (waste gate) или байпасный клапан. При помощи перепускного клапана, в частности, при высоких числах оборотов бензинового двигателя широкое поле характеристик компрессора может также предоставляться в диапазоне полной нагрузки, вследствие чего компенсация потерь при наполнении может регулироваться соответствующим образом.
Согласно другому наиболее предпочтительному усовершенствованному варианту осуществления изобретения бензиновый двигатель включает в себя линию рециркуляции выхлопного газа, причем выхлопные газы, которые направляются по линии рециркуляции выхлопного газа, охлаждаются. Линия рециркуляции выхлопного газа может включать в себя, например, так называемую линию рециркуляции выхлопного газа высокого давления и/или так называемую линию рециркуляции выхлопного газа низкого давления. Линия рециркуляции выхлопного газа высокого давления соединяет отвод выхлопного газа между выпускными клапанами бензинового двигателя и турбиной работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с линей подачи воздуха для сгорания между компрессором и впускными клапанами. Линия рециркуляции выхлопного газа низкого давления соединяет отвод выхлопного газа за турбиной работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с линией подачи воздуха для сгорания перед компрессором. Благодаря охлаждению линии рециркуляции выхлопного газа подводимый к бензиновому двигателю воздух для сгорания может охлаждаться, и таким образом может уменьшаться температура технологического процесса. Рециркуляция выхлопного газа может осуществляться, например, при помощи средства охлаждения двигателя благодаря использованию, например, встроенного выпускного коллектора. В частности, система охлаждения выхлопного газа для рециркулирующих выхлопных газов может быть той же системой охлаждения выхлопного газа, которая воздействует на выхлопные газы, подводимые к турбине работающего на выхлопном газе турбокомпрессора.
Увеличение коэффициента полезного действия возникает, прежде всего, в отношении увеличивающейся мощности двигателя. В этом случае современные решения бензиновых двигателей должны понижать температуру технологического процесса посредством дополнительной подачи топлива в цилиндре, для того чтобы защищать отводящие выхлопной газ конструктивные элементы от слишком высокой тепловой нагрузки. Как правило, это приводит к высокому перерасходу топлива. Благодаря использованию встроенного выпускного коллектора эта мера может значительно сокращаться, и тем самым коэффициент полезного действия двигателя может увеличиваться на несколько процентов в сторону высокой мощности двигателя. Таким образом, по сравнению с использованием обычных систем рециркуляции выхлопного газа при помощи встроенного выпускного коллектора может значительно уменьшаться температура выхлопного газа.
Кроме того, впускной клапан может закрываться в диапазоне от 35° до 90° угла поворота коленчатого вала бензинового двигателя перед нижней мертвой точкой между тактом впуска и тактом сжатия. В частности, впускной клапан может закрываться в диапазоне от 50° до 70° угла поворота коленчатого вала бензинового двигателя перед нижней мертвой точкой. При этом закрытие впускного клапана соотнесено с высотой подъема клапана на миллиметр, то есть впускной клапан закрывается в вышеупомянутом диапазоне углов поворота коленчатого вала настолько, что оставшаяся высота подъема клапана меньше миллиметра или равна миллиметру. Благодаря раннему закрытию впускного клапана подведенный до этого времени воздух для сгорания расширяется в дальнейшем ходе такта впуска, вследствие чего воздух для сгорания охлаждается. Это приводит к сокращенной работе сжатия в последующем такте сжатия, а также к понижению температуры технологического процесса, вследствие чего могут уменьшаться склонность бензинового двигателя к детонации и сокращаться потери тепла через стенки. Одновременно для рабочего такта имеется в распоряжении полная степень расширения.
Согласно другому усовершенствованному варианту осуществления изобретения бензиновый двигатель включает в себя газораспределительный механизм с изменяемыми фазами газораспределения. Угол, при котором закрывается впускной клапан, устанавливается в зависимости от нагрузки бензинового двигателя при помощи газораспределительного механизма с изменяемыми фазами газораспределения. Благодаря установке угла, при котором закрывается впускной клапан, в зависимости от нагрузки может регулироваться расход воздуха, так что создаются условия для регулировки нагрузки двигателя без дросселирования, которая (регулировка) обеспечивает возможность нейтрального относительно мощности увеличения коэффициента полезного действия.
Кроме того, дополнительно или альтернативно выхлопные газы охлаждаются между выпускным клапаном бензинового двигателя и работающим на выхлопном газе турбокомпрессором посредством охлаждения выпускного коллектора бензинового двигателя. Благодаря охлаждению выхлопных газов перед работающим на выхлопном газе турбокомпрессором возможно выполнение работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с расчетом на более низкие температуры выхлопного газа, вследствие чего создаются условия для более экономичного выбора материала, а также для конструктивного исполнения зазора с меньшими размерами.
Кроме того, согласно данному изобретению предоставляется приводной агрегат с бензиновым двигателем. Приводной агрегат включает в себя работающий на выхлопном газе турбокомпрессор с турбиной, которая имеет изменяемую геометрию турбины, и газораспределительный механизм. Работающий на выхлопном газе турбокомпрессор сконструирован для сжатия воздуха для сгорания, подводимого к цилиндру бензинового двигателя через впускной клапан. Газораспределительный механизм сконструирован закрывать впускной клапан, прежде чем поршень достигает в цилиндре нижней мертвой точки, в частности, между тактом впуска и тактом сжатия. Таким образом, бензиновый двигатель, в частности, подходит для осуществления ранее описанного способа с одним или несколькими из описанных признаков и потому включает в себя также ранее описанные преимущества. В частности, бензиновый двигатель обеспечивает возможность увеличения коэффициента полезного действия по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, причем мощность бензинового двигателя не уменьшается посредством увеличения коэффициента полезного действия.
Согласно изобретению приводной агрегат имеет охладитель выхлопного газа, который согласован с частью выпускного трубопровода, для охлаждения выхлопного газа, подводимого в части выпускного трубопровода к турбине. В некоторых вариантах осуществления часть выпускного трубопровода является выпускным коллектором. Предпочтительным образом выпускной коллектор преимущественно встроен частично или (наиболее предпочтительно) полностью в головку блока цилиндров бензинового двигателя.
Если речь идет о встроенном выпускном коллекторе, то выполненный, как правило, отдельно выпускной коллектор полностью встраивается в головку блока цилиндров, и тем самым после выхода из головки блока цилиндров остается единственное трубное соединение для турбины. Для того чтобы не повысить температуру конструктивных элементов до недопустимого уровня, газопроводящий контур выполняется с возможностью обтекания охлаждающим веществом. При этом эта рубашка охлаждения может также представлять собой литейные стержни, состоящие из нескольких частей. Охлаждающее вещество может быть, в частности, водой.
Соответствующие изобретению приводные агрегаты могут иметь бензиновый двигатель с геометрической степенью сжатия в диапазоне от 1:10 до 1:20, предпочтительно от 1:12 до 1:15, в частности 1:13. Подобные большие степени сжатия возможны, так как при помощи раннего закрытия впускного клапана расход воздуха устанавливается <1 и вследствие этого может предотвращаться склонность бензинового двигателя к детонации. Расход воздуха устанавливается, например, в диапазоне от 0,5 до 0,9, предпочтительно в диапазоне от 0,6 до 0,8.
Наконец согласно данному изобретению предоставляется транспортное средство, в частности безрельсовое наземное транспортное средство, с одним из описанных приводных агрегатов, которые включают в себя бензиновый двигатель. Благодаря повышенному коэффициенту полезного действия бензинового двигателя могут сокращаться расход топлива и выбросы вредных веществ транспортного средства, в частности выбросы CO2. Так как увеличение коэффициента полезного действия, как это было ранее описано, может осуществляться нейтрально относительно мощности, для пользователя транспортного средства во время эксплуатации транспортного средства не возникают потери мощности.
Предпочтительные варианты осуществления данного изобретения ниже описываются подробно со ссылкой на чертежи, на которых показано:
Фиг. 1 - схематичное изображение приводного агрегата с бензиновым двигателем согласно одному варианту осуществления данного изобретения;
Фиг. 2 - другое схематичное изображение приводного агрегата с бензиновым двигателем согласно другому варианту осуществления данного изобретения;
Фиг. 3 - схематично транспортное средство согласно одному варианту осуществления изобретения.
В обычных бензиновых двигателях термодинамический коэффициент полезного действия ограничен ввиду необходимого дросселирования количественного управления нагрузкой, а также ввиду уменьшенной степени сжатия для предотвращения детонации двигателя. Один подход для исключения дросселирования в режиме частичной нагрузки и для возможного повышения геометрической степени сжатия представляет собой так называемый способ Миллера или способ Аткинсона. При этом с помощью раннего или позднего закрытия впускного клапана (раннее закрытие впуска, РЗВ; позднее закрытее впуска, ПЗВ) сокращаются расход воздуха и эффективное сжатие. Вследствие этого двигатель не дросселируется, а также уменьшается температура в конце сжатия и тем самым склонность двигателя к детонации или увеличивается геометрическое сжатие. Расход воздуха, который означает отношение фактического количества воздуха и теоретически максимального количества воздуха после такта впуска, может сокращаться благодаря способу Миллера, например, с 0,95 до 0,5-0,9. Тем не менее, ввиду сокращенного расхода воздуха может возникать потеря мощности. Для того чтобы предотвращать эту потерю мощности и несмотря на это достигать увеличения коэффициента полезного действия посредством способа Миллера, согласно одному варианту осуществления данного изобретения предлагается бензиновый двигатель с циклом Миллера с высокой степенью сжатия и с работающим на выхлопном газе турбокомпрессором, который имеет изменяемую геометрию турбины. Для того чтобы осуществить цикл Миллера с высокой степенью сжатия, впускной клапан закрывается, прежде чем поршень достигает в соответствующем цилиндре нижней мертвой точки. Впускной клапан может закрываться, например, в диапазоне от 90° до 35° угла поворота коленчатого вала перед достижением нижней мертвой точки. Предпочтительно, впускной клапан может закрываться в диапазоне от 70° до 50° угла поворота коленчатого вала перед достижением нижней мертвой точки.
На Фиг. 1 показан один вариант осуществления приводного агрегата с бензиновым двигателем 1. Предпочтительно бензиновый двигатель 1 является двигателем внутреннего сгорания Отто. Бензиновый двигатель 1 включает в себя блок 2 цилиндров с четырьмя схематично изображенными цилиндрами 3. На стороне 4 впуска к бензиновому двигателю 1 подводится воздух для сгорания при помощи впускных клапанов, которые не изображены на фигуре. Впускные клапаны могут включать в себя изменяемый клапанный механизм, так что может устанавливаться угол поворота коленчатого вала, при котором закрывается впускной клапан. Воздух для двигателя, который подводится к стороне 4 впуска, включает в себя свежий воздух 5, а также отработанные выхлопные газы 6, которые смешиваются со свежим воздухом 5 при помощи линий рециркуляции 7 и 8 выхлопного газа. Свежий воздух 5 смешивается с выхлопными газами 6 при помощи линии 8 рециркуляции выхлопного газа низкого давления с регулируемым клапаном 9 рециркуляции выхлопного газа низкого давления. Выхлопной газ, подводимый по линии 8 рециркуляции выхлопного газа низкого давления, дополнительно охлаждается охладителем 18. Эта смесь сжимается при помощи компрессора с электрическим приводом, так называемого электрического бустера. Электрический бустер включает в себя компрессор 10, который приводится в действие электродвигателем 11. При помощи (не изображенной) системы управления электродвигателя 11 может регулироваться вызываемое компрессором 10 сжатие.
В этом варианте осуществления сжатый компрессором 10 воздух подводится к работающему на выхлопном газе турбокомпрессору 12 с изменяемой геометрией турбины. Работающий на выхлопном газе турбокомпрессор 12 включает в себя турбину 13, приводимую в движение выхлопным газом бензинового двигателя 1, и компрессор 14, которые соединены друг с другом при помощи общего вала 15. К сжатому компрессорами 10 и 14 воздуху для сгорания при помощи линии 7 рециркуляции выхлопного газа высокого давления может подводиться другой выхлопной газ со стороны 16 выпуска бензинового двигателя 1. Для регулировки рециркуляции выхлопного газа при помощи линии 7 рециркуляции выхлопного газа высокого давления линия 7 рециркуляции выхлопного газа высокого давления включает в себя клапан 17 рециркуляции выхлопного газа высокого давления. Сжатый таким образом и смешанный с выхлопными газами воздух для сгорания подается к стороне 4 впуска через охладитель 19 наддувочного воздуха. Со стороны 16 выпуска выхлопные газы четырех цилиндров 3 собираются в выпускном коллекторе 20 и подаются к линии 7 рециркуляции выхлопного газа высокого давления, а также к турбине 13 с изменяемой геометрией. Для охлаждения выхлопных газов выпускной коллектор 20 может включать в себя охладитель 21 выхлопного газа, который (охладитель) охлаждается, например, охлаждающей водой.
Кроме того, работающий на выхлопном газе турбокомпрессор 12 включает в себя опциональный перепускной клапан 22, при помощи которого задаваемая часть выхлопных газов бензинового двигателя 1 может направляться в обход турбины 13 работающего на выхлопном газе турбокомпрессора 12. Ниже турбины 13 по потоку выхлопного газа бензиновый двигатель 1 включает в себя систему 23 очистки выхлопного газа, например трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Кроме того, бензиновый двигатель 1 включает в себя систему впрыска бензина, предпочтительно систему непосредственного впрыска бензина, которая впрыскивает топливо непосредственно в цилиндр 3.
Исходя из бензинового двигателя 1 с наддувом и, например, с непосредственным впрыском бензина вариативность клапанного механизма регулируется относительно фазы, диапазона управления и отключения цилиндров для регулировки нагрузки двигателя без дросселирования при помощи коэффициента наполнения. Одновременно блок 2 цилиндров бензинового двигателя 1 имеет увеличенную геометрическую степень сжатия, например, в диапазоне около 12-14. Для уменьшения повышаемой тем самым склонности двигателя к детонации в режиме эксплуатации с более высокой частичной и полной нагрузкой расход воздуха устанавливается при помощи раннего закрытия впуска (РЗВ) на значение <1, например, в диапазоне 0,5-0,9 или предпочтительно в диапазоне 0,6-0,8. Кроме того, в рабочем состоянии, созданном за счет давления наддува, охлажденный и преобразованный выхлопной газ рециркулирует по линии 8 рециркуляции выхлопного газа низкого давления для увеличения удельной теплоемкости выхлопного газа. Как было показано на фиг. 1, при помощи линии 8 рециркуляции выхлопного газа низкого давления после каталитического нейтрализатора 23 выхлопной газ отводится, фильтруется, охлаждается и подводится обратно перед компрессорами 10 и 14. Потери при наполнении, которые сопровождают эти процессы, компенсируются увеличением давления во впускном коллекторе при помощи компрессоров 10 и 14. Тем самым частично сжатие рабочего газа по существу совершается на месте в цилиндре посредством компрессоров 10 и 14. При помощи рассчитанного соответствующим образом охладителя 19 наддувочного воздуха производится обратное охлаждение сжатого рабочего газа, прежде чем в цилиндре 3 происходит оставшееся сжатие. Ввиду раннего закрытия впуска (РЗВ) в цилиндре 3 во время такта впуска или всасывания происходит дополнительное охлаждение рабочего газа посредством расширения. Это приводит к сокращению работы сжатия, а также к понижению температуры технологического процесса, которая уменьшает склонность двигателя к детонации и сокращению потерь тепла через стенки в блоке 2 цилиндров. Одновременно для рабочего такта имеется в распоряжении полный коэффициент расширения геометрической степени сжатия. Повышенная потребность в охлаждающей мощности для охлаждения наддувочного воздуха и охлаждения рециркуляции выхлопного газа в значительной степени компенсируется уменьшенным тепловложением в средство охлаждения двигателя.
Для наддува бензинового двигателя 1 работающий на выхлопном газе турбокомпрессор 12 с изменяемой геометрией турбины используется в комбинации с электрическим бустером 10, 11. В отличие от обычного работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с перепускным клапаном 22 при помощи изменяемой геометрии турбины 13 и связанного с ней изменяемого диапазона поля характеристик турбины уже при средних нагрузках может создаваться достаточное давление наддува, для того чтобы компенсировать ранее упомянутые, обусловленные способом потери при наполнении. Кроме того, весь поток выхлопного газа может проводиться через турбину, вследствие чего в диапазоне полной нагрузки имеется в распоряжении большая мощность турбины. Поэтому значительное увеличение термодинамического суммарного коэффициента полезного действия получается, в частности, в релевантных для цикла рабочих диапазонах. Благодаря понижению температуры технологического процесса и целесообразному, предпочтительному охлаждению 21 выпускного коллектора 20 работающий на выхлопном газе турбокомпрессор 12 может выполняться с расчетом на низкие для цикла Отто температуры выхлопного газа, например, максимум на 850°. Вследствие этого возможен более экономичный выбор материала и расчет величины зазора по сравнению с обычными концепциями работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с изменяемой геометрией турбины для бензиновых двигателей. Благодаря выбору материала могут сокращаться расходы на работающий на выхлопном газе турбокомпрессор, а благодаря уменьшению размеров конструктивного исполнения зазора могут достигаться более высокие коэффициенты полезного действия турбины по сравнению с обычными работающими на выхлопном газе турбокомпрессорами для бензиновых двигателей.
Подводя итог, ввиду понижения температуры технологического процесса благодаря охлажденному предварительному сжатию, внутреннему расширению при раннем закрытии впуска (РЗВ) ранее описанный технологический процесс приводит к охлажденной рециркуляции выхлопного газа, повышенной геометрической степени сжатия и к сопровождающему ее более продолжительному расширению до пониженной температуры выхлопного газа при открытии выпускного клапана. Таким образом, комбинация из ранее описанного технологического процесса (способ Миллера с высокой степенью сжатия) и работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с изменяемой геометрией турбины является существенным аспектом для нейтрального относительно мощности увеличения коэффициента полезного действия при помощи способа Миллера с высокой степенью сжатия и для достаточно низких температур выхлопного газа, которые создают условия для экономически и технологически оправданных расходов на использование работающего на выхлопном газе турбокомпрессора с изменяемой геометрией турбины.
На Фиг. 2 показан другой вариант осуществления бензинового двигателя 1, который (вариант), например, подходит для более высокой литровой мощности двигателя. Вместо турбокомпрессора 12 с изменяемой геометрией турбины приводной агрегат с бензиновым двигателем 1 на фиг. 2 может иметь работающий на выхлопном газе турбокомпрессор 212 с постоянной геометрией турбины. То есть работающий на выхлопном газе турбокомпрессор 212 включает в себя турбину 213 с постоянной геометрией турбины. Дополнительно работающий на выхлопном газе турбокомпрессор 212 включает в себя перепускной клапан 222, который обозначается также как байпасный клапан или регулятор давления наддува (Waste Gate). Альтернативно к этому приводной агрегат может иметь работающий на выхлопном газе турбокомпрессор 212 с изменяемой геометрией турбины, который соединен с компрессором 214 при помощи вала 215. В отличие от показанного на фиг. 1 варианта осуществления бензиновый двигатель 1 согласно фиг. 2 вместо электрического бустера 10, 11 включает в себя компрессор 210 с механическим приводом, который соединен с коленчатым валом бензинового двигателя 1 при помощи привода 211 и приводится в действие при помощи коленчатого вала. Подобная концепция из компрессора 210 с механическим приводом и работающего на выхлопном газе турбокомпрессора 212 обозначается также как система двойного наддува (Twin-Charger). Остальные компоненты бензинового двигателя 1 с фиг. 2 соответствуют компонентам бензинового двигателя 1 с фиг. 1. Впускной клапан бензинового двигателя 1 закрывается, прежде чем соответствующий поршень достигает нижней мертвой точки. Таким образом, бензиновый двигатель 1 с фиг. 2 работает также согласно циклу Миллера.
Описанное ранее в связи с фиг. 1 понижение температуры выхлопного газа при сокращенном расходе воздуха по сравнению с обычными бензиновыми двигателями приводит к уменьшенной энтальпии выхлопного газа, которая находится в распоряжении работающего на выхлопном газе турбокомпрессора для переходных (неустановившихся) рабочих режимов, как, например, спонтанная потребность в нагрузке. В обычных на сегодняшний день концепциях бензиновых двигателей увеличение энтальпии выхлопного газа происходит благодаря поздней установке угла опережения зажигания и тем самым благодаря позднему сгоранию. Это приводит к потерям коэффициента полезного действия в переходном режиме работы двигателя. Для улучшения происходящего ввиду сокращенного расхода воздуха повышения времени отклика бензинового двигателя в систему наддува встраивается наддувочный компрессор, например показанный на фиг. 1 электрический бустер 10, 11 или показанный на фиг. 2 компрессор 210 с механическим приводом. Наддувочный компрессор устанавливается после воздушного фильтра на линии всасывания перед основным компрессором 14 или 214. Благодаря созданию степеней сжатия менее чем 1,5 гПа работающий на выхлопном газе турбокомпрессор 12 или 212 ускоряется, и таким образом достигается желаемое время отклика. Для меньших двигателей мощность привода электрического бустера 10, 11 в диапазоне менее чем 1000 Вт является достаточной, то есть электрическая машина 11 может приводиться в действие, по меньшей мере, кратковременно электрической энергией имеющейся бортовой электросети в 12 В. Для больших двигателей электрическая мощность бортовой электросети в 12 В зачастую является недостаточной. В этих случаях предпочтителен наддувочный компрессор 210 с механическим приводом, который приводится в действие механически коленчатым валом бензинового двигателя 1.
Наконец на фиг. 3 показано транспортное средство 300 согласно одному варианту осуществления данного изобретения, которое (транспортное средство) включает в себя ранее описанный приводной агрегат с бензиновым двигателем 1.
1. Способ для эксплуатации приводного агрегата с бензиновым двигателем (1) и системой охлаждения выхлопного газа, включающий в себя:
- сжатие воздуха для сгорания, подводимого к цилиндру (3) бензинового двигателя (1) через впускной клапан, при помощи работающего на выхлопном газе турбокомпрессора (12) с турбиной (13), которая имеет изменяемую геометрию турбины, и
- закрытие впускного клапана, прежде чем поршень достигает в цилиндре (3) нижней мертвой точки,
отличающийся тем, что способ включает в себя охлаждение подводимого к турбине (13) выхлопного газа в части выпускного трубопровода.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выхлопной газ охлаждают в выпускном коллекторе (20).
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для охлаждения выхлопного газа используют выпускной коллектор (20), который встроен в головку блока цилиндров бензинового двигателя (1).
4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что включает в себя регулировку изменяемой геометрии турбины работающего на выхлопном газе турбокомпрессора (12) в зависимости от нагрузки бензинового двигателя (1).
5. Способ по.1 или 2, отличающийся тем, что подводимый к цилиндру воздух (5) для сгорания дополнительно сжимают при помощи компрессора (10) с электрическим приводом.
6. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что впускной клапан закрывают в диапазоне от 35° до 90° угла поворота коленчатого вала бензинового двигателя (1) перед нижней мертвой точкой.
7. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что бензиновый двигатель (1) включает в себя газораспределительный механизм с изменяемыми фазами газораспределения, причем угол, при котором закрывают впускной клапан, устанавливают в зависимости от нагрузки бензинового двигателя (1).
8. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что топливо впрыскивают непосредственно в цилиндр (3).
9. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что направляемый воздух для сгорания сжимают в цилиндре (3) бензинового двигателя (1) с геометрической степенью сжатия больше чем 1:10 и меньше чем 1:20.
10. Приводной агрегат, в частности, для осуществления способа по любому из пп. 1-9, включающий в себя:
- бензиновый двигатель,
- работающий на выхлопном газе турбокомпрессор (12) с турбиной (13), которая имеет изменяемую геометрию турбины, для сжатия воздуха для сгорания, подводимого к цилиндру (3) бензинового двигателя (1) через впускной клапан, и
- газораспределительный механизм, выполненный с возможностью закрывать впускной клапан, прежде чем поршень достигает в цилиндре (3) нижней мертвой точки,
отличающийся тем, что приводной агрегат включает в себя охладитель (21) выхлопного газа, который соотнесен с частью выпускного трубопровода, для охлаждения выхлопного газа, подводимого в части выпускного трубопровода к турбине.
11. Приводной агрегат по п. 10, отличающийся тем, что часть выпускного трубопровода является выпускным коллектором (20).
12. Приводной агрегат по п. 11, отличающийся тем, что выпускной коллектор (20) встроен в головку блока цилиндров бензинового двигателя.
13. Приводной агрегат по любому из пп. 10-12, отличающийся тем, что бензиновый двигатель (1) имеет геометрическую степень сжатия больше чем 1:10 и меньше чем 1:20.
14. Приводной агрегат по п. 13, отличающийся тем, что бензиновый двигатель (1) имеет геометрическую степень сжатия больше чем 1:12 и меньше чем 1:15.
15. Транспортное средство с приводным агрегатом по любому из пп. 10-14.
