Двигатель внутреннего сгорания с наддувом и способ эксплуатации такого двигателя
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с наддувом. Двигатель внутреннего сгорания с наддувом содержит по меньшей мере два турбонагнетателя, работающих от выхлопных газов, цилиндры (3) и по меньшей мере одну головку цилиндров. По меньшей мере два цилиндра (3) расположены в ряд вдоль продольной оси головки цилиндров. Головка цилиндров выполнена с возможностью соединения с блоком цилиндров на краю сборного узла. Каждый цилиндр (3) содержит по меньшей мере два выпускных отверстия (4а), (4b) для выпуска выхлопных газов. По меньшей мере одно из этих выпускных отверстий выполнено как активируемое выпускное отверстие (4а). К каждому выпускному отверстию (4а), (4b) подсоединена выхлопная линия (5а), (5b). Выхлопные линии (5а) активируемых выпускных отверстий (4а) по меньшей мере двух цилиндров (3) соединены с образованием первого выхлопного коллектора (6а) для формирования первой общей выхлопной линии, соединенной с турбиной первого турбонагнетателя. Выхлопные линии (5b) прочих выпускных отверстий (4b) по меньшей мере двух цилиндров (3) соединены с образованием второго выхлопного коллектора (6b) для формирования второй общей выхлопной линии, соединенной с турбиной второго турбонагнетателя. Выхлопные линии (5а), (5b) по меньшей мере двух цилиндров (3) соединены для формирования указанных двух общих выхлопных линий в пределах головки цилиндров. Одна общая выхлопная линия размещена с дальней от края сборного узла стороны другой общей выхлопной линии. Две общие выхлопные линии размещены со смещением вдоль продольной оси головки цилиндров с образованием разноса ∆. Раскрыт способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с наддувом. Технический результат заключается в уменьшении объема трубопроводной системы между выпускными отверстиями цилиндров и турбинами. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с наддувом, содержащему, по меньшей мере, два турбонагнетателя, работающих от выхлопных газов, и, по меньшей мере, одну головку цилиндров, по меньшей мере, с двумя цилиндрами, расположенными в ряд вдоль продольной оси головки цилиндров, причем головка цилиндров может быть соединена на краю сборного узла с блоком цилиндров, а каждый цилиндр содержит, по меньшей мере, два выпускных отверстия для выпуска выхлопных газов, при этом, по меньшей мере, одно из этих выпускных отверстий выполнено как активируемое выпускное отверстие и к каждому выпускному отверстию подсоединена выхлопная линия, причем
- выхлопные линии активируемых выпускных отверстий, по меньшей мере, двух цилиндров соединяются с образованием первого выхлопного коллектора для формирования первой общей выхлопной линии, соединенной с турбиной первого турбонагнетателя, работающего от выхлопных газов, при этом
- выхлопные линии прочих выпускных отверстий, по меньшей мере, двух цилиндров соединяются с образованием второго выхлопного коллектора для формирования второй общей выхлопной линии, соединенной с турбиной второго турбонагнетателя, работающего от выхлопных газов.
Настоящее изобретение относится также к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания такого типа.
Уровень техники
В контексте настоящего изобретения обозначение "двигатель внутреннего сгорания" охватывает, в частности, двигатели, работающие по циклу Отто, но также дизельные двигатели, гибридные двигатели внутреннего сгорания, использующие комбинированный процесс сгорания, и комбинированные силовые установки, содержащие не только двигатель внутреннего сгорания, но также электрическую машину, которая соединена в приводе с двигателем внутреннего сгорания и приводится от двигателя внутреннего сгорания или служит подключаемым вспомогательным приводом, вырабатывающим дополнительную мощность.
Двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров и, по меньшей мере, одну головку цилиндров, которые соединяются друг с другом на краю узла формирования цилиндров. Для управления перезарядом двигателя внутреннего сгорания требуются управляющие элементы - обычно в виде подъемных клапанов - и исполнительные механизмы для привода этих управляющих элементов. Механизм привода клапана, требуемый для срабатывания клапана и содержащий сам клапан, называется приводом клапана. Головка цилиндров часто служит для размещения приводов клапанов.
Во время перезаряда газообразные продукты сгорания выводятся через выпускные отверстия цилиндров, и загрузка камер сгорания, то есть впуск свежей смеси или воздуха, происходит через впускные отверстия. Задача привода клапана -открывать и закрывать впускные и выпускные отверстия в нужное время, быстро открывая максимально возможные сечения потока, чтобы снизить потери дросселирования при втекании и вытекании потоков газа, а также чтобы обеспечить оптимальную загрузку камеры сгорания свежей смесью и эффективный, то есть полный, выпуск выхлопных газов. Поэтому в известных устройствах цилиндры часто выполняются также с двумя или несколькими впускными и выпускными отверстиями. И те, по меньшей мере, два цилиндра двигателя внутреннего сгорания, к которым относится настоящее изобретение, также имеют, по меньшей мере, два выпускных отверстия.
В известных устройствах впускные каналы, ведущие к впускным отверстиям, и выпускные каналы, то есть выхлопные линии, подсоединенные к выпускным отверстиям, по меньшей мере, частично встроены в головку цилиндров. Выхлопные линии цилиндров обычно соединяются для формирования одной общей выхлопной линии, или же - как в двигателе внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению - в пучки для формирования двух или нескольких общих выхлопных линий. Соединение выхлопных линий для формирования общей выхлопной линии вообще и в контексте настоящего изобретения обозначается как выхлопной коллектор, причем та часть общей выхлопной линии, которая расположена в общей выхлопной линии выше по потоку относительно турбины, согласно настоящему изобретению считается принадлежащей к выхлопному коллектору.
В данном случае с целью наддува двигателя внутреннего сгорания выхлопные газы подаются на расположенные ниже по потоку относительно коллектора турбины, по меньшей мере, двух турбонагнетателей, работающих от выхлопных газов, и, при необходимости, в одну или несколько систем дополнительной обработки выхлопных газов.
Преимущество турбонагнетателя, работающего от выхлопных газов, например, перед механическим нагнетателем, заключается в том, что между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания не имеется или не требуется механического соединения для передачи мощности. И если механический нагнетатель получает энергию, требуемую для его работы, целиком от двигателя внутреннего сгорания, снижая тем самым выходную мощность и, следовательно, негативно влияя на эффективность, то турбонагнетатель, работающий от выхлопных газов, использует энергию горячих выхлопных газов.
Турбонагнетатель, работающий от выхлопных газов, содержит компрессор и турбину, которые размещены на одном валу; поток горячих выхлопных газов подается на турбину, и газы расширяются в упомянутой турбине с выделением энергии, в результате чего вал приводится во вращение. Энергия, передаваемая потоком выхлопных газов турбине и, в конечном счете, валу, используется для привода компрессора, который тоже размещен на этом валу. Компрессор сжимает и выдает поступающий в него воздух для смеси, в результате чего достигается наддув, по меньшей мере, двух цилиндров. Для воздуха смеси может быть предусмотрено устройство охлаждения, с помощью которого сжатый воздух горения охлаждается перед подачей в цилиндры.
Наддув служит прежде всего для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания. При наддуве воздух, требуемый для процесса горения, сжимается, в результате чего в каждый цилиндр за один рабочий цикл может быть подана увеличенная масса воздуха. Таким образом, масса горючего и, следовательно, среднее давление могут быть увеличены. Наддув - подходящее средство для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания при сохранении неизменным рабочего объема или для снижения рабочего объема при сохранении той же мощности. В любом случае, наддув ведет к повышению объемной выходной мощности и улучшению отношения мощности к массе. Таким образом, для тех же граничных условий транспортного средства, можно сдвинуть нагрузочный режим в сторону повышенных нагрузок, при которых удельное потребление горючего будет ниже.
Осуществление наддува с использованием выхлопных газов часто вызывает затруднения, причем, в принципе, стремятся получить заметное улучшение эксплуатационных характеристик во всех диапазонах скоростей вращения. Однако в известных устройствах в случае определенного недобора оборотов двигателя наблюдается значительное падение крутящего момента. Упомянутое падение крутящего момента становится понятно, если учесть, что степень наддува зависит от перепада давления в турбине. Например, если обороты двигателя снижаются, это ведет к меньшему массовому расходу выхлопных газов и, следовательно, к меньшему перепаду давления в турбине. Это также приведет к сдвигу в сторону меньших оборотов двигателя и снижению степени наддува, что равносильно падению крутящего момента.
Принципиальная возможность противодействовать падению давления заряда заключается в уменьшении размера поперечного сечения турбины и соответствующем увеличении перепада давления в турбине. Это, однако, просто сдвинуло бы падение крутящего момента дальше в сторону меньших оборотов. Далее, упомянутый подход, то есть уменьшение размера поперечного сечения турбины, имеет ограничения, в то время как желаемые увеличения наддува и эксплуатационных характеристик должны быть возможны без ограничений даже при высоких скоростях вращения, то есть при больших расходах выхлопных газов.
В известных устройствах использовались различные меры для улучшения характеристики крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом.
К примеру, одна из таких мер заключается в создании турбины малого поперечного сечения с одновременным обеспечением условий обдува выхлопными газами. Такая турбина называется также турбиной с перепускной заслонкой. Если массовый расход выхлопных газов превышает критическое значение, часть потока выхлопных газов в ходе так называемого обдува выхлопными газами направляется через перепускную линию мимо турбины. Упомянутый подход имеет тот недостаток, что параметры наддува неадекватны при относительно высоких оборотах двигателя или в случае относительно больших расходов выхлопных газов.
Раскрытие изобретения
Характеристика крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом может быть улучшена еще больше с помощью нескольких турбонагнетателей, размещенных параллельно, то есть с помощью нескольких, размещенных параллельно, турбин относительно малого поперечного сечения, причем турбины приводятся в действие последовательно, по мере повышения расхода выхлопных газов.
Двигатель внутреннего сгорания с наддувом, содержащий, по меньшей мере, два размещенных параллельно турбонагнетателя, работающих от выхлопных газов, также является предметом настоящего изобретения, причем одна турбина выполнена как активируемая турбина, которая запускается выхлопными газами, то есть активируется, только при относительно высоких расходах выхлопных газов.
При этом стремятся располагать турбины как можно ближе к выпускным отверстиям цилиндров, чтобы, во-первых, иметь возможность оптимально использовать энтальпию горячих выхлопных газов, которая в значительной мере определяется давлением и температурой выхлопных газов, и, во-вторых, обеспечить быстрое срабатывание турбонагнетателей. В связи с этим, в принципе, стремятся также свести к минимуму тепловую инерцию и объем трубопроводной системы между выпускными отверстиями цилиндров и турбинами, что может быть достигнуто снижением массы и длины выхлопных линий.
Для того чтобы улучшить характеристику крутящего момента двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению, выхлопные линии, по меньшей мере, двух цилиндров соединяют, группируя их таким образом, чтобы от каждого упомянутого цилиндра, по меньшей мере, одна выхлопная линия вела к турбине первого турбонагнетателя, работающего от выхлопных газов, и, по меньшей мере, одна выхлопная линия вела к турбине второго турбонагнетателя, работающего от выхлопных газов.
Согласно настоящему изобретению турбина первого турбонагнетателя, работающего от выхлопных газов, то есть первая турбина, выполнена как активируемая турбина, и, соответственно, выпускные отверстия выхлопных линий, ведущих к упомянутой турбине, выполнены как активируемые выпускные отверстия. Активируемые выпускные отверстия открыты во время перезаряда, и тем самым первая турбина активируется, то есть приводится в действие выхлопными газами, только при относительно больших расходах выхлопных газов.
В сравнении с принципами, согласно которым система с одиночной сплошной выхлопной линией располагается выше по потоку относительно двух турбин, вышеописанное группирование, то есть использование двух отделенных друг от друга выхлопных коллекторов, улучшает эксплуатационные характеристики двигателя внутреннего сгорания, в частности, при низкой скорости потока выхлопных газов, поскольку объем линии выше по потоку относительно второй турбины, через которую выхлопные газы текут непрерывно, уменьшается благодаря этой мере; она обеспечивает преимущества и, в частности, улучшает также срабатывание при низких нагрузках и оборотах двигателя, то есть при низкой скорости потока выхлопных газов.
Исходя из описанного выше уровня техники, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить двигатель внутреннего сгорания с наддувом согласно вводной части п. 1, демонстрирующий улучшенные эксплуатационные характеристики турбонаддува с использованием выхлопных газов.
Следующая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания такого типа.
Решение первой задачи достигается предложением двигателя внутреннего сгорания с наддувом, содержащего, по меньшей мере, два турбонагнетателя, работающих от выхлопных газов, и, по меньшей мере, одну головку цилиндров, по меньшей мере, с двумя цилиндрами в ряд вдоль продольной оси головки цилиндров, причем эта, по меньшей мере, одна головка цилиндров может быть соединена на краю узла с блоком цилиндров и каждый цилиндр содержит, по меньшей мере, два выпускных отверстия для выпуска выхлопных газов, при этом, по меньшей мере, одно из этих выпускных отверстий выполнено как активируемое выпускное отверстие и к каждому выпускному отверстию подсоединена выхлопная линия, из числа которых
- выхлопные линии активируемых выпускных отверстий, по меньшей мере, двух цилиндров соединяются с образованием первого выхлопного коллектора для формирования первой общей выхлопной линии, соединенной с турбиной первого турбонагнетателя, работающего от выхлопных газов, а
- выхлопные линии прочих выпускных отверстий, по меньшей мере, двух цилиндров соединяются, с образованием второго выхлопного коллектора для формирования второй общей выхлопной линии, соединенной с турбиной второго турбонагнетателя, работающего от выхлопных газов,
причем
- выхлопные линии, по меньшей мере, двух цилиндров соединяются для формирования двух общих выхлопных линий в головке цилиндров, и
- одна общая выхлопная линия размещена с дальней от края узла стороны другой общей выхлопной линии, при этом две общие выхлопные линии размещены со смещением вдоль продольной оси головки цилиндров с образованием разноса А.
Согласно настоящему изобретению выхлопные линии, как активируемых выпускных отверстий, так и прочих выпускных отверстий, в каждом случае соединяются для формирования общей выхлопной линии в головке цилиндров, образуя таким образом встроенный выхлопной коллектор.
Как уже упоминалось, в принципе, стремятся располагать турбину турбонагнетателя, работающего от выхлопных газов, как можно ближе к выпускным отверстиям цилиндров, чтобы сделать путь горячих выхлопных газов до ротора турбины как можно короче и сохранить малый объем линии выше по потоку относительно ротора турбины. В данном случае для достижения этой цели целесообразна существенная интеграция выхлопных линий или выхлопных коллекторов в головку цилиндров.
Длина выхлопных линий уменьшается с помощью интеграции в головку цилиндров. Это, во-первых, снижает объем линии, то есть объем выхлопных газов выхлопных линий выше по потоку относительно турбины, так что срабатывание такой турбины улучшается. Во-вторых, укороченные выхлопные линии снижают также тепловую инерцию выхлопной системы выше по потоку относительно турбины, так что температура выхлопных газов на входе турбины увеличивается, в результате чего энтальпия выхлопных газов на входе турбины также повышается. И системы дополнительной обработки выхлопных газов, которые могут быть предусмотрены, быстрее достигают требуемой минимальной рабочей температуры. Кроме того, интеграция выхлопных линий согласно настоящему изобретению позволяет максимально компактно скомпоновать узел привода.
Согласно настоящему изобретению общие выхлопные линии размещены со смещением вдоль продольной оси головки цилиндров с образованием разноса Δ.
Это смещение позволяет компактно выполнить головку цилиндров и одновременно обеспечивает достаточно большой разнос общих выхлопных линий. Таким образом, в отличие от вариантов осуществления, в которых общие выхлопные линии не имеют смещения вдоль продольной оси головки цилиндров, между общими выхлопными линиями, несмотря на компактное выполнение, остается достаточный конструктивный зазор. Это также облегчает размещение охлаждающих каналов в головке цилиндров между двух общих выхлопных линий, если предусмотрено устройство жидкостного охлаждения.
Согласно настоящему изобретению два выхлопных коллектора располагаются, по меньшей мере, частично один над другим, то есть с разносом друг от друга в направлении продольной оси цилиндра, поскольку одна общая выхлопная линия размещена с дальней от края узла стороны другой общей выхлопной линии.
Таким образом, достигнуто решение первой задачи настоящего изобретения, а именно предложить такой двигатель внутреннего сгорания с наддувом, который демонстрирует улучшенные эксплуатационные характеристики турбонаддува с использованием выхлопных газов.
Интеграция выхлопных коллекторов в головку цилиндров дает также то преимущество, что позволяет извлечь выгоду из жидкостного устройства охлаждения, предусмотренного в головке цилиндров, поскольку коллекторы при этом не обязательно изготавливать из материалов, которые способны выдерживать высокие тепловые нагрузки и, соответственно, дороги.
Интеграция выхлопных коллекторов в головку цилиндров ведет также к снижению количества компонентов устройства и, следовательно, к уменьшению затрат, в частности, затрат на сборку и комплектацию.
Двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению может также содержать две головки цилиндров.
Согласно настоящему изобретению нет необходимости соединять выхлопные линии всех цилиндров головки для формирования двух общих выхлопных линий; действительно, описанным образом должны быть соединены только выхлопные линии, по меньшей мере, двух цилиндров.
Однако особенно выгодны варианты осуществления, в которых выхлопные линии всех цилиндров, по меньшей мере, одной головки цилиндров соединяются для формирования двух общих выхлопных линий.
Дальнейшие предпочтительные варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению будут раскрыты в соответствии с зависимыми пунктами формулы изобретения.
Выгодны варианты осуществления, в которых разнос Δ между двумя общими выхлопными линиями соответствует разносу двух соседних выпускных отверстий цилиндра. Такой вариант осуществления ведет к симметричной конструкции головки цилиндров или к симметричному размещению выхлопных коллекторов в головке цилиндров.
Выгодны такие варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых разнос Δ между двумя общими выхлопными линиями лежит в следующих пределах: 3 мм ≤ Δ ≤ 45 мм.
Выгодны также варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых разнос Δ между двумя общими выхлопными линиями лежит в следующих пределах: 5 мм ≤ Δ ≤ 40 мм.
В частности, выгодны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых разнос Δ между двумя общими выхлопными линиями лежит в следующих пределах: 20 мм ≤ Δ ≤ 35 мм.
Головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания это, в принципе, компонент, который подвергается воздействию высоких тепловых и механических нагрузок. Требования, предъявляемые к головке цилиндров согласно настоящему изобретению, особенно высоки. В данном контексте следует учесть, что двигатели внутреннего сгорания с наддувом подвергаются особенно высоким тепловым нагрузкам. А из-за интеграции выхлопных коллекторов тепловые нагрузки двигателя внутреннего сгорания и головки цилиндров еще более увеличиваются, так что к устройству охлаждения предъявляются повышенные требования.
Поэтому выгодны такие варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых имеется жидкостное устройство охлаждения.
В данном случае выгодны такие варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых, по меньшей мере, одна головка цилиндров оснащена, по меньшей мере, одним встроенным охлаждающим кожухом. Блок цилиндров, который может быть соединен, по меньшей мере, с одной головкой цилиндров, может быть также оснащен, по меньшей мере, одним встроенным охлаждающим кожухом.
В принципе, устройство охлаждения возможно в виде воздушного или жидкостного устройства охлаждения. В случае воздушного устройства охлаждения двигатель внутреннего сгорания оснащается вентилятором, причем отвод тепла происходит с помощью воздушного потока, направляемого на поверхность головки цилиндров.
За счет повышенной теплоемкости жидкостей, в сравнении с воздухом, количества тепла, отводимого с помощью жидкостного охлаждения, можно в значительной мере увеличить, сравнительно с возможностями воздушного охлаждения. Поэтому термически высоконагруженные двигатели внутреннего сгорания выгодно оснащать жидкостным устройством охлаждения.
Для жидкостного охлаждения требуется, чтобы головка цилиндров была снабжена, по меньшей мере, одним охлаждающим кожухом, то есть требуется размещение охлаждающих каналов, которые проводят хладагент через головку цилиндров, что влечет за собой сложную компоновку конструкции головки цилиндров. В данном случае, во-первых, тепло для отвода не обязательно подводить к поверхности головки цилиндров, как в случае воздушного устройства охлаждения. Тепло отводится хладагентом, обычно водно-гликолевой смесью, уже внутри головки цилиндров. В данном случае хладагент подается с помощью насоса, имеющегося в контуре охлаждения, так что упомянутый хладагент циркулирует в охлаждающем кожухе. Таким образом, тепло, которое отводится хладагентом, отводится изнутри головки цилиндров и вновь извлекается из хладагента в теплообменнике. Для этого теплообменник часто - и предпочтительно - размещают в передней части транспортного средства, где достаточно сильный воздушный поток обеспечивает требуемый теплообмен между хладагентом и воздухом.
Выгодны такие варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых, по меньшей мере, один охлаждающий кожух также расположен между двух общих выхлопных линий. Эта компоновка, в частности, охватывает варианты осуществления, в которых, по меньшей мере, один охлаждающий кожух проходит сквозь - то есть пересекает - воображаемую оболочку, охватывающую две общие выхлопные линии.
Головка цилиндров подвергается воздействию особенно высоких тепловых нагрузок в зоне общих выхлопных линий, поскольку две общие выхлопные линии обеспечивают увеличенные расходы выхлопных газов, сравнительно с одиночной выхлопной линией, то есть абсолютный расход выхлопных газов, тепло от которых передается к головке цилиндров, относительно велик. Во-вторых, общие выхлопные линии осуществляют вывод горячих выхлопных газов фактически непрерывно, тогда как выхлопная линия цилиндра пропускает поток горячих выхлопных газов только во время перезарядки соответствующего цилиндра.
В случае двигателя внутреннего сгорания с наддувом, содержащего, по меньшей мере, одну головку цилиндров, которая оснащена, по меньшей мере, одним встроенным охлаждающим кожухом, выгодны такие варианты осуществления, которые отличаются тем, что, по меньшей мере, один встроенный охлаждающий кожух содержит нижний охлаждающий кожух, размещенный между выхлопными линиями и краем узла головки цилиндров, и верхний охлаждающий кожух, размещенный с той стороны выхлопных линий, которая расположена напротив нижнего охлаждающего кожуха.
В связи с этим выгодны такие варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых предусмотрено, по меньшей мере, одно соединение нижнего охлаждающего кожуха с верхним охлаждающим кожухом, расположенное на расстоянии от выхлопных линий, в наружной стенке, из которой выходят общие выхлопные линии головки цилиндров, причем это соединение служат для пропуска хладагента.
Хладагент может течь из нижнего охлаждающего кожуха в верхний охлаждающий кожух и наоборот через, по меньшей мере, одно соединение в наружной стенке головки цилиндров. Поэтому в головке цилиндров, по меньшей мере, одно соединение размещено с той стороны встроенных выхлопных коллекторов, которая удалена от, по меньшей мере, двух цилиндров. По меньшей мере, одно соединение расположено поэтому как бы снаружи встроенных выхлопных коллекторов.
Соединение в данном случае представляет собой отверстие или сквозной канал, который соединяет нижний охлаждающий кожух с верхним охлаждающим кожухом и через который возможен и реализуется обмен хладагентом между двумя охлаждающими кожухами.
Во-первых, это создает основное охлаждающее действие даже в зоне наружной стенки головки цилиндров. Во-вторых, обычный продольный поток хладагента, то есть поток хладагента в направлении продольной оси головки цилиндров, дополняется поперечным потоком хладагента, который течет поперек продольного потока и, предпочтительно, примерно в направлении продольной оси цилиндра. В данном случае поток хладагента, протекающий через, по меньшей мере, одно соединение, вносит значительный вклад в отвод тепла. В частности, соответствующим выбором размера поперечного сечения, по меньшей мере, одного соединения можно целенаправленно влиять на скорость потока хладагента в соединении и, тем самым, на отвод тепла в зоне упомянутого, по меньшей мере, одного соединения.
Поэтому в данном контексте осуществления головки цилиндров выгодны такие варианты, в которых нижний и верхний охлаждающие кожухи соединены друг с другом не по всей области наружной стенки, но, скорее, по меньшей мере, одно соединение занимает только часть области наружной стенки. Таким образом, скорость потока, по меньшей мере, в одном соединении может быть увеличена, что увеличивает конвекционную теплопередачу. Это также дает преимущества в плане механической прочности головки цилиндров.
Охлаждение головки цилиндров может быть дополнительно и с выгодой улучшено путем создания градиента давления между верхним и нижним охлаждающими кожухами, в результате чего скорость, по меньшей мере, в одном соединении увеличивается, что ведет к повышению конвекционной теплопередачи.
Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одно соединение было размещено рядом с общими выхлопными линиями, поскольку зона вокруг общих выхлопных линий подвергается воздействию особенно высоких тепловых нагрузок, как уже было подробно объяснено выше.
Выгодны такие варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, которые оснащены переключаемым клапанным приводом для приведения в действие клапанов активируемых выпускных отверстий, при этом, например, толкатель клапана, который служит кулачковым следящим элементом и который расположен в силовом потоке, выполняется в виде активируемого толкателя клапана.
Выгодны такие варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых один турбонагнетатель, работающий от выхлопных газов, размещен возле головки цилиндров, а другой турбонагнетатель, работающий от выхлопных газов, размещен возле блока цилиндров. Такая компоновка позволяет сблизить две турбины, разместив их одну над другой в направлении продольной оси цилиндра, и компактно скомпоновать узел привода в целом.
Используемые турбины могут быть выполнены геометрически вариативно, с подгонкой геометрии к соответствующей рабочей точке двигателя внутреннего сгорания.
В частности, вторая турбина также может быть выполнена как турбина с перепускной заслонкой; в этом случае, когда массовый расход выхлопных газов превышает критическое значение, выхлопные газы направляются через перепускную линию мимо турбины. Для этого в перепускной линии должен быть предусмотрен запорный элемент.
Перепускная линия может выводить газы ниже по потоку относительно турбин в одну из двух общих выхлопных линий или же, в предпочтительном варианте осуществления, в первый выхлопной коллектор выше по потоку относительно первой турбины.
В вариантах осуществления последнего типа перепускная линия может с выгодой использоваться для ускорения ротора первой активируемой турбины путем открытия перепускной линии незадолго перед активацией.
Решение второй задачи настоящего изобретения, а именно предложения способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания раскрытого выше типа, достигается в способе, согласно которому активируемые выпускные отверстия, деактивированные при низкой скорости потока выхлопных газов, активируются, когда расход выхлопных газов превысит задаваемый заранее уровень.
То, что было сказано в отношении двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению, приложимо также к способу согласно настоящему изобретению. Активация выпускных отверстий равносильна активации первой турбины. Это не влияет на предварительное ускорение через перепускную линию, которая может быть предусмотрена, активируемой второй турбины, выполненной как турбина с перепускным клапаном.
В двигателе внутреннего сгорания без наддува расход выхлопных газов примерно соответствует оборотам двигателя и/или нагрузке двигателя внутреннего сгорания, в частности, зависит от регулирования нагрузки, используемого в конкретной ситуации. В традиционном двигателе, работающем по циклу Отто с количественной регулировкой, расход выхлопных газов увеличивается с повышением нагрузки даже при постоянных оборотах двигателя, тогда как в традиционных дизельных двигателях с качественной регулировкой расход выхлопных газов зависит просто от оборотов двигателя, поскольку в случае изменения нагрузки при постоянных оборотах двигателя меняется состав смеси, но не ее количество.
В соответствующем настоящему изобретению двигателе внутреннего сгорания, выполненном с количественной регулировкой, при которой нагрузка регулируется количеством свежей смеси, расход выхлопных газов может превысить соответствующий, то есть задаваемый заранее, уровень даже при постоянных оборотах двигателя, если нагрузка двигателя внутреннего сгорания превысит задаваемый заранее уровень нагрузки, поскольку расход выхлопных газов коррелирует с нагрузкой, причем расход выхлопных газов растет с повышением нагрузки и падает с ее уменьшением.
Напротив, в двигателе внутреннего сгорания с качественной регулировкой, при которой нагрузка регулируется составом свежей смеси и расход выхлопных газов зависит фактически только от скорости вращения, то есть пропорционален скорости вращения, расход выхлопных газов превысит задаваемый заранее уровень независимо от нагрузки, если обороты двигателя внутреннего сгорания превысят задаваемый заранее уровень.
Двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению это двигатель внутреннего сгорания с наддувом, так что следует уделить внимание также давлению заряда со стороны впуска, которое может меняться с изменением нагрузки и/или оборотов двигателя и которое влияет на расход выхлопных газов. Следовательно, в такой общей форме вышерассмотренные зависимости расхода выхлопных газов от нагрузки или от оборотов двигателя справедливы только при определенных условиях. Поэтому способ согласно настоящему изобретению, в самых общих чертах, связан с расходом выхлопных газов, но не с нагрузкой или оборотами двигателя.
Если расход выхлопных газов вновь падает ниже задаваемого заранее уровня, активируемые выпускные отверстия - и вместе с ними активируемая турбина - снова деактивируются.
Выгодны такие варианты осуществления способа, в которых активируемые выпускные отверстия активируются, когда расход выхлопных газов превысит задаваемый заранее уровень и продержится на уровне, превышающем упомянутый заранее заданный расход выхлопных газов, в течение заранее задаваемого периода времени Δt1.
Для предотвращения слишком частых переключений предлагается введение дополнительного условия для активации первой турбины, в частности активации активируемых выпускных отверстий в случае, если расход выхлопных газов только на короткое время превышает задаваемое заранее значение и затем падает вновь или колеблется вокруг заранее заданного значения расхода выхлопных газов, без его превышения, оправдывающего активацию первой турбины.
По вышеуказанным причинам выгодны также такие варианты осуществления способа, в которых активируемые выпускные отверстия деактивируются, когда расход выхлопных газов падает ниже задаваемого заранее уровня и остается ниже этого заранее заданного уровня в течение заранее задаваемого периода времени Δt2.
Если вторая турбина является турбиной с перепускной заслонкой, перепускная линия которой выходит выше по потоку относительно первой турбины в первый выхлопной коллектор, то выгодны такие варианты осуществления способа, в которых первая активируемая турбина ускоряется незадолго перед активацией путем открытия запорного элемента, размещенного в перепускной линии.
По вышеуказанным причинам выгодны такие варианты осуществления способа, в которых активируемые выпускные отверстия, деактивированные при низкой скорости потока выхлопных газов, активируются, когда число nmot оборотов двигателя внутреннего сгорания превысят задаваемый заранее уровень.
Краткое описание чертежей
Ниже настоящее изобретение будет раскрыто подробнее на двух примерах осуществления согласно ФИГ. 1 и 2. На ФИГ.:
на ФИГ. 1 схематически показан первый вариант осуществления двигателя внутреннего сгорания и
на ФИГ. 2 показаны в аксонометрической проекции литейные стержни выхлопных линий, встроенных в головку цилиндров, как иллюстрация второго варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания.
Осуществление изобретения
На ФИГ. 1 схематически показан первый вариант осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания с наддувом, оснащенного двумя турбонагнетателями 8, 9, работающими от выхлопных газов. Каждый турбонагнетатель 8, 9, работающий от выхлопных газов, содержит турбину 8а, 9а и компрессор 8b, 9b. Горячие выхлопные газы расширяются в турбине 8а, 9а с выделением энергии. Компрессоры 8b, 9b сжимают нагнетаемый воздух, который подается в цилиндры 3 через впускные линии 11а, 11b и камеру давления 12, в результате чего реализуется наддув двигателя 1 внутреннего сгорания.
Двигатель 1 внутреннего сгорания, изображенный на ФИГ. 1, представляет собой четырехцилиндровый однорядный двигатель, в котором цилиндры 3 размещены вдоль продольной оси 10а головки цилиндров, то есть в ряд. Каждый цилиндр 3 имеет два выпускных отверстия 4а, 4b, причем к каждому выпускному отверстию 4а, 4b подсоединена выхлопная линия 5а, 5b для выпуска выхлопных газов из цилиндра 3.
В каждом случае одно выпускное отверстие 4а каждого цилиндра 3 выполнено как активируемое выпускное отверстие 4а, которое открыто во время перезаряда, только если расход выхлопных газов превышает заданный заранее уровень. Таким образом, активируется, то есть приводится в действие выхлопными газами, первая турбина 8а, размещенная ниже по потоку. Выхлопные линии 5а активируемых выпускных отверстий 4а всех цилиндров 3 соединяются, с образованием первого выхлопного коллектора 6а, в головке цилиндров для формирования первой общей выхлопной линии 7а, соединенной с турбиной 8а первого турбонагнетателя 8, работающего от выхлопных газов (пунктирные линии).
Выхлопные линии 5b прочих выпускных отверстий 4b всех цилиндров 3 соединяются, с образованием второго выхлопного коллектора 6b, в головке цилиндров для формирования второй общей выхлопной линии 7b, соединенной с турбиной 9а второго турбонагнетателя 9, работающего от выхлопных газов (сплошные линии).
Как можно видеть из ФИГ. 1, первый выхлопной коллектор 6а и второй выхлопной коллектор 6b отделены друг от друга выше по потоку относительно турбин 8а, 9а. Однако вторая турбина 9а также может быть выполнена как турбина с перепускной заслонкой, перепускная линия которой выводит газы в первый выхлопной коллектор 6а выше по потоку относительно первой турбины 8а. В этом случае выхлопные коллекторы 6а, 6b, по меньшей мере, могут соединяться через перепускную линию.
В данном случае выхлопные линии 5а, 5b соединяются для формирования двух общих выхлопных линий 7а, 7b в головке цилиндров, причем две общие выхлопные линии 7а, 7b размещены со смещением вдоль продольной оси 10а головки цилиндров с образованием разноса Δ.
На ФИГ. 2 в качестве иллюстрации второго варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания показаны в аксонометрической проекции литейные стержни для образования выхлопных линий 5а, 5b, 7а, 7b, встроенных в головку цилиндров.
На ФИГ. 2, таким образом, показана система выхлопных линий 5а, 5b, 7а, 7b или выхлопных коллекторов 6а, 6b, встроенная в головку цилиндров, по каковой причине указаны также номера позиций выхлопных линий 5а, 5b, 7а, 7b и выхлопных коллекторов 6а, 6b.
Литейные стержни или выхлопные коллекторы 6а, 6b, изображенные на ФИГ. 2, включают выхлопные линии 4а, 4b, 7а, 7b четырех цилиндров 3 четырехцилиндрового однорядного двигателя, в котором цилиндры 3 размещены вдоль продольной оси головки цилиндров. Каждый из четырех цилиндров 3 имеет два выпускных отверстия 4а, 4b, причем к каждому выпускному отверстию 4а, 4b подсоединена выхлопная линия 5а, 5b.
Выхлопные линии 5а активируемых выпускных отверстий 4а соединяются для формирования первой общей выхлопной линии 7а в головке цилиндров, образуя таким образом первый встроенный выхлопной коллектор 6а, а выхлопные линии 5b прочих выпускных отверстий 4b соединяются для формирования второй общей выхлопной линии 7b в головке цилиндров, образуя таким образом второй встроенный выхлопной коллектор 6b.
Как можно видеть из ФИГ. 2, две общие выхлопные линии 7а, 7b встроенных выхлопных коллекторов 6а, 6b размещены со смещением вдоль продольной оси головки цилиндров, то есть также вдоль линии 10, которая параллельна продольной оси головки цилиндров, с образованием разноса Δ, причем общая выхлопная линия 7а первого встроенного выхлопного коллектора 6а расположена с той стороны общей выхлопной линии 7b второго встроенного выхлопного коллектора 6b, которая удалена от края узла. То есть общие выхлопные линии 7а, 7b располагаются одна выше другой, причем вторая общая выхлопная линия 7b размещена между краем узла и первой общей выхлопной линией 7а.
Перечень номеров позиций для ссылок
1 Двигатель внутреннего сгорания с наддувом 3 Цилиндр
4а Активируемое выпускное отверстие
4b Выпускное отверстие
5а Выхлопная линия
5b Выхлопная линия
6а Первый выхлопной коллектор
6b Второй выхлопной коллектор
7а Первая общая выхлопная линия
7b Вторая общая выхлопная линия
8 Первый турбонагнетатель, работающий от выхлопных газов
8а Первая турбина, активируемая турбина
8b Первый компрессор
9 Второй турбонагнетатель, работающий от выхлопных газов
9а Вторая турбина
9b Второй компрессор
10 Линия, параллельная продольной оси головки цилиндров
10а Продольная ось головки цилиндров
11а Первая впускная линия
11b Вторая впускная линия
12 Камера давления
nmot Число оборотов двигателя внутреннего сгорания
Δ Разнос общих выхлопных линий вдоль продольной оси головки цилиндров
1. Двигатель (1) внутреннего сгорания с наддувом, содержащий по меньшей мере два турбонагнетателя (8, 9), работающих от выхлопных газов, и по меньшей мере одну головку цилиндров по меньшей мере с двумя цилиндрами, расположенными (3) в ряд вдоль продольной оси головки цилиндров, причем головка цилиндров выполнена с возможностью соединения с блоком цилиндров на краю сборного узла, а каждый цилиндр (3) содержит по меньшей мере два выпускных отверстия (4а, 4b) для выпуска выхлопных газов, при этом по меньшей мере одно из этих выпускных отверстий выполнено как активируемое выпускное отверстие (4а), а к каждому выпускному отверстию (4а, 4b) подсоединена выхлопная линия (5а, 5b), причем
выхлопные линии (5а) активируемых выпускных отверстий (4а) по меньшей мере двух цилиндров (3) соединены с образованием первого выхлопного коллектора (6а) для формирования первой общей выхлопной линии (7а), соединенной с турбиной (8а) первого турбонагнетателя (8), а
выхлопные линии (5b) прочих выпускных отверстий (4b) по меньшей мере двух цилиндров (3) соединены с образованием второго выхлопного коллектора (6b) для формирования второй общей выхлопной линии (7b), соединенной с турбиной (9а) второго турбонагнетателя (9),
при этом
выхлопные линии (5а, 5b) по меньшей мере двух цилиндров (3) соединены для формирования указанных двух общих выхлопных линий (7а, 7b) в пределах головки цилиндров,
а одна общая выхлопная линия (7а, 7b) размещена с дальней от края сборного узла стороны другой общей выхлопной линии (7а, 7b), при этом указанные две общие выхлопные линии (7а, 7b) размещены со смещением вдоль продольной оси (10а) головки цилиндров с образованием разноса Δ.
2. Двигатель (1) по п. 1, отличающийся тем, что разнос Δ между двумя общими выхлопными линиями (7а, 7b) соответствует разносу двух соседних выпускных отверстий цилиндра.
3. Двигатель (1) по п. 1, отличающийся тем, что разнос Δ между двумя общими выхлопными линиями (7а, 7b) лежит в диапазоне 3 мм ≤ Δ ≤ 45 мм.
4. Двигатель (1) по п. 1, отличающийся тем, что разнос Δ между двумя общими выхлопными линиями (7а, 7b) лежит в диапазоне 5 мм ≤ Δ ≤ 40 мм.
5. Двигатель (1) по п. 1, отличающийся тем, что разнос Δ между двумя общими выхлопными линиями (7а, 7b) лежит в диапазоне 20 мм ≤ Δ ≤ 35 мм.
6. Двигатель (1) по п. 1, отличающийся тем, что содержит жидкостное устройство охлаждения.
7. Двигатель (1) по п. 6, отличающийся тем, что по меньшей мере одна головка цилиндров оснащена по меньшей мере одним встроенным охлаждающим кожухом.
8. Двигатель (1) по п. 7, отличающийся тем, что по меньшей мере один охлаждающий кожух проходит между двумя общими выхлопными линиями (7а, 7b).
9. Двигатель (1) по п. 7, отличающийся тем, что по меньшей мере один охлаждающий кожух содержит нижний охлаждающий кожух, размещенный между выхлопными линиями (5а, 5b) и краем сборного узла головки цилиндров, и верхний охлаждающий кожух, размещенный со стороны выхлопных линий (5а, 5b), противоположной нижнему охлаждающему кожуху.
10. Двигатель (1) по п. 9, отличающийся тем, что имеется по меньшей мере одно соединение нижнего охлаждающего кожуха с верхним охлаждающим кожухом, расположенное на расстоянии от выхлопных линий (5а, 5b) в наружной стенке головки цилиндров, из которой выходят общие выхлопные линии (7а, 7b), причем это соединение служит для пропуска хладагента.
11. Двигатель (1) по п. 10, отличающийся тем, что указанное соединение размещено рядом с общими выхлопными линиями (7а, 7b).
12. Двигатель (1) по п. 1, отличающийся тем, что вторая турбина (9а) выполнена как турбина с перепускной заслонкой, причем перепускная линия ответвляется от второго выхлопного коллектора (6b) выше по потоку относительно второй турбины (9а), и в перепускной линии имеется запорный элемент.
13. Двигатель (1) по п. 12, отличающийся тем, что перепускная линия выводит газы в одну из двух общих выхлопных линий (7а, 7b) ниже по потоку относительно турбин (8а, 9а).
14. Двигатель (1) по п. 12, отличающийся тем, что перепускная линия выводит газы в первый выхлопной коллектор (6а) выше по потоку относительно первой турбины (8а).
15. Двигатель (1) по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что один турбонагнетатель (8, 9) размещен возле головки цилиндров, а другой турбонагнетатель (8, 9) размещен возле блока цилиндров.
16. Способ эксплуатации двигателя (1) внутреннего сгорания с наддувом по одному из предшествующих пунктов, согласно которому активируемые выпускные отверстия (4а), которые деактивируют при низкой скорости потока выхлопных газов, активируют, когда скорость потока выхлопных газов превысит задаваемый заранее уровень.
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что активируемые выпускные отверстия (4а), которые деактивируют при низкой скорости потока выхлопных газов, активируют, когда число nmot оборотов двигателя внутреннего сгорания превысит задаваемый заранее уровень.
