Способ охлаждения воздуха в тракте двигателя
Изобретение относится к охлаждению впускного воздуха, поступающего в двигатель. Способ содержит следующие шаги: охлаждение двигателя путем направления хладагента из системы охлаждения через двигатель; охлаждение впускного воздуха выше по потоку от двигателя при помощи охладителя наддувочного воздуха и выборочно повторное охлаждение впускного воздуха в каждом из множества впускных отверстий двигателя посредством подачи хладагента через канал хладагента, расположенный вокруг множества впускных портов, причем хладагент подают из системы подачи хладагента, отделенной от системы охлаждения и содержащей вакуумную колбу, выполненную с возможностью вмещения хладагента, и насос хладагента. Изобретение обеспечивает охлаждение наддувочного воздуха ниже по потоку от компрессора, повышая мощность двигателя и сокращая количество выбросов. 9 з.п. ф-лы, 13 ил.
Область техники
Настоящее описание в целом относится к способам и системам для охлаждения впускного воздуха, поступающего в двигатель.
Уровень техники/Сущность изобретения
Двигатели внутреннего сгорания с наддувом и турбонаддувом могут быть выполнены с возможностью сжатия окружающего воздуха, поступающего в двигатель, для повышения мощности. Ввиду того, что сжатие воздуха может привести к повышению его температуры, существует возможность использования охладителя наддувочного воздуха выше по потоку от впускного коллектора двигателя для охлаждения нагретого воздуха перед попаданием в двигатель, тем самым увеличивая плотность воздуха, улучшая сгорание топлива в цилиндре двигателя и достигая в результате большей мощности и повышенной экономичности в потреблении топлива. Однако охлажденный воздух, выходящий из охладителя наддувочного воздуха, установленного выше по потоку от двигателя, может быть повторно нагрет двигателем, в частности, во время работы двигателя в условиях больших нагрузок и/или высоких температур, тем самым сводя на нет многие преимущества охладителя наддувочного воздуха.
Другие попытки для решения проблемы охлаждения впускного воздуха включают канал охлаждения вокруг линии воздухозаборника. Один из примерных подходов показан Джонсоном в патенте США 7,658,183. В этом процессе удаление скрытой теплоты всасываемого воздуха осуществляют охлажденным трактом воздухозаборника, расположенным выше по потоку от двигателя.
Однако авторы настоящего изобретения выявили возможные проблемы, связанные с подобными системами. В качестве одного из примеров можно рассмотреть ситуацию, при которой охлаждающий тракт воздухозаборника размещен относительно далеко от двигателя и существует вероятность того, что впускной воздух может быть повторно нагрет до попадания в цилиндры.
В другом примере проблемы, раскрытые выше, могут быть решены посредством применения системы, содержащей головку цилиндра, определяющую множество цилиндров и включающую множество впускных отверстий, каждое из которых соединено по текучей среде с соответствующим цилиндром, систему подачи хладагента и канал хладагента, окружающий каждое впускное отверстие и соединенный по текучей среде с системой подачи хладагента, причем канал хладагента имеет форму для соответствия внешнему профилю каждого впускного отверстия. Таким образом, впускной воздух может быть повторно охлажден на впускных отверстиях до попадания в цилиндры для сгорания, тем самым повышая доступную мощность двигателя и сокращая количество выбросов.
Следует понимать, что вышеуказанное краткое описание приведено лишь для упрощенного представления концепций, которые далее раскрыты более подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Раскрытие изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивают вариантами осуществления, устраняющими какие-либо вышеуказанные недостатки или недостатки в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
На ФИГ. 1 представлен пример автомобиля, оснащенного двигателем.
На ФИГ. 2 представлен пример системы двигателя, включающей двигатель, показанный на ФИГ. 1.
На ФИГ. 3-5 представлен первый вариант осуществления изобретения системы охлаждения хладагентом для охлаждения впускного воздуха перед его поступлением в двигатель, показанный на ФИГ. 1-2.
На ФИГ. 6-10 представлен второй вариант осуществления изобретения системы охлаждения хладагентом для охлаждения впускного воздуха перед его поступлением в двигатель, показанный на ФИГ. 1-2.
На ФИГ. 11 и 12 представлен третий вариант осуществления изобретения системы охлаждения хладагентом для охлаждения впускного воздуха перед его поступлением в двигатель, показанный на ФИГ. 1-2.
ФИГ. 13 представляет собой блок-схему, на которой отображен примерный способ повторного охлаждения впускного воздуха, используя одну из систем охлаждения хладагентом, показанных на ФИГ. 3-12.
Раскрытие изобретения
Следующее описание относится к системам и способам повторного охлаждения впускного воздуха ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха. Охладители наддувочного воздуха могут охлаждать сжатый впускной воздух ниже по потоку от компрессора, повышая тем самым мощность двигателя и сокращая количество выбросов. Тем не менее, степень, до которой может быть охлажден впускной воздух при помощи охладителя наддувочного воздуха, как правило, ограничена, так как охладители наддувочного воздуха обычно охлаждаются при помощи окружающего воздуха или хладагента двигателя, ни один из которых не может быть значительно прохладнее, чем сжатый впускной воздух, в частности, в условиях высоких температур окружающего воздуха или больших нагрузок. Далее впускной воздух может быть повторно нагрет посредством отвода тепла от двигателя перед поступлением в двигатель. Таким образом, чтобы повторно охладить впускной воздух, каналы хладагента могут быть расположены вокруг впускных отверстий головки цилиндра и/или вокруг впускных трактов впускного коллектора. В каналы может быть подан хладагент, обеспечивая тем самым высокую степень охлаждения. На ФИГ. 1 изображен автомобиль, оснащенный двигателем и системой подачи хладагента, представленной здесь системой кондиционирования воздуха. ФИГ. 2 представляет собой систему двигателя, включающую двигатель, который изображен на ФИГ. 1 и может быть установлен в автомобиль, представленный на ФИГ. 1. На ФИГ. 3-12 представлены различные примеры систем охлаждения хладагентом, которые могут использоваться для повторного охлаждения впускного воздуха непосредственно выше по потоку от попадания в цилиндры. На ФИГ. 13 представлен способ, который может быть реализован котроллером, изображенным на ФИГ. 1 и 2, для повторного охлаждения впускного воздуха.
На ФИГ. 1-12 представлены примеры конфигураций с относительным позиционированием различных компонентов. Если элементы показаны как непосредственно контактирующие или непосредственно соединенные друг с другом, то они могут называться непосредственно контактирующими или непосредственно соединенными соответственно, как минимум в одном примере. Аналогично, элементы, показанные как смежные или прилежащие друг к другу, могут быть смежными или прилежащими друг к другу соответственно, как минимум в одном примере. В качестве примера, компоненты, контактирующие друг с другом торцами, могут называться компонентами с торцевым контактом. В качестве другого примера, элементы, размещенные отдельно друг от друга, только с пространством между ними и без других компонентов, могут так называться как минимум в одном примере. ФИГ. 3-12 показаны в соответствии с масштабом, хотя могут быть использованы другие относительные размерности.
Что касается ФИГ. 1, автомобиль 1 содержит колеса 102. Крутящий момент подают на колеса 102 через двигатель 10 и трансмиссию 104. В некоторых примерах электрический двигатель или гидравлический двигатель также может подавать крутящий момент на колеса 102. Привод навесного оборудования переднего расположения (ПНОПР) содержит генератор 111 и систему 108 кондиционирования воздуха (КВ). Генератор 111 и система 108 КВ могут быть механически соединены с двигателем 10 через вал или шкив 45, 47, или могут быть механически соединены с двигателем 10 через общий вал или шкив. Кроме того, генератор 111 может подавать и/или получать электроэнергию на аккумулятор 106. Система КВ может быть задействована или приведена в действие в ответ на запрос оператора на охлаждение кабины автомобиля, осушение воздуха кабины и/или обогрев. Дополнительные детали системы КВ будут представлены ниже со ссылкой на ФИГ. 3. Аккумулятор 106 и генератор 111 могут подавать электрическую энергию на различные компоненты двигателя, которые не показаны на ФИГ. 1. Контроллер 12 включает инструкции для управления и получения входных сигналов из генератора 111, системы 108 КВ, двигателя 10 и трансмиссии 104.
На ФИГ. 2 схематически показаны аспекты примерной системы 100 двигателя, содержащей двигатель 10. В изображенном варианте осуществления изобретения двигатель 10 представляет собой двигатель с наддувом, соединенный с турбонагнетателем 13, включающим в себя компрессор 114, приводимый в действие турбиной 116. В частности, свежий воздух поступает по впускному каналу 42 в двигатель 10 через воздухоочиститель 112 и поступает в компрессор 114. Компрессор может представлять собой любой соответствующий компрессор впускного воздуха, такой, как компрессор нагнетателя с приводом от мотора или приводного вала. В системе 100 двигателя компрессор представляет собой компрессор турбонагнетателя, механически соединенный с турбиной 116 через вал 19, турбина 116 приведена в действие расширяющимися отработавшими газами двигателя. В одном из вариантов осуществления изобретения компрессор и турбину могут объединять в турбонагнетателе с двойной улиткой. В другом варианте осуществления изобретения турбонагнетателем может быть турбонагнетатель с изменяемой геометрией (ТИГ), при котором геометрию турбины активно меняют в функциональной зависимости от условий частоты вращения двигателя.
Как показано на ФИГ. 2, компрессор 114 соединен посредством охладителя 18 наддувочного воздуха (ОНВ) (здесь и далее - промежуточный охладитель) с дроссельной заслонкой 20. Дроссельная заслонка 20 соединена с впускным коллектором 22 двигателя. Наддувочный воздух из компрессора проходит через охладитель 18 наддувочного воздуха и дроссельную заслонку во впускной коллектор. Охладитель наддувочного воздуха может представлять собой, например, воздухо-воздушный или водо-воздушный теплообменник. Так как поток, проходящий через компрессор, может нагревать сжатый воздух, используют ОНВ 18, расположенный ниже по потоку, для охлаждения входящего наддувочного воздуха перед его подачей во впускное отверстие двигателя.
Один или более из датчиков могут быть соединены со впуском компрессора 114. Например, датчик 55 температуры может быть соединен со впуском для определения температуры на входе в компрессор, а датчик 56 давления может быть соединен со впуском для определения давления на входе в компрессор. В другом примере датчик 57 влажности может быть соединен со впуском для определения влажности наддувочного воздуха, поступающего в компрессор. При этом другие датчики могут включать в свой состав, например, выпускной датчик отработавших газов для определения кислорода, датчики оксидов азота (NOx) и другие. В других примерах одно или более из условий на впуске компрессора (таких как влажность, давление, температура и т.д.) могут быть получены на основе рабочих условий двигателя. Кроме того, когда активна рециркуляция отработавших газов (РОГ), датчики могут выполнять оценку температуры, давления, влажности и воздушно-топливного отношения смеси наддувочного воздуха, включающей свежий воздух, рециркулируемый сжатый воздух и остатки отработавших газов, получаемые на входе в компрессор.
При выбранных условиях, например, при нажатии на педаль акселератора, при переходе от эксплуатации двигателя с наддувом к эксплуатации двигателя без наддува, возможен помпаж компрессора. Это обусловлено повышенным перепадом давления, который образуется в компрессоре, когда дроссель закрывается при разгрузке. Повышенный перепад давления сокращает прямой поток через компрессор, вызывая помпаж и пониженную производительность турбонагнетателя. Дополнительно, помпаж может привести к проблемам с шумом, вибрацией и резкостью (ШВР), например, нежелательным шумам из впускной системы двигателя. Для снижения давления наддува и помпажа компрессора, по меньшей мере, часть наддувочного воздуха, сжатого компрессором 114, может быть рециркулирована на впуск компрессора. Это позволяет немедленно значительно сбросить избыточное давление наддува. Рециркуляционная система компрессора может содержать канал 70 рециркуляции компрессора для рециркуляции охлажденного воздуха от выпуска компрессора, ниже по потоку от охладителя 18 наддувочного воздуха к впуску компрессора. В некоторых вариантах осуществления изобретения может быть обеспечен дополнительный прогон рециркуляции компрессора (не показан) для рециркуляции неохлажденного (или теплого) сжатого воздуха, поступающего из выхода компрессора выше по потоку от охладителя 18 наддувочного воздуха, на вход компрессора.
Рециркуляционный клапан 72 компрессора (РКК) может быть соединен с каналом рециркуляции компрессора 70 (также называемым байпасом компрессора) для контроля количества охлажденного потока через компрессора, рециркулируемого на вход компрессора. В описанном примере РКК 72 может быть выполнен с возможностью бесступенчатой регулировки, когда положение клапана может быть полностью закрытым положением, полностью открытым положением и одним из множества положений между полностью открытым положением и полностью закрытым положением. РКК 72 может быть расположен в канале 70 ниже по потоку от ОНВ 18 и перед входом в компрессор 114. Положение РКК 72 может регулироваться во время работы двигателя с наддувом для повышения предельной производительности и обеспечивает запас на помпаж. В одном примере РКК может поддерживаться в закрытом состоянии во время работы двигателя с наддувом для повышения реакции наддува и предельной производительности. В другом примере РКК может поддерживаться частично открытым во время работы двигателя с наддувом таким образом, чтобы обеспечить некоторый резерв на помпаж, в частности, повышенный резерв на мягкий помпаж. В любом случае в ответ на указание на помпаж (например, жесткий помпаж) величина открытия клапана может быть увеличена. Степень открытия РКК может быть основана на указании на помпаж (например, степень сжатия, степень расхода компрессора, перепад давления на компрессоре и т.д.). В качестве одного из примеров открытие РКК может быть увеличено (например, клапан может перейти из полностью закрытого положения или частично открытого положения в полностью открытое положение) в ответ на указание на помпаж.
Помпаж может также быть сброшен уменьшением давления отработавших газов на турбине 116. К примеру, привод 92 регулятора давления наддува может быть открыт для сброса, по меньшей мере, части давления отработавших газов, поступающих из точки выше по потоку от турбины, в точку ниже по потоку от турбины через регулятор 90 давления наддува. Посредством уменьшения давления отработавших газов выше по потоку от турбины частота вращения турбины может быть уменьшена, что в свою очередь помогает уменьшить помпаж компрессора. Тем не менее, из-за динамики наддува регулятора давления наддува, воздействие регулировки РКК на уменьшение помпажа может произойти быстрее, чем воздействие настройки регулятора давления наддува.
Впускной коллектор 22 соединен с рядом камер 30 сгорания рядом впускных клапанов (не показаны). Камеры сгорания в свою очередь соединены с выпускным коллектором 36 рядом выпускных клапанов (не показаны). В изображенном варианте осуществления изобретения показан единственный выпускной коллектор 36. В то же время в других вариантах осуществления изобретения выпускной коллектор может включать в себя множество секций выпускного коллектора. Конфигурации с множеством секций выпускного коллектора могут обеспечивать направление стока из разных камер сгорания в разные участки системы двигателя.
В одном из вариантов осуществления изобретения каждый из выпускных и впускных клапанов может быть приведен в действие электронно или может быть осуществлено электронное управление их работой. В другом варианте осуществления изобретения каждый из выпускных и впускных клапанов может быть приведен в действие кулачками или может быть осуществлено управление их работой посредством кулачков. Независимо от того, осуществлен ли электронный привод или привод от кулачков, синхронизация открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов может быть отрегулирована по мере необходимости для требуемых характеристик сгорания и контроля выбросов.
В камеры 30 сгорания может быть подан один или более видов топлива, таких как бензин, спиртовые смеси, дизельное топливо, биодизельное топливо, сжатый природный газ и т.д,. посредством форсунки 66. Топливо может быть подано в камеры сгорания с использованием непосредственного впрыска, распределенного впрыска, впрыска в корпусе дроссельных заслонок или любого их сочетания. В камерах сгорания сгорание может быть инициировано посредством искры зажигания и/или сжатия.
Как показано на ФИГ. 2, отработавшие газы из одной или нескольких секций выпускного коллектора направляют в турбину 116 для ее вращения. Если требуется меньший крутящий момент турбины, часть отработавших газов могут направлять вместо этого через регулятор 90 давления воздуха в обход турбины. Затем объединенный поток с турбины и регулятора давления наддува проходит через устройство 170 контроля выбросов. Обычно одно или несколько устройств 170 контроля выбросов может содержать один или несколько катализаторов дополнительной очистки отработавших газов, выполненных с возможностью каталитической обработки потока отработавших газов и соответствующего снижения концентрации одного или более веществ в потоке отработавших газов. Например, катализатор системы дополнительной очистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью улавливания окислов азота из потока отработавших газов, когда поток отработавших газов бедный, и уменьшения улавливаемых окислов азота, когда поток отработавших газов богатый. В других примерах катализатор системы дополнительной очистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью диспропорционирования окислов азота или избирательного уменьшения количества окислов азота с помощью восстанавливающего агента. В других примерах каталитический нейтрализатор системы дополнительной очистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью окисления остаточных углеводородов и/или моноксида углерода в потоке отработавших газов. Различные катализаторы системы дополнительной очистки отработавших газов, обладающие какой-либо из таких функций, могут быть установлены в покрытиях из пористого оксида или в других местах на ступенях дополнительной очистки отработавших газов, раздельно или вместе. В некоторых вариантах осуществления ступени дополнительной очистки отработавших газов могут включать в себя регенерируемый сажевый фильтр, выполненный с возможностью улавливания и окисления частиц сажи в потоке отработавших газов.
Все или часть отработавших отработавших газов могут выделяться из устройства 170 контроля выбросов в атмосферу через выпускной тракт 35. В зависимости от условий работы, в то же время, часть отработавших газов может вместо этого быть направлена в канал 50 РОГ через охладитель 51 РОГ и клапан 52 РОГ во вход 114 компрессора. Как таковой, канал 50 РОГ соединяет выпускной коллектор двигателя ниже по потоку от турбины 116 посредством впускного коллектора двигателя выше по потоку от компрессора 114. В описанном примере канал 50 РОГ представлен сливающимся с каналом 70 рециркуляции компрессора выше по потоку от входа в компрессор. Следует понимать, что в альтернативных примерах каналы могут не сливаться и канал РОГ может быть соединен со входом компрессора независимо от канала рециркуляции компрессора.
Клапан 52 РОГ может быть открыт для впуска контролируемого количества охлажденных отработавших газов во вход компрессора для осуществления требуемого сгорания и контроля выбросов. Таким образом, система 100 двигателя адаптирована, чтобы обеспечить внешнюю РОГ низкого давления (НД) посредством рециркуляции отработавших газов от участка ниже по потоку от турбины 116. Клапан 52 РОГ также может быть спроектирован как бесступенчато-регулируемый клапан. Тем не менее, в альтернативном примере клапан 52 РОГ может быть спроектирован как клапан включения и отключения. Вращение компрессора, в дополнение к относительно длинному пути потока РОГ НД в системе 10 двигателя, обеспечивает очень хорошее однородное содержание отработавших газов для нагнетания впускного воздуха. Кроме того, расположение участков вывода и точек смешения РОГ обеспечивает эффективное охлаждение отработавших газов для повышенной имеющейся массы РОГ и лучшей производительности. В дальнейших вариантах осуществления изобретения система двигателя может дополнительно содержать тракт РОГ высокого давления, в которой отработавшие газы отобраны на участке выше по потоку от турбины 116 и рециркулированы во впускной коллектор двигателя, ниже по потоку от компрессора 114.
Охладитель 51 РОГ может быть соединен с каналом 50 РОГ для охлаждения РОГ, подаваемых в компрессор. Кроме того, один или более датчиков могут быть соединены с каналом 50 РОГ для предоставления информации о составе и состоянии РОГ. Например, датчик температуры может быть предусмотрен для определения температуры РОГ, датчик давления может быть предусмотрен для определения давления РОГ, датчик влажности может быть предусмотрен для определения содержания влаги или воды в РОГ, датчик 54 воздушно-топливного отношения может быть предусмотрен для определения воздушно-топливного отношения РОГ. В качестве альтернативы условия РОГ могут, могут быть определены одним или более датчиками 55-57 температуры, давления, влажности и воздушно-топливного отношения, соединенными со входом в компрессор. Величина открытия клапана РОГ может быть отрегулирована на основе рабочих условий двигателя и условий РОГ для обеспечения требуемой степени разбавления в двигателе.
Система 100 двигателя может дополнительно содержать управляющую систему 14. Управляющая система 14 показана с возможностью получения информации от нескольких датчиков 16 (различные примеры которых раскрыты в настоящем документе) и передачи управляющих команд на несколько приводов 81 (различные примеры которых раскрыты в настоящем документе). Например, датчики 16 могут содержать датчик 126 отработавших газов выше по потоку от устройства контроля выбросов, датчик 124 ДВК, датчик 128 температуры отработавших газов, датчик 129 давления отработавших газов, датчик 55 температуры на впуске компрессора, датчик 56 давления на впуске компрессора, датчик 57 ДВД и датчик 54 РОГ. Другие датчики, такие как дополнительные датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения и состава, могут быть подсоединены в различных местах в системе 100 двигателя. Приводы 81 могут содержать, например, дроссель 20, клапан 52 РОГ, рециркуляционный клапан 72 компрессора, регулятор 92 давления наддува и топливную форсунку 66. Управляющая система 14 может содержать контроллер 12. Контроллер способен принимать входные сигналы от различных датчиков, обрабатывать входные сигналы и приводить в действие различные приводы в ответ на обработанные входные сигналы, на основе инструкции или кода, запрограммированного в нем, в соответствии с одним или более алгоритмами. Примерный алгоритм управления раскрыт в настоящей заявке в соответствии с ФИГ. 2.
Контроллер 12 принимает сигналы от различных датчиков на ФИГ. 2 и задействует различные приводы на ФИГ. 2 для регулирования работы двигателя на основе принимаемых сигналов и инструкций, хранимых в памяти контроллера. Например, регулировка потока воздуха через охладитель наддувочного воздуха 18 может включать регулировку привода или дросселя 20 для регулировки потока воздуха.
Как описано выше, охладитель 18 наддувочного воздуха (ОНВ) может охлаждать горячий сжатый воздух до попадания в двигатель. Горячий наддувочный воздух из компрессора 114 поступает на впуск ОНВ 18, охлаждается при прохождении через ОНВ 18, а затем выходит через дроссель 20 во впускной коллектор 22 двигателя. Из внешней среды транспортного средства в двигатель 10 через переднюю часть транспортного средства может попадать внешний воздух и проходить через ОНВ 18 для участия в охлаждении наддувочного воздуха. В ОНВ 18 может образовываться и накапливаться конденсат, когда температура окружающего воздуха уменьшается, или при влажной или дождливой погоде, когда наддувочный воздух охлажден до температуры ниже водной точки росы. Когда наддувочный воздух включает рециркулируемые отработавше газы (из системы рециркуляции отработавших газов, представленной на ФИГ. 2, например), конденсат может окислиться и вызвать коррозионное повреждение корпуса ОНВ. Коррозия может привести к утечкам между наддувочным воздухом, атмосферной средой и, вероятно, хладагентом в случае применения водо-воздушных охладителей. Для уменьшения образования конденсата и риска коррозии конденсат можно быть собран в нижней части ОНВ 18 и затем продут в двигатель во время наступления установленных рабочих условий как, например, во время событий ускорения. В других примерах конденсат может быть дополнительно или альтернативно продут в выпускную систему, расположенную выше по потоку или ниже по потоку от катализатора. Тем не менее, если конденсат мгновенно поступает в канал впускного воздуха двигателя во время события ускорения, то может иметь место увеличение вероятности пропусков в зажигании двигателя или нестабильности сгорания (в форме позднее проявляемых/медленных нагаров) из-за всасывания воды. Таким образом, как оценено в настоящем документе со ссылкой на ФИГ. 9, конденсат может быть продут из ОНВ 18 или впускного коллектора 22 в двигатель при контролируемых условиях. Такая контролируемая продувка может помочь уменьшить вероятность возникновения событий пропусков зажигания в двигателе.
Более того, в то время как ОНВ 18 может надлежащим образом охлаждать впускной воздух при большинстве рабочих условий, при условиях высоких температур окружающего воздуха и/или условиях повышенных нагрузок двигателя, отражение тепла от двигателя и/или других компонентов может привести к повторному нагреву впускного воздуха перед его попаданием в цилиндры. Таким образом, как минимум во время некоторых условий преимущества охлажденного впускного воздуха (повышенная мощность и/или сокращенное количество выбросов) могут быть утрачены. Согласно вариантам осуществления изобретения, описанным в настоящем документе, впускной воздух может быть повторно охлажден ниже по потоку от ОТН 18 посредством одного или более каналов хладагента, отлитых вокруг впускных отверстий цилиндра и/или трактов впускного коллектора. Хладагент может поступать из системы кондиционирования или из встроенной емкости, и в таком виде его подача может быть обеспечена отдельно от системы хладагента двигателя. При этом впускной воздух может охлаждаться до температуры ниже, чем температура, которая может возникнуть при охлаждении посредством хладагента двигателя или окружающего воздуха, например. Дополнительные детали о каналах хладагента и источниках хладагента будут представлены ниже со ссылкой на ФИГ. 3-8. Кроме тог, аналогично ОНВ 18, описанному выше, повторное охлаждение впускного воздуха на впускном коллекторе и/или впускных отверстиях может привести к образованию дополнительного количества конденсата во впускном коллекторе, например. Таким образом, могут быть предприняты различные меры в ответ на указание того, что конденсат образуется во впускном коллекторе, как будет разъяснено ниже со ссылкой на ФИГ. 9.
Рассмотрим ФИГ. 3-5, на которых представлена система 300 охлаждения хладагентом, выполненная с возможностью охлаждения компонентов системы 100 двигателя. Система 300 охлаждения хладагентом может действовать на охлаждение впускного воздуха, поступающего в двигатель, как, например, двигатель 10 на ФИГ. 1 и 2. Соответственно, компоненты на ФИГ. 1 и 2 представлены аналогичными номерами на ФИГ. 3-5, а их детальное описание будет опущено. На ФИГ. 3 представлено боковое перспективное изображение системы 300 охлаждения хладагентом, в то время как на ФИГ. 5 представлено то же изображение со снятым впускным коллектором для облегчения понимания. На ФИГ. 4 представлено увеличенное изображение впускных отверстий и каналов хладагента, показанных на ФИГ. 5.
Система 300 охлаждения хладагентом включает канал 302 хладагента, проходящий вокруг множества впускных отверстий (показано на ФИГ. 4 и 5) головки 309 цилиндра. Канал 302 хладагента получает хладагент из линии 304 подачи хладагента и направляет хладагент обратно в линию 306 возврата хладагента. Линия 304 подачи хладагента соединена с компрессором 308 системы 108 кондиционирования. Линия 306 возврата хладагента соединена с конденсатором системы 108 кондиционирования (не показано). В то время как не все показано на ФИГ. 3-5, необходимо понимать, что система 108 кондиционирования включает различные дополнительные компоненты, включая без ограничения испаритель, вентилятор, устройство климат-контроля, датчик температуры и др. В одном из примеров хладагент подают в испаритель через клапан испарителя после закачки в конденсатор. Компрессор 308 получает газ хладагента из испарителя и повышает давление хладагента. Тепло выделяется из хладагента под давлением с тем, чтобы хладагент принял жидкую форму в конденсатор. Жидкий хладагент расширяется после прохождения через клапан испарителя, вызывая тем самым уменьшение температуры испарителя.
Компрессор 308 может включать муфту, регулирующий клапан рабочего объема, поршень и наклонный диск. Поршень может повышать давление хладагента в системе кондиционирования, который поступает из воздушного компрессора 308 в конденсатор. Муфта может быть выборочно зацеплена и не зацеплена для подачи в компрессор 308 вращательной энергии из двигателя 10. Могут быть включены одна или более дополнительные линий хладагента для направления хладагента в другие компоненты системы, установленные для получения циркулирующего хладагента (например, линия 304 подачи хладагента). Клапан может быть выполнен с возможностью управления потоком хладагента, проходящего через линию 304 подачи хладагента, посредством команд контроллера 12. Клапан может быть выполнен с возможностью работы в трехпоточном режиме, при котором хладагент может обходить линию 304 подачи хладагента, когда клапан находится в первом положении и может циркулировать через линию 304 подачи хладагента, когда клапан находится во втором положении. В других примерах клапан может быть соединен с линией 304 подачи хладагента, расположенной в зоне между компрессором КВ и каналами хладагента головки цилиндра, а также может быть выполнен с возможностью открытия или закрытия по командам контроллера 12. Хладагент может быть хладагентом, пригодным для применения в системе КВ, например фреоном. В некоторых примерах жидкий азот может быть использован вместо фреона; в этих примерах клапан сброса давления может быть установлен в линии возврата хладагента.
Как разъяснено выше, канал 302 хладагента выполнен с возможностью пропускания хладагента вокруг множества впускных отверстий головки цилиндра. Как показано на ФИГ. 3-5, двигатель 10 представляет собой четырехцилиндровый двигатель и, следовательно, имеет четыре впускных отверстия - первое впускное отверстие 312, второе впускное отверстие 313, третье впускное отверстие 315 и четвертое впускное отверстие 317. Каждое впускное отверстие соединено с соответствующим трактом 310 впускного коллектора. Впускной воздух из впускного коллектора после прохождения через ОНВ 18 и выше по потоку от компрессора разделяется и направляется через тракты 310 впускного коллектора. Впускной воздух из соответствующего тракта 310 проходит через соответствующее впускное отверстие в соответствующий цилиндр для участия в сгорании.
Каждое впускное отверстие имеет внешнюю обработанную машинным способом поверхность 314 уплотнения, выполненного с возможностью соединения с соответствующим трактом 310 впускного коллектора. Как показано на ФИГ. 4, внешняя поверхность уплотнения каждого впускного отверстия непрерывна, что создает единую непрерывную поверхность уплотнения для всех впускных отверстий. Тем не менее, в некоторых примерах каждое впускное отверстие может иметь отдельную внешнюю поверхность уплотнения. Впускные отверстия расположены в ряд вдоль центральной продольной оси 401 впускных отверстий и/или поверхности внешней стороны. На ФИГ. 4 также представлена система 402 координат, включающая вертикальную ось 404, горизонтальную ось 406 и поперечную ось 408. Центральная продольная ось 401 параллельна горизонтальной оси 406.
Каждое впускное отверстие имеет внешний профиль, определенный как часть впускного отверстия, которая расположена за пределами головки цилиндра. Например, рассматривая первое впускное отверстие 312, можно определить внешний профиль посредством внешней поверхности уплотнения, верхней стороны 316 впускного отверстия и нижней стороны 318 впускного отверстия, противоположной верхней стороне. Верхняя сторона 316 вертикально расположена над нижней стороной 318 таким образом, что когда двигатель 10 устанавливают в автомобиль, верхняя сторона 316 находится выше над уровнем земли, на котором стоит автомобиль, чем нижняя сторона 318. Верхняя сторона каждого впускного отверстия может быть непрерывной с соответствующей нижней стороной, образуя тем самым круговой, прямоугольный или продолговатый прогон. Центр каждого впускного отверстия может быть полым для обеспечения подачи потока впускного воздуха в соответствующий цилиндр.
Канал 302 хладагента проходит вокруг верхней и нижней точек каждого впускного отверстия. Как показано на изображениях, канал 302 хладагента представляет собой единый непрерывный канал, который проходит параллельно горизонтальной оси 406 над верхней точкой каждого из впускных отверстий, изгибается вокруг крайнего четвертого впускного отверстия (например, проходит параллельно вертикальной оси 404) и проходит вдоль нижней точки каждого из впускных отверстий параллельно горизонтальной оси 406. Таким образом, канал 302 хладагента проходит вдоль верхней стороны первого впускного отверстия 312 в направлении и вдоль верхней стороны второго впускного отверстия 313 в направлении и вдоль третьего впускного отверстия 315 в направлении и вдоль верхней стороны четвертого впускного отверстия 317. Канал 302 хладагента затем проходит вокруг стороны четвертого впускного отверстия (например, вокруг места, где верхняя сторона четвертого впускного отверстия соединяется с нижней стороной) и проходит вдоль нижней стороны четвертого впускного отверстия 317 в направлении и вдоль нижней стороны третьего впускного отверстия 315 в направлении и вдоль нижней стороны второго впускного отверстия 313 в направлении и вдоль нижней стороны первого впускного отверстия 312.
Канал 302 хладагента проходит вдоль верхней и нижней сторон впускных отверстий, и имеет форму для соответствия внешнему профилю каждого впускного отверстия. Канал 302 имеет ширину, которая проходит в направлении от головки цилиндра (например, параллельно поперечной оси 408). Ширина канала хладагента может быть пригодной шириной, например ширина может проходить от внешней поверхности 314 уплотнения до точки, где впускные отверстия достигают поверхности головки 309 цилиндра. Например, головка 309 цилиндра может включать верхнюю обработанную машинным способом поверхность, выполненную с возможностью соединения с крышкой распределительного вала, например, а канал хладагента может проходить к боковой поверхности 320 головки 309 цилиндра, примыкающей к обработанной машинным способом поверхности. Канал 302 хладагента может быть вровень с внешней поверхностью 314 уплотнения в одном примере. В других примерах канал 302 хладагента может не быть вровень с внешней поверхностью 314 уплотнения, например канал 302 хладагента может заканчиваться до поверхности 314 внешнего уплотнения. Канал 302 хладагента может иметь приемлемую высоту или толщину, которую устанавливают на основании требований к потоку хладагента двигателя, например. В одном примере высота канала 302 хладагента может быть меньше, чем одна вторая толщины стенки впускного отверстия. Канал 302 хладагента может иметь постоянную толщину вдоль всей протяженности канала 302 хладагента.
Как разъяснено выше, канал 302 хладагента проходит вдоль верхней стороны каждого впускного отверстия. В то время как каждое впускное отверстие включает круговую или прямоугольную полость, поверхность 314 внешнего уплотнения непрерывно проходит вдоль всех впускных отверстий. Канал 302 хладагента соответствует форме внешней боковой стороны вдоль верхних сторон впускных отверстий. То есть, канал 302 хладагента изгибается вверх и вдоль верхней стороны первого впускного отверстия 312 и изгибается вниз вдоль верхней стороны первого впускного отверстия 312, но только на часть изгиба верхней стороны. Канал 302 хладагента затем уплотняется и соответствует форме внешней поверхности 314 уплотнения до тех пор, пока не достигает второго впускного отверстия, на месте которого канал хладагента изгибается вверх, проходит вдоль плоской части верхней стороны второго впускного отверстия 313 и изгибается вниз на часть изгиба верхней стороны второго впускного отверстия 313. Как показано на ФИГ. 4, канал 302 хладагента может соответствовать изгибу верхней стороны данного впускного отверстия на часть, которая длиннее других впускных отверстий. Например, канал 302 хладагента только соответствует направленному вниз изгибу верхней стороны первого впускного отверстия 312 на относительно малую часть изгиба (например, 20%), в то время как канал 302 хладагента соответствует направленному вниз изгибу верхней стороны второго впускного отверстия 313 на большую часть изгиба (например, 50%).
Аналогично, канал 302 хладагента проходит вдоль нижней стороны каждого впускного отверстия. Канал 302 хладагента соответствует форме внешней поверхности 314 уплотнения вдоль нижних сторон впускных отверстий. То есть, канал 302 хладагента изгибается вниз и вдоль верхней стороны четвертого впускного отверстия 317 и изгибается верх вдоль нижней стороны четвертого впускного отверстия 317, но только на часть изгиба нижней стороны. Канал 302 хладагента затем уплотняется и соответствует форме внешней поверхности 314 уплотнения до тех пор, пока не достигает третьего впускного отверстия 315, на месте которого канал хладагента изгибается вниз, проходит вдоль плоской части нижней стороны третьего впускного отверстия 315 и изгибается вверх на часть изгиба нижней стороны третьего впускного отверстия 315. Как показано на ФИГ. 5, канал 302 хладагента может соответствовать изгибу нижней стороны данного впускного отверстия на часть, которая длиннее других впускных отверстий. Например, канал 302 хладагента только соответствует направленному вверх изгибу нижней стороны третьего впускного отверстия 315 на относительно малую часть изгиба (например, 20%), в то время как канал 302 хладагента соответствует направленному вверх изгибу нижней стороны четвертого впускного отверстия 317 на большую часть изгиба (например, 50%). В некоторых примерах канал хладагента может обволакивать впускные отверстия в максимальной мере, например канал хладагента может полностью окружать всю протяженность каждого впускного отверстия, за исключением мест, где находятся выпуклости крепежных элементов и/или примыкающие элементы.
Канал 302 хладагента получает хладагент из линии 304 подачи хладагента на впускном отверстии 322 хладагента и направляет хладагент обратно в линию 306 возврата хладагента на выпускном отверстии 324 хладагента. Как показано на ФИГ. 5, вход 322 и выход 324 расположены в по существу аналогичных положениях канала хладагента. В частности, как вход 322, так и выход 324 расположены на одной и той же стороне первого впускного отверстия 312, несмотря на вертикальное размещение относительно друг друга.
На ФИГ. 6 и 7 представлен альтернативный вариант осуществления изобретения системы 600 охлаждения хладагентом. Система 600 охлаждения хладагентом выполнена с возможностью охлаждения компонентов системы 100 двигателя. Система 600 охлаждения хладагентом может действовать на охлаждение впускного воздуха, поступающего в двигатель, как, например, двигатель 10 на ФИГ. 1 и 2. Соответственно, компоненты на ФИГ. 1 и 2 представлены числами на ФИГ. 6 и 7, а их детальное описание будет опущено. На ФИГ. 6 представлено боковое перспективное изображение системы 600 охлаждения хладагентом, в то время как на ФИГ. 7 представлено увеличенное верхнее перспективное изображение системы 600 охлаждения хладагентом.
Система 600 охлаждения хладагентом включает все те же компоненты, что и система 300 охлаждения хладагентом, а также включает дополнительный канал хладагента вокруг трактов впускного коллектора 310. В таком виде система 600 охлаждения хладагентом содержит канал 602 хладагента, проходящий вокруг множества впускных отверстий головки 309 цилиндра. Канал 602 хладагента получает хладагент из линии 604 подачи хладагента и направляет хладагент обратно в линию возврата хладагента (не показано). Линия 604 подачи хладагента соединена с компрессором 308 системы 108 КВ. Линия возврата хладагента может быть соединена с конденсатором системы 108 КВ (не показано).
Дополнительный второй канал 608 хладагента проходит вокруг впускных трактов 310 впускного коллектора 22 и содержит соответствующий соединительный канал 612 между каждым сегментом второго канала хладагента, который окружает каждый тракт. Впускной коллектор 22 включает соединительный фланец 610, определяющий внешний край каждого тракта 310. Соединительный фланец 610 выполнен с возможностью вступления в торцевой контакт с поверхностью внешней стороны каждого впускного отверстия, когда впускной коллектор соединен с двигателем. Второй канал 608 хладагента аналогичен каналу 602 хладагента и 302 в том, что он имеет форму, которая соответствует профилю впускного тракта (например, проходит вдоль верхней стороны каждого тракта, изгибается вокруг и проходит вдоль нижней стороны каждого тракта). Второй канал 608 хладагента имеет верхнюю ширину, которая проходит над более чем половиной длины каждого тракта. Например, второй канал хладагента может иметь ширину вдоль верхней поверхности каждого тракта, проходящую от внутреннего края соединительного фланца до точки, расположенной за серединой каждого тракта. Более того, каждый тракт имеет нижнюю поверхность, противоположную верхней поверхности, а второй канал 608 хладагента имеет нижнюю ширину вдоль нижней поверхности каждого тракта, которая проходит от внутреннего края соединительного фланца до точки, в которой каждая нижняя поверхность переходит в корпус впускного коллектора. Второй канал хладагента может иметь толщину, равную каналу хладагента 302 или 602.
Второй канал 608 хладагента может быть соединен по текучей среде с каналом 602 хладагента или может быть отдельным каналом, который не поставляет или получает хладагент из канала 602 хладагента. В одном из примеров, представленных на ФИГ. 8-10, хладагент может быть получен каналом 602 хладагента, проходящего вокруг и вдоль каждого впускного отверстия, проходящего в направлении второго канала 608 хладагента через соединительный канал 614, проходящий вокруг и вдоль каждого тракта 310 и возвращаемый по линии 606 возврата из канала 608 хладагента.
На ФИГ. 11 и 12 представлен дополнительный альтернативный вариант осуществления изобретения системы 800 охлаждения хладагентом. Система 800 охлаждения хладагентом выполнена с возможностью охлаждения компонентов системы 100 двигателя. Система 800 охлаждения хладагентом может функционировать для охлаждения впускного воздуха, поступающего в двигатель, как, например, двигатель 10 на ФИГ. 1 и 2. Соответственно, компоненты на ФИГ. 1 и 2 представлены аналогичными номерами на ФИГ. 11 и 12, а их детальное описание будет опущено.
Система 800 охлаждения хладагентом включает многие из тех же компонентов, что и система 600 охлаждения хладагентом, включая канал 802 охлаждения вокруг впускных отверстий головки 309 цилиндра, второй канал 808 охлаждения вокруг впускных трактов 310, линию 804 подачи хладагента и линию 806 возврата хладагента. На ФИГ. 12 представлена система 1200 охлаждения хладагентом, аналогичная системе 800 охлаждения хладагентом. В системе 1200 линия 806 возврата соединена со вторым каналом 808 хладагента.
Вместо получения хладагента из системы КВ система 800 охлаждения хладагентом и система 1200 охлаждения хладагентом каждая включает емкость 810 хладагента для хранения хладагента. Емкость хладагента может быть вакуумной колбой или иной пригодной емкостью, выполненной с возможностью предотвращения утечки хладагента. На линии 804 подачи хладагента расположены насос 812 и клапан управления 814. Клапан 816 сброса давления может быть расположен на линии 806 возврата. Клапан 814 управления может включать приемлемый привод (например, электрический, гидравлический, соленоидный и др.), выполненный с возможностью управления положением клапана управления в ответ на команду контроллера. Клапан 816 сброса давления может быть реагирующим на давление клапаном, ручным клапаном или может включать привод, управляемый контроллером. Емкость 810 хладагента может хранить пригодный хладагент как, например, жидкий азот. В некоторых примерах хладагент, хранимый в емкости 810, может отличаться от хладагента, используемого в системе КВ. Исходя из источника хладагента, отдельного от системы КВ, потребление топлива может быть сокращено уменьшением количества времени, в течение которого компрессор системы КВ находится под управлением двигателя.
Когда жидкий азот или другой хладагент вступает в контакт с окружающими нагретыми компонентами (например, впускные отверстия и/или тракты), хладагент закипает, когда происходит поглощение тепла. Когда происходит изменение фазы из жидкого в газообразное состояние, происходит образование сжатого пара, который можно спускать контролируемым способом через клапан сброса давления для управления внутренним давлением и избегания выветривания больших количеств газового пара в ограниченных пространствах. Оператор может периодически перезаполнять контейнер для хранения вручную.
Рассмотрим сейчас ФИГ 13, на которой представлен способ 900 для повторного охлаждения впускного воздуха перед его попаданием во множество цилиндров двигателя. Способ 900, предполагает повторное охлаждение впускного воздуха через один или более каналов хладагента, окружающих впускные отверстия и/или впускные тракты двигателя как, например, канал 302, 602 или 802 хладагента на ФИГ. 3-5, 6-10 и 11-12, соответственно, и/или второй канал 608 или 808 хладагента на ФИГ. 6-10 и 11-12, соответственно. Для повторного охлаждения впускного воздуха хладагент может быть направлен через каналы хладагента и может подаваться из приемлемого места, например из системы 108 КВ (как показано на ФИГ. 3-10) или отдельной емкости 810 (как показано на ФИГ. 11-12). Инструкции по выполнению способа 900 могут быть выполнены контроллером, например, контроллером 12 на ФИГ. 1 и 2) на основе инструкций, сохраненных в памяти контроллера, и с учетом сигналов, полученных от датчиков системы двигателя и/или системы охлаждения хладагентом, таких как датчики, раскрытые выше со ссылкой на ФИГ. 1 и 2. Контроллер может задействовать приводы системы двигателя для регулировки работы двигателя и/или системы охлаждения хладагентом в соответствии со способом, раскрытым ниже.
На шаге 902 способ 900 предусматривает определение рабочих условий. Определенные рабочие условия могут включать в себя, но не ограничиваются нагрузкой двигателя, двигатель и/или окружающую температуру, давление наддува и другие применимые условия. На шаге 904 способ 900 содержит охлаждение двигателя (например, двигатель 10) посредством системы хладагента двигателя. Система хладагента двигателя может включать в себя насос для закачки хладагента через множество каналов хладагента, через двигатель (например, через одну или несколько рубашек хладагента головки цилиндра и/или блока), через радиатор, если температура двигателя выше порогового значения и/или через другие применимые компоненты.
На шаге 906 способ 900 содержит охлаждение впускного воздуха через охладитель наддувочного воздуха как, например, ОНВ 18. Как разъяснено выше, охладитель наддувочного воздуха может охлаждать впускной воздух ниже по потоку от компрессора, тем самым повышая плотность впускного воздуха. Охладитель наддувочного воздуха может быть воздушным охладителем и таким образом впускной воздух, проходящий через охладитель наддувочного воздуха, может быть охлажден воздухом, как показано на шаге 908. В других примерах охладитель наддувочного воздуха может быть жидкостно-жидкостным охладителем. Впускной воздух, проходящий через ОНВ может быть охлажден под воздействием хладагента из системы хладагента двигателя, как показано на шаге 910. Далее в других примерах впускной воздух, проходящий через ОНВ может быть охлажден хладагентом из системы охлаждения хладагентом, как показано на шаге 912. ОНВ может быть включен как один из непрерывных контуров с каналами хладагента или может быть включен как компонент отдельного контура хладагента. Поток хладагента через ОНВ может быть установлен на отключение во время холодного пуска и на включение во время максимальной выходной мощности и т.д. На шаге 914 способ 900 определяет, удовлетворены ли условия для повторного охлаждения впускного воздуха. Как раскрыто выше на шаге 906, охладитель наддувочного воздуха охлаждает впускной воздух после сжатия впускного воздуха в компрессоре турбонагнетателя. Тем не менее, в некоторых конфигурациях двигателя впускной воздух может повторно нагреваться во время прохождения из охладителя наддувочного воздуха к двигателя из-за выделения тепла двигателя, высоких окружающих температур или воздействия других источников тепла. Повторный нагрев впускного воздуха может свести на нет преимущества охлаждения впускного воздуха посредством охладителя наддувочного воздуха, например, плотность впускного воздуха может уменьшиться, уменьшая тем самым выходную мощность двигателя. Более того, высокие температуры впускного воздуха могут привести к повышенному количеству выбросов.
Таким образом, впускной воздух может быть повторно охлажден посредством каналов хладагента вокруг впускных отверстий и/или впускных трактов двигателя. Так как повторное охлаждение впускного возраста может быть нежелательным при всех условиях (например, переохлаждение впускного воздуха может уменьшить стабильность сгорания, увеличить потребление топлива и/или увеличить количество отработавших газов), повторное охлаждение может быть выполнено только в условиях высоких нагрузок и/или высоких температур. Условия для повторного охлаждения впускного воздуха могут включать в себя окружающую температуру выше предельно допустимого значения (например, 25,5°С). Условия для повторного охлаждения впускного воздуха могут альтернативно или дополнительно включать в себя нагрузку двигателя выше порогового значения как, например, работа при более, чем 60% максимальной номинальной нагрузки. В некоторых примерах повторное охлаждение может быть выполнено только тогда, когда окружающая температура выше порогового значения, независимо от нагрузки двигателя. В некоторых примерах, когда окружающая температура выше порогового значения, повторное охлаждение может быть выполнено тогда, когда нагрузка двигателя превысит пороговое значение нагрузки.
Если на шаге 914 установлено, что условия для повторного охлаждения двигателя не удовлетворены (например, окружающая температура не превышает пороговое значение), способ 900 переходит к шагу 916 для оценки уровня конденсата на охладителе наддувочного воздуха, что будет более подробно раскрыто далее. Если условия для повторного охлаждения впускного воздуха были удовлетворены, способ 900 переходит к шагу 918 для повторного охлаждения впускного воздуха на впускном коллекторе и/или впускных отверстиях при помощи хладагента. Для начала повторного охлаждения хладагент может быть направлен в каналы хладагента, окружающие впускные отверстия и/или впускные тракты, посредством открытия управляющего клапана хладагента (как, например, управляющий клапан 814 на ФИГ. 11), приводящего в действие насос хладагента (например, насос 812), находящимся в соединении с компрессором системы КВ (например, с системой 108 КВ), или посредством другого приемлемого действия. Хладагент может проходить через каналы хладагента, поглощая тепло из впускного коллектора и/или впускных отверстий, тем самым повторно охлаждая впускной воздух перед его поступлением в цилиндры для сгорания.
На шаге 920 способ 900 содержит оценку конденсата в охладителе наддувочного воздуха, впускных отверстиях и впускном коллекторе. Как разъяснено выше со ссылкой на ФИГ. 1, при наступлении определенных условий (например, когда окружающая влажность высокая, а температура ОНВ низкая) конденсат может образовываться в ОНВ. Далее из-за низкой температуры хладагента, циркулирующего через каналы хладагента, вокруг впускных отверстий и/или трактов, конденсат может также быть образован во впускном коллекторе. Образованный конденсат может ухудшить свойства ОНВ и/или впускного коллектора, так как конденсат может замерзнуть и/или может включать кислотные компоненты (например, сера из РОГ). Для уменьшения образования конденсата и риска коррозии конденсат может быть собран в нижней части ОНВ и затем продут в двигатель во время наступления установленных рабочих условий как, например, во время событий ускорения. Тем не менее, если конденсат мгновенно поступает в канал впускного воздуха двигателя во время события ускорения, может иметь место увеличение вероятности пропусков в зажигании двигателя или нестабильности сгорания (в форме позднее проявляемых/медленных нагаров) из-за всасывания воды. Время зажигания в двигателе также может быть увеличено для компенсации более медленной скорости горения, обусловленной разбавленной рабочей смесью.
Таким образом, в некоторых примерах конденсат может быть продут из системы КВ и/или впускного коллектора в двигатель при контролируемых условиях. Такое контролируемая продувка может помочь уменьшить вероятность возникновения событий пропусков зажигания в двигателе. Чтобы установить наличие необходимости в продувке, количество конденсата в ОНВ, впускном коллекторе и/или впускных отверстиях может быть оценено. Различные механизмы могут быть использованы для оценки количества конденсата. В одном примере модель конденсата может быть использована для каждого из ОНВ и впускного коллектора. Для ОНВ модели модель может оценить скорость образования конденсата и может включать в себя входы окружающей температуры, температуру на выходе охладителя наддувочного воздуха, массовый расход воздушного потока, поток рециркуляции отработавших газов (РОГ) (если двигатель содержит систему РОГ), давление охладителя наддувочного воздуха и влажность. Если влажность не известна (например, если двигатель не включает датчик влажности), влажность может быть установлена на 100%. Окружающая температура и влажность могут обеспечить указание точки росы впускного воздуха, на что далее может повлиять количество РОГ во впускном воздухе (например, РОГ может иметь влажность и температуру, отличные от воздуха из атмосферы). Разность между точкой росы и температурой на выходе охладителя наддувочного воздуха указывает, будет ли образован конденсат в пределах охладителя, а массовый расход воздушного потока может влиять на количество конденсата, фактически образуемого в пределах охладителя.
Модель впускного коллектора может также оценивать скорость образования конденсата во впускном коллекторе и может включать в себя входы температуры на выходе охладителя наддувочного воздуха, массового расхода воздушного потока через коллектор, поток РОГ, давление коллектора, влажность, скорость образования конденсата ОНВ и температуру впускного/наддувочного воздуха ниже по потоку от впускных отверстий. Так как может быть невозможно измерить температуру впускного воздуха ниже по потоку от впускных отверстий (и перед поступлением в цилиндры), данная температура может быть оценена на основании температуры на выходе охладителя наддувочного воздуха, температуры хладагента и/или скорости потока, температуры двигателя и/или других условий. Температура на выходе охладителя наддувочного воздуха, влажность и скорость образования конденсата ОНВ могут предоставить указание точки росы впускного воздуха в коллекторе, на что может далее оказать влияние количество РОГ во впускном воздухе (например, РОГ может иметь влажность и температуру, отличные от влажности и температуры воздуха из атмосферы). Разность между точкой росы и температурой ниже по потоку от впускных отверстий указывает, будет ли образован конденсат в пределах охладителя и/или коллектора, а массовый расход воздушного потока может влиять на количество конденсата, фактически образуемого в пределах охладителя.
Далее на шаге 916 способ 900 также содержит оценку конденсата в ОНВ. Конденсат может быть оценен, как раскрыто выше. Как шаг 916, так и шаг 920 переходят к шагу 922, на котором определяют, превышает ли пороговое значение уровень конденсата в любом из следующего: ОНВ, впускной коллектор и впускные отверстия. В некоторых примерах пороговое значение может быть пороговым значением, выше которого происходит образование конденсата, а ниже которого не происходит. Таким образом, любое указание образования конденсата может быть выше порогового значения. Тем не менее, в других примерах пороговое значение может быть установлено таким образом, что будет допущено малое количество образуемого конденсата. Если уровень конденсата не превышает пороговое значение, способ 900 возвращается для продолжения охлаждения двигателя, ОНВ и/или впускного коллектора и впускных отверстий, как раскрыто выше.
Если уровень конденсата выше порогового значения, способ 900 переходит к шагу 924 для продувки конденсата. Конденсат может быть продут согласно применимому механизму, например путем усиления воздушного потока двигателя, как показано на шаге 926. Это может включать в себя закрытие регулятора давления наддува для увеличения давления наддува, закрытие рециркуляционного клапана компрессора, регулировки времени работы впускного и/или выпускного клапана, усиления потока РОГ или другой механизм, применимый для усиления воздушного потока двигателя. Далее для поддержания крутящего момента во время увеличения воздушного потока двигателя привод двигателя может быть отрегулирован на шаге 928. Отрегулированный привод может зависеть от того, имело ли место образование конденсата. Например, если конденсат образовался в ОНВ, но не во впускном коллекторе, дроссель может быть установлен на усиление воздушного потока, проходящего через ОНВ, но не через сам двигатель. Далее, если система двигателя содержит рециркуляционный клапан ниже по потоку от ОНВ, рециркуляционный клапан может быть открыт. Если конденсат присутствует во впускном коллекторе, момент зажигания может быть отрегулирован для поддержания крутящего момента. Далее в некоторых примерах указано, что если конденсат образуется во впускном коллекторе, поток хладагента, поступающего в каналы хладагента, может быть закрыт для предотвращения образования конденсата во впускном коллекторе, который может оказаться тяжелее контролировать, чем конденсат в ОНВ. Затем возвращается способ 900.
Таким образом, способ, раскрытый выше, повторно охлаждает впускной воздух перед его поступлением в цилиндры для дальнейшего повышения плотности воздуха и, следовательно, мощности двигателя. Впускной воздух может быть повторно охлажден не хладагентом, а хладагентом двигателя. По этой причине повторное охлаждение впускного воздуха может обеспечить существенное охлаждение впускного воздуха, охлаждение впускного воздуха до более высокой степени, чем это возможно в охладителе наддувочного воздуха. По этой причине впускные тракты и/или впускные отверстия могут иметь относительно низкую температуру, которая может повышать количество конденсата, образуемого на трактах и впускных отверстиях. В то время как образование конденсата главным образом переходит на двигатель (например, любой конденсат на впускных отверстиях может незамедлительно перейти к цилиндрам) при некоторых условиях, некоторая часть конденсата может перейти во впускной коллектор, в котором она может образовываться. Таким образом, профилактическая продувка может быть проведена для удаления образовавшегося конденсата перед тем, как он достигнет уровня, достаточно высокого для того, чтобы вызвать проблемы со стабильностью сгорания. По этой причине в некоторых примерах конденсат может быть продут из впускного коллектора более часто, чем из охладителя наддувочного воздуха. Далее механизм продувки конденсата может быть разным для от охладителя наддувочного воздуха и впускного коллектора.
На степень, в которой впускной воздух повторно охлаждают, может влиять несколько переменных условий, включающие стратегию цикла двигателя (например, цикл Отто или цикл Миллера), размер ОНВ и/или положение, нагрузку двигателя, температуру окружающего воздуха и др. В одном примере в двигателе с циклом Миллера (позднее закрытие входа) при умеренной нагрузке двигателя при наступлении событий обратного действия отталкиваемого через ОНВ с глухим соединением (например, расположенным в 110 мм от входа впускного отверстия головки цилиндра), температура до ОНВ может составлять 75°С и впускной воздух на впускных отверстиях может охлаждаться до менее, чем 36°С. В дальнейших примерах трехходовой клапан может быть предусмотрен для обеспечения возможности изменения количества хладагента, подлежащего распределению в каналы хладагента, позволяя тем самым использовать различные количества повторного охлаждения впускного воздуха (например, меньшее охлаждение, когда окружающие температуры ниже, и большее охлаждение, когда окружающие температуры выше).
Технический эффект направления хладагента в каналы хладагента, окружающие впускные отверстия и/или впускные тракты, состоит в выборочном повторном охлаждении впускного воздуха до его попадания в цилиндры, тем самым повышая выходную мощность двигателя и уменьшая потребление топлива и количество отработавших газов.
Система включает в себя головку цилиндра, определяющую множество цилиндров и включающую множество впускных отверстий, каждое из которых соединено по текучей среде с соответствующим цилиндром; систему подачи хладагента и канал хладагента, окружающий каждое впускное отверстия и соединенный по текучей среде с системой подачи хладагента; причем канал хладагента имеет форму для соответствия внешнему профилю каждого впускного отверстия. В первом примере системы канал хладагент содержит вакуумную колбу, выполненную с возможностью вмещения хладагента, и насос хладагента. Второй пример системы в варианте осуществления изобретения содержит первый пример и далее содержит случаи, когда канал хладагента имеет вход хладагента и выход хладагента на первой стороне канала хладагента, и случаи, когда канал хладагента проходит от входа над и вокруг верхней стороны каждого впускного отверстия и над и вокруг нижней стороны каждого впускного отверстия к выходу хладагента. Третий пример системы в варианте осуществления изобретения содержит один или более, или оба из примеров 1 и 2, а также далее содержит случаи, когда вдоль верхней стороны каждого впускного отверстия канал хладагента имеет ширину, которая проходит от внешней поверхности уплотнения каждого впускного отверстия к боковой кромке верхней обработанной машинным способом поверхности головки цилиндра. Четвертый пример системы в варианте осуществления изобретения содержит один или более или каждый из примеров 1-3, а также далее содержит случаи, когда внешняя поверхность уплотнения каждого впускного отверстия выполнена с возможностью соединения с соответствующим трактом впускного коллектора. Пятый пример системы в варианте осуществления изобретения содержит один или более или каждый из примеров 1-4, а также далее содержит случаи, когда впускной коллектор содержит второй канал хладагента, окружающий каждый тракт. Шестой пример системы в варианте осуществления изобретения содержит один или более или каждый из примеров 1-5, а также далее содержит случаи, когда канал хладагента головки цилиндра и второй канал хладагента впускного коллектора выполнены с возможностью сообщения по текучей среде. Седьмой пример системы в варианте осуществления изобретения содержит один или более, или каждый из примеров 1-6, а также далее содержит случаи, когда впускной коллектор содержит соединительный фланец, определяющий внешний край каждого тракта, соединительный фланец, выполненный с возможностью торцевого контакта с внешней поверхностью уплотнения каждого впускного отверстия, а также случаи, когда второй канал хладагента имеет ширину вдоль верхней поверхности каждого тракта, которая проходит от внутреннего края соединительного фланца до точки, расположенной за серединой каждого тракта. Восьмой пример системы в варианте осуществления изобретения содержит один или более, или каждый из примеров 1-7, а также далее содержит случаи, когда каждый тракт имеет нижнюю поверхность, а также, когда второй канал хладагента имеет ширину вдоль нижней поверхности каждого тракта, которая проходит от внутреннего края соединительного фланца до точки, в которой каждая нижняя поверхность переходит в корпус впускного коллектора. Девятый пример системы в варианте осуществления изобретения содержит один или более, или каждый из примеров 1-8, а также далее содержит случаи, когда система подачи хладагента содержит компрессор системы кондиционирования воздуха. Десятый пример системы в варианте осуществления изобретения содержит один или более, или каждый из примеров 1-9, а также далее содержит случаи, когда вход канала хладагента соединен по текучей среде с компрессором через линию подачи хладагента, а также случаи, когда выход канала хладагента соединен по текучей среде с конденсатором системы кондиционирования воздуха посредством линии возврата хладагента. Одиннадцатый пример системы в варианте осуществления изобретения содержит один или более, или каждый из примеров 1-10, а также далее включает случаи, когда контроллер, содержащий инструкции на направление хладагента из компрессора на вход канала хладагента в ответ на окружающую температуру и/или температуру двигателя и/или нагрузку двигателя.
Способ содержит шаги, на которых охлаждают двигатель путем направления хладагента из системы охлаждения через двигатель, охлаждают впускной воздух выше по потоку от двигателя при помощи охладителя наддувочного воздуха и выборочно повторно охлаждают впускной воздух во впускном коллекторе и/или множестве впускных отверстий двигателя, при помощи хладагента из системы подачи хладагента, отделенной от системы охлаждения. В первом примере способа охлаждение впускного воздуха выше по потоку от двигателя при помощи охладителя наддувочного воздуха содержит охлаждение впускного воздуха выше по потоку от двигателя путем направления хладагента из системы охлаждения через охладитель наддувочного воздуха. Второй пример способа в варианте осуществления изобретения содержит первый пример и также содержит случаи, когда охлаждение впускного воздуха выше по потоку от двигателя при помощи охладителя наддувочного воздуха содержит охлаждение впускного воздуха выше по потоку от двигателя путем направления хладагента из системы подачи хладагента через охладитель наддувочного воздуха. Третий пример способа в варианте осуществления изобретения содержит один или более или оба из примеров 1-2, а также содержит случаи, когда выборочное повторное охлаждение впускного воздуха содержит повторное охлаждение впускного воздуха в ответ на превышение окружающей температурой порогового значения температуры и/или превышение нагрузкой двигателя порогового значения нагрузки двигателя. Четвертый пример способа в варианте осуществления изобретения содержит один или более, или каждый из примеров 1-3, а также содержит оценку количества конденсата во впускном коллекторе и/или множестве впускных отверстий, и в ответ на превышение количеством конденсата порогового значения, увеличение воздушного потока в двигатель до уровня, превышающего уровень, запрошенный оператором автомобиля, в котором установлен двигатель, без повышения крутящего момента двигателя путем регулировки привода двигателя для поддержания крутящего момента.
Система содержит головку цилиндра, определяющую множество цилиндров и содержащую множество впускных отверстий, каждое из которых соединено по текучей среде с соответствующим цилиндром; впускной коллектор, содержащий множество трактов, каждый из которых выполнен с возможностью соединения с соответствующим отверстием из множества впускных отверстий; систему подачи хладагента; первый канал хладагента, окружающий каждое впускное отверстие и соединенный по текучей среде с системой подачи хладагента; и второй канал хладагента, окружающий каждый тракт и соединенный по текучей среде с системой подачи хладагента. В первом примере системы система также содержит контроллер, выполненный с возможностью направления хладагента из системы подачи хладагента в первый канал хладагента и второй канал хладагента в ответ на превышение окружающей температурой порогового значения температуры. Второй пример системы в варианте осуществления изобретения содержит первый пример и также содержит случаи, когда система подачи хладагента содержит компрессор системы кондиционирования воздуха.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут быть использованы с разнообразными конфигурациями систем двигателя и/или автомобиля. Способы и алгоритмы управления, раскрытые в настоящей заявке, могут храниться как исполняемые инструкции в долговременной памяти и выполняться управляющей системой, содержащей контроллер в сочетании с различными датчиками, приводами и другими компонентами двигателя. Конкретные алгоритмы, раскрытые в настоящей заявке, могут представлять собой любое количество стратегий обработки, таких как событийные, с управлением по прерываниям, многозадачные, многопоточные и т.п. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно или в некоторых случаях могут быть пропущены. Точно так же, указанный порядок обработки не обязателен для достижения отличительных особенностей и преимуществ, раскрываемых в настоящей заявке вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или более из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут быть выполнены повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в управляющей системе двигателя, причем раскрытые действия выполняются путем исполнения инструкций в системе, содержащей различные аппаратные компоненты двигателя в сочетании с электронным контроллером.
Следует понимать, что конфигурации и алгоритмы, раскрытые в настоящей заявке, носят иллюстративный характер, и, что эти конкретные варианты осуществления изобретения не следует рассматривать в качестве ограничения, так как возможны многочисленные модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена в двигателях с конфигурацией цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего раскрытия изобретения содержит все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные признаки, функции и/или свойства, раскрытые в настоящей заявке.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации, которые считают новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы изобретения ссылка может быть сделана на «какой-либо» элемент или «первый» элемент или эквивалент такого элемента. Следует понимать, что такие пункты формулы изобретения могут содержать один или несколько указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов формулы изобретения или путем представления новых пунктов формулы изобретения в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются ли они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются помещенными в предмет настоящего изобретения.
1. Способ охлаждения воздуха в тракте двигателя, содержащий следующие шаги:
охлаждают двигатель путем направления хладагента из системы охлаждения через двигатель;
охлаждают впускной воздух выше по потоку от двигателя при помощи охладителя наддувочного воздуха; и
выборочно повторно охлаждают впускной воздух в каждом из множества впускных отверстий двигателя посредством подачи хладагента через канал хладагента, расположенный вокруг множества впускных портов, причем хладагент подают из системы подачи хладагента, отделенной от системы охлаждения и содержащей вакуумную колбу, выполненную с возможностью вмещения хладагента, и насос хладагента.
2. Способ по п. 1, в котором охлаждение впускного воздуха выше по потоку от двигателя при помощи охладителя наддувочного воздуха содержит охлаждение впускного воздуха выше по потоку от двигателя путем направления хладагента из системы охлаждения через охладитель наддувочного воздуха.
3. Способ по п. 1, в котором охлаждение впускного воздуха выше по потоку от двигателя при помощи охладителя наддувочного воздуха содержит охлаждение впускного воздуха выше по потоку от двигателя путем направления хладагента из системы подачи хладагента через охладитель наддувочного воздуха.
4. Способ по п. 1, в котором выборочное повторное охлаждение впускного воздуха содержит повторное охлаждение впускного воздуха в ответ на превышение окружающей температурой порогового значения температуры и/или превышение нагрузкой двигателя порогового значения нагрузки.
5. Способ по п. 1, в котором дополнительно оценивают количество конденсата во впускном коллекторе и/или множестве впускных отверстий и в ответ на превышение количеством конденсата порогового значения увеличивают воздушный поток в двигатель до уровня, превышающего уровень, запрошенный оператором автомобиля, в котором установлен двигатель, без повышения крутящего момента двигателя путем регулировки исполнительного элемента двигателя для поддержания крутящего момента.
6. Способ по п. 1, в котором хладагент представляет собой жидкий азот.
7. Способ по п. 6, в котором в линии возврата хладагента установлен клапан сброса давления.
8. Способ по п. 1, в котором канал хладагента, удерживающий хладагент, проходит вокруг верхней и нижней частей каждого впускного отверстия, причем канал хладагента представляет собой единый непрерывный канал.
9. Способ по п. 8, в котором канал хладагента имеет форму для соответствия внешнему профилю каждого из множества впускных отверстий и имеет ширину, проходящую наружу от готовки цилиндра от внешней поверхности уплотнения до точки, в которой множество впускных отверстий достигают боковой поверхности головки цилиндра.
10. Способ по п. 9, в котором головка цилиндра содержит верхнюю обработанную машинным способом поверхность, выполненную с возможностью соединения с крышкой распределительного вала, причем канал хладагента проходит к боковой поверхности, примыкающей к верхней обработанной машинным способом поверхности.
