Система двигателя и способ снижения стоимости ее производства - RU2589556C2
Код документа: RU2589556C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе двигателя, в частности двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом.
Уровень техники
Широко известно использование двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором для увеличения его мощности на выходе и уменьшения выбросов. Такие турбокомпрессоры часто содержат перепускной клапан (регулятор давления), позволяющий контролировать поток выхлопных газов в перепускном канале, расположенном параллельно с турбиной турбокомпрессора для предотвращения избыточной скорости вращения турбокомпрессора при чрезмерно большом для него потоке выхлопных газов из двигателя.
Такие устройства, объединяющие перепускную заслонку и турбокомпрессор, являются крупногабаритными и сложными изделиями, они должны быть изготовлены из относительно дорогого термостойкого материала, например из нержавеющей стали, чтобы противостоять высоким температурам, которые воздействуют на них при прохождении потока выхлопных газов.
Более того, тепловыделение от такого большого объекта, как объединенное устройство турбокомпрессора и перепускного клапана, является значительным и может приводить к нежелательному нагреву других элементов двигательного отсека, например электронных блоков управления или пластиковых деталей. Эта характерная проблема современных пассажирских автомобилей, размеры двигательного отсека которых очень ограничены.
Является известным, например, из патента США №6976359 размещение регулятора давления в отдельном от турбокомпрессора корпусе. Преимуществом этого способа является уменьшение размера и сложности системы турбонаддува, а также то, что излучаемое тепло от турбокомпрессора будет меньше за счет того, что не все выхлопные газы проходят через турбокомпрессор на всех этапах. Однако излучаемое тепло от такой системы по-прежнему остается большим, а себестоимость является относительно высокой из-за необходимости выполнения обоих корпусов турбокомпрессора и перепускного клапана из термостойких материалов.
Целью настоящего изобретения является обеспечение системы двигателя, снабженного турбокомпрессором, изготовленным более экономичным способом.
Раскрытие изобретения
Согласно изобретению, представлена система двигателя, содержащая двигатель внутреннего сгорания, турбокомпрессор, расположенный с возможностью принимать выхлопные газы от двигателя, и внешний перепускной клапан, используемый для контроля обводного потока выхлопных газов, прошедших через турбокомпрессор, причем турбокомпрессор имеет корпус турбины с жидкостным охлаждением и перепускной клапан, размещенный в корпусе, обособленном от корпуса турбины.
Турбокомпрессор может содержать турбину, помещенную в корпус турбины с жидкостным охлаждением, и турбина может быть размещена таким образом, чтобы принимать выхлопные газы из двигателя.
Корпус перепускного клапана может иметь нежидкостное охлаждение.
Перепускной клапан может контролировать поток выхлопных газов через перепускной канал, идущий от точки выше по потоку турбины до точки ниже по потоку турбины.
Входной патрубок перепускного канала может быть соединен с корпусом турбины выше по потоку турбины.
Альтернативно, входной патрубок перепускного канала может быть соединен непосредственно с двигателем.
Двигатель может иметь первичное выпускное отверстие для выхлопных газов, выполненное с возможностью подачи выхлопных газов в турбину, а также вторичное выпускное отверстие для выхлопных газов, выполненное с возможностью подачи выхлопных газов на входной патрубок перепускного канала.
Первичное и вторичное выпускные отверстия могут быть сформированы как часть выпускного коллектора двигателя.
Выпускной коллектор может иметь систему жидкостного охлаждения и быть прикрепленным к головке цилиндра.
Выпускной коллектор с жидкостным охлаждением может быть выполнен, как составная часть головки цилиндра двигателя.
Корпус турбины с жидкостным охлаждением может быть выполнен из алюминиевого сплава.
Головка цилиндра и выпускной коллектор с жидкостным охлаждением могут быть выполнены по существу из того же алюминиевого сплава, что и корпус турбины.
Система двигателя может дополнительно содержать первичный контур жидкостного охлаждения для подачи жидкого хладагента к двигателю, а корпус турбины с жидкостным охлаждением принимает жидкий хладагент, подаваемый из первичного контура.
Корпус турбины с жидкостным охлаждением может принимать жидкий хладагент непосредственно от двигателя через дополнительные каналы на двигателе и корпусе турбины.
Система двигателя может дополнительно содержать первичный контур жидкостного охлаждения для подачи жидкого хладагента к двигателю и вторичную систему жидкостного охлаждения для подачи жидкого хладагента к корпусу турбины с жидкостным охлаждением.
Вторичная система жидкостного охлаждения может также подавать жидкий хладагент к одному или более масляным радиаторам двигателя и воздушно-жидкостному промежуточному охладителю.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, представлен двигатель, имеющий головку цилиндра и выпускной коллектор, имеющий первичное выхлопное отверстие и вторичное выхлопное отверстие, причем первичное выхлопное отверстие подает выхлопные газы к турбине турбокомпрессора, а вторичное выхлопное отверстие подает выхлопные газы к перепускному каналу турбокомпрессора, который контролируется перепускным клапаном.
Выпускной коллектор может иметь систему жидкостного охлаждения.
Выпускной коллектор с жидкостным охлаждением может быть выполнен в виде составной части головки цилиндра.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, представлен способ снижения стоимости изготовления системы двигателя, содержащей двигатель, турбокомпрессор, имеющий турбину и перепускной клапан. Способ заключается в использовании раздельных корпусов для турбины и перепускного клапана, жидкостном охлаждении корпуса турбины и изготовлении корпуса турбины из алюминиевого сплава.
Двигатель может иметь выполненные из алюминиевого сплава головку цилиндров и выпускной коллектор с жидкостным охлаждением, а способ может дополнительно включать в себя изготовление головки цилиндров, выпускного коллектора с жидкостным охлаждением и корпуса турбины из по существу одинакового алюминиевого сплава.
Двигатель может иметь комбинированные выпускной коллектор и головку цилиндров, выполненные из алюминиевого сплава, а способ может дополнительно включать в себя изготовление комбинированного выпускного коллектора и головки цилиндров и корпуса турбины из по существу одинакового алюминиевого сплава.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет описано с помощью примеров со ссылкой на следующие чертежи:
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение части системы двигателя согласно первому варианту изобретения;
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение части системы двигателя согласно второму варианту изобретения;
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение первого варианта воплощения контура жидкостного охлаждения, формирующего часть системы двигателя, изображенной на Фиг.1 и Фиг.2;
Фиг.4 представляет собой схематическое изображение второго варианта воплощения контура жидкостного охлаждения, формирующего часть системы двигателя, изображенной на Фиг.1 и Фиг.2;
Фиг.5 представляет собой схематическое изображение третьего варианта воплощения контура жидкостного охлаждения, формирующего часть системы двигателя, изображенной на Фиг.1 и Фиг.2;
Фиг.6 представляет собой схематическое изображение части системы двигателя согласно третьему варианту воплощения изобретения;
Фиг.7 является наглядным представлением комбинированных головки цилиндров и выпускного коллектора, формирующих часть системы двигателя, изображенного на Фиг.6;
Фиг.8 представляет собой схематическое изображение части системы двигателя согласно четвертому варианту воплощения изобретения;
Фиг.9 является наглядным представлением комбинированных головки цилиндров и выпускного коллектора, формирующих часть системы двигателя, изображенного на Фиг.8.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 изображена часть системы 5 двигателя. Система 5 двигателя включает в себя двигатель внутреннего сгорания 10, имеющий блок цилиндров (не показан), головку 11 цилиндров с жидкостным охлаждением, выпускной коллектор 14 с жидкостным охлаждением, турбокомпрессор 20 и перепускной клапан 30.
Турбокомпрессор 20 содержит корпус 21 компрессора, вмещающий компрессор 23, корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением, вмещающий турбину 24, и опорный подшипник 26, используемый для поддержки приводного вала 25. Следует понимать, что корпус 21 компрессора и корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением могут быть выполнены в виде частей одного корпуса или отдельных корпусов, скрепленных друг с другом. В любом случае жидкостное охлаждение подается, по крайней мере, к корпусу 22 турбины для его охлаждения, что позволяет использовать менее термостойкий материал в отличие от случая, где охлаждение не применяется. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением выполнен из алюминиевого сплава, который имеет относительно низкую стоимость и может быть изготовлен с меньшими затратами, чем обычный корпус, выполненный из термостойкого материала. Также в одном из вариантов осуществления изобретения головка 11 цилиндров, выпускной коллектор 14 и корпус 22 турбины выполнены по существу из одинакового алюминиевого сплава, для того чтобы уменьшить термические напряжения между различными деталями.
Воздух попадает в двигатель 10 через ряд впускных каналов 12 и выходит из двигателя 10 через ряд выпускных каналов 13, которые соединены с выхлопным каналом 15, выполненным в выпускном коллекторе 14 с жидкостным охлаждением. Выпускной коллектор 14 с жидкостным охлаждением имеет первичное выпускное отверстие 16 для выхлопных газов, которое сообщается с турбокомпрессором 20 таким образом, что выхлопные газы могут проходить от выхлопного канала 15 в турбокомпрессор 20, а именно в корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением для того, чтобы вращать турбину 24. Следует понимать, что вращение турбины 24 вызывает соответствующее вращение компрессора 23, что, в свою очередь, вызывает усиленный приток воздуха к впускным каналам 12 через стандартную систему подачи воздуха (не показана).
Корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением ограничивает не только рабочую камеру турбины 24, но также и вторичный впускной канал подачи выхлопных газов, с которым соединен первый конец перепускного канала 31. Второй конец перепускного канала 31 соединен с выхлопной трубой 18, которую используют для выброса выхлопных газов из турбины 24 в атмосферу. Следует понимать, что поток выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу, будет проходить через устройства обработки выхлопных газов (не показаны). Таким образом, перепускной канал 31 имеет первый конец, присоединенный на впуске турбины 24, и второй конец, присоединенный на выпуске турбины 24, чтобы обеспечить канал для потока выхлопных газов, параллельный потоку выхлопных газов, проходящих через турбину 24.
Поток выхлопных газов через перепускной канал 31 контролируют посредством перепускного клапана 30, который имеет корпус 30а, отдельный от корпуса или корпусов, использованных для турбокомпрессора 20. Конструкция перепускного клапана 30 может быть любого известного типа и предназначена для выборочного управления потоком выхлопных газов через перепускной канал 31 для предотвращения слишком большой скорости турбокомпрессора 20, когда поток выхлопных газов из двигателя 10 больше, чем может вместить турбина 24, для того, чтобы регулировать выходное давление, создаваемое компрессором 23 турбокомпрессора 20, или открыта во время работы при частичной нагрузке, что является широко распространенным рабочим состоянием для многих двигателей, для того, чтобы снизить противодавление газов на выходе для увеличения экономии топлива. Следует понимать, что корпус 30а перепускного клапана может иметь очень простую конструкцию и быть относительно компактным, так что стоимость изготовления остается относительно низкой даже если должен быть использован материал, способный поглощать тепло от выпускных газов. Например, в одном неограничивающем варианте реализации изобретения, корпус 30а перепускного клапана выполнен в виде трубки из нержавеющей стали, имеющей фланцы на противоположных концах.
Альтернативно, корпус перепускного клапана может быть выполнен в виде составной части перепускного канала.
Следовательно, когда перепускной клапан 30 закрыт, все выхлопные газы, выходящие из двигателя 10, проходят через турбину 24, а когда перепускной клапан 30 открыт, меньше выхлопных газов протекает через турбину 24 пока, когда перепускной клапан 30 полностью открыт, значительная доля выпускных газов, выходящих из двигателя 10, идет в обход турбины 24 и протекает прямо в выхлопную трубу 18 через перепускной канал 31.
Например, при максимальном потоке выхлопных газов из двигателя с полностью открытой заслонкой перепускного клапана, приблизительно треть общего потока протекает через перепускной канал 31.
Следовательно, корпусу 22 турбины с жидкостным охлаждением будет передаваться меньшее количество тепла от выхлопных газов по сравнению с традиционным расположением перепускного канала, который выполняют в виде части турбокомпрессора.
Как сказано выше, корпус 22 турбины является жидкостно охлаждаемым и содержит трубопроводы хладагента (не показаны), через которые может протекать хладагент, например (без ограничения) смесь вода-гликоль. На Фиг.3-5 показаны три альтернативных контура жидкостного охлаждения, составляющие часть системы двигателя 5.
В первом варианте воплощения контура охлаждения, изображенного на Фиг.3, хладагент прокачивают насосом 2 от радиатора 1 через верхний шланг TL и питающий шланг SL к двигателю 10 и, в этом случае, к головке 11 цилиндров (следует понимать, что питающий шланг SL может быть также соединен с блоком цилиндров (не показан) двигателя 10). Хладагент протекает от питающего шланга SL через блок цилиндров, головку цилиндров 11 и выпускной коллектор 14 с жидкостным охлаждением, а из него напрямую в корпус 22 турбокомпрессора. Затем хладагент течет по трубопроводу хладагента к корпусу 22 турбины и вытекает из корпуса 22 турбины с жидкостным охлаждением через возвратный шланг RL к радиатору 1 (следует понимать, что может быть реализован раздельный возврат жидкости от блока цилиндров двигателя 10 через возвратный шланг RL). Обычно в подобном охлаждающем контуре обводная линия BL охлаждающей жидкости, которая контролируется объединенным клапаном 3 перепуска и термостата, соединяет возвратный шланг RL с верхним шлангом TL так, чтобы создать путь потока хладагента параллельно радиатору 1.
Во втором варианте реализации контура охлаждения, изображенном на Фиг.4, хладагент прокачивают посредством насоса 2 от радиатора 1 через верхний шланг TL и питающий шланг SL к двигателю 10, и, в этом случае, к головке 11 цилиндров (следует понимать, что в качестве альтернативного варианта питающий шланг SL может быть соединен с блоком цилиндров (не показан) двигателя 10). Хладагент от питающего шланга SL протекает через блок цилиндров, головку 11 цилиндров и выпускной коллектор 14 с жидкостным охлаждением, а от него через возвратный шланг RL к радиатору 1 (следует понимать, что может быть реализован раздельный возврат жидкости от блока цилиндров двигателя 10 через возвратный шланг RL).
Обычно в подобном контуре охлаждения обводная линия хладагента BL, контролируемая объединенным клапаном 3 перепуска и термостата, соединяет возвратный шланг RL с верхним шлангом TL так, чтобы создать обводной путь потока хладагента параллельно радиатору 1.
В этом случае, корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением охлаждается вторичным контуром охлаждения, имеющим насос 7 и радиатор 8. Насос 7 доставляет хладагент к корпусу 22 турбины с жидкостным охлаждением через впускной шланг TI, и хладагент протекает от корпуса 22 турбины с жидкостным охлаждением к радиатору 8 через выпускной шланг ТО турбины. Следует понимать, что вторичный контур охлаждения может обеспечивать охлаждение одного только корпуса 22 турбины с жидкостным охлаждением или может быть использован для охлаждения одного или более других компонентов системы двигателя, например, масляного радиатора двигателя и/или воздушно-жидкостного промежуточного охладителя.
В третьем варианте воплощения контура охлаждения, изображенного на Фиг.5, хладагент прокачивают насосом 2 от радиатора 1 через верхний шланг TL и питающий шланг SL к двигателю 10, и, в этом случае, к головке 11 цилиндров (следует понимать, что питающий шланг SL можно также быть соединен с блоком цилиндров (не показан) двигателя 10). Хладагент от питающего шланга SL течет через блок цилиндров, головку 11 цилиндров и выпускной коллектор 14 с жидкостным охлаждением, а от него через возвратный шланг RL к радиатору 1 (следует понимать, что может быть реализован раздельный возврат жидкости от блока цилиндров двигателя 10 через возвратный шланг RL).
Обычно в подобном контуре охлаждения обводная линия BL хладагента, которая контролируется объединенным клапаном 3 перепуска и термостата, соединяет возвратный шланг RL с верхним шлангом TL так, чтобы создать обводной проток хладагента параллельно радиатору 1.
В этом случае, корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением охлаждается путем подачи хладагента, сливаемого с основного контура охлаждения в точке, расположенной между насосом 2 и двигателем 10 таким образом, что обеспечивается подача охладителя, как показано на Фиг.3. Питающий шланг TS турбины использован для соединения корпуса 22 турбины с жидкостным охлаждением с питающим шлангом SL, через который хладагент течет к корпусу 22 турбины, а затем хладагент возвращается в основной контур охладителя через возвратный шланг TR турбины, который соединен с возвратным шлангом RL от двигателя 10.
Следует понимать, что на Фиг.3-5 приведены три упрощенных примера реализации системы охлаждения корпуса турбины с жидкостным охлаждением, и изобретение не ограничивается этими вариантами реализации.
Таким образом, путем отделения корпуса 30а перепускного клапана от корпуса 22 турбины с жидкостным охлаждением, а также за счет использования водяного охлаждения корпуса 22 турбины, можно значительно уменьшить размер корпуса 22 турбины путем уменьшения площади поверхности, которую используют для отвода тепла от корпуса. В дополнение к этому, уменьшается сложность конструкции корпусов 21 и 22 турбокомпрессора, и появляется возможность использовать недорогой материал для их производства, такой как алюминиевый сплав, тем самым, снижая себестоимость корпусов. Кроме того, поскольку очень горячий в обычных условиях корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением охлаждается до более низкой температуры, тепловыделение от турбокомпрессора 20 значительно снижается.
Значительным преимуществом отделения корпуса 30а перепускного клапана от корпуса 22 турбины является то, что при этом можно охлаждать лишь корпус 22 турбины. Это важно, так как значительное количество тепла передается системе жидкостного охлаждения при охлаждении объединенных узлов турбокомпрессора и перепускного клапана. Например, для двигателя с максимальной выходной мощностью 128 кВт при полностью открытой дроссельной заслонке примерно 70 кВт тепла отводится системой охлаждения. При тех же рабочих условиях объединенные узлы турбокомпрессора и перепускного клапана производят дополнительно 27 кВт тепла, которые необходимо отвести с помощью системы охлаждения. Эта дополнительная тепловая нагрузка может потребовать изменения размеров каких-либо радиаторов, что приведет к увеличению стоимости и сложности компоновки в ограниченном пространстве отсека двигателя. Путем отделения корпуса турбины от корпуса перепускного клапана и охлаждением только корпуса турбины можно достигнуть значительного снижения необходимого отвода тепла системой охлаждения. В особенности, если через перепускной канал перепускного клапана проходит значительная часть потока выхлопных газов, что является распространенным рабочим состоянием двигателя. При многих обстоятельствах, снижение тепловой нагрузки путем жидкостного охлаждения одного только корпуса турбины дает возможность существующей системе охлаждения справляться с дополнительными потребностями в охлаждении корпуса турбины или уменьшает дополнительную тепловую нагрузку, к которой можно легко приспособиться без общего изменения отсека двигателя.
На Фиг.2 показана часть системы двигателя 5 согласно второму варианту воплощения изобретения, который, по большей части, является аналогичным варианту, описанному выше со ссылкой на Фиг.1, а также система жидкостного охлаждения, которая также составляет часть системы двигателя и изображена на Фиг.3-5.
Система двигателя 5, как описано выше, за исключением выпускного коллектора 14 с жидкостным охлаждением и расположения перепускного канала 32, который вместо того, чтобы быть подключенным первым концом к турбокомпрессору 20, подключен непосредственно к выпускному коллектору 14 с жидкостным охлаждением.
Как было описано ранее, турбокомпрессор 20 содержит корпус 21 компрессора, вмещающий компрессор 23, корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением, вмещающий турбину 24, приводной вал 25, соединяющий компрессор 23 с турбиной 24, и опорные подшипники 26, используемые для поддержки приводного вала 25 турбины. Корпус 21 компрессора и корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением могут быть выполнены в виде единого корпуса или отдельных корпусов, прикрепленных друг к другу. В любом случае, жидкостное охлаждение подают, по крайней мере, к корпусу 22 турбины для его охлаждения, что позволяет использовать менее термостойкий материал в отличие от случая, где охлаждение не применялось бы. В одном из представленных вариантов осуществления изобретения корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением выполнен из алюминиевого сплава, который имеет относительно низкую стоимость и дешевле в производстве по сравнению с обычным корпусом, выполненным из термостойкого материала. Предпочтительно, головка 11 цилиндров, выпускной коллектор 14 и корпус 22 турбины выполняют, главным образом, из одинакового алюминиевого сплава для того, чтобы уменьшить термические напряжения между различными деталями.
Как уже упоминалось, воздух поступает в двигатель 10 через ряд впускных каналов 12 и выходит из двигателя 10 через ряд выпускных каналов 13, которые соединены с выхлопным каналом 15, выполненным в выпускном коллекторе 14 с жидкостным охлаждением. Выпускной коллектор 14 с жидкостным охлаждением имеет первичное выпускное отверстие 16 для выхлопных газов, которое сообщается с турбокомпрессором 20 таким образом, что выхлопные газы могут проходить от выхлопного канала 15 в турбокомпрессор 20, а именно в корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением для того, чтобы вращать турбину 24, и вторичное выпускное отверстие 17 для выхлопных газов, которое сообщается непосредственно с первым концом перепускного канала 32.
Как и в предыдущем варианте, второй конец перепускного канала 32 соединен с выхлопной трубой 18, которую используют для выброса выхлопных газов из турбины 24 в атмосферу, причем поток выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу, будет проходить через устройства обработки выхлопных газов (не показаны). Таким образом, перепускной канал 32 имеет первый конец, присоединенный выше по потоку турбины 24, и второй конец, присоединенный на выпуске турбины 24, чтобы обеспечить канал для потока выхлопных газов, параллельный потоку выхлопных газов, проходящих через турбину 24.
Поток выхлопных газов через перепускной канал 32 контролируют посредством перепускного клапана 30, который, как и в предыдущем случае, имеет корпус 30а, отдельный от корпуса или корпусов турбокомпрессора 20. Конструкция и принцип действия перепускного клапана 30 такие же, как было описано выше, и уже не будут описываться повторно.
Как и в предыдущем варианте, приблизительно одна третья часть всех выхлопных газов проходит через перепускной канал 32 при полностью открытом перепускном клапане и максимальном потоке выхлопных газов из двигателя 10. Это уменьшение потока выхлопных газов через корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением означает, что корпусу турбины будет передано меньшее количество тепла по сравнению с традиционным расположением перепускного канала, который обычно выполняют в виде части турбокомпрессора. Более того, поскольку в этом случае выхлопные газы, протекающие через перепускной канал 32, не контактируют с корпусом 22 турбины, то количество тепла, переданного ему, снижается по сравнению со случаем, изображенным на Фиг.1. В дополнение к этому, имеется возможность расположить первичное и вторичное выпускные отверстия 16 и 17 таким образом, чтобы поток газа в корпус 22 турбины и перепускной канал 32 был бы четко определен по сравнению с конструкцией, показанной на Фиг.1, где поток выхлопных газов должен изменить направление приблизительно на 90 градусов, чтобы попасть в перепускной канал 31. Следовательно, возмущения на входе турбины 24 могут быть уменьшены путем использования раздельных выпускных отверстий 16 и 17 двигателя 10, что повышает эффективность турбины.
Как отмечено выше, корпус 22 турбины имеет систему жидкостного охлаждения и имеет трубопроводы хладагента (не показаны), через которые охлаждающая жидкость, например (без ограничения) вода, может протекать по контуру охлаждения, например одному из контуров охлаждения, показанных на Фиг.3-5.
На Фиг.6 и Фиг.7 приведен третий вариант реализации системы 105 двигателя, который во многом похож на вариант, изображенный на Фиг.1.
Система 105 двигателя содержит двигатель внутреннего сгорания 10, который имеет комбинированные выпускной коллектор и головку 111 цилиндров, турбокомпрессор 20 и перепускной клапан 30.
Турбокомпрессор 20 идентичен описанному ранее со ссылкой на Фиг.1 и не будет детально описан в дальнейшем. Как было указано ранее, корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением выполнен из алюминиевого сплава, стоимость которого относительно невысока, производство такого корпуса имеет меньшую стоимость по сравнению с традиционным корпусом из термостойкого материала. Предпочтительно объединенные выпускной коллектор с головкой 111 цилиндров и корпус 22 турбины выполняют из по существу одинакового алюминиевого сплава для того, чтобы уменьшить термические напряжения между различными деталями.
Воздух поступает в двигатель 10 через ряд впускных каналов 112 и выходит из двигателя 10 через ряд выпускных каналов 115, выполненных в качестве составной части объединенных выпускного коллектора и головки 111 цилиндров. Объединенные выпускной коллектор и головка 111 цилиндров имеют первичное выпускное отверстие 116, которое сообщается с турбокомпрессором 20 таким образом, что выхлопные газы могут проходить от выхлопного канала 115 в корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением для того, чтобы вращать турбину 24.
Как и в предыдущих вариантах, корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением ограничивает не только рабочую камеру турбины 24, но также и вторичный канал подачи выхлопных газов, который соединен с первым концом перепускного канала 131. Второй конец перепускного канала 131 соединен с выхлопной трубой 18, которую используют для выброса выхлопных газов из турбины 24 в атмосферу через устройства обработки выхлопных газов (не показаны). Таким образом, перепускной канал 131 имеет первый конец, присоединенный выше по потоку турбины 24, и второй конец, присоединенный ниже по потоку турбины 24, чтобы обеспечить канал для потока выхлопных газов, параллельный потоку выхлопных газов, проходящих через турбину 24.
Как и в предыдущих вариантах, поток выхлопных газов через перепускной канал 131 контролируют посредством перепускного клапана 30, который имеет корпус 30а, отдельный от корпуса или корпусов турбокомпрессора 20. Конструкция и принцип действия перепускного клапана 30 такие же, как описано выше.
Таким образом, основным различием между настоящим вариантом реализации изобретения и описанным ранее со ссылкой на Фиг.1 является то, что выпускной коллектор с жидкостным охлаждением в этом случае выполнен в виде составной части головки цилиндров, образуя, тем самым, объединенные выпускной коллектор и головку 111 цилиндров.
Как упоминалось выше, корпус турбины оснащен системой жидкостного охлаждения и содержит трубопроводы охлаждающей жидкости (не показаны), через которые может протекать охлаждающая жидкость, например (без ограничения) вода. Следует понимать, что три альтернативных контура жидкостного охлаждения, показанные на Фиг.3-5, могут быть приспособлены для корпуса турбины с жидкостным охлаждением, показанным на Фиг.6, который составляет часть системы 105 двигателя.
Например, со ссылкой на Фиг.3 и Фиг.7, в случае, если охлаждающая жидкость течет непосредственно от двигателя 10 к корпусу 22 турбины с жидкостным охлаждением, объединенные выпускной коллектор и головка 111 цилиндров имеют встроенные отверстия 141 и 142 для хладагента. Эти отверстия 141 и 142 расположены таким образом, чтобы они совпадали с дополнительными отверстиями (не показаны) на корпусе 22 турбины с жидкостным охлаждением для обеспечения жидкостного сообщения между ними. При функционировании, хладагент протекает из отверстия 141 через корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением и обратно в объединенные выпускной коллектор и головку 111 цилиндров через отверстие 142, а затем в блок цилиндров двигателя, откуда он возвращается в радиатор 1 через возвратный шланг RL. Преимущество такой конструкции заключается в том, что подача хладагента корпусу 22 турбины с жидкостным охлаждением осуществляется без необходимости применения дополнительных шлангов и трубок.
На Фиг.8 изображен четвертый вариант реализации системы 105 двигателя, который во многом схож с описанными выше со ссылкой на Фиг.2, кроме выпускного коллектора с жидкостным охлаждением, который вместо того, чтобы быть отдельным компонентом, выполнен в виде составной части головки цилиндров, образуя объединенный выпускной коллектор и головку 111 цилиндров.
Турбокомпрессор 20 описан выше и не будет детально описываться в дальнейшем. Корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением выполнен из алюминиевого сплава, стоимость которого относительно невысока и производство такого корпуса является менее затратным по сравнению с традиционным корпусом из термостойкого материала.
Предпочтительно, объединенные выпускной коллектор и головка 111 цилиндров, и корпус турбины 22 выполнены из по существу одинакового алюминиевого сплава, для того чтобы уменьшить термические напряжения между ними.
Воздух поступает в двигатель 10 через ряд впускных каналов 112 и выходит из двигателя 10 через ряд выпускных каналов 115, выполненных в качестве составной части объединенных выпускного коллектора и головки 111 цилиндров. Объединенные выпускной коллектор и головка 111 цилиндров имеют первичное выпускное отверстие 116 для выхлопных газов, которое сообщается с турбокомпрессором 20 таким образом, что выхлопные газы могут проходить от выхлопного канала 115 в корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением для того, чтобы вращать турбину 24, и вторичное выпускное отверстие 117 для выхлопных газов, которое сообщается с первым концом перепускного канала 132.
Второй конец перепускного канала 132 соединен с выхлопной трубой 18, которую используют для вывода выхлопных газов из турбины 24 в атмосферу через устройства обработки выхлопных газов (не показаны). Таким образом, перепускной канал 132 имеет первый конец, присоединенный выше по потоку турбины 24, и второй конец, присоединенный ниже по потоку турбины 24 так, чтобы обеспечить канал для потока выхлопных газов, параллельный потоку выхлопных газов, проходящих через турбину 24.
Поток выхлопных газов через перепускной канал 132 контролируют посредством перепускного клапана 30, который, как и в предыдущем случае, имеет корпус 30а, отдельный от корпуса или корпусов турбокомпрессора 20. Конструкция и принцип действия перепускного клапана 30 такие же, как было описано выше, и уже не будут повторно описаны.
Как и в предыдущем варианте, приблизительно одна третья часть всех выхлопных газов проходит через перепускной канал 132 при полностью открытом перепускном клапане и максимальном потоке выхлопных газов из двигателя 10. Так как в данном варианте выхлопные газы, которые протекают через перепускной канал 132, не контактируют с корпусом 22 турбины с жидкостным охлаждением, количество тепла, переданного корпусу 22 турбины с жидкостным охлаждением, снижено по сравнению с конструкцией, показанной на Фиг.6. В дополнение к этому, имеется возможность расположить первичное и вторичное выпускные отверстия 116 и 117 для выхлопных газов таким образом, чтобы поток газа в корпус 22 турбины и перепускной канал 132 был бы четко определен по сравнению с конструкцией, показанной на Фиг.1, где поток выхлопных газов должен изменить направление приблизительно на 90 градусов, чтобы попасть в перепускной канал. Следовательно, возмущения на входе турбины 24 могут быть уменьшены путем использования раздельных выпускных отверстий 116 и 117 объединенных выхлопного коллектора и головки 111 цилиндров, что повышает эффективность турбины.
Как и в предыдущих вариантах, корпус 22 турбины оснащен системой жидкостного охлаждения и содержит трубопроводы хладагента (не показаны), через которые может протекать охлаждающая жидкость, например (без ограничения) вода, когда они подключены к охлаждающему контуру. Следует понимать, что представленные на Фиг.3-5 контуры охлаждения могут быть приспособлены для использования в конструкции объединенных впускного коллектора и головки цилиндров, изображенных на Фиг.8 и Фиг.9.
Например, со ссылкой на Фиг.3 и Фиг.9, в случае, когда хладагент протекает от двигателя 10 прямо к корпусу 22 турбины с жидкостным охлаждением, объединенный выпускной коллектор с головкой 111 цилиндров имеет встроенные отверстия 141 и 142 для хладагента, как показано на Фиг.9. Эти отверстия 141 и 142 расположены таким образом, чтобы они совпадали с дополнительными отверстиями (не показаны) на корпусе 22 турбины с жидкостным охлаждением для обеспечения жидкостного сообщения хладагента между ними. При функционировании, хладагент протекает из отверстия 141 через корпус 22 турбины с жидкостным охлаждением и обратно в объединенный выпускной коллектор с головкой 111 цилиндров через отверстие 142. Преимущество такой конструкции заключается в том, что подача хладагента корпусу 22 турбины с жидкостным охлаждением осуществляется без необходимости применения дополнительных шлангов и трубок.
Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод, что за счет отделения перепускного клапана и его корпуса от турбокомпрессора и корпуса турбины с жидкостным охлаждением, формирующего часть турбокомпрессора, может быть получен более компактный турбокомпрессор с меньшим эффектом теплового излучения. Кроме того, поскольку большая часть выхлопных газов течет через перепускной клапан во время определенного режима работы двигателя, при использовании внешнего перепускного клапана уменьшается количество тепла, передаваемое корпусу турбины. Использование внешнего корпуса перепускного клапана без жидкостного охлаждения также снижает дополнительную термическую нагрузку на систему охлаждения, используемую для охлаждения корпуса турбины, по сравнению с ситуацией, где корпус перепускного клапана выполнен в виде составной части турбокомпрессора и также является охлаждаемым жидкостью.
Более того, жидкостное охлаждение корпуса турбины позволяет использовать менее дорогостоящие материалы при его производстве за счет меньших температур, которым подвергается корпус турбины.
Специалистам в данной области техники понятно, что, несмотря на то, что настоящее изобретение было описано в качестве примера со ссылкой на один или более вариантов осуществления изобретения, оно не может быть ограничено рамками этих примеров и могут быть разработаны альтернативные варианты воплощения, которые входят в объем изобретения в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.
Реферат
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом. Система (5) двигателя содержит двигатель (10) внутреннего сгорания, имеющий головку (11) цилиндров, выпускной коллектор (14) с жидкостным охлаждением, турбокомпрессор (20) с турбиной, расположенной с возможностью приема потока выхлопных газов из выпускного коллектора (18) двигателя, и внешний перепускной клапан (30), предназначенный для управления обводным потоком выхлопных газов, протекающим через турбокомпрессор. Турбокомпрессор (20) имеет выполненный из алюминиевого сплава корпус (22) турбины с жидкостным охлаждением, в котором расположена турбина. Перепускной клапан (30) расположен в не имеющем жидкостного охлаждения корпусе (30a), отдельном от корпуса турбины. Головка (11) цилиндров и выпускной коллектор (18) с жидкостным охлаждением выполнены из того же алюминиевого сплава, что и корпус (22) турбины. Раскрыт способ снижения стоимости производства системы двигателя. Технический результат заключается в снижении теплового излучения, передаваемого другим частям системы двигателя в процессе работы. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.
