RU121302U1

RU121302U1 - Головка цилиндров двигателя с интегрированным выпускным коллектором (варианты)

Info

Publication number: RU121302U1
Application number: RU2011133939/06U
Authority: RU
Inventors: Джон Кристофер РИГГЕР; Шуя Шарк ЯМАДА; Тодд Джей БРЮЕР
Original assignee: Форд Глобал Технолоджис, ЛЛК
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2012-10-20
Also published as: US20120037101A1; US8839759B2; CN202381182U

Abstract

1. Головка цилиндра двигателя с интегрированным выпускным коллектором, содержащая: ! первый выпускной патрубок для цилиндра, размещенного между двумя другими цилиндрами, причем первый выпускной патрубок сужается на участке выше по потоку области его соединения с соседним патрубком; и ! второй выпускной патрубок для цилиндра, размещенного в конце блока цилиндров, причем второй выпускной патрубок расширяется на участке выше по потоку области его соединения соседним патрубком. ! 2. Головка цилиндра по п.1, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения первого выпускного патрубка сужается на участке от точки входа направляющей первого клапана к области соединения первого выпускного патрубка с соседним патрубком. ! 3. Головка цилиндра по п.2, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения второго выпускного патрубка расширяется на изогнутой части второго выпускного патрубка и сужается на прямой части второго выпускного патрубка. ! 4. Головка цилиндра по п.3, отличающаяся тем, что изогнутая часть второго выпускного патрубка и прямая часть второго выпускного патрубка расположены между точкой входа направляющей клапана второго патрубка и областью соединения второго патрубка с соседним патрубком. ! 5. Головка цилиндра по п.1, отличающаяся тем, что также содержит выпускное отверстие, которое принимает вход к турбокомпрессору. ! 6. Головка цилиндра по п.1, отличающаяся тем, что входной угол второго выпускного патрубка, определяемый как угол между линией, параллельной внешнему краю прямой части второго выпускного патрубка, и плоскостью, перпендикулярной центральной оси выпускного отверстия, имеет величину в диа

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Настоящая полезная модель относится к интегрированным выпускным коллекторам двигателей внутреннего сгорания.

Уровень техники

Выпускные коллекторы интегрируются в головки цилиндров, чтобы увеличить компактность двигателя и усилить охлаждение выпускного коллектора. Головка цилиндра может изготавливаться из цельной отливки, чтобы уменьшить себестоимость производства двигателя, а также, чтобы увеличить компактность головки цилиндра. Головка цилиндра с интегрированным выпускным коллектором для обеспечения улучшенного охлаждения выпускной системы раскрыта в патентной заявке США №2009/0126659, которая может быть рассмотрена в качестве ближайшего аналога заявленной полезной модели. В частности, предоставлена конструкция водяной рубашки, состоящая из двух частей для улучшения охлаждения выпускного коллектора в головке цилиндра.

Однако изобретатели выявили недостатки выпускного коллектора, раскрытого в US 2009/0126659. Например, площадь поперечного сечения выпускных патрубков внутренних цилиндров двигателя может увеличивать потери в выпускном коллекторе, тем самым уменьшая количество энергии, передаваемой турбине, размещенной ниже выпускного коллектора. Следовательно, может уменьшиться и эффективность двигателя. Более того, площадь поперечного сечения выпускных патрубков двух наружных цилиндров двигателя может приводить к созданию граничных слоев в выпускном коллекторе, которые ограничивают выпускной поток из двух наружных цилиндров. Таким образом, выпускные патрубки наружных цилиндров могут также ограничивать производительность двигателя и экономию топлива.

Раскрытие полезной модели

По существу в данном документе описываются различные примеры систем и подходов. В одном примере предоставляется головка цилиндра двигателя с интегрированным выпускным коллектором. Головка цилиндра, включает первый выпускной патрубок для цилиндра, размещенного между двумя другими цилиндрами, причем первый выпускной патрубок имеет площадь поперечного сечения меньше, чем первая площадь в месте между точкой входа направляющей первого клапана и первой областью соединения для смешения выхлопных газов из другого цилиндра, то есть сужается на участке выше по потоку области его соединения с соседним патрубком. Головка цилиндра также включает второй выпускной патрубок для цилиндра, размещенного в конце ряда цилиндров, причем второй выпускной патрубок имеет площадь поперечного сечения больше, чем первая площадь в месте между точкой входа направляющей второго клапана и второй областью соединения для смешения выхлопных газов из другого цилиндра, то есть расширяется на участке выше по потоку области его соединения соседним патрубком.

Площадь поперечного сечения первого выпускного патрубка сужается на участке от точки входа направляющей первого клапана к области соединения первого выпускного патрубка с соседним патрубком, а площадь поперечного сечения второго выпускного патрубка расширяется на изогнутой части второго выпускного патрубка и сужается на прямой части второго выпускного патрубка. При этом изогнутая часть второго выпускного патрубка и прямая часть второго выпускного патрубка расположены между точкой входа направляющей клапана второго патрубка и областью соединения второго патрубка с соседним патрубком.

В другом варианте представлена головка цилиндра двигателя с интегрированным выпускным коллектором содержит первый и второй внутренние выпускные патрубки, сужающиеся в поперечном сечении по всей длине от точек входа направляющих клапанов внутренних выпускных патрубков до областей соединения этих патрубков с соседними выпускными патрубками, а также первый и второй внешние выпускные патрубки, расширяющиеся в поперечном сечении на участке выше по потоку мест их соединений с соседними выпускными патрубками.

Площади поперечного сечения внутренних выпускных патрубков сужаются на участке от точек входа направляющих клапанов внутренних выпускных патрубков к области соединения внутренних выпускных патрубков с соседними патрубками. Площади поперечного сечения внешних выпускных патрубков расширяются на изогнутой части внешних выпускных патрубков и сужаются на прямой части внешних выпускных патрубков. При этом изогнутая часть каждого внешнего выпускного патрубка и прямая часть каждого внешнего выпускного патрубка расположены между соответствующей точкой входа направляющей клапана внешнего этого выпускного патрубка и областью соединения этого внешнего выпускного патрубка с соседним патрубком.

В еще одном варианте головка цилиндра двигателя с интегрированным выпускным коллектором содержит первый и второй внутренние выпускные патрубки, сужающиеся в поперечном сечении по всей длине от точек входа направляющих клапанов внутренних выпускных патрубков до областей соединения этих патрубков с соседними выпускными патрубками, а также первый и второй внешние выпускные патрубки, расширяющиеся в поперечном сечении на участке выше по потоку мест их соединений с соседними выпускными патрубками, причем первый и второй внутренние выпускные патрубки являются прямыми по направлению к выпускному отверстию.

Кроме того, в данном варианте головка цилиндра содержит выпускное отверстие для первого и второго внутренних выпускных патрубков, а также для первого и второго внешних выпускных патрубков, причем выпускное отверстие имеет высоту, которая меньше, чем ширина выпускного отверстия.

При этом выпускное отверстие прямо или непрямо соединено со входом турбокомпрессора, высота и ширина выпускного отверстия соотносятся как 1,5:2, а по меньшей мере один радиус выпускного отверстия больше или равен 8 мм.

В данном варианте головка цилиндра также может содержать втулку для датчика кислорода, размещенную в сборнике, при этом сборник размещен ниже по потоку точки входа направляющей клапана внутреннего выпускного патрубка и выше по потоку выпускного отверстия.

Путем уменьшения площади поперечного сечения первого выпускного патрубка, выхлопные газы можно сконцентрировать в центре выпускного отверстия выпускного коллектора. В результате удар выхлопных газов на выпускное отверстие может быть ослаблен до меньших потерь в выпускном коллекторе. Таким образом, энергия выхлопных газов, подаваемая на турбину турбокомпрессора, размещенного ниже выпускного коллектора, может быть увеличена, тем самым увеличивая скорость турбины.

Кроме того, площадь поперечного сечения и входной угол второго выпускного патрубка на конце головки цилиндра может быть создан для контроля над граничными слоями в выпускном коллекторе имеющим величину от 14 до 17 градусов. Входной угол определяет пересечение между линией, параллельной внешнему краю прямой части второго выпускного патрубка и плоскостью, в которой находится выпускное отверстие. Удар выхлопных газов о стенки выпускного коллектора может быть уменьшен, чтобы контролировать граничные слои в выпускном коллекторе, когда входной угол лежит в определенном диапазоне. Таким образом, потери в выпускном коллекторе могут быть уменьшены еще больше.

Это краткое описание приведено для представления в упрощенном виде набора концепций, которые далее ниже описываются в подробном описании. Это краткое описание не предназначено ни для определения ключевых признаков или существенных признаков заявляемого объекта изобретения, ни для использования в целях ограничения объема заявленного объекта изобретения. Кроме того, заявляемый объект изобретения не ограничивается вариантами осуществления, которые решают какие-либо или все недостатки, указанные в любой части данного описания.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой принципиальную схему двигателя.

Фиг 2 представляет собой принципиальную схему выпускного коллектора и системы охлаждения, которая может быть включена в двигатель, показанный на Фиг.1.

Фиг.3 представляет собой изображение примера головки цилиндра, выполненное приблизительно в масштабе.

Фиг.4 представляет собой изображение поперечного сечения выпускного коллектора, включаемого в головку цилиндра, показанную на Фиг.3, выполненное приблизительно в масштабе.

Фиг.5 представляет собой изображение стержневого знака формы для литья головки цилиндра, показанной на Фиг.3, выполненное приблизительно в масштабе.

Фиг.6 представляет собой изображение сбоку головки цилиндра, показанной на Фиг.3, выполненное приблизительно в масштабе.

Фиг.7 представляет собой изображение в поперечном разрезе точек входа направляющих клапана, включаемых в выпускной коллектор, показанный на Фиг.4, выполненное приблизительно в масштабе.

Фиг.8 представляет собой изображение в поперечном разрезе внешнего выпускного патрубка, включаемого в выпускной коллектор, показанный на Фиг.4, выполненное приблизительно в масштабе.

Фиг.9 представляет собой еще одно изображение в поперечном разрезе внешнего выпускного патрубка, включаемого в выпускной коллектор, показанный на Фиг.4, выполненное приблизительно в масштабе.

Фиг.10 представляет собой изображение в поперечном разрезе внутреннего выпускного патрубка, включаемого в выпускной коллектор, показанный на Фиг.4, выполненное приблизительно в масштабе.

Фиг.11-14 представляют собой различные графики, описывающие количественные улучшения выпускного коллектора, изображенного на Фиг.4. Осуществление полезной модели

В данном документе раскрыта головка цилиндра с интегрированным выпускным коллектором. Интегрированный выпускной коллектор имеет различные геометрические характеристики, которые способствуют уменьшению потерь в выхлопной системе, а также улучшению производительности турбокомпрессора.

Например, головка цилиндра может включать первый выпускной патрубок для цилиндра, размещенного между двумя другими цилиндрами, первый выпускной патрубок имеет площадь поперечного сечения меньше, чем первая площадь в месте между точкой входа направляющей первого клапана и первой областью соединения для смешения выхлопных газов из другого цилиндра. Головка цилиндра также включает второй выпускной патрубок для цилиндра, размещенного в конце ряда цилиндров, при этом второй выпускной патрубок имеет площадь поперечного сечения больше, чем первая площадь в месте между точкой входа направляющей второго клапана и второй областью соединения для смешения выхлопных газов из другого цилиндра.

Таким образом, площадь поперечного сечения первого выпускного патрубка может суживаться ниже точки входа направляющей первого клапана. Сужение в первом выпускном патрубке уменьшает потери расширения и помогает поддерживать скорость выхлопных газов в выпускном коллекторе. Например, сужение может направлять выхлопные газы в центральную часть сборника в выпускном коллекторе ниже первого и второго выпускных патрубков, уменьшая удары выхлопных газов о стенки сборника и, тем самым, уменьшая потери в выпускном коллекторе. Кроме того, сужение может уменьшать разделение потока и, тем самым, - потери в выпускном коллекторе. Более того, сужение в первом выпускном патрубке может также уменьшать взаимные помехи между цилиндром и выпускными клапанами. Например, сужения могут способствовать распространению волн давления, созданных посредством приведения в действие выпускного клапана ниже выпускного коллектора.

Кроме того, площадь поперечного сечения второго выпускного патрубка имеет площадь поперечного сечения, которая расширяется в изогнутой части второго выпускного патрубка и которая сужается в прямой части второго выпускного патрубка. Также, площадь поперечного сечения второго выпускного патрубка больше, чем первая площадь первого выпускного патрубка вдоль длины второго выпускного патрубка от точки входа направляющей второго клапана до площади соединения. Было обнаружено, что расширение и последующее сужение во втором выпускном патрубке дополнительно уменьшает потери в выпускном коллекторе для наружных цилиндров, имеющих поток, направленный к центральному выпускному отверстию выпускного коллектора.

Более того, входной угол второго выпускного патрубка может быть от 14 до 17 градусов. Входной угол определяет пересечение между линией, параллельной внешнему краю прямой части второго выпускного патрубка и плоскостью, в которой находится выпускное отверстие. Когда входной угол находится в этом диапазоне, удар выхлопных газов о стенки выпускного коллектора может быть ослаблен, тем самым также уменьшаются потери в выпускном коллекторе.

Таким образом, могут быть улучшены различные характеристики производительности двигателя, такие как КПД двигателя, верхний и нижний крутящий момент, вырабатываемый двигателем, время крутящего момента (например, задержка тяги), и т.п., когда выпускной коллектор включает одну или больше геометрических особенностей, описанных выше.

Фиг.1 и 2 представляют собой принципиальные схемы двигателя и соответствующего выпускного коллектора и системы охлаждения. Фиг.3 представляет собой изображение сбоку головки цилиндра, включающей интегрированный выпускной коллектор, выполненное приблизительно в масштабе. Фиг.4 представляет собой изображение поперечного сечения головки цилиндра, показанной на Фиг.3. Фиг.5 представляет собой изображение ствола канала коллектора головки цилиндра, показанной на Фиг.3. Фиг.6 представляет собой изображение сбоку головки цилиндра, показанной на Фиг.3. Фиг.7-10 представляют собой изображения различных поперечных сечений головки цилиндра, показанной на Фиг.3. Фиг.11-14 представляют собой различные графики, количественно описывающие улучшения двигателя, использующего выпускной коллектор, показанный на Фиг.3-10, по сравнению с другими конструкциями коллектора.

Обращаясь к Фиг.1, двигатель 10 внутреннего сгорания, содержащий множество цилиндров, один из которых показан на Фиг.1, контролируется электронным контроллером 12 двигателя. Двигатель 10 включает камеру сгорания 30 и стенки 32 цилиндра с поршнем 36, размещенным в них и соединенным с коленчатым валом 40. Камера 30 сгорания показана сообщающейся с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Каждый впускной и выпускной клапан может приводиться в действие впускным кулачком 51 и выпускным кулачком 53. В другом случае один или больше впускных и выпускных клапанов могут приводиться в действие электромеханической обмоткой клапана и якорем в сборе. Положение впускного кулачка 51 может определяться сенсором 55 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 53 может определяться сенсором 57 выпускного кулачка.

Впускной коллектор 44 также показан посередине между впускным клапаном 52 и воздухозаборной zip-трубой 42. Топливо доставляется к топливному инжектору 66 топливной системой (не показана), включающей топливный бак, топливный насос и распределитель для топлива (не показаны). Двигатель 10 с Фиг.1 спроектирован так, что топливо впрыскивается прямо в цилиндр двигателя, что известно специалистам в данной области техники как прямой впрыск. Топливный инжектор 66 питается рабочим током от привода 68, который реагирует на контроллер 12. Кроме того, впускной коллектор 44 показан сообщающимся с необязательным электронным дросселем 62 с дроссельной заслонкой 64. В одном примере может использоваться система прямого впрыска низким давлением, где давление топлива может быть увеличено примерно до 20-30 бар. В другом случае может использоваться двухступенчатая топливная система высокого давления, чтобы создавать более высокое топливное давление. Тем не менее, в альтернативных вариантах осуществления может использоваться инжекционная система с впускным каналом.

Система 88 зажигания без распределителя обеспечивает искру зажигания для камеры 30 сгорания посредством свечи 92 зажигания в ответ на контроллер 12. Датчик 126 общего содержания кислорода в выхлопных газах (Universal Exhaust Gas Oxygen, UEGO) показан соединенным с выпускным коллектором 48 выше каталитического преобразователя 70. В другом случае датчик 126 UEGO может быть заменен на двухступенчатый датчик кислорода в выхлопных газах.

В одном примере преобразователь 70 может включать большое количество каталитических блоков. В другом примере может использоваться большое количество устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое с множеством блоков. В одном примере преобразователь 70 может быть трехкомпонентным нейтрализатором.

Двигатель 10 также включает турбокомпрессор, имеющий компрессор 150, соединенный с турбиной 152 при помощи приводного вала 154. Таким образом, двигатель 10 может быть двигателем с наддувом. Компрессор размещается во впускном коллекторе 44, и турбина соединяется с выпускным коллектором 48. Компрессор предназначен обеспечивать наддув двигателю 10, тем самым увеличивая выходную мощность двигателя во время выбранных условий работы. Регулятор давления наддува 156 может быть расположен в обходной магистрали 158 турбины. Регулятор давления наддува может быть настроен таким образом, чтобы изменять количество выхлопных газов, обходящих турбину. Регулятор давления наддува может управляться контроллером 12. Таким образом, количество наддува, предоставляемого двигателю, может выборочно изменяться. Однако в других вариантах осуществления наддув, предоставляемый двигателю, может регулироваться альтернативными способами, такими как регулировка перепускного клапана компрессора или регулировка соотношения сторон турбины с изменяемой геометрией.

Контроллер 12 показан на Фиг.1 как обычный микрокомпьютер, содержащий:

микропроцессор 102, порты 104 ввода-вывода, ПЗУ 106, ОЗУ 108, энергонезависимую память 110 и обычную шину данных. Контроллер 12 показан принимающим различные сигналы от датчиков, подключенных к двигателю 10, в дополнение к ранее обговоренным сигналам, включая: температуру хладагента двигателя (ТХД) от температурного датчика 112, подключенного к охлаждающему патрубку 114; датчик 134 положения, подключенный к педали 130 газа для определения силы, прилагаемой ногой 132;

измерение давления коллектора двигателя (ДКД) от датчика 122 давления, подключенного к впускному коллектору 44; датчик положения двигателя на основании датчика 118 на эффекте Холла, определяющий положение коленчатого вала 40; измерение массы воздуха, входящей в двигатель, от датчика 120; и измерение положения дросселя от датчика 58. Барометрическое давление также может определяться (датчик не показан) для обработки контроллером 12. В предпочтительном аспекте данного описания, датчик 118 на эффекте Холла вырабатывает предварительно определенное количество равноотстоящих импульсов за каждый поворот коленчатого вала, из чего может определяться число оборотов двигателя (RPM).

Во время работы каждый цилиндр в двигателе 10, как правило, проходит четырехтактный цикл: цикл включает такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выхода. Во время такта впуска обычно выпускной клапан 54 закрывается и впускной клапан 52 открывается. Воздух вводится в камеру 30 сгорания через впускной коллектор 44, и поршень 36 двигается вниз цилиндра, чтобы увеличить объем в камере 30 сгорания. Положение, в котором поршень 36 находится возле дна цилиндра и в конце своего такта (например, когда камера 30 сгорания имеет наибольший объем), обычно специалистами в данной области техники называется «нижняя мертвая точка» (НМТ). Во время такта сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 двигается по направлению к головке цилиндра, чтобы сжать воздух в камере 30 сгорания. Точка, в которой поршень 36 находится в конце своего цикла и ближе всего к головке цилиндра (т.е. когда камера 30 сгорания имеет наименьший размер), обычно специалистами в данной области техники называется «верхняя мертвая точка» (ВМТ). В процессе, далее называемом впрыскиванием, в камеру сгорания подается топливо. В процессе, далее называемом зажиганием, впрыснутое топливо воспламеняется известным способом зажигания, таким как свеча 92 зажигания, вызывая возгорание. Но в других примерах может применяться воспламенение от сжатия. Во время такта расширения расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно к НМТ. Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время такта выпуска, выпускной клапан 54 открывается, чтобы выпустить сжатую воздушно-топливную смесь в выпускной коллектор 48, и поршень возвращается в ВМТ. Обратите внимание, что вышеуказанное показано только в качестве примера, и сроки открытия и/или закрытия впускного и выпускного клапанов могут отличаться, так чтобы обеспечивать положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрытие впускного клапана, или различные другие примеры.

Фиг.2 представляет собой принципиальную схему двигателя, включающего систему 200 охлаждения и интегрированный выпускной коллектор 202. Следует понимать, что выпускной коллектор 202 может быть подобным выпускному коллектору 48, показанному на Фиг.1. Система 200 охлаждения может быть настроена удалять тепло из головки цилиндра, тем самым уменьшая температуру возгорания и термическое напряжение на головку цилиндра и интегрированный выпускной коллектор.

Следует понимать, что система охлаждения может включаться в двигатель 10, показанный на Фиг.1. Контроллер 12 может быть настроен регулировать количество тепла, удаляемого из двигателя при помощи контура 250 охлаждения. Таким образом, температура двигателя может регулироваться, позволяя увеличить эффективность сгорания, равно как и уменьшить термическое напряжение на двигатель.

Система 200 охлаждения включает контур 250 охлаждения, который проходит через блок 252 цилиндров. Вода или другой подходящий хладагент могут использоваться в качестве рабочей жидкости в контуре охлаждения. Блок цилиндров может включать часть одной или большего числа камер сгорания. Следует понимать, что контур охлаждения может проходить рядом с частями камер сгорания. Таким образом, избыточное тепло, образующееся во время работы двигателя, может передаваться на контур охлаждения.

Головка 253 цилиндра может соединяться с блоком цилиндров, чтобы образовывать цилиндр в сборе. Собранный, цилиндр в сборе может включать множество камер сгорания. Головка цилиндра может включать верхнюю охлаждающую рубашку 254 и нижнюю охлаждающую рубашку 256. Но в других вариантах осуществления может предоставляться единственная охлаждающая рубашка. Как показано, верхняя охлаждающая рубашка включает вход 258, а нижняя охлаждающая рубашка включает множество входов 260. Но в других вариантах осуществления нижняя охлаждающая рубашка может включать единственный вход, а верхняя охлаждающая рубашка может включать множество входов. Вход 25 8 и входы 260 соединены с общим каналом 261 контура охлаждения в блоке цилиндров. Таким образом, верхняя и нижняя охлаждающие рубашки получают хладагент через свои соответствующие входы из общего источника хладагента, включенного в блок цилиндров двигателя. Но следует понимать, что в некоторых вариантах осуществления верхняя и нижняя охлаждающие рубашки могут получать хладагент из различных каналов охлаждения в блоке двигателя.

Первый набор переходных охладительных каналов 262 может при помощи текучей среды соединять верхнюю охлаждающую рубашку с нижней охлаждающей рубашкой. Аналогично второй набор переходных охладительных каналов 264 может дополнительно при помощи текучей среды соединять верхнюю охлаждающую рубашку с нижней охлаждающей рубашкой.

Каждый переходной охладительный канал, включенный в первый набор переходных охладительных каналов, может включать ограничение 266. Различные характеристики (например, размер, форма, и т.д.) ограничений могут настраиваться во время изготовления головки 253 цилиндра. Таким образом, ограничения, включенные в первый набор переходных охладительных каналов, могут быть отличными по размеру, форме, и т.д. от ограничений, включенных во второй набор переходных охладительных каналов и/или ограничений 269. Таким образом, головка цилиндра может настраиваться для множества двигателей, тем самым увеличивая применимость головки цилиндра. Хотя и в первом и во втором наборе переходных охладительных каналов изображены два переходных охладительных канала, количество переходных охладительных каналов, включаемых в первый и во второй набор переходных охладительных каналов, может изменяться в других вариантах осуществления.

Переходные охладительные каналы позволяют хладагенту перемещаться между охладительными рубашками в различных точках между входами и выходами как верхней, так и нижней охлаждающих рубашек. Таким образом, хладагент может перемещаться по сложной структуре потока, где хладагент двигается между верхней и нижней рубашками, в середине рубашки и в других различных местах в рубашке. Смешанная структура потока уменьшает непостоянство температуры в головке цилиндра во время работы двигателя, а также увеличивает количество тепловой энергии, которая может быть удалена из головки цилиндра.

Верхняя охлаждающая рубашка включает выход 268. Выход 268 может включать ограничение 269. Кроме того, нижняя охлаждающая рубашка включает выход 270. Следует понимать, что в других вариантах осуществления выход 270 также может включать ограничение. Выходы из верхней и нижней охлаждающих рубашек могут объединяться и иметь жидкостную связь. Контур охлаждения тогда может проходить через радиатор 272. Радиатор позволяет передавать тепло из контура охлаждения окружающему воздуху. Таким образом, тепло может удаляться из контура охлаждения.

Насос 274 также может включаться в контур охлаждения. Термостат 276 может размещаться на выходе 268 верхней охлаждающей рубашки. Термостат 278 также может размещаться на входе блока цилиндров. В других вариантах осуществления дополнительные термостаты могут размещаться в контуре охлаждения в других местах, таких как вход или выход радиатора, вход или выход нижней охлаждающей рубашки, вход или выход верхней охлаждающей рубашки, и т.д. Термостаты могут использоваться для регулирования количества жидкости, протекающей через контур охлаждения, основываясь на температуре. В некоторых примерах термостаты могут контролироваться контроллером 12. Но в других примерах термостаты могут управляться пассивно.

Следует понимать, что контроллер 12 может регулировать количество высоты напора, обеспечиваемого насосом 274 для корректировки скорости потока хладагента через контур и, таким образом, - количество тепла, удаляемое из двигателя. Более того, в некоторых примерах контроллер 12 может быть настроен таким образом, чтобы динамически корректировать количество потока хладагента через верхнюю охлаждающую рубашку посредством термостата 276. Соответственно, скорость потока хладагента через верхнюю охлаждающую рубашку может уменьшаться, когда температура двигателя находится ниже порогового значения. Таким образом, длительность прогрева двигателя во время холодного запуска может быть сокращена, тем самым увеличивая эффективность сгорания и уменьшая выбросы.

Фиг.3 представляет собой вид сбоку примера головки 253 цилиндра. Головка цилиндра может быть сконфигурирована прикрепляться к блоку цилиндров (не показан), который образует множество цилиндров, имеющих поршень, совершающий них в них возвратно-поступательные движения. Цилиндры могут быть в однорядной конфигурации, в которой цилиндры выстроены в прямую линию относительно центральной оси цилиндра. Описанная головка цилиндра прикрепляется к блоку цилиндров, для образования 4 цилиндров. Но в других вариантах осуществления может использоваться другое количество цилиндров, например, три цилиндра. Следует понимать, что набор цилиндров, размещенных в однорядной конфигурации в двигателе, можно называть блоком цилиндров. Головка цилиндра может быть отлита из подходящего материала, такого как алюминий. Другие компоненты собранной головки цилиндра были опущены. Опущенные компоненты включают кулачковые валы, крышки кулачковых валов, впускные и выпускные клапаны, свечи зажигания, и т.д.

Как показано, головка 253 цилиндра включает четыре граничных стенки. Эти стенки включают первую и вторую боковые стенки 302 и 304 соответственно. Четыре граничных стенки могут также включать переднюю торцевую стенку 306 и заднюю торцевую стенку 308. Первая боковая стенка может включать монтажные приливы 310 для болтового крепления турбокомпрессора или другое подходящее средство крепления, которое принимает вход в турбокомпрессор. Таким образом, турбокомпрессор может монтироваться прямо к головке цилиндра, уменьшая потери в двигателе. Но следует понимать, что турбокомпрессор может быть соединен с головкой цилиндра непрямо. Турбокомпрессор может включать турбину с приводом от выхлопных газов, соединенную с компрессором посредством приводного вала, как обговаривалось ранее. Нижняя стенка 312 может быть сконфигурирована таким образом, чтобы соединяться с головкой цилиндра (не показано), тем самым образуя камеры сгорания двигателя, как обсуждалось ранее.

Головка цилиндра 253 может также включать выпускной коллектор, содержащий выпускной сборник 316. Сборник размещен ниже точки входа направляющей клапана, показанной на Фиг.4, и выше выпускного отверстия 318. Как показано, выход выровнен по вертикали и горизонтали. Но возможно и другое выравнивание. Головка цилиндра может также включать втулку (не показана) для расположения датчика кислорода в сборнике. Втулка может предоставлять доступ к сборнику для распознания выхлопных газов из всех цилиндров головки цилиндра. В одном примере втулка может размещаться ниже газоотводного отверстия 319 для верхней охлаждающей рубашки. Но в других примерах втулка может размещаться в другом подходящем месте.

Выпускной коллектор также включает множество выпускных патрубков, соединенных со сборником. Выпускные патрубки изображены и обсуждены более подробно в отношении Фигур 4-10. Кроме того, выпускные патрубки могут соединяться с одним или большим числом выпускных клапанов посредством направляющих клапана. Каждый выпускной патрубок соединяется с выпускным клапаном для каждого цилиндра. Таким образом, выпускной коллектор и выпускные патрубки могут интегрироваться в головку цилиндра. Интегрированные выпускные патрубки имеют ряд преимуществ, таких как уменьшение числа частей в двигателе, что уменьшает затраты в цикле разработки двигателя. Более того, при применении интегрированного выпускного коллектора затраты хранения и сборки также можно уменьшить. Секущая плоскость 320 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.4. Секущая плоскость 324 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.7, а секущая плоскость 326 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.8. Секущая плоскость 328 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.9, а секущая плоскость 330 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.10.

Фиг.4 представляет собой изображение поперечного сечения выпускного коллектора 202, включенного в головку 253 цилиндра, показанную на Фиг.3. Сборник 316, включенный в выпускной коллектор, соединен с первым внутренним выпускным патрубком 410 для цилиндра, размещенного между двумя другими цилиндрами. Первый внутренний выпускной патрубок 410 включает первую трубку 412 ввода и вторую трубку 414 ввода, встречающиеся в области 416 соединения. Первая и вторая трубки ввода включают точки входа (710 и 712) направляющих первого и второго клапана, показанные на Фиг.7. Следует понимать, что точки входа направляющей клапана могут быть сконфигурированы каждая так, чтоб принимать часть выпускного клапана. Сборник 316 также соединяется со вторым внутренним выпускным патрубком 418. Второй внутренний выпускной патрубок 418 включает первую трубку 420 ввода и вторую трубку 422 ввода, встречающиеся в области 424 соединения. Первая и вторая трубки ввода включают точки входа (714 и 716) направляющих первого и второго клапана, показанные на Фиг.7. Выпускные патрубки получают выхлопные газы из цилиндра во время работы двигателя. Точки входа направляющей клапана позволяют выпускным клапанам размещаться в головке цилиндра так, что выпускные клапаны могут ограничивать поток газа из цилиндра в патрубки. Следовательно, каждый внутренний выпускной патрубок включает две трубки ввода, соединенные с двумя выпускными клапанами. Но в других примерах первый и второй внутренние выпускные патрубки каждый могут включать точку входа направляющей одного клапана. Следовательно, в таком примере, первый внутренний выпускной патрубок и второй внутренний выпускной патрубок каждый включают одну трубку ввода.

Следует понимать, что оба внутренних выпускных патрубка могут соединяться с цилиндрами, размещенными между двумя другими цилиндрами. Первый и второй внутренние патрубки могут сходиться в области 426 соединения для смешения выхлопных газов из внутренних цилиндров. Как показано, первый и второй выпускные патрубки могут быть направлены по практически прямому пути к выпускному отверстию 318.

Выпускной коллектор также включает первый внешний выпускной патрубок 428 и второй внешний выпускной патрубок 430, соединенные со сборником 316. Первый и второй внешние выпускные патрубки соединяются с цилиндрами, размещенными на каждом конце блока цилиндров. Другими словами, первый и второй внешние выпускные патрубки соединяются с самыми крайними цилиндрами в блоке цилиндров в линейной конфигурации. Первый внешний выпускной патрубок включает первую трубку 432 ввода и вторую трубку 434 ввода, встречающиеся в области 436 соединения. Первая и вторая трубки (432 и 434) ввода включают входное отверстие направляющей первого клапана и входное отверстие направляющей второго клапана (718 и 720), показанные на Фиг.7. Аналогично второй внешний выпускной патрубок включает первую трубку 438 ввода и вторую трубку 440 ввода» встречающиеся в области 442 соединения. Первая и вторая трубки (438 и 440) ввода включают точку входа направляющей первого клапана и точку входа направляющей второго клапана (722 и 724), показанные на Фиг.7.

Второй внешний выпускной патрубок 43 0 и второй внутренний выпускной патрубок 418 могут сходиться в области 444 соединения для смешения выхлопных газов из внутренних и наружных цилиндров. Аналогично, первый внешний выпускной патрубок 42 8 и первый внутренний выпускной патрубок 410 могут сходиться в области 446 соединения для смешения выхлопных газов из внутренних и наружных цилиндров.

Первый внешний выпускной патрубок имеет входной угол 448. Входной угол 448 может быть определен как пересечение между линией, параллельной прямой части внешней стенки 450 первого выпускного патрубка 428 и плоскостью, в которой находится выпускное отверстие 318. Внешняя стенка первого внешнего выпускного патрубка может быть вертикальной стенкой, смежной с боковой стенкой 302, показанной на Фиг.3. Из-за симметрии выпускного коллектора следует понимать, что второй внешний выпускной патрубок имеет идентичный входной угол.

Неожиданно было обнаружено, что, когда внешние выпускные патрубки имеют входной угол между 15 и 17 градусами, разделение потока в выхлопных газах во время работы двигателя может быть ослаблено, тем самым уменьшая потери в выпускном коллекторе. Особенно, входной угол в 15,5 градусов может использоваться для уменьшения разделения потока в выпускном коллекторе. Входной угол из этого диапазона может также уменьшать удар выхлопных газов о стенки выпускного коллектора. Более того, входной угол из этого диапазона может также уменьшать количество перекрестных помех между выпускными клапанами. Например, реакционные волны, возникающие во время работы выпускного клапана во внешних выпускных патрубках могут распространяться ниже выпускного коллектора, в противоположность тем, что находятся в других выпускных патрубках. Следовательно, используются выпускные клапаны, имеющие входной угол от 15 до 17 градусов. Таким образом, работа двигателя может быть улучшена посредством уменьшения взаимных помех между выпускными клапанами.

Фиг.5 представляет собой изображение ствола канала выпускного коллектора, показанного на Фиг.4. Хотя показан стержневой знак, следует понимать, что выхлопные газы могут передвигаться через проходы, определяемые стволом канала выпускного коллектора. Следовательно, соответствующие части обозначены соответствующим образом.

Линия 518 обозначает секущую плоскость расположения начала области ствола канала первого внешнего патрубка 428 выпускного коллектора, откуда измеряется область поперечного сечения первого внешнего патрубка 428. Линия 520 обозначает секущую плоскость примерного положения на изогнутой части первого внешнего патрубка 428, где может быть измерена область поперечного сечения изогнутой части первого внешнего патрубка 428. Линии 526 и 528 обозначают секущие плоскости примерных положений на прямой части первого внешнего патрубка 428, где может быть измерена площадь поперечного сечения прямой части первого внешнего патрубка 428. На линии 518 первый внешний патрубок 428 имеет первую площадь поперечного сечения. На линии 520 первый внешний патрубок 428 имеет вторую площадь поперечного сечения. На линиях 526 и 528 первый внешний патрубок 428 имеет третью площадь поперечного сечения. Первый внешний патрубок 428 расширяется от первой площади поперечного сечения ко второй площади поперечного сечения и сужается от второй площади поперечного сечения к третьей площади поперечного сечения. Аналогично линия 522 второго внешнего выпускного патрубка 430 означает секущую плоскость положения начала области ствола канала выпускного коллектора, откуда измеряется поперечное сечение этого патрубка. Линия 524 означает секущую плоскость примера положения на изогнутой части второго внешнего патрубка 430, где может быть измерена площадь поперечного сечения изогнутой части второго внешнего патрубка 430.

Линия 510 обозначает секущую плоскость примера положения начала области ствола канала первого внутреннего патрубка 410 выпускного коллектора, откуда измеряется область поперечного сечения внутреннего патрубка 410. Линия 512 обозначает секущую плоскость примера положения первого внутреннего патрубка 410, где измеряется площадь поперечного сечения внутреннего патрубка 410. На линии 510 первый внутренний патрубок 410 имеет первую площадь поперечного сечения. На линии 512 первый внутренний патрубок 410 имеет вторую площадь поперечного сечения. Первая площадь поперечного сечения больше, чем вторая площадь поперечного сечения. Аналогично, линия 514 обозначает секущую плоскость примера положения начала области ствола канала второго внутреннего патрубка 418 выпускного коллектора, откуда измеряется область поперечного сечения внутреннего патрубка 418. Линия 516 обозначает секущую плоскость примера положения второго внутреннего патрубка 418, где измеряется область поперечного сечения второго внутреннего патрубка 418. Линия 530 обозначает секущую плоскость другого примера положения второго внутреннего патрубка 418, где измеряется площадь поперечного сечения второго внутреннего патрубка 418.

Фиг.6 представляет собой изображение сбоку выпускного отверстия 318. Площадь поперечного сечения выпускного отверстия может быть 945 мм². Радиус 601 выпускного отверстия может быть по существу равен 8 мм. Ширина 602 выпускного отверстия может быть по существу равна 43 мм. Высота 604 выпускного отверстия сборника может быть по существу равна 24 мм. Следовательно, ширина выпускного отверстия больше, чем высота выпускного отверстия. В некоторых вариантах осуществления соотношение между шириной и высотой выпускного отверстия может составлять по существу 1,5 к 2. Следует понимать, что, когда соотношение ширины к высоте выпускного отверстия находится в вышеуказанном диапазоне, удар выхлопных газов в выпускном коллекторе может быть ослаблен. Таким образом, потери в выпускном коллекторе могут быть уменьшены, тем самым увеличивая количество энергии, передаваемой турбине.

Фиг.7 представляет собой изображение поперечного сечения точки 710 входа направляющей первого клапана и точки 712 входа направляющей второго клапана и соответствующих трубок ввода (412 и 414) для первого внутреннего выпускного патрубка 410. Кроме того, Фиг.7 представляет изображение точки 714 входа направляющей первого клапана и точки 716 входа направляющей второго клапана и соответствующих трубок ввода (420 и 422) для второго внутреннего выпускного патрубка 418. Фиг.7 также представляет изображение точки 718 входа направляющей первого клапана и точки 720 входа направляющей второго клапана и соответствующих трубок ввода (432 и 434) для первого внешнего выпускного патрубка 428. Фиг.7 также представляет изображение точки 722 входа направляющей первого клапана и точки 724 входа направляющей второго клапана и соответствующих трубок ввода (438 и 440) для второго внешнего выпускного патрубка 430. Площадь поперечного сечения первого внутреннего выпускного патрубка между каждыми из двух точек (710 и 712) входа направляющих клапана может быть по существу равна 716 мм². Для сравнения, ведущая граница, линия 510 и замыкающая граница, линия 512 сечений первого внутреннего выпускного патрубка 410 - показаны на Фиг.5. Следует понимать, что площадь поперечного сечения измеряется посредством плоскости, охватывающей выпускной патрубок и перпендикулярной линии 750, касательной к центральной оси выпускного патрубка. Аналогично площадь поперечного сечения второго внутреннего выпускного патрубка 418 между каждыми из двух точек (714 и 716) входа направляющих клапана может быть по существу равна 716 мм². Для сравнения, ведущая граница, линия 514 и замыкающая граница, линия 516 сечений второго внутреннего выпускного патрубка 418 - показаны на Фиг.5. Площадь поперечного сечения первого внешнего выпускного патрубка между каждыми из двух точек (718 и 720) входа направляющих клапана может быть по существу равна 716 мм². Для сравнения, ведущая граница, линия 518, имеет площадь поперечного сечения, которая может быть по существу равна 716 мм², показана на Фиг.6. Аналогично площадь поперечного сечения второго внешнего выпускного патрубка 430 между каждой из двух точек (722 и 724) направляющих клапана может быть по существу равна 716 мм². Для сравнения, ведущая граница, линия 522 имеют площадь поперечного сечения, которая может быть по существу равна 716 мм², показаны на Фиг.6.

Фиг.8 представляет собой изображение поперечного сечения первого внешнего выпускного патрубка 428 в изогнутой части выпускного патрубка ниже точек (718 и 720) входа направляющих клапана и выше области 446 соединения в направлении потока выхлопных газов из цилиндра, показанного на Фиг.4. Как оговаривалось ранее, область поперечного сечения первого внешнего выпускного патрубка начинается в первой площади и расширяется по мере того, как выпускной патрубок изгибается и сужается по мере того как выпускной патрубок достигает точки соединения, где выхлопные газы из одного цилиндра смешиваются с выхлопными газами из другого цилиндра. Первый внешний выпускной патрубок 428 начинается в первой площади, равной по существу 716 мм², в месте ниже точек (718 и 720) входа направляющих клапана в направлении потока выхлопных газов.

Площадь поперечного сечения первого внешнего выпускного патрубка в изогнутой части выпускного патрубка, показанная на Фиг.8, может составлять 716 мм². Для сравнения, ведущая граница, линия 520 и замыкающая граница, линия 526, изогнутой части первого внешнего выпускного патрубка, показаны на Фиг.5. Как обсуждалось ранее, площадь поперечного сечения может измеряться через плоскость, охватывающую выпускной патрубок и перпендикулярную линии, касательной к центральной оси выпускного патрубка. Из-за симметрии в выпускном коллекторе второй внешний выпускной патрубок по геометрии и размеру подобен первому внешнему выпускному патрубку.

Фиг.9 представляет собой изображение поперечного сечения первого внешнего выпускного патрубка 428 в прямой части выпускного патрубка ниже точек (718 и 720) входа направляющих клапана в направлении потока выхлопных газов и выше области 446 соединения. Для сравнения, ведущая граница, линия 526 и замыкающая граница, линия 528, прямой части первого внешнего выпускного патрубка показаны на Фиг.5.

Площадь поперечного сечения прямой части первого внешнего выпускного патрубка может быть меньше, чем площадь поперечного сечения изогнутой части первого внешнего выпускного патрубка. Следовательно, площадь поперечного сечения вдоль длины первого внешнего выпускного патрубка сужается в прямой части патрубка. В частности, площадь поперечного сечения прямой части показанного выпускного патрубка может составлять 651 мм². Из-за симметрии в выпускном коллекторе второй внешний выпускной патрубок по геометрии и размеру подобен первому внешнему выпускному патрубку. Следовательно, второй внешний выпускной патрубок может также испытывать расширение и сужение вниз по ходу потока.

Неожиданно было обнаружено, что расширение и последующее сужение в первом и во втором внешних выпускных патрубках может ослаблять разделение потока выхлопных газов во внешних выпускных патрубках, тем самым уменьшая потери в выпускном коллекторе. Когда потери в выпускном коллекторе уменьшаются, энергия, передаваемая турбине турбокомпрессора, размещенного ниже выпускного коллектора, возрастает, тем самым увеличивая КПД двигателя и потенциальную выходную мощность.

Фиг.10 представляет собой изображение поперечного сечения второго внутреннего выпускного патрубка 418 в части выпускного патрубка ниже точек (714 и 716) входа направляющих клапана в направлении потока выхлопных газов и выше области 444 соединения. Площадь поперечного сечения этой части может быть меньше, чем площадь поперечного сечения выпускного патрубка ниже точек входа направляющих клапана в направлении потока выхлопных газов. А именно, площадь поперечного сечения может составлять 660 мм². Для сравнения, ведущая граница, линия 516 и замыкающая граница, линия 530, части второго выпускного патрубка, обговоренного выше, показаны на Фиг.5. Таким образом, площадь поперечного сечения второго внутреннего выпускного патрубка вдоль длины патрубка сужается. Из-за симметрии выпускного коллектора, следует понимать, что первый внутренний выпускной патрубок по геометрии и размеру подобен второму внутреннему выпускному патрубку.

Сужение в первом и втором внутренних выпускных патрубках сосредотачивает выхлопные газы в центре выпускного отверстия 318, ослабляя удар выхлопных газов о стенки выпускного отверстия 318. В связи с этим, потери выпускного коллектора могут быть уменьшены. Следовательно, энергия, передаваемая турбине посредством выхлопных газов, может быть увеличена по сравнению с другими выпускными коллекторами, которые не имеют сужения. Таким образом, КПД турбокомпрессора и, следовательно, двигателя, может быть увеличен.

Соответственно, головка цилиндра согласно Фиг.3-11 предусматривает головку цилиндра, включающую первый выпускной патрубок для цилиндра, размещенного между двумя другими цилиндрами, первый выпускной патрубок имеет площадь поперечного сечения меньше, чем первая площадь в месте между точкой входа направляющей первого клапана и первой областью соединения для смешения выхлопных газов из другого цилиндра. Головка цилиндра также включает второй выпускной патрубок для цилиндра, размещенного в конце блока цилиндров, при этом второй выпускной патрубок имеет площадь поперечного сечения больше, чем первая площадь в месте между точкой входа направляющей второго клапана и второй областью соединения для смешения выхлопных газов из другого цилиндра. Головка цилиндра также включает место, где площадь поперечного сечения первого выпускного патрубка сужается между точкой входа направляющей первого клапана и первой областью соединения, и где площадь поперечного сечения первого выпускного патрубка меньше, чем первая площадь вдоль длины первого выпускного патрубка от точки входа направляющей первого клапана до первой области соединения.

Головка цилиндра также включает место, где площадь поперечного сечения второго выпускного патрубка имеет площадь поперечного сечения, которая расширяется в изогнутой части второго выпускного патрубка и которая сужается в прямой части второго выпускного патрубка, и где площадь поперечного сечения второго выпускного патрубка больше, чем первая площадь вдоль длины второго выпускного патрубка от точки входа направляющей второго клапана до второй области соединения. Головка цилиндра также включает место, где изогнутая часть второго выпускного патрубка и прямая часть второго выпускного патрубка находятся между точкой входа направляющей второго клапана и второй областью соединения. Головка цилиндра также включает выпускное отверстие, которое принимает вход в турбокомпрессор. Головка цилиндра также включает входной угол второго выпускного патрубка к первому выпускному патрубку, равный от 14 до 17 градусов. Головка цилиндра также включает место, где входной угол определяет пересечение между линией, параллельной внешнему краю прямой части второго выпускного патрубка и плоскостью, охватывающей выпускное отверстие.

Кроме того, головка цилиндра с Фиг.3-10 предусматривает головку цилиндра, включающую первый и второй внутренний выпускной патрубки, площадь поперечного сечения первого внутреннего выпускного патрубка меньшую, чем первая площадь, площадь поперечного сечения первого внутреннего выпускного патрубка в месте ниже точки входа направляющей первого клапана и выше первой области соединения, площадь поперечного сечения второго внутреннего выпускного патрубка в месте ниже точки входа направляющей второго клапана и выше второй области соединения. Головка цилиндра также включает первый и второй внешние выпускные патрубки, площадь поперечного сечения первого внешнего выпускного патрубка больше, чем первая площадь, площадь поперечного сечения первого внешнего выпускного патрубка в месте ниже точки входа направляющей третьего клапана и выше первой области соединения, площадь поперечного сечения второго внешнего выпускного патрубка в месте ниже точки входа направляющей четвертого клапана и выше второй области соединения.

Головка цилиндра также включает место, где первый внутренний выпускной патрубок имеет площадь поперечного сечения, которая сужается между точкой входа направляющей первого клапана и первой областью соединения. Головка цилиндра также включает место, где первый внешний выпускной патрубок имеет площадь поперечного сечения, которая расширяется в изогнутой части первого внешнего выпускного патрубка и которая сужается в прямой части первого внешнего выпускного патрубка. Головка цилиндра также включает место, где изогнутая часть первого внешнего выпускного патрубка и прямая часть первого внешнего выпускного патрубка находятся между точкой входа направляющей третьего клапана и первой областью соединения. Головка цилиндра также включает выпускное отверстие, которое принимает вход к турбокомпрессору. Головка цилиндра также включает место, где входной угол первого внешнего выпускного патрубка к первому внутреннему выпускному патрубку равен от 14 до 17 градусов. Головка цилиндра также включает место, где входной угол определяет пересечение между линией, касательной внешнему краю прямой части первого внешнего выпускного патрубка и плоскостью, охватывающей выпускное отверстие сборника.

Кроме того, головка цилиндра с Фиг.3-10 предусматривает головку цилиндра, включающую первый и второй внутренние выпускные патрубки, при этом площадь поперечного сечения первого внутреннего выпускного патрубка меньше, чем первая площадь, площадь поперечного сечения первого внутреннего выпускного патрубка в месте ниже точки входа направляющей первого клапана и выше первой области соединения, площадь поперечного сечения второго внутреннего выпускного патрубка в месте ниже точки входа направляющей второго клапана и выше второй области соединения. Головка цилиндра также включает первый и второй внешние выпускные патрубки, причем площадь поперечного сечения первого внешнего выпускного патрубка больше, чем первая площадь, площадь поперечного сечения первого внешнего выпускного патрубка в месте ниже точки входа направляющей третьего клапана и выше первой области соединения, площадь поперечного сечения второго внешнего выпускного патрубка в месте ниже точки входа направляющей четвертого клапана и выше второй области соединения. Головка цилиндра также включает выпускное отверстие для первого и второго внутренних выпускных патрубков, а также для первого и второго внешних выпускных патрубков, при этом выпускное отверстие имеет высоту, которая меньше, чем ширина выпускного отверстия.

Головка цилиндра также включает место, где выпускное отверстие имеет отношение высоты к ширине по существу равное от 1,5 до 2. Головка цилиндра также включает место, где первый и второй внутренние выпускные патрубки направлены по практически прямому пути к выпускному отверстию. Головка цилиндра также включает место, где выпускное отверстие имеет, по меньшей мере, один радиус, равный, по меньшей мере, 8 мм. Головка цилиндра также включает втулку для датчика кислорода, размещенного в сборнике, сборник размещается ниже точки входа направляющей первого клапана и выше выпускного отверстия. Головка цилиндра также включает место, где выпускное отверстие прямо или непрямо соединяется с входом турбокомпрессора. Головка цилиндра также включает втулку для датчика кислорода, размещенного в сборнике, сборник размещается ниже точки входа направляющей первого клапана и выше выпускного отверстия. Головка цилиндра также включает место, где выпускное отверстие соединяется с входом турбокомпрессора.

Фиг.11 представляет собой график, описывающий зависимость выходной мощности двигателя от площади поперечного сечения части первого и второго внутренних выпускных патрубков ниже точки входа направляющей клапана и выше области соединения. График был получен с использованием интегрированной 1D/3D расчетной гидрогазодинамической программы моделирования характеристик потока выпускного коллектора, имеющего геометрические характеристики, подобные выпускному коллектору, показанному на Фиг.4-10. Как показано, площадь поперечного сечения части внутренних выпускных патрубков ниже точек входа направляющей клапана и выше области соединения изменялась, чтобы определить оптимальную площадь поперечного сечения. Следует понимать, что во время моделирования выпускного коллектора были взяты во внимание температуры стенок выпускного коллектора, чтобы исследовать коэффициент теплопередачи, а также влияние тепловых потоков на производительность двигателя. Более того, площадь выходного отверстия сборника поддерживалась постоянной. Как показано, выходная мощность максимальна, когда площадь поперечного сечения каждого из внутренних выпускных патрубков составляет 29 мм². Следует понимать, что общая площадь поперечного сечения двух точек входа направляющих клапана в выпускном коллекторе, использованном в модели, приблизительно составляла 30,2 мм². Следовательно, выхлопные газы, проходя через внутренний патрубок, испытывают сжатие, которое сосредотачивает выхлопные газы в середине сборника, а также ослабленное разделение потока во внутреннем выпускном патрубке, уменьшая потери в выпускном коллекторе.

Фиг.12 представляет собой график кривой крутящего момента для выпускного коллектора, использующий расчетную гидрогазодинамическую программу компьютерного моделирования для ряда конструкций выпускных коллекторов. Линия 1202 представляет собой кривую крутящего момента для 2-х литрового двигателя с 4 цилиндрами, расположенными в ряд, использующего интегрированный выпускной коллектор, где площадь поперечного сечения части первого и второго внутренних выпускных патрубков ниже точки входа направляющей клапана и выше области соединения составляет 660 мм². Линия 1204 представляет собой кривую крутящего момента для 2-х литрового двигателя с 4 цилиндрами, расположенными в ряд, использующего интегрированный выпускной коллектор, где площадь поперечного сечения части первого и второго внутренних выпускных патрубков ниже точки входа направляющей клапана и выше области соединения составляет 706 мм². Линия 1206 представляет собой кривую крутящего момента для 2-х литрового двигателя с 4 цилиндрами, расположенными в ряд, использующего интегрированный выпускной коллектор, где площадь поперечного сечения внутренних выпускных патрубков составляет 750 мм². Линия 1208 представляет собой кривую крутящего момента для 2-х литрового двигателя с 4 цилиндрами, расположенными в ряд, использующего интегрированный выпускной коллектор, где площадь поперечного сечения части первого и второго внутренних выпускных патрубков ниже точки входа направляющей клапана и выше области соединения составляет 750 мм. Линия 1210 представляет собой кривую крутящего момента для 2-х литрового двигателя с 4 цилиндрами, расположенными в ряд, использующего выпускной коллектор, где площадь поперечного сечения части первого и второго внутренних выпускных патрубков ниже точки входа направляющей клапана и выше области соединения составляет 600 мм. Линия 1212 представляет собой кривую крутящего момента для 2-х литрового двигателя с 4 цилиндрами, расположенными в ряд, использующего интегрированный выпускной коллектор, где площадь поперечного сечения части первого и второго внутренних выпускных патрубков ниже точки входа направляющей клапана и выше области соединения составляет 803 мм. Как показано, площадь под кривой крутящего момента для выпускного коллектора, имеющего площадь поперечного сечения внутренних выпускных патрубков, равную 660 мм², увеличена. В частности, нижний предел крутящего момента для выпускного коллектора с 660 мм²больше, чем для выпускных коллекторов других конструкций.

Фиг.13 представляет собой столбиковую диаграмму коэффициента теплопередачи (КТ) на выходе сборника для различных конструкций выпускных коллекторов. Столбцы со штриховкой представляют собой средний КТ на выходе сборника, а столбцы без штриховки - представляют собой максимальныйКТ на выходе сборника. Столбцы 1302 и 1304 представляют собой средний и максимальный КТ на выходе сборника выпускного коллектора, имеющего площадь поперечного сечения внутреннего патрубка, равную 660 мм². Столбцы 1306 и 1308 представляют собой средний и максимальный КТ на выходе сборника выпускного коллектора, имеющего площадь поперечного сечения внутреннего патрубка, равную 706 мм. Столбцы 1310 и 1312 представляют собой средний и максимальный КТ на выходе сборника выпускного коллектора, имеющего площадь поперечного сечения внутреннего патрубка, равную 804 мм². Столбцы 1314 и 1316 представляют собой средний и максимальный КТ на выходе сборника выпускного коллектора, имеющего площадь поперечного сечения внутреннего патрубка, равную 820 мм². Как показано, и средний, и максимальный КТ выпускного коллектора, имеющего внутренние патрубки с площадью поперечного сечения, равной 660 мм², могут быть меньше, чем у выпускных коллекторов с другими формами. Таким образом, термическое напряжение на выпускном коллекторе может быть уменьшено при одновременном увеличении эффективности выпускного коллектора, когда используется площадь поперечного сечения внутреннего патрубка, равная 660 мм².

Фиг.14 представляет собой график, описывающий зависимость давления на турбине ниже выпускного коллектора в двигателе от положения кривошипа. Линия 1402 представляет собой зависимость давления от положения кривошипа выпускного коллектора, имеющего площадь поперечного сечения средних сечений внутренних патрубков, равную 660 мм². Линия 1404 представляет собой зависимость давления от положения кривошипа выпускного коллектора, имеющего площадь поперечного сечения средних сечений внутренних патрубков, равную 706 мм². Линия 1406 представляет собой зависимость давления от положения кривошипа выпускного коллектора, имеющего площадь поперечного сечения средних сечений внутренних патрубков, равную 754 мм². Линия 1408 представляет собой зависимость давления от положения кривошипа выпускного коллектора, имеющего площадь поперечного сечения средних сечений внутренних патрубков, равную 804 мм². Линия 1410 представляет собой зависимость давления от положения кривошипа выпускного коллектора, имеющего площадь поперечного сечения средних сечений внутренних патрубков, равную 600 мм². Как показано, максимумы давления на турбине для двигателя, имеющего площадь поперечного сечения 29,0 мм² являются большими, чем максимумы давления для других конструкций выпускного коллектора. Таким образом, потери уменьшаются в выпускном коллекторе, имеющем сужение во внутренних выпускных патрубках, тем самым увеличивая давление газов, подаваемых на турбину, присоединенную ниже выпускного коллектора.

Следует понимать, что конструкции и/или подходы, описанные в данном документе, по своей природе являются примерами, и что эти отдельные варианты осуществления или примеры не должны рассматриваться в ограничительном смысле, поскольку возможно большое количество изменений. Объект изобретения данного раскрытия включает все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных характеристик, функций, действий и/или свойств, раскрытых в данном документе, равно как и любые и все их эквиваленты.

Claims

1. Головка цилиндра двигателя с интегрированным выпускным коллектором, содержащая:

первый выпускной патрубок для цилиндра, размещенного между двумя другими цилиндрами, причем первый выпускной патрубок сужается на участке выше по потоку области его соединения с соседним патрубком; и

второй выпускной патрубок для цилиндра, размещенного в конце блока цилиндров, причем второй выпускной патрубок расширяется на участке выше по потоку области его соединения соседним патрубком.

2. Головка цилиндра по п.1, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения первого выпускного патрубка сужается на участке от точки входа направляющей первого клапана к области соединения первого выпускного патрубка с соседним патрубком.

3. Головка цилиндра по п.2, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения второго выпускного патрубка расширяется на изогнутой части второго выпускного патрубка и сужается на прямой части второго выпускного патрубка.

4. Головка цилиндра по п.3, отличающаяся тем, что изогнутая часть второго выпускного патрубка и прямая часть второго выпускного патрубка расположены между точкой входа направляющей клапана второго патрубка и областью соединения второго патрубка с соседним патрубком.

5. Головка цилиндра по п.1, отличающаяся тем, что также содержит выпускное отверстие, которое принимает вход к турбокомпрессору.

6. Головка цилиндра по п.1, отличающаяся тем, что входной угол второго выпускного патрубка, определяемый как угол между линией, параллельной внешнему краю прямой части второго выпускного патрубка, и плоскостью, перпендикулярной центральной оси выпускного отверстия, имеет величину в диапазоне от 14 до 17°.

7. Головка цилиндра двигателя с интегрированным выпускным коллектором, содержащая:

первый и второй внутренние выпускные патрубки, сужающиеся в поперечном сечении по всей длине от точек входа направляющих клапанов внутренних выпускных патрубков до областей соединения этих патрубков с соседними выпускными патрубками, и первый и второй внешние выпускные патрубки, расширяющиеся в поперечном сечении на участке выше по потоку мест их соединений с соседними выпускными патрубками.

8. Головка цилиндра по п.7, отличающаяся тем, что площади поперечного сечения внутренних выпускных патрубков сужаются на участке от точек входа направляющих клапанов внутренних выпускных патрубков к области соединения внутренних выпускных патрубков с соседними патрубками.

9. Головка цилиндра по п.7, отличающаяся тем, что площади поперечного сечения внешних выпускных патрубков расширяются на изогнутой части внешних выпускных патрубков и сужаются на прямой части внешних выпускных патрубков.

10. Головка цилиндра по п.9, отличающаяся тем, что изогнутая часть каждого внешнего выпускного патрубка и прямая часть каждого внешнего выпускного патрубка расположены между соответствующей точкой входа направляющей клапана внешнего этого выпускного патрубка и областью соединения этого внешнего выпускного патрубка с соседним патрубком.

11. Головка цилиндра по п.7, отличающаяся тем, что также содержит выпускное отверстие, которое принимает вход к турбокомпрессору.

12. Головка цилиндра по п.7, отличающаяся тем, что входной угол внешнего выпускного патрубка, определяемый как угол между линией, параллельной внешнему краю прямой части внешнего выпускного патрубка, и плоскостью, перпендикулярной центральной оси выпускного отверстия, имеет величину в диапазоне от 14 до 17°.

13. Головка цилиндра двигателя с интегрированным выпускным коллектором, содержащая:

первый и второй внутренние выпускные патрубки, сужающиеся в поперечном сечении по всей длине от точек входа направляющих клапанов внутренних выпускных патрубков до областей соединения этих патрубков с соседними выпускными патрубками, и

первый и второй внешние выпускные патрубки, расширяющиеся в поперечном сечении на участке выше по потоку мест их соединений с соседними выпускными патрубками; и

выпускное отверстие для первого и второго внутренних выпускных патрубков, а также для первого и второго внешних выпускных патрубков, причем выпускное отверстие имеет высоту, которая меньше, чем ширина выпускного отверстия.

14. Головка цилиндра по п.13, отличающаяся тем, что высота и ширина выпускного отверстия соотносятся как 1,5:2.

15. Головка цилиндра по п.13, отличающаяся тем, что первый и второй внутренние выпускные патрубки являются прямыми по направлению к выпускному отверстию.

16. Головка цилиндра по п.13, отличающаяся тем, что выпускное отверстие имеет по меньшей мере один радиус, больший или равный 8 мм.

17. Головка цилиндра по п.13, отличающаяся тем, что также содержит втулку для датчика кислорода, размещенную в сборнике, при этом сборник размещен ниже по потоку точки входа направляющей клапана внутреннего выпускного патрубка и выше по потоку выпускного отверстия.

18. Головка цилиндра по п.17, отличающаяся тем, что выпускное отверстие прямо или непрямо соединено со входом турбокомпрессора.