RU150652U1

RU150652U1 - Двигатель внутреннего сгорания

Info

Publication number: RU150652U1
Application number: RU2014107623/06U
Authority: RU
Inventors: Кай Себастьян КУЛЬБАХ; Ян МЕРИНГ; Штефан КВИРИНГ; Маркус РАЙТ
Original assignee: ФОРД ГЛОУБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ, ЭлЭлСи
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-02-20
Also published as: DE102014201732B4; DE102014201732A1

Abstract

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий радиальную турбину (2) с жидкостным охлаждением, которая присоединена к корпусу (3a) подшипника, причемрадиальная турбина (2) содержит корпус (2a) турбины, в котором расположен ротор (4), установленный на вращающемся валу (4a), при этом проводящий выхлопные газы проточный канал (5) продолжается в корпусе (2a) в виде спирали вокруг ротора (4), начиная от впускного отверстия выхлопных газов,корпус (3a) подшипника, который служит для приема установленного с возможностью вращения вала (4a), присоединен к корпусу (2a) турбины на установочной поверхности (6a) фланца, продолжающейся перпендикулярно относительно вала (4a), идля образования системы охлаждения корпус (2a) турбины имеет по меньшей мере один канал (2b) хладагента, встроенный в корпус (2a) турбины, при этом указанный по меньшей мере один канал (2b) хладагента продолжается в корпусе (2a) кольцеобразно вокруг вала (4a) по меньшей мере на участках, и расположен на той стороне ротора (4), которая обращена от корпуса (3a) подшипника,при этом для образования системы охлаждения корпус (3a) подшипника имеет по меньшей мере одну охлаждающую рубашку (3b), встроенную в корпус (3a) подшипника, при этом указанная по меньшей мере одна охлаждающая рубашка (3b) расположена смежно и отнесена на расстояние от установочной поверхности (6a) фланца на фланце (6), который включает в себя и образует установочную поверхность (6a) фланца.2. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, в котором по меньшей мере один канал (2b) хладагента продолжается, чтобы располагаться на расстоянии от и сбоку от проводящего выхлопные газы проточного канала (5).3. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1 или 2, в

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ

Полезная модель относится к двигателю внутреннего сгорания, содержащему радиальную турбину с жидкостным охлаждением, которая присоединена к корпусу подшипника, причем

радиальная турбина содержит корпус турбины, в котором расположен ротор, установленный на вращающемся валу, при этом проводящий выхлопные газы проточный канал продолжается в корпусе в виде спирали вокруг ротора, берущей начало от впускного отверстия выхлопных газов,

корпус подшипника, который служит для приема установленного с возможностью вращения вала, присоединен к корпусу турбины на установочной поверхности фланца, продолжающейся перпендикулярно относительно вала, и

для образования системы охлаждения корпус турбины имеет по меньшей мере один канал хладагента, встроенный в корпус турбины, при этом указанный по меньшей мере один канал хладагента продолжается в корпусе кольцеобразно вокруг вала по меньшей мере на участках, и расположен на той стороне ротора, которая обращена от корпуса подшипника.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Двигатели внутреннего сгорания имеют блок цилиндров и головку блока цилиндров, которые присоединены друг к другу для образования цилиндров. При замене заряда газообразные продукты сгорания выпускаются через выпускные отверстия, а наддув цилиндров происходит через впускные отверстия. Чтобы управлять заменой заряда, двигатель внутреннего сгорания требует элементов управления, например, подъемных клапанов и исполнительных устройств для приведения в действие элементов управления. Исполнительный механизм привода клапанов, требуемый для движения клапанов, включая сами клапаны, указывается ссылкой как клапанный привод.

Согласно уровню техники, выпускные магистрали, которые примыкают к отверстиям цилиндров, по меньшей мере частично встроены в головку блока цилиндров и соединяются с образованием единой общей выпускной магистрали или множества общих выпускных магистралей. Соединение выпускных магистралей для образования общей выпускной магистрали указывается ссылкой как выпускной коллектор.

Ниже по потоку от по меньшей мере одного коллектора выхлопные газы затем, как правило, подаются в радиальную турбину, например турбину турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов, и, если уместно, проводятся через одну или более систем доочистки выхлопных газов.

Затраты на производство для турбины сравнительно высоки, так как - зачастую никельсодержащий - материал, используемый для термически сильно нагруженного корпуса турбины, является дорогостоящим, в частности, относительно материала, предпочтительно используемого для головки блока цилиндров, например, алюминия. Относительно высоки не только сами затраты на материал, но также затраты на механическую обработку указанных материалов, используемых для корпуса турбины.

Из того, что было изложено выше, следует, что в отношении затрат было бы крайне полезным, если бы могла быть предусмотрена турбина, которая могла бы изготавливаться из менее дорогостоящего материала, например, чугуна или алюминия.

Использование алюминия также было был полезным в отношении веса турбины. Это, в частности, справедливо, когда принимается во внимание, что компоновка турбины вплотную к двигателю ведет к объемистому корпусу с относительно большим размером. Это происходит потому, что соединение турбины и головки блока цилиндров посредством фланца и винтов требует большой впускной области турбины из-за условий ограниченного пространства, также благодаря требуемому доступу для сборочного инструмента. Объемистый корпус связан с соответственно высоким весом. Преимущество алюминия по весу над сильно нагружаемым материалом особенно ярко выражено в случае турбины, расположенной вплотную к двигателю, из-за сравнительно высокого расходования материала.

Чтобы быть способными использовать более дешевые материалы для изготовления турбины, турбина согласно уровню техники оснащена системой охлаждения, например, системой охлаждения жидкостного типа, которая значительно уменьшает тепловую нагрузку турбины и корпуса турбины раскаленными выхлопными газами, а потому дает возможность использования термически менее интенсивно нагружаемых материалов.

Вообще, корпус турбины выполнен с охлаждающей рубашкой для образования системы охлаждения. Уровень техники раскрывает как концепции, в которых корпус является литой деталью, а охлаждающая рубашка формируется совместно, во время процесса отливки, в качестве неотъемлемой составной части монолитного корпуса, также и концепции, в которых корпуса имеют модульную конструкцию, при этом во время сборки формируется полость, которая служит в качестве охлаждающей рубашки.

Турбина, выполненная согласно последней концепции, например, описанной в DE 102008011257 A1 (опубл. 10.09.2009, МПК F01D25/14), выбрана в качестве прототипа. Система охлаждения жидкостного типа у турбины выполнена на основании существующего корпуса турбины, выполненного с картером, чтобы полость, в которую может вводиться хладагент, была образована между корпусом и по меньшей мере одним элементом картера, расположенным на расстоянии от него. Корпус, который расширен, чтобы включать в себя устройство картера, в таком случае осуществляет охлаждающую рубашку.

В EP 1384857 A2 (опубл. 28.01.2004, МПК F01D25/14) раскрыта схожая турбина, корпус которой выполнен с охлаждающей рубашкой.

DE 102007017973 A1 (опубл. 24.01.2008, МПК F01D25/12) описывает конструкцию для образования кожуха турбины с охлаждением паром.

Из-за высокой удельной теплоемкости жидкости, в частности воды, которая традиционно используется, большие количества тепла могут отводиться из корпуса посредством охлаждения жидкостного типа. Тепло рассеивается в хладагент внутри корпуса и выпускается с хладагентом. Тепло, которое рассеивается в хладагент, вновь отводится из хладагента на теплообменнике.

По существу можно, чтобы система охлаждения жидкостного типа у турбины была оснащена отдельным теплообменником или, иначе - в случае двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением - чтобы теплообменник системы охлаждения двигателя, то есть теплообменник другой системы охлаждения жидкостного типа, использовался с этой целью. Последний требует всего лишь соответствующих соединений между двумя контурами.

Однако в этом контексте следует принимать во внимание, что количество тепла, которое должно поглощаться хладагентом в турбине, может достигать 40 кВт или более, если материалы, которые могут подвергаться исключительно низкой тепловой нагрузке, такие как алюминий, используются для изготовления корпуса. Доказано, что проблематично, чтобы такое большое количество тепла отводилось из хладагента и выпускалось в окружающую среду посредством потока воздуха в теплообменнике.

Приводы современных транспортных средств должным образом оборудованы электродвигателями вентиляторов большой мощности, чтобы обеспечивать, на теплообменниках, массовый расход воздуха, требуемый для надлежащего интенсивного переноса тепла. Однако дополнительный параметр, который важен для теплообменника, в особенности площадь поверхности, предусмотренная для переноса тепла, не может делаться произвольно большой или произвольно увеличенной, так как наличие пространства в области передней части транспортного средства, где обычно расположены различные теплообменники, ограничено.

Помимо теплообменника для охлаждения двигателя современные моторные транспортные средства часто имеют дополнительные теплообменники, в частности, устройства охлаждения. Охладитель наддувочного воздуха часто расположен на стороне впуска двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, чтобы вносить вклад в улучшенное наполнение цилиндров. Рассеяния тепла через поддон картера посредством теплопроводности и естественной конвекции зачастую больше не достаточно для поддержания максимально допустимой температуры масла, чтобы, в отдельных ситуациях, был предусмотрен масляный радиатор.

Более того, современные двигатели внутреннего сгорания во все возрастающем количестве оснащены рециркуляцией выхлопных газов. Рециркуляция выхлопных газов является мерой для противодействия образованию оксидов азота. Для получения заслуживающего внимания снижения выбросов оксидов азота требуются высокие расходы рециркуляции выхлопных газов, которые делают обязательным реализовывать интенсивное охлаждение выхлопных газов, которые должны подвергаться рециркуляции, то есть сжатие выхлопных газов посредством охлаждения. Могут быть предусмотрены дополнительные охладители, например, чтобы охлаждать трансмиссионное масло в случае автоматических трансмиссий и/или охлаждать гидравлические жидкости, в частности, гидравлическое масло, которое используется внутри регулирующих устройств с гидравлическим приводом и/или для содействия рулевому управлению. Конденсатор кондиционирования воздуха системы кондиционирования воздуха подобным образом является теплообменником, который должен рассеивать тепло в окружающую среду во время работы, то есть который требует соразмерно большого потока воздуха, а потому должен быть расположен в области передней части.

Из-за условий крайне ограниченного пространства в области передней части и многочисленности теплообменников отдельные теплообменники не могут выполнять требуемых пространственных размеров.

Фактически невозможно в области передней части скомпоновать соразмерно большой теплообменник для охлаждения жидкостного типа турбины, чтобы быть также способным рассеивать большие количества тепла, которые возникают при использовании материалов, которые подвергаются всего лишь низкой тепловой нагрузке.

Поэтому при проектировании конструкции охлаждаемой турбины необходимо добиваться компромисса между охлаждающей способностью и материалом, при этом в своей основе, предпринимается попытка, чтобы турбина охлаждалась только в степени, фактически требуемой используемым материалом, чтобы энтальпия выхлопных газов у раскаленных выхлопных газов, которая в значительной степени совместно обусловлена температурой выхлопных газов, тем самым, может оптимально использоваться.

СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Исходя из уровня техники, который изложен выше, задача настоящей полезной модели состоит в том, чтобы предложить двигатель внутреннего сгорания с радиальной турбиной с жидкостным охлаждением согласно ограничительной части пункта 1 формулы полезной модели, который оптимизирован в отношении турбины, в частности в отношении материала и охлаждения турбины.

Указанная задача решена посредством двигателя внутреннего сгорания, имеющего радиальную турбину с жидкостным охлаждением, которая присоединена к корпусу подшипника, причем

для образования системы охлаждения корпус турбины имеет по меньшей мере один канал хладагента, встроенный в корпус турбины, при этом указанный по меньшей мере один канал хладагента продолжается в корпусе кольцеобразно вокруг вала по меньшей мере на участках, и расположен на той стороне ротора, которая обращена от корпуса подшипника,

при этом

для образования системы охлаждения корпус подшипника имеет по меньшей мере одну охлаждающую рубашку, встроенную в корпус подшипника, при этом указанная по меньшей мере одна охлаждающая рубашка расположена смежно и отнесена на расстояние от установочной поверхности фланца на фланце, который включает в себя и образует установочную поверхность фланца.

Согласно полезной модели, в корпусе турбины не предусмотрена охлаждающая рубашка, которая полностью охватывает, то есть заключает, в оболочку ротор; взамен выполнен всего лишь канал хладагента, который продолжается в корпусе кольцеобразно вокруг вала по меньшей мере на участках.

Указанная минималистичная система охлаждения корпуса турбины дополнена системой охлаждения жидкостного типа, предусмотренной в корпусе подшипника. Корпус подшипника, который служит для приема вала ротора турбины, присоединен к корпусу турбины на установочной поверхности фланца, чтобы охлаждающая рубашка, встроенная в корпус подшипника, могла быть расположена смежно и на расстоянии от установочной поверхности фланца и также отводила тепло из корпуса турбины через установочную поверхность фланца.

Поскольку по меньшей мере один канал хладагента, встроенный в корпус турбины, расположен на той стороне ротора, которая обращена от корпуса подшипника, проводящий выхлопные газы проточный канал, который продолжается в виде спирали вокруг ротора, турбина охлаждается с обеих сторон, то есть с обеих сторон ротора.

Задача полезной модели не состоит в том, чтобы заключить ротор в оболочку хладагента на наибольшей возможной площади и, таким образом, осуществлять как можно большее рассеяние тепла. Напротив, охлаждающая способность намеренно удерживается в определенных пределах в силу только одного канала хладагента, предусмотренного для образования системы охлаждения в самом корпусе турбины.

Посредством указанной меры максимальное количество тепла, которое должное рассеиваться, преимущественно уменьшено или ограничено. Проблема вынуждения рассеивать очень большие количества тепла, поглощенного хладагентом в турбине, таким образом устраняется.

В соответствии с умеренной охлаждающей способностью пригодный материал, в особенности чугун или литая сталь или тому подобное, должен выбираться для изготовления турбины согласно полезной модели. Полезны варианты осуществления, в которых турбина изготовлена из чугуна.

Во-первых, концепция согласно полезной модели дает возможность обходиться без термически сильнонагружаемых, в частности, никельсодержащих материалов для изготовления корпуса турбины, так как согласно полезной модели также предусмотрено, что турбина оснащена системой охлаждения, которая порождает снижение температуры и уменьшает тепловую нагрузку материала, по этой причине жаропрочные материалы делаются возможными.

Во-вторых, охлаждающая способность не наделена величиной, чтобы быть особенно высокой, чтобы могли использоваться материалы, которые могут подвергаться всего лишь низкой тепловой нагрузке, такие как алюминий.

Подход согласно полезной модели дает возможность обходиться без использования дорогостоящих материалов без необходимости, чтобы чересчур большие количества тепла рассеивались в связи с охлаждением турбины.

Тем самым, решена задача, на которой основана полезная модель, в частности задача предоставления двигателя внутреннего сгорания с радиальной турбиной с жидкостным охлаждением согласно ограничительной части пункта 1 формулы полезной модели, который усовершенствован в отношении турбины.

Согласно полезной модели, турбина выполнена в виде радиальной турбины, то есть поток, набегающий на лопатки ротора, движется по существу радиально. Здесь «по существу радиально» означает, что составляющая скорости в радиальном направлении больше, чем осевая составляющая скорости. Вектор скорости потока пересекает вал или ось турбины, определенно под прямыми углами, если набегающий поток движется в точности радиально. В этом отношении радиальная турбина также может иметь конструкцию смешанного течения до тех пор, пока составляющая скорости в радиальном направлении больше, чем составляющая скорости в осевом направлении.

Чтобы обеспечить протекание потока к лопаткам ротора радиально, впускная область для подачи выхлопных газов часто выполнена в виде охватывающего спирального или змеевикового корпуса, чтобы впускной поток выхлопных газов в турбину проходил по существу радиально.

Полезны варианты осуществления, в которых корпус турбины является литой деталью. Посредством отливки и использования соответствующих каркасов можно формировать сложную конструкцию корпуса за один этап обработки, чтобы впоследствии были необходимы только чистовая обработка корпуса и сборка, чтобы формировать турбину.

Также могут быть полезны варианты осуществления, в которых турбина является двухканальной турбиной, которая имеет впускную область с двумя впускными отверстиями выхлопных газов и двумя проводящими выхлопные газы проточными каналами, при этом выпускные магистрали двигателя внутреннего сгорания присоединены к двухканальной турбине сгруппированным образом, чтобы слияние потоков выхлопных газов - если вообще - происходило ниже по потоку от турбины. Если выпускные магистрали сгруппированы таким образом, что могут поддерживаться высокие давления, в частности толчки перед выпуском, двухканальная турбина является в особенности подходящей для импульсного турбонаддува, посредством которого высокие степени повышения давления на турбине могут получаться даже на низких скоростях вращения.

Радиальная турбина, которая используется, может быть оснащена изменяемой геометрией турбины, которая дает возможность более точной адаптации к соответствующей рабочей точке двигателя внутреннего сгорания посредством регулировки геометрии турбины или эффективного поперечного сечения турбины. Здесь регулируемые направляющие лопатки для оказания влияния на направление потока расположены в области впуска турбины. В противоположность лопаткам ротора вращающегося ротора направляющие лопатки не вращаются с валом турбины. Направляющие лопатки неподвижны, но не полностью обездвижены, указанные направляющие лопатки являются поворачиваемыми вокруг своих осей, чтобы мог находиться под влиянием поток, набегающий на лопатки ротора.

Дополнительные полезные варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания согласно зависимым пунктам формулы полезной модели будут пояснены ниже.

Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один канал хладагента продолжается, чтобы быть расположенным на расстоянии от и сбоку от проводящего выхлопные газы проточного канала, и делает это по меньшей мере на заданном угловом интервале. Здесь по меньшей мере один встроенный канал хладагента - по меньшей мере частично - преимущественно придерживается контура проводящего выхлопные газы проточного канала, чтобы проходить как можно ближе к источнику тепла.

Однако также могут быть полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один канал хладагента продолжается по периферии вокруг, чтобы располагаться на расстоянии от проводящего выхлопные газы проточного канала. Более точно отклонение выхлопных газов в направлении по периферии происходит на наружной окружности проточного канала, по какой причине тепловая нагрузка вследствие конвекции тепла находится на своем наибольшем значении в указанной области, разграничивающей сторону выхлопных газов стенки.

Также полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых наибольшее наружное радиальное расстояние по меньшей мере одного канала хладагента от вала больше, чем наибольшее наружное радиальное расстояние проводящего выхлопные газы проточного канала от вала.

Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одна охлаждающая рубашка, встроенная в корпус подшипника, продолжается и ориентирована вдоль ротора, то есть соответствует контуру ротора.

Это полезно потому, что охлаждающая рубашка большой площади в непосредственной близости от ротора и связанное охлаждение выхлопных газов во время расширения предотвращает непосредственный ввод тепла в большие детали корпуса и отводит тепло из выхлопных газов через установочную поверхность фланца.

Посредством компоновки по меньшей мере одной охлаждающей рубашки, встроенной в корпус подшипника, в непосредственной близости от ротора эффективность системы охлаждения жидкостного типа может значительно повышаться относительно варианта осуществления, в котором охлаждающие рубашки не предусмотрены прилегающими к ротору и, таким образом, к потоку выхлопных газов.

Двигатель внутреннего сгорания согласно полезной модели, в частности, пригоден для системы турбонаддува с приводом от выхлопных газов, в которой по меньшей мере одна турбина подвергается особенной высокой тепловой нагрузке вследствие высоких температур выхлопных газов, и в которой охлаждение турбины, таким образом, является особенно полезным.

Поэтому также полезны варианты осуществления, в которых радиальная турбина является составной частью турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов.

Наддув главным образом служит для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания. Здесь воздух, требуемый для процесса сгорания, сжимается, в результате чего большая масса воздуха может подаваться в каждый цилиндр за рабочий цикл. Таким образом, масса топлива, а потому среднее эффективное давление может увеличиваться.

Наддув является подходящим средством для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания наряду с сохранением неизменного рабочего объема двигателя или для снижения рабочего объема двигателя наряду с сохранением прежней мощности. В любом случае, наддув приводит к увеличению объемной выпускной мощности и улучшенной удельной мощности. Для одних и тех же граничных условий транспортного средства, таким образом, можно смещать общую нагрузку к более высоким нагрузкам, на которых ниже удельный расход топлива.

Преимущество турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов относительно механического нагнетателя состоит в том, что никакого механического соединения для передачи мощности не существует и не требуется между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания. Тогда как механический нагнетатель отбирает энергию, требуемую для его непосредственного приведения в движение, от двигателя внутреннего сгорания, турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов использует энергию выхлопных газов у раскаленных выхлопных газов.

Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых выпускные магистрали цилиндров сливаются, чтобы формировать по меньшей мере одну общую выпускную магистраль внутри головки блока цилиндров, чтобы формировался по меньшей мере один встроенный выпускной коллектор.

Следует принимать во внимание, что фундаментально предпринимается попытка скомпоновать турбину, в частности турбину турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов, как можно ближе к выпуску из цилиндров, для того, чтобы, тем самым, быть способным оптимально использовать энтальпию выхлопных газов у раскаленных выхлопных газов, которая в значительной мере определяется давлением выхлопных газов и температурой выхлопных газов, и обеспечить свойства быстрой реакции турбины или турбонагнетателя. Кроме того, тракт раскаленных выхлопных газов в разные системы доочистки выхлопных газов также должен быть как можно более коротким, чтобы выхлопным газам давалось небольшое время для охлаждения, и системы последующей очистки выхлопных газов достигали своей рабочей температуры или температуры розжига как можно быстрее, в частности, после холодного запуска двигателя внутреннего сгорания.

Чтобы достичь этой цели, целесообразно, чтобы выпускные магистрали соединялись внутри головки блока цилиндров, чтобы формировался по меньшей мере один встроенный выпускной коллектор. Во-первых, величина объема магистрали, то есть объем выхлопных газов выпускных магистралей, расположенных выше по потоку от турбины, уменьшается, так что улучшаются свойства реакции турбины. Во-вторых, укороченные выпускные магистрали также ведут к уменьшенной тепловой инерции выпускной системы, расположенной выше по потоку от турбины, так что температура выхлопных газов на выпуске турбины повышается, в результате чего также становится более высокой энтальпия выхлопных газов на впуске турбины.

Более того, соединение выпускных магистралей в пределах головки блока цилиндров дает возможность уплотнить компоновку узла привода.

Головка блока цилиндров, сконструированная таким образом, однако термически нагружена сильнее, чем традиционная головка блока цилиндров, оснащенная внешним коллектором, а потому ставит более высокие требования к системе охлаждения.

Тепло, выделяемое во время сгорания посредством экзотермической химической конверсии топлива, частично рассеивается в головку блока цилиндров и блок цилиндров через стенки, которые разграничивают камеру сгорания, и частично в прилегающие компоненты и окружающую среду через поток выхлопных газов. Чтобы удерживать тепловую нагрузку головки цилиндров в определенных пределах, часть теплового потока, вводимого в головку блока цилиндров, вновь должна отводиться из головки блока цилиндров.

Из-за значительно более высокой теплоемкости жидкостей относительно воздуха можно, чтобы значительно более высокие количества тепла рассеивались системой охлаждения жидкостного типа, чем системой охлаждения воздушного типа, по какой причине головки блока цилиндров обсуждаемого типа преимущественно оснащены системой охлаждения жидкостного типа.

Охлаждение жидкостного типа требует, чтобы головка блока цилиндров была выполнена с по меньшей мере одной охлаждающей рубашкой, то есть системой каналов хладагента, которые проводят хладагент через головку блока цилиндров, что влечет за собой сложное строение конструкции головки блока цилиндров. Здесь механически и термически высоконагруженная головка блока цилиндров, во-первых, ослабляется в показателях своей прочности в результате предоставления каналов хладагента. Во-вторых, теплу не нужно сначала проводиться на поверхность головки блока цилиндров, чтобы рассеиваться, как в случае системы воздушного охлаждения. Тепло рассеивается в хладагент уже внутри головки блока цилиндров. Здесь хладагент подается посредством насоса, расположенного в контуре охлаждения, чтобы указанный хладагент циркулировал в охлаждающей рубашке. Тепло, рассеиваемое в хладагент, выпускается изнутри головки блока цилиндров таким образом и снова отводится из хладагента в теплообменнике.

Охлаждающая способность предпочтительно должна быть достаточно высокой, чтобы было возможным обходиться без обогащения (λ<1) для снижения температур выхлопных газов, такого как описано, например, в EP 1722090 A2 (опубл. 15.11.2006).

Система охлаждения жидкостного типа доказала, что должна быть полезной, в частности, в случае двигателей с турбонаддувом, так как тепловая нагрузка двигателей с турбонаддувом является значительно более высокой, чем у традиционных двигателей внутреннего сгорания.

Из того, что было изложено выше, следует, что полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых головка блока цилиндров выполнена с по меньшей мере одной охлаждающей рубашкой, встроенной в головку блока цилиндров, чтобы образовать систему охлаждения жидкостного типа.

Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одна охлаждающая рубашка, встроенная в головку блока цилиндров, присоединена к по меньшей мере одному каналу хладагента корпуса турбины и/или к по меньшей мере одной охлаждающей рубашке корпуса подшипника. В таком случае, в основном имеет место, что другим компонентам и узлам, требуемым для образования контура охлаждения, необходимо быть предусмотренными только в единственном числе, так как таковые могут использоваться как для контура охлаждения корпуса турбины и/или корпуса подшипника, также и для такового у головки блока цилиндров, что ведет к синергии и значительной экономии затрат, а также приводит к снижению веса. Например, предпочтительно, чтобы были предусмотрены только один насос для передачи хладагента и один контейнер для хранения хладагента. Тепло, рассеиваемое в хладагент в головке блока цилиндров и в корпусах, может отводиться из хладагента на обычном теплообменнике.

В случае двигателей внутреннего сгорания, которые оборудованы контуром охлаждения для образования системы охлаждения жидкостного типа, в основном полезны варианты осуществления, в которых по меньшей мере одна охлаждающая рубашка, встроенная в корпус подшипника, присоединена к контуру охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Охлаждающая рубашка корпуса подшипника затем может питаться хладагентом через головку блока цилиндров, чтобы не требовалось выполнять дополнительных отверстий подачи и выпуска хладагента, и также было возможным обходиться без дополнительных магистралей хладагента, в частности, если охлаждающая рубашка, встроенная в корпус подшипника, питалась хладагентом через канал хладагента, встроенный в корпус турбины, и наоборот.

Поэтому также полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один канал хладагента, встроенный в корпус турбины, присоединен к по меньшей мере одной охлаждающей рубашке, встроенной в корпус подшипника.

Здесь полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один канал хладагента, встроенный в корпус турбины, присоединен по меньшей мере к одной охлаждающей рубашке, встроенной в корпус подшипника, через по меньшей мере один соединительный канал, при этом соединительный канал предпочтительно идет параллельно валу.

Поэтому предпочтительно, чтобы соединительный канал был встроен в корпус турбины и/или в корпус подшипника. Встраивание уменьшает требуемое пространство для установки, и, благодаря исключению соединителей, например посредством устранения соединений и точек разрыва канала, снижает или устраняет риск утечки хладагента.

Прямолинейный соединительный канал, в частности, проходящий параллельно валу, также может формироваться в корпусе посредством последующей механической обработки, например, сверлением, при этом открытый конец канала может закрываться посредством заглушки или иначе может служить в качестве впуска или выпуска хладагента.

Здесь соединительный канал может быть выполненным целевым образом, чтобы проходить через те части, то есть области, корпуса турбины и/или корпуса подшипника, которые подвергаются особенно высокой тепловой нагрузке, чтобы канал не только присоединял канал хладагента корпуса турбины к охлаждающей рубашке корпуса подшипника, но также охлаждал материал корпуса, который разграничивает канал и области, прилегающие к каналу.

Указанное охлаждающее действие может дополнительно и преимущественно улучшаться на основании градиента давления, формируемого между каналом хладагента и охлаждающей рубашкой, в результате чего, в свою очередь, скорость в по меньшей мере одном соединительном канале повышается, что ведет к повышенному переносу тепла в результате конвекции. Такой градиент давления также предлагает преимущества движущей силы для перемещения хладагента через канал.

В этой связи полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один соединительный канал ведет через выступ корпуса, который формирует корпус турбины на конце проводящего выхлопные газы проточного канала. Указанный выступ подвергается тепловой нагрузке по обеим сторонам потоком раскаленных выхлопных газов, в особенности на конце проточного канала и выше по потоку от проточного канала во впускной области турбины, при этом свободный конец выступа расположен напротив ротора, а потому подобным образом подвергается столкновению раскаленными выхлопными газами.

Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых фланец имеет диаметр D_Fl, где D_Fl≥70 мм.

Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых фланец имеет диаметр D_Fl, где D_Fl≥85 мм.

Фланец по двум вышеприведенным вариантам осуществления имеет значительно больший диаметр, чем фланец согласно уровню техники, который имеет диаметр D_Fl≈40 … 60 мм.

Это содействует функционированию корпуса подшипника в качестве дополнительного средства охлаждения для корпуса турбины.

Более точно отвод тепла из корпуса турбины через установочную поверхность фланца повышается посредством увеличения поверхности переноса тепла.

Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одна выемка выполнена в установочной поверхности фланца корпуса турбины.

В представленном случае в корпусе турбины предусмотрена по меньшей мере одна выемка, которая функционирует в качестве теплового барьера и которая затрудняет и, тем самым, уменьшает непосредственный поток тепла между корпусом подшипника и корпусом турбины или которая проводит тепловой поток нацеленным образом, в особенности вокруг по меньшей мере одной выемки. Посредством проектирования конструкции по меньшей мере одной выемки, в частности, ее профилирования и компоновки, можно оказывать влияние на тепловые потоки и, таким образом, распределение температуры в корпусе. Соответственно можно, чтобы многочисленные выемки были расположены по кольцу вокруг вала ротора. То обстоятельство, что выемка открыта в направлении установочной поверхности фланца, облегчает ее образование, то есть изготовление выемки, которая может формироваться с корпусом в процессе отливки или формироваться иначе впоследствии посредством дополнительной механической обработки.

По меньшей мере одна выемка дает в результате уменьшенный тепловой поток из областей корпуса, расположенных между проточным каналом и выемкой. Одновременно усиливается тепловой поток через переборки, которые ведут мимо выемки, например, из областей корпуса, которые продолжаются по периферии вокруг внешней окружности проводящего выхлопные газы проточного канала, и чтобы быть расположенными на расстоянии от последнего. При этом указанные области корпуса подвергаются особенно высокой тепловой нагрузке благодаря постоянному отведению потока выхлопных газов по внешней окружности проточного канала.

Выполнение по меньшей мере одной выемки также вносит вклад в усреднение распределения температуры в корпусе и, таким образом, в уменьшение градиента температуры, который обычно возникает в корпусе согласно уровню техники, без необходимости, чтобы многочисленные каналы хладагента были предусмотрены, или чтобы канал хладагента был выполнен в качестве охлаждающей рубашки большой площади; это было бы связано с неблагоприятно большими количествами тепла, которое должно рассеиваться, что в своей основе должно считаться проблематичным.

В данном случае полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одна выемка в корпусе турбины расположена, если смотреть параллельно валу, напротив по меньшей мере одной охлаждающей рубашки, встроенной в корпус подшипника. В этом контексте «если смотреть параллельно валу» означает в качестве просматриваемого в направлении линии, параллельной валу.

По меньшей мере одна выемка может быть заполнена воздухом или некоторым другим материалом в ходе сборки.

Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одна выемка выполнена в установочной поверхности фланца корпуса подшипника.

Здесь также полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одна выемка в корпусе подшипника расположена, если смотреть параллельно валу, напротив по меньшей мере одной охлаждающей рубашки, встроенной в корпус подшипника.

То, что было изложено в связи с по меньшей мере одной выемкой, расположенной в корпусе турбины, применяется аналогичным образом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Полезная модель будет подробнее описана ниже на основе примерного варианта осуществления согласно фиг. 1. На чертеже:

фиг. 1 показывает турбину с жидкостным охлаждением, присоединенную к корпусу подшипника, по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания, в разрезе вдоль вала ротора турбины.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Фиг. 1 показывает турбину 1 с жидкостным охлаждением, присоединенную к корпусу 3a подшипника, по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания, в разрезе вдоль вала 4a ротора 4 турбины.

Турбина 1 является радиальной турбиной 2, которая содержит корпус 2a турбины и содержит ротор 4, который расположен в указанном корпусе 2a турбины и который установлен на вращающемся валу 4a. Сам вал 4a с возможностью вращения установлен в корпусе 3a подшипника устройства 3 подшипника. Корпус 3a подшипника для этой цели присоединен посредством фланца 6 к корпусу 2a турбины на установочной поверхности 6a фланца, продолжающейся перпендикулярно относительно вала 4a. Связанные винтовые соединения не проиллюстрированы.

Чтобы поток выхлопных газов мог набегать на лопатки ротора у ротора 4 радиально, корпус 2a турбины выполнен в виде спирального корпуса, проходящего вокруг ротора 4, в каком спиральном корпусе проводящий выхлопные газы проточный канал 5 продолжается в виде спирали вокруг ротора 4, берущей начало от впускного отверстия выхлопных газов.

Для образования системы охлаждения корпус 2a турбины имеет встроенный канал 2b хладагента, который продолжается в корпусе 2a кольцеобразно вокруг вала 4a. Здесь канал 2b хладагента расположен на той стороне ротора 4, которая обращена от корпуса 3a подшипника.

Для образования системы охлаждения корпус 3a подшипника имеет охлаждающую рубашку 3b, встроенную в корпус 3a подшипника, и которая расположена на фланце 6, чтобы быть расположенной смежно и на расстоянии от установочной поверхности 6a фланца, и которая также служит для дополнительного охлаждения корпуса 2a турбины.

Канал 2b хладагента, встроенный в корпус 2a турбины, присоединен через соединительный канал 7 к охлаждающей рубашке 3b, встроенной в корпус 3a подшипника, при этом в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 1, соединительный канал 7, встроенный в корпуса 2a, 3a, проходит прямолинейно и параллельно валу 4a.

В представленном варианте соединительный канал 7 был выполнен в корпусах 2a, 3a сверлением. Открытый конец канала 7 был закрыт посредством заглушки 7a, чтобы надежно предотвращать вытекание хладагента, то есть утечку.

Две выемки 2c в виде пазов были выполнены в установочной поверхности 6a фланца корпуса 2a турбины, такие пазы расположены напротив охлаждающей рубашки 3b корпуса 3a подшипника, функционируют в качестве теплового барьера, ведут к уменьшенному тепловому потоку из областей корпуса между проточным каналом 5 и выемками 2c и, в частности, содействуют, то есть увеличивают, тепловой поток из областей корпуса на наружной периферии проточного канала 5 через переборку, которая ведет мимо выемок 2c.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 - Турбина

2 - Радиальная турбина

2a - Корпус турбины

2b - Канал хладагента

2c - Выемка, паз

3 - Устройство подшипника

3a - Корпус подшипника

3b - Охлаждающая рубашка

4 - Ротор

4a - Вал

5 - Проводящий выхлопные газы проточный канал

6 - Фланец

6a - Установочная поверхность фланца

7 - Соединительный канал

7a - Заглушка

Claims

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий радиальную турбину (2) с жидкостным охлаждением, которая присоединена к корпусу (3a) подшипника, причем

радиальная турбина (2) содержит корпус (2a) турбины, в котором расположен ротор (4), установленный на вращающемся валу (4a), при этом проводящий выхлопные газы проточный канал (5) продолжается в корпусе (2a) в виде спирали вокруг ротора (4), начиная от впускного отверстия выхлопных газов,

корпус (3a) подшипника, который служит для приема установленного с возможностью вращения вала (4a), присоединен к корпусу (2a) турбины на установочной поверхности (6a) фланца, продолжающейся перпендикулярно относительно вала (4a), и

для образования системы охлаждения корпус (2a) турбины имеет по меньшей мере один канал (2b) хладагента, встроенный в корпус (2a) турбины, при этом указанный по меньшей мере один канал (2b) хладагента продолжается в корпусе (2a) кольцеобразно вокруг вала (4a) по меньшей мере на участках, и расположен на той стороне ротора (4), которая обращена от корпуса (3a) подшипника,

при этом для образования системы охлаждения корпус (3a) подшипника имеет по меньшей мере одну охлаждающую рубашку (3b), встроенную в корпус (3a) подшипника, при этом указанная по меньшей мере одна охлаждающая рубашка (3b) расположена смежно и отнесена на расстояние от установочной поверхности (6a) фланца на фланце (6), который включает в себя и образует установочную поверхность (6a) фланца.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, в котором по меньшей мере один канал (2b) хладагента продолжается, чтобы располагаться на расстоянии от и сбоку от проводящего выхлопные газы проточного канала (5).

3. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1 или 2, в котором наибольшее наружное радиальное расстояние по меньшей мере одного канала (2b) хладагента от вала (4a) больше, чем наибольшее наружное радиальное расстояние проводящего выхлопные газы проточного канала (5) от вала (4a).

4. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, в котором по меньшей мере одна охлаждающая рубашка (3b), встроенная в корпус (3a) подшипника, продолжается и ориентирована вдоль ротора (4).

5. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, выполненный с контуром охлаждения для образования системы охлаждения жидкостного типа, при этом по меньшей мере одна охлаждающая рубашка (3b), встроенная в корпус (3a) подшипника, присоединена к контуру охлаждения двигателя внутреннего сгорания.

6. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, в котором по меньшей мере один канал (2b) хладагента, встроенный в корпус (2a) турбины, присоединен к по меньшей мере одной охлаждающей рубашке (3b), встроенной в корпус (3a) подшипника.

7. Двигатель внутреннего сгорания по п. 6, в котором по меньшей мере один канал (2b) хладагента, встроенный в корпус (2a) подшипника, присоединен через по меньшей мере один соединительный канал (7) к по меньшей мере одной охлаждающей рубашке (3b), встроенной в корпус (3a) подшипника.

8. Двигатель внутреннего сгорания по п. 7, в котором по меньшей мере один соединительный канал (7) является прямолинейным, предпочтительно продолжающимся параллельно валу (4a).

9. Двигатель внутреннего сгорания по п. 7 или 8, в котором по меньшей мере один соединительный канал (7) ведет через выступ корпуса, который образует корпус (2a) турбины, на конце проводящего выхлопные газы проточного канала (5).

10. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, в котором фланец (6) имеет диаметр D_Fl, где D_Fl≥70 мм.

11. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, в котором фланец (6) имеет диаметр D_Fl, где D_Fl≥85 мм.

12. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, в котором по меньшей мере одна выемка (2c) выполнена в установочной поверхности (6a) фланца корпуса (2a) турбины.

13. Двигатель внутреннего сгорания по п. 12, в котором по меньшей мере одна выемка (2c) в корпусе (2) турбины расположена напротив, если смотреть параллельно валу (4a), по меньшей мере одной охлаждающей рубашки (3b), встроенной в корпус (3a) подшипника.

14. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, в котором по меньшей мере одна выемка выполнена в установочной поверхности (6a) фланца корпуса (3a) подшипника.

15. Двигатель внутреннего сгорания по п. 14, в котором по меньшей мере одна выемка в корпусе (3a) подшипника расположена напротив, если смотреть параллельно валу (4a), по меньшей мере одной охлаждающей рубашки (3b), встроенной в корпус (3a) подшипника.

16. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, в котором радиальная турбина (2) является составной частью турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов.