RU152163U1 - INFLATED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND EXHAUST GAS TREATMENT SYSTEM - Google Patents
INFLATED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND EXHAUST GAS TREATMENT SYSTEM Download PDFInfo
- Publication number
- RU152163U1 RU152163U1 RU2014132586/06U RU2014132586U RU152163U1 RU 152163 U1 RU152163 U1 RU 152163U1 RU 2014132586/06 U RU2014132586/06 U RU 2014132586/06U RU 2014132586 U RU2014132586 U RU 2014132586U RU 152163 U1 RU152163 U1 RU 152163U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- line
- exhaust
- turbine
- engine according
- compressor
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
1. Двигатель внутреннего сгорания (1) с наддувом, имеющий впускную линию (2) для подачи наддувочного воздуха, выпускную линию (4) для отвода выхлопных газов, а также по крайней мере два последовательно соединенных турбокомпрессора (6, 7) на выхлопных газах, каждый из которых содержит турбину (6-1, 7-1), расположенную в выпускной линии (4), и компрессор (6-2, 7-2), расположенный во впускной линии (2), где первый турбокомпрессор (6) служит в качестве ступени (6) низкого давления, а второй турбокомпрессор (7) служит в качестве ступени (7) высокого давления, причем вторая турбина (7-1) второго турбокомпрессора (7) расположена выше по потоку от первой турбины (6-1) первого турбокомпрессора (6), а второй компрессор (7-2) второго турбокомпрессора (7) расположен ниже по потоку от первого компрессора (6-2) первого турбокомпрессора (6), причем от выпускной линии (4) выше по потоку от первой турбины (6-1) ответвляется первая перепускная линия (14), образующая точку разветвления (8), а от выпускной линии (4) выше по потоку от второй турбины (7-1) ответвляется вторая перепускная линия (12), в которой расположен запорный элемент (13), причем в выпускной линии (4) ниже по потоку от турбин (6-1, 7-1) расположена по крайней мере одна система (15) обработки выхлопных газов, а также предусмотрена система рециркуляции выхлопных газов, которая содержит линию, ответвляющуюся от выпускной линии (4) выше по потоку от обеих турбин (6-1, 7-1) и вливающуюся во впускную линию (2), отличающийся тем, что в выпускной линии (4) в точке разветвления (8) предусмотрен клапан (9).2. Двигатель по п. 1, в котором клапан (9) в точке разветвления (8) представляет собой трехходовой двухпозиционный клапан.3. Двигатель по п. 1, в кот1. An internal combustion engine (1) with supercharging, having an inlet line (2) for supplying charge air, an outlet line (4) for removing exhaust gases, as well as at least two turbochargers (6, 7) connected in series on exhaust gases, each of which contains a turbine (6-1, 7-1) located in the outlet line (4) and a compressor (6-2, 7-2) located in the inlet line (2), where the first turbocharger (6) serves as the low pressure stage (6) and the second turbocharger (7) serves as the high pressure stage (7), with the second turbine (7-1) of the second turbocharger (7) located upstream of the first turbine (6-1) the first turbocharger (6), and the second compressor (7-2) of the second turbocharger (7) is located downstream of the first compressor (6-2) of the first turbocharger (6), and from the outlet line (4) upstream of the first turbine (6-1) the first bypass line (14) branches off, forming a junction point (8), and from the outlet line (4) upstream of the second turbine (7-1) branches off the second bypass line (12), in which the shut-off element (13) is located, and in the outlet line (4) downstream of the turbines (6-1, 7-1), at least one exhaust gas treatment system (15) is located, and an exhaust gas recirculation system is provided, which includes a line branching from the exhaust line (4) upstream of both turbines (6-1, 7-1 ) and flowing into the inlet line (2), characterized in that a valve (9) is provided in the outlet line (4) at the branch point (8). 2. An engine according to claim 1, wherein the valve (9) at the junction (8) is a three-way on / off valve. Engine according to claim 1, in the cat
Description
Область техники, к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model relates.
Полезная модель относится к двигателю внутреннего сгорания с наддувом.The invention relates to a supercharged internal combustion engine.
Уровень техникиState of the art
Двигатели внутреннего сгорания с наддувом используют, например, в качестве привода для транспортных средств. В рамках настоящего описания понятие "двигатель внутреннего сгорания" объединяет в себе дизельные двигатели, бензиновые двигатели с циклом Отто, а также гибридные двигатели внутреннего сгорания, другими словами, двигатели внутреннего сгорания, работающие с гибридным способом зажигания, и гибридные приводы, содержащие не только двигатель внутреннего сгорания, но и подключаемую к приводу электромашину, потребляющую мощность от двигателя или, в качестве вспомогательного привода предоставляющую дополнительную мощность.Supercharged internal combustion engines are used, for example, as a drive for vehicles. In the framework of the present description, the term "internal combustion engine" combines diesel engines, gasoline engines with an Otto cycle, as well as hybrid internal combustion engines, in other words, internal combustion engines working with a hybrid ignition method, and hybrid drives containing not only an engine internal combustion, but also an electric machine connected to the drive, consuming power from the engine or providing additional power as an auxiliary drive.
Двигатели внутреннего сгорания все чаще оснащают наддувом, что является основным методом увеличения мощности. Для этого воздух, необходимый для процесса сгорания в двигателе, сжимают, в результате чего в каждый цилиндр может быть подано большее количество воздуха за один рабочий цикл. Таким образом, можно увеличить массу топлива и, следовательно, среднее полезное давление.Internal combustion engines are increasingly equipped with supercharging, which is the main method of increasing power. For this, the air necessary for the combustion process in the engine is compressed, as a result of which more air can be supplied to each cylinder in one working cycle. Thus, it is possible to increase the mass of fuel and, consequently, the average useful pressure.
Форсирование является подходящим средством для увеличения мощности двигателя при неизменном рабочем объеме, или для уменьшения рабочего объема при сохранении мощности. В любом случае, наддув приводит к увеличению выхода объемной мощности и лучшему соотношению мощности к весу. При одинаковых граничных условиях транспортных средств диапазон нагрузок может быть смещен в сторону более высоких нагрузок, при которых удельное потребление топлива снижается. Такой эффект также называют «даунсайзинг» - снижение габаритов двигателя без потери рабочих характеристик.Forcing is a suitable means to increase engine power at a constant working volume, or to reduce the working volume while maintaining power. In any case, supercharging leads to an increase in volumetric power output and a better power to weight ratio. Under the same boundary conditions of vehicles, the load range can be shifted towards higher loads, at which specific fuel consumption is reduced. This effect is also called "downsizing" - reducing the size of the engine without losing performance.
Таким образом, наддув способствует развитию двигателей внутреннего сгорания в отношении уменьшения расхода топлива, т.е. увеличения коэффициента полезного действия двигателя, что обусловлено ограниченностью ресурсов в жидких энергоносителях, в частности, ограниченностью минерального масла, используемого в качестве сырья для получения топлива для двигателей внутреннего сгорания.Thus, the boost contributes to the development of internal combustion engines with respect to reducing fuel consumption, i.e. increase in engine efficiency, due to limited resources in liquid energy carriers, in particular, limited mineral oil used as raw material for obtaining fuel for internal combustion engines.
Как правило, для осуществления наддува используют турбокомпрессор, работающий на выхлопных газах, где компрессор и турбина расположены на одном валу. При этом горячий поток отработавшего воздуха подается на турбину, расширяется в этой турбине с высвобождением энергии, таким образом, вращая вал. Энергия, отдаваемая валу потоком выхлопных газов, также используется для привода расположенного на том же валу компрессора. Компрессор сжимает и нагнетает подаваемый в него наддувочный воздух, в результате чего обеспечивается наддув цилиндра. При необходимости может быть предусмотрено дополнительное устройство охлаждения наддувочного воздуха, которое охлаждает сжатый наддувочный воздух перед тем, как он попадет в цилиндры.Typically, an exhaust gas turbocharger is used to carry out the boost, where the compressor and turbine are located on the same shaft. In this case, a hot stream of exhaust air is supplied to the turbine, expands in this turbine with the release of energy, thus rotating the shaft. The energy given to the shaft by the exhaust stream is also used to drive a compressor located on the same shaft. The compressor compresses and pumps out the charge air supplied to it, as a result of which the cylinder is pressurized. If necessary, an additional charge air cooling device may be provided that cools the compressed charge air before it enters the cylinders.
Преимущество турбокомпрессора, например, по сравнению с механическим компрессором, заключается в том, что механическая связь для передачи мощности между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания отсутствует или не является обязательной. В то время как механический компрессор получает всю энергию, необходимую для его работы, от двигателя внутреннего сгорания, тем самым, снижая создаваемую мощность и КПД, турбокомпрессор использует энергию выхлопных газов.An advantage of a turbocharger, for example, compared to a mechanical compressor, is that there is no or optional mechanical connection for transmitting power between the supercharger and the internal combustion engine. While the mechanical compressor receives all the energy necessary for its operation from the internal combustion engine, thereby reducing the generated power and efficiency, the turbocharger uses the energy of exhaust gases.
Проблемы наблюдаются в конструктивном исполнении турбокомпрессора, целью которого является значительное увеличение мощности во всех диапазонах частоты вращения двигателя. Когда частота вращения становится ниже определенного значения, в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом наблюдается сильное снижение крутящего момента. Этот эффект является нежелательным и потому относится к одному из самых больших недостатков турбокомпрессоров.Problems are observed in the design of the turbocharger, the purpose of which is to significantly increase power in all ranges of engine speed. When the speed drops below a certain value, a strong decrease in torque is observed in turbo-charged internal combustion engines. This effect is undesirable and therefore relates to one of the biggest disadvantages of turbochargers.
Такое падение крутящего момента становится понятным, если учесть, что степень наддува зависит от степени сжатия в турбине. Например, снижение числа оборотов двигателя ведет к уменьшению потока выхлопных газов и, следовательно, к меньшей степени сжатия в турбине. Таким образом, при низком числе оборотов также снижается степень наддува, что равносильно снижению крутящего момента.Such a drop in torque becomes understandable when you consider that the degree of boost depends on the degree of compression in the turbine. For example, a decrease in engine speed leads to a decrease in exhaust gas flow and, consequently, to a lesser degree of compression in the turbine. Thus, with a low number of revolutions, the degree of boost is also reduced, which is equivalent to a decrease in torque.
Из уровня техники известно, что для улучшения характеристик крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом используют различные меры, например, небольшое сечение турбины и одновременный выпуск выхлопных газов, что также имеет свои недостатки при высоких оборотах двигателя. При превышении критической величины потока выхлопных газов часть потока выхлопных газов при выпуске отводится от турбины через перепускную линию.It is known from the prior art that various measures are used to improve the torque characteristics of a supercharged internal combustion engine, for example, a small cross-section of a turbine and the simultaneous release of exhaust gases, which also has its drawbacks at high engine speeds. If the critical value of the exhaust gas flow is exceeded, part of the exhaust gas flow during exhaust is diverted from the turbine through the bypass line.
На практике также можно объединить использование турбины небольшого сечения и выпуск наддувочного воздуха, но этот вариант редко используется из-за недостатков по расходу энергии, а имеющиеся нагнетатели могут достичь своего предела раньше, чем будет обеспечена требуемая мощность.In practice, it is also possible to combine the use of a small turbine with the discharge of charge air, but this option is rarely used due to deficiencies in energy consumption, and existing superchargers can reach their limit before the required power is provided.
Тем не менее, турбокомпрессор может быть предназначен и для работы при высоком числе оборотов, например иметь большой диаметр турбины. При этом впускную систему конструируют таким образом, чтобы при низком числе оборотов динамический наддув происходил в результате волновых явлений. Недостатками такой конструкции являются высокие затраты на производство и большое время реакции на изменения числа оборотов.However, the turbocharger can also be designed to operate at a high speed, for example, to have a large diameter turbine. At the same time, the intake system is designed in such a way that, at a low number of revolutions, dynamic pressurization occurs as a result of wave phenomena. The disadvantages of this design are the high cost of production and a long reaction time to changes in speed.
Турбина с изменяемой геометрией позволяет выполнить дополнительную адаптацию геометрии турбины или ее эффективного поперечного сечения к соответствующей рабочей точке двигателя, чтобы можно было отрегулировать геометрию турбины с учетом низкого или высокого числа оборотов, а также с учетом низких или высоких нагрузок.The variable geometry turbine allows for additional adaptation of the geometry of the turbine or its effective cross section to the corresponding engine operating point so that the geometry of the turbine can be adjusted to take into account low or high speed, and also to take into account low or high loads.
Характеристики крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом также можно улучшить за счет использования нескольких турбокомпрессоров, соединенных параллельно или последовательно, при необходимости в сочетании с механическим компрессором.The torque characteristics of a supercharged internal combustion engine can also be improved by using several turbochargers connected in parallel or in series, if necessary in combination with a mechanical compressor.
Двигатель внутреннего сгорания, соответствующий полезной модели, имеет по крайней мере два последовательно расположенных турбокомпрессора. За счет последовательного соединения турбокомпрессоров, из которых один турбокомпрессор служит ступенью низкого давления, а второй - ступенью высокого давления, можно расширить диапазон характеристик нагнетателя, а именно использовать как меньшие, так и большие потоки.The internal combustion engine corresponding to the utility model has at least two turbocompressors in series. Due to the series connection of turbochargers, of which one turbocharger serves as a low pressure stage, and the second as a high pressure stage, it is possible to expand the range of characteristics of the supercharger, namely, to use both smaller and larger flows.
В частности, в турбокомпрессоре, используемом в качестве ступени высокого давления, можно сместить границу помпажа до меньших потоков, благодаря чему можно добиться высокой степени наддува даже при небольшом потоке из нагнетателя. Это существенно повышает крутящий момент в нижнем диапазоне частичной нагрузки. Этого можно достичь, приспособив конструкцию турбины высокого давления к небольшой массе потока выхлопных газов и предусмотрев перепускную линию, через которую выхлопные газы обходят турбину высокого давления при увеличении своей массы. Для этого перепускная линия отходит от выпускной линии выше по потоку от турбины высокого давления и снова выходит в выпускную линию ниже по потоку от турбины, при этом в перепускной линии расположен запорный элемент для регулировки обходящего турбину потока выхлопных газов.In particular, in a turbocharger used as a high-pressure stage, it is possible to shift the surge margin to lower flows, so that a high degree of boost can be achieved even with a small flow from the supercharger. This significantly increases the torque in the lower partial load range. This can be achieved by adapting the design of the high-pressure turbine to a small mass of the exhaust gas flow and by providing a bypass line through which the exhaust gases bypass the high-pressure turbine with increasing mass. To do this, the bypass line departs from the outlet line upstream of the high-pressure turbine and again enters the outlet line downstream of the turbine, with a shut-off element located in the bypass line to regulate the exhaust gas flow around the turbine.
Кроме того, конструкция с двумя последовательно соединенными турбокомпрессорами имеет и другие преимущества. Можно дополнительно увеличить мощность за счет наддува. Кроме того, отклик двигателя внутреннего сгорания с наддувом такого типа значительно улучшается по сравнению с аналогичным двигателем внутреннего сгорания с одноступенчатым наддувом, в частности, в диапазоне частичной нагрузки. Это связано с тем, что относительно меньшая ступень высокого давления не является такой инертной и медлительной, как относительно большой турбокомпрессор, используемый при одноступенчатом наддуве, так как рабочее колесо турбокомпрессора небольших размеров быстрее ускоряется и замедляется.In addition, a design with two turbochargers connected in series has other advantages. You can further increase power due to boost. In addition, the response of a supercharged internal combustion engine of this type is significantly improved compared to a similar single-stage supercharged internal combustion engine, in particular in the partial load range. This is due to the fact that the relatively smaller high-pressure stage is not as inert and slow as the relatively large turbocharger used in single-stage boosting, since the impeller of a small turbocharger is faster and slower.
Это также может обеспечить преимущества, связанные с выбросами. Так как при ускорении необходимое увеличение подаваемой к цилиндрам воздушной массы с повышенным количеством топлива происходит с задержкой из-за инерции рабочих колес, наддувочный воздух в небольшом турбокомпрессоре высокого давления подается к двигателю практически без задержек. Таким образом, удается практически избегать рабочих состояний с повышенным количеством выхлопных газов.It can also provide emissions benefits. Since during acceleration, the necessary increase in the air mass supplied to the cylinders with an increased amount of fuel occurs with a delay due to the inertia of the impellers, the charge air in a small high-pressure turbocharger is supplied to the engine almost without delay. Thus, it is possible to practically avoid operating conditions with an increased amount of exhaust gases.
Было доказано, что в сочетании с системой обработки выхлопных газов газотурбинный наддув может представлять собой проблему. Например, в европейской патентной заявке EP 1396619 A1 (опубл. 10.03.2004), которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога полезной модели, описан двигатель внутреннего сгорания с наддувом. Двигатель имеет впускную линию для подачи наддувочного воздуха, выпускную линию для отвода выхлопных газов, а также по крайней мере два последовательно соединенных турбокомпрессора на выхлопных газах, каждый из которых содержит турбину в выпускной линии и нагнетатель во впускной линии. Первый турбокомпрессор является ступенью низкого давления, а второй турбокомпрессор - ступенью высокого давления. Патентная заявка EP 1396619 A1 описывает одновременное использование турбонаддува выхлопными газами и обработку выхлопных газов, при этом предпочтительным является максимально близкое расположение системы обработки выхлопных газов к выпускному отверстию двигателя внутреннего сгорания. Для этого предложено несколько вариантов. В одном варианте в документе EP 1396619 предлагается перенаправлять поток выхлопных газов с помощью переключающих устройств и перепускных линий таким образом, чтобы он обходил обе турбины. Это имеет преимущества с точки зрения каталитического нейтрализатора, расположенного в выпускной линии ниже по потоку от турбин, в частности, после холодного пуска или при прогреве двигателя внутреннего сгорания, так как горячие выхлопные газы подаются непосредственно к катализатору, а не проводятся сперва с потерей тепла через турбины, которые следует рассматривать как области понижения температуры. Таким образом, после холодного пуска или при прогреве двигателя внутреннего сгорания каталитический нейтрализатор быстрее достигает точки начала температурного скачка. В другом варианте предусмотрено расположение каталитического нейтрализатора в перепускной линии, обходящей обе турбины.It has been proven that in combination with an exhaust gas treatment system, gas turbine charging can be a problem. For example, in European patent application EP 1396619 A1 (publ. 10.03.2004), which can be selected as the closest analogue of a utility model, a supercharged combustion engine is described. The engine has an intake line for supplying charge air, an exhaust line for exhaust gas, and at least two exhaust gas turbochargers connected in series, each of which contains a turbine in the exhaust line and a supercharger in the intake line. The first turbocharger is a low pressure stage, and the second turbocharger is a high pressure stage. Patent application EP 1396619 A1 describes the simultaneous use of a turbocharger with exhaust gases and an exhaust gas treatment, with the closest arrangement of the exhaust gas treatment system to the outlet of the internal combustion engine being preferred. There are several options for this. In one embodiment, EP 1396619 proposes to redirect the exhaust gas through switching devices and bypass lines so that it bypasses both turbines. This has advantages from the point of view of a catalytic converter located in the outlet line downstream of the turbines, in particular, after a cold start or when the internal combustion engine warms up, since hot exhaust gases are supplied directly to the catalyst, and are not carried out first with heat loss through turbines, which should be considered as areas of lowering temperature. Thus, after a cold start or when the internal combustion engine warms up, the catalytic converter reaches the point of the beginning of the temperature jump faster. In another embodiment, the catalytic converter is provided in a bypass line bypassing both turbines.
Недостаток решения, описанного в EP 1396619, заключается в том, что вся масса выхлопных газов подается к катализаторам для их нагрева и при прогреве выхлопные газы вообще не проходят через турбины, и наддув отсутствует из-за недостатка давления.The disadvantage of the solution described in EP 1396619 is that the entire mass of exhaust gases is supplied to the catalysts for heating and during heating, the exhaust gases do not pass through the turbines at all, and there is no pressurization due to a lack of pressure.
В соответствии с известным уровнем техники решения такого конфликта между газотурбонаддувом и нейтрализацией выхлопных газов не предлагается.In accordance with the prior art, a solution to such a conflict between gas turbocharging and exhaust gas aftertreatment is not proposed.
Для удовлетворения растущих требований по предельным значениям выбросов оксидов азота все чаще используют систему рециркуляции выхлопных газов, т.е. рециркуляции выхлопных газов из выпускной линии во впускную линию, с помощью которой можно значительно снизить выброс оксидов азота, увеличив долю рециркуляции выхлопных газов. При этом долю рециркулированных выхлопных газов xEGR определяют по следующей формуле:To meet the growing requirements for limit values for nitrogen oxide emissions, an exhaust gas recirculation system is increasingly being used, i.e. exhaust gas recirculation from the exhaust line to the inlet line, with which you can significantly reduce the emission of nitrogen oxides, increasing the share of exhaust gas recirculation. The share of recirculated exhaust gas x EGR is determined by the following formula:
хEGR=mEGR/(mEGR+mfrech air)x EGR = m EGR / (m EGR + m frech air )
где mEGR - масса рециркулируемых выхлопных газов, mfrech air - подаваемый свежий воздух или воздух для сгорания (при необходимости направляемый и сжимаемый компрессором).where m EGR is the mass of recirculated exhaust gases, m frech air is the supplied fresh air or combustion air (if necessary directed and compressed by the compressor).
Система рециркуляции выхлопных газов предназначена также для уменьшения выбросов несгоревших углеводородов в диапазоне частичных нагрузок.The exhaust gas recirculation system is also designed to reduce unburned hydrocarbon emissions in the partial load range.
Для достижения заметного снижения выбросов оксидов азота необходимо большое количество рециркулируемых выхлопных газов, порядка xEGR≈60-70%.To achieve a noticeable reduction in nitrogen oxide emissions, a large amount of recirculated exhaust gases is required, of the order of x EGR ≈60-70%.
Однако в результате этого возникает конфликт при работе двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом выхлопными газами и одновременным использованием системы обработки выхлопных газов, когда рециркулируемые выхлопные газы забираются из выпускной линии выше по потоку от турбин и не могут быть использованы для работы турбины. Этот конфликт можно легко пояснить на примере двигателя внутреннего сгорания с одноступенчатым турбонаддувом выхлопными газами.However, as a result of this, a conflict arises during the operation of an internal combustion engine with a turbocharged exhaust gas and the simultaneous use of an exhaust gas treatment system when recirculated exhaust gases are taken from the exhaust line upstream of the turbines and cannot be used to operate the turbine. This conflict can be easily explained by the example of an internal combustion engine with a single-stage turbocharged exhaust gas.
Одновременно с увеличением доли рециркулируемых выхлопных газов уменьшается поток оставшихся выхлопных газов, идущий к турбине. Меньший поток выхлопных газов через турбину означает меньшую степень сжатия в турбине. При снижении степени сжатия в турбине уменьшается и степень наддува, что также означает уменьшение потока нагнетателя. Помимо снижения давления наддува при работе нагнетателя могут возникнуть и другие проблемы, связанные с границей помпажа нагнетателя.Simultaneously with the increase in the share of recirculated exhaust gases, the flow of remaining exhaust gases going to the turbine decreases. Less exhaust gas flow through the turbine means less compression in the turbine. When the compression ratio in the turbine is reduced, the degree of boost is also reduced, which also means a decrease in the flow of the supercharger. In addition to lowering the boost pressure during the operation of the supercharger, other problems may arise related to the surge margin of the supercharger.
По этой причине необходимы такие концепции наддува, которые обеспечат, в частности, в диапазоне частичных нагрузок, достаточно высокое давление наддува одновременно с высокой долей рециркуляции выхлопных газов. Диапазон частичных нагрузок имеет большое значение, в частности, из-за испытания на токсичность выхлопных газов, установленного законодательством для проверки выбросов вредных веществ. Однако в принципе необходимо стремиться к достижению достаточно высокого давления наддува и высокой доле рециркуляции выхлопных газов при любых условиях работы.For this reason, such pressurization concepts are necessary that, in particular, in the partial load range, ensure a sufficiently high pressurization pressure simultaneously with a high fraction of exhaust gas recirculation. The partial load range is of great importance, in particular because of the exhaust gas toxicity test established by law to verify emissions of harmful substances. However, in principle, it is necessary to strive to achieve a sufficiently high boost pressure and a high proportion of exhaust gas recirculation under any operating conditions.
Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure
Техническим результатом полезной модели является одновременное обеспечение достаточно высокого давления наддува и быстрого нагрева системы обработки выхлопных газов после холодного пуска.The technical result of the utility model is the simultaneous provision of a sufficiently high boost pressure and rapid heating of the exhaust gas treatment system after a cold start.
Для достижения указанного эффекта предложен двигатель внутреннего сгорания с наддувом с впускной линией для подачи наддувочного воздуха, выпускной линией для отвода выхлопных газов, и по крайней мере двумя последовательно соединенными турбокомпрессорами, работающими на выхлопных газах, каждый из которых содержат турбину в выпускной линии и компрессор во впускной линии, причем один из турбокомпрессоров служит ступенью низкого давления, а второй турбокомпрессор -ступенью высокого давления.To achieve this effect, a supercharged internal combustion engine with an intake line for supplying charge air, an exhaust line for exhaust gases, and at least two exhaust gas turbochargers connected in series, each of which contain a turbine in the exhaust line and a compressor inlet line, one of the turbochargers being a low pressure stage, and the second turbocompressor as a high pressure stage.
При этом вторая турбина второго турбокомпрессора расположена выше по потоку от первой турбины первого турбокомпрессора, а второй компрессор второго турбокомпрессора расположен ниже по потоку от первого компрессора первого турбокомпрессора.In this case, the second turbine of the second turbocompressor is located upstream from the first turbine of the first turbocompressor, and the second compressor of the second turbocompressor is located downstream from the first compressor of the first turbocompressor.
В системе предусмотрена первая перепускная линия, ответвляющаяся от выпускной линии выше по потоку от первой турбины с образованием точки разветвления, и вторая перепускная линия, которая ответвляется от выпускной линии выше по потоку от второй турбины, и в которой расположен запорный элемент.The system provides a first bypass line branching off the outlet line upstream of the first turbine to form a branch point, and a second bypass line which branches off the outlet line upstream of the second turbine, and in which the shut-off element is located.
В выпускной линии предусмотрена по крайней мере одна система обработки выхлопных газов, расположенная ниже по потоку от турбин, и система рециркуляции выхлопных газов, включающая в себя линию, ответвляющуюся от выпускной линии выше по потоку от обеих турбин и вливающуюся во впускную линию.The exhaust line has at least one exhaust gas treatment system located downstream of the turbines and an exhaust gas recirculation system including a line branching off the exhaust line upstream of both turbines and flowing into the inlet line.
Отличительной особенностью заявленной конструкции является наличие клапана в указанной точке разветвления выпускной линии с перепускной линией.A distinctive feature of the claimed design is the presence of a valve at the indicated branch point of the exhaust line with a bypass line.
Таким образом, двигатель внутреннего сгорания в соответствии с полезной моделью оснащен двумя последовательно соединенными турбинами, расположенными в выпускной линии, и двумя последовательно соединенными компрессорами, расположенными во впускной линии.Thus, the internal combustion engine in accordance with the utility model is equipped with two series-connected turbines located in the exhaust line, and two series-connected compressors located in the inlet line.
Предпочтительными являются варианты, в которых первый компрессор больше второго компрессора, так как при такой конструкции двигателя внутреннего сгорания первый компрессор представляет собой ступень низкого давления в рамках двухступенчатой компрессии, а второй компрессор сжимает уже предварительно сжатый воздух и, таким образом, представляет собой ступень высокого давления.Preferred are the options in which the first compressor is larger than the second compressor, since with this design of the internal combustion engine, the first compressor is a low pressure stage as part of a two-stage compression, and the second compressor compresses the already pre-compressed air and, thus, represents a high pressure stage .
По этой же причине предпочтительными являются варианты, в которых первая турбина больше второй турбины. Это обусловлено тем, что вторая турбина служит в качестве турбины высокого давления, в то время как в первой турбине расширяется поток выхлопных газов, уже находящийся под относительно низким давлением и имеющий относительно небольшую плотность, так как он уже прошел через ступень высокого давления.For the same reason, variants are preferred in which the first turbine is larger than the second turbine. This is because the second turbine serves as a high-pressure turbine, while the first turbine expands the exhaust gas flow, already under relatively low pressure and having a relatively low density, as it has already passed through the high-pressure stage.
В соответствии с полезной моделью в турбине ступени высокого давления отсутствует перепускная линия, а турбина ступени низкого давления содержит перепускную линию, через которую выхлопные газы проходят в обход турбины.According to a utility model, there is no bypass line in the turbine of the high-pressure stage, and the turbine of the low-pressure stage contains a by-pass line through which exhaust gases pass around the turbine.
При прогреве двигателя поток выхлопных газов (предпочтительно полностью) проходит через вторую турбину, т.е. турбину высокого давления, обходит первую турбину ниже по потоку от второй турбины по первой перепускной линии, отходящей от выпускной линии ниже по потоку от первой турбины, образуя точку разветвления, и снова вливается в выпускную линию.When the engine warms up, the exhaust stream (preferably completely) passes through the second turbine, i.e. a high pressure turbine bypasses the first turbine downstream of the second turbine along the first bypass line extending from the exhaust line downstream of the first turbine, forming a branch point, and again flows into the exhaust line.
Если во время прогрева двигателя через меньшую вторую турбину проходит весь поток выхлопных газов, это создает достаточно высокое давление наддува. Одновременно с этим, при прохождении выхлопных газов мимо первой турбины, большая турбина, которую следует рассматривать как область понижения температуры, становится не нужной, при этом поток горячих выхлопных газов направляется непосредственно к системе обработки выхлопных газов, вследствие чего после холодного пуска или при прогреве эта система быстрее достигает точки начала температурного скачка.If during engine warming up the entire exhaust stream passes through a smaller second turbine, this creates a sufficiently high boost pressure. At the same time, when the exhaust gas passes by the first turbine, a large turbine, which should be considered as a temperature lowering region, becomes unnecessary, while the flow of hot exhaust gases is directed directly to the exhaust gas treatment system, as a result of which, after a cold start or during heating, this the system quickly reaches the point of the beginning of the temperature jump.
В точке разветвления, где первая перепускная линия отходит от выпускной линии, расположен клапан, который во время прогрева перекрывает выпускную линию и открывает перепускную линию так, что весь поток выхлопных газов проходит мимо первой большой турбины. Это представляет собой значительное преимущество по сравнению с традиционными вариантами, в которых клапан расположен в самой перепускной линии, и при открытом клапане выхлопные газы могут продолжать поступать в турбину ступени низкого давления. Несмотря на то, что турбина ступени низкого давления создает определенное сопротивление потоку, часть потока выхлопных газов проходит через большую первую турбину. Однако в рассматриваемых здесь режимах работы эта часть потока представляет собой довольно существенный процент всего потока выхлопных газов, и после холодного пуска не поступает непосредственно в систему нейтрализации выхлопных газов для ее нагрева.At the branch point, where the first bypass line departs from the outlet line, there is a valve which, during warming up, closes the outlet line and opens the bypass line so that the entire exhaust stream flows past the first large turbine. This is a significant advantage over traditional versions in which the valve is located in the bypass line itself, and when the valve is open, exhaust gases can continue to flow into the turbine of the low pressure stage. Although the turbine of the low-pressure stage creates a certain flow resistance, part of the exhaust gas flow passes through the large first turbine. However, in the operating modes considered here, this part of the flow represents a rather substantial percentage of the entire exhaust gas flow, and after a cold start it does not directly enter the exhaust gas aftertreatment system for heating it.
Двигатель внутреннего сгорания в соответствии с полезной моделью позволяет устранить известные из уровня техники недостатки, в частности, после холодного пуска, одновременно обеспечить достаточно высокое давление наддува и быстрый нагрев системы обработки/нейтрализации выхлопных газов.The internal combustion engine in accordance with the utility model allows to eliminate the disadvantages known from the prior art, in particular after a cold start, at the same time provide a sufficiently high boost pressure and fast heating of the exhaust gas treatment / neutralization system.
Система обработки выхлопных газов может представлять собой окислительный каталитический нейтрализатор, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, накопительный каталитический нейтрализатор, катализатор селективного восстановления и/или сажевый фильтр.The exhaust gas treatment system may be an oxidizing catalyst, a three-way catalyst, a storage catalyst, a selective reduction catalyst and / or a particulate filter.
Предпочтительными являются варианты, в которых клапан, расположенный в точке разветвления, является трехходовым двухпозиционным клапаном или поворотной заслонкой.Preferred are embodiments in which the valve located at the branch point is a three-way on / off valve or a rotary valve.
При открывании первой перепускной линии из состояния полного ее перекрытия, заслонка может поворачиваться против направления потока выхлопных газов. Тогда в случае дефекта заслонки поток выхлопных газов переместит ее в положение, в котором первая перепускная линия перекрыта, а поток выхлопных газов проходит через обе турбины.When opening the first bypass line from the state of its complete overlap, the damper can turn against the direction of the exhaust gas flow. Then, in the event of a defect in the damper, the exhaust flow will move it to the position where the first bypass line is closed and the exhaust flow passes through both turbines.
Предпочтительными являются варианты, в которых клапан имеет электрическое, гидравлическое, пневматическое, механическое или магнитное управление, предпочтительно посредством контроллера двигателя.Preferred are embodiments in which the valve is electrically, hydraulically, pneumatically, mechanically or magnetically controlled, preferably by means of a motor controller.
Предпочтительными являются варианты, в которых клапан управляется, т.е. может переключаться непрерывным образом или ступенчатым образом.Preferred are options in which the valve is controlled, i.e. can be switched continuously or in a stepwise manner.
Предпочтительными являются варианты, в которых первая перепускная линия снова вливается в выпускную линию ниже по потоку от первой турбины.Preferred are options in which the first bypass line again flows into the outlet line downstream of the first turbine.
Предпочтительными являются варианты, в которых вторая перепускная линия снова вливается в выпускную линию выше по потоку от первой турбины и ниже по потоку от второй турбины.Preferred are options in which the second bypass line again flows into the exhaust line upstream of the first turbine and downstream of the second turbine.
Преимущество того, что перепускные линии снова входят в выпускную линию, заключается в том, что можно направить весь поток выхлопных газов непосредственно к системе обработки выхлопных газов, расположенной в выпускной линии.The advantage of the bypass lines entering the exhaust line again is that the entire exhaust stream can be directed directly to the exhaust gas treatment system located in the exhaust line.
Предпочтительными являются варианты, в которых первый компрессор больше второго компрессор.Preferred are embodiments in which the first compressor is larger than the second compressor.
Предпочтительными являются варианты, в которых первая турбина больше второй турбины.Preferred are embodiments in which the first turbine is larger than the second turbine.
Предпочтительными являются варианты, в которых вторая турбина второго турбокомпрессора имеет изменяющуюся геометрию.Preferred are options in which the second turbine of the second turbocharger has a variable geometry.
Изменяемая геометрия турбины повышает регулируемость наддува. Она обеспечивает плавное изменение геометрии турбины в зависимости от соответствующей рабочей точки двигателя внутреннего сгорания или от текущего потока выхлопных газов. В отличие от турбины с неизменной геометрией, не нужно искать компромиссные решения конструкции турбины, чтобы обеспечить удовлетворительный наддув во всех диапазонах числа оборотов или нагрузки.Variable geometry of the turbine increases the adjustable chargeability. It provides a smooth change in the geometry of the turbine depending on the corresponding operating point of the internal combustion engine or on the current exhaust stream. Unlike a turbine with an unchanged geometry, there is no need to compromise on the turbine design to ensure satisfactory boost in all speed or load ranges.
В частности, сочетание турбины с изменяемой геометрией и перепускной линии, обходящей такую турбину, позволяет создать конструкцию турбины высокого давления, рассчитанную на очень маленькие потоки выхлопных газов и, соответственно, на нижний диапазон частичной нагрузки. Следовательно, можно добиться высокой степени сжатия в турбине даже при низком числе оборотов или при небольших потоках выхлопных газов.In particular, the combination of a variable geometry turbine and a bypass line bypassing such a turbine allows the design of a high pressure turbine designed for very small exhaust flows and, accordingly, for the lower partial load range. Therefore, it is possible to achieve a high compression ratio in the turbine even at low revs or with low exhaust flows.
Предпочтительными являются также варианты, в которых предусмотрена третья перепускная линия, ответвляющаяся от впускной линии ниже по потоку от первого компрессора, и в которой расположен запорный элемент. Такая перепускная линия может быть использована для выпуска наддувочного воздуха, и может вливаться во впускную линию выше по потоку от первого компрессора, за счет чего свежий воздух, не сжатый в первом компрессоре, не выпускается в атмосферу, а просто возвращается обратно. Для управления массой выдуваемого или возвращаемого свежего воздуха в перепускной линии предусмотрен запорный элемент.Also preferred are variants in which a third bypass line is provided branching off from the inlet line downstream of the first compressor and in which a shut-off element is arranged. Such a bypass line can be used to discharge charge air, and can flow into the inlet line upstream of the first compressor, whereby fresh air, not compressed in the first compressor, is not released into the atmosphere, but simply returned. To control the mass of blown or returned fresh air, a shut-off element is provided in the bypass line.
Третья перепускная линия быть также может использована для впуска свежего воздуха, а именно в тех случаях, когда через первую большую турбину не проходит поток выхлопных газов, или же проходит лишь незначительное количество выхлопных газов, и вторая меньшая турбина выполняет работу компрессора. В таком случае первый компрессор представляет собой лишь сопротивление потока для свежего воздуха, который поступает ко второму компрессору. Перепускная линия позволяет обойти второй компрессор и, тем самым, дросселировать впускную линию.The third bypass line can also be used for fresh air inlet, namely in those cases when there is no exhaust gas flow through the first large turbine, or only a small amount of exhaust gas passes, and the second smaller turbine performs the compressor operation. In this case, the first compressor represents only the flow resistance for fresh air that enters the second compressor. The bypass line allows you to bypass the second compressor and, thus, to throttle the inlet line.
Предпочтительными являются варианты, в которых во впускной линии ниже по потоку по потоку от компрессоров расположен охладитель наддувочного воздуха. Охладитель наддувочного воздуха понижает температуру наддувочного воздуха, что приведет к лучшему наполнению камеры сгорания воздухом, т.е. к большей воздушной массе.Preferred are options in which a charge air cooler is located in the intake line downstream of the compressors. The charge air cooler lowers the temperature of the charge air, which will lead to a better filling of the combustion chamber with air, i.e. to a greater air mass.
Среди двигателей внутреннего сгорания по крайней мере с двумя цилиндрами, где каждый цилиндр имеет по крайней мере одно выпускное отверстие для вывода выхлопных газов из цилиндра и соединен с выпускным отверстием выпускной линии, предпочтительными являются варианты, в которых выпускные линии от по крайней мере двух цилиндров внутри головки блока цилиндров объединяются в по крайней мере одну общую выпускную линию.Among internal combustion engines with at least two cylinders, where each cylinder has at least one exhaust outlet for discharging exhaust gases from the cylinder and is connected to an exhaust outlet of an exhaust line, embodiments in which exhaust lines from at least two cylinders inside are preferred cylinder heads are combined into at least one common exhaust line.
В таком случае можно располагать турбины очень близко к выпускному отверстию двигателя внутреннего сгорания, т.е. близко к выпускным отверстиям цилиндров. В частности, преимущество такой конструкции состоит в оптимальном использовании тепловой функции выхлопных газов и обеспечении быстрого отклика турбин.In this case, it is possible to locate the turbines very close to the outlet of the internal combustion engine, i.e. close to cylinder outlets. In particular, the advantage of this design is the optimal use of the thermal function of the exhaust gases and the provision of a quick response of the turbines.
Встраивание выпускных коллекторов в головку блока цилиндров, помимо прочего, позволяет получить более компактную конструкцию головки блока цилиндров и, соответственно, двигателя внутреннего сгорания в соответствии с полезной моделью, а также позволяет компактно расположить всю двигательную установку. Кроме того, таким образом можно использовать жидкостное устройство охлаждения, предусмотренное в головке блока цилиндров, чтобы избежать необходимости изготавливать выпускные коллекторы из материалов, выдерживающих большую тепловую нагрузку, что требует больших затрат.The integration of exhaust manifolds into the cylinder head, among other things, allows to obtain a more compact design of the cylinder head and, accordingly, the internal combustion engine in accordance with the utility model, and also allows compact arrangement of the entire propulsion system. In addition, in this way, a liquid cooling device provided in the cylinder head can be used in order to avoid the need to produce exhaust manifolds from materials that can withstand a large thermal load, which is expensive.
Среди форсированных двигателей внутреннего сгорания, имеющих по крайней мере одну головку блока цилиндров, которая может быть соединена с блоком цилиндров на монтажной торцевой стороне и которая оснащена по крайней мере одной рубашкой охлаждения, предпочтительными являются варианты, в которых по крайней мере одна встроенная рубашка охлаждения имеет нижнюю рубашку охлаждения, расположенную между выпускными линиями и монтажной торцевой стороной головки блока цилиндров, а также по крайней мере одну верхнюю рубашку охлаждения, расположенную на стороне выпускных линий, противоположной нижней рубашке.Among boosted internal combustion engines having at least one cylinder head which can be connected to the cylinder block on the mounting end side and which is equipped with at least one cooling jacket, embodiments in which at least one integrated cooling jacket has a lower cooling jacket located between the exhaust lines and the mounting end face of the cylinder head, as well as at least one upper cooling jacket, located on the side of the discharge lines opposite the bottom of the shirt.
В связи с этим предпочтительными являются варианты, в которых в наружной стенке головки блока цилиндров на некотором расстоянии от выпускных линий предусмотрено по крайней мере одно соединение между нижней и верхней рубашками охлаждения, из которого выходит по меньшей мере одна общая выпускная линия. Такое соединение служит для прохождения охлаждающей жидкости и расположено рядом с тем местом, где выпускные линии объединяются в общую выпускную линию.In this regard, preferred are variants in which at least one connection between the lower and upper cooling jackets is provided in the outer wall of the cylinder head at some distance from the outlet lines, from which at least one common outlet line exits. Such a connection serves to pass the coolant and is located next to the place where the exhaust lines are combined into a common exhaust line.
Через такое соединение во внешней стенке головки блока цилиндров охлаждающая жидкость может переходить из нижней рубашки охлаждения в верхнюю рубашку охлаждения и наоборот. Для этого в головке блока цилиндров по крайней мере одно соединение расположено на той стороне встроенного выпускного коллектора, которая обращена в сторону от по крайней мере двух цилиндров. Таким образом, это соединение находится снаружи встроенного выпускного коллектора.Through such a connection in the outer wall of the cylinder head, coolant can pass from the lower cooling jacket to the upper cooling jacket and vice versa. For this, at least one connection in the cylinder head is located on that side of the integrated exhaust manifold, which is facing away from at least two cylinders. Thus, this connection is located outside the integrated exhaust manifold.
Под соединением в данном случае понимают отверстие или сквозной канал, который соединяет нижнюю рубашку охлаждения с верхней рубашкой охлаждения, и благодаря которому возможно движение охлаждающей жидкости между этими двумя рубашками.In this case, a connection is understood as an opening or a through channel that connects the lower cooling jacket to the upper cooling jacket, and due to which the movement of the cooling liquid between the two jackets is possible.
С одной стороны, это позволяет обеспечить охлаждение в области внешней стенки головки блока цилиндров, от которого в известном уровне техники осознанно отказываются в пользу более компактной конструкции. С другой стороны, в дополнение к традиционному продольному потоку охлаждающей жидкости, т.е. потоку охлаждающей жидкости в направлении продольной оси головки блока цилиндров, появляется поперечный поток охлаждающей жидкости, проходящий перпендикулярно продольному потоку, предпочтительно в примерном направлении продольных осей цилиндров. При этом поток охлаждающей жидкости, проходящий через по крайней мере одно такое соединение, имеет решающее значение для отвода тепла. В частности, соответствующим образом изменяя размер сечения по крайней мере одного такого соединения, можно целенаправленно изменить скорость потока охлаждающей жидкости в соединении и, соответственно, теплоотвод в области такого соединения.On the one hand, this allows for cooling in the area of the outer wall of the cylinder head, which, in the prior art, is deliberately discarded in favor of a more compact design. On the other hand, in addition to the traditional longitudinal flow of coolant, i.e. to the flow of coolant in the direction of the longitudinal axis of the cylinder head, a transverse flow of coolant appears, perpendicular to the longitudinal flow, preferably in the approximate direction of the longitudinal axes of the cylinders. The flow of coolant passing through at least one such connection is crucial for heat dissipation. In particular, by correspondingly changing the cross-sectional size of at least one such compound, it is possible to purposefully change the flow rate of the coolant in the compound and, accordingly, the heat sink in the region of such a connection.
Поэтому предпочтительными являются варианты, в которых нижняя и верхняя рубашки охлаждения соединены друг с другом не на всем протяжении внешней стенки, а лишь на ее части. Благодаря этому можно повысить скорость потока в этом соединении, что приведет к повышению отвода тепла за счет конвекции. Преимущества такой конструкции заключаются в механической фиксации головки блока цилиндров.Therefore, preferred are options in which the lower and upper cooling jackets are not connected to each other throughout the entire outer wall, but only on its part. Due to this, it is possible to increase the flow rate in this compound, which will lead to an increase in heat dissipation due to convection. The advantages of this design are the mechanical fixation of the cylinder head.
Охлаждение головки блока цилиндров можно дополнительно улучшить целесообразным образом, создавая перепад давления между верхней и нижней рубашками охлаждения, из-за чего возрастает скорость в соединении, что, в свою очередь, приводит к увеличению отвода тепла из-за конвекции.The cooling of the cylinder head can be further improved in an expedient manner by creating a pressure differential between the upper and lower cooling jackets, due to which the joint speed increases, which, in turn, leads to an increase in heat dissipation due to convection.
В соответствии с полезной моделью, по крайней мере одно указанное соединение расположено рядом с тем местом, где выпускные линии объединяются в общую выпускную линию.According to a utility model, at least one of said connections is located near the place where the discharge lines are combined into a common discharge line.
В том месте, где выпускные линии объединяются в общую выпускную линию, и где собираются горячие выхлопные газы из цилиндров двигателя внутреннего сгорания, головка блока цилиндров подвергается особенно большой тепловой нагрузке.In the place where the exhaust lines are combined into a common exhaust line, and where the hot exhaust gases from the cylinders of the internal combustion engine are collected, the cylinder head is subjected to a particularly large heat load.
Предпочтительными являются варианты, в которых предусмотрена перепускная линия, которая отходит от впускной линии выше по потоку от второго компрессора и снова вливается во впускную линию ниже по потоку от этого второго компрессора, при этом в указанной перепускной линии расположен запорный элемент.Такая перепускная линия обеспечивает обход компрессора высокого давления. Это позволяет регулировать поток свежего воздуха, проходящий через компрессор высокого давления, в зависимости от потока выхлопных газов, проходящего через турбину высокого давления, и доступной мощности турбины.Preferred are options in which a bypass line is provided that extends from the inlet line upstream of the second compressor and again flows into the inlet line downstream of this second compressor, with a shut-off element located in the bypass line. high pressure compressor. This allows you to adjust the flow of fresh air passing through the high-pressure compressor, depending on the flow of exhaust gases passing through the high-pressure turbine, and the available power of the turbine.
Предпочтительными являются варианты, в которых первая турбина, т.е. турбина ступени низкого давления, имеет изменяемую геометрию. Сказанное выше относительно турбины ступени высокого давления также действительно и для турбины ступени низкого давления, поэтому ниже будут приведены отсылки к уже описанным вариантам осуществления. Изменяемая геометрия турбины повышает регулируемость наддува. За счет регулировки лопастей обеспечивается плавное изменение геометрии турбины в зависимости от текущего потока выхлопных газов.Preferred are options in which the first turbine, i.e. turbine stage low pressure, has a variable geometry. The foregoing with respect to the high-pressure stage turbine is also valid for the low-pressure stage turbine, therefore, references to the already described embodiments will be given below. Variable geometry of the turbine increases the adjustable chargeability. By adjusting the blades, a smooth change in the geometry of the turbine is provided depending on the current exhaust stream.
Предпочтительными являются варианты, в которых первая турбина имеет неизменяемую геометрию. Преимущество такого варианта заключается, прежде всего, в его стоимости. С одной стороны, при такой конструкции турбины отсутствует сложный и дорогостоящий механизм регулировки. С другой стороны, в соответствии с принципом конструкции турбиной не нужно управлять.Preferred are options in which the first turbine has a fixed geometry. The advantage of this option is, first of all, in its cost. On the one hand, with such a turbine design, there is no complicated and expensive adjustment mechanism. On the other hand, in accordance with the design principle, the turbine does not need to be controlled.
Предпочтительными являются варианты, в которых первый компрессор имеет фиксированную, неизменяемую геометрию. Преимущество компрессоров с неизменяемой геометрией, аналогично турбинам с неизменяемой геометрией, также заключается в меньшей стоимости, в частности, из-за более простой конструкции.Preferred are embodiments in which the first compressor has a fixed, fixed geometry. The advantage of compressors with fixed geometry, like turbines with fixed geometry, also lies in lower cost, in particular due to a simpler design.
Первый компрессор также может иметь изменяемую геометрию (VCG). Преимущества изменяемой геометрии компрессора, в частности, проявляются в таких режимах работы, где через первую большую турбину проходит незначительное количество выхлопных газов, из-за чего первая турбина создает лишь небольшое количество мощности для нагнетания свежего воздуха. В таких случаях первый компрессор представляет собой лишь сопротивление потоку для подаваемого вторым компрессором свежего воздуха. Изменяемая геометрия компрессора позволяет дросселировать впускную линию, увеличивая сечение потока первого компрессора.The first compressor may also have variable geometry (VCG). The advantages of variable compressor geometry, in particular, are manifested in operating modes where a small amount of exhaust gas passes through the first large turbine, which is why the first turbine creates only a small amount of power for pumping fresh air. In such cases, the first compressor represents only the flow resistance for the fresh air supplied by the second compressor. The variable compressor geometry allows the inlet line to be throttled, increasing the flow cross section of the first compressor.
Предпочтительными являются варианты, в которых линия для рециркуляции выхлопных газов вливается во впускную линию ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха. Таким образом, поток выхлопных газов не проходит через охладитель наддувочного воздуха и, следовательно, не загрязняет его отложениями содержащихся в потоке выхлопных газов вредных веществ, например, частиц сажи и масла.Preferred options are those in which the exhaust gas recirculation line flows into the intake line downstream of the charge air cooler. Thus, the exhaust gas stream does not pass through the charge air cooler and, therefore, does not pollute it with deposits of harmful substances contained in the exhaust gas stream, for example, soot particles and oil.
Предпочтительными являются варианты, в которых в линии рециркуляции выхлопных газов предусмотрен дополнительный охладитель. Этот дополнительный охладитель понижает температуру в потоке горячих выхлопных газов, тем самым повышая их плотность. За счет этого еще больше понижается температура заряда горючей смеси, возникающей при смешивании свежего воздуха и рециркулированных выхлопных газов. Таким образом, дополнительный охладитель также способствует лучшему заполнению камеры сгорания свежей смесью.Preferred are those in which an additional cooler is provided in the exhaust gas recirculation line. This additional cooler lowers the temperature in the hot exhaust stream, thereby increasing their density. Due to this, the temperature of the charge of the combustible mixture that occurs when mixing fresh air and recirculated exhaust gases is further reduced. Thus, an additional cooler also contributes to a better filling of the combustion chamber with a fresh mixture.
Предпочтительными являются варианты, в которых в линии рециркуляции выхлопных газов предусмотрен запорный элемент, предназначенный для управления количеством рециркулированных выхлопных газов.Preferred are embodiments in which a shut-off element is provided in the exhaust gas recirculation line for controlling the amount of recirculated exhaust gas.
При прогреве двигателя внутреннего сгорания открывается первая перепускная линия, а подача потока выхлопных газов к первой турбине по выпускной линии прекращается.When the internal combustion engine warms up, the first bypass line opens, and the flow of exhaust gases to the first turbine through the exhaust line is stopped.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Полезная модель более подробно поясняется на примере варианта осуществления со ссылкой на фигуру, где приведено схематическое изображение одного из вариантов выполнения двигателя внутреннего сгорания с наддувом согласно полезной модели.The utility model is explained in more detail with an example of an embodiment with reference to the figure, which shows a schematic illustration of one embodiment of a supercharged internal combustion engine according to the invention.
Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation
На фигуре показан первый вариант выполнения двигателя внутреннего сгорания 1 с наддувом на примере 6-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания с V-образной конфигурацией. Цилиндры 3 двигателя внутреннего сгорания 1 расположены в два ряда, образуя, таким образом, две группы цилиндров, в каждой из которых имеются выпускные линии для вывода горячих выхлопных газов, объединяющиеся в одну общую выпускную линию 4. При этом все выпускные линии 4 соединяются друг с другом, и во всех выпускных линиях преобладает одно и то же давление выхлопных газов. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания 1 имеет впускную линию 2 для подачи наддувочного воздуха или свежей смеси в цилиндры 3.The figure shows a first embodiment of a supercharged internal combustion engine 1 using the example of a 6-cylinder V-shaped internal combustion engine. The cylinders 3 of the internal combustion engine 1 are arranged in two rows, thus forming two groups of cylinders, each of which has exhaust lines for discharging hot exhaust gases, combining into one common exhaust line 4. In this case, all exhaust lines 4 are connected to each other different, and in all exhaust lines the same exhaust pressure prevails. In addition, the internal combustion engine 1 has an inlet line 2 for supplying charge air or fresh mixture to the cylinders 3.
Двигатель внутреннего сгорания 1 оснащен двумя последовательно соединенными турбинами 6-1, 7-1, расположенными в выпускной линии 4, и двумя последовательно соединенными компрессорами 6-2, 7-2, расположенными во впускной линии 2, при этом турбины 6-1, 7-1 и компрессоры 6-2, 7-2 объединены с образованием турбокомпрессоров 6, 7. Таким образом, можно сжать наддувочный воздух, подаваемый в двигатель внутреннего сгорания 1, в две ступени, при этом первый турбокомпрессор 6 на выхлопных газах выступает в качестве ступени 6 низкого давления, а второй турбокомпрессор 7 на выхлопных газах - в качестве ступени 7 высокого давления.The internal combustion engine 1 is equipped with two series-connected turbines 6-1, 7-1, located in the exhaust line 4, and two series-connected compressors 6-2, 7-2, located in the inlet line 2, while the turbines 6-1, 7 -1 and compressors 6-2, 7-2 are combined with the formation of turbocompressors 6, 7. Thus, it is possible to compress the charge air supplied to the internal combustion engine 1 in two stages, while the first exhaust turbocharger 6 acts as a stage 6 low pressure and the second turbocharger OP 7 for exhaust gases - as a high pressure stage 7.
По этой причине первый нагнетатель 6-2 больше второго нагнетателя 7-2, так как при такой конструкции двигателя 1 внутреннего сгорания первый компрессор 6-2 образует в рамках двухступенчатого сжатия ступень низкого давления, в то время как второй компрессор 7-2 сжимает предварительной сжатый воздух, тем самым представляя собой ступень высокого давления.For this reason, the first supercharger 6-2 is larger than the second supercharger 7-2, since with this design of the internal combustion engine 1, the first compressor 6-2 forms a low pressure stage as part of two-stage compression, while the second compressor 7-2 compresses the pre-compressed air, thereby representing a high pressure stage.
По той же причине первая турбина 6-1 больше второй турбины 7-1. Так как вторая турбина 7-1 выступает как ступень высокого давления, в то время как первая турбина 6-1 служит для расширения потока выхлопных газов, уже имеющим относительно низкое давление и плотность благодаря прохождению через ступень 7 высокого давления.For the same reason, the first turbine 6-1 is larger than the second turbine 7-1. Since the second turbine 7-1 acts as a high pressure stage, while the first turbine 6-1 serves to expand the exhaust gas flow, already having relatively low pressure and density due to passage through the high pressure stage 7.
Ниже по потоку от компрессоров 6-2, 7-2 расположен охладитель 5 наддувочного воздуха. Охладитель 5 наддувочного воздуха понижает температуру наддувочного воздуха, тем самым увеличивая его плотность, что ведет к лучшему наполнению цилиндров 3 воздухом.Downstream of the compressors 6-2, 7-2 is a charge air cooler 5. The charge air cooler 5 lowers the temperature of the charge air, thereby increasing its density, which leads to a better filling of the cylinders 3 with air.
Вторая турбина 7-1 второго турбокомпрессора 7 имеет вторую перепускную линию 12, которая ответвляется от выпускной линии 4 выше по потоку от второй турбины 7-1 и снова вливается в выпускную линию 4 ниже по потоку от второй турбины 7-1, при этом в перепускной линии 12 расположен запорный элемент 13.The second turbine 7-1 of the second turbocharger 7 has a second bypass line 12, which branches off from the exhaust line 4 upstream of the second turbine 7-1 and again flows into the exhaust line 4 downstream of the second turbine 7-1, while in the bypass line 12 is a locking element 13.
В варианте осуществления, показанном на фигуре, первая турбина 6-1 имеет неизменяемую геометрию. Для вывода выхлопных газов предусмотрена перепускная линия 14, которая отходит от выпускной линии 4 выше по потоку от первой турбины 6-1 и снова вливается в выпускную линию 4 ниже по потоку от первой турбины 6-1. В точке разветвления 8 расположен клапан 9 для управления перепускной линией 14 или потоком выдуваемых выпускных газов в выпускной линии 4.In the embodiment shown in the figure, the first turbine 6-1 has an unchanged geometry. An exhaust line 14 is provided for exhaust gas output, which departs from the exhaust line 4 upstream of the first turbine 6-1 and again flows into the exhaust line 4 downstream of the first turbine 6-1. At the branch point 8, a valve 9 is located to control the bypass line 14 or the flow of blown exhaust gases in the exhaust line 4.
В выпускной линии 4 ниже по потоку от турбин 6-1, 7-1 предусмотрена система 15 обработки выхлопных газов.In the exhaust line 4 downstream of the turbines 6-1, 7-1, an exhaust gas treatment system 15 is provided.
Первый компрессор 6-2 может быть оборудован третьей перепускной линией 10 (показанной пунктиром), которая отходит от впускной линии 2 ниже по потоку от первого компрессора 6-2. Эта перепускная линия 10 предназначена для выдува наддувочного воздуха и может возвращаться во впускную линию 2 выше по потоку от первого компрессора 6-2, благодаря чему наддувочный воздух, сжимаемый первым компрессором 6-2, не выдувается, а возвращается обратно. Для управления количеством выдуваемого или возвращаемого наддувочного воздуха в перепускной линии 10 предусмотрен запорный элемент 11.The first compressor 6-2 may be equipped with a third bypass line 10 (shown by a dashed line), which departs from the inlet line 2 downstream of the first compressor 6-2. This bypass line 10 is for blowing charge air and can be returned to the intake line 2 upstream of the first compressor 6-2, so that the charge air compressed by the first compressor 6-2 is not blown, but returned. To control the amount of blown or returned charge air in the bypass line 10, a locking element 11 is provided.
Перечень ссылочных позицийList of Reference Items
Claims (14)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102013215573 | 2013-08-07 | ||
| DE102013215573.5 | 2013-08-07 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU152163U1 true RU152163U1 (en) | 2015-05-10 |
Family
ID=53297542
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014132586/06U RU152163U1 (en) | 2013-08-07 | 2014-08-07 | INFLATED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND EXHAUST GAS TREATMENT SYSTEM |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU152163U1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2681396C2 (en) * | 2016-05-20 | 2019-03-06 | Форд Глобал Текнолоджиз, Ллк | Method and system for charge pressure control |
| RU2689656C1 (en) * | 2015-07-14 | 2019-05-28 | Форд Глобал Текнолоджиз, Ллк | Method (versions) and supercharging control system |
| RU2718389C2 (en) * | 2015-11-16 | 2020-04-02 | Форд Глобал Текнолоджиз, Ллк | Method (versions) and supercharging control system |
| CN112832901A (en) * | 2021-03-25 | 2021-05-25 | 中船动力研究院有限公司 | Two-stage supercharging system, engine and air inlet and exhaust pressure difference control method of engine |
-
2014
- 2014-08-07 RU RU2014132586/06U patent/RU152163U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2689656C1 (en) * | 2015-07-14 | 2019-05-28 | Форд Глобал Текнолоджиз, Ллк | Method (versions) and supercharging control system |
| RU2718389C2 (en) * | 2015-11-16 | 2020-04-02 | Форд Глобал Текнолоджиз, Ллк | Method (versions) and supercharging control system |
| RU2681396C2 (en) * | 2016-05-20 | 2019-03-06 | Форд Глобал Текнолоджиз, Ллк | Method and system for charge pressure control |
| CN112832901A (en) * | 2021-03-25 | 2021-05-25 | 中船动力研究院有限公司 | Two-stage supercharging system, engine and air inlet and exhaust pressure difference control method of engine |
| CN112832901B (en) * | 2021-03-25 | 2024-03-12 | 中船动力研究院有限公司 | Two-stage supercharging system, engine and air inlet and outlet pressure difference control method of engine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10107180B2 (en) | Two-stage supercharging internal combustion engine having an exhaust-gas aftertreatment arrangement, and method for operating a two-stage supercharged internal combustion engine | |
| RU140186U1 (en) | ENGINE SYSTEM WITH DOUBLE INDEPENDENT INFLATED CYLINDERS | |
| US8539770B2 (en) | Exhaust arrangement for an internal combustion engine | |
| US20060059910A1 (en) | Pressure-charged internal combustion engine | |
| CN102425488B (en) | Adjustable two-stage supercharging sequential system applied to V-shaped diesel engine | |
| US20080000226A1 (en) | Method for operating an internal combustion engine having an exhaust gas turbocharger and a power turbine | |
| US20080209889A1 (en) | Internal Combustion Engine Featuring Exhaust Gas Aftertreatment and Method For the Operation Thereof | |
| US20060101819A1 (en) | Method and system for influencing the quantity of exhaust gas recirculated in a pressure charged internal combustion engine | |
| US20060059909A1 (en) | Supercharged internal combustion engine | |
| WO2014182890A1 (en) | Air handling cosntructions with turbo-compounding for opposed-piston engines | |
| JP2013529275A (en) | EGR structure for opposed piston engine | |
| US8495876B2 (en) | Two-stage supercharging system with exhaust gas purification device for internal-combustion engine and method for controlling same | |
| CN107882658B (en) | Supercharged internal combustion engine with cooled exhaust gas recirculation device | |
| JP2008513653A (en) | Exhaust gas recirculation device and method of operating the exhaust gas recirculation device | |
| CN104791148A (en) | Low-pressure EGR introduction device capable of realizing high EGR rate and low-pressure EGR introduction method | |
| WO2015116570A1 (en) | Air control system for an opposed-piston engine in which a supercharger provides boost during engine startup and drives egr during normal engine operation | |
| RU152163U1 (en) | INFLATED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND EXHAUST GAS TREATMENT SYSTEM | |
| JP2013108479A (en) | Diesel engine | |
| JP2011069305A (en) | Internal combustion engine and method for controlling the same | |
| CN105464769A (en) | Double-channel power turbine system and control method thereof | |
| CN106050402B (en) | Internal combustion engine and method of operating the same | |
| JP2009115089A (en) | Engine with supercharger and its operating method | |
| US20180066610A1 (en) | Dedicated egr engine with dedicated loop turbocharger | |
| JP6375808B2 (en) | Intake / exhaust device for internal combustion engine | |
| JP2005009314A (en) | Supercharger for engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20200808 |