RU2623353C2

RU2623353C2 - Многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания и способ приведения в действие такого многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания

Info

Publication number: RU2623353C2
Application number: RU2012157755A
Authority: RU
Inventors: Кай Себастьян КУЛЬБАХ; Гюнтер БАРЧ; Альберт БРОЙЕР
Original assignee: ФОРД ГЛОУБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ, ЭлЭлСи
Priority date: 2012-01-02
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2017-06-23
Also published as: CN103184950B; DE102012200014A1; US9234490B2; RU2012157755A; US20130167803A1; CN103184950A

Abstract

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания снабжен по меньшей мере одной головкой блока цилиндров, которая соединена на установочной поверхности с блоком цилиндров. Блок цилиндров содержит четыре цилиндра (2a), (2b), расположенных в ряд вдоль продольной оси (10) головки блока цилиндров. Каждый цилиндр (2a), (2b) имеет по меньшей мере одно выпускное окно (3) для выпуска отработавших газов из цилиндра (2a), (2b) через систему (1) выпуска отработавших газов. Труба (4) отработавших газов присоединена на каждом выпускном окне (3). Трубы (4) отработавших газов цилиндров (2a), (2b) соединяются ступенчато в общую трубу (6) отработавших газов. Система (1) выпуска отработавших газов выходит на наружной стороне (8) головки блока цилиндров. Имеются два сегмента (9a) наружной стенки, каждый из которых частично отделяет друг от друга по меньшей мере одну выпускную трубу (4) внешнего цилиндра (2a) и по меньшей мере одну выпускную трубу (4) смежного внутреннего цилиндра (2b). Сегменты (9a) выступают в систему (1) выпуска отработавших газов, продолжаются дальше в направлении наружной стороны (8) головки блока цилиндров перпендикулярно продольной оси (10) головки блока цилиндров, чем сегмент (9b) внутренней стенки. Сегмент (9b) внутренней стенки частично отделяет друг от друга выпускные трубы (4) двух внутренних цилиндров (2b). Сегмент (9b) внутренней стенки выступает в систему (1) выпуска отработавших газов, так что выпускные трубы (4) двух самых внутренних цилиндров (2b) соединяются в частичную выпускную трубу (5) до того, как эта частичная выпускная труба (5) и выпускные трубы (4) двух самых внешних цилиндров (2a) соединяются в общую выпускную трубу (6). Раскрыт способ приведения в действие двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в устранении или в ослаблении взаимного влияния цилиндров при изменении наддува. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с по меньшей мере одной головкой блока цилиндров, которая может быть соединена на установочной поверхности с блоком цилиндров, содержащим четыре цилиндра, расположенные в ряд вдоль продольной оси головки блока цилиндров, при этом каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно выпускное окно для выпускания отработавших газов из цилиндра через систему выпуска отработавших газов, для чего труба отработавших газов присоединена на каждом выпускном окне, и в которой трубы отработавших газов цилиндров соединяются ступенчато в общую трубу отработавших газов, и система выпуска отработавших газов выходит на наружной стороне головки блока цилиндров.

Более того, изобретение относится к способу для приведения в действие многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания типа, описанного выше, в котором цилиндры снабжены устройствами зажигания для инициирования внешнего зажигания.

Многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания упомянутого типа изначально используется в качестве привода для моторных транспортных средств. В контексте настоящего изобретения, термин «двигатель внутреннего сгорания», в частности, содержит бензиновые двигатели, снабженные внешним зажиганием.

Двигатели внутреннего сгорания имеют по меньшей мере одну головку блока цилиндров и один блок цилиндров, которые соединены вместе на своих установочных поверхностях, чтобы образовывать отдельные цилиндры, то есть камеры сгорания.

Головка блока цилиндров часто служит для удерживания клапанного механизма. Для управления изменением наддува, двигателю внутреннего сгорания требуются элементы управления и устройства возбуждения для активизации элементов управления. В контексте изменения наддува, образующиеся при сгорании топлива рабочие газы выбрасываются через впускные окна, и камера сгорания наполняется, то есть свежая смесь свежий воздух втягивается через впускные окна. Для управления изменением наддува, в четырехтактных двигателях совершающие возвратно-поступательное движение клапаны едва не исключительно используются в качестве элементов управления, которые выполняют колебательное возвратно-поступательное движение во время работы двигателя внутреннего сгорания и, таким образом, открывают и закрывают впускные и выпускные окна. Механизм привода клапанов, необходимый для перемещения клапанов, включая сами клапаны, называется клапанным механизмом. Клапанное распределительное устройство часто содержит распределительный вал, на котором расположено множество кулачков.

Задача клапанного механизма состоит в том, чтобы открывать и закрывать впускные и выпускные окна цилиндров в правильный момент времени, при этом целью является быстрое открывание как можно большего поперечного сечения потока, для того чтобы поддерживать низкими дроссельные потери во входном потоке и выходном потоке газа, и гарантировать как можно лучшее наполнение цилиндров свежей смесью ли эффективный, то есть полный выпуск отработавших газов. Согласно предшествующему уровню техники, поэтому, цилиндры зачастую и все больше и больше выполнены с двумя или более впускными или выпускными окнами.

Четыре цилиндра, расположенных в ряд, по меньшей мере одного блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, который является предметом настоящего изобретения, имеют по меньшей мере одно выпускное окно для выпуска отработавших газов через систему выпуска отработавших газов. Выпускные трубы цилиндров соединяются в общую выпускную трубу ступенчато, образуя выпускной коллектор. Ниже по потоку от коллектора, отработавшие газы, где применимо, затем отправляются в турбину турбонагнетателя с приводом от системы выпуска и/или в одну или более систем доочистки отработавших газов.

Вследствие количественного регулирования, применяемого в бензиновом двигателе, согласно которому мощность настраиваться изменением наполнения камеры сгорания, бензиновые двигатели, по сравнению с дизельными двигателями, отличаются более высоким потреблением топлива и более низким коэффициентом действия. Регулирование нагрузки обычно происходит посредством дроссельного клапана, предусмотренного во впускном тракте, посредством настройки, при которой меняется давление всасываемого воздуха, и регулируется масса всасываемого воздуха. Низкие нагрузки требуют высокого дросселирования, поэтому, в частности, в области частичных нагрузок, применяются высокие потери изменения наддува.

Один из подходов к снижению дросселирования рабочего процесса бензинового двигателя состоит в использовании регулируемого клапанного механизма, с которым ход клапанов и/или моменты времени управления могут меняться в большей или меньшей степени. Возможность для изменения моментов времени управления клапанами состоит в использовании устройства настройки распределительного вала, с которым распределительный вал может поворачиваться на определенный угол относительно коленчатого вала, так чтобы моменты времени управления могли подвергаться опережению или запаздыванию без изменения длительности открывания клапанов.

Посредством регулируемого управления клапанами, перекрытие клапанов, то есть, может меняться диапазон угла поворота коленчатого вала, в котором выпуск еще не закрыт, в то время как открывается впуск. Во время перекрытия клапанов на высоких нагрузках могут возникать потери прокачки, при этом часть всасываемого свежего воздуха течет через цилиндр, не участвуя в последующем сгорании. Регулируемое управление клапанами предоставляет возможность изменения перекрытия клапанов, помимо прочего, в зависимости от частоты вращения. Что касается двигателей внутреннего сгорания, подвергаемых наддуву посредством турбонаддува с приводом от системы выпуска, на низких частотах вращения, большое перекрытие клапанов пригодно для повышения максимального крутящего момента и улучшения нестабильного рабочего поведения. Перепад давления, присутствующий на низких частотах вращения между стороной впуска и стороной выпуска, поддерживает эффективную прокачку цилиндров свежим воздухом и обеспечивает лучшее наполнение цилиндра, а отсюда, более высокую мощность. Большое перекрытие клапанов, то есть позднее закрывание по меньшей мере одного выпускного клапана, также пригодно для снижения нагнетания, а отсюда, потерь изменения наддува в диапазоне частичных нагрузок.

Что касается изменения наддува, оказалось проблематичным, чтобы выпускные трубы цилиндров, начинающиеся от соответственного выпускного окна до точки сбора в выпускном коллекторе, на котором выпускные трубы соединяются в общую выпускную трубу, и собираются горячие отработавшие газы из цилиндров, конструировались всегда более короткими в современных двигателях внутреннего сгорания, то есть имели неизменно уменьшающуюся длину. Причины для этого развития колеблются в широких пределах, например, для компактной конструкции, для достижения плотной компоновки в моторном отсеке, и для улучшения поведения при столкновении. Все чаще и чаще, выпускной коллектор по меньшей мере частично встроен в головку блока цилиндров, для того чтобы принимать участие в охлаждении, обеспечиваемом в головке блока цилиндров и не быть вынужденным изготавливать коллектор из материалов с тяжелым тепловым режимом работы, которые являются дорогостоящими.

Короткие выпускные трубы могут приводить к цилиндрам двигателя внутреннего сгорания, имеющими взаимное неблагоприятное влияние при изменении наддува, в частности, по меньшей мере частично устраняется эффект, достигаемый выполняемой прокачкой остаточных газов.

Таким образом, в четырехцилиндровом рядном двигателе, цилиндры которого приводятся в действие в последовательности 1-3-4-2, во время изменения наддува, например, четвертый цилиндр имеет неблагоприятное влияние на третий цилиндр, который предшествует ему в последовательности зажигания, то есть на цилиндр, подвергнутый зажиганию раньше, отработавшие газы, выходящие из четвертого цилиндра, могут проникать в третий цилиндр до того, как закрываются его выпускные клапаны. Эвакуация образующихся при сгорании топлива рабочих газов из четвертого цилиндра, поэтому, по существу основана на двух разных механизмах. Если выпускной клапан открывается в начале изменения наддува, вследствие высокого уровня давления, преобладающего в цилиндре к концу сгорания и связанного перепада давления между камерой сгорания и системы выпуска отработавших газов, образующиеся при сгорании топлива рабочие газы текут с высокой скоростью через выпускное окно в выпускную трубу. Чем мощнее этот процесс осуществления вызванного давлением потока, тем выше выдаваемый крутящий момент, и сопровождается высоким пиком давления - также называемым импульсом предварения выпуска, который распространяется вдоль выпускной трубы. Во время дальнейшего хода изменения наддува, давления в цилиндре и выпускной трубе в значительной степени уравновешиваются, так что образующиеся при сгорании топлива рабочие газы далее выбрасываются в результате движения поршня.

Отработавшие газы, возникающие из четвертого цилиндра и проникающие в третий цилиндр, должны рассматриваться в качестве неблагоприятных.

Для того чтобы противостоять этой проблеме, проистекающей от коротких выпускных труб, согласно предшествующему уровню техники, длительность открывания выпускных клапанов или выпускных окон, укорачивается, то есть выпускной клапан открывается позже, а закрывается раньше. Чтобы быть способными дополнительно пользоваться преимуществами большого перекрытия клапанов, на низких частотах вращения двигателя, выпускной клапан предпочтительно открывается позже, а момент времени закрывания сохраняется неизменным. Эта мера соответственно предоставляет возможность улучшения характеристики крутящего момента на низких частотах вращения двигателя. Вследствие укороченной длительности открывания выпускных клапанов, однако, возникают недостатки, возникающие в отношении мощности невысоких частотах вращения двигателя и снижения накачки в диапазоне частичных нагрузок для снижения потребления топлива.

В контексте вышеприведенного, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать двигатель внутреннего сгорания согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, который имеет компактную конструкцию, и с которым проблемы взаимного влияния цилиндров при изменении наддува могут быть устранены или ослаблены, и с которым, в частности, могут использоваться преимущества большого перекрытия клапанов или большой длительности открывания выпуска, без помех друг другу двух цилиндров, смежных в последовательности зажигания при изменении наддува и/или недостатков, возникающих в отношении мощности на высоких частотах вращения и/или в отношении снижения накачки в диапазоне частичных нагрузок.

Дополнительная частичная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать способ приведения в действие такого двигателя внутреннего сгорания, в котором цилиндры снабжены устройствами зажигания для инициирования внешнего зажигания.

Эта первая частичная задача достигается двигателем внутреннего сгорания с по меньшей мере одной головкой блока цилиндров, которая может быть соединена на установочной поверхности с блоком цилиндров, содержащим четыре цилиндра, расположенные в ряд вдоль продольной оси головки блока цилиндров, при этом каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно выпускное окно для выпускания отработавших газов из цилиндра через систему выпуска отработавших газов, для чего труба отработавших газов присоединена на каждом выпускном окне, и в которой трубы отработавших газов цилиндров соединяются ступенчато в общую трубу отработавших газов, и система выпуска отработавших газов выходит на наружной стороне головки блока цилиндров, который отличается тем, что два сегмента наружной стенки, каждый из которых частично отделяет друг от друга по меньшей мере одну выпускную трубу самого внешнего цилиндра и по меньшей мере одну выпускную трубу смежного самого внутреннего цилиндра, и которые выступают в систему выпуска отработавших газов, продолжаются дальше в направлении наружной стороны головки блока цилиндров перпендикулярно продольной оси головки блока цилиндров, чем сегмент внутренней стенки, который частично отделяет друг от друга выпускные трубы двух самых внутренних цилиндров и выступает в систему выпуска отработавших газов, так что выпускные трубы двух самых внутренних цилиндров соединяются в частичную выпускную трубу до того, как эта частичная выпускная труба и выпускные трубы двух самых внешних цилиндров соединяются в общую выпускную трубу.

В представленном случае, выпускные трубы соединяются ступенчато. Выпускные трубы двух внутренних цилиндров соединяются на первой ступени в частичную выпускную трубу. На второй ступени, эта частичная выпускная труба затем соединяется с выпускными трубами двух самых внешних цилиндров в общую выпускную трубу. При этом способе соединения, два цилиндра, смежных в последовательности зажигания, удерживаются отдельными друг от друга на стороне выпуска на большую длину, а именно, по той причине, что увеличены длина выпускных труб, соединяющих эти цилиндры, а отсюда, соответствующие длины пройденного пути отработавших газов. Система выпуска отработавших газов согласно изобретению устраняет или ослабляет проблему, известную из предшествующего уровня техники, то есть, взаимное влияние цилиндров при изменении наддува, которое является результатом более коротких выпускных труб.

То обстоятельство, что выпускные трубы самых внутренних цилиндров соединяются первыми, не является критическим, так как, с использованием традиционной последовательности зажигания 1-3-4-2, самые внутренние цилиндры имеют интервал между моментами зажигания 360° СА (по коленчатому валу).

В двигателе внутреннего сгорания согласно изобретению, поэтому, не нужно управлять по меньшей мере одним выпускным окном каждого цилиндра с более короткой длительностью открывания, для того чтобы подавлять взаимное влияние цилиндров при изменении наддува. Такое укорачивание длительности открывания может быть исключено, так как соединение выпускных труб согласно изобретению из цилиндров, смежных в последовательности зажигания, гарантирует, что никакие отработавшие газы из одного цилиндра не проникают в цилиндр, подвергнутый зажиганию ранее.

Система выпуска отработавших газов согласно изобретению достигается по той причине, что два сегмента наружной стенки, которые частично отделяют друг от друга по меньшей мере одну выпускную трубу самого внешнего цилиндра и по меньшей мере одну выпускную трубу смежного самого внутреннего цилиндра, и выступают в систему выпуска отработавших газов, продолжаются дальше в направлении наружной стороны головки блока цилиндров перпендикулярно продольной оси головки блока цилиндров, чем сегмент внутренней стенки, который частично отделяет друг от друга выпускные трубы двух самых внутренних цилиндров и выступает в систему выпуска отработавших газов.

Двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению является двигателем внутреннего сгорания, который имеет компактную конструкцию, и с которым проблемы взаимного влияния цилиндров при изменении наддува могут быть устранены или ослаблены, и с которым, в частности, могут использоваться преимущества большого перекрытия клапанов или большой длительности открывания выпуска, без помех друг другу двух цилиндров, смежных в последовательности зажигания при изменении наддува. Поэтому, двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению добивается первой частичной цели, на которой основано изобретение.

Двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению может иметь две головки блока цилиндров, например, если цилиндры поделены на два ряда цилиндров. Соединение выпускных труб согласно изобретению в двух головках блока цилиндров, в таком случае, также приводят к улучшению изменения наддува и улучшению обеспечения крутящего момента.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Как уже описано, может быть предпочтительным встраивать выпускной коллектор в по меньшей мере одну головку блока цилиндров в значительной степени, то есть соединять выпускные трубы в как можно более значительной степени в самой головке блока цилиндров, так как это ведет к более компактной конструкции, предоставляет возможность более плотной компоновки и дает выгоды по стоимости и преимущества по весу. Также могут быть преимущества в отношении турбонаддува с приводом от отработавших газов и/или доочистки отработавших газов.

По вышеприведенным причинам, предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых выпускные трубы двух самых внутренних цилиндров соединяются внутри головки блока цилиндров в частичную выпускную трубу.

Этот вариант осуществления благоприятен, так как сегмент внутренней стенки заканчивается еще внутри головки блока цилиндров, и свободный конец имеет расстояние Δd>0 от наружной стороны головки блока цилиндров.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых свободный конец стенки внутренней стенки, выступающий в систему выпуска отработавших газов, имеет расстояние Δd от наружной стороны головки блока цилиндров перпендикулярно продольной оси головки блока цилиндров, при этом Δd≥15 мм.

В частности, предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых свободный конец сегмента внутренней стенки имеет расстояние от наружной стороны головки блока цилиндров Δd≥20 мм, предпочтительно, расстояние Δd≥25 мм.

Чем больше расстояние Δd, тем компактнее может быть изготовлена головка блока цилиндров, поскольку более короткий сегмент внутренней стенки предусматривает возможность направления или проведения выпускных труб двух самых внешних цилиндров в начале по направлению внутрь, в направлении частичной выпускной трубы самых внешних цилиндров, что также должно выполняться в отношении общей выпускной трубы, которая должна образовываться ниже по потоку.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых сегменты наружной стенки продолжаются дальше в направлении наружной стороны головки блока цилиндров перпендикулярно продольной оси головки блока цилиндров на расстояние Δs, чем сегмент внутренней стенки, при этом Δs≥5 мм.

В частности, предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых Δs≥10 мм.

Имитационные моделирования с компьютерной поддержкой показывают, что, в отдельных случаях, удовлетворительная характеристика крутящего момента может достигаться, даже когда сегмент наружной стенки тянется на 5 мм или больше за пределы сегмента внутренней стенки в направлении наружной стороны по меньшей мере одной головки блока цилиндров, при этом расстояние Δs измеряется перпендикулярно продольной оси по меньшей мере одной головки блока цилиндров и, в качестве опорной точки, берется точка на сегменте стенки, которая выступает дальше всего в систему выпуска отработавших газов в направлении наружной стороны.

Чем дальше сегменты наружной стенки выступают за пределы сегмента внутренней стенки, тем отчетливее выражено разделение расстояния прохождения выпускных труб и яснее или ощутимее получающийся в результате эффект, а именно, что цилиндры, последовательно подвергаемые зажиганию при изменении наддува, оказывают меньшее влияние друг на друга и, в частности, не мешают друг другу.

По причинам, приведенным выше, предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых выпускные трубы цилиндра соединяются в общую выпускную трубу внутри головки блока цилиндров, чтобы образовывать встроенный выпускной коллектор. Этот вариант осуществления обладает всеми преимуществами, которые приходят из выпускного коллектора, полностью встроенного в головку блока цилиндров.

Однако, могут быть предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых частичная выпускная труба двух самых внешних цилиндров и выпускные трубы двух самых внешних цилиндров соединяются в общую выпускную трубу снаружи головки блока цилиндров.

Здесь, сегменты наружной стенки, которые выступают в систему выпуска отработавших газов, продолжаются вплоть до наружной стороны головки блока цилиндров, так что Δs=Δd. Потоки отработавших газов отделены друг от друга сегментами наружной стенки до тех пор, пока они не покидают головку блока цилиндров, так что система выпуска отработавших газов выходит из головки блока цилиндров в форме трех выпускных проемов. Три выпускных трубы соединяются в общую выпускную трубу ниже по потоку от головки блока цилиндров, а отсюда, только вне головки блока цилиндров.

Предпочтительно с общей выпускной трубой, образованной снаружи головки блока цилиндров, могут быть предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых сегменты наружной стенки, которые выступают в систему выпуска отработавших газов, продолжаются за пределы наружной стороны головки блока цилиндров. Согласно этому варианту осуществления, потоки отработавших газов из трех впускных труб отделены друг от друга сегментами наружной стенки даже после ухода из головки блока цилиндров. В этом варианте осуществления двигателя внутреннего сгорания, система выпуска отработавших газов также выходит из головки блока цилиндров в форме трех выпускных проемов.

Общий признак двух вариантов осуществления, описанных выше, состоит в том, что выпускной коллектор выполнен модульным и содержит сегмент коллектора, встроенный в головку блока цилиндров, и наружный коллектор или сегмент коллектора.

Наружный сегмент коллектора также может быть образован компонентом, расположенным в системе выпуска отработавших газов, например, впускным корпусом турбины или наружного коллектора.

Что касается соединения выпускных труб снаружи головки блока цилиндров и выпуска системы выпуска отработавших газов в виде трех выпускных проемов, предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых частичная выпускная труба двух самых внутренних цилиндров и выпускные трубы двух самых внешних цилиндров, на выпуске из головки блока цилиндров наружу, образуют поперечные сечения, которые лежат на линии, а именно так, чтобы поперечные сечения имели по существу равные расстояния от установочной поверхности.

Линейный маршрут, описанный выше, предоставляет возможность компактной конструкции головки блока цилиндров, в частности, формирования головки блока цилиндров малой высоты, при этом высота головки измеряется перпендикулярно установочной поверхности. Возникают преимущества, связанные с конструкцией головки блока цилиндров малого объема, а именно, преимущества стоимости и весовые преимущества.

С сегментами наружной стенки, продолжающимися за пределы наружной стороны головки блока цилиндров, сегменты наружной стенки могут выполняться из одной обрабатываемой детали с по меньшей мере одной головкой блока цилиндров, при этом сегменты стенки в неустановленном состоянии двигателя внутреннего сгорания, выступают из головки блока цилиндров и выпячиваются наружу.

В качестве альтернативы, сегменты наружной стенки также могут быть выполнены модульными.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых сегменты наружной стенки выполнены модульными, головка блока цилиндров образует один частичный сегмент, а наружный коллектор или сегмент коллектора образует дополнительный частичный сегмент.

Также предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых сегменты наружной стенки выполнены модульными, и, в каждом случае, головка блока цилиндров образует один частичный сегмент, а впускная область турбины образует дополнительный частичный сегмент.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых предусмотрено по меньшей мере одно устройство наддува. Устройство наддува, например, может быть турбонагнетателем и/или компрессором с приводом от системы выпуска.

В частности, предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с по меньшей мере одним турбонагнетателем с приводом от системы выпуска, содержащим турбину, в котором турбина расположена в системе выпуска отработавших газов и содержит впускную область для подачи отработавших газов.

Турбонагнетатель с приводом от системы выпуска содержит компрессор и турбину, которые размещены на одном и том же валу. Поток горячих отработавших газов подается в турбину и расширяется, выделяя энергию в турбину и приводя во вращение вал. Энергия, выделяемая потоком отработавших газов в турбине и, в заключение, на валу, используется для приведения в движение компрессора, который также расположен на валу. Компрессор выдает и сжимает наддувочный воздух, подаваемый в него, тем самым, цилиндры подвергаются наддуву. В тех случаях, когда применимо, предусмотрено охлаждение наддувочного воздуха, с которым сжатый воздух для сгорания охлаждается перед поступлением в цилиндры.

Наддув, главным образом, служит для повышения эксплуатационных качеств двигателя внутреннего сгорания. Воздух, требуемый для процесса сгорания, сжимается, тем самым, за рабочий ход, большая масса воздуха может подаваться в каждый цилиндр. В результате, масса топлива, а отсюда, среднее давление, может увеличиваться. Наддув является подходящим средством для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания при неизменном рабочем объеме или для снижения рабочего объема для той же самой мощности. В каждом случае, наддув приводит к увеличению мощности камеры сгорания и более благоприятным показателям рабочих характеристик. Для одних и тех же внешних условий транспортного средства, общая нагрузка, следовательно может быть смещена по направлению к более высоким нагрузкам, при которых ниже удельное потребление топлива.

В предшествующем уровне техники были предприняты попытки улучшить характеристики крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом различными средствами. Например, с помощью небольшого поперечного сечения конструкции турбины и, в частности, одновременного выпуска отработавших газов, однако, посредством использования нескольких турбонагнетателей с приводом от системы выпуска, чьи турбины расположены параллельно или в ряд.

Турбина также может быть снабжена изменяемой геометрией турбины, которая предоставляет возможность более обширной адаптации к соответственной рабочей точке двигателя внутреннего сгорания посредством настройки геометрии турбины или эффективного поперечного сечения турбины. Здесь, во впускной области турбины, предусмотрены настраиваемые направляющие лопатки для оказания влияния на направление потока. В противоположность поворотным лопаткам вращающегося рабочего колеса, направляющие лопатки не вращаются с валом турбины.

Если турбина имеет постоянную не меняющуюся геометрию, направляющие лопатки не только стационарны, но также расположены полностью неподвижными во впускной области, то есть жестко закреплены. При переменной геометрии, однако, неподвижные лопатки, хотя и расположены стационарно, не полностью неподвижны, но вращаются вокруг своих осей, так чтобы могло оказываться влияние на входной поток на поворотные лопатки.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одна головка блока цилиндров снабжена интегральной рубашкой охлаждающей жидкости. Двигатели внутреннего сгорания с наддувом, в частности, подвергаются более высокой тепловой нагрузке, нежели двигатели без наддува, тем самым, более высокие требования должны быть наложены на охлаждение.

В принципе, можно проектировать охлаждение в виде воздушного охлаждения или жидкостного охлаждения. При жидкостном охлаждении, однако, существенно большие количества тепла могут рассеиваться, чем возможно при воздушном охлаждении.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых каждый цилиндр имеет по меньшей мере два выпускных окна для выпуска отработавших газов из цилиндра.

Как уже отмечено, во время изменения наддува, требуется быстрое освобождение как можно большего поперечного сечения потока, для того чтобы удерживать как можно более низкими потери дросселирования в вытекающих отработавших газах и гарантировать эффективный выпуск отработавших газов. Поэтому, предпочтительно выполнять цилиндры с двумя или более выпускными окнами.

Вторая частичная задача, на которой основано изобретение, а именно, способ приведения в действие двигателя внутреннего сгорания типа, описанного выше, цилиндры которого снабжены устройством зажигания для инициирования внешнего зажигания, достигается способом, в котором цилиндры подвергаются зажиганию в последовательности 1-2-4-2, при этом цилиндры, начиная с самого внешнего цилиндра, считаются и нумеруются в ряд вдоль продольной оси по меньшей мере одной головки блока цилиндров.

Изложения, произведенные в связи с двигателем внутреннего сгорания согласно изобретению, также применяются к способу согласно изобретению.

Зажигание в цилиндрах в последовательности 1-3-4-2 является предпочтительным, так как система выпуска отработавших газов согласно изобретению была оптимизирована в отношении этой последовательности зажигания, тем самым, достигается требуемый положительный эффект, в частности в связи с упомянутой последовательностью сгорания.

Изобретение подробнее описано ниже со ссылкой на один из примеров варианта осуществления, показанный на фиг. 1 и 2, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует схематично часть системы выпуска отработавших газов по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания на виде сверху, и

фиг. 2 иллюстрирует выпуск системы выпуска отработавших газов из головки блока цилиндров в варианте осуществления, показанном на фиг. 1.

Фиг. 1 схематично показывает часть системы 1 выпуска отработавших газов по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания на виде сверху. Плоскость чертежа проходит параллельно установочной поверхности (не показана).

Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания имеет четыре цилиндра 2, которые расположены вдоль продольной оси 10 блока цилиндров, то есть, в ряд. Блок цилиндров, поэтому, имеет два самых внешних цилиндра 2а и два самых внутренних цилиндра 2b.

Каждый цилиндр 2 имеет два выпускных окна 3, к которым присоединены выпускные трубы 4 системы 1 выпуска отработавших газов, чтобы выпускать отработавшие газы. Выпускные трубы 4 цилиндров 2 соединяются ступенчато в общую выпускную трубу 6, при этом первые выпускные трубы 4 двух самых внутренних цилиндров 2, 2b соединяются в частичную выпускную трубу 5 перед тем, как эта частичная выпускная труба 5 соединяется с выпускными трубами 4 двух самых внешних цилиндров 2, 2а в общую выпускную трубу 6.

Для этого, два сегмента 9а наружной стенки, каждый из которых частично отделяет друг от друга выпускную трубу 4 самого внешнего цилиндра 2, 2а и выпускную трубу 4 смежного самого внутреннего цилиндра 2, 2b, и выступает в систему 1 выпуска отработавших газов, продолжаются дальше в направлении наружной стороны 8 головки блока цилиндров, чем сегмент 9а внутренней стенки, который частично отделяет друг от друга выпускные трубы 4 двух самых внутренних цилиндров 2, 2b и выступает в систему 1 выпуска отработавших газов.

В представленном случае, выпускные трубы 4 двух самых внутренних цилиндров 2, 2b соединяются внутри головки блока цилиндров в частичную выпускную трубу 5, при этом свободный конец 9b' сегмента 9b внутренней стенки, выступающий в систему 1 выпуска отработавших газов, имеет расстояние Δd от наружной стороны 8 головки блока цилиндров, перпендикулярно продольной оси 10 головки блока цилиндров. Сегменты 9а наружной стенки, которые выступают в систему 1 выпуска отработавших газов, однако, продолжаются за пределы наружной стороны 8 головки блока цилиндров, так чтобы частичная выпускная труба 5 двух самых внутренних цилиндров 2, 2b и выпускные трубы 4 двух самых внешних цилиндров 2, 2а соединялись в общую выпускную трубу 6 только за пределами головки блока цилиндров, чтобы образовывать точку 7 сбора.

В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, система 1 выпуска отработавших газов, поэтому, выходит из головки блока цилиндров в виде трех выпускных проемов (см. фиг. 2). Потоки отработавших газов выпускных труб 4, 5 даже после ухода из головки блока цилиндров, отделены друг от друга сегментами 9а наружной стенки. Таким образом, сегменты 9а наружной стенки образованы модульными, при этом в каждом случае, головка блока цилиндров образует один частичный сегмент 9a', а впускной корпус 12 турбины 11, расположенной в общей выпускной трубе 6, образует дополнительный частичный сегмент 9aʺ.

До такой степени, выпускной коллектор 1а всего лишь частично встроен в головку блока цилиндров, при этом сегмент 1а коллектора, лежащий внутри головки блока цилиндров, дополняется сегментом 1b коллектора, лежащим вне головки 1 блока цилиндров, то есть, наружным сегментом 1b коллектора.

Фиг. 2 показывает выпуск системы выпуска отработавших газов из головки блока цилиндров в варианте осуществления, показанном на фиг. 1. Пояснения даны только в дополнение к таковым по фиг. 1, в иных случаях, сделана ссылка на фиг. 1 и связанное описание. Одинаковые номера ссылок используются для идентичных компонентов. Фиг. 2 - проекция, в которой компоненты показаны с нескольких проекций.

Центральная частичная выпускная труба 5 двух самых внутренних цилиндров и поперечно смежные выпускные трубы 4 двух самых внешних цилиндров, на выпуске из головки блока цилиндров на наружную сторону, образуют поперечные сечения, которые лежат на линии и имеют равное расстояние от установочной поверхности 13.

Головка блока цилиндров снабжена рубашкой охлаждающей жидкости для жидкостного охлаждения, которая содержит нижнюю рубашку 14b охлаждающей жидкости, расположенную между выпускные трубы 4, 5 и установочной поверхностью 13 головки блока цилиндров, и верхнюю рубашку 14а охлаждающей жидкости, которая расположена на стороне выпускных труб 4, 5, лежащую напротив нижней рубашки 14b охлаждающей жидкости.

Расположенные на расстоянии от выпускных труб 4, 5, соединительные каналы 14с предусмотрены между нижней рубашкой 14b охлаждающей жидкости и верхней рубашкой 14а охлаждающей жидкости, которые служат для прохождения охлаждающей жидкости.

Перечень ссылочных позиций

1 Система выпуска отработавших газов, коллектор отработавших газов

1а Встроенный сегмент коллектора, сегмент коллектора, лежащий внутри головки блока цилиндров

1b Наружный сегмент коллектора, сегмент коллектора, лежащий вне головки блока цилиндров

2 Цилиндр

2а Самый внешний цилиндр

2b Самый внутренний цилиндр

3 Выпускное окно

4 Выпускная труба

5 Частичная выпускная труба

6 Общая выпускная труба

7 Точка сбора

8 Наружная сторона головки блока цилиндров

9а Сегмент наружной стенки

9a' Частичный сегмент сегмента наружной стенки

9aʺ Дополнительный частичный сегмент сегмента наружной стенки

9b Сегмент внутренней стенки

9b' Свободный конец сегмента внутренней стенки

10 Продольная ось головки блока цилиндров

11 Турбина

12 Впускной корпус или впускная область турбины

13 Установочная поверхность

14а Верхняя рубашка охлаждающей жидкости

14b Нижняя рубашка охлаждающей жидкости

14с Соединительные каналы

°CA Угол поворота коленчатого вала в градусах

Δd Расстояние свободного конца сегмента внутренней стенки от наружной стороны головки блока цилиндров

Δs Расстояние, на которое сегмент наружной стенки выступает за пределы сегмента внутренней стенки

Claims

1. Двигатель внутреннего сгорания с по меньшей мере одной головкой блока цилиндров, которая может быть соединена на установочной поверхности (13) с блоком цилиндров, содержащим четыре цилиндра (2, 2а, 2b), расположенные в ряд вдоль продольной оси (10) головки блока цилиндров, при этом каждый цилиндр (2, 2а, 2b) имеет по меньшей мере одно выпускное окно (3) для выпускания отработавших газов из цилиндра (2, 2а, 2b) через систему (1) выпуска отработавших газов, для чего труба (4) отработавших газов присоединена на каждом выпускном окне (3), причем трубы (4) отработавших газов цилиндров (2, 2а, 2b) соединяются ступенчато в общую трубу (6) отработавших газов и система (1) выпуска отработавших газов выходит на наружной стороне (8) головки блока цилиндров, отличающийся тем, что два сегмента (9а) наружной стенки, каждый из которых частично отделяет друг от друга по меньшей мере одну выпускную трубу (4) самого внешнего цилиндра (2, 2а) и по меньшей мере одну выпускную трубу (4) смежного самого внутреннего цилиндра (2, 2b) и которые выступают в систему (1) выпуска отработавших газов, продолжаются дальше в направлении наружной стороны (8) головки блока цилиндров перпендикулярно продольной оси (10) головки блока цилиндров, чем сегмент (9b) внутренней стенки, который частично отделяет друг от друга выпускные трубы (4) двух самых внутренних цилиндров (2, 2b) и выступает в систему (1) выпуска отработавших газов, так что выпускные трубы (4) двух самых внутренних цилиндров (2, 2b) соединяются в частичную выпускную трубу (5) до того, как эта частичная выпускная труба (5) и выпускные трубы (4) двух самых внешних цилиндров (2, 2а) соединяются в общую выпускную трубу (6).

2. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что выпускные трубы (4) двух самых внутренних цилиндров (2, 2b) соединяются внутри головки блока цилиндров в частичную выпускную трубу (5).

3. Двигатель внутреннего сгорания по п. 2, отличающийся тем, что свободный конец (9b') сегмента (9b) внутренней стенки, выступающего в систему (1) выпуска отработавших газов, имеет расстояние Δd от наружной стороны (8) головки блока цилиндров перпендикулярно продольной оси (10) головки блока цилиндров, при этом Δd≥15 мм.

4. Двигатель внутреннего сгорания по п. 3, отличающийся тем, что Δd≥20 мм.

5. Двигатель внутреннего сгорания по п. 3 или 4, отличающийся тем, что Δd≥25 мм.

6. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что сегменты (9а) наружной стенки продолжаются дальше в направлении наружной стороны (8) головки блока цилиндров перпендикулярно продольной оси (10) головки блока цилиндров на расстояние Δs, чем сегмент (9b) внутренней стенки, при этом Δs≥5 мм.

7. Двигатель внутреннего сгорания по п. 6, отличающийся тем, что Δs≥10 мм.

8. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что выпускные трубы (4) цилиндров (2, 2а, 2b) соединяются в общую выпускную трубу (6) внутри головки блока цилиндров, образуя встроенный выпускной коллектор (1).

9. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что частичная выпускная труба (5) из двух самых внутренних цилиндров (2, 2b) и выпускные трубы (4) из двух самых внешних цилиндров (2, 2а) соединяются в общую выпускную трубу (6) снаружи головки блока цилиндров.

10. Двигатель внутреннего сгорания по п. 9, отличающийся тем, что сегменты (9а) наружной стенки, которые выступают в систему (1) выпуска отработавших газов, продолжаются вплоть до наружной стороны (8) головки блока цилиндров, так что Δs=Δd.

11. Двигатель внутреннего сгорания по п. 9, отличающийся тем, что сегменты (9а) наружной стенки, которые выступают в систему (1) выпуска отработавших газов, продолжаются за пределы наружной стороны (8) головки блока цилиндров.

12. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 9-11, отличающийся тем, что частичная выпускная труба (5) двух самых внутренних цилиндров (2, 2b) и выпускные трубы (4) двух самых внешних цилиндров (2, 2а), на выпуске из головки блока цилиндров на наружную сторону (8), образуют поперечные сечения труб, которые лежат на линии так, чтобы поперечные сечения линии имели, по существу, равные расстояния от установочной поверхности (13).

13. Двигатель внутреннего сгорания по п. 11, отличающийся тем, что сегменты (9а) наружной стенки выполнены модульными, при этом в каждом случае головка блока цилиндров образует один частичный сегмент (9a'), а наружный коллекторный сегмент (1b) образует дополнительный частичный сегмент (9aʺ).

14. Двигатель внутреннего сгорания по п. 11, отличающийся тем, что сегменты (9а) наружной стенки выполнены модульными, при этом в каждом случае головка блока цилиндров образует один частичный сегмент (9a'), а впускной корпус (12) турбины (11) образует дополнительный частичный сегмент (9aʺ).

15. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что предусмотрено по меньшей мере одно устройство наддува.

16. Способ приведения в действие двигателя внутреннего сгорания по любому из пп. 1-15, в котором цилиндры (2, 2а, 2b) снабжены устройствами зажигания для инициирования внешнего воспламенения, отличающийся тем, что цилиндры (2, 2а, 2b) подвергаются зажиганию в последовательности 1-3-4-2, при этом цилиндры (2, 2а, 2b), начиная с самого внешнего цилиндра (2, 2а), считаются и нумеруются вдоль продольной оси (10) по меньшей мере одной головки блока цилиндров.