WO2018231099A1 - Device for turbocharging an internal combustion engine - Google Patents

Device for turbocharging an internal combustion engine Download PDF

Info

Publication number
WO2018231099A1
WO2018231099A1 PCT/RU2018/000382 RU2018000382W WO2018231099A1 WO 2018231099 A1 WO2018231099 A1 WO 2018231099A1 RU 2018000382 W RU2018000382 W RU 2018000382W WO 2018231099 A1 WO2018231099 A1 WO 2018231099A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
inlet
output
air
charge air
input
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000382
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Денис Валентинович НИКИШИН
Original Assignee
Денис Валентинович НИКИШИН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Денис Валентинович НИКИШИН filed Critical Денис Валентинович НИКИШИН
Publication of WO2018231099A1 publication Critical patent/WO2018231099A1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01PCOOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P1/00Air cooling
    • F01P1/02Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads, e.g. ducting cooling-air from its pressure source to cylinders or along cylinders
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0425Air cooled heat exchangers
    • F02B29/0431Details or means to guide the ambient air to the heat exchanger, e.g. having a fan, flaps, a bypass or a special location in the engine compartment
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D23/00Controlling engines characterised by their being supercharged
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to mechanical engineering, in particular to internal combustion engines operating using gas turbine pressurization.
  • turbocharging devices in internal combustion engines (“Tuning automobile engines” St. Moscow, VN Stepanov, 2000 p. 55; International annual catalog “Global Sourcing Guide 2006”, p. 216), in which the increase in air supply the intake manifold is provided by using the energy of the exhaust gases to drive an air compressor.
  • the use of turbocharging allows for the burning of more fuel, resulting in increased engine output compared to the power obtained under natural suction conditions.
  • turbocharging provides fuel savings per unit of power and reduced exhaust gas toxicity due to more complete combustion of the fuel.
  • a disadvantage of the known devices is the lack of automatic adjustment of the turbocharging value, which can lead to both thermal overload and even destruction of the turbine at high engine speeds, and to low efficiency at low speeds due to the presence of the so-called "Turboyama". Its presence is explained by the fact that at low speeds or immediately after a sharp depressing of the gas pedal, the pressure of the exhaust gases differs little from atmospheric pressure, as a result of which the rotation speed of the turbocharger impeller is not sufficient to compress the intake air to the desired volume. As a result of this there is a shortage of air in the combustible mixture and its component - oxygen, which reduces the engine throttle response.
  • Turbocharging devices are known, described, for example, in RF patent N “2425991 and patent application US20130152583, in which automatic adjustment of the degree of turbocharging is provided by changing the geometry of the turbocharger according to the corresponding commands of the control unit.
  • a change in the flow of exhaust gases entering the turbine blades is provided to optimize power for a given load.
  • the guide vanes of the turbine move apart, protecting from exceeding the speed and maintaining the boost pressure at the level required for the engine.
  • the above devices are characterized by insufficient reliability due to resource wear of moving parts, as a result, excessive backlash occurs in the blade control mechanism and deposits appear that violate the mobility of its parts.
  • the presence of a large amount of carbon deposits leads to a decrease in the mobility of parts and their subsequent jamming. For this reason, the position of the guide vanes no longer corresponds to the control action or, as a last resort, the guide vanes do not rotate at all. As a result, the pressure of the charge air is no longer adequate for the stable operation of the engine.
  • the known turbocharger device comprises a turbocharger including a turbine, the inlet of which is connected to the output manifold of the internal combustion engine, and the outlet is connected to the atmosphere, and a compressor, the output of which is connected to the intake manifold of the internal combustion engine through the cooler and throttle, the air filter, the input of which is connected to the atmosphere, a bypass valve that is connected between the ICE exhaust manifold and the turbine output, a bypass valve that is connected between the throttle valve input and the compressor input, and the control unit phenomena, the information inputs of which are connected to sensors installed on the engine, accelerator pedals, as well as the inputs of the air filter and throttle, and the corresponding outputs are connected to the control inputs of the throttle, bypass valve and bypass valve.
  • An intercooler is used as a charge air cooler in the known device, which is a heat exchanger consisting of a system of thin tubes bent by a “snake” and plates located between them. The plates increase the surface area of the intercooler and provide better heat transfer from the charge air to the atmosphere.
  • the intake air is filtered and compressed in a turbocharger to produce charge air, which is then cooled and fed to the intake manifold of the internal combustion engine.
  • the temperature and pressure of the charge air are measured, the values of which regulate the speed of rotation of the turbocharger by means of a controlled supply of part of the exhaust gases to the atmosphere, bypassing the turbocharger.
  • the charge air is cooled by atmospheric air when passing through the intercooler.
  • This device provides control of the charge air in the intake manifold of the internal combustion engine, and, as a result, increase the dynamics of control of the internal combustion engine operation mode.
  • the throttle response of the internal combustion engine is improved, that is, the response time of the internal combustion engine operating mode to a control action is reduced, for example, pressing the accelerator pedal.
  • the control of the charge air flow entering the internal combustion engine intake manifold is carried out by the control unit by the signals of the accelerator sensor, as well as by the signals of the temperature and pressure sensors installed on the inlet and outlet pipes, the engine block, and at the compressor output, by changing the position of the throttle valve, bypass and bypass valves.
  • the programmed control algorithm ensures maximum approximation of the adjustment range to the previously selected upper and lower limits of the compressor shaft rotation speeds taking into account the temperature and pressure of the intake and charge air, as well as the internal combustion engine operating mode.
  • the known device is characterized by insufficiently high dynamics of control of the flow of charge air, and, as a consequence, the mode of operation of the internal combustion engine.
  • This is due to the use of an intercooler in a known device, which is an inertial link in the path of charge air to the intake manifold of the internal combustion engine. Before the charge air passes the path from the compressor to the intake manifold of the internal combustion engine, it must fill the entire system of tubes of the intercooler.
  • each bend of the tube creates additional resistance to the flow of charge air passing through it, which generally reduces the speed of passage of charge air on the way from the compressor to the ICE intake manifold. Due to the fact that the intercooler creates resistance to the flow of charge air passing through it, the pressure at the outlet of the intercooler decreases, and therefore, to obtain a given pressure in the intake manifold of the internal combustion engine, it is necessary to increase the pressure at the compressor outlet, which leads to an additional increase in the temperature of the charge air.
  • a disadvantage of the known device is also the fact that when the bypass valve is activated, hot charge air enters the compressor inlet and raises the already high temperature at its outlet. That is, the effect of a closed ring occurs, leading to a significant increase in temperature and a decrease in the density of charge air, which ultimately also leads to a decrease in the dynamics of engine control.
  • the basis of the invention is the development of a device for a turbocharged internal combustion engine, in which the organization of cooling the charge air in the operating mode of the engine, as well as heating the intake air during engine start-up and warm-up, would increase the dynamics of controlling the turbocharging of the internal combustion engine.
  • a turbocharger of an internal combustion engine containing a turbocharger including a turbine, the inlet of which is connected to the output manifold of the internal combustion engine, and the exhaust is connected to the atmosphere, and a compressor, a cooler connected to the compressor output and the throttle valve with an input manifold of an internal combustion engine, an air filter, the input of which is connected to the atmosphere, an overflow valve installed between the output manifold of the engine internal combustion and turbine outlet, a bypass valve, the input of which is connected to the cooler output, and a control unit, the information inputs of which are connected to the accelerator sensor and to the temperature and pressure sensors of the internal combustion engine, and the corresponding outputs are connected to the control inputs of the throttle valve, bypass valve and
  • the by-pass valve the charge air cooler has a second input connected to the output of the air filter and a second output connected to the compressor input and
  • the device contains an adjustable intake air cooler installed between the compressor inlet and the second outlet of the charge air cooler
  • the charge air cooler comprises a charge air duct made in the form of a long hollow a chamber having an inlet and outlet nozzles of a smaller cross section serving as the first inlet and outlet, respectively, of the inlet and outlet manifolds of the intake air, the inlet and outlet of which serve as the second inlet and outlet of the charge air cooler, while passing through the inlet manifold of the intake air the outlet pipe of the charge air duct, and through the output manifold of the intake air passes the inlet pipe of the charge air duct, accordingly, a group of inlet air inlet pipes mounted on the outer side surface of the charge air duct so that the inlet and outlet ends of each inlet air inlet pipe are connected to inlet and outlet air intake manifolds, respectively, and a group of cooling plates mounted on the inlet atmospheric inlets air.
  • the technical result of the claimed device for turbocharging an internal combustion engine is to increase the dynamics of control of a turbocharger, that is, reducing the reaction time of the engine to a control action. This is achieved due to the constructive implementation of the charge air cooler, in which the heat exchange between the inlet atmospheric and charge air is organized, and due to the controlled inlet air cooler, which provides cooling of the inlet atmospheric air before being fed to the turbocharger.
  • the inlet air temperature controller introduced into the device provides the formation of a control signal for the controlled inlet air cooler in order to maintain a predetermined temperature of the atmospheric air at the compressor inlet.
  • An additional increase in the dynamics of control of the turbocharging of the internal combustion engine provides the implementation of cooling plates on the outer side surface of the charge air duct, which reduces the thermal resistance between the elements of the charge air cooler and the atmosphere, reduces the temperature of the charge air and increases its density at the inlet of the throttle valve.
  • the proposed device provides for the intake of atmospheric air due to heat exchange of the heated charge-air duct with the intake air ducts, which reduces the time for the engine to reach its nominal mode and reduces emissions of harmful substances into the atmosphere.
  • An additional effect of the declared cooler design is an automatic increase in heat removal from the charge air flow with an increase in engine load due to a corresponding increase in the intake air volume, which leads to an increase in the dynamics of turbocharged engine control and improved engine throttle response, reduced fuel consumption and increased engine reliability by increasing cooler service life.
  • FIG. 1 depicts a functional diagram of a device for turbocharging an internal combustion engine according to the invention
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a charge air cooler according to the invention.
  • the turbocharger device of the internal combustion engine includes a turbocharger 1, including a turbine 2 and a compressor 3, and an internal combustion engine 4 (ICE 4).
  • ICE 4 includes an input manifold 5, an output manifold 6 and a cylinder block 7.
  • the device contains a charge air cooler 8, the first input 9 of which is connected to the output of the compressor 3, and the first output 10 through the throttle
  • the charge air cooler 8 has a second inlet 13 connected to the output of the air filter 14 and a second output 15 between which and the inlet of the throttle 11 installed bypass valve 16.
  • a distinctive feature of the present invention is the introduction to the circuit of the device of an adjustable air cooler 17, which is installed between the second output 15 of the charge air cooler 8 and the compressor inlet 3.
  • the adjustable air cooler 17 can be either one of the nodes of the car air conditioning system an independent module with various execution of actuating elements, which is known, for example, from WO2013105152 A1. US20120085512 A1, US20100025125 A1, US20140223925 A1.
  • the executive elements of the inlet air cooler 17 can be refrigerant tubes or Peltier elements placed on the air duct connecting the second outlet 15 of the cooler 8 to the compressor 3.
  • the regulation the degree of cooling is carried out by both electrically controlled dampers and voltage regulators.
  • the device includes an accelerator sensor 18 and temperature and pressure sensors 19, which are installed on the inlet manifold 5, the outlet manifold 6 and the cylinder block 7 of the engine 4, as well as in front of the throttle valve 11 and the inlet and outlet of the adjustable intake air cooler 17.
  • the device also includes a control unit 20, the outputs of which are connected to the control inputs of the throttle valve 11, the bypass valve
  • the information inputs of the control unit 20 are connected to the accelerator sensor 18 and to the temperature and pressure sensors 19 installed on the inlet manifold 5, outlet manifold 6, engine block 7 of the engine and at the inlet of the throttle valve 11.
  • the inlet air temperature controller 22 is connected to the control unit 20, the information inputs of which are connected to temperature and pressure sensors 19 installed at the inlet and outlet of the adjustable inlet air cooler 17.
  • one of the information inputs of the intake air temperature controller 22 is connected to the output of the control unit 20, which, in turn, is connected to the control input of the bypass valve 16.
  • the output of the intake air temperature controller 22 is connected to the control input of the adjustable atmospheric intake cooler 17 air.
  • the charge air cooler 8 comprises a charge air duct 23 (FIG. 2) made in the form of a hollow extended chamber with inlet and outlet nozzles 24, 25 of a smaller cross section connected to the chamber by means of adapters 26, 27.
  • the inlet nozzle 24, which is the first input 9 of the cooler 8 is in communication with the compressor 3 (Fig. 1), and the output pipe 25, which is the first output 10 of the cooler 8, is in communication with the throttle valve 11.
  • the duct 23 may have a different shape, for example, round, oval, rectangular, which is determined by the design features and the proposed installation location of the cooler 8 in the car.
  • the charge air cooler 8 also includes an intake air inlet manifold 28, which is fixed to the output end of the charge air duct 23, and its inlet pipe serves as the second inlet 13 of the cooler 8.
  • the output pipe 25 of the charge air duct 23 passes through the intake air manifold 28.
  • the cooler 8 contains an outlet manifold 29 of the inlet atmospheric air, mounted on the inlet end of the charge air duct 23 through a thermally insulating gasket 30.
  • the outlet manifold 29 has an outlet pipe serving as the second outlet 15 of the cooler 8, which is in communication with the adjustable cooler 17 of the inlet atmospheric air ( figure 1).
  • the cavity of the outlet manifold 29 is divided into chambers 31, 32, the first of which contains the inlet pipe 24 of the charge air duct 23.
  • a group of inlet atmospheric air pipes 33 is mounted, the inlet ends of which are connected to the inlet air manifold 28.
  • the outlet ends of the inlet air inlet pipes 33 pass into the second chamber 32 of the outlet air inlet 29 of the inlet air through the gaskets preventing the “suction” of atmospheric air.
  • the number of inlet air nozzles 33 is determined by the design features of the particular cooler 8 and the intended installation location in the car so that the entire outer surface of the charge air duct 23 is coated with the surfaces of the respective nozzles 33.
  • a common heat conducting material is formed between the contacting surfaces of the nozzles 33 and the charge air duct 23 surface through which heat is exchanged between charge air and the inlet farm air.
  • the nozzles 33 are placed on the side surface of the duct 23 in compliance with the lowest possible thermal resistance, for example, by laying on a layer of heat-conducting paste.
  • cooling plates 34 are fixed, which perform the function of radiators that reduce thermal resistance in the pipe section 33 — atmosphere.
  • the shape and dimensions of the cooling plates 34 are calculated in terms of minimizing thermal resistance and the installation location of the cooler 8 in the car.
  • Device turbocharging an internal combustion engine operates as follows.
  • the bypass valve 12 and the bypass valve 16 are closed, as a result of which all exhaust gases coming from the exhaust manifold 6 of the internal combustion engine 4 are directed to the turbine 2 of the turbocharger 1, untwisting it and the compressor 3, which is located on the same shaft with the turbine 2.
  • the actuator for example, tubes with refrigerant or Peltier elements
  • the adjustable cooler 17 of the intake air is turned off and the air flow is unchanged temperature enters the inlet of the compressor 3, in which the stream of inlet atmospheric air is compressed, and its pressure and temperature increase as the speed of rotation of the turbine 2 increases, thereby forming a charge air stream.
  • the charge air is directed to the first inlet 9 of the cooler 8, in which after the passage of the charge air duct 23 through the throttle valve 11, it enters the intake manifold 5 of the internal combustion engine 4.
  • the charge air duct 23 is heated, heat is transferred to the group of pipes 33, providing heating of the intake atmospheric passage passing through it air.
  • An increase in the temperature of the intake air at the inlet of the compressor 3 leads to a proportional increase in the temperature at its outlet and, accordingly, in the input manifold 5 of the internal combustion engine 4. This ensures an accelerated (in comparison with the prototype) heating of the internal combustion engine 4 and its output to the nominal temperature mode, providing an adequate response to the signal from the accelerator sensor 18, that is, increasing the dynamics of control of the engine operating mode and reducing emissions to the nominal nominal level.
  • Information signals from sensors 19 installed at the inlet and outlet of the variable intake air cooler 17 are fed to the information inputs of the controller 22, which generates a control signal for the adjustable intake air cooler 17.
  • the temperature of the intake air at the inlet of the compressor 3 is stabilized within the specified limits both when the temperature and pressure of the atmospheric air change, and when the operating modes and vehicle speed are changed.
  • the controller 22 Upon receipt of a command from the control unit 20 to turn on the bypass valve 16, the controller 22 generates commands received at the control input of the adjustable intake air cooler 17 for forced temperature reduction to stabilize it within the specified limits at the inlet of compressor 3. In more detail, the process of cooling the charge air will be described below.
  • control unit 20 In the normal operation mode of the internal combustion engine 4, information signals about the operating mode of the internal combustion engine 4, in particular, the temperature and pressure of charge air, are received at the input of the control unit 20 from the sensors 19. The obtained values are processed by the control unit 20, compared with those programmed for a specific operating mode with values and in case of their difference, signals are generated that enter the control inputs of the bypass valve 12, the bypass valve 16 and the throttle valve 11, as a result of which the position of the said adjusting elements changes. Based on the signals from the sensors 19 installed at the inlet and outlet of the adjustable air cooler 17, the controller 22 generates a control signal for the regulated air cooler 17, which determines the degree of cooling required to achieve an acceptable range of temperature changes of the intake air at the compressor inlet 3.
  • control unit 20 and the controller 22 can be generally implemented within a single on-board processor unit of a vehicle.
  • the charge air from the compressor 3 reaches the throttle valve 11, passing through the inlet pipe 24, the first adapter 26, the charge air duct 23, the second adapter 27 and the output pipe 25.
  • the heat-insulating gasket 30 reduces the heat loss in the charge air supply to the duct 23.
  • heat exchange between two oppositely directed flows — charge air and intake air is arranged in the charge air cooler 8. Due to the fact that the temperature of the charge air due to compression in the compressor 3 exceeds the temperature of the intake air, and the flows move towards each other, heat is transferred from the charge air to the intake air through a common heat-conducting surface. As a result, the charge air is cooled and, accordingly, heated intake air. Due to the low thermal resistance between the side surface of the charge air duct 23 and the nozzles 33 through which the intake air stream flows, the charge air is cooled with little heat loss.
  • cooling of the charge air is carried out by means of cooling plates 34, which transfer heat from the heated inlet atmospheric air to the atmosphere.
  • the charge air enters the throttle valve 11 from the charge air duct 23, which is a chamber for storing and cooling the air, the shape and volume of which are determined by the specific design features of the car.
  • This technical solution provides not only storage and cooling of air, but also allows you to accumulate the required amount of air in the duct to overcome the effect of "turbo holes", the duration of which is 0.5 - 2 seconds.
  • the volume of the charge air duct 23 is selected based on the possibility of accumulating the necessary amount of air to ensure the operation of the internal combustion engine 4, excluding the "turbo hole".
  • the proposed constructive design of the charge air cooler 8 namely, the presence of parallel inlet pipes 33 of the inlet atmospheric air and the volume air duct 23 of the charge air acting as an integrator of the air flow, unlike the prototype device, practically does not impair the dynamic characteristics of the channel for supplying charge air to the intake manifold 5.
  • the described structural solution of the charge air cooler 8 is significantly different from the known devices of similar designation. in which the widely used cooler coil, included at the inlet of the throttle valve, creates an additional delay in the air flow, thereby increasing the effect of the "turbo hole" in the engine.
  • a volumetric charge air duct 23 reduces the frequency of switching on the bypass valve 16, through which hot charge air from the output of the compressor 3 is supplied to the throttle valve 11 and then to the intake manifold 5 of the ICE 4.
  • the accumulation of charge air occurs in the duct 23 according to the signals of the sensor 19 installed at the inlet of the throttle valve 11, which allows to further reduce the temperature of the charge air directly at the entrance to the input manifold 5 ICE 4.
  • the claimed device In contrast to the known device adopted as a prototype, the claimed device lacks thin air ducts with high dynamic resistance, which leads to a delay in signal processing by the control air flow and to a loss of pressure of the charge air.
  • An additional effect of the claimed performance of the charge air cooler 8 is an automatic increase in heat removal from the charge air flow when the engine load increases due to a corresponding increase in the amount of intake air that cools the charge air duct, resulting in an increase in the dynamics of control of the turbocharged engine. That is, when the car moves on difficult road sections (steep climb, rough terrain or city traffic with traffic jams), the flow of external atmospheric air cooling the charge air duct 23 will not decrease, unlike the device used as a prototype. In this case, the pressure and temperature of the charge air at the outlet of the compressor 3 and at the inlet manifold of the internal combustion engine 4 will correspond to the required values, which will always provide an adequate reaction of the internal combustion engine 4 to a change in the position of the accelerator pedal.
  • the direct-flow counter-motion of the intake air and charge air along the common heat-conducting surface and the controlled cooling of the intake air are arranged before the turbocharger 1 is supplied to the compressor 3 by means of a controlled intake air cooler 17 and convection exchange with the atmosphere.
  • the claimed device provides synchronization of the flow rate cooling air (intake air) and charge air temperature.
  • the present invention may find application in mechanical engineering in the manufacture of turbocharged internal combustion engines.

Abstract

A device for turburcharging an internal combustion engine comprises a turbocharger (1), including a turbine (2) and a compressor (3), a charging air cooler (8), an air filter (14), a throttle valve (11), a relief valve (12), a bypass valve (16), an adjustable intake atmospheric air cooler (17), a control unit (20) and an intake atmospheric air temperature controller (22), linked by a common data bus (21). Temperature and pressure sensors (19) installed on the internal combustion engine (4) and on the throttle valve (11) input and an accelerator sensor (18) are connected to information inputs of the control unit (20). A control output of the control unit (20) is connected to the bypass valve (16), the relief valve (12) and the intake atmospheric air temperature controller (22), to the information inputs of which temperature and pressure sensors (19), installed on the input and output of the adjustable intake atmospheric air cooler (17) are connected, and to the control input of which the output of the intake atmospheric air temperature controller (22) is connected. The charging air cooler (8) has a first input (9), connected to the output of the compressor (3), a first output (10), connected to the input of the throttle valve (11), a second input (13), connected to the air filter (14), and a second output (15), connected to the adjustable intake atmospheric air cooler (17) and to the input of the bypass valve (16), the output of which is connected to the first output (10) of the charging air cooler (8) .

Description

УСТРОЙСТВО ТУРБОНАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ  TURBOCHARGER FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Область техники Technical field
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, работающим с использованием газотурбинного наддува.  The invention relates to mechanical engineering, in particular to internal combustion engines operating using gas turbine pressurization.
Для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС) необходимо создать оптимальные условия для сгорания топлива, в частности обогатить воздушную смесь кислородом. Для этих целей в современных ДВС применяют турбонадцув. в результате чего давление впускного атмосферного воздуха возрастает и происходит увеличение его плотности, что. с одной стороны, обеспечивает повышение содержания кислорода, а с другой стороны - повышение температуры, что может привести к быстрому износу двигателя. Поэтому вопрос снижения температуры наддувочного воздуха, подаваемого в ДВС. является весьма актуальным для обеспечения длительной работы двигателя.  To increase the power of the internal combustion engine (ICE), it is necessary to create optimal conditions for the combustion of fuel, in particular, to enrich the air mixture with oxygen. For these purposes, modern ICEs use turbocharger. as a result of which the pressure of the intake air increases and its density increases, that. on the one hand, it provides an increase in oxygen content, and on the other hand, an increase in temperature, which can lead to rapid engine wear. Therefore, the issue of reducing the temperature of the charge air supplied to the internal combustion engine. It is very relevant to ensure long-term engine operation.
Предпосылки создани изобретения BACKGROUND OF THE INVENTION
Известны устройства турбонаддува в двигателях внутреннего сгорания («Тюнинг автомобильных двигателей» Санкт-Петербург, В.Н. Степанов, 2000 г. стр. 55; Международный ежегодный каталог «Global Sourcing Guide 2006», стр.216), в которых увеличение подачи воздуха во входной коллектор обеспечивается путем использования энергии отработавших газов для привода воздушного компрессора. Использование турбонаддува позволяет обеспечить сжигание большего количества топлива, в результате чего повышается выходная мощность двигателя по сравнению с мощностью, получаемой в условиях естественного всасывания. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечивает экономию топлива в расчете на единицу мощности и снижение токсичности отработавших газов за счет более полного сгорания топлива. Known turbocharging devices in internal combustion engines (“Tuning automobile engines” St. Petersburg, VN Stepanov, 2000 p. 55; International annual catalog “Global Sourcing Guide 2006”, p. 216), in which the increase in air supply the intake manifold is provided by using the energy of the exhaust gases to drive an air compressor. The use of turbocharging allows for the burning of more fuel, resulting in increased engine output compared to the power obtained under natural suction conditions. In addition to increasing power, turbocharging provides fuel savings per unit of power and reduced exhaust gas toxicity due to more complete combustion of the fuel.
Недостатком известных устройств является отсутствие автоматической регулировки величины турбонаддува, что может привести как к тепловой перегрузке и даже разрушению турбины при больших оборотах двигателя, так и к низкой эффективности работы на низких оборотах из-за наличия так называемой «турбоямы». Ее наличие объясняется тем, что на малых оборотах или сразу после резкого нажатия на педаль газа давление выхлопных газов мало отличается от атмосферного давления, вследствие чего скорость вращение крыльчатки турбонагнетателя не достаточна для сжатия впускного воздуха до нужного объема. В результате этого возникает дефицит воздуха в горючей смеси и его составляющей - кислорода, что снижает приемистость двигателя. A disadvantage of the known devices is the lack of automatic adjustment of the turbocharging value, which can lead to both thermal overload and even destruction of the turbine at high engine speeds, and to low efficiency at low speeds due to the presence of the so-called "Turboyama". Its presence is explained by the fact that at low speeds or immediately after a sharp depressing of the gas pedal, the pressure of the exhaust gases differs little from atmospheric pressure, as a result of which the rotation speed of the turbocharger impeller is not sufficient to compress the intake air to the desired volume. As a result of this there is a shortage of air in the combustible mixture and its component - oxygen, which reduces the engine throttle response.
Известны устройства турбонаддува, описанные, например, в патенте РФ N« 2425991 и патентной заявке US20130152583, в которых автоматическая регулировка степени турбонаддува обеспечивается изменением геометрии турбонагнетателя по соответствующим командам блока управления. В известных устройствах обеспечивается изменение потока отработанных газов, попадающих на лопатки турбины для оптимизации мощности для заданной нагрузки.  Turbocharging devices are known, described, for example, in RF patent N “2425991 and patent application US20130152583, in which automatic adjustment of the degree of turbocharging is provided by changing the geometry of the turbocharger according to the corresponding commands of the control unit. In known devices, a change in the flow of exhaust gases entering the turbine blades is provided to optimize power for a given load.
При низких оборотах двигателя поток отработанных газов является небольшим и раскручивает турбину недостаточно быстро для резкого ускорения. В этот момент по сигналу блока управления направляющие лопатки турбины сдвигаются, что приводит к возрастанию числа оборотов турбины и увеличению давление наддува. Таким образом удается увеличить скорость вращения турбины без резкого увеличения объема отработанных газов.  At low engine speeds, the exhaust gas flow is small and does not spin the turbine fast enough for sharp acceleration. At this moment, at the signal of the control unit, the guide vanes of the turbine are shifted, which leads to an increase in the number of revolutions of the turbine and an increase in boost pressure. Thus, it is possible to increase the speed of rotation of the turbine without a sharp increase in the volume of exhaust gases.
На высоких оборотах двигателя и при высокой скорости газового потока по сигналу блока управления направляющие лопатки турбины раздвигаются, защищая от превышения числа оборотов и поддерживая давление наддува на уровне, требуемом для двигателя.  At high engine speeds and at a high gas flow rate, at the signal of the control unit, the guide vanes of the turbine move apart, protecting from exceeding the speed and maintaining the boost pressure at the level required for the engine.
Изменением расстояния между направляющими лопатками с помощью привода посредством вакуумного регулятора или шагового электромотора можно управлять скоростью вращения турбины, и, как следствие - давлением наддувочного воздуха на выходе компрессора.  By changing the distance between the guide vanes with the help of a drive by means of a vacuum regulator or a stepping motor, you can control the speed of rotation of the turbine, and, as a consequence, the pressure of the charge air at the compressor outlet.
Данное техническое решение позволяет обеспечить управление потоком наддувочного воздуха, поступающего во входной коллектор двигателя, и как следствие - минимизировать эффект «турбоямы» и увеличить приемистость двигателя.  This technical solution makes it possible to control the flow of charge air entering the engine intake manifold, and as a result, minimize the “turbo-hole” effect and increase engine throttle response.
Однако описанные выше устройства характеризуются недостаточной надежностью работы, обусловленной ресурсным износом подвижных деталей, вследствие чего в механизме управления лопатками возникают чрезмерные люфты и появляется нагар, нарушающий подвижность его деталей. Наличие большого количества нагара приводит к снижению подвижности деталей и последующему их заклиниванию. По этой причине положение направляющих лопаток перестает соответствовать управляющему воздействию или, как крайний случай, направляющие лопатки вообще не поворачиваются. В результате давление надувочного воздуха перестает соответствовать необходимому для стабильной работы двигателя. However, the above devices are characterized by insufficient reliability due to resource wear of moving parts, as a result, excessive backlash occurs in the blade control mechanism and deposits appear that violate the mobility of its parts. The presence of a large amount of carbon deposits leads to a decrease in the mobility of parts and their subsequent jamming. For this reason, the position of the guide vanes no longer corresponds to the control action or, as a last resort, the guide vanes do not rotate at all. As a result, the pressure of the charge air is no longer adequate for the stable operation of the engine.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство турбонаддува ДВС описанные в патенте US 8,677,747.  Closest to the claimed invention is a turbocharged ICE device described in US patent 8,677,747.
Известное устройство турбонаддува содержит турбонагнетатель, включающий турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания, а выпуск соединен с атмосферой, и компрессор, выход которого через охладитель и дроссельную заслонку подключен к входному коллектору ДВС, воздушный фильтр, вход которого соединен с атмосферой, перепускной клапан, который включен между выходным коллектором ДВС и выходом турбины, байпасный клапан, который включен между входом дроссельной заслонки и входом компрессора, и блок управления, информационные входы которого подключены к датчикам, установленным на ДВС, педали акселератора, а также на входах воздушного фильтра и дроссельной заслонки, а соответствующие выходы подключены к управляющим входам дроссельной заслонки, перепускного клапана и байпасного клапана.  The known turbocharger device comprises a turbocharger including a turbine, the inlet of which is connected to the output manifold of the internal combustion engine, and the outlet is connected to the atmosphere, and a compressor, the output of which is connected to the intake manifold of the internal combustion engine through the cooler and throttle, the air filter, the input of which is connected to the atmosphere, a bypass valve that is connected between the ICE exhaust manifold and the turbine output, a bypass valve that is connected between the throttle valve input and the compressor input, and the control unit phenomena, the information inputs of which are connected to sensors installed on the engine, accelerator pedals, as well as the inputs of the air filter and throttle, and the corresponding outputs are connected to the control inputs of the throttle, bypass valve and bypass valve.
В качестве охладителя надувочного воздуха в известном устройстве использован интеркулер, представляющий собой теплообменник, состоящий из системы изогнутых «змейкой» тонких трубок и находящихся между ними пластин. Пластины увеличивают площадь поверхности интеркулера и обеспечивают лучшую теплоотдачу от наддувочного воздуха в атмосферу.  An intercooler is used as a charge air cooler in the known device, which is a heat exchanger consisting of a system of thin tubes bent by a “snake” and plates located between them. The plates increase the surface area of the intercooler and provide better heat transfer from the charge air to the atmosphere.
В известном устройстве турбонаддува ДВС осуществляют фильтрацию впускного атмосферного воздуха и его сжатие в турбонагнетателе с получением наддувочного воздуха, который затем охлаждают и подают во впускной коллектор ДВС. Одновременно измеряют температуру и давление наддувочного воздуха, по значениям которых регулируют скорость вращения турбонагнетателя путем управляемой подачи части выхлопных газов в атмосферу, минуя турбонагнетатель. Охлаждение наддувочного воздуха осуществляют атмосферным воздухом при прохождении через интеркулер. In a known device for turbocharging an internal combustion engine, the intake air is filtered and compressed in a turbocharger to produce charge air, which is then cooled and fed to the intake manifold of the internal combustion engine. At the same time, the temperature and pressure of the charge air are measured, the values of which regulate the speed of rotation of the turbocharger by means of a controlled supply of part of the exhaust gases to the atmosphere, bypassing the turbocharger. The charge air is cooled by atmospheric air when passing through the intercooler.
Данное устройство обеспечивает управление наддувочным воздухом во входном коллекторе ДВС, и, как следствие, повышение динамики управления режимом работы ДВС. При этом улучшается приемистость ДВС, то есть сокращается время реакции режима работы ДВС на управляющее воздействие, например, нажатие педали акселератора.  This device provides control of the charge air in the intake manifold of the internal combustion engine, and, as a result, increase the dynamics of control of the internal combustion engine operation mode. At the same time, the throttle response of the internal combustion engine is improved, that is, the response time of the internal combustion engine operating mode to a control action is reduced, for example, pressing the accelerator pedal.
Управление потоком наддувочного воздуха, поступающим во входной коллектор ДВС, осуществляется блоком управления по сигналам датчика акселератора, а также по сигналам датчиков температуры и давления, установленных на входном и выходном патрубках, блоке цилиндров ДВС, и на выходе компрессора, путем изменения положения дроссельной заслонки, байпасного и перепускного клапанов. При этом запрограммированный алгоритм регулирования обеспечивает максимальное приближение диапазона регулировки к заранее выбранному верхнему и нижнему пределам скоростей вращения вала компрессора с учетом температуры и давления впускного и наддувочного воздуха, а также режима работы ДВС.  The control of the charge air flow entering the internal combustion engine intake manifold is carried out by the control unit by the signals of the accelerator sensor, as well as by the signals of the temperature and pressure sensors installed on the inlet and outlet pipes, the engine block, and at the compressor output, by changing the position of the throttle valve, bypass and bypass valves. At the same time, the programmed control algorithm ensures maximum approximation of the adjustment range to the previously selected upper and lower limits of the compressor shaft rotation speeds taking into account the temperature and pressure of the intake and charge air, as well as the internal combustion engine operating mode.
Следует отметить, что известное устройство по составу и сути типично для современного автомобиля, а управление фактически обеспечивается за счет выбора алгоритма управления потоком наддувочного воздуха, подаваемым во входной коллектор ДВС, который заложен в программное обеспечение контроллера.  It should be noted that the known device in composition and essence is typical of a modern car, and the control is actually ensured by choosing an algorithm for controlling the charge air flow supplied to the ICE input manifold, which is embedded in the controller software.
Однако известное устройство характеризуются недостаточно высокой динамикой управления потоком наддувочного воздуха, и, как следствие, режимом работы ДВС. Это обусловлено использованием в известном устройстве интеркулера, который является инерционным звеном на пути наддувочного воздуха к входному коллектору ДВС. Прежде чем надувочный воздух пройдет путь от компрессора к впускному коллектору ДВС, он должен заполнить всю систему трубок интеркулера. Изогнутые «змейкой» трубки увеличивают общую длину теплообменника и улучшают охлаждение наддувочного воздуха, однако каждый изгиб трубки создает дополнительное сопротивление проходящему по ней потоку наддувочного воздуха, что в целом снижает скорость прохождения наддувочного воздуха на пути от компрессора к входному коллектору ДВС. Вследствие того, что интеркулер создает сопротивление проходящему через него потоку наддувочного воздуха, давление на выходе из интеркулера снижается, в связи с чем для получения заданного давления во впускном коллекторе ДВС необходимо поднимать давление на выходе компрессора, что приводит к дополнительному росту температуры наддувочного воздуха. However, the known device is characterized by insufficiently high dynamics of control of the flow of charge air, and, as a consequence, the mode of operation of the internal combustion engine. This is due to the use of an intercooler in a known device, which is an inertial link in the path of charge air to the intake manifold of the internal combustion engine. Before the charge air passes the path from the compressor to the intake manifold of the internal combustion engine, it must fill the entire system of tubes of the intercooler. The tubes curved by the “snake” increase the overall length of the heat exchanger and improve cooling of the charge air, however, each bend of the tube creates additional resistance to the flow of charge air passing through it, which generally reduces the speed of passage of charge air on the way from the compressor to the ICE intake manifold. Due to the fact that the intercooler creates resistance to the flow of charge air passing through it, the pressure at the outlet of the intercooler decreases, and therefore, to obtain a given pressure in the intake manifold of the internal combustion engine, it is necessary to increase the pressure at the compressor outlet, which leads to an additional increase in the temperature of the charge air.
При движении автомобиля по трудным участкам дорог (крутой подъем, пересеченная местность) поток внешнего атмосферного воздуха, охлаждающего интеркулер, будет минимальным, и интеркулер практически не будет охлаждать наддувочный воздух. При этом давление и температура наддувочного воздуха на выходе компрессора и на входном коллекторе ДВС не будут соответствовать требуемым значениям.  When the car moves along difficult road sections (steep climb, rough terrain), the flow of external atmospheric air cooling the intercooler will be minimal, and the intercooler will practically not cool charge air. In this case, the pressure and temperature of the charge air at the compressor outlet and at the intake manifold of the internal combustion engine will not correspond to the required values.
Таким образом, охлаждение наддувочного воздуха атмосферным воздухом и выполнение охладителя наддувочного воздуха в виде интеркулера приводит в известном техническом решении к снижению динамики управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания.  Thus, the cooling of the charge air by atmospheric air and the implementation of the charge air cooler in the form of an intercooler leads in a known technical solution to reducing the dynamics of controlling the turbocharging of an internal combustion engine.
Кроме того, при запуске и прогреве турбодвигателя в холодную погоду он в течении продолжительного времени работает как обыкновенный атмосферный двигатель и из-за низкой температуры впускного воздуха во входном коллекторе падает качество смеси поступающей в цилиндры, что по информации из технических источников приводит к значительному увеличению вредных выбросов в атмосферу, превышающему в несколько раз нормативные значения, и наблюдается повышенный расход топлива. При этом также возрастает нагрузка на подшипники компрессора турбонагнетателя вследствие плохой смазки, что приводит к их повышенному износу.  In addition, when starting and warming up a turbo engine in cold weather, it works for a long time as an ordinary atmospheric engine and, due to the low temperature of the intake air in the intake manifold, the quality of the mixture entering the cylinders decreases, which, according to information from technical sources, leads to a significant increase in harmful atmospheric emissions, exceeding several times the standard values, and there is an increased fuel consumption. At the same time, the load on the compressor bearings of the turbocharger also increases due to poor lubrication, which leads to increased wear.
Недостатком известного устройства также является и то обстоятельство, что при срабатывании байпасного клапана горячий наддувочный воздух поступает на вход компрессора и повышает и без того высокую температуру на его выходе. То есть возникает эффект замкнутого кольца, приводящий к значительному повышению температуры и снижению плотности наддувочного воздуха, что в конечном итоге также приводит к снижению динамики управления двигателем.  A disadvantage of the known device is also the fact that when the bypass valve is activated, hot charge air enters the compressor inlet and raises the already high temperature at its outlet. That is, the effect of a closed ring occurs, leading to a significant increase in temperature and a decrease in the density of charge air, which ultimately also leads to a decrease in the dynamics of engine control.
Краткое описание изобретения В основу изобретения положена задача разработка устройства турбонадцува двигателя внутреннего сгорания, в котором организации охлаждения наддувочного воздуха в рабочем режиме двигателя, а также подогрева впускного воздуха во время запуска и прогрева двигателя повышали бы динамику управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания. SUMMARY OF THE INVENTION The basis of the invention is the development of a device for a turbocharged internal combustion engine, in which the organization of cooling the charge air in the operating mode of the engine, as well as heating the intake air during engine start-up and warm-up, would increase the dynamics of controlling the turbocharging of the internal combustion engine.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, содержащем турбонагнетатель, включающий турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания, а выпуск соединен с атмосферой, и компрессор, охладитель, соединенный с выходом компрессора и дроссельной заслонкой, сообщенной с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания, воздушный фильтр, вход которого соединен с атмосферой, перепускной клапан, установленный между выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания и выпуском турбины, байпасный клапан, вход которого подключен к выходу охладителя, и блок управления, информационные входы которого подключены к датчику акселератора и к датчикам температуры и давления двигателя внутреннего сгорания, а соответствующие выходы подключены к управляющим входам дроссельной заслонки, перепускного клапана и байпасного клапана, согласно изобретению, охладитель наддувочного воздуха имеет второй вход, сообщенный с выходом воздушного фильтра, и второй выход, сообщенный со входом компрессора, при этом устройство содержит регулируемый охладитель впускного атмосферного воздуха, установленный между входом компрессора и вторым выходом охладителя наддувочного воздуха, с которым соединен выход байпасного клапана, контроллер температуры впускного атмосферного воздуха, информационные входы которого подключены к дополнительным датчикам температуры и давления, установленным на входе и выходе регулируемого охладителя впускного атмосферного воздуха, а также к выходу блока управления, подключенному к управляющему входу байпасного клапана, при этом выход контроллера температуры впускного атмосферного воздуха подключен к управляющему входу регулируемого охладителя впускного атмосферного воздуха, а блок управления и контроллер температуры впускного атмосферного воздуха соединены информационной шиной.  The problem is also solved by the fact that in a turbocharger of an internal combustion engine containing a turbocharger including a turbine, the inlet of which is connected to the output manifold of the internal combustion engine, and the exhaust is connected to the atmosphere, and a compressor, a cooler connected to the compressor output and the throttle valve with an input manifold of an internal combustion engine, an air filter, the input of which is connected to the atmosphere, an overflow valve installed between the output manifold of the engine internal combustion and turbine outlet, a bypass valve, the input of which is connected to the cooler output, and a control unit, the information inputs of which are connected to the accelerator sensor and to the temperature and pressure sensors of the internal combustion engine, and the corresponding outputs are connected to the control inputs of the throttle valve, bypass valve and According to the invention, the by-pass valve, the charge air cooler has a second input connected to the output of the air filter and a second output connected to the compressor input and, the device contains an adjustable intake air cooler installed between the compressor inlet and the second outlet of the charge air cooler, to which the bypass valve output is connected, an intake air temperature controller, the information inputs of which are connected to additional temperature and pressure sensors installed at the inlet and the output of the adjustable intake air cooler, as well as to the output of the control unit connected to the bypass control input first valve, the intake air temperature controller output is connected to the control input of the controlled cooling of the intake air, and the control unit and the controller of the intake air temperature are connected to data line.
При этом предпочтительно, чтобы охладитель наддувочного воздуха содержал воздуховод наддувочного воздуха, выполненный в виде полой протяженной камеры, имеющей входной и выходной патрубки меньшего поперечного сечения, служащие первыми входом и выходом, соответственно, входной и выходной коллекторы впускного атмосферного воздуха, входной и выходной патрубки которого служат вторыми входом и выходом охладителя наддувочного воздуха, при этом через входной коллектор впускного атмосферного воздуха проходит выходной патрубок воздуховода наддувочного воздуха, а через выходной коллектор впускного атмосферного воздуха проходит входной патрубок воздуховода наддувочного воздуха, соответственно, группу патрубков впускного атмосферного воздуха, смонтированных на наружной боковой поверхности воздуховода наддувочного воздуха так, что входной и выходной концы каждого патрубка впускного атмосферного воздуха соединены с входным и выходным коллекторами впускного атмосферного воздуха, соответственно, и группу охлаждающих пластин, закрепленных на патрубках впускного атмосферного воздуха. In this case, it is preferable that the charge air cooler comprises a charge air duct made in the form of a long hollow a chamber having an inlet and outlet nozzles of a smaller cross section serving as the first inlet and outlet, respectively, of the inlet and outlet manifolds of the intake air, the inlet and outlet of which serve as the second inlet and outlet of the charge air cooler, while passing through the inlet manifold of the intake air the outlet pipe of the charge air duct, and through the output manifold of the intake air passes the inlet pipe of the charge air duct, accordingly, a group of inlet air inlet pipes mounted on the outer side surface of the charge air duct so that the inlet and outlet ends of each inlet air inlet pipe are connected to inlet and outlet air intake manifolds, respectively, and a group of cooling plates mounted on the inlet atmospheric inlets air.
Технический результат заявленного устройства турбонаддува двигателя внутреннего сгорания заключается в повышении динамики управления турбонаддувом, то есть сокращении времени реакции двигателя на управляющее воздействие. Это достигается за счет конструктивного выполнения охладителя наддувочного воздуха, в котором организован теплообмен между впускным атмосферным и наддувочным воздухом, и за счет управляемого охладителя впускного атмосферного воздуха, обеспечивающего охлаждение входного атмосферного воздуха перед подачей в турбонагнетатель. Введенный в состав устройства контроллер температуры впускного атмосферного воздуха обеспечивает формирование регулирующего сигнала для управляемого охладителя впускного атмосферного воздуха с целью поддержания заданной температуры атмосферного воздуха на входе компрессора.  The technical result of the claimed device for turbocharging an internal combustion engine is to increase the dynamics of control of a turbocharger, that is, reducing the reaction time of the engine to a control action. This is achieved due to the constructive implementation of the charge air cooler, in which the heat exchange between the inlet atmospheric and charge air is organized, and due to the controlled inlet air cooler, which provides cooling of the inlet atmospheric air before being fed to the turbocharger. The inlet air temperature controller introduced into the device provides the formation of a control signal for the controlled inlet air cooler in order to maintain a predetermined temperature of the atmospheric air at the compressor inlet.
Заявленное конструктивное выполнение охладителя наддувочного воздуха, в котором осуществляется разнонаправленное прямоточное движение впускного атмосферного и наддувочного воздуха вдоль общей теплопроводящей поверхности с одновременным охлаждением наддувочного воздуха, позволяет утверждать, что выход компрессора соединен с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания без наличия инерционных элементов и с возможностью обеспечения накопления воздуха в воздуховоде наддувочного воздуха. Названные конструктивные особенности заявленного устройства исключают потери давления на входном коллекторе двигателя внутреннего сгорания и позволяют минимизировать эффект «турбоямы». The claimed constructive design of a charge air cooler, in which there is multidirectional once-through movement of inlet atmospheric and charge air along a common heat-conducting surface with simultaneous cooling of charge air, it can be argued that the compressor output is connected to the input manifold of the internal combustion engine without the presence of inertial elements and with the possibility of accumulation air in the duct charge air. Named constructive Features of the claimed device exclude pressure losses on the input manifold of the internal combustion engine and allow minimizing the effect of the "turbo hole".
Дополнительное повышение динамики управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания обеспечивает выполнение охлаждающих пластин на наружной боковой поверхности воздуховода наддувочного воздуха, что позволяет уменьшить тепловое сопротивление между элементами охладителя наддувочного воздуха и атмосферой, снизить температуру наддувочного воздуха и повысить его плотность на входе дроссельной заслонки.  An additional increase in the dynamics of control of the turbocharging of the internal combustion engine provides the implementation of cooling plates on the outer side surface of the charge air duct, which reduces the thermal resistance between the elements of the charge air cooler and the atmosphere, reduces the temperature of the charge air and increases its density at the inlet of the throttle valve.
Во время запуска и прогрева двигателя в предложенном устройстве обеспечивается подогрев впускного атмосферного воздуха за счет теплообмена прогревающегося воздуховода наддувочного воздуха с патрубками впускного атмосферного воздуха, что сокращает время выхода двигателя на номинальный режим и снижает выбросы вредных веществ в атмосферу.  During engine start-up and warm-up, the proposed device provides for the intake of atmospheric air due to heat exchange of the heated charge-air duct with the intake air ducts, which reduces the time for the engine to reach its nominal mode and reduces emissions of harmful substances into the atmosphere.
Дополнительным эффектом от заявленного исполнения охладителя является автоматическое увеличение отбора тепла от потока наддувочного воздуха при увеличении нагрузки на двигатель благодаря соответствующему увеличению объема всасываемого атмосферного воздуха, приводящее к повышению динамики управления турбонаддувом двигателя и улучшению приемистости двигателя, снижению расхода топлива и повышению надежности двигателя за счет увеличения ресурса работы охладителя.  An additional effect of the declared cooler design is an automatic increase in heat removal from the charge air flow with an increase in engine load due to a corresponding increase in the intake air volume, which leads to an increase in the dynamics of turbocharged engine control and improved engine throttle response, reduced fuel consumption and increased engine reliability by increasing cooler service life.
Подробное описание изобретения  DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Изобретение описывается детально в нижеприведённом примере, не являющемся при этом исключительным и единственным в рамках патентуемого изобретения, со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:  The invention is described in detail in the example below, which is not exclusive and unique in the framework of the patented invention, with reference to the accompanying figures, in which:
Фиг. 1 изображает функциональную схему устройства турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, согласно изобретению;  FIG. 1 depicts a functional diagram of a device for turbocharging an internal combustion engine according to the invention;
Фиг. 2 - охладитель наддувочного воздуха в продольном разрезе, согласно изобретению.  FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a charge air cooler according to the invention.
Устройство турбонаддува ДВС содержит турбонагнетатель 1, включающий турбину 2 и компрессор 3, и двигатель 4 внутреннего сгорания (ДВС 4). ДВС 4 включает входной коллектор 5, выходной коллектор 6 и блок 7 цилиндров. Устройство содержит охладитель 8 наддувочного воздуха, первый вход 9 которого подключен к выходу компрессора 3, а первый выход 10 через дроссельную заслонкуThe turbocharger device of the internal combustion engine includes a turbocharger 1, including a turbine 2 and a compressor 3, and an internal combustion engine 4 (ICE 4). ICE 4 includes an input manifold 5, an output manifold 6 and a cylinder block 7. The device contains a charge air cooler 8, the first input 9 of which is connected to the output of the compressor 3, and the first output 10 through the throttle
11 подключен к входному коллектору 5 ДВС 4. Между впуском и выпуском турбины 2 установлен перепускной клапан 12. Согласно изобретению, охладитель 8 наддувочного воздуха имеет второй вход 13, соединенный с выходом воздушного фильтра 14, и второй выход 15, между которым и входом дроссельной заслонки 11 установлен байпасный клапан 16. 11 is connected to the inlet manifold 5 of the internal combustion engine 4. Bypass valve 12 is installed between the inlet and outlet of the turbine 2. According to the invention, the charge air cooler 8 has a second inlet 13 connected to the output of the air filter 14 and a second output 15 between which and the inlet of the throttle 11 installed bypass valve 16.
Отличительной особенностью настоящего изобретения является введение в схему устройства регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха, который установлен между вторым выходом 15 охладителя 8 наддувочного воздуха и входом компрессора 3. Регулируемый охладитель 17 впускного атмосферного воздуха может представлять собой как один из узлов системы кондиционирования автомобиля, так и самостоятельный модуль с различным выполнением исполнительных элементов, что известно, например, из WO2013105152 А1. US20120085512 А1, US20100025125 А1, US20140223925 А1. В качестве примера исполнительные элементы охладитель 17 впускного атмосферного воздуха могут представлять собой трубки с хладагентом или элементы Пельтье, размещенные на воздуховоде, соединяющем второй выход 15 охладителя 8 с компрессором 3. При этом, в зависимости от конкретного исполнения регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха, регулирование степени охлаждения производится как электрически управляемыми заслонками, так и регуляторами напряжения.  A distinctive feature of the present invention is the introduction to the circuit of the device of an adjustable air cooler 17, which is installed between the second output 15 of the charge air cooler 8 and the compressor inlet 3. The adjustable air cooler 17 can be either one of the nodes of the car air conditioning system an independent module with various execution of actuating elements, which is known, for example, from WO2013105152 A1. US20120085512 A1, US20100025125 A1, US20140223925 A1. As an example, the executive elements of the inlet air cooler 17 can be refrigerant tubes or Peltier elements placed on the air duct connecting the second outlet 15 of the cooler 8 to the compressor 3. Moreover, depending on the particular design of the adjustable inlet air cooler 17, the regulation the degree of cooling is carried out by both electrically controlled dampers and voltage regulators.
Кроме того, устройство содержит датчик 18 акселлератора и датчики 19 температуры и давления, которые установлены на входном коллекторе 5, выходном коллекторе 6 и блоке 7 цилиндров ДВС 4, а также перед дроссельной заслонкой 11 и входе и выходе регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха.  In addition, the device includes an accelerator sensor 18 and temperature and pressure sensors 19, which are installed on the inlet manifold 5, the outlet manifold 6 and the cylinder block 7 of the engine 4, as well as in front of the throttle valve 11 and the inlet and outlet of the adjustable intake air cooler 17.
Устройство также содержит блок 20 управления, выходы которого подключены к управляющим входам дроссельной заслонки 11 , перепускного клапана The device also includes a control unit 20, the outputs of which are connected to the control inputs of the throttle valve 11, the bypass valve
12 и байпасного клапана 16. Информационные входы блока 20 управления подключены к датчику 18 акселератора и к датчикам 19 температуры и давления, установленным на входном коллекторе 5, выходном коллекторе 6, блоке 7 цилиндров ДВС и на входе дроссельной заслонки 11. Посредством информационной шины 21 с блоком 20 управления соединен контроллер 22 температуры впускного атмосферного воздуха, информационные входы которого подключены к датчикам 19 температуры и давления, установленным на входе и выходе регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха. Кроме того, один из информационных входов контроллера 22 температуры впускного атмосферного воздуха подключен к выходу блока 20 управления, который, в свою очередь, подключен к управляющему входу байпасного клапана 16. Выход контроллера 22 температуры впускного атмосферного воздуха подключен к управляющему входу регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха. 12 and the bypass valve 16. The information inputs of the control unit 20 are connected to the accelerator sensor 18 and to the temperature and pressure sensors 19 installed on the inlet manifold 5, outlet manifold 6, engine block 7 of the engine and at the inlet of the throttle valve 11. By means of the information bus 21, the inlet air temperature controller 22 is connected to the control unit 20, the information inputs of which are connected to temperature and pressure sensors 19 installed at the inlet and outlet of the adjustable inlet air cooler 17. In addition, one of the information inputs of the intake air temperature controller 22 is connected to the output of the control unit 20, which, in turn, is connected to the control input of the bypass valve 16. The output of the intake air temperature controller 22 is connected to the control input of the adjustable atmospheric intake cooler 17 air.
Согласно изобретению, охладитель 8 наддувочного воздуха содержит воздуховод 23 наддувочного воздуха (фиг.2), выполненный в виде полой протяженной камеры с входным и выходным патрубками 24, 25 меньшего поперечного сечения, присоединенными к камере посредством переходников 26, 27. Входной патрубок 24, являющийся первым входом 9 охладителя 8, сообщен с компрессором 3 (фиг.1), а выходной патрубок 25, являющийся первым выходом 10 охладителя 8, сообщен с дроссельной заслонкой 11.  According to the invention, the charge air cooler 8 comprises a charge air duct 23 (FIG. 2) made in the form of a hollow extended chamber with inlet and outlet nozzles 24, 25 of a smaller cross section connected to the chamber by means of adapters 26, 27. The inlet nozzle 24, which is the first input 9 of the cooler 8 is in communication with the compressor 3 (Fig. 1), and the output pipe 25, which is the first output 10 of the cooler 8, is in communication with the throttle valve 11.
Следует отметить, что в поперечном сечении воздуховод 23 может иметь различную форму, например, круглую, овальную, прямоугольную, что определяется конструктивными особенностями и предполагаемым местом установки охладителя 8 в автомобиле.  It should be noted that in cross section the duct 23 may have a different shape, for example, round, oval, rectangular, which is determined by the design features and the proposed installation location of the cooler 8 in the car.
Охладитель 8 наддувочного воздуха также содержит входной коллектор 28 впускного атмосферного воздуха, который закреплен на выходном торце воздуховода 23 наддувочного воздуха, а его входной патрубок служит вторым входом 13 охладителя 8. Выходной патрубок 25 воздуховода 23 наддувочного воздуха проходит через коллектор 28 впускного атмосферного воздуха.  The charge air cooler 8 also includes an intake air inlet manifold 28, which is fixed to the output end of the charge air duct 23, and its inlet pipe serves as the second inlet 13 of the cooler 8. The output pipe 25 of the charge air duct 23 passes through the intake air manifold 28.
Кроме того, охладитель 8 содержит выходной коллектор 29 впускного атмосферного воздуха, закрепленный на входном торце воздуховода 23 наддувочного воздуха через термоизолирующую прокладку 30. Выходной коллектор 29 имеет выходной патрубок, служащий вторым выходом 15 охладителя 8, который сообщен с регулируемым охладителем 17 впускного атмосферного воздуха (фиг.1). Полость выходного коллектора 29 разделена на камеры 31 , 32, в первой из которых размещен входной патрубок 24 воздуховода 23 наддувочного воздуха. На наружной боковой поверхности воздуховода 23 наддувочного воздуха смонтирована группа патрубков 33 впускного атмосферного воздуха, входные концы которых соединены с коллектором 28 впускного атмосферного воздуха. Выходные концы патрубков 33 впускного атмосферного воздуха проходят во вторую камеру 32 выходного коллектора 29 впускного атмосферного воздуха через уплотнительные прокладки, исключающие «подсасывание» атмосферного воздуха. In addition, the cooler 8 contains an outlet manifold 29 of the inlet atmospheric air, mounted on the inlet end of the charge air duct 23 through a thermally insulating gasket 30. The outlet manifold 29 has an outlet pipe serving as the second outlet 15 of the cooler 8, which is in communication with the adjustable cooler 17 of the inlet atmospheric air ( figure 1). The cavity of the outlet manifold 29 is divided into chambers 31, 32, the first of which contains the inlet pipe 24 of the charge air duct 23. On the outer side surface of the charge air duct 23, a group of inlet atmospheric air pipes 33 is mounted, the inlet ends of which are connected to the inlet air manifold 28. The outlet ends of the inlet air inlet pipes 33 pass into the second chamber 32 of the outlet air inlet 29 of the inlet air through the gaskets preventing the “suction” of atmospheric air.
Число патрубков 33 впускного атмосферного воздуха определяется конструктивными особенностями конкретного охладителя 8 и предполагаемым местом установки в автомобиле таким образом, чтобы достигалось покрытие всей внешней поверхности воздуховода 23 наддувочного воздуха поверхностями соответствующих патрубков 33. Между контактирующими поверхностями патрубков 33 и воздуховода 23 наддувочного воздуха сформирована общая теплопро водящая поверхность, посредством которой осуществляется теплообмен между наддувочным воздухом и входным атмосферным воздухом. Для этого патрубки 33 размещены на боковой поверхности воздуховода 23 с соблюдением минимально возможного теплового сопротивления, например, путем укладки на слой теплопроводящей пасты.  The number of inlet air nozzles 33 is determined by the design features of the particular cooler 8 and the intended installation location in the car so that the entire outer surface of the charge air duct 23 is coated with the surfaces of the respective nozzles 33. A common heat conducting material is formed between the contacting surfaces of the nozzles 33 and the charge air duct 23 surface through which heat is exchanged between charge air and the inlet farm air. For this, the nozzles 33 are placed on the side surface of the duct 23 in compliance with the lowest possible thermal resistance, for example, by laying on a layer of heat-conducting paste.
На каждом патрубке 33 закреплены охлаждающие пластины 34, выполняющие функцию радиаторов, уменьшающих тепловое сопротивление на участке патрубок 33 - атмосфера. Форма и размеры охлаждающих пластин 34 рассчитываются с точки зрения минимизации теплового сопротивления и места установки охладителя 8 в автомобиле. Возможен вариант закрепления дополнительных охлаждающих пластин 34 непосредственно на воздуховоде 23 между патрубками.  On each pipe 33, cooling plates 34 are fixed, which perform the function of radiators that reduce thermal resistance in the pipe section 33 — atmosphere. The shape and dimensions of the cooling plates 34 are calculated in terms of minimizing thermal resistance and the installation location of the cooler 8 in the car. An option of fixing additional cooling plates 34 directly to the duct 23 between the nozzles.
Устройство турбонаддува двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.  Device turbocharging an internal combustion engine operates as follows.
После запуска ДВС 4 (фиг.1 ) по команде блока 20 управления перепускной клапан 12 и байпасный клапан 16 закрываются, вследствие чего все выхлопные газы, поступающие из выходного коллектора 6 ДВС 4, направляются к турбине 2 турбонагнетателя 1, раскручивая ее и компрессор 3, который находится на одном валу с турбиной 2. При этом по команде контроллера 22 исполнительный элемент (например, трубки с хладагентом или элементы Пельтье) регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха выключен и воздушный поток без изменения температуры поступает на вход компрессора 3, в котором поток входного атмосферного воздуха сжимается, а его давление и температура повышаются по мере увеличения скорости вращения турбины 2, формируя таким образом поток наддувочного воздуха. Наддувочный воздух направляется на первый вход 9 охладителя 8, в котором после прохождения воздуховода 23 наддувочного воздуха через дроссельную заслонку 11 поступает во входной коллектор 5 ДВС 4. По мере прогрева воздуховода 23 наддувочного воздуха тепло передается группе патрубков 33, обеспечивая нагрев проходящего по нему впускного атмосферного воздуха. Повышение температуры впускного атмосферного воздуха на входе компрессора 3 приводит к пропорциональному повышению температуры на его выходе и, соответственно, во входном коллекторе 5 ДВС 4. За счет этого обеспечивается ускоренный (по сравнению с прототипом) прогрев ДВС 4 и выход его на номинальный температурный режим, обеспечивающий адекватную реакцию на сигнал с датчика 18 акселератора, то есть повышение динамики управления режимом работы двигателя и снижение уровня выбросов до номинального штатного уровня. After starting the internal combustion engine 4 (Fig. 1), by the command of the control unit 20, the bypass valve 12 and the bypass valve 16 are closed, as a result of which all exhaust gases coming from the exhaust manifold 6 of the internal combustion engine 4 are directed to the turbine 2 of the turbocharger 1, untwisting it and the compressor 3, which is located on the same shaft with the turbine 2. At the same time, according to the command of the controller 22, the actuator (for example, tubes with refrigerant or Peltier elements) of the adjustable cooler 17 of the intake air is turned off and the air flow is unchanged temperature enters the inlet of the compressor 3, in which the stream of inlet atmospheric air is compressed, and its pressure and temperature increase as the speed of rotation of the turbine 2 increases, thereby forming a charge air stream. The charge air is directed to the first inlet 9 of the cooler 8, in which after the passage of the charge air duct 23 through the throttle valve 11, it enters the intake manifold 5 of the internal combustion engine 4. As the charge air duct 23 is heated, heat is transferred to the group of pipes 33, providing heating of the intake atmospheric passage passing through it air. An increase in the temperature of the intake air at the inlet of the compressor 3 leads to a proportional increase in the temperature at its outlet and, accordingly, in the input manifold 5 of the internal combustion engine 4. This ensures an accelerated (in comparison with the prototype) heating of the internal combustion engine 4 and its output to the nominal temperature mode, providing an adequate response to the signal from the accelerator sensor 18, that is, increasing the dynamics of control of the engine operating mode and reducing emissions to the nominal nominal level.
Информационные сигналы с датчиков 19, установленных на входе и выходе регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха, поступают на информационные входы контроллера 22, который формирует сигнал управления для регулируемого охладителя 17 впускного воздуха. В соответствии с этим сигналом обеспечивается стабилизация температуры впускного воздуха на входе компрессора 3 в заданных пределах как при изменении температуры и давления атмосферного воздуха, так и при изменении режимов работы и скорости движения автомобиля.  Information signals from sensors 19 installed at the inlet and outlet of the variable intake air cooler 17 are fed to the information inputs of the controller 22, which generates a control signal for the adjustable intake air cooler 17. In accordance with this signal, the temperature of the intake air at the inlet of the compressor 3 is stabilized within the specified limits both when the temperature and pressure of the atmospheric air change, and when the operating modes and vehicle speed are changed.
При поступлении с блока 20 управления команды на включение байпасного клапана 16 контроллер 22 формирует команды, поступающие на управляющий вход регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха на форсированное снижение температуры для ее стабилизации в заданных пределах на входе компрессора 3. Более подробно процесс охлаждения наддувочного воздуха будет описан ниже.  Upon receipt of a command from the control unit 20 to turn on the bypass valve 16, the controller 22 generates commands received at the control input of the adjustable intake air cooler 17 for forced temperature reduction to stabilize it within the specified limits at the inlet of compressor 3. In more detail, the process of cooling the charge air will be described below.
В штатном режиме работы ДВС 4 на вход блока 20 управления с датчиков 19 поступают информационные сигналы о режиме работы ДВС 4, в частности, о температуре и давлении наддувочного воздуха. Полученные значения обрабатываются блоком 20 управления, сравниваются с запрограммированными для конкретного режима работы значениями и в случае их отличия формируются сигналы, поступающие на управляющие входы перепускного клапана 12, байпасного клапана 16 и дроссельной заслонки 11, в результате чего происходит изменение положения названных регулировочных элементов. По сигналам с датчиков 19, установленных на входе и на выходе регулируемого охладителя 17 атмосферного воздуха контролер 22 формирует управляющий сигнал для регулируемого 17 охладителя атмосферного воздуха, определяющий степень необходимого охлаждения для достижения допустимого диапазона изменений температуры впускного атмосферного воздуха на входе компрессора 3. При регулировании также учитываются и параметры работы ДВС 4, информация о которых поступает в контроллер 22 из блока 20 управления по информационной шине 21, по которой в обратном направлении поступает информация о параметрах впускного атмосферного воздуха на входе компрессора 3, в том числе о градиенте изменения температуры. Следует отметить, что блок 20 управления и контроллер 22 могут быть в общем случае реализованы в рамках единого бортового процессорного блока автомобиля. In the normal operation mode of the internal combustion engine 4, information signals about the operating mode of the internal combustion engine 4, in particular, the temperature and pressure of charge air, are received at the input of the control unit 20 from the sensors 19. The obtained values are processed by the control unit 20, compared with those programmed for a specific operating mode with values and in case of their difference, signals are generated that enter the control inputs of the bypass valve 12, the bypass valve 16 and the throttle valve 11, as a result of which the position of the said adjusting elements changes. Based on the signals from the sensors 19 installed at the inlet and outlet of the adjustable air cooler 17, the controller 22 generates a control signal for the regulated air cooler 17, which determines the degree of cooling required to achieve an acceptable range of temperature changes of the intake air at the compressor inlet 3. When controlling the parameters of the internal combustion engine 4 are also taken into account, information about which is supplied to the controller 22 from the control unit 20 via the information bus 21, through which the opposite direction receives information about the parameters of the intake air at the inlet of the compressor 3, including the gradient of the temperature change. It should be noted that the control unit 20 and the controller 22 can be generally implemented within a single on-board processor unit of a vehicle.
Поток впускного атмосферного воздуха через входной патрубок, т.е. через первый вход 13 (фиг.2) поступает во входной коллектор 28 впускного атмосферного воздуха и далее по патрубкам 33 в камеру 32 выходного коллектора 29 впускного атмосферного воздуха.  Inlet air flow through the inlet pipe, i.e. through the first inlet 13 (FIG. 2) it enters the intake manifold 28 of the intake air and then through the nozzles 33 into the chamber 32 of the exhaust manifold 29 of the intake air.
Наддувочный воздух от компрессора 3 достигает дроссельной заслонки 11 , проходя через входной патрубок 24, первый переходник 26, воздуховод 23 наддувочного воздуха, второй переходник 27 и выходной патрубок 25. Термоизолирующая прокладка 30 снижает тепловые потери в зоне подачи наддувочного воздуха в воздуховод 23.  The charge air from the compressor 3 reaches the throttle valve 11, passing through the inlet pipe 24, the first adapter 26, the charge air duct 23, the second adapter 27 and the output pipe 25. The heat-insulating gasket 30 reduces the heat loss in the charge air supply to the duct 23.
Согласно заявляемому изобретению в охладителе 8 наддувочного воздуха организован теплообмен между двумя противоположно направленными потоками - наддувочного воздуха и впускного атмосферного воздуха. В связи с тем, что температура наддувочного воздуха вследствие сжатия в компрессоре 3 превышает температуру впускного атмосферного воздуха, а потоки движутся навстречу друг другу, осуществляется передача тепла от наддувочного воздуха к впускному атмосферному воздуху через общую теплопроводящую поверхность. Вследствие этого происходит охлаждение наддувочного воздуха и, соответственно, нагрев впускного атмосферного воздуха. Вследствие низкого теплового сопротивления между боковой поверхностью воздуховода 23 наддувочного воздуха и патрубков 33, по которым проходит поток впускного атмосферного воздуха, охлаждение наддувочного воздуха происходит с небольшими тепловыми потерями. According to the claimed invention, heat exchange between two oppositely directed flows — charge air and intake air is arranged in the charge air cooler 8. Due to the fact that the temperature of the charge air due to compression in the compressor 3 exceeds the temperature of the intake air, and the flows move towards each other, heat is transferred from the charge air to the intake air through a common heat-conducting surface. As a result, the charge air is cooled and, accordingly, heated intake air. Due to the low thermal resistance between the side surface of the charge air duct 23 and the nozzles 33 through which the intake air stream flows, the charge air is cooled with little heat loss.
В штатном режиме для снижения температуры нагретого впускного атмосферного воздуха перед подачей в компрессор 3 его охлаждают посредством регулируемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха. На этапе запуска и прогрева ДВС 4 при низких температурах окружающей среды обеспечивается подогрев холодного впускного атмосферного воздуха на входе компрессора 3 в охладителе 8 наддувочного воздуха за счет теплообмена между воздуховодом 23 наддувочного воздуха и патрубками 33.  In normal mode, to reduce the temperature of the heated intake air, it is cooled before being fed to the compressor 3 by means of an adjustable cooler 17 of the intake air. At the stage of starting and heating the internal combustion engine 4 at low ambient temperatures, the cold inlet atmospheric air is heated at the compressor inlet 3 in the charge air cooler 8 due to heat exchange between the charge air duct 23 and the nozzles 33.
Кроме того, в заявленной конструкции охлаждение наддувочного воздуха осуществляется посредством охлаждающих пластин 34, которые передают тепло от нагретого впускного атмосферного воздуха в атмосферу.  In addition, in the claimed design, the cooling of the charge air is carried out by means of cooling plates 34, which transfer heat from the heated inlet atmospheric air to the atmosphere.
В предложенном устройстве наддувочный воздух поступает к дроссельной заслонке 11 из воздуховода 23 наддувочного воздуха, который представляет собой камеру для хранения и охлаждения воздуха, форма и объем которой определяются конкретными конструктивными особенностями автомобиля. Такое техническое решение обеспечивает не только хранение и охлаждение воздуха, но и позволяет аккумулировать необходимый объем воздуха в воздуховоде для преодоления эффекта «турбоямы», длительность которой составляет 0,5 - 2 сек.  In the proposed device, the charge air enters the throttle valve 11 from the charge air duct 23, which is a chamber for storing and cooling the air, the shape and volume of which are determined by the specific design features of the car. This technical solution provides not only storage and cooling of air, but also allows you to accumulate the required amount of air in the duct to overcome the effect of "turbo holes", the duration of which is 0.5 - 2 seconds.
В предложенном изобретении объем воздуховода 23 наддувочного воздуха выбирается, исходя из возможности накопления необходимого количества воздуха для обеспечения работы ДВС 4, исключающего «турбояму». Вследствие этого при резком нажатии на педаль акселератора во входной коллектор 5 ДВС 4 через открытую дроссельную заслонку 11 из воздуховода 23 наддувочного воздуха мгновенно будет поставлено необходимое количество накопленного воздуха вне зависимости от скорости вращения крыльчатки компрессора 3 в момент нажатия педали акселлератора. Это обеспечивает резкое увеличение числа оборотов ДВС 4 до требуемого значения и соответствующее увеличение температуры и давления отработавших газов, увеличивающих скорость вращения крыльчаток турбины 2 и компрессора 3. Предложенное конструктивное выполнение охладителя 8 наддувочного воздуха, а именно, наличие параллельно включенных патрубков 33 впускного атмосферного воздуха и объемного воздуховода 23 наддувочного воздуха, выполняющего роль интегратора воздушного потока, в отличие от устройства- прототипа практически не ухудшает динамические характеристики канала поставки наддувочного воздуха во входной коллектор 5. Описанное конструктивное решение охладителя 8 наддувочного воздуха существенно отличается от известных устройств аналогичного назначения, в которых широко используемый змеевик охладителя, включенный на входе дроссельной заслонки, создает дополнительную задержку воздушного потока, тем самым увеличивая эффект «турбоямы» в двигателе. In the proposed invention, the volume of the charge air duct 23 is selected based on the possibility of accumulating the necessary amount of air to ensure the operation of the internal combustion engine 4, excluding the "turbo hole". As a result of this, when the accelerator pedal is pressed sharply into the intake manifold 5 of the internal combustion engine 4 through the open throttle 11 from the charge air duct 23, the required amount of accumulated air will be immediately delivered regardless of the speed of rotation of the compressor impeller 3 at the moment of pressing the accelerator pedal. This provides a sharp increase in the speed of the engine 4 to the desired value and a corresponding increase in temperature and pressure of the exhaust gases, increasing the speed of rotation of the impellers of the turbine 2 and compressor 3. The proposed constructive design of the charge air cooler 8, namely, the presence of parallel inlet pipes 33 of the inlet atmospheric air and the volume air duct 23 of the charge air acting as an integrator of the air flow, unlike the prototype device, practically does not impair the dynamic characteristics of the channel for supplying charge air to the intake manifold 5. The described structural solution of the charge air cooler 8 is significantly different from the known devices of similar designation. in which the widely used cooler coil, included at the inlet of the throttle valve, creates an additional delay in the air flow, thereby increasing the effect of the "turbo hole" in the engine.
Следует также отметить, что наличие объемного воздуховода 23 наддувочного воздуха позволяет уменьшить частоту включения байпасного клапана 16, через который горячий наддувочный воздух с выхода компрессора 3 подается к дроссельной заслонке 11 и далее на входной коллектор 5 ДВС 4. В предложенном устройстве вместо включения байпасного клапана 16 накопление наддувочного воздуха происходит в воздуховоде 23 по сигналам датчика 19, установленного на входе дроссельной заслонки 11, что позволяет дополнительно снизить температуру наддувочного воздуха непосредственно на входе во входной коллектор 5 ДВС 4.  It should also be noted that the presence of a volumetric charge air duct 23 reduces the frequency of switching on the bypass valve 16, through which hot charge air from the output of the compressor 3 is supplied to the throttle valve 11 and then to the intake manifold 5 of the ICE 4. In the proposed device, instead of turning on the bypass valve 16 the accumulation of charge air occurs in the duct 23 according to the signals of the sensor 19 installed at the inlet of the throttle valve 11, which allows to further reduce the temperature of the charge air directly at the entrance to the input manifold 5 ICE 4.
Это утверждение в равной степени касается и частоты включения перепускного клапана 12. То есть, в то время как в прототипе происходит включение названных клапанов по причине превышения заданного уровня давления наддувочного воздуха на входе дроссельной заслонки из-за ограниченного объема воздуха, который можно накопить в змеевике охладителя прототипа, в предложенном устройстве осуществляется «накачка» воздуха через патрубки 33 входного атмосферного воздуха в воздуховод 23 наддувочного воздуха. Благодаря конструктивным особенностям воздуховода 23 наддувочного воздуха в нем может содержаться гораздо больший объем воздуха по сравнению со змеевиком охладителя в прототипе до достижения в нем заданного уровня давления надувочного воздуха. Такое конструктивное решение снижает требования к сопротивлению воздушному потоку в патрубках 33 входного атмосферного воздуха предложенного устройства. По этой причине, как уже отмечалось выше, сечение патрубков 33 входного атмосферного воздуха в предложенном устройстве в гораздо меньше степени влияет на динамику работы двигателя, чем сечение змеевика охладителя в известном устройстве. Приведенные выше аргументы подтверждают, что предложенное техническое решение позволяет улучшить динамику работы двигателя, практически исключив эффект «турбоямы», который имеет место в известном устройстве, использованном в качестве прототипа. This statement applies equally to the switching frequency of the bypass valve 12. That is, while in the prototype these valves are turned on due to exceeding a predetermined level of charge air pressure at the inlet of the throttle valve due to the limited amount of air that can accumulate in the coil prototype cooler, in the proposed device, the air is "pumped" through the pipe 33 of the input atmospheric air into the duct 23 of charge air. Due to the design features of the charge air duct 23, it can contain a much larger volume of air compared to the cooler coil in the prototype until it reaches a predetermined pressure level of the charge air. This design solution reduces the requirements for resistance to air flow in the nozzles 33 of the input atmospheric air of the proposed device. For this reason, as noted above, the cross section of the nozzles 33 of the input atmospheric air in the proposed device to a much lesser extent affects the dynamics of the engine than the cross section of the cooler coil in the known device. The above arguments confirm that the proposed technical solution allows to improve the dynamics of the engine, virtually eliminating the effect of "turbo holes", which takes place in the known device used as a prototype.
В отличие от известного устройства, принятого в качестве прототипа, в заявляемом устройстве отсутствуют тонкие воздуховоды, обладающие высоким динамическим сопротивлением, которое приводит к задержке отработки сигналов управляющим воздушным потоком и к потере давления наддувочного воздуха. Напротив, в заявленном изобретении в средней части воздуховода 23 выполнен расширяющийся участок, снижающий динамическое сопротивление потоку наддувочного воздуха.  In contrast to the known device adopted as a prototype, the claimed device lacks thin air ducts with high dynamic resistance, which leads to a delay in signal processing by the control air flow and to a loss of pressure of the charge air. On the contrary, in the claimed invention in the middle part of the duct 23 is made expanding section, which reduces the dynamic resistance to the flow of charge air.
Дополнительным эффектом от заявленного выполнения охладителя 8 наддувочного воздуха является автоматическое увеличение отбора тепла от потока наддувочного воздуха при увеличении нагрузки на двигатель благодаря соответствующему увеличению объема всасываемого атмосферного воздуха, охлаждающего воздуховод наддувочного воздуха, следствием чего является повышение динамики управления турбонаддувом ДВС. То есть при движении автомобиля но трудным участкам дорог (крутой подъем, пересеченная местность или городской трафик с «пробками») поток внешнего атмосферного воздуха, охлаждающего воздуховод 23 наддувочного воздуха, не будет уменьшаться в отличие от устройства, использованного в качестве прототипа. При этом давление и температура наддувочного воздуха на выходе компрессора 3 и на входном коллекторе ДВС 4 будут соответствовать требуемым значениям, что всегда обеспечит адекватную реакцию ДВС 4 на изменение положения педали акселератора.  An additional effect of the claimed performance of the charge air cooler 8 is an automatic increase in heat removal from the charge air flow when the engine load increases due to a corresponding increase in the amount of intake air that cools the charge air duct, resulting in an increase in the dynamics of control of the turbocharged engine. That is, when the car moves on difficult road sections (steep climb, rough terrain or city traffic with traffic jams), the flow of external atmospheric air cooling the charge air duct 23 will not decrease, unlike the device used as a prototype. In this case, the pressure and temperature of the charge air at the outlet of the compressor 3 and at the inlet manifold of the internal combustion engine 4 will correspond to the required values, which will always provide an adequate reaction of the internal combustion engine 4 to a change in the position of the accelerator pedal.
В предложенном устройстве турбонаддува ДВС для охлаждения наддувочного воздуха организовано прямоточное встречное движение впускного атмосферного воздуха и наддувочного воздуха вдоль общей теплопроводящей поверхности и регулируемое охлаждение впускного атмосферного воздуха перед подачей в компрессор 3 турбонагнетателя 1 посредством управляемого охладителя 17 впускного атмосферного воздуха и конвекционного обмена с атмосферой. При этом в заявленном устройстве обеспечивается синхронизация скорости потока охлаждающего воздуха (впускного атмосферного воздуха) и температуры наддувочного воздуха. In the proposed ICE turbocharging device for cooling the charge air, the direct-flow counter-motion of the intake air and charge air along the common heat-conducting surface and the controlled cooling of the intake air are arranged before the turbocharger 1 is supplied to the compressor 3 by means of a controlled intake air cooler 17 and convection exchange with the atmosphere. In this case, the claimed device provides synchronization of the flow rate cooling air (intake air) and charge air temperature.
В известных технических решениях на тяжелых участках дорог при увеличении температуры наддувочного воздуха из-за низкой скорости потока атмосферного воздуха, набегающего на охладитель - интеркулер, резко снижается теплообмен на участке интеркулер - атмосфера, что приводит к повышению температуры наддувочного воздуха. При этом, чем выше температура наддувочного воздуха, тем меньший объем может быть подан в цилиндры ДВС, что обедняет горючую смесь и снижает приемистость (динамику управления) двигателя. В отличие от известных технических решений в заявленном устройстве при увеличении числа оборотов ДВС пропорционально возрастает забор впускного атмосферного воздуха, который в предложенном устройстве является охлаждающим для наддувного воздуха, что приводит к автоматическому снижению температуры наддувочного воздуха.  In known technical solutions in heavy road sections, with increasing temperature of charge air due to the low flow rate of atmospheric air flowing onto the intercooler-cooler, heat transfer at the intercooler-atmosphere section sharply decreases, which leads to an increase in the temperature of charge air. At the same time, the higher the temperature of the charge air, the smaller the volume can be supplied to the ICE cylinders, which impoverishes the combustible mixture and reduces the throttle response (control dynamics) of the engine. In contrast to the known technical solutions, in the claimed device, when the engine speed is increased, the intake air intake is proportionally increased, which in the proposed device is cooling for charge air, which leads to an automatic decrease in the charge air temperature.
Промышленная применимость  Industrial applicability
Настоящее изобретение может найти применение в машиностроении при производстве двигателей внутреннего сгорания с турбонаддувом.  The present invention may find application in mechanical engineering in the manufacture of turbocharged internal combustion engines.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Устройство турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, содержащее турбонагнетатель, включающий турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания, а выпуск соединен с атмосферой, и компрессор, охладитель наддувочного воздуха, первый вход которого соединен с выходом компрессора, а первый выход соединен с дроссельной заслонкой, сообщенной с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания, воздушный фильтр, вход которого соединен с атмосферой, перепускной клапан, установленный между выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания и выпуском турбины, байпасный клапан, выход которого подключен к первому выходу охладителя наддувочного воздуха, и блок управления, информационные входы которого подключены к датчику акселератора и к датчикам температуры и давления двигателя внутреннего сгорания, а соответствующие выходы подключены к управляющим входам дроссельной заслонки, перепускного клапана и байпасного клапана, отличающееся тем, что охладитель наддувочного воздуха имеет второй вход, сообщенный с выходом воздушного фильтра, и второй выход, сообщенный со входом компрессора, при этом устройство содержит регулируемый охладитель впускного атмосферного воздуха, установленный между входом компрессора и вторым выходом охладителя наддувочного воздуха, с которым соединен выход байпасного клапана, контроллер температуры впускного атмосферного воздуха, информационные входы которого подключены к дополнительным датчикам температуры и давления, установленным на входе и выходе регулируемого охладителя впускного атмосферного воздуха, а также к выходу блока управления, подключенному к управляющему входу байпасного клапана, при этом выход контроллера температуры впускного атмосферного воздуха подключен к управляющему входу регулируемого охладителя впускного атмосферного воздуха, а блок управления и контроллер температуры впускного атмосферного воздуха соединены информационной шиной. 1. Device for turbocharging an internal combustion engine, comprising a turbocharger including a turbine, the inlet of which is connected to the output manifold of the internal combustion engine, and the outlet is connected to the atmosphere, and a compressor, a charge air cooler, the first input of which is connected to the compressor output and the first output is connected to a throttle valve connected to the input manifold of the internal combustion engine, an air filter, the input of which is connected to the atmosphere, an overflow valve installed between the output lecturer of the internal combustion engine and turbine outlet, a bypass valve, the output of which is connected to the first output of the charge air cooler, and a control unit, the information inputs of which are connected to the accelerator sensor and to the temperature and pressure sensors of the internal combustion engine, and the corresponding outputs are connected to the control inputs of the throttle damper, bypass valve and bypass valve, characterized in that the charge air cooler has a second input in communication with the output of the air filter RA, and a second output communicated with the compressor inlet, the device comprising an adjustable inlet air cooler installed between the compressor inlet and the second outlet of the charge air cooler, to which the bypass valve output is connected, the inlet air temperature controller, the information inputs of which are connected to additional temperature and pressure sensors installed at the inlet and outlet of the adjustable intake air cooler, as well as to the output of the control unit a connection to the control input of the bypass valve, while the output of the intake air temperature controller is connected to the control input of the adjustable intake air cooler, and the control unit and the intake air temperature controller are connected by an information bus.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что охладитель наддувочного воздуха содержит воздуховод наддувочного воздуха, выполненный в виде полой протяженной камеры, имеющей входной и выходной патрубки меньшего поперечного сечения, служащие первыми входом и выходом, соответственно, входной и выходной коллекторы впускного атмосферного воздуха, входной и выходной патрубки которого служат вторыми входом и выходом охладителя наддувочного воздуха, при этом через входной коллектор впускного атмосферного воздуха проходит выходной патрубок воздуховода наддувочного воздуха, а через выходной коллектор впускного атмосферного воздуха проходит входной патрубок воздуховода наддувочного воздуха, соответственно, группу патрубков впускного атмосферного воздуха, смонтированных на наружной боковой поверхности воздуховода наддувочного воздуха так, что входной и выходной концы каждого патрубка впускного атмосферного воздуха соединены с входным и выходным коллекторами впускного атмосферного воздуха, соответственно, и группу охлаждающих пластин, закрепленных на патрубках впускного атмосферного воздуха. 2. The device according to claim 1, characterized in that the charge air cooler comprises a charge air duct made in the form of a hollow extended chamber having an inlet and outlet nozzles of a smaller cross section serving as the first inlet and outlet, respectively, inlet and outlet intake air manifolds, the inlet and outlet nozzles of which serve as the second inlet and outlet of the charge air cooler, while the intake manifold of the charge air duct passes through the intake manifold of the intake air, and the input pipe of the charge air duct passes through the output manifold of the intake air, respectively, group of inlet air pipes mounted on the outer side surface of the charge air duct so that the input and output ends of each inlet pipe connected to the air inlet and outlet manifolds of the intake air, respectively, and a group of cooling plates attached to the connectors of the intake air.
PCT/RU2018/000382 2017-06-16 2018-06-07 Device for turbocharging an internal combustion engine WO2018231099A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017121209A RU2649714C1 (en) 2017-06-16 2017-06-16 Device for turbo-charge for internal combustion engine
RU2017121209 2017-06-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018231099A1 true WO2018231099A1 (en) 2018-12-20

Family

ID=61867161

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000382 WO2018231099A1 (en) 2017-06-16 2018-06-07 Device for turbocharging an internal combustion engine

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2649714C1 (en)
WO (1) WO2018231099A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11255298B2 (en) * 2019-05-06 2022-02-22 Ford Global Technologies, Llc Methods and systems for an engine

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2726865C1 (en) * 2019-11-11 2020-07-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Красноярский государственный аграрный университет" Charge air temperature control system in ice

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU297787A1 (en) * Ф. В. Бережко, Д. В. Гаев, Г. Голубев, Л. В. COOLING SUPPLY AIR BLOWER
SU979663A1 (en) * 1981-06-29 1982-12-07 Владимирский политехнический институт Air cooling system for v-shaped i.c. engine
DE3126678A1 (en) * 1981-07-07 1983-01-27 M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg AG, 8900 Augsburg Supercharged internal combustion engine subjected to strong load fluctuations and method for its operation
US20120109491A1 (en) * 2010-09-27 2012-05-03 Marco Panciroli Method for controlling the speed of an internal combustion engine supercharged by means of a turbocharger
WO2012123634A1 (en) * 2011-03-14 2012-09-20 Wärtsilä Finland Oy Operating method and exhaust system for an internal combustion engine

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU297787A1 (en) * Ф. В. Бережко, Д. В. Гаев, Г. Голубев, Л. В. COOLING SUPPLY AIR BLOWER
SU979663A1 (en) * 1981-06-29 1982-12-07 Владимирский политехнический институт Air cooling system for v-shaped i.c. engine
DE3126678A1 (en) * 1981-07-07 1983-01-27 M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg AG, 8900 Augsburg Supercharged internal combustion engine subjected to strong load fluctuations and method for its operation
US20120109491A1 (en) * 2010-09-27 2012-05-03 Marco Panciroli Method for controlling the speed of an internal combustion engine supercharged by means of a turbocharger
WO2012123634A1 (en) * 2011-03-14 2012-09-20 Wärtsilä Finland Oy Operating method and exhaust system for an internal combustion engine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11255298B2 (en) * 2019-05-06 2022-02-22 Ford Global Technologies, Llc Methods and systems for an engine

Also Published As

Publication number Publication date
RU2649714C1 (en) 2018-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9551273B2 (en) Charge air cooling system
RU150961U1 (en) AIR DUCT BEFORE ENGINE COMPRESSOR
RU2666697C2 (en) Method of managing the engine operation (versions)
CN103628972B (en) Method for controlling variable boost aerial cooler
US6167703B1 (en) Internal combustion engine with VTG supercharger
CN103628970A (en) Method for controlling a variable charge air cooler
CN103628971A (en) Method for controlling a variable charge air cooler
US7100584B1 (en) Method and apparatus for controlling an internal combustion engine
US6672061B2 (en) Internal combustion engine with an exhaust turbocharger and an exhaust-gas recirculation device
CN102200050B (en) System for inducting air into engine
US20020078934A1 (en) Exhaust gas turbine for internal combustion engine and exhaust turbo-supercharger
US20100300088A1 (en) Method of controlling a turbocharger
US20030115875A1 (en) Internal combustion engine with an exhaust turbocharger and an exhaust-gas recirculation device
JPH11503507A (en) Exhaust gas recirculation system for internal combustion engines
RU129999U1 (en) TURBINE RING NOZZLE AND ENGINE TURBOCHARGER
US20120090320A1 (en) Turbocharged Combustion System
US20110271936A1 (en) Air intake powered engine backpressure reducing system
CN102192023A (en) Control method of internal combustion engine
WO2008133892A1 (en) Exhaust gas recirculation cooler having temperature control
RU2649714C1 (en) Device for turbo-charge for internal combustion engine
KR20120109414A (en) Combustion engine, fresh air system and associated operating method
US11208945B1 (en) Shutter system for a motor vehicle
US9435252B2 (en) Active conditioning system of a gaseous fluid intake of an internal combustion engine
US20130206116A1 (en) Method for adjusting a charge pressure in an internal combustion engine having a pressure-wave supercharger
GB2502805A (en) Internal combustion engine inlet charge compression boost in readiness for raised demand

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18818470

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18818470

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 04.05.2020)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18818470

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1