Система подогрева впускного воздуха и охлаждения выхлопных газов

Нагревание впускного воздуха и охлаждения выхлопа двигателя обеспечивается за счет выпускной системы с двойной стенкой, служащей в качестве теплообменника выхлоп-воздух, прокачивающего горячий воздух во впускной коллектор, что положительно влияет на ход всасывания насоса, и охлаждающего выхлопную систему при высокой нагрузке двигателя путем направления избытка наддувочного воздуха через межстеночное пространство двойной стенки.

Область техники, к которой относится полезная модель

Данное устройство относится к системе подогрева воздуха на впуске и охлаждения выхлопных газов автомобиля.

Уровень техники

Ранее было установлено, что подогрев воздуха на впуске двигателя автомобиля способствует экономии топлива (например, 1,6%) за счет уменьшения насосных потерь, а также может обеспечить ускорение процесса прогрева двигателя. С одной стороны, это может быть достигнуто путем нагрева теплоносителем впускного воздуха двигателя. При этом подогрев воздуха на впуске может осуществляться охладителем системы рециркуляции выхлопных газов.

В частности в патенте США 4079715 представлена система подогрева для двигателя внутреннего сгорания, в которой топливную смесь, поступающую в двигатель, подогревают выхлопными газами двигателя.

В заявке Германии 2942699 представлено устройство регулирования температуры топливной смеси, поступающей из впускного коллектора в двигатель внутреннего сгорания, с помощью управления нагреванием впускного воздуха. Температуру воздуха регулируют смесительным клапаном, который приводят в действие датчиком температуры для регулирования соотношения предварительно нагретых выхлопных газов и свежего воздуха в камере карбюратора.

Нагреватель впускного воздуха, раскрытый в заявке Японии 58165559, установлен на внешней стороне выпускного коллектора и соединен с впускным воздушным патрубком.

В заявке Великобритании 211465 раскрыто устройство нагревания впускного воздуха двигателя. Выхлопные газы проходят по трубкам через теплообменник для нагревания воздуха, поступающего от воздушного фильтра во впускной коллектор двигателя. Количество выхлопных газов, проходящих через теплообменник, к выпускной трубке, регулируют с помощью дроссельной заслонки.

В заявке Японии 2007141848 описано теплообменное устройство и вентиляционный блок для охлаждения теплообменного устройства. Теплообменное устройство содержит впускной коллектор, выпускной коллектор и теплообменный элемент, соединяющий впускной и выпускной коллекторы.

В патенте США 5724931 блок нагретых выхлопных газов получает поток жидкости, регулирующей температуру, и обеспечивает передачу тепла от выпускного коллектора к жидкости, регулирующей температуру. Первый клапан управления регулирует поток жидкости, регулирующей температуру, между двигателем и радиатором. Второй клапан управления регулирует поток жидкости, регулирующей температуру, между двигателем и блоком нагретых выхлопных газов.

Система, раскрытая в заявке США 20070144500, содержит теплообменное устройство, которое включает в себя блок для охлаждения выхлопных газов охлаждающим воздухом путем передачи тепла между выхлопными газами и охлаждающим воздухом.

В патенте США 5655506, который может быть рассмотрен в качестве наиболее близкого аналога, описана система подогрева впускного воздуха двигателя внутреннего сгорания, содержащая выпускной коллектор и водный насос для направления потока жидкости, регулирующей температуру, в двигатель, а также теплообменное устройство для передачи тепла от жидкости, регулирующей температуру, к впускному воздуху и регулирующий клапан, управляющий потоком жидкости, регулирующей температуру, к и от теплообменного устройства.

В известных решениях присутствует ряд проблем. Во-первых, максимальная температура теплоносителя (например, 230°F или 110°С) может ограничить количество тепла, предназначенного для впускного воздуха двигателя. Во-вторых, относительно медленный нагрев теплоносителя может ограничить время, которое может быть использовано для подогрева впускного воздуха. Целью настоящего изобретения является устранение указанных проблем.

Раскрытие полезной модели

Некоторые из вышеуказанных проблем могут быть решены посредством системы нагрева впускного воздуха и охлаждения выхлопных газов, в которой выпускной коллектор с двойной стенкой может быть сконструирован как теплообменник выхлоп-воздух. Когда давление во впускном коллекторе меньше внешнего давления, нагретый впускной воздух может улучшать работу двигателя. При этом свежий воздух для прогревания может быть прокачан через межстеночное пространство выпускного коллектора с двойной стенкой, после чего нагретый воздух может быть направлен во впускной патрубок. Нагретый воздух поступает во впускной патрубок, улучшая ход всасывания насоса. Так, увеличивая подогрев воздуха за счет более теплых, чем теплоноситель, поверхностей выпускного коллектора, дополнительно достигается преимущество экономии топлива. Более того, выделение достаточного количества тепловой энергии обычно происходит менее чем через минуту после запуска двигателя, в отличие от трех минут или более в случае нагрева теплоносителем.

Кроме того, авторы данного изобретения обнаружили, что выпускной коллектор с двойной стенкой может также служить в качестве охладителя выпускного коллектора, направляя избыточный наддувочный воздух через межстеночное воздушное пространство для охлаждения выпускного коллектора при повышенной нагрузке двигателя. Таким образом, использование встроенного выпускного коллектора позволяет избежать жидкостного охлаждения. Такое охлаждение может иметь преимущество, когда давление впускного коллектора превышает внешнее давление, а температура выхлопных газов близка к предельным значениям, влияющим на долговечность системы. Таким образом, охлаждая выпускной коллектор избыточным наддувочным воздухом, можно уменьшить расход топлива и выбросы выхлопных газов путем обогащения топлива.

Способ функционирования двигателя согласно настоящему изобретению включает в себя:

- при первом условии, прокачивание свежего воздуха через межстеночное пространство выпускного коллектора с двойной стенкой для его подогрева и затем направление нагретого воздуха во впускной коллектор; и

- при втором условии, прокачивание впускного воздуха из впускного коллектора через межстеночное пространство для охлаждения выхлопного газа.

Первое условие может заключаться в сгорании топлива в двигателе, а второе условие отлично от первого. Кроме того, первое условие может заключаться в том, что давление впускного коллектора ниже, чем внешнее давление, а второе условие может заключаться в том, что давление впускного коллектора выше, чем внешнее давление. Первое условие также может заключаться в том, что в двигателе исключена детонация.

Функционирование системы также может включать в себя направление нагретого воздуха при первом условии во впускной коллектор в первом направлении через трубку, содержащую регулирующий клапан.

Функционирование системы также может включать в себя при втором условии перекачивание нагретого воздуха из впускного коллектора в межстеночное пространство через трубку в направлении, противоположном первому направлению.

Выхлопная система с двойной стенкой дополнительно может содержать выпускной воздуховод, через который проходит выхлопной газ, и который отделен от межстеночного пространства.

Функционирование системы также может включать в себя при втором условии регулирование по меньшей мере одной из систем, выбранных из систем впрыска топлива, дросселя, перепускной заслонки, компрессорного обвода, для восполнения потери впускного воздуха при его перекачке от впускного коллектора.

Первое условие дополнительно может включать в себя определение, является ли температура впускного воздуха меньшей, чем пороговая температура. Второе условие дополнительно может включать в себя определение, является ли температура выхлопа большей, чем пороговая температура.

Система двигателя согласно настоящему изобретению содержит следующие элементы:

устройство нагнетания воздуха;

впускной коллектор;

выхлопную систему с двойной внешней стенкой, ограничивающей межстеночное пространство;

трубку, соединяющую межстеночное пространство и впускной коллектор на выходе устройства нагнетания воздуха и

регулирующий клапан, расположенный внутри трубки.

Межстеночное пространство двойных стенок выхлопной системы выполняет функцию теплообменника между выхлопом и воздухом.

Система может дополнительно содержать регулятор (контроллер), сконструированный таким образом, чтобы осуществлять следующие операции:

при соблюдении первого условия открыть регулирующий клапан для перекачки свежего воздуха, нагретого в межстеночном пространстве выхлопной системы, во впускной коллектор;

при соблюдении второго условия открыть регулирующий клапан для перекачки впускного воздуха из впускного коллектора в межстеночное пространство; и

при соблюдении третьего условия закрыть регулирующий клапан.

Регулятор может быть выполнен с возможностью дополнительно осуществить при втором условии регулирование по меньшей мере одной системы, выбранной из систем впрыска топлива, дросселя, перепускной заслонки и компрессорного обвода, для восполнения потери воздуха на впуске при его перекачке от впускного коллектора.

При этом первое условие может включать в себя отсутствие наддува и детонации, а второе условие включает в себя наличие наддува. Дополнительно, первое условие может заключаться в том, чтобы температура воздуха на впуске была ниже пороговой температуры, а второе условие может заключаться в том, что температура выхлопа выше определенных заранее пороговых значений.

Система по изобретению может дополнительно содержать один или более соединенных с трубкой эжекторов, для создания вакуума в по меньшей мере одной из систем принудительной вентиляции картера, продува паров топлива и активации вакуумного усилителя.

Выхлопная система представленного устройства включает в себя выпускной воздуховод, через который проходит выхлопной газ и который отличен от межстеночного пространства.

Функционирование двигателя по изобретению включает в себя:

при первом условии, когда давление воздуха на впуске ниже внешнего давления, прокачку наружного воздуха через воздушный фильтр, первый контрольный клапан и межстеночное пространство выхлопной системы с двойной стенкой для нагрева воздуха, и направление нагретого воздуха от межстеночного пространства через регулирующий клапан во впускной клапан и

при втором условии, если давление воздуха на впуске выше внешнего давления, прокачку впускного воздуха от впускного коллектора через регулирующий клапан, межстеночное пространство для охлаждения выхлопа и прокачку воздуха через второй контрольный клапан в атмосферу.

Таким образом, выпускной коллектор с двойной стенкой, описанный в данном изобретении, обеспечивает эффект синергии функциональности, при котором впускной воздух поступает именно тогда, когда желателен подогрев на впуске, а избыточный наддув может направить воздух точно тогда, когда необходимо охлаждение выхлопных газов.

Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание предназначено для упрощенного изложения основных концепций, которые будут детально описаны далее. Не подразумевается идентификация ключевых или существенных признаков заявляемого объекта, объем которых определяется формулой изобретения, основанной на описании изобретения. Более того, заявленное изобретение не ограничено конкретными воплощениями, которые решают некоторые из проблем, описанных выше, или какой-либо частью данного описания.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 представлена функциональная схема образца двигателя в соответствии с вариантами исполнения настоящего изобретения.

На Фиг.2 представлено схематическое изображение варианта исполнения выпускного коллектора с двойной стенкой.

На Фиг.3 представлено поперечное сечение выпускного коллектора с двойной стенкой, показанного на Фиг.2.

На Фиг.4 представлена блок-схема функционирования двигателя в соответствии с вариантом исполнения данного изобретения.

На Фиг.5 представлено схематическое изображение варианта осуществления подогрева впускного воздуха с помощью выпускного коллектора с двойной стенкой.

На Фиг.6 представлено схематическое изображение варианта осуществления охлаждения выхлопа с помощью выпускного коллектора с двойной стенкой.

Осуществление полезной модели

В данном описании изложены варианты осуществления подогрева воздуха на впуске и охлаждения выхлопных газов. Технология заключается в использовании межстеночного пространства выпускного коллектора с двойной стенкой для подогрева воздуха на впуске при давлении впускного коллектора ниже внешнего давления, и для охлаждения выхлопных газов при давлении впускного коллектора выше внешнего давления, что будет более детально описано далее.

Фиг.1 представляет собой функциональную схему одного цилиндра многоцилиндрового двигателя 10, который может быть использован в двигательной установке автомобиля. Двигатель 10 частично может регулироваться системой контроля, включающей регулятор 12, и входными сигналами, подаваемыми водителем 132 при помощи устройства ввода 130. В данном примере устройство ввода 130 включает в себя педаль акселератора и датчик 134 положения педали для подачи пропорционального сигнала о положении педали PP. Камера сгорания (т.е. цилиндр) 30 двигателя 10 может включать в себя стенки 32 камеры с установленным на них поршнем 36. Поршень 36 может присоединяться к коленвалу 40 таким образом, что возвратно-поступательное движение поршня транслируется во вращательное движение коленвала. Коленвал 40 может быть соединен по меньшей мере с одним ведущим колесом автомобиля через промежуточную систему коробки передач. Кроме того, для запуска двигателя 10 пусковой двигатель может быть присоединен к коленвалу 40 посредством маховика.

В камеру сгорания 30 может поступать впускной воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42, а отработанные продукты сгорания могут выходить через выхлопной канал 48. Впускной коллектор 44 и выхлопной канал 48 (например, коллектор) могут селективно соединяться с камерой сгорания 30 через соответствующий впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах исполнения изобретения камера сгорания 30 может включать в себя два или более впускных клапана и/или два или более выпускных клапана.

В данном примере контроль впускного клапана 52 и выпускных клапанов 54 может осуществляться за счет срабатывания кулачкового привода соответствующих кулачковых систем 51 и 53. Каждая система кулачкового привода 51 и 53 может включать в себя один или более кулачков и использовать одну или более систему переключения профилей кулачков (CPS), систему регулирования времени кулачка (VCT), регулируемые фазы газораспределения (VVT) и/или систему регулирования подъема клапана (VVL), управление которыми осуществляется регулятором 12, регулирующим работу клапана. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может определяться датчиками 55 и 57 положения, соответственно. В альтернативных вариантах исполнения изобретения управление впускным клапаном 52 и/или выпускным клапаном 54 может осуществляться при помощи электрической системы срабатывания клапана. Например, цилиндр 30, в качестве альтернативы, может содержать впускной клапан, регулируемый электрической системой срабатывания клапана, и выпускной клапан, регулируемый системой кулачкового привода, включая систему переключения профилей кулачков и/или систему регулирования времени кулачка.

Топливный инжектор 66 напрямую присоединяется к камере сгорания 30, обеспечивая впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания пропорционально ширине импульса сигнала FPW, поступающего от регулятора 12 через электронный привод 68. Таким образом, топливный инжектор обеспечивает так называемое прямое впрыскивание топлива в камеру сгорания 30. Топливный инжектор может быть вмонтирован, например, сбоку или в верхней части камеры сгорания. Топливо может подаваться в топливный инжектор 66 посредством системы подачи топлива (не показана на рисунке), состоящей из топливного бака, бензонасоса и топливной рампы. В некоторых вариантах исполнения изобретения камера сгорания 30 может в качестве альтернативы или дополнительно содержать топливный инжектор во впускном коллекторе 44, осуществляющий так называемые впрыски топлива во впускные каналы через впускные отверстия на входе камеры сгорания 30.

Впускной канал 42 может включать в себя дроссель 62 с дроссельной заслонкой 64. При этом положение дроссельной заслонки 64 может регулироваться регулятором 12 посредством подачи сигнала, поступающего в электродвигатель или силовой привод с дросселем 62. Такую конфигурацию часто называют электронным контролем дросселя (ETC). Таким образом, дроссель 62 может использоваться для распределения воздуха на впуске в камеру сгорания 30 между другими цилиндрами двигателя. Положение дроссельной заслонки 64 может быть зафиксировано в регуляторе 12 посредством сигнала ТР. Впускной канал 42 может содержать датчик 120 массового расхода воздуха (МРВ) и датчик 122 давления воздуха коллектора (ДВК), необходимые для передачи соответствующих сигналов МРВ и ДВК в регулятор 12.

Система зажигания 88 обеспечивает зажигание искры в камере сгорания 30 при помощи свечи зажигания 92 в ответ на сигнал об опережении зажигания (ОЗ), поступающего от регулятора 12 в соответствии с выбранными режимами работы. Помимо представленных на рисунке компонентов электрозажигания, в некоторых вариантах исполнения изобретения камера сгорания 30 или другие камеры сгорания двигателя 10 могут работать в режиме воспламененного сжатия с или без использования искры зажигания.

Датчик 126 выхлопных газов, как видно из рисунка, соединен с выхлопным каналом 48 до устройства 70 регулирования выхлопа. В качестве датчика 126 может использоваться любой сенсорный прибор для измерения соотношения выхлопных газов/топлива, например, линейный датчик содержания кислорода или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик содержания кислорода в выхлопных газах), бистабильный датчик содержания кислорода или EGO, HEGO (нагретый EGO), датчик NOx, датчик НС или датчик СО. Устройство 70 регулирования выхлопа, как показано на рисунке, установлено вдоль выпускного канала 48 после датчика 126 выхлопных газов. В качестве устройства 70 может быть использован тройной катализатор (TWC), заслонка датчика NOx и другие устройства регулирования выхлопа, или комбинации вышеуказанных устройств. В некоторых вариантах исполнения изобретения при эксплуатации двигателя 10 устройство 70 регулирования выхлопа может периодически сбрасываться работой по меньшей мере одним цилиндром двигателя в пределах определенного соотношения воздух/топливо.

Регулятор 12 показан на Фиг.1 как микрокомпьютер, включающий в себя микропроцессорный блок 102 (CPU), входной/выходной порты 104, электронный носитель информации для хранения программ и калибровочных параметров, показанный как микросхема 106 постоянного запоминающего устройства (ROM), оперативное запоминающее устройство 108 (RAM), оперативную память 110 (КАМ) и шину данных. В регулятор 12 могут поступать различные сигналы с датчиков, присоединенных к двигателю 10, помимо ранее упомянутых сигналов о массе расхода воздуха на впуске (MAF), поступающих с датчика 120 массового расхода воздуха, температуре теплоносителя двигателя (ЕСТ) с датчика 112 температуры, соединенного с охлаждающей муфтой 114, выходного сигнала о профильном зажигании (PIP) с датчика Холла 118 (или иного датчика), соединенного с коленвалом 40, сигнала о положении дросселя (ТР) с датчика положения дросселя и сигнала об абсолютном давлении коллектора (MAP) с датчика 122. Сигнал оборотов двигателя, об/мин. (RPM), может подаваться регулятором 12 от сигнала PIP. Сигнал давления коллектора MAP, поступающий с датчика давления коллектора, может быть использован для определения степени разрежения или давления во впускном коллекторе. Следует отметить, что можно использовать различные сочетания вышеописанных датчиков, например, датчик MAF можно использовать без датчика MAP. Во время проведения стехиометрических операций датчик MAP может давать показания, соответствующие вращающему моменту двигателя. Более того, этот датчик наряду с показаниями частоты вращения двигателя, может определить и расход воздуха, всасываемого цилиндром. Например, датчик 118, который также используется как датчик оборотов двигателя, может производить заданное число равномерных импульсов во время каждого оборота коленвала.

Носитель данных ROM 106 можно запрограммировать на выполнение действий процессором 102 по осуществлению описанных далее методов, а также иных возможных, но не представленных в данном описании способов осуществления изобретения.

Двигатель 10 может также включать в себя компрессорное устройство, такое как турбокомпрессор или нагнетатель, по меньшей мере компрессор 162, установленный вдоль впускного коллектора 44. Для турбокомпрессора, компрессор 162 может, по меньшей мере частично приводиться в действие при помощи турбины 164 (например, при помощи вала), установленной вдоль выпускного канала 48. Для нагнетателя, компрессор 162 может, по меньшей мере частично, приводиться в действие при помощи двигателя и/или электрического генератора без турбины. Таким образом, степень сжатия в одном или более цилиндрах двигателя посредством турбокомпрессора или нагнетателя может регулироваться регулятором 12.

На Фиг.1 представлен выпускной коллектор 48 с двойной внешней стенкой 140, определяющей межстеночное пространство 142, через которое может проходить струя воздуха. Межстеночное пространство может быть аналогично жидкостному пространству. На Фиг.1 также показана трубка 144, соединяющая межстеночное пространство с впускным коллектором 44. В случаях, когда давление коллектора меньше внешнего давления, наружный воздух, всасываемый через воздуховод 146, может проходить через межстеночное пространство 142, в результате чего он будет нагреваться и поступать во впускной коллектор 44 через трубку 144. Если давление впускного коллектора превышает внешнее давление, впускной воздух может быть прокачан от впускного коллектора 44 через трубку 144 к межстеночному пространству 142. Затем воздух проходит через межстеночное пространство 142 и охлаждает выхлопной газ. В данном случае выпускной коллектор с двойной стенкой 48 служит в качестве теплообменника выхлоп воздух, прокачивающего горячий воздух во впускной коллектор 44, что способствует ходу всасывания насоса и прогреву, а также охлаждению выпускного коллектора 48 при повышенной нагрузке двигателя во время направления избытка наддувочного воздуха через межстеночное пространство 142. При этом в результате нагревания воздуха на впуске, можно снизить затраты энергии, связанные с ходом всасывания насоса, улучшить процесс прогрева двигателя и уменьшить расход топлива. Кроме того, можно исключить использование прогретого клапана принудительной вентиляции картера (PCV) и/или прогретого корпуса дросселя, а также можно избежать применения компрессорного байпасного клапана или уменьшить его размер. Также можно облегчить или вообще не прибегать к процессу охлаждения выхлопного газа и/или деталей выхлопа через обогащение топливом или иной жидкостью. К тому же можно использовать материалы, подвергающиеся обработке при низкой температуре и требующие меньших затрат. Данный процесс подогрева воздуха на впуске и охлаждения отработанного воздуха более подробно будет описан далее.

Форсированный двигатель может давать более высокие температуры горения и выхлопа, чем двигатель без наддува аналогичной результирующей мощности. Такие высокие температуры могут привести к увеличению выброса оксидов азота (NOx) из двигателя и ускорить износ материалов, включая катализатор последующей обработки выхлопов. Одним из процессов, способных уменьшить износ, является рециркуляция выхлопного газа (EGR), в результате которой происходит смешивание заряда входящего воздуха с выхлопным газом, в связи с чем уменьшается содержание кислорода в нем. При использовании полученной смеси воздуха и выхлопа вместо обычного воздуха для поддержки горения в двигателе, снижается температура горения и выхлопа. EGR также может способствовать уменьшению расхода топлива в карбюраторном двигателе за счет уменьшения потерь на дросселирование и теплоотдачу.

В системах форсированных двигателей, оборудованных компрессором турбонагнетателя, механически присоединенного к турбине, отработанный воздух может проходить через петлю 148 EGR высокого давления или петлю 150 EGR низкого давления. Отработанный воздух поступает в петлю 148 EGR высокого давления от входа турбины 164 и смешивается с воздухом на выходе компрессора 162. Отработанный газ поступает в петлю 150 EGR низкого давления с выхода турбины 164 и смешивается с входящим воздухом на входе компрессора 162.

Стратегии высокого и низкого давления EGR способствуют оптимальной эффективности частоты вращения двигателя под нагрузкой. Например, на форсированных карбюраторных двигателях, вырабатывающих стехиометрическое количество состава горючей смеси, необходимо, чтобы EGR низкого давления проходила при пониженной нагрузке, где разрежение на впуске обеспечивает достаточный фильтрационный потенциал, а EGR высокого давления - при повышенной нагрузке, где петля EGR низкого давления обеспечивает больший фильтрационный потенциал. Поэтому в некоторых вариантах осуществления изобретения регулирующий клапан в трубке 144 может быть открыт, когда система получает преимущество от теплого, несмешанного воздуха вместо воздуха, разбавленного рециркуляцией EGR, который может присутствовать во впускном устройстве в результате проведенных ранее операций. Например, когда давление впускного коллектора больше внешнего, регулирующий клапан внутри трубки 144 может быть открыт для выпуска наддувочного воздуха из впускного коллектора, что позволяет снизить давление впускного коллектора до значений ниже внешнего давления, и, таким образом, теплый наружный воздух может прокачиваться с двойной стенки выпускного коллектора через трубку, заменяя воздух, разбавленный рециркуляцией EGR.

Более того, при условии TIP-out, когда нагрузка двигателя внезапно начинает снижаться, значительное количество нежелательного сжатого входящего воздуха может остановиться на входе дросселя 62. В этом случае открытие регулирующего клапана в трубке 144 может способствовать сбросу воздуха в компрессоре 162. Вследствие чего избыточное давление наддува может быть направлено при закрытом клапане EGR обратно к впуску компрессора.

Как было описано выше, на Фиг.1 представлен один цилиндр многоцилиндрового двигателя, в котором каждый цилиндр может включать свой комплект впускных/выпускных клапанов, топливный инжектор, свечу зажигания и др.

На Фиг.2 представлен вариант выпускного коллектора 200, имеющего двойную внешнюю стенку 202. Фиг.3 представляет собой поперечный разрез выпускного коллектора 200 с межстеночным пространством 204 двойной внешней стенки, через которую может проходить воздух. Нужно отметить, что межстеночное пространство 204 отличается от внутренней полости 206 выпускного коллектора 200, через который может прокачиваться отработанный газ.

На Фиг.4 показана схема 300 функционирования двигателя. Данный двигатель может представлять собой форсированный двигатель, который был описан выше (см. фиг.1). Первоначально регулирующий клапан в трубке, соединяющий межстеночное пространство с впускным коллектором на выпуске турбокомпрессора может находиться в закрытом положении, вследствие чего воздух не сможет проходить между впускным коллектором и межстеночным пространством выпускного коллектора. На этапе 302 метод 300 включает в себя в определении давления впускного коллектора. На этапе 304, если давление впускного коллектора меньше порогового давления (например, внешнего давления) метод 300 переходит к этапу 306, где определяется, происходит ли при этом давлении в двигателе детонация. Такое определение включает в себя контроль скорости двигателя, нагрузки двигателя, моментов зажигания, температуры теплоносителя, температуры воздуха на впуске и др., для определения, подходит ли момент зажигания близко к граничному значению, при этом граничное состояние моментов зажигания представляет собой самый долгий момент зажигания, предшествующий детонации двигателя. Если работа двигателя ограничена детонацией, метод 300 не имеет дальнейшего продолжения. Однако, если работа двигателя не ограничена детонацией, метод 300 переходит к этапу 308, на котором происходит определение, меньше ли температура впускного воздуха пороговой температуры. Например, пороговая величина может соответствовать ожидаемой температуре воздуха на впуске или максимальной температуре, при которой обеспечивается долговечность впускного коллектора и других компонентов. Расчет температуры воздуха на впуске, например, в зависимости от скорости, нагрузки, внешней температуры, температуры двигателя, времени с запуска двигателя и др. может проводиться в целях минимизации потерь при прокачке и времени на прогрев воздуха.

Если температура впускного воздуха не ниже порогового значения, его можно прогреть до такой температуры, чтобы внутри цилиндров произошло необходимое воспламенение, и на этом этапе метод 300 заканчивается. Однако, если температура впускного воздуха ниже порогового значения, необходимо продолжить прогрев. После этого можно перейти к этапу 310.

На этапе 310 метод 300 заключается в открытии регулирующего клапана внутри трубки, соединяющей межстеночное пространство и впускной коллектор на выходе турбокомпрессора. В качестве регулирующего клапана может использоваться простой открывающийся/закрывающийся клапан, или он может быть модифицирован. Клапан может быть модифицирован так, чтобы достигать желаемой температуры на впуске, например, при помощи регуляторов с обратной связью PID, основанных на сравнении полученного значения температуры воздуха с желаемой температурой. На этапе 312 метод 300 включает в себя прокачку наружного воздуха через межстеночное пространство выпускного коллектора с двойной стенкой, с целью его подогрева. Горячие поверхности выпускного коллектора способны отдать больше тепла воздуху в межстеночном пространстве, чем традиционный теплоноситель, нагревающий воздух. Кроме того, достаточный нагрев выхлопом обычно достигается быстрее, чем нагрев теплоносителем, таким образом воздух в межстеночном пространстве может нагреваться также быстрее. На этапе 314 метод 300 заключается в направлении нагретого воздуха во впускной коллектор, в результате чего может быть достигнуто снижение расхода топлива.

На Фиг.5 представлен пример прогревания впускного воздуха при помощи выпускного коллектора 500 с двойной стенкой (показан в поперечном разрезе). В представленном примере наружный воздух проходит через компрессор 502 и промежуточный холодильник 504 до того, как пройдет через дроссель 506, и затем поступает во впускной коллектор 508. После прокачивания через впускной коллектор 508 впускной воздух попадает в цилиндры 510, для сгорания с топливом. Образующийся в результате горения выхлопной газ поступает в выпускной коллектор 500.

Когда давление во впускном коллекторе меньше внешнего давления, а двигатель не ограничен детонацией, нагретый воздух на впуске может положительно влиять на работу двигателя. Это происходит в результате того, что нагретый впускной воздух может уменьшить работу по прокачке по ходу всасывания, а также способствовать лучшему прогреву двигателя. Таким образом, при первом условии регулирующий клапан 512 в трубке 514, которая соединяет межстеночное пространство 516 выпускного коллектора 500 с впускным коллектором 508 на выходе турбокомпрессора, может быть открыт. Как было сказано выше, первым условием может быть условие горения в цилиндре двигателя, при котором давление на впуске ниже внешнего давления, а двигатель не ограничен детонацией. В некоторых вариантах осуществления изобретения этим условием может быть условие отсутствия наддува и/или дросселированного воздуха. Как показано на схеме 518, свежий воздух может быть прокачен через воздуховод 520, проходя через контрольный клапан 522 в межстеночное пространство 516, где воздух нагревается поверхностями двойной внешней стенки выпускного коллектора 500, как показано на элементе 524. После этого нагретый воздух проходит через межстеночное пространство 516 в трубку 514 через регулирующий клапан 512 в направлении к впускному коллектору 508, как показано на элементе 526. После этого нагретый воздух поступает во впускной коллектор 508. В некоторых вариантах исполнения изобретения данная система также может включать один или более эжекторов, расположенных по линии хода прогретого воздуха, что способствует созданию вакуума, необходимого для принудительной вентиляции картера, продувки паров топлива или запуска вакуумного усилителя. В некоторых вариантах исполнения изобретения свежий воздух может проходить через воздушный фильтр перед контрольным клапаном 522. В некоторых вариантах осуществления изобретения регулирующий клапан 512 может быть открыт, когда теплый неразбавленный воздух положительно влияет на систему, вместо воздуха, разбавленного рециркуляцией EGR, который может присутствовать в системе впуска в результате осуществления предыдущих операций, таких как увеличение нагрузки двигателя при неизменных оборотах и/или разгрузка, как было отмечено выше.

Возвращаясь к Фиг.4, если на этапе 304 определено, что давление впускного коллектора меньше внешнего давления, метод 300 переходит к этапу 316, где определяется, больше ли давление впускного коллектора чем пороговое давление (например, внешнее давление). Если давление впускного коллектора не превышает внешнее, метод 300 заканчивается, а регулирующий клапан остается в закрытом положении. Однако если давление впускного коллектора превышает внешнее, метод 300 переходит к этапу 318, где определяется, выше ли температура выхлопного газа чем пороговая температура, указывая, что может быть необходимо охлаждение выхлопа. Если температура выхлопного газа не превышает пороговую температуру, нет необходимости в дополнительном охлаждении выхлопа, и на этом метод 300 заканчивается. Однако, если температура выхлопного газа превышает пороговую температуру, метод 300 переходит к этапу 320.

На этапе 320 метод 300 заключается в открытии регулирующего клапана внутри трубки, соединяющей межстеночное пространство и впускной коллектор. В качестве регулирующего клапана может использоваться простой закрывающийся/открывающийся клапан или же он может быть модифицирован для достижения необходимой степени охлаждения выхлопа, исходя из количества имеющегося избыточного наддувочного воздуха. На этапе 322 метод включает прокачивание впускного воздуха из впускного коллектора через межстеночное пространство для охлаждения выхлопного газа. На этапе 324 метод включает в себя регулирование разомкнутой петли системы впрыска топлива, и/или положение дроссельной заслонки, и/или перепускной заслонки, и/или компрессорного байпасного клапана в целях восполнения потерь впускного воздуха на, проходящего через трубку и таким образом обходящего цилиндры.

На Фиг.6 представлен пример системы охлаждения выхлопа при помощи выпускного коллектора 500 с двойной стенкой. В случаях, когда давление впускного коллектора превышает внешнее давление, температура выхлопа может быть близка к пороговой, связанной со сроком службы материалов. Таким образом, можно избежать снижения экономичности и эмиссионных потерь, получаемых в результате охлаждения воздуха посредством обогащения топлива, если охлаждать выпускной коллектор избыточным наддувочным воздухом. Так, при втором условии регулирующий клапан 512 внутри трубки 514 может быть открыт. Как было описано выше, второе условие заключается в том, чтобы давление на впуске было выше внешнего давления, - и это основное отличие второго условия от первого. В некоторых вариантах осуществления изобретения этим условием может быть условие наличия наддува, высокой нагрузки и/или отсутствие дросселированного воздуха. Таким образом, как показано на элементе 526, впускной воздух может быть прокачан от впускного коллектора 508 через регулирующий клапан 512 к выпускному коллектору 500. Необходимо отметить, что в некоторых случаях охлажденный воздух может, в качестве альтернативы, быть запущен до дросселя или после компрессора. Однако в данном случае может быть использована дополнительная обвязка для достижения лучшего результата.

После этого воздух может поступать в межстеночное пространство 516, где воздух охлаждает выхлопной газ, как показано на элементе 528. Используя такое воздушное охлаждение вместо жидкостного охлаждения, можно избежать добавления к охлаждающей системе дополнительных устройств отвода тепла. После этого воздух может проходить через другой контрольный клапан 530 и затем поступать в атмосферу или в иные компоненты системы, извлекающие тепло (например, в регулятор CNG, кабину, масло коробки передач, смазку дифференциала и др.). Система впрыска топлива может быть отрегулирована (например, путем регулирования размыкания петли) для того, чтобы компенсировать впускной воздух, выходящий из впускного коллектора. Таким образом, можно поддерживать стехиометрическое сгорание в двигателе. Также могут быть установлены дроссель и/или перепускная заслонка и/или компрессорный обвод (например, путем регулирования размыкания петли) для восполнения воздуха, поступающего из впускного коллектора и поддержки поступления необходимого количества воздуха в цилиндры двигателя. В некоторых вариантах исполнения изобретения данная система может включать в себя один или более отражателей, расположенных вдоль трубки для создания вакуума при принудительной вентиляции картера, а также для продувки паров топлива или активации вакуумного усилителя.

Таким образом, нагрев впускного воздуха и охлаждение выхлопного воздуха, как было описано ранее, обеспечивает синергию функциональности, в которой входящий воздух может быть всосан именно тогда, когда необходимо нагревание впускного воздуха, а избыточный наддув может нагнетать воздух именно тогда, когда необходимо охлаждение выхлопа. По этой причине в некоторых вариантах изобретения можно использовать пассивное (без применения регулятора) исполнение. При увеличении мощности в переходном режиме избыточный наддув может отсутствовать. Однако данные переходные режимы обычно не обеспечивают достаточного нагрева выхлопа, чтобы потребовалось охлаждение выхлопа, напротив, такое охлаждение обычно необходимо в стационарных условиях. Система обычно имеет избыток наддува при больших уровнях мощности, когда желательно охлаждение выхлопа.

Следует отметить, что вариант осуществления контроля и оценки проводимых операций может иметь отношение к различным двигателям и/или конфигурациям систем автомобилей. Специальные операции, описанные здесь, могут представлять один или более вариантов каких-либо технологический стратегий, например, событийных, прерываемых, многозадачных, многопоточных и т.п. В связи с этим различные действия, операции или функции могут проводиться последовательно, параллельно или с пропусками некоторых пунктов. Более того, соблюдение определенного технологического порядка вариантов осуществления изобретения не требуется. Он приведен для большей доступности понимания описания и чертежей. Одно или более из проиллюстрированных действий или функций может выполняться многократно в зависимости от используемой стратегии. Также описанные действия могут быть зашифрованы в машиночитаемом носителе данных системы управления двигателем.

Описанные конфигурации и действия приведены с учетом реальных условий, и особенные варианты осуществления изобретения не должны быть приняты как варианты, осуществление которых возможно лишь при определенных условиях, так как многие варианты вполне осуществимы. Например, вышеописанная технология может быть применима к двигателям: V-6, I-4, I-6, V-12, оппозитному двигателю 4 и другим типам двигателей. Объектом настоящего изобретения являются все новые и неочевидные комбинации и субкомбинации различных систем и конфигураций, а также иные параметры, функции и/или особенности.

Представленная формула изобретения раскрывает определенные комбинации и субкомбинации, рассматриваемые как новые и неочевидные. Пункты формулы можно отнести к «какому-либо» элементу или эквиваленту, упомянутому в настоящем описании. Притязания могут включать один и более элементов, а также исключать два или более элементов. Другие комбинации и субкомбинации описанных особенностей, функций, элементов и/или параметров могут быть заявлены как дополнения к представленным притязаниям или как новые притязания в составе настоящей или родственной заявки.

Данные притязания, вне зависимости от того, как они раскрыты: более широко, более подробно, кратко, аналогично оригинальным притязаниям или отличны от них, также относятся к сущности настоящего изобретения.

1. Система двигателя, содержащая:

устройство нагнетания воздуха;

впускной коллектор;

выхлопную систему с двойной внешней стенкой, ограничивающей межстеночное пространство;

трубку, соединяющую межстеночное пространство и впускной коллектор, расположенный после устройства нагнетания воздуха;

и регулирующий клапан, расположенный внутри трубки.

2. Система по п.1, в которой межстеночное пространство двойных стенок выхлопной системы выполняет функцию теплообменника между выхлопными газами и воздухом.

3. Система по п.1, дополнительно содержащая регулятор, сконструированный таким образом, чтобы выполнять следующие команды:

в случае соблюдения первого условия открыть регулирующий клапан для накачивания во впускной коллектор свежего воздуха, нагретого в межстеночном пространстве выхлопной системы;

в случае соблюдения второго условия открыть регулирующий клапан для накачивания в межстеночное пространство впускного воздуха из впускного коллектора; и

в случае соблюдения третьего условия закрыть регулирующий клапан.

4. Система по п.3, в которой регулятор дополнительно выполнен с возможностью в случае соблюдения второго условия выполнить команду отрегулировать по меньшей мере одну систему, выбранную из систем впрыска топлива, дросселя, перепускной заслонки и компрессорного обвода, таким образом, чтобы восполнить потери воздуха на впуске при его перекачке от впускного коллектора.

5. Система по п.3, в которой первое условие включает в себя отсутствие наддува и детонации, а второе условие включает в себя наличие наддува.

6. Система по п.5, в которой первое условие дополнительно заключается в том, что температура воздуха на впуске ниже пороговой температуры, а второе условие заключается в том, что температура выхлопа выше пороговой.

7. Система по п.1, дополнительно содержащая один или более соединенных с трубкой эжекторов, выполненных с возможностью создания вакуума в по меньшей мере одной системе, выбранной из системы принудительной вентиляции картера, системы продува паров топлива и системы активации вакуумного усилителя.

8. Система по п.1, в которой выхлопная система дополнительно содержит выпускной воздуховод, через который проходят выхлопные газы, и который отличен от межстеночного пространства.