Система турбонаддува с воздушноохлаждаемым исполнительным механизмом перепускной заслонки
Предложена система турбонаддува, которая содержит турбину, расположенную ниже по потоку относительно камеры сгорания, перепускной трубопровод турбины, сообщающийся по потоку с впускным и выпускным отверстиями турбины, перепускную заслонку, расположенную в перепускном трубопроводе турбины, а также исполнительный механизм перепускной заслонки, регулирующий положение перепускной заслонки. При этом исполнительный механизм перепускной заслонки имеет воздушное охлаждение за счет потока охлаждающего воздуха из подводящего трубопровода, расположенного выше по потоку относительно компрессора, механически соединенного с турбиной. В результате использования такой системы улучшается охлаждение исполнительного механизма перепускной заслонки, а следовательно, срок его эксплуатации.
Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к исполнительному механизму перепускного клапана в системе турбонаддува транспортного средства.
Уровень техники
В двигателях могут быть использованы такие устройства для обеспечения наддува, как нагнетатели и турбонагнетатели. Турбонагнетатели могут увеличивать мощность двигателя определенного рабочего объема по сравнению с двигателем без наддува.
В некоторых случаях желательно уменьшить расстояние, проходимое потоком между турбиной в турбонагнетателе и камерами сгорания, за счет расположения турбины рядом с выпускными отверстиями цилиндров. Благодаря такому расположению можно уменьшить потери в потоке выхлопных газов, позволяя увеличить скорость турбины. Увеличение скорости турбины приводит к увеличению степени сжатия, обеспечиваемой компрессором. В результате также может быть увеличена и мощность двигателя.
Однако из-за близости турбины к камере сгорания, турбина и окружающие ее компоненты могут испытывать воздействие повышенных температур. В некоторых двигателях температуры излучающих поверхностей выпускного коллектора и корпуса турбины могут превышать 900 градусов по Цельсию. Следовательно, турбина и окружающие ее компоненты могут начать разрушаться под действием температур, что приведет к уменьшению срока службы компонентов. Например, при таких высоких температурах могут выйти из строя перепускные заслонки (регуляторы давления наддува). В частности, особенно чувствительны к повышенным температурам исполнительные механизмы перепускных заслонок, что связано с характеристиками компонентов управления клапаном, к которым можно отнести, например, контуры, соленоиды и т.д.
В документе US 4,630,445, опубл. 23.12.1986 (который может быть выбран в качестве ближайшего аналога) описан турбонагнетатель с перепускной заслонкой для регулировки количества выхлопных газов, подаваемых к турбине в турбонагнетателе. В перепускной заслонке использован тепловой экран, который защищает шток клапана в перепускной заслонке от воздействия повышенных температур. Однако было обнаружено несколько недостатков клапана перепускной заслонки, раскрытого в US 4,630,445. В частности, тепловой экран может уменьшить количество тепла, передаваемого перепускной заслонке, при этом не обеспечивая ее активное охлаждение. Кроме того, может произойти передача тепла компонентам перепускной заслонки от участков, которые не оборудованы тепловым экраном. Следовательно, клапан перепускной заслонки, раскрытый в US 4,630,445, может по-прежнему испытывать воздействие повышенных температур во время работы двигателя.
Также были предприняты попытки обеспечить охлаждение исполнительного механизма перепускной заслонки с помощью охлаждающей жидкости двигателя, поступающей из его системы охлаждения. Однако использование охлаждающей жидкости двигателя для понижения температуры исполнительного механизма перепускной заслонки может потребовать обеспечения высокой степени прочности трубопроводов и привести к увеличению вероятности возникновения новых мест утечки охлаждающей жидкости. При этом трубопровод с высокой прочностью может также иметь высокую стоимость.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является обеспечение эффективного охлаждения перепускной заслонки турбонагнетателя двигателя и, соответственно, увеличение ее долговечности и снижение стоимости системы. Кроме того, понижается вероятность возникновения утечек охлаждающей жидкости.
Для достижения указанного эффекта используют систему турбонаддува, которая содержит турбину, расположенную ниже по потоку относительно камеры сгорания, перепускной трубопровод турбины, сообщающийся по потоку с впускным и выпускным отверстиями турбины, а также перепускную заслонку, расположенную в перепускном трубопроводе турбины. Исполнительный механизм перепускной заслонки, регулирующий положение перепускной заслонки, имеет воздушное охлаждение за счет получения охлаждающего потока воздуха от подводящего трубопровода, расположенного выше по потоку относительно компрессора, механически соединенного с турбиной.
Исполнительный механизм перепускной заслонки может быть соединен с подводящим трубопроводом, в частности расположен внутри подводящего трубопровода с возможностью принимать впускной поток воздуха в подводящем трубопроводе.
Система турбонаддува может содержать два подводящих трубопровода, подключенных параллельно, причем первый подводящий трубопровод имеет впускное отверстие, сообщающееся со вторым подводящим трубопроводом выше по потоку относительно выпускного отверстия, ведущего во второй подводящий трубопровод. Второй подводящий трубопровод может иметь большую площадь поперечного сечения, чем первый подводящий трубопровод. При этом в выпускном отверстии первого подводящего трубопровода может быть расположен аспиратор. Исполнительный механизм перепускной заслонки также может иметь канал воздушного охлаждения, пересекающий исполнительный механизм перепускной заслонки и подключенный последовательно с первым подводящим трубопроводом. Этот канал воздушного охлаждения может проходить сквозь исполнительный механизм перепускной заслонки или пересекать его корпус.
Система турбонаддува может дополнительно содержать охладитель надувочного воздуха, расположенный ниже по потоку относительно компрессора.
Перепускная заслонка может быть выполнена с возможностью регулировать поток выхлопных газов, проходящих через перепускной трубопровод турбины.
В предложенной системе турбонаддува могут отсутствовать дополнительные системы охлаждения исполнительного механизма перепускной заслонки.
В другом варианте воплощения представлена система турбонаддува, содержащая турбину, расположенную ниже по потоку относительно камеры сгорания, перепускной трубопровод турбины, сообщающийся по потоку с участком выше по потоку относительно турбины и участком ниже по потоку относительно турбины, а также перепускную заслонку, расположенную в перепускном трубопроводе турбины. Исполнительный механизм перепускной заслонки, регулирующий положение перепускной заслонки, соединен с ответвлением подводящего трубопровода выше по потоку относительно компрессора, механически соединенного с турбиной, причем ответвление подводящего трубопровода подключено параллельно подающему трубопроводу. При этом исполнительный механизм перепускной заслонки может быть механически соединен с перепускной заслонкой, а также представлять собой пневматический исполнительный механизм перепускной заслонки, выполненный с возможностью получать надувочный воздух из второго подводящего трубопровода, расположенного ниже по потоку относительно компрессора. Альтернативно, исполнительный механизм перепускной заслонки может представлять собой электронный исполнительный механизм перепускной заслонки, выполненный с возможностью получать управляющие сигналы от контроллера.
Таким образом, охлаждение исполнительного механизма перепускной заслонки обеспечивается за счет впускного воздуха, что позволяет уменьшить тепловую нагрузку исполнительного механизма. Следовательно, за счет воздушного охлаждения может быть увеличена долговечность исполнительного механизма перепускной заслонки. Кроме того, при использовании нагнетаемого воздуха для охлаждения исполнительного механизма перепускной заслонки, при необходимости можно исключить или уменьшить охлаждение исполнительного механизма перепускной заслонки с помощью охлаждающей жидкости двигателя. В результате этого можно снизить стоимость и сложность системы двигателя, а также вероятность возникновения утечек охлаждающей жидкости и потенциальное разрушение системы охлаждения.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена схема транспортного средства, оснащенного двигателем с системой турбонаддува;
На Фиг. 2 представлена схема транспортного средства, оснащенного двигателем с системой турбонаддува;
На Фиг. 3 представлено увеличенное изображение впускного отверстия ответвления подводящего трубопровода, который входит в состав системы турбонаддува, изображенной на Фиг. 1;
На Фиг. 4 представлено увеличенное изображение исполнительного механизма перепускной заслонки, который входит в состав системы турбонаддува, изображенной на Фиг. 2;
На Фиг. 5 представлено увеличенное изображение исполнительного механизма перепускной заслонки, который входит в состав системы турбонаддува, изображенной на Фиг. 1;
На Фиг. 6 показан способ работы системы турбонаддува, например, системы турбонаддува с Фиг. 1 или 2.
Осуществление полезной модели
Представлена система турбонаддува, имеющая воздушноохлаждаемый исполнительный механизм перепускной заслонки. Исполнительный механизм перепускной заслонки преобразует электрические управляющие сигналы, получаемые от системы управления, в механическое движение. Механическое движение передается от исполнительного механизма перепускной заслонки клапану перепускной заслонки в перепускном трубопроводе турбины. Впускной воздух может быть направлен к исполнительному механизму перепускной заслонки для его охлаждения, а затем - обратно в систему впуска. В одном примере несжатый впускной воздух может быть направлен к исполнительному механизму перепускной заслонки для охлаждения исполнительного механизма, а затем возвращен во впускное отверстие компрессора. Таким образом, тепло выхлопных газов, передаваемое исполнительному механизму перепускной заслонки, может быть рассеяно в охлаждающем воздухе. Кроме того, при использовании охлаждения надувочным воздухом ниже по потоку компрессора, нагретый впускной воздух может быть затем охлажден перед засасыванием в двигатель.
Таким образом, в одном из вариантов воплощения на исполнительный механизм перепускной заслонки поступает впускной воздух из системы впуска, для уменьшения температуры исполнительного механизма перепускной заслонки, тем самым снижая вероятность деградации перепускной заслонки из-за повышенных температур. В одном примере, исполнительный механизм перепускной заслонки может быть расположен рядом с перепускной заслонкой и турбиной, у выхлопного отверстия двигателя. В других примерах, воздушноохлаждаемый исполнительный механизм перепускной заслонки может быть расположен в системе впуска двигателя. Таким образом, система впуска может быть использована в двух целях одновременно, обеспечивая подачу впускного воздуха к двигателю, а также охлаждая исполнительный механизм перепускной заслонки. Таким образом, направление охлаждающей жидкости двигателя на исполнительный механизм перепускной заслонки может быть исключено или, при необходимости, уменьшено. Следовательно, могут быть уменьшены сложность и стоимость двигателя при увеличении срока службы исполнительного механизма перепускной заслонки.
На Фиг. 1 и 2 показаны первый и второй варианты системы турбонаддува, входящей в состав двигателя транспортного средства. На Фиг. 3-5 подробно показаны элементы систем турбонаддува с Фиг. 1 и 2. На Фиг. 6 показан способ работы системы турбонаддува.
На Фиг. 1 приведено схематичное изображение транспортного средства 50, включающего в себя двигатель 52 внутреннего сгорания, оснащенный системой 54 турбонаддува. Система 54 турбонаддува может включать в себя турбонагнетатель 56 с компрессором 58, механически соединенным с турбиной 60. Также показан вал 62, соединяющий компрессор 58 и турбину 60. Таким образом, компрессор 58 поворотным образом соединен с турбиной 60. Однако необходимо понимать, что компрессор может быть соединен с турбиной с помощью иного или дополнительно соединения (например, механической связи). Компрессор 58 расположен выше по потоку камеры 88 сгорания, а турбина 60 - ниже по потоку камеры сгорания.
Компрессор 58 выполнен таким образом, чтобы впускной воздух поступал к нему из подводящего трубопровода 64. В связи с этим подводящий трубопровод 64 расположен выше по потоку компрессора 58. В приведенном примере подводящий трубопровод 64 представляет собой подводящий трубопровод без наддува. Таким образом, подводящий трубопровод 64 имеет выпускное отверстие 66, сообщающееся (например, путем прямого гидравлического соединения) с впускным отверстием 68 компрессора 58. Впускное отверстие 68 компрессора в общем случае изображено в виде прямоугольника. Подводящий трубопровод 64 выполнен таким образом, чтобы в него поступал окружающий воздух. Стрелка 70 обозначает основное направление потока впускного воздуха, проходящего через подводящий трубопровод 64. Воздушный фильтр 72 соединен (например, расположен внутри) с подводящим трубопроводом 64. Воздушный фильтр 72 выполнен таким образом, чтобы удалять нежелательные твердые частицы из воздуха, проходящего через подводящий трубопровод.
Другой подводящий трубопровод 74 соединен с подводящим трубопроводом 64. В приведенном примере подводящий трубопровод 74 представляет собой ответвление подводящего трубопровода. Таким образом, подводящий трубопровод 74 подключен параллельно с подводящим трубопроводом 64. Основное направление потока впускного воздуха, проходящего через подводящий трубопровод 74, обозначено с помощью стрелки 76. Подводящий трубопровод 74 имеет впускное отверстие 78 и выпускное отверстие 80. Впускное отверстие 78 и выпускное отверстие 80 соединены с участками подводящего трубопровода 64 выше и ниже по потоку соответственно. Однако в других примерах впускное отверстие 78 может и не быть соединено с подводящим трубопроводом 64, вместо этого оно может забирать воздух из окружающей среды. С другой стороны, когда впускное отверстие 78 соединено с подводящим трубопроводом 64, трубопровод принимает отфильтрованный впускной воздух, снижая вероятность засорения воздушноохлаждаемого исполнительного механизма 116 перепускной заслонки, который может быть соединен с подводящим трубопроводом 74, как подробно описано далее. Кроме того, соединение впускного отверстия 78 с подводящим трубопроводом 64 вместо забора воздуха из окружающей среды предотвращает попадание неотфильтрованного воздуха в камеру 88 сгорания, что может привести к ухудшению характеристик сгорания. Следовательно, если впускное отверстие 78 выполнено таким образом, чтобы на него поступал воздух окружающей среды, то впускное отверстие 78 может быть, например, снабжено воздушным фильтром (например, расположенным в этом отверстии). В некоторых примерах подводящий трубопровод 74 может иметь меньшую площадь поперечного сечения, чем подводящий трубопровод 64, однако не исключены и другие варианты соотношения их размеров. В некоторых примерах на ответвляющемся подводящем трубопроводе 74 может быть установлен вентилятор 79, который может быть использован для увеличения потока воздуха, проходящего через подводящий трубопровод 74. Однако в других примерах для этого может быть использован только перепад давлений между впускным и выпускным отверстиями подводящего трубопровода 74. К подводящему трубопроводу 74 может быть подключен клапан 75, выполненный с возможностью регулировать поток воздуха, проходящего через трубопровод 74. Клапан 75 может принимать управляющие сигналы от контроллера 150, показанные сигнальной линией 77. Как показано на схеме, клапан расположен выше по потоку исполнительного механизма 116 перепускной заслонки, однако не исключены и другие положения клапанов, например, ниже по потоку исполнительного механизма 116 перепускной заслонки. В других примерах клапан 75 может отсутствовать в подводящем трубопроводе 74.
Компрессор 58 имеет выпускное отверстие 81, сообщающееся с впускным отверстием 82 подводящего трубопровода 84. Стрелка 90 обозначает основное направление потока воздуха через трубопровод 84. Компрессор 58 выполнен с возможностью обеспечивать увеличение давления проходящего через него впускного воздуха. Таким образом, может быть обеспечен наддув для двигателя 52. Следовательно, в приведенном примере подводящий трубопровод 84 представляет собой подводящий трубопровод с наддувом, однако не исключены и другие конфигурации впускных систем. Подводящий трубопровод 84 также имеет выпускное отверстие 86, сообщающееся с камерой 88 сгорания в двигателе 52. В некоторых примерах подводящий трубопровод 84 может сообщаться с впускным коллектором (не показан). Впускной коллектор может быть выполнен с возможностью обеспечивать подачу впускного воздуха в камеру 88 сгорания. Впускной клапан 170 и выпускной клапан 172 соединены с камерой 88 сгорания. Необходимо понимать, что двигатель 52 может иметь по крайней мере один впускной клапан и выпускной клапан для каждой камеры сгорания. Впускной и выпускной клапаны выполнены с возможностью открываться циклическим образом для улучшения горения в камере сгорания. В камере 88 сгорания расположен поршень 91.
Во время работы камера 88 сгорания в двигателе 52 обычно проходит 4 рабочих цикла: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. В многоцилиндровом двигателе четырехтактный цикл может выполняться в дополнительных камерах сгорания. Во время впуска обычно выпускной клапан 172 закрывается, а впускной клапан 170 открывается. Воздух поступает в камеру 88 сгорания через впускной коллектор, а поршень 91 двигается по направлению к дну цилиндра так, чтобы увеличить объем внутри камеры 88 сгорания. Положение, в котором поршень 91 находится рядом с дном цилиндра и в конце своего хода (т.е. когда камера 88 сгорания имеет наибольший объем) обычно называется специалистами в данной области нижней мертвой точкой (НМТ). Во время хода сжатия впускной клапан 170 и выпускной клапан 172 закрыты. Поршень 91 двигается по направлению к головке цилиндров, чтобы сжать воздух внутри камеры 88 сгорания. Точка, в которой поршень 91 находится в конце своего хода и наиболее близко к головке цилиндров (т.е. когда камера сгорания имеет наименьший объем) обычно называется специалистами в данной области верхней мертвой точкой (ВМТ). В процессе, здесь и далее обозначаемом «впрыскивание», топливо поступает в камеру сгорания. В процессе, здесь и далее обозначаемом «зажигание», впрыснутое топливо воспламеняют с помощью известных способов зажигания, таких как свеча 174 зажигания, что приводит к сгоранию. В качестве альтернативы или дополнительно, для воспламенения воздушно-топливной смеси может использоваться ее сжатие. Во время рабочего хода расширяющиеся газы толкают поршень 91 обратно к НМТ. Коленчатый вал превращает движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время хода выпуска, выпускной клапан 172 открывается, чтобы выпустить воспламененную смесь воздуха и топлива в выпускной коллектор, а поршень возвращается к ВМТ. Можно отметить, что вышеизложенное приведено только в качестве примера, и распределение по времени открывания и/или закрывания впускного и выпускного клапанов может меняться так, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрывание впускного клапана или различные другие варианты. В качестве дополнения или альтернативно в камере 88 сгорания может быть использовано воспламенение от сжатия.
В проиллюстрированном на схеме примере с подводящим трубопроводом 84 соединены охладитель 92 надувочного воздуха и дроссель 94, однако в других примерах они могут и не использоваться. Также в изображенном примере дроссель 94 расположен ниже по потоку охладителя 92 надувочного воздуха, однако в других примерах дроссель может быть расположен выше по потоку охладителя надувочного воздуха.
С камерой 88 сгорания может также сообщаться выпускной трубопровод 96, имеющий впускное отверстие 97. Таким образом, во время работы двигателя в выпускной трубопровод 96 могут поступать выхлопные газы из камеры 88 сгорания. Стрелка 98 показывает основное направление потока выхлопных газов, проходящего через выпускной трубопровод 96.
Выпускной трубопровод 96 имеет выпускное отверстие 100, сообщающееся с впускным отверстием 102 турбины 60. В некоторых примерах турбина 60 может содержать лопасти турбины, на которые могут поступать выхлопные газы из впускного отверстия 102 турбины.
С выпускным отверстием 106 турбины через впускное отверстие 105 сообщается выпускной трубопровод 104, который выполнен с возможностью выводить выхлопные газы в окружающую среду. Стрелка 107 показывает основное направление потока выхлопных газов, проходящего через выпускной трубопровод 104.
Система 54 турбонаддува также содержит перепускной трубопровод 108 турбины, который имеет впускное отверстие ПО, расположенное выше по потоку турбины 60 и открывающееся в выпускной трубопровод 96, а также выпускное отверстие 112, расположенное ниже по потоку турбины 60 и открывающееся в выпускной трубопровод 104. Следовательно, перепускной трубопровод 108 турбины сообщается с впускным отверстием 102 и выпускным отверстием 106 турбины. В частности, в некоторых примерах перепускной трубопровод турбины может быть напрямую соединен с впускным отверстием 102 и выпускным отверстием 106 турбины, однако не исключены и другие конфигурации перепускного трубопровода турбины. Стрелка 109 показывает основное направление потока выхлопных газов, проходящего через перепускной трубопровод 108 турбины, когда открыта перепускная заслонка 114. Необходимо понимать, что относительные размеры (например, площадь поперечного сечения) перепускного трубопровода 108 турбины и выпускных трубопроводов 96 и 104 могут быть выбраны на основании желаемых характеристик производительности турбонаддува.
Перепускной трубопровод 108 турбины содержит перепускную заслонку 114. В частности, в некоторых примерах перепускная заслонка 114 может быть расположена в перепускном трубопроводе 108 турбины. Перепускная заслонка 114 выполнена с возможностью регулировать поток выхлопных газов, проходящих через перепускной трубопровод 108 турбины. Таким образом, можно регулировать скорость вращения турбины. В некоторых примерах перепускная заслонка может находиться в открытом положении, когда поток выхлопных газов может проходить через перепускной трубопровод 108 турбины, а также в закрытом положении, когда выхлопные газы практически не проходят через перепускной трубопровод турбины. Необходимо понимать, что в некоторых примерах перепускная заслонка 114 может иметь несколько открытых положений, каждому из которых соответствует определенное количество выхлопных газов, проходящих через перепускной трубопровод турбины. Кроме того, в некоторых примерах перепускную заслонку 114 можно дискретно или плавно переключать между положениями, характеризующимися различной степенью открытия. Таким образом, перепускная заслонка 114 может обеспечить точную регулировку скорости турбины 60. В некоторых примерах перепускная заслонка 114 может содержать клапан 115, который изменяет степень открытия отверстия в перепускном трубопроводе.
В проиллюстрированном на схеме примере, воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки соединен с перепускной заслонкой 114. Воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки и перепускная заслонка 114 могут входить в состав системы 54 турбонаддува. В одном примере исполнительный механизм 116 перепускной заслонки представляет собой соленоид или пневматический исполнительный механизм с электрическим управлением. Линия 118 показывает соединение между воздушноохлаждаемым исполнительным механизмом 116 перепускной заслонки и перепускной заслонкой 114, имеющей клапан, образующий перепускную заслонку. В одном примере соединяющая линия 118 может представлять собой механическую связь, соединяющую управляемое движение исполнительного механизма перепускной заслонки с движением клапана перепускной заслонки. Таким образом, воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки выполнен с возможностью обеспечить регулирование положения перепускной заслонки 114. В частности, воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки может быть выполнен с возможностью регулировать количество выхлопных газов, проходящих через перепускной трубопровод 108 турбины. Таким образом, можно регулировать скорость турбины 60.
В приведенном примере в воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки может поступать поток охлаждающего воздуха от ответвляющегося подводящего трубопровода 74, а следовательно, также и поток охлаждающего воздуха от подводящего трубопровода 64. Однако в примере, изображенном на Фиг. 2, в воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки поток охлаждающего воздуха от подводящего трубопровода 64 поступает напрямую. Таким образом, воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки может быть охлажден с помощью потока впускного воздуха. Кроме того, он может быть расположен дальше от выхлопного отверстия, что также уменьшает количество тепла выхлопных газов, передаваемое от выхлопного отверстия.
В некоторых примерах воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки может представлять собой пневматический исполнительный механизм перепускной заслонки. В таком примере воздушноохлаждаемый исполнительный механизм перепускной заслонки может включать в себя мембрану, соединенную с пружиной. Пневматический трубопровод (обозначенный пунктирной линией 120) может создать давление воздуха турбонаддува на мембрану. Пневматический трубопровод 120 имеет впускное отверстие 122, открывающееся в подводящий трубопровод, и выпускное отверстие, открывающееся в мембрану исполнительного механизма перепускной заслонки. Исполнительный механизм перепускной заслонки может регулировать положение перепускной заслонки на основании значения давления, оказываемого на мембрану. Например, при увеличении давления на мембрану исполнительный механизм перепускной заслонки может увеличивать количество воздуха, проходящего через перепускную заслонку, а при превышении заранее заданного порогового значения давления на мембрану, может открывать перепускную заслонку. Однако не исключаются и другие способы управления. Необходимо понимать, что давление на мембрану прямо пропорционально давлению воздуха наддува на участке ниже по потоку компрессора 58. Пружина и мембрана могут быть соединены с перепускной заслонкой 114 посредством связи (например, механической связи). Таким образом, в пневматический исполнительный механизм 116 перепускной заслонки поступает воздух наддува от подводящего трубопровода, расположенного ниже по потоку компрессора. Когда воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки представляет собой пневматический исполнительный механизм перепускной заслонки, линия 118 обозначает пневматическую связь между исполнительным механизмом перепускной заслонки и перепускной заслонкой. Однако в других примерах пневматический трубопровод может не использоваться в системе 54 турбонаддува. Также в некоторых примерах воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки может быть соединен с перепускной заслонкой механически (например, посредством механической связи).
В некоторых примерах воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки может включать в себя соленоид и/или мотор для регулировки положения перепускной заслонки. Следовательно, воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки может иметь электронный управляющий контур. Соленоидом и/или мотором может управлять контроллер 150. В более общем смысле контроллер 150 может управлять воздушноохлаждаемым исполнительным механизмом 116 перепускной заслонки, а следовательно, этот механизм может получать от контроллера управляющие сигналы, обозначенные линией 117. На Фиг. 1 контроллер 150 показан в виде стандартного микрокомпьютера, содержащего микропроцессорный блок 152 (CPU), порты 154 ввода и вывода (I/O), постоянное запоминающее устройство 156 (ROM), оперативную память 158 (RAM), оперативную энергонезависимую память 160 (КАМ) и обычную шину данных. Контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, подключенных к двигателю 10. Например, контроллер 12 может принимать сигналы от позиционного датчика 162, подключенного к педали 164 акселератора, для определения положения акселератора, изменяемого ногой 166.
Контроллер 150 может принимать сигналы от датчиков в транспортном средстве 50, например, от датчика 180 давления, который соединен электронными средствами с контроллером через сигнальную линию 181, датчика 182 давления, который соединен электронными средствами с контроллером через сигнальную линию 183, температурного датчика 184, который соединен электронными средствами с контроллером через сигнальную линию 185. Как показано, датчик 180 давления соединен с подводящим трубопроводом 84, датчик 182 давления соединен с выпускным трубопроводом 96, а температурный датчик 184 соединен с двигателем 52. Однако были предусмотрены и другие положения датчиков. Например, датчик температуры и/или датчик давления могут быть соединены с ответвляющимся подводящим трубопроводом 74, исполнительным механизмом 116 перепускной заслонки, перепускной заслонкой 114, и/или перепускным трубопроводом 108 турбины. Как было упомянуто выше, контроллер 150 может также посылать управляющий сигнал на исполнительный механизм 116 перепускной заслонки через сигнальную линию 117. Контроллер 150 может входить в состав системы 190 управления. В некоторых примерах упомянутые ранее датчики также могут входить в состав системы управления. В некоторых примерах подводящие трубопроводы (64, 74 и 84) можно обозначить как первый подводящий трубопровод, второй подводящий трубопровод, третий подводящий трубопровод и т.д., в зависимости от их порядка. Аналогичным образом, выпускные трубопроводы 96 и 104 могут быть обозначены как первый выпускной трубопровод, второй выпускной трубопровод и т.д., в зависимости от их порядка.
На Фиг. 2 показан второй вариант выполнения системы 54 турбонаддува. На Фиг. 2 изображены некоторые из компонентов в системе 54 турбонаддува, показанной на Фиг. 1, следовательно, одинаковые детали обозначены аналогичным образом. Во избежание повторения аналогичные детали на Фиг. 2 далее не описываются. Однако необходимо понимать, что компоненты могут быть практически одинаковыми.
На Фиг. 2 показан подводящий трубопровод 64. Однако ответвление подводящего трубопровода на Фиг. 2 не показано. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки установлен на подводящем трубопроводе 64. В частности, воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки может быть расположен внутри подводящего трубопровода 64. Таким образом, воздух, проходящий через подводящий трубопровод 64, может пропущен вокруг исполнительного механизма перепускной заслонки для отвода от него тепла. В результате этого вероятность термической деградации исполнительного механизма перепускной заслонки будет уменьшена, что увеличивает срок службы исполнительного механизма перепускной заслонки. При необходимости к воздушноохлаждаемому исполнительному механизму перепускной заслонки можно не подключать дополнительных систем охлаждения. Однако в некоторых примерах для охлаждения исполнительного механизма перепускной заслонки могут быть использованы дополнительные системы охлаждения.
На Фиг. 3 показан детальный вид выпускного отверстия 80 ответвляющегося подводящего трубопровода 74, показанного на Фиг. 1. На Фиг. 3 также изображен участок подводящего трубопровода 64, который имеет корпус 320, задающий границу внутреннего канала 322. Как показано, в выпускном отверстии 80 ответвляющегося подводящего трубопровода может быть расположен аспиратор 300 (например, насос Вентури). Аспиратор 300 имеет впускное отверстие 302, горловину 304, выпускное отверстие 306 и вакуумное отверстие 308. Вакуумное отверстие 308 сообщается с расположенными выше по потоку участками ответвляющегося подводящего трубопровода 74. Стрелками 310 показано основное направление потока воздуха, проходящего через аспиратор 300 и ответвляющийся подводящий трубопровод 74. Стрелками 312 показано основное направление потока воздуха, проходящего через подводящий трубопровод. Необходимо понимать, что аспиратор 300 увеличивает поток воздуха, проходящего через ответвляющийся подводящий трубопровод 74. В результате этого на воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки, показанный на Фиг. 1, может поступать большее количество воздуха, что увеличит количество тепла, отводимого от исполнительного механизма. Следовательно, вероятность термической деградации исполнительного механизма перепускной заслонки будет понижена еще сильнее.
На Фиг. 4 показан детальный вид воздушноохлаждаемого исполнительного механизма 116 перепускной заслонки, изображенного на Фиг. 2. Подводящий трубопровод 64 имеет корпус 400, задающий границы внутреннего канала 402. Как показано, воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки расположен во внутренней части подводящего трубопровода 64. В частности, на приведенном примере воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки соединен с внутренней частью корпуса 400. Таким образом, корпус 400, по крайней мере частично, окружает воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки. Стрелками 404 показано основное направление потока воздуха, проходящего через подводящий трубопровод 64. Однако необходимо понимать, что характер движения потока является более сложным, чем это изображено. Как показано, впускной воздух направляется вокруг исполнительного механизма 116 перепускной заслонки, таким образом охлаждая исполнительный механизм 116 перепускной заслонки. Следовательно, поток воздуха попадает в исполнительный механизм 116 перепускной заслонки в пределах подводящего трубопровода 64. В результате, вероятность термической деградации исполнительного механизма перепускной заслонки будет уменьшена.
На Фиг. 5 приведен другой пример воздушноохлаждаемого исполнительного механизма 116 перепускной заслонки. Исполнительный механизм 116 перепускной заслонки, показанный на Фиг. 5, может входить в состав системы турбонаддува, изображенной на Фиг. 1. Воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки содержит канал 500 воздушного охлаждения. Как показано, канал 500 воздушного охлаждения последовательно гидравлически соединен с ответвляющимся подводящим трубопроводом 74. В приведенном примере канал 500 воздушного охлаждения проходит внутрь воздушноохлаждаемого исполнительного механизма 116 перепускной заслонки. Таким образом, канал 500 воздушного охлаждения проходит через воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки. В частности, канал воздушного охлаждения охватывает воздушноохлаждаемый исполнительный механизм 116 перепускной заслонки по всей его длине. В некоторых примерах канал воздушного охлаждения может иметь первый участок, где воздух проходит в первом направлении, и второй участок, где воздух проходит в противоположном направлении. Однако могут быть предусмотрены и другие конфигурации канала воздушного охлаждения. Например, канал воздушного охлаждения может быть соединен с корпусом 502 воздушноохлаждаемого исполнительного механизма 116 перепускной заслонки и проходить через корпус.
На Фиг. 6 проиллюстрирован способ 600 работы системы турбонаддува. Способ 600 может быть воплощен с помощью систем (например, система управления и система турбонаддува) и компонентов, описанных со ссылкой на Фиг. 1-5 или с помощью других систем и компонентов.
На этапе 602 способ предусматривает прохождение впускного воздуха из подводящего трубопровода без наддува (например, из подводящего трубопровода 64, изображенного на Фиг. 1) в ответвление подводящего трубопровода (например, ответвляющийся подводящий трубопровод 74, изображенный на Фиг. 1), который подключен параллельно с подводящим трубопроводом без наддува. Затем, на этапе 604, способ предусматривает прохождение впускного воздуха из ответвления подводящего трубопровода в канал воздушного охлаждения (например, канал 500 воздушного охлаждения, изображенный на Фиг. 5), входящий в состав воздушноохлаждаемого исполнительного механизма перепускной заслонки (например, воздушноохлаждаемого исполнительного механизма 116 перепускной заслонки, изображенного на Фиг. 5).
На этапе 606 способ предусматривает прохождение впускного воздуха обратно в ответвление подводящего трубопровода из канала воздушного охлаждения. Затем на этапе 608 способ предусматривает поступление впускного воздуха из ответвления подводящего трубопровода обратно в подводящий трубопровод без наддува. В некоторых примерах впускной воздух может проходить из ответвления подводящего трубопровода обратно в подводящий трубопровод без наддува на участке ниже по потоку относительно места, где впускной воздух выходил из подводящего трубопровода без наддува в ответвление подводящего трубопровода. Также в некоторых примерах количество воздуха, проходящего через ответвление подводящего трубопровода, может быть отрегулировано с помощью клапана, расположенного в ответвлении подводящего трубопровода, на основании, например, температуры двигателя.
Необходимо отметить, что в дополнительных вариантах воплощения для охлаждения исполнительного механизма перепускной заслонки способ работы двигателя может предусматривать направление впускного воздуха наддува над корпусом исполнительного механизма перепускной заслонки. Воздух наддува может быть направлен в исполнительный механизм перепускной заслонки через ответвление трубопровода, ведущее от участка ниже по потоку компрессора в участок выше по потоку компрессора, например, в обводную линию компрессора. Ответвление трубопровода может быть также проходить от участка выше по потоку компрессора до другого места выше по потоку компрессора. Исполнительным механизмом перепускной заслонки можно управлять с помощью системы управления, и он может принимать от системы управления электрические исполнительные команды. Исполнительный механизм перепускной заслонки может быть механически соединен с перепускной заслонкой турбонаддува для управления работой перепускной заслонки во время работы двигателя.
В некоторых примерах количество воздуха, направляемого к исполнительному механизму перепускной заслонки в ответвление подводящего трубопровода, может быть отрегулировано с помощью клапана, расположенного в ответвлении подводящего трубопровода. Клапан может быть отрегулирован с помощью контроллера на основании условий эксплуатации. Например, с помощью контроллера можно оценить температуру выхлопных газов, после чего при увеличении температуры выхлопных газов клапан в ответвлении подводящего трубопровода может быть открыт на большую величину, обеспечивая, тем самым, достаточное охлаждение исполнительного механизма перепускной заслонки. Также работа двигателя может быть отрегулирована на основании количества воздуха, направленного через ответвление подводящего трубопровода, а также его температуры. Например, к охладителю воздуха турбонаддува можно подать большее количество охлаждающей жидкости пропорционально количеству и/или температуре потока воздуха, направленного через отвод подводящего трубопровода. В качестве другого примера для компенсации прохождения через ответвление подводящего трубопровода большего количества воздуха может быть отрегулировано положение перепускного клапана компрессора (обратно пропорционально).
Как должно быть понятно специалистами в данной области техники, вышеописанные примеры методик и процедур могут быть использованы с различными двигателями или конфигурациями системы. Конкретные процедуры могут представлять собой один или несколько принципов обработки, такие как принцип событийного управления, управления прерываниями, многозадачный режим, многопоточный режим, и прочие. По существу, различные действия, операции или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно, или, в некоторых случаях, пропущены. Аналогично, порядок действий не является обязательным, чтобы достичь характеристик и эффекта описанных примерных вариантов выполнения, он представлен для объяснения иллюстраций и описания. Одно или более проиллюстрированных действий или функций может быть повторено в зависимости от конкретной используемой стратегии. Кроме того, описанные действия могут быть графическим представлением кода программы в машиночитаемом носителе данных системы управления двигателем.
Специалистам в данной области понятно, что конфигурации и процедуры, описанные в данном документе, являются по своей сути иллюстративными, и что допускаются различные изменения и модификации изобретения без выхода за рамки его сущности. Например, описанная выше технология может применяться к двигателям V6, I4, I6, V12, оппозитным четырехцилиндровым и другим типам двигателей.
1. Система турбонаддува, включающая в себя:
турбину, расположенную ниже по потоку относительно камеры сгорания;
перепускной трубопровод турбины, сообщающийся по потоку с впускным отверстием турбины и выпускным отверстием турбины;
перепускную заслонку, расположенную в перепускном трубопроводе турбины;
исполнительный механизм перепускной заслонки, регулирующий положение перепускной заслонки и выполненный с возможностью получать охлаждающий воздух из подводящего трубопровода, распложенного выше по потоку относительно компрессора, механически соединенного с турбиной.
2. Система турбонаддува по п.1, в которой исполнительный механизм перепускной заслонки соединен с подводящим трубопроводом.
3. Система турбонаддува по п.1, в которой исполнительный механизм перепускной заслонки расположен внутри подводящего трубопровода с возможностью принимать впускной поток воздуха в подводящем трубопроводе.
4. Система турбонаддува по п.1, которая содержит два подводящих трубопровода, подключенных параллельно, причем первый подводящий трубопровод имеет впускное отверстие, сообщающееся со вторым подводящим трубопроводом выше по потоку относительно выпускного отверстия, ведущего во второй подводящий трубопровод.
5. Система турбонаддува по п.4, дополнительно содержащая аспиратор, расположенный в выпускном отверстии первого подводящего трубопровода.
6. Система турбонаддува по п.4, в которой второй подводящий трубопровод имеет большую площадь поперечного сечения, чем первый подводящий трубопровод.
7. Система турбонаддува по п.4, в которой исполнительный механизм перепускной заслонки имеет канал воздушного охлаждения, пересекающий исполнительный механизм перепускной заслонки и подключенный последовательно с первым подводящим трубопроводом.
8. Система турбонаддува по п.7, в которой канал воздушного охлаждения проходит сквозь исполнительный механизм перепускной заслонки.
9. Система турбонаддува по п.7, в которой канал воздушного охлаждения пересекает корпус исполнительного механизма перепускной заслонки.
10. Система турбонаддува по п.1, которая дополнительно содержит охладитель надувочного воздуха, расположенный ниже по потоку относительно компрессора.
11. Система турбонаддува по п.1, в которой перепускная заслонка выполнена с возможностью регулировать поток выхлопных газов, проходящих через перепускной трубопровод турбины.
12. Система турбонаддува по п.1, которая позволяет избежать использования дополнительных систем охлаждения исполнительного механизма перепускной заслонки.
13. Система турбонаддува, включающая в себя:
турбину, расположенную ниже по потоку относительно камеры сгорания;
перепускной трубопровод турбины, сообщающийся по потоку с участком выше по потоку относительно турбины и участком ниже по потоку относительно турбины;
перепускную заслонку, расположенную в перепускном трубопроводе турбины;
исполнительный механизм перепускной заслонки, регулирующий положение перепускной заслонки и соединенный с ответвлением подводящего трубопровода выше по потоку относительно компрессора, механически соединенного с турбиной, причем ответвление подводящего трубопровода подключено параллельно подающему трубопроводу.
14. Система турбонаддува по п.13, в которой исполнительный механизм перепускной заслонки механически соединен с перепускной заслонкой.
15. Система турбонаддува по п.13, в которой исполнительный механизм перепускной заслонки представляет собой пневматический исполнительный механизм перепускной заслонки, выполненный с возможностью получать надувочный воздух из второго подводящего трубопровода, расположенного ниже по потоку относительно компрессора.
16. Система турбонаддува по п.13, в которой исполнительный механизм перепускной заслонки представляет собой электронный исполнительный механизм перепускной заслонки, выполненный с возможностью получать управляющие сигналы от контроллера.
РИСУНКИ
