SE502721C2 - Förbränningsmotor av turbocompoundtyp med avgasbroms - Google Patents

Description

502 721 ökad bromseffekt erhållas genom att krafturbinens drivkraft- tillskott till vevaxeln i stort sett kopplas bort genom att flödet genom kraftturbinen försvinner.

Uppfinníngens ändamål Uppfinningens ändamål är att erhålla en kraftigt förstärkt motorbromseffekt, speciellt på högvarv, i en förbränningsmotor av compoundtyp, speciellt i en motor som ingår i drivaggregatet för tunga lastbilar och bussar.

Ett annat ändamål är att kunna erhålla högre bromseffekt utan att avgastemperaturen eller avgasmottrycket blir alltför hög respektive högt.

Ytterligare ett ändamål är att för en given bromseffekt minska belastningen på grundmotorn m.a.p temperatur och tryck, vilket ger ökad livslängd på grundmotorn, bränsleinsprutare och tätningar samt möjliggör längre aktiveringsperioder av motorbromsen utan att övertemperaturer uppnås. Ännu ett ändamål är att erhålla en hög motorbromseffekt i en turbocompoundmotor med ett tekniskt enkelt och billigt system som ej erfordrar speciella reverserbara mekaniska transmissioner med ett flertal utväxlíngar, eller komplicerade waste-gate anordningar.

I dessa syften kännetecknas uppfinningen enligt patentkravets 1 kännetecknade del.

Ritningsförteckning Fig.l visar principiellt en förbränningsmotor av turbocompoundtyp där avgasbromsen uppfinningsenligt är anordnad nedströms compoundturbinen, Beskrivning av utföringsexempel I figur 1 visas en förbränningsmotor 7 av turbocompoundtyp företrädesvis ingående i drivaggregatet till en tung lastbil eller buss. Motorn är med fördel av typen direktinsprutad dieselmotor där en överladdare 14, med avgasdriven turbin 3 och på turbinaxeln 19 anordnad kompressor 4, användes för komprimering och tillförsel av förbränningsluft. Inloppsluften 502 721 passerar pä sedvanligt sätt, i figuren visat med vita pilar, genom inloppskanaler 15 via icke visade luftfilter först till kompressorn 4 och därefter till laddluftkylaren 5 innan den härigenom komprimerade och kylda luften tillföres motorns inloppsgrenrör 9(icke visat). Avgaserna frän motorn samlas först upp i en avgassamlare 8 och vidareledes, i figuren visat med svarta pilar, sedan via en första avgaskanal ll, här en till turbinen 3 delad inloppssnácka, till överladdarens turbin 3 för drivning av kompressorn. Avgaserna leds därefter via en andra avgaskanal 12 till en kraftturbin 2 och vidare pà konventionellt sätt i en tredje avgaskanal 13 till icke visade ljuddämpare och eventuell avgasreningsutrustning. Kraftturbinen 2 användes i turbocompoundmotorer för att utvinna restenergin i avgaserna, efter passeringen genom överladdarens turbin.

Avgaserna driver kraftturbinen med mycket högt varvtal, upp emot 60.000 rpm vid ett normalt varvtal pà motorn, vilket för en dieselmotor för tunga lastbilar ligger runt 1400-2000 rpm.

Det drivmoment som erhàlles överföres till förbränningsmotorns vevaxel 10 via en transmission 1 som växlar ner varvtalet och som även med fördel inneháller en fluidkoppling 16. Härigenom kan totalverkningsgraden förbättras för drivaggregatet genom att avgasenergi bättre tas tillvara bade som energi för att komprimera förbränningsluften och energi för att ge ett positivt drivmomenttillskott pà motorns vevaxel. Fran en normal avgastemperatur i avgasgrenröret 8 runt 650 °C, sjunker temperaturen cirka 100 °C efter att ha passerat överladdarens turbin 3 för sáväl en enkel överladdad motor som en compoundmotor, men i compoundmotorn sjunker temperaturen 100- 110 °C ytterligare efter att ha passerat kraftturbinen 2, vilket tillsammans med betydande tryckfall över turbinerna visar att en stor energimängd tas tillvara av kraftturbinen och tillförs förbränningsmotorns vevaxel.

Det som utmärker uppfinningen är att en varierbar strypning företrädesvis ett avgasbromsspjàll 6 anordnas nedströms kraftturbinen 2 i den till kraftturbinens utlopp anslutna tredje avgaskanalen 13. Denna placering medför att den samlade avgasvolymen mellan motor och spjäll blir relativt stor, vilket är en viss nackdel med avseende på responstiden för erhållande av full motorbromseffekt. Vid normala varvtal så fylls dock denna avgasvolym relativt snabbt utan någon märkbar fördröjning av bromseffekten.

Avgasspjället 6 utformas så att det är tätslutande i det i figur 1 visade stängda läget, varvid spjället påverkas av ett servo med en förbestämd stängningskraft. Servot kan utgöras av en tryckstyrd reglercylinder 18 vilken kan trycksättas genom öppning av en reglerventil 21 ansluten till en tryckackumulator 17. utgöra en del av fordonets tryckluftsystem, vilket användes för Tryckackumulatorn 17 kan på känt sätt vid tunga fordon och annan utrustning, och som innefattar 26 för upprätthållande av ett systemtryck i 17. avgasspjället 6 mot verkan av en i reglercylindern bl.a bromsar kompressorer ackumulatorn Öppningen av ventilen 21, vilket medför stängning av anordnad returfjäder 24, regleras via en styrenhet 20 i beroende av en av fordonsföraren beordrad motorbromsaktivering.

Denna kan ske automatiskt efter att föraren tryckt ner en bromspedal 25, detekterat via en bromspedalkontakt 22, eller när föraren påverkat ett speciellt härför avsett motorbroms- reglage 23.

Genom denna tryckstyrning av ett tätslutande spjäll erhålles snabbt en fyllning och trycksättning av den mellan motorn och avgasspjället stående avgasvolymen, vilket ger snabb respons och god motorbromsverkan även vid låga motorvarvtal med låga luftflöden genom motorn.

I andra kända fall utformas ofta avgasspjället med en förbestämd läckspalt, i syfte att begränsa de avgastryck som kan uppstå. Nackdelen med sådana lösningar är att långsammare respons och sämre motorbromseffekt vid låga motorvarvtal erhålles. Läckspalter medför också att mjukare ventilfjädrar för motorns avgasventiler kan användas, utan att man riskerar att avgastrycket i avgassamlaren blir så högt att avgastrycket börjar öppna avgasventilerna med risk att dessa ligger och öppnar i helt felaktiga taktlägen på motorn. 502 721 I den uppfinningsenliga lösningen är det dock fördelaktigt att avgasspjället är tätslutande, med en förbestämd stängnings- kraft. Härigenom kommer kraftturbinen i samband med övergáng till motorbromsning med stängt avgasspjäll att börja pumpa avgaserna mot detta avgasspjäll sä att ett mot stängnings- kraften motsvarande avgastryck upprätthàlles nedströms kraftturbinens utlopp. För detta ändamàl användes företrädesvis ett avgasspjäll med en relativt avgaskanalen 13 excentrisk vridningsaxel, med den större spjällhalvan riktad nedströms, varigenom den större spjällhalvan rör sig mot avgasströmningen under stängningsrörelsen. Med ett sádan eccentrisk avgasspjäll sa kommer spjället att öppnas när avgastrycket blir för högt.

Vid övergången till motorbromsningen vänds kraftflödet vilket i normalt driftfall utan motorbroms gär fràn kraftturbinen till vevaxeln, sà att kraftflödet istället gar fràn motorn till kraftturbinen. Detta medför att hydraulkopplingen 16 som är anordnad i kraftturbinens transmission l utvecklar en negativ slirning vid motorbromsning istället för en positiv slirning.

Slirningen ligger normalt runt 3-5 %. Slirningen i procent definieras som 100 - (ngmm-nmmb) / nmmw , där npmw utgör varvtalet pá turbinansluten hydraulkopplingshalva och nnub utgör varvtalet pà den till motorns vevaxel anslutna hydraul- kopplingshalvan.

Vid en praktisk jämförelse mellan tvà identiska 6-cylindriga, ll-liters dieselmotorer, där den ena motorn, härefter benämnd turbomotor, är försedd enbart med överladdare och avgasbromsen placerad efter överladdarturbinens utlopp, och där den andra motorn är en compoundmotor försedd med en kraftturbin nedströms överladdarturbinen och avgasbromsen anordnad nedströms kraftturbinen, så erhàlles en väsentligt förhöjd motorbroms- effekt i compoundmotorn vid en maximerad tillàten avgas- temperatur. Med tillslagen avgasbroms vid fullt motorvarvtal runt 2300 rpm kan compound-motorn utveckla en bromseffekt utan att tilláten avgastemperatur överskrides som ligger uppemot 27% över den bromseffekt som turbomotorn kan utveckla under motsvarande förhållanden map avgastemperatur och typ av 502 721. avgasbroms.

Proven visar att för compoundmotorn medför varje grads C° höjning av avgastemperaturen att ett bromseffekttillskott pá 0.60 kW erhälles, medan för turbomotorn en motsvarande bromseffekttillskott per grad C° högre avgastemperatur ligger runt 0.45 kW.

Med avseende pá avgastrycket före avgasspjället visar proven att för compoundmotorn medför en höjning av trycket en(l) bar, att ett bromseffekttillskott pä 43.5 kW erhälles, medan för turbomotorn ett motsvarande bromseffekttillskott för varje bar i tryckhöjning ligger runt 34.6 kw.

Dessa resultat kan jämföras med den ökning av bromsmomentet som i US5ll9633 anges gälla för en "by-passad" kraftturbin i en “Jake-brake" reglerad motor i relation till en ren turbomotor.

Med denna mer komplicerade motor, med speciella anordningar för att pàverka avgasventilerna vid kompressionstaktens slutfas samt förbiledningsreglerande anordningar pá kraftturbinen sä hävdas att bromsmomentet höjs mer än 25%.

Med det uppfinningsenliga enkla arrangemanget med avgasspjället nedanför kraftturbinen, vilken företrädesvis men ej nödvändigtvis kan sakna by-pass kanaler, erhàlles àtminstone sama relativa förbättring av motorbromseffekten med betydligt enklare medel.

Förklaring till att den nedströms kraftturbinen anordnade avgasbromsstrypningen uppvisar sà påtagligt förhöjd broms- effekt, för en given begränsande tilláten avgastemperatur, star att finna i att kraftturbinen övergàr till att bli driven av motorn varigenom ett flertal effekter erhälles. Först uppstàr ett bromsmoment pà vevaxeln dä vevaxeln övergàr till att driva kraftturbinen som en pump pä ett kompressorliknande sätt sä att avgaserna pumpas mot det stängda avgasspjället. Kraftturbinen i samverkan med det täta tryckstyrda spjället upprätthåller ett förhöjt avgastryck som motsvaras av det reglertryck som häller avgasspjällets stängt. Dä kraftturbinen i huvudsak är anpassad för att med högsta verkningsgrad drivas av avgaserna sä komer den omvända pumpfunktionen vid avgasbromsning att ske med lág verkningsgrad. Detta visas av att en kraftig turbulens utbildas 502 721 vilken medför att temperaturbelastningen pà kraftturbinen ökar.

Den frán kraftturbinen erhállna pumpeffekten bidrar dock till att massflödet genom grundmotorn ökar för en given bromseffekt vilket medför att temperaturbelastningen pä grundmotorn minskar och att kylbehovet för motorn hàrigenom reduceras.

För en given total bromseffekt sà fär den uppfinningsenliga placeringen av avgasbromsen den effekten att temperatur- belastningen sjunker pà grundmotorn under en viss höjning av temperaturbelastningen pà kraftturbinen vid tillslagen avgas- Det ökade män erhållna den totala broms, samtidigt som massflödet genom motorn ökar. massflödet har delvis sin förklaring i den i viss pumpeffekten fràn kraftturbinen. Detta medför att bromseffekten kan höjas, exempelvis genom att öka reglertrycket pà avgasbromsen, sä att temperaturen pä avgaserna som lämnar motorn när upp till samma nivà som för en konventionell överladdad motor med avgasbromsen placerad efter överladdar- turbinen.

Den total bromseffekten bestár av tvà komponenter, dels broms- effekten fràn grundmotorn samt det bromsmoment som tillförs vevaxeln fràn kraftturbinen. Sammantages dessa tvà komponenter sä erhàlles en väsentligen förhöjd bromseffekt för en given tilläten temperatur pá avgaserna som lämnar motorn, relativt den totalabromseffekt som kan erhàllas med en konventionell överladdad motor med avgasbromsen placerad efter överladdar- turbinen där bromseffekten enbart erhälles fràn grundmotorn.

I en alternativ icke visad lösning sä kan det tätslutande spjället hàllas stängt med ett servo som avgastrycket ej kan pàverka sä att spjället öppnas, och istället regleras avgas- spjállet med en temperaturstyrning där temperaturen pà avgaserna i förbränningsmotorns avgassamlare detekteras. Denna lösning erfordras dock mycket snabb respons pá temperatur- sensorn om ett konventionellt avgasspjäll skall användas. Det väsentliga är att temperaturen ej överskrides i motorns avgas- samlare, vilken temperatur påverkar motorns insprutare och packningar.

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 UW CD BD \J BJ -A Patentkrav

1. l.Förbrànningsmotor(7) av turbocompoundtyp innefattande, -en avgassamlare(8) vilken mottager avgaser frän förbränningsmotorn för vidareledning via en första till en överladdarturbin(3) vilken driver en för förbränningsluft som tillförs motorn, och avgaskanal(ll) kompressor(4) -en kraftturbin(2) anordnad nedströms överladdarturbinen i en till överladdarturbinens utlopp ansluten andra avgaskanal(l2), vilken kraftturbin via en transmission(l) överför ur avgaserna utvunnen energi till förbränningsmotorns vevaxel(lO), k ä n n e t e c k n a d a v att en avgasbromsstrypning(6), företrädesvis ett avgasspjäll, är anordnat i en tredje avgaskanal(l3) ansluten till krafturbinens utlopp.

2. Förbrànningsmotor enligt patentkrav l k ä n n e t e c k n a d a v att kraftturbinens transmission(l) är mekanisk och innefattar en hydraulkoppling(l6), vilken kan upptaga varvtalskillnader mellan kraftturbinen(2) och vevaxeln(l0).

3. Förbränningsmotor enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d a v att överladdarens turbin(3) sitter pä sama axel(l9) som den drivna kompressorn(4).

4. Förbränningsmotor enligt patentkrav l k ä n n e t e c k n a d a v att avgasbromsstrypningen(6) i stängt läge är i allt väsentligt tätt utan förbestämda läckspàlter.

5. Förbränningsmotor enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d a v att avgasbromsstrypningen(6) hàlles i stängt läge via ett servoorgan(l8} med förbestämd kraftnivä, och att avgasspjället kan öppna om avgastrycket överstiger en mot denna kraftnivä motsvarande nivä.