CH668806A5

CH668806A5 - TURBOCHARGER FOR DIESEL ENGINE.

Info

Publication number: CH668806A5
Application number: CH698/86A
Authority: CH
Inventors: Yoshiyuki Ogata; Yoshiharu Okeda; Katsumi Akiyama; Isao Ueda; Fumitoshi Takahashi; Toshiyuki Tanaka; Shinji Nomura
Original assignee: Hitachi Shipbuilding Eng Co
Priority date: 1985-03-08
Filing date: 1986-02-21
Publication date: 1989-01-31
Also published as: JPS61205330A; GB8604132D0; DE3607612A1; GB2172340B; FR2578581A1; GB2172340A

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION

La présente invention concerne un turbocompresseur pour un moteur diesel, selon le préambule de la revendication 1. The present invention relates to a turbocharger for a diesel engine, according to the preamble of claim 1.

Un turbocompresseur du type ci-dessus, qui est prévu pour alimenter un moteur diesel en air fortement comprimé, permet d'augmenter la puissance de sortie du moteur et d'améliorer le rendement de combustion de celui-ci. Toutefois, lors du fonctionnement à charge partielle du moteur diesel, le point de fonctionnement effectif du turbocompresseur s'écarte d'un point de fonctionnement préfixé, ce qui conduit à une diminution du rendement du turbocompresseur ainsi qu'à un rendement de combustion diminué du moteur. A turbocharger of the above type, which is intended to supply a diesel engine with highly compressed air, makes it possible to increase the output power of the engine and to improve the combustion efficiency of the latter. However, during partial load operation of the diesel engine, the effective operating point of the turbocharger deviates from a pre-set operating point, which leads to a reduction in the efficiency of the turbocharger as well as to a reduced combustion efficiency engine.

Des tentatives faites dans le but d'éliminer ces inconvénients ont consisté, par exemple, dans l'apport d'une soupape de succion dans le passage d'air, en amont de la chambre de compression, la soupape de succion étant commandée par une unité de commande selon la pression détectée dans le passage d'air en aval de la chambre de compression et par d'autres paramètres-de fonctionnement tels que la vitesse du moteur diesel et similaires. Toutefois, un tel arrangement ne permet pas une commande fine du turbocompresseur, puisque le débit et la pression de l'air délivré sont réglés par la soupape de succion seule. En soi, aucun succès notable n'a été atteint dans la recherche d'amélioration du rendement du turbocompresseur ou du rendement de combustion du moteur diesel. Attempts to eliminate these drawbacks have consisted, for example, in providing a suction valve in the air passage, upstream of the compression chamber, the suction valve being controlled by a control unit according to the pressure detected in the air passage downstream of the compression chamber and by other operating parameters such as the speed of the diesel engine and the like. However, such an arrangement does not allow fine control of the turbocharger, since the flow rate and the pressure of the supplied air are regulated by the suction valve alone. As such, no significant success has been achieved in seeking to improve the efficiency of the turbocharger or the combustion efficiency of the diesel engine.

Le but de la présente invention est de réaliser un turbocompresseur pour un moteur diesel éliminant le problème mentionné ci-dessus. The object of the present invention is to provide a turbocharger for a diesel engine eliminating the problem mentioned above.

Pour atteindre ce but, le turbocompresseur selon l'invention est réalisé comme décrit dans la revendication 1. To achieve this object, the turbocharger according to the invention is produced as described in claim 1.

Il est donc possible de commander les ailettes de guidage d'échappement, de guidage d'air et de compresseur selon les exigences spécifiques déterminées par les paramètres de fonctionnement, de sorte que la condition du turbocompresseur peut être réglée de manière fine afin de maintenir en tout temps le moteur diesel dans une condition de fonctionnement idéal. It is therefore possible to control the exhaust guide, air guide and compressor fins according to the specific requirements determined by the operating parameters, so that the condition of the turbocharger can be fine-tuned to maintain the diesel engine at all times in ideal operating condition.

L'invention va être décrite plus en détail ci-après à l'aide d'un exemple préféré de réalisation et du dessin dans lequel: 5 la figure 1 montre schématiquement un turbocompresseur selon l'invention, associé à un moteur diesel, The invention will be described in more detail below using a preferred embodiment and the drawing in which: FIG. 1 schematically shows a turbocharger according to the invention, associated with a diesel engine,

la figure 2 est une vue en plan des ailettes de guidage d'échappement du turbocompresseur, FIG. 2 is a plan view of the exhaust guide fins of the turbocharger,

la figure 3 est une vue en plan des ailettes de guidage d'air du io turbocompresseur, FIG. 3 is a plan view of the air guide fins of the turbocharger,

la figure 4 est une vue en plan des ailettes de compresseur du turbocompresseur, FIG. 4 is a plan view of the compressor fins of the turbocharger,

la figure 5 est un diagramme des temps illustrant un exemple d'un mode de fonctionnement du moteur diesel, et 15 la figure 6 est un organigramme illustrant un exemple d'un mode de commande du turbocompresseur. FIG. 5 is a timing diagram illustrating an example of an operating mode of the diesel engine, and FIG. 6 is a flow chart illustrating an example of a control mode of the turbocharger.

La figure 1 montre un moteur diesel 1 relié à un turbocompresseur 2 et une unité de commande 3. Le moteur diesel 1 est en soi connu et il est réalisé de manière que le mouvement de va-et-vient 20 des pistons 6 (un seul est illustré) à l'intérieur des cylindres 5 est converti en un mouvement de rotation d'un vilebrequin 4 situé à la base du moteur. Le moteur comprend un tuyau d'échappement 7, une conduite d'évacuation 8 et un refroidisseur d'air 8a connecté dans la conduite d'évacuation 8. FIG. 1 shows a diesel engine 1 connected to a turbocharger 2 and a control unit 3. The diesel engine 1 is known per se and is produced so that the reciprocating movement 20 of the pistons 6 (only one is illustrated) inside the cylinders 5 is converted into a rotational movement of a crankshaft 4 located at the base of the engine. The engine comprises an exhaust pipe 7, an exhaust pipe 8 and an air cooler 8a connected in the exhaust pipe 8.

25 Le turbocompresseur 2 qui fait l'objet principal de l'invention comprend une chambre de turbine d'échappement 9 et une chambre de compression 10. La chambre de turbine 9 a une entrée 11 qui communique avec le tuyau d'échappement 7 du moteur 1 à travers une conduite d'échappement 13 et une sortie 12. Une hélice d'entraî-30 nement de turbine 14 est disposée de manière tournante dans la chambre de turbine 9 et elle a un arbre de sortie 14a dépassant dans la chambre de compression 10. Des ailettes de guidage d'échappement 15 s'étendant radialement sont disposées en forme d'anneau comme indiqué en figure 2 à l'intérieur de la chambre de turbine 9, 35 en amont de l'hélice de turbine 14. Chaque ailette est susceptible de tourner autour d'un axe perpendiculaire à l'arbre 14a de la turbine. Les ailettes 15 sont mises en rotation par des premiers dispositifs d'entraînement 16. La position angulaire des ailettes 15 est détectée par un premier détecteur d'angle de rotation Al. The turbocharger 2 which is the main object of the invention comprises an exhaust turbine chamber 9 and a compression chamber 10. The turbine chamber 9 has an inlet 11 which communicates with the exhaust pipe 7 of the engine 1 through an exhaust pipe 13 and an outlet 12. A turbine drive propeller 14 is rotatably disposed in the turbine chamber 9 and has an output shaft 14a protruding into the compression chamber 10. Radially extending exhaust guide fins 15 are arranged in the form of a ring as shown in FIG. 2 inside the turbine chamber 9, 35 upstream of the turbine propeller 14. Each fin is capable of rotating around an axis perpendicular to the shaft 14a of the turbine. The fins 15 are rotated by first drive devices 16. The angular position of the fins 15 is detected by a first angle of rotation detector A1.

40 La chambre de compression 10 a une entrée 18 et une chambre en spirale 19 ayant une sortie 19a qui communique avec la conduite d'évacuation 8 du moteur 1 à travers une conduite d'air 20. Une hélice de compression 21 fixée sur l'arbre de la turbine 14a est disposée à l'intérieur de la chambre de compression 10. Des ailettes de 45 guidage d'entrée d'air 22 s'étendant radialement sont disposées en forme d'anneau comme indiqué en figure 3 à l'intérieur de la chambre de compression 10, en amont de l'hélice de compression 21. Chaque ailette est susceptible de tourner autour d'un axe perpendiculaire à l'arbre 14a de la turbine. Les ailettes 22 sont mises en rota-50 tion par un deuxième dispositif d'entraînement 23. La position angulaire des ailettes 22 est détectée par un deuxième détecteur d'angle de rotation A2. En outre, des ailettes de compression 25 sont disposées en forme d'anneau (figure 4) dans la chambre de compression 10, entre l'hélice 21 et la chambre en spirale 19. Chaque ailette est 55 susceptible de tourner autour d'un axe parallèle à l'arbre 14a de la turbine. Les ailettes 25 sont prévues pour être entraînées par des premiers dispositifs d'entraînement 26. La position angulaire des ailettes 25 est détectée par un troisième détecteur d'angle de rotation A3. L'unité de commande 3 reçoit des signaux de détection des détec-60 teurs Al à A3. En outre, l'unité de commande 3 reçoit des signaux de détection d'un premier détecteur de vitesse de rotation SI détectant la vitesse de rotation de l'arbre 14a de la turbine, d'un second détecteur de vitesse de rotation S2 détectant la vitesse de rotation du vilebrequin 4 du moteur, d'un premier détecteur de pression PI dé-65 tectant la pression à la sortie de compression 19a, d'un premier détecteur de température détectant la température à la sortie de compression 19a, d'un second détecteur de pression P2 détectant la pression interne à la périphérie de la chambre de compression en spirale The compression chamber 10 has an inlet 18 and a spiral chamber 19 having an outlet 19a which communicates with the exhaust pipe 8 of the engine 1 through an air pipe 20. A compression propeller 21 fixed on the turbine shaft 14a is disposed inside the compression chamber 10. Radially extending air inlet guide vanes 22 are arranged in the form of a ring as shown in FIG. 3 inside from the compression chamber 10, upstream from the compression propeller 21. Each fin is capable of rotating around an axis perpendicular to the shaft 14a of the turbine. The fins 22 are rotated through a second drive device 23. The angular position of the fins 22 is detected by a second angle of rotation detector A2. In addition, compression fins 25 are arranged in the form of a ring (FIG. 4) in the compression chamber 10, between the propeller 21 and the spiral chamber 19. Each fin is capable of rotating around an axis. parallel to the shaft 14a of the turbine. The fins 25 are designed to be driven by first drive devices 26. The angular position of the fins 25 is detected by a third rotation angle detector A3. The control unit 3 receives detection signals from the detectors 60 to A1. In addition, the control unit 3 receives detection signals from a first rotation speed detector S1 detecting the rotation speed of the shaft 14a of the turbine, from a second rotation speed detector S2 detecting the rotational speed of the engine crankshaft 4, of a first pressure detector PI detecting the pressure at the compression outlet 19a, of a first temperature detector detecting the temperature at the compression outlet 19a, of a second pressure detector P2 detecting the internal pressure at the periphery of the spiral compression chamber

19, d'un détecteur de différence de pression PD détectant la; différence de pression dans la chambre de compression en spirate 19 entre la périphérie extérieure et la périphérie intérieure de cette chambre, d'un second détecteur de température T2 détectant la température des gaz d'échappement à l'entrée 11 de la chambre de turbine, d'un troisième détecteur de pression P3 détectant la pression dans le refroidisseur d'air 8a du moteur 1 et d'un détecteur de débit F détectant le débit d'alimentation en carburant dans le moteur 1. L'unité de commande 3 est préprogrammée pour un fonctionnement optimal du moteur diesel 1 dans toute la plage de vitesses de celui-ci. 19, of a pressure difference detector PD detecting the; pressure difference in the spiral compression chamber 19 between the outer periphery and the inner periphery of this chamber, of a second temperature detector T2 detecting the temperature of the exhaust gases at the inlet 11 of the turbine chamber, a third pressure detector P3 detecting the pressure in the air cooler 8a of the engine 1 and a flow detector F detecting the fuel supply flow rate in the engine 1. The control unit 3 is preprogrammed for optimal operation of the diesel engine 1 over the entire speed range thereof.

Le turbocompresseur selon l'invention fonctionne de la manière suivante. Lorsque le moteur 1 est en service, des gaz d'échappement s'écoulent dans la chambre de turbine 9 à travers la conduite 13 de gaz d'échappement et l'entrée 11. Ces gaz mettent en rotation l'hélice de turbine 14 et sont ensuite évacués à travers la sortie 12. En conséquence, l'hélice de compression 21 fixée à l'arbre 14a de la turbine est mise en rotation, de sorte que de l'air extérieur est aspiré dans la chambre de compression 10 à travers l'entrée de compression 18, et de l'air comprimé destiné à la combustion est délivré au moteur 1 à travers la chambre en spirale 19, la sortie de compression 19a et la conduite d'air 20. Pendant ce processus, les signaux des détecteurs individuels Al, A2, A3, SI, S2, PI, P2, P3, PD, TI, T2 et F sont délivrés à l'unité de commande 3 qui, à son tour, délivre des signaux Cl, C2, C3 pour actionner respectivement les dispositifs 16, 23, 26 qui commandent l'orientation angulaire des ailettes de guidage d'échappement 15, des ailettes de guidage d'air 22 et des ailettes de compression 25 selon les exigences du programme préfixé de l'unité de commande 3, de sorte que le débit et la pression de l'air délivré au moteur 1 soient commandés de manière optimale tout en évitant des à-coups et l'emballement du turbocompresseur 2, celui-ci étant commandé en même temps pour un fonctionnement à rendement maximal. The turbocharger according to the invention operates in the following manner. When the engine 1 is in service, exhaust gases flow into the turbine chamber 9 through the exhaust gas line 13 and the inlet 11. These gases rotate the turbine propeller 14 and are then evacuated through the outlet 12. Consequently, the compression propeller 21 fixed to the shaft 14a of the turbine is rotated, so that outside air is drawn into the compression chamber 10 through the compression inlet 18, and compressed air intended for combustion is supplied to the engine 1 through the spiral chamber 19, the compression outlet 19a and the air duct 20. During this process, the signals from the individual detectors Al, A2, A3, SI, S2, PI, P2, P3, PD, TI, T2 and F are delivered to the control unit 3 which, in turn, delivers signals Cl, C2, C3 to activate respectively the devices 16, 23, 26 which control the angular orientation of the exhaust guide fins 15, the air guide fins 22 and compression fins 25 according to the requirements of the preset program of the control unit 3, so that the flow and pressure of the air supplied to the motor 1 are optimally controlled while avoiding jolts and the runaway of the turbocharger 2, the latter being controlled at the same time for operation at maximum efficiency.

La figure 5 illustre un exemple de mode de fonctionnement d'un moteur diesel de marine. Après le démarrage, le moteur fonctionne à la vitesse de port tant que le bateau est dans ce dernier. Lorsque le bateau entre dans une route de mer, le moteur est commandé à la vitesse maximale de croisière. Lorsque le bateau passe à travers un canal, le moteur est ralenti à la vitesse morte. Après que le bateau a pris la direction du port, le moteur est à nouveau commandé à la vitesse de port et il est arrêté à la jetée. FIG. 5 illustrates an example of the operating mode of a marine diesel engine. After starting, the engine operates at port speed while the boat is in the latter. When the boat enters a sea route, the engine is controlled at maximum cruising speed. When the boat passes through a channel, the engine is slowed to idle speed. After the boat has taken the direction of the port, the engine is again controlled at port speed and it is stopped at the pier.

La figure 6 est un organigramme illustrant un mode de commande typique produit par l'unité de commande 3. Lorsque le moteur 1 est mis en marche, l'unité 3 est enclenchée automatiquement ou manuellement dans un état d'attente (bloc a). Dans cet état d'attente (par exemple lorsque le moteur 1 est à la vitesse de port), les ailettes de guidage d'échappement, les ailettes de guidage d'air 22 et les ailettes de compression 25 du turbocompresseur 2 sont bloquées dans des positions angulaires spécifiques prédéterminées en relation avec la sortie continue maximale (désignée ci-après par «MCO») du moteur 1 (bloc b). Dans le cas de commande entièrement automatique, le second détecteur de vitesse S2 détecte la vitesse du moteur 1 (bloc c) et la valeur détectée est comparée avec une FIG. 6 is a flow diagram illustrating a typical control mode produced by the control unit 3. When the motor 1 is started, the unit 3 is engaged automatically or manually in a standby state (block a). In this standby state (for example when the engine 1 is at port speed), the exhaust guide fins, the air guide fins 22 and the compression fins 25 of the turbocharger 2 are blocked in specific predetermined angular positions in relation to the maximum continuous output (hereinafter referred to as "MCO") of motor 1 (block b). In the case of fully automatic control, the second speed detector S2 detects the speed of motor 1 (block c) and the detected value is compared with a

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valeur de référence ajustable manuellement (par exemple 50% de MCO) pour vérifier si la valeur détectée est égale ou supérieure à la valeur de référence-(bloc d). Si «OUI», il est admis que la vitesse du moteur est entrée dans un domaine de commande et l'unité de commande 3 commence le réglage (bloc e). Si «NON», l'unité de commande 3 est maintenue dans l'état d'attente jusqu'à ce que la vitesse du moteur atteigne la valeur de référence. Comme alternative, l'unité de commande 3 peut être initialisée manuellement (bloc f) avant que la vitesse du moteur atteigne la valeur de référence. manually adjustable reference value (for example 50% MCO) to check whether the detected value is equal to or greater than the reference value- (block d). If "YES", it is accepted that the motor speed has entered a control range and the control unit 3 begins the adjustment (block e). If "NO", the control unit 3 is kept in the waiting state until the motor speed reaches the reference value. As an alternative, the control unit 3 can be manually initialized (block f) before the motor speed reaches the reference value.

Dès que l'unité 3 commence la commande, le débit du carburant délivré au moteur 1 est d'abord détecté par le détecteur de débit F (bloc g) et, sur la base du débit de carburant détecté, les positions angulaires des ailettes 15, 22 et 25 sont réglées par les dispositifs 16, 23 et 26 (bloc h). Ensuite, les différents paramètres de fonctionnement sont mesurés par les détecteurs Al, A2, A3, SI, S2, PI, P2, P3, PD, TI, T2 et F (bloc i), et le débit d'air à l'entrée de compression 18 est calculé dans l'unité 3 sur la base des différentes valeurs détectées en utilisant une méthode connue de calcul de débit (bloc j). La valeur calculée est vérifiée afin de savoir si elle est dans des limites permises d'une courbe de compression obtenue par des tests indépendants exécutés au préalable sur le turbocompresseur (bloc k). Si la valeur calculée est dans les limites permises, il est admis qu'il n'existe ni de survitesse ni d'à-coups du turbocompresseur 2 et le prochain pas de la commande est exécuté. Dans le cas contraire, si le débit d'air de compression n'est pas dans les limites permises, les positions angulaires des ailettes 15, 22 et 25 sont réajustées par les dispositifs 16, 23, 26 (bloc 1) et les étapes i à 1 sont répétées jusqu'à ce que le débit d'air de compression se trouve dans les limites permises de la courbe de compression. A la prochaine étape, le débit de carburant délivré au moteur 1 est détecté à nouveau par le détecteur de débit F (bloc m) pour connaître s'il est inférieur à la valeur du débit de carburant détectée dans l'étape g (bloc n). Si «OUI», la valeur détectée dans l'étape m est mémorisée provisoirement comme débit minimal. Si «NON», les ailettes 15, 22, 25 sont réajustées en fonction du débit de carburant (bloc o) et les étapes i à o sont répétées jusqu'à ce que le résultat de la comparaison soit «OUI». Ensuite, la vitesse du moteur est à nouveau détectée par le second détecteur de vitesse S2 (bloc p) pour une comparaison avec la valeur de référence mentionnée plus haut (bloc q). Si la vitesse du moteur n'est pas inférieure à la valeur de référence, il est admis que le moteur 1 maintient toujours une vitesse normale. Afin d'obtenir un débit de carburant le plus économique, les étapes i à q sont répétées, le débit minimal de fluide mémorisé étant successivement corrigé. As soon as the unit 3 starts the control, the flow of fuel delivered to the engine 1 is first detected by the flow detector F (block g) and, on the basis of the detected fuel flow, the angular positions of the fins 15 , 22 and 25 are set by devices 16, 23 and 26 (block h). Then, the different operating parameters are measured by the detectors Al, A2, A3, SI, S2, PI, P2, P3, PD, TI, T2 and F (block i), and the air flow at the inlet compression 18 is calculated in unit 3 on the basis of the different values detected using a known method of calculating flow (block j). The calculated value is checked in order to know if it is within permitted limits of a compression curve obtained by independent tests executed beforehand on the turbocharger (block k). If the calculated value is within the permitted limits, it is assumed that there is neither overspeed nor jerks of the turbocharger 2 and the next step of the command is executed. Otherwise, if the compression air flow is not within the permitted limits, the angular positions of the fins 15, 22 and 25 are readjusted by the devices 16, 23, 26 (block 1) and steps i to 1 are repeated until the compression air flow is within the allowable limits of the compression curve. In the next step, the fuel flow delivered to the engine 1 is detected again by the flow detector F (block m) to know if it is less than the value of the fuel flow detected in step g (block n ). If "YES", the value detected in step m is temporarily stored as the minimum flow rate. If “NO”, the fins 15, 22, 25 are readjusted as a function of the fuel flow rate (block o) and steps i to o are repeated until the result of the comparison is “YES”. Then, the motor speed is again detected by the second speed detector S2 (block p) for a comparison with the reference value mentioned above (block q). If the motor speed is not lower than the reference value, it is accepted that motor 1 always maintains a normal speed. In order to obtain the most economical fuel flow, steps i to q are repeated, the minimum memorized fluid flow being successively corrected.

Lorsque la vitesse du moteur est diminuée en dessous de la valeur de référence, les ailettes 15,22 et 25 sont bloquées dans leurs positions respectives prédéterminées, comme lors du démarrage du moteur (bloc r). Il faut noter que, même si la vitesse du moteur a été réduite comme indiqué ci-dessus, le processus de commande peut toujours être exécuté manuellement jusqu'à l'étape g (bloc s). When the engine speed is reduced below the reference value, the fins 15, 22 and 25 are locked in their respective predetermined positions, as when the engine is started (block r). It should be noted that, even if the motor speed has been reduced as indicated above, the control process can still be executed manually until step g (block s).

En général, la commande entièrement automatique n'est pas indiquée lorsque le bateau est dans un port ou un canal. In general, fully automatic control is not indicated when the boat is in a port or canal.

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2 feuilles dessins 2 sheets of drawings

Claims

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1. Turbocharger for a diesel engine, comprising: an exhaust turbine chamber (9) communicating with the exhaust pipe (7) of a diesel engine (1) and provided with a turbine drive propeller ( 14) and a compression chamber (10) having a spiral chamber (19) communicating with the exhaust pipe (8) of the diesel engine and provided with a compression propeller (21) capable of rotating with the propeller d turbine drive, coaxial thereto, characterized by adjustable exhaust guide fins (15) arranged in the turbine chamber (9) upstream of the turbine propeller (14) by guide fins d 'adjustable air intake (22) arranged in the compression chamber (10) upstream of the compression propeller (21); adjustable compressor outlet fins (25) arranged in the compression chamber (10) between the compression propeller (21) and the spiral chamber (19) and by three drive means (16,23, 26) for respectively controlling the exhaust guide fins (15), the air guide fins (22) and the compressor fins (25) according to the operating parameters of the turbocharger (2) and the diesel engine (1).

2. Turbocharger according to claim 1, characterized in that the exhaust guide fins (15) are arranged in a ring and that they are each capable of turning around an axis perpendicular to the axis of the turbine. (14).

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3. Turbocharger according to claim 1 or 2, characterized in that the air guide fins (22) are arranged in a ring and that they are each capable of rotating around an axis perpendicular to the axis of the compression propeller (21).

4. Turbocharger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the compressor fins (25) are arranged in a ring and that they are each capable of rotating around an axis parallel to the axis of the compression propeller (21).