CS255115B1

CS255115B1 - A method for controlling a turbocharger of an internal combustion engine and a method for performing the method

Info

Publication number: CS255115B1
Application number: CS862084A
Authority: CS
Inventors: Vaclav Tesar; Vladimir Kliment; Michal Takats; Vladimir Stibinger; Petr Kusy
Original assignee: Vaclav Tesar; Vladimir Kliment; Michal Takats; Vladimir Stibinger; Petr Kusy
Priority date: 1986-03-26
Filing date: 1986-03-26
Publication date: 1988-02-15
Also published as: CS208486A1

Abstract

Způsob regulace přeplňovacího turbo dmychadla spalovacího motoru je řešen umožněním obtoku výfukových plynů mimo hlavní vstup turbíny turbodmychadla. Část výfukových plynů před hlavním vstu pem do turbíny se odebírá a uvádí se do rotace, čímž se vyvodí odstředivé zrychle ní, kterým se pak odebírané části výfuko vých plynů zabraňuje v průtoku obcházejí cím hlavní vstup do turbíny. Při rostou cích otáčkách turbodmychadla se působí na tento průtok části výfukových plynů zvětšujícím se účinkem tlakového vzduchu, který se odebírá z kompresoru turbodmy chadla, toto působení na výtok části vý fukových plynů se provádí vzájemným stře táváním obou průtoků, jímž se zmenšuje intenzita vyvolávané rotace. Zařízení k provádění způsobu sestává z výfukového potrubí, které vede k turbině turbodmychad la a z kterého je vyvedena odbočka vedoucí k hlavnímu vtoku, jenž směřuje do vírové komory, v jejímž středu je výstupní otvor spojený s vývodním kanálem, obcházejícím hlavní vstup turbíny. U ústí hlavního vto ku do vírové komory je do vírové komory, ale pod jiným směrem vyústěna řídicí tryska napojená spojovacím kanálem na výtlačné potrubí kompresoru. Způsob a zařízení jsou využitelné zejména v oboru spalovacích motorů, zejména motorů vozid lových.The method of regulating the turbocharger of a combustion engine is solved by enabling the exhaust gas bypass outside the main inlet of the turbocharger turbine. A part of the exhaust gas before the main inlet of the turbine is taken and set into rotation, thereby generating centrifugal acceleration, which then prevents the taken part of the exhaust gas from flowing around the main inlet of the turbine. With increasing speed of the turbocharger, this flow of part of the exhaust gas is affected by the increasing effect of the compressed air taken from the turbocharger compressor, this effect on the outlet of part of the exhaust gas is carried out by mutual collision of both flows, which reduces the intensity of the rotation caused. The device for carrying out the method consists of an exhaust pipe leading to the turbine of the turbocharger and from which a branch is taken out leading to the main inlet, which is directed to the vortex chamber, in the center of which there is an outlet opening connected to the outlet channel bypassing the main inlet of the turbine. At the mouth of the main inlet to the vortex chamber, a control nozzle is directed into the vortex chamber, but in a different direction, connected by a connecting channel to the discharge pipe of the compressor. The method and device are useful in particular in the field of internal combustion engines, especially vehicle engines.

Description

Vynález se týká regulace přeplňovacího turbodmychadla spalovacího motoru a zařízení k provádění tohoto způsobu.The present invention relates to the control of a turbocharger of an internal combustion engine and to an apparatus for carrying out the method.

Pro tento způsob přeplňování je typické, že tlakový spád generovaný kompresorem a tím i průtočná hmotnost vzduchu dopraveného do válců motoru za otáčku roste s otáčkami motoru. Motor s takovýmto přeplňováním má tak nežádoucí strmý průběh charakteristiky. Je proto vhodné regulovat funkci plnicího turbodmychadla tak, aby se po dosažení určitého výkonu, a tedy i výstupního přetlaku kompresoru, přestal plnicí tlak turbodmychadla dále zvyšovat. Je k tomu možné použít celé řady různých cest, z nich nejobvyklejší je, že se po dosažení zmíněné meze část výfukových plynů pohánějících turbinu vede do obtoku mimo hlavní vstup turbiny. Jde bud o obtokové potrubí, které turbinu zcela obchází, nebo jsou výfukové plyny vedeny do turbiny jiným kanálem vedoucím k jinému systému statorových lopatek a tak dále.It is typical of this type of supercharging that the pressure drop generated by the compressor and thus the flow rate of air delivered to the engine cylinders per revolution increases with the engine speed. An engine with such supercharging thus has an undesirable steep course characteristic. It is therefore advisable to control the operation of the charge turbocharger so that the charge pressure of the turbocharger no longer increases after reaching a certain power and hence the compressor outlet pressure. A number of different routes can be used for this, the most common being that after reaching this limit, a portion of the turbine propellant exhaust flows into the bypass off the main inlet of the turbine. It is either a bypass line that bypasses the turbine completely, or the exhaust gases are routed to the turbine through another channel leading to a different stator blade system and so on.

U dosud známých provedení regulačních ústrojí je takový obtok umožněn tím, že po dosažení zvoleného plnicího přetlaku se otevře mechanický přepouštěcí ventil. Ten je ovládán bud přetlakem vzduchu ve výtlačném potrubí kompresoru nebo podtlakem vyvozeným při průtoku vzduchu lokálním zúžením potrubí. Konstrukce přepouštěcího ventilu je mimořádně náročným problémem, který se dosud nepodařilo vyřešit naprosto vyhovujícím způsobem. Tento ventil totiž pracuje v extrémních podmínkách vysoké teploty a silných vibrací s vysokými násobky zrychlení. Membrány u membránových provedení mají i při zhotovení ze speciálních drahých materiálů poměrně malou životnost; provedení s těsněným pístem zase zpravidla vykazují značné tření, což vede ke zhoršení kvality regulace. Značným problémem je těsnění dříku ventilu, vystavené vysoké teplotě výfukových plynů a působení úsad, které se na dříku usazují. Při vibracích, jimž se u motorů nelze nikdy vyhnout, dochází k postupnému vytloukání dosedacích ploch, zhoršenému těsnění ventilu a funkčním závadám. Byly také zaznamenány případy poruch způsobených prasknutím pružiny, nepříznivě namahané teplotou a vibracemi, která je zde nezbytná proto, že tlakové nebo podtlakové ovládání působí pouze jednostranně.In the prior art embodiments of the control devices, such a bypass is made possible by opening the mechanical transfer valve after reaching the selected filling pressure. This is controlled either by the overpressure of the air in the compressor discharge line or by the underpressure generated by the air flow through the local constriction of the pipe. The design of the relief valve is an extremely difficult problem which has not yet been solved in a completely satisfactory manner. This valve works under extreme conditions of high temperature and strong vibrations with high acceleration multiples. Membranes in membrane designs have a relatively low lifetime even when made from special expensive materials; the piston-sealed designs, as a rule, exhibit considerable friction, which leads to a deterioration of the control quality. A significant problem is the valve stem seals, which are exposed to high exhaust gas temperatures and deposits deposited on the stem. Vibrations that can never be avoided on engines result in gradual elimination of the bearing surfaces, impaired valve gasket and malfunctions. There have also been instances of failure due to spring rupture, adversely affected by temperature and vibration, which is necessary here because the pressure or vacuum controls act only on one side.

Uvedené nevýhody jsou odstraněny způsobem regulace přeplňovacího turbodmychadla spalovacího motoru podle tohoto vynálezu, rovněž umožněním obtoku výfukových plynů mimo hlavní vstup turbiny turbodmychadla. Podstata vynálezu spočívá v tom, že část výfukových plynů před hlavním vstupem do turbiny se odebírá a uvádí se do rotace, čímž se vyvodí odstředivé zrychlení, kterým se pak odebírané části výfukových plynů zabraňuje v průtoku obcházejícím hlavní vstup do turbiny, přičemž při rostoucích otáčkách turbodmychadla se působí na tento průtok části výfukových plynů zvětšujícím se účinkem tlakového vzduchu, který se odebírá z kompresoru turbodmychadla a toto působení na výtok části výfukových plynů se provádí vzájemným střetáváním obou průtoků, jímž se zmenšuje intenzita vyvolávané rotace.These disadvantages are overcome by the method of controlling the turbocharger of the internal combustion engine of the present invention, also by allowing exhaust gas bypass outside the main inlet of the turbocharger turbine. The principle of the invention is that part of the exhaust gas before the main inlet of the turbine is removed and rotated, thereby producing a centrifugal acceleration, which in turn prevents the exhaust portions of the exhaust from flowing around the main inlet of the turbine while increasing the turbocharger speed. This effect on the flow of a portion of the exhaust gas is increased by the effect of compressed air which is taken from the turbocharger compressor, and this effect on the discharge of a portion of the exhaust gas is accomplished by colliding the two flows together, thereby reducing the intensity of rotation.

Zejména je účelné provádět způsob podle vynálezu v zařízení, sestávajícím z výfukového kanálu, který vede k turbině turbodmychadla, z kterého je vyvedena odbočka vedoucí k hlavnímu vtoku, jenž směřuje do vírové komory, v jejímž středu je výstupní otvor spojený s vývodním kanálem obcházejícím hlavní vstup turbiny, přičemž u ústí hlavního vtoku do vírové komory je rovněž do virové komory, ale jiným směrem vyústěna řídicí tryska napojená spojovacím kanálem na výtlačné potrubí dmychadla.In particular, it is expedient to carry out the method according to the invention in an apparatus comprising an exhaust duct which leads to a turbocharger turbine from which a branch leading to a main inlet extends into a vortex chamber, in the center of which is an outlet opening connected to an outlet duct bypassing the main inlet at the mouth of the main inlet to the vortex chamber, there is also a control nozzle connected in a different direction to the vortex chamber, which is connected by a connecting channel to the blower discharge line.

Je také možné uspořádat zařízení podle vynálezu tak, že spojovací kanálek mezi výtlačným potrubím kompresoru a řídicí tryskou prochází elektricky ovládaným ventllkem, jehož kuželka, šoupátko nebo obdobná ovládaná součástka zasahuje do kanálku, přičemž ventilek je napojen na řídicí elektronický obvod.It is also possible to arrange the device according to the invention in such a way that the connection channel between the compressor discharge line and the control nozzle passes through an electrically operated valve whose plug, spool or similar actuated component extends into the channel, the valve being connected to the control electronic circuit.

Funkční vlastnosti turbodmychadla jsou tedy v uspořádání podle tohoto vynálezu korigovány obdobně jako u dosavadních běžných provedení odváděním části výfukových plynů do obtoku, přičemž tato část nabude podstaně velkých hodnot teprve po dosažení určité úrovně tlaku ve výstupu dmychadla. Rozdíl však je v tom, že k tomu není použito pohyblivých mechanických součástek regulujících průtok obtokovou větví. Využívá se odstředivého zrychleni při rotaci tekutiny v dutinách s neměnícím se tvarem. Odpadají tedy veškeré dosavadní problémy způsobo3 váné vysokými teplotami a vibracemi a ústrojí má prakticky neomezenou životnost. Ty dutiny, které jsou protékány výfukovými plyny, mají přitom poměrné značné příčné rozměry a nehrozí u nich tedy ani nebezpečí ztráty funkční schopnosti v důsledku zanášeni úsadami. Při vhodné volbě výrobní technologie může být také výroba ústrojí nemajícího pohyblivé součástky i podstatně levnější, může se například vystačit s tlakovým litím bez nutnosti třískového obrábění nebo je alespoň počet obráběných ploch výrazně menší. Konečně je výhodou i to, že celé toto korekční ústrojí může být snadno a poměrně malým příkonem ovládáno elektrickým signálem.Accordingly, the performance of the turbocharger is corrected in the arrangement of the present invention in a manner similar to conventional embodiments by discharging a portion of the exhaust gas into the bypass, which portion will only become substantially large once the blower outlet pressure is reached. The difference, however, is that no moving mechanical components are used to control the flow through the bypass branch. Centrifugal acceleration is used to rotate the fluid in cavities of unchanged shape. Thus, all the problems caused by high temperatures and vibrations are eliminated and the device has a virtually unlimited service life. The cavities which flow through the exhaust gases have relatively large transverse dimensions and therefore there is no danger of loss of performance due to fouling. With a suitable choice of production technology, the production of a device without moving parts can also be considerably cheaper, for example it can be sufficient with die casting without the need of machining or at least the number of machined surfaces is significantly smaller. Finally, it is also advantageous that the entire correction device can be controlled by an electrical signal easily and with a relatively low power input.

K objasnění vynálezu slouží připojené tři obrázky, kde na obr. 1 je příklad provedení určeného pro zážehový motor malého osobního automobilu, obr. 2 zachycuje schéma vírového uzávěru a obr. 3 zachycuje příklad průběhu převodní charakteristiky takového uzávěru.Three figures are provided to illustrate the invention, in which Fig. 1 shows an exemplary embodiment for a positive-ignition engine of a small passenger car;

Na obr. 1 je v řezu vedeného osou rotujících součástek turbodmychadla zobrazen příklad přeplňovacího agregátu, v němž je vlastní turbodmychadlo provedeno v monobloku s regulačním ústrojím. Protože se jedná o vysokootáčkový agregát určený pro motor malého automobilu, jsou rozměry jak kompresoru 10, tak turbiny 20 poměrně velmi malé a v celém monobloku zaujímají vlastně menší objem než regulační ústrojí. Vzduch nasávaný z atmosféry přes filtr, na obr. 1 nekreslený, přichází sacím potrubím 11 na levé straně do kompresoru 10 běžné koncepce. Vystupuje odtud výtlačným potrubím 12 přes případný chladič, opět již nekreslený, ústrojím pro přípravu směsí do vlastního motoru. Výfukové plyny z motoru jsou pak vedeny výfukovým potrubím 21 do opět běžně uspořádané turbiny 20, jejíž rotor, jak je obvyklé, je na společném hřídeli s rotorem dmychadla 10. Po expanzi v turbině výfukové plyny odcházejí výfukem 22 do tlumiče výfuku 26.FIG. 1 is a cross-sectional view of an axis of rotating turbocharger components showing an example of a supercharger in which the turbocharger itself is embodied in a monoblock with a control device. Because it is a high-speed aggregate designed for a small car engine, the dimensions of both the compressor 10 and the turbines 20 are relatively small and occupy a smaller volume throughout the monoblock than the control device. The air sucked from the atmosphere through the filter, not shown in FIG. 1, flows through the suction line 11 on the left side to the compressor 10 of the conventional concept. From there it exits through the discharge line 12 through a possible cooler, again undistorted, by means for preparing the mixtures into the engine itself. The exhaust fumes from the engine are then led through the exhaust pipe 21 to a conventional turbine 20, the rotor of which, as usual, is on a common shaft with the blower rotor 10. After expansion in the turbine, the exhaust gases leave via the exhaust 22 to the muffler 26.

Fluidické ústrojí, jež je předmětem tohoto vynálezu, je zařazeno mezi výfukové potrubí 21 a výfuk 22 a umožňuje, aby nad určitými otáčkami motoru byly výfukové plyny pro omezení přeplňovacího tlaku vedeny zčásti obtokem mimo turbinu 20. Tento obtok je proveden tak, že z výfukového potrubí 21 odbočuje odbočka 2_ směřující do vírové komory 2, vytvořené zde jako dutina rotačně symetrického tvaru v odlitku monobloku. Z odbočky 2 vytékají výfukové plyny do vírové komory 2 hlavním vtokem 22· ^Ten může být někdy účelné tvarovat jako trysku, tedy s postupným zúžením průřezu, aby se v něm výfukové plyny urychlily. V provedení z obr. 1 žádná taková průřezová kontrakce nebyla nutná. Ze středu vírové komory 2 pak výfukové plyny odcházejí výstupním otvorem 5 a na něj navazujícím vývodním kanálem 2 vedoucím do výfuku 22. Do vírové komory 2 ústí také řídicí tryska 2· Ta je spojovacím kanálkem 2 napojena na výtlačné potrubí 12, ^a sice tak, že vstup do spojovacího kanálku 3 je tvořen kapsou 13. Je to vsazená plechová vložka, fungující jako Pitotova trubice, přeměňující kinetickou energii vzduchu z dmychadla 10 na energii tlakovou.The fluidic device of the present invention is included between the exhaust manifold 21 and the exhaust 22 and allows the exhaust gases to be directed above a certain engine speed to partially overfill the bypass outside the turbine 20. This bypass is effected from the exhaust manifold 21 branches a branch 2 directed into a vortex chamber 2, formed here as a hollow of rotationally symmetrical shape in a monoblock casting. From the branch 2, the exhaust gas flows into the vortex chamber 2 through the main inlet 22. ^It may sometimes be expedient to shape it as a nozzle, i.e. with a gradual narrowing of the cross-section in order to accelerate the exhaust gas therein. In the embodiment of FIG. 1, no such cross-sectional contraction was necessary. From the center of the vortex chamber 2, the exhaust gases then exit through the outlet opening 5 and the downstream outlet duct 2 leading to the exhaust 22. The control nozzle 2 also flows into the vortex chamber 2 ^and is connected via a duct 2 to the discharge line 12 by the inlet to the connecting duct 3 is formed by a pocket 13. It is an embedded sheet liner, acting as a Pitot tube, converting the kinetic energy of the air from the blower 10 into a pressurized energy.

Kdyby se jednalo o ústrojí určené k přeplňování vznětového motoru, postačilo by v základě ke korekci funkce turbodmychadla dosud popsané ústrojí. U zážehového motoru, kde je nezbytné zachovat v určitých poměrně úzkých mezích poměr paliva a vzduchu ve směsi i v přechodových režimech, bývá pro zvládnutí poměrů při těchto režimech použita ještě obtoková korekce na straně vzduchu. Protože tam nejde o vysoké teploty, jako u výfukových plynů, jsou tam příhodnější podmínky pro práci mechanického ventilu a takový je použit i zde v provedení naznačeném na obr. 1, kde je tento ventil v levé dolní části obrázku. Sací potrubí 11 je tam propojeno s výtlačným potrubím 12 přepouštěcím kanálem 211, který je však v ustálených režimech uzavřen přepouštěcím šoupátkem 201, provedeným jako lehký výlisek z hliníkové slitiny.If it were a turbocharging device for a diesel engine, it would suffice to correct the turbocharger function so far. In a positive-ignition engine, where it is necessary to maintain the fuel-air ratio in the mixture and transition modes within certain relatively narrow limits, bypass correction on the air side is also used to handle the ratios in these modes. Since there are no high temperatures, such as exhaust gases, there are more convenient conditions for the mechanical valve to operate, and such is also used here in the embodiment shown in Figure 1, where the valve is in the lower left of the figure. The suction line 11 is connected to the discharge line 12 via a transfer channel 211 which, however, is closed in a steady state by a transfer valve 201, which is a lightweight aluminum alloy molding.

V udržení v uzavřeném stavu slouží pružina 202. Otevření může být dosaženo proti silovému účinku pružiny 202 podtlakem, zavedeným přívodem 203.The spring 202 serves to maintain the closed state. Opening can be achieved against the force effect of the spring 202 by the vacuum introduced by the inlet 203.

Nakreslené provedení je určeno pro motor řízený vozidlovým mikropočítačem. Ten má možnost ovlivnit i prováděnou korekci funkce turbodmychadla, přičemž se využívá zesilovací schopnost použitého virového uzávěru. Namísto toho, aby elektrickým signálem z mikropočítače musel být přestavován'rozměrný ventil ovládající přímo průtok výfukových plynů, jde zde o malý ventilek elektromagneticky ovládaný, zapojený do spojovacího kanálku 2 ^a ovládající tak průtok tlakového vzduchu do řídicí trysky 2· Celý ventilek 103 na obr. 1 není kreslen.Drawn design is designed for engine controlled by on-board microcomputer. It has the possibility to influence the performed correction of the turbocharger function, while utilizing the amplifying ability of the used virus closure. Instead of having to adjust the electrical valve directly from the microcomputer to control the exhaust gas flow directly, this is a small electromagnetically actuated valve connected to the connecting duct 2 ^to control the compressed air flow to the control nozzle 2. The entire valve 103 in FIG. 1 is not drawn.

je zde z něj patrné jen šoupátko, přestavované pohybem stopky 104 a přitlačované částečně zakreslenou pružinkou, jejímž účinkem může být spojovací kanálek £ zasunutým šoupátkem až zcela přehrazen.only the slider, which is displaced by the movement of the shank 104 and is pressed by a partially drawn spring, can be seen here, the effect of which the connecting channel 8 can be completely blocked by the slider inserted.

Na obr. 2 je schéma vírového ventilu použitého v ústrojí z obr. 1. Schéma je kresleno běžným způsobem, jako jsou například kresleny vírové zesilovače v práci Tesař V.: Fluidické zesilovače průtoku. Sborník přednášek z I. celostátní konference o elektronice v motorových vozidlech, I. dil, str. 97 až 118, Kroměříž 1979. Na rozdíl od běžných vírových zesilovačů, uspořádaných tak, že radiálně do virové komory vstupuje napájecí průtok a tangenciálně průtok řídicí, výstupem je pak průtok vyváděný ze středu vírové komory ve srovnání například schéma na obr. 13 v citované práci Fluidické zesilovače průtoků, zde jde o uspořádání, kdy vstupní průtok přichází do vírové komory £ řídicí tryskou £ v zásadě v radiálním směru, tedy směru potlačujícím rotaci, daleko větší průtok, jenž zde má roli výstupního průtoku, je veden do vírové komory £ tangenciálně. Na obr. 2 je schematicky znázorněna řídicí tryska £ jako černý, vyplněný trojúhelník směřující radiálně do kruhu, schematicky znázorňujícího vírovou komoru £. Přiváděný vstupní průtok je označen οΜ_χ, vstupní přívod tohoto fluidického prvku je označen jako vstup X. Výstupní průtok označený OMy je naznačen na obr. 2 šipkou směřující do výstupu Y. To sice odpovídá skutečnému směruFig. 2 is a diagram of a vortex valve used in the device of Fig. 1. The diagram is drawn in a conventional manner, such as vortex amplifiers in Carpenter V .: Fluid Flow Amplifiers. Proceedings of lectures from the 1st National Conference on Electronics in Motor Vehicles, Part I, pp. 97-118, Kromeriz 1979. Unlike conventional vortex amplifiers, arranged in such a way that the supply flow and the tangential flow through the control, the the flow rate from the center of the vortex chamber is compared to, for example, the diagram in Fig. 13 of the Fluidized Flow Amplifier cited herein, the arrangement wherein the inlet flow enters the vortex chamber 6 through the control nozzle 4 substantially in the radial direction. the much larger flow, which here has the role of the outlet flow, is led tangentially into the vortex chamber. In FIG. 2, the control nozzle 6 is shown schematically as a black, filled triangle directed radially in a circle, schematically showing a vortex chamber 8. The inlet inlet flow rate is denoted by οΜ _χ , the inlet of this fluid element being denoted as inlet X. The outlet flow marked OMy is indicated in Figure 2 by an arrow pointing to outlet Y. This corresponds to the real direction

To sice odpovídá skutečnému směru prouděni vírovým uzávěrem, je ale v rozporu s konvencí o orientaci výstupních průtoků, které jsou považovány za kladné tehdy, směřuji-li vén z prvku. Vývod ze středu vírové komory £ zde má pouhou roli ventilačního vývodu V; velikost jím procházejícího průtoku oMy obecně není třeba ji sledovat. Je ostatně jednoduše vyhodnotitelná jako součet průtočných hmotností oběma dalšími vývody prvku. Má-li se u vírových zesilovačů dosáhnout co největších hodnot uzavíracího poměru, je účelné provést průměr výstupního otvoru £ co nejmenší a pro potlačení ztrát v otevřeném stavu na něj připojit difuzor 56. Ten je také na obr. 2 schematicky znázorněn obvyklou schematickou značkou pro difuzory, tedy jako bílý, nevyplněný trojúhelníček. Na něj pak navazuje vývodní kanál £.While this corresponds to the actual flow direction of the vortex closure, it is contrary to the convention on the orientation of the outlet flow, which is considered positive when directed out of the element. The outlet from the center of the vortex chamber 6 here only has the role of a ventilation outlet V; the magnitude of the flow flowing through it generally does not need to be monitored. It is, moreover, easy to evaluate as the sum of the flow weights through the other two element outlets. If the closing ratio is to be as large as possible in the vortex amplifiers, it is expedient to make the diameter of the outlet aperture 6 as small as possible and to connect the diffuser 56 to the open-state loss suppressor. This is also schematically shown in FIG. , like a white, unfilled triangle. It is then connected to the outlet channel 8.

Na obr. 3 je zachycen průběh výstupní charakteristiky vírového uzávěru uspořádaného podle obr. 1 a obr. 2. Na vodorovné ose je zde vynášená velikost průtoku οΜ_χ přiváděného do řídicí trysky £. Na svislé ose je vynášena hodnota odpovídajícího výstupního průtoku: vzhledem ke zmíněné obrácené orientaci je pro jednoznačnost vynášená absolutní hodnota této veličiny. Předpokládá se, že rovněž pro jednoznačnost průběhu je charakteristika z obr. 3 kreslena pro změny probíhající při konstantní tlakovém spádu mezi výstupem Y a ventilačním vývodem V. Při zapojení z obr. 1 tato podmínka nebude dodoržena, lze však předpokládat, že poměry budou podobné, záleží ovšem na konkrétním průběhu charakteristiky turbiny 20.Fig. 3 shows the course of the output characteristic of the vortex closure arranged according to Figs. 1 and 2. On the horizontal axis, the flow rate οΜ _χ supplied to the control nozzle 6 is plotted. The value of the corresponding output flow is plotted on the vertical axis: with respect to the inverted orientation, the absolute value of this quantity is plotted for clarity. It is also assumed that, for clarity, the characteristic of Figure 3 is drawn for variations occurring at a constant pressure drop between outlet Y and vent outlet V. With this connection of Figure 1, this condition will not be met, but it can be assumed that the ratios will be similar, however, it depends on the specific characteristics of the turbine 20.

Při nulovém řídicím průtoku οΜ_χ = 0 vstupuje tekutina do vírově komory £ v tangenciálním směru a tekutina ve vírové komoře £ tedy rotuje. S tím, jak se s postupem ke středu vírové komory £ zmenšuje rameno rotačního pohybu, pro předpokladatelné alespoň přibližné zachování momentu hybnosti se musí zvětšovat rychlost rotace. Tím roste i odstředivé zrychlení působící na rotující tekutinu a to poblíž výstupního otvoru £ nabude až takových hodnot, že tekutině prakticky zabrání v dalším postupu směrem ke středu vírové komory £. Proto je na obr. 3 naznačený výstupní průtok oM_y v absolutní hodnotě v tomto stavu prvku velmi malý. Není však zcela nulový, to je způsobeno tím, že v zabrzděných mezných vrstvách na dně a víku vírově komory £ nemůže působit dostatečný odstředivý účinek a alespoň malý průtok těmito třením zabrzděnými vrstvami tedy prochází.At zero control flow rate οΜ _χ = 0, the fluid enters the vortex chamber 6 in a tangential direction, and the fluid in the vortex chamber 6 thus rotates. As the arm of the rotational movement decreases as the center of the vortex chamber 6 progresses, the rotational speed must be increased to assume at least approximately the angular momentum. As a result, the centrifugal acceleration acting on the rotating fluid also increases, and it reaches values close to the outlet opening 6 so that it virtually prevents the fluid from further advancing towards the center of the vortex chamber. Therefore, in FIG. 3 by the outlet flow oM _y in absolute value in this state the element is very small. However, it is not completely nil, this is due to the fact that in the braked boundary layers at the bottom and the lid of the vortex chamber 6, a sufficient centrifugal effect cannot be produced and at least a small flow rate passes through the frictionally braked layers.

Je ovšem velmi malý a nějak výrazně se ani nezvětšuje, bude-li postupně řídicí průtok οΜ_χ zvětšován, nebot je jím sice vyvolán odklon vstupního průtoku do vírové komory £ z původního tangenciálního směru, ale to nijak nestačí k výraznému potlačení rotace. I když se tedy v zapojení z obr. 1 bude zvyšovat při zvyšujících se otáčkách turbodmychadla i tlak vzduchu ve výtlačném potrubí 12 a tím i ve vstupu X z obr. 2 poroste vstupní průtok οΜ_χ, obtokový průtok obcházející turbinu 20 bude velmi malý.However, it is very small and does not increase significantly if the control flow οΜ _χ is gradually increased, since it induces a deflection of the inlet flow into the vortex chamber from the original tangential direction, but this is not sufficient to significantly suppress the rotation. Thus, although in the diagram of Fig. 1 will be increased by increasing the speed of the turbocharger and the air pressure in the pressure conduit 12 and thus at the input x of Fig. 2 will increase the input flow _οΜ χ, the bypass flow bypassing the turbine 20 will be very small.

Lze říci, že i poměrná velikost výstupního průtoku οΜ_γ bude v těchto režimech malá i porostou-li otáčky spalovacího motoru. Přitom sice porostou absolutní velikosti průtoků a spádů a poměry nebudou odpovídat jednoduše situaci předpokládané při výkladu obr. 3, nicméně i pro ně bude platit, že vírový uzávěr zůstane ve svém zavřeném stavu. Vrátíme-li se však opět k popisu dějů na obr. 3 při zvyšujícím se průtoku όΜ_χ vidíme, že při dosazení určité hodnoty označené /οΜ_χ/_ζ nastane stav, v němž je rotace ve vírové komoře £ již výrazně potlačena. Při dalším zvyšování vstupního průtoku οΜ_χ nad tuto úroveň se přestane uplatňovat odstředivé zrychlení a nastává značný vzrůst výstupního průtoku οΜ_γ v absolutní hodnotě.It can be said that even the relative output flow rate οΜ _γ will be small in these modes even if the engine speed increases. While the absolute magnitudes of flow rates and gradients will increase and the ratios will not simply correspond to the situation envisaged in the interpretation of FIG. 3, it will also be true that the vortex cap will remain in its closed state. Referring again to the description of the processes in FIG. 3, with increasing flow rate όΜ _χ, we can see that when a certain value marked / οΜ _χ / _ζ is reached, the state in which the rotation in the vortex chamber již is already significantly suppressed. If the inlet flow rate οΜ _χ increases further above this level, centrifugal acceleration will cease to apply and there will be a significant increase in the outlet flow rate οΜ _γ in absolute terms.

Zůstává-li při vyšetřování poměrů na obr. 3 stálý tlakový spád mezi výstupem Y a ventilačním vývodem V, výstupní průtok οΜ_γ se pak dále již výrazně zase nemění. Ovšem při poměrech v obvodu z obr. 1 jsou poměry odlišné, sledujeme-li děj probíhající při zvyšujících se otáčkách spalovacího motoru a tedy množství výfukových plynů přiváděných do turbiny 20.If the pressure drop between the outlet Y and the ventilation outlet V remains constant during the examination of the conditions in Fig. 3, the outlet flow rate οΜ _γ then does not change significantly again. However, the ratios in the circuit of FIG. 1 are different when we observe the process at increasing engine speed and thus the amount of exhaust gas fed to the turbine 20.

Přitom narůstá i tlakový spád mezi odbočkou £ a vývodním kanálem £ a jakmile se jednou vírový uzávěr dostane do otevřeného stavu, narůstá i průtok, který jím prochází. Ovšem jednoznačný výklad těchto poměrů není možný v obecné rovině, bude záviset na konktrétních průbězích charakteristik ostatních součástí a prvků obvodu. V zásadě je však zřejmé, že se takto dá bez pohyblivých součástek realizovat požadovaná funkce; až do jistých otáček motoru zůstává obtok kolem turbiny 20 prakticky uzavřený, při určitých otáčkách dojde k jeho otevření a postupnému zmenšování poměrné části průtoku výfukových plynů, které procházejí turbinou 20. Tím se odstraní nežádoucí přílišný nárůst plnicího tlaku a nepříznivý průběh charakteristiky motoru v oblasti vysokých otáček.In this case, the pressure drop between the branch 6 and the outlet duct 6 also increases, and once the vortex closure has been opened, the flow passing therethrough also increases. However, an unambiguous interpretation of these ratios is not possible on a general level; it will depend on the particular characteristics of the other components and circuit elements. In principle, however, it is clear that the desired function can be realized without moving parts; up to certain engine speeds, the bypass around turbine 20 remains virtually closed, at certain speeds it opens and gradually decreases the proportional part of the exhaust flow through the turbine 20. This eliminates undesired excess boost pressure and unfavorable engine characteristics in the high region speed.

Tento popsaný děj probíhá ovšem v ustálených režimech. Dynamické vlastnosti v rychle se měnících stavech nebudou ovšem takové, aby mohla být zaručena reakce s časovými konstantami obvyklými u nepřeplňovaných motorů. Je to dáno například již tím, že tekutina ve vírové komoře £ potřebuje určitý čas při poklesu relativní velikosti řídicího průtoku οΜ_χ k tomu, aby se opět roztočila a uplatnilo se zase odstředivé zrychlení. Nicméně toto zpoždění reakce nehraje zásadní roli ve srovnání s pomalou odezvou rotujících částí turbodmychadla.This described process, however, takes place in steady regimes. However, the dynamic properties in rapidly changing states will not be such that the reaction with the time constants common to non-turbocharged engines can be guaranteed. This is due, for example, to the fact that the fluid in the vortex chamber 8 takes some time to decrease the relative magnitude of the control flow rate οΜ _χ in order to spin again and to apply the centrifugal acceleration again. However, this delay of reaction does not play an essential role in comparison to the slow response of the rotating parts of the turbocharger.

U vznětového motoru jsou požadavky na okamžitý výkon měnitelné do určité míry množstvím vstřikovaného paliva bez ohledu na to, že nedostatečně rychle reagující turbodmychadlo a jeho korekční ústrojí nedodává právě odpovídající množství vzduchu. Naproti tomu pro správné zapálení směsi svíčkou u motoru zážehového je nutné udržet v určitých mezích poměr paliva a vzduchu ve směsi a to je po náhlém ubrání plynu zajištěno tím, že podtlakem v sání motoru zavedeným přívodem 203 do komory přepouštěcího šoupátka 201 se přepouštěcí šoupátko 201 otevře a umožní recirkulaci vzduchu z výtlačného potrubí 12 do sacího potrubí 11.In a diesel engine, instantaneous power requirements vary to some extent with the amount of fuel injected, despite the fact that the turbocharger and its correction mechanism do not deliver the corresponding amount of air. On the other hand, in order to properly ignite the spark plug mixture in the spark ignition engine, it is necessary to maintain the fuel to air ratio within certain limits, and this is ensured by sudden gas depletion by opening the overflow valve 201 to the suction slide 201 and allows air recirculation from the discharge line 12 to the suction line 11.

Je-li pak nutná následující rychlá akcelerace, přepouštěcí šoupátko 201 se zavře a je k dispozici ihned velký přetlak dodávaný stále ještě roztočenými rotory turbodmychadla.If the following rapid acceleration is then required, the bypass slide 201 closes and a large overpressure is available immediately provided by the still running rotors of the turbocharger.

Pokles tlaku, přenesený spojovacím kanálkem £, vede k poklesu výtoku z řídicí trysky £ a k uzavření obtokové cesty, takže turbina 20 je záměrně udržována v otáčkách pro případ takového požadavku akcelerace následujícím po předchozím ubrání plynu. Není-li toto udržení turbiny 20 v otáčkách žádoucí, lze jej potlačit na žádanou úroveň volbou tvaru a délky kapsy 13. Klesne-li totiž po otevření přepouštěcího šoupátka 201 tlak ve výtlačném potrubí 12, vede to, podle konkrétního tvaru výstupní charakteristika dmychadla £0, všeobecně k výraznému vzrůstu rychlosti proudění na výstupu dmychadla 10 a reaguje-li vstup do spojovacího kanálku £ díky kapse 13 především na kinetickou složku energie tekutiny, zůstane obtoková cesta otevřenou vírovou komorou 1 volná.The pressure drop transmitted by the connecting channel 6 leads to a drop in the effluent from the control nozzle 6 and to the closing of the bypass path so that the turbine 20 is deliberately kept at speed in the event of such an acceleration requirement following a previous gas depletion. If this retention of the turbine 20 is not desirable, it can be suppressed to the desired level by selecting the shape and length of the pocket 13. Indeed, if the pressure in the discharge line 12 drops after opening the overflow spool 201, Generally, to a significant increase in the flow velocity at the blower outlet 10, and if the inlet to the connecting channel 6, due to the pocket 13, reacts primarily to the kinetic component of the fluid energy, the bypass path remains open by the swirl chamber 1.

Pro zmenšení množství tlakového vzduchu odebíraného spojovacím kanálkem £ do řídicí trysky £ může být účelná úprava v níž řídicí tryska £ nesměřuje do vírové komory £ radiálně, ale má také jistý sklon vůči radiálnímu směru, ovšem v opačném smyslu než je sklon hlavního vtoku 42. V extrémním případě může řídicí tryska £ směřovat přímo proti hlavnímu vtoku 42.In order to reduce the amount of compressed air drawn by the connecting duct 6 into the control nozzle 4, it may be expedient to provide a control nozzle 4 which does not point radially into the vortex chamber 4 but also has a certain inclination towards the radial direction. in extreme cases, the control nozzle 6 may be directed directly against the main inlet 42.

Tím při výtoku vzduchu z řídicí trysky dojde výrazněji k potlačení rotace výdukových plynů ve vírové komoře £ a lze pak vystačit s menším odběrem vzduchu. I když se jedná o malá množství vzduchu vzhledem k celkovému průtoku dmychadlem £0, přece jen se to může příznivě proje255115 vit v účinnosti motoru. Musí ovSem pak být zaručeno, že nenastane tak velký průtok spojovacím kanálkem 3, že by ve vírové komoře i vyvolal naopak rotaci v obráceném smyslu.As a result, when the air from the control nozzle is discharged, the rotation of the exhaust gases in the vortex chamber 4 is significantly suppressed, and a smaller air intake can then be sufficient. Even though these are small amounts of air with respect to the total blower flow 60, it can nevertheless favor the engine efficiency. However, it must be ensured that there will not be such a large flow through the communication channel 3 that it would, in the vortex chamber, also cause rotation in the reverse sense.

Dynamika přeplňováni je určena dominantními velkým časovými konstantami vlastního turbodmychadla a časové zpoždění dané tím, že výfukové plyny ve vírové komoře 2 potřebují určitou dobu na roztočení a tím vyvolání uzavíracího efektu, kde není podstatné. Mohlo by se však uplatnit příznivě v některých situacích. Například po náhlém snížení dávky paliva do motoru, například při nutnosti náhlého zpomalení vozidla, kdy klesá tlak vzduchu ve výtlačném potrubí 12, se uplatní to, že snížení výtoku vzduchu z řídicí trysky 2 ^se neprojeví ihned tím, že by sé obtoková cesta do vývodního kanálu 6 ihned uzavřela.The turbocharging dynamics are determined by the dominant large time constants of the turbocharger itself and the time delay given that the exhaust gases in the vortex chamber 2 require a certain amount of time to spin and thereby produce a closing effect where it is not essential. However, it could be applied favorably in some situations. For example, after a sudden reduction of the fuel dose to the engine, for example when the vehicle suddenly decelerates as the air pressure in the discharge line 12 decreases, the reduction in the air outlet from the control nozzle 2 ^does not occur immediately by the bypass path into the outlet duct. 6 immediately closed.

Toto její uzavření by mělo za následek uzavření průtoku turbinou 20, která by se tak zase roztáčela do vyšších otáček a zvětšovala plnicí tlak i výkon motoru v situaci, kdy je naopak žádoucí pokles výkonu. Naopak při malých otáčkách motoru a velmi prudkém sešlápnutí plynového pedálu, tedy při požadavku co nejrychlejšího stoupnutí výkonu, je příznivé, že se rotace výfukových plynů ve vírové komoře ihned nezastaví a výfukové plyny budou více procházet turbinou 20, než by odpovídalo daným otáčkám motoru ve stacionárním režimu. Projeví se tedy zpožděná reakce rotace ve virové komoře 2 určitým zlepšením dynamiky přeplňování, což může mít příznivý odraz ve zvýšení bezpečnosti vozidla.This closure would result in a shutdown of the flow through the turbine 20, which in turn would rotate to a higher speed and increase the boost pressure and engine power in a situation where a decrease in power is desirable. Conversely, at low engine speeds and very rapid depressions of the accelerator pedal, thus requiring as fast as possible power increase, it is beneficial that the rotation of the exhaust gas in the vortex chamber does not stop immediately and the exhaust gases will pass through the turbine 20 more than the engine speed at stationary. mode. Thus, a delayed rotation reaction in the viral chamber 2 will result in some improvement in the turbocharging dynamics, which may have a positive reflection in increasing vehicle safety.

Způsob a zařízení podle vynálezu jsou využitelné v oboru spalovacích motorů, zejména motorů vozidlových.The method and apparatus according to the invention are applicable in the field of internal combustion engines, in particular vehicle engines.

Claims

A method for controlling a turbocharger of an internal combustion engine by allowing exhaust gas to bypass off the main inlet of a turbocharger, characterized in that a portion of the exhaust gas before the main inlet of the turbine is withdrawn and rotated, thereby generating a centrifugal acceleration therefrom The exhaust port prevents the main inlet of the turbine from flowing, while increasing the turbocharger speed, the exhaust port is affected by the increasing effect of compressed air drawn from the turbocharger compressor, and the exhaust port is discharged by the two flow rate, which reduces the intensity of the induced rotation.

Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it consists of an exhaust pipe (21) which leads to a turbocharger turbine (20) and from which a branch (2) leading to the main inlet (42) extends into a vortex chamber (1) in the center of which is an outlet (5) connected to an outlet channel (6) bypassing the main inlet of the turbine (20), and at the mouth of the main inlet (42) into the vortex chamber (1) 1), but the control nozzle (4) connected in a different direction connected by a connecting channel (3) to the discharge pipe (12) of the compressor (10).

Device according to claim 2, characterized in that the connecting duct (3) passes through an electrically operated valve (103) whose plug, slide or the like actuating component extends into the duct (3), the valve (103) being connected to a control valve (103). electronic circuit.