CZ290779B6 - Výfukový systém pro přeplňovaný spalovací motor - Google Patents

Abstract

e en m je vytvo°en jednoduch ho v²fukov ho syst mu pro p°epl ovan² spalovac motor s vy provozn spolehlivost a del ivotnost . Podle provozn ho stavu motoru se vyu vaj v²hody jak r zov ho pln n , tak i pln n v podob impulzn ho konvertoru. Toho se dosahuje t m, e pro r zov potrub (6, 7) jsou vytvo°eny prodlu ovac kusy (12, 13), kter jsou uspo° d ny proti proudu na, od turb ny (5) na v²fukov plyny nejv ce vzd len m p° pojn m potrub (8, 9). Ka d r zov potrub (6, 7) je spojeno s odpov daj c m prodlu ovac m kusem (12, 13). Spojovac potrub (14) je vytvo°eno mezi prodlu ovac mi kusy (12, 13). Ka d spojovac potrub (14) m z· en (15) pr °ezu.\

Description

Výfukový systém pro přeplňovaný spalovací motor

Oblast techniky

Vynález se týká výfukového systému pro přeplňovaný spalovací motor s turbínou na výfukové plyny, který sestává z nejméně dvou rázových potrubí, do kterých je přiváděn tlak z více válců spalovacího motoru, a která jsou spojena s turbínou na výfukové plyny turbokompresoru na výfukové plyny, zvíce přípojných potrubí, která spojují válce s příslušnými rázovými potrubími, a z nejméně jednoho spojovacího potrubí, vytvořeného mezi rázovými potrubími.

Dosavadní stav techniky

Výfukový systém pro přeplňované spalovací motory slouží k tomu, aby vedly výfukové plyny od spalovacího motoru k turbíně na výfukové plyny turbokompresoru a přitom, pokud možno co nejlépe, byla využívána energie výfukových plynů, která je k dispozici. Energie výfukových plynů, která je k dispozici, je zvláště dobře využívána při provozu motoru při planém zatížení, to znamená při velkém poměru rozpínání tlaku. Pokud se na rozdíl od toho pohybuje spalovací motor při nepatrném zatížení nebo nízkém počtu otáček, to znamená převážně v oblasti dílčího zatížení, je výkon turbíny ve stacionárním provozu a přebytek výkonu pro zrychlování rotoru turbíny velmi nepatrný.

Při rázovém plnění je uspořádáno buď jedno, nebo více potrubí výfukových plynů, na které jsou vždy připojeny dva nebo více válců. Navzájem jsou spojeny vždy jen takové válce, jejichž výfuky se z hlediska doby otevření buď vůbec nepřekiývají, nebo se překrývají jen nepatrně. Tlaková energie, která je k dispozici ve válci, se přenáší tlakovými vlnami na turbínu na výfukové plyny, přičemž vznikají jen nepatrné tlakové ztráty. Při plynulém vyšším tlakovém zatížení motoru se přenáší velký podíl tlakové energie, který je k dispozici, prostřednictvím tlakových vln prakticky bez zpoždění k turbíně na výfukové plyny, protože se v motoru spaluje větší množství paliva. Mimoto zůstává na základě úzkých potrubí výfukových plynů tlaková energie v předběžném výstupu zachována, což umožňuje zvýšit nabídku energie pro turbíny na výfukové plyny, zejména při dílčím zatížení. V důsledku toho je rázové plnění spalovacích motorů výhodné jen tehdy, pokud se požaduje buď dobrá činnost při dílčím zatížení, nebo dynamická činnost při změnách zatížení. Tímto způsobem se však dosahuje horších výsledků při plném zatížení.

Z Dl-Al 39 40 992 je známé řešení, které zdokonaluje činnost při plném zatížení u způsobu pro rázové plnění. K. tomu účelu jsou rázová potrubí čtyřtaktního spalovacího motoru, která vedou ke spalovací turbíně na výfukové plyny, navzájem spojena. Ve spojovacím potrubí je uspořádán uzavírací člen, který je přestavitelný mezi otevřenou polohou pro vyšší počty otáček a uzavřenou polohou pro nižší počty otáček. Tak pracuje systém potrubí pro výfukové plyny při dílčím zatížení a uzavřeném uzavíracím členu v rázovém provozu. Na rozdíl od toho je uzavírací člen při plném zatížení otevřen, takže se činnost výfukového systému blíží plnění se shodným tlakem.

Nevýhodně však působí u tohoto řešení ta skutečnost, že spojovací potrubí, a tím také uzavírací člen, jsou uspořádána bezprostředně před turbínou na výfukové plyny. Všechny konstrukční části upravené v této oblasti vysokého tepelného zatížení se velmi rychle opotřebovávají. Proto je odolnost zejména pohyblivých součástí relativně nepatrná, takže je nutné velmi často vyměňovat uzavírací člen. Pokud nedojde k výměně ve správnou dobu, nelze již potrubní systém výfukových plynů optimálně přizpůsobovat na provozní stav spalovacího motoru. Tím se zmenší plnění a spalovací motor nedosahuje požadovaného výkonu. Na podkladě prostorové blízkosti uzavíracího členu a turbíny na výfukové plyny se kromě toho vytváří to nebezpečí, že se části

- 1 CZ 290779 B6 uzavíracího členu uvolní, dostanou se do turbokompresoru na výfukové plyny a zničí turbínu na výfukové plyny.

Při využiti impulzního konvertoru jsou v podobě ejektoru navzájem svedena dvě nebo více potrubí na výfukové plyny před turbínou na výfukové plyny. Na základě přitom vytvořeného tryskovitého zúžení potrubí na výfukové plyny se proudění zrychluje a zabrání se tak přenosu odpovídajících tlakových vln do sousedního potrubí. Proto mohou být také navzájem spojeny válce s překrývající se otevírací dobou výfuku, aniž by se navzájem negativně ovlivňovaly. Prostřednictvím využití impulzního konvertoru tak lze účinně využít rázového plnění i při plném 10 zatížení spalovacího motoru, přičemž se však blíží chování při částečném zatížení plnění při rovnoměrném tlaku.

Z DE-C2-32 00 521 je známé řešení, u kterého je možné přepnutí z rázového plnění na způsob s impulzním konvertorem. K tomu účelu se sbíhají obě před tím rovnoběžně upravená potrubí 15 výfukových plynů do společné potrubní části. V této potrubní části je otočně uspořádána mezilehlá stěna. Pokud je mezilehlá stěna uzavřena, realizuje se rázové plnění. Při otevřené mezilehlé stěně se uskutečňuje plnění spalovacího motoru způsobem impulzního konvertoru.

Nevýhoda tohoto řešení spočívá vtom, že se zúžení potrubí pro výfukové plyny, které je 20 potřebné u způsobu s impulzním konvertorem, nachází v hlavním proudění výfukových plynů také při rázovém provozu. Tím je hlavní proud škrcen, takže dochází ke ztrátám energie. Kromě toho mohou vznikat již dříve popsané problémy s opotřebením také na mezilehlé stěně obou potrubí výfukových plynů.

Podstata vynálezu

Vynález se snaží odstranit všechny tyto nedostatky. Klade si za úkol vytvořit pro přeplňovaný spalovací motor jednoduchý výfukový systém se zdokonalenou provozní spolehlivostí a zvýše30 nou životností, u kterého je možné podle provozního stavu spalovacího motoru využít jak výhody rázového plnění, tak i výhody impulzního konvertoru.

Uvedený úkol splňuje výfukový systém pro přeplňovaný spalovací motor s turbínou na výfukové plyny, který sestává z nejméně dvou rázových potrubí, do kterých je přiváděn tlak z více válců 35 spalovacího motoru, a která jsou spojena s turbínou na výfukové plyny turbokompresoru na výfukové plyny, z více přípojných potrubí, která spojují válce s příslušnými rázovými potrubími, a z nejméně jednoho spojovacího potrubí, vytvořeného mezi rázovými potrubími, podle vynálezu, jehož podstatou je, že pro rázová potrubí jsou vytvořeny prodlužovací kusy a jsou uspořádány proti proudu na od turbíny výfukové plyny nejvíce vzdáleném přípojném potrubí, 40 každé rázové potrubí je spojeno s odpovídajícím prodlužovacím kusem, spojovací potrubí je vytvořeno nebo jsou vytvořena mezi prodlužovacími kusy, a každé spojovací potrubí má zúžení průřezu.

Při provozu zařízení prochází hmotnostní proud výfukových plynů bez energetických ztrát 45 z válců spalovacího motoru přes rázová potrubí přímo do turbíny na výfukové plyny. Protože spojovací potrubí je uspořádáno relativně daleko od turbíny na spalovací plyny, uskutečňuje se prostřednictvím ní jen vyrovnání tlaku mezi rázovými potrubími. Vzhledem k zúžení průřezu ve spojovacím potrubí je při každém tlakovém rázu válců vedena jen malá část množství výfukových plynů do sousedícího rázového potrubí, čímž nejsou na něj připojené válce rušeny. 50 Vyrovnání tlaku vede ke snížení tlaku v rázovém potrubí, které je právě ovlivňováno jedním nebo více válci, a ke zvýšení tlaku v ostatních rázových potrubích. Tím se zmenší kolísání tlaku v rázovém potrubí, případně rázových potrubích, což vede ke zdokonalení účinnosti turbíny. Tak je možné dosáhnout dobrých výsledků při plném zatížení spalovacího motoru také rázovým

-2 CZ 290779 Β6 plněním. Protože nejsou použity žádné pohyblivé konstrukční součásti, je konstrukce výfukového systému jednodušší a jeho životnost se prodlouží.

Zvlášť výhodné je, když je na přechodu od prodlužovacích kusů ke spojovacímu potrubí vytvořen vždy jeden průřezový přechod a každé spojovací potrubí má přídavný objem. Prostřednictvím této kapacity dojde k tlumení a tím také k prodloužení účinku tlakových vln. To znamená, že trvá déle, než se tato dostane od jednoho rázového potrubí do jiného. Tímto způsobem se také dále sníží kolísání tlaku a zdokonalí se chování při plném zatížení.

Výhodným se také ukázalo uspořádat v zúžení průřezu spojovacího potrubí uzavírací člen, přestavitelný mezi otevřenou polohou pro vysoký počet otáček a mezi uzavřenou polohou pro nízký počet otáček spalovacího motoru. Tak je možné při dílčím zatížení a uzavřeném uzavíracím členu dosáhnout pouhého rázového plnění. Na rozdíl od toho je uzavírací člen při plném zatížení otevřen, čímž se vytvoří plnění v podobně impulzního konvertoru. Přitom je uzavírací člen vytvořen před přípojným potrubím spalovacího motoru. V této oblasti potrubního systému výfukových plynů, která je protilehlá vzhledem k turbíně výfukových plynů, panuje zřetelně menší tepelné namáhání než v oblasti mezi vyústěním přípojných potrubí a turbínou na výfukové plyny. Proto má uzavírací člen podstatně delší životnost. Ani v případě, když je poškozen, nemohou jeho součásti zničit turbínu na výfukové plyny, protože ta je uspořádána ve značné vzdálenosti. Mimoto je již zúžením průřezu spojovacího potrubí zabezpečen efektivní provoz spalovacího motoru při planém zatížení, což umožňuje provozovat výfukový systém dále i při porušeném uzavíracím členu.

Přehled obrázků na výkrese

Na výkresech je znázorněno více příkladů provedení vynálezu výfukového systému se dvěma rázovými potrubími a jednou turbínou na výfukové plyny se dvěma plynovými vstupy, přičemž obr. 1 znázorňuje výfukový systém, obr. 2 ve zvětšeném měřítku výřez z obr. 1 v oblasti spojovacího potrubí, obr. 3 druhý příklad provedení ve vyobrazení, které odpovídá obr. 2, obr. 4 třetí příklad provedení ve vyobrazení, které odpovídá obr. 2, obr. 5 čtvrtý příklad provedení ve vyobrazení, které odpovídá obr. 3.

Na obrázcích jsou znázorněny jen ty elementy, které jsou podstatné pro porozumění vynálezu. Směr proudění pracovního prostředí je označen šipkami.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 jsou znázorněny čtyři válce 1, 2, 3, 4 čtyřtaktního spalovacího motoru, které spolupůsobí prostřednictvím výfukového systému s turbínou 5 na výfukové plyny turbokompresoru na výfukové plyny. Výfukový systém sestává ze dvou rázových potrubí 6, 7, která jsou prostřednictvím dvou přípojných potrubí 8, 9 spojena s odpovídajícími válci 1, 2, 3, 4.

Ve směru proudění jsou rázová potrubí 6, 2 připojena vždy k samostatnému vstupu 10. 11 plynu turbíny 5 na výfukové plyny. Pro každé rázové potrubí 6, 7 je vytvořen jeden prodlužovací kus 12, 13. který je uspořádán proti proudu na přípojném potrubí 8, 9 nejvíce vzdáleném od turbíny 5 na výfukové plyny. Rázové potrubí 6 je spojeno s prodlužovacím kusem 12 a rázové potrubí 7 je

-3CZ 290779 B6 spojeno s prodlužovacím kusem ]3.· Mezi oběma prodlužovacími kusy 12, 13 je vytvořeno spojovací potrubí j4.

U prvního příkladu provedení, který je znázorněn na obr. 2, je ve spojovacím potrubí 14 uspořádáno zúžení 15 průřezu, které je vytvořeno jako clona. Pokud jsou například z válců 1, 2 zaváděny výfukové plyny do prvního rázového potrubí 6, je jejich největší část dále vedena na vstup 10 plynu turbíny 5 na výfukové plyny. Druhá, menší, část výfukových plynů prochází přes prodlužovací kus 12, spojovací potrubí 14 a v něm uspořádané zúžení 15 průřezu ve tvaru clony do prodlužovacího kusu 13 a potom do druhého rázového potrubí 7. Tím se sníží tlak v prvním rázovém potrubí 6 a zvýší se ve druhém rázovém potrubí 7, což znamená, že dojde k určitému vyrovnání tlaků. Pokud se potom zavádějí výfukové plyny z dalších válců 3, 4 do druhého rázového potrubí 7, není toto prázdné, protože jsou zde ještě výfukové plyny z prvního rázového potrubí 6. Tak dojde k relativně rychlému vytvoření tlaku, přičemž část výfukových plynů se dostává přes spojovací potrubí 14 do prvního rázového potrubí 6. Tím se zmenší tlakový rozdíl mezi oběma rázovými potrubími 6, 7, v důsledku čehož se vytvoří menší kolísání tlaku. V důsledku rovnoměrnějšího působení na turbínu 5 na výfukové plyny vzroste její účinnost, čímž se zdokonalí plnění motoru při plném zatížení. Prostřednictvím příslušně vytvořeného zúžení 15 průřezu ve tvaru clony lze výfukový systém optimalizovat z hlediska dílčího nebo plného zatížení.

U druhého příkladu provedení, který je znázorněn na obr. 3, je na přechodu od prodlužovacích kusů 12,13 ke spojovacímu potrubí 14 vytvořen průřezový přechod 16 a spojovací potrubí 14 má přídavný objem 17. Díky této větší kapacitě jsou tlakové vlny výfukových plynů tlumeny, to znamená, že déle působí. Přes spojovací potrubí 14 z prvního rázového potrubí 6 do druhého rázového potrubí 7 a opačně procházející část výfukových plynů k tomu potřebuje více času. Tím se dále zmenší kolísání tlaku mezi oběma rázovými potrubími 6, 7 a účinnost turbíny 5 na výfukové plyny se dále ještě zvýší.

Na obr. 4 je znázorněn třetí příklad provedení, u kterého je uvnitř zúžení 15 průřezu ve tvaru clony uspořádán známý, jako klapka vytvořený, uzavírací člen 18. Tuto klapku uzavíracího členu 18 lze přestavovat mezi otevřenou polohou při plném zatížení a uzavřenou polohou při částečném zatížení. K tomu účelu je spojena s neznázoměným ovládacím systémem, který je závislý na tlaku plnění, na zatížení motoru a/nebo na počtu otáček motoru. Prostřednictvím tohoto uspořádání lze přestavovat výfukový systém podle provozního stavu motoru z rázového způsobu na způsob impulzního konvertoru.

Ό čtvrtého příkladu provedení, který je znázorněn na obr. 5, je zúžení 15 průřezu ve tvaru clony opět opatřeno uzavíracím členem 18 ve tvaru klapky a spojovací potrubí 14 má také přídavný objem Π. Tím jsou navzájem spojeny všechny dosud uvedené výhody výfukového systému, takže toto řešení umožňuje největší variabilitu z hlediska provozního stavu motoru.

Je samozřejmé, že s výfukovým systémem mohou být spojeny nejen čtyřtaktní motory, ale zejména také menší dvoutaktní motory. Vynález rovněž samozřejmě není omezen na motory se čtyřmi válci 1, 2, 3, 4 nebo na řešení jen se dvěma rázovými potrubími 6, 7 ajen jedním spojovacím potrubím 14.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Výfukový systém přeplňovaného spalovacího motoru s turbínou na výfukové plyny, který sestává z nejméně dvou rázových potrubí, do kterých je přiváděn tlak z více válců spalovacího motoru, a která jsou spojena s turbínou turbokompresoru na výfukové plyny, z více přípojných potrubí, která spojují válce s příslušnými rázovými potrubími, a z nejméně jednoho spojovacího potrubí, vytvořeného mezi rázovými potrubími, vyznačující se tím, že pro rázová potrubí (6, 7) jsou vytvořeny prodlužovací kusy (12, 13), které jsou uspořádány před přípojným potrubím (8, 9) nejvíce vzdáleným od turbíny (5) na výfukové plyny, přičemž každé rázové potrubí (6, 7) je spojeno s odpovídajícím prodlužovacím kusem (12, 13), nejméně jedno spojovací potrubí (14) je vytvořeno mezi prodlužovacími kusy (12, 13) a na každém spojovacím potrubí (14) je vytvořeno zúžení (15) průřezu.
2. 2. Výfukový systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že na přechodu od prodlužovacích kusů (12, 13) ke spojovacímu potrubí (14) je vytvořen vždy jeden průřezový přechod (16) a každé spojovací potrubí (14) má přídavný objem (17).
3. 3. Výfukový systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že v zúžení (15) průřezu spojovacího potrubí (14) je uspořádán uzavírací člen (18), přestavitelný mezi otevřenou polohou pro vysoký počet otáček a mezi uzavřenou polohou pro nízký počet otáček.
4. 4. Výfukový systém podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že zúžení (15) je vytvořeno jako clona.