DK147922B - Ladeluftsystem for en forbraendingsmotor, isaer en dieselmotor - Google Patents

Description

147922

Opfindelsen angår et ladeluftsystem for en forbrændingsmotor, især en dieselmotor, og med mindst én turbolader, der omfatter en af motorens udstødsgasser dreven udstødsgasturbine, en kompressor for ladeluften og en tilførselsledning, og en afgangsledning 5 for udstødsgasser og for ladeluften, samt med mindst én tilbageførselsledning til tilbageførsel af en del af udstødsgassen til ladeluftledningen.

Det har længe været kendt at tryklade forbrændingsmotorer, navnlig dieselmotorer, ved hjælp af udstødsgasturboladere. Den 10 til brændstoffets forbrænding nødvendige luft komprimeres til et højere tryk end atmosfærens tryk i en af en udstødsgasturbine dreven kompressor og føres i komprimeret tilstand ind i motorens cylindre. På denne måde forbrændes en til den større vægt af luften svarende større brændstof mængde, hvorved der opnås en større ydelse 15 end ved en motor uden trykladning, der selv skal indsuge forbrændingsluften fra den omgivende atmosfære.

Det er ligeledes kendt til trykladning af motoren at anvende ladeluft, der indeholder en begrænset mængde iblandede udstødsgasser. Derved kan der opnås forskellige fordelagtige virkninger, som 20 f.eks. en nedsættelse af den som dieselbankning kendte tændingslyd, en reduceret tændingsforsinkelse som følge af en forøgelse af forbrændingstemperaturen ved mindre dellaster og en langsommere forbrænding som følge af cylinderladningens reducerede iltindhold. Desuden kan navnlig ved drift af dieselmotoren under dellast emissionen 25 af skadelige stoffer reduceres, idet der ved tilbageføringen af udstødsgas opnås en nedsættelse af forbrændingsluftens iltindhold og dermed af friskgassernes effektive luftoverskud, hvilket medfører en langsommere forbrænding, en nedsættelse af den højeste forbræn-dingstemperatur og en nedsat reaktionshastighed ved dannelsen af 30 nitrogenoxid. Dette er af væsentlig betydning, idet der i den senere tid er sket en betydelig stramning af de ved lov fastsatte tilladelige værdier for emission af skadelige stoffer. Ved mindre dellaster kan der tilføres større udstødsgasmængder, uden at der straks optræder luftmangel. Ved større dellaster bevirker tilbageføringen af en for 35 stor mængde udstødsgas et luftunderskud og dermed et fald i ydelsen. Den udstødsgasmængde, som optimalt skal tilbageføres, er derfor sædvanligvis ikke konstant, men er derimod afhængig af den øjeblikkelige motorydelse og varierer i omvendt forhold til denne.

Ved motorer, der arbejder uden trykladning og ved sådanne, 147922 2 som arbejder med trykladning ved hjælp af en trykbølgemaskine, er der allerede med hensyn til tilbageførslen af udstødsgasser og dermed også med hensyn til mindre værdier for emission af skadelige stoffer opnået betydelige fremskrift, således som det fremgår af beskrivelsen 5 til tysk patent nr. 1.451.994 henholdsvis schweizisk patent nr. 552.135.

Alligevel befinder udstødsgastilbageførslen for motorer, der tryklades ved hjælp af turboladere, sig kun på forsøgsstadiet og er endnu ikke realiseret i praktisk anvendelse. Ved de hidtidige forsøg, som f.eks. beskrevet i "Motortechnische Zeitschrift", 33. årgang, nr.

10 2, februar 1972, blev der fra gasstrømmen efter turboladerturbinen udtaget udstødsgas, som atter indførtes i kompressorens luftstrøm foran kompressorens indstrømningsåbning. Dette er ligeledes kendt fra det tyske offentliggørelsesskrift nr. 2.326.206. Det har imidlertid vist sig, at de af letmetal bestående kompressorhjul, som var udsat 15 for udstødsgasserne, for det første meget hurtigt blev tilsnavsede og for det andet meget hurtigt korroderede. Som materiale til kompressorhjulene er man imidlertid henvist til letmetaller, såsom aluminium, for at holde centrifugal kræfterne og de deraf følgende spændinger inden for tilladelige grænser, således at indføringen af udstødsgasserne 20 foran kompressorens indstrømningsåbning ikke frembyder en praktisk løsning på problemet.

Fra beskrivelsen til det nævnte tyske offentliggørelsesskrift er det ligeledes kendt at aflede en del af udstødsgasserne foran udstødsgasturbinen og indføre denne del af udstødsgasserne i ladeluft-25 ledningen pi et sted mellem kompressorens udløb og motoren, der skal tryklades. Denne kendte udførelse kan imidlertid kun anvendes ved motorer, hvis ydelse ligger i det for køretøjsmotorer sædvanlige område. Sådanne motorers turboladere har en ret lav virkningsgrad, således at trykket i ladeluftledningen i størstedelen af motorens last-30 område og dermed også i det lastområde, hvor udstødsgastilbageførslen er særlig vigtig, er mindre end udstødsgastrykket. Derved er det ved sådanne mindre motorer uden videre muligt at lade tilbageførselsledningen indmunde i ladeluftledningen mellem kompressoren og motoren. Ved større motorer, f.eks. skibs- og lokomotivdieselmotorer, er 35 denne metode ikke mulig, idet sådanne motorers turboladere har højere virkningsgrad end små køretøjsmotorer, således at deres lade-tryk, bortset fra tomgangsdrift, er højere over hele lastområde end udstødsgastrykket, således at en udstødsgastilbageførsel direkte til ladeluftledningen mellem kompressorudløbet og motoren ikke er mulig 147922 3 på enkel måde.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe et ladeluftsy-stem af den indledningsvis nævnte art, ved hvilket tilbageførslen af udstødsgasserne foretages på en sådan måde, at det sker uden om 5 kompressorskovlene, og at disse hverken tilsnavses eller korroderer, og ved hjælp af hvilket tilbageførsel af udstødsgas også er mulig ved større motorer, såsom skibs- og lokomotivdieselmotorer, hvis turboladere har høj virkningsgrad, således at deres ladetryk bortset fra tomgangsdriften ligger højere end udstødsgastrykket, således at 10 tilbageførsel af udstødsgas ikke er mulig på hidtil kendt måde.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved hjælp af et lade-luftsystem som angivet i krav 1's kendetegnende del.

I det følgende forklares udførelsesformer for ladeluftsyste-met ifølge opfindelsen under henvisning til tegningen. På tegningen 15 viser:

Fig. 1 et iadeluftsystem, ved hvilket de fra tilførselsledningen ekstraherede udstødsgasser indføres i kompressorens diffusorrum, fig. 2 et Iadeluftsystem, ved hvilket de fra afgangslednin-20 gen ekstraherede udstødsgasser indføres i kom pressorens spiralformede rum, fig. 3 et skematisk billede af et til styring af den tilbage førte udstødsgasmængde tjenende styreapparat, og 25 fig. 4 et skematisk billede af et til regulering af den til bageførte udstødsgasmængde tjenende reguleringsapparat.

I tegningens figurer er ens dele forsynede med samme henvisningsbetegnelser.

30 Den i fig. 1 viste turbolader består af en udstødsgasturbine 1 og en af denne dreven kompressor 9. De fra en ikke vist motors cylindre kommende udstødsgasser strømmer over tilførselsledningen 7 ind i et gasindstrømningshus 2 og derfra over turbineløbehjulet 5's aksialt gennemstrømmende turbineskovle 6 ind i gasudstrømningshuset 35 3 og ud gennem afgangsledningen 8. På turbinens aksel 4 sidder et kompressorløbehjul 10 med radiale kompressorskovle 11. Luft udefra, som strømmer i den med pile 12 viste retning, indsuges og komprime-res til det nødvendige tryk og føres som ladeluft til motorens cylindre. Luften strømmer gennem kompressorskovlene 11 ind i diffusorrum-met, der har en ringformet ubeskovlet diffusordel 13 og en efter 147922 4 denne beliggende ligeledes ringformet beskovlet diffusordel 14. Herfra strømmer luften ind i spiralen 15 og over en ikke vist udstrømningsåbning i kompressorhuset 16 videre til motorens cylindere.

En tilbageførselsledning 17 for de udstødsgasser, der skal 5 iblandes i ladeluften, afgrenet fra tilførselsledningen 7 og indmunder i diffusorens ubeskovlede del 13. Mundingsdelen af tilbageførselsledningen 17 danner en sådan vinkel med hovedstrømningens retning, at udstødsgasserne strømmer ind i kompressoren 9 med en i hovedstrømningens retning rettet hastighedskomposant.

10 I tilbageførselsledningen 17 er anbragt en receiver 18, der ( tjener til udligning af variationer i udstødsgastrykket. Udstødsgasserne forlader receiveren 18 med konstant tryk, hvorved den styring eller regulering, der foretages i styreapparatet 19 af den udstødsgasmængde, der skal indføres i kompressoren, kan gennemføres på for-15 holdsvis enkel måde. Mellem receiveren 18 og styreapparatet 19 er der anbragt en varmeveksler 20, der tjener til afkøling af udstødsgasserne før deres indføring i kompressoren.

Ved jævntryk- eller jævntryklignende drift er receiveren 18 overflødig. Eventuelt kan også varmeveksleren 20 udelades, navnlig 20 dersom luft-udstødsgasblandingen desuden afkøles efter sin udtræden fra kompressoren.

Ved den i fig. 2 viste turbolader udtages udstødsgasserne ikke længere fra tilførselsledningen 7, i hvilken de stir under et tryk 'på ca. 2-4 bar, men derimod fra afgangsledningen 8, i hvilken de 25 befinder sig under et tryk, der kun er lidt større end atmosfærens tryk. Til dette formål er tilbageførselsledningen 17 afgrenet fra afgangsledningen 8 og indmunder i kompressorens spiral 15. Den vinkel, som tilbageførselsledningens mundingsafsnit danner med hovedstrømningens retning, er også i dette tilfælde en sådan vinkel, at 30 udstødsgasserne strømmer ind i kompressoren med en i hovedstrømningens retning virkende hastighedskomposant.

Trykket af de fra afgangsledningen 8 udtagne udstødsgasser må, for at udstødsgasserne kan indføres i kompressoren, bringes op på en værdi, som er højere end det tryk, som hersker i kompres-35 soren ved indføringsstedet. Til dette formål anvendes en kompressor 21, som er anbragt efter receiveren 18 og f.eks. kan være en radialkompressor eller en trykbølgemaskine. En sådan luftkompressor kan også være nødvendig ved den i fig. 1 viste udførelsesform, dersom de fra tilførselsledningen 7 udtagne udstødsgassers tryk er mindre end 147922 5 trykket i kompressoren ved udstødsgassens indføringssted. Da mængden af de udstødsgasser, der skal føres tilbage, er forholdsvis lille, idet den ligger i en størrelsesorden pi 5-20% af ladeluftmængden, kræves der kun en forholdsvis lille kompressor 21. Den kan konstru-5 eres således, at den er nem at rengøre, og dens skovle kan fremstilles af materiale, som er modstandsdygtigt mod korrosion.

Receiveren 18 og varmeveksleren 20 tjener til de allerede beskrevne formål og kan eventuelt udelades. Udstødsgasserne kan her ligesom også ved den i fig. 1 viste udførelsesform indføres på flere 10 steder af kompressoren, dersom tilbageførselsledningen 17 til dette formål er forsynet med flere afgreninger eller anordningen er forsynet med flere tilbageførselsledninger.

Som allerede nævnt er det hensigtsmæssigt ved hjælp af et styreapparat 19 at styre, eller dersom en stor nøjagtighed tilstræbes 15 at regulere den gasmængde, der skal tilbageføres, som en funktion af motorydelsen. Et styreapparat kan være sammensat som vist i fig. 3, og som dets væsentligste bestanddel indeholde en programmeret funktionsgenerator 22, der som funktion af motorydelsen eller en sammen med denne direkte varierende størrelse, som f.eks. omdrejningstallet, 20 ladetrykket eller udstødningsgastrykket, styrer et i tilbageføringsledningen 17 anbragt indstillingsorgan 23, der bestemmer mængden af de til kompressoren strømmende udstødsgasser, og som kan være en ventil, samt et tilbageslagsspjæld 24, der forhindrer tilbagestrømning af luft-udstødningsgasblandingen fra kompressoren til tilførsels- hen-25 holdsvis afgangsledningen. Funktionsgeneratoren 22 modtager som indgangssignal den øjeblikkelige motorydelse henholdsvis den sammen med denne direkte varierende størrelse og afgiver et udgangssignal, som står i forhold til den nødvendige udstødsgasmængde og tjener som indstillingssignal for indstillingsorganet 23. Ved kontinuerlig indstil-30 ling af indstillingsorganet 23 opnås, at den tilbageførte udstødsgasmængde svarer til den nødvendige udstødsgasmængde ved enhver øjeblikkelig motorydelse.

I stedet for styreapparatet kan der anvendes et således sammensat reguleringsapparat, som vist i fig. 4. Dette indeholder en 35 lignende funktionsgenerator 22', som det i fig. 3 viste styreapparats funktionsgenerator, et indstillingsorgan 23' og et tilbageslagsspjæld 24. Desuden indeholder den en faktisk-værdigiver 25, som i fig. 4 er et mængdemåleapparat og måler den faktiske værdi af den tilbageførte udstødsmængde. Faktisk-værdigiveren 25 kan imidlertid også være et 147922 6 apparat, som måler koncentrationen af udstødsgasserne i luft-udstøds-gasblandingen, hvorhos i dette tilfælde funktionsgeneratoren 22 skal levere en ønsket udstødsgaskoncentration som udgangssignal. Den her som ønsket-værdigiver tjenende funktionsgenerator 22' og faktisk-vær-5 digiveren 25 er koblede til en komparator 26, og efter denne er indskudt et reguleringsorgan 27. Komparatoren 26 modtager den faktiske * værdi fra faktisk-værdigiveren 25, og den ønskede værdi fra funktionsgeneratoren 22' danner reguleringsafvigelsen I-S og fører denne til reguleringsorganet 27. Denne danner derefter den til indstilling af 10 indstillingsorganet 23' egnede indstillingsstørrelse. Også i dette tilfælde opnås ved kontinuerlig indstilling af indstillingsorganet, at udstødsgasserne ved enhver øjeblikkelig motorydelse tilbageføres til kompressoren 9 i ønsket optimal mængde.

Claims (9)

147922 Patentkrav.

1. Ladeluftsystem for en forbrændingsmotor, især en dieselmotor, og med mindst én turbolader, der omfatter en af motorens 5 udstødsgasser dreven udstødsgasturbine, en kompressor for ladeluften og en tilførselsledning og en afgangsledning for udstødsgasser og for ladeluften samt med mindst én tilbageførselsledning til tilbageførsel af en del af udstødsgassen til ladeluftledningen, kendetegnet ved, at mindst én tilbageførselsledning (17) indmunder i ladeluftens 10 strømningsvej i kompressorens (9) indre på et sted (13,15), der i strømningsretningen ligger efter indløbsåbningen for kompressorens (9) løbehjulbeskovling (11), og at det har et styreapparat til påvirkning af tilbageførselsmængden af udstødsgas i afhængighed af motorens øjeblikkelige drift.

2. Ladeluftsystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at aksen af tilbageførselsledningens (17) indmundingsafsnit danner en sådan vinkel med hovedstrømningens retning, at udstødsgasserne strømmer ind i kompressoren (9) med en i hovedstrømningens retning dannet hastighedskomposant.

3. Ladeluftsystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at tilbageførselsledningen (17) indmunder i en del (13) af kompressorens diffusor.

4. Ladeluftsystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at tilbageførselsledningen (17) indmunder i kompressorens (9) spiral 25 (15).

5. Ladeluftsystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at tilbageførselsledningen (17) er afgrenet fra udstødsgasturbinens tilførselsledning (7).

6. Ladeluftsystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, 30 at tilbageførselsledningen (17) er afgrenet fra udstødsgasturbinens afgangsledning (8).

7. Ladeluftsystem ifølge krav 1, kendetegnet ved en i tilbageførselsledningen (17) anbragt receiver (18), der tjener til udligning af trykvariationer.

8. Ladeluftsystem ifølge krav 1, kendetegnet ved en til komprimering af de udstødsgasser, der skal føres tilbage, tjenende ekstra kompressor (21).

9. Ladeluftsystem ifølge krav 1, kendetegnet ved en i tilbageførselsledningen (17) anbragt køler (20).