DK150943B - Udstoedsgasturboladet forbraendingsmotoranlaeg - Google Patents

Description

150943

Den foreliggende opfindelse angår et forbrændingsmotoranlæg af den i den indledende del af krav 1 angivne type, som indeholder et varmevekslersystem for ladeluftstrømmen til anlæggéts forbrændingsmotor og et hjælpebrændkammer, der modtager udstødsgas fra forbrænd-5 ingsmotoren samt luft fra en afgrenings- eller omledningskanal, som indmunder i motorens udstødsledning opstrøms for anlæggets udstødsturbine.

Selv om opfindelsen er anvendelig i forbindelse med motorer med gnisttænding, såvel som motorer med kompressionstænding og i forbin-' io delse med roterende motorer såvel som motorer med frem- og tilbagegående stempelbevægelser, er opfindelsen af speciel interesse i forbindelse med et anlæg, som indeholder en dieselmotor med lavt kompressionsforhold (mindre end 12 og typisk liggende mellem 6 og 10), og som er trykladet af en turbokompressor med højt trykstigningsforhold 2 150943 (over 6) og med en høj total virkningsgrad (den totale virkningsgrad svarer til produktet af de isentropiske virkningsgrader for kompressoren og for turbinen, således at de mekaniske og volumetriske virkningsgrader kan betragtes som høje, når blot de overstiger ca. 0,6).

5 Udtrykket "turbokompressor" må forstås som dækkende også det tilfælde, hvor der er indrettet flere enheder og/eller flere turbinetrin, eventuelt med luftkøling mellem efter hinanden følgende kompres s ionsenheder.

Trykstigningsforholdet må nødvendigvis have en værdi, der er 10 ligeså meget forøget, som motorens kompressionsforhold er formindsket på en sådan måde, at der opnås acceptable forbrændingstryk for motoren. Med et motorkompressionsforhold på 7 må forholdet typisk være 6 å 8 i turboladeren.

Tilstedeværelsen af afgreningskanalen tillader, da den til sta-15 dighed er åben under driften, at turbokompressoren kan fungere som en gasturbine i nærheden af sin pumpelinie og dermed ved høj virkningsgrad. Med hjælpebrændkammeret, der er indrettet opstrøms for turbinen, kan kompressoren arbejde uafhængigt af motoren uanset dennes driftstilstand (og specielt når motoren er standset), og man 20 kan regulere ladetrykket ved regulering af brændstoftilførslen i hj ælpekammeret.

Der kendes allerede motoranlæg indeholdende en forbrændingsmotor, som er trykladet, og indeholder en afgreningskanal, der er lukket under visse af motorens driftstilstande. I disse kendte anlæg 25 har der tidligere været foreslået flere arrangementer til at forbedre driften ved lav motorbelastning. USA patentskrift nr. 2.633.698 beskriver eksempelvis et anlæg, i hvilket den luft, som indgives i motoren, forvarmes under startforhold . ved lav omgivelsestemperatur. Luften kan forvarmes, før den indgives i motoren, ved at forbrænde 30 brændstof i luften, men denne løsning er hverken effektiv eller økonomisk.

Det har ligeledes været foreslået at recirkulere en del af motorens udstødsgasser eller forbrændingsgasser fra et hjælpekammer til motorens indsugning. Resultatet har været komplicerede konstruk-35 tioner, som nødvendiggør permanent tilsyn og vedligeholdelse. Anlæg med recirkulation af varme gasser vil også være udsat for tilsodnin-ger, og det har vist sig at være vanskeligt at tilvejebringe ventiler, som fungerer på tilfredsstillende måde i gasser, som fremføres med høj temperatur.

3 150943

For at afhjælpe de nævnte ulemper er motoranlægget ifølge opfindelsen ejendommeligt ved det i den kendetegnende del af krav 1 angivne. Den for opfindelsen specielle varmeveksler modtager således på den ene side afgangsgas, hensigtsmæssigt hele afgangsgasmængden, 5 fra turbinen, og på den anden side luftstrømmen fra kompressoren.

Som følge af denne indretning opnår man de kendte fordele ved en varmeveksler, der fungerer som rekuperator, dvs. en formindskelse af brændstofforbruget, samt en støjdæmpende virkning på turbinens afgangsgasser. Desuden opnås en udjævning af ladelufttemperatur-10 variationer samt en god driftsmæssig tilpasning af kompressor og motor helt ned til lave værdier for ladetrykket, således som det vil blive uddybet senere.

Foruden at varmeveksleren, som det vil fremgå af det følgende, fungerer som luftforvarmer ved drift med lav ydelse (svarende til 15 lave værdier for ladetrykket, og til nødvendigheden af forvarmning af luften, som indføres i motoren, for at kunne fremkalde selvtænding), vil varmeveksleren ifølge opfindelsen fungere som køler for luften, der indgives i motoren, ved høje belastninger, idet temperaturen af udstødsgasserne fra turbinen da er lavere end tem-20 peraturen for den luft, som forlader kompressoren.

Med motoranlægget ifølge opfindelsen opnås, at den ladeluft-køler, som er placeret opstrøms for motorens indsugningsmanifold, kan udføres med en kølekapacitet, der er mindre end den kapacitet, som ville være nødvendig for en køler, som skulle kunne dække det 25 maksimale kølebehov og som således måtte være dimensioneret efter de mest ugunstige tilstande, dvs. ved høj belastning.

I krav 2 angives en sådan udførelsesform, der indeholder en luftkøler forsynet med styre- og reguleringsmidler og indskudt i bevægelsesbanen for den luft, som forlader varmeveksleren og bevæger 30 sig mod motorens indsugningsmanifold. Ved at modulere varmeoverførs-lerne i luftkøleren, eksempelvis ved indgreb i den gennemgående strøm af kølemedium (luft eller væske), kan man dermed opretholde temperaturen for den luft, som strømmer ind i motoren, på et niveau, der ligger over selvtændingsgrænsen i motorens forbrændingskamre, 35 men som er tilstrækkeligt lavt til at undgå de uheldige virkninger af en formindskelse af massefylden og af en overophedning af motoren ved høj belastning. Denne modulering kan udføres uden brug af indretninger, som udsættes for høj temperatur, og systemet er i vid omfang selvregulerende.

4 150943

Denne foranstaltning er tilsyneladende paradoksal, da den indebærer, at man først forvarmer den luft, som forlader kompressoren, og derefter lader man den således forvarmede luft, der går til motoren, passere igennem en køler. Denne foranstaltning vil utvivlsomt 5 være overraskende for en tekniker, der ved en første betragtning vil forkaste foranstaltningen som værende meningsløs. De overraskende fordele herved vil imidlertid træde frem ved en nærmere undersøgelse af funktionen ved alle driftstilstande og under hensyntagen til, dels at varmeoverførslen i køleren vil være reduceret til et minimum 10 ved lav ydelse eller effekt, og dels at luften praktisk taget ikke vil opvarmes yderligere eller endog kan afkøles i varmeveksleren ved høj ydelse, hvorfor funktionen i et anlæg af den ovenfor angivne type således er væsentligt forskellig fra funktionen i en luftforvarmer, som fødes med en del af gasserne, som forlader turbinen, i 15 et traditionelt anlæg.

Den foreliggende opfindelse skal i det følgende forklares nærmere ud fra udførelsesformer og under henvisning til tegningen, hvor figur 1 er et principskema, som viser hovedkomponenterne i et motoranlæg ifølge opfindelsen, 20 figur 2 et diagram, som viser kurver over temperaturens varia tion som funktion af trykforholdet i et motoranlæg som det i figur 1 viste, og figur 3 et skematisk diagram til tydeliggørelse af problemet med hensyn til tilpasning af anlæggets kompressor og motor i karak-25 teristikkens lave driftsområde, dvs. når kompressoren arbejder med et lavt trykstigningsforhold og lille leveringsmængde under ladning af en motor med kompressionstænding i overensstemmelse med opfindelsen.

Det i figur 1 skematisk viste motoranlæg indeholder en forbræn-30 dingsmotor 10, der i det følgende kan betragtes som værende en 4-taktsmotor med kompressionstænding og med et kompressionsforhold mindre end 12. Som bekendt kan en sådan motor ikke startes uden trykladning, hvilket er mere udtalt, desto mindre boringen er, medmindre der benyttes specielle foranstaltninger, såsom midlerti-35 dig brug af meget let fordampeligt brændstof. Motoren 10 tryklades af en turbokompressorgruppe med en kompressor 11 og en turbine 12, der er sammenkoblet af en aksel 13. En startmotor 14, som er anbragt i kompressorens luftindgang, kan være koblet til akslen 13 ved hjælp af en kobling 15 til igangdrivning af turbokompressoren. Kompressoren har et højt trykstigningsforhold, hensigtsmæssigt højere end 5 150943 6. Som bekendt eksisterer der for tiden supersoniske kompressorer i en enkelt enhed med et eller flere trin, som kan tilvejebringe sådanne kompressionsforhold med høje virkningsgrader. Desuden kan man benytte en kompressor i to enheder med eller uden en mellemliggende køling.

5 Som eksempel kan det nævnes, at kompressorer, som er bestemt for aeronautikken, og som fremstilles af firmaet TURBOMECA, er oppe på kompressionsforhold på 8 med en isentropisk virkningsgrad større end 80%.

Kompressorens tryk- eller afgangskanal 16 udmunder i en varmeveks-10 ler 17, der kan være af en hvilken som helst type uden blanding af strømmene, dvs. en type med to uafhængige kredse. Specielt kan der være tale om en varmeveksler med plader eller med rør.

Ved udgangen fra varmeveksleren 17 findes to mulige veje for luften. Den ene af disse strømveje udgøres af en kanal 18, der er for-15 , bundet med indtagsmanifolden 19 på motoren 10, og i hvilken der er indsat en luftkøler 27, der vil blive beskrevet senere. Den anden Strømvej udgøres af en afgreningskanal 20. Den luft, som strømmer ud gennem denne afgreningskanal, forenes med motorens udstødsgasser, der tilføres gennem en kanal 21 opstrøms for indgangen til turbinen 12. Af- 20 greningskanalen 20 ligger således parallelt med motoren og køleren 27.

I den i fig. 1 viste udførelsesform udmunder afgreningskanalen i et hjælpebrændkammer 22, som ligeledes modtager motorens udstødsgasser. Dette brændkammer kan specielt være af den i fransk patentskrift nr. 2.179.309 beskrevne type.

25 Afgreningskanalen 20 er forsynet med drøvlemidler 20a, som ud viser et gennemstrømningstværsnit, der er progressivt variabelt og automatisk styret med henblik på at tilvejebringe en trykdifferens mellem kompressorens udgang og turbinens indgang, hvilken trykdifferens praktisk taget udelukkende afhænger af det tryk, som hersker i af-30 greningskanalen opstrøms eller nedstrøms for de pågældende drøvlemidler (opstrøms i det viste tilfælde). De skematisk viste drøvlemidler er af den i fransk patentskrift nr. 2.179.310 beskrevne type, men alle andre drøvlemidler, som gør det muligt at opnå de samme resultater, hvilket vil sige en tilvejebringelse af et tryktab, der er praktisk taget 35 uafhængigt af forholdet mellem mængdestrømmen gennem afgreningskanalen og den mængdestrøm, som leveres af kompressoren (dvs. uafhængig af motorens omdrejningstal ved en given motorydelse), vil kunne anvendes.

6 150943

Den i fig. 1 illustrerede ladeluftkøler køles ved cirkulation af atmosfærisk luft, der bevæges af en ventilator 23. Denne ventilator er sammenkoblet med en aksel på motoren 10 gennem en hastighedsvariator 24, hvis udvekslingsforhold fastlægges af styremidler 25, eksempelvis i elektriske indretninger, der styres af en eller flere af motorens driftsparametre, såsom temperaturen og/eller trykket i indtagsmanifolden 19 målt af en føler 26 og/eller omgivelsestemperaturen målt af en føler 26a. Køleren 27 kan også gennemstrømmes af vandet i motorens kølesystem, idet den termiske effekt, som absorberes af køleren 27, .0 i så fald kan være reguleret af en drøvleventil i vandkredsen eller mere generelt i kredsen for motorens kølevæske. Styremidlernes 25 funktion og konstruktion vil senere blive beskrevet nærmere.

Til slut indsendes de gasser, som har gennemløbet turbinen 12, i varmeveksleren 17, hvorfra gasserne afgår til atmosfæren ved 28.

.5 Den gunstige virkning af varmevekslerens tilstedeværelse på for brændingskammerets forbrug er sammenlignelig med den virkning, som optræder i gasturbineanlæg med rekuperation. Denne virkning vil derfor ikke blive forklaret i detaljer. Det må imidlertid bemærkes, at der i forbindelse med en kompressor 11, som arbejder med lille gennemløbs-10 mængde, og dermed med et lille trykstigningsforhold (eksempelvis 2) og hvis isentropiske virkningsgrad er 0,75, vil kunne opnås en reduktion af brændstofforbruget i hjælpekammeret med en faktor af størrelsesordenen 2 selv med en varmeveksler, hvis virkningsgrad ikke overstiger 60%.

5 I et anlæg af den ovenfor beskrevne type muliggør varmevekslerens tilstedeværelse desuden en afhjælpning i vid omfang af problemet med hensyn til opretholdelsen af luftens indgangstemperatur på en værdit der er tilstrækkelig til at fremkalde selvtænding i motorens cylindre. Fordelene ved den beskrevne foranstaltning vil fremgå tydeligere af 0 fig. 2, der viser temperaturens variationer ved forskellige punkter i anlægget som funktion af trykforholdet P2/P1 for kompressoren (hvor PI betegner det absolutte tryk ved kompressorens indgang, hvilket i det væsentlige vil sige atmosfæretrykket, og hvor P2 betegner det absolutte tryk ved kompressorens udgang) eller som funktion af for-5 holdet mellem det absolutte tryk ved udgangen og det konstante atmos færetryk.

7 150943

De i fig. 2 viste kurver repræsenterer: temperaturen T2 for luften ved kompressorudgangen (den stiplede kurve), temperaturen t!} for luften ved udgangen fra varmeveksleren 5 (punkteret kurve), og temperaturen for gasserne ved turbineudgangen og ved indgangen til varmeveksleren (fuldt optrukket kurve).

De viste kurver svarer til et tilfælde med omgivelsestemperaturen = -20°C, med en polytropisk virkningsgrad på 0,80 for turbinen og 10 kompressoren og med et relativt tryktab mellem kompressor og turbine (bestemt af drøvlemidlerne 20a) på 10%. Kurven, som repræsenterer TIJ som funktion af trykstigningsforholdet , svarer til en effektivitet for varmeveksleren 17 på 0,8 (idet effektiviteten er defineret som forholdet mellem på den ene side lufttemperaturforskellen mellem ind-15 gangen og udgangen og på den anden side forskellen mellem gassernes indgangstemperatur og luftens indgangstemperatur). En effektivitet på 0,8 kræver naturligvis et stort volumen. Når den disponible plads er begrænset kan man nøjes med en lavere effektivitet, eksempelvis på 0,5 til 0,6.

20 Under antagelse af, at varmevekslerens effektivitet er konstant, vil man se, at temperaturen T£ for luften, der forlader varmeveksleren 17 for at strømme ind i køleren 27, varierer meget lidt med trykstigningsforholdet P2/Pi og således med ladetrykket. Denne temperatur er desuden uafhængig af motorens oradrejningshastighed ved konstant belast-25 ning som følge af afgreningskanalens 20 tilstedeværelse. Nærmere betegnet vil man se, at T"2 varierer mellem ca. 185°C og 215°C, når kom-pressortrykforholdet samtidig med den af kompressoren afgivne mængdestrøm varierer mellem 1,5 og 7. Man dæmper således på en særdeles effektiv måde temperaturvariationerne for luften ved kompressorafgangen, 30 der varierer fra 10°C til omkring 230° C i det pågældende område for kompressionsforholdet.

Man ser dels, at den forvarmning, som sikres af varmeveksleren 17, er særlig udtalt ved lave værdier af ladetrykket, hvor motoren har behov for særlig varm luft for at der kan opstå selvtænding, og dels at en 35 betragtelig varmestrøm må afgives til den fra motoren, tilvejebragt af dens udstødsgasser, for at gøre turbokompressorgruppen selvdrevet. I området med små trykladeforhold er brændstoføkonomien forbedret væsentligt, da man for det første hæver temperaturen for motorens udstødsgasser ved at hæve tilgangsluftens temperatur, og for det andet er den luft, 40 som strømmer ind i hjælpebrændkammeret 22, allerede forvarmet af varmeveksleren 17.

8 150943

Derimod vil varmeovergangen mellem turbinegasserne og luften formindskes, når motoren ikke længere behøver en forvarmning af indsugningsluften, og når motorens udstødsgasser fører en energi til turbinen, som er tilstrækkelig til at drive denne.

5 Man ser således, at systemet er selvregulerende i den forstand, at lufttemperaturen ved udgangen fra varmeveksleren 17 varierer langt mindre end lufttemperaturen ved indgangen.

Hvis varmeveksleren har en lavere effektivitet, får kurven over variationen af som funktion af P2/P1 en større hældning helt 10 til skæiingen med kurven, der repræsenterer f°r ^en samme værdi aftrykstigningsforholdet. Under alle omstændigheder bliver man nødt til at bestemme det mest økonomiske kompromis mellem varmevekslerens volumen, der bestemmer dens effektivitet, og den opnåede varmerekupe-ration- 15 Under drift ved lavt kompres s ortrykforhold og lille luftgennemstrømning dvs., mens motoren arbejder i tomgang, vil hastighedsvariatoren være styret ud fra et signal, der tilvejebringes af føleren 26 og/eller føleren 26a på en sådan måde, at luftkølingen reduceres til et minimum, eventuelt ved standsning af ventilatoren 23 (i det omfang, hvori 20 denne adskilt fra ventilatoren til motorens køling). Derimod sættes køleren for ladeluften i funktion, mens og i det omfang trykforholdet stiger, når motoren sættes under belastning. Temperaturen for den luft, som tilføres i motoren, tildeles således en værdi, der er gunstig for en god fyldning, men uden at den luft, som føres mod 25 hjælpebrændkammeret køles i samme grad.

Kurverne i fig. 2, der svarer til et anlæg indeholdende en kompressor med en virkningsgrad på 0,8, dvs. en forholdsvis høj virkningsgrad, illustrerer en fordel ved opfindelsen i forbindelse med drift med høj belastning . I et klassisk anlæg forsynet med en køler for 30 motorens ladeluft, må køleren være dimensioneret efter den maksimale

Kurverne i fig. 2, der svarer til et anlæg indeholdende en kompressor med en virkningsgrad på 0,8, dvs. en forholdsvis høj virkningsgrad, illustrerer en fordel ved opfindelsen i forbindelse med drift med høj belastning. I et klassisk anlæg forsynet med en køler for mo-35 torens ladeluft, må køleren være dimensioneret efter den maksimale 9 150943 varmemængde, som skal fjerens af køleren ved motorens maksimaleffekt. Det i figur 1 illustrede anlæg kan indeholde en køler af lavere kapacitet og dermed mindre dimensioner, da varmeveksleren 17 ikke længere fungerer som rekupera-5 tor, men som ekstra køler i denne driftstilstand for motoren. I fig. 2 ser man, at temperaturen for gasserne ved turbineudgangen vil være lavere end temperaturen T2 af luften ved udgangen fra kompressoren 11 over et kompressortrykforhold på ca. 6. Varmevekslerens virkning som ekstra køler er mere og mere markant, efterhånden som og i det omfang, 10 som trykforholdet stiger.

Man vil kunne forestille sig, at denne fordel opvejes af det faktum, at luften, som strømmer mod forbrændingskammeret 22, ligeledes køles af varmeveksleren 17. Faktisk er denne køling ikke uhensigtsmæssig, da den disponible energi ved store effekter i motorens ud-15 stødsgasser er tilstrækkelig til at drive turbinen, uden at det vil være nødvendigt at forbrænde brændstof i kammeret 22.

Hvis kompressorens virkningsgrad er lavere (eksempelvis 0,75), kan temperaturen ved turbineudgangen forblive højere end lufttemperaturen ved kompressorudgangen praktisk taget gennem hele anlæggets 20 driftsområde, men opfindelsen bibeholder ikke desto mindre alle sine øvrige fordele.

Varmevekslerens 17 tilstedeværelse løser desuden på en særdeles simpel måde et problem, som opstår i det tilfælde, hvor forbrændingsmotoren 10 er en motor med karpressionstænding (specielt en 4-taktsmotor) . Dette 25 problem fremgår af fig. 3, der viser variationen af den mængde, som absorberes af motoren (kurve M) og af den mængde, som tilvejebringes af kompressoren (kurve C) som funktion af trykforholdet, hvilket praktisk taget vil sige som funktion af ladetrykket. Turboladeren er udvalgt til at være tilpasset til motoren 10, når denne arbej-30 der i det nominelle punkt i fig. 3. Denne tilpasning nødvendiggør, at kompressoren 11 ud over den luftmængde, som indtages af motoren, afgiver, ten· ekstra mængde - af størrelsesordenen 5-15% af af den af motoren absorberede mængde - hvilken ekstra mængde er bestemt til: at opretholde en veldefineret trykforskel mellem udgangen fra 35 kompressoren 11 og indgangen til turbinen 12, at tilføre den oxygen, som er nødvendig for at opretholde forbrændingen i tændflammen i hjælpebrændkammeret 22, at køle varme motordele ved cirkulation af luft, og at tilvejebringe den margin, som er nødvendig for at kompensere 40 for variationer i omgivelsesforholdene samt for tilsodning.

10 150943

Hvis man holder den af motoren indtagne luft på en i det væsentlige konstant temperatur, vil kurven, som repræsenterer motorens mængde-strøm-trykkarakteristik ved konstant hastighed, være en ret linie, der passerer gennem nulpunktet. Fig. 3 viser en fuldt optrukket 5 linie M, der svarer til det maksimale omdrejningstal for motoren 10 (eksempelvis 2500 rpm) og ved en temperatur for indsugningsluften på 100°C . ved motorindsugningen.

Derimod vil turbokompressorens arbejdspunkt forskyde sig (som det er tilfældet med en gasturbine) langs en kurve C, hvis konkavitet 10 er rettet mod diagrammets trykakse i nærheden af pumpelinien (som antydet ved M1) for at opnå en høj virkningsgrad. Kurven C passerer gennem for det første et tilpasningspunkt der svarer til det nominelle tryk ved en mængdestrøm på 5-15% mere end den, som absorberes af motoren, og for det andet punktet svarende til Q = 0 og P2/pi = 1· 15 Kurverne C og M må således nødvendigvis skære hinanden ved et .kompressionsforhold 11.. Hvis man lader ladetrykket· falde ned under ' _ - 1® ·* .· 'depne værdi 11^, vil strømretningen vende i afgreningskanalen 20, og forbrændingen i hjælpekammeret 22 vil ophøre.

I denne situation vil det være muligt at lade motoren accelerere.

• ..‘i ' En umiddelbart foreliggende mulighed for at undgå denne risiko består i at styre den i hjælpebrændkammeret indførte brændstof- . .'mængde på en sådan måde, at ladetrykket hindres i at falde ned under -værdien 1T,^ eller nærmere betegnet ned under en bestemt værdi, som er 25 større end for at tage hensyn til tab og til den forbrændingsluft, som er nødvendig for hjælpekammeret. Denne løsning fører til brænd-stofspilcf ved tomgang, for såvidt som opretholdelsen af værdien li. ikke er nødvendig for selvtænding ved kompression i motoren 10 (i forbindelse i|ed en motor med tilstrækkelig højt kompressionsforhold og som 30 ikke %kal fungere ved meget lav omgivelsestemperatur).

v Tilstedeværelsen af varmeveksleren 17 i strømvejen for luft, som indføres i motoren 10, giver en løsning på dette problem, som ikke har noget sidestykke i anlæg, som ikke gør brug af en til stadighed åben af- greningskanal, idet den massestrøm, :som indtages af motoren ved lav effekt, 35 begrænsesr som følge af et fænomen, der kan betegnes som en termisk udtynding. Herved forstås, at den oxygenmængde, der forlader varmeveksleren 17 og fordeler sig mellem kanalen 18 til motoren og afgrenings-. kanalen 20, udtyndes ved øget lufttemperatur for samme tryk. Denne begrænsning har ingen uhensigtsmæssig indvirkning på motoren, da en 40 brøkdel af den luft, som forlader kompressoren, er tilstrækkelig til at tilvejebringe den oxygen, som er nødvendig til forbrændingen af den lille bræidstofianængde, son indgives i hjælpebræidkairmeret under disse driftsforhold.

11 150943

Fig. 2 viser, at man ved lav effekt og i driftsområder, hvor de termiske overførsler mellem udstødsgas og indsugningsluft .er vigtige , kan opretholde en temperatur på i det mindste 185°C ved motorens indsugning helt ned til en omgivelsestemperatur på -20°C ved at elimi-5 nere kølerens virkning (hvorimod man under belastning søger at holde luftens indgangstemperatur i motoren på en lidt mindre værdi, eksempelvis ca. 100°C ved en motor, hvis kompressionsforhold er på 9).

Den termiske udtynding vil virke i dette driftsområde ved. at reducere luftens massefylde (og dermed den massestrøm, som indtages 10 af motoren) med faktoren: 1¾¾ + 273 ^0,8 for en omgivelses temperatur på -20°C.

I praksis bevirker varmevekslerens 17 indvirkning en afbøjning af den nederste del af kurven M på en sådan måde, at dennes nærmest ved nulpunktet liggende del falder sammen med linien M', der svarer 15 til en lufttemperatur på 185°C ved indgangen til motoren. Skæringspunktet med karakteristikken C ligger således betragteligt lavere, og i fig. 3 svarer dette skæringspunkt eksempelvis til en værdi af Størrelsen 1,2 i stedet for 1,5.

Der opnås således to gunstige resultater på én gang, nemlig for 20 det første en brændstofbesparelse ved lav eff-ekt og for det andet kan der benyttes en svagere startmotor for motoren, idet det er givet, at ladetrykket er betragteligt formindsket under igangdrivning af motoren, mens turbokompressoren allerede er i funktion.

I et typisk tilfælde (dieselmotor på 800 hk ved 2500 rpm og for-25 synet med en kompressor, hvis nominelle kompressionsforhold er 4,8, og hvis isentropiske virkningsgrad er 0,75), er brændstofforbruget i hjælpekammeret reduceret med en faktor 2,4 til 1 under tomgangsdrift (1,91 som følge af forvarmningen i varmeveksleren, der bevirker en varmerekuperation med en effektivitet på 0,6, og 1,25 som følge af den 30 termiske udtynding).

Hvis motoren eksempelvis er en 2-takts-motor, vil karakteristikken M ikke passere gennem nulpunktet (ved konstant motoromdrejningstal og luftindgangstemperatur) Faktisk antager den indtagne luftmængde værdien nul, hvis forholdet 35 ^2^1 antager værdien 1. Tilpasningsproblemet ved lav effekt eller "lav"-tilpasningen eksisterer ikke længere, men man bevarer de øvrige fordele ved opfindelsen såsom defineret ovenfor.

Det er antydet ovenfor, at varmeveksleren 17 tilvejebringer luft med en temperatur, der kun varierer lidt som funktion af trykfor- 12 150943 holdet P2//Pl’ Denne temperatur er eksempelvis en smule mindre end 200°C i det i figur 2 illustrerede tilfælde, for hvilket omgivelses-temperaturen er på -20°C. For en omgivelsestemperatur på +40°C vil den pågældende temperatur være en smule mindre end 300°C. Denne tempe-5 ratur er højere, når der er tale an et anlæg, hvis kompressor har en mindre isentropisk virkningsgrad (eksempelvis 0,75 i stedet for 0,8). Ved tomgang og ved lav effekt kan denne luft afgives til motoren uden køling. Ved normal drift må lufttemperaturen derimod holdes på en lavere værdi, eksempelvis på 100°C for en motor, hvis kompressions-10 forhold har værdien 9. I det følgende skal der beskrives en regulerings metode for køleren 27, som muliggør at opnå dette resultat.

Den termiske effekt Q^/ som skal fjernes i køleren, er proportional med Ν·Ρ2 (T" - TJ,), hvor N er motorens omdrejningstal. Hvis man antager, at forbliver .tilnærmelsesvis lig med 200°C, og at skal 15 holdes på 100°C, er effekten proportional med omdrejningstallet N og med ladetrykket P2· Det er følgelig tilstrækkeligt at give køleren en virkning , som er proportional med omdrejningstallet og med et signal, der er en lineær funktion af trykket P2· I den i figur I illustrerede udførelsesform udgøres køleren 27 20 af en varmeveksler, der gennemløbes af en luftstrøm drevet af en ventilator 23, som er koblet til motorakslen gennem en hastighedsvaria-tor 24. Ventilatorens hastighed er således proportional med motorens omdrejningstal med en proportionalitetskoefficient fastlagt af variatoren 24. Denne variators udvekslingsforhold er fastlagt af styranidler 25 25 til en værdi, der er stigende funktion af det tryk, som hersker i indtagsmanifolden 19. Der eksisterer talrige anvendelige variator-typer, især sådanne som gør brug af en remskive bestående af to kegler, der skydes mere eller mindre ind i hinanden for at ændre remskivens effektive radius. I så fald kan midlerne 25 indeholde en 30 elektrisk eller trykdrevet aktivator, som forskyder de to kegler aksialt i forhold til hinanden styret af en traditionel styrekreds.

Der kan ligeledes benyttes en køler, hvori kølemediet udgøres af en væske, der drives af en pumpe forbundet til motoren. Pumpen kan være forbundet med motoren gennem en variator,.-.eller den wære drevet 35 direkte af motoren på betingelse af, at der indrettes et drøvleorgan, som styres af styringen 25. Der· kan eksempelvis være indrettet en omløbskanal, som kortslutter vandpumpen, der drives af motoren, hvilken kanal er forsynet med et drøvleorgan, der styres af ladetrykket.

Når der er tale om luftkøling, er det muligt at ændre på gennemstrøm-40 ningstværsnittet for luftindtaget for ventilatoren 23.

i3 150943

Variatoren 24 kan tage hensyn til ikke blot det tryk, som hersker i indtagsmanifolden, men også til andre driftsparametre. En vigtig parameter udgøres af omgivelsestemperaturen, idet de termiske udvekslinger i køleren påvirkes direkte af denne temperatur.

I det følgende skal der nu beskrives et eksempel på motorens funktion under en startprocedure uden brug af traditionelle foranstaltninger bestemt til at lette starten af dieselmotorer (indsprøjtning af let fordampeligt brændstof i forbrændingskamrene, forvarmning af indsugningsmanifolden, tilsætning af let fordampeligt brændstof 0 i indsugningsmanifolden etc.).

Når motoren 10 står stille, igangdrives turbokompressoren ved hjælp af startmotoren 14 og samtidigt påbegyndes en indfødning af brændstof i hjælpebrændkammeret 22. Turbokompressoren bliver således meget hurtigt selvdrevet, og omdrejningstallet stiger.

5 Den i kammeret 22 indsprøjtede brændstofsmængde kan være automatisk reguleret som funktion af den disponible luftmængde.

Når turbokompressoren er i fuld drift, modtager kammeret 22 en maksimal brændstofmængde, og ved udgangen fra varmeveksleren 17 har man luft under tryk og med en forøget temperatur på ca. 200°C i det oven- 0 for betragtede tilfælde. Denne temperatur er tilstrækkelig til at lade motoren 10 starte ved hjælp af en ikke vist startmotor. Køleren 27 har imidlertid en varmekapacitet som kan være så stor, at den luft, som ankommer til motorens manifold 19, med koidé omgivelser vil være afkølet i en sådan grad, at motoren ikke kan starte.

5 I den i figur 1 illustrerede udførelsesform er det tilstrække ligt at benytte den trykdifferens, som skabes af drøvlemidlerne 20a.

En midlertidig cirkulation, som gennemløber køleren 27 for at forvarme denne, kan etableres gennem en ledning 29 med lille tværsnit, som er forsynet med en manuelt eller automatisk styret lukkeventil 30, og 3 som forbinder motorens indtagsmanifold 19 med udstødsmanifolden. En andel af den varme luft, som forlader varmeveksleren 17, cirkulerer således gennem køleren 27, indtagsmanifolden 19 og udstødsmanifolden og disse dele forvarmes herved. På denne måde bliver starten mulig kort efter, at turbokompressoren er nået op på fuld drift.

1 Såsnart motoren er drevet igang, lukkes ventilen 30 enten manuelt eller automatisk (eksempelvis ved hjælp af forøgelsen af olietrykket i motorens smøresystem). Sålænge motoren forbliver i tomgang, holdes køleren 27 ude af funktion (styrekredsen 25 kan være indrettet til at holde ventilatoren 23 standset indtil en givet værdi P2). Den i hjælpe- i4 150943 værdi, at motorens ladelufttryk vil være større end en tærskeleller bundgrænse, under hvilken der ikke vil være selvtænding ved kompression i motorens cylindre. Denne tærskelværdi må naturligvis ligge højere end værdien 5 Når motoren sættes under belastning, stiger den i motorcylindrene indsprøjtede brændstofmængde, og sideløbende aftager den i hjælpe-brændkammeret indsprøjtede brændstofmængde, indtil denne netop er tilstrækkelig til at opretholde en tændflamme, som vedvarer, selv når motoren når op på sit nominelle arbejds- eller driftspunkt PM· 10 Efterhånden som og i det omfang som belastningen stiger, vil hastighedsvariatoren 24 gribe ind for at forøge ventilatorens hastighed ved et givet motoromdrejningstal.

Hvis motoren er aflastet, mens den roterer med fuldt omdrejningstal (eksempelvis hvis et køretøj kører ned ad en stejl skråning med 15 motorbremsning), vil de tilsvarende driftspunkter for kompressoren og for motoren forskyde sig langs karakteristikkerne M og C (figur 3) mod nulpunktet, og forbrændingskammeret tilføres i så fald en betydelig brændstofmængde for at opretholde det minimale ladetryk, som er nødvendigt for at muliggøre selvtænding og for at sikre en gennemstrømning i 20 afgreningskanalen, som er tilstrækkelig til at forbrænde det i hjælpekammeret indsprøjtede brændstof. Samtidigt griber variatoren 25 ind for at bringe omsætningsforholdet for ventilatorens 23 drift ned på et minimum eller for at standse denne ventilator helt.

I ovenstående beskrivelse er der beskrevet et anlæg indeholdende 25 igangsætningsmidler, som muliggør igangdrivning af turbokompressorgruppen forud for motorens start. De pågældende midler er naturligvis ikke ufravigelige, og de udgør kun muligheder for motorens start, hvortil den foreliggende opfindelse er specielt velegnet og tilpasset.

Det må bemærkes, at selv om opfindelsen letter motorens start, 30 kan der ligeledes drages nytte af opfindelsen ved andre driftsfunktioner, ved tomgang eller ved lav effekt, og opfindelsen kan således også benyttes i forbindelse med anlæg, hvori motoren startes ved hjælp af helt andre midler.

Claims (4)

15 150943

1. Udstødgasturboladet forbrændingsmotoranlæg indeholdende et varmevekslersystem for ladeluftstrømmen til anlæggets forbrændingsmotor (10), hvilket varmevekslersystem muliggør en opvarmning af 5 ladeluftstrømmen under start, tomgang og drift ved lav motorbelastning, samt en køling af ladeluftstrømmen under drift med belastning en afgreningskanal eller omledningskanal (20), for ladeluft som indmunder i motorens udstødsledning (21) opstrøms for motoranlæggets udstødsgasdrevne turbine (12), samt 10 et før indløbet til turbinen anbragt hjælpebrændkammer (22), som er indrettet til at modtage forbrændingsmotorens udstødsgas samt luft fra afgrenings- eller omledningskanalen (20), KENDETEGNET ved, AT varmevekslersysternet indeholder en til stadighed af turbinens afgangsgas gennemstrømmet varmeveksler (17), som er anbragt i ladeluft-15 strømvejen imellem motoranlæggets kompressor (11) og afgreningska-nalens (20) afgrenings- eller udgangspunkt.

2. Forbrændingsmotoranlæg ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, AT varmevekslersystemet endvidere indeholder en efter varmeveksleren (17) og i luftstrømvejen til forbrændingsmotoren indskudt luftkøler (27), som 20 er forsynet med styre- og reguleringsmidler (23, 24, 25), som er indrettet således, at den fjernede varmemængde vil blive i det væsentlige proportional med motoromdrejningstallet og med trykket i den fra luftkøleren (27) til forbrændingsmotoren førte luft.

3. Forbrændingsmotoranlæg ifølge krav 1 eller 2, KENDETEGNET ved 25 en omløbs- eller shuntkanal (29), der ved stillestående motor tjener til at føre en luftstrøm , som, efter passage igennem varmeveksleren (17) og luftkøleren (27), kan ledes fra motorens tilgangsledning (19) og direkte til udstødsledningen (21).

4. Forbrændingsmotoranlæg ifølge krav 3, KENDETEGNET ved, AT om-30 løbsledningen (29) er en ledning med lille diameter og er forsynet med en ventil (30), som kan lukkes manuelt eller automatisk efter start af motoren.