DK154238B - Udstoedsgasturbolader ved en trykladet dieselmotor - Google Patents

Description

DK 154238 B

Opfindelsen angår en udstødsgasturbolader som angivet i krav 1's indledning.

Udstødsgasturboladere med nytteturbine er i og for sig kendte. De anvendes enten til forbedring af det specifikke brændstof-5 forbrug eller til optimal drift af motoren under stærkt forskellige klimatiske betingelser.

Således er der i tidsskriftet "DIESEL PROGRESS North American", juli 1981, side 55 i form af et koblingsdiagram vist et anlæg, i hvilket en lavtryks-nytteturbine drives ved hjælp af turbola-10 derturbinens afgangsgasser. Den opnåede ydelse afgives til dieselmotoren over et drev.

En anden løsning, ved hvilken en med turboladerturbinen parallelt koblet nytteturbine driver en generator, er vist og beskrevet i det ved den 14. CIIVIAC kongres i Helsingfors 1981 udgivne 15 trykskrift "Total Economy of Engine Service With Regard to Up-Keep Efforts, Specific Fuel Consumption and Waste Heat Recovery" i fig. 5.

Denne nytteturbine er forsynet med variabel indstrømningsgeometri og arbejder på en sådan måde, at der ved moderate klimatiske betingelser produceres elektrisk energi. Under varme klimatiske forhold 20 føres tilnærmelsesvis hele mængden af motorens udstødningsgas derimod til turboladerturbinen.

En udstødsgasturbolader af den indledningsvis nævnte art kendes fra beskrivelsen til tysk patent nr. 1 149 200.

Den til denne hørende "hjælpe"-turbine, der er frakoblet 25 under normal motordrift, er ikke en egentlig ydelsesafgivende nytteturbine, men derimod en startturbine. Den betjenes kun under start af forbrændingsmotoren, men drives ikke af dennes udstødsgasser. Ladeturbinen selv er dimensioneret til en konstant trykydelse over hele driftsområdet. Dette nødvendiggør anbringelsen 30 af en sædvanlig udstødsgasudblæsningsventil foran ladeturbinen.

Lignende løsninger med nytteturbiner, der ganske vist ikke kan frakobles, kendes fra CH-patentskriftet nr. 357.243, EP-paatent-skriftet nr. 0 048 027 og US-patentskriftet nr. 4.100.742.

Ved de i CH-patentskriftet nr. 357.243 beskrevne i strøm-35 ningsretningen efter hinanden koblede udstødsgasturbiner er den turbine, der først gennemstrømmes og således ikke kan frakobles udformet som nytteturbine.

Den sidst gennemstrømmede turbine, der arbejder med fuld gennemstrømningsmængde, kan ikke frakobles eller bypasses, idet den

DK 154238 B

2 driver kompressoren.

Ved den fra EP-patentskriftet nr. 0 048 027 kendte nytteturbine drejer det sig om en kombination af en parallelkobling og en seriekobling, hvor "serie"-nytteturbinen også gennemstrømmes ved 5 drift af motoren under dellast. Dette medfører, at modtrykket for turboladerturbinen er forhøjet ved del last. Ved fuldlast åbnes en anden udbiæsningsventil foran nytteturbinen.

Også ved den fra US-patentskriftet nr. 4.100.742 kendte permanent gennemstrømmede nytteturbine åbnes en udblæsningsventil 10 ved drift under høj last. På denne måde begrænses det opstemmede tryk foran laderturbinen, der arbejder efter impulsprincippet.

Ingen af alle disse kendte systemer er imidlertid i stand til at bidrage til løsningen af dellastproblemet ved dieselmotorer, der tryklades ved højt tryk. Dette problem viser sig som bekendt på den 15 måde, at ladetrykket ved reduceret omløbstal af motoren, f.eks. i propellerkurvens dellastområde, falder stærkt, hvilket medfører luftmangel og derved fører til en forøget termisk belastning af konstruktionsdelene. Årsagen hertil skal ses i turbinens konstante dyseareal, der er for stort ved del I ast.

20 Formålet med den i krav 1's kendetegnende del definerede opfindelse er derfor med enkle midler ved et system af den indledningsvis nævnte art både at forbedre det specifikke forbrug i hele omdrejningstalområdet og at forbedre motorens driftsbetingelser under dellast.

25 Den foranstaltning at dimensionere laderturbinens dyseareal til et bestemt dellastområde, d.v.s. at dimensionere det mindre end ved en dimensionering til drift under fuld last, bevirker en forøgelse af trykket i udstødsgasreceiveren. Herved står der i del lastområdet netop tilstrækkelig energi til rådighed for laderturbinen til at til-30 vejebringe det ønskede ladetryk i kompressoren. Der kan dog først opnås fuld virkning ved kombination med den anden foranstaltning, d.v.s. ved frakobling af nytteturbinen i dellastomridet.

I fuldlastområdet er nytteturbinens afgivne ydelser derimod større end den ved forøgelse af receivertrykket forårsagede forøgelse 35 af tabet ved motorens fyldningsskift.

Det må endvidere anses at være særligt fordelagtigt, at motoren, der skal tryklades, ikke kræver nogen modifikation. Ikke engang styretiderne skal ændres. Opfindelsen egner sig således til problemløs montering på bestående motorer.

3

DK 154238 B

Det vil forstås, at turboladerturbinen skal dimensioneres forskelligt afhængigt af, om der anvendes parallelkobling eller seriekobling af nytteturbinen. De særlige fordele herved samt yderligere fordelagtige videreudformninger af opfindelsen beskrives nærmere i 5 det følgende under henvisning til to på tegningen anskueliggjorte udførelseseksempler. På tegningen viser:

Fig. 1 en principskitse med parallelkobling af turbolader-og nytteturbine, fig. 2 en principskitse med seriekobling af turboladertur-10 binen og nytteturbinen, fig. 3 et diagram over receivertrykket i funktion af motorlasten, fig. 4 et diagram over ladetrykket i funktion af motor lasten , 15 fig. 5 et diagram over det specifikke brændstofforbrug i funktion af motorlasten, fig. 6 en modificeret udførelse af det i fig. 1 viste system, og fig. 7 en modificeret udførelse af det i fig. 2 viste sy- 20 stem.

I tegningens figurer er ens elementer betegnede med samme henvisningsbetegnelser. Arbejdsmediets strømningsretning er vist med pile. Der er på tegningen ikke taget hensyn til forhold, såsom korrekt målestokforhold mellem turboladeren og nytteturbinen eller må-25 den, på hvilken nytteturbinens ydelse udnyttes, som ikke er nødvendige til forståelsen af opfindelsen.

De i fig. 1 og 2 skitserede systemer består hver af en dieselmotor 1, der over en udstødsgasturboladers kompressor forsynes med trykluft. Kompressoren drives af laderturbinen 3', 3M, der igen 30 drives af dieselmotoren 1's udstødsgasser. En nytteturbine 6', 6" afgiver over et ikke vist drev mekanisk energi til systemet. Dette kan f.eks. ske over motorens gearkasse eller ved skibsmotorer over gearet mellem motoraksel og propeileraksei.

Opfindelsen forklares herefter ved hjælp af to taleksempler.

35 Der vil herunder blive set bort fra en angivelse af alle de absolutte værdier, der ligger til grund for beregningerne og forsøgene, idet disse på grund af deres afhængighed af alt for talrige parametre alligevel ikke er af tilstrækkelig forklarende betydning.

Afgørende for de overvejelser, der skal anstilles, er de

DK 154238 B

4 herskende tryk i kammeret 4, i det følgende betegnet som ladetrykket PL og i udstødsgasreceiveren 5 i det følgende betegnet som receivertrykket P^. For at kunne konstatere det fulde omfang af de fordele, der kan opnås ved hjælp af opfindelsen, er en kvantificering af disse 5 to tryk nødvendige.

Der gås ud fra en sidan sekscylindret modeldieselmotor, som f.eks. anvendes til skibe. Den har en ydelse på ca. 400 KW/ cylinder, et omløbstal på 750 o/minut og et specifikt middeltryk på ca. 23 bar. Skylningsoverlapningen sættes til 100° krumtapvinkel, 10 hvorved der heller ikke ved dellast opstår problemer.

Dersom der skal foretages en trykladning med højt tryk, er ladetrykket PL ved kendt teknik ca. 3,8 bar ved fuldlast. Tages der endvidere hensyn til den nu mulige virkningsgrad af udstødsgasturboladere, kræves der ved anvendelse af kun én turboladerturbine et 15 receivertryk pi ca. 3,2 bar, for at denne ladeværdi skal kunne opnås. Turbinetværsnittet af en sådan enkelt turbine vil som udgangspunkt i det følgende blive betegnet med 100%. Dette 100%ige turbinetværsnit kan naturligvis også opdeles på to eller flere turbiner, således som det f.eks. kendes under betegnelsen "register-20 trykladning". Også ved den indledningsvis nævnte kendte teknik arbejdes der med et turbinetværsnit på 100%.

Idet der gås ud fra en samtidig anvendelse af en nytteturbine, der afgiver ydelse, skal receivertrykket P nu hæves. Ved

K

totaktmotorer og firetaktmotorer med skylning, kan dette øges til en 25 værdi, ved hvilken der netop endnu opnås en tilstrækkelig skylning.

Dette kan nå næsten helt ind i området af ladetrykket PL* Ved ikke skyllede firetaktmotorer f.eks. ved køretøjsmotorer kan receivertrykket forøges til langt op over ladetrykket. Naturligvis vil motorens udstødsarbejde og dermed fyldningsudskiftningstabet forøges ved en 30 forøgelse af receivertrykket. Da disse tab i modsætning til den ydelse, der kan udtages af nytteturbinen, øges tilnærmelsesvis lineært med stigende receivertryk, vil der nødvendigvis være et optimalt recei vertry kområde.

Et forøget receivertryk opnås ved, at det af udstødsgasser-35 ne påvirkede turbinetværsnit reduceres fra 100% til 80%. Derved forøges trykket ved modelmotoren fra 3,2 bar til 3,6 bar og ligger således stadig under det ønskede ladetryk på 3,8 bar.

Dette forøgede receivertryk medfører, at en større del af udstødsgassens potentielle energi kan udnyttes, idet også drøvletabe- 5

DK 154238 B

ne mellem cylinderen og receiveren er reducerede. For at opnå det nævnte ladetryk, d.v.s. for at tilvejebringe den nødvendige kompressorydelse, behøver laderturbinen ikke længere hele den energi, der stir til rådighed. Den ikke nødvendige del forarbejdes i nytteturbi-5 nen.

Dette kan ske pi to forskellige måder. Enten kan nytteturbinen 6' som vist i fig. 1 kobles parallelt, eller nytteturbinen 6" som vist i fig. 2 kobles i serie. I det første tilfælde opdeles turbinearealet yderligere, nemlig med 70% af arealet til laderturbinen 3' og 10 10% til nytteturbinen 61. Nytteturbinen 6' er således en meget lille og hurtigt roterende turbine. I det andet tilfælde dimensioneres laderturbinen 3" til alle 80%. Den forarbejder imidlertid kun en del af enthalpifaldet. Den efterkoblede nytteturbine 6" er følgelig en lavtryksturbine, der omsætter restfaldet til mekanisk arbejde. Som 15 retningsgivende værdi kan anføres, at tilstanden af den delvis afspændte udstødsgas kræver, at nytteturbinen 6" dimensioneres for 300%.

Disse størrelsesordener viser berettigelsen af begge koblingssystemerne. Den parallelle nytteturbine egner sig til større mo-20 torer fra f.eks. 3000 KW. Den er billig, men kræver et forholdsvis kompliceret gear. Serienytteturbinen kan, da den er voluminøs og dermed dyr, med fordel anvendes ved små motorer indtil ca. 3000 KW.

Da den løber med lavt omløbstal, kan ydelsen afgives over et billigt standarddrev, 25 De hidtidige overvejelser er anstillet for fuld motorlast. De fører til det resultat, at der ved en uvæsentlig reduktion af ydelsen, d.v.s. af det specifikke middeltryk pi ca. 1-2%, opnås en forbrugsforbedring, d.v.s. en brændstofbesparelse på 3%. Samtidig bliver hverken de termiske eller de mekaniske belastninger af motoren ufor-30 delagtigere i forhold til udgangstilfældet (100%).

Den fulde virkning af opfindelsen ved dellastdrift opnås først ved mulighed for frakobling af nytteturbinen. I denne forbindelse skal følgende kendte forhold haves i erindring: Som bekendt kan en motors driftsegenskaber ved dellast forbedres ved, at der vælges 35 en turboladerkarakteristik, der giver en dårligere virkningsgrad under fuldlast. Der vælges altså et mindre turbineareal, således at receivertrykket opstemmes til et højere tryk. Dette mindre turbineareal er altså årsagen til den fordelagtigere dellastdrift og forbedrer også det specifikke brændstofforbrug, men dog kun under del last- 6

DK 154238 B

driften, idet driftsegenskaberne atter forringes mod fuldlast. Det samme sker ved et ladesystem med nytteturbine, dersom laderturbinen er optimeret til dellast. Ved den betragtede modelmotor er det specifikke forbrug ved del last selv uden nytteturbine bedre end i udgangs-5 tilfældet (100%-areal). Fordelen skal her ses i, at forbruget er bedre over hele del lastkurven.

Dette er kvantitativt og kvalitativt vist i diagrammerne i fig. 3, 4 og 5. I hvert af disse er motorbelastningen angivet i [%] på abeissen. På ordinaterne er i fig. 3 trykket P^ i udstødsgasreceive-10 ren angivet i [bar], i fig. 4 ladetrykket PL angivet i [bar], og i fig.

5 det specifikke brændstofforbrug angivet i [g/KWh]. I de tre diagrammer er kurverne for udgangstilfældet, d.v.s. en turbolader med 100% areal, betegnet med A, kurverne for en parallelkoblet nytteturbine betegnede med B, og kurverne for en seriekoblet nytteturbine 15 betegnede med C.

Ved fuldlast optræder det kendte udgangstilfælde med de nævnte værdier P^ = 3,2 bar, og P^ = 3,8 bar. Ved anvendelse af nytteturbinen og reduceret areal af laderturbinen stiger ved uændret ladetryk receivertrykket til 3,6 bar. Det ses, at i hele det betragtede 20 dellastområde er ladetrykket med nytteturbine (B, C) noget højere, og det specifikke brændstofforbrug lavere end ved udgangstilfældet (A>.

At der ved den seriekoblede nytteturbine kan forventes et noget højere ladetryk og dermed noget bedre driftsegenskaber end 25 ved parallelt koblet turbine kan forklares som følger: Det der ved turboladning sædvanligvis er årsag til del lastproblemet, nemlig at trykket foran turbinen på grund af det konstante dyseareal falder sammen ved aftagende massestrøm er her delvis en fordel, idet det også sker over nytteturbinen. Derved stiger trykforholdet over 30 laderturbinen, hvilket igen muliggør et højere ladetryk. Ved lavere dellast er trykforholdet over laderturbinerne for serie- og parallelkobling tilnærmelsesvis lige store. Kun strømmer ved seriekoblingen hele massestrømmen gennem laderturbinen, hvilket vil sige, at der ved ens tilstand af gasserne star en større ydelse til rådighed ved serielader-35 turbinen.

Ifølge opfindelsen opnås der en yderligere betydelig forbedring af deilastegenskaberne ved, at nytteturbinen frakobles ved en forud fastsat dellast.

Hertil anbringes der ifølge fig. 1 i tilgangsledningen 7' til 7

DK 154238 B

nytteturbinen 6' et simpelt afspaerringsorgan 8', der fortrinsvis automatisk lukkes ved en forud fastsat indstillelig dellastværdi.

Ifølge fig. 2 anbringes der i tilgangsledningen 7" tii nytteturbinen 6" en bypassledning 9, der indmunder i en ikke vist skor-5 sten, og er forsynet med et under fuldiast lukket afspærringsorgan 8". Dette afspærringsorgan 8" er indrettet til automatisk åbning ved en forud fastsat dellastværdi.

Afspærringsorganerne 8', 8“ kan betjenes ved hjælp af driftsstørrelser, som f.eks. ladetrykket, motorens omløbstal, bevægel-10 sesstrækningen af indsprøjtningspumpens betjeningsstang og lignende.

Diagrammerne i fig. 3,4 og 5 viser virkningen af disse foranstaltninger. Betjeningen af afspærringsorganerne 8* henholdsvis 8" sker i det betragtede tilfælde ved en dellast på 60%.

Ved frakobling af nytteturbinen 6' ved parallelkoblingen 15 reduceres turbinearealet med 30% i forhold til det konventionelle udgangstilfælde på 100% og med ca. 10% i forhold til en nytteturbine, der ikke kan frakobles. Dette bevirker en yderligere stigning af receivertrykket og som følge heraf en kraftig forhøjelse af ladetrykket (kurven D). Der opnås ligeledes en positiv indflydelse på det speci-20 fikke brændstofforbrug.

Foranstaltningen er ikke helt si virkningsfuld ved seriekoblingen (kurven E, kun i fig. 4). Forhøjelsen af ladetrykket opnås her ved, at det af nytteturbinen 6" forårsagede modtryk bortfalder ved, at bypassledningen 9 åbnes, og ladeturbinen 3" dermed kan 25 forarbejde et tilsvarende større enthalpifald.

Fig. 6 og 7 viser udførelseseksempler, som er mulige ved dieselmotorer, der arbejder med højere udstødsgastemperatur. Dette kan være tilfældet ved varmeisolerede i stedet for kølede motorer eller ved motorer uden skylning eller motorer med lavere luftforhold. De 30 samme foranstaltninger kan anvendes i tilfælde af, at der kommer turboladere til anvendelse, der har endnu højere virkningsgrader end de hidtil opnåelige. Det større energitilbud fører da til, at nytteturbinen har en ydelse, der kan være ca. 20% - 30% af laderturbinens ydelse. Ved parallelkobling af nytteturbinen vil dennes gennemstrøm-35 ningstværsnit forøges tilsvarende i forhold til laderturbinens gennemstrømningstværsnit. Ved seriekobling af nytteturbinen vil dennes trykforhold forøges tilsvarende i forhold til laderturbinens trykforhold. Frakoblingen af sådanne nytteturbiner med stor ydelse kan medføre surging i kompressoren. Dette afhjælpes ved, at der på i og for

DK 154238 B

8 sig kendt måde anbringes en omblæsningsledning for ladeluften, der indmunder i udstødsgasledningen foran laderturbinen. Denne omblæsningsledning er hensigtsmæssigt regulerbar. Hertil indskydes drøvle-organer 11, der løbende kan ændre gennemstrømningstværsnittet.

5 Det vil forstås, at der ved afbrudt tilførsel af betjenings medium til nytteturbinen, der jo sædvanligvis er mekanisk koblet med en forbruger, er midler til standsning af turbinen, således at denne ikke ventilerer. Dersom turbinen f.eks. over en væskekobling er forbundet med motoren, kan standsningen ske pi enkel måde ved 10 udtømning af væsken. Naturligvis vil man dimensionere sådanne midler til standsning af turbinen, og den hertil nødvendige regulering under hensyn til den formodede hyppighed og varighed af standsningen. Herunder skal der også tages hensyn til arten af forbrugeren, f.eks, motor, generator, pumpe og lignende.

15 20 25 30 35

Claims (4)

1. Udstødsgasturboiader ved en trykladet dieselmotor (1) med separat ydelsesafgivende nytteturbine (6*,6") og midler (8',9,8") 5 til at sætte nytteturbinen ud af drift, kendetegnet ved, at den med dieselmotorens (1) udstødsgasreceiver (5) forbundne laderturbine (3^311) har et til dellast optimeret turbineareal, og at nytteturbinen (6·,6") ved forud fastsat dellast af motoren sættes ud af drift.

2. Udstødsgasturboiader ifølge krav 1, kendeteg net ved, at ved parallelkobling af nytteturbinen (6‘) med laderturbinen (3*) er nytteturbinens (6') tilgangsledning (71) forsynet med et afspærringsorgan (81)/ der automatisk lukkes ved en forud fastsat del last af motoren.

3. Udstødsgasturboiader ifølge krav 1, kendeteg net ved, at ved i strømningsretningen efter laderturbinen (3") anbragt nytteturbine (6") er dennes tilgangsledning (7“) forsynet med en til omgivelserne førende bypass-ledning (9) med et deri indskudt afspærringsorgan (8"), der automatisk åbnes ved en forud 20 fastsat dellast af motoren.

4. Udstødsgasturboiader ifølge krav 2 eller 3, kendetegnet ved, at betjeningen af afspærringsorganet (8‘, 8") sker ved hjælp af en af motorens drift betinget størrelse. 25 30 35