FI123489B - Suuren polttomoottorin kaksoisturboahdinjärjestely - Google Patents

Description

SUUREN POLTTOMOOTTORIN KAKSOISTURBOAHDINJÄRJESTELY

Tekniikan ala 5 [0001] Esillä oleva keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen suuren polttomoottorin kaksoisturboahdinjärjestelyyn.

[0002] Tässä selityksessä termi ’’suuri moottori” viittaa sellaisiin polttomoottoreihin, joilla voidaan kehittää yli 150 kW:n teho sylinteriä kohden. Tyypillisesti tällaisia 10 suuria moottoreita käytetään esimerkiksi vesialusten pääpropulsiomoottoreina tai apumoottoreina tai voimalaitoksissa lämmön ja/tai sähkön tuotantoon.

Tekniikan taso 15 [0003] Nykyaikaisissa moottoreissa ilman ahtaminen polttomoottorien sylintereihin on normaali käytäntö. Ahtaminen parantaa moottorin tehokkuutta ja vaikuttaa myönteisesti päästöihin. Suosituimmat laitteet ahtaa ilmaa sylintereihin ovat luultavasti turboahtimia. Turboahtimilla tarkoitetaan moottorin pakokaasuilla käytettäviä pumppauslaitteita. Turboahdin rakennetaan keskiosastaan laakereille 20 järjestetyn akselin ympärille. Akselin molemmissa päissä on kotelon ympäröimä roottori. Kummassakin kotelossa on kaasun tulo- ja poistoaukko. Akselin toisessa päässä roottorin ja kotelon yhdistelmää kutsutaan turbiiniksi, koska sen kotelon kaasun tuloaukko on kiinnitetty pakokaasuja moottorista tuovaan kanavaan.

Pakokaasut saavat turbiinin roottorin pyörimään, jolloin myös turboahtimen akseli 25 pyörii. Akselin vastakkaisessa päässä roottorin ja kotelo yhdistelmää kutsutaan £2 kompressoriksi. Kompressorin roottori imee ilmaa koteloon imuaukkonsa kautta ja o cvj pakottaa ilman korotetussa paineessa ulos kaasun poistoaukosta. Tavallisesti i o kaasun poistoaukko on virtausyhteydessä moottorin imusarjan kanssa, jolloin ” moottorin sylintereihin virtaava ilma on korotetussa paineessa. Tämä tarkoittaa, että g 30 sylinteriin ahdetaan ilmaa, jolloin ilman tiheys on suurempi, ahdetussa ilmassa on

CL

enemmän happea ja sylinterissä voidaan polttaa enemmän polttoainetta. Tällä o tavoin sylinterin antama teho kasvaa verrattuna vapaasti hengittäviin moottoreihin.

δ

CVJ

2

[0004] Kuitenkin tiedetään, että turboahtimet eivät kykene toimimaan samalla tehokkuudella koko moottorin kierroslukualueella. Tämä johtuu moottorin eri kierrosluvuilla tarvittavan ilman vaihtelevasta määrästä. Toisin sanoen, jos turboahdin on suunniteltu niin, että se pystyy käsittelemään ja paineistamaan kaiken 5 sen ilman, joka tarvitaan ajettaessa moottoria täydellä nopeudella ja täydellä kuormalla, turboahtimen ja sen kotelojen ja roottorien fyysinen koko on suuri. Suurikokoisen turboahtimen iso ja raskas roottori-akseli-roottori -yhdistelmä ei kykene kiihtymään nopeasti, kun moottorin kierrosluku on alhainen ja pakokaasuvirtaus on pieni. Niin alhainen moottorin pakokaasuvirta ei kykene 10 pyörittämään suuren turboahtimen akselia nopeudella, jolla ilman painetta saataisiin nostettua niin paljon kuin halutaan. Siten vaste kaasun säätöön on heikkoa ja hidasta.

[0005] Edellä mainitun ongelman ratkaisemiseksi on esitetty kahden turboahtimen 15 kytkemistä sarjaan. Toisin sanoen pieni turboahdin, joka on suunniteltu käsittelemään pieniä kaasu- ja ilmamääriä ja joka kykenee toimimaan alhaisilla moottorin kierrosluvuilla, ja suurempi turboahdin, joka pystyy täyttämään ne vaatimukset, jotka moottori asettaa kaasuvirtauksilleen täydellä nopeudella. Tällaista turboahdinjärjestelyä kutsutaan kaksoisturboahdinjärjestelyksi. Järjestely toimii 20 siten, että pienemmän turboahtimen turbiinin pakokaasun tuloaukko on liitetty virtausyhteyteen moottorin pakosarjan kanssa. Pienemmän turboahtimen turbiinista poistuvat pakokaasut viedään suuremman turboahtimen turbiinin pakokaasujen tuloaukkoon pyörittämään suuremman turboahtimen akselia ja kompressoria.

Raikasta ilmaa viedään ensin suuremman turboahtimen kompressoriin, josta se 25 virtaa pienemmän turboahtimen ilmanottoaukkoon. Toisin sanoen ilmavirtaus on £2 tavallaan vastakkaissuuntainen pakokaasun virtaukseen nähden. Tällainen o cvj kaksoisturboahdinjärjestely toimii siten, että moottorin nopeuden ollessa suhteellisen i o alhainen, jolloin pakokaasuvirtaus moottorista on myös vähäistä, pakokaasut ” pystyvät silti pyörittämään pienemmän turboahtimen akselia varmistaen riittävän g 30 korkean ahtopaineen imuilmalle. Tästä syystä pienempää turboahdinta kutsutaan

CL

myös korkeapaineturboahtimeksi ja suurempaa matalapaineturboahtimeksi. o Suuremman turboahtimen turbiiniin virtaavat pakokaasut kykenevät pyörittämään sen akselia hitaasti, jolloin sen kompressori ei pysty kohottamaan ilman painetta

O

C\J

3 ainakaan riittävästi. Heti kun moottorin nopeus kasvaa, pakokaasujen määrä kuitenkin lisääntyy ja jopa suurempi turboahdin pystyy kohottamaan ahtoilman painetta. Samanaikaisesti pienemmän turboahtimen kyky lisätä ahtoilman painetta vähenee asteittain niin, että koko kaksoisturboahdinjärjestelyn kehittämä ahtopaine 5 pysyy olennaisen vakiona, kuten on toivottavaa.

[0006] Turboahtimet ja niiden yhteyteen järjestetyt laitteet, kuten esimerkiksi ilmanpuhdistin, ahtoilman jäähdyttimet, voitelujärjestelmät, jäähdytysjärjestelmät jne., vaativat huomattavasti tilaa. Paikka, johon turboahtimet hyvin usein 10 asennetaan, on moottorin päällä, kuten esimerkiksi julkaisussa US-A-5,697,217 on esitetty. Tällaisessa asennuksessa on kuitenkin muutamia haittapuolia, jotka kannustavat hakemaan parempaa paikkaa turboahtimille ja laitteistolle. Ensinnäkin turboahtimet sekä muut laitteet ovat erityisesti suurissa moottoreissa raskaita ja vaativat siksi lujia palkkeja tai alustoja, joihin ne voidaan tukea moottorin yläpuolelle. 15 Johtuen venttiilimekanismeista, polttoaineen ruiskutuslaitteista jne., jotka on järjestetty sylinterikannen/-kansien yläpuolelle, ja erityisesti tilasta, joka on varattava niiden kunnossapitoon, turboahtimia ja niiden varusteita ei voida järjestää liian lähelle moottoria. Toiseksi tila moottorin yläpuolella on joskus rajallinen, tai toisinaan turboahtimet ovat ainoita laitteita, jotka vaativat lisätilaa moottorin yläpuolella, jolloin 20 tilan säästämiseksi turboahtimet olisi asennettava johonkin muuhun paikkaan moottorin läheisyyteen. Myös silloin, kun turboahtimet järjestetään moottorin päähän, ne asennetaan tavallisesti erillisten tukien päälle siten, että sekä ilman että pakokaasujen kanavointi turboahtimien välillä on monimutkaista ja paljon tilaa vievää.

25 £2 [0007] Esillä olevan keksinnön eräänä tavoitteena on aikaansaada o cvj kaksoisturboahdinjärjestely, joka on pienempään tilaan mahtuva kuin tekniikan o tason järjestelyt.

co g 30 [0008] Eräänä esillä olevan keksinnön lisätavoitteena on paikka, johon turboahtimet voidaan asentaa siten, että ne eivät vie tilaa moottorin yläpuolelta.

δ m δ c\j 4

Keksinnön kuvaus

[0009] Ainakin yksi keksinnön tavoitteista saavutetaan suurikokoisen polttomoottorin kaksoisturboahdinjärjestelyllä, joka moottori käsittää sylinterilohkon, 5 jossa on joukko sylinterejä, yhden tai useamman sylinterikannen, ainakin yhden pakosarjan, ainakin yhden imusarjan ja kaksi sarjaan kytkettyä turboahdinta pyöritettäväksi moottorin pakokaasuilla ja ahtamaan ilmaa moottorin sylintereihin, jolloin kummassakin turboahtimessa on tulokotelo pakokaasulle ja poistokotelo pakokaasulle sekä kompressorikotelo, jolloin turboahtimet on sijoitettu moottorin 10 päätyyn yhteisen kannakkeen tukemina/siihen kiinnitettynä ensimmäisen turboahtimen pakokaasun poistokotelon ollessa liitetty paljeputken välityksellä toisen turboahtimen pakokaasun tulokoteloon.

[0010] Ainakin yksi keksinnön tavoite saavutetaan suurikokoisella polttomoottorilla, 15 joka käsittää sylinterilohkon, jossa on joukko sylinterejä, yhden tai useamman sylinterikannen, ainakin yhden pakosarjan, ainakin yhden imusarjan ja kaksi sarjaan kytkettyä turboahdinta pyöritettäväksi moottorin pakokaasuilla ja ahtamaan ilmaa moottorin sylintereihin, jolloin kummassakin turboahtimessa on tulokotelo pakokaasulle ja poistokotelo pakokaasulle sekä kompressorikotelo, jolloin moottori 20 on varustettu minkä tahansa patenttivaatimuksen 1 - 9 mukaisella kaksoisturboahdinjärjestelyllä.

[0011] Esillä oleva keksintö ratkaistessaan ainakin yhden edellä mainituista ongelmista, tuo mukanaan myös lukuisia etuja, joista muutamia on lueteltu 25 seuraavassa:

CO

δ ^ · Kaksoisturboahdinjärjestely voidaan asentaa siten, että mitään

LO

o monimutkaisia tukirakenteita ei tarvita moottorin yläpuolella, co ir 30 · Kaksoisturboahdinjärjestely toteutetaan siten, että se mahtuu

CL

„ rajalliseen tilaan. Se ei esimerkiksi olennaisesti lisää rivimoottorin o leveyttä.

δ

CVJ

5 • Sekä molemmat turboahtimet että niiden pakokaasu- ja ahtoilmakanavat ja niin ikään myös lisälaitteet, kuten ahtoilman jäähdytin/-jäähdyttimet, on toteutettu siten, että paketti on kooltaan kompakti, ja mahtuu olennaisesti rivimoottorin leveydelle.

5

[0012] On kuitenkin ymmärrettävä, että luetellut edut ovat ainoastaan vaihtoehtoisia, joten keksinnön käytännön toteutuksesta riippuu, saavutetaanko yksi vai useampia etuja.

10 Piirustusten lyhyt kuvaus

[0013] Seuraavassa esillä olevan keksinnön mukaista turboahdinjärjestelyä selostetaan yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin piirustuksiin, joista 15 Kuvio 1 on kaavamainen perspektiivikuvanto esillä olevan keksinnön mukaisesta turboahdinjärjestelystä, ja

Kuvio 2 on kaavamainen yläkuvanto esillä olevan keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesta turboahdinjärjestelystä.

20

Piirustusten yksityiskohtainen kuvaus

[0014] Kuviot 1 ja 2 esittävät kaavamaisesti esillä olevan keksinnön mukaista turboahdinjärjestelyä. Polttomoottori on esitetty (osittain leikattuna) viitenumerolla 2.

25 Moottorissa on joukko sylintereitä 4 sylinterilohkossa 6 ja yksi tai useampia ” sylinterikansia 8. Sylinterikansi/-kannet 8 on varustettu pakokaasukanavilla 10, jotka o

^ johtavat pakokaasut pakosarjaan 12. Moottorin 2 yksi pääty, joko vauhtipyörän FW

LO

0 pääty (esitetty tässä) tai vastakkainen pääty, on varustettu kannakkeella 14.

” Kannake 14 voidaan kiinnittää sylinterilohkon 6 päätypintaan tai sylinterikannen 8 1 30 päätypintaan tai molempiin. Kannakkeelle 14 on kiinnitetty kaksi erikokoista

CL

turboahdinta 16 ja 18. Nämä kaksi turboahdinta 16 ja 18 muodostavat o kaksoisturboahdinjärjestelyn, sillä ne on kytketty sarjaan siten, että ne ovat ^ virtausyhteydessä toistensa kanssa.

CVJ

6

[0015] Pienemmän, eli korkeapaineturboahtimen 16 turbiinin pakokaasun tulokotelo 20 on kiinnitetty moottorin pakosarjaan 12 vastaanottamaan pakokaasuja. Pienemmän turboahtimen 16 turbiinin kaasun poistokotelo 22 on kiinnitetty 5 paljeputkella 24 suuremman, eli matalapaineturboahtimen 18 kaasun tulokoteloon 26 pakokaasujen syöttämiseksi sinne. Paljeputki 24 on järjestetty yhteiselle kannakkeelle 14 kiinnitettyjen turboahtimien 16 ja 18 väliin vaimentamaan turboahtimien lämpölaajenemista. Suuremman turboahtimen 18 kaasun poistokotelo 28 poistaa pakokaasut pakoputkeen tai vastaavaan (ei esitetty).

10

[0016] Suurempi, eli matalapaineturboahdin 18 vastaanottaa ilmaa ilmansuodattimen/vaimentimen 30 kautta kompressorikoteloonsa 32, josta ilma poistetaan ensimmäisen ahtoilman välikanavan 36 kautta, joka on varustettu ensimmäisellä valinnaisella ahtoilman jäähdyttimellä 34, korkeapaineturboahtimen 15 16 kompressorikotelon 38 ilman tuloaukkoon. Kompressorikotelon 38 paineistama ilma poistetaan toisen ahtoilman välikanavan 40 kautta, jossa on toinen valinnainen ahtoilman jäähdytin 42, moottorin 2 imusarjaan (ei esitetty).

[0017] Esillä olevan keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti kannatin 20 14 on hyllymäinen tukeva elin, joka pystyy kantamaan koko kaksoisturboahdinjärjestelyn painon. Kuvioissa esitetyssä suoritusmuodossa kannake on sijoitettu sellaiselle korkeudelle moottorin päätyyn, että pakosarja 12 kykenee poistamaan pakokaasut suoraan pienemmän turboahtimen 16 aksiaaliseen pakokaasujen tuloaukkoon. Turboahtimet 16 ja 18 on järjestetty niin, että pienempi 25 turboahdin 16 poistaa pakokaasut säteittäisesti suuremman turboahtimen 18 £2 aksiaaliseen pakokaasun tuloaukkoon. Toisin sanoen yksinkertaisin asennus on o cm sellainen, että pienemmän korkeapaineturboahtimen akseli on olennaisen i o yhdensuuntainen moottorin kampiakselin (tai pituussuunnan) kanssa ja ” matalapaineturboahtimen akseli on poikittain kampiakseliin nähden. Edellä kuvatun g 30 järjestelyn avulla mainitut kaksi turboahdinta voidaan tuoda hyvin lähelle toisiaan,

CL

jolloin ne vievät ainoastaan pienen tilan moottorin päädystä. Jos o korkeapaineturboahtimessa olisi esimerkiksi radiaalinen pakokaasun tulokotelo ja se ^ vastaanottaisi pakokaasut esitetyllä tavalla, eli suoraan pakosarjasta, jolloin

O

C\J

7 korkeapaineturboahtimen akseli olisi poikittain moottoriin nähden, ahtoilman syöttöaukko tulisi järjestää moottorin sivua kohti. Se tarkoittaisi ahtoilman kulkumatkan pitenemistä matalapaineturboahtimesta korkeapaineturboahtimeen ja sen moottorin poikittaissuuntaisen tilan kasvamista, jonka 5 kaksoisturboahdinjärjestely veisi. Siten käyttämällä kahta turboahdinta, joissa kummassakin on aksiaalinen pakokaasun tulokotelo, tulee kompaktin kokonaisratkaisun vaatimus parhaiten täytettyä.

[0018] Pyrittäessä vielä vähemmän tilaa vievään rakenteeseen on eräänä 10 vaihtoehtona järjestää ahtoilman käsittelylaitteet niin, että ne tuetaan kannakkeelle 14 siten, että ahtoilmakanavat 36 ja 40 sekä valinnaiset ahtoilman jäähdyttimet 34 ja 42 ovat ainakin osittain kannakkeen 14 alla ja ulottuvat mahdollisesti jonkin verran kauemmas moottorin päädystä kuin turboahtimet 16 ja 18.

15 [0019] Eräs vaihtoehto edellä kuvatulle asennukselle on, että molempien turboahtimien akselit ovat poikittain moottorin pitkittäissuunnan suhteen. Silloin pienemmän korkeapaineturboahtimen turbiini on radiaalinen eli se vastaanottaa pakokaasut säteittäisesti ja poistaa ne aksiaaliseen suuntaan suuremman turboahtimen pakokaasun aksiaaliseen tulokoteloon. Tässä tapauksessa mainitun 20 kahden turboahtimen turbiinit on myös liitetty toisiinsa paljeputken avulla.

[0020] Edellä käsitellyt kuviot osoittavat, että uusi kaksoisturboahdinjärjestely mahtuu olennaisesti moottorin leveydelle, eli se ei lisää merkittävästi moottorin leveysvaatimuksia. Koska tämä pätee rivimoottoriin, on selvää, että sama koskee 25 myös V-moottoreita, jossa tilavaatimuksia ainakaan moottorin poikittaisessa £2 suunnassa ei ole kovin vaikea toteuttaa. Siten esillä olevan keksinnön mukaista o cvj kaksoisturboahdinjärjestelyä voidaan käyttää myös V- moottoreissa.

i m o i ” [0021] Tulisi ymmärtää, että edellä on vain esimerkinomainen kuvaus uudesta ja g 30 keksinnöllisestä kaksoisturboahdinjärjestelystä. Yllä olevan selityksen ei pidä

CL

ymmärtää rajoittavan keksintöä millään tavoin, vaan keksinnön koko suojapiiri o määritellään ainoastaan oheisissa patenttivaatimuksissa. Yllä olevasta selityksestä ^7 olisi ymmärrettävä, että keksinnön erillisiä piirteitä voidaan käyttää muiden erillisten

O

C\J

8 piirteiden yhteydessä, vaikka sellaista yhdistelmää ei ole erityisesti esitetty selityksessä tai piirustuksissa.

5

CO

δ c\j i m o i

CO

X

cc

CL

CO

δ m δ c\j

Claims (8)

1. Polttomoottorin kaksoisturboahdinjärjestely, joka moottori käsittää sylinteri-lohkon (6), jossa on joukko sylinterejä (4), yhden tai useamman sylinterikannen (8) 5 ainakin yhden pakosarjan (12), ainakin yhden imusarjan ja kaksi sarjaan kytkettyä turboahdinta (16, 18) pyöritettäväksi moottorin pakokaasuilla ja ahtamaan ilmaa moottorin sylintereihin, jolloin turboahtimien (16, 18) välille on järjestetty ensimmäinen ahtoilmakanava (36) ja toinen turboahdin (18) on yhdistetty imusarjaan toisella ahtoilmakanavalla (40), ja jolloin kummassakin turboahtimessa on tulokotelo (20, 10 26) pakokaasulle ja poistokotelo (22, 28) pakokaasulle niin, että ensimmäisen tur- boahtimen (16) pakokaasun poistokotelo (22) on liitetty paljeputken (24) välityksellä toisen turboahtimen (18) pakokaasun tulokoteloon (26), sekä kompressorikotelo (32, 38), tunnettu siitä, että turboahtimet (16, 18) on sijoitettu moottorin (2) päätyyn yhteisen kannakkeen (14) tukemiksi siten, että ainakin joko ensimmäinen ahtoilma-15 kanava (36) tai toinen ahtoilmakanava (40) on järjestetty ainakin osittain yhteisen kannakkeen (14) alapuolelle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaksoisturboahdinjärjestely, tunnettu siitä, että kummassakin turboahtimessa (16, 18) on aksiaalinen pakokaasun tulokotelo 20 (20,26).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaksoisturboahdinjärjestely, tunnettu siitä, että ensimmäisessä turboahtimessa (16) on radiaalinen pakokaasun tulokotelo.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kaksoisturboahdinjärjestely, tunnettu siitä, että ensimmäisen turboahtimen (16) pakokaasun tulokotelo (20) on liitetty suo- CO g raan pakosarjaan (12). c\j i

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen kaksoisturboahdinjärjeste- ” 30 ly, tunnettu siitä, että kannake (14) on kiinnitetty sylinterilohkon (6) päätyyn sylinteri; rikannen (8) päätyyn tai molempiin. CL CO

£ 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaksoisturboahdinjärjestely, tunnettu en- simmäiseen ahtoilmakanavaan (36) järjestetystä ahtoilman jäähdyttimestä (34). § 35

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaksoisturboahdinjärjestely, tunnettu ah-toilman jäähdyttimestä (42), joka on järjestetty toiseen ahtoilmakanavaan (40).

8. Polttomoottori, joka käsittää sylinterilohkon (6), jossa on joukko sylinterejä 5 (4), yhden tai useamman sylinterikannen (8), ainakin yhden pakosarjan (12), ainakin yhden imusarjan ja kaksi sarjaan kytkettyä turboahdinta (16, 18) pyöritettäväksi moottorin pakokaasuilla ja ahtamaan ilmaa moottorin sylintereihin, jolloin kummassakin turboahtimessa on tulokotelo (20, 26) pakokaasulle ja poistokotelo (22, 28) pakokaasulle sekä kompressorikotelo (32, 38), tunnettu siitä, että moottori (2) on 10 varustettu minkä tahansa patenttivaatimuksen 1 - 7 mukaisella kaksoisturboahdin-järjestelyllä. CO δ c\j i m o i CO X cc CL CO δ m δ c\j