FI76185B - Avgasturbokompressor vid en dieselmotor. - Google Patents

Description

1 76185

Dieselmoottorin pakokaasuturboahdin

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen johdanto-osan mukainen pakokaasuturboahdin.

Käyttöturbiinilla varustetut pakokaasuturboahtimet ovat sinänsä tunnettuja. Niitä käytetään joko polttoaineen ominais-kulutuksen parantamiseksi tai moottorin optimaalista toimintaa varten hyvin erilaisissa ilmastollisissa olosuhteissa.

Siten on esitetty julkaisussa "DIESEL PROGRESS North American", heinäkuu 1981, sivu 55, kytkentäkaaviossa laitteisto, jossa pienpainekäyttöturbiinia käytetään turboahdinturbiinin pakokaasuilla. Tuotettu teho luovutetaan vaihteiston kautta dieselmoottoriin.

Eräs toinen ratkaisu, jossa turboahdinturbiinin rinnalle kytketty käyttöturbiini käyttää generaattoria, on esitetty 14. CIMAC-kongressissa Helsingissä 1981 julkaistussa julkaisussa "Total Economy of Engine Service With Regard to Up-Keep Efforts, Specific Fuel Consumption and Waste Heat Recovery" kuviossa 5. Tämä käyttöturbiini on varustettu muuttuvalla tulogeometrialla ja se toimii siten, että kohtuullisissa ilmastollisissa olosuhteissa tuotetaan sähköenergiaa. Kuumassa ilmastossa sitä vastoin syötetään lähes koko moottorin pakokaasu turboahdinturbiiniin.

Yllä mainittua tyyppiä oleva pakokaasuturboahdin on tullut tunnetuksi DE-B-julkaisusta 1 149 200.

Siinä mainittu "apu-turbiini", joka on kytketty irti normaalin moottorin käytön yhteydessä, ei ole varsinainen tehoa luovuttava käyttöturbiini, vaan käynnistysturbiini. Sitä syöstetään vain polttomoottorin käynnistyksen aikana, mutta moottorin pakokaasut eivät sitä syöstä. Itse ahdin- 2 76185 turbiini kattaa koko käyttöalueen muuttumattoman tehopaineen saavuttamiseksi. Tämä edellyttää tavanomaisen pakokaasunpois-toventtiilin sovittamisen ahdinturbiinin eteen.

Vastaava ratkaisu, jossa on käyttöturbiini, joka kuitenkaan ei ole irtikytkettävissä, on tullut tunnetuksi CH-patentti-julkaisusta 357 243. Siinä mainituissa virtauksellisesti peräkkäin kytketyissä pakokaasuturbiineissa on se turbiini, jonka läpi virtaus ensin kulkee eikä siis ole poiskytkettävissä, muodostettu käyttöturbiiniksi. Turbiinia, jonka läpi virtaus viimeiseksi kulkee ja joka toimii täydellä läpäisy-määrällä, ei voida kytkeä pois eikä ohittaa, koska sen on käytettävä kondensaattoria.

DE-patenttijulkaisusta 962 764 tunnetaan poiskytkettävä käyttöturbiini. Se on sarjaankytketty varsinaiseen, kondensaattoria käyttävään ahdinturbiiniin. Siten se on erittäin kuluttava, tilaavievä ja kallis pienpaineturbiini.

Kaikki tunnetut kytkennät eivät kuitenkaan pysty saamaan aikaan ratkaisua osakuormitusongelmaan suurahdetuissa dieselmoottoreissa. Tämä ongelma ilmenee tunnetusti siten, että moottorin kierrosluvun alentuessa, esimerkiksi turbiinin-siiven kaaren osakuormitusalueella ahtauspaine laskee voimakkaasti, mikä aiheuttaa ilman vajausta ja siten rakenneosien suurempaa termistä kuormitusta. Tämän käyttäytymisen syy on nähtävissä turbiinin vakiona pysyvässä suutinpinnassa, joka on osakuormituksessa liian suuri.

Patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa määritellyn keksinnön tehtävänä on parantaa alussa mainitun tyyppisessä järjestelmässä yksinkertaisilla välineillä sekä ominaiskulutusta koko kierroslukualueella että moottorin osakuormituskäyttäy-tymistä.

761 85 3

Ahdinturhiinin suutinpinta-alan mitoittaminen määrättyä osa-kuormitusaluetta varten, so. muodostaminen pienemmäksi täys-kuormitukseen verrattuna saa aikaan paineen kohoamisen pakokaasun vastaanottimessa. Näin on juuri osakuormitusalueella riittävästi energiaa käytettävissä ahdinturbiinissa halutun ahtauspaineen tuottamiseksi kompressorissa. Täysi vaikutus on tosin saavutettavissa vain yhdistämällä tämä toiseen toimenpiteeseen, s.o. käyttöturbiinin pysäyttämiseen osa-kuormituskäytössä.

Täyskuormitusalueella on käyttöturbiinin tehonluovutus sitä vastoin suurempi kuin vastaanotinpaineen nousun aiheuttama ahtauksen vaihtohäviön suureneminen moottorissa.

Erittäin edullisena on tämän lisäksi pidettävä sitä, että ahdattava moottori ei tarvitse mitään muunnelmaa. Ei edes ohjausaikoja tarvitse muuttaa. Siten keksintö soveltuu asennettavaksi ongelmitta jo olemassa oleviin moottoreihin.

On selvää, että on suoritettava turboahdinturhiinin erilaisia mitoituksia, riippuen, käytetäänkö käyttöturbiinin rin-nankytkentää vai sarjakytkentää. Erityiset edut sekä muut keksinnön edulliset edelleenkehitysmuodot selviävät seuraa-vasta kuvioiden selityksestä.

Piirustuksessa on esitetty keksinnön kaksi sovellutusesimerkkiä kaaviomaisesti. Piirustuksessa kuvio 1 esittää periaatekaaviota, jossa on turboahdin- ja käyttöturbiinin rinnankytkentä, kuvio 2 esittää muunnelmaa kuvion 1 mukaisesta periaate-kaaviosta , kuvio 3 on kaavio vastaanotinpaineesta moottorikuormituksen funktiona, kuvio 4 esittää kaaviota ahtauspaineesta moottorinkuormituk-sen funktiona, kuvio 5 esittää kaaviota polttoaineen ominaiskulutuksesta moottorikuormituksen funktiona.

4 76185

Kuvioissa on samoja elementtejä merkitty kulloinkin samoilla viitemerkeillä. Työväliaineiden virtaussuunta on merkitty nuolilla. Keksinnölle epäolennaiset elementit, kuten esim. turboahdinten ja käyttöturbiinien mittakaavan mukainen esitys tai käyttöturbiinin tehonluovutuksen laatu ja järjestely on jätetty pois.

Kuviossa 1 kaaviomaisesti esitetty järjestelmä muodostuu kulloinkin dieselmoottorista 1, jolle jaetaan paineilmaa pakokaasuturboahtimen kompressorin 2 kautta. Kompressorin käytöstä huolehtii ahdinturbiini 3', joka on paineistettu dieselmoottorin 1 pakokaasuilla. Käyttöturbiini 6' luovuttaa mekaanisen tehon ei-esitetyn vaihteiston kautta järjestelmään. Tämä voi tapahtua esim. moottorin vaihdelaatikon kautta tai laivojen moottoreiden ollessa kyseessä moottorin-akselin/potkurinakselin voimansiirtomekanismin kautta.

Keksintöä selitetään nyt kahden numeroesimerkin avulla. On selvää, että kaikkia laskelmien ja kokeiden perustana olevia absoluuttisia arvoja ei ole esitetty, koska näillä on ilman muuta riittämätön ilmaisuvoima johtuen siitä, että ne ovat riippuvaisia aivan liian monista parametreistä.

Ratkaisevaa esitettäville ajatuksille ovat vallitsevat paineet kammiossa 4, joita nimitetään seuraavassa ahtauspai-neeksi P^, ja pakokaasun vastaanottimessa 5, joita nimitetään seuraavassa vastaanotinpaineeksi P^. Jotta ymmärrettäisiin täysin keksinnöllä saavutettavien etujen laajuus, tarvitaan näiden molempien paineiden määrällistämistä.

Perustana on kuusisylinterinen tyyppidieselmoottori, esim. sellainen, jota käytetään laivojen käyttölaitteistoissa.

Sen teho sylinteriä kohden on n. 400 KW, kierrosluku 750 kierr./min. ja keskimääräinen ominaispaine n. 23 baaria. Huuhtelupeitto asetetaan 100°:n kampiakselin vääntökulmal-la, minkä ansiosta ei myöskään osakuormituksessa esiinny ongelmia.

76185

Jos on suoritettava suurahtaus, niin tämänhetkisen tekniikan tason mukaisesti ahtauspaine PL on täyskuormituksessa n. 3,8 baaria. Jos Otetaan edelleen huomioon tämänhetkiset pakokaasuturboahdinten hyötysuhteet, niin käytettäessä vain yhtä turboahdinturbiinia tarvitaan n. 3,2 baarin vastaan-otinpaine tämän ahtausarvon saavuttamiseksi. Tällaisen yhden ainoan turbiinin turbiinipoikkileikkausta merkittäköön seuraavassa lähtöasemana 100 %:lla. Tämä 100 %:nen turbiini-poikkileikkaus voidaan tietenkin jakaa myös kahdelle tai useammalle turbiinille, kuten on tunnettua esim. rekisteri-ahtauksen käsitteellä. Mutta myös alussa esitetty tekniikan taso toimii ilmeisesti 100 %:sella turbiinipoikkileikkauksel^ la.

Lähdettäessä tehoa luovuttavan käyttöturbiinin samanaikaisesta käytöstä nostetaan nyt vastaanotinpainetta PR. Kaksi-tahtimoottoreissa ja huuhdelluissa nelitahtimoottoreissa tämä voi tapahtua arvoon asti, jossa on taattu vielä riittävä huuhtelu; tämä voi ulottua melkein ahtauspaineen P^ alueelle. Ei-huuhdelluissa nelitahtimoottoreissa, esim. ajoneuvojen moottoreissa voidaan vastaanotinpainetta nostaa pitkälle yli ahtauspaineen. Tietenkin nousee vastaan-otinpaineen noustessa moottorin työntötyö ja siten ahtauksen vaihtohäviö. Koska nämä häviöt kasvavat päinvastoin kuin saavutettavissa oleva käyttöturbiinityö vastaanotin-paineen noustessa suunnilleen lineaarisesti, on siten oltava olemassa optimaalinen vastaanotinpainealue.

Suurempi vastaanotinpaine saadaan aikaan siten, että pakokaasuilla paineistettu 100 %:n turbiinipoikkileikkaus pienennetään 80 %:iin. Tyyppimoottoreissa painetta nostetaan siten 3,2 baarista 3,6 baariin, jolloin se on siten vielä halutun 3,8 baarin ahtauspaineen alapuolella.

Tämä kohonnut vastaanotinpaine aiheuttaa nyt sen, että voidaan käyttää suurempi osa potentiaalisesta pakokaasu- 6 76185 energiasta hyväksi, koska myös kuristushäviöt sylinteristä vastaanottimeen ovat pienentyneet. Mainitun ahtauspaineen aikaansaamiseksi, so. tarvittavan kompressoritehon tuottamiseksi, ahdinturbiini ei tarvitse enää olemassa olevaa energiatarjousta. Se osa, jota ei tarvita, käsitellään käy ttöturb i in i s sa .

Kuten kuviossa 1 on esitetty, käyttöturbiini 6' kytketään nyt rinnakkain. Turbiinin pinta jaetaan, jolloin 70 % pinnasta tulee ahdinturbiinille 3' ja 10 % käyttöturbiinille 6'. Viimeksi mainittu on siten hyvin pieni ja nopeasti kiertävä turbiini. Se sopii suurille moottoreille, esim. alkaen 3000 KW:sta. Se on halpa, mutta tarvitsee kuitenkin suhteellisen monimutkaista vaihteistoa.

Tähän asti on tarkasteltu moottorin täyskuormitusta. Päästään siihen tulokseen, että alennettaessa tehon tiheyttä s.o. keskimääräistä ominaispainetta 1-2 %:lla, saadaan 3 %:n kulutuksen parannus, s.o. polttoaineen säätö. Tällöin eivät moottorin termiset eivätkä mekaaniset kuormitukset muutu epäsuotuisemmiksi verrattuna lähtötapaukseen (100 %).

Täyden tehokkuutensa keksintö saa aikaan osakuormituskäy-tössä vasta käyttöturbiinin pysäytettävyyden avulla. Tätä varten muistutetaan mieliin seuraavat tunnetut yhteydet: tunnetusti voidaan moottorin osakuormituskäyttäytymistä parantaa siten, että valitaan turboahtimen ominaiskäyrä, joka tuottaa täyskuormituksessa huonomman hyötysuhteen. Valitaan siis pienempi turbiinipinta, joka ahtaa vastaan-otinpaineen korkeammaksi. Tämä pienempi turbiinipinta on siis vastuussa suotuisasta osakuormituskäyttäytymisestä ja parantaa siinä myös polttoaineen ominaiskulutusta. Tosin vain siinä, sillä täyskuormituksen suuntaan huononee käyttäytyminen jälleen.

7 761 85

Samaa tapahtuu ahtausjärjestelmässä, jossa on käyttöturbii-ni, mikäli ahdinturbiini on optimoitu osakuormitusta varten. Tarkastellussa tyyppimoottorissa on ominaiskulutus itse osa-kuormituksessa ilman käyttöturbiinia parempi kuin lähtöta-pauksessa (100 %:nen pinta). Etu voidaan nähdä siinä, että kulutus on parempi koko osakuormituskäyrällä.

Miltä tämä näyttää kvantitatiivisesti ja kvalitatiivisesti, nähdään kuvioiden 3, 4 ja 5 kaavioista. Niiden abskissalle on esitetty kulloinkin moottorinkuormitus /%:na7. Ordinaa-talla on esitetty kuviossa 3 paine PR pakokaasunvastaanot-timessa /baareina?» kuviossa 4 ahtauspaine /baareina7 ja kuviossa 5 polttoaineen ominaiskulutus /g:na/KWh7· Näissä kolmessa kaaviossa on lähtöaseman käyrää, s.o. 100 %:sen pinnan omaavaa turboahdinta merkitty A:11a ja rinnankytketyn käyttöturbiinin käyrää B:llä. D on pysäytetty / /-turbiini ja E on pysäytetty sarja-turbiini.

Täyskuormituksessa on tunnettu lähtöasema mainituissa arvoissa PR = 3,2 baaria ja PL = 3,8 baaria. Käytettäessä käyttöturbiinia ja pienennettyä ahdinturbiinin pintaa nousee vastaanotinpaine 3,6 baariin ahtauspaineen ollessa muuttumaton. Nähdään, että koko tarkastellulla osakuormitus-alueella ahtauspaine on hieman korkeampi käyttöturbiinilla (B) ja polttoaineen ominaiskulutus alhaisempi kuin lähtö-tapauksessa (A) .

Keksinnön mukaisesti parantuu osakuormituskäyttäytyminen vielä edelleen huomattavasti siten, että käyttöturbiini pysäytetään määrätyssä osakuormituksessa.

Kuvion 1 mukaisesti järjestetään tätä varten käyttöturbii-niin 6' johtavaan tulovirtausjohtoon 7' yksinkertainen sul-kuelin 8', joka sulkeutuu mieluummin ennalta määrätyssä, säädettävässä osakuormituksessa automaattisesti.

8 761 85

Sulkuelimen 8' käyttämiseksi voidaan käyttää käyttösuureita, kuten esim. ahtauspainetta, moottorin kierroslukua, suihku-tuspumpun säätötankotietä tai vastaavaa.

Kuvioiden 3, 4 ja 5 kaaviot esittävät tämän toimenpiteen vaikutusta. Sulkuelimen 8' käyttö suoritetaan tarkastellussa tapauksessa 60 %:sessa kuormassa.

Pysäyttämällä käyttöturbiini 6' lyhennetään rinnakkaiskyt-kennässä turbiininpintaa nyt tavanomaiseen 100 %:n tapaukseen verrattuna 30 %slla, ei-pysäytettävissä olevaan käyt-töturbiiniin verrattuna n. 10 %:lla. Tämä saa aikaan vas-taanotinpaineen vielä kerran tapahtuvan nousun ja tästä johtuen ahtauspaineen massiivisen nousun (käyrä D). Samoin on olemassa positiivinen vaikutus polttoaineen ominaiskulutukseen .

Kuvio 6 esittää sovellutusesimerkin, kuten se on mahdollista dieselmoottoreissa, jotka toimivat korkeammilla pakokaa-sulämpötiloilla. Näin voi olla asianlaita lämpöeristetyissä moottoreissa, jotka eivät ole jäähdytettyjä, tai moottoreissa, joissa ei ole huuhtelua tai joilla on pienempi ilma-suhde. Samat toimenpiteet voidaan suorittaa, kun käytetään turboahtimia, joilla on vielä korkeammat kokonaishyötysuhteet kuin nykyisin voidaan saavuttaa. Suurempi energian-tarjonta aiheuttaa sen, että käyttöturbiinilla on teho, joka voi olla 20-30 % ahdinturhiinin tehosta. Käyttötur-biinin rinnankytkennässä suurenee sen läpivirtauspoikki-leikkaus verrattuna ahdinturhiinin läpivirtauspoikkileik-kaukseen. Tällaisten suuren tehon omaavien käyttöturbiinien pysäyttäminen voi johtaa kompressorin pumppaukseen. Tässä auttaa, kun järjestetään tunnetulla tavalla kiertopuhallus-johto 10 ahtausilmaa varten, joka päätyy pakokaasujohtoon ennen ahdinturbiinia. Tarkoituksenmukaisesti tämä kierto-puhallinjohto on säädettävissä. Tätä varten järjestetään kuristusvälineet 11, joilla on jatkuvasti muutettavissa oleva läpikulkupoikkileikkaus.

9 76185

On selvää, että käyttöturbiinin, joka on yleensä mekaanisesti kytketty kuluttajaan, ollessa paineistamaton, järjestetään välineet turbiinin pysäyttämiseksi, jotta tämä ei tuu-letu. Jos turbiini on yhdistetty esimerkiksi nestekytkennän kautta moottoriin, niin tämä voi tapahtua yksinkertaisella tavalla poistamalla nestettä. Tietenkin suunnitellaan tällaiset pysäytysvälineet ja tätä varten tarvittava säätö ottaen huomioon pysäytyksen oletettava toistuvuus ja kesto. Myös kuluttajan, esim. moottorin, generaattorin, pumpun tai vastaavan laatu on otettava tällöin huomioon.

Claims (1)

10 761 85 Patenttivaatimus Ahdetun dieselmoottorin pakokaasuturboahdin, jossa on erillinen, tehoa luovuttava käyttöturbiini (61) sekä välineet (8') tämän pysäyttämiseksi, tunnettu siitä, että dieselmoottorin (1) pakokaasunvastaanottimeen (5) yhdistetty ahdinturbiini (31) on varustettu osakuormitusta varten optimoidulla turbiinipinnalla ja että ahdinturhiinin (3') suhteen rinnan kytkettyyn käyttöturbiiniin (6') johtava tu-iovirtausjohto (7') on varustettu sulkuelimellä (8'), joka sulkeutuu ennalta määrätyssä moottorin osakuormitUksessa.