NO145109B - Motoranlegg med avgassdrevet turbolader, og et varmeutvekslersystem for ladeluftstroemmen. - Google Patents

Abstract

Motoranlegg med avgassdrevet turbolader, og et varmeutvekslersystem for ladeluft-strømmen.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår motoranlegg med avgassdrevet turbolader og et varmevekslersystem for ladeluft-. strømmen til motoranlegget, der varmevekslersystemet ved start og under svak belastning muliggjør oppvarmning av ladeluft-strømmen og underbelastning muliggjør kjøling av denne strøm,

og med en blåseledning som vender ut i avgassledningen på oppstrømsiden av avgassturbinen, såvel som med et.hjelpeforbrenningskammer som er anbrakt på oppstrømsiden av avgassturbinen og fører avgasser fra motoranlegget og luft fra blåseledningen.

Selv om oppfinnelsen lar seg anvende både på motorer

med gnisttenning og kompresjonstenning og på rotasjonsmotorer og stempelmotorer,vil oppfinnelsen ha særlig interesse i forbindelse med dieselmotorer med lavt volumforhold (lavere enn 12 og typisk mellom 6 og 10), med overladning fra en turbin-kompressor med høyt kompresjonsforhold. Betegnelsen "turbokompressor" skal omfatte kompressorer med flere stasjoner og/ eller turbintrinn, eventuelt med kjøling av luften mellom .de forskjellige trinn.

Kompresjonsforholdet velges generelt desto høyere jo lavere motorens volumforhold er, slik at man oppnår aksep-table forbrenningstrykk for motoren. For et volumforhold på. f.eks. 7 kan kompresjonsforholdet typisk være 6 til 8.

Anordningen av en forgreningsledning som er permanent åpen når motoren kjøres og opprettholder et luftsug mellom innløp og utløp fra motoren og som opererer med et bestemt trykktap, gjør det mulig for turbokompressoren å funksjonere som en gassturbin i nærheten av pumpelinjen og derfor med høyt utbytte. Ved å anordne et hjelpforbrenningskammer foran turbinen kan man få kompressoren til å virke uavhengig av motoren, uansett dennes driftstilstand (og spesielt når motoren er stanset), og man kan etter ønske regulere overladningstrykket ved regulering av brennstofftilførselen til hjelpforbrenningskammeret.

Det er tidligere kjent overladningsmotorer med indre forbrenning, men disse har ikke forgreningskanal som er åpen under alle motorens driftsforhold. Ved disse kjente motorer har man tidligere foreslått ved flere innretninger som skal lette driften ved lav effekt. Således beskriver US patent nr. 2.633.698 anvendelse av en varmeveksler der varmeveksleren er anbrakt på nedstrømsiden av et punkt der de nevnte kanaler løper sammen, men det har vist seg ved utviklingen av foreliggende oppfinnelse at en plassering av varmeveksleren på oppstrømsiden av det nevnte punkt er langt mer fordelaktig. Med den tidligere kjente utførelse oppvarmes luften som til-føres motoren når denne startes ved lav temperatur. Luften kan oppvarmes på forhånd ved å forbrenne et brensel i luften, men denne løsning er hverken effektiv eller økonomisk fordi oppvarmningen må være kraftig når omgivelsenes temperatur er lav, og luften som suges inn i motoren blir derved lettere og fattig på oksygen. Videre vil luften fra kompressoren i US patent 2.6 33.69 8 komme frem til det nevnte punkt uten å

ha blitt gjenoppvarmet i varmeveksleren.

Det er dessuten foreslått å resirkulere til luftinntaket en del av motorens utløpsgass eller forbrenningsgass fra hjelpekammeret. Man har da et komplisert anlegg som nød-vendiggjør stadig vedlikehold og resirkulasjonsorganene for forbrenningsgassene er utsatt for avleiringer, og man vet at det er vanskelig å konstruere ventiler som virker tilfreds-stillende for gasser som holder høy temperatur.

Endelig kan man varme opp luften ved kompresjon under oppstarting og ved kjøring med lav effekt. Det er da tilstrekkelig å tilføre hjelpeforbrenningskammeret tilstrekkelig brensel til at overladningstrykket ikke faller under én viss nedre grense. Denne grense må ligge høyt hvis motoren har lavt volumforhold og hvis anlegget skal kjøres ved lav ytre temperatur. Følgelig er løsningen ikke økonomisk idet den krever et større forbruk av brennstoff i hjelpekammeret. Videre må starteren overdimensjoneres for at den skal kunne beherske et høyt overladningstrykk.

For å unngå disse ulemper skal i henhold til oppfinnelsen en varmeveksler som stadig gjennomstrømmes av avgassene fra turbinen stå i friskluftveien mellom kompressoren og avgreningen i blåseledningen.

Ved hjelp av denne anordning kombineres de kjente fordeler med en varmeveksler som virker som varmegjenvinner, dvs. nedsatt brennstofforbruk i hjelpkammeret og roligere eksosutløp fra turbinen, samt en egnet oppvarming av luften som suges, inn i motoren uten behov for innkopling av ventiler i eksosgassen. Denne løsning har særlig interesse i forbindelse med motorer som avkjøles av et medium hvis temperatur ikke kan reguleres og som kan være lav (atmosfærisk luft eller for skipsmotorer, vann som sirkulerer i åpent kretsløp).

Varmeveksleren er innkoplet i hele luftstrømmen fra kompressoren mot motoren og forgreningskanalen, og en luft-kjøler med reguleringsorganer er innkoplet i kanalen mellom utgangen fra varmeveksleren og motoren. Ved å forandre på varmeoverføringen til luftkjøleren, f.eks. ved å innvirke på mengden av kjølemedium som går gjennom kjøleren (luft eller væske) kan man holde temperaturen på luften som går inn i motoren på en temperatur som ligger høyere enn den laveste selvtenningstemperatur (selvtenningsterskel) i motorens for-brenningskammer, men tilstrekkelig lav til å hindre nedsatt volumvekt og overhetning av motoren ved lav effekt. En slik forandring gjennomføres uten medvirkning av organer som er utsatt for høy temperatur, og systemet er i høy grad selvregulerende .

Man vil se at anordningen som foreslås ifølge oppfinnelsen er paradoksal idet luften fra kompressoren føres til en varmeveksler sammen med avløpsgass fra turbinen i henhold til et system som er anvendt i tidligere kjente motorer til for-varming av luft, for siden å føre luften som skal til motoren og er forvarmet på denne måten til en kjøler. Sannsynligvis vil dette system være overraskende for en fagmann som ved første blikk vil forkaste det som tøv. De overraskende fordeler ved systemet vil først fremstå ved en nøyaktig granskning av motorens funksjon under alle forhold, og ved å ta i betrakt-ning at ved lav effekt vil varmeoverføringen i kjøleren være redusert til et minimum og at ved høy effekt vil luften praktisk talt ikke lenger forvarmes eller til og med avkjøles i en varmeveksler hvis funksjon i et motoranlegg av nevnte type således er klart forskjellig fra funksjonen til en forvarmer for tilført luft med en fraksjon av gassen som kommer fra turbinen som ved kjente motorer.

For å oppnå disse fordeler må man ta i bruk styrings-

og reguleringsorganer som:

setter kjøleren ut av drift under oppstarting, tomgang og ved lav effekt (f.eks. sålenge trykket i innsugnings-luften ligger lavere enn en bestemt verdi),

deretter gir kjøleren en virkning som er i det vesentlige proporsjonal med motorhastigheten og med trykket i - innsugningsluften.

Oppfinnelsen har særlig interesse i forbindelse med motorer som har en turbokompressor med høyt nominelt trykk-forhold (over 6), og med høy totalytelse (totalytelsen svarer til produktet mellom kompressorens og turbinens isentropiske ytelser, samt de mekaniske og volumetriske ytelser, og be-traktes som høye når de overstiger ca. 0,6), tilknyttet en motor med lavt volumforhold. I slike tilfelle vil, som man vil se senere, varmeveksleren virke som luftvarmer ved drift under lav ytelse (som svarer til lave tall for overladningstrykket og behov for oppvarming av luften for å bevirke selvtenning) og derimot en kjøler av luften som tilføres motoren ved høy effekt, idet eksosgassens temperatur fra turbinen er lavere enn temperaturen for luften fra kompressoren, idet ønsket om maksimal effekt fører til avkjøling av luften som leveres av kompressoren før tilførsel til motoren. Man kan således gi luftkjøleren, som anbringes foran luftinntaket til motoren, en varmeeffekt som er lavere enn den effekt som en isolert kjøler vil gi og således dimensjonert at den kan om-danne temperaturen i luften fra kompressoren til en temperatur som er brukbar for inngang til motoren under ugunstige forhold, dvs. ved høy motorytelse.

Man kan endelig i henhold til oppfinnelsen, oppnå en "termisk" stengning av motorinntaket, hvorved kompressoren tilpasses en motor med lavt volumforhold under lave overladningstrykk.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjen-

gitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser et prinsippskjerna som omfatter de forskjellige hoveddeler i anlegget,

fig. 2 er et diagram som viser kurver over temperatur-forandringen som funksjon av kompresjonsforholdet i et typisk motoranlegg i henhold til fig. 1,

fig. 3 er kurver som klart skal vise problemet med til-passing av kompressoren til motoren i motoranlegg som opererer i den nedre del av karakteristikk-området, dvs. når kompres-

soren arbeider med lavt kompresjonsforhold og lav ytelse (levering), under tilførsel til en motor av volumetrisk type, samt anordninger som tas i bruk for å løse disse problemer.

Apparatet som er vist skjematisk på fig. 1, omfatter

en forbrenningsmotor 10 som kan være en firetaktsmotor (og altså volumetrisk), med volumforhold under 12. Det er kjent at en sli_k motor, og i høyere grad jo mindre boringen er, ikke kan oppstartes uten overladning eller bruk av spesielle hjelpemidler som f.eks. midlertidig bruk av særlig flyktig brenn-

stoff. Motoren 10 overlades fra en turbokompressorgruppe be-stående av.en kompressor 11 og en turbin 12 på akselen 13. En starter 14 innkoplet i luftinntaket til kompressoren, kan koples til akselen 13 via koplingen 15 for igangsetting av turbokompressoren. Kompressoren har høyt kompresjonsforhold,

med fordel over 6. Man kjenner nå overlyd-kompressorer i en enkelt del, entrinns- eller flertrinns, som gir slike høye kompresjonsforhold med godt energiutbytte. Videre kan man benytte en todelt kompressor med eller uten mellomkjøling.

Eksempelvis kan man nevne at fly-kompressorer som fabri-keres av selskapet TURBOMECA har kompresjonsforhold på over 8

med isentropisk virkningsgrad på over 80%.

Trykkanalen 16 går inn i varmeveksleren 17 av egnet

type uten strømningsblanding, dvs. med to uavhengige kretser. Spesielt kan varmeveksleren være av plate- eller rørtypen.

To kretser er åpne for luften som kommer fra varmeveksleren 17. En av disse kretser består av kanalen 18 forbundet med innløpsmanifolden 19 på motoren 10, og som omfatter en luftkjøler 27 som beskrives senere. Den andre kretsen danner en forgreningskanal 20. Luften som går gjennom denne forgreningskanal går sammen med eksosgassen fra motoren gjennom kanalen 21, foran innløpet til turbinen 12. Forgreningskanalen 20 er således koplet i parallell med motoren og kjøleren 27. Ved den utførelse som er vist på eksemplet på

fig. 1, munner forgreningskanalen ut i et hjelpe-forbrennings-kammer 22 som også tilføres eksosgass fra motoren. Dette hjelpeforbrenningskammer kan særlig være av en type som er beskrevet i fransk patent nr. 2.179.309.

Forgreningskanalen 20 er forsynt med strupeorganer 20a med jevnt variabelt tverrsnitt og styres automatisk slik at det mellom utgangen fra kompressoren og turbininnløpet opp-står en trykkforskjell som praktisk talt utelukkende avhenger av trykket som hersker i forgreningskanalen foran eller bak strupeorganene (foran i det viste tilfellet). Strupeorganene som er vist skjematisk er av den type som er beskrevet i fransk patent nr. 2.179.310, men andre strupeorganer som gir samme resultat, dvs. som kan danne et trykktap som er praktisk 'talt uavhengig av forholdet mellom gassmengden som går gjennom forgrenings ledningen og gassmengden som leveres av kompressoren (dvs. uavhengig av motorhastigheten ved gitt ytelse)

kan brukes.

Kjøleren for luften til overladningen som er vist eksempelvis på fig. 1, avkjøles ved sirkulasjon av atmosfære-luft ved hjelp av viften 23. Viften er koplet til motorakselen via en hastighetsvariator 24, hvor omsetningsforholdet er bestemt av styringsorganer 25, f.eks. elektriske, som avhenger av en eller flere parametre blant motorens driftsparametre, f.eks. temperaturen og/eller trykket i innløpsmanifolden 19, og måles av en føler 26 og/eller av den omgivende temperatur ved hjelp av måleren 26a. Kjøleren 20 kan også være forsynt med vannsirkulasjon av kjølevannet til motoren 10, idet den varmemengden som absorberes av kjøleren 27 da kan reguleres ved hjelp av en ventil i vannkretsen eller mer generelt i motorens kjølekrets. Dette beskrives mer detaljert i forbindelse med funksjonen av apparatet 25.

Endelig sendes gassen som har passert turbinen 12 til varmeveksleren, hvorfra den går ut ved 28 til atmosfæren.

Den gunstige virkning av varmeveksleren 17 på forbruket av brennstoff i forbrenningskammeret er av liknende størrelse som man oppnår i anlegg med gjenvinningsgassturbiner. Denne effekt skal derfor ikke behandles detaljert. Imidlertid nevnes at for en kompressor 11 som kjøres med svak ytelse og derfor med lavt kompresjonsforhold (f.eks. 2) og hvis isotropiske virkningsgrad er 0,75, oppnår man en reduksjon av brennstoff-forbruket i hjelpekammeret med et forholdstall omkring 2, selv med én varmeveksler hvis utvekslingskapasitet ikke overstiger 60%.

Ved et motoranlegg av ovenstående type gjør innkop-lingen av varmeveksleren det videre mulig å unngå problemet med å holde temperaturen på inngangsluften tilstrekkelig høy til at det inntrer selvtenning i motorens sylindre. For-delene ved det aktuelle system vises best under henvisning til fig. 2 som illustrerer temperaturforandringene på forskjellige steder i anlegget som funksjon av kompresjonsforholdet P2/P1 for kompressoren (p^ betegner kompressorens totale innløps-trykk, dvs. omtrent atmosfæretrykk, og p2 betegner kompressorens totale utgangstrykk) eller det absolutte utgangstrykket ved konstant atmosfæretrykk.

Kurvene som finnes på fig. 2 viser:

Temperaturen T2 for luften ved kompressorutgangen (strek-prikket linje), temperaturen T"^ for luften ved utgangen av varmeutveks-leren (streket linje), temperaturen T^ på utløpsgassen fra turbinen og ved inngangen til varmeveksleren (heltrukket strek). Kurvene svarer til en omgivende temperatur på T^ = -20°C ved en polytropisk virkningsgrad lik 0,80 for turbin og kompressor; og et relativt trykktap mellom kompressor og turbin (bestemt av strupeorganet 20) på 10%. Kurven T'^ som funksjon av kompresjonsforholdet svarer til en varmeveksler-effekt på 0,8 for varmeveksleren 27 (varmevekslereffekten eller virkningsgraden er definert som forholdet mellom temperatur-forskjellen mellom inngående luft og utgående luft og tempera-turforskjellen mellom inngående gass og inngående luft). Natur-ligvis vil en effekt lik 0,8 kreve relativt stor plass. Når den disponible plassen er begrenset, kan man nøye seg med en mindre virkningsgrad på f.eks. 0,5 til 0,6.

Ved å sette varmevekslereffekten konstant ser man at temperaturen T'^ for luften som forlater varmeveksleren 17 og går inn i kjøleren 2 7 varierer meget lite med kompresjonsforholdet p^/ Pi' 0<3 altså meget lite med overladningstrykket. Denne temperatur er'videre uavhengig av motorens rotasjonshas-tighet ved konstant effekt, på grunn av forgreningskanalen.

Mer spesielt ser man at T"2 varierer mellom 185 og 215°C når kompresjonsforholdet varierer i likhet med gassmengden levert av kompressoren, mellom 1,5 og 7. Man nedsetter derfor på en meget følsom måte temperaturvariasjonene i utgangsluften fra kompressoren som går fra ca. 10°C til 23 0°C i samme kom-pres jonsforholdområde .

Man vil se at oppvarmingen som skjer i varmeveksleren 17 er særlig kraftig ved lave overladningstrykk, og når motoren trenger særlig varm luft for selvtenning, og at en vesentlig varmetilførsel må tillegges til den som leveres av motorens eksosgass, for å gjøre turbokompressoren selvforsynt. I området ved meget lave overladningstrykk er brennstofføkonomien høy, fordi man på den ene side har økt motorens eksosgass-temperatur ved å øke luftens inngangstemperatur, og for det andre ved at luften som går inn i hjelpeforbrenningskammeret 22 allerede er forvarmet i varmeveksleren 17.

Derimot vil varmeoverføring av turbingass til.luften

bli mindre når overladningstrykket øker idet motoren da ikke lenger krever oppvarming av inntaksluften og motorens avgass gir turbinen tilstrekkelig energi til å drive denne.

Man ser altså at systemet er selvregulerende, i den forstand at lufttemperaturen ved utgangen fra varmeveksleren 27 varierer,mye mindre enn lufttemperaturen ved inntaket.

Hvis varmeveksleren har mindre virkningsgrad, vil kurven over variasjonen for T"^ som funksjon av P2/P1 ^a kraftigere stigning og krysse kurven over T_ f°r samme kompresjonsforhold. I alle tilfelle må mån finne, det mest økonimiske kompromiss mellom varmevekslerens størrelse som bestemmer dens virkningsgrad, og gjenvinningsvarmen.

Under drift ved lavt kompresjonsforhold og liten luft-tilgang, dvs. mens motoren går på tomgang, styres hastighetsvariatoren ut fra et signal som leveres av føleren 26 og/eller føleren 26a, slik at man reduserer luftavkjølingen til et minimum, eventuelt ved å stanse viften 2 3 (når denne viften er separat i forhold til motorens kjølevifte) . Etterhver som. kom-, presjonsforholdet øker når motoren belastes settes derimot overladningsluftkjøleren igang. Den holder derfor.lufttemperaturen til motoren på gunstig nivå for å. oppnå god sylinder-skylling, men uten å avkjøle for kraftig luft som sendes til hjelpeforbrenningskammeret.

Kurvene på fig. 2 som svarer til et anlegg med kompres-sorvirkningsgrad lik 0,8, dvs. relativt høy virkningsgrad, viser en annen fordel med oppfinnelsen som kommer.til uttrykk ved høy motoreffekt, i nærheten av den nominelle effekt. I et vanlig motoranlegg forsynt med kjøler for overladningsluften til motoren måtte kjøleren dimensjoneres som funksjon av mak-simum varmeeffekt, svarende til maksimal motorytelse. Anlegget vist på fig. 1, kan være forsynt med en mindre kraftig kjøler som derfor har mindre dimensjoner idet varmeveksleren 17 ved denne motorytelse ikke lenger virker som varmegjenvinner, men som tilleggskjøler. Man ser på fig. 2 at temperatur T4 for utløpsgassen fra turbinen ligger lavere enn temperaturen 1^

på luften ut fra kompressoren 11 fra et kompresjonsforhold på ca. 6. Virkningen av varmeveksleren 17 blir stadig større etterhvert som kompresjonsforholdet øker.

Man kunne tro at denne fordel motvirkes av at luften som tilføres forbrenningskammeret 22 også avkjøles.av varme-, veksleren 17. I virkeligheten er denne avkjøling uten ulemper' fordi den disponible energi i motorens avgasser ved sterk belastning er tilstrekkelig til å drive turbinen uten at det

er nødvendig å forbrenne brennstoff i kammeret 22.

Hvis kompressoreffekten er mindre (f.eks. 0,75) kan turbinens utgangstemperatur være større enn lufttemperaturen ved kompressorutgangen i praktisk talt hele motoranleggets funksjonsområde, men oppfinnelsen beholder ikke desto mindre alle de andre fordeler.

Nærvær av en varmeveksler 17 løser videre på en meget enkel måte et problem som er forbundet med de tilfelle hvor motoren med indre forbrenning, 10 er av volumetertypen (særlig firetaktmotor). Problemet er illustrert ved fig. 3 som viser forandringen av gassmengden absorbert av motoren (kurve M) og gassmengden levert av kompressoren (kurve C), som funksjon av kompresjonsforholdet, dvs. i praksis av overladningstrykket.

Overladnings-turbokompressoren velges for tilpasning

til motoren 10 når denne kjøres ved nominalpunktet pM på

fig. 3. Denne tilpasning krever at kompressoren 11 leverer,

i tillegg til luften som innsuges av motoren, en mengde på

5 til 15% av den absorberte gassmengde, i den hensikt å: opprettholde en veldefinert trykkforskjell mellom utgangen fra kompressoren 11 og innløpet til turbinen 12,

levere tilstrekkelig oksygen til å holde tomgangsfor-brenning i hjelpe-forbrenningskammeret 22,

å avkjøle varme motordeler ved luftsirkulasjon,

tilveiebringe den nødvendige margin til å motvirke variasjoner i omgivelsenes forhold og produkt-avleiringer.

Hvis man holder temperaturen på luften som innsuges i motoren relativt konstant, vil kurven som betegner gassmengde-trykk til motoren ved konstant hastighet være en rett linje gjennom origo. Fig. 3 viser i heltrukket strek, kurven M svarende til maksimal motorhastighet for motoren 10 (f.eks. 2500 omdr./min) ved en innløpstemperatur for luften på 100°C.

Derimot vil funksjonspunktet for turbokompressoren for-skyve seg (som for en gassturbin) langs en kurve C hvis konkave krumningsbue er rettet mot trykkaksen, nær inntil pumpelinjen (angitt ved strekprikket linje), for å oppnå høy virkningsgrad og passerer:

gjennom et nominalpunkt pc svarende til nominaltrykket

og til en tilførsel på 5 til 15% høyere enn opptatt av motoren,

og gjennom et punkt svarende til Q = 0 og P2/<P>^<=><!>•

Linjene C og M skjærer hverandre derfor nødvendigvis

for et kompresjonsforhold n^. Hvis man lar overladningstrykket falle til under denne verdi vil sirkulasjonsretningen snu seg i forgreningsledningen, hjelpforbrenningskammeret vil slukke og trykktapet vil ikke lenger være vel definert og strekke seg i riktig retning. Når forbrenningskammeret er slukket, vil det være mulig å akselerere motoren.

En løsning som umiddelbart melder seg for å unngå denne risiko består i å styre brennstofftilførselen til hjelpeforbrenningskammeret slik at man gjør det umulig for overladningsT trykket å falle under verdien TT^, eller mer nøyaktig under en bestemt verdi høyere enn n^, ved å benytte uttak av luft og brennstoff nødvendig til hjelpeforbrenningskammeret. Denne løs-ning fører til sløsing med brennstoff ved tomgang i den grad hvor opprettholdelse av verdien ikke er nødvendig for kom-pres jonsselvtenning i motoren 10 (en motor med tilstrekkelig høyt volumetrisk forhold vil ikke funksjonere ved meget lav omgivende temperatur).

Innkopling av varmeveksleren 17 i luftinntaket til motoren 10 gir en løsning på dette problem som ikke kan benyttes i anlegg hvor man ikke har en permanent åpen avgreningskanal, ved å begrense tilførselen som innsuges i motoren ved lav motoreffekt, gjennom et fenomen som man kan betegne termisk lukking. Denne begrensning av tilførselen er uten ulemper for motoren fordi det er tilstrekkelig med en fraksjon av luften fra kompressoren til å levere det nødvendige oksygen til forbrenning av den lille brennstoffmengde som tilføres til forbrenningskammeret under disse driftsforhold.

Fig. 2 viser at ved lav motorytelse, i de drifts-

områder hvor varmeoverføringen mellom eksosgassen og inntaksluften er vesentlig, kan man ned til en omgivende temperatur på -20°C, opprettholde en temperatur på minst 135°C i inntaksluften til motoren ved å eliminere kjøleren (mens man under belastning vil holde temperaturen på inntaksluften til motoren

på mye lavere nivå, f.eks. ca. 100°C for en motor med volumetrisk forhold lik 9). Denne termiske stengning realiseres i dette funksjonsområde ved å redusere luftens voiumvekt (og derved den luftvekten som innsuges i motoren) til forholdet:

<1>85 + 273 for en omgivende temperatur på.-20°C.

I praksis vil virkningen av varmeveksleren.17 forandre nedre del av kurven pM slik at den del som ligger i nærheten . av origo vil falle sammen med linjen M' som svarer til en lufttemperatur på 185°C ved inngangen til motoren. Krysnings-punktet med karakteristikken C er således vesentlig lavere. Man ser f.eks. av fig. 3 at den svarer til en verdi 112 på omkring 1,2 i stedet for 1,5.

Man oppnår på denne måten to gunstige resultater. På den ene side en økonomisering med brennstoff ved lav motorytelse og på den annen side vil man kunne innkople en mindre kraftig starter i anlegget,, idet overladningstrykket under oppstarting av motoren og mens turbokompressoren allerede er i drift, er vesentlig lavere.

I et typisk tilfelle (dieselmotor med 800 CH ( franske hestekrefter)) ved 2500 omdr./min. forsynt med kompressor med nominelt kompresjonsforhold lik 4,8 og isentropisk virkningsgrad iik 0,75), reduseres brennstoff-forbrenningen i hjelpekammeret under tomgang med et forhold på 2,4 til 1 (1,91 som. skyldes oppvarming i varmeveksleren som gjenvinner kalorier med en gjenvinningseffekt lik 0,6 og 1,25 som skyldes termisk stengning).

Hvis motoren ikke er av den volumetriske type, dvs. hvis det dreier seg om en totaktsmotor, vil karakteristikken M

(ved konstant motorhastighet og inntakslufttemperatur) ikke gå gjennom origo. Innsuget gassmengde vil gå mot null hvis forholdet P2//^ >± går mot ^ "• Pr°t>lemet med tilpasning til lav motorytelse vil ikke lenger eksistere, men man beholder de andre fordeler ved oppfinnelsen som ovenfor er nevnt.

Det er ovenfor nevnt at varmegjenvinneren leverer luft med en temperatur som varierer lite som funksjon avkompresjons-forholdet p2/ p^. Denne temperatur er f.eks. noe under 200°C som vist på fig. 2 ved en yttertemperatur på -20°C. Inntaks-lufttemperaturen kan være noe under 300°C for en utvendig temperatur på +40°C. Denne temperatur er høyere i et motoranlegg hvor kompressoren har relativt lav isentropisk virkningsgrad (f.eks. 0,75 i stedet for 0,8). Ved tomgang og lav motorytelse vil denne luften kunne sendes til motoren uten kjøling. Ved normal drift derimot bør lufttemperaturen holdes lavere, f.eks. 100°C for en motor med volumforhold lik 9. I det følgende beskrives en reguleringsmetode for kjøleren 27, hvormed man kan oppnå dette resultat.

Varmeeffekten Q ^ som skal fjernes i kjøleren er proporsjonal med N.P2 (T"2 - T'2), hvor N betegner motorhastigheten. Hvis man antar at T"2 er omtrent lik 200°C og T" 2 skal bringes på ca. 100°C, er varmeeffekten Q ^ proporsjonal med hastigheten N og overladningstrykket p2, det er derfor til" strekkelig å gi kjøleren en virkningsgrad som er proporsjonal med hastigheten og et signal som er en lineær funksjon er trykket p2.

I utførelsen vist på fig. 2, består kjøleranordningen av en varmeveksler som gjennomstrømmes av luft ved hjelp av viften 23, som er koplet til motorakselen gjennom en hastighetsvariator 24. Således vil viftehastigheten være proporsjonal med motorhastigheten, med en proporsjonalitetskoeffisient som bestemmes av variatoren '24. Variatorforholdet er knyttet til en verdi som er en økende funksjon av trykket som hersker i innløpsmanifolden 19. Det finnes en rekke egnede variator-typer, særlig slike som benytter en remskive i form av to konuser som stikker mer eller mindre inn i hverandre og således forandrer den effektive remskivediameter. I det aktuelle tilfelle kan organet 25 være forsynt med en elektrisk bryter eller væsketrykkbryter som aksialforskyver nevnte to konuser i forhold til hverandre, styrt av en klassisk be-tjeningskrets.

Man kan også benytte en kjøler hvis kjølemedium består av en væske som drives av en pumpe forbundet med en motor. Pumpen kan være forbundet med motoren gjennom en variator eller kan drives direkte av motoren når denne har et trykktap-styrende organ i kretsløpet 25. Kretsløpet kan f.eks. være forsynt med en forgrening som kortslutter vannpumpen som drives av motoren og forsynt med et organ for trykktap som styres av overladningstrykket. Når det gjelder kjøling med luft, er det mulig å innvirke på innløpstverrsnittet til viften 23.

I variatoren 25 kan man benytte seg av ikke bare trykket som hersker i inntaksmanifolden, men også av andre drifts-størrelser.En viktig parameter utgjøres av den omgivende temperatur, idet varmevekslingen i kjøleren er direkte på-virket av denne temperatur.

I det følgende beskrives som eksempel funksjonen hos

en motor og en oppstartingsmetode som ikke benytter kjente hjelpemidler som letter startingen av dieselmotorer (innsprøyt-ing av et flyktig brennstoff i forbrenningskammeret, oppvarming av innløpsmanifolden, tilsetning av flyktig brennstoff i inn-taksmanif olden etc.).

Motoren 10 står stille og man oppstarter turbokompressoren med starteren 14 og samtidig tilføres hjelpeforbrenningskammeret 22 brennstoff. Turbokompressoren blir således meget hurtig selvforsynt og øker i hastighet. Brennstofftilfør-selen til kammeret 22 kan reguleres automatisk som funksjon av disponibel lufttilførsel.

Når turbokompressoren er i full drift, mottar kam-

meret 22 maksimal mengde brennstoff, og man vil ved utgangen fra varmeveksleren 17 disponere over luft under trykk og med høy temperatur, ca. 200°C, i foreliggende tilfelle. Denne temperatur er tilstrekkelig til at motoren 10 kan oppstartes ved hjelp av en startmotor (ikke vist). Men kjøleren 27 har selv om den er ute av drift,en varmetreghet som kan være tilstrekkelig til at luften som kommer til inntaksmanifolden 19

i kaldt vær avkjøles slik at motoren ikke vil starte.

Ved den utførelsen som er vist på fig. 1 benyttes trykkforskjellen som skapes av strupeorganene 20. En midlertidig sirkulasjon gjennom kjøleren for oppvarming av denne opp-rettes gjennom kanalen 29 med lite tverrsnitt, forsynt med lukkeventil 30 med manuell eller automatisk styring og for-binder inntaksmanifolden 19 med eksosmanifolden. En fraksjon av varmluften fra varmeveksleren 17 strømmer således gjennom kjøleren 27, inntaksmanifolden 19 og eksosmanifolden og opp-varmer disse. På denne måten blir oppstarting mulig noen øyeblikk etter at turbokompressoren har nådd full drift.

Når motoren har startet, blir ventilen 28 stengt enten manuelt eller automatisk (f.eks. ved økning av oljetrykket i motorens smørekrets). Sålenge motoren går på tomgang vil kjøleren 28 være ute av drift (styringskretsen 25 kan være innkoplet for å holde viften 23 stille til en gitt verdi p2)• Brennstofftilførselen innsprøytet i hjelpforbrenningskammeret 22 holdes på et slikt nivå at innløpstrykket til motoren er større enn en viss terskel eller bunnverdi under hvilken motoren ikke vil selvtenne ved kompresjon. Denne terskelverdi må åpenbart være større enn verdien .

Når motoren er i drift, vil tilførselen av brennstoff innsprøytet i sylindrene øke og avhengig av dette vil inn-sprøytet brennstoff i hjelpforbrenningskammeret minske til innsprøytet mengde er akkurat tilstrekkelig til å opprettholde en styringsflamme som holder seg selv når motoren kommer opp til normal eller nominell drift ved punktet pM. Etterhvert som belastningen øker, vil hastighetsvariatoren innkoples for å øke viftehastigheten ved gitt motorhastighet.

Hvis motoren endelig slippes opp for belastning under full hastighet (f.eks. når kjøretøyet kjører nedover en kraftig stigning med motoren innkoplet) vil de tilsvarende funksjons-punkter for kompressoren og motoren bevege seg langs karakteri-stikkene M og C (fig. 3) mot origo, og forbrenningskammeret tilføres en mengde brennstoff som er tilstrekkelig for å opprettholde det minimale overladningstrykk som er tilstrekkelig til å bevirke selvtenning og sikre tilstrekkelig tilførsel til avgreningskanalen til å forbrenne brennstoffet som inn-sprøytes i hjelpeforbrenningskammeret. Samtidig vil variatoren 25 være innkoplet for å holde viftehastigheten 23 på et minimum eller stanse viften.

Det er ovenfor beskrevet et motoranlegg som omfatter starteorganer som muliggjør oppstarting av en turbokompressorgruppe før oppstartingen av motoren. Det kan tenkes andre løs-ninger og det foreslåtte systera er bare en av mulighetene for oppstarting av motoren som foreliggende oppfinnelse er særlig egnet til. Man forstår at selv om oppfinnelsen særlig letter oppstarting av motoren, kan den anvendes under andre driftsforhold for motoren, ved tomgang eller lav motorytelse, og kan derfor være aktuell i anlegg hvor man oppstarter motoren på andre egnede måter.

Claims (4)

1. Motoranlegg med avgassdrevet turbolader og et varmevekslersystem for ladeluftstrømmen til motoranlegget, hvilket varmevekslersystem ved start og under svak belastning mulig-gjør oppvarming av ladeluftstrømmen og under belastning mulig-gjør kjøling av denne strøm og med én blåseledning som munner ut i avgassledningen på oppstrømsiden av avgassturbinen, såvel som med et hjelpeforbrenningskammer som er anbrakt på oppstrøm-siden av avgassturbinen og fører avgasser fra motoranlegget og luft fra blåseledningen, karakterisert ved at en varmeveksler (17) som stadig gjennomstrømmes av avgassene fra turbinen (12) står i friskluftveien mellom kompressoren (11) og avgreningen i blåseledningen (20).

2. Motoranlegg som angitt i krav 1, karakterisert ved at en kjøler (27) som er anordnet i innløps-ledningen (19) på nedstrømsiden av blåseledningens (20) av-grening, er forsynt med styre- og reguleringsanordninger (23, 24, 25) som gjør den bortførte varmemengde i det vesentlige proporsjonal med motorens omdreiningstall og trykket på den luft som tilføres motoren.

3. Motoranlegg som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved en avgreningskrets (29) som fører en luftstrøm fra innløpsledningen (19) til avgassledningen (21) etterat luften ved stillestående motor har strømmet gjennom varmeveksleren (17).

4. Motoranlegg som angitt i krav 3, karakterisert ved at avgreningskretsen (29) har en ledning med liten diameter og er forsynt med en ventil (30) som automatisk lukkes ved manuell eller automatisk start av motoranlegget.