NO310842B1 - Fremgangsmåte og anordning ved drift av en forbrenningsmotor - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å redusere trykksvingninger i et luftinntakssystem i en turboladet forbrenningsmotor, hvor en turbolader via en ladeluftkjøler tilfører luft til en luftmanifold som er ordnet tilstøtende til motoren, hvor det i eller ved luft-manif ol den ordnes et avlangt hullegeme innrettet til å redusere trykksvingninger i luftmanifolden, og hvor hullegemet frembringer en svingende volumstrøm stor nok til å motvirke trykksvingninger i luftmanifolden. Oppfinnelsen vedrører også en anordning ved et luf tinntakssystem i en forbrenningsmotor, så som diesel og gassmotorer, omfattende en turbolader og en ladeluf tkjøler ordnet til en luftmanifold tilstøtende til motoren.

I enkelte motorkonstruksjoner kan sylindrenes luft-fyllingssekvens forårsake stående trykksvingninger i luft-søylen i luftmanifolden, som kan resultere i forskjellig luftfylling fra sylinder til sylinder og derav forskjellig kompres j ons trykk og maks ima lt rykk. Dette kan påvirke en motors ytelse på flere måter.

Dannelsen av nitrøse gasser (NOx) i en forbrenningsmotor øker med økende forbrenningstemperatur. Internasjon-ale standarder setter krav til maksimalt innhold av NOx i

avgassen, følgelig står hensynet til lav NOx-produksjon mot hensynet til høy virkningsgrad. Varierende luftfylling vil måtte resultere i en øket margin mot tillatt innhold av NOx i avgassen, og dermed en innstilling av motoren som gir høyere spesifikt brennstofforbruk.

I en dieselmotor vil varierende luftfylling kunne resultere i økt produksjon av røyk, som følge av lav fyllingsgrad i noen sylindere.

I en gassmotor hvor det opereres med forbrenningstrykk helt opp mot grensen for banking, vil det høyeste opptrede-nde sylindertrykk bestemme motorens ytelsesnivå, og varierende luftfylling vil således føre til redusert ytelse.

En metode for å løse problemet er å øke luftmanifoldens volum til amplituden av trykksvingningen blir ubetyde-lig. Denne metoden gir en rekke ulemper som stor og plass-krevende luftmanifold, dårligere transient ytelse, og øket energimengde som frigjøres ved en eventuell eksplosjon i luftmanifolden på de gassmotorer hvor brenngassen tilsettes før luftmanifolden.

Det er ikke ukjent å anbringe en resonator i et luft-inntaksystem. Både US 4,625,686 og US 4,513,699 beskriver ulike løsninger for anvendelse av et resonansrør i et luftinntakssystem. Formålene for disse patentskriftene er ulik det som oppnås ved foreliggende oppfinnelse samt at de også beskriver løsninger som ikke løser ulempene som nevnt oven-for, ved at de konstruksjonsmessig skiller seg vesentlig fra foreliggende oppfinnelse. Resonansrørene er åpne i begge ender og luften fra turboladeren blåses dermed igjennom rørene, noe som bare fører til en trykkøkning i luftinntakssystemet. Ladeluftsystemets dynamiske respons endres ikke ved noen av disse kjente konstruksjonene.

US 4,625,686 omhandler et luftinntakssystem for en sekssylindret motor hvor minst en resonanstank er av en slik lengde at den strekker seg over alle innløpene til sylindrene, og at luftforsyningen som leveres fra turboladeren leveres gjennom resonansrørene gjennom en for-syningsanordning i form av et deksel. Et av formålene med oppfinnelsen er å frembringe ekstra turboladning, dvs en økning i ladelufttrykket til sylindrene, ved hjelp av det integrerte resonansrøret i innløpet til luftinntaket.

US 4,513,699 omhandler et system for å redusere størr-elsen på luftinntakssystemet i en forbrenningsmotor på grunn av den begrensede plassen som er tilgjengelig under panseret på et kjøretøy, hvor tverrsnittet til et resonans-rør avtar langs en lengdedel fra minst den rørenden som tilstøter et resonanshus, og hvor resonanshuset er ordnet tilstøtende til motorens sylindrer.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å eliminere ulempene som er nevnt tidligere og også å redusere eller å motvirke uønskede trykksvingninger i luftmanifolden i en forbrenningsmotor, foretrukket diesel og gassmotorer, med en så enkel og kompakt konstruksjonsmessig løsning som mulig, og med minst mulig endring av luftmanifoldens volum.

Dette formålet løses ved hjelp av fremgangsmåten og anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse ved at det tas utgangspunkt i at det forekommer en stående trykksvingning med en bestemt frekvens som henger sammen med motorens driftsturtall. Svingninger i trykk og massestrøm er 90 grader faseforskjøvet, og trykkutsvinget vil ha en topp ved luftmanifoldens lukkede ende, hvor massestrømmen ikke kan være annet enn null. Ved å endre disse betingelsene i enden av luftmanifolden påvirkes svingebildet.

Fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse er kjennetegnet ved at et hult legeme sin første ende lukkes og at en andre åpen ende anordnes ved luftmanifoldens lukkede ende.

Foretrukket kan det hule legemets andre åpne ende anordnes ved luftmanifoldens lukkede ende i en avstand tilsvarende én gang legemets effektive diameter, og det hule legemets lengde kan bestemmes av luftens svingerfre-kvens i legemet og luftens aktuelle lydhastighet.

Anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelsen er kjennetegnet ved at det i eller ved luftmanifolden er ordnet et avlangt hullegeme innrettet til å redusere trykksvingninger i luftmanifolden, og hvor det hule legemet omfatter en første ende som er lukket i eller ved enden og som er åpen i sin andre ende.

Foretrukne utførelser av anordningen ifølge oppfinnelsen er angitt ved at det avlange hullegemet omfatter et rør, hvor den åpne enden er anordnet ved luf tmanif oldens lukkede ende, at det hule legemets åpne ende er ordnet i en avstand fra luftmanifoldens lukkede ende tilsvarende én gang legemets effektive diameter, at det hule legemet er ordnet langsgående inne i luftmanifolden, eller tilstøtende til luftmanifolden eller integrert i luftmanifolden, og at det hule legemet omfatter et regulerbart stempel ordnet ved legemets ene ende.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere under henvis-ning til de vedlagte figurer. Figur 1 viser et luftinntakssystem omfattende et foretrukket utførelseseksempel av anordningen, ifølge foreliggende oppfinnelse, ordnet inni en luftmanifold. Figur 2 viser tilsvarende som figur 1 anordningen ifølge oppfinnelsen ordnet tilstøtende luftmanifolden. Figur 3 viser skjematisk trykksvingninger ved enden av en luftmanifold, målt under testforsøk av foreliggende oppfinnelse .

Turboladete mediumspeed diesel- og gassmotorer har vanligvis turboladeren(e) montert ved en ende av motorrammen. Luften fra turboladerens kompressor 10 ledes gjennom en ladeluftkjøler 11 og inn i en luftmanifold 12 som løper langs motoren og står i forbindelse med de enkelte sylindrenes inntaksporter (to av inntaksportene er vist med henvisningstall 24), som er velkjent for en fagmann. Luftmanifolden kan være utformet som et avlangt hus flenset på motoren, vanligvis én per sylinderbank på en V-motor. Luftmanifolden kan også være et integrert volum i motorrammen, og ved denne løsningen er det vanlig at sylinderbankene på en V-motor deler et felles volum.

Figur 1 viser et utsnitt av et luftinntakssystem omfattende en luftmanifold 12 hvor et foretrukket ut før-elseseksempel av anordningen, ifølge foreliggende oppfinnelse, er ordnet inni luftmanifolden 12. For å påvirke trykksvingninger i luftmanifolden 12 ordnes et hult legeme 14a i luftmanifolden, omfattende en første ende 16a som er lukket og en andre ende 18a som er åpen, og hvor den åpne enden 18a er anordnet ved luftmanifoldens lukkede ende 20.

Når det oppstår en stående trykksvingning i luft-manif olden 12 eksiteres det hule legemet 14a til å frembringe en luftbevegelse, det vil si at det settes opp en svingende volumstrøm stor nok til å motvirke trykksvingningen i luftmanifolden 12. Dette kan være et passivt system hvis egenfrekvens er innstilt for å falle sammen med frekvensen av den uønskede trykksvingning. Med foreliggende oppfinnelse oppnås en tilnærmet fullkommen eliminasjon av den uønskede trykksvingningen. En slik løsning er også konstruksjonsmessig svært kompakt.

Figur 2 viser tilsvarende et hult legeme 14b ordnet på utsiden av luftmanifolden 12. På grunn av plasshensyn kan i noen tilfeller volumet i luftmanifolden 12 være for lite til å kunne romme et ekstra hullegeme. Hullegemet 14b kan da plasseres på utsiden av luftmanifolden 12 og omfatter, tilsvarende til det første utførelseseksemplet, en første lukket ende 16b og en andre åpen ende 18b som er anordnet ved luftmanifolden lukkede ende 20. Hullegemet 14b kan ordnes langsgående med luftmanifolden 12 og kan da for eksempel omfatte en buet del 22 ved den andre åpne enden 18b. Andre mulige plasseringer av hullegemet er selvfølge-lig også tenkelig. Plasseringen av hullegemet er avhengig av luftmanifolden og motoren sin utforming, og selvfølgelig også plasshensyn i luftmanifolden.

Med en lukket ende menes at det hule legemet 14a, 14b kan lukkes ved en ende ved hjelp av et stengsel, så som ved for eksempel et deksel som monteres i eller ved enden som skal lukkes eller ved hjelp av for eksempel et regulerbart stempel. Det hule legemet kan selvfølgelig også fremstilles på ellers kjent måte med et slikt stengsel integrert i eller ved den ene enden.

Det hule legemet kan også være en integrert del av selve luftmanifolden, når denne er utført i for eksempel støpegods (ikke vist).

Hullegemet (14a, 14b) kan ordnes til luftmanifolden på kjent måte, som for eksempel ved at det påsveises feste-punkter på legemet for tilkobling i eller til luftmanifolden ved hjelp av skruer, eller det kan sveises fast i eller til luftmanifolden, eller på annen kjent måte festes fast eller løsgjørbart i eller til luftmanifolden.

I en alternativ utførelse kan hullegemet omfatte et bevegelig stempel ordnet innvendig i det hule legemet (ikke vist) . Dette stempelet er forskyvbart og kan anvendes til å fininnstille det hule legemets egenfrekvens.

Siden trykkamplituden i det hule legemet er atskillig større en den opprinnelige trykkamplituden i luftmanifolden, kan det hule legemets volum være mye mindre enn luftmanifoldens volum.

Det følger av grensebetingelsene for det hule legemet at luftsøylen vil svinge med en volumstrømsnode ved den lukkede enden av legemet, og med en trykknode ved den åpne enden. Den første egensvingeformen vil ha form av en kvartsbølge, det vil si at bølgelengden som korresponderer til den første egensvingeformens frekvens er fire ganger det hule legemets lengde.

Et slikt legeme, hvor første egenfrekvens til luft-søylen i røret tilsvarer frekvensen av den uønskede trykksvingning i luf tmanifolden, er en svært effektiv resonator når det anbringes med sin åpne ende koblet til luftmanifolden i dens lukkede ende.

Det hule legemets lengde bestemmes av svingefrekvensen og luftens aktuelle lydhastighet, som igjen gis av luftens temperatur. Volumet bestemmer dets "pustekapasitet", det vil si at det må ha et hensiktsmessig forhold mellom lengde og diameter.

Lydhastigheten i luften i luftmanifolden finnes fra uttrykket: a - JkRT

Der følgende størrelser inngår:

a lydhastigheten k luftens isentropkonstant R luftens gasskonstant

T lufttemperatur

a

Bølgelengden fremkommer av uttrykket : ^~~ J

Det hule legemets lengde fremkommer da som: ^ = — x

Figur 3 viser skjematisk trykksvingninger ved enden av en luftmanifold, hvor de to grafene henholdsvis viser trykksvingningene med og uten anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse. Dette er målinger som er gjort under testforsøk av oppfinnelsen. I dette testforsøket ble det brukt et sylindrisk rør med en diameter på lOOmm. Som nevnt er det hule legemets kapasitet som er avgjørende for bestemmelsen av dimensjonene, dvs. diameter når lengden er gitt, slik at en annen diameter selvfølgelig også kan benyttes. Dette vil igjen være avhengig av luftmanifoldens volum og svingningens amplitude.

Den heltrukne linjen viser den stående trykksvingningen i luftmanifolden, uten det hule legemet, målt ved 75% last og ved endelokket i luftmanifolden. Trykket svinger med en dobbelamplitude opp mot 0.45 bar. Som tidligere nevnt kan dette forårsake stående trykksvingninger i luftsøylen i luftmanifolden, som igjen kan resultere i forskjellig luftfylling fra sylinder til sylinder og derav forskjellig kompresjonstrykk og maksi-maltrykk. Dette vil ha en negativ effekt på en motors ytelse.

Den stiplede linjen viser trykksvingningene i luft-manif olden, med det hule legemet, målt ved 85% last og ved endelokket i luftmanifolden. Den tydelige, stående svinge-formen er ikke lenger tilstedeværende. Trykket svinger i dette tilfellet med en kraftig redusert dobbelamplitude lik 0.15 bar, og svingebildet domineres av høyere ordens svingninger og støy. Som tallene viser, 0.15 bar i forhold til 0.45 bar, reduseres amplituden med mellom 60% og 70%.

Som figur 3 viser frembringer den foreliggende oppfinnelsen en særdeles utmerket fremgangsmåte for å redusere trykksvingninger i et luftinntakssystem i en forbrenningsmotor, og en tilsvarende anordning ved et luf tinntakssystem i en forbrenningsmotor. Fremgangsmåten og anordningen kan benyttes i alle forbrenningsmotorer med et luftinntakssystem omfattende en luftmanifold, men foretrekkes anvendt i diesel og gassmotorer, og særlig foretrukket i gassmotorer med 9 eller 18 sylindere.

Et hult legeme, så som en rørformet resonåtor, vil i de fleste tilfeller være svært enkel å montere på en motor, samt ta opp liten plass. I de tilfeller at rørets lengde ikke overskrider luftmanifoldens lengde, samt at luftmanifoldens tverrsnitt er tilstrekkelig stort, kan røret plasseres inne i luftmanifolden. Det monteres da slik at rørets åpne ende for eksempel ordnes én ganger sin effektive diameter fra enden i luftmanifolden.

Hvis dette ikke er mulig kan røret for eksempel plasseres utvendig på motoren, med forbindelse til luft-manif olden i enden av denne.

Det hule legemet kan for montering innvendig i luft-manif olden for eksempel utføres av standardrør i stål, metall eller andre materialer, og trenger ikke ha et fullkomment sirkulært tverrsnitt, men kan også omfatte andre geometriske tverrsnitt som er egnet til å frembringe de samme egenskapene. Det samme er tilfelle hvis det hule legemet ordnes utvendig på motoren.

Ifølge oppfinnelsen er det således frembrakt en fremgangsmåte og en anordning ved en turboladet f orbrennings-motor som reduserer trykksvingninger i en luftmanifold slik at motorens sylindere har tilnærmet lik luftfylling.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å redusere trykksvingninger i et luftinntakssystem i en turboladet forbrenningsmotor, hvor en turbolader (10) via en ladeluftkjøler (11) tilfører luft til en luftmanifold (12) som er ordnet tilstøtende til motoren, hvor det i eller ved luftmanifolden (12) ordnes et avlangt hullegeme (14a, 14b) innrettet til å redusere trykksvingninger i luftmanifolden (12), og hvor hullegemet (14a, 14b) frembringer en svingende volumstrøm stor nok til å motvirke trykksvingninger i luftmanifolden, karakterisert ved at det hule legemets (14a, 14b) første ende (16a, 16b) lukkes og at en andre åpen ende (18a, 18b) anordnes ved luftmanifoldens (12) lukkede ende (20) .

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det hule legemets (14a, 14b) andre åpne ende (18a, 18b) anordnes ved luftmanifoldens (12) lukkede ende (20) i en avstand tilsvarende én gang legemets effektive diameter.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at det hule legemets (14a, 14b) lengde bestemmes av luftens svingefrekvens i legemet og luftens aktuelle lydhastighet.

4 . Anordning ved et luf tinntakssystem i en f orbrennings-motor, så som diesel og gassmotorer, omfattende en turbolader (10) og en ladeluftkjøler (11) ordnet til en luftsmanifold (12) tilstøtende til motoren, karakterisert ved at det i eller ved luf tmanif olden (12) er ordnet et avlangt hullegeme (14a, 14b) innrettet til å redusere trykksvingninger i luftmanifolden (12), og hvor det hule legemet (14a, 14b) omfatter en første ende (16a, 16b) som er lukket i eller ved enden (16a, 16b) og som er åpen i sin andre ende (18a, 18b) .

5. Anordning i samsvar med krav 4, karakterisert ved at det avlange hullegemet (14a, 14b) omfatter et rør, hvor den åpne enden (18a, 18b) er anordnet ved luf tmanif oldens (12) lukkede ende (20) .

6 . Anordning i samsvar med krav 5, karakterisert ved at det hule legemets (14a, 14b) åpne ende (18a, 18b) er ordnet i en avstand fra luftmanifoldens (12) lukkede ende (20) tilsvarende én gang legemets effektive diameter.

7 . Anordning i samsvar med krav 5, karakterisert ved at det hule legemet (14a, 14b) er ordnet langsgående inne i luf tmanif olden (12).

8 . Anordning i samsvar med krav 5, karakterisert ved at det hule legemet (14a, 14b) er ordnet tilstøtende til luf tmanif olden (12) , via en forbindelse, så som et buet parti (22) .

9. Anordning i samsvar med krav 5, karakterisert ved at det hule legemet (14a, 14b) er ordnet integrert i luftmanifolden (12) .

10. Anordning i samsvar med krav 7-9, karakterisert ved at det hule legemet omfatter et forskyvbart stempel ordnet ved legemets ene ende (16a, 16b) .