NO311104B1 - Eksosledningssystem for en turboladet forbrenningsmotor - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsens formål er å tilveiebringe et enkelt eksosledningssystem for en turboladet forbrenningsmotor med bedret driftssikkerhet og øket levetid, hvor fordelene både ved støtladning og pulskonverterladning kan utnyttes avhengig av forbrenningsmotorens driftstilstand. Dette oppnås ved at det for støtledningene (6,7) er utformet forlengelsesstykker (12,13) som er anordnet oppstrøms for den tilkoblingsledning (8,9) som er anordnet lengst bort fra eksosturbinen (5). Hver støtledning (6,7) er forbundet med et tilordnet forlengelsesstykke (12,13). Én eller flere forbindelses-ledninger (14) er anordnet mellom forlengelsesstykkene (12,13). Hver forbindelsesledning (14) oppviser en tverrsnittsinnsnevring (15).

Description

Teknisk område

Oppfinnelsen vedrører et eksosledningssystem for en turboladet forbrenningsmotor ifølge innledningen av krav 1.

Teknikkens stand

Eksosledningssystemer for ladede forbrenningsmotorer tjener til å føre eksosen fra forbrenningsmotoren til turbolader-ens eksosturbin og herunder utnytte den tilgjengelige eksosenergi best mulig. Kjente fremgangsmåter for lading av forbrenningsmotorer er konstanttrykkladning og støtlad-ning, så vel som pulskonverter-fremgangsmåter.

Ved konstanttrykkladning blir eksosen fra samtlige av motorens sylindre ført inn i en felles eksosledning og deretter tilført eksosturbinen. Den tilgjengelige eksosenergi blir ved full belastning av motoren, dvs. ved et stort trykkreduksjonsforhold i eksosturbinen, spesielt godt utnyttet. Dersom forbrenningsmotoren imidlertid går med redusert belastning eller omdreiningstall, dvs. overveiende kjøres med delbelastning, er turbinytelsen ved stasjonær drift og ytelsesoverskuddet for akselerasjon av turbinro-toren meget liten.

Ved støtladning er det enten anordnet én eller flere separate eksosledninger, som to eller flere sylindre er tilkoblet. Her blir kun slike sylindre forbundet med hverandre hvis utløpsåpningstider ikke eller bare i liten grad overlapper. Trykkenergien som foreligger i sylinderen overføres via trykkbølger til eksosturbinen, slik at det kun oppstår små trykktap. Ved en plutselig, høyere belastning av motoren blir en større andel av den foreliggende trykkenergi transportert til eksosturbinen gjennom trykk-bølger på en praktisk talt forsinkelsesfri måte så snart en høyere brennstoffmengde blir forbrent i motoren. Dertil blir trykkenergien beholdt i forutløpet på grunn av den trange eksos ledning, slik at energitilførselen til eksosturbinen kan økes spesielt ved delbelastning. Derfor blir støtladning av forbrenningsmotorer alltid foretrukket når det er nødvendig enten med gode delbelastningsforhold eller god dynamisk reaksjon ved belastningsendringer. Imidlertid gir denne fremgangsmåte dårligere forhold ved full belastning .

Fra DE-A1 39 40 992 er det kjent en løsning som forbedrer fullastforholdene ved en fremgangsmåte for støtladning. Her blir støtledningene som fører fra en firetakts-forbrenningsmotor til eksosturbinen forbundet med hverandre. I forbindelsesledningen er det anordnet et sperreorgan, som kan innstilles i en åpen stilling for høyere omdreiningstall og en lukket stilling for lavere omdreiningstall. Herved arbeider eksosledningssystemet ved delbelastning og lukket sperreorgan ved støtdrift. Ved full belastning blir derimot sperreorganet åpnet slik at forholdene i eksosledningssystemet nærmer seg konstant trykkladning.

Ved denne løsning er det imidlertid den ulempe at forbindelsesledningen, og dermed også sperreorganet, er anordnet umiddelbart foran eksosturbinen. Alle bestanddeler som befinner seg i dette område med høy termisk belastning, slites sterkt. Derfor er slitestyrken spesielt for bevegelige bestanddeler relativt liten, slik at sperreorganet må skiftes ofte. Dersom utskiftingen ikke skjer til riktig tid, kan eksosledningssystemet ikke lenger tilpasses optimalt til forbrenningsmotorens driftstilstand. Derved blir ladningen forringet, og forbrenningsmotoren vil ikke kunne gi den nødvendige ytelse. På grunn av den fysiske nærhet mellom sperreorganet og eksosturbinen foreligger det dertil fare for at sperreorganets deler løsner, havner i eksosturboladeren og ødelegger eksosturbinen.

Ved bruk av en pulskonverter blir to eller flere eksosledninger ført ejektoraktig sammen foran eksosturbinen. På grunn av den derav følgende dyseaktige innsnevring av eksosledningen blir strømningen akselerert og overføring av de tilstedeværende trykkbølger i den tilstøtende ledning forhindret. Derfor kan også sylindre med overlappende utløpsåpningstider forbindes med hverandre uten at de påvirker hverandre negativt. Ved anbringelse av en pulskonverter kan således støtladning effektivt benyttes også ved full belastning av forbrenningsmotoren, men delbelast-ningsforholdene vil nærme seg konstant trykkladning.

Fra DE-C2-32 00 521 er det kjent en løsning hvor omkobling fra støtladning til en pulskonvertermetode er mulig. Her konvergerer de to tidligere parallelt forløpende eksosledninger frem til en felles ledningsdel. I denne ledningsdel er det dreibart anordnet en skillevegg. Når skilleveggen er lukket, får man støtladning. Ved åpnet skillevegg skjer ladningen av forbrenningsmotoren etter pulskonvertermetQ-den.

En ulempe ved denne løsning er at den innsnevring av eksosledningen som er nødvendig ved pulskonvertermetoden, også befinner seg i eksosens hovedstrøm ved støtdrift. Derved blir hovedstrømningen strupet, slik at det oppstår et energitap. Dertil kan også de ovenfor beskrevne slita-sjeproblemer oppstå for skilleveggen mellom de to eksosledninger.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Oppfinnelsen forsøker å unngå alle disse ulemper. Den legger den oppgave til grunn å tilveiebringe et enkelt eksosledningssystem med forbedret driftssikkerhet og forhøyet levetid for en turboladet forbrenningsmotor, hvor fordelene både ved støtladning og pulskonverteren kan utnyttes alt efter forbrenningsmotorens driftstilstand.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette ved at det i en anordning ifølge innledningen av krav 1 er utformet forlengelsesstykker for støtledningene og er anordnet en forbindelsesledning mellom disse oppstrøms lengst unna eksosturbinen. Hver støtledning er forbundet med et tilsvarende forlengelsesstykke. Mellom forlengelsesstykkene er forbindelsesledningen(e) anordnet. Hver forbindelsesledning oppviser en tverrsnittsinnsnevring, fortrinnsvis utformet som en dyseplate.

Ved anordningens drift forløper massestrømmen av eksos uten energitap ut av forbrenningsmotorens sylindre gjennom støtledningen direkte til eksosturbinen. Da forbindelsesledningen er anordnet relativt fjernt fra eksosturbinen, skjer det via denne kun en trykkutligning mellom støtled-ningene. På grunn av tverrsnittsinnsnevringen i forbindelsesledningen blir det ved hvert trykkstøt av sylinderen kun overført en mindre del av eksosmengden i den andre støtled-ning, slik at de sylindre som er tilsluttet denne, ikke blir forstyrret. Trykkutligningen fører til et redusert trykk i støtledningene som tilføres eksos fra én eller flere sylindre, og til et forhøyet trykk i den eller de andre støtledninger. Dermed blir trykksvingningene i støtledningene redusert, noe som fører til bedre virkningsgrad i turbinen. På denne måte kan det også ved støtlad-ning oppnås gode forhold ved full belastning. Da det ikke blir benyttet bevegelige bestanddeler, blir eksoslednings-systemets konstruksjon enklere og dets levetid øket.

Spesielt fordelaktig er det når det ved overgangen mellom forlengelsesstykkene til den respektive forbindelsesledning er dannet et tverrsnittssprang og hver forbindelsesledning oppviser et tilleggsvolum. Ved hjelp av denne kapasitet oppstår det dempning og derved en forlenget virkning av trykkbølgene, dvs. det varer lengre før disse forplanter seg fra den ene støtledning til den andre. På denne måte blir trykksvingningene ytterligere redusert og derved forholdene ved full belastning forbedret.

Det har vist seg å være gunstig å anordne et sperreorgan i f orbindelsesledningens tverrsnittsinnsnevring, som kan innstilles i en åpnet posisjon for høye og en lukket posisjon for lave turtall av forbrenningsmotoren. Herved kan det ved delbelastning og lukket sperreorgan oppnås en ren støtladning. Ved full belastning blir derimot sperreorganet åpnet, slik at det oppstår en pulskonverterladning. Her er sperreorganet anordnet oppstrøms for forbrenningsmotorens tilkoblingsledninger. I dette område av eksosledningssystemet, som befinner seg i motsatt ende i forhold til eksosturbinen, råder det en markert lavere termisk belastning enn i området mellom tilkoblingsledningenes utmunning og eksosturbinen. Derved får sperreorganet vesentlig lengre levetid. Selv om det skulle bli skadet, kan dettes bestanddeler ikke ødelegge eksosturbinen fordi de er anordnet langt unna. Dertil oppnås det allerede ved forbindelsesledningens tverrsnittsinnsnevring effektiv drift av forbrenningsmotoren ved full belastning, slik at eksosledningssystemet også ved defekt sperreorgan kan holdes i fortsatt drift.

Kort tegningsbeskrivelse

På tegningen er det vist flere utførelseseksempler på oppfinnelsen i form av et eksosledningssystem med to støtledninger og en eksosturbin med to gassinnløp. Fig. 1 viser en skjematisk fremstilling av eksosledningssystemet; Fig. 2 er en forstørret fremstilling av et utsnitt av fig. 1 i forbindelsesledningens område; Fig. 3 viser en fremstilling i likhet med fig. 2 av en andre utførelsesform; Fig. 4 viser en fremstilling i likhet med fig. 2 av en tredje utførelsesform; og

fig. 5 viser en fremstilling i likhet med fig. 3 av en fjerde utførelsesform.

Det er bare elementer som er nødvendig for forståelse av oppfinnelsen som er vist. Arbeidsmiddelets strømningsret-ning er betegnet med piler.

Utførelseseksempler på oppfinnelsen

Fig. 1 viser fire sylindre 1, 2, 3, 4 av en firetakts-forbrenningsmotor, som samvirker med en eksosturbin 5 via et eksosledningssystem. Eksosledningssystemet består av to støtledninger 6, 7, som respektivt via to forbindelsesled-ninger 8 hhv. 9 er forbundet med de tilsvarende sylindre 1, 2, hhv. sylindrene 3, 4.

Nedstrøms fører støtledningene 6, 7 til hvert sitt separate gassinnløp 10, 11 av eksosturbinen 5. For hver støtledning 6, 7 er det anordnet et forlengelsesstykke 12, 13, som er anbragt oppstrøms for den forbindelsesledning 8, 9 som befinner seg lengst unna eksosturbinen 5. Støtledningen 6 er forbundet med forlengelsesstykket 12 og støtledningen 7 med forlengelsesstykket 13. Mellom de to forlengelsesstykker 12, 13 er det anordnet en forbindelsesledning 14.

I et første utførelseseksempel (fig. 2) er det i forbindelsesledningen 14 anordnet en tverrsnittsinnsnevring 15 utformet som dyseplate. Blir f.eks. eksos fra sylinderen 1 eller 2 innført i den første støtledning 6, blir største-delen av denne ført videre til gassinnløpet 10 av eksosturbinen 5. Den andre, mindre del av eksosen føres via forlengelsesstykket 12, forbindelsesledningen 14 og dyseplaten 15 i denne inn i forlengelsesstykket 13 og endelig inn i den andre støtledning 7. Derved blir trykket i den første støtledning 6 redusert og øket i den andre støtled-ning 7, dvs. det skjer en viss trykkut ligning. Blir deretter eksos fra de øvrige sylindre 3 eller 4 ført inn i den andre støtledning 7, er denne ikke tom da det her vil foreligge eksos fra den første støtledning 6. Det skjer således en relativt rask trykkoppbygning, idet en del av eksosen føres via forbindelsesledningen 1 4 inn i den første støtledning 6. På denne måte blir trykkdifferansen mellom de to støtledninger 6, 7 redusert, med derav følgende reduserte trykksvingninger. På grunn av den konstante tilførsel til eksosturbinen 5 stiger dennes virkningsgrad, slik at ladningen av motoren forbedres ved full belastning. Med en passende utformet dyseplate 15 kan eksosledningssystemet optimaliseres for delbelastning eller full belastning.

I en andre utførelsesform, fig. 3, er det i overgangen mellom forlengelsesstykkene 12, 1 3 og forbindelsesledningen 14 utformet et tverrsnittssprang 16, og forbindelsesledningen 14 oppviser et tilleggsvolum 17. På grunn av denne større kapasitet blir trykkbølgene i eksosen dempet, dvs. at de virker lengre. Den del av eksosen som via f orbindel-sesledningen 14 føres over fra den første støtledning 6 til den andre støtledning 7, og omvendt, trenger mer tid for dette. Derved blir trykksvingningene mellom de to støtled-ninger 6, 7 ytterligere redusert, og virkningsgraden av eksosturbinen 5 blir ytterligere øket.

Fig. 4 viser et tredje utførelseseksempel, hvor det i dyseplaten 15 er anordnet et i og for seg kjent sperreorgan i form av et spjeld 18. Spjeldet 18 kan beveges mellom en åpnet stilling ved full belastning og en lukket stilling ved delbelastning. For dette formål er spjeldet forbundet med et ikke vist styresystem, som er avhengig av ladetryk-ket, motorbelastningen og/eller motorturtallet. På grunn av denne anordning kan eksosledningssystemet omstilles mellom støtmetode og pulskonvertermetode alt etter motorens

driftstilstand.

I et fjerde utførelseseksempel (fig. 5) er dyseplaten 15 også forsynt med et spjeld 18, og forbindelsesledningen 14 oppviser likeledes et tilleggsvolum 17. Her blir alle de ovennevnte fordeler ved eksosledningssystemet kombinert, slik at denne løsning muliggjør størst variasjon hva gjelder motorens driftstilstand.

Naturligvis er det ikke bare firetaktsmotorer, men spesielt også mindre totaktsmotorer som kan være forbundet med et eksosledningssystem ifølge oppfinnelsen. Likeledes er oppfinnelsen ikke begrenset til motorer med fire sylindre eller til løsninger med kun to støtledninger 6, 7 og kun én forbindelsesledning 14.

Claims (4)

1. Eksosledningssystem for en turboladet forbrenningsmotor, omfattende a) i det minste to separate støtledninger (6,7) som tilføres eksos fra flere sylindre (1-4) av forbrenningsmotoren og er forbundet med en eksosturbin (5) av turboladeren, b) flere tilkoblingsledninger (8,9) som forbinder sylindrene (1-4) med de respektive støtledninger (6,7), c) i det minste én forbindelsesledning (14) anordnet mellom støtledningene (6,7), karakterisert ved at d) forlengelsesstykker (12,13) for støtledningene (6,7) som er utformet og anordnet oppstrøms for den tilkoblingsledning (8,9) som befinner seg lengst unna eksosturbinen (5), e) hver støtledning (6,7) er forbundet med et forlengelsesstykke (12,13), f) forbindelsesledningen(e) (14) er anordnet mellom forlengelsesstykkene (12,13), og g) hver forbindelsesledning (14) oppviser en tverrsnittsinnsnevring (15).

2. Eksosledningssystem ifølge krav 1, karakterisert ved at det ved overgangen mellom hvert av forlengelsesstykkene (12,13) og forbindelsesledningen (14) er utformet et tverrsnittssprang (16) og at hver forbindelsesledning oppviser et tilleggsvolum (17).

3. Eksosledningssystem ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det i forbindelsesledningens (14) tverrsnittsinnsnevring (15) er anordnet et sperreorgan (18), som kan beveges mellom en åpen stilling for høyere turtall av forbrenningsmotoren og en lukket stilling for lavere turtall.

4. Eksosledningssystem ifølge et av kravene 1 - 3, karakterisert ved at tverrsnittsinnsnevringen (15) er utformet som en dyseplate.