SE409226B

SE409226B - COMBINATION ENGINE COMBINATION ENGINE UNIT

Info

Publication number: SE409226B
Application number: SE7807407A
Authority: SE
Inventors: B N J Palm
Original assignee: Saab Scania Ab
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1978-06-30
Publication date: 1979-08-06
Also published as: GB2036486A; DE2948917A1; JPS6236141B2; GB2036486B; JPS55500395A; WO1980000169A1

Description

3 vaovnovev ~ Ovannänmda lösningar uppvisar dock inga påtagliga verkningsgradförbättringar relativt en konventionell dieselmotor som motiverar den ökade komplexiteten hos respektive aggregat. Dessutom är i hittills kända lösningar använda transmissioner komplicerade och de medför i många fall betydande energiförluster. 3 vaovnovev ~ However, the above-mentioned solutions do not show any significant efficiency improvements relative to a conventional diesel engine which justifies the increased complexity of respective aggregate. In addition, in hitherto known solutions, transmissions are used complicated and in many cases entail significant energy losses.

Föreliggande uppfirming har till ändamål att skapa ett speciellt för fordonsbruk avsett förbränningsmotoraggregat av kompoundtyp innefattande en dieselmotor, en deplacementskompressor och en avgasdriven turbin samt en enkel vridkraftöverförande transmission som möjliggör en effektiv samverkan mellan de i aggregatet ingående enheterna och därigenom eliminerar de nackdelar som förekommer i tidigare kända lösningar. I nämnda avseende utmärkes det uppfinningsenliga aggregatet av att en mekanisk transmission med fast utväxling förbinder motorns utgående axel, kom- pressoms axel och turbinens axel med varandra, att all från kompressorn avgiven kornprianerad luft tillföras motorn samt att turbinen relativt kompressorn är så dimensionerad att trycket i motorns avgasledning åtminstone vid drift ovanför ett visstmotorvarvtal och/eller belastning överstiger det i motorns inlopp rådande trycket.The object of the present invention is to create a special vehicle use intended compound combustion engine assembly comprising a diesel engine, a displacement compressor and an exhaust-powered turbine as well as a simple torque transmission transmission that enables effective interaction between those included in the unit the units and thereby eliminates the disadvantages that occur in prior art solutions. In the said respect, the assembly according to the invention is characterized in that a fixed-speed mechanical transmission connects the output shaft of the engine, the shaft of the press and the shaft of the turbine with each other, that all from the compressor emitted granular air is supplied to the engine and the turbine relative to the compressor is so dimensioned that the pressure in the engine exhaust line at least during operation above one certain engine speeds and / or loads exceed those prevailing in the engine inlet the pressure.

Den i lösningen ingående mekaniska transmissionen med fast utväxling består för- delsvis av kugghjul, varvid såväl motornaxeln som turbinaxeln har vridkraftöver- förande förbindelse med kompressoraxeln. Motorn, kompressorn och turbinen är därvid anordnade att drivas med konstanta varvtalsförhållanden relativt varandra. Vid låga varvtal och belastningar driver sålunda motorn kompressorn utan att turbinen på- tagligt bidrager därtill. Allteftersom motorns varvtal och/eller belastning ökar tilltager också turbinens uteffekt och turbinen är så vald att dess avgivna effekt redan vid ett relativt lågt varvtal och/eller låg belastning överstiger kompres- sorns effektbehov. Ovanför denna driftsplmkt bidrager turbinen positivt till hela aggregatets uteffekt. Därvid uppträder ett tryck på motorns avgassida, vilket överstiger trycket på motorns inloppssida. Detta medför att dieselmotorn arbetar med en icke optimal verkningsgrad, vilket resulterar i' att mer energi avgår från motorn med dess avgaser. Inom ett större driftsomrâde kompenseras emellertid den minskning i offcktavgivningcn från díesclmotom mor än vill av den ökade effekt- avgivníngen från turbinen.The mechanical transmission with fixed gearing included in the solution consists partly by gears, whereby both the engine shaft and the turbine shaft have torque connecting to the compressor shaft. The engine, compressor and turbine are there arranged to be operated at constant speed ratios relative to each other. At low speeds and loads thus drive the engine compressor without the turbine being contributes to this. As the engine speed and / or load increases also increases the turbine's output power and the turbine is so selected that its output power even at a relatively low speed and / or low load, the compression sorns power needs. Above this operating obligation, the turbine contributes positively to the whole power output of the unit. Thereby a pressure appears on the exhaust side of the engine, which exceeds the pressure on the inlet side of the engine. This causes the diesel engine to work with a non-optimal efficiency, which results in more energy being emitted the engine with its exhaust. Within a larger operating area, however, it is compensated reduction in the off-emission from the diesel engine mother than wants by the increased power the emission from the turbine.

För uppnående av det uppfinníngsenliga aggregatets höga verkningsgrad är det även väsentligt att all den luft som komprimerats i kompressorn utnyttjas av dieselmotom. Inget arbete åtgår sålunda vid det uppfinningsenliga aggregatet för komprimering av luft som senare icke utnyttjas på ett rationellt sätt.To achieve the high efficiency of the unit according to the invention, it is also essential that all the air compressed in the compressor is utilized by diesel engine. No work is thus required on the unit according to the invention for compressing air which is not subsequently utilized in a rational manner.

Vid en fördelaktig utföringsfom av uppfinningen styres luftflödet från kom- pressom medelst en ventilanordning som reglerar den luftvolym som insuges till och komprimeras i kornpressorn. Motorns överladdning kan därmed styras för att ge aggregatet en för fordonsdrift ändamålsenlig momentkarakteristik. Övriga för _ uppfinningen utmärkande särdrag framgår av efterföljande beskrivning och patent- krav. 7807407-7 11 ~ En uppfinningen exemplifierande utföringsform skall nedan närmare beskrivas med hänvisning till bifogad figur, vilken schematiskt visar ett förbrännings- motoraggregat för drivning av ett tyngre motorfordon. I aggregatet ingår en dieselmotor 1 av 4-taktstyp, vilken innefattar ett inloppssystem 2 och ett av- gassystern 3. Via inloppssystemet 2 matas motorns 1 förbränningsnnn (ej visade) med luft, varvid luften insuges och renas i ett luftfilter 4 och därefter kompri- meras i en deplacementskompressor 5 för att slutligen kylas i en laddluftkylare 6 innan luften tillföres motorn 1. Avgassystemet 3 leder dieselmotorns 1 avgaser till en turbin 7, varifrån luften via sedvanliga avgasljuddänxpare 8 eller liknande ut- ledes' till atmosfären. aDrivaxlarna 10,11,12 hos turbinen 7, kompressorn 5 respektive dieselmotorn 1 är fördelsvis parallellt anordnade och är förbundna med varandra genom en transmission 9 som uppvisar fast utväxling, dvs varvtalen hos axlarna 10,11 ,1Z uppvisar vid drift ett konstant förhållande relativt varandra. Transmissionen 9 består av enkla kugg- hjul 15,16,17,18 och 19 med snedskurna kuggar. Två kugghjul 16,17 på en mellanaxel uppväxlar i två steg rnotoraxelxis 12A varvtal tio gånger för drivning av kompres- som 5 via kugghjulet 18 på dess drivaxel 11. Nämnda konrpressorkugghjul 18 står även i ingrepp med kugghjulet 19 på turbinens 7 drivaxel 10 och utväxlingsförhål- landet är därvid så valt att turbinens 7 varvtal blir två och en halv gånger så stort som kompressorns 5 varvtal. Utväxlingama möjliggör sålunda ett driftstill- stånd där dieselmotom 1 arbetar med 2000 r/min, kompressorn S med 20000 r/min och turbinen 7 med 50000 r/min. Självfallet kan andra utväxlingar användas, men de angivna varvtalen anger en i sanunanhanget lämplig storleksordning.In an advantageous embodiment of the invention, the air flow is controlled from the pressure by means of a valve device which regulates the volume of air that is sucked into and compressed in the grain press. The motor overcharging can thus be controlled to give the unit a torque characteristic suitable for vehicle operation. Other for The distinctive features of the invention appear from the following description and patent requirement. 7807407-7 11 An embodiment exemplifying the invention will be described in more detail below with reference to the accompanying figure, which schematically shows a combustion motor unit for driving a heavier motor vehicle. The unit includes one diesel engine 1 of 4-stroke type, which comprises an inlet system 2 and a discharge the gas system 3. Via the inlet system 2 the combustion engine of the engine 1 (not shown) is fed with air, whereby the air is sucked in and purified in an air filter 4 and then compressed. in a displacement compressor 5 to be finally cooled in a charge air cooler 6 before the air is supplied to the engine 1. The exhaust system 3 leads to the exhaust gases of the diesel engine 1 a turbine 7, from which the air via conventional exhaust sound condensers 8 or similar led 'to the atmosphere. The drive shafts 10,11,12 of the turbine 7, the compressor 5 and the diesel engine 1, respectively, are preferably arranged in parallel and connected to each other by a transmission 9 which shows a fixed gear ratio, i.e. the speeds of the shafts 10, 11, 1Z show during operation a constant relationship relative to each other. The transmission 9 consists of simple gear wheels 15,16,17,18 and 19 with oblique cogs. Two gears 16.17 on an intermediate shaft gears in two stages rnotoraxelxis 12A speed ten times for driving compression via the gear 18 on its drive shaft 11. Said compressor gear 18 is also in engagement with the gear 19 on the drive shaft 10 of the turbine 7 and the gear ratio the country is then chosen so that the turbine's 7 speeds become two and a half times as large as the compressor's 5 speeds. The gears thus enable an operational stand where the diesel engine 1 operates at 2000 rpm, the compressor S at 20000 rpm and turbine 7 at 50,000 rpm. Of course, other gears can be used, but the specified speeds indicate an order of magnitude suitable in the sanunanhang.

Transmissionen 9 överför moment i två riktningar, dvs såväl från motorn 1 till konrpressorn 5 som från turbinen 7 via kompressorn 5 till motorn I transmissionen 9 är mellan kugghjulen---16,17 på mellanaxeln 20 anordnad en vibrationsisolator 21, som antingen kan vara av hydraulisk typ eller också kan vara anordnad arbeta medelst torsion i en momentöverförande axel.The transmission 9 transmits torques in two directions, ie both from the motor 1 to the compressor 5 as from the turbine 7 via the compressor 5 to the engine I transmission 9, a vibration isolator 21 is arranged between the gears --- 16,17 on the intermediate shaft 20, which can either be of the hydraulic type or can also be arranged to work by means of torsion in a torque transmitting shaft.

Kompressorn 5 fördelsvis en s k skruvkompressor som oberoende av varvtalet ger en förutbestämd tryckölmiiig. Tryckökningen kan regleras medelst en ventilanord- ning 22 i form av en slidventil 23 inbyggd i kompressorn 5. I beroende av dels en på dieselmotom pâlagd belastning och dels motorvarvtalet reglerar slidventilen 23 den luftmäilgd som skall komprimeras. Regleringen sker genom att en viss del icke komprimerad luft âterföres från kompressornsﬂ 5 kompressionsutrynnme till dess in- lopp via en ledning 26. Dieselmotorns 1 belastning och varvtal representeras i detta fall lämpligen av läget hos en reglerstång 27, som i beroende dels av fordons- förarens påverkan på en gaspedal 28 eller liknande och dels av ett av en Centrifu- galregulator 29 avkänt motorvarvtal styr bränsletillförseln till motom 1. Vid en enkel utföringsform av uppfinningen kan ventilanordningen 22 vara utformad som en vid skruvkompressorer 5 i och för sig känd sätesventil som i, ett eller flera steg reglerar den för komprimering insugna luftmängden i beroende av vissa förutbestämda veovaov-7 värden på motorbelastning och varvtal.The compressor 5 preferably has a so-called screw compressor as independent of the speed gives a predetermined pressure oil. The pressure increase can be regulated by means of a valve device. 22 in the form of a slide valve 23 built into the compressor 5. Depending on part one load applied to the diesel engine and the engine speed regulates the slide valve 23 the amount of air to be compressed. The regulation is done by a certain part not compressed air is returned from the compression cavity of the compressor ﬂ 5 to its inlet race via a line 26. The load and speed of the diesel engine 1 are represented in in this case suitably by the position of a control rod 27, which, depending in part on the vehicle the impact of the driver on an accelerator pedal 28 or similar and partly by one of a grid regulator 29 sensed engine speed controls the fuel supply to the engine 1. At a In a simple embodiment of the invention, the valve device 22 can be designed as one in the case of screw compressors 5 per se known seat valve as in, one or more stages regulates the amount of air drawn in for compression depending on certain predetermined veovaov-7 values of engine load and speed.

Den till dieselmotom 1 anpassade skruvkompressom 5 kan lämpligen ge ett slut- tryck av storleksordningen 2,5-3 bar. Den vid komprimeringen uppvärmda luften kyles därefter i laddluftkylaren 6 innan den inmatas i dieselmotom 1. Kylningseffekten kan med befintliga system uppgå till mellan 50-1000 beroende på vilket kylarrange- mang som nyttjas.The screw compressor 5 adapted to the diesel engine 1 can suitably provide a final pressure of the order of 2.5-3 bar. The air heated during compression is cooled then in the charge air cooler 6 before it is fed into the diesel engine 1. The cooling effect with existing systems can amount to between 50-1000 depending on which cooling arrangement many used.

Díeselmotorn 1 arbetar lämpligen helt utan eller möjligen med en mycket liten ventílöverlappning, dvs avgasventilen stänger före eller åtminstone strax efter det att inloppsventilen har öppnat. Motorn 1 kan därigenom tillåtas skapa ett högre tryck på avgassidan än på inloppssídan. I föreliggande fall har avgassystemet 3 och den däri ingående turbinen 7 valts så att i fulleffektplmkten, dvs vid det driftstillstånd där motorn 1 avger maximal effekt, skapas ett avgastryck på omkring 4 bar. , I turbinen 7 omvandlas avgasenergi till mekaniskt arbete genom avgasernas ex- pansion. Avgastryclmivän faller därvid till ett värde strax ovanför atmosfärtryck, och avgasernas temperatur sjunker samtidigt omkring 250°C för att efter turbinen 7 vara i storleksordningen 450°C.The diesel engine 1 suitably operates completely without or possibly with a very small valve overlap, ie the exhaust valve closes before or at least shortly after that that the inlet valve has opened. The motor 1 can thereby be allowed to create a higher one press the exhaust side rather than the inlet side. In the present case, the exhaust system has 3 and the turbine 7 included therein is selected so that at full power, i.e. at it operating condition where the engine 1 emits maximum power, an exhaust pressure of approx 4 bar. , In the turbine 7, exhaust gas energy is converted into mechanical work through the exhaust pansion. Exhaust gas pressure then falls to a value just above atmospheric pressure, and the exhaust gas temperature drops simultaneously around 250 ° C to after the turbine 7 be in the order of 450 ° C.

”Furbinens 7 verkningsgrad kan inom ett för förbränningsmotoraggregat normalt driftsområde vara mellan 80-85 %. En för fordonsbruk avsedd överladdad dieselmotor kan i fulleffektpunkten uppvisa en verkningsgrad av omkring 37 ä. Därvid förut- sättes att motorn arbetar med högre inloppstryck än avgastryck. Är förhållandet det omvända, dvs om dieselmotorns avgastryck överstiger dess inloppstryck, vilket är fallet vid föreliggande uppfinning, sänks dieselmotorns verkningsgrad. Turbinen 7 tillgodogör sig dock det genom avgastrycldiöjningen ökade energiinnehållet i av- gaserna och överför detta i form av mekaniskt arbete till aggregatets utgående axel 12. Därigenom kompenseras den verkningsgradsförsärnring och därmed minskning i avgiven effekt som dieselmotorn 1 undergått genom avgastryckhöjningen. Aggrega- tets maximala verkningsgrad vid avgivande av full effekt kan i stället öka med storleksordningen 10 'à till omkring 41 %. I nämnda driftspmikt är kompressorn 5 anpassad till att arbeta med en verkningsgrad på omkring 80 'å och transmissionens, verkningsgrad är därvid 94 %.“The efficiency of the furbine 7 can normally be within an internal combustion engine unit operating range be between 80-85%. A supercharged diesel engine for vehicle use can at the full power point exhibit an efficiency of about 37 ä. that the engine operates at a higher inlet pressure than exhaust pressure. Is the relationship the reverse, ie if the exhaust gas pressure of the diesel engine exceeds its inlet pressure, which is the case with the present invention, the efficiency of the diesel engine is lowered. The turbine 7, however, the energy content of the exhaust gas increased by the exhaust pressure increase the gases and transfer this in the form of mechanical work to the output of the unit axis 12. This compensates for the deterioration in efficiency and thus the reduction in output power that the diesel engine 1 has undergone through the exhaust pressure increase. Aggrega- The maximum efficiency at full power can instead increase by on the order of 10 'à to about 41%. In said operating power, the compressor is 5 adapted to operate at an efficiency of about 80 'å and the transmission, efficiency is then 94%.

Ett för fordonsdrift avsett aggregat är läinpligen avpassat för att arbeta effektivast vid motorvarvtal som är lägre än det som råder i fulleffektpunkten.A unit intended for vehicle operation is conveniently adapted to work more efficient at engine speeds lower than those prevailing at the full power point.

En väl optimerad dieselmotor för fordonsbruk kan vid det varvtal där maximalt vridmoment avges nå en verkningsgrad på omkring 40 %. I området kring nämnda varv- tal kan även det uppfinningsenliga aggregatets totala verkningsgrad nå ett mot- svarande högre värde.A well-optimized diesel engine for vehicle use can at the speed where maximum torque is now delivered an efficiency of about 40%. In the area around said shipyard numbers, the total efficiency of the unit according to the invention can also reach a corresponding higher value.

Aggregatets totala verkningsgrad kan höjas ytterligare 6 ä 7 'à om dieselmotorns kylförluster kan hållas nere. Detta sker lämpligen genom användning av ett värme- tåligt material, varigenom avgasernas temperatur kan uppgå till 1000°C, vilket inne- bär att det för turbinen utnyttjbara energiinnehållet i avgaserna ökar väsentligt.The total efficiency of the unit can be increased a further 6 ä 7 'à if the diesel engine cooling losses can be kept down. This is conveniently done by using a heater. durable material, whereby the exhaust gas temperature can reach 1000 ° C, which means carries that the energy content usable for the turbine increases significantly.

Claims

7807 lr07 ~ 7 _ '_ e - The fact that the screw compressor 5 is directly driven by the diesel engine 1 enables it to create an effective supercharging of the engine even at low engine speeds. The compressor S is then selected to operate with the best efficiency at a speed which is located within the middle part of the speed range used in the operation of a vehicle. For the exemplary diesel engine 1, said speed range is between 1000 rpm and 2200 rpm. The turbine 7 included in the unit has been chosen so that at full load on the engine and at engine speeds exceeding 600 rpm it is able to drive the compressor 5 and contribute to increasing the output of the unit. An increase in the drive unit's torque output at low speeds is thus obtained in the case of vehicle operation. However, in the event of a high engine load, the addition of the turbine 7 to the output power of the unit is noticeable within the entire speed range of the engine 1. With the aid of the valve device 22, the supercharging can also be controlled so that the torque output increases with decreasing speed, which reduces the need for shifts when driving the vehicle in the opposite direction and the like. Said valve device 22 also controls the supercharging of the motor 1 so that it decreases with reduced load. This means, among other things, that the motor 1 does not need to receive an unnecessary amount of compressed air during partial load operation and that the unit also does not have to give up power to produce the said air. At low load and low speeds, the turbine 7 also does not emit any noticeable power and only at, for example, 1200 rpm is the turbine 7 able to drive compresses so that at higher speeds and unchanged load, only a small addition is added to the unit's output power. The described exemplary embodiment is not to be construed as limiting the invention, since the same may be modified within the scope of the appended claims. PATENTIGIAV

Compound-type internal combustion engine assemblies for vehicles comprising a diesel engine (1), a displacement compressor (S) and a turbine (7), the displacement compressor (5), for example a screw compressor, being arranged to supply air to the engine (1). combustion via the engine inlet system (2) and wherein the turbine (7) is arranged to be driven by the exhaust gases of the engine (1), characterized in that a mechanical transmission (9) with fixed gear connects the engine output shaft (12), the compressor shaft ( 11) and the shaft (10) of the turbine with each other, that all compressed air emitted from the compressor (5) is supplied to the engine (1) and that the turbine (7) relative to the compressor (5) is dimensioned so that the pressure in the engine exhaust line (3) at least during operation above a certain engine speed and / or load exceeds the pressure prevailing in the engine inlet (2). _t

A unit according to claim 1, characterized in that grain-compressed air from the grain presser (5) is supplied to the motor (1) via a charge air cooler (6) arranged in the inlet system (2). 7807407-7 7

A unit according to claim 1 or 2, characterized in that a valve device (22) regulates the amount of air that the compressor (5) compresses depending on the load applied to the motor (1) and / or the speed of the motor (1).

Unit according to claim 3, wherein the compressor (5) consists of a screw compressor, characterized in that the valve device (9) is a slide valve (23) built into the screw compressor (S) known per se.

Unit according to claim 4, characterized in that uncompressed air in the compressor (5) is ignited to the inlet of the coke compressor via a return line (26).

A unit according to any one of claims 1, 3 or 5, characterized in that a gear (19) mounted on the turbine shaft (10) is in direct gear engagement with a gear (18) mounted on the compressor shaft (11).

Unit according to claim 6, characterized in that the gear (18) on the compressor shaft (11) via gears (16, 17) attached to an intermediate shaft (20) is in gear engagement with a gear (15) attached to the motor shaft (12). .

Unit according to one of the preceding claims, characterized in that the motor (1), the turbine (7), the compressor (5) and the transmission (9) are so adapted to one another that the turbine (7) at full load on the motor (1) and at engine speeds exceeding 600 rpm, the compressor (5) drives and contributes to increasing the unit's output power.