SE409226B - Forbrenningsmotoraggregat av kompoundtyp for fordon - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

”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 %.

Ett för fordonsdrift avsett aggregat är läinpligen avpassat för att arbeta effektivast vid motorvarvtal som är lägre än det som råder i fulleffektpunkten.

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.

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.

Claims (8)

7807 lr07~7 _ ' _ e - Det faktum att skruvkompressorn 5 är direktdriven av dieselmotorn 1 möjliggör att den redan vid låga motorvarvtal kan skapa en verksam överladdning av motorn. Kompressorn S är därvid vald att arbeta med bästa verkningsgrad vid ett varvtal som är beläget inom den mittre delen av det varvtalsområde som används vid drift av ett fordon. För den exemplifierade díeselmotorn 1 ligger nämnda varvtalsområde mellan 1000 r/nnin och _2200 r/min. Den i aggregatet ingående turbinen 7 har valts g så att den vid full belastning på motorn och vid motor-varvtal överstigande 600 r/min förmår att dels driva kompressom 5 och dels bidraga till att höja aggregatets ut- effekt. En vid fordonsdríft eftersträvad ökning av drivaggregatets momentavgivning vid låga varvtal erhålles därmed. Emellertid är vid hög motorbelastning turbinens 7 tillskott till aggregatets uteffekt påtagligt inom motorns 1 hela varvtalsornråde. Med hjälp av ventilanordningen 22 kan överladdníngen dessutom styras så att moment- avgivningen ökar med sjunkande varvtal, vilket minskar behovet av växlingar vid köming av fordonet i motlut och liknande. Nämnda ventilanordníng 22 styr även motorns 1 överladdning så att denna minskar med minskad belastning. Därigenom vin- nes bl a att motorn 1 vid dellastdrift ej behöver mottaga en onödig mängd komprime- rad luft och att aggregatet ej heller behöver avstå effekt för att framtaga nämnda luft. Vid låg belastning och låga varvtal avger inte heller turbinen 7 någon på- taglig effekt och först vid exempelvis 1200 r/min förmår turbinen 7 driva kompres- som för att vid högre varvtal och oförändrad belastning läxma endast ett mindre tillskott' till aggregatets uteffekt. " Det beskrivna utföringsexemplet får inte anses begränsa uppfinningen, enär densamma inom ramen för efterföljande patentkrav kan modifieras i alternativa lösningar. PATENTIGIAV

1. Förbrånningsrnotoraggregat av kompoundtyp för fordon innefattande en diesel- ' motor (1), en deplacementskonïpressor (S) och en turbin (7) , varvid deplacements- kompressorn (5), exempelvis en skruvkompressor, är anordnad att inmata luft till motorns (1) förbränningsnm via motorns inloppssystem (2) och varvid turbinen (7) är anordnad att drivas av motorns (1) avgaser, k ä n n e t e c k n a t av att en mekanisk transmission (9) med fast utväxling förbinder motorns utgående axel (12), kompressorns axel (11) och turbinens axel (10) med varandra, att all från kompressorn (5) avgiven komprimerad luft tillföres motorn (1) samt att turbinen (7) relativt kompressorn (5) är så dimensionerad att trycket i motorns avgasled- ning (3) åtminstone vid drift ovanför ett visst motorvarvtal och/eller belastning överstiger det i motorns inlopp (2) rådande trycket. _t

Z. Aggregat enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att kornprimerad luft från kornpressorn (5) tillföres motom (1) via en i inloppssystemet (2) an- bringad laddluftkylare (6). '7807407-7 7

3. Aggregat enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att en ventilanordning (22) reglerar den luftmängd som kompressorn (5) komprimerar i beroende av på motorn (1) pålagd belastning och/eller motorns (1) varvtal.

4. Aggregat enligt patentkrav 3 där kompressorn (5) utgöres av en skruvkom- pressor, k ä n n e t e c k n a t av att ventilanordningen (9) är en i och för sig känd i skruvkompressorn (S) inbyggd slidventil (23).

5. Aggregat enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a t av att okomprimerad luft i kompressorn (5) åtennatas till koxnpressoms inlopp via en returledning (26).

6. Aggregat enligt något av patentkraven 1, 3 eller 5, k ä n n e t e c k n a t av att ett på turbinaxeln (10) anfäst kugghjul (19) står i direkt kuggingrepp med ett på kompressoraxeln (11) anfäst kugghjul (18).

7. Aggregat enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a t av att kugghjulet (18) på kompressoraxeln (11) via kugghjul (16,17) anfästa på en mellanaxel (20) står i kuggingrepp med ett på motoraxeln (12) anfäst kugghjul (15).

8. Aggregat enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att motorn (1), turbinen (7), kompressom (5) och transmissionen (9) är så anpas- sade till varandra att turbinen (7) vid full belastning på motorn (1) och vid motorvarvtal överstigande 600 r/min dels driver kompressorn (5) och dels bidrager till att höja aggregatets uteffekt.