SE437543B

SE437543B - Device on combustion engine with exhaust gas turbine driven scavenging air compressor

Info

Publication number: SE437543B
Application number: SE8106826A
Authority: SE
Inventors: S-O Kronogard; C-O Kronogard; N H Kronogard
Original assignee: Volvo Ab
Priority date: 1981-11-17
Filing date: 1981-11-17
Publication date: 1985-03-04
Also published as: SE8106826L

Abstract

An increase of the power outtake on a combustion engine with an exhaust gas driven scavenging air compressor is obtained by connection the discharge end of the exhaust gas turbine (17) to a second gas turbine (40), and allow devices driven by the shaft of this turbine to convert residual power in the engine exhaust gas to mechanical work. Means ( 46 & 48 respectively) can be set up to supply fuel between the engine gas exhaust and the system's turbine (17) and/or between the latter and the other gas turbine (40).<IMAGE>

Description

8106826-4 Spolluftsaggregatet kan arrangeras och placeras på olika sätt beroende på motorinstallation och storlek, men vid normal belastning har avgaserna ett energiinnehåll som väl täcker behovet för spolluftskompressionen. 8106826-4 The purge air unit can be arranged and placed in different ways depending on the engine installation and size, but under normal load the exhaust gases have an energy content which well covers the need for purge air compression.

För att ytterligare öka effektuttaget av mekaniskt arbete kan man med fördel anordna en till avgasturbinens avloppsände ansluten andra avgasturbin, och uppfinningen kännetecknas av medel för tillförsel av bränsle tilll avgasledningen efter motorns gasutlopp.To further increase the power output of mechanical work, it is advantageous to arrange one for the exhaust turbine drainage connected second exhaust turbine, and the invention characterized by means for supplying fuel to the exhaust line after the engine's gas outlet.

Tillsammans med ovannämnda bränsletillförsel kan man även anordna medel för tillförsel av bränsle mellan uppladdningsaggregatets gasturbin och den andra avgastur- binen. _ Den andra avgasturbinens axel kan lämpligen, via en utväxlingsanordning vara ansluten till motorns vevaxel, företrädesvis via på denna monterat svänghjul. Alternativt kan den andra avgasturbinens axel vara inrättad att driva åtminstone någon av motorns hjälpapparater.Together with the above fuel supply can means are also provided for supplying fuel between the gas turbine of the charger and the other exhaust gas binen. _ The shaft of the second exhaust turbine can suitably, via a gear unit be connected to the engine crankshaft, preferably via a flywheel mounted on it. Alternatively the shaft of the other exhaust turbine may be arranged to drive at least one of the engine auxiliaries.

Vid ett föredraget arrangemang är uppladdnings- aggregatat anordnat med sin axel vertikalt ansluten till ett antal cylindrar i motorn, varvid medel är inrättade att tillföra bränsle såväl till avloppsledningen från mo- torn som till en brännkammare mellan de tvâ gasturbinerna.In a preferred arrangement, the charging unit arranged with its shaft vertically connected to a number of cylinders in the engine, means being arranged to supply fuel both to the sewer line from the tower as to a combustion chamber between the two gas turbines.

Uppfinningen kommer här nedan att beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Fig. 1 visar en uppladdad motor med en andra avgasturbin lämpad att driva på motorns svänghjul, Fig. 2 i något större skala visar brännkammar-arrangemang- et mellan uppladdningsaggregatet och den andra gas- turbinen i Fig. 1, Fig. B visar en trecylindrig motor med uppladdningsaggre- gat och en andra gasturbin drivande en hjälpapparat, Fig. 4 visar i något större skala brännkammar-arrangemang- et mellan uppladdningsaggregatet och den andra gas- turbinen i Fig. 3, Fig. 5 visar en motor motsvarande den i Fig. 3, men med horisontella axlar i turboaggregatsystemet, 8106826-4 Fig. 6 visar schematiskt turboaggregatsystemet i Fig. 5 uppskuret, Fig. 7 visar en dubbelsnäcka för överledande av gas från aggregatturbinen till den andra avgasturbinen, och Fig. 8 visar ett modifierat arrangemang av rotorenheten.The invention will be described below with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows a charged engine with a second exhaust turbine suitable for driving on the engine flywheel, Fig. 2 on a slightly larger scale shows combustion chamber arrangements between the charger and the other gas the turbine of Fig. 1, Fig. B shows a three-cylinder engine with charging assembly. gate and a second gas turbine driving an auxiliary apparatus, Fig. 4 shows on a slightly larger scale combustion chamber arrangement between the charger and the other gas the turbine of Fig. 3, Fig. 5 shows an engine corresponding to that of Fig. 3, but with horizontal axes in the turbocharger system, 8106826-4 Fig. 6 schematically shows the turbocharger system in Fig. 5 cut up, Fig. 7 shows a double screw for transferring gas from the unit turbine to the other exhaust turbine, and Fig. 8 shows a modified arrangement of the rotor unit.

Fig. 1 visar en uppladdad motor 10, där avgas- och luftledningarna 12, 13 är samlade i ett hölje 11, som innehåller den här icke visade rotorenheten för uppladd- ningsaggregatet. Luftinloppet är betecknat med 15, och till avgasutloppet 14 från höljet är en andra avgasturbín 40 med horisontell axel 41 ansluten.Fig. 1 shows a charged engine 10, where the exhaust and the air ducts 12, 13 are assembled in a housing 11, which contains the rotor unit not shown here for charging unit. The air inlet is denoted by 15, and more the exhaust outlet 14 from the housing is a second exhaust turbine 40 with horizontal shaft 41 connected.

En tvåstegsväxel 42 och icke visat frihjul för- binder turbinaxeln 41 med en utgående axel 43, som sträck- er sig in i den kåpa 44, som delvis omsluter motorns icke visade svänghjul. En kugghjuls- eller bälttransmission, eventuellt av variabel typ överför överskottsenergin från avgaserna till förbränningsmotorns vevaxel, antydd vid 45.A two-speed gear 42 and freewheel (not shown) connects the turbine shaft 41 to an output shaft 43, which into the housing 44, which partially encloses the engine flywheels. A gear or belt transmission, possibly of variable type transmits the excess energy from the exhaust gases to the crankshaft of the internal combustion engine, indicated at 45.

Man kan öka uppladdningsaggregatturbinens 17 effekt genom tillförsel av bränsle till avgasledningen 12.You can increase the charger turbine 17 effect by supplying fuel to the exhaust line 12.

Avgaserna innehåller i allmänhet tillräckligt mycket syre för förbränning av ytterligare bränsle och med den rådande höga temperaturen sker en snabb förgasning och antändning.The exhaust gases generally contain enough oxygen for the combustion of additional fuel and with the prevailing high temperature there is a rapid gasification and ignition.

Man kan tillföra gasformigt eller flytande bräns- le, men kan även arbeta med fast bränsle i pulverform, eventuellt uppslammat i vätska eller i gelform. Tillförsel- anordningen kan vara av konventionellt slag vid brännare, och antyds på ritningen endast med en rörledning 46.Gaseous or liquid fuels can be added. le, but can also work with solid fuel in powder form, possibly suspended in liquid or gel form. Supply the device may be of a conventional type in burners, and is indicated in the drawing only by a pipeline 46.

På ett likartat sätt kan man vid behov, alterna- tivt eller tillsammans med den ovan berörda tillsatsför- bränningen, ordna med bränsletillskott till den andra gas- turbinen 40.In a similar way, one can, if necessary, or together with the additive mentioned above combustion, arrange for fuel to be added to the second gas turbine 40.

Fig. 2 visar mer i detalj en brännkammare 47 an- ordnad i anslutning till avloppet från höljet 11. Bränn- kammaren är inrättad för reverserat flöde, vilket ger ökad längd på gasvägen och förbättrar förgasning av det nya bränsle, som via en ledning 48 tillförs genom med rotations- organ försedd brännare 49 vid nedre ändan av brännkammaren.Fig. 2 shows in more detail a combustion chamber 47 used arranged in connection with the drain from the casing 11. the chamber is set up for reverse flow, which gives increased length of the gas path and improves gasification of the new fuel, which is supplied via a line 48 through a rotary means provided burner 49 at the lower end of the combustion chamber.

Brännkammaren utformas lämpligen med konisk diffusor som 8106826-4 resulterar i hastighetsreduktion. Tändning säkerställs ge- nom tändstift 50, eventuellt i anslutning till flamhållare 51.The combustion chamber is suitably designed with a conical diffuser such as 8106826-4 results in speed reduction. Ignition is ensured by spark plug 50, possibly in connection with flame holder 51.

Fig. 3 visar en trecylindrig motor 55» försedd med uppladdningsaggregatet monterat i ett hölje 11, av sam- ma typ som beskrivits ovan. En kåpa 56 innehåller transmis- sioner till hjälpapparater. En andra avgasturbin #0 är även här ansluten till avloppet 1ü från höljet 11, och kan driva en elgenerator eller en hydraulpump för laddning av en ackumulator, t.ex. av svänghjulstyp 59 för s.k. hybriddrift. Även här finns rörledning 46 för tillförsel av bränsle till avgasledningen 1ü. En efterbrännkammare 58 (se Fig. Ä) med flamhållare för förbränning av genom en ledning 48 tillfört bränsle är anordnad i anslutning till avloppet från höljet 11.Fig. 3 shows a three-cylinder engine 55 »equipped with the charger mounted in a housing 11, of the same ma type as described above. A cover 56 contains transmission to auxiliaries. A second exhaust turbine # 0 is also here connected to the drain 1ü from the housing 11, and can drive an electric generator or a hydraulic pump for charging a accumulator, e.g. of flywheel type 59 for so-called hybrid operation. Here, too, is pipeline 46 for the supply of fuel for the exhaust line 1ü. An afterburner 58 (see Fig. Ä) with flame holder for combustion of through a line 48 supplied fuel is arranged in connection with the drain from the casing 11.

Avgasturbinen 17 och den andra gasturbinen Ä0 kan förses med vridbara ledskenor och/eller by-pass-arrangemang för förhöjd verkningsgrad eller ökat effektuttag, resp. större flexibilitet. Turboaggregat av turbintyp är i de flesta fall att föredra, men man kan även använda rotorer av deplacementstyp, t.ex. av vingtyp.The exhaust turbine 17 and the other gas turbine Ä0 can provided with rotatable guide rails and / or by-pass arrangements for increased efficiency or increased power consumption, resp. greater flexibility. Turbocharger-type turbochargers are in the most cases are preferred, but rotors can also be used of displacement type, e.g. of wing type.

Fig. 5 visar en motor 60 av samma slag som den i Fig. 3 och utrustad med turboaggregat 61, 62 och andra av- gasturbin 63, vilka emellertid här anordnats med sina axlar horisontellt. I övrigt används samma hänvisningsbeteckning- ar som i Fig. 3.Fig. 5 shows an engine 60 of the same type as that of Fig. 3 and equipped with turbochargers 61, 62 and other gas turbine 63, which, however, are arranged here with their shafts horizontally. Otherwise, the same reference numerals are used- ar as in Fig. 3.

Aggregatets uppbyggnad framgår bättre av Fig. 6.The structure of the unit is better shown in Fig. 6.

Kompressorn 61 och den denna drivande avgasturbinen 62 är båda av radiell typ, där den senare är inrättad för inåt- riktad strömming. Den andra avgasturbinen 63 är av liknande typ.The compressor 61 and the exhaust turbine 62 driving it are both of the radial type, the latter being set up for inward directed herring. The second exhaust turbine 63 is similar type.

Avloppet från aggregatturbinen 62 passerar via en axiell kanal och en dubbelsnäcka 64 - se Fig. 7 - till den andra avgasturbinen 63. Dubbelsnäckans båda kamrar 65, 66 är så formade att man får ett smidigt gasflöde med naturlig diffusorverkan.The drain from the unit turbine 62 passes through a axial channel and a double screw 64 - see Fig. 7 - to it the second exhaust turbine 63. Both chambers 65, 66 of the double screw are so shaped that you get a smooth gas flow with natural diffuser effect.

Endera eller båda väggarna vid övergången mellan dubbelsnäckans båda kamrar kan utföras med rörlig läpp 67 8106-826-4 som medger justering av flödespassagens storlek.Either or both walls at the transition between both chambers of the double screw can be made with movable lip 67 8106-826-4 which allows adjustment of the size of the flow passage.

En brännkammare 68 är här inlagd mellan avgas- lådan lh och aggregatturbinen 62, så att även dennas effekt kan höjas. Kompressorn 61 kan förses med rörliga ledskovlar 69a, b, vid inlopp och/eller utlopp, och båda turbinerna 62 och 63 är försedda med inloppsledskovlar 69c, d.A combustion chamber 68 is here inserted between the exhaust the box lh and the unit turbine 62, so that also its power can be raised. The compressor 61 can be equipped with movable guide vanes 69a, b, at inlet and / or outlet, and both turbines 62 and 63 are provided with inlet vanes 69c, d.

Fig. 8 visar en vidareutveckling av aggregatet enligt Fig. 6. ' Motorn 70 är av samma slag som tidigare och är försedd med en luftkompressor 71, som drivs av en första avgasturbinrotor 72. Ytterligare finns en andra och entred- je turbinrotor 73 och 74 anordnade i serie efter den första.Fig. 8 shows a further development of the unit according to Fig. 6. ' The engine 70 is of the same type as before and is provided with an air compressor 71, which is driven by a first exhaust turbine rotor 72. In addition, there is a second and turbine rotors 73 and 74 arranged in series after the first.

Turbinrotorerna 73 och 7Ä är belägna i samma plan, och gas- överledning mellan dem sker via en dubbelsnäcka 75 av samma slag som den som visas i Fig. 7.The turbine rotors 73 and 7Ä are located in the same plane, and transfer between them takes place via a double screw 75 of the same types such as that shown in Fig. 7.

En växel 76 av planettyp förbinder andra och tredje turbinrotorernas 73, 7Å axlar. Utgående axel 76 kan driva hjälpapparater, eller sammankopplas med utgående drivaxel 77. Motorn är här utformad med alternativt kraft- uttag 77a (streckat).A planetary gear 76 connects others and the shafts of the third turbine rotors 73, 7Å. Output shaft 76 can power aids, or be connected to outgoing drive shaft 77. The engine is here designed with alternative power socket 77a (dashed).

En hjälpaxel 78 gör det möjligt att överföra ef- fekt båda vägar mellan den för kompressor 71 och första turbinrotor 72 gemensamma axeln och växeln. En brännkamma- re 79 är ansluten mellan avgaslådan 13 och den första tur- binrotorn 72. Rörliga ledskovlar 80a, b, c, d, finns här vid inloppet till kompressorn samt vid inloppen till de tre turbinrotorerna.An auxiliary shaft 78 makes it possible to transmit effect both ways between that of compressor 71 and first turbine rotor 72 common shaft and gear. A combustion chamber 79 is connected between the exhaust box 13 and the first bin rotor 72. Movable guide vanes 80a, b, c, d, can be found here at the inlet to the compressor and at the inlets to the three the turbine rotors.

Då avgasledningar, brännkammare och turbinsystem i stor utsträckning tillverkas av keramiskt material, blir livslängden mycket stor, och komponenterna varar motorns driftstid ut. Detta medför mycket god drifts- och service- ekonomi. Luftlagrade rotorers lagersystem fordrar ej heller något underhåll.Then exhaust pipes, combustion chambers and turbine systems largely made of ceramic material, becomes life is very large, and the components last the engine operating time out. This results in very good operating and service economy. Air bearing rotor bearing systems do not require either some maintenance.

Det keramiska materialet har en specifik vikt av cirka 1/3 av det för stålmaterial, vilket gör konstruktio- nen mycket lätt. På grund av den höga specifika effekten som kan uppnås, kommer motoranläggningens dimensioner att bli små. Avgasturbinerna blir endast ungefär hälften så IDCDCÄR šgzﬂällﬁpir -Ä 8106826-4 stora som vid dagens installationer.The ceramic material has a specific weight of about 1/3 of that for steel materials, which makes the construction very easy. Due to the high specific power which can be achieved, the dimensions of the engine system will be get small. The exhaust turbines are only about half that way IDCDCÄR šgz ﬂ äll ﬁ pir -Ä 8106826-4 large as with today's installations.

Vid en Otto-motor anordnas lämpligen s.k. knack- ningskontrollorgan, som känner eventuella ändringari.tryc- ket icylindern och som vid turboladdning påverkar en ventil i by-pass-ledning. Motorn kan då ständigt fås att arbeta vid så högt BMEP som möjligt, utan knackning. Detta erbju- der även en automatisk anpassning till bränslen med olika oktantal och/eller kvantitet.In the case of an Otto engine, so-called knack- inspection bodies, which are aware of any changes in the ket icylindern and which during turbocharging affects a valve in by-pass line. The engine can then be constantly operated at as high a BMEP as possible, without knocking. This offer there is also an automatic adaptation to fuels with different octane number and / or quantity.

Vatteninsprutning kan även tillämpas, varvid vattnet lämpligen för erhållande av maximal finfördelning tillförs genom dysa före uppladdningsaggregatets kompres- sor.Water injection can also be applied, whereby the water suitable for obtaining maximum atomization supplied through the nozzle before the compressor of the charger sor.

Turbinrotorer av keramiskt material är väl lämpa- de att ta hand om gaser erhållna vid förbränning av fast bränsle, t.ex. kolpulver.Ceramic material turbine rotors are well suited they to take care of gases obtained by the combustion of solid fuel, e.g. carbon powder.

Uppfinningen är icke begränsad till de visade ut- föringsformerna, utan utformning och placering av ingående komponenter kan varieras på många sätt inom ramen för ef- terföljande patentkrav. Det är underförstått att den andra turbinen mycket väl kan vara ansluten.till avloppen från två eller flera spolluftkompressordrivande turbiner vid samma motor.The invention is not limited to the embodiments shown. forms, without the design and placement of the constituent components can be varied in many ways within the scope of the following claims. It is understood that the other the turbine may very well be connected.to the drains from two or more purge air compressor driving turbines at same engine.

Claims

8106826-4 PATENT CLAIMS

Combustion engine device with exhaust gas-bound purge compressor and a second exhaust turbine (HO, 63, 7,2) connected to the exhaust turbine (17, 62, 72) after the engine's gas outlet.

Device according to claim 1, characterized by means (# 8) for supplying fuel between the gas turbine (17) of the charging unit and the other exhaust turbine (# 0).

Device according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the shaft of the second exhaust turbine (# 0) is connected to the crankshaft (Ä5) of the engine via a gear unit (H2), preferably via a mounting mounted thereon. flywheel.

H. Device according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the shaft of the second exhaust turbine (RO) is arranged to drive at least one of the auxiliary devices (47) of the engine.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the charging assembly (17, 18) is arranged with its axis vertically and connected to a number of cylinders in the engine, the means (46, M8) being arranged to supply fuel both to the drain line (12) from the engine and to a combustion chamber (M7, 58) between the two gas turbines. WW Qnz-lzz- * ïft --- J