SE504089C3 - Metod och arrangemang för reglerad överladdning av en flercylindrig förbränningsmotor - Google Patents

Description

504 089 f Uppfinningens ändamål Uppfinningen har till ändamål att erhålla en enklare och billigare reglering av överladdningen i en flercylindtig förbränningsmotor med hjälp av två avgasdrivna turboöverladdare.

Ytterligare ett är att öka dtiftsäkerheten, genom att minimera antalet reglerande enheter och servon utsatta för haveririsker. Ännu ett är att för V-motorer begränsa avgasrörsdragningen och bibehålla möjlighe- tema till en separering av avgasflödet i åtminstone tvâ flöden från olika cylindergrupper så att avgaspulser som uppståri avgassamlaren från den ena cylindergmppen ej stör genomspolning- en av en cylinderi den andra cylindergruppen. Ännu ett ändamål är att med ett enkelt överladdningsarrangemang erhålla god respons vid låga varvtal och laster såväl som god prestanda vid höga varvtal och laster.

Kort beskrivning av uppfmningen Den uppfinningsenliga metoden uttnärkes av patentkravets 1 kännetecknande del samt arrangemanget för utförande av den uppfinningsenliga metoden utmärkes av patentkravrzs 5 kännetecknande del.

Genom den uppñnningsenliga metoden och arrangemanget erhålles ett överladdningsarrange- mang som är enkelt att reglera, att installera på förbränningsmotom, är kostnadseffektiv um: har hög tillförlitlighet med få rörliga komponenter och som kan ge en åtminstone begransac överladdning för en limp-home funktion om ett överladdningsaggregat skulle haverera.

Dessutom erhålles god respons och prestanda i såväl låg varvs/låg last området som i hog varvs/hög last området. Övriga uppfinningen utmärkande särdrag och fördelar framgår av övriga patentkravs känne- teclcnande delar samt den efterföljande beskrivningen av exemplifierande utföringsexempel.

Beskrivningen av utföringsexempel sker med hänvisning till figtirer angivna i följande ñgurförteckning. ' 504 089 F igurförteclming Fig 1 visar schematiskt ett arrangemang för överladdning av en flercylindrig förbrännings- motor utformad som en radmotor, och i Fig 2 visar schematiskt ett alternativt arrangemang för överladdning av en flercylindri g förbränningsrnotor utformad som en V-motor.

Beskrivning av utfiiríngsexempel I figur l visas en första utföringsform av uppfinningen med en flercylindrig förbränningsmotor 1 där alla cylindrama 2,2' är anordnade på rad. Cylindrama är uppdelade i en första cylinder- grupp med cylindrarna 2 samt en andra cylindergrupp med cylindrarna 2”. Avgaserna fran respektive cylindergrupp samlas upp i åtskilda avgassamlare 3 respektive 3' . Den forsta avgassamlaren 3 leder avgasema från den forsta cylindergruppen till ett första överladdar- aggregat 10 innehållande en av avgaserna driven första turbin ll. Turbinen 11 är vndfast anordnad på en drivaxcl 13 på vilken även en kompressor 12 är anordnad vridfasL van genom den första turbinen driver den forsta kompressorn via drivaxeln 13. Den andra avgassun; .tree 3' leder på motsvarande sätt avgaserna från den andra cylindergruppen till ett andra over laddaraggregat 20 innehållande en av avgaserna driven andra turbin 21. Turbinen 21 a: vridfast anordnad på en drivaxel 23 på vilken även en andra kompressor 22 är anordnad vridfast, varigenom den andra turbinen driver den andra kompressom via drivaxeln lå Avgaserna kan efter att ha passerat turbinerna ll och 21, såsom visas i figur 1, ledas nrnr-.ar i ett gemensamt avgasrör. Alternativt kan avgaserna hållas separerade genom hela ai 5» systemet eller ledas samman först efter andra typer av avgasbehandlingsutrtistninga: sawc ljuddämpare, katalysator-er eller andra typer av avgasreningsutmstriingar.

Andra arrangemang användas exempelvis i compound motorer där ytterligare en avgas- turbin är anordnad efter överladdningsaggregaten 10,20, mottagandes det avgasflöde som redan passerat överladdarnas turbiner 11,21, i vilken compoundmotor den tillkommande turbinen användes för utvinning av ytterligare energi ur avgasema, antingen för att driva en generator eller för att via en mekanisk växel föra ner drivmoment till förbränningsmotoms vevaxel. I dessa compound motorer kan avgaserna hållas separerade ända till compound- turbinens inloppssnäcka, d.v.s att avgaserna från de olika cylindergrupperna samrnanföres först inne i compoundturbinens skovlar. 504 089 ' Iden visade utföringsforrnen i figur 1 försörjes förbränningsmotorns luftfördelrringsrör 5 av båda kompressorema 12, 22. Innan den komprimerade luften når luftfördelningsröret 5 är företrädesvis en laddluftkylare 4,4' anordnad att kyla den genom komprimeringen uppvärmda luften. I ñgur 1 visas två skilda laddluftltylare 4 respektive 4', vilka verkar på luftflödet från den första kompressom 12 respektive den andra kompressom 22. Lufitfördelningsröret 5 är den samlingsvolym från vilken individuella inloppsluftkanaler 6 ansluter till varje cylinders inloppsventiler.

Flödet av komprimerad, och företrädesvis kyld luft, sarnmanföres i en sammankopplingspunlct 40 anordnad omedelbart uppströrns, sett i inloppsluftens flödesriktning, av luftfördelnings- röret 5.

Ienlighet med uppfinningen är endast den första turbinen 11 reglerbar, medan den andra turbinen 21 är en turbin med fast geometri och som kontinuerligt genomströmmas av huvudsakligen allt avgasflöde från den andra cylindergnrppen. Med allt avgasflöde menas allt avgasflöde bortsett från eventuellt delavgasflöde som återledes till fiörbränningsmotorns inloppssida med lämpliga arrangemang (ej visade), så kallad EGR. Sålunda passerar alla de avgaser från den andra cylindergruppen genom turbinen 21, vilka avgaser skall vidareledas och behandlas i avgassystemet, eventuellt med anordnade avgasreningsutmstning, innan dessa avgaser lämnar förbränningsmotom. I figur 1 är den första turbinen en turbin med variabel geometri, vars geometri kan varieras av ett reglerdon 15.

Med turbin med variabel geometri avses turbiner där exempelvis inloppsskenoma är Ställbara för att kunna reglera var avgasflödet matas in till avgasturbinens skovelhjul, men även turbiner där skovlarnas vinkling kan regleras, eller andra reglermetoder där de i avgasturbinen rng°ende komponenterna kan paverkas för att reglera och anpassa avgasemas volymen-iska expansionsarbete i turbinhuset för att därigenom reglera den ur avgaserna utvunna energin.

Regleringen av den första avgasturbinen 11 kontrolleras av en företrädesvis elektronisk styrenhet 30, vilken styrenhet via sensorer 31, 32, 33 detektera olika motor-parametrar såsom laddlufttrycket i luftfördelningsröret, varvtalet på törbränningsmotorn respektive temperaturen, företrädesvis kylvattentemperaturen på förbrânningsmotorn. I styrenheten finns f 504 089 förlagrat program för hur laddlufttrycket kontrolleras och regleras i beroende av de detektera- de motorpararnetrama.

' Då cylindergruppema har ett gemensamt luftfördelningsrör 5 kommer den icke reglerade andra turbinen 21 att bli slavreglerad i beroende av det i luftfördelningsröret 5 rådande och reglerade trycket, vilket tryck bestämmer den luftmängd som matas in i respektive cylinder och som sedemera efter förbränningen i cylindem matas ut på avgassidan.

Det andra överladdningsaggregatets turbin 21 kan därför konstrueras och anpassas för högvarvs- och höglastområdet, där optimal överladdning erhålles vid dessa höga varv respektive laster. En sådan mot högvarvs/höglast ornrådet optimerad andra turbin 21 får dock den nackdelen att den uppvisar sämre respons vid låga varv Qch laster. Då den första turbinen 11 istället är en turbin med variabel geometri, kan istället denna turbin temporärt anpassas till de under låga varv/laster rådande förhållanden, och genom påverkan på dess geometri göras för att anpassa sig till de lägre avgasflödena och därigenom erhålla en förbättrad respons. Härigenom kan förbränningsmotoms överladdning åstadkommas till låg kostnad men med bibehållna egenskaper med avseende på god respons samt hög överladdning vid låga varvtal och laster respektive vid höga varvtal och laster. Överladdningsaggregat med variabel geometri är väsentligen mycket dyrare än fasta överladd- ningsaggregat med konstant geometri och utan reglering. Ökad driftsäkerhet erhålles även då det andra fasta överladdningsaggregatet 20 ej är lika utsatt för haveririsker som ett över- laddaraggregat med variabel geometri, vilket medför att en viss överladdning ändock kan bibehållas om överladdaraggregatet med variabel geometri skulle haverera.

I syfte att förbättra systemet och motverka att komprimerad luft med högre tryck från det reglerade överladdaraggregatet strömmar baklänges upp i luftledningarna till den icke reglerade överladdaraggregatets 'kompressor 22 kan olika flödespåverkande anordningar integreras i sammankopplingspunkten 40. I figur 1 finns en reglerbar trottel 41 i sammankop- plingspunkten 40. Trotteln är vridbar rtmt en led 42 på så sätt att den flöjlar i strömningen och kan regleras av styrenheten 30 med ett reglerorgan 43 parallellt med regleringen av rurbinen _ 11. I en altemativ variant kan trotteln regleras i beroende av tryckdifferansen mellan lufkanalerna 14 respektive 24. l0 504 Û89 ' I en icke visad variant kan den luftkanal 14,24 som befordrar luft med det lägre trycket ansluta i en sammankopplingspunkt som är utformad som en ejektor, så att luftflödet med det eventuellt reglerade högre trycket drar med sig luftflödet med det lägre trycket. Ett annat altemativ är att låta luftkanalerna 14,24 ansluta till luftfördelningsröret 5 så långt från varandra som möjligt, exempelvis i luftfördelningsrörets 5 motsatta Härigenom kommer den luft som befordras i den luftkanal 14 eller 24 som har ett relativt sett högre tryck att expandera ut i luftfördelningsröret och reducera sitt relativa högre tryck.

I figur 2 visas en andra utfliringsforrn av uppfinningen där med figur 1 motsvarande kompo- nenter har samma hänvisningssiffror. Här är uppfinníngen implementerad på en flercylindrig förbränningsmotor 1 där cylindrar-na 2,2' är anordnade i två cylinderbankar, företrädesvis i en V-motor där cylinderbankarna är anordnade i vinkel relativt varandra. Cylindrar-na är uppdelade i en första cylinderbank, härefter benämnd den forsta cylindergruppen med cylindrar-na 2, samt en andra cylínderbank, härefter benämnd den andra cylindergrupp med cylindrar-na 2'. Liksom i figur 1 samlas avgaserna från respektive cylindergrupp upp i åtskilda avgassamlare 3,3 ' . Den första avgassarnlaren 3 leder avgaserna från den första cylindergmp- pen till ett första överladdaraggnegat 10 innehållande en av avgaserna driven första turbin ll.

Turbinen ll är vridfast anordnad på en drivaxel 13 på vilken även en kompressor 12 är anordnad vridfast, varigenom den första turbinen driver den första kompressom via drivaxeln 13.

Den andra avgassamlanen 3' leder på motsvarande sätt avgasema från den andra cylindergrup- pen till ett andra överladdaraggregat 20 innehållande en av avgasema driven andra turbin 21.

Turbinen 21 är vridfast anordnad på en drivaxel 23 på vilken även en andra kompressor 22 är anordnad vridfast, varigenom den andra turbinen driver den andra kompressorn via drivaxeln 23.

Med uppfinningen implementerad på en V-motor med cylindergnlppsrader anordnade i vinkel relativt varandra kan avgasrörsdragning samt inloppsluftröret/luftfördelningsröret placeras på ett optimalt sätt så att det gemensamma luftfördelningsröret 5 är anordnat mellan cylinderg- rupperna, och att avgassamlama för respektive cylindergrupp är anordnade utvändigt av de som ett V anordnade cylindergruppema. Avgasturbinen för respektive eylinderrad kan då placeras nära sin avgassamlare vid respektive cylinderradsände samtidigt som respektive __ 504 089 kompressor kan placeras invändigt om turbinerna för matning av komprimerad förbrän- riingsluft till det gemensamma luftfördelningsröref 5, eventuellt via matningsledningar vilka dras till en laddluftkylare eventuellt anordnad vid motsatt ände av cylinder-raderna.

Avgasema kan efter att ha passerat turbinema 11 och 21 ledas samman i ett gemensamt avgasrör, såsom visats i figur 1 eller hållas separerade genom hela avgassystemet alternativt ledas samman först efter andra typer av avgasbehandlingsutrustningar såsom ljuddämpare, katalysatorer eller andra typer av avgasreningsutrustningar.

Iden visade utföiingsfonnen i figur 2 försörjes förbränningsmotorris luftfördelriingsrör 5 av båda kompressorema 12, 22. Innan den komprimerade luften når1uftförde1ningsröret5 är företrädesvis en laddluftltylare 4 anordnad attkyla den genom kompiimeringen uppvärmda luften. I figur 2 visas en laddluftkylare vilken verkar på det sammanförda luftflödet från den första kompressom 12 sarnt den andra kompressom 22.

Flödet av komprimerad luft, sammanföres i en sammarikopplingspunkt 40 vilken i figur 2 är anordnad omedelbart uppströms av laddluftkylaien 4, sett i inloppsluftens flödesriktriing.

I enlighet med uppfinningen är endast den första turbinen 11 reglerbar, medan den andra turbinen 21 är en turbin med fast geomelri och som kontinuerligt genomströmmas av huvudsakligen allt avgasflöde från den andra cylindergruppen. I figur 2 har den första turbinen en förbiledningskanal 17, så kallad by-pass, anordnad förbi den första turbinen 11. I by-pass kanalen 17 är anordnad en reglerventil 16 vars öppningsgiad kan varieras av ett reglerdon 15 på konventionellt sätt. Reglerventilen 16 kan antingen regleras genom puls- breddmodulering eller genom proportionell öppning av reglerventilen 16. Med pulsbreddmo- dulering avses en reglering där reglerventilen under en bestämd regierperiod slår mellan fullt öppet och stängt läge, men där proportionerna eller pulsbredden av den under perioden aktiverade öppningstiden kan regleras. Den andel av avgasema från den första avgassamlanen 3 som förbiledes den första turbinen 11 kan härigenom regleras och således även omvänt proportionellt den från avgasema utvunna energin för drivning av turbinen 11.

Regleringen av den första avgasturbinens 11 reglerventil 16 kontrolleras av en företrädesvis elektronisk styrenhet 30, vilken styrenhet via sensorer 31, 32, 33 detekterar olika 504 089 ' motorparametrar såsom laddlufttrycket i luftfördelningsröret, varvtalet på förbränningsmotom samt temperaturen på förbränningsmotom. I styrenheten finns förlagrat program för hur laddlufttrycket kontrolleras och regleras i beroende av de detekterade motorpararnetrarria Då cylindergruppema har ett gemensamt luftfördelningsrör 5 kommer den icke reglerade andra turbinen 21 i figur 2 på samma sätt som i figur 1 att bli slavreglerad i beroende av det i luftfördelningsröret 5 rådande och reglerade trycket. Det andra överladdningsaggregatets turbin 21 kan därför konstrueras och anpassas på ett motsvarande sätt som i arrangemanget visat i figur 1. Då den första turbinen 11 istället är en turbin med by-pass reglering, kan avgasflödet förbiledas denna turbin i varierande grad under exempelvis höga varv och laster.

Den första turbinen med by-pass reglering kan därför optimeras för snabb respons, d.v.s vara anpassad för lägre avgasflöden och därigenom erhålla en förbättrad respons. Härigenom kan förbränningsmotorns överladdning med ett arrangemang i enlighet med figur 2 liksom med den i figur 1 visade utföringsformen åstadkommas till låg kostnad men med bibehållna egenskaper med avseende på god respons samt hög överladdning vid låga varvtal och laster såväl som vid höga varvtal och laster. Överladdningsaggregat med by-pass reglering och reglerdonen härför är väsentligen mycket dyrare än fasta överladdningsaggregat med konstant geometn' och utan reglering. Ökad driftsäkerhet erhålles även då det andra fasta över- laddningsaggregatet 20 ej är lika utsatt för haveririsker som ett överladdaraggregat med by- pass reglering, vilket medför att en viss överladdning ändock kan bibehållas om överladda- raggregatet med by-pass reglering skulle haverera Arrangemanget visat i figur 2 kan på ett motsvarande sätt som i figur 1 förses med olika flödespåverkande anordningar integrerade i sammankopplingspunkten 40 i syfte att förhindra att komprimerad luft med högre tryck strömmar upp baklänges mot den kompressor som levererar det lä_gne, reglerade trycket, i figur 2 den kompressor 12 som drivs av den by- passningsbara turbinen l 1.

Uppfinningen är ej till utföringsformema visade på figur l eller 2, utan kan modifieras på ett flertal sätt inom ramen för patentkraven. Exempelvis kan en enda laddluftkylare anordnas i figur 1 med en sarnmankopplingspunkt 40 istället anordnad omedelbart uppströrns av laddluftkylaren, sett i inloppsluftens flödesriktníng. På omvänt sätt kan laddluftlcylaren i figur 2 vara försedd med en skiljevägg 8, vilken är streckmarkerad i figur f 504 089 2, varigenom laddluften kan hållas separerad genom laddluftkylaren och istället omcdelban uppströms av luftfórdelningsröret 5 sammanfóras.

Claims (10)

10 15 25 504 089 _ - 10 Patentkrav

1. Metod för överladdning av en flercylindri g förbränningsmotor (1) där cylindrarna (2,2) ingåri en första och en andra cylindergrupp, där avgasflödet från den första cylindergruppen driver en första avgasturbin (11) i ett första överladdningsaggregat ( 10) och avgasflödet från den andra cylindergruppen driver en andra avgasturbin (21) i ett andra överladdningsaggregat (20), och där respektive överladdningsaggregat (1020) innefattar en av respektive avgasturbin (11 resp. 21) driven kompressor (12 resp. 22) vilken försörjer förbränningsmotorns inloppssystem med förbränningsluft med förhöjt tryck kännetecknad av att endast avgasflödet från den ena cylindergruppen vilket passerar genom en av avgasturbinerna regleras i beroende av aktuella detekterade rnotorparametrar, medan den andra avgasturbinen är en fullflödesttirbm med fast geometri varigenom i huvudsak hela avgasflödet från den andra cylindergruppen i alla driftfall passerar genom den andra avgasturbinen.

2. Metod enligt patentkrav 1 kännetecknad av att avgasflödet från den ena cylindergruppen vilken passerar genom den reglerade avgasturbinen, regleras i beroende av aktuella detekterade motorparametrar genom att turbinens geometri regleras.

3. Metod enligt patentkrav 1 kännetecknad av att avgasflödet från den ena cylindergruppen vilken passerar genom den reglerade avgasturbinen, regleras i beroende av aktuella detekterade motoxparametrar genom att flödet kan förbiledas denna turbin i varierande grad.

4. Metod enligt patentkrav 1,2 eller 3 kännetecknad av att förbränningsmotoms båda cylindergrupper försörjes var och en med fórbränningsluft från både det första samt det andra överladdningsaggregatets kompressor. f 504 089 11

5. Arrangemang för överladdning av en flercylindn' g förbränningsmotor (1) där cylindrarna (2,2') ingår i en första och en andra cylindergrupp, där avgasflödet från den första cylindergruppens cylindrar (2) leds i en första avgassamlare (3) till en första avgasturbin (11) i ' ett första överladdningsaggregat ( 10) för drivning av den första turbínen och där avgasflödet 5 från den andra cylindergruppens cylindrar (2') leds i en andra avgassarnlare (3 '), separerad från den första avgassamlaren, till en andra avgasturbin (21) i ett andra överladdningsaggregat (20) för drivning av den andra turbínen, och där respektive överladdningsaggregat (1020) innefattar en av avgasturbínenfldriven kompressor (12 resp. 22) vilken försörjer förbränningsmotoms inloppssystem med 10 förbrämiingsluft med förhöjt tryck kännetecknad av att den första turbínen (11) innefattar ett flödet genom turbínen påverkande organ (15 ,A,B / 15,16) vilket organ styrs av en styrenhet (30) i beroende av till styrenheten anordnade sensorer (31,32,33) detekterande förbränningsmotoms drifttillstånd, varigenom det ur den första turbínen (ll) uttagna arbetet kan regleras för reglering av den av den första turbínen (1 1) drivna kompressom (12), 15 att ett inlopp (29) till den andra turbínen (21) är anslutet till den andra cylindergruppens g avgassamlare (3 '), vilken avgassarnlane (3 ') lederi huvudsak alla avgaser från den andra cylindergruppen till den andra turbinens inlopp (29) och att den andra turbínen (21) har en väsentligen konstant icke föränderlig geometri, varigenom avgasemas flödesväg från den andra cylindergruppen och dessa avgasers 20 volymetriska expansion i den andra turbínen bibehâlles konstant under huvuddelen av förbränníngsmotorns drlftområde.

6. Arrangemang enligt patentkrav 5 kännetecknad av att det den första turbínen (11) påverkande organet (15,A,B) utgöres av en på den första turbinens geometri reglerande 25 servoanordníng styrd av styrenheten (30), varigenom avgasemas flödesväg genom turbínen och/eller volymetrisk expansion kan regleras i beroende av förbränningsmotorns dtifttillstånd. 504 089 ' 12

7. Arrangemang enligt patentkrav 5 kännetecknad av att det den första turbinen påverkande organet (15,16) utgöres av en forbi den första turbinen (11) anordnad by-pass kanal (17) med en i by-pass kanalen anordnad reglerventil ( 16) styrd av styrenheten (30) varigenom andelen avgaser från den första cylindergruppens cylindrar (2) som passerar genom 5 den första turbinen (11) alternativt förbiledes den första turbinen kan regleras i beroende av fórbränningsmotoms drifttillstånd.

8. Arrangemang enligt patentkrav 5, 6 eller 7 kärmetecknad av att förbränningsmotorns luftfordelningsrör (5) är gemensamt med båda cylíndergruppemas cylindrar (2,2') åtminstone i 10 anslutning till cylindrarnas (2,2') individuella luftinlopp (6), vilket luftfordelningsrör (5) försöxjes av komprimerad fórbränningsluft från båda överladdningsaggregatens kompressorer ( 12,22).

9. Arrangemang enligt patentkrav 8 kännetecknad av att i förbränningsmotorns 15 inloppssystem nedströms kompressorerna (12,22), sett i inloppsluftens flödesriktning, i sammankopplingspunkten (40) mellan luftflödena från den första och den andra kompressom (12 resp. 22), är anordnat ett flödespâverkande organ (41) vilket motverkar att komprimerad luft från den av kompressorema som levererar forbränningsluft med högst tryck från att förhindra strömning av komprimerad luft från den av kompressorema som levererar 20 fórbränningsluft med relativt sett lägre tryck från att strömma till sammankopplingspunkten (40).

10. Arrangemang enligt patentkrav 8 eller 9 kännetecknad av att förbränningsmotorn utgöres av V-motor med cylindrama anordnade i tvâ cylindergnipper med cylindrar-na i varje 25 cylindergrupp anordnade i rad, vilka cylindergruppsrader är anordnade i vinkel relativt varandra, att det gemensamrna luftfördelningsröret (5) är anordnat mellan cylindergrupperna, och att avgassamlarna (3,3') fór respektive cylindergrupp är anordnade utvändigt av de som ett V anordnade cylindergmppema.