SE511836C2 - Arrangemang och förfarande för kraftöverföring vid förbränningsmotor - Google Patents

Description

ln! 511 836 10 15 20 25 30 35 2 en till turboaggregatet hörande kompressor. Den andra turbinen är förbunden med motorns vevaxel. Den energi som upptas av den andra turbinen överförs på så vis till vevaxeln, så att ett krafttillskott ges till denna.

Det är även möjligt att koppla de båda aggregaten parallellt i förhållande till varandra. Naturligtvis är det även möjligt att använda en ensam turbin som driver vevaxeln, utan att kombinera den med ett konventionellt turboaggregat.

Dessutom kan ett liknande system utnyttjas för att överföra kraft från vevaxeln till en annan motorkomponent, t.ex. en kompressor som kan anordnas i anslutning till motorns luftintag. I detta fall utnyttjas kraften från vevaxeln i avsikt öka mängden luft som sugs in till motorn.

Gemensamt för de ovannämnda systemen är att de kräver en kraftöverföring, d.v.s. en koppling och. en växel, som anordnas mellan vevaxeln och turbinen (alternativt kompressorn). På så vis kan vevaxelns varvtal, som vid normal drift är c:a 2000 rpm, anpassas till varvtalet hos turbinen (alternativt kompressorn), som normalt är c:a 100000 rpm.

I samband med förbränningsmotorer påverkas vevaxeln på ett pulsartat sätt av kraftimpulser från de olika cylindrarna.

Detta ger upphov till varvtalsvariationer i vevaxeln, vilket i sin tur medför ljudproblem samt en risk för ökat slitage på turbocompoundaggregatet. I synnerhet. medför varvtalsvariationerna en ökad risk för höga kugglaster i transmissioner och en risk för utmattning av turbinernas axlar. Dessutom förstärks varvtalsvariationernas amplitud kraftigt genom utväxlingen i. den ovannämnda kraftöver- föringen. Detta leder till att särskilt höga krav ställs på kraftöverföringen. lO 15 20 25 30 35 |l| 'FH 511 836 3 Kraftöverföringen i ett turbocompoundaggregat kan enligt tidigare känd teknik åstadkommas med någon typ av mekanisk förbindelse. Exempelvis är det från SE 8904374-9 känt att montera ett kugghjul på förbränningsmotorns vevaxel, samt att koppla en i ett turbocompoundaggregat ingående turbin till kugghjulet via ett antal kugghjul och en hydrodynamisk koppling. En sådan hydrodynamisk koppling består av två mekaniskt fristående, skovelliknande organ som kan rotera i förhållande till varandra inuti ett hölje. Dessa organ uppvisar motstående ytor vilka är belägna på ett visst inbördes avstånd, så att det bildas ett spaltformigt mellanrum mellan ytorna. Till mellanrummet matas olja från ett särskiltlnatningssystem. Oljan kan vidare transporteras till ett oljetråg och därefter återanvändas. Vid rotation av det första organet överförs ett vridmoment till det andra organet genom att massan hos den olja som påverkas av det första organet ger upphov till rörelseenergi som i sin tur överför ett moment till det andra organet.

En nackdel med den hydrodynamiska kopplingen är att varvtalsskillnaden mellan det första och det andra organet är relativt stor. Detta ger upphov till en hög förlusteffekt i form av värme som tillförs oljan inuti höljet. Denna förlusteffekt måste kylas bort, vilket i sin tur kräver särskilda åtgärder i form av optimering och dimensionering av kylsystem. Detta är givetvis en nackdel ur kostnads- och packningssynpunkt.

En annan nackdel med den hydrodynamiska kopplingen hänför sig till det faktum att de roterande organen på grund av centrifugalkraften slungar ut partiklar, t.ex. sot, mot höljets innerväggar. Dessa partiklar avsätts på höljets innerväggar och kan i värsta fall sätta igen till- eller frånloppskanalen för oljan.

Detta ger upphov till kostnadskrävande åtgärder. Eftersom avsättningen av partiklar försvårar oljetransporten krävs att oljan 10 15 20 25 30 35 |f;| 511 836 4 filtreras innan den kan återanvändas. Detta skapar i sin tur behov av någon form av oljefilter, som måste utnyttjas för att. så få. partiklar son\ möjligt skall matas in i höljet. Alternativt kan höljets innerväggar förses med någon beläggning, t.ex. teflon, för avstötning av partiklar. Detta utgör också en nackdel eftersom det medför ökade kostnader. nackdel med användningen av de Ytterligare en hydrodynamiska kopplingarna är att de kräver ett förhållandevis stort oljeflöde för att fungera. Detta ställer höga krav på oljeförsörjningssystemet i det fordon i vilket turbocompoundaggregatet används.

Ett annat sätt att dämpa de vid motorns gång uppstående vibrationerna i ett turbokompoundaggregat är att införa någon typ av särskilt dämpningsorgan. Från exempelvis SE 7807407-7 är det tidigare känt att utnyttja ett vibrations- skulle exempelvis packning och kostnad uppnås om inget speciellt dämpande organ. Givetvis fördelar avseende vibrationsdämpande organ krävdes vid överföring av kraften i turbocompoundaggregatet.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN: Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett förbättrat arrangemang för kraftåtervinning ur avgaserna från en förbränningsmotor, varigenom nackdelarna vid tidigare kända arrangemang undanröjs. Detta ändamål uppnås med hjälp av ett arrangemang av i inledningen nämnt slag, vars kännetecknande särdrag framgår av det efterföljande patentkravet 1. Ändamålet uppnås också med hjälp av ett förfarande vars kännetecknande särdrag framgår av det efterföljande patentkravet 9. åtminstone en anordning för Uppfinningen innefattar upptagning av energi ur motoravgaser samt en 10 15 20 25 30 35 511 836 5 kraftöverföring mellan nämnda anordning och en vevaxel hos motorn, varvid nämnda anordning är förbunden med vevaxeln innefattar via kraftöverföringen. Kraftöverföringen kraftöverföringsorgan för överföring av kraft via skjuvkrafterna hos ett visköst medium. Härigenom kan de svängningar som uppstår vid drift av motorn dämpas redan vid störkällan, innan de växlas upp. Dessutom ges en lägre ljudnivå under motorbromsning, samt minskade kugglaster och minskad risk för utmattning av rotoraxlar. Vidare krävs ingen extra filtrering av motorolja, vilket är fallet vid 'användande av en hydrodynamisk koppling. I jämförelse med den tidigare kända hydrodynamiska kopplingen erhålls också bättre verkningsgrad för ett med uppfinningen en turbocompoundaggregat.

Fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen framgår av de efterföljande beroende patentkraven.

FIGURBESKRIVNING: Uppfinningen skall i det följande beskrivas närmare under hänvisning till ett utföringsexempel som visas på de bifogade ritningarna, i vilka: figur 1 visar schematiskt en förbränningsmotor till vilken ett turbocompoundaggregat är inkopplat, figur 2 visar schematiskt en alternativ utföringsform av uppfinningen, figur 3 visar en viskokoppling i genomskärning, och figur 4 visar en tvärsnittsvy genom en vevaxel och en kraftöverföring enligt uppfinningen.

U: lm 511 836 10 15 20 25 30 35 FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER: Den i figur 1 visade förbränningsmotorn 1 driver en utgående axel 2. Motorn 1 har ett utlopp 3 i form av ett grenrör. Genom utloppet 3 leds de i bildade illustrerar ett utlopp 13 avsett för tre cylindrar hos motorns 1 förbränningsrum avgaserna. Fastän figuren motorn l kan uppfinningen även utnyttjas i samband med andra cylinderkonfigurationer. Utloppet 3 avslutas i en kanal, vilken leder förbi ett huvudsakligen konventionellt turboaggregat 4. Turboaggregatet 4 innefattar en första turbin 5 som är anordnad på en axel 6. På axeln 6 finns även anordnad en kompressor 7, vilken drivs av den första turbinen 5 och komprimerar luften vid en till motorn 1 hörande inloppskåpa 9. Den luft som tillförs kompressorn 7 via ett luftintag 8 matas till motorn l genom inloppskåpan 9.

Avgaserna som leds genom avgasröret 3 driver även en andra turbin 10. Avgasströmmen bringar den andra turbinen 10 att rotera, varvid energi förs över från avgaserna. När avgaserna avgivit en del av sin kinetiska energi till den turbinen 10 transporteras de bort andra genom en avgasledning ll.

I enlighet. med uppfinningen är den andra turbinen 10 ansluten till en kraftöverföring 12, vilken i sin tur är ansluten till motorns l utgående vevaxel 2. På så vis överförs kraft mellan den andra turbinen 10 och den utgående axeln 2. Kraftöverföringen 12 innefattar i enlighet med uppfinningen en s.k. viskokoppling, vars uppbyggnad och funktion kommer att beskrivas i detalj nedan. Kraftöverföringen 12 innefattar även en (ej visad) utväxling för att transformera den andra turbinens 10 höga rotationshastighet till en rotationshastighet som är anpassad för motorns 1 vevaxel 2. 10 15 20 25 30 35 fl] *H1 511 856 7 I figur 2 visas ett system liknande det i figur 1. Systemet i figur 2 skiljer sig dock från vad som visas i figur 1 genom att det inte innefattar något konventionellt turboaggregat enligt vad som har beskrivits ovan i Enligt tillhandahålles istället endast en turbin l0', vilken är förbunden med kraftöverföringen l2', vilken i sin tur är anslutning till figur 1. utföringsformen förbunden med en kompressor 7' samt med vevaxeln 2. Energi upptas från avgaserna i avgasröret. 3 och överförs via kraftöverföringen 12' till såväl vevaxeln 2 som kompressorn 7'. Alternativt kan kraften som utvecklas av vevaxeln 2 utnyttjas för att driva kompressorn 7'. Detta kan vara aktuellt när kraft från den utgående axeln 2 skall utnyttjas för att komprimera en förhållandesvis stor mängd luft in till inloppskåpan 9.

I figur 3 visas ett tvärsnitt genom en viskokoppling som företrädesvis anordnas mellan turbocompoundaggregatets turbin och motorns utgående axel (jfr. figur 1, 2 och 3).

Viskokopplingen innefattar ett första delelement 14 samt ett andra delelement 15. Delelementen 14, 15 har formen av koncentriskt anordnade ringar. Det första delelementet 14 uppvisar en första uppsättning lameller 16 medan det andra delelementet 15 uppvisar en andra uppsättning lameller 17.

Lamellerna 16, 17 är koncentriskt anordnade med mellanliggande spaltformiga utrymmen. Delelementen 14, 15 är motställda varandra och anordnade på ett sådant vis att de första lamellerna 16 är inskjutna i utrymmena mellan de andra lamellerna 17, och de andra lamellerna 17 är inskjutna i utrymmena mellan de första lamellerna 16. I den i figur 4 visade Viskokopplingen uppvisar det första delelementet 14 två delelementet 15 naturligtvis möjligt att tänka sig att delelementen har lameller 16, medan det andra uppvisar fyra lameller 17. Det är fler eller färre lameller. 10 15 20 25 30 35 lfgl 511 836 8 De båda delelementen 14, 15 är roterbara i förhållande till varandra. Det första delelementet 14 utgörs av en kropp som kan fästas vid en (ej visad) axel. Kroppen kan därvid antingen utgöra en integrerad del av axeln, eller bestå av en separat kropp som är nwnterad på axeln. Enligt en alternativ utföringsform kan kroppen uteslutas, varvid de första lamellerna 14 är anordnade direkt på axeln.

Det andra delelementet 15 är roterbart. lagrat radiellt utanför det första delelementet 14. Delelementen 14, 15 är anordnade på ett sådant sätt att det bildas ett hålrum 18 mellan lamellerna 14, 15. Hålrummet 18 är fyllt med en viskös vätska, företrädesvis silikonolja. Hålrummet 18 kan vara fyllt med silikonolja till en mängd som uppgår till 70-100% av hålrummets 18 totala volym. I det fall att mängden viskös vätska uppgår till mindre än 100% av den totala volymen utgörs återstoden av hålrummets 18 volym av gas. De båda delelementen 14, 15 är avtätade vid åtminstone en första och en andra yta 19, 20, så att delelementen 14, 15 är roterbara i förhållande till varandra utan att den i hålrummet 18 belägna viskösa vätskan läcker ut eller några oönskade ämnen tränger in i hålrummet 18.

När ett av delelementen 14, 15 roteras överförs ett vridmoment från det roterade delelementet till det andra delelementet genom vätskans viskositet. Närmare bestämt överförs med hjälp av skjuvkrafter en kraft från lamellerna hos det ena delelementet till lamellerna på det andra delelementet, via den viskösa vätskan. Den överförda kraften är beroende av den sammanlagda arean på de motstående ytor som roteras i förhållande till varandra.

Det överförda momentet är vidare omvänt proportionellt mot avståndet mellan två mot varanda stående ytor. De på delelementen 14, 15 anordnade lamellerna 16, 17 tjänar därvid till att öka arbetsarean hos viskokopplingen. För att anpassa viskokopplingens egenskaper till motortyp, 10 15 20 25 30 35 511 836 9 driftsförhållanden etc. kan avståndet mellan lamellerna 16, 17 varieras. Dessutom kan lamellernas 16, 17 area varieras, liksom även dess ytstruktur. Exempelvis ger en mer "skrovlig" yta upphov till en högre skjuvkraft i den viskösa vätskan än en. planslipad. yta. Vidare kan även andelen viskös vätska i förhållande till andelen luft i hålrummet 18 varieras för att anpassa kopplingen till olika driftstyper.

I figur 4 visas mer detaljerat hur en motor är sammankopplad med ett turbocompoundaggregat via en viskokoppling. Figuren visar ett tvärsnitt genom en änddel av motorns vevaxel 21. På vevaxeln 21 finns anordnad en vevaxelförlängare 22, på vilken motorns svänghjul 23 finns monterad.

Viskokopplingen är innesluten i ett hölje 24, vilket också utgör en ytterdel som är roterbart anordnad i förhållande till en innerdel 25. Höljet 24 uppbär åtminstone en, företrädesvis två tätningar 26, 27 anordnade i motsvarande spår 28, 29 i den mot innerdelen 25 anliggande ytan hos höljet 22. Tätningarna 28, 29 syftar dels till att förhindra att vätskan i Viskokopplingen rinner ut och dels till att förhindra att vätskor och andra föroreningar tränger in i Viskokopplingen.

Viskokopplingens innerdel 25 är den del av Viskokopplingen som är förbunden med vevaxeln 21. Innerdelen 25 är försedd med spår 30, eller styrningar, vilka passar mot motsvarande spår eller styrningar på vevaxeln 21 och vevaxelförlängaren 22. Viskokopplingens innerdel 25 är vidare fast förbunden med en första uppsättning lameller 31 (jfr. figur 3), medan höljet 24 är fast förbundet med, en andra uppsättning lameller 32. Höljets 24 yttre del är försedd med kuggar 33 för ingrepp i en kuggtransmission som överför kraft från en i turbocompoundaggregatet ingående turbin. Vidare är 10 15 20 25 30 35 lnl 511 836 10 innerdelen 25 förbunden med vevaxelförlängaren 22 via ett splinesförband 34. På så vis kan kraft överföras genom turbocompoundaggregatet via viskokopplingen och till motorns vevaxel 21. Alternativt kan Vevaxelförlängaren 22 och innerdelen 25 vara utformade som en enda integrerad komponent.

Uppfinningen är inte begränsad till de ovan angivna utföringsformerna, utan kan varieras inom ramen för de efterföljande patentkraven. Exempelvis kan aggregatet enligt uppfinningen utnyttjas för att tillföra kraft såväl till som från motorns vevaxel. Vidare kan det ovannämnda arrangemanget med en viskokoppling arrangeras var som helst i kedjan mellan turbinens 10 axel och vevaxeln 2, d.v.s. den behöver inte vara arrangerad direkt på vevaxeln. Det är dock fördelaktigt om viskokopplingen arrangeras så nära vevaxeln som möjligt, eftersom denna utgör en störkälla.

Placeringen av viskokopplingen beror bl.a. på inbyggnads- krav och tillgängligt utrymme i den aktuella applikationen.

Slutligen gäller att lamellerna i. viskokopplingen inte behöver vara arrangerade som ringformiga element som skjuter in. mot ett hålrum (jfr. figur' 3 och 4), utan lamellerna kan även utgöras av ett antal huvudsakligen cylindriskt formade element som är koncentriskt anordnade kring vevaxeln, med utsträckning i axiell riktning.

Generellt gäller då att hälften av dessa cylinderelement är anordnade vid viskokopplingens hölje och hälften är anordnade vid viskokopplingens innerdel. Den ena änden av respektive cylinderelement är då förbunden med höljet alternativt innerdelen, medan den andra änden av respektive cylinderelement är riktad in mot hålrummet så att ett visst cylinderelement anordnat på höljet skjuter in mellan två cylinderelement anordnade på innerdelen, och vice versa.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 'IN 511 836 11 PATENTKRAV:

1. Arrangemang för överföring av kraft vid en förbrännings- motor (1) innefattande en utgående avgasledning (3), åtminstone en anordning (lO; 10') för upptagning av energi ur avgaser i avgasledningen (3), samt en kraftöverföring (l2; l2') mellan nämnda anordning (lO; 10') och en vevaxel (2) hos motorn (1), varvid nämnda anordning (lO; 10') är förbunden med vevaxeln (2) via kraftöverföringen (l2; l2'), k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda kraftöver- föring (l2; l2') innefattar kraftöverföringsorgan (14, 15) för överföring av kraft via skjuvkrafterna hos ett visköst medium.

2. Arrangemang enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda åtminstone en anordning (lO; 10') för upptagning av energi ur avgaser i avgasledningen (3) innefattar åtminstone en av avgaserna driven turbin (lO; 10').

3. Arrangemang enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t d ä r a v , att den dessutom innefattar ansluten åtminstone en till kraftöverföringen (l2') anordning (7') för komprimering av luft till motorn (1).

4. Arrangemang enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda anordning (7') för komprimering av luft till motorn (1) innefattar åtminstone en kompressor (7').

5. Arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda 10 15 20 25 30 35 511 836 12 kraftöverföring (12; l2') innefattar ett första delelement (l4; 25) anordnat på nämnda vevaxel (2) samt ett andra delelement (15; 24) anslutet till åtminstone en av nämnda anordningar (lO; l0', 7'), varvid de båda delelementen (14, 15; 25, 24) varandra och vardera delelementet (14, 15; 25, 24) är inskjutna i sådant sätt att ett spaltformigt utrymme (18) mellan delelementen (14, 15; 25, 24) är bildat, samt att det spaltformiga utrymmet (18) innefattar nämnda viskösa medium, varigenom rotation av ett av delelementen överför kraft via det viskösa mediet till är roterbart lagrade i förhållande till varandra på ett det andra delelementet.

6. Arrangemang enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att det första delelementet (l4; 25) uppbär en första uppsättning lameller (l6; 31) samt att det andra delelementet (15; 24) uppbär en andra uppsättning lameller (17; 32), varvid lamellerna (16, 17; 31, 32) utgörs av ringformiga element riktade in mot nämnda utrymme (18).

7. Arrangemang enligt.patentkrav 5,1< ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att det första delelementet (l4; 25) uppbär en första uppsättning lameller (l6; 31) samt att det andra delelementet (15; 24) uppbär en andra uppsättning lameller (17; 32), varvid lamellerna (16, 17; 31, 32) utgörs av formade element som är huvudsakligen cylindriskt koncentriskt anordnade kring nämnda vevaxel (2).

8. Arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda utrymme (18) är fyllt med nämnda viskösa medium, varvid andelen visköst medium uppgår till 70-100% av utrymmets (18) totala volym.

9. Arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda viskösa 10 15 20 lff' i 511 836 13 medium utgörs av silikonolja eller motsvarande viskös vätska.

10. Förfarande för överföring av kraft i en förbränningsmotor (1), innefattande: upptagning av energi ur avgaser från motorn (1), samt överföring av kraft mellan en till motorn (1) hörande vevaxel (2) och medel (lO; l0') för nämnda upptagning av energi, via en kraftöverföring (l2; 12') son1 utgör en förbindelse mellan nämnda medel (lO; 10') och nämnda vevaxel (2), kännetecknat därav , att nämnda överföring av kraft sker medelst skjuvkrafterna hos ett visköst medium.

ll. Förfarande enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v , att nämnda överföring av kraft sker med hjälp av en turbin (lO; 10') för upptagning av energi ur avgaser, varvid kraft överförs till vevaxeln (2).

12. Förfarande enligt patentkrav 10 eller 11, k ä n n e - t e c k n a t d ä r a v , att det innefattar komprimering av luft till motorn (1) medelst åtminstone en till kraftöverföringen (l2') ansluten kompressor (7').