SE513916C2 - Anordning för överföring av avgaser från en överladdad förbränningsmotors avgassamlare till dess inloppsledning - Google Patents

Description

W U 20 25 30 35 515 916 2 kortvägssystem. I långvägssystemen tas erforderlig mängd EGR- gaser ut nedströms turboaggregatets turbin och förs in upp- ströms aggregatets kompressor. I kortvägssystemen tas EGR- gaserna ut uppströms turbinen, nämligen via en överföringsled- ning som är ansluten till motorns inloppssida i en punkt belä- gen någonstans nedströms kompressorn. I överföringsledningen finns en reglerventil med uppgift att reglera mängden avdragen EGR-gas, vanligen i beroende av parametrar som representerar motorns driftstillstànd. Ett problem vid just kortvägssystemen är att om turboöverladdningen görs effektiv kommer trycket hos laddningsluften i inloppsledningen att bli högre än gastrycket i avgassamlaren. Detta innebär att någon form av tryckökande eller sugande medel måste användas för att tvinga in EGR- gaserna i inloppsledningen. Ett tidigare tillämpat sätt att suga in EGR-gaserna i inloppsledningen är att anordna ett ven- turidon av ingressvis angivet slag. I den trånga, midjeartade sektionen i en venturikanal blir hastigheten hos en passerande gas hög samtidigt som det statiska gastrycket blir lågt, vil- ket medför att EGR-gaserna kan sugas in från avgassamlaren via överföringsledningen. Den nedströms midjesektionen befintliga utloppssektionen divergerar i riktning nedströms och tjänar som en diffusor, vilken bromsar gasen. På så sätt återfår laddningsluften en viss del av sitt ursprungliga tryck sedan den blandats med EGR-gaser och passerat midjesektionen.

Ett annat sätt att tvinga in EGR-gaserna i laddningsluf- ten är att helt sonika pumpa in EGR-gaserna med hjälp av en pump.

Ett särskilt problem som är förknippat med användningen av ett venturidon för insugning av EGR-gaserna är att ladd- luftflödet och tryckförhàllandena mellan avgassamlaren och inloppsledningen varierar i beroende av förbränningsmotorns olika lastfall. Ett sätt att lösa just detta problem är att venturikanalen konstrueras med en trängsta midjesektion som är tillräckligt liten för att kunna suga erforderlig mängd EGR- gaser i samtliga lastfall. För att begränsa mängden EGR-gas i alla andra lastfall förs en viss mängd av laddluften förbi eller utanför venturidonet via en särskild bypass-ledning. En nackdel med dylik förbiledning av laddluften är emellertid att 10 15 20 25 30 35 513 916 3 tryckàteruppbyggnad ej kommer till stånd och att venturidonet får dålig verkningsgrad.

En annan lösning av problemet med varierande lastfall är att utföra venturidonet med en elastiskt deformerbar kanalvägg i området av den trånga midjesektionen samtidigt som EGR-ga- serna förs in i centrum av venturikanalen, närmare bestämt via ett fast anordnat injektorrör. Denna problemlösning har offentliggjorts under benämningen VARIVENT, och bygger på användning av gummi eller liknande elastiskt material i kanal- väggen i anslutning till kanalens midjesektion, vilkens tvär- snittsarea kan varieras genom att den elastiska kanalväggen pàförs varierande yttre krafter, tex med hjälp av tryckluft.

En konstruktion av detta slag blir emellertid i praktiken komplicerad och dyrbar, vartill kommer att gummimaterialet får begränsad livslängd i den hårda miljö i vilken kanalväggen ständigt arbetar genom omväxlande kontraktion och expansion.

Uppfinningens syften och särdrag Föreliggande uppfinning tar sikte på att undanröja ovan- nämnda olägenheter hos tidigare kända anordningar för EGR-gas- överföring och skapa en förbättrad överföringsanordning. Ett grundläggande syfte med uppfinningen är att skapa en överfö- ringsanordning med ett venturidon som är konstruktivt enkelt och långsiktigt motstàndskraftigt mot den gasmiljö i vilken donet verkar. Ett ytterligare syfte är att skapa en anordning som fungerar på ett tillförlitligt sätt och som möjliggör fin reglering av mängden EGR-gaser i den till motorn tillförda laddningsluften även vid snabbt växlande lastfall för motorn.

Det är även ett syfte att skapa en gasöverföringsanordning i vilken själva venturidonet är kompakt och tar litet inbygg- nadsutrymme i anspråk.

Enligt uppfinningen nås åtminstone det grundläggande syftet medelst de särdrag som är angivna i patentkravets l kännetecknande del. Fördelaktiga utföranden av uppfinningen är vidare definierade i de osjälvständiga patentkraven.

Ytterligare belysning av teknikens ståndpunkt I US 5333456 visas en avgasöverföringsanordning med ett venturidon i inloppsledningen för laddningsluft mellan ett 10 15 20 25 30 35 513 916 4 överladdningsaggregats kompressor och motorn, varvid tillför- seln av EGR-gaser till sagda ledning regleras med hjälp av ett axiellt rörligt reglerorgan. I detta fall har emellertid re- glerorganet formen av en pá en stång applicerad ventilkägla anordnad i en förträngning i överföringsledningen för EGR- gaserna, varvid dessa EGR-gaser förs in radiellt i huvudin- loppsledningen för laddningsluften, närmare bestämt i en punkt belägen nedströms venturidonets midjesektion, dvs i diffusor- delen av venturidonet.

Kort beskrivning av bifogade ritningar Pà ritningarna är: Fig l en schematisk sammanställningsvy av en uppfinningsenlig anordning visad i anslutning till en förbränningsmotor, Fig 2 en förstorad längdvy genom ett venturidon och ett upp- ströms detta befintligt parti av en till motorn ansluten inloppsledning för laddningsluft, och Fig 3 en mot fig 2 svarande längdsektion visande ett andra, alternativt utförande av den uppfinningsenliga anord- ningen.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföranden av uppfinning: EE I fig l betecknar l generellt en förbränningsmotor av kolvmotortyp, som inbegriper ett flertal cylindrar 2. I prak- tiken kan denna motor utgöras av exempelvis en fyrtakts die- selmotor avsedd för tyngre fordon såsom lastbilar, bussar eller liknande. På en utloppssida uppvisar motorn 1 en avgas- samlare 3, som kan ha högst skiftande utformning, men som inbegriper ett antal grenledningar eller kanaler anslutna till en samlingsledning för evakuering av motorns avgaser. På motorns inloppssida finns en i sin helhet med 4 betecknad inloppsledning för tillförsel av laddningsluft eller -gas till motorns olika cylindrar via grenkanaler.

För àterföring av avgaser eller EGR-gaser från avgassam- laren 3 till motorns inloppssida är anordnat ett i sin helhet med 5 betecknat turboaggregat, som på gängse sätt inbegriper dels en turbin 6, dels en kompressor 7. Ett i turbinen verkan- de turbinhjul 8 är via en axel 9 vridstyvt förbundet med ett W U 20 25 30 35 513 916 5 kompressorhjul 10 i kompressorn 7. Från avgassamlaren 3 ström- mar motorns avgaser ut genom ett avgasrör 11 (med en icke visad ljuddämpare), varvid avgaserna under sin passage genom turbinen 6 försätter turbinhjulet 8 i rotation. tionsrörelse överförs via axeln 9 till kompressorhjulet 10, Denna rota- som utifrån suger in och komprimerar frisk, företrädesvis filtrerad tilluft via en yttre inloppsledningsdel 12.

Mellan avgassamlaren 3 och motorns inloppssida sträcker sig en överföringsledning 13 med vars hjälp en viss mängd EGR- gaser kan vid behov överföras från avgassamlaren till motorns inloppssida. I denna ledning 13 finns dels en avstängningsven- til 14 med vars hjälp ledningen kan stängas av eller hållas öppen, dels en kylare 15 för kylning av den från avgassamlaren uttagna gasen. I praktiken samverkar ventilen 14 med sensorer och styrmedel som bestämmer ventilens funktionstillstànd i be- roende av parametrar som representerar motorns aktuella driftstillstånd eller lastfall.

Gasöverföringsledningen 13 är ansluten till ett i in- loppsledningen 4 ingående venturidon generellt betecknat 16.

Den del av inloppsledningen 4 som är belägen uppströms ventu- ridonet 16 är betecknad 4', medan den nedströms venturidonet befintliga delen av ledningen betecknas 4". I ledningsdelen 4' är anordnad en andra kylare 17 för kylning av den intagna laddningsluft som komprimeras av kompressorn 7 och som dà värms upp och samtidigt bibringas ett jämförelsevis högt tryck. Venturidonets 16 allmänna uppgift är att suga in EGR- gaser från avgassamlaren i den i inloppsledningen 4 passerande laddningsluften under övervinnande av det högre gastrycket i inloppsledningen.

Såsom framgår av fig 1 i kombination med fig 2 utgörs venturidonet 16 av ett rörstycke med ett centralt hålrum 18 som avgränsas av tre olika ytor eller väggar, nämligen en jäm- förelsevis tràng midjesektion 19, en avsmalnande och i gas- strömningsriktningen konvergerande inloppssektion 20 samt en likaledes avsmalnande, ehuru i riktning nedströms divergerande utloppssektion 21. Midjesektionen 19, snittsarea, har i praktiken vanligen formen av en cylindrisk som har en minsta tvär- yta med viss längdutsträckning, ehuru det teoretiskt även är tänkbart att förläna denna sektion annan tvärsnittsform än 10 15 20 25 30 35 513 916 6 just cirkulär, tex oval. Den divergerande formen hos utlopps- sektionen 21 kan med fördel konstitueras av en genuint konisk yta. För att utloppssektionen skall kunna tjäna såsom en dif- fusor för den passerande gasen får konvinkeln hos denna yta ej överskrida storleksordningen 3,5-5° (dubbla konvinkeln = 7- lO°). Även inloppssektionen 20 kan utgöras av en åtminstone partiellt konisk yta. Denna sektion kan dock vid uppströmsän- den övergå i trumpetartad form (ej visad).

I det i fig 2 visade utförandeexemplet utgör rörstycket 16 en integrerad del av inloppsledningen 4, närmare bestämt genom att vid motsatta ändar vara förbundet med ledningsdelar- na 4' resp 4", tex via flänsförband 22. Det må i detta samman- hang påpekas att såväl rörstycket 16 som övriga rördelar ingå- ende i inloppsledningen 4 med fördel är förfärdigade av metall eller annat stelt, motståndskraftigt material.

Så långt den i fig 1 och 2 visade anordningen hittills beskrivits är densamma i allt väsentligt tidigare känd.

Nytt och karaktäristiskt för föreliggande uppfinning är att i venturikanalens 18 inloppssektion är anordnat ett sär- skilt reglerorgan i form av ett injektorrör 23 som uppvisar en fri främre ände 24, vilken tillsammans med den omgivande vägg eller yta 20 som definierar kanalens inloppssektion avgränsar en ringformig passage 25 genom vilken laddningsluft från komp- ressorn passerar. I enlighet med den grundläggande uppfin- ningstanken är röret 23 och venturidonet axiellt rörliga rela- tivt varandra för att vid behov omställa eller variera den ringformiga passagens 25 tvärsnittsarea och därmed den mängd EGR-gaser som sugs in i och blandas med laddningsluften.

Vid utförandet enligt fig 2 är injektorrörets 23 bakre ände ansluten till eller ingår i överföringsledningen 13. När- mare bestämt är röret 23 förskjutbart lagrat i en hylsartad hållare 26 som är fast anbragt utanpå ledningsdelen 4', vilken i detta område har formen av ett knärör. I hàllaren 26 ingår en eller flera tätningar 27 som säkerställer gastäthet i gränsytan mellan injektorröret och hållaren. Vid sin bakre ände är injektorröret 23 anslutet till en mekanism 28 (se fig l) med vars hjälp injektorröret kan förflyttas axiellt fram och åter. Denna förflyttningsmekanism 28 kan i praktiken för- verkligas på olika sätt, t ex i form av en lineärmotor, en W U 20 25 30 35 5137916 kuggstàngsmekanism eller en skruvmekanism. Den bakre änden av injektorröret kan, såsom antyds i fig 1, vara instucken i och tätad mot en i hàllaren 26 ingående fattning till vilken själva ledningsröret 13 är anslutet. Det är även tänkbart att ansluta injektorröret 23 till ledningsröret 13 via ett mellan- liggande, flexibelt slangstycke som förmår uppta injektorrö- rets axiella rörelser.

I praktiken kan såväl venturikanalens 18 som det gasreg- lerande injektorrörets 23 dimensioner variera inom tämligen vida gränser. Såsom konkreta exempel på tänkbara dimensioner kan dock följande nämnas: Venturiröret 16 kan ha en ytterdia- meter av 60 mm och en innerdiameter som i den trånga midjesek- tionen 19 kan uppgå till 30 mm. Härvid kan de anslutande rör- delarna 4', 4" ha en ytterdiameter av 60 mm och en innerdiame- ter av 50 mm. Detta innebär att den konvergerande inloppssek- tionen 20 har en största diameter av 50 mm. Härvid kan inloppssektionens 20 längd ligga inom området 50-60 mm. Under dylika förhållanden kan injektorröret 23 ha en ytterdiameter av storleksordningen 20-22 mm samt en slaglängd av ungefär 30 mm. I fig 2 visas injektorröret 23 med heldragna linjer i ett bakre ändläge, medan rörets främre ändläge antyds med strecka- de linjer. Härav framgår att den främre änden av injektorröret 23 i det främre, inskjutna ändläget lokaliseras ungefär i området av övergången mellan den koniska inloppssektionen 20 I detta läge har I det och den cylinderformade midjesektionen 19. den ringformiga passagen 25 minimal tvärsnittsarea. bakre ändläget är injektorrörets främre ände lokaliserad unge- fär mittemellan inloppssektionens 20 båda motsatta ändar. I detta tillstånd har ringpassagen 25 maximal tvärsnittsarea.

Då det ställbara injektorröret 23 är inskjutet till sitt inre ändläge har den ringformiga passagen 25 en tvärsnittsarea som är tillräckligt liten för att EGR-gaser från avgassamlaren skall drivas eller sugas in i inloppsledningen i sådana last- fall då laddningsluftflödet till motorn är lågt och gastrycket uppströms venturidonet är högt i jämförelse med gastrycket i avgassamlaren. När injektorröret därefter dras ut till det yttre ändläget - eller något mellanvarande inställningsläge - ökas ringpassagens 25 tvärsnittsarea för att driva EGR-gaser från avgassamlaren till motorns inloppssida vid ett högre 10 15 20 25 30 35 513 916 8 laddningsluftflöde och en lägre tryckdifferens mellan avgas- samlaren och inloppsledningen utan att därför skapa något större tryckfall över venturidonet.

Av fig 2 framgår hurusom injektorrörets 23 främre ände t ex konisk form, för att mot- 24 med fördel kan ha snedfasad, verka turbulensfenomen i samband med att den inkommande ladd- ningsluften passerar röränden.

Av ovanstående beskrivning framgår att utförandet enligt fig 2 använder sig av ett fast venturirör och ett rörligt injektorrör 23 för att förverkliga den axiella relativrörelsen mellan venturidonet och reglerorganet. I fig 3 visas ett alternativt utförande vid vilket injektorröret 23 är fast anordnat och ett venturidon rörligt anordnat. I detta fall utgörs venturidonet av ett rörstycke 16' som är anordnat inuti ett yttre ledningsrör, t ex ledningsdelen 4", och rörligt fram och åter relativt detta. I fig 3 visas schematiskt hurusom rörstycket 16' inbegriper en medbringare 29 som sträcker sig genom en långsmal slits 30 i rördelen 4". Med hjälp av en lämplig mekanism, t ex en skruvmekanism, kan medbringaren 29 föra rörstycket fram och åter. På ömse sidor av slitsen 30 finns tätningar 31 för att undvika läckage av gas genom slit- sen.

I ett föredraget utförande av uppfinningen är i över- föringsledningen 13 anordnat ett schematiskt visat gaspulskon- verteringsdon 32 med uppgift att maximera det statiska gastrycket i denna ledning. I praktiken kan detta don på i och för sig känt sätt innefatta en trattformig konstruktion som underlättar gasflöde i riktning från avgassamlaren mot ventu- ridonet, men motverkar flöde i motsatt riktning. I detta sam- manhang må även påpekas att det parti 13' av överföringsled- ningen 13 som är anslutet till avgassamlarröret 3 med fördel kan sträcka sig i begränsad, spetsig vinkel mot röret 3. Exem- pelvis kan spetsvinkeln mellan röret 3 och ledningspartiet 13' ligga inom området 15-30°. I exemplet enligt fig l antyds huru- som ledningspartiet 13' mynnar direkt i rörets 3 vägg. Det är emellertid även tänkbart att utforma ledningspartiet 13' med ett i det grövre röret 3 instickande pitotrör.

Claims (4)

N U 20 25 30 35 \o -..Ä m 513 9 Patentkrav

1. Anordning för överföring av avgaser från en överladdad för- bränningsmotors avgassamlare (3) till dess inloppsledning (4), innefattande ett överladdningsaggregat (5) med en till avgas- samlaren ansluten turbin (6), vilkens turbinhjul är roterbart med hjälp av strömmande avgaser från avgassamlaren och dri- vande förbundet med ett kompressorhjul i en i inloppsledningen (7), som är ansluten till dels en yttre inloppsledningsdel (12) med hjälp av kompressorhjulet, dels sagda inloppsledning (4) (1), samt sig (4) anordnad kompressor för insugning av luft utifrån för matning av trycksatt laddningsluft till motorn och inloppsledningen (4) sträckande överföringsledning (13) för att vid behov överföra avgaser från avgassamlaren till inloppsledningen i och för inblandning i laddningsluften innan denna matas till motorn, är anordnat ett venturidon (16, l6') av det slag som innefattar en kanal (18), sas av dels en midjeartad sektion (19) med en minsta tvär- dels två sektioner med avsmalnande form, belägen uppströms midje- en mellan avgassamlaren (3) varvid i inloppsledningen (4) vilken avgrän- snittsarea, nämligen en konvergerande inloppssektion (20) sektionen och en såsom diffusor verkande, divergerande utloppssektion (21) belägen nedströms densamma, överföringsledningen (13) mynnar uppströms midjesektionen i kanalen för att avgaser från avgassamlaren skall sugas in i den trycksatta laddningsluften i inloppsledningen (4) genom k ä n n e t e c k n a d därav, att i kanalens (18) inloppssektion (20) är anordnat ett till överföringsled- ningen (13) anslutet injektorrör (23, 23') öppen ände som jämte omgivande kanalvägg avgränsar en ringformig (25) för laddningsluften, och att injektorröret (23, och venturidonet (16, l6') är axiellt rörliga relativt och varvid venturiverkan, med en fri, passage 23') varandra. k ä n n e t e c k n a d därav, (23)

2. Anordning enligt krav 1, att venturidonet (16) är fast anordnat och injektorröret axiellt rörligt relativt detta. 513 916 10

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att venturidonet utgörs av ett rörstycke (l6'), som är anord- nat inuti en yttre rördel (4") ingående i sagda inloppsledning (4) och axiellt rörligt fram och åter relativt denna.

4. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d därav, att i överföringsledningen (13) är anordnat ett gaspulskonverteringsdon (32) med uppgift att maximera det statiska gastrycket i ledningen.