SE526820C2 - Arrangemang och förfarande för att tillhandahålla återcirkulation av avgaser hos en överladdad förbränningsmotor - Google Patents

Description

20 25 30 35 526 820 2 hjälpmedel. Ett sådant hjälpmedel är en s.k. venturi som anordnas i inloppsledningen i anslutning till dess förbindelse med returledningen. Med en sådan venturi kan det sta- tiska trycket hos luften i inloppsledningen sänkas lokalt vid anslutningen till returled- ningen. Därmed kan avgasema kan ledas in i inloppsledningen och blandas med luften.

Anordnandet av en venturi kräver dock monteringsutrymme och det tillhandahåller även en ökad komponentkostnad.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett arrangemang och ett förfa- rande som på ett enkelt sätt möjliggör en inblandning av avgasema från förbrärmings- motorn med den komprimerade luften i inloppsledningen väsentligen oberoende av förbrärmingsmotorns driftstillstånd.

Detta syfte uppnås med arrangemanget av det inledningsvis nämnda slaget, vilket kän- netecknas av de särdrag som anges i patentkravets l kärmetecknande del. l synnerhet när vissa typer av överladdade íörbränningsmotorer drivs med en låg belastning och ett lågt varvtal erhåller avgasema i avgasledningen ett för lågt tryck för att de ska kunna blandas in i den komprimerade luften i inloppsledningen till motorn. Enligt föreliggan- de uppfinning innefattar arrangemanget ett spjäll som kan höja avgasemas tryck i av- gasledningen. Nämnda spjäll aktiveras under de driftstillstånd hos förbränningsmotorn då avgasema i avgasledningen erfordrar en tryckhöjning för att kunna blandas med den komprimerade luften. Med en sådan styrd tryckhöjning kan avgasema väsentligen all- tid blandas in i den komprimerade luften oberoende av förbrärmingsmotoms driftstill- stånd.

Enligt föreliggande uppfinning är nämnda spjäll imättat att vid behov reducera avga- semas utrymme i avgasledningens. Eftersom mängden avgaser är oförändrad tillhanda- håller en sådan reduktion av avgasemas utrymme i avgasledningen en höjning av avga- semas tryck. Därmed kan trycket i avgasledningen höjas till en nivå så att det överskri- der lufttrycket i inloppsledningen med ett lämpligt värde. Med spj ället kan avgasled- ningens tvärsnittyta som genomströmmas av avgaser mer eller mindre reduceras. Där- med tillhandahåller avgasema i avgasledningen även uppströms spjället ett ökat tryck.

Spjället kan vara monterat i en position i avgasledningen nedströms returledningens förbindning med avgasledningen. Därmed tillhandahålls en tryckökning i avgasled- ningen i anslutning till returledningen. Ett kraftdon är inrättat att reglera spjället. Ett 10 15 20 25 30 35 526 820 3 sådant kraftdon kan vara av ett väsentligen godtyckligt slag. Det kan vara en hydraulisk eller pneumatisk cylinder.

Enligt föreliggande uppfinning innefattar arrangemanget en styrenhet som är inrättad att tillhandahålla information avseende förbränningsmotorns aktuella driftstillstånd och initiera en höjning av avgasemas tryck i avgasledningen, under de driftstillstånd där detta erfordras för att möjliggöra en strömning av en önskad mängd avgaser från av- gasledningen till inloppsledningen. Styrenheten kan här mottaga information avseende förbränningsmotorns aktuella belastning och varvtal för att bestämma motoms driftstillstånd och uppskatta avgasemas tryck i avgasledningen. Styrenheten kan däref- ter avgöra om avgasema har ett tillräckligt högt tryck för att de ska kunna blandas med den komprimerade luften i inloppsledningen. Är så inte fallet initierar styrenheten en aktivering av kraftdonet som ställer om spjället till ett läge, i vilket läge avgasemas utrymme i avgasledningen begränsas så att avgasemas tryck i avgasledningen höjs till en lämplig nivå.

Enligt uppfinning avgasledningen inrättad att leda de avgaser, som inte leds in i re- turledningen, till åtminstone en första turbin. Hos överladdade förbränningsmotorer utnyttjas vanligtvis en avgasdriven turbin för att driva en kompressor som komprimerar den luft som leds till motorn via inloppsledningen. Avgasledningen innefattar två av- gaskanaler som leder avgasema i separata banor till turbinen. Härvid kan en konven- tionell turbin med ett turbinhus som har två inlopp för avgaserna användas. Spj ället är ställbart i ett första läge, i vilket avgaserna leds till turbinen via de bägge avgaskana- lerna och i ett andra läge, i vilket spjället tillsluter den ena avgaskanalen så att avgaser- na leds till turbinen via endast en av avgaskanalema. Spjället ställs i det första läget då förbränningsmotorns driflstillstånd är av en sådan art att ett avgastryck erhålls, vilket är tillräckligt för att avgasema ska kunna återcirkulera och blandas med den komprimera- de lufien i inloppsledningen. Då styrenheten mottager information om att förbrän- ningsmotom uppnått ett driftstillstånd där avgasema inte längre tillhandahåller ett till- räckligt högt tryck för att kunna återcirkuleras och blandas med den komprimerade luften, initierar styrenheten en aktivering av kraftdonet som ställer om spjället från det första läget till det andra läget. I det andra läget förhindrar spjället att avgasema leds genom den ena avgaskanalen. Om avgaskanalema är av samma storlek erhålls här en halvering av den tvärsnittsarea genom vilken avgasema måste passera för att nå turbi- nen. Detta leder till en relativt stor tryckhöjning i avgasledningen även uppströms spjället. 10 15 20 25 30 35 526 820 Enligt en töredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning är förbränningsmotorn en överladdad dieselmotor. Hos dieselmotorer sker förbränningen normalt med ett luft- överskott. Det medför att en större mängd avgaser behöver återcirkuleras hos diesel- motorer än hos ottomotorer för att den avsedda funktion ska erhållas. För att erhålla ett större avgasflöde i returledningen måste en större tryckskillnad mellan avgasema och den komprimerade luften i inloppsledningen upprätthållas. Hos överladdade diesel- motorer tillhandahålls dessutom under i synnerhet driftstillstånd med en låg belastning ett avgastryck som är lägre än den komprimerade luftens tryck. Inom dessa driftstill- stånd är det således inte möjligt att direkt blanda avgasema från dieselmotorn med den komprimerade luften i inloppsledningen. Då styrenheten tillhandahåller information om att dieselmotom har ett driftstillstånd med en låg belastning initierar styrenheten en aktivering av kraftdonet som härvid ställer om spjället till det andra läget. Därvid er- hålls en momentan tryckhöjning av avgasema i avgasledningen av ett värde så att av- gaser kan blandas in i luften i inloppsledningen.

Ovan angivna syfte uppnås även med förfarandet av det inledningsvis nämnda slaget, vilket kännetecknas av de särdrag som anges i patentkravets 5 kännetecknande del.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs, såsom ett exempel, en föredragen utföringsform av uppfinning- en med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. l visar ett arrangemang för återcirkulation av avgaser hos en turboöverladdad dieselmotor, Fig. 2 visar mer i detalj de medel, i F ig. l, vilka möjliggör en tryckhöjning av avga- sema i avgasledningen och Fig. 3 visar ett flödesschema som anger ett förfarande enligt föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar schematiskt ett arrangemang för att tillhandahålla en återcirkulation av en del av avgasema hos en turboöverladdad förbränningsmotor, som här är en dieselmotor 1 av en s.k. turbocompound typ. En sådan återcirkulation av avgasema benämns van- 10 15 20 25 30 35 526 820 ligtvis EGR (Exhaust Gas Recirculation). Dieselmotom 1 kan, exempelvis, vara av- sedd som drivmotor för ett tyngre fordon. Avgasema från dieselmotoms 1 cylindrar leds, via en avgassamlare 2, till en avgasledning 3. Avgasema i avgasledningen 3, som har ett övertryck, leds till en första turbin 4a som ingår i en turboöverladdare med en fast geometri. Den första turbinen 4a tillhandahåller därvid en drivkraft, som överförs, via en förbindning, till en kompressor 5 som ingår i turboöverladdaren. En andra turbin 4b, i form av en turbocompoundturbin, är avsedd att genomströmmas av avgasema som lämnar den första turbinen 4a. Den andra turbinen 4b är ansluten till dieselmotoms 1 utgående vevaxel la, via en icke närmare visad kraftöverföring som schematiskt in- dikerats med en streckad linje i Fig. 1. Därmed kan den andra turbinens 4b tillföra ett krafttillskott till dieselmotoms 1 utgående vevaxel la. Kompressorn 5 komprimerar den luft som leds till dieselmotom l via en inloppsledning 6. En kylare i form av en laddluftskylare 7 är anordnad i inloppsledningen 6 för att kyla den komprimerade luf- ten. Den komprimerade och kylda luften leds från inloppsledningen 6, via en schema- tiskt visad förgrening 11, till dieselmotoms 1 respektive cylindrar.

En returledning 8 är avsedd att tillhandahålla en återcirkulation av en del av avgasema från avgasledningen 3. Den återcirkulerande delen av avgasema är avsedd att blandas med den komprimerade luften i inloppsledningen 6. Returledningen 8 ansluter med sitt inlopp till avgasledningen 3 uppströms den första turbinen 4a och med sitt utlopp till inloppsledningen 6 nedströms kompressom 5 och laddluftkylaren 7. Returledningen 8 innefattar en ventil i förrn av en EGR-ventil 9, med vilken avgasflödet i returledningen 8 vid behov kan stängas av. EGR-ventilen 9 användas även för att styra den mängd avgaser som leds till inloppsledningen 6. Returledningen 8 innefattar även en kylare, i form av en EGR-kylare 10, för att kyla de återcirkulerande avgasema innan de blandas med den komprimerade luften i inloppsledningen 6. Medelst en inblandning av avgaser i den luft som leds till motorns cylindrar sänks förbrärmingstemperaturen och därmed även halten av kväveoxider (N OX) som bildas under förbränningsprocessema. Hos dieselmotorer sker förbränningen normalt med ett lufiöverskott, vilket indirekt medför att det behövs överföras relativt stora mängder avgaser för att den avsedda funktion ska erhållas. Hos överladdade dieselmotorer blir i många fall avgasernas tryck lägre än den komprimerade luftens tryck under driftstillstånd då dieselmotom l drivs med en låg belastning och/eller ett lågt varvtal. Inom varvtalsområdet 800 till 1200 varv per minut hos dieselmotorer är i regel avgasernas tryck lägre än den komprimerade luftens tryck.

Under sådana driftstillstånd är det inte möjligt att blanda de retumerade avgasema från dieselmotom 1 med den komprimerade luften i inloppsledningen 6 utan hjälpmedel. 10 15 20 25 30 35 526 820 Avgassamlaren 2 innefattar ett flertal ledningar som är successivt konvergerar för att samla upp avgaserna från dieselmotoms 1 respektive cylindrar. Dieselmotom 1 kan, exempelvis, innefatta två separata avgasbanker i form av två separata avgassamlande ledningar som var och en mottager avgaser från motoms cylindrar. Två sådana avgas- samlande ledningar 2a, b visas i Fig. 2, vilka leder avgasema till avgasledningen 3.

Avgasledningen 3 övergår, i ett nedströms beläget parti, i två avgaskanaler 3a, b. Av- gaskanalema 3a, b är inrättade att leda avgaser i två separata banor till den första turbí- nen 4a. Turbinen 4a har här ett turbinhus med två inloppskanaler för att mottaga avga- ser. Ett spjäll l2a är svängbart monterat medelst en led mot en invändig väggyta hos avgasledningen 3. Spjället l2a är monterat i ett område som är beläget i anslutning till avgasledningens 3 övergång till de två avgaskanalema 3a, b. Spjället l2a är monterat nedströms om returledningens 8 förbindning med avgasledningen 3. Ett schematiskt visat kraftdon l2b är inrättat att, vid behov, tillhandahålla en svängrörelse av spjället l2a mellan ett första läge sl, som visas med en streckad linje, och ett andra läge S2, som visas med en heldragen linje. I det första läget s l har spj ället l2a en väsentligen paral- lell sträckning med avgasledningens 3 invändiga väggyta. Spjället l2a påverkar, i detta läge, inte avgasemas strömning till den första turbinen 4a, vilken här sker via de bägge avgaskanalema 3a, b. I det andra läget s; försluter spjället l2a den första avgaskana- lens 3a öppning. I det andra läget S2, kan således avgaser endast ledas till den första turbinen 4a via den andra avgaskanalen 3b. En styrenhet 13 är inrättad att vid behov aktivera kraftdonet l2b för att ställa om spjället l2a mellan det första läget s; och det andra läget sz. Styrenheten 13 är även inrättad att styra EGR-ventilen 9. Styrenheten 13 kan vara en datorenhet som är försedd med en mjukvara som lagrats på en databärare l3a.

F ig. 3 visar ett flödesschema som beskriver ett förfarande för återcirkulation av avgaser med det ovan visade arrangemanget. Förfarandet startas vid steget 14. Styrenheten 13 mottar, vid steget 15, information avseende dieselmotoms 1 aktuella varvtal rm och, vid steget 16, infonnation avseende dieselmotoms 1 aktuella belastning lm. Belastningen lm kan bestämmas med hjälp av infonnation avseende dieselmotoms 1 aktuella bränsle- förbrukning. Med kännedom om dieselmotoms 1 varvtal rm, belastning lm och lagrad infonnation avseende den specifika dieselmotom 1 kan avgastrycket p; i avgasledning- en 3 uppskattas, vilket sker vid steget l7. Därefter uppskattar styrenheten 13, vid steget 18, det tryck p; som luften har i inloppsledningen 6 vid dieselmotoms 1 aktuella drifistillstånd. Styrenheten 13 jämför , vid steget 19, om en minsta acceptabel tryck- 10 15 20 25 30 35 526 820 skillnad Ap föreligger mellan avgasernas tryck p1 i avgasledningen och den komprime- rade luftens tryck p; i inloppsledningen 6. I de fall styrenheten 13 gör bedömningen att nämnda tryckskillnad är lika med eller är större än det minsta acceptabla värdet Ap kan styrenheten konstatera att en återcirkulation av avgaser är möjlig utan att tryckhöjande åtgärder behöver vidtagas. Om inte spjället l2a redan befinner sig i det första läget s; aktiverar här styrenheten 13 kraftdonet 12b så att det svänger spj ället l2a till det första läget s1. Processen startar därefter om vid steget 14. l de fall styrenheten 13 istället gör bedömningen att nämnda tryckskillnad är mindre än det minsta acceptabla värdet Ap kan styrenheten konstatera att tryckhöj ande åtgärder behöver vidtagas för att en återcirkulation av avgaser ska vara möjlig. Det låga avgas- trycket kan här bero på att dieselmotom l arbetar med en låg belastning och/eller med ett lågt varvtal. Styrenheten 13 aktiverar här kraftdonet 12b så att det svänger spjället l2a till det andra läget s; om det inte redan befinner sig i detta läge. Då spjället l2a befinner sig i det andra läget s; försluter det den första avgaskanalens 3a öppning så att avgaser endast kan ledas till den första turbinen 4a via den andra avgaskanalen 3b. Den första turbinen 4a har i regel en funktion som är väsentligen oberoende av om avgaser- na tillförs via en eller två avgaskanaler 3a, b. Avgaserna tillhandahåller då de leds till turbinen 4, via endast en avgaskanal 3b, ett strömningsutrymme med en avsevärt redu- cerad tvärsnittsarea. Ett sådant reducerat strömningsutrymme resulterar i att avgasema även i avgasledningen 3 uppströms spjället l2a tillhandahåller ett förhöjt tryck pl.

Detta förhöjda tryck p] bör vara av ett värde så att en tryckskillnad motsvarande den minsta acceptabla tryckskillnaden Ap alltid uppnås väsentligen oberoende av diesel- motorns 1 drifistillstånd. Processen startar sedan om vid steget 14.

Naturligtvis kan samtliga de processteg, såväl som godtyckliga delsekvenser av steg, som beskrivs ovan styras av ett datorprogram, som är direkt laddbart till internminnet i en dator, och innefattar lämplig mjukvara för att styra de nödvändiga stegen när pro- grammet körs på datom. Dessutom, även om utföringsformen av uppfinningen som beskrivits med hänvisning till figurema mjukvarustyrs med hjälp av en dator och pro- cesser utförda av en dator, utsträcker sig uppfinnjngen även till datorprogram, speciellt sådana datorprogram vilka lagrats på en databärare som är anpassad för att realisera uppfinningen. Programmet kan vara i form av källkod, objektkod, en kod vilken utgörs av en nivå mellan käll- och objektkod, exempelvis i delvis kompilerad form, eller i vilken annan form som helst lämplig att använda vid implementering av förfarandet enligt uppfinningen. Databäraren kan vara godtycklig entitet eller anordning vilken är 10 15 526 820 8 kapabel att lagra programmet. Exempelvis kan databäraren innefatta lagringsmedium, såsom ROM (Read Only Memory), PROM (Programmable read-only memory), EPROM (Erasable PROM), Flash eller EEPROM (Electrically EPROM). Dessutom kan databäraren utgöras av en överföringsbar bärare, såsom en elektrisk eller en optisk signal vilken kan överföras via en elektrisk eller optisk kabel eller medelst radio eller på annat sätt. Då programmet innefattas i en signal vilken kan ledas direkt genom en kabel eller annan anordning eller medel kan databäraren utgöras av en sådan kabel, anordning eller utrustning. Alternativt kan databäraren vara en integrerad krets i vilken programmet finns lagrat, där den integrerade kretsen är anpassad för att utföra, eller användas vid utförande av relevanta processer.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den på ritningen beskrivna utföringsforrnen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar. Uppfinningen är i första hand till- lämpbar för att återcirkulera avgaser hos överladdade dieselmotorer men kan även till- lämpas på andra typer av överladdade fórbränningsmotorer. Även andra slag av spjäll än den ovan beskrivna typen kan användas.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 526 820 9 Patentkrav

1. Arrangemang för återcirkulation av avgaser hos en överladdad förbränningsmotor (1), varvid arrangemanget innefattar en avgasledning (3) som är inrättad att leda ut avgaser från förbränningsmotom (l) till åtminstone en turbin (4a, b), en inloppsledning (6) som är inrättad att leda luft med ett övertryck till törbränningsmotorn (l), en retur- ledning (8) som är förbunden med avgasledningen (3) och med inloppsledningen (6), vilken är inrättad att returnera avgaser från avgasledningen (3) till inloppsledningen (6), ett spjäll (12a) som är monterat i avgasledningen (3) i en position nedströms retur- ledningens (8) förbindning med avgasledningen (3), ett kraftdon (l2b) som är inrättat att reglera spjället (12a) och en styrenhet (13) som är inrättad att tillhandahålla infor- mation avseende íörbrämiingsmotoms (1) aktuella driftstillstånd och styra spjället me- delst krafidonet (l2b) så att trycket i avgasledningen (3) under väsentligen alla för- bränningsmotorns driftstillstånd överstiger luftens tryck i inloppsledningen (6) med ett värde så att en strömning av en önskad mängd avgaser genom returledningen (8) till inloppsledningen (6) väsentligen alltid är möjlig att tillhandahålla, kännetecknat av att avgasledningen (3) innefattar två avgaskanaler (3a, b) vilka leder avgaserna i separata banor till en första turbin (4a) och att spjället (12a) är ställbart i ett första läge, i vilket avgasema leds till den första turbinen (4a) via de bägge avgaskanalema (3a, b) och i ett andra läge, i vilket spjället (12a) tillsluter den ena avgaskanalen (3a) så att avgaserna leds till den första turbinen (4a) via endast den andra avgaskanalen (3b).

2. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att iörbränningsmo- tom är en överladdad dieselmotor (1).

3. Arrangemang enligt krav 2, kännetecknat av att förbränningsmotorn är av turbo- compound typ.

4. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att avgasledningen innefattar två turbiner (4a, b) och att spjället är anordnat före den första turbinen (4a).

5. Förfarande för återcirkulation av avgaser hos ett arrangemang hos en överladdad förbränningsmotor (1), varvid arrangemanget innefattar en avgasledning (3) som är inrättad att leda ut avgaser från förbrärmingsmotom (1) till åtminstone en turbin (4a, b), en inloppsledning (6) som är inrättad att leda lufi med ett övertryck till íörbrännings- motom, en returledning (8), som är förbunden med avgasledningen (3) och med in- 10 15 20 526 820 10 loppsledningen (6), vilken är inrättad att returnera avgaser från avgasledningen (3) till inloppsledningen (6), ett spjäll (l2a) som är monterat i avgasledningen (3) i en position nedströms returledningens (8) förbindning med avgasledningen (3), ett kraftdon (l2b) som är inrättat att reglera spjället (l2a) och varvid förfarandet innefattar steget att till- handahålla information avseende förbränningsmotorns (1) aktuella driftstillstånd och styra spjället medelst kraftdonet (l2b) så att trycket i avgasledningen (3) under väsent- ligen alla förbränningsmotorns driftstillstånd överstiger luftens tryck i inloppsledning- en (6) med ett värde så att en strömning av en önskad mängd avgaser genom returled- ningen (8) till inloppsledningen (6) väsentligen alltid är möjlig att tillhandahålla, lig netecknat av att avgasledningen (3) innefattar två avgaskanaler (3a, b) vilka leder avga- serna i separata banor till en första turbin (4a), varvid förfarandet innefattar steget att ställa spjället (l2a) i ett första läge, i vilket avgasema leds till den första turbinen (4a) via de bägge avgaskanalema (Sa, b) och i ett andra läge, i vilket spjället (l2a) tillsluter den ena avgaskanalen (3a) så att avgasema leds till den första turbinen (4a) via endast den andra avgaskanalen (3b).

6. Ett datorprogram, direkt laddbart till intemminnet i en dator, innefattande mjukvara för att styra förfarandet enligt kravet 5 då programmet körs på en dator.

7. Ett datorläsbart medium (l 3a) på vilket ett program finns lagrat, som är ägnat att förmå en dator att styra förfarandet enligt kravet 5.