SE527995C2 - Metod för att reglera turbineffekten hos en turbo i en förbränningsmotor - Google Patents

Description

527 995 För en VNT-turbin med justerbara styrelement betyder det att styrelementen kan po- sitioneras så att hastigheten genom turbinen maximeras vid låga avgasflöden. Där- emot kommer avgaserna vid denna positionering av styrelementen att träffa turbin- hjulet förhållandevis tangentiellt, vilket inte är helt optimalt ur kraftöverföringssyn- punkt. Följden blir ett dåligt utnyttjande av avgaserna och dänned en försärnrad tur- binverkningsgrad. Det motsatta fallet uppkommer vid mycket stora avgasflödcn då turbineffekten måste begränsas och styrelementen antar i detta fall ett diametralt motsatt läge. Avgasema kommer emellertid träffa turbinhjulet väsentligen radiellt, vilket inte heller är gynnsamt ur lnaftöverfóringssynpunkt och vilket också resulte- rar i en försämrad turbinverkriingsgrad.

Vid reglering av den här typen av turbin förekommer i huvudsak två metoder. Den första metoden går ut på att man uteslutande styr turbineffekten genom att justera styrelementens läge. Detta kräver en förhållandevis stor turbinmatchning och med- för som regel dåligt moment och respons vid låga varvtal, eftersom ett stort varvtals- och lastregister måste kunna tillgodoses.

Den andra metoden går ut på att turbineffekten styrs, inte bara av styrelementens läge, utan även med hjälp av någon typ av förbikopplingsanordning, en sk. waste- gate. Detta innebär att ett eventuellt avgasöverskott, vid fullast och höga varvtal, då styrelernenten redan antar det läge som är avsett för maximala avgasflöden, ventile- ras ut via förbikopplingsanordningen. Emellertid innebär denna regleringsmetod ett dåligt utnyttjande av den energi som finns tillgänglig i avgaserna eftersom turbinen arbetar med en försämrad verkningsgrad.

SYFTE MED UPPFINNINGEN Ett syfte med föreliggande uppfinning år således att bättre utnyttja den energi som finns tillgänglig i avgaserna. 527 995 Ett annat syñe är att höja verkningsgraden för iörbränningsmotorn.

Ytterligare ett syfte är att minska bränsleförbrukningen för förbränningsmotorn.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Dessa och andra syñen uppnås med en metod såsom inledningsvis definierats och med särdrag enligt den kännetecknande delen av patentkrav 1.

När ett styrelementläge inom delintervallet väljs kommer turbinen att arbeta inom ett intervall med en högre verkningsgrad, än vad den skulle ha ort om ett styrelement- läge som ligger utanför delintervallet hade valts. Turbinen kommer i detta valda styrelementläge att avge en högre effekt på grund av den förhöjda verkningsgraden.

Härmed behöver mängden avgaser som fórbikopplas turbinen öka för att denna tör- höjda verkningsgrad ska kompenseras för, eftersom samma lastbehov ändå skall till- fredställas. Denna förbikoppling medför vidare att trycket uppströms turbinen mins- kar, vilket leder till en minskning av motorns pumpförluster. Detta resulterar i sin tur i att motorn behöver avge mindre effekt för att övervinna dessa pumpförluster.

Således minskar även den lufcmassa som kompressorn behöver leverera till förbrän- ningsmotorn och därmed också dess specifika bränsleförbrulmingen.

Företrädesvis definieras delintervallet av ett tredje ändläge och ett fjärde ändläge, varvid det styrelementläge som motsvarar maximal verkningsgrad för turbinen om- fattas av delintervallet; och lämpligtvis har alla styrelementlägen inom delintervallet en högre turbinverkningsgrad än vad styrelementlägena utanför delintervallet har; och mer företrädesvis har alla styrelernentlägen inom delintervallet en väsentligen högre turbinverkningsgrad än det första och andra ändläget. Härmed kan turbinen arbeta mer effektivt under ett medelstort till stort avgasflöde så att totalverknings- graden för motorn kan hållas vid en hög nivå. 527 995 Lämpligtvis sammanfaller det tredje ändläget (D) med styrelementläget (B). Härmed kan styrelementen regleras inom ett smalare delintervall med bibehållen hög turbin- verkningsgrad.

Företrädesvis väljs styrelementläget som fimktion av trycket uppströms turbinen och lämpligtvis är styrelementläget det läge som minimerar trycket uppströms turbinen vid ett givet medelstort till stort avgasflöde. Härmed erhålls ett enkelt och effektivt sätt att avgöra styrelementens inställningslägen och dessutom kan verkningsgraden för turbinen och förbränningsmotom maximeras.

Lämpligtvis ställs styrelementen, då ett litet avgasflöde föreligger, i ett styrelement- läge utanför delintervallet, mellan det första ändläget och det tredje ändläget; och företrädesvis ställs styrelementen, då ett mycket stort avgasflöde föreligger, i ett styrelernentläge utanför delintervallet, mellan det fiärde ändläget och det andra änd- läget. Härmed kan turbinen regleras inom ett bredare last- och varvtalsregister när behov föreligger.

KORT FIGURBESKRIVNING Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas med hänvisning till bifogade fi- gurer, på vilka: Fig. 1 visar en schematisk bild av en förbränningsmotor försedd med en avgasdriven turbin på vilken regleringsmetoden enligt uppfinningen skall tillämpas.

Fig. 2a-c visar styrelementen i turbinhuset och deras läge vid olika inställningar; 527 995 Fig. 3 visar en schernatisk bild av verkningsgraden för en turbin med ställbara styr- element som funktion av styrelementens läge och avsedd att illustrera reglerings- principen enligt känd teknik; Fig. 4a-c visar en schematisk bild av verkningsgraden för en turbin med Ställbara styrelement som funktion av styrelementens läge och avsedd att illustrera re- gleringsprincipen enligt uppfinningen; Fig. Sa-d visar grafer över ett prov som utförts för en fórbränningsmotor som arbetar vid konstant last och varvtal.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar en schematisk bild av en fórbränningsmotor 1 på vilken regleringsmeto- den enligt uppfinningen skall tillämpas. Förbränningsmotom 1, som kan vara både en SI- eller en CI-motor, innefattar fyra cylindrar 2, vilka är i flödesförbindelse med ett insugningssystem 3 respektive en avgassamlare 5. Till forbränningsmotorn är ett turboaggregat 7 anslutet, vilket innefattar en avgasdriven turbin 9 och en kompres- sor ll, där kompressorn är kopplad till den avgasdrivna turbinen via en turbinaxel 13. Den avgasdrivna turbinen 9 är ansluten till och i flödesfórbindelse med avgas- samlaren 5 och nedströms turbinen 9 är en katalysator 15 anordnad. Kompressom ll är i sin tur ansluten till och i flödesförbindelse med insugningssystemet 3, i vilket även en laddluftlcylare 17 är anordnad för kylning av till cylindrarna förd laddlufi.

En fórbikopplingsledning 19 förbinder avgassamlaren 5 uppströms turbinen med den del av avgassystemet som är belägen nedströms turbinen 9. En ventil 21, en s.k. wastegate-ventil, är anordnad i fórbikopplingsanordningen 19 att kunna öppnas och stängas fór att leda överskottsavgaser förbi turbinen ifall turbineffekten behöver be- gränsas. 527 995 6 Fig. 2a-c visar delar av turbinen, en s.k. VNT-turbin (VNT- Variable Nozzle Turbi- ne), vilken är känd sedan tidigare. Denna innefattar flera (vanligtvis 10-14 st.) steg- löst ställbara styrelement 30, vanligtvis i form av vridbara styrvingar 30 anordnade i en ringfonn. Med hjälp av dessa styrvingar kan såväl avgasernas infallsvinkel in mot turbinhjulet 31 (se pilama) som turbinens A/R-förhållande, d.v.s. förhållandet mellan turbinhusets area och radie, varieras. Styrvingama 30 kan anta olika styrele- mentlägen inom ett intervall som definieras av ett första, nästan stängt ändläge A och ett andra, nästan helt öppet ändläge C (se ñg. 2a resp. ñg. 2b). Det första ändlä- get A har ett lågt värde på AIR-förhållandet och medger en infallsvinkel för avga- sema som är väsentligen tangentiell in mot turbinhjulet 31 och är avsett för små av- gasvolymer. Det andra ändläget C har ett högt värde på A/R-törhâllandet och med- ger en infallsvinkel för avgasema som är väsentligen radiell in mot turbinhjulet 31 och är avsett för stora avgasvolymer. Mellan den första och det andra ändläget kan styrvingarna 30 ställas in steglöst i ett godtyckligt antal lägen, så att en tillräcklig turbineffekt kan levereras till kompressom 11 beroende på det specifika last- och varvtalsbehov som föreligger.

Fig. 3 visar en schematiskt bild över hur verkningsgraden för en VNT-turbo varierar som funktion av styrvingamas läge. Punkten A indikerar det första ändläget för styr- vingarna (se även fig. 2a). I detta första ändläge A kan, vid små avgasflöden, förvis- so hastigheten genom turbinen 9 hållas hög på grund av det låga AIR-förhållandet, men avgasema kommer träffa turbinhjulet 31 förhållandevis tangentiellt. Detta in- nebär ett dåligt utnyttjande av avgasema och därmed en försärnrad turbinverknings- grad, vilket också indikeras av motsvarande position på den vertikala axeln. Punkten C indikerar det andra ändläget för styrvingarna 30 (se även fig. 2b). I detta andra ändläge C kan, på grund av det höga AIR-förhållandet, förvisso hastigheten genom turbinen 9 hållas på en acceptabel nivå vid stora avgasflöden. Däremot kommer av- gasema träffa turbinhjulet 31 väsentligen radiellt, vilket inte heller är gynnsamt ur kraftöverföringssynpunkt. Detta medför också en försämrad turbinverkningsgrad, vilket även indikeras av motsvarande punkt på den vertikala axeln. Mellan dessa två 527 995 7 ändlägen finns ett läge B tör styrelementen 30 då avgasema träffar turbinhjulet 31 med en optimal infallsvinkel och vid vilken verkningsgraden för turbinen 9 kommer maximeras (se även fig. 2c).

Vid reglering av denna VNT-turbin enligt känd teknik så anpassas styrvingarnas 30 läge efter aktuellt avgasflöde, vilket avgasflöde står i proportion till den last- och varvtalsnivå som föreligger, så att den turbineffekt som krävs for att uppnå önskad överladdningsgrad kan genereras. Läget för styrelementen kommer således att varie- ra inom intervallet, mellan den första A och det andra ändläget C. Vid stora avgas- flöden, t.ex. vid både höga laster och varvtal kommer styrvingarna att anta det andra ändläget C och eventuellt avgasöverskott kommer ledas forbi turbinen via förbi- kopplingsledningen 19 för att en för hög turbineffekt skall undvikas.

Till skillnad mot detta regleringssätt föreslår uppfinningen att, för ett medelstort till stort avgasflöde, styrelementens 30 läge justeras inom ett delintervall av det intervall som definieras av det första och det andra ändläget A, B, se fig. 4a, i kombination med att eventuellt avgasöverskott leds förbi turbinen 9 via iörbikopplingsledningen 19. Detta delintervall definieras av ett tredje ändläge D och ett fiärde ändläge E.

Skillnaden är att turbinen 9 kommer arbeta inom ett intervall som representerar en betydligt högre verkningsgrad för turbinen 9 än lägen som befinner sig utanför del- intervallet D, E. Fig. 4b visar denna regleringsprincip, vilken är avsedd för medel- stora till stora avgasflöden. Enligt denna regleringsmetod styrs styrelementens 30 läge som funktion av det tryck som råder uppströms turbinen, varvid det styrele- mentläge som genererar ett minimalt tryck uppströms turbinen 9 anses optimalt.

Detta betyder att styrelementen 30 kommer regleras så att de intar ett styrelementlä- ge inom delintervallet D, E, vilket medför ett lågt tryck uppströms turbinen 9 och vid vilket läge önskad turbineffekt till kompressom ll säkerställs, i kombination med att ett eventuellt avgasöverskott ventileras ut via törbikopplingsledningen 19. 527 995 8 För små till medelstora avgasflöden kommer turbínen däremot att regleras på vanligt sätt, d.v.s. styrelementen 30 kommer ställas i det läge, mellan det första ändläget A och det läge som motsvarar maximal verkningsgrad för turbínen B, och som genere- rar önskad turbineffekt, d.v.s. vänstra halvan av den heldragna kurvan i fig. 4a-4b.

Likaså kan det vara önskvärt att i vissa driftsituationer, med ett stort till ett mycket stort avgasflöde, ställa styrelementen 30 i ett läge utanför delintervallet, mellan det fjärde ändläget E och det andra ändläget C.

Det är även tänkbart att använda regleringsmetoden enligt uppfinningen även för små till medelstora avgasflöden. Detta kräver dock en annan, mindre turbín med en arman karaktäristik och innebär att den kurva som visas i fig. 3c och som är specifik för en bestämd turbín skiftar åt vänster, se streckad kurva. Det blir då möjligt att i stället för vid exempelvis mycket små avgasflöden, vilket nonnalt skulle motsvara en inställning av styrelementen vid det första ändläget A, sätta styrelementen i ex- empelvis ett styrelementläge F' som ligger inom delintervallet D', E' och leda av- gasöverskottet förbi turbínen 9 via törbikopplingsledningen 19.

EXEMPEL PÅ REGLERINGSMETOD ENLIGT UPPFINNINGEN Fig.5a-d visar ett prov utfört pä en L850, 2.0L Ottomotor och är avsett att illustrera principen för samt fördelar med regleringsmetoden enligt uppfinningen. Provet ut- fördes på så sätt att motorns varvtal och last hölls konstant under hela provet, medan styrelementens lägen samt förbikopplingsanordningens, d.v.s. wastegateventilens öppningsgrad varierades. Provet gäller för ett givet motorlastbehov, d.v.s. motorn år avsedd att avge ett bestämt vridmoment vid ett bestämt varvtal. På motsvarande sätt skulle prov som svarar mot andra motorlastbehov kunna utföras med analogt resultat som följd. 527 995 9 I fig.5a visas ett diagram som återger motorvarvtalet respektive motormomentet som funktion av styrelementens läge. Styrelementens läge graderas på den horisontella axeln mellan O-100 %. 0 % motsvarar det första ändläget A för styrelementen, d.v.s. ett läge som är anpassat för mycket små avgasflöden, medan 100% motsvarar det andra ändläget C, d.v.s. ett läge som är anpassat för mycket stora avgasflöden. I dia- grammet i fig.5a visas styrelementens läge mellan 76 % och 94 %. Den vänstra ver- tikala axeln representerar motorvarvtalet (rpm) och den högra vertikala axeln repre- senterar motoms vridmoment (Nm). Provet utfördes på så sätt att styrelementen, vid provets början, ställdes i nästan helt öppet läge, cirka 93 % öppet. Därefter kördes motorn vid hög last med ett moment på cirka 370 Nm vid ett konstant varvtal på 4000 rpm.

I fig.5b visas ett diagram som återger turbinverkningsgraden och förbikopplingsan- ordningens öppningsgrad som funktion av styrelementens läge (horisontella axeln).

Den vänstra vertikala axeln representerar turbinverkningsgraden (%) och den högra vertikala axeln representerar förbikopplingsanordningens öppningsgrad (mm), d.v.s. wastegateventilens öppning. Vid 93%, vilket är det läge styrelementen har när pro- vet startar, behöver turboladdaren leverera en bestämd turbineffekt för att kompres- som skall kunna leverera den lufimassa och laddtryck som krävs för att motorn skall kunna avge det bestämda momentet (3 70 Nm). I det aktuella fallet är fórbikopp- lingsanordningen nästan helt stängd vid 93% och verkningsgraden för turbinen är i den punkten 46 %. Ãndras styrelementens läge så att de rör sig mot det första ändlä- get kommer turbinverlcningsgraden att öka (av skäl som förklarats tidigare). För att motorn i detta läge ska leverera samma moment som tidigare behöver förbikopp- lingsanordningen 19 öppna mer för att parera för denna ökade turbinverkningsgrad.

Detta illustreras av en förflytming till vänster för respektive kurva i diagrammet.

I ñg.5c visas ett diagram som återger totaltrycket och pumpförlusterna som funktion av styrelementens läge (horisontella axeln). Den vänstra vertikala axeln represente- rar totaltrycket (kPa) och den högra vertikala axeln representerar pumptörlusterna 527 995 (bar). Trycket i avgassamlaren 5 sjunker nu, dels för att ventilen 21 i íörbikopp- lingsanordningen 19 öppnas mer och mer; för att turbinverkningsgraden förbättras vilket ger ett bättre ”sug”; och för att motom kräver mindre överladdningsgrad för att kunna leverera samma vridmoment, vilket gör att motom inte behöver avge samma krafi till turbinen 9. Således minskar pumpíörlusterna i motom.

I fig.5 d visas ett diagram som återger motorns totalverkningsgrad och den specifika bränsleförbrukningen som funktion av styrelementens läge (horisontella axeln). Den vänstra vertikala axeln representerar motorns totalverlciiingsgrad (%) och den högra vertikala axeln representerar den specifika bränsleförbrukningen (g/kWh). Resulta- tet av att pumpförlusterna minskar är att luftmassan till motom minskar och därmed också den bränslemängd som ska blandas med luften för att motorn ska ge det öns- kade vridmomentet. Dessutom minskar avgasmassan vilket gör att motom behöver arbeta mindre för att kunna driva turbin och kompressor.

Den här typen av strategi fungerar så länge tillräcklig effekt finns att tillgå från tur- binen. Efter att styrelementen 30 har nått ett läge som motsvarar 50 % kommer verk- ningsgraden iör turbinen 9 att minska igen.

Claims (2)

10 15 20 25 527 995 11 PATENTKRAV

1. Metod fór att reglera turbineffekten hos en turbo (7) i en iörbränningsmotor (1), varvid förbränningsmotorn innefattar en avgasdriven turbin (9) med ele- ment (30) för styrning av avgasflödet till turbinhjulet (31), vilka styrelement (30) år Ställbara inom ett intervall som definieras av ett första ändläge (A) och ett andra ändlåge (C), i syfte att reglera mängden avgaser genom turbinen (9), kännetecknad av att vid ett medelstort till stort avgasflöde: - styrelementen ställs i ett styrelementläge (F) som ligger inom ett delintervall (D, E) av intervallet (A, C), vilket delintervall (D, E) omfattar åtminstone ett styrelementläge med en högre turbinverkningsgrad än vad styrelementlägena utanför aeiinfefvaiie: har, och - avgaser som betraktas som överflödiga när styrelementen (30) ställts i styr- elementlåget (F) iörbikopplas turbinen (9) för att önskad turbineffekt skall kunna erhållas. . Metod enligt krav 1, varvid delintervallet defmieras av ett tredje ändläge (D) och ett fjärde ändläge (E), varvid det styrelementläge (B) som motsvarar maximal verkningsgrad for turbinen omfattas av delintervallet. . Metod enligt krav 1 eller 2, varvid alla styrelementlägen inom delintervallet (D, E) har en högre turbinverkningsgrad än vad styrelementlägena utanför delintervallet har. . Metod enligt något av lcav 1-3, varvid alla styrelementlägen inom delinter- vallet (D, E) har en väsentligen högre turbinverkningsgrad än det första och andra ändläget (A, C). 10 15 20 527 995 1

2. . Metod enligt något av krav 1-4, varvid det tredje ändläget (D) sammanfaller med styrelementläget (B). . Metod enligt något av krav 1-5, varvid styrelementläget (F) väljs som fimk- tion av trycket uppströms turbinen (9). Metod enligt något av krav 1-6, varvid styrelementläget (F) är den inställ- ning av styrelementen (30) som minimerar trycket uppsuöms turbinen (9) för varje givet medelstort till stort avgasflöde. . Metod enligt något av krav 1-7, dessutom innefattande steget att då ett litet avgasflöde föreligger: - styrelementen (30) ställs i ett styrelementläge utanför delintervallet, mellan det första ändläget (A) och det tredje ändläget (D). . Metod enligt krav 1-8, dessutom innefattande steget att då ett mycket stort avgasflöde föreligger: - styrelementen (30) ställs i ett styrelementläge utanför delintervallet, mellan det fjärde åndläget (E) och det andra ändläget (C).