SE529422C2 - Arrangemang hos en överladdad förbränningsmotor - Google Patents

Description

25 30 35 529 422 2 Under driftsförhållanden då motorn har en mycket låg belastning ger turboaggregatet en väsentligen försumbar kompression och uppvärmning av förbränningsluften. Luften som når laddlufikylaren har under sådana driftsförhållanden en temperatur som väsent- ligen motsvarar omgivningens temperatur. Om samtidigt den kylande omgivningstem- peraturen är mycket låg kan förbrärmingslufien efter laddluftkylaren ha en väsentligt lägre temperatur än kylvåtskan i kylsystemet. I detta fall tillhandahåller kylvätskan en relativt stor temperatursänkning då den passerar igenom laddluftkylaren. Därmed är det en uppenbar risk att såväl förbråtmingsluften som kylvåtskan som leds till motorn f°ar en mycket lägre temperatur än ett önskat värde trots den termostat-funktion som nor- malt utnyttjas i konventionella kylsystem. Under sådan driftsbetingelser tillhandahåller motorn en s.k. överkylning vilket bl.a. kan leda till dålig motorfunktion, högre motor- ljud, ökade utsläpp av emissioner och en förkortad livslängd för förbränningsmotorn.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett arrangemang hos en över- laddad motor där det ovan beskrivna problemet med överkylning av förbränningsmo- tom väsentligen elimineras.

Detta syfte möjliggörs med arrangemanget av det inledningsvis nämnda slaget, vilket kärmetecknas av det särdrag som anges i patentkravets 1 kånnetecknande del. För att kyla den komprimerade luften i inloppsledningen används således en första permanent laddluftkylare som är avsedd att kyla luften i ett första steg medelst kylvätskan hos törbränningsmotorns kylsystem och åtminstone en andra inkopplingsbar laddluftkylare som är avsedd att kyla luften i ett andra steg medelst ett annat kylmedium. Den första laddluftskylarens och den andra laddlufiskylarens sammanlagda kapacitet motsvarar med fördel väsentligen kapaciteten hos ett konventionellt en-stegs laddluftkylar- arrangemang. I och med att kylvåtskan i förbrånningsmotorns kylsystem här utnyttjas i en betydligt mindre omfattning för att kyla luften än i det konventionella fallet kommer kylvätskans temperatur att påverkas i en mindre omfattning då den passerar igenom den första laddluftkylaren. Under omständigheter då en låg omgivningstemperattir rå- der och då förbränningsmotorn drivs i ett väsentligen obelastat tillstånd kan således mycket kall luft strömma genom den första laddluftkylaren. Då laddluftkylaren här har en reducerad värmeöverfórande kapacitet i förhållande till i det konventionella fallet tillhandahåller kylvätskan en mindre kylning av den kalla luften i laddluftkylaren.

Därmed kyls inte kylvätskan till samma låga temperatur som i det konventionella fallet 10 15 20 25 30 35 e 529 422 3 och risken för överkylning av förbränningsmotorn reduceras avsevärt. Om en ytterliga- re kylning av luften icke erfordras efter det första steget ställs ventilanordningen i ett läge där det andra kylmediet förhindras att flöda genom den andra laddluftkylaren. Ef- tersom inget kylrnedium flödar genom den andra laddluftkylaren tillhandahåller luften under passage av den andra laddluftkylaren inte heller någon kylning. Under omstän- digheter då förbrärmingsmotorn är hårt belastad har den första laddluftkylaren inte ka- pacitet att kyla luften till en önskad nivå. I detta fall ställs ventilanordning i ett läge som medger ett flöde av det andra kylmediet genom den andra laddluftkylaren. Därmed kan luften i detta fall tillhandahålla en kylning i ett andra steg i den andra laddluftkyla- ren till en önskad temperaturnivå.

Enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar arrange- manget en styrenhet kan utgöras av en datorenhet med en lämplig programvara för att styra ventilanordníngen. Styrenhet kan mottaga information avseende lämpliga para- metrars vården för att styra ventilanordníngen. Styrenheten kan utgöra en del av för- bränningsmotorns styrenhet. Styrenheten kan vara inrättad att styra ventilanordningen med information från en temperaturgivare som mäter luftens temperatur i inloppsled- ningen i en position mellan den första laddluftkylaren och den andra laddluftkylaren.

Med kärmedom om luftens temperatur efter att den kylts i den första laddluftkylaren kan styrenheten avgöra om en ytterligare kylning av luften i ett andra steg är nödvän- dig. Styrenheten kan även vara inrättad att styra ventilanordningen med information från en temperaturgivare avseende det andra kylmediets temperatur i det andra kylsy- stemet i en position uppströms den andra laddluftkylaren. Med kännedom om luftens temperatur och det andra kylmediets temperatur samt en uppskattning av de respektive mediemas flöden genom den andra laddluftkylaren kan luften temperatur efter den andra laddluftkylaren uppskattas med en god precision. Medelst en sådan uppskattning kan styrenheten bestämma om luften ska kylas i ett eller två steg.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar ventilanordningen en trevägsventil som i ett första läge medger ett flöde av det andra kylmediet genom den andra laddluftkylaren och i ett annat läge leder flödet av det andra kylmediet ge- nom en bypassledning som sträcker sig förbi den andra laddluftkylaren. Därmed kan styrenheten på ett enkelt sätt välja att kyla luften i ett eller två steg genom att aktivera eller inaktivera den andra laddluftkylaren. Med fördel är det andra kylmediet en vätska.

Därmed kan den andra laddluftkylaren göras mindre och mer kompakt än om det andra kylmediet, exempelvis, skulle vara luft. Det andra kylmediet kan vara samma typ av 10 15 20 25 30 35 529 422 4 kylvätska som används i kylsystemet för att kyla förbränningsmotom. Det andra kyl- mediet kan därvid även utgöras av en vatten/ glykol blandning. Det andra kylsystemet innefattar med fördel en pump som är anpassad att tillhandahålla ett flöde av det väts- keformiga kylmediet i det andra kylsystemet. Därmed kan väsentligen ett kontinuerligt flöde av det andra vätskeforrniga kylmediet upprätthållas, som i beroende av ventilan- ordningens läge, leds genom den andra laddluftkylaren eller genom bypassledningen.

Det andra kylsystemet kan innefatta en sluten krets som innefattar en andra kylare där det andra kylmediet är anpassat att avge sin värme. Det andra kylsystemet innefattar i .detta fall ett permanent andra kylmedium som cirkuleras i slutet system. Det andra kylmediet behöver därmed avge sin upptagna värme i en kylare som kan vara luftkyld och placerad vid ett frontparti hos ett fordon. Altemativt kan det andra kylsystemet vara öppet där ett änme som finns tillgängligt i anslutning till motorn utnyttjas som det andra kylmediet. Ett sådant andra kylsystem kan utnyttja lufi med omgivningens tem- peratur som kylrnedium. Då förbrärmingsmotorn är arrangerad i ett marint fartyg kan det andra kylsystemet utnyttja omgivande sj övatten som det andra kylmediet. Därmed kan det andra kylsystemet ges en relativt enkel och funktionell utformning.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs, såsom exempel, föredragna utföringsforrner av uppfinningen med hänvisning till bifogad ritningar, på vilka: Fig. 1 visar ett arrangemang hos en överladdad motor, enligt föreliggande uppfinning, i ett tungt fordon och Fig. 2 visar ett arrangemang hos en överladdad motor. enligt föreliggande uppfinning, i ett marint fartyg.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar en överladdad motor i form av en diesel/gas-motor 1 för drift av ett tungt fordon som kan vara ett lastfordon eller en buss. Motorn l kyls på ett konventionellt sätt medelst ett kylsystem 2 som innefattar en kylvätska som cirkuleras i en sluten krets medelst en kylvätskepump 3. Kylsystemet 2 innefattar även en termostat 4 och en kyla- ' re 5. Kylaren 5 är med fördel placerad vid ett frontparti hos fordonet där den genom- strömmas av omgivande luft A med hjälp av en kylarfläkt 6 (när så behövs). Kylar- 10 15 20 25 30 35 ~ 529 422 5 fläkten 6 drivs av motorn 1 medelst en lämplig förbindning. Avgasema från motorns 1 cylindrar leds, via en avgassainlare 7, till åtminstone en avgasledning 8. Avgasema i avgasledningen 8, som har ett övertryck, leds till en turbin 9 hos ett turboaggregat.

Turbinen 9 tillhandahåller därvid en drivkraft, som överförs. via en förbindning, till en kompressor 10 hos turboaggregatet. Kompressom 10 suger, via ett luftfilter 1 l, in om- givande luft i en inloppsledning 12. Luften i inloppsledningen 12 komprimeras av kompressom 10 så att den erhåller ett övertryck och som en följd därav en förhöjd temperatur.

För att kyla den komprimerade luften i inloppsledningen 12 används en första laddluft- kylare 13 som är avsedd att kyla luften i ett första steg och en andra laddluftkylare 14 som är avsedd att kyla luften i ett andra steg om luften inledningsvis är så varm att kyl- ningen i den första laddluftkylaren 13 inte är tillräcklig. Kylvätskan som cirkulerar i dieselmotorns kylsystem 2 används som kylmedium för att kyla luften i den första laddluftkylaren 13. Luften kyls i den andra laddluftkylaren 14 av ett andra kylsystem 15 som innefattar en andra kylvätska som här cirkuleras i en sluten krets. Det andra kylsystemet innefattar en pump 16 för cirkulation av den andra kylvätskan och en kyla- re 17 där den andra kylvätskan avger värme till omgivande luft. Det andra kylsystemet innefattar även en ventilanordning i form en trevägsventil 18 som är ställbari önskade lägen mer; hjälp av en styrenhet 19. Styrenheten 19 kan ställa trevägsventil 18 i ett för- sta läge då den andra kylvätskan leds genom den andra laddluftkylaren 14 eller i ett andra läge då den andra kylvätskan leds genom en bypassledning 20 och således förbi den andra laddluftkylaren 14. Styrenheten 19 är anpassad att mottaga signaler från en första temperaturgivare 21 som mäter luftens temperatur efter att den passerat den tör- sta laddluftkylaren 13 och innan den nått den andra laddluftkylaren 14. Styrenheten 19 är även anpassad att mottaga signaler från en andra temperaturgivare 22 avseende den andra kylvätskans temperatur i det andra kylsystemet innan den når trevägsventilen 18.

Efter att luften passerat den andra laddluftkylaren 14 leds den till motorns respektive cylindrar via en förgrening 23.

Under drift av dieselmotom 1 driver avgaserna i avgasledningen 8 turbin 9 innan de leds ut till omgivningen. Turbinen 9 tillhandahåller därvid en drivkraft, som driver kompressorn 10. Kompressorn 10 suger in och komprimerar omgivande luft i inlopps- ledningen 12. Luften, som praktiskt ofrånkomligen värmts upp under kompressionen, strömmar genom den första laddluftkylaren 13 där den kyls av kylvätskan i förbrän- ningsmotorns kylsystem 2. Den första laddluftkylaren 13 är avsedd att kyla luften i 10 15 20 25 30 35 529 422 6 inloppsledningen 12 i ett första steg. Den forsta laddluftkylaren 13 har en kapacitet som kan vara av storleksordningen 40% till 60% av kapaciteten hos en konventionell enhetlig 1-stegs laddluftzkylare. Den första laddluftkylarens 13 reducerade kapacitet i förhållande till den konventionella laddluftkylaren medför att kylvätskan i förbrän- ningsmotoms kylsystem tillhandahåller en relativt ringa temperaturökning då den kyler luften i inloppsledningen 12. På ett motsvarande sätt tillhandahåller kylvätskan i den första laddluftskylaren en relativt ringa temperatursänkning under omständigheter då luftens temperaturi inloppsledníngen 12 är lägre än kylvätskans temperatur. Det senare kan inträffa då förbränningsmotorn är lågt belastad och då omgivningstemperattrren är låg. Kylvätskan i förbränningsmotorns kylsystem utnyttjas här således i en mindre om- fattning för att kyla luften i inloppsledningen 12. Det är därmed mycket goda möjlig- heter att under väsentligen alla förbränningsmotorns driftsområden hålla kylvätskans temperatur inom ett önskat temperaturområde då den leds in i förbrärmingsmotorn.

Detta temperaturområde kan vara av storleken 80-1 00°C. I och med att kylvätskan i motorns kylsystem här kyls mindre än i en konventionell laddluftkylare reduceras ris- ken för s.k. överkylning av motorn avsevärt vilket kan uppkomma då omgivningstem- peraturen är låg och då forbränningsmotorn drivs med en låg belastning.

Under drift mottar styrenheten 19 väsentligen kontinuerligt signaler från den första temperaturgivaren 21 avseende luftens temperatur efter att den passerat igenom den första laddluftkylaren 13 och signaler från den andra temperaturgivaren 22 avseende den andra kylvätskans temperatur innan den når trevägsventilen 18. Under flertalet driftstillstånd med en låg belastning av iörbränningsmotom 1 mottar styrenheten 19 information från den första temperaturgivaren 21 vilken indikerar att luften har en till- räckligt låg temperatur efter att den kylts i den forsta laddluftkylaren 13. Därmed behö- ver luften inte kylas ytterligare i den andra laddluftkylaren 14. Styrenheten 19 ställer trevägsventilen 18 i det andra läget så att kylvätskan i det andra kylsystemet leds till bypassledningen 20 och således förbi den andra laddluftkylaren 14. I och med detta finns inget kylmedium tillgängligt i den andra laddluftkylaren 14 och luften tillhanda- håller därmed ingen ytterligare kylning då den passerar igenom den andra laddluftkyla- ren 14. Under vissa driftstillstånd med en låg belastning och en låg omgivningstempe- ratur kan styrenheten 19 mottaga information från den forsta temperaturgivaren 21 och den andra temperaturgivaren 22 vilken information indikerar att luften har en lägre temperatur än luften i inloppsledningen 12. Därmed är det inte möjligt att kyla luften i den andra laddluitkylaren 14 medelst det andra kylmediet. Styrenheten 19 ställer tre- vägsventilen 18 i det andra läget så att kylvätskan i det andra kylsystemet leds in i by- 10 15 20 25 30 35 . 529 422 7 passledningen 20 och således förbi den andra laddluftkylaren 14. Under omständighe- ter då omgivningen har en hög luftfuktighet kan styrenheten 19 mottaga information från den första temperaturgivaren 21 och den andra temperaturgivaren 22 vilken indi- kerar att luften riskerar att kylas till en temperatur under daggpunkten om den kyls i det andra steget i den andra laddluftkylaren 14. Även här ställer styrenheten 19 trevägs- ventilen 18 i det andra läget så att luften inte kyls i den andra laddluftkylaren 14. Under de flesta omständigheter då fórbränningsmotom drivs med en hög belastning mottaga styrenheten 19 information från den första temperaturgivaren 21 och den andra tempe- raturgivaren 22 vilken information indikerar att det är lämpligt att kyla luften i den andra ladclluftkylaren 14. Styrenheten 19 ställer trevägsventilen 18 i det första läget så att den andra kylvätskan leds genom den andra laddluftkylaren 14. Därmed tillhanda- hålls en kylning av luften i ett andra steg innan den leds till förbränningsmotom 1.

Fig. 2 visar ett alternativt arrangemang enligt uppfinningen vilket är tillämpbart på ett marint fartyg. I detta fall utnyttjas en värmeväxlare 24 för att kyla kylvätskan i förbrän- ningsmotorns kylsystem. En pump 25 är avsedd att tillföra sjövatten eller sjövattenkyld kylvätska till värmeväxlaren 24 för att kyla kylvätskan i förbränningsmotoms kylsy- stem. Här utnyttjas även sj övatten (eller sj övattenkyld motorkylvätska i en separat krets, så kallad kölkylning) som kylmedium i det andra kylsystemet. Vattnet sugs in i det andra kylsystemet medelst en pump 16. Det andra kylsystemet innefattar en ventil- anordning i forrn av en trevägsventíl 18 som är ställbar med hjälp av en styrenhet 19.

Styrenheten 19 kan med hjälp av trevägsventilen 18 välja att leda vattnet genom en andra laddluftkylare 14 eller förbi denna i en bypassledning 20. Styrenheten 19 motta- ger signaler fiån en första temperaturgivare 21 avseende luftens temperatur efter att den passerat den första laddluftkylaren 13 och signaler från en andra temperaturgivare 22 avseende sjövattnets temperatur innan det når trevägsventilen 18. Arrangemanget är i övrigt i princip identiskt med det visade arrangemanget i Fig. 1 och det har även en motsvarande funktion. Det görs därför inte här någon utförlig genomgång av arrange- mangets funktion i Fig. 2.

Uppfinníngen är på intet sätt begränsad till de på ritningen beskrivna utfóringsformerna utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar. Exempelvis så kan fler än en inkopp- lingsbar laddluftlcylare användas. Därmed är det möjligt att kyla luften i fler än två steg. Det andra kylsystemet behöver inte utnyttja ett vätskefonni gt kylmedium utan det kan även utnyttja ett gasformigt kylmedium såsom omgivande luft. Andra parametrar och givare kan utnyttjas än de ovan beskrivna för att bestämma om luften ska kylas i A529 422 8 ett eller två steg. Ventilanordningen behöver inte vara en trevägsventíl utan den kan en väsentligen godtycklig ventilkonstruktion som har en i detta sammanhang funktionell funktion.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 529 422 Patentkrav

1. l. Arrangemang hos en överladdad förbränningsmotor (1), varvid arrangemanget inne- fattar en inloppsledning (12) som är avsedd att leda luft till förbränningsmotorn ( 1), en kompressor (10) för att komprimera luften i inloppsledningen (12), och en första ladd- luftkylare (13) som är anordnad i inloppsledningen (12) nedströms kompressom (10) för att kyla luften i ett första steg medelst en cirkulerande kylarvätska vilken även an- vänds i ett kylsystem för att kyla förbränningsmotom (1), åtminstone en andra ladd- luftkylare (14) som är anordnad i inloppsledningen (12) för att möjliggöra en kylning av luften i ett andra steg medelst ett andra kylsystem (15) och en ventilanordning (18) som i ett första läge medger ett flöde av ett andra kylrnedium genom den andra ladd- luftkylaren (14) och i ett andra läge förhindrar ett flöde av den andra kylarvätskan ge- nom den andra laddluftkylaren (14), kännetecknat av att den första laddluftkylaren (13) har en kapacitet så att det är möjligt att väsentligen under alla förbrånningsmotoms driftsornråden hålla kylarvätskans temperatur inom ett önskat temperaturområde då den används för att kyla förbränningsmotorn (1).

2. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att arrangemanget innefattar en styren- het (19) som är inrättad att styra ventilanordningen (18).

3. Arrangemang enligt krav 2, kännetecknat av att styrenheten (19) är inrättad att styra ventilanordningen (18) med information från en temperaturgivare (21) som mäter luf- tens temperatur i inloppsledningen i en position mellan den första laddluftkylaren (13) och den andra laddlufikylaren (14).

4. Arrangemang enligt krav 2 eller 3, kärmetecknat av att styrenheten (19) är inrättad att styra ventilanordningen (18) med information från en temperaturgivare (22) avse- ende det andra kylmediets temperatur i det andra kylsystemet i en position uppströms den andra laddluftkylaren ( 14).

5. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att ventilanordning- en innefattar en trevägsventil som i ett första läge medger ett flöde av det andra kylrne- diet genom den andra laddluftkylaren (14) och i ett andra läge leder flödet av det andra kylmediet genom en bypassledning (20) som sträcker sig förbi den andra laddluftkyla- ren (14). 10 15 20 529 422 10

6. Arrangemang enligt något av föregående krav, att det andra kylme- diet är en vätska.

7. Arrangemang enligt krav 6, kärmetecknat av att det andra kylsystemet (15) innefattar en pump (16) som är anpassad att tillhandahålla ett flöde av det vätskeforrniga kylme- diet i det andra kylsystemet.

8. Arrangemang enligt krav 6 eller 7, kännetecknat av att det andra kylsystemet (15) innefattar en sluten krets som innefattar en andra kylare (17) där det våtskeforrniga kylmediet är avsett att avge värme.

9. Arrangemang enligt något av de föregående kraven 1 till 5, att det andra kylsystemet (15) är ett öppet system där ett ämne som finns tillgängligt i anslut- ning till fórbrärmingsmotorn (l) utnyttjas som det andra kylmediet.

10. Arrangemang enligt något av föregående krav, att kompressorn (10) innefattas i ett turboaggregat som innefattar en turbin (9) som drivs av avgaserna från förbränningsmotom (1).