SE541377C2 - Turboaggregat - Google Patents

Abstract

Turboaggregat med en första inloppsledning (3a) som leder avgaser från en första grupp cylindrar till ett turbinhjul (4a) och en andra inloppsledning (3b) som leder avgaser från en andra grupp cylindrar till turbinhjulet (4a). Flödesareor A1, A2 hos de båda inloppsledningarna (3a, 3b) är olika stora för att utjämna tryck- och temperaturskillnader mellan de båda inloppsledningama (3 a, 3b) när en bypasspassage (9a) är öppen.

Description

Turboaggregat TEKNISKT OMRÅDE Föreliggande uppfinning avser ett turboaggregat och en metod för att utjämna tryckoch temperaturskillnader mellan inlopp sledningar när avgaser leds genom en bypasspassage samt en förbränningsmotor innefattande ett turboaggregat och ett fordon innefattande en förbränningsmotor enligt bifogade patentkrav.

BAKGRUND OCH KÄND TEKNIK Turboaggregat i fordon innefattar i regel en turbin som drivs av avgaserna från en förbränningsmotor och en kompressor som komprimerar luft som leds till förbränningsmotorn. Turbinen är i regel utrustad med en wastegateventil som begränsar turbinens inloppstryck och därmed även dess varvtal. Wastegateventilen öppnar då trycket i en avgassamlare före turbinen blir för högt. Då det sker leds en del av avgaserna förbi turbinen via en bypassledning. Den typ av turbiner som benämns twin-scroll turbiner har två inloppsledningar som leder avgaser till turbinen. Den ena inloppsledningen är anpassad att motta avgaser från en första grupp cylindrar hos förbränningsmotorn och den andra inloppsledningen är anpassad att motta avgaser från en andra grupp cylindrar hos förbränningsmotorn. Med två inloppsledningar kan förbättrad turbineffekt erhållas.

Det är känt att förse en twin-scroll turbin med en bypassledning vid vardera inloppsledning och en gemensam wastegateventil för dessa men eftersom ett sådant arrangemang är relativt komplicerat och utrymmeskrävande är det vanligt att i stället utnyttja endast en bypassledning med wastgateventil vilket innebär att endast avgaserna från den ena gruppen cylindrar kan ledas förbi turbinen medan avgaserna från den andra gruppen cylindrar inte kan ledas förbi turbinen. En nackdel med detta är att avgastrycket och avgastemperaturen i inloppsledningen vars avgaser kan ledas förbi turbinen sjunker när wastgateventilen öppnar medan avgastrycket och avgastemperaturen i den andra inloppsledningen förblir väsentligen oförändrade. Den tryck- och temperaturskillnad som därvid uppkommer mellan avgaserna i de båda inloppsledningama på grund av ojämn luftfördelning i cylindersystemet och som existerar hela vägen från turbinen till cylindrarna ger upphov till en ojämn termisk belastning i cylindrarna och till ogynnsamma temperaturvariationer hos materialet i inloppsledningama och hos materialet kring de båda cylindergrupperna.

Trots att kända twin-scroll turbiner fungerar tillfredsällande finns behov av fortsatta forbättringar inom detta område. I synnerhet finns behov av att minska temperatur- och tryckskillnaden mellan avgaserna i de båda inloppsledningama när avgaser från den ena inloppsledningen men inte från den andra leds förbi turbinen, för att därigenom erhålla en jämnare termisk belastning i cylindrarna och en jämnare temperatur i materialet hos inloppsledningar och kring cylindergrupperna.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett turboaggregat som möjliggör en jämnare termisk belastning i cylindrarna och en jämnare temperatur i materialet hos ledningar och kring cylindergrupperna när wastegateventilen är öppen. Detta och andra syften uppnås genom de särdrag som anges i efterföljande patentkrav.

Genom att utnyttja olika stora flödesareor hos inloppsledningama och dessutom ansluta bypasspassagen till inloppsledningen med minst flödesarea kan en jämnare tryck- och temperaturfördelning mellan inloppsledningama till turbinen uppnås och därmed också i motorns cylindrar och cylinderbankar.

Genom lämplig utformning av storleksförhållandet mellan flödesareoma är det möjligt att minska eller eliminera tryck- och temperaturskillnaden mellan inloppsledningama när bypasspassagen är öppen samtidigt som tryck- och temperaturskillnaden är liten eller obefintlig när bypasspassagen är stängd. Detta innebär att förbränningen kan optimeras och att mer av bränslets energi kan utnyttjas. Storleksförhållandet mellan flödesareoma kan variera beroende på typ av motor men kan vid en fördelaktig utföringsform vara 0,51-0,55 mer företrädesvis 0,53 och beräknas enligt formeln ?? = A1 / (A1+A2).

Andra särdrag och fördelar med uppfinningen framgår av patentkraven, beskrivningen av utföringsexempel och av bifogade figurer.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs såsom exempel utföringsformer av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar där: Fig. 1 visar schematiskt ett fordon med ett turboaggregat.

Fig. 2 visar schematiskt ett längdsnitt genom en turbin.

Fig. 3 visar schematiskt ett tvärsnitt genom turbinen i planet A-A i Fig. 2.

Fig. 4a visar schematiskt ett tvärsnitt genom turbinen i planet B-B i Fig. 3.

Fig. 4b visar schematiskt tvärsnitt genom turbinen i planen B-B och C-C i Fig. 3. Fig. 5a visar en graf som åskådliggör tryck vid olika motorvarvtal enligt känd teknik.

Fig. 5b visar en graf som åskådliggör temperatur vid olika motorvarvtal enligt känd teknik.

Fig. 6a visar en graf som åskådliggör tryck vid olika motorvarvtal enligt uppfinningen.

Fig. 6b visar en graf som åskådliggör temperatur vid olika motorvarvtal enligt uppfinningen.

Fig. 7 schematiskt visar ett flödesdiagram för en utföringsform av ett förfarande.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar schematiskt ett fordon 1 som drivs av en överladdad förbränningsmotor 2. Fordonet 1 är med fördel ett tungt fordon 1 och förbränningsmotorn 2 kan vara en dieselmotor eller en Ottomotor. Vid alternativa utföringsformer kan förbränningsmotorn vara avsedd för industriellt eller marint bruk. Förbränningsmotorn kan vara en flercylindrig motor t.ex. en V-motor eller radmotor och kan innefatta vilket känt antal cylindrar som helst t.ex. 4, 6 eller 8 men är i detta fall exemplifierad som V8-motor med en första cylinderbank 2a som mottar avgaser från fyra cylindrar på en sida av förbränningsmotorn 2 och en andra cylinderbank 2b som mottar avgaser från fyra cylindrar på en motsatt sida om förbränningsmotorn 2. Avgaser från förbränningsmotorns första cylinderbank 2a leds via en första inloppsledning 3a till en turbin 4 hos et turboaggregat. Avgaser från förbränningsmotorns andra cylinderbank 2b leds via en andra inloppsledning 3b till turbinen 4.

Avgaserna som lämnar förbränningsmotorn 2 har et övertryck vilket resulterar i at de expanderar genom turbinen 4. Turbinen 4 erhåller därvid en drivkraft som överförs via en förbindning till en kompressor 5 hos turboaggregatet. Kompressorn 5 komprimerar därvid luft som via et luftfilter 6 sugs in i en inloppsledning 7. Den komprimerade luften i inloppsledningen 7 kyls i en laddluftkylare 8 innan den leds till förbränningsmotorn 2.

Genom at leda avgaser från förbränningsmotorns respektive cylinderbankar 2a, 2b via två separata inloppsledningar 3 a, 3b till turbinen 4 kan en hög volymetrisk verkningsgrad uppräthållas då avgaserna expanderar genom turbinen 4. En av inloppsledningama 3a, 3b, i deta utföringsexempel den andra inloppsledningen 3b, är förbunden med en bypasspassage 9a via vilken avgaser kan ledas från den andra inloppsledningen 3b till en avgasledning 3 som är belägen nedströms turbinen 4 utan at passera denna. Med hjälp av en ventil 10 kan avgasflödet genom bypasspassagen 9a regleras. Bypasspassagen 9a och ventilen 10 kan betecknas som en s.k. wastegateventil med vilken en varierbar del av avgaserna kan ledas förbi turbinen 4 då den riskerar at överbelastas. Ventilens 10 position regleras i deta exempel med hjälp av en schematiskt visad aktuator 11. Aktuatom 11 kan vara et pneumatiskt, hydrauliskt eller elektriskt aktiverbart kraftorgan som tillhandahåller en rörelser av ventilen 10 till olika positioner. En styrenhet 12 motar information från en sensor 13 eller liknande som avkänner en parameter som är relaterad till turbinens 4 belastning. I beroende av turbinens 4 belastning aktiverar styrenheten 12 aktuatom 11 så att den ställer ventilen 10 i en position vid vilken den släpper igenom ett avgasflöde genom bypasspassagen 9a av en lämplig storlek så att turbinen 4 inte överbelastas.

I fig. 2 visas schematiskt ett längdsnitt genom en turbin 4. Turbinen 4 innefattar ett turbinhjul 4a som är roterbart anordnad kring en rotationsaxel 4b. Den första inloppsledningen 3 a och den andra inloppsledningen 3b är anordnade bredvid varandra och separerade från varandra med en mellanvägg 14 och leder avgaser till ett perifert område 14a av turbinen 4 för att rotera turbinhjulet 4a kring rotationsaxeln 4b. Som visas i fig. 2 kan turboaggregatet innefatta ett hölje 18 i anslutning till turbinen 4. Höljet 18 avgränsar ett invändigt utrymme 18a som utgör en avslutande del av bypasspassagen 9a via vilket avgaserna kan ledas radiellt inåt till avgasledningen 3 via en öppning 3b i i den andra inloppsledningen 3b. Ventilen 10 kan därvid vara anordnad vid öppningen 3b i.

I fig. 3 visar schematiskt ett tvärsnitt genom turbinen 4 i planet A-A i fig. 2. Den första avgasledningen 3 a avslutas med ett långsträckt spiralformat parti vars tvärsnittsarea, dvs. flödesarea avtar kontinuerligt från ett inledande läge 14ai där avgaserna börj ar ledas radiellt inåt mot turbinhjulet 4a till ett avslutande läge 14a2där den första inloppsledningen 3 a upphör. Den andra avgasledningen 3b som inte visas i figuren men som sträcker sig parallellt med den första inloppsledningen 3 a bakom mellanväggen 14 innefattar på motsvarande sätt ett långsträckt spiralformat parti vars tvärsnittsarea, dvs. flödesarea avtar kontinuerligt från ett inledande läge där avgaserna börjar ledas radiellt inåt mot turbinhjulet 4a till ett avslutande läge där den andra inloppsledningen 3b upphör. Avgaserna leds, vilket visas med pilar 16, mot ej visade skövlar på turbinhjulet 4a genom en långsträckt mot turbinhjulet 4a vänd öppning 19,20 i vardera inloppsledning 3a, 3b. I figuren visas endast en öppning 19, nämligen den i inloppsledningen 3a. Öppningarna 19,20 sträcker sig mellan respektive inloppslednings 3a, 3b spiralformade partis inledande lägen 14a1och avslutande lägen 14a2.

Figurerna 5a och 5b, som bör betraktas tillsammans med fig. 2, visar grafer som åskådliggör tryck p respektive temperatur t hos avgaserna i inloppsledningarna 3a, 3b vid olika motorvarvtal n enligt känd teknik. I fig. 5a visas en del 22 av en tryckkurva som är gemensam för de båda inloppsledningarna 3 a, 3b när bypasspassagen 9a är stängd och som vid drift av motom 2 växer från ett första varvtal n1 till ett andra varvtal n2. Vid det andra varvtalet n2 erhåller ventilen 10 en signal från styrenheten 12 och öppnar bypasspassagen 9a mellan den andra inloppsledningen 3b och avgasledningen 3. Trycket p2 hos avgaserna i den andra inloppsledningen 3b med bypass stabiliseras därvid medan trycket hos avgaserna i den första inloppsledningen 3a utan bypass fortsätter att öka för att stabiliseras på en betydligt högre nivå p1.

I fig. 5b visas en del 23 av en temperaturkurva som är gemensam för de båda inloppsledningama 3 a, 3b när bypasspassagen 9a är stängd och som vid drift av motom 2 sjunker från det första varvtalet n1 till det andra varvtalet n2. Vid det andra varvtalet n2 erhåller ventilen 10 en signal från styrenheten 12 och öppnar bypasspassagen 9a mellan den andra inloppsledningen 3b och avgasledningen 3 varefter temperaturen hos avgaserna i andra inloppsledningen 3b med bypass ökar med ökande varvtal till en temperatur t2 vid varvtalet n3 samtidigt som temperaturen hos avgaserna i den första inloppsledningen 3a utan bypass ökar till en temperatur t1 vid varvtalet n3.

Den tryckskillnad ?p och den temperaturskillnad ?t som vid känd teknik uppkommer mellan avgaserna i de båda inloppsledningama 3a, 3b och som existerar hela vägen från turbinen 4 till cylindrarna när avgaserna från den ena inloppsledningen 3b men inte från den andra avgasledningen 3a leds förbi turbinen 4 ger upphov till en ojämn termisk belastning i cylindrarna och till ogynnsamma temperaturvariationer hos materialet i inloppsledningarna och hos materialet kring de båda cylindergrupperna.

I fig. 4 a visas schematiskt ett tvärsnitt genom turbinen 4 i planet B-B i fig. 3. Den första inloppsledningen 3a har en flödesarea A1 och leder via den långsträckta öppningen 19 avgaser till turbinens 4 perifera område 14a för att rotera turbinhjulet 4a kring rotationsaxeln 4b. Den andra avgasledningen 3b har en flödesarea A2 och leder via den långsträckta öppningen 20 avgaser till turbinens 4 perifera område 14a för att rotera turbinhjulet 4a kring rotationsaxeln 4b. De båda inloppsledningarna 3a, 3b är anordnade bredvid varande utan förskjutning och är separerade från varandra med mellanväggen 14.

Flödesareoma A1, A2 är olika stora i det visade tvärsnittet B-B och dessutom genom valfritt annat tvärsnitt genom turbinen 4 för att minska tryckskillnaden Ap och temperaturskillnaden ?t mellan de båda inloppsledningarna 3a, 3b före turbinen 4 när bypasspassagen 9a är öppen. Bypasspassagen 9a är i detta exempel ansluten till den andra inloppsledningen 3b vars flödesarea A2 är mindre än flödesarean A1 hos den första inloppsledningen 3a. Eftersom flödesareorna A1, A2 är olika stora kan trycket p och temperaturen t i inloppsledningarna 3a, 3b påverkas så att det uppstår en tryck- och temperaturskillnad mellan avgaserna i de båda inloppsledningarna 3a, 3b före turbinen 4 när bypasspassagen 9a är stängd. Denna skillnad kan emellertid minskas eller helt elimineras genom att välja lämpligt storleksförhållande mellan flödesareorna A1,A2 hos de båda inloppsledningarna 3a, 3b. Vid en utföringsform är storleksförhållandet AA mellan flödesareorna A1,A20,5 1-0,55 men företrädesvis 0,53 och beräknas enligt formeln ?A = A1 / (A1+A2).

Genom lämplig utformning av storleksförhållandet ?A mellan flödesareorna A1,A2 är det således möjligt att minska eller eliminera tryckskillnaden ?p och temperaturskillnaden ?t mellan avgaserna i de båda inloppsledningarna 3 a, 3b när bypasspassagen 9a är öppen samtidigt som tryck- och temperaturskillnaden är liten eller obefintlig när bypasspassagen 9a är stängd. Lämplig utformning kan vid en utföringsform innebära en kompromiss där en liten tryckskillnad ?p och/eller temperaturskillnad ?t mellan inloppsledningama 3 a, 3b accepteras när bypasspassagen 9a är stängd för att tryckskillnaden Ap och/eller temperaturskillnaden ?t mellan inloppsledningama 3a, 3b ska vara liten eller obefintlig när bypasspassagen 9a är öppen.

Vid den i fig. 4a visade turbinen 4 är inloppsledningama 3a, 3b anordnade bredvid varandra utan förskjutning. Flödesareoma A1 och A2 är således utformade i samma plan B-B. Vid en alternativ utföringsform kan den ena inloppsledningen 3a, 3b, t.ex. inloppsledningen 3a, vara förskjuten en vinkel ? relativt den andra inloppsledningen 3b, vilket visas schematiskt med streckade konturer 25 i fig.3. Vinkel ? är ca 20° i utforingsexemplet men kan vara t.ex. cirka 180° vid en V-8 motor. Även andra vinklar är möjliga utan att uppfinningstanken går förlorad. I fig. 4b visas schematiskt ett tvärsnitt genom turbinen 4 i planen B-B och C-C i fig. 3 där planet C-C sträcker sig genom inloppsledning 3 a och planet B-B genom inloppsledningen 3b. Flödesarean A2 är utformad i planet B-B och flödesarean A1 är utformad i planet C-C som sträcker sig i vinkeln ? relativt planet B-B.

Figurerna 6a och 6b, som bör betraktas tillsammans med fig. 2, visar grafer som åskådliggör tryck p respektive temperatur t hos avgaserna i inloppsledningarna 3 a, 3b vid olika motorvarvtal n enligt en utforingsform av uppfinningen. Av figurerna framgår att tryckskillnaden ?p och temperaturskillnaden ?t är betydligt mindre när uppfinningen tillämpas än vad de är vid känd teknik enligt figurerna 5a och 5b, vilket resulterar i en jämnare termisk belastning i cylindrarna och en jämnare temperatur i materialet hos ledningar och kring cylindergrupperna när wastegateventilen är öppen.

I fig. 6a visas en del 22a av en tryckkurva som visar trycket p hos avgaserna i den första inloppsledningen 3 a utan bypass och en del 22b av en tryckkurva som visar trycket hos avgaserna i den andra inloppsledningen 3b med bypass när bypasspassagen 9a är stängd. Vid drift av motorn 2 växer tryckkurvornas delar 22a, 22b från ett första varvtal n1 till ett andra varvtal n2. Trycket hos avgaserna i den andra inloppsledningen 3b med bypass som illustreras med tryckkurvans del 22b är i detta exempel vid varje varvtal obetydligt högre än trycket hos avgaserna i den första inloppsledningen 3a utan bypass som illustreras med tryckkurvans del 22a. Denna skillnad kan emellertid minskas eller helt elimineras genom att välja ett lämpligt förhållande mellan flödesareoma A1, A2. Vid det andra varvtalet n2 erhåller ventilen 10 en signal från styrenheten 12 och öppnar bypasspassagen 9a mellan den andra inloppsledningen 3b och avgasledningen 3. Trycket p2 hos avgaserna i den andra inloppsledningen 3b med bypass stabiliseras därvid medan trycket hos avgaserna i den första inloppsledningen 3a utan bypass fortsätter att öka för att i detta exempel stabiliseras på en nivå p1 obetydligt högre än trycket p2. Även denna skillnad kan minskas eller helt elimineras genom att välja ett lämpligt förhållande mellan flödesareorna A1,A2.

I fig. 6b visas en del 23a av en temperaturkurva som visar temperaturen t hos avgaserna i den första inloppsledningen 3 a utan bypass och en del 23b av en tryckkurva som visar temperaturen hos avgaserna i den andra inloppsledningen 3b med bypass när bypasspassagen 9a är stängd. Vid drift av motorn 2 sjunker temperaturkurvomas delar 23 a, 23b från det första varvtalet nl till det andra varvtalet n2. Temperaturen hos avgaserna i den andra inloppsledningen 3b med bypass som illustreras med temperaturkurvans del 23b är därvid obetydligt högre än temperaturen hos avgaserna i den första inloppsledningen 3 a utan bypass som illustreras med temperaturkurvans del 22b. Denna skillnad kan minskas eller helt elimineras genom att välja ett lämpligt förhållande mellan flödesareoma A1,A2. Vid det andra varvtalet n2 erhåller ventilen 10 en signal från styrenheten 12 och öppnar bypasspassagen 9a mellan den andra inloppsledningen 3b och avgasledningen 3 vilket resulterar i att temperaturen hos avgaserna i andra inloppsledningen 3b med bypass ökar med ökande varvtal till en temperatur t2 vid varvtalet n3 samtidigt som temperaturen hos avgaserna i den första inloppsledningen 3 a utan bypass ökar till en temperatur t1 vid varvtalet n3. Även denna skillnad kan minskas eller helt elimineras genom att välja ett lämpligt förhållande mellan flödesareoma A1,A2.

I fig.7 visas ett flödesdiagram över ett förfarande för att för att utjämna tryck- och temperaturskillnader mellan inloppsledningar när avgaser leds genom en bypasspassage. Enligt en utföringsform innefattar förfarandet ett steg 30 i vilket bypasspassagen (9a) ansluts till inloppsledningen med minst flödesarea (A2).

Uppfinningen är inte begränsad till de beskrivna utföringsformema utan en mängd möjligheter till modifikationer därav är uppenbara för fackmannen på området utan att denne för den skull avviker från uppfinningens grundtanke såsom den definieras i patentkraven.

Claims (7)

Patentkrav

1. Turboaggregat för att utjämna tryck- och temperaturskillnader mellan avgaser i inloppsledningar (3a, 3b) när avgaser leds genom en bypasspassage (9a) vilket turboaggregat innefattar en turbin (4) med åtminstone ett turbinhjul (4a), en första inlopp sledning (3a) med en första flödesarea (A1) vilken första inlopp sledning (3a) är anpassad att motta avgaser från en första grupp cylindrar (2a) hos en förbränningsmotor (2) och leda dessa till turbinhjulet (4a), en andra inlopp sledning (3b) med en andra flödesarea (A2) vilken andra inloppsledning (3b) är anpassad att motta avgaser från en andra grupp cylindrar (2b) hos förbränningsmotorn (2) och leda dessa till turbinhjulet (4a) varvid flödesareorna (A1,A2) är olika stora och varvid bypasspassagen (9a) är ansluten till inloppsledningen (3b) med minst flödesarea (A2) och anpassad att leda avgaser från inloppsledningen (3b) till en avgasledning (3) som är anordnad nedströms turbinen (4), kännetecknat av att storleksförhållandet ?? mellan flödesareorna (A1,A2) är 0,51-0,55 och beräknas enligt formeln ?? = A1 / (A1+A2).

2. Turboaggregat enligt patentkrav 1, kännetecknat av att storleksförhållandet ?? mellan flödesareorna (A1, A2) är 0,53 och beräknas enligt formeln ?? = A1 / (A1+A2).

3. Turboaggregat enligt patentkrav 1, kännetecknat av att den första inloppsledningen (3a) avslutas med ett spiralformat parti vars tvärsnittsarea avtar kontinuerligt från ett inledande läge (14a1) där avgaserna börjar ledas radiellt inåt mot turbinhjulet (4) till ett avslutande läge (14a2) där den första inloppsledningen (3a) upphör, och att den andra inloppsledningen (3b) avslutas med ett spiralformat parti som sträcker sig parallellt med den första inloppsledningen (3a) och vars tvärsnittsarea avtar kontinuerligt från ett inledande läge (14b1) där avgaserna börjar ledas radiellt inåt mot turbinhjulet (4) till ett avslutande läge (14b2) där den andra inloppsledningen (3b) upphör.

4. Turboaggregat enligt patentkrav 1 eller 3, kännetecknat av att den första inlopp sledningen (3a) och den andra inlopp sledningen (3b) är separerade från varandra med en mellanvägg (14) och leder avgaser till ett perifert område (14a) av turbinen (4).

5. Turboaggregat enligt patentkrav 1, kännetecknat av att förbränningsmotorn är en V-motor med en första cylinderbank 2a som mottar avgaser från cylindrar på en sida av förbränningsmotorn 2 och en andra cylinderbank 2b som mottar avgaser från cylindrar på en motsatt sida om förbränningsmotorn 2.

6. Förbränningsmotor innefattande ett turboaggregat enligt något av patentkraven 1-5.

7. Fordon innefattande en förbränningsmotor enligt patentkrav 6.