CS261928B1

CS261928B1 - A device for regulating the charge air temperature of a piston supercharged engine

Info

Publication number: CS261928B1
Application number: CS872239A
Authority: CS
Inventors: Jan Doc Ing Csc Macek
Original assignee: Macek Jan
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1987-03-31
Publication date: 1989-02-10
Also published as: CS223987A1

Abstract

Podstatou zařízení k regulaci teploty vzduchu pístového motoru, u něhož je trvale propojen okruh chlazení plnicího vzduchu s okruhem chladicího pláště motoru, spočívá v tom, že pomocí uzavíracích orgánů spojených s mechanickým regulátorem a elektrickým regulátorem, napojeným na čidlo tlaku, je pri nízkém výkonu motoru spojen výstup primárního chladiče se vstupem chladicího^pláště motoru a výstup chladicího pláště motoru je spojen se vstupem chladiče plnicího vzduchu a při vysokém zatížení motoru je výstup primárního ohladiěe spojen se vstupem chladiče plnicího vzduchu á výstup chladiče plnicího vzduchu je spojen se vstupem chladicího pláště motoru, přičemž uzavírací orgány jsou tvořeny prvním trojcestným kohoutem, druhým trojceštným kohoutem, třetím trojceštným kohoutem a čtvrtým trojoestným kohoutem a čidlem tlaku je uspořádáno mezi výtlakem kpmpresoru a plnicími ventily motoru. Zařízení lze využít ke snížení vlivu studená koroze a zlepšení spalování těžkých paliv při nízkém zatížení, s^cílem snížení provozních nákladů přeplňovaných naftových motorů.The essence of the device for regulating the air temperature of a piston engine, in which the charge air cooling circuit is permanently connected to the engine cooling jacket circuit, consists in that, by means of closing elements connected to a mechanical regulator and an electrical regulator connected to a pressure sensor, at low engine power, the output of the primary cooler is connected to the input of the engine cooling jacket, and the output of the engine cooling jacket is connected to the input of the charge air cooler, and at high engine load, the output of the primary cooler is connected to the input of the charge air cooler, and the output of the charge air cooler is connected to the input of the engine cooling jacket, wherein the closing elements are formed by a first three-way valve, a second three-way valve, a third three-way valve and a fourth three-way valve, and the pressure sensor is arranged between the compressor discharge and the engine charging valves. The device can be used to reduce the effects of cold corrosion and improve the combustion of heavy fuels at low loads, with the aim of reducing the operating costs of turbocharged diesel engines.

Description

Vynález se týká zařízení k regulaci teploty plnícího vzduchu pístového přeplňovaného můtoru při jeho nízkém nebo vysokém zatížení.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for controlling the charge air temperature of a piston supercharger under low or high load.

Je známo, že použití méněhodnotných paliv v přeplňovaných naftových motorech způsobuje problémy při nízkém výkonu motoru vzhledem k nízkému cetanovému číslu paliva a vysokému obsahu pomalu hořících složek, např. asfalténů. Důsledkem je nadměrný gradient tlaku při spalovaní a vznik júsad ve spalovacím prostoru při delším provozu se sníženým výkonem. Jednou z možných cest zmenšení těchto problémů je zvýšení teplot plnícího vzduchu v nízkých výkonových režimech pomocí chladiče plnícího vzduchu, do něhož je v tomto případě zavedena horká voda vystupující z chladícího pláště motoru. Kromě změny zapojení chladícího okruhu je v tomto případě potřeba zajistit vhodnou regulaci teploty vzduchu i vody v závislosti na provozních podmínkách.It is known that the use of low-value fuels in turbocharged diesel engines causes problems at low engine power due to the low cetane number of the fuel and the high content of slow-burning components such as asphaltenes. This results in an excessive pressure gradient during combustion and formation of combustion chamber components during longer periods of reduced power. One possible way of reducing these problems is to increase the charge air temperatures in low power modes by using the charge air cooler, in which in this case the hot water exiting the engine cooling jacket is introduced. In addition to changing the coolant circuit, it is necessary to ensure that the air and water temperature are appropriately controlled depending on the operating conditions.

Známá jsou zařízení, kde se používá čidel zatížení, otáček nebo teplot, působících přímo - mechanicky - na regulační orgány průtoku vody např. na termostatické ventily. Tyto systémy využívají elektrického přenosu vyhodnocení signálu ěisla elektronickým systémem a elektricko-mechanických ovladačů regulačních orgánů. U těchto systému lze programově měnit nastavení termostatických regulátorů teploty obvykle v případě složitějších řídících systémů celého soustrojí. Přitom se teplota plnícího vzduchu i chladící vody snižuje s rostoucím výkonem motoru.Devices are known where load, speed or temperature sensors are used which act directly - mechanically - on the flow controllers, for example on thermostatic valves. These systems utilize the electrical transmission of the signal evaluation by the electronic system and the electromechanical actuators of the regulators. These systems can be programmed to change the settings of thermostatic temperature regulators usually in the case of more complex control systems of the whole set. At the same time, the temperature of the charge air and cooling water decreases as the engine power increases.

Nevýhodou uvedených zařízení je nesnadná přizpůsobivost ke změněným požadavkům na regulaci teploty - nutnost změny náplně termostatických čidel. Čidla otáček a zatížení jsou složitá.The disadvantage of these devices is the difficult adaptability to the changed requirements for temperature regulation - the need to change the filling of thermostatic sensors. Speed and load sensors are complex.

281 928281 928

Elektronické systémy jsou komplikované, zejména elektromechanické převodníky. Použití těchto zařízení je výhodné u zmíněných řídících systémů celého soustrojí, které vsak nejsou universální pro různá použití motorů.Electronic systems are complicated, especially electromechanical converters. The use of these devices is advantageous in the above-mentioned control systems of the whole set, but they are not universal for various motor applications.

Další známá provedení/ zabývající se problematikou regulace teploty plnícího vzduchu,uvádí například CS-PS 209 417 a CS-PS 209 470 jako analogie francouzských patentů firmy S.E.M.T. Z hlediska konkrétního konstrukčního provedení popisovaných zařízení jsou odlišná zejména v získávání ohřevu plnícího vzduchu pomocí sběrného výfukového potrubí, pomocných hořáků apod. Ani v jednom případě nelze těchto zařízení použít pro motory’s vysokým kompresním poměrem.Other known embodiments dealing with the issue of charge air temperature control are cited, for example, in CS-PS 209 417 and CS-PS 209 470 as an analogy to the French patents of S.E.M.T. From the point of view of the particular construction of the devices described, they differ mainly in obtaining the charging air heating by means of the exhaust manifold, auxiliary burners, etc. In either case, these devices cannot be used for engines' high compression ratio.

Uvedené nevýhody odstraňuje zařízení k regulaci teploty plnícího vzduchu pístového přeplňovaného motoru, u něhož je trvale propojen okruh chlazení plnícího vzduchu s okruhem chladícího pláště motoru, jehož podstata spočívá v tom, že pomocí uzavíracích orgánů/spojených s mechanickým regulátorem a elektrickým regulátorem napojeným na čidlo tlaku,je při nízkém zatížení motoru spojen výstup primárního chladiče se vstupem chladicího pláště motoru a výstup chladicího pláště motoru je spojen se vstupem .chladiče plnícího vzduchu a při vysokém zatížení motoru je výstup .primárního chladiče spojen se vstupem chladiče plnícího vzduchu a výstup chladiče plnícího vzduchu je spojen se vstupem chladicího pláště motoru, přičemž uzavírací orgány jsou tvořeny prvním trojcestným kohoutem, druhým trojcestným kohoutem, třetím trojcestným kohoutem a čtvrtým trojcestným kohoutem a čidlo tlaku je uspořádáno mezi výtlakem kompresoru a plnícími ventily motoru.The above-mentioned disadvantages are eliminated by a device for controlling the charge air temperature of a piston supercharged engine, in which the charge air cooling circuit is permanently connected to the engine coolant circuit, which consists in that by means of shut-off devices connected to a mechanical regulator and electrical regulator connected to a pressure sensor , at low engine load, the primary cooler outlet is coupled to the engine coolant inlet and the engine coolant outlet is coupled to the charge air cooler inlet, and at high engine load, the primary cooler outlet is coupled to the charge air cooler inlet and the charge air cooler outlet is connected to the inlet of the engine cooling jacket, the shut-off members being a first three-way valve, a second three-way valve, a third three-way valve and a fourth three-way valve, and a pressure sensor arranged between the compressor discharge and the engine fill valves.

' Výhodou tohoto zařízení podle vynálezu je jednoduchá konstrukce, kterou lze instalovat prakticky na všechny druhy přeplňovaných mot.orů/a to i na motory s vysokým kompresním poměrem, v čemž lze spatřit zásadní odlišnost od stávajících zařízení. Samočinná regulace teploty přeplňovaného vzduchu vhodně nastavená na optimální hodnoty teplot a tlaků přináší zvýšenou účinnost motoru.The advantage of this device according to the invention is a simple design which can be installed on virtually all kinds of turbocharged engines (even on engines with a high compression ratio), which shows a fundamental difference from the existing devices. Self-adjusting the charge air temperature to suit the optimum temperature and pressure values results in increased engine efficiency.

261 928261 928

Příklad konkrétního provedení je zobrazen na připojených výkresech kde obr.1 schematicky znázorňuje chladící systém motoru s jedním okruhem společným pro chlazení plnícího vzduchu a dalších (nezakreslených) uzlu, jako. je chlazení oleje, dílů pracovního prostoru válce, přápadně turbiny turbodmychadla, upravený podle vynálezu. Obr.2 až obr.9 zobrazuje zjednodušeně různá nastavení uzavíracích orgánů - v našem případě trojcestnýóh kohoutu - při různých výkonnových zatíženích motoru a na obr.10 je schematicky v řezu zobrazen mechanický regulátor pro ovládání trojcestných kohoutů v závislosti na tlaku plnícího vzduchu.An example of a particular embodiment is shown in the accompanying drawings wherein Fig. 1 schematically illustrates a single circuit engine cooling system common to cooling charge air and other (not shown) nodes, such as. is a cooling of oil, parts of the cylinder working space, westward turbine of a turbocharger, modified according to the invention. Figures 2 to 9 show, in simplified form, the different settings of the shut-off devices - in our case a three-way tap - at different power loads of the engine, and Figure 10 schematically shows a mechanical regulator for controlling three-way taps depending on the supply air pressure.

Z obr.1 je patrné schéma vzájemných propojení hlavních částí zařízení, tj. chladicího pláště motoru J_, chladiče 5 plnícího vzduchu, primárního chladiče 18, kompresoru 3, turbiny 8 turbodmychladla a uzavíracích orgánů, prvního termostatického ventilu 11 a druhého termostatického ventilu 16, elektrického regulátoru 58 a vodního čerpadla 9. Vzájemné propojení těchto dílů je tvořeno potrubím, kde je šipkami vyznačen směr proudění chladící vody. Uzavírací orgány jsou tvořeny prvním trojcestným kohoutem 1_3, druhým trojcestným kohoutem 25, třetím trojcestným kohoutem 28 a čtvrtým trojcestným kohoutem 55, které jsou ovládány mechanickým regulátorem 45 (obr. 10).1 shows a diagram of the interconnections of the main parts of the apparatus, i.e. the engine cooling jacket, the charge air cooler 5, the primary cooler 18, the compressor 3, the turbocharger and shut-off valve 8, the first thermostatic valve 11 and the second thermostatic valve 16 controller 58 and water pump 9. The interconnection of these parts is formed by a pipeline where the arrows indicate the direction of cooling water flow. The shut-off members consist of a first three-way valve 13, a second three-way valve 25, a third three-way valve 28, and a fourth three-way valve 55, which are actuated by a mechanical regulator 45 (FIG. 10).

Chladicí voda prochází výstupem 50 chladiče 5 plnicího vzduchu, výstupem 29 třetího trojcestného kohoutu 28 a vstupem 51 chladícího pláětě motoru ý, dále výstupem 52 chladícího pláětě motoru 2 ^a druhým výstupem 54 Čtvrtého trojcestného kohoutu 55 (se zapojenou expanzní a odplyňovací nádrží 10) do sání vodního čerpadla 9, kde je zařazeno čidlo 55 teploty. Přes první termostatický ventil 11 postupuje chladící voda výstupem 22 vodního čerpadla 9, výstupem 12 prvního termostatického ventilu JJ_ a výstupem 14 prvního trojcestného kohoutu 15 do primárního chladiče 18, kde je ochlazována médiem z okolí (vodou nebo vzduchem). Vstupem 20 druhého trojcetného. kohoutu 23 a výstupem 24 druhého trojcentného kohoutu 25 se okruh uzavírá. Při příliš nízké teplotě vody na výstupu 52 chladícího pláětě motoru J_ otevře první termostatický ventil 11, spojený s čidlem 55 teplotyCooling water passes through the charge air cooler outlet 50, outlet 29 of the third three-way cock 28 and engine coolant inlet 51, engine coolant outlet 52, ^and second outlet 54 of Fourth-way valve 55 (with expansion and degassing tank 10 connected) to the intake of a water pump 9, which includes a temperature sensor 55. Through the first thermostatic valve 11, the cooling water passes through the outlet 22 of the water pump 9, through the outlet 12 of the first thermostatic valve 11 and through the outlet 14 of the first three-way tap 15 to the primary cooler 18 where it is cooled by ambient air (water or air). By entering 20 of the second triple. the outlet 23 of the second three-cent valve 25 closes the circuit. At too low a water temperature at the cooling jacket outlet 52 of the engine 11, the first thermostatic valve 11 connected to the temperature sensor 55 opens

261 928 elektrickým vedením 56, obtokové potrubt 21 primárního chladiče 18 a tím jej částečně nebo úplné vyřadí z činnosti. Plnící vzduch je nasáván nasávacím potrubím 2 kompresoru £, po stlačení dodáván výstupem 4 kompresoru £ do chladiče £ plnícího vzduchu, z něhož postupuje výtlakem 6 kompresoru 5' za chladičem £ plnícího vzduchu do válců motoru £. Výfukové plyny odcházejí potrubím 7 výfukových plynu do turbiny 8 turbodmychadla.261 928 by electrical line 56, by-pass line 21 of primary cooler 18, thereby partially or completely disabling it. The charge air is sucked in by the suction pipe 2 of the compressor 6, after being compressed, it is supplied by the compressor outlet 4 to the charge air cooler 6, from which it proceeds by discharge 6 of the compressor 5 'after the charge air cooler 6 into the cylinders. The exhaust gases leave via the exhaust gas line 7 to the turbocharger 8.

Při nízkém výkonu motoru £, kdy je teplota sten spalovacího prostoru i plnícího vzduchu příliš nízká, lze pořadí chlazení v soustavě - chladič £ plnícího vzduchu - motor £ - obrátit prostřednictvím uzavíracích orgánů (trojcestných kohoutů) naznačených na obr.1, nebo jim funkčně obdobných skupin ventilů.At low engine power, where the combustion chamber and charge air walls are too low, the order of cooling in the charge-air cooler 4 of the engine can be reversed by means of the shut-off devices (three-way taps) shown in FIG. valve groups.

Voda z chladícího pláště motoru £ je zaváděna prvním výstupem 27 čtvrtého trojčestného kohoutu ££ (poloha pro vysoký výkon motoru £ - obr.2, pro nízký výkon - obr.5) a výstupem 24 druhého trojcestného kohoutu 23 do chladiče £ plnícího vzduchu, odkud odtéká přes třetí trojcestný kohout 28 (poloha pro vysoký výkon - obr.4, pro nízký výkon - obr.5) sacím potrubím 26 do vodního Čerpadla £. První termostatický ventil 11 v důsledku zvýšení teploty chladící vody uzavírá obtokové potrubí 21 a voda se z vodního čerpadla 9 dostává na první trojcestný kohout ££, který umožňuje použití druhého termostatického ventilu £6, seřízeného na zvýšenou teplotu pro regulaci teploty vody při nízkém výkonu motoru (poloha prvního trojcestného kohoutu £3 a pro vysoký výkon - obr.6, pro nízký výkon .- obr.7)· Podle obr.7 se tedy voda dostává vstupem £7 druhého termostatického ventilu £6 do druhého termostatického ventilu 16 a z něho buc[ do primárního chladiče £8 přes zpětnou klapku ££, nebo se při nedostatečné teplotě vody dostává přímo do vstupu 20 druhého trojcestného kohoutu 2£· Zpětná klapka £5 zabraňuje zpětnému toku vody do výstupu £9 druhého termostatického ventilu £6 při vysokém výkonu motoru £. Vstupem 20 druhého trojcestného kohoutu 25 se voda dostává na druhý trojcestný kohout 25(poloha pro vysoký výkon obr.8, pro nízký výkon - obr.9), který v tomto přápadš spojuje dle obr. 9 vstup 20 druhého trojcestného kohoutu 25 a přívodní potrubí 2£ chladícího pláště se vstupem 51 chladícího pláště motoru 1.The water from the engine cooling jacket is introduced through the first outlet 27 of the fourth three-way valve 64 (position for high engine power £ - FIG. 2, for low power - FIG. 5) and through the outlet 24 of the second three-way cock 23 into the charge air cooler. flows through the third three-way valve 28 (high power position - FIG. 4, low power - FIG. 5) via suction line 26 to the water pump. The first thermostatic valve 11 closes the bypass line 21 as a result of an increase in the cooling water temperature, and the water flows from the water pump 9 to a first three-way valve 60 which allows the use of a second thermostatic valve 66 adjusted to elevated temperature to control the water temperature at low engine power (position of the first three-way valve £ 3 and for high power - Fig. 6, for low power. - Fig. 7). According to Fig. 7, water enters through the inlet £ 7 of the second thermostatic valve £ 6 into the second thermostatic valve 16 and [to the primary cooler £ 8 via the check valve £ or, if the water temperature is insufficient, reaches directly the inlet 20 of the second three-way valve 2. The check valve prevents the return of water to the outlet 9 of the second thermostatic valve £ 6 at high engine power. £. Through the inlet 20 of the second three-way tap 25, water enters the second three-way tap 25 (high power position Fig. 8, low power - Fig. 9), which connects the inlet 20 of the second three-way cock 25 and the supply line. 26 of the cooling jacket with the cooling jacket inlet 51 of the motor 1.

261 928261 928

Přepínáni trojceetných kohoutů nebo jim funkčně rovných trojic ventilů na příslušných trojicích potrubí lze ovládat spojitě nebo diskrétně podle tlaku plnícího vzduchu snímaného snímacím čidlem 39 tlaku ve výstupu 4 kompresoru 3 nebo ve výtlaku j6 kompresoru 2 za chladičem 5 plnícího vzduchu, nebo přímo v chladiči 5 plnicího vzduchu. Signál vyhodnocuje elektrický regulátor 38, který předává řídící impulsy elektrickými vedeními 40, 41 , 42, 45 jednotlivým trojcestným kohoutům 13, 23, 28, 33, nebo skupinám ventilů.The switching of the triplet valves or their functionally equal triplets on the respective triplets can be controlled continuously or discreetly according to the charge air pressure sensed by the pressure sensor 39 of the compressor outlet 4 or the compressor discharge 6 of the compressor 2 downstream of the charge air cooler 5 or directly in the charge cooler 5 air. The signal is evaluated by the electrical controller 38, which transmits the control pulses through the electrical lines 40, 41, 42, 45 to the individual three-way taps 13, 23, 28, 33, or groups of valves.

Příklad mechanického regulátoru se spojitou regulací v určitém rozmezí uvádí obr.10.An example of a mechanical controller with continuous control in a certain range is shown in Figure 10.

Píst 46 mechanického regulátoru 45, zatížený předepjatou pružinou 47, je při vysokém výkonu v horní poloze vlivem vysokého tlaku plnícího vzduchu, přiváděného vstupní částí 44 mechanického regulátoru 45 z výstupu 4 kompresoru 2» nebo z výtlaku 6 kompresoru 2 ^za chladičem 2 plnícího vzduchu a nebo přímo z chladiče 2 plnícího vzduchu. Trojcestné kohouty - jako příklad je uveden druhý trojcestný kohout 23 - jsou pomocí tyče 49, spojnice 50 a páky 31 v poloze pro vysoký výkon motoru 2* ŽPíst 46 mechanického regulátoru 45 se opírá o stavitelný doraz 48. Klesá-li výkon motoru 2 a plnící tlak, převýší síla pružiny 47 sílu od tlaku plnícího vzduchu a píst 46 se pohybuje k opačné krajní poloze, přičemž přepíná druhý trojcestný kohout 23 do polohy pro nízký výkon - viz obr.9· Stejným způsobem jsou ovládány i ostatní trojcestné kohouty 1 5, 28 a 22· Vhodným tvarem průtočných průřezů trojčestných kohoutů nebo obdobných orgánů a dimenzováním pružiny 47 lze dosáhnout v určitém rozmezí plnících tlaků spojitého přechodu od jednoho typu proudění v chladícím systému k druhému. Při zatěžování motoru 2 probíhá popsaný děj obdobně.The piston 46 of the mechanical controller 45, loaded by the biasing spring 47 is at high output in the upper position due to the high pressure charge air supplied upstream portion 44 of the mechanical controller 45 from the outlet 4 of the compressor 2 »or discharge 6 of the compressor 2 ^{of the} cooler 2 feed air or directly from the charge air cooler 2. The three-way taps - as an example the second three-way tap 23 - are in the high power position 2 by means of the rod 49, the link 50 and the lever 31 * .Piston 46 of the mechanical regulator 45 rests on the adjustable stop 48. pressure, the force of the spring 47 exceeds the force from the charge air pressure and the piston 46 moves to the opposite end position, switching the second three-way valve 23 to the low power position - see Fig. 9. and 22 By a suitable cross-sectional shape of the three-way taps or similar bodies and by dimensioning the spring 47, a continuous transition from one type of flow in the cooling system to the other can be achieved within a certain range of filling pressures. When the motor 2 is loaded, the described process proceeds similarly.

Claims

object of the invention

261,928 ►

1. Device for regulating the temperature of intake air of a supercharged piston engine, in which a permanently connected circuit with charge air cooling circuit of the engine cooling jacket, characterized in that the closing bodies connected via a mechanical regulator (45) and an electrical controller (38) _{from the} «Napo only at the pressure sensor (39), at a low load on the engine (1), the outlet (52) of the primary cooler (18) is connected to the inlet (31) of the engine cooling jacket (1) and the outlet (32) with the charge air cooler inlet (5) and at high engine load (1), the primary cooler outlet (18) outlet (52) is coupled to the charge air cooler inlet (5) and the cooler outlet (30) (5) ) the charge air is connected to the inlet (31) of the engine cooling jacket (1).

2. Apparatus according to claim 1 _, characterized in that the shut-off members comprise a first three-way valve (13), a second three-way valve (23), a third three-way valve (28) and a fourth three-way valve (33).

Device according to claim 1 _, characterized in that the pressure sensor (39) is arranged between the compressor discharge (3) and the engine filling valves (1).