DK168170B1

DK168170B1 - Forbrændingsmotor med registertrykladning

Info

Publication number: DK168170B1
Application number: DK502088A
Authority: DK
Inventors: Hansruedi Ammann; Christoph Mathey
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1987-09-11
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1994-02-21
Also published as: EP0306829B1; DK502088D0; DK502088A; CH673685A5; EP0306829A1; DE3868796D1; ATE73204T1

Description

i DK 168170 B1

Den foreliggende opfindelse angår en forbrændingsmotor med regi-stertrykladning med en første udstødsgasturbolader og en anden udstødsgasturbolader, hvis ladeturbiner er sluttede parallelt til en udstødsgasoptagelsesbeholder for forbrændingsmotoren, og hvis 5 kompressorer med deres ladeluftstudse indmunder parallelt i en ladeluftsamleledning, der forbinder disse ladeluftstudse med motorens 1 adeluftoptagelsesbeholder.

Forbrændingsmotorer med udstødsgasturboladning i dennes enkleste 10 form, d.v.s. med en enkelt et- eller totrinsturbolader har af turbinens og kompressorens egenskaber fysisk bestemte driftsmæssige mangler, nemlig til et forholdsvis snævert område begrænsede ydelses- og virkningsgradmæssigt tilfredsstillende driftsegenskaber og i sammenhæng dermed et brændstofforbrug, der, set over hele fuld- og-15 del!astområdet, ikke opfylder de nutidige strenge krav til en økonomisk motordrift.

Den førstnævnte mangel kan ved anvendelsen af en registertrykladning efter kendte systemer med mindst to udstødsgasturboladere eller 20 udstødsgasturboladergrupper, hvorved skal forstås totrinsladere, afhjælpes på tilfredsstillende måde, hvilket imidlertid, hvad angår den sidstnævnte mangel, d.v.s. det for høje brændstofforbrug, hidtil ikke har været optimalt muligt.

25 For ved en registertrykladning at reducere brændstofforbruget er det foreslået at anvende en del af motorens udstødsgasser til drift af en nytteturbine, der kan kobles med motorens krumtapaksel eller i tilfælde af en motor med gear kan kobles med gearets kraftoverføringsaksel. Derved opnår man, set over hele belastningsområdet, en· 30 reduktion af brændstofforbruget, idet den ekstra udstødsgasstrøm, som hovedtrykladerens turbine modtager, når nytteturbinen frakobles, ganske vist udvider det gunstige driftsområde, men dog ikke formår at få det til at dække hele det praktisk vigtige område, hvor brændstofforbruget ved del last ikke i alle tilfælde kan bringes ned 35 i nærheden af de bedst mulige værdier.

Fra FR-U-2418864 kendes en registertrykladning med en første og en anden udstødsgasturbolader, hvis ladeturbiner parallelt er tilsluttede en udstødsgasoptager på den forbrændingsmotor, der skal DK 168170 Bl 2 oplades, og hvis kompressorer med deres ladel uftstudse indmunder parallelt i en ladeluftsamleledning, der forbinder disse ladeluftstudse med motorens 1 adel uftoptager. I ladeturbinens udstødsgasledning er der mellem udstødsgasoptageren og den anden udstødsgastur-5 buladers ladeturbine og i ladeluftstudsen mellem den anden udstøds-gasturbolader og 1 adeluftsamleledningen hvert sted monteret en spærreventil.

Kombinationen af en nytteturbine med en forbrændingsmotor med 10 udstødsgasturboladning til forbedring af motoranlæggets samlede virkningsgrad kendes f.eks. fra EP-A-0 091 139 og EP-A1-0199165. Det førstnævnte trykskrift beskriver en forbrændingsmotor med en udstødsgasturbolader og en nytteturbine, der direkte eller indirekte over et gear står i drivforbindelse med motoren og enten er sluttet 15 til udstødsgasoptagelsesbeholderen parallelt med udstødsgasturboladeren eller, set i udstødsgassernes strømningsretning bag turboladeren, er koblet i serie med denne. Til opnåelse af tilfredsstillende dellastegenskaber er ladeturbinens turbineareal, hvorved skal forstås dens indstrømningstværsnit for udstødsgassen, dimensioneret 20 efter det pågældende driftsmæssigt vigtige dellastområde. Ved dette standses nytteturbinen, hvorved ladeturbinen modtager hele udstødsgasstrømmen og som følge af det nævnte i forhold til kravene ved fuldlast reducerede turbineareal tilvejebringer det til dellastområdet ønskede høje ladetryk. Ved parallelkoblingen af ladeturbinen 25 og nytteturbinen spærres udstødsgastilførslen til denne, og udstødsgasstrømmen bliver foran denne i tilfælde af havari ført ud i det fri gennem en fra udstødsgasledningen udgående ledning. Ladeturbinen modtager således i begge tilfælde den fulde udstødsgasstrøm i dellastområdet.

30

Det nævnte andet trykskrift EP-A1-0 199 165 beskriver et skibsmotoranlæg med en trykladet dieselmotor, hvis ladeturbine ligeledes er dimensioneret til en maksimal absorptionsevne i et dellastområde og f.eks. har et udstødsgasindstrømningstværsnit på 80% af et til 35 fuldlast dimensioneret tværsnit. Den overskydende udstødsgasdel strøm føres fra udstødsgasoptagelsesbeholderen direkte til en nytteturbine, der som strømgenerator kan kobles til og fra den frie ende af en hjælpedieselmotor eller af et generator-aggregat, og hvis arbejds-ydelse aflaster hjælpedieselmotoren og reducerer brændstofforbruget.

DK 168170 B1 3

Til opnåelse af høje ladetryk under del 1astdrift kan udstødsgas-strømmen til nytteturbinen afbrydes, og nytteturbinen kobles fra strømgeneratoren og standses. Ladeturbinen modtager derefter den fulde udstødsgasstrøm, hvorved den på grund af sin underdimensione-5 ring i forhold til den til fuldlast svarende dimensionering arbejder med god virkningsgrad, og kompressoren leverer det til en god dellastvirkningsgrad for hoveddieselmotoren nødvendige høje ladetryk.

10 Dersom nytteturbinen af en eller anden grund, der intet har at gøre med del 1astdriften, skal standses, spærres dens udstødsgastilførsel si edning, og den overskydende udstødsgas føres over en en udblæsningsledning ind i udstødsgasstrømmen efter ladeturbinen. Ladeturbinen modtager således også i et sådant tilfælde kun højst 15 den udstødsgasstrøm, for hvilken den er dimensioneret.

Ved de to foran nævnte anlæg opnår man ved en i forhold til fuld-lastudstødsgasstrømmen underdimensioneret ladeturbine bedre dellast-egenskaber end med en til fuldlast dimensioneret ladeturbine med 20 ikke-indstilleligt indstrømningstværsnit. Den overskydende udstøds gasstrøm bearbejdes i en nytteturbine og forøger den totale virkningsgrad af anlægget.

Den forbedring af dellastegenskaberne, der opnås på denne måde, er 25 ganske vist væsentlig, men til en formindskelse af den af udstødsgasser forårsagede belastning af miljøet er det naturligvis ønskeligt yderligere at udvide området for en gunstig del lastdrift og i forbindelse hermed at opnå en ekstra reduktion af brændstofforbru get. Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe en forbrændings-30 motor med disse forbedrede egenskaber.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved en forbrændingsmotor med regis-tertrykopladning af den forannævnte art, og som er ejendommelig ved det i krav l's kendetegnende del anførte. Ved forskellige koblings-35 muligheder for registerladningens nytteturbine og for registertryk-ladningens ladeturbine til motorens udstødsgasoptagelsesbeholder fås en god tilnærmelse af motorens ydelseskarakteristik til dennes optimale forløb over et bredt område.

DK 168170 B1 4

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til et. på tegningen anskueliggjort udførelseseksempel. På tegningen viser:

Fig. 1 et skematisk billede af en første udførelsesform for en 5 motor ifølge opfindelsen med dennes væsentlige konstruk tionsdele, fig. 2 enkeltheder ved en anden udførelsesform, og 10 fig. 3 karakteristikker for motoren ved forskellige koblinger af nytteturbinen og ladeturbinen.

I fig. 1 er en forbrændingsmotor med seks cylindre betegnet med 1. Motorens udstødsgasser opsamles i en udstødsgasoptagelsesbeholder 2, 15 fra hvilken de alt efter motorens øjeblikkelige drift kan føres til en eller flere ladeturbiner 5 henholdsvis 6 af to udstødsgasturbo-. ladere 3 og 4 og/eller til en nytteturbine 7. Denne kan over en kobling 8 kobles med kraftoverførselsakslen 9 eller skilles fra denne. Kraftoverførselsakslen er i det foreliggende tilfælde moto-20 rens krumtapaksel. De to turboladere 3's henholdsvis 4's kompressorer 10 og 11 afgiver over deres ladeluftstudser 12 og 13 og en fælles ladeluftsamleledning 14 ladeluft til en ladeluftkøler 15 og derfra til en ladeluftopsamlingsbeholder 16 ved motorens sugeside.

25 En overstrømningskanal 17 med et overstrømningsspjæld 18 forbinder ladeluftopsamlingsbeholderen 16 med udstødsgasoptagelsesbeholderen 2. En udblæsningskanal 19 med et udblæsningsspjæld 20 fører fra udstødsgasopsamlingsbeholderen 2 ud til omgivelserne. I en første nytteturbineudstødsgasledning 21 mellem udstødsgasoptagelsesbehol-30 deren 2 og nytteturbinen 7 er der anbragt et spærrespjæld 22, og to yderligere spærrespjæld 24 og 25 befinder sig i ladeturbineudstøds-. gasledningen 23 henholdsvis mellem ladeluftstudserne 13 af laderen 4's kompressor 11 og 1 adeluftsamleledningen 14.

55 En yderligere anden nytteturbineudstødsgasledning 26 med et spærrespjæld 27 mellem udstødsgasoptagelsesbeholderen 2 og nytteturbinen 7' s indgangsside antyder, at denne sektorvis, fortrinsvis over to sektorer tilføres udstødsgas. Indgangssiden kan også have tre eller flere sektorer, der fortrinsvis kan spærres ved hjælp af DK 168170 B1 5 spærrespjæld, hvilket muliggør en finere trindeling af udstødsgastilførslen til nytteturbinen. I stedet for to ettrinsud-stødsgasturboladere 3 og 4 kan den ene eller begge også være totrins- eller flertrinsturboladergrupper, hvilket i forbindelse med 5 passende anbragte spjæld ligeledes muliggør en finere tilpasning af ladeluftstyringen efter den øjeblikkelige motorbelastning. Det samme gælder også for kendte konstruktioner af turboladere med variabel· turbinegeometri, f.eks. for sådanne som i indløbsspiralen har et forskydeligt plade- eller stempel formet vægelement, der ved en 10 formindsket udstødsgasstrøm formindsker dennes tværsnit og dermed øger dens hastighed eller for sådanne, som har flere gaskanaler, der kan åbnes og lukkes, og ved hjælp af hvilke en svagere udstødsgasstrøm ligeledes kan formes til en til drivningen effektiv koncentrisk stråle.

15

Ved hjælp af forskellige stillinger af de beskrevne spjæld, og, dersom sådanne forefindes, af elementerne til ændring af ladeturbinens absorptionsevne, kan ladetrykket i et bredt område tilpasses efter motorens øjeblikkelige behov. Ladeturbiner med ikke-indstil-20 leligt indstrømningstværsnit for udstødsgassen er dimensioneret til et del lastområde, i hvilket udstødsgasstrømmen frembringer en til levering af den nødvendige ladeluft tilstrækkelig kraftig drivimpuls· for ladeturbinen. Dersom udstødsggasstrømmen ikke er tilstrækkelig til begge turbinerne 5 og 6, kan den ene, nemlig turbinen 6, stand-25 ses ved, at klapperne 24 og 25 lukkes, hvorved den sidstnævnte forhindrer, at den af kompressoren 10 leverede ladeluft når ind i kompressoren 11. Ved anvendelse af totrinsturboladergrupper består den samme mulighed for at føre den udstødsgasstrøm, der i øjeblikket står til rådighed, til den turbinegruppe, hvis absorptionsevne giver 30 det bedste udbytte af ladeluft.

En anden mulighed for at tilvejebringe den til et bestemt dellast-område nødvendige ladeluftstrøm er helt eller delvis at spærre for udstødsgasstrømmen til nytteturbinen ved hjælp af spærrespjældene 22 35 og 27. Nytteturbinen bliver da koblet helt fra motoren 1. Yderligere muligheder for tilpasning af strømningerne og trykkene af udstødsgassen og ladeluften efter de fælles del 1astbetingel ser opnås vedhjælp af udblæsnings- henholdsvis overstrømningsindretningen.

6 DK 168170.B1

Ved overskridelse af det maksimalt tilladelige cylindertryk bliver der over udblæsningskanalen 19 under styring ved hjælp af en ikke vist servoindretning ved åbning af udblæsningsspjældet 20 sluppet overskydende udstødsgas ud af udstødsgasoptagelsesbeholderen 2. Der 5 vil ligeledes kunne udblæses ladeluft fra 1 adeluftoptagelsesbeholderen. Overstrømningskanalen 17 med overstrømningsspjældet 18 tjener til at forhindre pumpning af kompressorerne 10 og 11. Dersom der optræder pumpning, åbnes spjældet 18, og ladeanordningens absorptionsevne forøges.

10

En variant af den ved turboladeren 4 viste styring af udstødsgas- og ladeluftstrømmen er vist i fig. 2. Ved denne udstødsgasturbolader 28 er der i den til ladeturbinen 29 førende ladeturbineudstødsgasled-' ning 31 og i den til ladeturbinen hørende kompressor 30's ladeluft-15 studs 32 anbragt hvert sit spærrespjæld 33 henholdsvis 34, ved hjælp af hvilke turbinen 29 kan drøv!es eller standses, og kompressoren 30 kan sættes ud af drift. Dersom turbinen og kompressoren standses, svarer dette til den i fig. 1 viste kobling af turboladeren 4. Ved en drøvling af turbinen 29 ved delvis lukning af det foran denne 20 anbragte spærrespjæld 33 udnytter turbinen 29 kun en del af udstødsgasstrømmen, hvorunder kompressoren 30 kortsluttet løber i tomgang uden at transportere ladeluft ind i 1 adeluftsamleledningen 14. Denne vil da ved lukket spærrespjæld 34 og åbent overstrømningsspjæld 35, der forbinder dens trykside med dens sugeside, cirkulere luften i 25 tomgang. Under normal laderdrift er spjældene 33 og 34 henholdsvis foran turbinen og efter kompressoren åbne, og overstrømningsspjældet 36 er lukket.

Denne kobling kan tjene som erstatning for udblæsningsanordningen 19 30 og 20 eller sammen med denne yderligere bidrage til en trykaflastning.

Alt efter motorens anvendelsesformål anvendes anlæggets beskrevne frakoblings- eller tilkoblingsmuligheder for det ene eller det andet 35 område af den krævede dellastkarakteristik. Det i fig. 3 viste diagram viser som eksempel for nogle dellastti Istande ved en skibsdieselmotor det i cylindrene effektive middeltryk p 's afhængighed af omdrejningstallet. Kurverne viser forløbene af den nødvendige motorydelse ved drift på forskellige propellerkurver. Fra punktet A

7 DK 168170 B1 for maksimalydelse holdes begge turboladerne og nytteturbinen i drift indtil punktet B og i område B-C frakobles nytteturbinen derefter helt eller delvist, således at de to turboladere senest ved punktet C arbejder alene. Langs den med streg-priklinie viste kurve 5 med mindre brændstof vil man fra punktet D til punktet E køre videre med to turboladere og ved turbiner med variabel absorptionsevne i det nederste område eventuelt køre med indsnævret turbineindløb og langs den venstre med fuldt optrukken linie viste og i det foreliggende tilfælde fortsat praktisk anvendelige kurve fra F til G og H 10 kun køre med én turbolader og eventuelt i det sidste afsnit med reduceret turbineindløbstværsnit. I området fra F til G kan trykket i udstødsgasoptagelsesbeholderen 2 til reduktion af det maksimale cylindertryk reduceres over udblæsningskanalen 19 og de åbne udblæsningsspjæld 20, eller også kan der til det samme formål blæses 15 uden om den anden turbolader 28's kompressor 30 ved drøvlet turbine 29.

Ændringerne af de størrelser for udstødsgas- og ladetrykket, om-drejningstallet og brændstoftilførslen, der skal reguleres, regi-20 streres af følere af kendt konstruktion, som udløser reguleringsbevægelserne af indstillingsorganerne til ud-, om- og tilkobling af turbinerne, kompressorerne og udblæsnings- og overstrømningsanordningerne og til regulering af brændstoftilførslen. Som reguleringsorganer kan der på kendt måde anvendes hydrauliske, pneumatiske, 25 elektriske og elektrohydrauliske, elektropneumatiske og elektrome-kaniske organer, såsom membrandåser, magnetventiler, hydraulikcylindre og lignende.

30 35

Claims

1. Forbrændingsmotor med registertrykladning med en første udstøds-5 gasturbolader (3) og en anden udstødsgasturbolader (4;28), hvis ladeturbiner (5;6;29) er sluttede parallelt til en udstødsgasoptagelsesbeholder (2) for forbrændingsmotoren (1), og hvis kompressorer (10;11;30) med deres ladeluftstudse (12;13;32) indmunder parallelt i en ladeluftsamleledning (14), der forbinder disse ladeluftstudse· 10 (12; 13;32) med motorens (1) 1 adel uftoptagel sesbeholder (16), ken detegnet ved, at der ved motorens (1) kraftoverførselsaksel (9) er anbragt en nytteturbine (7), der kan kobles til denne kraftoverførsel saksel (9), og parallelt med de nævnte ladeturbiner (5;6;29) over en ledningsforbindelse (21 og 22; 26 og 27), der kan 15 afspærres, er sluttet til udstødsgasoptagelsesbeholderen (2), at der i ladeturbineudstødsgasledningen (23;31) mellem udstødsgasoptagelsesbeholderen (2) og den anden udstødsgasturboladers (4;28) ladeturbine (6;29) samt i ladeluftstudsen (13;32) mellem den anden udstødsgasturboladers (4;28) kompressor (11;30) og ladeluftsamle-20 ledningen (14) er anbragt hvert sit lukkespjæld (24;33 henholdsvis 25;34), samt ved at nytteturbinens (7) indløbshus er opdelt i to sektioner, der uafhængigt af hinanden over hver sin nytteturbine-udstødsgasledning (21;26) er forbundne med udstødsgasoptagelsesbeholderen (2), og hver har et spærrespjæld (22;27). 25

2. Forbrændingsmotor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at ved den anden udstødsgasturbolader (28) står kompressorens (30) trykside i forbindelse med kompressorens sugeside ved hjælp af en overstrømningsledning (35), i hvilken der er anbragt et overstrøm- 30 ningsspjæld (36).

3. Forbrændingsmotor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at udstødsgasoptagelsesbeholderen (2) har en udblæsningskanal (19) med et udblæsningsspjæld (20), og at ladeluftoptagelsesbeholderen (16) 35 står i forbindelse med udstødsgasoptagelsesbeholderen (20) ved hjælp af en overstrømningskanal (17) med et overstrømningsspjæld (18).