JP2008025564A - Composite diffuser for reciprocating piston combustion engine and reciprocating piston combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、往復ピストン燃焼機関用の、特に、2ストローク大型ディーゼル機関用の複合拡散装置、及び独立請求項のプレアンブル部に記載の本発明による複合拡散装置を備えた往復ピストン燃焼機関に関する。 The invention relates to a reciprocating piston combustion engine for a reciprocating piston combustion engine, in particular for a two-stroke large diesel engine, and a reciprocating piston combustion engine comprising a composite diffusing device according to the invention as described in the preamble part of the independent claim.
例えば、電力の生成のための船舶又は固定設備用の大型ディーゼル機関などの往復ピストン燃焼機関の性能の改良を達成するため、新鮮な空気が、燃焼行程の後に、排気ガス・ターボチャージャとして普通設計された、圧力充填群又は強制吸気システムにより、高い圧力でシリンダの燃焼室内に案内される。これに関して、燃焼サイクルの後に燃焼室を出る排気ガスの熱エネルギーの一部を利用することができる。この目的で、熱い排気ガスが、出口弁を開くことによって圧力充填群にシリンダの燃焼室から運ばれる。圧力充填群は基本的に、圧力を受けて圧力充填群に入る熱い排気ガスによって駆動されるタービンからなる。その部分のため、タービンは回転子に電力を与え、この回転子により新鮮な空気が取り込まれ、圧縮される。いわゆる拡散装置、水分離装置を備えた給気冷却装置、及び入口レシーバは、しばしば単にターボチャージャと呼ばれ、この場合ではないが大きな2ストローク・ディーゼル機関の場合に、ラジアル圧縮機として設計された装置、圧縮機として回転子を備えたタービンの下流側に連結されている。圧縮機として回転子を備えたタービンから、給気又は掃気とも言われる、圧縮された新鮮な空気は最終的に、大型ディーゼル機関のシリンダの個別の燃焼室内に供給される。したがって、新鮮な空気の供給は、この種類の圧力充填群の使用により多くすることができ、シリンダの燃焼室内の燃焼過程の効率を大きくすることができる。 For example, fresh air is usually designed as an exhaust gas turbocharger after the combustion stroke to achieve improved performance of reciprocating piston combustion engines such as large diesel engines for ships or fixed installations for power generation By a pressure filling group or a forced intake system, it is guided into the combustion chamber of the cylinder at a high pressure. In this regard, some of the thermal energy of the exhaust gas exiting the combustion chamber after the combustion cycle can be utilized. For this purpose, hot exhaust gas is carried from the combustion chamber of the cylinder to the pressure filling group by opening the outlet valve. The pressure filling group basically consists of a turbine driven by hot exhaust gas that receives pressure and enters the pressure filling group. For that part, the turbine provides power to the rotor, which takes in fresh air and compresses it. So-called diffusers, charge air coolers with water separators, and inlet receivers, often referred to simply as turbochargers, were designed as radial compressors in the case of large two-stroke diesel engines, but not in this case The device is connected to the downstream side of a turbine having a rotor as a compressor. From a turbine with a rotor as a compressor, fresh compressed air, also referred to as charge or scavenging, is finally fed into a separate combustion chamber of a large diesel engine cylinder. Therefore, the supply of fresh air can be increased by using this type of pressure filling group, and the efficiency of the combustion process in the combustion chamber of the cylinder can be increased.
大型ディーゼル機関の場合、空気の供給はシリンダの異なる場所で起こる。したがって、例えば、長手方向に掃気された2ストローク機関では、空気は、シリンダの下側領域内の移動表面に配置された掃気スロットを介してシリンダの燃焼室内に案内される。4ストローク機関では、給気は普通、シリンダ・カバー内に配置された1つ又は複数の入口弁を介してシリンダの燃焼室内に案内される。これに関して、2ストローク機関はまた、確かに知られており、シリンダの下側領域の掃気スロットの代わりに、シリンダ・カバー内に入口弁を備えている。 For large diesel engines, the air supply occurs at different locations in the cylinder. Thus, for example, in a longitudinally scavenged two-stroke engine, air is guided into the combustion chamber of the cylinder via a scavenging slot located on the moving surface in the lower region of the cylinder. In a four-stroke engine, the supply air is usually guided into the cylinder's combustion chamber via one or more inlet valves located in the cylinder cover. In this regard, two-stroke engines are also certainly known and have an inlet valve in the cylinder cover instead of a scavenging slot in the lower region of the cylinder.
これに関して、上で既に説明した拡散装置は、シリンダへ新鮮な空気を供給するために重要な意義を持つ。当業者によく知られているように、拡散装置は基本的に、流路の漏斗形の分散である。これは普通、遅延させる、すなわち流速を遅くするために働き、それによってよく知られているベルヌーイの法則により、圧力の増加が達成される。効率の低下につながる、動作状態における往復ピストン燃焼機関の拡散装置内で普通起こるような、拡散装置の内壁からの拡散装置内の流れの分離、及び亜音速流内の渦の形成を避けるため、拡散装置の2θの二重開口角度は、約16°、好ましくは約8°を超えるべきではない。これは、拡散装置の長手軸を備えた拡散装置壁面によって形成された開口角度は可能であれば、約8°、好ましくは4°より小さいべきである。これに関して、特に遠心換気装置を使用して、運動エネルギーを圧力に効果的に変換することによりエネルギーを回復させる必要がある、亜音速拡散装置の下流側に回転ポンプ、噴射ポンプ、遠心圧縮機などを設けることが知られている。 In this regard, the diffuser already described above is of great significance for supplying fresh air to the cylinder. As is well known to those skilled in the art, a diffusion device is basically a funnel-shaped dispersion of flow paths. This usually works to delay, i.e. slow the flow rate, whereby the increase in pressure is achieved by Bernoulli's law, which is well known. In order to avoid the separation of the flow in the diffuser from the inner wall of the diffuser and the formation of vortices in the subsonic flow, as would normally occur in the diffuser of a reciprocating piston combustion engine in operating conditions, leading to a reduction in efficiency, The 2θ double aperture angle of the diffuser should not exceed about 16 °, preferably about 8 °. This means that the opening angle formed by the diffuser wall with the longitudinal axis of the diffuser should be less than about 8 °, preferably 4 °, if possible. In this regard, rotary pumps, jet pumps, centrifugal compressors, etc. downstream of the subsonic diffuser need to recover energy by effectively converting kinetic energy into pressure, especially using a centrifugal ventilator It is known to provide
開口角度の上記限度は、かなりの考えられる欠点がある。したがって、所定の効率に到達しようとする場合、長手軸の方向の特定の設置寸法の下であってはならない。これは、応用例、及び得られる効率の程度によって、拡散装置は、例えば、拡散装置によって連結されたターボチャージャと給気冷却装置の間で大型2ストローク・ディーゼル機関内に十分な空間が利用可能でない場合、締め付け状態で自然に極めて不利である特定の最小長さをしていなければならないということである。 The above limit of the opening angle has considerable possible drawbacks. Therefore, when trying to reach a predetermined efficiency, it must not be below a certain installation dimension in the direction of the longitudinal axis. This is because, depending on the application and the degree of efficiency obtained, the diffuser can, for example, provide sufficient space in a large two-stroke diesel engine between the turbocharger and the charge air cooler connected by the diffuser. If not, it must have a certain minimum length that is naturally very disadvantageous in the tightened state.
一方、幾何的境界状態により拡散装置の特定の構成長さを超えてはならない場合、流入する新鮮な空気の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換することは、拡散装置の効率の度合いを小さくすることにつながる限られた程度にのみ可能であるということである。 On the other hand, converting the kinetic energy of the incoming fresh air into pressure energy reduces the degree of efficiency of the diffuser if the specific configuration length of the diffuser must not be exceeded due to geometric boundary conditions. It is possible only to a limited extent.
特定の場合、この問題はいわゆる複合拡散装置の使用によって解決することができる。当業者は、複合拡散装置が、複合拡散装置を形成する複数の拡散装置の同心ネスティングであることを理解している。すなわち、同じ又は異なる開口角度を有する異なる寸法の円錐の形をした2つ以上の中空体は、互いに同心にネスティングしている。例えば、新鮮な空気がその後拡散装置の入口から拡散装置の出口まで複数の同心円錐形室に運ばれるので、複合拡散装置の外側ジャケットは、互いの内側に配置された複合拡散装置の円錐の表面上の流れを破断することなく、2θ=16°より大きいかなりの開口角度をしていてもよい。このように、複合拡散装置の建築上の長さが通常の拡散装置と比較して短いのにも関わらず、十分な程度の効率、又は通常の拡散装置と比較して改善された程度の効率を特定の場合にさらに得ることができる。 In certain cases, this problem can be solved by the use of so-called complex diffusion devices. One skilled in the art understands that a composite diffuser is a concentric nesting of multiple diffusers that form the composite diffuser. That is, two or more hollow bodies in the form of different sized cones having the same or different opening angles are nested concentrically with each other. For example, fresh air is then conveyed from the diffuser inlet to the diffuser outlet into a plurality of concentric conical chambers so that the outer jacket of the composite diffuser is the surface of the cone of the composite diffuser disposed inside each other There may be a significant opening angle greater than 2θ = 16 ° without breaking the upper flow. Thus, despite the fact that the architectural length of the composite diffuser is short compared to a normal diffuser, a sufficient degree of efficiency or an improved degree of efficiency compared to a normal diffuser. Can be further obtained in certain cases.
往復ピストン燃焼機関で使用するこの種類の複合拡散装置の一実施例が、ドイツ特許第19710408A1号に論じられている。 One embodiment of this type of composite diffusion device for use in a reciprocating piston combustion engine is discussed in German Patent No. 19710408A1.
しかし、知られている複合拡散装置は実際は、往復ピストン燃焼機関、特に充填群、すなわちターボチャージャがラジアル圧縮機として設計されたもので使用されるのに少し適切であるだけであるということが示されている。というのは、渦の付随する悪影響による流れの分離はこれから起こり、それによって効率の度合いがかなり小さくなり、それによって往復ピストン燃焼機関、特に大型2ストローク・ディーゼル機関での知られている複合拡散装置の使用は最終的に、価値のあるものではなく、この理由により、これらはこれまで、例えばWartsila社の大型ディーゼル機関でも使用されてこなかった。 However, it is shown that the known complex diffusion device is actually only a little suitable for use in a reciprocating piston combustion engine, in particular a charge group, i.e. a turbocharger designed as a radial compressor. Has been. This is because flow separation due to the accompanying adverse effects of vortices will occur, thereby reducing the degree of efficiency, thereby known composite diffusion devices in reciprocating piston combustion engines, particularly large two-stroke diesel engines The use of is ultimately not valuable and for this reason they have not been used in the past, for example in the Wartsila heavy-duty diesel engine.
一方では、基本的に費用、及び構造的幾何形状の理由により、往復ピストン燃焼機関、特に大型2ストローク・ディーゼル機関内の拡散装置の構造的長さを小さくする及び/又は同時に、従来から使用されている拡散装置と比較して効率の度合いを大きくする緊急の必要性がある。 On the one hand, the structural length of the diffuser in reciprocating piston combustion engines, in particular large two-stroke diesel engines, is basically reduced and / or used conventionally for reasons of cost and structural geometry. There is an urgent need to increase the degree of efficiency compared to existing diffusers.
したがって、本発明の目的は、知られている拡散装置と比較してかなり短い構造的長さを有し、またこれに関連して従来技術でこれまで使用されていた拡散装置より高い効率の度合いを有する、又は知られている拡散装置と同じ構造的長さに対するかなり改良された効率の度合いを有することが好ましい、往復ピストン燃焼機関用、特に大型2ストローク・ディーゼル機関用の改良型拡散装置を提案することである。本発明の別の目的は、往復ピストン燃焼機関、特に改良型の拡散装置を備えた大型2ストローク・ディーゼル機関を提案することである。 The object of the present invention is therefore to have a considerably shorter structural length compared to known diffusers and to a higher degree of efficiency than the diffusers previously used in the prior art in this connection. Or an improved diffuser for a reciprocating piston combustion engine, particularly a large two-stroke diesel engine, preferably having a significantly improved degree of efficiency for the same structural length as a known diffuser It is to propose. Another object of the invention is to propose a reciprocating piston combustion engine, in particular a large two-stroke diesel engine with an improved diffuser.
これらの目的を満たす本発明の主題は、特許請求の範囲の独立請求項の特性によって特徴付けられる。 The subject-matter of the invention fulfilling these objectives is characterized by the features of the independent claims.
特許請求の範囲の従属請求項は、本発明の特に有利な実施例に関するものである。 The dependent claims are related to particularly advantageous embodiments of the invention.
本発明はしたがって、往復ピストン燃焼機関用、特に大型2ストローク・ディーゼル機関用複合拡散装置であって、拡散装置ハウジングの内部に配置された拡散装置インサートで拡散装置入口から拡散装置出口まで長手軸に沿って分岐する拡散装置ハウジングを備えた複合拡散装置に関する。拡散装置入口は、排気ガス・ターボチャージャの出口に連結可能であり、拡散装置出口は往復ピストン燃焼機関の給気冷却装置に連結可能であり、それによって往復ピストン燃焼機関の作動状態では、新鮮な空気を排気ガス・ターボチャージャから複合拡散装置を介して給気冷却装置内に案内することができる。本発明によると、複合拡散装置は、長手軸に関して非対称に設計されている。 The present invention is therefore a composite diffuser for a reciprocating piston combustion engine, in particular for a large two-stroke diesel engine, with a diffuser insert arranged inside the diffuser housing, with a longitudinal axis from the diffuser inlet to the diffuser outlet. The present invention relates to a composite diffusion device including a diffusion device housing that branches along. The diffuser inlet can be connected to the outlet of the exhaust gas turbocharger, and the diffuser outlet can be connected to the charge air cooler of the reciprocating piston combustion engine, so that in the operating state of the reciprocating piston combustion engine, it is fresh. Air can be guided from the exhaust gas turbocharger through the combined diffusion device into the charge air cooling device. According to the invention, the composite diffusion device is designed asymmetrically with respect to the longitudinal axis.
すなわち、排気ガス・ターボチャージャの出口の直径にわたって、したがって自然に拡散装置入口の直径にもわたってターボチャージャから流出する新鮮な空気の速度分布のプロファイルは、決してかなり対称なブロック状構造を有さないことが分かった。これは、排気ガス・ターボチャージャから流出する新鮮な空気の速度ベクトルは、排気ガス・ターボチャージャの出口の断面積上で一定ではなく、むしろ噴出する新鮮な空気の速度ベクトルの速度プロファイルは排気ガス・ターボチャージャの構成により特徴的な非対称性を有するということである。 That is, the profile of the velocity distribution of fresh air exiting the turbocharger over the exhaust gas turbocharger outlet diameter and thus naturally over the diffuser inlet diameter never has a fairly symmetrical block-like structure. I found that there was no. This is because the velocity vector of fresh air flowing out of the exhaust gas turbocharger is not constant on the cross-sectional area of the outlet of the exhaust gas turbocharger. -It has a characteristic asymmetry due to the structure of the turbocharger.
排気ガス・ターボチャージャが、機能の構成及び方法が長期にわたって当業者に知られてきた、例えば充填側で遠心圧縮機として設計されている場合、流出ガスの速度及び/又は方向は排気ガス・ターボチャージャの圧縮機の出口で、例えば、出口の最外縁部にあるよりも、排気ガス・ターボチャージャの出口の断面積の内側縁部での内径の領域でかなり異なることが分かった。排気ガス・ターボチャージャの出口での全断面積にわたって見ると、拡散装置内に流入する新鮮な空気の非回転対称速度プロファイルが得られる、すなわち、ラジアル圧縮機の構成によって予め決められた、又は少なくともそれによって共に決定された非対称速度プロファイルが得られる。 If the exhaust gas turbocharger has been known to those skilled in the art for a long time in its functional configuration and method, for example, as a centrifugal compressor on the charge side, the effluent gas speed and / or direction is determined by the exhaust gas turbocharger. It has been found that at the outlet of the charger compressor, for example, at the inner diameter region at the inner edge of the cross-sectional area of the outlet of the exhaust gas turbocharger, rather than at the outermost edge of the outlet. When viewed over the entire cross-sectional area at the outlet of the exhaust gas turbocharger, a non-rotationally symmetric velocity profile of fresh air entering the diffuser is obtained, i.e. predetermined or at least determined by the configuration of the radial compressor Thereby, an asymmetric velocity profile determined together is obtained.
これが、例えばドイツ特許第19710408A1号に記載されたものなどの、従来の対称に構成された複合拡散装置が、複合拡散装置の構造的長さの効率及び短縮の度合いに対する改良の所望の度合いを示さない理由である。すなわち排気ガス・ターボチャージャから対称な複合拡散装置内に流出する空気の速度プロファイルの対称性は、知られている複合拡散装置の高い対称性とは比較にならないので、流入する新鮮な空気の失速により、複合拡散装置の特定領域、したがって、外乱、及び効率の度合いのかなりの低下につながる。 This is why a conventional symmetrically constructed composite diffusion device, such as that described in German Patent No. 19710408A1, for example, shows a desired degree of improvement over the efficiency and shortening of the structural length of the composite diffusion device. There is no reason. That is, the symmetry of the velocity profile of the air flowing out of the exhaust gas turbocharger into the symmetric complex diffuser is not comparable to the high symmetry of the known complex diffuser, so the stall of fresh air flowing in This leads to a significant reduction in the specific area of the composite diffuser, and thus the disturbance and the degree of efficiency.
拡散装置に入る新鮮な空気の速度プロファイルにおけるこのような非対称性は、本発明による複合拡散装置が長手軸に対して非対称に設計されているという点において、本発明の複合拡散装置によって考慮される。これに関して、実際の場合では、本発明による複合拡散装置の構成は、排気ガス・ターボチャージャがその出口、したがって拡散装置入口で運ぶ、速度プロファイルに適応されている。 Such asymmetry in the velocity profile of fresh air entering the diffuser is taken into account by the composite diffuser of the present invention in that the composite diffuser according to the present invention is designed asymmetrically with respect to the longitudinal axis. . In this regard, in the actual case, the configuration of the composite diffuser according to the invention is adapted to the velocity profile that the exhaust gas turbocharger carries at its outlet, and hence the diffuser inlet.
このようにして、複合拡散装置内での特定の表面積で流れが破断されるのを防ぐ、及び効率の度合いが低下するのを防ぐことが可能である。 In this way, it is possible to prevent the flow from breaking at a specific surface area within the composite diffusion device and to prevent the efficiency from being reduced.
本発明による複合拡散装置の好ましい一実施例では、少なくとも1つの第1の拡散装置インサートは、拡散装置出口に向かう方向に分岐する中空体として、特に直線又は非直線円錐形状に設計されている。例えば、拡散装置インサートが1つだけ設けられている場合、これは拡散装置ハウジングの長手軸に対して拡散装置ハウジング内で非対称的に設計されていることが好ましい。これは、特に、拡散装置インサート自体は円形の対称円錐ではない、及び/又は拡散装置インサートの長手軸は、拡散装置ハウジングの長手軸と平行に進んでいない、及び/又はこれと同一ではないという点において起こることができる。また、拡散装置ハウジング自体は対称に設計されていないことは自然に起こりうる。当業者は、流入する新鮮な空気の速度プロファイルに複合拡散装置の構造を適応させるため、複数の拡散装置インサートが存在する場合であっても、これ、及び本発明による複合拡散装置の非対称性を作り出すさらなる可能性を適切に使用する及び/又は組み合わせることができる方法を直ぐに理解する。 In a preferred embodiment of the composite diffuser according to the invention, the at least one first diffuser insert is designed as a hollow body that branches off in the direction towards the diffuser outlet, in particular in a straight or non-linear conical shape. For example, if only one diffuser insert is provided, this is preferably designed asymmetrically within the diffuser housing with respect to the longitudinal axis of the diffuser housing. This is in particular that the diffuser insert itself is not a circular symmetrical cone and / or that the longitudinal axis of the diffuser insert does not run parallel to and / or not identical to the longitudinal axis of the diffuser housing. Can happen at a point. It can also occur naturally that the diffuser housing itself is not designed symmetrically. The person skilled in the art adapts the structure of the composite diffuser to the incoming fresh air velocity profile, and this and the asymmetry of the composite diffuser according to the invention, even when there are multiple diffuser inserts. Immediately understand how the additional possibilities of creation can be properly used and / or combined.
この装置では、拡散装置出口に向かう方向に分岐する小型本体として、特に直線又は非直線小型円錐の形に設計され、第2の拡散装置インサートとして指定された拡散装置インサートを提供することができる。したがって、新鮮な空気は、第2の拡散装置インサートを通して流れることができないが、その外表面を通して流れることしかできない。本発明による複合拡散装置では、例えば第2の拡散装置インサートだけしか存在することができず、拡散装置ハウジング内の別の拡散装置インサート、又は第2の拡散装置インサートを別の拡散装置インサートと組み合わせることができないことが分かるだろう。 In this device, it is possible to provide a diffuser insert that is designed as a small body that branches off in the direction towards the diffuser outlet, in particular in the form of a linear or non-linear small cone and designated as a second diffuser insert. Thus, fresh air cannot flow through the second diffuser insert, but only through its outer surface. In the composite diffuser according to the invention, for example, only a second diffuser insert can be present, and another diffuser insert in the diffuser housing or the second diffuser insert is combined with another diffuser insert. You can see that you can't.
これに関して、特別な実施例では、流入する新鮮な空気の速度プロファイルへの複合拡散装置の対称適応はまた、金属薄板ガイドの形に設計され、それによって入口側及び出口側で小型又は開口円錐ではない、第3の拡散装置インサートの設置によって達成することができる。 In this regard, in a particular embodiment, the symmetrical adaptation of the composite diffuser to the incoming fresh air velocity profile is also designed in the form of a sheet metal guide, whereby a small or open cone on the inlet side and outlet side. This can be achieved by the installation of a third diffuser insert.
説明された、又は本発明の枠組み内で自明であるような可能性のある拡散装置インサートの全ての実施例は、それだけで、又は本発明による複合拡散装置を単独で、又は全ての適切な組合せで提供することができることが理解されるだろう。 All embodiments of diffuser inserts that have been described or that may be obvious within the framework of the invention are by themselves or in combination with the composite diffuser according to the invention alone or in any suitable combination. It will be understood that can be provided at.
実際特に重要である一実施例では、拡散装置ハウジングのハウジング断面、及び/又は拡散装置インサートのインサート断面は、拡散装置出口の方向に大きくなる断面積として形成されている。 In one embodiment, which is in fact particularly important, the housing section of the diffuser housing and / or the insert section of the diffuser insert is formed as a cross-sectional area that increases in the direction of the diffuser outlet.
ハウジング断面及び/又はインサート断面は、円形及び/又は長円形及び/又は正多角形又は不規則な多角形、特に三角形、又は四角形、又は五角形の形にすることができる。 The housing section and / or the insert section can be circular and / or oval and / or regular polygons or irregular polygons, in particular triangular or quadrangular or pentagonal.
拡散装置ハウジング及び/又は拡散装置インサートは、複合拡散装置の長手軸に対して一定の開口角度及び/又は一定に変化する開口角度、及び/又は不連続に変化する開口角度に延びていることが好ましい。 The diffuser housing and / or diffuser insert may extend at a constant opening angle and / or a constant changing opening angle and / or a discontinuously changing opening angle with respect to the longitudinal axis of the composite diffusion device. preferable.
この装置では、一定の開口角度及び/又は一定に変化する開口角度、及び/又は不連続に変化する開口角度は、長手軸に垂直に測定した極性角度の関数である。 In this device, the constant opening angle and / or the changing opening angle and / or the discontinuously changing opening angle are a function of the polar angle measured perpendicular to the longitudinal axis.
実際に重要である構造的設計では、少なくとも1つの拡散装置インサート及び/又は拡散装置ハウジングは、既に説明したように、拡散装置ハウジングの長手軸に対して非対称に配置されている。 In a structural design that is practically important, the at least one diffuser insert and / or diffuser housing is arranged asymmetrically with respect to the longitudinal axis of the diffuser housing, as already described.
複合拡散装置内の新鮮な空気の流れの方向にさらに影響を与えるため、拡散装置ハウジング及び/又は拡散装置インサートは、ガイド要素、特に螺旋状ガイド要素、特にガイド羽根を備えた装置を備えることができ、ガイド要素は、排気ガス・ターボチャージャから噴出する新鮮な空気の周面流れを分岐することができ、特に軸流に分岐することができるように配置及び設計されていることが好ましい。 In order to further influence the direction of fresh air flow in the composite diffuser, the diffuser housing and / or diffuser insert may comprise a device with guide elements, in particular helical guide elements, in particular guide vanes. Preferably, the guide element is preferably arranged and designed so as to be able to divide the peripheral flow of fresh air ejected from the exhaust gas turbocharger, in particular to the axial flow.
本発明による複合拡散装置の特に簡単な実施例では、1つの拡散装置インサートだけが提供される。 In a particularly simple embodiment of the composite diffuser according to the invention, only one diffuser insert is provided.
所要の対称な適応例はまた、複合拡散装置が湾曲した長手軸に沿って湾曲した複合拡散装置として拡散装置入口から拡散装置出口まで延びているこのような配置で達成することができる。 The required symmetrical adaptation can also be achieved with such an arrangement in which the composite diffuser extends from the diffuser inlet to the diffuser outlet as a curved composite diffuser along a curved longitudinal axis.
これに関して、本応用例で記載した実施例は、例として考えるべきものであり、特に詳細に説明しない全ての適切な組合せも本発明に含まれることが理解されるだろう。 In this regard, it will be understood that the embodiments described in this application are to be considered as examples and that all suitable combinations not specifically described are included in the present invention.
さらに、本発明は、往復ピストン燃焼機関、特に、上に説明した、及び図面を参照して以下に説明する複合拡散装置を備えた大型2ストローク・ディーゼル機関に関する。 Furthermore, the invention relates to a reciprocating piston combustion engine, in particular a large two-stroke diesel engine comprising a composite diffusion device as described above and described below with reference to the drawings.
本発明を、略図の助けをかりて、以下により詳細に説明する。 The invention is explained in more detail below with the aid of a schematic drawing.
図1は、異なる構成部品の相互作用、及び以下に全体を参照番号1で示す、長手方向掃気を備えた大型2ストローク・ディーゼル機関として形成され、本発明による複合拡散装置を備えた大型ディーゼル機関の排気ガス・ターボチャージャの基本的構成を説明するための略図を示している。
FIG. 1 shows a large diesel engine formed as a large two-stroke diesel engine with longitudinal scavenging and comprising a composite diffusion device according to the present invention, the interaction of the different components, and indicated below with
大型ディーゼル機関は普通、シリンダ・カバー内に配置された出口弁1001を有する複数のシリンダ1000を備えており、シリンダ1000内にはピストン1002が下死点UTと上死点OTの間の移動表面に沿って前後に移動するように配置されている。シリンダ・カバーを備えたシリンダ1000及びピストン1002は、知られている方法でシリンダ1000の燃焼空間を画定する。複数の掃気開口部1003は、シリンダの下側領域に設けられており、掃気スロット1003として設計されている。ピストン1002の位置によって、掃気スロット1003がそれによって覆われている、又はそれによって曝されている。掃気9と呼ばれる新鮮な空気9は、掃気スロット1003を通してシリンダ1000の燃焼空間内に流れることができる。燃焼中に発生する排気ガス1004は、排気弁1001に連結された排気管1005を通してシリンダ・カバー内に配置された出口弁1001を通して、排気ガス・ターボチャージャ7内に流れる。
A large diesel engine typically includes a plurality of
それ自体知られている方法で、排気ガス・ターボチャージャ7は、実質的な構成部品として、空気9の圧縮用の圧縮機回転子711を有する圧縮機71と、シャフトによってタービン回転子721に固定連結された、圧縮機回転子711を駆動するためのタービン回転子721を有するタービン72とを備えている。タービン72及び圧縮機71は、ハウジング内に配置されており、排気ガス・ターボチャージャを形成し、これはこの場合圧縮機側でラジアル圧縮機として形成されている。タービン72は、シリンダ1000の燃焼空間からの流入する熱い排気ガス1004によって知られている方法で駆動される。
In a manner known per se, the
シリンダ1000の燃焼空間を掃気9で充填するためには、新鮮な空気9は誘導スタブを介して圧縮機回転子711によって吸入され、排気ガス・ターボチャージャ内で圧縮される。排気ガス・ターボチャージャ7から圧縮された新鮮な空気9は、本発明による下流側の複合拡散装置1を通過し、また入口レシーバ1006内に圧力管を介して給気冷却装置8を通過し、このレシーバから圧縮された新鮮な空気9は最終的に、高い圧力で掃気スロット1003を通してシリンダ1000の燃焼室内まで通過する。
In order to fill the combustion space of the
ラジアル圧縮機として構成された排気ガス・ターボチャージャ7は、図2にいくらかより詳細に示されている。ラジアル圧縮機はそれ自体知られている。これらは、ラジアル圧縮機は回転子流を備えた圧縮機であり、これから離れて、周辺構成部品は作業運搬のためのラジアル速度成分を有する。
An
したがって、空気はラジアル圧縮機内の羽根車によって圧縮される、排気ガス・ターボチャージャ7の出口6を介して、及び拡散装置入口2を介して拡散装置1内に特定の速度Vで運ばれる。
Thus, air is transported at a specific speed V into the
これに関して、排気ガス・ターボチャージャ7の出口6のインサート断面500上の特定の断面座標X、及びしたがってハウジング断面400の上の断面座標の上で考えると、排気する新鮮な空気9の速度Vは断面座標Xによって左右され、したがって断面積400、500の上では一定ではない。これは、特定の座標Xで排気ガス・ターボチャージャ7から複合拡散装置1内に入る新鮮な空気9の速度Vは、断面積400、500の少なくとも1つの座標Xの関数である速度プロファイルPに従うということである。
In this regard, given the specific cross-sectional coordinate X on the
排気ガス・ターボチャージャ7から噴出する新鮮な空気9の速度プロファイルPにおけるこのような非対称性は、例えば図3に略図的に示されたような、本発明による複合拡散装置1の非対称的構造によって考慮される。図3の実施例では、新鮮な空気9は本発明により、排気ガス・ターボチャージャ7から拡散装置入口2を介して複合拡散装置1内に運ばれる。複合拡散装置1では、流入する新鮮な空気9の速度がそれ自体知られている方法で低下し、それによってベルヌーイの法則により、新鮮な空気9の圧力の増加が達成され、それによって高い圧力で給気冷却装置8に入る。図3の本発明による複合拡散装置1はこれに関して、拡散装置出口3に向かう方向に分岐する非直線円錐51の形のまさに1つの拡散装置インサート5、51を備えている。拡散装置ハウジング4は、拡散装置インサート51とちょうど同じ方法で、本実施例では複合拡散装置1の長手軸Lに対して非対称に設計されており、それによって流入する新鮮な空気9の速度分布の速度プロファイルPの非対称の形が理想的には考慮され、したがって本発明による複合拡散装置では、複合拡散装置1内の新鮮な空気9の流れを破断させないので高い程度の効率を達成することができるが、図3の複合拡散装置1は大きな開口角度、及び比較的短い構造的長さを有する。
Such asymmetry in the velocity profile P of the
小型拡散装置インサート5、52を備えた、図3の本発明による複合拡散装置の第2の実施形態が図4に示されている。図4に示す装置は実質的に、既に詳細に記載された図3の装置に対応しており、しかし図4では、拡散装置インサート5、52は図3で説明するような非直線形円錐51の形の分岐する中空体51ではなく、むしろ非直線小型円錐52の形に設計された、拡散装置出口に向かう方向に分岐する小型体52であり、それによって新鮮な空気9は小型円錐52の周りで外側に流れることしかできず、小型円錐52を通しては流れない。
A second embodiment of the composite diffuser according to the invention of FIG. 3 with a
小型拡散装置インサート52又は中空拡散装置インサート51が使用されるかどうかは、特に複合拡散装置1に流入する新鮮な空気9の速度分布の速度プロファイルの特別な形に左右される、及び/又は排気ガス・ターボチャージャ7の及び/又は給気冷却装置8の特別な設計などの別の領域状態によって、及び/又は例えば、複合拡散装置1自体の寸法及び形状で行われる要求などの他の領域状態によって決まる。
Whether a small diffuser insert 52 or a hollow diffuser insert 51 is used depends in particular on the particular shape of the velocity profile of the velocity distribution of
図5の図は、非対称に配置された2つの拡散装置インサート5を備えた複合拡散装置1の断面図を示している。複合拡散装置1の拡散装置ハウジング4自体は、複合拡散装置1の長手軸Lに対して非対称な楕円形状に形成されている。加えて、図5には明示しない拡散装置出口3への方向に分岐する中空な直線円錐5、51として、図5の実施例では形成された2つの拡散装置インサート5、51は、拡散装置ハウジング4内の複合拡散装置1の長手軸Lに対して非対称に配置されている。
The view of FIG. 5 shows a cross-sectional view of a
図6には、非対称に形成された2つの拡散装置インサート5を備えた複合拡散装置1の別の実施例の断面が示されている。図6の実施例では、図5の実施例と同様に、拡散装置ハウジング4が楕円形状に形成され、その中に2つの拡散装置インサート5が中空の楕円形拡散装置インサート51として形成される。すなわち、長手軸Lに対する複合拡散装置1の非対称性は、拡散装置ハウジング4及び拡散装置インサート5、51の非対称成形によって生じる。
FIG. 6 shows a cross-section of another embodiment of a
好ましい一実施例では、拡散装置インサート5の1つの壁面がこの装置内で穿孔することができる、すなわち孔又は開口部を備えることができ、それによって複合拡散装置1内の流れは、流入する新鮮な空気9の幾何形状及び/又は速度プロファイルPによって、適切な方法で有利に影響される可能性がある。
In a preferred embodiment, one wall surface of the
拡散装置ハウジング4の一定に変化する開口角度α2を備えた複合拡散装置1の長手方向断面が、図7に示されており、図8は図7の実施例を斜視図で示している。
Longitudinal section of the opening angle alpha 2 complex spreading apparatus having a varying a
図7及び図8による複合拡散装置は、拡散装置出口3に向かう方向に延びている中空円錐として形成された、ちょうど1つの拡散装置インサート5を有する。明確にする理由で、拡散装置ハウジング4のみをこれに関して図8で示しており、拡散装置インサート5、51は見えない。
The composite diffuser according to FIGS. 7 and 8 has exactly one
図7は、開口角度α2が拡散装置入口2に向かって一定に小さくなり、拡散装置インサート5、51の開口角度α1が長手軸Lに沿って一定である点において、どのように拡散装置ハウジング4の開口角度α2が長手軸Lの方向に一定に変化するかを明らかに示している。
FIG. 7 shows how the diffusion device is such that the opening angle α 2 decreases constantly towards the
加えて、一定に変化する開口角度α2は、図7及び図8による複合拡散装置1の非対称性がそれによって生じる極性角度φの関数である。
In addition, the constantly changing aperture angle α 2 is a function of the polar angle φ caused by the asymmetry of the
図9には、複合拡散装置1内に流入する新鮮な空気9の速度分布のプロファイルPにおける非対称性が同様に、本発明の複合拡散装置1の効率の度合いを大きくするために考慮されることが好ましい、湾曲した長手軸Lを有する複合拡散装置1の拡散装置インサート5を備えた、本発明の別の実施例が示されている。
In FIG. 9, the asymmetry in the profile P of the velocity distribution of
図10及び図11は、金属薄板ガイド5、53を備えた本発明による複合拡散装置1の2つの実施例を示している。図10及び図11による複合拡散装置1の拡散装置インサート5、53は、拡散装置出口3に向かう方向に分岐する中空体5、51ではなく、むしろ長手軸Lに対して複合拡散装置1の拡散装置ハウジング4内に非対称に設けられた個別の金属薄板ガイド53である。
FIGS. 10 and 11 show two embodiments of the
図12は、螺旋形状のガイド要素10を備えた本発明による複合拡散装置1の断面を示しており、螺旋形状のガイド要素10は、作動状態で排気ガス・ターボチャージャ7から排出する新鮮な空気9の周面流れを転換することができ、特に、軸流に転換することができるように配置及び設計されている。
FIG. 12 shows a cross-section of the
図13では、ガイド要素10を備えた、本発明による複合拡散装置1の別の実施例の斜視図が最終的に示されており、ガイド要素10は同様に流入する新鮮な空気9を有利な方法でそらし、例えば図13に略図で示すように、複合拡散装置1の周面方向に向けられた流入する新鮮な空気の速度成分は軸方向成分に変換され、それによって複合拡散装置1から流出する新鮮な空気9は基本的に1つの軸方向速度成分を有するだけである。図13の実施例では、ガイド要素10が、拡散装置インサート5の外壁面と拡散装置ハウジング4の内壁面の両方に、別の適切な方法で連結される、例えば溶接又はねじ込み又は固定されるという点で、ガイド要素10はさらに拡散装置インサートを拡散装置ハウジング4内に取り付ける、又は拡散装置インサート5を拡散装置ハウジング4で安定化させるように働く。
In FIG. 13, a perspective view of another embodiment of the
したがって、初めて、往復ピストン燃焼機関用、特に大型2ストローク・ディーゼル機関用の複合拡散装置が利用可能にされ、流入する新鮮な空気の極めて非対称な速度プロファイルでさえも、流れは内部で破断せず、それによって渦は形成されない。したがって、それによってかなり大きな開口角度が得られ、したがってかなり小さな構成長さを可能にし、同時に従来の拡散装置、又は知られている対称複合拡散装置と比較して効率の度合いで不利益に耐える必要がない、複合拡散装置が初めて利用可能である。構成長さが決定的な役割を果たさない場合、従来の拡散装置又は複合拡散装置の構成長さを維持しながら、効率の度合いのかなりの増加が本発明による複合拡散装置により達成することができる。 Thus, for the first time, a combined diffusion device for reciprocating piston combustion engines, especially large two-stroke diesel engines, has been made available, and even with a very asymmetric velocity profile of the incoming fresh air, the flow does not break internally. As a result, no vortex is formed. Thus, it should be possible to obtain a considerably large opening angle, thus enabling a considerably small construction length and at the same time to withstand disadvantages with a degree of efficiency compared to conventional diffusers or known symmetric composite diffusers There is no composite diffusion device available for the first time. If the configuration length does not play a decisive role, a significant increase in the degree of efficiency can be achieved with the composite diffusion device according to the present invention while maintaining the configuration length of the conventional diffusion device or the composite diffusion device .
1 複合拡散装置
3 拡散装置出口
4 拡散装置ハウジング
5 拡散装置インサート
6 出口
7 排気ガス・ターボチャージャ
8 給気冷却装置
9 掃気
10 ガイド要素
51 中空体
52 拡散装置インサート
53 金属薄板ガイド
71 圧縮機
72 タービン
400 ハウジング断面
500 インサート断面
711 圧縮機回転子
721 タービン回転子
1000 シリンダ
1001 出口弁
1002 ピストン
1003 掃気開口部
1004 排気ガス
1006 入口レシーバ
L 長手軸
UT 下死点
OT 上死点
P 速度プロファイル
V 速度
X 断面座標
DESCRIPTION OF
Claims (13)
A reciprocating piston combustion engine, in particular a large two-stroke diesel engine comprising a composite diffusion device (1) according to any one of the preceding claims.
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