SE529400C2 - Arrangemang hos en förbränningsmotor - Google Patents

Description

529 400 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett arrangemang hos en fór- bränningsmotor, vilket möjliggör ett effektivare upptagande av avgasernas energiinne- håll medelst en turbin än med konventionell teknik.

Detta syfte uppnås med arrangemang av det inledningsvis nämnda slaget, vilket ut- märks av de särdrag som anges i patentkravets 1 kännetecknande del. Enligt förelig- gande uppfinning sprutas således ett vätskeformigt medium in i avgasledningen i en position uppströms turbinen. Företrädesvis sprutas mediet in iv ett finfördelat tillstånd så att det snabbt värms upp och íörångas av de heta avgaserna i avgasledningen. För- ångningen innebär att det tillförda vätskeformiga mediet övergår i gasforrn. Efiersom ett ärrme i gasform upptar en betydligt större volym än i vätskefonn resulterar iörång- ningsprocessen i att en markant tryckökning uppkommer i avgasledningen uppströms turbinen. Då trycket i en avgasledning nedströms turbinen har ett väsentligen konstant värde resulterar en tryckökning i avgasledningen uppströms turbinen i att ett större tryckfall kan utnyttjas för att driva turbinen i avgasledningen. Avgasemas energiinne- håll är relaterat till avgasemas tryck och temperatur. Med en turbin är det väsentligen endast möjligt att utnyttja energiinnehållet i avgasernas tryck. Arrangemanget möjlig- gör således att ett vätskefonnigt medium tillförs och förångas av de varma avgasema uppströms turbinen. Avgasernas höga temperatur utnyttjas här för att höja trycket i avgasledningen. Därmed kan turbinen även uppta en del av avgasemas temperaturre- laterade energiinnehåll, vilket således möjliggör ett effektivare upptagande av avgaser nas energiinnehåll än med konventionell teknik.

Enligt en töredragen utfóringsforrn av föreliggande uppfinning är insprutningsorganet monterat i en position i avgasledningen så att det sprutar in det vätskeforrniga mediet en sträcka uppströms turbinen med avseende på avgasemas strömningsriktning i av- gasledningen, varvid nämnda sträcka är så anpassad att väsentligen allt tillfört vätske- forrnigt medium ska hinna värmas och törångas av avgaserna innan det når turbinen.

Därmed möjliggörs en optimal tryckökning medelst det tillförda vätskeforrniga mediet i avgasledningen uppströms turbinen. Med fördel innefattar arrangemanget en styren- het som är anpassad att styra insprutningsmängden av det vätskeformiga mediet i av- gasledningen. Därmed kan mediet tillföras i en mängd som är så anpassad att allt till- l5 ~ 529 400 satt medium hinner förångas innan det når turbinen under väsentligen alla förbrän- ningsmotorns driftstillstånd.

Enligt en annan föredragen utföringsform innefattar arrangemanget en trycksensor som mäter avgasemas tryck i avgasledningen uppströms turbinen, varvid styrenhet är an- passad att mottaga information från nämnda trycksensor för att styra insprutnings- mängden av det vätskeformiga mediet i avgasledningen. Avgasema som lärrmar för- bränningsmotorn har ett tryck som bl.a. varierar med förbränningsmotoms belastning och varvtal. Det rådande trycket i avgasledningen uppströms turbinen är en väsentlig parameter för att kunna uppskatta den mängden vätskeformigt medium som kan tillfö- ras i avgasledningen. Företrädesvis innefattar arrangemanget även en temperatursen- sor som mäter avgasemas temperatur i avgasledningen uppströms turbinen, varvid styrenheten är anpassad att mottaga information från nämnda temperatursensor för att styra insprutningsmängden av det vätskefonni ga mediet i avgasledningen. Avgasema som länmar förbrärmingsmotom har en temperatur som även varierar med förbrän- ningsmotoms belastning och varvtal. Avgasemas temperatur i avgasledningen upp- ströms turbinen är även en väsentlig parameter för att kunna uppskatta den mängd vätskeformigt medium som kan tillföras i avgasledningen. Arrangemanget kan inne- fatta en pumpanordning medelst vilken styrenheten styr insprutningsmängden av det vätskeformi ga mediet. Pumpanordningen kan transportera mediet i en ledning från en lagringsbehållare för mediet till ett spraymunstycke i avgasledningen med vilket en önskad mängd av mediet sprayas in i avgasledningen.

Enligt en annan föredragen utföringsform innefattar arrangemanget en kompressor som är driven av turbinen. Avgasemas energi omvandlas här av turbinen till mekaniskt arbete för drift av kompressom. Turbinen och kompressorn kan här utgöras av ett kon- i ventionellt turboaggregat. Kompressorn är anpassad att komprimera luft i en inlopps- ledning som leder luft till åtminstone ett förbrärmingsutrymme hos förbrärmingsmo- tom. Eftersom turbinen tillhandahåller en ökad prestanda av det extra trycket i avgas- ledningen uppströms turbinen tillhandahåller kompressom en motsvarande extra kapa- citet för att komprimera luften i inloppsledningen. Därmed tillhandahåller luften som leds till fórbränningsmotorn ett extra övertryck så att luft och bränsle i en större mängd kan tillföras till förbränningsmotonis förbrärmingsutrymmen. I och med det tillhanda- håller förbrärmingsmotom en ökad effekt. . 529 400 Enligt en annan föredragen utföringsfonn är det vätskefonniga mediet ett reduktions- medel som sprutas in i och blandas med avgaserna i en katalysator för att elirninera oönskade ämnen. Katalysatorn är med fördel belägen i avgasledningen i en position nedströms turbinen. För att reducera förekomsten av oönskade ämnen i avgaserna, så- som kväveoxider, är det känt att blanda in reduktionsmedel i avgasledningar hos for- don. Vätskefonniga sådana reduktionsmedel som är avsedda att förångas av de heta avgaserna kan även utnyttjas för att höja trycket i avgasledningen uppströms turbinen.

Reduktionsmedlet blandas således i detta fall in i avgasledningen före turbinen istället för efter turbinen vilket annars är brukligt. En ytterligare fördel med att tillsätta reduk- tionsmedlet uppströms turbinen är att den roterande turbinen kan utnyttjas för att blan- da reduktionsmedel och avgaser. Därmed tillhandahålls en väsentligen homogen blandning av reduktionsmedel och avgaserna på ett effektivt sätt utan extra kompo- nenter. Katalysatom kan därmed placeras väsentligen direkt efter turbinen. Avgasled- ningens längd kan därmed även reduceras. Det vätskeforrniga mediet är med fördel en urealösning. Urealösningar används konventionellt i fordon för att sänka utsläppen av kväveoxider. Urealösningar kan med fördel även utnyttjas för att höja trycket i avgas- ledningen uppströms turbinen. En urealösning förvaras vanligtvis i en tank i fordon och tillsätts medelst en insprutningssystem som styrs av en elektrisk styrenhet. Hos fordon som är utrustade med SCR (Selective Catalytic Reduction) finns således redan väsentligen all erforderlig utrustning för att tillföra ett vätskeforrnigt medium till en avgasledning. Att tillföra det vätskeforrniga mediet uppströms istället för nedströms turbinen i avgasledningen kan därmed i de flesta fall göras till en relativt ringa kost- nad.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följ ande beskrivs såsom ett exempel en föredragen utföringsform avuppfinningen med hänvisning till bifogade ritning, på vilken: Fig. 1 visar en dieselmotor som försetts med ett arrangemang enligt föreliggande uppfinning. 529 400 DETALJERAD BESKRIVNING Av EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar en fiirbränningsmotor i form av en dieselmotor 1. Dieselrnotorn 1 kan vara avsedd som drivmotor fiör ett tyngre fordon. Avgaserna från dieselrnotoms 1 cylindrar leds, via en avgassamlare 2, till en avgasledning 3. Avgasledningen 3 är försedd med ett turboaggregat som består av en turbin 4 och en kompressor 5. Turbinen 4 är avsedd att omvandla avgasemas energi i avgasledningen 3 till mekaniskt arbete för att driva kompressom 5. Kompressorn 5 är avsedd att komprimera luft som leds in i en in- loppsledning 6 till dieselmotom l. En laddluftkylare 7 är anordnad i inloppsledningen 6 för att kyla den komprimerade luften innan den, via en förgrening 8, till dieselmo- toms 1 respektive förbränningsutrymmen.

Avgasledningen 3 har här försetts med en katalytisk avgasrening enligt den metod som benämns SCR (Selective Catalytic Reduction). Denna metod innebär att en urealös- ning tillförs till avgaserna i dieselmotorns avgasledning 3. Urealösningen lagras i en tank 9 ocl_ leds, via en ledning 10, till avgasledningen 3. En styrenhet 12, som kan vara en datorenhet med en lämplig programvara 12a, styr tillförseln av urealösningen me- delst aktivering av en pump 11. Pumpen ll transporterar urealösning till en insprut- ningsorgan 13 som sprutar in urealösning i avgasledningen 3. Styrenheten 12 kan med information avseende specifika motorparametrar beräkna den mängd av urealösningen som behöver tillsättas för att halten av kväveoxider i avgaserna ska reduceras optimalt.

Den tilltörda urealösningen är avsedd att upphettas av avgasema i avgasledningen 3 så att den förångas och omvandlas till ammoniak. Blandningen av ammoniak och avga- sema leds därefter vidare i avgasledningen 3 till en katalysator 14. I katalysatom 14 sker kemiska reaktioner. Kvävet hos kväveoxidema i avgasema reagerar här med kvä- vet i arnmoniaken så att kvävgas bildas. Syret hos kväveoxidema reagerar med vätet i ammoniaken så att vatten bildas. Kväveoxidema i avgasema reduceras således i kata- lysatom 14 till kvävgas och vattenånga, vilket leds ut till omgivande luft.

Insprutriingsorganet 13 är monterat i en position 3a i avgasledningen 3 så att det sprutar in urealösningen uppströms turbinen 4 med avseende på avgasemas ström- ningsriktning i avgasledningen 3. Insprutningsorganet 13 sprutar in det vätskeformiga mediet en sträcka L uppströms turbinen 4. Sträckan L är så anpassad att väsentligen allt tillförd urealösning ska hinna värmas och förångas av avgasema innan de når tur- binen 4. En trycksensor 15 är anordnad i avgasledningen 3 för att mäta avgasemas 529 400 tryck uppströms turbinen 4. Trycksensorn 15 är avsedd att skicka signaler till styrenhet 12 avseende avgasemas tryck i avgasledningen 3 uppströms turbinen 4. En temperatur- sensor 16 är anordnad i avgasledningen 3 för att mäta avgasemas temperatur upp- ströms turbinen 4. Temperatursensom 15 är avsedd att skicka signaler till styrenhet 12 avseende avgasemas temperatur i avgasledningen 3 uppströms turbinen 4.

Under drift av dieselmotom 1 mottar styrenheten 12 väsentligen kontinuerligt infor- mation avseende, exempelvis, aktuell bränsleförbrukning, avgasemas tryck från tryck- sensorn 15 och avgasemas temperatur från temperatursensorn 16. Med, exempelvis, sådan information kan styrenheten 12 beräkna den mängd av urealösningen som behö- ver tillsättas för att halten av kväveoxider i avgaserna ska reduceras väsentligen opti- malt. Styrenheten 12 kan därvid även uppskatta den maximala mängd av urealösningen som kan tillföras för att väsentligen all urealösning ska hinna värmas och förångas av avgaserna under sträckan L innan turbinen 4. Styrenheten 12 kan även uppskatta den maximala mängd urealösning som kan tillföras utan att avgaserna får en så låg tempe- ratur i avgasledningen 3 efter turbinen 4 att ämnen i avgaserna riskerar att kondensera.

I första hand är styrenheten 12 dock anpassad att styra insprutningsmängden av urea- lösningen så att halten av kväveoxider i avgasema reduceras väsentligen optimalt. Un- der vissa driftsförhållanden kan styrenheten 12 dock begränsa den beräknade mängden urealösning om den överskrider något av de ovan nämnda maximala mängderna.

Styrenheten 12 tillför den beräknade mängden urealösning medelst pumpen 11 som transporterar urealösningen från tanken 9, via ledningen 10, till insprutningsorganet 13. Insprutningsorganet 13 sprutar in den beräknade mängden urealösning i fintörde- lad form i en position 3a i avgasledningen en sträcka L uppströms turbinen 4. Den finfördelade urealösningen värms snabbt upp och förångas av de heta avgasema i av- gasledningen 3. Förångningen innebär att urealösning övergår i gasforrn i form av bl.a. ammoniak. Eftersom ämnen i gasform upptar en betydligt större volym än i vätske- form resulterar förångningsprocessen i att en markant tryckökning uppkommer i av- gasledningen 3 uppströms turbinen. Då trycket i en avgasledning 3 nedströms turbinen 4 har ett väsentligen konstant värde resulterar tryckökningen i avgasledningen 3 upp- ströms turbinen 4 i att ett större tryckfall kan utnyttjas för att driva turbinen 4.

Avgasemas energi omvandlas av turbinen 4 till mekaniskt arbete som driver kompres- som 5. Eftersom turbinen 4 tillhandahåller en ökad prestanda av det extra trycket i av- gasledningen 3 tillhandahåller kompressom 5 en motsvarande extra kapacitet för att 529 400 7 komprimera luften i inloppsledningen 6. Därmed tillhandahåller luften som leds till forbränningsmotom 1 ett extra övertryck så att luft och bränsle kan tillföras i en större mängd till förbränningsmotorn 1 som därmed tillhandahåller en ökad effekt.

Den roterande turbinen 4 avger en väsentligen homogen blandning av ammoniak och avgaserna. Katalysatorn 14 kan därmed placeras relativt nära turbinen 4 i avgasled- ningen 3. Blandningen av ammoniak och avgasema leds därefter genom katalysatom 14 där kvävet hos kväveoxidema i avgasema reagerar med kvävet i arnmoniaken så att kvävgas bildas. Syret hos kväveoxiderna reagerar med vätet i ammoniaken så att vat- ten bildas. Kväveoxidema i avgasema reduceras därmed i katalysatom till kvävgas och vattenånga. Med en korrekt dosering av urea kan dieselmotoms 1 utsläpp av kväveoxi- der i en stor utsträckning reduceras.

Uppfinningen är inte begränsad till den ovan beskrivna utfóringsformen utan den kan varieras fritt inom patentkravens ramar. I det ovan beskrivna exemplet utnyttjas en urealösning för att tillhandahålla ett extra tryck i avgasledningen 3 uppströms turbinen 4. Den tillsatta mängden urealösning är här styrd så att kväveoxiderna i avgasema re- duceras optimalt. Dock tillhandahålls här ett extra tryck i avgasledningen 3 av en stor- lek som är relaterad till den tillsatta mängden urealösning. Det vätskeforrniga mediet behöver dock inte vara en urealösning utan det kan vara ett väsentligen godtyckligt vätskeforrni gt medium som har en lämplig förångningstemperatur. Används ett sådant vätskeformi gt medium enbart i syfte att öka trycket i avgasledningen 3 uppströms tur- binen 4 kan styrenheten 12 relativt fritt styra den mängden vätskeformigt medium som tillförs avgasledningen 3. Styrenheten 12 bör dock maximalt tillföra en mängd av det vätskeforrniga mediet så att väsentligen allt medium hinner värmas och förångas av avgasema under sträckan L innan turbinen 4. Styrenheten 12 bör även maximalt tillfö- ra en mängd av det vätskeformiga mediet så att avgasema efter turbinen 4 inte får en så låg temperatur att ärnnen i avgaserna riskerar att kondensera i avgasledningen 3.

Claims (6)

10 20 25 30 35 529 400 å' Patentkrav

1. Arrangemang hos en förbränningsmotor (l), varvid arrangemanget innefattar en avgasledning (3) for att leda ut avgaser från fórbränningsmotorn (1), en turbin som är anordnad i avgasledningen (3) för att omvandla energi hos avgaserna till mekaniskt arbete, ett insprutningsorgan (13) som är anordnat i avgasledningen (3) for att spruta in en urealösning i avgasledningen (3) varefter urealösningen är avsedd att värmas upp och förångas av de varma avgaserna i avgasledningen (3), kännetecknat av att insprut- ningsorganet (13) är monterat i en position (3a) i avgasledningen så att det sprutar in urealösningen en sträcka (L) uppströms turbinen (4) med avseende på avgasernas strömningsriktning i avgasledningen (3) och att arrangemanget innefattar en styrenhet (12) som är anpassad att styra insprutningsmängden av urealösningen i avgasledningen (3) så att väsentligen all tillförd urealösning ska hinna värmas och forångas av avga- serna under nämnda sträcka (L) innan den når turbinen (4).

2. , Arrangemang enligt krav 1, kärmetecknat av att det innefattar en trycksensor (13) som mäter avgasernas tryck i avgasledningen (3) uppströms turbinen (4), varvid styr- enhet (12) är anpassad att mottaga information från nämnda trycksensor (13) for att styra insprutningsmängden av urealösningen i avgasledningen (3).

3. Arrangemang enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att det innefattar en temperatur- sensor (14) som mäter avgasemas temperatur i avgasledningen (3) uppströms turbinen (4), varvid styrenhet (12) är anpassad att mottaga infonnation från nämnda temperatur- sensor (14) för att styra insprutningsmängden av urealösningen i avgasledningen (3).

4. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att det innefattar en pumpanordning (11) medelst vilken styrenheten ( 12) styr insprutningsmängden av det vätskeforrniga mediet.

5. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att det innefattar en kompressor (5) som är driven av turbinen (4).

6. Arrangemang enligt krav 5, kännetecknat av att kompressom (5) är anpassad att komprimera luft i en inloppsledning (6) som leder luft till åtminstone ett forbrärmings- utrymme hos förbrärmingsmotom (1).