FI78768C

FI78768C - Procedures and arrangements for improving the efficiency of exhaust emissions e.

Info

Publication number: FI78768C
Application number: FI872419A
Authority: FI
Inventors: Per-Erik Seppas; Goesta Liljenfeldt
Original assignee: Waertsilae Oy Ab
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1989-09-11
Also published as: CN88103286A; FI78768B; WO1988009431A1; ES2011337A6; FI872419A; FI872419A0

Description

7876878768

MENETELMÄ JA JÄRJESTELY PAKOKAASUJEN HYVÄKSIKÄYTÖN TEHOSTAMISEKSI - FÖRFARANDE OCH ARRANGEMANG FÖR EFFEKTIVERING AV AVGASERNAS UTNYTTJANDEMETHOD AND ARRANGEMENTS FOR EFFICIENT EXHAUST EFFICIENCY - FÖRFARANDE OCH ARRANGEMANG FÖR EFFEKTIVERING AV AVGASERNAS UTNYTTJANDE

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen menetelmä pakokaasujen hyväksikäytön tehostamiseksi ja patenttivaatimuksen 2 johdanto-osan mukainen pakoputkijärjestely menetelmän soveltamiseksi.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 for enhancing the utilization of exhaust gases and to an exhaust pipe arrangement according to the preamble of claim 2 for applying the method.

Isoilla dieselmoottoreilla tarkoitetaan tässä mm. sellaisia moottoreita, jotka soveltuvat esimerkiksi laivojen apu- tai pääkoneiksi tai lämmitysvoimalaitoksiin. Moottorit varustetaan usein turboahtimella, johon pakokaasut syötetään käytön tehostamiseksi ja polttoainetalouden parantamiseksi. Pakokaasujen syöttämisessä on toisaalta menetelty siten, että pakokaasujen sylinteristä poiston yhteydessä syntyvät painepulssit pyritään jossain määrin säilyttämään turboahti-melle saakka käyttämällä halkaisijaltaan verraten ohutta pakoputkea. Vaihtoehtoisesti on pakokaasujen syöttäminen tapahtunut tasaisella paineella käyttämällä paksumpaa pakoputkea. Tällöin yksittäiset painepulssit häviävät suureen yhteiseen pakokaasuvirtaan. Käytännössä pakokaasujen painepulsseja säilyttämään pyrkivä menetelmä on varsinkin alhaisemmilla pakokaasujen syöttöpainei11a osoittautunut paremmaksi.Large diesel engines here mean e.g. engines suitable, for example, for auxiliary or main engines of ships or for heating power plants. Engines are often equipped with a turbocharger to which exhaust gases are fed to increase efficiency and improve fuel economy. On the other hand, the procedure for supplying the exhaust gases is such that the pressure pulses generated during the removal of the exhaust gases from the cylinder are to some extent maintained up to the turbocharger by using an exhaust pipe of relatively thin diameter. Alternatively, the exhaust has been supplied at a constant pressure using a thicker exhaust pipe. In this case, the individual pressure pulses disappear into the large common exhaust gas flow. In practice, the method which tends to maintain the pressure pulses of the exhaust gases has proved to be better, especially at lower exhaust gas supply pressures11a.

Edelleen tunnetun tekniikan mukaisesti sylinterien pakokaasut voidaan tuoda pakoputkeen muista pakokaasuista erillään pakoputkeen nähden oleellisesti tangentiaalisesti ja pääasiassa poikkisuuntaisesti pyrkimyksenä aikaansaada spriraalimuotoinen virtaus pakoputken akselin ympäri. Mainittu spiraalimuotoinen virtaus yhdistetään sitten eri sylintereiden pakokaasujen kumulatiiviseen, moottorin turboahtimelle johdettavaan pääpakokaasuvirtaukseen, niin että ainakin osa pakokaasujen kineettisestä energiasta säilyisi turboahtimeen saakka.Furthermore, according to the prior art, the exhaust gases from the cylinders can be introduced into the exhaust pipe separately from the other exhaust gases substantially tangentially and substantially transversely to the exhaust pipe in an effort to provide a spiral flow around the exhaust pipe axis. Said helical flow is then combined with the cumulative main exhaust flow from the exhaust gases of the different cylinders to the engine turbocharger, so that at least part of the kinetic energy of the exhaust gases is retained up to the turbocharger.

2 787682,78768

Keksinnön tarkoituksena on luoda parannettu menetelmä moottorin pakokaasujen syöttämiseksi turboahtimeen ja pakoputkijärjestely menetelmän soveltamiseksi, ja siten tarkoitus on edelleen parantaa moottorin polttoainetaloutta ja tehokkuutta.The object of the invention is to provide an improved method for feeding engine exhaust gases to a turbocharger and an exhaust manifold arrangement for applying the method, and thus to further improve the fuel economy and efficiency of the engine.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan patenttivaatimuksissa 1 ja 2 sekä alivaatimuksissa tarkemmin esitetyllä tavalla. Keksinnön mukaisesti sylinteristä johdettavan erillispako-kaasuvirtauksen annetaan ennen pääpakokaasuvirtaukseen yhdistämistä siirtyä spiraalinmuotoisena matkan, jonka karkeasti vastaa pakoputken sisähalkaisijaa. Tällä tavoin saadaan spiraalivirtausta tehostettua sekä erillisvirtauksen että päävirtauksen osalta, jolloin paine pakokaasuputkessa pysyy alempana ja pakokaasujen kineettinen energia saadaan paremmin säilymään turboahtimelle asti.The objects of the invention are achieved as specified in claims 1 and 2 and in the subclaims. According to the invention, the separate exhaust gas flow from the cylinder is allowed to move in a helical distance, roughly corresponding to the inner diameter of the exhaust pipe, before being connected to the main exhaust gas flow. In this way, the helical flow can be enhanced for both the separate flow and the main flow, whereby the pressure in the exhaust pipe remains lower and the kinetic energy of the exhaust gases is better maintained up to the turbocharger.

Pakoputkijärjestelyssä keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseksi käytäntöön iso pakoputki käsittää putkiyksik-köjä, joihin kuuluu ulompi putkielementti ja sisempi putkielementti. Sylinteristä tulevat pakokaasut on järjestetty johdettavaksi pakoputkeen nähden oleellisesti tangentiaa-lisesti ja pääasiassa poikittaissuuntaisesti mainittujen ulomman ja sisemmän putkielementin väliseen tilaan etenemään spiraalinmuotoisena virtauksena yhdistettäväksi sisemmän putkielementin läpi virtaavaan, eri sylintereiden pakokaasujen kumulatiiviseen, moottorin turboahtimelle johdettavaan pääpakokaasuvirtaukseen siten, että ainakin osa pakokaasujen kineettisestä energiasta säilyy turboahtimelle saakka. Tätä varten sylinteristä johdettava erillispa-kokaasuvirtaus järjestetään ennen pääpakokaasuvirtaukseen yhdistämistä siirtymään spiraalinmuotoisena pakoputken pituussuunnassa matkan, joka karkeasti vastaa pakoputken sisähalkaisij aa.In an exhaust pipe arrangement for applying the method according to the invention in practice, a large exhaust pipe comprises pipe units comprising an outer pipe element and an inner pipe element. The exhaust gases from the cylinder are arranged to be directed substantially tangentially and substantially transversely to the space between said outer and inner tubular elements to propagate in a helical flow from the turbocharger to the turbocharger, until. To this end, the separate exhaust gas flow from the cylinder is arranged, before being connected to the main exhaust gas flow, to move helically in the longitudinal direction of the exhaust pipe by a distance roughly corresponding to the inside diameter of the exhaust pipe.

Sylinteristä tulevat pakokaasut johdetaan pakoputkeen edelleen siten, että putkiyksikön ulompi putkielementti 3 78768 varustetaan poikittaisella putkielementtiin juohevasti liittyvällä liitoskappaleella ja järjestämällä ulomman putkielementin sisäpintaan mainitun liitoskappaleen j atkeeksi jonkin matkaa putkielementtiä kiertävä syvennys pakokaasujen spiraalivirtauksen tehostamiseksi. Ulompi ja sisempi putkielementti voidaan vielä muotoilla siten, että ne ohjaavat sylinteristä johdettua erilllspakokaasuvirtausta sekä pääpakokaasuvirtausta kohti pakoputken keskiosaa siinä kohdassa tai kohdan läheisyydessä, jossa kyseiset virtaukset yhdistyvät.The exhaust gases from the cylinder are further led to the exhaust pipe so that the outer pipe element 3 78768 of the pipe unit is provided with a transverse connecting element seamlessly connected to the pipe element The outer and inner pipe elements may further be shaped to direct the separate exhaust flow from the cylinder and the main exhaust flow towards the center of the exhaust pipe at or near the point where those flows combine.

Kutakin moottorin vierekkäistä sylinteriä varten järjestetään edullisesti oma putkiyksikkö, jolloin putkiyksiköt yhdessä muodostavat pakoputken. Sisemmän ja ulomman putkielementin tukeminen toisiinsa tapahtuu toisesta päästä laipoilla.For each adjacent cylinder of the engine, a separate pipe unit is preferably provided, whereby the pipe units together form an exhaust pipe. The inner and outer tubular elements are supported at one end by flanges at the other end.

Putkiyksiköt liitetään toisiinsa tarvittaessa laipallisella välielementillä, jonka slsähalkaisija vastaa putklyksikön sisemmän putkielementin sisähalkaisijaa.The pipe units are connected to each other, if necessary, by a flanged intermediate element, the diameter of which corresponds to the inner diameter of the inner pipe element of the pipe unit.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää erästä keksinnön mukaista pakoputklkijärjestelyä sivusta katsottuna, kuvio 2 esittää kuvion 1 leikkausta A-A.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing, in which Figure 1 shows a side view of an exhaust pipe arrangement according to the invention, Figure 2 shows a section A-A of Figure 1.

Piirustuksessa tarkoittaa viitenumero 1 moottorin pakoputken osaa, johon kuuluu kaksi putkiyksikköä 2, jotka on tuettu toisiinsa välielementin 3 avulla. Kukin putkiyksikkö 2 käsittää ulomman putkielementin 4 ja sisemmän putkielementin 5, jotka on tuettu toisiinsa laippojen 7 ja 8 avulla. Välielementissä 3 on puolestaan laipat 9, joilla se on kiinnitetty toiseen putkiyksikköön ulomman ja sisemmän putkielementin 4 ja 5 laippoihin 7 ja 8 ja vastaavasti toiseen putkiyksikköön pelkästään ulomman putkielementin 4 laippaan 7.In the drawing, reference numeral 1 denotes a part of the engine exhaust pipe comprising two pipe units 2 supported on each other by means of an intermediate element 3. Each pipe unit 2 comprises an outer pipe element 4 and an inner pipe element 5, which are supported by means of flanges 7 and 8. The intermediate element 3, in turn, has flanges 9 by which it is fastened to the second pipe unit on the flanges 7 and 8 of the outer and inner pipe elements 4 and 5 and to the second pipe unit only on the flange 7 of the outer pipe element 4, respectively.

4 787684,78768

Sylinteristä tuleva pakokaasuvirta, jota on kuvattu nuolella 10, ohjataan liitoskappaleen 11 avulla sisemmän putkielemen-tin 5 ja ulomman putkielementin 4 väliseen tilaan. Jotta virtaus säilyttäisi mahdollisimman hyvin kineettisen energiansa ja jatkaisi spiraalimaisesti etenemistään, ulompaan putkielementtiin 4 on tehty syvennys 12. Edelleen ulompi putkielementti 4 käsittää ohjauspinnan 13, jolla sylinteristä tuleva erillisvirtaus 10 johdetaan kohti pakoputken keskiosaa samalla kun se yhdistyy eri sylinterei-den pakokaasujen kumulatiiviseen moottorin turboahtimelle (ei näytetty kuvioissa) johdettavaan päävirtaan, jota on kuvattu nuolella 14. Vastaavasti myös sisempään putkielementtiin 5 on tehty ohjauspinta 15 päävirtauksen ohjaamiseksi kohti putken keskiosaa. Tällä tavalla päävirtauksen nopeus kasvaa ja aiheuttaa ns. venturi-ilmiön, eli päävirtaus imee mukaansa putken reunoilta sylinteristä johdettuja pakokaasuja. Huomautettakoon että myös päävirtaus 14 etenee spiraalimaisesti johtuen siihen kustakin sylinteristä johdetuille pakokaasuille aikaansaadusta voimakkaasti spiraalimuotoisesta virtauksesta. Näin myös päävirtauksessa säilyy osa virtauksen kineettisestä energiasta.The exhaust gas flow from the cylinder, illustrated by the arrow 10, is directed by means of the connecting piece 11 to the space between the inner pipe element 5 and the outer pipe element 4. In order for the flow to retain its kinetic energy as well as possible and to continue its spiral propagation, a recess 12 is provided in the outer tube element 4. Further the outer tube element 4 comprises a guide surface 13 not shown in the figures) to the main flow to be conducted, which is illustrated by arrow 14. Correspondingly, a guide surface 15 is also provided in the inner pipe element 5 for directing the main flow towards the middle part of the pipe. In this way, the velocity of the main flow increases and causes the so-called venturi phenomenon, i.e. the main flow absorbs the exhaust gases from the cylinder from the edges of the pipe. It should be noted that the main flow 14 also propagates helically due to the strongly helical flow provided to it by the exhaust gases from each cylinder. In this way, part of the kinetic energy of the flow is also preserved in the main flow.

Moottorin sylinterimäärästä riippuen pakoputki käsittää useampia putkiyksikköjä 2 ja näitä erottavia välielementtejä 3. Voidaan myös ajatella, että peräkkäiset putkiyksiköt 2 liitetään ilman erillistä välielementtiä suoraan toisiinsa.Depending on the number of cylinders in the engine, the exhaust pipe comprises a plurality of pipe units 2 and these separating intermediate elements 3. It is also conceivable that the successive pipe units 2 are connected directly to each other without a separate intermediate element.

Keksintö ei rajoitu esitettyyn sovellutusmuotoon vaan useita muunnelmia on ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa.The invention is not limited to the embodiment shown, but several variations are conceivable within the scope of the appended claims.

Claims

1. A process for increasing the exhaust gas utilization on internal combustion engines, in particular with large diesel engines, with two or more cylinders and equipped with turbochargers, such that at least part of the exhaust gas kinetic energy is stored in the turbocharger, the exhaust gas being preferably represented by the cylinder. into the exhaust pipe separately from other exhaust gases such as a uniform flow from one side of the exhaust pipe substantially in tangential direction and generally transversely in relation to the exhaust pipe to provide a helical flow around the axis of the exhaust pipe from the exhaust pipe and the axis of the exhaust pipe. With the cumulated tili of the turbocharger of the engine, the main exhaust gas flow of exhaust gases is released From separate cylinders each of said flows is directed in the direction of the middle part of the exhaust pipe to achieve a suction effect, characterized in that prior to the main exhaust gas flow, the separate exhaust gas from the cylinder the escape is displaced as helically in the longitudinal direction of the exhaust pipe a distance which roughly corresponds to the inner diameter of the exhaust pipe.

Exhaust pipe arrangement for applying the method according to claim 1 in practice, said exhaust pipe arrangement comprising a plurality of pipe units (2) and is connectable to an internal combustion engine, in particular to Large diesel engines, with two or more cylinders and equipped with turbochargers, and at which the exhaust gas the cylinder is arranged to be directed substantially in the tangential direction and substantially transversely in relation to the exhaust pipe to advance as a helical flow (10) to be connected to the cumulated tile of the engine turbo charger, separated by the exhaust gas, that at least part of the kinetic energy of the exhaust