DK144432B - Flercylindret forbraendingsmotor - Google Patents

Description

144432

Opfindelsen angår en flercylindret forbrændingsmotor, der arbejder med højt effektivt middeltryk, og hvor ikke-interfererende cylindre er opdelt i grupper, der har hver sin udstødskanal, som har et i hovedsagen ensartet og forudbestemt tværsnitsareal og fører til et 5 segment af en turboladers turbinehjul, der er forsynet med ledeskovle og løbeskovie.

Når hver af disse udstødskanaler har et i hovedsagen ensartet tværsnitsareal, vil turboladerens turbineskovle blive udsat for en 10 stærkt pulserende strøm af udstødsgas. Som følge af trykforholdet over udstøds ventilen, når denne åbnes, vil gasudstrømningen gennem ventilåbningen være sonisk, og efter ventilåbningen vil den være supersonisk via en ekspansionsvifte. Da kanalformen ikke tillader supersonisk massetransport, frembringes der efter ventilåbningen 15 kompressionschok, idet hastigheden aftager og igen omdannes til tryk. Ved den efterfølgende massestrøm udfyldes ekspansionsviften (massebalance), så at kompressionschokene forskydes til før ventilåbningen, hvorved det supersoniske strømningsmønster nedbrydes, og udstrømningen fortsætter subsonisk. Der vil derfor i strømnings -2° retningen fremkomme en trykimpuls, der har stor energi, og som vokser brat i bevægelsesretningen. Det giver anledning til problemer, når en sådan brat trykfront passerer gennem turbinen med lydens hastighed, idet der både ved ledeskovlene og løbeskovlene dannes indhyllende strømme, der indebærer tab af energi og et fald i turbinens virkningsgrad.

Da disse fænomener vokser med motorens effektive middeltryk og med tidlig åbning af udstødsventilen, bliver de særligt besværlige i forbindelse med turboladede motorer, Det har derfor i forbindelse 30 med moderne dieselmotorer, der arbejder med et meget højt effektivt middeltryk, hidtil været nødvendigt at anvende en forholdsvis dyr og kompliceret udstødskanal, der er indrettet til at omdanne den pulserende gasstrøm til en i hovedsagen jævn gasstrøm med nogenlunde konstant tryk og hastighed. Dette kan eksempelvis opnås ved at ^ udforme udstødskanalen med et således varierende tværsnit, at der i denne dannes et stort antal efter hinanden følgende dyser. Et sådan udstødssystem, der er kompliceret og dyrt at fremstille, er kendt f.eks. fra USA patentskrift nr. 2.406.656.

2 UU32

Hvis udstødskanalen i hele sin længde har et i hovedsagen ensartet tværsnit, vil turboladerens skovle som nævnt ovenfor normalt blive udsat for trykimpulser med et så højt maksimumstryk og af så kort varighed, at de ikke effektivt ville kunne drive turboladeren. Ved 5 opfindelsen anvises imidlertid en simpel og billig foranstaltning, der i væsentlig grad reducerer de ovenfor beskrevne problemer i forbindelse med udstødskanaler med ensartet tværsnit.

Motoren ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at udstødskanalen 10 indeholder mindst én tværsnitsreducerende indsnævring, hvis lysningsareal udgør 25 - 90% af udstødskanalens ensartede forudbestemte tværsnitsareal afhængig af, hvor i udstødskanalen indsnævringen er placeret mellem en position umiddelbart efter cylindrene og en position umiddelbart før turbinehjulet, hvor det nævnte lysnings-15 areal er størst. Det har vist sig, at en sådan indsnævring hindrer det supersoniske strømningsmønster, så at den ekstreme værdi af trykimpulsen efter indsnævringen forsinkes tidsmæssigt, og gasimpulsens kraftige tryksvingning reduceres drastisk. Indsnævringen forbedrer altså formen af den høje og stejle spids af de udstødnings-20 impulser, der især forekommer i motorer med højt effektivt middeltryk, så at den pludselige gasimpuls jævnes ud, hvorved turbinen bliver i stand til at arbejde med større virkningsgrad.

Den indsnævring, der anvendes i forbrændingsmotoren ifølge opfin-25 delsen, er ikke sammenlignelig med en sædvanlig dyse i en udstødskanal. Således er udstødskanalens tværsnitsareal og form i motoren ifølge opfindelsen den samme såvel før som efter indsnævringen, og der vil i udstødskanalen efter indsnævringen stadig være tale om en pulserende gasstrøm. Som følge af friktionen mellem gassen og 30 udstødskanalens inderside vil pulsationerne eller impulserne igen blive omdannet således, at de bliver korte, men kraftige. Som følge deraf er placeringen af indsnævringen i udstødskanalen afhængig af den ønskede form for impulsen umiddelbart før turbineskovlene. Dette fører til, at indsnævringens lysningsareal må gøres 35 mindre, jo længere borte fra turbinen, indsnævringen er anbragt, for at impulsen kan udflades så meget, at den ikke i utilladelig grad når at genantage sin oprindelige form, inden den når frem til turbinen, hvilket vil sige, at impulsen ikke må være for kraftig og ikke have for lille varighed.

144432 3

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere beskrevet under henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 skematisk viser en forbrændingsmotor, der har en cylinder med en udstødsventil, en udstødskanal og en dertil forbundet 5 turbine, fig. 2 en sekscylindret forbrændingsmotor med tilhørende udstødssystem, og fig. 3 og 4 grafiske afbildninger med kurver, der viser gasimpulser på forskellige steder i udstødssystemer, henholdvis uden og med 10 indsnævring i overensstemmelse med opfindelsen.

1 fig. 1 angiver henvisningsbetegnelsen 1 en cylinder i en forbrændingsmotor, hvor kun udstødsventilen 2 er vist. Til udstøds ventilen 2 er forbundet en udstødskanal 3, der efter ventilen udmunder i 15 nærheden af ledeskovle 4 og løbeskovie 5 for en turbine 6. Turbinen 6 er en del af en turbine-kompres sorkombination, af hvilken kompressoren ikke er vist.

Mellem udstødsventilen 2 og turbinen 6's ledeskovle 4 har udstøds-20 kanalen 3 i overensstemmelse med opfindelsen en indsnævring 7, der formindsker udstødskanalens passageareal.

Fig. 2 viser en forbrændingsmotor 10 med seks cylindre 11, hvis udstødsrør 12 er forbundet med en fælles kanal således, at udstøds-25 perioderne for de cylindre, der er forbundet med kanalen, knap nok eller slet ikke overlapper hinanden, hvorved det hindres, at udstødsimpulsen fra én cylinder i uheldig retning indvirker på tømningen eller skylningen af en anden cylinder. Ved trykladning ved tryksystemet er det normale maksimum tre cylindre, hvorfor 20 den i fig. 2 viste sekscylindrede motor har to udstødsgrupper 13, der udmunder ved en fælles turbine 14.

Som følge af den forholdsvis lange udstødskanal er der i overensstemmelse med opfindelsen i det samme udstødssystem 13 udformet mere 35 end én indsnævring, idet den fysiske mekanisme, som får trykfronten til at vokse brat i strømningsretningen, fortsætter med at eksistere.

Der er som vist i fig. 2 udformet en indsnævring 15 efter hver cylinder, og den fælles kanal 13 indeholder en indsnævring 16.

U4432 4

Indsnævringen ifølge opfindelsen har fortrinsvis en gennemstrømnings -åbning med venturiform (se fig. 1). Fordelen ved venturiformen er, at entropiforøgelsen holdes på et minimum, så at gasstrømmens energi bevares. Topvinklen på venturiindsnævringens diffuserside 5 er fortrinsvis mindre end 30°.

Indsnævringens lysningsareal varierer ifølge opfindelsen mellem 0,25 og 0,90 af udstødskanalens nominelle lysningsareal. Det skal i denne forbindelse bemærkes, at når der for hver gasstrøm anvendes 10 flere indsnævringer, kan resultatet opnås med en formindsket strømningsmodstand, i hvilket tilfælde det mindste lysningsareal i udstødskanalen skal tilvejebringes på et sted, der ligger så tæt efter udstødsventilen som muligt, og det største lysningsareal skal udformes på et sted, der ligger så langt efter ventilen som muligt 15 regnet i strømningsretningen, dvs. så nær før turbinen som muligt afhængigt af strømningsmønsteret (se indsnævringerne henholdsvis 15 og 16.)

Centerlinjen for indsnævringernes passage behøver ikke at ligge 20 centralt i udstødskanalen. Denne centerlinje kan afhængigt af udstødskanalens form, f.eks. ved bøjninger, ligge excentrisk, og den sammenfalder fortrinsvis med tyngdepunktslinjen for gassens massestrøm.

Ved de i fig. 3 og 4 viste kurver foretages der en sammenligning 25 mellem trykimpulserne på forskellige steder i udstødskanalen i et udstødssystem henholdsvis uden og med indsnævringer i overensstemmelse med opfindelsen. Hver af kurverne angiver trykket som funktion af tiden. Kurven A repræsenterer trykket i cylinderen (se også fig. 1), og kurverne B, C, D og E repræsenterer trykket 30 henholdsvis efter ventilmellemrummet, før indsnævringen, efter indsnævringen og endelig foran turbinen. Af de grafiske afbildninger fremgår det, at kurven E viser en høj trykimpuls umiddelbart foran turbinen i et udstødssystem uden indsnævring. Denne kurve E er kendelig udfladet i fig. 4, hvortil kommer, at fronten har et 35 betydeligt mindre stejlt forløb.