DK148758B - Trykladet totakts stempelforbraendingsmotor - Google Patents

Description

i 148758

Opfindelsen angår en trykladet totakts stempel-forbrændingsmotor, navnlig dieselmotor med organer til aflastning af trykket i krumtaphuset, af den art, som i hvert cylinderdæksel har mindst én indstrømningsven-5 til, der lukker en indstrømningskanal i cylinderdækslet, og mindst én udstødsventil, der lukker en udstødskanal, hvilke ventilers åbningsperioder overlapper hinanden, og hvor indstrømningsventilens sæde er beliggende ved bunden af en i cylinderdækslet udformet fordybning, 10 hvis tværmål er valgt således i forhold til diameteren af ventiltallerkenen, at der kun findes et lille mellemrum mellem kanten af ventiltallerkenen og fordybningens væg.

Fra U.S.A. patentskrift nr. 2 136 070 kendes en ' 15 totakts motor af denne art - dog uden trykladning - hvor den nævnte fordybning i cylinderdækslet er rotationssym-metrisk,dvs. har samme dybde langs hele sin omkreds, og fordybningen har til formål at forsinke det effektive åbningstidspunkt og tilsvarende fremskynde det effekti-20 ve lukningstidspunkt i forhold til henholdsvis begyndelses- og slutpunktet af opløbet på ventilens styreknast.

En motor ifølge nærværende opfindelse er ejendommelig ved, at dybden af fordybningen i cylinderdækslet vokser jævnt i retning mod det område af fordybnin-25 gen, som ligger nærmest ved udstødsventilens sæde, således at den indstrømmende luft, når begge ventiler er åbne, for størstedelens vedkommende ledes ned mod bunden af forbrændingskammeret og derved skyller udstødsgasserne hen mod udstødskanalen uden nævneværdig direk-30 te overstrømning af luft fra indstrømningskanalen til udstødsventilen.

Opfindelsen medfører en hidtil uopnået effektivitet af skyllefasen i motorcylinderens arbejdscyklus, idet udformningen af fordybningen omkring indstrømnings-35 ventilens sæde med varierende dybde bevirker, at den overvejende del af den indstrømmende luft tvinges til 2 148758 at bevæge sig nedad mod det i nærheden af bunddødpunk-tet værende stempel i form af et slør eller tæppe langs cylindervæggen i den side, hvor indstrømningsventilen er placeret, og på tilsvarende måde op langs 5 cylinderens modstående væg, idet luften derved driver udstødsgasserne ud gennem den åbne udstødsventil i skylleperioden. På denne måde er det blevet muligt at forøge det effektive middeltryk og dermed cylindereffekten i en ventilstyret, kvadratisk eller over-10 kvadratisk totakts motor med vendeskylning væsentligt ud over det, som hidtil har kunnet opnås i denne motortype.

Den for opfindelsen karakteristiske udformning af cylinderdækslet medfører en vis formindskelse 15 af det disponible indstrømningstværsnit i begyndelsen af indstrømningsventilens åbningsbevægeise, men denne sekundære ulempe kan i praksis afhjælpes ved en modsvarende forøgelse af skylle- og ladetrykket.

Det højere ladetryk ville dog uden særlige foranstalt-20 ninger, som f.eks. reduktion af kompressionsforholdet, hvilket imidlertid også reducerer den termiske virkningsgrad, medføre tilsvarende højere belastninger af driwærkéts bevægelige dele og dermed en forøgelse af disses dimensioner og vægt. Med henblik på 25 at undgå dette er en udførelsesform for opfindelsen, hvor motorstemplet sammen med krumtaphuset afgrænser et i hovedsagen tæt kammer, ejendommelig ved organer indrettet til i kammeret at opretholde et overtryk, som ved fuld motorbelastning er mellem en 30 fjerdedel og halvdelen af det ved denne belastnings-tilstand optrædende maksimaltryk i forbrændingskammeret. Trykforøgelsen i det indre af krumtaphuset aflaster de bevægelige dele i drivværket og tillader ikke blot et højt ladetryk, men også forbræn- 3 148758 dingstryk af størrelsesordenen 250 bar, dvs. omkring dobbelt så højt som i konventionelle dieselmotorer.

Overtrykket kan opretholdes med moderate godstykkelser i krumtaphuset, fordi dettes dimensioner er re-5 lativt små som følge af den i forhold til stempeldiameteren lille slaglængde, når motoren er kvadratisk eller overkvadratisk. Som bekendt er den nødvendige godstykkelse i krumtaphuset ved et givet indre tryk stort set proportional med husets tværmål, som igen 10 er bestemt af krumtapradien og dermed af slaglængden.

Ifølge opfindelsen kan der til ventilstammen være fastgjort et stempel, hvis nærmest forbrændings-kammeret beliggende endeflade afgrænser et rum i cylinderdækslet, som står i forbindelse med det 15 nævnte kammer i krumtaphuset. Herved udnyttes det høje tryk i krumtaphuset til at opnå en ekstra høj acceleration af ventilens eller ventilernes lukkebevægelse og derméd forlænge den periode, i hvilken ventilerne er fuldt åbne. Derved forbedres fyldnings-20 graden, hvilket reducerer en anden ulempe ved den ovenfor omtalte formindskelse af indstrømningstværsnittet i begyndelsen af indstrømningsfasen, som er betinget af cylinderdækslets udformning omkring indstrømningsventilens sæde.

25 Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, der illustrerer en udførelsesform for en trykladet totaktsmotor ifølge opfindelsen.

På tegningen viser 30 fig. 1 et skematisk billede af hovedelementer i et anlæg, hvori motoren indgår, fig. 2 ligeledes skematisk et aksialt snit i større målestok gennem en cylinder i den i fig. 1 viste motor, 4 148758 fig. 3 ligeledes skematisk en udførelsesform for bevægemekanismen til de i fig. 1 og 2 viste ventiler, og fig. 4 og 5 strømningerne i cylinderen, me-5 dens indstrømningsventilen er åben.

Som nævnt er opfindelsens fordele større, jo højere ladetryk der anvendes. Det i fig. 1 anskuelig-gjorte motoranlæg omfatter en dieselmotor 10 og et ladeaggregat bestående af en kompressor 12 10 med højt trykforhold trukket fra en turbine 15, der drives af motorens udstødsgas, samt en kompressor 121, der trækkes fra motoren og er vist som en Roots-blæser indskudt imellem kompressoren 12's afgang og motorcylinderens indstrømningskanal 13.

15 Foruden turboladeren 12, 15 kan der som vist med punkterede linier findes en i og for sig kendt omløbsledning 17, der i givet fald kan føre en del af luftmængden fra kompressoren 12 uden om motoren tilbage til turbinen 15 for i alle til-20 fælde at undgå pumpning af kompressoren. Når der i ledningen 17 er indskudt en mekanisme 18 af den art, som er beskrevet i schweizisk patentskrift nr. 565 940, kan man opretholde en trykforskel mellem kompressorafgangen og turbinetilgangen og der-25 med mellem motoren 101 s indstrømningskanaler 13 og dens udstødskanaler 14, som er i det væsentlige uafhængig af mængdestrømmen i ledningen 17, og som vokser med kompressorens afgangstryk.

I forbindelse med omløbsledningen 17 kan 30 der findes et hjælpebrændkammer 15'. I så fald kan den mekanisk drevne skylleblæser 12' udelades.

Der kan med en enkelt flertrins-turbolader, hvis polytropiske virkningsgrad for kompression og ekspansion overstiger 80%, opnås et ladetryk på op til / 5 148758 14 bar med en temperatur ved turbinetilgangen, som ikke overstiger 600°C ved en ydertemperatur på 15°C.

Der kan alternativt anvendes en totrins kompressor med mellemkøling.

5 Motoren 10 har på sædvanlig måde en krumtap aksel, hvis krumtapbugter 19 hver er forbundet med en plejIstang 20 og et stempel 21, der bevæger sig frem og tilbage i den tilhørende cylinder 11.

Stemplet 21 har stempelringe 22, og undersider-10 ne af stemplerne 21 afgrænser sammen med cylindrene 11 og krumtaphuset 23 et lukket kammer 24.

Anlægget har en mekanisme 25 til opretholdelse af overtryk i krumtaphuset. Mekanismen 25 kan som vist blot bestå af en kompressor 26, der kan være 15 drevet af motoren, og som leverer luft ved tilstrækkelig højt tryk til krumtaphuset 23 gennem en automatisk ventil 27, der stopper lufttilførslen eller standser kompressoren 26, når det ønskede tryk er nået i kammeret 24. Opretholdelsen af dette over-20 tryk enten med atmosfærisk luft eller især med en neutral gas, såsom C02 eller N2, forhindrer praktisk talt oxidation af smøreolien.

Kompressoren 26 kan udgøre en integrerende del af motoren og kan være en stempelkompressor, 25 der er tilsluttet motorens smøre- og kølesystem. Kompressoren kan være éttrins eller flertrins med mellemkøling. Kompressorens stempel eller stempler kan drives fra en ekstra krumtapaksel eller fra en excentrik, der drives f.eks. fra et tandhjul i motorens 30 styresystem.

Kompressoren fødes fortrinsvis med luft fra turboladerkredsløbet, fortrinsvis efter en ladeluft-køler, der ikke er vist i fig. 1. Kompressorens kompressionsforhold og kompressionsarbejde bliver på 6 148758 denne måde formindsket. Dens stempel eller stempler kan på undersiden være påvirket af trykket i motorens krumtaphus. I så fald genvindes luft og olie, der eventuelt siver forbi stempelringene. Tilsvarende vil 5 det ikke være nødvendigt at befri den komprimerede luft for olie, eftersom luften efter afkøling føres ind i motorens krumtaphus. Alternativt kan afkølingen af den komprimerede luft tilvejebringes ved, at trykledningen fra kompressoren er ført gennem vandet 10 fra eller i motorens kølekapper.

Opretholdelsen af et overtryk i motorens krumtaphus gør det muligt at vælge et kompressionsforhold og et maksimaltryk for motoren 10, der ligger meget højere end tilladeligt i et anlæg af den art, der er 15 beskrevet i det nævnte schweiziske patentskrift. Det herved opnåede fremskridt fremgår umiddelbart af et konkret eksempel.

Et anlæg af den i det nævnte patentskrift beskrevne udførelse kan have følgende karakteristika: 20 - Kompressionsforhold 4,7 - Indiceret middeltryk (PMI) 42 bar - Maksimaltryk 135 bar

- Udstødstemperatur 600°C

- Ladekompressorens afgangstryk 14 bar (atmosfære- 25 trykket 1013 nibar)

- Motorens indstrømningstemperatur 160°C

- Relativt trykfald mellem kompres sor og turbine 15%.

Som bekendt stiger den termodynamiske virknings-30 grad af en dieselmotor med kompressionsforholdet. Man kunne da tænke sig under bibeholdelse af samme ladetryk simpelthen at forøge kompressionsforholdet.

Hvis man f.eks. vælger et kompressionsforhold på 7,5, viser beregninger, at de ovenfor angivne størrelser 35 for motoren ville blive:

14875S

7 - Indiceret middeltryk (PMI) 63 bar - Maksimaltryk 250 bar

- Motorens indstrømningstemperatur 100°C

- Motorens udstødstemperatur 600°c.

5 Den i en sådan kredsproces udviklede effekt ville være næsten 50% større end ved den først nævnte proces, og det specifikke forbrug ville være formindsket med ca. en fjerdedel, medens motorens temperaturniveau ville være praktisk talt uændret.

10 Imidlertid har alle dieselmotorspecialister hidtil ment, at det ikke vil være muligt at operere med et maksimaltryk på 250 bar, fordi dette ville medføre uantagelige mekaniske påvirkninger i de maskinelementer, som indgår i drivværket (stempel, 15 plejIstang og krumtap).

Dette problem er nu afhjulpet ved, at der i krumtaphuset holdes et passende tryk betydeligt over atmosfæretrykket og over de værdier, der optræder i konventionelle totaktsmotorer med forkompres-20 sion i krumtaphuset.

Det valgte tryk i krumtaphuset fremkommer øjensynlig som et kompromis, der gør det muligt at nå et niveau for de maksimale påvirkninger af samme størrelsesorden under alle driftsforhold (standset 25 motor med krumtaphuset under tryk, langsomtgående motor, acceleration ubelastet, drift med fuld belastning) , og i alle stadier af kredsprocessen (navnlig i øvre og nedre stempeldødpunkt). I praksis vil det sædvanligvis vise sig, at man må vælge 30 et krumtaphustryk mellem en fjerdedel og halvdelen af det maksimale tryk i forbrændingskammeret ved fuld belastning af motoren.

8 148758

Det skal 1 forbigående bemærkes, at denne foranstaltning kun har gyldighed ved totaktsmotorer. Ved en firtaktsmotor, som har et "mellemtopdødpunkt" ved afslutningen af udstødsslaget og begyndelsen af ind-5 strømningsslaget, ville de kombinerede inertikræfter og trykket af luften i krumtaphuset fremkalde helt uantagelige traskspændinger i plej Istangen og dennes lejeoverfald ved ubelastet acceleration.

I praksis vil det ofte være hensigtsmæssigt 10 at vælge et tryk i krumtaphuset, som er omtrent en tredjedel af maksimaltrykket i forbrændingskammeret ved fuld belastning, dvs. trykket i stemplets topdødpunkt.

Med dette valg, f.eks. med et tryk i krum-15 taphuset på 75 bar, vil der opnås en acceptabel værdi. Ved en motor med 135 mm boring og 122 mm slaglængde vil der optræde henholdsvis en maksimal trækkraft i plejlstangen på ca. 90 kN (enten ved standset motor med krumtaphuset under tryk eller ved ube-20 lastet acceleration i øverste dødpunkt) og en trykkraft på ca. 150 kN (i øverste dødpunkt ved fuld belastning).

Ved et firtaktskredsløb vil man derimod ved acceleration i ubelastet tilstand komme til en 25 trækkraft på ca. 200 kN i plejlstangen i det øverste dødpunkt, dvs. en alt for stor værdi.

Da den af plejlstangen overførte trækkraft imidlertid er større end ved en normal motor, vil det sædvanligvis være nødvendigt at anvende et forstærket 30 plejIstangsoverfaid.

Overtrykket i krumtaphuset forbedrer også smøringen af plejlstangslejet. I en sædvanlig totaktsmotor vil plejlstangen næsten konstant stå under tryk, idet stemplet 21 til stadighed er påvirket 35 af kræfter rettet mod krumtapakslen, og det er der- 9 148758 for vanskeligt at smøre plejIstangslejet, fordi oliefilmen vil nedbrydes af trykket og ikke kan gendannes. Når der hersker et tilstrækkelig stort overtryk i krumtaphuset 23's indre 24, vil plejlstangs-5 foden derimod skiftevis være underkastet trækkræfter og trykkræfter, og oliefilmen kan derfor let forny sig, hvilket i høj grad formindsker risikoen for ødelæggelse af plejIstangslejets pander.

Den i fig. 1 og 2 viste motor har mindst én 10 indstrømningsventil 30 og mindst én udstødsventil 31, begge anbragt i et cylinderdæksel 32,

Som allerede nævnt er cylinderdækslet 32 omkring ventilen eller ventilerne 30 og i mindre grad omkring ventilen eller ventilerne 31 udformet 15 på en sådan, måde, at den tilvejebragte vende- eller sløjfeskylning berører i det væsentlige hele forbrændingskammeret til undgåelse af døde zoner og begrænsning af direkte luftstrømning fra indstrømnings-ventilen til udstødsventilen.

20 Hvis der kun findes to ventiler, er disse an bragt symmetrisk under en vinkel på 45° med cylinderen 11's akse på hver sin side af en indsprøjtningsdyse 34. Ventilsæderne 36 og 37 er beliggende ved bunden af udsparinger, som er koaksiale med 25 ventilerne og udarbejdet i dækslet 32's underside 33 på en sådan måde, at deres dybde tiltager jævnt fra omkredsen af forbrændingskammeret ind mod dettes akse, og vinklen mellem de overflader, der støder til det centrale parti af dækslet og som udgør ledefla-30 der, og det radialt uden for sæderne liggende parti • er af størrelsesordenen 120°. På denne måde vil luften ved begyndelsen af indstrømningsventilens åbning strømme ind i forbrændingskammeret langs dettes i cylinderblokken 47 liggende væg, idet en 10 148758 luftstrømning tværs over forbrændingskammeret er forebygget af det meget lille spillerum mellem omkredsen af ventiltallerkenen og den cylindriske udsparing. Først når indstrømningsventilen 30 er 5 helt åben og indtager den i fig. 2 viste stilling, kan en smule luft strømme rundt om det højest beliggende parti af ventiltallerkenen for at fuldende cylinderens fyldning og skylle den omkring indsprøjtningsdysen 34 liggende zone.

10 Ddstødsventilen 31, der er vist med stiple de linier i sin fuldt åbne stilling, udøver en tilsvarende virkning på den fra cylinderen udstrømmende udstødsgas. Disse virkninger forstærkes, når indstrømningskanalen 13 og udstødskanalen 14 nærmest 15 ventilsæderne forløber parallelt med cylinderens akse som vist på tegningen.

Denne foranstaltning tilvejebringer en forholdsvis varm zone omkring indsprøjtningsdysen 34 på grund’ af den på dette sted begrænsede skylning, hvil-20 ket er gunstigt for en hurtig antændelse og forbrænding af det indsprøjtede brændsel.

Generelt gælder, at ethvert arrangement, som gør det muligt først at frigive strømningen langs den laveste del af ventiltallerkenen under den begyndende 25 ventilåbning, giver fordelagtige resultater. På denne måde opnås der nemlig en skylning, der kan betragtes som en tæppeskylning, og denne effekt forstærkes, hvis der anvendes to ventiler anbragt parallelt. I så fald kan fremspringet mellem, ventilerne være endnu 30. mere udpræget. Den resterende del af dasks lets underside 33 har nærmest tagform. Med et sådant arrangement vil man få et større gennemstrømningsareal end med et arrangement med to ventiler, og der vil blive bedre plads til anbringelse af indsprøjtningsdysen.

11 148758

Til anskueliggørelse af skylleforløbet ifølge opfindelsen er gasstrømmene i fig. 2, 4 og 5 angivet med pile, medens fronten af skylleluftpuden i forbrændingskammeret er angivet med en punkteret linie.

5 Disse angivelser er naturligvis kun tilnærmelsesvise.

Som det fremgår af fig. 4, strømmer luften ved begyndelsen af åbningen af ventilerne 30 ind i cylinderen langs cylindervæggen rundt om den forholdsvis lille del af omkredsen af ventiltallerkenen, som 10 er kommet fri af udsparingen i cylinderdækslet.

Efterhånden som ventilen åbner mere, se fig.

5, kan luften strømme gennem et større tværsnit, men den vil stadig være rettet ned mod stempeltoppen, idet drøvlingen af luften langs den del af ventiltaller-15 kenen, som er beliggende i den dybeste del af udsparingen, begrænser luftgennemstrømningen i dette område.. Det bemærkes, at frigangen imellem ventiltallerkenen og ventildækslet bør holdes så lille som muligt, fra 1 til nogle få millimeter ved en ventil, 20 hvis tallerkendiameter er ca. 40 mm. I praksis vil en frigang på mellem 1 og 10% af tallerkendiameteren være passende.

Først når begge ventiler er helt åbne, se fig. 2, kan en lille del af luften passere direkte 25 fra den ene ventil til den anden, efter at skylningen er praktisk talt afsluttet.

I en firtaktsmotor kan udskiftningen af forbrændingsprodukterne med en frisk luftladning gennem ventiler i cylinderdækslet udstrækkes over 30 omtrent 360° krumtapvinkel. Åbningen og lukningen af ventilerne kan derfor ske tilstrækkelig langsomt til, at den kan tilvejebringes rent mekanisk.

12 148758 I en totaktsmotor skal udskylningen af forbrændingsprodukterne og indføringen af den friske ladning derimod gennemføres på mindre end den halve tid.

5 Ved den beskrevne vendeskylning, hvor der kun findes ventiler til indstrømning og udstrømning gennem cylinderdækslet, er det ikke muligt i væsentlig grad at forøge de til rådighed for luft og udstødsgas stående gennemstrømningsarealer.

10 Det er derfor nødvendigt i størst mulig grad at afkorte de tider, der kræves til åbning og lukning af ventilerne, så at der fås det stejlest mulige åbnings- og lukningsdiagram.

Som følge heraf omfatter ventilstyremekanismen 15 hensigtsmæssigt som vist i fig. 3 en knast 39 med stejlt profil. Sideløbende hermed må hele det kinemati-ske system bestående af knasten 39, stødstangen 41 og vippearmen 40 gøres så stærkt som muligt og de bevægede masser formindskes mest muligt. I denne 20 forbindelse vil et ventildæksel med fire ventiler være at foretrække fremfor et dæksel med to ventiler.

Såfremt der kun anvendes en fjeder til lukning af ventilen, vil mekaniske hensyn og pladshensyn begrænse den acceleration, med hvilken det er muligt 25 at udføre lukningen. Til opnåelse af den hurtigst mulige lukning af ventilen kan virkningen af fjedrene 42 være understøttet eller erstattet med tryk fra et trykfluidum, fortrinsvis en gas, hvis inerti er væsentlig mindre end inertien af en væske.

30 Fig. 3 viser en sådan mekanisme anvendt ved en motor med overtryk i krumtaphuset. Overtrykket i krumtaphuset udnyttes ved, at krumtaphuset gennem en kanal 43 er sat i forbindelse med et kammer 44, der i cylinderdækslet er afgrænset på undersiden af 35 et stempel 45, som er forbundet med ventilstammen, og som eventuelt kan tjene som stødstang.

Claims (2)

148758 Overtrykket i krumtaphuset 23 nødvendiggør selvsagt, at krumtapakslens gennemføringer må være udstyret med pakninger, som forhindrer udpresning af olie. Dette kan f.eks. opnås ved, at der anvendes såkaldte 5 polerede pakninger. Ventilerne i cylinderdækslet kan være anbragt under en vinkel, der er forskellig fra 45°, hvilket medfører en anden udformning af cylinderdækslet end den beskrevne. I stedet for et konstant overtryk kan 10 der i krumtaphuset opretholdes et tryk, der reguleres i afhængighed af motorens arbejdsbetingelser efter en ønsket lov. Til dette formål er det blot nødvendigt at erstatte den på en bestemt værdi indstillelige ventil 27 med en servomekanisme, der er sluttet 15 til en føler for det maksimale tryk i cylinderen 10.

1. Trykladet totakts stempelforbrændingsmotor, navnlig dieselmotor med organer til aflastning af trykket i krumtaphuset, af den art, som i hvert cylinderdæksel (32) har mindst δη indstrømningsventil (30), 20 der lukker en indstrømningskanal (13) i cylinderdækslet, og mindst én udstødsventil (31), der lukker en udstødskanal (14), hvilke ventilers åbningsperioder overlapper hinanden, og hvor indstrømningsventilens (30) sæde (36) er beliggende ved bunden af en i cylin-25 derdækslet udformet fordybning, hvis tværmål er valgt således i forhold til diameteren af ventiltallerkenen, at der kun findes et lille mellemrum mellem kanten af ventiltallerkenen og fordybningens væg, kendetegnet ved, at fordybningens dybde vokser jævnt 30 i retning mod det område af fordybningen, som ligger nærmest ved udstødsventilens (31) sæde (37), således at den indstrømmende luft, når begge ventiler (30, 31)