FI108567B - Kaksitahtinen moottori - Google Patents

Description

108567

Kaksitahtinen moottori

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen kaksitahtinen polttomoottori.

5

Polttomoottoreista paras hyötysuhde saavutetaan tavallisimmin suurilla kaksitahtidieselmoottoreilla, ns. ristikappalekoneilla. Tällaisen turboah-detun moottorin nettohyötysuhde on n. 50 %. Moottorissa käytettävä kampiakselimekanismi laakereineen aiheuttaa kuitenkin merkittäviä 10 häviöitä. Edelleen, laakereiden ja männän voiteluun käytettävä voitelu-öljy aiheuttaa merkittäviä käyttökustannuksia. Lisäksi se likaa pakokaasuja niin, että voiteluöljystä aiheutuva karsta lisää merkittävästi pa-kokaasukattilan nuohouskustannuksia. Voiteluöljy on luonnollisesti myös merkittävä ympäristöhaitta. Jos voiteluöljyä ei tarvittaisi, olisi 15 maakaasua korkeapainesuihkutuksella käyttävä kaksitahtidieselmoot-tori varsin ympäristöystävällinen.

Tämän keksinnön tavoitteena on aikaansaada parannus edellä mainittuihin ongelmiin. Tavoitteensa keksintö saavuttaa pääasiassa patentti-20 vaatimusten 1 tunnusmerkkien mukaisesti.

Keksintöä on havainnollistettu seuraavassa selityksessä ja oheisissa | , piirustuksissa, joissa ί .*·. 25 kuva 1 esittää pituussuuntaisena poikkileikkauksena keksinnön • · · V *. mukaisen kaksitahtimoottorin rakennetta ja toimintaperiaa tetta, ja :···' kuva 2 esittää perspektiivikuvantona kaaviollisesti erästä sovellus- 30 ta, jossa käytetään neljää kuvan 1 mukaista kaksitahti- :: moottoria ryhmänä.

• · ·

Keksinnön mukaisen moottorin periaate on esitetty kuvassa 1. Perus-elementtinä on kaksi (akselin 13 vastakkaisissa päissä olevaa) yhteen ' 35 kytkettyä mäntää 11a, 11b, jotka on laakeroitu aktiivisilla (takaisinkyt- -.,/ ketyllä säätöpiirillä varustettuja) magneettilaakereilla 12. Magneettilaa- kerit 12 pitävät mäntiä 11a, 11b yhdistävän akselin 13 voimakkaan, 2 !UH 567 jatkuvasti säädetyn magneettikentän avulla jatkuvasti halutussa linjassa n. 0,01 mm tarkkuudella. Mäntien 11a, 11b ja akselin 13 tiivisteenä 14 runkorakenteen 15 suhteen käytetään kosketuksettomia laby-rinttitiivisteitä. Koko mäntämekanismi liikkuu ilman mekaanista koske-5 tusta runkorakenteeseen 15 ja siten voiteluöljyä ei tarvita.

Teho moottorista saadaan ulos lineaarigeneraattorilla 16. Mäntien 11a, 11b mukana, niiden väliin sijoittuva liikkuva roottori 17, joka on kiinnitetty akseliin 13, on magnetoitu esim. taipuisan kaapelin 18 välityksellä, 10 ja magnetointivirtaa säädetään runkorakenteen 15 yhteydessä olevalla säätimellä 28 jatkuvasti siten, että sanotusta roottorista 17 ja sitä ympäröivästä runkorakenteeseen 15, sen sisäpintaan, yhdistetystä staat-torista 19 koostuva generaattori tuottaa moottorin toiminnan kannalta männille 11a, 11b sopivan vastavoiman. Lineaarigeneraattori 16 tuot-15 taa epäsynkronista, pääosin korkeataajuista virtaa, joka muutetaan | taajuusmuuttajan 20 avulla verkkoon sopivaksi, synkronisoiduksi vaih- I tovirraksi.

Tarkastellaan vielä työkiertoa tarkemmin. Kun kuvan 1 ylempi mäntä 20 11a liikkuu ylöspäin, se puristaa sylinterissä 15a olevaa ilmaa, jonka lämpötila nousee puristustyön vaikutuksesta. Samalla mäntä 11b toteuttaa työtahtia, eli sen alapuolella oleva palokaasu paisuu. Kun . mäntä 11a on lähellä yläkuolokohtaa, aukeaa alemman männän 11b ; sylinterissä 15b pakoventtiili 21b, ja pakokaasut pääsevät virtaamaan : 25 turboahtimen 22 turbiiniin 23. Kun mäntä 11a on liikkunut vielä hiukan 1 ( · · ylöspäin, aukeavat alemman männän 11b sylinterissä 15b oleva ilma- t * · solat 24b, ja päästävät männän 11 b ja magneettilaakerin 12b välisessä tilassa puristuneen ilman virtaamaan sylinteriin 15b. Nyt ylempi mäntä 11a on yläkuolokohdassa, ja sen sylinteriin 15a ruiskutetaan ruiskutus-30 venttiilillä 27a polttoaine (nestemäinen tai kaasumainen, tai kaasun ja ilman seos ns. pilot fuel), joka syttyy dieselmoottorin periaatteiden mukaisesti puristuksesta kuumentuneessa ilmassa. Nyt ylempi mäntä 11a alkaa liikkua alaspäin aloittaen työtahdin, kun taas alemman männän 11b sylinterissä 15b pakoventtiili 21b on sulkeutunut ja siellä 35 alkaa edellä männän 11a osalta kuvattu puristustahti. Takaiskuventtiilit 25 estävät männän 11 ja magneettilaakerin 12 välissä puristuvaa ilmaa virtaamasta takaisin turboahtimen 22 kompressoriin 26.

3 ' '-18&67

Edellä kuvattu työkierto on perinteisen suuren kaksitahtidieselmoottorin normaali työkierto sillä erotuksella, että männän liikettä ei nyt ohjaa kampiakseli. Mäntien 11 liikkuessa aina jommassakummassa sylinte-5 rissä 15a tai 15b on käynnissä työtahti, mikä takaa prosessin jatkuvuuden. Moottorin puristussuhde ei enää määrity kampiakselin mitoituksen perusteella, vaan ruiskutus- ja pakoventtiilien ajoituksen ja line-aarigeneraattorin 16 tuottaman vastavoiman perusteella.

10 Mäntien liikkuessa edestakaisin, syntyy runkorakennetta 15 ylös-alas heiluttava hitausvoima. Tämä voidaan kompensoida sijoittamalla neljä mäntien 11a, 11b, akselin 13, lineaarigeneraattorin 16 ja runkorakenteen 15 muodostamaa yksikköä yhdeksi yhteenliitetyksi ryhmäksi kuvan 2 mukaisesti siten, että akselit 13 ovat yhdensuuntaisia. Mäntien 15 liikkeet on näissä ajoitettu siten, että kun sylintereissä a ja b männät liikkuvat ylöspäin, liikkuvat ne sylintereissä c ja d aina alaspäin, ja päinvastoin. Tällöin hitausvoimat kompensoituvat, ja moottorista tulee täysin tärinätön.

20 Männän jäähdytys tehdään suurissa moottoreissa perinteisesti voitelu-öljyllä. Toisaalta männän jäähdytystarvetta lisää keveysvaatimus, mikä johtaa yleensä kuumuutta huonosti kestävään materiaalivalintaan . (alumiiniseos). Tässä tapauksessa männälle ei aseteta yhtä suuria ke- :·.*. veysvaatimuksia, koska edestakainen liike on toteutettu suurta kuor- 25 maa kestävällä, nivelettömällä akselilla 13. Mäntä voitaisiin valmistaa ! kuumalujasta, nikkelipohjaisesta seoksesta (esim. Inconel-sarja) ja päällystää keraamisella aineella. Tällöin mäntä jäähtyy riittävästi poh-jansa kautta.

30 Perinteisessä moottorissa käytetään männän tiivistämiseen öljyvoidel-tuja männänrenkaita. Tässä käytettävällä moniportaisella labyrinttitii- visteellä 14 saavutetaan riittävä tiiveys, kun labyrinttiharjojen ja runko rakenteen 15 välinen välys pystytään pitämään kyllin pienenä. Tätä . varten voidaan toteuttaa aktiivinen välyssäätö samaan tapaan kuin . 35 muissa sovelluksissa, esim. nykyaikaisissa suihkumoottoreissa. Antu- ../ reillä mitataan tällöin jatkuvasti männän 11a (11b) ja sylinterin 15a, (15b) välistä välystä ja säädetään sen perusteella sylinterien 15a, 15b i i 1 0 8 567 4 j jäähdytysväliainekiertoa jäähdytyssolissa 28a, 28b, jotka on sijoitettu runkorakenteeseen 15 sylinterien 15a, 15b ympärille.

Lineaarigeneraattorin 16 jäähdytys on ainakin joissakin tapauksissa 5 hoidettavissa roottorin 17 edestakaisen liikkeen synnyttämän ilmavirtauksen avulla ilman erillistä puhallinta.

Moottorin käynnistäminen voidaan tehdä esimerkiksi paineilmalla tai käyttämällä generaattoria 16 lineaarimoottorina. Paineilmakäynnistys 10 voidaan tehdä esim. seuraavalla tavalla: Syötetään paineilmaventtiilin 29 kautta paineilmaa alempaan sylinteriin 15b niin, että ylempi mäntä 11a saadaan nousemaan yläkuolokohtaan, ja suoritetaan polttoaineen ruiskutus ylempään sylinteriin 15a. Samalla avataan alemman sylinterin 15b pakoventtiiliä 21b siksi aikaa, että alemman sylinterin 15b paine 15 laskee riittävästi niin, että ylemmän sylinterin 15a työtahti jaksaa viedä männän 11b yläkuolokohtaan. Tällöin suoritetaan polttoaineen ruiskutus alempaan sylinteriin 15b ja moottorin toiminta jatkuu normaalisti.

Esimerkkinä verrataan seuraavassa keksinnön mukaista moottoria pe-20 rinteiseen moottoriin. Sovelluskohteeksi on ensisijaisesti ajateltu suuri kaksitahtimoottori, jolloin teho olisi luokkaa megawatti sylinteriä kohden. Perinteiseen moottoriin verrattuna osia on paljon vähemmän; mm. kampiakseli, kiertokanki ja kampiakselilaakerit puuttuvat. Lisäksi puut-tuu koko voiteluöljyjärjestelmä (myös turboahdin voidaan helposti 1 25 varustaa magneettilaakereilla). Siten voidaan arvioida, että monimutkaisemmista säätöjärjestelmistä ja taajuusmuuttajasta huoli-matta keksinnön mukainen moottori tulisi ko. kokoluokassa perinteistä moottoria halvemmaksi. Yksinkertainen rakenne mahdollistaa perin-··· teistä moottoria suuremman männän keskinopeuden, mikä edelleen 30 pienentää ominaisinvestointia.

Nykyaikaisen suuren kaksitahtidieselmoottorin hyötysuhde on n. 50%. Koska keksinnön mukaisessa moottorissa puuttuvat kokonaan laakeri-. ja voiteluöljyhäviöt, saattaa hyötysuhde nousta jopa 55 %:iin.

". ' 35 I 1ϋ 8 5 67 I 5

Koska voiteluöljyn kulutus ja sen käsittelykustannukset jäävät pois, pienenevät käyttökustannukset merkittävästi. Lisäksi mahdollisen pa-kokaasukattilan likaantuminen vähenee, kuten edellä todettiin.

5 Koska keksinnön mukaisessa moottorissa vain kaksi sylinteriä on yhteen kytketty, voidaan ilman eri suunnittelua helposti koota halutun suuruinen moottori. Sylinteriblokit voidaan luonnollisesti sijoittaa myös vaakasuoraan.

• · · · 1 ·

Claims (10)

108567

1. Kaksitahtinen moottori, jossa kaksi mäntää (11a, 11b) on kytketty 5 yhteen niin, että kun toisessa sylinterissä (15a) on puristustahti, toisessa on työtahti (15b), tunnettu siitä, että sanottuja mäntiä (11a, 11b) yhdistävä akseli (13) on varustettu aktiivisilla magneettilaakereilla (12) ja kosketuksettomilla tiivisteillä (14), kuten labyrinttitiivisteillä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaksitahtinen moottori, tunnettu siitä, että moottorin hyötyteho on järjestetty saatavaksi mäntien (11a, 11b) välissä akselilla (13) olevasta lineaarigeneraattorista (16), jonka tuottama virta on järjestetty muokattavaksi taajuusmuuttajalla (20) verkkoon sopivaksi. 15

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen moottori, tunnettu siitä, että line-aarigeneraattorin (16) roottorin (17) magnetointi on järjestetty säädettäväksi säätimellä (28) niin, että lineaarigeneraattori (16) tuottaa mäntien (11a, 11b) liikkeen ja valitun puristussuhteen kannalta opti- 20 maalisen vastavoiman.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen kaksitahtinen moottori, . tunnettu siitä, että neljä kahden männän (11a, 11b) muodostamaa yk- sikköä on muodostettu yhteenliitetyksi kokonaisuudeksi siten, että kun : 25 ensimmäisessä ja toisessa yksikössä (a ja b) männät (11a, 11b) liikku- vat ylöspäin, liikkuvat männät toisessa ja kolmannessa yksikössä (c ja λ·* d) alaspäin siten, että vastavoimat ja -momentit kompensoituvat ja ko- ::: ’ konaisuudesta tulee tärinätön.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kaksitahtinen moottori, tunnettu siitä että yksiköiden mäntien (11a, 11b) liikkeiden koordinointi on ai-kaansaatu lineaarigeneraattorin (16) säätimeen (28) vaikuttavalla ryh-mäohjaimella.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen kaksitahtinen moottori, tunnettu siitä, että moottori on dieselmoottori, jossa polttoaineena on .1 · · käytetty maakaasua. j 7 108567

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen kaksitahtinen moottori, tunnettu siitä, että männän (11a, 11b) ja sylinterin (15a, 15b) välinen välys on järjestetty säädettäväksi runkojäähdytyssolissa (28) viilaavalla 5 jäähdytysväliainekierrolla.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen kaksitahtinen moottori, tunnettu siitä, että lineaarigeneraattorin (16) roottorin (17) edestakainen liike on järjestetty aikaansaamaan ilmankierron lineaarigeneraatto- 10 rin (16) jäähdyttämiseksi.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen kaksitahtinen moottori, tunnettu siitä, että moottori on järjestetty käynnistettäväksi käyttämällä lineaarigeneraattoria (16) lineaarimoottorina, joka tuottaa prosessin 15 käynnistymiseen riittävän mäntien (11a, 11b) liikkeen.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen kaksitahtinen moottori, tunnettu siitä, että moottori on järjestetty käynnistettäväksi syöttämällä toiseen sylinteriin (15a, 15b) paineilmaa runkorakenteessa (15) olevalla 20 venttiilillä (29) niin, että mäntään (11a, 11b) syntyy prosessin käynnistymisen kannalta riittävä liike. t I 1 • tl · t t » t » « « I » • » * · » · · 3 1 0 8 5 67