FI81433B - Foerbraenningsmotor. - Google Patents

Description

81 433 1 Polttomoottori Förbränningsmotor 5 Tämä keksintö kohdistuu polttomoottoriin, jossa työkammioiden tilavuus vaihtelee, ja jossa kukin työkammio käsittää vähintään yhden ilman sisäänmenon ja vähintään yhden kaasujen ulostulon, ja jossa moottorissa ahtaminen toteutetaan turbokompressorikoneistolla, joka käsittää vähintään yhden, vähintään yhden turbiinin mekaanisesti käyttämän kompresso-10 rin* da jossa moottorissa kukin edellä mainittu ilman sisäänmeno on yhteydessä kompressorista ulostulevan ilmalinjan kanssa, kun taas kukin edellä mainittu kaasujen ulostulo on yhteydessä turbiiniin sisäänmene-vään kaasulinjaan liitetyn, vähintään yhden kaasujen kokoojan kanssa, tämän moottorin käsittäessä lisäksi sivukanavan, joka yhdistää kompres-15 sorista ulostulevan ilmalinjan turbiiniin sisäänmenevään kaasulinjaan tällöin työkammiot oikosulkien, ja joka käsittää kuristavan osan, jonka vapaa poikkileikkaus vaihtelee, ja joka kuristava osa on asennettu samaan aikaan kuormitushäviö siten, että siitä johtuva paine-ero kompressorin ulostulon ja turbiinin sisäänmenon välillä riippuu käytännölli-20 sesti katsoen vain kompressorista ulostulevassa ilmalinjassa vallitsevan paineen arvosta, joka kuristava osa on asennettu siten, että sen aiheuttamasta kuormitushäviöstä johtuvien, tähän kuristavaan osaan vaikuttavien voimien summa kompensoituu tasapainottavalla voimalla niin, että näiden voimien resultantti on käytännöllisesti katsoen nolla, joka 25 kuristava osa on liitetty säätöelimeen, joka on herkkä suoraan kompressorin ulostulossa vallitsevaan kokonaispaineeseen kääntäen yksiselitteisesti liittyvälle, moottorin ensimmäiselle toimintaparametrille ja suoraan turbiinista ylävirran puolella vallitsevaan kokonaispaineeseen kääntäen yksiselitteisesti liittyvälle, moottorin toiselle toiminta-30 parametrille, joka säätöelin on asennettu siten, että toisaalta se pyrkii sulkemaan kuristavan osan, kun nämä kaksi painetta lähestyvät toisiaan, ja kääntäen, se pyrkii avaamaan mainitun kuristavan osan, kun nämä paineet loittonevat toisistaan, ja että toisaalta näiden paineiden ero riippuu pelkästään olennaisesti kompressorin ulostulossa vallitse-35 vasta kokonaispaineesta ja vaihtelee samaan suuntaan kuin viimemainittu kokonaispaine.

2 81433 1 Ahdetuissa polttomoottoreissa mahdollisimman suuri teho pyritään saavuttamaan mahdollisimman pienellä ahdetun ilman virtaamalla sekä mahdollisimman suurella hyötysuhteella.

5 Tällaisten moottoreiden häviötekijöitä ajatellen yksi huomattavimmista on se, ettei työkairanioissa käyttökelpoista energiaa saada täydellisesti hyödynnetyksi työtahdin lopussa. Tämän käyttökelpoisen energian määrä on hyvin huomattava verrattuna moottorin akseliin siirtyvään mekaaniseen energiaan. Se voi muodostaa jopa 20 % tästä viimeksimainitusta Ί0 energiasta.

Polttoaineen palaminen työkammioissa saa aikaan kaasujen kuumenemisen, minkä johdosta kammioissa vallitseva paine työtahdin lopussa on huomattavasti korkeampi kuin työkammioissa vallitseva paine puristustahdin 15 alussa. Esimerkiksi, mikäli ilman lämpötila puristustahdin alussa (hetkellä, jolloin työkammioiden tilavuus on suurin mahdollinen, mitä kutsutaan "alakuolopisteeksi" eli "AKP") on 100°C, ja mikäli tämä lämpötila on 900°C samassa alakuolopisteessä työtahdin lopussa, niin tällöin paine on: (900 + 273)/(100 + 273) = 3,15 kertaa korkeampi kuin 20 imukenavassa vallitseva paine, ja vieläkin korkeampi kuin kaasujen kokoojassa vallitseva paine.

Sillä hetkellä, kun työkammioiden ja kaasujen kokoojan välinen yhteys aukeaa työtahdin lopussa, työkammioissa vallitseva paine laskee hyvin 25 voimakkaasti, mitä ei kuitenkaan saada työnä talteen. Tämä johtaa käyttökelpoisen energian, joka näin ollen olisi käytettävissä työkammioissa, ja joka vastaa edellä esitetysti merkittävää osaa moottorin akseliin siirtyvästä mekaanisesta energiasta, merkittävään hävikkiin.

30 On hyvin tunnettua, että moottorin suorituskykyä voidaan parantaa (nostamalla hyötytehoa ja hyötysuhdetta sekä alentamalla vastaavasti ilman ominaisvirtaamaa) siten, että moottorin pakokanavassa käytettävissä olevan käyttökelpoisen energian mainittua hävikkiä alennetaan parantamalla työkammioiden ja moottorin kaasujen kokoojan välistä yhteyttä.

35 li 3 81433 1 Työtahdin lopussa työkammioissa käytettävissä olevaa käyttökelpoista energiaa voidaan hyödyntää osittain varustamalla polttomoottori ahtavalla tur-bokompressorilla.

5 Vaikka tätä keksintöä voidaankin soveltaa kaikkiin polttomoottoreihin, käytetäänpä niissä ohjattua sytytystä tai puristussytytystä, ja ovatpa ne nelitahtisia tai kaksitahtisia, niin kuitenkin se kuvataan ohessa yksinkertaisuuden vuoksi nelitahtisten, turbokompressorilla ahdettujen moottoreiden avulla. Näiden moottoreiden tapauksessa työtahdin lopussa Ί0 työkammioissa käytettävissä olevan, käyttökelpoisen energian osittainen hyödyntäminen on tunnettua yhdistämällä työkammiot kaasukanavien avulla vähintään yhteen, turbiinin sisäänmenoon päättyvään kaasujen kokoojaan. Ottaen huomioon kaasujen lämpötila turbiinin sisäänmenossa turbiini kykenee käyttämään ilmakompressoria siten, että sen laajennussuhde on huo-15 mattavasti alhaisempi kuin kompressorin puristussuhde, ja tämä sitä selvemmin, mitä suurempi turbokompressorin kokonaishyötysuhde on (tämä koko-naishyötysuhde on kompressorin ja turbiinin erillisten isentrooppisten hyötysuhteiden sekä turbokompressorin mekaanisen ja volumetrisen hyötysuhteen tulo).

20

Mikäli kaasujen kokoojan tilavuus on suuri verrattuna esimerkiksi työkam-mioiden koko sylinteritilavuuteen, niin kaasujen virtausnopeus kokoojassa on alhainen ja kaasujen kokonaispaine (staattinen + dynaaminen) turbiinin sisäänmenossa on olennaisesti sama kuin kaasujen kokoojassa vallit-25 seva staattinen paine P,.. Täten on saatu aikaan niinkutsuttu "vakiopai-neinen" kokooja. Tästä syystä nelitahtimoottori imee ilmaa imutahdin aikana paineella, joka on huomattavasti suurempi kuin kaasujen kokoojassa vallitseva paine; täten kaasujen puristamiseen tarvittava työ poistotah-din aikana on vähäisempi kuin mäntään siirtynyt työ imutahdin aikana.

30 Moottorijakson (puristustahdista työtahtiin) aikana kehittyvää positiivista työtä lisäävä juoksutuksen positiivinen työ on itse asiassa pois työvaiheen lopussa työkammioissa käytettävissä olevasta käyttökelpoisesta energiasta.

35 Tämä hyödyntäminen on täten suoraan verrannollinen paineiden P' ja P^ suhteelliseen erotukseen (P'2 - P^/P^, jotka paineet P'2 ja P^ vallit- 4 81433 1 sevat ilman ja kaasujen kokoojassa, vastaavasti, siis moottorin työkam-inioiden sisällä.

Esimerkiksi toteutettaessa ahtava koneisto uudenaikaisilla turbokorapres-5 soreilla, joiden kokonaishyötysuhde on korkea (suuruusluokkaa 70 %), ja jotka on asennettu sarjaan kaksivaiheisen puristuksen toteuttamiseksi, vaiheiden välisen jäähdytyksen alentaessa lämpötilan 45°C:een, ahdettava ilma voidaan puristaa 10 baarin absoluuttiseen paineeseen käyttämällä samoin sarjaan asennettuja turbiineja kaasuilla, joiden kokonaislämpö-10 tila on ainoastaan 65U°C ja absoluuttinen kokonaispaine vain 5 baaria. Tällaisissa laitekokonaisuuksissa käytettävissä oleva paine-ero on näin ollen ΔPm = 5 baaria moottorin sisällä, ja moottorin akselille talteen-otettavissa oleva potentiaalienergia on tällöin: 15 CP'2 x Cyl) - (P x Cyl) = APm x Cyl missä Cyl tarkoittaa sylinteritilavuutta, eli työkammion suurimman mahdollisen ja pienimmän mahdollisen tilavuuden välistä eroa.

20 t ämä moottorin akselille suoraan talteenotettavissa oleva energia, joka lisää työkammioihin syötetyn polttoaineen palamisen tuottamaa, moottori-jakson aikana talteensaatavaa energiaa, on ilmaista energiaa, joka lisää moottorin tehoa, alentaa ilman ominaisvirtaamaa (yksikössä kg ilmaa/tuotettu kWh), ja näin ollen ahtamisesta huolehtivien laitteiden kokoa ja 25 kustannuksia, sekä lisää lopulta laitteiston hyötysuhdetta pienentämällä polttoaineen ominaiskulutusta.

Ottamalla huomioon turbiinin sisäänmenossa käytettävissä olevien kaasujen lämpötila sekä turbokompressorin kokonaishyötysuhde tätä hyödynnettävää 30 potentiaalienergiaa voidaan edelleen lisätä, kun todetaan, että moottorin työkammioissa liikkuvat männät eivät ole herkkiä imutahdin ja puristustah-din aikana kuin työkammioissa vastaavasti ylä- ja alavirran puolella vallitseville staattisille paineille (eikä kokonaispainoille), mäntien nopeuden ollessa suuruusluokkaa 10 m/s, toisin sanoen hyvin alhainen äänennopeu-35 teen verrattuna. Mikäli työkammioiden ulostulon ja turbiinin sisäänmenon välinen yhteys järjestetään siten, että kaasujen kokoojassa kiertävän kaa-supatsaan nopeus saadaan suurempaan Mach-arvoon (toisin sanoen vähintään

II

5 81 433 1 arvoon 0,3, sen kyetessä saavuttamaan, ja jopa ylittämäänkin arvon 0,8), niin tällöin pakokanavassa vallitseva staattinen paine laskisi huomattavasti.

5 Kun esimerkiksi kaasupatsas, jonka kokonaispaine on 5 baaria ja kokonais-lämpötila on 650°C, saatetaan liikkumaan jopa Mach-arvon 0,75 saavuttavalla nopeudella, niin staattinen paine laskee absoluuttiseen arvoon 3,5 baaria. Lämpötila laskee puolestaan 78°C, jolloin kaasujen kokoojassa vallitsevan virran staattinen lämpötila olisi 572°C.

10 Tätä vastoin turbokompressori on luonnostaan kone, joka on herkkä koko-naispaineille ja -lämpötiloille ajatellen virtausnopeuksia, joiden Mach-arvot nousevat kompressorissa lähelle lukua yksi. Edellä esimerkkinä kuvatussa tapauksessa, kun kokonaispaine ja kokonaislämpötila pidetään vastaa-15 vasti arvoissa 5 baaria (absoluuttinen paine) ja 650°C, niin moottorin imukanavassa käytettävissä oleva ilman paine pysyy samoin 10 baarissa (mikäli tämän imukanavan ulottuvuudet ovat sellaiset, että nopeudet kanavassa pysyvät alhaisina). Staattisen paineen ero moottorin sisällä muuttuu siis 10—5=5 baarista 10 - 3,5 = 6,5 baariin, joten moottorin pa-20 kokanavasta talteenotettava energiamäärä kasvaa 30 %.

Se energia, joka tarvitaan suurentamaan kaasujen kokoojassa kiertävän kaasupatsaan nopeutta, on pois työtahdin lopussa työkammioissa käytettävissä olevasta, käyttökelpoisesta energiasta. Työkammioiden ja edel-25 lä esitetyn tyyppisen turbiinin sisäänmenon välisen yhteyden järjestäminen siten, että kaasupatsaan nopeus pakokanavassa saadaan tehokkaasti suuremmaksi, on tunnettua, ja se kuvataan esimerkiksi julkaisuissa FR-A 2 378 178, 2 415 200 ja 2 478 736.

30 On välttämätöntä, että täten järjestetyn yhteyden rakenteella on seuraa-vat tunnusomaiset piirteet: A - työkammioiden ulostulon ja kaasujen kokoojan välinen erittäin lyhyt ja tilavuudeltaan vähäinen liitos, joka saadaan aikaan suppenevien put-35 kien muotoisilla kanavilla, joissa sisäänmenon (joka yhtyy työkammioon) poikkileikkauksen ja ulostulon (joka yhtyy kaasujen kokoojaan) poikki- 6 81433 1 leikkauksen välinen suhde on mieluiten noin 2, ja jonka ulostulo on suunnattu kaasujen kokoojassa vallitsevan virtaussuunnan mukaan.

Näiden kanavien erittäin pieni tilavuus sekä vapaan poikkileikkauksen 5 suppeneminen edesauttavat pakovaiheen alussa työkammioissa käytettävissä olevan energian talteensaantia. Kanavassa vallitseva paine nousee todellakin hyvin nopeasti heti kun pakokanavan jakeluelin avataan, ja lähestyy näin ollen työkammiossa vallitsevaa painetta, mikä vähentää huomattavasti mainitussa jakeluelimessä tapahtuvan jarrutuksen aiheuttamaa ener-Ί0 giahäviötä. Täten työtahdin lopussa työkammioissa käytettävissä oleva, käyttökelpoinen energia saadaan säilymään mahdollisimman täydellisesti. Kiihtyminen suppenevassa kanavassa sekä sen suuntaaminen kaasujen kokoojassa vallitsevan virtaussuunnan mukaan tekevät mahdolliseksi sen, että tämä potentiaalienergia saadaan tehokkaasti muunnetuksi kineetti-15 seksi energiaksi, joka kiihdyttää mainitussa kaasujen kokoojassa vir-taavaa kaasupatsasta.

B - Lukuisten työkammioiden pakokanavien ryhmittely yhteen kaasujen kokoojaan, jonka halkaisija on pieni männän halkaisijaan verrattuna 20 (yleensä suuruusluokkaa puolet männän halkaisijasta).

Kaasujen kokoojan ulottuvuudet voidaan esittää kaavalla 25 Se = (n. Sp) x Vp x S ' 2 x oC.

Ve S 2k jossa kaavassa 30 Se = kaasujen kokoojan poikkileikkaus

Sp = kunkin männän poikkipinta n = mäntien lukumäärä n. Sp = niiden mäntien, joiden sylinterit on yhdistetty samaan kaasujen kokoojaan, poikkipintojen kokonaisala 35 Vp = kunkin männän keskimääräinen nopeus

Ve = kaasujen nopeus kaasujen kokoojan alavirran puoleisessa päässä S'2 = tuloilman tiheys

II

7 81433 1 = pakokaasujen tiheys

Ot, = moottorin tehokerroin (joka on alueella 0,5 - 1,2) k = 1 (kaksitahtimoottori) tai 2 (nelitahtimoottori); 5 Kaasuvirtauksen Mach-luku kokoojan alavirran puoleisessa päässä saadaan suhteesta: “I= Ve , missä a 5 10 a5 * V 1,33 x 287 x T5' ja T5 = pakokaasujen lämpötila, Kelvin:iä

Si T5 = 873°K (600°C), a5 = 577 mls,\· 0,2 ja

Ve = 173 m/s.

15 C - Samaan kaasujen kokojaan ryhmiteltyjen eri työkammioiden sytytysjär-jestyksen asettaminen siten, että kustakin työkammiosta, niiden pakokana-vista toinen toisensa jälkeen, peräisin olevan liikemäärän injektio saadaan mahdollisimman säännölliseksi ja mahdollisimman vähän häiriytyväksi.

20 D - Mahdollisimman yksinkertainen ja lyhyt liitos kaasujen kokoojan ala-virran puoleisen pään (kaasujen virtaussuunnassa) ja turbiinin sisäänme-non välillä, jotta suurinopeuksisessa virtauksessa vallitsevan kokonais-paineen häviöt, jotka johtuvat kitkasta tai kulkureitin epätasaisuuksista 25 (kaareutumisesta tai poikkileikkauksen äkillisestä muuttumisesta), voitaisiin estää mahdollisimman täydellisesti; esimerkiksi kaasuvirtauksessa, jonka Mach-arvo on 0,7, kitkasta johtuva kokonaispaineen häviö on suuruusluokkaa 1 % pituusyksikköä kohden, joka pituusyksikkö on yhtäsuuri kuin kaasujen kokoojan halkaisija.

30 E - Kaasujen kokoojan alavirran puoleisen pään ja turbiinin sisäänmenon väliin mahdollisesti sijoitettu sumutin, joka kykenee jarruttamaan virtauksen suuruusluokkaa 0,25 olevaan Mach-arvoon. Mutta koska todetaan, että virtaus kiihdytetään tämän jälkeen uudestaan suuruusluokkaa 1 ole-35 vaan Mach-arvoon (yleensä kiinteistä putkista muodostuvassa renkaassa, jota kutsutaan "jakelijaksi") ennen sen joutumista turbiinin pyörään, niin on selvää, että tämä sumuttimessa jarruttaminen ja sitten jakeli- 8 81433 1 jassa kiihdyttäminen on ehkä edullista jättää pois korvaamalla edellä esitetty tunnusomainen piirre E) seuraavalla: E* - Turbiinissa kaasujen sisäänmenopesän järjestäminen siten, että 5 kaasujen nopeus pysyy olennaisesti vakiona niin kauan, kunnes ne joutuvat turbiinin laajentavaan pyörään.

Kun työkammioiden ja turbiinin laajentavan pyörän välinen liitos järjestetään edellä esitetyllä tavalla, niin tällöin huomattava osa työtahdin jQ lopussa työkammioissa käytettävissä olevasta, käyttökelpoisesta energiasta saadaan talteen.

Toisaalta tiedetään, että turbokompressoreiden, joiden suorituskyky on erittäin hyvä ja puristussuhde suuri, käyttöön liittyy vaikeita ongelmia, j5 kun niitä pyritään soveltamaan polttomoottoreihin, joissa polttokammioi-den tilavuus vaihtelee, erityisesti, kun halutaan välttää epätoivottu, turbokompressorin epätasaisen käymisen aiheuttama ilmiö, joka esiintyy, kun kompressori on säädetty toimimaan mahdollisimman suurten höytysuhtei-den alueella.

20 Tämä ilmiö on vältettävissä liittämällä laitteistoon sivukanava, joka yhdistää kompressorista ulostulevan ilmalinjan turbiiniin sisäänmenevään kaasulinjaan työkammiot oikosulkien, ja joka käsittää kuristavan osan, jonka vapaa poikkileikkaus vaihtelee, ja joka on asennettu samaan aikaan 25 kuormitushäviö siten, että siitä johtuva paine-ero kompressorin ulostulon ja turbiinin sisäänmenon välillä riippuu käytännöllisesti katsoen pelkästään kompressorista ulostulevan ilmalinjan turbiiniin sisäänmenevään kaasulinjaan liittävän piirin mielivaltaisessa pisteessä vallitsevan paineen arvosta. Tämä ratkaisu on kuvattu erityisesti julkaisuissa 30 US-A 3 388 894, 4 125 999 ja 4 233 815. Tämä keksintö kohdistuu juuri tällaisen sivukanavan käsittäviin moottoreihin, kuten oheisen kuvauksen ensimmäisessä kappaleessa esitetään.

Toisaalta, mikäli halutaan toteuttaa moottori, joka kykenee tuottamaan 35 suuren tehon ahtoilman erittäin korkeat paineet hyväksyen (yli 5 baaria, niiden kyetessä kohoamaan 10 baariin ja jopa ylittämään sen), ilman mekaanista ylikuormitusta, niin tässä tapauksessa on tunnettua alentaa

II

81433 1 moottorin tehokkaan puristuksen tilavuussuhdetta (eli puristuksen alussa työkammioilla olevan tilavuuden ja niiden pienimmän tilavuuden välistä suhdetta) arvoihin, jotka voivat olla 7, tai sen allekin. Tässä tapauksessa moottorin käynnistämisessä sekä pienitehoisessa toiminnassa esiin-5 tyy vaikeuksia, jotka voidaan poistaa liittämällä laitteistoon ylimääräinen palamiskammio, johon puhdasta ilmaa syötetään sivukanavan avulla, ja joka tekee mahdolliseksi sen, että turbokompressori voi toimia moottorista riippumatta, jopa moottorin ollessa pysähtyneenä, mikäli turbokompressori käsittää autonomisen käynnistyslaitteen. Tällainen ratkaisu Ί0 kuvataan esimerkiksi julkaisuissa FR-A 2 179 310, 2 222 537, 2 263 979 ja 2 472 082. Jäljempänä esitetyn perusteella on selvää, että keksintö kohdistuu mieluiten, mutta ei kuitenkaan pelkästään, moottoreihin, jotka käsittävät tällaisen ylimääräisen palamiskammion.

15 Näiden kahden edellä esitetyn, ja julkaisuissa FR-A 2 378 178, 2 415 200 ja 2 478 736 sekä US-A 3 388 894, 4 125 999 ja 4 233 815, vastaavasti, kuvatun tekniikan yhdistelmällä, joiden avulla toteutettavisssa olevien moottoreiden ominaisteho on hyvin suuri ja samanaikaisesti hyötysuhde korkea, on kuitenkin teknisiä ongelmia, joita ei toistaiseksi olla 20 kyetty ratkaisemaan tyydyttävällä tavalla.

Keksinnön olennaisena tavoitteena on ratkaista nämä tekniset ongelmat.

Näin ollen, tämän keksinnön mukaiselle polttomoottorille on pääasialli-25 sesti tunnusomaista, että se käsittää yhdistelmänä seuraavat piirteet: a - kukin mainituista kaasujen ulostuloista on yhteydessä kaasukana-van välityksellä yhden tai kunkin kaasujen kokoojan kanssa; 30 b - kaasujen kokoojan poikkileikkaus on jokseenkin vakio ja niin pieni, että toimittaessa moottorin pyörimisnopeuden nimellisarvoissa kaasu-virtauksen nopeus kaasujen kokoojassa, välittömästi alavirran puolella sen ja mainittujen kaasukanavien välisestä viimeisestä liitoskohdasta, vastaa vähintään Mach-arvoa 0,3; 35 c - kuristavasta osasta alavirran puolella sijaitsevan, sivukanavan ja kaasujen kokoojan välinen liitoskohta sijaitsee ylävirran puolella mai- ,0 81 433 1 nitun kaasujen kokoojan ja mainittujen kaasukanavien välisestä ensimmäisestä liitoskohdasta, työkammioista peräisin olevan ja kaasujen kokoojaan virtaavan kaasuvirtauksen suunnassa; ja 5 d - mainittu moottorin ensimmäinen toimintaparametri on liitetty kääntäen yksiselitteisellä tavalla kompressoin ilman ulostulossa välittömästi vallitsevaan kokonaispaineeseen.

Mainitut kaasukanavat ovat mieluiten muodoltaan suppenevia putkia, joi-10 den ulostulo liitoskohdassa kaasujen kokoojan kanssa on suunnattu kaasujen kokoojassa virtaavan kaasun suunnan mukaan.

Edellä määritelty, osittainen tunnusomainen piirre (b) johtaa staattisen paineen alenemiseen kaasujen kokoojassa, ja se mahdollistaa edellä esite-Ί5 tysti moottorin työkammioissa käytettävissä olevan, käyttökelpoisen energian huomattavan osan talteenottamisen.

Osittainen tunnusomainen piirre (c), jonka mukaan sivukanavan alavirran puoleisen osan ja turbiinin sisäänmenon välinen liitoskohta sijaitsee 20 kaasujen kokoojan sellaisessa osassa, jossa kaasujen virtausnopeus on hyvin alhainen, kun moottori toimii pyörimisnopeuksiensa nimellisarvoilla, johtaa kuormitushäviöiden pienentymiseen sekä kaasujen kokoojasta peräisin olevan suurinopeuksisen virtauksen häiriintymisen estymiseen.

25 Moottorin toimiessa pyörimisnopeuksiensa nimellisarvoilla kustakin työ-kammiosta peräisin olevan liikemäärän injektion aiheuttama ulostyönty-misvaikutus erityisesti tätä varten asennetussa kaasujen kokoojassa on mahdollisimman suuri, joten kokoojan huipussa, eli täsmälleen sivukanavan ja kaasujen kokoojan välisen, alavirran puoleisen liitoskohdan koh-30 dalla, vallitseva staattinen paine on mahdollisimman pieni. Sivukana-vassa olevan kuristavan osan molempiin puoliin vaikuttava paine-ero (kuristavan osan ollessa mahdollisimman kiinni) on tästä johtuen mahdollisimman suuri.

35 Kääntäen, kun moottori toimii tyhjäkäynnillä, tai kun moottori on pysähtyneenä, mikäli se käsittää ylimääräisen palamiskammion, edellä kuvattu ulostyöntymisvaikutus on hyvin pieni, ellei peräti mitätön. Tässä tapauk- li 11 81433 1 sessa suurin osa kaasujen kokoojan virtauksesta (tyhjäkäynti) tai koko tämä virtaus (pysähtynyt moottori) kulkee sivukanavaa pitkin, sen kuristavan osan, joka on mahdollisimman avoin, läpi. Tässä tilanteessa koko-naispaineen häviö, joka johtuu kitkasta tai virtausreitin epätasaisuuk-5 sista koko kaasujen kokoojan pituudelta, on mahdollisimman suuri, ja tästä johtuen kaasujen kokoojan huipussa, eli sen ja sivukanavan välisessä liitoskohdassa, vallitseva staattinen paine on mahdollisimman suuri, joten sivukanavassa olevan kuristavan osan molempiin puoliin vaikuttava paine-ero on mahdollisimman pieni.

10

Todetaan, että tämä staattisen paineen ero voi vaihdella huomattavasti, jopa kaksinkertaiseksi tai suuremmaksikin, aina moottorin toimintatavan mukaan.

15 Toisaalta, jotta turbokompressori voisi toimia suurimmalla hyötysuhteellaan kompressorin käymättä tällöin epätasaisesti, tunnetusti on välttämätöntä, että kompressorin ulostulossa vallitsevan kokonaispaineen ja turbiinin sisäänmenossa vallitsevan kokonaispaineen välinen ero on käytännöllisesti katsoen epäherkkä moottorin pyörimisnopeuden vaihteluille, 20 ja että tämä paine-ero riippuu käytännöllisesti katsoen pelkästään kompressorin ulostulossa vallitsevan kokonaispaineen arvosta.

Tämä edellytys on siis ristiriidassa sivukanavan kuristavan osan sijainnin kanssa.

25

Ensimmäisen, erityisen edullisen ratkaisun mukaisesti, edellä mainittu säätöelin muodostuu vähintään kahta tilavuudeltaan vaihtelevaa kammiota rajoittavasta männästä, joista kammioista ensimmäinen on yhdistetty ensimmäiseen onkaloon, jossa vallitseva staattinen paine vaihtelee kääntäen 30 yksiselitteisesti samaan suuntaan kuin välittömästi turbiinin sisäänmenossa vallitseva kokonaispaine, ja joista kammioista toinen on yhdistetty toiseen onkaloon, jossa vallitseva paine Pvaihtelee kääntäen yksiselitteisesti samaan suuntaan kuin kompressorin ulostulossa, ylävirran puolella mainitusta kuristavasta osasta, vallitseva kokonais-35 paine, tämän paineen P^* ollessa yhtä suuri kuin osa paineesta P^.

i2 81 433 1 Toisen, yhtä edullisen ratkaisun mukaisesti, edellä mainittu säätöelin muodostuu vähintään kolme liikkuvaa tai muodoltaan muunneltavaa, ja poikkileikkaukseltaan erilaista vaikutuspintaa käsittävästä tasausmännästä, jonka poikkileikkaukseltaan suurin pinta rajoittaa tilavuudeltaan vaih-5 televaa kammiota, joka on yhdistetty ensimmäiseen onkaloon, jossa vallitseva staattinen paine vaihtelee kääntäen yksiselitteisesti samaan suuntaan kuin välittömästi turbiinin ylävirran puolella vallitseva ko-konaispaine, ja jonka männän kaksi muuta vaikutuspintaa rajoittavat kahta muuta tilavuudeltaan vaihtelevaa kammiota, joista yksi on yhdis-10 tetty toiseen onkaloon, jossa vallitseva staattinen paine on jokseenkin sama kuin kompressorin ulostulossa, mainitusta kuristavasta osasta ylävirran puolella vallitseva kokonaispaine, ja joista toinen on yhdistetty kolmanteen onkaloon, jossa vallitsee vertailupaine P*.

15 Ensimmäinen edellä mainittu onkalo muodostuu mieluiten tilasta, joka sijaitsee alavirran puolella turbiinin jakelijasta ja ylävirran puolella mainitun turbiinin pyörästä. Sellaiseen moottoriin, jonka turbokompres-sorikoneisto käsittää vähintään ensimmäisen ja toisen sarjaan asennetun turbiinin, kohdistuvan muunnoksen mukaisesti ensimmäinen onkalo voi 20 muodostua ensimmäisen turbiinin ulostulon ja toisen turbiinin sisään-menon välisestä liitoksesta.

Näillä kahdella edellä esitetyllä ratkaisulla voidaan luoda mahdollisimman yksinkertaisella tavalla edellytykset turbokompressorin optimaali-25 selle toiminnalle ilman, että vaarana on epätasainen käyminen, toimipa moottori pyörimisnopeutensa suhteen miten tahansa.

Kuten edellä esitetään keksintö soveltuu mieluiten, muttei kuitenkaan pelkästään, edellä määritellyn tyyppisiin polttomoottoreihin, joiden 30 sivukanava käsittää ylimääräisen palamiskammion.

Tässä tapauksessa, jolloin tämä ylimääräinen palamiskammio muodostuu primääristä palamisvyöhykkeestä sekä alavirran puolella mainitusta primääristä vyöhykkeestä sijaitsevasta sekundäärisestä laimennusvyöhykkeestä, 35 keksinnön mukaisen moottorin tunnusomaisena piirteenä voi lisäksi olla se, että sivukanava on jaettu vähintään kahteen haaraan, joista ensimmäinen syöttää ilmaa mainittuun sekundääriseen vyöhykkeeseen, ja käsit- i3 81 433 1 tää mainitun kuristavan osan, jota kutsutaan tämän jälkeen "ensimmäiseksi kuristavaksi osaksi", ja joista toinen syöttää ilmaa mainittuun primääriin vyöhykkeeseen, ja käsittää toisen kuristavan osan, jossa vapaa poikkileikkaus vaihtelee täysin ensimmäisen kuristavan osan poikkileik-5 kauksesta riippumatta. Tämä toinen kuristava osa on liitetty mielellään toiseen säätöelimeen, joka kykenee muuttamaan toisen kuristavan osan vapaata poikkileikkausta kompressorin ulostulossa vallitsevan ilmanpaineen funktiona, ennalta laaditun riippuvuuden mukaisesti.

Ί0 Lopuksi, erityisesti rakennetta yksinkertaistavan parannuksen mukaisesti, mainitut kaasukanavat muodostuvat vastaavasti kartion muotoisista, kaasujen kokoojan suhteen samankeskisistä putkista, ja kaasujen kokoojan ja kaasukanavien muodostama kokonaisuus muodostuu keskenään samankaltaisista lohkoista, joista kukin käsittää toisaalta sylinterimäisen ytimen, 15 jolla on jokseenkin kaasujen kokoojan halkaisija, ja jonka ytimen ylävirran puoleinen pää, kaasujen virtaussuunnan suhteen, on yhdistetty joko edellisestä lohkosta, mikäli sellainen on olemassa, ulostulevaan kaasulinjaan, tai sivukanavaan, mikäli kysymyksessä on ensimmäinen lohko kaasujen virtaussuunnan suhteen, sekä toisaalta samankeskisen vaipan, 20 jonka rajaama onkalo on yhdistetty yhdestä työkammiosta ulostulevaan kaasulinjaan, ja toimii yhdessä sylinterimäisen ytimen alavirran puoleisen pään kanssa samankeskisen putken muodostamiseksi. Siinä tapauksessa, että sivukanava käsittää primääristä palamisvyöhykkeestä ja mainitusta primääristä vyöhykkeestä alavirran puolella sijaitsevasta sekundääri-25 sestä laimennusvyöhykkeestä muodostuvan ylimääräisen palamiskammion, ensimmäisen lohkon ylävirran puoleinen pää on yhdistetty mainitusta sekundäärisestä laimennusvyöhykkeestä ulostulevaan kaasulinjaan.

Keksintö kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisemmin liitteenä olevien 30 piirustusten avulla, jotka piirustukset esittävät kaavamaisesti keksinnön edullisimpia suoritusmuotoja.

Näiden piirustusten kuvio 1 esittää kaavamaisesti keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaisesti rakentuvaa polttomoottoria, jossa sivukanavan 35 kuristavaa osaa säädetään sähköisesti.

U 81433 1 Kuviot 2,3 ja 4 esittävät kaavamaisesti keksinnön kolmen muun suoritusmuodon mukaisesti rakentuvaa polttomoottoria, jossa sivukanavan kuristavaa osaa säädetään eri tavoin pneumaattisesti.

5 Kuviot 5,6 ja 7 havainnollistavat eri tapoja paineen poistamiseksi.

Kuvio 8 esittää osaa keksinnön viidennen suoritusmuodon mukaisesti rakentuvasta polttomoottorista, joka käsittää ylimääräisen palamiskammion.

10 Kuvio 9 esittää kaavamaisesti keksinnön kuudennen suoritusmuodon mukaisesti rakentuvaa polttomoottoria, joka käsittää samoin ylimääräisen palamiskammion.

Kuvio 10 esittää suuremmassa mittakaavassa yksityiskohtaa kuviosta 9.

15

Kuviot 11 ja 12 esittävät kuvioiden 9 ja 10 mukaisen suoritusmuodon toimintaa kaasujen kokoojassa, sitä pitkin edettäessä, esiintyvien nopeuksien ja vallitsevien paineiden diagrammeilla, vastaavasti, kun ensimmäinen kuristava osa on mahdollisimman kiinni ja mahdollisimman avoin.

20

Kuviossa 1 kaavamaisesti esitetty ahdettu Diesel-moottori 1 käsittää tilavuudeltaan vaihtelevia työkammioita 2, joista kukin muodostuu yleisesti sylinteristä, jonka tilavuus saadaan vaihtelevaksi männän liikkumisen seurauksena. Kukin näistä työkammioista käsittää ilman sisäänmenon 25 (jota ei esitetä) sekä kaasujen ulostulon 3. Moottorin 1 ahtaminen toteutetaan turbokompressorikoneistolla 4, joka muodostuu olennaisesti turbiinista 5 ja kompressorista 6, jonka ulostulo 7 on yhteydessä kunkin työ-kammion 2 ilman sisäänmenon kanssa vähintään yhden imukanavan 8 välityksellä. Ahtoilman jäähdyttäjä 9 on sijoitettu tavallisesti ylävirran puo-30 lelle tästä imukanavasta 8. Turbiini 5 käyttää mekaanisesti kompressoria 6, esimerkiksi akselin 10 välityksellä, ja tähän turbiiniin 5 sisäänmene-vä kaasulinja 11 on yhdistetty työkammioista 2 ulostulevaan kaasulinjaan 3 erillisten kaasukanavien 12 ja vähintään yhden kaasujen kokoojan 13 välityksellä.

35

Moottori 1 käsittää sivukanavan 14, jossa on vapaalta poikkileikkaukseltaan vaihteleva kuristava osa 15, ja jonka välityksellä kompressorista 6 i5 81 433 1 ulostuleva ilmalinja 7 saadaan yhdistetyksi turbiiniin 5 sisMänmenevään kaasulinjaan 11 työkammiot 2 tällöin oikosulkien. Kuristava osa 15 toimii siten, että sillä saadaan aikaan sellainen kuormitushäviö P^ -(P0 ja P^ ovat paineet, jotka vallitsevat kuristavan osan 15 molemmin 5 puolin, vastaavasti), että sen johdosta syntyvä, kompressorin 6 ulostulossa 7 vallitsevan kokonaispaineen P^ ja turbiinin 5 sisäänmenossa 11 vallitsevan kokonaispaineen P^ välinen ero on käytännöllisesti katsoen riippumaton sivukanavan 14 ilmavirtaaman ja kompressorin 6 tuottaman virtaaman välisestä suhteesta, mutta joka paine-ero vaihtelee samaan 10 suuntaan kuin mainittu paine Näin ollen, keksinnön mukaisesti, kaasujen kokoojan 13 poikkileikkaus on jokseenkin vakio ja niin pieni, että toimittaessa moottorin 1 pyörimisnopeuksien nimellisarvoilla kaasuvirtauksen nopeus tässä kokoojassa 13, 15 välittömästi alavirran puolelle sen ja kaasukanavien 12 välisestä viimeisestä liitoskohdasta 16, vastaa vähintään Mach-arvoa 0,3. "Viimeisellä liitoskohdalla" tarkoitetaan ohessa numerolla 16 merkittyä liitosta, jonka kaasujen kokoojassa 13 virtaavat kaasut kohtaavat viimeiseksi.

20 Esimerkiksi 12-sylinterisen nelitahtimoottorissa, jossa sylintereiden halkaisija on 160 mm ja mäntien keskimääräinen nopeus pyörimisnopeuden nimellisarvoilla on 10 m/s, syöttöilman paine on 10 baaria ja lämpötila 60°C, ja jossa kaasujen kokoojan läpi virtaavan kaasun lämpötila on 600°C ja paine 5 baaria, tämän kaasujen kokoojan sisähalkaisija 25 on alle 84 mm 0,3) tai 55 mm > 0,7).

Tämän lisäksi, alavirran puolella kuristavasta osasta 15 sijaitseva, sivukanavan 14 ja turbiiniin 5 sisäänmenevän kaasulinjan 11 välinen liitoskohta 17 sijaitsee työkammioista 2 peräisin olevan ja kaasujen kokoojas-30 sa 13 virtaavan kaasuvirtauksen suunnassa ylävirran puolella ensimmäisestä, kaasujen kokoojan 13 ja kaasukanavien 12 välisestä liitoksesta 18.

Kuristava osa 15 on asennettu siten, että sen aiheuttamasta kuormitus-häviöstä johtuvien, tähän kuristavaan osaan 15 vaikuttavien voimien summa 35 kompensoituu tasapainottavalla voimalla niin, että näiden voimien resul-tantti on käytännöllisesti katsoen nolla.

16 81 433 1 Tämä kuristava osa 15 voi olla rakenteensa ansiosta epäherkkä osan läpi kulkevaan virtaamaan aiheuttamalleen kuormitushäviölle, esimerkiksi leik-kaava venttiili, liukuva tai kääntyvä kartio. Samoin rakenteensa johdosta siihen voi vaikuttaa aiheuttamastaan kuormitushäviöstä johtuvia vastakkai-5 siä voimia, jotka kumoavat toisensa käytännöllisesti katsoen, osan muodostuessa esimerkiksi tasapainotetusta lautasventtiilistä. Osan muodostuessa esimerkiksi istukkaventtiilistä se voi samoin olla herkkä aiheuttamalleen kuormitushäviölle, jolloin se on kuitenkin yhdistetty mekaanisesti tasapainottavaan elimeen, joka kompensoi rakenteellaan kuristavaan Ί0 osaan vaikuttavan, kuormitushäviön aiheuttaman voiman vastakkaisella, yhtä-suurella voimalla.

Kuristava osa 15 on liitetty säätöelimeen, joka on herkkä suoraan kompressorin 6 ulostulossa vallitsevaan kokonaispaineeseen P0 kääntäen yksi- L.

15 selltteisesti liittyvälle, moottorin 1 ensimmäiselle toimintaparametril-le, sekä suoraan ylävirran puolella turbiinista 5 vallitsevaan kokonaispaineeseen kääntäen yksiselitteisesti liittyvälle, moottorin 1 toiselle toimintaparametrille. Tämä jäljempänä yksityiskohtaisemmin kuvattava säätöelin toimii siten, että toisaalta se pyrkii sulkemaan kurista-20 van osan 15, kun nämä kaksi painetta lähestyvät toisiaan, ja kääntäen, se pyrkii avaamaan kuristavan osan 15, kun nämä kaksi painetta loittonevat toisistaan, ja että toisaalta näiden paineiden ero riippuu olennaisesti pelkästään kompressorin ulostulossa vallitsevasta kokonaispai-neesta ja vaihtelee samaan suuntaan kuin tämä kokonaispaine.

25

Kuviossa 1 esitetyn suoritusmuodon mukaisesti tämä kuristava osa 15 muodostuu pyörimisakselin 23 tukemasta tasapainotetusta laipasta 22, ja säätöelin muodostuu kaksisuuntaisesta sähkömoottorista 19, joka liikuttaa akselia 23 mkeaanisella välityksellä, joka esitetään kuvios-30 sa, esimerkin vuoksi, muodostuvan sähkömoottorin 19 akseliin liitetystä hammaspyörästä 20 sekä hammastangosta 21, joka on hammastettu mainittuun hammaspyörään 20 ja liitetty laipan 22 akseliin 23. Sähkömoottoriin 19 syötetty virta vaihtelee samaan suuntaan kuin poikkeama € = ΔΡο - ΔPo vertailevan elimen 24 avulla, jonka vertailuelimen 35 24 sisäänmenot 24a ja 24b ottavat vastaan vastaavasti vertailueli- li i7 81 433 1 mistä 25 ja 26 vastaavasti erotuksia ΛΡ = P„ - P„ ia APo = f(P ) 2 3 2 edustavia signaaleja.

Kuviossa 2 esitetyn suoritusmuodon mukaisesti edellä mainittu säätrielin 5 muodostuu sylinterissä 28 sijaitsevasta kahta tilavuudeltaan vaihtele-vaa kammiota 29 ja 30 rajoittavasta männästä 27, joista kammioista yksi, 29, on yhteydessä ensimmäiseen onkaloon 31 (paineanturi), jossa vallitseva staattinen paine vaihtelee kääntäen yksiselitteisesti samaan suuntaan kuin kokonaispaine P^, ja joista kammioista toinen, 30, on yhtey-j0 dessä toiseen onkaloon 32, jossa vallitseva paine P^* vaihtelee kääntäen yksiselitteisesti samaan suuntaan kuin kokonaispaine P^, tämän paineen P2* ollessa osa paineesta P^. Tätä varten onkalo 32 voi olla yhdistetty ensimmäisen kalibroidun aukon 33 avulla kammioon 34, jossa vallitsee paine P^, sekä toisen kalibroidun aukon 35 avulla ilmakehään.

15 Tässä tapauksessa ?3 = P2* = kP£ ja ΔΡ = ?2~?3 = (I_k) ?2' Männän 27 varsi 27a on liitetty kuristavaan osaan 15 kuten hammastanko 21 kuvion 1 mukaisessa suoritusmuodossa.

Kuvioissa 3 ja 4 esitetyissä suoritusmuodoissa säätöelin muodostuu kol-20 me liikkuvaa, poikkileikkaukseltaan erilaista vaikutuspintaa käsittävästä tasausmännästä 36, ja näistä pinnoista poikkileikkaukseltaan suurin 37 rajoittaa tilavuudeltaan vaihtelevaa kammiota 38, joka on yhdistetty ensimmäiseen onkaloon 31, jossa vallitseva staattinen paine vaihtelee kääntäen yksiselitteisesti samaan suuntaan kuin paine P^, ja 25 on esimerkiksi yhtäsuuri kuin tämä paine P^, ja jonka männän kaksi muuta vaikutuspintaa rajoittavat kahta muuta tilavuudeltaan vaihtelevaa kammiota 41 ja 42, joista yksi, 41, on yhdistetty toiseen onkaloon 43, jossa vallitseva staattinen paine on jokseenkin sama kuin kompressorin 6 ulostulossa, ylävirran puolella mainitusta kuristavasta osasta 15 val-30 litseva kokonaispaine, ja joista toinen, 42, on yhdistetty kolmanteen onkaloon 44, jossa vallitsee vertailupaine P*.

Yleisesti, tasausmännän 36 kaksi puolta rajoittavat tasaussylinterin 39 sisällä poikkileikkaukseltaan suurta kammiota 38 sekä poikkileikkauk-35 seitaan pientä kammiota, sekä välikammiota, jonka vaikutuspinta muodostuu näiden kahden päätykammion poikkileikkausten välisestä erosta.

is 81433 1 Kuviossa 3 esitetyn suoritusmuodon mukaisesti kammio 41 on päätykammio, jota vastapäätä sijaitsee kammio 38, kun taas kammio 42 muodostaa väli-kammion. Kun tasausmännän 36 poikkileikkaukseltaan suurta pintaa merkitään kirjaimella S ja poikkileikkaukseltaan pientä pintaa kirjaimella s, 5 niin männän tasapaino voidaan esittää seuraavilla yhtälöillä: P3>S = P2.s + P* (S - s) Λ? = P0 - P3 = (P - P*) x S_- s .

S

10

Kuviossa 4 esitetyn suoritusmuodon mukaisesti kammio 41 muodostaa väli-kammion, kun taas kammio 42 on kammiota 38 vastapäätä sijaitseva pääty-kammio. Männän tasapaino voidaan esittää seuraavilla yhtälöillä: 15 P3.S = P*.s + P (S - s) ΛΡ = p2 - p3 = (p2 - P*) x s .

S

Kuvioissa 5,6 ja 7 havainnollistetaan eri mahdollisuuksia muodostaa "en-20 simmäinen onkalo", kuten sitä edellä nimitetään, josta poistuva staattinen paine vaihtelee kääntäen yksiselitteisesti samaan suuntaan kuin välittömästi turbiinista 5 ylävirran puolella vallitseva kokonaispaine p3*

Kuviossa 5 esitetään pelkästään yksivaiheinen turbiini 5 sekä sen sumu-25 tin 45, jakelija 46 ja roottori 47, jossa turbiinissa 5 sumutin 45 huolehtii poikkileikkauksen aseteittaisesta kasvamisesta ja täten virtauksen jarruttamisesta. Tässä tapauksessa paine p3 poistetaan alavirran puolella jakelijasta 46, roottorin 47 sisäänmenosta alkavaa putkea 48 pitkin.

30

Kuviossa 6 esitetään samoin yksivaiheinen turbiini 5, mutta ilman jakelijaa, ja tässä turbiinissa kaasujen sisäänmenopesä on mitoitettu siten, että siinä kaasujen nopeudella on jokseenkin vakioarvo, joka on yhtäsuuri kuin nopeus kaasujen kokoojan 13 ulostulossa, ja kuviossa tätä pe-35 sää merkitään numerolla 49. Tässä tapauksessa paine p3 poistetaan kaasujen kokoojan 13 ulostulosta alkavaa 48 putkea pitkin.

i9 81 433 1 Kuviossa 7 esitetään kaksivaiheinen turbiini 5, joka käsittää siis matala-paineisen vaiheen 5a ja korkeapaineisen vaiheen 5b. Tässä vaiheessa paine poistetaan turbiinin 5 kahden vaiheen 5a ja 5b välistä.

5 Kuviossa 8 osittain esitetyssä suoritusmuodossa sivukanava 14 käsittää ylimääräisen palamiskammion 50, joka on jaettu, ylävirrasta alavirtaan, primääriin palamisvyöhykkeeseen 51 ja sekundääriseen laimennusvyöhykkee-seen 52. Tämä ylimääräinen palamiskammio 50 käsittää kaasujen ulostulon 53, joka on yhteydessä kaasujen kokoojan 13 ylävirran puoleiseen osaan.

10 Primääri vyöhyke 51 käsittää vähintään yhden suuttimen 58 polttoaineen syöttämiseksi, joka suutin on yhdistetty linjan 54 välityksellä paineistettuun polttoainelähteeseen (ei esitetty). Ylimääräiseen palamiskam-mioon 50 johdettu ilmavirtaama ositetaan toisen kuristavan välineen 55 avulla primäärin ja sekundäärisen vyöhykkeen 51 ja 52 kesken siten, 15 että primääriin vyöhykkeeseen 51 pääsevä ilmavirtaama saadaan sovitetuksi suuttimen 58 syöttämään polttoaineen virtaamaan. Kuristavan välineen 55 ja ylimääräisen palamiskammion 50 yksityiskohtaisemman kuvauksen suhteen voidaan viitata julkaisuun FR-A 2 472 082, sekä moniin muihin Ranskan valtiolle myönnettyihin patenttijulkaisuihin. Todetaan kui- 20 tenkin, että tämän ylimääräisen palamiskammion 50 tasolla sivukanava 14 on jaettu kahteen haaraan, joista ensimmäinen 56 käsittää ensimmäisen kuristavan osan 15, ja joista toinen 57 käsittää toisen kuristavan välineen 55. Ylimääräistä palamiskammiota 50 lukuun ottamatta, kuviossa 8 esitetty suoritusmuoto on esimerkiksi sama kuin kuviossa 3 esitetty.

25 Tämä toinen kuristava väline 55 on liitetty mielellään toiseen säätöeli-meen 66, joka on asennettu siten, että tämän toisen kuristavan välineen 55 vapaa poikkileikkaus vaihtelee kompressorin 6 ulostulossa vallitsevan ilmanpaineen funktiona, edeltäkäsin määrätyn riippuvuuden mukaisesti.

30 Tämä säätöelin 66 voi olla esimerkiksi sylinterissä 67 liikkuva mäntä, jonka rajoittamista kahdesta onkalosta ensimmäisessä 68 vallitsee paine P^ ja toinen 69 on yhteydessä kammioon 70, jossa vallitsee säädettävä vertailupaine P . Mäntään, johon kohdistuu paine-ero P„ - P , vaikuttaa p 2 p 35 samoin jousi 71, joka on taarattu etukäteen säädettävän pidättimen 72

avulla siten, että vapaa poikkileikkaus S pienenee, kun ilmanpaine P

P 2 20 81 433 1 kasvaa etukäteen jousen 71 jännityksen ja vertailupaineen P asetus-arvojen funktiona laaditun riippuvuuden mukaan.

Olipa suoritusmuoto mikä tahansa, kukin kaasukanava 12 on edullisesti 5 suppenevan putken muotoinen, jonka putken ulostulo, kuviossa 1-4 ja 8 esitetysti, sen ja kaasujen kokoojan 13 välisessä liitoskohdassa, on suunnattu tässä kokoojassa vallitsevan kaasuvirtauksen suunnan mukaan.

Rakenteen yksinkertaistamiseksi, kuten kuviossa 9 esitetään, nämä kaasu-10 kanavat 12 muodostuvat vastaavasti kartion muotoisista, kaasujen kokoojan 13 suhteen samankeskisistä putkista 60. Kaasujen kokoojan 13 ja näiden kaasukanavien muodostama kokonaisuus muodostuu keskenään samankaltaisista lohkoista 61, joista kukin käsittää toisaalta sylinterimäisen ytimen 62 ja toisaalta samankeskisen vaipan 63. Sylinterimäisellä yti-15 mellä 62 on kaasujen kokoojan 13 halkaisija. Kunkin lohkon ylävirran puoleinen pää (kaasujen virtaussuunnassa) on yhteydessä joko edeltävästä lohkosta, mikäli sellainen on olemassa, ulostulevaan kaasulinjaan, tai sivukanavaan 14, kun kysymyksessä on ensimmäinen lohko kaasujen virtaus-suunnan suhteen (eli kuviossa 9 alin lohko). Samankeskinen vaippa 63 20 rajaa onkalon 64, joka on yhteydessä yhdestä työkammiosta 2 ulostulevaan kaasulinjaan, ja joka toimii yhdessä sylinterimäisen ytimen 62 ala-virran puoleisen pään kanssa samankeskisen putken muodostamiseksi. Siinä tapauksessa, että sivukanava 14 käsittää primäärisestä palamisvyö-hykkeestä 51 ja mainitusta primäärisestä vyöhykkeestä 51 alavirran puo-25 lella sijaitsevasta sekundäärisestä laimennusvyöhykkeestä 52 muodostuvan ylimääräisen palamiskammion 50, ensimmäisen lohkon ylävirran puoleinen pää on yhdistetty mainitusta sekundäärisestä laimennusvyöhykkeestä 52 ulostulevaan kaasulinjaan. Peräkkäisten lohkojen 61 väliin ja ylimääräisen palamiskammion 50 laimennusvyöhykkeen 52 ja tästä kam-30 miosta välittömästi alavirran puolella sijaitsevan lohkon 61 väliin on laitettu kulloinkin tunnetun tyyppiset tiivisteet 65.

Loppuosa kuviossa 9 esitetystä moottorista on tunnetun tyyppinen, ja sen yksityiskohtaisen kuvauksen suhteen voidaan viitata esimerkiksi jul-35 kaisuun US-A 4 026 115.

2i 81433 1 Kuvio 10, joka on suurennos kuviosta 9, esitetyn suoritusmuodon mukaisesti ensimmäinen kuristava osa 15 on kuvioiden 3,4 ja 8 yhteydessä kuvatun kaltainen. Oikeammin, kuristava elin on akselin suuntaisesti liikkuva sylinterimäinen kartio, jolla on sama halkaisija ja sama akseli kuin yli-5 määräisellä palamiskammiolla, joka on puolestaan kiinteä.

Tämän jälkeen tarkastellaan laitteiston toimintaa turbokompressoreiden nimellispaineen suhteen, joiden turbokompressoreiden tuottaman ilman paine on: = 10 baaria.

10 a - Kaasuturbiinin toiminta, kun moottori on pysähtyneenä (katso kuvio 11).

Kaikki kompressorista tuleva ilma kulkee sivukanavaa 14 pitkin ja tunkeutuu primääriin palamisvyöhykkeeseen 51 toisen kuristavan, mahdollisimman 15 avoimessa asennossa olevan välineen 55 kautta, sekä sekundääriseen lai-mennusvyöhykkeeseen 52 ensimmäisen kuristavan, mahdollisimman avoimessa asennossa olevan osan 15 kautta.

Polttoaineen virtaama kammioon on samoin mahdollisimman suuri kammiossa 20 70 vallitsevan vertailupaineen P^ asianmukaisten asetusarvojen ansiosta.

Kaasujen kokooja 13 toimii passiivisena elimenä, jossa syntyy kuormi-tushäviö kitkan ja virtauksen kulkureitin epätasaisuuksien seurauksena. Kokonaispaine turbiinin sisäänmenossa on: * 5,9 baaria.

25

Kokonaispaine kaasujen kokoojan sisäänmenossa on 8,3 baaria, joten virtauksen kuormitushäviö kaasujen kokoojassa on 8,3 - 5,9 = 2,4 baaria, eli 29 % sisäänmenossa vallitsevasta kokonaispaineesta. Kuormitushäviö, joka syntyy ilman kulkiessa ensimmäisessä kuristavassa osassa 15 on: 30 10 - 8,3 =1,7 baaria, eli 17 Z kompressorin tuottaman ilman kokonais paineesta.

b - Moottorin toiminta nimellisteholla (nopeus ja kuormitus mahdollisimman suuret) (katso kuvio 11).

Sivukanavassa virtaavan ilman virtaama on käytännöllisesti katsoen mitätön (niin suuri, että se mahdollistaa juuri ja juuri vähäisen palamisen 35 22 81433 1 ylimääräisessä palamiskammiossa), toisen kuristavan välineen 55 sekä ensimmäisen kuristavan osan 15 ollessa mahdollisimman suljetussa asennossa. Kaasukanavista 12 peräisin olevan liikemäärän injektio kaasujen kokoojaan 13 on mahdollisimman suuri. Kaasujen kokooja 13 toimii aktii-5 visena elimenä, jossa "kuormitushäviö on negatiivinen" sikäli, että virtauksen kokonaispaine nousee alavirran puoleisen pään ja ylävirran puoleisen pään välillä.

Mikäli virtauksen kokonaispaine on edelleen: P.( = 5,9 baaria turbiinin 10 sisäänmenossa, niin paine on vain 4 baaria kaasujen kokoojan 13 sisään-menossa. Kaasukanavista 12 peräisin olevan liikemäärän injektio nostaa täten virtauksen kokonaispainetta 1,9 baaria.

Virtausnopeus kaasujen kokoojan 13 sisäänmenossa on nolla (jolloin sivu-15 kanava 14 on käytännöllisesti katsoen kiinni), joten kaasujen kokoojassa 13 vallitseva staattinen paine on yhtäsuuri kuin kokonaispaine, eli = 4 baaria. Paineen lasku ensimmäisen kuristavan osan 15 yli mentäessä on siis: 20 ^P = = 10 - 4 = 6 baaria, eli 60 % kompressorista tulevan ilman kokonaispaineesta.

. . Tämä paineen lasku on tässä tapauksessa, moottorin toimiessa pyörimis- 25 nopeutensa suhteen nimellisarvoillaan, 3,5 kertaa suurempi kuin moottorin ollessa pysähtyneenä, kun taas kokonaispaineen ero kompressorin ja turbiinin välillä ei ole muuttunut.

Tämä luvuin esitetty esimerkki havainnollistaa keksinnön etuja aikaisem-30 min tunnettuihin ratkaisuihin verrattuna, joista ratkaisuista eräs kuvataan patenttijulkaisussa US-A 4 026 115, jossa paine-ero P^ - P^ olisi vaihdellut huomattavasti, mikäli ensimmäisen kuristavan osan 15 säätö-parametreiksi olisi valittu välittömästi mainitun ensimmäisen kuristavan osan molemmin puolin vallitsevat paineet ja P . Tunnetusti, nämä 35 suuret painevaihtelut olisivat estäneet sen, ettei turbokompressoria saada toimimaan optimaalisella toiminta-alueellaan epätasaisen käynnin rajoilla. Tämä keksintö mahdollistaa edellä esitetyn kaltaisen, opti-

II

23 8 1 4 3 3 1 maalisesti toimivan turbokompressorin mukauttamisen ja edellä kuvatun kaltaisen kaasujen kokoojan mukauttamisen yhdistämisen, joka tekee mahdolliseksi kaasujen kokoojassa vallitsevan staattisen paineen alentamisen, ja täten jopa työkammioista poistuvien kaasujen puristamiseen 5 tarvittavan työmäärän pienentymisen ja näin ollen moottorin kuluttaman polttoainemäärän huomattavan pienentymisen.

10 15 20 25 30 35

Claims (10)

24 81433

1. Polttomoottori (1), jossa työkammioiden (2) tilavuus vaihtelee, ja jossa kukin työkammio käsittää vähintään yhden ilman sisäänmenon ja vä-5 hintään yhden kaasujen ulostulon (3), ja jossa moottorissa (1) ahtaminen toteutetaan turbokompressorikoneistolla (4), joka käsittää vähintään yhden, vähintään yhden turbiinin (5) mekaanisesti käyttämän kompressorin (6), ja jossa moottorissa kukin edellä mainittu ilman sisäänmeno on yhteydessä kompressorista (6) uiostulevan ilmalinjan (7) kanssa, •|0 kun taas kukin edellä mainittu kaasujen ulostulo (3) on yhteydessä turbiiniin (5) sisäänmenevään kaasulinjaan (II) liitetyn, vähintään yhden kaasujen kokoojan (13) kanssa, tämän moottorin (1) käsittäessä lisäksi sivukanavan (14), joka yhdistää kompressorista (6) uiostulevan ilmalinjan (7) turbiiniin (5) sisäänmenevään kaasulinjaan (11) tällöin 15 työkammiot (2) oikosulku en, ja joka käsittää kuristavan osan (15), jonka vapaa poikkileikkaus vaihtelee, ja joka kuristava osa (15) on asennettu samaan aikaan kuormitushävio siten, että siitä johtuva paine-ero kompressorin (6) ulostulon (7) ja turbiinin (5) sisäänmenon (11) välillä riippuu käytännöllisesti katsoen vain kompressorista (6) ulostulevassa 20 ilmalinjassa (7) vallitsevan paineen arvosta, joka kuristava osa (15) on asennettu siten, että sen aiheuttamasta kuornitushäviöstä johtuvien, tähän kuristavaan osaan (15) vaikuttavien voimien summa kompensoituu tasapainottavalla voimalla niin, että näiden voimien resultantti on käytännöllisesti katsoen nolla, joka kuristava osa (15) on liitetty 25 säätöelimeen (19,27,36), joka on herkkä suoraan kompressorin (6) ulostulossa (7) vallitsevaan kokonaispaineeseen kääntäen yksiselitteisesti liittyvälle, moottorin (1) ensimmäiselle toimintaparametrille ja suoraan turbiinista (5) ylävirran puolella vallitsevaan kokonaispaineeseen kääntäen yksiselitteisesti liittyvälle, moottorin (1) toiselle toiminta-30 parametrille, joka säätöelin (19,27,36) on asennettu siten, että toisaalta se pyrkii sulkemaan kuristavan osan (15), kun nämä kaksi painetta lähestyvät toisiaan, ja kääntäen, se pyrkii avaamaan mainitun kuristavan osan (15), kun nämä paineet loittonevat toisistaan, ja että toisaalta näiden paineiden ero riippuu pelkästään olennaisesti kompressorin (6) 35 ulostulossa (7) vallitsevasta kokonaispaineesta ja vaihtelee samaan suuntaan kuin viimemainittu kokonaispaine, tunnettu siitä, että li 25 81 4 33 ^ a - kukin mainituista kaasujen ulostuloista on yhteydessä kaasukana-van (12) välityksellä yhden tai kunkin kaasujen kokoojan (13) kanssa; b - kaasujen kokoojan (13) poikkileikkaus on jokseenkin vakio ja niin 5 pieni, että toimittaessa moottorin (1) pyörimisnopeuden nimellisarvoissa kaasuvirtauksen nopeus kaasujen kokoojassa (13), välittömästi ala-virran puolella sen ja mainittujen kaasukanavien (12) välisestä viimeisestä liitoskohdasta, vastaa vähintään Mach-arvoa 0,3; 10 c - kuristavasta osasta (15) alavirran puolella sijaitsevan, sivukanavan (14) ja kaasujen kokoojan (13) välinen liitoskohta sijaitsee ylävirran puolella mainitun kaasujen kokoojan (13) ja mainittujen kaasukanavien (12) välisestä ensimmäisestä liitoskohdasta, työkammioista (2) peräisin olevan ja kaasujen kokoojaan (13) virtaavan kaasuvirtauksen suunnassa; 15 ja d - mainittu moottorin (1) ensimmäinen toimintaparametri on liitetty kääntäen yksiselitteisellä tavalla kompressorin (6) ilman ulostulossa (7) välittömästi vallitsevaan kokonaispaineeseen. 20

1 Patenttivaatimukset

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen moottori, tunnet tu siitä, että kukin edellä mainituista kaasukanavista (12) on muodoltaan suppeneva putki, jonka ulostulo liitoskohdassaan kaasujen kokoojaan (13) on suunnattu kaasujen kokoojassa (13) virtaavan kaasun suunnan mukaan. 25

3. Jonkin patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen moottori, tunnet- t u siitä, että mainittu säätöelin muodostuu vähintään kahta tilavuudeltaan vaihtelevaa kammiota (29,30) rajoittavasta männästä (27), joista kammioista yksi (29) on yhdistetty ensimmäiseen onkaloon (31), jossa val-30 litseva staattinen paine vaihtelee kääntäen yksiselitteisesti samaan suuntaan kuin välittömästi turbiinin (5) sisäänmenossa (11) vallitseva koko-naispaine, ja joista kammioista toinen on yhdistetty toiseen onkaloon (32), jossa vallitseva paine vaihtelee kääntäen yksiselitteisesti samaan suuntaan kuin kompressorin (6) ulostulossa (7), ylävirran puolella 35 mainitusta kuristavasta osasta (15), vallitseva kokonaispaine, tämän paineen P^* ollessa yhtä suuri kuin osa paineesta 26 8 1 4 3 3

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen moottori, tunnet- t u siitä, että edellä mainittu säätöelin muodostuu vähintään kolme liikkuvaa tai muodoltaan muunneltavaa, ja poikkileikkaukseltaan erilaista vaikutuspintaa käsittävästä tasausmännästä (36), joista pinnoista 5 poikkileikkaukseltaan suurin (37) rajoittaa tilavuudeltaan vaihtelevaa kammiota (38), joka on yhdistetty ensimmäiseen onkaloon (31), jossa vallitseva staattinen paine vaihtelee kääntäen yksiselitteisesti samaan suuntaan kuin välittömästi turbiinista (5) ylävirran puolella vallitseva kokonaispaine, ja joista vaikutuspinnoista kaksi muuta rajoittavat 10 kahta muuta tilavuudeltaan vaihtelevaa kammiota (41,42), joista yksi on yhdistetty toiseen onkaloon (43), jossa vallitseva staattinen paine on jokseenkin sama kuin kompressorin (6) ulostulossa (7), mainitusta kuristavasta osasta (15) ylävirran puolella vallitseva kokonaispaine, ja joista toinen on yhdistetty kolmanteen onkaloon (44), jossa vallitsee 15 vertailupaine P*.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen moottori, tunnet-t u siitä, että ensimmäinen edellä mainittu onkalo muodostuu tilasta, joka sijaitsee alavirran puolella turbiinin (5) jakelijasta (46) ja ylä- 20 virran puolella mainitun turbiinin (5) pyörästä (47).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen moottori, jonka turbiini-kompressorikoneisto (4) käsittää vähintään ensimmäisen ja toisen, sarjaan asennetun turbiinin (5a,5b), tunnettu siitä, että ensim- 25 mainen onkalo muodostuu ensimmäisen turbiinin (5a) ulostulon ja toisen turbiinin (5b) sisäänmenon välisestä liitoksesta.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen moottori, jonka sivukanava (14) käsittää ylimääräisen palamiskammion (50), joka muodostuu primääristä 30 palamisvyöhykkeestä (51) ja mainitusta primääristä palamisvyöhykkeestä (51) alavirran puolella sijaitsevasta sekundäärisestä lairaennusvyöhyk-keestä (52), tunnettu siitä, että sivukanava (14) on jaettu vähintään kahteen haaraan (56,57), joista ensimmäinen (56) syöttää ilmaa mainittuun sekundääriseexi vyöhykkeeseen (52) ja käsittää mainitun kuris-35 tavan osan (!5), jota kutsutaan tämän jälkeen "ensimmäiseksi kuristavaksi osaksi", ja joista toinen (57) syöttää ilmaa mainittuun primääriin vyöhykkeeseen (51) ja käsittää toisen kuristavan osan (55), jonka vapaa 27 81 433 1 poikkileikkaus vaihtelee riippumatta ensimmäisen kuristavan osan (15) poikkileikkauksesta.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen moottori, tunnettu siitä, 5 että tämä toinen kuristava osa (55) on liitetty toiseen säätöelimeen, joka kykenee muuttamaan tämän toisen kuristavan osan (55) vapaata poikkileikkausta kompressorin (6) ulostulossa (7) vallitsevan ilmanpaineen funktiona, ennalta laaditun riippuvuuden mukaisesti. •JO

9. Jonkin patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen moottori, tunnet-t u siitä, että mainitut kaasukanavat (12) muodostuvat vastaavasti kartion muotoisista, kaasujen kokoojan (13) suhteen samankeskisistä putkista, ja kaasujen kokoojan (13) ja kaasukanavien (12) muodostama kokonaisuus muodostuu keskenään samankaltaisista lohkoista (61), joista ku-15 kin käsittää toisaalta sylinterimäisen ytimen (62), jolla on kaasujen kokoojan (13) halkaisija, ja jonka ytimen ylävirran puoleinen pää, kaasujen virtaussuunnassa, on yhdistetty joko edellisestä lohkosta (61), mikäli sellainen on olemassa, ulostulevaan kaasulinjaan, tai sivukanavaan (14), mikäli kysymyksessä on ensimmäinen lohko kaasujen virtaussuunnas-20 sa> sekä toisaalta samankeskisen vaipan (63), jonka rajoittama onkalo (64) on yhdistetty yhdestä työkammiosta (2) ulostulevaan kaasulinjaan (3), ja toimii yhdessä sylinterimäisen ytimen (62) alavirran puoleisen pään kanssa samankeskisen putken muodostamiseksi. 25

10* Patenttivaatimuksen 7 ja 9 mukainen moottori, tunnettu sii tä, että ensimmäisen lohkon ylävirran puoleinen pää on yhdistetty mainitusta sekundäärisestä laimennusvyohykkeestä (52) ulostulevaan kaasu-linjaan. 30 35 28 81 433