NL8301347A - Voertuig-turbomotor met groter cylindervermogen, lager brandstofverbruik en krachtiger acceleratie-eigenschappen. - Google Patents

Description

- 1 - 1, %

Voertuig-turbomotor met groter cylindervermogen, lager brandstofverbruik en krachtiger acceleratie-eigenschappen.

5 Inleiding:

De huidige opgeladen voertuigmotoren, z.g. turbomotoren, zijn vanwege hun vaste compressieverhouding nog niet optimaal; niet in brandstof economie, noch in cylindervermogen, ook niet in acceleratiegedrag. De door de oplading bereikte vermogens zijn weliswaar 30% tot 50% groter dan die van ver-10 gelijkbare "zuigmotoren", maar om de optredende drukken en krachten beneden de toelaatbare maxima te houden, moet nog een (te) groot deel van de bij hogere belasting vrijkomende uitlaatgas energie onbenut worden afgevoerd. Daar komt bij dat 0tto(benzine)*turbomotoren - in tegenstelling met Diesel-turbomotoren - bij de start en in langzaam stadsverkeer nog onvoldoende 15 uitlaatgas (energie) produceren om de 1uchtcompressor snel effectief te doen zijn. Otto-turbomotoren worden daarom, vanwege de noodzakelijk lagere compressieverhouding (ca.7:1) als tamelijk "lui" bestempeld.De kenmerkende eigenschappen, zoals een extra krachtig koppel en een wat gunstiger brandstofverbruik, komen in feite pas bij middelhoge toerenbereiken ter beschik-20 king! Ter verbetering worden wel eens hogere)compressies toegepast (SAAB, tot 9,5:1), waarbij vervolgens, door ingrijpen van electronische detectoren, het klopgevaar wordt bezworen. Het haalbare motorvermogen is echter aan-merkelijk kleiner!

Door het bruikbaar maken, aanpassen en uitbreiden van een recent, bij 25 minder snel draaiende scheeps-en stationnaire motoren van groot vermogen, ingevoerd variabel compressieverhoudingssysteem, ook wel Millercyclus genoemd, blijken de vermogens en gunstige eigenschappen van voertuig turbomotoren nog in ruime mate te kunnen worden opgevoerd, terwijl met name de acceleratie prestaties in langzaam stadsverkeer sterk kunnen worden verbe-30 terd. Er moeten dan wel aanvullende voorzieningen worden getroffen, welke het karakter van de hierop gebaseerde turbomotoren echter zo sterk wijzigen dat a.h.w. van een nieuwe categorie zou kunnen worden gesproken!

Het principe van de cyclus is gebaseerd op een, aan de variërende (belasting afhankelijke) oplaadluchtdruk aangepaste, compressieverhouding en wel 35 zodanig dat de maximaal toelaatbare compressie einddruk — zelfs bij de hoogst voorkomende luchtdrukken — niet wordt overschreden! Demotorcylinders blijken dan ook een groter luchtgewicht te kunnen bevatten, zodat meer brandstof kan worden verbrand, terwijl er bovendien geen uitlaatgas energie meer onbenut wordt verspild! 40 Die aanpassing (verkleining) van de compressieverhouding (R) wordt gerealiseerd door wijziging, b.v. verlating van het tijdstip van sluiten van de % 8301347 ·. » > - 2 - inlaatkleppen. Hierdoor wordt de effectieve slag!engte en daarmee het effectieve compressie slagvolume (V ) gewijzigd, en verkleind wanneer een hogere luchtdruk ter beschikking komt.

Bij de Dieselmotoren blijven dan tevens de verbrandingsdrukken op het 5 toelaatbare maximale niveau (of kunnen door vertraagde - gerekte - inspuiting op dit niveau worden gehouden). Het arbeidsdiagram voor het grotere vermogen wordt dus niet hoger, wel breder! (FIG.1). De daardoor hogere uitlaatdruk komt weer aan de turbocompressor ten goede. En omdatdrukken en krachten niet toenemen behoeft de motor niet zwaarder te worden uitgevoerd! 10 Ook blijven de wrijvingsverliezen (vrijwel) gelijk.

Ten opzichte van het grotere geproduceerde vermogen - als gevolg vaneen gelijkmatiger hoger koppel - neemt het mechanisch rendement dus toe En, doordat een groter deel van de uitlaatgasenergie kan worden benut zal ook het thermisch rendement onder de betrokken belastingsomstandigheden (toe-15 renbereiken) hoger liggen dan dat van de conventionele turbomotoren met hun vaste compressieverhoudingen! (Rm).

Bij de Otto-motor zal de combinatie van een achter de luchtcompressor geschakelde nakoel er en de bij toenemend vermogen afnemende compressieverhou-ding het gevaar van kloppen doen verminderen, i .h.b.wanneer het tempera-20 tuurgevoelige benzines als brandstof betreft.

HOOFDSTUK I.

Groter cy 1 indervermogen door optimale benutting van de door de luchtcompressor leverbare druk, met behulp van automatische aanpassing van de compressie-verhouding.

(Een thermodynamische bewijsvoering op basis van de (le) Wet van Poisson,waar-25 mee o.m. wordt aangetoond dat lichtere, daardoor hoogtoeriger, Diesel-turbo-motoren mogelijk zijn).

Volgens de genoemde wet, aangepast aan motorcylindercondities, is: /V1+V\n p2= pr |s vo °j = prRm = A..... » (1) waarin p^ de variabele door de turbocompressor geproduceerde (verbrandings)-30 luchtdruk en pg de einddruk na compressie daarvan voorstelt. Vs-j is het slagvolume, VQ de compressieruimte in de cylinder aan het einde van de zuigerslag.

De exponent n kan op 1.35 worden gesteld, een voor luchtcompressie in waterge-koelde cylinders algemeen aanvaarde waarde. De compressieverhouding Rm is de maximale, dus de "ingebouwde" verhouding.

35 Nu kan men echter ook de einddruk p^ op een vaste, b.v.maximaal toelaatbare waarde Pc vastleggen en de compressieverhouding variabel makenin afhankelijkheid van Ρ2 en wel zodanig dat aan de vergel ijking (1) blijvend wordt voldaan; de waarde A dus niet verandert.

8301347 Λ :<·Α.

- 3 -

Deze variabele compressieverhouding (R) kan worden gerealiseerd door het tijdstip van sluiten van de iniaatkleppen te wijzigen, zodat er in de vergelijking (1) in de plaats van V, het effectieve compressieslagvolume (V ) moet y Θ worden ingevoerd. /y + V\ 1,35 5 Dan is: ?c = pr —-j = prR1,35 = A...... (la)

Bij de gebruikelijke kleine turbocompressor uitvoeringen met enkele waaier kan de opvoerhoogte, - de toerenafhankelijke druk p^ - meestal weinig meer dan 3,3 bar.abs. bedragen (zeeniveau) en daardoor is ook de minimum waarde van R voor iedere specifieke waarde van Pc vrijwel bepaald. E.e.a. is in Fig.2 10 grafisch vastgelegd. De waarde van de compressie einddrukken vormt a.h.w. de "drukklasse" van de turbomotor. (Otto-cyclus motoren 15-20 bar.; Diesel-cyclus motoren ca. 30-50 bar. en hoger.)

Doordat n>l zal bij toenemende luchtdruk p^ met een relatief geringere afname van de compressieverhouding R kunnen worden volstaan om aan de gelijkheid 15 (la) te blijven voldoen. , v + y \

Het product van p^ en R neemt daardoor toe,m.a.w. de term p^ x[-^-y—-] wordt groter en daarmee de waarde van de teller Pj.(Ve + VQ), welke 0 weer een maat is voor de hoeveelheid (verbrandingsluchtG-j die in de cylinders kan worden ondergebracht! Met d als (atm.) luchtdichtheid, zijnde de op 20 eenzelfde inlaattemperatuur gecorrigeerde (door tussenkoeling bereikte) waarde, wordt het opneembare luchtgewicht: G1 =d.p1.(Ve + V0)*=d.p1.R,V0..... , (2) waarbij p^ en R onderling zijn gekoppeld volgens vergelijking (la), m.a.w. conform de curven Pc, Fig.2.

Vl * d*Pc ' Vsl 25 Voor V. - vb- it schrijvend wordt, na invulling: G-, = -— ...» (3) 0 1 Rn .(Rm-1) en dit vertegenwoordigt het luchtgewicht dat tijdens een arbeidscyclus de motorcylinders passeert. Het is dus ook een maat voor de hoeveelheid brandstof, welke met een bepaalde - van de soort en kwaliteit afhankelijke - luchtovermaat kan worden verbrand, en daardoor tevens maatgevend voor het produceer-30 bare vermogen!

De formule opent zo de mogelijkheid om gelijksoortige motoren - d.w.z. motorenmet gelijk cylindervolume (totaal slagvolume V -j ), met gelijk max.toerental en eenzelfde thermisch rendement - de ene soort met de gebruikel i jke vaste compressieverhouding, de andere toegerust met het voorgestelde varieerbare 35 compressieverhoudingssysteera, met el kaar te vergel ijken en daarmee de grotere prestatie mogel i jkheden van het laatstgenoemde type naar voren te brengen.

Identieke factoren, zoals , de toeren term (^gg), de luchtdichtheid d en -in eerste instantie - ook het thermisch rendement behoeven dan niet meer in 8301347 i i - 4 - de formules te worden meegevoerd. De, met of zonder VC, haalbare vermogens zijn nu alleen nog maar een functie van de "drukklasse" P , de "ingebouwde" v compressieverhouding Rm, de variabele waarden R en(omOtto- met Diesel-cyclus motoren te kunnen vergelijken) met de luchtovermaatfactor λ 1 5 Zo komt men tot een, voor het beoogde doel toereikende, eenvoudige formule, welke een z.g."vermogen-waarde cijfer" (c.kW) oplevert dat een motor - b.v.vier-cylinder 4T voertuigmotor - kan opbrengen: cJ:l.j _ Pc Pc X.Rn”! (R -1) X.R0,3? (R -1) ^ ' m ' m

De formule toont aan dat het produceerbare vermogen van een variabele compres-10 sie(verhouding)motor zal toenemen, wanneer de compressieverhouding (R) moet worden verlaagd, omdat de compressor een hogere druk p^ opbrengt.Die toename in vermogen kan worden uitgedrukt in een verhoudingsf actor α , waarbij: β = (Rm / R)0,35 (5)

Met de " i ngebouwde" compressieverhouding (Rm) als uitgangspunt is vooreen 15 drietal waarden Rm in de Figuren 3,4 en 5 het (toenemend) vermogen, c.kW, als functie van een variërende compressieverhouding R weergegeven. De waarde Rm=ll vanFig.3 correspondeert met ene bij zwaardere tractie voertuigen (trucks, locomotieven) gebruikelijke waarde.

Voor de drie curvenbundels (Fig.3,4en 5), met compressie "drukklassen" P va- w 20 riërend van 35 t/m 65 bar., geeft de -gestreepte - curve ade begrenzing aan van hetgeen er met kl ei ne ëëntraps, hoogtoerige turbocompressoren met hoog rendement (max. drukverhouding ca. 1:3,5) haalbaar is.

Met uitzondering van de hogere drukklassen P , ligt het gehele operationele g’ebied van deze VC-Diesel turbomotoren in een zóne, waarbij - door de lage 25 compressieverhoudingen en de aanwezigheid van een tussenkoeler - de compressie-eindtemperatuur ontoereikend is geworden voor zeifontsteking.Er zal daarom een krachtig gloei element, analoog aan de (gloeidraad) startbouchie, moeten worden aangebracht, dat in feite permanent zal moeten functioneren! Ook toepassing van z.g. "hot-center" zuigers zal nuttig zijn om de ontsteking en de goede verbran-30 ding bij hoog toerental te bevorderen.

Het bizondere van deze VC-motoren is echter dat zij bij start,nul!ast en in langzaam stadsverkeer - wanneer de compressor (nog) niet effectief is - automatisch op de maximale compressieverhouding (R^ll) staan ingesteld en dan ook zónder dit hulpmiddel kunnen functioneren! Er is dus geen koude-start probleem! 35 Vol 1 edighëidshalve: bij de Otto-VC turbomotoren is toepassing van gloeielemen-ten, uiteraard overbodig. (Ook niet mogelijk).

Wanneer men in de genoemde figuren horizontalen trekt naar de ordinaten Rm , dan blijkt een variabele compressie (VC) motor, zoals die volgens Fig.4 met een compressie-einddruk van b.v. 50 bar, (P^g), eenzelfde vermogen te 8301347 -5- ·* * kunnen ontwi kkel en al s een conventionele Diesel-turbomotor Pcg0; een VC-turbomotor (Fig.5) blijkt een gel ijk vermogen te kunnen produceren als een conventionele Ρς^ motor,enz. (E.e.a. bij gelijk max.toerental en gelijke luchtovermaat.) 5 En wanneer men zich real iseert dat het product: (hoger max.toerental maal thermisch rendement) van Otto-motoren, t.w. (6000x0,25), gelijk is aan dat van Dieselmotoren, (4000 x ca.0,375), kunnen de c.kW-waardecijfer curven ook wel in eenzelfde diagram worden getekend, zoals is gebeurd inFig.6.

Men constateert dat een lichte VC-Pc40 Diesel (met λ=1,30) - bij gelijke 10 cylinderinhoud - in vermogen gelijkwaardig wordt aan de conventionele Otto-turbomotoren en superieur is aan de "klop detector"-turbo's! (met λ = 1,10).

Die lichtere bouw, met name van het zuiger/drijfstang mechanisme, opent de mogelijkheid tot hogere toerenniveaus (dan de huidige max.4000/min.) en daardoor tot verdere vermogensvergroting! 15 De invloed van de geringere massawerking kan, globaal, op de vierkantswortel der drukklasse-verhouding worden gesteld en het toeren niveau van deze lichtere VC voertuig-turbomotoren kan dus met ca.12% a 15¾ worden verhoogd.

De genoemde P^ Diesel-turbo benadert met zijn 4600 toeren/min.zelfs de vermogenszöne van de voorgestelde VC-0tto-turbo1s1 20 HOOFDSTUK II.

Nokkenasverstelinrichtingen.

Inleiding: Men kan zich een door tandwielen aangedreven nokkenas 1 voorstellen (Fig.7), waarbij schroefvormig verlopende vertandingen zijn toegepast. Een der tussenassen 2 zou kunnen worden voorzien van twee bredere 25 schroeftandwielen3 en 4, de ene met linkse, de andere met rechtse spoed!

Wanneer genoemde tussenas 2 axiaal zou worden verschoven, zal er een relatieve verdraaiing van de aangesloten tandwielen 6 en 7 t.o. v. elkaar plaatsvinden, m.a.w. de stand van de nokkenas It.o.v.de krukas 5, waarop deze tandwielen zijn aangebracht, wordt er door gewijzigd; en daarmee de tijdstippen 30 van openen en sluiten van de cylinderkleppen. De op deze wijze bereikbare verstellingen zijn betrekkel ijk klein; het principe vormt evenwel het uitgangspunt van de hieronder omschreven vinding, t.w. een inertievrije nokkenasverstel inrichting met een zeer groot regel bereik. Deze komt in de plaats van de bekende, bij scheepsmotoren met lage tot middelhoge toeren toegepaste 35 kleppenverstelinrichting conform Fig.8, waarbij de tijdstippen van openen en sluiten worden gewijzigd door de klepstoterrol 8 van de klepstoterstang 9 met behulp van een verstel as 10 en hefbomen 11 tangentiaal om de ronddraaiende nokkenas 12 te verplaatsen. Daarvoor zijn echter relatief lange klepstoter-stangen nodig, in combinatie met grote en daardoor zware kleppenhefbomen 13.

40 Het systeem is niet alleen gecompliceerd, maar ook niet geschikt voor hoog- 8301347 , P * - 6 - toerige voertuigmotoren (ca.6000 t/min.!), waarvoor - om de massakrachten te verkleinen - een bovenliggende nokkenas (dus zonder stoterstangen) - noodzakelijk is!

Omschrijving inertievrije nokkenasverstelinrichting. (Fig.9A en 9C).

5 Een aan de buiten- en binnenkant met resp. links- en rechtsgangig, rechthoekig, schroefdraad uitgevoerde regel bus 14, welke beweegbaar is binnen een, met corresponderende schroefgangen uitgeruste wiel naaf 15 en eveneens beweegbaar is over een analoog uitgevoerd, aangepast, nokkenaseinde 16, zal bij axiale verschuiving het aandrijvende wiel 17, en de aangedreven nokkenas 18 in tegen-10 gestelde zin uit elkaar doen draaien; of omgekeerd. De hiervoor benodigde kracht kan van buiten uit, al dan niet via een drukkogellager 19, doormiddel van een regel hefboom 20 worden uitgeoefend.

Vanwege de tegengesteld verlopende schroefgangen op een relatief kleine bus-diameter, zijn dan met (axiale) verplaatsingen van enkele cms reeds grote klep-'15 verstellingen mogelijk, zelfs over meer dan 90° krukashoek, dus groter dan hetgeen realiseerbaar is met bekende systemen, (zoals b.v. Fig.8).

Het reactiekoppel, dat door het aandrijvende wiel 17 moet worden overwonnen is opgebouwd uit de som van de op de nokken(as) 18 werkende klepveerkrachten, de versnellings- en vertragingskrachten, alsmede de gaskrachten, i .h.b.die af-20 komstig van de uitlaatkleppen.

Bij een viercyl indermotor is de overlappende beïnvloeding door buurcylinders evenwel beperkt, waardoor deweerstandbiedénde koppels der respectievelijke kleppenmechanismèn, over twee omwentelingen verdeeld, min of meer gescheiden optreden. De resulterende fluctuaties worden enigszins gestimuleerd door de niet 25 volkomen eenparig ronddraaiende krukas. Gelukkig is de frequentie van deze fluctuaties, zelfs bij zeer lage toerentallen, zó hoog dat van een basiskoppel met daaroverheen een hoogfrequenté "rimpelfluctuatie" kan worden gesproken.

Als uitgangspunt voor een constructie voor een 4T-motormet 4 cylinders van 3 ca.500 cm inhoud kan met een bas is koppel in de orde van 0,6 kpm worden gerekend, 30 welk koppel door de schroef bus 14 voornoemd moet worden opgenomen om het vervolgens, via de inwendige vertanding aan de nokkenas 18 over te dragen. Bij een nokkenaseind diameter 16 van b.v. 4 cm, (r=20 mm ), zie Fig.lOA, wordt de om-trekskracht 30 kg en met een schroeftandhelling (spoed) van 1:4 is de op de nokkenas 18 werkende axiaal kracht 7,5 kg groot. Een gelijke,maar .tegengesteld ge-35 richte reactiekracht zal de bus 14 naar buiten trachten te drukken en moet door de regel hefboom 20 kunnen worden opgevangen. Wanneer op de buitenkant van de bus (Fig.9A, 10A) een soortgelijke, in de aandrijvende wiel naaf 15 passende schroefverbinding, maar nu met tegengestelde spoed, is aangebracht zal deze eveneens een naar buiten gerichte kracht op de bus uitoefenen, welke de genoemde 40 regelhefboom 20 nog meer zal belasten.

8301347 - 7 - ft %

Bij een juiste keuze van de richting der schroefvormig verlopende vertandingen zal de reactiekracht het aandrijvende tand- of kettingwiel 17 naar het motorblok 21 toe drukken, zodat er geen probleem bestaat om dit wiel tegen uitschuiven te behoeden.

5 Voor een hoog motor belastingsgeval, welke een inlaatkleppenverstelling van b.v. 90° krukhoek t.o.v. de conventionele positie nodig maakt, zal de nokkenas 45° in de draairichting moeten kunnen worden versteld. Ten opzichte van de regel-bus 14 verdraaien wielnaaf en nokkenas, bij gelijke spoed, dan elk over de halve hoek, dus 22,5°, wat bij een (gemiddelde) busdiameter van 4 cm met een booglengte 10 van 8 mm overeenkomt, en waarmee - bi j een schroeftandspoed 1:4- weereen axiale bus verplaatsing van 32 mm correspondeert. Deze spoed benadert wel ongeveer het toelaatbare maximum (waarboven n.1. zelfremmendheid optreedt I ).

Het van buitenaf werkende regel mechaniek zou, bij de slaglengte van ca.32 mm, dus een tamel ijk grote kracht moeten opbrengen, maar deze kan met behulp van de 15 hierna te omschrijven nokkenas uitvoering grotendeels worden gecompenseerd 1

Compensatie van de axiale krachtcomponent.

Gebruikmakend van de real iteit dat de koppelfl uctuaties ook bij 1 age toerentallen reeds een hoge frequentie bezitten, zodat het weerstand biedende koppel een redelijk constante waarde bezit, kan de uitwendige regelhefboom 20 in grote 20 mate worden ontl ast door op de schroefbus 14 voornoemd een voorgespannen veer 22 (Fig.9B) te laten werken, welke deze bus naar binnen trekt en - zodra de motor draait - instaat is b.v. 80 S 90¾ van de dan optredende en naar buiten gerichte axiale kracht op te vangen. Het benodigde regelmechanisme valt dan lichter uit en de regeling wordt veel soepeler.

25 Zulk een veer mag over de slaglengte van de bus (ca .3 cm), uiteraard, maar weinig in spanning veranderen. Hij zal daarom een vlakke karakteristiekmoeten bezitten; d.w.z. velewindingen moeten hebben en valt daardoor relatief lang uit! Een veer 22 welke aan deze eisen voldoet blijkt zeer goed in een hol uitgevoerde nokkenas 18 te kunnen worden ingebouwd! • 30 Met de stel schroef 23 op de trekstang 24 wel ke de veerschotel 25 met de regel -bus 14 voornoemd verbindt, kan de veerspanning worden ingesteld.

Aangezien de tijdsduur van de koppel fluctuaties bij zeer lage toerentallen relatief groot kan worden en de daaruit resulterende variaties in de axiaal kracht wellicht storend op de positie van de regel bus zouden kunnen werken, kan zonodig 35 nog een luchtkussendemper worden aangebouwd. Daartoe kan (b.v.) de veerschotel 25 als nauw in de nokkenas sluitende plunjer 25 worden uitgevoerd. De tussen deheen en weer bewegende plunjer 25 en de afsluitkap 26 ingesloten lucht kan nu alleen door één of meer nauwe gaatjes 27 ontsnappen, c.q. toestromen.

Ook massavergroting - b.v. een dikkere trekstang 24 - kan nuttig zijn.

40 De schommelingen worden hierdoor gedempt, terwijl de relatief trage busverstel- 8301347 - 8 - lingen ook bij de zeer lage toerentallen niet meer worden gehinderd. Alternatieven.

1. In Fig.lOB is het aantal schroefvertandingen in dewielnaaf 5, de regelbus 14 en het nokkenaseinde 16 tot 2 stuks gereduceerd, zulks om de aanmaakkosten laag 5 te houden.

2. Een eenvoudige uitvoeringsvorm (Fig.11), zonder voorgespannen veercompen-sator, krijgt men door de schroeftand hellingshoeken tamelijk flauw uit te voeren. De axiaal krachten, inclusief hun fluctuaties, zijn dan klein, maar de slag van regel hefboom 20 wordt uiteraard groter! Ook in dit geval kan de invloed 10 van optredende koppel fluctuaties worden afgezwakt door de gel eiders tang 28 nauw-passend in de boring 29 uit te voeren en de, in de ruimte 30 achter de stang 28 ingesloten, lucht via nauwe gaatjes 31 met de buitenlucht in verbinding te brengen.

HOOFDSTUK III.

Regeling van de effectieve compressieslaglengte. (Effectieve slagvolume Ve).

15 De, aan de luchtoverdruk aangepaste, variabele compressieverhouding (R) kan, zoals bekend, worden gerealiseerd door wijziging van het tijdstip van sluiten van de inlaatklep.

Bij voertuigmotorenmet gescheiden nokkenassen voor inlaat- en uitlaatkleppen zou dan kunnen worden volstaan met alleen de inlaatnokkenas verstelbaar te ma-20 ken. Dit kan zowel door verlating als door vervroeging van het tijdstip van sluiten van de inlaatklep gebeuren. De vullingsgraad der cyl inders wordt door de keuze enigszins beTnvloed.·

In het eerstgenoemde geval (verlating) opent de inlaatklep uiteraard ook later, waardoor de noodzakelijke over!appingsperiodemet de, nog niet gesloten, uit-25 laatklep (bij DP.DZ.) kleiner wordt; zelfs geheel zou kunnen te vervallen!

In het tweede geval (vervroegd sluiten) wordt die overlapping daarentegen vergroot en de wegspoel i ng van de resterende verbrandingsgassen verbeterd!

Deze methode wordt bij hoogopgeladen grote Dieselmotoren toegepast. De openings-en sluitingstijdstippen van de uitlaatkleppen kunnen ongewijzigd blijven.

30 Maar ook bij snel draaiende voertuigmotoren, welke veelal met één enkele hooggelegen nokkenas zijn uitgerust, kan het VC-systeem zonder bezwaar en met voordeel worden toegepast! Vanwege de vaste onderlingeposit-i.es der nokken komt voor het realiseren,van een compres'sieverhoudingsverlaging dan alleen de verlate sluiting van de inlaatklep in aanmerking. Bij de daarvoor benodigde nokkenasverstelling 35 - met de draairichting mee - zouechterhet tijdstip van de vooruitlaaten van de eerdergenoemde over!appingsperiode, eveneens worden verlaat,d.w.z. te laat optreden! Om dit te corrigeren zou de uitlaatnok in feitein zijn geheel over een zekere hoek, tegen de asdraairichting in, moeten worden terug geschoven,m.a.w.de booglengte dient in die richting te worden verlengd.

8301347 - 9 -

En voor een aangepaste, toereikende, overlapping zal hetzelfde ook moeten gebeuren met de oploopflank (begin klepopening) van de inlaatnok. De booglengten van beide nokken vallen daardoor, resp. ca.35 en 30 graden langer uit dan bij een VC-turbomotor met gescheiden nokkenassen. (en diemet een vaste compressiever-5 houding!). E.e.a. is verduidelijkt aan de hand van de kleppendiagrammen Fig JL2 en Fig.13, waarbij de laatste, - ter vergelijking - een beeld toont van de openingsperioden der kleppen van conventionele turbomotoren met hun vaste compressieverhoudingen Rm-

Fig.12 A en C geven de kleppenopeningsperioden weer van de variabelecompres-10 sieverhouding turbomotor volgens de vinding; resp. voor start en lage motorbe-lastingen (A), voor de maximale belasting (C) en voor een daartussen gelegen belastingsgeval (B). Een nadere beschouwing van Fig.12,A leert dat de sterk vervroegde vooropening van de uitlaatklep bij de start tot een relatief grote inkorting van de gasexpansiecurve leidt. De hieruit resulterende krachtiger 15 drukimpulsen met sterk vergrote kinetische energie zul len de turbo-compressor nu in veel kortere tijd op (en over) het toerental brengen waarbij deze de gewenste boven-atmospherische druk opbouwt. De motor zal daardoor reeds een krachtig koppel kunnen 1 everen bij toerental 1 en wel ke ruim beneden de 1000/min. kunnen liggen! (Zie hoofdstuk IV).

20 In het bijzonder zul len VC-turbomotoren, werkende volgens de Ottocyclus (met hun lage ingebouwde compressieverhouding), hiervan profiteren en nu ook i n stadsverkeer, vanui 11 age motortoer en tal 1 en, fel 1 er kunnen accel ereren.

Zodra de turbo-compressor echter overdruk opbouwt treedt automatisch de nok-kenasverstell er inwerking (Fig.14), waardoor de (te) vroege vooruitlaat weer 25 snel wordt verkleind, en waarna zich een evenwichtstoestand insteltmet een optimale benutting van de uitlaatgasenergie! N.B.: Ook bij Otto-turbomotoren met twee gescheiden nokkenassen kan dit gunstige acceleratie effect bij lage toeren worden gereal iseerd door b. v. de uitlaatnok-kenas via een tandwiel transmiss ie vanuit de (verstelbare) inlaatnokkenas aan 30 te drijven.

De automatische, aan de luchtdruk aangepaste compressieverhouding-regeli ng. (Nokkenasverstelling).

In Fig.14 is het principe schematisch weergegeven. Daarin stelt 21 de turbomotor voor met bovenliggende nokkenas 18, aangedreven door wiel 17, welke is 35 uitgerust met een, in de naaf 15 aangebrachte en van schroeftanden voorziene regelbus 14. (Zoals omschreven in Hoofdstuk II). Deze kan door detussenhef-boom 20, draaibaar om as 33,axiaal worden verschoven. De bewegingen geschieden volgens een patroon dat is verwerkt in het nokprofiel van een langs detus-senhefboom 20 draaiende schijf 34. De laatste is gemonteerd op de as 35 , 40 waarop ook de hefboom 36 is bevestigd, welke de bewegingen volgt van de veerbe- 8301347 - 10 - laste zuiger 37 inde luchtcylinder38. Zodra nu de door de uitlaatgasturbine aangedreven luchtcompressor, door toenemend toerental, een overdruk opbouwt zal de zuiger van de luchtcylinder 38 tegen de druk van de veer 39 in omhoog bewegen en doormiddel van de hefboom 36 de geprofileerde schijf 34 verdraaien. De 5 veer 39 zal een tegengestelde verdraaiing tot stand brengen wanneer de luchtdruk afneemt! Hierdoor zal de schroefbus 14 de benodigde positie veranderingen ondergaan, waardoor de nokkenas 18 en het door de krukas aangedreven wiel 17 t.o.v. el kaar verdraaien; de sluit- en openingstijden van de kleppen worden t.o.v.de krukas positie gewi jzigd.

10 De vormgeving van de profiel schijf 34 dient zodanig te zijn uitgevoerd dat de effectieve compressieslaglengte (en daarmee de variabele compressieverhou-ding R) gekoppel d bl i jft aan de 1 uchtdruk p^, en wèl conform de voorwaarde zoal s die is vastgelegd door vergelijking (la).

Het systeem kan,desgewenst, worden voorzien van een drukbegrenzing in de vorm 15 van openingen 39 in de cylinder 38, welke door de veerbelaste zuiger 37 kunnen worden ontsloten.

HOOFDSTUK IV.

Verbeterde brandstofeconomie en krachtiger acceleratie.

Bij turbomotoren bestemd voor scheeps-voortstuwing wordt algemeen een·turbocompressor toegepast, waarbij de maximale drukverhoging samenvalt met het hoog-20 ste (schroefas) toerental. Aldus wordt het grootste koppel ontwikkeld bij maximum motorvermogen. (Zie Fig.15, curve 1).

Voor voertuig-turbomotoren kiest men evenwel een krapper bemeten luchtcompressor (curve 2), waardoor het maximale koppel bij de middel hoge motortoerentall en ter beschikking komt. De acceleratie eigenschappen zijn dan beter. De in dit 25 toerengebied beschikbare luchtdrukverhoging kan echter bij conventionele turbomotoren (vanwege de vaste compressieverhouding) niet volledig worden benut. Om de toelaatbare compressie(eind) drukken niet te overschrijden moet, of lucht worden af gevoerd, of tijdig een deel van de geproduceerde uitlaatgassen om de turbi ne heen worden gel ei d, waardoor de 1 uchtdruk wordt beperkt tot het nog toe-30 laatbare niveau van curve 3.

1. Bij de VC-turbomotoren volgens de vinding en voorzien van twee nokkenassen -waarvan alleen de inlaatkleppen nokkenas verstelbaar is gemaakt - is "bypassing" van uitlaatgas of lucht evenwel overbodig. De zich aan de luchtdruk aanpassende compressieverhouding (R) maakt het de motor immers moge! ijk om iedere door een· 35 (enkelwaaierige) compressor geproduceerde druk (ongeveer tot 3,5 bar abs.) te accepteren! Als gevolg hiervan zal het leverbare koppel ook veel groter kunnen zijn en de acceleratie mogelijkheden in het genoemde toerengebied worden optimaal. Bovendien wordt er nu geen benutbare uitlaatgas energiemeer verspild. De brand- 8301347 - 11 - stof economie wordt er door bevorderdI In Fig.16 is het geharceerde deel een maat voor de toename van het motorkoppel. Het i s gewenst om de veer op de regel -zuiger 37 van het regelsysteem, Fig.14, onder voorspanning aan te brengen, en wel in zul k een mate dat de compressieverhouding pas wordt verkleind, wanneer de 5 luchtdruk p^ een waarde bereikt, waarboven compressie regeling noodzakelijk wordt.

2. Bij VC-turbomotoren met "gestuurde" enkele nokkenas worden, zoals eerder toegelicht, compressieverhouding (R) en vroege uitlaat (VU) gelijktijdig versteld. Bij stilstand van de motor staat de regelzuiger 37 (Fig.14) in zijn laagste 10 stand; de compressieverhouding is dan maximaal (Rm), terwijl de uitlaatkleppen op optimale vooruitlaat staan ingesteld. Vooreen directer reactie op de luchtdruk mag de terugstelveer 39 nu echter geen voorspanning bezitten!

Wanneer de motor aanslaat zullen nl. - in eerste instantie -, relatief krachtige (na) expanderende gasdrukstoten naar de turbine worden gevoerd, wel ke de lucht-15 compressor in snel tempo op een effectief, overdrukopbouwend, toerental zullen brengen. Deze overdruk zal echter onmiddel 1 ijk het regelmechanisme activeren, waardoor de (te) vroege VU snel af neemt en de compressi everhoudi ng wordt ver! aagd, De energi e toevoer naar de turbocompressor wordt daardoor weer kl ei ner en het toerental neemt zoveel af totdat de luchtdruk p1 en de VU elkaar in een even-20 wicht hebben gevonden. Bij iedere volgende brandstofvermeerdering zal deze wisselwerking zich herhalen.

Zijn de stappen groot, zoals bij krachtig optrekken (aanzetten), dan zal de luchtdruk p^ reeds bij een zeer laag motortoerental naar een optimale waarde toestijgen, - en de compressieverhouding R zal daarbij tot een minimum zijn ge-25 daald. Aan de hand van de luchtdruk-, koppel- en vermogen curven van Fig.16 (Audi-5 cyl.) is te zien hoeveel het vermogen kan worden opgevoerd en hoe sterk de acceleratie kan worden verbeterd! (Geharceerd.) De oplopende curve 2 van de luchtcompressor karakteristiek wordt a.h.w. naar links, d.w.z. in het lage toeren gebied getrokken (gestreepte curve4) en het is duidelijk dat het leverbare 30 motorkoppel hierdoor zal zijn toegenomeni Curve 5.

De acceleratie-eigenschappen van het voertuig in stadsverkeer - en daarbuiten -worden er aanzienlijk door verbeterd!

Ook bij af nemende voertuigbelastingen vindt voortdurendr wisselwerking tussen Pj en de VU plaats. Daarbij zal de luchtdruk, uiteraard, niet maximaal en de VU 35 niet meer minimaal kunnen zijn. De turbocompressor neemt dan relatief meer ui t-1 aatgasenergi e op dan bij conventionel e turbomotoren het geval is. Di t i s niet bezwaar! ijk omdat de hoge rendementen van moderne turbine-compressoren een zeer grote terugwinning van energie, in de vorm van voorgecomprimeerde verbrandingslucht, waarborgen; een arbeidsprestatiewelke demotorzuigers dus niet meer be-40 hoeven op te brengen. Het aandeel van de turbocompressor in de arbeidsleven'ng wordt bijlagere motorbelasting dus veel groter; de taak van de turbo- 8301347 - 12 - compressor in het totale arbeidsproces is belangrijker geworden! E.e.a. kan van gunstige invloed zijn op het thermisch rendement. Er is een dynamische wisselwerking tussen motor en turbine-compressor ontstaan, wel ke naast (zeer) krachtige acceleratiemogelijkheden, ook tot verbetering van de brandstofeconomie zal 5 leiden; meer i .h.b. in het middelhoge toerengebied.

Uitvoeringsvormen met, relatief, lage compressie einddrukken (b.v.hetP^Q · type of lager) zijn - zoals eerder vermeld - goed mogelijk door de plaatsing van een of twee krachtige, permanent functionerende gloei draad elementen. Een combinatie met z.g." hot center" zuigers geniet de voorkeur.

10 Deze moderne versie van "gloei-zuiger" motoren onderscheidt zich van de bekende oude 2T-lage druk gloeikopmotoren (met carter spoel ing) door een veel hogere compressie einddruk en de betere lucht overmaat! Expimenteel zal moeten worden vastgesteld waar de uiterste condities liggen voor combinaties van toerental en druk (Pc)! 15 Overtoerenbeveiliging van de turbo-compressor.

Bij toepassing van een "ruim bemeten" compressor, waarbij de maximale druk-verhoging P2/Pi (curve l,Fig.15) correspondeert met de hoogste motorbelasting (bij max.motortoerental) zullen er geen overtoeren problemen voor de turbocompressor zijn. Daarentegen zal bij een."krap bemeten" turbo-compressor,waar-20 bij n.1. een dalende tak in de lucht!evering karakteristiek optreedt, bij toenemend motorvermogen - en nè passering van punt A - opnieuw een nokkenasver-stelling plaats vinden, welke opnieuw tot vervroeging van de Vroege Uitlaat (VU) zal leiden! Het toerental van de turbo-compressor zou dan te hoog kunnen oplopen! Het schema volgens Fig. 17 toont een overtoerenbeveiligingsysteem, 25 waarbij gebruik gemaakt wordt van een door de motor aangedreven centrifugaal-verstel 1 er 40 wel ke een 1 uchtkraan 41 bedi ent. Door deze 1 uchtkraan wordt nu, na overschrijding van (b.v.) 4000 t/min.(punt A van Fig.15), de compressor lucht (druk) met de 1 uchtcyl inder 42 in verbinding gebracht, waardoor de zuiger 43, verbonden met de hefboom 20,de schroefbus 14 in de uiterst rechtse stand drukt 30 (en aangedrukt houdt!). De daarmee corresponderende nokkenaspositie handhaaft dan een vaste, uiterste (tevens gunstigste) VU-instelling in het gehele, hoge toerengebied!

Wanneer het motortoerental weer afneemt (tot in het gebied 1 inks van A) zal de regulateur 40 de 1 uchtkraan 41 weer terugdraaien, zodat de verbinding met de 35 luchtcompressor wordt verbroken terwijl de druklucht in de ruimte 42, voor de zuiger 43,met de buitenlucht in verbinding wordt gesteld. De regelhefboom 20 herkrijgt daardoor zijn bewegingsvrijheid.

Een alternatieve nokkenas-verstelmethode.

Een andere, wat meer bouwruimte vereisende nokkenasverstelmethode -eveneens 8301347 - 13 - 5 inertie vrij, maar met beperkter moge!ijkheden - brengt Fig. 18. Deze uitvoeringsvorm kan worden toegepast bij ketting-of tandriemaandrijvingen enwel door de spanrol 44 en geleiderol 45 samen in een, om het krukas-center 46 of om het nokkenascenter 47 als (fictief) middelpunt, draaibaar frame of rollensegment 48 onder te brengen dat door de verstel stang 49, kan worden bewogen tot in de uiterste 10 posities volgens de Figuren 18 A of B, en ook in elke daartussen gelegen positie kan worden gebracht. Het is duidel ijk dat hierdoor relatieve verdraaiingen tussen de krukas 46 en de nokkenas 47 (18) tot stand kunnen worden gebracht.

Op de stang 49 werkt een component van de trekkrachten wel ke bij aandrijving van de nokkenas inde tand enriem 50 kunnen optreden.

15 De beweging van verstel staiig 49 wordt ontl eend aan de meerdere of mi ndere verdraaiing van de geprofileerde kamschijf 51 op de as 52, wel ke as kan worden gedraaid met behulp van de hefboom 53 en die op zijn beurt wordt bewogen door de zuigerstang 54, welke verbonden is met de zuiger 55 in de stuurluchtcylinder 56.

De door de compressor opgebrachte luchtdrukzal de zuiger 55 trachten tever-20 plaatsen en daarmee ook de regel stang 49, tegen de krachtencomponenten van de ketting- c.q. tandenriem 50 in. Met instelbare luchtopeningen 57 kan de nodige dempi ng worden gei ntroduceerd.

In geval van een hoger wordende luchtdruk, waardoor de verstel stang 49 een grotere kracht gaat uitoefenen, zorgt deze voor een verdere verdraaiing van het 25 rollenframe (segment) 48, waarbij de evenwichtsposities worden bepaald door de resul tanten van de tegengestel d werkende en eveneens toegenomen ri em krachtencomponenten. Als gevolg van de hierdoor ontstane verdere verdraaiing van het rollensegment 48 ontstaat zo een toenemende relatieve hoekverdraaiing tussen krukas en nokkenas en daardoor de gewenste verlating van het tijdstip van sluiten 30 van de inlaatkleppen.

Om er voor te zorgen dat dit geschiedt in overeenstemming met de eerdergenoemde vergelijking (la) zal de kamschijf 51 een aangepast, d.w.z. corrigerend profiel moeten bezitten, dat zowel grafisch als experimenteel kan worden bepaald.

Een lichte terugstelveer 58 dient te worden toegevoegd, aangezien de kamschijf 35 51 min of meer zeifremmend is. Die zelfremmendheid kan een extra demper (anders dan de instelbare luchtopeningen 57) overbodig maken.

8301347

Claims (14)

1 Viertakt turbomotor uitgerust met, een door uitlaatgassen gedreven turbine compressor, in het bizonder geschikt als snellopende motor voor voertuigen, waarbij een variabele compressieverhouding mogelijk gemaakt is door variabiliteit van het tijdstip van sluiten van de inlaat- 5 klep(pen), in afhankelijkheid van de door de turbocompressor geleverde luchtdruk, zodanig dat de compressie-einddruk onder alle omstandigheden een gewenste waarde verkrijgt.

2 Turbomotor volgens conclusie 1, waarbij het tijdstip van openen van de uitlaatklep(pen) gevarieerd wordt in afhankelijkheid van de door de 10 turbocompressor geleverde luchtdruk, met het doel om deze turbine compressor eerder - d.w.z. reeds bij laag motortoerental - meer (uitlaatgas) energie toe te voeren, waardoor er eerder meer lucht, onder overdruk, aan de motor wordt geleverd.

3 Turbomotor volgens conclusie 1 en 2, waarbij bij toename van de lucht- 15 druk de inlaatklep(pen) later sluit(en) en de uitlaatklep(pen) later opent (openen), terwijl bij afname van de luchtdruk de inlaatklep(pen) eerder sl.uit(en) en de uitlaatklep(pen) eerder opent (openen), (Fig.12), waardoor een gebalanceerde wisselwerking van energie tussen turbocompressor en motor wordt gecreëerd.

20. Turbomotor volgens voorgaande conclusies, waarbij voor de realisatie van conclusie 3 de bediening van de inlaat- en uitlaatkleppen zowel met gescheiden nokkenassen, als met een enkele gemeenschappelijke nok-kenas kan geschieden en waarbij voor het bereiken van de gunstigste arbeidscyclus de nokkenposities zijn gecorrigeerd.

25. Turbomotor volgens een of meer der voorafgaande conclusies, waarbij variatie in de tijdstippen van openen en/of sluiten der kleppen verkregen wordt door wijziging van de positie (hoekstand) van de, de kleppen bedienende, nokkenas ten opzichte van de krukas.

6 Turbomotor volgens conclusie S’* waarbij tussen het nokkenaseinde en 30 het deze omgevende aandrijfwiel een krachten voortbrengende bus is aangebracht, welke ten opzichte van de beide genoemde elementen in asrichting verplaatsbaar is, en ten opzichte van tenminste ëën dezer elementen, door toepassing van een schroefverbinding tussen de bus en het betrokken element, verdraaibaar is. 8301347 v - 15 - .

7 Turbomotor volgens conclusie 6, waarbij de bus voor de verplaatsing in asrichting bewogen kan worden door een zuiger waarop de compressor-druk werkt, en waarbij tussen de zuiger en de bus een overbrenging aanwezig is, waardoor de bewegingen van de zuiger en de bus zodanig 5 op elkaar afgestemd zijn dat de compressie-einddruk op de gewenste waarde komt.

8 Turbomotor volgens conclusie 6 of 7, waarbij de schroefverbinding tussen de bus enerzijds en de nokkenas en/of het aandrijfwiel anderzijds niet zelfremmend is en de bij aandrijving van de nokkenas op de bus 10 werkende axiale kracht door veerkracht geheel of gedeeltelijk wordt gecompenseerd.

9 Turbomotor volgens conclusie 6, waarbij de bus een schroefdraadver-binding met een der genoemde elementen en een schuifspieverbinding met het andere element bezit. 15 10 Turbomotor volgens conclusie 6, waarbij de bus een, bij voorkeur rechthoekige, schroefdraadverbinding met beide elementen bezit, doch waarvan de windingen een tegengestelde spoed vertonen.

11 Turbomotor volgens een of meer der voorgaande conclusies, waarbij de lengten der nokkenbogen van de nokkenas zodanig gekozen zijn dat een 20 voldoende overlapping der openingsperioden van inlaat- en uitlaatkleppen wordt gerealiseerd en dat deze overlapping bij nokkenas(sen) verstel! ing(en) optreedt in de nabijheid van het bovenste dode punt van de zuigerweg.

12 Turbomotor volgens conclusie 5, waarbij de onderlinge hoekpositie 25 tussen nokkenas en krukas kan worden gewijzigd door middel van span-roll en, werkende op de parten van een ruim bemeten tandenriem of aan-drijfketting tussen krukas en nokkenas. (Fig.18).

13 Turbomotor volgens conclusie 8 waarbij een op de bus werkende, uit vele windingen bestaande, voorgespannen trekveer met vlakke karakteris- 30 tiek, is ondergebracht in een hol uitgevoerde nokkenas. (Fig.9B).

14 Lichte, relatief hoogtoerige, en krachtig accelererende voertuig Diesel-turbomotor volgens voorgaande conclusies, welke met hoge compres-sieverhouding, door zelfontsteking start en waarbij de ontbranding van het 1ucht/brandstof mengsel bij toenemende motorbelasting, als gevolg 35 van de daarbij lager wordende compressieverhouding, wordt geassisteerd door krachtige gloei(draad)elementen, zonodig in combinatie met 8301347 ' ' ' - 16 - gloei("hot center")zuigers. (Diagrammen, Figuren 3 t/m 6 en 12.)

15 Overtoeren beveiliging van de turbocompressor op basis van een door de motor aangedreven centrifugaal regelaar, welke de nokkenas verstelling blokkeert, zodra het hoogste punt van de compressor karakteristiek is 5 bereikt, (wordt gepasseerd) (Fig.17). t 8301347