NO120559B - - Google Patents

Description

Omkastbar ekshaustturboladet totaktsforbrenningsmotor med flere sylindere.

Foreliggende oppfinnelse angår ekshaustturboladede totaktsfor-brenningsmotorer, særlig dieselmotorer, og særlig slike innrettet for store ydelser, og spesielt, men imidlertid ikke utelukkende motorer bestemt for anvendelse som fremdrivningsmaskineri i skip.

Nærmere presisert angår oppfinnelsen en omkastbar ekshaustturboladet totaktsforbrenningsmotor med flere sylindre, hvis styreorganer for innstrømning og utstromning er utformet således, at den ved motorens normale omdreiningsretning opptredende efterutstromningsperiode tjener som foravstromningsperiode ved den motsatte omdreiningsretning, og hvor turboladernes kompressorer er seriekoblet med hensyn til forbrenningsluftstrømmen, mens deres tur biner er seriekoblet med en mellomliggende receiver, idet turbinen eller turbinene i det forste trinn arbeider som impulsturbin, og turbinen eller turbinene i det annet trinn arbeider'som liketrykksturbin med stort sett konstant innstrømningstrykk.

Ved slike motorer har man hittil satt alt inn på å utfore kon-struksjonen slik at der i videst mulig utstrekning unngås ut-strømning av luft fra motorsylinderen i lopet av den nødvendigvis meget store efterutstrdmningsperiode, til hvilket formål det er foreslått å avpasse storrelsen av mellomreceiveren samt det innbyrdes forhold mellom impulsturbinen og den efterfolgende liketrykksturbin på en slik måte, at der holdes et i forhold til spyletrykket hoyt trykk i mellomreceiveren, hvorved utstrømning

gjennom impulsturbinen under efterutstromningsperioden motvirkes, inntil kompresjonen til det nye arbeidsslag begynner ved sylin-dervolumets og det blottede utstromningsareals hastige avtagen under stemplets oppadgående bevegelse.

Ved motoren ifolge den foreliggende oppfinnelse anlegges der imidlertid andre synspunkter, og på grunnlag av disse består det for oppfinnelsen karakteristiske i at turbinenes respektive ydelser er fordelt således, at trykket i mellomreceiveren er mindre enn eller maksimalt lik halvdelen av det i spyleluftreceiveren herskende trykk, og at trykket i motorsylinderen efter avslutning av spyleperioden på grunn av delvis ekspansjon og delvis utstromning fra sylinderen hoyst andrar 75% av trykket i spyleluftreceiveren, når kompresjonen begynner.

Det oppnås herved en rekke konstruksjons- og driftsmessige for-deler, som tilsammen muliggjbr oppnåelse av et meget hoyt effek-tivt middeltrykk uten skadelig forhoyelse av maksimaltrykket i sylinderen, og uten at den termiske belastning av motorens enkelte deler overstiger hva som er normalt og tillatelig. Dette henger sammen med at den flertrinnskjoling av luften, som oppnås ved at kompresjonen i turboladerne deles opp på to eller flere trinn med mulighet for mellomkjoling, suppleres med en betydelig kjoling

av luften i selve motorsylinderen som folger av den der foregå-ende ekspansjon fra det i spyleluftreceiveren herskende hoye

trykk til det vesentlig lavere endelige ladetrykk ved begynnel-sen av kompresjonen i motorsylinderen, samt med at denne betyde-lige overkompresjon av den til motorsylindrene forte luft gjor det mulig å noyes med et relativt lite tidsareal for innstromningsorganet (spyleportene), hvorved dettes åpningsperiode kan gjores meget kort, og ekshaustorganets åpningstidspunkt rykkes tilsvarende tilbake, slik at der fås en tilsvarende forlengelse av det nyttige arbeidsslag.

Videre oppnås ved den angitte kombinasjon av foranstaltninger en gunstig fordeling av den samlede turbineffekt mellom impulsturbinen og liketrykksturbinen med en passende stor del av effekten på impulsturbinen, som erfaringsmessig mister forholdsvis mindre i effekt ved lavere motorbelastninger enn turbiner arbeidende i et liketrykkssystem, hvorved det fås en sikrere drift av det samlede anlegg ved delbelastning, tomgang og start.

Det bemerkes i denne forbindelse at såvel impulsturbinen som den efterfolgende liketrykksturbin kan være utfort med ett eller flere trinn, som på vilkårlig kjent måte kan være samlet i en enkelt turbin eller fordelt på flere turbiner.

Det skal likeledes bemerkes at antallet av sideordnede impulsturbiner beror på motorens sylinderantall og mulighetene for gruppe-ring av motorsylindrene på felles turbinseksjoner, og at det som regel vil være hensiktsmessig ved motorer med mange sylindre å anvende en enkelt eller kun noen få 1iketrykksturbinder, som fodes fra mellomreceiveren, hvori samtlige eller et antall av impulsturbinene har avlop.

Det skal også bemerkes at det er en viss sammenheng mellom tids-arealet av motorsylinderens innstromningsorgan og gjennomstrom-ningsarealet av den til sylinderen sluttede impulsturbin, slik å forstå at man for å oppnå et visst bnsket trykk i spyleluftreceiveren kan anvende forskjellige kombinasjoner av tidsareal for innstromningsorganet og gjennomstromningsareal for impulsturbinen, idet et storre innstromningstidsareal krever et noe mindre turbingjennomstromningsareal og omvendt. Da utstromningen av gass fra motorsylinderen under efterutstrbmningsperioden på sin side avhenger av både impulsturbinens gjennornstrbmningsareal og efterutstrbmningstidsarealet, vil man i kraft av dette forhold alltid kunne velge en hensiktsmessig kombinasjon, som gir både tilstrekkelig hoyt trykk i spyleluftreceiveren og tilstrekkelig ekspansjon og efterutstrbmning under efterutstrbmningsperioden.

Den omstendighet at en vesentlig del av energien til drift av turbokompressorene utvinnes i en turbin, som arbeider som liketrykksturbin, medfbrer under normal drift en god virkningsgrad i ekshaustgassens utnyttelse, og forholdet mellom gjennomstrbm-ningsarealet av samtlige impulsturbiner og gjennomstrbmnings-arealet av samtlige liketrykksturbiner velges derfor hensiktsmessig ifblge oppfinnelsen slik at trykket i mellomreceiveren ved drift med normal belastning og normalt omdreiningstall minst andrar ca. en fjerdedel av trykket i spyleluftreceiveren, hvorved det sikres at en så stor del av den samlede turbinenergi tilveiebringes av liketrykksturbiner, at fordelene ved disses bedre virkningsgrad gjor seg merkbart gjeldende i det samlede resultat.

Det er som nevnt et vesentlig trekk ved oppfinnelsen at kompresjonen i motorsylinderen av ladningen til det neste arbeidsslag begynner ved et trykk, ladetrykket, som ligger vesentlig under det i spyleluftreceiveren herskende, stort sett konstante trykk, idet der i lbpet av efterutstrbmningsperioden, inntil kompresjonen setter inn, er foregått en betydelig ekspansjon og utstrbmning av sylinderens luftinnhold ved innstrbmningsorganets lukning. Den hermed tilstrebede effekt er som nevnt dels å kunne nbyes med et vesentlig mindre innstrbmningstidsareal enn ellers nbdvendig, dels å få en innvendig kjbling av sylinderen som folge av luft-ladningens ekspansjon.

Oppfinnelsen er anskueliggjort på tegningen, på hvilken

Fig. 1 skjematisk viser en utfbrelsesform for en 7-sylindret totaktsmotor ifblge oppfinnelsen. Fig. 2 viser en annen utfbrelsesform for en tilsvarende motor. Fig. 3 viser et diagram over trykkforlbp i den betraktede periode, og

Fig. 4 et styringsdiagram for en motorsylinder.

Fig. 1 viser ganske skjematisk en 7-sylindret totaktsdiesel-motor, hvis sylindre er betegnet med 1-7. Sylinderflgs ikke viste eks-haus torganer er ved hjelp av de kortest mulige rorledninger av minst mulig volum sluttet gruppevis til to ekshaustturboladere 8 og 9, hvis turbindeler 10 og 12 arbeider som impulsturbiner og trekker hver sin kompressordel, henholdsvis 11 og 13. Fra turbinene 10 og 12 fores ekshaustgassen gjennom rorledninger til en mellomreceiver 14, som er således dimensjonert, at der deri her-sker et stort sett konstant trykk. Fra mellomreceiveren 14 går ekshaustgassen gjennom en ekshaustturbolader 15, hvis turbindel 16 arbeider som liketrykksturbin og avgir ekshaustgassen til det fri, fortrinnsvis gjennom en ekshaustdampkjeie og en lyddemper på vanlig måte. Ekshaustturboladerens 15 kompressordel 17 innsuger luft fra atmosfæren og avgir den komprimerte luft gjennom mellom-kjblere 18 til de to parallelt arbeidende kompressordeler 11 og 13, som komprimerer luften ytterligere og leverer den gjennom en mellomkjoler 19 til motorens spyleluftreceiver 20.

Den i fig. 2 viste utforelsesform for motoren adskiller seg fra den i fig. 1 viste, ved at turboladerne 8 og 9 utgjor forste kompresjonstrinn, mens liketrykksturboladeren 15 utgjor annet kompresjonstrinn for luften.

Styringsdiagrammet for hver motorsylinder er på vanlig måte frem-stilt i fig. 4, hvor kurvene U og S viser de i hvert oyeblikk blottede gjennornstromningsarealer av sylinderens ekshaustorgan og dens innstromningsorgan (vanligvis spyleporter). Kurvene U og S er på vanlig måte avsatt med gjennornstrbmningsarealene som ordinater over en abscisseakse, som angir krumtappsti11ingen i grader avsatt ut til begge sider fra nedre dbdpunkt BDP. Det vil sees at styringsdiagrammet i det viste eksempel er symmetrisk om BDP, slik at den pågjeldende motor vil operere fullstendig ens i begge omdreiningsretninger.

I diagrammet i fig. 4 bor det særlig bemerkes at det har vært mulig å begrense varigheten av spyleportenes åpningsperiode til kun 60° ialt liggende symmetrisk om BDP.

I diagrammet i fig. 3 representerer abscisseaksen igjen krumtapp-stillingen avsatt i grader ut til begge sider fra BDP, mens ordi-natene angir trykk i absolutt verdi med abscisseaksen som atmos-færelinje.

Trykket i spyleluftreceiveren betraktes i denne forbindelse som konstant og representeres ved den vannrette linje Pg, mens trykket i mellomreceiveren mellom de to seriekoblede ekshaustturbi-ner likeledes kan betraktes som konstant og er representert ved den vannrette linje PM>

Trykket i sylinderen er representert ved kurven Pc, mens trykket i ekshaustroret foran impulsturbinens innlop er representert ved kurven Py.

Åpnings- og lukningstidspunktene for utstromningsorganet og inn-strbmningsorganet er markert på abscisseaksen og på linjen P^ svarende til de i fig. 4 angitte verdier.

Det fremgår av diagrammet at trykket P^, som ved den betraktede periodes begynnelse svarer til det konstante trykk PM i mellomrecei veren, straks ved ekshaustorganets begynnende åpning stiger steilt i lbpet av foravstrbmningsperioden og omtrent ved dennes midte har antatt praktisk talt samme verdi som det samtidige trykk Pc i sylinderen, hvis steile fall derefter sinkes noe og blir mindre steilt.

I resten av foravstrbmningsperioden fblges trykkene Py og Pc meget nbye ad og skjærer trykklinjen P - trykket i spyleluftreceiveren - omtrent ved det tidspunkt, hvor spyleportene åpnes.

I selve spyleperioden, mens spyleportene er åpne, trenger den relativt hoyt komprimerte luft fra spyleluftreceiveren inn i sylinderen og fortrenger resten av den der værende gass ut gjen nom ekshaustorganet, hvorunder trykket i sylinderen forblir like ved trykket i spyleluftreceiveren, hvorfra det kun adskiller seg ved det uvesentlige trykktap over spyleportene, et trykktap, som kan holdes lite såvel absolutt som særlig relativt på grunn av at den nodvendige luftmengde er sterkt komprimert og derfor har tilsvarende mindre volum og tilsvarende mindre stromningshastig-het gjennom portene.

Henimot spyleperiodens avslutning, hvor spyleportenes areal avtar hurtig, begynner trykket i sylinderen å falle som folge av sylin-derinnholdets ekspansjon ut gjennom de stadig åpne ekshaustporter, og dette fortsetter efter spyleportenes lukning i den egentlige efteravstromningsperiode, hvor sylindertrykket som folge av den stadige ekspansjon og utstromning av den i sylinderen værende luftmengde fortsetter med å falle ned til en minimumsverdi, som nås på et tidspunkt hvor sylindervolumet igjen er begynt å avta fort og får overvekt over utstromningen gjennom det samtidig fort avtagende gjennomstromningsareal av ekshaustorganet. Det mini-mumstrykk som således nås i motorsylinderen, andrar i det viste eksempel mellom 55 og 60% av trykket i spyleluftreceiveren og representerer altså det ladetrykk, hvorfra kompresjonen til den påfolgende arbeidssyklus i sylinderen begynner.

Den innbyrdes beliggenhet av trykkene P s i spyleluftreceiveren og PM i mellomrecei veren er bestemt av»» den innbyrdes dimensjonering av impulsturbinen og den efterfolgende liketrykksturbin, som i det viste eksempel er således avpasset at trykket i mellomreceiveren andrar to femtedeler av trykket i spyleluftreceiveren. En vesentlig del av ekshaustgassens energi utnyttes således i liketrykksturbinen, mens den del som utnyttes i impulsturbinen, andrar en så forholdsvis betydelig andel av den samlede energi, at impulsturbinens bedre virkning ved lavere belastninger gjor seg merkbart gjeldende, når motoren arbeider med delbelastning.

Oppfinnelsen er ikke bundet til de viste og beskrevne utfbrelses-eksempler, idet motorens type, stbrrelse, sylinderantall etc. kan velges fritt, hvilket også gjelder den innbyrdes og absolutte dimensjonering av de enkelte komponenter innenfor de i kravene angitte rammer. Det har vist seg mulig ved anvendelse av opp-finnelsens prinsipper å konstruere store direkte omkastbare skipsdieselmotorer for så hbye effektive middeltrykk som 15 kg/ cm 2 uten vanskeligheter av betydning med hensyn til storrelsen av de opptredende maksimaltrykk og varmebelastninger og med en brenselsbkonomi, som minst er på hoyde med de hittil konvensjo-nelle motorers.

Claims (2)

1. Omkastbar ekshaustturboladet totaktsforbrenningsmotor med flere sylindre, hvis styreorganer for innstromning og ut-strømning er utformet således at den ved motorens normale omdreiningsretning opptredende efterutstromningsperiode tjener som foravstromningsperiode ved den motsatte omdreiningsretning, og hvor turboladernes kompressorer er seriekoblet med hensyn til forbrenningsluftstrommen, mens deres turbiner er seriekoblet med en mellomliggende receiver, idet turbinen eller turbinene i det forste trinn arbeider som impulsturbin, og turbinen eller turbinene i det annet trinn arbeider som liketrykksturbin med stort sett konstant innstrbmningstrykk, karakterisert ved at turbinenes respektive ydelser er fordelt således at trykket i mellomreceiveren er mindre enn eller maksimalt lik halvdelen av det i spyleluftreceiveren herskende trykk, og at trykket i motorsylinderen efter avslutning av spyleperioden på grunn av delvis ekspansjon og delvis utstrømning fra sylinderen hbyst andrar 75% av trykket i spyleluftreceiveren, når kompresjonen begynner.

2. Totaktsforbrenningsmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at forholdet mellom impulsturbin og liketrykksturbin er valgt slik at trykket i mellomreceiveren minst andrar en fjerdedel av trykket i spyleluftreceiveren.