NO179224B - Firetakts forbrenningsmotor med overladning og fremgangsmåte for drift av denne - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for drift av en firetakts forbrenningsmotor med en overladningskompressor, omfattende tilførsel av luft under trykk fra et innløpsrør inn i en sylinder under et innsugningsslag av et stempel, kompresjon av luften under et kompresjonsslag, innsprøytning av brennstoff for forbrenning i sylinderen, nær enden av kompresjonsslaget, delvis ekspansjon av forbrenningsgassene under et ekspansjonsslag, og utdrivning av de delvis ekspanderte forbrenningsgasser ut av sylinderen og inn i et eksosrør under et utdrivningsslag, med tilførsel av de delvis ekpanderte forbrenningsgasser til en første ekspansjonsmaskin som er koblet til overladningskompressoren, idet motoren styres slik under hovedsakelig alle belastningsbetingelser at trykket i eksosrøret holdes høyere enn trykket i innløpsrøret.

En slik fremgangsmåte er kjent fra SE 409 226. Da motoren styres slik at trykket i eksosrøret holdes høyere enn trykket i innløpsrøret, oppnår dieselmotoren ikke optimal virkningsgrad, men dette kompenseres av økt ytelse i turbinen innenfor et bredt belastningsområde. For å unngå problemer med motspyling på grunn av det høyere eksostrykk, opererer man i denne kjente fremgangsmåte helt uten ventil-overlapping eller muligens med en meget liten ventilover-lapping. Resultatet av dette er imidlertid at en betydelig mengde eksos blir tilbake i sylinderen etter utdrivningsslaget, noe som altså reduserer virkningsgraden, og som også fører til dårligere kjøling av eksosventilene.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte type som gir en bedre total virkningsgrad og unngår at eksosventilene får kjøleproblemer. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at det ved enden av utdrivningsslaget tilføres spyleluft fra en separat kilde for luft under høyt trykk for å drive gjenværende forbrenningsgasser ut i eksosrøret, og at de delvis ekspanderte forbrenningsgasser føres til en andre ekspansjonsmaskin som leverer mekanisk kraft.

Selv om fagmannen vil se det som uheldig å ta energi fra systemet til bruk for spylingen, oppnås det likevel en forbedret ytelse av systemet som helhet. Her vil kombina-sjonen med bruk av en ekstra turbin i eksossystemet og bedringen av den termodynamiske virkningsgrad som spylingen av sylinderen gir, til sammen gi en bedret total virkningsgrad.

Kilden for luft under høyt trykk kan mates med delvis komprimert luft tatt fra sylinderen under kompresjonsslaget.

Dersom fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen benyttes for en motor som er forsynt imed en startluftventil, kan spyleluften med fordel tilføres gjennom startluftventilen.

Oppfinnelsen vedrører også en firetakts forbrenningsmotor, omfattende i det minste én sylinder, et resiprokerende stempel som er ført i sylinderen, et innløpsrør og et eksosrør som er forbundet med sylinderen med sin ene ende, hhv. via en innløpsventil og en eksosventil, en første ekspansjonsmaskin som er anbragt i eksosrøret og har en utgangsaksel som er koblet til en inngangsaksel av en luftkompressor som overlader motoren, hvilken luftkompressor er anordnet i innløpsrøret, en ventilaktiviserings-innretning for aktivisering av innløps- og utløpsventilene synkront med stempelets bevegelser i henhold til en firetakts syklus, en brennstoffinnsprøytningsinnretning for innsprøytning av brennstoff nær enden av kompresjonsslaget, og midler for å styre motoren under hovedsakelig alle belastningsbetingelser slik at trykket i eksosrøret holdes høyere enn trykket i innløpsrøret, hvor det karakteristiske er at en spylelufttilførselsledning forsynt med en spyleluftventil og forbundet med en kilde for luft under høyt trykk, en styreinnretning for å styre spyleluftventilen synkront med stempelets bevegelser slik at ved enden av utdrivningsslaget åpnes ventilen et kort øyeblikk mens eksosventilen fortsatt er såvidt åpen, og en andre ekspansjonsmaskin som er anbragt i eksosrøret og har en utgangsaksel.

Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsen er angitt i kravene 5-8.

Oppfinnelsen skal belyses i den følgende beskrivelse av utførelseseksempler under henvisning til de vedføyede tegninger. Fig. 1 viser et partielt snitt av en sylinder i en forbrenningsmotor ifølge oppfinnelsen som skal fungere i henhold til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser skjematisk forbrenningsmotoren på fig. 1 med ekspansjonsmaskiner koblet til denne. Fig. 3 viser en detalj av en spyleluftventil, kombinert med en innløpsventil ifølge en variant av oppfinnelsen.

Motoren 1 omfatter i det minste én sylinder 2 og et resiprokerende stempel 3 som er ført i denne ved hjelp av en veivaksel/stempelstangmekanisme 4. Sylinderen 2 er ved den øvre ende lukket ved hjelp av et topplokk 5, hvori det er utformet et innløpsrør 6 for tilførsel av luft og et eksosrør 7 for tømming av forbrenningsgass. Innløpsrøret 6 og eksosrøret 7 kan åpnes og lukkes på i og for seg kjent måte i henhold til en firetakts-syklus ved bruk av en innløpsventil 8 og en eksosventil 9. I topplokket 5 er det videre anordnet en innsprøytningsdyse 16, som når stempelet 3 befinner seg nær enden av sitt kompresjonsslag kan sprøyte inn et kvantum brennstoff i luften oppvarmet av kompresjonen, hvoretter det skjer en forbrenning av dette brennstoff.

Som vist skjematisk på fig. 2, omfatter motoren 1 en overladningsgruppe 20, som omfatter en eksosgassturbin 21 og en innløpsluft-kompressor 22 som er direkte koblet til turbinen. Innløpsluften bringes under trykk av innløpsluft-kompressoren 22 og tilføres sylinderen 2 via en mellomlig-gende kjøler 23. I tillegg til eksosgassturbinen 21 er det i eksosrøret 7 anordnet en annen turbin 26. Denne turbin 26 er koblet mekanisk via en veksel 25 til motorens 1 veivaksel 24. Forbrenningsgassene som ekspanderer i turbinen 26 utvikler således kraft som overføres til veivakselen 24.

I en annen utførelse kan turbinen 26 også være adskilt fra motorens veivaksel 24 og drive en anordning så som en pumpe eller en generator.

For å oppnå optimal virkning av motoren 1 ifølge oppfinnelsen, holdes trykket i eksosrøret 7 på et høyere nivå enn trykket som dannes av innløpsluft-kompressoren 22 i innløpsrøret 6. På denne måte kan en større del av den potensielle energi i forbrenningsgassene utnyttes ved hjelp av den ekstra turbin 26.

Restforbrenningsgasser som blir igjen i sylinderen 2 ved enden av stempelets 3 utstøtningsslag har en meget uheldig innflytelse på forbrenningssyklusen. Ifølge oppfinnelsen drives derfor disse restgasser ut av sylinderen 2 og inn i eksosrøret 7 ved bruk av spyleluft fra en adskilt trykkluftkilde. I den viste utførelse utgjøres den adskilte trykkluftkilde av en kompressor 27 som drives av veivakselen 24 via vekselen 25. Denne kompressor 27 tilfører luft under et høyere trykk enn trykket i eksosrøret 7.

I det viste utførelseseksempel tilføres spyleluften ved bruk av startluftventilen 12. Som vist på fig. 1, omfatter denne startluftventil 12 en tallerkenventil som er forbundet med et stempel 11, og som holdes i lukket stilling ved påvirkningen av en fjær 13. Over stempelet kan det tilføres trykk via styreledningen 14, som åpner ventilen 12 mot virkningen av fjæren 13. Med ventilen i åpen stilling kan spyleluft strømme inn i ventilhuset i sylinderen 2 via spyleluftrøret 10 og kanalene 15. Ventilen 12 styres slik at den åpner ved enden av utstøtningsslaget mens eksosventilen 9 fortsatt er så vidt åpen. Dette resulterer i at de gjenværende eksosgasser drives ut av sylinderen 2 og inn i eksosrøret 7 ved hjelp av den friske spyleluft. Etter lukning av eksosventilen 9 og mens startluftventilen 12 virker som spyleluftventil, kan den innmatede friske spyleluft ekspandere i sylinderen 2 fordi stempelet 3 beveger seg nedover i sitt innsugningsslag. Så snart trykket av luften i sylinderen 2 har falt til trykket i innløpsrøret 6, åpnes innløpsventilen 8, hvoretter sylinderen 2 fylles ytterligere med luft tilført av overladnings-gruppen.

På fig. 2 er reservoarfunksjonen av de respektive rør skjematisk angitt ved sirkler.

'Selv om startluftventilen 12 er en egnet ventil for tilførsel av spyleluft under høyt trykk, kan også en annen utførelse velges.

Fig. 3 viser en slik alternativ utførelse. Denne figur viser bare et parti av topplokket 30 med innløpsrøret 36 i dette. Dette innløpsrør 36 kan være lukket ved hjelp av en innløpsventil hvis ventilstamme 32 er glidende ført i langsgående retning i en ventilføring 31. Ventilstammen er nær den nedre del av ventilføringen 31 forsynt med et smalere parti 33. Spyleluftrøret 34 munner også ut i ventilføringen 31. I den viste lukkede stilling av inn-løpsventilen, vil det smalere parti 33 av ventilstammen frigjøre åpningen av spyleluftrøret 34 i ventilføringen. Dette resulterer i at spyleluft under høyt trykk kan inn-føres i innløpsrøret 36 via røret 34.

Innløpsrøret 36 er forsynt med en tilbakeslagsventil 35 som forhindrer at spyleluft strømmer tilbake i innløpsrøret 36. Så snart innløpsventilen åpnes, vil spyleluft under trykk strømme inn i sylinderen og drive ut restgassene på den beskrevne måte. Under fortsatt nedadgående bevegelse av innløpsventilen vil den tykkere del av ventilstammen 32 lukke åpningen av spyleluftrøret 34, hvilket resulterer i at ytterligere spyleluft ikke tilføres. Styringen av innløps-ventilen og den tilknyttede eksosventil velges slik at dette skjer omtrent i det øyeblikk eksosventilen lukkes. Den friske spyleluft som fortsatt er til stede i innløps-røret 36 og i sylinderen ekspanderer på den beskrevne måte, og så snart trykket har falt til trykket som skapes av innløpsluft-kompressoren, åpner tilbakeslagsventilen 35 og lar ytterligere forbrenningsluft strømme inn i sylinderen. Ved enden av innløpsslaget lukker innløpsventilen, hvorved det i henhold til styringen av innløpsventilen tilføres et nytt mindre eller større kvantum av luft under høyt trykk via spyleluftrøret 34.

Fig. 2 viser at spyleluftkompressoren 27 drives fra veivakselen 24. Det vil være klart at denne også kan drives med en separat drivmotor.

Ifølge en utførelse av oppfinnelsen (ikke vist) kan et kvantum luft også tas fra sylinderen under kompresjonsslaget. Denne luft føres til et reservoar via passende styrte ventiler. Ventilene åpner når trykket i sylinderen under kompresjonen er høyere enn trykket i reservoaret og lukker når tilstrekkelig luft er opptatt i reservoaret. Ventilen for tilførsel av trykkluft til reservoaret kan integreres på passende måte med spyleluftventilen i topplokket.

Claims (8)

1 . Fremgangsmåte for drift av en firetakts forbrenningsmotor (1) med en overladningskompressor, omfattende tilførsel av luft under trykk fra et innløpsrør (6) inn i en sylinder (2) under et innsugningsslag av et stempel (3), kompresjon av luften under et kompresjonsslag, innsprøytning av brennstoff for forbrenning i sylinderen (2), nær enden av kompresjonsslaget, delvis ekspansjon av forbrenningsgassene under et ekspansjonsslag, og utdrivning av de delvis ekspanderte forbrenningsgasser ut av sylinderen og inn i et eksosrør (7) under et utdrivningsslag, med tilførsel av de delvis ekpanderte forbrenningsgasser til en første ekspansjonsmaskin (21) som er koblet til overladningskompressoren, idet motoren (1) styres slik under hovedsakelig alle belastningsbetingelser at trykket i eksosrøret (7) holdes høyere enn trykket i innløpsrøret (6), karakterisert ved at det ved enden av utdrivningsslaget tilføres spyleluft fra en separat kilde (27) for luft under høyt trykk for å drive gjenværende forbrenningsgasser ut i eksosrøret (7), og at de delvis ekspanderte forbrenningsgasser føres til en andre ekspansjonsmaskin (26) som leverer mekanisk kraft.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at kilden for luft under høyt trykk mates med delvis komprimert luft tatt fra sylinderen under kompresjonsslaget.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, for en motor som er forsynt med en startluftventil (12), karakterisert ved at spyleluften tilføres gjennom startluftventilen (12).

4. Firetakts forbrenningsmotor, omfattende i det minste én sylinder (2), et resiprokerende stempel (3) som er ført i sylinderen (2), et innløpsrør (6) og et eksosrør (7) som er forbundet med sylinderen (2) med sin ene ende, hhv. via en innløpsventil (8) og en eksosventil, en første ekspansjonsmaskin (21) som er anbragt i eksosrøret (7) og har en utgangsaksel som er koblet til en inngangsaksel av en luftkompressor (22) som overlader motoren, hvilken luftkompressor (22) er anordnet i innløpsrøret (6), en ventilakti-viseringsinnretning for aktivisering av innløps- og utløpsventilene (8, 9) synkront med stempelets bevegelser i henhold til en firetakts syklus, en brennstoffinnsprøyt-ningsinnretning for innsprøytning av brennstoff nær enden av kompresjonsslaget, og midler for å styre motoren under hovedsakelig alle belastningsbetingelser slik at trykket i eksosrøret (7) holdes høyere enn trykket i innløpsrøret (6), karakterisert ved en spylelufttilfør-selsledning (10) forsynt med en spyleluftventil (12) og forbundet med en kilde (27) for luft under høyt trykk, en styreinnretning for å styre spyleluftventilen (12) synkront med stempelets bevegelser slik at ved enden av utdrivningsslaget åpnes ventilen (12) et kort øyeblikk mens eksosventilen (9) fortsatt er såvidt åpen, og en andre ekspansjonsmaskin (26) som er anbragt i eksosrøret (7) og har en utgangsaksel.

5. Mortor ifølge krav 4, karakterisert ved at kilden for luft under høyt trykk omfatter et reservoar som er forbundet med sylinderen (2) ved hjelp av en tilførselsledning som er forsynt med en mateventil for tilførsel av delvis komprimert luft fra sylinderen til reservoaret.

6. Motor ifølge krav 5, karakterisert ved at spyleluftventilen er en startluftventil (12).

7. Motor ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at en ytterligere tilbakeslagsventil (35) er anordnet i innløpsrøret (36).

8. Motor ifølge krav 7, karakterisert ved at innløpsventilen er en tallerkenventil som er forsynt med en ventilstamme (32), og at ventilstammen og en ventilføring (31) for glidende føring av stammen har form av en glideven-til som danner spyleluftventilen.