NO300236B1 - Kraftaggregat - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et kraftaggregat med en dieselfristempelinnretning, en kompressoranordning, en turbin og en elektronikkinnretning, hvor fristempelinnretningen har en sylinder og to i motfase bevegbare stempler hvis innbyrdes nærliggende endepartier avgrenser et brennkammer, og hvis innbyrdes fjerntliggende endepartier avgrenser endekamre sammen med sylinderen , kompressoranordningen leverer luft til fristempelinnretningen via en innløps-manifold, fristempelinnretningen leverer avgass til turbinen, og elektronikkinnretningen er innrettet til styring av trykket på luft i endekamre for styring av stemplenes bevegelse.

Fra søkerens norske søknad nr. 950916 er det kjent en anordning av den ovennevnte type, hvor kompressoranordningen utgjøres av en turbokompressor og trykket på den luft som tilføres fristempelinnretningens brennkammer under en luftspylesekvens, hovedsakelig tilsvarer kompressor-anordningens leveringstrykk. Energien til drift av kompressoren kan bli tilveiebrakt f.eks. av en elektromotor som blir forsynt med elektrisk strøm fra en generator, som i sin tur blir drevet av turbinen.

Hensikten med oppfinnelsen er å skaffe et kraftaggregat av den innledningsvis nevnte type med meget stor termisk virkningsgrad, men hvor temperaturen på den gass som tilføres turbinen er relativt liten.

Det karakteristiske ved oppfinnelsen fremgår av de i kravet angitte, kjenne-tegnende trekk.

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningen som skjematisk viser utførelseseksempler på aggregatet ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 viser et røropplegg for et første utførelseseksempel på et kraftaggregat ifølge oppfinnelsen, og et lengdesnitt gjennom kraftaggregatets fristempelinnretning. Fig. 2 er et riss i likhet med det som er vist på fig. 1 gjennom et annet, forenklet utførelseseksempel på et aggregat ifølge oppfinnelsen, hvor bestanddeler av aggregatet er fjernet. Fig. 3 viser et aggregat med en fristempelinnretning som likner den som er vist på fig. 2, hvor bestanddeler av aggregatet er fjernet.

Med uttrykkene høyre, venstre, øvre og nedre skal det i det følgende forstås posisjonsangivelser med referanse til figurene slik disse ses av leseren, idet det med uttrykkene øvre og nedre skal forstås posisjoner beliggende nær den bort fra resp. mot leseren beliggende kant av tegningsbladene.

Fig. 1 omfatter et lengdesnitt gjennom en fristempelinnretning eller gass-generator 10 omfattende en sylinder 12 med et første sylinderparti 14 beliggende ved sylinderens midtparti, og andre sylindersidepartier 16,18 som er beliggende ved respektive ender av sylinderen 12.

I sylinderen 12 er det glidbart anordnet et venstre og et høyre stempel 24 resp. 26 med et første endeparti 28 resp. 30 med diameter som er tilpasset det første sylinderparti 14. Videre har hvert stempel 24,26 et stempelsideparti 32 resp.34.

Hvert av de andre sylindersidepartiene 16,18 omfatter et annet sylinderparti 36 resp. 38 som er beliggende ved respektive av sylinderens ender, og et tredje sylinderparti 40,42 som er beliggende mellom det første sylinderparti 14 og de andre sylinderpartier 36 resp. 38 og som har større diameter enn disse sylinderpartier 14,36,38. Mellom hvert av de tredje sylinderpartier 40, 42 og det første sylinderparti 14 resp. de andre sylinderpartier 36,38 forløper det således en ytre og en indre radial sylindervegg 60,62 resp. 64,66.

Likeledes omfatter hvert av stempelsidepartiene 32,34 et annet stempelendeparti 44 resp. 46 som er beliggende ved de stempelender som ligger fjernt fra hverandre, og et tredje stempelparti 48 resp. 50 som er beliggende mellom det første og det annet stempelendeparti 28,44 resp. 30,46 av stemplene 24 resp. 26.

Det første sylinderparti 14 avgrenser sammen med de første endepartier 28,30 av stemplene 24,26 en arbeidssylinder eller et brennkammer 54.

Hvert av de andre sylinderpartier 36,38 avgrenser sammen med respektive av de andre stempelendepartier 44,46 et endekammer eller bufferkammer 56,58. De indre, radiale sylindervegger 62,66 avgrenser sammen med de tredje sylinderpartier 40,42 og de tredje stempelpartier 48,50 et første, venstre resp. høyre stempelpumpe- eller kompresjonskammer 68 resp. 70.

De ytre, radiale sylindervegger 60, 64 avgrenser sammen med de tredje sylinderpartier 40,42 og de tredje stempelpartier 48,50 et annet, venstre resp.

høyre kompresjonskammer 72 resp. 74

Nær den venstre ende av det første sylinderparti 14 er det anordnet en innløpsmanifold 80 som er innrettet til å kommunisere med brennkammeret 54, og ved den høyre ende av dette sylinderparti 14 er det anordnet en utløpsmanifold 82 som likeledes er innrettet til å kommunisere med brennkammeret 54.

Aksialt forløpende stenger 84,86 er fast forbundet med de aksialt ytre ender av respektive av de andre stempelpartier 44,46, og forløper tettende gjennom tetningsinnretninger 88 resp. 90 som er festet til endevegger 92,94 av de andre sylinderpartier 36,38.

En kompressor 96 som kan være tildannet som en turbokompressor, er innrettet til å mate de første kompresjonskamre 68, 70 med trykkluft via en ledning 98.

En ledning 100 forbinder de første kompresjonskamre 68, 70 med innløpet av en mellomkjøler 102, og dennes utløp er via en ledning 104 forbundet med de respektive, andre kompresjonskamre 72,74. Kjølemiddel kan bli ført til og bort fra mellomkjøleren 102 via ledninger 106,108.

I ledningen 98 er det være anordnet en kjøleanordning eller en mellomkjøler 99.

En ledning 110 forbinder de andre kompresjonskamre 72,74

med innløpsmanifolden 80. En luftbeholder 112 er forbundet med ledningen 110 via en første ventil 114 som er tildannet som en tilbakslagsventil.

Fra luftbeholderen 112 forløper det to ledninger 116, 118 til en annen og en tredje ventil 120 resp. 122 som i sin tur via ledninger 124 resp. 126 er forbundet hvert sitt endekammer 56,58.

Fra ledningene 124,126 er det avgrenet ledninger 128 resp. 130 hvori det er anordnet en fjerde resp. en femte ventil 132, 134.

Fra ledningen 118 forløper det en grenledning 136 til en sjette ventil 138 som via en ledning 140 er forbundet med midtpartiet av brennkammeret 54. En syvende ventil 142 er avgrenet fra ledningen 140.

En ledning 144 til mating av drivstoff til brennkammeret 54 kan stenges og åpnes ved hjelp av en åttende ventil 145.

Den fjerde, den femte og den syvende ventil 132,134 og 142 kan besørge forbindelse av de tilknyttede ledninger med den omgivende atmosfære.

Fra utløpsmanifolden 82 forløper det en ledning 146 til en blandebeholder 148 hvis utløp er forbundet med innløpet av en turbin 150, som er innrettet til å drive f.eks. en fremdriftspropell av et skip, en generator el.1.(ikke vist).

Ledningen 110 som forløper fra de andre kompresjonskamre 72,74 har en forlengelse 152 som forløper til blandekammeret 148. I denne ledning kan det være anordnet en åttende, styrt ventil 170.

Aksialt gjennom stengene 84,86 forløper det boringer (ikke vist) som er forbundet med passasjer (ikke vist) i stemplene 24,26. Via boringene og passasjene kan det fra kjølemiddelbeholdere 154,156 bli innført et kjøle-middel i stemplene for kjøling av disse under fristempelinnretningens drift.

En elektronikkinnretning 160 som funksjonerer som en prosessregner eller styringsenhet for krafitaggregatet når et visst pådrag er innstilt, er via elektriske ledninger 162 forbundet med en rekke sensorer (ikke vist) til fastslåelse av trykket i noen av eller alle kamre 54,56,68,70,72,74, luftbeholderen 112 og blandebeholderen 148, temperaturen i kamrene, mellom-kjøleren og blandebeholderen, og eventuelle andre sensorer til overvåking av aggregatets drift, såsom sensorer til fastslåelse av stemplenes posisjon. De sistnevnte kan være anordnet i tilknytning til stengene 84,86.

Videre er prosessregneren 160 forbundet med hver av de syv ventiler som kan være av magnetventiltypen eller være opererert ved hjelp av meget raske elektromotorer, slik at ventilene eventuelt ikke bare kan bli beveget mellom en lukket og en helt åpen stilling, men også bli brakt til posisjoner mellom disse stillinger.

Funksjonen av kraftaggregatet er som følger.

Starting av fristempelinnretningen som iverksettes automatisk ved avgivelse av en startkommando til prosessregneren, kan utføres på to måter, idet det forutsettes at trykkbeholderen 112 har blitt fylt med trykkluft.

Ved en første startmåte blir stemplene først brakt til en stilling hvori de befinner seg nær hverandre ved at den andre, den tredje og den syvende ventil 120,122 og 142 blir åpnet mens den fjerde, den femte og den sjette ventil 132, 134 og 138 forblir lukket. Derved kan luft i brennkammeret 54 bli presset ut til den frie atmosfære via den syvende ventil 142 mens trykkluft fra luftbeholderen 112 presser stemplene 24,26 mot hverandre. Trykket i endekamrene 56,58 er da lite og mindre enn trykket på luften i luftbeholderen 112. Deretter blir den andre, tredje og syvende ventil 120,122,142 lukket og den sjette ventil 138 (startventilen) blir åpnet, slik at stemplene blir presset bort fra hverandre under kompresjon av luften i endekamrene. Når stemplene 24,26 avdekker utløpsmanifolden 82, synker trykket i brennkammeret 54 raskt og samtidig blir startventilen 138 lukket. Derved blir stemplene beveget hurtig mot hverandre på grunn av den komprimerte luft i endekamrene 56,58 hvorved luften i brennkammeret blir komprimert. Ved åpning av den åttende ventil (drivstoffventilen) 145 blir drivstoff innsprøytet i forbrennings-kammeret, slik at stemplene blir slynget bort fra hverandre under fornyet kompresjon av luften i endekamrene. Deretter blir stemplene på ny brakt mot hverandre og fristempelinnretningen fortsetter sin drift.

Ved en annen startmåte kan den fjerde, den femte, den sjette og den syvende ventil 132,134,138 resp.142 være lukket, mens den annen og den tredje ventil 120 resp. 122 blir åpnet etter at stemplene først har blitt beveget bort fra hverandre slik at trykket i brennkammeret har blitt redusert til trykket på den omgivende atmosfære. Derved blir stemplene 24,26 beveget kraftig mot hverandre slik at luften i brennkammeret blir komprimert, hvoretter drivstoff blir innsprøytet i brennkammeret og antent. Den annen og den tredje ventil 120,122 blir deretter stengt og trykket i endekamrene blir redusert til en egnet verdi ved åpning av den fjerde og den femte 132,134 ventil, som etter denne reduksjon blir lukket. Kompresjon av luften i endekamrene bevirker fornyet bevegelse av stemplene mot hverandre etter at avgassene har blitt sluppet ut fra brennkammeret og ny luft sluppet inn i dette, hvoretter motorens drift automatisk fortsetter.

Luftbeholderen 112 kan ha blitt fylt med luft med et passende trykk under en foregående drift av aggregatet. Alternativt kan denne luftbeholder 112 bli fylt med luft fra en vanlig startluftkompressor på kjent måte. Dette er den vanlige fremgangsmåte ved den første oppstart når aggregatet er nytt eller har blitt

overhalt.

Etter at fristempelinnretningen 10 har blitt startet, strømmer luft fra kompressoren inn i de første kompresjonskamre 68,70 via ledningen 98 og blir ytterligere komprimert hver gang stemplene blir beveget mot hverandre. Denne luft blir presset videre mot mellomkjølerens luftinnløp for hver takt, idet tilbakestrømning av denne luft blir hindret av enveisventilen 99.

Etter at luften har blitt avkjølt i mellomkjøleren 102, blir den presset videre til de andre kompresjonskamre 72,74 hvoretter en andel av luften blir tilført innløpsmanifolden 80. Den resterende luft blir tilført blandebeholderen 148.

I blandebeholderen 148 blir luften fra de andre kompresjonskamre 72,74 blandet med de meget varme avgasser fra fristempelinnretningen, slik at temperaturen på den gass som innføres i turbinen blir redusert til en temperatur som turbinen kan tåle. Trykket og temperaturen på luft-gass-blandingen er forhøyet, slik at dens energiinnhold er stort. Denne forhøyning har blitt skaffet ved en tilnærmet direkte temperatur-trykkomsetning i fristempelinnretningen, slik at virkningsgraden av denne omsetning er stor.

Under kraftaggregatets drift styrer prosessregneren 160 ventilene individuelt. Ved hjelp av de andre, tredje, fjerde og femte ventiler 120,122,132,134 kan trykket i endekamrene 56 58 bli innstilt. Luft blir sluppet inn i resp. ut av endekamrene fortrinnsvis når trykket her er minst. På grunn av den individuelle styring, blir det oppnådd en individuell styring av stemplene f.eks. for oppnåelse av ønskede tidspunkter for åpning og lukking av innløps-og utløpsportene. Impulser fra trykk-, og temperatur- og stempelstillings-sensorene blir sammen med impulser fra manøvreringsorganer for pådraget tilført prosessregneren 160, hvis algoritmer styrer driften av kraftaggregatet basert på disse impulser.

Ved det ovenfor beskrevne kraftaggregat kan kompresjonsforholdet for brennkammeret innstilles. Derved kan det stadig sikres et tilstrekkelig stort trykk til oppnåelse av tenning. Videre kan tidspunktene for stemplenes åpning resp. lukning av avgass- og innløpsportene innstilles f.eks. ved innbyrdes variasjon av trykknivåene i endekamrene. Dette kan oppnås ved den elektroniske styring av de meget hurtig reagerende ventiler som nå finnes på markedet. Ved at stemplene har partier som skaffer kompresjon av spyleluften blir det til enhver tid sikret en tilstekkelig mengde av denne.

En fordel ved den viste anordning av stengene 84,86 er at tetningsinn-retningene 88, 90 er lett tilgjengelige fra utsiden av sylinderen 12, mens disse ved kjente innretninger er omgitt av sylinderen 12. Videre kan stemplene bli beveget mekanisk ved hjelp av stengene fra sylinderens utside, dersom dette er ønsket.

Ved anordningen er høytrykkssylinderen, dvs. det første sylinderparti 14 fritt tilgjengelig fra sylinderens utside. Dette gir lett adkomst til drivstoffdyser, startventil, sensorer etc., noe som letter vedlikeholdet av aggregatet.

På fig. 2 er det såldes vist et annet, forenklet utførelseseksempel på det aggregat som er vist på fig. 1, idet det annet kompresjonskammer er utelatt. Bestanddeler av dette utførelseseksempel har de samme henvisningstall som tilsvarende bestanddeler av det utførelseseksempel som er vist på fig. 1, men med tilføyelse av tallet 200.

Fig. 2 omfatter et lengdesnitt gjennom en fristempelinnretning eller gassgene-rator 210 omfattende en sylinder 212 med et første sylinderparti 214 beliggende ved sylinderens midtparti, og sylindersidepartier 216,218 som er beliggende ved respektive ender av sylinderen 212.

I sylinderen 212 er det glidbart anordnet et venstre og et høyre stempel 224 resp. 226 med et første endeparti 228 resp. 230 med diameter som er tilpasset det første sylinderparti 214. Videre har hvert stempel 224,226 et stempelsideparti 232 resp.234.

Hvert av de andre sylindersidepartiene 216,218 omfatter et annet sylinderparti 236 resp. 238 som er beliggende ved respektive av sylinderens ender, og et tredje sylinderparti 240,242 som er beliggende mellom det første sylinderparti 214 og de andre sylinderpartier 236 resp. 238 og som har større diameter enn det første sylinderparti 214. Mellom hvert av de tredje sylinderpartier 240, 242 og det første sylinderparti 214 forløper det således en radial sylindervegg 262 resp. 266.

Likeledes omfatter hvert av stempelsidepartiene 232,234 et annet stempelendeparti 244 resp. 246 som er beliggende ved de stempelender som ligger fjernt fra hverandre, og et tredje stempelparti 248 resp. 250 som er beliggende mellom det første og det annet stempelendeparti 228,244 resp. 230,246 av stemplene 224 resp. 226.

Det første sylinderparti 214 avgrenser sammen med de første endepartier 228,230 av stemplene 224,226 et brennkammer 254.

Hvert av de andre sylinderpartier 236,238 avgrenser sammen med respektive av de andre stempelendepartier 244,246 et endekammer eller bufferkammer 256,258.

De radiale sylindervegger 262,266 avgrenser sammen med de tredje sylinderpartier 240,242 og de tredje stempelpartier 248,250 et første, venstre resp. høyre kompresjonskammer 268 resp. 270.

Ved dette utførelseseksempel er det således ikke tildannet noe annet kompresjonskammer. Det omfatter derfor ingen mellomkjøler. Bortsett fra dette tilsvarer dette aggregat hovedsakelig det som er vist på fig. 1 og bestanddeler såsom en turbin og et blandekammer er ikke inntegnet. Det skal her forstås at blandekammeret blir tilført avgasser fra fristempelinnretningen og komprimert luft fra kompresjonskammeret.

Fig. 3 viser et tredje utførelseseksempel på et kraftaggregat ifølge oppfinnelsen som likner det som er vist på fig. 2, men hvor av luften fra kompresjonskamrene 368,370 via enveisventiler 399, 400 tilføres et bufferkammer eller ringrom 402 som er anordnet rundt det første sylinderparti, idet dette er omgitt av en mantel eller kappe 404. En andel av luften i ringrommet blir ført inn i arbeidssylinderen eller brennkammeret via innløpsporter, mens resten av luften i manifolden blir tilført et blandekammer 348. Denne luft bevirker en avkjøling av det første sylinderparti sammen med dettes avgass-porter og -manifold.

En kjøling av det første sylinderparti og tilknyttede bestanddeler, kan også oppnås ved gjennomspyling av brennkammeret med trykkluft fra kompressoren. En deling av luften er imidlertid fordelaktig, spesielt under drift av aggregatet med deilast, i transiente faser etc.

Ved denne anordning utgjør ringrommet samtidig en innløpsmanifold.

Det vil forstås at det i ledningen 98 kan være anordnet en kjøleinnretning for trykkluften fra kompressoren 96.

Claims (1)

1. Kraftaggregat med en dieselfristempelinnretning, en kompressoranordning (96;296), en turbin (150) og en elektronikkinnretning (160;360), hvor fristempelinnretningen har en sylinder (12;212) og to i motfase bevegbare stempler (24,26;224,226), hvis innbyrdes nærliggende endepartier avgrenser et brennkammer (54;254), og hvis innbyrdes fjerntliggende endepartier avgrenser endekamre (56,58;256,258) sammen med sylinderen (12;212), kompressoranordningen (96;296) leverer luft til fristempelinnretningen via en innløpsmanifold (80;404), fristempelinnretningen leverer avgass til turbinen (150), og elektronikkinnretningen er innrettet til styring av trykket på luft i endekamre for styring av stemplenes bevegelse,karakterisert ved at turbinen (150) kommuniserer med fristempelinnretningen via et blandekammer (148;348), og det er anordnet ledninger (152,110) som forbinder innløpsmanifolden (80;404) med blandekammeret (148;348) og endekamrene (56,58;256,258) via ventiler (170 resp. 114,120,122), og ledninger (128,130) som forbinder endekamrene (56,58;256,258) med friluft via ventiler (132,134), idet elektronikkinnretningen (160;360) er innrettet til å styre luft til blandekammeret (148,348) og luft til eller fra endekamrene (56,58;256,258) via ventilene.