SE435413B - Tidsberoende forfarande for genomforande av en energiomvandlingscykel samt forbrenningsmotor for genomforande av forfarandet - Google Patents

Description

7711646-5 z. förbränningsgaserna ur förbränningskammaren via en utloppsöppning.

En effektiv omvandling av energi i olika former till nyttigt arbete har varit motorkonstruktörernas mål ända sedan tillkomsten av den en- ligt Otto-principen arbetande motorn, dvs. en roterande kolv- och cy- lindermotor av förgasar- eller insprutningstyp, t.ex. dieselmotorer och liknande. Med hänsyn till knappheten på motorbränslen och dessas höga kostnader, har ingenjörer och motorkonstruktörer brottats med de funda- mentala problem som hänger samman med förorenande avgasutsläpp och för- bättrad bränsleekonomi, samtidigt som man försökt förbättra effekten inom dessa områden utan att behöva ge avkall på mctorernas prestations- förmåga och verkningsgrad. Detta har lett till framställningen av för- bränningsmotorer, som fungerar med en kritisk kompromiss av bränsle- luftblandningens sammansättning, tryck och temperatur, vilken medför att motorn alstrar och avger skadliga föroreningar (CO, NOX och HC) för att man i gengäld skall uppnå en skälig prestationsförmåga resp. verk- ningsgrad.

För att reducera NOX-utsläppen (utsläpp av skadliga ämnen) har]«mst- ruktörerna fördröjt tändningen och använt sådana anordningar som avgas- cirkulationssystem, vilka alla orsakar en reducering av motorns total- verkningsgrad, resulterande i en försämring av motorns prestationsför- måga, och vilka dessutom ökar HC- och CO-utsläppen ytterligare. Dessa ökade HC- och CO-utsläpp måste behandlas med dyrbara katalytiska omvand- lare, vilka i sin tur kräver icke blyhaltiga bränslen.

En fortgående störning av förbränningsprocessen i förbrännings- motorer kan endast resultera i att man får ett sammelsurium av motor- kontroll- och reglerdon, vilket ökar motorns tillverkningskostnad och resulterar i låg prestationsförmåga hos motorn jämte dålig bränsle- ekonomi. 7 Insikten, såväl inom industrin som bland berörda myndigheter, att förbränningsmotorer kommer att kräva drastiska konstruktionsändringar för att uppnå lagligen tillåtna värden på förorenande utsläpp, har resulterat i avsevärda ansträngningar för att undersöka förbrännings- processen. Dessa ansträngningar har resulterat i diverse metoder, t.ex. ändring av brännkammarens storlek och form, av placeringen av tänd- stället i brännkammaren, användandet av flera tändställen med olika tänd- källor samt användandet av brännkamrar konstruerade för skiktad fyllning med bränsleluftblandning.

Genom olika modifieringar av en bränslekamarform till halvsfäriska förbränningsrum, jämte förändringar av de konventionella tändställena genom utförande av tändstift med utvidgade gnistgap, har man åstad- kommit reducerade HC-utsläpp, men detta utförande är förenat med meka- 3_ 7711646-5 niska tillverkningsproblem, vilka vida överstiger fördelen med de redu- cerade utsläppen.

En annan metod, som för närvarande tillämpas, är användandet av en anordning med flera tändkällor för att åstadkomma bildandet av en skär- brännarliknande låga, som riktas in i en mager bränsleluftblandning i brännkammaren och som matas med samma bränsle som användes i huvud- brännkammaren. Brännartändlågan hålles mekaniskt skild från huvudbränn- kammaren genom en förkammare, som är konstruerad i motorns topplock och mynnar i huvudbrännkammaren. I En annan populär lösning är motorn med skiktad fyllning (SC-mo- torn), som kan utföras i många olika varianter. Denna SC-motors grund- idê ligger i införandet av en fet, lättantändlig blandning i närheten av tändstiftet och en mycket mager blandning inom hela den resterande delen av brännkammaren, så att man erhåller olika bränsleluftförhållan- den i olika områden av cylinderkammaren, fet i några och mager i andra, så att det totala bränsleluftförhållandet blir avsevärt magrare än det stökiometriska värdet. Förbränningen sker stegvis, så att en liten volym fet bränsleluftblandning antändes först och åstadkommer en flamma, som sprider sig ut i den med mycket mager bränsleluftblandning fyllda brännkammaren, varigenom antändning inom dessa områden sker fullstän- digare och förbränningen där blir fullständigare än i konventionella förbränningsmotorer.

Detta var några få av de mest närliggande anordningarna bland det otal av förslag som har gjorts för att nedbringa motorernas utsläpp av föroreningar och öka motorernas verkningsgrad och bränsleekonomi. Vart och ett av dem har vissa bestämda olägenheter, genom att det kommer i konflikt med andra motorparametrar, som är karaktäristiska för förgasar- motorn eller dieselmotorn. På grund av detta har det inom industrin uppstått ett behov av en förbränningsmotor, som arbetar på en gasomsätt- ningsprocess, som har samma egenskaper som Otto-processen, men som upp- visar ett förbränningsförlopp som är tidsreglerat och fungerar med för- delen av högt kompressionsförhållande och feta bränsleluftförhållanden, med samma verkningsgrad och totala bränsleoxidation som dieselmotorn, men utan dennas olägenheter, dvs. högt tryck, hög temperatur och knack- ningstendens.

Föreliggande uppfinning har följaktligen utvecklats för att av- hjälpa de speciella olägenheterna med de här angivna, förut kända och andra liknande anordningar och förfaranden och åstadkomma en förbätt- rad anordning för åstadkommande av en värmeutjämnad eller -balanserad arbetsprocess för förbränningsmotorer, vilken uppvisar en prestations- förmåga, miljöföroreningsegenskaper och förmåga till förbränning av 77116lf6-5 4. flera olika bränslen, som icke förekommer eller är möjliga i samband med konventionella förgasar- eller dieselmotorer.

Ett syfte med uppfinningen har varit att reducera mängden luft- föroreningar, som orsakas av avgasutsläpp från förbränningsmotorer, ett annat att utan större modifikationer öka de konventionella förbrännings- motorernas verkningsgrad, att minska en förbränningsmotors bränsle- förbrukning, att åstadkomma en förbränningsmotor med reglerad, värme- balanserad arbetsprocess för att uppnå ett förbränningsförlopp som är relativt fritt från föroreningar, att åstadkomma en modifierad för- bränningsmotor, som kan tillverkas med redan befintliga metoder och tillverkningsutrustning, att åstadkomma en förbränningsmotor, som kan köras med ett urval av olika bränslen och alstrar ringa eller inga luft- föroreningar i sina avgaser, att åstadkomma en förbränningsmotor med en förbränningsprocess, som reducerar topptryck och -temperatur till lägre värden än dem som uppnås i hittills konventionella förbränningsmotorer, och slutligen, att åstadkomma en anordning, som kan konvertera kolv- motorer och roterande motorer av förgasar- och dieseltyp till att ar- beta enligt en reglerad värmebalanserad process. _ Det allmänna ändamålet med uppfinningen har varit att åstadkomma É en metod och anordning för förfining av Otto-processen hos numera all- I mänt använda förbränningsmotorer, så att de kommer att arbeta enligt en värmebalanserad eller värmeutjämnad process, som uppvisar ett tidsreg- lerat, naturligt förbränningsförlopp som förbättrar motorverkningsgra- den och eliminerar luftförorenande avgasutsläpp. Förloppet eller för- efarandet härför karaktäriseras av att, för varje cykel: a) enbart luft tillföres en förbränningskammare i motorn under den å inledande delen av insugningstakten medan förbränningskammarens volym I ökar; b) bränsle tillföres förbränningskammaren under en senare del av cykeln, varvid totalmängden tillfört bränsle väljes så att detsamma åstadkommer en reaktion som snabbt producerar en bestämd värmepotential och ett bestämt maximitryck i förbränningskammaren; c) temperaturen höjs för hela mängden luft och bränsle som till- förts under cykeln genom komprimering av åtminstone luften under komp- ressionstakten; c d) en del av den inledningsvis tillförda luften isoleras delvis från i huvudsak att det senare tillförda bränslet under cykeln genom att en del av den inledningsvis tillförda luften ledes in i en reservoar- kammare anordnad i närheten av förbränningskammaren, varvid reservoar- kammaren kommunicerar med förbränningskammaren via en smal spalt, som medger överföring av tryckgradienter mellan förbrännings- och reservoar- 7711646-5 kamrarna, och den isolerade delen av luften i reservoarkammaren hålles väsentligen fri från förorenande bränsle genom cykeln; e) bränslet i förbränningskammaren antändes för att starta dess snabba reaktion med omedelbart tillgängligt syre i slutet av kompres- sionstakten. varvid en kontinuerlig serie av tryckstöt- och ex- pansionsvågor alstras, vilka går genom förbränningskammaren och skär spalten för att alstra tryckdifferentialer mellan förbrännings- och reservoarkamrarna oberoende av det totala trycket i förbränningskamma- ren eller kolven och kontinuerligt genom hela reaktionen; f) genom förbränning och reservoarkammarens geometri, samt spaltens utformning medges och underlättas cyklisk snabb återstuds och återin- träde av stötvågorna tvärs över och genom spalten med en hastighet som medför reglerad pumpning av syre in i förbränningskammaren från reser- voarkammaren tack vare tryckdifferentialerna mellan kamrarna under förbränningstakten; 7 g) förbränningskammaren tillâtes expandera under expansions- (arbetsalstrings-) takten; och g h) förbränningskammaren blâses ut i slutet av utblåsningssteget.

Förbränningsmotorn för förfarandets genomförande uppvisar a) en anordning för att leda enbart i huvudsak bränslefri luft till förbränningskammaren via inloppsöppningen under den inledande delen av varje blandningsinsugnings- och kompressionstakt; b) en anordning för att leda bränsle till förbränningskammaren under en senare del av varje blandningsinsugnings- och kompressions- takt, varvid proportionen bränsle/luft i varje blandning varierar från överskott på bränsle nära inloppsöppningen till i huvudsak bränslefri luft nära kolven i början av kompressionstakten; c) en luftreservoarkammare i närheten av förbränningskammaren; och d) en passage mellan förbränningskammaren och luftreservoarkam- maren, varvid passagen medger begränsad förbindelse mellan nämnda kam- mare, varvid förbränningskammaren, reservoarkammaren och passagen upp- visa en geometrisk form som medger överföring via passagen av tryckstöt- vågor i förbindelse med en förbränningstakt i förbränningskammaren och reglerad pumpning av luft som komprimenmæ av stötvågorna från reservoar- kammaren till förbränningskammaren genom hela förbränningstakten oberoende av det totala trycket i förbränningskammaren eller kolv- läget p.g.a. samverkan mellan stötkomprimerings- och expansionsvågorna i passagens närhet.

Uppfinningen skall i det följande beskrivas närmare i anslutning till bifogade ritningar, på vilka fig. l visar ett tryck och volymdiagram för den s.k. Otto-cykeln; 1711646-5 6_ fig. 2 visar ett tryck-volymdiagram för Diesel-cykeln; fig. 3 visar ett tryck-volymdiagram för den värmeutjämnande eller -balanserade arbetscykeln; fig.y4'är en schematisk framställning av anordningen enligt upp- finningen, installerad i en förbränningsmotor; fig. 4A och 4B är schematiska framställningar av tryckväxlarplat- tans form; fig. SA - SG åskådliggör funktionsförloppet i olika moment av en värmeutjämnad motors arbetscykel; fig. 6 är en schematisk framställning av anordningen enligt upp- finningen, installerad i en roterande förbränningsmotor; och fig. 7 är ett delsnitt genom den roterande motorns rotor och åskåd- liggör vissa detaljer av luftreservoarkammaren eller -rummet.

En jämförelse mellan de tre ideala gasomsättningscyklerna, dvs.

Otto-cykeln, Diesel-cykeln och den värmeutjämnande cykeln, skall först beskrivas för att förtydliga det tekniska förfarande med värmeutjämnad arbetscykel, som tillämpas vid drift av en förbränningsmotor utrustad med É tryckvâxlarplatta.

I fig. l visas ett förenklat tryck-volymdiagram för en förbränninge- cykel, som är känd under benämningen konstantvolyms- eller Ottoproces- sen eller -cykeln. Om man startar vid punkten a, komprimeras luft av atmosfärstryck adiabatiskt i en cylinder till punkten b, upphettas vid konstant volym till punkten c, tillåtes expandera adiabatiskt till punk- ten d samt avkyles vid konstant volym till punkten a, varefter detta förlopp upprepas. Linjen a-b motsvarar kompressionstakten, linjen b-c motsvarar explosions- eller arbetstakten och linjen d-a motsvarar ut- blåsningstakten hos en förbränningsmotor. V1 och V2 betecknar luftens maximi- resp. minimivolym i cylindern. Förhållandet V1/V2 är förbrän- ningsmotorns kompressionsförhållande.

Processens ingångsvärme Q är den värmemängd, som vid konstant volym tillföras utefter linjen b-c. Avgasvärmet LQ, förlustvärmet, är den med avgaserna längs linjen d-a bortgående värmemängden. De följande förenk- lade ekvationerna representerar Otto-processens verkningsgrad: (1) Q = värmemängd, tillförd vid konstant volym LQ = förlustvärme. (2) Otto-processens verkningsgrad = êg-Ãà-Eg ="7 Otto I fig. 2 åskâdliggöres en dieselprocess i en förbränningsmotor för att förtydliga förloppet av denna process i jämförelse med den i det föregående beskrivna Otto-processen. Den ideala luftdieselprocessen star- tar i punkten a, upphettning vid konstant tryck sker till punkt c, adia- v. 77116116-5 batisk expansion till punkt d och avkylning vid konstant volym till punkt a. Enär det inte finns något bränsle i en dieselmotors cylinder under kompressionstakten, kan förtändning icke ske, och kompressions- förhållandet kan vara mycket högre än vid en förbränningsmotor som ar- betar enligt Otto-processen. Därför är det möjligt att uppnå högre verk- ningsgrader än vid motorer som arbetar enligt Ottoprocessen. De följande förenklade ekvationerna definierar dieselprocessens olika parametrar: (3) Q = värme tillförd vid konstant tryck, LQ = förlustvärme. (4) Dieselprocessens verkningsgrad =”l Diesel = êgïšíëg Den värmeutjämnade processen är åskådliggjord genom tryckvolym- diagrammet 9 i fig. 3,som dragits med utgångspunkt från samma begynnelse- värme Q. Linjen a-b motsvarar den adiabatiska kompressionen, linjen b-c- -c'visar värmestegringen, där b-c svarar mot den del av värmet, som tillföres vid konstant volym, och c-c' svarar mot kvarvarande värme vid konstant tryck, medan linjen c'- d är den adiabatiska expansionen och d-a är utblåsningen. Vid en blick på diagrannet finner man att den till- förda värmemängden Q nu uppdelas i två värmekvantiteter, AQ vid konstant volym, och BQ vid konstant tryck, sålunda bibehållande samma värmemängd Q, utom att denna parameter är uppdelad på två händelseförlopp. Föl- jande förenklade ekvationer gäller för sambandet mellan funktionspara- metrarna i den värmeutjämnade eller -balanserade processen: (5) AQ + BQ = Q, där AQ betecknar värme tillförd vid konstant volym, medan BQ är värme tillförd vid konstant tryck.

Därför gäller att (6) A + B = L.

Utjämningsförhållandet definieras som (7) = Q ß A, varför (8) A = l och B = l + ß l + Otto-processen utgör det gränsfall, där A = l, medan dieselpro- cessen är det gränsfall, där A = 0. Genom variation av ß erhålles kom- binationer mellan Otto- och dieselprocesserna. Den värmeutjämnade pro- cessens verkningsgrad uttryckes enligt följande relationer resp. ekva- tioner: '1111645-5 8. '(9) 71 =o-Lo=Ao+ßo-L f* Q Q nß = Ao - Lmo) = Bo - L(Bo) o o n, = AAo - LtoA) - Bo - Louso) I AQ BQ h; = Ao - Luxo) + Bo '- Luna) o o (10) ”ß = AAQ ÃQ LtoA) + BBQ šQ L(oB) Vad beträffar verkningsgrad gäller att: ”ß =A1)V+B11P; ' k-l k l l l a k = l - -D - = 1 - - B - l ”Vi I' 7 (IB) ' P Om V = Qífiä à och rB = V.r, gäller att verkningsgraden för den reglerade värmeutjämnade processen är: k-1 - k-1ak (11) Tzß = 1 - -l-TÉ-ß- El åa-šå , Gränserna för den värmeutjämnande processen är desamma som för Otto- och dieselprocesserna vid samma projekterade kompressions- förhållande, dvs: k-l l - när (jag eller A _; l, Otto-processen B -ñ O 1 k-l ak - 1 . . 'hp q l - (Ex í-(ïfn-ß daàco eller A-ä O, Diesel- B _¿a 1 processen Härefter hänvisas till fig. 4 på ritningen, som i schematisk fram- ställning visar en utföringsform av en luftreservoarkammare, som är an- ordnad på en kolv för att förfina Otto-processen i en förbränningsmotor, så att denna arbetar enligt en värmebalanserad eller -utjämnad 4-takts- process. Ett motorhus eller -block 10 innehåller en cylinderkammare för en fram- och återgående kolv 14, som medelst en kolvtapp 13 är kopplad till en vevstake ll. En vevakel 12 är kopplad till vevstaken ll medelst ett Vevlager på sådant sätt, att kolvens 14 fram- och återgående rörelse omformas till roterande mekanisk energi, vilken kan utnyttjas till att driva ett maskineri, en bil e.d. och därigenom alstra nyttig uteffekt.

' Motorhusets 10 innervägg bildar invid kolvens 14 mantelvägg en cy- lindervägg 36, som står i beröring med kolvringar 15, så att det bildas 77116l|6-5 en trycktät gastätning mellan den rörliga kolven 14 och cylinderväggen 36 för att förhindra utströmning av högtrycksgaser, som alstras genom förbränning av bränsle i brännkammaren 38. På motorhuset eller -blocket 10 är ett cylinderlock 37 monterat, så att det bildas en sluten för- bränningskammare mellan husets 10 översta del och lockets 37 försänkta inre delar. Cylinderlocket 37 har två portar, en utlopps- och en in- loppsport, vilka öppnas och stänges genom manövrering av en utlopps- ventil 23 resp. en inloppsventil 28. Dessa ventiler öppnas och stänges i takt med kolvens 14 fram- och âtergående rörelse med hjälp av ven- tillyftare, tryckstänger, kamaxlar o.d. (ej visade) på sådant sätt, att motorn kan arbeta enligt en 4-takts Otto-process.

På cylinderlocket 37 är en inloppsfördelare 27 monterad, vilken bil- dar en kanal, genom vilken strömmen av bränsle och atmosfärsluft kan ledas in i förbränningskammaren 38. Ett luftfilter 33 är anordnat att rena luft som strömmar in i en förgasarliknande anordning 29 genom en stryphals 35, som uppvisar ett munstycke eller en port 41, som står i förbindelse med bränsletanken 32 genom en ventil och en bränsletill- ledning 31. Luft som strömmar genom halsen 35 alstrar ett undertryck, som suger fram bränsle från tanken 32 och blåser in denna luft i bränn- kammaren 38} Det förgasarliknande organet 29 kan, såsom lätt inses av fackmannen, ersättas med andra lämpliga bränsletillförselorgan, t.ex. bränsleinsprutare e.d. En spjällskiva 34 som är fäst vid ett ej visat länksystem, reglerar undertrycket i stryphalsen 35 genom att begränsa luftflödet genom denna för att reglera den motorn tillförda bränsle- mängden. Ett annat ej visat länksystem kan vara anordnat för reglering av luftflödet genom luftinloppet 26 för att ytterligare reglera den mängd atmosfärluft, som tillföres motorn under dennas arbete. Luftin- loppet 26 för atmosfärluft tillåter en stor volym luft att strömma in i brännkammaren 38 under motonm insugningstakt, före tillförseln av någon bränsleluftblandning. Denna luftningsanordning 26 är i det visade fallet placerad i närheten av inloppsventilen 28 men kan vara placerad var som helst mellan förgasarorganet 29, en bränsleinsprutare eller annat bränsletillförselorgan och inloppsventilens 28 inloppsport.

Ett tändstift 24 är monterat i cylinderlocket 37 på vanligt sätt och tjänar till att alstra en elspänning, som ger en tändgnista i brännkammaren 38 i rätt tidpunkt i förhållande till andra motorelement för att antända bränslet i brännkammaren 38 och alstra driveffekt för kolven 14.

Ett hattliknande organ 19 är anbragt på kolvens 14 frontyta med hjälp av en nit, skruvbult eller liknande fästdon. Detta hattliknande organ 19 är svampformigt med ett tjockt cylindriskt stjälkformigt cent- 7711646-5 10. ralt parti 17 vars ena cirkulära ändyta står i kontakt med kolvens 14 cirkulära frontyta. Godsfast med den stjälkformiga delens l7 andra cir- kulära ändyta är en relativt tunn, cylindrisk platta 20, som är belägen på ett förutbestämt avstånd 18 från cylinderväggen 36. Kolvens l4 reste- rande fria yta, detstjälkformiga partiets 17 mantelyta och plattans 20 undersida-avgränsar mellan sig en luftreservoarkammare 16, som står i dförbindelse med brännkammaren genom en passage eller spalt 18, som be- gränsas av cylinderns inre väggyta och plattans 20 kantyta, som kan sträcka sig runt plattans 20 hela periferi eller någon förutbestämd del därav. Kammaren 16 är på sin undersida tätande tillsluten av kolvringar- na 15. Kammaren 16 begränsas sålunda av en del av kolvens 14 frontyta, en del av plattans 20 undersida och det stjälkformiga partiets 17 cy- lindriska mantelyta. f Det hattliknande organet 19 har här beskrivits såsom fast anbragt på kolven, men det må-framhållas att organet l9 kan vara utfört i ett med kolven l4, och kammaren 16 kan vara urfräst eller utformad i kol- ven på samma sätt som kolvringspåren. Dessutom är att märka, att även om kammaren 16 här visas formad med parallella sidoytor, så kan dess sidor vara stympkoniska för att bilda en stympkonisk platta 42, såsom ; visas i fig. 4a, eller också utformade som diametralt motsatta plan- faser för att bilda en polygonalt formad utjämningskammare 16 utan av- steg från uppfinningstanken. ” Funktionssättet hos en förbränningsmotor i enlighet med den värme- utjämnanmaprocessen kan bäst förklaras med hänvisning till fig. 3, som visar ett tryck- och volymdiagram för den värmebalanserade arbets- principen, samt fig. 5 (A-G), som åskådliggör arbetssekvensen enligt den värmeutjämnande.arbetsprincipen under dess fyra takter. I fig. 5A visas kolven 14 fullbordande ett utblåsningsslag med utloppsventilen 23 i begrepp att stängas, medan kolven 14 rör sig uppåt och trycker strömmen av förbränningsgaser, antydda genom pilar, genom utloppsven- 5 tilporten ut genom en kanal i utloppssamlaren 22. Vid detta moment är Ä inloppsventilen 28 stängd och ingen luft strömmar genom inloppsfördelar- kanalen 27. Luftinloppet 26, som är beläget nära inloppsventilen, har släppt in en kvantitet bränslefri luft av atmosfärstryck, som fyller hela volymen av inloppskanalen i inloppsfördelaren fram till och genom stryphalsen 35. Då inloppsventilen 28 öppnas, kommer såsom tydligast visas i fig. 5B, kolven l4, som nu befinner sig nära ÖDP (övre död- punkten), att röra sig nedåt, varigenom rummet i cylinderns övre del förstoras, varvid till följd av luften av atmosfärstryck och tryck- minskningen hos luften till följd av kolvens nedåtgående rörelse med- för, att luft strömmar in och fyller det fria utrymmet i cylindern. Den 7711646-5 inloppsluft, som först strömmar in i förbränningskammaren 38, är den luftmängd i inloppsfördelarkanalen, som påfylles något genom luftin- loppet 26 innan det uppstått ett tillräckligt undertryck i stryphalsen 35 för att suga in en sats av fet bränsleluftblandning i cylinderkam- maren. Då kolven uppnår sitt lägsta läge, undre dödpunkten (UDP), har cylinderrummet blivit fyllt med en kvantitet bränsleluftblandning, vars fethet varierar från cylindertoppen 37 till kolven 14. Blandningen är sålunda mycket fet invid och i närheten av cylindertoppen och blir allt magrare, så att den praktiskt taget är bränslefri i närheten av plattan 19 och i luftreservoarkammaren 16. _ Då kolven 14 anländer till sin lägsta punkt i cylindern, (UDP), är trycket i cylindern fortfarande lägre än atmosfärstrycket, så att ytterligare luft och bränsle kan strömma in i cylindern, även efter att kolven har börjat röra sig uppåt. Därför stänges icke inloppsventilen 26, förrän vevstaken ll befinner sig en given vinkel förbi UDP, och detta tillstånd visas tydligast i fig. 5C.

Såsom tydligast visas i fig. 5D, stänges efter insugningsslaget båda ventilerna 23 och 28 och förskjutes kolven 14 uppåt under kompres- sionsslaget. Kolven komprimerar då bränsleluftblandningen genom att pressa den uppåt in i ett litet, minskande utrymme 38 mellan cylinder- locket och kolven, vilket utrymme bildar en förbränningskammare. Under kolvens 14 hela uppåtrörelse pressas en kvantitet mycket mager bränsle- luftblandning in i luftreservoarkammaren 16. Under motorns arbete upp- hettar de brinnande gaserna kolvtoppen eller plattan 20, vilken funge- rar som värmeväxlare och åstadkommer upphettning av bränsleluftbland- ningen under kompresstionsslaget, då blandningen strömmar över och runtom denna platta, varigenom ytterligare upphettning av gaserna sker.

Fig. 5E åskådliggör den första fasen av förbränningen med kolven 14 i närheten av ÖDP och båda ventilerna stängda. Kolven 14 har kompri- merat bränsleluftfyllningen för att ge de expanderande gaserna större kraft under förbränningen. I detta moment antänder en gnista bränsle- luftblandningen, som brinner med en explosivkraft, vilken driver kol- ven 14 nedåt. Under tryckstegring vid ungefär konstant volym kommer förbränningen enligt linjen b-c i fig. 3 att driva en tryckvåg in i luft- reservoarkammaren 16 genom passagen 18, varvid luften i denna kompri- meras mot kammarens 16 innerväggar. Samtidigt kommer den genom gasernas förbränning alstrade expansionsvågen, som driver tryckvågen, att ut- breda sig in i rummet mellan plattans 19 översida 20 och cylinder- locket 37, varigenom trycket avtar i brännkammaren 38. Tryckutjäm- ningen uppstår genom att stötkompressionen av den mycket magra, i huvudsak bränslefria blandningen i luftreservoarkammaren 16 bringar den '77116læ6-5 12. magra bränsleluftblandningen i kammaren 16 att genom passagen 18 strömma in i förbränningskammaren 38. Detta tillstånd är tydligast åskådlig- gjort i fig} 5F och fig. 3, där linjen c-c' representerar den vid i huvudsak konstant tryck skeende delen av förbränningsförloppet. Vev- staken ll överför den i cylinder-kolvaggregatet alstrade kraften till vevtappen 12, som i sin tur driver vevaxeln för att avge nyttig uteffekt.

Utbiåsningstakten börjar då kolven 14 vid arbetsslagets slut an- länder till UDP, såsom tydligast visas i fig. 5G. Utloppsventilen 23 öppnas, kolven 14 rör sig uppåt i cylindern och blåser ut förbrännings- gaserna genom denna ventil 23 och avgassamlaren 22. Vid slutet av ut- blåsningsslaget stänges utloppsventilen 23 och startas insugningsslaget på nytt för att upprepa motorns beskrivna, periodiska arbetsförlopp. växelverkan mellan luftreservoarkammaren och förbränningskammaren är av avgörande betydelse för en korrekt värmeutjämning eller -balans i moümzm periodiska arbetsprocess. För att säkerställa den erforderliga pendlingsverkan mellan kompressions- och expansionsvågorna under den tidsperiod av arbetsslaget, då de i tur och ordning växelverkar inom förbränningszonen, samt för att åstadkomma pumpverkan för att suga ut bränslefri luft ur kammaren 16 under hela arbetsslaget krävs visst dimensionssamband mellan förbränningskammarens volym A, luftreservoar- kammarvolymen B och passagen 18. I en förbränningsmotor ligger utjäm- nings- eller jämnviktsförhållandet ß = å (ekv. 7) normalt inom ett område mellan 0,20 och 3. Passagens 18 öppningsvidd bör ligga inom om- rådet 1,27 till 5,1 mm. Det lägre värdet är typiskt för bilmotorcylind- rar av standardstorlek, medan det högre värdet är typiskt för motorer med kompressionständning.

Efterföljande tabell upptar tryck och temperaturer som råder vid angivna punkter på tryck-volym-kurvorna i fig. l och 3 vid jämförelse mellan två identiskt lika motorer, den ena arbetande enligt Ottopro- cessen.

Otto-process f Värmeutjämnande process = s ß = o j = 8 ß - 0,43 Tillstånd f Tryckzi f To R f Tryckzi f To R _ Tillstånd I Kp/cm ; 2 Kp/cm ; a 14,7 sou f 14,7 600 a a 240 1200 : 240 1200 b C looo 4980 f 670 zsoo C C 1000 4980 : 670 3070 C' En tvåtaktsmotor, som har samma förbränningscykel som fyrtakts- motorn, men genomför denna cykel under endast ett varvs vridning av kamaxeln, kan också modifieras för att arbeta med värmeutjämnad process.

Under arbetskolvens kompressionsslag suges en frisk luftfyllning in i vevhuset. Under kompressionsslaget komprimeras denna luft och sprutas bränsle in i brännkammaren. En kolvplatta, som till sin konstruk- tion liknar den i det föregående beskrivna, fungerar på samma sätt som denna för att upprätthålla förbränning av bränsleluftblandningen i brännkammaren, så att motanß arbetsprocess förfinas till en värmeut- jämnad sådan.

Den anordning som användes för modifiering av förbränningsmotorer av fram- och återgående kolvtyp, dvs. för utveckling av energi medelst kolvar som rör sig fram och åter i cylindrar för att driva en vevaxel, som omvandlar den fram- och âtergående rörelsen till rotationsrörelse, kan också användas till att förbättra verkningsgraden resp. prestations- förmågan hcs "roterande" motorer, dvs. motorer, vilka alstrar energi ge- nom inverkan av en rotor, eller vridkolv, som roterar inuti en ovalt formad brännkammare, dvs. s.k. "Wankel"-motorer.

Den vanliga, konventionella kolven är därvid ersatt med en tre- sidig rotor 60, som visas tydligast i fig. 6. Brännkammarfickor som avgränsas kring rotorn, roterar förbi en inloppsport 51, ett tändstift 61 och en utloppsport 67 för att åstadkomma en roterande förbränning.

Den periodiska förbränningsprocessen följer det välkända mönstret för den konventionella 4-taktsprocessen, Otto-processen, hos en förbrän- ningsmotor i dess fyra takter eller faser; insugning, kompression, ar- betstakt och utblåsning, såsom visas i tryck-volymdiagrammet i fig. l.

Genom att modifiera motorn med luftreservoarkamrar, förfinas dess arbetsprocess så att motorn arbetar enligt värme-utjämnad princip, så- som visas i fig. 3, dvs. på samma sätt som i det föregående förklarats med avseende på motorn med fram- och återgående kolv.

I fig. 6 visas en roterande motor 50, vars rotor 60 har modi- fierats med en luftreservoarkammare 66. Kammaren 66 bildas genom partiell tillslutning av de normala kaviteterna 68 i rotorn 60 medelst en spe- cialformad platta eller ett lock 63, som sträcker sig tvärsöver kavi- teten 68, såsom tydligast visas i fig. 7. En öppning eller passage 64 begränsas av en yta på den skålformiga kaviteten och ett långsträckt, läppliknande utsprång 7l längs plattans eller lockets 63 ena tvärgående kant. Det läppliknande utsprånget är riktat inåt mot kaviteten för att begränsa en avsmalnande öppning, som bildar en passage i luftreservoar- kammarens 66 mynning. En avsevärt smalare öppning 65 är belägen vid luft- reservoarkammarens 66 bakre ände, så att denna kammare 66 uppvisar en 7711646-5 14. mer eller mindre halvcirkelformig tvärsnittsprofil, som avsmalnar grad- vis i riktning från läppen 71 till öppningen 65. Det bör framhållas, att även annorlunda formade luftreservoarkamrar kan komma till använd- ning, under förutsättning att det i ekv. 7 uppställda volymutjämnings- Här visas visserligen endast en luftreservoar- att en sådan kammare av förhållandet satisfieras. kammare 66 i rotorn, men det är att märka, liknande utförande är anordnad i vardera av de båda övriga visade rotor-; loberna resp. -sidorna. En axel 62 är med lämplig inre och yttre kugg- ringsväxel kopplad till rotorn 60 för överföring av axeleffekt till ett yttre belastningsobjekt.

Wankelmotorns rotorhus 50 har två genomloppsöppningar, nämligen en inloppsport 51 och en utloppsport 67, vilka tjänar för insugning resp. utblåsning av gaser. En tubulär inloppskanal 49 utformad med en stryphals 48, är ansluten till motorhuset 50 och har sin yttre ände stående i förbindelse med atmosfärsluften genom ett luftfilter 43. En bränsletank 44 mynnar genom en bränsleledning 45 i inloppet till stryp- halsen 48, så att bränsle suges in i motorhuset 50 genom ett lågtrycks- område, som erhålles genom luftströmmens passage genom stryphalsen 48.

Ytterligare ett luftinlopp 47, som tillslutes av ett filter 46, är pla- cerat mellan inloppsporten 51 och bränsleinloppet för att införa atmos- färsluft i kanalen 49. Det må framhållas, att även andra slags anord- ningar för bränsletillförsel, t.ex. bränsleinsprutare eller andra lik- nande don också skulle kunna användas för tillförsel av bränsle till Wankelmotorn 50.

I drift roterar rotorn 60 kring sin egen geometriska centrumaxel; samtidigt åstadkommer den i rotorns 60 inre anordnade kuggrings- eller planetkuggväxeln 62 att rotorns centrumlinje beskriver en excentrisk bana. Resultatet blir att rotorlobernas alla tre hörn står i ständig beröring med rotorhusets innervägg. Då rotorn 60 roterar, begränsar de tre rotorloberna tre roterande brännkamrar, vilkas volym ständigt varie- rar. Detta förlopp åstadkommer i var och en av de tre brännkamrarna insugning-, kompressions-, arbets- och utblåsningstakter på samma sätt som i den fyrkantsprocess som utspelar sig i den fram- och återgående kolvmotorn.

Fig. 6 åskådliggör rotorn 60 under insugningsläget i förbrännings- kammaren utanför den rotorlob, kammaren 66. Inloppsporten 51 har frilagts av den roterande rotorn, brännkammaren börjar fyllas med luft genom kanalen 49 och ytterligare som visas utrustad med luftreservoar- och atmosfärsluft genom luftinloppet 47. Omedelbart därefter införes en fet bränsleluftblandning genom stryphalsen 48, bränsleledningen 45 och luft som har passerat genom filtret 43. Den första, magra luft-

Claims (11)

l5_ 7711646-5 och hränsleblandningen i brännkammaren strömmar in i luftreservoarkam- maren 66, och då bränsleluftblandningen fortsätter att fylla brännkam- maren, sträcker sig den bränslerika luften i en från fet till mager va- rierande blandning från förbränningskammarens vägg till rotorns yttre yta. Under rotorns 60 fortsatta rotation tillsluter den inloppsöppningen 51, då brännkammaren innehåller maximal mängd bränsleluftblandning. Under rotorns fortsatta rotation minskar brännkammarens volym, varvid bränsleluftblandningen komprimeras och luft tryckas in i luftreservoar- kammaren 66. Ett tändstift 61 antänder den komprimerade gasblandningen, så att denna expanderar explosionsartat. Trycket stiger vid nästan konstant volym, varigenom en tryckvâg drives in i luftreservoarkammaren 66. Samtidigt utbreder sig den expansionsvåg, som driver tryckvågen, in i brännkammaren under avtagande tryck i denna. Emedan en tryckutjämning sker till följd av tryckvågen, kommer luften i reservoarkammaren att strömma ut i brännkammaren och där underhålla en fullständigare för- bränningsprocess. Denna pendling mellan kompression och expansion fort- sätter en mångfald gånger under rotorns hela arbetstakt och tillför så- lunda luft under hela förbränningsperioden i tidsbestämd takt med rotorns 60 rotation, beroende på förhållandet mellan förbränningskammarens volym och luftreservoarkammarens volym samt kanalens 64 storlek. Utjämningens uppgift är att tillföra luft, och denna luft är så fattig på bränsle, att det icke sker någon förbränning av gaser i luftreservoarkammaren 66. Såsom framgått av det föregående, erhålles enligt uppfinningen en anordning och ett tekniskt förfarande för reglering av tryck och tempera- tur i en förbränningsmotor i drift, antingen av fram- och återgående kolvtyp eller av roterande typ, med gnist- eller kompressionständning och av två- eller fyrtaktsutförande, i en förfinad termodynamisk perio- disk process, genom anordnandet av en luftreservoarkammare och passager med parametrar, som står i givet samband med motorns brännkammarvolym. Genom att variera dessa parametrar inom vissa gränser, kan en motor bringas att arbeta enligt en utjämnad värmeprocess, som har många av fördelarna hos såväl Otto- som dieselprocessen, men få eller ingen av dessæsolägenheter. Särskilt gäller, att en motor som arbetar enligt värmeutjämnad process har bättre verkningsgrad i drift, bättre presta- tionsförmåga vad avser varvtals- och belastningsförhållanden, bättre bränsleekonomi och mindre utsläpp av miljöfarliga ämnen. Detta är några av de fördelar, som saknas vid de i det föregående angivna anordningarna och förfarandena enligt teknikens hittills kända ståndpunkt. Patentkrav:

1. l. Tidsberoende förfarande för genomförande av en energiomvandlings- vv11s4sés l lr cykel innefattande omvandling av kemisk energi till värmepotential genom utnyttjande av de tryckvågor som alstras under ett brännbart bränsles snabba reaktion i närvaro av syre, och utnyttjande av värme- potentialen för att producera användbart arbete i förbränningskammaren i en kolvförbränningsmotor som arbetar under periodiska cykler, vilka resp. omfattar insugning, kompression, expansion (arbetsæsudng) och utblåsning, k ä n n e t e c k naa t ha v att för varje cykel: a) enbart luft tillföres en förbränningskammare (38) i motorn under den inledande delen av insugningstakten medan förbränningskam- marens volym ökar; 7 b) bränsle tillföres förbränningskammaren under en senare del av cykeln, varvid tctalmängden tillfört bränsle väljes så att detsamma åstadkommer en reaktion som snabbt producerar en bestämd värmepoten- tial och ett bestämt maximitryck i förbränningskammaren; c) temperaturen höjs för hela mängden luft och bränsle som till- förts under cykeln genom komprimering av åtminstone luften under komp- ressionstakten; d) en del av den inledningsvis tillförda luften isoleras delvis från i huvudsak att det senare tillförda bränslet under cykeln genom A att en del av den inledningsvis tillförda luften ledes in i en reservoar- kammare (16) anordnad i närheten av förbränningskammaren, varvid re- V servoarkammaren kommunicerar med förbränningskammaren via en smal spalt (l8), som medger överföring av tryckgradienter mellan förbrännings- och reservoarkamrarna, och den isolerade delen av luften i reservoar- kammaren hålles väsentligen fri från förorenande bränsle genom cykeln; e) bränslet i förbränningskammaren antändes för att starta dess snabba reaktion med omedelbart tillgängligt syre i slutet av kompres- sionstakten, varvid en kontinuerlig serie av tryckstöt- och expan- sionsvågor alstras, vilka går genom förbränningskammaren och skär spal- ten för att alstra tryckdifferentialer mellan förbrännings- och reser- voarkamrarna oberoende av det totala trycket i förbränningskammaren eller kolven och kontinuerligt genom hela reaktionen; f) genom förbränning_och reservoarkammarens geometri, samt spal- tens utformning medges och underlättas cyklisk snabb återstuds och återinträde av stötvågorna tvärs över och genom spalten med en hastig- het som medför reglerad pumpning av syre in i förbränningskammaren från reservoarkammaren tack vare tryckdifferentialerna mellan kamrarna under förbränningstakten; g) förbränningskammaren tillåtes expandera under expansions- (ar- betsalstrings-) takten; och h) förbränningskammaren blåses ut i slutet av utblåsningssteget. '7711646-5 17.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att bränsle tillföres förbränningskammaren under insugningstakten genom tillförsel av detsamma till luft som aspirerat in i förbränningskamma- ren under insugningstakten efter det endast luft först aspirerats och att bränslets temperatur höjs genom komprimering därav samt av luften under kompressionstakten.

3. Förfarande enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v att förhållandet mellan reservoar- och förbränningskamrarnas volym hålles vid minsta volym mellan 0,2 och 3,0.

4. Förfarande enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t a v att spalten på sitt smalaste ställe ges en bredd på l,27 -- 5,08 mm.

5. Förfarande enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v att reservoarkammaren är lokaliserad i motorkolven (14) invid den- nas funktionsyta, varvid steget att leda en del av den inledningsvis tillförda luften till reservoarkammaren åstadkommes genom att kolven förskjutes mot en förbränningskammarvägg under en kompressionstakt efter det endast luft tillförts förbränningskammaren.

6. Förbränningsmotor för genomförande av förfarandet enligt något av föregående patentkrav och innefattande en förbränningskammare (38) med variabel volym, vari införes en bränsleluftblandning under åtmins- tone en del av en insugnings- och kompressionstakt som utgör en del av moumnm arbetscykel, varvid blandningen komprimeras under åtminstone en del av insugnings- och kompressionstakten, fås att reagera under en förbrännings-/expansionstakt samt blåses ut under en utblåsningstakt; en kolv (14) som är rörlig i en cylinder för att variera dess volym mellan kolven och cylinderhuvudet (37), varvid förbränningskammaren är anordnad mellan kolven och cylinderhuvudet; en anordning (32, 33) för att var för sig leda luft och bränsle till förbränningskammaren i ett tidsberoende förhållande till kolvrörelsen; samt in- och utloppsventi- ler (23, 28) för reglering av tillförseln av luft och bränsle till förbränningskammaren via en inloppsöppning (27) resp. utströmningen av förbränningsgaserna ur förbränningskammaren via en utloppsöppning (22), k ä n n e t e c k n a d a) en anordning (26, 27) för att leda enbart i huvudsak bränslefri av luft till förbränningskammaren via inloppsöppningen under den inledande delen av varje blandningsinsugnings- och kompressionstakt; b) en anordning (32) för att leda bränsle till förbränningskamma- ren under en senare del av varje blandningsinsugnings- och kompressions- takt, varvid proportionen bränsle/luft i varje blandning varierar från överskott på bränsle nära inloppsöppningen till i huvudsak bränslefri luft nära kolven i början av kompressionstakten; 1711646-s år lt c) en luftreservoarkammare (16) i närheten av förbränningskamma- ren; och d) en passage (18) mellan förbränningskammaren och luftreservoar- kammaren, varvid passagen medger begränsad förbindelse mellan nämnda kammare, varvid förbränningskammaren, reservoarkammaren och passagen uppvisar en geometrisk form som medger överföring via passagen av tryck- stötvågor i förbindelse med en förbränningstakt-i förbränningskammaren och reglerad pumpning av luft som komprimerats av stötvågorna från re- servoarkammaren till förbränningskammaren genom hela förbränningstakten oberoende av det totala trycket i förbränningskammaren eller kolvläget p.g.a. samverkan mellan stötkomprimerings- och expansionsvågorna i passagens närhet. ' '

7. Förbränningsmotor enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d a v att kolven uppvisar ett fram- och återgående kolvelement (14) och en del (19) ovanpå kolvelementet som sträcker sig mot cylinderhuvudet, varvid nämnda del innefattar ett radiellt sig sträckande läpparti (20) anordnat på avstånd från och gående längs cylinderväggen (36) samt på avstånd ovanför kolvelementet; att reservoarkammaren upptar utrymmet mellan nämnda läpp och kolvelementets överdel; att passagen har en bredd och längd som definieras som avståndet mellan läppen och cylinderväggen respektive det periferiella avståndet utmed cylinderväggen, över vilken läppen sträcker sig; och att passagens bredd ligger mellan 1,27 och 5,08 mm.

8. Förbränningsmotor enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a d a v att passagen har en jämn bredd och en längd som sträcker sig över huvuddelen av kolvelementets periferi. ,

9. Förbränningsmotor enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a d š a v att förhållandet mellan förbränningskammarens minsta volym och reservoarkammarens volym är mellan 0,2 och 3,0.

10. Förbränningsmotor enligt patentkrav 6, k ä n n e tee c k n a d 2 a v en blandningsinloppsfördelare (27) som är anordnad uppströms om Å inloppsöppningen varvid lufttillförselanordningen innefattar en luft- 2 tillförselventil (26) som är anordnad i nämnda fördelare uppströms om och tätt intill inloppsventilen, samt en kontroll för reglering av tillförselventilen att släppa in luft i inloppsfördelaren invid in- loppsventilen mellan inloppsventilöppningar.

11. ll. Förbränningsmotor enligt patentkrav 10, k ä n n e t e cik - n a d a v att luftbränsleblandningen genom aspiration ledes genom inloppsöppningen och att förbränningsmotorn dessutom innefattar ett tändorgan (24) i förbränningskammaren för att starta förbränningen av blandningen.