SE448758B - For en kolvforbrenningsmotor avsett uppladdningsarrangemang - Google Patents

Description

448 758 Vid en fleroylindrig motor kan avgassamlingslådor och luftfördelningslådor formas så att de omsluter två eller fle- ra parallelt arbetande rotoraggregat.

Det från motorblocket friliggande aggregathöljet lämpar sig synnerligen väl för anslutning av en andra avgasturbin till sin avloppsände. Från axeln vid denna turbin kan man ta ut resteffekt ur avgaserna som nyttigt arbete,t.ex. genom att via en utväxlingsanordning ansluta axeln till motorns vevaxel,eller för drift av vissa hjälpapparater, t.ex. en elgenerator för laddning av batterier, eller för drift av hydraulpumpsystem el- ler svänghjuls»ackumulator vid olika slag av hybriddrift.

Uppfinníngen kommer här nedan att beskivas med hänvisning till bifogade ritningar,på vilka: Fig.1 schematiskt visar en fyrcylindrig förbränningsmotor för- sedd med ett uppladdningsaggregat enligt uppfinninge, Fig. 2 visar ett vertikalt snitt genom ett uppladdningsaggregat enligt uppfinningen, Fig. 3 visar ena halvan av huset till turbin/kompressorenheten därstädes, Fig. Ä visar ett liknande snitt genom ett uppladdningsaggregat av modifierat utförande, Fig. 5 visar en sprängvy av höljet med turbin kompressorenhet, Fig. 6 visar en sidovy av ett aggregat illustrerande utformning av anslutningskanaler för bättre utnyttjande av tillgäng- ligt utrymme, Fig. 7 visar en horisontalvy av avgassamlingslådan vid en sexcy- lindrig motor med tvâ aggregat, Fig. 8 visar en sidovy av avgas- och luftfördelningslådor vid ett arrangemang enligt Fig. 7, Fig. 9 visar möjlig placering av aggregat vid en V-motor, Fig.1O visar en motor,lika den enligt Fig. l, kompletterad med en andra avgasturbin lämpad att driva på motorns svänghjul,och Fig.11 i något större skala visar brännkammar-arrangemanget mellan uppladdningsaggregatet och den andra gasturbinen i Fig.10, Fig.12 visar en treoylindrig motor med uppladdningsaggregat och en andra gasturbin drivande en hjälpapparat, Pig-13 visar i något större skala brännkammar-arrangemanget mellan uppladdningsaggregatet och den andra gasturbinen i Fig.12.& 448 758 3 Fig. 1Ä visar en motor motsvarande den i Fig. 12, men med horisontella axlar i turboaggregatsystemet, Fig. 15 visar schematiskt turboaggregatsystemet i Fig.1h uppskuret, Fig. 16 visar en dubbelsnäcka för överledande av gas från aggrogutturbincn till den andra avgasLurbinen,och Fig. 17 visar ett modifierat arrangemang av rotorenheten, Fig. 1 visar mycketschematiskt en fyrcylindrig förbrän- ningsmotor 10, försedd med ett uppladdningsaggregat 11, arrange- rat enligt uppfinningen. Utlopps- och inloppsöppningar förut- sätts vara bdägna på samma sida om längdmedelplanet genom mo- torn, men i illustrativt syfte är ledningar för avgas 12, re- spektive luft 13 visade betydligt mer åtskilda än vad de kommer att vara i ett praktiskt utförande. Aggregatet 11 har vertikal längdaxel och till dess undre ände ansluts ett avgasrör 14, medan aggregatet upptill har en anslutning 15 till luftrenare och/eller förgasare. Arrangemanget ger en ren och kompakt installation med minimum av rördragning jämfört med dagens turbouppladdningsin- stallationer.

Själva aggregatet omfattar en rotor 16 bestående av en tur- binrotor 17 och en kompressorrotor 18, vilka är monterade på en gemensam axel 19, och i det utförande som visas i Fig.2 är in- monterade i ett cylindriskt hus 20. Detta är delat på lämpligt sätt, t.ex. i ett längdmedelplan,så att rotorenheten 16 lätt kan inneslutas.

Luftledningarna 13 och avgasledningarna 12 är formade till ett hölje 21, vilket här är utfört i ett enda stycke, men som alternativt kan delas i ett plan vinkelrätt mot rotoraxeln,så att man får en halva som är ansluten till luftledningarna 13, och en andra halva, som är ansluten till avgasledningarna 12.

Vid det här visade utförandet, omsluter höljet 21 ett cylind- riskt hålrum 22, i vilket rotorhuset skjuts in uppifrån för att vila mot lämpliga stöd vid höljets undersida eller mot en fläns vid dess översida. Huset 20 är då försett med lämpliga skovel- gitter och/eller kanaler, som ansluter sig till motsvarande ka- naler i den vägg, som definierar hålrummet 22.

Fig. 3 visar ena halvan av rotorhuset 20, med rotorn uttagen. 448 758 u Vid det modifierade utförande som visas i Fig.Ä är luft- respektive avgas-ledningar 13,12 vardera formade i ett stycke med halvor 25 resp.26, vilka tillsammans bilda hölje för agg- regatet. Här är höljets halvor 25,26 invändigt formade så att de direkt omsïuter och samverkar med rotorerna 17,18. Mellan dessa finns en lagerenhet 2? som direkt uppbärs av den omslutan- de höljeshalvan 25. _ Fig. 5 visar en sprängvy av komponenterna i Fig. M Ringar med ledskenor 28a resp. diffusorelement 28b är monterade på ro- torernas lagerhus 27.

Fig. 6 visar en sidovy av ett hus och illustrerar ett an- slutningsarrangemang i ändamål att på bästa sätt utnyttja till- gängligt utrymme,särskilt vid V-motorer eller lutande motorin- stallationer. Huset är delat i plan vinkelrätt mot rotoraxeln, och de två höljeshalvorna är inpassade mot varandra under använ- dande av elastiska packningar 29, vilka eventuellt kan utgöras av metallbälgar eller andra fjädrande högtemperaturelement av s.k. E-, U- eller 0-ringstyp, som medger viss inbördes rörelse.

Cylindrisk passning med metalliska O- eller U-formade tätningar kan alternativt användas.

Som är inledningsvis nämnt, kan man uppnå stora fördelar med användande av keramiska material, främst på hetgassidan, medan det naturligtvis till exempel på luftsidan kan vara lämpligt att använda lättmetall, såsom Al- eller Mg-Iegeríng, eller komposit- material4 Man får då olika värmeutvidningsförhållanden vid de tvâ höljeshalvorna, vilket måste kompenseras genom lämpliga spel- rum och eflëktíva fjädrande packnings- och tätningsmaterial.

Fig. 7 visar avgassamlingslådan 30 vid en sexcylindrig motor.

För att inte bygga ut för mycket från motorsidan, kan man lämpli- gen i ett fall som detta, använda två mindre turboaggregat 31, monterade sida vid sida. Avgasdelen förses lämpligen med ett gemensamt avlopp 32, så som antyds i Fig. 8, vilken visar en sidovy av arrangemanget enligt Fig. 7, med luftfördelningslåda 33 i omedelbar anslutning till avgassamlingslådan. Man kan genom serieproduktion av mindre enheter uppnå storatillverkningsmässiga fördelar med här beskrivet system, Fig. 9 visar möjlig placering av turboaggregat SÅ vid en V- motor 35. Man lägger här lämpligen ett aggregat utanför vardera raden av cylindrar i motorn. Genom systemets kompakthet kan man i stort sett bibehålla samma breddmått "Bo" vid en uppladdad mo- tor som vid en ouppladdad. m* ....»-«-~.....- ----- 448 758 Aggregaten är i stort sett formade som i Fig. 6. Om till- gängligt breddmått "B" i motorutrymmet medger detta,kan man ut- forma avgas- och luftledningarna mer raka, som antyds med streck- ade linjer till höger i figuren. Aggregaten kommer då att skju- ta utanför sJälva motorn med måttet "b" på vardera sidan.

I samtliga de visade utföringsformerna har aggregatet haft en väsentligen vertikal längdmedelaxel,vilket¿ær enklast kon- struktion, men det är uppenbart, att man även .kan anordna agg- regatet med en horisontell axel och då ansluta samlingslådor från avgasöppningar, respektive till inloppsöppningar vid olika ändar av höljet. Inmontering av rotoraggregatet kan även då ske på det sätt som beskrivits i anslutning till Fig.2 och Ä.

De illustrerade utförandena med ett från motorblocket fri- liggande hölje lämpar sig synnerligen väl för anslutning av en andra avgasturbin i sådana installationer, där avgasernas hela energiinnehåll ej behöver untyttjas för kompression av ladd- ningsluften. Eventuellt kan man tillfoga en extra brännkammare för utökat effektuttag.

Fig. l0 visar en motorav samma slag som den i Fig. 1.

Av- gas- och luftledningarna 12,13 är samlade i ett hölje 11, som å innehåller den här icke visade rotorenheten för uppladdnings- aggregatet. Luftinloppet är betecknat med 15, och till avgas- utloppm 14 från höljet är en andra avgasturbin RO med horison- tell axel H1 ansluten.

En tvåstegsväxel Ä2 och icke visat frihjul förbinder turbinaxeln #1 med en utgående axel H3, som sträcker sig in i den kåpa MÅ, som delvis omsluter motorns icke visade svänghjul. En kugghjuls- eller bäfitransmission eventuellt av variabel typ överför överskottsenergin från avgaserna till förbränningsmotorns vevaxel, antydd vid ÄB.

Man kan öka uppladdningsaggregatturbínens 17 effekt ge- nom tillförsel av bränsle till uvgasledníngen 12. Avgaserna innehåller i allmänhet tillräckligt mycket syre för förbrän- ning av ytterligare bränsle och med den rådande höga tempera- turen sker en snabb förgasning och antändning.

Man kan tillföra gasformigt eller flytande bränsle,men kan även arbeta med fast bränsle i pulverfonn, eventuellt upp- slammat i vätska eller i gelform. Tillförselanoflningen kan va- ra av konventionellt slag vid brännare, och antyds på ritning- en endast med en rörledning ÅS. 448 758 6 På ett likartat sätt kan man vid behov,alternativt el- ler tillsammans med den ovan berörda tillsatsförbrännningen, ordna med bränsletillskott till den andra gasturbinen 40.

Fig. 11 visar mer i detalj en brännkammare 47 anordnad i anslutning till avloppet från höljet 11. Brännkammaren är in- räünd För reverserat flöde, vilket ger ökad längd på gasvägen och förbättrar förgasning av det nya bränsle, som via en led- ning 48 tillförs genom med rotationsorgan försedd brännare 49 vid nedre änden av brännkammaren. Brännkammaren utformaslämp- ligen med konisk diffusor som resulterar i hastighetsreduktion.

Tändning säkerställts genom tändstift 50, eventuellt i anslut- ning till flamhållare 51.

Fig. 12 visar en tre-cylindrig motor 55,försedd med upp- laddníngsggregatet monterat i ett hölje 11, av samma typ som beskrivits ovan. En kåpa 56 innehåller transmissioner till hjälpapparater. En andra avgasturbin 40 är även här ansluten till avloppet 14 från höljet 11, och kan driva en elgenerator eller en hydraulpump för laddning av en ackumulator,t.ex. av wänghjulstyp 59 för s.k. hybriddrift. Även här finns rörledning 46 för tillförsel av bränsle till avgasledningen 14. En efterbrännkammare 58 (se Fig. 13) med flamhållare för förbränning av~genom en ledning 48 tillfört bränsle är anordnad i anslutning till avloppet från höljet 11.

Avgasturbinen 17 och den andra gasturbinen 40 kan förses med vridbara ledskenor och/eller by-pass-arrangemang, förhöjd verkningsgrad eller ökat effektuttag respektive större flexibi- litet. Turboaggregat av turbintyp är i de flesta fall att fö- redra, men man kan även använda rotorer av deplacementstyp, t,ex. av vingtyp.

Fig. 14 visar en motor 60 av samma slag som den i Fig.12 och utrustad med turboaggregat 61, 62 och andra avgasturbin 63, vilka emellertid här anordnats med sina axlar horisontellt. I övrigt användes samma hänvisningsbeteckningar som i Fig. 12.

Aggregatets uppbyggnad framgår bättre av Fig. 15. Kompres- sorn 61 och den denna drivande avgasturbinen 62 är båda av ra- díell typ, där den senare är inrättad för inåtríktad strömming.

Den andra avgasturbinen 63 är av liknande typ.

J) 448 758 7 Avloppet från aggregatturbinen 62 passerar via en axiell kanal och en dubbelsnäcka 6ü - se Fíg. 16 - till den andra avgasturbinen 63. Dubbelsnäckans båda kamrar 65, 66 är så for- made att man får eüismidigt gasflöde med naturlig diffusorverkan.

Endera eller båda väggarna vid övergången mellan dubbel- snäckans båda kamrar kan utföras med rörlig läpp 67 som med- ger justering av flödespassagens storlek, En brännkammare 68 är här inlagd mellan avgaslådan lä och aggregatturbinen 62, så att även dennas effekt kan höjas. Kom- pressorn 61 kan förses med rörliga ledskovlar 69a,b, vid inlopp- och/eller utlopp, och båda turbinerna 62 och 63 är försedda med inloppsledskovlar 69 c,d.

Fig. 17 visar en vidareutveckling av aggregatet enligt Fig.

. Motorn 70 är av samma slag som tidigare och är försedd med en lLftkompressor 71, som drivs av en första avgasturbinrotor 72.

Ytterligare finns en andra och en tredje turbinrotor 73 och 7ü anordnade i serie efter den första. Turbinrotorerna 73 och 7Å är belägna i samma plan, och gasöverledning mellan dem sker via en dubbelsnäcka 75 av samma slag som den som visas i Fig.16.

En växel 79 av planettyp förbinder andra och tredje turbin- rdrernas 73,7h axlar. Utgående axel 76 kan driva hjälpapparater, eller sammankopplas med utgående drivaxel 77. Motorn är här ut- formad med alternativt kraftuttag 77a (streckat).

En hjälpaxel 78 gör det möjligt att överföra effekt båda vägar mellan den för kompressor 71 och första turbinrotor 72 ge- mensamma axeln och växeln. En brännkammare 79 är ansluten mellan avgaslådan 13 och den första turbinrotorn 72. Rörliga ledskovlar 80 a,b,c,d, finns här vid inloppet till kompressorn samt vid inloppen till de tre turbinrotorerna.

Då avgasledningar,brännkammare och turbinsystem i stor ut- sträckning tillverkas av keramiskt material, blir livslängden mycket stor, och komponenterna varar motorns driftstid ut. Det- ta medför mycket god drifts- och scrvíceekonomi. Luftlagrade rotorers lagersystem fordrar ej heller något underhåll.

Det keramiska materialet har en specifik vikt av cirka 1/3 av det för stålmaterial,vilket gör konstruktionen mycket lätt.

På grund av den höga specifika effekten som kan uppnås, kommer motoranlägningens dimensioner att bli små. Avgasturbinerna blir endast ungefär hälften så stora som vid dagens installationer. 448 758 Vid en Otto-motor anordnas lämpligen s.k. knackníngs- Kkontrollorgan, som känner eventuella ändringar i trycket i cylindern och som vid turboladdning påverkar en ventil i by-pass-ledning. Motorn kan då ständigt fås att arbeta vid så högt BMEP som möjligt, utanknackning. Detta erbjuder även en automatisk anpassning till bränslen med olika oktantal och/eller kvalitet.

Vatteninsprutning kan även tillämpas,varvid vattnet lämpligen för erhållande av maximal finfördelning tillförs genom dysa före uppladdningsaggregatets kompressor.

Turbinrotorer av keramiskt material är väl lämpade att ta hand om gaser erhållna vid förbränning av fast bränsle, t.ex. kolpulver.

Uppfinningen är icke begränsad till de visade utförings- formerna, utan utformning och placering av ingående komponen- ter kan varieras på många sätt inom ramen för efterföljande patentkrav. f.)

Claims (5)

448 758 PATENTKRAV

1. För en kolvförbränningsmotor avsett uppladdnings- arrangemang omfattande avgasturbin och därav driven spol- luftkompressor, k ä n n e t e c k n a t därav, att led- ningar (12, 13) frân utlopps- respektive inloppsöppningar mynnar på samma sida av motorn och är samlade till en inte- grerad del och uppbär ett aggregathölje (ll), vars längd- axel är väsentligen parallell med cylinderradens längd- medelplan, och i vilket minst en turbin/kompressorenhet (16) är monterad med turbinens utl0PP (14) resp. kompress- orns inlopp (15) riktade axiellt åt motsatta håll.

2. Uppladdningsarrangemang enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att höljet (ll) omsluter ett vid sin ena ända helt öppet, cylindriskt hâlrum (22), samt att turbin/kompressorenheten (16) är monterad i ett cylindriskt hus (20), Vilket är axiellt införbart i hål- rummet.

3. Uppladdningsarrangemang enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att utlopps- och inlopps- ledningar (12, 13) var för sig är samlade till en halva (25, 26) av ett i ett plan vinkelrätt mot längdaxeln delat hölje (lla), vilket är anordnat att direkt omsluta rotor- erna (25, 26).

4. Uppladdningsarrangemang enligt något av föregåen- de patentkrav tillämpat vid en flercylindrig motor, k ä n n e t e c k n a t därav, att avgassamlings- respek- tive luftfördelningslådor (30, 33) omsluter tvâ eller flera parallellt arbetande rotorenheter (31).

5. Uppladdningsarrangemang enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att avgasdelen är försedd med ett för rotorenheterna gemensamt avlopp (32).