SE467589B - Foerbraenningsmotorsystem - Google Patents

Description

¿67 589 _ “Z 10 15 20 25 30 35 40 större, förbränningsrummet omslutande kalla ytor i förhållande till gasvolymen, vilket gör att andelen oförbrända kolväten ökar. Dieselmotorn har den bästa verkningsgraden av dagens motorer genom att den dels arbetar vid en hög trycknivà och dels har en hög temperaturökning (hög förbränningstempertur).

Den förbränner direkt i arbetsmediet och har därför, i motsats till externförbränningsmotorerna, inget problem med värmeöver- föring genom något material vid höga tryck och temperaturer.

Hos dieselmotorn föreligger dock stora problem med avgas- reningen. Vid förbränning under högt tryck och hög temperatur förenar sig luftens kväve och syre till kväveoxider och genom att förbränningen är intermittent och sker i ett rum med kalla väggar kommer en del oförbrända kolväten att följa med av- gaserna.

Malet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en förbränningsmotor med hög verkningsgrad och som uppfyller miljökraven på rena avgaser och lág ljud- och vibrationsnivà. Üppfinningen hänför sig till en internförbränningsmotor med hög tryck- och temperaturnivà och med kontinuerlig förbränning i separat brännkammare och med omhändertagande av föroreningar i avgaserna.

Genom att uppfinningen erhållit de i patentkraven an- givna kännetecknena erhålles sàlunda en internförbrännings- motor med hög tryck- och temperaturnivà med en kontinuerlig process och hög renhet hos avgaserna.

Uppfinningen kommer närmare att beskrivas i detalj i form-av ett exempel under hänvisning till ritningen, vari iigà L visar förbränningsmotorsystemet enligt uppfinningen schema- tiskt sett i genomskärning, fig. 2 visar en i uppfinningen ingående expansionsrotor sedd schematiskt i snitt tvärs rota- tionsaxeln och fig. 3 visar expansionsrotorn schematiskt i snitt längs rotationsaxeln men med de i fig. 2 visade kolvarna i andra lägen.

Grundidén med uppfinningen är, som kommer att framgå senare, en internförbränningscykel med stegvis kompression och expansion i separata mekaniska anordningar och med separat brännkammare. Härigenom kan de mekaniska förutsättningarna för varje funktion optimeras för sitt ändamål och den termodyna- miska processen blir àtkomlig och pàverkbar bàde pà kompres- sionssidan och expansionssidan. Första och sista steget i o~ 10 20 25 30 35 40 3 467 589 systemet är en turbokompressor, dvs. en centrifugalkompressor driven av avgaserna, eftersom dynamisk kompression ger de lägsta mekaniska förlusterna i förhållande till tryckomsätt- ningen vid dessa trycknivàer. Härpà följer en stegvis kompres- sion med hjälp av kompressorer av deplacementstyp, en bränn- kammare med kontinuerlig förbränning och därefter en stegvis expansion i en expansionsmekanism i form av expansionsrotorer.

Förbränningsmotorsystemet enligt uppfinningen innefattar en kylare - kondensor - 2 samt ett motorblock 1, innehållande de för förbränningsmotorsystemets funktion nödvändiga meka- niska delarna.

Den för förbränningen nödvändiga förbränningsluften sugs in via en luftrenare 3 med hjälp av en centrifugalkompressor 4, driven av en avgasturbin 5 - en s.k. turbokompressor.

Förbränningsluften leds via en ledning 6 till en första de- placementskompressor i form av en skruvkompressor 7, fràn denna via en värmeväxlare 8 till en andra skruvkompressor 9. från denna leds den komprimerade förbränningsluften via en andra värmeväxlare 10 till sista kompressionssteget i form av en tredje skruvkompressor 11. Den komprimerade förbränninge- luften leds därefter via en ledning 12 till en brännkammare 13. Denna matas kontinuerligt med bränsle via en bränsleled- ning 14 med munstycke 15, varigenom en kontinuerlig förbrän- ning upprätthàlles i brännkammaren 13.

Den nödvändiga “mekaniska barriären" mellan kompres- sionstrycket och expansionstrycket, som även föreligger vid detta förbränningsmotorsystem, mäste ha en kontinuerlig funk- tion och fungerar sålunda den sista kompressorn 11 såsom ”barriär” för upptagande av differanstrycket mellan kompres- sionstrycket och förbränningstrycket.

Här visas en kompression i tre steg men är naturligtvis uppfinningen ej bunden till detta antal, vilket ju är beroende pà önskat arbetstryck och kan variera. Värmeväxlarna 8 och 10 är avsedda att kyla den komprimerade, insugna förbrännings- luften varvid som kylmedel används de fràn expansionsdelen kommande avgaserna, som senare skall beskrivas. Beroende pà önskad effekt och tryckförhàllanden är dock värmeväxlarna 8 och 10 ej nödvändiga eller kan det exempelvis räcka med en värmeväxlare.

Den vid den kontinuerliga förbränningen i brännkammaren "4e7 589 _ 0 '4 10 15 20 25 30 35 40 alstrade förbränningsgasen, vilken förbränning samtidigt är förknippad med tryckstegríng, leds till en första expansions- rotor 16, i vilken arbetsgasen expanderar, åstadkommande ett mekaniskt arbete, och leds vidare tillbaks omslutande före- gående expansions- och kompressionsmekanismer, såsom framgår av pilarna på ritningen, genom värmeväxlaren 10 och genom värmeväxlaren 8 till en andra expansionsrotor 17. I denna expanderar arbetsgasen i ett andra steg och leds via en led- ning 1B till den tidigare nämnda avgasturbinen 5, drivande centrifugalkompressorn 4, och vidare till en kondensor 19. I det visade exemplet kyls kondensorn av en konventionell luft- kylare fylld med exempelvis en cirkulerande glykolblandning.

Genom att förbränningsmotorsystemet enligt uppfinningen arbetar med höga kompressions- och förbränningstryck och temperaturer måste expansionsrotorn omedelbart efter bränn- kammaren, skruvrotorhusen 44 liksom i förekommande fall värme- växlarna kylas effektivt. Vid exempelvis en dieselmotor utgör öirka 56% av den tillförda energin förluster i kylvatten och avgaser. En grundläggande idé enligt föreliggande uppfinning är därför att lägga ihop kylnings- och avgasförlusterna för att samtidigt minska summan av dessa förluster genom att återföra värmen från kylningen till expansionsarbetet på en lägre tryck- och temperaturnivå, dvs. till följande expan- sionssteg, och samtidigt skapa förutsättning för en hög avgas- rening. I och med att expansionsarbetet är uppdelat i flera steg blir även processen pàverkbar. Förbränningsgasen mellan sista och näst sista expansionssteget (i detta fall efter första expansionssteget), när tryck och temperatur är relativt låga, omsluter kompressions- och högtrycksdelen och utgör samtidigt bärare för kylmediet. De heta kompressorerna- och högtrycksexpansionsrotorerna (i detta fall rotor 16) sprayas därför med vatten från dysor 21, såsom framgår av fig. 1. Den därvid bildade vattenàngan blandas med avgaserna varigenom den bortkylda värmemängden från högtrycksdelen återförs till lågtrycksdelen i efterföljande steg i expansionskedjan, vilket ger en ökad arbetsgasvolym och mera utvunnet nyttigt arbete.

Den insprutade vattenmängden skall avpassas så att tillräcklig kylning av högtrycksdelen uppnås men så att arbetsgasens temperatur- och trycknivå ej sänks.

I kylarens 2 kondensordel 19 kommer sålunda avgaserna 10 15 20 25 30 35 40 s 467 589 att kylas och vattenångan därigenom kondenseras. Avgaserna innehåller kväveoxid (N02) och koldioxid (C02). Båda dessa gaser är under vissa förutsättningar lösliga i vatten och skall den beskrivna integrerade kylningen även fungera som rening av avgaserna. Genom inblandningen av vattenånga i avgaserna kommer sålunda kväveoxiden att lösas i vattnet till salpetersyra (HNO3) och koldioxiden till kolsyra (HZCO3). Det kondenserade processvattnet erhåller därför en sur karaktär.

För att neutralisera processvattnet insprutas via en dysa 22, anordnad före kondensorn, vatten med en basisk tillsats (t.ex. kalklösning eller sodalösning). Det så i kondensorn bildade processvattnet uppsamlas i en isolerad behållare 23 under kondensorn. Det i behållaren 23 uppsamlade processvattnet filtreras och återleds medelst en pump via en ledning 24 till de tidigare nämnda vattendysorna 21 för motorns fortsatta drift.

Genom att anordna en strypventil 25 efter kondensorn är det möjligt att bibehålla ett visst övertryck i denna vilket medger en kylning av avgaserna under omgivande lufttemperatur och därmed uppnås en fullständigare kondensering i delen 26 (se fig. 1). Övertryck i kondensorn bidrar också till att binda C02 i form av kolsyra tills dess denna neutraliserats.

Det så efterkondenserade vattnet leds till den isolerade behållaren 23.

I det följande kommer den i förbränningsmotorsystemet ingående expansionsrotorn närmare att förklaras under hänvis- ning~till fig. 2 och 3. Högtrycks- och làgtrycksexpansions- rotorerna är i princip uppbyggda på samma sätt dock med stor- leken anpassad till trycknivàn. Expansionsrotorn består av ett hus 27 med en cylindrisk insida 28 och en fast med huset anordnad vevaxeltapp 29, vilken sålunda kommer att ligga excentriskt i förhållande till husets 27 cylindriska insida 28. Fritt roterbar inuti huset 27 är en trumma 30. Trumman 30 uppvisar två segmentformade kolvar 31, vilka, som framgår av fig. 2, utgör en del av trummans 30 mantelyta. Respektive kolv 31 är vid sin ena ände eller kant svängbart lagrad vid trumman medelst ett lager 32. Kolven är vid lagret avtätad mot trum- mans inre medelst tätningar 33. Kolvens 31 lagret motstående ände eller kant uppvisar ett bágformat parti 34, vars bàgradie har sitt rotationscentrum i lageraxeln 32. Det bågformade 467 10 15 20 25 30 35 40 589 8 partiet 34 samverkar med ett motsvarande bàgformat fast parti 35 hos trumman 30. Även vid denna ände är kolven avtätad mot trummans inre med hjälp av tätningar 33.

I vevaxeltappen 29 är tvà stycken vevstakar 36 lagrade, vars andra ändar medelst en kolvtapp 37 är lagrad i resp. kolv O) i dennas fria ände. Varje kolv 31 uppbär, som antyds i fig. 2, en motvikt 38, varigenom kolven är utbalanserad omkring lagret 32. fa Vid en radie från husets och trummans 30 centrum 0 genom vevaxeltappens centrum är i huset 27 en inloppsport 39 anord- nad för arbetsgaserna frán brännkammaren 13. En utloppsport 40 är anordnad omslutande en vinkel av cirka 130° med sin ut- loppskant 41 anordnad ungefär diametralt mittemot inlopps- porten. Tätningar 33 är anordnade att täta trumman emot huset vid inlopps- och utloppsportarna.

Expansionsrotorns 16 funktion torde vara given. Mellan utloppsporten 40 och inloppsporten 39 är en kolv 31 uppsvängd mot husets 27 cylindriska insida 28. När kolvens med vevstaken 36 förbundna ände närmar sig inloppsporten 39 eller i höjd med denna, passeras “övre vändpunkt" av vevaxeltappen och "öppnar" kolven allt mer allt eftersom trumman 30 vrider sig. Kolven skapar sålunda en expanderande innesluten volym 42 vilken fylls med högtrycksgas som under påföljande halva varv utövar ett tryck, vilket resulterar i ett motriktat moment i den fasta vevaxeltappen 29 och ett motsvarande framàtriktat moment i trumman 30, vilken driver expansionsrotorns utgående axel 43 (se Pig. 3). När kolvens 31 med vevstaken förbundna ände befinner sig i höjd med utloppsportens öppningskant 41 är kolven som mest inàtsvängd och kommer nu arbetsgasen att lämna expansionsutrymmet genom utloppsporten 40. Under kolvens rörelse genom utloppsporten kommer kolven alltmer att "stänga" och därmed trycka ut den inneslutna gasvolymen.

I fig. 3 visas schematiskt hur exempelvis vevaxeltappen 029 medelst sin centrumaxel är via en fläns fastsatt vid huset 27 och som vid sin flänsen motsatta ände lagrar trumman 30.

(I Den utgående axeln 43 är exempelvis medelst en fläns fast- bultad vid trumman 30. Det skall underförstàs att huset 27 med vevaxeltappen 29 är fast anordnat i rummet. 3 visas en I fig. kolv 31 i sitt mest utsvängda läge och den andra kolven i sitt mest indragna läge. De utgående axlarna 43 hos de tvà i 10 15 20 25 38 35 40 7 467 589 exemplet visade expansionsrotorerna är via lämpliga växlar sammankopplade till en drivenhet, vilken skall som exempel driva en generator, hjulen hos en bil, propellern hos en bàt osv. Drivenheten driver även de tre deplacementskompressorerna 7, 9 och 11. Detta antyds upptill i fig. 1 med streckade linjer.

Expansionsrotorn enligt uppfinningen arbetar sålunda efter “deplacementsprincipen“ emedan den skall omsätta höga gastryck och till sin största del vara rotationssymmetriskt uppbyggd med sa smà fram- och àtergàende massor som möjligt.

Ventilationssystemet är fast och har expansionsrotorn enligt uppfinningen mycket lätt för att "andas". Expansionsrotorn kan sàlunda rotera med mycket högt varvtal.

Det skall underförstàs att det är möjligt att variera antalet kolvar hos expansionsrotorn.

Carnotprocessen, vilken är känd för varje fackman, förutsätter termisk påverkan bade pà kompressionsarbetet och vid expansionsarbetet. Föreliggande förbränningsmotorsystem enligt uppfinningen bygger ej pà Carnotprocessen pà annat sätt än att det även innebär termisk påverkan både på kompressions- och expansionsarbetet.

Uppfinningen är att kunna åstadkomma detta genom uppdel- ning av kompressions- och expansionsarbetet i separata funk- tioner.

Emedan anordningen för kompression skilts fràn anord- ningen för expansion erhàlles större frihet vid val av kom- pressionsanordning. Lämpligen har sålunda som första steg i kompressionskedjan valts en turbinkompressor, emedan denna är mycket effekttät och har smá mekaniska förluster. De följande stegen i kompressionskedjan maste, för att nà tillräckligt hög trycknivà, vara av deplacementstyp. Effekttätheten bör även vara mycket hög. Därför har som efterföljande kompressionssteg i exemplet valts skruvkompressorer med minskande storlek omvänt propotionellt mot det ökande trycket, vilket naturligt- vis är förutsättningen för ökande tryck. Som nämnt bildar det sista kompressorsteget ventilfunktionen mellan kompression och expansion, sà att det ökade gastrycket kan överföras till ett mekaniskt arbete via expansionsrotorerna.

I och med att förbränningen sker kontinuerligt i den separata brännkammaren 13, kan optimala förutsättningar för en A67 589 'B 10 15 20 25 30 fullständig förbränning nås. Brännkammarens innerväggar bör utföras i mycket värmebeständigt, eventuellt keramiskt, mate- rial. Eventuellt kan en mantel av sidoluft omsluta själva lågan från brännkammaren för att tillåta en så hög förbrän- ningstemperatur som möjligt. Förbränningen bör ske med ett visst luftöverskott, så att förbränningen blir så fullständig ' som möjligt och att de kväveföreningar, som bildas huvudsak- f) ligen utgöres av kvävedioxid (N02).

Emedan förbränningsmotorsystemet enligt uppfinningen arbetar med kontinuerlig förbränning och alla mekaniska funk- tioner är i huvudsak rotationssymmetriskt utförda och hela processen termiskt isolerad från omgivningen, kommer det ljud och de vibrationer som alstras endast till en liten del svara mot vad en motsvarande kolvmotor skulle ha åstadkommit.

Man kan sammanfatta uppfinningen såsom en internförbrän- ningsmotor baserad på en kontinuerlig högtryckscykel, kombi- nerad med en öppen ångcykel, för att ge en mycket hög verk- flingsgrad och där ångcykeln också fungerar som kylning av högtryckscykeln och för att rena avgaserna. Förbrännings- systemet accepterar de flesta av dagens etablerade bränslen.

Inom ramen för uppfinningen skall det underförstàs, att antalet expansionsrotorer kan varieras och att förbrännnings- motorsystemet även fungerar utan den beskrivna turbokompres- sorn 4, 5. Flera högtrycksexpansionsrotorer kan naturligtvis användas, varvid arbetsgasen från en sådan är anordnad att omsluta föregående rotor eller rotorer för dennas eller dessas kylning och höjning av systemets verkningsgrad. Den basiska tillsatsen kan i stället för via en dysa 22 tillsättas direkt i behållaren 23.

Claims (16)

10 15 20 25 30 35 40 9 467 589 Patentkrav

1. Förbränningsmotorsystem baserat pà kontinuerlig internförbränning med efter varandra anordnade separata meka- niska anodfldingar för kompression av förbränningsluften, förbränning och expansion och med i expansionen integrerad kylning och avgasrening, k ä n n e t e c k n a t av att anordningen för kompression innefattar atminstone tvá i serie anordnade deplacementskompressorer (7, 9, 11), varav den i förbränningsluftens strömningsriktning sista kompressorn (11) bildar en tryckbarriär mellan kompressionstrycket och förbrän- ningstrycket, att anordningen för förbränning bestàr av en brännkammare (13) med ett eller flera däri mynnande bränsleut- matningsorgan (14, 15), att anordningen för expansion är àtminstone tvà pà varandra följande expansionsrotorer (16, 17) av deplacementstyp mekaniskt kopplade för bildande av en utgående drivaxel hos förbränningsmotorsystemet, varvid åtmin- stone väggarna hos den närmast brännkammaren anordnade expan- šionsrotorn (16) är kylda medelst en kylvätska (21), och att efter den i avgasernas strömningsriktning sista expansions- rotorn (17) är en kondensor (19) anordnad, vilken kyler av- gaserna och kondenserar den däri befintliga àngfasen av kyl- vätskan.

2. Förbränningsmotorsystem enligt krav 1, k ä n n e- t e c k n a t av att arbetsgasen efter åtminstone den när- mast brännkammaren (13) anordnade expansionsrotorn (16) är anordnad att omsluta denna och den föregående sagda anordning- en för kompression (7, 9, 11).

3. Förbränningsmotorsystem enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att en av avgaserna driven rota- tionskompressor (4) är anordnad uppströms deplacementskompres- sorerna (7, 9, 11).

4. Förbränningsmotorsystem enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a t av att mellan tvà eller flera av deplacementskompressorerna är en kylare (8, 10) för förbrän- ningsluften anordnad.

5. Förbränningsmotorsystem enligt krav 4, k ä n- n e t e c k n a d av att kylaren (8, 10) är genomströmmad av returavgaserna fràn föregående expansionsrotor (16).

6. Förbränningsmotorsystem enligt något av föregående av att deplacementskompres- krav, k ä n n e t e c k n a d '4¿7 589 10 15 20 25 30 35 40 10 sorerna (7, 8, 11) är skruvkompressorer.

7. Förbränningsmotorsystem enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att kylvätskan är vatten.

8. Förbränningsmotorsystem enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att insprutningsorgan (22) för en basisk tillsats är anordnade i eller strax upp- ströms kondensorn (19) eller i en till denna ansluten vatten- behållare (23).

9. Förbränningsmotorsystem enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att en konventionell luftkylare (20) är anordnad för att kyla kondensorn (19).

10. Förbränningsmotorsystem enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att i avgasutloppet efter kondensorn (19) är en strypventil (25) anordnad för upprätt- hållande av ett övertryck hos avgaserna i kondensorn.

11. Förbränningsmotorsystem enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att expansionsrotorn (16, 17) består av ett hus (27) med cylindrisk insida och en däri fast med huset (27) anordnad excentrisk vevaxeltapp (29), en i huset roterbar trumma (30), vars perifera mantel uppbär minst två inåt svängbart vid sina ena ändar i lager (32) lagrade, segmentformade kolvar (31) bildande en del av mantelytan, varvid resp. kolvs (31) andra ände uppvisar en bågformad tätningsyta (34) med rotationscentrum i lageraxeln (32) för kolven och samverkande med en motsvarande bågformad inåt riktad yta (35) hos trumman (30), vid vilken andra ände en vevstake (36), uppburen av vevaxeltappen (29), är lagrad, och att en inloppsport (39) för förbränningsgasen är anordnad i huset belägen huvudsakligen vid en radial från husets centrum- axel (0) och innehållande vevaxeltappen, och att en utlopps- port (40) är anordnad med sin öppningskant (41) huvudsakligen diametralt mot inloppsporten (39).

12. Förbränningsmotorsystem enligt krav 11, k ä n n e- t e c k n a t av att inloppsportens (39) öppningskant är belägen vid nämnda radial.

13. Förbränningsmotorsystem enligt krav 11 eller 12, k ä n n e t e c k n a t av att utloppsporten (40) omsluter en vinkel av cirka 1300. 1

14. Förbränningsmotorsystem enligt krav 11-13, k ä n- n e t e c k n a t av att resp. kolv (31) är försedd med en l/f 11 467 58_9 motvikt (38) för kolvens balansering omkring dess lager (32).

15. Förbränningsmotorsystem enligt något av kraven 11-14, k ä n n e t e c k n a t av att rotorns (16, 17) utgàende axel (43) ansluter till den roterbara trumman (30).

16. Förbränningsmotorsystem enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att deplacementskompres- sorernas (7, 9, 11) omgivande hus (44) är anordnade kylda medelst kylvätskan.