SE511407C2 - Förfarande för att driva en förbränningsmotor - Google Patents

Description

511 15,07 mas motoraxlar, medan enligt uppfinningen l80° av rota- tionen stàr till förfogande (under utbläsningsslaget) för att fylla kammaren och förbränna blandningen, och detta medger, i beroende av hur fyllning sker, förbrännings- perioder pà omkring l50° eller rentav l60° av motoraxelns rotation. Dessutom, och i syfte att undvika värmeförluster via väggarna under denna långvariga förbränning, skall eller kan kammaren täckas med en värmebarriär av kera- miskt eller annat värmeisolerande material för att inte förlora värme via väggarna som sàledes kan bli mycket varma; och vore det också särskilt fördelaktigt, av samma skäl, om väggarna till expansionskammaren (kolvkrön, kam- martak, överströmningsledning, etc.) belägges med en värme- barriär av keramiskt eller annat värmeisolerande material.

Funktionen hos motorn enligt uppfinningen och de förbätt- ringar som gjorts i förhållande till konventionella moto- rer och till de motorer som beskrivs i ovannämnda patent kan nu förstas. Det inbördes beroendet i synnerhet vad gäller kompressions- och expansionskammarcyklerna, och värmeskyddet av förbränningskammaren och/eller av expan- sionskammaren, medger förbränningsperioder som är 3-4 ggr längre än i konventionella motorer och som uppnàs utan större värmeförluster, varvid effektiviteten således för- bättras; dessutom är det med detta arrangemang möjligt att ástadkomma en förbränningskammare som inte är av- hängig, vid botten därav, av diametern pà kolven, utan kan närma sig eller anta den ideala sfäriska formen utan ytràheter eller ”hörn” i vilka gaserna inte förbränns och ger oförbrända kolväten.

Dessa kombinerade fördelar med en läng förbränningsperiod, med en kompakt förbränningskammarform nära en sfärisk form utan ojämnheter eller hörn, värmeisolerad med varma väggar, gör det möjligt att erhálla halter av föroreningar i avgaserna som är mycket lägre än i konventionella moto- rer. 511 407 Enligt ett annat tillvägagångssätt enligt uppfinningen är det möjligt att mellan kompressions- och förbrännings- kamrarna utforma en buffertvolym i vilken komprimerad luft ackumuleras, vilket gör det möjligt att undvika stöt- eller slageffekter och tryckfall p.g.a. dödpunktöver- strömningsmängderna och expansionen under fyllningen av förbränningskammaren.

Kompressorns sätt att fungera kan därför variera utan att detta pá nagot sätt påverkar principen för uppfinningen; även om det i praktiken verkar bättre att använda en kolv- kompressor, kan ettvart annat sätt att generera tryck- eller komprimerad luft användas - en enkel- eller fler- stegs kolvkompressor, en cellkompressor, en fläkt av Roots-typ eller en kompressor av Lyshom-typ eller en turbokompressor som drivs av avgaserna. Det är likasà möj- ligt vid vissa applikationer att utnyttja en reserv av luft fràn en cylinder (eller annan behållare) som expan- deras i förbränningskammaren, eller rentav tryckluft fràn en huvudledning (vid t.ex. en stationär motor pà en fab- rik som hämtar tryckluft fràn en huvudledning).

Expansionskammarens funktionssätt kan också variera utan att detta pà nagot sätt ändrar principen för uppfinningen; fastän det i praktiken verkar lämpligt att använda en kolv som rör sig i en cylinder och driver en vevaxel via en vevstake, kan ettvart annat roterande inkapslat system användas - roterande med radiella ledskovlar, med roteran- de kolv som exempelvis följer en musselskalformad bana, cirkeln pá ett hjul, etc..

Motorn enligt uppfinningen arbetar med homogena bränsle- luftblandningar och blandning àstadkommes medelst en för- gasare innan inmatningen i kompressorn, men ett bränsle- insprutningssystem (elektroniskt eller mekaniskt) mellan kompressorn och förbränningskammaren föredras även om 511:407 direktinsprutning i förbränningskammaren ocksa kan använ- das utan att funktionsprincipen därför ändras.

Motorn enligt uppfinningen arbetar ocksa med heterogena självantändande blandningar som i dieselmotorer. I detta fallet faller tändstiftet som är anordnat i kammaren bort och en dieselinjektor för direktinsprutning och som matas av en pump och utrustning därtill av konventionellt slag för dieselmotorer, är anordnad i förbränningskammaren.

Vidare kan minst tvà separata förbränningskammare företes, vilka arbetar pà exakt samma sätt som den ovan beskrivna och vilka matas samtidigt, var för sig eller växelvis i syfte att förbättra den termodynamiska effektiviteten vid liten belastning - t.ex. använda bara en kammare vid effektnivàer under motorns halva totala effekt och båda kamrarna över detta värde.

Andra syften, fördelar med och kännetecken pà uppfin- ningen framgär av nedanstående beskrivning av ett antal utföranden därav med hänvisning till bifogade ritningar, pä vilka fig. l schematiskt och i tvärsnitt visar ett utförande av motorn enligt uppfinningen där kompressions- och expan- sionskamrarna bàda styrs av ett vevstake/vevaxel-system och en kolv som är glidförskjutbar i en cylinder; fig. 2 visar samma motor efter att luftbränsleblandningen matats in i förbränningskammaren; fig. 3 visar samma motor vid gasernas överströmning fràn förbrännings- till expansionskammaren; fig. 4 visar samma motor under utblàsning och kompression; 511 407 fig. 5 illustrerar ett annat funktionssätt i tvärsnitt, där en buffertvolym, i vilken tryck- eller komprimerad luft ackumuleras, är installerad mellan kompressorn och förbränningskammaren, medan den komprimerade luftbränsle- blandningen släpps in i förbränningskammaren; fig. 6 visar samma motor under förbränningen; fig. 7 visar samma motor vid expansionens början; fig. 8 visar samma motor i slutet pà expansionen; och fig. 9 illustrerar, i tvärsnitt, ännu ett utförande där expansionskammaren bildas och expansion sker i ett rote- rande system av typen med radiella ledskovlar.

Fig. 1-4 visar ett utförande av motorn enligt uppfinningen där kompressions- och expansionskamrarna bàda styrs av ett system innefattande en vevstake och vevaxel och en kolv som är glidförskjutbar i en cylinder, visat i tvärsnitt, och àskàdliggör kompressionskammaren 1, den självständiga förbränningskammaren 2 med konstant volym, vari ett tänd- stift 3 är installerat, samt expansionskammaren 4. Kompres- sionskammaren 1 är förbunden med förbränningskammaren 2 via en förbindelse 5 vars öppning och stängning regleras medelst en tättslutande klaff 6. Förbränningskammaren 2 är ansluten till expansionskammaren 4 via en överström- ningsförbindelse 7, vars öppning och stängning styrs av en tättslutande klaff 8.

Kompressionskammaren matas med tryck- eller komprimerad luft frán en konventionell kolvkompressorenhet: en kolv 9 som är glidförskjutbar i en cylinder 10 och styrd av en vevstake ll och en vevaxel 12. Den färska luftbränsle- blandningen släpps in via ett inlopp 13, vars öppning styrs av en ventil 14. 511 407 Expansionskammaren 4 styr en konventionell kolvmotor- sammansättning: en kolv 15 som är glidförskjutbar i en cylinder 16 och som via en vevstake 17 roterbart driver en vevaxel 18, varvid förbränningsgaserna avledes via ett avgasutlopp 19, vars öppning styrs av en ventil 20.

Vevaxeln 18 driver kompressorn med samma hastighet via en förbindelse 21 med en vinkelförskjutning mellan expansions- kolvens övre dödpunkt och kompressorkolvens övre dödpunkt, varvid den sistnämnda är framflyttad en vinkel som är vald för att passa till önskad förbränningsperiod.

I fig. 1 visas motorn dä kompressorkolven 9 befinner sig nära dess övre dödpunkt och klaffen 6 precis öppnat för att medge matning av färsk luftbränsleblandning till den konstant volym uppvisande förbränningskammaren 2, medan kolven 15 för expansionskammaren 4, via utloppet 19 som öppnats av ventilen 20, driver ut de gaser som förbränts och expanderats under föregående cykel.

Vid fortsatt rotation medurs som enligt fig. 2, har kompressorkolven 9 precis passerat dess övre dödpunkt och päbörjat sitt slag nedàt; klaffen 6 har precis stängt och stängt av förbindelsen 5, inloppsventilen 14 öppnar för att medge pàfyllning av färsk luftbränsleblandning frän kompressorn (inloppet). Sà snart klaffen 6 stänger, sker antändning medelst tändstiftet 3 och luftbränsle- blandningen förbränns i den självständiga, konstant volym uppvisande kammaren 2, medan expansionskolven 15 fortsät- ter sitt slag uppàt och utblásning eller utdrivning av avgaser sker via utloppet 19.

Dà vevaxlarna 12 och 18 fortsätter rotera (här visat ca. 100° senare) när expansionskolven 15 sitt övre dödpunkt- läge, utloppsventilen 20 stänger äter och den tättslutande klaffen 8 bringas öppna; de mycket högt trycksatta gaserna 5511407 i den självständiga förbränningskammaren 2 expanderar genom förbindelsen 7 in i expansionskammaren 4 och dri- ver tillbaka kolven 15 och genererar sàledes expansions- slaget, medan kompressorkolven 9 är i begrepp att avsluta insläppet av färsk luftbränsleblandning.

Expansionen fortgár under ca. l80° vevaxelvinkel (fig. 4); den tättslutande klaffen 8 stängs äter och utloppsventi- len 20 öppnar, medan kompressorkolven 9 komprimerar luft- bränsleblandningen i kompressionskammaren 1 och klaffen 6 öppnas för att medge insläpp av ny färsk luftbränslebland- ning i den konstant volym uppvisande kammaren 2 för den cykel som skall starta pá nytt (fig. l).

Det kan lätt ses att varje rotation eller varv pà vev- axeln (motor och kompressor) motsvarar en expansion (eller expansionsslag) och att valet av förskjutning mellan komp- ressorkolvens 9 resp. expansionskolvens 15 övre dödpunkt bestämmer perioden eller tiden för förbränningen av bland- ningen i den konstant volym uppvisande förbränningskamma- ren 2.

Expansionskolvens 15 slagvolym kan vara större än kompres- sorkolvens 9 slagvolym. Denna skillnad kan bestämmas som en funktion av skillnaderna mellan de polytropiska komp- ressions- och expansionskurvorna med tanke pà att uppnà lägsta möjliga tryck i slutet pà expansionen, eftersom detta är ett tecken pá god effektivitet och làga ljud- emissioner.

Fig. 5, 6, 7 och 8 visar, schematiskt och i tvärsnitt, ett annat utförande av motorn enligt uppfinningen, vid vilket det mellan kompressorn och förbränningskammaren 2 med konstant volym är anbringad en buffertvolym eller -kammare 22 för tryck- eller komprimerad luft som till- föres via en förbindelse 23 till ett lämpligt organ och 511 407 som hàlles vid ett i huvudsak konstant tryck, och vilket resulterar i eliminering av vissa stöt- eller slageffek- ter och tryckfall p.g.a. dödpunktöverströmningsvolymen och expansionen under fyllningen av förbränningskammaren 2. Förbindelsen 5, vars öppning och stängning regleras medelst en klaff 6, förbinder buffertvolymen 22 av tryck- luft med den självständiga förbränningskammaren 2 och inne- fattar en bränsleinjektor 24 för att genomföra blandningen av luft och bränsle nagot innan blandningen införes i för- bränningskammaren 2. En klaff 25 som ocksa àterfinns i nämnda förbindelse medger justering av den sats som matas in i förbränningskammaren (accelerator).

I fig. 5 visas motorn dä klaffen 6 precis öppnats för att lata tryckluft blandad med bränsle som finfördelats av injektorn 24 via förbindelsen 5 strömma in i förbrän- ningskammaren 2 med konstant volym, medan expansionskol- ven 15 precis pàbörjat sitt slag uppàt för att driva ut i atmosfären, via förbindelsen 19 (utloppsventilen 20 har öppnats), de gaser som förbränts och expanderats under föregående cykel, och medan överströmningsförbin- delseklaffen 8 precis äter stängts.

Sá snart blandningen matats in i den självständiga för- bränningskammaren 2, fig. 6, stängs klaffen 6 pà nytt och den självständiga förbränningskammaren 2 är isolerad; an- tändning sker äter medelst tändstiftet 3 och luftbränsle- blandningen förbränns i förbränningskammaren 2 med kons- tant volym, medan expansionskolven 15 fortsätter sitt slag uppät och àstadkommer utblásning eller utdrivning av avgaser via utloppet 19.

Vevaxeln 18 fortsätter att rotera, fig. 7, expansionskol- ven 15 när sitt övre dödpunktläge, utloppsventilen 20 stänger äter och den tättslutande klaffen 8 bringas öppna.

De mycket högt trycksatta gaserna i den självständiga för- 2511407 bränningskammaren 2 expanderar genom förbindelsen 7 in i expansionskammaren 4 och driver tillbaka kolven 15 och genererar sàledes expansionsslaget.

Expansionen fortgár under ca. l80° rotation av vevaxeln, fig. 8, den tättslutande klaffen 8 stängs därefter äter och utloppsventilen 20 öppnar; frán detta moment öppnas klaffen 6 för att medge insläpp av ny färsk luftbränsle- blandning i den konstant volym uppvisande kammaren 2 sä att cykeln kan starta pà nytt (fig. 5).

Det inses att även med införandet av en buffertvolym av tryckluft förblir funktionsprincipen för motorn den samma.

Emellertid blir luftkompressorn helt självständig, behöver inte längre ställas in i en särskild vinkel relativt motor- vevaxeln l8 och valet därav blir av princip därför enklare.

Vidare är det sà att ju större buffertvolym, ju mer mins- kar effekterna av stötar eller slag och tryckfall i över- strömningsvolymen resp. av expansionen under fyllningen av förbränningskammaren.

I fig. 9 visas ett ytterligare funktionssätt hos motorn enligt uppfinningen, där expansionskammaren är framställd och expansion sker i en roterande inkapslad anordning av ledskoveltyp, bestàende av ett yttre hölje eller stator 26, i vilken det kring en excentrisk axel roterar en trumma eller rotor 27 tangentiellt med statorn och utrustad med en radiell ledskovel 28 sam är fritt glidförskjutbar i höljet 29 därtill för att pressas mot statorns 26 insida och sàledes avgränsa en variabel volym eller mängd mellan densamma, rotorn och statorn, vilken volym ökar fràn ett lagt värde som i praktiken är lika med noll nära kontakt- generatrisen mellan rotor och stator. Strax efter denna generatris i rotationsriktningen mynnar överströmnings- förbindelsen 7 (vars öppning och stängning styrs av klaf- fen 8) mellan förbränningskammaren 2 med konstant volym 511 2107 8 10. och expansionskamaren. En utloppsförbindelse 31 mynnar innan kontaktgeneratrisen mellan rotorn och statorn i rotationsriktningen sett. Sá snart ledskoveln exponerar förbindelsen 7, bringas klaffen 8 att öppna och gaserna som är satta under mycket högt tryck i förbränningskam- maren 2 expanderar in i expansionskammaren 30 och bringar, genom att pressa pà ledskoveln 28, rotorn att rotera, medan ledskoveln 28 framför densamma mot förbindelsen 31 driver de gaser som förbränts och expanderats under före- gaende cykel. Stängning av klaffen 8 och öppning av klaf- fen 6 som medger förnyelse av den färska satsen i den självständiga kammaren 2, sker i slutet pá expansions- fasen dä ledskoveln 28 befinner sig nära utloppet 31.

Antalet ledskovlar och deras placering kan variera, precis som ettvart annat roterande system som ger ett roterande inkapslat system som följer en musselskalfor- mad bana eller cirkeln pà ett hjul (roterande kolvar av Planche-, Wankel-, etc. typ) kan användas som en expan- sionskammare utan att principen för uppfinningen behöver ändras.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till ovan beskrivna och visade utföranden, utan kan variera inom ramen för efterföljande patentkrav utan att fràngá upp- finningens idé och ändamál.

Claims (5)

*511 407 ll. Patentkrav:

1. Förfarande för att driva en cyklisk förbränningsmotor innefattande en förbränningskammare (2) i vilken luft- bränsleblandningen, först komprimerad i en kompressions- kammare (l), antändes med tanke pá att generera arbete genom att öka temperaturen och trycket följt av expansion i en expansionskammare (4), varvid kompressions- (l), för- brännings- (2) och expansionskammaren (4) bestàr av tre separata och självständiga delar som via förbrännings- kammaren är sammankopplade medelst minst en ledning eller förbindelse (5, 7) utrustad med en avstängningsanordning (6, 8), och varvid expansion sker genom att öppna lämplig ledning eller förbindelse (7) i expansionskammaren (4) dä denna antagit sin mer eller mindre minsta volym i syfte att generera arbete, k ä n n e t e c k n a t a v att kompressionskammarcykeln flyttas fram i förhållande till expansionskammarcykeln med ett värde som kan utgöra sa mycket som l80° genom att justera lägena för den övre dödpunkten sa att förbränning sker under en mycket läng tidsperiod, t.ex. uppemot 3-4 ggr längre än i en konven- tionell motor, under utblàsningsslaget i den föregàende cykeln, för att således förbättra förbränningen i syfte att undvika formering av förorenande gaser.

2. Förfarande för att driva en förbränningsmotor enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t a v att den självständiga förbränningskamaren (2) formats i det när- maste som en sfär som är den ideala formen för att för en given volym erhalla minsta möjliga väggyta med tanke pà att undvika värmeförluster via nämnda väggar, erhalla de kortaste flamfrontavstánden och undvika ”hörn” där luft- bränsleblandningen inte förbränns och genererar oförbrända kolväten. 511 407 12.

3. Förfarande för att driva en förbränningsmotor enligt patentkrav l och 2, k ä n n e t e c k n a t a v att förbränningskammaren (2) belagts med en värmebarriär av keramiskt eller annat värmeisolerande material för att ingen värme skall gà förlorad via väggarna, vilka sà- ledes kan hällas vid en mycket hög temperatur och därvid säkerställa att flamman inte kvävs mot väggarna och sä- lunda undvika generering av oförbrända kolväten i av- gaserna.

4. Förfarande för att driva en förbränningsmotor enligt patentkrav l-3, k ä n n e t e c k n a t a v att väggarna till expansionskammaren (4) och/eller väggarna till förbindelseledningen (8) mellan expansionskammaren (4) och förbränningskammaren (2) belagts med en värme- barriär av keramiskt eller annat värmeisolerande material för att ingen värme skall gä förlorad via nämnda väggar, vilka således kan hällas vid en mycket hög temperatur och förbättra expansionseffekten.

5. Förfarande för att driva en motor enligt nágot av patentkrav l-4, k ä n n e t e c k n a t a v att en buffertvolym (22) för tryck- eller komprimerad luft ut- formats mellan kompressionskammaren (1) eller en kom- pressor och den självständiga förbränningskammaren (2), vilken buffertvolym medger undvikande av stöt- eller slag- effekter och tryckfall p.g.a. dödpunktöverströmmnings- volymen och expansionen under fyllningen av förbrännings- kammaren, varvid förbindelsen (5) och dess system (6) för reglerad öppning och stängning är anbringade mellan buffertvolymen och förbränningskammaren.