SE527959C2 - Kolvrotormaskin och förbränningsmotor - Google Patents

Description

O OI IQ io n 0 I o nu 0000 Ile u 0 o I uno OI O 527 959 hållande till att vingen närmar eller tjärmar sig kontaktlinjen. Denna egenskap är särskilt an- vändbar i nämnda förbrärmingsmotor, där en eller flera kompressorenheter och kraft- eller expanderenheter kan kopplas ihop så att det till synes paradoxalt alstras kompression ren ex- panderande volym i förbränningskammaren. Detta är fördelaktigt i strävan att närma sig en isotermisk kompression. Det kan åstadkommas av kylare mellan enheterna. Det förklaras i detalj nedan. Det är också enkelt att ändra rotationsriktriingen på en kompressor fören annan tillämpning, som att omvandla ett flödestryck till en roterande rörelse, t.ex. kompnmerad luft eller ett tlödestryck från en extern förbränning.

Tätnin EftersoEn vingen 4 är fästad mellan omgivande väggar och mot rotorhuset, så behöver den ingen topptätning eller sidotätningar som hos wankelmotom. Tätningsringama 16, fig. 13 och dess spår kan konstrueras med en tvärsnittsvinkel på omkring 45 grader för att täta ordentligt i hömen, dvs. både mot omgivande väggar och så nära som möjligt mot den inre cirkulära ytan hos rotorhuset l (kontaktlinjen).

Kylning Den yttre rotorn har kylflänsar för effektiv kylning under rotationen. De centrala delarna av rotom tillsammans med den gemensamma axeln och den ände av vingen som vetter mot ro- torcentrum är i öppen kontakt med luften omkring, som genom den fläktverkan rotatronen åstadkommer, bidrar till att kyla maskinen. Vingen själv har också luftkanaler för kylning.

Gasflödet regleras av ventiler.

Förbränningsmotorn Under åren har många altemativa törbräimingsmotorer konstruerats för att eliminera nackde- lama med den konventionella kolvmotorn med fram- och återgående kolvar. Gasturbinen, stirlingmotom och wankelmotom är några exempel på altemativa motorer som det har och fortfarande forskas kring och som det satsas pengar på. Men dessa motorer har begränsade ti llämpningsområden, där deras speciella fördelar kan användas. Miljökraven får allt större betydelse och många idéer har stupat på dessa krav och andra problem. De traditionella kolv- motorema är därför fortfarande de dominerande motorema på marknaden.

Vad beträffar uppfinningens tillämpning som förbränningsrnotor så är syftet att få en bättre förbränningsprocess och göra det möjligt att använda altemativa bränslen, t. ex. vätgas. Dess- utom är syftet att väsentligt öka verkningsgraden, som indirekt påverkar miljön genom lägre förbrukning och mindre giftigt utsläpp.

Nackdelar med den vanliga kolvmotorn l. Process i en endavolvm I nutida kolvmotorer sker alla fyra takterria: insug, kompression, förbränning och utblåsning i en enda volym. Det kan anses fördelaktigt att dela taktema med mer än en volym för att upp- nå den bästa verkningsgraden. 2. Vevmekanismen Kolvmotoms vevmekanism och den därmed sammanhängande kolvrörelsen samt tröghets- kraftema hos de fram- och återgående kolvama har i decennier varit föremål för uppfinnares 527 959 och forskares tankemöda för bättre lösningar. Därför har många förslag pä kolvrotormotorer framställts sedan många år tillbaka. 3. Verkningsggaden _ _ Ett annat område som ständigt är under utveckling, är strävan att öka verkningsgraden. Enligt termodynarniken har den s.k. camot-processen den högsta teoretiska 'termiska verkningsgra- den. Rudolph Diesel försökte på sin tid att få sin motor att arbeta enligt denna process i så stor utsträckning som möjligt. Men den är svår att tillämpa på vanliga motorer.

Det har också länge varit känt att verkningsgraden och därmed bränsleförbrukningen i stor utsträckning sammanhänger med kompressionsförhällandet. Utvecklingen har därför gått mot att tillverka motorer med allt högre kompressionsförhållande. Men den begränsande faktom har varit bränsleegenskapema och, beträffande dieselmotorer, det höga kompressionsnycket som kräver tunga konstruktioner. Trots att de höga topptrycken vid förbränningen *YCÉS Vara en viktig parameter för en hög verkningsgrad, har det på olika sätt varit en strävan att Järnna ut dessa topptiyck mot ett högre medeltryck. Men det är svårt att genomföra det i den traditio- nella kolvrnotom. 4. Kompressionsförhållandet _ En förbränningsmotor, och då speciellt ottomotorn, har sin optimala verkningsgrad vid en given hastighet och belastning. Vid delbelastning minskar verkningsgraden på grund av att iriloppstrycket minskar genom gasspjällets strypning. Detta sänker i sin tur det kompres- _ sionstryck som ger den bästa verkningsgraden. Därför har det ansetts önskvärt att kunna van- era kompressionsförhållandet vid olika belastning. Den föreslagna motorn enligt uppfinningen löser detta problem på ett enkelt sätt.

Ett annat problem är den höga kompressionstemperaturen som stiger vid högre kompressions- förhållande. Det ökar kompressionsarbetet och ger högre kväveoxidutsläpp. Därför har det gjorts försök med olika system av kylare för laddluftkylning. 5. Utloppsgasemas energi De förbrända gaserna i den vanliga kolvmotom har, när de lämnar motom, fortfarande ett stort energiinnehåll. En engelsman, James Atkinson, introducerade i slutet på 1800- talet en kolvmotor med en komplicerad vevmekanism, med en förlängd expansionstakt för att utnyttja detta energiinnehåll. Det noterades då att dessa motorer hade en högre verkningsgrad än jäm- förbara motorer vid den tiden. Men eftersorn vevmekanismen blev klumpig, gjordes försök med följande generationers motorer attnärma sig atkinsoncykeln genom att kontrollera komp- ressions- och exparisionsintervallen med styrning av ventilerna. Men detta gav inte lika bra resultat som i den tidigare atkinsonmotorn. 6. Rensiglning Utblâsning av de förbrända gaserna i utrymmet mellan kolvtoppen i övre dödläget och top- plocket är ett annat område som har resulterat i omfattande ansträngningar av förbättringar.

Fullständig renspolning kan knappast uppnås i en traditionell kolvmotor, ettersom utlopp- sventilen stänger vid kolvens övre vändläge och det finns restgaser kvar i nämnda volym. 7. Momentarmen Längden av momentannen påverkar vridmomentet. Ju längre arm desto större vridmoment.

Vridrörelsens kraftlinje i en vanlig motor är nästan lodrätt mot rotationscentrurn vid övre 527 959 vändläget och några grader därefter. Det gör momentarmen väldigt liten, och då när den mesta av energin alstras. Mycket kraft går därför förlorad 8. Ventiler _ _ Insug och utblåsning fordrar ventiler. Traditionella kolvmotorer har två eller flera ventiler i varje cylinder. Det gör motorn komplex och dyrbar.

Lösningar. l. Process i mer än en volym , Föreliggande uppfinning är mycket användbar för alternativa tillämpningar. Eftersom maski- nen kan arbeta som kompressor, luñmotor eller expander, är det möjligt att kombinera två eller flera maskiner för den bästa verkningsgraden. Den här beskrivningen redovisar endast två lösningar, ett förslag med två maskiner och ett annat med tre maskiner. 2. Vevmekanismen Föreliggande uppfinning är konstruerad som en rotationskolvmaskin och på grund av det be- hövs inte den traditionella vevmekanismen. Uppfinningen löser nämnda problem och kan byggas enligt den s.k. brytonprincipen, d.v.s. en motor med två enheter där insugning och kompression sker i en enhet och förbränning, expansion och utblåsning sker i en annan enhet.

Ett annat förslag visar, som nämnts ovan, tre maskiner: två kompressorer och en krattenhet (expander). Rotaionskolvprincipen gör det möjligt att undvika de tröghetskrafler av en vevmekanism och möjliggör därför en högre hastighet. 3. Verkningsgaden I förslaget med tre maskiner kan man närma sig camotprocessen, som är en vármeprocess med den högsta verkningsgraden. Kompressionen görs mer eller mindre isoterrnisk i den första kompressorn med ansluten kylare. Iden andra kompressorn (adiabatisk) fortsätter en isentropisk kompression tills en ventil öppnas i expanderenheten, där kompressionen fortsätter till en bestämd nivå. Då stängs ventilen och gasen antänds. När vingen i expandem rör sig från kontaktlinjen och framåt, så förändras volymen i denna kompressions- och förbrännings- kammare från noll till en önskvärd volym. Trots volymökriingen kan kompressionstrycket i den expanderande volymen hållas konstant eller t.o.m. stegras. Detta tycks vara en paradox, men beror på den öppna förbindelsen med kompressorn då ventilen är öppen och volym- minskningen i kompressorn år större än volymökriingen i expanderns kompressions- och för- bränningskammare. Detta sänker kompressionsvärmet och minskar sålunda kvåveoxid utsläp- pen men ökar verkningsgraden. 4. Komgressionsförhållandet Kompressionsförhållandet är variabelt under motorns gång av en anordning som påverkar insugningsventilens öppnings- och stängningstider via en yttre påverkan. Detta är en fördel vid delbelastning. - Processen har inga vändande massor som i den vanliga kolvmotorn, utan liknar mer processen i en gasturbin. Det gör att kompressionsförhållandet kan vara högre än i vanliga motorer och förbränningstrycket vara mer utjärnnat. 527 959 5. Utloppsgasemas energi _ _ Föreliggande uppfinning gör det lättare att uppnå fördelaktiga parametrar i det att storleksrela- tionen mellan enheterna, kompressor/er och expander kan ömsesidigt väljas fritt beroende på önskad tillämpning. Till exempel kan expandem ha ett större expansionsförhållande än komp- ressionsförhållande i kompressom. All energi i utloppsgaserna kan därför utnyttjas. 6. Rensælning _ _ Utloppsvolymen i expandern går under varje varv mot noll-volym, när vingen rör sig mot kontaktlinjen. Detta är en fördel vid gasväxling. Det blir ingen blandning av färska och för-w brända gaser. lnloppsventilen har ingen kontakt med utloppsporten och konstruktionen ar dar- för säker mot ofrivillig tändning. Detta torde vara en fördel vid användning av vätgas. 7. Momentarmen _ _ Uppñnningen har ingen vevmekanism men en fast vinge med en momentann med i det nar- maste konstant längd som överför kraft till en roterande rörelse utan förluster. 8. Ventiler _ Endast en ventil behövs, och då för att reglera inloppsflödet. Utloppskanalen är ständigt öp- pen.

Flera alternativa sammansâttiiingar är möjliga inom uppfiriningens vida tillämpningsområde.

Vad gäller förbränningsmotor är här nedan, för enkelhetens skull, endast två alternativ be- skrivna: alt 1; en kompressor med tillhörande kylare + en expander sammßfllwPlfflade med varandra med en gemensam ihålig axel, Fig. 12 och alt 2; en kompressor, benämnd ”Kl” med tillhörande kylare + ännu en kompressor, benämnd ”K2” + en expander, sammankopplade i med varandra på samma sätt, schematiskt visad i Fig. 16. u o u o 0000 o 0 I I o 00 0 o I 0 o o o I 00' o o oooo o o o 0 oo o oo ooo ooo Beskrivning av ritningarna Fi g. 1. visar en rotorkolvmaskin, till exempel en kompressor, i törstorat snitt längs linjen A - A i Fig. 2. " Fig. 2. visar samma maskin från inloppssidan.

Fi g. 3. visar samma maskin i perspektiv.

Fi g. 4. visar samma maskin i snitt längs linjen B-B i F ig. 5.

Fig. 5. visar samma maskin i vy från sidan.

Fi g. 6. visar en rotationskolvmaskin konstruerad som en expander i en förbränningsmotor i snitt längs linjen C-C i Fig. 7, och blottar ventilmekanismen.

Fi g. 7. visar samma expander i vy från sidan.

Fig. 8. visar samma maskin i. snitt längs linjen D-D i Fig. 9, och blottar utloppskanalen och en tandanordning (här ett tändstift).

Fi g. 9. visar samma maskin i samma vy som i Fig. 7.

OC I 00 0000 000 I O OO 00 0 0 c 0 0 000 in :coon 527 959 Fig. 10. visar samma maskin i snitt längs linjen E-E i Figl 1, och blottar del av ventilmeka- nismen. (12 och 13).

Fig.11. visar samma maskin i vy från sidan som i Fig. 7 och Fig. 9.

Fig. 1 la. visar en expander i förstorat snitt längs linjen F-F i Fig. 1 lb.

Figl lb. visar samma maskin i vy framifrån.

Pig. 12. visar en förbrånningsmotor i snitt med kompressor, kylare och expander samman- ' kopplade med varandra.

Fig. 13. visar en rotor i perspektiv med tåtningsanordningen 16 samt vingens stödhalvor 8 exponerad.

Fig.14. a) visar en expanderrotor i perspektiv med ett exempel på ett ventil arrangemang. b) visar samma rotor med en splittrad vy som visar ventilmekanismen tydligare.

Fig.l5. visar ventillyftaren och justerkarnrnen 13: i a) splittrad vy, b) kammen i övre läge och c) kammen i nedre läge.

Fi g. 1 6. visar en schematisk vy av en isotermisk kompressor (Kl) med en mellankylare och en adiabatisk kompressor (K2) samt en expander sammankopplade.

Fig. l 7 - 21. visar schematiska vyer av flödet i olika positioner av vingen under ett varv.

Fig.22. visar ett diagram med volym- och tryckkurvor. Det syfiar endast till att grovt belysa förbranningsmotoms process och inte betraktas som en fardig analys.

Arbetsbeskrivning av en rotationskolvmaskin.

Maskinen består av en rotor 2, som år excentriskt placerad i ett roterande hus 1 med anligg- ning mot nämnda hus 1 (kontaktlinjen 2a) och vars rotor 2 har en diameter mindre an nämnda hus, så att det därmed bildas ett utrymme mellan rotorns 2 yttre omkrets och husets 1 inre cirkelyta. På grund av den excentriska placeringen har nämnda utrymme sin största tvärsnitt- syta mitt emot kontaktlinjen 2a. På husets 1 inre cirkelyta år tåstad en vinge 4, vars syfte år att tillsammans med omgivande ytor skapa variabla volymer. På grund av att vingen 4 omsluts av rotorn 2 genom ett urtag i denna, kommer nämnda rotor att följa med i rotationen. Vingen överför dessutom kraft till eller från rotorhuset 1, beroende på maskinens tillämpningsområde.

Rotorhuset 1 och rotom 2 är var för sig lagrad i ett stativ 14. Rotom 2 år inte belastad med något vridmoment utom det som orsakas av dess egen friktion. En transmission 9a överför kraft till eller från (beroende på tillämpning) en axel 9b för extema kraftrnottagare respektive givare. Rotom 2 har inlopps- och utloppskanaler 6, vilka oberoende av varandra leder via and- ra arislutria kanaler 5 till öppningar på rotorns 2 yttre cirkelyta i närheten av och på vardera sidan av vingen 4. Rotom 2 har på vardera sidan axiala urtag Sa, vars syfte är att balansera och kyla rotorn Värmen evakueras genom intilliggande hål 9 ut till omgivningen Uppfin- ningens tillämpning som kompressor har en backventil 17 monterad, fig.20. Vingen 4 är om- given av två stödhalvor 8, som är ledbart inpassade i rotom 2, för att under vingens, i förhål- lande till rotom, oscillerande rörelse hela tiden under rotationen täta mot vingen 4. Tätnings- anordningen 16, fig. 13, består av en ring på vardera sidan om rotorn 2 inpassade i spår. Kolv- ringama och dess spår kan konstrueras med diagonalt tvärsnitt på cirka 45 grader för att täta dels mot intilliggande gavlar och dels så nära som möjligt mot rotorhusets 1 inre cirkelyta.

Arbetsbeskrivning av en iörbränningsmotor.

Som förbränningsmotor kan uppfinningen konstrueras med en eller flera kompressorer och en eller flera expandrar sarnmankopplade med varandra. Beskrivningen redogör i det första al- terriativet för en motor med en kompressor och en expander, fi g. 12. I kompressom sker in- loppstakten och kompressionstakten. I expandem sker förbrännings- och utloppstakten. I det andra altemativet är ytterligare en kompressor K2 ansluten, schematiskt visad i fig.l7-2l.

Mellan enhetema är det möjligt att ansluta en kylare 18 för att reducera kompressionsvärrnet.

Expanderenheten har samma konstruktion som beskrivits ovan för kompressorn, men har dessutom en inloppsventil 7 och en tändanordning 10, fig. 6 respektive fig.8. Ett exempel på ett ventilsystem visas i ñg. 14 och fig. 15. Ventillyftararmen 11 har en nille 12, som, när den rullar mot den justerbara kanimen 13, överför kraft via armen l 1 till ventilen 7, som då öpp- nar.

Kompressor och expander är i det här exemplet av tillämpning så anslutna till varandra, att när vingen 4 i kompressom har roterat ett stycke och skapat en volymminskning och dänned ett visst tryck, så öppnas ventilen 7 av den justerbara kammen 13, som kan påverkas av en yttre anordning (här illustrerad av ett enkelt handtag 15). Flödet fortsätter in i förbrânningsut- rymmer i expandem, där tändning och förbränning inträffar och arbetsfasen startar.

Hela processen börjar med insugning av luft eller gas till kompressom, fig.12, genom kanalen 6 i den ihåliga axeln. Rotorkanalema 5 på vardera sidan om vingen 4 utmyrmar i motsvarande volym framför respektive efter vingen 4. Från kompressom förs det komprimerade flödet via en kylare 18, i det första alternativet till expandem och i det andra alternativet till kompres- som K2 för ytterligare kompression in till expandem.

Det andra altemativet beskrivs mer detalj erat enligt följande.

Syñet med två kompressorer är att nänna sig camotprocessen, som är välkänd i den terrnody- namiska världen för att ha den bästa teoretiska tenniska verkningsgraden. Där beskrivs den första kompressionsfasen vara isoterrnisk, d.v.s. värmet som alstras vid kompressionen avleds till omgivningen genom kylning. Den följande fasen är isentropisk kompression. Vännen som alstras bevaras nu i så stor utsträckning som möjligt före förbränningen. Det är inte möjligt att genomföra båda kompressionsfaserna i den vanliga kolvmotorn, där alla takterna sker i en och samma volym. Därför uppvisar föreliggande uppfinning en lösning med två kompressorer.

Den första Kl, fi g. 16-21, har stora kylande ytor och kombinerad med en kylare 18 avleds all värme som alstras till omgivningen (isotermiska fasen). Den andra kompressom K2 har en mindre volym jämfört med Kl så att volymforhållandet mellan de två bestäms till det opti- mala för bästa verkningsgrad. 'K2 tar emot det förkomprimerade flödet Kl (kurvan a i ñg.22) och fortsätter i sin tur att komprimera in i expandem till önskad nivå.

Se figurerna 17 - 22. l kompressom Kl har insugnings- och kompressionstaktema börjat ett nytt varv. I expandem pågår arbetsfasen. De n-e enheterna har nått läget i fig. 17 och diagram fig.22. Ventilen 7 i expandem är stängd. (Observera att ventilen i figuren visas som en öppen klajff för att markera ett avbrutetflöde in i expandem.) I läget fig. 18 har trycket, kurvan b, 00000: 0 p 000000 527 959 nått den nivå som visas i diagram ñg.22. Ventilen 7 har just öppnat (stängd klafl) i expandera och kompressionen fortsätter samtidigt i K2 och expandem upp till läget i fig.l9, där flödet avbryts av ventilen 7 som stänger och förbränningen börjar. Tryckkurvan lutar uppåt från om- kring 180 grader till drygt 240 grader (motsvarande 0 respektive 80 i expandem). Genom att följa kurvorna för volymförándringen är det lätt att se att volymminskningen är större i komp- ressorerria än volymminskningen i expandem. Detta förklarar tryckökningen i en expanderan- de volym.

En kanal l9 är föreslagen i rotom KZ, som öppnar när expanderventilen 7 har stängt och låter flödet passera in i inloppsvolymen, ñg.20. I laget figll börjar ett nytt varv. En backventil 17 hindrar kvarvarande flödestryck i kylaren strömma tillbaka till kornpressorn Kl utan istallet till KZ. lnloppstrycket i KZ ökar igen ungefär vid läget i fig.l8.

Claims (1)

1. 527 959 Patentkrav

1. Maskin med roterande kolv för att evakuera eller komprimera ett medium, alternativt att omvandla ett flódesuyck till en roterande rörelse, omfattande ett rotorhus (1) med två gav- lar (la) och en roterande kolv (2) som är excentriskt placerad i förhållande till nämnda hus, därvid åstadkommande en kontaktlinje (Za) mot huset (1), kännetecknar! av at! en vinge (4) är lastad mellan gavlarna ( la) och huset (1) och att rotorhuset (1), vingen (4) samt gavlarna (la) âr fast sammanfogade med varandra, därvid bildande en roterande en- het (1+la+4) som omsluter rotom (2). Maskin enligt krav l, kännetecknad av att rotorns (2) axel är ihålig och bildar kanaler (6) för in- och utflöde av arbetsmediet. Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att kompletta rotorhuset (1+1a+4) via en transmissionsanordning (9a) överför, alternativt mottar kraft, genom det flödestryck som påverkar vingen (4), respektive blir påverkad av vingen. Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att en tätningsanordning (16) har två, parallella och ringforrnade sidor som vardera bildar, vid en tänkt förlängning mot tätningsanordningens (16) cirkelcentrurn, en kon, samt har en tredje sida som tâtar mot ro- torhusets (1) gavlar (la). Maskiner, vardera enligt något av föregående krav, varav någon eller några är arbetande som kompressor och den eller de andra här benämnd och arbetande som expander, vilka maskiner är samverkande för att arbeta som fórbränningsmotor, kännetecknad av att ett medium komprimerasi en i expandem under dess rotation samtidigt bildad och expanderande förbrmningskammare innan förbränning startar. Maskiner, enligt krav 5, kännetecknad av att ett medium kyls under pågående kompressioni en i expandern under dess rotation samtidigt bildad och expanderande iörbränningskammare innan förbränning startar.. Masldn, enligt något av föregående krav och arbetande som expanderi en törbrännings- motor, kännetecknar! av att en ventil (7) har variabla öppnings- och stangningstideri syf- te att åstadkomma ett variabelt kompressionstörhållande.