DK142775B - Flercylindret forbrændingsmotor med en impulsladet turbolader. - Google Patents

Description

142775

Opfindelsen anglr en flercylindret forbrændingsmotor med en impulsladet turbolader, og hvor en gruppe af motorens cylindre er sluttet til et indløb til turboladerens turbine, og hvor udstødsudløbene fra mindst to cylindre i den pågældende gruppe er sluttet til en for 5 disse cylindre fælles udstødsledning, og hvor denne udstødsledning samt udstødsledningen fra mindst én anden af cylinderne i den pågældende gruppe sammen med udstødsledningen fra de nævnte mindst to cylindre er sluttet til det nævnte indløb til turboladerens turbine.

Hvad angår den kendte teknik skal der her henvises til 10 "Brown Boveri Mitteilungen", bind 55, nr. 8, side 424. Herfra kendes der en motor med otte cylindre. Motorcy I indrene er sluttet til turbinen til en turbolader. Udstødsudløbene fra to af motorens cylindre, nemlig nr. I og 8 er sluttet til en for disse cylindre fælles udstødsledning. Udstødsudløbene fra to andre cylindre, nemlig nr. 2 og 7, er ligele-15 des sluttet til en for disse cylindre fælles udstødsledning, og de to udstødsledninger fra de fire cylindre nr. 1,8 og 2,7 er sluttet til et for disse fælles turbineindløb. Endvidere er cylinderne nr. 3 Og 6 koblet til en fælles udstødsledning, og det samme gælder cylinderne nr. 4 og 5. Også udstødsledningerne fra disse sidste cylindre er kob-20 let til et for disse fælles turbineindløb. I dette tilfælde er indløbet til turbinen altså opdelt i to del ind løb, som hver modtager udstødene fra en gruppe på fire cylindre. Der foreligger naturligvis også den mulighed, at motoren forsynes med to turboladere, hvor hver af turboladernes turbiner fødes af fire cylindre. Hvis det havde drejet sig om en 25 seks-cylindret motor, kunne man have opdelt disse i to grupper på hver tre cylindre. To af cylindrene til hver gruppe ville man i dette tilfælde have koblet til en for disse fælles udstødsiedning, og man ville slutte denne udstødsledning samt udstødsledningen fra den tredie cylinder til en og samme turbine eller et og samme turbinedelindløb, og 50 man ville have gjort det samme med den anden gruppe på tre cylindre.

Hidtil har man været af den opfattelse, at indløbet til en impulsladet turbolader eller til hvert delindløb til en sidan turbolader maksimalt kunne fødes fra fire cylindre og kun under forudsætning af, at disse er koblet sammen to og to, nemlig således at to cylindre, som har 55 stor tændingsafstand, sammenkobles, og disse sammenkobles med to sammenkoblede cylindere, der ligeledes har stor tændingsfølgeafstand. Årsagen hertil er, at der opstår en reflektionstrykbølge, når et udstødsstød når frem til turbineindløbet, og denne reflektionstrykbølge vil forplante sig til de cylindre, som er sammenkoblede med den cylin- 142775 2 der, der udstøder. Man skal derfor sørge for, at udstødsudløbet fra en cylinder er lukket, nir reflektionstrykbølgen fra en anden cylinder når frem til denne. Hvis mere end fire cylindre er koblet til samme turbineindløb eller turbinedelindløb, vil reflektionsbølgen fra 5 udstødet fra en cylinder genere skylningen af en eller flere andre cylindere, som hører til den samme gruppe. Endvidere har det ifølge den hidtil gældende opfattelse været nødvendigt at sammenkoble de cylindre, hvis udstødsudløb er forbundet med hinanden, ved hjælp af en lang udstødsledning for at opnå, at udstødsreflektionsbølgen stammende fra 10 den ene af cylinderne ikke skal genere den anden cylinder ved hurtiggående motorer. En sådan lang udstødsledning, som forbinder de to cylindre med hinanden, vil nemlig forsinke reflektionsbølgen, som stammer fra udstødningen fra den ene cylinder, si meget, at den anden cylinder når at afslutte sin skylleperiode, inden den pågældende re-15 flektionsbølge når frem til den sidstnævnte cylinder.

Den flercylindrede forbrændingsmotor ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at antallet af cylindre i gruppen mindst er fem, og at udstødsledningerne fra samtlige cylindre i den pågældende gruppe er forbundet med et samlerørsafsnit gennem hver sin dyse, og at dette 20 samlerørsafsnit er forbundet med det nævnte turbineindløb ved hjælp af et overgangsrør, samt at der i samlerørsafsnittet udmunder mindst to med udstødningsledningerne fra den pågældende gruppe forbundne dyser, samt at der, såfremt kun to udstødsledninger er sluttet til turbineindløbet, da til samlerøret og ved hjælp af en dyse er sluttet 25 en afstemningsbeholder.

Ifølge opfindelsen er det således lykkedes at overskride den i det foregående omtalte grænse på fire cylindre pr. gruppe, og dette skyldes, at det i det foregående omtalte reflektionsbølgefænomen ved motorer ifølge opfindelsen bliver væsentligt reduceret, hvilket menes 30 hovedsageligt at skyldes følgende to forhold. Selve reflektionstryk-bølgerne fra turbineindløbet formindskes, fordi der pr. udstød står et forøget turbineindløbsareal til rådighed for udstødet. Turbineindløbets størrelse er stort set givet ud fra størrelsen og antallet af de cylindre, der er sluttet til turbineindløbet, og er altså større, jo 35 større cylinderantallet er, og følgelig står der ved konstruktionen ifølge opfindelsen et forøget turbineindløbsareal til rådighed for hvert udstødsstød. Dette formindsker reflektionstrykbølgernes amplitude. Re-flektionstrykbølgernes skadelige virkning reduceres yderligere derved, at den, takket være udstødsledningerne indmunding i samlerørsafsnittet 3 142775 gennem hver sin dyse, bliver fordelt mellem disse dyser og følgelig får reduceret amplitude. Erfaringer, hvorpå den foreliggende opfindelsen hviler, viser, at i de tilfælde, hvor der kun er sluttet to udstødsledninger til samlerørsafsnittet, er de to til de to udstødningsledninger 5 hørende dyser ikke tilstrækkelige til at opnå en tilfredsstillende opsplitning af reflektionsbølgerne, og der skal derfor anbringes en hjælpedyse, hvorfor der i dette tilfælde suppleres med en afstemningsbeholder med dertil hørende og i samlerørsafsnittet indmundende dyse.

Findes der derimod tre eller flere udstødsledninger, har det vist sig, 10 at de dertil hørende dysers reflektionstrykbølgeslugende virkning er tilstrækkelig til opnåelse af det ønskede resultat. I kraft af at turboladerens turbine får tilført et forøget antal impulser, nemlig fra det forøgede cylinderantal, kan turboladerens turbine arbejde med en forøget virkningsgrad, hvorved den totale dimension af turboladeren 15 kan formindskes. Endvidere medfører opfindelsen den fordel, at man ikke længere behøver at overholde de i det foregående forklarede længder, hvad angår udstødsledningerne til de sammenkoblede cylindre.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor 20 fig. 1 viser en udførelsesform for motoren ifølge opfin delsen i form af en 10-cylindret 4-taktmotor af V-konstruktion, fig. 2 viser et trykforløbsdiagram som funktion af den i fig. 1 viste forbrændingsmotors krumtapvinkel, 25 fig. 3 viser en udførelsesform for motoren ifølge opfin delsen i form af en langsomtgående 2-taktmotor med seks cylindre i række, fig. 4 et tryk-krumtapvinkel-diagram for den i fig. 3 viste forbraandingsmotor.

20 Den i fig. 1 viste forbrændingsmotor har tændingsrækkeføl gen 1-9-3-7-5-6-4-8-2-10. De enkelte cylindre er betegnet med tallene 1-10, og udstødsudløbene fra hver to over for hinanden liggende cylindre, f.eks. 2 og 7, er sluttet til en fælles udstødsledning (for de nævnte to cylindre 22). Derved sammenkobles de cylindre, hvis tæn-25 dingsafstande er 360° krumtapvinkel + den pågældende motors V-vin-kel.

De fremkomne fem udstødsledninger, gennem hvilke udstødsgasserne føres, er betegnet med 21-25. Hver enkelt udstødsledning er ved den mod en turbolader 20 vendende ende forsynet med en dyse 14 142775 4 eller 15. Disse dyser udmunder i et samlerørsafsnit 18, og dette er over et overgangsrør 19 forbundet med indløbet til laderen 20's turbine for udstødsgassen.

I samlerørsafsnittet 18 deles en indtrædende udstødstrykbølge 5 i en primær trykbølge, som ledes direkte til turbinen, og en reflektionstrykbølge, som reflekteres til udstødsledningerne. Ved et passende valg af tværsnitsforholdene for turbinen, udstødsledningerne og det mindste tværsnit af dyserne er det muligt at sænke reflektionstrykbøl-gens amplitude pi en sådan måde, at laderen fødes med meget lille 10 ref lektion, således at størstedelen af trykbølgen tilføres laderen, og at en netop skyllende cylinder ikke forstyrres.

Det tilrådes her at vælge forholdet mellem overgangs røret 19's areal F^, og turbinens virksomme gennemstrømningstværsnit F^_ mellem 1,7:1 og 1:1.

15 Forholdet : F-j. = 1 : 1 skal altså betragtes som absolut laveste grænse.

Til nærmere forklaring af virkemåden af motoren ifølge fig. 1 viser fig. 2 et trykdiagram som funktion af motorens krumtapvinkel 10.

De under abscisseaksen viste flader betegner ventiltiderne.

20 Punktet AO betyder "udstødning åbnes", medens punktet AS betyder "udstødning lukkes". EO angiver endvidere åbningen af indsugningsventilen, og OT er cylinderen 1's øverste dødpunkt. Mellem punkterne EO og AS foregår cylinderen 1's skylning, som ville være blevet forstyrret af de ved normal impulsdrift optrædende efterfølgende udstøds-25 trykbølger. Forløbet af de efterfølgende cylindres uformindskede udstødstrykbølger er vist ved tynde stiplede linier g,g1 og g". Den tykke streg-priklinie a viser trykket i cylinderen 1 under en del af ekspansions- og skylleperioden.

Den tynde punkterede linie m angiver middelskylletrykket.

30 Den tykke fuldt optrukne linie b viser udstødningens trykforløb, således som det optræder i den betragtede krumtapvinkel på ca. 360° målt efter cylinderen 1's udstødsudløb. Forløbet af linien mellem punkterne B-C angiver virkningen af den fra cylinderen 1 stammende trykbølge.

C-D viser påvirkningen fra den tilsvarende trykbølge fra cylinderen 9, 35 F-G påvirkningen fra trykbølgen fra cylinderen 3, l-H følgelig trykbølgen fra cylinderen 7, og K-L trykbølgen fra cylinderen 5's udstødning.

Det ses heraf,at cylinderen 1's skylning på ingen måde forstyrres, og at skylletrykket først overskrides i punktet N. Denne trykbølge kan dog ikke forårsage nogen forstyrrelse, da ingen af de til den betragte- 5 142775 de udstødsledning sluttede cylindre skylles under dens forløb.

Den tykke stiplede linie b' angiver trykforløbet i cylinderne 3's og 8's udstødsledning over den samme krumtapvinkel, og det vil ses, at trykforløbet i princippet er forskudt med tændingsafstanden 5 mellem cylinderen 1 og cylinderen 3.

Den tynde fuldt optrukne linie c viser forløbet af den til laderen 20 førte trykbølge målt i overgangsrøret 19. Af dens forløb fremgår, at opdelingen af udstødstrykbølgerne g til g1" i en primærbølge og en reflektionsbølge forårsager en puiseren med forholdsvis høj 10 frekvens med forholdsvis lille amplitude. Herved opnås den fordel, at der mellem to udstødningsstød opstår forholdsvis korte pauser, i hvilke trykket ikke synker til atmosfærens tryk, og udstødsturbinen derfor kan forarbejde de tilførte trykstød med meget lille reflektion. Som en yderligere fordel kan nævnes, at der ved hjælp af dette ladesystem 15 kan anvendes mindre turboladere, end det hidtil har været sædvanligt, hvorved anvendelsen også får et økonomisk aspekt.

I fig. 3 er der vist en anden udførelsesform for motoren ifølge opfindelsen, hvor motorens enkelte cylindre er betegnet med 1-6. Udstødningen fra cylinderne 1-3 bliver over en udstødsledning 11 20 og udstødningen fra cylinderne 4-6 over en anden udstødningsiedning 12 ført til laderen 20. Den 6-cylindrede 2-taktforbrændingsmotors tændingsrækkefølge er fastsat til 1-5-3-6-2-4. Udstødsledningerne 11 og 12 udmunder over dyser 13,13 i et samlerørsafsnft 18.

For at undgå for små tværsnitsforhold, hvad angår dyserne, 25 er der til samlerørsafsnittet 18 over en dyse 15 sluttet en afstemningsbeholder 16. Samlerørsafsnittet 18 fortsætter i et overgangsrør 19, og dette er forbundet med gastilgangsåbningen i laderen 20.

Afstemningsbeholderen 16's virkemåde er forklaret ved hjælp af et i fig. 4 vist diagram af trykforløbet som funktion af krumtap-30 vinklen. Kurverne, som er angivet ved hjælp ef forskellige typer streger, er betegnet som de i fig. 2 viste og har ligeledes samme betydning.

De neden under abscisseaksen indførte flader angiver atter ventiltiderne, hvor punktet AO atter betyder "udstødning åbnes", 35 AS betyder "udstødning lukkes", EO betyder "indsugning åbnes", og desuden kommer et nyt punkt ES til, som betyder, "indsugningen lukkes". Ligeledes afvigende fra fig. 2 er det nederste dødpunkt UT angivet, som ved 2-taktmotorer ligger midt i en sådan motors skyllefase.

142775 6

Af kurveformen b fremgår, at der ved punktet I begynder et udstødsstød fra cylinderen 1, som virker over krumtapvinklen til II.

I området fra III til IV og ved cylinderen l's nederste dødpunkt viser virkningen af udstødstrykbølgen fra cylinderens sig en let forhøjelse 5 aftrykket i udstødsledningen 11.

Takket være tilstedeværelsen af afstemningsbeholderen 16 og dennes dyse 15 vil den af stødet fra cylinderen 5's udstødning frembragte udstødstrykbølge b1 i udstødsledningen 12 ikke medføre, at det effektive tryk i udstødsledningen 11 overstiger middelskylletrykket m 10 under cylinderen 1's skyllefase. Den beskrevne virkning er anskuelig-gjort ved forløbet af kurven b mellem punkterne III og IV.

Af diagrammet fremgår endvidere, at middelskylletrykket m ligger noget over det effektive tryk i cylinderen ved den viste krumtap-vinkel, og at også udstødet p i udstødsledningen 11 er mindre ved 15 punktet UT end ved middelskylletrykket. Derved forstyrres cylinderen 1's skylning ikke af udstrømningsbølgen fra cylinderen 5, selv om der som vist ved hjælp af den tynde stiplede linie g kunne fremkaldes en momentan forstyrrelse af skylningen. Derefter sætter en normal udstødstrykbølge fra cylinderen 3 atter ind, som er vist ved hjælp af 20 delen mellem punkterne V og VI på kurven b.

De trykbølger, som tilføres laderen 20, er vist ved hjælp af kurven c, og dette tryk er målt i overgangsrøret 19 umiddelbart før trykbølgernes indtræden i laderen. Af forløbet kan udledes, at der mellem trykbølgerne fra udstødsledningerne også optræder mind-25 re kraftige bølger, som skyldes virkningen af afstemningsbeholderen 16.

Ved langsomt gående motorer foreslås det at vælge tværsnittet af afstemningsbeholderen 16 til flere gange dysernes største tværsnit, således at der opnås et rumfang, som er mindst det dobbelte af en 30 cylinders.

En i afstemningsbeholderen 16 indløbende ref lektionsbølge får sin amplitude dæmpet i tværsnitsudvidelsen og breder sig mod afstemningsbeholderen 16*s lukkede ende. Der reflekteres reflektionstryk-bølgen og bevæger sig med sin videreforplantningshastighed hen mod 35 dysen 15. Kun en del af trykbølgen vil kunne slippe ud gennem tværsnitsudvidelsen for at blive tilført laderen. Resten af trykbølgen er på grund af sin reflektion mod dysen tvunget til påny at gennemløbe afstemningsrøret. Resttrykbølgen reflekteres ligesom den netop beskrevne trykbølge, og handlingsforløbet gentager sig ved tværsnitsændrin- 7

14277B

gen, således at flere mindre delbøiger fra en enkelt indtraadende trykbølge atter påvirker laderens gastilgangsåbning, og en forstyrrelse af skylningen på denne måde kan undgås fuldstændigt.

De efterfølgende reflekterede trykbølger, som kommer ind i 5 afstemningsrøret 16, overlejres de gentagne gange reflekterede resttrykbølger, hvorved virkemåden af afstemningsrøret med det forstørrede tværsnit forbedres.

Den almindelige fordel ved opfindelsen er, at 2>-takt- og 4-taktforbrændingsmotorer med 5,7,8,10,11,14 og flere cylindre uanset 10 deres konstruktion kan tryklades ved hjælp af denne konstruktion, samt at størrelse og valg af tændingsafstandene for de cylindere, dpr over udstødsledninger er tilsluttet laderens gastilgangsåbning, ikke længere har nogen afgørende indflydelse.

En af de vigtigste fordele ved den nye motor er trykladnin-15 gens overordentlig gode tilpasning til forbrændingsmotorens arbejdsområde. Det er derfor muligt uden særlige tekniske foranstaltninger at tryklade såvel meget hurtigt løbende som meget langsomt løbende forbrændingsmotorer med et hvilket som helst cylindertal og af en hvilken som helst konstruktion samt at anvende mindre turboladere end hidtil 20 almindeligt og desuden fuldstændigt at give afkald på mekanisk drevne hjælpekompressorer.