NO873867L - Compoundmotorer. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår compoundmotorer som omfatter en positiv fortrengnlngsmotor i compound med et turbin/turbokompressorsett i form av en gassturbinmotor. Oppfinnelsen angår videre en fremgangsmåte til drift av slike motorer.

Generelt sett er det tidligere kjent å knytte et turbin/

turbokompressorsett til en positiv fortreningsmotor som for eksempel en motor med frem- og tllbakegående stempel eller roterende stempel, slik at ekshaustgasser fra motoren driver eller hjelper til med å drive turbinen som driver turbokompressoren, mens denne på sin side turbolader den positive fortrengingsmotor. Det er også kjent compoundmotoranord-ninger der turbin/turbokompressorsettet ved varmeutveksling for forbrenningsgassene fra den positive fortrengnlngsmotor i virkeligheten er en del av en gassturbin som er istand til å arbeide uavhengig av den positive fortrengnlngsmotor. Foreliggende beskrivelse angår forbedringer i den sistnevnte type kraftkilde.

Det har lenge vært ansett som ønskelig å turbolade positiv fortrengnlngsmotor eller å setteen positiv fortrengnlngsmotor i compound med en gassturbinmotor for å optimalisere kraft-ytelsen og brendseløkonomien mens man reduserer den spesifike vekt. Eksempler på turboladede stempelmotorer er for tallrike til å nevnes, og mange er velkjente, særlig på automobilområdet.

Et godt tidlig eksempel på denne type motor, anvendt til drift av fly, var "Napier Nomad", beskrevet for eksempel i magasinet "Flight", bind 65, nr. 4, april 1954, sidene 543-551. Den besto av en turboladet 12-sylindret, 2-takts dieselmotor med turbin/turbokompressorsettet drevet av dieselmotorens ekshaust, der de to deler av motoren er forbundet med hverandre ved hjelp av et regulerbart gear som tillot de to akseler å bli optimalt tilpasset hverandre under flyvningen med det fly der det var innstallert. Løsningen var ikke kommersielt vellykket, antagelig fordi den var tyngre og mer komplisert enn tilsvarende turbojetenheter og dessuten kunne turbojetenheter by på større hastigheter, mens brendsel på det tidspunkt var forholdsvis billig, slik at det høyere bredselforbruk for turbojetenheten ikke var noen særlig straff.

Etter dette er mange andre studier vedrørende turboladede

positive fortrengningsmotorer for flyfremdrift blitt utført etterhvert som teknologien skred frem. For eksempel viser NASA Technical Memorandum TMX-71906 med tittelen "preliminary Evaluation of a Turbine/Rotary Combustion Compound Engine for a Subsonic Transport " av K. C. Civinskas med flere, fra mars 1976, det som hovedsaklig er en høytrykks turbofan som har fått sin forbrenningsdel erstattet av en motor med roterende stempel, der kompressor og turbin er på samme hovedaksel som motoren med roterende stempel og der også motorens fan er tilsluttet akselen gjennom et gear. Rotorene i motoren med roterende stempel, sirkler direkte rundt hovedakselen. I form av flymotorer, ble dette ikke betraktet som noen heldig løsning på det tidspunkt, idet forbedringen i brendselforbruk som man oppnådde, var utilstrekkelig til å utligne den økte motorvekt, sammenlignet med den turbofan det vises til.

Senere er det i US-PS 4.449.370 beskrevet en compoundmotor for bruk i fly, der en turboladet dieselmotor med lav kompresjon har en turbolader som kan arbeide uavhengig av dieselmotoren. Dette er mulig fordi selv om turbinen mottar ekshaustgasser fra dieselmotoren, passerer disse først gjennom en katalytisk forbrenner som er innsatt i syklusen foran turbinen, slik at når det er behov for det, kan brendsel og luft tilføres den katalytiske brenner for å frembringe ytterligere oppvarming av ekshaustgassene og videre finnes det en ventil og kanaler, slik at dieselmotoren etter valg kan forbikobles, idet kompressor (blåser) luft føres direkte til det katalytiske forbrenningskammer for å drive turbinen og dermed frembringe energi for hjelpeutstyr under oppstartingen.

En gjennomgåelse av disse og mange andre foreslåtte eksempler på turboladede positive fortrengningsmotorer synes å vise at selv om de er av forskjellige typer og konstruksjoner, følger de vanlige regler for slike motorer ved at det trykk hvormed turboladeluften leveres til den positive fortrengnlngsmotor er lavere enn det trykk med hvilket forbrenningsgassene har når de som ekshaust overføres fra den positive fortrengingsmotor til turbinen.

Videre vil man når man tar i betraktning både 2-takts og 4-takts arbeidssykler for positive fortrengningsmotorer, i det vanlige tilfelle der det ikke er turboladet, kunne se at som en generell regel vil deres kompresjonsforhold være tilnærmet det samme som deres ekspansjonsforhold. Det synes å være et faktum at denne generelle regel for positive fortrengningsmotorer også er blitt anvendt på motorene når de arbeider i compound med turbin/turbokompressorsett. En unntagelse fra dette, synes å være den såkalte "mer komplette ekspansjonssyklus" som er kjent for konstruktører av turboladede og overladede 4-takts motorer med frem-og tllbakegående stempler .

Det skal her fremholdes at de kjennsgjernlnger som er nevnt i de to foregående avsnitt, viser ulemper fordi de, av grunner som vil bli omhandlet nærmere, resulterer i at de samlede arbeidssykler for compoundmotorer fører til lavere virkningsgrad og ytelse enn man burde vente.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å komme frem til compoundmotorer med bedre virkningsgrad og med muligheter for utvikling av større ytelser enn tidligere.

En videre hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til en fremgangsmåte til drift av compoundmotorer slik at deres positive fortreningsmotor og gassturbinmotorens komponenter bidrar mest mulig effektivt til den samlede ytelse fra compoundmotoren.

I henhold til dette tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en compoundmotoranordning omfattende en positiv fortrengnlngsmotor, en gassturbinmotor med seriekoblet kompressoranordning, forbrenningsanordning, turbinanordning og frieffekt-turbinanordning, der turbinanordningen drives av forbrenningsgasser fra forbrennlngsanordnlngen og er i drivforbindelse med kompressoranordningen, utmatningsanordninger for turboladeluft for føring av turboladeluft fra kompressoranordningen til den positive fortreningsmotor og der mateanordningen for turboladeluften innbefatter en ventil for selektiv avstengning av tilførselen av turboladeluft til den positive fortrengingsmotor, hvorved gassturbinmotoren kan arbeide mens den positive fortrengnlngsmotor er ute av drift, samt ekshaustanordninger for forbrenningsgasser fra den positive fortrengnlngsmotor til forbrennlngsanordnlngen, for ytterligere forbrenning i denne, idet anordningen er slik at turboladeluft blir matet til den positive fortrengingsmotor ved et første høyere trykk, og forbrenningsgassen avgis som ekshaust til forbrennlngsanordnlngen ved et andre lavere trykk. God spyling av forbrukte forbrenningsprodukter fra den positive fortrengnlngsmotor, er dermed sikret, samtidig med at det oppnås en god tilpasning mellom kompresjons-og ekspansjonskarakteristikkene for turbin/turbokompressorsettet og den positive fortrengnlngsmotor.

Den positive fortrengnlngsmotor er fortrinnsvis beregnet på å arbeide med et kompresjonsforhold som er betydelig mindre enn dens ekspansjonsforhold.

Kompresjonsforholdet for den positive fortrengnlngsmotor er fortrinnsvis omtrent halvparten av dens ekspansjonsforhold, med kompresjonsforholdet fortrinnsvis på halvparten av ekspansjonsforholdet, pluss 0,1.

For å sikre at det ovennevnte første trykk er betydelig høyere enn det ovenfor nevnte andre trykk, kan det være fordelaktig å inkludere spylepumpeanordninger, så som en overlader med et lavt trykkforhold, i mateanordningen for turboladeluft.

Ekshaustanordningen for forbrenningsgassene innbefatter fortrinnsvis en fordelingskanal for disse gasser, som omgir forbrennlngsanordnlngen og er innrettet til å fordele forbrenningsgassene mest mulig jevnt rundt forbrennlngsanordnlngen .

Semi-adiabatisk drift av den positive fortrengingsmotor er et fordelaktig formål og for å lette dette, er mateanordningen for turboladeluft fortrinnsvis innrettet til å mate endel av turboladeluften til et kjølesystem for den positive fortrengingsmotor, mens compoundmotoren videre er forsynt med luftutmatningsanordninger for utmatning av denne del av turboladeluften til forbrennlngsanordnlngen etter bruk i kjølesystemet.

Det er å foretrekke at luftutløpsanordningene innbefatter en luftfordelingskanal som omgir forbrennlngsanordnlngen og er innrettet til å fordele luften stort sett jevnt rundt det indre av forbrennlngsanordnlngen.

For ytterligere å lette semi-adiabatisk drift av den positive fortrengingsmotor, kan det være nødvendig at mateanordningene for turboladeluft innbefatter en varmeutveksleranordning for endring av matetemperaturen på turboladeluften til kjølesy-stemet for den positive fortrengingsmotor, for å lette semi-adiabatisk drift av denne.

I henhold til oppfinnelsen er man også kommet frem til en fremgangsmåte til drift av en compoundmotor, der compound-motoren er som beskrevet ovenfor og der fremgangsmåten omfatter:

(a) Start av gassturbinmotoren og aksellerering av denne til en effektproduserende tilstand, mens den positive fortrengnlngsmotor fremdeles er ute av drift, idet ventilanordningen er stengt for å hindre matning av turboladeluft til den positive fortrengnlngsmotor, (b) start av den positive fortrengnlngsmotor, åpning av ventilanordningen for tilførsel av turboladeluft til den positive fortrengnlngsmotor og aksellerering av denne motor til en effektproduserende tilstand mens gassturbinmotoren fremdeles arbeider og (c) innstilling av verdien av de effekter som utvikles av gassturbinmotoren og den positive fortrengnlngsmotor i forhold til hverandre for å gi optimal drift eller brendsel-økonomi for compoundmotoren som et hele.

Når den samlede effektytelse som kreves fra compoundmotoren er lav, vil størstedelen av effektutgangen bli avgitt av den positive fortrengnlngsmotor, mens gassturbinen arbeider uten ytelse.

Når den samlede ytelse som kreves fra compoundmotoren er høy, blir imidlertid betydelige effektmengder avgitt både av den positive fortrengnlngsmotor og av gassturbinmotoren.

Det skal påpekes at de turbiner og turbokompressorer som er nevnt ovenfor kan være av enten radialtypen eller aksialty-pen, alt etter hvilken type som kan bringes til å utføre deres del av den samlede driftssyklus for compoundmotoren med best mulig virkningsgrad.

En fremtredende fordel ved de tanker det er gitt et omriss av ovenfor, er at de leder frem til en anordning med sterk økning av luftstrømmen gjennom en positiv fortrengnlngsmotor av en gitt størrelse - og dermed av den ytelse som avgis-uten nødvendigvis å frembringe høye topptrykk under forbrenningen i den positive fortrengnlngsmotor. Videre vil luftladningen bli renere før forbrenning finner sted enn i tilsvarende kjente motorer. Trekkene er velegnet til bruk der den positive fortrengningsmotordel er en dieselmotor, men kan også anvendes både til motorer med gnisttenning og de som drives med gass.

Sammenlignet med tilsvarende motorer med frem-og tllbakegående stempler, vil kraftkilder i henhold til oppfinnelsen kunne by på en betydelig reduksjon i antall sylindere som kreves, og dermed reduksjon i vekt og volum av kraftenheten, samtidig med en betydelig reduksjon i brendselforbruket. Sammenlignet med tilsvarende gassturbinmotorer, kan brendselforbruket reduseres og det kan anvendes billigere brends-ler.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og utførelsesformer for oppfinnelsen vil nu bli beskrevet som eksempel under henvisning til tegningene der: Figur 1 skjematisk viser oppbygningen av en compound motor som omfatteren gassturbin kombinert med en dieselmotor, figur 2 er et idealisert indikatirdiagram som viser den samlede arbeidssyklus for compound motor på figur 1, der det er antatt en totakts arbeidssyklus for dieselmotoren,

figur 3 er et sammensatt indikatordiagram som viser mulige forhold mellom gassturbinen og dieselmotoren på figur 1 under forutsetning av en totakts arbeidssyklus for dieselmotoren,

figur 4 viser skjematisk arbeidstaktene for en stempel/sy-linderkombinasjon under forutsetning av en totakts arbeidssyklus for dieselmotoren på figur 1,

figur 5 viser skjematisk en mulig taktsrekkefølge for en stempel/sylinderkombinasjon, der man forutsetter en firetakts arbeidssyklus for dieselmotoren på figur 1 og

figur 6 er et indikatordiagram som viser den samlede arbeidssyklus for compound motoren på figur 1, under forutsetning av en firetakts diesel arbeidssyklus svarende til figur 5, mens

figur 7 skjematisk viser en motor med roterende stempel eller av Wankeltypen som er istand til å følge en arbeidssyklus svarende til den som er vist på figur 2.

På figur 1 er det i skjematisk form vist en compoundmotor omfattende en flersylindret dieselmotor 100 1 compound med en atmosfærisk luftet dobbeltrotor aksialgassturbinmotor 102 som er vist delvis i aksialt snitt. Både dieselmotoren 100 og gassturbinen 102 kan være avledet fra kjente typer, men modifisert i den utstrekning som er nøddvendig til utøvelse av oppfinnelsen. For noen formål er det fordelaktig at dieselmotoren 100 har en 2-takts arbeidssyklus, og dette vil bli forutsatt i det følgende hvis det ikke sies noe annet. Som vanlig er stemplene (ikke vist) forbundet med en veiveaksel (ikke vist) som driver en lavhastighets utgangsaksel 104. Som forklart i det følgende, er de to motorer com-poundforbundet på en slik måte at deres individuelle termo-dynamiske sykler blir tilpasset hverandre på en effektiv måte.

Man vil se av figur 1 at dieselmotoren 100 tilføres luft ved turboladning av motoren fra utgangen for turbokompressoren 106 for gassturbinen 102 gjennom en turboladekanal 108 for luften. Denne luftkanal 108 innbefatter en luftventil 109 ved hjelp av hvilken luftkanalen kan stenges helt eller delvis når det er behov for det som forklart i det følgende, for derved å redusere eller stenge lufttilførselen til dieselmotoren 100.

I virkeligheten blir turboladeluften i luftkanalen 108 delt i to baner, der en bane går gjennom en grenkanal 110 til bruk som kjøleluft for kjøling av sylindertoppen, sylinderforingen og andre komponenter i dieselmotoren 100 og luften i den annen bane går gjennom en fortsettelse av kanalen 108 for lufttilførsel til sylindrene.

For å justere temperaturen på turboladeluften til en optimal verdi for å gjøre dieselmotoren semi-adiabatisk, er det muligens nødvendig å ta med en varmeutveksler 112 i kanalen 108. Hvis kjøling av turboladeluften er nødvendig, kan det fluidum som brukes til varmeutveksling med luften være brendseltilførselen til gassturbinmotoren 102 og/eller dieselmotoren 100 eller varmen kunne slippes ut i atmosfæren gjennom en radiator med vifte. Evis oppvarming av turbola-deluf ten er nødvendig, kunne det varmeutvekslende fluidum være utløpsluft fra kjølesystemet eller systemene for dieselmotoren 100 og/eller gassturbinmotoren 102. Den fordelaktige virkning ved anvendelse av turboladeluft til kjøling av sylinderkomponentene er at uttrekning av varme (opp til 3096 av den samlede varme som frigjøres) betyr at mindre brendsel er nødvendig i gassturbinmotorens forbrenningskammer. Gassturbinmotoren kan derfor frembringe energi ved et betydelig forbedret brendselforbruk som kunne svare til forbruket dieselmotoren har. Brendselforbruket for den samlede enhet blir dermed forbedret.

I tillegg til varmeutveksleren 112, innbefatter tilførsels-kanalen 108 for turboladeluft fortrinnsvis en spylepumpe 114 i form av en overlader av kjent type med lavt trykkforhold, som kan drives fra det elektriske system (ikke vist) compoundmotoren har eller med et mekanisk kraftuttak (ikke vist) fra dieselmotoren 100 eller gassturbinmotoren 102. Spylepumpen 114 kan godt være nødvendig for å understøtte strømmen av turboladeluft inn i og gjennom dieselmotoren 100, siden trykkforskjellen mellom utløpet fra turbokompressoren 106 og ekshaustutløpet fra dieselmotoren ellers ville være utilstrekkelig til å skape tilstrekkelig sirkulasjon av luft gjennom sylindrene og kjølesystemet.

I stedet for å bli benyttet til turboladning, kan noe (eller om ventilen 109 er lukket, all) luft fra turbokompressoren 106 bli matet direkte til et ringformet forbrenningskammer 116 for gassturbinmotoren 102, idet brendsel sprøytes inn i forbrenningskammeret på kjent måte med en brendselinnsprøyt-ningsdyse 118, for forbrenning sammen med mateluft fra turbokompressoren. Med luftventilen 109 delvis eller helt åpen, vil forbrenning finne sted ikke bare med luft fra turbokompressoren 106, men også med ekshaustkjøleluft fra dieselmotorens kjølesystem og med ekshaustforbrenningsgasser fra dieselmotorens ekshaustdeler. Selv om luftventilen 109 er antatt å være en nødvendig komponent i compoundmotoren for de fleste formål en slik motor kan ha, vil det naturligvis være fordelaktig å kunne klare seg uten denne om mulig, idet konstruksjonen da blir enklere. Dette avhenger av de praktiske løsninger konstruksjonen har i hvert enkelt tilfelle, for eksempel om dieselmotoren og gassturbinmotoren og deres tilbehør var av en slik utførelse at begge motorer kunne startes samtidig.

Ved konstruksjon av compoundmotoren, må man også ta i betraktning om luftventilen 109, om den er tilstede, burde være progressiv ved sin åpnings-og lukkeaksjon som angitt ovenfor eller som et alternativ kan være en enkel to-stil-lings åpen/lukket ventil. Dette valg vil avhenge av om strupning av turboladeluftens tilførsel til dieselmotoren 100 er ønskelig under en eller annen del av arbeidsområdet.

Etter å ha startet dieselmotoren 100, blir ekshaustkjøle-luften og ekshaustforbrenningsgassene ledet til gassturbinmotoren 102 ved hjelp av de respektive ekshaustkanaler 120 og 122. For å sikre jevn fordeling av begge typer diesel-ekshaust rundt det ringformede forbrenningskammer 116, skal ekshaustkanalene 120 og 122 tømme ut i de respektive ringformede fordelingskanaler 124, 126 som omgir forbrenningskammeret. Fra fordelingskanalen 124 blir kjøleluft for dieselekshausten ført gjennom et antall fordelingsporter 128 som står med like store vinkler fra hverandre til området som omgir og ligger like ved oppstrømenden av forbrenningskammeret 116, slik at kjøleluften gradvis kan passere inn i forbrenningskammeret gjennom luftfortynningsåpninger (ikke vist) i kammerveggen som i og for seg er kjent for å ta del i forbrenningsprosessen på et noe senere trinn enn luften som kommer direkte fra kompressorens 106 utløp. Dieselmotorens utstrømmende forbrenningsgasser i fordelingskanalen 146 blir imidlertid ført gjennom fordelingsportene 130 direkte til et innvendig område i f orbrenningskammeret 116 på nedstrømsiden for å ta del i forbrenningsprosessen på et ennu senere trinn.

Etter passasje gjennom en styrevingering 132 for munnstykket, vil forbrenningsgassene som kommer fra gassturbinmotorens forbrenningsdel 116 ekspandere gjennom en høytrykksturbin 134 som trekker ut tilstrekkelig energi fra forbrenningsgassene til å drive turbokompressoren 106 og denne er montert på samme drivaksel 136 som høytrykksturbinen. Sluttelig blir gassene ekspandert gjennom en frienergiturbin 138 til atmosfæren. Denne turbin er montert på en utgangsaksel 140 som løper inne i akselen 136 og fører utgangsenergi til den forreste ende av gassturbinmotoren 102.

Når man ser på compoundmotoren som er vist på figur 1 som et hele, omfatter kraftuttakene en utgangsaksel 104 med liten hastighet fra dieselmotoren 100 og en utgangsaksel 140 med høy hastighet fra gassturbinmotoren 102. Mekanisk kobling, væskekobling eller elektrisk kobling av de to akseler sammen kan, men behøver ikke, være ønskelig, alt etter den energi som utvikles av motoren og den anvendelse man har for denne energi. Slike koblinger enten de er mekaniske, væskekoblet eller elektriske, er naturligvis kjent på området og vil her ikke bli beskrevet i detalj.

For anvendelse som kraftig flymotor for eksempel, kan de energimengder som utvikles være for store til at de lett kan håndteres av gear eller væskekoblinger og det kan da være fordelaktig å benytte utgangsakselen 104 til drift av en stor, forholdsvis langsomtroterende propell eller en fan i en kanal, mens utgangsakselen 140 benyttes til drift av en mindre forholdsvis hurtigroterende propelle elller fan i en kanal. I motsetning til dette kan hvis motorenn anvendes for et helikopter, de to utgangsakseler 104, 140 forbindes med hverandre med gear for å drive hovedrotoren ved hjelp av en modifisert form for et helikopter reduksjonsgear.

Oppstarting av de to motorer 100, 102 bygger på kjent teknologi. Således kan gassturbinmotoren 102 startes ved bruk av en kjent type elektrisk starter eller en luftstarter. Hvis dieselmotorens aksel 104 ikke er koblet til gassturbinmotorens aksel 140, vil det være nødvendig å benytte en vanlig form for elektrisk startmotor eller luftstarter til oppstarting av dieselmotoren 100. Et foreslått oppstartings-og driftsprogram for compoundmotoren på figur 1 er slik: (a) Gassturbinmotor 102 startes først og kjøres opp til en passende tomgangshastighet som en uavhengig enhet med luftventilen 109 lukket, slik at det ikke foregår lufttil-førsel til motoren 100. (b) Når gassturbinmotoren 102 er selvgående og utvikler en viss energi, blir så dieselmotoren 100 startet ved bruk enten av en egen startmotor som er tilknyttet akselen 104 eller ved å drive motoren ved hjelp av en kobling mellom akslene 104 og 140. Luftventilen 109 åpnes, spylepumpen 114 startes og brendsel tilføres dieselmotoren. (c) Når dieselmotoren 100 løper opp til sin normale rotasjonshastighet, fortsetter gassturbinmotoren 102 og dieselmotoren å løpe som adskilte enheter med brendseltil-førsel, mens de samvirker synergistisk som en compoundmotor, idet gassturbinmotoren turbolader dieselmotoren og dieselmotoren ekshaust bidrar til den energi som utvikles av gassturbinmotoren. (d) Under drift kan de energimengder som utvikles av hver motor reguleres i forhold til hverandre for å gi optimal drift eller virkningsgrad. Da den overladede dieselmotor vil være mer brendseleffektiv enn gassturbinmotoren, vil det, om det er mulig, være fordelaktig i perioder da den samlede energiytelse som kreves fra compoundmotoren er stabil på moderate eller lave nivåer, å sørge for at størstedelen av energien leveres av dieselmotordelen, mens gassturbinmotoren er stilt tilbake eller satt ut av drift. I det siste tilfelle vil den virke som turbolader, men med en viss energi frembragt av kraftturbinen. Høyere energinivåer kan man imidlertid lett få til ved å sørge for at gassturbinmotoren kjøres opppå et høyere energinivå og derved bidrar med en større del av den samlede energi fra compoundmotoren.

Man skal merke seg at gassturbinmotoren 102 fortrinnsvis er beregnet på å arbeide ved et høyt trykkforhold. Dermed vil drift av compoundmotoren med gassturbinmotoren igang, ikke innebære noe for høyt brendselforbruk, sammenlignet med når den arbeider som en turbolader uten å være tent.

Anordningen som er vist på figur 1 tillater like meget variasjon når det gjelder konstruksjonen som andre former for compoundmotorer og detaljer så som ytterligere varmeutveks-lere, regenerering og "bottoming" sykluser kan være innbe-fattet .

Det skal nu vises til figur 2, der det er gjengitt et idealisert indikatordiagram som uttrykk for den samlede arbeidssyklus for den foretrukne utførelsesform for compoundmotoren som er omhandlet i tilknytning til figur 1, der luft og forbrenningsgasstrykk i kilo pr. kvadratcentimeter absolutt, er gjengitt som ordinat mot de tilsvarende volum-forhold for dieselmotoren og gassturbinmotoren ved forskjellige trinn under syklusen.

Den samlede syklus kan beskrives slik:

(1) Luft ved atmosfæretrykk kommer inn 1 turbokompressoren 106 (figur 1) ved punktet J og mates som turboladeluft til sylindrene i dieselmotoren 100 ved punktet A med et turboladetrykk på P^. Punktet A er et punkt under den første eller kompresjonstakten i den foretrukne 2-takts syklusetter nedre dødpunkt. (li) Mellom punktene A og G blir ladningen av luft i sylinderen for dieselmotoren komprimert idet stempelet beveger seg oppad i sylinderen mot øvre dødpunkt. (ili) Forbrenning finner sted ved tilnærmet konstant volum mellom punktene G og K og ved tilnærmet konstant trykk mellom K og L. (iv) Fra L til B finner ekspansjon sted i sylinderen idet stempelet beveger seg tilbake nedad i sylinderen mot nedre dødpunkt ved B, hvoretter forbrenningsgassene fra dieselmotoren slippes ut som ekshaust ved et trykk Pg til turbinen for gassturbinmotoren og ekspansjonen fortsetter i turbinen tilbake nesten ned til atmosfæretrykket ved M som representerer ekshaust fra gassturbinmotoren. (v) Den skrå linje B til A skal her fremheves siden den i virkeligheten representerer prosessen med utspyling av forbrukte forbrenningsgasser fra sylinderen og "innføringen" av den nye ladning av turboladeluft for kompresjon i neste syklus, det vil si at linjen BA angir at "spyling" og "innføring" i dieselmotoren må finne sted når stemplene beveger seg oppad fra nedre dødpunkt gjennom en første del av deres kompresjonstakter.

Andre trekk ved compoundmotoren på figur 1 vil nu bli forklart under henvisning til figur 2.

For det første mates turboladeluften 1 kanalen 108 til sylindrene for dieselmotoren 100 ved et trykk Pj^som er høyere enn trykket Pg, med hvilket forbrenningsgassene fra sylindrene slippes ut som ekshaust til turbinen 134 gjennom kanalen 122. Som nevnt tidligere vil dette trykkfall over dieselmotoren 100 bidra til tilstrekkelig sirkulasjon av turboladeluften gjennom sylindrene for dieselmotoren og kan sikres ved innbygning av en spylepumpe 114 i luftkanalen 108. En ytterligere fordel er at på grunn av at P^ikke er noe særlig mindre enn Pg, vil eksplosiv dekompresjon ikke finne sted når ekshaustventilene åpner. Tidligere praksis med å gjøre Pj^ mindre enn Pg har ført til slik dekompresjon, noe som resulterer i uønsket blanding av forbrukte forbrenningsgasser med den nye innkommende luftladning.

For det annet er kompresjonsforholdet R^for dieselmotoren betydelig mindre enn dens ekspansjonsforhold Rg, idet R^er tilnærmet halvparten av verdien for Rg. I virkeligheten synes det ideelle teoretiske forhold å være Rj^ = 0.5 Rg + 0.1.

For det tredje vil det faktum at det komplette indikatordiagram på figur 2 deles med den skrå linje A-B angi en god tilpasning mellom kompresjons-og ekspansjonskarakteristikkene for dieselmotoren 100 og gassturbinen 102, ved at selv om den nedre part av diagrammet J-A-B-M er et typisk turbinmotor-indikatordiagram, bryter den øvre del A-G-K-L-B-A for dieselmotoren med det som er vanlig ved ikke å ha kompresjonsforholdet og ekspansjonsforholdet tilnærmet likt, det vil si at motorens syklus er endret for at den skal passe bedre til gassturbinmotoren.

En fordel ved denne nesten horisontale deling av det fullstendige indikatordiagram med den skrå linje A-B er den konstruksjonsmessige fleksibilitet man får når det gjelder størrelsesforholdet mellom dieselmotoren og gassturbinmotoren. På figur 3 vil man se at den skrålinje A-B kan trekkes i et hvilket som helst nivå for turboladetrykk uten å innvirke hverken på det teoretiske areale av indikatordiagrammet eller toppverdien for sylindertrykket, mens kompresjons-og ekspansjonstrykkene for dieselmotoren har det samme proporsjonale forhold til hverandre uansett hvilket turboladetrykk man velger. Når linjen A-B nu beveger seg oppad på diagrammet, vil størrelsen på dieselmotoren som kreves for å håndtere en eller annen gitt luftstrøm gjennom motoren bli redusert, fordi kompresjons-og ekspansjonsforholdene for dieselmotoren reduseres. Man skal merke seg at energiytelsen fra dieselmotoren er en funksjon av trykkforholdet i turbokompressoren - idet dobling av trykkforholdet øker energiytelsen med omtrent to-tredjedeler - fordi den energi som frembringes i hver sylinder hovedsaklig avhenger av massen av luft som inneholdes i sylinderens klarvolum ved øvre død-punkt. Ser man på figur 2 er kompresj onsf orholdet RA definert som det volum V som i sylinderen fylles av stempelet pluss det volum sylinderen ikke fyller eller klarvolumet v i sylinderen, delt med klarvolumet, det vil si

l.e. RA = (v + V)/V,

derfor er v = V/(RA- 1),

og dermed blir sylinderens klarvolum stort når kompresjonsforholdet reduseres til lave verdier. Dette forhold kan på en fordelaktig måte utnyttes ved konstruksjoner med lavt kompresjonsforhold, 1 henhold til oppfinnelsen, fordi bruk av en turbokompressor med høyt trykkforhold gjør det mulig å bibeholde trykk og temperatur på luften i sylinderen ved toppen av kompresjonstakten på verdier som er normale for dieselmotorer, selv om store luftmassestrømmer behandles og høye energiytelser skapes. Som et alternativ kan ennu høyere ytelser oppnås hvis man benytter avanserte varmebestandige materialer i stempler og sylindertoppen, så som superlege-ringer og kjeramikk med høy styrke, noe som tillater økning i sylinderens topptrykk og temperatur. På denne måte vil mer av kompresjonen og ekspansjonen bli utført i gassturbinmotoren og tilsvarende mindre i dieselmotoren.

Figur 3 viser en viss indikasjon på mulige praktiske samlede områder for kompresjon- og ekspansjonsforhold for 2-takts dieselmotoren på figur 1. Sett som et hele er det ikke sannsynlig at verdien for ekspansjonsforholdet vil ligge utenfor området 3 til 12, og for drift ved havflaten og normale høyder på land, vil et foretrukket område for ekspansjonsforholdet være 3 til 8. I store høyder (for eksempel 6.500 meter til 13.000 meter, når compoundmotoren er drivkraften i et transportfly) vil et foretrukket område for ekspansjonsforholdet være 6 til 12. Selv om disse områder foretrekkes som praktiske konstruksjonsparametere for dieselmotoren og gassturbinmotoren som den arbeider i compound med (trykkforholdene for turbokompressoren og turbinen er valgt slik at de passer til compresjonsforholdet og ekspansjonsforholdet for dieselmotoren som forklart tidligere), er fordelene ved å gi dieselmotoren et så lavt kompresjonsforhold som mulig, noe man skal ha i tankene. Man skal merke seg at dieselmotoren kunne innbefatte en sylin-dertopp med regulerbart kompresjonsforhold. Dette ville gjøre det mulig å variere kompresjonsforholdet med omtrent 5056.

Det skal nu vises til figur 4 og en foretrukket arbeidssyklus for 2-takts dieselmotoren på figur 1 vil nu bli forklart mer i detalj under henvisning til de fire diagrammer (a) til (d) som viser på hverandre følgende trinn i 2-takts syklusen. Det skal også vises til figur 2. Man skal merke seg at av hensyn til beskrivelsen er kompresjonstakten delt i en første (eller tidlig) del og en andre (eller sen) del, der den første del er videre oppdelt med henvisning til et begynnelsesparti av denne.

Figur 4(a) viser stempelet 400 i sylinderen 401 med stempelstang 402 og veiveaksel 404, like etter nedre dødpunkt (BDC), ved hvilket både innsugningsventil 406 og utblåsningsventil 408 er åpne. Innsugningsventilen 406 slipper inn turboladeluft som snart setter sylinderen 401 under trykk opp til turboladetrykket. Den stilling som er vist på figur 4(a) tilsvarer omtrent punktet B på figur 2. Det forhold at både innsugnings-og utblåsningsventilene er åpne, muliggjør skylling av de brukte forbrenningsgasser fra sylinderen 401 på grunn av den gjennomgående strøm av turboladeluft gjennom sylinderen, noe som finner sted mens stempelet 400 beveger seg oppad fra BDC under det ovennevnte første parti av den første eller tidlige del av den første takt eller kompresjonstakten i 2-takts syklusen. Innsugnlngs-og utblåsningsventilene er naturligvis vist bare helt skjematisk og man kan for eksempel treffe foranstaltninger for å lede turboladeluften fra innsugningsventilen 406 ned mot kronen på stempelet 400 for å fortrenge forbrenningsgassene mot utblås-ningsventilen ved at det dannes en "boble" av ren luft over stempelet og dermed bringer stempelet til å bli mer effektivt når det gjelder å drive ut ekshaustgassene gjennom ekshaustventilen 408 når stempelet beveger seg oppad.

Det ovennevnte første parti av den første del av den oppadrettede takt avsluttes når innsugningsventilen 406 lukker, fortrinnsvis litt før halvveis i takten. På dette trinn vil aktiv skylling ved gjennomstrømning av turboladeluft opphøre. Det foretrekkes at ekshaustventilen 408 står åpne litt lenger enn innsugningsventilen 406, for å sikre at sylinderen blir videre spylt klar for forbrenningsprodukter ved den oppadrettede bevegelse av stempelet 400 som driver disse ut. Det foretrekkes at ekshaustventilen 408 til slutt lukker litt etter halvveis i takten som vist på figur 4(b), og dette markerer avslsutningern av den første eller tidlige del av den oppadrettede takt og begynnelsen av den annen eller siste del. Denne posisjon kan angis som punktet A på figur 2. Som en oppsummering vil derfor spyling av brukte forbrenningsgasser, innbefattende skylling med turboladeluft, pluss naturligvis innføring ved turboladning utført under den første del av stempelets bevegelse oppad eller kompresjonstakten mellom punktene B og A på figur 2.

Selv om det på det nuværende tidspunkt synes å være fordelaktig å dele den første eller tidlige del av kompresjonstakten i et begynnelsesparti i løpet av hvilket både innfø-ring og skylling med turboladeluft finner sted og et slutt-parti i løpet av hvilket ytterligere spyling finner sted mens turboladeluften opprettholdes i sylinderen ved den oppadrettede bevegelse av stempelet, selv om innsugningsventilen er blitt lukket, kan det i lys av erfaring med eksperimenter eller ytterligere teoretiske betraktninger, finnes å være ønskelig å justere ventilstyringen slik at innsugningsventilen lukker, samtidig med - eller til og med senere enn-ekshaustventilen.

Den andre eller siste del av den oppadrettede eller første takt i syklusen omfatter bevegelse av stempelet 400 opp i sylinderen 401 fra halvtaktstillingen som er vist på figur 4(b) til øvre dødpunkt (TDC) stilling som vist på figur 4(c) og er den eneste del av syklusen som egentlig utelukkende gjelder komprimeringen av turboladeluften, selv om man kan ha en viss kompresjon før lukning av ekshaustventilen 408, på grunn av den hurtige bevegelse av stempelet omtrent halvveis i takten. Man skal merke seg på figurene 4(c) og 4(d) at innsugnings-og utblåsningsventiler ikke er vist siden de holdes lukket på disse tidspunkter.

Brendselinnsprøytning fra en innsprøytningsanordning av kjent type (ikke vist) finner sted på kjent måte like før TDC og forbrenningen finner sted idet stempelet passerer over TDC. Når det gjelder figur 2 kan TDC angis tilnærmet med punktet

G.

Hele den andre eller nedadrettede takt av syklusen anvendes for ekspansjon fra TDC tilbake ned til nedre dødpunkt (BDC) som vist på figur 4(d) og ved dette punkt gjentas syklusen.

Det skulle være klart av figurene 4(a) til 4(d) hvorfor kompresjonsforholdet for dieselmotoren er meget mindre enn ekspansjonsforholdet - årsaken er naturligvis at spyle-og innføringsprosessen finner sted under kompresjonstakten i syklusen før den egentlige kompresjon begynner.

Fagfolk på området vil forstå at fordi den foreslåtte 2-takts syklus reduserer kompresjonsforholdet for stempelmotoren, blir et mindre volum av turboladeluft innført i sylinderen før kompresjonen som sådann begynner, det vil si at den friske ladning av luft ved turboladetrykket bare opptar en brøkdel av det totale volum i sylinderen. Innenfor teknik-kens stand er imidlertid kompresjonsforholdet og ekspansjonsforholdet mer lik hverandre og sylinderen må derfor være fullstendig fyllt med turboladeluft. Da den innkommende luftladning delvis benyttes til spyling av forbrenningsgassene fra sylinderen, vil det være klart at den foreslåtte syklus kan benyttes til å redusere tapet av turboladeluft under spyleprosessen om det er ønskelig.

Det ble nevnt i forbindelse med figur 1 at dieselmotoren 100 fortrinnsvis var av 2-takts typen og at den påfølgende beskrivelse i forbindelse med figur 2-4 utelukkende angikk en syklus av 2-takts typen. Imidlertid er 2-takts syklusen å foretrekke når det gjelder å redusere vekten av dieselmotoren og for mange typer tjenester som en turbo-compound stempel-motor kan bli satt til, kan en 4-takts syklus være fordelaktig. Hvis man derfor i stedet antar at dieselmotoren 100 på figur 1 er av 4-takts typen, vil figur 5 og 6 hver for seg gjengi en arbeidsrekkefølge og et indikatordiagram for en stempel/sylinderkombinasjon i en slik motor. Figur 5 svarer til figur 4 ved at den viser stempel 500 som beveger seg i en sylinder 501 og er forbundet med en veivaksel 504 med en stempelstang 502. Imidlertid er innsugnings-og utblåsningsventiler ikke vist, fordi deres funksjon vil fremgå av den følgende beskrivelse.

Figur 5(a) viser stempelet 600 i en stilling like etter øvre dødpunkt ved begynnelsen av den første nedadrettede takt i 4- takts syklusen. Den første nedadrettede takt kan betegnes som lnnsugningstakt for enkelthets skyld og de posisjoner stempelet har ved 3 punkter i denne takt, er vist på figurene 5 (a) - 5(c). I de posisjoner som er vist på figur 5(a) er innsugningsventilen (ikke vist) allerede åpen og eksosventilen (ikke vist) holder på å lukke, idet eksosventilen deretter forblir lukket inntil begynnelsen av den annen oppadrettede takt som er kjent som utblåsningstakten,

hvoretter den holder seg åpen så lenge utblåsningstakten varer, og hvis endeposisjon like før øvre dødpunkt er vist på figur 5(f). Innsugningsventilen holder seg åpen under den første del av innsugningstakten mens stempelet 500 beveger seg nedad mellom posisjon D som er vist på figur 5(r) og posisjonen E (like før halvveis i takten) som er vist på figur 5(b). Det vil dermed være klart at turboladning av sylinderen 501 gjennom innsugningsventilen finner sted mellom posisjonene D og E.

For å begrense toppverdiene for sylindertrykkene under kompresjonstakten og påfølgende forbrenning til praktiske verdier, er det sørget for at innsugningsventilen lukker når stempelet kommer i posisjon E, eller kort deretter, og forblir lukket inntil enden av utblåsningstakten. Som følge av dette, er den annen og den siste seksjon av innsugningstakten i virkeligheten opptatt bare med ekspansjon av turboladerluften i sylinderen 501 når stempelet beveger seg nedad fra posisjonen E til nedre dødpunkt, det vil si omtrent ved posisjonen F som er vist på figur 5(c), som ligger like før nedre punkt. Innsugningen finner derfor i virkeligheten bare sted ved den første del av innsugningstakten.

Etter ekspansjon av luftladningen i sylinderen 501 fra E til F, påbegynner stempelet 501 den første oppadrettedetakt i 4-takts syklusen og den er kjent som kompresjonstakten, idet stempelet beveger seg fra nedre dødpunkt til øvre dødpunkt som tilnærmet tilsvarer stempelposisjonene F og G, som er vist med henvisning til figurene 5(c) og 5(d). Over en første seksjon av kompresjonstakten, opptil en posisjon som ligger kort etter halve takten, vil stempelet bare på nytt trykke sammen luftladningen tilbake opp til turboladetrykket. Fra denne mellomstilling inntil stempelet når øvre dødpunkt, blir luftladningen komprimert til et høyere trykk enn turboladertrykket. Ved omtrent posisjonen G, like før øvre dødpunkt, blir brensel innsprøytet og forbrenningen finner sted ved øvre dødpunkt, og kort deretter start av den annen nedadrettede takt som er betegnet som ekspansjonstakten. Under denne ekspansjonsdel av syklusen, holdes ventilene lukket, idet stempelet beveger seg nedad til nedre dødpunkt en gang til, en bevegelse som er angitt under henvisning til figurene 5(d) og 5(e), og som ligger mellom posisjonene L og B, som er henholdsvis like etter øvre dødpunkt og like før nedre dødpunkt. Denne forskjell mellom posisjonene G og L er knyttet til forbrenningsprosessen, slik den er forklart i det følgende under henvisning til figur 6. Sluttelig er, som allerede nevnt, ekshaustventilen på nytt åpen ved nedre dødpunkt eller like før posisjonen B og like før den oppadrettede takt i syklusen .påbegynnes, i løpet av hvilken de brukte forbrenningsgasser blir blåst ut til turbinen 134 i gassturbinen 102 (figur 1).

For å hjelpe til med spyling av de brukte forbrenningsgasser fra klarvolumet I sylinderen 501 og for derved åsikre en meget ren ladning av luft i sylinderen for mere effektiv forbrenning, er det sørget for at under en første del av den første seksjon av innsugningsdelen av syklusen mellom øvre dødpunkt og et punkt etter øvre dødpunkt, for eksempel D som er vist i forbindelse med figur 5(a), er både innsugnings-og ekshaustventiler åpne samtidig, noe som tillater turboladeluft å strømme gjennom klarvolumet og dermed effektivt spyle ut forbrenningsproduktene. Det er fordelaktig om innsugningsventilen åpnes like før øvre dødpunkt (posisjon C, figur 5(f)' under den siste del av ekshausttakten, noe som gir en tidsoverlapping mellom innsugnings-og utblåsningsventiler over hele perioden mellom stempelposisjonene C og D.

Det skal vises til figur 6, der den ovenfor beskrevne arbeidsrekkefølge på figur 5 vil bli omhandlet sammen med et idealisert indikatordiagram for den fullstendige syklus for compoundmotoren. Bokstavene som blir benyttet på figur 5, som refererer til sylinderens stillinger, blir også benyttet på indikator-diagrammet.

Som beskrevet i tilknytning til figur 2, finner komprimeringen av luft sted i turbokompressoren for gassturbinmotoren og i spylepumpen (hvis en slik benyttes), fra punkt J på indikatordiagrammet til turboladertrykket PA ved punktet A. Trykket Pg ved punktet B er det trykknvormed forbrenningsgassene fra den 4-takts dieselmotor utblåses som ekshaust til turbinen for videre ekspansjon langs kurven B-M, ned til atmosfærisk trykk, idet ekspansjonen i sylinderen allerede har funnet sted som på figur 5(e) fra punkt L ved topp syllndertrykk nær øvre dødpunkt til punktet B ved eller nær nedre dødpunkt. Man skal merke seg at på samme måte som på figur 2, blir turboladeluften matet til dieselmotoren ved trykk PA som er høyere enn trykket Pg ved hvilket forbrenningsgassene føres som ekshaust til turbinen.

Ekshaustventilen blir naturligvis åpnet ved punktet B og linjen B-C representerer ekshausttakten som er vist på figur 5(f), idet punktet C er øvre dødpunkt. Som forklart tidligere, er det ved omtrent dette punkt at innsugningsventilen åpner, mens ekshaustventilen også forblir åpen for å mulig-gjøre en spylestrøm av turboladeluft gjennom klarvolumet i sylinderen og derved hjelpe til med skylling av forbrenningsproduktene. Punktet A representerer en mulig momentan økning i trykket i sylinderen omtrent ved øvre dødpunkt når innsugningsventilen åpner for å slippe inn turboladeluft ved trykket PA. Man vil da få en svak økning i trykket, idet skylleprosessen finner sted mellom punktene Cp, der D ligger etter øvre dødpunkt ved begynnelsen av innsugningstakten som er vist på figurene 5(a) til 5(c). D er det punkt ved hvilket ekshaustventilen til slutt lukker og dermed avslutter den påbegynte skylledel av den første seksjon av innsugningstakten. Linje D-E representerer resten av den første seksjon av innsugningstakten opp til omtrent halvveis i takten, og i løpet av dette blir det hurtig økende sylinder-volum turboladet. Innsugningen som sådann opphører ved E med lukning av innsugningsventil og derved overlates resten av innsugningstakten til ekspansjon av luftladningen, noe som er angitt ved kurven E-F, hvor F er nedre dødpunkt, ved enden av innsugningstakten. Som nevnt i det foregående, vil tidlig lukning av innsugningsventilen ved E sørge for å begrense topptrykkene i sylinderen til akseptable verdier.

Det skal påpekes at den del av indikatordiagrammet som nettopp er omhandlet, nemlig det som ligger langs punktene B-C-D-E-F, er tegnet i en skjematisk form som hjelp under forklaringen og at forholdene i en virkelig motor sannsyn-ligvis vil være forskjellig fra det som er vist. Særlig gjelder dette linjene BC, CD og DE, som etter all sannsyn-lighet ikke vil være nøyaktig horisontale og vertikale som vist, og linjene BC og DE kunne ligge tettere sammen.

Etter avslutning av innsugningstakten ved F blir luftladningen på nytt komprimert tilbake opp til turboladetrykket PA langs kurven F-E-A, idet punktet A er like etter tilbakeleg-gelse av halve takten i syklusens kompresjonstakt (figur 5(d)).

Deretter blir luftladningen ytterligere komprimert opp til øvre dødpunkt ved G, brensel blir sprøytet inn like før dette punkt og forbrenningen finner deretter sted først ved tilnærmet konstant volum (G-K), og deretter ved konstant trykk (K-L). Punktet L, like etter øvre dødpunkt, markerer begynnelsen av ekspansjonstakten tilbake ned til utblås-ningstrykk Pg ved punktet B og begynnelsen av neste syklus. Man skal merke seg at den ovenfor beskrevne teknikk med lukning av innsugningsventilen forholdsvis tidlig under innsugningstakten for å utvide den innsugende luftladning under resten av induksjonstakten og dermed begrnse påfølgende toppsylindertrykk, er kjent fra feltet for turboladede motorer med frem-og tllbakegående stempler som "en mer komplett ekspansjonssyklus". Det antas Imidlertid å være nytt å benytte en slik syklus sammen med en kompresjons/ekspansjonssyklus for gassturbin-motortypen som vist på figur 6 ved punktene J-A-B-M.

Et ytterligere punkt å merke seg når det gjelder figur 6, er at på grunn av naturen ved "den mer komplette ekspansjon" type syklus som benyttes, vil operasjonsforholdet for den 4-takts dieselmotor, selv om den i virkeligheten ligger i punktet E, være vesentlig mindre ved ekspansjonsforholdet ved punktet B, noe som ikke passer til regelen for 2-takts dieselmotorer, der verdien skal være omtrent halvparten av ekspansjonsforholdet.

Så langt har beskrivelsen av de spesielle utførelsesformer for foreliggende oppfinnelse angått dieselmotorer med frem-og tllbakegående stempler om enten med 2-takts eller 4-takts syklus. Ikke desto mindre omfatter oppfinnelsen også andre typer positive fortrengningsmotorer som kan arbeide i compound med gassturbinmotoren, for eksempel de som har rotorer i stedet for frem-og tllbakegående stempler. Slike roterende forbrenningsmotorer som tilhører klassen positive fortrengingsmotorer, kan utføre en syklus av 2-takts typen.

Med uttrykket "en arbeidssyklus av 2-takts typen" menes enten enn 2-takts syklus som ordinært utføres av en eller annen type motor med frem-og tllbakegående stempler eller det ekvivalente av en 2-takts syklus slik den utføres av andre typer positive fortrengningsmotorer, uttrykt som de indikatordiagrammer de frembringer. Ved uttrykket "en arbeidssyklus av 4-takts typen" menes enten en 4-takts syklus slik den vanligvis utføres av en eller annen type motor med frem-og tllbakegående stempler eller det ekvivalente til en 4-takts syklus slik den utføres av andre typer positive fortrengningsmotorer uttrykt som de indikatordiagrammer de

frembringer.

Et eksempel på positiv fortreningsmotor av rotasjonstypen er vist på figur 7. Her er en mekanisk anordning av Wankel-typen, innrettet til å følge den foreslåtte 2-takts kompre-sjonstenningssyklus. En trekantet rotor 700 med konvekse sider 701, er lagret i et hus 702, hvis innside 703 er epitrokoidalt formet for å holde kontakt med kantpakninger 704 på de tre hjørner av rotoren når denne roterer eksentrisk om senteret 706. Den innvendige diameter av rotoren 700 er forsynt med en innvendig konsentrisk tannring (ikke vist), som er inngrep med tannhjul (ikke vist) som er konsentrisk med drivakselen (ikke vist). Disse mekaniske detaljer er lett tilgjengelige fra lærebøker, men anordningen av innsugnings-og utblåsningsporter er det ikke.

Når rotoren 700 roterer i pilens retning, vil pakningene 704 som er montert på de tre hjørner, kontinuerlig stryke langs veggen 703 av huset 702, slik at det dannes tre lukkede roterende rom I, II og III mellom de konvekse sider 701 av rotoren og veggen. Disse tre lukkede rom, I, II, III, er forbrenningskammere, svarende til rommet over stempelet i en motor med frem-og tllbakegående stempel og som øker og minsker i størrelse under hver omdreining av rotoren 700. Når pakningene 704 stryker over veggflaten 703, vil de gjentatt frilegge innsugnings-og ekshaustporter 710, 712, og variasjonene i volumet vil i de lukkede rom, I, II, III, benyttes til å frembringe kompresjons-og ekspansjonsdeler av en syklus, etterhvert som hvert av rommene beveger seg rundt senteret 706, svarende til en 2-takts syklus for en motor med frem-og tllbakegående stempler og med et indikatordiagram svarende til det som er vist på figur 2. Dette er mulig fordi innsugnings-og ekshaustportene også finnes på motstå- ende sider av huset 702, slik at man får et mere symmmetrisk hus enn tidligere kjent og dermed reduseres varmevridninger. Den annen ordning gjør det mulig for hvert rom å utføre kompresjons-og ekspansjons-"taktene" to ganger pr. fullstendige omdreininger av rotoren.

Ser man videre på motoren, er innsugningsport 710 forbundet med et kammer 714 som virker som et lite, indirekte forbrenningskammer. Kamrene 714 er koblet for å motta turboladeluft 716 gjennom innsugningspassasjene 718, og disse passasjer 718 er forsynt med innsugningsventiler 720 til regulering av strømmen av turboladeluft inn i motoren.

På passende punkter i syklusen vil brenseldyser (ikke vist) sprøyte inn brensel 722 i kamrene 714.

Arbeidssyklusen når det gjelder ett man velger av de roterende f orbrenningskamrene eller rom I, II, III, og den tilhørende konvekse flate 701 på rotoren er slik: (i) Kompresjonsdelen eller "takten" av syklusen kan deles i tre seksjoner, nemlig en siste seksjon som er tildelt kompresjon og brenselinnsprøytning og to tidligere seksjoner, hvorav den første bare omfatter utblåsning av forbrenningsprodukter uten hjelp til spyling med turboladeluft og hvorav den annen seksjon omfatter "innføring" av turboladeluft. Videre er et første parti av den andre tidlige seksjon opptatt med å skylle ut det roterende rom fritt for brukte forbrenningsprodukter ved at det spyles med turboladeluft. Dette skal omhandles mere i detalj: (a) Den første av de to tidligere seksjoner av kompresj onsdelen av syklusen begynner med at det roterende rom bare er i forbindelse med én av ekshaustportene 112, som er blitt avdekket av den forreste kantpakning 704 på den konvekse rotorflate 701 ved eller nær ved enden av ekspansjons "takten" i den foregående syklus - se rommet III på figur 7. Idet volumet på det roterende rom begynner å bli redusert etterhvert som kompresjons-"takten" skrider frem, blir brukte forbrenningsprodukter direkte drevet ut gjennom utblåsningsporten 712. (b) Enden av den første tidligere seksjon av kompresjons-"takten" finner sted når den forreste kantpakning 704 på rotorflaten 701 avdekker en innsug ningsport 710 med dens innsugningsventil 720 åpen, for å slippe Inn turboladeluft. Dette markerer begyn nelsen av det første parti av den annen av de to tidligere seksjoner av kompresjons-"takten" for i avstanden mellom hver innsugningsport 710 og den nærestliggende, tilstøtende utblåsningsport 712, er slik at under den nevnte begynnelsesdel kan turboladeluft fritt strømme gjennom det tilhørende kammer 714 og det roterende rom, for å spyle disse rene for brukte forbrenningsprodukter og sikre en ren ladning av luft med turboladetrykk i det roterende rom. Rommet I på figur 7 viser dette første "skylle"-parti av den andre tidligere "skylle og innsugnings"-seksjon av kompresjons-"takten". (c) For å avslutte det første "skylle"-parti av den andre seksjonen som det nettopp er henvist til, vil den bakre kantpakning 704 på rotorflaten 701 stenge utblåsningsporten 712 mot forbindelse med det rote rende rom. Kort deretter stenges innsugningsventilen 720, hvormed "innsugnings"-seksjonen av kompresjonsdelen av syklusen avsluttes. (d) Den siste seksjon av kompresjonsdelen av syklusen starter når innsugningsventilen 720 stenger, idet trykket i kammeret 714 og i det roterende rom da stiger turboladetrykket, idet volumet reduseres ytterligere. Like før volumet av det roterende rom kommer ned på et minimum, det vil si like før midten av rotorflaten 701 er i flukt med innsugningsporten 710, blir brensel 722 sprøytet inn i kammeret 714, og for-

brenning finner sted mens volumet er minisert på

grunn av kompresjonstenning i dieselprinsippet.

(ii) Når den ovennevnte rotorflate 701 fortsetter å be-vege seg forbi innsugningsporten 710, vil volumet av det roterende rom begynne å øke på nytt og forbrenningsprosessen gir rotoren 700 et dreiemoment. Figur 7 viser dette forhold når det gjelder det roterende rom

II. Dette står ved begynnelsen av ekspansjonsdelen

av syklusen, ved den ende der volumet av det roterende rom når et maksimum og syklusen gjentar seg.

Noen ytterligere betraktninger vedrørende det som her er sagt er nødvendig.

Først skal man merke seg at ekshaustfasen av syklusen oppfatter den første seksjon av kompresjons-"takten" og minst en del av den annen seksjon og kan også overlate enden av ekspansjons-"takten" hvis dette finnes å være ønskelig.

For det annet synes det å være fordelaktig på det nåværende tidspunkt å dele den annen av de to tidligere seksjoner av kompresjons-"takten", (det vil si "Innsugningsseksjonen") i et første parti, i løpet av hvilket både innsugning og skylling ved turboladning foregår, og det kan på grunnlag av erfaring fra eksperimenter eller ytterligere teoretiske betraktninger vise seg å være mere ønskelig å justere tidsstyringen for innsugningsventilen, slik at innsugningsventilen 720 lukker akkurat da eller til og med før den bakre kantpakning 704 stenger ekshaustporten 712 fra det roterende rom.

For det tredje skal man være klar over at for de andre utførelsesformer for oppfinnelsen som tidligere er beskrevet, forutsettes det at syklusen for den roterende positive fortrengnlngsmotor, som nettopp er beskrevet, antas å innbefatte ideen med optimal tilpasning til syklusen for det turbin/turbokompressorsett som motoren er i compound med, idet turboladeluft 716 føres til kammeret 714 ved et trykk som er høyere enn det trykk f orbrenningsgassene har når de blåses ut mot turbinen, idet kompresjonsforholdet for den roterende positive fortrengningsmotoren er betydelig mindre enn dens ekspansjonsforhold. Når det gjelder utførelsen av oppfinnelsen med 2-takts dieselmotor med frem-og tllbakegående stempel, er det fordelaktig at kompresjonsforholdet er omtrent halvparten av ekspansjonsforholdet, slik at et indikatordiagram for compound-motoren ville passe i store trekk til det som er vist på figur 2.

For det fjerde, selv om den her beskrevne utførelse i henhold til oppfinnelsen av den roterende positive fortrengnlngsmotor var en 2-takts dieselmotor av Wankel-typen, kan andre typer av roterende positive fortrengningsmotorer kanskje også anvendes i henhold til oppfinnelsen.

For det femte kan den reduserte trykkforskjell mellom det roterende forbrenningskammer og turboladetrykkene, sammenlignet med tilsvarende forhold i en normal diesel, avlaste tetningsproblemene som man noen ganger står overfor når det gjelder motorer av typen med roterende stempel.

Claims (12)

1. Compound motoranordning omfattende en positiv fortrengnlngsmotor, en gassturbinmotor med strømningsmessig, seriekoblet kompressoranordning, forbrenningsanordning, turbinanordning og frikraft-turbinanordning, karakterisert ved at turbinanordningen drives av forbrenningsgasser fra forbrenningsanordninger og er i drivforbindelse med kompressoranordningen, og omfatter mateanordninger for turboladeluft til fremføring av denne fra kompressoranordningen til den positive fortrengnlngsmotor, hvilken mateanordnlng for turboladeluft innbefatter en ventilanordning for valgvis avstengning av tilførselen av turboladeluft til den positive fortrengnlngsmotor, hvorved gassturbinmotoren kan være i drift mens den positive fortrengnlngsmotor er ute av drift, og forbrenningsgass ekshaustanordninger for utslipp av forbrenningsgassene fra den positive fortrengnlngsmotor til forbrennlngsanordnlngen for videre forbrenning i denne, idet anordningen er slik at turboladeluft blir matet til den positive fortrengnlngsmotor ved et første høyere trykk og forbrenningsgassene slippes ut til forbrennlngsanordnlngen ved et andre lavere trykk.

2. Compoundmotoranordning som angitt i krav 1, karakt er i sert ved at den positive fortrengnlngsmotor er innrettet til å arbeide med et kompresjonsforhold som er betydelig mindre enn dens ekspansjonsforhold.

3. Compoundmotoranordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at den positive fortrengnlngsmotor er innrettet til å arbeide med et kompresjonsforhold som er tilnærmet halvparten av den ekspansjonsforhold.

4. Compoundmotoranordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at den positive fortrengnlngsmotor er innrettet til å arbeide med et kompresjonsforhold som er halvparten av dens ekspansjonsforhold, pluss 0,1.

5. Compoundmotoranordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at mateanordningene for turboladeluft innbefatter en spylepum-peanordning som skal sikre at det første trykk er betydelig høyere enn det annet trykk.

6. Compoundmotoranordning som angitt I et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at ekshaustanordningen for forbrenningsgassene innbefatter en fordelingskanal for disse gasser, der kanalen omgir forbrennlngsanordnlngen og er innrettet til å fordele forbrenningsgassene stort sett jevnt rundt forbrennlngsanordnlngen.

7. Compoundmotoranordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 6, karakterisert ved at mateanordningen for turboladeluften er innrettet til å føre en del av denne luft til et kjølesystem for den positive fortrengnlngsmotor for oppnåelse av semi-adiabatisk drift av denne, hvilken compoundmotor videre er forsynt med lufteks-haustanordninger for utslipp av en del av turboladeluften til forbrennlngsanordnlngen etter bruk i kjølesystemet.

8. Compoundmotoranordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at luftekshaustanordningen innbefatter en luftfordelingskanal som omgir forbrennlngsanordnlngen og er innrettet til å fordele luften stort sett jevnt rundt det indre av forbrennlngsanordnlngen.

9. Compoundmotoranordning som angitt i krav 7 eller 8, karakterisert ved at mateanordningen for turboladeluften innbefatter en varmeutveksleranordning for endring av matetemperaturen på turboladeluften til kjølesys-temet for den positive fortrengnlngsmotor, for å lette semi-adiabatisk drift av denne.

10. Fremgangsmåte til drift av en compoundmotor, der denne omfatter en positiv fortrengnlngsmotor, en gassturbinmotor med strømningsmessig seriekoblet kompressoranordning, forbrenningsanordning, turbinanordning og frikraft-turbinanordning, der turbinanordningen drives med forbrenningsgasser fra forbrennlngsanordnlngen og er i drivforbindelse med kompressoranordningen, mateanordninger for turboladeluft til fremføring av denne fra kompressoranordningen til den positive fortrengnlngsmotor, hvilken mateanordning for turboladeluft innbefatter ventilanordninger for valgvis avstengning av matingen av turboladeluft til den positive fortrengnlngsmotor, hvorved gassturbinmotoren kan settes i drift, mens den positive fortrengnlngsmotor er ute av drift og ekshaustanordninger for forbrenningsgasser for utslipp av disse gasser fra den positive fortrengnlngsmotor til forbrennlngsanordnlngen for videre brenning i denne, karakterisert ved at den omfatter: (a) Start av gassturbinmotoren og aksellerering av denne til en energifrembringende tilstand, mens den positive fortrengnlngsmotor fremdeles er stillestående, med ventilanordninger lukket for å hindre tilførsel av turboladeluft til den positive fortrengnlngsmotor, (b) start av den positive fortrengnlngsmotor med åpning av ventilanordningen for å tillate mating av turboladeluft til den positive fortrengnlngsmotor og akselerasjon av denne motor til en energifrembringende tilstand, mens gassturbinmotoren fremdeles er i drift og (c) regulering av de energimengder som frembringes av gassturbinen og den positive fortrengnlngsmotor i forhold til hverandre for å gi optimal drift eller brenseløkonomi for compoundmotoren som et hele.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at når den samlede energiytelse som kreves fra compoundmotoren er lav, tilføres mesteparten av energiytelsen av den positive fortrengnlngsmotor, mens gassturbinen arbeider uten ytelse.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 10 eller 11, karakterisert ved at når den totale energiytelse som kreves fra compoundmotoren er høy, blir vesentlige deler av ytelsen tilført fra både den positive fortrengnlngsmotor og gassturbinmotoren .