NO873870L - Drivanordning og arbeidsyklus for denne. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår drivanordninger som omfatter en motor med positiv fortrengning, forsynt med et turbin/

turbo kompressorsett i det følgende betegnet som turbomotorer med positiv fortrengning. Videre angår oppfinnelsen arbeidssykler for slike motorer.

Generelt sett er det tidligere kjent å knytte sammen et turbin/turbo kompressorsett og en motor med positiv fortrengning, for eksempel en motor med frem-og tilbakegående stempel eller roterende stempel, slik at ekshaustgassene fra motoren driver eller hjelper til med å drive turbinen som på sin side driver turbokompressoren og denne igjen turbolader motoren med positiv fortrengning. Sammensatte motoranaord-ninger er også kjent der turbin/turbo kompressorsettet, selv om det veksler luft for forbrenningsgasser fra den positive fortrengningsmotor i virkeligheten er en del av en gassturbinmotor som er istand til å arbeide uavhengig av den positive fortrengningsmotor. Den foreliggende beskrivelse omhandler forbedringer ved begge disse typer drivanordninger.

Det er lenge vært ansett som ønskelig å turbolade positive fortrengningsmotorer eller å sette sammen en positiv fortrengningsmotor med en gassturbinmotor, for dermed å bringe ytelse og brendseløkonomi opp på et maksimum, mens vekten bringes ned på et minimum. Eksempler på stempelmotorer med turboutstyr er for tallrike å nevne og mange er meget velkjente, særlig når det gjelder biler.

Et godt tidlig eksempel på denne type motor anvendt til drift av fly, var "Napieer Nomad", som er beskrevet for eksempel i magasinet "Flight", bind 65 nr. 4 fra april 1954, sidene 543-551. Den besto av en turboladet tollsylindret totakts dieselmotor med turbin/turbo kompressorsettet drevet fra dieselmotorens ekshaust, og de to deler av motoren var forbundet med hverandre med et regulerbart gear som gjorde det mulig å tilpasse hastighetene for de to akseler på en optimal måte under flukten av det fly der motoren var bygget inn. Den var ikke kommersielt vellykket fordi den var tyngre og mer komplisert enn tilsvarende turbojetmotorer. Dessuten bød turbojetmotorer på høyere hastigheter, mens brendsel på det tidspunkt var forholdsvis billig, slik at turbojetmoto-rens høyere brendselforbruk ikke var noen særligulempe.

Siden den gang er mange andre studier av positive fortrengningsmotorer medturboutstyr for fremdrift av fly blitt utført etterhvert som teknologien har gått fremover. For eksempel viser NASA Technical Memorandum TMX-71906 med tittelen "Preliminary Evaluation of a Turbine/Rotary Combustion Compound Engine for a Subsonic Transdport" av K.C. Civinskas og andre fra mars 1976, hva som egentlig er en høytrykks turbofan som har fått sitt forbrenningskammer erstattet med en roterende stempelmotor der kompressor og turbin står på samme aksel som den roterende stempelmotor og viften også tilsluttet akselen med et gear. Rotorene i den roterende stempelmotor går i bane direkte ruundt hovedakselen. Når det gjelder flymotorer ble dette ikke betraktet som noen heldig løsning på det tidspunkt, idet den forbedring man oppnådde i brendselforbruket var utilstrekkelig til å utligne den større motorvekt, sammenlignet med turbofan motorer.

I den senere tid er en kompound for fly beskrevet i US-PS 4.449.370. Man har der en lavkomprimert turboladet dieselmotor med en turbolader som kan arbeide uavhengig av motoren. Dette er mulig fordi selv om turbinen mottar ekshaustgassene fra dieselmotoren passerer de først gjennom en katalyttisk brenner som er innsatt i løpet foran turbinen, slik at når det er nødvendig, kan brendsel og luft tilføres den katalyttiske brenner for å frembringe ytterligere oppvarming av ekshaustgassene og videre finnes det en ventil og kanaler, slik at dieselmotoren etter valg kan bli omledet, idet kompressorluften ledes direkte til det katalyttiske forbrenningskammer for å drive turbinen og dermed gi kraft for ekstrautstyr under oppstartingen.

En gjennomgåelse av disse og mange andre foreslåtte eksempler på turbokompound motorer med positiv fortrengning synes å vise at selv om de er av forskjellige typer og konstruksjo-ner, følger de vanlige konvensjoner for slike motorer ved at det trykk hvormed turboladeluften tilføres den positive fortrengningsmotor, er lavere enn det trykkhvormed forbrenningsgassene fra den positive fortrengningsmotoren føres som ekshaust til turbinen.

Hvis man dessuten ser på eksempler på totakts motorer og firetakts motorer, vil man under vanlige forhold når de ikke er turbokompoundmotorer, se som en almindelig regel at deres kompresjonsforhold er tilnærmet de samme som ekspansjonsfor-holdene. Det synes å være et faktum at denne generelle regel for positive fortrengningsmotorer også er blitt anvendt på motorene når de er kompound motorer med turbin/turbokom-pressorsett. En unntagelse ved dette synes å være den såkalte "mer komplette" ekspansjonstakt som er kjent for konstruktører av turboladede og overladede firetakts motorer.

Det er her ment at de fakta som er nevnt i de to foregående avsnitt, er lite fordelaktige fordi de, som det vil fremgå senere, resulterer i at de samlede arbeidstakter for turbokompound motorer med positiv fortrengning blir mindre effektive og gir mindre ytelse enn de egentlig kan.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å komme frem til effektive samlede arbeidsykluser som er istand til å utvikle større effekter for drivanordninger som omfatter en motor med positiv fortrengning i kompound med en turbin/turbo kompressorenhet. En beslektet hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til slike drivanordninger som er istand til å utføre de nevnte arbeidsykluser.

En ytterligere hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til turbokompound positive fortrengningsmotorer med arbeidsykluser som setter dem istand til å bidra på en effektiv måte til virkningsgraden for alle arbeidsyklusene for drivanordningen.

I henhold til dette tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en arbeidsyklus for en drivanordning - drivanordningen omfatter en positiv fortrengningsmotor i kompound med en turbin/turbo kompressorenhet - der kompresjonsforholdet for den positive fortrengningsmotor er vesentlig mindre enn dens ekspansjonsforhold og der turboladeluft fra turbokompressoren mates til den positive fortreningsmotor ved et første høyere trykk og der forbrenningsgassene fra den positive fortrengningsmotor føres som ekshaust til turbinen ved et andre lavere trykk. God spyling av brukte forbrenningsprodukter fra den positive fortrengningsmotor er dermed sikret, samtidig med at det oppnås en god tilpasning mellom kompresjons-og ekspansjonskarakteristikkene for turbin/turbo kompressorenheten og den positive fortreningsmotor.

I en utførelsesform for oppfinnelsen innbefatter arbeidssyklusen for drivanordningen en arbeidstakt med fire arbeidstakter for den positive fortrengningsmotor, der arbeidsyklusen av typen fire arbeidstakter er av den type som er kjent som en mer komplett ekspansjonstakt.

I andre utførelsesformer for oppfinnelsen innbefatter arbeidsyklusen for drivanordningen en syklus av typen med to arbeidstakter eller fire arbeidstakter når det gjelder den positive fortrengningsmotor, idet hver arbeidsyklus for motoren, bortsett fra den med fire arbeidstakter, er kjent som en mer komplett ekspansjonstakt,idet kompresjonsforholdet for den positive fortrengningsmotor er omtrent halvparten av dens ekspansjonsforhold med kompresjonsforholdet fortrinnsvis lik halvparten av ekspansjonsforholdet pluss 0,1.

Ved uttrykket "en arbeidsyklus av typen med to arbeidstakter" menes enten en takt med to arbeidstakter slik det vanlig utføres med en motor medd frem-og tilbakegående stempel eller ekvivalent til en takt med to arbeistakter slik dette utføres av andre typer positive fortrengningsmotorer, uttrykt som de indikatordiagrammer de frembringer. Med uttrykket "en arbeidsyklus av typen med fire arbeidstakter" menes enten en syklus med fire arbeidstakter slik det vanligvis utføres av en tilsvarende motor med frem-og tilbakegående stempel, eller ekvivalenten av en takt med fire arbeidstakter utført av andre typer positive fortrengningsmotorer, uttrykt som de indikatordiagrammmer de frembringer.

Verdien av ekspansjonsforholdet for den positive fortrengningsmotor kan ligge fra 3 til 12. For drift ved havflaten og ved normale høyder på land, bør ekspansjonsforholdet fortrinnsvis ligge i området 3 til 8, mens det for drift ved større høyder, foretrekkes et område fra 6 til 12. Turbin/ turbo kompressorenheten har trykkforhold som passer til disse ekspansjonsforhold for den positive fortrengningsmotor.

På en annen måte tilveiebringer oppfinnelsen en drivanordning som omfatter en positiv fortrengningsmotor, en turbin/turbo kompressorenhet for turbolading av luftmateanordningen for levering av turboladeluft fra turbokompressoren til den positive fortrengningsmotor og ekshaustanordninger for forbrenningsgass som fører forbrenningsgassene fra den positive fortrengningsmotor til turbinen for drift av turbokompressoren, idet den positive fortrengningsmotor er innrettet til å arbeide med en kompresjonsforhold som er betydelig mindre enn dens ekspansjonsforhold, mens mateanordningen for turboladeleuft avgir turboladeluft ved et første høyere trykk, og ekshaustanordningene for forbrenningsgass slipper forbrenningsgassene ut ved et andre lavere trykk.

Den positive fortrengningsmotordel av drivanordningen er fortrinnsvis innrettet til å utføre en av de arbeidstakter som er tidligere nevnt, nemlig av typene med to arbeidstakter eller fire arbeidstakter.

For å sikre at det ovennevnte første trykk er betydelig høyere enn det ovenneevnte andre trykk, kan det være fordelaktig å ta med spylepumpeanordninger som for eksempel en lavtrykks overlader i mateanordningen for turboladeluft.

Ssærlig for drivanordninger med høy effekt, kan turbin/turbo kompressorenheten med fordel være en del av en gassturbinmotor med forbrenningskammer-anordningene strømningsmessig i serie mellom turbokompressoren og turbinen og videre kan man ha en fri kraftturbin strømningsmessig i serie etter turbinen, idet ekshaustanordningen for forbrenningsgasser er koblet mellom den positive fortrengningsmotor og forbrenningskammer-anordningen hvorved forbrenningsgasser fra den positive fortrengningsmotor kommer som ekshaust til turbinen gjennom forbrenningskammer-anordningen. En slik kompound motor innbefatter fortrinnsvis en fordelingskanal for forbrenningsgasser, liggende rundt forbrenningskammer-anordningen og innrettet til å fordele forbrenningsgassene så godt som jevnt rundt forbrenningskammer-anordningen. Mateanordningen for turbuladeluft innbefatter fortrinnsvis ventiler for valgvis avstengning av turboladeluft til den positive fortrengningsmotor, hvorved gassturbinmotoren kan være i drift mens den positive fortrengningsmotor er stanset.

Semi-adiabatisk drift av den positive fortrengningsmotor er et fordelaktig formål og for å lette dette, er mateanordningen for turboladeluft fortrinnsvis beregnet på å avgi en del av turboladeluften til et kjølesystem for den positive fortrengningsmotor, mens drivanordningen videre er forsynt med luft/ekshaustanordninger for utslipp av denne del av turboladeluften til turbinen etter bruk i kjølesystemet. Når det gjelder en kompoundmotor som nevnt ovenfor, er luft/ekshaustanordningen fortrinnsvis koblet mellom den positive fortrengningsmotor og forbrenningskammeranordningen, hvorved den nevnte del av turboladeluften slippes ut til turbinen gjennom forbrenningskammer-anordningen etter bruk i kjølesy-stemet. Det foretrekkes at luftekshaustanordningen innbe- fatteren en luftfordelingskanal som omgir forbrenningskammer-anordningen og er innrettet til å fordele luften stort sett jevnt rundt det indre av forbrenningskammer-anordningen.

Den oppfinnelsestanke det er gitt et omriss av i de foregående avsnitt, krever at positive fortrengningsmotorer i kommpound med turbo, skal konstrueres for å arbeide enten som motor med to arbeidsslag eller motor med fire arbeidsslag, noe som setter dem istand til å bidra mest effektivt til drivanordningens totale virkningsgrad.

I henhold til dette, er hovedsaken med oppfinnelsen å komme frem til en arbeidssyklus med to arbeidsslag for en positiv fortrengningsmotor i kompound med turbo, der den positive fortrengningsmotor blir turboladet med turboladeluft under en tidlig del av kompresjonsdelen av takten og turboladeluften blir komprimert i den siste del av kompresjonsslaget, mens spyling av forbrenningsgasser fra den positive fortrengningsmotor understøttes ved spyling med turboladeluft under i det minste et første stykke av den nevnte tidlige del av kompresjonsslaget. Hvis man forutsetter optimalisering av denne takt for en motor med frem-og tilbakegående stempel, er det fordelaktig at kompresjonsslaget omfatter en første tidlig del i løpet av hvilken sylinderen blir turboladet med turboladeluft og en andre del under hvilken turboladeluften blir komprimert, idet den første del har et begynnelsesstykke i løpet av hvilkettuurboladeluften kan strømme gjennom sylinderen for å få til den nevnte spyling. Hvis man forutsetter optimalisering for en motor med roterende stempel, er det å foretrekke at kompresjonsdelen av takten omfatter en første tidlig del, i løpetav hvilken forbrenningsprodukter drives ut uten hjelp fra turboladeluft, en andre tidlig del i løpet av hvilken det roterende forbrenningskammer blir turboladet med turboladeluft og en tredje siste del i løpet av hvilken turboladeluften blir komprimert, idet den annen del har et begynnelsesparti i løpet av hvilket turboladeluften tillates å strømme gjennom det roterende forbrennningskammer for å få til den nevnte spyling.

Et ytterligere hovedformål med oppfinnelsen er å komme frem til en arbeidssyklus av firetaktstypen for en turbokompound positiv fortrengningsmotor, der den positive fortrengningsmotor blir turboladet med turboladeluft under innsugningsdelen av syklusen, mens spyling av forbrenningsgasser fra den positive fortrengningsmotor understøttes ved skylling med turoladeluft under det første parti av innføringsdelen av syklusen. Det er fordelaktig at spylingen med turboladeluft også finner sted under den siste del av ekspansjonspartiet av syklusen. Hvis man antar at man skal optimalisere denne syklus for en motor med frem-og tilbakegående stempel under anvendelse av en mer komplett ekspansjonssyklus, er det å foretrekke at innsugningslaget omfatter et første parti i løpet av hvilket sylinderen blir turboladet med turboladeluft og et andre parti i løpet av hvilket turboladeluften blir ekspandert, idet det første parti har en begynnelsesdel i løpet av hvilken turboladeluft tillates å strømme gjennom sylinderen foråfå til den nevnte skylling.

Det skal påpekes at turbinene og turbokompressorene som er nevnt ovenfor, enten kan være av den radielle strømningstype eller aksiale strømningstype, alt etter den type som kan bygges for å utføre deres del av den samlede arbeidssyklus for drivanordningen mest mulig effektivt.

En fremtredende fordel ved de trekk det er gitt et omriss av i det foregående, er at man får et middel til betydelig økning av luftstrømmen gjennom en gitt størrelse av en positiv fortrengningsmotor - og dermed den kraft som frem-bringes - uten nødvendigvis å skape de høye topptrykk under forbrenningen i den positive fortrengningsmotor. Videre vil luftladningen bli renere før forbrenningen finner sted enn i tidligere kjente motorer av denne art. Trekkene er velegnet til bruk der den positive fortrengningsmotor eren diesel motor, men kan også anvendes både til motorer som tennes med gnist og de som drives av gass.

Sammenlignet med tilsvarende motorer med frem-og tilbakegående stempler, vil drivanordninger i henhold til oppfinnelsen by påen betydelig reduksjon i antall sylindere som er nødvendig, og derfor i vekt og volum av kraftenheten, koblet med en betydelig reduuksjon i brendselforbruk. Sammenlignet med tiklsvarende gassturbinmotor, kan brendselforbruket reduseres og billigere brendsler kan benyttes.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der: Figur 1 skjematisk viser oppbygningen av en kompound motorsom omfatter en gassturbin kombinert med en dieselmotor,

figur 2 er et idealisert indikatordiagram som viser den samlede arbeidssyklus for kompound motoren 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 taktrekkefølge for en stempel/sylinderkombinasjon, der man forutsetter en firetakts arbeidssyklus for dieselmotoren på figur 1 og

figur 6 er et indikatordiagramm som viser den samlede arbeidssyklus for kompound motoren på figur 1 under forut-

setning 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 kompound motor omfattende en flersylindret dieselmotor 100 i kompound 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 nødvendig 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 (ikkee vist) forbundet med en veiveaksel (ikke vist) som driver en lavhastighets utgangsaksel 104. Som forklart i det følgende, er de to motorer kompoundfor-bundet på en slik måte at deres individuelle termodynamiske sykler blir tilpasset hverandre på en effektiv måte.

Man vil se av figur 1 at dieselmotoren 100 tilføres luft ved turbolading 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.

Det ble nevnt i forbindelse med Fig. 1 at dieselmotoren 100 fortrinnsvis var av 2-taktstype og at den påfølgende beskrivelse i forbindelse med Fig- 2-4 utelukkende angikk en syklus av 2-taktstypen. Imidlertid er 2-takts syklusen å foretrekke når det gjelder å redusere vekten av dieselmotoren og for mange typer tjenester som en turbo-compound stempelmotor kan bli satt til kan en 4-takts syklus være fordelaktig. Hvis man derfor i stedet antar at dieselmotoren 100 på Fig- 1 er av 4-taktstypen, vil Fig. 5 og 6 hver for seg gjengi en arbeidsrekkefølge og et indikatordiagram for en stempel/sy-linderkombinasjon i en slik motor. Fig. 5 svarer til Figr4 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 utblåsingsventiler ikke vist fordi deres funksjon vil fremgå av den følgende beskrivelse .

Fig. 5 (a) viser stemplet 600 i en stilling like etter øvre dødpunkt ved begynnelsen av den første nedadrettede takt i 4-taktssyklusen. Den første nedadrettede takt kan betegnes som innsugningstakt for enkelthets skyld og de posisjoner stemplet har ved 3 punkter i denne takt er vist på figurene 5 (a) - 5 (c). I de posisjoner som er vist på Fig. 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 utblåsingstakten hvoretter den holder seg åpen så lenge utblåsingstakten varer og hvis endeposisjon like før øvre dødpunkt er vist på Fig. 5 (f). Innsugningsventilen holder seg åpen under den første del av innsugnings-takten mens stemplet 500 beveger seg nedad mellom posisjonen D som er vist på Fig. 5 (r) og posisjonen E (like før halvveis i takten) som er vist på Fig. 5 (b). Det vil dermed være klart at turbolading av sylinderen 501 gjennom innsugninsventilen finner sted mellom posisjonene D og E.

For å begrense toppverdiene for sylindertrykkene under kompresjonstakten og påfølgende forbrenning til praktiske ver- dier er det sørget for at innsugningsventilen lukker når stemplet kommer i posisjon E, eller kort deretter og forblir lukket inntil enden av utblåsingstakten. Som en følge av dette er den annen og den siste seksjon av in nsugningstakten i virkeligheten opptatt bare med ekspansjon av turboladerluften i sylinderen 501 når stemplet beveger seg nedad fra posisjonen E til nedre dødpunkt, d.v.s. omtrent ved posisjonen F som er vist på Fig. 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 stemplet 501 den første oppadrettede takt

i 4-taktssyklusen og den er kjent som kompresjonstakten, idet stemplet beveger seg fra nedre dødpunkt til øvre dødpunkt som tilnærmet tilsvarer stempelposisjonene F og G som er vist med henvisning til Fig. 5 (c) og 5 (d). Over en første seksjon av kom presjonstakten, opptil en posisjon som ligger kort etter halve takten, vil stemplet bare på nytt trykke sammen luftladningen tilbake, opp til turboladertrykket. Fra denne mellom-stilling inntil stemplet når øvre dødpunkt, blir luftladningen komprimert til et høyere trykk enn turbolader-trykket. Ved omtrent posisjonen G, like før øvre dødpunkt, blir brensel inn-sprøytet og forbrenningen finner sted ved øvre dødpunkt og kort deretter start av den annen nedadrettede takt som er betegnet somekspansjonstakten. Under denne ekspansjonsdel av syklusen holdes ventilene lukket, idet stemplet beveger seg nedad til nedre dødpunkt en gang til, en bevegelse som er angitt under henvisning til Fig. 5(d) og 5(e) og som ligger mellom posisjonene L og B, som er henholdsvis like etter øvre død-punkt og like før nedre dødpunkt. Denne forskjell mellom posisjon ene G og L er knyttet til forbrenningsprosessen, slik den er forklart i det følgende under henvisning til Fig. 6 Sluttelig er, som allerede nevnt, eksosventilen 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 forb renningsgasser blir blåst ut til turbinen 134 i gassturbinen 102 (Fig. 1).

For å hjelpe til med spyling av de brukte for brennings-gasser fra klarvolumet i sylinderen 501 og for derved å sikre 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, f.eks. D som er vist i forbindelse med Fig. 5 (a), er både innsugnings.. og eksosventiler åpne samtidig, noe som tillater turboladerluft å strømme gjennom klarvolumet og dermed effektivt spyle ut forbrenningsproduktene. Det er fordelaktig om innsugningsventilen åpnes like før øvre dødpunkt (posisjon C, Fig. 5(f)) under den siste del av eksostakten, noe som gir en tidsoverlapping mellom innsugnings- og utblåsningsventiler over hele perioden mellom stempelposisjonene C og D.

Det skal vises til Fig. 6 der den ovenfor beskrevne ar-beidsrekkefølge på Fig. 5 vil bli omhandlet sammen med et idealisert indikatordiagram for den fullstendige syklus for compound-motoren. Bokstavene som blir benyttet på Fig. 5 som refererer til sylinderens stillinger blir også benyttet på indikator-diagrammet.

Som beskrevet i tilknytning til Fig. 2 finner komprimering-en av luft sted i turbokompressoren for gassturbinmotoren og i spylepumpen (hvis en slik benyttes), fra punkt J på indikator diagrammet til turboladertrykket P ved punktet A. Trykket P ved punktet B er det trykk hvormed forbrenningsgassene fra

B

den 4-takts diselmotor utblåses som eksos til turbinen for videre ekspansjon langs kurven B-M ned til atmosfærisk trykk, idet ekspansjonen i sylinderen allerede har funnet sted som på F\g.

5(e) fra punkt L ved topp sylindertrykk nær øvre dødpunkt til punktet B ved eller nær nedre dødpunkt. Man skal merke seg at på samme måte som på Fig. 2 blir turboladerluften matet til dieselmotoren ved trykk P^som er høyere enn trykket Pg ved hvilket forbrenningsgassene føres som eksos til turbinen.

Eksosventilen blir naturligvis åpnet ved punktet B og lin-jen B-C representerer eksostakten som er vist på Fig. 5 (f), idet punktet C er øvre dødpunkt. Som forklart tidligere, er det ved ontrent dette punkt at innsugningsventilen åpner mens eksosventilen også forblir åpen for å muliggjøre en spyle-strøm av turboladerluft gjennom klarvolumet i sylinderen og derved hjelpe til med skyllingen 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 P^. Man vil da få en svak økning i trykket, idet skylleprosessen finner sted mellom punktene CD 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 eksosventilen 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 opptil omtrent halvveis i takten og i løpet av dette blir det hurtig økende sylindervolum turboladet. Innsugningen som sådan opp-hører ved E med lukning av innsugningsventil og derved over-lates resten av innsugningstakten til ekspansjon av luftladningen, noe som er angitt ved kurven E-F, hvor F er nedre død-punkt, ved enden av innsugningstakten. Som nev nt i det foregående vil tidlig lukning av innsugningsventilen ved E sørge for å begrense topptrykkene i sylinderen til akseptable ver-dier .

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 sjematisk form som hjelp under for-klaringen og at forholdene i en virkelig motor sannsynligvis vil være forskjellig fra det som er vist. Særlig gjelder dette linjene BC, CD og DE som etter all sannsynlighet 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 pånytt komprimert tilbake opp til turboladetrykket P^ langs kurven F-E-A, idet punktet A er like etter tilbakeleggel-se av halve takten i syklusens kompresjonstakt (Fig. 5(d)).

Deretter blir luftladningen ytterligere komprimert opptil

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 b e-gynnelsen av ekspansjonstakten tilbake ned til utblåsningstrykk Pg ved punktet B og begynnelsen av neste syklus.

Man skal merke seg at den ovenfor beskrevne teknikk med lukning av innsugningsventilen forholdsvit tidlig under innsugningstakten for å utvide den innsugede luftladning under resten av induksjonstakten og dermed begrense påfølgende topp-syUnder-trykk er kjent fra feltet for turboladede motorer med frem-og-tilbakegående 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 Fig. 6 ved punktene J-A-B-M.

Et ytterligere punkt å merke seg når det gjelder Fig. 6 er at p.g.a. 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 beskrivelsene av spesielle utførelsesformer for foreliggende oppfinnelse angått dieselmotorer med frem- og tilbakegående stempler og en enten 2-takts eller 4-taktsmotor. Ikke desto mindre omfatter oppfinnelsen andre typer turbocom-pound positive fortrengningsmotorer som f.eks. de med rotorer istedetfor frem- og tilbakegående stempler. Slike roterende forbren ningsmotorer av den positive fortrengningsklasse av motorer, kan arbeide etter en syklus av 2-takts-typen.

Et eksempel på positiv fortrengningsmotor av rotasjons-typen er vist på Fig. 7. Her er en mekanisk anordning av Wankeltypen, innrettet til å følge den foreslåtte 2-takts kompresjons-tenningssyklus. Et 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 i inn-grep med tannhjul (ikke vist) som er konsentrisk med drivak-selen (ikke vist). Disse mekaniske detaljer er lett tilgjeng-elige fra lærebøker, men anordningen av innsugnings- og ut-blåsningsporter 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 Ir II og III mellom de konvekse sider 701 av rotoren og veggen. Disse tre lukkede rom , I, II, III, er forbrennings-kammere, svarende til rommet over stemplet i en motor med frem-og tilbakegående stempel og somøker og minsker i størrelse under hver omdreining av rotoren 700. Når pakningene 704 stryker over veggflaten 703, vil de gjentatt frilegge innsugnings- og eksosporter 710, 712, og variasjonene i volumet vil i de lukkede rom, I, II, III, benyttes til å frembringe, etterhvert som hvert av rommene beveger seg rundt senteret 706, kompfesjons-og eks-pans jonsdeler av en syklus, som tilsvarer en 2-takts syklus for en motor med frem- og tilbakegående stempler og med et indikatordiagram svarende til det som er vist på Fig. 2. Dette er mulig fordi innsugnings- og eksosportene også finnes på motstående sider av huset 702, slik at man får et mere symmetrisk hus enn tidligere kjent og dermed reduseres yaremvridninger. Den annen ordning gjør det mulig for hvert rom å utføre kompresjons- og ekspansjons-"taktene" to ganger pr. fullstendige omdreining av rotoren.

Ser man videre på motoren, er innsugninsport 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 regulerin g av strømmen av turboladeluft inni motoren.

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

Arbeidssyklusen når det gjelder ett man velger av de roterende forbrenningskamrene 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 brenselinnsprøyt-ning 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 kom-pres jonsdelen av syklusen begynner med at det roterende rom bare er i forbindelse med én av eksosportene 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 Fig. 7. Idet volumet på det roterende rom begynner å bli redusert etterhvert som' kompresjons-"takten" skri-der frem, blir bruke forbrenningsprodukter direkte drevet ut gjennom utblåsningsporten 712. (b) Enden av den første tidligere seksjon av kom-pres jons-" takten" finner sted når den forreste kant pakning 704 på rotorflaten 701 avdekker en innsugningsport 710 med dens innsugningsventil 720 åpen , for å slippe inn turboladeluft. Dette markerer begynnelsen 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 utblåsnings-port 712 er slik at under den nevnte begynnels^s-del 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 turbolade-trykk i det roterende rom. Rommet I på Fig. 7 viser dette første "skylle"-parti av den andre tidligere "skylle og innsugnings"-seksjon av kom-pres jons-" takten" .

(c) For å avslutte det første "skylle"-parti av den andre seksjonen som det nettopp der henvist til, vil den bakre kantpakning 704 på rotorflaten 701 stenge utblåsningsporten 712 mot forbindelse med det roterende rom. Kort deretter stenges inn - sugningsventilen 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, d.v.s. like før midten av rotorflaten 701, er i flukt med innsugningsporten 710, blir brensel 722 sprøytet inn i kammeret 714, og forbrenning finner sted mens volumet av størrelse på grunn av kompresjonstenning i disel-prinsippet. (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 for-forbrenningsprosessen gir rotoren 700 et dreiemo-moment. Fig. 7 viser dette forhold når det gjel-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 eksosfasen 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 nå-værende tidspunkt å dele den annen av de to tidligere seksjoner av kompresjons-"takten", (d.v.s. "innsugnings"-seksjonen) i et første parti, i løpet av hvilket både inn-sugning og skylling ved turbolading 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 t.o.m. før den bakre kantpakning 704 stenger eksosporten 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 fortrengningsmotor, som nettopp er beskrevet, antas å innbe-fatte ideen med optimal tilpasning til syklusen for det turbin/turbokompressorsett som motoren er i compound med, idet rurboladeluft 716 føres til kammeret 714 ved et trykk som er høyere enn det trykk forbrenningsgassene 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-taktsdieselmotor med frem- og tilbake-gående 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 Fig. 2.

For det fjerde kan utførelsesformen av oppfinnelsen med roterende positiv fortrengningsmotor, som beskrevet ovenfor, selv om den var av 2-takts diesel Wankel-type, andre typer roterende positive fortrengningsmotorer benyttes enn til oppfinnelsen.

For det femte kan den reduserte trykkforskjellen mellom det roterendeforbrenningskammer og turboladetrykkene, sammenlignet med tilsvarende forhold i en normal dieselmotor, av-laste tetningsproblemene som man noen ganger står overfor når det gjelder motorer av typen med roterende stempel.

En mere generell betraktning er at, selv om det for de ovenfor beskrevne utførelsesformer for oppfinnelsen har forutsatt at turbin/turbokompressor settet for compound motoren er i stand til å arbeide uavhengig av den positive fortrengningsmotor som en gassturbin med anlegg for lavere ytelser, f.eks. for store biler eller lastevogner, kanskje ikke kreve den ekstra ytelse fra gassturbinen og turbin/ turbokompressor-settet behøver da bare være et turbolade-anlegg uten sitt eget forbrenningskammer. Allikevel vil indikatordiagrammet for den positive fortrengningsmotor med turbo-compound fremdeles ha den form som er vist på

Fig. 2 eller Fig. 6. Men skal også merke seg forbindelsen mellom utgangsakselen for turboladeren og utgangsakselen fra den positive fortrengningsmotor sannsynligvis heller bør være elektrisk enn mekanisk.

Claims (24)

Krav: -

1. Arbeidssyklus for drivanordning - drivanordninger omfatter en positiv fortrengningsmotor i compound med et turbin/turbokompressor-sett- karakterisert ved at kompresjonsforholdet for den positive fortrengningsmotor er betydelig mindre enn dens ekspansjonsforhold og at turboladeluft fra turbokompressoren tilfø res den positive fortrengningsmotor ved et første høyere trykk og at forbrenningsgassene fra den positive fortrengningsmotor føres til turbinen ved andre, lavere, trykk.

2. Arbeidssyklus som angitt i krav 1 karakterisert ved at arbeidssyklusen er av 4-taktstype for den positive fortrengningsmotor, hvilken 4-takts arbeidssyklus er en mere fullstendig ekspansjonssyklus.

3. Arbeidssyklus som angitt i krav 1 karakterisert ved at arbeidssyklusen er av 2-takts- eller 4-taktstype for den positive fortrengningsmotor, hvilken arb eidssyklus for fortrengningsmotor er en annen enn den 4-taktstype som er kjent som en mere komplett ekspansjonssyklus, idet kompresjonsforholdet for den positive fortrengningsmotor er omtrent halvparten av dens ekspansjonsforhold.

4. Arbeidssyklus som angitt i krav 3 karakterisert ved =>.t kompresjonsforholdet for den positive fortrengningsmotor er halvparten av dens ekspansjonsforhold, + 0,1.

5. Arbeidssyklus som angitt i krav 1, karakterisert ved at ekspansjonsforholdet for den positive fortrengningsmotor ligger i området 3 til 12.

6. Arbeidssyklus som angitt i krav 5 for anvendelse ved havflaten og normale hø yder på land, karakterisert ved ekspansjonsforholdet ligger i området 3 til 8 .

7. Arbeidssyklus som angitt i krav 5, for anvendelse i store høyder, karakterisert ved at ekspansjonsforholdet ligger i området 6 til 12.

8. Drivanordning omfattende en positiv fortrengningsmotor fra turbokompressoren til den positive fortrengningsmotor og for utløpsanordninger for forbrenningsgass for føring av forbrenningsgassene fra motoren til turbinen for drift av turbokompressoren, karakterisert ved at den positive for-

trengningsmotor er innrettet til å arbeide med et kompresjonsforhold som er betydelig mindre enn dens ekspansjonsforhold, idet anordningen er slik at turboladeluft mates til den positive fortrengningsluft ved et første høyere trykk og at forbrenningsgassene føres ut til turbinen ved andre lavere trykk.

9. Drivanordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at en positiv fortrengningsmotor er innrettet til å følge en arbeidssyklus av 4-taktstypen som er kjent som en mere fullstendig ekspansjonssyklus.

10. Drivanordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at den positive vfortrengningsmotor arbeider etter en annen 2-takts eller 4-takts arbeidssyklus enn den 4-taktstype som er kjent som en mere fullstendig ekspansjonssyklus og er innrettet il å arbeide med et kompresjonsforhold som er omtrent halvparten av dens ekspansjonsforhold.

11. Drivanordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at den positive fortrengningsmotor er innrettet til å arbeide med kompresjonsforhold som er halvparten av dens eks-pans jonsforhold, + 0,1.

12. Drivanordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at turboladeluftens mateanordning innbefatter en spylepumpe-anordning som skal sikre at det første trykk er betydelig høye-re enn det annet trykk.

13. Drivanordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at turbin/turbokompressor-settet er en del av en gassturbinmotor med forbrenningskammer-anordning, strømningsmessig i serie mellom turbokompressoren og. turbinen og dessuten har en frikraft-turbin strømningsmessig i serie etter turbinen, hvilken utmatningsanordning for forbrenningsgass er koblet mellom den positive fortrengningsmotor og forbrenningskammer-anordningen, hvorved forbrenningsgasser fra den positive fortrengningsmotor som eksos føres til turbinen gjennom forbrenningskammer-anordningen.

14. Drivanordning som angitt i krav 13, karakterisert ved at forbrenningsgassenes utmatningsanordning innbefatter en fordelingskanal for forbrenningsgasser, hvilken kanal omgir forbrenningskammer-anordningen og er innrettet til og fordele forbrenningsgassene stort sett jevnt rundt forbrenningskammer-anordningen.

15. Drivanordning som angitt i krav 13, karakterisert ved at mateanordningen for turboladeluft innbefatter en ventil-anordning for valgvis avstengning av fremføring av turboladeluft til den positive fortrengningsmotor, hvorved gassturbinmotoren kan være i virksmhet mens den positive fortrengningsmotor er stanset.

16. Drivanordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at mateanordningen for turboladeluft er innrettet til å føre en del av turboladeluften til et kjølesystem for den positive fortrengningsmotoren for å oppnå semi-adiabatisk drift av denne, idet drivanordningen videre er forsynt med luft-utblåsningsanordninger for utblåsning av den ovennevnte del av turboladeluften til turbinen øker anvendelse i kjøle-systemet .

17. Drivanordning som angitt i krav 13, karakterisert ved at mateanordningen for turboladeluft er innrettet til å føre en del av turboladeluften til et kjølesystem for den positive fortrengningsmotor for å oppnå semi-adiabatisk drift av denne, hvilken drivanordning videre er forsynt med luftutblåsnings-anordning tilkoblet mellom den positive fortrengningsmotor og forbrenningskammeranordningen, hvorved den nevnte del av turboladeluften blir blåst ut til turbinen gjennom forbrenningskammer-anordningen etter anvendelse i kjølesystemet.

18. Drivanordning som angitt i krav 17, karakterisert ved at luftutblåsnings-anordningen omfatter en luftfordelingskanal som omgir forbrenningskammeranordningen og er beregnet på å fordele luften stort sett jev nt rundt forbrenningskammer-anordningen .

19. Arbeidssyklus av 2-taktstype for en turbo-compound positiv fortrengningsmotor, karakterisert ved at den positive fortrengningsmotor blir turboladet med turboladeluft under en tidlig seksjon av kompresjonsdelen av syklusen og at turboladeluften blir komprimert under en siste seksjon av kompresjonsdelen av syklusen, idet spyling av forbrenningsgasser fra den positive forbrenningsmotor blir understøttet ved skylling med turboladeluft under minst et begynnelsesparti av den nevnte tidlige seksjon av kompre sjonsdelen av syklusen.

20. Arbeidssyklus som angitt i krav 19, optimalisert for en motor med frem-og-tilbake-gående stempler, karakterisert ved at kompresjonstakten omfatter en første tidlig seksjon, i løpet av hvilken sylindrene blir turboladet med turboladeluft - og en andre siste seksjon, i løpet av hvilken turboladeluften blir komprimert, idet den første seksjon har et begynnelsesparti, i løpet av hvilket turboladeluft tillates å strømme gjennom sylinderen for å få til den nevnte spyling.

21. Arbeidssyklus som angitt i krav 19, optimalisert for en motor med roterende stempel, karakterisert ved at kompresjonsdelen av syklusen omfatter en første tidlig seksjon i løpet av hvilken forbrenningsprodukter drives ut uten hjelp fra turboladeluft, en andre tidlig seksjon i løpet av hvilken det roterende forbrenningskammer blir turboladet med turboladeluft og en tredje siste seksjon i løpet av hvilken, turboladeluften blir komprimert, hvilken siste seksjon har et begynnelsesparti, i løpet av hvilket turboladeluften tillates å strømme gjennom det roterende forbrenningskammer for å oppnå den nevnte spyling.

22. Arbeidssyklus av 4-taktstype for en turbo-compound positiv fortrengningsmotor, der motoren er turboladet med turboladeluft under innsugningsdelen av syklusen, karakterisert ved at spyling av forbrenningsgasser fra en positiv forbrenningsmotor understøttes ved skylling med turboladeluft under et første parti av syklusens innsugningsdel.

23. Arbeidssom angitt i krav 22,. karakterisert ved at spyling med turboladeluft også finner sted under et avsluttende parti av syklusens innsugningsdel.

24. Arbeidssyklus som angitt i krav 22 eller 24, optimalisert for en motor med frem-og-tilbakegående stempel, karakterisert ved at den anvender en mere komplett ekspansjonssyklus, der innsugnings-takten omfatter første seksjon, i løpet av hvilken sylinderen blir turbo-ladet med turboladeluft og en andre seksjon, i løpet av hvilken turboladeluften blir ekspandert, idet den første seksjon har et begynnelsesparti, i løpet av hvilket turboladeluften tillates å strømme gjennom sylinderen

for oppnåelse av den nevnte spyling.