BE1011749A3

BE1011749A3 - Verbeteringen aan thermische motoren.

Info

Publication number: BE1011749A3
Application number: BE9800118A
Authority: BE
Original assignee: Nicolai Julien Louis
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1999-12-07

Abstract

Verbeteringen aan terhmische motororen met inwendige verbranding en met zuigers, waarvan de verbrandingskamer een veranderlijk volume bekomt, daardoor gekenmerkt dat in de verbrandingskamer rechtstreeks of onrechtstreeks een doorgang (1) uitgeeft waarin zich een zuiger (3) bevindt waarvan de opwaartse verplaatsing gecontroleerd en begrensd wordt door een drukveer (5) en waarvan de neerwaartse verplaatsing begrensd wordt door een aanslag.

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  Verbeteringen aan thermische motoren. De huidige uitvinding heeft betrekking op verbeteringen aan thermische motoren, meer speciaal verbeteringen aan de verbrandingskamer van zulke thermische motoren en meer bijzonder nog aan de verbrandingskamer van thermische motoren met zuiger met hoge of verhoogde compressieverhouding. 



  Alhoewel de huidige uitvinding betrekking heeft op alle thermische motoren met zuigers en met interne verbranding   m. a. w.   zowel ottomotoren, namelijk benzinemotoren, als alle soorten dieselmotoren, zullen de verbeteringen volgens de huidige uitvinding eerder worden toegepast op dieselmotoren dan wel op benzinemotoren. 



  Men weet dat het thermisch rendement van een hoger genoemd thermische motor groter is naargelang de compressieverhouding van de motor hoger is. 



  Zo weet men dat het thermisch rendement van een dieselmotor met bijvoorbeeld een compressieverhouding van ongeveer 21, beter is dan het thermisch rendement van een ottomotor met een compressieverhouding van ongeveer 10. 



  Het nadeel van een dieselmotor is echter dat door de nagenoeg explosieve ontbranding van de brandstof die wordt ingespoten nabij het bovenste dode punt, er een korte maar aanzienlijke drukpiek ontstaat die wordt uitgeoefend op de vaste en bewegende motoronderdelen, wat de oorzaak is van het   zogenaamde"kloppen"van   zulke motor. 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 



  Om mechanisch aan deze drukpiek te weerstaan moet een dieselmotor dan ook heel wat sterker en dus zwaarder gebouwd worden dan een ottomotor, waarbij deze verzwaring een beperking van de draaisnelheid van de motor noodzakelijk maakt. 



  In de praktijk waagt men het dan ook niet om een nog beter thermisch rendement na te streven door verdere verhoging van de compressieverhouding, aangezien de mechanische problemen veel te groot zouden worden. 



  Men heeft reeds verschillende oplossingen voorgesteld die als doel hadden bij de bestaande motoren als een soort veiligheidsklep te fungeren om de voornoemde drukpiek op te vangen, waarbij de middelen die hiertoe werden voorgesteld bestaan uit een automatische, elastische, tijdelijke en dus omkeerbare en beperkte vergroting van de verbrandingskamer. 



  Enige tot op heden voorgestelde oplossingen hieromtrent zijn bijvoorbeeld terug te vinden in de Franse octrooien nr.   884. 757   en nr.   1. 132. 553 ;   de Duitse octrooien nr.   3. 130. 767   en nr.   2. 753. 563   en de Europese octrooiaanvrage nr.   0. 488. 431.   



  De in deze octrooischriften voorgestelde oplossingen bestaan erin dat bv, ofwel de drijfstangen telescopisch worden uitgevoerd waardoor een onderdeel van de motor dat licht en slank moet blijven, wordt verdikt en verzwaard ; ofwel de zuigers telescopisch worden uitgevoerd met andere woorden in twee delen, waardoor een onderdeel dat licht en kort moet blijven, verlengd en verzwaard wordt, dit onderdeel moeilijk te koelen wordt en bovendien zeer ingewikkeld wordt ; ofwel nog de vaste motorkop vervangen wordt door een zogenaamde anti-zuiger die even breed is als 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 de motorzuiger waardoor men verplicht is over te gaan naar het tweetakt regime aangezien er geen plaats is voor de kop-kleppen, waarbij men ook in dit geval te maken heeft met een zeer ingewikkelde en dure constructie. 



  Geen enkel van de hiervoor genoemde reeds voorgestelde oplossingen is dan ook ooit in de praktijk toegepast geworden. 



  De huidige uitvinding heeft als voorwerp, ofwel het thermisch rendement van een motor te vergroten door verhoging van de compressieverhouding, ofwel het volumetrisch motorrendement te verbeteren door verhoging van de drukvoeding, ofwel nog een vergroting van de compressieverhouding samen toe te passen met een verhoging van de drukvoeding, en dit zonder de bouw van de motor te moeten versterken en dus te verzwaren, dank zij het aanbrengen van de voornoemde veiligheidsklep. 



  De verbeteringen volgens de uitvinding vormen als het ware verbeteringen aan en een uitbreiding van de oplossing die 
 EMI3.1 
 werd voorgesteld volgens figuur 4 van het Frans octrooi nr. 884. waardoor één en ander nu in de praktijk toepasbaar wordt. 



  De verbeteringen volgens de uitvinding verschillen fundamenteel van het voornoemd Frans octrooi, doordat in hoofdzaak, in plaats van een eenvoudige cylindrische zuiger, nu een zuiger wordt toegepast in de vorm van een paddestoel, waarbij de neerwaartse koers van de zuiger beperkt wordt, enerzijds, en de veer die op de paddestoelvormige zuiger rust, voorgespannen kan worden tot een voorafbepaalde waarde, anderzijds. 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 



  Op deze wijze bekomt men dat : - de paddestoelvormige zuiger steeds met grote zekerheid gestopt wordt bij een snelle terugkeer ; - op de paddestoelvormige zuiger een veer kan inwerken, meer speciaal een spiraalveer, waarvan de diameter groter is dan de diameter van de eigenlijke zuiger ; - dat de kop van de zuiger in de onderste stand van deze zuiger rust op een motoronderdeel, bijvoorbeeld een deel van de cilinderkop dat deze last probleemloos kan verdragen ; - de bewegingen van de zuiger binnen bepaalde grenzen kunnen vastgelegd worden, om de drukpiek weg te werken zonder energieverlies. 



  Door het toepassen van de voornoemde verbeteringen wordt een inrichting bekomen die toelaat dat zonder gevaar de compressieverhouding van een gewone dieselmotor merkelijk hoger kan gekozen worden dan 21, bijvoorbeeld 35 of meer, zodat door het toepassen van de voornoemde verbeteringen een rendementsverhoging wordt bekomen wat tevens een vermindering van de specifieke   Cl 2uitstoot   inhoudt, wat op gebied van milieu uitermate belangrijk is. 



  De uitvinding heeft betrekking op verbeteringen aan thermische motoren, met zuigers waarvan de verbrandingskamer nu een veranderlijk volume bekomt en waarbij in de verbrandingskamer een doorgang uitgeeft waarin zich een zuiger kan bewegen waarvan de opwaartse verplaatsing gecontroleerd en begrensd wordt door een drukveer en waarvan de neerwaartse verplaatsing begrensd wordt door een aanslag. 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeelden zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringen beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin :

   - figuren 1 en 2 een schematische doorsnede weergeven van een veiligheidsklep opgesteld op de motorkop van een dieselmotor, waarbij de veiligheidsklep in figuur
1 vastgeschroefd is in de motorkop, en in figuur 2 vastgeschroefd is op de motorkop ; - figuur 3 op grotere schaal een doorsnede weergeeft 
 EMI5.1 
 gelijkaardig aan deze van figuur 1, doch voor een meer gedetailleerde uitvoeringsvariante    ;- figuur   4 een zicht is gelijkaardig aan dit van figuur 3, doch voor een tweede stand van de inrichting ; - figuren 5,6 en 7 uitvoeringsvarianten weergeven van de paddestoelvormige zuiger volgens de uitvinding ; - figuur 8 een bijkomende toepassing weergeeft van de verbeteringen volgens de uitvinding ; - figuur 9 een variante weergeeft van het gedeelte dat in figuur 8 door F9 is aangeduid. 



  De voorgestelde veiligheidsklep wordt toegevoegd aan de cilinderkop van een dieselmotor die verder klassiek wordt uitgevoerd als een kop- of zijklepper, en als een twee of viertakter. 



  Het geheel van de veiligheidsklep omvat in hoofdzaak een doorgang 1 die aan een uiteinde uitgeeft in de verbrandingskamer van de motor, en waarin de stam of eigenlijke zuiger 2 van een paddestoelvormige zuiger 3 kan heen en weer bewegen, waarbij de zuiger 3 een hoed 4 vertoont waarop een voorgespannen stalen veer 5 drukt die door een dom 6 wordt samengedrukt en waarbij deze dom 6 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 wordt geschroefd ofwel in de motorkop 7 zoals weergegeven in figuur   1,   ofwel op een uitstulping 8 van een dunnere motorkop zoals weergegeven in figuur 2. 



  De langsas van de veiligheidsklep moet niet evenwijdig zijn met de langsas van de motor-cilinder zoals schematisch is afgebeeld in de figuren 1 en 2. 



  Evenmin moet de veiligheidsklep opgesteld worden centraal boven de motor-cilinder maar mag zij ook lateraal staan, zolang de doorgang 1 maar vrij verbonden blijft met de eigenlijke verbrandingskamer. 



  De twee laatste kenmerken maken het trouwens mogelijk deze veiligheidsklep op de motorkop 7 te plaatsen buiten het kleppendeksel van een kopklepper. 



  De zuiger 3 vertoont dus aan zijn bovenuiteinde een hoed of meer speciaal een verbreed gedeelte of kop 4 die, in de onderste stand van de zuiger 3, aansluit op een kraag 9, gevormd in de motorkop 7, waarbij de kop 4 van de zuiger 3 vrij verplaatsbaar is aangebracht in de boring 10 van de dom 6 die door middel van schroefdraad 11 in of op de motorkop 7 is vastgeschroefd. 



  Het is duidelijk dat tijdens de nagenoeg explosieve ontbranding van de brandstof de als gevolg hiervan optredende drukpiek in de verbrandingskamer door de aanwezigheid van de beweeglijke zuiger 3 kan terugvallen tot bv. 50 ä   70%, doordat   tijdens het optreden van deze drukpiek de zuiger 3 automatisch, tegen de werking van de veer 5 in, opwaarts wordt verplaatst zodat een volumevergroting van de verbrandingskamer wordt verkregen, die de voornoemde drukpiek reduceert. 

 <Desc/Clms Page number 7> 

 Op dat ogenblik mag de spiraalveer 5 juist volledig samengedrukt zijn maar moet zij nog in evenwicht zijn met de op dat ogenblik heersende gasdruk. 



  Het streefdoel is de drukpiek te beperken tot die van een klassieke dieselmotor met een compressieverhouding van 21 zodat de motor niet moet versterkt worden. 



  De voorspanning van de veer 5 is zodanig groot dat zij de zuiger 3 volledig terugduwt in zijn onderste stand,   m. a. w.   met de kop 4 in aanslag tegen de kraag 9, wanneer de gasdruk verder iets daalt, bijvoorbeeld met 10%, als gevolg van het omlaag bewegen van de motorzuiger. 



  De verbeteringen volgens de uitvinding onderscheiden zich dus van wat tot op heden werd voorgesteld doordat de zuiger 3 voorzien is van een kop 4 die de neerwaartse koers van de zuiger 3 volledig begrenst zodat de zuiger 3 bij een snelle terugkeer volledig wordt gestopt en dat door het gebruik van zulke kop 4 het gebruik mogelijk wordt van een spiraalveer 5 waarvan de diameter groter is dan de diameter van de zuiger 3. 



  Doordat in de onderste stand van de zuiger 3 de kop 4 van de zuiger 3 rust op een zeer sterk onderdeel van de motor, meer speciaal de motorkop of cilinderkop, wordt deze belasting probleemloos opgevangen. 



  In de figuren 3 en 4 is, met meer bijzonderheden, een variante weergegeven van de schematische uitvoering volgens de figuren 1 en 2, waarbij in dit geval de spiraalveer 5 gevormd wordt door een opgerolde bladveer en waarbij de eigenlijke zuiger 3 voorzien is van veerringen 12 die 

 <Desc/Clms Page number 8> 

 zullen zorgen voor een gasdichte afsluiting tussen de doorgang 1 en de zuiger 3. 



  Tussen de dom 6 en de veer 5 is in dit geval een tussenstuk 13 voorzien dat in zijn bovenste stand afgedicht is ten opzichte van de dom 6 door middel van een afdichting 14 en waarbij de veer 5 tegen dit tussenstuk 13 aanligt. 



  De bedoeling hiervan is dat door op het tussenstuk 13 te duwen de voor te spannen veer 5 enigszins kan samengedrukt worden zodat men tijdens de montage van de inrichting de dom 6 ongehinderd en op geschikte wijze stevig kan aanschroeven. 



  Het tussenstuk 13 vertoont onderaan een tap 15 waarrond de veer 5 gecentreerd is. 



  In deze uitvoering vertoont de kop 4 van de zuiger 3 een opstaande rand 16 die als doel heeft ter plaatse van de zuiger 3, de veer 5 aan haar andere uiteinde te centreren. 



  Ten einde de luchtdoorlaat te verzekeren tijdens de bewegingen van de zuiger 3 zijn bijvoorbeeld in de kop 4 van deze laatste boringen 17 voorzien. 



  Tussen de aanslag 9 en de kop 4 van de zuiger 3 is in dit geval, nauw passend, een bijvoorbeeld stalen plaat 18 voorzien waarin een centrale opening 19 is aangebracht voor de zuiger 4 en waarbij deze opening 19 conisch is uitgevoerd om toe te laten dat, tijdens het monteren van de zuiger 3 in de boring   1,   een geleiding wordt gevormd voor het progressief indrukken van de veerringen 12. 

 <Desc/Clms Page number 9> 

 De voornoemde stalen plaat 18 zal onontbeerlijk zijn wanneer de motorkop 7 uit een licht metaal bestaat. 



  Het onderuiteinde van de doorgang 1 kan nog voorzien worden van een inwendig gerichte kraag 20 waarvan het de bedoeling is de gassen te doen wervelen wanneer zij in de doorgang 1 binnendringen tijdens het opwaarts bewegen van de zuiger 3. 



  In de voorgaande voorbeelden is de zuiger 3 massief verwezenlijkt, bij voorkeur uit een geschikt metaal, zoals bijvoorbeeld titaan, ten einde een sterke doch lichte zuiger te verwezenlijken. 



  In de figuren 5 tot 7 zijn nog andere voorbeelden weergegeven van zulke zuiger, waarbij deze, hetzij hol is uitgevoerd, zoals weergegeven in figuur 5, hetzij hol is uitgevoerd maar gedeeltelijk gevuld is met natrium of dergelijke ten einde een longitudinale warmte-afvoer te verbeteren, zoals weergegeven in figuur 6, hetzij nog uit twee delen is verwezenlijkt namelijk een licht metaal zoals aluminium voor de eigenlijke zuiger 3 en staal voor het bovenste gedeelte en de kop 4 van de zuiger 3, zoals weergegeven in figuur 7. 



  Afhankelijk van het materiaal waaruit de motorkop is uitgevoerd kan men eventueel de stalen plaat 18 weglaten en het bovenste gedeelte van de doorgang 1 conisch uitvoeren om het inbrengen van de zuiger 3 met de zuigerveren 12 op deze wijze te vereenvoudigen. 



  De lengte van de eigenlijke zuiger 3,   m. a. w.   de lengte van de zuiger 3 van het onderuiteinde tot tegen de kop 4 zal gelijk zijn aan de som van de gewenste opwaartse koers van de zuiger 3 vermeerderd met de hoogte die nodig is voor het 

 <Desc/Clms Page number 10> 

 plaatsen van de veerringen 12 en vermeerderd met, indien voorhanden, de dikte van de plaat 18. 



  In de figuren 8 en 9 zijn nog twee verdere uitvoeringsvarianten weergegeven die als het ware op dezelfde wijze gevormd worden als hiervoor beschreven, doch met dit verschil dat de verbrandingskamer 21 gevormd wordt door een ruimte die zich bevindt in de motorkop en waarbij de motorzuiger 22 bovenaan een uitsteeksel 23 vertoont dat bijvoorbeeld conisch is uitgevoerd ten einde te kunnen samenwerken met de omtreksrand van de ruimte of verbrandingskamer 21 ten einde deze te kunnen afsluiten van de motor-cilinder wanneer de motorzuiger 22 zich in zijn bovenste dood punt bevindt. 



  Door deze mogelijke afsluiting kan men de drukpiek, die het gevolg is van de plotselinge ontbranding van de brandstof, even in een gesloten ruimte houden om deze drukpiek bij voorkeur naar de zuiger 3 te richten. 



  De hier afgebeelde verbrandingskamer 12 verschilt van een klassieke zogenaamde voorverbrandingskamer, doordat de verbinding met de motor-cilinder relatief breed is, en zonder energieverlies door de gassen doorlopen wordt in beide richtingen, en door het essentieel kenmerk dat de verbrandingskamer 21 nagenoeg hermetisch af te sluiten is op het cruciaal moment van de drukpiek, zodat de bewegende en vaste delen door geen hoge druk belast worden. 



  Het is duidelijk dat de verbeteringen volgens de uitvinding kunnen aangepast worden volgens bepaalde desiderata, namelijk hogere of lagere compressie-verhoudingen ; andere drukverhoudingen ; en een andere diameter en/of koers van zuiger 3. 

 <Desc/Clms Page number 11> 

 Een inrichting volgens de uitvinding kan voorzien worden voor iedere motor-cilinder ofwel kan het effect verdeeld worden over twee kleinere inrichtingen per motor-cilinder die in parallel of in cascade staan opgesteld, waarbij het duidelijk is dat de afmetingen van de inrichting of inrichtingen mede bepaald worden door de beschikbare ruimte op de motorkop. 



  De inrichting volgens de uitvinding kan tenslotte toegepast worden bij alle soorten thermische motoren met zuigers zoals tweetakt dieselmotoren, klassieke dieselmotoren en ottomotoren om de brutale drukpieken op te vangen wanneer men overstapt naar vervangingsbrandstoffen die explosiever 
 EMI11.1 
 ontbranden dan gewone benzine, zoals H, oo dergelijke. 



  De huidige uitvinding is tenslotte geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de bijgaande tekeningen weergegeven uitvoeringsvormen, doch kan in allerlei vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims

Conclusies.

1. - Verbeteringen aan thermische motoren met inwendige verbranding en met zuigers, waarvan de verbrandingskamer een veranderlijk volume bekomt, daardoor gekenmerkt dat in de verbrandingskamer rechtstreeks of onrechtstreeks een doorgang (1) uitgeeft waarin zieh een zuiger (3) bevindt waarvan de opwaartse verplaatsing gecontroleerd en begrensd wordt door een drukveer (5) en waarvan de neerwaartse verplaatsing begrensd wordt door een aanslag.

2.-Verbeteringen volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de doorgang (1) voorzien is in de motorkop (7).

3.-Verbeteringen volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de zuiger (3) paddestoelvormig is uitgevoerd ten einde aan de eigenlijke zuiger (2) een kop (4) met grotere diameter te geven.

4.-Verbeteringen volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat de kop (4) van de zuiger (3) kan samenwerken met een aanslag, in de vorm van een kraag (9), in de motorkop (7).

5.-Verbeteringen volgens conclusie 4, daardoor gekenmerkt dat de zuiger (3) zieh kan verplaatsen in de voornoemde doorgang (1), terwijl de kop (4) van de zuiger (3) zieh kan verplaatsen in een dom (6) die in of op de motorkop (7) is vastgeschroefd.

6.-Verbeteringen volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat de drukveer (5) zieh bevindt tussen de kop (4) van de zuiger (3) en het gesloten uiteinde van de dom (6). <Desc/Clms Page number 13>

7.-verbeteringen volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de drukveer (5) gevormd wordt door een stalen spiraalveer.

8.-Verbeteringen volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de drukveer (5) gevormd wordt een opgerolde bladveer.

9.-Verbeteringen volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de drukveer (5), wanneer de dom (6) bevestigd is op de motorkop (7), een welbepaalde voorspanning bezit.

10.-Verbeteringen volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat de voorspanning van de drukveer (5) afhankelijk is van de gewenste compressieverhouding.

11. - Verbeteringen volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde voorspanning, enerzijds, de drukpiek zal beperken tot die van een dieselmotor met een compressieverhouding van 21, en, anderzijds, zuiger (3) zal terugbrengen naar zijn beginstand als de gasdruk verder met ongeveer 10% daalt als gevolg van de neerwaartse beweging van de motorzuiger.

12.-Verbeteringen volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat zieh tussen de kop (4) van de zuiger (3) en de aanslag (9) een stalen plaat (18) bevindt.

13.-Verbeteringen volgens conclusie 9, daardoor gekenmerkt dat de stalen plaat (18) een opening (19) vertoont die conisch is uitgevoerd. <Desc/Clms Page number 14> 14.-Verbeteringen volgens een van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat op de zuiger (3) veerringen (12) zijn voorzien.

15.-Verbeteringen volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat in de kop (4) van de zuiger (3) boringen (17) zijn voorzien voor luchtdoorlaat.

16.-Verbeteringen volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat tussen het bovenuiteinde van de dom (6) en de drukveer (5) een tussenstuk (13) is aangebracht dat voorzien is van een uitsteekstel dat uitgeeft buiten de dom (6).

17.-Verbeteringen volgens conclusie 13, daardoor gekenmerkt dat het tussenstuk (13) voorzien is van een tap (15) waarrond de drukveer (5) gecentreerd is.

18.-Verbeteringen volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat de bovenwand van de kop (4) van de zuiger (3) een opstaande rand vertoont waarmede de drukveer (5) gecentreerd is.

19.-Verbeteringen volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de zuiger (3) met zijn kop (4) vol is uitgevoerd.

20.-Verbeteringen volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de zuiger (3) met zijn kop (4) hol is uitgevoerd.

21.-Verbeteringen volgens conclusie 17, daardoor gekenmerkt dat de zuiger (3) met zijn kop (4) hol is uitgevoerd en gevuld is met een vloeibare warmte geleider. <Desc/Clms Page number 15> 22.-Verbeteringen volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de zuiger (3) met zijn kop (4) uit twee delen bestaat, namelijk een gedeelte in een licht metaal, zoals bijvoorbeeld aluminium, voor de eigenlijke zuiger (3) en een gedeelte in een hard materiaal, bijvoorbeeld staal, voor het bovenste gedeelte van de zuiger (3) en de kop (4).

23.-Verbeteringen volgens een van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de doorgang 1 uitgeeft in een verbrandingskamer (21) gelegen in de motorkop, enerzijds, en dat de motorzuiger (22) bovenaan een uitsteeksel (23) bezit dat, in de bovenste dode stand van de motorzuiger (22) de voorverbrandingskamer (21) afsluit.