FI66237B - Foerfarande och system foer alstring av effekt med en kompressormatad foerbraenningsmotor - Google Patents

Description

! 66237

Menetelmä ja järjestelmä tehon kehittämiseksi kompressorisyöttöisellä polttomoottorilla Förfarande och system för alstring av effekt med en kompressormatad förbränningsmotor

Keksinnön kohteena on parannettu menetelmä energian kehittämiseksi tehogeneraattorilla, jossa on tilavuusmitallinen (tai kapselityyppinen), varsinkin edestakaisin liikkuvin männin varustettu polttomoottori, kuten erikoisesti, vaikkakaan ei yksinomaan, dieselmoottori, syöttöpaineilman kompressor i järjestelmä ja liikkeellepanevan turbokoneen muodostava järjestelmä, josta seuraavassa käytetään nimitystä pakokaasujen käyttämä turbomoottorijärjestelmä, ja näiden kolmen järjestelmän väliset mekaaniset ja/tai pneumaattiset (tai painekäyttöiset) kytkimet. Keksinnön kohteena on myös uusi tehonkehitysjärjestelmä edellä selitetyn menetelmän toteuttamiseksi, ja keksintö esittää lopuksi niitä eri käyttöjä ja sovellutuksia, joita saadaan käyttämällä tätä menetelmää tai tätä järjestelmää, samoin kuin tällaisilla järjestelmillä varustettuja erilaisia yhdistelmiä, varusteita ja laitteistoja.

Tunnetaan ennestään, varsinkin US-patenttijulkaisusta 3 103 780, menetelmä energian kehittämiseksi tehogeneraat-torijärjestelmässä syöttämällä polttomoottoriin moottorin pakokaasuilla toimivan turbiinin käyttämästä kompressorista tulevaa paineilmaa, ottamalla osa paineilmasta kompressorin ja moottorin välistä ja lisäämällä tämä paineilma pakokaasuun ennen sen tuloa turbiiniin, sekä siirtämällä lämpö-energiaa turbiinista lähtevästä kaasuvirrasta tähän otettuun paineilmaaan. Tässä tapauksessa paineilman haaravirta lämmitetään pintalämmönvaihtimessa, toisin sanoen kaasujen 2 66237 sekoittumatta lämmönvaihtimessa, jossa kuumana väliaineena on turbiinista lähtevä kaasuvirta.

Keksinnön tarkoituksena on käyttää hyväksi turbiinista lähtevässä kaasussa käytettävissä oleva energia, joka yllä mainitussa tapauksessa ainakin osittain menee hukkaan, ehdottamalla järjestelmää, joka suhteessa klassisiin järjestelmiin on erikoisen edullinen pienen tilantarpeensa, kestävyytensä karstaantumista vastaan ja alhaisen omakustannushintansa ansiosta.

Näin ollen keksinnön kohteena on menetelmä energian tuottamiseksi tehonkehittlmellä, jossa on tilavuusmitallinen mäntäpolttornoottorijärjestelmä, paineilmaa syöttävä kompressori järjestelmä ja pakokaasujen käyttämä turbomoottorijärjestelmä sekä näiden kolmen järjestelmän väliset mekaaniset ja/tai pneumaattiset kytkimet, jolloin tämä menetelmä on tyyppiä, jossa paineilman haaravirta otetaan kompressori-järjestelmän ja tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän väliltä kompressorijärjestelmän antamasta koko paineilma-määrästä, ja tämä paineilman haaravirta lisätään moottori-järjestelmän pakokaasuihin kohdassa, joka sijaitsee moottorin sylintereistä lähtevien kaasujen lähdön jälkeen, mutta ennen turbomoottorijärjestelmästä lähtevien kaasujen lähtöä, ja lisätään energiaa, joka on otettu talteen tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän palamiskaasuista, pakokaasuihin paineilman haarajohdon välityksellä, joka menetelmä tunnetaan siitä, että energiaa lisätään mainittuun paineilman haaravirtaan lämpönä ja liike-energiana sekoittamalla suoraan paineilman haaravirran ainakin suurin osa turbomoot-torijärjestelmästä lähtevän kaasuvirran ainakin erääseen osaan, varsinkin imupumpun vaikutuksesta, ja siirretään näitä kaasuja mainitun paineilman avulla, joka toimii ainakin yhtenä ilmasuihkuna.

Keksinnön erään toisen tunnusmerkin mukaan ainakin osa f . paineilman haaravirrasta, johon on lisätty edellä mainittua 3 66237 energiaa, suihkutetaan mahdollisesti selektiivisesti vaihdeltavassa kulmassa tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän vähintään yhden pakosarjan ja turbomoottorijärjestelmän vähintään yhden turbiinin väliseen liitoskierukkaan likimain kohdassa, jossa pakokaasujen tulorata tangentiaalisesti liittyy kierukkaan, ja jossa näiden pakokaasujen kaareva virtausrata tässä kierukassa alkaa siten, että tämä rata saadaan poikkeamaan virtauksen vaikutuksesta.

Keksinnön kohteena on myös tehonkehitysjärjestelmä ainakin jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisen menetelmä soveltamiseksi, joka tehonkehitysjärjestelmä on sitä tyyppiä, jossa on haarajohto, joka yhdistää kompressorijärjestelmän paineilmajohdon tilavuusmitallisen moottori järjestelmän pakokaasujen virtauskanavaan sen jälkeen, kun nämä pakokaasut ovat lähteneet moottorin sylintereistä ja laite energian talteenottamiseksi tilavuusmitallisen moottori-järjestelmän palamiskaasuista ja tämän talteenotetun energian siirtämiseksi paineilmavirran erääseen osaan, jolloin tämän laitteen läpi menee painekanava ja tämän laitteen paineilmakanava on sovitettu ainoastaan ainoaan haarajoh-toon, joka järjestelmä tunnetaan siitä, että energian talteenotto- ja siirtolaitteena on vähintään yksi ejektori, jonka mukanaan kuljettavan väliaineen imuputki on liitetty edullisesti haarana turbomoottorijärjestelmästä tulevien kaasujen haarajohtoon.

Keksinnön erään toisen tunnusmerkin mukaan järjestelmä, jossa tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän paineilma-syötön jäähdytin on asennettu kompressorijärjestelmän paine-johtoon, tunnetaan siitä, että haarajohto on liitetty paine-johtoon ennen tätä paineilman jäähdytintä.

Keksinnön erään toisen tunnusmerkin mukaan mainittu haara-johto tai jokin muu erillinen tai riippumaton haarajohto on liitetty suoraan alavirranpuoleisella päällään mahdollisesti -selektiivisesti suunnattavasti tai kulmaltaan säädettävästi 4 66237 tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän vähintään yhden pakosarjan ja turbomoottorijärjestelmän vähintään yhden turbiinin väliseen kierukkaan likimain kohdassa, jossa kierukan suoraviivainen liitosputki liittyy tässä kierukassa olevan kaarevan virtauskanavan viereiseen päähän.

Keksintö samoin kuin sen muut tavoitteet, tunnusmerkit, yksityiskohdat ja edut selitetään seuraavassa lähemmin oheisten kaaviollisten piirustusten perusteella, jotka ei-rajoittavina suoritusesimerkkeinä kuvaavat keksinnön nykyään edullisimmiksi katsottuja suoritusmuotoja.

Kuvio 1 esittää toiminnallisena yleiskaaviona keksinnön useimpia käyttötapauksia.

Kuvio 2 esittää yhdistelmänä keksinnön mukaista energian-kehitysjärjestelmää ja havainnollistaa tämän perusperiaatetta.

Kuvio 3 esittää keksinnön erästä vaihtoehtoista suoritusmuotoa siinä tapauksessa, että käytetään kaksivaiheista kompressoriryhmää ja polttomoottoria, jossa on pakosarja, joka on pakokaasuvirran pulssimaista sykintää muuttavaa modulityyppiä.

Kuvio 4 esittää keksinnön erästä toista vaihtoehtoista suoritusmuotoa siinä tapauksessa, että on kysymys kaksivaiheisesta kompressoriryhmästä ja polttomoottorista, jossa on sykintätyyppiä olevat pakosarjat.

Kuvio 5 esittää keksinnön vielä erästä toista suoritusmuotoa, jossa on kysymys polttomoottorista, jonka pakokaasu-virran pulssimaista sykintää muuttavaa modulityyppiä oleva pakosarja on yhdysrakenteisena liitetty mainittuun lämmönvaihtimeen.

5 66237

Kuvio 6 esittää keksinnön, vielä erästä toista suoritusmuotoa, jossa paineilman haaravirtaa lämmitetään siten, että sillä jäähdytetään polttomoottorin vähintään yhtä kuumaa pakoventtiiliä.

Kuvio 7 esittää keksinnön vielä erästä toista suoritusmuotoa, jossa paineilman haaravirtaa lämmitetään ja sen liike-energiaa lisätään sekoittamalla ainakin yhdessä ejektoris-sa tai senkaltaisessa laitteessa tähän haaravirtaan osa niistä kaasuista, jotka lähtevät vähintään yhdestä pako-kaasuturbiinista.

Kuviot 8...10 esittävät keksinnön erästä erikoista suoritusmuotoa, jossa paineilman haaravirta suihkutetaan ainakin yhden pakokaasuturbiinin tulokierukkaan, jolloin: - kuvio 8 esittää tätä tulokierukkaa sivulta katsottuna - kuvio 9 esittää kuvion 8 viivan IX-IX kohdalta tehtyä osapoikkileikkausta - kuvio 10 esittää osaleikkauksena tasoon kehitettyä 360° käsittävää tulokierukkaa.

Piirustusten eri kuvioissa samat viitenumerot ja -merkit tarkoittavat identtisiä tai samankaltaisia rakenneosia tai -elementtejä.

Kuvio 1 esittää yhteenvetona ja toiminnallisena yleisenä yhdistelmäkaaviona edellä selitettyjä eri tapauksia. Tässä kuviossa on symbolisesti esitetty ainoastaan vastaavien kaasuvirtojen eri virtauspiirit tai -tiet. Kokoviivoin piirretyt jatkuvat viivat tarkoittavat niitä kaasuvirtoja, joita käytetään jatkuvasti tai edullisimmin, kun taas katkoviivoin esitetyt epäjatkuvat viivat, siis katko- ja pistekatkoviivat merkitsevät kaasuvirtoja, jotka liittyvät keksinnön eräisiin muihin suoritusmuotoihin.

Kirjain C tarkoittaa kompressorikäytön ilmakompressoria, joka voi olla joko yksivaiheinen tai useampi- esim. kaksivaiheinen C,C', jossa tällöin on pienipaineinen kompressorivaihe C, 6 66237 joka syöttää suuripaineista kompressorivaihetta C , mahdollisesti ei kuvatun välillä olevan ilmanjäähdyttimen kautta. Kompressorista lähtevä pääkompressorivirta läpäisee lopullisen ilmanjäähdyttimen R ja virtaa polttomoottoriin M tämän imusarjan kautta, jossa tämä virta toimii polttoaineen palamisilmana, jolloin palaminen kehittää kuumia palamiskaasuja GB moottorin eri työsylintereissä.

Nämä palamiskaasut lämmittävät varsinkin suoran kosketuksen kautta moottorin eri osia tai elementtejä, kuten venttiilejä, varsinkin pakoventtiilejä S, joita nämä kuumat kaasut pyyhkäisevät virtaamalla kauttaaltaan niiden ympäriltä, kun kaasut lähtevät sylintereistä, minkä jälkeen kaasut kerätään pakokaasuina vähintään yhteen pakosarjaan CE, jonka kautta ne lähtevät moottorista M (joka piirustuksessa on rajoitettu katkoviivoin piirretyllä suorakaiteella) . Tämän jälkeen pakokaasut johdetaan vähintään yhteen kaasuturbiiniin T, jonka tehtävänä on, eräissä erikoistapauksissa mutta ei yleisesti, käyttää ilmakompressoria C. Tällainen turbiini voi olla muodostettu joko yhdestä ainoasta yksivaiheisesta yksiköstä, kuten T, tai useista, esim. kahdesta vaiheesta, jotka käsittävät yhden vaiheen eli suuripaineturbiinin Τ' (joka symbolisesti on esitetty katkoviivoin piirretyllä ympyrällä) ja toisen vaiheen eli pien-paineisen turbiinin T.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaan kompressorin C tai C lähtöpäästä, mutta ennen ilmanjäähdytintä R, otettu paineilman haaravirta A läpäisee lämmönvaihtimen E, jossa sitä lämmittävät turbiinista T lähtevät kaasut GE, minkä jälkeen nämä kaasut myös läpäisevät lämmönvaihtimen E ja tämän jälkeen poistuvat ulkoilmaan. Lämmitetty paine-ilman haaravirta A' suihkutetaan tämän jälkeen pakosarjaan CE, jossa se sekoittuu turbiinia syöttäviin pakokaasuihin. Erään vaihtoehtoisen suoritusmuodon mukaan voidaan lämmön-vaihdin E korvata ejektorilla, jonka läpi osa turbiinista T lähtevistä kaasuista GE virtaa ja sekoittuu paineilmaan niin, että muodostuu kuuma kaasuseos Af, joka suihkutetaan pako-sarjaan CE.

7 66237

Erään toisen vaihtoehtoisen suoritusmuodon mukaan paine-ilman haaravirta A otetaan ilmanjäähdyttimen R jälkeen, minkä jälkeen tämä paineilma virtaa moottorin vähintään yhden pakoventtiilin S ympäriltä, jolloin tämä ilma lämpe-nee ja se samalla jäähdyttää tätä venttiiliä, minkä jälkeen tämä lämminnyt ilmavirta suihkutetaan pakosarjaan CE.

Keksinnön vielä erään suoritusmuodon mukaan ennen ilman-jäähdytintä R otettu paineilman haaravirta lämmitetään siten, että se saatetaan johdon A2 kautta pyyhkäisemään pitkin kuumaa pakosarjaa CE, virtaamalla kokonaan tämän ympäriltä, minkä jälkeen tämä lämmennyt ilmavirta suihkutetaan tähän pakosarjaan.

Keksinnön vielä erään toisen suoritusmuodon mukaan, joka soveltuu käytettäväksi siinä tapauksessa, että on kaksivaiheinen turbiini T,T', ennen ilmanjäähdytintä R otettu paineilman haaravirta A virtaa lämmönvaihtimen E läpi, jossa sitä lämmittävät pienpaineisesta turbiinivaiheesta T lähtevät kaasut, minkä jälkeen täten lämmennyt ilmavirta suihkutetaan johdon Ag kautta suurpaineisesta turbiini-vaiheesta T" lähteviin kaasuihin, ennen kuin nämä virtaavat pienpaineiseen turbiinivaiheeseen T.

Nämä eri suoritusesimerkit selitetään seuraavassa vuoron perään erikseen.

Seuraavista kuvioista on jätetty pois kaikki ne laitteet tai lisäkojeet, jotka eivät ole keksinnön osana eivätkä ole välttämättömiä sen ymmärtämiseksi.

Kuvion 2 näyttämä suoritusesimerkki kuvaa polttomoottoria, esim. dieselmoottoria 1, jossa on vähintään yksi suora sy-linteririvi, jossa on esim. kuusi sylinteriä. Moottorissa voi myös olla useita sylinteririvejä, esim. V-muotoon sovitettuna kaksi sylinteririviä, jolloin edullisesti käytettäisiin eri kompressoriryhmää kumpaakin sylinteririviä varten. Tämän moottorin sylinteririvissä tai jokaisessa sylinteri- 66237 β rivissä on ilman imusarja 3 ja vähintään yksi palamiskaasu-jen pakosarja 4, jolloin siinä tapauksessa, että on kysymys yhdestä rivistä, jossa on 4...10 sylinteriä, sylinteririviä kohden käytetään edullisesti yhtä ainoaa pakosarjaa, joka on sitä tyyppiä, jota sanotaan pulssi- eli sykintämuuttajana toimivaksi modulityypiksi, joka on koottu identtisistä lohkoista, joiden läpivirtauskanavan vapaa poikkileikkaus on vakio eli tasainen pakosarjan koko pituudelta. Tämäntyyppinen pakosarja on selitetty varsinkin FI-patenttihakemuk-sissa n:o 78.0227, jätetty 24.1.1978 ja 80.2764, jätetty 2.9.1980. Tällainen pulssi- eli sykintämuuttajana toimivaa modulityyppiä oleva pakosarja on kiinnitetty pysyvästi ja suoraan moottorin kannen pakokaasujen lähtöaukkoon.

Moottori kehittää hyötytehon, joka otetaan sen akselista 5, joka käyttää moottorin kuormituksena olevaa vastaanottavaa laitetta 6.

Moottoria 1, joka muodostaa mainitun tilavuusmääräisen moottori järjestelmän tai on sen osana, syöttää paineilmalla turbokompressorijärjestelmä, jossa on yksi tai useampia vaiheita, joiden ilmakompressorijärjestelmää turbomoottori-järjestelmä suoraan käyttää mekaanisesti. Kuvatussa esimerkissä kuuluu ilmakompressorijärjestelmään ilmakompressori 7, ja turbomoottorijärjestelmään kuuluu turbiini 8, joka on mekaanisesti suoraan kytketty kompressoriin 7 väliakselilla 9. Kompressorin lähtöaukko on paineilmajohdolla 10 yhdistetty moottorin 1 imusarjaan 3 ilmanjäähdyttimen 11 kautta, joka jäähdyttää moottorin kompressoripaineilmaa, ja jonka jäähdytettävien kuumien kaasujen virtauskanava on asennettu sarjaan tämän paineilmajohdon kanssa. Turbiinin 8 kaasujen tuloaukko on johdolla 12 yhdistetty moottorin pakosarjan 4 lähtöaukkoon. Paineilman haaravirta otetaan täten ennen paineilman jäähdyttämistä paineilman haarajohdosta 13, jonka ylävirranpuoleinen pää on haaroitettu paineilmajohdosta 10 ennen paineilmanjäähdytintä 11, ja jonka alavirran puoleinen pää on yhdistetty pakosarjan 4 esim. ylävirran puoleiseen päähän siten, että lämmitetty paineilman haaravirta 9 66237 tulee suihkutetuksi tämän pakosarjan kohtaan, jossa pakokaasujen hetkellinen paine on pienin. Tämä paineilman uudelleenkierrätyskohta pakosarjan ylävirran puolella olevassa päässä on edullinen, koska moottorin ensimmäinen sylinteri mahdollisesti voi imeä tätä kaasua.

Lämmönvaihdin 14 on sovitettu sarjaan toisaalta sen kylmän tai lämpimän väliaineen kulkukanavan avulla paineilmansyötön haarajohdon 13 kanssa ja toisaalta sen lämmitysväliaineen virtauskanavan kautta kaasuturbiinin 8 lähtöjohdon 15 kanssa. Lähdettyään lämmönvaihtimesta 14 tämä johto 15 avautuu ulkoilmaan, edullisesti sen jälkeen, kun se on läpäissyt äänenvaiment imen.

Paineilman haaravirran määrää säädetään edullisesti selektiivisesti vaihtelemalla, varsinkin siten, että tämä virta voidaan keskeyttää tilavuusmitallista moottorijärjestelmää käynnistettäessä, sekä tämän moottorin toimiessa riittävän suurella teholla siten, että vastaavasti turbomoottori- ja kompressorijärjestelmien hyötysuhde on hyvä. Tätä varten haarajohdossa 13 on venttiili 16 tai vastaava, joka voi olla joko sitä tyyppiä, että se on joko kiinni tai auki, tai sitä tyyppiä, että se sulkeutuu ja avautuu vähitellen (niin että paremmin voidaan suurentaa paineilman haaravirran määrää moottorin pyörimisnopeuden pienetessä). Tämä venttiili voidaan sulkea määrätyn tehotason yläpuolella, jolloin venttiilin ohjaus on esim. kytketty kompressorin paineilmasyötön hetkelliseen paineeseen tai moottorin imuilmapaineeseen (koska paineilman paine kompressorin lähdössä on ainakin likimain verrannollinen moottorin tehoon suhteellisen laajalla pyörimisnopeuksien alueella).

Paineilmasyötön virtaussuunnan vaihtumisen välttämiseksi haarajohdossa 13 on välttämätöntä, että pakokaasujen paine pakosarjassa 4 on pienempi kuin paineilman paine haarajohdossa 13. Jotta automaattisesti vältettäisiin kaasuvirran suunnan tällainen vaihtuminen, on haarajohtoon 13 asennettu sulkuläppä tai takaiskuventtiili, edullisesti ennen venttii- 66237 liä 16. Kun venttiili 16 on tyyppiä, joka on joko täysin kiinni tai täysin auki, voidaan tämä venttiili sulkea, varsinkin moottoria käynnistettäessä (toisin sanoen vaiheessa, jolloin imuilman paine on nolla), ja myös kun kaasujen paine pakosarjassa 4 tulee suuremmaksi kuin paineilman paine haara-johdossa 13, varsinkin siinä tapauksessa, että ei ole sulku-läppää tai takaiskuventtiiliä.

Lämmönvaihdin 14 voi olla joko kiinteää eli staattista tyyppiä, jossa on kierukaksi tehdyt putkikimput tai siivet, tai levy- tai kalottityyppiä, tai pyörivää tyyppiä oleva lämmön talteenottolaite, jota pyörittää esim. voimanväliotto järjestelmän pyörivästä akselista.

Keksintöä voidaan edullisesti soveltaa compaundi- eli yhdys-tyyppiä olevaan tehokeittimeen, jossa yleisesti on mäntä-polttomoottori, vähintään yksi ilmakompressori ja vähintään yksi kaasuturbiini, jolloin näistä kolmesta yksiköstä vähintään kaksi on kytketty mekaanisesti toisiinsa, sekä ainakin moottorin ja turbiinin sekä kompressorin ja moottorin välinen kaasukytkin, samoin kuin mahdollisesti kompressorin ja turbiinin välinen kaasukytkin. Lähdön mekaaninen hyötyteho voidaan täten ottaa joko moottorin akselista tai turbiinin akselista tai samanaikaisesti näistä molemmista akseleista (missä tapauksessa näistä molemmista akseleista vastaavasti otetut hyötytehot ovat keskenään päinvastaisessa suhteessa). Tässä tarkastetussa tapauksessa, jossa yhdystyyppinen moottori toimii kaasunkehittimenä, on paineilmansyötön kompressori 7 suoraan mekaanisesti kytketty liitoksella 18 (joka kuviossa 2 on kuvattu sekakatkoviivoin), polttomoottorin 1 akseliin 5, joka tällöin ei enää suoraan käytä kuormaa 6, kun taas turbiini 8 on tällöin mekaanisesti erotettu moottori-kompres-soriryhmästä 1, 7 (joten turbiini ei enää ole mekaanisesti kytketty kompressoriin). Tässä tapauksessa kompressori 7 vastaanottaa moottorin 1 koko hyötytehon, joka välitetään kompressorin paineilmavirran ja moottorin pakokaasujen välityksellä turbiiniin 8, joka tällöin yksistään toimii tehon-välittimenä, ja tällöin käyttää käyttölaitetta 6’ lähtöakse- 11 66237 liilaan 19, mahdollisesti nopeuttaa alentavan vaihteen välityksellä. Tällainen sovitus pakottaa käyttämään suurta pu-ristussuhdetta.

Tämän välttämiseksi voidaan moottorin 1 hyötytehosta eräs osa ottaa talteen edullisesti hydraulista tyyppiä olevan vääntömomentinmuuntimen 20 välityksellä, joka yhdistää moottorin ja kompressorin välisen mekaanisen voimansiirron turbiinin ja hyötylaitteen väliseen mekaaniseen voimansiirtoon. Täten on mahdollista yhdistää yhdysmoottorin käyttö esim. kuvion 2 näyttämään suoritusmuotoon käyttämällä varsinkin irroitettavissa olevaa liitosta tai kytkintä 21 kompressorin 7 ja turbiinin 8 välisen akselin 9 yhteydessä.

On huomattavaa, että siinä tapauksessa, että turbiini luovuttaa koko hyötytehon, voi polttomoottori mahdollisesti olla irtomäntäistä tyyppiä oleva moottori.

Kuvioiden 3 ja H näyttämissä suoritusmuodoissa moottorin 1 paineilmasyötöstä huolehtii kaksivaiheinen turbokompressori-järjestelmä, jossa toisaalta on suuripaineinen turbokompres-sori, joka koostuu suuripaineisesta kompressorista 7, jota suoraan mekaanisesti käyttää välikytkentäakselin 9 välityksellä suuripaineinen turbiini 8, ja toisaalta pienipainenen turbokompressori, joka koostuu pienipaineisesta kompressorista 7', jota suoraan mekaanisesti käyttää välikytkentäakselin 9’ välityksellä pienipaineinen turbiini 8'. Ensimmäinen puristusvaihe eli pienipaineinen kompressori 7' syöttää paineilmaa väli-ilmanjäähdyttimen 11' kautta suuripai-neisen kompressorin 7 toiseen puristusvaiheeseen, joka tällöin syöttää suuripaineista paineilmaa moottorin imusarjaan. Suuripaineisen turbiinin 8 muodostava ensimmäinen turbiini-vaihe vastaanottaa moottorin pakokaasut ja johtaa nämä sitten pienipaineisen turbiinin 8’ muodostavaaan toiseen turbiini-vaiheeseen.

Paineilman haaravirta lämmitetään lämmönvaihtimessa, jossa käytetään ainakin osaa niistä kaasuista, jotka lähtevät 12 66237 pienipaineisen turbiinin 8' muodostavasta viimeisestä tur-biinivaiheesta. Tätä varten on haarajohtoon 13 tai 13’ sovitettu lämmönvaihtimen 14 lämmitysväliaineen virtauskana-va sarjaan pienipaineisen turbiinin 8’ muodostavan viimeisen turbiinivaiheen kaasujen lähtöjohdon 15 kanssa.

Kuvion 3 näyttämä vaihtoehtoinen suoritusmuoto eroaa kuvion 2 näyttämästä suoritusmuodosta ainoastaan siinä suhteessa, että on olemassa kahdessa vaiheessa puhaltava kompressori-ryhmä, jolloin käytetään lämmönvaihtimen 14 edellä mainittua erikoista sovitusta tähän ryhmään nähden.

Kuvion 4 mukainen vaihtoehtoinen suoritusmuoto eroaa kuvion 3 näyttämästä suoritusmuodosta siinä suhteessa, että moottorin 1 esim. kuusi sylinteriä 2 käsittävässä sylinteririvissä tai jokaisessa sylinteririvissä on kaksi pulssi- eli sykintä-tyyppiä olevaa pakosarjaa 4a, 4b, jotka ovat yhteiset vastaavasti kahdelle eri ryhmälle, jotka kumpikin käsittävät kolme sylinteriä, jolloin nämä pakosarjat syöttävät rinnan kahden eri kaasuntulon kautta suuripaineisen turbiinin 8 muodostavaa ensimmäistä turbiiniryhmää. Tässä tapauksessa on edullista, että lämmitettyä paineilman haaravirtaa ei kierrätetä takaisin pakosarjoihin, koska suuripaineisia pako-kaasusykäyksiä eli pulsseja kehittyy näissä pakosarjoissa, vaan tämä ilma suihkutetaan edullisesti turbiinin molempien vaiheiden välillä niihin kaasuihin, jotka lähtevät suuripaineisen turbiinin 8 muodostavasta ensimmäisestä turbiini-vaiheesta, täten ennen pienpaineisen turbiinin 8’ muodostavan toisen turbiinivaiheen tuloa. Tätä varten on haarajohto 13' sen jälkeen, kun se on lähtenyt lämmönvaihtimesta 14, liitetty alavirran puoleisella päällään siihen kaasujohtoon 22, joka yhdistää molemmat peräkkäiset turbiinivaiheet 8 ja 8’ toisiinsa.

Kaikissa edellä kuvatuissa suoritusmuodoissa sijoitetaan venttiili 16 ja sen mahdollinen siihen liittyvä takaisku-läppä edullisesti haarajohtoon 13 tai 13' lämmönvaihtimen 14 jälkeen siten, että estetään tämän lämmönvaihtimen paine- 13 66237 ilman virtauskanavan karstaantuminen moottorin pakokaasujen vaikutuksesta, kun tämä venttiili on kiinni.

Kuvion 5 näyttämässä suoritusmuodossa paineilman haaravirta lämmitetään lämmöllä, joka otetaan tilavuusmitallisen moottori järjestelmän lähdöstä saatujen pakokaasujen ainakin eräällä osalla. Tätä varten on lämmönvaihtojärjestelmässä vähintään yksi lämmönvaihdin, jonka lämmitysväliaineen virtauskanava on yhdistetty pakokaasujen ainakin yhteen virtauskanavaan tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän lähdössä, ja jonka paineilman virtauskanava on liitetty haarajohtoon. Kuvatussa esimerkissä ainoaa paineilman haara-virtaa lämmitetään lämmöllä, joka saadaan moottorin 1 erään kuuman elementin muodostavan vähintään yhden pakosarjan 4 ainakin eräästä osasta, jolloin tämä kuuma elementti samalla saadaan jäähdytetyksi tällä kiertävällä paineilmalla. Lämmönvaihdin 1*+' on tällöin asetettu pakosarjan H ainakin erään osan ympärille, joka täten liittyy yhdysrakenteisena osana tähän lämmönvaihtimeen ja muodostaa siinä lämmitys-väliaineen virtauskanavaan. Tämän lämmönvaihtimen 1 *+ * lämmitetyn väliaineen virtauskanava (toisin sanoen paineilman haaravirran virtauskanava) on tällöin muodostettu esim. rengasmaisesta putkimaisesta tilasta, joka ympäröi pakosarjaa 4. Tehokkaan lämmönvaihdon saavuttamiseksi lämmitetyt ja lämmittävät väliaineet saatetaan kiertämään tässä lämmönvaihti-messa 1 M-1 edullisesti järjestelmällisesti vastavirtana siten, että haarajohdon 13 lähtö alavirranpuoleisella päällään avautuu suljetun tilan 1*+' ylävirranpuoliseen päähän (toisin sanoen pakosarjan >4 alavirran puoleiseen päähän), kun taas tämä tila on kuumalla eli alavirranpuoleisella päällään yhteydessä edullisesti pakosarjan vastakkaiseen eli ylävirranpuolei-seen päähän 23.

Tämä kuvion 5 näyttämä suoritusmuoto on itse asiassa edullinen ainoastaan polttomoottorin 1 toimiessa ylimenovaiheessa.

Kuvion 6 näyttämissä suoritusmuodoissa lämpöä siirretään pai- 14 66237 neilman ainoaan haaravirtaan lämpönä, joka saadaan tilavuus-mitallisen moottorijärjestelmän vähintään yhdestä kuumasta, esim. liikkuvasta elimestä siten, että tämä kuuma elin tulee samanaikaisesti jäähdytetyksi kiertävän paineilman vaikutuksesta. Tätä varten on kuumassa, liikkuvassa elimessä suljettu paineilmakanava, joka on kytketty sarjaan haara-johdon 13 kanssa. Paineilman haaravirta otetaan tällöin edullisesti sen jälkeen, kun moottorin paineilma on jäähdytetty, joten toisin sanoen paineilman haarajohto 13 on ylä-virranpuoleisella päällään liitetty paineilmanjäähdytti-. men 11 jälkeen.

Kuvion 6 mukaisessa suoritusmuodossa lämpö täten otetaan tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän eli moottorin 1 vähintään yhdestä kuumasta venttiilistä, varsinkin pako-venttiilistä 24. Tämän venttiilin läpi menee jäähdyttävän paineilman vähintään yksi virtauskanava 25, joka on kytketty sarjaan haarajohdon 13 kanssa, joka alavirranpuo-leisella päällään edullisesti jälleen liittyy pakosarjaan 4.

Kuvion 7 näyttämässä suoritusesimerkissä energiaa lisätään paineilman haaravirtaan lämmittämällä tätä virtaa ja suurentamalla sen liike-energiaa siten, että sekoitetaan suoraan ainakin tämän paineilman haaravirran valtaosa ainakin turbo-moottorijärjestelmästä tulevan kaasuvirran erääseen osaan, varsinkin käyttämällä hyödyksi imupumpun vaikutusta ja siirtämällä tätä kaasuvirtaa mainitun paineilman haaravirran avulla, joka toimii ainakin yhtenä ilmasuihkuna. Tätä varten käytetään vähintään yhtä ejektoria 27, jonka liikkeellepanevan väliaineen virtauskanava 27a on yhdistetty sarjaan paineilman haarajohdon 13 kanssa, ja jonka mukanaan kuljettaman väliaineen imuputki 27b on edullisesti liitetty haara-kanavalla 15' turbiinin 8 kaasujen lähtöjohtoon 15. Ejekto-rin 27 lähdössä kaasujen ja paineilman seos johdetaan johdon 13 kautta edullisesti moottorin 1 pakosarjaan 4 edellä selitettyä järjestelmää käyttäen.

Edellä selitetyissä suoritusmuodoissa turbiini on- tavanomaisesti aksiaalityyppiä, ja sen kaasujen tulorakenne on yleen- is 66237 sä yhdistetty pakokaasujen tulojohtoon hajottimen välityksellä, varsinkin siinä tapauksessa, että on kysymys moduli-tyyppiä olevasta pakosarjasta, jossa on pulssien eli sykin-töjen muuttaja. Kaasujen kineettisen energian käyttämiseksi paremmin hyödyksi on kuitenkin edullista säilyttää kaasujen suuri nopeus pakosarjan alavirran puolella jättämällä pois edellä mainittu hajotin ja yhdistämällä pakosarjan lähtö tai pakokaasujen virtausjohto turbiinin tuloon esim. kierukalla tai vastaavalla laitteella 28, jonka kaasujen vir-tauspoikkileikkaus pienenee vähitellen alkaen kierukan tulosta 28a turbiinin 8 roottoriin 8a asti, kuten kuviot 8...10 näyttävät. Täten voidaan tulla toimeen ilman turbiinin jakelulaitetta, koska kierukka huolehtii tämän johtavasta tehtävästä, kun taas pakosarja huolehtii tämän jakelulait-teen kiihdytystehtävästä. Tällainen kierukka on selitetty FI-patenttihakemuksessa n:o 78.0227, joka on jätetty 28.1. 1978. Tässä viimeksi mainitussa suoritusmuodossa on pako-sarjan 4 lähdön ja aksiaaliturbiinin 8 välinen liitos aikaansaatu ilman putkistoa turbiinin kaasujen tulorakenteella eli kierukalla 28, joka on asennettu turbiinin alustalle tai sen runkoon siten, että se peittää turbiinin roottorin 8a, jossa on säteittäissiivet 8d.

Kuten edellä jo osoitettiin, on tämä kierukka muodoltaan sellainen, että sen kaasujen virtauskanavan poikkileikkaus pienenee vähitellen siten, että pakokaasujen kohtaamisnopeus turbiinin roottorin 8a kanssa on vakio yli tämän roottorin koko alueen. Kuvioiden 8...10 mukaisessa suoritusmuodossa paineilman haaravirran ainakin eräs osa johdon energiaa on lisätty edellä selitetyllä tavalla, varsinkin lämmittämällä, tai johon ei ole lisätty energiaa, suihkutetaan mahdollisesti selektiivisesti vaihdeltavassa kulmassa a liitoskierukkaan 28, joka on sovitettu suoraan tilavuus-mitallisen moottorijärjestelmän 1 vähintään yhden pakosarjan 4· ja vähintään yhden turbomoottorijärjestelmän turbiinin 8 väliin, likimain liitoskohdassa, jossa pakokaasujen tulorata sivuaa kierukkaa ja jossa näiden kaasujen kaareva rata kierukassa alkaa siten, että saadaan syntymään mainitun radan poikkeaminen virtauksen vaikutuksesta tarkoituksel u 66237 la vaikuttaa edullisesti turbiinin roottorin kohtaamis-nopeuskolmioon kulmassa a, joka on selektiivisesti ja mahdollisesti vaihdeltavasti sovitettu turbiinin todellisen toiminta-asteen funktiona. Täten parannetaan huomattavasti turbiinin nopeusprofiilia, mikä entisestäänkin suurentaa kuuman ilman uudelleenkierrätyksen hyötysuhdetta. Tätä varten haarajohto 13 (tai paineilman jokin toinen haara-johto, jolloin erikoisesti ilmaa ei ole lämmitetty ennalta) liitetään alavirranpuoleisesta päästään mahdollisesti mielivaltaisesti suunnattavalla tai kulma-asennoltaan säädettävällä tavalla liitoskierukkaan 28, joka suoraan yhdistää moottorin 1 vähintään yhden pakosarjan ^ vähintään yhteen turbiiniin 8, likimain kohdassa, jossa kierukan suoraviivainen tuloputki 28a liittyy tämän kierukan kaarevan virtaus-kanavan viereiseen päähän. Tämä liitos voidaan tehdä putkella 29 tai senkaltaisella, joka esim. on kääntyvästi nivelletty kohdassa 30 kierukkaan 28.

Tämän selitetyn vaihtoehdon mukaan siihen paineilman haara-virtaan, joka johdetaan kierukkaan 28, ei lisätä millään tavoin energiaa ennalta (varsinkaan lämmittämällä), joten tämä ilma voi tulla suoraan kompressorista kierukkaan menemättä minkään lämmöntalteenottolaitteen (esim. lämmönvaihtimen jne) läpi.

Erään toisen vaihtoehdon mukaan tällaisena, ei lämmitettynä paineilman haaravirtana voi olla toinen haaravirta, joka on riippumaton siitä paineilman haaravirrasta, johon on lisätty energiaa (esim. lämmittämällä), kuten on selitetty ensisijaisesti kaikissa edellisissä, kuvioiden 1...7 mukaisissa suoritusmuodoissa, ja tätä vaihtoehtoa voidaan tällöin käyttää yhdessä lämmitetyn paineilman haaravirran kanssa, jolloin siis on kysymys kahdesta paineilman haaravirrasta, joista toinen on lämmitetty ja toinen on lämmittämätön. Tämä toinen lämmittämätön virta voitaisiin tällöin johtaa kierukkaan toisen haarajohdon kautta erikseen eli haarajohdosta 13 riippumattomana .

17 66237 Tämä ratkaisu soveltuu kaikkiin edellä selitettyihin ja kuvattuihin suoritusmuotoihin.

Keksinnön periaatteita, jotka edellä on selitetty kuvioiden 8...10 mukaisissa suoritusmuodoissa aksiaaliturbiiniin sovellettuina, voidaan myös soveltaa keskipakotyyppisiin turbiineihin ja täten vaikuttaa edullisesti niiden nopeus-kolmioon.

Keksintö ei tietenkään millään tavoin rajoitu edellä esimerkkeinä selitettyihin ja kuvattuihin suoritusmuotoihin. Keksinnön piiriin kuuluvat erikoisesti kaikki selitettyjen keinojen tekniset vastaavaisuudet samoin kuin niiden yhdistelmät, mikäli ne lankeavat oheisten patenttivaatimusten puitteisiin.

Claims (9)

1. 66237
2. 1. Menetelmä energian tuottamiseksi tehonkehittimellä, jossa on tilavuusmitallinen mäntäpolttomoottorijärjestelmä (1), paineilmaa syöttävä kompressorijärjestelmä (7) ja pakokaasujen käyttämä turbomoottorijärjestelmä (8) sekä näiden kolmen järjestelmän väliset mekaaniset ja/tai pneumaattiset kytkimet, jolloin tämä menetelmä on tyyppiä, jossa paine-ilman haaravirta otetaan kompressorijärjestelmän ja tila-vuusmitallisen moottorijärjestelmän väliltä kompressori-järjestelmän antamasta koko paineilmamäärästä, ja tämä paineilman haaravirta lisätään moottorijärjestelmän pakokaasuihin kohdassa, joka sijaitsee moottorin sylintereistä lähtevien kaasujen lähdön jälkeen, mutta ennen turbomoottori järjestelmästä lähtevien kaasujen lähtöä, ja lisätään energiaa, joka on otettu talteen tilavuusmitallisen moot-tor i järjestelmän palamiskaasuista, pakokaasuihin paineilman haarajohdon välityksellä, tunnettu siitä, että energiaa lisätään mainittuun paineilman haaravirtaan lämpönä ja liike-energiana sekoittamalla suoraan paineilman haara-virran ainakin suurin osa turbomoottorijärjestelmästä lähtevän kaasuvirran ainakin erääseen osaan, varsinkin imupumpun vaikutuksesta, ja siirretään näitä kaasuja mainitun paine-ilman avulla, joka toimii ainakin yhtenä ilmasuihkuna.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että ainakin osa paineilman haaravirrasta, johon on lisätty edellä mainittua energiaa, suihkutetaan mahdollisesti selektiivisesti vaihdeltavassa kulmassa tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän (1) vähintään yhden pako-sarjan (4) ja turbomoottorijärjestelmän (8) vähintään yhden turbiinin väliseen liitoskierukkaan (28) likimain kohdassa, jossa pakokaasujen tulorata tangentiaalisesti liittyy kierukkaan, ja jossa näiden pakokaasujen kaareva virtausrata tässä kierukassa alkaa siten, että tämä rata saadaan poikke- .. Aamaan virtauksen vaikutuksesta. ... * . * ^
4. 3. Tehonkehitysjärjestelmä ainakin jonkin edellisen 19 66237 patenttivaatimuksen mukaisen menetelmä soveltamiseksi, joka tehonkehitysjärjestelmä on sitä tyyppiä, jossa on haarajohto (13, 13'), joka yhdistää kompressorijärjestelmän (7) paine-ilmajohdon (10) tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän (1) pakokaasujen virtauskanavaan (12, 22) sen jälkeen, kun nämä pakokaasut ovat lähteneet moottorin sylintereistä (2), ja laite (27) energian talteenottamiseksi tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän (1) palamiskaasuista ja tämän talteenotetun energian siirtämiseksi paineilmavirran erääseen osaan, jolloin tämän laitteen läpi menee painekanava ja tämän laitteen paineilmakanava on sovitettu ainoastaan ainoaan haarajohtoon (13, 13') , t u n n e t t u siitä, että energian talteenotto- ja siirtolaitteena on vähintään yksi ejektori (27) , jonka mukanaan kuljettavan väliaineen imuputki (27b) on liitetty edullisesti haarana (15') turbo-moottori järjestelmästä (8) tulevien kaasujen haarajohtoon (15).
5. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen järjestelmä, jossa tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän (1) paineilmasyötön jäähdytin (11) on asennettu kompressorijärjestelmän (7) painejohtoon (10),tunnettu siitä, että haarajohto (13, 13') on liitetty painejohtoon (10) ennen tätä paine-ilman jäähdytintä (11).
6. 5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu haarajohto (13, 13') on liitetty suoraan alavirranpuoleisella päällään mahdollisesti selektiivisesti suunnattavasti tai kulmaltaan säädettävästä tilavuusmitallisen moottorijärjestelmän (1) vähintään yhden pakosarjan (4) ja turbomoottorijärjestelmän (8) vähintään yhden turbiinin väliseen kierukkaan (28) likimain kohdassa, jossa kierukan (28) suoraviivainen liitosputki (28a) liittyy tässä kierukassa (28) olevan kaarevan virtaus-kanavan viereiseen päähän.
7. 8, Jpnkin patenttivaatimuksen 3...5 mukainen järjestelmä, y*’' ·*·* tunnettu siitä, että paineilman haarajohto (13) on 20 66237 alavirranpuoleisella päällään yhdistetty pakosarjan (4) ylävirranpuoleiseen päähän.
8. 7. Jonkin patenttivaatimuksen 3...6 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että siinä tapauksessa, että on kysymys kaksivaiheisesta suuripaineisesta ja pienipainei-sesta turbokompressorista (7-8, 7'-8'), läpäisee mainitun ejektorin (27) lämmitysvällaineen (27b) virtauskanavan ainakin osa niistä kaasuista, jotka lähtevät pienipaineisen turbiinin (8') muodostavasta viimeisestä turbiinivaiheesta.
9. 8. Jonkin patenttivaatimuksen 3...7 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että paineilman haarajohdon (13') alavirranpuoleinen pää on liitetty kaasujohtoon (22), joka yhdistää toisiinsa ne molemmat peräkkäiset turbiinivaiheet (8, 8') jotka muodostavat vastaavasti suuripaineisen ja pienipaineisen turbiinin.