NL8006837A - Turboverbrandingsmotor. - Google Patents

Description

» - \.,

Turboverbrandingsmotor

De uitvinding heeft betrekking op turboverbrandings-motoren en betreft in het bijzonder turbodieselmotoren, enerzijds bestaande uit een compressor die op parallelle wijze buitenlucht levert aan de motor en aan een aftakleiding waarin een hulpverbrandings-5 kamer is aangebracht, en anderzijds uit een turbine die de uitlaatgassen van de motor en de uit de hulpverbrandingskamer gestoten gassen ontvangt en die de compressor op mechanische wijze aandrijft, welke aftakleiding is verdeeld in twee hoofdtakken waarvan de eerste uitmondt in een expansiezone of "secondaire zone" 10 stroomafwaarts van het stroomopwaartse deel of "primaire zone" van de hulpverbrandingskamer en is voorzien van eerste smoormiddelen met variabele doorganssectie, en waarvan de tweede tak begint op een plaats van de eerste tak die zich stroom-opwaarts van de eerste smoormiddelen bevindt en uitmondt in de primaire zone via tweede smoor-15 middelen van de doorgangssectie, welke tweede smoormiddelen corresponderende doorgangen met gemeenschappelijk variabele vrije sectie hebben die respectievelijk zijn aangebracht in twee ten opzichte van elkaar beweegbare inwendige en uitwendige cilindrische organen, waarvan de ene tenminste 20 gedeeltelijk de primaire zone begrenst terwijl de andere tenminste gedeeltelijk een holte begrenst die direkt met de uitgang van de compressor is verbonden, terwijl tenminste een brandstofinjecteur in de onmiddellijke nabijheid van de corresponderende doorgangen in de primaire zone uitmondt, 25 terwijl middelen zijn aangebracht voor het korrela- tief wijzigen van het debiet van de brandstofinjecteur(s) en, door een relatieve verplaatsing van de inwendige en uitwendige cilindrische organen, van het luchtdebiet dat de primaire zone binnentreedt door de gemeenschappelijke vrije sectie van de corresponderende door-30 gangen.

Dergelijke motoren zijn beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.026.115. Op grond van de stand van de corresponderende doorgangen of openingen, die enerzijds als tweede smoormidde- 8006837 2 len door aërodynamisch afdammen (of bedekking van luchtstralen door gedeeltelijk in êën lijn liggen van paren van corresponderende doorgangen of openingen) werken op de injecteur(s) die de brandstof naar binnen brengen in de primaire zone van de hulpverbrandingskamer 5 en anderzijds op de eerste smoormiddelen die een drukverlaging teweeg brengen die zijn direkte invloed heeft op de corresponderende doorgangen of openingen, wordt in deze primaire zone een hevige turbulentie teweeg gebracht die aan de verbranding onafhankelijk van de mate van opening van de corresponderende doorgangen of 10 openingen optimale omstandigheden biedt, dat wil zeggen onder alle werkingsomstandigheden van de hulpverbrandingskamer. Men verkrijgt op deze wijze brandstofbesparingen terwijl de problemen worden vermeden die verband houden met de neerslag van roet en kooks op de wanden van de hulpverbrandingskamer. Bovendien maakt het bestaan van 15 deze drukverlaging het mogelijk om voortdurend en betrouwbaar met behulp van bepaalde of minder luchtdoorgangen van constante sectie die deel uitmaken van de tweede smoormiddelen, geschikte luchtstromen teweeg te brengen ("filmkoeling") die vooral het afkoelen van de wanden van de primaire zone van de hulpverbrandingskamer onder alle 20 omstandigheden waarborgt.

De relatieve verplaatsing van de inwendige en uitwendige cilindrische organen, die over het algemeen worden gevormd door hulzen, kan plaatsvinden door translatie, door rotatie, of door translatie en rotatie, waarbij tenminste één van de inwendige en uit-25 wendige cilindrische organen beweegbaar is. Over het algemeen is het uitwendige cilindrische orgaan vast, terwijl het inwendige cilindrische orgaan beweegbaar is, bij voorkeur translerend.

Aangenomen dat het uitwendige cilindrische orgaan wordt belast door de lucht die door de compressor wordt geleverd, 30 heeft deze lucht de neiging om het uitwendige cilindrische orgaan te houden op een relatief lage en constante temperatuur. Daarentegen is het inwendige cilindrische orgaan, dat tenminste gedeeltelijk de primaire zone van de hulpverbrandingskamer begrenst, gebracht op een relatief hoge temperatuur die varieert in functie van het debiet van 35 de brandstof die naar binnen wordt gebracht door de ene of meerdere 8006837 S Λ 3 injecteurs en wordt verbrand in de primaire zone, waarbij de variaties van deze temperatuur bijvoorbeeld 600°G kunnen bereiken tijdens de werking. De inwendige en uitwendige organen of cilindrische hulzen zijn om deze reden gemaakt van een materiaal (roestvrij vuurbesten-5 dig staal) dat aanzienlijke uitzettingen ondergaat als functie van de temperatuur (van de orde van 2 mm per meter en bij 100° temperatuurverlaging) .

Teneinde het onderling botsen van de twee cilindrische organen bij warmte te voorkomen (dat wil zeggen indien het in-10 wendige cilindrische orgaan het warmst is, hetgeen correspondeert met maximaal debiet van brandstof en lucht in de primaire zone), moet de radiale speling tussen de twee cilindrische organen bij lage temperatuur aanzienlijk worden verhoogd. Maar gedurende de werking bij lage belasting van de hulpverbrandigskamer (minimaal debiet van 15 brandstof en lucht in de primaire zone en plaatselijke verbranding in de bodem van de kamer), trekt het inwendige cilindrische orgaan zich in radiale richting afkoelend samen en maakt tussen zijn uitwendige wand en de inwendige wand van het uitwendige cilindrische orgaan, een ringvormige ruimte vrij waarvan de dwarsdoorsnede zeer belangrijk is 2 20 (van de orde van grootte van 700 mm indien de diameter van de cilindrische organen of hulzen ongeveer 200 mm is, onder de bovengenoemde op temperatuurvariaties en de uitzettingscoeffident betrekking hebbende oms tandigheden). Deze ringvormige ruimte laat een luchtlek passeren dat belangrijker is naarmate de turbodruk hoger is, omdat 25 de dichtheid van de lucht verband houdt met de druk en omdat het drukverschil dat aan weerszijden van deze lekkagedoorsnede heerst, toeneemt met de turbodruk. Juist onder deze omstandigheden van hoge druk wordt de motor dus het meest beladen en moet dus het meest betrouwbaar worden gespoeld. De pogingen die tot nu toe zijn gedaan om deze 30 lekkage te verminderen, zoals het plaatsen van labyrinthen aan de buitenomtrek van het inwendige cilindrische orgaan, zijn vruchteloos gebleken.

Men heeft nu nog het volgende alternatief: - indien de radiale speling klein is, botst het be-35 weegbare cilindrische orgaan bij vol debiet op het vaste cilindrische orgaan, hetgeen een onbruikbare handhaving oplevert van de kamer in 8006837 4 de stand yan vol debiet (hierdoor treedt oververhitting en verlies van brandstof op}, - indien de radiale speling groot is, lekt de hulp-verbrandingskamer in het gebied van lage belasting. In dit geval 5 zijn de eerste smoormiddelen niet meer in staat om de drukval of het ladingverlies tussen de compressor en turbine te beheersen, hetgeen de correcte spoeling van de motor bij hoge vermogens benadeelt, tenzij het debiet van de compressor over-gedimensioneerd is, hetgeen als nadeel zou hebben het verslechteren van het specifieke verbruik bij 10 deellasten.

De uitvinding heeft dus tot doel om de nadelen op te heffen die verband houden met de verschillende uitzetting van de inwendige en uitwendige cilindrische organen, in verbrandingsmotoren die hierboven zijn genoemd, waarbij echter toch de specifieke yoor-15 delen van deze motoren behouden blijven.

Om dit doel te bereiken wordt de inwendige verbrandingsmotor volgens de uitvinding in hoofdzaak gekenmerkt doordat: de tweede smoormiddelen parallel aan de gecombineerde doorgangen ook doorgangen met constante doorsnede hebben, 20 de inwendige en uitwendige cilindrische organen zo danige radiale afmetingen hebben dat, rekening houdend met de thermische uitzettingscoefficienten van de samenstellende materialen en de boven- en ondergrenzen van hun werkingstemperaturen, er tussen hen altijd een voldoende radiale speling bestaat om onafhankelijk van de 25 werkingsomstandigheden van de hulpverbrandingskamer, elk zijdelings contact tussen de cilindrische organen te voorkomen, en - derde smoormiddelen met variabele doorgangssectie de stroomopwaarts of ter hoogte van de corresponderen doorgangen van de tweede smoormiddelen zijn gemonteerd in de circulatierichting van de 30 lucht in de tweede tak van de aftakleiding, en zodanig zijn ingericht dat: al de minimale doorgangssectie nul is, en b} onafhankelijk van de maten yan respectieve ogenblikkelijke opening van de tweede en derde smoormiddelen, de door-35 gangssectie van de derde smoormiddelen, tenzij nul, altijd veel 8006837 *· * 5 groter blijft dan de vrije sectie van de corresponderende doorgangen van de tweede smoormiddelen.

Het is belangrijk, dat de derde smoormiddelen pas in werking treden na de tweede smoormiddelen, omdat in het tegenoverge-5 stelde geval het ladingsverlies dat moet worden opgewekt in de tweede tak van de aftakleiding zou optreden ter hoogte van de derde smoormiddelen en niet meer op het niveau van de correspronderende doorgangen of openingen, hetgeen enerzijds het binnendringen van de radiale lucht-stralen in de primaire zone onmogelijk zou maken en derhalve de tur-10 bulentie die een belangrijke bijdrage levert aan de verbranding in deze zone, en anderzijds de vlam van de bodem van de primaire zone zou "ontkoppelen". Het aanwezig zijn van permanente radiale speling tussen de twee cilindrische organen maakt het bestaan van luchtstralen door hun corresponderende doorgangen indien deze zich tenminste ge-15 deeltelijk in een lijn bevinden niet onmogelijk, maar heeft slechts tot gevolg dat een bepaald debiet van lucht wordt afgeleid naar de secundaire zone, via de ringvormige ruimte die is gelegen tussen de twee cilindrische organen.

Hoewel de eerste smoormiddelen met de hand kunnen 20 worden bediend, is het nuttig om ze zodanig in te richten dat zij in staat zijn om een drukval teweeg te brengen die nagenoeg onafhankelijk is van de verhouding tussen het luchtdebiet in de aftakleiding en het totale luchtdebiet dat wordt geleverd door de compressor, maar die varieert in dezelfde richting als de druk die stroomopwaarts van 25 de eerste smoormiddelen heerst. Men verkrijgt op deze wijze een automatische werking die is afgestemd op alle werkingsomstandigheden van de motor.

Of de eerste smoormiddelen nu wel of niet automatisch worden bediend, het heeft de voorkeur dat de verhouding tussen de 30 doorgangssectie van de derde smoormiddelen, tenzij nul, en de vrije sectie van de corresponderende doorgangen van de tweede smoormiddelen groter blijft dan vijf .in al hun ogenblikkelijke respectieve standen. Men heeft op deze wijze de waarborg dat de drukval die optreedt in de tweede tak van de aftakleiding altijd optreedt bij de overgang 35 van de tweede smoormiddelen en niet bij die van de derde smoormiddelen.

8006837 6

Volgens een aantrekkelijke uitvoeringsvorm bestaan de derde smoormiddelen uit een combinatie van een ringvormig afsluit-element dat is gemonteerd op één van de cilindrische organen, en een zitting die één geheel vormt met het andere cilindrische orgaan en 5 samenwerkt met het ringvormige element, waarbij de diameter van deze zitting veel groter is dan de respectieve diameters van de cilindrische organen. Een variant daarop is dat de derde smoormiddelen bestaan uit een combinatie van een ringvormig afsluitelement dat overgaat in het vrije uiteinde van het uitwendige·cilindrische orgaan, 10 en een zitting die één geheel vormt met het inwendige cilindrische orgaan en samenwerkt met dat vrije einde, welke zitting in de onmiddellijke nabijheid van de corresponderende doorgangen is opgesteld.

De bovenbeschreven uitvoeringsvorm en zijn variant hebben een zeer eenvoudige constructie en maken het mogelijk dat de 15 zitting samenwerkt met het ringvormige afsluitorgaan onafhankelijk van de temperaturen en derhalve van de respectieve uitzettingen van de twee cilindrische organen.

De doorgangen van constante sectie die deel uitmaken van de tweede smoormiddelen kunnen in verbinding staan met de holte 20 die is verbonden met de uitgang van de compressor, hetzij direkt hetzij via de derde, smoormiddelen.

De uitvinding zal hieronder nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin bij wijze van voorbeeld een aantal uitvoeringsvormen van een motor volgens de uitvinding is weer-25 gegeven, m de tekening toont: figuur 1 een schema van een bekende verbrandingsmotor, figuur 2 op grotere schaal een doorsnede van de hulp-verbrandingskamer van de motor van figuur 1, 30 figuur 3 een schema van de verdeling van de lucht- debieten in de motor van figuur 1, figuur 4 een schematische axiale doorsnede op het van niveau van de hulpverbrandingskamer t een verbrandingsmotor volgens een eerste uitvoeringsvorm, waarbij de rest van de motor analoog is 35 aan figuur 1, 8006837 #· i 7 figuur 5 op grotere schaal een paar van samenwerkende openingen die deel uitmaken van de tweede smoormiddelen van de uitvoeringsvorm van figuur 4, en de figuren 6-12 varianten van de uitvoeringsvorm 5 van figuur 4.

Zoals in figuur 1 is weergegeven bezit de bekende verbrandingsmotor 1 een compressor 2 die op parallelle wijze buitenlucht toevoert aan de motor I, via een stuwleiding 4 die is uitgerust met een turboluchtkoeler 41, en via een aftakleiding 5 die voorzien 10 is van een hulpverbrandingskamer 6. De motor I bezit ook een turbine 3 die de uitlaatgassen van de motor 1 ontvangt via een uitlaatleiding 8, en de gassen die uit de hulpverbrandingskamer 6 worden gestoten, en die de compressor 2 op mechanische wijze meesleept, in hoofdzaak via een as 9. De hulpverbrandingskamer 6 is van stroomopwaarts naar 15 stroomafwaarts verdeeld in een primaire zone 10 en een secundaire zone 11 of expansiezone.

De aftakleiding 5 is verdeeld in twee hoofdtakken 5a en b. De eerste tak 5a mondt uit in de secundiare zone 11 en is voorzien van eerste smoormiddelen 12 met variabele doorgangssectie.

20 Bij voorkeur zijn deze eerste smoormiddelen 12 in staat om een drukval teweeg te brengen die praktisch onafhankelijk is van de verhouding tussen het luchtdebiet in de aftakleiding 5 en het totale luchtdebiet dat wordt geleverd door de compressor 2, maar die in dezelfde richting varieert als de druk die stroomopwaarts van de eer-25 ste smoormiddelen 12 heerst. De tweede tak 5b begint op een plaats van de eerste tak 5a stroomopwaarts van de eerste smoormiddelen 12, en mondt uit in de primaire zone 10 via tweede smoormiddelen 13 van de doorgangssectie.

Zoals figuur 2 toont, omvatten de tweede smoormidde-30 len 13 corresponderende openingen 14 en 15 die respectievelijk zijn aangebracht in een inwendige cilindrische mantel 16, die tenminste gedeeltelijk de primaire zone 10 begrenst, en in een uitwendige cilindrische mantel 17, die tenminste gedeeltelijk een holte 32 begrenst die direkt is verbonden met de uitgang van de compressor 2. Volgens de 35 uitvoeringsvorm van de figuren 1 en 2 wordt deze holte 32 gevormd door 8006837 8 het gedeelte van de stuwleiding 4 dat de uitwendige cilindrische mantel 17 omringt. Een brandstofinjecteur 18 (figuur 2) of meerdere brandstofinjecteurs (figuur 12) mondt uit in de primaire zone 10 in de onmiddellijke nabijheid van de corresponderende smooropeningen 14 5 en 15.

Middelen zijn aangebracht voor het korrelatief laten variëren van het debiet van de ene of de meerdere brandstofinjecteurs 18 en, door een relatieve verplaatsing van de hulzen 16 en 17, van het luchtdebiet dat binnentreedt in de primaire zone 10 via de 10 gemeenschappelijke vrije sectie van de corresponderende openingen 14 en 15.

Volgens de uitvoeringsvorm van figuur 1 wordt de aftak-leiding 5 begrensd door een kast 7 die van de stuwleiding 4 is gescheiden door een schot 19 stroomafwaarts waarvan de tak 5a is ge-15 vormd. Het schot 19 is met een gat doorboord waarvan de randen een zitting 20 vormen waarmede een afsluitschijf 21 samenwerkt die stroomafwaarts van de zitting is geplaatst. De schijf 21 vormt een geheel met een evenwichtszuiger 22 die door de zitting 20 loopt, alsmede door af-dichtmiddelen 23 door de wand van de stuwleiding 4. De schijf 21 met 20 zuiger 22, die de eerste smoormiddelen 12 vormen, is in evenwicht onder de invloed van een referentiedruk Po die werkt op de sectie van de zuiger 22, in het bovengedeelte of buitengedeelte daarvan, en drukken die stroomopwaarts (druk P2) en stroomafwaarts (druk P7) van de afsluitschijf 21 heersen en die respectievelijk werken op het bovenvlak 25 en op het ondervlak van de schijf 21. Al naar believen zou een (niet weergegeven) terugstelveer op de zuiger 22 kunnen werken. Indien men s de sectie van de zuiger 22 noemt en S het oppervlak van de schijf 21j wordt de waarde van het betreffende nominale ladingverlies gegeven door de volgende formule, die de evenwichtstoestanden van de 30 schijf 21 uitdrukt (in afwezigheid van de terugstelveer): P2 - P7

_ 3 S

P2 - Po TT

Men ziet dus, dat de eerste smoormiddelen 12 met schijf 21 in staat zijn om een drukverlaging P2 - P7 te weeg te brengen die praktisch onafhankelijk is van de verhouding tussen het 35 luchtdebiet in de aftakleiding 5 en het luchtdebiet dat door de com- 8006837 > A.

9 pressor 2 wordt geleverd maar die varieert in dezelfde richting als de druk P2 die stroomopwaarts van deze eerste smoormiddelen 12 heerst. Deze zouden echter ook kunnen worden vervangen door equivalente middelen, waarvan bepaalde voorbeelden zijn beschreven in 5 het genoemde Amerikaanse octrooischrift 4.026.115.

Volgens de uitvoeringsvorm van de figuren 1 en 2 worden de middelen voor het korrelatief laten variëren van het debiet van de ene of de meerdere injecteurs 18 en hèt luchtdebiet dat binnentreedt in de primaire zone 10, op de volgende wijze gevormd. 10 De uitwendige mantel 17 is vast ten opzichte van de stuwleiding 4 terwijl de inwendige mantel 16, die aan dën zijde is afgesloten door een bodem 24, translerend beweegbaar is. De ruimte 28 die gelegen is tussen de bodem 24 en een vaste wand 26, is via openingen 29 van relatief grote sectie verbonden met de stuwleiding 4.

15 Een cilinder 34, die een geheel vormt met de bodem 24, loopt door de wand 26 via afdichtmiddelen 35 die het schuiven van de cilinder 34 toestaan. Een brandstofstuwfcanaal 36 mondt in de kamer 37 uit die wordt gedragen door de wand 26. Deze kamer 37 staat in verbinding met de cilinder 34 via een opening 38 die loopt door de 20 ene van de wanden daarvan, terwijl de wand die is gelegen tegenover de cilinder 34 deel uitmaakt van de bodem 24 en de injecteur draagt.

Een vaste naald 39 werkt samen met de opening 38 teneinde zijn sectie te laten toenemen naarmate de bodem 24 zich van de vaste wand 26 verwijdert.

25 De brandstofdruk die wordt uitgeoefend op de cilinder 34 heeft de neiging om de inwendige mantel 16 naar rechts in figuur 2 te verplaatsen, dus zowel de vrije gemeenschappelijke sectie van de corresponderende openingen 14 en 15 als de vrije sectie van de opening 38 groot te laten worden, hetgeen het volle luchtdebiet en brand-30 stofdebiet waarborgt in de hulpverbrandingskamer 6. Indien de energie voor de turbine 3 groter wordt, stijgt de druk P3 die werkt op het rechter vlak (figuur 2) van de bodem 24 en laat de inwendige mantel 16 terugkeren totdat de hydraulische kracht (brandstofdruk) die op de mantel 16 wordt uitgeoefend, in evenwicht is met de pneumatische 35 kracht die daarop wordt uitgeoefend. Er is dus een automatische rege- 8006837 10 ling.

De zojuist beschreven middelen kunnen derhalve het brandstofdebiet van de injecteur 18 en het luchtdebiet dat de primaire zone 10 binnentreedt, korrelatief variëren door de gemeenschappe-5 lijke vrije sectie van de corresponderende openingen 14 en 15. Dergelijke middelen kunnen ook worden vervangen door equivalente middelen, waarvan enkele zijn beschreven in het genoemde Amerikaanse octrooischrift 4.026.115.

De bodem 24 wordt tenslotte doorboord door gekali-10 breerde openingen 40 en 33 die respectievelijk de afkoeling waarborgen van de wanden van de primaire zone 10 van de hulpverbrandings-kamer 6 bij alle omstandigheden en de toevoer met verbrandingslucht in het gebied van lage belasting. Deze gekalibreerde openingen 40 en 33, die overigens niet zijn genoemd in het Amerikaanse octrooi-15 schrift 4.026.115, vormen de doorgangen van constante sectie die parallel zijn aan de corresponderende openingen 14 en 15, die deel uitmaken van de tweede sinoormiddelen 13.

De uitwendige mantel 17 is aangepast aan de stuwlei-ding 4 op zodanige wijze dat de openingen 15 en 29 zich naar de laat-20 ste openen en hij is verlengd door een leiding 42 die de secondaire zone 11 begrenst en door de kast 7 loopt. De afvoerleiding 8 van de motor 1 mondt uit in de leiding 42 via een stomp of menger 27. Openingen 43, die in de leiding 42 zijn aangebracht in het inwendige van de kast 7, geven een onderlinge verbinding tussen de stroomaf-25 waartse delen van de takken 5a en b. Een eindleiding 44 verbindt de menger 27 met de turbine 3, zodat deze de afvoergassen van de motor 1 en de verbrandingsgassen uit de kamer 6 kan ontvangen.

Men verkrijgt op deze wijze een inwendige verbrandingsmotor waarvan hieronder de werking van het geheel in herinnering 30 zal worden geroepen.

De lucht die door de compressor 2 wordt geleverd, verdeelt zich in twee stromen: de lucht die door de motor 1 loopt en de aanvullende stroom die de turbine 3 bereikt via de aftakleiding 5. Deze aanvullende stroom verdeelt zich weer in twee stromen: een eerste 35 deel dat de primaire zone 10 voedt via corresponderende openingen 8006837 * i 11 14 en 15 van bij voorkeur stoechiometrische verhouding met de brandstof die naar binnen wordt gebracht door één of meerdere injec-teurs 18, en een tweede deel dat binnendringt in de secondaire zone 11 in de vorm van in dwarsrichting lopende luchtstralen die worden 5 toegelaten door de openingen 43, welk tweede deel van complementaire stroom te voren de eerste smoormiddelen 12 heeft doorlopen en zich heeft gemengd met de zeer hete verbrandingsgassen die in de primaire zone 10 worden uitgestoten.

Indien de motor 1 versnelt, wordt het luchtdebiet dat 10 er doorheen gaat hoger en het debiet van de complementaire stroom wordt minder in de aftakleiding 5. De eerste smoormiddelen 12 sluiten dus progressief en verminderen meer en meer het luchtdebiet dat wordt toegelaten in de secondaire zone 11. De lucht die wordt toegelaten in de primaire zone 10, waarvan het debiet alleen afhangt van de druk 15 en dus de belasting van de motor 1 (en niet van de snelheid daarvan) , gaat voort met het waarborgen van de verbranding in de primaire zone 10 onder de omstandigheden die zo veel mogelijk de stoechiometrische benaderen. De vermenging (dus de afkoeling) van de zeer hete gassen die worden uitgestoten uit de primaire zone 10, wordt hoe 20 langer hoe minder gewaarborgd door de secundaire lucht (openingen 43) en meer en meer door de uitlaatgassen van de motor 1, op het niveau van de menger 27. De afstand tussen de openingen 43 en deze menger 27 moet dus zo kort mogelijk zijn om oververhitting van het gedeelte van de verbindingsleiding 42 stroomafwaarts van de openingen 43 te 25 voorkomen.

Aangezien de lucht die door de primaire zone 10 loopt stroomopwaarts van de eerste smoormiddelen 12 afgetapt, wordt het la-dingverlies tengevolge van het doorlopen van de corresponderende openingen 14 en 15 altijd gehandhaafd onafhankelijk van de snelheid van 30 de motor, dankzij de aanwezigheid van deze eerste smoormiddelen 12. Hierdoor hebben de luchtstralen die binnendringen in de primaire zone 10 via de vrije gemeenschappelijke sectie van de corresponderende openingen 14 en 15, altijd, onafhankelijk van de werkingsomstandighe-den van de kamer 6, een snelheid en een voldoende penetratie voor 35 het handhaven van de mate van turbulentie die vereist is voor de ver- 8006837 12 branding van de brandstof die naar binnen wordt gebracht door de ene o£ door meerdere injecteurs 18.

Het schema van figuur 3 toont de verdeling van de lucht die wordt geleverd door de compressor 2. indien Q2 het debiet 5 is (in gewichten per tijdseenheid] van de lucht die wordt voortgestuwd door de compressor 2, neemt de motor 1 daarvan een gedeelte Ql, terwijl de rest Q5 = Q2 - Ql de aftakleiding 5 benut. Vervolgens verdeelt het debiet Q5 zich in een debiet Q5a, dat wordt toegelaten in de secundaire zone 11 van de verbrandingskamer 6 via de smoormiddelen 10 12 (uitzettingsluchti en een debiet Q5b dat wordt toegelaten in de primaire zone 10 via smoormiddelen 13 en in een debiet Q40 dat via de openingen 40 en 33 wordt toegelaten in de bodem van de kamer 6. Het debiet Ql hangt af van de werking van de motor 1 en yan de turbodruk die wordt geleverd door de compressor 2.

15 Het relatieve ladingsverlies tussen de compressor 2 en de turbine 3 wijzigt volgens de formule die hierboven is gegeven.

De regelingsverschillen die zijn geconstateerd en de eventuele oorzaken daarvan, zijn de volgende: 1. het werkelijke relatieve ladingsverlies is kleiner 20 dan het relatieve nominale ladingsverlies: a] de eerste smoormiddelen 12 zijn normaal gesloten; het debiet Q2 van.de compressor 2 is onvoldoende (de motor 1 zuigt te veel lucht aan).; de fractie van het debiet Q5 dat niet is gecontroleerd, is zeer belangrijk, 25 bl de eerste smoormiddelen 12 vallen samen in de ge opende stand.

2. Het relatieve werkelijke ladingsverlies is hoger dan het relatieve nominale ladingsverlies: de eerste smoormiddelen 12 staan ver open en de para-30 sitaire ladingverliezen in de aftakleiding 5 zijn zeer hoog.

De conclusie is dat een lek door de tak 5a van de verbrandingskamer 6 bij lage belasting, bij compressordebiet Q2 en motordebiet Ql, tot gevolg heeft het verminderen van het debiet dat loopt door de eerste smoormiddelen 12.

35 Dan verhoogt men, zoals in de inleiding kort werd 8006837 * < 13 opgemerkt, het debiet van de compressor 2 maar men verslechtert op deze wijze het specifieke verbruik bij deellasten, of het debiet dat door de eerste smoormiddelen 12 loopt is onvoldoende. Dit blijkt op het punt van maximaal vermogen waarin de verhouding van het de-5 biet Ql gemeten op de motor 1 ten opzichte van Q2 die wordt geleverd door de compressor 2, het hoogste is. In dit geval is het werkelijke relatieve ladingverlies kleiner dan het relatieve nominale lading-verlies. Dit laatste wordt niet gehandhaafd, hetgeen in het bijzonder aantrekkelijk is voor een motor 1 die behoefte heeft om te wor-10 den gespoeld en, in het geval van viertaktmotoren, voor het specil-fieke verbruik (want de druk P3 stroomopwaarts van de turbine 3 neemt toe en derhalve wordt de stuwkracht van de motor 1 zeer verhoogd).

Om deze moeilijkheden op te heffen wordt de verbrandingsmotor 1 volgens de uitvinding in hoofdzaak. gekenmerkt, doordat 15 de inwendige en uitwendige cilindrische organen 16 en 17 (of mantels volgens het merendeel der uitvoeringsvormen), zodanige radiale afmetingen hebben dat, rekening houdend met de thermische uitzettings-coefficienten van de samenstellende materialen en boven- en ondergrenzen van hun werkingstemperaturen, er tussen hen altijd een vol-20 doende radiale speling a (figuur 4 en 6 - 12) bestaat om onafhankelijk van de werkingsomstandigheden van de hulpverbrandingskamer 6 elk zijdelings contact tussen de cilindrische organen te voorkomen. Bovendien zijn derde smoormiddelen 45 met variabele doorgangssectie stroomopwaarts of ter hoogte van cfe ω rresponderen^%oorgangen van 25 de tweede smoormiddelen gemonteerd in de circulatierichting van de lucht in de tweede tak 5b van de aftakleiding, en zijn zodanig ingericht, dat a) de minimale doorgangssectie nul is en hl onafhankelijk van de maten van respectieve ogen-30 blikkelijke opening van de tweede en derde smoormiddelen 13 en 45, de doorgangssectie van de derde smoormiddelen, tenzij nul, altijd veel groter (bij voorkeur tenminste vijfinaal), blijft dan de vrije sectie van de corresponderende doorgangen 14, 15 van de tweede smoormiddelen 13.

35 Volgens een bijzonder eenvoudige constructie bestaan 8 0 0 6 8 3 7 14 de derde smoormiddelen 45 uit een combinatie van een ringvormige af-sluitelement 46 (figuur 4 en 6) of 46c (figuur 9 en 10), dat één geheel vormt met de ene van de cilindrische organen 16 (figuur 4 en 6) of 17 (figuur 9 en 10), en uit een zitting 47 (figuur 4 en 6) of 5 47c (figuur 9 en 10), die ëën geheel vormt met het andere cilindri sche orgaan 17 (figuur 4 en 6) of 16 (figuur 9 en 10) en die samenwerkt met het ringvormige element 46 (figuur 4 en 6) of 46c (figuur 9 en 19) waarbij de diameter van deze zitting 47 of 47c veel groter is dan de respectieve diameters van de cilindrische organen 16 en 17. 10 Volgens een variant worden de derde smoormiddelen 45 gevormd door de combinatie van een ringvormig afsluitelement 46b (figuur 7 en 8) of 46d (figuur 11) dat overgaat in het vrije uiteinde van het uitwendige cilindrische orgaan 17, en uit een zitting 47b (figuur 7 en 8) of 47d (figuur 11) die êên geheel vormt met het 15 inwendige cilindrische orgaan 16 en samenwerkt met het vrije uiteinde, welke zitting 47b of d is opgesteld in de onmiddellijke nabijheid van de samenwerkende doorgangen. In het geval van deze variant worden de corresponderende doorgangen 14 en 15 slechts gevormd door een kroon van openingen met in zichzelf gesloten omtrek in de inwen-20 dige mantel 16, maar niet in de uitwendige mantel 17.

In het eerste geval (figuur 4, 6, 9 en 10) zijn de derde smoormiddelen 45 los ten opzichte van de tweede smoormiddelen 13, welke laatste worden gevormd door twee kronen van correspronderen-de openingen 14 en 15 die respectievelijk zijn aangebracht in de twee 25 mantels 16 en 17. Volgens de uitvoeringsvorm van de figuren 4 en 6 is de uitwendige mantel 17 vast en de inwendige mantel 16 is trans-lerend beweegbaar zoals in de constructie die bekend is uit de figuren 1 en 2, dat wil zeggen door zich naar links te verplaatsen in de figuren 4 en 6 voor het verkleinen van de gemeenschappelijke sectie 30 van de corresponderende openingen 14 en 15. Volgens de uitvoeringsvorm van de figuren 9 en 10 is daarentegen de inwendige mantel 16 vast en de uitwendige mantel 17 translerend beweegbaar. Volgens de diverse uitvoeringsvormen van de figuren 4, 6, 9 en 10 vormt de zitting 47 of 47c ëën geheel met de vaste mantel 17 of 16 via een stijve steun 35 48. Het afsluitelement 46 of 46c wordt gevormd door een platte schijf 8006837 » r 15 die is bevestigd aan het uitwendige opperylak van de beweegbare mantel 16 of 17.

Voor het beter begrijpen van het achtereenvolgens in werking treden van de tweede smoormiddelen 13 en de derde smoor-5 middelen 45/ lijkt het gewenst om een numeriek uitvoeringsvoorbeeld te geven. Aannemende dat de mantels 16 en 17 van figuur 4 elk 12 cirkelvormige openingen 14 en 15 hebben met een diameter 2r = 7 mmf waarbij x (in millimeter! de slag is van de beweegbare mantel 16 uitgaande van de stand van volledige samenvalling van de openingen 14 10 en 15, wordt het gemeenschappelijke oppervlak, van twee van de openingen aangegeven door de arcering van figuur 5. Indien men de halve hoek noemt in het midden van de boog waarin dit oppervlak wordt beschreven op elk van de cirkels die deze openingen begrenzen, is het gemeenschappelijke oppervlak of het totale bedekte oppervlak gelijk 15 aan: 48.e ( Xj^L . Ξ -2

l 180 4 I

, X ' waarin σ\ = arc cos — .

Het oppervlak rechts van de derde smoormiddelen 45, 20 dat wil zeggen tussen het afsluitelement 46 en de zitting 47 is 2 gelijk aan ongeveer (12 - xj maal 395 mm indien de zitting 47 een diameter heeft van 126 mm.

Men verkrijgt op deze wijze de volgende waarden als functie van x: 25 8006837 16 x (mm). <^.(°I totale gemeenschappelijk Doorgangsoppervlak oppervlak openingen van zitting 47 (mm;

14/ 15 (mmV

0 90 462 4750 1 81,8 399 4354 5 2 73,4 336 3958 3 64,6 275 3563 4 55,2 214 3167 5 44,4 154 2771 6 31,0 94 2375 10 70 0 1979 8 - 1583 9 - 1187 10 - 792 11 - - 396 15 12 - 0

Men constateert dat, behalve aan bet einde van de slag van de beweegbare mantel 16, de gemeenschappelijke sectie van de corresponderende openingen 14 en 15 netjes kleiner is dan de doorgangs-sectie ter hoogte van de zitting 47, in een verhouding die kleiner 20 is dan 1/5. De drukverlaging die omgekeerd evenredig is aan het kwadraat van de doorgangssecties, treedt dus aan weerszijden van de corresponderende openingen 14 en 15 op en niet aan weerszijden vein de zitting 47. Men heeft dus een goede binnendringing van de luchtstra-len in de primaire zone 10. Slechts aan het einde van de slag van 25 de beweegbare mantel 16, komt het afsluitelement 46 in aanraking met de zitting 47. Men vermijdt daardoor een aanzienlijk luchtlek door de ringvormige speling a. Het is dus gewaarborgd, dat het debiet Q1 dat door de motor 1 wordt geabsorbeerd, voldoende is, zonder dat de compressor 2 behoeft te worden overgedimensioneerd. Niettemin gaat een 30 voldoende luchtdebiet door de openingen 33 voor het voeden van de injecteur 18 in het gebied van lage belasting, en door de openingen 40 voor het afkoelen van de wanden van de hulpverbrandingskamer 6.

De uitvoeringsvorm van figuur 6 verschilt van die van figuur 4 slechts door het feit, dat de openingen 33 en 40 niet 35 stroomopwaarts (figuur 4) zijn opgesteld, maar stroomafwaarts (figuur 8 0 0 6 8 3 7 » 17 61 van de derde smoormidtellen 45, hetgeen nog bijdraagt aan het verbeteren van de verhouding

De uitvoeringsvorm van figuur 7 wijkt af van die van figuur 4, enerzijds door het feit dat de inwendige mantel 16 zich 5 translerend verplaatst in tegengestelde richting (dat wil zeggen naar rechts van figuur 7} voor het verkleinen van de gemeenschappe- de lijke sectie van de corresponderen doorgangen 14 en 15, en anderzijds door het feit dat de derde smoormiddelen 45 zijn verenigd met de tweede smoormiddelen 13. Zoals in het voorgaande geval is de inwen-10 dige mantel 16 voorzien van een kroon van gescheiden cirkelvormige openingen 14, maar de openingen 15, die samenvallen met de openingen 14, zijn verenigd tot een enkelvoudig ringvormig interval tussen de vrije rand van de hulpmantel 49, die coaxiaal wordt gedragen door de beweegbare inwendige mantel 16 aan het uitwendige daarvan en vormt 15 de zitting 47b, en het ringvormige afsluitelement 46b, dat wordt gevormd door het vrije achtereinde van de vaste uitwendige mantel 17.

Dit vereist uiteraard een geschikte aanpassing van de middelen die het debiet regelen van de brandstof die aan de injecteur 18 wordt toegevoerd.

20 De uitvoeringsvorm van figuur 8 wijkt slechts af van die van figuur 7 door het feit, dat de openingen 33 en 40 niet stroomopwaarts (figuur 71 zijn opgesteld maar stroomafwaarts (figuur 8). van de derde smoormiddelen 45. Dit vereist slechts het aanpassen van de plaats waar de hulpmantel 49 is bevestigd aan de bodem 24 of aan de 25 cilinder 34.

De uitvoeringsvorm van figuur 9 wijkt af van die van figuur 4 door het feit, dat de uitwendige mantel 17, in de plaats van vast te zijn (figuur 41, translerend beweegbaar is (figuur 91, terwijl de inwendige mantel 16, in de plaats van beweegbaar te zijn 30 (figuur 41 vast is (figuur 91. Hierdoor vormt het ringvormige afsluitelement 46 of 46c ëën geheel, niet met de inwendige mantel 16 (figuur 41 maar met de uitwendige mantel 17 (figuur 91. In deze twee gevallen verplaatst de beweegbare mantel 16 (figuur 41 of 17 (figuur 91 zich in.dezelfde richting.

35 De uitvoeringsvorm van figuur 10 wijkt slechts af 8006837 18 van die van figuur 9 door het feit, dat de openingen 33 en 40 niet stroomopwaarts (figuur 9) maar stroomafwaarts (figuur 10) van de derde smoormiddelen 45 zijn opgesteld. Hiertoe zijn de openingen 29 die zijn aangebracht in de uitwendige mantel 17 voor het voeden 5 van de openingen 33 en 40, ofwel stroomopwaarts (figuur 9) of stroomafwaarts (figuur 10) van het ringvormige afsluitelement 46c geplaatst.

De uitvoeringsvorm van figuur 11 wijkt af van die van figuur 8 door het feit, dat de uitwendige mantel 17, in de plaats van vast (figuur 8) translerend beweegbaar is (figuur 11), terwijl de 10 inwendige mantel 16 in de plaats van beweegbaar (figuur 8) vast (figuur 11) is uitgevoerd.

De werking van de uitvoeringsvorm van de figuren 6 - 11 is analoog aan de werking van figuur 4, waarbij de wijzigingswetten van de tweede en derde smoormiddelen 13 en 45 een beetje 15 zijn gewijzigd maar leiden tot hetzelfde globale effect.

De uitvoeringsvorm van figuur 12 wijkt af van die van figuur 4 op de volgende punten: a) zoals hierboven is aangegeven zijn meerdere injec-teurs 18 in een kroon opgesteld ter vervanging van een enkelvoudige 20 injecteur.

b) De inwendige en uitwendige cilindrische organen die zijn voorzien van corresponderende openingen, worden niet gevormd door een paar van mantels 16 en 17 maar door een vaste uitwendige mantel 56 die via luchttoegangsgaten 55 is verbonden met de stuw- 25 leiding 4, en door een cilindrische plunjer 57 die kan glijden in het inwendige van de mantel 56.

c) de corresponderende openingen worden in dit geval gevormd door in lengterichting lopende groeven 54 die zich bevinden in de cilindrische plunjer 57 volgens axiale vlakken en staan perma- 30 nent in verbinding met de toegangsgaten 55 en op een wijze die analoog is aan de constructie van de figuren 7 en 8 door een ringvormig interval tussen de vrije rand van de vaste mantel 56, die het afsluit-element 46b vormt, en een ringvormige zitting 47b die wordt gedragen door het vrije uiteinde van de cilindrische plunjer 57.

35 In de definitie van verbrandingsmotoren waarop de 8006837 > 19 uitvinding betrekking heeft, is voor wat betreft de twee inwendige en uitwendige cilindrische organen aangegeven, dat de ene tenminste een gedeelte begrenst van de primaire zone terwijl de andere tenminste een holte begrenst die direkt is verbonden met de uitgang van 5 de compressor, De uitdrukking "direkt verbonden" veronderstelt "wel of niet in aanwezigheid van derde smoormiddelen 45 volgens de uitvinding" omdat, zoals uit de figuren 4 en 6 blijkt, het mogelijk is dat deze smoormiddelen zijn opgenomen tussen de uitgang van de compressor en de holte die tenminste gedeeltelijk wordt begrensd 10 door êên van de inwendige en uitwendige cilindrische organen.

8006837

Claims (8)

1., Turboverbrandingsmotor, in het bijzonder een turbodieselmotor, enerzijds bestaande uit een compressor die op parallelle wijze buitenlucht levert aan de motor en aan een aftak-5 leiding waarin een hulpverbrandingskamer is aangebracht, en anderzijds uit een turbine die de uitlaatgassen van de motor en de uit de hulpverbrandingskamer gestoten gassen ontvangt en die de compressor op mechanische wijze aandrijft, welke aftakleiding is verdeeld in twee hoofdtakken 10 waarvan de eerste uitmondt in een expansiezone of "secondaire zone" stroomafwaarts van het stroomopwaartse deel of "primaire zone" van de hulpverbrandingskamer en is voorzien van eerste smoormiddelen met variabele doorgangssectie, en waarvan de tweede tak begint op een plaats van de eerste tak die zich stroomopwaarts van de eerste smoor-15 middelen bevindt en uitmondt in de primaire zone via tweede smoormiddelen van de doorgangssectie, welke tweede smoormiddelen corresponderende doorgangen met gemeenschappelijk variabele vrije sectie hebben, die respectievelijk zijn aangebracht in twee ten opzichte van elkaar beweegbare 20 inwendige en uitwendige cilindrische organen waarvan de ene tenminste gedeeltelijk de primaire zone begrenst terwijl de andere tenminste gedeeltelijk een holte begrenst die direkt met de uitgang van de compressor is verbonden, terwijl tenminste eën brandstofinjecteur in de onmiddellijke nabijheid van de corresponderende doorgangen in de pri-25 maire zone uitmondt, terwijl middelen zijn aangebracht voor het korrela-tief wijzigen van het debiet van de brandstofinjecteur(s) en, door een relatieve verplaatsing van de inwendige en uitwendige cilindrische organen, van het luchtdebiet, dat de primaire zone binnen-30 treedt door de gemeenschappelijke vrije sectie van de corresponderende doorgangen, met het kenmerk, dat de tweede smoormiddelen (13) parallel aan de corresponderende doorgangen (14 en 15) ook doorgangen (33 en 40) 35 met constante doorsnede hebben, 8006837 * dat de inwendige en uitwendige cilindrische organen (16 en 17) zodanige radiale afmetingen hebben dat, rekening houdend met de thermische uitzettingscoefficienten van de samenstellende materialen en boven·" en ondergrenzen van hun werkingstemperaturen, 5 er tussen hen altijd een voldoende radiale speling Ca) bestaat om onafhankelijk van de werkingsomstandigheden van de hulpverbrandings-kamer (6) elk zijdelings contact tussen de cilindrische organen te voorkomen, en dat derde smoormiddelen (45) met variabele doorgangs-10 sectie stroomopwaarts of ter hoogte van de corresponderende doorgangen van de tweede smoormiddelen zijn gemonteerd in de circulatierichting van de lucht in de tweede tak (5b) van de aftakleiding, en zodanig zijn ingericht, dat a) de minimale doorgangssectie nul is, en 15 b) onafhankelijk· van de maten van de respectieve ogenblikkelijke opening van de tweede en derde smoormiddelen (13 en 45), de doorgangssectie van de derde smoormiddelen, tenzij nul, altijd veel groter blijft dan de vrije sectie van de corresponderende doorgangen van de tweede smoormiddelen.

2. Motor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste smoormiddelen (12) zijn ingericht voor het te weeg brengen van een drukverlaging die praktisch onafhankelijk is van de verhouding tussen het luchtdebiet in de aftakleiding (5) en het totale luchtde-biet dat door de compressor wordt geleverd maar dat in dezelfde rich-25 ting varieert als de druk die stroomopwaarts van de eerste smoormiddelen heerst.

3, Motor volgens conclusie .1 of 2, met het kenmerk, dat de verhouding tussen de doorgangssectie yan de derde smoormiddelen (45) tenzij nul, en de vrije sectie van de corresponderende 30 doorgangen (14, 15)en van de tweede smoormiddelen (13) in al hun res-pectieye ogenblikkelijke standen groter blijft dan vijf.

4, Motor volgens één der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de derde smoormiddelen (45) bestaan uit de combinatie van een ringvormig afslnitelement (46, 46c) dat is gemon-35 teerd op êén van de cilindrische organen (16 of 17), en een zitting 8006837 (47, 47c) die een geheel vormt met het andere cilindrische orgaan (17 of 16) en samenwerkt met het ringvormige element, waarbij de diameter van deze zitting veel groter is dan de respectieve diameters van de cilindrische organen.

5. Motor volgens ëén der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de derde smoormiddelen (45) bestaan uit de combinatie van een ringvormig afsluitelement (46b of d) dat overgaat in het vrije uiteinde van het uitwendige cilindrische orgaan (17), en een zitting (47b of d) die een geheel vormt het het in-10 wendige cilindrische orgaan (16) en samenwerkt met dat vrije uiteinde, welke zitting in de onmiddellijke nabijheid van de corresponderende doorgangen (14, 15) is opgesteld.

6. Motor volgens conclusie 1-5, met het kenmerk, dat de doorgangen (33 en 40) van constante sectie van de tweede 15 smoormiddelen (13) op directe wijze in verbinding staan met de holte (32) die met de uitgang van de compressor is verbonden.

7. Motor volgens conclusie 1-5, met het kenmerk, dat de doorgangen (33 en 40) van constante sectie van de tweede smoormiddelen (13) via de derde smoormiddelen (45) in verbinding 20 staan met de holte (32) die met de uitgang van de compressor is verbonden.

8. Motor zoals weergegeven in de tekening en/of beschreven aan de hand daarvan. 8006837