NL8602238A - Zuiger-verbrandingsmotor. - Google Patents

Description

T-4P . ' % t

ZUIGER—VERBRANDINGSMOTOR

De uitvinding heeft betrekking op een zuiger-verbran-dingsmotor omvattende ten minste één zuiger/cilinderstelsel en een compressor en voorzien van luchtinlaat-/ brandstoftoevoer- en uitlaatgasafvoermiddelen.

5 Zuiger-verbrandingsmotoren zijn algemeen bekend en worden toegepast als onafhankelijke krachtbron zowel in stationaire opstellingen als in voertuigen. In het bijzonder motoren voor deze laatste toepassing hebben een aantal bezwaren/ waaronder het optreden van schadelijke bestanddelen in 10 de uitlaatgassen/ welke bezwaren door kunstgrepen weggenomen moeten worden/ zoals in dit geval het toepassen van een katalysator in de uitlaatgasleiding.

Het doel van de uitvinding is een motor van de in de aanhef omschreven soort te verschaffen die beter geschikt is 15 voor gebruik in voertuigen.

Bij een verbrandingsmotor volgens de uitvinding wordt dit bereikt doordat de motor een vaste verbrandingskamer omvat/ waarmee de brandstoftoevoermiddelen en een uitlaat van de compressor zijn verbonden/ en het zuiger/cilinderstelsel 20 ten minste twee7 in serie met een uitlaat van de verbrandingskamer verbonden zuiger/cilindersamenstellen, waarvan het tweede en volgende een groter slagvolume heeft dan het voorgaande/ omvat/ zodanig dat verbrandingsgas uit de verbrandingskamer in ten minste twee trappen in het zuiger/cilinder-25 stelsel kan expanderen. Hierdoor kan de verbranding in de uitwendige verbrandingskamer continu geschieden/ onder ideale omstandigheden. Ten opzichte van de verbranding in een inwendige verbrandingsmotor/ die binnen zeer korte tijd moet geschieden/ zijn de omstandigheden bij de motor volgens de uit-30 vinding aanmerkelijk gunstiger. Ook bij hoge toerentallen is voldoende tijd voor een volledige verbranding beschikbaar.

Het maximaal toerental van de motor wordt daardoor voor het overgrote gedeelte slechts bepaald door de mechanische eisen.

8602233 > Λ 2

Het motorkoppel is nagenoeg alleen afhankelijk van de druk in de verbrandingskamer.

Door de meertraps-expansie wordt de maximale lagerbe-lasting in de motor aanzienlijk beperkt/ hetgeen gunstig is 5 voor het toelaten van een hoog toerental en/of een zeer lichte bouw.

Het expansievolume van de tweede trap/ of wanneer meer dan twee trappen aanwezig zijn/ in de laatste trap/ is zo groot/ dat het in de eerste trap toegevoerde volume aan 10 -verbrandingsgas tot een lage einddruk kan expanderen/ en daarbij arbeid kan leveren.

Door deze gunstige eigenschappen is de zuiger-ver-brandingsmotor volgens de uitvinding bijzonder geschikt voor toepassing in een motorvoertuig. Doordat hoge toerentallen 15 bereikbaar zijn en door het constante motorkoppel kan de motor kleiner en lichter worden gebouwd dan een conventionele zuigermotor met overeenkomstige prestatie. Door de schone verbranding zijn geen extra maatregelen voor het reinigen van het uitlaatgas nodig.

20 De verbranding vindt plaats bij constant volume en kan bij hoge druk geschieden/ hetgeen uit het oogpunt van thermodynamisch rendement gunstig is.

Een extra voordeel van de motor volgens de uitvinding is dat door de constante verbranding de geluidsproduktie tij-25 dens het bedrijf zeer gering is.

Met de maatregel van conclusie 2 wordt een gunstige constructie bereikt/ die in principe niet sterk afwijkt van de bekende inwendige verbrandingsmotoren/ zodat de op dat gebied verzamelde uitgebreide kennis kan worden benut.

30 Met de maatregel van conclusie 3 wordt een verdere vermindering van de lagerbelasting bereikt/ doordat slechts de resultante van de op de zuigers werkende krachten naar de krukas wordt doorgeleid.

Door uitvoering van de motor volgens de uitvinding *35 met rotatiezuigers/ volgens conclusie 4/ kunnen de algemeen bekende voordelen van dit type motor worden benut/ terwijl . de algemeen bekende nadelen/ die hoofdzakelijk in de onvolledige verbranding liggen/ niet optreden.

860 2 23 8 3

Met de maatregel van conclusie 5 wordt bereikt dat de verhitting van de rotatiezuiger door expanderend gas afgewisseld wordt met afkoeling door aangezogen verbrandingslucht.

Door toepassing van roterende kleppen kan een nauw- 5 keurige dosering van de hoeveelheid in de eerste trap van de expansor toegelaten verbrandingsgas worden bereikt.

»

Gebleken is dat de maatregel van conclusie 7 de tem-peratuurbelasting van de eerste trap van het expansie-zuiger/ cilinderstelsel binnen voor gebruikelijke constructiemateria-10 len toelaatbare grenzen blijft.

Bij voorkeur wordt echter volgens conclusie 8 de eerste trap van het expansie-zuiger/cilinderstelsel uitgevoerd in hittebestendig keramisch materiaal. Hierdoor kan afgezien worden van een koelsysteem. Aangezien het expanderende gas 15 door de initiële expansie reeds aanzienlijk afkoelt/ is de temperatuurbelasting van de volgende trap of trappen zonder koeling niet te hoog.

Met de maatregel volgens conclusie 9 wordt bereikt/ dat de hoofdlagerbelasting van de krukas geringer is, aange-20 zien een gedeelte van de door de expansor geleverde kracht direkt via de krukastap doorgegeven wordt aan de compressor.

De uitvinding zal verder toegelicht worden in de navolgende beschrijving van een aantal in de bijgevoegde tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeelden.

25 Fig. 1 -toont een langsdoorsnede van een motor volgens de uitvinding met een opstelling van de compressie- en expan-sie-cilinderstelsels in lijn.

Fig. 2 toont een dwarsdoorsnede van een motor met cilinders in V-opstelling.

30 Fig. 3 toont een geschematiseerde andere uitvoerings vorm van de motor volgens de uitvinding.

Fig. 4 toont weer een andere uitvoeringsvorm.

De geschematiseerde motor 1 van fig. 1 omvat een eerste zuiger/cilinderstelsel 2 en een tweede zuiger/cilinder-35 stelsel 3. Deze stelsels zijn op bekende wijze gekoppeld met een krukas 4.

Het eerste zuiger/cilinderstelsel 2 vormt een twee-traps-compressor met een eerste zuiger 7, die bij beweging 060 2 238 i- Λ 4 naar beneden via de klep 8 lucht aanzuigt in de cilinderkamer 12. Bij opgaande beweging van de zuiger 7 wordt de bij de vorige slag aangezogen lucht via het perskanaal 9 in de tweede cilinderkamer 13 geperst. De beweging van de zuiger 7 is ge-5 koppeld met die van de zuiger 11, zodat de volumevergroting van de cilinderkamer 13 evenredig met de volumeverkleining van de cilinderkamer 12 verloopt. In het perskanaal 9 is een terugslagklep 10 opgenomen.

Bij de daarop volgende neerwaartse slag van het zui-10 gerstelsel wordt de lucht in de cilinderkamer 13 eerst verder gecomprimeerd en vervolgens via de klep 17 in de verbran-dingskamer 18 geperst. Door deze compressie in twee trappen kan een hoge einddruk worden bereikt en is bovendien de la-gerbelasting op de krukas gunstig in de tijd gespreid.

15 In de verbrandingskamer 18 wordt een gewenste hoe veelheid brandstof via de brandstoftoevoer 19 toegevoerd. Deze brandstof wordt bij het starten van de motor met behulp van de ontsteking 20 tot ontbranding gebracht. Tijdens bedrijf van de motor vindt in de verbrandingskamer 18 een con-,20 stante verbranding plaats, zodat geen ontsteking meer nodig is.

De in de verbrandingskamer 18 gevormde hete verbrandingsgassen die op grond van bekende thermodynamische overwegingen een grotere energie-inhoud hebben dan de in de ver-25 brandingskamer 18 geperste lucht, worden in het tweede zui-ger/cilinderstelsel 3 geëxpandeerd, waarbij deze in de gassen aanwezige energie gedeeltelijk omgezet wordt in mechanische energie.

De verbrandingsgassen worden via het kanaal 25 en de 30 klep 26 onder de zuiger 24 in de eerste trap gebracht. De klep 26 wordt zodanig bediend dat tijdens een gedeelte van de opwaartse slag van de zuiger 24 gas onder druk wordt toegevoerd; hierbij en bij de verdere opwaartse slag wordt arbeid geleverd. Zodra de zuiger 24 in zijn bovenste dode punt is 35 aangekomen, wordt de klep 30 over een kwart slag in de richting tegen de klok in, in de stand van fig. 1 gedraaid, zo-- dat het in de cilinderkamer 27 aanwezige gas onder druk naar de cilinderkamer 28 van de tweede trap kan stromen. De zui- 860 2 238 5 * ger 29 wordt door het expanderende gas naar beneden gedreven/ waarbij arbeid wordt geleverd die op de krukas 4 wordt overgebracht.

Zodra de zuiger 29 in de onderste stand is aangeko— 5 men/ wordt de klep 30 weer een kwart slag in de richting van de klok terug gedraaid. In de eerste cilinderkamer 27 wordt opnieuw gas onder druk toegevoerd/ terwijl het geëxpandeerde gas uit de cilinderkamer 28 via leiding 31 wordt afgevoerd.

De motor kan zodanig gedimensioneerd worden/ dat de 10 door het zuiger/cilindersysteem 24/27 gedoseerde hoeveelheid gas in de laatste expansietrap tot atmosferische druk expandeert. Bij de opwaartse slag van de zuiger 29 kan het verbrandingsgas dan zonder drukverschil via de uitlaatklep 30 naar buiten worden verdrongen. Doordat geen drukverschil aan-15 wezig is/ is de geluidsproduktie nagenoeg nihil.

Het zal duidelijk zijn dat de volumes van de verschillende trappen in de compressor zowel als in de expansor binnen redelijke grenzen vrij gekozen kunnen worden/ zodat voor bepaalde bedrijfsomstandigheden optimale resultaten wor-20 den bereikt. De getrapte expansie heeft het voordeel dat de maximale lagerbelasting aanzienlijk kleiner is dan wanneer bijvoorbeeld het te expanderen verbrandingsgasvolume direkt in de laatste expansietrap gebracht zou worden. Door de koppeling van de zuigers op de aangegeven wijze wordt slechts 25 een verschilkracht op de krukas overgebracht/ hetgeen de lagerbelasting verder beperkt.

De in fig. 2 getoonde motor volgens de uitvinding omvat twee zuiger/cilinderstelsels die op op zichzelf bekende wijze in een V-opstelling zijn geplaatst. Het compressie-zui-30 ger/cilinderstelsel 41 en het expansie-zuiger/cilinderstel-sel 42 zijn door middel van hun drijfstang gekoppeld met één kruk van de krukas 44. Door de V-opstelling ontstaat in de compressie- en de expansieslag een vaste faseverschuiving/ de fasehoek waarvan wordt bepaald door de hoek van de V. Aan-35 gezien de inhoud van de verbrandingskamer 43 overeenkomt met enige malen/ bijvoorbeeld tienmaal/ de inhoud van de laatste compressietrap resp. eerste expansietrap/ is dit voor de werking van de motor van geen belang. Bij de in fig. 1 getoonde 660 2 23 3 - 4- ^ 6 uitvoering is een faseverschuiving van 180° aanwezig,. die echter ook met het oog op balancering anders gekozen kan worden. Hoewel in fig. 1 en 2 telkens slechts één compressie-zuiger/cilinderstelsel en één expansie-zuiger/cilinderstel-5 sel wordt getoond, kan een motor een aantal van deze paren omvatten. Daarbij kan de verbrandingskamer voor alle paren gemeenschappelijk zijn.

Bij een V-opstelling zoals in fig. 2 zal de verbrandingskamer 43 zich dan evenwijdig aan de krukas uitstrekken. 10 Deze opstelling maakt dus een compacte bouw mogelijk. In de verbrandingskamer 43 is een scheidingswand 45 opgenomen. Deze ,scheidingswand is aan de langseinden van openingen voorzien, zodat een gelijkmatige stroming van de verbrandingsgassen wordt bereikt. Als alternatief kan de scheidingswand 45 15 ook een geperforeerde plaat zijn die een gelijkmatige stroming verzekert.

Aangezien bij de motor volgens'de uitvinding de compressie en de expansie in gescheiden systemen plaatsvindt, kunnen de compressor en expansor voor hun betreffende func-20 tie optimaal worden geconstrueerd. Zoals bij de schematisch in fig. 3 getoonde motor 50 volgens de uitvinding kan de compressor 51 dus bijvoorbeeld een Rootes-compressor zoals weergegeven, of ook een schroefcompressor of dergelijke zijn. Het expansie-zuiger/cilinderstelsel wordt bij de motor 50 ge-25 vormd door een rotatiezuigerstelsel. Bij de hier getoonde uitvoering zijn de rotatiezuigerstelsels van het bekende type waarbij de rotatiezuiger driehoekig is en de "cilinder"-ruimte tweevoudig is. Zoals getoond worden de verbrandingsgassen uit de verbrandingskamer 52 toegevoerd aan zowel de 30 eerste "cilinder"ruimte 55 als de tweede "cilinder"ruimte 56 van de eerste expansietrap 53. Bij een zuiger/cilinderstel-sel van dit type verzorgt de rotatiezuiger zelf het openen en sluiten van de inlaat- en uitlaatpoorten, zodat afzonderlijke kleppen overbodig zijn. De eerste expansietrap 53 do-35 seert in deze configuratie telkens een bepaald volume verbrandingsgas, dat in de tweede expansietrap verder expandeert. Door een geschikte plaatsing van de inlaatpoorten kan in de eerste expansietrap een eerste expansie optreden. De 8602 238 • ' * 7 compressor 51 en de rotatiezuigers van de eerste en tweede expansietrap 53/ 54 kunnen direkt gekoppeld zijn.

Bij de motor 60 van fig. 4 zijn de compressor en ex-pansor gecombineerd. Bij het eerste rotatiezuigerstelsel 64 5 vormt de rechter kamer 65 de eerste compressortrap. De in deze kamer 65 aangezogen lucht wordt naar de kamer 67 van het tweede rotatiezuigerstelsel 63 geperst. De inhoud van de kamers in het tweede rotatiezuigerstelsel is kleiner dan die van het eerste rotatiezuigerstelsel 64. üit de kamer 67 van 10 het tweede rotatiezuigerstelsel 63 wordt de verbrandingslucht in de verbrandingskamer 62 geperst. De verbrandingsgassen uit de kamer 62 worden weer toegevoerd aan de ka.mer 68 van het stelsel 63 en de door de werking van de rotatiezui-ger gedoseerde hoeveelheid verbrandingsgas wordt toegevoerd 15 aan de kamer 66 van het stelsel 64/ waar deze hoeveelheid verbrandingsgas verder expandeert en arbeid levert, üit de kamer 66 wordt de verbrandingslucht naar buiten afgevoerd.

Het voordeel van de motor 60 is dat de rotatiezuigers daarin afwisselend in contact komen met het hete ver-20 brandingsgas en de koele aangezogen lucht. Hierdoor blijft de temperatuur van de rotatiezuigers voldoende laag. In een praktische uitvoeringsvorm kan het tweede rotatiezuigerstelsel dezelfde dwarsdoorsnede hebben als het eerste rotatiezuigerstelsel/ maar evenredig smaller zijn uitgevoerd. De ver-25 bindingen tussen de poorten van de beide stelsels worden dan bijzonder kort/ zodat een zeer compacte constructie wordt verkregen.

Het spreekt vanzelf/ dat ook bij de motor 50 en 60 de inlaat van verbrandingsgas onder druk in het stelsel 53/ 30 63 geregeld kan worden met behulp van eerr klep/ op de wijze zoals beschreven aan de hand van fig. 1 en 2.

8502238

Claims (9)

1. Zuiger-verbrandingsmotor omvattende ten minste één zuiger/cilinderstelsel en een compressor en voorzien van luchtinlaat-/ brandstoftoevoer- en uitlaatgasafvoermiddelen/ met het kenmerk/ dat de motor een vaste verbrandings- 5 kamer omvat/ waarmee de brandstoftoevoermiddelen en een uitlaat van de compressor zijn verbonden/ en dat het zuiger/cilinderstelsel ten minste twee/ in serie met een uitlaat van de verbrandingskamer verbonden zuiger/cilindersamenstellen, waarvan het tweede en volgende een groter slagvolume heeft 10 dan het voorgaande/ omvat/ zodanig dat verbrandingsgas uit de verbrandingskamer in ten minste twee trappen in het zuiger/cilinderstelsel kan expanderen.

2. Motor volgens conclusie 1/ met het kenmerk/ dat de compressor een tweede/ meertraps zuiger/cilinderstel- 15 sel is.

3. Motor volgens conclusie 1 of 2, met het k e n -m e r k/ dat elk zuiger/cilinderstelsel van het reciprocerende type is, waarbij de samenstellen van elk stelsel coaxiaal zijn en de zuigers daarvan door een trekstang vast met el- 20 kaar zijn verbonden/ terwijl de effectieve cilinderruimtes zich aan de naar elkaar toegekeerde zijden van de zuigers bevinden.

4. Motor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk/ dat elk zuiger/cilinderstelsel van het rotatiezui— 25 ger-type is/ waarbij de samenstellen van elk stelsel op dezelfde as zijn gemonteerd.

5. Motor volgens conclusie 4, met het kenmerk/ dat de rotatiezuigers van het driehoekige type met tweevoudige "cilinder"ruimte zijn/ waarbij van elk samenstel de ene 30 ruimte tot de compressor en de andere ruimte tot de expansor behoort.

6. Motor volgens één van de voorgaande conclusies/ met het kenmerk/ dat de verbrandingsgasstroom regelende kleppen in het expansie-zuiger/cilinderstelsel van het 35 roterende type zijn. 8602238 9 •i

7. Motor volgens één van de voorgaande conclusies/ met het kenmerk/ dat een klep in de uitlaatleiding van de verbrandingskamer zodanig wordt bestuurd/ dat deze gedurende in hoofdzaak het eerste kwart van de slag van de eer- 5 ste· zuiger van het expansie-zuiger/cilinderstelsel is geopend.

8. Motor volgens één van de voorgaande conclusies/ met het kenmerk/ dat de eerste trap van het expansie-zuiger/cilinderstelsel uitgevoerd is in hittebestendig kera- 10 misch materiaal.

9. Motor volgens conclusie 3/'met het kenmerk/ dat de beide zuiger/cilinderstelsels onder een hoek ten opzichte van elkaar zijn opgesteld en samenwerken met dezelfde krukastap. 350 2 238