SE521969C2 - Anordning och förfarande för bränsleinsprutning i en förbränningsmotor samt förbränningsmotor - Google Patents

Description

»n-.n 521 969 n. u.. met. Totalt resulterar detta i en jämnare temperaturfördel- ning.

Vid förbränningsmotorer av det slag som tillämpar förbränning av en homogen, förblandad bränsle-luftblandning har det visat sig att emissionsproblemen vad avser skadliga föreningar såle- des är möjliga att reducera. Emellertid vidlådes motortypen av ett antal nackdelar, av vilka kan nämnas ett snävt belast- ningsområde. Det krävs för acceptabel drift att tändningen sker vid ett begränsat läge nära arbetskolvens övre dödpunkt.

Förbränningens start beror emellertid av flera parametrar, men i första hand av temperaturen och trycket i förbränningsrum- met. Eftersom temperaturen i sin tur är höggradigt beroende av laddtryck och belastning, kommer därför gasmassans antänd- ningstidpunkt att variera väsentligt. Detta innebär dålig verkningsgrad för motorn och att den termiska belastningen på motorn blir stor om tändningstidpunkten ligger för tidigt, vilket tenderar att uppträda vid hög last. Är tändningstid- punkten däremot sen, blir även i detta fall verkningsgraden dålig och dessutom förbränningen ofullständig, resulterande i höga emissioner av HC (kolväten).

Ett ytterligare problem är att antändningstidpunkten inte är stabil. Som exempel antas antändningstidpunkten vara i området av över dödpunkten för arbetskolven. En ringa ändring av antändningstidpunkten relativt tidigare tändningsförhållande till övre dödpunkten ger en motsvarande ökning av motorns ter- miska belastning, vilket kommer att ge nästa cykel högre tem- peratur o.s.v., vilket ytterligare driver iväg tändningstid- punkten mot än tidigare tändning i förhållande till den övre dödpunkten i ett eskalerande förlopp med skadliga konsekven- SGI' . 70067; 00-05-02 . 25 521 969 . > a ~ .- Det har föreslagits att i en motor kombinera HCCI-processen med Dieselprocessen genom att inspruta en andel av bränslet i cylindern i området av den övre dödpunkten för kolven i gas- växlingstakten. Detta medför bildande av en homogen, förblan- dad bränsle-luftblandning med en första mängd av bränslet införd redan under inloppsfasen. Den resterande andelen av bränslet som ska ingå i förbränningen direktinsprutas in i cylindern för sedvanlig initiering av förbränningen av denna andel, varigenom den första homogent blandade mängden utnytt- jas som en förvärmare och tändningsinitiator för den sedan in- sprutade bränslemängden. Detta system kräver emellertid in- sättning av extrautrustning i form av speciella insprutare samt drivningar därför och sammantaget en icke obetydlig kost- nadsökning för motorn.

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att anvisa en anordning och ett förfarande, vid vilka nackdelarna med den kända tekniken elimineras eller åtminstone reduceras. Det är även ett ändamål att tillhandahålla en anordning och ett för- farande, genom vilka förbättrad drift av fyrtakts förbrän- ningsmotorer kan erhållas.

Dessa ändamål uppnås enligt uppfinningen genom en anordning och ett förfarande för bränsleinsprutning av inledningsvis nämnt slag i enlighet med den kännetecknande delen av patent- kravet l respektive 6.

Härigenom uppnås att konventionella, i förbränningsmotorn befintliga komponenter kan användas efter endast en ringa modifiering. De respektive bränsleandelarna låter sig på ett fördelaktigt sätt styras så att en för varje driftfall lämplig fördelning kan erhållas. 70067; 00-05-02 lqmø 521 969 - Q v @ a n . » . nu Principen med uppfinningen kan tillämpas vid alla dieselmoto- rer och med olika dieselbränslen. I synnerhet kan uppfinningen tillämpas vid drift med svårtända bränslen såsom t. ex. etanol och metanol.

Vid konventionella dieselmotorer med etanoldrift kan man i vissa driftfall köra motorn på ren etanol, t ex vid hög last.

Vid lägre last uppstår emellertid problem vid drift med rent etanolbränsle, varför i bränslet konventionellt måste inblan- das en s. k. tändförbättrare, t ex en nitrerad förening eller t ex polyetylenglykol. Genom uppfinningen kan emellertid dieseldrift med svårtända bränslen såsom etanol, möjliggöras utan tillsats av tändförbättrare, eftersom den första, homo- gent blandade bränsleandelen, vid t. ex. låg last, i praktiken kommer att fungera som en tändförbättrare och, enligt ovan, i praktiken även som en förvärmare, så att den andra, inspru- tade, andelen säkert antänds vid den önskade tidpunkten.

Insprutningen av den första andelen av bränslet sker vid en fas då varma restgaser från tidigare förbränningscykel finns kvar i cylindern, vilket befrämjar förângningen av det inspru- tade bränslet. Detta är särskilt effektivt med fallet diesel- olja. Etanol skulle kunna sprutas in senare, eftersom det är mer lättflyktigt. Under insugningstakten insugen (eller inma- tad) luft tillåts effektivt blandas med det föràngade eller åtminstone väsentligen förångade bränslet så att en homogen bränsle-luftblandning resulterar i hela förbränningsrummet.

Genom att variera förhållandet mellan den första och andra andelen beroende på rådande drifttillstånd kan motordriften optimeras. Verkningsgraden vid ett brett spektrum av driftfall kommer därmed att öka. Som exempel kan nämnas att det vid nor- 70067; 00-05-02 u a>| :in -30 1» n , 25 521 969 o . e . u - - f n av mal körning på full last kan vara möjligt att klara sig med en liten första andel bränsle tillförd för att etablera en homo- gen bränsleblandning, under det att det vid lägre last är eftersträvansvärt att ha större mängd etablerad homogen bränsle-luftblandning.

Enligt uppfinningen erhålls låga NOX-emissioner, och det kan vara fördelaktigt att även av denna anledning tillse att det tillförda bränslet vid tomgång och låg last uteslutande, respektive i stor utsträckning, utgörs av ”den första andelen” bränsle. Uppfinningen har även betydande potential att redu- cera sotbíldningen. Man kan också förvänta sig viss reducerad bränsleförbrukning.

Genom utformningen med dubbla kamnockar på den insprutarenhe- ten påverkande kamaxeln behöver i princip motorn endast kompletteras med en kamnock, vilken påverkar insprutaren på ett tidsmässigt valt avstånd från den ordinarie kamnocken samt mjukvara. Reglering av bränslemängd, som ska insprutas vid de olika påverkningstillfällena, ombesörjs genom styrning av en reglerventil, vilken grovt fungerar som en blödningsventil, så att insprutning sker när den är stängd men inte när den är öppen. Därför måste enligt uppfinningen styrsystemet program- meras för motsvarande förändrad styrning av reglerventilen.

Genom att, enligt en aspekt av uppfinningen, den första kam- nocken har en insprutarenheten påverkande flank med en annan stigning än den andra kamnockens motsvarande flank uppnås att insprutningarnas insprutningstryck kan styras, vilket bl. a. kan utnyttjas för påverkning av insprutningarnas varaktighet.

Genom att, enligt ytterligare en aspekt, den första kamnocken är synkroniserad att påverka insprutarenheten innan väsentlig 70067; 00-05-02 J>|A| 521 969 | Q ~ | u: insugning skett i gasväxlingsfasen tillvaratas i största grad resterande värmeenergi i restgaser, kolvtopp mm.

Ytterligare fördelar nås med olika aspekter av uppfinningen och kommer att framgå av den följande detaljbeskrivningen.

Kortfattad ritningsbeskrivning Uppfinningen ska nu närmare beskrivas med ledning av utfö- ringsexempel och med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig 1 schematiskt visar en detalj av en förbränningsmotor ut- rustad enligt uppfinningen, Fig 2 visar en första variant med annorlunda utformad kamnock, Fig 3 visar en andra variant med ytterligare annorlunda utfor- mad kamnock, Fig 4 visar schematiskt användningen av uppfinningens styrmöj- ligheter i en moment-/varvtalskurva för en dieselmotor, och Fig 5 visar ett PV-diagram för en dieselmotor.

Beskrivning av utföringsexempel I fig 1 visas schematiskt en flercylindrig (en enda cylinder visad) förbränningsmotor 1 av dieseltyp och omfattande ett cylinderrum 2 samt en i cylindern rörlig kolv 3. In i cylin- derrummet 2 mynnar en inloppskanal samt utgår en utloppskanal, vilka på vanligt sätt är bestyckade med vederbörliga ventiler (detta är ej visat). Som vanligt är insatt (minst) ett insprutningsmunstycke 6 för direktinsprutning av bränsle in i bränslerummet. Munstycket 6 har förbindelse med en kamdriven 70067; 00-05-02 .,.

H.. ' 30 U . ¿ 25 u I a | oo 521 969 II- a » : . .o insprutare I av konventionellt slag omfattande en i en cylin- der 20 kampàverkad kolv (ej visad). En kamaxel 27 uppbär dels en konventionell andra kamnock 25, vilken påverkar insprutaren I vid tändningsfasen, dels en första kamnock 24, förskjuten c:a l80° i förhållande till den andra kamnocken för att medge insprutarpåverkan under motorns gasväxlingsfas. En reglerven- til 22 är på i och för sig känt sätt anordnad i ett utlopp från insprutaren, så att när ventilen är stängd och inspruta- ren påverkad av en kamnock, insprutning sker. Öppen reglerven- til medför blödning av i cylindern befintlig bränslemängd till tank T. Bränslemängden kan således styras genom styrning av stängningstiden för ventilen 22 samt eventuellt även dess öpp- ningsgrad. Detta görs av styrenheten 8.

Styrsystemet i fig 1 omfattar en styrenhet 8, vilken tillförs signaler 9 avseende driftparametrar för motordriften, vilka kan avse varvtal, belastning, motortemperatur, gaspedalläge, avgassammansättning m. m. Styrenheten 8 är inrättad att styra reglerventilen 22 för att därigenom styra genom insprutnings- munstycket 6 insprutad bränslemängd vid varje påverkningstill- fälle.

Företrädesvis är styrenheten programmerad för att optimera förhållandet mellan de insprutade bränslemängderna samt också den totala mängden insprutat bränsle liksom eventuellt också, i någon mån, tidpunkten för när respektive insprutning sker i förhållande till motorns vevvinkel.

Uppfinningen kan varieras inom ramen för kraven, och i synner- het kan förhållandet mellan de olika andelarna, som antytts ovan, anpassas för olika drifttillstând. 70067 ; 00-05-02 -Q |-;n| n. u. o u .» nu II I n e. on u o o. n 4 u» u nu I n -v -v n o en n v u u: n o va» .n u c v o. »nu I III ' I n . , n - n 1. u o u . u q I o n ~ n» en 1. n.. n. .en Det är även möjligt att arrangera insprutningsmunstyckenas placering och antal till de i förevarande motor rådande för- hållandena. Munstycket 6 och den tillhörande bränslekretsen kan ha konventionell utformning och placering liksom även reglerventilen 22.

I figur 2 visas alternativt utformade kamnockar där den första kamnocken 24 har en insprutarenheten påverkande flank med en större utbredning och därmed större stigning än den andra kam- nockens 25 motsvarande flank. I figur 3 visas ytterligare alternativt utformade kamnockar där den första kamnocken 24 har en insprutarenheten påverkande flank med en mindre utbred- ning och därmed mindre stigning än den andra kamnockens 25 motsvarande flank. Genom val av utformning av flankerna på detta och liknande sätt uppnås att insprutningstidens längd kan styras för de olika insprutningstillfällena. Allmänt kan sägas att insprutning över en längre tidsperiod med lägre insprutningstryck blir följden med mindre stigning.

I fig 4 illustreras ett exempel på möjligheten att variera förhållandet mellan den första och andra andelen beroende på rådande drifttillstånd, så att motordriften kan optimeras.

Verkningsgraden vid ett brett spektrum av driftfall kommer därmed att öka. Som framgår av exemplet är det vid normal kör- ning med hög last (övre området i figuren över c:a 50 - 60 % av fullast) möjligt att köra på ”dieselmod” (förbränning enligt dieselprocessen) och således klara sig utan eller med en liten första andel bränsle tillförd för att etablera en homogen bränsleblandning. Vid låg last (undre området under c:a 15 % av fullast) är det eftersträvansvärt att ha större mängd etablerad homogen bränsle-luftblandning för bästa drift.

Här kör man således på ”HCCI-mod” (förbränning enligt HCCI- processen). I mellanområdet tillses så att man erhåller en 70067; 00-05-02 e v... .- .25 . .. -30 . U . 521 969 varierande blandning i riktning av mer ”dieselmod” vid ökande last. Det ska noteras att det visade exemplet endast grovt redovisar principen för uppfinningen.

PV-diagrammet i fig 5 visar en dieselcykel med utblåsfas 12, insugningsfas 13, kompressionsfas 14, tändningsfas 15 och expansionsfas 16. I princip insprutas den första andelen vid inledningen 17 av insugningsfasen 13, under det att den andra andelen insprutas såsom konventionellt vid inledningen 18 av tändningsfasen 15 eller avslutningen av kompressionsfasen 14.

Tidpunkten för insprutningen av den första andelen av bräns- let, styrs så att det tillförsäkras att bränslet insprutas så nära kolvens övre dödpunkt att inget bränsle riskerar att träffa cylinderfodret. Om i stället bränsle skulle ha inspru- tats under en del av insugningsfasen, där fodret är exponerat skulle detta i den rådande miljön negativt påverka smörjfil- men. Dessutom skulle insugen, kall luft motverka föràngningen av bränslet på grund av den uppträdande avkylningen.

Insprutningen bör för övrigt ske så att sprayen av bränsle- droppar riktas ner i ett i kolvtoppen befintligt hålrum, var- vid även kolvens värme utnyttjas för att befrämja förbrän- ningen. Insprutaren kan för övrigt vara påverkad direkt av en överliggande kamaxel.

Kompressionen är anpassad till bränslet och i fallet diesel- olja handlar det företrädesvis om ett kompressionsområde mel- lan cza 9-14:l, under det att det i fallet etanol företrädes- vis handlar om cza 19-24:l. Det kan även vara fråga om en s.k.

”PLD”-insprutare, dvs. en insprutare med pumpen avdelad från, och med ett rör förbunden med, själva insprutaren, vilket ger 70067; OO-05-02 |»1»| » » ø : uu 521 969 .p n.. större frihet att placera dessa delar i förhållande till kam- axeln.

Företrädesvis är styrenheten så inrättat att i drift 0 - 100% av den totala bränslemängden insprutas synkront med den första kamnockens påverkan av insprutarenheten för optimal intäckning av huvuddelen av driftfall, som kan förväntas. Även andra, väsentligt snävare intervall, kan emellertid förekomma: c:a 3 - 20% av den totala bränslemängden, och det föredrages att c:a - 15% insprutas synkront med den första kamnockens påverkan av insprutarenheten. Vid c:a 3 - 10 % förinsprutning önskas att tillsatsen brinner i förtid, och utgör förvärmare, under det att vid högre andel förinsprutat bränsle, c:a 10 - 60 %, allt ska brinna samtidigt, dvs. vid ÖD för att bl.a. undvika knackning.

Uppfinningen kan kombineras med styrning av ventilöverlapp så att en ökad mängd restgaser kvarstannar i cylindern för för- bättrad bränsleföràngning. Detta kan medföra möjlighet att förinspruta in en större andel av bränslet. Därutöver insätts företrädesvis även EGR-återföring för att erhålla ytterligare optimerad drift och emissionsreduktion, speciellt vid laster över c:a 50% last. 70067; 00-05-02 . . e » n.

Claims (16)

'f,;3o 10 15 20 _25 - - v u nu 521 969 ll Patentkrav:

1. Anordning för insprutning av bränsle i en cylinder (2) till en förbränningsmotor (l), omfattande en kamaxelpåverkad in- sprutarenhet (I), en till denna ansluten styrbar reglerventil (22), vilken medger insprutning i stängt eller strypt läge, varvid en insprutarenheten påverkande kamaxel (27) är synkro- niserad att påverka insprutarenheten för insprutning under motorns kompressionsfas, kännetecknad av att kamaxeln (27) även är synkroniserad att påverka insprutarenheten (I) för in- sprutning under motorns gasväxlingsfas och att en styrenhet (8) är inrättad för att påverka reglerventilen (22) för in- sprutning synkront med en första (24) och/eller en andra (25) kamnock på kamaxel (27) för insprutning under gasväxlingsfasen respektive under kompressionsfasen, som svar på signaler indi- kerande det förevarande drifttillstàndet för motorn.

2. Anordning enligt krav l, kännetecknad av att den första kamnocken (24) har en insprutarenheten (I) påverkande flank med en annan stigning än den andra kamnockens (25) motsvarande flank.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att den första kamnocken är synkroniserad att påverka insprutarenheten vid inledningen av insugningsfasen.

4. Anordning enligt krav l, 2 eller 3, kännetecknad av att kamnockarna är förskjutna c:a l80°.

5. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att styrenheten är så inrättad att i drift 3 - 100% av den totala bränslemängden insprutas synkront med den första kam- nockens påverkan av insprutarenheten. 70067; 00-05-02 10 15 20 25 u u u ~ u: n. -1- v v nu u: I' I' u n. u; .o u. n a a» a en I u a» en no u. a u an: q u n en. u. n nu nu n.. n so; ø o n > u u u n u. n n a a o u u . n n 1 .n o. n. n. . | - u o» 12

6. Förfarande för insprutning av bränsle i en cylinder (2) till en förbränningsmotor omfattande en kamaxelpàverkad in- sprutarenhet (I), en till denna ansluten styrbar reglerventil (22), vilken medger insprutning i stängt eller strypt läge, varvid en insprutarenheten pàverkande kamaxel (27) synkronise- rat påverkar insprutarenheten för insprutning vid avslutningen av motorns kompressionsfas, kännetecknat av att kamaxeln (27) även är synkroniserad att påverka insprutarenheten (I) för in- sprutning under motorns gasväxlingsfas och att reglerventilen (22) styrs för insprutning synkront med en första (24) och/eller en andra (25) kamnock för insprutning under gasväx- lingsfasen respektive kompressionsfasen som svar på signaler indikerande det förevarande drifttillståndet för motorn.

7. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat av att den första kamnocken påverkar insprutarenheten vid inledningen av insug- ningsfasen.

8. Förfarande enligt krav 6 eller 7, kännetecknat av att in- sprutarenheten påverkas av nockarna förskjutet cza 360 vev- axelgrader motsvarande c:a 180 kamaxelgrader.

9. Förfarande enligt något av kraven 6 - 8, kännetecknat av att i drift O - 100% av den totala bränslemängden insprutas synkront med den första kamnockens påverkan av insprutarenhe- ten.

10. Förfarande enligt kravet 9, kännetecknat av att i drift cza 3 - 20% av den totala bränslemängden, och föredraget c:a 5 - 15% insprutas synkront med den första kamnockens påverkan av insprutarenheten. 70067; 00-05-02 |||:| 10 15 20 521 969 13 n. ---

11. Förfarande enligt något av kraven 6 - 10, kännetecknat av att vid konstaterad låg motorbelastning och måttliga varvtal insprutningsandelen vid slutet av kompressionsfasen är minime- rad.

12. Förfarande enligt något av kraven 6 - 11, kännetecknat av att vid konstaterad hög motorbelastning insprutningsdelen vid slutet av kompressionsfasen är maximerad.

13. Förfarande enligt något av kraven 6 - 12, kânnetecknat av att vid konstaterad låg motorbelastning och höga varvtal in- sprutningsandelen vid slutet av kompressionsfasen är på ett medelvärde.

14. Dieselmotor inkluderande en anordning enligt något av kra- ven 1 - 5 för var och en av sina cylindrar. varvid den även omfattar ut-

15. Dieselmotor enligt krav 14, rustning för styrd EGR-gasåterföring.

16. Dieselmotor enligt krav 14 eller 15, varvid den även om- fattar utrustning för styrning av öppningstiderna för inlopps- och utloppsventilerna. 70067; 00-05-02 - . ~ ~ u