SE529570C2 - Tvåtakts förbränningsmotor - Google Patents

Description

40 45 i 529 570 är att då kolven och dess kolvringar passerar nämnda portar skrapas olja av mot por- tamas kanter och följer med vid avgasernas evakuering. En annan nackdel uppträder ide oftast förekommande fallen då kolven används som spolpump varvid olja från vevhuset följer med luften som skall delta i förbränningen. Dagens, och kanske i synnerhet framtidens, krav på låga avgasemissioner kan som följd av nämnda nack- delar inte uppfyllas. Det är känt att fritt styrbara tallriksventiler i cylinderhuvudet och en spolpurnp som drivs via motoraxeln skulle kurma lösa nämnda problem. Det är också känt att en spolpump endast är nödvändig vid motorstart och vid gaspådrag efter motorbromsning och att den i övrigt skulle kunna stängas av och ersättas av de dynamiska effekter som uppstår i cylindern vid avgasers evakuering. Om dessa dynamiska effekter kunde användas även vid motorstart och gaspådrag efter motor- bromsning, och spolpumpen därmed inte är nödvändig kan motorns verkningsgrad förbättras och kostnaderna för motorn minskas.

SYFTET MED UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att hos en fórbränningsmotor, under drifttill- stånd vid vilka förutsättningarna för utnyttjande av en dynamisk effekt för gasväxling i fórbränningskammaren är otillfredsställande, förbättra dessa förutsättningar.

Nämnda driftsfall kan till exempel inkludera motorstart och gaspådrag efter motor- bromsning, där normalt sett användande av en spolpump skulle vara nödvändigt för åstadkomrnande av tillräcklig gasväxling i förbränningskarrunaren. Med gasväxling avses därmed utförsel av avgaser och införsel av ny förbränningsluft.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningens syfte uppnås enligt den inledningsvis definierade metoden för tvåtalcts förbränningsmotorer, vilken är kännetecknad av att utloppsventilen hålls öppen un- der åtminstone en del av en kompressionstakt. Tack vare uppfinningen uppnås ett undertryck, i betydelsen relativt trycket i inloppskarialen, i fórbränningskarrnnaren under den närmast på nämnda kompressionstakten följande arbetstakten. Detta undertryck kan utnyttjas för att tillåta en snabb införsel av en erforderlig mängd för- bränningsluft under nämnda arbetstakt.

Enligt ett föredraget utförande stängs utloppsventilen under den senare hälften av nämnda kompressionstakt, det vill säga under de sista 90 graderna vevvinkel före det att kolven når det övre vändläget (det är 180 grader vevvinkel mellan kolvens nedre och övre vändlägen). På så vis kan ett relativt stort undertryck uppnås i förbrän- ningskammaren under den efterföljande arbetstakten, vilket i sin tur gyrmar ett snabbt inflöde av förbränningsluft.

Företrädesvis stängs utloppsventilen under den sista fjärdedelen av nämnda kompres- sionstakt, och mest föredraget är att utloppsventilen stängs vid slutet av nämnda 40 45 '529 570 3 kompressionstakt, företrädesvis under de sista 20, ännu hellre de sista 10, gradema vevvinkel före det att kolven når det övre vändläget. På så vis uppnås största möjliga under-tryck i förbränningskammaren under den närmaste påfölj ande arbetstakten.

Det föredras vidare att utloppsventilen öppnas vid början av nämnda kompressions- takt, helst under de första 45 graderna vevvinkel på kolvens väg mot det övre vänd- läget. Vid detta skede är nämligen trycket som lägst i förbränningskarnmaren och ett så litet arbete som möjligt erfordras för öppnandet av ventilen, förutsatt att ventilen är av en typ som från ett ventilsäte förskjuts in i förbränningskarnmaren i samband med öppnandet.

Enligt uppfinningen öppnas inloppet för tillförsel av luft till förbränningskamrnaren under den närmast på nämnda kompressionstakt följande arbetstakten. Med fördel sker detta kortvari gt under den del av arbetstakten när undertrycket är som störst i förbränningskammaren, det vill säga i slutet av arbetstakten, företrädesvis under de sista 45 gradema vevvinkel innan kolven når det nedre vändläget. För bästa möjliga effekt stängs inloppet i det ögonblick då flödet av luft in i förbränningskarnmaren spontant upphör. Detta kan ske antingen i slutet av arbetstakten eller i början av den därpå följ ande kompressionstakten. Det är även möjligt, vid låga varvtal, att öppnan- det av inloppet sker så sent som i början av den på den nämnda på arbetstakten föl- jande kompressionstakten. Med andra ord kan man säga att det är föredraget att kort- varigt öppna inloppet i ett vevinkelonrråde nära kolvens nedre vändläge, då under- trycket i cylindern är som lägst. För att möjliggöra variationer av tidpunkten för öpp- nande och stängande av inloppet är detta med fördel försett med en fritt styrbar ven- til, lik den hos utloppet.

Enligt uppfinningen hålls utloppsventilen öppen under åtminstone en del av en kom- pressionstakt i samband med drifttillstånd vid vilka en förbättring av förutsättning- arna för utnyttjande av en dynamisk effekt för gasväxling i förbränningskammaren ska åstadkommas. Enligt ett föredraget utförande av uppfinningen inkluderar nämnda drifitillstånd åtminstone ett av tillstånden motorstart eller gaspådrag efter motor- bromsning. Utsläppet av gaser ur förbränningskamrnaren under kompressionstakten sker med andra ord under i förväg fastställda förhållanden, varpå motom sedan kan återgå till den normala öppnings- och stängningssekvensen för utloppsventilerna.

Det föredras vidare att nämnda ventiler drivs med hjälp av pneumatik. De bör även vara positionerade i cylínderhuvudet och öppnas genom att förskjutas in i förbrän- níngskammaren.

Syftet med uppfinningen uppnås även med den inledningsvis definierade motom, kärmetecknad av att den innefattar medel för att hålla utloppsventilen öppen under åtminstone en del av en kompressionstakt. Nämnda medel innefattar lämpligen en datorprogramsekvens för styrning av utloppsventilen enligt den uppfinningsenliga principen. Lämpligen sker denna styrning främst i samband med drifttillstånd vid vilka en förbättring av förutsättningarna för utnyttjande av en dynamisk effekt för gasväxling i förbränningskammaren ska åstadkommas. Vidare innefattar motom me- del för registrering av de tillstånd vid vilka den uppfinningsenliga principen ska till- 40 45 529 570 4 lämpas. Likaså innefattar motorn med fördel likaså medel, företrädesvis i form av datorprograrnsekvenser, för styrning av inloppsventilen och utloppsventilen i enlig- het med övriga, ovan beskrivna utföranden av den uppfinningsenliga metoden.

Uppfinningen kan med fördel kombineras med överladdning som âstadkoms av exempelvis en mekanisk kompressor eller ett turboaggregat.

Med styrbara ventiler avses ventiler till en motorcylinders förbränningsrum som kan öppnas och stängas exempelvis genom påverkan av en tryckfluid baserat på signaler från ett datorprogrambaserat företrädesvis elektroniskt styrsystem.

Ytterligare särdrag hos och fördelar med den föreliggande uppfinningen kommer att framgå av den följ ande beskrivningen samt av övriga, osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen ska härefter i exemplifierande syfle beskrivas med hänvisning till den bifogade ritningen på vilken: Fig. 1 är en schematisk återgivning av en del av en förbränningsmotor enligt uppfin- ningen, Fig. 2 är en återgivning av ett normaldriftförlopp vid en förbränningsmotors två- taktsdrifi, och Fig. 3 är en återgivning av ett tidsschema för stegen hos ett föredraget utförande av den uppfinningsenliga metoden DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRANDEN Fig. l visar schematiskt en del av en förbränningsmotor enligt uppfinningen. För- bränningsmotorn innefattar en cylinder 1, en i denna fram och åter rörligt anordnad kolv 2, en av cylindern och kolven avgränsad förbränningskammare 3, en inlopps- ventil 4, en utloppsventil 5 och en ventil eller ett munstycke 6 för insprutning av en vätska arman än bränsle. Det är även tänkbart att munstycket 6 kan användas för att, förutom att spruta in nämnda vätska, även spruta in åtminstone en del av ett bränsle, till exempel en alkohol, såsom etanol. Munstycket 6 kan även användas för enbart bränsleinsprutning. Ett avgassystem eller liknande kan vara kopplat till det utlopp vid vilket utloppsventilen 5 är anordnad.

I fig. l befinner sig kolven 2 under rörelse i en kompressionstaki i en tvåtaktscykel och luft strömmar, eventuellt tillsammans med bränsle, in i förbränníngskammaren genom den öppnade inloppsventilen 3. Utloppsventilen 4 har nyss, när kolven 2 be- 40 45 529 570 5 fann sig vid det nedre vändläget varit öppnad men är nu stängd. Detta är det normala förloppet vid tvåtaktsdriften, det vill säga gasväxling vid det nedre vändläget.

En krets 7 används för drivning av aktuatorer till ventilema 4 och 5 samt munstycket 6. En styrenhet 8 är operativt förbunden med kretsen 7 för signalstyrning av kretsen 7 och de med kretsen förbundna ventilema 4 och 5 samt munstycket 6. Kretsen 7 kan innefatta såväl elektriska komponenter som en tryckfluidkrets, företrädesvis en pneumatisk sådan. Till exempel kan den innefatta elektromagnetdrivna, här icke visade pilotventiler för styrning av flödet av en tryckfluid, såsom luft, till här icke visade aktuatorkammare för påverkan av i dessa anordnade aktuatorkolvar, med vars hjälp inloppsventilerna 4 och utloppsventilerna 5 drivs.

Ett organ 9, t ex en gaspedal, är operativt kopplat till styrenheten 8 för vridmoment- ordergivning. En givare 10, vid en på motoraxeln ll monterad gradskiva 12, är ope- rativt förbunden med styrenheten 8 och ger löpande uppgifter till styrenheten 8 om motorvarv och vevaxelläget och/eller kolvens 2 läge i cylindem l. Styrenheten 8, eller närmare bestämt den programvara eller liknande som denna är försedd med, avgör när de styrbara ventilema 4 och 5 skall öppna eller stänga samt när munstycket 6 ska öppnas för insprutning av nämnda vätska.

Fig. 2 visar en i normaldrift arbetande tvåtaktsmotor. Därvid kan, såsom visas i fig. 2, en evakuering av förbränningsgaser och tillförsel av luft, gasväxling, enligt upp- fmningen ske enligt följande. I slutet av en arbetstakt öppnas utloppsventilen 5 för evakuering a av förbränningsgaser som i en puls flödar ut ur förbränningskammaren 3 på grund av att trycket där är påtagligt högre än i en till avgassystemet hörande avgas- eller utloppskanal 14. Trycket i förbränningskammaren 3 bliri samband med pulsen lägre än i inloppskanalen 13 för lufttillförsel. Då det spontana flödet av gaser ut ur förbränníngskammaren 3 precis upphör är trycket som lägst och i ett föredraget utförande skall utloppsventilen eller -ventilema 5 för evakuering stängas, varpå in- loppsventilen eller -ventilerna 5 skall öppnas för tillförsel b av luft i så nära anslut- ning till evakueringen som möjligt. Eftersom trycket i förbränningskammaren 3 är påtagligt lägre än trycket i kanalen 13 för lufttillförsel flödar luft i en puls in i för- bränningskammaren 3 och trycket i denna höjs. Det är som högst precis då flödet av luft in i förbränningskammaren 3 spontant upphör, och i så nära anslutning till detta som möjligt skall i ett föredraget utförande tillförseln av luft avslutas genom en stängning av inloppsventilen 4.

Med dynamisk eiïekt menas här att utnyttja det beskrivna förfaringssättet med en puls av förbränningsgaser ut ur förbränningskarnmaren 3 och att använda det upp- komna låga trycket i förbränningskannnaren 3 för att möjliggöra en puls av luft till förbränningskamrnaren 3. Men möjligheten att utnyttja pulserna är synnerligen kort- varig. Pulserna sker ofta med kritisk strömming, ljudhastighet, som är största möjliga hastighet. Det är nödvändigt att på några få tusendels sekunder kunna öppna och stänga utloppsventilen 5 för evakuering av förbränningsgaser från förbränningskam- maren 3 samt öppna och stänga inloppsventilen 4 för tillförsel av luft till förbrän- ningskamrnaren 3. När väl den dynamiska effekten är etablerad, behövs inte assistans av någon spolpump för att få tillstånd en tillräcklig gasväxling. 40 45 529 570 6 Kända tvåtaktsmotorer måste ha en spolpump för start av motom och för att snabbt få ett bra vridmoment vid gaspådrag efter motorbromsning. För att, enligt konventio- nell teknik, minska farten på ett fordon stryps tillflödet eller stängs kanalen för till- försel av luft till förbränningskammaren 3, varpå trycket i förbränningskanimaren 3 vid arbetstakternas slut blir så lågt att den ovan nämnda pulsen av förbränningsgaser ut ur förbränningskammaren 3 inte kan uppträda, vilket medför att de dynamiska effektema inte kan uppstå.

F ig. 3 visar ett föredraget utförande på metoden enligt uppfinningen. Ett utmärkande särdrag för uppfinningen är att önskad dynamisk effekt vid motorstart samt vid gas- pådrag efter motorbromsning och när ett maximalt vridmoment önskas snabbt kan upprättas genom att man under kompressionstakten evakuerar a eventuellt resterande förbränningsgaser och i anslutning till kolvens övre vändläge avslutar nämnda eva- kuering, och sedan under den närmast därpå följande arbetstakten, då önskvärt undertryck i förbränningskarnmaren 3 relativt kanalen 13 för lufttillförsel inträder, snabbt, det vill säga kortvarigt, öppnar och därpå stänger ventilen eller ventilerna 4 för tillförsel b av luft till förbränningskammaren 3. Sedan följer kompressionstakter och arbetstakter på normalt sätt och de dynamiska effekterna upprätthålls som ovan beskrivits för en tvåtaktsmotor under drift.

Dynamisk effekt kan med fördel upprättas vid användning av förbränningsmotorer av typen pneumatiska hybrider då komprimerad luft under motorbromsning lagras i en tank och sedan används vid kommande acceleration.

Dynamisk effekt kan också med fördel upprättas efter expansion av ånga som, i hybrider där arbetstakter åstadkomma av expanderande förbränningsgaser altemeras med arbetstakter åstadkomna av expanderande ånga, “framställts genom att koka vat- ten på avgasvärme. Då ånga av anpassat högt tryck fmns tillgänglig sker tillförsel av denna inför arbetstaktens inledning. Vid arbetstaktens slut finns ånga med tillräckligt tryck för att upprätthålla en dynamisk effekt enligt ovanstående beskrivning.

För att åstadkomma dynamisk effekt med fritt styrbara inlopps- och utloppsventiler 4, 5 är det viktigt att snabbt kunna öppna och stänga dessa, med tillräcklig area, för evakuering av förbränningsgaser, liksom för tillförsel av luft, för att kunna fylla fór- bränriingskarnmaren 3 med största möjliga luftmassa.

Idag kända fiitt styrbara ventilöppnare är elektromekariiskt, hydrauliskt eller pneu- matiskt aktiverade. Pneumatislct aktiverade ventiler kan snabbare, och med lägre energiförbrukning, än de övriga nänmda metoderna för aktivering, nå en viss given lyfthöjd, vid en viss given rörlig massa som inte är större än nödvändigt för den ak- tuella fimktionen. Tiden som åtgår mellan öppning av en ventil, med nämnd rörlig massa till en viss lyflhöjd, och stängning av den kan med pneumatiskt aktiverade ventiler göras väsentligt kortare än med övriga nämnda metoder. Med hänvisning till behovet av att så snabbt som möjligt kunna utföra en ventilrörelse, öppna och stänga med tillräcklig area, för evakuering av förbränningsgaser respektive tillförsel av luft 40 45 529 570 7 för bästa dynamiska elïekt är användning av pneumatiskt drivna ventiler ett föredra- get utförande för uppfinningen.

En för uppfinningen kännetecknande åtgärd för att förbättra den dynamiska effekten är att enligt kända principer anpassa, utloppskanalen för förbränningsgaser från för- bränningskammaren 3 och kanalen för tillförsel av luft till förbränningskammaren 3 till prestandan hos den aktuella ventilöppnaren eller de aktuella ventilöppnarna.

Den dynamiska efiekten innebär att ett lågt tryck i förbränningskannnaren 3, relativt trycket i kanalen 13 för lufitillförsel, skapas. Ett sätt att ytterligare sänka trycket i förbränningskammaren 3, som är kännetecknande för uppfinningen, är att i samband med att flödet av förbränningsgaser ut ur förbränningskamrnaren 3 stängs och att tillförsel av luft eller en blandning av bränsle och luft skall inledas, spruta vätska, företrädesvis vatten, in förbrämiingskammaren 3. F örbränningsmotorn enligt fig. l är för detta ändamål försedd med munstycket 6. Värmen i kvarvarande förbrännings- gaser åstadkommer en momentan förängning av vätskan och en samtidig nedkylning av förbränningsgaserna, varvid trycket i förbränningskammaren 3 sjunker. Därmed kan en större massa luft tillföras. Genom en anpassning av massan av den tillförda, insprutade vätskan kan temperaturen styras. Detta är en fördel vid HCCI, Homoge- neous Charge Compression Ignition, även kallat homogen kompressionständning.

Vid HCCI finns problem vid stora laster genom att tändningen sker för tidigt på grund av att temperaturen blir för hög. En annan fördel med nämnd vätskeförångriing och kylning är att bildande av kväveoxider, NOx, under förbränningen minskar i väsentlig omfattning. Då vätskan innefattar vatten har vattenångan samma verkan som EGR, Exaust Gas Recirculation, en vanlig metod för att minska bildande av NOx. Via den tillförda massan av vattenspray går det att styra bildandet av NOx. Då dieselolja används som bränsle kan både bildande av NOx och sot nrínskas vilket är en fördel. Eventuellt kvarvarande inte förångad vattenspray som förångas under kompressíonstakten minskar kompressionsarbetet genom den värme som bortförs med förbättrad verkningsgrad och ytterligare eventuellt minskat bildande av NOx som följd.

Dessutom avser uppfinningen en datorprogramprodukt lagrad på ett läsbart dator- progrannnedium, för implementering av metoden enligt uppfinningen på en förbrän- ningsmotor enligt uppfinningen.

Uppfmningen är inte begränsad till en konstant tvåtaktsdrift, utan inbegriper även utföringsforrner där tvâtaktsdrift altemeras med drift enligt fyrtalctsprincipen eller där så kallade tomma takter, takter utan förbränning, ersätter ordinarie arbetstakter. Upp- finningen är därvid tänkt att tillämpas under den del av driften som utgörs av två- taktsdrift, eller åtminstone en del av denna.

Det ska inses att en och samma cylinder 2 kan vara försedd med flera inloppsventiler 4 och flera utloppsventiler 5, liksom även flera munstycken 6 för insprutning av vätska, företrädesvis samtliga anordnade i cylinderhuvudet. Eftersom ventilerna med fördel är tryckfluiddrivna och fiitt styrbara, kan det vara möjligt med individuell styrning av ventilema, varför till exempel den ena av ett par av utloppsventiler 4 r529 570 8 öppnar före och stänger före eller efter den andra ventilen i nämnda par. Utsläpp av avgaser sker i ett sådant fall fiån den första tidpunkten för öppnande av någon av utloppsventilema till den sista tidpunkten för stängande av någon av nämnda ut- loppsventiler. Motsvarande förhållande gäller för inloppsventilerna, samt även för ínsprutningsmunstyckena, om dessa är flera.

Claims (13)

l0 15 20 25 30 35 40A 45 529 570, PATENTKRAV

1. l. Metod för drivning av en förbränningsmotor som arbetar enligt tvåtaktsprincipen, vilken innefattar alternerande arbetstakter och kompressionstaltter, varvid förbrän- ningsmotorn innefattar åtminstone en cylinder (l) samt en i denna fram- och återgå- ende kolv (2) och en av cylindern (1) och kolven (2) avgränsad förbränningskam- mare (3), och åtminstone ett inlopp (13) för insläpp av förbränningsluft till förbrän- ningskaininaren (3) och åtminstone ett utlopp (14) med en fritt styrbar utloppsventil (5) för utsläpp av avgaser från förbränningskammaren (3), kännetecknad av att ut- loppsventilen (5) hålls öppen under åtminstone en del av en kompressionstakt, varvid stängning av utloppsventilen (5) sker så sent under kompressionstakten att ett undertryck ttppstår i förbränningskammaren (3) relativt trycket i inloppet (13) under den påföljande arbetstakten.

2. Metod enligt krav l, kännetecknad av att utloppsventilen (S) stängs under den senare hälften av nämnda kompressionstakt.

3. Metod enligt krav l eller 2, kännetecknad av att utloppsventilen (5) stängs under den sista fjärdedelen av nämnda kompressionstakt.

4. Metod enligt något av kraven 1-3, kännetecknad av att utloppsventilen (5) stängs vid slutet av nämnda kompressionstald.

5. Metod enligt något av kraven 1-4, kännetecknad av att utloppsventilen (5) stängs i det ögonblick flödet av avgaser ut ur fórbränningskammaren spontant upphör.

6. Metod enligt något av kraven 1-5, kännetecknad av att utloppsventilen (5) öpp- nas vid början av nämnda kompressionstakt.

7. Metod enligt något av kraven l-6, kännetecknad av att inloppet (13) öppnas un- der den närmast på nämnda kompressionstakt följande arbetstakten, för tillförsel av luft till .förbränníngskaminaren

8. Metod enligt något av krav 7, kännetecknad av att inloppet (13) stängs under den närmast på nämnda koinpressionstakt följande arbetstakten.

9. Metod enligt något krav 7 eller 8, kännetecknad av att inloppet (13) är försett med en inloppsventil (4) som stängs i det ögonblick då flödet av luft in i förbrän- ningskammaren (3) spontant upphör.

10. Metod enligt något av kraven 1-9, kännetecknad av att utloppsventilen (5) hålls öppen under åtminstone en del av en kompressionstakt i samband med drifttillståiid vid vilka en förbättring av förutsättningarna for utnyttjande av en dynamisk effekt för gasväxling i förbränningskarnmaren (3) ska åstadkommas. 10 15 1529 570 10

11. 1 1. Metod enligt något av kraven 1-10, kännetecknar! av att nämnda drifttillstånd inkluderar åtminstone ett av tillstånden motorstart eller gaspådrag efter motorbroins- ning.

12. Metod enligt något av kraven 1-11, kännetecknar! av att nämnda ínloppsventíler (4) och Litloppsventiler (5) drivs med hjälp av pneurnatik.

13. Förbränningsniotor som arbetar enligt tvåtaktsprincipen, vilken princip innefattar alternerande arbetstakter och kompressionstakter, varvid förbräiiningsmotorn inne- fattar åtminstone en cylinder (1) saint en i denna fram- och återgående kolv (2) och en av cylindern (1) och kolven (2) avgränsad íörbränningskammare (3), och åtmin- stone ett inlopp (13) för insläpp av fórbränningsluft till fórbrärmingskarnrnareii (3) och åtminstone ett utlopp (14) med en fritt styrbar utloppsventil (5) för utsläpp av avgaser från fórbränningskarnrnaren (3), kännetecknad av att den innefattar medel (7-12) för att hålla utloppsventilen (5) öppen under åtminstone en del av en kompres- sionstakt, varvid stängning av utloppsventilen (5) sker så sent under kompressionstakten att ett undertryck uppstår i förbränningskarriinaren (3) relativt trycket i inloppet (13) under den påföljande arbetstakten.