SE530875C2 - Arrangemang och förfarande hos en förbränningsmotor - Google Patents

Description

5311 BYE utsätts för samma mekaniska påkänningar som vid en snabb förbränning. Med en dif- fusionsflamrna tillhandahålls en förbränningsprocess som dock åtminstone inlednings- vis sker med ett fetare blandningsförhållande än det stökiometriska. Därmed kan rela- tivt höga halter av sotpartiklar bildas i avgaserna från dieselmotorer. F örbränningen med en diffusionsflamma är en mer utdragen förbrånningsprocess och höga förbrän- ningstemperatur uppkommer under delar av förbränningsprocessen. Dieselmotorer har I därför relativt höga halter av kväveoxider i avgaserna.

US 6 820 587 visar en metod för att styra insprutningen av bränsle i en förbrånnings- motor. Bränslet sprutas här in med ett mycket högt tryck i ett förbränningsutryrnme.

Bränslet tillhandahåller därvid en så hög initial hastighet att det inte omedelbart reage- rar med syret i förbränningsutrymmet. Därmed kan en större mängd luft blandas med bränslet innan det förbränns i förhållande till hos en konventionell dieselmotor. Genom den förbättrade blandningen av luft och bränslet sker förbränningen med en diffusions- flamma som har en mindre fet bränsleblandning. Därmed tillhandahålls en mindre mängd sotpartiklar i avgaserna. Bildade sotpartiklar förbränns även till en viss del då de passerar det hetaste området av diffusionsflamrnan där förbränningen sker med ett stökometriskt förhållande.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett arrangemang och ett förfa- rande hos en förbränningsmotor där en HCCI- motors goda egenskaper i forrn av låga utsläpp av kväveoxider NOX och sotpartiklar kan kombineras med en dieselmotors lättstyrdhet och mer utdragna belastning av ingående komponenter.

. Detta syfte uppnås med arrangemanget av det inledningsvis närnnda slaget, vilket kän- netecknas av de särdrag som anges i patentkravets l kännetecknande del. När bränsle sprutas in med en mycket hög hastighet i ett gasformi medium som innehåller syre hinner de kemiska reaktioner som normalt resulterar i en förbrämiing av bränslet inte uppkomma. Bränsle som sprutas in i ett törbränningsutryrnme tillhandahåller dock en snabb uppbromsning av det gasformiga mediet. Därför måste bränslet sprutas in med en initial hastighet, som klart överstiger den lägsta hastighet vid vilken en sådan för- bränning inte sker, för att en homogen blandning av bränsle och det gasformiga mediet ska kunna hinna skapas innan blandningen självantänder. Genom att skapa en mager homogen blandning innan sj älvantändningen sker så tillhandahålls en förbränning med 530 875 en förblandad flamma och inte med en diffusionsflarnrna. Förbränningen kommer där- med att ske på väsentligen samma sätt som hos en HCCI motor, vilket resulterar i låga halter av kväveoxider och sortpartiklar i avgaserna.

Enligt en föredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning är insprutningsorganet anpassat att spruta in bränsle i förbränningsutrymmet under en tidsperiod som har en längd så att bränsle även sprutas in i förbränningsutrymmet då det först insprutade bränslet under tidsperioden redan har blandats med det gasformiga mediet till en vä- sentligen homogen blandning och förbränts. Eftersom en homogen blandning antänder och förbränns väsentligen omedelbart är det önskvärt att tillhandahålla en mer utdragen förbränningsprocess för att reducera påkänningama och slitaget av ingående kompo- nenter. Att tillsätta bränslet vid två eller flera skilda tillfällen i nära anslutning till var- andra inom en bestämd tidsperiod möjliggör en uppdelning av förbränningsenergin på flera förblandade flammor under tidsperioden. Därmed kan belastningen och slitaget på ingående komponenter reduceras. Med fördel är insprutningsorganet dock anpassat att spruta in bränsle kontinuerligt under nämnda tidsperiod. Därmed kan bränslet sprutas in och blandas kontinuerligt med det gasformiga mediet till en väsentligen homogen blandning som väsentligen kontinuerligt antänds och förbränns under nämnda tidsperi- od. Den kontinuerliga förbränningen av bränsle med förblandade flammor är väsentli- gen lika lätt att styra som förbränningen hos en dieselmotor då den huvudsakligen styrs av den tidpunkt vid vilken bränslet sprutas in i förbränningsutrymmet.

Enligt en annan föredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar arran- gemanget en högtryckspump som är anpassad att ge bränslet ett tryck av en storlek som möjliggör insprutning av bränslet med nämnda initiala hastighet i forbränningsutrym- met. Med en konventionell högtryckspump kan bränslet ges ett erforderligt tryck som möjliggör insprutning med nämnda initiala hastighet. Bränsle med närrmda erforderliga höga tryck kan erhållas väsentligen direkt från en högtryckspump eller indirekt via en ackumulatortank (Common Rail). Med fördel innefattar insprutningsorganet åtminsto- ne en öppning som har en storlek och en form så att en bränslestråle tillhandahålls som har ett så pass tunt tvärsnitt att bränslet i strålen hinner blanda sig med det gasformiga mediet till en väsentligen homogen blandning innan det antänds. Ju tunnare bränsle- stråle som sprutas in i förbränningsutrymmet desto snabbare kan det gasformiga mediet blandas med bränslet i strålens mest svåråtkomliga centrala delar och tillhandahålla en väsentligen homogen blandning av bränslet och det gasformiga mediet. “15 EBÜ BTE Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning är inloppsventi- len anpassad att leda in ett gasforrnigt medium som innefattar luft i förbränningsut- rymmet. Luft är lättillgängligt och innehåller en relativt stor andel syre. För att öka törbränningsmotorns kapacitet kan luft i komprimerad form ledas in i förbränningsut- rymmet. I detta fall innefattar arrangemang med fördel ett kylarelement för att kyla luften innan den leds in i förbränningsutrymmet. En så kallad laddluftkylare kan här användas för att kyla luften efter komprimeringen till en temperatur som är i närheten av omgivningens temperatur innan den leds in förbränningsutrymmet. I u lägre tempe- ratur som luften har desto lägre blir förbränningstemperatiiren och halten av kväveoxi- der i avgaserna.

Enligt en annan töredragen utföringsform av föreliggande uppfinning är inloppsventi- len anpassad att leda in ett gasformigt medium som innefattar återcirkulerande avgaser i förbränningsutrymmet. Närvaron av avgaser sänker syrehalten i förbränningsutrym- met. Därmed kan bränslet sprutas in med en något lägre hastighet innan det reagerar med det omgivande syret i förbränningsutrymmet vilket ökar möjligheten att skapa en homogen blandning innan självantändningen. Avgaser i förbränningsutrymmet reduce- rar även förbränningstemperaturen så att halten av kväveoxider i avgaserna reduceras ytterliggare. Företrädesvis innefattar arrangemanget ett kylarelement för att kyla de återcirkulerande avgaserna innan de leds in i förbränningsutrymmet. En sådan s.k.

EGR-kylare kan sänka de återcirkulerande avgasemas temperatur åtskilligt innan de leds in i förbränningsutrymmet. En låg initial temperatur på avgaserna resulterar i en lägre förbränningstemperatur och en reducerad halt av kväveoxider i avgaserna. Ett altemativ till att återcirkulera avgaser är att spara en kvarvarande mängd avgaser i för- bränningsutryrnmet från en föregående förbränningsprocess.

Enligt en annan töredragen utföringsfonn av föreliggande uppfinning innefattar arran- gemanget ett kylarelement för att kyla bränslet innan det sprutas in i förbrärmingsut- rymmet. Bränsle erhåller en förhöjd temperatur efter att det trycksatts i en högtrycks- pump. Genom att kyla bränslet innan det sprutas in i förbränningsutrymmet kan för- bränningstemperaturen sänkas och till viss del även dess benägenhet att reagera med syret i förbränningsutrymmet. Därmed kan halten av kväveoxider i avgaserna reduceras ytterligare och möjligheten att erhålla en väsentligen homogen blandning innan bräns- let självantänder. '10 530 åïiš Uppfinningens syfte uppnås även med förfarandet av inledningsvis nämnt slaget, vilket kännetecknas av de särdrag som anges i patentkravets 11 kärmetecknande del.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följ ande beskrivs såsom ett exempel en föredragen utföringsfonn av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: F ig. 1 visar ett arrangemang hos en förbränningsmotor enligt föreliggande uppfinning och Fig. 2 visar insprutningen av bränslet i F ig. 1 mer i detalj.

DETALJERAD BESKRIVNING AVEN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINN INGEN F ig. 1 visar en cylinder 2 hos en överladdad förbränningsmotor 1. Cylindern 2 innefat- tar ett förbränningsutryrnme 3 som nedåt begränsas av en rörligt anordnad kolv 4. Kol- ven 4 är förbunden med en vevaxel 5 via en vevstake 6. Kolvens 4 rörelseri cylindern 2 överförs till en rotationsrörelse av vevaxeln 5. F örbränningsmotorn 1 kan innefatta ett godtyckligt antal sådana cylindrar 2. En inloppsledning 7 är, via en öppning 8, för- bunden med förbräriningsutrymmet 3 för att möjliggöra tillförsel av komprimerad luft till förbränningsutrymmet 3. En inloppsventil 9 är anordnad i öppningen 8 för att styra tillförseln av luft till förbränningsutrymmet 3. En laddluftkylare 10 är anordnad i luft- ledningen 7 för att kyla luften innan den leds in i förbränningsutryrnmet 3. Inloppsled- ningen 7 är förbunden med en returledning 12 för återcirkulation av avgaser. Returled- ningen 12 innefattar en EGR-ventil 13 med vilken det är möjligt att återcirkulera en önskad mängd avgaser till inloppsledningen 7. Returledningen 12 innefattar även en EGR-kylare 15 med vilken det är möjligt att kyla de återcirkulerande avgaserna innan de leds in i inloppsledningen 7.

En styrenhet 14 är anpassad att styra ett insprutningsorgan ll så att det sprutar in en optimal mängd bränsle vid önskade tillfällen. En högtryckspump 18 är anpassad att ge bränslet ett mycket högt tryck och ett kylarelement 19 är anpassat att kyla bränslet in- nan det sprutas in i förbränningsutrymmet 3. Insprutningsorganet ll är försett med ett flertal öppningar för att spruta in bränsle med ett högt tryck i fonn av flertal strålar i törbränningsutrynirnet 3. Styrenheten 14 är även anpassad att styra EGR-ventilen 13 '15 2:5 53113 875 så att den tillför en önskad mängd avgaser till luften i inloppsledningen 7. Styrenheten 14 kan vara en datorenhet som är försedd med en lämplig programvara för att utföra nämnda uppgifter. En avgasledning 16 är avsedd att leda bort avgaserna från förbrän- . ningsprocessema i förbränningsutrymmet 3. Utsläppet av avgaser från förbräriningsut- rymmet 3 regleras medelst en avgasventil 17. Returledningen 12 har en sträckning så att den kan leda tillbaka avgaser :från avgasledningen 16 till inloppsledningen 7.

Under drift av förbränningsmotorn 1 styr styrenheten 14 EGR-ventilen 13 så att en önskad mängd avgaser leds in i inloppsledningen 7. Då kolven 4 rör sig nedåt i cylin- dern 2 öppnar 14 inloppsventilen 9 så att luft och avgaser sugs in i det expanderande förbränningsutrymmet 3 från inloppsledningen 7. I samband med att kolven 4 vänder i ett nedre ändläge stänger inloppsventilen 9. Under kolvens 4 efterföljande rörelse uppåt tillhandahålls en kompression av luften och avgasema i förbränningsutrymrnet 3. Luf- ten och avgasema i förbränningsutrymmet 3 tillhandahåller därmed en temperaturök- ning som står i relation till kompressionsgraden. I sarnband med att kolven 4 når ett övre ändläge aktiverar styrenheten 14 insprutningsorganet ll som sprutar in bränsle med ett högt tryck i förbränningsutryrnmet 3. Bränslet antänds och förbränns i förbrän- ningsutrymmet 3. Tryckökningen som uppkommer i samband med förbränningen av bränslet resulterar i att kolven 4 trycks nedåt. Efter att kolven 4 passerat det nedre änd- läget öppnar styrenheten 14 avgasventil 20. Kolven 4 trycker under rörelsen uppåt ut avgasema som bildats under förbränningsprocessen till avgasledning 18.

Fig. 2 visar mer detaljerat insprutningsförloppet av bränsle. lnsprutningsorganet 1 1 innefattar en lämpligt formad yta med ett flertal öppningar 1 la. Insprutningsorgariet 11 är anpassat att spruta ut bränsle med ett högt tryck genom var och en av nämnda öpp- ningar 1 la så att bränslet fördelas på ett optimalt sätt i förbränningsutrymmet 3. Från var och en av nämnda öppningar 1 la bildas en bränslestråle 20. En sådan bränslestråle är visad i Pig. 2. Eftersom högtryckspumpen 18 ger bränslet ett mycket högt tryck samtidigt som öppningarna 11a har små dimensioner tillhandahåller bränslet i strålarna en mycket hög initial hastighet då de sprutas in i förbränningsutrymmet 3. Bränslet ñnfördelas då det inträder i förbränningsutrymmet 3 till en mängd små bränsledroppar som bildar nämnda bränslestråle 20. Bränslet tillförs således i sprayforrn till förbrän- ningsutrymmet 3. Bränslets initiala hastighet är av en storlek så att bränslet inte hinner reagera med omgivande syre i förbränningsutrymmet 3. Bränslets hastighet bromsas emellertid successivt upp av den komprimerade och Vanna blandningen av luft och avgaser i förbränningsutrynnnet 3. Efter att bränslet har rört sig en sträcka d i bränsle- 5313 fiïfš utrymmet 3 har det bromsats upp till en hastighet vid vilken det kan antänds av orngi~ vande syre. Antändningen sker i en förbränningszon 21 vid en ände av bränslestrålen .

Under bränslets rörelse längs nämnda sträcka d sker en successiv inblandning av luft i bränslestrålen 20. Bränslestrålen 20 kommer således att innehålla en allt större mängd inblandad luft. Insprutníngsorganet ll är anpassat att ge bränslet en initial hastighet av en storlek så att bränsle och luft hinner blandas till en väsentligen homogen blandning under nämnda sträcka d. Därmed kan en mager förblandad bränsleblandning tillhanda- hållas som antänds och förbränns i törbränningszonen 2l med en s.k. förblandad flamma. En fórbränningsprocess med en förblandad flamma sker väsentligen samtidigt i hela förbränningszonen 2 l. F örbränningsprocesser med en förblandad flamma sker snabbt och med en relativt låg förbrånningstemperattlr. Därmed bildas låga halter av kväveoxider i avgaserna. Eftersom bränsleblandningen är mager tillhandahålls väsent- ligen inga sotpartiklar i avgaserna från förbränningsprocessen.

Insprutningsorganet ll är anpassat att kontinuerligt spruta in bränsle i förbränningsut- rymmet 3 under en bestämd tidsperiod. En sådan tidsperiod har åtminstone en längd så att bränsle fortfarande sprutas in i förbränningsutrymmet 3 då det först insprutade bränslet under tidsperioden redan har blandats till en väsentligen homogen blandning och förbränts. Med en sådan kontinuerlig tillförsel av bränsle upprätthålls en bränsle- stråle 20 med ett kontinuerligt tillllöde av bränsle under en bestämd tidsperiod. Bräns- let i strålen 20 blandas successivt med omgivande luft i förbränningsutryrnmet 3 till en väsentligen homogen blandning innan antändning och förbränning sker i förbrännings- zonen 21. Därmed tillhandahålls kontinuerligt förbränningsprocesser med forblandan- de flammori förbränningszonen 2l under nämnda tidsperiod. Med en sådan utdragen förbränning tillhandahålls en relativt ringa belastning på ingående komponenter. Styr- ningen av förbränningsförloppet blir inte mer komplicerat än hos en konventionell die- selmotor då den väsentligen bestäms av tiden för insprutníngen av bränslet.

För att möjliggöra en inblandning av luft i bränslestrålen så att en väsentligen homogen blandning hinner uppnås under sträckan d innan sj älvantändningen av bränslet sker krävs således att bränslet sprutas in med en mycket hög initial hastighet. Dessutom bör insprutningsorganets öppningar l la har en storlek och en form så att en bränslestråle tillhandahålls som har en relativt tunt tvärsnittsarea. Ju tunnare strålen 20 görs desto snabbare kan luften tränga in och blandas med bränslet i strålens mest svårtillgängliga EQÜ 875 centrala delar så att en homogen blandning skapas. Att blanda in avgaser i luften med- för att syrehalten i förbränningsutrymrnet 3 reduceras. Därmed kan bränslet tillhanda- hålla en något lägre hastighet innan det reagerar med det omgivande syret i förbrän- ningsutrymmet 3. Sträckan d innan bränsleblandningen självantänder blir därmed något längre vilket ökar möjligheten att skapa en homogen blandning innan självantändning- en sker. Dessutom sänker närvaron av avgaser i förbränningsutrymmet 3 förbrännings- temperaturen. Andelen kväveoxider i avgaserna reduceras därmed ytterliggare. Kyl- ningen av avgaserna i EGR-kylaren 15 innan de leds in i förbränningsutryrnmet 3 redu- cerar förbränningstemperatiiren ytterligare och halten av kväveoxider i avgaserna. Yt- terligare åtgärder som underlättar skapandet av en homogen blandning innan sj älvan- tändning är att kyla luften i ett kylarelement 10 innan den leds in i förbränningsutryrn- met 3. I synnerhet bör detta göras då komprimerad luft används som erhållit en upp- värmning under komprimeringen. Slutligen kan bränslet kylas innan det sprutas in i förbränningsutrymmet vilket sker i kylelementet 19.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den beskrivna utföringsforrnen utan kan varieras fritt inom patentkravens rarnar. Den initiala hastigheten som bränslet sprutas in med i förbränningsutryinmet och hastigheten vid vilken bränslet självantänds är inga konstanta värden. Dessa hastigheter varierar med bränsleslag, trycket i förbränningsut- ryrmnet då insprutningen sker, sammansättningen hos det gasformiga mediet i förbrän- ningsutryrnmet etc.

Claims (20)

10 15 20 25 30 35 53121 8175 Patentkrav

1. l. Arrangemang hos en förbränningsmotor, varvid arrangemanget innefattar ett för- bränningsutrymrne (3), en inloppsventil (9) med vilken det är möjligt att tillföra ett gasformigt medium som innehåller syre till förbrärmingsutrymmet (3), en rörligt an- ordnad kolv (4), som är anpassad att komprimera det gasforrniga mediet i förbrän- ningsutrymmet (3), ett insprutningsorgan (1 l) som är anpassat att spruta in bränsle i förbränningsutrymmet (3) i en stråle som består av en mängd små bränsledroppar, kan; netecknat av att insprutningsorganet (1 1) är anpassat att spruta in bränsle i förbrän- ningsutrymmet (3) med en så pass hög initial hastighet att det insprutade bränslet i strå- len hinner blanda sig med det gasformiga mediet till en väsentligen homogen bland- ning innan det har bromsats upp till en hastighet vid vilken det antänds och förbränns.

2. Arrangemang enligt krav l, kännetecknat av att insprutningsorganet (ll) är anpassat att spruta in bränsle i förbränningsutrymmet (3) under en tidsperiod som har en längd så att bränsle även sprutas in i förbränningsutryrnmet (3) då det först insprutade bräns- let under tidsperioden redan har blandats med det gasformiga mediet till en väsentligen homogen blandning och förbränts.

3. Arrangemang enligt krav 2, kärmetecknat av att insprutningsorganet (l l) är anpassat att spruta in bränsle kontinuerligt under nämnda tidsperiod.

4. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att arrangemanget innefattar en högtryckspump (18) som är anpassad att ge bränslet ett tryck av en storlek som möjliggör insprutning av bränslet med nämnda initiala hastighet i förbränningsut- rymmet (3).

5. Arrangemang enligt något av föregående krav, kärmetecknat av att insprutningsorga- net (l l) innefattar åtminstone en öppning (19) som har en storlek och en form så att en bränslestråle tillhandahålls som har ett så pass tunt tvärsnitt att bränslet i strålen hinner blanda sig med det gasformiga mediet till en väsentligen homogen blandning innan det antänds.

6. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att inloppsventilen (9) är anpassad att leda in ett gasformigt medium som innefattar luft i förbränningsut- rymrnet. 10 15 20 25 30 EEG B?5 10

7. Arrangemang enligt krav 6, kännetecknat av att arrangemanget innefattar ett kylar- element (10) för att kyla luften innan den leds in i förbrärmingsutryrmnet.

8. Arrangemang enligt krav 6 eller 7, kännetecknat av att inloppsventilen (9) är anpas- sad att leda in ett gasformigt medium som innefattar återcirkulerande avgaser i för- bränníngsutrymmet (3).

9. Arrangemang enligt krav 8, kännetecknat av att arrangemanget innefattar ett kylar- element (15) för att kyla de återcirkulerande avgaserna innan de leds in i förbrännings- utrymmet (3).

10. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att arrangemanget innefattar ett kylarelement (19) för att kyla bränslet innan det sprutas in i förbrännings- utrymmet (3).

11. 1 l. Förfarande hos en förbränningsmotor, varvid förfarandet innefattar stegen att tillfö- ra ett gasfonnigt medium som innehåller syre till ett förbränningsutiymrne (3) hos för- bränningsmotorn, att komprirnera det gasformiga mediet i förbränningsutrymmet (3), att spruta in .bränsle i förbränningsutrymmet (3) i en stråle som består av en mängd små bränsledroppar, kännetecknar av steget att spruta in bränsle i förbränningsutrymrnet (3) med en så pass hög initial hastighet att det insprutade bränslet i strålen (20) hinner blanda sig med det gasformiga mediet till en väsentligen homogen blandning innan det har bromsats upp till en hastighet vid vilken det antänds och förbränns.

12. Förfarande enligt krav l 1, kännetecknat av steget att spruta in bränsle i förbrän- ningsutrymmet (3) under en tidsperiod som har en längd så att bränsle även sprutas in i förbränningsutrymmet (3) då det först insprutade bränslet under tidsperioden redan har blandats med det gasformiga mediet till en väsentligen homogen blandning och för- bränts.

13. Förfarande enligt krav 12, kännetecknat av steget att spruta in bränsle kontinuerligt under nämnda tidsperiod. 10 15 20 25 5312! 875 11

14. Förfarande enligt något av de föregående kraven 11-13, kännetecknat av steget att ge bränslet ett tryck av en storlek som möjliggör insprutning av bränslet med nämnda initiala hastighet i förbränningsutryrnmet (3).

15. Förfarande enligt något av de föregående kraven 11-14, kärmetecknat av steget att ge bränslestrålen ett så pass tunt tvärsnitt att bränslet i strålen hinner blanda sig med det gasformiga mediet till en väsentligen homogen blandning innan det antänds.

16. Förfarande enligt något av de föregående kraven 11-15, kännetecknat av steget att leda in ett gasformigt medium som innefattar luft i förbränningsumfrnmet (3).

17. Förfarande enligt krav 16, kännetecknat av steget att kyla luften innan den leds in i förbrånningsutrymmet (3).

18. Förfarande enligt krav 16 eller 17, kännetecknat av att steget att leda in ett gasfor- migt medium som innefattar återcirkulerande avgaser i förbränningsutrymmet (3).

19. Förfarande enligt krav 18, kännetecknat av steget att kyla de återcirkulerande avga- serna innan de leds in i törbränningsutrymmet (3).

20. Förfarande enligt något av de föregående kraven 11-19, kärmetecknat av steget att kyla bränslet innan det sprutas in i förbränningsutrymmet (3).