FI111981B - Menetelmä polttoaineen ruiskuttamiseksi iskumäntäpolttomoottorin polttotilaan - Google Patents

Description

111981

Menetelmä polttoaineen ruiskuttamiseksi iskumäntäpolttomoot-torin polttotilaan

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukai-5 nen menetelmä polttoaineen ruiskuttamiseksi iskumäntäpolttomoottorissa.

Hakemusjulkaisusta WO 94/18 449 tunnetaan menetelmä polttoaineen ruiskuttamiseksi iskumäntäpolttomoottorin polttotilaan. Tässä menetelmässä toimimoottori ohjaa ruiskutussuuttimen neulan asemaa. Tällöin neula pysyy ruiskutusjakson aikana koko ajan auki, jolloin neulan asemaa voidaan siirtää 10 siten, että polttoaineen ruiskutusnormi on ohjattavissa. Toimimoottorin perään kytketyn säätölaitteen avulla voidaan neulan asemaa ja siten polttoaineen ruis-kutusnormia muuttaa siten, että esiruiskutus siihen liittyvine pääruiskutuksineen on toteutettavissa. Tämän tunnetun suoritusmuodon haittapuolena on nähtävä se, että polttoaineen ruiskutusnormia voidaan muuttaa ajan funktiona vain ah-15 taissa rajoissa.

Julkaisusta US 5,280,773 tunnetaan lisämenetelmä sekä laite polttoaineen ruiskuttamiseksi iskumäntäpolttomoottorin polttotilaan. Jotta polttotilaan saadaan homogeenisempi polttoaineseos, polttoaine ruiskutetaan sylinteriin siten, että polttoaineen tunkeutumissyvyyteen polttotilaan sekä ruiskutetta-20 van polttoainesuihkun avauskulmaan voidaan vaikuttaa ruiskuttamalla poltto-aine pulssinlaajuudenmodulointia vastaavasti ajan funktiona jaksoittaisesti. Kulloinenkin osamäärä polttoainetta syötetään useissa peräkkäisissä ruisku- • I » tusvaiheissa polttotilaan, jolloin ruiskutusjakson aikana syötetyt polttoaine- » * · osamäärät suurenevat enenevässä määrin. Useita osamääriä polttoainetta • · 25 ruiskutetaan näin, kunnes koko yhtä ruiskutusjaksoa varten tarkoitettu poltto-i ’·* ainemäärä on syötetty polttotilaan. Polttoaineosamäärien ruiskutuksen kulloi- v : senkin aloituksen välinen aikaero pysyy aina vakiona. Tämä menetelmä mah dollistaa hiilivety- ja typpioksidi- kuten myös nokipäästöjen vähentämisen. ;’·\· Epäedullista tässä tunnetussa menetelmässä on se, että polttoainetta ruisku- : 30 tettaessa ilmenee ongelmia ja lisäksi hyötysuhde ei ole optimaalinen.

* t k

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on ehdottaa parannettua ruisku- ‘‘ tusmenetelmää sekä vastaavaa ruiskutuslaitetta.

> · _ ’·;·* Tämä tavoite saavutetaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkien mukaan. Epäitsenäisten vaatimusten 2-6 kohteena on keksinnön mukaisen .:..: 35 menetelmän toiset edulliset toteutusmuodot.

111981 2

Tavoite saavutetaan erityisesti tietyllä menetelmällä, jossa polttoaine ruiskutetaan iskumäntäpolttomoottorin polttokaan, ja jossa kulloisessakin ruis-kutusjaksossa polttoaineen ruiskutus moneen kertaan katkaistaan kokonaan ja aloitetaan sen jälkeen uudelleen, ja jolloin tämän ruiskutusmenetelmän avulla 5 moneen kertaan peräkkäin ruiskutetaan enenevässä määrin suurempi osa polttoainetta, kunnes kaikki yhteen ruiskutusjaksoon kuuluva polttoainemäärä on ruiskutettu, jolloin ruiskutusjakson aikana polttoaineen ruiskutusta ohjataan pulssinlaajennusmodulointia (PWM) vastaavasti, tunnettu siitä, että polttoaineen kunkin osamäärän ruiskutuksen välisen katkoksen pituus pidetään valo kiona. Tämä menetelmä sopii erityisesti dieseltyyppisille ja erityisesti hidaskäyn-tisille dieselmoottoreille.

Ruiskutusjaksolla tarkoitetaan seuraavassa polttoaineen ruiskuttamista sylinterin sylinteritilaan, ja jolloin ruiskutetaan kaikki yhtä ainoaa palamis-jaksoa varten tarvittava polttoainemäärä. Keksinnön mukainen menetelmä so-15 veltuu erityisesti dieseltyyppisille itsesytyttäville hidaskäyntisille iskumäntäpolt-tomoottoreille. Jokaisen päättyneen palamistapahtuman jälkeen alkaa uusi ruis-kutusjakso. Keksinnön mukaisen menetelmän mukaan ruiskutetaan polttoainetta sylinteritilaan kulloisessakin ruiskutus- ja palamisjaksossa siten, että polttoaineen ruiskutus keskeytyy moneen kertaan, ja että polttoaine ruiskutetaan osa-20 erissä. Tätä menetelmää sovelletaan kulloinkin 2-tahti-iskumäntäpolttomoottorin tai 4-tahti-iskumäntäpolttomoottorin jokaiseen ruiskutus- ja palamisjaksoon. Keksinnön mukaisen menetelmän eräs etu on nähtävä siinä, että sylinteritilassa ::V tapahtuvan palamisen johdosta syntyvää lämmönkehittymisnormia voidaan oh- » * · :‘ jata kulloinkin ruiskutettavalla polttoainemäärällä ajan funktiona tai kampiakseli- '···' 25 kulman funktiona. Polttoaineen ruiskutus moduloidaan pulssinlaajuudenmodu- : loinnilla, jossa polttoaineen syötön kestoa moduloidaan säätölaitteen avulla. Yh- • I * v : den ruiskutusjakson aikana syötetään polttoainetta edullisesti kolme - viisi kertaa ja polttoaineen syöttö lopuksi aina katkaistaan. Eräässä edullisessa moottorissa moduloidaan polttoaineen syöttö siten, että polttotilassa syntyy suunnilleen line-30 aarisesti nouseva lämmönkehittymisnopeus kampiakselikulman funktiona. Tä-( \ mäntyyppisen lämmönkehittymisnormin etu on nähtävä siinä, että syntyy korkea ; hyötysuhde polttoaineenkulutuksen ollessa vastaavasti pieni.

Keksintöä selitetään edelleen useiden suoritusmuotoesimerkkien v,: avulla, joissa : 35 kuvio 1 esittää ruiskutuslaitetta ruiskutussuuttimineen ja sylinterei- neen; 111981 3 kuvio 2 esittää ruiskutuslaitetta; kuvio 3 esittää polttoaineen ruiskutuksen esimerkkiä kampiakselikul-man funktiona; ja kuvio 4 esittää esimerkkiä ihanteellisesta lämmönkehittymisestä pa-5 lotilassa kampiakselikulman funktiona.

Tässä lähemmin esittämättä jätetystä monisylinterisestä hidaskäynti-sestä 2-tahti-iskumäntäpolttomoottorista, joka toimii dieselperiaatteella, on kuviossa 1 esitetty sylinteri 44, jossa on ylös-ja alasliikkuva työmäntä 45. Työmäntä 45 rajaa yhdessä sylinterin 44 päälle sijoitetun sylinterikannen 46 kanssa poltto-10 tilan 43, johon ensimmäisen ruiskutussuuttimen 1a ja toisen ruiskutussuuttimen 1b avulla ruiskutetaan nestemäistä polttoainetta. Sylinterinkannen 46 keskelle on sijoitettu tässä esittämättä jätetty pakoventtiili siten, että sylinterissä 44 vallitsee pitkittäishuuhtelu työmännän 45 alkaessa liikkua ylöspäin. Tunnetun tyyppisissä ensimmäisessä ruiskutussuuttimessa 1a ja toisessa ruiskutussuuttimessa 15 1b on kussakin suutinneula 7, joka sulkujousen 8 vaikutuksesta puristuu istuk-kapintaa T vasten. Istukkapinnan T alapuolelle on suuttimenpesään sovitettu umpireikä, josta ruiskutusreiät 2 lähtevät avautuen polttotilaan 43. Istukkapinnan T yläpuolelle on suutinpesään sijoitettu painekammio 10, joka on liitetty paine-johdon 9a, 9b välityksellä ruiskutuslaitteistoon 40a, 40b. Ruiskutussuutinten 1a, 20 1b ruiskutusvaiheessa on johdon 9a, 9b kautta painekammioon 10 johdetun polttoaineen paine niin korkea, että jousen 8 puristusvoima ylittyy ja suutinneula 7 kohoaa istukkapinnasta T ylös, jolloin polttoaine joutuu ruiskutusreikien 2 » * ;; ,: kautta polttotilaan 43. Ruiskutussuutinten 1a, 1b pesään on liitetty johto 42, joka * * · : ·’ johtaa pois ylimääräpolttoaineen. Ruiskutuslaitteet 40a, 40b ovat rakennetut si- '·*·’ 25 ten, että polttoaineen ruiskutuksen alku ja loppu on ohjattavissa sähköisten oh- ’· jausjohtojen 41a, 41b avulla. Ruiskutuslaite 40a, 40b voi lisäksi olla rakennettu 1 . t : siten, että myöskin ruiskutettavan polttoaineen määrä on ohjattavissa sähköisen ohjausjohdon 40a, 40b avulla. Molemmat ruiskutuslaitteet 40a, 40b on liitetty r*‘: polttoaineen syöttöjohtoon 47a, 47b. Säätölaite 50 ohjaa ohjausjohtojen 41a, 30 41b ja muiden mahdollisesti olemassa olevien ohjausjohtojen 46a, 46b kautta \ ruiskutuslaitteita 40a, 40b ja siten venttiilien 1a, 1b, avaamista ja sulkemista.

’;; ;* Säätölaite 50 on liitetty sähköisen signaalijohdon 50b avulla tunnistimeen 52, jo- ka valvoo iskumäntäpolttomoottorin kampiakselin 53 pyörimiskulmaa ω. Lisäksi ν’*. on säätölaite 50 liitetty sähköisen signaalijohdon 50a kautta syöttö- ja tulostus- ·:· · 35 laitteeseen 51, jolla ohjausarvot voidaan syöttää, ja joka voi esittää olotilaarvot.

Säätölaite voi olla liitetty muihin tässä esittämättä jätettyihin tunnistimiin tilasuu- 111981 4 reiden keräämistä varten. Ruiskutuslaite 40a, 40b omaa suuren dynaamisen käyttäytymisen, mutta polttoaineen ruiskutus voidaan kuitenkin katkaista useaan kertaan yhden ruiskutusjakson aikana ja aloittaa uudestaan, jolloin ruiskutuslaite 40a, 40b seuraa säätölaitteen 50 lähettämää modulointisignaalia. Säätölaite 50 5 voi ajallisesti tahdistettuna samoinkuin ajallisesti siirretysti ohjata kumpaakin ruiskutussuutinta 1a, 1b, tahi ohjata niitä siirretysti kampiakselikulman co suhteen.

Kuvio 2 esittää kaavamaisesti ja osittain leikattuna ruiskutuslaitteen 40a suoritusmuotoesimerkkiä, johon korkeapainepumppu 80 ja painevaraaja 81 10 syöttävät polttoainetta. Polttoaineen tulokanava 67 haarautuu kanavaan 68, joka johtaa differenssimännäksi rakennetun annostusmännän 70 takasivulle ja pääkanavaan 69, joka johtaa polttoaineen ohjausmännässä 100 olevan uran 141 kautta tulokanavaosaan 123. Ohjattaessa ohjaushydrauliikan 90 ohjausventtiiliä 91, jossa on ohjausöljyä varten oleva tulokohta ja lähtökohta, ja joka on paineen 15 alaisena, liikutetaan ohjausmännän 100 otsapintaa 143 alaspäin. Esiohjaus-venttiili saa ohjauskäskynsä säätöelektroniikasta 50, joka huolehtii siitä, että polttoaineen ruiskutus tapahtuu oikeaan aikaan ja oikeamääräisenä. Siten esimerkinomaisesti kampiakseliin 3 sovitettu tunnistin 52 välittää kulmasignaalit sähköliitännän 50b kautta säätölaitteelle 50. Anturi 73, joka toimii esimerkin-20 omaisesti induktiivisesti, antaa akselin 74 asentoa valvomalla säätöelektronii-kalle 50 signaalit annostelumännän 70 asemasta. Siten on mahdollista määrit-! ! tää ja muuttaa polttoaineen ruiskutusmäärää ruiskutusta kohden.

V Ohjausmännän 100 liikkuessa alaspäin katkeaa ensin yhteys pääka- « · · navan 69 ja tulokanavaosan 123 välillä. Sen jälkeen yhdistetään ohjausmän-';·* 25 nässä 100 olevan uran 142 avulla lähtökanava 124 ruiskutuskanavaan 9a, joka johtaa dieselmoottorin sylinterin 44 ruiskutussuuttimeen 1a. Polttoaineen aihe-. : uttama paine, joka vaikuttaa annostusmännän takasivuun 72 sinne johtavan ka navan 68 kautta, liikuttaa annostusmäntää. Polttoaine ruiskutetaan sylinteritilaan | 43. Kun esiohjausventtiili 91 sulkeutuu ja ohjausöljyn paluukohta avautuu, pai- ; ‘ ‘ ‘: 30 nautuu ohjausmäntä 100 tällöin ohjausmännän 100 otsapintaan 144 vaikuttavan ).t polttoaineen paineen ja jousivoiman vaikutuksesta ylöspäin. Polttoaineen syöttö » * · il! kanaaliin 9a katkeaa ja polttoaineen ruiskutus päättyy tällöin. Tämä tapahtuma ': ‘ voidaan toistaa useita kertoja yhden ruiskutusjakson aikana. Kuviossa 2 esite- v, '· tään vain viitteellisesti toinen polttotilaan 43 avautuva ruiskutussuutin 1b. Tähän ·:··: 35 ruiskutussuuttimeen 1b syöttää polttoainetta toinen ruiskutuslaitteen 40a suh teen identtinen, mutta tässä esittämättä jätetty ruiskutuslaite 40b.

111981 5

Ohjausmännässä 100 tiivistää esimerkinomaisesti viisi tiivistyskohtaa jatkuvasti korkeassa paineessa olevaa polttoainetta vastaan. Tärkein tiivistys-kohta, nimittäin se, joka on yhteydessä ruiskutussuuttimeen 1a, on rakennettu istukkaventtiiliksi 145, jotta yksittäisten ruiskutusten välillä ei johdossa 9a vallitsi-5 si painetta. Venttiilinistukka 145 on suljetussa tilassa aivan tiivis. Siten estetään valvomaton ruiskutus. Muissa tiivisteissä 146 hyödynnetään ohjausmännän tiivistä sovitusta ja huomioidaan polttoaineen vähäinen vuotovirta ja se johdetaan takaisin polttoainetankkiin paluukanavien 127 kautta.

Kuvio 3 esittää ruiskutusta yhden ruiskutusjakson aikana. Abskissa 10 esittää iskumäntäpolttomoottorin kampiakselikulmaa ω, ja jolloin käyrän 201 kulku on paremman käsitettävyyden vuoksi idealisoitu. Todellisuudessa käyrän 201 kulku ei ole suorakulmaista johtuen polttoaineen ruiskutuslaitteen sekä juoksevan polttoaineen hitaudesta, vaan se esittää erityisesti taitekohdissa sisäänpäin heilahtelevaa tahi ulospäin heilahtelevaa käyttäytymistä. Ammattimies tietää 15 sen, että suorakulmion muotoisella signaalilla, erityisesti pulssinlaajuudenmo-duloinnilla moduloitu signaali käyttäytyy taitekohdissa heilahtelevasti. Polttoaine ruiskutetaan siten, että ensimmäisessä vaiheessa 201a, jossa kampiakselin kulma vastaa vaiheen 201a leveyttä, polttoaine ruiskutetaan sylinteritilaan 43, ja jonka jälkeen polttoaineen syöttö katkaistaan täydellisesti, kunnes vaiheen 201b 20 alkaessa uutta polttoainetta ruiskutetaan, ja joka puolestaan jälleen katkeaa. Ruiskutus päättyy sen jälkeen tulevan kolmannen vaiheen 201c jälkeen. Tässä !' ’esitetyssä esimerkissä pidetään polttoaineen ruiskutusnormi vakiona per kampi-akselin astekulma, jolloin polttoainetta ruiskutetaan kolmessa vaiheessa 201a, • * » 201b, 201c ja yhteensä 20 asteen kampiakselikulmassa. Vaiheiden 201a, 201b, * « ’; · ·' 25 201c leveyksiä moduloidaan, jota vastoin yksittäisten vaiheiden välisten katkos- : '* ten pituudella on vakioarvo kampiakselikulman suhteen. Kuvio 3 esittää edel- V : leen sylinteritilassa tapahtuvan polttoaineen palamisen aikana ilmenevää läm- mönkehittymisnormia 202 kampiakselikulman ω funktiona. Polttoaine syttyy sy-linteritilassa jo ensimmäisen ruiskutusvaiheen 201a aikana ja tuloksena on käy- » t * 30 ränkulkua 202a vastaava lämmönkehittymisnormi, johon polttoaineen ruiskutuk- , !', sen katkeamisen jälkeen liittyy käyränkulkua 202b vastaava lämmönkehittymis- .···, normi. Seuraava ruiskutusvaihe 201b vaikuttaa lämmönkehittymisnormia vas- * > taavasti käyränkulkuun 202c ja 202d. Viimeinen ruiskutusvaihe 201c vaikuttaa \v lämmönkehittymisnormia vastaavasti käyränkulkuun 202e ja 202f. Polttoaineen 35 ruiskutusnormin 201 kulun ja lämmönkehittymisnormin 202 kulun yhteistoimin- 111981 6 nasta havaitaan, että vastaavalla polttoaineen ruiskutuksen 201 moduloinnilla voidaan vaikuttaa lämmönkehittymisnormin 202 kulkuun laajalla alueella.

Dieseltyyppisen iskumäntäpolttomoottorin kohdalla saavutetaan iso-baarisella palamisella optimaalinen hyötysuhde. Kuvio 4 esittää isobaarista 5 lämmönkehittymisnormia 203 kampiakselikulman ω funktiona. Täten idealisoitu lämmönkehittymisen kulku ei ole saavutettavissa todellisessa iskumäntäpoltto-moottorissa. Keksinnön mukainen ruiskutusmenetelmä kuitenkin mahdollistaa tämän kulun likimääräisen saavuttamisen, kuten kuviosta 3 ja siinä olevasta lämmönkehittymisnormista 202 on havaittavissa. Lämmönkehittymisnormin 202 10 kulku vastaa suunnilleen kolmikulmion muotoista kulkua, jonka yläosassa on sahanhampaan muotoiset osat. Näiden yläosassa olevien osien tasoittamiseksi voidaan lisätä ruiskutusvaiheiden 201a, 201b, 201c määrää siten, että kampiakselikulman ollessa kokonaisuudessaan 20 astetta saadaan siihen sovitetuksi esimerkinomaisesti viisi yksittäistä ruiskutusta. Tästä seuraa se, että lämmönke-15 hittymisnormin 202 aaltomaisuus alenee.

Eräässä edullisessa menetelmässä syötetään polttoainetta siten, että ruiskutettavasta polttoainemäärästä ruiskutetaan 50 % aikana, joka kattaa alusta lähtien 66 % koko ruiskutusajasta.

Polttoaineen ruiskutusnormia voidaan moduloida myöskin siten, että 20 yksittäiset ruiskutusvaiheet 201a, 201b, 201c moduloidaan leveydeltään. Tällaista modulointia kutsutaan pulssinlaajuudenmoduloinniksi (Pulsenweitenmodu-lation, PWM). Edelleen on mahdollista moduloida polttoaineen ruiskutusnormia : pulssinamplitudinmoduloinnilla (Pulsamplitudenmodulation, PAM) siten, että : ' : polttoaineen ruiskutusnormin amplitudia ei pidetä vakiona, kuten kuviossa 3 esi- : 25 tetään, vaan modulointi tapahtuu ruiskutuslaitteen 40a, 40b avulla. Polttoaineen i ’ * . ruiskutusnormia 201 voidaan moduloida edelleen siten, että sekä pulssin laajuus :T; että amplitudi moduloituvat, so. että käytetään pulssinlaajuudenmoduloinnin (PWM) ja pulssiamplitudinmoduloinnin (PAM) yhdistelmää.

> » I

• » * t » S 1 » » »

> I

* I

* I I t I » (lit*

» I

Claims (6)

111981

1. Menetelmä polttoaineen ruiskuttamiseksi iskumäntäpolttomoottorin polttokaan, jolloin kulloisenkin ruiskutusjakson aikana polttoaineen ruiskutus 5 moneen kertaan katkaistaan kokonaan ja aloitetaan uudelleen, ja siten moneen kertaan peräkkäin ruiskutetaan enenevässä määrin suurempi osa polttoainetta, kunnes kaikki yhteen ruiskutusjaksoon kuuluva polttoainemäärä on ruiskutettu, ja jolloin jokaisen ruiskutusjakson aikana polttoaineen ruiskutusta ohjataan 10 pulssinlaajuudenmodulointia (PWM) vastaavasti, tunnettu siitä, että polttoaineen kunkin osamäärän ruiskutuksen välisen katkoksen pituus pidetään vakiona.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttoaineen ruiskutusta ohjataan lisäksi pulssiamplitudimoduloinnilla 15 (PAM).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säätölaite (50) toteaa iskumäntäpolttomoottorin kampiakselin (53) pyö-rimiskulman ω, ja että säätölaite (50) ohjaa ruiskutuslaitetta (40a, 40b) siten, että kulloisellakin ruiskutusjaksolla ruiskutettava polttoainemäärä on määritettävissä 20 kampiakselikulman ω funktiona.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttoainemäärä ruiskutetaan kampiakselikulmasta ω riippuen i ja siten, että polttotilassa vallitsee palamisjakson aikana suunnilleen lineaarisesti : ,: kasvava lämmönkehittyminen kampiakselikulman ω funktiona. : '· 25 5. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tun- : n e 11 u siitä, että polttoainetta ruiskutetaan jokaisessa ruiskutusjaksossa vähin- , tään kolme kertaa peräkkäin.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 5 mukainen menetelmä, t u n -nettu siitä, että ruiskutettavasta polttoainemäärästä ruiskutetaan 50 % aika- 30 na, joka kattaa alusta lähtien 66 % koko ruiskutusajasta. t i i e 111981