FI121089B - Puristussytytteinen polttomoottori ja menetelmä polttomoottorin käyttämiseksi - Google Patents

Description

Puristussytytteinen polttomoottori ja menetelmä polttomoottorin käyttämiseksi

Tekniikan ala 5 Esillä olevan keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaisesti puristussytytteinen, ahdettu polttomoottori. Keksinnön kohteena on myös menetelmä polttomoottorin käyttämiseksi patenttivaatimuksen 11 johdanto-osan mukaisesti.

10 Tekniikan taso

Polttomoottorin mäntä siirtää polttoaineen palamisesta vapautunutta energiaa männäntapin kautta kiertokankeen ja edelleen kampimekanismiin. Mäntä on tiivistetty moottorin sylinteriin männänrenkailla niin, että energia siirtyy ilman tarpeettomia häviöitä. Polttomoottorin palotila rajoittuu osittain 15 männän yläosaan, sylinteriputkeen ja osittain sylinterinkanteen. Tämä alue on altis huomattaville lämpörasituksille. Männän seinät, jotka kulkevat sylinterin pituussuunnassa ja sijaitsevat männänrenkaiden alla ohjaavat '[ * männän liikkeitä ja toimivat voitelupintoina. Nykyaikaisissa puristussytyttei- • · : sissä moottoreissa männät ovat vieläkin vaativammissa olosuhteissa.

• · · • · · · j.:*: 20 Mäntä on yhdistetty moottorin kampiakseliin kiertokangen avulla, joka on • · yhdistetty mäntään tapilla toisesta päästään ja kampiakseliin kiertokangen • · · laakerilla. Moottorin rakenteellisia päätekijöitä ovat sylinterin halkaisi-ja/iskunpituus-suhde, kiertokankipituus/iskunpituus-suhde. Tärkeitä toimin- • · · : nallisia piirteitä ovat mm. puristussuhde, venttiilin ajoitus, pyörimisnopeus, • · · • · *···' 25 ahtaminen ja polttoaineen syöttöön liittyvät asiat.

• · · • · · • · · .···. Polttoaineen polttamiseen puristussytytteisessä polttomoottorissa ja poltto- • · • · · aineen energian muuntamiseen mekaaniseksi työksi vaikuttaa lukuisia teki- • · · \\m jöitä, joista jotkut ovat prosessiin liittyviä, kun taas jotkut tekijät liittyvät • · · • · 2 moottorin mekaaniseen rakenteeseen. Puristussytytteisen moottorin palamisprosessiin vaikuttaa suurelta osin palamiskammion muoto. Siitä syystä männän yläosan muodolla on suuri merkitys moottorin suorituskykyyn.

Lukuisissa tekniikan tason julkaisuissa kuvataan pyörähdyssymmetristä 5 maljaa, joka on järjestetty männän yläosaan. Esimerkiksi US-patentit 6,732,703, 6,966,294 ja 7,210448 esittävät tämän tyyppisen männän yläosan muodon. Yllä mainitut patentit antavat vastauksen ongelmiin, jotka liittyvät viimeaikaisiin ympäristöasioiden vaatimuksiin, jotka liittyvät niin pakokaasuihin kuin noen kulkeutumiseen männänrenkaiden kautta voiteluöl-10 jyyn. Ne liittyvät pääosin männän yläpään muotoon ja yhteistoimintaan männän ja polttoaineen ruiskutuslaitteen välillä, jossa männän maljan muoto ja ruiskutuksen suihkukulma saavat suihkun törmäämään maljan pintaan ja kosketukseen männän maljan pinnan kanssa tietyllä tavalla suihkun tultua injektorin aukoista. Patentit keskittyvät pääosin päästöjen hallintaan ja 15 erityisesti ΝΟχ-päästöihin.

Vaikka tässä esitetty männän muoto voi olla sellaisenaan edullinen, on ilmaantunut tarvetta kehittää puristussytytteisen polttomoottorin rakennetta ja toimintaa siten, että saadaan aikaan suorituskyvyltään yhä parempi moottori.

• · • · • ·· ··· 20 Keksinnön eräänä tavoitteena on saada aikaan puristussytytteinen, ahdettu • · · · : polttomoottori, jolla saavutetaan keksinnön tavoitteita. Keksinnön tavoittee- ··· · na on myös saada aikaan menetelmä polttomoottorin käyttämiseksi, joka johtaa parempaan suorituskykyyn samalla, kun ylläpidetään alhaisia pako-kaasutasoja, erityisesti NOx-päästöjä.

• · · • ♦ · • · · .···. 25 Tässä yhteydessä termi “prosenttiasteet” (%deg) tarkoittaa suhteellisen • · • · · venttiiliaseman integraalia kampikulman alueen ylitse, jolloin prosentti tar- • · · I.. koittaa venttiilin asemaa suhteessa sylinterin halkaisijaan.

« · • · • · · ♦ · · • · · • « • · 3

Keksinnön selostus

Keksinnön tavoitteet saavutetaan oleellisesti, kuten on esitetty vaatimuksissa 1 ja 11. Muut vaatimukset kuvaavat lisää keksinnön eri suoritusmuo-5 tojen yksityiskohtia.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti puristyssytytteinen ahdettu polttomoottori käsittää rungon, johon on järjestetty vähintään yksi sylinteri, vähintään yhdellä imuventtiilillä ja vähintään yhdellä pakoventtiilillä varustetun sylinterin yhteyteen järjestetyn sylinterikannen, venttiilimekanis-10 min, joka on järjestetty sylinterikannessa olevien venttiilien käyttämiseksi, sylinteriin sen yläkuolokohdan (TDC) ja alakuolokohdan (BDC) välille liikkuvasti järjestetyn männän. Sille on tunnusomaista, että venttiilimekanismi on järjestetty toimimaan siten, että huuhtelualue on 80-120 prosenttiastet-ta (%deg). Tällä tavoin on saatu aikaan erittäin tehokas huuhtelu, joka 15 mahdollistaa koneen käytön suhteellisen korkealla suorituskyvyllä ilman, että sen luotettavuus kärsii tarpeettomasti.

Kun venttiilimekanismi järjestetään toimimaan niin, että huuhtelualueen (S) huippu on alle 3% sylinterin halkaisijasta, moottorin puristussuhdetta voi- • · : 1·· daan kasvattaa antamalla männänpään tulla suhteellisen lähelle sylinterin- 20 kantta ja venttiilejä. Tämä on erityisen edullista keksinnön erään suoritus- • · : muodon mukaisen mäntämuodon kanssa, jossa männän keskiyläalue on • · männän pään reuna-alueen kanssa samalla tasolla niin, että moottorin pu- • # · *··.·’ ristussuhde kasvaa mäntämuodon vaikutuksesta.

Venttiilimekanismi järjestetään siten pitämään sekä imu- että pakoventtiiliä 25 auki samanaikaisesti pako- ja imutahdin välillä niin, että kasvanut lämpö- .·1:·. kuorma, jonka kasvanut puristussuhde aiheuttaa, kompensoituu olennai- • .···. sesti.

• · • · · • · · • · · • · • · · • · · • ·· • · 4

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti imuventtiiliprofiili muodostaa suuremman alueen (%deg) kuin pakoventtiiliprofiili. Siten huuhteluilma, jonka painetta ylläpidetään turboahtimen kompressorilla, voi päästä helpommin palotilaan ja edelleen pakoventtiilin läpi pois palotilasta.

5 Menetelmälle puristussytytteisen, ahdetun polttomoottorin käyttämiseksi mukaisesti, joka polttomoottori käsittää rungon, johon on järjestetty vähintään yksi sylinteri, vähintään yhdellä imuventtiilillä ja vähintään yhdellä pa-koventtiilillä varustetun, sylinterin yhteyteen järjestetyn, sylinterikannen, venttiilimekanismin , joka on järjestetty sylinterikannessa olevien venttiilien 10 käyttämiseksi, sylinteriin sen yläkuolokohdan (TDC) ja alakuolokohdan (BDC) välille edestakaisin liikkuvasti järjestetyn männän,on tunnusomaista, että venttiilimekanismia käytetään niin, että huuhtelualue on 80 - 120 pro-senttiastetta (%deg).

Mäntä liikkuu edullisesti edestakaisin niin, että se tuodaan yläkuolokohdas-15 saan sellaiselle etäisyydelle sylinterinkannesta, joka on 3,5 - 4 % sylinterin halkaisijasta. Tällä saadaan aikaan suhteellisen korkea puristussuhde ja optimoitu etäisyys männän ja sylinterinkannen reunojen välillä yläkuolo-kohdassa.

• ·

Imuventtiiliä avataan edullisesti 1% viimeistään, kun kampikulma on 335° ··♦ 20 ja pakoventtiili on 1% auki vähintään, kunnes kampikulma on 385°. Tällä ·»·« : tavoin saadaan erittäin laaja tehokas huuhtelualue ja tulee mahdolliseksi :Y: käyttää venttiileitä niin, että huuhtelualueen (S) huippu on vähintään 3% :[**: sylinterin halkaisijasta.

··· : 25 • · · • · • · • · · • · · • · · • · · • · · • · • · ··· • · · • · · • · • · 1 · • · · • ·· • · 5

Piirustusten lyhyt kuvaus

Seuraavassa keksintöä kuvataan viittaamalla oheisiin kaaviomaisiin piirustuksiin, joissa 5 Kuvio 1 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaista puristussytyt-teistä polttomoottoria, kuvio 2 esittää kuviossa 1 esitetyn moottorin sylinterijärjestelyä, kuvio 3 esittää keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisen männän yläosan yksityiskohtaisemmin, 10 kuvio 4 esittää kuvion 3 männän osaa katsottuna suunnasta A, kuvio 5 esittää keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisen imu- ja pa-koventtiilin suhteellisen avautumisen.

Piirustuksen yksityiskohtainen kuvaus 15 Kuvio 1 esittää kaaviomaisesti puristussytytteistä polttomoottoria 10. Moottori käsittää sylinterit 20, jotka on järjestetty moottorin runkoon 15. Moottori on ahdettu moottori, johon on järjestetty turboahdin 12, joka on kytketty kaasunvaihtosysteemiin.

^ ‘ Kuvio 2 esittää kaaviomaisesti puristussytytteisen polttomoottorin 10 sylin- • · : y 20 terijärjestelyn keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti, josta • · · yj moottorista on esitetty vain osa sen rungosta 15. Selvyyden vuoksi on esi- • · · tetty vain yksi moottorin 10 sylinteri 20 ja on selvää, että moottorissa voi • ♦ · *;i:1 olla useita sylintereitä, jotka on järjestetty esim. riviin, kuten kuviossa 1, tai • · *** esim. V-tyyppiseksi. Mäntä 25 on järjestetty pituussuuntaisesti liikkuvasti ... 25 moottorin sylinteriin 20. Tässä yhteydessä pituussuunta tarkoittaa sylinterin • · · keskiakselin 60 suuntaa. Mäntä 25 on kytketty kampiakseliin 30 kiertokan- • · T gella 35. Siten mäntä 25 voi liikkua edestakaisin yläkuolokohdan (TDC) ja • · · '•y alakuolokohdan (BDC) välillä. Moottorin iskun pituus määritellään siten • · *·;·1 kampiakselin 30 mitoilla.

• · · • · · • · • · · • · · • · · • · 6

Moottorissa 10 on myös sylinterinkansi 40, joka on järjestetty kunkin sylinterin 20 yläpäähän. Sylinterinkansi 40, sylinteri 20 ja mäntä 25 määrittävät palothan 50 jokaisessa moottorin sylinterissä. Sylinterinkanteen 40 on myös järjestetty polttoaineinjektori 55. Kuvion 2 suoritusmuodossa polttoai-5 neinjektori on järjestetty sylinterin keskiakselille 60 ja siinä on useita polttoaineen syöttösuuttimia 551 (kuvio 3) useiden radiaalisten polttoainesuihku-jen aikaansaamiseksi syöttövaiheen aikana.

Tässä tapauksessa sylinteri 20 käsittää erillisen sylinteriholkin 21, joka on moottorin rungosta 15 irrotettava osa. Sylinterinkanteen 40 on järjestetty 10 vähintään yksi imuventtiili 42 ja vähintään yksi pakoventtiili 44 kaasunvaih-don edistämiseksi palotilassa. Kuitenkin tavallisesti nykyaikaiset nelitahti-moottorit käsittävät imu- ja pakoventtiiliparit. Imuventtiili 42 on varustettu ensimmäisellä venttiilimekanismilla 421 moottorin imuventtiilien käyttämiseksi. Vastaavasti pakoventtiili 44 on varustettu toisella venttiilimekanismil-15 la 441 moottorin pakoventtiilien käyttämiseksi. Ensimmäinen ja toinen vent-tiilimekanismi voivat muodostua yhdestä yhdistetystä venttiilimekanismista, joka säätelee sekä imu- että pakoventtiileitä. Venttiilimekanismilla on yhteys 70 kampiakselin 30 asemaan niin, että imu- ja pakoventtiilien asemia voidaan säätää myös kampikulman perusteella ja siten vastaavan männän • · 20 aseman perusteella. Käytännössä on olemassa useita hyvin tunnettuja to-teutusvaihtoehtoja venttiilimekanismille. Yhteys 70 voi käsittää mekaani- ···· : sen, hydraulisen tai sähköisen systeemin tai yhdistelmän näistä systee- ··· » meistä, joiden avulla hyvin ajoitettuna saadaan aikaan jokaisen venttiilin • · :***: avautumiskäyttäytyminen.

··♦ 25 Kuvio 3 esittää yksityiskohtaisemmin männän 25 yläosaa sylinterin 20 ylä- • · · kuolokohdassa keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti. Kuviossa • ♦ 3 sylinterin yläosasta on esitetty vain puolet siitä johtuen, että sylinteri on • · · symmetrinen keskiakselin suhteen. Kuvion 3 männän leikkaus on esitetty • · *;** suunnasta A kuviossa 4.

·· » • ♦ ♦ • · • · 1 · • · · • ·· • · 7 Mäntä 25 on järjestetty halkaisijaltaan DC tietyn kokoiseen sylinteriin 20. Tässä yhteydessä sylinterin halkaisijan määrittäminen on tärkeämpää kuin männän halkaisijan, koska juuri sylinterin pinta rajaa osittain moottorin 10 palamistilan. Männän yläosassa on malja 251, joka on pyörähdyssymmet-5 rinen keskiakselin 60 suhteen. Maljan halkaisija on DB. Männällä on suhteellisen tasainen reuna-alue 256, joka ulottuu radiaalisesti maljan 251 ja männän ulkoreunan välille ympäröiden männän pään. Tasaisen reuna-alueen taso on olennaisesti 90°:n kulmassa sylinterin keskiakseliin 60 nähden. Maljan halkaisija DB on määritelty keksinnön mukaisesti sylinterin 10 halkaisijan DC/maljan halkaisijan DB suhteella, joka on noin 1,15-1,65. Mäntämalja on suhteellisen syvä, sillä on syvyys 260. Maljan syvyys tarkoittaa mäntään ulottuvan maljan maksimietäisyyttä männän yläreunasta. Maljan 260 syvyys on määritelty keksinnön mukaisesti sylinterin halkaisijan DC/maljan syvyyden 260 suhteena, tämän ollessa noin 9,2-12,2. Tällä 15 saadaan yhdessä maljan halkaisijan kanssa perusta sopivasti (radiaalisesti) muotoillun maljan ulkoreunan järjestämiseksi, mikä on selostettu seu-raavassa.

Männän malja 251 käsittää seuraavat radiaaliset alueet. Ensiksi männän yläosan keskiyläalue 252 on kaareva ja säteeltään Tämä alue on suh- • · :·. 20 teellisen pieni ja sen halkaisija on alle 10% sylinterin 20 halkaisijasta DC.

• ·· Säde Ri on noin 10% sylinterin halkaisijasta DC. Keskiyläalue on olennai- ···· : .·. sesti samassa pituussuuntaisessa kohdassa kuin tasainen reuna-alue 256 ··· ♦ :*·*; männän keskiakselin 60 suunnassa. Siten malja 251 on muodostettu kes- kiyläalueen ympärille.

··· ... 25 Maljan 251 seuraava alue männän yläpäässä on kartiomainen alue 253.

• · · l..t Kartiomainen alue 253 on järjestetty säteittäisesti männän keskiyläalueen • · perään sen jatkeeksi. Tässä yhteydessä radiaalisuunta on männän kes- • · * kiakselista kohti männän ulkokehää. Kartiomaisen alueen muoto on kat- ··♦ • · **;·* kaistu kartio, joka ulottuu säteittäisesti kohti männän 25 ulkokehää kes- ·· · : 30 kiyläalueen 252 ja seuraavan alueen välillä, nimittäin kaarevan pohja-alue • · • ♦ ♦ • ♦· ♦ · 8 254 välillä. Kartiomaisen alueen pinta on kulmassa a suhteessa sylinterin keskiakseliin 60. Kulma on 65° < a < 75°. Kaarevalla pohja-alueella 254 on puolestaan säde R2. Edullisesti maljan syvyys 260/pohjan säde R2 -suhde on noin 0,9 - 1,2. Näin saadaan muoto, joka yhdessä keksinnön muiden 5 piirteiden kanssa vaikuttaa suotuisasti moottorin toimintaan. Kulma a yhdessä kaarevan pohja-alueen kanssa saa aikaan paremman liekinleviämi-sen ja turbulenssin muodostumisen moottorin 10 palotilaan.

Kuten sanottua, männällä on olennaisesti tasainen reuna-alue 256, joka ulottuu säteittäin maljan 251 ja männän ulkokehän välille sylinterinkantta 10 kohti. Maljan kaareva pohja-alue 254 ja reuna-alue 256 on yhdistetty toisiinsa säteeltään R3 olevalla reunalla. Maljan syvyys 260/reunasäde R3 -suhde on edullisesti noin 2,4 - 3. Tällaisella männän maljan muodolla yhdessä polttoaineen ruiskutusjärjestelyn kanssa, jota kuvataan seuraavas-sa, saadaan aikaan parempi polttoainesuihkun ohjaus ja siten aikaan saatu 15 suihkukuvio.

Polttoaineinjektori 55 on järjestetty sylinterin keskiakselille. Injektorissa on lukuisia suuttimia 551, jotka on suunnattu radiaalisesti ja järjestetty tasavälein injektorin kärkeen. Jokaisen polttoaineruiskutussuuttimen suunta 552 * : on kulmassa β suhteessa sylinterin keskiakseliin 552. Kulma β on sellai- ·· • · : " 20 nen, että polttoainesuihkun kulma on olennaisesti kohti männän kaarevaa • · φ γ·\ pohja-aluetta 254. Kulma a on olennaisesti pienempi kuin kulma β, siten • · ♦ polttoainesuihku ja siten luotu suihkukuvio toimivat yhdessä männän pin- • · ♦ 1,1 nan kanssa niin, että tapahtuu pienempi liekin leviäminen kohti sylinteri- • · *** hoikkia ja voimakkaampi sivuttaissuuntainen ja sisäänsuuntautunut liekin- 25 leviäminen. Siten moottorin toiminnassa polttoaine ja siinä syntynyt suihku- • · · kuvio törmäävät männän kaarevalle pohja-alueelle 254. Tämä saa aikaan • · halutun polttoaineen ruiskutusmuodon ja polttoaineen liikkeellepanemien • · · kaasujen muodon ja syntyneen liekkirintaman muodon.

• · • · ··♦

Polttoainesyöttö alkaa aikaisintaan 20° ennen yläkuolokohtaa ja viimeis- • · 30 tään yläkuolokohdassa. Siten suurin osa polttoainesuihkun aikaansaamas- • · 9 ta suihkukuviosta ja siitä syntyvä palaminen muodostuu, kun mäntä liikkuu alaspäin, kuten on esitetty kuviossa 3 männällä ala-asemassa 25’ katkoviivalla niin, että haluttu palamiskäyttäytyminen saadaan aikaan. Lisäksi suihkukuvio suunnataan männän pohja-aluetta 254 kohti ja maljan muo-5 dosta johtuen suihkukuvio jakautuu suurelta osin vastakkaisiin säteittäisiin virtoihin, kuten kuviossa 4 on kuvattu. Ruiskutusta säädellään siten, että ruiskutusjakson pituus on sellainen, että suurin osa syntyneestä suihkukuviosta törmää kaarevaan pohja-alueeseen 254. Näin liekin kontakti sylinte-ripintaan on niin vähäinen, että sylinteriholkin ja voiteluöljykalvon lämpö-10 kuorma minimoituu.

Männän keskiyläalue 252 on keskiakselin 60 suunnassa samalla tasolla reuna-alueen 256 kanssa, mikä tekee puristustilavuudesta Vc huomattavan pienen. Siten keksinnön mukaisen moottorin puristussuhde, ts. männän ylä- ja alakuolokohtien + puristustilavuuden Vc välillä kulkeman tilavuuden 15 suhde puristustilavuuteen Vc on huomattavan suuri. Puristussuhde on edullisesti 15-18. Tällä on huomattava polttoaineen kulutusta alentava vaikutus, mutta myös pyrkimys kasvattaa lämpökuormaa paloillaan.

Nyt on keksinnön mukaisessa moottorissa huomattavan pienen puristusti-lavuuden Vc aiheuttaman kasvaneen lämpökuorman kompensoimiseksi • · • " 20 järjestetty ensimmäinen venttiilimekanismi 421 moottorin imuventtiilien 42 • · · •••j käyttämiseksi ja toinen venttiilimekanismi 441 moottorin pakoventtiilien 44 • · · :;:t: käyttämiseksi toimimaan erityisellä tavalla, mikä selostetaan myöhemmin • · · kuvion 5 yhteydessä ja siihen viitaten.

• · • · ···

Lisäksi moottorin toimintaa voidaan edelleen parantaa säätämällä palje- • · · v : 25 etäisyys 265, ts. männän tasaisen reuna-alueen 256 ja sylinterinkannen ··· välinen etäisyys huomattavan pieneksi männän yläkuolokohdassa. Edulli-:T: sesti palje-etäisyys yläkuolokohdassa on noin 3,5 - 4% sylinterin halkaisi- :[[[: jasta DC. Välys männän yläreunan ja sylinterinkannen välillä (palje- etäisyys) yhdessä keksinnön mukaisen männän muodon kanssa mahdol- • · 30 listaa suhteellisen korkean puristussuhteen käytön ja samalla vähentää lie- • · 10 kin kontaktia sylinteriholkkiin. Lisäksi palje-etäisyys lisää turbulenssia palo-tilassa olennaisesti ennen polttoaineen syötön alkua kiihdyttäen syttymistä ja palamisprosessia.

Injektori 55 on myös erittäin lähellä männän keskiyläaluetta 252 yläkuolo-5 kohdassaan ja siten samalla polttoaineen syötön aloituksessa. Käytännössä tämä tarkoittaa, että männän yläpinta osallistuu tehokkaasti polttoaineen ja liekin ja myös aikaansaadun polttoainesuihkukuvion ohjaamiseen kohti kaarevaa pohja-aluetta.

Korkeammasta puristussuhteesta johtuen lämpökuorma erityisesti pako-10 venttiiliin kasvaisi huomattavan suureksi. Tarpeettoman lämpökuorman välttämiseksi venttiilimekanismi 421, 441 on jäljestetty toimimaan tietyllä tavalla, jolla saadaan synerginen vaikutus moottorin 10 toimintaan yhdessä yllä kuvatun männän pään muodon ja polttoaineensyöttöjärjestelyn kanssa. Venttiilimekanismin toiminta on kuvattu seuraavassa viittaamalla kuvioon 5. 15 Kuvio 5 kuvaa imuventtiilin 510 ja pakoventtiilin 500 suhteellista asemaa kampikulman (CA) suhteen keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti. Kuviossa 5 on myös esitetty vastaavat tekniikan tason järjestelyn käyrät 510.1, 500.1. Venttiilin suhteellinen asema on määritelty prosenttina venttii-Iin avautumisen suhteesta sylinterin halkaisijaan, mikä tekee arvosta hei- ·· • · ·' “ 20 pommin verrattavan muihin moottoreihin. Käyrä 520 kuvaa männän pään • · · yj asemaa suhteessa sylinterinkanteen keksinnön edullisen suoritusmuodon • · · mukaisesti. Vastaavasti käyrä 520.1 kuvaa männän pään asemaa sylinte- • · · *;[;* rinkannen suhteen kuviossa 5 tekniikan tason mukaisessa järjestelyssä.

• # • · • · ·

Moottoria käytetään niin, että moottorin toimiessa moottorin kampimeka- • · · v : 25 nismi järjestetään tuomaan mäntä lähelle sylinterin kantta niin, että palje- • · · etäisyys on noin 3,5-4% sylinterin halkaisijasta DC ja puristussuhde on :T: noin 15-18, ja puristustahdin jälkeen polttoaineen ruiskutus alkaa kampi- kulmassa, joka on välillä 20° ennen yläkuolokohtaa ja yläkuolokohta ai-kaansaaden paineennousun männän palotilassa. Kuten kuviosta 5 on näh- • · 30 tävissä, mäntä on noin 3,5%:n etäisyydellä sylinterinkannesta yläkuolokoh- • · 11 dassa, ts. kampikulmassa 360°. Käytännössä mäntä voidaan tuoda 3,5 - 4 %:n etäisyydelle sylinterinkannesta yläkuolokohdassaan. Koska keksinnön mukainen puristussuhde on suhteellisen korkea, palamisesta aiheutuva lisäpainekorotus on noin 5 - 35% puristuksen tuottamasta paineesta. Polt-5 toaineen palamisen jälkeen palotila ja sen sisältämät kaasut laajenevat ja siirtävät männän poispäin sylinterinkannesta. Kun kampikulma (nollakul-man ollessa yläkuolokohta puristustahdin jälkeen, missä kiertopituus on 720 astetta) on saavuttanut noin 124 astetta (ei esitetty). Noin 190 asteen kampikulmassa pakoventtiili(t) on/ovat saavuttaneet 7,7%:n avautumisen, 10 ts. maksiminsa. Venttiilin avautumisprofiilit käsittävät edullisesti polynomi-käyriä tai -käyrän osia.

Nyt korkeasta puristussuhteesta ja, kuten edellä on selitetty, palamispai-neesta johtuen moottorin palotilan huuhtelemiseksi on ryhdytty erityisiin toimenpiteisiin. Venttiilimekanismi on järjestetty toimimaan niin, että muo-15 dostuu niin kutsuttu huuhtelukolmioalue S, jonka aikana imu- ja pakoventtii-lit on samanaikaisesti auki. Tämä on kuvattu vinottain viivoitetulla alueella kuviossa 5, joka alue on määritetty käyrin 500, 510 ja horisontaalilla akselilla, ts kampikulmalla. Alue S määrittää myös “prosenttiasteen” (%deg) ar-von, mikä tarkoittaa suhteellisen venttiilin aseman integraalia kampikulman • · 20 alueen ylitse. Keksinnön mukaisesti huuhtelukolmioalue Son 80 £S< 120 • ·· 1 prosenttiastetta (%deg). Prosenttiasteen alue määrittää venttiilien avautu- ··«· • misprofiilit suhteessa kampikulmaan ja siten määrittää ventti il imekan ismin ··· · :Y: toiminnan. Tällä tavoin keksinnön mukaisesti huuhteluvaihe on riittävissä • · määrin tasapainossa männän tulosten polttoprosessiin nähden keksinnön ·· · 25 mukaisesta Lisäksi on huomattava, että huuhtelukolmio on olennaisesti le- :T: veä ja matala verrattuna esimerkinomaiseen tekniikan tason ratkaisuun, ts.

:...ς venttiili käyrät 500, 510 ovat sellaisia, että imuventtiilin alkuavautumisen jäi- •2j1; keen ja ennen pakoventtiilin viimeistä sulkeutumista käyrät ovat huomatta- :3: van loivia. Käyrien risteyskohdassa venttiilien sijainti on noin 2,6%.

··· ·· · • · · • ♦ • · · • · · 2 • ·· 3 • · 12

Keksinnön etujen saavuttamiseksi, käyrien 530 risteyskohta, joka on myös huuhtelualueen S huippukohta, on alle 3%. Siten olettaen, että turvamargi-naali 540 männän ja venttiilien välissä pidetään riittävän suurena, käyrien 500, 510 ja huuhtelukolmion tosiasiallinen muoto voi olla jopa leveämpi, 5 kuten kuvattu viivoilla 500’, 510’. Siten perusajatus on saada aikaan olennaisesti matala huuhtelukolmio, jonka huippu on alle 3% ja ala silti 80 ^ S < 120 prosenttiastetta (%deg). Kuten kuviossa 5 on esitetty, imu-ja pako-venttiilien avautumisprofiilien ei tarvitse olla symmetrisiä.

Kuten yllä on mainittu, imu- ja pakoventtiiliprofiilit voivat olla eri muotoisia. 10 On havaittu, että hyviä tuloksia voidaan saada myös ratkaisulla, jossa imu-venttiiliprofiili 510 alle 360 °CA muodostaa suuremman alueen (%deg) kuin pakoventtiiliprofiili 500 yli 360 °CA. Tämä voidaan ottaa käyttöön käyttämällä laajennusta 510’ imuventtiilin toiminnassa, kun käytetään käyrää 500 ilman laajennusta 500’ pakoventtiilin toiminnassa. Tällaisessa muotoilussa 15 välys pakoventtiilin ja männän välillä voidaan pitää suurempana.

Huuhtelualue S on suhteellisen leveä, koska keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti imuventtiili on järjestetty olemaan 1% auki viimeistään, kun kampikulma on 335°, ja pakoventtiili on järjestetty olemaan vielä 1% ' ' avoinna ainakin siihen asti kunnes kampikulma on 385°.

·· • · • · · • "·:· 20 Mäntä on noin 3,5% etäisyydellä sylinterinkannesta yläkuolokohdassaan, ts. kampikulmassa 360° niin, että venttiilien männän välissä on ainakin : V: 0,5%:n välys.

«»« ♦ · • ·

Keksintö on erityisen sopiva moottoreille, joiden sylinterin halkaisija on suu- rempi kuin 200mm ja jotka toimivat matala-arvoisella nestemäisellä poltto- .···. 25 aineella, kuten esimerkiksi raskaalla polttoöljyllä. Raskas polttoöljy aiheut- • · · y..m taa lukuisia koostumukseen liittyviä tekijöitä palamiseen. Esimerkiksi pako- • · · I·.. kaasun lämpötilalla ennen turbiinia on suuri vaikutus sen pintojen likaan- • · tumistaipumukseen. Keksinnön mukainen huuhtelumenetelmä pitää pako- • · · • · • · 1 · • · · • ♦♦ • · 13 kaasun lämpötilan hyväksyttävällä tasolla. Seuraavassa on esimerkki joistain moottorin yksityiskohdista moottorissa, jonka halkaisija on 460mm.

- maljan syvyys = 38-50 mm - maljan halkaisija= 1,15-1,65 mm 5 - säde Ri < 46mm - säde R2 = 36 - 48 mm - säde R3 = 12,6 — 21 mm - palje-etäisyys yläkuolokohdassa = 16 mm - huuhtelukolmioalue S =110 %deg 10 - venttiiliavautumisprofiilien risteyskohta = 12 mm lmuventtiili(e)n aukko alkaa kampikulmassa 300-320°. Kuvion 5 suoritusmuodon avautumisprofiilissa 510 imuventtiilin aukko alkaa kampikulmassa 310°. Pakoventtiili(e)n sulkeutuminen alkaa noin 310°. Kampikulmavälillä noin 310-410 astetta on huuhteluvaihe, jona aikana sekä imu- että pako-15 venttiilit ovat osittain auki, jolloin palotilan imuventtiili(e)n kautta tuleva tuore ilma voi virrata polttotilan läpi. Tällä saadaan laajennettu huuhtelu, joka osaltaan sallii kasvaneen puristussuhteen käytön ja siten paremman koneen suorituskyvyn.

[ 1 Tulisi huomata, että turboahtimen kompressori 12 (kuvio 1) on järjestetty • · : ” 20 saamaan aikaan riittävän paineen riittävän huuhtelutoiminnon aikaansaa- • · · •••j miseksi. Keksinnön huuhtelukolmioalueella S saadaan aikaan hyvin teho- • · · kas huuhtelu venttiilien läpi tulevasta suuremmasta huuhteluilmavirrasta • t · johtuen. Paloillaan kohdistuvan lämpökuorman pienentämiseksi tällä saa- • · • · ’** daan aikaan myös alhaisempi pakokaasulämpötila ennen turbiinia, mikä 25 raskasöljykäyttöisissä moottoreissa pienentää turboahtimen turbiinin li- • · · .·... kaantumistaipumusta.

• · • · · :T: Vaikka keksintöä on edellä kuvattu tällä hetkellä edullisimpina pidettyjen suoritusmuotojen yhteydessä, on kuitenkin ymmärrettävä, että keksintö ei rajoitu esitettyihin suoritusmuotoihin vaan on tarkoitettu kattamaan myös • · :1·.{ 30 lukuisia muita yhdistelmiä ja sovellutuksia sen piirteistä sekä lukuisia muita • ♦ 14 sovelluksia jäljempänä esitettyjen patenttivaatimusten määrittelemän suo-japiirin puitteissa. Minkä tahansa suoritusmuodon yhteydessä mainitut yksityiskohtia voidaan käyttää toisessa suoritusmuodossa silloin kun se on teknisesti järkevää.

5 • · • · • · • ·· • · · • · · · • · • · · • · φ ··· · • · • · · • · · • · ··· • · • · ··· • · · • · · • · · ··· • · • · • · · • · · • · · • · · ··· • · • · ··· • · · • · · • · • · 1 · * · · • · · • ·

Claims (13)

1. Puristussytytteinen, ahdettu polttomoottori (10), joka käsittää rungon 5 (15), johon on järjestetty vähintään yksi sylinteri (20), vähintään yhdellä imuventtiilillä (42) ja vähintään yhdellä pakoventtiililIä (44) varustetun sylinterin yhteyteen järjestetyn sylinterikannen (40), venttiilimekanismin (421, 441), joka on järjestetty sylinterikannessa olevien venttiilien (42, 44) käyttämiseksi, sylinteriin sen yläkuolokohdan (TDC) ja alakuolokohdan (BDC) 10 välille liikkuvasti järjestetyn männän, tunnettu siitä että venttiilimekanismi (421,441) on järjestetty toimimaan siten, että huuhtelualue (S) on 80-120 prosenttiastetta (%deg).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttomoottori, tunnettu siitä, että venttiilimekanismi (421, 441) on järjestetty toimimaan siten, että huuhtelu- 15 alueen (S) huippukorkeus on vähemmän kuin 3% sylinterin (20) halkaisijasta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen polttomoottori, tunnettu siitä, että imuventtiiliprofiilin (510) ja pakoventtiiliprofiilin (500) muodostamat alu- j ' eet (%deg) ovat eri kokoisia. • · • ·· m ‘l· 20

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen polttomoottori, tunnettu siitä, että ij’: imuventtiiliprofiili (510) muodostaa suuremman alueen (%deg) kuin pako- ν'.· venttiiliprofiili (500). • · · • · • ·

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen polttomoottori, tunnettu siitä, että imuventtiili on järjestetty avautumaan 1% viimeistään, .*·*. 25 kun kampikulma on 335° ja pakoventtiili on järjestetty olemaan 1% avoin- • · · y..' na ainakin, kunnes kampikulma on 385°. • · · • ♦ ·

6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1-3 mukainen polttomoottori, :*·[: tunnettu siitä, että venttiilimekanismi (421, 441) on järjestetty pitämään • · • · ♦ • ♦· • · sekä imuventtiili (42) ja pakoventtiili (44) ainakin osittain avoimena kampi-kulmavälillä 310-410°.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttomoottori, tunnettu siitä, että männässä (25) on syvyydeltään (260) tietynlainen männän yläosaan järjes-5 tetty malja (251) ja maljaa ympäröivä olennaisesti tasainen reuna-alue (256), joka malja (251) käsittää keskiyläalueen (252), kartiomaisen alueen (253), joka ulottuu säteittäisesti kohti männän reuna-alueita sellaisessa kulmassa (a), että maljan syvyys kasvaa männän (25) reuna-alueita kohti ja kaarevan pohja-alueen (254), jolla on säde (R2), ja joka on järjestetty sä-10 teittäisesti kartiomaisen alueen jälkeen siten, että maljan syvyys pienenee ja reunan (255) kaarevan lattia-alueen ja tasaisen reuna-alueen (256) välillä ja että männän keskiyläalue (256) on samalla tasolla kuin tasainen reuna-alue (256) siten, että moottorin (10) puristussuhdetta kasvatetaan männän muodon avulla.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen polttomoottori (10), tunnettu siitä, että venttiilimekanismi (421, 441) on järjestetty ylläpitämään imu- ja pako-venttiilit samanaikaisesti avoimena poisto- ja imutahdin välillä niin, että kasvaneesta puristussuhteesta aiheutunut kasvanut lämpökuorma on * 1 olennaisesti kompensoitu. • · • · • · · ··· 20

9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen polttomoottori (10), tunnettu siitä, • · φ · että puristusetäisyys (256) yläkuolokohta-asemassa (TDC) on noin 3,5-4% :V: sylinterin halkaisijasta (DC). • · · • · t ·

10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen polttomoottori (10), tunnettu siitä, että maljan syvyys (260)/pohjan säde (R2)-suhde on noin 0,9-1,2. • · · • · *·”1 25

11. Menetelmä puristussytytteisen, ahdetun polttomoottorin (10) käyt- • · · v : tämiseksi, joka polttomoottori käsittää rungon (15), johon on järjestetty vä- • · · hintään yksi sylinteri (20), vähintään yhdellä imuventtiilillä (42) ja vähintään :’·[: yhdellä pakoventtiilillä (44) varustetun sylinterin yhteyteen järjestetyn sylin- • · • · · • ·· • · terikannen (40), venttiilimekanismin (421, 441), joka on järjestetty sylinteri-kannessa olevien venttiilien (42, 44) käyttämiseksi, sylinteriin sen yläkuolo-kohdan (TDC) ja alakuolokohdan (BDC) välille edestakaisin liikkuvasti järjestetyn männän, tunnettu siitä, että venttiilimekanismia (421, 441) käyte-5 tään niin, että huuhtelualue on 80-120 prosenttiastetta (%deg).

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mäntä liikkuu edestakaisin niin, että yläkuolokohdassa (TDC) mäntä tulee sellaisen välimatkan päähän sylinterikannesta, joka on 3,5 - 4% sylinterin halkaisijasta (DC).

13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että imuventtiili avautuu 1% viimeistään, kun kampikulma on 335° ja pako-venttiili on 1% auki ainakin kunnes kampikulma on 385°. 9 9 9 9 9 9 9 • 99 9 ··· ···· • · • · · • · · • · · · • · • · · • · · • · • · · • · • · • · · • · · • · · • · · ··· • · • · • · · 9 999 • 99 • · · • · · • · • · • · · 9 • m 9 9 9 9 • 9 9 9 1 9 •99 • 99 9 9