FI122559B - Turboahdetun nelitahtimoottorin ohjausjärjestely - Google Patents

Description

TURBOAHDETUN NELITAHTIMOOTTORIN OHJAUSJÄRJESTELY Keksinnön ala 5 Esillä oleva keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen tur-boahdetun nelitahtisen mäntämoottorin ohjausjärjestelmään.

Tekniikan taso 10 Polttoaineen palamiseen puristussytytteisessä polttomoottorissa ja polttoaineen energian muuntamiseen mekaaniseksi työksi vaikuttavat monet tekijät, joista jotkut liittyvät prosessiin, kun taas toiset tekijät ovat yhteydessä moottorin mekaaniseen rakenteeseen. Nykyaikaiset puristussytytteiset mäntämoottorit on yleensä varustettu ahtimella, tavallisesti turboahtimella. Turboahdinjärjestely on erityisen edullinen sen 15 vuoksi, että se hyödyntää moottorin pakokaasun energiaa. Näin ollen turboahdinta käytettäessä on mahdollista mm. lisätä moottorin tehoa ja hyötysuhdetta. Käytännössä turboahtimella, jonka kompressoria käyttää pakokaasuturbiini, on kuitenkin taipumus olla tehoton moottorin matalan kuormituksen toimintaolosuhteissa. Tätä ongelmaa on yleisesti ratkaistu yhdistelmällä, jossa on hieman alimitoitettu turbiini 20 varustettuna hukkaportilla, jonka kautta osa pakokaasuista voi ohittaa turbiinin toimittaessa korkealla kuormituksella. Hukkaportin käyttö ei ole kuitenkaan edullista hyötysuhteen kannalta korkean kuormituksen toiminnassa, jolloin se lisää esim. moottorin polttoaineen ominaiskulutusta.

25 Polttomoottoreilla on joitakin toiminnallisia tavoitteita, joihin yleisesti pyritään. Nämä tavoitteet ovat erityisesti, mutta ei pelkästään, polttoaineen ominaiskulutuksen ja £ pakokaasupäästöjen alentaminen. Turboahtimen käyttö on yleisesti hyväksytty tapa

CM

^ parantaa polttomoottorin suorituskykyä. Turboahtimen toimintaan vaikuttavat siihen ^ kuuluvan kompressorin ja turbiinin ominaisuudet ja sovittaminen. Korkeiden pal oi 30 nesuhteiden käyttö kompressorissa, eli huomattavan korkean syöttöpaineen käyttö

X

£ moottorin imujärjestelmässä, on edullista. Turboahtimen kompressoriosan toimintaa g rajoittaa yhtäältä kompressorin maksimivirtauskapasiteettia vastaava raja ja toisaal- cö ta sakkausmarginaali. Kompressorin sakkaus on haitallista moottorin toiminnalle, o koska moottoriin syötetyn polttoilman paine ja virtaus laskevat heti, kun kompressori

CM

2 sakkaa. Tämän vuoksi kompressorin ja moottorin optimaalisen toiminnan varmistamiseksi vaihtuvissa olosuhteissa pitäisi olla tietty turvamarginaali kompressorin toimintapisteen ja sakkausrajan välillä. Myös kompressorin hyötysuhde on korkeimmillaan toimintapisteen ollessa tietyn etäisyyden päässä sakkausrajasta.

5

Toinen turboahdetun mäntämoottorin toimintaan liittyvä tärkeä asia on venttiiliajoi-tus. Esimerkkinä laitteesta, jolla saadaan muutoksia venttiilin ajoitukseen, viittaamme julkaisuun WO 9830787 A1. Siinä on esitetty polttomoottorin venttiilien ohjaamiseksi laite, joka mahdollistaa moottorin venttiilin avautumisen viivästyksen ja venttii-10 Iin sulkemisen aikaistamisen, jolloin venttiilin aukioloaikaa lyhennetään. Julkaisun mukaan tätä voidaan käyttää sekä imu- että pakoventtiileille, mutta julkaisussa ei ole esitetty kyseisen laitteen erityisiä sovellutuksia.

Julkaisussa WO 2008/000899 A1 esitetään polttomoottorin kaasunvaihtoventtiilin 15 sulkeutumishetken säätämiseksi järjestely, joka mahdollistaa esim. venttiilin sulkemisen normaalia myöhemmin esim. moottorin erilaisissa kuormitustilanteissa.

Erityisesti suurissa mäntämoottoreissa, eli moottoreissa, joiden sylinterihalkaisija on suurempi tai yhtä suuri kuin 200 mm ja/tai jotka kykenevät tuottamaan tehoa yli 150 20 kW/sylinteri, moottorin ja palamisprosessin ohjaus on hyvin vaativaa johtuen mm. huomattavan suuresta palotilasta. Myös liikkuvien osien inertialla on vaikutuksensa transienttiin toimintaan. Koska moottorin suorituskykyvaatimuksia on viime aikoina huomattavasti nostettu, on syntynyt tarvetta kehittyneelle ohjausjärjestelmälle, jolla moottoria voidaan käyttää vaadittujen rajojen puitteissa koskivatpa ne sitten tehoa, 25 päästöjä ja/tai muita toiminnallisia tavoitteita.

ς Keksinnön tavoitteena on aikaansaada turboahdetun mäntämoottorin ohjausjärjes-

(M

^ telmä, jolla tehostetaan turboahdetun mäntämoottorin toimintaa. Keksinnön erityise- T nä tavoitteena on aikaansaada turboahdetun matala- tai keskinopeuksisen diesel-

CD

30 mäntämoottorin ohjausjärjestelmä, jolla tehostetaan kyseisen moottorin toimintaa.

X

cc

CL

(M

O

CO

CO

O

O

(M

3

Keksinnön kuvaus

Keksinnön tavoitteet saavutetaan olennaisesti turboahdetun nelitahtisen mäntä-moottorin ohjausjärjestelmällä, jossa moottorissa on hukkaportilla varustettu turbo-5 ahdin, imu- ja pakoventtiilit, jotka käsittävät säädettävän venttiilien käyttöjärjestelmän, joka ohjausjärjestelmä käsittää käsittely-yksikön, ohjaussignaalin lähetinyksi-kön ja signaalin vastaanotinyksikön, joka signaalin lähetinyksikkö on yhteydessä ainakin toiseen moottorin venttiilien käyttöjärjestelmään ja signaalin vastaanotinyk-sikkö on yhteydessä moottorin antureihin, jotka seuraavat moottorin kuormitusta, 10 nopeutta ja/tai ainakin yhtä palamisen prosessimuuttujaa. Käsittely-yksikkö on järjestetty käsittelemään signaalin vastaanotinyksikön vastaanottamia signaaleja ja järjestämään signaalin lähettäminen signaalin lähetinyksiköllä siten, että venttiilien käyttöjärjestelmän tilassa käynnistyy muutos jostakin moottorin kuormitusta, nopeutta ja/tai ainakin yhtä palamisen prosessimuuttujaa seuraavista moottoriantureista 15 saatavan tiedon perusteella. Keksinnölle on tunnusomaista se, että ohjausjärjestelmä on järjestetty toimimaan niin, että kuormituksen raja-arvolle asetetun arvon ylittyessä, on hukkaportti asetettu suljettuun tilaan ja ohjausjärjestelmä on järjestetty laajentamaan huuhtelualuetta siirryttäessä ensimmäisestä tilasta toiseen tilaan perustuen ohjausinformaatioon jostakin moottorin kuormitusta, nopeutta ja/tai ainakin 20 yhtä palamisen prosessimuuttujaa valvovista moottoriantureista.

Keksinnön mukaisella ohjausjärjestelmällä on mahdollista käyttää turboahdettua ne-litahtista mäntämoottoria tehokkaasti. Se mahdollistaa myös moottorin sellaisen toiminnan, jossa NOx -päästöjä voidaan valvoa tehokkaasti.

25

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan säädettävä venttiilien käyttöjärjestelmä ^ käsittää ainakin kaksi venttiilien toimintatilaa ja ohjausjärjestelmä on järjestetty

(M

^ muuttamaan venttiilien nousuprofiilia eri tilojen välillä vain suhteessa venttiilin sul- ^ keutumisliikkeeseen.

σ> ^ 30

X

£ Erään suoritusmuodon mukaan ainoastaan imuventtiileillä on säädettävä venttiilien g käyttöjärjestelmä, joka aikaansaa venttiileille ainakin kaksi toimintatilaa, ja ohjausjär- cö jestelmä on järjestetty muuttamaan venttiilin nousuprofiilia tilojen välillä suhteessa o ainoastaan imuventtiilin sulkeutumisliikkeeseen.

C\l 4

Erään toisen suoritusmuodon mukaan sekä imu- että pakoventtiileillä on säädettävä venttiilien käyttöjärjestelmä, jolla on ainakin kaksi tilaa, ja ohjausjärjestelmä on järjestetty muuttamaan venttiilin nousuprofiilia tilojen välillä ainoastaan suhteessa vent-5 tiilin sulkeutumisliikkeeseen.

Ohjausjärjestelmä on edullisesti järjestetty muuttamaan nousuprofiilia 15 - 40° (kampikulma) sulkeutumisliikkeen aikana mainitun ainakin kahden tilan välillä.

10 Vielä erään keksinnön suoritusmuodon mukaan ohjausjärjestelmä on järjestetty käyttämään imuventtiilin säädettävää venttiilin sulkeutumisen käyttöjärjestelmää venttiilin sulkeutumisliikkeen jatkuvalla ohjauksella.

Imuventtiilin säädettävä venttiilin sulkeutumisen käyttöjärjestelmä käsittää edullisesti 15 ainakin ensimmäisen tilan ja toisen tilan, jossa toisessa tilassa nousuprofiili on venttiilin sulkeutumisliikkeen aikana järjestetty olemaan 15 - 40° aikaisempi verrattuna ensimmäiseen tilaan.

Säätöjärjestelmässä on yksilöllinen raja-arvo jokaiselle moottorin kuormitusta, moot-20 torin nopeutta ja ainakin yhtä palamisen prosessimuuttujaa seuraavista antureista, ja käsittely-yksikkö on järjestetty käynnistämään muutos venttiilien käyttöjärjestelmän tilassa, mikäli jonkin moottorin kuormitusta, moottorin nopeutta ja ainakin yhtä palamisen prosessimuuttujaa seuraavan anturin signaalin todellinen arvo ohittaa raja-arvon.

25

Piirustusten lyhyt kuvaus δ

CVJ

. Seuraavassa keksintöä selostetaan viitaten oheisiin esimerkinomaisiin kaavamaisiin cv ^ piirustuksiin, joissa

CD

30 Kuvio 1 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaista ohjausjärjestelmää ja

X

£ turboahdettua nelitahtista mäntämoottoria, cv Kuvio 2 esittää keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaisia venttiilin nousu- o δ profiileja, oo o Kuvio 3 esittää keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisia venttiilin nousuprofiileja, cv 5 5

Kuvio 4 esittää esimerkin kompressorikartasta, josta ilmenee moottorin kuormituksen muutokseen perustuvan ohjausjärjestelmän toiminta.

Piirustusten yksityiskohtainen kuvaus

Kuviossa 1 on esitetty kaavamaisesti mäntämoottori 10. Moottori käsittää moottorin runkoon 20 järjestetyt sylinterit 15. Moottori on ahdettu nelitahtimoottori, jossa on 10 turboahdinjärjestely 25. Tarkemmin ilmaistuna moottori on suuri mäntämoottori, jonka sylinterin halkaisija on suurempi tai yhtä suuri kuin 200 mm ja/tai se on järjestetty tuottamaan tehoa olennaisesti yli 150 kW/sylinteri.

Turboahdinjärjestely 25 on kytketty moottorin kaasunvaihtojärjestelmään 30. Turbo-15 ahdinjärjestely 25 käsittää kompressoriosan 25.1 ja turbiiniosan 25.2, joiden perustoiminta ja -rakenne ovat sinänsä tunnettuja. Lisäksi turboahtimessa on hukkaportti-järjestelmä 25.3, jolla sallitaan tai estetään se, että osa pakokaasusta ohittaa turbiiniosan. Kuvion 1 suoritusmuodossa on esitetty yksi moottoriin liitetty turboahdin, mutta on selvää, että kompressorijärjestely voi käsittää myös useamman kuin yhden 20 turboahtimen yhdistelmän.

Kuvion 1 selventämiseksi kussakin sylinterissä 15 on vain yksi imuventtiili 35 ja yksi pakoventtiili 40 sekä venttiilien käyttöjärjestelmä 45, 50, joka on järjestetty avaamaan ja sulkemaan venttiilit suhteessa moottorin kampikulmaan. Käytännössä ja 25 tämän sovellutuksen yhteydessä venttiilien lukumäärä voi kuitenkin olla suurempi kuin yksi. Venttiilien käyttöjärjestelmä käsittää edullisesti moottorin kampiakseliin ς kytketyn nokka-akselin, jota ei tässä selvyyden vuoksi ole esitetty. Kompressoriosa c\i ^ 25.1 on järjestetty virtausyhteyteen moottorin imuventtiilien 35 kanssa. Vastaavasti ^ turbiiniosa 25.2 on järjestetty virtausyhteyteen moottorin pakoventtiilien 40 kanssa.

O) 30 Käytännössä, kun kyseessä on monisylinterimoottori, kompressoriosa voidaan kyt-

X

£ keä ilmasäiliöön ja turbiiniosa moottorin pakokaasuputkistoon. Moottorissa on myös g polttoaineenruiskutus- ja/tai sytytysjärjestelmä 61.

cö oo o o C\l 6

Moottorin 10 yhteyteen on järjestetty antureita seuraamaan määrättyjä moottorissa tapahtuvaan palamisprosessiin liittyviä ja/tai moottorin tiettyihin prosessilaitteisiin liittyviä muuttujia.

5 Kuvion 1 moottorissa on ahtoilman lämpötila-anturi 151 ja ahtoilman paineanturi 152. Näillä antureilla saadaan tietoa esim. turboahtimen kompressoriosan 25.1 toiminnasta. Moottorissa on myös nopeusanturi 154 ja moottorin kuormituksen anturi 155. Moottori on varustettu myös pakokaasun lämpötila-anturilla 153, sylinterin nakutuksen / sytytyksen ajoituksen / sylinteripaineen anturilla 156. Nämä kaikki ovat 10 palamisen prosessimuuttujia seuraavia antureita. On myös muita palamisen proses-simuuttujia, joita voidaan määrittää hyödyntämällä saatavilla olevaa tietoa, kuten polttoaineenruiskutuksen ajoitusta ja kestoa.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaan ainakin imuventtiilin 35 venttiili-15 en käyttöjärjestelmässä 45 on välineet venttiilien sulkeutumisen ajoituksen säätämiselle. Imuventtiilien käyttöjärjestelmä 45 on järjestetty toimimaan siten, että imuventtiilin sulkeutumisaikaa voidaan säätää moottorin käynnin aikana.

Erään edullisen suoritusmuodon mukaan imuventtiilien käyttöjärjestelmän toimin-20 taan kuuluu asetus, jolla imuventtiilin sulkemisen ajoitus valitaan ainakin kahden eri toimintatilan välillä. Tämä tekee mahdolliseksi käyttää menetelmää keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaisen turboahdetun nelitahtimoottorin ohjaamiseen.

Moottorin yhteyteen on järjestetty ohjausjärjestelmä 200. Keksinnön mukaan ohjaus-25 järjestelmä käsittää käsittely-yksikön 202, ohjaussignaalin lähetinyksikön 204 ja ohjaussignaalin vastaanotinyksikön 206.

δ

(M

^ Ohjaussignaalin lähetinyksikkö on järjestetty välittämään signaali ohjausjärjestel- ^ mästä. Se on järjestetty moottoriin sovitettujen toimilaitteiden 25.3, 45 yhteyteen 30 moottorin ohjauslaitteiden tilan muuttamiseksi. Ohjaussignaalin lähetinyksikkö 204

X

£ on myös yhteydessä ainakin moottorin imuventtiilien käyttöjärjestelmään 45. Ohja- g ussignaalin lähetinyksikkö 204 voi myös sovelluksesta riippuen olla yhteydessä tur- δ boahtimen hukkaporttiin 25.3. Signaalin vastaanotinyksikkö on järjestetty vastaanotti tamaan signaali ohjausjärjestelmässä. Se on järjestetty moottorin muuttujia, ehtyi- 7 sesti moottorin kuormitusta 154, nopeutta 155 ja/tai ainakin yhtä palamisen proses-simuuttujaa 151,152,153,156 seuraavien moottoriantureiden yhteyteen.

Käsittely-yksikkö 202 on järjestetty käsittelemään signaalin vastaanotinyksikön 206 5 vastaanottamia signaaleja ja järjestämään signaalin lähettäminen signaalin lähe-tinyksiköllä 204. Ohjausjärjestelmä on järjestetty toimimaan siten, että venttiilien käyttöjärjestelmän 45, 50 tilassa käynnistyy muutos jostakin moottorin kuormitusta 155, nopeutta 154, ainakin yhtä palamisen prosessimuuttujaa ja ulkoista aktivointia 160 seuraavista moottoriantureista saatavan tiedon perusteella. Tämä tekee mah-10 dolliseksi ohjata turboahdetun nelitahtisen moottorin imuventtiilien toimintaa kokonaisvaltaisesti.

Ohjausjärjestelmän toiminta imuventtiilejä ohjattaessa on esitetty kuviossa 2. Ohjattaessa venttiilejä ensimmäisessä tilassa pakoventtiilien käyttöjärjestelmää 50 ja 15 imuventtiilien käyttöjärjestelmää 45 ohjataan keksinnön erään suoritusmuodon mukaan siten, että venttiilejä ohjataan nousuprofiileilla, kuten yhtenäisillä viivoilla on esitetty. On huomattava, että kuviossa 2 on esitetty ainoastaan se kampikulman alue, jolla on merkitystä keksinnön toiminnan selostamiselle. Tässä yhteydessä venttiilinnousu, eli venttiilin asema, on esitetty suhteessa kyseiseen sylinterin hal-20 kaisijaan. Kuviossa 2 pakoventtiilin 210 venttiilinnousuprofiili, jonka mukaan pako-venttiilien käyttöjärjestelmä 50 on järjestetty ohjaamaan pakoventtiilin 40 toimintaa ensimmäisessä tilassa, on esitetty yhtenäisellä viivalla. Vastaavasti imuventtiilien 220 nousuprofiili, jonka mukaan imuventtiilien käyttöjärjestelmä 45 on järjestetty ohjaamaan imuventtiilin 35 toimintaa ensimmäisessä tilassa, on myös esitetty yhtenäi-25 sellä viivalla.

5 Kuvion 2 suoritusmuodossa pakoventtiilejä ohjataan toimimaan siten, että nousupro- c\i ^ tiili on sulkeutumisliikkeen aikana 1 % auki kampikulman ollessa 0-15°, edullisesti 3 ^ - 6°, edullisesti 5° yläkuolokohdan jälkeen. Pakoventtiilin avautumisliike on kokonai- <y> ^ 30 suudessaan n. 7,5 % ja sulkeutumisliikkeen käynnistyminen tapahtuu n. 290°:een

X

£ kampikulmassa. Tällä aikaansaadaan moottorin pakoventtiilien asianmukainen toi- c\i minta keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaisesti. Tässä määritelmässä o cd käytetään 1 %:n auki-asentoa, koska käytännössä 1 %:n auki-asento on helposti o o

(M

8 havaittavissa ja se on vähemmän epämääräinen kuin avautumisen alkukäynnisty-minen täysin suljetusta asennosta.

Imuventtiilejä 35 vuorostaan ohjataan ohjausjärjestelmällä 200 siten, että venttiilin 5 avautumisliikkeen aikana nousuprofiili 220 on 1%:n asennossa kampikulman ollessa edullisesti 15 - 50°, edullisesti 30 - 40°, ennen yläkuolokohtaa. Venttiilin sulkeutumisen aikana venttiilinnousuprofiilin 220 liike on 1%:n asennossa kampikulman ollessa edullisesti 35 - 65°, edullisesti 40 - 50°, ennen alakuolokohtaa.

10 Mikäli jokin moottorin kuormitusta 155, nopeutta 154, ainakin yhtä palamisen pro-sessimuuttujaa tai ulkoista aktivointia 160 seuraavista moottoriantureista on ohittanut raja-arvon, ohjausjärjestelmä 200 käynnistää toiminnan tilan muutoksen ensimmäisestä tilasta toiseen tilaan. Moottorin ja varsinkin imuventtiilien käyttö toisessa tilassa käsittää seuraavat vaiheet. Kuviossa 2 imuventtiilin 220' nousuprofiili, jonka 15 mukaan imuventtiilien käyttöjärjestelmä 45 on järjestetty ohjaamaan imuventtiilin 35 toimintaa toisessa toimintatilassa, on esitetty katkoviivalla. Toisen tilan aikana imu-venttiilejä 35 ohjataan siten, että sulkeutumisliikkeen aikana nousuprofiili 220' on 1 %:n asemassa kampikulman ollessa edullisesti 35 - 65°, ennen alakuolokohtaa, eli n. 20° ennen ensimmäisen tilan asemaa. Näin imuventtiilien aukioloaikaa saadaan 20 lyhennettyä sulkemalla venttiilit aiemmin kuin ensimmäisessä tilassa. Olennaisesti koko sulkeutumisliikettä on edullisesti aikaistettu n. 20° verrattuna ensimmäiseen tilaan.

Imuventtiilien sulkeutumishetkellä on suuri vaikutus moottorin käyttäytymiseen pro- 25 sessimielessä. Sulkeutumishetki vaikuttaa kokonaisaikaan, jonka imuventtiilit ovat auki ja siten palamisilman määrään. Lisäksi sulkeutumishetki vaikuttaa ahtoilman £ lämpötilaan puristustahdin jälkeen. Keksinnön mukaan ohjausjärjestelmä 200 on c\i ^ järjestetty toimimaan siten, että imuventtiilien käyttöjärjestelmän 45 tilassa käynnis- ^ tyy muutos jostakin moottorin kuormitusta, nopeutta ja ainakin yhtä palamisen pro- 05 30 sessimuuttujaa seuraavista moottoriantureista saatavan tiedon perusteella. Näin

X

£ moottorissa tapahtuvaa palamista valvotaan tarkasti moottorin eri toimintaolosuhtei- cm den aikana, o

S

oo o o

CM

9

Ohjausjärjestelmässä on yksilöllinen raja-arvo kullekin moottorin toimintaa ja/tai muuta moottorin toimintamuuttujaa seuraavalle anturille. Muuttujat voidaan edullisesti jakaa kolmeen perustoimintavaiheryhmään: 1) Nopeuden/kuorman aktivointi, 2) kuormanmuutoksen aktivointi, 3) ulkoinen aktivointi. Siten muutos imuventtiilien 5 toimintajärjestelmän tilassa, eli imuventtiilin sulkeutumisen ajoituksen tilassa, käynnistetään ennalta määritellyllä muutoksella johonkin toimintavaiheryhmään kuuluvassa muuttujassa.

Nopeuden/kuorman aktivointi perustuu moottorin ennalta määriteltyihin toiminta-10 alueisiin, jolloin jokainen toiminta-alue on kytköksissä tiettyyn venttiilin tilaan, joka on tallennettu ohjausjärjestelmään tai on sen käytettävissä. Kulloisestakin nopeudes-ta/kuormasta johtuva venttiilin tilan muutos käynnistetään, kun nopeuden/kuorman todellinen arvo ohittaa viereisten toiminta-alueryhmien välillä olevan raja-arvon.

15 Kuorman muutoksen aktivointi perustuu ohjausjärjestelmään tallennettuihin tai sen käytettävissä oleviin moottorin toimintamuuttujiin liittyviin raja-arvoihin. Jokaiselle seurattavalle muuttujalle on raja-arvo ja käsittely-yksikkö on järjestetty käynnistämään muutoksen imuventtiilien käyttöjärjestelmän tilassa, mikäli jonkin muuttujan signaalin todellinen arvo ohittaa raja-arvon.

20

Ulkoinen aktivointi perustuu mihin tahansa toivottuun ulkoiseen toimintavaiheeseen, joka käynnistää muutoksen imuventtiilien käyttöjärjestelmän tilassa.

Nopeuden/kuorman aktivointi tarkoittaa käytännössä, että moottorin kuormitusta li- 25 sätään tai vähennetään siten, että nopeuden/kuorman todellinen arvo ohittaa raja- arvon. Kun moottorin kuormitus kasvaa niin paljon, että se ohittaa raja-arvon, turbo- £ ahdinjärjestelystä saatavaa ahtopainetta myös luonnollisesti nostetaan. Keksinnön c\i ^ mukaisen ohjausjärjestelmän toiminnassa turboahdinjärjestelyltä saatava ahto- ^ painetta nostetaan käynnistämällä turboahtimen hukkaportin sulkeminen olennai- 05 30 sesti samanaikaisesti imuventtiilien sulkemisen aikaistamisen kanssa.

X

tr

CL

g Keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaan myös pakoventtiilien käyttöjärjes- 5 telmässä 50 on välineet venttiilien sulkeutumisen ajoituksen säätämiselle. Pakovent- o o

CM

10 tiilien käyttöjärjestelmä 50 on järjestetty toimimaan siten, että pakoventtiilin sulkeu-tumisaikaa voidaan säätää moottorin käynnin aikana.

Erään edullisen suoritusmuodon mukaan pakoventtiilien käyttöjärjestelmän toiminta 5 käsittää asetuksen, jolla pakoventtiilin sulkemisen ajoitus valitaan ainakin kahden eri toimintatilan välillä. Tämä tekee mahdolliseksi käyttää menetelmää keksinnön tur-boahdetun nelitahtimoottorin ohjaamiseksi tehokkaammin ja tarkemmin.

Ensimmäisen suoritusmuodon mukaisen ominaispiirteen lisäksi ohjausjärjestelmä 10 200 on yhteydessä pakoventtiilien käyttöjärjestelmään signaalinlähetinyksikkönsä 204 kautta.

Ohjausjärjestelmän 200 toiminta sekä imu- että pakoventtiilejä ohjattaessa on esitetty kuviossa 3. Ohjattaessa moottoria ensimmäisessä tilassa pakoventtiilien käyttö-15 järjestelmää 50 ja imuventtiilien käyttöjärjestelmää 45 käytetään keksinnön erään suoritusmuodon mukaan siten, että venttiilejä ohjataan nousuprofiileilla, kuten yhtenäisillä viivoilla on esitetty. On huomattava, että myös kuviossa 3 on esitetty ainoastaan se kampikulman laajuus, jolla on merkitystä keksinnön toiminnan selostamiselle. Tässä yhteydessä venttiilinnousu, eli venttiilin asema, on esitetty suhteessa ky-20 seiseen sylinterin halkaisijaan. Kuviossa 3 pakoventtiilin 210 venttiilinnousuprofiili, jonka mukaan pakoventtiilien käyttöjärjestelmä 50 on järjestetty ohjaamaan pako-venttiilin 40 toimintaa ensimmäisessä tilassa, on esitetty yhtenäisellä viivalla. Vastaavasti imuventtiilien 220 nousuprofiili, jonka mukaan imuventtiilien käyttöjärjestelmä 45 on järjestetty ohjaamaan imuventtiilin 35 toimintaa ensimmäisessä tilassa, on 25 myös esitetty yhtenäisellä viivalla.

£ Kuvion 3 suoritusmuodossa pakoventtiilejä ohjataan toimimaan niin, että nousupro-

CM

^ tiili on sulkeutumisliikkeen aikana 1 % auki kampikulman ollessa 0-15°, edullisesti 3 ^ - 6°, edullisesti 5° yläkuolokohdan jälkeen. Pakoventtiilin avautumisliike on kokonai- 05 30 suudessaan n. 7,5 % ja sulkeutumisliikkeen käynnistyminen tapahtuu n. 290°:een

X

£ kampikulmassa. Tällä aikaansaadaan moottorin pakoventtiilien asianmukainen toi- cm minta keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisessa ensimmäisessä tilassa, o

S

oo o o

CM

11

Imuventtiilejä 35 vuorostaan ohjataan ohjausjärjestelmällä 200 siten, että venttiilin avautumisliikkeen aikana nousuprofiili 220 on 1 %:n asemassa kampikulman ollessa edullisesti 15 - 50°, edullisesti 30 - 40°, ennen yläkuolokohtaa. Venttiilin sulkeutu-misliikkeen aikana venttiilinnousuprofiilin 220 liike on 1 %:n asemassa kampikulman 5 ollessa edullisesti 35 - 65°, edullisesti 40 - 50°, ennen alakuolokohtaa.

Kun venttiilejä käytetään toisessa tilassa, imuventtiilin 220' nousuprofiili, jonka mukaan imuventtiilien käyttöjärjestelmä 45 on järjestetty ohjaamaan imuventtiilin 35 toimintaa toisessa toimintatilassa, on esitetty katkoviivalla. Tämä on olennaisesti 10 sama asia kuin edellä kuvatussa ensimmäisessä suoritusmuodossa. Toisen tilan aikana pakoventtiilejä 40 ohjataan ohjausjärjestelmällä 200 siten, että sulkeutumis-liikkeen aikana nousuprofiili 210' on 1 %:n asemassa kampikulman ollessa edullisesti 15 - 25°, yläkuolokohdan jälkeen, eli pakoventtiilien sulkeutumien viivästetään n. 15 - 20° verrattuna ensimmäiseen tilaan. Näin pakoventtiilien aukioloaika pitenee. 15 Olennaisesti koko sulkeutumisliike viivästyy edullisesti n. 15° verrattuna ensimmäiseen tilaan. Käytännössä tärkeämpää kuin tarkat pakoventtiilien sulkeutumisen kampikulman arvo on huuhtelualue 230, jona pako- ja imuventtiilit ovat yhtä aikaa auki. Näin ollen keksinnön toisessa esimerkinomaisessa suoritusmuodossa ohjausjärjestelmä on järjestetty laajentamaan huuhtelualuetta 230 n. 70 % siirryttäessä en-20 simmäisestä tilasta toiseen tilaan perustuen onjausinformaatioon jostakin moottorin kuormitusta, nopeutta ja ainakin yhtä palamisen prosessimuuttujaa valvovista moot-toriantureista.

Erityisesti toisessa suoritusmuodossa ohjausjärjestelmä on järjestetty toimimaan 25 siten, että ohjausjärjestelmän käynnistäessä imuventtiilien aikaistetun sulkeutumisen se käynnistää pakoventtiilien viivästetyn sulkemisen. Lisäksi moottorin toimintaa on ς edelleen parannettu siten, että ohjausjärjestelmä on järjestetty toimimaan niin, että

CM

^ kuormituksen raja-arvon ollessa asetettu 70 - 73 %:n kuormalle ja arvon ylittyessä, ^ hukkaportti 25.3 on asetettuna suljettuun tilaan, imuventtiilien sulkeutuminen on ai-

CD

30 kaistettuna 220'ja pakoventtiilien sulkeutuminen on viivästettynä 210'. Näin ohjaus-

X

£ järjestelmä ohjaa kompressoriosaa 25.1 toimimaan korkealla painesuhteella, mutta g samalla säilyttämään sopivan sakkausmarginaalin.

CD

00 o o

CM

12

Moottorin kuormanmuutokseen perustuva ohjausjärjestelmän 200 toiminta keksinnön toisessa suoritusmuodossa vaikuttaa kompressoriosan 25.1 toimintaan siten kuin on esitetty kuviossa 4, joka on esimerkinomainen kompressoriosan 25.1 komp-ressorikartta. Ensimmäisen tilan aikaista toimintakäyrää kuvataan viitteellä 310. En-5 simmäisessä tilassa moottorin kuormitus on alle 70 - 73 %. Kompressoriosan saama paine nousee tasaisesti moottorin kuormituksen noustessa ja kompressoriosan pyö-rintänopeus kasvaa vastaavasti. Nyt tietyssä pisteessä, jota on merkitty viitteellä 320, ohjausjärjestelmä 200 käynnistää toisen tilan. Suuremmilla, kohdan 320 yläpuolella olevilla kuormituksilla toimintakäyrä 330 saatetaan seuraamaan toiminta-10 käyrää, joka on modifioitu verrattuna perinteiseen hukkaportin ohjaamaan turboah-dinjärjestelyyn, jonka toimintakäyrä on esitetty pilkkuviivalla 340. Perinteisessä järjestelyssä hukkaportti avautuu, kun toimitaan toimintakäyrällä 340. Modifioidun toi-mintakäyrän 330 asemaa ohjataan säätämällä sekä imuventtiilien sulkeutumisen ajoitusta että pakoventtiilien sulkeutumisen ajoitusta, kuten edellä on kuvattu siten, 15 että toimintakäyrä 330 pysyy tietyn sakkausmarginaalin oikealla puolella (kuviossa 4), eli kuvion viivoitetulla alueella 350. Lisäksi ohjausjärjestelmä 200 on järjestetty pitämään hukkaportti 25.3 suljettuna alle 100 %:n kuormituksilla. Sakkausmarginaali on n. 10 -15 % kompressoriosan 25.1 sakkausrajasta 360.

20 Sen seurauksena, että imuventtiilien sulkeutumista aikaistetaan toisen tilan aikana, päästään jyrkästi väheneviin NOx-päästöihin. Näin ollen on edullista, että ohjausjärjestelmä 200 on järjestetty aikaistamaan polttoaineenruiskutuksen ajoitusta toisen tilan aikana. Polttoaineenruiskutuksen ajoitus toisessa tilassa tapahtuvan toiminnan aikana on edullisesti ainakin 0 - 5°:n kampikulman verran edellä ensimmäisessä ti-25 lassa tapahtuvaa toimintaa. Esimerkiksi käytettäessä moottoria ensimmäisessä tilassa polttoaineenruiskutus tapahtuu n. 13 - 15° ennen yläkuolokohtaa, kun taas £ toisessa toimintatilassa polttoaineenruiskutus voi tapahtua n. 17° ennen yläkuolo- c\i ^ kohtaa. Näin polttoaineen ominaiskulutus toisen tilan aikana voi olla huomattavasti ^ alhaisempi kuin perinteisesti ohjatussa moottorissa.

O) ^ 30

X

£ Vaikka esillä olevaa keksintöä on tässä kuvattu esimerkkien avulla niissä yhteyksis- sä, joita tällä hetkellä pidetään sen edullisimpina suoritusmuotoina, on ymmärrettäkö vä, että keksintöä ei ole rajattu esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sen on tarkoitus o kattaa erilaisia sen piirteiden yhdistelmiä tai muunnelmia ja useita muita keksinnön c\i 13 suojapiiriin kuuluvia sovellutuksia siten kuin oheisissa patenttivaatimuksissa on määritelty. Minkä tahansa edellä kuvatun suoritusmuodon yhteydessä mainittuja yksityiskohtia voidaan käyttää toisen suoritusmuodon yhteydessä, mikäli kyseinen yhdistelmä on tekniseksi toteuttamiskelpoinen.

5 δ

CM

CM

05

X

cc

CL

CM

O

δ oo o o

CM

Claims (9)

14

1. Turboahdetun nelitahtisen mäntämoottorin ohjausjärjestelmä (200), jossa moottorissa on hukkaportilla varustettu turboahdin, imuventtiilit (35) ja pakoventtiilit (40), 5 jotka käsittävät säädettävän venttiilien käyttöjärjestelmän (45, 50), joka ohjausjärjestelmä (200) käsittää käsittely-yksikön (202), ohjaussignaalin lähetinyksikön (204) ja ohjaussignaalin vastaanotinyksikön (206), joka signaalin lähetinyksikkö on yhteydessä ainakin toiseen moottorin venttiilien käyttöjärjestelmään (45, 50) ja signaalin vastaanotinyksikkö on yhteydessä moottorin antureihin, jotka valvovat moottorin 10 kuormitusta, nopeutta ja/tai ainakin yhtä palamisen prosessimuuttujaa, jossa ohjausjärjestelmässä käsittely-yksikkö (202) on järjestetty käsittelemään signaalin vastaanotinyksikön vastaanottamia signaaleja ja järjestämään signaalin lähettäminen signaalin lähetinyksiköllä siten, että venttiilien käyttöjärjestelmän tilassa käynnistyy muutos jostakin moottorin kuormitusta, nopeutta ja/tai ainakin yhtä palamisen pro-15 sessimuuttujaa valvovista moottoriantureista saatavan tiedon perusteella, tunnettu siitä, että ohjausjärjestelmä (200) on järjestetty toimimaan niin, että moottorin kuormituksen raja-arvolle asetetun arvon ylittyessä, on hukkaportti (25.3) asetettu suljettuun tilaan ja ohjausjärjestelmä on järjestetty laajentamaan huuhtelualuetta (230) siirryttäessä ensimmäisestä tilasta toiseen tilaan perustuen ohjausinformaatioon jos-20 takin moottorin kuormitusta, nopeutta ja/tai ainakin yhtä palamisen prosessimuuttujaa valvovista moottoriantureista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjausjärjestelmä, tunnettu siitä, että imuventtiilit käsittävät säädettävän venttiilien käyttöjärjestelmän (45), jolla on ainakin kaksi 25 tilaa, ja että ohjausjärjestelmä on järjestetty muuttamaan venttiilin nousuprofiilia tilojen välillä ainoastaan suhteessa imuventtiilin (35) sulkeutumisliikkeeseen. δ c\i

^ 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ohjausjärjestelmä, tunnettu siitä, että pa- ^ koventtiilit (40) käsittävät säädettävän venttiilien käyttöjärjestelmän, jolla on ainakin O) 30 kaksi tilaa, ja että ohjausjärjestelmä on järjestetty muuttamaan pakoventtiilin nousu- X £ profiilia tilojen välillä ainoastaan suhteessa venttiilin (40) sulkeutumisliikkeeseen. (M O δ

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjausjärjestelmä, tunnettu siitä, että säädettä- 00 o vä venttiilien käyttöjärjestelmä (45, 50) käsittää ainakin kaksi tilaa, ja että ohjausjär- c\j 15 jestelmä on järjestetty muuttamaan venttiilien nousuprofiilia tilojen välillä ainoastaan suhteessa venttiilin sulkeutumisliikkeeseen.

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ohjausjärjestelmä, tunnettu siitä, että nou-5 suprofiili on sulkeutumisliikkeen aikana järjestetty muuttumaan 15 - 40° mainitun ainakin kahden tilan välillä.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen ohjausjärjestelmä, tunnettu siitä, että imuventtii-lin säädettävä venttiilin sulkeutumisen käyttöjärjestelmä käsittää venttiilin sulkeutu- 10 misliikkeen jatkuvan ohjauksen.

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen ohjausjärjestelmä, tunnettu siitä, että imuventtii-lin säädettävä venttiilin sulkeutumisen käyttöjärjestelmä käsittää ainakin ensimmäisen tilan ja toisen tilan, jossa toisessa tilassa nousuprofiili on venttiilin sulkeutumis- 15 liikkeen aikana järjestetty olemaan 15 - 40° aikaisempi verrattuna ensimmäiseen tilaan.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjausjärjestelmä, tunnettu siitä, että ohjausjärjestelmässä on yksilöllinen raja-arvo kullekin moottorin kuormitusta, moottorin nope- 20 utta ja ainakin yhtä palamisen prosessimuuttujaa seuraavista antureista, ja että käsittely-yksikkö on järjestetty käynnistämään muutoksen venttiilien käyttöjärjestelmän tilassa, mikäli jonkin moottorin kuormitusta, moottorin nopeutta ja ainakin yhtä palamisen prosessimuuttujaa seuraavan anturin signaalin todellinen arvo ohittaa raja-arvon. 25

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjausjärjestelmä, tunnettu siitä, että polttoai- £ neensyötön ajoitus toisessa tilassa tapahtuvan toiminnan aikana on ainakin 0-5° c\i ^ (kampikulma) aikaistettu ensimmäisessä tilassa tapahtuvaan toimintaan nähden. i O) ^ 30 X en CL CM O CD OO O O CM 16