NL1005777C2

NL1005777C2 - Motor met inwendige verbranding en bestuurde ontsteking voorzien van zuigers waarin elliptische holten zijn aangebracht.

Info

Publication number: NL1005777C2
Application number: NL1005777A
Authority: NL
Inventors: Ali Chaouche; Stephane Henriot; Gaetan Monnier
Original assignee: Inst Francais Du Petrole
Priority date: 1995-10-11
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 1998-10-12
Also published as: US5862789A; CA2202085A1; SE9701276L; FR2739896B1; FR2739896A1; SE506730C2; SE9701276D0

Description

Korte aanduiding: Motor met inwendige verbranding en bestuurde ontsteking voorzien van zuigers waarin elliptische holten zijn aangebracht.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het gebied van motoren met inwendige verbranding en bestuurde ontsteking.

Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrek-5 king op motoren voorzien van ten minste één cilinder waarin een zuiger schuift volgens de hartlijn van de cilinder en waarbij een kop boven de cilinder is aangebracht welke kop samen met de zuiger en de cilinder een verbrandingsruimte begrenst en waarbij de zuiger een 10 holle ruimte heeft die opent naar de cilinderkop.

Motoren van het hiervoor beschreven type en die werken met een verarmd mengsel worden in het bijzonder beoogd met deze uitvinding.

Motoren met een bestuurde ontsteking en die func-15 tioneren met een zeer verdund mengsel (een rijkheid van het mengsel geringer dan bijvoorbeeld 0,6) maken het mogelijk de verontreinigende uitstoot aanzienlijk te verminderen zoals voor stikstofoxiden (Ν0χ).

Deze technologie echter kan problemen opleveren met 20 betrekking tot het starten en de verspreiding van de vlam, welke problemen zich voordoen als onstabiliteit van de verbranding en een toename van het gehalte aan onverbrande koolwaterstoffen.

De motorgebruiker die dit type motor toepast moet 25 derhalve een bijzondere aandacht wijden aan de kwaliteit van de verbranding die snel en stabiel moet zijn teneinde de Ν0χ emissie te verminderen en gelijktijdig het energierendement van de motor te verhogen.

De eigenschappen van de verbranding hangen af van 30 geometrische factoren (vorm van de verbrandingskamer en van de uitsparing in de zuiger, de stand van de bougie en van het inlaatsysteem), verder van aërodynamische 1005777 2 factoren (turbulentie en snelheden) en van de verdeling • · · ·

De gunstige uitvoering van de inwendige aërodynamica blijkt te bestaan uit een belangrijke etappe in het 5 ontwerp van een motor met bestuurde ontsteking welke met een arm mengsel functioneert. Het bepalen van de inwendige aërodynamica in de verbrandingskamer op het moment van de ontsteking, moet bijdragen aan de toename 'van de verbrandingssnelheid en moet de stabiliteit van de ont-10 stekingsvlam begunstigen. De eigenschappen van de uit-stroming op dat moment in de kamer hangen af van het resultaat van de samenwerking van de aërodynamica na de inlaat met de vorm van de verbrandingskamer. Het niveau van de turbulentie en de snelheden moet in het bijzonder 15 gunstig worden bepaald voor het verbeteren van de ont-stekingsstabiliteit en de voortplanting van de vlam in de verbrandingskamer.

Verschillende vormgevingen (geometries) zijn recentelijk ontwikkeld, in het bijzonder ter plaatse van de 20 uitsparing die in de zuiger zelf is aangebracht.

Zo beschrijft het Amerikaanse octrooischrift 5 351 665 een verbrandingskamer aangebracht in de zuiger met een holte die een bijzondere geometrie toont.

Het document FR 2 713 282 openbaart een andere 25 vormgeving van de uitsparing aangebracht in het bovenste gedeelte van de zuiger.

De onderhavige uitvinding beoogt te voldoen aan de genoemde aërodynamische oogmerken teneinde bij te dragen aan het optimaal maken van het compromis tussen rende-30 ment vermogen/uitstoot.

Het gaat er in het bijzonder volgens de uitvinding om het niveau van de turbulentie en de snelheden in de nabijheid van de ontstekingsbougie zo gunstig mogelijk te maken; namelijk een te hoog turbulentieniveau doet de 35 cyclische instabiliteiten toenemen.

Een ander oogmerk van de uitvinding bestaat in het zo groot mogelijk maken van het niveau van gemiddelde 1005777 3 turbulentie in de kamer door in het bijzonder gebruik te maken van de werking van de vorm van de kamer met de wervelingen rondom de hartlijn van de cilinder voor het opwekken van turbulentie.

5 Gelijktijdig is het belangrijkste probleem het vermijden van buitengewone gassnelheden op het moment van de ontsteking, welke snelheden de kwaliteit van de verbranding zouden kunnen beïnvloeden.

Al deze aspecten zijn in aanmerking genomen voor 10 het bereiken van de onderhavige uitvinding die tot doel heeft een motor zoals aangegeven in de aanhef van deze beschrijving.

De holte (of uitsparing) van de zuiger geopend naar de cilinderkop vertoont ten minste een volume met een 15 elliptische doorsnede volgens een vlak dwars op de zuiger waarvan de hoofdhartlijn en de beschrijvende lijnen in hoofdzaak evenwijdig lopen aan de langshartlijn van de zuiger teneinde in de verbrandingsruimte de verhouding tussen oppervlak en volume te verminderen en het 20 niveau van de turbulentie aan het einde van de samen-drukcyclus zo gunstig mogelijk te maken.

Volgens de uitvinding zijn de ellipsen zodanig dat 0<λ<0,6, waarbij

GR-PR

25 λ = _

GR+PR

waarbij GR de grootste straal is van ten minste één van de volumina en

Pp de kleinste straal van het (of de) volumina vormt.

30 Meer in het bijzonder bevat de holte twee volumina waarvan de diepte Ρβ>0,15χΒ; waarvan de grootste straal Gr zodanig is dat: 0,25xB<Gr<0,40xB; - waarvan de kleinste straal PR zodanig is dat: 35 0,10xB<Pr<0,25xB, waarbij B de boring van de cilinder is.

1005777 4

Op bijzondere wijze is volgens de uitvinding de stand van de volumina zodanig dat het symmetriecen-trum vormt voor elke ellips en de afstand is van de hartlijn van de cilinder tot het centrum van elke 5 ellips: 0<D^<0,20B.

Zonder buiten het kader van de uitvinding te treden kan de hoek (a) tussen de grote assen van elke ellips nul zijn.

Volgens een andere uitvoeringsvorm van de uitvin-10 ding kan de hoek (a) tussen de grote hartlijnen van elke ellips in hoofdzaak gelijk zijn aan 90°.

Andere bijzonderheden en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen beter naar voren komen bij het lezen van de thans volgende beschrijving die slechts 15 geschiedt ter illustratie en geenszins als een beperking, onder verwijzing naar de aangehechte figuren waarin: fig. 1 in langsdoorsnede een motor met inwendige verbranding toont voorzien van een kamer volgens de 20 uitvinding; fig. 2 een bovenaanzicht is van de zuiger voorzien met een uitsparing volgens de uitvinding; fig. 3 een bovenaanzicht is van de zuiger met een bijzondere uitsparing volgens de uitvinding; 25 fig. 4 een bovenaanzicht is van de zuiger met een uitholling volgens een andere uitvoering van de uitvinding; fig. 5 de krommen toont voor de turbulente bewe-gingsenergie in het gemiddelde als functie van de hoek 30 van de krukas verkregen bij verschillende vormgevingen van de holte in de zuiger.

Fig. 1 toont in langsdoorsnede de verbrandingskamer 1 van een motor met inwendige verbranding met een bestuurde ontsteking volgens de uitvinding.

35 De verbrandingskamer wordt begrensd door de zuiger 2 die in langsrichting schuift binnen de cilinder 3 en door de cilinderkop 4 welke op gebruikelijke wijze een 1005777 5 bougie 5 draagt alsmede één of meer openingen (niet weergegeven) voor de inlaat en de uitlaat. De zuiger 2 is voorzien van een uitsparing 6 van een bijzondere vorm.

5 De uitsparing 6 is open in de richting van de ci- linderkop 4 en vertoont zich in de vorm van ten minste een volume met elliptische doorsnede volgens een vlak dwars door de zuiger. Bovendien ligt de hoofdas van het (of de) elliptische volumina in hoofdzaak aan de langs-10 hartlijn van de cilinder. De beschrijvende lijnen van de holte 6 liggen in hoofdzaak evenwijdig aan de langshart-lijn en derhalve aan de wand van de cilinder.

Overeenkomstig de uitvinding vertonen de ellipsen een afplatting λ zoals:

15 GR"PR

λ = _

GR+PR

waarbij GR de grootste straal is van ten minste één van de volumina en 20 PR de kleinste straal van het (of de) genoemde volumina.

Deze bijzonderheid blijft zeer belangrijk te zijn voor het verkrijgen van de hierna te noemen effecten, in het bijzonder op het gebied van de inwendige aërodynamica, de warmte-overdracht, onder het gelijktijdig overi-25 gens in acht nemen van de geometrische eisen.

Wanneer λ 0 verkrijgt men GR = PR, derhalve een cirkel die in werkelijkheid een bijzondere ellips vormt. Dit komt overeen met het geval waarbij GR = PR * 0,25B.

Wanneer λ 0,6 heeft men een afgeplatte ellips die 30 overeenkomt met het uiterste geval waarbij GR - o,4B en waarbij PR - 0,1B.

Deze waarden geven goed de geometrische grenzen aan waarbinnen de uitvinding is gelegen. In het gebied bepaald door deze grenzen, maakt de uitvinding het in het 35 bijzonder mogelijk de hierna toe te lichten verbeteringen te bereiken.

1005777 6

Bij voorkeur volgens de uitvinding bevat de holte 6 twee elliptische volumina 61 en 62 zoals afgebeeld in fig. 2. De diepte Ρβ van elk volume is groter dan 15% van de boring B van de cilinder.

5 Bovendien ligt de grote straal GR van elke ellips tussen 0,25 en 0,40 maal de boring B van de cilinder: 0,25B<GR<0,40B.

De kleine straal PR van elke ellips ligt bij voorkeur tussen 0,10 en 0,25 maal de boring B van de cilin-10 der: 0,10B<PR<0,25B.

De grote straal is in hoofdzaak gelijk aan de helft van de grote hartlijn van de ellips en de kleine straal is gelijk aan de helft van de kleine hartlijn van de ellips. Volgens een ander kenmerk van de uitvinding zijn 15 de symmetriemiddelpunten van de ellipsen (hier en C2) gelegen op een afstand van het midden C van de boring kleiner dan 0,20 maal de waarde van de boring B.

De hoek α tussen de grote hartlijnen van elk volume kan willekeurig zijn.

20 Fig. 3 toont een uitvoering van de uitvinding vol gens welke de grote hartlijnen van de ellipsen loodrecht op elkaar staan. Bij wijze van voorbeeld is de boring B van de cilinder hier gelijk aan 120 mm, de grote straal Gr van elk volume is gelijk aan 40 mm en de kleine 25 straal PR is gelijk aan 24 mm. Het middelpunt C1 valt samen met het middelpunt c van de cilinder terwijl het middelpunt C2 van het tweede volume is geplaatst op een afstand van 5,4 mm van het middelpunt C.

Fig. 3A (langsdoorsnede) toont meer nauwkeurig op 30 welke wijze de holte 6 is aangebracht waarvan de beschrijvende lijnen evenwijdig liggen aan de hartlijn van de zuiger. Anders gezegd, de dwarsdoorsneden zijn gelijk welke ook de diepte van de holte is. Echter de basis en de top van de holte 6 vertonen kleine wijzigingen in de 35 doorsnede als gevolg van de fabricagebelemmeringen.

Fig. 4 toont een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding waarbij de holte 6 twee volumina vertoont met 1005777 7 een elliptische langsdoorsnede waarvan de grote hartlij-nen van de ellipsen in hoofdzaak evenwijdig aan elkaar zijn. Volgens deze afbeelding van de uitvinding is de boring B gelijk aan 120 nun, de grote straal GR van elke 5 ellips is gelijk aan 40 mm, de kleine straal PR van elke ellips is gelijk aan 24 mm en de symmetriemiddelpunten C1 en C2 van elke ellips zijn elk over 12 mm verschoven ten opzichte van het middelpunt C van de boring B. Andere details van deze vormgeving zijn zichtbaar in fig. 4A 10 en gelijksoortig aan die gegeven in verbinding met fig. 3A.

De nauwkeurige stand van elk van de middelpunten C1 en C2 wordt gekozen voor het accentueren van het effect van het uit het centrum brengen ten opzichte van de 15 hartlijn van de verbrandingskamer, onder het gelijktijdig rekening houden met zekere ruimte-eisen.

De hieronder aangegeven uitvoeringsvormen zijn op een proefbank onderzocht voor een motor van een zware vrachtwagen die functioneert met een arm mengsel met 20 methaan. De verkregen resultaten met de vormgeving van de kamer hebben het mogelijk gemaakt de uitstoot van ΝΟχ te verminderen tot op een waarde kleiner dan 1 g/Kwh onder het handhaven van een effectief maximaal rendement in de nabijheid van 40% die dit brengt nabij het rende-25 ment van een dieselmotor met gereinigde rechtstreekse inspuiting.

Fig. 5 toont de verbetering van de uitvinding op het gebied van de turbulentie die wordt opgewekt in de verbrandingskamer. De krommen I en II tonen respectieve-30 lijk de gemiddelde bewegingsenergie van de turbulentie (TKE) afhankelijk van de hoek van de krukas in een kamer volgens fig. 4 en volgens fig. 3.

De andere krommen betreffen de kinetische turbulen-tie-energie voor vormgeving van de uitsparing die niet 35 overeenkomstig de uitvinding zijn. Derhalve: 10PS777 8 - betreft de kromme III een uitsparing in de vorm van een cilinder die buiten de hartlijn ligt van de bougie; - toont de kromme IV de prestatie van een cilindri- 5 sche uitsparing gecentreerd rondom de bougie; toont de kromme V de turbulenties opgewekt door een uitsparing in de vorm van een afgeknotte kegel, en tenslotte heeft de kromme VI betrekking op een in hoofdzaak 10 kogelvormige uitsparing; deze komt overeen met de bekende vormgeving die toegepast wordt in dieselmotoren .

De verschillende vormgeving van de uitsparingen laat verschillen blijken van turbulentie in het bijzon-15 der gevoelig aan het einde van de compressie, aangezien immers met de vormgeving volgens de uitvinding men kinetische turbulentie-energie verkrijgt gelegen tussen 42 en 50 m /s terwijl met de andere vormgeving (de krommen III tot VI) dezelfde energie eerder geringer blijkt dan 20 30 m2/s2.

Op gunstige wijze wordt de toename van het turbu-lentieniveau in de verbrandingskamer verkregen tijdens de compressiefase door het wijzigen van de wervelstroom die uit de inlaat komt.

25 Samenvattend heeft de uitvinding betrekking op het ontwerp van een motor met inwendige verbranding met een platte cilinderkop of niet welke kan worden gebruikt bij een arm mengsel met natuurlijk gas en een verbeterd compromis tussen het energetische rendement en de uit-30 stoot van schadelijke stoffen in vergelijking met de huidige technologie.

De uitvinding betreft de vormgeving van uitsparingen in de zuiger die het mogelijk maken hoge turbulen-tieniveaus te ontwikkelen aan het einde van de compres-35 sie. Dit is verkregen uitgaande van de analyse van de inwendige aërodynamica en zijn gebaseerd op bepaalde elliptische vormen. Deze vormen dragen ertoe bij de 1005777 9 verhouding oppervlak/volume te verminderen in de kamer en derhalve van de thermische overdracht en aldus een verbetering te bereiken van het energetische rendement. Bovendien maken de vormgevingen het mogelijk het niveau 5 van de turbulentie aan het einde van de compressie te vergroten door het afsnijden van de stroming afkomstig uit de toelaat. Dit maakt het mogelijk de eigenschappen van de verbranding optimaal te maken. De juiste plaatsing van de ellipsen die de uitsparing vormen in de 10 zuiger maken het mogelijk gedurende de compressiefase de meest gunstige aërodynamica te bereiken voor het verwezenlijken van onze oogmerken onder het rekening houden met de beperkingen verbonden met de industriële vervaardiging van de onderdelen.

15 Het is aldus mogelijk de bestaande motoren te wij zigen door hieraan de geometrie van de verbrandingskamer te geven en in het bijzonder de geometrie van de zuigers zoals in de conclusies weergegeven. Zware dieselmotoren kunnen worden gewijzigd volgens de uitvinding om te 20 functioneren met natuurlijk gas met zeer geringe emissie van verontreinigingen (in het bijzonder ΝΟχ en Co2) verbonden met een rendement dat vergelijkbaar is met die van een dieselmotor met rechtstreekse inspuiting.

1005777

Claims

1. Motor met inwendige verbranding en bestuurde ontsteking, omvattende ten minste een cilinder waarin een zuiger (2) beweegt volgens de hartlijn van de cilinder, verder omvattende een cilinderkop (4) op de cilin- 5 der welke tezamen met de zuiger en de cilinder een ver-brandingskamer (1) begrenzen, waarbij de zuiger een uitsparing (of vervorming) (6) omvat die openstaat naar de cilinderkop, welke holte verschillende volumina met elliptische doorsnede bevat volgens een vlak dwars op de 10 zuiger waarvan de hoofdas en de beschrijvende lijnen in wezen evenwijdig lopen aan de langshartlijn van de zuiger, teneinde binnen de verbrandingskamer (1) de verhouding tussen oppervlak en volume te verminderen en het niveau van de turbulentie te verhogen aan het einde van 15 de compressiecyclus, met het kenmerk, dat de ellipsen zodanig zijn dat 0<λ<0,6 en GR~PR λ = _ gr+pr 20 waarbij GR de grootste straal is van ten minste één van de volumina en PR de kleinste straal van het (of de) volumina vormt.

2. Motor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de twee volumina zodanig zijn dat: 25. de diepte Ρβ>0,15χΒ; de grote straal GR zodanig is dat: 0,25xB<Gr<0,40xB; de kleinste straal PR zodanig is dat: 0,10xB<Pr<0,25xB, 30. waarbij B de boring van de cilinder is.

3. Motor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de stand van de volumina zodanig is dat wanneer C^ het symmetriecentrum vormt voor elke ellips en de afstand is van de hartlijn van de cilinder naar het 35 centrum C^, elke ellips voldoet aan: 0<D^<0,20B. 1005777

4. Motor volgens conclusie 1 of 2, eet het kenmerk, dat de hoek (a) tussen de grote hartlijnen van elke ellips gelijk is aan nul.

5. Motor volgens één der conclusies 2 of 3, met het 5 kenmerk, dat de hoek (a) tussen de grote hartlijnen van elke ellips in hoofdzaak gelijk is aan 90°. 1005777