NL9101930A - Werkwijze voor het koud starten van een motor met vrije zuiger; alsmede motor met vrije zuiger ingericht voor toepassing van deze werkwijze. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het koud starten van een motor met vrije zuiger; alsmede motor met vrije zuiger ingericht voor toepassing van deze werkwijze

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het koud starten van een motor met vrije zuiger, welke is voorzien van een cilinder met een verbrandingsruimte daarin en een daarop aangesloten luchtinlaat, brandstoftoevoer en verbrandingsgasuitlaat en een in de cilinder beweegbare, één zijde van de verbrandingsruimte begrenzende zuiger, waarbij aan de zuiger door middel van een hydraulisch of elektrisch systeem energie wordt toegevoerd voor het comprimeren van via de inlaat toegevoerde lucht, door het verkleinen van de verbrandingsruimte, waarna brandstof wordt ingespoten voor het door zelfontbranding laten ontsteken van het brandstof-luchtmengsel.

Het is bekend dat dieselmotoren in het algemeen slecht starten, in het bijzonder bij lage temperaturen. Dit is een gevolg van het feit dat het brandstof-luchtmengsel door zelfontbranding dient plaats te vinden, waarvoor een hoge temperatuur vereist is. Bij gebruikelijke dieselmotoren kan deze temperatuur niet direct bij de eerste of tweede compressieslag worden gehaald. Bij dieselmotoren met krukas gestuurde zuiger is dit geen probleem, omdat de zuiger met behulp van de door een elektromotor aangedreven krukas een aantal malen snel achter elkaar een compressieslag kan uitvoeren, waardoor de temperatuur in de verbrandingsruimte stijgt en kort daarna de omstandigheden worden bereikt, waarbij ontsteking door zelfontbranding kan plaatsvinden. Niettemin worden dieselmotoren vaak met speciale hulpmiddelen uitgevoerd voor het vergemakkelijken van de startprocedure. Bij dieselmotoren met voorkamer wordt vaak in de voorkamer een gloeispiraal aangebracht voor het voorverwarmen van de voorkamer. Bij dieselmotoren met directe inspuiting zijn soms voorzieningen aangebracht voor het bij het starten inspuiten van ether in de verbrandingsruimte, die gemakkelijk ontvlambaar is en daardoor het ontsteken van het brandstof-luchtmengsel vergemakkelijkt. Ook voorverwar-mingsinstallaties voor de gehele cilinderkop zijn bekend.

Bij dieselmotoren met vrije zuiger is het startpro- bleem nog groter dan bij dieselmotoren met krukaszuiger, omdat het niet mogelijk is een aantal slagen snel achter elkaar te maken. Immers door het achterwege blijven van een ontbranding in de verbrandingsruimte zal de zuiger geen voldoende expan-sieslag maken om de zuiger weer in het onderste dode punt te krijgen, teneinde een nieuwe compressieslag met behulp van het hydraulische of elektrische aggregaat te maken. Bij het achterwege blijven van een ontsteking moet eerst een speciale procedure worden doorlopen om de zuiger weer in het onderste dode punt te krijgen en in deze tijd is de door de voorgaande compressieslag in de verbrandingsruimte ontstane warmte, door warmte-afvoer grotendeels weer verloren gegaan. Ook is de verblijftijd van de zuiger in het bovenste dode punt bij een vrije-zuigermotor gedwongen kort, zodat de ontbrandingsomstan-digheden in vergelijking met een krukasmotor ongunstig zijn.

De uitvinding beoogt een werkwijze voor het koud starten van een dieselmotor met vrije zuiger te verschaffen, waarbij het beschreven probleem op doeltreffende wijze is opgeheven .

Hiertoe wordt de werkwijze volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat aan de zuiger zoveel compressie-ener-gie wordt gegeven, dat de verbrandingsruimte wordt verkleind tot een volume van minder dan 3 % van het volume van de verbrandingsruimte bij het sluiten van de uitlaat.

Door deze werkwijze te volgen, is het mogelijk ook bij lage temperaturen een voldoend hoge temperatuur in de verbrandingsruimte te bereiken om tot ontsteking van het brand-stof-luchtmengsel te komen. De polytrope exponent waarmede de temperatuurstijging van het gasmengsel tijdens compressie berekend kan worden, hangt af van de temperatuur van de wanden van de verbrandingsruimte en de gassamenstelling en kan variëren van 1,20 - 1,25 bij koude motor tot 1,35 - 1,38 bij een warme motor met goede gasspoeling. Een gevolg van het stijgen van deze polytrope exponent tijdens het opwarmen van de dieselmotor is dat bij gelijke toegevoerde compressie-energie voor het uitvoeren van de compressieslag van de zuiger de druk en temperatuur in de verbrandingsruimte hoger worden. Door de hogere druk in de verbrandingsruimte wordt de zuiger echter eerder afgeremd en neemt de compressieverhouding af. De temperatuurstijging van het gecomprimeerde mengsel is dus beperkt.

Dit houdt in dat de tijdens de compressieslag aan de zuiger toegevoerde energie bij stijgende motortemperatuur constant kan blijven, ook al omdat de polytrope exponent zich stabiliseert op zijn maximum waarde. Na de zeer grote compressiever-houding volgens de uitvinding bij het starten van de motor stelt deze zich daarna min om meer zelf in, zodat nauwelijks speciale maatregelen hoeven te worden genomen bij het opwarmen van de motor na de koude start.

In het geval dat lekverliezen langs de zuiger optreden tijdens het comprimeren, de zogenaamde blow-by, hetgeen bij de toepassing van zuigerveren als afdichtingsorgaan zeker zal optreden, dan dient de compressieverhouding bij het starten nog hoger te zijn dan aangegeven en wordt bij voorkeur de verbrandingsruimte verkleind tot het volume van minder dan 2 % van het volume van de verbrandingsruimte bij het sluiten van de uitlaat.

De uitvinding omvat voorts een motor met vrije zuiger die is ingericht voor toepassing van de hiervoor beschreven werkwijze, welke is voorzien van een cilinder met een verbrandingsruimte die aan een zijde is begrensd door een eerste wand en aan de tegenoverliggende zijde is begrensd door een tweede wand die is gevormd door de zuigerbodem van een in de cilinder verplaatsbare zuiger met aan zijn omtrek een afdichtorgaan, waarbij op de cilinder een luchtinlaat, een brandstoftoevoer en een verbrandingsgasuitlaat aansluiten, en die volgens de uitvinding daardoor is gekenmerkt, dat het dode volume tussen de beide wanden van de verbrandingsruimte in de uiterste stand van de zuiger voor het minimaliseren van de verbrandingsruimte kleiner is dan 3 % van het te comprimeren volume tussen de beide wanden van de verbrandingsruimte in de stand van de zuiger waarin de verbrandingsgasuitlaat juist is gesloten.

Dit kleine dode volume kan worden bereikt door de in één of beide tegenovergelegen wanden uitgespaarde wervelruimte voor de verstoven brandstof zo klein mogelijk te maken en door het afdichtorgaan van de zuiger, zoals bijvoorbeeld de bovenste zuigerveer, zo dicht mogelijk bij de zuigerbodem te plaatsen.

In het geval van te verwachten lekverliezen kan het dode volume zelfs worden beperkt tot ten hoogste 2 % om bij het starten een voldoende hoge druk en temperatuur in de ver- brandingsruimte te halen.

Een aanvullende of alternatieve manier voor het vergemakkelijken van het starten van een dieselmotor met vrije zuiger is het kunstmatig en tijdelijk verzwaren van de zuiger. Het is namelijk gebleken dat bij toename van de massa van de zuiger de ontsteking van het brandstof-luchtmengsel wordt vergemakkelijkt omdat de bij een dieselmotor met vrije zuiger karakteristieke zeer korte verblijftijd in het bovenste dode punt wordt verlengd, waardoor meer tijd beschikbaar is voor ontbranding van het brandstof-luchtmengsel. Derhalve stelt de uitvinding voor de zuiger te voorzien van een in bedrijf aan-en afkoppelbaar gewicht, dat bijvoorbeeld als een ring om een stangvormige verlenging van de zuiger kan zitten en met een hydraulische, elektromagnetische of andere koppeling naar keuze aan de zuiger kan worden vastgekoppeld of aan het cilinder-blok wordt vastgehouden.

De uitvinding zal thans worden beschreven aan de hand van de tekening, die een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding weergeeft.

Fig. 1 is een langsdoorsnede van een dieselmotor met vrije zuiger die is ingericht voor toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding.

Fig. 2 toont op grotere schaal een gedeelte van de doorsnede van fig. 1 met de zuiger nabij zijn bovenste dode punt.

Fig. 3 is een grafiek die de zuigerbeweging als functie van de tijd illustreert in situaties waarin juist ontsteking van het brandstof-luchtmengsel plaatsvindt, bij verschillende polytrope exponenten.

Fig. 4 is een grafiek die de noodzakelijke compres-sieverhouding als functie van de polytrope exponent, waarbij nog net ontsteking van het brandstof-luchtmengsel mogelijk is, illustreert.

In fig. 1 is te zien, dat de zogenaamde vrije-zuiger-motor die werkt volgens het tweetakt dieselprincipe is voorzien van een cilinder 1, die een verbrandingsruimte 2 vormt.

In dit uitvoeringsvoorbeeld is de verbrandingsruimte 2 aan één zijde afgesloten door een stationaire cilinderkop 3 en aan de tegenovergelegen zijde door een in de cilinder 1 heen en weer beweegbare zuiger 4. Er dient echter te worden overwogen dat de uitvinding ook toepasbaar is bij een vrije-zuigermotor waarvan de verbrandingsruimte aan beide zijden is begrensd door een beweegbare zuiger.

De zuiger 4 is beweegbaar tussen het zogenaamde onderste dode punt, zoals is weergegeven in fig. 1, en een bovenste dode punt waarin de zuigerbodem 5 van de zuiger 4 nabij de cilinderkop 3 is gelegen.

In de omtrekswand van de cilinder 1 zijn inlaatpoor-ten 6 gevormd voor het aan de verbrandingsruimte 2 toevoeren van verbrandingslucht tijdens de compressieslag van de zuiger 4 van het onderste dode punt naar het bovenste dode punt, en voorts van een of meer uitlaatpoorten 7 voor het uit de verbrandingsruimte -2 afvoeren van verbrandingsgassen aan het eind van de expansieslag van de zuiger 4 van het bovenste dode punt naar het onderste dode punt.

In de cilinderkop 3 is een verstuiver 8 gemonteerd die zorgt voor het inspuiten van vloeibare brandstof, zoals dieselolie, aan het eind van de compressieslag van de zuiger 4. In de cilinder 1 en de cilinderkop 3 bevinden zich nog ruimten 9 voor het circuleren van een koelvloeistof.

De zuiger 4 is uitgevoerd met een stangvormige zui-gerverlenging 10, die op gebruikelijke wijze samenwerkt met een hydraulisch of elektrisch aggregaat voor het omzetten van de tijdens de verbranding van het brandstof-luchtmengsel aan de zuiger 2 verleende mechanische energie in hydraulische of elektrische energie en het omzetten van hydraulische of elektrische energie in mechanische energie van de zuiger 4 voor het maken van de compressieslag van de zuiger 4. Daar dit hydraulische of elektrische aggregaat geen deel van de uitvinding vormt, wordt hierop niet nader ingegaan.

Zoals fig. 1, doch in het bijzonder fig. 2 toont, is de zuiger 4 aan zijn omtrek voorzien van een aantal zuigerveren 11 die dienen als afdichtorgaan tussen de zuiger 4 en de omtrekswand van de cilinder 1. Verder is in de zuigerbodem 5 een uitsparing 12 gevormd, waarin zich de ontbranding van het brandstof-luchtmengsel kan plaatsvinden. In principe zou deze uitsparing ook geheel of ten dele in de cilinderkop 3 kunnen zijn gevormd.

Volgens de uitvinding zijn de zuiger 4 en de cilinderkop 3 zodanig uitgevoerd, dat het dode volume tussen de zuigerbodem 5 van de zuiger 4 respectievelijk tussen de bovenste zuigerveer 11 en de cilinderkop bij aanligging van de zuiger 4 tegen de cilinderkop 3 (stand A in fig. 1) minder is dan 3 % van het volume tussen de zuiger 4 respectievelijk de bovenste zuigerveer 11 en de cilinderkop 3 in de stand van de zuiger 4 waarin de uitlaatpoort 7 juist is gesloten (stand B in fig. 1). Bij voorkeur is dit dode volume zelfs 1 % of minder, teneinde het lekverlies uit de verbrandingsruimte langs de openingen tussen de vrije uiteinden van de zuigerveren 11 (blow-by) te compenseren en zodoende bij de werkwijze volgens de uitvinding voor het starten van de vrije zuigermotor toch een voldoende hoge druk en temperatuur kunnen halen.

In de grafiek van fig. 3 is de verplaatsing van de zuigerbodem 5 van de zuiger 4 vanuit het onderste dode punt bij een compressieslag weergegeven, waarbij nog net ontsteking van het brandstof-luchtmengsel mogelijk is, doch waarbij niet de zuigerbeweging is geïllustreerd die zou optreden na ontsteking van het brandstof-luchtmengsel, doch zonder ontsteking. Daaruit is ook te zien, dat bij de expansieslag zonder ontsteking van het brandstof-luchtmengsel de zuiger niet weer terugkeert in het onderste dode punt doch op een afstand daarvan blijft. De bovenste horizontale lijn in de grafiek geeft de plaats van de onderzijde van de cilinderkop weer ten opzichte van het onderste dode punt van de zuiger.

De verschillende lijnen van de grafiek geven de voor ontsteking van het brandstof-luchtmengsel vereiste zuigerbeweging weer bij verschillende polytrope exponenten. Deze poly-trope exponent kan variëren tussen 1,24 bij zeer koude motor en 1,40 bij warme motor met zeer goede gasspoeling. Zoals uit de vergelijking tussen de verschillende lijnen blijkt, is voor een polytrope exponent van 1,24 een langere zuigerweg nodig om nog net tot ontsteking van het brandstof-luchtmengsel te komen dan bij een hogere polytrope exponent. Bij de koude start van de dieselmotor is derhalve een veel hogere compressiever-houding nodig dan bij warmere motor.

Deze relatie tussen de voor de ontsteking noodzakelijke compressieverhouding e en de polytrope exponent is in de grafiek van fig. 4 geïllustreerd, waarin te zien is dat de vereiste compressieverhouding e (verhouding tussen het volume van de verbrandingsruimte bij het sluiten van de uitlaatpoort en het volume van de verbrandingsruimte in het bovenste dode punt van de zuiger) afneemt bij het toenemen van de polytrope exponent.

Teneinde de hoge compressieverhouding bij koude motor te halen zonder het gevaar te hebben dat bij de compressieslag van de zuiger deze zuiger tegen de cilinderkop aanbotst, dient het dode volume boven de zuiger bij voorkeur zo klein mogelijk te zijn omdat dit gevaar af neemt bij verkleining van het dode volume of de dode ruimte.

Ten aanzien van de lijn in de grafiek van fig. 4 wordt opgemerkt, dat deze lijn lager komt te liggen bij een hogere massa van de zuiger, zodat het voor het starten gunstig is een zware zuiger te hebben. Daar een zware zuiger tijdens het normale bedrijf echter een ongunstige invloed op het vermogen heeft, stelt de uitvinding als aanvullende of alternatieve maatregel voor het starten van een dieselmotor met vrije zuiger voor tijdelijk een gewicht aan de zuiger 4 te koppelen, die na het op temperatuur komen van de motor weer kan worden afgekoppeld zonder onderbreking van de cyclus van de zuiger.

De uitvinding is niet beperkt tot het in de tekening weergegeven en in het voorgaande beschreven uitvoeringsvoor-beeld, dat op verschillende manieren binnen het kader van de uitvinding kan worden gevarieerd. Zo kan de uitvinding in plaats van bij de hiervoor beschreven tweetakt motor ook bij een viertakt motor met compressie-ontsteking worden toegepast.

Claims (5)

1. Werkwijze voor het koud starten van een motor met vrije zuiger, welke is voorzien van een cilinder met een verbrandingsruimte daarin en een daarop aangesloten luchtinlaat, brandstoftoevoer en verbrandingsgasuitlaat en een in de cilinder beweegbare, één zijde van de verbrandingsruimte begrenzende zuiger, waarbij aan de zuiger energie wordt toegevoerd voor het comprimeren van via de inlaat toegevoerde lucht, door het verkleinen van de verbrandingsruimte, waarna brandstof wordt ingespoten voor het door zelfontbranding laten ontsteken van het brandstof-luchtmengsel, met het kenmerk, dat aan de zuiger zoveel compressie-energie wordt gegeven, dat de verbrandingsruimte wordt verkleind tot een volume van minder dan 3 % van het volume van de verbrandingsruimte bij het sluiten van de uitlaat.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de verbrandingsruimte wordt verkleind tot een volume van minder dan 2 % van het volume van de verbrandingsruimte bij het sluiten van de uitlaat.

3. Motor met vrije zuiger ingericht voor toepassing van de werkwijze volgens conclusie 1 of 2, voorzien van een cilinder (1) met een verbrandingsruimte (2) die aan een zijde is begrensd door een eerste wand (3) en aan de tegenoverliggende zijde is begrensd door een tweede wand die is gevormd door de zuigerbodem (5) van een in de cilider (1) verplaatsbare zuiger (4) met aan zijn omtrek een afdichtorgaan (11), waarbij op de cilinder een luchtinlaat (6), een brandstoftoevoer (8) en een verbrandingsgasuitlaat (7) aansluiten, met het kenmerk, dat het dode volume tussen de beide wanden (3, 5) van de verbrandingsruimte (2) in de uiterste stand van de zuiger (4) voor het minimaliseren van de verbrandingsruimte (2) kleiner is dan 3 % van het te comprimeren volume tussen de beide wanden (3, 5) van de verbrandingsruimte (2) in de stand van de zuiger (4) waarin de verbrandingsgasuitlaat (7) juist is gesloten.

4. Dieselmotor met vrije zuiger volgens conclusie 3, waarbij het genoemde dode volume kleiner is dan 2 % van het te comprimeren volume.

5. Dieselmotor, bij voorkeur volgens conclusie 3 of 4, waarbij de zuiger (4) is voorzien van een in bedrijf aan-en afkoppelbaar gewicht.