NL9301482A - Gasverbrandingsmotor alsmede werkwijze voor het vervaardigen van de gasverbrandingsmotor. - Google Patents

Description

Titel: Gasverbrandingsmotor alsmede werkwijze voor het vervaardigen van de gasverbrandingsmotor

Beschrijving:

De uitvinding heeft betrekking op een gasverbrandingsmotor omvattende een uitlaatgassysteem, een inlaatluchtsysteem, een motorblok, omvattende een aantal cilinders en zuigers, die transleerbaar zijn in de cilinders, en een cilinderkop, die de ruimte in de cilinders aan een einde begrenst, waarbij het volume van de ruimte in een cilinder tussen de cilinderkop en een zuiger door de transleerbare beweging van de zuiger varieerbaar is tussen een minimale en maximale waarde en de verhouding tussen minimale en maximale waarde een compressieverhouding definieerd, en de ruimte in die stand van de zuiger, waarbij het volume minimaal is, een verbrandingsruimte definieert. De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke gasverbrandingsmotor.

Vrachtwagens en autobussen zijn in Europa vanwege economische motiven (vermogen, levensduur, brandstofverbruik) uitgerust met dieselmotoren. Een alternatief voor dieselmotoren zijn gasverbrandingsmotoren op LPG of aardgas. Nadelen van gasverbrandingsmotoren zijn echter dat het vermogen lager is en de levensduur korter is dan die van dieselmotoren. Hierbij komt dat de gasverbrandingsmotoren duurder zijn dan de dieselmotoren. Dit komt onder andere doordat gasverbrandingsmotoren nog niet in massaproductie vervaardigd worden en doordat de vrachtwagens en autobussen af fabriek met dieselmotoren geleverd worden, waardoor het geschikt maken van een dergelijk voertuig voor uitrusting met een gasverbrandingsmotor enige aanpassingen vergt.

Een nadeel echter van dieselmotoren, dat steeds groter geacht wordt, is de vervuiling door uitlaatgassen van het milieu. Dit is bij dieselmotoren veel groter dan bij gasverbrandingsmotoren. Gasverbrandingsmotoren staan algemeen bekend als relatief schone motoren, die het milieu slechts in geringe mate vervuilen met hun ten opzichte van dieselmotoren veel schonere uitlaatgassen. Dit nadeel van dieselmotoren speelt een nog grotere rol van betekenis bij het vervoer in dichtbevolkte gebieden, met name in de steden. Hier worden de nadelen van de vervuiling meer gevoeld dan buiten de stad.

Om het probleem met betrekking tot de vervuiling terug te dringen worden steeds meer voertuigen voor gebruik in de stad uitgerust met gasverbrandingsmotoren. Dit zijn dan vooral nieuwe voertuigen ter vervanging van oudere afgeschreven voertuigen, die tijdens de productie van nieuwe gasverbrandingsmotoren voorzien worden of dit zijn voertuigen waarbij tijdens revisiewerkzaamheden de aanwezige afgeschreven dieselmotoren in hun geheel vervangen worden door nieuwe gasverbrandingsmotoren.

In beide gevallen dienen speciale aanpassingen aan de voertuigen voor het inbouwen van gasverbrandingsmotoren uitgevoerd te worden.

Daar echter de economische levensduur van dieselmotoren lang is, waardoor men er om financiële redenen niet toe over wil gaan om de dieselmotoren vroegtijdig te vervangen, blijft de komende jaren een groot percentage van dergelijke voertuigen uitgerust met dieselmotoren ook al zouden alle nieuwe voertuigen en gereviseerde voertuigen met gasverbrandingsmotoren uitgerust worden.

Een doel van de uitvinding is een financiëel gunstige oplossing voor het hiervoor beschreven probleem van de vervuiling te verschaffen. Hiertoe is de gasverbrandingsmotor volgens de uitvinding gekenmerkt doordat de gasverbrandingsmotor een omgebouwde dieselmotor is, waarbij de verbrandingsruimte en compressieverhouding aan de toepassing van gas als brandstof zijn aangepast. Bij voorkeur wordt de dieselmotor tijdens een revisiebeurt omgebouwd tot een'gasverbrandingsmotor. De dieselmotor wordt niet vervangen door een andere motor waardoor geen of nagenoeg geen aanpassingen aan het voertuig uitgevoerd hoeven te worden. Bovendien blijft het merendeel van de dieselmotor zonder aanpassing geschikt voor de gasverbrandingsmotor, waardoor de afschrijvingskosten niet of nauwelijks beïnvloed worden. De kosten van een dergelijke ombouw zijn slechts weinig hoger dan de kosten voor revisie van de dieselmotor waardoor er nagenoeg geen redenen aanwezig zijn om bij een revisie de dieselmotor niet om te bouwen tot een gasverbrandingsmotor. Bovendien is gebleken dat het vermogen en de levensduur van dergelijke gasverbrandingsmotoren nauwelijks of niet onderdoen voor die van dieselmotoren.

Bij een uitvoeringsvorm van de gasverbrandingsmotor volgens de uitvinding is ook het uitlaatgassysteem en het inlaatgassysteem op de toepassing van gas als brandstof aangepast.

Bij een dieselmotor bevindt zich vaak een uitsparing in het kopvlak van de zuiger, waarbij zich op de bodem van de uitsparing een spits toelopend uitsteeksel bevindt, ten behoeve van het vernevelen van de erop gespoten dieselbrandstof. Een verdere uitvoeringsvorm van de gasverbrandingsmotor volgens de uitvinding is gekenmerkt doordat deze uitsparing in diameter en diepte is vergroot en de bodem althans nagenoeg vlak gemaakt is. Hierdoor is een voor een gasverbrandingsmotor gunstige vorm van de verbrandingsruimte verkregen, waarbij tijdens bedrijf een homogeen mengsel van gas en lucht zich in de uitsparing komt te bevinden. Tevens is hierdoor de compressie verhouding verlaagd hetgeen noodzakelijk is bij toepassing van gas als brandstof.

Bij een gunstige uitvoeringsvorm, heeft de vergrote uitsparing een diameter en een diepte, waarbij de verhouding van de diameter tot de diepte ligt tussen 30:9 en 30:13. Door deze verhouding wordt een goede warmteafvoer van de door de verbranding verhitte oppervlakken van de wand en bodem van de uitsparing verkregen. Indien deze verhouding ver van de genoemde waarde afwijkt, kan het gedeelte van de zuiger tussen de zuigerwand en de wand van de uitsparing zijn warmte onvoldoende kwijt aan de rest van de zuiger, waardoor schade aan de zuiger ontstaat, die nadelig is voor de levensduur van de motor.

Bij een voorkeursuitvoeringsvorm is deze verhouding gelijk aan 30:11. Deze verhouding bleek experimenteel een optimale verhouding m.b.t. de warmteafvoer te zijn.

Een verdere uitvoeringsvorm van de gasverbrandingsmotor volgens de uitvinding, is gekenmerkt, doordat de wand van de zuiger aan het einde nabij het kopvlak afgeschuind is, waarbij de buitendiameter van de zuiger van een eerste waarde op afstand van het kopvlak afneemt tot een tweede waarde ter plaatse van het kopvlak. Door de hiervoor genoemde verhitting van de wanden van de uitsparing, door de verbranding van de brandstof, zet het deel van de zuiger tussen de zuigerwand en de wand van de uitsparing uit. Deze uitzetting is groter nabij het kopvlak van de zuiger dan nabij de bodem van de uitsparing, doordat de warmteafvoer nabij de bodem beter is. Hierdoor neemt de diameter van de zuiger, in de richting naar het kopvlak, toe waardoor de zuiger tegen de cilinderwand komt en waardoor, ten gevolge van dit contact, de zuigerwand gaat invreten op de cilinderwand, hetgeen ernstige beschadigingen tot gevolg kan hebben. Door de hierboven genoemde afschuining is er echter ruimte tussen de zuigerwand en de cilinderwand aanwezig, waardoor bij uitzetting van de zuigerwand de zuigerwand de cilinderwand niet raakt.

Een gunstige uitvoeringsvorm is hierbij gekenmerkt doordat in de wand van de zuiger een aantal zuigerveren aanwezig zijn en dat de afschuining zich uitstrekt vanaf de meest nabij het kopvlak gelegen zuigerveer tot aan het kopvlak.

Nog een verdere uitvoeringsvorm van de gasverbrandingsmotor volgens de uitvinding is gekenmerkt doordat het uitlaatgassysteem twee uitlaatspruitstukken omvat, die elk via een gekromde pijp in verbinding staan met een afzonderlijk katalysator, waarbij het uitlaatgassysteem gezien in dwarsdoorsnede van het motorblok op afstand aanwezig is van een hartlijn van een cilinder, zodanig dat de cilinderkop vrij toegankelijk is. Hierdoor heeft men toegang tot de in de cilinderkop aanwezig in- en uitlaatkleppen en bougies, zonder daarbij de uitlaatspruitstukken te hoeven verwijderen of zonder althans hinder van de aanwezigheid van het uitlaatgassysteem te ondervinden. Dieselmotoren zijn zoals bekend niet uitgerust met katalysatoren. De meest voor de hand liggende inbouw van een katalysatorsysteem zou zijn in het bestaande uitlaatgassysteem één geregelde katalysator op te nemen^. Echter voordeel van de huidige uitvoeringsvorm volgens de uitvinding is, dat met twee standaardformaat katalysatoren tenminste hetzelfde effect bereikt kan worden als met één grotere katalysator en met minder kosten, daar twee standaard formaat katalysatoren goedkoper zijn dan een als alternatief hiervoor benodigde grotere katalysator. Voorts wordt door het splitsen van het uitlaatgassysteem in twee delen de temperatuur over beide delen verdeeld, waardoor minder grote temperatuurpieken optreden, hetgeen een gunstige invloed heeft op de thermische belasting van de delen en van de katalysatoren.

Een hiermee samenhangende uitvoeringsvorm is gekenmerkt doordat in elke pijp zich een lambda-sonde bevindt voor het verschaffen van informatie aan een motorunit. Hierdoor kan men een betere regeling van de werking van de katalysatoren bereiken.

Naast de hiervoor genoemde voordelen, die eveneens voor de werkwijze volgens de uitvinding gelden, is een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding gekenmerkt doordat het volume van het inlaatspruitstuk verkleind wordt en een gascaburateur via een korte pijp aan het inlaatspruitstuk gekoppeld wordt. In het inlaatspruitstuk bevindt zich tijdens bedrijf een brandstof-luchtmengsel van de van buiten door de zuigerbewegingen aangezogen lucht en een door de gascarburateur ingespoten hoeveelheid brandstof. Door een kleiner volume in het inlaatspruitstuk, alsmede een klein volume in de verbinding tussen de gascarburateur en het inlaatspruitstuk zijn eventuele gevolgen van backfire, dat is het overslaan van het vlamfront vanuit de cilinder (via een klepopening) naar het inlaatspruitstuk, kleiner door de geringere hoeveelheid mengsel in het inlaatspruitstuk. Voorts is de reactie van de motor op een gaspedaalstand verandering sneller, daar de voorraad oud mengsel van een samenstelling overeenkomstig een vorige gaspedaalstand eerder op is en dus sneller het nieuwe mengsel met de nieuwe samenstelling beschikbaar komt in de cilinders.

Een verdere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is gekenmerkt doordat in de cilinderkop aanwezige verstuiver openingen in diameter vergroot worden en bougie bevestigingsbussen in deze openingen aangebracht worden. Hierdoor kunnen standaardbougies toegepast worden en zijn g^en speciaal vormgegeven bougies, die de ombouw duurder zouden maken, nodig.

Hieronder zal de uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van een in de tekening getoond uitvoeringsvoorbeeld. Hierbij toont: FIGUUR 1, een bovenaanzicht van een gasverbrandingsmotor volgens de uitvinding, FIGUUR 2, een langsdoorsnede van de in figuur 1 getoonde gasverbrandingsmotor, FIGUUR 3, een bovenaanzicht van een zuiger van de gasverbrandingsmotor, FIGUUR 4, een doorsnede volgens lijn A-A van de in figuur 3 weergegeven zuiger, FIGUUR 5, een detail van de in figuur 4 getoonde zuigerdoorsnede, FIGUUR 6, een aanzicht van een cilinderkop van de gasverbrandingsmotor, en FIGUUR 7, een doorsnede van een kleppendeksel van de gasverbrandingsmotor.

Figuur 1 toont een bovenaanzicht van de gasverbrandingsmotor 1 volgens de uitvinding. Deze gasverbrandingsmotor is een opgebouwde dieselmotor, waarbij onder andere het uitlaatgassysteem 3 en het inlaatluchtsysteem 5 aangepast zijn. Voorts zijn tevens de zuigers en de cilinderkop aangepast, hetgeen echter in deze figuur niet zichtbaar is. Het nieuwe uitlaatgassysteem omvat twee uitlaatspruitstukken 7 en 9 die ieder met twee openingen in een cilinderkophelft 11 resp. 13 in verbinding staan. De meest rechtse van deze beide openingen, staat in verbinding met een uitlaatpoorten van de meest rechtse cilinder, terwijl de andere opening via een cilinderkophelft in verbinding staat met twee uitlaatopeningen van twee aangrenzende cilinders. De beide uitlaatspruitstukken 7 en 9, zijn via gekromde pijpen 15 en 17 gekoppeld aan twee katalysatoren 19 en 21. Verderop in het uitlaatgassysteem 3 komen de uitlaatpijpen 23, 25 samen. In de gekromde pijpen 15, 17, bevinden zich lambda-sondes 27, 29, die de samenstelling van de uitlaatgassen analyseren en een hiermee overeenkomstig signaal naar een motorregelunit 31 sturen. Deze motorregelunit 31 stuurt vervolgens signalen uit, waarmee de ontstekingstijdstippen en de brandstoftoevoer geregeld worden.

Het inlaatluchtsysteem 5 omvat een inlaatspruitstuk 33, dat via een korte pijp 35 in verbinding staat met een niet weergegeven gascarburateur. Het volume van het inlaatspruitstuk 33 is verkleind t.o.v. dat van het oorspronkelijke inlaatspruitstuk van de dieselmotor.

Op iedere cilinderkophelft 11, 13, bevindt zich een kleppendeksel 37, 39, via welke toegang tot de in- en uitlaatkleppen verschaft kan worden. Het gehele uitlaatgassysteem bevindt zich in een niveau boven dat van de zuigers met cilinderkophelften 11, 13 en kleppendeksel 37, 39. Hierdoor zijn de kleppendeksels en cilinderkophelften vrij toegankelijk zonder daarbij hinder te ondervinden van het uitlaatgassysteem.

Figuur 2 toont schematisch een doorsnede van de gasverbrandingsmotor 1, waarbij ook het uitlaatgassysteem 3 is weergegeven ondanks dat dit zich op een hoger niveau bevindt dan de getekende doorsnede. De uitlaatspruitstukken 7, 9, die zich boven de cilinderkop 41 en motorblok 43 bevinden, zijn gestippeld weergegeven. In het cilinderblok 43 zijn zes cilinders 45 aanwezig, waarin zuigers 47 transleerbaar aanwezig zijn. De zuigers 47 zijn via drijfstangen 49 met een krukas 51 verbonden. Elke cilinder staat via een inlaatklep 53 en een uitlaatklep 55 in verbinding met het inlaatspruitstuk 33 resp. een uitlaatspruitstuk 7, 9. Het volume van de ruimte 57 in de cilinder tussen de zuiger en de cilinderkop varieert tussen een minimale waarde in de bovenste stand A van de zuiger en een maximale waarde in de onderste stand B van de zuiger. De compressieverhouding, die gedefinieerd is door de verhouding van de minimale waarde tot de maximale waarde, is in dit uitvoeringsvoorbeeld gelijk aan 1:10. In de bovenste stand van de zuiger vormt de genoemde ruimte een verbrandingsruimte 59. De verbrandingsruimte 59 strekt zich tevens uit in een in de zuiger aanwezige uitsparing.

In deze figuur zijn voorts bougiebevestigingsbussen 61 gestippeld zichtbaar.

In de figuren 3 en 4 wordt een bovenaanzicht resp. een doorsnede van de zuiger getoond, waarin deze uitsparing duidelijk zichtbaar is. De zuiger 47 heeft een wand 63 en een kopvlak 65.

In het kopvlak 65 bevindt zich de genoemde uitsparing 67 met een diameter D en een diepte H, waarbij de verhouding tussen de diameter en de diepte gelijk is aan 30:11. De uitsparing 67 wordt begrensd door een wand 67 en een vlakke bodem 71. In de zuiger bevinden zich voorts twee halfcirkelvormige uitsparingen 73 en 75 om te voorkomen dat de in- resp. uitlaatklep in de bovenste stand van de zuiger 47 in contact kan komen met de zuiger. In het kopvlak 65 van de zuiger 47, bevindt zich voorts nog een ringvormige ondiepe uitsparing 77 ter optimalisering van de zuigervorm. Alle hoekpunten 79, 81 en 83 zijn afgerond en naklopt om de mogelijke vorming van haarscheurtjes tegen te gaan, In de wand 63 van de zuiger bevinden zich uitsparingen waarin zuigerveren 85, 87 aanwezig zijn.

Figuur 5 toont een detail van de zuiger 47, nabij de overgang van het kopvlak 65 naar de wand 63. De wand 63 van de zuiger is nabij het kopvlak afgeschuind, welke afschuining 89 zich uitstrekt vanaf het kopvlak 65 tot aan de bovenste zuigerveer 87. Hierbij neemt de diameter Dz van de zuiger 47 af vanaf een eerste waarde op afstand van het kopvlak naar een tweede waarde ter plaatse van het kopvlak. Hierdoor wordt de uitzetting van de zuigerwand 91 tussen de wand 63 en de wand 69 van de uitsparing tijdens bedrijf door verbranding van de uitlaatgassen in de verbrandingsruimte, gecompenseerd. Het verschil tussen de eerste waarde en de tweede waarde bedraagt enige tienden van een milimeter. De afschuining zoals getoond in figuur 5 is dus sterk overdreven weergegeven voor de duidelijkheid.

Figuur 6 toont een cilinderkophelft 13, die deel uitmaakt van de in twee helften gesplitste cilinderkop. In de cilinderkophelft 13 bevinden zich bougie-bevestigingsopeningen 93 die gevormd zijn door opboring van de bij een dieselmotor reeds aanwezige verstuiveropeningen. In deze bougie-bevestigingsopeningen 93 die voorzien zijn van inwendige schroefdraad, kunnen de bougie-bevestigingsbussen 61 met een van uitwendige schroefdraad voorziene uiteinde bevestigd worden. In figuur 7 is een dergelijke bougiebevestigingsbus 61 gestippeld weergegeven in een kleppendeksel 39. De bougiebevestigingsbus 61 is aan een einde 95 voorzien van uitwendige schroefdraad en wordt nabij het andere einde door een ring 97 in een in het kleppendeksel 39 aanwezige opening 99 vastgeklemd.

Voorts wordt bij de ombouw van een dieselmotor naar de gasverbrandingsmotor de nokkenaskarakteristiek gewijzigd, zodanig dat de klepoverlap, dit is de tijdsduur dat zowel de in- als uitlaatklep beide geopend zijn, kleiner wordt.

Claims (16)

1. Gasverbrandingsmotor omvattende een uitlaatgassysteem, een inlaatluchtsysteem, een motorblok, omvattende een aantal cilinders en zuigers, die transleerbaar zijn in de cilinders, en een cilinderkop, die de ruimte in de cilinders aan een einde begrenst, waarbij het volume van de ruimte in de cilinder tussen de cilinderkop en een zuiger door de transleerbare beweging van de zuiger varieerbaar is tussen een minimale en maximale waarde en de verhouding tussen minimale en maximale waarde een compressieverhouding definieert, en de ruimte in die stand van de zuiger, waarbij het volume minimaal is, een verbrandingsruimte definieert, met het kenmerk, dat de gasverbrandingsmotor een omgebouwde dieselmotor is, waarbij de verbrandingsruimte en compressieverhouding aan de toepassing van gas als brandstof zijn aangepast.

2. Gasverbrandingsmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat ook het uitlaatgassysteem en het inlaatluchtsysteem aan de toepassing van gas als brandstof zijn aangepast.

3. Gasverbrandingsmotor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de zuigers een cilindrische wand en een kopvlak hebben, waarbij zich in het kopvlak een uitsparing bevindt, die deel uitmaakt van de verbrandingsruimte, welke uitsparing een althans nagenoeg cirkelcilindrische vorm en een althans nagenoeg vlakke bodem heeft.

4. Gasverbrandingsmotor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de uitsparing een diameter en een diepte heeft, waarbij de verhouding van de diameter tot de diepte ligt tussen 30:9 en 30:13.

5. Gasverbrandingsmotor volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de verhouding althans nagenoeg gelijk is aan 30:11.

6. Gasverbrandingsmotor volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de wand van de zuiger aan het einde nabij het kopvlak afgeschuind is, waarbij de buitendiameter van de zuiger van een eerste waarde op afstand van het kopvlak afneemt tot een tweede waarde ter plaatse van het kopvlak.

7. Gasverbrandingsmotor volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat in de wand van de zuiger een aantal zuigerveren aanwezig zijn en dat de afschuining zich uitstrekt vanaf de meest abij het kopvlak gelegen zuigerveer tot aan het kopvlak.

8. Gasverbrandingsmotor volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het uitlaatgassysteem twee uitlaatspruitstukken omvat, die elk via een gekromde pijp in verbinding staan met een afzonderlijk katalysator, waarbij het uitlaatgassysteem gezien in dwarsdoorsnede van het motorblok op afstand aanwezig is van een hartlijn van een cilinder, zodanig dat,de cilinderkop vrij toegankelijk is.

9. Gasverbrandingsmotor volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat in elke pijp zich een lambda sonde bevindt voor het verschaffen van informatie aan een motorregelunit.

10. Werkwijze voor het vervaardigen van een gasverbrandingsmotor volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat uitgegaan wordt van een dieselmotor met een uitlaatgassysteem, een inlaatluchtsysteem, een motorblok omvattende een aantal cilinders en zuigers, die transleerbaar zijn in de cilinders, en een cilinderkop, die de ruimte in de cilinders aan een einde begrenst, waarbij het volume van de ruimte in de cilinder tussen de cilinderkop en de zuiger door de translerende beweging van de zuiger varieert tussen een minimale en maximale waarde en de verhouding tussen de minimale en de maximale waarde een compressieverhouding vormt en de ruimte in die stand van de zuiger, waarbij het volume minimaal is, een verbrandingsruimte vormt en waarbij de verbrandingsruimte en compressieverhouding op de toepassing van gas als brandstof aangepast worden.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat ook het uitlaatgassysteem en inlaatluchtsysteem op de toepassing van gas als brandstof aangepast worden.

12. Werkwijze volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat de zuigers van de dieselmotor een cilindrische wand en een kopvlak hebben, waarbij zich in het kopvlak een uitsparing bevindt, welke uitsparing in diameter en diepte vergroot wordt, waarbij de bodem, die de uitsparing begrenst, althans nagenoeg vlak gemaakt wordt.

13. Werkwijze volgens conclusie 10, 11 of 12, met het kenmerk, dat aan een, aan het kopvlak grenzend, einde van de zuiger, de wand van de zuiger afgeschuind wordt.

14. Werkwijze volgens conclusie 10, 11, 12 of 13, met het kenmerk, dat het uitlaatgassysteem van de dieselmotor onder andere vervangen wordt door twee uitlaatspruitstukken, welke elk met een afzonderlijke katalysator gekoppeld worden.

15. Werkwijze volgens conclusie 10, 11, 12, 13 en 14, met het kenmerk, dat het volume van het inlaatspruitstuk verkleind wordt en een gascaburateur via een korte pijp aan het inlaatspruitstuk gekoppeld wordt.

16. Werkwijze volgens conclusie 10, 11, 12, 13, 14 en 15, met het kenmerk, dat in de cilinderkop aanwezige verstuiver openingen in diameter vergroot worden en bougie-bevestigingsbussen in deze openingen aangebracht worden.