NO332922B1 - Ventilsystem for en gassmotor - Google Patents

Abstract

Det omtales et ventilsystem for en gassmotor (20), omfattende et antall ventiler (36, 44) som er innrettet til å regulere mengde og påslipp av gass inn til en innsugskanal (16) i motoren (20). Systemet omfatter et ventilhus (30) utstyrt med en sentralt plassert og lineært bevegelig påslippsventil (36) og en omliggende mengdereguleringsventil (44), der mengdereguleringsventilen (44) er innrettet til å rotere for regulere gassmengde som slippes inn i ventilhuset (30).

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et ventilsystem for en gassmotor, omfattende et antall ventiler som er innrettet til å regulere mengde og påslipp av gass inn til en innsugskanal i motoren.

Oppfinnelsen vedrører i hovedsak ventilstyring i en lean-burn gassmotor, selv om oppfinnelsen i prisnippet også kan benyttes i andre gassmotorer. I en lean-burn gassmotor (ottomotor) fylles sylinderen med en homogen, mager blanding av luft og brenngass. For å oppnå en stabil og sikker tenning av ladningen benyttes gjerne en "tenningsforsterker" i form av et forkammer, hvor ladningen gjøres rikere ved at brenngass tilføres gjennom en separat forkammergassventil, og hvor en tenningsinnretning i form av f.eks. en tennplugg eller pilotinnsprøytningsventil er anbrakt. I den anledning er det viktig å få den relative energimengden som frigjøres i forkammeret så liten som mulig. Bakgrunnen for dette er at forkammeret er en vesentlig bidragsyter til dannelsen av NOx under forbrenningen. Dessuten er forkammeret utsatt for høy termisk belastning, og krever god kjøling. Redusert størrelse og dertil redusert energimengde frigjort i forkammeret gir også en gevinst i form av lavere termiske belastning og redusert slitasje på tenningsinnretning og forkammergassventil.

Forkammer til slike gassmotorer er selvfølgelig kjent fra før. Imidlertid er en ulempe med de fleste løsninger at det må benyttes en forholdsvis stor mengde rik ladning, som dermed bidrar til dannelse av mye NOx under forbrenningen. Benyttelse av en forholdsvis stor mengde rik ladning medfører at det utvikles mye varme i forkammeret. Dette medfører igjen at godtykkelse, materialkvalitet, etc, for et forkammer må økes for å tilpasses varmeutviklingen. Kompleksitet og fremstillings-kostnader vil dermed selvfølgelig også øke.

Søker har produsert og levert såkalte lean-burn medium speed gassmotorer i mange år. Et uttall motorer er levert, alle med hovedsakelig samme type ventiler for å regulere drivstoffmengde og føre gass inn i innsugskanalen under innsugningslaget: 1. Pilottrykkstyrt trykkreguleringsventil plassert tett ved motor, en ventil per motor. Trykkreguleringsventilen får sitt pilottrykk ut fra aktuell motorbelastning. 2. Mengdereguleringsventil, en ventil per sylinderenhet. Alle ventiler på motoren er aktuert av en felles aktuator, der denne er generelt styrt som del av en reguleringssløyfe med motorturtall som primær variabel. 3. Påslippsventil, en ventil per sylinderenhet. Hver ventil er mekanisk forbundet med respektive løftearrangement for innsugsventiler, slik at påslippsventilen åpner litt etter luftventilene åpner, og lukker litt før luftventilene lukker.

De tre typer ventiler er normalt arrangert i serie i samme rekkefølge som angitt ovenfor, med rørstykker mellom. Rør mellom trykkreguleringsventil og mengdereguleringsventil er referert til som gassmanifold, og trykket i dette volumet er referert til som hovedgasstrykk.

Når påslippsventil åpner vil gass som opptar volumet mellom mengdereguleringsventil og påslippsventil ekspandere fra hovedgasstrykk til trykk i innsugskanal gjennom påslippsventil. Denne mengde gass kan ikke kontrolleres av mengdereguleringsventil. For å redusere denne mengde ukontrollert gass kan hovedgasstrykk reduseres, eller volum mellom mengderegulerings- og påslippsventil kan reduseres. Høyt trykk kombinert med lite volum gjør at overganger fra høy belastning til lav belastning og motsatt kan styres i større grad av mengdereguleringsventilen alene. Dette fører til rask og presis kontroll over mengde gass til motor.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er derfor å frembringe en ventilstyring for gassmotorer hvor volumet mellom ventilene er betydelig redusert, slik at det kan oppnås en mer presis kontroll over mengde gass til motoren.

En gassmotor har normalt et relativt stort rør for brennstoffgass langs motoren. Fra dette røret går det normalt et mindre og eventuelt fleksibelt rør inn til hver sylinderenhet. I tillegg er det vanligvis et rør langs motor for forkammergass. Også fra dette røret går det et mindre rør inn til hver sylinderenhet. På motorer levert til kraft-produksjon på land er disse rørene produsert ved sveising og lodding.

Et nytt marked for gassmotorindustrien de siste årene er skip med gass som drivstoff. Dette er et nytt marked p.g.a. regelverk for eksosutslipp, avgiftsendringer og utbygging av infrastruktur for gassfylling. Når man setter en gassmotor i et skip vil den bli underlagt regelverk fra klasseselskap og myndigheter. Ett av disse kravene er at alle gassrør skal være doble, hvor det indre røret brukes til å føre gass til motor, og det ytre røret er brukt for å detektere eventuell lekkasje fra det indre røret. Dette kan eventuelt gjøres ved luftgjennomstrømning med gassensor i systemet, eller et trykksatt inertgassystem. Volumet mellom det ytre og det indre røret må føres hele veien langs hovedrøret, og ut hvert stikk til sylindrene. Dette gjelder både hovedgass og forkammergass.

For gassmotorer der det er krav om doble rørføringer for gass fører tradisjonell plassering av mengdereguleringsventil til at denne må utformes som et hus med to skall, med doble tetninger og overvåking av alle skjøter og gjennomføringer. Dette fører til en komplisert og kostbar konstruksjon.

Et videre formål med foreliggende oppfinnelse er derfor å frembringe en løsning der ventilene er "innebygget" i motoren, slik at det ikke er krav om doble rørføringer.

Fra patentlitteratur vises blant annet til DE 427191 C og som viser et ventilsystem for en gassmotor med et antall ventiler for å regulere mengde og påslipp av gass inn til en innsugningskanal i motoren. FR 2354447A viser en lineært bevegelig påslippsventil og en omliggende mengdereguleringsventil, men der mengdereguleringsventilen ikke kan rotere. GB 392863 A viser en teknisk løsning vedrørende hvordan en roterende ventil blir drevet rundt ved hjelp av tannhjul.

Overnevnte formål oppnås med et system som angitt i krav 1 ved at systemet omfatter et ventilhus utstyrt med en sentralt plassert og lineært bevegelig påslippsventil og en omliggende mengdereguleringsventil, der mengdereguleringsventilen er innrettet til å rotere for regulere gassmengde som slippes inn i ventilhuset.

Alternative utførelser er angitt i de uselvstendige kravene.

Påslippsventilen kan være utformet som en lineært bevegelig ventilspindel med en nedre ventiltallerken innrettet til å lukke mot et ventilsete for styring av gassinnføring til innsugskanalen, og der en øvre del av ventilspindelen rager ut gjennom en øvre boring i ventilhuset.

Mengdereguleringsventilen kan være utformet som en nedadragende og åpen ventilkopp, hvori påslippsventilens øvre del til strekker seg gjennom en gjennom-løpende boring i ventilkoppens bunn. Ventilkoppen til mengdereguleringsventilen kan omfatte minst en sideåpning som under rotasjon av koppen er innrettet til å sammenfalle med en åpning i ventilhuset, for regulering av mengde gass som slippes inn i ventilhuset.

Videre kan mengdereguleringsventilen være utstyrt med en drivinnretning for å frembringe nevnte rotasjon av ventilkoppen. Nevnte drivinnretning kan være et tannstag eller snekkehjul som er koblet til et antall tenner eller lignende utvendig på ventilkoppen, og der drivinnretningen kan være koblet til en aktuator for å styre mengdereguleringsventilen avhengig av motorens turtall.

Ventilhuset kan være plassert inne i motoren og tilstøtende innsugskanalen.

Oppfinnelsen skal nå beskrives ved hjelp av de vedlagte figurer, hvori:

Figur 1 viser en kjent løsning for en gassmotor.

Figur 2 viser en prinsippskisse av en eksempelutførelse med en ventilløsning for en gassmotor i følge oppfinnelsen.

En gassmotor anses kjent for en fagmann og er derfor ikke nærmere forklart i søknaden. Imidlertid vises til figur 1 for forklaring av et kjent oppsett av ventiler i henhold til det som er omtalt tidligere. En påslippsventil 10 er her plassert i motoren 20 og tilstøtende en innsugskanal 16 som strekker seg videre til en innsugsventil 12 for innslipp av gass videre inn i motorens sylinder 18.1 innløpet for gass er det videre anordnet en mengdereguleringsventil 14 for innslipp av gass som opptar et volum Vi mellom mengdereguleringsventilen og påslippsventilen. Denne gassen ekspanderer fra hovedgasstrykk til trykk i innsugskanalen 16 gjennom påslippsventil, og kan som nevnt ikke kontrolleres av mengdereguleringsventil. Volumet Vi vil ofte i kjente gassmotorer være omtrent 120 cm<3>.

Vesentlige momenter og tekniske trekk i forbindelse med foreliggende oppfinnelse ved en gassmotor er i det etterfølgende forklart nærmere i forbindelse med figur 2. Det skal videre kommenteres at selv om det benyttes uttrykket gassmotor betyr ikke dette nødvendigvis at foreliggende oppfinnelse kun er rettet mot en frittstående gassmotor, men kan også benyttes på en motor innrettet for både gassdrift og drift med andre brennstoffer, dvs. en såkalt kombinasjonsmotor, idet gasstilførsels-systemet uansett vil være hovedsakelig likt.

Et forslag til løsning er å plassere ventilspindel for mengdereguleringsventilen konsentrisk rundt spindel for påslippsventil som vist på figur 2. På denne måten kan volumet mellom de to ventiler for en gitt motortype bli redusert med rundt 90 % i forhold til tradisjonell løsning. Volumet som er angitt som Vi i den kjente løsningen kan dermed reduseres til eksempelvis 15 cm<3>, vist som V2.

Oppbygning av en kombinert ventil i følge oppfinnelsen for lean-burn medium speed gassmotor skal nå nærmere beskrives.

Et ventilhus 30 omfatter en mengdereguleringsventil 44 og en påslippsventil 36, der oppstrøms mengdereguleringsventil 44 er konstruert for en roterende bevegelse med et strømningsareal som avdekkes ettersom ventilen 44 roteres, slik at gass strømmer fra utsiden og inn mot senter. Nedstrøms påslippsventil 36 er konstruert for lineær bevegelse med en ventiltallerken 38 som lukker mot et ventilsete (ikke vist).

Mengdereguleringsventilen 44 er i den viste utførelsen utformet som en nedadragende og åpen ventilkopp med sidevegg 54 og bunn 48, der koppen er anordnet i en boring 58 i ventilhuset 30. Bunnen 48 av koppen er i den viste utførelsen oppoverrettet, mens munningsåpningen er nedoverrettet. Ventilkoppen er videre utstyrt med minst en sideåpning 50, eller flere åpninger, som under rotasjon sammenfaller med en gassåpning 34 på siden av ventilhuset 30 for innslipp av gass. For drift og rotasjon av mengdereguleringsventilen 44 kan denne være utstyrt eller koblet til en drivinnretning 52, hvor drivinnretningen 52 eksempelvis kan være i form av en tannstang, snekkehjul eller lignende kjent løsning som går i inngrep med tenner på ventilkoppen til mengdereguleringsventilen 44.

En øvre del 40 (ventilspindel) til påslippsventilen 36 er innrettet til å bevege seg gjennom en boring 46 i bunnen av mengdereguleringsventilens 44 ventilkopp, dvs. en øvre del som vist på figuren, der lineær bevegelse kan styres ved å skyve ventilspindelen i retning for å åpne, og med fjærretur mot lukket posisjon. Ventilen 36 kan være mekanisk forbundet med respektive løftearrangement for innsugsventiler 12. Påslippsventilen 36 er i den viste eksempelutførelsen som nevnt utformet som en lineært bevegelig ventilspindel med en nedre ventiltallerken 38 innrettet til å lukke mot ventilsetet for styring av gassinnføring til innsugskanalen 16, og med en øvre del 40 av ventilspindelen ragende ut gjennom en øvre boring 32 i ventilhuset 30.

Styring av mengdereguleringsventil 44 og påslippsventil 36 kan ellers utføres på vanlig kjent måte.

Claims (7)

1. Ventilsystem for en gassmotor (20), omfattende et antall ventiler (36, 44) som er innrettet til å regulere mengde og påslipp av gass inn til en innsugskanal (16) i motoren (20),karakterisert vedat systemet omfatter et ventilhus (30) utstyrt med en sentralt plassert og lineært bevegelig påslippsventil (36) og en omliggende mengdereguleringsventil (44), der mengdereguleringsventilen (44) er innrettet til å rotere for regulere gassmengde som slippes inn i ventilhuset (30).

2. Ventilsystem i samsvar med krav 1,karakterisert vedat påslippsventilen (36) er utformet som en lineært bevegelig ventilspindel med en nedre ventiltallerken (38) innrettet til å lukke mot et ventilsete for styring av gassinnføring til innsugskanalen (16), og der en øvre del (40) av ventilspindelen rager ut gjennom en øvre boring (32) i ventilhuset (30).

3. Ventilsystem i samsvar med krav 1og2,karakterisert vedat mengdereguleringsventilen (44) er utformet som en nedadragende og åpen ventilkopp, hvori påslippsventilens (36) øvre del (40) til strekker seg gjennom en gjennomløpende boring (46) i ventilkoppens bunn (48).

4. Ventilsystem i samsvar med krav 3,karakterisert vedat ventilkoppen til mengdereguleringsventilen (44) omfatter minst en sideåpning (50) som under rotasjon av koppen er innrettet til å sammenfalle med en åpning (34) i ventilhuset (30), for regulering av gassmengde som slippes inn i ventilhuset.

5. Ventilsystem i samsvar med krav 4,karakterisert vedat mengdereguleringsventilen (44) er utstyrt med en drivinnretning (52) for å frembringe nevnte rotasjon av ventilkoppen.

6. Ventilsystem i samsvar med krav 5,karakterisert vedat nevnte drivinnretning (52) er et tannstag eller snekkehjul som er koblet til et antall tenner eller lignende utvendig på ventilkoppen, og at drivinnretningen er koblet til en aktuator for å styre mengdereguleringsventilen (44) avhengig av motorens turtall.

7. Ventilsystem i samsvar med krav 1,karakterisert vedat ventilhuset (30) er plassert inne i motoren (20) og tilstøtende innsugskanalen (16).