SE1400367A1 - Förfarande vid tvåtaktsmotor samt tvåtaktsmotor - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser ett förfarande vid tvåtaktsmotor med åtminstone en cylinder (1) och en i denna fram- och återgående kolv (2) som rör sig i ett avgränsat förbränningsrum (5) nedtill försett med utloppsport (7) vilken friläggs i anslutning till kolvens nedre vändläge, varvid åtminstone en fritt styrbar ventilaktuator (8) öppnar eller stänger en inloppsventil (17) för tillförsel av förbränningsluft via en inloppskanal (6), och där ett styrsystem (15) via sensorer och programvara styr ventilaktuatorn att öppna och stänga inloppskanalen. Uppfinningen kännetecknas av att under tiden som utloppsporten är frilagd hålls inloppskanalen (6) stängd.(Fig. 1)

Description

Förfarande vid tvåtaktsmotor samt tvåtaktsmotor Föreliggande uppfinning avser ett förfarande vid en tvåtaktsmotorsamt en tvåtaktsmotor arbetande enligt förfarandet.Uppfinningen arbetar delvis som dagens tvätaktsmotorer. Enkolv rör sig således mellan två vändlägen, ett övre och ett nedrevändläge samt ett förbränningsrum som avgränsas av kolven ochcylinderhuvudet. Kolvens rörelse mot övre vändläget betecknaskompressionstakt och dess rörelse mot nedre vändläget beteck-nas arbetstakt. En kompressionstakt följs av en arbetstakt. Efterarbetstakten sker gasväxling, dvs avgaser bortförs och ny för-bränningsluft tillförs varefter en kompressionstakt följer. Detta ärnormalläget, men emellanåt sker ingen kompression under taktenpå grund av att en ångexpansionstakt skall genomföras.

I dagens tvåtaktsmotorer sker gasväxling i slutet av arbetstaktengenom att först friläggs en utloppsport, och avgaser strömmar ut,ofta pulsartat på grund av övertryck, och därefter friläggs eninloppsport och ny förbränningsluft tillförs varefterkompressionstakten inleds. En stor nackdel är de orena avgasersom orsakas av att förbränningsluft innehållande bränsle och/ eller smörjolja till viss del förs ut via utloppsporten tillomgivande atmosfär. Detta beror på att inlopp och utlopp till vissdel är öppna samtidigt, vilket inte är fallet vid föreliggandeuppfinning.

Med fritt styrbara ventiler i cylinderhuvudet, tallriksventiler som idagens fyrtaktsmotorer, kan problemen med orena avgaserminskas i hög grad. Motorförslagen enligt patent SE529569 ochSE52957O har fritt styrbara, elektromagnetiskt, hydrauliskt ellerpneumatiskt, det sistnämnda patentet i ett föredraget utförandepneumatiskt, aktiverade ventiler i cylinderhuvudet i avsikt attbl.a. åstadkomma en tvåtaktsmotor med högre verkningsgrad ochrenare avgaser. I SE529569 skrivs att inloppet och / eller utloppetär med fördel försett med fritt styrbar ventil, men skullealternativt kunna innefatta enbart en port som öppnas och stängsav den förbipasserande kolven, varvid porten är anordnad icylinderväggen, med fördel i området av kolvens nedre vändläge.SE52957O har fritt styrbar ventil i cylinderhuvudet och kan hainloppsport som öppnas vid kolvens nedre vändläge. Inget avnämnda patent identifierar emellertid samma problem och saknarfritt styrbar inloppsventil i cylinderhuvudet.

Fritt styrbara pneumatiskt aktiverade ventiler öppnas med hjälpav trycksatt gas, företrädesvis luft. Luften har komprimerats viaen kompressor till ett tryck som är anpassat för att stabilt öppnaventilerna. Men det åtgår energi för att komprimera luften, juhögre lufttryck desto mer energi förbrukas och därför strävasefter ett drivtryck som med viss marginal överskrider det trycksom precis behövs för att öppna ventilerna. Emellertid kanproblem uppstå vid stor motorlast och åtföljande högacylindertryck när gasväxling ska ske i anslutning till kolvensnedre vändläge. Vid gaspådrag kan cylindertrycket ytterst snabbtöka från runt atmosfärstryck eller några få bar till kanske tio ellertill och med tjugo bar, eller mer. En utloppsventil måste medsäkerhet kunna öppnas mot det aktuella cylindertrycket vilketper automatik sker tvångsmässigt i kamaxeldrivna ventilsystemsom i dagens fyrtaktsmotorer och vissa större tvåtaktsmotorer.Skulle öppnandet inte ske uppstår risk för motorhaveri. Trycket iden luft/ gas som används för nämnda fritt styrbara ventilermåste finnas tillgänglig när behovet uppstår, vilket är ett stortproblem när det gäller pneumatiskt aktiverade utloppsventiler vidsnabbt uppkommande höga cylindertryck. Men även andrametoder för fritt styrbara ventiler, såsom hydrauliskt ellerelektromagnetiskt aktiverade ventiler, har motsvarande behov avatt anpassa drivenergin till ett sällsynt högt men ändock möjligtcylindertryck.

Genom att använda åtminstone en utloppsport som friläggs ianslutning till kolvens nedre vändläge, löses problemet mednämnda höga cylindertryck samtidigt som kombinationen medåtminstone en fritt styrbar, särskilt pneumatiskt aktiverad ventil icylinderhuvudet ger flera fördelar. Det ska framhållas redan häratt en uppenbar fördel med pneumatiskt aktiverade ventiler är attde kan drivas med trycksatt ånga som producerats via kokning avvatten på lågvärdig avgasvärme, exempelvis med en temperaturpå 120-130 C.

Nämnt problem med anpassning av utloppsventilernas drivenergitill cylindertrycket löses som nämnts genom föreliggandeuppfinning genom att avgaserna evakueras via åtminstone enavgasport som i dagens tvåtaktare men att förbränningsluft ochbränsle tillförs när avgasporten har stängt i kompressionstaktensbörjan. På så vis kan inte ny förbränningsluft innehållandesmörjoljerester och eventuellt bränsle komma ut via avgasporten.I ett föredraget utförande finns flera små utloppsportar, medmindre porthöjd än för en stor utloppsport således, symetriskt arrangerade i cylindern vilket innebär att den effektivaslagvolymen för en given Cylindervolym blir påtagligt större ochatt arbetstakten blir påtagligt längre jämfört med vid dagenstvåtaktsmotorer vilket gör att verkningsgraden blir högre eftersommer arbete utförs. Arbetstakten kan även göras längre änkompressionstakten genom den fritt styrbara inloppsveentilen,vilket är en påtaglig fördel. Fler små portar med liten porthöjdmen med area som tillsammans minst motsvarar, men med fördelfår vara större än, arean i en enda stor port ger också fördelen avatt utloppsarean är frilagd under väsentligt kortare tid än vadsom är fallet i dagens tvåtaktare vilket innebär en väsentligt ökadmöjlighet för att det undertryck som skapas i cylindern dåavgaserna pulsartat strömmar ut består när utloppet stängs ochkan nyttiggöras då inloppet öppnas för tillförsel avförbränningsluft.

Andra fördelar är att motorns avgaspulser kan driva en turbo ochatt motorn kan överladdas vilket inte kan göras i tvåtaktsmotorermed portar för både inlopp och utlopp som delvis är öppnasamtidigt och utloppet stängs efter inloppet vilket innebär atttrycksatt luft från inloppet inte stannar kvar i cylindern utanströmmar ut via utloppet.

Vid ett fördelaktigt utförande av föreliggande uppfinning försescylinderhuvudet med en extra fristyrd pneumatiskt aktiveradventil för insläpp av högtrycksånga som producerats i envärmeväxlare i avgassystemet via kokning av vatten. N ärångtrycket är lärnpligt högt ersätts en ordinarie arbetstakt av enångexpansionstakt. När styrsystemet via sensorinput konstateratatt en ångexpansionstakt kan genomföras öppnar den åtminstoneena inloppsventilen som vanligt efter arbetstakten och hållsöppen under kolvens väg mot sitt övre vändläge där den stängs,och ångventilen öppnas för tillförsel av högtrycksånga och enångexpansionstakt inleds. Styrsystemet avgör när ångventilenska stänga och ångexpansionstakten styrs av styrsystemet motatt utföra lika mycket arbete som närmast föregående arbetstakt.Införande av ångexpansionstakter, som kan utföras allt oftare itakt med lägre motorlast beroende på att verkningsgraden sänksvarvid avgasvärmens andel av tillförd energi ökar. Genom attutnyttja denna energi för ångexpansionstakter så höjsverkningsgraden påtagligt. Efter en ångexpansionstakt tillförsförbränningsluft och bränsle som vanligt.

När motorn är varm kan den pneumatiska ventilen som nämntsaktiveras via trycksatt ånga istället för trycksatt luft vilket ävendet ökar motorns verkningsgrad.

Figurbeskrivning Fig. 1 visar schematiskt i en skuren vy motorns cylinder 1 meddess kolv 2 i sitt övre vändläge efter kompressionstakt. Kolventäcker utloppsporten 7 och inloppsventilen 17 är stängd.Förbränning och expansionstakt ska inledas.

Fig. 2 visar skissen enligt Fig. 1 med kolven i sitt nedre vändläge.Utloppsporten 7 är frilagd och avgasernas evakuering pågår ellerhar skett.

Fig. 3 visar skissen enligt Fig. 1 med utloppsporten precis stängdoch inloppsventilen 17 precis öppnad i början av enkompressionstakt. Tillförsel av förbränningsluft pågår eller harskett.

Fig. 4 visar skissen enligt Fig. l men där kolven under pågåendekompressionstakt håller utloppsporten stängd ochinloppsventilen har stängt.

Fig. 5 visar avgassystemet med värmeväxlare för kokning avvatten.

Fig. l visar en motor enligt föreliggande uppfinning innefattandeåtminstone en cylinder 1 med ett cylinderhuvud 1 1, en icylindern fram och återgående kolv 2, ett svänghjul 3 monterat påen vevaxel 4 på vilken en kolvstång med nämnda kolv ärmonterad. Mellan kolven och cylinderhuvudet finns ettförbränningsrum 5 till vilket förbränningsluft tillförs från ettinloppsrör 6 via en inloppsventil 17 som styrs att öppna ochstänga av en ventilaktuator 8. På vevaxeln finns en sensor 10vars signaler låses av ett motorstyrsystem 15 som därmed kännertill kolvens läge i cylindern och beroende av behov avvridmoment/ effekt beordrar ventilaktuatom att öppna respektivestänga nämnda ventil vid rätt tidpunkt. Kolven visas i sitt övrevändläge där den fortfarande täcker en utloppsport 7. Etttändstift 16 kan vara anordnat och gnistan till detta beordras avmotorstyrsystemet vid optimal tidpunkt med avseende påmotorverkningsgrad. l0 Fig. 2 visar kolvens nedre vändläge i cylindern och en utloppsport7 har frilagts varvid trycksatta avgaser oftast pulsartat strömmarut via nämnda port till ett vanligt avgassystem. Om det råderatmosfärstryck i avgassystemet och cylindertrycket är mer än tvåbar när porten friläggs strömmar avgaserna initialt ut iljudhastighet, s.k. kritisk strömning och det uppstår kortvarigtett undertryck i cylindern. Avgaserna kan driva en avgasturbomed vars hjälp motorn kan överladdas vilket normalt inte, somnämnts, är frarngångsrikt i en vanlig tvåtaktsmotor.

Fig. 3 visar hur kolven under kompressionstaktens inledningprecis stängt utloppsporten 7, varvid nämnda undertryck icylindern oftast kommer att bestå, och ventilaktuatorn 8 sombeordrats av motorstyrsystemet att öppna inloppsventilen 17varvid förbränningsluft med, eller utan om direktinsprutning ärför handen, bränsle tillförs.

Fig. 4 åskådliggör ett senare läge under kompressionstakten därinloppsventilen stängts och kolven strax når sitt övre vändläge ivars anslutning förbränning inleds.

Fig. 5 visar avgassystemet 12 med värmeväxlare 13 för kokningav vatten där avgaserna är som hetast och med en värmeväxlare14 där avgaserna kyls för utkondensering av vatten. Att detutkondenserade vattnet pumpas till värmeväxlaren för kokningeller att avgassystemet är isolerat för att behålla avgasvärmeinnan kokning respektive oisolerat och kylt för nämndkondensering visas inte utan anses vara ett för fackmannensjälvklart alternativ. En av ångtryck aktiverad och fritt styrbarinloppsventil 18 styrs via en ventilaktuator 9 ansluten tillstyrsystemet 15. Även en tryckgivare ll finns kopplad tillstyrsystemet. Styrsystemet kan, baserat på signaler fråntryckgivaren, avgöra när en vanlig arbetstakt kan ersättas av enarbetstakt baserad på ångexpansion. Det visas inte att kanalenför framledning av högtrycksånga fram till tryckgivaren 1 1 ochfrån denna fram till ventilaktuatorn 9 är isolerad för att behållavärmen och därmed trycket i vattenångan och förhindravattenkondensering. Detta är i sammanhangetfackmannamässiga lämplighetsåtgärder.

Baserat på det i figurbeskrivningen anförda skall ett föredragetutförande med bränsle som tänds med gnista (metanol, etanol,väte, gas, bensin,....) nu beskrivas. Om inloppsventilen 17 öppnasnär utloppsporten precis har stängt, och som nämnts ettundertryck råder ovanför kolven i cylindem, tillförs maximalt medförbränningsluft, vilket möjliggör maximalt vridmoment ominloppsventilen omedelbart stängs. Vid gnisttånd motor reglerastillförd massa förbränningsluft genom att inloppet 6 stängs underkompressionstakten när massan förbränningsluft motsvaras avden massa som skall förbrännas tillsammans med bränsle, s.k.kvantitativ förbränning. Om det gäller en dieselmotor tillförsmaximalt med luft när utloppsporten stängs, det får ske innannämnd stängning då luft i avgasröret inte anses skadligt viddieseldrift, och vidare sprejas i anslutning till övre vändläget såmycket diesel som motorstyrsystemet beslutat beroende på behovav vridmoment s.k. kvalitativ förbränning. Det skall framhållasatt bränslen som vid förbränning bildar mycket vatten,exempelvis metanol och väte, är att föredra om högtrycksångaskall kokas på avgasvärme eftersom den rika halten avvattenånga i avgaserna förenklar vattenkondensering ochdessutom ger renare avgaser bl.a. beroende på att förekommandepartiklar via s.k. scrubbingeffekt samlas i kondensvattnet ochfiltreras bort innan vattnet kokas. När bränslen innehåller liteväte kan en tank med destillerat vatten användas som till stor delkan återvinnas enligt nämnt förfarande.

Exempel på körcykler Start av kall motor: Vevaxeln bringas rotera av en startmotor,eller via manuell förflyttning exempelvis s.k. kickstart, varvidkolven förflyttas från övre vändläget mot nedre vändlägetsamtidigt som inloppsventilen är stängd. Vid nämndakolvförflyttning uppstår undertryck i cylindern ovanför kolvensamtidigt som vevhusluften komprimeras. Aktuatorn bringas avstyrsystemet aktivera ventilöppning genom utnyttjande avvevhuskomprimerad luft innan utloppsventilen skall friläggas avkolven och denna ventilöppning underlättas av nämntundertryck. Förbränningsluft med bränsle tillförs via inloppetvarefter komprimering och tändning sker. Om kolven befinner sigi olämpligt läge, exempelvis långt ned i cylindern för attåstadkomma nämnda förfarande, används lämpligen en manuelltopererad s.k. pysventil så att kolven kan föras till, eller nära sittövre vändläge, varefter nämnda förfarande genomförs. Om bränslet direktinsprutas kan ett alternativt utförande vara attinloppsventilen hålls stängd och när kolven friläggerutloppsporten strömmar luft, eventuellt innehållande restavgaser,in i cylindern från avgasporten. Rimligtvis finns tillräckligt medoxidationsluft för tändning och åtföljande motorstart.

Tomgångskörning: Svänghjulsmassan får tillräckligt med energiunder arbetstakten för att driva kolven mellan sina ändlägen.Samtidigt som i slutet av arbetstakten via utloppet utströmmandeavgaser skapar ett visst undertryck i cylindern, öppnas kortvarigtinloppsventilen för tillförsel av förbränningsluft och bränsle somantänds efter kompression. Genom att kvarvarande restgaserblandas med förbränningsluften hämmas bildandet avkväveoxider, s.k. NOX. Tiden för nämnda kortvariga öppnandeskall inte vara så lång att förbränningsluft hinner strömma utgenom avgasporten innan den stängs av kolven i inledningen avkompressionstakten.

Måttlig motorlast: Motorn körs vid runt hälften av sitt maximalavarvtal, exempelvis 1500 rpm, och avgasturbon arbetar så att ettvisst tryck i förbränningsluften råder. Avgasturbon ger ettluftöverskott som tillförs vevhuset och höjer vevhustrycket tillgagn för aktivering av öppnandet av inloppsventilen. Efterarbetstakten öppnas inloppsventilen när kolven stängt utloppetoch förbränningsluft samt bränsle tillförs underkompressionstakten. Styrsystemet avgör, beroende av önskatvridmoment, vid vilket kolvläge inloppet skall stängas och därmednär den tillförda förbränningsluften skall börja komprimeras.Arbetstakterna blir längre än kompressionstakterna, vilket kansägas motsvara s.k. sen Millercykel i en 4-taktsmotor.

Stor motorlast: Motorn arbetar vid eller nåra sitt maximalavarvtal och avgasturbon producerar luft med högre tryck äntidigare till förbränning och vevhuskomprimering. Efterarbetstakten öppnas inloppsventilen när kolven stängt utloppet,pulsen av utströmmande avgaser har skapat ett påtagligtundertryck i cylindern och trycksatt förbränningsluft samtbränsle tillförs under inledningen av kompressionstakten.

Tvåtakt vartannat motorvarv, en extra växel: En särskildgasväxlingscykel för att tillföra en extra stor massaförbränningsluft går ut på att efter en arbetstakt hålla inloppsventilen öppen på kolvens väg mot övre vändläget där denstängs. På kolvens efterföljande väg mot nedre vändlåget skapasvakuum i cylindern som medför att en puls av luft, trycksatt avavgasturbon, strömmar in då inloppsventilen öppnas och direktstängs, efter att utloppsporten stängts, och att ett påtagligt stortövertryck kan skapas och inneslutas i cylindern. Detta gynnas avom avgassystemet anpassats så att avgaser från föregåendearbetstakt inte, eller endast i liten omfattning, hinner strömmatillbaka under den tid som utloppet är frilagt. Motorn övergår viddetta förfarande till en cykel där en arbetstakt sker vartannatmotorvarv istället för varje motorvarv, vilket påminner om enfyrtaktscykel men inte är det, som innebär att motorvarvtalet kanhöjas markant, i vissa fall till det dubbla varvtalet. Ångexpansionstakter: När styrsystemet beslutat att en ångexpansionstakt skallgenomföras öppnar den åtminstone ena inloppsventilen somvanligt efter arbetstakten och hålls öppen under kolvens väg motsitt övre vändläge där den stängs och ångventilen öppnas förtillförsel av högtrycksånga och en ångexpansionstakt sker.Emellanåt kan fler än en ångexpansionstakt i följd genomföras.När förbränningstakt åter skall ske genomförs den enligt något avovan beskrivna förfaranden.