SE1500404A1 - Förfarande vid dieselmotor och dieselmotor för tillämpning av förfarandet - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppflnning avser ett förfarande vid 4-takts förbränningsmotor innefattande åt-minstone en cylinder med ett cylinderhuvud (1), en fram och återgående kolv (2) monterad påen vevstake (3), en på cylinderhuvudet monterad aktuator (4), en av aktuatom opererad kolv(5) som kan låsas via en hydraulikkrets (6) i olika lägen i ett förbränningsrum (7), åtminstoneen i cylinderhuvudet befintlig utloppsventil (8) för avgasers evakuering, åtminstone en i cylin-derhuvudet befintlig fritt styrbar inloppsventil (10) för tillförsel av förbränningsluft, åtminsto-ne en till förbränningsrummet (7) ansluten insprutare (9) för injicering av bränsle i detsamma. Uppfinningen kännetecknas av att kolven (5) senast under aktuell kompressionstakt av aktua-tom (4) bringas inta och låsas av hydraulikkretsen (6) i en position i förbränningsrummet (7)där den av kolven (2) inpressade luften ska komprimeras i ett förutbestämt kömpressionsför-hållande fór att tillgodose en för ögonblicket aktuell motorlast varvid den fritt styrbara in-loppsventilen (10) bringats att stänga under insugstakten vid en kolvposition där den volymförbränningsluft har tillförts som vid kompressionstaktens slut ger det förbestämda kompres-sionsförhållandet samt att insprutaren (9) injicerar beslutad mängd bränsle. (rig. 1)

Description

Förfarande vid dieselmotor och dieselmotor ßr tillämpning av förfarandet Tekniskt område Uppfinningen gäller dieselmotorer där emissioner i form av kväveoxider utgör ett stort pro-blem.

En ordinär 4-takts dieselmotor med s.k. kvalitativ förbränning orsakar hög NOx-bildning.

Bakgrund I en kolvförbränningsmotor rör sig en kolv mellan två lägen, ett övre och ett nedre vändläge.En insugstakt följs av en kompressionstakt som följs av en arbetstakt vilken i sin tur följs aven evakueringstakt som avslutar proceduren, dvs. så långt ett vanligt 4-taktsförfarande. I enordinär dieselmotor öppnas inlopps- respektive utloppsventiler med hjälp av en kamaxel. Vi-dare är förhållandet mellan cylindervolymen och förbränningsrummets volym, kompressions-förhållandet, konstant exv. 16:l eller l7:l eller annat. Det höga kompressionsförhållandetmedför hög verkningsgrad.

Ett problem att lösa i dagens dieselmotorer är att minska emissionema av kväveoxider, s.k.NOx som är ett resultat av förening mellan lufiens syre och kväve och ökar snabbt med sti-gande förbränningstemperatur. Förbränning vid hög temperatur minskar både HC och COsamt bildandet av partiklar och bidrar dessutom till att bränsleförbrukningen minskar. Däremotökar emissionen av kväveoxider vilket är oönskat bl.a pga. hälsorisker i samband med inand-ning, särskilt i stadstrafik.

Det är känt att NOx bildas vid höga temperaturer och magra förhållanden, dvs. lite bränsle ochmycket luft, s.k. luftöverskott.

Diselmotorer använder s.k. kvalitativ förbränning vilket innebär att i princip komprimeras likamycket luft cykel efter cykel men de varierande behoven av effekt tillgodoses genom injice-ring av varierande mängder bränsle. Som en följd av detta uppstår då ofta mer eller mindremagra förhållanden, större eller mindre luftöverskott, vilket medför bildande av mer ellermindre NOx. Kvalitativ förbränning bildar således olika halter av kväveoxider i förbrännings-gasema beroende på aktuell motorlast och just detta förhållande medför att det är svårt attfinna en metod som kontinuerligt reducerar NOx. Problemet kan sammanfattas till att kvalita-tiv förbränning leder till varierande luftöverskott och åtföljande bildande av NOx vilket manidag ofta söker minska med s.k. EGR som går ut på att återföra kylda avgaser i insugstakten.

Uppfinningens syfte Huvudsyftet med uppfinningen är att åstadkomma en dieselmotor som vid alla motorlaster harhög verkningsgrad och samtidigt genererar påtagligt mindre NOx jämfört med dagens diesel-motorer.

Detta syfte uppnås genom att uppfinningen givits de kännetecken som anges i de efter be-skrivningen formulerade patentkraven.

Genom en förbränning där mängdema tillfört bränsle vid variation av motorlaster kontinuer-ligt anpassas till mängden tillförd luft s.k, kvantitativ förbränning, så ger varje kompressions-takt, cykel efter cykel, samma kompressionsförhållande. Detta minimerar NOx samtidigt meduppnående av hög motorverkningsgrad i alla motorlaster.

Beskrivning av uppfinningen Problemets lösning tillika uppfinningens käma: Den komprimerade luften kan kontinuerligtcykel efter cykel under varierande motorlast tillföras den mängd bränsle som ger minst NOx iförbränningsgasema. Detta sker genom att för varje motorlast komprimera en för motorlastenvald volym luft vilken komprimeras till väsentligen samma sluttryck cykel efter cykel. Dettagörs möjligt genom att förbränningsrummet, dit den komprimerade luften trycks in, via styr-ning av motorstyrsystemet varieras i förhållande till nämnda vald volym luft som beroende avdet aktuella behovet av effekt/motorlast tillförs via fritt styrbara ventiler som under insugstak-ten hålls öppna under av motorstyrsystemet vald tid. Efter kompressionstakten injiceras den 2 mängd bränsle som ger minst NOx. Den massa bränsle, som ger minst NOx i förhållande tillmassan komprimerad luft, blir vid tillämpning av uppfinningen i princip lika cykel efter cykeloberoende av aktuell motorlast. Kvarvarande andel NOx i avgasema blir kontinuerligt väsent-ligen av samma storlek vilket underlättar eventuella behovet av att finna lämplig metod föreventuell efterbehandling.

Med fritt styrbara ventiler i cylinderhuvudet, tallriksventiler som i dagens 4-taktsmotorer, ochvariabel kompressionsvolym kan problemen med NOx minskas i hög grad. Detta genom attundvika ovan nämnda magra förhållanden. Dagens kamaxel för styming av utloppsventilerkan behållas men inloppventiler bör vara fritt styrbara för att med bästa driftsekonomi regleramängden tillförd luft. Om även inloppsventiler styrs som idag via kamaxel måste för genomfö-rande av uppfinningen mängden tillförd luft regleras med någon typ av luftspjäll vilket dockinte skulle ta vara på potentialen till riktigt hög verkningsgrad.

Fritt styrbara pneumatiskt aktiverade ventiler vilket föredras, öppnas med hjälp av trycksattgas, företrädesvis luft. Luften har komprímerats via en kompressor till ett tryck som är anpas-sat för att stabilt öppna ventilema (se patent SE535886 C2, SE] 100435 A1). Men även andrametoder för fritt styrbara ventiler, såsom hydrauliskt eller elektromagnetiskt aktiverade venti-ler, kan användas. Variabel kompression kan åstadkommas på olika sätt. Här förordas en me-tod där dagens utrymme i kolven, den s.k. kolvgropen, kan sägas vara förflyttad till cylinder-huvudet och benämns istället förbränningsrummet vars volym görs varierbar enligt principenför ovan nämnda patent. Detta åskådliggörs nedan i samband med beskrivning av föredragetutförande.

Syftet med uppfinningen är såsom nämnts ovan således att åstadkomma en dieselmotor somvid alla motorlaster/effektuttag har hög verkningsgrad och samtidigt genererar påtagligt mind-re NOx än dagens dieselmotorer.

Via styming av inloppsventilers öppettid i förhållande till föbränningsrummets volym i cylin-derhuvudet, eller annorlunda formulerat, via styming av förbränningsrummets volym i förhål-lande till inloppsventilers öppettid, kan det för den aktuella motom beslutade kompressions-förhållandet behållas vid olika motorlaster samtidigt som massan injicerat bränsle anpassasoch styrs mot minimering av NOx, dvs. nämnda magra förhållanden undviks. Detta ger samti-digt högt förbränningstryck, hög förbränningstemperatur och hög verkningsgrad. Om förbrän-ningsrummets volym skall ändras för anpassning till ny motorlast kan detta, optimalt avseendeminimering av NOx, ske senast under kompressionstakten som följer på ändrad öppettid förinloppsventiler under närmast föregående insugstakt men altemativt under närmast föregåendeevakueringstakt. Omställning från dellast till maximal motorlast kan dock med fördel ske un-der arbetstakter då det existerar högt tryck i cylindem.

Om ßr en viss cylindervolm kompressionsförhållandet är exv. 16:1 och inloppsventiler iprincip varit öppna under hela insugstakten, och massan injicerat bränsle i förbrän-ningsrummet är anpassad för minimering av NOx. Om då för sänkning av motoreffektenhälften så mycket förbränningsluft tillförs under insugstakten genom att inloppsventiler avmotorstyrsystemet beordras stänga tidigare, i princip halvvägs under insugstakten, skall för-bränningsrummets volym i cylinderhuvudet minskas så mycket, i princip halveras, så att kom-pressionsförhållandet behålls. I princip skall då hälften så mycket bränsle tillföras. Resultatetblir hög förbränningstemperatur, högt förbränningstryck och dessutom en påtagligt förhöjdverkningsgrad genom att arbetstakten blir längre än insugstakten, s.k. Millercykel. En halve-ring av förbränningsrummets storlek kan ske under någon eller några få enstaka cykler. För-bränningsrummets storlek som kontinuerligt anpassas mot beslutat kompressionsförhållande ärsom minst vid tomgång och som störst vid maximal motorlast vilket kan innefatta överladd-ning via exv. avgasturbin. Altemativt kan man vid låg last som exv. tomgång altemera meds.k. cylinderavstängning, varvid ej avstängda cylindrar styrs att avge mer effekt för att hållamotom igång. 3 Även om styrning av inloppsventiler ger en god precision för tillförsel av, av motorstyrsyste-met beslutad massa lufi kan med fördel en s.k. luftmassamätare användas för att säkert beräk-na tillförd mängd lufi och att massan bränsle som ska injiceras i törbränningsrummet beräknaspå denna grund.

Uppfinningen skall i det följande beskrivas i anslutning till på bifogade ritningsblad visat utfö-ringsexempel, där Fig.l schematiskt visar ett snitt genom övre delen av en motors cylinder med kolv i sitt övrevändläge vid låglast, Fig. 2 schematiskt visar ett snitt genom övre delen av en motors cylinder med kolv i sitt övrevändläge vid maxlast, och där Fig. 3 schematiskt visar ett snitt genom övre delen av en motors cylinder med kolv i sitt övrevändläge vid medelstor last.

I fig.1 visas således ett snitt genom övre delen av en motors cylinder med cylinderhuvud därförbränningsrummets volym är anpassad för liten motorlast och med motoms kolv i sitt övrevändläge efter en kompressionstakt. I princip är all luft som tillförts under insugstakten inpres-sad i nämnda volym.

I fig. 2 visas således ett snitt genom övre delen av en motors cylinder med cylinderhuvud därförbränningsrummets volym är anpassat för maximal motorlast och med motoms kolv i sittövre vändläge efter en kompressionstakt. I pricip är all luft från insugstakten inpressad inämnda volym.

I fig. 3 visar således ett snitt genom övre delen av en motors cylinder med cylinderhuvud därförbränningsrummets volym är anpassat för medelstor motorlast och med motoms kolv i sittövre vändläge efler en kompressionstakt. I pricip är all luft från insugstakten inpressad inämnda volym.

Motorcylinder med cylinderhuvud 1 med en kolv 2 monterad på en vevstake 3 visas i fig. l.En aktuator 4 med principiellt utförande enligt patent (SE535886 C2, SE1 100435 Al). Motor-ventilen enligt nämda patent har ersatts med en kolv 5 som är förskjutbar i ett förbränningsrum7. Kolven 5 kan via signal från ett motorstyrsystem, ej visat här, styras till att inta olika lägen iförbränningsmmmet och därmed variera volymen på den del under kolven vari en väsentligdel av förbränningen sker när bränsle injiceras via insprutaren 9. Nämnda olika lägen låses i enhydraulikkrets 6 beskriven i nämnda patent. En utloppsventil 8 styrd av en kamaxel eller av enaktuator enligt exv. nämnda patent visas symboliskt liksom en inloppsventil 10 vilken medfördel, men inte nödvändigtvis, öppnas och stängs via en aktuator på signal från motorstyrsy-stemet med funktion enligt nämnda patent. En luftmassamätare 11 finns anordnad för mätningav mängden luft som tillförs under inloppstakten via inloppsventil 10. Kolven 2 visas i sittövre vändläge där den dock inte får tillåtas nå mekanisk kontakt med cylindertaket innefattan-de tallriksventilema 8, 10.

Fig. 2 visar kolven 5 i sitt övre läge där förbränningsrummet är maximalt stort och motornkan, men inte nödvändigtvis behöver, belastas maximalt. Fortfarande kan som idag mer ellermindre motorlast tas ut beroende på hur mycket bränsle som injiseras, detta i så fall med da-gens högre avgasemissioner. Eventuellt kan det vara fördelaktigt med en liten fördjupning ikolven där dagens kolvgrop är placerad, dvs. mitt under förbränningsrummet.

Fig. 3 visar schematiskt ett snitt genom övre delen av en motors cylinder med cylinderhuvuddär förbränningsrummets volym är anpassat för medelstor motorlast och med motoms kolv isitt övre vändläge efter en kompressionstakt. I pricip är all luft från insugstakten inpressad inämnda volym. Ett intressant körfall är när exv. en fordonsförare plötsligt trampar gaspedalen 4 i botten och därmed begär maximal motoreffekt. Under närmast påföljande expansionstaktdeaktíveras hydraulkretsens 6 låsning av kolven 5 i förbränningsrummet 7 varvid kolven pånågon ms förflyttas till sitt övre läge enligt fig 2 och samtidigt kommer fritt styrbara inlopps-ventilen 5 att under närmast påföljande insugstakt bringas hålla öppen för maximal tillförselav luft. Vid kompressionstaktens slut injiceras lämplig bränslemängd för minimering av NOx.Det nämnda aktivitetema styrs av motorstyrsystemet.

Det ska framhållas att ett datorbaserat motorstyrsystem idag är en självklarhet och att det där-för inte ska behöva omnämnas här för att åstadkomma öppning/stängning av fritt styrbara ven-tiler och kolvens 5 positionering i fórbränningsrummet 7 samt insprutning av bränsle via in-spmtaren 9 beordras av motorstyrsystemet som även är kopplat till behövliga sensorer ochgivare.

Det ska sägas att förbränningen inte fullt ut kommer att ske i förbränningsrummet, som såle-des motsvarar dagens kolvgrop med skillnaden att dess storlek kan varieras beroende på hurmycket luft som tillförts under insugstakten. F örbränningen upphör efter att kolven 2 lämnatsitt övre vändläge och trycket av de expanderande förbränningsgasema verkar över hela kol-vens yta. Nämnda variation och inloppsventilemas öppettider under insugstakten beslutas avett motorstyrsystem som således förutsätts befintligt utan att det är visat i figurer eller i övrigtnärmare nämns.