SE469906B - Anordning för styrning av arbetsförloppet i en förbränningskolvmotor - Google Patents

Description

469 906 2 Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en anordning av inledningsvis angivet slag, som möjliggör en ytterligare förbättring av förbränningsmotorns verkningsgrad. Detta åstadkommes enligt uppfinningen genom att anordningen utfor- mas i enlighet med det som anges i den kännetecknande delen av kravet 1.

Fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen anges i under- kraven. ' Uppfinningen beskrives närmare nedan med hänvisning till bifogade ritning, på vilken fig. 1 är ett schematiskt PV-diagram för en förbränningskolv- motor, i vilken en anordning enligt uppfinningen utnyttfas, varvid diagrammet visar förhållandena vid full belastning hos motorn, och fig. 2 är en schematisk vy av en cylinder till en förbrän- ningskolvmotor, vilken är försedd med en anordning enligt en utföringsform av uppfinningen.

I fig. 1 visas arbetsförloppet i en fyrtakts förbrännings- kolvmotor med överladdning, vilket arbetsförlopp är styrt i enlighet med föreliggande uppfinning. Diagrammet är schema- tiskt och är endast avsett att visa principerna för arbets- förloppet, och dessutom visas endast förhållandena vid full belastning hos motorn. En motor för genomförande av förfaran- det enligt fig. 1 visas i fig. 2. En förbränningskolvmotor 1 visas därvid i form av en enda cylinder, men uppfinningen kan givetvis användas vid förbränningskolvmotorer med valfritt antal cylindrar. Motorn 1 är därvid för varje cylinder för- sedd med en inloppsventil 2 och en utloppsventil 3 av vanlig typ. Motorn 1 är dessutom försedd med en avgasdriven turbo- kompressor 4, vilken innefattar en kompressor 5, vilken medelst en inloppsledning 6 är ansluten till motorns inlopps- ventil 2 för att mata luft under tryck till denna. Turbo- kompressorn 4 innefattar dessutom en turbin 7, till vilken avgaserna från motorn 1 ledes genom en mellan utloppsventilen 3 och turbinen 6 anordnad utloppsledning 8. Avgaserna driver därvid turbinen 7, vilken i sin tur driver kompressorn 5. Det 469 906 3 kan i detta sammanhang även nämnas, att man för åstadkommande av ökad överladdning kan använda två eller flera turbo- kompressorer med kompressorerna anslutna i serie och med turbinerna anslutna i serie eller parallellt, beroende på om man önskar utnyttja pulsöverladdning eller liktrycksöverladd- ning. De hittills beskrivna detaljerna motsvarar tidigare känd teknik vid överladdade förbränningskolvmotorer.

Enligt uppfinningen är varje cylinder i motorn 1 förutom inloppsventilen 2 och utloppsventilen 3 försedd med en tryck- regleringsventil 9, till vilken är ansluten en tryckregle- ringsledning 10, vilken i sin tur är ansluten till utlopps- ledningen 8. I fig. 2 visas ett antal anordningar i tryck- regleringsledningen 10, vilka anordningar kommer att beskri- vas närmare nedan. Dessa anordningar är emellertid icke nödvändiga för genomförande av uppfinningens grundidë, utan tryckregleringsledningen 10 kan vara direkt ansluten till utloppsledningen 8.

Vid den i fig. 2 visade förbränningskolvmotorn 1 genomföras arbetsförloppet enligt fig. 1 i enlighet med förfarandet enligt uppfinningen på följande sätt. Vid början av inlopps- takten är inloppsventilen 2 öppen och luft med överladdnings- trycket P2 under det att kolven i denna rör sig från sitt övre vändläge' A till läget B, d.v.s från punkten 11 till punkten 12 i diagrammet. I läget B, d.v.s. vid punkten 12, stänger in- loppsventilen 2, och vid kolvens fortsatta rörelse till sitt strömmar genom inloppsventilen 2 in i cylindern nedre vändläge C sker en adiabatisk expansion av luften i cylindern från punkten 12 till punkten 13.

Vid kolvens fortsatta rörelse, d.v.s. under kompressionstak- ten, sker först en adiabatisk kompression längs linjen 13-14.

Då kolven befinner sig i läget D, d.v.s. i punkten 14, öppnas tryckregleringsventilen 9, varefter luft med trycket P1, vilket i detta fall motsvarar trycket i utloppsledningen 8, pressas ut ur cylindern under kolvens rörelse till läget E, vilket motsvaras av linjen 14-15. Vid läget E stänges tryck- regleringsventilen 9 åter, varefter den i cylindern befint- Ps 1 69 986 4 liga luften komprimeras under kolvens fortsatta rörelse till sitt övre vändläge A, linjen 15-16. Vid läget A, d.v.s. i punkten 16, uppnås kompressionstrycket PK.

Efter insprutning av bränsle och antändning av detta i cylin- dern vid kolvens övre vändläge A, linjen 16-17, samt förbrän- ning vid konstant tryck, linjen 17-18, sker en expansion under arbetstakten, linjen 18-19. I punkten 19, d.v.s. då kolven når sitt undre vändläge C, öppnas utloppsventilen 3 och man får en trycksänkning vid konstant volym, linjen 19-20.

Vid kolvens rörelse från sitt undre vändläge C till sitt övre vändläge A under utloppstakten sker därefter en utskjutning av avgaserna ur cylindern, linjen 20-21. Därefter stänges utloppsventilen 3 och inloppsventilen 2 öppnas, vilket ger upphov till en tryckökning, linjen 21-11. Därefter är arbets- cykeln fullbordad och en ny arbetscykel påbörjas.

Det ovan beskrivna arbetsförloppet motsvarar det som beskri- ves i den svenska patentansökan 8503517-8, till vilken hänvi- sas för en närmare beskrivning av arbetsförloppet vid andra belastningar hos motorn än full belastning samt av de möjlig- heter som finns till ändring av arbetsförloppet för anpass- ning till olika förhållanden.

Som exempel på de förändringar som kan vidtagas kan nämnas punkten för stängning av inloppsventilen 2, d.v.s. punkten 12 i fig. 1. Ytan 11, 12, 14, 21, 11 i diagrammet i fig. 1 motsvarar den överskottsenergi som turbokompressorn 4 avger.

Formen på denna yta bestämmes av tidpunkten för stängningen av inloppsventilen 2. Den senaste lämpliga tidpunkten för denna stängning betecknas i diagrammet 12'. Detta är den punkt då den följande adiabatiska expansionen, den streckade linjen 12'-20, sänker trycket till trycket P1. Därvid samman- faller punkterna 13, 20 och 14. Om inloppsventilen 2 stänges senare kommer trycket i cylindern vid tryckregleringsventi- lens 9 öppning att överstiga trycket i utloppsledningen 8.

Visserligen sker då en efterföljande expansion i turbokomp- ressorn 4, men detta ger väsentligt lägre verkningsgrad än en expansion i cylindern.

Tidpunkten för stängning av tryckregleringsventilen 9 under kompressionstakten, d.v.s. punkten 15, som motsvarar kolvens läge E, väljes lämpligen så, att den för bästa verkningsgrad genom bränslet tillförda energin efter förbränningen ger ett sådant tryck, att man vid utloppsventilens 3 påföljande öppning efter arbetstakten, d.v.s. i punkten 19, får en strömningshasighet hos avgaserna över utloppsventilen 3, som i huvudsak motsvarar kritisk strömning. Detta är inget krav för genomförande av arbetsförloppet utan endast en rekommen- dation för uppnående av högsta möjliga verkningsgrad genom att överkritisk strömning förhindras.

Trycket P1, d.v.s. trycket i utloppsledningen 8, kan ändras genom varierande strypning av avgasflödet för ändring av det vid kompressionstaktens slut uppnådda kompressionstrycket PK i cylindern.

Det kan vidare vara lämpligt att anpassa strypningen över inloppsventilen 2 på så sätt, att luftflödet inom ett förut- bestämt varvtalsområde hos motorn 1 ligger inom området för turbokompressorns 4 bästa verkningsgrad.

Vid den i fig. 2 visade anordningen enligt uppfinningen är tryckregleringsledningen 10 försedd med dels en utjämnings- behållare 22, dels en värmeväxlare 23. Utjämningsbehållaren 22 är därvid avsedd att åstadkomma ett jämnare luftflöde genom tryckregleringsledningen 10. Värmeväxlaren 23 är anord- nad för värmeväxling mellan den i tryckregleringsledningen 10 befintliga gasen och gasen i en utloppsledning 24 från turbo- kompressorns 4 turbin 7. På detta sätt kan den i tryckregle- ringsledningen 10 strömmande gasen ta upp värme ur de avga- ser, som lämnar turbokompressorns 4 turbin 7, vilket innebär att energi upptages ur dessa avgaser och avges till utlopps- ledningen 8 före turbinen 7. På detta sätt åstadkommas att energi, som annars skulle gått förlorad genom avgaserna, upptages av gasen i tryckregleringsledningen 10 och återföres 6 vD CD 0\ 6 till en punkt före turbinen, vilket ger ökad totalverknings- grad hos motorn 1 genom ett ökat positivt gasväxlingsarbete.

I fig. 2 visas även en reglerventil 25 i tryckregleringsled- ningen 10 nära tryckregleringsventilen 9. Med hjälp av reg- lerventilen 25 kan flödet ur cylindern genom tryckreglerings- ventilen 9 ändras, så att tryckregleringsventilen 9 göres mer eller mindre overksam. Detta kan vara en fördel vid snabb ökning av effekten hos motorn 1 från låg belastning, eftersom den i cylindern inneslutna luftmängden ökar, vilket medger förbränning av en större bränslemängd. Någon risk för överbe- lastning av motorn 1 till följd av alltför höga tryck i cylindern föreligger inte, eftersom trycket i utloppsled- ningen 8 under dessa förhållanden är lågt, vilket innebär att överladdningsgraden är låg, d.v.s. trycket i inloppsledningen 6 är lågt. Strypning av flödet med hjälp av reglerventilen 25 ger dessutom en avsevärd förbättring av motorns 1 kallstart- egenskaper samt minskad halt kolväten i avgaserna, och detta beror på det högre kompressionsförhållande som erhålles.

Ett annat sätt att ändra flödet ur cylindern genom tryckreg- leringsventilen 9 är att ändra tidpunkten för stängningen av tryckregleringsventilen 9. Detta innebär en förskjutning av punkten 15 i diagrammet enligt fig. 1, d.v.s. en förskjutning av läget E hos kolven i cylindern. På detta sätt ändras kompressionsförhållandet i cylindern och samtidigt ändras mängden hos den i cylindern inneslutna gasmassan vid kompres- sionens början. Detta sker därvid helt utan påverkan av expansionsförhållandet under arbetstakten.

Som framgår av fig. 2 finns dessutom en ventil 26 i tryckreg- leringsledningen 10 intill dennas anslutning till avgasled- ningen 8. Ventilen 26 är avsedd att stängas synkront med reglerventilen 25. Då ventilen 26 är stängd begränsas volymen mellan utloppsventilen 3 och turbinen 7, vilket innebär att tryckpulser i avgaserna bättre når fram till turbinen 7 och kan avge sin energi till denna. På detta sätt får man ökad effekt hos turbokompressorn 4 och ökad överladdningsgrad, »a F» (j\ xO \0 CI) Cïx 7 d.v.s. högre tryck i inloppsledningen 6, vilket är gynnsamt speciellt vid låga varvtal hos motorn 1.

Uppfinningen är inte begränsad till ovan beskrivna utförings- exempel, utan ändringar är möjliga inom ramen för efterföl- jande patentkrav.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 GN UD CD Ö\ Patentkrav

1. l. Anordning för styrning av arbetsförloppet i en medelst åtminstone en avgasdriven turbokompressor (4) överladdad fyr- takts förbränningskolvmotor (l), i vilken varje cylinder är försedd med dels åtminstone en inloppsventil (2). till vilken turbokompressorns (4) kompressor (5) är ansluten medelst en inloppsledning (6), dels åtminstone en utloppsventil (3). vilken medelst en utloppsledning (8) är ansluten till turbo- kompressorns (4) turbin (7), k ä n n e t e c k n a d av att varje cylinder i förbränningsmotorn (1) är försedd med en tryckregleringsventil (9), vilken medelst en tryckreglerings- ledning (10) är ansluten till utloppsledningen (8) mellan ut- loppsventilen (3) och turbokompressorns (4) turbin (7), varvid tryckregleringsventilen (9) är anordnad att öppnas då kolven i cylindern under kompressionstakten befinner sig i ett första förutbestämt läge (D) pâ avstånd från sitt nedre vändläge (C) och att stängas då kolven under kompressionstakten befinner sig i ett andra förutbestämt läge (E) på längre avstånd från sitt nedre vändläge (C).

2. Anordning enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att tryckregleringsledningen (10) är försedd med en värmeväxlare (23) för värmeväxling mellan den i tryckregleringsledningen (10) befintliga gasen och gasen i utloppsledningen (24) från turbokompressorns (4) turbin (7).

3. Anordning enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att en utjämningsbehållare (22) är anordnad i tryckregle- ringsledningen (10).

4. Anordning enligt något av krav l-3. k ä n n e t e c k - n a d av att tryckregleringsledningen (10) är försedd med en reglerventil (25) för reglering av flödet i tryckreglerings- ledningen (10) och därigenom av det vid kompressionstaktens slut uppnådda kompressionstrycket (Pk) i cylindern samt av luftmängden i cylindern. 469 906

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att reglerventilen (25) är anordnad i närheten av tryckreglerings- ventilen (9).

6. Anordning enligt något av krav l-5, k ä n n e t e c k - n a d av att en ventil (26) är anordnad i tryckregleringsled- ningen (10) i närheten av dennas anslutning till utloppsled- ningen (8).