SE469907B - Anordning för styrning av arbetsförloppet i en förbränningskolvmotor - Google Patents

Description

20 25 30 35 Ch MO \O CD nomiska skäl önskar lägsta möjliga bränsleförbrukning, exempel- vis vid lastfordon. En orsak till Ottomotorernas jämförelsevis ' låga verkningsgrad är ett jämförelsevis lågt kompressions- förhållande. vilket är en nödvändighet, eftersom man annars skulle få spontan tändning, s.k. knackning. vilket ger upphov till skadliga effekter, exempelvis en minskning av motorernas livslängd. Det har emellertid visats, exempelvis av Atkinson. att verkningsgraden i huvudsak är knuten till ett högt expan- sionsförhållande. Genom att endast utnyttja en del av kompres- sionstakten för kompression av bränsle-luftblandningen men hela arbetstakten efter förbränningen för expansion skulle man kunna få det låga kompressionsförhållande, som krävs för undvikande av knackning, och det höga expansionsförhållande, som ger hög verkningsgrad. Detta utnyttjas vid förfarandet enligt den svenska patentansökan 8503517-8, men detta förfarande är inte användbart vid Ottomotorer. eftersom detta skulle innebära att en del av bränsle-luftblandningen skulle släppas ut i utlopps- ledningen i oförbränt skick. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en anordning av inledningsvis angivet slag. som gör det möjligt att uppnå en ytterligare förbättring av verkningsgraden vid en förbrännings- kolvmotor. Detta åstadkommas enligt uppfinningen genom att an- ordningen utformas i enlihet med det som anges i den känneteck- nande delen av kravet 1.

Fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen anges i under- klfâVêll.

Uppfinningen beskrives närmare nedan med hänvisning till bi- fogade ritning. på vilken fig. 1 är ett schematiskt PV-diagram för en förbränninge- kolvmotor, i vilken en anordning enligt uppfinningen utnyttjas, varvid diagrammet visar förhållandena vid full belastning av 10 15 'fezo . - ~ ~ nu 30 35 3 469 907 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. l visas arbetsförloppet 1 en fyrtakts förbrânningskolv- motor med överladdning, vilket arbetsförlopp år styrt 1 enlighet med en utföringsform av uppfinningen. Figuren är schematisk och är endast avsedd att visa principerna för arbetsförloppet, och dessutom visas endast förhållandena vid full belastning hos motorn.

En förbränningskolvmotor 1 för genomförande av förfarandet enligt fig. 1 visas 1 fig. 2. Av förbrânningskolvmotorn 1 visas därvid endast en cylinder, men uppfinningen kan givetvis användas vid förbrânningskolvmotorer med valfritt antal cy- lindrar. Hotorn 1 är därvid för varje cylinder försedd med en inloppsventil 2 och en utloppsventil 3 av vanlig typ. Förbrän- ningskolvmotorn 1 är dessutom försedd med två avgasdrivna tur- bokompressorer 4 och 5, varvid turbokompressorn 4 innefattar en kompressor 6 och en turbin 7, medan turbokompressorn 5 in- nefattar en kompressor 8 och en turbin 9.

Turbokompressorerna 4 och 5 är kopplade till motorn pâ följan- de sätt. Luft insuges till kompressorn 6 genom en insugnings- ledning 10 och matas efter kompression 1 kompressorn 6 genom en förbindelseledning 11 till kompressorn 8. där luften kom- primeras ytterligare och matas vidare genom en inloppsledning 12 till inloppsventilen 2 i motorn. Avgaserna från förbrännin- gen i cylindern i motorn l utmatas genom utloppsventilen 3 till en utloppsledning 13, vilken vid en förgreningspunkt 14 uppdelas i tvâ grenledningar 15 resp. 16, av vilka grenlednin- gen 15 leder till turbinen 9 i turbokompressorn 5 och grenled- ningen l6 leder till turbinen 7 i turbokompressorn 4. Avgaser- na i grenledningarna 15 och 16 driver därvid turbinerna 9 resp. 7. varefter de strömmar ut genom utblâsningsledningar 17 resp. 18. De av avgaserna drivna turbinerna 9 resp. 7 driver 10 15 Hàëo n n . o oo '30 35 därvid i sin tur kompressorerna 8 resp. 6. De hittills be- skrivna detaljerna beträffande förbränningskolvmotorn l mot- svarar tidigare känd teknik vid överladdade förbränningskolv- motorer.

Enligt uppfinningen är varje cylinder i förbränningskolvnotorn 1 föruton inloppsventilen 2 och utloppsventilen 3 försedd ned en tryckregleringsventil 19. till vilken är ansluten en tryck- regleringsledning 20, vilken i sin tur är ansluten till för- bindelseledningen ll mellan kompressorn 6 och kompressorn 8.

Dessutom är en brânsleinsprutningsanordning 21 inkopplad i in- loppsledningen 12 för insprutning av bränsle i denna. så att en bränsle-luftblandning matas genom inloppsledningen 12 till inloppsventilen 2.

Vid den i fig. 2 visade förbränningskolvmotorn l genonföres det i fig. 1 visade arbetsförloppet i enlighet med förfarandet enligt uppfinningen på följande sätt. Vid början av inlopps- takten befinner sig kolven i cylindern i sitt övre vändläge A och inloppsventilen 2 är öppen. varvid den i inloppsledningen 12 befintliga bränsle-luftblandningen med ett tryck P3 genom inloppsventilen 2 strönnar in i cylindern under det att kolven rör sig från sitt övre vändläge A till läget B, dvs. från punkten 22 till punkten 23 i diagrammet enligt fig. l. I läget B. dvs. vid punkten 23, stänger inloppsventilen 2. och vid kolvens fortsatta rörelse till sitt nedre vändläge C sker en adiabatisk expansion av bränsle-luftblandningen 1 cylindern från punkten 23 till punkten 24.

Vid kolvens nedre vändläge C, dvs. vid punkten 24. öppnas tryckregleringsventilen 19. Genom lämpligt val av trycket P3 efter den andra kompressorn 8. dvs. trycket i inloppsledningen 12, sant trycket Pl efter den första kompressorn 6. dvs. i förbindelseledningen ll. samt genom lämpligt val av stäng- ningstidpunkten för inloppsventilen 2. ÖVS- Punkten 23. kan man därvid uppnå det i fig. 1 ned heldragna linjer visade för- hâllandet. nämligen att trycket hos bränsle-luftblandningen i cylindern vid punkten 24 motsvarar trycket Pl. Tryckregle- 10 15 "ha ~ . . a nu asnan. 30 35 5 469 907 ringsventilen 19 hâlles därefter öppen under kolvens rörelse från sitt nedre vändläge C till ett läge D. dvs. fram till punkten 25 i diagrammet. Vid denna punkt. dvs. i kolvens läge» D, stänges tryckregleringsventilen 19, varefter den i cylin- dern befintliga bränsle-luftblandningen konprineras under kol- vens fortsatta rörelse till sitt övre vändläge A, linjen 25-26. Vid läget A. dvs. i punkten 26. uppnås konpressions- trycket Pk.

Efter antändning av bränsle-luftblandningen i cylindern vid kolvens övre vändläge A sant förbränning. linjen 26-27-28. sker en expansion under arbetstakten. linjen 28-29 vid kolvens rörelse till sitt undre vändläge C. I punkten 29, dvs. då kol- ven nâr sitt undre vändläge C. öppnas utloppsventilen 3 och nan får en trycksänkning vid konstant volym. linje 29-30. ned till det tryck P2. som råder i utloppsledningen 13. Vid kol- vens rörelse från sitt undre vändläge C till sitt övre vändlâ- ge A under utloppstakten sker därefter en utskjutning av avga- serna ur cylindern. linjen 30-31. Därefter stänges utloppsven- tilen 3 och inloppsventilen 2 öppnas. vilket ger upphov till en tryckökning. linjen 31-22. Därefter är arbetscykeln full- bordad och en ny arbetscykel påbörjas.

I fig. l visas vidare med streckade linjer hur arbetsförloppet förändras on inloppsventilen 2 stänges tidigare under inlopps- takten. On inloppsventilen 2 exempelvis stänges då kolven be- finner sig i läget E, dvs. vid punkten 32, konner förloppet under resten av inloppsslaget att följa den streckade kurvan 32-33 fran till kolvens undre vändläge C. On tryckreglerings- ventilen 19 öppnas vid det undre vändläget C får nan en direkt- tryckhöjning upp till trycket P1. dvs. upp till punkten 24.

Ett annat alternativ är därvid att låta tryckregleringsventi- len 19 vara stängd tills kolven nått läget F, där trycket till föjd av kompression i cylindern har stigit till Pl, dvs. i punkten 34. För övrigt kan arbetsförloppet ske på ovan beskri- vet sätt.

Genom ändring av tidpunkten för stängningen av tryckregle- fi; 10 15 ?20 30 35 6 9 907 ringsventilen 19, dvs. genom förskjutning av punkten 25, vil- ken motsvarar läget D hos kolven i cylindern, kan man ändra konpressionsförhâllandet i cylindern. Detta sker därvid helt utan påverkan av expansionsförhâllandet under arbetstakten.

Genom att öka massan hos bränsle-luftblandningen i cylindern kan nan öka motorns effekt. och detta kan enligt uppfinningen åstadkommas genom att tryckregleringsventilen 19 stänges tidi- gare under kompressionstakten. dvs. genom att punkten 25, som motsvarar läget D hos kolven. förskjutes åt höger i diagrammet i fig. l. Denna förskjutning innebär även en ökning av kon- pressionsförhâllandet och ger ökad risk för knackning. vilken risk emellertid ninskar vid lägre temperatur hos bränsle-luft- blandningen i cylindern. Enligt uppfinningen får man låg ten- peratur hos bränsle-luftblandningen i cylindern till följd av den adiabatiska expansionen efter stängningen av inloppsventi- len 2 under inloppstakten. vilken expansion motsvarar linjen 23-24 eller 32-34 i diagrammet i fig. l. Kylning kan även åstadkommas medelst en i förbindelseledningen ll mellan kom- pressorerna 6 och 8 anordnad mellankylare 35 (se fig. 2) och en i inloppsledningen 12 anordnad efterkylare 36. För regle- ring av kyleffekten kan en förbigângsledning 37 vara anordnad förbi efterkylaren 36. varvid en fördelningsventil 38 är placerad i förgreningspunkten mellan inloppsledningen 12 och förbigângsledningen 37. Temperatursänkningen hos bränsle-luft- blandningen i inloppsledningen 12 ger inte endast mindre risk för knackning. utan gör även att luftens massa ökar, vilket möjliggör förbränning av större bränslemängd. dvs. ökad effekt.

Son framgår av diagrammet i fig. l bestämmas den i cylindern inneslutna bränsle-luftblandningens mängd av tillståndet i punkten 25, dvs. då tryckregleringsventilen 19 stânges och kolven befinner sig i läget D. Eftersom den inneslutna bräns- le-luftblandningens nängd bestämmer energiutvecklingen kan be- lastningsgraden enkelt regleras genom ändring av trycket P1. dvs. trycket efter konpressorn 6. Detta tryck kan därvid sty- ras genom att turbinen 7, vilken driver kompressorn 6. förses med variabel ledskena, eller också kan denna styrning ske med hjälp av en reglerventil 39 i insugningsledningen 10 till kon- w-wt 10 15 , e ~ « - ~ 469 907 pressorn 6. Alternativt eller förutom detta kan styrningen åstadkommas genom att förgreningspunkten 14 utformas son en fördelningsventil. vilken för styrningen leder en större eller mindre mängd avgaser genom grenledningen 16 till turbinen 7.

Reglerventilen 39 kan även kombineras ned en bränsleinsprut- ningsanordning. som därvid ersätter bränsleinsprutningsanord- ningen 21.

En annan möjlighet att reglera tillståndet vid tryckregle- ringsventilens 19 stängning får man ned hjälp av en reglerven- til 40, som är nonterad i tryckregleringsledningen 20 i närhe- ten av tryckregleringsventilen 19. Genon stängning av regler- ventilen 40, helt eller delvis, får nan en större eller mindre strypning av gasflödet genon tryckregleringsventilen 19 och tryckregleringsledningen 20. Detta innebär att trycket i cy- lindern vid tryckregleringsventilens 19 stängning ökar och att den i cylindern inneslutna bränsle-luftblandningens nängd likaså ökar.

Uppfinningen är inte begränsad till ovan beskrivna utförings- exempel, utan ändringar är löjliga inom ranen för efterföljan- de patentkrav.

Claims (9)

10 15 " 20 25 30 35 Patentkrav

1. l. Anordning för styrning av arbetsförloppet i en medelst åtminstone en avgasdriven turbokompressor (4, 5) överladdad fyrtakts förbränningskolvmotor (l). i vilken varje cylinder är försedd med dels åtminstone en inloppsventil (2), till vilken ett inloppssystem är anslutet, vilket inloppssystem innefattar kompressorn (6, å) i turbokompressorn eller i varje turbokom- pressor (4. 5) samt en inloppsledning (12) för matning av luft till inloppsventilen (2) från kompressorn (6, 8) i turbokom- pressorn eller i åtminstone en av turbokompressorerna (4, 5), dels åtminstone en utloppsventil (3), från vilken avgaserna från cylindern genom en utloppsledning (13) ledes till turbi- nen (7, 9) i turbokompressorn eller i åtminstone en av turbo- kompressorerna (4, 5), k ä n n e t e c k n a d av att varje cylinder är försedd med en separat tryckregleringsventil (19), vilken medelst en tryckregleringsledning (20) är ansluten till inloppssystemet och vilken är anordnad att öppnas då kolven 1 cylindern under kompressionstakten befinner sig i ett första förutbestämt läge (C. F) i eller på avstånd från sitt nedre vändläge (C) och att stängas då kolven under kompressionstak- ten befinner sig 1 ett andra förutbestämt läge (D) 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 (20) är ansluten till inloppssystemet uppströms kompressorn eller den närmast inloppsventilen (2) belägna konpressorn (8).

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att tvâ turbokompressorer (4. 5) är anordnade med sina kom- pressorer (6, 6) seriekopplade i inloppssystemet och med sina turbiner (7, 9) kopplade parallellt till utloppsledningen (13).

4. Anordning enligt något av krav l-3. k ä n n e t e c k - n a d av att en efterkylare (36) är anordnad i inloppslednin- gen (12). 10 15 20 9 469 907

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att en förbigângsledníng (37) är anordnad förbi efterkylaren (36), vilken förbigângsledning är försedd med en reglerventil (38).

6. Anordning enligt något av krav 3-5, k ä n n e t e c k - n a d av att en reglerventil (14) är anordnad i utloppsled- ningen (13) för reglering av avgasflödet till åtminstone en av turbinerna (7, 9)¿

7. Anordning enligt något av krav 1-6, k ä n n e t e c k - n a d av att en reglerventil (39) är anordnad 1 insugnings- ledningen (10) till kompressorn eller den längst från inlopps- ventilen (2) belägna kompressorn (6).

8. Anordning enligt något av krav 1-7, k ä n n e t e c k - n a d av att en bränsletillförselanordning (21) är anordnad i inloppsledníngen (12).

9. Anordning enligt något av krav 1-8. k ä n n e t e c k - n a d av att en reglerventil (40) är anordnad 1 tryckregle- ringsledningen (20) i närheten av tryckregleringsventilen (19).