SE506315C2 - Förbränningsmotor - Google Patents

Description

506 315 mans med avgaserna. Detta problem är särskilt tydligt hos tvåtaktsmotorer. Vidare utnyttjas en del av den termiska energin till att trycka ut avgaserna genom utloppet.

Särskilt för tvåtaktsmotorer gäller att endast en mindre del omvandlas till rörelseenergi, medan merparten passerar ut tillsammans med avgaserna. Detta beror på att förbränningen endast pågår under ungefär en fjärdedel av ett vevaxelvarv. Därefter utnyttjas det av förbränningen åstadkomna övertrycket i förbränningsrummet till att blåsa ut avgaserna och samtidigt suga in en ny volym av bränsle och luft. Den nya volymen komprimeras under den senare delen av varvet för att antändas vid, eller i 360/0 grader. Den bästa förbränning som är möjlig att uppnå med detta arbetssätt praktiken en viss vinkel före, uppnås vid tämligen höga varvtal/hög belastning. Framför allt vid tomgång och lägre varvtal sker en mycket ofull- ständig förbränning och således utnyttjas den termiska energin dåligt.

Försök har gjorts att åstadkomma en förbränningsmo- tor som bättre utnyttjar den termiska energin genom en fullständigare förbränning, såsom beskrivs i US- 3 113 561. xzrfnr tvátaktsmotor med styrning av den mängd bränsle-luft- I denna patentskrift visas en luftöverladdad blandning som förs in i förbränningsrummet. Det man vill uppnå är att vid lågt effektuttag hålla kvar en del av avgaserna i förbränningsrummet så att de deltar i flera förbränningscykler och förbränns mer fullständigt. Samti- digt fylls endast en del av förbränningsrummet med färsk bränsle-luftblandning och man försöker hindra avgaserna och bränsle-luftblandningen från att blanda sig med var- andra. För att åstadkomma detta har man försett varje cy- linder med två inlopp, ett första inlopp via vilket en- bart luft tillförs och ett andra inlopp via vilket en blandning av luft och bränsle tillförs. Till varje inlopp är en kompressor samt en spillventil anslutna så att laddtrycket kan styras individuellt. Det första inloppet är anordnat i cylinderväggens nedre del, i stort sett .06 315 mitt emot ett utlopp för avgaser, och det andra inloppet är anordnat i cylindertoppen. Det andra inloppets öpp- nas/stängs av en ventil. Utöver det konventionella för- bränningsrummet är tvà extra kammare anordnade i cylin- derns övre del, efter ventilen. Vid làg effekt är den första spillventilen helt öppen och den andra är nästan helt öppen. Blandningen fyller endast en del av extrakam- rarna, där antändningen sker. Resterande del av förbrän- ningsrummet är fyllt av avgaser, som deltar i förbrän- ningen. Vid högre effektbehov stängs först den andra spillventilen alltmer, därefter den första spillventilen, vilket medför att en allt mindre del av förbränningsrum- met upptas av avgaser. Uppenbara nackdelarna med denna lösning är dubbleringen av komponenter på inloppssidan.

Därtill kommer att luften som tillförs via det första in- loppet för ut de avgaser som befinner sig närmast kolven och som är minst förbrända genom utloppet som är beläget mitt emot, vilket i ett brett mellaneffektsintervall av- sevärt reducerar vinsterna med konstruktionen.

Sammanfattning av uppfinningen Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en förbränningsmotor som har högre verkningsgrad, lägre bränsleförbrukning och lägre utsläpp av skadliga ämnen än kända förbränningsmotorer. Ändamålet uppnås med en förbränningsmotor enligt patentkrav 1 i de bifogade patentkraven.

I förbränningsmotorn enligt uppfinningen gör samver- kan mellan doseringsdonet och tryckregleringsdonet det möjligt att noggrant styra hur stor del av förbrännings- rummet som fylls med färsk bränsle-luftblandning under den tidsperiod som inloppsventilen är öppen. Det faktiska trycket i antändningsögonblicket är reglerbart tack vare att både mottrycket på utloppssidan och fyllnadstrycket på inloppssidan är reglerbara. Trycket är dessutom reg- lerbart till en nivå vid vilken självantändning skulle uppkomma i en konventionell förbränningsmotor. Detta be- ror på att de kvarhàllna avgaserna är syrefattiga. 506 315 Kortfattad beskrivning av ritningarna Nedan kommer uppfinningen att förklaras närmare genom utföringsexempel under hänvisning till de åtföl- jande ritningarna, där: fig 1 i blockschemaform visar uppbyggnaden av en motor enligt en utföringsform av uppfinningen; fig 2 schematiskt, i genomskärning visar uppbyggna- den av ett doseringsdon och ett tryckregleringsdon enligt en utföringsform av uppfinningen; och fig 3a-c schematiskt visar situationen i förbrän- ningsrummet för olika driftsförhàllanden.

Beskrivning av en föredragen utföringsform Motorn enligt uppfinningen arbetar enligt en helt ny princip, som kan benämnas tretakt. En förbränningscykel utgörs av en arbetstakt, en gasväxlingstakt och en kom- pressionstakt och förbränningscykeln genomlöps under ett vevaxelvarv. Vidare arbetar motorn enligt en tryckprin- cip, varvid luft-bränsleblandningen aktivt trycks eller matas in i cylinderns förbränningsrum. Detta står i mot- sats till dagens förbränningsmotorer som utnyttjar kol- vens rörelse för att skapa ett sug i inloppet som suger in blandningen, och likaledes för att trycka ut avga- serna.

Fig 1 visar ett blockschema över en föredragen utfö- ringsform av en förbränningsmotor enligt föreliggande uppfinning. Låt oss för enkelhets skull anta att motorn har en cylinder. Denna är betecknad med 1. På inloppssi- dan är motorn försedd med ett doseringsdon 2, som vi i det följande benämner doserare 2. På utloppssidan är motorn försedd med ett tryckregleringsdon 3, som vi i det följande benämner tryckregulator 3. Tryckregulatorn 3 är ansluten till doseraren 2 via en ledning 4. Till dosera- ren 2 är vidare en kompressor 5 ansluten. Över kompres- sorn 5 är ett förbikopplingsdon 7, som även benämnes by- passregulator, anslutet. En luftmängdsmätare 8 är anslu- ten till kompressorns 5 tilluftsida. En styrenhet 9 är bland annat ansluten till tryckregulatorn 3, doseraren 2, 506 315 förbikopplingsdonet 7, luftmängdsmätaren 8 och ett gas- reglage 10.

I fig 2 visas högst schematiskt den principiella uppbyggnaden av doseraren 2, cylindern l och tryckregula- torn 3. Doseraren 2 är ansluten till cylinderns 1 inlopp , i vilket en inlopps- eller inblàsningsventil 21 är anordnad. Inblåsningsventilen 21 manövreras på konventio- nellt sätt med någon typ av kamaxel 22. Doseraren 2 ut- görs av ett kolv-cylinderaggregat, varvid doserarkolven 23 har en första trycksida 23a, som tillsammans med dose- rarcylindern 24 avgränsar en första kammare 25, och en andra, motsatt trycksida 23b, som tillsammans med dose- rarcylindern 24 avgränsar en andra kammare 26. I den första kammaren 25 är ett återföringsdon, i denna utfö- ringsform en fjäder, 36 anordnat. Dess funktion kommer att framgå nedan. Fjäderkraften är företrädesvis inställ- bar. Ledningen 4, och därigenom tryckregulatorn 3, är an- sluten till ett första doserarinlopp 27 till den första kammaren 25. Kompressorn 5, är ansluten till ett andra doserarinlopp 28 till den andra kammaren 26. Ett bränsle- tillförseldon 30, som i det följande benämnes bränslein- sprutare, är anslutet till ett tredje doserarinlopp 29 till den andra kammaren 26. På motorns avgassida är ett utlopp 31 anordnat och i utloppet 31 är en utlopps- eller utblåsningsventil 32 anordnad. Utloppet 31 är anslutet till en ställbar strypventil 33 hos tryckregulatorn 3, företrädesvis via ett i tryckregulatorn 3 ingående expan- sionskärl 37. Ledningen 4 utgår från expansionskärlet 37.

Motorns cylinder 1 inrymmer en fram- och àtergáende kolv , som tillsammans med cylindern 1 avgränsar ett för- bränningsrum 34. Det är underförstått att kolven 35 via en vevstake är förbunden med en vevaxel, varför dessa delar inte visas.

Förbränningsmotorn arbetar företrädesvis principi- ellt på följande sätt. Ovannämnda tre takter upptar grovt sett en tredjedel var av ett vevaxelvarv. Under gasväx- lingstakten rör sig kolven 35 kring sitt bottenläge och 506 315 lO förbränningsrummets 34 volym ändrar sig förhållandevis lite. För gasväxlingen utnyttjas inte kolvens 35 rörelse utan istället förs (blåses) ny bränsle-luftblandning in i förbränningsrummet 34 under tryck genom inblàsningsven- tilen 21 och trycker samtidigt ut avgaser genom utblås- ningsventilen 32. Reglering av förhållandet mellan trycken på inlopps- och utloppssidorna är central för uppfinningen och kommer att diskuteras närmare nedan.

Låt oss utgå ifrån ett tillstånd där det råder jäm- vikt mellan de krafter som verkar på doserarkolvens 23 båda trycksidor 23a och 23b. Detta innebär inte nödvän- digtvis att det råder lika tryck i kamrarna 25, 26.

Tvärtom är normalfallet att det finns en tryckskillnad.

Utformningen av doserarkolven 23 göres så att kraftjäm- vikt uppnås vid ett lämpligt tryckförhållande, exempelvis 1:2, 1:3 eller något annat lämpligt förhållande. Företrä- desvis väljes dock förhållandet så att trycket alltid är högre i den andra kammaren 26 än i den första kammaren .

Bränsleinsprutaren 30 är av konventionell typ och tillför bränsle till den andra kammaren 26 under korta tidsperioder. Styrenheten 9 styr bränsleinsprutaren 30, dvs varje tidsperiods längd, med hjälp av information från luftmängdsmätaren 8. Gasreglaget 10 styr, via styr- enheten 9, förbikopplingsdonet 7 för inställning av trycket i den andra kammaren 26. Trycket i den andra kam- maren 26 utgör trycket för inblåsning i cylinderns l för- bränningsrum 34. Nämnda händelser kan sägas vara ett första led i anpassningen av förhållandena i förbrän- ningsrummet efter aktuellt effektbehov. Ett andra led är inställningen av mottrycket, dvs trycket på utloppssidan, vilket regleras med tryckregulatorn 3. Regulatorn 3 styrs av styrenheten 9.

Antag nu att effektbehovet ökar (föraren gasar).

Donet 7 påverkas då av styrenheten 9 så att genomflödet minskar, dvs luftflödet in den andra kammaren 26 ökar, vilket leder till en tryckökning däri. Samtidigt påverkar 506 315 styrenheten 9 tryckregulatorn 3 så att strypventilen 33 öppnar mer och därigenom sänker trycket i den första kam- maren 25 via ledningen 4. Därmed rubbas tryckjämvikten och den andra kammarens 26 volym ökar, under komprimering av fjädern 36, tills en ny jämvikt har inställt sig vid ett högre tryck i den andra kammaren 26 och ett ändrat tryckförhållande mellan kamrarna 25 och 26. Därigenom kan en större luftmängd blåsas in i förbränningsrummet 34 under gasväxlingsfasen. Vidare känner styrenheten 9 av en ökad lufttillförsel och förlänger tidsperioden för brän- sleinsprutning. Å Låt oss studera själva gasväxlingen närmare. I slu- tet av arbetstakten, när expansionskraften väsentligen har avklingat och trycket i förbränningsrummet har sjun- I idealfallet har hela den termiska energin från förbränningen omvandlats till kit öppnas utblåsningsventilen 32. kolvrörelse. Detta skulle dock innebära att avgasernas temperatur skulle vara densamma som inblàsningsluftens temperatur. Så är i praktiken inte fullt ut fallet.

Trycket i förbränningsrummet 34 är därför högre än efter ventilen 32 när denna öppnas. Den tryckvåg som därvid skapas när emellertid inte den första kammaren 25 via ledningen 4 utan avklingar i expansionskärlet 37. Däref- ter öppnas inblåsningsventilen 21. Hur stor del av för- bränningsrummets 34 volym som ventileras är nu avhängigt av trycket och volymen i den andra kammaren 26 i förhål- lande till mottrycket på avgassidan. Trycket i den andra kammaren 26 är alltid minst lika högt som mottrycket.

Färsk luft-bränsleblandning trycks in i förbränningsrum- met 34 och samtidigt trycks avgaser ut ur förbrännings- rummet 34. Trycket i den andra kammaren 26 sjunker och när det är lika lågt som mottrycket upphör gasväxlingen.

Utblåsningsventilen 32 stängs och strax därefter stängs även inblàsningsventilen 21. Den avgasvolym som kvarstan- nar i förbränningsrummet 34 deltar i de påföljande kom- pressions- och arbetstakterna. För uppnàende av en väl- kontrollerad reglering av hur stor del av förbrännings- 506 315 l5 rummet som ventileras under varje gasväxling är någon form av strypning anordnad vid det andra doserarinloppet 28. til anordnas vid inloppet 28 eller genom att inloppet ut- Denna kan exempelvis åstadkommas genom att en nålven- formas som ett flertal efter varandra anordnade, smala munstycken, varav ett visst antal täcks av doserarkolven 23 i ett utgångsläge och varav allt fler friläggs ju längre åt vänster i fig 2 doserarkolven 23 rör sig.

Strypningen anpassas till det faktum att den andra kamma- ren laddas under ungefär 2/3 av varje förbränningscykel.

Om effektbehovet är maximalt ställs tryckregulatorn och den andra kam- att i stort sett 3 så att strypventilen 33 öppnas helt maren 26 ges största möjliga volym så hela förbränningsrummet 34 ventileras. Därigenom uppnås Det avgaserna som är belägna närmast kolvens 35 rand, då de alltid den situation som visas i fig 3a. är att föredra att vilka visas skuggade i fig 3a, inte ventileras ut, innehåller en del oförbränt bränsle.

I fig 3b visas situationen när effektbehovet är mindre. Tryckregulatorn 3 bygger nu upp ett högre mot- tryck. Därigenom trycks en mindre mängd färsk blandning in i förbränningsrummet 34 och en större mängd avgaser stannar kvar.

I situationen i fig 3c är behovet litet, exempelvis vid tomgång. Mottrycket är högt i förhållande till trycket i den andra kammaren 26 och endast en mycket be- gränsad mängd färsk blandning införs i förbränningsrummet 34.

För att gasflödets väg genom förbränningsrummet 34 under gasväxlingstakten skall bli gynnsam är det viktigt att in- och utloppen 20, 31 utformas så att de styr gasen på lämpligt sätt. Vidare är inblåsnings- och utblåsnings- ventilernas 21, De får 32 placering av stor betydelse. inte placeras så att den färska blandningen blåses rakt 'mot utloppet 31.

Placering av tändstift skall företrädesvis göras så att tändningen sker där den färska gasen först tränger undan avgaserna, eller i närheten därav, för att även mycket små mängder färsk blandning med säkerhet skall an- tändas.

Två effekter av den redovisade uppbyggnaden av motorn och dess arbetssätt är att kompressionstrycket är dvs inställbart efter driftsförhållandena i varje ögonblick, och att kompressionstrycket kan ställas variabelt, betydligt högre än i kända motorer. Detta beror på att endast en del av förbränningsrummet tillförs färsk bland- ning. Den höga andelen icke oxiderbara gaser i de avgaser som hålls kvar dämpar tendenser till självantändning hos den färska blandningen. Denna kan dessutom hållas förhål- landevis mager. Kompressionstrycket bestäms till övervä- gande del av tryckregulatorn 3. Högsta möjliga kompres- sionstryck är önskvärt i syfte att uppnå största möjliga verkan av även en mycket begränsad mängd färsk blandning.

Alternativa utföringsformer Den ovan beskrivna utföringsformen utgör endast ett exempel på hur anordningen enligt uppfinningen kan utfor- mas och modifieringar är möjliga inom ramen för uppfin- ningen, såsom den definieras i de bifogade patentkraven. Återföringsdonet, vars uppgift är att återföra dose- rarkolven 23 till ett utgångsläge när motorn slås från och att åstadkomma en, företrädesvis progressiv, motkraft mot den kraft som trycket i den andra kammaren verkar med på doserarkolven 23 för att kraftjämvikter skall kunna nås vid olika tryckförhållanden, kan exempelvis istället vara en dämpkolv som dämpar mer ju mer doserarkolven 23 skjuts åt vänster i fig 2, eller något annat don med samma funktion.

Strypventilen 33 kan vara av valfri typ.

Expansionskärlet är inte helt nödvändigt utan istäl- let kan en grenkoppling mellan utloppet 31, strypventilen 33 och ledningen 4 anordnas i kombination med någon typ av ventil, exempelvis en strypventil, i ledningen 4. 506 315

Claims (5)

506 315 10 l5 20 25 30 35 10 PATENTKRAV

1. inder (1), en i cylindern anordnad fram- och återgàende Förbränningsmotor innefattande åtminstone en cyl- kolv (35), ett av kolven och cylindern avgränsat förbrän- ningsrum (34), ett i cylindern anordnat inlOpP (20) för införsel av en blandning av luft och bränsle i förbrän- ningsrummet, ett i cylindern anordnat utlopp (31) för ut- försel av avgaser från förbränningsrummet, en i anslut- ning till inloppet anordnad inloppsventil (21), en i an- slutning till utloppet anordnad utloppsventil (32), en för trycksättning av luften anordnad kompressor (5) och ett bränsledon (30) för tillförsel av bränsle, k ä n- n e t e c k n a d av ett tryckregleringsdon (3) som är f anslutet till utloppet och ett doseringsdon (2), som är anslutet till inloppet och som är anordnat att i sam- verkan med tryckregleringsdonet bestämma andelen färsk blandning av bränsle och luft i förhållande till andelen kvarhållna avgaser i förbränningsrummet.

2. n e t e c k n a d av Förbränningsmotor enligt patentkrav 1, k ä n- att doseringsdonet utgörs av ett kolv-cylinderaggregat, som innefattar en doserarkolv (23) och en denna omslutande doserarcylinder, att doserarkol- ven har en första trycksida (23a), som tillsammans med doserarcylindern avgränsar en första kammare (25), och en andra, motsatt trycksida (23b), som tillsammans med cy- lindern avgränsar en andra kammare (26), att tryckregle- ringsdonet är anslutet till den första kammaren, att kompressorn är ansluten till den andra kammaren, att bränsledonet är ansluten till den andra kammaren och att den andra kammaren är ansluten till inloppet.

3. Förbränningsmotor enligt patentkrav 2, k ä n- n e t e c k n a d av att doseringsdonet innefattar ett återföringsdon (36), som är förbundet med och verkar på (23). Förbränningsmotor enligt patentkrav 1, 2 eller 3, doserarkolven

4. k ä n n e t e c k n a d av att tryckregleringsdonet 506 315 ll innefattar ett expansionskärl (37), som är anslutet till utloppet (31).

5. Förbränningsmotor enligt något av patentkraven 1- 4, k ä n n e t e c k n a d av att tryckregleringsdonet innefattar en strypventil (33), som reglerar trycket i utloppet.