SE506730C2 - Förbränningsmotor med styrd tändning och elliptiskt urtagna kolvar - Google Patents

Description

506 750 2 Skriften FR 2 713 282 visar en annan geometri på urtagningen bildad i övre delen av kolven.

Föreliggande ansökan strävar efter att möta de aerodynamiska kraven angivna ovan för att bidra till en optimering av energieffektivitet/emission-kompromissen. Ändamålet med uppfinningen är speciellt att optimera turbulensen och hastighetsnivåema nära tändstiftet eftersom alltför höga turbulensnivåer ökar den cykliska instabiliteten.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att maximera de genomsnittliga turbulensnivåema i förbränningsrummet under användning speciellt av samverkan mellan förbräriningsrumsforinen och virvlingen kring cylinderaxeln för att alstra turbulens.

Parallellt med detta är huvudproblemet att förhindra alltför stora gasflödeshastigheter vid antändningstillfállet eftersom dessa hastigheter kan påverka förbränningskvalitén.

Alla dessa aspekter togs hänsyn till vid åstadkommandet av föreliggande uppfinning som hänför sig till en motor definierad i början av beskrivningen.

Urtagningen i kolven, öppen mot cylinderhuvudet, har åtminstone ett utrymme med en ellipsoidforrnad sektion längs ett tvärplan hos kolven vars huvudaxel och generatriser huvudsakligen är parallella med längdaxeln för kolven för att reducera förhållandena mellan area och volym i förbränningsrummet och optimera turbulensnivåema vid slutet av kompressionscykeln.

Enligt uppfinningen är ellipserna sådana att O<7t där GR är storradien för åtminstone ett av utrymmena och PR är lillradien för utrymmet eller utrymmena.

Närmare bestämt har urtagningama två utrymmen - vars djup PB>0,l5 x B; - vars storradie GR är sådan att: 0,25 x B - vars lillradie PR är sådan att: 0,10 x B - B är cylindems borrningsdiameter.

Närmare bestämt är, enligt uppfinningen, läget för utrymmena sådant att, med C; som symmetricentrum för varje ellips och D; som avståndet mellan cylinderaxeln och centrum C, för varje ellips: 3 506 750 0 Utan att göra avsteg från grundtanken hos uppfinningen, kan vinkeln (oi) mellan storaxlarna hos varje ellips vara 0.

Enligt en annan utformning av uppfinningen kan vinkeln (d) mellan storaxlarna hos varje ellips vara ungefarligen lika med 90°' Andra egenskaper, detaljer och fördelar med föreliggande uppfinning kommer att framgå vid läsandet av den efterföljande beskrivningen, som dessutom är illustrerad, utan någon begränsning, med hänvisning till de åtföljande figurema, där Fig. 1 visar ett längdsnitt av en förbränningsmotor med ett förbränningsrum enligt uppfinningen, Fig. 2 en planvy av en kolv med en urtagning enligt uppfinningen, Fig. 3 en planvy av kolven med en speciell urtagning enligt uppfinningen, Fig. 4 en planvy av kolven med en urtagning enligt en annan utformning av uppfinningen, F lg. 5 ett diagram visande den genomsnittliga turbulenta kinetiska energin som en funktion av vevaxelvinkeln, erhållet för olika kolvurtagsgeometrier.

Fig. 1 illustrerar i ett längdsnitt förbränningsrummet l i en förbränningsmotor med i styrd tändning enligt uppfinningen.

Förbränningsrummet begränsas av en kolv 2 som glider i längsriktningen i cylindern 3 och av cylinderhuvudet 4, som i normalfallet har ett tändstift 5 och en eller flera öppningar (icke visade) för insug och utblås. Kolven 2 har en urtagning med en speciell form.

Urtagningen 6 är öppen mot cylinderhuvudet 4 och är i form av åtminstone ett utrymme med en ellipsoidsektion längs ett tväiplan hos kolven. Dessutom är storaxeln för ellipsoidutrymmet eller -utrymmena huvudsakligen parallell med cylindems längdaxel.

Generatrisema hos urtagningen 6 är huvudsakligen parallella med längdaxeln och följaktligen väggarna hos cylindern.

Enligt uppfinningen har ellipserna en tillplattning Ä så att där GR är storradien för åtminstone ett av utrymmena, och PR är lillradien för utrymmet eller utrymmena.

Denna egenskap verkar vara mycket viktig för att erhålla de effekter som anges här nedan speciellt vad avser inre aerodynamik och värmeöverföring, under för övrigt respekterande de geometriska begränsningarna. 506 730 i 4 När Ä = 0, GR = PR givande en cirkel som är ett specialfall av en ellips. Detta motsvarar fallet där GR = PR = 0,25 B.

När Ä = 0,6 är ellipsen utplattad, svarande mot extremfallet där GR = 0,4 B och där PR = 0,1 B.

Dessa värden markerar de geometriska gränserna till vilka uppfinningen hänför sig.

Inom området som definieras av dessa gränser medger uppfinningen speciellt förbättringarna angivna här nedan.

Lämpligtvis har enligt uppfinningen urtagningen 6 två ellipsoidformade utrymmen 61, 62 såsom visas i fig. 2. Djupet PR på varje utrymme är större än 15% av cylindems diameter B.

Dessutom är storradien GR på varje ellips mellan 0,25 och 0,40 gånger cylindems diameter B: 0,25 B Lillradien PR på varje ellips är lämpligen mellan 0,10 och 0,25 gånger cylinderns diameter B: 0,10 B Storradien är huvudsakligen lika med halva storaxeln för ellipsen och lillradien med halva lillaxeln för ellipsen.

Enligt ett armat särdrag hos uppfinningen är symmetricentra Ci för ellipsema (här C] och Cz) belägna på ett avstånd från centrum C av borrningen som är mindre än 0,20 gånger värdet av borrningsdiarnetem B.

Vinkeln ot mellan storaxlama hos varje utrymme kan vara vilken som helst vinkel.

F ig. 3 visar en utforrrming av uppfinningen enligt vilken storaxlama för ellipsema är vinkelräta mot varandra. Av illustrationsskäl är cylindems diameter B i detta fall lika med 120 mm, storradien GR för varje utrymme är lika med 40 mm och lillradien PR är lika med 24 mm.

Centrum Cl är likställt med centrum C för cylindern medan centrum C; för det andra utrymmet är beläget på ett avstånd av 5,4 mm från centrum C.

F ig. 3A (längdsnitt) visar närmare bestämt hur urtagningen 6 vars generatriser är parallella med kolvaxeln är utformad. Med andra ord är tvärsektionema lika oavsett djupet på urtagningen. Emellertid har bottnen och överdelen av urtagningen 6 små variationer i tvärsektion beroende på begränsningar i framställningen.

Fig. 4 visar en annan utformning av uppfinningen där urtagningen 6 har två utrymmen med ellipsoidformad tvärsektion, där storaxlama för ellipsema huvudsakligen med varandra. Enligt denna utformning av uppfinningen är ligger parallellt borrningsdiametern B lika med 120 mm, storradien GR för varje ellips är lika med 40 mm, 15A 506 750 lillradien PR för varje ellips är lika med 24 mm och symmetricentra Cl och C; för varje ellips är vardera 12 mm från centrum C av borrningen B. De andra detaljerna hos denna geometri framgår av fig. 4A och motsvarar de anordnade i förhållande till ñg. 3A.

Det exakta läget för vart och ett av centra C; och C; är valt för att accentuera effekten av förskjutning från centrum relativt förbränningsrummets axel under hänsynstagande till vissa dimensionsbegränsningar.

Utformningama beskrivna här ovan provades i en motortestbänk för en tung fordonsmotor verkande med en mager blandning, med metan. Resultaten erhållna med dessa fórbränningsrumsgeometrier möjliggjorde att reducera NOx-emissionerna till mindre än 1 g/kWh under bibehållande av en maximal verkningsgrad av ungefär 40%, som är nära verkningsgraden hos en direktinsprutad dieselmotor med avgasrening.

F ig. 5 illustrerar förbättringarna med uppfinningen i terrner av turbulensen alstrad i förbränningsnirnmet.

Kurvorna I och II representerar respektive den genomsnittliga turbulenta kinetiska energin (TKE) som en funktion av vevaxelvinkeln i ett förbränningsrum enligt fig. 4 och enligt fig. 3.

De andra kurvorna hänför sig till den turbulenta kinetiska energin för urtagningsgeometrier som icke är i enlighet med uppfinningen. På så sätt: - gäller kurvan III för en cylinderforrnad urtagning förskjuten från centrum i förhållande nu iänasiifrer, i - kurvan IV visar egenskapema hos en cylindrisk urtagning som är centrerad kring tändstiftet; - kurvan V illustrerar turbulensen alstrad av en stympat konisk urtagning; och slutligen - hänför sig kurvan VI till en huvudsakligen sfärisk urtagning, som svarar mot en känd geometri använd i dieselmotorer.

Dessa olika urtagsgeometrier visar olikhetema i turbulens speciellt vid slutet av kompressionen eftersom med geometriema enligt uppfinningen, de turbulenta kinetiska energierna av mellan 42 och 50 mz/sz uppnås medan med andra geometrier (kurvorna III - VI), dessa energier förblir lägre än 30 mz/sz. Ökningen i turbulensnivåer i förbränningsrummet uppnåddes på fördelaktigt sätt under kompressionsfasen genom ”transformering” av virvelströmmen kommande från inloppet. 506 730 6 Sammantaget hänför sig uppfinningen till utformningen av en förbränningsmotor, vars cylinderhuvud kan, men inte behöver, vara plant, och som kan användas med en mager blandning med naturgas med en bättre kompromiss mellan verkningsgrad och emission av föroreningar än dagens teknologier.

Uppfinningen hänför sig till utvecklingen av urtagsgeometrier i kolven som medger höga turbulensnivåer att utvecklas vid slutet av kompressionen. Dessa geometrier alstrades utgående från den invändiga aerodynamiska analysen och är baserade på speciella elliptiska former. Dessa former bidrar till att reducera area/volymsförhållandet i kamrarna och följaktligen reducera värmeöverföringen under förbättring av verkningsgraden. Dessutom ökar dessa geometrier turbulensnivåerna vid slutet av kompressionen genom att bryta upp flödet kommande från inloppet. Detta optimerar förbränningsegenskaperna. Den kloka placeringen av ellipsema av vilka urtagningama i kolven görs åstadkommer de aerodynamiska egenskaper som är mest lämpliga för att förverkliga målen under kompressionsfasen, under hänsynstagande till begränsningarna förbundna med tillverkningen i av delarna.

Det är således möjligt att konvertera befintliga motorer genom att förse dem med förbrärmingsrumsgeometriema och speciellt kolvgeometriema såsom angivits i patentkr-.ix en.

Högeffektiva dieselmotorer kan modifieras enligt uppfinningen för att verka med :naturgas med mycket låga föroreningsemissioner (speciellt av NOX och C02) förbundet med en verkningsgrad jämförbar med den hos en direktinsprutad dieselmotor.

Claims (5)

10 15 20 25 7 506 750 Patentkrav

1. Förbränningsmotor med åtminstone en cylinder i vilken en kolv (2) glider längs cylinderaxeln, med ett cylinderhuvud (4) liggande ovanpå cylindem och, tillsammans med kolven och cylindem, begränsande ett fórbränningsrum (1), vilken kolv har en urtagning (6) öppen mot cylinderhuvudet, varvid urtagningen har flera former av ellipsoidsektion längs ett tvärgående plan hos kolven, och av vilka huvudaxeln och generatrisema huvudsakligen är parallella med kolvens längdaxel för att reducera area-volymsförhållandet i fórbränningsrummet (1) och öka turbulensnivåema vid slutet av kompressionscyfkeln, k ä n n e t e c k n a d av att ellipserna är sådana att 0<Ä<0,6 med där GR är storradien för åtminstone ett av utrymmena och PR är lillradien för utr_\ rnmct eller utrymmena.

2. Motor enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att två utrymmen ur sådana att: - djupet PB är större än 0,15 x B; - storradien GR är sådan att: 0,25 x B - lillradien PR är sådan att: 0,10 x B - B är borrningsdiametern på cylindern.

3. Motor enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att läget for utrymmena är sådant att, med C, varande symmetricentrum för varje ellips och D, varande avståndet mellan cylinderaxeln och centrum C, för varje ellips: 0 < D, < 0,20 B.

4. Motor enligt något av kraven l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att vinkeln (ot) mellan storaxlarna hos varje ellips är noll.

5. Motor enligt endera kravet 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att vinkeln (ot) mellan storaxlarna hos varje ellips huvudsakligen är lika med 90°.