SE512943C2 - Förbränningsmotor - Google Patents

Description

512 943 2 I syfte att förbättra driften av avgasturbinen är det tidigare känt genom GB 2 185 286 att dela upp avgasflödet så att endast högtxyckspulsen går till avgasturbinen, medan lågtryckspulsen leds förbi avgasturbinen. Härigenom elimineras störande tryckpulser och den negativa lågtiyckscykeln omvandlas till en positiv lågtryckscy- kel. Detta uppnås genom att det i varje cylinder fmns åtminstone två avgasventiler som öppnar olika och som matar skilda avgassarnlare.

Resultatet blir en bättre ventilation av cylindern, varigenom andelen restgaser mins- kar. Förbränningen blir bättre och tändningen kan tidigareläggas då knackning upp- träder först vid ett högre tryck än tidigare.

Vid ökande last erfordras tryckbegränsningar till följd av lmaclcriirig, varför ladd- ningstrycket måste begränsas vid högre laster. Detta inverkar negativt på motorns prestanda.

Uppfinningens ändamål Syftet med uppfinningen är att åstadkomma en förbättrad törbränningsmotor. Ett speciellt syfte är att uppnå bättre prestanda vid hög last.

Redogörelse för uppfinningen Syftet med uppfinningen uppnås genom att utföra en inledningsvis angiven förbrän- ningsmotor med de särdrag som anges i patentkrav l.

Genom det valda utförandet blir det möjligt att vid ökande varvtal åstadkomma en effektiv laddning genom att utföra en större del av kompressionen utanför cylindem och att kyla kompriinerad luft innan den kommer in i cylindem. Detta möjliggör en god fyllnadsgrad och möjliggör dessutom en lägre temperatur i cylindem än om all kompression skedde i denna. Resultatet blir att temperaturen hos den fardigkompii- 512 943 3 merade gasen kan sänkas medi storleksordningen 50-100°C, med åtföljande gynn- samma effekt på knackningstålighet och avgastemperatur.

Uppflnningen kan realiseras antingen med ett utförande där inmatningsventilen stänger tidigt, medan kolven är på väg ned, eller sent, medan kolven åter är på väg upp. I det törstnänmda fallet hinner den inmatade luften expandera och kylas i cy- líndern innan kompressionen påbörjas. I det senare fallet matas en del av den inma- tade luften åter ut under kolvens väg uppåt före kompressionen.

Kombinationen av delad avgasperiod och den valda metoden att ladda cylindem (Miller-princip) möjliggör således en prestandaförbätuing vid högre varvtal och hög effekt, men förutsätter god variabel ventilstyrriirig. Om exempelvis kompressions- förhållandet i cylindern reduceras från l0,0:1 till 7,5 :1 genom att stänga inlopps- ventilen ca 60° senare och samtidigt öka det absoluta laddningstrycket med 50 % (för att bibehålla trycket i slutet av kompressionsslaget) och hålla det geometriska kompressionsförhållandet oförändrat, har detta samma inverkan på temperaturen i slutet av kompressionsslaget som att sänka temperaturen i inloppsröret med ca 34°C. Även den termiska belastningen i motom och bildandet av NÖX reduceras genom turboladdning enligt Miller-principen. Dessutom kan bränsleförbrukningen sänkas med ca 5% till följd av att den törbrända gasen avger mindre värme till för- bränningsnnnmcts väggar och till följd av att kolven utför en mindre andel av det totala kompressionsarbetet. Med andra ord, under den första delen av insugningssla- get är trycket inuti cylindem högre vid laddning enligt Miller-principen, något som ökar verkningsgraden, Enligt uppfinningen är det med fördel så ordnat att inmatningsventilen, då den vid ökande varvtal stänger tidigare även öppnar tidigare. Motsvarande kan gälla för av- gasvenfilerna. Detta underlättar effektiv gasväxling.

Ytterligare särdrag och fördelar vid lösningen enligt uppfinningen framgår av be- skrivning och övriga patentkrav. 1111 IIEl ll! 512 943 Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare med hänvisning till på ritningen visade utföringsexempel.

Figgrbeslnivning På ritningen visar: fig. 1 en förbränningsmotor enligt uppfinningen, fig. 2 visar ventildiagram för inmatnings- och utmatningsventiler vid motorn i fig. 1 vid låga varvtal, och fig. 3 motsvarar fig. 2 men visar situationen vid höga varvtal, vid tidig stängning av inmatningsventilen, och fig. 4a motsvarar fig. 3a, vid sen stängning av inmatningsventilen.

Beskrivning av ufiöringsexemrg Fig. 1 visar schematiskt en såsom Otto-motor utförd flercylindrig förbränningsmotor 1 enligt uppfinningen. Motorns cylindrar har vardera åtminstone två avgasventiler 2 och 3. Från cylindramas fösta avgasventiler 2 leds avgas ut till en för cylindrama gemensam, första avgassarnlare 4. Från cylindramas andra avgasventiler 3 leds av- gas ut till en for cylindrama gemensam andra avgassarnlare 5. Den forsta av- gassarnlaren 4 står i förbindelse med en katalysator 10 via en första avgasledning ll, och den andra avgassamlaren 5 är ansluten till katalysatom 10 via en andra av- gasledrmg 12. Nedströms om katalysatom 10 finns på sedvanligt sätt en eller flera ljuddämpare (ej visade).

Motom l är vidare utrustad för överladdning med hjälp av en via en avgasdriven turbin driven kompressor. Avgasturbinen 14 är inkopplad i den första avgasledning- en 11 och matas således från den första avgassarnlaren 4 och de första avgasventi- lerna 2. En av avgasturbinen 14 driven kompressor 15 förser motorn med laddluft 512 943. som kyls i en mellankylare 16. Denna laddluft matas på konventionellt sätt in i varje cylinder via en eller flera inloppsventiler 6 (ej visat i detalj).

Styrning av ventilerna kan ske på ett antal olika sätt, tex. med hjälp av kontinuerligt variabel kaminställning för såväl inlopps- som avgaskamaxeln. Även ett antal andra metoder är dock tänkbara.

En för utförandet i fig. 1 lämpad ventilstyrning visas i fig. 2 och 3, där fig. 2 avser lågt varvtal och fig. 3 avser högt varvtal.

I vardera figuren representerar det vänstra diagrammet en inloppsventil, medan det högra diagrammet representerar avgasventilerna. l varje diagram anger A kolvens övre dödläge och B kolvens undre dödläge, C öppningsläge för ventilen, D stäng- ningsläge för ventilen och E öppethållande för ventilen. För avgasvenfilerna (fig. 2b och Bb) gäller att den första avgasventilen 2 i princip är öppen vid F, kring det undre dödläget B, medan den andra avgasventilen 3 i princip är öppen efteråt, vid G. Övergången mellan dessa öppethållanden anges med H. (I själva verket har avgas- ventilema en viss överlappning i sitt öppethållande, men i förenklande syfte bortses fiån detta på ritningen.) Såsom framgår öppnar vid lågt varv, enligt fig. 2a, inloppsventilen 6 vid C, ca 5° före det övre dödläget A och hålls öppen till D, ca 5° efter det undre dödläget B. Pâ motsvarande sätt öppnar vid lågt varv, enligt fig. Zb, en första avgasventil 2 vid C, ca 25° före det undre dödläget B, och så småningom stänger den andra avgasventi- len 3 vid D, ca l5° efter det övre dödläget. Överlappet mellan inloppsventiler och avgasventiler blir härvid ca 20°.

Vid högt varvtal, enligt fig. 3, öppnar inloppsventilen, enligt fig. 3a, vid C redan ca 75° före det övre dödläget A och stänger vid D redan ca 65° före det undre dödläget B. Pâ motsvarande sätt öppnar vid högt varvtal, enligt fig, 3b, en första avgasventil 2 vid C. redan ca 70° före det undre dödläget B, och så småningom stänger den andra 512 943 6 avgasventilen 3 vid D, ca 30° före det övre dödläget A. Ventilöverlappet mellan in- loppsventiler och avgasventiler uppgår här till ca 45°.

Principen är således den att inloppsventilen stänger tidigare vid ökande varvtal, en tidigareläggning i detta fall med ca 70°.

Avgasventilemas öppnande tidigareläggs också, men något mindre, med ca 45°.

Genom den angivna ventilomställningen, tex. genom karnaxelomställning erhålls en ventilöverlappning, som ger tillräcklig tid för tömning vid högt varvtal och slutligen ett tillräckligt tidigt öppnande av avgasventilema vid nämnda höga varvtal. Vidare öppnas den andra avgasventilen 3 som tillåter passage förbi avgasturbinen 45° tidi- gare under avgasslaget, innebärande att pumpningsarbetet under avgasslaget reduce- ras ärmu mer.

Om behov föreligger att utnyttja Miller-principen vid medelhöga motorvarvtal bör en kaminställning någonstans mellan de beskrivna användas.

I stället för att såsom i fig. 3a låta inmatningsventilen stänga tidigt vid höga varvtal är det möjligt att låta den stänga sent. En för detta utförande lämplig ventilstyming visas i fig. 4a, där inmamingsventilen öppnar vid C, ca 5° före det övre dödläget A och hålls öppen ända till D, ca 90° efter det undre dödläget B. På vägen upp från det undre dödläget B hinner således kolven mata ut en del av den redan insugna lufien, så att kompressionen reduceras.

Om man välj er laddningstrycken så att lika höga tryck uppnås vid slutet av komp- ressionsslaget både med konventionell turboladdning och med laddning enligt upp- finningen, med utnyttjande av Miller-principen, och med en senarelagd inlopps- stängning av ca 90° (vevaxelgrader), erhålls en ökning på ca 10 % av den i cylin- dern innestängda luftmassan vid lösningen enligt uppfinningen. Detta beror på att laddningen har högre densitet, och resultatet blir en effektökning på ca 17%, förde- 512 943 7 lat med ca 3A på arbetscykeln och ca % på gasväxliirgscykeln. Denna ökning i effekt med 17 % erhålls med en oförändrad tidpunkt för förbränningen. Om en tidigarelagd förbränning utnyttjas, vilket blir möjligt till följd av den reducerade risken för knackning, förbättras arbetscykeln ännu mer, med större effektökning såsom resul- (at.

Kombinationen av delad avgasutmatning och turboladdning enligt Miller-principen möjliggör således prestanda som tidigare inte har legat inom räckhåll.

Claims (9)

10 15 512 943 8 PATENTKRAV

1. Förbränningsmotor med flera cylindrar och med delat avgasflöde, försedd med ånninstone två avgasventiler (2, 3) och en inmatningsventil (6) per cylinder, nämli- gen en första avgasventil (2) som via en första avgassarnlare (4) är förbunden med inloppet på en avgasdriven turbin (14) i en turbokompressor för överladdning av motorn, och en andra avgasventil (3) som via en andra avgassarnlare (5) är förbun- den med motorns avgassystem nedströms om avgasturbinen (14), samt åtminstone en med turbokompressorn förbunden inmatningsventil (6), som är anordnad att vid låga varvtal stänga kring kolvens undre dödläge, kännetecknad av att inmatnings- ventilen är anordnad att vid ökande varvtal stänga på ett större tidsavstånd från den tidpunkt då kolven när sitt undre dödläge.

2. Förbränníngsmotor enligt krav 1, kännetecknad av att inmatningsventilen är an- ordnad att vid ökande varvtal stänga senare, efter det att kolven nått sitt undre död- läge, varigenom en viss mängd inmatad luft åter matas ut innan inmamingsventilen stänger.

3. Förbränningsmotor enligt krav 1, kännetecknad av att inmamíngsventilen (6) är anordnad att vid ökande varvtal stänga tidigare, innan kolven når sitt undre dödläge, varigenom inmatad luft hinner expandera och kylas under kolvens väg mot det und- re dödläget.

4. Förbränningsmotor enligt krav 3, kännetecknad av att inmatningsventilen (6) är anordnad att vid ökande varvtal även öppna tidigare än vid låga varvtal.

5. Förbränningsmotor enligt krav 3 eller 4, kännetecknad av att avgasventilema (2,3) är anordnade att vid ökande varvtal öppna tidigare än vid låga varvtal. 10 512 943 9

6. Förbränningsmotor enligt krav 3 eller 4, kännetecknad av att avgasventilema (2,3) anordnade att vid ökande varvtal stänga tidigare än vid låga varvtal.

7. Förbränningsmotor enligt krav 3 och 4, kännetecknad av att en till inloppsventi- len (6) hörande karnaxel är anordnad att vid övergång från lågt till högt varvtal stäl- las om maximalt ca 70 vevaxelgrader.

8. Förbränningsmotor enligt krav 5 och 6, kännetecknad av att en till utlopps- ventilema (2, 3) hörande kamaxel är anordnad att vid övergång från lågt till högt varvtal ställas om maximalt ca 45 vevaxelgrader.

9. Förbränningsmotor enligt något av föregående krav, kännetecknad av att upp- ströms om inmatningsventilen (6) och nedströms om kompressom (14) finns anord- nat en laddluftkylare (16).