SE519767C2 - Förbränningssystem - Google Patents

Description

519 767 2 I figur 1 visas en insugningskanal 20a med högt flöde (markerat. med streckade linjer) och ent med hög' tumble (markerad med hela linjer), som är två kända system vars skillnader kommer att förklaras nedan. Systemen kan var och en för sig beskrivas allmänt som ett förbränningssystem för motorer med åtminstone en cylinder 10. Förbränningssystemet i respektive system innefattar åtminstone en avgaskanal 20b, en insugningskanal 20a som är försedd. med en i huvudsak cylindrisk vägg 22,22a och ett cylinderrum 30 (även kallat förbränningsrum) som avgränsas av en topp 100, även kallat cylinderhuvud. En centrumlinje 2la,21b löper i huvudsak längs centrum av insugningskanalen 20a. Vidare är cylindern försedd med ett cylinderhuvud (visas ej) som är anordnat med en bränsleinsprutare för att spruta in bränsle in i insugningskanalen 20a eller direkt i cylinderrummet . En kolv 40, försedd med en topp 60, även kallad krona, utför en fram- och återgående rörelse i cylindern 10. Varje cylinder är försedd med minst en ventil 70a för insug och en ventil för avgas 70b. ventilen 70b för avgas kommer inte att refereras mer och därför kommer fortsättningsvis benämningen ventil hänvisa till ventilen 70a för insug.

Insugningsventilen 70a är anordnad i en styrning 72 som styr ventilen 70a, där styrningen har en längsaxel 110 som är vinklad mot toppen 100 av cylinderrummet 30. Denna längsaxel 110 tangerar med insugningskanalens 20a centrumlinje 2la,21b och bildar en radie 23a,23b däremellan, d.v.s. radien tangerar både längsaxeln och centrumlinjen. Insugningskanalen 20a är förbunden till cylinderrummet 30 via en mynning 80 och ventilen 70a är anordnad för att öppna respektive sluta förbindelsen mellan insugningskanalen 20a och cylinderrummet 30. Den övre delen av centrumlinjen 2la,21b, d.v.s. den del av centrumlinjen 2la,21b som ligger uppströms längsaxeln 110 och radien 23a,23b, och längsaxeln 110 bildar tillsammans en bockningsvinkel 25a,25b. Centrumlinjen 21a,b tangerar 519 767 3 radien 23a,23b, under förutsättning att startpunkten för radien 23a,b är densamma i änden mot mynningen 80.

I insugningskanalen 20a (streckad kontur i figur 1) næd högt flöde har centrumlinjen 2la, räknat från kanalens mynning 80 i cylinderrummet 30, en företrädesvis maximerad radie 23a, vilken tangerar med längsaxeln 110 för styrningen 72 till ventilen. Denna radie 23a är i huvudsak samma som den korresponderande krökning 24 på insugningskanalens vägg 22, räknat från mynningen 80. För att erhålla en maximerad radie 23a kommer bockningsvinkeln 25a att vara minimerad med avseende på tillgängligt utrymme uppåt, på ett sätt som medger att kanalen löper fritt genom motorns befintliga detaljer. Med befintliga detaljer menas t.ex. ventilstyrningar, ventiler, kamaxel och packningar.

Krökningen på denna typ av insugningskanal kommer att bli intermittent. Genom att använda denna typ av intermittent krökta insugningskanal kommer flödeskapaciteten att öka, dels p.g.a. att kanalen kan antaga en lägre infallsvinkel 27a,b för insugningskanalen mot cylinderns centrumlinje 130. En annan fördel sonn också ger ökat flöde är att luftströmmen kan fördelas jämnt runt ventilens omkrets. I en tumlande kanal länkas huvuddelen av luftströmmen till omkretsen av ventilens övre del. I en fyllnadskanal, d.v.s. en kanal med högt flöde, fördelas luftströmmen så jämnt som möjligt och utnyttjar flödesarean maximalt. Emellertid kommer den tumlande effekten att minska då en sådan kanal användes. Dessutom kan det vara ofördelaktigt att ha en låg ventilvinkel, som vanligtvis ligger runt l5°-20°, eftersom detta kan leda till en tämligen begränsad ventilstorlek och högt cylinderhuvud och som kräver stora ändringar i befintliga produktionslinjer.

I det andra fallet där insugningskanalen 20a är högtumlande har centrumlinjen 2lb, räknat från kanalens mynning 80 i cylinderrummet 30, en företrädesvis minimerad radie 23b, 519 767 4 vilken tangerar med längsaxeln 110 för styrningen 72 till ventilen. Denna radie 23b åstadkommer en krökning 24a på insugningskanalens vägg 22a, räknat från mynningen 80, som sedan viker av tvärt vid 24b mot styrningen 72 för ventilen. För att erhålla en maximerad länkning av flödet mot ventilens översida kommer bockningsvinkeln 25b att vara maximerad med avseende på tillgängligt utrymme nedåt. Genom att använda denna typ av intermittent krökt insugningskanal kommer den tumlande effekten att öka, p.g.a. kanalens utformning. Emellertid kommer flödeskapaciteten att minska då en sådan kanal användes.

I figur 2 visas ett schematiskt diagram ur vilket det framgår att förhållandet mellan flöde och tumlingsnivå är omvänt proportionellt, d.v.s. linjärt. Tumlingsnivån kan tumblande rörelseenergi. Flödet i diagrammet visar genomströmmningen t.ex. definieras som den luftmassans av luft. Ifall en jämförelse görs mellan de två konstruktionerna som visades i figur 1, visar det sig att om. radien är maximerad enligt 23a och vinkeln 25a är minimerad, kommer detta att resultera i en kanal med lägre tumlingsnivå och en högre flödeskapacitet. Denna jämförelse motsvarar punkten 10 i figur 2. Ifall det är önskvärt att öka flödet och minska tumblingsnivån är konstruktionen i detta fall att föredra. En annan jämförelse mellan de två konstruktionerna som visades i figur 1, ifall radien är minimerad enligt 23b och vinkeln 25b är maximerad, kommer detta att resultera i en kanal med högre tumlingsnivå och en lägre flödeskapacitet. Denna jämförelse motsvarar punkten 20a i figur 2.

Vidare kan toppen 60 på kolven 40 variera en del beroende på tillämpningen. Den enklaste formen på toppen 60 av en kolv 40 är givetvis en helt plan yta. För att höja den tumlande effekten kan toppen 60 på kolven 40 t.ex. förses med en skålformig kavitet (visas ej). Denna kavitet kan 519 767 exempelvis vara anordnad i den tumlande rörelsens riktning, för att understödja bildandet av den tumlande rörelsen.

Vidare kan en ås kolven vara placerad med en offset (visas ej), som är anordnad i anslutning till en utblåsningskanal i avseende att erhålla ett jämnare flöde.

Ett exempel på hur en insugningsport avsedd att åstadkomma ett stratifierat flöde som är tumlande, beskrivs i US-A-5,295,464. Med stratifierad menas att bränslet koncentreras exempelvis vid tändstiftet så att en mager blandning kan utnyttjas. I detta dokument beskrivs även hur en kolv kan vara anordnad med en skålformig kavitet försedd med en offset.

Ytterligare ett exempel på hur den tumlande effekten kan höjas beskrivs i US-A-5,1l5,774. Detta dokument beskriver en insugningsport försedd med en maskning intill själva ingången till insugningsporten. Genon\denna.maskning kommer den tumlande rörelsen inuti cylinderrummet att sannolikt öka. Vidare beskrivs även en kolv som är anordnad med en skålformig kavitet.

Genom att utnyttja en insugningskanal i kombination med en kolv försedd. med en kavitet, där båda bidrar till en förhöjd flödeskapaciteten att sjunka vilket i sin tur bidrar till Anledningen till att flödeskapaciteten sjunker är att sambandet mellan flödet tumlande rörelse, kommer emellertid att motoreffekten sjunker. och den tumlande rörelsen som genereras med insugningskanalen är linjärt, d.v.s. att flödet är omvänt proportionell mot den tumlande effekten. Således med en förhöjd tumlande rörelse kommer en motsvarande sänkning av flödet att erhållas.

Eftersom förbränningskvalitén till stor del beror på den tumlande gasrörelse som åstadkommes i insugningskanalen 519 767 6 samt nedbrytningen av denna rörelse, är det önskvärt att försöka finna ett sätt för att höja flödeskapaciteten med en bibehållen turbulensintensitet vid en förbränning i motorn. Dessutom är det önskvärt att öka motoreffekten och samtidigt erhålla en låg bränsleförbrukning med minimerade pumpförluster utan att förbränningskvalitén försämras, t.ex. genom att styra den tumlande rörelsen på ett sätt så att flödet påverkas minimalt. Med pumpförluster menas det arbete som krävs för att ta in luft i en cylinder. Stora pumpförluster leder till ett lägre utvecklat arbete på axeln.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN= Syftet med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en anordning som kan höja flödeskapaciteten, och därmed effekten, med en bibehållen förbränningskvalitet vid låga laster och varvtal.

Ett annat syfte är att minska bränsleförbrukningen och minska pumpförlusterna.

Ytterligare ett syfte är att kunna tillhandahålla större ventilvinklar, vilket geometriskt kommer att medföra till större ventiler, lägre cylinderhuvud, och även möjligheten till att använda befintliga produktionslinjer vid tillverkning av' motorer som innehåller en eller flera cylndrar.

Vidare är ett syfte att förenkla tillverkningsprocessen vid framtagningen av förbränningsmotorn, så att den blir både billigare och enklare än vad som annars är brukligt vid framtagning av en ny förbränningsmotor.

I enlighet med föreliggande uppfinning uppnås dessa ovan tillhandahålla ett förbränningsystem i enlighet med patentkrav 1, som nämnda syften genom att 519 767 7 beskriver en kombination av två helt olika lösningar, en lågtumlande flödesinriktad insugningskanal och en kolv försedd med en kavitet. Genom denna kombination erhålles ett fördelaktigt system som kan höja flödeskapaciteten med en bibehållen turbulensintensitet vid en förbränning i motorn, minska bränsleförbrukningen, åstadkomma en hög förbränningskvalitê och höja motoreffekten i en förbränningsmotor.

Vidare kan befintliga verktyg och maskiner användas vid tillverkning, då ventilvinkeln kan bibehållas i befintligt skick, genom att använda en sådan typ av insugningskanal, som är en känd konstruktion. På så vis kan även tillverkningsförfarandet för ett cylinderhuvud förenklas och således utföras till en låg kostnad.

Föredragna utföringsformer för anordningen , i enlighet med uppfinningen, anges i detalj i respektive underkrav.

FIGURBESKRIVNING: Uppfinningen kommer nu att beskrivas i mer detalj från den följande beskrivningen av en föredragen utföringsfornlvisad som exempel med hänvisning till bifogade ritningar, där: Fig.1 visar en jämförelse mellan två kända system, med en luftflöde och en insugningskanal som har en tumlande effekt; insugningskanal med högt Fig.2 visar ett diagram över förhållandet mellan tumble och flöde; Fig.3 visar en föredragen utföringsform i enlighet med föreliggande uppfinning; Fig.4 visar ett tvärsnitt av kolven som visas i figur 3; och 519 767 8 Fig.5 visar en förstorad vy av kolven sedd ovanifrån som visas i figur 3.

FÖREDRAGNA UTFöRINGsFoRMER= Med hänvisning till figur 3 visas ett förbränningssystem för motorer med åtminstone en cylinder 10. Systemet innefattar åtminstone en avgaskanal (visas ej), en insugningskanal 20a som är försedd, med en i huvudsak cylindrisk vägg 22, ett cylinderrum 30 (även kallad förbränningsrum) som avgränsas av en topp 100, även kallat cylinderhuvud. En centrumlinje 21 löper i huvudsak längs centrum av insugningskanalen 20a. Vidare är insugningskanalen försedd med en bränsleinsprutare för att spruta in bränsle in i insugningskanalen 20a eller direkt i cylinderrummet 30. En kolv 40, försedd med en topp 60, även kallad krona, utför en fram- och återgående rörelse i cylindern 10. En ventil 70 för insug och en ventil för avgas (visas ej). Ventilen för avgas kommer inte att refereras mer och därför kommer fortsättningsvis benämningen ventil hänvisa till ventilen 70a för insug.

Insugningsventilen 70 är anordnad i en styrning 72 som styr ventilen 70, där styrningen har en längsaxel 110 som är vinklad mot toppen 100 av cylinderrummet 30. Denna längsaxel 110 tangerar insugningskanalens 20a centrumlinje 21. Insugningskanalen 20a är förbunden till cylinderrummet via en mynning 80 och ventilen 70 är anordnad för att öppna respektive sluta förbindelsen mellan insugningskanalen 20a och cylinderrummet 30. Den övre delen av centrumlinjen 21, d.v.s. den del av centrumlinjen 21 som ligger ovanför längsaxeln 110 och den punkt där radien 23 tangerar linjen 21, och längsaxeln 110 bildar tillsammans en bockningsvinkel 25. Både bockningsvinkeln 25 och radien 23 kommer att vara beroende av varandra, eftersom radien komme- att öka ifall bockningsvinkeln minskar och tvärtom. 519 767 9 Den raka linjen 21 övergår i en centrumkurva, i den punkt Enligt räknat från där centrumlinjen 21 tangerar radien 23. uppfinningen har centrumlinjen 21, insugningskanalens mynning 80 i cylinderrummet 30, en företrädesvis maximerad radie 23, vilken tangerar med längsaxeln 110 för styrningen 72 till ventilen. För att erhålla en maximerad radie 23 kommer bockningsvinkeln 25 som bildas mellan ventilen 72 och insugningskanalen 20a före radien 23 att vara minimerad med avseende på tillgängligt utrymme uppåt, på ett sätt som nædger att kanalen löper fritt genom motorns befintliga detaljer. Med befintliga detaljer menas t.ex. ventilstyrningar, ventiler, kamaxel och packningar. Detta innebär således att insugningskanalens mynning 80 har en intermittent krökning 24, vilken sammanfaller med styrningen 72 till ventilen, d.v.s. med längsaxeln 110 på styrningen, för att begränsa den tumlande effekten inuti cylinderrummet 30, och där väggen löper längs krökningen 24, från styrningen 72 som styr ventilen 70, i en riktning som i huvudsak sammanfaller med en tänkt linje som utgår ifrån insugningskanalens mynning 80. Genom att använda denna typ av intermittent krökt insugningskanal kommer flödeskapaciteten att öka, p.g.a. kanalens utformning. Emellertid kommer den tumlande effekten att minska då en sådan kanal användes. För att öka tumbleintensiteten åtgår energi då en virvel uppstår och därmed ndnskar flödeskapaciteten j. de fall där det är önskvärt att åstadkomma högre tumble inuti cylinderrummet.

Vidare enligt uppfinningen ökas den tumlande effekten i cylinderrummet 30, utan att påverka flödet, genom att toppen 60 på kolven 40 är försedd med en, företrädesvis cylinderformad, kavitet 50, som framgår i figur 4 och 5, vilken är utformad för att understödja genereringen av tumbling i cylinderrummet 30 under insugningsslaget samt bidra till nedbrytningen av tumlingen till turbulens under kompressionsslaget. Givetvis kan denna kavitet antaga andra 519 767 former än cylinderformade, såsom skålformiga eller liknande. Denna kavitet kan vara placerad på ena halvan av kolven, se figur 5, vilken löper över toppen 60 på kolven 40. I figurerna 3, 4 och 5 framgår det vidare att toppen 60 på kolven kan vara försedd med en förhöjning 62 i anslutning till kaviteten 50. Förhöjningen 62 kan löpa över en nivå på toppen 60 av kolven. Dessutom kan kolven vara försedd med en eller flera ventilfickor 64 för att undvika kollision med delvis öppna ventiler. Denna typ av kolv 40 kommer således att understödja genereringen av tumble i förbränningsrummet under ett insugningsslag, samtidigt som kolvens utformning kommer att bidraga till en nedbrytning av tumblen till turbulens under ett kompressionsslag.

Följaktligen innebär detta att en lika stor tumbleintensitet och därmed lika goda förbränningsegenskaper kan erhållas som vid användning av en insugningsport med hög tumblingsnivå, samtidigt som flödeskapaciteten är högre än vad en sådan port normalt medger. Porten enligt uppfinningen kan medge en ökad flödeskapacitet på åtminstone 10 % i jämförelse med vad en port normalt brukar medge. Den effektivare tumlingsnedbrytningen ger minskad resttumling och därmed mindre knackkänslighet, p.g.a. en mindre förskjutning av ett flamcentrum (visas ej) mot den sida där avgaserna leds ut. En initialt låg tumling bidrar till mindre kylförluster och pumpförluster. Sammantaget ger detta en lägre specifik bränsleförbrukning.

Insugningskanalens centrumlinje 110 infaller mot toppen av cylinderrummet med en vinkel 27 som kan variera från 0° till 180°, företrädesvis från 20 till 35° och helst 30°, i förhållande till cylinderrummets centrumlinje 130. Vinkeln 27 bör vara så liten som möjligt, med avseende på tillgängligt utrymme. Krökningen till insugningskanalen kan variera mellan 0-180°. För en nwdern personbilsmotor är krökningen vanligtvis mellan 30-90° och helst 50°. 519 767 ll En ytterligare utföringsform är att insugningskanalen kan utgöras av en fallkanal (visas ej), som infaller mot toppen av cylinderrummet mellan avgas- och insugningsventilerna.

Samma geometriska uppbyggnad med intermittent krökning är möjlig även i detta fall.

Fastän de visade utföringsformerna av den föreliggande uppfinningen har beskrivits i detalj med hänvisning till de medföljande figurerna måste det inses att uppfinningen inte begränsas till dessa specifika utföringsformer och att olika förändringar eller modifikationer kan åstadkommas av en fackman utan att avvika från omfånget som definieras av de följande patentkraven. Exempelvis är en variant att använda fler än ett tändstift i varje cylinder, och även fler insugnings- och/eller avgasventiler än en.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 519 767 12 PATENTKRAV:

1. Ett förbränningssystem för motorer med åtminstone en cylinder (10), vilket innefattar åtminstone - en avgaskanal, - en insugningskanal (20a), - ett cylinderrum (30), som avgränsas av ett cylinderhuvud (100), där nämnda cylinderrum (30) innefattar en centrumlinje (130) och en i huvudsak cylindrisk vägg (22), - en bränsleinsprutare för att spruta in bränsle in i nämnda cylinderrum (30) eller nämnda insugningskanal (20a), - en kolv (40) försedd med en krona (60), där kolven utför en fram- och återgående rörelse i nämnda cylinder (10), - en ventil för avgaser, och - en ventil (70) för insug som är anordnad i en styrning (72) som styr ventilen (70), där ventilen (70) har en riktning mot en mynning (80) till nämnda cylinderrum (30), varvid nämnda insugningskanal (20a) är förbunden till nämnda cylinderrum (30) och där nämnda insugningsventil (70) är anordnad för att öppna respektive sluta förbindelsen mellan nämnda insugningskanal (20a) och nämnda cylinderrum (30), k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att kronan (60) på nämnda kolv (40) är försedd med en kavitet (50), som är utformad för att understödja genereringen av tumbling i cylinderrummet (30) under ett insugningsslag och för att bidra till en nedbrytning av tumlingen till turbulens under ett kompressionsslag, och att nämnda insugningskanal (20a) har en intermittent krökning (23), där den intermittenta krökningen (23) i huvudsak korresponderar till en krökning (24) som går från insugningskanalens vägg (22) räknat från mynningen (80) till ventilens styrning (72), för att 10 15 20 25 519 767 13 generera den tumlande effekten som sedan innesluts i nämnda cylinderrum (30).

2. Förbränningssystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att toppen (60) på nämnda kolv (40) är försedd med en förhöjning (62) i anslutning till nämnda kavitet (50).

3. Förbränningssystem enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda insugningskanal (20a) infaller mot toppen (100) av nämnda cylinderrum (30) med en vinkel som är minimerad med avseende på tillgängligt utrymme, och varierar från 0 till 180° i förhållande till nämnda centrumlinje (130).

4. Förbränningssystem enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda vinkel är mellan 20 och 35°, företrädesvis 30°.

5. Förbränningssystem enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda ventil (70) har en infallsvinkel till nämnda cylinderrum (30) som tangerar med krökningen till nämnda insugningskanal (20a).

6. Förbränningssystem enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att krökningen (23) till nämnda insugningskanal (20a) är maximerad med avseende på tillgängligt utrymme.