SE523773C2 - Modulering av vridmoment i en förbränningsmotor - Google Patents

Description

523 775 o ~ . Q u u n n ~ - n n» 2 Ett exempel på en miljövänlig motor för fordon är hybridmotom som i huvud- sak arbetar vid ett konstant varvtal som är anpassat till en viss generator. Denna motor arbetar vid sin bästa punkt där den utför efterfrågat arbete med högsta möjliga verk- ningsgrad. Då belastningen är konstant kan även förbränningen ställas in för att i sam- verkan med olika tekniker medföra minsta möjliga förekomst av föroreningar och gif- ter i avgasema som exempelvis kväveoxider och kolväten samt i förekommande fall sotpartiklar.

Om intemförbränningsmotorer kunde tillgodose ett varierande behov av vrid- moment, som är följden av varierande driftsituationer, med högsta möjliga verknings- grad, f o m minsta behov t o m största behov, så skulle stora fördelar erhållas vad gäll- er driftekonomi och miljö. En sådan motor skulle ha hybridmotoms fördelar i de varie- rande drifisituationer som kan komma ifråga för fordon. F rikolvsmotom, som bygger på tanken att optimala arbetstakter skall utföras vid behov och endast då, skulle inne- bära en lösning på nämnda problem. Frikolvsmotom, där kolvens rörelse kontrolleras med hydraulik eller pneumatik, har emellertid inte kunnat få någon större spridning då det ännu inte utvecklats en tillräckligt bra lösning för styming av kolven under kom- pressionstakten med efterföljande förbränning. Starkt accelererande tryckökning i slu- tet av kompressionstakten och tillkommande explosiv tryckökning vid förbränning ger problem att kontrollera kolvens rörelse vid dess övre vändläge.

Föreliggande uppfinning realiserar i hög grad frikolvsmotoms fördelar och lö- ser nämnda problem.

SYFTET MED UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att genom en ny styrmetod avseende mo- dulering av vridmomentet i internförbränningsmotorer med mekanisk kraftöverföring och med styrbara ventiler, lösa nämnda problem och ge nämnda fördelar. 2 3 ; i 3 uuu ouu u u uu uu un nu uu u u nu uu u uu u u ou u u u uu u uu uu uu u g . , ._ ,, , .uu u u u u u u u uu uu uu u u u u u u u u u nu u n u u o u uuuu uo uu u ou nu» REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning uppnås genom en styrmetod för modulering av vridmomentet i en intemförbränningsmotor med mekanisk kraftöverföring och med styrbara ventiler, kännetecknad av att behov av vridmoment, i för stunden aktuell drift- situation, tillgodoses genom val av den frekvens med vilken arbetstakter genomförs. Övriga kännetecken framgår av följande beskrivning och av patentkraven.

Med mekanisk kraftöverföring menas att energin i en efter förbränning expan- derande gasmassa överförs till vevaxel eller annan roterande axel.

Med styrbara ventiler avses ventiler till en motors förbrärmingsrum som kan öppnas och stängas baserat på signal från ett styrsystem.

Arbetstakt definieras här som att energin i en efter förbränning expanderande gasmassa omvandlas till mekaniskt arbete. Arbetstakter kan vara optimala eller norma- la som i dagens motorer.

Tom takt definieras här som att ingen gasväxling, lufttillförsel, eller förbränning sker och att därför inget positivt arbete utförs under det som annars skulle vara arbets- takt. Detta ger minimala friktions- och värmeförluster. Vid genomförande av en tom takt pumpas inte luft, eller luft och rester av bränsle, genom motom. En tom takt förut- sätter att åtminstone inloppsventilema är styrbara så att de kan hållas stängda så att inte luft kan tillföras förrän de åter öppnas, men uppfinningen kommer allra bäst till sin rätt om även utloppsventilema är styrbara.

Frekvensen av arbetstakter kan variera mellan 0 och 100 procent av motoms ak- tuella varvtal. En frekvens kan exempelvis väljas genom att en arbetstakt bestäms till att ske vart n:te motorvarv, i övrigt genomförs tomma takter, eller exempelvis genom att arbetstakter bestäms till att ske enligt en serie där en tom takt införs vart n:te mo- torvarv. Vid fordonsdrift är det föraren som genom gaspådrag visar på behov och ef- terfrågan av vridmoment. Gaspådraget registreras av givare som får styrsystemet att välja den frekvens med vilken arbetstaktema genomförs.

En optimal arbetstakt definieras här som att det arbete som utförs under arbets- takten, med hänsyn till rådande ekonomiska och miljömässiga samt i övrigt praktiska 523 773 . .. .- ; o ~ u o » . . n u n - -g 4 omständigheter, är så stort som möjligt i förhållande till för arbetet förbrukad bränsle- massa. Genom att tillgodose i för stunden aktuellt behov av vridmoment med en fre- kvens av optimala arbetstakter uppnås bästa driftekonomi.

En optimal arbetstakt innebär vid 4-taktsförfarande att inloppsventiler kan bringas stänga tidigt i förhållande till vad som är vanligt i dagens motorer och att ut- loppsventiler kan bringas öppna sent i förhållande till vad som är vanligt. Således blir cyklerna Miller respektive Atkinson naturligt förekommande. Via motorexperiment går det att prova ut vilka inställningar ingående parametrar och styrvärden skall ha vid varje motorvarvtal. Altemativt kan styrsystemet göras adaptivt, d v s självlärande.

En optimal arbetstakt vid Z-taktsförfarande skiljer sig från en optimal arbetstakt vid 4-taktsförfarande genom att det cylindertryck som existerar när utloppsventilerna öppnar skall användas för att genomföra gasväxling. Snabbt öppnande utloppsventiler medför en puls av utströmmande avgaser vilket skapar ett undertryck, ett tryck under 1 atmosfär absolut, i cylindem. Utloppsventilema stängs och inloppsventilema öppnar i sådant tidsmässigt förhållande till utloppsventiler-nas stängning att undertrycket kan utnyttjas optimalt för att inför påföljande kompressionstakt och nästa arbetstakt rätt massa luft skall tillföras. Optimala arbetstakter kan även genomföras med användning av utloppsportar som friläggs i anslutning till kolvens nedre vändläge.

Vid 2-taktsförfarande kan spolpump användas för att helt, eller delvis och då i kombination med undertryck i cylindem, utnyttjas för gasväxlingen. Användning av spolpump medför dock sämre verkningsgrad än vad som gäller för ovan nämnda opti- mala arbetstakt.

Vid vissa driftfall kan det vara nödvändigt att frångå optimala arbetstakter som exempelvis vid behov av maximal effekt eller vid tvingande krav.

En motor och dess styrsystem kan konstrueras för fler än en optimal arbetstakt, vid ett givet motorvarvtal, genom att möjliggöra användning av två eller fler typer av bränslen som på grund av sina egenskaper innebär att fler optimala arbetstakter existe- rar. Bränslen som bensin och etanol är exempel på kombination. Vid varje motorvarv- tal finns det en optimal arbetstakt för bensin och en arman optimal arbetstakt för eta- nol. 523 773 u.. »w Uppfinningen innebär att systemen för tillförsel av luft och bränsle är inställda så att vid varje arbetstakt skall, vid ett visst motorvarvtal, lika stora massor av luft och bränsle samt lika blandning av luft och bränsle, som i övriga arbetstakter inom aktuellt motorvarvtal, antändas. Vidare att eventuell EGR är lika arbetstakterna emellan. Då förutsättningarna inför förbränning således är återkommande och hela tiden desamma, blir följ den att varje arbetstakt vid ett givet motorvarvtal åstadkommer lika mycket arbete, och att avgasernas sammansättning av olika kemiska föreningar blir densamma, vilket förbättrar möjligheterna till av gasrening.

I vanliga 4-takts kolvförbränningsmotorer sker, under motorns arbete, förbrän- ning med arbetstakt vartannat varv och i 2-takts motorer varje varv. Dessa motorers system för gasväxling innebär att andra taktintervall är olämpliga då följden blir att luft och bränslerester, exempelvis obrända kolväten, pumpas genom motorn, vilket kräver motorarbete och belastar milj ön. För att kunna använda uppfinningen, med de fördelar som kan uppnås, måste ventiler eller portar för gasväxling kunna stängas då en eller flera arbetstakter inte skall genomföras, utan istället en eller flera tomma takter skall genomföras, vilket är en ofta förekommande situation vid dellaster. Uppfinningen förutsätter således styrbara ventiler, åtminstone styrbara inloppsventiler.

Med styrbara ventiler, där tidpunkter för att öppna och stänga ventilema styrs via ett digitalt styrsystem, med givare för bl a kolvlägen och motorvarvtal samt med tillhörande elektronik och programvara, kan gasväxling och arbetstakt genomföras enbart vid behov. I övrigt hålls ventilema, åtminstone inloppsventilerna, stängda. Detta innebär att för varje efterfrågat vridmoment, inom ramen för vad motom kan prestera med optimala arbetstakter, kan den frekvens av optimala arbetstakter väljas som till- godoser det aktuella behovet av vridmoment.

Styrmetoden innebär att ett digitalt styrsystem känner av ett visst och för stun- den aktuellt behov av vridmoment. Om detta behov ligger inom det område som kan tillgodoses med genomförande av optimala arbetstakter så väljs en viss frekvens, den som avses tillgodose det aktuella behovet, av styrsystemet. Arbetstakterna ger vid ett visst motorvarvtal i huvudsak lika mycket arbete varje gång som de genomförs. Därför är det frekvensen av arbetstakter som avgör hur stort vridmomentet blir. l0 525 775 6 Med styrbara ventiler kan tillförsel av luft och bränsle och bortförande av av- gaser, gasväxling, ske omedelbart före och efter arbetstaktema. För att kunna välja en frekvens som innebär att en arbetstakt per varv skall utföras så måste således även gasväxling ske en gång per varv som i en 2-taktsmotor. Gasväxling kan också utföras som i dagens 4-taktsmotorer, d v s en insugstakt införs vilket medför att en arbetstakt som mest kan utföras vartannat varv. Uppfinningen innebär därmed att behov av ett visst vridmoment kan tillgodoses genom val av en frekvens av 2-taktscykler eller 4-taktscykler eller genom en frekvens där en eller fler 2-taktscykler blandas med en eller fler 4-taktscykler. Uppfinningen innebär att olika frekvens av arbetstakter kan väljas för respektive motorcylinder. Om inloppsventilerna är styrbara, men inte ut- loppsventilema, är det endast möjligt att genomföra 4-taktscykler.

Styrsystemet är anordnat att som svar på en vridmomentorder, ökning eller minskning av vridmoment, från en förare, exempelvis via gaspedal på konventionellt sätt eller på något annat sätt, styra förhållandet mellan antal arbetstakter i förhållande till antal tomma takter hos motom baserat på det vridmoment som önskas. Styrning sker inte genom att enskilda cylindrar hos motom bringas ur funktion, utan genom att förhållandet mellan antal arbetstakter och tomma takter varieras för varje cylinder och att variationen kan vara olika cylindrama emellan. Styrsystemet åstadkommer detta genom öppning och stängning av inloppsventiler och utloppsventiler till respektive cylinders förbränningsrum, eller genom öppning och stängning av åtminstone inlopps- ventiler, om utloppsventilema inte är styrbara. Öppning och stängning av åtminstone inloppsventiler, men i förekommande fall även utloppsventiler, sker alltså baserat på förarens vridmomentorder. Aktiveringen sker via styrsignaler från en styrenhet hos Styrsystemet. Åtminstone inloppsventilema, men i förekommande fall även utlopps- ventilema, är exempelvis pneumatiskt, hydrauliskt, elektromagnetiskt, eller på annat sätt, aktiverade ventiler. Med styrbara ventiler avses sådana aktiverade ventiler. Om utloppsventilerna inte är styrbara så ingår arbetstakterna alltid i 4-taktscykler. Men om både inlopps- och utloppsventiler är styrbara ventiler så kan styrsystemet inrättas att, vid givna betingelser, växla mellan 4-taktscykler och 2-taktscykler för cylindrarna hos motom. Exempelvis kan en cylinder arbeta i 2-takt och en annan i 4-takt. Maximalt 525 773 n 4 | n » - » » . . . .n 7 vridmoment erhålls om varje cylinder arbetar i 2-takt varje varv, d v s inga tomma tak- ter förekommer. Teoretiskt är 2-taktscykler mest ekonomiska och om så skulle vara även i praktiken behövs endast 4-taktscykelns insugstakt vid start. Styrsystemet kan inrättas att beräkna om, och under vilka betingelser, 2-taktscykel eller 4-taktscykel är mest ekonomisk och därefter välja den aktuella att genomföras i en viss frekvens.

Styrmetoden inkluderar alltså styrning av motoms arbetscykler till 2-takt eller, om fler cylindrar och/eller, 4-takt baserat på dessa givna betingelser. Styrsystemet innefattar en styrenhet som inkluderar datorprogram för ändamålet anordnat i en databärare.

Styrenheten är operativt förbunden med en krets för exempelvis pneumatisk, hydrau- lisk, elektromagnetisk, eller annan typ av aktivering av åtminstone inloppsventilerna men i förekommande fall även utloppsventilerna. Styrenheten kan exempelvis vara anordnad att med elektriska signaler styra magnetventiler som är anordnade i kretsen för aktivering av motoms inloppsventiler eller motoms inloppsventiler och utlopps- ventiler. Styrenheten är operativt förbunden med organ för vridmomentorder, exem- pelvis en gaspedal via vilken en förare ger order om önskad ökning eller minskning av motoms vridmoment. Styrsystemet för frekvensmodulerat vridmoment kan utgöras av ett delsystem, exempelvis ett ekonomiläge, i ett större styrsystem som även kan ge ak- tuell motor helt andra egenskaper.

Det finns stora fördelar vid gnisttända motorer där gaspådraget idag regleras med trottel. Vid trottelreglering är inte kompressionsförhållandet optimalt vid andra tillfällen än vid stort gaspådrag. Trottelreglering ger strypförluster. Reglering med styrbara inloppsventiler ger också strypförluster även om de är betydligt mindre än vid trottelreglering. Tillämpning av föreliggande uppfinning innebär att strypförluster or- sakade av trottel inte förekommer och att strypförluster vid användning av styrbara inloppsventiler minimeras. Dieselmotorer har inte trottelreglering och därför är förde- larna med uppfinningen mindre, men känt är att bränsleutnyttjande kan förbättras vid tidig stängning av inloppsventilerna. Bildande av förhållandevis höga halter av kväve- oxider samt sot är kända problem vid dieselmotordrift. Föreliggande uppfinning ger möjlighet att variera vridmomentet för dieselmotorer genom att, speciellt vid tomgång och låga laster, upprepa en driftinställning som ger god verkningsgrad samtidigt som 525 775 o--n 8 bildande av sot och kväveoxider minimeras, vilket är en påtaglig fördel. Fördelama med uppfinningen vid dieselmotordrift blir större om turboaggregatet är försett med variabel geometri, kallad VGT. Homogenous Combustion Compression Ignition, be- nämnd HCCI, är en förbränningscykel med hög verkningsgrad och andra miljöför- delar, men med låg effekttäthet. Ett problem med HCCI uppstår då varierande behov av vridmoment skall tillgodoses. Man har ännu inte funnit någon styrmetod där nämn- da fördelar kan behållas vid varierande last. Uppfinningen innebär dock en styrmetod för att variera lasten och behålla fördelama vid HCCI. Emellertid blir fördelarna med uppfinningen större om HCCI-motom är försedd med avgasåterföring, s k EGR, vilket medger kraftigt ökad effekttäthet. Föreliggande uppfinning är således av stort värde vid förbränningscykeln HCCI.

Vid applicering av uppfinningen i ett fordon med traditionell drivlina kan fram- förandet tänkas komma att uppfattas som rycki gt vid låg hastighet. För att undvika detta kan styrsystemet ställas in för att exempelvis, vid underskridande av en viss has- tighet eller ett visst motorvarvtal, styra motom till att övergå från optimala arbetstakter till semioptimala arbetstakter för att öka eller bibehålla frekvensen av arbetstakter.

Dock är detta inte något problem med växellådan eller transmissionen i friläge. Ett system med hydraulisk drivlina skulle också innebära att nämnda problem uteblir. I ett sådant kan en motor med uppfinningen applicerad pumpa hydraulolja till ett energi- lager varvid ojämn gång vid låga varvtal blir utan betydelse. Fordonet drivs genom jämn avtappning från energilagret.

Ju lägre lastuttag desto större bränslebesparing och övriga miljöfördelar erhålls med frekvensmodulerat vridmoment. En motor och dess styrsystem kan konstrueras för att täcka in hela motorns driftområde med olika frekvenser av optimala och semi- optimala arbetstakter som enda styrmetod. Detta skulle bli en motor med mycket god bränsleekonomi inom hela sitt arbetsområde Utan att uppfinningen frångås kan enbart luft, eller bränsle och luft, tillföras och finnas inneslutet i cylindern under ett eller fler varv för att exempelvis förbättra bland- ning och/eller förgasning av bränsle. Uppfinningen frångås inte genom att arbetstakter inte är optimala, eller genom att inte bästa frekvens väljs. 523 773 o . - « ~ . Q ~ » . . -n KORT FIGURBESKRIVNING Fig 1 är en exemplifierande schematisk bild som visar en cylinder med kolv 1. Kolven är under rörelse i en insugstakt i en 4-taktscykel och luft strömmar tillsam- mans med bränsle genom den öppna inloppsventilen 2. Inloppsventilen 2 och den stängda utloppsventilen 3 utgörs av styrbara ventiler. En krets 4 används för aktivering av ventilerna. En styrenhet 5 är operativt förbunden med kretsen 4 för si gnalstyrning av kretsen och de med kretsen förbundna ventilerna. Ett organ 6, t ex gaspedal, är ope- rativt kopplad till styrenheten 5 för vridmomentordergivning. En givare 7, vid en på motoraxeln 8 monterad gradskiva 9, operativt förbunden med styrenheten 5, ger lö- pande upp gifter till styrenheten om motorvarv och kolvens läge i cylindern l. Styren- heten 5 avgör när de styrbara ventilema skall öppna eller stänga och därmed frekven- S611 .

Claims (7)

10 15 20 25 523 773 10 PATENTKRAV

1. Styrmetod för modulering av vridmoment i en intemförbränningsmotor med meka- nisk kraftöverföring och med pneumatiskt, hydrauliskt eller elektromagnetiskt aktiver- bara, styrbara ventiler som öppnas och stängs baserat på signal från ett styrsystem, vid vilken ett behov av vridmoment i för stunden aktuell driftsituation tillgodoses genom val av den frekvens med vilken arbetstakter genomförs genom styrning av antalet ar- betstakter i förhållande till antalet tomma takter, kännetecknad av att arbetstakterna ingår i 2-taktscykler eller 4-taktscykler och att en eller fler 2-taktscykler altemeras med en eller fler 4-taktscykler.

2. Styrmetod enligt patentkrav 1, kännetecknad av att motom innefattar flera cylindrar och att frekvensen av arbetstakter väljs olika för respektive cylinder.

3. Styrmetod enligt något av ovanstående patentkrav, kännetecknad av att arbetstak- tema är optimala.

4. Styrmetod enligt något av ovanstående patentkrav, kännetecknad av att vid varje arbetstakt skall, vid ett visst motorvarvtal, i huvudsak lika stora massor av luft och bränsle, och i huvudsak lika blandning av luft och bränsle, som i övri ga arbetstakter, antändas.

5. Styrmetod enligt något av ovanstående patentkrav, kännetecknad av att avgasemas sammansättning av olika kemiska föreningar blir, i huvudsak, densamma.

6. Styrmetod enligt något av kraven l, 2, 3, 4, kännetecknad av att det är frekvensen av arbetstakter vid ett visst motorvarvtal som avgör hur stort vridmomentet blir. 523 775 - , - . - ~ - ~ - . - -o 11

7. Styrmetod enligt något av patentkrav 1-6, kännetecknad av att den innefattar an- vändning av ett datorprogram som, genom si gnalstyming baserat på vridmomentorder från en förare, väljer frekvens av arbetstakter.