SE524223C2 - Metod för styrning av internförbränningsmotor med expansionstakt samt förbränningsmotor - Google Patents

Description

|1»;, .

Olika varianter av vatteninsprutning i intemförbränningsmotorer har prövats.

Dels har avsikten varit att sänka förbränningstemperaturen för att minska bil- dandet av kväveoxider och dels har avsikten varit att minska kylförlusterna för att istället erhålla mer utfört arbete. Vidare har försök gjorts med insprutning av högtrycksvattenänga i samband med förbränningen. Högtrycksångan har fram- ställts genom förångning av vatten med hjälp av heta avgaser. Försöken har vi- sat att bildande av kväveoxider minskar vid användning av vatten / vattenånga.

Vidare har förbättrad verkningsgrad påvisats. Ett problem som begränsat be- rörda försök år att vid insprutning av vatten/vattenånga åtgår stor energi, efter- som insprutning sker i samband med avslutad kompressionstakt och / eller på- gående förbränning, då cylindertrycket är högt. Ett annat problem som varit begränsande är att riklig vattenförekomst, med stor kyleffekt vid förångningen, påverkat förbränningen med oönskad stegring av oförbrända kolväten som följd.

De positiva effekterna har inte uppvägt nämnda nackdelar.

Föreliggande uppfinning innebär att nämnda problem inte förekommer och vär- me som normalt förs bort via cylinderkylning och avgaser omvandlas i påtaglig grad till arbete.

SYFTET MED UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att undgå nämnda problem och att till ar- bete i påtaglig omfattning omvandla värme, som i dagens motorer förs bort via cylinderkylning och avgaser.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppñnningens syfte tillgodoses med en metod för styrning av internförbrån- ningsmotorer med styrbara ventiler, för att till arbete omvandla värme som vid förbränning genereras i cylindern och i avgaser , kännetecknad av att arbets- takter baserade på i huvudsak expanderande förbränningsgaser alterneras med arbetstakter baserade på i huvudsak expanderande vattenånga. any;- Syftet med uppfinningen uppnås också medelst en förbrånningsmotor, av det inledningsvis definierade slaget, kännetecknad av att den innefattar medel för insprutning av vatten eller vattenånga i förbränningsrummet och att styrsyste- met är anordnat att styra inlopps- och utloppsventilerna och medlen för vatten- eller vattenångeinsprutning så, att arbetstakter baserade på i huvudsak expan- derande förbränningsgaser alterneras med arbetstakter baserade på i huvudsak expanderande vattenånga.

Dessutom avser uppfinningen en datorprogramprodukt lagrad på ett låsbart datorprogrammedium, för implementering av metoden enligt uppfinningen på en förbränningsmotor enligt uppfinningen.

Arbetstakter baserade på i huvudsak expanderande vattenånga kännetecknas av att vatten och/ eller vattenånga tillförs förbränningsrummet i samband med att evakueringstakten avslutas och kolven når sitt övre vändlâge.

Uppfinningens övriga kännetecken framgår av redogörelsen och patentkraven.

Med styrbara ventiler avses ventiler till en motorcylinders förbränningsrum som kan öppnas och stängas t.ex. genom påverkan medelst en tryckfluid baserat på signaler från ett datorprogrambaserat, företrädesvis elektroniskt styrsystem.

Arbetstakt deñnieras här som att energin i en expanderande gasmassa om- vandlas till mekaniskt arbete. Gasmassan utgörs enligt uppfinningen antingen i huvudsak av förbränningsgaser eller i huvudsak av vattenånga.

Med evakueringstakt avses att exempelvis en kolv, efter en arbetstakt, under sin väg från nedre vändlåget mot övre vändläget trycker ut den gasmassa som ex- panderat under arbetstakten genom utloppsventilerna.

Anledningen till att styrbara ventiler är en nödvändig förutsättning år att ar- betstakter baserade på i huvudsak expanderande förbränningsgaser skall alter- - snus -non ~» u o u u 0 n - p 0 0 en u oas: Q 524 223 ïö” 4 neras med arbetstakter baserade på i huvudsak expansion av vattenånga. De förstnämnda arbetstakterna benämns i fortsättningen förbränningstakter och de sistnämnda benämns ångexpansionstakter. I dagens kolvförbränníngsmoto- rer, som utgör exempel för denna beskrivning, öppnar inloppsventilerna och stänger utloppsventilema i anslutning till evakueringstaktens slut. Då styrsy- stemet ger signal om att vatten och/ eller vattenånga skall tillföras förbrånnings- rummet för genomförande av en ångexpansionstakt skall inloppsventilema för ordinarie lufttillförsel inte öppnas, utan hållas stängda, efter evakueringstak- tens slut. Då vatten och / eller vattenånga tillförs är således både utloppsventiler och inloppsventiler stängda och cylindertrycket lågt. Vid tillförsel av vatten är avsikten att detta skall förångas av den värme som finns tillgänglig via kolvtop- pens och förbrânningsrummets övriga heta ytor. Vid förångningen kyls de heta ytorna samtidigt som ett ångtryck byggs upp i anslutning till att en ångexpan- sionstakt skall inledas. Då vattenånga tillförs har den skapats genom att för- ånga vatten medelst den värme som finns i avgaserna. Vid tillförseln är vatten- ångan trycksatt. Både efter tillförsel av vatten och efter tillförsel av vattenånga kommer vattenånga att expandera och utföra arbete under kolvens väg mot sitt nedre vändläge. Vid kolvens nedre vändläge öppnas utloppsventilerna efter sig- nal från styrsystemet och evakueringstakten för vattenånga inleds. Då styrsy- stemet ger signal om att en förbränningstakt skall genomföras styrs inlopps- ventilerna att öppna som vanligt vid evakueringstaktens slut.

En ångexpansionstakt innebär här en arbetstakt i ett tvåtaktsförfarande, utan förbränning, där vatten och/ eller vattenånga tillförs i anslutning till kolvens övre vändläge och avslutning av en evakueringstakt. Tillförseln sker genom för ändamålet avsedda insprutningsventiler som Öppnar för insprutning väsentligen samtidigt med eller efter att utloppsventilerna stänger respektive har stängt. I detta läge är cylindertrycket relativt lågt vilket år en påtaglig fördel i jämförelse med de försök som berörts ovan i bakgrundsbeskrivningen. Vattnet tillförs för att via förångning kyla de av förbrånningsgaser upphettade ytor som omgärdar förbränningsrummet och för att samtidigt alstra vattenånga av högt tryck. Vat- tenånga av högt tryck skapas också genom att förånga vatten på avgasvärme som annars går ut i atmosfären. Vattenånga respektive vatten kan tillföras vid supa; en f o nooooo o -uoooo oo o oo-o oo 524 223 ršfv* wo o v oo ouoo u separata tillfällen, som beskrivits ovan, men också inför samma arbetstakt.

Detta innebär att enbart vatten kan tillföras inför (före) och/ eller under arbets- takten eller enbart vattenånga kan tillföras inför och/ eller under arbetstakten eller både vatten och vattenånga kan tillföras inför och/ eller under arbetstak- ten. Via expanderande vattenånga alstras indikerat arbete på kolvens väg mot sitt nedre vändläge. Genom alternering med ångexpansionstakter erhålls en påtagligt förhöjd verkningsgrad. En motor kan totalkylas via ångexpansions- takter, baserade på insprutning av vatten i förbränningsrummet, som i lämplig omfattning altemeras med förbränningstakter. Styrsystemet avgör i vilken om- fattning ångexpansionstakter baserade på insprutning av vatten skall ske.

Ottomotorns förluster är via cylinder-kylning omkring 30% och ungefär lika stor andel går bort via avgaser. För dieselmotorn är förlusterna mindre men tillräck- ligt stora för att uppfinningen skall medföra en påtagligt förhöjd verkningsgrad. Även övriga internförbränningsmotorer har värmeförluster av motsvarande storlek.

En motors cylindrar kan således isoleras utvändigt för att uppnå större behov av intern kylning via här beskriven insprutning av vatten i förbränningsrummet.

Ju effektivare isolering desto mer värme finns tillgänglig för vattenförängning på de ytor som omgärdar förbränningsrummet. Emellertid begränsas möjligheterna till att uthålligt ta ut maximal effekt ur motorn vid detta förfarande. Men även behållande av ett kylsystem av traditionellt slag innebär i kombination med uppfinningen påtagliga fördelar vad gäller verkningsgrad.

En motors avgassystem kan med fördel isoleras utvändigt för att uppnå större kapacitet för framställning av vattenånga av högt tryck. Ju effektivare isolering desto mer avgasvärme finns tillgänglig för vattenförångning. Vid mobila tillämp- ningar av uppfinningen är det en stor fördel om vattnet i avgaserna återvinns.

Det är frågan om stora mängder vatten som då skall kondenseras ut i en vär- meväxlare i avgassystemet. Detta vatten kommer att ha samlat upp föroreningar som exempelvis sot och andra förekommande partiklar. Vattnet, som utgör en påtagligt effektiv partikelfälla, filtreras innan det används för ånggenerering eller 524 223 ;wëaæë:.:a@t»» sprutas in i förbränningsrummet. Efter utkondensering av vatten år avgaserna påtagligt rena och kan med fördel recirkuleras i lämplig omfattning, även be- nämnt EGR.

Vatteninsprutning i samband med förbränning är som nämnts beprövat. I före- liggande uppfinning tillförs vatten och/ eller högtrycksvattenånga utan samband med förbränning. Förbränningen påverkas således inte av stora mängder tillfört vatten, som vid beskrivna försök, vilket är en påtaglig fördel i ansträngningarna att undvika oförbrända kolväten. I en flercylindrig motor kan arbetstakt baserad på expanderande förbränningsgaser pågå i en cylinder samtidigt som arbetstakt baserad på expanderande vattenånga pågår i en annan cylinder.

Vid insprutning av vatten är det önskvärt att vattnet börjar förångas så fort som möjligt för att uppnå så stort ångtryck som möjligt vid arbetstaktens början. För att förkorta tiden till att förångning inleds kan vattnets temperatur redan vid tillförseln vara anpassad så att förångning påbörjas omedelbart utan att någon ytterligare väsentlig uppvärmning av vatten behövs. Under förångningen stiger cylindertrycket på grund av ångbildningen varvid nödvändig temperatur för fort- satt förångning också stiger. Förångningen sker genom att värme upptas från de ytor som omgärdar förbränningsrummet. Denna värme har ackumulerats, i det material till vilket aktuella ytor hör, vid föregående förbränningscykler. Vid en viss trycknivå har ackumulerad värme omvandlats till vattenånga i sådan om- fattning att, om det finns mer vatten, förångning upphör. Mängden tillfört vatten skall anpassas så att god kylning uppnås utan att vätska ackumuleras i mo- tom.

Vattenånga, genererad av avgasvårme, kan vara av relativt högt tryck och hög temperatur. Exempel på tryck- och temperatumivåer âr 100 till 150 bar och 300 till 350 grader Celsius. Vid dessa nivåer blir bidraget till motorarbete på- tagligt stort. Under drift skall styrsystemet bl.a. övervaka behovet av motorar- bete och behovet av kylning samt tillgängliga kvantiteter av högtrycksvatten- ånga och vatten. Styrsystemet ser till att förbränningstakter alterneras med nödvändiga ångexpansionstakter baserade på insprutning av vatten i förbrän- øz>an 524 223 7 ningsrummen för att uppnå tillräcklig kylning av kolvar och cylindrar. Vidare ser styrsystemet till att ångexpansionstakter baserade på högtrycksvattenånga från avgasvärme utnyttjas då det är lämpligt.

Anordningen enligt uppfinningen innefattar en eller flera sensorer för mätning av cylindertemperatur, och baserat på information från dessa avgör styrsyste- met när ångexpansionstakt baserad på tillförsel av vatten i förbränningsrummet skall ske, och vilken mängd vatten som skall tillföras, varefter beordring av vat- teninsprutning sker via styrsignal. Via sensorer för tryck i högtrycksvattenånga bestämmer styrsystemet när, och med vilken mängd, högtrycksvattenånga skall tillföras förbränningsrummet, samt beordrar vattenånginsprutning via styrsig- nal. Högtrycksvattenångan tillförs med fördel då dess tryck har nått en sådan nivå att utfört arbete vid ångexpansionstakten i huvudsak blir lika stort som vid övriga aktuella arbetstakter, då detta innebär att exempelvis en fordonsförare inte kommer att uppfatta någon variation i motorns arbete. Styrsystemet alter- nerar optimalt förbränningstakter med beskrivna ångexpansionstakter.

En ångexpansionstakt kan även tänkas genomföras efter en blandning av de två nämnda förfarandena. Detta innebär inte att uppfinningen frångås. Inte heller frångås uppfinningen genom att vatten får förångas på ytor som utvändigt om- gårdar förbränningsrummet eller att detta sker i kombination med det ovan be- skrivna förfarandet.

FIGURBESKRIVNING Ett föredraget utföringsexempel på uppfinningen ska nedan beskrivas med hän- visning till ritningen, på vilken; Fig. 1 är ett schematiskt tvärsnitt av en del av en förbränningsmotor enligt upp- ñnningen. 524 222, ~- 8 BESKRIVNING AV ETT UTFÖRINGSEXEMPEL Fig. 1 är en exempliñerande schematisk bild av en anordning enligt uppfinning- en som visar en cylinder 1 med kolv 16. Anordningen innefattar en inloppsventil 2 och en utloppsventil 3 som utgörs av styrbara ventiler, som båda för ögon- blicket är stängda efter en just avslutad evakueringstakt. Kolven 16 har nått sitt övre våndläge. Vatten har tillförts förbrånningsrummet 15, via insprutnings- ventilen 10, för att kyla de ytor som omgårdar förbränningsrummet 15, och för- ångning med tryckstegring pågår inför en ångexpansionstakt. En krets 4 an- vänds för aktivering av ventilerna 2 och 3. En styrenhet 5 är operativt förbun- den med kretsen 4 för signalstyrning av kretsen och de med kretsen förbundna ventilerna 2 och 3. Ett organ 6, t ex gaspedal, är operativt kopplad till styren- heten 5 för vridmomentordergivning. En givare 7, vid en på motoraxeln 8 mon- terad gradskiva 9, operativt förbunden med styrenheten 5, ger löpande uppgifter till styrenheten 5 om motorvarv och kolvens 16 läge i cylindern 1. Styrenheten 5 avgör när de styrbara ventilerna 2 och 3 skall öppna eller stänga. En tryckfluid- krets 11, operativt förbunden med styrenheten 5, används för att aktivera ett medel i form av en insprutningsventil 10 för tillförsel av vatten eller vattenånga till förbrånningsrummet 15. Ett återföringsorgan 14 används för att återföra vattenånga, för insprutning via insprutningsventilen 10. I en ånggenerator, kopplad till avgassystemet, med tryckgivare 13, operativt kopplad till styrenhe- ten 5, sker förångning av vatten, som via återföringsorganet 14, på signal från styrenheten 5 till kretsen 11, som aktiverar insprutningsventilen 10, tillförs för- bränningsrummet 15. En temperaturgivare 12, operativt kopplad till styrenhe- ten 5, ger styrenheten 5 information om aktuell cylindertemperatur. Styrenhe- ten 5 använder informationen om cylindertemperatur för att avgöra när kretsen 4 skall beordras att stänga ventilema 2 och 3, och när kretsen 11 skall beordras för att aktivera insprutningsventilen 10 för insprutning av vatten i förbrånnings- rummet 15. Allt vatten och all vattenånga som används blandas med avgaser och förs till avgassystemet. I en värmeväxlare 17, operativt kopplad till styren- heten 5, nedströms ånggeneratom i avgassystemet återvinns via kondensering, luftkylning av avgaserna, den mängd vatten som behövs. Detta vatten, konden- satet, renas i ett partikelñlter 21, här placerat i värmevåxlaren 17, innan det av - en ø . - ø n u v o I » o u s . . 524 223 n.. .n 9 används. Det gäller dels vatten för kylning av de ytor som omgärdar förbrän- ningsrummet invändigt, och dels vatten som skall omvandlas till vattenånga via avgasvärme. Vatten för insprutning i förbränningsrummet förs via återförings- organet 18 till kretsen 1 1. Från värmeväfclaren 17 förs vatten till ånggeneratorn med tryckgivare 13. Insprutningsventilen 10 kan vara uppdelad i två separata ventiler, en för vatten och en för vattenånga. Den kan också i en Ottomotor vara sammanbyggd med tändstift och / eller bränsleinsprutningsventilen. I en diesel- motor kan den vara sammanbyggd med bränsleinsprutningsventilen. Via ett uppsamlingsorgan 19, operativt förbundet med styrenheten 5, uppsamlas avga- ser för att i lämplig mängd, via återföringsorganet 20 tillföras motorn. Detta be- nämns vanligen EGR. Förbindelsen mellan uppsamlingsorganet 19 och återfö- ríngsorganet 20 samt operativ koppling till styrenheten 5 är inte utritade på. bild.

Det ska inses att ett flertal varianter pä det ovan beskrivna utföringsexemplet pä en anordning och ett förfarande enligt uppfinningen kommer att vara uppenba- ra för en fackman inom området utan att därmed uppfinningens ram frångäs, såsom denna är definierad i de bifogade kraven, med stöd av beskrivningen och de bifogade ritningarna.

Det ska vidare poängteras att anordningen enligt uppfinningen lämpligen, men inte nödvändigtvis, innefattar samtliga ovan, i samband med beskrivningen av ett föredraget utföringsexempel angivna komponenter.

Claims (14)

10 15 20 25 30 524 223 10 Patentkrav

1. l. Metod för styrning av internförbränningsmotorer, vid vilken arbetstakter baserade på i huvudsak expanderande förbränningsgaser alterneras med ar- betstakter baserade på i huvudsak expanderande vattenånga för att till arbete omvandla värme som vid förbränning genereras i cylindern och i avgaser, varvid vatten och / eller vattenånga tillförs ett förbränningsrum (15) i anslutning till en evakueringstakts slut, kännetecknad av att motorn innefattar styrbara ventiler (2,3) som styrs baserat på ett datorprogrambaserat, elektroniskt styrsystem, och att inloppsventiler till förbränningsrummet (15) styrs att stänga som svar på att styrsystemet ger signal om att vatten/vattenånga ska tillföras förbrännings- rummet (15).

2. Metod enligt patentkrav 1, kännetecknad av att tillförsel av vatten kyler toppen hos en i en cylinder (1) anordnad, fram- och tillbakagàende kolv (16) och heta ytor som omgärdar förbränningsrummet (15) under det att vattnet förångas i kontakt med de heta ytorna.

3. Metod enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att tillförd vattenånga ge- nereras via förångning av vatten medelst avgasvärrne.

4. Metod enligt krav 3, kännetecknad av att temperaturen på till för- bränningsrummet (15) tillfört vatten anpassas för påbörjan av omedelbar för- ångning då det kommer in i förbränningsrummet eller då det kommer i kontakt med heta ytor i detta.

5. Metod enligt något av kraven 1-4, kännetecknad av att ett till motorn kopplat avgassystem är isolerat för att minska yttre kylning från omgivningen av avgaserna i detta.

6. Metod enligt något av kraven 1-5, kännetecknad av att motorns cylinder eller cylindrar (1) är isolerade för att minska yttre kylning av nämnda cylinder eller cylindrar (1). l0 l5 20 25 30 524 223 11

7. Metod enligt något av kraven 1-6, kännetecknad av att vatten som till- förs förbränningsrummet (15) eller används för generering av vattenånga filtre- ras från partiklar efter att det kondenserats från vattenånga i ett till motorn kopplat avgassystem.

8. Metod enligt något av kraven 1-7, kännetecknad av att den implemente- ras med hjälp av ett styrsystem (5) som innefattar ett datorprogram anordnat för att optimalt alternera förbränningstakter med ångexpansionstakter.

9. Metod enligt något av kraven 1-8, kännetecknad av att vissa av ångex- pansionstakterna väljs att huvudsakligen innefatta tillförsel av vatten i förbrän- ningsrummet (15) samt att övriga ångexpansionstakter väljs att huvudsakligen innefatta tillförsel av vattenånga i förbränningsrummet (15).

10. Metod enligt något av kraven 1-9, kännetecknad av att tillförsel av vat- ten eller vattenånga utförs i samband med avslutning av en evakueringstakt.

11. Metod enligt patentkrav 9, kännetecknad av att de ångexpansionstakter som huvudsakligen innefattar tillförsel av vatten utförs baserat på cylindervägg- temperaturen så ofta att en överhettning av motorns cylinder eller cylindrar (1) undviks.

12. Metod enligt krav 1 1, kännetecknad av att tillförsel av vattenånga utförs då ångtrycket är så högt att utfört arbete under ångexpansionstakten i huvud- sak blir lika stort som för övriga arbetstakter.

13. Förbrånningsmotor, innefattande åtminstone en cylinder (1), en i cylin- dern (1) anordnad, fram- och återgående kolv (16), ett av cylindern (1) och kol- ven (16) avgränsat förbrånningsrum (15), och ett elektroniskt styrsystem (5), och medel (10) för insprutning av vatten eller vattenånga i förbrånningsrummet (15) och att styrsystemet (5) år anordnat att styra medlen (10) för vatten- eller vattenånginsprutning så, att arbetstakter baserade på i huvudsak expanderan- 10 524 223 12 de förbränningsgaser alterneras med arbetstakter baserade på i huvudsak ex- panderande vattenånga, varvid vatten och / eller vattenånga tillförs förbrän- ningsrummet (15) i anslutning till en evakueringstakts slut, kännetecknad av att den innefattar av det elektroniska styrsystemet (5) styrda inlopps- och ut- loppsventiler (2,3) och att inloppsventilerna (2) till förbränningsrurnmet (15) är anordnade att stänga som svar på att styrsystemet (5) ger signal om att vat- ten/ vattenånga ska tillföras förbrånningsrummet (1 5).

14. Datorprogramprodukt lagrat på ett läsbart datorprogrammedium, för im- plementering av metoden enligt något av kraven l-l2 på en förbränningsmotor enligt krav 13.