SE524802C2 - Styrmetod för modulering av vridmoment i en kolvförbränningsmotor - Google Patents

Description

)40 '::°É45 ..

.H55 . . . 524 802 . | ø - -n SYFTET MED UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att genom en ny styrrnetod för modulering av vridmoment i en kolvförbränningsmotor, med varierbar volym på kompressionsrummet och med styrbara ventiler, lösa nämnda problem och ge nämnda fördelar.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Syftet med uppfinningen uppnås genom en stynnetod för modulering av vridmomentet i en kolvförbränningsmotor innefattande varierbar volym på kompressionsrummet och styrbara ventiler för inlopp och i förekommande fall utlopp, kännetecknad av att behov av vridmoment i för stunden aktuell drifisituation tillgodoses genom val av kompressionsrummets volym i kombination med val av tider för öppning och stängning av ventiler för inlopp och i kombination med val av den frekvens med vilken arbetstakter genomförs. Övriga kännetecken 'framgår av följande beskrivning och av patentkraven.

Med varierbar volym på kompressionsrummet, VCR ovan, menas att volymen, mellan kolven och cylindertaket vid kolvens övre vändläge, kan varieras.

Styrbara ventiler, VVA ovan, definieras här som ventiler vars öppnings- och stängningstider samt ventillyft, eller area, styrs med hjälp av ventilaktuatorer som aktiveras genom signaler flån ett ventilstyrsystem. Styrbara ventiler har pneumatiskt, hydrauliskt, elektromagnetiskt, eller på annat sätt, aktiverade ventilaktuatorer.

Arbetstakt definieras här som att energin i en efter förbrärming expanderande gasmassa omvandlas till mekaniskt arbete. Arbetstakter kan ingå i cykler som är optimala eller normala som i dagens motorer.

Tom takt definieras här som att ingen gasväxling, lufttillförsel, eller förbränning har skett och att därför inget positivt nettoarbete utförs. Detta ger minimala fiiktions- och värineförluster. Vid genomförande av en tom takt pumpas inte lufi, eller luft och rester av bränsle, genom motom. En tom takt förutsätter 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 lOO procent av motoms aktuella 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 motorvarv. Gaspådraget registreras av givare som får styrsystemet att välja den frekvens med vilken arbetstaktema genomförs.

En optimal arbetstakt definieras här som att det nettoarbete som utförs, med hänsyn till rådande ekonomiska och miljömässiga samt i övrigt praktiska omständigheter, är så stort som möjligt i förhållande till för arbetet förbrukad bränslemassa. Genom att tillgodose i för stunden aktuellt behov av vridmoment med en fiekvens av optimala arbetstakter uppnås bästa driftekonomi.

En optimal arbetstakt innebär vid 4-taktsförfarande att inloppsventiler bringas stänga tidigt, Millercykel, i förhållande till vad som är vanligt i dagens motorer och att lÛ l5 40 -::*É45 iïä . ,. ...55 .. ., . 524 802 . Q o - .o utloppsventiler kan bringas öppna sent, jämför med Atkinsoncykel, i förhållande till vad som är vanligt. Volymen på kompressionsrummet väljs för att nå bästa resultat under aktuella bivillkor vilket innebär att kompressionsrummets volym utgör mellan % - 80 % av dess maximala volym och företrädesvis mellan 30 % - 50 % av dess maximala volym.

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 2-taktsförfarande skiljer sig från en optimal arbetstakt vid 4-taktsförfarande genom att det cylindertryck som existerar när utloppsventilema 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 utloppsventilemas 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 Z-taktsförfarande kan spolpump användas för att helt, eller delvis och då i kombination med undertryck i cylindern, utnyttjas för gasväxlingen.

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 existerar. Bränslen som bensin och etanol är exempel på en kombination. Vid varje motorvarvtal finns det en optimal arbetstakt för bensin och en annan optimal arbetstakt för etanol.

Uppfinningen innebär att systemen för tillförsel av lufi och bränsle är inställda så att vid varje arbetstakt skall, vid ett visst motorvarvtal, lika stora massor av lufi 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 förutsättningama inför förbränning således är återkommande och hela tiden desamma, blir följden att varje arbetstakt vid ett givet motorvarvtal åstadkommer lika mycket arbete, och att avgasemas sammansättning av olika kemiska föreningar blir densamma, vilket förbättrar möjlighetema till avgasrening.

I vanliga 4-takts kolvförbränningsmotorer sker, under motoms arbete, förbränning 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 motom, vilket kräver motorarbete och belastar miljön. 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, och i förekommande fall ventillyfi, styrs via ett digitalt styrsystem, med givare för t ex 40 . .. .. "50 ..

.. .. , . H55 . . 524 802 vevaxelläge och/eller kolvläge och motorvarvtal samt med tillhörande elektronik, eller framtida elektronikersättande teknik, och programvara, kan gasväxling och arbetstakt genomföras enbart vid behov. I övrigt hålls ventilema, åtminstone inloppsventilema, 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 tillgodoser det aktuella behovet av vridmoment.

Styrmetoden innebär att ett digitalt styrsystem känner av ett visst och för stunden aktuellt behov av vridmoment. Om detta behov ligger inom det område som kan tillgodoses med genomförande av optimala arbetstakter, företrädesvis från och med tomgång till och med 50 % last, så väljs en viss frekvens av arbetstakter, den som avses tillgodose det aktuella behovet, av styrsystemet. Arbetstaktema 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.

Med styrbara ventiler kan tillförsel av lufi och bränsle och bortförande av avgaser, 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 Z-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 inloppsventilema är styrbara, men inte utloppsventilema, 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 förhållande mellan antal arbetstakter i förhållande till antal tomma takter hos motorn baserat på det vridmoment som önskas. Därvid är arbetstaktema optimerade, enligt ovanstående definition, genom att Styrsystemet också är anordnat att välja volymen på kompressionsrummet, inom det område som är reglerbart, och den lufimassa som tillförs genom val av tidpunkt för öppning och stängning av inloppsventiler samt i förekommande fall ventillyft.

Styming 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 inloppsventiler, 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. Om utloppsventilema 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 cylindrama hos motom. Exempelvis kan en cylinder arbeta i 2-takt och en annan i 4-takt. Styrsystemet kan inrättas att beräkna om, och under vilka betingelser, 2-taktscykel eller 4-taktscykel är mest ekonomisk och 40 a vn: i u a s i»a n a a i »a a I I ...S5 . . . , .. 524 802 « | n - v; därefter välja den aktuella att genomföras i en viss frekvens. Styrrnetoden inkluderar alltså styming av motoms arbetscykler till 2-taktscykler eller, om fler cylindrar och/eller, 4-taktscykler 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, hydraulisk, elektromagnetisk, eller annan typ, aktivering av aktuatorer som verkar på åtminstone inloppsventilema, men i förekommande fall även utloppsventilema.

Styrenheten kan exempelvis vara anordnad att med elektriska signaler styra magnetventiler som är anordnade i kretsen för aktivering av aktuatorer som verkar på motoms inloppsventiler eller motoms inloppsventiler och utloppsventiler. Styrenheten är operativt förbunden med organ för vridmomentorder, exempelvis en gaspedal via vilken en förare ger order om önskad ökning eller minskning av motoms vridmoment.

Styrsystemet for frekvensmodulerat vridmoment kan utgöras av ett delsystem, exempelvis ett ekonomiläge, i ett större styrsystem som även kan ge aktuell motor helt andra egenskaper.

Ju lägre lastuttag desto större relativ bränslebesparing och övriga miljöfördelar erhålls vid tillämpning av uppfinningen. En motor och dess styrsystem kan konstrueras för att täcka in motoms hela arbetsområde med olika frekvenser av optimala arbetstakter som enda styrrnetod.

Utan att uppfinningen frångås kan enbart luft, eller bränsle och lufi, tillföras och finnas inneslutet i cylindem under ett eller fler varv för att exempelvis förbättra blandning och/eller förgasning av bränsle. Uppfmningen frångås inte genom att arbetstakter inte är optimala, eller genom att inte bästa frekvens väljs.

KORT F IGURBESKRIVNING F ig 1 är en exemplifierande schematisk bild som visar en cylinder 1 med en kolv 2. Kolven 2 är under rörelse i en insugstakt i en 4-taktscykel och lufi strömmar, eventuellt tillsammans med bränsle, genom en öppen inloppsventil 3. En utloppsventil 4 är stängd. En kolv 5 används för att variera storleken på kompressionsrummet 6 som utgörs av volymen mellan kolven 2 och cylindems 1 tak vid kolvens 2 övre vändläge.

En krets 7 används för aktivering av aktuatorer till ventilema 3 och 4 samt kolven 5.

En styrenhet 8 är operativt förbunden med kretsen 7 för signalstyming av kretsen och de med kretsen förbundna ventilema 3 och 4 samt kolven 5. Ett organ 9, t ex gaspedal, är operativt kopplad till styrenheten 8 för vridmomentordergivning. En givare 10, vid en på motoraxeln ll monterad gradskiva 12, operativt förbunden med styrenheten 8, ger löpande uppgifter till styrenheten om motorvarv och vevaxelläget och/eller kolvens läge i cylindem 1. Styrenheten 8 avgör när de styrbara ventilema 3 och 4 skall öppna eller stänga samt i vilken position kolven 5 skall befinna sig då kolven 2 är i sitt övre vändläge. De styrbara ventilema 3 och 4 är exempelvis elektromagnetiskt, hydrauliskt eller pneumatiskt aktiverbara. Kolven 5 är exempelvis mekaniskt, hydrauliskt eller pneumatiskt flyttbar. Kolvens 5 kan vara kopplad till motoraxeln, ej visat i figur, och i en varierbar fram och återgående rörelse vara samordnad med kolvens 2 rörelse för att åstadkomma optimal kompression. Kolven 5 kan även tänkas att i ett automatiskt reglersystem kontinuerligt söka ett läge för att åstadkomma optimal kompression.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 .. . . . . . . . .. n en. nu PATENTKRAV

1. Styrmetod för modulering av vridmomentet i en kolvförbränningsmotor, vilken har en varierbar volym på kompressionsrummet (6) och styrbara inloppsventiler (3) och styrbara utloppsventiler (4), kännetecknad av att ett behov av vridmoment i för stun- den aktuell driftsituation tillgodoses genom val av kompressionsrummets (6) volym i kombination med val av tider för öppning och stängning av inloppsventilema (3) och i kombination med val av den frekvens med vilken arbetstakter genomförs.

2. Styrmetod enligt patentkrav l, kännetecknad av att - maximal kompressionsvolym används vid maximal last, - kompressionsvolymen minskas vid minskande last samtidigt som inloppsventilemas (3) stängning tidigareläggs, och -valet av frekvens av arbetstakter sker först vid fortsatt minskad last.

3. Styrmetod enligt patentkrav l eller 2, kännetecknad av att valet av frekvens av arbetstakter sker från och med tomgång till och med 50 % av maximal last.

4. Styrmetod enligt något av patentkraven 1-3 kännetecknad av att kompressions- rummets (6) volym väljs i kombination med val av tider för öppning och stängning av både inloppsventilerna (3) och utloppsventilema (4) och i kombination med val av den frekvens med vilken arbetstakter genomförs.

5. Styrmetod enligt patentkrav 1 kännetecknad av att motorn har flera cylindrar (1) och att olika frekvens av arbetstakter kan väljas för respektive cylinder (l).

6. Styrmetod enligt något av ovanstående patentkrav kännetecknad av att arbetstak- tema ingår i cykler med tidig stängning av inloppsventilema (3).

7. Styrmetod enligt något av ovanstående patentkrav kännetecknad av att arbetstak- tema ingår i cykler med sen öppning av utloppsventilema (4).

8. Styrmetod enligt något av ovanstående patentkrav kännetecknad av att volymen på kompressionsrummet (6) utgör mellan 20 % - 80 % av dess maximala volym.

9. Styrrnetod enligt patentkrav l - 7 kännetecknad av att kompressionsrummets (6) volym utgör mellan 30 % - 50 % av dess maximala volym.

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

11. ll. Styrmetod enligt något av ovanstående patentkrav kännetecknad av att arbetstak- tema ingår i 2-taktscykler eller 4-taktscykler. 10 15 | u v I q | - u | o u n v o; 524 802

12. Styrmetod enligt patentkrav 1, kännetecknad av att den innefattar styrsystem (8) med datorprogram som, genom signalstyming baserat på vridmomentorder från en fo'- rare, väljer frekvens, ventiltider, ventillyft, kompressionsrummets (6) volym och om arbetstakterna skall ingå i 2-taktscykler eller 4-taktscykler.