SE529094C2 - 2-taktsmotor med variabel kompression - Google Patents

Description

25 30 5 lå ß oberoende av varvtalsberoende turbulens. Den snabba förbränningen är gynnsam för verkningsgraden, men ett problem för buller och max tillåten bränslemängd per förbränning. Normalt har därför en HCCI-motor lägre maxeffekt jämfört med en konventionell motor.

För att styra HCCI-förbränningen kan variabelt Kompressionsförhållande eller variabla ventiltider användas. Båda metodema medför en avsevärd fördyring om åtgårdema skall adderas till ett befintligt motorkoncept.

Ett annat problem med kolvmotorer är vibrationer. De störande vibrationerna har i princip två olika orsaker. De mest kända är vibrationema från accelerationen av kolven och medföljande del av vevstaken. Metoden för att eliminera denna vibration som har en kraftamplitud som är kvadratisk med varvtalet är att ha många cylindrar eller balansaxlar vid färre cylindrar än 6. En 4- cylindrig motor med dubbla motroterande balansaxlar äri princip helt utbalanserad för denna vibration.

Den andra typen av vibration är amplitudoberoende av varvtalet. Den beror på att vevaxelns 'svänghjul måste bromsas upp för att åstadkomma kompressionsarbetet vilket ger en momentamplitud på motorkroppen. Efter förbränningen kommer vevaxeln att accelereras under inflytande av det nyttiga arbetet som fås från förbränningsgasens expansion med ytterligare en momentimpuls på motorkroppen som resultat. Även här kan man mildra problemet med många cylindrar. Till skillnad mot kolvaccelerationsvibrationer går dessa vibrationer inte att eliminera hur många cylindrar man än har på en gemensam vevaxel. Dessa momentvibrationer försvårar drift med högt vridmoment på mycket låga varvtal. Detta driftfall är dock det mest energieffektiva vid lågt effektuttag.

Genom WO 88/05862 är tidigare känd en förbränningsmotor med motverkande cylindrar vilkas vevaxlar synkroniseras med hjälp av en fast kuggväxelkedja med två vevaxelkugghjul och två mellankugghjul på fixa lageraxlar. Kuggväxelkedjans ena vevaxelkugghjul är anordnat att vinkeländras i förhållande till dess vevaxel för omställning av dess fasläge via ett separat manöverorgan vilket är anordnat som en harmonisk växel, eller som en variabel splineskoppling eller som ett extra manöverdon för att ändra vinkelläget mellan två axlar mellan två koniska kuggväxlar. 10 15 20 25 529 094 Uppfinningens syfte Uppfinningens syfte är att på ett ekonomiskt sätt möjliggöra styrning av kompressionsförhållandet, samtidigt som det med endast en cylinder i stort sett kan eliminera båda vibrationsmodema som beskrivs ovan.

Motorkonfigurationen kan användas som ottomotor, med eller utan överladdning för att med kompressionsomställning alltid optimera verkningsgraden och undvika knackning.

Motorkonfigurationen kan användas som dieselmotor, med eller utan överladdning för att med kompressionsomställning, alltid möjliggöra start, alltid optimera verkningsgraden, anpassa motorn för olika cetantal och begränsa påfrestningarna.

Cetantalet kan mätas pà gående motor genom att mäta tändfördröjningen.

Motorkonfigurationen kan användas som HCCl-motor, med eller utan överladdning för att med kompressionsomställning styra tändtidpunkten.

Motorkonfigurationen kan användas som partiell HCCl-motor, med eller utan överladdning för att med kompressionsomställning styra tändtidpunkten och möjliggöra enkel modeshift till otto eller dieseldrift vid högre last.

För HCCI-drift finns möjlighet att spara restgaser på ett verkningsgradseffektivt sätt.

För HCCl-drift med högt effektuttag bör motorn lämpa sig för höga varvtal på grund av sin goda utbalansering, avsaknad av ventilsystem och gynnsamma spolsystem. I denna driftmode bör den snabba HCCl-förbränningen vid låga restgaser enbart vara av fördel.

Således bör motorn kunna erbjuda ett oslagbart stort driftområde med hög verkningsgrad. l ett hybrldfordon innebär detta att omvandlingsförlusterna för uppladdning och urladdning av batterier bör kunna hållas mycket lägre än för konventionella motorer, varvid fordonets bränsleekonomi kraftigt förbättras med det uppfunna motorkonceptet.

Kort beskrivning av ritningarna Fig. 1 visar ett snitt genom cylindern och visar detaljer hos avgasport och spolportar.

Fig. 2 visar synkroniseringsväxeln och ställdonet för kompressionsstyrning.

Fig. 3 visar synkroniseringsväxeln ställd för annan kompression jämfört med Fig. 2. 10 15 20 25 30 529 094 Beskrivning av uppfinningen Motom enligt uppfinningen är av typen motkolvsmotor, se Fig. 1. Motom har två vevaxlar, 1 och 3 med tillhörande kolvar 2 och 4. Vevaxlarna 1 och 2s rotation synkroniseras av växeln som visas på Fig. 2 och 3. Genom att tvâ mellankugghjul 15 och 16 används kommer vevaxlama, 1 och 3 att rotera åt motsatt håll. Om man tillser att rotationströghetsmomentet på vevaxlama, 1 och 3 inklusive fast inkopplad last som t.ex generatorer är lika, kommer motorn helt att sakna momentvibratíoner, viket är en stor fördel i de flesta installationer, samt ger mindre förluster då motorrörelser innebär förlusteffekt.

Eftersom kolvama 2 och 4 accelereras mot varandra kommer även vibrationer frän masskraftema som är störst vid höga varvtal bli försumbara. Dock fås ett litet bidrag om man har en liten fasskillnad för att ställa om kompressionsförhållandet.

Omställning av kompressionsförhâllandet kan ske steglöst under drift genom att ställa fasläget mellan vevaxlama 1 och 3 med växeln visad på Fig. 2 och 3.

Vevaxlarna, 1 och 3 är försedda med varsitt lika stort kugghjul, 14 respektive 17 enligt figur 2. Kugghjulet 14 är i ständigt ingrepp mot Kugghjulet 15 som är upphängt på en runt centrum på kugghjulets 14 rörlig länkarm 18.

Kugghjulet 17 är på samma sätti ingrepp mot Kugghjulet 16 som är upphängti länken 20 rörlig runt centrum för kugghjul 17. Kuggparet 15 och 16 är i ständigt ingrepp mot varandra tack vare den sammanhållande länken 19. Fasläget mellan vevaxlama kan ställas genom att flytta centrumpunktema för kuggparet 15 och 16 medelst ställdonet 21. Ställdonet 21 är via konsolen 23 fästad i motorkroppen och fästad via länken 22 i Kuggparet 15 och 16. Fig. 2 och Fig. 3 visar två olika inställningar av fasläget. Synkronisering av vevaxlama går även att åstadkomma med en växel med inbördes olika storlekar på kugghjulen 15 och 16 då periferihastigheten ändä blir lika som kugghjulen 14 och 17. Detta utförande kan vara fördelaktig ur inbyggnadssynpunkt.

Fasomställningsmekanismen går att använda för andra ändamål än att ställa om fasläget mellan vevaxlar. Andra områden kan vara omställning av kamaxlar på förbränningsmotorer eller användning i allmän maskinbyggnad. 10 15 20 25 30 529 094 Motorprincipen kan vara ottomotor med tändstiftständning, varvid 13 i Fig. 1 motsvarar ett tändstift.

Motorprincipen kan vara dieselmotor med direktinsprutning, varvid 13 i Fig. 1 motsvarar en insprutare.

Motorprincipen kan vara en HCCl-motor varvid 13 i Fig. 1 motsvarar en givare för indikering av tändläget. Givaren kan t.ex. vara en tryckgivare, accelerometer, kraft eller töjningsgivare.

HCCI-varianten skall i det följande beskrivas mer ingående i ett tänkt utförande exemplifierande den generella motoruppbyggnaden.

Fasomställningen används här för att ställa tändläget till önskat vewinkelläge oberoende av varvtal, last, motortemperatur, bränsletyp, insugslufttemperatur eller tryck. Tändläget regleras lämpligen med återkoppling från uppmätt tändläge.

Exempelmotom är också försedd med ett snabbrörligt spjäll 10 i avgasporten 9 för att snabbt kunna styra restgasmängden om behov skulle uppstå att snabbare kunna ändra tändläget än vad ställmotorn 21 hinner med eller för att av andra skäl styra restgashalten.

Motortypen är av typen längdspolad tvâtakt. Efter arbetstakten öppnar avgasporten 9, som kan vara en eller flera, varvid trycket i cylindern hastigt sjunker. Efter en viss vewinkel öppnar överströmningsportarna. Här är dessa symboliserade av 7 och 8, men fler kan finnas. Avgaserna kvar efter trycksänkningen skjuts ut av färskgasema som matas in via överströmningsportama. Trycket som driver strömningen in genom överströmningsportama kan komma ifrån vevhusen 5 och 6 som då är spolpumpar på konventionellt sätt eller från separat spolpump. Beroende på hur stor mängd som pumpas in via spolportarna och påverkat av blandningsfenomen i cylindern kommer en viss mängd av heta restgaser att finnas kvar i cylindem till nästa förbränning. Mängden restgaser påverkar fasningen av förbränningen och även förbränningshastigheten. En stor mängd restgaser gör förbränningen lugnare, vilket är en fördel för HCCI-motorn vid låga varvtal.

Vid låg last i t.ex. en hybridfordonsapplikation kan flödet från vevhuset 6 regleras ner eller helt stängas av med hjälp av spjället 11. Vid helt avstängd överströmningskanal 8 kommer pumpförlustema från pumpning av vevhuset 6 att bli mycket små. l vevhuset 6 sker då kompression med åtföljande expansion upp 10 15 20 25 30 529 094 till i närheten av starttrycket. Denna driftmode möjliggör låg last med hög verkningsgrad.

För återfyllning av vevhusen med färskgas kan konventionella metoder kända från tvåtaktsmotorer användas. De är kolvstyrd port, reedventil och slidventil.

För brånsletillförsel används med fördel direktinsprutning med hjälp av insprutaren 12. Dock kan även bränsleblandningen ske innan förbränningsluften trycks in i cylinder t.ex. med kanalinsprutning eller förgasare. Den naturliga möjligheten kommer då att finnas att endast förse ena vevhuset med bränsleblandning, varvid överströmningskanalen från det andra vevhuset enbart kommer att innehålla luft. Detta gör att man kan få anledning att vevvinkelförskjuta överströmningsportama från de två vevhusen. Genom spolförfarandet kan skiktning av avgaser respektive färskgaser i cylindem åstadkommas. Dessutom kan skiktning av två typer av spolmedium åstadkommas. Spolmedium kan vara ren luft, luft blandad med bränsle, luft blandad med kyld EGR-gas, ren EGR-gas eller blandningar med olika temperatur för de olika vevhusen. Skiktning kan vara mycket gynnsam i HCCI-sammanhang. För magra blandningar har t.ex. låg förbränningsverkningsgrad. lnhomogena förhållanden kan ge en långsammare och lugnare förbränning.

Fasläget mellan vevaxlarna 1 och 3 regleras för att ställa kompressionsförhållandet till önskat läge. Det finns en möjlighet att ge en nominell fasförskjutning så att den vevaxel som styr öppningen av avgasporten ligger före vevaxeln som styr öppningen av överströmningsportarna. Syftet med detta kan vara att stänga avgasporten eller avgasportarna tidigare än vid symmetri, kanske före överströmningsportarna. Tidig stängning av avgasporten effektiviserar cylinderfyllningen vid överladdning.

Fasändring av vevaxlama för att ställa kompressionsförhållandet kommer att påverka avgasporttiden jämfört med överströmningsporttiderna. Därför måste en kompromiss för hela driftomrâdet sökas.

Claims (7)

10 15 20 25 30 529 094 Patentkrav

1. Tvåtakts motkolvsmotor med tvâ vevaxlar (1, 3) vilka vevaxlar är anslutna till var sitt vevaxelkugghjul (14, 17) vilka vart och ett står i ingrepp med ett mellankugghjul (15, 16) vilka i sin tur står i ingrepp med varandra för synkronisering av vevaxlarnas (1, 3) rörelser, kännetecknad av att centrumlägena för de båda mellankugghjulen (15, 16) är anordnade att gemensamt förskjutas för att åstadkomma ett ställbart Kompressionsförhållande genom ett ställbart fasläge mellan de två vevaxlarna (1, 3).

2. Motor i enlighet med krav 1, kännetecknad av att centrumlägena för de båda mellankugghjulen (15, 16) är placerade på en sammanhållande länk (19).

3. Motor i enlighet med krav 2, kännetecknad av att ett ställdon (21) är anslutet till länken (19) för förskjutning av densamma.

4. Motor l enlighet med något av kraven 1 - 3, kännetecknad av att vevaxlarna (1, 3) är anordnade att rotera åt motsatt håll.

5. Motor i enlighet med något av kraven 1 - 4, kännetecknad av att en vevhusspolning är anordnad att utföras genom att det ena vevhuset (5, 6) är anordnat att öppna för spolning, eller stänga av medelst ett spjäll (11) mellan vevhuset (6) och portöppningen.

6. Motor i enlighet med något av kraven 1 -5, kännetecknad av att det nominella fasläget mellan vevaxlama (1, 3) är satt så att avgasporten (9) stänger tidigare jämfört med symmetriska porttider.

7. Motor i enlighet med något av kraven 1 - 6, kännetecknad av att det nominella fasläget mellan vevaxlarna (1, 3) är satt så att avgasporten (9) stänger tidigare än överströmningsportarna (7, 8).