SE529569C2 - Tvåtakts förbränningsmotor med vätskeinsprutning - Google Patents

Description

40 45 529 569 2 HCCI finns problem vid stora laster genom att tändningen sker för tidigt på grund av att temperaturen blir för hög.

Vidare är det rent allmänt vid drift av förbränningsmotorer önskvärt att uppnå så låga emissioner av kväveoxider, NOx, som möjligt.

Rent allmänt är det även ur effektivitetssynpurrld önskvärt att genom en temperatur- och trycksänkriing i förbränningskarmnaren möjliggöra införsel av en större mängd förbränningsluft än vad som annars vore möjligt.

Dessa olika önskemål är sedan tidigare kända, och har kommit att ligga till grund för den föreliggande uppfirmingen.

SYFTET MED UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att i samband med tvâtaktsdrifi av det inled- ningsvis beskrivna slaget, och i synnerhet HCCI, söka åstadkomma en relativ sänk- ning av temperaturen och trycket i förbränningskammaren för att tillåta tillförsel av en större mängd oxidationsfluid, t ex luft, till förbränningskammaren, och/eller för förhindrande av för tidig tändning, samt för att möjliggöra en minskning av mängden av NOx hos avgaserna efter förbränning.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningens syfte tillgodoses enligt den inledningsvis definierade metoden, kän- netecknad av att, inför eller under en och samma kompressionstakt, en vätska annan än bränsle sprutas in i förbränningskammaren före det att tillförsel av luft till för- bränningskanimaren inleds. Vätskan är av sådant slag att den kommer att helt eller delvis förångas vid det under insprutningsskedet rådande trycket och temperaturen i förbränningskarnmaren. För att åstadkomma detta kan man välja att reglera mängden vätska, temperaturen hos vätskan samt sammansättningen av denna. Företrädesvis innefattar den till huvuddelen vatten.

Värmen i kvarvarande förbränningsgaser åstadkommer en momentan förångning av vätskan och en samtidig nedkylning av förbränningsgasema varvid trycket sjunker.

Därmed kan en större massa luft tillföras. Genom en styrning av massan av den till- förda vätskan kan gasmedeltemperaturen i förbränningskarnrnaren styras till den önskade. Detta är av ovan nämnda skäl i synnerhet en fördel vid HCCI. Om vätskan till exempel innehåller vatten, uppstår följaktligen en vattenförångning. En fördel med en sådan förångning och kylning är att bildande av kväveoxider, NOx, under förbränningen minskar i väsentlig omfattning. Ångan har samma verkan som EGR, Exaust Gas Recirculation, en vanlig metod för att minska bildande av NOx. Genom en styrning av massan av den tillförda vätskan går det att styra bildandet av NOx. Då dieselolja används som bränsle kan både bildande av NOx och sot minskas vilket är en fördel. Eventuellt kvarvarande, inte förångad vätska, som förångas under en se- 40 45 529 569 nare del av kompressionstakten, minskar kompressionsarbetet genom den värme som bortförs, vilket resulterar i en förbättrad verkningsgrad och ett eventuellt ytterligare minskat bildande av NOx som följd. Tillförsel av vätska, lärnpligen genom insprut- ning av en spray, förutsätter att medel finns anordnade för detta ändamål i eller i an- slutning till förbränningsmotorn i fråga.

Föredragna utföranden av uppfinningen innefattar att insprutningen av vätskan på- börjas inom loppet av 2.0 grader vevvinkel, företrädesvis 10 grader vevvinkel, eller ännu hellre 5 grader vevvinkel från det att utsläppet av avgaser ut ur förbrännings- kammaren avslutas.

Det föredras att insprutningen av vätskan påbörjas efter, företrädesvis omedelbart efter, eller rent av samtidigt som, utsläppet av avgaser ut ur förbränningskammaren avslutas. Den tekniska effekten av insprutningen kan därmed bli maximal.

Det kan emellertid även tänkas att insprutningen av vätskan påbörjas under det att utsläppet av avgaser ännu pågår. Detta kan, i synnerhet vid högre varvtal, vara att föredra för att möjliggöra bästa möjliga tekniska effekt. Vid höga varvtal blir dess- utom tidsfönstret mellan stängningen av utloppsventilen och öppnandet av inlopps- ventilen kortare och till och med negativt, det vill säga ett överlapp av insläpp och utsläpp, vilket gör att insprutningen av vätskan av tidsskäl kan behöva överlappa antingen utsläppet av avgaser eller insläppet av luft eller bägge dessa. Det kan rent av tänkas att stängandet av utloppsventilen kan komma att ske efter stängandet av in- loppsventilen.

Enligt ett utförande är metoden följaktligen kännetecknad av att tillförseln av luften till förbränningskammaren påbörjas under det att insprutningen av vätskan ännu på- går.

Det föredras att insprumingen av vätskan i förbränningskammaren avslutas före det att tillförseln av luften till förbränningskammaren avslutas. Allra senast ska insprut- ningen av vätskan i förbränningskammaren avslutas samtidigt med att tillförseln av luften till förbränningskammaren avslutas.

Tillförseln av ett bränsle till förbränningskammaren kan ske samtidigt med insprut- ningen av nämnda vätska, och en tillförsel av ett bränsle till förbränningskammaren kan ske via samma ventil som den via vilken nänmda vätska sprutas in.

Enligt ett utförande sprutas nämnda vätska in tillsammans med en alkohol. Alko- holen bildar med fördel därvid åtminstone en del av det bränsle som ska förbrännas i den närmast på kompressionstakten följ ande arbetstakten.

Enligt ett armat utförande tillförs ett bränsle förbränningskammaren samtidigt med tillförseln av luften. Detta är till exempel fallet vid så kallad HCCI. Man kan även tänka sig att bränslet tillförs separat i ett senare skede av kompressionstakten. 40 45 529 569 4 Enligt ett ytterligare utförande av uppfinningen utförs en andra insprutning av en vätska annan än bränsle under kompressionstakten efter det att tillförseln av luften till förbränningskaxrimaren upphört. Denna vätska kan vara av sannna slag eller av armat slag en den tidigare insprutade vätskan, men är också avsedd att förångas för att sänka temperaturen och trycket i förbränningskammaren, i syfte att minska det resterande kompressionsarbetet, och på så vis öka effektiviteten.

Det föredras att vätskan, oavsett om det rör sig om den första eller andra insprut- ningen, huvudsakligen innefattar vatten. Vätskan trycksätts och värms upp, innan den tillförs kompressionskammaren, i sådan grad att åtminstone en del av sprejens drop- par exploderar spontant vid inträdet i kompressionskammaren.

Syftet med uppfmningen uppnås även med en förbränningsmotor av det inlednings- vis angivna slaget, kännetecknad av att den innefattar medel för att, infor eller under en och samma kompressionstakt, spruta in en vätska annan än bränsle i förbrän- ningskammaren före det att tillförsel av luft till förbränningskannnaren inleds.

Nämnda medel kan innefatta en ventil för insprutning av nämnda vätska, varvid ven- tilen i fråga företrädesvis är en styrbar, till exempel pneumatiskt, hydrauliskt eller med hjälp av en elektromagnet driven ventil. Vidare kan nämnda medel innefatta en styrenhet, med en mjukvara anordnad att styra öppnandet och stängandet av närrmda ventil i enlighet med den föreslagna, uppfinningsenliga metoden.

Företrädesvis är de förekommande inlopps- och utloppsventilema så kallade styrbara ventiler, det vill säga ventiler som inte är mekaniskt kopplade till vevaxeln utan är fritt styrbara oberoende av vevaxelläget. Med styrbara ventiler avses således ventiler till en motorcylinders förbränningsrum som kan öppnas och stängas exempelvis ge- nom påverkan av en tryckfluid baserat på signaler från ett datorprogrambaserat före- trädesvis elektroniskt styrsystem.

Ytterligare särdrag hos och fördelar med den föreliggande uppfinningen kommer att framgå av den följande detaljerade beskrivningen saint den bifogade ritningen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen ska härefter i exemplifierande syfte beskrivas med hänvisning till den bifogade ritningen på vilken: Fig. 1 är en schematisk återgivning av en del av en förbränningsmotor enligt uppfin- ningen, Fig. 2 är en återgivning av ett tídsschema för stegen hos ett utförande av den uppfin- ningsenliga metoden, och Fig. 3 är en återgivning av ett tídsschema för stegen hos ett ytterligare utförande av den uppfinningsenli ga metoden. 40 45 i 529 569 DETALIERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRANDEN Fig. l visar schematiskt en del av en förbränningsmotor enligt uppfinningen. För- bränningsmotom är med fördel anordnad för att driva ett fordon, såsom en bil, buss eller lastbil. Den innefattar en cylinder 1, en i denna fram och åter rörligt anordnad kolv 2, en av cylindern och kolven avgränsad förbränningskammare 3, en inlopps- ventil 4, en utloppsventil 5 och en ventil eller ett munstycke 6 för insprutning av en vätska annan än bränsle. Det är även tänkbart att munstycket 6 kan användas för att, förutom att spruta in nämnda vätska, även spruta in åtrninstone en del av ett bränsle, till exempel en alkohol, såsom etanol. Ett avgassystem eller liknande kan vara kopp- lat till det utlopp vid vilket utloppsventilen 5 är anordnad.

I figuren befinner sig kolven 2 under rörelse i en kompressionstakt i en tvåtaktscykel och luft strömmar, eventuellt tillsammans med bränsle, in i förbränningskammaren genom den öppnade inloppsventilen 3. Utloppsventil 4 har nyss, när kolven 2 befarm sig vid det nedre vändläget varit öppnad men är nu stängd.

En krets 7 används för drivning av aktuatorer till ventilema 4 och 5 samt munstycket 6. En styrenhet 8 är operativt förbunden med kretsen 7 för signalstyrning av kretsen 7 och de med kretsen förbundna ventilerna 4 och 5 samt munstycket 6. Kretsen 7 kan innefatta såväl elektriska komponenter som en tryckfluidkrets, företrädesvis en pneumatisk sådan. Till exempel kan den innefatta elektromagnetdrivna, här icke visade pilotventiler för styrning av flödet av en tryckfluid, såsom luft, till här icke visade aktuatorkammare för påverkan av i dessa anordnade aktuatorkolvar, med vars hjälp inloppsventilerna 4 och utloppsventilema 5 drivs.

Ett organ 9, t ex en gaspedal, är operativt kopplat till styrenheten 8 för vridmoment- ordergivning. En givare 10, vid en på motoraxeln ll monterad gradskiva 12, är ope- rativt förbunden med styrenheten 8 och ger löpande uppgifter till styrenheten 8 om motorvarv och vevaxelläget och/eller kolvens 2 läge i cylindern 1. Styrenheten 8 avgör när de styrbara ventilema 4 och 5 skall öppna eller stänga samt när munstycket 6 ska öppnas för insprutning av nämnda vätska.

Hos en arbetande tvåtaktsmotor kan, såsom visas i fig. 2, evakuering av förbrän- ningsgaser a, insprutning av vätska annan än bränsle b och tillförsel av luft samt bränsle g enligt uppfinningen ske på följande sätt: I slutet av en arbetstakt, när kolven 2 befinner sig i sitt nedre vändläge, öppnas utloppsventilen 5 för evakuering av för- bränningsgaser som i en puls flödar ut ur förbränningskarrimaren 3 på grund av att trycket där är påtagligt högre än i ett till utloppet kopplat avgassystem eller avgasrör.

Trycket i förbränningskammaren 3 blir i samband med pulsen lägre än i den med inloppet förbundna kanalen för lufttillförsel. Då flödet av gaser ut ur förbrännings- kammaren 3 precis upphör är trycket i förbränningskammaren 3 som lägst och i ett föredraget utförande skall därvid utloppsventilen 5 stängas för evakuering och in- loppsventilen 4 strax därefter öppnas för tillförsel av luft. Ett tidsfönster kan med fördel tillåtas mellan stängningen av utloppsventilen 5 och öppnandet av inloppsven- tilen 4, vilket visas i utförandet i fig. 2 40 45 529 569 6 I samband med att utsläppet av avgaser upphör, aktiveras munstycket 6 för insprut- ning av en vätska, företrädesvis vatten, i förbränningskarnmaren 3. Vätskans mängd, sammansättning och temperatur bör vara anpassade så att all eller åtminstone en huvuddel av vätskan förångas omedelbart vid inträdet i förbränningskarnmaren 3, helst under det ovan nämnda tidsfönstret mellan stängandet av utloppsventilen 5 och öppnandet av inloppsventilen 4. Som en följd av förångningen kommer en relativ ytterligare trycksänkning att erhållas i förbränningskarnmaren 3 jämfört med om ej någon vätska hade sprutats in. En förutsättning för tillförsel av en förhållandevis större mängd luft av givet tryck har därmed åstadkommits. Det är fullt möjligt att låta aktivera munstycket 6 medan utloppsventilen 5 fortfarande är öppen, det vill säga att ha en viss överlappning av utsläppet av avgaser och insprutningen av vätskan. Det ligger i sakens natur att ett sådant överlappningsintervall kan komma att bli större ju högre varvtalet är, i syrmerhet om snabbheten hos berörda ventiler och munstycken när en övre gräns medan varvtalet tillåts öka ytterligare.

Därefter öppnas inloppsventilen 4. Eftersom trycket i förbränningskarnmaren 3 är påtagligt lägre än trycket i kanalen för lufttillförsel, flödar luft i en puls in i förbrän- ningskammaren 3, varpå trycket i denna höjs. Trycket är som högst precis då flödet av luft in i förbränningskarnmaren 3 av sig självt upphör, och i så nära anslutning till detta som möjligt skall i ett föredraget utförande inloppsventilen 4 stängas. Insprut- ningen kan tillåtas att fortsätta att pågå även under det att inloppsventilen 4 hålls öppen, och kan till och med fortgå till dess att inloppsventilen 4 stängs. Fig. 2 visar emellertid det fall att insprutningen av vätskan avslutas alldeles innan eller samtidigt med att inloppsventilen 4 öppnas för lufitillförsel. Det ska nämnas att med ökande varvtal kan, av skäl som diskuterats ovan, det tidigare nänmda tidsfönsnet komma att minska och till och försvinna till förmån för en överlappning av utsläppet av avgaser och insläppet av luft, varvid insprutningen av nänmda vätska kan komma att tidsmäs- sigt överlappa såväl nämnda utsläpp som insläpp.

Såsom fig. 2 visar är det även möjligt att i ett senare skede av kompressionstakten utföra en ytterligare, andra insprutning <_l av nänmda vätska i förbränningskammaren 3 medelst munstycket 6. Denna gång är syftet att få till stånd en fórångriing, med åtföljande relativ tryckminskning (i realiteten en reduktion av den faktiska tryckök- ningen) och därmed ett minskat kompressionsarbete under återstoden av kompres- sionstakten.

Det ligger inom uppfinningens ram att utloppsventilen 5 kan öppnas och inloppsven- tilen 4 kan öppnas och stängas inom ett intervall motsvarande 180 grader vevvinkel, under det att gasväxling sker. Det intervall under vilket gasväxlingen sker ökar med ökande varvtal, i det fall att ventilema arbetar med i stort sett samma hastigheter obe- roende av varvtalet. Det föredras att utloppsventilen öppnas tidigast 90 grader vev- vinkel före det nedre vändläget och stänger senast 90 grader vevvinkel efter det nedre vändläget. Inloppsventilen 4 bör under alla omständigheter öppnas efter öppnandet av utloppsventilen, men kan faktiskt tänkas stänga redan innan utloppsventilen stängs. Det är 180 grader vevvinkel mellan nedre och övre vändläget. 40 529 569 Fig. 3 visar ett alternativt utförande av metoden enligt uppfinningen, vilket ryms inom den allmänna uppfinningstanken, såsom den beskrivits ovan. Utloppsventilen öppnar här ungefär vid -45 grader vevvinkel, det vill säga 45 grader före kolvens 2 nedre vändläge, och stänger ungefär vid 0 grader vevvinkel. Inloppsventilen 4 öppnar redan vid -10 grader vevvinkel och stänger vid 35 grader vevvinkel. Munstycket 6 öppnar vid -20 grader vevvinkel, det vill säga före öppnandet av inloppsventilen 4, och stänger vid 10 grader vevvinkel, det vill säga inom det tidsintervall under vilket inloppsventilen 4 fortfarande är öppen. Fig. 3 visar därmed ett av de många möjliga fall av tidsmässiga överlappningar av de förekommande metodstegen som inryms i uppfinningstanken.

Idag kända fritt styrbara ventilöppnare är elektromekaniskt, hydrauliskt eller pneu- matiskt aktiverade. Pneumatiskt aktiverade ventiler kan snabbare, och med lägre energiförbrukning, än de övriga nämnda metoderna för aktivering, nå en viss given lyfihöjd, vid en viss given rörlig massa som inte är större än nödvändigt för den aktuella funktionen. Tiden som åtgår mellan öppning av en ventil, med nämnd rörlig massa till en viss lyfthöjd, och stängning av den kan med pneumatiskt aktiverade ventiler göras väsentligt kortare än med övriga nämnda metoder. Med hänvisning till behovet av att så snabbt som möjligt kurma utföra en ventilrörelse, öppna och stänga med tillräcklig area, för evakuering av avgaser respektive tillförsel av luft för bästa dynamiska effekt, är användning av pneumatiskt aktiverade ventiler ett föredraget utförande för uppfinningen.

Dessutom avser uppfinningen en datorprogramprodukt lagrad på ett läsbart dator- prograrnmedium, för implementering av metoden enligt uppfinningen på en förbrän- ningsmotor enligt uppfinningen.

Uppfinningen är inte begränsad till en konstant tvåtaldsdriñ, utan inbegriper även utföringsformer där tvåtaktsdrift alterneras med drift enligt fyrtaktsprincipen eller där takter utan förbrüning ersätter ordinarie arbetstakter. Uppfinningen är därvid tänkt att tillämpas under den del av driften som utgörs av tvåtalctsdrift, eller åtminstone en del av derma.

Det ska inses att en och samma cylinder 2 kan vara försedd med flera irrloppsventiler 4 och flera utloppsventiler 5, liksom även flera munstycken 6 för insprutning av vätska, företrädesvis samtliga anordnade i cylinderhuvudet. Eftersom ventilema med fördel är tryckfluiddrivna och fritt styrbara, kan det vara möjligt med individuell styming av ventilema, varför till exempel den ena av ett par av utloppsventiler öpp- nar före och stänger före eller efter den andra ventilen i nämnda par. Utsläpp av av- gaser sker i ett sådant fall från den första tidpunkten för öppnande av någon av ut- loppsventilema till den sista tidpunkten för stängande av någon av nämnda utlopps- ventiler. Motsvarande förhållande gäller för inloppsventilema, samt även för insprut- ningsmunstyckena, om dessa är flera.

Claims (20)

10 l5 20 25 35 40 45 529 569 PATENTKRAV

1. l. Metod för drivning av en förbränningsmotor som arbetar enligt tvåtaktspriiicipen, vilken innefattar alternerande arbetstakter och kompressionstakter, varvid förbrän- ningsmotorn innefattar åtminstone en cylinder (l) samt en i denna fram- och återgå- ende kolv (2) och en av cylindern (1) och kolven (2) avgränsad förbränningskam- mare (3), och åtminstone ett inlopp (13) för insläpp av förbränningsluft till förbrän- ningskammaren (3) och åtminstone ett utlopp (14) för utsläpp av avgaser från för- bränningskammaren (3), kännetecknad av att inför eller under en och samma kom- pressioiistalct, en vätska annan än bränsle sprutas in i förbränningskaiiimareti (3) i samband med att ett utsläpp av avgaser ut ur förbränningskammaren (3) avslutas och före det att tillförsel av luft till förbränningskammaren (3) inleds.

2. Metod enligt krav l, kännetecknad av att insprutningen av vätskan påbörjas omedelbart efter utsläppet av avgaser ut ur förbränningskarnmaren (3) avslutas.

3. Metod enligt krav l, kännetecknad av att insprutningen av vätskan påbörjas inom loppet av 20 grader vevvinkel, företrädesvis 10 grader vevvinkel, eller ännu hellre 5 grader vevvinkel från det att utsläppet av avgaser ut ur förbränningskammaren (3) avslutas.

4. Metod enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att insprutningen av vätskan påbör- jas under det att utsläppet av avgaser ännu pågår.

5. Metod enligt något av kraven 1-4, kännetecknad av att tillförseln av luften till förbränningskarxnnaren (3) påbörjas under det att insprutningen av vätskan ännu på- går.

6. Metod enligt något av kraven 1-5, kännetecknad av att insprutningen av vätskan i förbränningskammaren (3) avslutas före det att tillförseln av luften till förbrännings- kammaren (3) avslutas.

7. Metod enligt något av kraven 1-5, kännetecknar! av att insprutningen av vätskan i förbränningskammaren (3) avslutas samtidigt med att tillförseln av luften till för- bränningskammaren (3) avslutas.

8. Metedlenlllgtlinågot avkravenlíllílikšfiiíëtëëkiišäi aviättlåíiiiiiisiöiiëinerpaiièn' av” i den vätska som sprutas in i förbränníngskammaren (3) före påbörj andet av lufttillför- seln förångas före det att tillförseln av luften påbörjas.

9. Metod enligt något av kraven 1-8, kännetecknad av att väsentligen all den vätska som sprutas in i förbränningskanirnaren (3) före påbörjandet av lufttillförseln förångas före det att tillförseln av luften påbörjas.

10. Metod enligt något av kraven 1-9, kännetecknad av att en tillförsel av ett bränsle till förbränningskammaren (3) sker samtidigt med insprutningen av nämnda vätska. 10 15 20 25 30 35 40 45 529 569 9

11. Metod enligt något av kraven 1-10, kännetecknad av att en tillförsel av ett bränsle till förbränningskammaren (3) sker via samma ventil (6) som den via vilken nämnda vätska sprutas in.

12. Metod enligt något av kraven 10 eller ll, kännetecknad av att nämnda vätska sprutas in tillsammans med en alkohol.

13. Metod enligt krav 12, kännetecknad av att nämnda alkohol bildar åtminstone en del av det bränsle som ska förbrännas i den närmast på kompressionstakten föl; ande arbetstakten.

14. Metod enligt något av kraven 1-13, kännetecknad av att ett bränsle tillförs för- bränningskammaren (3) samtidigt med tillförseln av luften.

15. Metod enligt något av kraven 1-14, kännetecknad av att en andra insprutning av vätska annan än bränsle utförs under kompressionstalcten efter det att tillförseln av luften till förbränningskammaren (3) upphört.

16. Metod enligt något av kraven 1-15, kännetecknad av att vätskan huvudsakligen innefattar vatten.

17. Metod enligt något av kraven l-16, kännetecknad av att vätskan trycksätts och värms upp, innan den tillförs kompressionskammaren, i sådan grad att åtminstone en del av sprejens droppar exploderar spontant vid inträdet i kompressionskammaren.

18. Förbränningsmotor som arbetar enligt tvåtaktsprincipen, vilken princip innefattar alternerande arbetstakter och kompressionstakter, varvid förbränningsmotorn inne- fattar åtminstone en cylinder (1) sarnt en i denna fram- och återgående kolv (2) och en av cylindem (1) och kolven (2) avgränsad förbränningskarrirnare (3), och åtmin- stone ett inlopp (13) för insläpp av förbränningsluft till förbränningskaminaren (3) och åtminstone ett utlopp (14) för utsläpp av avgaser från förbränningskammaren (3), kännetecknad av att den innefattar medel (6, 7, 8) för att, inför eller under en och samma kompressionstakt, spruta in en vätska arman än bränsle i förbrärmingskarnma- ren (3), varvid nämnda medel innefattar en ventil för insprutning av nämnda vätska i .förbränningskwnmafßn (S) sam .ßastrrstihët nes .en mi.vkYarê ërlsrësêfllêttštrrss-. . - i ventilen för att, inför eller under en och samma kompressionstakt, spruta m nämnda vätska i samband med att ett utsläpp av avgaser ut ur förbränningskanirnaren (3) avslutas och före det att tillförsel av luft till förbränningskainmareii (3) inleds.

19. Förbränningsmotor enligt krav 18, kännetecknad av att inloppet (13) är försett med en fritt styrbar inloppsventil (4).

20. Förbränningsmotor enligt krav 18 eller 19, kännetecknad av att utloppet är för- sett med en fritt styrbar utloppsventil (5).