SE541454C2 - Förfarande vid tvåtaktsmotor, samt tvåtaktsmotor arbetande enligt förfarandet - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser ett förfarande vid tvåtaktsmotor innefattande åtminstone en cylinder (1) med en fram och återgående kolv (2), ett avgränsat förbränningsrum (5), åtminstone en utloppsport (7) och en inloppsport (9) befintlig ovanför utloppsporten, vilka båda portar är frilagda vid kolvens nedre vändläge, en aktuator (8) som bringar en till denna kopplad ventil (17) att öppna för att tillföra förbränningslufit till förbränningsrummet via ett inloppsrör (6) och inloppsporten, ett styrsystem (15) som efter kolvens nedre vändläge beordrar aktuatom att öppna ventilen.Förfarandet kännetecknas av att ventilen bringas öppna i anslutning till att utloppsporten stängs av kolven varvid förbränningslufit tillförs samt att tillförseln av förbränningslufit avbryts då kolven stänger inloppsporten.

Description

Förfarande vid tvåtaktsmotor, samt tvåtaktsmotor arbetande enligt förfarandet Föreliggande uppfinning avser ett förfarande vid tvåtaktsmotor, samt en tvåtaktsmotor arbetande enligt förfarandet.

Föreliggande uppfinning avser en ny variant av tvåtaktsmotor som arbetar som en ordinär tvåtaktsmotor där avgaser evakueras innan fÖrbränningslufit och bränsle tillförs, men med en väsentlig skillnad, nämligen att inloppsporten är belägen ovanför utloppsporten. I konventionella 2-taktsmotorer ligger inloppsporten under utloppsporten.

Bakgrund En kolv rör sig mellan två vändlägen, ett övre och ett nedre vändläge. Vid övre vändläget kommer ett kompressionsrum att övergå i ett forbränningsrum, vilket rum avgränsas av den rörliga kolven och cylinderhuvudet. Kolvens rörelse från nedre mot övre vändläget benämns kompressionstakt och dess påföljande rörelse från övre mot nedre vändläget bmämns en expansions- eller arbetstakt. Efter arbetstakten sker gasväxling. Avgaser bortförs och ny forbränningsluft tillförs varefter åter en kompressionstakt följer. Detta tvåtaktsförfarande är motorns huvudsakliga arbetsprincip.

I dagens tvåtaktsmotorer sker gasväxling i slutet av arbetstakten genom att kolven först frilägger en utloppsport, varpå avgaser strömmar ut, ofta pulsartat på grund av övertryck, och därefter friläggs en inloppsport och ny forbränningsluft tillförs varefter kompressionstakten inleds. En stor nackdel är de orena avgaser som orsakas av att forbränningsluft med bränsle och/eller smötjolja till viss del matas ut via utloppsporten till omgivande atmosfär. Detta beror på att portama for inlopp och utlopp är överlappande öppna samtidigt och att porten for utlopp stängs efter porten för inlopp.

Med fritt styrbara ventiler i cylinderhuvudet, tallriksventiler som i dagens fyrtaktsmotorer, kan problemen med orena avgaser minskas i hög grad. De motorer som finns presenterade i svenska patenten SE529569 och SE529570 har fritt styrbara, elektromagnetiskt, hydrauliskt eller pneumatiskt aktiverade ventiler i cylinderhuvudet i avsikt att bl. a. åstadkomma en tvåtaktsmotor med högre verkningsgrad och renare avgaser. För att i dessa patent minimera utsläpp av orena avgaser skall utlopp sventilen öppnas for att släppa ut avgaser och stängas innan inloppsventilen for tillförsel av forbränningsluft öppnas och stängs. Av ovannämnda typer av fritt styrbara ventiler är hitintills pneumatiskt aktiverade ventiler de som kan uppvisa kortaste tid for att öppna och stänga en motorventil. Vid 8 mm ventillyft, maximala avståndet från ventilsätet i cylinderhuvudet till en fullt öppen ventil, är den kortaste tiden (durationen i en ordinär 400 kubikcentimeter cylinder) 5 ms, vilket innebär att från att utloppsventilen öppnas tills att inloppsventilen stängs åtgår 10 ms.

Denna tid innebär inget problem vid låga varvtal som vid exv. 1000 varv/min då tiden for ett motorvarv är 60 ms men i takt med att högre varvtal önskas, exv. från 2000 varv/min och uppåt, blir tiden for att genomföra gasväxling allt kortare och därmed tiden for kompression allt kortare samt längden på kompressionstakten allt kortare med åtföljande minskat kompressionsforhållande.

Vid en 2-taktsmotor som har ett maximalt varvtal på 3000 varv/min (motsvarande ett normalt maximalt varvtal på 6000 varv/min i en 4-taktsmotor) är tiden för ett motorvarv 20 ms. Om halva den tiden ska åtgå för gasväxling inses att problem uppstår vilket kan sammanfattas till att vid konstant laddluflttryck, tillförsel av trycksatt forbränningsluft, sjunker kompressionsforhållandet med åtföljande minskande verkningsgrad i takt med att motorvarvtalet ökar.

Med portar for inlopp och utlopp i cylindern vilka friläggs respektive stängs av den fram- och återgående kolven som i dagens 2-taktsmotorer eller i föreliggande uppfinningsenliga 2-taktsmotor uppstår inte det nämnda problemet med minskat kompressionsforhållande och försämrad verkningsgrad i takt med högre varvtal. Men dagens 2-taktsmotorer har problem med orena avgaser, som nämnts ovan, beroende på att portama for inlopp och utlopp är överlappande öppna samtidigt och att porten for utlopp stänger efter porten för inlopp.

Syftet med uppfinningen Syftet med uppfinningen är att lösa problemet med orena avgaser i dagens 2-taktsmotorer. Uppfinningen avser en tvåtaktsmotor som arbetar likt en ordinär tvåtaktsmotor, med avseende på att avgaser evakueras innan forbränningsluft med eller utan bränsle tillfors, men med väsentliga ochkännetecknande skillnader, nämligen dels att inloppsporten finns ovanför utloppsporten och dels att forbränningsluft tillförs efter att utloppsporten under kompressionstakten stängts av kolven.

Under arbetstakten passerar kolven först inloppsporten, som utanför densamma är stängd via en styrbar ventil, och därefter utloppsporten varvid avgaser evakueras och kolven når sitt nedre vändläge. Då kolven därefter är på väg mot sitt övre vändläge passerar den först utloppsporten (-portama), och stänger denna (dessa), varefter kolven når den frilagda inloppsporten. När kolven når inloppsporten öppnas den styrbara ventilen och forbränningsluft strömmar in i cylindern tills att inloppsporten stängs av kolven och därmed inleds kompression av tillförd forbränningsluft. Kompressionsförhållandet är konstant och oberoende av varvtal och portens öppettid minskar då i takt med ökat varvtal.

Då kolven under expansionstakten frilägger utloppsporten strömmar en puls av trycksatta avgaser ut varvid ett undertryck skapas som finns kvar då kolven når inloppsporten och forbränningsluft strömmar då in. Nämnda undertryck ökar i takt med ökat varvtal och motorarbete vilket gynnar tillförsel av ny forbränningsluft och i takt med ökat motorvarvtal kompenserar for kortare tid for nämnda tillförsel.

Genom att utloppsport och inloppsport inte är överlappande öppna samtidigt kan inte problemen med orena avgaser som i dagens 2-taktsmotorer uppstå. Ett annat problem vid dagens 2-taktsmotorer är att nyttan av avgasdriven turbin for produktion av laddluft, trycksatt forbränningsluft, begränsas av överlappande öppna portar emedan laddluft strömmar ut i avgasporten istället for att stanna i cylindern och höja trycket i densamma innan kompressionstakten inleds. Även detta problem löses med uppfinningen.

I området runt kolvens nedre vändläge är kolvhastigheten låg och i vändläget är kolven i ett ögonblick helt stillastående. Detta innebär att utloppsarean jämfört med dagens 2-taktsmotorer kan göras mindre eftersom det finns längre tid for avgasernas evakuering. Om dessutom utloppsarean fördelas på flera låga utloppsortar blir arbetstakten längre med ökad slagvolym och åtföljande högre verkningsgrad. Genom att utföra utloppsarean med ett arrangemang som gör dess storlek varierbart anpassad till motorns olika driftlägen kan kontinuerligt skapas ett undertryck i cylindern orsakat av att avgaserna pulsartat strömmar ut vilket undertryck finns kvar och består när utloppet stängs av kolven och därmed kan nyttiggöras då den styrbara ventilen öppnas for tillförsel av ny forbränningsluft.

Den styrbara ventilen kan vara pneumatiskt, hydrauliskt eller elektromagnetiskt aktiverad, varvid sistnämnda typ föredras då inte trycksatt luft/hydraulolja erfordras utan endast elektricitet som alltid finns tillhands. Dessutom finns ny teknik for elektromagnetiskt aktiverade, eller solenoidaktiverade, motorventiler som medför möjlighet till lika snabb ventilöppning som for pneumatiskt aktiverad ventilöppning.

Ovan nämnda syften med föreliggande uppfinning uppnås genom förfarandet och 2-taktsmotom erhållit det i de följande patentkraven angivna kännetecken.

Uppfinningen skall i det följande beskrivas i anslutning till visade utföringsexempel, där Fig. 1 schematiskt visar en tvåtaktsmotor med cylinder i ett läge där förbränning och expansionstakt skall inledas, Fig. 2 visar kolvens nedre vändläge i cylindern, Fig. 3 visar kolven under kompressionstaktens inledning i cylindern, Fig. 4 visar kolven i ett läge i cylindern när inloppsporten är stängd, Fig. 5 visar kolven i ett läge i cylindern under kompressionstakten, Fig. 6 visar cylindern med förlängt, s.k avstämt, insugsrör, Fig. 7 visar en variant där avgasporten i cylinderväggen, med kolven i sitt nedre vändläge, är helt frilagd för maximalt utflöde av avgaser, och där Fig. 8 visar avgasporten i cylinderväggen, med kolven i sitt nedre vändläge, delvis strypt för begränsning av återflöde av avgaser.

I fig. 1 visas således en tvåtaktsmotor enligt uppfinningen innefattande åtminstone en cylinder 1 med ett cylinderhuvud 11, en i cylindern fram och återgående kolv 2 som täcker utloppsporten 7 och inloppsporten 9 är stängd. Förbränning och expansionstakt ska inledas. Ett svänghjul 3 är monterat på en vevaxel 4 på vilken en kolvstake med nämnda kolv är anordnad på vanligt vis. Mellan kolven och cylinderhuvudet finns ett förbränningsrum 5 till vilket förbränningsluft tillförs, via en styrbar ventil 17 som styrs att öppna och stänga av en aktuator 8, från ett inloppsrör 6. På vevaxeln finns en sensor eller vevaxelgivare 19 vars signaler läses av ett motorstyrsystem 15 som därmed registrerar kolvens läge i cylindern och beordrar aktuatom att öppna respektive stänga nämnda ventil vid rätt tidpunkt. Kolven visas i sitt övre vändläge där den täcker en utloppsport 7. I avgasröret finns en syredetektor 22 anordnad och vars signaler läses av motorstyrsystemet 15. Med hjälp av syredetektom kan förhållandet mellan bränsle och förbränningsluft styras till att bli optimalt utifrån aktuellt efterbehandningssystem för avgasrening. Det ska nämnas att i vissa fall är syredetektom inte lämplig som vid mindre motorer för t.ex. motorsågar, vilka måste vara lätta och antingen går på tomgång eller full gas. Eventuellt tändstifit 16 finns anordnat för motorer där bränslet ska tändas av gnista som beordrats av motorstyrsystemet vid optimal tidpunkt med avseende på motorverkningsgrad. Vid dieselmotortillämpning representerar 16 en insprutare av dieselbränsle. Det här visade utförandet är även lämpligt vid mindre motorer som trädgårdsmaskiner, motorsågar, motorcyklar, mm Det ska framhållas att figuren visar i princip vad som erfordras för tillämpning av uppfinningen.

Fig. 2 visar kolvens nedre vändläge i cylindern där en utloppsport 7 har frilagts, varvid trycksatta avgaser, oftast pulsartat, strömmar ut via nämnda port till ett avgassystem. Om det råder atmosfärstryck i avgassystemet och cylindertrycket är mer än två bar när porten friläggs strömmar avgaserna initialt ut i ljudhastighet, s.k. kritisk strömning och det uppstår kortvarigt ett undertryck i cylindern. Avgaserna kan driva en avgasturbo med vars hjälp motorn kan överladdas vilket normalt inte fungerar bra i en konventionell tvåtaktsmotor. I området runt kolvens nedre vändläge är kolvhastigheten låg och i nämnda vändläge är kolven i ett ögonblick helt stillastående. Detta innebär att utloppsarean jämfört med dagens 2-taktsmotorer kan göras mindre eftersom det finns längre tid för avgasernas evakuering. Om dessutom utloppsarean fördelas på flera låga utloppsortar blir arbetstakten längre med åtföljande högre verkningsgrad.

Fig. 3 visar hur kolven under kompressionstaktens inledning precis stängt utloppsporten 7 och når den frilagda inloppsporten 9. Aktuatom 8 har beordrats av motorstyrsystemet att öppna ventilen 17, varvid förbränningsluft med eller utan bränsle tillförs förbränningskammaren via inloppsporten. Det i Fig. 2's beskrivning nämnda kortvariga undertrycket utnyttjas vid tillförsel av förbränningsluft. Det ska nämnas att utrymmet utanför inloppsporten 9 med ventilen 17 kan utföras på olika sätt för att minimera volymen utanför inloppsporten.

Fig. 4 visar cylindern enligt Fig. 1 där kolven stängt inloppsporten och kompression av tillförd förbränningsluft är påbötjad samt den styrbara ventilen fortfarande öppen. Således framgår att det som är viktigast när det gäller styrbara ventilen 17 är att den av aktuatom 8 kan bringas att öppna snabbt för tillförsel av förbränningsluft. Stängningen sker automatiskt via kolven 2.

Fig. 5 visar cylindern enligt Fig.1 och en kompressionstakt pågår.

Fig. 6 visar cylindern enligt Fig. 5 med förlängt, s.k avstämt, insugsrör 6. En motsvarighet till känt s.k. avstämt avgasrör. Syftet är att förstärka massan tillförd forbränningslufit vid höga varvtal orsakat av att vid existerande undertryck i cylindern då kolven når inloppsporten och styrbara ventilen öppnas forstärks en puls av tillförd forbränningsluft genom att hela luftmassan i insugsröret sätts i rörelse och en större massa luft tillfors cylindern jämfört med den massa luft som skulle tillföras cylindern vid ett kortare insugsrör 6 i enlighet med Fig. 5. Används vevhuset for att tillföra vevhuskomprimerad luft till cylindern kan ett förlängt rör istället kopplas till vevhuset for uppnående av motsvarande effekt.

Fig. 7 visar cylinderväggen, streckad, 30 med kolven 2 i sitt nedre vändläge med en avgasport 32 helt frilagd, ett avgasrör 34 med ett forskjutbart avgasspjäll 33 med en öppning 35 for att reglera avgasflödet genom avgasporten. Avgasspjället styrs av ett styrorgan kopplat till motorstyrsystemet 15, ej visat, beroende på aktuellt behov av vridmoment, i detta fall maximalt vridmoment.

Fig. 8 visar situationen enligt Fig. 7 med agasspjället som via motorstyrsystemet, beroende på aktuellt behov av vridmoment, styrts att placera öppningen 35 så att det möjliga avgasflödet i retur till forbränningskammaren ungefär halveras.

Uppfinningen är inte begränsad till det i figurerna visade utforingsexemplet, utan modifikationer kan göras inom ramen för de följande angivna patentkraven.

Claims (3)

PATENTKRAV

1. Förfarande vid tvåtaktsmotor innefatande åtminstone en cylinder (1) med en fram och återgående kolv (2), ett avgränsat forbränningsrum (5), åtminstone en utloppsport (7) och en inloppsport (9) befintlig ovanför utloppsporten, vilka båda portar är frilagda vid kolvens nedre vändläge, en aktuator (8) som bringar en till denna kopplad ventil (17) att öppna för att tillföra förbränningsluft till förbränningsrummet via ett inloppsrör (6) och inloppsporten, ett styrsystem (15) som efter kolvens nedre vändläge beordrar aktuatom att öppna ventilenkännetecknat av att ventilen bringas öppna i anslutning till att utloppsporten stängs av kolven varvid förbränningsluft tillförs samt att tillförseln av förbränningsluft avbryts då kolven stänger inloppsporten.

2. Förfarande enligt krav 1,kännetecknat av att öppnandet av ventilen (17) sker i anslutning till att kolven (2) når inloppsporten (7).

3. Tvåtaktsmotor för utförande av förfarandet enligt krav 1 innefattande; åtminstone en cylinder (1) och en i denna fram- och återgående kolv (2) som avgränsar ett förbränningsrum (5) som nedtill är försett med åtminstone en utloppsport (7), samt ovanför denna åtminstone en inloppsport (9), en aktuator (8) för öppning av en ventil (17) via vilken förbränningsluft tillföres via en inloppskanal (6) befintlig utanför inloppsporten, ett styrsystem (15) innefatande sensorer och programvara styrande aktuatom (8) att öppna och stänga inloppskanalen (6),kännetecknad av at kolven (2) bildar del i ett slidventilarrangemang som efter sit nedre vändläge når inloppsporten (-portama) efter att utloppsporten (-portama) (7) stängts, varvid förbränningsluft tillförs genom inloppsporten, varefter tillförseln av förbränningsluft avbryts då kolven stänger inloppsporten.