FI125706B - Polttomoottorin esikammiojärjestely - Google Patents

Description

POLTTOMOOTTORIN ESIKAMMIOJÄRJESTELY FÖRBRÄNNINGSMOTORNS FÖRKAMMARANORDNING

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen polttomoottorin esikammiojärjestely.

Polttomoottoreissa syntyy typen oksideja (NOx) polttoaineen ja ilman seoksen palaessa. Tyypillisesti typen oksidien määrä lisääntyy palamislämpötilan kasvaessa. Etenkin korkeat huippupalamislämpötilat lisäävät typen oksidien muodostumista. Fluippupalamislämpötiloja ja siten palamisessa muodostuvien typen oksidien määrää voidaan vähentää lisäämällä polttoaineseoksen ilma/polttoaine -suhdetta eli käyttämällä laihempaa polttoaineseosta. Varsinkin dieselmoottoreissa, jotka perustuvat puristussytytykseen, syntyy runsaasti typen oksideja. Niinpä usein halutaan käyttää kaasumoottoreita juuri sen vuoksi, että niissä typen oksideja syntyy vähemmän. Laihan polttoaineseoksen takia palaminen saattaa kuitenkin olla epätäydellistä etenkin mäntämoottoreissa, joissa sylinterin halkaisija on suuri.

Riippuen käytettävissä olevien polttoaineseosten rikkaudesta laihaseos- eli ot-tomoottoreissa sytytys ei välttämättä tapahdu itsestään, vaan sytytyksen aikaansaamiseksi tarvitaan yleensä apuvälineitä kuten sytytystulppia. Palamisen tehostamiseksi ja mahdollisten sytytysvälineiden suojaamiseksi joissain lai-haseosmoottoreissa käytetään esikammiota, joka on yhteydessä sylinterin palo-tilaan. Esikammioon syötetään rikkaampaa polttoaineseosta, joka sytytetään ja johdetaan palotilaan, jolloin palotilassa oleva laihempi polttoaineseos syttyy. Esikammiota käytetään etenkin kaasua polttoaineena käyttävissä laihaseos-moottoreissa. Tällöin esikammio on yleensä varustettu sy tytystu I pal I a, jolla rikkaampi polttoaineseos sytytetään.

Esikammiot ovat yleensä pyörähdyssymmetrisiä. Varsinainen kammiotila, jossa polttoaine sytytetään, voi vaihdella muodoltaan ja olla esimerkiksi pallonmuotoinen tai soikionmuotoinen. Esikammio on liitetty pääpalotilaan kanavalla, joka päättyy useisiin suutinreikiin. Reikien määrä, suunta ja halkaisija optimoidaan kulloisenkin tilanteen mukaan ottaen huomioon esimerkiksi männänkevennyk-set. Suhteellisen korkeasta puristussuhteesta huolimatta sytytysapuna voidaan käyttää hehkuelementtiä tai sytytystulppaa.

Järjestelyn haittapuolena on esikammiossa oleva korkea lämpötila, jolloin perinteiset materiaalit eivät kestä ja esimerkiksi kuumakorroosiota voi esiintyä. Etenkin suutinaukot joutuvat kestämään rasitusta, kun palamisreaktio etenee esi-kammiosta palotilaan suutinaukkojen kautta. Tällöin osia joudutaan vaihtamaan tai etsimään uusia käyttökelpoisia materiaaleja. Varsinkin kaasumoottoreissa esikammio joutuu kokemaan korkeita korkeapainegradientteja ja maksimipainei-ta.

Julkaisusta US 4426966 tunnetaan esikammiojärjestelyjä, jotka ovat rakenteeltaan ja tuennaltaan monimutkaisia ja joiden valmistuskustannukset ovat siten korkeat. Näissä tunnetuissa ratkaisuissa on käytetty keraamista materiaalia muutamissa esikammion osissa. Keraamiset materiaalit kestävät hyvin kuumuutta ja korroosiota, mutta ovat toisaalta hauraita, kalliita ja vaikeita työstää. Lisäksi keraamisten materiaalien erilaiset lämpölaajenemiskertoimet voivat aiheuttaa ongelmia liitoksissa, koska etenkin esikammion alaosa suutinaukkoi-neen joutuu rasitukselle.

Julkaisusta WO 2009/060119 tunnetaan esikammiojärjestely, joka sinänsä on rakenteeltaan yksinkertainen ja mahdollistaa edullisen asennuksen ja osien vaihtamisen. Tässä ratkaisussa suutinosan ja runko-osan keskinäinen liitos mahdollisine esikammion sisään järjestettyine lukitusosineen on kuitenkin suoraan alttiina esikammion korkeille lämpötiloille.

Julkaisusta FR 1293868 A tunnetaan esikammiojärjestely, joka käsittää erillisen runko-osan ja suutinosan sekä kappaleen, jonka välityksellä esikammio on tuettu sylinterikanteen.

Julkaisusta US 2868181 A tunnetaan järjestely, jossa polttomoottorin pääpaloti-la on järjestetty osittain sylinterikannen sisälle.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan järjestely, joka minimoi tunnetun tekniikan ongelmia. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on aikaansaada rakenteeltaan selkeä ja kestävä järjestely, joka mahdollistaa esikammion yksinkertaisen asennuksen ja osien vaihtamisen tarpeen mukaan ja helpottaa huolto- ja korjaustoimenpiteitä.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan patenttivaatimuksessa 1 ja muissa vaatimuksissa tarkemmin esitetyllä tavalla. Keksinnön mukaisesti esikammiojärjestely käsittää erillisen esikammion pitimen, joka on järjestetty sylinterikannen ja esikammion väliin ja jonka välityksellä runko-osa ja suutinosa on tuettu sylinteri-kanteen. Tällä tavoin osien kiinnityksen kannalta olennaiset liitospinnat ja osat voidaan pitää esikammion sisäisten korkeiden lämpötilojen ulkopuolella samalla kun ratkaisu mahdollistaa osien vaihtamisen erikseen tarpeen mukaan.

Runko-osa on edullisesti varustettu erillisellä kansiosalla, jonka välityksellä esikammiojärjestely voidaan kiinnittää sylinterikanteen.

Edullisessa sovellusmuodossa suutinosa käsittää ensimmäisen kartiopinnan, jonka avulla se on tuettu esikammion pitimeen, ja toisen kartiopinnan, jonka avulla se on tuettu runko-osaan. Tällöin mainitut kartiopinnat voidaan edullisesti järjestää siten, että runko-osa ja esikammion pidin pitävät suutinosan asennettuna tukevasti paikallaan.

Esikammiojärjestely on järjestetty asennettavaksi sylinterikanteen pääpalotilaan nähden vastakkaiselta puolelta, jolloin esikammion pidin määrittää suutinosan aseman pääpalotilaan päin.

Käytännössä esikammion pitimen ja sylinterikannen välissä on sylinterin halkaisijan suunnassa välys, jonka avulla voidaan ottaa huomioon osien eri suuruisia lämpölaajenemisia.

Asennuksen ja rakenteen kannalta on edullista järjestää siten, että esikammion pidin, runko-osa ja kansiosa ovat esikammion kiinnityssuunnassa peräkkäin. Näiden osien väliin sekä esikammion pitimen ja sylinterikannen väliin on mieluiten järjestetty tiivisterenkaat.

Rakenteen stabiiliuden kannalta on edullista, että esikammion pitimen ja runko-osan väliset liitospinnat ovat porrasmaiset.

Kansiosa varustetaan käytännössä sytytysvälineillä, esimerkiksi pilottipolttoai-neen syöttövälineillä ja/tai sytytystulpalla, jolloin sen työstettävyydellä on materiaalivalinnan kannalta merkitystä.

Suutinosa puolestaan valmistetaan edullisesti lämpöä, hapettumista ja/tai korroosiota kestävästä materiaalista, esimerkiksi keraamista. Näissä esikammion osissa keraamien parhaat puolet voidaan edullisimmin hyödyntää.

Varsinkin valmistuksen kannalta on edullista, että runko-osa ja lukitusosa ovat pyörähdyssymmetrisiä kappaleita. Näin myös kappaleiden käyttäytyminen vaih-televissa kuumuus- ja korroosiotilanteissa on yhteneväinen, mikä on omiaan ehkäisemään osien rikkoutumista.

Keksintö mahdollistaa sen, että runko-osa, suutinosa ja esikammion pidin ovat helposti vaihdettavissa olevia osia.

Keksintöä selostetaan seuraavassa esimerkinomaisesti viitaten oheisiin kaa-viomaisiin piirustuksiin, joissa - kuvio 1 esittää periaatteellisena poikkileikkauksena moottorin erään sylinterin yläosaa ja sylinterikantta ja sen yhteyteen asennettua erästä keksinnön mukaista esikammiojärjestelyä leikattuna, - kuvio 2 esittää suurennettuna kuvion 1 esikammion osia, - kuvio 3 esittää suurennettuna keksinnön mukaisen esikammiojärjestelyn esikammion osien vaihtoehtoista sovellusmuotoa.

Piirustuksissa viitenumero 1 tarkoittaa polttomoottoria, jossa on sylinterikansi 2 ja ainakin yksi sylinteri, jossa on sylinteriholkki 6 ja pääpalotila 7. Sylinterin kaa-sunvaihto on sinänsä tunnetulla tavalla järjestetty sylinterikannen 2 kanavien ja niiden yhteydessä olevien venttiilien kautta.

Kuten kuviosta 1 käy ilmi, sylinterikannen 2 yhteydessä on sylinteriin liittyvä erillinen esikammiojärjestely, jossa on esikammio 3, johon kuuluu runko-osa 4 ja siihen toiselta puolelta tuettu kansiosa 9 ja toiselta puolelta tuettu ja suu-tinaukoilla 5a varustettu suutinosa 5. Esikammio 3 on suutinosan suutinaukko-jen 5a kautta yhteydessä sylinterin pääpalotilaan 7.

Sylinterikannessa 2 on syvennys tai vastaava tila 14 esikammiojärjestelyä varten, jolloin runko-osa 4 ja suutinosa 5 on erillisen esikammion pitimen 8 avulla tuettu sylinterikanteen 2. Esikammion 3 kiinnittäminen sylinterikanteen 2 on järjestetty kansiosan 9 välityksellä pulteilla 10. Kansiosaa 9 ei tarvitse erikseen kiinnittää runko-osaan 4 eikä muihinkaan esikammion osiin, vaan nämä osat on järjestetty toisiaan vasten peräkkäin tai päällekkäin sopivasti muotoiltujen vas-tinpintojen avulla siten, että pultteja 10 kiristettäessä ne puristuvat toisiaan ja sylinterikantta 2 vasten kuten kuviosta 1 käy ilmi. Kansiosassa 9 on sinänsä tunnetulla tavalla ns. pilottipolttoaineen syöttövälineet 11 ja sytytystulppa 12. Kuviossa 1 on myös kaaviollisesti näytetty laihan, esimerkiksi kaasumaisen, pe-ruspolttoaineen syöttäminen imukanavaan. Itse sytytys- ja palamisprosessi tapahtuu sinänsä tunnetulla tavalla, joten sitä ei tässä tarkemmin selosteta.

Kuten kuviosta 1 edelleen käy ilmi runko-osa 4 on muotoiltu alaosastaan porrasmaiseksi, niin että se voidaan sovittaa esikammion pitimen 8 vastaaviin liitososiin 13. Tätä varten osat 4 ja 8 on valmistettu samasta materiaalista, mieluiten teräksestä tai muusta hyvin kuumuutta kestävästä metalliseoksesta, jotta niillä on samanlainen lämpölaajeneminen, jolloin ratkaisu on tukeva ja stabiili kaikissa tilanteissa.

Esikammion pitimessä 8 on kartiopinta 8a, joka on yhteistoiminnassa suu-tinosan 5 ensimmäisen kartiopinnan 5b kanssa suutinosan 5 tukemiseksi. Vastaavasti myös runko-osassa 4 on kartiopinta 4a, joka on yhteistoiminnassa suutinosan toisen kartiopinnan 5c kanssa. Näin ollen suutinosa 8 jää asennettuna runko-osan 4 ja esikammion pitimen 8 väliin ja pysyy tukevasti paikallaan. Samalla esikammion pidin 8 määrää suutinosan 5 aseman pääpalotilaan 7 päin. Suutinosa 5 on edullisesti keräämiä tai jotain vastaavaa kovaa kuumuutta ja korroosiota kestävää materiaalia. Ratkaisu mahdollistaa sen, että esikammiojär-jestelyn eri osat ovat tarpeen mukaan myös irrotettavissa toisistaan ja siten erikseen vaihdettavissa.

Kuten kuviosta 1 käy ilmi, esikammion pitimen 8 ja sylinterikannen 2 välissä on sopiva välys 15, jonka avulla voidaan ottaa huomioon osien eri suuruisia lämpölaajenemisia. Lisäksi osien välissä on kiinnityssuunnassa tiiviste 16, joka voi edullisesti olla kuparia. Vastaavanlaiset tiivisteet 16 voidaan järjestää myös esikammion pitimen 8 ja runko-osan 4 väliin sekä runko-osan 4 ja kansiosan 9 väliin. Suutinosan 5 suutinaukkojen 5a määrä, koko ja suuntaus valitaan tarpeen mukaan.

Kuvion 1 sovellusmuodossa esikammion pidin 8 on edullisesti yhtenäinen rengasmainen kappale. Tämä käy paremmin ilmi kuvioista 2 ja 3, jotka esittävät suurennettuna kuvion 1 esikammiojärjestelyn esikammion 3 osia. Kuvioiden 2 ja 3 sovellusmuodot eroavat toisistaan niiden pintojen muotoilulla ja mittasuhteilla, joilla suutinosa 5 tukeutuu esikammion pitimeen 8 ja runko-osaan 4. Kuten voi- daan havaita kuvion 3 versiossa kiilamaisen rakenteen aikaansaavat kartiopin-nat 5b ja 8a ulottuvat yli osien 5 ja 8 koko yhteisen pituuden.

Keksintö ei ole rajoitettu esitettyihin sovellusmuotoihin, vaan useita muunnelmia on ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (10)

1. Polttomoottorin (1) sylinterikanteen (2) sovitettava esikammiojärjestely, joka käsittää erillisen runko-osan (4) ja suutinosan (5), jotka on tuettu toisiinsa ja jotka yhdessä olennaisesti määrittävät esikammion (3), joka on yhteydessä sylinterin (6) pääpalotilaan (7) suutinosan (5) suutinaukkojen (5a) kautta, tunnettu siitä, että esikammiojärjestely käsittää lisäksi erillisen esikammion pitimen (8), joka on järjestetty sylinterikannen (2) ja esikammion (3) väliin ja jonka välityksellä runko-osa (4) ja suutinosa (5) on tuettu sylinterikanteen (2), ja siitä, että suutinosa (5) käsittää ensimmäisen kartiopinnan (5b), jonka avulla se on tuettu esikammion pitimeen (8), ja toisen kartiopinnan (5c), jonka avulla se on tuettu runko-osaan (4), ja että mainitut kartiopinnat on järjestetty siten, että runko-osa (4) ja esikammion pidin (8) pitävät suutinosan (5) asennettuna tukevasti paikallaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen esikammiojärjestely, tunnettu siitä, että runko-osa (4) on varustettu erillisellä kansiosalla (9), jonka välityksellä esikammiojärjestely on kiinnitetty sylinterikanteen (2).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen esikammiojärjestely, tunnettu siitä, että esikammiojärjestely on järjestetty asennettavaksi sylinterikanteen pääpalotilaan (7) nähden vastakkaiselta puolelta, jolloin esikammion pidin (8) määrittää suutinosan (5) aseman pääpalotilaan päin.

4. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen esikammiojärjestely, tunnettu siitä, että esikammion pitimen (8) ja sylinterikannen välissä on sylinterin halkaisijan suunnassa välys (15).

5. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen esikammiojärjestely, tunnettu siitä, että esikammion pidin (8), runko-osa (4) ja kansiosa (9) on järjestetty esikammion (3) kiinnityssuunnassa peräkkäin ja niiden väliin sekä esikammion pitimen (8) ja sylinterikannen (2) väliin on mieluiten järjestetty tiivisterenkaat (16).

6. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen esikammiojärjestely, tunnettu siitä, että esikammion pitimen (8) ja runko-osan (4) väliset liitospinnat (13) ovat porrasmaiset.

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen esikammiojärjestely, tunnettu siitä, että kan-siosa (9) on varustettu sytytysvälineillä, esimerkiksi pilottipolttoaineen syöttövä-lineillä (11) ja/tai sytytystulpalla (12).

8. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen esikammiojärjestely, tunnettu siitä, että suutinosa (5) on valmistettu lämpöä, hapettumista ja/tai korroosiota kestävästä materiaalista, esimerkiksi keraamista.

9. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen esikammiojärjestely, tunnettu siitä, että runko-osa (4) ja esikammion pidin (8) ovat pyörähdyssymmetrisiä kappaleita ja valmistettu samasta materiaalista.

10. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen esikammiojärjestely, tunnettu siitä, että runko-osa (4), suutinosa (5) ja esikammion pidin (8) ovat vaihdettavissa olevia osia.