Transcript RVS ROTORVENTILKONCEPT

RVS ROTORVENTILKONCEPT
En kort teknisk beskrivning
AB DAFAB
Principen bakom RVS-tekniken – en enda port
sköter både insug och avgas.
INTRODUKTION TILL RVS
RVS rotationsventil är ett helt
nytt gasväxlingssystem, en
revolutionerande utveckling
av förbränningsmotorn som
minskar komplexiteten och
sänker kostnaderna, samtidigt som den dramatiskt förbättrar motorns fyllnadsgrad.
Konventionella tallriksventiler har sedan länge dominerat
motorindustrin, trots nackdelarna med att ha hela ventilmekanismen som en broms
mitt i gasflödet. Lika länge
har det varit känt att en rotationsventil erbjudit väsentligt bättre andningsförmåga
jämfört med tallriksventiler.
Men där har också funnits
nackdelar, exempelvis hög
oljeförbrukning.
Med den patenterade RVStekniken har vi i princip eliminerat samtliga identifierade
nackdelar, och därtill förbättrat vissa idéer ytterligare –
och introducerat några helt
egna. Resultatet är en tillför-
litlig konstruktion med högre
vridmoment samtidigt som
bränsleförbrukning och emissioner sänkts, komplexiteten
minskat och, i slutändan, sänkt
kostnaderna.
Vi på AB Dafab vill utveckla
tekniken vidare och slutligen
nå full kommersiell serietillverkning. Därför söker vi
nu sambarbetspartners som
kan bidra tekniskt så väl som
ekonomiskt. Välkommen med
på äventyret!
RVS TEKNIK
Den genialiska rotorn är
hjärtat i RVS-konstruktionen.
En roterande trumma med
en enkel port för både insug
och avgas eliminerar behovet av hela ventiltåget, med
tallriksventiler, styrningar och
tätningar, kamaxlar, remmar
och kedjor. Till och med olja
är överflödigt i topplocket.
är den specifika effekten
hög, ungefär den dubbla
än hos en konventionell
motor med tallriksventiler. En rad möjligheter öppnar sig, som att minska motorvolym eller undvika olika
former av överladdning. Eller
också tar man helt enkelt ut
mer effekt.
I genomsnitt roterar rotorn
med en fjärdedel av vevaxens hastighet. Därmed byter
den sida mot förbränningsrummet för varje arbetstakt
och detta hjälper till att hålla
rotorn sval, vilket möjliggör
ett högre kompressionsförhållande – särskilt som
ingen het avgasventil pekar
rakt ner i den volatila luft/
bränsleblandningen. Mindre
värmeförluster betyder också
mindre utsläpp, inte bara av
växthusgasen koldioxid, utan
också miljöfarliga utsläpp
som kolmonoxid och kväveoxider.
Själva rotorn drivs av en
elektrisk synkronmotor, vilket
möjliggör fullständig kontroll
över rotorns hastighet, oberoende av vevaxeln. I princip
öppnar det för att helt eliminera behovet av gasspjäll,
liksom möjliggör användandet
av Miller- eller Atkinsoncykler
under dellast, samtidigt som
ett högt vridmoment kan
levereras vid fullast. Oändligt
variabla ventiltider blir helt
enkelt en fråga om mjukvara.
Eftersom motorn klarar av
att pumpa stora luftvolymer
Rotorn är belagd med en
högteknologisk keramisk
beläggning, konstruerad att
tåla höga laster vid höga
temperaturer samtidigt som
låg friktion och utmärkt för-
Rotorn är utformad för att inte knipa mot sitt
säte vid hög belastning. I stället kollapsar den
in i sig själv (starkt överdrivet här).
slitningsmotstånd bibehålls.
Detta eliminerar helt behovet av smörjolja i topplocket,
vilket i sig har stor inverkan
på frågor rörande tillförlitlighet, service och komplexitet.
Därtill är hela konstruktionen
mindre skrymmande en ett
konventionellt ventiltåg och
ställer därmed inte lika stora
krav på installationen i motorutrymmet.
Eftersom det helt saknas
fram- och tillbakagående delar i topplocket är NVH, alltså
oljud och vibrationer, betydligt lägre.
Och självklart finns ingen
risk för totalhaveri om ventilmekanismen fallerar, till skillnad från ett kamremshaveri i
en konventionell motor.
FEM-SIMULERINGAR
Flödesanalysen utfördes
över ett varvtalsspann från
850 r/min upp till 6 000 r/
min och den visar att den
maximala fyllnadsgraden om
uppåt 180 procent är möjlig att uppnå. Inte bara det,
utan flödeskaraktäristiken
0.
1.5
är konsekvent
genom hela
0.15
varvtalsregistret, från
tomgång till
0.10
maxvarv.
Inte bara det,
utan virvel0.05
bildningskaraktäristiken
drar nytta av
0.00
den lutande,
0
30
dynamiska
insugsporten,
särskilt i vertikal led. Det
resulterar i en vridmomentkurva som både är hög och
platt.
Vid simuleringarna användes både en modell med
en rotor som höll konstant
hastighet, liksom en modell
med en teoretisk rotor som
öppnade och stängde porten
oändligt snabbt. Skillnaden
mellan dem visade sig vara
negligerbar.
Virvelbildningsförmågan drar nytta av det
vinklade insuget. Särskilt portens rörelse under
insugstakten påverkar virvelbildningen positivt.
Eftersom hinder (tallriksventiler) saknas i flödet
är insugshastigheten hög.
Intake volume V HtL, w=3300 rpm
t @msD
3.
4.5
6.1
7.6
9.1
90
120
150
180
V HtL @dm3 D
RVS-teknikens förmodligen
mest intressanta egenskap
är dess höga fyllnadsgrad.
För att sätta mer exakta
siffror på fenomenet och för
att ytterligare förbättra konstruktionen, har en fristående part utfört simuleringar
med finita elementmetoden,
FEM.
Notera att ingen form av
överladdning har använts,
utan normala värden för
atmosfärstryck, luftdensitet,
viskositet och omgivande
temperatur har använts.
60
Crank angle@°D
Simuleringar visar hur insugsvolymen ökar
under slaget. Detta gjordes med olika motorhastigheter.
Själva rotorn, tillverkad av
aluminium 7075 T6, utvärderades också med avseende
på temperatur- och tryckbelastningar. Rapporten visar
att inte bara belastningen
är tillfredsställande låg vid
användning, dessutom behåller rotorn en gynnsam form
även under full belastning.
von Mises tryckfördelning vid 600 °C and 160
bars tryck i förbränningsrummet.
En fullt fungerande prototypmotor verifierar de mest
förvånande resultat avseende fyllnadsgrad och vridmomentkurva.
PROTOTYP-TESTNING
Med en 160-kubiks encylindrig motor från Honda som
bas togs en fullt fungerande
prototyp fram för att bekräfta förväntningarna.
Testerna visade att
fyllnadsgraden var
Nm vid 850 r/min och 19,53
Nm vid tillverkarens maxvarvtal på 3 300 r/min. Max
effekt ökade vid detta varvtal från 3,6 kW till 6,8 kW.
400
350
300
cm3/stroke
Bortsett från specialtillverkat topplock,
insugs- och avgasrördragning samt
rotorventilen var konstruktionen i stort sett
orörd jämfört med
originalspecifikationen.
minst lika god som simuleringarna visat. I tester pumpade motorn luftmängder
som motsvarande ett teoretiskt vridmoment på 19,40
250
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
rpm
Prototypmotorn levererade som förväntat en oöverträffad fyllandsgrad över hela varvtalsregistret. Här
utnyttjat till att producera vridmoment.
3500
Detta utan att ta hänsyn till förbättrad virvelbildningskaraktäristik
eller höjt kompressionsförhållande. Ett vidare
bevis på att RVS-konceptet har de egenskaper som potentiellt kan
revolutionera förbränningsmotorn.
Öppningskurva rotor, w=2360 rpm
t ms
0.
2.1
4.2
6.4
8.5
10.6
12.7
0
30
60
90
120
150
180
Rotorvinkel °
40
30
20
10
0
Vevaxelvinkel °
Rotorhastigheten är fullt kontrolllerbar, vilket öppnar för möjligheten
att eliminera gasspjäll och ta full kontroll över portarnas öppningstider.
EKONOMISKT GENOMSLAG
RVS-motorn har väsentligt
färre rörliga delar jämfört
med en konventionell fyrtaktsmotor. I sig bidrar detta
till möjliga kostnadsbesparingar.
Men det betyder också att
servicekostnader kan sänkas
och parat med att olja inte
längre behövs i topplocket
kan livscykelkostnaden med
RVS-tekniken sänkas med en
stor andel. Mängden skärande bearbetning för att färdigställa topplocken är lägre och
rotorn tillverkas förslagsvis
i en CNC-svarv i ett enda
tempo.
bidrar alla till en lägre bränsleförbrukning. RVS-principen
kan implementeras i en rad
olika applikationer med olika
bränslen, i hybridkonstellationer, stationära installationer,
och så vidare.
Mindre förluster i ventildrivningen, högre kompressionsförhållande och i förlängningen en lägre fordonsvikt
Fördelarna är de samma:
bättre fyllnadsgrad, mindre
komplexitet och lägre totalkostnad.
Teoretiskt/Uppmätt luftflöde [l/s]
10
9
8
7
6
RVS
5
100% fyllnadsgrad
4
3
2
1
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
varvtal [rpm]
Fyllnadsgraden är förvånande hög även vid låga motorvarvtal. Detta betyder konstant, högt vridmoment över hela varvtalsregistret.
SLUTSATSER
Med RVS-tekniken är det möjligt att nå ett antal påtagliga fördelar jämfört med idag befintlig
teknik:
• Dramatiskt högre fyllnadsgrad och specifikt vridmoment över hela varvtalsregistret.
• Lägre komplexitet, lägre tillverkningskostnader och servicekostnader.
• Lägre förbrukning, mindre utsläpp.
Vi vill nu se vidare utveckling av tekniken och i slutänden full serieproduktion av RVS-ventilsystemet. Vi är därför villiga att diskutera möjliga lösningar för detta.
KONTAKT
Låter det här intressant? Är du intresserad av ett samarbete eller bara nyfiken kring RVS-tekniken? Har du några frågor? Tveka inte att kontakta oss!
AB Dafab
Christer Dahlborg
Eskadervägen 14
183 54 Täby
070-686 05 22
[email protected]
www.rotaryvalve.se