RVS ROTORVENTILKONCEPT. En kort teknisk beskrivning AB DAFAB

Transkript

1 RVS ROTORVENTILKONCEPT En kort teknisk beskrivning AB DAFAB

2 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 tillförlitlig 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!

3 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. 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. Eftersom motorn klarar av att pumpa stora luftvolymer 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. 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. Rotorn är utformad för att inte knipa mot sitt säte vid hög belastning. I stället kollapsar den in i sig själv (starkt överdrivet här). Rotorn är belagd med en högteknologisk keramisk beläggning, konstruerad att tåla höga laster vid höga temperaturer samtidigt som låg friktion och utmärkt förslitningsmotstånd 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.

4 FEM-SIMULERINGAR 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. Flödesanalysen utfördes över ett varvtalsspann från 850 r/min upp till r/ min och den visar att den maximala fyllnadsgraden om uppåt 180 procent är möjlig att uppnå. Inte bara det, Virvelbildningsförmågan drar nytta av det vinklade insuget. Särskilt portens rörelse under insugstakten påverkar virvelbildningen positivt. Eftersom hinder (tallriksventiler) saknas i flödet är insugshastigheten hög. utan flödeskaraktäristiken är konsekvent genom hela varvtalsregistret, från tomgång till maxvarv. Inte bara det, utan virvelbildningskaraktäristiken drar nytta av den lutande, dynamiska insugsporten, VHtL@dm 3 D 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. Notera att ingen form av överladdning har använts, utan normala värden för atmosfärstryck, luftdensitet, viskositet och omgivande temperatur har använts. Intake volume VHtL, w=3300 rpm 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.

5 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. Bortsett från specialtillverkat topplock, insugs- och avgasrördragning samt rotorventilen var konstruktionen i stort sett orörd jämfört med originalspecifikationen. Testerna visade att fyllnadsgraden var cm3/stroke minst lika god som simuleringarna visat. I tester pumpade motorn luftmängder som motsvarande ett teoretiskt vridmoment på 19, rpm Prototypmotorn levererade som förväntat en oöverträffad fyllandsgrad över hela varvtalsregistret. Här utnyttjat till att producera vridmoment. Nm vid 850 r/min och 19,53 Nm vid tillverkarens maxvarvtal på r/min. Max effekt ökade vid detta varvtal från 3,6 kw till 6,8 kw. 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.

6 Öppningskurva rotor, w=2360 rpm t ms Rotorvinkel 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. Mindre förluster i ventildrivningen, högre kompressionsförhållande och i förlängningen en lägre fordonsvikt 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. Fördelarna är de samma: bättre fyllnadsgrad, mindre komplexitet och lägre totalkostnad.

7 10 Teoretiskt/Uppmätt luftflöde [l/s] RVS 100% fyllnadsgrad 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.

8 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 Täby