專利名稱：采用直噴式奧托發(fā)動機和催化器系統(tǒng)的內(nèi)燃機設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種具有在權(quán)利要求1的前序部分中提到的那些特征的內(nèi)燃機設(shè)備。
為了對內(nèi)燃機的廢氣作后處理，通常的做法是對廢氣作催化洗凈。為此要讓廢氣通過至少一個可對廢氣的一種或多種有害成份作轉(zhuǎn)換處理的催化器。我們熟知的催化器有許多種。氧化式催化器可促進未燃燒的碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化；而還原式催化器則有助于減少廢氣中的一氧化氮(NOx)。此外，還采用三通路催化器來同時催化前述三種成分(HC，CO，NOx)的轉(zhuǎn)換。然而只有在經(jīng)過嚴格的化學(xué)計算，空氣燃料比在λ＝1時才可采用三通路催化器。
在裝備了直噴式奧托發(fā)動機(Ottomotoren)，也可是分層充氣發(fā)動機時，操作的汽車中都使用了較大容量的催化器系統(tǒng)，它的催化器容量KV＞0,9 x發(fā)動機沖程VH。尤其是那些在新的歐洲汽車標準(NEFZ)中使用了熱無害化處理的催化器的汽車，其HC-廢氣排放量＜0,07g/km，NOx-廢氣排放量＜0,05/km。
除了這些在有效平均壓力達到約3巴，轉(zhuǎn)數(shù)達到約3000U/分鐘時仍可運行的直噴式奧托發(fā)動機以外，眾所周知的是它們沒有分層充氣的能力，或只在很有限的范圍內(nèi)有這樣的能力。(阿爾法2.0JTS就是一種新型的汽油直噴式阿爾法羅密歐2Itr JTS發(fā)動機。2001年第十屆亞琛汽車及發(fā)動機學(xué)術(shù)研討會)。這些汽車和發(fā)動機也與能分層充氣的、直噴式奧托發(fā)動機類似，具有較大的催化器容積。
這種較大的催化器容量雖然具有很高的廢氣排放性能，但不利的是在制作催化器時要使用大量的貴金屬，致使其貴金屬成本過高。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有直噴式奧托發(fā)動機和催化器系統(tǒng)的內(nèi)燃機設(shè)備，與廢氣排放量低的現(xiàn)有技術(shù)中的內(nèi)燃機設(shè)備相比，內(nèi)燃機設(shè)備的催化器的生產(chǎn)成本就低了很多。
該目的是通過具有在權(quán)利要求1中提到的特征的內(nèi)燃機設(shè)備得以實現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置了一種內(nèi)燃機設(shè)備，它具有一個直噴式奧托發(fā)動機，該奧托發(fā)動機沒有或只有很小的分層充氣能力，還具有一個安裝在該奧托發(fā)動機后面的催化器系統(tǒng)，該催化器系統(tǒng)至少具有一個催化器，在這臺設(shè)備中，該催化器系統(tǒng)總的催化器容量(KV)為0.8-0,5x的發(fā)動機排量(VH)，或1.3-0,7L每100KW發(fā)動機額定功率(PNENN)，該設(shè)備中一個催化器/或整個催化器系統(tǒng)的貴金屬用量低于3.59g/dm3(100g/ft3)，低于2.87g/dm3(80g/ft3)為優(yōu)選值，低于2.15g/dm3(60g/ft3)為理想值，一個催化器/或整個催化器系統(tǒng)的總貴金屬質(zhì)量低于2g每升發(fā)動機排量(VH)，低于1.6g為優(yōu)選值，低于1.2g為理想值，低于0.8g為最佳值，或低于3.5g每100KW奧托發(fā)動機額定功率(PNENN)，低于2.8g為優(yōu)選值，低于2.3g為理想值，低于1.8g為最佳值。
盡管催化器的容積較小，貴金屬的用量低，但采用本發(fā)明的內(nèi)燃機設(shè)備仍可滿足歐IV的廢氣排放極限值。該項發(fā)明也特別適用于那些已經(jīng)過了時效的催化器。過時效例如可能是因為至少90％的全負荷運轉(zhuǎn)和軸向斷路都會產(chǎn)生廢氣而不得不更換催化器的葉輪出現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明，對同類型的、在燃料噴射方式上有所不同的內(nèi)燃機作了研究。其中一次測定用的是吸管式噴槍，另一次測定用的是直噴式奧托發(fā)動機。結(jié)果表明直噴式奧托發(fā)動機除了能達到7％的較高額定功率外，其HC-廢氣排放量也特別低。在下列技術(shù)指標下，HC-廢氣排放量較低-噴嘴的安裝位置在-20°至+50°的范圍內(nèi)，并與圓形的汽缸斷面有關(guān)(負度數(shù)相當(dāng)于向汽缸蓋方向定位，0°相當(dāng)于向平行的圓形汽缸斷面定位，正度數(shù)相當(dāng)于向曲軸方向定位)。
-處在噴嘴的噴射出口上的燃油噴束的中間位置，其噴射角應(yīng)在-5°至-45°或70°至90°的范圍內(nèi)，并與圓形的汽缸斷面有關(guān)(在此向上對準)。
-噴射壓力至少要達到40巴，至少60巴為優(yōu)選。最大噴射壓力優(yōu)選為2000巴，特別是最大壓力為1000巴。
-噴射開始應(yīng)在OT-點火前的330°至150°，尤其是在OT-點火前的280°至250°。
有了這些指標，無論是單個的，還是組合的，都可以實現(xiàn)這樣的噴射，即，燃料在燃燒室內(nèi)有足夠的分布，形成的室壁油膜效應(yīng)小。因此，與使用同類型催化器的吸管噴射器相比，在催化器達到時效后仍能達到小于50％的廢氣排放率，尤其是HC-廢氣排放。這樣就可以為直噴式奧托發(fā)動機，特別是在它至少滿足了上述指標時，設(shè)定符合本發(fā)明要求的催化器容積及催化器貴金屬用量指標，即便如此，在過了前述的NEFZ標準時效后仍可滿足歐IV標準。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的催化器容積(KV)＜0,7，尤其是＜0,6x發(fā)動機排量(VH)。在確定催化器容積(KV)超過發(fā)動機額定功率(PNENN)時，優(yōu)先考慮的催化器容積(KV)＜1.15L，尤其是＜1.00L每100KW發(fā)動機額定功率(PNENN)，而催化器容積(KV)＜0.85L每100KW發(fā)動機額定功率(PNENN)為最佳。
一個催化器/或一個催化器系統(tǒng)的平均單位貴金屬用量優(yōu)選為≤2.87g/dm3(80g/ft3)。在至少有一個催化器的情況下，這個/或這些催化器顯示的單位貴金屬用量要比那個/或那些主催化器高至70％左右，優(yōu)選高至50％，最佳高至30％。而廢氣凈化系統(tǒng)的貴金屬總量每升發(fā)動機排量計優(yōu)化值＜1.7g，特別優(yōu)化值＜1.4g，最佳值＜1.2g，完美值＜1.0g；或每100KW奧托發(fā)動機的額定功率計優(yōu)選值＜3g，特殊值2.5g，最佳值2.2g，完美值2g。
直噴式奧托發(fā)動機只在＜7％，特別的＜5％，優(yōu)選的＜3％，最佳的在0％的操作點上可以分層充氣。而奧托發(fā)動機則優(yōu)選一種自由吸入式發(fā)動機。
在做催化器系統(tǒng)的設(shè)計時可以有多種方案?？刹捎脝误w催化器；至少有兩個并置的催化器；一個主催化器加至少兩個并置的預(yù)催化器組合；及并置的預(yù)催化器與并置的主催化器組合等。
在采用與奧托發(fā)動機順向安置的單體催化器方案時，距離裝在附近的奧托發(fā)動機的排氣閥的優(yōu)選廢氣行程為＜800mm，特殊值＜500mm，最佳值＜300mm。該催化器系統(tǒng)也可以至少有兩個并置的催化器。它們總是安裝在附近的排氣閥后面，廢氣行程＜800mm處，特殊時可＜500mm，最佳為＜300mm處。
在根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的內(nèi)燃機設(shè)備的另一方案中，催化器系統(tǒng)有一個預(yù)催化器和一個后置的主催化器。該主催化器距預(yù)催化器的距離優(yōu)選為＞100mm。該預(yù)催化器最好與采用單體催化器的預(yù)催化器結(jié)構(gòu)形式相同，安裝在附近的排氣閥后面，廢氣行程＜800mm，優(yōu)選＜500mm的位置。此時預(yù)催化器的容積占后置主催化器的最大70％，優(yōu)選為最大50％，理想最大為30％。
根據(jù)本發(fā)明，也可并置至少兩個預(yù)催化器和至少一個裝在預(yù)催化器后面的主催化器。預(yù)催化器視總是安裝在附近的排氣閥的后面，廢氣路徑＜800mm，優(yōu)選值＜500mm，理想值＜350mm的方位。這樣預(yù)催化器總共占有最大70％，優(yōu)選最大50％的后置主催化器的容積。
在采用單體催化器或預(yù)-主催化器串聯(lián)使用時，單體催化器和與其有關(guān)的主催化器要優(yōu)選陶瓷基介質(zhì)。這種陶瓷基介質(zhì)應(yīng)優(yōu)選＞500cpsi的蜂孔密度。蜂孔密度(cpsi＝每平方英寸的蜂孔)與蜂孔壁厚(mil＝千分之一英寸)的乘積低于2700，把蜂孔密度換算成平方毫米和將蜂孔壁厚換算成毫米時相當(dāng)于0.1063。
這個或這些預(yù)催化器也可有選擇地用金屬箔基的介質(zhì)。這種介質(zhì)優(yōu)選的蜂孔密度為＞500cpsi。蜂孔密度(cpsi＝每平方英寸蜂槽)與蜂孔壁厚(my＝千分之一毫米)的乘積低于30000，優(yōu)選為20000，在用每平方毫米的蜂孔密度時相當(dāng)于＜46.5，優(yōu)選為＜31。
盡管大大降低了催化器系統(tǒng)的貴金屬使用成本，但根據(jù)本發(fā)明制造的配有熱無害化廢氣凈化系統(tǒng)的內(nèi)燃機設(shè)備仍能保證廢氣排放的可靠性符合新的歐洲汽車標準(NEFZ)。
本發(fā)明的其他優(yōu)化設(shè)計由別的從屬權(quán)利要求中提到的特征給出。
下面借助附圖舉例詳述本發(fā)明，其中

圖1顯示了帶一個催化器的內(nèi)燃機設(shè)備的示意圖；圖2顯示了帶一個預(yù)催化器和一個主催化器的內(nèi)燃機設(shè)備的示意圖；圖3顯示了帶兩個預(yù)催化器和一個主催化器的內(nèi)燃機設(shè)備的示意圖；圖4顯示了帶兩個預(yù)催化器，并串聯(lián)了一個主催化器的內(nèi)燃機設(shè)備的示意圖。
具體實施例方式
圖1至圖4分別圖示了本發(fā)明的內(nèi)燃機設(shè)備10，該設(shè)備采用了串聯(lián)有廢氣裝置14的奧托發(fā)動機(Ottomotor)12，在該廢氣裝置14中至少要有一個催化器來構(gòu)成一個催化器系統(tǒng)16。
圖1顯示的是一臺內(nèi)燃機設(shè)備10，它具有單個靠近發(fā)動機的催化器18，該催化器18最好是安裝在距附近的未示出的奧托發(fā)動機12的排氣閥的廢氣行程＜300mm的位置。圖2顯示的是這樣一臺內(nèi)燃機設(shè)備10，它具有一個預(yù)催化器20并串聯(lián)了一個主催化器22，其間距至少為100mm。安裝在近處的奧托發(fā)動機12的排氣閥通往預(yù)催化器20的廢氣行程大體可依據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)方式選擇。在圖3的內(nèi)燃機設(shè)備10的結(jié)構(gòu)方式中，設(shè)置了兩個預(yù)催化器20，它們分屬于奧托發(fā)動機12不同的汽缸。一個主催化器22與這兩個預(yù)催化器20共同串聯(lián)。而圖4顯示的內(nèi)燃機設(shè)備10的結(jié)構(gòu)形式則與圖3有兩個預(yù)催化器20的結(jié)構(gòu)形式相同，然而，兩個預(yù)催化器20分別與一個主催化器22串聯(lián)，廢氣裝置14的兩股線24，26要在主催化器22的后面會合。廢氣路程和預(yù)催化器20至主催化器之間的距離可參照其他的結(jié)構(gòu)方式的介紹選擇。
附圖標記一覽表10 內(nèi)燃機設(shè)備12 奧托發(fā)動機14 廢氣設(shè)備16 催化器系統(tǒng)18 催化器20 預(yù)催化器22 主催化器24 廢氣設(shè)備束線26 廢氣設(shè)備束線
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機設(shè)備(10)，其具有不能分層充氣或少量分層充氣的直噴式奧托發(fā)動機(12)和與奧托發(fā)動機(12)串聯(lián)的催化器系統(tǒng)(16)，所述催化器系統(tǒng)至少有一個催化器(18)，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的催化器容積(KV)小于0.8x發(fā)動機排量(VH)或小于1.3每100kW發(fā)動機額定功率(PNENN)，催化器系統(tǒng)(16)的該至少一個催化器(18)的單位平均貴金屬用量小于3.59g/dm3，而至少這一個催化器(18)總的貴金屬質(zhì)量小于2g每升發(fā)動機排量(VH)；或小于3.5g每100kW奧托發(fā)動機(12)的額定功率(PNENN)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的催化器容積(KV)＜0,7x發(fā)動機排量(VH)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的催化器容積(KV)＜0,6x發(fā)動機排量(VH)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)的催化器容積(KV)＜1.15L每100kW發(fā)動機額定功率(PNENN)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)的催化器容積(KV)＜1.00L每100kW發(fā)動機額定功率(PNENN)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)的催化器容積(KV)＜0.85L每100kW發(fā)動機額定功率(PNENN)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)包括至少兩個并置的催化器(18)，或帶至少兩個并置的預(yù)催化器(20)的一個主催化器(22)，或分別帶至少一個預(yù)催化器(20)的兩個并置的主催化器(22)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)的至少一個催化器(18)的平均單位貴金屬用量為≤2.87g/dm3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)的至少一個催化器(18)的平均單位貴金屬用量為≤2.15g/dm3。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，這個/或這些預(yù)催化器(20)的單位貴金屬用量要比那個/或那些主催化器(22)多至70％左右。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至8中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，這個或這些預(yù)催化器(20)的單位貴金屬用量要比那個/或那些主催化器(22)多至50％左右。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至8中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，這個或這些預(yù)催化器(20)的單位貴金屬用量要比那個或那些主催化器(22)多至30％左右。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的貴金屬質(zhì)量＜1.6g每升奧托發(fā)動機(12)的發(fā)動機排量(VH)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至12中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的貴金屬質(zhì)量＜1.2g每升奧托發(fā)動機(12)的發(fā)動機排量(VH)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至12中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的貴金屬質(zhì)量＜1.0g每升奧托發(fā)動機(12)的發(fā)動機排量(VH)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至12中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的貴金屬質(zhì)量＜0.8g每升奧托發(fā)動機(12)的發(fā)動機排量(VH)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至12中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的貴金屬質(zhì)量＜3g每100kW奧托發(fā)動機(12)的額定功率。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至12中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的貴金屬質(zhì)量＜2.5g每100kW奧托發(fā)動機(12)的額定功率。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至12中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的貴金屬質(zhì)量＜2.1g每100kw奧托發(fā)動機(12)的額定功率。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至12中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)總的貴金屬質(zhì)量＜1.7g每100kW奧托發(fā)動機(12)的額定功率。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，至少一個催化器(18)或至少一個預(yù)催化器(20)的廢氣路徑距附近的奧托發(fā)動機(12)排氣閥＜800mm。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至20中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，至少一個催化器(18)或至少一個預(yù)催化器(20)的廢氣路徑距附近的奧托發(fā)動機(12)排氣閥＜500mm。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至20中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，至少一個催化器(18)或至少一個預(yù)催化器(20)的廢氣路徑距附近的奧托發(fā)動機(12)排氣閥＜300mm。
24.根據(jù)權(quán)利要求7至23中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，至少一個預(yù)催化器(20)與至少一個串聯(lián)的主催化器(22)的間距＞100mm。
25.根據(jù)權(quán)利要求7至24中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，至少一個預(yù)催化器(20)的容積最大占至少一個串聯(lián)的主催化器(22)的70％。
26.根據(jù)權(quán)利要求7至24中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，至少一個預(yù)催化器(20)的容積最大占至少一個串聯(lián)的主催化器(22)的50％。
27.根據(jù)權(quán)利要求7至24中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，至少一個預(yù)催化器(20)的容積最大占至少一個串聯(lián)的主催化器(22)的30％。
28.根據(jù)權(quán)利要求1至26中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，所述催化器系統(tǒng)(16)的這個或這些催化器采用陶瓷基介質(zhì)。
29.根據(jù)權(quán)利要求1至26中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，至少一個催化器(18)或至少一個主催化器(22)采用陶瓷基介質(zhì)。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，采用陶瓷基介質(zhì)的催化器(18)或主催化器(22)的蜂孔密度＞500cpsi，蜂孔密度(cpsi＝每平方英寸的蜂孔)與蜂孔壁厚(mil＝千分之一毫米)的乘積低于2700，在用每平方毫米表示蜂孔密度和用毫米表示蜂孔壁厚時相當(dāng)于0.1063。
31.根據(jù)權(quán)利要求7至30中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，至少一個預(yù)催化器(20)采用金屬基介質(zhì)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，至少一個預(yù)催化器(20)的蜂孔密度＞500cpsi，蜂孔密度(cpsi＝每平方英寸的蜂孔)與蜂孔壁厚(mil＝千分之一毫米)的乘積低于30000，優(yōu)選低于20000，在用每平方毫米表示蜂孔密度時相當(dāng)于低于46.5，優(yōu)選低于31。
33.根據(jù)權(quán)利要求1至32中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，奧托發(fā)動機(12)在所有的工作點中只有＜7％能夠分層充氣。
34.根據(jù)權(quán)利要求1至32中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，奧托發(fā)動機(12)在所有的工作點中只有＜5％能夠分層充氣。
35.根據(jù)權(quán)利要求1至32中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，奧托發(fā)動機(12)在所有的工作點中只有＜3％能夠分層充氣。
36.根據(jù)權(quán)利要求1至32中之一所述的內(nèi)燃機設(shè)備，其特征在于，奧托發(fā)動機(12)是自由吸入式的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機設(shè)備，該設(shè)備包括直噴式奧托發(fā)動機(12)，其不能分層充氣或只能少量地分層充氣運轉(zhuǎn)；以及與奧托發(fā)動機串聯(lián)的催化器系統(tǒng)(16)，其至少具有一個催化器(18)。這樣來設(shè)置，即，催化器系統(tǒng)(16)總的催化器容積(kV)＜0.8x發(fā)動機排量(VH)或＜1.3每100kW發(fā)動機額定功率(PNENN)，該催化器系統(tǒng)(16)的至少這一個催化器(18)的平均單位貴金屬用量＜3.59g/dm
文檔編號F01N13/02GK1668830SQ03816609
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月15日
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