專利名稱：內(nèi)燃機(jī)的一種操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與操縱一內(nèi)燃機(jī)使其產(chǎn)生高排氣溫度的方法有關(guān)，尤其是用于裝有催化處理裝置的內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)中，使排氣(廢氣)中所含的不希望有的污染物經(jīng)處理后得以減少。
雖然對排氣進(jìn)行的催化處理對于減少排氣內(nèi)含有不希望有的排放污染物是有效的，但催化處理裝置的催化材料或催化劑有一最低的工作溫度(通常稱為“點(diǎn)火(觸發(fā))”溫度，把使50％的催化劑有效起作用的溫度視為此“點(diǎn)火”溫度)，催化劑要達(dá)到該所需的工作溫度時(shí)才比較有效。因此在達(dá)到該溫度前的期間，從排氣系統(tǒng)排放出的不希望有的排放污染物的量值會(huì)增加。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)有一段時(shí)期未工作后起動(dòng)時(shí)，催化材料的溫度低于其“點(diǎn)火”溫度，為縮短達(dá)到點(diǎn)火溫度的時(shí)間，并相應(yīng)減少在催化材料達(dá)到“點(diǎn)火”溫度之前所排放污染物的量，采用提高從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室傳入排氣系統(tǒng)的排氣溫度可能比較理想。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)典型的起動(dòng)過程是在相當(dāng)小的負(fù)載和低速下運(yùn)轉(zhuǎn)，通常稱為“發(fā)動(dòng)機(jī)怠速”，故輸入進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油量較少，相應(yīng)地只有相當(dāng)少量的熱能用來提高排氣溫度，即只有少量的熱被用來使催化劑提高到其“點(diǎn)火”溫度。
再者，在催化劑“點(diǎn)火”后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)允許在小負(fù)載條件下運(yùn)轉(zhuǎn)較長時(shí)間時(shí)，特別是在低溫環(huán)境下，排氣溫度可能會(huì)降至不足以維持催化劑處于點(diǎn)火狀態(tài)的溫度，從而對排氣中所含不希望有的排放污染物的處理就會(huì)變得無效。
提出過在催化處理裝置的上游側(cè)設(shè)置一后置燃燒裝置使催化劑加熱。這樣的配置方式下，后燃燒裝置使排氣中剩余的可燃混合物點(diǎn)火燃燒從而提高催化劑的溫度，但這種配置會(huì)顯著增加成本并使發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的安裝復(fù)雜化。
因此本發(fā)明的目的是在于提供一種操縱內(nèi)燃機(jī)的方法，該方法有助于使排氣維持在一高的溫度，從而使排氣系統(tǒng)內(nèi)的催化材料達(dá)到適當(dāng)?shù)乜焖佟包c(diǎn)火”并在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間保持這種點(diǎn)火狀態(tài)。
從上述目的來看，所提供的操縱內(nèi)燃機(jī)的方法包括至少在發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)汽缸內(nèi)使氣體/燃油混合物的點(diǎn)火推遲到發(fā)動(dòng)機(jī)的上述至少一個(gè)汽缸燃燒工作循環(huán)的上死點(diǎn)之后(ATDC)，而且當(dāng)按上述滯后點(diǎn)火時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的上述至少一個(gè)汽缸的燃油(供給)率最好增加到高于發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的燃油率。
通常，點(diǎn)火滯后角可達(dá)約－30BTDC(即30°ATDC)，最好為－20BTDC(即20°ATDC)。在多汽缸情況下，例如對于一個(gè)三汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)，此滯后角可以改變，最好其值為15°至30°ATDC。燃油率(以毫克/汽缸/一個(gè)循環(huán)計(jì))最好大于最大負(fù)載下的燃油率的50％，更為理想的是可達(dá)最大負(fù)載下燃油率的80％。然而，若有需要，燃油率也可超過最大負(fù)載下的燃油率(大于100％)，但是通常燃油率可選為能保證達(dá)到所希望的排氣溫度條件下的最小值，燃油可在抵達(dá)上死點(diǎn)之前供入燃燒室，對于一直接噴油的發(fā)動(dòng)機(jī)最好在上死點(diǎn)前(BTDC)60°至80°時(shí)噴入。但也可以預(yù)想到在某種條件或情況下，燃油也可以在上死點(diǎn)后(ATDC)供入汽缸。
上述方法可方便地應(yīng)用于在內(nèi)燃機(jī)排汽系統(tǒng)上設(shè)置有催化處理裝置的內(nèi)燃機(jī)中。在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口與催化處理裝置之間可以配置一個(gè)火焰消除器?；鹧嫦鞯淖饔檬欠乐勾呋幚硌b置內(nèi)的催化材料直接與由仍在燃燒的排氣所可能產(chǎn)生的火焰接觸。在催化處理裝置的上游可引入額外的空氣，所附加的空氣有助于排氣的催化氧化。
該方法能在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)情況下應(yīng)用，此外，當(dāng)催化材料的溫度被探測到或判斷是低于所需的工作溫度時(shí)，該方法也可應(yīng)用。
發(fā)動(dòng)機(jī)可以是一種雙沖程內(nèi)燃機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)最好是具有由活塞操縱的排氣口。
當(dāng)空氣控制系統(tǒng)是如澳大利亞專利申請第51065/90號所揭示的那樣(該專利內(nèi)容在此引為參照)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)操縱控制系統(tǒng)控制下的旁通氣控閥可能完全開啟而此時(shí)主手動(dòng)控制油門仍處于關(guān)閉狀態(tài)。
通過以下對按本發(fā)明的操縱內(nèi)燃機(jī)方法的實(shí)例進(jìn)行描述并參閱附圖，將會(huì)對本發(fā)明有更深入的理解。
在這些圖中

圖1是一典型的直接噴油雙沖程內(nèi)燃機(jī)的汽缸壓力－曲軸轉(zhuǎn)角的特性曲線圖；圖2是按本發(fā)明方法操縱的直接噴油雙沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸壓力－曲軸轉(zhuǎn)角的特性曲線。
按本發(fā)明的方法能應(yīng)用于一具有活塞控制排氣口的雙沖程內(nèi)燃機(jī)上，參照本基本應(yīng)用例將對本發(fā)明進(jìn)行描述。
先參閱圖1，在一典型的直接噴油式雙沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃油約在抵達(dá)上死點(diǎn)前60°角時(shí)供入汽缸，而汽缸內(nèi)點(diǎn)火燃燒發(fā)生于上死點(diǎn)前(BTDC)約35°時(shí)。圖1曲線中所示實(shí)線表示發(fā)生點(diǎn)火時(shí)的汽缸壓力－曲軸轉(zhuǎn)角特性。而虛線表示未點(diǎn)火時(shí)的情況。
按本發(fā)明方法和如圖2的一個(gè)實(shí)例所示，當(dāng)燃油在上死點(diǎn)前(BTDC)60°和80°之間供入汽缸時(shí)，汽缸內(nèi)點(diǎn)火延遲到約上死點(diǎn)前－30°角時(shí)發(fā)生，即上死點(diǎn)后(ATDC)30°角時(shí)發(fā)生。圖2曲線示出了當(dāng)燃油在BTDC60°角處供入汽缸而點(diǎn)火發(fā)生于BTDC－20°時(shí)的汽缸壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系特性。
燃油率也可予以改變，可增至超過最大負(fù)載下燃油率的50％，最好可增至最大負(fù)載下燃油率的80％。
按本發(fā)明的方法可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)而作改變，例如，對于一個(gè)三汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其中僅有一或兩個(gè)汽缸要按上述方法工作時(shí)，對于工作于點(diǎn)火滯后/高燃油率條件下的汽缸，最好使燃油率保持恒定而點(diǎn)火滯后一個(gè)固定的量值，典型地約為20°ATDC。在此種工作情況下，其余的汽缸則仍在正常條件下工作，這樣就可對處于上述條件下工作的汽缸所造成的暫時(shí)扭矩?fù)p失進(jìn)行補(bǔ)償。在正常工作條件下工作的汽缸還可調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速。
比較起來，一個(gè)三汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)其所有汽缸均按上述方法工作時(shí)，最好對所有汽缸均有一固定的高燃油率而且都工作于點(diǎn)火滯后狀態(tài)。至少在一個(gè)點(diǎn)火周期的一個(gè)燃燒循環(huán)內(nèi)，每個(gè)汽缸的點(diǎn)火滯后角取相同值是適宜的。
再者，最好在一個(gè)點(diǎn)火周期內(nèi)各汽缸的點(diǎn)火滯后角根據(jù)各燃燒循環(huán)可作改變從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速，一般來說，這種點(diǎn)火滯后角在15°ATDC和30°ATDC之間變化。然而也可以設(shè)計(jì)成在一個(gè)點(diǎn)火周期內(nèi)，各個(gè)汽缸之間的點(diǎn)火滯后角由于受到交替地或附加地控制而不同。
由于首先是滯后點(diǎn)火燃燒，以及較少程度的高燃油率，總的熱效率(即燃料燃燒所提供的能量轉(zhuǎn)變成有功的效率)十分低，這樣就有一高量級的熱能可用來加熱處理排氣的催化處理裝置，此外，額外的熱量傳入發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑而使冷卻劑的溫度迅速升高，其結(jié)果是使發(fā)動(dòng)機(jī)排放出的HC(碳?xì)?污染物較少，相應(yīng)地也減低了對用來將HC排放量水平維持在所要求水平的催化處理裝置的依賴性。
燃燒最好在總的空氣/燃油比接近于理想配比的富油條件下發(fā)生，因?yàn)樵谌紵怀浞值臈l件下，較低的氧化溫度將會(huì)產(chǎn)生諸如H和CO(一氧化碳)之類的氣體。這些氣體會(huì)與催化材料反應(yīng)從而使催化材料升溫，因此使催化材料達(dá)到其“點(diǎn)火”溫度。
若有需要，附加的含氧氣體諸如空氣可由設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)處的催化處理裝置的上游供入，例如可用一空氣泵來供氣，因此確保有過量的氧氣供入排氣系統(tǒng)有助于排氣中所含有的任何污染物催化轉(zhuǎn)變。許多場合下，將向滯后點(diǎn)火的燃燒室內(nèi)供給空氣的節(jié)流閥或空氣控制裝置調(diào)節(jié)在“全開啟”或接近于“全開啟”狀態(tài)是比較理想的，以便向燃燒室內(nèi)最大限度地供入空氣，從而可以允許應(yīng)用最高的燃油率。然而，當(dāng)空氣控制系統(tǒng)用于多于一個(gè)汽缸的情況下時(shí)，空氣流量應(yīng)這樣來確定，即不滯后點(diǎn)火的燃燒室的燃燒效率不會(huì)受到不利的影響。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，對于一“點(diǎn)火”周期只要維持滯后點(diǎn)火和高燃油率約30秒鐘就足以使催化處理裝置升溫到使處理裝置內(nèi)催化材料“點(diǎn)火”的溫度。在某些情況下，可利用的熱能量值更大時(shí)上述的時(shí)間可以縮短至5秒左右。再者，特別是在雙沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的場合下，開始點(diǎn)火和排氣口開啟之間的一段時(shí)間對于使燃燒室內(nèi)的所有燃油均充分燃燒可能是不夠的，因此燃?xì)鈴娜紵疫M(jìn)入排氣系統(tǒng)時(shí)仍在繼續(xù)燃燒，在此情況下，在催化處理裝置的上游配置一火焰防護(hù)屏以防止催化處理裝置與火焰接觸可能是有益處的，若需要，正如以上所提到的那樣可把過量的空氣供入排氣系統(tǒng)以促進(jìn)排氣的催化氧化。
再者，可以理解到過大的點(diǎn)火滯后角會(huì)引起點(diǎn)火與排氣之間的時(shí)間相當(dāng)短，高的燃油率可能導(dǎo)致相對低的扭矩輸出。因而發(fā)動(dòng)機(jī)怠速情況下，高燃油率并不會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與正常的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速會(huì)有明顯的不同。從此角度而言，對于一多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)，只有其中一個(gè)或幾個(gè)汽缸工作于大滯后角點(diǎn)火和高燃油率狀態(tài)，而使其余的汽缸如上面所述的那樣對發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速提供必需的控制，這樣可能是最佳方法。
也可能會(huì)有利的是使汽缸“輪轉(zhuǎn)”，即每個(gè)汽缸依次處于滯后點(diǎn)火和高燃油率的條件下，這種汽缸的“輪轉(zhuǎn)”可能在一個(gè)點(diǎn)火周期內(nèi)發(fā)生。有所不同的是在接續(xù)的點(diǎn)火周期內(nèi)可以應(yīng)用一不同的汽缸，這樣做有助于保證每個(gè)汽缸承受相同的溫度和/或相同的碳形成的情況。
通過使用本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)使催化劑達(dá)到其點(diǎn)火溫度的時(shí)間縮短，另外也可能實(shí)現(xiàn)使催化處理裝置被設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口下游更遠(yuǎn)的距離處，從而可改善催化處理裝置的使用年限。
可以理解，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后僅在很短時(shí)間內(nèi)再起動(dòng)時(shí)，催化處理裝置可能仍處于足夠高的溫度下，再起動(dòng)時(shí)就能直接“點(diǎn)火”，再按本發(fā)明方法使催化處理裝置進(jìn)一步加熱就顯得不必要了。然而，這種(是否需加熱)條件能夠通過適當(dāng)?shù)馗惺馨l(fā)動(dòng)機(jī)的其他一些參數(shù)來明確，這些參數(shù)諸如發(fā)動(dòng)機(jī)的整體溫度、冷卻水溫度或催化處理裝置附近的排氣系統(tǒng)溫度。因此，感受(測定)發(fā)動(dòng)機(jī)的這些和/或其他的參數(shù)是有用的，只有當(dāng)所感受的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度條件和/或排氣系統(tǒng)的溫度條件表明，催化處理裝置的溫度處于需輔助加溫才能迅速“點(diǎn)火”時(shí)，才能實(shí)施具體的點(diǎn)火滯后和高燃油率條件。
再者，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于較長時(shí)間怠速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，特別是處于低溫環(huán)境條件下，排氣系統(tǒng)，特別是催化處理裝置的溫度降至催化處理裝置的“點(diǎn)火”溫度之下。同樣也可設(shè)置適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽頇z測此條件，發(fā)動(dòng)機(jī)的操縱控制系統(tǒng)可設(shè)置成能響應(yīng)這些傳感器有關(guān)這種條件的信息，據(jù)此來執(zhí)行點(diǎn)火滯后和高燃油率條件以使催化處理裝置恢復(fù)或保持在可接受的工作條件下。
當(dāng)適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳈z測到發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)，例如排氣系統(tǒng)溫度，又升至可接受的量值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)操縱控制系統(tǒng)就可中止點(diǎn)火滯后和高燃油率條件而使汽缸回復(fù)至正常的點(diǎn)火時(shí)刻和燃油率條件。在多于一個(gè)汽缸是按點(diǎn)火滯后和高燃油率條件工作的場合下，最好使這些汽缸順序地回復(fù)至正常工作狀態(tài)，即在一段時(shí)間內(nèi)一個(gè)汽缸回復(fù)至正常工作并穩(wěn)定下來。在從高燃油率轉(zhuǎn)接至較低燃油率而引起燃油“滯遲”的場合，上述措施尤其有用，所謂“滯遲”是指燃油滯留在把燃油供入汽缸的裝置內(nèi)，在此情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)就可能不會(huì)有準(zhǔn)確的瞬態(tài)響應(yīng)。但是，在多個(gè)汽缸工作于點(diǎn)火滯后和高燃油率條件下，上述工作條件的汽缸數(shù)目是在按操作手的要求而作顯著增加的情況下，那么這些汽缸可以同時(shí)回復(fù)至正常工作條件。因此，按本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)工作方法，既可在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，亦可在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的任何時(shí)刻當(dāng)已測出或判斷催化材料的溫度低于所需的“點(diǎn)火”溫度時(shí)投入使用。
固然本發(fā)明方法特別適用于雙沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，更為理想是用于直接噴油的發(fā)動(dòng)機(jī)，但本發(fā)明應(yīng)用范圍并不局限于這些發(fā)動(dòng)機(jī)。對于一雙沖程三缸1.2升容量的直接噴油發(fā)動(dòng)機(jī)，正常怠速運(yùn)轉(zhuǎn)下每循環(huán)的預(yù)計(jì)燃油率為3毫克/汽缸/循環(huán)，而按本發(fā)明點(diǎn)火滯后和高燃油率的方法，燃油率可增至18至25毫克/汽缸/循環(huán)，即發(fā)動(dòng)機(jī)最大負(fù)載下燃油率的85％－115％。
在上述的一空氣輔助式直接噴油雙沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中，例如申請人的4693224號美國專利中所述，通過控制在正常設(shè)定下運(yùn)行的汽缸的燃油率和控制那些氣缸的點(diǎn)火時(shí)刻，使其按如本文所述的按本發(fā)明的點(diǎn)火滯后和增加燃油率的方法工作，能很方便地控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
可以理解，本發(fā)明特別有利于使發(fā)動(dòng)機(jī)的催化處理裝置迅速達(dá)到其“點(diǎn)火”溫度而需增加的部件非常小，也就是對發(fā)動(dòng)機(jī)單價(jià)而言幾乎只需增加很少甚至不增加附加費(fèi)用。
權(quán)利要求
1.內(nèi)燃機(jī)的一種操作方法包括至少在內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)汽缸內(nèi)使氣體/燃油混合物滯后點(diǎn)火，對于所述的發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)汽缸的燃燒循環(huán)，點(diǎn)火滯后至上死點(diǎn)后(ATDC)。
2.一按權(quán)利要求1的方法，其特征在于當(dāng)按上述點(diǎn)火滯后時(shí)，上述至少一個(gè)汽缸的燃油率增至高于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)所需要的量。
3.一按權(quán)利要求2的方法，其特征在于燃油率大于最大負(fù)載下燃油率的50％。
4.一按權(quán)利要求3的方法，其特征在于燃油率約是最大負(fù)載下燃油率的80％。
5.一按權(quán)利要求2的方法，其特征在于燃油率大于最大負(fù)載下燃油率的100％。
6.一按上述各權(quán)利要求的方法，其特征在于點(diǎn)火滯后角可達(dá)上死點(diǎn)后(ATDC)30°。
7.一按權(quán)利要求6的方法，其特征在于點(diǎn)火滯后角約為20°ATDC。
8.一按上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)的各汽缸之間，點(diǎn)火滯后角各不相同。
9.一按權(quán)利要求8的方法，其特征在于不同的點(diǎn)火滯后角在15°ATDC和30°ATDC之間。
10.一按上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于燃油是在上死點(diǎn)前(BTDC)60°至80°之間供入。
11.一按上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于發(fā)動(dòng)機(jī)包括有一設(shè)置于其排氣系統(tǒng)中的催化處理裝置，該裝置中維持供給一種催化材料。
12.一按權(quán)利要求11的方法，其特征在于一火焰消除器設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口與催化處理裝置之間。
13.一按權(quán)利要求11或12的方法，其特征在于附加空氣從催化處理裝置的上游導(dǎo)入。
14.一按權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)的方法，其特征在于當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，按上述方法對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行操作。
15.一按權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)的方法，其特征在于當(dāng)感受到或判明催化材料的溫度低于所需的工作溫度時(shí)，按上述方法對發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施操作。
16.一按上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于發(fā)動(dòng)機(jī)具有活塞控制的排氣口。
17.一按上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于發(fā)動(dòng)機(jī)是一雙沖程內(nèi)燃機(jī)。
18.一按上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于發(fā)動(dòng)機(jī)是一多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)，至少有一個(gè)上述汽缸其點(diǎn)火時(shí)刻未滯后至上死點(diǎn)后。
19.一按上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于當(dāng)感受到(或測出)或判明已達(dá)到一預(yù)定的工作條件后，上述發(fā)動(dòng)機(jī)回復(fù)至正常工作(狀態(tài))。
全文摘要
一種內(nèi)燃機(jī)的操作方法包括在發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)汽缸內(nèi)的氣體/燃油混合物，在發(fā)動(dòng)機(jī)的上述至少一個(gè)汽缸的燃燒循環(huán)中，點(diǎn)火滯后至上死點(diǎn)后(ATDC)。當(dāng)按上述滯后點(diǎn)火時(shí)，上述至少一個(gè)汽缸內(nèi)的燃油率提高至大于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的燃油率。
文檔編號F02P5/15GK1115996SQ94190841
公開日1996年1月31日 申請日期1994年1月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年1月25日
發(fā)明者大衛(wèi)·R·沃斯, 斯蒂芬·J·華森, 喬治·M·P·D·西爾瓦 申請人:軌道工程有限公司