專利名稱：汽車的稀混合氣發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及汽車的稀混合氣發(fā)動機，這種發(fā)動機在發(fā)動機工作條件的特定范圍內進行稀混合氣燃燒以便節(jié)省燃料。
近年來，已經研制了各種稀混合氣發(fā)動機，其在發(fā)動機低轉速和發(fā)動機負載的范圍內燃燒稀的燃油混合氣。由于稀燃油混合氣含有相對于燃油來說過剩的空氣，因而這種稀混合氣發(fā)動機不僅減少了泵氣損失，也降低了廢氣的溫度，泵氣損失尤其是指由于吸氣沖程出現(xiàn)負壓而引起的損失，而廢氣溫度的下降可減少熱損失和排氣損失，熱損失是指由冷卻系從燃燒室及其周圍帶走的熱能。泵氣損失和熱損失的減少可以提高發(fā)動機的熱效率，實現(xiàn)燃油消耗的減少。在研制稀混合氣發(fā)動機的過程中，人們進行各種努力以改善空—燃比控制的精度和可燃性，以便可以燃燒較稀的混合氣，同時改善排放物控制。
上述努力之一可見日本專利公開文本第59—208141號。其中所使用的方案是利用在稀混合氣控制系統(tǒng)中的稀混合氣體感器，它提供一個大約與排氣中氧含量成正比的輸出信號。在這種稀混合氣控制系統(tǒng)中，空—燃比控制的精度通過按照上述傳感器輸出信號對空—燃比的反饋控制而改善，按照預計空—燃比建立和修正一個控制上述傳感器的輸出信號的目標值。
另一種方案是，一方面通過增強渦流來提高混合氣稀燃極限，另一方面燃燒在上述極限之上盡可能稀的混合氣，以控制或減輕排放物，使之含有足夠低濃度的有害物如氮的氧化物(NOx)樣一種稀混合氣發(fā)動機可見日本汽車工程師協(xié)會1992年10月1日出版的科技會議論文集第2卷中刊載的論文《新一代稀混合氣發(fā)動機的發(fā)展》(論文號924068)。該技術方案涉及在發(fā)動機低轉速和發(fā)動機低負載的較窄范圍(不要求高的發(fā)動機轉矩)內的稀燃。
為了進一步提高燃油經濟性，擴展發(fā)動機稀燃的工作條件范圍是至關重要的。關于擴展發(fā)動機稀燃的工作條件范圍，上述出版物所述的稀混合氣發(fā)動機的有待解決的問題在于，提高發(fā)動機轉矩和減少氯的氧化物的排放。
在上述論文中，稀混合氣發(fā)動機所產生的氮的氧化物排放顯示，在空—燃比為16的排氣中比例最大，當混合氣變稀時傾向于減小氮的氧化物的比例。此外，在排氣凈化系統(tǒng)中使用的廢氣三元催化凈化裝置(CCRO)，對于空—燃比為14.7的理想的或理論計算混合氣來說，具有凈化氧化氮(NOx)的高效率，但是，對于比理論計算混合氣稀的混合氣來說，效果并不總是那么好。因此，為了使現(xiàn)有技術的稀混合氣發(fā)動機可以燃燒高度稀薄的混合氣而又排放較低比例的氧化氮(NOx)，關鍵是將空—燃比的稀度極限提高至大約20，使稀混合氣發(fā)動機產生足夠低比例的氧化氮排放。但是，這樣稀薄的混合氣對發(fā)動機輸出轉矩會有嚴重的限制。因此，現(xiàn)有技術的稀混合氣發(fā)動機必須一方面在發(fā)動機低轉速和產生需要輸出轉矩的發(fā)動機低負載的范圍內進行稀燃，另一方面必須在發(fā)動機高負載范圍內燃燒理論計算混合氣或更濃的混合氣，以便在上述范圍內產生足夠的轉矩和減少氧化氮的排放。在這種情況下，為了使現(xiàn)有技術的稀混合氣發(fā)動機擴展發(fā)動機稀燃工作條件范圍，關鍵是要對于高度稀薄的混合氣提高可用轉矩。據(jù)認為，通過下述方式可以擴展對于比理論計算混合氣稀的混合氣的發(fā)動機工作條件范圍，即，在發(fā)動機負載處在高于給出需要的發(fā)動機轉矩的發(fā)動機負載范圍的一側時，逐漸減少在混合氣中燃油的比例，同時獲得盡可能高的發(fā)動機轉矩。但是，這會導致氧化氮排放量的增加。
在研制高效的稀混合氣發(fā)動機時另一個問題是，在發(fā)動機工作條件過渡期如加速時的燃油經濟性。在現(xiàn)有技術的稀混合氣發(fā)動機中，為了保證發(fā)動機轉矩，甚至在發(fā)動機稀燃工作條件范圍內出現(xiàn)加速時，也會中止稀燃，這種中止，按照燃油經濟性來說，對于稀混合氣發(fā)動機并不總是合乎需要的。另外，如果在氧化氮允許量的空—燃比極限和空燃比稀薄極限之間只有一窄帶的話，那么，根據(jù)驅動條件的變化，空—燃比會超過上述極限(上述驅動條件變化是由于在控制過程中空—燃比的變化，在缸間空—燃比的變化和/或燃燒室中混合氣分布變化而引起的)。這也導致必須提高空—燃比的稀薄極限。
另外，很多的注意力賦予了與提高轉矩技術有關的技術方案，這涉及在燃燒室中混合氣可燃性的改善，以及發(fā)動機輸出特性的改善等。對于進氣和排氣系統(tǒng)的機械結構和燃燒室的結構，人們也進行了各種嘗試，例如日本未審定的專利申請公開文本第5—10645號。在稀混合氣發(fā)動機中，進氣系統(tǒng)經過改進，以便在副進氣道關閉時借助通過主進氣道引入的空氣在燃燒室中產生渦流。如果稀混合氣發(fā)動機包括適于在預定的定時開、閉的時、排氣閥，那么，分配給進氣閥的，在吸氣沖程活塞達到下死點(BDC)之時和進氣閥關閉之時之間的時間大致等于分配給排氣閥的在排氣閥開始打開之時和在排氣沖程活塞達到下死點(BDC)之時之間的時間。也就是說，如果需要在發(fā)動機低轉速范圍內增加發(fā)動機的輸出轉矩，那么，進、排氣閥在適于低速型進氣系統(tǒng)的定時被驅動，以便趨向或離開下死點而打開一個大致相同短的時間。另一方面，如果需要在發(fā)動機高轉速范圍內增加發(fā)動機輸出轉矩，那么，進、排氣閥在適于高速型進氣系統(tǒng)的定時被驅動，以便向著或離開下死點而打開一個大致相同長的時間。這種類型的稀混合氣發(fā)動機難于在發(fā)動機低轉速范圍和發(fā)動機高轉速范圍內增加發(fā)動機的輸出轉矩。另外，由于在這種稀混合氣發(fā)動機中，要按照發(fā)動機的工作條件改變閥的定時，以便按照發(fā)動機的轉速范圍增加發(fā)動機輸出轉矩，因此使閥的定時改變機構和閥的定時控制難度大且很繁復。
某些類型的稀混合氣發(fā)動機，如上述公開文本第4—208141號中所述的稀混合氣發(fā)動機，設有輔助供氣系統(tǒng)，其用于向各氣缸的噴油嘴供送空氣。這種輔助供氣系統(tǒng)在冷機運轉時被啟動以便供氣，從而促進燃油的霧化，因此改善燃油的可燃性。這種類型的稀混合氣發(fā)動機在冷機運轉時能夠有效地霧化燃油，其中，必須增加供應的燃油量并減少碳氫化合物(HC)、氧化氮(NOx)和一氧化碳(CO)等的排放，一般來說，由于供應的燃油量增加也會使這些排放物增加。但是，稀混合氣發(fā)動機根據(jù)不利用輔助供氣系統(tǒng)以減少氧化氮的排放。這是因為輔助供氣促進燃油的燃燒，這會導致在排氣中氧化氮(NOx)的排放量，因此，使用輔助供氣系統(tǒng)是與減少氧化氮(NOx)的排放的需求不相適應的。
另一種稀混合氣發(fā)動機，如日本未審定的專利公開文本第4—350352號中所述，設有燃油蒸氣供送系統(tǒng)，用于將燃油蒸汽送入進氣系統(tǒng)，以便將其送入燃燒室。這種稀混合氣發(fā)動機利用供氣系統(tǒng)來供送燃油蒸汽和輔助壓縮空氣。具體來說，輔助供氣系統(tǒng)包括一壓縮泵，其吸氣孔連接于一個罐的排氣管，以便將燃油蒸汽及輔助壓縮空氣供送到空氣輔助噴油嘴。在這種技術方案中也可以將燃油蒸汽送入進氣系統(tǒng)的減震筒(Surge tank)。
為了使設有燃油蒸氣處理系統(tǒng)的稀混合氣發(fā)動機保持穩(wěn)定的燃燒，在可以使用高度稀薄的混合氣的發(fā)動機工作條件范圍內一般不利用燃油蒸汽。這種稀混合氣發(fā)動機，在稀燃過程中，超過罐的容量的燃油蒸汽被放入大氣中，使實際燃油經濟性下降。即使在稀燃過程中需要將燃油蒸汽送入燃燒室時，對于在各氣缸間燃油蒸汽的均勻分配必須有各種限制，這對發(fā)動機輸出轉矩和燃燒室中混合氣的分層具有影響，而燃燒室中混合氣的分層對空—燃比的稀薄極限具有影響。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種稀混合氣發(fā)動機，它能夠在加寬的發(fā)動機稀燃工作條件范圍內保證輸出轉矩，并能夠充分地減少氧化氮(NOx)的排放量。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種稀混合氣發(fā)動機，它能夠在發(fā)動機低轉速范圍內增加發(fā)動機輸出轉矩，而在發(fā)動機高轉速范圍內保證足夠的發(fā)動機輸出轉矩。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種稀混合氣發(fā)動機，它能夠在稀燃過程中改善燃油的可燃性，同時減少在排氣中的氧化氮(NOx)的排放量。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種稀混合氣發(fā)動機，其中，以接近于空—燃比的稀薄極限的高度稀薄的空—燃比供送混合氣的發(fā)動機工作條件范圍內，可以使用燃油蒸汽以便提高燃油經濟性，另外，可保證燃油燃燒的可靠的穩(wěn)定性，以及稀混合氣的分層，從而提高空—燃比的稀薄極限。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，按照本發(fā)明的汽車的稀混合氣發(fā)動機，在發(fā)動機低轉速和發(fā)動機低負載的范圍內，將混合氣控制在規(guī)定的空—燃比上，它比理論計算空—燃比稀薄預定的比率，以便使排氣中氧化氮比例低于一預定的水平，使輸出轉矩的變化小于允許的水平，并且在發(fā)動機高負載的范圍內，將混合氣控制得等于或濃于理論計算空—燃比，本發(fā)明的稀混合氣發(fā)動機設有低速型進氣系統(tǒng)，它在發(fā)動機低轉速范圍內使充氣效率增加，還設有一個排氣系統(tǒng)，它即使在燃燒比理論計算混合氣稀薄的混合氣時也能夠消除在排氣中的氧化氮排放。在發(fā)動機低轉速范圍內所建立的空—燃比，在發(fā)動機工作條件的下述特定范圍內是稀薄的，即，發(fā)動機的負載高于與發(fā)動機負載范圍中極限負載接近的發(fā)動機負載，在發(fā)動機低轉速范圍內以規(guī)定的空燃比使發(fā)動機轉矩增加，此時，進氣系統(tǒng)使充氣效率增加，在發(fā)動機工作條件的特定范圍內發(fā)動機負載較高的一側，發(fā)動機負載的增加時，空—燃比在規(guī)定的范圍內逐漸變小。
上述結構的稀混合氣發(fā)動機，在發(fā)動機低轉速范圍內，以增加的充氣效率充氣，因而在稀燃過程中產生提高的輸出轉矩極限。在排氣凈化裝置(如具有鉑、銥和銠中至少一種的催化凈化裝置)的協(xié)同下，一個以沸石為載體承載的活化劑能夠消除由稀于理論計算混合氣的混合氣產生的排氣中的氧化氮的排放，即使空—燃達到接近理論計算空—燃比，而遠離可使稀混合氣發(fā)動機充分減少氧化氮排放量的稀薄空—燃比，稀混合氣發(fā)動機也可以使氧化氮排放量減少。上述低轉型進氣系統(tǒng)和排氣凈化系統(tǒng)是互補的，以便在稀燃過程中提高發(fā)動機的轉矩極限。因此，在發(fā)動機負載較高的一側，稀混合氣發(fā)動機擴展了發(fā)動機稀燃工作條件范圍，而不會在排氣中導致氧化氮排放量的增加。
除了在普通的發(fā)動機工作期間以外，在發(fā)動機過渡工作如加速期間，在特定的發(fā)動機稀燃工作條件范圍內也可以將混合氣控制在稀薄的空—燃比上。在這種情況下，稀混合氣發(fā)動機保持了高的燃油經濟性，很好地控制了加速期間的排放物，同時改善了充氣效率的保證需要的輸出轉矩。
另外，當進氣分層涉及到特定的發(fā)動機稀燃工作條件范圍時，在發(fā)動負載范圍內，混合氣可以被控制在規(guī)定的空—燃比上，在發(fā)動機負載高于發(fā)動機負載范圍時，節(jié)氣門開度增加，可在規(guī)定的范圍內增加混合氣量。在這種理論下，規(guī)定的高度稀薄空—燃比形成的發(fā)動機低轉速和發(fā)動機低負載范圍被擴展，使得稀混合氣發(fā)動機可以在規(guī)定的稀空—燃比產生可以得到的最大輸出轉矩。另外，在空—燃比稀于理論計算空—燃比時，在發(fā)動機工作條件范圍內所供應的混合氣量增加，使發(fā)動機輸出轉矩增加，因而改善了燃油消耗的經濟性。
規(guī)定的發(fā)動機稀燃工作條件范圍是由下述方式限定的，即，節(jié)氣門最大開度為全開度的大約6/8。這種接近于節(jié)氣門全開度的發(fā)動機稀燃工作條件范圍可以使稀混合氣發(fā)動機得到廣泛應用，不僅可在普通街道上行駛，也可以在高速公路上行駛。
在特定的發(fā)動機低轉速稀燃范圍內，當?shù)诙M氣道關閉時，進氣系統(tǒng)借助第一進氣道在燃燒室中產生燃油紊流，以便改善在烯燃過程中燃油的可燃性。第一進氣道制成需要的形狀，使形成的燃油紊流的中心線與燃燒室的垂向中心線相交35°至55°角。這種結構的第一進氣道可產生增強的螺旋渦流，這是一種復雜的紊流，包括在燃燒室中的一垂向紊流(tumble)和一水平渦流(Swirl)，使混合氣總是可以均勻分布，適合于稀燃，因而改善了在稀燃過程中燃油的可燃性。
低速型進氣系統(tǒng)的結構，使得當?shù)诙M氣道關閉時進氣的動態(tài)效果可以在發(fā)動機低轉速的特定稀燃范圍內調諧在一個發(fā)動機轉速上，以便由于增加了在稀燃過程中的充氣效率而增加發(fā)動機輸出轉矩。特別是在發(fā)動機低轉速的特定稀燃范圍的較高轉速側，進氣的動態(tài)效果可以調諧在一個發(fā)動機轉速上。在這種情況下，在發(fā)動機高速的范圍內，在需要高的發(fā)動機輸出轉矩時，可以使充氣效率增加。
這種動態(tài)效果可以借助設置在進氣系統(tǒng)的共振室產生的，共振室具有大于減震筒的容量。共振室的結構，使得在所述第二進氣道分別閉合和打開時，進氣動態(tài)效果調諧的所述發(fā)動機兩轉速之間的轉速范圍內產生進氣的動態(tài)效果。在第二進氣道關閉時調諧的發(fā)動機轉速和在第二進氣道打開時調諧的發(fā)動機轉速之間的范圍內防止轉矩的下降。
低速型進氣系統(tǒng)的進氣閥的關閉定時使得在發(fā)動機低轉速的特定稀燃范圍內可以增加充氣效率，同樣，快速型排氣系統(tǒng)的排氣閥的打開定時使得在發(fā)動機高速范圍內促進廢氣的排出。具體來說，在排氣沖程離下死點(BDC)一段時間以前排氣閥開始打開，上述一段時間比進氣沖程中進氣閥開始閉合時離開下死點的一段時間長一個相當于曲柄角10°的時間。經過上述那樣定時的進、排氣系統(tǒng)的稀混合氣發(fā)動機可以向著高動機較高負載一側擴展特定的發(fā)動機稀燃工作條件范圍，此時，稀燃以減少的氧化氮排放量進行，它可增加在發(fā)動機低速范圍中的輸出轉矩，因混合氣的紊流而改善燃燒速度。因此，即使排氣閥較早地開始打開，在發(fā)動機高速范圍內，稀混合氣發(fā)動機也不會產生能量損失和轉矩下降。
進氣系統(tǒng)還可以包括一個進氣控制裝置，它按照特定的發(fā)動機稀燃工作條件范圍的發(fā)動機工作條件控制越過節(jié)氣門和進氣量，以便引入增加的進氣量，從而彌補發(fā)動機轉矩的不足。噴油嘴可以是空氣混合式的，它提供輔助空氣以便有效地使噴射的燃油霧化。包括這種空氣混合型噴油嘴的稀混合氣發(fā)動機可向著發(fā)動機較高負載一側擴展特定的發(fā)動機稀燃工作條件范圍，稀燃進行時，很好地控制了氧化氮的排放，同時它可使混合氣由于燃油的霧化而均勻地分布，因而在稀燃的過程中，使氧化氮的排放量大大地減少。
另外，通過燃油蒸汽排送系統(tǒng)向空氣混合型噴油嘴供送燃油蒸汽。這使稀混合氣發(fā)動機可以向各氣缸中均勻地供送燃油蒸汽，從而防止稀混合氣發(fā)動機在稀燃過程中產生輸出轉矩下降的情況。上述各氣缸的空氣混合型噴油嘴經過定時，在進氣沖程的規(guī)定定時噴油，以便保證在每個氣缸中混合氣濃度的適宜分層，因此改善混合氣在稀燃過程中的可燃性。
現(xiàn)在對照以下附圖描述本發(fā)明的推薦實施例，更清楚地闡明本發(fā)明的上述的和其它的目的和特征。


圖1是按照本發(fā)明一推薦實施例的稀混合氣發(fā)動機的示意圖；圖2是稀混合氣發(fā)動機的燃燒室的平面圖；圖3是包括主進氣道的稀混合氣發(fā)動機燃燒室的截面圖；圖4是包括引進氣道的稀混合氣發(fā)動機燃燒室的截面圖；圖5是表示混合氣平均紊流強度的曲線圖；圖6是表示與垂向紊流和水平渦流有關的進氣平均強度的曲線圖；圖7是表示渦流測量的示意圖；圖8是閥的定時圖；圖9是進氣歧管的截面圖；圖10是進氣歧管的另一截面圖；圖11是沿圖9中IX—IX線的截面圖；圖12是發(fā)動機的轉矩特性曲線圖；圖13是表示空氣和燃油蒸汽混合供送系統(tǒng)的示意圖；圖14是表示空氣混合型噴油嘴的細部的截面圖；圖15是空氣混合型噴油嘴的立體圖；圖16是燃燒室中各種燃油分布模型的示意圖；圖17是相關于燃油分布模型的氧化氮(NOx)排放量曲線圖；圖18是在各氣缸間空—燃比分散的曲線圖；圖19是表示與節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉速有關的空—燃比控制模型的曲線圖；圖20是與圖19相似的曲線圖，表示與進氣負壓和發(fā)動機轉速有關的空—燃比控制模型；圖21是表示發(fā)動機輸出轉矩相關于節(jié)氣門開度的變化的曲線圖；圖22是燃油噴射和燃油蒸汽供送的定時圖；圖23是表示稀混合氣發(fā)動機特性的曲線圖；圖24是表示進氣壓力和空—燃比與節(jié)氣門開度之關系的曲線圖；圖25是氣缸蓋的底視圖；圖26是按照另一推薦實施例的稀混合氣發(fā)動機的燃燒室的平面圖；圖27是按照又一推薦實施例的稀混合氣發(fā)動機的燃燒室的平面圖；圖28是表示稀混合發(fā)動機特性的曲線圖；圖29是表示稀混合氣發(fā)動機的與燃油分布模型相關之特性的曲線圖。
現(xiàn)在參閱附圖詳細描述，具體參閱圖1，圖1表示按照本發(fā)明一推薦實施例的稀混合氣發(fā)動機1(例如，一臺四氣缸直列式內燃機)，一進氣系統(tǒng)20和一排氣系統(tǒng)58與發(fā)動機1配合工作。發(fā)動機1具有第一和第二進氣道3和4，其通入每個氣缸(圖中只畫出一個)的楔形燃燒室2，第一進氣道(主進氣道)和第二排氣道(副排氣道)5和6通入燃燒室2。進氣道3和4，以及排氣道5和6分別通過進氣閥7和8以及排氣閥9和9在預定的定時打開和閉合。進氣閥7和8，以及排氣閥9和10直接由預置凸輪軸式閥驅動機構驅動。
空氣通過共用進氣管30和通過減震筒22與共用進氣管30連接的進氣歧管21引入燃燒室2。共同進氣管30設有空氣濾清器31，熱式空氣流傳感器32和節(jié)氣門33，從上游端按上述順序排列。旁流管34從共用進氣管分支并與其接合，以便使空氣可越過節(jié)氣門33。旁流管34設有氣管35和氣管36。由一電磁鐵(未畫出)操縱的怠速控制閥調節(jié)通過氣管35的空氣流量，以便控制在怠速期間引入燃燒室2的進氣量。熱式閥38當發(fā)動機1是冷的時候，按照溫度增加通過氣管36的空氣流量，以便增加引入燃燒室2的進氣量。進氣管30還設有噴油嘴40和空氣流量控制閥41，噴油嘴40位于進氣道3和4中任一個(在本例中為進氣道3)附近，空氣流量控制閥41也稱為紊流/水平渦流控制(TSC)閥，緊靠另一個進氣道4?？刂崎y41響應于負壓由執(zhí)行器42操縱，以便控制垂向紊流和水平渦流，即進氣紊流。為了向執(zhí)行器42提供負壓并排放負壓，在執(zhí)行42和減震筒22之間連接一真空筒43，以便將負壓從減震筒22引入執(zhí)行器42和設在真空筒43和執(zhí)行器42之間的電磁閥44，以便控制負壓的供應和排放。
空氣混合型噴油嘴40借助在其嘴部供送空氣而使燃油霧化成細滴。供油系統(tǒng)包括一燃油泵46，其設置在燃油箱45內，將燃油從燃油箱45通過設有過濾器47的油管48送向噴油嘴40。過剩的燃油從噴油嘴40通過設有調壓器49的回油管50送回燃油箱45。這種供油系統(tǒng)和輔助空氣和燃油蒸流供送系統(tǒng)配合工作，這將在下文詳述。
排氣系統(tǒng)58包括一排氣管59，其上設有構成空—燃比控制系統(tǒng)一部分的氧氣(O2)傳感器60和催化凈化器61。氧氣傳感器60產生一個與排氣中氧氣含量成正比的輸出，使空—燃比控制系統(tǒng)確定一個適當?shù)目铡急?，不斷地監(jiān)視排氣以驗證混合氣調節(jié)的精度。催化凈化器62凈化排氣，即，除去碳氫化合物(HC)、氧化氮(NOx)和一氧化碳(CO)等有害排放物。
除空氣流量傳感器32和氧氣傳感器60以外，空—燃比控制系統(tǒng)還包括一個用于檢測節(jié)氣門33各種打開位置的節(jié)氣門位置傳感器62，一個用于檢測節(jié)氣門33閉合位置的怠速位置傳感器63，一個用于檢測進氣溫度的溫度傳感器64，一個用于檢測發(fā)動機冷卻水的溫度的溫度傳感器65，一個用于檢測發(fā)動機爆震的爆震傳感器66。另外，分電器47設有用于檢測發(fā)動機曲軸(未畫)轉角的角度傳感器68和用于區(qū)分正在點火氣缸的氣缸傳感器69。所有上述傳感器都是本專業(yè)技術人員熟知的，可以采用任何公知的類型。
發(fā)動機控制裝置70接受來自各傳感器的信號，以便控制由一定的噴油嘴供送的燃油量，以及進行供油的定時，發(fā)動機控制裝置下述控制怠速控制閥37，與TSC閥41有關的電磁閾44，以及輔助空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)的空氣控制閾55和電磁閥58。
催化凈化器61，在燃燒比理論計算混合氣稀薄有混合氣之后，使排氣中的氧化氮(NOx)還原。這種催化凈化器61的實例可詳見本申請的申請人提交的日本專利申請第5—126552號。催化凈化器61的催化劑包括貴金屬如銥和鉑，或者銥、鉑和銠，作為由載體如沸石承載的活化劑。這種催化凈化器61可以有效地除掉排氣中的氧化氮(NOx)，使排氣得到凈化。
下面對照現(xiàn)有技術的催化凈化器(CCRO)來描述在稀燃中消除氧化氮的機構。在現(xiàn)有技術的催化凈化器中，當燃燒理論計算混合氣時，廢氣中的氧氣不足以氧化廢氣中的HC和CO。因此，氧化氮(NOx)被分解成氮氣和氧氣，氧氣用于氧化HC和CO，以凈化排氣。但是，當燃燒稀混合氣時，廢氣中含有大量氧氣，足以氧化排氣中的HC和CO，氧化氮(NOx)作為排放物留在排氣中。
與現(xiàn)有技術的催化凈化器不同的是，還原型催化凈化器61在多孔的載體沸石中捕獲大量HC，使貴金屬作為活化劑吸收氧化氮。另外，甚至當廢氣含有大量氧氣時，催化凈化器61也使載體沸石中的HC與吸收在活化劑中的NOx發(fā)生化學反應，使NOx分解，從而凈化排氣。以這種方式，甚至當燃燒稀混合氣時，催化凈化器61也可消除廢氣中的氧化氮。在本例中，銥具有將活化劑貴金屬變成細顆粒的作用；以便改善催化凈化器61的排氣凈化效率，并改善催化凈化器61的耐用性。
已經研究出一種催化劑，它能夠在燃燒稀混合氣時積累氧化氮(NOx)，而在燃燒理論計算混合氣時分解氧化氮(NOx)。如果長時間燃燒稀混合氣，那么這種催化劑就不再能夠積累氧化氮(NOx)，從而使消除氧化氮的效率變劣。與這種催化劑不同的是，還原型的催化凈化器61甚至當長時間燃燒稀混合氣時，也可以保持消除氧化氮的高效率。
現(xiàn)在參閱表示與稀燃有關的發(fā)動機的詳細結構的圖2—4，在進氣沖程中，基本當進氣閥7和8分別打開第一和第二進氣道3和4時，發(fā)動機1通過第一和第二進氣道3和4將混合氣送入每個氣缸的燃燒室2。在壓縮沖程中，活塞11壓縮混合氣之后，火花塞12點燃混合氣。然后，在排氣沖程中，排氣閥9和10分別打開第一和第二排氣閥5和6，迫使廢氣排出燃燒室2。進氣道3和4的結構和相對于燃燒室2的定位，使得在燃燒室2中產生很強的傾斜螺旋渦流，這是一種復雜的紊流，由一垂向紊流和一水平渦流構成。具體來說，第一進氣道3由具有直的直道中心線LP1的直道3a和具有喉部中心線LP2的喉部3b構成，直道3a在進氣方向的上游延伸，喉部3b在下游從直道3a彎向閥座13。同樣，第二進氣道4由具有直道中心線Ls1的直道4a和具有喉部中心線LS2的喉部4b構成，直道4a在進氣流方向的上游延伸，喉部4b在下游從直道4b彎向閥座14。直道3a的結構是，其直道中心線LP1的延長線在閥座13和閥頭7a上的在最大閥升程時最靠近燃燒室2的垂向中心線的一點之間穿過。同樣直道4a的結構是，直道4a的直道中心線LS1的延長線在閥座14和閥頭8a上的，在給定閥升程時最靠近燃燒室2的垂向中心線LO的一點之間穿過。這樣結構的進氣道3和4能使進氣具有低的氣流阻力。在這種情況下，直道3a和4a的直道中心線LP1和LP2最好分別穿過閥座13和14的中心。
燃燒室2是屋脊形的，具有進氣道3和4和排氣道5和6，它們具有最適宜的結構，使進氣閥7和排氣閥9的閥中心線Lv7和Lv9和進氣閥8和排氣閥10的閥中心線Lv8和Vv10的交角θ為大約30°。第一進氣道3還具有主喉部偏置角α1，角α1與閥中心線Lv7和喉部中心線LP2之間的夾角有關，它大于第二進氣道4的副喉部偏置角α2，角α2與閥中心線Lv8喉部中心線LS2的夾角有關。例如，主、副喉部角α1和α2分別設定為30°和12°。由于第一進氣道3的結構，當進氣只通過第一進氣道3引入時，在燃燒室2中會產生紊流S，其相對于垂向中心線LO的傾角λ大約為35°至55°。另一方面，上述結構的第二進氣道4在燃燒室2中產生進氣的垂向紊流T。
進氣閥7和8包括閥頭7a和8a以及閥桿7b和8b，閥頭7a和8a的底面平行于楔形燃燒室2的頂面。進氣閥7的閥夾7a，其閥面角β1大于進氣閥8的閥面角β2。換言之，第一進氣道3的閥座13的閥座角大于第二進氣道4的閥座14的閥座角。上述結構的進氣閥7和8提供了第一進氣道的閥頭7a和喉部3b之間的一條通路，該通路寬于第二進氣道4的閥頭8a和喉部4b之間的通路。由于這種閥結構，第一進氣道3具有加速通過其引入的進氣流的作用，第二進氣道4具有保證必要的進氣量的作用。雖然，為了使進氣高速流動，第一進氣道3可具有一個窄的喉部，但是，由于氣流阻力效果，這并不總是理想的。為了產生向著排氣閥9和10的急劇沖擊，第一進氣道3在其出口圓周上有一邊緣15，燃燒室2繞著第一進氣道3的出口具有擠壓區(qū)16。
按照這種結構的發(fā)動機，第一進氣道3可在燃燒室2中產生強烈復雜的紊流，包括垂向紊流和水平渦流，因此，即使在容易引起稀混合氣慢速燃燒的稀燃過程中，也可以一次實現(xiàn)混合氣的均勻分布和改進的燃燒速度，使稀混合氣令人滿意地燃燒。
圖6表示在燃燒室中混合氣的平均紊流強度，如圖6所示，雖然在從進氣沖程至壓縮沖程前半部的時間內渦流強烈地擾動，從而對混合氣的均勻分布帶來直接的效果，但是，在壓縮沖程的后半部，紊流相當弱。與水平渦流相反，紊流中的垂向紊流在壓縮沖程的前半部時間內弱，但在壓縮沖程的后半部時間內強。按照具有進氣道3的上述結構的發(fā)動機，在從進氣沖程至壓縮沖程的時間內，由于水平渦流和垂向紊流的作用，混合氣的紊流強度得到增強。圖5表示渦流比Sr為3、3和4、2時，渦流傾角λ和平均紊流強度R之間的關系。如圖5所示，使渦流具有大約35°至55°，最好為大約45°的傾角λ并使渦流比大于3，可以大大地增強混合氣的紊流強度，使混合氣得到改善的均勻分布，使混合氣快速燃燒。
渦流比Sr是按下述方式限定并得到的。
一般來說，渦流比Sr定義為燃燒室中產生的混合氣水平紊流的圓圈運動的數(shù)目除以發(fā)動機轉數(shù)所得的商。水平紊流的圓圈運動的數(shù)目是以脈沖渦流轉矩為基礎操縱的，其方法是本專業(yè)技術人員熟的。上述脈沖渦流轉矩是由脈沖渦流表測出的。例如，如圖7所示，發(fā)動機1具有一個直徑為D的氣缸，脈沖渦流表80放在位置F2上，位置F2離開氣缸蓋底面F1的距離為直徑D的1.75倍。在圖7中，基準F3指示在一個沖程中活塞11在下死點(BDC)時活塞的頂面。在測量脈沖渦流轉矩時，脈沖渦流表80放置在離開氣缸蓋底面F1距離為1.75D的位置F2上，并模擬作用在活塞11的頂面上的渦流的能量，以便發(fā)現(xiàn)一般在活塞11的頂面F3附近存在的圓圈運動的能量。脈沖渦流表80設有許多蜂窩狀結構，渦流流動方向上的力作用在其上。通過求作用在各蜂窩狀結構上的力的積分即可求得脈沖渦流轉矩G。
具體來說，假設混合氣從進氣閥7和8開始打開直至活塞到達下死點連續(xù)地引入燃燒室2，混合氣在該期間沿燃燒室2的內壁作圓圈運動，并且當活塞到達下死點時達到圓圈運動的最高速度。因此，通過對在該期間每曲軸運動單位角度的每個角動量進行積分即可求出渦流比Sr。以這種試驗知識為基礎，在本實施例中，渦流比Sr通過下式求出Sr=ηV.{D·S·∫(cf·Nr·da)}/{n·a2da·(∫cf·da)2}]]>Nr＝8·G/(M·D·Vo)……(1)式中ηV是容積效率(＝1)；S是活塞行程；n是進氣閥數(shù)目；d是進氣道喉部直徑c是相對于每個閥升程的流動系數(shù)；N是相對于每個閥升程的無量綱裝備渦流值；a是曲柄角；G是脈沖渦流轉矩；M是在進氣沖程中充入氣缸中的空氣量；Vo是活塞頭速度。
上述式(2)作如下引導G＝I·ωr ……(3)I＝M·D2/8 ……(4)將式(4)代入式(3)G＝M·D2·ωr/8 ……(5)根據(jù)式(5)D·ωr＝8·G(M/D) ……(6)又由于Nr＝D·ω/Vo……(7)根據(jù)式(6)和(7)Nr＝8·G/(M·D·Vo)
在上述各式中，I是在進氣沖程結束時(下死點)，氣缸中空氣的慣性矩，ωr是裝備渦流值(rig Swirl value)。
由于第一和第二進氣道3和4，以及進氣閥7和8有上述如圖2—4所示結構，渦流比Sr和渦流傾角向上面所述那樣確定，以便提高平均紊流強度。另外，因為第一和第二進氣道3和4，以及進氣閥7和8的結構使進氣閥7的閥頭的閥面角β1大于進氣閥8的閥頭的閥面角β2，所以通過第一進氣道3的進氣流速度增加，通過第一進氣道3的進氣的流量系數(shù)被限制得較小，從而有助于增加充氣效率。
為了在一定程度上增加燃油燃燒速度而又不有損于可燃性，平均紊流強度最好在1.5和2.5m/s之間。另外，為了使稀混合氣縮短燃燒時間，燃燒室2的結構制得緊湊以便具有小的面積/容積比，從而建立盡可能短的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。在這方面，作為一個實例，一臺四沖程，頂置雙凸輪軸式稀混合氣發(fā)動機所具有的尺寸是排量為1500cc，氣缸內徑為75mm，活塞行程為84mm，壓縮比為9.4。雖然從熱效率考慮，壓縮比要高，但是，在確定壓縮比時要考慮到爆震因素的限制和排放物控制。
現(xiàn)在參閱圖8所示閥的定時圖，圖中實線表示發(fā)動機1的閥定時，虛線表示現(xiàn)有技術的發(fā)動機的閥定時。排氣閥9，10在排氣沖程下死點(BDC)之前開始打開，在排氣沖程接近上死點(TDC)時閉合。另一方面，進氣閥7，8在進氣沖程接近上死點(TDC)時開始打開，在進氣沖程下死點(BDC)之后閉合。具體來說，在這個實例中，進氣閥7，8在進氣沖程距下死點一短時間Ti之后的時刻IC較早地閉合，這稱為慢速型，其中閉合的定時使進氣量在發(fā)動機低速范圍內增加，以便減輕進氣的回吹(back blow)。排氣閥9，10在排氣沖程離下死點較長時間Te之前較早地打開，這稱為快速型，其中排氣閥打開的定時在發(fā)動機高速范圍內促進廢氣的排出。另外，在排氣沖程排氣閥打開時刻EO和下死點之間的時間Te相當于凸輪軸的10°，它大于進氣沖程進氣閥閉合時刻IC和下死點之間的時間Ti。例如，閥定時經設定，使排氣閥在相當于凸輪軸在下死點之前50°的時刻EO打開，在上死點的時刻TD閉合，進氣閥在上死點時刻TDC打開，在相當于凸輪在下死點之后33°的時刻IC閉合。上述時刻或凸輪角度都是以凸輪凸起部最高的一點為準限定的。如虛線所示，在現(xiàn)有技術的發(fā)動機中，閥定時經設定，在排氣閥打開時刻和下死點之間的時間和進氣閥閉合時刻和下死點之間的時間之間凸輪角幾乎沒有差別或最多只有5°差別。
另一方面，由于發(fā)動機1的上述閥定時，慢速型的進氣閥7和8防止了在發(fā)動機低速范圍內進氣的回吹，從而提高了在發(fā)動機低速范圍內的充氣效率并提高了發(fā)動機輸出轉矩。另一方面，雖然排氣閥9和10是快速型的，但是，它們在發(fā)動機低速范圍內并不停止對發(fā)動機輸出轉矩的提高。這是因為在發(fā)動機低速范圍內，垂向紊流/水平渦流控制41關閉，通過圖2—4所示結構的進氣道3和4形成的傾斜的渦流，同時通過空氣混合型噴油嘴40的霧化作用，加速了混合氣的燃燒。因此，即使排氣閥早打開，燃燒的能量在排氣閥打開前充分地賦予了活塞，并不出現(xiàn)排放入排氣道的燃燒能量比賦予活塞的燃燒能量多的現(xiàn)象，因此，在發(fā)動機低速范圍內對發(fā)動機輸出轉矩的提高并不停止。另外，因為在發(fā)動機高速范圍內促進了廢氣的排放，所以在排氣過程中減少了泵氣損失，快速型排氣閥彌補了在發(fā)動機高速范圍內的發(fā)動機輸出轉矩的下降。
圖9—11表示進氣歧管21的細部結構。進氣歧管21經過改進，使其在發(fā)動機工作的不同條件如發(fā)動機高、低速工作條件下更有效。其中進氣的動態(tài)或慣性作用是可以調諧的，與未經改進的改進以改變進氣的動態(tài)作用的進氣岐管相比較，進氣歧管21在發(fā)動機高、低速范圍內都可增加充氣效率。進氣歧管21還設有共振室，從而在中間范圍增加了發(fā)動機轉矩，因此，增大發(fā)動機整個低速范圍，有助于發(fā)動機稀燃工作條件范圍的擴展。
具體來說，進氣歧管21包括基本是半圓形的上、下半殼體21a和21b，它們固定在一起構成半圓形延伸的進氣通路23，在其下游端分別與各氣缸相連通，相互是獨立的。上半殼體21a形成有一與其連為整體的減震筒殼體，從而形成減震筒22。各進氣通路23連接于減震筒22，減震筒22與直列氣缸一起延伸。每條進氣通路23包括一個由上半殼體21形成上半部23a，它在其上游端與減震筒22相連通，還包括一個由下半殼體21b形成的下半部23b，它在其下游端與氣缸連通。下半殼體21b在其下游端有與凸緣24，借其固定在發(fā)動機1的氣缸蓋上。進氣在穿過固定在上半殼體21a上的節(jié)氣門體(未畫出)之后進入減震筒22。如圖11所示，每條進氣通路23由隔壁25分成兩個出口，即直接與主進氣道3連通的主出口23P和直接與副進氣道4連通的副出口23S。垂向紊流/水平渦流控制閥41設置在各進氣通路23的副出口23S內，通過閥軸41a與執(zhí)行器42相連接，閥軸41a穿過副出口23S，與直列的氣缸一起延伸。執(zhí)行器42連接于閥軸41a的一端，以便開、閉控制閥41。
如圖9和10所示，歧管21構成一個由上、下半殼體21a和21b包圍的基本呈圓筒形的共振室26。共振室26在直列氣缸的方向上延伸，并與減震筒22相連通。在共振室26相鄰發(fā)動機1的一側，歧管21有一垂壁27，垂壁27構成共振室26的一部分。垂壁27分成兩部分，即與上半殼體21a連為整體的上壁27a和與下半殼體21b連為整體的下壁27b，設有連接通路28，其一端通入共振室26，另一端通入減震筒22。構成輔助空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)的一部分的一條通路52在進氣歧管21的上半殼體21a中形成。在本實例中，共振室26的容積容量大于減震筒22。另外，進氣歧管21在長度和橫截面的結構使得進氣的動態(tài)效果當控制閥41使副進氣道4閉合時，調諧在發(fā)動機低速范圍，例如大約2000轉/分，而當控制閥41使副進氣道4打開時，調諧在發(fā)動機高速范圍，例如大約3500至4000轉/分。
如果進氣歧管21的設計只考慮上述的進氣動態(tài)效果可調諧范圍，那么，只在圖12中虛線所示的發(fā)動機低速范圍和發(fā)動機高速范圍中可實現(xiàn)發(fā)動機轉矩的增加，而在中間范圍則急劇下降。但是，當進氣歧管21與共振室26(共振室26的容積容量大于減震筒22，且與減震筒連通)共同工作時，發(fā)動機轉矩在發(fā)動機轉速的整個范圍上變化平緩，如圖12中實線所示。這是因為共振室26的共振效果使充氣效率在中間范圍內增加的緣故。
圖13表示與空氣混合型噴油嘴配合工作的輔助空氣燃油蒸汽供送系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個使燃油蒸汽和空氣混合的混合室55。在混合室55的兩側，一條設有控制空氣供應的空氣控制閥51的供氣管51從旁流管34(見圖1)延伸至進氣歧管21。具體來說，供氣管52在其下游端分叉成四條分別連接于噴油嘴40的管52a。當發(fā)動機1怠速或在高負載下工作時，空氣控制閥51使空氣供應管52關閉，或者使供氣管52打開以便使空氣被送至噴油嘴。供氣管52還設有旁流管53以便使空氣越過空氣控制閥51流動。在旁流管上設有小孔54使得在怠速時有小量空氣。輔助空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)還包括一條燃油蒸汽排送管57，其設有排送閥58如電磁閥，管57從罐56延伸至混合室55。排送閥58當打開時使燃油管45中產生的和罐56中的燃油蒸汽被送入混合室55。在混合室55中產生的空氣和燃油蒸汽的混合氣送入包圍噴油嘴40的各主進氣道3并與在吸氣沖程中通過噴油嘴40供應的燃油一起送入燃燒室2。
排送閥58按照發(fā)動機轉速和負載被驅動，以便只當滿足預定的燃油排送條件時，例如當空—燃比的反饋控制過程中發(fā)動機冷卻水的溫度高于規(guī)定溫度時，才供應預定量的燃油蒸汽，排送閥58被驅動負荷比(duty rate)是可以變化的，以便供送理論計算混合氣時，將燃油蒸汽排送量控制得較少，當進氣量變小時，增加一個使燃油蒸汽排送量減少的變化。
現(xiàn)在參閱圖14和15，圖中表示空氣混合噴油嘴40和噴油嘴40周圍的氣缸蓋部分的詳細結構。噴油嘴40裝配在氣缸蓋1a上形成的孔400中，并與主進氣道3連通。噴油嘴40具有包圍其端部的噴射嘴(未畫)的圓筒形隔套401。在噴油嘴裝配孔400的內壁和圓筒形隔套401之間形成一環(huán)形空間402，環(huán)形空間402通過氣缸蓋1a上的引氣孔403與輔助空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)的供氣管52的有關管52a相連通，以便將空氣引入主進氣道3。另外，圓筒形隔套401設有徑向向內延伸的空氣噴嘴404，以便將空氣從環(huán)形空間402送入包圍燃油嘴端部的空間。每個上述空氣噴嘴404上有一小孔405。
當噴油嘴40以預定的定時向主進氣道3供送燃油，進氣在圍繞噴嘴端部的空間中形成負壓時，引入環(huán)形空間402的空氣通過空氣噴嘴404的小孔405噴入圍繞噴嘴端部的空間中，以便使燃油和空氣混合。在本實例中，當排送閥58打開時，燃油蒸汽被引入環(huán)形空間402并通過空氣噴嘴404的小孔405噴射。
圖16表示在燃燒室中的各種燃油分布模型。所例舉的第一種燃燒室中的燃油分布模型是借助設置在進氣道中的普通噴嘴形成的，第二種模型是借助如本發(fā)明的上述實施例中所使用的空氣混合型噴油嘴與輔助空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)相配合而形成的，第三種模型是當輸送氣化燃油混合氣時形成的。從圖16中可以看出，與普通噴油嘴相比較，利用輔助空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)的噴油嘴極大地改善了燃油的霧化。如果稀混合氣含有粗霧化燃油，那么，由于燃燒溫度的不均勻分布，容易在排氣中產生氧化氮(NOx)，而燃燒溫度的不均勻分布在燃燒室中的出現(xiàn)是由于燃油混合氣不均勻分布而造成的。與此相反，如果稀混合氣含有細小燃油滴，那么在燃燒室的整個區(qū)域中，稀混合氣就會均勻地燃燒，從而防止出現(xiàn)燃燒溫度均勻分布的情況，并減少在排氣中的氧化氮(NOx)含量。圖17表示與第一種至第三種燃油分布模型有關的排氣中氧化氮(NOx)的排放量，圖17表明，與普通噴油嘴相比較，利用輔助空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)的噴油嘴40可顯著減少氧化氮的排放量。雖然氣化的燃油混合物比其它兩種更有效地減少了氧化氮的排放量，但是必然在結構中對燃油氣化有各種限制，在結構中，噴油嘴要設置在一進氣道中以便進行精確的空—燃比控制，并借助所謂的程序定時噴油來實現(xiàn)燃油混合氣濃度分層。
圖13所示的空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)通過輔助空氣供送管52向設置各噴油嘴40部位供送燃油蒸汽及空氣，從而實現(xiàn)各氣缸均勻供送燃油蒸汽。這樣就可以在稀燃過程中有效地排入燃油蒸汽?，F(xiàn)在對照圖18具體描述空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)的作用，圖18表示與理論計算混合氣和稀混合氣(A/F＝22)有關的，空—燃比在各氣缸之間的分散，基本傾向是，與稀混合氣有關的空—燃比要比與理論計算混合氣有關的空—燃比分散更大。當用普通方式將燃油蒸汽送至進氣歧管時，在各氣缸之間出現(xiàn)的空—燃比分散由虛線表示。具體來說，稀混合氣引起空—燃比的很大分散，如超過普通喘振線(ordinary surge line)?？铡急鹊倪@種分散導致轉矩變化。與此相反，由于空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)，使各氣缸之間空—燃比只有較小的分散，甚至在稀燃過程中也不超過普通喘振線。因此，甚至在稀燃過程中，燃油蒸汽也可有效地供送而不引起顯著的轉矩變化。另外，燃油蒸汽是一種氣化的燃油，它有助于形成有利于減少排氣中氧化氮含量的某種燃油分布模型。
在與空—燃比控制有關的發(fā)動機控制裝置70的工作中，各種空—燃比區(qū)域相對于發(fā)動機的工作條件而被預定，發(fā)動機的工作條件是由圖19所示的，由節(jié)氣門開度限定的發(fā)動機速和發(fā)動機負載，或者如圖20所示的進氣負壓和發(fā)動機轉速。
當發(fā)動機工作條件是在發(fā)動機低速和中速范圍內，而且在由除怠速位置和減速的完全閉合位置外的節(jié)氣門低位所限定的發(fā)動機低負載至由接近于節(jié)氣門全開位置的預定的節(jié)氣門大開度位置所限定的發(fā)動機高負載的發(fā)動機負載范圍內時，發(fā)動機控制裝置70產生比理論計算混合氣(λ＝1)稀的混合氣(λ＞1)。供送稀混合氣的發(fā)動機稀燃工作條件范圍，特別限定在進氣系統(tǒng)20使充氣效率增加的發(fā)動機轉速范圍內，節(jié)氣門開度在相對于節(jié)氣門全開位置來說大約6/8開度以下。在大部分發(fā)動機稀燃工作條件范圍之內，在發(fā)動機1產生的排氣中的氧化氮比例足夠小并且轉矩變化小于允許值的限度內，混合氣被控制在預定的空—燃比(例如22)上。允許預定高度稀薄空—燃比的，發(fā)動機稀燃工作條件的上限，是進氣量達到飽和點的一點，即由于進氣負壓發(fā)展圖20所示極限，使進氣量不能增加的一點。
在允許預定的高度稀薄的空—燃比(A/F)的稀燃范圍主要部分上，空—燃比設定在預定的特定范圍內，以便小于預定的稀薄空—燃比或接近于理論計算空—燃比。例如，空—燃比被規(guī)定在19至22之間，對于允許的氧化氮排放量來說具有充分的余地?？铡急鹊倪@個特定范圍，下面還要詳述，它可保證在催化凈化器61之后排氣中的氧化氮排放比例小于允許的極限。在允許高度稀薄空—燃比的稀燃范圍的發(fā)動機負載較高側，由于節(jié)氣門開度增加，空—燃比在特定的范圍內逐漸變小。
在允許預定的高度稀薄空—燃比的稀燃范圍的較高側，在發(fā)動機低速范圍和發(fā)動機負載的一定范圍內，或者在允許預定的高度稀薄空—燃比的稀燃范圍的較高側，在發(fā)動機低負載范圍和發(fā)動機轉速的一定范圍內，混合氣被控制為理論計算混合氣(λ＝1)。另外，在發(fā)動機高負載和發(fā)動機高速范圍內，混合氣被加濃至比理論混合氣(λ＝1)濃(λ＜1)。另外，在發(fā)動機怠速工作條件范圍內，混合氣被控制為理論計算混合氣(λ＝1)，然而在完全閉合位置以便減速的范圍內中止輸送混合氣。
按照來自氧氣傳感器60的輸出信號，發(fā)動機控制裝置70在稀燃范圍或理論計算濃度范圍內進行空—燃比的反饋控制，以便輸送預定空—燃比的混合氣，從而符合由圖19所示及上面所述的設定模型所限定的發(fā)動機工作條件。在本實例中，在稀燃范圍內，進行空—燃比的反饋控制，以便即使在發(fā)動機過渡操作如加速期間也輸送由設定模型限定的預定空—燃比的混合氣。換言之，相同的空—燃比控制圖用于發(fā)動機普通工作和發(fā)動機過渡工作。當發(fā)動機工作從稀燃范圍變至理論計算范圍或允許理計算空—燃比濃的空—燃比的發(fā)動機工作條件范圍時，發(fā)動機控制裝置70進行控制，使空—燃比以提前的時間逐漸變化。
在發(fā)動機控制裝置70的與噴油定時控制有關的工作中，噴油嘴40被啟動以便進行程序定時的燃油噴射。也就是說，在進氣沖程，每個噴油嘴40被啟動以特定的定時噴油，因此，雖然在有關的燃燒室2中形成大致均勻的燃油分布，但是在有關的火花塞12附近局部地使混合氣控制得比燃燒室2的其余部分稍濃些。為了防止由于混合氣過濃，特別是在火花塞12周圍，對混合氣濃度分層的程度進行控制，并且在進氣沖程上死點(TDC)之后60°角的時刻對燃油噴射定時。在這種情況下，如果期望的話，在上述期間不完全地進行噴油，稱為“分段噴油(divided injection)”，其中，在可以進行進氣沖程之前提前進行燃油噴射的不完全的部分。在分段噴油中，如果在進氣沖程之前規(guī)定期間估算的，所需要的燃油量大于在進氣沖程過程中燃油噴射的最大極限，那么，在進氣沖程之前提前進行燃油噴射的不可行的部分。然后在進氣沖程開始噴油時噴射另一部分需要的燃油。如果在進氣沖程之前事實上已經提前噴油，那么，在進氣沖程中則噴射其它需要的燃油量和已經輸送的燃油量之差。
如前所述，由于熱式空氣流量傳感器32的響應性，在測量后進氣流入燃燒室2時的流動延遲，以及將燃油送入燃燒室2的延遲，因而借助燃油噴射進行的空—燃比控制會引起一定的控制誤差。為了進行精確的燃油噴射，以進氣和燃油的瞬態(tài)現(xiàn)象的理論動態(tài)模型為基礎獲得對上述誤差的修正值。上述修正包括空氣流量傳感器32的熱響應延遲的修正，由于進氣管30的容量引起的向燃燒室2充氣延遲的修正，在充氣量工作和進氣閥7和8閉合時間出現(xiàn)的進氣的充注量的變化的修正，以及燃油附著在進氣管30的壁上引起的燃油量變化的修正。
垂向紊流/水平渦流控制閥41受到控制以開、閉副進氣道4，這與作為界線的，稀燃范圍的較高轉速側的限制線有關。具體來說，在稀燃范圍的較高側的發(fā)動機轉速上，控制閥41打開副進氣道4，而在稀燃范圍的較低側的發(fā)動機轉速上則關閉引進氣道4。
在發(fā)動機稀燃工作條件范圍內，怠速控制閥37受控而打開氣管35以便增加進入量，從而在稀燃過程中使發(fā)動機增加轉矩。與允許預定的高度稀薄空—燃比的稀燃范圍內沒有上述那樣的進氣量增加的稀燃情況相比較，發(fā)動機輸出轉矩從圖21中虛線所示的水平提高到實線所示的水平。在進氣量達到飽和點的發(fā)動機工作條件范圍內，雖然使怠速控制閥37打開氣管，并不能使進氣量增加，但是如前所述，由于控制了空—燃比，使之逐漸變小以及由于點火定時，使發(fā)動機輸出得以提高。在圖21中，在發(fā)動機整個工作條件范圍內燃燒理論計算混合氣時產生的發(fā)動機輸出轉矩是由虛線表示的。
如前所述，在進行稀燃的發(fā)動機低速范圍內，空氣控制閥51打開供氣管52，使空氣送向噴油嘴40。另外，排送閥58按照發(fā)動機工作條件被驅動，以便控制燃油蒸汽的需要量。如果在程序定時的燃油噴射中，在空—烯比反饋控制期間排送燃油蒸汽，那么，通過噴油嘴40供送的燃油量按照被排送的燃油蒸汽量而被減少。雖然，燃油蒸汽的排送減少了在進氣沖程中供送的燃油量，但是對混合氣在燃燒室2中的濃度分層卻沒有負面影響。這是因為在供氣管52中的燃油蒸汽幾乎在圖22所示進氣沖程中噴油的相同定時被進氣沖程引起的負壓，與輔助空氣一起吸收燃燒室2中，以便補償減少的燃油量。
在稀燃過程中，由于混合氣稀薄，因而需要改善可燃性。為了使稀混合氣發(fā)動機1有高和可點火性和可靠地點火，采用了高能型點火系統(tǒng)。具體來說，該點火系統(tǒng)具有一個點火線圈，其具有改變了的特性的便產生比普通點火線圈高的點火電能，還具有低阻型的高壓線以減小發(fā)送損失，該點火系統(tǒng)的放電時間是普通點火系統(tǒng)的1.5倍。另外，該點火系統(tǒng)使用可耐受高電能的鉑火花塞。
稀混合氣發(fā)動機1，其稀燃的空—燃比極限或發(fā)生機輸出轉矩允許變化的極限都有所提高。也就是說，在垂向紊流/水平渦流控制閥41關閉的條件下，如圖3所示，在燃燒室2中產生混合氣的傾斜渦流，從而改善混合氣的均勻分布并加速混合氣的燃燒。因此，稀薄的混合氣可以有效的燃燒。另外，由于空氣混合型噴油嘴40可產生微細的燃油滴，稀混合氣可以更有效地燃燒。稀混合氣借助程序定時噴油可理想地進行濃度分層，以便以良好的狀態(tài)燃燒。另外，高能型點火系統(tǒng)使稀混合氣的點火更為可靠。
如圖23所示，由于上述的各種效果，稀薄的空—燃比極限性提高至25以上。與燃油消耗和氧化氮(NOx)排放相關，已證明空—燃比最好在大約19至上述稀薄的空—燃比極限之間。因此，大約為22的空—燃比對油耗和氧化氮排放來說是最理想的，這樣相對于稀薄空—燃比極限留有一定余地，同時使稀混合氣的良好狀況燃燒。稀混合氣發(fā)動機1進一步減少了在排氣中的氧化氮(NOx)的排放量。在圖23中，實線A表示在催化凈化器之前排氣中的氧化氮(NOx)的排放量，虛線B表示普通催化凈化器之后的排氣中的氧化氮排放量，點線C表示還原型催化器61之后的排氣中的氧化氮排入量，如圖23所示，本發(fā)明的稀混合氣發(fā)動機1具有在稀燃過程中減少了氧化氮(NOx)排放的顯著效果。另外，圖2—4所示結構的進氣道3和4，混合氣的均勻分布，以及所采用的空氣混合型噴油嘴40有助于形成細微地燃油滴，而這有利于減少排氣中的氧化氮排放量。如前所述，稀混合氣發(fā)動機1燃燒空—燃比大約為19的稀混合氣，可以充分地減少氧化氮(NOx)的排放量，而大約為19的空—燃比超過了現(xiàn)有技術的稀混合氣發(fā)動機為氧化氮允許排放量而制定的空—燃比極限。
當垂向紊流/水平渦流控制閥41關閉時，在發(fā)動機低速范圍內，由于進氣的動態(tài)效果，稀混合氣發(fā)動機1增加了充氣效率，即使在進行稀燃的發(fā)動機低速范圍內也能提供必要的輸出轉矩。另外，為滿足在發(fā)動機低速范圍內增加充氣效率的要求，調整了進氣閥閉合定時，并且減小了通過主進氣道3的進氣流量系數(shù)，因此，在進行稀燃的發(fā)動機低速范圍內增加了發(fā)動機輸出轉矩。因此，稀混合氣發(fā)動機1即使燃燒高度稀薄的，空燃比大約為22的稀混合氣也可以在向著發(fā)動機更高負載加寬的發(fā)動機工作條件范圍內產生所需要的轉矩。當稀混合氣發(fā)動機1以上述空—燃比，在高達輸出轉矩極限的負載下工作時，空—燃比逐步地從22降至19。也就是說，如圖24所示，除了充氣效率增加以外，混合氣保持其最稀薄的狀態(tài)，直至節(jié)氣門33達到一臨界開度，大到大約使進氣壓力達到極限，稀燃繼續(xù)進行，而空—燃比在一定范圍內變化，其中，還原型催化凈化器61將氧化氮(NOx)排放量減少到允許極限以下，直至節(jié)氣門33打開得大于臨界開度為止。這樣，與現(xiàn)有技術的稀混合氣發(fā)動機相比較，稀混合氣發(fā)動機1大大地擴展了其稀燃范圍，同時保持了氧化氮(NOx)排放的效果。
因為在發(fā)動機普通工作和發(fā)動機過渡工作中使用相同的空—燃比控制圖，所以在發(fā)動機稀燃工作條件范圍內，即使在發(fā)動機過渡工作期間，由于稀燃，也實現(xiàn)了有效的燃油消耗，控制得很好的排放。在發(fā)動機的上述過渡工作中，由于充氣效率提高，稀混合氣發(fā)動機1可產生加速所必須的可靠的發(fā)動機輸出轉矩，并且由于燃油噴射的精確控制保持了稀混合氣的需要的可燃性。
借助噴油的精確控制防止了混合氣空—燃比的變化，此外，混合氣的傾斜渦流和空氣混合型噴油嘴40使燃油霧化，改善了燃油燃燒的穩(wěn)定性，因此，稀混合氣發(fā)動機1具有減小輸出轉矩變化的效果。另外，由于稀混合氣發(fā)動機1甚至在發(fā)動機稀燃工作條件范圍內也有燃油蒸汽供應，因而可減少實際油耗。也就是說，由于現(xiàn)有技術的稀混合氣發(fā)動機在發(fā)動機稀燃工作條件范圍內設有燃油蒸汽供應，因而罐內的剩余燃油蒸汽被排入大氣，所以使現(xiàn)有技術的稀混合氣發(fā)動機的實際油耗增加，特別是如果在較寬的發(fā)動機工作條件范圍內進行稀燃而產生大量燃油蒸汽，那么，情況更是這樣。與現(xiàn)有技術的稀混合發(fā)動機不同的是，本發(fā)明的稀混合氣發(fā)動機1甚至在發(fā)動機稀燃工作范圍內也可利用燃油蒸汽，減少了罐內燃油蒸汽的積累，從而減少了燃油蒸汽向大氣中的排放。在這種情況下，因為燃油蒸汽是送往空氣混合型噴油嘴40，所以在稀燃期間燃油蒸汽的供應并不引起發(fā)動機輸出轉矩的變化，也無損于混合氣的濃度分層。
現(xiàn)在參閱圖25—27以及圖1，圖中表示按照本發(fā)明另一實施例的發(fā)動機，這種發(fā)動機具有在預定的定時開、閉的進、排氣閥，并設有高效燃燒系統(tǒng)，該燃燒系統(tǒng)有助于混合氣的高速燃燒以便在發(fā)動機低速范圍內縮短燃油燃燒的時間。在這種情況下，發(fā)動機采用有助于在發(fā)動機低速范圍內增加充氣效率的慢速和閉合定時不變型進氣閥和有助于快速排放廢氣的快速和定時不變型排氣閥。
高效燃燒系統(tǒng)包括通過引入燃燒室的空氣增大混合氣紊流強度的裝置和縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的裝置，該系統(tǒng)是借助如圖2—4所示發(fā)動機結構實現(xiàn)的。圖25和26表示發(fā)動機關于高效燃燒系統(tǒng)的詳細結構。發(fā)動機1的每個氣缸有兩條進氣道，即用于產生混合氯紊流的主進氣道3和在發(fā)動機低速范圍內關閉的副進氣道4，上述進氣道3和4的形狀構成高效燃燒系統(tǒng)的一部分。燃燒室2的結構緊湊，以便縮短火焰?zhèn)鞑サ木嚯x，從而實現(xiàn)混合氣的高速燃燒。在副進氣道4中，或者在副進氣道4上游的各進氣通路23S(見圖11)中設有一個按照發(fā)動機工作條件開、閉的垂直紊流/水平渦流控制閥(未畫出)。進氣道3和4，進、排氣閥7—10，以及燃燒室2的構造和相對位置與前述實施例相同，它們與上述構件和結構一起構成高效燃燒系統(tǒng)，并且在燃燒室2中產生一傾斜渦流，這是一種由垂向紊流和水平渦流構成的復雜的紊流。
與活塞行程相比氣缸具有較小的缸孔直徑，氣缸是所謂屋脊形的。另外，燃燒室2具有圍繞主進氣道3的出口的擠壓區(qū)16—18，以便盡可能縮短從燃燒室2中央的火花塞2至燃燒室2周圍的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。進氣閥7和8，以及排氣閥9和10在圖8所示的定時上打開和關閉。
在上述結構的發(fā)動機1中，慢速型的進氣閥7和8在較早的定時關閉，從而在發(fā)動機低速范圍內防止了進氣的反吹，從而增加了充氣效率，并增加了在發(fā)動機低速范圍內的發(fā)動機輸出轉矩。另一方面，雖然排氣閥9和10是在較早的定時打開的快速型的，但是它們在高效燃燒系統(tǒng)的協(xié)同下保留了在發(fā)動機低速范圍內增加發(fā)動機輸出轉矩的效果。這是因為，如圖2—4，25和26所示的增加紊流強度的結構，在控制閥41閉合時，在發(fā)動機慢速范圍內產生傾斜渦流，加速了混合氣的燃燒，同時緊湊的燃燒室2縮短了火焰?zhèn)鞑サ木嚯x，從而縮短了燃燒時間。因此，即使排氣閥9和10在早的定時打開，燃燒的能量也在排氣閥9和10打開前充分地賦予了活塞，因此不會出現(xiàn)燃燒能量較多地排入排氣道5和6的現(xiàn)象，因而甚至在發(fā)動機低速范圍內也不停止發(fā)動機輸出轉矩的增大作用。另外，因為在發(fā)動機高速范圍內加速了廢氣的排出，所以在排氣時減少了泵氣損失，快速型排氣閥彌補了發(fā)動機輸出轉矩在發(fā)動機高速范圍內的下降。
發(fā)動機1的高效燃燒系統(tǒng)，可以只設置增加系統(tǒng)強度的裝置和縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x裝置中的任一個，上述增加紊流強度的裝置包括用于產生混合氣的紊流的主進氣道3和在發(fā)動機低速范圍內關閉的副進氣道4。另外，作為使燃燒室2結構緊湊的替代方案，可以如圖27所示在每個燃燒室中安裝多個火花塞12A—12C，以便縮短的從各花塞算起的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，從而加速混合氣的燃燒。
稀混合氣發(fā)動機可以設置輔助空氣供送系統(tǒng)以便在冷機狀態(tài)時加速燃油燃燒。
在現(xiàn)有技術中已經建立了下述理論，即，為了只是加速燃油燃燒和減少加速的燃油燃燒產生的碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)的排放，輔助空氣供送系統(tǒng)是可行的，快速燃油燃燒會增加氧化氮的排放。因此，人們從未考慮到為了減少氧化氮的排放，稀混合氣發(fā)動機要設置輔助空氣供送系統(tǒng)。然而，如前所述，已經發(fā)現(xiàn)，雖然設有輔助空氣供送系統(tǒng)的稀混合氣發(fā)動機能夠促進燃油混合氣的霧化，并改善稀混合氣的可燃性，但是，稀混合氣發(fā)動機減少了氧化氮的排放。以這個事實為基礎，稀混合氣發(fā)動機1設置了如圖13所示結構的輔助空氣供送系統(tǒng)，與圖14和15所示的空氣混合型噴油嘴40配合工作。
在控制燃油噴射的定時和輔助空氣的供送時，在發(fā)動機工作條件的特定范圍內，混合氣被控制得比理論計算混合氣(λ＝1)稀薄(λ＞1)。例如，上述發(fā)動機工作條件的稀燃范圍可如圖19所示那樣建立?；蛘?，空—燃比可以在發(fā)動機稀燃工作條件范圍內被控制得恒定不變。在噴油定時控制時，噴油嘴40在進氣沖程的規(guī)定定時被啟動，以便進行程序定時噴油，從而一方面使燃油在燃燒室2中形成大致均勻的分布，而另一方面又使火花塞12周圍比燃燒室2的其余部分燃油濃度局部地稍大。為了防止由于燃油混合氣在火花塞12濃度過度加大而使氧化氮排放量增加，對混合氣的濃度分層進行控制，而且在進氣沖程上死點(TDC)之后60°角以內的時間中，對噴油進行定時。
在輔助空氣供送控制時，在發(fā)動機稀燃工作條件范圍包圍的范圍內，使空氣控制閥51打開以供送輔助空氣。例如，在怠速期間，或在發(fā)動機高負載范圍內，使空氣控制閾51打開。
對于稀混合氣發(fā)動機，除了在進行稀燃的發(fā)動機工作條件的特定范圍內，改善了燃油燃燒的經濟性以外，由于混合的空氣有助于燃油的霧化，使混合氣的均勻分布得以實現(xiàn)，從而改善了燃油的可燃性。具體來說，由于甚至在發(fā)動機工作條件的稀燃范圍內混合空氣也送向噴油嘴40，因而如圖28所示，稀混合氣發(fā)動機在稀燃期間具有減少氧化氮排放量的效果。
圖28表示稀燃的實驗結果，曲線A表示不向噴油嘴供送混合空氣時，在催化凈化器之前，排氣中的氧化氮排放比例，曲線B表示不向油嘴供送混合空氣時，在普通的催化凈化器之后排氣中的氧化氮排放比例，曲線C1表示向噴油嘴供送混合空氣時，普通的催化凈化器之后，排氣中的氧化氮排放比例，曲線C2表示向噴油嘴供送混合空氣時，還原型催化凈化器之后，排氣中的氧氣氮排放比例。從圖28可以看出，本發(fā)明的稀混合氣發(fā)動機1，當供送混合空氣時，在稀燃過程中，具有減少氧化氮(NOx)排放的顯著效果，其原因在對照附圖17和18的描述中已經闡明。
另外，因為在進氣沖程過程中進行噴油，混合氣被分層，使得在火花塞12周圍比燃燒室2的其余部分氣混合局部濃度稍高，這就保證了在稀燃中高的可點燃性，并使稀混合氣發(fā)動機可以使用更稀的混合氣。具體來說，當所確定的空—燃比接近于稀燃極限，所確定的噴油嘴40的噴油定時使火花塞12周圍的空—燃比比燃燒室2的其余區(qū)域大約高10％時，稀混合氣發(fā)動機1所引起的熱效率變化和氧化氮排放量的減少如圖29所示。
圖29所示混合氣不同的局部分布的稀燃的實驗結果，涉及稀燃極限，排氣中氧化氮排放的減少和熱效率的變化，上速混合氣不同的局部分布是由于改變噴油定時形成的。在這種情況下，術語“局部分布”是指在燃燒室整個區(qū)域中的空—燃比和火花塞周圍的空—燃比之間的差。在圖29中表示相對于燃燒室的整個區(qū)域中的特定空燃比(例如22)和在燃燒室整個區(qū)域中比稀燃極限小一個余量α的空—燃化的排氣中的氧化氮的減少和熱效率的變化。從圖中可以看出，當混合氣分層使局部分布的程度為2時比混合氣不分層(局部分布的程度為0)時，稀燃極限被大幅度提高。如果混合氣被分層至較高的程度，那么，由于不均勻分布會使燃燒穩(wěn)定性變劣。這樣會導致氧化氮排放量增加，因燃燒室局部溫度增加引起的熱效率變劣，以及減小空—燃比極限。與此相反，當混合氣被分層使局部分布的程度為2時，如前所述，這使火花塞12周圍的空—燃比大約比燃燒室2的整個區(qū)域中的空—燃比高10％，這恰好使空—燃比接近于稀燃極限，即，比稀燃極限小一個余量α，這時，發(fā)動機1的氧化氮排放量大幅度減少，由于適當程度地分層和燃油快速霧化而改善了熱效率。在這種情況下，上述的局部分布程度為2的混合氣分層是通過在進氣沖程上死點之后大約60°的定時終止通過所述噴油嘴的噴油而得到的。
稀混合氣發(fā)動機經改進甚至在發(fā)動機稀燃工作條件范圍內，也可供送燃油蒸汽，接近于稀燃極限的規(guī)定的高度稀薄的空—燃比被建立，以便提高空—燃比的稀燃極限，同時改善實際的燃油消耗經濟性，并且甚至當使用燃油蒸汽時也能提供燃燒的穩(wěn)定性。這樣改進的稀混合氣發(fā)動機的結構如圖2—4所示，以便當副進氣道4被控制閥41關閉時，借助主進氣道3在燃燒室2中產生渦流。稀混合氣發(fā)動機設有如圖13所示的輔助空氣和燃油蒸汽供送系統(tǒng)，其與如圖14和15所示的空氣混合型噴油嘴40配合工作。燃油蒸汽被送入供氣管52，然后進入由包圍每個噴油嘴40的嘴部的圓筒形隔套401形成的環(huán)形空間402。在空氣噴嘴404上形成小孔405，以便實質上增加混合空氣的流動速率，從而加速燃油的霧化，另一方面，其位于各進氣通路23S的下游端，以便封住氣脈沖。
在稀混合氣發(fā)動機1的空—燃比控制中，在如圖19所示的發(fā)動機特定的稀燃工作條件范圍內，混合氣受到控制以便具有接近于稀燃極限的規(guī)定的稀薄空—燃比。燃油噴射的控制是借助程序定時的噴油進行的?？刂崎y41受到控制以便在發(fā)動機特定的稀燃工作條件范圍內產生需要的渦流，如圖19所示。
至少在發(fā)動機規(guī)定的稀燃工作條件范圍內啟動燃油蒸汽供送系統(tǒng)。例如，在包括形成理論計算空—燃比的范圍的發(fā)動機工作條件范圍內，以及在發(fā)動機規(guī)定的稀燃工作條件范圍內，當滿足了預定的排送條件時，燃油蒸汽供送系統(tǒng)被啟動。換言之，如前所述，當預定的排送條件被滿足時，排送閥58被驅動以便按照發(fā)動機的工作條件供送需要量的燃油蒸汽。
在上述稀混合氣發(fā)動機1中，因為甚至在建立了接近于稀燃極限的規(guī)定的稀薄空—燃比的規(guī)定的稀燃范圍內也供送燃油蒸汽，所以減少了向大氣中的燃油蒸汽排放，從而改善了燃油消耗的經濟性。另外，因為燃油蒸汽是通過供氣管52送入由圍繞每個噴油嘴的嘴部的圓筒形隔套形成的環(huán)形空間402中的，所以，如圖18所示，燃油蒸汽被有效地利用，甚至在稀燃期間也不會出現(xiàn)發(fā)動機輸出轉矩的變化。另外，因為稀混合氣發(fā)動機1在進氣沖程中引入燃油蒸汽，有效地實現(xiàn)了混合氣的分層，也就是說，因為燃油蒸汽的供送相對于在進氣沖程中通過噴油嘴的噴油很好地被定時，而且進氣道3和4產生了混合氣的符合要求的渦流，所以混合氣的分層得以保持。另外，由于利用了供氣管52將燃油蒸汽以及空氣供送至噴油嘴40，因而燃油蒸汽供送系統(tǒng)結構緊湊，并可用空氣稀釋燃油蒸汽以防止燃油蒸汽被過量地送入燃燒室2。通過燃油蒸汽供送系統(tǒng)也可以容易地控制燃油蒸汽量，特別是當較少的燃油蒸汽量時。在燃油蒸汽供送系統(tǒng)中，燃油蒸汽排送管57連接在設置在供氣管52中部的混合室55上，這種結構具有均勻混合燃油燃汽和空氣的效果，使燃油蒸汽可在燃燒室中均勻分布。這種結構的燃油蒸汽供送系統(tǒng)具有借助混合室55吸收電磁鐵啟動的排送閥58引起的脈中的效果，從而也改善了燃油蒸汽在燃燒室中的均勻分布，并很好地控制了燃油蒸汽的分布。
每個空氣混合型噴油嘴40設有小孔405孔，每個小孔設在空氣和燃油蒸汽供送的位置上，這種結構可防止在各燃燒室2之間燃油蒸汽的干擾，因而防止了均勻分布的變劣。也就是說，如果壓力波通過各自的進氣通路23S和供氣管52傳播，那么，在各燃燒室2之間出現(xiàn)的燃油蒸汽干撓容易引起燃油分布變劣，但是，小孔405可減少壓力波的傳播，從而防止上述燃油分布的變劣。
雖然燃油蒸汽供送系統(tǒng)可與空氣供送系統(tǒng)的供氣管52相配合工作以便將燃油蒸汽送至空氣混合型噴油嘴40，但是，也可以是設置與空氣混合型噴油嘴40分開的燃油蒸汽供送系統(tǒng)。在這種結構臺，燃油蒸汽排送管57在其端部分支通向每個排送管，燃油蒸汽排送管57通過每個排送管連接在各進氣通路23S上。在這種情況下，在排送閥58下游的燃油蒸汽排送管57上最好設置一個室以便吸收排送閥58引起的脈中，并且在每個分支的排送管上形成小孔以防止可使燃油分布變劣的，在各燃燒室2之間出現(xiàn)的燃油蒸汽干擾。
雖然已針對本發(fā)明的推薦實施例，對本發(fā)明進行了描述，但是顯然本專業(yè)技術人員可對其進行各種修改和變化而并不超出本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種稀混合氣發(fā)動機，它在發(fā)動機低速和發(fā)動機低負載的稀燃范圍內，建立比理論計算空—燃比稀薄預定比率的規(guī)定的空—燃比，以便使產生的排氣中的氧化氮的比例充分地小于預定的水平，并使輸出轉矩的變化小于允許的水平，在發(fā)動機高負載的范圍內，使空—燃比等于或濃于所述理論計算空—燃比，所述稀混合氣發(fā)動機包括一個低速型進氣系統(tǒng)，它使充氣效率在發(fā)動機低速范圍內增加；以及一個排氣系統(tǒng)，它能夠在空—燃比稀于理論計算空—燃比的稀燃過程中消除排氣中的氧化氮排放；所述稀混合氣發(fā)動機還在發(fā)動機工作條件的規(guī)定的范圍內建立一個稀薄的空燃比，上述規(guī)定范圍是在發(fā)動機負載高于與在所述發(fā)動機低速范圍內，所述規(guī)定的空—燃比產生的輸出轉矩的上限相符合的發(fā)動機負載的一側延伸的，所述規(guī)定的空—燃比是為了充氣效率的所述增加而規(guī)定的，并且在發(fā)動機工作范圍的所述規(guī)定的范圍中，在發(fā)動機負載較高的一側，隨著發(fā)動機負載的增加，使空燃比在規(guī)定的范圍內逐漸變小。
2.如權利要求1所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于在發(fā)動機工作條件的所述規(guī)定的范圍內，除了在普通的發(fā)動機工作期間以外，在發(fā)動機過渡工作期間，混合氣也受控在一個稀薄的空—燃比上。
3.如權利要求1和2中任一項所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于在發(fā)動機工作條件的所述規(guī)定的范圍內，在發(fā)動機負載增加到一個進氣飽和的水平之前，混合氣受控在所述規(guī)定的空—燃比上，在發(fā)動機負載高于所述水平的一側，隨著發(fā)動機節(jié)氣門開度的增加，混合氣量在規(guī)定的范圍內增加。
4.如權利要求1—3中任一項所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于發(fā)動機工作條件的所述規(guī)定的范圍是由所述節(jié)氣門相對于其完全打開的大約6/8的開度限定的。
5.如權利要求1—3中任一項所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于所述進氣系統(tǒng)包括一個通入燃燒室的第一進氣道以便在所述燃燒室中產生混合氣的紊流，一個通入所述燃燒室的第二進氣道，以及一個用于在所述發(fā)動機低速范圍內關閉所述第二進氣道的閥。
6.如權利要求5所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于所述第一進氣道被成形以便形成所述混合氣的紊流，所述紊流具有一條與所述燃燒室的垂向中心線形成35°和55°之間的一個角的中心線。
7.如權利要求5和6中任一項所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于所述進氣系統(tǒng)的結構使得，當所述第二進氣道閉合時，進氣的動態(tài)效果可調諧在發(fā)動機低速和發(fā)動機低負載的所述稀燃范圍內的一個發(fā)動機中間轉速上。
8.如權利要求7所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于所述進氣系統(tǒng)的結構使得，當所述第二進氣道打開時，進氣的動態(tài)效果可以調諧在發(fā)動機低速和發(fā)動機低負載的所述稀燃范圍的較高轉速側的一個轉速上。
9.如權利要求8所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于所述進氣系統(tǒng)還包括一個減震筒和一個共振室，所述共振室的容積容量大于所述減震筒，且與減震筒相連通，在所述第二進氣道閉合和所述第二進氣道打開時，所述進氣的動態(tài)效果分別調諧的發(fā)動機轉速之間的發(fā)動機轉速范圍內，所述共振室呈現(xiàn)出進氣的動態(tài)效果。
10.如權利要求1—7中任一項所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于所述進氣系統(tǒng)包括在一個低速型進氣閥，它的關閉定時使充氣效率在所述發(fā)動機低速范圍內增加，所述排氣系統(tǒng)包括一個快速型排氣閥，它的打開定時使得在發(fā)動機的高速范圍內加速排出廢氣，所述排氣閥從在排氣沖程所述排氣閥開始打開的時刻至下死點的一段時間比從進氣沖程下死點至所述進氣閥開始閉合的時刻的一段時間長相當于曲柄角10°的時間。
11.如權利要求1—10中任一項所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于所述排氣系統(tǒng)包括一個具有催化劑的排氣凈化裝置，催化劑至少包括由作為載體的沸石承載的作為活化劑的鉑。
12.如權利要求11所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于所述催化劑還包括作為活化劑的銥和銠之一。
13.如權利要求1和2中任一項所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于所述進氣系統(tǒng)還包括進氣控制裝置，其用于按照發(fā)動機工作條件的所述規(guī)定的范圍的發(fā)動機工作條件，控制越過所述節(jié)氣門的進氣量。
14.如權利要求1一3中任一項所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于還包括為多個氣缸的每一個設置一個的空氣混合型噴油嘴，向其供送空氣以便霧化通過所述噴油嘴噴射的燃油。
15.如權利要求14所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于；從一燃油蒸汽排送系統(tǒng)向所述噴油嘴供送燃油蒸汽。
16.如權利1—15中任一項所述的稀混合氣發(fā)動機，其特征在于還包括為每個氣缸設置一個的多個噴油嘴，以及燃油噴射控制裝置，其用于控制噴油嘴以便在進氣沖程規(guī)定的定時噴射燃油。
全文摘要
一種稀混合氣發(fā)動機適于在發(fā)動機低速和發(fā)動機低負載的范圍內建立比理論計算空—燃比稀薄預定比率的規(guī)定空燃比，這種烯混合氣發(fā)動機設有在發(fā)動機低速范圍內提供高充氣效率的低速型進氣系統(tǒng)，以及甚至在稀燃過程中也能消除排氣中的氧化氮的排氣系統(tǒng)。
文檔編號F02D45/00GK1128838SQ9511625
公開日1996年8月14日 申請日期1995年9月6日 優(yōu)先權日1994年9月6日
發(fā)明者水戶部典朗, 清水功, 南谷邦公, 崛保義, 西岡太, 細貝徹志, 岡憲児, 寺尾秀志, 藤志操, 原田政樹 申請人:馬自達汽車株式會社