CN100436767C - 采用直喷式奥托发动机和催化器系统的内燃机设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机设备，该设备包括：直喷式奥托发动机(12)，其不能分层充气或只能少量地分层充气运转；以及与奥托发动机串联的催化器系统(16)，其至少具有一个催化器(18)。这样来设置，即，催化器系统(16)总的催化器容积(kV)＜0.8x发动机排量(VH)或＜1.3每100kW发动机额定功率(PNENN)，该催化器系统(16)的至少这一个催化器(18)的平均单位贵金属用量＜3.59g/dm3，而这至少一个催化器(18)总的贵金属质量＜2g每升发动机排量(VH)或＜3.5g每100kW奥托发动机(12)的额定功率(PNENN)。

Description

采用直喷式奥托发动机和催化器系统的内燃机设备
技术领域
本发明涉及的是一种内燃机设备，其具有不能分层充气或少量分层充气的直喷式奥托发动机和与奥托发动机串联的催化器系统。
背景技术
为了对内燃机的废气作后处理，通常的做法是对废气作催化洗净。为此要让废气通过至少一个可对废气的一种或多种有害成份作转换处理的催化器。我们熟知的催化器有许多种。氧化式催化器可促进未燃烧的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化；而还原式催化器则有助于减少废气中的一氧化氮(NOx)。此外，还采用三通路催化器来同时催化前述三种成分(HC，CO，NOx)的转换。然而只有在经过严格的化学计算，空气燃料比在λ＝1时才可采用三通路催化器。
在装备了直喷式奥托发动机(Ottomotoren)，也可是分层充气发动机时，操作的汽车中都使用了较大容量的催化器系统，它的催化器容量KV＞0.9x发动机冲程VH。尤其是那些在新的欧洲汽车标准(NEFZ)中使用了热无害化处理的催化器的汽车，其HC-废气排放量＜0.07g/km，NOx-废气排放量＜0.05/km。
除了这些在有效平均压力达到约3巴，转数达到约3000U/分钟时仍可运行的直喷式奥托发动机以外，众所周知的是它们没有分层充气的能力，或只在很有限的范围内有这样的能力。(阿尔法2.0JTS就是一种新型的汽油直喷式阿尔法罗密欧2ItrJTS发动机。2001年第十届亚琛汽车及发动机学术研讨会)。这些汽车和发动机也与能分层充气的、直喷式奥托发动机类似，具有较大的催化器容积。
这种较大的催化器容量虽然具有很高的废气排放性能，但不利的是在制作催化器时要使用大量的贵金属，致使其贵金属成本过高。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具有直喷式奥托发动机和催化器系统的内燃机设备，与废气排放量低的现有技术中的内燃机设备相比，内燃机设备的催化器的生产成本就低了很多。
该目的是通过具有以下特征的内燃机设备得以实现的。
根据本发明，设置了一种内燃机设备，它具有一个直喷式奥托发动机，该奥托发动机没有或只有很小的分层充气能力，还具有一个安装在该奥托发动机后面的催化器系统，该催化器系统至少具有一个催化器，在这台设备中，该催化器系统总的催化器容量(KV)为0.8-0.5x的发动机排量(VH)，或1.3-0.7L每100KW发动机额定功率(PNENN)，该设备中一个催化器/或整个催化器系统的贵金属用量低于3.59g/dm3(100g/ft3)，低于2.87g/dm3(80g/ft3)为优选值，低于2.15g/dm3(60g/ft3)为理想值，一个催化器/或整个催化器系统的总贵金属质量低于2g每升发动机排量(VH)，低于1.6g为优选值，低于1.2g为理想值，低于0.8g为最佳值，或低于3.5g每100KW奥托发动机额定功率(PNENN)，低于2.8g为优选值，低于2.3g为理想值，低于1.8g为最佳值。
尽管催化器的容积较小，贵金属的用量低，但采用本发明的内燃机设备仍可满足欧IV的废气排放极限值。该项发明也特别适用于那些已经过了时效的催化器。过时效例如可能是因为至少90％的全负荷运转和轴向断路都会产生废气而不得不更换催化器的叶轮出现的。根据本发明，对同类型的、在燃料喷射方式上有所不同的内燃机作了研究。其中一次测定用的是吸管式喷枪，另一次测定用的是直喷式奥托发动机。结果表明：直喷式奥托发动机除了能达到7％的较高额定功率外，其HC-废气排放量也特别低。在下列技术指标下，HC-废气排放量较低：
-喷嘴的安装位置在-20°至+50°的范围内，并与圆形的汽缸断面有关(负度数相当于向汽缸盖方向定位，0°相当于向平行的圆形汽缸断面定位，正度数相当于向曲轴方向定位)。
-处在喷嘴的喷射出口上的燃油喷束的中间位置，其喷射角应在-5°至-45°或70°至90°的范围内，并与圆形的汽缸断面有关(在此向上对准)。
-喷射压力至少要达到40巴，至少60巴为优选。最大喷射压力优选为2000巴，特别是最大压力为1000巴。
-喷射开始应在OT-点火前的330°至150°，尤其是在OT-点火前的280°至250°。
有了这些指标，无论是单个的，还是组合的，都可以实现这样的喷射，即，燃料在燃烧室内有足够的分布，形成的室壁油膜效应小。因此，与使用同类型催化器的吸管喷射器相比，在催化器达到时效后仍能达到小于50％的废气排放率，尤其是HC-废气排放。这样就可以为直喷式奥托发动机，特别是在它至少满足了上述指标时，设定符合本发明要求的催化器容积及催化器贵金属用量指标，即便如此，在过了前述的NEFZ标准时效后仍可满足欧IV标准。
根据本发明，优选的催化器容积(KV)＜0.7，尤其是＜0.6x发动机排量(VH)。在确定催化器容积(KV)超过发动机额定功率(PNENN)时，优先考虑的催化器容积(KV)＜1.15L，尤其是＜1.00L每100KW发动机额定功率(PNENN)，而催化器容积(KV)＜0.85L每100KW发动机额定功率(PNENN)为最佳。
一个催化器/或一个催化器系统的平均单位贵金属用量优选为≤2.87g/dm3(80g/ft3)。在至少有一个催化器的情况下，这个/或这些催化器显示的单位贵金属用量要比那个/或那些主催化器高至70％左右，优选高至50％，最佳高至30％。而废气净化系统的贵金属总量每升发动机排量计：优化值＜1.7g，特别优化值＜1.4g，最佳值＜1.2g，完美值＜1.0g；或每100KW奥托发动机的额定功率计：优选值＜3g，特殊值2.5g，最佳值2.2g，完美值2g。
直喷式奥托发动机只在＜7％，特别的＜5％，优选的＜3％，最佳的在0％的操作点上可以分层充气。而奥托发动机则优选一种自由吸入式发动机。
在做催化器系统的设计时可以有多种方案。可采用单体催化器；至少有两个并置的催化器；一个主催化器加至少两个并置的预催化器组合；及并置的预催化器与并置的主催化器组合等。
在采用与奥托发动机顺向安置的单体催化器方案时，距离装在附近的奥托发动机的排气阀的优选废气行程为＜800mm，特殊值＜500mm，最佳值＜300mm。该催化器系统也可以至少有两个并置的催化器。它们总是安装在附近的排气阀后面，废气行程＜800mm处，特殊时可＜500mm，最佳为＜300mm处。
在根据本发明设计的内燃机设备的另一方案中，催化器系统有一个预催化器和一个后置的主催化器。该主催化器距预催化器的距离优选为＞100mm。该预催化器最好与采用单体催化器的预催化器结构形式相同，安装在附近的排气阀后面，废气行程＜800mm，优选＜500mm的位置。此时预催化器的容积占后置主催化器的最大70％，优选为最大50％，理想最大为30％。
根据本发明，也可并置至少两个预催化器和至少一个装在预催化器后面的主催化器。预催化器视总是安装在附近的排气阀的后面，废气路径＜800mm，优选值＜500mm，理想值＜350mm的方位。这样预催化器总共占有最大70％，优选最大50％的后置主催化器的容积。
在采用单体催化器或预-主催化器串联使用时，单体催化器和与其有关的主催化器要优选陶瓷基介质。这种陶瓷基介质应优选＞500cpsi的蜂孔密度。蜂孔密度(cpsi＝每平方英寸的蜂孔)与蜂孔壁厚(mil＝千分之一英寸)的乘积低于2700，把蜂孔密度换算成平方毫米和将蜂孔壁厚换算成毫米时相当于0.1063。
这个或这些预催化器也可有选择地用金属箔基的介质。这种介质优选的蜂孔密度为＞500cpsi。蜂孔密度(cpsi＝每平方英寸的蜂孔)与蜂孔壁厚(my＝千分之一毫米)的乘积低于30000，优选为20000，在用每平方毫米的蜂孔密度时相当于＜46.5，优选为＜31。
尽管大大降低了催化器系统的贵金属使用成本，但根据本发明制造的配有热无害化废气净化系统的内燃机设备仍能保证废气排放的可靠性符合新的欧洲汽车标准(NEFZ)。
附图说明
下面借助附图举例详述本发明，其中：
图1显示了带一个催化器的内燃机设备的示意图；
图2显示了带一个预催化器和一个主催化器的内燃机设备的示意图；
图3显示了带两个预催化器和一个主催化器的内燃机设备的示意图；
图4显示了带两个预催化器，并串联了一个主催化器的内燃机设备的示意图。
具体实施方式
图1至图4分别图示了本发明的内燃机设备10，该设备采用了串联有废气装置14的奥托发动机(Ottomotor)12，在该废气装置14中至少要有一个催化器来构成一个催化器系统16。
图1显示的是一台内燃机设备10，它具有单个靠近发动机的催化器18，该催化器18最好是安装在距附近的未示出的奥托发动机12的排气阀的废气行程＜300mm的位置。图2显示的是这样一台内燃机设备10，它具有一个预催化器20并串联了一个主催化器22，其间距至少为100mm。安装在近处的奥托发动机12的排气阀通往预催化器20的废气行程大体可依据图1的结构方式选择。在图3的内燃机设备10的结构方式中，设置了两个预催化器20，它们分属于奥托发动机12不同的汽缸。一个主催化器22与这两个预催化器20共同串联。而图4显示的内燃机设备10的结构形式则与图3有两个预催化器20的结构形式相同，然而，两个预催化器20分别与一个主催化器22串联，废气装置14的两股线24，26要在主催化器22的后面会合。废气路程和预催化器20至主催化器之间的距离可参照其他的结构方式的介绍选择。
附图标记一览表
10  内燃机设备
12  奥托发动机
14  废气设备
16  催化器系统
18  催化器
20  预催化器
22  主催化器
24  废气设备束线
26  废气设备束线

Claims (44)

1.一种内燃机设备(10)，其具有不能分层充气或少量分层充气的直喷式奥托发动机(12)和与奥托发动机(12)串联的催化器系统(16)，所述催化器系统至少有一个催化器，其特征在于，所述催化器系统(16)总的催化器容积(KV)小于0.8x发动机排量(VH)或小于1.3L每100kW发动机额定功率(PNENN)，催化器系统(16)的该至少一个催化器的单位平均贵金属用量小于3.59g/dm3，而至少这一个催化器总的贵金属质量小于2g每升发动机排量(VH)；或小于3.5g每100kW奥托发动机(12)的额定功率(PNENN)。
2.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的催化器容积(KV)＜0.7x发动机排量(VH)。
3.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的催化器容积(KV)＜0.6x发动机排量(VH)。
4.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的催化器容积(KV)＜1.15L每100kW发动机额定功率(PNENN)。
5.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的催化器容积(KV)＜1.00L每100kW发动机额定功率(PNENN)。
6.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的催化器容积(KV)＜0.85L每100kW发动机额定功率(PNENN)。
7.根据权利要求1至6中之一所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)包括至少一个催化器(18)，或带至少两个并置的预催化器(20)的一个主催化器(22)，或分别带至少一个预催化器(20)的两个并置的主催化器(22)。
8.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)的至少一个催化器的平均单位贵金属用量≤2.87g/dm3。
9.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)的至少一个催化器的平均单位贵金属用量≤2.15g/dm3。
10.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，预催化器(20)的单位贵金属用量要比主催化器(22)多至70％。
11.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，预催化器(20)的单位贵金属用量要比主催化器(22)多至50％。
12.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，预催化器(20)的单位贵金属用量要比主催化器(22)多至30％。
13.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的贵金属质量＜1.6g每升奥托发动机(12)的发动机排量(VH)。
14.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的贵金属质量＜1.2g每升奥托发动机(12)的发动机排量(VH)。
15.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的贵金属质量＜1.0g每升奥托发动机(12)的发动机排量(VH)。
16.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的贵金属质量＜0.8g每升奥托发动机(12)的发动机排量(VH)。
17.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的贵金属质量＜3g每100kW奥托发动机(12)的额定功率。
18.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的贵金属质量＜2.5g每100kW奥托发动机(12)的额定功率。
19.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的贵金属质量＜2.1g每100kw奥托发动机(12)的额定功率。
20.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)总的贵金属质量＜1.7g每100kW奥托发动机(12)的额定功率。
21.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个催化器(18)距其附近的奥托发动机(12)排气阀的废气行程＜800mm。
22.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个预催化器(20)距其附近的奥托发动机(12)排气阀的废气行程＜800mm。
23.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个催化器(18)距其附近的奥托发动机(12)排气阀的废气行程＜500mm。
24.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个预催化器(20)距其附近的奥托发动机(12)排气阀的废气行程＜500mm。
25.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个催化器(18)距其附近的奥托发动机(12)排气阀的废气行程＜300mm。
26.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个预催化器(20)距其附近的奥托发动机(12)排气阀的废气行程＜300mm。
27.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，所述一个预催化器(20)与所述一个串联的主催化器(22)的间距＞100mm。
28.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，所述预催化器(20)的总容积最大占所述串联的主催化器(22)总容积的70％。
29.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，所述预催化器(20)的总容积最大占所述串联的主催化器(22)总容积的50％。
30.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，所述一个预催化器(20)的容积最大占所述一个串联的主催化器(22)容积的30％。
31.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，所述催化器系统(16)的催化器采用陶瓷基介质。
32.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个催化器(18)采用陶瓷基介质。
33.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个主催化器(22)采用陶瓷基介质。
34.根据权利要求31所述的内燃机设备，其特征在于，采用陶瓷基介质的催化器(18)的蜂孔密度＞500cpsi，以每平方英寸的蜂孔表示的蜂孔密度与以千分之一英寸表示的蜂孔壁厚的乘积低于2700，在用每平方毫米的蜂孔表示蜂孔密度和用毫米表示蜂孔壁厚时相当于0.1063。
35.根据权利要求31所述的内燃机设备，其特征在于，采用陶瓷基介质的主催化器(22)的蜂孔密度＞500cpsi，以每平方英寸的蜂孔表示的蜂孔密度与以千分之一英寸表示的蜂孔壁厚的乘积低于2700，在用每平方毫米的蜂孔表示蜂孔密度和用毫米表示蜂孔壁厚时相当于0.1063。
36.根据权利要求32所述的内燃机设备，其特征在于，采用陶瓷基介质的催化器(18)的蜂孔密度＞500cpsi，以每平方英寸的蜂孔表示的蜂孔密度与以千分之一英寸表示的蜂孔壁厚的乘积低于2700，在用每平方毫米的蜂孔表示蜂孔密度和用毫米表示蜂孔壁厚时相当于0.1063。
37.根据权利要求33所述的内燃机设备，其特征在于，采用陶瓷基介质的主催化器(22)的蜂孔密度＞500cpsi，以每平方英寸的蜂孔表示的蜂孔密度与以千分之一英寸表示的蜂孔壁厚的乘积低于2700，在用每平方毫米的蜂孔表示蜂孔密度和用毫米表示蜂孔壁厚时相当于0.1063。
38.根据权利要求7所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个预催化器(20)采用金属基介质。
39.根据权利要求38所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个预催化器(20)的蜂孔密度＞500cpsi，以每平方英寸的蜂孔表示的蜂孔密度与以千分之一毫米表示的蜂孔壁厚的乘积低于30000，在用每平方毫米的蜂孔表示蜂孔密度时相当于低于46.5。
40.根据权利要求38所述的内燃机设备，其特征在于，至少一个预催化器(20)的蜂孔密度＞500cpsi，以每平方英寸的蜂孔表示的蜂孔密度与以千分之一毫米表示的蜂孔壁厚的乘积低于20000，在用每平方毫米的蜂孔表示蜂孔密度时相当于低于31。
41.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，奥托发动机(12)在所有的工作点中只有＜7％能够分层充气。
42.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，奥托发动机(12)在所有的工作点中只有＜5％能够分层充气。
43.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，奥托发动机(12)在所有的工作点中只有＜3％能够分层充气。
44.根据权利要求1所述的内燃机设备，其特征在于，奥托发动机(12)是自由吸入式的。
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