CN1115996A - 内燃机的一种操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机的操作方法包括：在发动机的至少一个汽缸内的气体/燃油混合物，在发动机的上述至少一个汽缸的燃烧循环中，点火滞后至上死点后(ATDC)。当按上述滞后点火时，上述至少一个汽缸内的燃油率提高至大于发动机正常工作时的燃油率。

Description

内燃机的一种操作方法
本发明与操纵一内燃机使其产生高排气温度的方法有关，尤其是用于装有催化处理装置的内燃机排气系统中，使排气(废气)中所含的不希望有的污染物经处理后得以减少。
虽然对排气进行的催化处理对于减少排气内含有不希望有的排放污染物是有效的，但催化处理装置的催化材料或催化剂有一最低的工作温度(通常称为“点火(触发)”温度，把使50％的催化剂有效起作用的温度视为此“点火”温度)，催化剂要达到该所需的工作温度时才比较有效。因此在达到该温度前的期间，从排气系统排放出的不希望有的排放污染物的量值会增加。通常，发动机起动时，特别是发动机有一段时期未工作后起动时，催化材料的温度低于其“点火”温度，为缩短达到点火温度的时间，并相应减少在催化材料达到“点火”温度之前所排放污染物的量，采用提高从发动机燃烧室传入排气系统的排气温度可能比较理想。然而，发动机典型的起动过程是在相当小的负载和低速下运转，通常称为“发动机怠速”，故输入进发动机的燃油量较少，相应地只有相当少量的热能用来提高排气温度，即只有少量的热被用来使催化剂提高到其“点火”温度。
再者，在催化剂“点火”后，当发动机允许在小负载条件下运转较长时间时，特别是在低温环境下，排气温度可能会降至不足以维持催化剂处于点火状态的温度，从而对排气中所含不希望有的排放污染物的处理就会变得无效。
提出过在催化处理装置的上游侧设置一后置燃烧装置使催化剂加热。这样的配置方式下，后燃烧装置使排气中剩余的可燃混合物点火燃烧从而提高催化剂的温度，但这种配置会显著增加成本并使发动机装置的安装复杂化。
因此本发明的目的是在于提供一种操纵内燃机的方法，该方法有助于使排气维持在一高的温度，从而使排气系统内的催化材料达到适当地快速“点火”并在发动机工作期间保持这种点火状态。
从上述目的来看，所提供的操纵内燃机的方法包括：至少在发动机的一个汽缸内使气体/燃油混合物的点火推迟到发动机的上述至少一个汽缸燃烧工作循环的上死点之后(ATDC)，而且当按上述滞后点火时，发动机的上述至少一个汽缸的燃油(供给)率最好增加到高于发动机正常运转时所需的燃油率。
通常，点火滞后角可达约－30BTDC(即30°ATDC)，最好为－20BTDC(即20°ATDC)。在多汽缸情况下，例如对于一个三汽缸发动机，此滞后角可以改变，最好其值为15°至30°ATDC。燃油率(以毫克/汽缸/一个循环计)最好大于最大负载下的燃油率的50％，更为理想的是可达最大负载下燃油率的80％。然而，若有需要，燃油率也可超过最大负载下的燃油率(大于100％)，但是通常燃油率可选为能保证达到所希望的排气温度条件下的最小值，燃油可在抵达上死点之前供入燃烧室，对于一直接喷油的发动机最好在上死点前(BTDC)60°至80°时喷入。但也可以预想到在某种条件或情况下，燃油也可以在上死点后(ATDC)供入汽缸。
上述方法可方便地应用于在内燃机排汽系统上设置有催化处理装置的内燃机中。在发动机的排气口与催化处理装置之间可以配置一个火焰消除器。火焰消除器的作用是防止催化处理装置内的催化材料直接与由仍在燃烧的排气所可能产生的火焰接触。在催化处理装置的上游可引入额外的空气，所附加的空气有助于排气的催化氧化。
该方法能在发动机冷起动情况下应用，此外，当催化材料的温度被探测到或判断是低于所需的工作温度时，该方法也可应用。
发动机可以是一种双冲程内燃机，发动机最好是具有由活塞操纵的排气口。
当空气控制系统是如澳大利亚专利申请第51065/90号所揭示的那样(该专利内容在此引为参照)时，发动机操纵控制系统控制下的旁通气控阀可能完全开启而此时主手动控制油门仍处于关闭状态。
通过以下对按本发明的操纵内燃机方法的实例进行描述并参阅附图，将会对本发明有更深入的理解。
在这些图中：
图1是一典型的直接喷油双冲程内燃机的汽缸压力－曲轴转角的特性曲线图；
图2是按本发明方法操纵的直接喷油双冲程内燃发动机的汽缸压力－曲轴转角的特性曲线。
按本发明的方法能应用于一具有活塞控制排气口的双冲程内燃机上，参照本基本应用例将对本发明进行描述。
先参阅图1，在一典型的直接喷油式双冲程内燃发动机中，燃油约在抵达上死点前60°角时供入汽缸，而汽缸内点火燃烧发生于上死点前(BTDC)约35°时。图1曲线中所示实线表示发生点火时的汽缸压力－曲轴转角特性。而虚线表示未点火时的情况。
按本发明方法和如图2的一个实例所示，当燃油在上死点前(BTDC)60°和80°之间供入汽缸时，汽缸内点火延迟到约上死点前－30°角时发生，即上死点后(ATDC)30°角时发生。图2曲线示出了当燃油在BTDC60°角处供入汽缸而点火发生于BTDC－20°时的汽缸压力与曲轴转角的关系特性。
燃油率也可予以改变，可增至超过最大负载下燃油率的50％，最好可增至最大负载下燃油率的80％。
按本发明的方法可根据发动机的汽缸数而作改变，例如，对于一个三汽缸发动机，其中仅有一或两个汽缸要按上述方法工作时，对于工作于点火滞后/高燃油率条件下的汽缸，最好使燃油率保持恒定而点火滞后一个固定的量值，典型地约为20°ATDC。在此种工作情况下，其余的汽缸则仍在正常条件下工作，这样就可对处于上述条件下工作的汽缸所造成的暂时扭矩损失进行补偿。在正常工作条件下工作的汽缸还可调节发动机的怠速。
比较起来，一个三汽缸发动机其所有汽缸均按上述方法工作时，最好对所有汽缸均有一固定的高燃油率而且都工作于点火滞后状态。至少在一个点火周期的一个燃烧循环内，每个汽缸的点火滞后角取相同值是适宜的。
再者，最好在一个点火周期内各汽缸的点火滞后角根据各燃烧循环可作改变从而控制发动机的怠速，一般来说，这种点火滞后角在15°ATDC和30°ATDC之间变化。然而也可以设计成在一个点火周期内，各个汽缸之间的点火滞后角由于受到交替地或附加地控制而不同。
由于首先是滞后点火燃烧，以及较少程度的高燃油率，总的热效率(即燃料燃烧所提供的能量转变成有功的效率)十分低，这样就有一高量级的热能可用来加热处理排气的催化处理装置，此外，额外的热量传入发动机冷却剂而使冷却剂的温度迅速升高，其结果是使发动机排放出的HC(碳氢)污染物较少，相应地也减低了对用来将HC排放量水平维持在所要求水平的催化处理装置的依赖性。
燃烧最好在总的空气/燃油比接近于理想配比的富油条件下发生，因为在燃烧不充分的条件下，较低的氧化温度将会产生诸如H和CO(一氧化碳)之类的气体。这些气体会与催化材料反应从而使催化材料升温，因此使催化材料达到其“点火”温度。
若有需要，附加的含氧气体诸如空气可由设置在发动机排气系统处的催化处理装置的上游供入，例如可用一空气泵来供气，因此确保有过量的氧气供入排气系统有助于排气中所含有的任何污染物催化转变。许多场合下，将向滞后点火的燃烧室内供给空气的节流阀或空气控制装置调节在“全开启”或接近于“全开启”状态是比较理想的，以便向燃烧室内最大限度地供入空气，从而可以允许应用最高的燃油率。然而，当空气控制系统用于多于一个汽缸的情况下时，空气流量应这样来确定，即不滞后点火的燃烧室的燃烧效率不会受到不利的影响。
已经发现，发动机起动过程中，对于一“点火”周期只要维持滞后点火和高燃油率约30秒钟就足以使催化处理装置升温到使处理装置内催化材料“点火”的温度。在某些情况下，可利用的热能量值更大时上述的时间可以缩短至5秒左右。再者，特别是在双冲程发动机的场合下，开始点火和排气口开启之间的一段时间对于使燃烧室内的所有燃油均充分燃烧可能是不够的，因此燃气从燃烧室进入排气系统时仍在继续燃烧，在此情况下，在催化处理装置的上游配置一火焰防护屏以防止催化处理装置与火焰接触可能是有益处的，若需要，正如以上所提到的那样可把过量的空气供入排气系统以促进排气的催化氧化。
再者，可以理解到：过大的点火滞后角会引起点火与排气之间的时间相当短，高的燃油率可能导致相对低的扭矩输出。因而发动机怠速情况下，高燃油率并不会引起发动机的转速与正常的发动机怠速会有明显的不同。从此角度而言，对于一多汽缸发动机，只有其中一个或几个汽缸工作于大滞后角点火和高燃油率状态，而使其余的汽缸如上面所述的那样对发动机的怠速提供必需的控制，这样可能是最佳方法。
也可能会有利的是：使汽缸“轮转”，即每个汽缸依次处于滞后点火和高燃油率的条件下，这种汽缸的“轮转”可能在一个点火周期内发生。有所不同的是：在接续的点火周期内可以应用一不同的汽缸，这样做有助于保证每个汽缸承受相同的温度和/或相同的碳形成的情况。
通过使用本发明，可以实现使催化剂达到其点火温度的时间缩短，另外也可能实现使催化处理装置被设置在发动机排气口下游更远的距离处，从而可改善催化处理装置的使用年限。
可以理解，当发动机停机后仅在很短时间内再起动时，催化处理装置可能仍处于足够高的温度下，再起动时就能直接“点火”，再按本发明方法使催化处理装置进一步加热就显得不必要了。然而，这种(是否需加热)条件能够通过适当地感受发动机的其他一些参数来明确，这些参数诸如发动机的整体温度、冷却水温度或催化处理装置附近的排气系统温度。因此，感受(测定)发动机的这些和/或其他的参数是有用的，只有当所感受的发动机温度条件和/或排气系统的温度条件表明，催化处理装置的温度处于需辅助加温才能迅速“点火”时，才能实施具体的点火滞后和高燃油率条件。
再者，当发动机处于较长时间怠速运转情况下，特别是处于低温环境条件下，排气系统，特别是催化处理装置的温度降至催化处理装置的“点火”温度之下。同样也可设置适当的传感器来检测此条件，发动机的操纵控制系统可设置成能响应这些传感器有关这种条件的信息，据此来执行点火滞后和高燃油率条件以使催化处理装置恢复或保持在可接受的工作条件下。
当适当的传感器检测到发动机的有关参数，例如排气系统温度，又升至可接受的量值时，发动机操纵控制系统就可中止点火滞后和高燃油率条件而使汽缸回复至正常的点火时刻和燃油率条件。在多于一个汽缸是按点火滞后和高燃油率条件工作的场合下，最好使这些汽缸顺序地回复至正常工作状态，即在一段时间内一个汽缸回复至正常工作并稳定下来。在从高燃油率转接至较低燃油率而引起燃油“滞迟”的场合，上述措施尤其有用，所谓“滞迟”是指燃油滞留在把燃油供入汽缸的装置内，在此情况下，发动机就可能不会有准确的瞬态响应。但是，在多个汽缸工作于点火滞后和高燃油率条件下，上述工作条件的汽缸数目是在按操作手的要求而作显著增加的情况下，那么这些汽缸可以同时回复至正常工作条件。因此，按本发明的发动机工作方法，既可在发动机冷起动时，亦可在发动机运转的任何时刻当已测出或判断催化材料的温度低于所需的“点火”温度时投入使用。
固然本发明方法特别适用于双冲程发动机，更为理想是用于直接喷油的发动机，但本发明应用范围并不局限于这些发动机。对于一双冲程三缸1.2升容量的直接喷油发动机，正常怠速运转下每循环的预计燃油率为3毫克/汽缸/循环，而按本发明点火滞后和高燃油率的方法，燃油率可增至18至25毫克/汽缸/循环，即发动机最大负载下燃油率的85％－115％。
在上述的一空气辅助式直接喷油双冲程发动机中，例如申请人的4693224号美国专利中所述，通过控制在正常设定下运行的汽缸的燃油率和控制那些气缸的点火时刻，使其按如本文所述的按本发明的点火滞后和增加燃油率的方法工作，能很方便地控制发动机的转速。
可以理解，本发明特别有利于使发动机的催化处理装置迅速达到其“点火”温度而需增加的部件非常小，也就是对发动机单价而言几乎只需增加很少甚至不增加附加费用。

Claims (19)

1.内燃机的一种操作方法包括：至少在内燃机的一个汽缸内使气体/燃油混合物滞后点火，对于所述的发动机的至少一个汽缸的燃烧循环，点火滞后至上死点后(ATDC)。
2.一按权利要求1的方法，其特征在于：当按上述点火滞后时，上述至少一个汽缸的燃油率增至高于发动机正常工作时所需要的量。
3.一按权利要求2的方法，其特征在于：燃油率大于最大负载下燃油率的50％。
4.一按权利要求3的方法，其特征在于：燃油率约是最大负载下燃油率的80％。
5.一按权利要求2的方法，其特征在于：燃油率大于最大负载下燃油率的100％。
6.一按上述各权利要求的方法，其特征在于：点火滞后角可达上死点后(ATDC)30°。
7.一按权利要求6的方法，其特征在于：点火滞后角约为20°ATDC。
8.一按上述任一项权利要求的方法，其特征在于：多汽缸发动机的各汽缸之间，点火滞后角各不相同。
9.一按权利要求8的方法，其特征在于：不同的点火滞后角在15°ATDC和30°ATDC之间。
10.一按上述任一项权利要求的方法，其特征在于：燃油是在上死点前(BTDC)60°至80°之间供入。
11.一按上述任一项权利要求的方法，其特征在于：发动机包括有一设置于其排气系统中的催化处理装置，该装置中维持供给一种催化材料。
12.一按权利要求11的方法，其特征在于：一火焰消除器设置在发动机排气口与催化处理装置之间。
13.一按权利要求11或12的方法，其特征在于：附加空气从催化处理装置的上游导入。
14.一按权利要求11至13中任一项的方法，其特征在于：当发动机冷起动时，按上述方法对发动机进行操作。
15.一按权利要求11至14中任一项的方法，其特征在于：当感受到或判明催化材料的温度低于所需的工作温度时，按上述方法对发动机实施操作。
16.一按上述任一项权利要求的方法，其特征在于：发动机具有活塞控制的排气口。
17.一按上述任一项权利要求的方法，其特征在于：发动机是一双冲程内燃机。
18.一按上述任一项权利要求的方法，其特征在于：发动机是一多汽缸发动机，至少有一个上述汽缸其点火时刻未滞后至上死点后。
19.一按上述任一项权利要求的方法，其特征在于：当感受到(或测出)或判明已达到一预定的工作条件后，上述发动机回复至正常工作(状态)。
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