CN1115997A - 二冲程发动机中的废气再循环 - Google Patents

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Abstract

一种操纵曲轴箱扫气二冲程发动机的方法，包括：可有选择地将废气从发动机排气口下游的一个位置将废气送入曲轴箱中，并与曲轴箱中的空气相混合，随后送入发动机的燃烧室中。在每一循环中送入曲轴箱中废气量是根据发动机的运行工况进行控制的，并且送入曲轴箱的废气供给率是相对于发动机的工况进行控制的，如通过相应发动机的负荷、速度和温度的ECU控制阀进行控制。当曲轴箱中的压力低于排气系统中压力时，废气可进入曲轴箱中。

Description

二冲程发动机中的废气再循环
本发明涉及一种以二冲程工作的内燃机，并涉及这种内燃机的燃烧过程的设置，以控制废气排放中的污染物成份。
过去人们已经认识到，二冲程发动机在燃料消耗和发动机废气排放中的有害成份等方面性能较差。但是由于二冲程发动机的广泛应用还是带来一些好处的。首先，这种发动机结构简单，其次这种发动机的体积相对较小，从而使发动机的比功率较高。近些年来二冲程发动机的发展主要是在二冲程发动机的燃烧过程的控制，以减少废气中的有害物和/或降低油耗。
人们已经认识到，在燃料/空气混合汽被点燃以前将一些废气引入该混合汽中可以减少燃烧过程中所产生的NOx(氮氧化物)，因为在燃料/空气混合汽中加入废气可以降低发动机气缸燃烧过程所产生的温度和压力，它正好与可产生NOx的高温和高压条件相反。将废气与燃料/空气混合汽混合的过程叫作废气再循环(后简称EGR)，它通常是从排气系统中抽取一定量的废气，并将其送至发动机的进气管中。
尽管上述过程已成功地用于四冲程发动机中，但当将这种方法用于二冲程发动机时却没有太大的成功，这主要是因为在二冲程发动机进气系统中传统的油门下游的真空度较低。因此它就导致了废气的吸入率较低，并且在多缸发动机中废气在吸入的空气中的分配均匀性较差。此外，在曲轴箱扫气的二冲程发动机中，由于废气进入燃烧室之前需要有一定的传送距离，所以在将废气送入进气系统的时候会产生明显的时间滞后。同样，当将废气引入曲轴箱扫气二冲程发动机时，由于曲轴箱中空气的容积大于气缸中空气的容积，所以当改变供入曲轴箱中废气供给率的时候还会产生进一步的时间滞后。同样，通常废气中的颗粒可积存在所述的二冲程发动机的进气系统的构件上，如节流阀和曲轴箱片簧阀，从而影响其工作的有效性。
如在J.P.Soubis的国际专利申请WO79/00757和Gau的美国专利3581719中公开了将废气送入曲轴箱中再循环以使废气中可能存在的任何未燃烧成份送回的方案。人们已经认识到采用油气混合的二冲程发动机存在这样的问题，一部分进入燃烧室的空气和燃料在开始燃烧之前便从排气口中排出。在上述的两个专利中，每一个都是为了克服上述缺陷，它们通过将废气中的富含燃料的部分送回到空气进气管路或曲轴箱中，以便再回到燃烧室中。由于再循环的废气部分主要是燃料和新鲜空气，所以它们不会对本发明所要解决的有效控制NOx的产生起到很大的作用。
Onishi的美国专利4213431中提出了一种将废气送回二冲程发动机进气系统的方案，以控制燃烧过程中的产生的NOx。在该专利中，废气被直接引入化油器上游的空气进气通道中。在管路中设有一个阀门，以将废气送入进气管中，上述的阀门是由温度操纵的。
本发明的目的是提供一种用于将废气引入二冲程发动机的燃烧室中的方法和装置，以便有效地控制废气的供入量和分配均匀性，该方法和装置可以最大限度地控制废气排放。
为此目的，本发明提供了一种操纵二冲程曲轴箱扫气内燃机的方法，它包括：有选择地从发动机排气口的下游将废气送入发动机的曲轴箱中，再从曲轴箱送入发动机的燃烧室中，根据发动机的运行工况控制在发动机的每一个循环中送入曲轴箱中的废气量，并根据发动机的循环定时将废气供入曲轴箱中。
由于将废气引入曲轴箱主要是用于控制废气排放，因此不必(有时甚至是无需)要在任何工况下都将废气送入曲轴箱中。同样还需要有选择地将废气引入曲轴箱中，并且控制所供给废气率。供入曲轴箱的废气可以由一个ECU控制，ECU控制一个设置在发动机的排气系统和发动机曲轴箱之间的控制阀，以控制送入曲轴箱中的废气流。操纵控制阀的ECU最好接收表示发动机运行工况的输入信号，具体来说就是发动机的负荷、速度和温度状况。ECU从这些输入信号来确定何时需要将废气引入曲轴箱中，并确定其所需要的量。
最好所述的控制阀与一个位置反馈装置共同作用，将阀的实际位置的信号送到ECU中，以便比较所需的位置和实际的位置，从而提高对供入曲轴箱中的废气供给率的控制精度。此外，ECU可以预编程，以确定每一循环送入曲轴箱中的实际的废气量，并比较该量与当前发动机工况所需的废气量。随后通过ECU控制阀调整送入曲轴箱中的废气供给率可以根据需要进行有效的调整。
在一个多缸的曲轴箱扫气二冲程发动机中，每个气缸带有一个曲轴箱，可以设置一个强制通风腔与各气缸的曲轴箱相通，废气从一个或多个发动机气缸进入强制通风腔中。在正常情况下，即使可以将更多个气缸的废气送入强制通风腔中，也只需将一个或一些气缸中的废气送入强制通风腔中。
排气中污染的控制部分地是由于在燃烧过程中降低了整个循环中的缸内温度和压力，这是由于废气的比热高于空气的比热，所以导致了燃烧室内温度的降低。由于高温是产生NOx的条件之一，所以降低整个循环的温度可以减少NOx的产生。还应当注意到，二冲程发动机的废气中氧的含量高于四冲程发动机废气中氧的含量，所以在二冲程发动机中需要有更多的废气进行再循环，以使NOx的控制水平与四冲程中相当。
在一个多缸发动机中使用强制通风腔可以很容易地降低送入燃烧室内的废气的温度，并且该结构还可以加强强制通风腔的散热，从而使温度进一步降低。同样也可以在通向发动机曲轴箱的废气管路上设置一个热交换器，以便在废气进入曲轴箱之前使之进一步降低温度。在将废气送入一个或多个气缸、或送入强制通风腔的管路上用外部的肋片或液体或如来自发动机冷却系统的冷却水加以冷却也是非常方便的。
根据本发明的另一方面，它还提供了如权利要求1至7之一所述的方法，该方法包括在废气进入曲轴箱之前对其进行冷却。
在本发明的一个实施例中，在发动机气缸壁的下部设有一个由活塞控制的开口，该开口与各气缸的曲轴箱相通，并与废气的供给相连通(如经强制通风腔)。最好该开口如上所述通过一个ECU控制阀与排气系统相连通。该开口的位置是这样的：当活塞在上死点前后的极限位置之间运动时，该开口是打开的，这段时间表示了曲轴箱中压力最低(低于大气压)的时期。在活塞冲程的上死点前后约40度至60度的范围内开口为打开状态是比较好的。
在某些结构的发动机中最好设置两个或多个活塞控制的开口，使各曲轴箱具有相对较大的流通面积，以便废气进入曲轴箱中。最好上述的一个或多个开口的主要尺寸是沿缸体周向的，这样在被限定的开口处于打开状态时可以有最大的开口面积。业已发现，利用活塞控制的开口控制废气进入的定时可以改进废气进入各气缸的分配均匀性。
最好控制阀的开启程度的ECU按照一定的程序参照速度/负荷查值表对上述的阀进行控制。负荷可以依据FPC(每循环燃料量)查出。此外，ECU最好根据发动机的温度的进行控制，因为在如冷起动等工况下，加入废气可能会损害发动机的操作稳定性。
在排气系统设置催化单元的发动机中，可以从催化单元的上游或下游将废气从废气系统中吸入。
从下面对二个曲轴箱扫气二冲程发动机结构的描述中可以对本发明有更加清楚的了解。在附图中：
图1所示为用于本发明的废气再循环系统一个实施例的一个曲轴箱扫气二冲程发动机的横向剖视图；
图2是用于图1所示的废气再循环系统的一个三缸发动机的纵向剖视部分平面图。
现参照图1进行说明，其中表示了一个曲轴箱扫气二冲程发动机的部分横向剖视，图中发动机的气缸体以一个剖面表示，而缸盖和喷射装置则完全以外形表示。为清楚起见，在该图中未将气缸和连杆示出。本发明的发动机基本为传统类型，它具有一个缸体30，该缸体中具有一个往复运动的活塞(图中未示)，该活塞通过连杆(图中未示)与曲轴31(图中只是示意性地表示)相连。气缸30上具有一个排气口32和多个旁通孔，这些旁通孔中的二个33和34根据在每个传统的二冲程循环中活塞在气缸30中的位置将曲轴箱35与气缸30连通。图1所示可为一个单缸发动机也可是一个如图2所示的多缸直列式发动机。
排气孔32与排气通道36相通，该通道36又与一个排气管37相连，排气管的一个端口设有传统的排气催化元件38。在催化元件38的下游，排气管37与一个支管39相连，该支管通向缸体内的腔室40。在图1中，与排气管37相连的支管39位于排气催化元件38下游。但是，其结构也可以在催化元件的上游与排气管37相连通，在此处废气的压力较高、温度较低且氧的含量也较低。
支管39和腔室40之间的连通是由阀41控制的，该控制阀是电磁阀机构42的一部分。腔室40与设置在气缸体上的内部强制通风腔43相连通，而在图2所示的多缸发动机中该腔室40则通过各废气循环口45与发动机各气缸分别相连。所述的口45设置在各缸体30的缸壁上，这样，在各气缸循环一个预定位置活塞将各口45敞开，以便废气能从强制通风腔43流入发动机各气缸30的每个曲轴箱35中。
如前所述，口45的开启和关闭较好的定时为各气缸30上死点前后40至60度的活塞位置之间，最好的定时则为45至55度之间。废气进入曲轴箱的定时最好在发动机循环中当曲轴箱内的压力低于排气系统中的压力的期间。曲轴箱35和EGR口45的连通最好由曲轴箱壁上的一个相对于活塞裙部下边缘的路径的适当的孔的位置来确定，在现有技术中依此法来控制通过二冲程发动机的旁通孔(如图1中的旁通孔33和34)的燃气流量已是公知技术。此处，口45最好位于气缸中活塞推压的一侧，以便根据需要加强口45的密封。
如上所述，由于需要根据发动机运行工况的改变对通过口45输入的废气进行控制，电磁阀机构42或其它适用的机构可以在带有查值表的预编程的ECU46的控制下对阀41的动作进行控制。通常，该查值表是这样设置的：一旦供油速率超过一个预定的值时，控制流入曲轴箱35的废气的阀41迅速地从关闭位置打开。电磁阀机构通常设有一个阀元件位置传感器47，它可以向ECU46提供反馈控制信号，对阀41的位置进行准确控制，以便向发动机各曲轴箱腔室35供入所需流率的废气。ECU46通常接收表示发动机速度、负荷和温度的信号。采用该结构可使ECU检测和调节阀41的运动，以检测和修正阀工作时阀座上的积碳所造成的影响。
由于查值表的另一个用途是控制供入废气的速率，所以ECU可按预编程确定进入各曲轴箱35的空气量，并在发动机气缸30循环的一个选定点确定在各曲轴箱35中废气和空气的混合。进入曲轴箱35中的空气量可以由设置在进气管中的传统的热线风速仪来确定，当曲轴箱35的体积已知时，在发动机循环一个预定点通过测量曲轴箱35内的温度和压力可以确定空气和废气的量。通过确定这两个量即可确定出废气的实际量，并将其与所需的废气量相比较，以决定是否需要调整废气的供给速率。确定曲轴箱中废气含量的方法可以和除上述的EGR控制方法以外的其它方法相结合。此外，当没有废气时，通过确定空气的量，并将计算出的空气量与热线风速仪测出的空气量相比较，就可以检查测量过程的精度。
与供给曲轴箱35废气相结合，其它发动机运行状态参数也可以进行控制，如：点火提前，以增加燃烧温度；和在排气系统中废气出口下游的背压阀，以控制可供入燃烧室中的废气流率。在排气系统中背压越大，则系统压力就越大，供入曲轴箱35中的废气流率也就越大。
同样，供入发动机气缸30中的废气可以在进入曲轴箱35之间先通过一个热交换器或其它的冷却装置，以增加废气的密度，使更多的废气可以进入到曲轴箱中。在图1中，支路39在催化元件38的下游与排气管37相连。当然，支路37也可以在催化元件的上游与排气管相连，此处废气的压力较高，而温度则较低。
实际上，业已发现，从多处将废气送入强制通风腔是非常方便的，这样从一个公共强制通风腔送入各气缸相应的曲轴箱中的废气可以得到大致均匀的分布。
同样，在较高的转速范围内，当活塞位于上死点之后的位置时，曲轴箱的压力升高，这时可能会发生一些空气通过口45从相应的曲轴箱中回流的现象。回流现象会使强制通风腔中的废气被冲稀，它可能会导致分配到各气缸中的废气不够均匀。如果适当地选择位于强制通风43和曲轴箱35之间的45口的长度，则至少可以减轻这一回流现象，这样，来自曲轴箱的回流可以基本被限制在与曲轴箱35相对应的口45中，而不会通入强制通风腔43中。

Claims (14)

1.  一种操纵二冲程曲轴箱扫气内燃机的方法，它包括：有选择地从发动机排气口的下游将废气送入发动机的曲轴箱中，再从曲轴箱送入发动机的燃烧室中，根据发动机的运行工况控制在发动机的每一个循环中送入曲轴箱中的废气量，并根据发动机的循环定时将废气供入曲轴箱中。
2.  如权利要求1所述的方法，其中废气送入曲轴箱是从旁通孔被关闭后开始的，所述的旁通孔将曲轴箱和燃烧室连通起来。
3.  如权利要求1或2所述的方法，其中废气送入曲轴箱中的定时是由曲轴箱中的一个口的位置来控制的，该口根据气缸中活塞的运动来打开和关闭。
4.  如权利要求1或2或3所述的方法，其中废气供入曲轴箱始于燃烧室循环中上死点前60到40度曲轴转角。
5.  如权利要求1或2或3所述的方法，其中废气供入曲轴箱始于燃烧室循环中上死点前55到40度曲轴转角。
6.  如权利要求1至5之一所述的方法，其中供入曲轴箱中的废气的量是根据发动机的负荷和/或速度来确定的。
7.  如权利要求6所述的方法，其中供入曲轴箱中的废气的量是根据发动机的温度来确定的。
8.  如权利要求7所述的方法，其中还包括在废气进入曲轴箱之前进行冷却。
9.  一种曲轴箱扫气二冲程发动机，它具有：有选择地将来自发动机废气系统中的废气送入至少一个发动机曲轴箱中的装置，用于调整在发动机每一循环中送入曲轴箱中的废气量的装置，和用以控制在发动机每一循环中供入曲轴箱中的废气定时的装置。
10.  如权利要求9所述的系统，其中所述的用于控制输送定时的装置是一个设置在曲轴箱壁上的开口，该开口由气缸中活塞的往复运动周期性地打开和关闭，所述的气缸用于接收来自所述曲轴箱的空气。
11.  如权利要求10所述的系统，其中所述的活塞和开口的相对位置应使该开口在所述的气缸中的活塞处于上死点前60至40度曲轴转角时开始打开。
12.  如权利要求9、10或11所述的系统，其中调整废气量的装置包括一个可有选择地操纵的阀，以控制通过所述的传输废气装置的废气流。
13.  如权利要求12所述的系统，其中的阀是可以控制的，当其打开允许废气流过时也可以调整废气流的流率。
14.  如权利要求12所述的系统，其中所述的调整废气流量的装置包括一个反馈装置，用以检测在每一循环中实际供入曲轴箱中的废气量，还包括一个修正所需的废气量与每一循环供入曲轴箱中的废气量的变化的装置。
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