CN1809689A

CN1809689A - 四冲程发动机

Info

Publication number: CN1809689A
Application number: CN 200480017159
Authority: CN
Inventors: 西村英浩; 大场纯一; 泷井修
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: ES2371023T3; CN100389248C

Abstract

本发明涉及一种四冲程发动机。第一催化剂(9)设置在排气管(6)中，第二催化剂(10)设置在排气管(6)中，在第一催化剂(9)的下游侧，与第一催化剂(9)隔开。用于导入二次空气的二次空气导入管(11)在第一与第二催化剂(9、10)在测量运转区域的最高温度之差在预定温度范围内的位置处连接到第一与第二催化剂(9，10)之间的部分上。

Description

四冲程发动机

技术领域

本发明涉及一种四冲程发动机，其中，排气管连接到发动机的排气口，排气管中设置有催化剂并导入有二次空气。

背景技术

一般来说，在四冲程发动机的空燃比(A/F)与排气成分的关系中，如图15所示，排气成分随着以14.6的空燃比(理论空燃比＝理论配比)为分界显著变化。换句话说，CO和HC的排放量在空燃比比理论配比大的浓侧大，在稀侧小。另一方面，相反，在靠近理论配比处，NOx的排放量在浓侧小，在稀侧大。

图11和12示出这样一个配备有用于实现排气中CO、HC和NOx的去除的排气净化器的常规发动机。在该发动机中，排气管30中部布置有三元催化剂31，该三元催化剂31的上游侧布置有用于检测排气中氧浓度的O₂传感器32，从而反馈控制向发动机的燃料喷射量，使得根据氧浓度确定的所检测的空燃比为理论空燃比(14.6)，从而去除CO、HC和NOx。(例如，参见专利文献1)

顺便提及，在根据O₂反馈控制的排气净化器中，由于必须控制燃料喷射量使得空燃比始终为理论空燃比，因此可以说，该排气净化器不利于提高发动机功率。因此，例如，排量比汽车小的车辆如自动二轮车无法获得驾驶的乐趣。此外，为了进行O₂反馈控制，必须有使用喷射器的燃料喷射系统。为实现燃料喷射系统，必须增加燃料泵、燃料调节器、控制器等，这使得成本增加。

另一方面，在如图13和14所示的配备有另一种排气净化器的发动机中，在排气管30中有彼此间隔一定距离设置的第一催化剂35和第二催化剂36，二次空气导入管37将二次空气导入排气管30的第一催化剂35与第二催化剂36之间的部分，以利用第一催化剂35还原NOx然后利用下游侧的第二催化剂36氧化CO和HC(例如，参见专利文献2)。

在所述适于将二次空气导入第一催化剂35与第二催化剂36之间的部分的排气净化器中，由于可将供给到发动机的空气燃料混合物的空燃比设定成比理论空燃比浓，因此可提高小排量自动二轮车的发动机功率，从而一个优点是驾驶乐趣提高。此外，常规化油器足以应付该排气净化器，因此与采用燃料喷射系统的情况相比在成本方面是有利的。

专利文献1：JP-A-5-98955

专利文献2：JP-A-2002-161737

发明内容

然而，在配备有用于将二次空气导入第一催化剂与第二催化剂之间的部分的排气净化器的常规发动机中，一个问题是，催化剂的使用寿命由于二次空气的导入位置而缩短。换句话说，二次空气的导入使得催化剂处于高温状态，如果该高温状态持续时间长，催化剂容易恶化，从而使用寿命倾向于缩短。

此外，在常规排气净化器中，例如，由于在发动机冷起动时催化剂的活化倾向于延迟，因此无法充分去除CO和HC。

鉴于上述以往的实际情况提出本发明，本发明的目的是提供一种能在将二次空气导入两催化剂之间的部分的情况下抑制(控制)催化剂的恶化并有助于催化剂在冷起动时活化的四冲程发动机。

发明人致力于发现抑制催化剂的恶化的结构的研究，并注意到以下事实，在催化剂活化后当第一催化剂与第二催化剂之间的温度差增加时，两个催化剂上的负担仅施加在一个催化剂上，因此该催化剂容易恶化。之后，发明人认识到，通过设定二次空气导入位置使得第一催化剂与第二催化剂在活化之后的温度差在预定值范围内，可抑制催化剂的恶化，据此设计了本发明。

因此，权利要求1的发明为这样一种四冲程发动机，其中，排气管连接到发动机的排气口，所述排气管中设置有催化剂并且导入有二次空气，其特征在于，在所述排气管中布置有第一催化剂，在所述第一催化剂下游的所述排气管中距离所述第一催化剂预定间隔处布置有第二催化剂，用于导入二次空气的二次空气导入管连接到所述排气管的位于所述第一催化剂与所述第二催化剂之间的部分上，并连接到所述第一催化剂与所述第二催化剂从发动机冷起动到经过预定运转时间后在测量运转区域中的温度差在预定范围内的位置。

在本发明中，“测量运转区域”指发动机从冷态起动开始行驶、第一催化剂和第二催化剂的温度达到活化温度(例如300℃)、经过预定时间后两催化剂的温度稳定的工作区。更具体地，例如，“测量运转区域”指发动机冷起动后约1000～1200秒的工作区。此外，“温度差在预定范围内”这一概念更具体地指例如约100℃，尽管该温度差视所采用的催化剂的耐热性、要求的耐久性等而变。

权利要求2的发明为这样一种四冲程发动机，其中，排气管连接到发动机的排气口，所述排气管中设置有催化剂并且导入有二次空气，其特征在于，在所述排气管中布置有第一催化剂，在所述第一催化剂下游的所述排气管中距离所述第一催化剂预定间隔处布置有第二催化剂，用于导入二次空气的二次空气导入管连接到所述排气管的位于所述第一催化剂与所述第二催化剂之间的部分上，并连接到所导入的二次空气还由于排气脉动而作用在位于上游侧的所述第一催化剂上的位置。

权利要求3的发明的特征在于，在权利要求1或2中，设置有围绕所述排气管的一部分的消音器，所述第一催化剂设置在所述消音器的上游，所述第二催化剂设置在所述消音器的内部。

权利要求4的发明的特征在于，在权利要求1或2中，设置有围绕所述排气管的一部分的消音器，所述第一催化剂设置在所述消音器的上游，所述第二催化剂设置在所述消音器的内部，所述二次空气导入管连接到所述排气管的位于比所述第二催化剂更远的上游并位于所述消音器的内部的一部分。

根据依照权利要求1的发明的发动机，在发动机冷态起动时，首先，布置在上游侧的第一催化剂的温度开始上升，稍后，下游侧的第二催化剂的温度开始上升。然后，第一催化剂的温度在发动机起动后短时间内达到最高温度然后渐渐下降以稳定在测量运转区域。此外，第二催化剂的温度自发动机起动后逐渐上升并稳定在测量运转区域。在这种情况下，二次空气导入位置设定在第一和第二催化剂在测量运转区域中的最高温度之差在预定温度范围内的位置。从而，可将第一催化剂与第二催化剂的温度差保持在预定范围内，可抑制由温度差过大造成的负担的偏差(deviation)，因此，能抑制催化剂的恶化以延长其使用寿命。

更具体地，例如，随着将二次空气导入位置设置为更靠近下游的第二催化剂侧，第二催化剂的温度更大程度地上升，同时，在发动机起动后短时间内第一催化剂达到的最高温度下降，因此，第一催化剂与第二催化剂的温度差增大。另一方面，随着将二次空气导入位置设置为更靠近上游的第一催化剂侧，第一催化剂的最高温度上升，同时，第二催化剂的温度上升得到抑制，因此，第一催化剂与第二催化剂的温度差下降。

在权利要求2的发明中，二次空气导入管连接到二次空气由于排气脉动而作用在第一催化剂上的位置。因此，一部分二次空气从第一催化剂的下游侧回吹，CO和HC被回吹的二次空气和第一催化剂氧化。当发动机处于冷态时，可通过由排气脉动回吹的二次空气和第一催化剂进行CO和HC的氧化，可促进第一催化剂的活化，并可提高发动机冷起动时的排气净化性能。

在权利要求3的发明中，第二催化剂设置在用于排气管的消音器的内部。因此，可在不损害整个排气管的外观的情况下提高第二催化剂的容量，从而可提高净化性能。

此外，第二催化剂设置在消音器中。因此，排气管的设置第二催化剂的部分不会被外部空气冷却，从而可大大缩短第二催化剂达到活化温度所需的时间。

在权利要求4的发明中，二次空气导入管连接到消音器内的部分。因此，二次空气导入管可由排气管和消音器支承，并可提高二次空气导入管的连接强度而不损害外观。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的实施例。

图1是用于说明根据权利要求1、3和4的本发明一实施例的四冲程发动机的示意图。

在该图中，标号1表示自动二轮车如摩托车或小型摩托车中采用的四冲程发动机。进气通路2连接到发动机1的进气口(未示出)，用作燃料供给系统的化油器设置在进气通路2的中部，空气滤清器4连接到进气通路2的上游端。空气滤清器4的结构为，滤清器壳4a的内部被部件5分隔成空气吸入侧“a”和排出侧“b”。

化油器3包括工作在怠速和低速行驶区的怠速系统和工作在中速和高速行驶区的主系统。在所有工作区中，空燃比设为比理论空燃比浓。

排气通路6连接到发动机1的排气口(未示出)。该排气通路6包括连接到排气口的排气管7和设置在排气管7下游侧的消音器8。排气管7具有上游侧半部7a和弯曲并形成为基本U形的下游侧半部7b。下游侧半部7b容纳在消音器8中。

排气净化器添加到排气通路6上。该排气净化器的结构为，主要起还原作用的第一催化剂9设置在排气管7的上游侧半部7a中，主要起氧化作用的第二催化剂10设置在位于第一催化剂9下游的下游侧半部7b中，第一催化剂9与第二催化剂10之间形成有二次空气导入口7c。

排气管7的布置第一催化剂9和第二催化剂10的部分的内径d1大于排气管其余部分的内径d2，第一催化剂9和第二催化剂10容纳在大直径部分中。

此外，二次空气导入口7c位于排气管7的第一催化剂9与第二催化剂10之间的小直径部分上。由于二次空气导入口7c形成在容纳第一催化剂9和第二催化剂10的大直径部之间的小直径部上，因此该部分中的排气流速提高，通过所谓的文丘里效应(Venturi effect)在导入口7c的部分中产生负压，从而可增加二次空气的吸入量。例如，如图10所示，在二次空气导入口7c形成在排气管7中设置第一催化剂9的大直径部d1上的情况下，不能充分获得文丘里效应，无法增加二次空气的进气量。

二次空气供给系统连接到二次空气导入口7c。该二次空气供给系统的结构为，空气滤清器4的排出侧“b”通过二次空气导入管11与二次空气导入口7c连通地连接，用作止回阀(逆止阀)的导阀(lead valve)12设置在二次空气供给管11的中部。

导阀12只允许二次空气从空气滤清器4侧流向排气通路6侧，而禁止在相反方向上的流动。更具体地，发动机1的进气门和排气门(未示出)的开闭造成的排气脉动在排气通路6中产生负压，此负压抽吸空气滤清器4排出侧“b”中的空气。注意，可用空气泵代替导阀12加压供给二次空气。

二次空气导入管11连接到位于消音器8内部的下游侧半部7b的上游端部，并且由消音器8和下游侧半部7b一起支承并固定到消音器8和下游侧半部7b上。

第一催化剂9的布置位置设定在当要求开始排气净化时进入第一催化剂9的排气的温度，即进入空气温度，上升到300℃或高于300℃的位置处。此进入空气温度是确保能进行第一催化剂9的活化所必需的标准温度。更具体地，在发动机的排量为约50cc的情况下，将第一催化剂9布置在离排气口300～500mm的位置处。

进入第二催化剂10的排气的温度受位于上游的第一催化剂9以及导入的二次空气的影响。在这种情况下，第二催化剂10的布置位置设定在当要求开始排气净化时进入第二催化剂10的排气的进入空气温度上升到300℃或高于300℃的位置处。更具体地，在发动机的排量为约50cc的情况下，将第二催化剂10布置在离第一催化剂9约200mm的位置处。

此外，二次空气导入口7c设置在其中第一催化剂9和第二催化剂10在测量运转区域的最高温度之差在预定范围内、更具体地为100℃的位置处。注意，温度差降低到100℃或低于100℃的连接位置通过实验得出。在此实施例中，二次空气导入管11的连接范围总体上约为从第一催化剂9到第二催化剂10的间隔的1/2，最希望连接到最靠近第一催化剂9的部分上。

根据此实施例的排气净化器，由于二次空气导入管11连接到第一催化剂9与第二催化剂10在测量运转区域的最高温度差减小到100℃或低于100℃的位置，因此，由第一催化剂9与第二催化剂10的温度差造成的负担的偏差得以抑制，并且因此可抑制第二催化剂10的恶化，并能够延长其使用寿命。

换句话说，当二次空气导入管11靠近第一催化剂9一侧或第二催化剂10一侧时，二次空气导入管11所靠近的该侧的催化剂的温度倾向于高于另一催化剂。因此，将二次空气导入管11连接到第一催化剂9与第二催化剂10的温度差尽可能小的位置，更具体地，其范围总体上约为从第一催化剂9到第二催化剂10的间隔的1/2，从而防止高温状态长期持续的情形。

在该实施例中，由于第二催化剂10设置在其中容纳排气管7的下游侧半部7b的消音器8中，因此可在不损害外观的情况下增加第二催化剂10的容量，并可提高净化能力。

此外，由于第二催化剂10设置在消音器8中，因此，第二催化剂10不会被外部空气冷却，可缩短在发动机1冷起动时第二催化剂10达到活化温度所需的时间。

在该实施例中，由于二次空气导入管11连接到位于消音器8内的下游侧半部7b上，因此二次空气导入管11可由排气管7和消音器8支承并固定，可提高二次空气导入管11的连接强度而不损害外观。

下面说明为证实该实施例的效果进行的实验。

为找出使第一催化剂9与第二催化剂10在测量运转区域的最高温度差减小到100℃或低于100℃的二次空气导入管11的连接位置而进行该实验。在该实验中，采用与上述实施例相同结构的排气净化器，并采用用于根据预先设定的行驶模式调节行驶时间和行驶速度的所谓的ECE40试验方法。更具体地，一摩托车重复其中行驶速度改变为约15km/h、30km/h和50km/h的200秒的行驶模式6次，总共行驶1200秒，并测量CO排放量以及第一催化剂和第二催化剂的温度的变化(见图3、5和7的(a)～(c))。此外，在1200秒中导入的二次空气量设定为约370～400升。

进行实验示例1，其中，二次空气导入管11连接到在下游侧离第一催化剂9的后端面20mm的位置上(见图2)。此外，进行实验示例2，其中，二次空气导入管11连接到在下游侧离第一催化剂9的后端面60mm的位置上(见图4)，并进行实验示例3，其中，二次空气导入管11连接到在下游侧离第一催化剂9的后端面120mm的位置上(见图6)。此外，测量第一催化剂9和第二催化剂10中每个的温度变化，并测量CO量。注意，在实验示例1～3中，假定第一催化剂9和第二催化剂10的容量以及发动机技术条件不变。

图8中(a)和(b)示出各催化剂9和10的温度测量方法。从外部沿径向在排气管以及催化剂9和10上开一约3mmφ的孔，然后在该孔中插入并固定护套K型热(电)偶15，使得该热偶15的末端位于催化剂9和10的中心。此外，作为另一种测量方法，也可如图8(b)中双点划线所示将热偶15沿催化剂9和10的轴向插入。

在所有实验示例1～3中，第一催化剂与第二催化剂的最高温度之差都在100℃内，例如分别为20℃、60℃和90℃，也获得令人满意的CO排放量的值。换句话说，可以看出，根据要求催化剂活化的时间和进入空气温度设定第一催化剂9和第二催化剂10的布置位置，然后将二次空气导入管11的连接位置设定成使得第一催化剂9与第二催化剂10的最高温度差在100℃之内，从而可抑制催化剂的恶化。

比较实验示例1与实验示例3可看出，在二次空气导入管11连接到最靠近第一催化剂9的下游侧的部分的情况下，有利于CO的去除。看来这是因为二次空气从第一催化剂9的下游侧回吹，发动机冷态时排放的大量CO与回吹的空气起氧化反应，因此有利于CO的去除。

在第一催化剂9和第二催化剂10充分活化的状态下，例如当经过1000秒或1000秒以上时，比较第一实验示例与第三实验示例可明显看出，第一催化剂9的一部分有利于CO的去除。换句话说，实验示例1中的CO排放量约为200ppm(见图3(b))，小于实验示例3中约为400ppm的CO排放量(见图7(b))。在第一催化剂和第二催化剂的活化状态基本相同且供给相同的二次空气的状态下，可认为仅在催化剂的容量改变时CO的去除量才有差别。然后，由于实验示例1和3中第一催化剂相同，因此显然第一催化剂的一部分对CO的去除具有贡献。

图9是布置根据实验示例1～3的模式排气值的视图。在该图中，与不使用催化剂的情况相比，在所有实验示例1～3得出的结果中，CO和HC的去除率高达75～80％，NOx的去除率也高达70～75％。

应该指出，在该实施例中，关于二次空气导入管连接到第一催化剂与第二催化剂的最高温度差在预定温度范围(例如100℃)内的位置的情况给出说明。然而，在本发明中，二次空气导入管也可连接到所导入的二次空气由于排气脉动还对第一催化剂起作用的位置。权利要求2的发明正是这种结构。

更具体地，二次空气导入管连接到下游侧最靠近第一催化剂的部分上或第一催化剂与第二催化剂之间间隔的第一催化剂侧约1/3的范围内。在这种结构下，一部分二次空气从第一催化剂的下游侧回吹，CO和HC被回吹的二次空气和第一催化剂氧化。当发动机以这种方式处于冷态时，可通过由排气脉动回吹的二次空气和第一催化剂进行CO和HC的氧化，有利于第一催化剂的活化，并可提高发动机冷态时排气的净化。从对第一实验示例与第三实验示例的比较说明中也可清楚看出这一点。

此外，在该实施例中，作为示例说明通过化油器在浓侧测量燃料并供给到发动机的情况。然而，本发明也可用于检测排气中的氧浓度并反馈控制给发动机的燃料喷射量从而将根据氧浓度得出的空燃比设为目标空燃比的四冲程发动机。简而言之，通过将二次空气导入管连接到第一催化剂与第二催化剂的最高温度之差在例如100℃内的位置，可获得与该实施例基本相同的效果。

附图说明

图1是配备根据权利要求1、3和4的本发明一实施例的排气净化器的四冲程发动机的示意图；

图2是为证实该实施例的效果而进行的实验示例1的说明图；

图3是示出实验示例1的特征的图；

图4是为证实该实施例的效果而进行的实验示例2的说明图；

图5是示出实验示例2的特征的图；

图6是为证实该实施例的效果而进行的实验示例3的说明图；

图7是示出实验示例3的特征的图；

图8是示出在这些实验示例中采用的催化剂温度测量方法的图；

图9是示出这些实验的结果的特性图；

图10是示出该实施例的排气通路的比较示例的图；

图11是配备根据O₂反馈控制的常规一般的排气净化器的四冲程发动机的示意图；

图12是该排气净化器的特性图；

图13是根据第一催化剂和第二催化剂以及二次空气的常规一般的排气净化器的示意图；

图14是该排气净化器的特性图；以及

图15是示出一般的四冲程发动机的空燃比与排气之间的关系的特性图。

附图标记

1 四冲程发动机

6 排气通路

7 排气管

8 消音器

9 第一催化剂

10 第二催化剂

11 二次空气导入管

Claims

1.一种四冲程发动机，其中，排气管连接到发动机的排气口，所述排气管中设置有催化剂并且导入有二次空气，其特征在于，在所述排气管中布置有第一催化剂，在所述第一催化剂下游的所述排气管中距离所述第一催化剂预定间隔处布置有第二催化剂，用于导入二次空气的二次空气导入管连接到所述排气管的位于所述第一催化剂与所述第二催化剂之间的部分上，并连接到所述第一催化剂与所述第二催化剂从发动机冷起动到经过预定运转时间后在测量运转区域中的温度差在预定范围内的位置。

2.一种四冲程发动机，其中，排气管连接到发动机的排气口，所述排气管中设置有催化剂并且导入有二次空气，其特征在于，在所述排气管中布置有第一催化剂，在所述第一催化剂下游的所述排气管中距离所述第一催化剂预定间隔处布置有第二催化剂，用于导入二次空气的二次空气导入管连接到所述排气管的位于所述第一催化剂与所述第二催化剂之间的部分上，并连接到所导入的二次空气还由于排气脉动而作用在位于上游侧的所述第一催化剂上的位置。

3.根据权利要求1或2所述的四冲程发动机，其特征在于，设置有围绕所述排气管的一部分的消音器，所述第一催化剂设置在所述消音器的上游，所述第二催化剂设置在所述消音器的内部。

4.根据权利要求1或2所述的四冲程发动机，其特征在于，设置有围绕所述排气管的一部分的消音器，所述第一催化剂设置在所述消音器的上游，所述第二催化剂设置在所述消音器的内部，所述二次空气导入管连接到所述排气管的位于所述第二催化剂的上游并位于所述消音器的内部的一部分。