SE515067C2 - Metod för att minska ämnen i avgaser från en förbränningsmotor - Google Patents

Description

f 5125 067 måste tillföras motorn för att motorn skall starta och för att motom skall kunna arbeta med ett väsentligen konstant varvtal under tomgångskörning. Denna feta luft/bränsle- blandning tillförs också för att motorn skall vara förberedd att avge ett ökat vridmo- ment vid ett gaspådrag och för att motom skall bli mindre känslig för olika bränslekva- liteter. Därmed säkerställs motoms körbarhet innan motorn uppnått sin driftstempera- tur.

Avsalmaden av katalysatoms avgasrening samt den feta luft/bränsleblandningen med- för att halterna av kolmonoxid CO, kolväteföreningar HC och kväveoxider NOX som avges från motom blir höga vid kallstart av motom.

Det har tidigare gjorts försök med att minska bränslemängden i förhållande till tillförd luft, dvs driva motom med en magrare luft/bränsleblandning vid kallstart av motom.

Detta har emellertid medfört att motorn arbetat mycket ojämnt vid tomgång samt att motorns körbarhet blivit dålig. Anledningen till varför varvtalet kommer att variera vid tomgångsköming är att motorns avgivna vridmoment är mycket känsligt för variationer av lambdavärdet hos den till motoms cylinderrum tillförda luft/bränsleblandningen, när luft/bränsleblandningen är mager, Definitionen av lambdavärdet, eller luftöverskotts- koefficienten som den också kallas är verklig tillförd luftrnängd delad med teoretiskt nödvändig luftrnängd för fullständig förbränning. Om lambdavärdet är större än ett, är luft/bränsleblandningen mager och om lambdavärdet är mindre än ett, är luft/bränsle- blandningen fet.

Det är möjligt att noggrant styra det från en bränsleinsprutningsventil tillförda bränslet med hjälp av motoms bränsleinsprutningssystem, för att därmed erhålla ett väsentligen konstant lambdavärde på den tillförda luft/bränsleblandningen. När motom är kall kommer emellertid bränsle att kondensera på de jämförelsevis kalla väggarna i insug- ningskanalen och i cylindern. Det på väggarna kondenserade bränslet kommer att för- ångas och följa med luft/bränsleblandningen som strömmar i insugningskanalen och tillförs cylinderrummet. Om förångningen av det på väggarna kondenserade bränslet blir ojämn, på grund av tryckförändringar, temperaturgradienter eller luft/bränsle- _ 515 067 ' 3 blandningens flödeshastighet i insugningskanalen, kommer lambdavärdet hos den till cylinderrummet tillförda luft/bränsleblandningen att variera.

Eftersom det av motorn avgivna vridmomentet kommer att variera under tomgångskör- ningen vid kallstart, kommer motorns varvtal att variera. Med motorns varvtal menas här varvtalet hos motorns vevaxel. När varvtalet varierar kommer även trycket i insug- ningskanalen att variera, vilket i sin tur leder till att förångningen av det kondenserade bränslet kommer att variera, så att en variation av lambdavärdet hos den till cylinder- rummet tillförda luft/bränsleblandningen uppkommer; Därmed förstärks det ojämna varvtalet hos motorn.

Syftet med föreliggande uppfinning är att reducera kolmonoxid CO, kolväteforeningar HC och kväveoxider NOx i avgasema från en fórbränningsmotor vid kallstart.

Ett annat syfte med uppfinningen är att göra det möjligt för en förbränningsmotor att arbeta med en mager luft/bränsleblandning.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att uppnå katalysatoms arbetstemperamr så fort som möjligt.

Annu ett syfte med uppfinningen är att uppnå förbränningsmotorns arbetstemperatur så fort som möjligt.

Detta åstadkommes med en metod av i inledningen angivet slag, som innefattar stegen: att en luft/bränsleblandning med ett lambdavärde större än ett tillförs cylindern, att förbränningsmotorn styrs, så att den arbetar med hög last, och att insugningsventi- len styrs, så att den öppnar efter det att kolven passerat det övre dödläget.

Genom att tillföra cylindem en luft/bränsleblandning större än ett minskar den totala andelen av de nämnda ämnena i de från förbränningsmotom avgivna avgaserna. För att möjliggöra drift av motorn med en mager luft/bränsleblandning öppnas insugringsven- 515 067 4 tilen efter det att kolven passerat det övre dödläget, så att en kraftig virvelbildning hos den i cylinderrummet tillförda luft/bränsleblandningen erhålls. Genom att styra motorn så att den arbetar med hög last kommer kondenserat bränsle på insugningskanalens väggar att få en liten inverkan på blandningsförhållandet mellan luft och bränsle, vilket medför att lambdavärdet hos den till cylinderrnrnmet tillförda luft/bränsleblandningen förblir väsentligen konstant. Vevaxeln kommer därmed att rotera med ett väsentligen konstant varvtal vid tomgångskörnirig. Vidare kommer andelen restgaser att minimeras på grund av att inget överlapp förekommer när insugnings- och avgasventílerna är öpp- Ila.

Uppfinningen skall i det följande förklaras närmare med hänvisning till ett på bifogade ritningar visat utforingsexempel, på vilka fig. l visar ett snitt genom en förbränningsmotor, fig. 2 visar ett diagram över öppnings- och stängningstider för insugnings- och avgas- ventilen, och fig. 3 visar ett diagram över katalysatorns uppvärmningstid för en konventionellt styrd förbränningsmotor och en förbränningsmotor styrd enligt metoden enligt föreliggande uppfinning.

I fig. l visas en förbränningsmotor 1, som innefattar åtminstone en cylinder 2 till vil- ken en luft/bränsleblandning tillförs när en vevaxel 3 hos motom 1 skall bringas att roteraÄtrninstone en insugningsventil 4 är anordnad att öppna och stänga till cylin- dern 2 förbundna insugningskanaler 5, genom vilka en luft/bränsleblandning tillförs när motorn 1 arbetar. Åtminstone en avgasvenfil 6 är anordnad för att öppna och stänga till cylindern 2 förbundna avgaskanaler 7, genom vilka förbränt bränsle i form av avga- ser bortförs när motorn 1 arbetar. Vid motorn 1 finns också styrorgan 8 anordnade för att styra öppningen och stängningen av insugnings- och avgasventilerna 4, 6. I det i fig. 1 visade utfóringsexemplet utgörs styrorganen 8 av kamaxlar, vilka kan vara reglerba- ra, så att tidpunkten för öppningen och stängningen av insugnings- och avgasventilerna 4, 6 kan varieras. Detta åstadkommes exempelvis genom en i fig, 1 schematiskt visad regleranordning 9, som på känt vis hydrauliskt vrider kamaxlaina. Andra styrorgan 8 är -p si; os? också tänkbara, såsom elektromagnetisk styrda ventiler. En mellan ett övre och undre dödläge i cylindern 2 fram- och återgående kolv 10 är medelst en vevstake 11 lagrad vid vevaxeln 3. motorn 1 är företrädesvis flercylindrig. Bränsle tillförs genom ett i in- sugningskanalen 5 anordnat insprutningsmunstycke 13. Bränslet insprutas således i insugningskanalen 5 i riktning mot insugningsventilen 4 och cylindern 2.

En avgasturbo eller en mekanisk kompressor 14 kan kopplas till motoms 1 insugnings- kanal 5. Vid en överladdad motor 1 tillförs energi från kompressom eller turbon 14, så att förbränningstemperaturen efter expansionen i cylindern 2 ytterligare ökar. Därmed kan också en till motorn 1 kopplad katalysator 12 värmas upp fortare.

Avgasturbon eller kompressom 14 åstadkommer också ett övertryck i insugningskana- len 5, vilket medför att differensen mellan undertrycket i cylindern 2, strax före insug- ningsventilen 4 öppnar, och övertrycket i insugningskanalen 5 ökar.

Ett utföringsexempel av metoden enligt föreliggande uppfinning visas i fig. 2, som av- ser ett diagram över öppnings- och stängningstider för både insugnings- och avgasven- tilema 4, 6. Vid insugningstakten tillförs cylindem 2 en luft/bränsleblandning med ett lambdavärde, som är större än ett. Lambdavärdet ligger huvudsakligen i intervallet 1,0 - 1,4 och företrädesvis i intervallet 1,05 - 1,2. Halten av mängden kolmonoxid CO, kolväteföreningar HC och kväveoxider NOx i avgaserna beror bland annat av bland- ningsförhållandet hos den till cylindern 2 tillförda luft/bränsleblandningen. Detta blandningsförhållande brukar anges med ett lambdavärde. Definitionen på lambdavär- det, eller luftöverskottskoefficienten som den också kallas, är verklig tillförd luftmängd delad med teoretisk nödvändig luftmängd. Om lambdavärdet är större än ett, är luft/bränsleblandningen mager och om lambdavärdet är mindre än ett, är luft/bränsle- blandningen fet. Det eftersträvas att tillföra en mager luft/bränsleblandning när motorn är kall, så att halterna av kolmonoxid CO, kolväteföreningar HC och kväveoxider NOx, som avges från motorn 1 i fonn av avgaser blir låga. Genom att tidigt uppnå ka- talysatoms arbetstemperatur kommer den totala avgivna mängden av kolmonoxid CO, kolväteföreningar HC och kväveoxider Nox att minska. _ 515 067 6 För att inte motoms 1 drift skall bli ojämn vid tillförsel av en mager luft/bränsle- blandning, av de skäl som anges i beskrivningsiriledningen, styrs insugningsventilen 4, så att den öppnar efter det att kolven 10 passerat det övre dödläget. Genom att styra insugningsventilen 4, så att den öppnar vid en vevaxelvinkel av 20° - 100° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av 30° efter det övre dödläget, upp- kommer ett undertryck i cylindern 2. Vid de ovan angivna vevaxelvinklaina kommer insugníngsventilen 4 vara så pass öppen att luft/bränsleblandningen medges att ström- ma in i cylindern 2. En förutsättning för att ett undertryck skall bildas i cylindern 2 är dock att avgasventilen 6 styrs, så att den stänger innan insugningsventilen 4 öppnar.

F öreträdesvis styrs avgasventilen 6, så att den stänger när kolven 10 befinner sig vid den övre dödpunkten. Därmed är både avgas- och insugningsventilen 6, 4 stängd sam- tidigt som kolven 10 rör sig nedåt i riktning mot den nedre dödpunktem varför ett un- dertryck i cylindern 2 bildas. När insugningsventilen 4 därefter öppnas strömmar luftfbränsleblandningen med hög flödeshastighet in i- cylindern 2, på grund av under- trycket i cylindern 2. Denna höga flödeshastighet bidrar till en önskad virvelbildning och därmed omblandning hos luft/bränsleblandningen. Genom att öppna insugnings- ventilen 4, såsom beskrivits ovan förhindras också avgaser att strömma in i insug- ningskanalen 5. Om avgaser skulle strömma in i insugningskanalen 5 skulle det påver- ka förångningen av på insugningskanalens 5 väggar kondenserat bränsle, vilket skulle leda till en momentförändring hos motorns 1 vevaxel 3, och därmed ojämn drift hos motorn 1. Med vevaxelvinkel menas här den vinkel som vevaxeln 3 vridit sig från det att kolven 10 befimriit sig vid det övre dödläget. När kolven 10 befinner sig vid det övre dödläget är således vevaxelvinkeln noll. F örfarandet medför även att den reste- rande andelen avgaser, även kallad residualen, i cylindern 2 minimeras, vilket bidrar till bättre förbränningskvalité av den till cylindern 2 tillförda luft/bränsleblandningen. lnsugriirigsventilen 4 kan styras så att den stänger efter det att kolven 10 nått det nedre dödpunkten. f 5157067 Vid start av en kall förbränningsmotor 1 är även den hos motom 1 anordnade kataly- satom 12 kall. Såsom nämnts i beskrivningsinledningen måste katalysatorn 12 nå en viss arbetstemperatur för att katalysatorn 12 effektivt skall kunna reducera de giftiga ämnena i motoms 1 avgaser. Tändníng av den i cylindern 2 tillförda luft/bränsle- blandningen utförs vid en vevaxelvinkel av 10° före till 30° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av 0° - 10° efter det övre dödläget. Därmed styrs motorn 1 så att den kommer att arbeta med hög last, eftersom den förskjutna tändtid- punkten medför att motorns 1 effekt blir lägre. Motorn 1 kan också styras att arbeta vid hög last genom att stänga insugningsventilen 4 sent, så att en del av den till cylindem 2 tillförda luft/bränsleblandnjngen förs tillbaka till insugningskanalen 5. Även en mager luft/bränsleblandning medför att motorn 1 kommer att arbeta vid hög last. Vid hög last hos förbränningsmotorn l är undertrycketi insugningskanalen 5 litet även vid stort gaspådrag. Därmed blir motoms 1 effekt lägre. Det är också möjligt att styra motorn 1, så att den arbetar med hög last genom att ansluta en extern last, såsom en generator (inte visad), till motorn 1.

Genom att inspruta bränslet i insugningskanalen 5 innan insugningsvenfilen 4 har öpp- nat kommer bränslet att tillföras cylindern 2 tillammans med insugningsluften under mycket hög hastighet. Därmed kommer bränslet att finíördelas och blandas med insug- ningsluften.

Företrädesvis styrs motorn 1 så att vevaxeln 3 roterar med ett väsentligen konstant varvtal i intervallet 1000 - 2000 varv per minut (rpm), vilket innebär att ett stort antal arbetscykler per tidsenhet erhålles, vilket i sin tur leder till att mycket energi per tids- enhet i form av värme kommer att tillföras katalysatom 12. Detta medför en snabb uppvärmning av katalysatorn 12 och motom 1.

Fig. 3 visar ett diagram över katalysatoms 12 uppvännningstid för en konventionellt styrd förbränningsmotor och en förbränningsmotor 1 styrd enligt metoden enligt före- liggande uppfinning. Den heldragna kurvan i fig. 3 avser katalysatoms 12 uppvärm- ¿ 75158 os? ningstid för en förbränningsmotor styrd enligt metoden enligt föreliggande uppfinriing och den streckade linjen avser katalysatorns uppvärmningstid för en konventionellt styrd förbränningsmotor. Såsom framgår av diagrammet i fig. 3 kommer katalysatorn 12 hos motorn 1, som styrs enligt metoden enligt föreliggande uppfinning att nå ar- betstemperaturen To tidigare än katalysatorn hos motorn, som styrs konventionellt.

Claims (11)

20 25 30 f 5195 os? Patentkrav

1. Metod för att minska emissioner i avgaser från en förbränningsmotor (1), som inne- fattar åtminstone en cylinder (2) till vilken en luft/bränsleblandning tillförs när en vev- axel (3) hos förbränningsmotom (1) skall bringas att rotera; åtminstone en insugnings- ventil (4); åtminstone en insugningsventilen (4) anslutande insugningskanal (5); åtmin- stone en avgasvenfil (6); styrorgan (8) för att styra öppningen och stängningen av in- sugnings- och avgasventilerna (4, 6); och en mellan ett övre och undre dödläge i cylin- dem (2) frarn- och återgående kolv (10), kännetecknar! av att metoden innefattar föl- jande steg: att en luft/bränsleblandning med ett lambdavärde större än ett tillförs cylindem (2), att förbränningsmotorn (1) styrs, så att den arbetar med hög last, och att insugningsventilen (4) styrs, så att den öppnar efter det att kolven (10) passerat det övre dödläget.

2. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att insugningsventilen (4) styrs, så att den öppnar vid en vevaxelvinkel av 20° - 100° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av 30° efter det övre dödläget.

3. Metod enligt lcrav 1 eller 2, kännetecknad av att avgasventilen (6) styrs, så att den stänger innan insugningsventilen (4) öppnar.

4. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att avgasventilen (6) styrs, så att den stänger vid det övre dödläget, för att minimera kvarvarande avgaser i cylin- dem (z).

5. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att bränsle tillförs insug- ningskanalen (5) innan insugningsvenfilen (4) öppnar. 10 15 20 e 515 067 10

6. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att förbränningsmotom (1) styrs, så att vevaxeln (3) roterar med ett väsentligen konstant varvtal i intervallet 1000 - 2000 rpm.

7. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att en avgasturbo eller en kompressor (14) åstadkommer ett övertryck i insugningskanalen (5).

8. Metod enligt något av föregående lcrav, kännetecknad av att tandning av den i cy- lindem (2) tillförda luft/bränsleblandningen utförs vid en vevaxelvinkel av l0° före till 20° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av 0° - l0° efter det övre dödläget.

9. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att larnbdavärdet hos luft/bränsleblandningen, som förbränns under expansionstakten huvudsakligen ligger i intervallet 1,0 - 1,4 och företrädesvis i intervallet 1,05 - 1,2.

10. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att metoden huvudsakli- gen används vid kallstart av förbränningsmotorn (1).

11. ll. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att styrorganen (8) för att styra öppningen och stängningen av insugnings- och avgasventilerna (4, 6) är reglerba- ra, så att tidpunkten för öppningen och stärrgrringen av insugnings- och avgasventilema (4, 6) kan varieras.