SE521981C2 - Metod för att minska ämnen i avgaser från en förbränningsmotor - Google Patents

Description

lO 521 931 Ett annat problem som uppkommer vid kallstart av förbränningsmotorer är att jämfö- relsevis mycket bränsle i förhållande till tillförd luft, dvs en fet luft/bränsleblandning måste tillföras förbränningsmotorn för att förbränningsmotorn skall starta och för att förbränningsmotorn skall kunna arbeta med ett väsentligen konstant varvtal under tomgångsköming. Denna feta luft/bränsleblandning tillförs också för att förbrännings- motorn skall vara förberedd att avge ett ökat vridmoment vid ett gaspådrag. Därmed säkerställs förbränningsmotorns körbarhet innan förbränningsmotom uppnått sin driftstemperatur.

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

Det har tidigare gjorts försök med att minska brånslemängden i förhållande till tillförd luft, dvs driva förbränningsmotorn med en magrare luft/bränsleblandning vid kallstart av förbränningsmotorn. Detta har emellertid medfört att förbränningsmotorn arbetat mycket ojämnt vid tomgång samt att förbränningsmotorns körbarhet blivit dålig. An- ledningen till varför varvtalet kommer att variera vid tomgångskörning är att förbrän- ningsmotoms avgivna vridmoment är mycket känsligt för variationer av lambdavärdet hos den till förbränningsmotorns cylinderrum tillförda luft/bränsleblandningen, när luft/bränsleblandningen är mager. Definitionen av lambdavärdet, eller luftöverskotts- koefficienten som den också kallas är verklig tillförd luftmängd delad med teoretiskt nödvändig luftmängd för fullständig förbränning. Om lambdavärdet är större än ett, är luft/bränsleblandningen mager och om lambdavärdet år mindre än ett, är luft/bränsle- blandningen fet.

Det är möjligt att noggrant styra det från en bränsleinsprutningsventil tillförda bränslet med hjälp av förbränningsmotorns bränsleinsprutningssystem, för att därmed erhålla ett väsentligen konstant lambdavärde på den tillförda luft/bränsleblandningen. När för- bränningsmotorn är kall kommer emellertid bränsle att kondensera på de jämförelsevis 521 981 3 kalla väggarna i insugningskanalen och i cylindern. Det på väggarna kondenserade bränslet kommer under tomgångskörningen att förångas och följa med luft/bränsle- blandningen som strömmar i insugningskanalen och tillförs cylinderruminet. Om för- ångningen av det på väggarna kondenserade bränslet blir ojämn, på grund av tryckför- ändringar, temperaturgradienter eller luft/bränsleblandningens flödeshastighet i insug- ningskanalen, kommer en variation av lambdavärdet hos den till cylinderrumrnet till- förda luft/bränsleblandningen att uppkomma.

Eftersom det av förbränningsmotorn avgivna vridinomentet kommer att variera under tomgångskörningen vid kallstart, kommer förbränningsmotorns varvtal att variera.

Med förbränningsmotorns varvtal menas här varvtalet hos förbränningsmotorns vev- axel. När varvtalet varierar kommer även trycket i insugningskanalen 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 cylinderrummet tillförda luft/bränsle- blandningen uppkommer. Därmed förstärks det ojämna varvtalet hos förbränningsmo- tom.

Syftet med föreliggande uppfinning är att reducera kolmonoxid CO, kolväteföreningar HC och kväveoxider Nox i avgaserna från en förbränningsmotor vid kallstart.

Ett annat syfte med uppfinningen är att förmå en förbränningsmotor att arbeta med en mager luft/bränsleblandning.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att uppnå katalysatorns 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 in- sugningsventilen styrs, så att den under insugningstakten öppnar efter det att kolven passerat det övre dödläget. 521 981 Genom att tillföra cylindern en luft/bränsleblandning större än ett minskar de nämnda ämnena i de från förbränningsmotorn avgivna avgaserna. F örbränriingsmotorn kommer att arbeta med väsentligen konstant varvtal vid tomgångskörning när insugningsventi- len styrs, så att den öppnar efter det att kolven passerat det övre dödläget och när av- gasventilen styrs, så att den stänger före det att insugningsventilen öppnar. Avgaser förhindras därmed att strömma in i insugningskanalen, varför en jämn förångning av det på insugningskanalens väggar kondenserade bränslet erhålles. Genom att öppna insugningsventilen efter det att kolven passerat det övre dödläget erhålls också en kraftig virvelbildning hos den i cylinderrummet tillförda luft/bränsleblandningen. Ge- nom att styra avgasventilen så att den öppnar före det att kolven passerat det nedre dödläget avbryts kolvens expansionsslag i cylindern och mycket heta avgaser strömmar ut genom avgaskanalen och vidare till katalysatorn, som därmed snabbt kommer att värmas upp.

Uppfinningen skall i det följande förklaras närmare med ett på bifogade ritningar visat utföringsexempel, på vilka fig. l visar ett snitt genom en förbränningsmotor, fig. 2 visar ett diagram över öppnings- och stängningstider för både insugníngs- och avgasventiler, 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. 1 visas en förbränningsmotor l, som innefattar åtminstone en cylinder 2 till vil- ken en luft/bränsleblandning tillförs när en vevaxel 3 hos förbränningsmotom 1 skall bringas att rotera. Åtminstone en insugningsventil 4 är anordnad att öppna och stänga till cylindern 2 förbundna insugningskanaler 5, genom vilka en luft/bränsleblandning tillförs när motorn I arbetar. Åtminstone en avgasventil 6 är anordnad för att öppna och stänga till cylindern 2 förbundna avgaskanaler 7, genom vilka förbränt bränsle i 521 981 , form av avgaser bortförs när motorn 1 arbetar. Vid forbränningsmotorn 1 finns också styrorgan 8 anordnade for att styra öppningen och stängningen av insugnings- och av- gasventilerna 4, 6. 1 det i fig. 1 visade utforingsexemplet utgörs styrorganen 8 av kam- axlar, vilka kan vara reglerbara, så att tidpunkten for öppningen och stängningen av insugnings- och avgasventilema 4, 6 kan varieras. Detta åstadkommes exempelvis ge- nom en i fig. 1 schematiskt visad regleranordning 9, som på känt vis hydrauliskt vrider kamaxlarna. Andra styrorgan 8 är också tänkbara, såsom elektromagnetiskt styrda ven- tiler. En mellan ett övre och undre dödläge i cylindern 2 fram- och återgående kolv 10 är medelst en vevstake 11 lagrad vid vevaxeln 3. F örbränningsmotom 1 är företrädes- vis flercylindrig och av fyrtaktstyp.

Ett utforingsexempel av metoden enligt föreliggande uppfinning visas i fig. 2, som av- ser ett diagram över öppnings- och stängningstider for både insugnings- och avgasven- tilema 4, 6. Vid insugningstakten tillförs cylindern 2 en luft/bränsleblandning med ett lambdavärde, som är större än ett. Lambdavärdet ligger huvudsakligen i intervallet 1,1 - 1,4 och företrädesvis i intervallet 1,1 - 1,2. Halten av mängden kolmonoxid CO, kol- väteforeningar HC och kväveoxider NOx i avgaserna beror bland annat av blandnings- förhållandet hos den till cylindern 2 tillforda luft/bränsleblandningen. Detta bland- ningsforhållande brukar anges med ett lambdavärde. Definitionen på lambdavärdet, 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 for- bränningsmotorn är kall, så och att halterna av kolmonoxid CO, kolväteforeningar HC och kväveoxider Nox, som avges från forbränningsmotorn 1 i form av avgaser blir låga.

För att inte förbränningsmotorns 1 drift skall bli ojämn vid en magert tillförd luft/bränsleblandning, av de skäl som anges i beskrivningsinledningen, styrs insug- ningsventilen 4, så att den öppnar efter det att kolven 10 passerat det övre dödläget. 521 981 6 Genom att styra insugningsventilen 4, så att den öppnar vid en vevaxelvinkel av 20° - l00° efter det övre dödläget, företrädesvisvid en vevaxelvinkel av 30° efter det övre dödläget, uppkommer ett undertryck i cylindern 2. En förutsättning för att ett under- tryck skall bildas i cylindern 2 är dock att avgasventilen 6 styrs, så att den stänger före det att 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 samtidigt som kolven 10 rör sig nedåt i riktning mot det nedre dödläget, varför ett undertryck i cylindern 2 bildas. När insugningsventilen 4 därefter öppnas strömmar luft/bränsleblandningen med hög flödeshastighet in i cylin- dern 2, på grund av undertrycket i cylindern 2. Denna höga flödeshastighet bidrar till en önskad virvelbildning och därmed omblandning hos lufi/bränsleblandningen. Ge- nom att öppna insugningsventilen 4, såsom beskrivits ovan förhindras också avgaser att strömma in i insugningskanalen 5. Om avgaser skulle strömma in i insugningska- nalen 5 skulle det påverka förângningen av på insugningskanalens 5 väggar kondense- rat bränsle, vilket skulle leda till en momentförändring hos förbränningsmotorns l vev- axel 3, och därmed ojämn drift hos förbränningsmotom 1. Med vevaxelvinkel menas här den vinkel som vevaxeln 3 vridit sig från det att kolven 10 befunnit sig vid det övre dödläget. När kolven 10 befinner sig vid det övre dödläget är således vevaxelvinkeln noll.

Insugningsventilen 4 kan styras så att den stänger efter det att kolven 10 nått det nedre dödläget.

Vid start av en kall förbränningsmotor 1 är även en hos förbränningsmotorn 1 anord- nad katalysator 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 förbränningsmotorns 1 avgaser. Tändning av den i cylindern 2 tillför- da luft/bränsleblandningen utförs vid en vevaxelvinkel av l0° före till 30° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av 0° - l0° efter det övre dödläget.

Genom att såsom metoden enligt föreliggande uppfinning föreslår styra avgasventilen 521 981 7 6, så att den öppnar före det att kolven 10 passerat det nedre dödläget under expan- sionstakten, avbryts expansionen och mycket heta avgaser kommer därmed strömma genom avgaskanalen 7 och vidare till katalysatom 12. Således kommer katalysatom l2 av de heta avgaserna att mycket snabbt värmas upp till önskad arbetstemperatur. Det har visat sig att om avgasventilen 6 styrs, så att den öppnar vid en vevaxelvinkel av 90° - l30° efter det övre dödlåget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av l0O° efter det övre dödläget kommer katalysatorns 12 arbetstemperatur att nås mycket snabbt. Avgasven- tilens 6 öppningstid kommer således att bli förhållandevis lång. F ig. 3 visar ett diagram över katalysatorns 12 uppvärmningstid för en konventionellt styrd förbränningsmotor och en förbränningsmotor l styrd enligt metoden enligt föreliggande uppfinning. Den heldragna kurvan i fig. 3 avser katalysatoms 12 uppvärmningstid för en förbrännings- motor styrd enligt metoden enligt föreliggande uppfinning och den streckade linjen avser katalysatorns uppvärmningstid för en konventionellt styrd förbränningsmotor.

Såsom framgår av diagrammet i fig. 3 kommer katalysatorn 12 hos förbränningsmo- torn, som styrs enligt metoden enligt föreliggande uppfinning att nå arbetstemperaturen To fortare än katalysatorn hos motorn, som styrs konventionellt.

F örbrånningsrnotorn l kan överladdas medelst en avgasturbo eller en mekanisk kom- pressor (inte visad). Vid en överladdad förbränningsmotor 1 tillförs energi från kom- pressorn eller turbon, så att förbränningstemperaturen efter expansionen i cylindern ytterligare ökar. Därmed kan också katalysatorn värmas upp fortare.

Claims (8)

20 521 981 Patentkrav

1. l. Metod för att minska ämnen i avgaser från en förbränningsmotor (1), som innefattar åtminstone en cylinder (2) till vilken en luft/bränsleblandning tillförs när en vevaxel (3) hos förbränningsmotorn (1) skall bringas att rotera; åtminstone en insugningsventil (4), åtminstone en avgasventil (6); styrorgan (8) fór att styra öppningen och stängning- en av insugnings- och avgasventilema (4, 6); och en mellan ett övre och nedre dödläge i cylindern (2) fram- och återgående kolv (10), vilken avgasventil (6) styrs, så att den öppnar före det att kolven (10) passerat det nedre dödläget, och så att den stänger före det att insugningsventilen (4) öppnar, kännetecknad av att metoden innefattar följande steg: att en luft/bränsleblandning med ett lambdavärde större än ett tillförs cylindem (2), att insugningsventilen (4) styrs, så att den under insugningstakten öppnar efter det att kolven ( 10) passerat det övre dödläget.

2. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att avgasventilen (6) styrs, så att den öppnar vid en vevaxelvinkel av 90° - 130° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevax- elvinkel av 100° efter det övre dödläget.

3. Metod enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att avgasventilen (6) styrs, så att den stänger när kolven (10) befmner sig vid det övre dödläget.

4. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att insugningsventilen (4) styrs, så att den öppnar vid en vevaxelvinkel av 20° - 100° efter det övre dödläget, fó- reträdesvis vid en vevaxelvinkel av 30° efter det övre dödläget. 10 521 981

5. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att tändning av den i cy- lindem (2) tillförda lufi/bränsleblandningen utförs vid en vevaxelvinkel av 10° före till 20° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av O° - 10° efter det övre dödläget.

6. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att lambdavärdet hos i lufflbränsleblandningen, som tillförs cylindem (2) huvudsakligen ligger i intervallet 1,1 - 1,4 och företrädesvis i intervallet 1,1 - 1,2.

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

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