SE523401C2 - Metod för att minska ämnen i avgaser från en förbränningsmotor - Google Patents

Description

:nosa soon: l5 20 25 30 o u | ~ a. u Ett problem som uppkommer vid kallstart av förbrärmingsmotorer är att järnförelsevis mycket bransie i förhållande tili tillförd luft, dvs en fet luft/bränsleblandning mäste tillföras motom för att motom skall starta och för att motorn skall kurma arbeta med ett väsentligen konstant varvtal under tomgångskörning. Denna feta luft/bränsleblandning tillförs också för att motom skall vara förberedd att avge ett ökat vridmoment vid ett gaspådrag och för att motom skall bli mindre känslig för olika bränslekvaliteter. Där- med säkerställs motorns körbarhet innan motom uppnått sin drifistemperatur.

Avsaknaden av katalysatorns avgasrening sarnt 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 motorns 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 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 »nano 15 20 : 25 noøoo 30 523 4013 “_ tillförs cylinderrummet. Om förångningen av det på väggarna kondenserade bränslet blir ojämn, på grund av tryckforandringar, temperaturgradienter eller luft/bränsle- blandningens flödeshastighet i insugningskanalen, kommer lambdavärdet hos den till cylinderrummet tillförda lufi/bränsleblandningen att variera.

Eftersom det av motorn avgivna vridmomentet kommer att variera under tom- gångskörningen vid kallstart, kommer motorns varvtal att variera. Med motorns varv- tal menas här varvtalet hos motoms vevaxel. 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/bränsleblandningen uppkommer. Därmed förstärks det ojämna varvtalet hos motorn.

När i cylindern tillfört bränsle kommer i kontakt med cylinderväggama kondenserar bränslet. Det på cylinderväggama kondenserade bränslet har svårt att antändas under expansionstakten, vilket innebär att en stor mängd oförbränt bränsle följer med avga- serna. Det på cylinderväggama kondenserade bränslet bidrar också till att bildandet av kolväteföreningar HC under förbrärmingsförloppet i cylindern ökar. Denna negativa effekt ökar under uppvärmningsförloppet av förbrärmingsmotom innan motorn nått sin arbetstemperatur. I början av detta uppvärmningsförlopp av motorn har, som nänmts ovan, katalysatom ännu inte nått sin arbetstempcratur, varför de avgivna kolväteföre- ningama uppnår en oacceptabelt hög nivå.

Syftet med föreliggande uppfinning är att reducera kolmonoxid CO, kolväteföreningar HC och kväveoxider NOx i avgaserna från en förbränningsmotor vid kallstart. Ännu ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ökad efteroxidation av framför allt kolväteföreningar HC under och efter expansionstakten. unna» sons; 15 20 25 523 401 4 a' “_ Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att uppnå förbränningsmotoms arbetstempe- raíur så fort som möjligt.

Detta åstadkommes med en metod av i inledningen angivet slag, som innefattar stegen: att en mager luft/bränsleblandning tillförs cylindern, att förbränningsmotorn styrs, så att den arbetar med hög last, och att avgasventilen styrs, så att den öppnar när kolven befinner sig vid det nedre dödläget.

Genom att tillföra cylindern en mager luft/bränsleblandning minskar den totala andelen av de nämnda änmena i de från förbrärmingsmotom avgivna avgasema. Genom att sty- ra motom så att den arbetar med hög last kommer kondenserat bränsle på insugnings- kanalens väggar att få en liten inverkan på blandningsförhållandet mellan lufi och bränsle, vilket medför att lambdavärdet hos den till cylindenummet tillförda luft/bränsleblandningen förblir väsentligen konstant. Vevaxeln kommer därmed att rotera med ett väsentligen konstant varvtal vid tomgångsköming. Genom att styra av- gasventilen, så att den öppnar när kolven befinner sig vid det nedre dödläget kommer expansionen och förbrärmingsförloppet att fortgå under väsentligen hela cylindems slagvolym. Detta innebär att bränsle, som under insugnings- och kompressionstakten kondenserat på cylinderväggarna, erbjuds att under ett förhållandevis långt tidsförlopp förbrärmas av den bränsleflamma som förekommer i cylindem under expansionstakten.

Samtidigt kommer också i cylindern bildade kolväteföreningar att efieroxideras under det förhållandevis långa förbrärmingsförloppet.

Uppfinningen skall i det följande förklaras närmare med hänvisning till ett på bifogade ritningar visat utföringsexempel, pá vilka fig. l visar ett snitt genom en förbrärmingsmotor, och fig. 2 visar ett diagram över öppnings- och stångningstider för insugnings- och avgas- ventilen. »annu 20 J, 25 :aina ”'30 5 2 3 4 0 15 2-2 - ~ Li I fig. 1 visas en förbränningsmotor 1, som innefattar åtminstone en cylinder 2 till vil- ken en luftflsrèlnsleblcrndning tillförs en vevaxeí 3 hos motorn i skall bringas att rotera. Åtminstone 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 avgasventil 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 avgasventilema 4, 6. I det i fig. 1 visade utföringsexemplet utgörs styrorganen 8 av kamaxlar, vilka företrädesvis är mekaniskt eller elektroniskt reglerbara, så att tidpunkten för öppningen och stängning- en av insugnings- och avgasventilema 4, 6 kan varieras. Detta åstadkommes exempel- vis genom en i fig. 1 schematiskt visad regleranordning 9, som på känt vis hydrauliskt vrider kamaxlarna. Andra styrorgan 8 är också tänkbara, såsom elektromagnetiskt styr- da ventiler. En mellan ett övre och undre dödläge i cylindem 2 fram- och återgående kolv 10 är medelst en vevstake ll lagrad vid vevaxeln 3. Motorn 1 är företrädesvis flercylindrig. Bränsle tillförs genom ett i insugningskanalen 5 anordnat insprutnings- munstycke 13. Bränslet insprutas således i insugningskanalen 5 i riktning mot insug- ningsventilen 4 och cylindem 2. Det är dock möjligt att anordna insprutningsmun- stycket 13 direkti cylindem 2. Ett tändstift 15 är anordnat att antända luft/bränsle- blandningen i cylindem 2. I fig. 1 visas ventilerna 4, 6 i ett stängt läge.

En avgasturbo eller en mekanisk kompressor 14 kan kopplas till motorns 1 insugnings- kanal 5. Vid en överladdad motor 1 tillförs energi från kompressom eller turbon 14, så att förbränningstemperaturen efter expansionen i cylindem 2 ytterligare ökar. Detta innebär att en till motorn 1 kopplad katalysator 12 kan värmas upp fort när motom 1 startas kall.

Avgasturbon eller kompressom 14 åstadkommer också ett övertryck i insugningska- nalen 5, vilket medför en ökad tryckskillnad mellan trycket i cylindem 2, strax före insugningsventilen 4 öppnar, och trycket i insugningskanalen 5. 1,41. an... 15 20 25 30 n u o . .- -tt utföringscxcmpel av nietoderi enligt föreliggande uppfinning visas i tig. 2, som av- ser ett ventillyftdiagram över öppnings- och stängningstider för både insugnings- och avgasventilerna 4, 6. Den horisontella axeln avser vevaxelvinkeln ot och den vertikala axeln avser lyfthöj den d hos respektive ventil 4, 6. Origo har placerats vid den vevax- elvinkel ot då kolven 10 befinner sig vid det övre dödläget TDC på den horisontella axeln. Även läget för de vevaxelvinklar ot när kolven lObefmner sig vid de nedre död- lägena BDC har markerats i fig. 2. Vid insugningstakten tillförs cylindern 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 blandningsförhållandet hos den till cylindern 2 tillförda luft/bränsleblandningen. Andra faktorer som inverkar på de i avgaserna avgivna emis- sionema är förbränningshastigheten och temperaturen under förbränningsförloppet samt hur fiillständig förbränningen är under förbrärmingsförloppet. Blandningsförhål- landet mellan luft och bränsle brukar anges med ett larnbdavärde. Definitionen på lambdavärdet, eller luftöverskottskoefficienten som den också kallas, är verklig tillförd luftmängd delad med teoretisk nödvändig luftmängd. Om larnbdavärdet är större än ett, är lufi/bränsleblandningen mager och om larnbdavärdet är mindre än ett, är luft/brånsleblandningen fet. Det eftersträvas att tillföra en mager luft/bränsleblandning när motorn är kall, så att halterna av kolmonoxid CO, kolväteföreningar HC och kvä- veoxider NOx, som avges från motom 1 i fonn av avgaser blir låga. Kolväteförening- arna minskar vid en mager luft/bränsleblandning eftersom syre fmns tillgängligt för förbrärming av väsentligen allt kvarvarande bränsle under fórbränningsfórloppet i cy- lindem.

Tändning av den i cylindem 2 tilltörda luft/bränsleblandningen utförs vid en vevaxel- vinkel av 10° före till 30° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av O° - 20° efter det övre dödläget. Därmed styrs motom l så att den kommer att arbeta med hög last, eftersom den förskjutna tändtidpunkten medför att motoms 1 effekt blir '20 25 30 523 401 7 också möjligt att styra motorn 1, så att den arbetar med hög last genom att ansluta en till motorn 1 extern last, såsom en generator 16, *vilken visas schematiskt med strecka- de linjer i frg. l. Motorn 1 kan också styras för att arbeta med hög last genom att avga- ser återförs till cylindern 2, vilket därmed minskar fyllnadsgraden av luft. När motorn 1 arbetar med hög last, styrs motorn l så att trycket i insugningskanalen 5 blir förhål- landevis högt. Detta medför att motorn 1 blir mindre känslig för de txyckvariationer i insugningskanalen 5, som uppkommer när insugningsventilen 4 öppnar och stänger, vilket skall beskrivas närmare nedan.

Metoden enligt uppfinningen innebär också att avgasventilen _6 styrs, så att den öppnar när kolven 10 befinner sig vid det nedre dödläget. Med att kolven 10 befinner sig vid det nedre dödläget betyder här att kolven 10 kan befinna sig i ett område före och efter det nedre dödläget. Enligt en utföringsform av uppfinningen, som visas i fig. 2, styrs avgasventilen 6, så att den öppnar vid en vevaxelvinkel av 120° - 220° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av l40° - l80° efter det övre dödläget.

Genom att styra avgasventilen 6, så att den öppnar när kolven 10 befinner sig vid det nedre dödläget kommer expansionen och förbränningsförloppet att fortgå under vä- sentligen hela cylindems 2 slagvolym. Detta innebär att bränsle, som under insug- nings- och kompressionstalcten kondenserat på cylinderväggarna, erbjuds att under ett förhållandevis långt tidsförlopp förbrännas av den. flarnma som förekommer i cylindern 2 relativt sent under expansionstakten. Samtidigt kommer också i cylindern 2 bildade kolväteförerringar att efteroxideras under det förhållandevis långa förbränningsförlop- pet. När avgasventilen 6 öppnas kommer den i cylindern 2 alstrade värmen under för- bränníngsförloppet att snabbt sjunka, varför de ovannämna gynnsamma effekterna vä- sentligen upphör. En efteroxidation av kolväteföreningar kan dock fortgå i avgaskana- len 7.

Såsom framgår av frg. 2, styrs avgasventilen 6, så att den stänger efter det att insug- ningstakten påbörjats. Därmed kommer en mängd avgaser att återföras till cylindern 2 och blandas med från irrsugningskanalen 5 nytillförd luft och insprutat bränsle. 15 '20 25 523 4018 De återförda avgaserna medför att förbränningshastigheten hos bränsle/luftblandningen minskar, vilket leder till minskat maximalt tryck och senare förbränning i cylindem 2.

Därmed minskar alstringen av kväveoxider NOx. Den till cylindem 2 återförda mäng- den avgaser innehåller oförbränt bränsle och kolväten HC, som kommer att förbrännas under nästkommande expansion i cylindem 2. En senarelagd förbränning erhålls också genom att en stor yta av cylindem exponeras för flamman under det att kolven rör sig nedåt i cylindem. Bränsle som finns på cylinderväggen kommer då att förbrännas.

Företrädesvis styrs avgasventilen 6, så att den stänger vid en vevaxelvinkel av 20° - 30° efter det övre dödläget. Metoden enligt uppfinningen är dock möjlig att tillämpa. om avgasventilen 6 styrs, så att den stänger vid en vevaxelvinkel av O° - 40° efter det övre dödläget, när insugningstakten påbörjats. Dessa stängningstider för avgasventilen 6 medför att avgaser från avgaskanalen 7 återförs till cylindem 2.

För att inte motorns 1 drift skall bli ojämn vid tillförsel av en mager luft/bränsle- blandning, av de skäl som anges i beskrivningsinledningen, styrs företrädesvis insug- ningsventilen 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 l0° - 45° efter det övre dödläget, företrädesvis 20° - 30° efter det övre dödläget, när' insug- ningstakten påbörjats, förhindras avgaser att strömma in i insugningskanalen 5. Där- med kan tryck- och temperaturvariationer, som uppkommer i insugningskanalen 5 minskas Vid de ovan angivna vevaxelvinklarna kommer insugningsventilen 4 vara så pass öppen att luft/bränsleblandningen medges att strömma in i cylindem 2. Om avga- ser skulle strömma in i insugningskanalen 5 skulle förångningen av på insugningska- nalens 5 väggar kondenserat bränsle påverkas, vilket skulle leda till en momentföränd- ring hos motorns l vevaxel 3, och därmed ojämn drift hos motorn 1. Med vevaxelvin- n--oø 4111: l5 9 kel menas här den vinkel som vevaxeln 3 vridit sig från det att kolven 10 befunnit sig vid det övre dëdlägct. rlär kolven 1G befiiuier sig vid det ovre aödläget är således vev- axelvinkeln noll.

Enligt en utföringsfonn av uppfinningen kan bränslet insprutas i insugningskanalen 5 innaniinsugningsventilen 4 har öppnat, i kombination med att ett undertryck skapats i cylindern innan ínsugningsventilen öppnat. Detta leder till att bränslet kommer att till- föras cylindern 2 tillsammans med insugningslufien under mycket hög hastighet. Där- med kommer bränslet att finfordelas och blandas med insugningslufien, vilket leder till en homogen bränsle/lufiblandning i cylindern 2.

F öreträdesvis 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 katalysatorn 12. Detta medför en snabb uppvärmning av katalysatorn 12 och motom 1.

Claims (13)

20 25 30 523 401 w 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 förbränningsmotorn (1) skall bringas att rotera; åtminstone en insugnings- ventil (4); åtminstone en insugmngsventilen (4) anslutande insugningskanal (5); åtmin- stone en avgasventil (6); åtminstone en avgasventilen (4) anslutande avgaskanal (7 ); styrorgan (8) för att styra öppningen och stängningen av insugnings- och avgasventi- lema (4, 6); och en mellan ett övre och undre dödläge i cylindern (2) fiarn- och återgå- ende kolv (10), kännetecknad av att metoden innefattar följande steg: att en mager luft/bränsleblandning tillförs cylindem (2), att förbränningsmotom (1) styrs, så att den arbetar med hög last, och att avgasventilen ( 6) styrs, så att den öppnar när kolven (10) befinner sig vid det nedre dödläget.

2. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att avgasventilen (6) styrs, så att den öppnar vid en vevaxelvinkel av 120° - 220° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vev- axelvinkel av 140° - l80° efter det övre dödläget.

3. Metod enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att avgasventilen (6) styrs, så att den stänger efter det att insugningstakten påbörjats.

4. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att avgasventilen (6) styrs, så att den stänger vid en vevaxelvinkel av O° - 40° efter det övre dödläget, företrädesvis 20° - 30° efter det övre dödläget, när insugningstakten påbörjats, så att avgaser från avgaskanalen återförs till cylindern.

5. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att insugningsventilen (4 ) styrs, så att den öppnar efter det att insugningstal 10 15 20 25 523 401 11

6. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att insugningsventilen (al) styrs, så att den öppnar vid en vevaxelvinkel av 10° - 45° efter det övre dödläget, före- - 30° efter det övre dödiäget, när insugningstakten påbörjats.

7. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknar! av att förbränningsmotorn (1) styrs, så att vevaxeln (3) roterar med ett väsentligen konstant varvtal i intervallet 1000 _ 2000 rpm.

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

9. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att tändning av den i cy- lindem (2) tillförda luft/bränsleblandningen utförs vid en vevaxelvinkel av 10° före till 30° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av 0° - 20° efter det övre dödläget.

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

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

12. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att styrorganen (8) för att styra öppningen och stängningen av insugnings- och avgasventilerna (4, 6) är reglerbara, så att tidpunkten för öppningen och stängningen av insugnings- och avgas- ventilema (4, 6) kan varieras.

13. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att bränsle tillförs in- sugningskanalen (5) innan insugningsventilen (4) öppnar.