SE521677C2 - Metod för att minska ämnen i avgaser från en förbränningsmotor - Google Patents

Description

.,,«i gångskörning. Denna feta luft/bränsleblandning tillförs också för att förbränningsmo- tom skall vara förberedd att avge ett ökat vridmoment vid ett gaspådrag. Därmed sä- kerställs förbränningsmotorns körbarhet irman förbränningsmotorn uppnått sin driftstemperatiir.

Avsaknaden av katalysatoms avgasrening samt den feta luft/bränsleblandningen med- för att haltema av kolrnonoxid CO, kolvätefóreningar HC och kväveoxider NOx som avges 'från förbränningsmotom blir höga vid kallstart av förbränningsmotom.

Det har tidigare gjorts försök med att minska bränslemängden i förhållande till tillförd luft, dvs driva förbränningsmotorn med en magrare luft/bränsleblandning vid kallstart av förbränningsmotom. Detta har emellertid medfört att förbränningsmotorn arbetat mycket ojänmt vid tomgång samt att förbränningsmotoms körbarhet blivit dålig. An- ledningen till varför van/talet kommer att variera vid tomgångsköming är att förbrän- ningsmotoms avgivna vridmoment är mycket känsligt för variationer av lambdavärdet hos den till förbränningsmotoms cylindernnn tillförda luft/bränsleblandningen, när luft/bränsleblandningen är mager. Definitionen av larnbdavärdet, eller luftöverskott- skoefficienten 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 förbränningsmotoms bränsleinsprutningssystem, för att därmed erhålla ett väsentligen konstant lambdavärde på den tillförda luñ/bränsleblandningen. När för- bränningsmotorn är kall kommer emellertid bränsle att kondensera på de jämförelsevis kalla väggarna i insugningskanalen och i cylindern. Det på väggama kondenserade bränslet kommer under tomgångskörningen att förångas och följa med luft/bränsle- blandningen som strömmar i insugningskanalen och tillförs cylinderrummet. Om förångningen av det på väggarna kondenserade bränslet blir ojämn, på grund av tryck- förändringar, temperaturgradienter eller luft/bränsleblandningens flödeshastighet i in- ,>,., 521 677 sugnjngskanalen, kommer en variation av lambdavärdet hos den till cylinderrurnmet tillförda luft/bränsleblandningen att uppkomma.

Eftersom det av förbränningsmotom avgivna vridmomentet kommer att variera under tomgångskömingen vid kallstart, kommer förbränningsmotorns varvtal att variera. Med förbränningsmotoms varvtal menas här varvtalet hos förbränningsmotoms 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 cylinderrurmnet tillförda luft/bränsle- blandningen uppkommer. Därmed förstärks det ojärrma varvtalet hos förbränningsmo- tom.

Syftet med föreliggande uppfinning är att reducera kohnonoxid CO, kolväteföreningar HC och kväveoxider NOx i avgaser från en förbränningsmotor vid kallstart.

Ett armat syfte med uppfinningen är att förmå en forbränningsmotor att arbeta med en mager luft/bränsleblandning.

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

Detta åstadkommes med en metod avi inledningen angivet slag, som innefattar stegen: att en luft/bränsleblandning med ett lambdavärde större än ett tillförs cylindern, att en till vevaxeln kopplad elmotor/generator vidmakthåller ett väsentligen konstant förutbe- stämt varvtal hos vevaxeln och att avgasventilen styrs, så att den öppnar före det att kolven passerat det nedre dödläget.

Genom att tillföra cylindern en luft/bränsleblandning större än ett minskar de ovan- nämnda, oönskade ämnena i de från förbränningsmotorn avgivna avgaserna. Med hjälp av den kombinerade elmotom/generatom kommer förbränningsmotorn att arbeta med . . . r . , väsentligen konstant varvtal vid tomgångsköming. Genom att styra avgasventilen så att den öppnar före det att kolven passerat det nedre dödläget avbryts kolvens expan- sionsslag 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. 1 visar ett snitt genom en törbränningsmotor, fig. 2 visar en schematisk vy av en förbränningsmotor och en elmotor/generator för att utföra metoden enligt föreliggande uppfinning, fig. 3 visar ett diagram över öppnings- och stängningstider för avgasventiler, och fig. 4 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 1, som irmefattar 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 cylindem 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 cylindem 2 förbundna avgaskanaler 7, genom vilka förbränt bränsle i forrn av avgaser bortförs när motorn l arbetar. Vid förbränningsmotom l fmns också styrorgan 8 anordnade för att styra öppningen och stängningen av insugnings- och av- gasventilema 4, 6. I det i fig. 1 visade utföringsexemplet utgörs styrorganen 8 av kam- axlar, vilka kan vara reglerbara, så att tidpunkten för öppningen och stängningen av insugnings- och avgasventilerna 4, 6 kan varieras. Detta åstadkommes exempelvis ge- nom en i fig. 1 schematiskt visad regleranordning 9, som på känt vis hydrauliskt vrider kamaxlama. Andra styrorgan 8 är också tänkbara, såsom elektromagnetiskt styrda ven- tiler. En mellan ett övre och undre dödläge i cylindern 2 frarn- och återgående kolv 10 är medelst en vevstake 11 lagrad vid vevaxeln 3. Vid drift av förbränningsmotom 1 “_ 25 ~..., 5221 6277 strömmar avgaser från cylindern 2 genom avgaskanalema 7 och vidare genom en ka- talysator 12. Förbränningsmotorn 1 är företrädesvis flercylindrig och av fyrtaktstyp. lfig. 2 visas förbränningsmotom 1 schematiskt. Till insugningskanalema 5 är bränsle- insprutningsmuntycken 13 anordnade, vilka styrs av en styrenhet 14. Styrenheten 14 är också kopplad till ett flertal sensorer 15 i förbränningsmotorn 1, som avkärmer för- bränningsmotoms 1 varvtal, temperatur etc. Det är även möjligt att anordna trycksen- sorer 16 i insugningskanalema 5 för att avkärma trycket i insugningskanalema 5. Dessa trycksensorer 16 är anslutna till styrenheten 14.

En ehnotor/generator 17, som fungerar som en integrerad startrnotor och generator (ISG) är kopplad till förbränningsmotoms 1 vevaxel 3. Som ett alternativ till en direkt- koppling av ehnotom/generatorn 17 till vevaxeln 3 kan exempelvis en rem- , kedje- eller kugghjulstransmission användas for att koppla elmotorn/generatorn 17 till vevax- eln 3. Elmotorn/generatorn 17 är ansluten till ett batteri 18 via ett styrdon 19. Styrdo- net 19 är anslutet till styrenheten 14 och erhåller information från styrenheten 14 om hur elrnotom/generatorn 17 skall drivas.

När förbränningsmotom 1 är i drift inkommer luft till ett insugningsgrenrör 20 via ett luftinlopprör 21. Från insugningsgrenröret 20 strömmar luften vidare till insugningska- nalema 5 där luflen blandas med bränsle, som insprutas i insugningskanalema 5 me- delst bränsleinsprutriingsmunstyckena 13. Därefter strömmar luft/bränsleblandningen in i cylindrama 2 och antänds av minst ett i varje cylinder 2 anordnat tändstift (inte visat). Tillsist strömmar den förbrända luft/bränsleblandningen i form av avgaser, ut i atmosfären genom ett till förbränningsmotorn 1 anslutet avgassystem 22.

Såsom förklarats i beskrivningsinledníngen förekommer det änmen i den förbrända luft/bränsleblandningen, som inte är önskvärda. Till dessa ämnen hör kolrnonoxid CO, kolväteföreningar HC och kväveoxider NOx. Därför behandlas avgaserna i en vid av- gassystemet 22 anordnad katalysator 12, som förbränner dessa änmen. Katalysatom 12 fungerar emellertid endast när den uppnått en viss arbetstemperatur, vilket sker efter en 521 6?7 viss uppvärmningstid efter det att förbränningsmotorn 1 startat. Vid kallstart av för- bränningsmotom 1 sker således ingen omvandling av de ovarmämnda ämnena i kataly- satom 12.

Halten av mängden kolmonoxid CO, kolvätefóreningar HC och kväveoxider NOx i avgaserna beror bland armat av blandningsförhållandet hos den till cylindrarna 2 till- förda luft/bränsleblandningen. Detta blandningsförhållande 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 luft/bränsleblandningen mager och om lambda- värdet är mindre än ett, är luft/bränsleblandningen fet.

Genom att vid kallstart av förbränningsmotom 1 tillföra cylindrama 2 en luft/bränsle- blandning med ett lambdavärde större än ett, dvs en mager luft/bränsleblandning kan halten av vätekolforeningar HC i avgaserna minskas väsentligt. Om en mager luft/bränsleblandning tillförs förbränningsmotorn 1 när den är kall, dvs när förbrän- ningsmotorn l inte har uppnått sin arbetstemperatur, uppkommer problem med ojämnt varvtal vid tomgångsköming av den anledning som förklarats i beskrivningsiriledning- CII.

Den till vevaxeln 3 kopplade elmotom/generatom 17 vidmakthåller ett väsentligen konstant förutbestämt varvtal hos vevaxeln 3, vilket åstadkoms genom att elmo- tom/generatorn 17 styrs för att därigenom styra förbrärmingsmotoms 1 varvtal på så sätt att när förbränningsmotoms 1 varvtal överskrider ett förutbestämt varvtal, ehno- torn/generatom 17 styrs, så att förbränningsmotoms l varvtal minskar. Ehno- torn/ generatom 17 arbetar då som generator och minskar därmed förbrärmingsmotoms 1 varvtal. När förbränningsmotorns 1 varvtal underskrider ett förutbestämt varvtal styrs elmotom/generatorn 17, så att förbränningsmotorns 1 varvtal ökar. Ehno- torn/generatom 17 arbetar då som elmotor och ökar därmed förbrärmingsmotoms 1 varvtal. Sensom 15 avkänner förbränningsmotoms 1 varvtal genom att exempelvis av- kärma vevaxelns 3 varvtal. Sensom 15 avger signaler till styrenheten 14, som behand- íšïål 6237 lar dessa signaler och därefter ger instruktioner till styrdonet 19, som bestämmer hur elmotom/generatom 17 skall arbeta.

Det är också möjligt att styra elmotorn/generatorn 17 så att trycket i insugningskana- lema 5 upprätthålls väsentligen konstant. En trycksensor 16 kan anordnas i åtminstone en av insugningskanalema 5 för att mäta trycket i insugningskanalerna 5. Trycksensorn 16 kopplas till förbränningsmotorns 1 styrenhet 14, som ger signaler till ett för elrno- tom/generatom 17 avsett styrdon 19. Genom att medelst elmotorn/ generatorn 17 upp- rätthålla ett väsentligen konstant tryck i insugningskanalerna 5 kan ett väsentligen kon- stant varvtal hos förbränningsmotom 1 erhållas när förbränningsmotorn 1 är kall och drivs med en luft/bränsleblandning som är mager. Trycket i insugningskanalerna 5 styrs medelst den till vevaxeln 3 kopplade ehnotorn/generatorn 17 på så sätt att när trycket i insugningskanalerna 5 överskrider ett förutbestämt tryck driver elmo- torn/generatom 17 vevaxeln 3 för att därmed minska trycket i insugningskanalerna 5 och när trycket i insugningskanalerna 5 underskrider ett förutbestämt tryck driver vev- axeln 3 elmotom/generatom 17 för att därmed öka trycket i insugningskanalerna 5.

Vid start av en kall förbränningsmotor 1 såsom nämnts ovan även katalysatom 12 kall. För att katalysatom 12 effektivt skall kunna reducera de oönskade ämnena i för- bränningsmotoms 1 avgaser måste katalysatom 12 nå en viss arbetstemperatur. Tänd- ning av den i cylindern 2 tillförda luft/bränsleblandningen utförs vid en vevaxelvinkel av 10° före till 20° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av 0° - ° efter det övre dödläget. Genom att såsom metoden enligt föreliggande uppfinning föreslår styra avgasventilen 6, så att den öppnar före det att kolven 10 passerat det ned- re dödläget under expansionstakten, avbryts expansionen och mycket heta avgaser kommer därmed strömma genom avgaskanalen 7 och vidare till katalysatom 12. Såle- des kommer katalysatom 12 av de heta avgaserna att mycket snabbt värmas upp till önskad arbetstemperatur. Det har visat sig att om avgasventilen 6 styrs, så att den öpp- nar vid en vevaxelvinkel av 90° - 130° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av 100° efter det övre dödläget kommer katalysatoms 12 arbetstempe- 'l 6 'i 7 ratur att nås mycket snabbt. En temperatursensor 23 kan vara anordnad att avkänna katalysatoms 12 temperatur och avge information om katalysatoms 12 temperatur till styrenheten14.

I fig. 3 visas ett diagram över öppnings- och stängningstider för avgasventilema. Av- gasventilens 6 öppningstid kommer således att bli förhållandevis lång. Med vevaxel- vinkel 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.

Elmotom/generatorn 17 kan styras, så att den ökar förbränningsmotorns 1 varvtal ut- över det varvtal, som förbränningsmotorn 1 själv åstadkommer. Detta innebär att el- motorn/generatorn 17 driver förbränningsmotorn 1. Därmed tillförs energi förbrän- ningsmotom 1, vilket medför att värmeflödet till katalysatom 12 ökar, så att katalysa- tom 12 värms upp fortare.

Fig. 4 visar ett diagram över katalysatoms 12 uppvärmningstid för en konventionellt styrd förbränningsmotor och en fórbränningsmotor 1 styrd enligt metoden enligt före- liggande uppfirming. Den heldragna kurvan i fig. 3 avser katalysatoms 12 uppvärm- ningstid för en förbränningsmotor styrd enligt metoden enligt föreliggande uppfinning och den streckade linjen avser katalysatoms uppvärmningstid för en konventionellt styrd förbränningsmotor. Såsom framgår av diagrammet i fig. 4 kommer katalysatom 12 hos förbränningsmotom, som styrs enligt metoden enligt föreliggande uppfinning att nå arbetstemperaturen To fortare än katalysatom hos motorn, som styrs konventio- nellt.

Förbränningsmotorn 1 kan överladdas medelst en avgasturbo eller en mekanisk komp- ressor (inte visad). Vid en överladdad förbränningsmotor 1 tillförs energi från komp- ressom eller turbon, så att förbränningstemperatiiren efter expansionen i cylindern yt- terligare ökar. Därmed kan också katalysatom värmas upp fortare.

Claims (10)

20 _25 Patentkrav

1. 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 förbränningsmotom (1) skall bringas att rotera; åtminstone en insugningsventil (4); åtminstone en avgasventil (6); och en mellan ett övre och undre dödläge i cylin- dern (2) fram- och återgående kolv (10), kännetecknad av att metoden innefattar föl- jande steg: att en lufifbränsleblandning med ett lambdavärde större än ett tillförs cylindern (2), att en till vevaxeln (3) kopplad elmotor/generator (17) vidmakthåller ett väsentligen kon- stant förutbestämt varvtal hos vevaxeln (3) och att avgasventilen (6) styrs, så att den öppnar före det att kolven ( 10) passerat det nedre 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 den till vevaxeln kopplade ehno- tom/generatorn (17) styrs, så att när förbränningsmotoms (1) varvtal överskrider ett förutbestämt varvtal, elmotorn/generatom (17) arbetar som generator och därmed minskar förbränningsmotoms (1) varvtal och när förbränningsmotoms (1) varvtal un- derskrider ett förutbestämt varvtal ehnotom/generatom (17) arbetar som ehnotor och därmed ökar förbränningsmotoms ( 1) varvtal.

4. Metod enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att elmotorn/generatom (17) styrs, så att elmotom/generatom (17) driver förbränningsmotom (1) med ett varvtal, som är större än det varvtal förbränningsmotom (1) själv åstadkommer, vilket medför att vär- meflödet till en hos förbränningsmotom (1) anordnad katalysator (12) ökar. 20 (N71 r 3 ___! C§'\ -s w IO' 'i

5. Metod enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att den till vevaxeln (3) kopplade el- motorn/ generatorn (17) styrs så att när trycket i åtminstone en till cylindern (2) anslu- ten insugningskanal (5) överskrider ett förutbestärnt tryck, driver elmotorn/ generatorn (17) vevaxeln (3) och när trycket i insugningskanalen (5) underskrider ett förutbestämt tryck driver vevaxeln (3) elmotorn/generatorn (17).

6. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att avgasventilen (6) styrs, så att avgasventilen (6) stänger när kolven (10) befinner sig vid den övre dödpunkten.

7. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att tändníng av den i cy- lindern (2) tilliörda luft/bränsleblandningen utförs vid en vevaxelvinkel av l0° före till 30.° efter det övre dödläget, företrädesvis vid en vevaxelvinkel av 0° - 10° efter det öv- re dödläget.

8. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att larnbdavärdet hos luft/bränsleblandningen, som tillförs cylindern (2) huvudsakligen ligger i intervallet 1,1 - 1,4 och företrädesvis i intervallet 1,1 - 1,2.

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

10. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att reglerbara styrorgan (8) är anbringade vid förbränningsmotorn (1) fór att styra öppningen och stängnjngen av insugnings- och avgasventilema (4, 6), så att tidpunkten för öppningen och stäng- ningen av insugnings- och avgasventilema (4, 6) kan varieras.