在压缩喷射式发动机中通过在 膨胀冲程中喷射烃控制NO转化为NO2 本发明一般涉及操作柴油机的改进方法。更具体地说，此方法涉及在减压过程中通过向柴油机的汽缸中喷射烃将NO转化为NO2的方法。
在柴油发动机的正常操作中，首先在发动机的压缩室中将空气压缩成约500磅/平方英寸的压力。空气的压缩使其温度升高到约1000°F。然后通过燃料喷射喷嘴将柴油燃料喷射压缩的热空气中。燃料在压缩室雾化，在此，温度升高到燃料的自燃温度，在燃烧室中气体自发点燃、燃烧和膨胀。燃烧产物的膨胀向下驱动汽缸，从而为发动机提供动力冲程。
为了使发动机高效地操作，即在以最高的功率而使用最低的燃料消耗，一般操作下的空气燃料比能产生含大量氧和含最少量未燃烧烃的排气。不幸的是，最大功率和高效地操作柴油机还为最高操作温度升高造成条件，从而生成氮和氧的化合物，如NOx的化合物。
降低排气排放中NOx浓度的一种方法当然是使排气与能够将排气中的NOx数量减少的催化剂相接触。然而，对在柴油机排气环境有效的催化剂来说，在排气中存在还原物质时脱NOx的催化剂一般更有效。为了产生这些还原物质，发动机应操作在低的峰值温度的条件下，而这些条件与使整个发动机有效操作的所要求地条件相反。
排气中氧化物、不饱和物、不饱和氧化物以及它们的混合物的浓度可以通过在发动机膨胀冲程将烃直接喷射柴油发动机的汽缸中而增加。这可以称做第二次喷射。许多能够用这种烃还原排气中NOx的脱NOx的催化剂在排气流的NO2∶NO的比值能够控制得到最佳的比值时更有效，这取决于所用的具体的催化剂。
结果，需要采用第二次喷射以控制NOx排气中的NO2∶NO的比值。
在一实施方案中，本发明的方法是一个在柴油为燃料的发动机汽缸中在发动机的膨胀冲程中将生成NO转化为NO2，而基本上不降低发动机的功率，此方法包括：
(a)在进气冲程中将主要燃料喷射汽缸中后，在一个或多个预选的发动机操作点确定在膨胀冲程中将烃喷射柴油为燃料的发动机汽缸中的校准量的烃和校准的曲柄角值，以在发动机排气流中得到所要求的NO2与NO的比值；
然后在发动机操作中
(b)测定该发动机的操作点；
(c)当测定的操作点和预定的操作点之一相同时，由预选的操作点的校准的曲柄角值和校准的烃量测定在该测定的操作点在进气冲程喷射主要燃料后在膨胀冲程喷射的曲柄角值和喷射的烃量。当测定的操作点是不同于预定的操作点时，通过在预定测定点的校准曲柄角值和校准烃量之间的插值测定膨胀冲程中喷射的烃量和曲柄角；
(d)在此曲柄角在膨胀冲程中将该量的烃喷射发动机的汽缸中；
(e)只要(b)步的操作点有变化，重复(c)和(d)步骤。
图1说明理解本发明的柴油发动机所必须的一个汽缸的主要部件。
图2为本发明的普通导轨喷射系统示意图。
图3说明发动机操作参数对NO转化成NO2分数的影响与本发明膨胀冲程开始时测量的第二次喷射角的关系。
图4说明NO转换成NO2分数与角度偏离相当于峰值转换的角度的关系几乎与发动机操作参数无关。
图5说明由第二次喷射烃和NO转化为NO2产生的裂解产品的产生与定时角的关系。实心方块相当于裂解产品的产生，空心方块相当于NO转化。
图6表明NO转化为NO2与第二次喷射的烃量的依赖关系。
现在详细讨论本发明，并专门参考往复式四冲程压燃内燃机；但是，应该理解，本发明同样适用于其它压燃式内燃机如两冲程往复压缩内燃机。另外，在下面讨论中，在各图中相同的数字表示相同的部件。
参考图1，柴油发动机包括发动机汽缸体12，汽缸体12有燃烧室或汽缸14。在汽缸14内，有连接到发动机的曲柄(未示出)的可滑动的活塞15。在汽缸14的顶部是封闭汽缸14一端的汽缸头16。
在汽缸头16内安装有燃料喷射喷嘴17，以便将柴油燃料定时喷射燃烧室或汽缸14内。此发动机还包括排气阀21、排气口24、空气阀20和空气口18。
在操作中，在汽缸的进气冲程的开始时活塞15位于相当于曲柄转动角约为0°的位置，吸入阀20打开，随着活塞向下移动，空气进入燃烧室或汽缸14中。在进气冲程结束时或刚结束不久阀20关闭，在压缩冲程活塞15上升，在相当于曲柄转动角180°汽缸接近底部的位置时，即下死点位置，活塞15开始其压缩冲程。在燃烧室喷射任选的试验性的燃料，这时活塞15到达相当于在压缩冲程的曲柄转动角约330°的位置。汽缸中的空气经压缩使温度和压力升高，任何的试验性的燃料进行预燃烧的化学与物理反应。随着继续压缩，通过喷射喷嘴17将主要柴油燃料喷射汽缸14中，柴油燃料点燃，引起燃烧室14中的整个混合物膨胀。随着活塞经过相当于上止点(0°)曲柄角的位置，发动机膨胀(动力)冲程开始。按照本发明，在动力冲程的汽缸14膨胀时，基于主要燃料量的预选量的烃燃料以叫做第二次喷射角的预定转动角喷射汽缸中。这种预选的燃料喷射可以通过喷嘴17或另一喷嘴喷射。
在膨胀中，即动力冲程的烃的喷射，称做第二次喷射，以区别于主要燃料喷射。在膨胀中喷射的烃是第二次喷射的烃。一般来说，在动力冲程喷射的烃燃料，可以与在压缩冲程喷射发动机的柴油燃料相同，或可以是某些其它的烃或氧化物。在第二次喷射的燃料量应为用于主要燃烧的主要燃料重量的约.5-约5％重量，优选为约1-3％重量。期望第二次喷射的方法能引起喷射烃与燃烧中形成的NO充分混合。
可以调节第二次喷射角以提供如图3中所示的NO转化为NO2值的范围。此图说明在一直接喷射的压缩比为21∶1的2.5升4汽缸的涡轮增压的柴油发动机的计算的NO转化为NO2，此发动机燃料用异、正和环石蜡烃的混合物做燃料的典型柴油燃料的脂族部分(脂族部分是一般柴油燃料的主要部分)。此图表明，相当于峰值转换的第二次喷射角随发动机负荷、速度和入口压力而变。这些数据是由模拟这种发动机性能的动力学模型产生的。方块表示的诸点相当于制动平均发动机压力(“BMEP”)负荷为3.1巴，入口压力为1.4巴和转速为2250转/分钟。菱形诸点相当于BMEP负荷为1.5巴，入口压力为1.4巴和转速为2100转/分钟，星形诸点相当于BMEP负荷为3.1巴，入口压力为1.2巴和转速为1550转/分钟。圆点相当于BMEP负荷为2.0巴，入口压力为1.1巴，转速为1550转/分钟。在图3的所描述的模拟中，第二次喷射的燃料量为主要燃料量的2％重量。
在本发明中，发生第二次喷射的角度取决于发动机的负荷、入口压力(当压缩机存在时)和转速时。如上所述，在膨胀冲程中第二次喷射使NO转化成NO2，结果在废气流中的NO减少。如上所述，随第二次喷射角偏离于相当于NO转化成NO2的峰值角而NO转化成NO2减少。但是，图4表明，随第二喷射角偏离相当峰转化的角度，由峰值转化减少的程度几乎与发动机负荷、入口压力(当压缩机存在时)和速度无关。图4数据的产生是使用了图3的数据，方块、菱形、星形和圆形相当于图3中相同的操作参数值。
应该指出，如果使用压缩机，入口压力可以与发动机转速很有关系。
在一实施方案中，通过测定NO转化成NO2与第二次喷射角的关系得到所要求的第二次喷射角，因为诸如空气-燃料比、排气循环程度、气体(空气和EGR)入口压力(在压缩机存在时)、发动机负荷和转速等操作条件在发动机整个操作范围在变化。这些测定记录作为校准。应该指出，发动机的所有参数不需要作为校准的部分测定，因为，如熟悉本专业的人所知，某些发动机操作参数根据具体发动机的结构和其使用可以强相关。但是，一般来说，至少负荷和转速在测定校准时必须变化。
按照本实施方案，在实际的发动机使用中，测定发动机的操作条件，并找到相应的第二次喷射角记录。然后操作发动机的喷射器，使得经过喷射器的控制器的作用使第二次喷射发生在最佳角度。如上所述，最佳角度取决于在每一操作点所要求的NO转化成NO2。在优选的实施方案中，如下地得到校准：
首先，在NO转化成NO2最大的参考点测定第二次喷射定时角。此定时角称为APr。此参考点优选选在用于校准的所有参数范围内。
一旦测定了APr，进行测量柴油发动机，以测定NO转化成NO2最大所需的喷射角的改变程度，因为诸如负荷、速度和气体入口压力(当压缩机存在时)有变化。对相当于发动机的操作范围的操作条件记录下相当于最大转化的喷射角。在不同于参考点(r)的发动机操作点(i)的相当于峰值还原剂的产量(AP)的喷射角称为APi。因此，喷射角的偏离于参考喷射角是APi-APr。
熟悉柴油发动机废催化剂操作的人员都知道，在排气流中NOx部分呈NO形式是有利的。在这种情况下，将NO转化成NO2从峰值降到某一要求的转化值是希望的。通过直接发动机测量测定了相当于所要求的转换值ADr的参考操作点(r)的所要求的第二次喷射角。已经发现，在任何的发动机操作点(i)所要求的偏离相当于峰值转化的喷射角等于ADi-APi几乎是恒定的，等于ADr-APr。参见图4。换言之，已经发现，在任何的操作点(i)相当于峰值还原剂产生的第二次喷射角和相当于所要求的氧化物/烯烃比例之间的曲柄角偏离量以及在相同点(i)的总裂解的产物总量对于所有的(i)值几乎是恒定的，结果可以参考值(r)评价。
总之，在此实施方案中，使用直接发动机测定将参数APr将ADr-APr和矢量APi测定为校准。稍后，在实际发动机使用中通过测定相当于具体操作条件的发动机的操作点(i)，然后测定第二次喷射ADi的所要求的曲柄角由关系ADi=APr+(APi-APr)+(ADi-APi)，其中，对于任何的(i)，ADi-APi等于ADr-APr。使NO转化成NO2最优化，
校准点由相当于发动机所要求的操作范围的那些发动机负荷和速度值中选择。具体点的选择将取决于在废催化剂作为发动机负荷和速度函数之前所用的具体的催化剂和所要求的排气流中的NO2与NO之比值。
NOx的催化转化发生在废催化剂是起作用的温度范围内。在任何具体的速度废催化剂温度主要由操作负荷决定。结果，在操作范围的任何的具体的速度，在相当于催化剂起作用的范围的开始的废催化剂温度下选择最低的负荷-速度校准点。在相当于在催化剂起作用的温度范围的上端的负荷妈的负荷-速度校准点选择速度，条件是所选速度的负荷不超过发动机的最大负荷。
实际上，在柴油发动机校准中，在跨及所要求的操作范围的速度选择校准点，并对上述每一速度测定最大和最低负荷值。在这些最大和最低负荷值的范围内，在观察到NOx增加产量处选择其它校准点。
校准点的精确数目将取决于柴油发动机的类型和发动机的使用方式。例如，在发动机以恒定的负荷和速度连续操作的情况下，在本发明实践中单一的校准点即足够。在其它的情况下，如在发动机的负荷和速度条件在整个发动机操作范围迅速变化时，校准点可以包括在代表性的速度的最低和最大负荷值以及相当于增加NOx产量的负荷-速度点的这些最低和最大值内的校准点。这种情况的代表是基本城市驱动周期+超驱动周期(Elementary Urban Driving Cycle+Extra-Urban Driving Cycle)(E.C.E.R15-E.U.D.C.)。此驱动周期是作为Type 1 Test，排放试验周期在91/441/E.E.C.中提出的并在96/69/E.C.中修改。
在显示NOx产生的发动机操作范围中的每一操作点不需要得到校准值。
可以用熟悉本领域的人员熟知的标准插值法来测定相当于任何发动机操作点的峰值还原剂产生的第二次喷射的曲柄角时，得到足够数目的校准点。
在此优选的实施方案中，本发明如图2所示的执行。图2表示连接于燃料泵(2)的燃料库(1)。燃料以高压离开燃料泵，供给于普通的导轨(3)。喷射器的控制装置(5)通过传感器(7)感知发动机负荷和速度信息。喷射器控制装置测定发动机操作点(i)，并计算角度ADi所要求的喷射。喷射器控制装置产生在适当的曲柄角以激活发动机的喷射器(4)信号(6)，从而在每一发动机的汽缸的所要求的曲柄角ADi进行第二次喷射。
应该理解，柴油发动机有不同的模式。对每种模式的发动机，可很容易地测定燃料消耗情况和排气特征之间的关系。根据这些，任何熟悉该领域的人员能够通过在预定的时间将预选量的烃在膨胀冲程喷射汽缸中以调节排气的组成。这使得发动机能从提供最大的功率和效率的观点得到最优化，同时发动机在催化转换器中的排气中NO2与NO比值适当。熟悉本领域的人员都知道，许多使用的催化转换器在NOx排气中最佳的NO2与NO比值存在下使NOx排气物质分解。当这些催化转化器存在时，应将第二次烃喷射时间和喷射量调节成适宜的比值。应该指出，在发动机中NO和NO2几乎占据了发动机中的产生的所有的NOx化合物。还应指出，NO转换成NO2也受到主要燃料燃烧时形成的NO同第二次喷射的燃料混合程度的影响。NO和第二次喷射燃料之间混合越完全，NO向NO2转换越多。当NO同第二次喷射物完全混合时，在给定的曲柄角和给定的发动机操作条件下，将发生由第二次喷射产生的峰值的NO转化成NO2。
第二次喷射生成包括氧化物、不饱和物和氧化的不饱和物的裂解产物。熟悉本领域的人员都知道，这些化合物可以用作NOx化合物的还原剂。图5表明，在某些发动机操作点可以选择相当于高还原剂生成和高NO转换成NO2的第二次喷射角。
第二次喷射烃的量将部分决定于在排气中作为NOx还原剂所需的烃量。此量一般为喷射的主要燃料的约0.5％重量-5％重量。第二次喷射量还取决于所要求的NO与NO2之比值。图6说明NO转化成NO2与摩尔烃：NO比值的关系。此图表明，例如在整个操作范围要求75％NO转化成NO2，则烃与NO的最低摩尔比应是5∶1。5∶1摩尔比相当于第二次喷射量约为主要燃料装入重量的1.5％重量。
在图6中，方块、菱形和星形点相当于图3和4中的相同的发动机参数。但是，相当于2.0巴BMEP负荷、1.1巴入口压力和1550转/分钟转速的点由空白方块而不是如图3和4中的圆点表示。摩尔比是排气流中燃料的C1成分与NO之摩尔比。