减少发动机有害尾气排放装置以及配备有该装置的发动机的制作方法

本实用新型涉及一种减少发动机有害尾气排放装置。更具体地说，本实用新型涉及一种通过增设微型机油积贮装置来减少发动机尾气中有害物质排放量的装置。

此外，本实用新型还涉及一种配备有上述装置的发动机。

背景技术：

在发动机冷机起动后，由于包括活塞在内的很多机构部件在相当长的一段时间内处于低温状态，因此不利于混合气体的燃烧。具体来说，由于发动机刚刚启动，此时燃烧室温度处于较低水平，因此达不到最佳燃烧温度。在这种情况下，燃油易于附着在活塞及燃烧室内壁上，进而在燃烧后期蒸发扩散至火焰中并产生大量油烟，并最终形成颗粒物随尾气排出，导致颗粒物个数(PN)的排放量升高。另外，由于附着的燃料无法充分燃烧，碳氢化合物(HC)的排放量也会随之升高。目前，普遍的解决方案是将加热后的机油喷射至活塞底部，以尽可能帮助活塞尽快热起来，最大幅度地减少HC和PN的排放量。

另一方面，在发动机长时间高负荷高转速运行时，气缸内的温度通常会过高，容易产生爆震等不利现象，氮氧化物(NOx)的排放量也会相应增加。这对于发动机的扭矩和排放都会产生负面影响。目前，使发动机冷却的普遍解决方案是利用冷却液降温。具体来说，通过向活塞底部喷射冷却液(如低温机油)，尽可能降低燃烧时的活塞及内壁的温度。这样，有助于消除爆震，提高动力性和经济性，同时还能够减少NOx的排放量。

业内有尝试针对上述缺陷作出了一系列的改进。然而，这些改进或多或少存在一些不尽如人意之处。

例如，在日本专利第4858415号中公开了一种内燃机的润滑装置。该专利旨在通过爆震传感器来检测内燃机是否发生了爆震，并且在检测到爆震发生之后通过润滑油对活塞进行冷却以降低爆震发生的程度和频次。但是，这种控制技术存在相当程度的时间延迟，且控制对象相对单一，效果并不理想。

又比如，在中国专利CN100379952C中公开了一种汽车启动预热装置。该汽车启动预热装置由控制器、电动机、保温层、机油泵、分油管、活塞喷头、高温加热器、过滤网、壳体、低温加热、瓷瓶、回油传感器、低温传感器、分油管内加热装置等组成，其可以将油底壳中的机油经过低温加热器加热后吸入高温加热装置。也就是说，用于加热的机油直接来自于机油底壳。当预热装置完成预热过程后，发动机进入正常的机油循环。

然而，虽然上述汽车启动预热装置能够节省资源浪费、减少空气污染，但由于其在发动机启动前工作，必须利用本车电池供电才能工作。在冬季低温环境下，电池本身的储电能力会大幅下降，会产生无法给预热装置提供充足电量的问题。另外，当预热装置工作完成后，电池电量也有可能不足以支持发动机启动。

为此，目前急需设计一种能减少发动机有害尾气排放装置，该装置能在兼顾经济性和效率的前提下，在发动机冷启动时使机油升温且在发动机过热时使机油降温，从而减少发动机尾气中有害物质的排放量。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种能有效减少发动机有害尾气排放装置，该装置能在兼顾经济性和效率的前提下，在发动机冷启动时使机油升温且在发动机过热时使机油降温。

本实用新型的第一方面涉及一种减少发动机有害尾气排放装置，该装置包括：直接连接发动机的机油底壳和活塞的辅助油路；设置在辅助油路中的机油积贮箱；对流入或存储在机油积贮箱内的机油进行加热的加热元件；以及设置在辅助油路中且位于机油积贮箱与活塞之间的机油喷嘴。

在一个较佳实施例中，该装置还可以包括设置在辅助油路中用于驱动机油进入机油积贮箱的第一机油泵和/或设置在辅助油路中用于驱动机油进入机油喷嘴的第二机油泵。

更佳的是，在第一机油泵与机油积贮箱之间还可以设有用于接通或截断辅助油路的旁通阀。

通常来说，加热元件可以是缠绕在机油积贮箱上的加热用电热丝，或者是安装在机油积贮箱内部的加热用电热棒，又或者是设置在机油积贮箱底部的加热用电热板。

在另一个较佳实施例中，机油喷嘴可以设置在活塞的下止点下方。

在又一个较佳实施例中，机油积贮箱的容积可以不大于机油底壳容积的 20％。

本实用新型的第二方面涉及一种发动机，该发动机配备有使机油在发动机的机油底壳与活塞之间循环的主油路，其中，发动机还配备有如本实用新型第一方面所述的减少发动机有害尾气排放装置。

上述技术方案的优点在于：

(a)在发动机冷机启动阶段，能够快速提升活塞的温度，并且最大程度地减少HC和PN的排放量。

(b)在发动机过热阶段，能够降低燃烧时的气缸内壁温度，有助于消除爆震、提高动力性和经济性，同时还能够减少NOx的排放量。

附图说明

为了进一步说明本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置的结构和工作流程，下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明，其中：

图1是配备有本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置的发动机的第一实施例的局部示意图；

图2是主油路和辅助油路中的机油流经图1所示发动机中各部件的路径的示意图；

图3是发动机处于第一工况下辅助油路内各部件的动作关系示意图；

图3A示出了发动机在第一工况下控制电流F1、活塞温度和PN、HC排放量的变化示意图；

图4是发动机处于第二工况下辅助油路内各部件的动作关系示意图；

图4A示意性地给出了确定基础占空duty和修正系数K1的插值表；

图4B示出了发动机在第二工况下控制电流F1、活塞温度和PN、HC排放量的变化示意图；

图5是发动机处于第三工况下辅助油路内各部件的动作关系示意图；

图5A示出了发动机在第三工况下控制电流F1、燃烧室温度和NOx排放量的变化示意图；

图6是配备有本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置的发动机的控制流程图。

图7是配备有本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置的发动机的第二实施例的局部示意图；

图8是配备有本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置的发动机的第三实施例的局部示意图；

附图标记

1 机油底壳

2 机油泵

3 限压阀

4 机油滤清器

5 轴承

6 气缸体

7 活塞

A 机油积贮箱

B 第一机油泵

C 旁通阀

D 机油喷嘴

E 第二机油泵

F 加热元件

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置，其中，相同的部件由相同的附图标记进行标示。

(第一实施例)

图1示出了配备有本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置的发动机的第一实施例的局部结构。图2示出了主油路和辅助油路中的机油流经图1 所示发动机中各部件的路径。

需要说明的是，图中各部件的位置、尺寸和排列方式等均是以示意性方式标示的，并没有考虑它们之间的比例关系，因此不构成对于本实用新型各种变型的任何限制。

如图1所示，如本领域的普通技术人员众所周知的那样，发动机配备有使机油在发动机的机油底壳1与活塞7之间循环的主油路。但是，不同于现有技术中公开的传统发动机，本实用新型的发动机还配备有直接连接机油底壳1与活塞7的辅助油路。

请参见图2，可以看到图中左侧示出的是现有的主油路构造，而图中右侧示出的是本实用新型新增设的辅助油路构造。

由于机油底壳1、机油泵2、限压阀3、机油滤清器4、轴承5、气缸体6 和活塞7的位置、以及它们与主油路的连接关系对于本领域的普通技术人员来说属于公知常识，此处省略对于上述内容的相关描述。

机油在主油路中的循环过程如下所述：机油沿主油路从机油底壳1出发，在经过机油泵2的加压之后，一部分机油流入机油滤清器4经受过滤，而另一部分机油经由限压阀3后自然回流至机油底壳1。经过滤后的机油继续沿主油路到达轴承5并对其进行润滑，随后进一步流到气缸体6和活塞7并分别对它们进行润滑。在完成润滑之后，这些机油也自然回流至机油底壳1，从而完成了机油在主油路中的循环过程。

本实用新型新增设的辅助油路中设置的各部件构成了减少发动机有害尾气排放装置。具体来说，辅助油路直接连接机油底壳1和活塞7。在该辅助油路中，还设置有机油积贮箱A、对流入或存储在的机油进行加热的加热元件 F以及位于机油积贮箱A与活塞7之间的机油喷嘴D。

机油积贮箱A用于容纳从机油底壳1流入的机油或者在之前的运行过程中存储在其中的机油，其较佳地由具有良好导热性能的金属制成。通过试验发现，该机油积贮箱A的容积应当控制为机油底壳1容积(通常为3.5至5升) 的20％或更小。这样，机油积贮箱A既不会占据过大的空间，又能够存储足够量的机油以供之后的使用。

加热元件F可以是缠绕在机油积贮箱A上的加热用电热丝。当电热丝被导通时，其可以对机油积贮箱A进行加热，并进而对流入或存储在该机油积贮箱A内部的机油进行加热。可以响应于ECU发出的信号对电热丝的功率进行调节，以利用控制电流F1设定电热丝的发热程度，从而适应发动机的不同工况。

机油喷嘴D较佳地设置在活塞7的下止点下方，以便进气门关闭之时将机油喷射入气缸。

在本实施例的一个较佳实施方式中，在机油底壳1与机油积贮箱A之间的辅助油路还设有第一机油泵E，该第一机油泵E对流经辅助油路的机油加压，用于驱动机油进入机油积贮箱A。

更佳的是，在第一机油泵E与机油积贮箱A之间还设有用于接通或截断辅助油路的旁通阀C，该旁通阀C可响应于ECU的控制信号，根据发动机所处的不同工况接通或截断辅助油路，以控制机油积贮箱A的机油量。

在本实施例的另一个较佳实施方式中，在机油积贮箱A与机油喷嘴D之间的辅助油路还设有第二机油泵B，该第二机油泵B对流出机油积贮箱A的机油加压，用于驱动机油进入机油喷嘴D并在活塞7到达其下止点时喷射入气缸。

第一机油泵E和第二机油泵B均能够响应于ECU的控制信号开始或停止泵送作业。

下面将结合图3至5分别描述发动机分别处于第一、第二和第三工况下辅助油路内各部件的动作关系示意图。

图3所示的第一工况是指发动机水温低于诸如60℃时、即发动机刚启动处于冷机状态的阶段。

首先，ECU检测发动机转速(如低于3000rpm)和电池电压(如大于10V)。当发动机转速低于3000rpm时，判断发动机已经冷机启动。当电池电压大于 10V时，判断电压足够。此时，ECU借助温度检测装置测量发动机水温。当确定发动机水温低于60℃时，确认发动机处于第一工况并向加热元件F发出信号。加热元件F在接收到ECU发出的信号之后，将控制电流F1设定为电热丝 100％发热，从而以最快速度对机油积贮箱A内的机油进行加热。

另一方面，第一机油泵E和第二机油泵B在接收到ECU的信号之后开始泵送作业，而旁通阀C在接收到ECU的信号之后接通辅助油路。此时，机油底壳1内的机油开始沿辅助油路流动。

具体来说，具有较低温度的冷机油从机油底壳1出发，在经过第一机油泵 E的泵送后，经由旁通阀C进入机油积贮箱A，并与机油积贮箱A内的机油相混合。由于机油积贮箱A内的机油已经被加热元件F加热了一段时间，新进入的冷机油通过与之混合能够在较短时间内大幅提高其温度。经混合的机油在第二机油泵B的泵送下，经由辅助油路到达机油喷嘴D，并且在活塞7到达其下止点时喷射入气缸，并使活塞7等部件的温度也随之升高。喷出的机油与主油道中的冷机油相混合，并最终流回到机油底壳1。

从图3A中可以看到，与现有技术相比，本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置在第一工况下可以获得以下优点：

(i)在现有技术中，由于发动机冷机启动时燃烧室的温度比较低，因此燃油易于附着在活塞及燃烧室内壁上，导致HC和PN的排放量较高。本实用新型利用上述装置能够快速提升活塞的温度(如上图所示，其中虚线表示现有技术中活塞升温的速率，而实线表示利用上述装置后活塞升温的速率)，并且能够最大程度地减少HC和PN的排放量(如上图所示，其中虚线表示现有技术中HC和PN的排放量，而实线表示利用上述装置后HC 和PN的排放量)。

(ii)由于混合后的机油被机油喷嘴D喷射入气缸，因此其也参与主油道机油循环，因此能够加快发动机各个部件的暖机进程。

图4所示的第二工况是指发动机水温高于诸如60℃时、但低于目标水温 (本领域中目标水温通常为85℃)的阶段。

同样，ECU首先检测发动机转速和电池电压，并且借助温度检测装置测量发动机水温。当确定发动机水温高于60℃、但低于85℃时，确认发动机处于第二工况并向加热元件F发出信号。加热元件F在接收到ECU发出的信号之后，将控制电流F1设定为电热丝部分发热(即，发热比例低于100％)。也就是说，电热丝在第二工况下对机油积贮箱A内的机油加热的速度要低于第一工况。

与第一工况相同，第一机油泵E和第二机油泵B在接收到ECU的信号之后开始泵送作业，而旁通阀C在接收到ECU的信号之后接通辅助油路。由此可见，在正常情况下，第一机油泵E和第二机油泵B在第二工况下均持续进行泵送作业，而旁通阀C在第二工况下始终处于常开状态。

图4A中的表格示意性地给出了确定基础占空duty和修正系数K1的插值表。如图4所示，电热丝的发热率可以通过上述表格来确定。具体地说，电热丝的控制电流F1通过实际水温Tw1及目标水温Tw2之间的差值利用上表确定基础占空比的比值。此外，由于发动机的工况条件(如转速、负荷等)会影响水温的上升速度，为精确起见，还可以查表确定修正系数K1，并且根据以下等式确定电热丝的最终占空比duty：

duty＝(Tw2－Tw1)×K1。

从图4B中可以看到，与现有技术相比，本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置在第二工况下所获得的优点基本上与第一工况相同，此处不再赘述。除了上述优点之外，控制电热丝的发热率的目的在于：虽然此时发动机水温还没有完全达到目标水温，但出于节约能源消耗方面的考虑，适当降低电热丝的发热率，在确保HC和PN的排放量降低的前提下尽量节能增效，从而在效率方面和经济方面取得理想的平衡。

图5所示的第三工况是指发动机水温高于目标水温但低于100℃、即发动机处于过热状态的阶段。

同样，ECU首先检测发动机转速和电池电压，并且借助温度检测装置测量发动机水温。当确定发动机水温高于85℃、但低于100℃时，确认发动机处于第三工况并向加热元件F发出信号。加热元件F在接收到ECU发出的信号之后，断开控制电流F1，使得电热丝停止发热。也就是说，电热丝在第三工况下不再对机油积贮箱A内的机油加热。

不同于第一和第二工况，在第三工况下，第一机油泵E和第二机油泵B 停止泵送作业，而旁通阀C截断辅助油路。也就是说，辅助油路在第三工况下不再进行循环。此时，机油将完全沿主油路循环。随着车辆的行驶，机油得以逐渐冷却。当发动机水温低于85℃时，ECU确认发动机恢复到第二工况并向加热元件F、第一机油泵E、第二机油泵B和旁通阀C发出信号，使它们重新恢复作业。

在本实施例的一个较佳实施方式中，ECU被设计成当发动机水温高于 100℃时，使第一机油泵E、第二机油泵B和旁通阀C恢复作业，但加热元件 F仍然处于断电状态。这样，辅助油路可以在不加热的状态下参与主油路的循环冷却工作。

从图5A中可以看到，与现有技术相比，本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置在第三工况下可以获得以下优点：

(i)由于机油直接喷射在活塞7底部，因此能够降低燃烧时的气缸内壁温度，有助于消除爆震、提高动力性和经济性，同时还能够减少NOx的排放量(如上图所示，其中虚线表示现有技术中NOx的排放量，而实线表示利用上述装置后NOx的排放量)。

(ii)当发动机水温过高时，可以使辅助油路参与主油路的循环，从而最大程度地降低燃烧时的气缸内壁温度(如上图所示，其中虚线表示现有技术中气缸内壁降温的速率，而实线表示利用上述装置后气缸内壁降温的速率)。

图6是配备有本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置的发动机的控制流程图。由于先前已经结合图3至5详细描述了流程图中的各个步骤，此处不再赘述。

(第二实施例)

图7是配备有本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置的发动机的第二实施例的局部示意图；

与第一实施例相比，根据第二实施例的装置在其辅助油路中同样设置有机油积贮箱A、对流入或存储在机油积贮箱A内的机油进行加热的加热元件F、位于机油积贮箱A与活塞7之间的机油喷嘴D、在机油底壳1与机油积贮箱A 之间的第一机油泵E、在第一机油泵E与机油积贮箱A之间用于接通或截断辅助油路的旁通阀C和在机油积贮箱A与机油喷嘴D之间的第二机油泵B。不同的是，加热元件F在本实施例中是安装到机油积贮箱A内部的加热用电热棒。由于电热棒直接插入到机油积贮箱A内部，因此其加热方式和效率与缠绕在机油积贮箱A外部的电热丝相比更为直接和高效。

(第三实施例)

图8是配备有本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置的发动机的第三实施例的局部示意图；

与第一和第二实施例相比，根据第三实施例的装置在其辅助油路中同样设置有机油积贮箱A、对流入或存储在机油积贮箱A内的机油进行加热的加热元件F、位于机油积贮箱A与活塞7之间的机油喷嘴D、在机油底壳1与机油积贮箱A之间的第一机油泵E、在第一机油泵E与机油积贮箱A之间用于接通或截断辅助油路的旁通阀C和在机油积贮箱A与机油喷嘴D之间的第二机油泵B。不同的是，加热元件F在本实施例中是设置在机油积贮箱A底部的加热用电热板。由于机油总是沉积在机油积贮箱A的底部，因此利用上述电热板能够获得远高于缠绕在机油积贮箱A外部的电热丝和插入在机油积贮箱A内部的电热棒的加热效率。

虽然以上结合了若干实施例对本实用新型的减少发动机有害尾气排放装置的结构和工作原理进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本实用新型的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本实用新型进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本实用新型的权利要求书所要求的范围之内。