CN101120163A - 发动机运行时脉动燃料添加剂浓度的配给系统及控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于自动向柴油车燃料箱配给燃料添加剂的安全可靠的系统。在发动机运行时，该添加剂(14)，如包含燃料生成催化剂(FBC)的浓缩溶液被强制进料设备(18)以脉动的剂量供给。FBC喷射的频率和量作为发动机工作时间、燃料消耗率的预定值以及所期望的燃料中添加剂浓度的函数来控制。

Description

发动机运行时脉动燃料添加剂浓度的配给系统及控制装置
相关申请及优先权
本专利申请要求2004年12月23日提交的审查中的美国临时专利申请序列号为60/639,207的优先权，因此，后者的公开文本通过引用结合于此。
技术领域
本发明提供了一种安全、可靠的系统，该系统包括一个控制装置，此控制装置可以自动给燃料定量输送燃料添加剂，它用强制进料设备(positive feed means)喷入添加剂，特别是把含有燃料生成催化剂的浓缩物喷入燃料中，在其中，燃料生成催化剂(FBC)的喷射量作为预定的燃料消耗数据的函数而进行控制。本发明特别适用于车辆用的、固定用的，或者海上用的柴油发动机中，特别是那些中型柴油发动机，但是它一般应用于需要在燃料中定量配给燃料生成催化剂(FBC)或者其他浓缩物的场合。
背景技术
燃料添加剂，特别是燃料生成催化剂，其中含有燃料可溶解性或者悬浮性的化合物，该化合物中含有可释放的、具有催化剂作用的金属，这些金属以浓缩物形式存在，而浓缩物中含有铂族金属、铈、铁、铜、锰、镁等类似的金属或者它们的化合物，该燃料添加剂能使燃料在发动机中更加清洁的燃烧，因此，就可以使发动机更加高效的运行。该添加剂作为主要的方法或者与后处理装置相结合能够减少污染物质的排放。
为配给添加剂而提出的现有技术系统涉及复杂的电子和/或机械监控，通常为一些反馈控制的形式，以在燃料中获得活性催化剂金属的理想浓度。由于目前商业使用各种类型的卡车，甚至单个车主就使用各种类型的卡车，对系统装置进行翻新改进时，如果还需要改动车辆的话，那么这种翻新改进在实际的应用中是不现实的。
在现有技术系统中，是那些需要操作者监控和干涉的系统。然而，车队的操纵者需要确保把燃料生成催化剂(FBC)添加剂浓缩物适当地加入到指定车辆的燃料中，除了其正常的操作外，而不需要一个特殊操纵者去执行任何任务。操纵者的监测或干涉往往问题很多，特别是用在同一车辆被不同操纵者使用的地方更是如此。
当前的规范以及计划中的规范对制造厂家提出挑战，它要求既要获得良好的燃料经济性，又要减少排放物。然而燃料添加剂将可能必然实现规范的目标，现有技术没有提供一个简单的装置，这个装置能够用很可靠的方式测定进入燃料中的有效添加剂，而不需要操纵者的干涉。
让燃料添加剂在定期的、稳定可靠的基础上，自动的、按正确的比例引入车辆的油箱，这对燃料添加剂的供应商和想使用它们的车主是一个挑战。当前对与把添加剂定期分配到燃料中相关的问题需要一个安全、经济、高效的答案。
发明内容
本发明的目的就是提供一个安全、可靠的添加剂配给系统，用于自动把燃料添加剂输送到燃料箱中，达到提高内燃机的操作或者减少污染物的排放的目的。
本发明的另一个目的就是，在对柴油发动机供应燃料时，把燃料添加剂维持在一个有效的平均浓度。
本发明的另一个目的就是消除通过车辆操纵者监测或者启动车辆上的任何装置来实现燃料箱的配给的需求。
本发明的另一个目的就是按相当于预定平均消耗速率的预定速率来配给燃料箱。
本发明的另一个目的就是在发动机起动的时候能够自动启动该系统并在发动机熄火时自动停止激发系统。
本发明可以实现这些目的和其他的目的，本发明提供了一个带有如下所述的过程和设备的系统，这个系统能够基于一辆车或者一种车型的车辆的预定燃料消耗率，自动的、毫无问题的用强制进料设备把燃料添加剂供给到燃料中。
在一方面，本发明提供了这样一种方法，该方法用于自动地把燃料添加剂配给到燃料箱中来给发动机提供燃料，该方法包括：把燃料添加剂存放于一个存储容器中，这个存储器有相关的管道设备，该管道设备将存储容器与燃料箱相连接；探测何时发动机起动；响应于发动机的运行，以规则、预定的间隔主动地将燃料添加剂以测量的剂量从存储容器供给到燃料箱中，并在发动机运行时，继续定时、定量的输送燃料添加剂。
另一方面，本发明提供了一种自动把燃料添加剂配给到燃料箱以给发动机供给燃料的设备，包括：存储设备，用于存储燃料添加剂；管道设备，用于把燃料添加剂从存储设备输送到与发动机相关的燃料箱；与管道设备相连接的强制进料设备，用于把定量的所述燃料添加剂输入到所述管道设备中；传感设备，用于决定发动机何时起动；控制强制进料设备的设备，用于响应于发动机的运行，控制强制进料设备，以规则、预定的间隔，主动地将燃料添加剂以测量的剂量输送到发动机燃料中，并在发动机运行时，继续强制进料设备的工作。
在优选实施例中，通过典型的燃料箱排气线路，将FBC引入到燃料系统中，就可以避免了对燃料箱进行特殊的更改。本发明能在燃料中自动地、可靠地维持一个有效的添加剂浓度。
本发明的各个优选方案将在下面描述。
附图说明
当参照附图阅读以下说明时，本发明更易理解，而且其优点更显而易见。图中：
图1是一个卡车的示意图，这个卡车具有一个发动机运行启动的添加剂浓缩物配给系统；
图2是表示在返回到每次返回进行加油的总站时所填满的一队运输卡车的油箱中FBC浓度的曲线；
图3是一个具有代表性的设备的示意图，该设备带有用于将燃料生成催化剂(FBC)浓缩物从添加剂箱运送到柴油机燃料箱的正排量泵。
具体实施方式
本发明提供了一个安全、可靠的系统，这个系统能自动地把燃料添加剂，特别是含有燃料生成催化剂的浓缩物，利用强制进料设备作为注入到燃料中的驱动力，定量输送到适用于车辆用的、固定用的或者海上用的柴油机燃料箱中。在本发明优选形式中，控制是这样实现：探测发动机何时起动，并在此时启动一个正排量泵来把定量的添加剂按规则的、预定的时间间隔输送到发动机的燃料中，在发动机运行时继续正排量泵的操作。脉动剂量输送能高效地维持燃料箱中的理想浓度。所输入的剂量和引入的频率是基于给定车辆的燃料消耗率来预先确定的，以将燃料中的平均浓度维持在一个预定的范围内，比如：从大约1到大约20ppm。
本发明的设备以一个优选形式在图1中示出，卡车10有一个燃料箱12，它从供给容器14接收定量供给的燃料生成催化剂(FBC)添加剂浓缩物。供应容器14有一个通气盖15，并允许通过包括管线16和过滤器17的管路来输送燃料生成催化剂(FBC)。正排量泵18通过包括管线19和一个优选的T型接头20的管路把燃料生成催化剂(FBC)输送到燃料箱12，该燃料箱12有一个通常可用的油箱通气口。
燃料生成催化剂(FBC)作为一种以合适的化学形式存在的浓缩物，同合适的溶剂以及其他的添加剂(如美国专利号为N0.6,003,303以及其中所引用的参考书中所描述的添加剂)存放于供应容器14中。在一个优选形式中，这种浓缩物将要有足够的燃料生成催化剂(FBC)，以便用一加仑的浓缩物处理1500加仑的燃料来实现在处理过的燃料中，总的催化剂金属浓度要达到8ppm这样一个优选的浓度。
正排量泵18是优选的类型，它包括(或者可以被这样修改)对活塞冲程的长度和/或运行作频率进行控制。据本发明的优选形式，要对泵进行标定以便提供理想的、预定的流量来维持燃料中燃料生成催化剂(FBC)的有效浓度。一般来说，添加剂与如那些在美国专利6,003,303、美国专利5,501,714、EP 1 262 641及相类似的专利中所确认的后处理设备进行有效操作所需的浓度将是燃料中活性催化剂金属从大约1到大约20ppm，例如，浓度从大约4到大约10ppm，对发动机运行时间是很有优势的。然而不会一直存在最佳的剂量，本发明的特点之一就是把强制进料的量维持在规定的范围内，这样就能有效地提高后处理设备的操作。
本发明特别适用于对大批车辆的操作，它们要在一个总站按有规律的时间间隔来添加燃料，比如，一天一次。图2是示出，在一队运输卡车在返回到每次返回进行加油的总站时加满油时，油箱中的燃料生成催化剂(FBC)的浓度曲线。图中示出燃料中活性金属(例如铂和/或铈和/或铁)FBC的浓度在4和10ppm之间变动，在这个示例性范围内，只有很少变动位于本范围之外。因此，本发明通过将FBC配给量基于发动机运行时间与燃料消耗率更紧密相关，而可以随着油箱中的燃料高度的变化提供很窄范围内的燃料中的添加剂浓度。本发明的系统允许操纵者在油箱近似空时，使卡车返回而不会产生重要的不利影响，但这不是理想的。当油箱近似空时，数据实际显示油箱的浓度趋向于超过最佳的浓度范围，这并非一个不利的情况。本发明的一个优点就是通过适当地监控车辆中燃料消耗率(和在必要的地方进行编程)，可以使控制器在绝大部分时间内把燃料中催化剂金属的浓度维持在一个理想的水平。优选的是，在超过发动机75％的运行时间里，燃料箱12中的燃料将维持在以上所提到的有效浓度，更优选的情况会超过90％的运行时间。
正排量泵18优选是一个活塞泵，也可以是其它类型的泵，如蠕动泵或类似的泵，响应于一个适当的信号，例如来自表示发动机运行的传感器的信号，由来自控制器的信号启动。较合适的泵的代表是例如，由H.Daugbjerg，Denmark提供的“FBC METERING SYSTEM KIT TH-910A”，但是，如上所述，该系统优选进行改动，从而通过管路19，把燃料生成催化剂(FBC)直接输入到燃料箱12中，而不是输入到燃料返回管路中。这样的燃料生成催化剂(FBC)计量泵包括双列直插式开关来辅助编程设计，从而基于单个车辆的燃料消耗率的数据获得理想的冲程和频率。本领域技术人员可以用这里所阐述的这种装备来修改制造商的方向，从而实现本发明的目的。
作为一个额外辅助，我们提供了图3，它表示的是一个有代表性的改进装备，作为一个示意流路图，这个图表示正排量泵把燃料生成催化剂(FBC)浓缩物从添加剂箱输送到柴油发动机燃料箱(14和12)。图3的系统表示的是一个电控单元，该电控单元可以设计并编程为探测发动机运行时的优选参数，但也能够基于其它的各种参数方便地感知和调整操作，这些参数包括发动机运行时间、发动机的转数、油箱中燃料量、特殊过滤器中的背压、燃料中燃料生成催化剂(FBC)的浓度、(指示打开或关闭)加油盖的位置、燃油进入油箱的流量、发动机的起动与熄火等。电控单元可以被编程以给正排量泵18发送合适的信号使其按预定速率启动操作、停止操作或者通过改变活塞的冲程和/或频率或影响其它的可控泵变量来调整操作。如上所述，优选的是，在发动机运行时，启动泵来实现可控剂量的燃料生成催化剂(FBC)断续输入。
当正排量泵18被触动而循环时，燃料生成催化剂(FBC)浓缩物在泵18的作用下按指定的、定量的流量通过供应管路19和优选的T-型接头20流入燃料箱12，T-型接头有一个到箱体12的出口或端口21和一个通气阀23。当正排量泵18被触动而处于关闭位置时，没有燃料生成催化剂(FBC)浓缩物流入油箱。优选的是，正排量泵适当地偏置为常关位置。这样，必须有一个正向的信号来运行正排量泵，使添加剂通过管路18、19和T型接头20流入到油箱12。
在优选的运行模式中，一旦发动机起动，泵18开始计量进入油箱12中的燃料生成催化剂(FBC)。平均燃料消耗是已知的，泵以这样的流量运行，以使燃料箱12中的燃料生成催化剂(FBC)浓度有效地维持在一个理想的、预定的水平。时间和数量是可以根据典型的燃料消耗进行调整的。喷射的正时和流量可以由指示发动机运行的点火开关27或其它指示器的控制信号来控制。正排量泵18或其它装置对运行的发动机产生响应，主动地把燃料添加剂以测量的剂量，按规则的、预定的时间间隔从存储容器中输入到燃料箱中，并在发动机运行时能连续引入定时的、定量的剂量。这种脉冲输入是很高效的。这个系统也能有效地来给其它的车辆供应燃料生成催化剂(FBC)添加剂，但本发明还是与柴油发动机卡车相关地描述的，作为本发明的优选用途。
通过典型的、如卡车的、燃油箱通气管路口21，把燃料生成催化剂(FBC)引入到燃料系统中。与燃油箱通气管路典型地螺纹连接的端口21处装有一个T型管接头20。通气阀23用螺纹拧入T型接头的上部，添加剂管路19螺纹拧入T型接头的侧面。这个简化的装置允许主动或靠重力输入燃料生成催化剂(FBC)，而不需要一个配给泵把添加剂注入到加压的燃料返回管路中，这将使配给更加困难，但与其它方式相比是一种典型的配给系统。
本发明特别适用于对大批的车辆进行操作，这些车辆被带到总站以有规律的时间间隔，如一天一次，来重新加油。图2所示的是，在一队运输卡车返回到每次返回进行加油的总站时加满的油箱中的燃料生成催化剂(FBC)的浓度曲线。在这个示例性设定(表示为真实数据的测试数据)中，燃料中燃料生成催化剂(FBC)的浓度范围在4-10ppm之间变化。这样，本发明通过基于发动机运行时间将FBC剂量与燃料消耗更紧密关联，随着燃料箱中燃料高度变化，提供一个窄范围的燃料中添加剂浓度。
配给的频率和量要根据按预估消耗率向燃料中提供预定量的添加剂来预先确定。本发明的一个优点是可以进行非常有效的预测，而且不需要实时监控。在所提到的优选情况中，已发现足够量的燃料生成催化剂(FBC)添加剂浓缩物能够通过重力作用或者强制进料设备自动流入到一个66加仑的油箱中，利用如美国的专利6,003,303中所阐述的优选的铂和铈添加剂化合物，提供燃料对浓缩物的平均重量比为1500∶1，以提供大约0.15ppm浓度的铂和大约8ppm浓度的铈。在燃料经济性方面，这些配给对运输卡车提供了很大的改善，并允许柴油颗粒捕捉器(diesel particulatetraps)(DPT)和其它与它们一起使用的后处理装置运行更长的时间，以减少来自这种卡车的颗粒排放。
容器14的尺寸足够大，它能够容纳充足的添加剂，以便在多数停止加燃料的情况，至少可以使车辆能运行一整天。要实现至少驾驶一整天的目标，即对一个中型运输卡车要至少运行750英里，两夸脱的容量就能使车辆操纵者免于考虑车辆的分配器，对维护人员而言，一天给容器14补充一次就可以了。提供一个大到足够用来存放至少可以运行一周的燃料生成催化剂(FBC)浓缩物的存储容器是很有利的，更优选的是2到4周的运行时间的。其它的设计标准也是可以的。
本发明的优点之一是，这个系统也能够提供靠重力供给，如在强制输入方式不能使用的情况下。在本发明的这个特点中，通过重力作用，运用定时器和电磁阀把燃料添加剂输入到燃料当中。在一个例子中，一旦发动机起动，一个可选的定时器就开始测量发动机的运行时间。发动机的运行时间可以作为燃料消耗的指示器，一旦运行时间达到规定的值，例如20分钟，电磁阀门就会打开，预定量的添加剂就会喷入燃料中。控制器可以被包括在内，该控制器包括一个定时器和一个记忆装置，它会记住自从上次添加后发动机的运行时间，所以，即使在设定的时间值达到之前，发动机熄火一到两次，每次燃料添加剂的配给也将会在相同的发动机运行预定时间段后进行。在优选实施例中，燃料生成催化剂(FBC)或者其它的添加剂通过典型的燃料箱通气管路输送到燃料系统中，因此，可以避免了对箱体进行特殊的改造。
以上所描述的目的是向本领域技术人员讲授如何使用本发明，并非意图在于本领域技术人员在阅读本说明书时可以理解的显而易见的修改和变动的细节。然而，意图在于所有这样明显的修改和变动都包含在本发明的范围内，本发明的范围由所附的权利要求书限定。权利要求书涵盖在可以实现本发明预期的目的所有装置和序列中所指示的部件和步骤，除非上下文指示的正好相反。

Claims (17)

1.一种用于自动把燃料添加剂配给到燃料箱来给发动机供应燃料的设备，包括：
用于存储燃料添加剂的储存设备；
管路设备，该管路设备用于把燃料添加剂从存储设备输送到与发动机相关的燃料箱；
强制进料设备，该强制进料设备与所述管路设备相连通，把定量的所述燃料添加剂输送到所述的管道设备中；
探测设备，该探测设备用于确定发动机何时运行；以及
用于控制强制进料设备的设备，该设备控制所述强制进料设备响应于发动机运行，以规则的预定的间隔将定量的添加剂输送到发动机的燃料中，并在发动机运行时继续强制进料设备的运行。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述添加剂的供给率是基于燃料的平均消耗率的。
3.如权利要求1所述的设备，其中，提供了一个燃料添加剂存储容器，以保持足够的浓缩物以使发动机能运行大约1到4周的时间。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述强制进料设备包括正排量泵。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述强制进料设备被控制，以输送预定剂量的添加剂，以便将燃料中的活性金属的浓度维持在从大约1到大约20ppm的范围内。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述强制进料设备被控制，以输送预定剂量的添加剂，以至少在发动机一半的运行时间内，把燃料中的活性金属的浓度维持在从大约4到大约10ppm的范围内。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述强制进料设备被控制，以输送预定剂量的添加剂，以至少在发动机运行时间的75％内，将燃料中的活性金属的浓度维持在从大约4到大约10ppm的范围内。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述添加剂通过位于燃料箱通气口的T型接头输送到燃料箱中，该T型接头的一端提供燃料箱通气，一端从用作存储燃料添加剂的存储设备中接收添加剂，而另一端开口于燃料箱上使添加剂流入燃料箱中。
9.一种自动把燃料添加剂配给燃料箱来给发动机供应燃料的方法，包括：
在存储容器中存储燃料添加剂，该存储容器带有与其关联的管路设备，该管道设备将存储容器和燃料箱连接；
探测何时发动机起动；以及
对发动机的起动响应，主动地把燃料添加剂按预定的间隔定量地从存储容器输送到燃料箱中，并在发动机运行时，继续定时、定量的输送燃料添加剂。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述燃料添加剂的供应率是基于燃料的平均消耗率。
11.如权利要求9所述的方法，其中，提供了燃料添加剂存储器，用于维持足够的浓缩物，以便使发动机能运行1到4周的时间。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述强制进料设备包括正排量泵。
13.如权利要求9所述的方法，其中，所述强制进料设备被控制，以输送预定剂量的添加剂，以便将燃料中的活性金属的浓度维持在从大约1到大约20ppm的范围内。
14.如权利要求9所述的方法，其中，所述强制进料设备被控制，以输送预定剂量的添加剂，以至少在发动机一半的运行时间内，把燃料中的活性金属的浓度维持在从大约4到大约10ppm的范围内。
15.如权利要求9所述的方法，其中，所述强制进料设备被控制，以输送预定剂量的添加剂，以至少在发动机运行时间的75％内，将燃料中的活性金属的浓度维持在从大约4到大约10ppm的范围内。
16.如权利要求9所述的方法，其中，所述添加剂通过位于燃料箱通气口的T型接头输送到燃料箱中，该T型接头的一端提供燃料箱通气，一端从用作存储燃料添加剂的存储设备中接收添加剂，而另一端开口于燃料箱上使添加剂流入燃料箱中。
17.一种用于自动把燃料添加剂配给燃料箱中以给发动机供应燃料的方法，包括：
在存储容器中存储燃料添加剂，该存储容器带有与其关联的管路设备，该管道设备将存储容器和燃料箱连接；
探测何时发动机起动；以及
对发动机的起动响应，将燃料添加剂按预定的间隔定量地从存储容器输送到燃料箱中，并在发动机运行时，继续正排量泵的工作。
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