CN101675230B - 调节带有自动点火的内燃机的注入、燃烧和/或后处理参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于调节带有自动点火的内燃机的注入、燃烧和/或后处理参数的方法，其特征在于，所述方法包括确定供应给注入系统的燃料中存在的生物燃料的含量和类型的步骤。本发明还涉及一种用于实施该方法、且使用用于确定供应给注入系统的燃料中存在的生物燃料的含量和类型的传感器(8)的机动化系统和设备。

Description

调节带有自动点火的内燃机的注入、燃烧和/或后处理参数的方法
技术领域
本发明涉及一种通过根据燃料中含有的生物燃料的含量修改注入、燃烧和后处理参数来减少源处的污染物排放并且优化柴油机的去除污染的方法。
背景技术
例如，在商业燃料中添加酯型农业来源的化合物，可最小化导致温室效应的气体的全球排放，并会影响污染物排放，更具体地，影响氧化氮(NOx)和微粒的排放。许多研究，例如，“生物柴油机对废气排放的影响的综合分析”(美国环境保护局，空气和辐射办公室EPA420-P-02-001，2002年10月)表明，在燃料中添加酯会影响具有恒定调节的发动机的污染物排放。例如这可由组成矿物燃料(carburant fossile)的含烃分子和酯族的含氧化合物之间的显著化学差异来解释。
在许多国家，将生物燃料掺入汽油中，并且，汽油中的生物燃料的百分比是可变的。从一个国家到另一个国家存在非常不同的政策指令，这些指令推荐了燃料中存在的生物燃料的含量。另一方面，存在通过根据组成矿物燃料的精制基础限制了生物燃料掺入的自由度的商品规格强加的精炼约束。
为了合成可以被掺入燃料的产品，许多方法能够酯化农业来源的植物油。另外，植物油的来源很多，例如，油菜、棕榈、大豆和其它蔬菜。将来，这些方法能够例如通过使用动物来源的生物量和油脂来增加生物燃料的多样性。来源和酯化方法的多样性导致化学结构上的显著差异，例如，一方面组成烃链和另一方面组成酯化学族的碳原子的数量。这些显著的化学特异性导致在其燃烧时氧化氮和微粒的排放的显著差异。
与原材料的多种来源、精炼和质量约束以及政府的各种推荐和指令相结合的酯化方法的多样性意味着专用于用柴油机的燃料尤其在所掺入的生物燃料的含量和/或类型上具有日益增加的可变性。
目前的发动机必须能够在包含可变比例和类型的生物燃料的分布式燃料(carburants distribués)的可变范围内运行并且排放污染物的量低于现行标准。为此，在发动机设计中考虑此约束，并在发动机控制水平上采取安全措施。发动机并非对所有燃料都被调节至最优，而是实现注入和燃烧调节的折衷，从而，无论掺入燃料中的生物燃料的比率和/或类型如何，都能确保发动机的运行。
对后处理，更具体地对添加剂微粒过滤器和氧化氮转化系统(DeNOx)同样作出努力。
为了添加剂微粒过滤器的正确工作，调节燃料中的添加剂的恒定含量；在燃料箱的每次新的填充时，根据注入燃料箱中的燃料的体积来确定待注入的添加剂的量。为了无论燃料中的生物燃料的含量和类型如何都能使微粒过滤器运行，在添加剂注入中采用安全限度，并且，不根据燃料中的生物燃料的含量和类型来优化此注入。
用于氧化氮(NOx)的后处理系统使用反应剂和催化剂。目前广泛使用的方法是使用尿素溶液作为反应剂，尿素溶液允许释放氨水，该氨水根据以下化学式将一氧化氮转化成氮：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
必须精确控制本方法，以便一方面注入足够的反应剂以保证氧化氮的转化，另一方面，防止注入过量的添加剂，其导致将氨水释放入大气中，这对环境是有害的。为此，该DeNOx方法包括位于后处理系统下游的测量氧化氮浓度的传感器。此传感器引导后控制中的调节。
然后，今天可通过以下内容理解燃料中的生物燃料的含量和类型的可变性及其对微粒排放和NOx排放的影响：
-汽油中有足够含量的添加剂，以便无论燃料如何以及无论燃料中的生物燃料的含量和类型如何，都能保持添加剂微粒过滤器的正确工作。
-基于设置在后处理系统下游的NOx传感器的后控制，以便注入合适量的反应剂，从而保证氧化氮的转化。
根据燃料中的生物燃料的含量和类型，利用添加剂微粒过滤器的微粒后处理所使用的添加剂的非优化添加导致添加剂箱的尺寸过大，或导致更频繁地填充此添加剂箱。车辆上的体积约束限制了可用于添加剂箱的体积。另一方面，制造商希望在添加剂箱的两次填充之间的公里间隔尽可能地大并且不以驾驶员为条件。过量添加剂的使用不符合体积约束，也不符合两次填充之间的间隔约束。
基于设置在后处理下游的NOx传感器的DeNOx系统的后控制是被动的且修正的控制而不是预防性控制，事实上，如果传感器检测到NOx的浓度大于目标值，那么调节可增加反应剂比率，相反地，当传感器检测到NOx浓度小于目标值时，可限制反应剂比率。燃料中的生物燃料的含量和类型负面地影响围绕目标值振荡的振幅和达到此目标值所需要的调节时间；这导致污染物排放的暂时增加。
从2000年开始，添加剂微粒过滤器变成柴油车辆去除污染的主要解决方法，从2004年开始，使用例如AdBlue反应剂的DeNOx系统越来越多地装备在柴油车辆上。
防污染标准越来越严格，并且，对于每个售出的车辆或发动机，在其整个使用周期中以及在确保最低附加成本的同时，车辆和发动机制造商必须不断地减少废气(例如氧化氮和微粒)的常规排放。
因此，存在这样的需求：通过考虑燃料中的生物燃料的容量和/或类型来改进柴油机的注入、燃烧和后处理的管理。
文献US2004000275涉及燃料注入系统，该系统对车辆提供估计其本身系统中的燃料的能力，其能够改进注入参数。该系统被限制于改进注入参数调节，并被定向为朝着控制点火发动机的燃料处理。此外，本文献没有描述燃料质量的车载测量方法。
文献WO 94/08226涉及通过近红外光谱确定燃料特性的车载方法。该方法不包括确定注入柴油机的燃料中的生物燃料比率，并且不提供用于最小化源处的污染物并且优化发动机后处理参数的任何作用。
文献“用于柴油机控制的流体状态监测传感器”公开了能够知道汽油中的“FAME”(脂肪酸甲酯(fatty methyl ester))的比率的车载系统。近红外技术的主要缺点在于光源的较短的使用寿命，其仅部分满足由(例如)车辆市场施加的耐用性限制。此外，该方法需要一次性传感器，其专用于测量柴油机中生物燃料比率或测量汽油机中的乙醇比率，从而意味着专用于解决唯一问题的附加成本。
文献WO 02095376使得根据分析排出的气体而控制发动机工作模式。这种方法在必须符合(例如)车辆市场的耐用性要求的排气管路上使用传感器，并且在尤其困难的环境中(例如，酸性气体)使用此传感器；这导致成本显著增加。另一方面，按照定义，根据排出的气体的分析对发动机参数的控制是被动的和在后的控制，这导致在短暂状态下的排放的存在。
文献WO2006100377公开了通过用近红外装置测量燃料的分子结构的内燃机的优化。本发明不需要考虑这种分子结构的细节，但是涉及化学功能的特性、化学化合物族的特性和分子族的识别的特性，允许知道燃料中的生物燃料的比率和类型。
发明内容
本发明旨在通过提供基于燃料中的生物燃料的含量和类型后定位注入、燃烧和后处理参数的方法来满足确定与燃料/污染物排放一致的燃料中的生物燃料的含量和类型的需求。
为此目的，本发明一方面允许根据燃料的生物燃料的含量和类型预定位注入和燃烧参数以便最小化源处的污染物排放，另一方面允许优化后处理参数以便在确保更好地管理后处理的催化剂、添加剂和反应剂的同时最小化车辆出口处的污染物排放。
根据本发明的方法适于任何类型的生物燃料(油菜、棕榈、向日葵等的甲酯或乙酯，以及第二代生物燃料和未来的生物燃料)。
这种方法包括：
-确定燃料中的生物燃料含量的步骤，和/或
-确定燃料中的生物燃料类型的步骤，
-根据燃料中的生物燃料的含量和类型来修改注入调节(例如，注入提前量、注入次数、注入持续时间、燃料的引入比率、增压管理(所允许的空气的比率，压力和温度)、在具有可变几何形状的涡轮机情况中的涡轮机的分配器的截面变化)的步骤，
-根据燃料中的生物燃料的含量和类型来修改燃烧调节(例如，废气再循环(EGR)的比率、EGR的冷却、在具有可变压缩比率的发动机的情况中的压缩率、增压调节(例如，所允许的空气的比率、压力和温度))的步骤。
-根据燃料中的生物燃料的含量和类型来修改后处理调节(例如，对DeNOx处理所注入的反应剂的量、对于通过添加剂微粒过滤器对微粒的处理所注入的添加剂的量、对烟灰的后氧化所加入的氧气的量)的步骤。
-存储与燃料中的生物燃料的含量和类型相关的信息的步骤。
以预定频率和/或在出现事件时应用本方法。至少在每次填充燃料时应用本方法，本方法由燃料表(jauge àcarburant)指示的燃料水平的显著正变化引导开始。
本方法的执行意味着预先校准注入、燃烧和后处理的规则(lois)、参数以及图(cartographie)。此校准允许对发动机控制定义不同的策略，以便考虑燃料中的生物燃料的含量和/或类型。
通过存储与燃料中的生物燃料的含量和/或类型相关的信息，该方法允许通过优化注入、燃烧和后处理参数并且考虑最后存储的与燃料中的生物燃料的含量和/或类型相关的信息，最小化冷起动时的污染物排放。
该方法允许使来自根据本发明的确定燃料中的生物燃料的比率和类型的信息和来自其它传感器(更具体地，设置在后处理位置下游的NOx传感器)的的信息一致，以便确定这些传感器的正确工作，或者如有必要，将这些传感器中的一个或多个失效通知OBD(车载诊断)。
根据具体的实施方式，通过传感器来确定燃料中的生物燃料的含量和/或类型。该传感器设置在燃料电路上，该燃料回路包括填充系统、燃料箱、泵量表模块(module jauge pompe)、一个或多个燃料过滤器、发动机燃料供应回路和返回燃料箱的回路。
根据具体的实施方式，能够确定燃料中的生物燃料的含量和/或类型的传感器基于使用近红外技术的光谱分析。事实上，近红外分析更具体地非常适于燃料的定性诊断，因为近红外分析是非常灵敏的方法，并且，近红外光谱可被认为是产物(produit)的“DNA”。另外，近红外分析是具体可重复的。
另外，近红外技术允许使用不具有散射网络类型的移动部件、傅立叶变换、发光二极管和其它装置的光谱仪。这些技术可被小型化。排放和检测系统可通过光纤彼此连接。因此，近红外技术具有以下优点：可轻松地集成在车辆上、具有很好的耐用性，这意味着具有低成本。
可引用近红外的参考文献，例如，L.G.WEYER于1985年公布的文献，或1992年公布的“近红外分析手册”，或者更加具体出版物，例如Jerome WORKMAN Jr.于1996年或M.VALLEUR于1999年公开的文章中介绍的石化或精制中的光谱应用。
通过数学处理提取包含于燃料的近红外光谱中的信息，该数学处理允许确定燃料中的生物燃料的含量/或类型。为了最小化发动机的污染物排放，燃料的含量和/或类型的此确定被考虑用于对注入、燃烧和后处理调节进行优化。
根据具体的实施方式，通过确定产物的分子结构来计算生物燃料的比率和/或类型。事实上，产物的分子结构提供极其精细的细节水平，允许例如通过从分子结构的分析突出(mise en évidence)酯族来精确理解生物燃料的特性(例如，化学组或化学族)。
附图说明
参照附图，在以下的描述过程中，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。
图1是发动机中的燃料供应回路的示意图，其中，通过传感器的一个实施例执行根据本发明的方法。
图2是发动机中的燃料供应回路的图示，其中，指示传感器的可能定位。
图3是示出了方法的步骤，尤其示出了确定燃料中的生物燃料的含量和/或类型的步骤以及调节发动机以最小化污染物排放的步骤的图示。
具体实施方式
参照图1，描述了用于最小化装备有热发动机(moteurthermique)的车辆的污染物排放的方法，考虑到了当调节注入、燃烧和后处理时在燃料中的生物燃料的含量和/或类型。
由包括燃料箱2、燃料箱填充系统3和燃料供应回路4的燃料回路1对发动机供应燃料。所述燃料回路例如包括一个或多个燃料泵5、一个或多个燃料过滤器6和返回燃料箱的回路7。
根据图1所示的实施方式，光谱传感器8设置在燃料回路1中，并且连接至电子或数字系统13，所述电子或数字系统允许在管理注入、燃烧和后处理参数时使用燃料中的生物燃料的含量和/或类型。
在近红外分析的情况中，传感器由光源9、分光系统、燃料采样单元10、光敏检测系统11和专用计算器12组成。可以通过光纤转移(délocaliser)光谱仪的其它部件的采样系统。专用计算器12能够控制测量顺序，并能调节和控制传感器8的正确工作。计算器12包含数学模型，该数学模型能够执行所有与近红外光谱的处理相关的计算，该红外光谱能够自诊断测量系统并且能够确定燃料中的生物燃料的含量和类型。计算器12连接至电子或数字系统13，对注入、燃烧和后处理，该电子或数字系统允许通过发动机控制来使用与生物燃料的含量和/或类型相关的信息。此电子或数字系统控制调节致动器A。可由电子或数字系统13确保并直接执行由计算器12实现的功能。
在近红外的情况中，传感器8可无区别地包括唯一的光源和唯一的检测器、或多个光源和唯一的检测器、或唯一的光源和多个检测器、或多个光源和多个检测器。更具体地，在近红外的情况中，其可使用干涉过滤器、布拉格阵列、扩散式网络、液晶、傅立叶变换系统或用于分光的线性照相机。微量分析器8可具有顺序存取或多路存取。
传感器8可以是由数百个光电二极管组成的近红外条式光谱仪，每个光电二极管记录给定波长的光强度。传感器8内部的检测器是基于硅(Si)或复杂类型的合金(InGaAs、InAs、InSb、PbS、PbSe)的高度敏感的半导体或者是CMOS或CCD类型的元件。该检测器可以是冷却检测器或不冷却检测器。
传感器8可设置在燃料箱中(图2中的位置P1)，可设置在燃料箱填充系统处(图2中的位置P2)，可设置在泵量表模块中(图2中的位置P3)，可设置在发动机的燃料供应回路中。在最后一种情况中，传感器8可设置在泵5和过滤器6之间(图2中的位置P4)，可设置在燃料过滤器中(图2中的位置P5)或设置在燃料过滤器的下游(图2中的位置P6)。传感器也可设置在燃料返回回路中(图2中的位置P7)。
布置传感器8，以便在780至2500纳米(12820cm-1至4000cm-1)之间的光谱区域中进行测量。例如，可以设置连续的测量范围，即在780纳米至1100纳米(12820cm-1至9090cm-1)之间、1100纳米至2000纳米(9090cm-1至5000cm-1)之间，以及2000纳米至2500纳米(5000cm-1至4000cm-1)之间。为此目的，布置采样系统，以便具有在0.5毫米至100毫米之间的光程(即具有产品的厚度，通过该厚度实现测量)，即，第一种情况中光程对应于50毫米至100毫米的波长范围，第二种情况中光程对应于10毫米至20毫米的波长范围，以及最后一种情况中光程对应于0.5毫米至5毫米的波长范围。
布置传感器8，以便通过反射、透射或吸收实现发动机供应燃料回路中循环的燃料的近红外光谱。
传感器8具有可从1cm-1至20cm-1调节的光谱分辨率(精度)，其优选地是4cm-1。
光学系统和传感器采样系统8也可以是自洁式的，这能够避免为了对其进行清洁而将其拆卸。
例如，在所考虑的波长区域中吸收时测量燃料的近红外光谱。根据化学计量学(chimiométrie)的已知规则，对每个所选波长所测量的吸收值被引入预先校准(calibrés)在参考数据库上的通用的数学和统计模型中，以便对多输入矩阵提供信息，该多输入矩阵允许确定燃料中的生物燃料的含量和类型。
将此定性信息提供至发动机控制，该发动机控制根据生物燃料的含量和类型而修改注入、燃烧和后处理调节(参数选择、规则(lois)和图(cartographies))以便为了最小化发动机的污染物排放而优化调节。
通过电子或数字系统根据被不同传感器和检测器收集的以及也被传感器8收集的常规信息来选择发动机的注入、燃烧和后处理的最佳参数选择、规则和/或图，传感器8现在向电子或数字系统提供关于燃料中存在的生物燃料的含量和/或类型的信息。
可选择发动机的参数选择、规则和图，以便将废气排放限定到发动机的iso规格，或者以便提高具有iso排放的发动机的性能。
可通过传感器8随着时间有规律地确定燃料中的生物燃料的含量和类型。
根据具体的实施方式，也可在燃料箱2中设置燃料体积检测器。因此，传感器8的开始测量被控制为每当填充燃料箱(燃料箱中的容积增加)时发生。
使用存储与生物燃料的含量和/或类型相关的信息的步骤，以便形成生物燃料的该含量和该类型的历史记录。在起动发动机时，所存储的生物燃料的最后含量和最后类型用于发动机控制，以便根据生物燃料的含量和类型调节注入、燃烧和后处理的参数选择、规则和图。
根据本发明的方法包括自诊断系统，其能够确保传感器8的正确工作。在传感器8失效的情况中，自诊断系统检测故障并向负责发动机控制的数字或电子系统通知所述故障。在这种情况下，该电子或数字系统进行以下操作：
-系统假设燃料中的生物燃料的含量和/或类型是最不利的，并由此调节注入、燃烧和后处理的参数、规则和图，以便最小化损害性能的污染物排放；
-系统将传感器8的失效通知给OBD(“车载诊断”)；
-系统将传感器8的失效通知给发动机的使用者或负责其维修的公司。
图3示出了方法的各个步骤：
-步骤A：收集燃料的近红外光谱；
-步骤B：应用于近红外光谱的传感器进行自诊断；
-步骤C：使生物燃料的含量和/或类型的确定状态与诊断集中系统通信(车载诊断)；
-步骤D：通过应用于燃料的近红外光谱的数学处理确定燃料中的生物燃料的含量和/或类型；
-步骤E：在传感器有效的情况中，将与生物燃料的含量和/或类型相关的信息传递至负责发动机控制的数字或电子系统；
-步骤F：通过负责发动机控制的数字或电子系统选择或修改合适的参数、规则和/或图；
-步骤G：根据合适的参数、规则和/或图来调节发动机。

Claims (19)

1.一种调节带有自动点火的内燃机的注入、燃烧和/或后处理参数的方法，其特征在于，所述方法包括通过光谱传感器确定供应给注入系统的燃料中存在的生物燃料的分子结构来计算其含量和类型的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光谱传感器是近红外传感器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据供应给发动机的燃料中存在的生物燃料的含量和/或类型来调节后处理反应剂和/或添加剂的注入比率的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据供应给发动机的燃料中存在的生物燃料的含量和/或类型来调节至少一个注入参数的步骤，所述注入参数诸如是注入提前量、注入次数、注入持续时间、燃料的引入比率、增压管理、在具有可变几何形状的涡轮机情况下涡轮机的分配器的截面变化，所述增压管理诸如是所允许的空气的比率、压力和温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据供应给柴油发动机的燃料中存在的生物燃料的含量和/或类型来调节至少一个燃烧参数的步骤，所述燃烧参数诸如是废气再循环(EGR)的比率、再循环废气的冷却、在具有可变压缩比率的发动机的情况中的压缩率、以及阀的打开和关闭，以便最小化源处的污染物排放。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括存储与燃料中的生物燃料的含量和/或类型相关的信息并在存储器中记录生物燃料的该含量和该类型的历史记录的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，最后存储的信息被再次用于预置注入、燃烧和后处理参数，以便最小化车辆起动时的污染物排放。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定燃料中的生物燃料的含量和/或类型的所述步骤以及预置并优化注入、燃烧和后处理参数的步骤被周期性地执行和/或根据负责管理发动机控制的数字或电子系统(13)的命令执行和/或当执行燃料箱(2)的新的填充时执行。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过设置在燃料回路上的近红外传感器(8)来确定燃料中的生物燃料的含量和/或类型，所述燃料回路包括燃料箱填充系统、燃料箱(2)、泵量表模块、一个或多个燃料过滤器(6)、发动机燃料供应回路以及返回燃料箱的回路。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述传感器(8)是自洁式的。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定燃料中的生物燃料的含量和类型的所述步骤包括所述传感器(8)的有效性的自诊断和所确定的生物燃料的含量和/或类型的自诊断。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，当诊断到传感器的故障或诊断到错误确定生物燃料的含量或类型时，管理发动机控制的系统考虑燃料中的最不利的生物燃料的含量和类型，并安全地调节注入、燃烧和后处理参数，以便最小化损害发动机性能的污染物排放的危险。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述传感器组件的正确运行，或者如有必要，为了将所述传感器中的一个或多个失效通知给OBD(车载诊断)，使由确定燃料中的生物燃料的含量和/或类型得到的信息与来自其它已有传感器的信息一致并相比较。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，当发现一个或多个传感器的故障时，通过视觉或声音报警的方式通知车辆的使用者。
15.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，当发现一个或多个传感器的故障时，通过无线通信通知负责车辆维修的公司。
16.一种机动化系统，包括带有自动点火的内燃机、燃料箱(2)、泵量表模块、至少一个燃料过滤器(6)、发动机燃料供应回路和返回燃料箱的回路(7)，其特征在于，所述机动化系统还包括设置在燃料回路上、用于确定燃料中的生物燃料的分子结构来计算其含量和类型的光谱传感器(8)。
17.根据权利要求16所述的机动化系统，其特征在于，所述光谱传感器是近红外传感器。
18.一种用于实施根据权利要求1至13所述的方法的设备，其特征在于，所述设备包括设置在燃料回路上的光谱传感器(8)和用于确定燃料中的生物燃料的含量的计算器。
19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述光谱传感器是近红外传感器。
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