CN103890341B - 计算发动机排放的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

可从发动机的负荷和自发动机的排气体积确定诸如柴油发电机的发动机的排放输出。对于所测量的发动机负荷，可计算诸如氮氧化物（NOx）的化学品。计算可包括从空气压力测量值和涡轮压缩机速度测量值来确定发动机中的空气流量。计算还可包括通过从已知的测试结果导出燃料流量来确定进入发动机的气体流量。可使用计算的排放输出来确保发动机符合环境法规。当发动机未能符合环境法规时，远程监视程序可生成警报。

Description

计算发动机排放的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年8月16日提交的、授予Douglas Robertson等人的名称为“Measurement of Diesel Engine Emissions（柴油机排放测量）”的美国临时申请No. 61/524,053的优先权，该申请以引用的方式合并到本文中。
技术领域
本申请涉及环境测试。更具体而言，本申请涉及船用柴油机的排气测试。
背景技术
发动机通常通过燃烧燃料而发电。在发动机中在燃烧期间发生的化学反应，除了发电外，还形成具有多种化合物的排气。化合物从发动机排放到环境中。但是，各地政府部门常常调控化合物到环境中的排放。例如，在美国，环境保护署（EPA）可以调控特定化学品到环境中的释放。
柴油机在燃烧期间生成氮氧化物（NOx），其通过柴油机的排气系统释放。由EPA来监视NOx，这对于可排放到环境中的NOx量设置限制。但是，NOx为发动机（无论是柴油机还是其它发动机）所产生的多种化学品中的仅一种，其受到监视和限制。由发动机释放的排气和化学品量随发动机的操作条件而不同。例如，由发动机生成的排气可关于置于发动机上的负荷而不同。
当至电网的连接不可用或不起作用时，柴油机常常用作发电机。例如，柴油发电机可用在船上和海上平台上以生成用于船载和平台上电气装置的电力。但是，当用作发电机时，柴油机可能经受可变的负荷。图1为示出钻机的发电机的负荷随着时间快速变化的曲线图。曲线图100中的线102示出了y轴上以千瓦为单位的发电机的负荷与x轴112上以秒为单位的时间。当柴油机上的负荷快速变化时，由柴油机生成的排气也快速地变化。
发明内容
根据一实施例，一种方法包括：确定发动机的负荷。该方法还包括：确定发动机的排气体积。该方法还包括：部分地基于负荷、排气体积和化学品的密度来计算从发动机排放的化学品量。
根据另一实施例，一种计算机程序产品包括：非暂时性计算机可读介质，其具有用来确定发动机的负荷的代码。该介质还包括确定发动机的排气体积的代码。该介质还包括用来部分地基于负荷、排气体积和化学品的密度来计算从发动机排放的化学品量的代码。
根据又一实施例，一种设备包括功率计，其联接到发动机的输出。该设备还包括联接到发动机的发动机监视器。该设备还包括存储器。该设备还包括处理器，其联接到功率计并且联接到发动机监视器并且联接到存储器。该处理器被配置成从功率计来确定发动机的负荷。该处理器还被配置成从发动机监视器来确定发动机的排气体积。处理器还被配置为：部分地基于负荷、排气体积和化学品密度来计算从发动机排放的化学品量。
前文的描述相当概括性地叙述本公开的特点和技术优点以能更好地理解下面的本公开的详细描述。本公开的额外特点和优点将在下文中描述，其形成本公开的权利要求的主题。本领域技术人员应了解所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用来执行本公开相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，这样的等效构造并不偏离如所附权利要求所阐述的本公开的精神和范围。在结合附图考虑时，从以下描述可以更好地理解被认为是本公开的特征的、关于其组织和操作方法的新颖特点以及另外的目的和优点。但是，应当明确地理解，附图中的每一个仅仅为了说明和描述目的提供并且不意图限定对本公开的限制。
附图说明
为了更全面地理解本发明，现结合附图来参考以下描述。
图1为示出了钻机的发电机的负荷随着时间快速变化的曲线图。
图2为示出了根据本公开的一实施例用来计算发动机排放的方法的流程图。
图3为根据本公开的一实施例用于发动机的涡轮增压器的压缩机特性线图。
图4为示出根据本公开的一实施例获得用于计算发动机排放的值的方法的流程图。
图5示出了根据本公开的一实施例用来计算发动机的排放的设备的框图。
图6为根据本公开的一实施例用来记录发动机的排放的计算机程序的屏幕截图。
图7为示出根据本公开的一实施例的计算机系统的框图。
具体实施方式
发动机例如柴油机的排放可通过测量从发动机和/或其它部件得到的参数并且使用那些参数来计算排放量而确定。该量可为例如由发动机生成的以克每千瓦小时为单位的输出的值。由发动机排放的不同化学品量可从相关化学品的密度、发动机负荷、排气体积和/或其它参数来确定。在一实施例中，氮氧化物（NOx）排放量从发动机负荷和从发动机排放的排气体积来确定。
图2示出了根据本公开的一实施例用来计算发动机排放的方法的流程图。方法200始于框202，确定发动机的负荷。根据一实施例，发动机轴负荷可从电气配电板负荷来计算。根据另一实施例，发动机总负荷为发动机轴负荷。
方法200继续至框204，确定自发动机的排气体积。排气体积可从一种或多种组分诸如像燃料流量与空气流量之和来确定。
根据一实施例，可部分地基于发动机增压空气压力从压缩机特性线图来确定空气流量并且利用涡轮压缩机速度来验证。空气压力和涡轮压缩机速度可由发动机监视器传感器来测量并且报告给处理器。处理器可被配置成存取在存储器中存储的压缩机特性线图。存储器可包括多个压缩机特性线图，每个压缩机特性线图适于特定发动机。图3为根据本公开的一实施例的涡轮增压器的压缩机特性线图。曲线图300可包括具有增加的空气压力值的x轴304。曲线图300还可包括具有增加的涡轮压缩机旋转阀的y轴302。曲线图300的线310可连接y轴302上的空气压力比与x轴304上以m /s为单位的涡轮压缩机空气流量。
已知以g/kW*hr为单位的燃料消耗和测量的发动机负荷，可基于发动机测试台结果来确定燃料流量。例如，在更高负荷下，发动机消耗额外燃料。根据一实施例，对于具有高空气流量与燃料流量比（例如，25: 1至75: 1）的发动机而言，用于不同发动机负荷的燃料流量数量的查找表可存储于存储器中并供参考。因为空气流量与燃料流量的比很高并且燃料流量与空气流量相比较低，所以燃料流量数量中的误差并未给排气体积的计算引入较大误差。因此，查找值，尽管是基于估计而不是基于实际测量，可用来确定燃料流量而不会给排气体积确定添加较大误差。根据另一实施例，具有空气流量与燃料流量较低比例的发动机可具有发动机监视器用来连续地或以规定的间隔地测量燃料流量。
返回参考图2，然后该方法200继续到框206，部分地基于负荷、排气体积和化学品密度来计算从发动机排放的化学品量。所计算的量可从下面的公式来确定：
Q =ρ/L*VE,
其中Q为以克每千瓦小时为单位的量，ρ为相关化学品的密度，L为发动机的负荷，并且VE为发动机所生成的排气体积。密度ρ可如下来计算：
ρ = ppm*k*MW/T,
其中ppm为化学品的百万分之几的浓度，k为比例常数，MW为化学品的摩尔重量，并且T为排气温度。根据一实施例，可通过设置MW = 46.01和k = 12.187来计算氮氧化物（NOx）的排放量。
可持续为发动机执行图2的方法200以计算自发动机的持续排放。根据另一实施例，该方法200可以限定采样率的离散时间间隔执行。采样率可以被选择在足以捕获发动机负荷变化的频率。例如，如果发动机负荷快速变化，那么采样率可高于发动机负荷相对恒定时。根据一实施例，采样率可为每分钟两次，或者每30秒一次测量。
图4为示出根据本公开的一实施例获得用来计算发动机排放的值的方法400的流程图。化学品诸如氮氧化物（NOx）的具体密度在从框402接收化学品的排放浓度和从框404a接收发动机室或空气入口温度之后在框406处计算。在框406处确定的具体密度被传递到框424用于计算化学品的排放量。
在框408，在从框404b接收千瓦（KW）读数之后计算轴KW读数。框404b可接收例如自电气配电板的kW读数或者在发动机轴处的测量。kW读数被传递到框424以用来计算化学品的排放量。
在框410，在从框404c接收了空气压力，从框404d接收了空气温度和从框404e接收了E.R.压力之后计算空气流量值。在框414，利用从框404g所接收的涡轮压缩机速度来计算空气流量。在框416比较框410的空气流量计算结果与框414的空气流量计算结果。在框418，判断框410的计算结果和/或框414的计算结果是否在特定范围内。例如，框418可测试该计算结果是否在彼此的百分之五内。如果在框418计算结果在该范围之外，那么在框420可对涡轮压缩机执行彻底检修。在彻底检修后，可再次执行计算。如果在框418处的计算结果在该范围内，那么在框422从空气流量计算气体流量。
在框422的气体流量计算可部分地基于在框410和/或框414计算的空气流量。在框422气体流量的计算也可部分地基于在框412计算的燃料流量值。根据一实施例，在框412计算的燃料流量可从框404f所接收的燃料流量测试结果导出。如上文所描述的那样，当空气流量与燃料流量的比较高时，从测试结果导出燃料流量而引入的误差可能不会对自发动机的排放的计算的误差造成较大影响。
在框424，可部分地基于在框406从具体密度计算接收的值、在框408计算的轴读数和在框422计算的气体流量来计算排放量。根据一实施例，可根据以下公式来执行计算：
Q = P / L * VE,
如上文参考图2所描述。所得到的值可为以克每千瓦小时为单位的量。
图5为示出了根据本公开的一实施例用来计算发动机的排放的设备的框图。系统500包括发动机502并且包括用来确定自发动机502的排放量的处理器514。处理器514可联接到发动机监视器508用来接收空气压力、空气温度和/或涡轮压缩机速度值。发动机监视器508可包括多个传感器，或者联接到在发动机502内的多个传感器，诸如压力计和/或温度计。根据一实施例，处理器514可通过三个单独的信号线联接到发动机监视器508。根据另一实施例，处理器514可通过通讯总线，例如RS-232总线或以太网总线联接到发动机监视器508。尽管在图5中示出了仅一个发动机502，诸如在钻机上的系统可包括串联或并联的多于一个发动机502。
处理器514也可联接到位于发动机502附近或位于发动机502中的周围环境传感器510。周围环境传感器510可包括用来确定周围温度、周围空气压力和/或相对湿度的传感器。
处理器514还可联接到组分分析仪512。组分分析仪可位于联接到发动机502的排气系统中或者位于发动机502的排气系统的通风口附近。组分分析仪512可包括用来检测排气组分的一个或多个传感器。例如，组分分析仪512可包括用来检测氮氧化物（NO和/或NO2）、一氧化碳和二氧化碳（CO和/或CO2）、氧化硫（SO和/或SO2）、水（H2O）和/或微粒物质的浓度的传感器。
处理器514也可联接到发动机管理系统516。发动机管理系统516可确定并且记录与发动机502的操作有关的参数。例如，发动机管理系统516可监视发动机功率、空气压力、空气温度和/或涡轮压缩机速度。
处理器514还可联接到功率监视器504。功率监视器504可联接到功率计506，诸如瓦特计、伏特计和/或安培计，其联接到发动机502的输出端。根据一实施例，功率监视器504可为电气配电板，或者功率监视器504可联接到包括量表506的电气配电板。
处理器514也可联接到存储器，存储器具有表518，表518存储用来确定自发动机502的排放量的用户输入值。例如，表518可包括发电机效率和/或燃料流量。用于表518的值可由用户存储于在联接到处理器514的存储器（未图示）中存储的数据库中。用户可通过输入装置诸如触垫、键盘和/或鼠标来输入值。根据一实施例，用于表518的值可由用户通过网络连接诸如因特网连接来设置。
处理器514还可联接到校准表520。校准表520可存储用来校准由处理器514执行的计算和/或校准从发动机监视器508、组分分析仪512、周围环境传感器510和/或功率监视器504接收的测量的零值和/或跨度值。根据一实施例，表520可包括用于被监视的排气的每种化学品的零值和跨度值。例如，表520可包括用于氮氧化物的零值和跨度值，和用于二氧化碳的零值和跨度值。
处理器514和框504、508、510、512、516、518和520中的一个或多个可合并到用来监视自发动机的排气的设备内。该设备可与一个或多个发动机一起实施以监视自发动机的排气中的排放用于监视或报告用于调控目的。
由处理器514执行的排放计算可远程监视。远程监视程序可从处理器514接收排放计算结果和由处理器514从框504、508、510、512、516、518和520接收的其它值。图6为根据本公开的一实施例用来监视和/或记录发动机排放的计算机程序的屏幕截图。窗口600可允许查看数据，诸如发动机的排放值和操作参数。例如，窗口400可包括用于维护计划、维护历史、警报历史、隔离点、标签、制造者信息、规格、维护程序和/或检查和测量的显示。检查和测量标签608可被选择为在窗口600中显示关于至少一个发动机的数据。在选择了标签608之后，可显示一种或多种化学品的排放值。例如，窗口600的行610显示对于发动机所确定的NOx浓度。行610可显示从处理器，诸如图5的处理器514接收的数据，其可根据图2的方法200计算。
根据一实施例，可通过窗口600的远程监视程序来设置警报以向工程师警示发动机的潜在问题。例如，当NOx浓度降低到低于5 g/kW-hr或超过14.5 g/kW-hr时可设置警报。警报范围可部分地基于法规来设置。例如，警报值可设置为比环境法规所允许的排放更窄使得在违反环境法规之前警示工程师排放问题，违反环境法规可导致发动机的操作者罚款。当确定的NOx浓度高于或低于警报设置点时，生成警报消息并且传输给工程师。警报消息可为文本消息、寻呼机通知、电子消息、警报器和/或指示灯。
根据另一实施例，可通过窗口600的远程监视程序来设置有效范围以向工程师警示传感器或计算具有潜在问题。例如，对于在5g/kW-hr与30 g/kW-hr之间的NOx浓度，可设置有效范围。当确定的NOx浓度高于或低于有效范围时，可传输通知，类似于警告消息。根据一实施例，在有效范围之外的通知可具有低于警告消息的优先权。因此，有效范围之外的通知可具有较低紧急的通知系统。
计算机系统可用于显示图6的窗口600并且通过窗口600接收用户输入。图7示出了计算机系统700。中央处理单元（“CPU”）702联接到系统总线704。CPU 702可为通用CPU或微处理器、图形处理单元（“GPU”）和/或微控制器。本实施例并不受到CPU 702的架构限制，只要CPU 702（无论是直接地还是间接地）支持如本文所描述的模块和操作。CPU 702可执行根据本实施例的各种逻辑指令。
计算机系统700也可包括随机存取存储器（RAM）708，其可为同步RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）和/或同步动态RAM（SDRAM）。计算机系统700可利用RAM 708来存储由软件应用程序使用的各种数据结构，诸如警报值和有效范围值。计算机系统700还可包括只读存储器（ROM）706，只读存储器706可为PROM、EPROM、EEPROM或光学存储装置。ROM可存储用来启动计算机系统700的配置信息。RAM 708和ROM 706保持用户和系统数据。
计算机系统700还可包输入/输出（I/O）适配器710、通信适配器714、用户接口适配器716和显示器适配器722。I/O适配器710和/或用户接口适配器716可在某些实施例中允许用户与计算机系统700互动。在另一实施例中，显示器适配器722可显示图形用户接口，诸如图6的窗口600，与显示装置424诸如监视器或触摸屏上的软件或基于web的应用程序相关联。
I/O适配器710可将一个或多个存储装置712，诸如一个或多个硬盘驱动器、闪存驱动器、光碟（CD）驱动器、软盘驱动器和磁带驱动器联接到计算机系统700。通信适配器714可适于将计算机系统700联接到网络，网络可为LAN、WAN和/或因特网中的一个或多个。通信适配器714可适于将计算机系统700联接到存储装置712。用户接口适配器716将用户输入装置，诸如键盘720、点击装置718和/或触摸屏（未图示）联接到计算机系统700。显示器适配器722可由CPU 702驱动以控制在显示装置724上的显示。
本公开的申请并不限于计算机系统700的架构。而是计算机系统700被提供为可适于执行用户接口装置的功能的一种类型计算装置的示例。例如，可利用任何合适的基于处理器的装置，包括（但不限于）个人数字助理（PDA）、平板计算机、智能手机、计算机游戏控制台和多处理器服务器。此外，本公开的系统和方法可以在专用集成电路（ASIC）、超大规模集成（VLSI）电路或其它电路上实施。实际上，本领域技术人员可利用能执行根据所描述的实施例的逻辑操作的多种合适结构。
如果实施于固件和/或软件中，在上文中诸如在图2和图4中所描述的功能可作为一个或多个指令或代码存储于计算机可读介质上。示例包括用数据结构编码的非暂时性计算机可读介质和用计算机程序编码的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可为能由计算机存取的任何可用的介质。举例而言并且无限制意义，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光碟存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置或可用来存储指令或数据结构形式的所希望的程序代码并且可由计算机存取的任何其它介质。如本文所用的盘和碟包括光碟（CD）、激光碟、光盘、数字通用碟（DVD）、软盘和蓝光碟，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光碟以光学方式再现数据。上述的组合也可包括于计算机可读介质的范围内。
除了存储于计算机可读介质上之外，指令和/或数据可提供为在包括于通信设备中的传输介质上的信号。例如，通信设备可包括收发器，其具有指示指令和数据的信号。指令和数据被配置成使得一个或多个处理器实施权利要求所概述的功能。
尽管详细地描述了本公开和其优点，应了解在不偏离所附权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下能对本公开做出各种变化、替代和更改。此外，本申请的范围并不意图限于说明书中所描述的过程、机器、制造，物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员已从本公开的内容容易了解到目前存在或者后来发展的执行与本文所述的相对应实施例基本上相同功能或实现基本上相同结果的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤可根据本公开来利用。因此，所附权利要求意图在其范围内包括这些过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。

Claims (14)

1.一种用于计算发动机排放的方法，包括：
确定发动机的第一负荷；
至少部分地基于空气压力传感器测量、空气温度传感器测量和涡轮压缩机速度传感器测量来确定第一负荷下发动机的排气流量；以及
部分地基于第一负荷、排气流量和化学品密度来计算从发动机排放的化学品的第一量，所述计算通过以下公式进行：Q =ρ/L*VE, 其中Q为以克每千瓦小时为单位的从发动机排放的化学品的第一量，ρ为相关化学品密度，L为第一负荷，以及VE为排气流量。
2.根据权利要求1所述的用于计算发动机排放的方法，还包括：
确定发动机的第二负荷；
确定第二负荷下发动机的第二排气流量；以及
部分地基于第二负荷、第二排气流量和化学品密度来计算从发动机排放的化学品的第二量，
其中以部分地由采样率限定的离散时间来执行第二负荷的确定和第一负荷的确定。
3.根据权利要求1所述的用于计算发动机排放的方法，其中，确定第一负荷的步骤包括下列中的至少一个：从电气配电板确定负荷、从发动机轴确定负荷和从发电机效率测量负荷。
4.根据权利要求1所述的用于计算发动机排放的方法，其中，确定排气流量的步骤包括：
确定空气流量；以及
确定燃料流量，其中确定排气流量至少部分地基于确定的空气流量和燃料流量。
5.根据权利要求4所述的用于计算发动机排放的方法，其中，确定空气流量的步骤包括部分地基于发动机排气的压力比和发动机的涡轮压缩机的旋转速率来确定空气流量。
6.根据权利要求5所述的用于计算发动机排放的方法，其中，确定空气流量的步骤包括从涡轮增压器的压缩机特性线图来确定空气流量。
7.根据权利要求4所述的用于计算发动机排放的方法，其中，确定燃料流量的步骤包括在燃料流量表中查找值。
8.根据权利要求1所述的用于计算发动机排放的方法，其中，计算化学品量的步骤包括计算氮氧化物（NOx）的量。
9.根据权利要求1 所述的用于计算发动机排放的方法，还包括：当化学品量超过第一值时生成警报。
10.一种用于计算发动机排放的设备，包括：
功率计，其联接到发动机的输出端；
发动机监视器，其联接到发动机， 所述发动机监视器包括：
空气压力传感器；
空气温度传感器；以及
涡轮压缩机速度传感器；
存储器；以及
处理器，其联接到功率计、联接到发动机监视器并且联接到存储器，
其中所述处理器被配置成：
从功率计来确定发动机的第一负荷；
从发动机监视器来确定发动机的排气流量；以及
部分地基于第一负荷、排气流量和化学品密度来计算从发动机排放的化学品量，所述计算通过以下公式进行：Q =ρ/L*VE, 其中Q为以克每千瓦小时为单位的从发动机排放的化学品量，ρ为相关化学品密度，L为第一负荷，以及VE为排气流量。
11.根据权利要求10所述的用于计算发动机排放的设备，其中，所述处理器被配置成部分地基于发动机中的空气流量和发动机中的燃料流量来确定发动机的排气流量。
12.根据权利要求11所述的用于计算发动机排放的设备，其中，所述处理器被配置成：
从空气压力传感器接收空气压力测量值；
从涡轮压缩机速度传感器接收涡轮压缩机速度；以及
部分地基于空气压力测量值和涡轮压缩机速度来确定空气流量。
13.根据权利要求12所述的用于计算发动机排放的设备，其中，所述处理器被配置成：
部分地基于存储于存储器中的涡轮增压器的压缩机特性线图来确定空气流量；以及
部分地基于存储于存储器中的发动机的燃料流量来确定燃料流量。
14.根据权利要求10所述的用于计算发动机排放的设备，其中，所述处理器被配置成计算氮氧化物(NOx)的量。
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