CN1902391A - 用于抑制内燃点火发动机的排放的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于减少从机车上使用的那种承受发动机过渡运转工况的类型的大型中速燃料喷射的柴油发动机来的排放的方法，在这种过渡运转工况中，发动机被加速或被施加增大的载荷。该方法包括：监测该柴油发动机的至少一个运转参数；根据该运转参数来确定该柴油发动机是否处在过渡工况；以及当该柴油发动机处在过渡工况时，相对于当该柴油发动机不处在过渡工况时的燃料喷射的定时延迟该定时而控制向发动机气缸的燃料喷射定时。一种电子燃料喷射系统包括：一个发动机监测器；一个与该发动机监测器和柴油发动机连通的控制器；以及其中，该控制器做成，当该柴油发动机处在过渡工况时，相对于当该柴油发动机不处在过渡运转工况时的燃料喷射定时而延迟对该柴油发动机的燃料喷射。

Description

用于抑制内燃点火发动机的排放的设备和方法

发明领域

本发明总的涉及抑制从内燃机产生的排放，尤其涉及一种抑制排放的燃料喷射控制系统。

背景技术

众所周知，内燃机如压缩点火内燃机在加速或载荷上升的瞬间产生黑烟或严重的微粒排放。这种现象的一个原因是在喷射期间燃料-空气混合不完全与在这些加速和载荷上升的发动机过渡运转工况期间喷入压缩气缸中的燃料的燃烧。

一个压缩点火的基本燃烧过程涉及液体燃料的扩散型燃烧。因为液体燃料喷入压缩的热气缸空气中，所以它蒸发并与周围空气混合而形成一种可燃的混合物。这是一个当燃料喷入气缸中时随时间而发生的连续过程。该最初形成的混合物将燃烧而在后来蒸发的燃料有时间与空气充分混合之前升高局部温度。结果，后来燃烧的燃料与支承燃料的完全燃烧的不充分的空气一起遇到高温。在这样的状态下，将发生燃料的高温热解并因此生成烟炱。当气缸中继续燃烧时，由于后来暴露于气缸中可以利用的空气，该烟炱的绝大部分将烧掉。该烟炱将在发动机中继续烧掉，直到动力冲程体积的膨胀充分降低气缸温度，从而停止该化学反应。当排气阀打开时，此时留在气缸中的任何未燃烧的烟炱将作为烟尘或微粒的排放而流出发动机。

因此，在压缩点火发动机中，上述烟炱的生成由于烧掉烟炱而减轻。在一般的压缩点火发动机中，在一般的运转条件下，该烟炱烧掉机制充分地减少了由烟炱生成导致的排放。但是，在某些发动机中，在加速或载荷上升的瞬时状态下，烟炱烧掉的机制对减少烟炱排放的发生是不够的，如下面更充分地讨论的。在加速或载荷上升的瞬时状态(此后称为“瞬时状态”)下运转的发动机将常常“后燃烧”喷入的燃料。在喷入的燃料发生后燃烧期间，不能在打开排气阀之前为烟炱烧掉过程的出现提供足够的时间。在一种过渡工况的大型压缩点火运转中，经常存在烟尘和微粒排气的显著排放。

在现有技术中已知的压缩点火发动机通常具有经过一个调速器的固定的喷射定时和同时驱动一系列燃料输送装置的机械连杆。燃料喷射起动定时是通常为任何给定的发动机运转点预定的，通常不能为变化的状态而改动。燃料输送系统可以包括泵-管线-喷嘴构型或单元喷射构型。美国专利No.5,394,851中公开了一种用于大型气缸体积的体积式压缩点火的电子燃料喷射系统。该参考的燃料喷射系统与图1中用10表示的典型的压缩点火发动机联用。发动机10可以是任何大型的燃烧点火。这样一种发动机可以包括一台涡轮增压器12和一系列组合的动力组件14。例如，一台十二气缸发动机有十二个此种动力组件而一台十六气缸发动机有十六个此种动力组件。发动机10还包括一个空气进气歧管16、一个用于向每个动力组件14提供燃料的燃烧供应管线18、一个用于冷却该发动机的水入口歧管20、一台润滑油泵22和一台水泵24，所有这些在该技术中都是已知的。一个连接在涡轮增压器12上的中间冷却器26便于在空气进入一个动力组件14内的相应的燃烧室中之前冷却该涡轮增压的空气。该发动机可以是一种V型发动机，也是该技术中已知的。

虽然非常适合于其用途，但图1的系统既没有特色，也不适应加速和载荷上升的过渡运转工况与这些运转方式对由于上述后燃烧而产生的排放的影响。在这些系统中，一次压缩点火的燃料喷射定时通常是在其稳定态运转的最佳条件下对每种运转状态(速度和载荷)规定的。当发动机处在过渡工况时，喷射定时将仍然调置在其被稳定态条件所要求的瞬时值处。在稳定态方式下运转，在燃烧气缸中通常有足够的时间来控制经过上述烟炱烧掉过程的微粒或烟尘排放。但是，在过渡工况期间，发动机要求更多的燃料，因而燃料喷射持续时间变得更长。在喷射持续时间末尾进入气缸的附加燃料的燃烧并没有足够的时间用于在排气阀打开之前烧掉烟炱。结果是在发动机周期的排气阶段内增加了重烟尘或微粒物质的排放。

压缩点火(如用于机车的中速发动机)的正常加速使发动机处在与稳定态方式不同的过渡工况并增加烟炱的产生和微粒排放。这些发动机也遇到由于大的辅助载荷如火车使用的压缩机载荷或风扇载荷的开关而引起的基本载荷变化和客车用途的“旅馆”动力载荷(一台在60hz 110V发电的交流发电机)。起动或关闭这些载荷能在任何瞬时产生的500马力的瞬时载荷。如上讨论的喷射的燃料的后燃烧在此种加速和载荷上升的瞬时压缩点火运转方式中是普遍的。该后燃烧阻止合适地燃烧所产生的烟炱并导致发动机增加烟尘和微粒的排放。

发明简述

本发明所公开的方法涉及一种减少内燃机排放的方法，包括当内燃机处在过渡工况中时延迟至少一个活塞气缸中的燃料喷射定时。所公开的设备涉及减少内燃机排放的设备，包括：一台内燃机，一个用于监测内燃机的运转参数以检测过渡运转工况的发动机监测器；以及一个与该发动机监测器连通的电子燃料喷射系统，该系统在运转上联接到内燃机上并有一个调整燃料喷射定时的控制器，从而当内燃机处在过渡工况时能延迟向内燃机的燃料喷射。

该公开的设备也涉及一种电子燃料喷射系统，包括：一个发动机瞬时传感装置；和一个与该瞬时传感装置连通的控制装置，用于在瞬时状态期间延迟燃料喷射定时。

此外，所公开的设备涉及一种用可机读的计算机程序代码进行编码的存储介质，用于电子控制燃料喷射，该存储介质包括用于使计算机执行一方法的指令，包括当内燃机处在过渡工况时延迟在至少一个活塞气缸中的燃料喷射定时。

附图简述

图1是一种普通的V型压缩点火发动机的透视图；

图2是所公开的设备的示意图；

图3是表示对热量释放速率的影响的图线；

图4是表示柱塞速度相对于喷射开始的图线；

图5是表示对发动机载荷速率的影响的图线；

图6是例示该公开的方法的一个实施例的流程图；

图7是该公开的设备的另一实施例的示意图；以及

图8是该公开的设备的另一实施例的示意图。

发明详述

图2是所公开的用于抑制内燃机排放的设备的一个实施例的示意图。下面对铁路机车所用的那种大型中速压缩点火发动机讨论许多实施例，这种发动机承受过渡运转工况，如由于发动机节流阀切口位置中的变化而产生的、被控制的和实际的发动机速度之间的差异，以及在短时间内将载荷施加在发动机上。图示压缩点火发动机10在运转中联接在电子燃料喷射系统34上。发动机监测器30可以交流地联接到发动机10和电子燃料喷射系统34上。在该实施例中，发动机监测器14监测该发动机，并确定发动机何时处在过渡工况中。在另一实施例中，电子燃料喷射系统34可以包括发动机监测器0。当处在过渡工况中时，监测器30将该信息交流到电子燃料喷射系统34，而电子燃料喷射系统34延迟至少一个活塞气缸的燃料喷射定时。燃料喷射可以延迟到一个上死点(“TDC”)之后的点。在一个实施例中，该燃料喷射定时可延迟到一个TDC之后约10度之间的范围。燃料喷射定时的这种延迟降低了在过渡工况运转期间从压缩点火发动机来的烟尘排放量。

图3表示对热量释放速率的影响的图。图3的X轴线是活塞相对于TDC的用度数表示的曲柄转动角，TDC线左边的点为“TDC前”，而TDC线右边的点为“TDC后”。热量释放速率的影响图的Y轴线表示从气缸中的燃料燃烧所释放的热量。提前的燃料喷射线是一个活塞气缸中的典型的提前的燃料喷射的点的图线，其中该燃料在TDC之前约3度处喷射。在该预混合燃烧的提前线上有一个尖峰。这对应于由于良好混合的空气/燃料组合而产生的燃料的相当洁净的燃烧。在预混合燃烧的尖峰之后是燃料的大的延长的扩散燃烧。该扩散燃烧对应于燃料的相当脏的燃烧，并与燃料和空气之间缺乏良好的混合有关。最近发现，在发动机瞬时运转状态期间，将燃料喷射延迟到TDC后约3～10度(与普遍接受的设置定时为TDC前3度的想法相反)，导致燃料的燃烧更洁净。该延迟的燃料喷射线显示一个比提前线更大的预混合燃烧尖峰。这是由于，因为燃料是在TDC后喷入气缸的，也就是，因为气缸在膨胀而压力在下降，所以燃料自动点火要花费更多的时间。该额外的时间使得活塞气缸中的燃料和空气能够混合得更好，这因此导致更大的预混合燃烧。因为更多的燃料在预混合状态中燃烧，所以可用于较脏的扩散燃烧的燃料就少了，因而在延迟燃料喷射线下的扩散燃烧更小，而且比提前燃料喷射线的扩散燃烧结束得更快，与过渡工况期间带有提前燃料喷射的发动机相比，这导致更洁净的燃烧。

图4是用于一台示范的压缩点火发动机的柱塞速度对曲柄转动角(相对于TDC)的图线。对于用“稳定态运转点”表示的在一典型的压缩点火发动机中的稳定态运转，燃料通常可以在TDC之前约5度喷射。在该点处，柱塞速度相当高。柱塞速度直接正比于燃料喷射压力，因此燃料喷射压力也相当高。高的燃料喷射压力导致气缸中燃料和空气之间的更好混合，因此产生更洁净的燃料。这是为什么一台压缩点火发动机在稳定态运转期间燃烧得更洁净的原因之一。在瞬时期间，已知将燃料喷射提前到图4上的瞬时提前点。在一台典型的压缩点火发动机中，该瞬时提前运转点可以是TDC之前约15度。对过渡工况提前喷射点的目的是给予燃料和空气更多的时间在自动点火之前混合，以希望减少扩散燃烧和产生更洁净的燃烧。但是，在TDC之前约15度处柱塞速度比稳定态运转点处的柱塞速度小约30％。因此，喷射压力正比地减小。有了较低的喷射压力，气缸中燃料和空气的混合也比较差。于是，当燃料喷射提前时，有至少两个竞争的过程：(1)提供较多的混合时间，提供一种比较洁净的燃烧；以及(2)产生较小的燃料喷射压力，从而减少燃料和空气的混合，提供一种不太洁净的燃烧。如果使用延迟的燃料喷射，采用TDC喷射之后约3～10度，如图4中瞬时延迟运转点所示，那么与稳定态运转点相比，柱塞速度只降低约10％。这对应于燃料喷射压力的正比降低，这比在典型的瞬时提前运转点处看到的降低要小得多，由此产生一种比由于提前燃料喷射而获得的要洁净的燃烧。

图5表示在一个示范的压缩点火发动机上对于需要将发动机排放保持在一定的规定水平处或以下时所需的对发动机载荷速率的影响。该提前燃料喷射线表示，一台采用提前的燃料喷射作为其过渡工况的压缩点火发动机获得满载荷而同时使发动机排放保持在规定水平处或以下花费约80～90秒。另一方面，当采用延迟的燃料喷射作为其过渡工况时，如延迟的燃料喷射线所示，发动机获得满载荷而同时使发动机排放保持在一定的规定水平处或以下仅花费约40～45秒。

图6表示所公开方法的一个实施例。在程序框40处，发动机监测器30监测发动机。在确定框44处，确定发动机是否处在过渡工况。为了确定在确定框44处发动机是否处在过渡工况，发动机监测器30可以分析数据如(但不限于)：节流阀位置、发动机速度、从交流发电机场控制器来的动力、曲轴速度、发动机加速度、交流发电机频率、气缸点火频率、交流发电机功率、加燃料水平、进气歧管压力、排气歧管压力、排气歧管温度、涡轮增压器速度、燃料压力、水压力、油压力、功率。在程序框48处，电子燃料喷射系统延迟燃料喷射，也就是，它延迟燃料喷射直到TDC后约3～10度。在确定框52处，发动机监测器确定发动机是否脱离了过渡工况。为了在确定框52处确定发动机是否脱离了过渡工况，发动机监测器30可以分析数据如(但不限于)：节流阀位置、发动机速度、从交流发动机场控制器来的功率、曲轴速度、发动机加速度、交流发动机频率、气缸点火频率、交流发动机功率、加燃料水平、进气歧管压力、排气歧管压力、排气歧管温度、涡轮增压器速度、燃料压力、水压力、油压力、功率。图6中描述的动作可以用机械方法实施。

参照图7，图6中所公开的方法可以以计算机进行的过程和实行这些过程的设备的形式来实施。所公开的方法也可以用包含以可触知的介质体现的指令的计算机程序代码的形式来实施，这些介质如软盘、CD-ROM、硬驱或任何其它计算机可读的存储介质60，其中，当计算机程序代码加载到计算机64中并执行时，该计算机成为实施本发明的设备。本发明也可以以这样一种计算机程序代码的形式实施，例如，不管是储存在存储介质60中，装入计算机64中和/或由其执行，或者在一些传输介质如电线或电缆、光纤或电磁辐射上经数据信号68传送，其中，当计算机程序代码装入计算机或由其执行时，该计算机成为实施本发明的设备。当在通用微处理器上实施时，该计算机程序代码段做成使微处理器产生特定的逻辑电路。

图8表示所公开设备的另一实施例的示意图。发动机10与发动机监测器30和发动机控制器70可运转连通。发动机监测器30和发动机控制器70彼此也可运转连通。在该实施例中，图6中描述的动作可做成用机械方法实施或用电子方法实施。

所公开的方法和设备的技术贡献是，它们提供一种计算机控制的燃料喷射系统，该系统通过延迟在瞬时运转期间的燃料喷射而减少了内燃点火发动机的排放。

虽然已参照示范的实施例而描述了本发明，但该技术的专业人员将会理解，可以进行各种变化和可以用等效元件代替其元件而并不偏离本发明的范围。此外，可以进行许多修改来适应本发明说明的特定情况或材料而并不偏离本发明的基本范围。因此，预期本发明不限于为实施本发明而公开的特定实施例，而本发明将包括落入附属的权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (21)

1.一种用于减少来自机车上使用的那种承受发动机过渡运转工况的大型中速燃料喷射的柴油发动机的排放的方法，在过渡运转工况中，发动机被加速或被施加增大的载荷，该方法包括：

监测该柴油发动机的至少一个运转参数；

根据该运转参数来确定该柴油发动机是否处在过渡工况；以及

当该柴油发动机处在过渡工况时，通过相对于当该柴油发动机不处在过渡工况时的燃料喷射定时延迟该定时来控制对发动机气缸的燃料喷射定时。

2.权利要求1的方法，其特征在于，还包括：

在柴油发动机已过渡工况运转之后，确定该柴油发动机然后是否在该过渡工况之外运转；以及

如果该柴油发动机不再处在过渡工况中，就将该柴油发动机的燃料喷射定时提前。

3.权利要求1的方法，其特征在于，通过延迟该定时来控制对发动机气缸的燃料喷射的定时大于上死点(TDC)后约3度。

4.权利要求1的方法，其特征在于，通过延迟该定时来控制对发动机气缸的燃料喷射定时小于TDC之后约10度。

5.权利要求1的方法，其特征在于，确定该发动机是否处在过渡工况的步骤包括：

监测一个指示被控制的发动机速度和实际的发动机速度之间的差异的参数。

6.权利要求1的方法，其特征在于，确定该发动机是否处在过渡工况的步骤包括：

监测一个指示发动机节流阀的位置的参数。

7.权利要求1的方法，其特征在于，确定该发动机是否处在过渡工况的步骤包括：

监测一个指示在发动机上施加载荷的参数。

8.一种用于减少来自机车上使用的那种承受发动机过渡运转工况的大型中速燃料喷射的柴油发动机的排放的设备，在这种过渡运转工况中，发动机被加速或被施加增大的载荷，该设备包括：

一台大型中速燃料喷射的柴油内燃机；

一个发动机监测器，用于监测至少一个指示发动机是否处在过渡运转工况中的发动机运转参数；

一个与该发动机监测器连通而按运转关系联接于发动机的电子燃料喷射系统，该电子燃料喷射系统可以被调整，从而在相对于活塞在发动机气缸中的TDC的一个预定的定时处选择性地起动燃料喷射，该电子燃料喷射系统包括：

一个用于控制该燃料喷射系统的运转的控制器；以及

其中，该控制器做成，当该发动机处在过渡工况时，相对于当发动机不处在过渡运转工况时的燃料喷射定时而延迟对发动机的燃料喷射。

9.权利要求8的设备，其特征在于，该控制器将每个发动机气缸中的燃料喷射定时延迟到大于TDC之后约3度。

10.权利要求8的设备，其特征在于，该控制器将每个发动机气缸中的燃料喷射定时延迟到小于TDC之后约10度。

11.权利要求8的设备，其特征在于，该发动机监测器监测一个指示发动机节流阀位置的参数。

12.权利要求8的设备，其特征在于，该发动机监测器监测一个指示被控制的发动机转速和实际发动机转速之间的差异的参数。

13.权利要求8的设备，其特征在于，该发动机监测器监测一个指示在发动机上施加载荷的参数。

14.一种用于减少来自机车上使用的那种承受发动机过渡运转工况的大型中速燃料喷射的柴油发动机的排放的电子燃料喷射系统，在这种过渡运转工况中，发动机被加速或被施加增大的载荷，该系统包括：

一个发动机监测器，用于监测至少一个指示发动机过渡运转工况的发动机运转参数；

一个与该发动机监测器和一柴油发动机连通的控制器；以及

其中，该控制器做成，当该柴油发动机处在过渡工况时，相对于当该柴油发动机不处在过渡运转工况时的燃料喷射定时而延迟对该柴油发动机的燃料喷射。

15.权利要求14的电子燃料喷射系统，其特征在于，该控制器还做成将燃料喷射定时延迟到大于TDC之后约3度。

16.权利要求14的电子燃料喷射系统，其特征在于，该控制器还做成将燃料喷射定时延迟到小于TDC之后约0度。

17.权利要求14的电子燃料喷射系统，其特征在于，该发动机监测器监测一个指示发动机节流阀位置的参数。

18.权利要求14的电子燃料喷射系统，其征征在于，该发动机监测器监测一个指示被控制的发动机转速和实际发动机转速之间的差异的参数。

19.权利要求14的电子燃料喷射系统，其特征在于，该发动机监测器监测一个指示在该柴油发动机上施加载荷的参数。

20.一种用可以机读的计算机程序代码来进行编码的存储介质，用于对机车上使用的那种承受发动机过渡运转工况的大型中速燃料喷射的柴油发动机的燃料喷射进行电子控制的定时，在这种过渡运转工况中，发动机被加速或施加增大的载荷，该存储介质包括用于使计算机实施一方法的一些指令，包括：

监测该柴油发动机的至少一个运转参数；

根据该运转参数确定该柴油发动机是否处在过渡工况；以及

当该柴油发动机处在过渡工况时，相对于当该柴油发动机不处在过渡运转工况时的燃料喷射定时延迟对发动机气缸的燃料喷射定时。

21.权利要求20的存储介质，包括用于使计算机实施一方法的一些指令，还包括：

确定该柴油发动机是否处在过渡工况之外；以及

如果确定该柴油发动机不再处于过渡运转工况，就提前对该柴油发动机的燃料喷射定时。

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