專利名稱：用于抑制內燃點火發動機的排放的設備和方法
技術領域：
本發明總的涉及抑制從內燃機產生的排放，尤其涉及一種抑制排放的燃料噴射控制系統。
背景技術：
眾所周知，內燃機如壓縮點火內燃機在加速或載荷上升的瞬間產生黑煙或嚴重的微粒排放。這種現象的一個原因是在噴射期間燃料-空氣混合不完全與在這些加速和載荷上升的發動機過渡運轉工況期間噴入壓縮氣缸中的燃料的燃燒。
一個壓縮點火的基本燃燒過程涉及液體燃料的擴散型燃燒。因為液體燃料噴入壓縮的熱氣缸空氣中，所以它蒸發并與周圍空氣混合而形成一種可燃的混合物。這是一個當燃料噴入氣缸中時隨時間而發生的連續過程。該最初形成的混合物將燃燒而在后來蒸發的燃料有時間與空氣充分混合之前升高局部溫度。結果，后來燃燒的燃料與支承燃料的完全燃燒的不充分的空氣一起遇到高溫。在這樣的狀態下，將發生燃料的高溫熱解并因此生成煙炱。當氣缸中繼續燃燒時，由于后來暴露于氣缸中可以利用的空氣，該煙炱的絕大部分將燒掉。該煙炱將在發動機中繼續燒掉，直到動力沖程體積的膨脹充分降低氣缸溫度，從而停止該化學反應。當排氣閥打開時，此時留在氣缸中的任何未燃燒的煙炱將作為煙塵或微粒的排放而流出發動機。
因此，在壓縮點火發動機中，上述煙炱的生成由于燒掉煙炱而減輕。在一般的壓縮點火發動機中，在一般的運轉條件下，該煙炱燒掉機制充分地減少了由煙炱生成導致的排放。但是，在某些發動機中，在加速或載荷上升的瞬時狀態下，煙炱燒掉的機制對減少煙炱排放的發生是不夠的，如下面更充分地討論的。在加速或載荷上升的瞬時狀態(此后稱為“瞬時狀態”)下運轉的發動機將常常“后燃燒”噴入的燃料。在噴入的燃料發生后燃燒期間，不能在打開排氣閥之前為煙炱燒掉過程的出現提供足夠的時間。在一種過渡工況的大型壓縮點火運轉中，經常存在煙塵和微粒排氣的顯著排放。
在現有技術中已知的壓縮點火發動機通常具有經過一個調速器的固定的噴射定時和同時驅動一系列燃料輸送裝置的機械連桿。燃料噴射起動定時是通常為任何給定的發動機運轉點預定的，通常不能為變化的狀態而改動。燃料輸送系統可以包括泵-管線-噴嘴構型或單元噴射構型。美國專利No.5,394,851中公開了一種用于大型氣缸體積的體積式壓縮點火的電子燃料噴射系統。該參考的燃料噴射系統與
圖1中用10表示的典型的壓縮點火發動機聯用。發動機10可以是任何大型的燃燒點火。這樣一種發動機可以包括一臺渦輪增壓器12和一系列組合的動力組件14。例如，一臺十二氣缸發動機有十二個此種動力組件而一臺十六氣缸發動機有十六個此種動力組件。發動機10還包括一個空氣進氣歧管16、一個用于向每個動力組件14提供燃料的燃燒供應管線18、一個用于冷卻該發動機的水入口歧管20、一臺潤滑油泵22和一臺水泵24，所有這些在該技術中都是已知的。一個連接在渦輪增壓器12上的中間冷卻器26便于在空氣進入一個動力組件14內的相應的燃燒室中之前冷卻該渦輪增壓的空氣。該發動機可以是一種V型發動機，也是該技術中已知的。
雖然非常適合于其用途，但圖1的系統既沒有特色，也不適應加速和載荷上升的過渡運轉工況與這些運轉方式對由于上述后燃燒而產生的排放的影響。在這些系統中，一次壓縮點火的燃料噴射定時通常是在其穩定態運轉的最佳條件下對每種運轉狀態(速度和載荷)規定的。當發動機處在過渡工況時，噴射定時將仍然調置在其被穩定態條件所要求的瞬時值處。在穩定態方式下運轉，在燃燒氣缸中通常有足夠的時間來控制經過上述煙炱燒掉過程的微粒或煙塵排放。但是，在過渡工況期間，發動機要求更多的燃料，因而燃料噴射持續時間變得更長。在噴射持續時間末尾進入氣缸的附加燃料的燃燒并沒有足夠的時間用于在排氣閥打開之前燒掉煙炱。結果是在發動機周期的排氣階段內增加了重煙塵或微粒物質的排放。
壓縮點火(如用于機車的中速發動機)的正常加速使發動機處在與穩定態方式不同的過渡工況并增加煙炱的產生和微粒排放。這些發動機也遇到由于大的輔助載荷如火車使用的壓縮機載荷或風扇載荷的開關而引起的基本載荷變化和客車用途的“旅館”動力載荷(一臺在60hz 110V發電的交流發電機)。起動或關閉這些載荷能在任何瞬時產生的500馬力的瞬時載荷。如上討論的噴射的燃料的后燃燒在此種加速和載荷上升的瞬時壓縮點火運轉方式中是普遍的。該后燃燒阻止合適地燃燒所產生的煙炱并導致發動機增加煙塵和微粒的排放。
發明簡述本發明所公開的方法涉及一種減少內燃機排放的方法，包括當內燃機處在過渡工況中時延遲至少一個活塞氣缸中的燃料噴射定時。所公開的設備涉及減少內燃機排放的設備，包括一臺內燃機，一個用于監測內燃機的運轉參數以檢測過渡運轉工況的發動機監測器；以及一個與該發動機監測器連通的電子燃料噴射系統，該系統在運轉上聯接到內燃機上并有一個調整燃料噴射定時的控制器，從而當內燃機處在過渡工況時能延遲向內燃機的燃料噴射。
該公開的設備也涉及一種電子燃料噴射系統，包括一個發動機瞬時傳感裝置；和一個與該瞬時傳感裝置連通的控制裝置，用于在瞬時狀態期間延遲燃料噴射定時。
此外，所公開的設備涉及一種用可機讀的計算機程序代碼進行編碼的存儲介質，用于電子控制燃料噴射，該存儲介質包括用于使計算機執行一方法的指令，包括當內燃機處在過渡工況時延遲在至少一個活塞氣缸中的燃料噴射定時。
附圖簡述圖1是一種普通的V型壓縮點火發動機的透視圖；圖2是所公開的設備的示意圖；圖3是表示對熱量釋放速率的影響的圖線；圖4是表示柱塞速度相對于噴射開始的圖線；圖5是表示對發動機載荷速率的影響的圖線；圖6是例示該公開的方法的一個實施例的流程圖；圖7是該公開的設備的另一實施例的示意圖；以及圖8是該公開的設備的另一實施例的示意圖。
發明詳述圖2是所公開的用于抑制內燃機排放的設備的一個實施例的示意圖。下面對鐵路機車所用的那種大型中速壓縮點火發動機討論許多實施例，這種發動機承受過渡運轉工況，如由于發動機節流閥切口位置中的變化而產生的、被控制的和實際的發動機速度之間的差異，以及在短時間內將載荷施加在發動機上。圖示壓縮點火發動機10在運轉中聯接在電子燃料噴射系統34上。發動機監測器30可以交流地聯接到發動機10和電子燃料噴射系統34上。在該實施例中，發動機監測器14監測該發動機，并確定發動機何時處在過渡工況中。在另一實施例中，電子燃料噴射系統34可以包括發動機監測器0。當處在過渡工況中時，監測器30將該信息交流到電子燃料噴射系統34，而電子燃料噴射系統34延遲至少一個活塞氣缸的燃料噴射定時。燃料噴射可以延遲到一個上死點(“TDC”)之后的點。在一個實施例中，該燃料噴射定時可延遲到一個TDC之后約10度之間的范圍。燃料噴射定時的這種延遲降低了在過渡工況運轉期間從壓縮點火發動機來的煙塵排放量。
圖3表示對熱量釋放速率的影響的圖。圖3的X軸線是活塞相對于TDC的用度數表示的曲柄轉動角，TDC線左邊的點為“TDC前”，而TDC線右邊的點為“TDC后”。熱量釋放速率的影響圖的Y軸線表示從氣缸中的燃料燃燒所釋放的熱量。提前的燃料噴射線是一個活塞氣缸中的典型的提前的燃料噴射的點的圖線，其中該燃料在TDC之前約3度處噴射。在該預混合燃燒的提前線上有一個尖峰。這對應于由于良好混合的空氣/燃料組合而產生的燃料的相當潔凈的燃燒。在預混合燃燒的尖峰之后是燃料的大的延長的擴散燃燒。該擴散燃燒對應于燃料的相當臟的燃燒，并與燃料和空氣之間缺乏良好的混合有關。最近發現，在發動機瞬時運轉狀態期間，將燃料噴射延遲到TDC后約3～10度(與普遍接受的設置定時為TDC前3度的想法相反)，導致燃料的燃燒更潔凈。該延遲的燃料噴射線顯示一個比提前線更大的預混合燃燒尖峰。這是由于，因為燃料是在TDC后噴入氣缸的，也就是，因為氣缸在膨脹而壓力在下降，所以燃料自動點火要花費更多的時間。該額外的時間使得活塞氣缸中的燃料和空氣能夠混合得更好，這因此導致更大的預混合燃燒。因為更多的燃料在預混合狀態中燃燒，所以可用于較臟的擴散燃燒的燃料就少了，因而在延遲燃料噴射線下的擴散燃燒更小，而且比提前燃料噴射線的擴散燃燒結束得更快，與過渡工況期間帶有提前燃料噴射的發動機相比，這導致更潔凈的燃燒。
圖4是用于一臺示范的壓縮點火發動機的柱塞速度對曲柄轉動角(相對于TDC)的圖線。對于用“穩定態運轉點”表示的在一典型的壓縮點火發動機中的穩定態運轉，燃料通常可以在TDC之前約5度噴射。在該點處，柱塞速度相當高。柱塞速度直接正比于燃料噴射壓力，因此燃料噴射壓力也相當高。高的燃料噴射壓力導致氣缸中燃料和空氣之間的更好混合，因此產生更潔凈的燃料。這是為什么一臺壓縮點火發動機在穩定態運轉期間燃燒得更潔凈的原因之一。在瞬時期間，已知將燃料噴射提前到圖4上的瞬時提前點。在一臺典型的壓縮點火發動機中，該瞬時提前運轉點可以是TDC之前約15度。對過渡工況提前噴射點的目的是給予燃料和空氣更多的時間在自動點火之前混合，以希望減少擴散燃燒和產生更潔凈的燃燒。但是，在TDC之前約15度處柱塞速度比穩定態運轉點處的柱塞速度小約30％。因此，噴射壓力正比地減小。有了較低的噴射壓力，氣缸中燃料和空氣的混合也比較差。于是，當燃料噴射提前時，有至少兩個競爭的過程(1)提供較多的混合時間，提供一種比較潔凈的燃燒；以及(2)產生較小的燃料噴射壓力，從而減少燃料和空氣的混合，提供一種不太潔凈的燃燒。如果使用延遲的燃料噴射，采用TDC噴射之后約3～10度，如圖4中瞬時延遲運轉點所示，那么與穩定態運轉點相比，柱塞速度只降低約10％。這對應于燃料噴射壓力的正比降低，這比在典型的瞬時提前運轉點處看到的降低要小得多，由此產生一種比由于提前燃料噴射而獲得的要潔凈的燃燒。
圖5表示在一個示范的壓縮點火發動機上對于需要將發動機排放保持在一定的規定水平處或以下時所需的對發動機載荷速率的影響。該提前燃料噴射線表示，一臺采用提前的燃料噴射作為其過渡工況的壓縮點火發動機獲得滿載荷而同時使發動機排放保持在規定水平處或以下花費約80～90秒。另一方面，當采用延遲的燃料噴射作為其過渡工況時，如延遲的燃料噴射線所示，發動機獲得滿載荷而同時使發動機排放保持在一定的規定水平處或以下僅花費約40～45秒。
圖6表示所公開方法的一個實施例。在程序框40處，發動機監測器30監測發動機。在確定框44處，確定發動機是否處在過渡工況。為了確定在確定框44處發動機是否處在過渡工況，發動機監測器30可以分析數據如(但不限于)節流閥位置、發動機速度、從交流發電機場控制器來的動力、曲軸速度、發動機加速度、交流發電機頻率、氣缸點火頻率、交流發電機功率、加燃料水平、進氣歧管壓力、排氣歧管壓力、排氣歧管溫度、渦輪增壓器速度、燃料壓力、水壓力、油壓力、功率。在程序框48處，電子燃料噴射系統延遲燃料噴射，也就是，它延遲燃料噴射直到TDC后約3～10度。在確定框52處，發動機監測器確定發動機是否脫離了過渡工況。為了在確定框52處確定發動機是否脫離了過渡工況，發動機監測器30可以分析數據如(但不限于)節流閥位置、發動機速度、從交流發動機場控制器來的功率、曲軸速度、發動機加速度、交流發動機頻率、氣缸點火頻率、交流發動機功率、加燃料水平、進氣歧管壓力、排氣歧管壓力、排氣歧管溫度、渦輪增壓器速度、燃料壓力、水壓力、油壓力、功率。圖6中描述的動作可以用機械方法實施。
參照圖7，圖6中所公開的方法可以以計算機進行的過程和實行這些過程的設備的形式來實施。所公開的方法也可以用包含以可觸知的介質體現的指令的計算機程序代碼的形式來實施，這些介質如軟盤、CD-ROM、硬驅或任何其它計算機可讀的存儲介質60，其中，當計算機程序代碼加載到計算機64中并執行時，該計算機成為實施本發明的設備。本發明也可以以這樣一種計算機程序代碼的形式實施，例如，不管是儲存在存儲介質60中，裝入計算機64中和/或由其執行，或者在一些傳輸介質如電線或電纜、光纖或電磁輻射上經數據信號68傳送，其中，當計算機程序代碼裝入計算機或由其執行時，該計算機成為實施本發明的設備。當在通用微處理器上實施時，該計算機程序代碼段做成使微處理器產生特定的邏輯電路。
圖8表示所公開設備的另一實施例的示意圖。發動機10與發動機監測器30和發動機控制器70可運轉連通。發動機監測器30和發動機控制器70彼此也可運轉連通。在該實施例中，圖6中描述的動作可做成用機械方法實施或用電子方法實施。
所公開的方法和設備的技術貢獻是，它們提供一種計算機控制的燃料噴射系統，該系統通過延遲在瞬時運轉期間的燃料噴射而減少了內燃點火發動機的排放。
雖然已參照示范的實施例而描述了本發明，但該技術的專業人員將會理解，可以進行各種變化和可以用等效元件代替其元件而并不偏離本發明的范圍。此外，可以進行許多修改來適應本發明說明的特定情況或材料而并不偏離本發明的基本范圍。因此，預期本發明不限于為實施本發明而公開的特定實施例，而本發明將包括落入附屬的權利要求書范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種用于減少來自機車上使用的那種承受發動機過渡運轉工況的大型中速燃料噴射的柴油發動機的排放的方法，在過渡運轉工況中，發動機被加速或被施加增大的載荷，該方法包括監測該柴油發動機的至少一個運轉參數；根據該運轉參數來確定該柴油發動機是否處在過渡工況；以及當該柴油發動機處在過渡工況時，通過相對于當該柴油發動機不處在過渡工況時的燃料噴射定時延遲該定時來控制對發動機氣缸的燃料噴射定時。
2.權利要求1的方法，其特征在于，還包括在柴油發動機已過渡工況運轉之后，確定該柴油發動機然后是否在該過渡工況之外運轉；以及如果該柴油發動機不再處在過渡工況中，就將該柴油發動機的燃料噴射定時提前。
3.權利要求1的方法，其特征在于，通過延遲該定時來控制對發動機氣缸的燃料噴射的定時大于上死點(TDC)后約3度。
4.權利要求1的方法，其特征在于，通過延遲該定時來控制對發動機氣缸的燃料噴射定時小于TDC之后約10度。
5.權利要求1的方法，其特征在于，確定該發動機是否處在過渡工況的步驟包括監測一個指示被控制的發動機速度和實際的發動機速度之間的差異的參數。
6.權利要求1的方法，其特征在于，確定該發動機是否處在過渡工況的步驟包括監測一個指示發動機節流閥的位置的參數。
7.權利要求1的方法，其特征在于，確定該發動機是否處在過渡工況的步驟包括監測一個指示在發動機上施加載荷的參數。
8.一種用于減少來自機車上使用的那種承受發動機過渡運轉工況的大型中速燃料噴射的柴油發動機的排放的設備，在這種過渡運轉工況中，發動機被加速或被施加增大的載荷，該設備包括一臺大型中速燃料噴射的柴油內燃機；一個發動機監測器，用于監測至少一個指示發動機是否處在過渡運轉工況中的發動機運轉參數；一個與該發動機監測器連通而按運轉關系聯接于發動機的電子燃料噴射系統，該電子燃料噴射系統可以被調整，從而在相對于活塞在發動機氣缸中的TDC的一個預定的定時處選擇性地起動燃料噴射，該電子燃料噴射系統包括一個用于控制該燃料噴射系統的運轉的控制器；以及其中，該控制器做成，當該發動機處在過渡工況時，相對于當發動機不處在過渡運轉工況時的燃料噴射定時而延遲對發動機的燃料噴射。
9.權利要求8的設備，其特征在于，該控制器將每個發動機氣缸中的燃料噴射定時延遲到大于TDC之后約3度。
10.權利要求8的設備，其特征在于，該控制器將每個發動機氣缸中的燃料噴射定時延遲到小于TDC之后約10度。
11.權利要求8的設備，其特征在于，該發動機監測器監測一個指示發動機節流閥位置的參數。
12.權利要求8的設備，其特征在于，該發動機監測器監測一個指示被控制的發動機轉速和實際發動機轉速之間的差異的參數。
13.權利要求8的設備，其特征在于，該發動機監測器監測一個指示在發動機上施加載荷的參數。
14.一種用于減少來自機車上使用的那種承受發動機過渡運轉工況的大型中速燃料噴射的柴油發動機的排放的電子燃料噴射系統，在這種過渡運轉工況中，發動機被加速或被施加增大的載荷，該系統包括一個發動機監測器，用于監測至少一個指示發動機過渡運轉工況的發動機運轉參數；一個與該發動機監測器和一柴油發動機連通的控制器；以及其中，該控制器做成，當該柴油發動機處在過渡工況時，相對于當該柴油發動機不處在過渡運轉工況時的燃料噴射定時而延遲對該柴油發動機的燃料噴射。
15.權利要求14的電子燃料噴射系統，其特征在于，該控制器還做成將燃料噴射定時延遲到大于TDC之后約3度。
16.權利要求14的電子燃料噴射系統，其特征在于，該控制器還做成將燃料噴射定時延遲到小于TDC之后約0度。
17.權利要求14的電子燃料噴射系統，其特征在于，該發動機監測器監測一個指示發動機節流閥位置的參數。
18.權利要求14的電子燃料噴射系統，其征征在于，該發動機監測器監測一個指示被控制的發動機轉速和實際發動機轉速之間的差異的參數。
19.權利要求14的電子燃料噴射系統，其特征在于，該發動機監測器監測一個指示在該柴油發動機上施加載荷的參數。
20.一種用可以機讀的計算機程序代碼來進行編碼的存儲介質，用于對機車上使用的那種承受發動機過渡運轉工況的大型中速燃料噴射的柴油發動機的燃料噴射進行電子控制的定時，在這種過渡運轉工況中，發動機被加速或施加增大的載荷，該存儲介質包括用于使計算機實施一方法的一些指令，包括監測該柴油發動機的至少一個運轉參數；根據該運轉參數確定該柴油發動機是否處在過渡工況；以及當該柴油發動機處在過渡工況時，相對于當該柴油發動機不處在過渡運轉工況時的燃料噴射定時延遲對發動機氣缸的燃料噴射定時。
21.權利要求20的存儲介質，包括用于使計算機實施一方法的一些指令，還包括確定該柴油發動機是否處在過渡工況之外；以及如果確定該柴油發動機不再處于過渡運轉工況，就提前對該柴油發動機的燃料噴射定時。
全文摘要
一種用于減少從機車上使用的那種承受發動機過渡運轉工況的類型的大型中速燃料噴射的柴油發動機來的排放的方法，在這種過渡運轉工況中，發動機被加速或被施加增大的載荷。該方法包括監測該柴油發動機的至少一個運轉參數；根據該運轉參數來確定該柴油發動機是否處在過渡工況；以及當該柴油發動機處在過渡工況時，相對于當該柴油發動機不處在過渡工況時的燃料噴射的定時延遲該定時而控制向發動機氣缸的燃料噴射定時。一種電子燃料噴射系統包括一個發動機監測器；一個與該發動機監測器和柴油發動機連通的控制器；以及其中，該控制器做成，當該柴油發動機處在過渡工況時，相對于當該柴油發動機不處在過渡運轉工況時的燃料噴射定時而延遲對該柴油發動機的燃料噴射。
文檔編號F02D41/10GK1902391SQ200480039387
公開日2007年1月24日 申請日期2004年12月3日 優先權日2003年12月30日
發明者D·格倫, V·V·科塔帕利, J·R·米施勒 申請人:通用電氣公司