专利名称：抑制柴油发动机排放的装置和方法
技术领域：
本发明总的涉及用于压缩点火发动机的电子燃料控制系统，具体地说，涉及一种抑制压缩点火柴油发动机排放产生的燃料喷射控制系统。
背景技术：
众所周知，柴油发动机在加速期间或负荷增加的瞬时会产生黑烟或排放大量微粒。这种现象的一个原因是，在加速和负荷增加瞬时的发动机操作模式中，与喷射到压缩气缸中的燃料的燃烧相关联的燃烧较迟。
柴油发动机的基本燃烧过程包括液体燃料的扩散类型燃烧。当液体燃料喷射到压缩的高温气缸空气中时，该液体燃料蒸发并与周围的空气混合，形成一种易燃的混合物。这是一个持续的过程，随着燃料被喷射到汽缸中而一直进行着。最初形成的混合物会燃烧，并在较晚挥发的燃料与空气完全混合之前升高局部温度。结果，较晚燃烧的燃料在没有足够空气的情况下遇到高温。在这样的条件下，会发生燃料的高温分解并由此形成煤烟。当气缸中的燃烧继续时，煤烟的相当一部分会由于此后暴露在气缸中的可用空气下而燃烧掉。煤烟在发动机中继续燃烧，直到动力行程体积膨胀充分减低气缸的温度，由此结束该化学反应。在此刻气缸中剩下的任何未燃烧的煤烟都在排气阀打开时作为烟尘或微粒被排放出发动机。
因此在压缩燃烧发动机中，煤烟的发生存在两个相反的机制煤烟形成和煤烟燃尽。在典型运转条件下的典型燃烧发动机中，煤烟燃尽机制足以减少由煤烟形成引起的排放。但是，在一些加速或负荷增加瞬时条件下运转的发动机中，煤烟燃尽机制不足以减少煤烟排放的产生，下面将对此进一步讨论。喷射燃料的较晚燃烧导致发动机在加速或负荷增加瞬时条件下运转。这样，在打开排气阀之前没有足够的时间用于煤烟燃尽过程。因此，大量烟尘和微粒的排出在加速或负荷增加瞬时条件下运行的大型柴油发动机中很普遍。
现有技术的压缩点火发动机典型地通过一个自动调节器和同时开动一系列燃料运送装置的机械联动装置来具有固定的喷射定时。燃料喷射开始时间通常预先确定在任何给定的发动机运转点，而且通常不能修改以适应变化的条件。燃料运送系统可以包括泵线喷嘴(pump-line-nozzle)配置或单元喷射配置。一种用于大气缸排量柴油发动机的电子燃料喷射系统公开在美国专利US5,394,851中。该燃料喷射系统的现有技术与图1中10概略示出的典型压缩点火柴油发动机结合使用。发动机10可以是任何大型柴油发动机。这样的发动机可以包括涡轮增压器(turbo charger)12和一系列成套能量组件14。例如，12气缸的发动机可以具有12个这样的能量组件，而16气缸的发动机具有16个这样的能量组件。发动机10还包括空气进口总管道16、用于向每个能量组件14提供燃料的燃料供应管18、用于冷却发动机的进水管道20、润滑油泵22和水泵24，全部为现有技术。连接到涡轮增压器12的冷热气自动调节机(intercooler)26在增压空气进入一个能量组件14中的各个燃烧室之前帮助冷却该空气。发动机可以是V形类型，这也是现有技术。
尽管非常适用于其应用，图1的系统既不区分也不适应于加速和负荷增加瞬时的运转模式，以及在由于这里讨论的较晚燃烧产生排放时这些运转模式的效果。在这样的系统中，柴油发动机的燃料喷射定时通常针对每个运转条件(速度和负荷)规定为适宜稳定状态运转的最佳时刻。当发动机经历负荷增加瞬时或加速时，喷射定时仍然设置在稳定状态条件要求的瞬时值。运转在稳定状态条件下，通常在燃烧气缸中有足够的时间通过上述煤烟燃尽过程控制微粒或烟尘排放。但是，在负荷增加或加速瞬时，发动机需要更多的燃料，因此燃料喷射的持续时间变得更长。在该喷射持续时间结束时进入气缸的所添加燃料的燃烧，在排气阀打开之前没有足够时间使煤烟燃尽。其结果是，在发动机循环的排气阶段增加了大量烟尘或微粒的排放。对于现在的低排放柴油发动机来说更是如此，这种低排放柴油发动机在稳定状态运转过程中采用延迟的燃料喷射定时，以减少x氧化氮的排放。
柴油发动机的正常加速(例如用于机车的中等速度发动机)产生与稳定状态条件不同的瞬时条件，并增加煤烟的产生和微粒排放。这样的发动机由于大型辅助负载的切换也面临剧烈的负荷改变，例如在机车应用中的压缩机负载或风扇负载以及用于旅客列车的“旅馆”电源负载(产生110V60HZ的交流发电机)。驱动这样的负载或切断这样的负载可以在任何情况下导致500马力级的负荷瞬时。如上所述，喷射的燃料的较晚燃烧在这样的加速和负荷增加瞬时柴油发动机运转模式中是很普遍的。较晚燃烧阻止所产生的煤烟进行适当的燃烧，并导致发动机增加烟尘和微粒的排出。
因此，期望抑制压缩点火发动机在加速和负荷增加瞬时运转模式过程中的烟尘排出和微粒排放，并在稳定状态模式过程中还保持固有的运转。排出系统监控节流阀位置的变化，以确定是否存在加速和负荷增加瞬时模式。例如，美国专利US6,325,044公开了这样一种系统，这里合并在一起作为参考。
发明内容
本发明的实施例根据条件而不是节流阀位置的变化检测是否存在加速或负荷增加瞬时。
本发明的一个方面是一种用于控制在铁路机车的柴油发动机中的燃料喷射定时的方法，该铁路机车可以通过发动机运转速度和功率的不连续节流阀凹口来操作，并经历负荷瞬时运转模式，其中施加到发动机的负载增加而发动机节流阀凹口中没有增加。本方法包括监控表示对应于发动机节流阀凹口的所命令发动机运转速度的参数；发送代表所命令的发动机运转速度的数据；监控表示实际的发动机运转速度的参数；发送代表实际发动机运转速度的数据；响应于代表所命令的和实际的发动机运转速度的数据，检测所命令的发动机速度何时超过实际速度，以建立负荷瞬时模式；及响应于检测负荷瞬时模式，根据预定定时计划来提前发动机的燃料喷射定时，以减少发动机排放。
本发明的另一方面是一种用于控制在铁路机车的柴油发动机中的燃料喷射定时的方法，该铁路机车可以通过发动机运转速度和功率的不连续凹口来操作，并经历其中增加发动机凹口的发动机瞬时运转模式。本方法包括监控表示对应于发动机节流阀凹口的所命令的发动机运转速度的参数，并发送代表所命令的运转速度的数据；监控表示实际的发动机运转速度的参数；发送代表实际发动机运转速度的数据；响应于代表所命令的和实际的发动机运转速度的数据，检测所命令的发动机速度何时超过实际的发动机速度，以建立发动机瞬时模式；在发动机瞬时模式期间，当其响应发动机节流阀位置的增加时，监控表示发动机运转的参数，以检测在该发动机瞬时模式期间发动机运转的变化；发送代表发动机运转变化的数据；以及响应于检测发动机瞬时模式和检测在发动机瞬时模式期间的发动机运转变化，根据预定的定时计划来提前发动机的燃料喷射定时，以减少发动机排放。
图1是普通V字形柴油机车发动机的透视图；图2是在本发明的实施例中抑制柴油发动机排放的方法的流程图；图3是在本发明的实施例中燃料喷射定时控制系统的示意框图；图4是在本发明的另一实施例中燃料喷射定时控制系统的示意框图；图5是在本发明的实施例中喷射定时和燃烧间关系的图形表示。
其中20-DD-131996零件列表如下发动机1O，涡轮增压器12，功率组件14，进气管16，燃料供应管18，进水管20，润滑油泵22，水泵24，冷热气自动调节机26，发动机运转42，系统60，燃料供应装置62，燃料传送机构64，控制装置66，燃料喷射定时控制装置66，变化检测装置68，节流阀70，瞬时检测装置72，实际速度感测装置76，稳定状态限定和检测装置78，节流阀选择信号82，和发动机参数传感器90。
具体实施例方式
图2是利用这里进一步讨论的电子燃料喷射定时系统抑制加速或负荷增加瞬时期间的柴油发动机排放的示例方法的流程图。柴油发动机可以是中等速度、大排放量的发动机，例如用于火车机车或海运船只的发动机。如前所述，柴油发动机经常经历频繁的加速和/或负荷增加瞬时条件。可以直接由发动机操作员通过期望的发动机RPM和马力级限定的节流选择输入来要求改变这种发动机的发动机速度和/或负荷条件。可以由操作员或自动通过一系列发动机传感器和致动器启动增加发动机速度和/或负荷的命令。例如，当操作员希望增加发动机速度和/或功率时，表示所要求的增加速度和/或功率的适当信号会命令燃料喷射系统和由该发动机驱动的负载装置，通过喷射更多燃料到气缸中来达到该发动机速度和/或功率。如上所述，在加速或负荷增加瞬时期间，每次喷射时发动机需要更多的燃料，因此燃料喷射的持续时间变得更长。由此，在固定的喷射起始时间发生较晚燃烧，并导致更多大量烟尘或微粒的排放。
参考图2，在加速和/或负荷增加瞬时期间减少柴油发送机排放的方法从42所示的发动机运转开始。发动机运转42可以是具有大气缸排放量的柴油发动机的运转，例如图1所示的通常用于火车机车的发动机10。在发动机运转42期间，操作者可以通过改变节流阀或凹口选择器(notch selector)的位置来命令发动机速度和/或负荷改变。或者，所要求的速度可以保持不变(节流阀静止)，但对发动机负荷变化的命令可以由辅助源例如压缩机产生。
发动机节流阀位置和变化检测或发动机速度检测步骤44检测柴油发动机的节流阀位置变化和/或发动机速度。加速或负荷增加瞬时运转模式可以发生在多种情况下。在第一种技术中，监控节流阀的位置和变化。如果节流阀被操作员移动，则检测移动的位置和量并将其用于确定加速或负荷增加瞬时模式。
在第二种技术中，将发动机实际速度与所要求的发动机速度比较，以判定辅助装置是否已命令增加发动机的速度和/或负荷。在该第二技术中，不需要移动节流阀来产生所命令速度和实际速度之间的差别。节流阀的位置识别所命令的速度，但是不监控该节流阀的移动。
在检测节流阀变化和/或所命令速度与实际速度的差时，在步骤46确定运转模式。在第一种技术中，运转模式判定步骤46通过检测节流阀移动的方向，将加速或负荷增加瞬时运转模式与减速或负荷降低瞬时运转模式区分开来。节流阀位置的变化程度也用于确定加速或负荷增加瞬时运转模式。
在第二种技术下，通过监控发动机的一个或多个运转参数来检测加速或负荷增加瞬时模式。该运转参数可以是燃料燃烧率、每单位时间的RPM变化等等。例如，如果燃料燃烧率迅速增加，则说明当前是加速或负荷增加瞬时。可以理解，现有的传感装置可以用于监控发动机运转参数。
如果检测到加速或负荷增加瞬时模式，则流程继续到步骤48，访问瞬时喷射定时计划来控制燃料喷射定时。如果在46既未检测到加速又未检测到负荷增加瞬时，则本方法在步骤52采用稳定状态喷射定时计划，下面还要进一步讨论。在步骤48，瞬时喷射定时计划用于在加速或负荷增加瞬时期间，根据所检测的瞬时条件、通过采用与稳定状态条件有关的瞬时燃料喷射定时计划来提前燃料喷射定时，以达到期望的减少烟尘和微粒排放。在不同的加速或负荷增加模式下，燃料喷射定时或定时变化可以不同。燃料喷射定时的变化程度可以取决于加速或负荷增加瞬时的强度。例如，将节流阀从凹口1移动到凹口2可能比将节流阀从凹口1直接移动到凹口8需要更少的定时提前量。预定的定时计划可以包括取决于瞬时模式强度的值。类似地，发动机运转参数的大小可以用于选择适当的定时提前。
在步骤50，判定是否已达到稳定状态条件。如果在步骤50检测到稳定状态发动机运转，则在步骤52采用稳定状态喷射定时计划，由此优化发动机稳定状态运转和性能。如果在步骤50没有达到稳定状态条件，则系统继续到步骤48，其中系统继续使用瞬时喷射定时计划来执行规定的燃料喷射顺序，以保持期望的减少烟尘和微粒排放。一旦在步骤52采用稳定状态喷射定时计划，本方法返回步骤44，以连续地监控节流阀位置变化和/或发动机速度变化。节流阀变化表示请求速度和/或负荷的变化。发动机速度变化表示接通或断开的辅助负载使得期望的发动机速度发生变化。
图3是用于抑制柴油发动机排放的示例系统60的示意框图。系统60可以用于实现图2所示的用于抑制柴油发动机排放的方法。系统60与发动机10耦合，该发动机可以是压缩点火发动机，例如图1中的发动机10。系统60通常包括燃料供应装置62、燃料运送机构64、燃料喷射定时控制装置66和这里进一步讨论的多个传感装置。系统60可以集成在燃料喷射系统中，或与发动机10的现有燃料喷射系统一起来实现。
系统60相关于布置为与发动机10通信的发动机节流阀70而运转。发动机节流阀70由操作员利用，表示可能要求发动机10的速度和/或负荷变化的所命令的速度。通过移动发动机节流阀，操作员可以表示希望改变速度而从一个稳定状态运转条件变换到另一个。同样，操作员可以通过手动地重新定位节流阀，表示希望改变发动机负荷而从一个稳定状态运转负荷条件变换到另一个。所命令的发动机速度和/或负荷也可以用自动装置选择，该自动装置可以执行控制发动机的预置程序。向负载装置提供节流阀选择信号82，该负载装置例如是与发动机机械耦合的交流发电机，以便对应于所选择的节流阀位置产生期望的发动机功率。
发动机节流阀位置和变化传感装置68检测表示选择所命令的速度和/或负荷从一个稳定状态变换到另一个的、发动机节流阀70的位置和变化。实际速度传感装置76检测与发动机节流阀70的定位有关的发动机实际运转速度(发动机RPM)。实际发动机RPM由实际速度传感装置76利用与发动机机曲轴或凸轮轴耦合的定时信号发生器(未示出)确定。
加速或负荷增加瞬时检测装置72使用来自发动机节流阀位置和移动传感装置68的输入来检测加速或负荷增加瞬时运转模式。瞬时检测装置72也可以使用来自实际发动机速度传感装置76的输入来确定发动机是否经历了加速或负荷增加瞬时运转模式。例如，如果所命令的发动机RPM高于实际的发动机RPM一个预定的阈值，则存在加速或负荷增加瞬时运转模式。这可以发生在没有改变发动机节流阀位置就接通辅助装置(例如压缩机)时。继续当前的例子，加速或负荷增加瞬时检测装置72然后向燃料喷射定时控制装置66发送适当的信号，以提前喷射定时来适应加速瞬时运转条件。喷射定时变化的程度可以取决于加速或负荷增加瞬时的强度，并可以随不同的瞬时模式而不同。
控制装置66可以包括存储装置(未示出)，其存储包含期望喷射定时数据的一系列查找表。控制装置66可以用微处理器、编程逻辑阵列(PLA)或其它公知装置实现。查找表中的喷射定时数据可以对应于诸如稳定状态或瞬时模式的发动机运转模式，以及诸如发动机速度和每次喷射的燃料量的运转参数。控制装置可以包括不同的喷射定时数据，用于由节流阀70的位置限定的不同瞬时和稳定状态模式。控制装置66也可以包括预编程的算法，使用查找定时表为特定的发动机稳定状态和瞬时速度-负荷条件确定最佳定时。
再参考图3，稳定状态定义和检测装置78检测是否在瞬时模式后达到稳定状态条件。可以通过将实际的发动机速度和/或负荷与所命令的发动机速度和/或负荷比较、并确定其差别在预定的界限之下来确定稳定状态条件。或者，可以通过检测在加速或负荷增加瞬时检测之后的预定时间流逝的结束来确定稳定状态条件。在本实施例中，稳定状态定义和检测装置78包括测量流逝时间的定时器。该预定时间可以随加速或负荷增加瞬时的强度而变化。例如，在高度加速之后可能需要更多时间来达到稳定状态。另一种用于检测稳定状态条件的技术是，监控燃料运送的变化率，并检测该变化率低于一界限值时的稳定状态条件。一旦检测到稳定状态运转条件，控制装置66可以利用包含稳定状态喷射定时数据的查找表并进行适当的燃料喷射，以达到期望的发动机稳定状态运转和性能。
图4是用于抑制柴油发动机排放的示例系统80的示意框图。如图4所示，不监控节流阀的位置变化。发动机节流阀70提供所命令的速度，实际发动机速度传感装置76提供实际的速度。如上所述，如果所命令的速度超过实际速度一阈值，则检测到加速或负荷增加瞬时模式。发动机参数传感器90向加速或负荷增加瞬时检测装置72提供一个或多个发动机参数。根据所命令的速度/实际速度差和发动机参数，加速或负荷增加瞬时检测装置72判定是否存在加速或负荷增加瞬时。尽管作为单独部件示出，发动机参数传感器90可以对应于实际速度传感装置76，或是燃料系统的一部分或其它一些子系统。
参考图5，本发明的实施例以图形方式显示在表示燃料喷射定时和燃烧之间关系的200中。单个喷射器的动作按照与各个活塞的上止点(TDC)有关的曲柄角示出。喷射器的动作由用于稳定状态条件的线203和由用于加速或负荷增加瞬时模式的线204代表。类似地，在气缸中释放的热量按照与TDC有关的曲柄角示出，并由用于稳定状态条件的线207和用于加速或负荷增加瞬时模式的线204代表。曲线204和208代表本发明实施例提供的较早定时，以关于TDC产生较早的热量释放，并排除较晚燃烧，从而排除煤烟和微粒排放。
在运转时，控制装置66接收来自上述各种传感器的输入。当控制装置66确定稳定状态条件存在时，控制装置66指示燃料运送机构64遵循线203，并产生遵循线207的热量释放。当控制装置66确定存在加速或负荷增加瞬时模式时，控制装置66调整燃料喷射定时，以便遵循线204例如产生遵循线208的热量释放。在定时没有提前的情况下，燃料喷射点火由线202代表，相应的热量释放以线206示出。通过改变定时，减缓了较晚燃烧、煤烟产生和微粒排放。控制装置66连续地监控传感器输入，以确定任何与稳定状态条件有关的加速或负荷增加瞬时模式的存在和/或幅度，并根据检测和感知的运转模式校正燃料喷射定时。当达到并检测到稳定状态条件时，控制装置66将燃料喷射定时返回到线203和207所代表的稳定状态条件。
虽然参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的情况下可以做出各种修改，并用等价物代替其元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行大量更改以使特定情况或材料适应本发明的宗旨。因此，本发明不限定为所公开的用于实施本发明的特定实施例，而是包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于控制在铁路机车的柴油发动机(10)中的燃料喷射定时的方法，该铁路机车可以通过发动机运转速度和功率的不连续节流阀凹口来操作，并经历负荷瞬时运转模式，其中施加到发动机(10)的负载增加而在发动机节流阀凹口(70)中没有增加，所述方法包括监控表示对应于发动机节流阀凹口(70)的所命令的发动机运转速度的参数；发送代表所命令的发动机运转速度的数据；监控表示实际发动机(10)的运转速度的参数；发送代表实际发动机运转速度的数据；响应于代表所命令的和实际的发动机运转速度的数据，检测所命令的发动机速度何时超过实际速度，以建立负荷瞬时模式；以及响应于检测负荷瞬时模式，根据预定的定时计划提前发动机(10)的燃料喷射定时，以减少发动机排放。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述燃料喷射定时提前随着所命令的发动机运转速度和实际的发动机运转速度之间的差别幅度而增加。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述预定定时计划包括多个定时计划。
4.如权利要求1所述的方法，其中所命令的发动机运转速度和实际的发动机速度之间的差别幅度必须在提前燃料喷射定时之前超过预定数量。
5.如权利要求1所述的方法，其中在增加所述发动机(10)的负荷之后的预定时刻，将所命令的发动机速度与实际的发动机速度进行比较。
6.如权利要求1所述的方法，其中当实际的发动机运转速度增加到所命令的速度时，减少所述燃料喷射定时的提前。
7.一种用于控制在铁路机车的柴油发动机(10)中的燃料喷射定时的方法，该铁路机车可以通过发动机运转速度和功率的不连续凹口来操作，并经历其中增加发动机凹口(70)的发动机瞬时运转模式，所述方法包括监控表示对应于发动机节流凹口(70)的所命令的发动机(10)的运转速度的参数；发送代表所命令的运转速度的数据；监控表示发动机(10)的实际运转速度的参数；发送代表该实际发动机运转速度的数据；响应于代表所命令的和实际的发动机运转速度的数据，检测所命令的发动机速度何时超过实际的发动机速度，以建立发动机瞬时模式；在发动机瞬时模式期间，当其响应发动机节流阀位置的增加时，监控表示发动机(10)的运转的参数，以检测在该发动机瞬时模式期间发动机运转的变化；发送代表发动机运转变化的数据；以及响应于检测发动机瞬时模式和检测在发动机瞬时模式期间的发动机运转变化，根据预定的定时计划提前发动机(10)的燃料喷射定时，以减少发动机排放。
8.如权利要求7所述的方法，其中在建立发动机瞬时模式之前，所命令的发动机速度超过实际的发动机速度一预定量。
9.如权利要求7所述的方法，其中在增加发动机节流阀凹口之后的预定时刻，将所命令的发动机速度与实际的发动机速度进行比较。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述燃料喷射定时的提前程度随着所命令的发动机运转速度和实际的运转速度之间的差别幅度而增加。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述预定定时计划包括多个定时计划。
12.如权利要求7所述的方法，其中所述机车包括发动机控制装置(66)，所述监控发动机(10)的运转包括监控发动机控制装置(66)发送的数据，以在发动机瞬时模式期间改变发动机运转。
13.如权利要求12所述的方法，其中由发动机控制装置(66)发送的数据控制喷射到所述发动机(10)的燃料量。
14.如权利要求7所述的方法，其中监控发动机(10)的运转包括在发动机加速瞬时模式期间监控实际发动机运转速度的增加。
15.如权利要求7所述的方法，其中在实际发动机运转速度增加到所命令的速度时，减少所述燃料喷射定时的提前。
全文摘要
一种在包括至少一个气缸的压缩点火发动机(10)中控制燃料喷射定时的方法。该方法包括监控表示对应于发动机节流阀凹口(70)的所命令的发动机(10)的运转速度的参数，并监控表示实际的发动机(10)的运转速度的参数。当所命令的发动机速度超过实际的发动机速度时，提前发动机(10)的燃料喷射定时，以减少排放。
文档编号F02D41/40GK1699737SQ200410045858
公开日2005年11月23日 申请日期2004年5月20日 优先权日2004年5月20日
发明者陈工, 贝特兰德·D·休, 罗伯特·D·克里尔 申请人:通用电气公司