专利名称：柴油机喷射系统及其喷射方法
技术领域：
本发明涉及一种柴油机，特别地，涉及一种用于喷射液化石油气到柴油机中以进行燃烧的方法和系统。
主要相对于普通柴油机开发本发明，在下文中将参考本申请进行描述。然而，应当理解，本发明的范围并不局限于此，例如，也可应用到生物柴油机中。
背景技术：
柴油机在大量应用场合具有广泛的应用，例如运输、重型机械或者发电，形成农业、矿业、建筑业、货运和客运的众多设备中的重要部件。最近的柴油价格显著增长也增加了维护柴油机设备的重要性，以便于允许它们尽可能地有效运行。相对小的有效增益可以导致燃料消耗和设备磨损的显著下降，同时相应地减小了污染和其它排放。
公知地，将可燃气体加入柴油机的进气口。可燃气体与普通空气的进气混合增强了气缸内的燃烧条件，从而提高了柴油燃烧过程的效率。现有技术中，将可燃气体源(例如液化石油气(LPG)源)连接到柴油机的进气口，并且通过电磁阀以预定速度喷射。这被引入发动机的进气空气流中并且在文氏管中混合。通过歧管真空或者压差而提供文氏管的空吸。
不幸地，发动机性能恶化中的一些简单因素可显著地降低可燃气体喷射和发动机燃烧的效率。例如，当柴油机运行时，它的空气过滤器将自然地减少其流入到发动机的进气空气流的流率。因此，喷射可燃气体的水平不能成比例地降低。因此，现有技术不利地开始降低任何已得到的有效增益，并且取决于例如空气过滤器的发动机部件的恶化，在具有可燃气体喷射的发动机效率比不具有可燃气体喷射的效率更低的条件下，更容易损坏。
发明起因 本发明的起因提供了用于喷射液化石油气到柴油机中以与柴油一起燃烧的方法和系统，其中将克服或实质地改善现有技术的一个或者多个缺陷，或者提供有效的替换。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于喷射液化石油气到柴油机中以燃烧其中的柴油的方法，该方法包括如下步骤 喷射液化石油气到发动机进气空气流或者歧管中； 测量喷射到空气流中的液化石油气的百分比或者其它有效度量参数(gauge)； 根据所测量的空气流中的液化石油气的百分比，改变进入空气流中的液化石油气的喷射率，并且以预定喷射率喷射液化石油气，以便于维持进气空气流中的液化石油气体积浓度在0.2％至0.6％的范围中。
根据本发明的第二方面，提供一种用于喷射液化石油气到柴油机中以与柴油一起燃烧的方法，该方法包括如下步骤 以从发动机空转时的最小值(REVSmin)到节流阀充分打开时的最大值(REVSmax)的预定转数测量发动机的每分钟的转数(REVScurrent)； 以从发动机空转时的无负载(Loadmin)到发动机的最大负载(Loadmax)的预定负载测量发动机负载(Loadcurrent)； 测量进入发动机的进气空气流的液化石油气的流率，以便于维持在进气中混合的液化石油气的百分比在0.2％至0.6％的范围内，从而使得最小气体喷射率(GASmin)对应于零负载的空转发动机。
根据本发明的第三方面，提供一种用于喷射液化石油气到柴油机中以与柴油一起燃烧的系统，该系统包括 液化石油气喷射装置，其具有设置为与柴油机空气进口流体连通的出口、以及设置为与液化石油气源流体连通的进口； 液化石油气喷射设备控制器，所述控制器配置用于接收发动机性能参数的输入指示，并且配置用于控制来自液化石油气喷射装置出口的液化石油气喷射率，从而使得柴油机空气进口具有喷入其内的液化石油气，以形成液化石油气浓度在0.2％至0.6％之间的空气-液化石油气混合物。
可以看出，提供喷射液化石油气到柴油机中的方法和系统，有利地改善了发动机中柴油的燃烧，从而降低了柴油机的排放。该方法和系统也可设置成可根据一个或者多个发动机参数的变化操作，并可以少至两个测量点为基础进行校准。
现在参考下面的附图，仅以示例性的方式描述本发明的优选实施例，在附图中 图1是根据本发明的优选实施例的配置用于喷射液化石油气到柴油机中的装置的电路板的示意图； 图2是图1的实施例的连接引脚描述； 图3是图1的系统电路框图； 图4是图1的系统的接线图； 图5是图1的系统的线束图； 图6是提供图1的系统的接线图和导线图的引脚输出的描述的图表；以及 图7示出对应于图1的系统的气体喷射率的确定公式的查找表。
具体实施例方式 根据优选实施例，公开了用于喷射液化石油气到柴油机中以与发动机中的柴油一起燃烧的方法和系统。柴油机未示出。
该方法包括喷射液化石油气到发动机的进气空气流中或者直接进入歧管。测量被喷入空气流中的液化石油气的百分比。喷入空气流中的液化石油气的喷射率(GASinject)响应于空气流中液化石油气的测量到的百分比。允许以预定喷射率喷射液化石油气，以便于维持进气空气流中的液化石油气的体积浓度百分比在0.2％～0.6％的范围内。理想地，维持进气空气流中的液化石油气的体积浓度基本上为0.35％。
喷射液化石油气到发动机气缸进气阀的上游的发动机进气口的空气流中，从而提供混合空气和液化石油气的最好的时机。测量混合入发动机进气空气流中的液化石油气的百分比，包括放出所混合的液化石油气-空气进气气流部分；并且用液化石油气传感器直接取样。可替换地，可以通过燃烧放出液化石油气并且用延时测量热线式传感器测量其产物，以测量液化石油气-空气进气混合物。应当理解，可以根据需要使用任何优选的直接或者二次液化石油气浓度传感器。
可替换地，可以通过使用排气歧管中的氧化氮(NOX)传感器、排气歧管中的温度传感器或者排气歧管中的气体传感器测量发动机的效率，测量发动机的进气混合物。
系统采用有效测量来计算液化石油气的使用点，并且稍后从这些储存的点推断所需的气体水平(GASinject)，通过进气空气流中的液化石油气混合物的直接传感器测量提供更快的液化石油气喷射响应时间。在可替换的实施例中，通过计算和储存电子系统图或表取代从有效测量中得到的存储点的使用。
有利地，该方法的操作显著地提高了柴油机的燃烧效率。这具有减少污染，尤其是减少颗粒物质；提高功率消耗；并减少燃料消耗的效果。
现在参考图1至图6的优选实施例，图1是配置用于喷射液化石油气到柴油机中的装置的电路板的示意图，所述方式用于维持进气空气流中的液化石油气的体积浓度在0.2％～0.6％的范围内。所述电路板10包括连接器11，所述连接器11配置用于与对应的连接器(未示出)相适配，例如在所示的实施例中的具有40个引脚的DRC26-40。图2是图1的连接器11的连接引脚的描述。
图3是图1的电路板10的系统30的对应的电路框图，其示出了进入微处理器39、控制器(40)和通讯装置(41)的装置输入侧(31-38)。四通道高侧继电器40接收来自微处理器39的控制信号，并且发送燃料启动信号到输出端口40A，以允许气体流动。两个输出端口40B和40C提供信号以控制液化石油气流进入柴油机进气口。
MAX3232CSE收发器形式的通讯装置41提供到微处理器39的接口。系统30设置为接收输入(31-36)，其中由热敏电阻形式的传感器31测量在与进气空气流混合之前或者之后的液化石油气的温度，并且被发送到微处理器39。通过发动机交流发电机传感器32测量发动机的速度或者RPM，通过传感器34测量发动机的歧管压力，并且由热电偶33测量排气温度，所述热电偶33具有冷端，所述冷端由设置在微处理器39中间的热电偶数字转换器37和EEPROM存储装置38补偿。
氧气传感器35提供到微处理器39的输入，所述输入指示空气进气/液化石油气混合物的氧气水平。开关36提供到微处理器39的输入，用于当按压中断踏板和/或加速器/节流阀移动到静止位置或者初始位置时，关闭液化石油气的喷射。微处理器39输入侧的传感参数指示发动机的负载和RPM。当关闭发动机点火系统时，关断系统30。
图4示出了图1的系统的连接器11的电路接线图。图5示出了对应的线束图。在该图中，连接器11被示出与系统的部件连接。提供数据插头输出52、53、54，发动机机体接地线55、56和选择电源电压57的装置。保险丝58、59提供电池的保护，保险丝60、61保护自动气体切断装置。提供到排气温度传感器62、63的连接。
连接器11包括用于控制变化系统30的部件(一些未示出)的连接，例如自动气体切断装置正负连接器64、65、以及转速计(RPM)脉冲输出66。输出67至74提供针对四个独立的液化石油气喷射器(未示出)的控制。
连接器11还包括到压力转换信号输出75、76、车辆点火输出77以及MAP/TP传感器78、79、80的连接。连接器11还包括液化石油气储油罐的自动燃料切断装置连接81、82、83、以及OEM和仿真MAP信号连接器84、85。连接器11的输出86、88提供液化石油气的度量连接，而输出89、99分别提供12V开关和液化石油气流选择器。
通过连接器11提供到节流阀开关90、91的连接。连接器92、93提供发动机冷却温度(ECT)传感器的输出、以及用于测量的丙烷传感器94、95、96、97的连接。
图6是为图4和图5的接线图和线束图的提供引脚输出描述的图表。图1的优选实施例的、用于操作系统30的电路板10显示不同的部件，所述部件包括连接器11、微处理器39、电容分别是0.1μF、10μF、1μF、470μF的电容器110、111、112、123。也示出了高压电容器133。
电路板10也示意性地示出电阻值分别为10kΩ、4.7kΩ、920Ω、1kΩ、33kΩ、100Ω的电阻器117、119、124、128、129、131。也示出了如下部件稳压二极管113；调压器114；电压继电器115、116，后者是四通道高侧继电器；二极管118；MAX3232CSE的通信收发器120；欠电压检测电路121；如25LC1024集成电路的串行存储器122；用于数字转换器的冷补偿K型热电偶125；六角换向施密特(Schmitt)触发器126；数模转换器127；5A保险丝130；以及RS232通信端口132。
在所示的实施例中，用于实现喷射液化石油气到柴油机中的方法的系统，包括根据发动机调节器的电力输出脉冲提供的信号而进行测量的自动液化石油气燃料截止阀。在不存在电信号的情况下，当发动机不运行时，切断液化石油气阀。当校准系统时，以从发动机空转的最小值(REVSmin)到节流阀充分打开时的最大值(REVSmax)的预定转数测量发动机每分钟的发动机转数(REVScurrent)，且测量相对应的液化石油气的喷射率，以将液化石油气的体积维持在空气进气气流的体积的0.35％。
关于以从无负载的发动机空转(Loadmin)到最大发动机负载(Loadmax)的预定负载测量发动机的负载(Loadcurrent)方面，重复相同的步骤，并且还测量理想的气体喷射率。应当理解，最小气体喷射率(GASmin)对应于零负载时的空转发动机，同时维持进气空气流中0.35％的液化石油气浓度。
图1至图6的优选实施例中，液化石油气喷射率(GASinject)的特征在于由参考点以电方式存储的预定发动机转数(REVS)(REVScurrent)和负载(Loadcurrent)测量。在该实施例中，进气空气流的液化石油气喷射率(GASinject)的值由下列方程得出 该方程中，GASmax是在最大发动机REVS和最大负载下所需的气体喷射率，GASmin是在最小发动机REVS和最小或者零负载的条件下的气体喷射率。
通过对柴油机交流发电机或者其它发动机信号源的输出进行测量而确定发动机的REVS。这提供正比于发动机的REVS的信号。通过歧管绝对压力传感器的相应测量而测量柴油机负载(Loadcurrent)。传感器输出与发动机负载成正比。
然而，应当理解，任何其它优选的装置可以测量发动机REVS，通过其它装置(例如发动机涡轮增压器压力传感器、排气温度传感器、节流阀位置传感器和/或排气氧化氮气体传感器)也可以测量发动机负载。而且，可以相应地修正上述方程，以表征所需的气体喷射率。
图7示出作为发动机的REVS和负载的函数的液化石油气喷射率的查找表。该查找表由上述方程表征。对于在零负载或者最低负载(和最低REVS)下的空转发动机，液化石油气的喷射率对应于GASmin。这也优选响应于来自节流阀开关的信号出现，所述节流阀开关指示减速、刹车和/或空转条件。以类似的方式，液化石油气喷射系统不能响应于来自用于指示液化石油气排放的液化石油气箱传感器的信号。
在该实施例中，应当理解，该系统可以根据需要通过测量在所述负载和REVS范围上的所需的喷射率来进行校准或者再校准，以便维持进气空气流中液化石油气的体积浓度为0.35％，并将这些喷射率值相应地储存在查找表中。
在图1至图6的实施例中，应当理解，对应于歧管压力、发动机REVS等的系统输入被连接到图1的设备中。该设备具有用于控制液化石油气的供给及其进入进气空气流喷射的喷射率的输出。
应当理解，本发明的优选实施例至少在几个重要的方面优于现有技术。首先，本发明可以通过使用针对发动机的REVS和负载的第三变量进行“自动调节”，以确定正确的气体喷射率，从而维持液化石油气占进气体积的0.35％。还应当进一步理解，可以采用诸如氢、天然气或者其它可燃气体等任何优选的可燃气体代替液化石油气。本发明的优选实施例中所测量的第三变量，是液化石油气在进气体积中所占的百分比，然而，柴油流、空气流、NOX、氧气或者温度都可以被合适地用作为第三变量。一旦知道三个变量，就可以产生正确的气体喷射率和产生图或者参考点。
优于现有技术的第二个益处是上述气体喷射方程的使用。不是必须使用包括上百个点的系统图或者表，而是储存两个点(空转和比空转大的另一点)以及使用上述方程计算气体喷射率。所述益处是不用花费相对多的时间测量所有的上百个值，本发明只要求测量两个点。使用模型方程也比使用查找表更精确，这是因为所述方程能够计算准确值，而不是在图上采选最接近的点。
例如，应当理解，如果液化石油气的使用是正弦的，那么上述方程也可能是正弦的，并且图可能是方波。而且，虽然在优选实施例中使用丙烷传感器对被喷射到进气空气流中的液化石油气进行采样，但是也可以使其直接喷射到歧管中，并且使用测试排气中的NOX水平来测量进气空气流中的液化石油气水平。当然，例如氢或者A跨金(aquagen)可以被喷射入柴油机歧管中并且在排气中测量NOX水平以确定正确的气体喷射率。可以设想该系统使用水而不是液化石油气作为燃料。
应当理解，在本发明的未示出的其它实施例中，液化石油气喷射率(GASinject)被表征为作为参考点而被电存储的预定的发动机REVS(REVScurrent)和负载(Loadcurrent)测量值。在可选实施例中，进入进气空气流的液化石油气喷射率(GASinject)由下列方程支配 在该支配方程中，变量N和M是正的且满足方程N+M＝1。这样，当优选N和M中的每个为0或者大于0但不大于1的值时，可以预先确定GASinject的相对权重。依靠情况选择加权N和M，例如，在标准涡轮柴油车辆发动机的情况下选择N＝0.4和M＝0.6。这样，GASinject在发动机转数上的加权大于发动机载荷的加权。在自然进气柴油机中，N可以等于0，M可以等于1，以使得在确定气体喷射率GASinject时不考虑测量负载的分量。在固定式柴油机中，优选只测量发动机负载，因此N＝1和M＝0。
应当理解，只要N+M＝1，就可以提供N和M的任何优选值。如上所述，应当理解，可以以与所述优选实施例相同的方式使用该方程，所述方程组合了所测量的REVS和负载值的加权。也就是，用于使在进气的空气中的液化石油气的浓度为0.35％的气体喷射率通过使用方程支配，在该方程中，依赖于发动机和应用，对负载和转数的测量进行加权。
这里描述的是，喷射到柴油机的空气进口中的液化石油气的浓度被设置在0.2％至0.6％之间。例如，当浓度是0.6％时，不能提高柴油机动力性能，然而，却显著减少排放。对比不提供液化石油气喷射的情况，有利地显著减少了典型的柴油机颗粒物质的排放。例如，当在柴油机进气的空气中的液化石油气浓度是0.35％时，则不只有利地显著减少了排放，而且也有利地增加发动机的动力输出。
上文只描述了本发明的一个实施例，对于本领域技术人员来说，显然可以在不脱离本发明的范围的情况下对其做出修正。
本文使用的术语“包括”用作术语“含有”或者“具有”的意思，而不是“只由……组成”的意思。
权利要求
1、一种用于喷射液化石油气到柴油机中以与其中的柴油一起燃烧的方法，该方法包括如下步骤
喷射液化石油气到发动机的进气空气流或者歧管中；
测量被喷射到空气流中的液化石油气的百分比或者其它有效度量参数；
根据所测量的液化石油气的百分比，改变进入空气流中的液化石油气的喷射率，并且以预定喷射率喷射液化石油气，以维持进气空气流中的液化石油气的体积浓度在0.2％至0.6％的范围内。
2、如权利要求1所述的方法，其中喷射到进气空气流中的液化石油气的体积浓度基本上维持在0.35％。
3、如权利要求1或2所述的方法，其中所述喷射液化石油气到发动机的进气空气流中的步骤包括当正在进入或者已经进入气缸时，喷射液化石油气到发动机气缸的上游或者喷射液化石油气进入空气流中。
4、如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中测量在发动机进气空气流中混合的液化石油气的百分比的步骤包括下述步骤，通过燃烧液化石油气进气混合物而放出混合的进气空气流的一部分，并且采用延时热线式传感器的形式的传感器对所述部分进行测量。
5、一种用于喷射液化石油气到柴油机中以与其中的柴油一起燃烧的方法，该方法包括如下步骤
以从发动机空转时的最小值(REVSmin)到节流阀充分打开时的最大值(REVSmax)的预定转数测量发动机的每分钟的转数(REVScurrent)；
以从发动机空转时的无负载(Loadmin)到发动机的最大负载(Loadmax)的预定负载测量发动机负载(Loadcurrent)；
测量进入发动机进气空气流的液化石油气的流率，以便维持在进气口中混合的液化石油气的百分比在0.2％至0.6％的范围内，从而使得最小气体喷射率(GASmin)对应于零负载下的空转发动机。
6、如权利要求5所述的方法，还包括下述步骤测量发动机在空转时(REVSmin)和有负载时的效率；以及确定正确的气体喷射率(GASinjcet)。
7、如权利要求5或6所述的方法，通过下述方程支配喷射液化石油气的步骤
其中，GASmax是在最大发动机转数和最大负载条件下的气体喷射率；GASmin是在最小发动机转数和最小负载条件下的气体喷射率。
8、如权利要求5或6所述的方法，其中通过下述方程支配喷射液化石油气的步骤
其中，GASmax是在最大发动机转数和最大负载条件下的气体喷射率；GASmin是在最小发动机转数和最小负载条件下的气体喷射率；N和M是正数，并且满足N+M＝1。
9、如权利要求5或6所述的方法，其中通过下述方程支配喷射液化石油气的步骤
其中，GASmax是在最大发动机转数和最大负载条件下的气体喷射率；GASmin是在最小发动机转数和最小负载条件下的气体喷射率。
10、如权利要求5或6所述的方法，其中通过下述方程支配喷射液化石油气的步骤
其中，GASmax是在发动机负载条件下的气体喷射率；GASmin是在最小发动机负载条件下的气体喷射率。
11、如权利要求5或6所述的方法，其中通过下述方程支配喷射液化石油气的步骤
其中，GASmax是在最大发动机转数条件下的气体喷射率；GASmin是在最小发动机转数条件下的气体喷射率。
12、如权利要求7至9中任一项所述的方法，其中通过对在最大负载和最大发动机转数条件下的发动机的GASinject(GASmax)、以及在空转(REVSmin)零负载条件下的发动机的GASinject(GASmin)进行测量，以及借助方程在其间推算，表征液化石油气喷射率(GASinject)。
13、如权利要求10所述的方法，其中通过对最大负载条件下的发动机的GASinject(GASmax)、以及在零负载条件下的发动机的GASinject(GASmin)进行测量，以及借助方程在其间推算，表征液化石油气喷射率(GASinject)。
14、如权利要求11所述的方法，其中通过对在最大发动机转数条件下的发动机的GASinject(GASmax)、以及在空转(REVSmin)条件下的发动机的GASinject(GASmin)进行测量，以及借助方程在其间推算，表征液化石油气喷射率(GASinject)。
15、如权利要求5-9、11、12、14中任一项所述的方法，其中通过柴油机交流发电机或者其它的发动机信号源的电压输出测量发动机的Rev.率。
16、如权利要求5-10、13中任一项所述的方法，其中通过对歧管绝对压力传感器、涡轮增压器压力传感器、节流阀位置传感器、排气温度传感器、和/或排气氧化氮气体传感器、或者把发动机放在测力计上的对应测量来测量柴油机负载(Loadcurrent)。
17、如权利要求5-16中任一项所述的方法，包括下述步骤响应于来自节流阀开关的信号，将液化石油气喷射率转换成最小气体喷射率(GASmin)，所述来自节流阀开关的信号指示减速、刹车和/或空转条件。
18、如权利要求5-17中任一项所述的方法，包括下述步骤，在预定时间执行段落5的方法步骤，以重新校准液化石油气喷射率(GASinject)，并且相应地重新设置液化石油气喷射率。
19、一种用于喷射液化石油气到柴油机中以与其中的柴油一起燃烧的系统，该系统包括
液化石油气喷射装置，所述喷射装置具有设置为与柴油机的空气进口流体连通的出口、以及设置为与液化石油气源流体连通的入口；
液化石油气喷射装置控制器，所述喷射装置控制器配置用于接收发动机性能参数的输入指示，并且配置用于控制来自液化石油气喷射设备出口的液化石油气喷射率，以使得柴油机空气进口具有喷入其内的液化石油气，以形成液化石油气浓度在0.2％至0.6％之间的空气一液化石油气混合物。
20、如权利要求19所述的系统，其中所述发动机性能参数包括在发动机的进气空气流中混合的液化石油气的百分比；在从发动机空转时的最小值(REVSmin)到节流阀充分打开时的最大值(REVSmax)的预定转数下的发动机每分钟的发动机转数(REVScurrent)；在从无负载时的发动机空转条件下的负载(Loadmin)到最大发动机负载(Loadmax)的预定负载的发动机负载(Loadcurrent)；柴油机交流发电机或者其它的发动机信号源的电压输出；以及歧管绝对压力、涡轮增压器压力、节流阀位置、排气温度、和/或氧化氮排气、或者发动机测力计。
21、如权利要求19或20所述的系统，其中液化石油气喷射装置控制器配置用于执行下述方程
其中，GASmax是在最大发动机转数和最大负载条件下的气体喷射率；GASmin是在最小发动机转数和最小负载条件下的气体喷射率；且N和M是正数，并且满足N+M＝1。
22、如权利要求21所述的系统，其中所述液化石油气喷射设备控制器配置用于提供进入空气进口的液化石油气喷射率(GASinject)，所述喷射率通过对在最大负载和最大发动机转数条件下的GASinject(GASmax)发动机、以及在空转零负载(GASmin)条件下的发动机的GASinject(REVSmin)进行测量，以及借助方程推算而被表征。
23、一种柴油机，所述柴油机用于执行权利要求1至18中任一项所述的方法。
24、一种柴油机，所述柴油机具有权利要求19至22中任一项所述的系统。
全文摘要
提供一种用于喷射液化石油气到柴油机中以与其中的柴油一起燃烧的方法。该方法包括如下步骤喷射液化石油气到发动机的进气空气流或者歧管中；测量在所喷射的空气流中的液化石油气的百分比或者其它有效度量参数；响应于所测量的液化石油气的百分比，改变进入空气流中的液化石油气的喷射率；并且以预定喷射率喷射液化石油气，以便维持进气空气流中的液化石油气的体积浓度在0.2％至0.6％的范围内。还提供一种用于喷射液化石油气到柴油机中以与其中的柴油一起燃烧的系统。该系统包括液化石油气喷射装置，所述喷射装置具有设置为与柴油机空气进口流体连通的出口、和设置为与液化石油气源流体连通的入口，液化石油气喷射装置控制器，所述喷射装置控制器配置用于接收发动机性能参数的输入指示，并且配置用于控制来自液化石油气喷射装置出口的液化石油气喷射率，以使得柴油机空气进口具有喷入其内的液化石油气，以形成液化石油气浓度在0.2％至0.6％之间的空气—液化石油气混合物。
文档编号F02B1/14GK101341316SQ200780000859
公开日2009年1月7日 申请日期2007年11月28日 优先权日2007年8月20日
发明者德里克·罗伯特·沃特金斯, 布鲁斯·罗伯特·沃特金斯, 基思·默里·伦贝尔 申请人:盖斯泰科解决方案有限公司