专利名称：运行压缩-点火引擎的系统和方法
运行压縮-点火引擎的系统和方法技术领域本才支术总〗本上涉及用于运4亍压缩-点火引擎(compression-ignition engine) 的系统和方法，更具体地说，涉及对在高海拔地区运行的柴油引擎(diesel engine)的峰^i汽缸压力(peak cylinder pressure)进4亍控制的系统禾口方法。
背景技术：
压缩-点火引擎，诸如柴油引擎之类，是通过将燃料(例如，柴油燃料)直 接注入 一 个或多个活塞汽缸组件中的压缩空气中，使得压缩空气的热量点然 燃料-空气混合物而运行的。压缩-点火引擎通常还包括电热塞(glowplug),用于提供热量以保证点火。直接注入燃料会使燃料雾化为小油滴，这些小油滴 蒸发并在活塞汽缸组件的燃烧室中与压缩空气混合。通常，压缩-点火引擎运行于比火花-点火引擎(spark ignition engines)相对较高的压缩比率。压缩比率 直接影响引擎性能、效率、废气污染物以及其他引擎特性。此外，燃料-空气 比率(fliel-air ratio)也影响引擎性能、效率、废气污染物以及其他引擎特性。 废气排放一般包括污染物，如碳氧化物(例如， 一氧化碳)、氮氧化物(NOx)、 疏氧化物(SOx)、颗粒物质(particulate matter ， PM)以及烟。这些污染物的量和 相对比例，按照燃料-空气混合物、压缩比率、注入定时、环境条件(例如，大 气压、温度等)等而变化。在某些应用中，压缩-点火引擎被用在相对恶劣的环境条件中，诸如高海 4犮J也区。例i口， 以柴油为动力的才几车(diesel powered locomotives)可以运4亍的 环境条件范围很宽，尤其在多山地区。这些环境条件可以对引擎性能、效率、 废气污染物以及其他引擎特性产生负面影响。例如，在多山地区中运行的柴 油引擎要承受由于坡度较大而导致的大负载、由于较高海拔而导致的低气压、 由于较寒冷气候或较高海拔而导致的低温、以及由于较低气压而导致的低空 气密度，等等。使燃料注入的定时提前，以提高引擎效率。结果，峰值汽缸 内压力(peak in-cylinder pressure)会上升到不希望的？K平；污染物4非;jt会增力口 到不能接受的水平。当引擎在极端环境温度和海拔条件下满负荷运行时，各种引擎参数尤其容易超过引擎设计极限。例如，除了其它方面的原因外，峰 值汽缸内压力的增加可以归因于使燃料注入的定时提前。不幸的是，现有的 引擎没有充分解决提前的燃料注入的定时对引擎参数如峰值汽缸内压力的影响。因此，需要对于提前的燃料注入的定时，控制峰值汽缸内压力的技术。 发明内容按照本技术的一个方面，提供了用于运行压缩-点火引擎的方法。该方法包括如果表示燃烧室内的最大压力的、感测的参数相对于预先选择的压力 而变化，并且，如果燃料注入定时大于预先选择的定时，则调整燃料注入的 定时。按照本技术的另一个方面，4是供了包括压缩-点火引擎的系统。该系统包 括控制器，该控制器被配置为如果压缩-点火引擎的燃烧室内的最大压力超 过预定压力，并且，如果燃料注入定时超过预定定时，则延迟燃料注入的定 时。
当参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些以及其他 特性、方面和优点，所有附图中5相同的字符代表相同的部分，其中图1为表示按照本技术的示范实施例的，具有最大汽缸内压力控制特性 (maximum in-cylinder control features)的压缩-点火引擎,诸如机车动力单元 (locomotive power unit)， 的示意图；图2和图3为示出了按照本技术的某些实施例的，对压缩-点火引擎的燃 烧室内的最大压力进行控制的各种处理的流程图；图4为示出了按照本技术的示范实施例的，压缩-点火引擎的燃烧室内的 最大压力相对于燃料注入定时而变化的曲线图；图5为表示按照本技术的示范实施例的，具有控制器的压缩-点火引擎， 诸如机车动力单元，的示意图；图6为表示按照本技术的示范实施例的，并入了具有最大汽缸内压力控 制特性的压缩-点火引擎，诸如机车动力单元，的系统的示意图；并且图7为表示按照本技术的示范实施例的，制造具有最大汽缸内压力控 特性的压缩-点火引擎，诸如机车动力单元，的示范过程的流程图。
具体实施方式
参照图1，示出了按照本技术的某些实施例的，具有最大汽缸内控制特性的机车动力单元10。机车动力单元10包括涡轮增压器(turbo-charger)12和 压缩-点火引擎，例如，柴油引擎14。电动机-发电机单元(未示出)可以与涡轮 增压器12机械耦接。如以下详细讨论的，本技术的实施例提供了监控和控制 特性，诸如传感器和控制逻辑，以便对影响压缩-点火引擎，例如，柴油引擎 14内的最大汽缸内压力的引擎性能进行调整。例如，在某些诸如高海拔多山 地区之类的极端环境下，通过延迟(retarding)燃料注入的定时和/或通过对引擎 功率;咸虐贞(derating)、；咸小Jt支管空气压力(manifold air pressure, MAP)、或者;咸 小涡轮增压器12的速度，将最大汽缸内压力减小到可接受/希望的水平。示出的引擎14包括空气进气歧管16和排气歧管18。涡轮增压器12包 括压缩机20和涡轮机22,涡轮增压器12在运行时用于向进气歧管16 #是供 压缩空气，以便在引擎14内燃烧。涡轮机22与排气歧管18耦接，以便从排 出气体中提取能量，用于使连接到压缩机20的涡轮增压器转轴24旋转。压 缩机20通过过滤器26吸入环境空气，并且将压缩空气纟是供给热交换器27。 空气温度由于压缩而升高。压缩空气流过热交换器27，使得空气温度在传递 进入引擎14的进气歧管16之前降低。在一个实施例中，热交换器27为空气 到水(air-to-water)热交换器，它利用冷却剂帮助去除压缩空气中的热量。在另 一个实施例中，热交换器为空气到空气(air-to-air)热交换器，它利用环境空气 帮助去除压缩空气中的热量。动力单元10还包括控制器28。在示出的实施例中，控制器28为用于引 擎14的电子燃料注入控制器28。在另一个实施例中，控制器28为可以由用 户进行编程的电子逻辑控制器。控制器28接收来自节流(throttle)位置传感器 32的节流设定信号30,其中，节流位置传感器32被提供用来对引擎14的、 由操作员控制的节流阀(未示出)的位置进行检测。控制器28可以运行以用于 产生定时信号34，以便对多个燃料注入泵36的运行进行控制。泵36驱动多 个燃料注入器38,燃料注入器38用于将燃料注入到引擎14的多个汽缸40 中。活塞42可滑动地布置在每个汽缸40中，并且，活塞42在上止点(top dead center)与下止点(bottom dead center)之间^主复运动。4空制器28还可以^妾{仗由压力传感器46产生的进气歧管空气压力信号44、由温度传感器50产生的进气 歧管空气温度信号48以及由溫度传感器54产生的涡轮机前(pre-turbine)溫度 信号52，其中，溫度传感器54被提供以用来检测从排气歧管18馈送到涡轮 机22的排出气体的温度。控制器28还可以接收来自速度传感器56的涡轮增 压器速度信号55，其中，速度传感器56被提供以用来检测涡轮增压器12的 速度。参照图2，该图为示出了按照本技术的实施例的，运行图l的压缩-点火 引擎14的方法的流程图。如由步骤58所示的，获得表示引擎14的燃烧室内 的最大压力的、感测的参数的实际值。例如，可以通过图1的压力传感器46 获得表示最大压力的实际值。在另一个实施例中，可以根据压缩-点火引擎14 的多个感测的运行参数，获得表示最大压力的实际值。如由步骤60所示的， 计算表示燃烧室内的最大压力的期望值。例如，可以通过图1的温度传感器 50获得进气歧管16内的空气溫度。如本领域技术人员明白的，可以才艮据表 示最大压力的实际值和进气歧管16内的空气温度，计算表示最大压力的期望 值。如由步骤6 2所示的，对最大压力的实际值相对于最大压力的期望值的变 化进行估算。如果表示最大压力的实际值相对于表示最大压力的期望值变化， 则对燃烧室内的燃料注入的定时进行调整，如由步骤64所示的。后面将参照 后续附图，对包含在调整燃料注入定时的过程中的详细步骤进行描述。如由 步骤66所示的，如果表示最大压力的实际值相对于表示最大压力的期望^L没 有变化，则不对燃烧室内的燃料注入定时进行调整。参照图3,该图为示出了运行图1的压缩-点火引擎14的方法的一个实 施例的流程图。在示出的实施例中，如由步骤68所示的，控制器28根据节 流阀的位置，确定燃料注入定时(AA，即，提前角(advance angle))。如以上所 讨论的，如由步骤70所示的，获得表示引擎14的燃烧室内的最大压力的感 测的参数的实际值。还计算表示燃烧室内的最大压力的期望值。可以才艮才居表 示最大压力的实际值和进气歧管16内的空气温度，计算表示最大压力的期望 值。如由步骤72所示的，控制器28接收来自速度传感器56的涡轮增压器速 度信号55，其中，速度传感器56被提供用来检测涡轮增压器12的速度。如 由步骤74所示的，控制器还接收由温度传感器54产生的涡轮机前温度(pre-turbine temperature, PTT)信号52，其中，温度传感器54被提供用来检测 从排气歧管18馈送到涡轮机22的排出气体的温度。如由步骤76所示的，将 排出气体的检测温度(PTTact)与预定溫度值(PTTdesign)进行比较。例如，预定 温度值可以是对PTT的设计值或期望值。或者，可以将涡轮增压器12的实 际检测速度(TrbSact)与涡轮增压器12的预定速度值(TrbSdesign)进行比较。例 如，预定速度值可以是对涡轮增压器12的速度的设计值或期望值。如由步骤 78所示的，如果排出气体的检测温度(PTTact)超过预定温度值(PTTdesign)， 或者，如果涡轮增压器的检测速度(TrbSact)大于预定速度值(TrbSdesign)，则 控制器28对引擎功率减小额定，或者对涡轮机22的速度进行控制，或者对 进气歧管16内的进气空气压力进行控制。如由步骤80所示的，如果排出气体的检测温度(PTTact)小于预定温度值 (PTTdesign)，或者，如果涡轮增压器的检测速度(TrbSact)小于预定速度值 (TrbSdesign)，则将表示最大压力的实际值(Pmax)与表示最大压力的期望值 (Pdesign)进行比较。如由步骤82所示的，如果表示最大压力的实际值(Pmax) 小于表示最大压力的期望值(Pdesign)，则维持引擎的功率输出，并且可以将 燃烧室内的燃料注入的定时提前。如由步骤84所示的，如果表示最大压力的实际值(Pmax)大于表示最大压 力的期望值(Pdesign)，则将燃料注入定时(AA)与表示燃料注入定时的期望值 (AAdesign ，例如7度)进行比较。例如，燃料注入定时的期望值可以为7度。 如本领域技术人员已知的，在某些其他实施例中，燃料注入定时的期望值可 以变化。在示出的实施例中，如果燃料注入定时(AA)小于7度，则控制器28对 引擎功率减小额定，或者对涡轮机22的速度进行控制，或者对进气歧管16 内的进气空气压力进行控制。如本领域技术人员已知的，通过对注入到燃烧 室中的燃料量进行控制，对引擎功率减小额定。电动机-发电机单元接收来自 控制器28的控制信号，并且，可进行操作以向涡轮增压器12提供功率或从 涡轮增压器12移去(remove)功率。例如，当电动机-发电机单元作为电动机运 行时，向涡轮增压器12提供功率，并且使涡轮机的速度增加。这迫使额外的 空气进入燃烧室，并且使进气歧管压力增加。相反，当电动机-发电机单元作 为发电机运行时，从涡轮增压器12移去功率，并且使涡轮机的速度减小。这 使得进入燃烧室的气流量减小，并且使进气歧管压力减小。如由步骤86所 的，如果燃料注入定时(AA)大于或等于7度，则燃烧室内的燃料注入定时净皮 延迟。燃料注入器泵36可操作以用于接收来自控制器28的定时信号34,并 且对燃料注入器38进行控制，从而对燃料注入的定时进行调整。参照图4，示出了按照本技术的实施例的、引擎14的燃烧室内的最大压 力(P,)88相对于燃烧室内的燃料注入定时(AA)90的曲线图。燃烧室内的最 大压力(Pmax)耳又决于引擎功率输出、燃料注入定时、才是前角、环境温度、环 境压力、涡轮增压器速度、进气歧管压力，等等。在示出的实施例中，示出 了用于两个不同环境条件(即，海拔3000米和5100米)的，最大压力(Pmax) 相对于燃料注入定时(AA)的变化。如果燃料注入定时大于或等于约7度，则 压力相对于燃料注入定时增加。因此，由于最大压力对燃料注入定时的每史感 性，可以在燃料注入定时提前角(AA)大于或等于7度的情况下，有效地控 制最大压力。由于燃烧室内的燃料燃烧，使燃烧室内的压力增加到最大值。如果燃料 注入的定时被提前，则压缩冲程期间注入的燃料量增加。燃烧在燃烧室内的 上止点之前开始。因此燃烧室内的压力增加。按照本技术，如果燃料注入定时减小到7度以下，则燃料注入在上止点 的恰好之前(immediately before)开始，而燃烧发生在上止点之后。由于在膨胀 冲程期间发生燃烧，因此燃烧导致的压力上升被膨胀冲程导致的压力下降补 偿。因此，在燃烧室内的上止点产生最大压力。如以上讨论的，最大压力还取决于进气歧管压力和涡轮增压器速度。涡 轮增压器速度取决于引擎的功率输出以及环境条件。因此，如果延迟燃料注 入定时，则使最大压力相对于燃料注入定时的变化^L减小。对于被延迟的燃 料注入定时，通过减小功率额定，或者通过控制涡轮增压器速度，或者通过 控制进气歧管压力，或者通过这些措施的組合，有效地控制最大压力。如以 上讨论的，通过对进入燃烧室的燃料注入量进行控制，引擎功率被减小额定。 电动机-发电机单元接收来自控制器28的控制信号，并且可用于对涡轮机速度和进气歧管压力进行控制。参照图5，示出了机车动力单元10的一个实施例。如参照图1讨^r的， 控制器28接收来自节流位置传感器32的节流阀设定信号30,其中，节流位 置传感器32被提供以用于检测引擎14的、由操作员控制的节流阀的位置。 控制器28还可以接收由压力传感器46产生的进气歧管空气压力信号44、由
温度传感器50产生的进气歧管空气温度信号48以及由温度传感器54产生的 涡轮机前温度信号52，其中，溫度传感器54被提供以用于检测从排气oi支管 18馈送到涡轮机22的排出气体的温度。控制器28还可以接收来自速度传感 器56的涡轮增压器速度信号55，其中，速度传感器56净皮提供以用于检测涡 轮增压器12的速度。提供了信号调节模块92，以便对来自上述多个传感器 的噪声信号进行过滤，以免其到达控制器28。在示出的实施例中，控制器28还可以包括数据库94、算术单元 (algorkhm)96和数据分析模块98。数据库94可以被配置为存储预先定义的关 于引擎14的信息。例如，数据库94可以存储与引擎14的溫度和压力、燃料 注入定时、涡轮机前温度、涡轮增压器速度或引擎输出功率等有关的信息。 此外，数据库94可以被配置为存储来自上述传感器的实际感测/检测的信息。 算术单元96协助处理来自上述多个传感器的信号。数据分析模块98可以包括各种类型的电路，如微处理器、可编程逻辑控 制器、逻辑模块等。与算术单元96结合的数据分析模块98可以用于执行与 确定燃烧室内的最大压力有关的各种计算操作。在某些实施例中，控制器28 可以向用户接口 100输出数据。有利之处在于，用户接口有助于从用户向控 制器28进行输入，并且4是供了这样的机制，即，通过该机制，用户可以只于来 自控制器28的数据和感测的性能进行操纵。如本领域技术人员应该明白的， 用户接口 100可以包括命令线接口、菜单驱动接口和图形用户接口。控制器 28可操作以用于调整影响压缩-点火引擎内最大汽缸内压力的引擎特性。通过 延迟燃料注入定时和/或通过对引擎功率减小额定，使歧管空气压力(MAP)减 小，或者使涡轮增压器(turbo-charger)12的速度减小，将最大汽缸内压力减小到可接受/希望的水平。参照图6，示出了动力单元10的另 一个实施例。如上所示，动力单元IO 包括涡轮增压器12和柴油引擎14。动力单元10可以用于对系统102进行驱 动。该系统可以包括高海拔机车引擎、汽车引擎等。动力单元IO包括控制器 28。在示出的实施例中，控制器28为用于系统102的引擎14的电子燃料注 入控制器28。控制器28接收来自节流位置传感器32的节流设定信号30，其 中，节流位置传感器32被提供以用于检测引擎14的、由操作员控制的节流 阀(未示出)的4立置。控制器28可操作以用于产生定时信号34，以便控制燃料 注入泵36的运行。泵36驱动燃料注入器38，燃料注入器38用于将燃料注 入到引擎14的多个汽缸中。控制器28还可以接收由压力传感器46产生的进 气歧管空气压力信号44、由溫度传感器50产生的进气歧管空气温度信号48 以及由温度传感器54产生的涡轮机前温度信号52，其中，温度传感器54净皮 提供以用于检测从排气歧管18馈送到涡轮机22的排出气体的溫度。控制器 28还可以接收来自速度传感器56的涡轮增压器速度信号55,其中，速度传 感器56被提供以用于检测涡轮增压器12的速度。如前面已讨论的，控制器 28通过延迟燃料注入定时和/或通过对引擎功率减小额定，使歧管空气压力 (MAP)减小，或者使涡轮增压器12速度下降，对最大汽缸内压力进行控制。 根据系统设计要求和电动机-发电机单元的容量，控制器以单个步骤、递进步 骤或完全正比方式控制各种参数。例如，对于满载情况，注入的燃料量大约 为2000毫克/循环/汽缸(mg/cycle/cylinder)，以便控制燃烧室内的峰值压力。 在另 一 个例子中，对于满载情况，可以将涡4仑速度保持在22，000 rpm(revolution per minute，转每分)。在另一个例子中，可以将进气歧管压力保持在4 bar。参照图7，该图为示出了按照本技术的实施例的，制造动力单元10的方 法的流程图。该方法包括提供控制器28，控制器28被配置为调整对燃料注 入定时，如由步骤104所示的。控制器28可以被配置为如果压缩-点火引 擎14的燃烧室内的最大压力(Pmax)超过预定压力(Pdesign),并且，如果燃料 注入定时(AA)超过预定定时(例如，7度提前角)，则延迟燃料注入定时。控制 器28还可以包括数据库94、算术单元96和数据分析块98。数据库94可以 被配置为存储预先定义的关于引擎14的信息以及与引擎14的各种参数有关 的实际感测/检测的信息。算术单元96协助处理来自多个传感器的信号。与 算术单元96结合的数据分析块98可以用于执行与确定燃烧室内的最大压力 有关的各种计算操作。提供了空气温度传感器50，用于对进气歧管空气溫度 进行检测，如由步骤106所示的。该方法还包括才是供压力传感器46，压力传 感器46被配置为检测进气歧管空气压力，如由步骤108所示的。该方法还包括提供节流位置传感器32,节流位置传感器32被配置为检 测节流阀的位置，如由步骤110所示的。还提供了速度传感器56，用于检测 涡轮增压器12的速度，如由步骤112所示的。该方法还包括才是供温度传感器 54，温度传感器54被配置为检测从排气歧管18馈送到涡轮机22的排出气体 的溫度，如由步骤114所示的。尽管这里只对本发明的某些特性进行了示出和描述，但是，本领域的技
术人员应该想到许多修改和改变。因此，应该理解，所附权利要求意图覆盖 属于本发明的真实精神的所有这样的修改和改变。
权利要求
1.一种运行压缩-点火引擎(14)的方法，包括如果表示燃烧室内的最大压力的、感测的参数相对于预先选择的压力而变化(62)，并且，如果燃料注入定时大于预先选择的定时，则调整燃料注入的定时(64)；其中，所述燃烧室内的最大压力是通过调整燃料注入的定时而被控制的。
2. 如权利要求l所述的方法，还包括计算表示所述燃烧室内的最大压 力的期望值(60)。
3. 如权利要求2所述的方法，还包括在所述压缩-点火引擎的运行期 间，获得表示所述燃烧室内的最大压力的、所述感测的参数的实际值(58)。
4. 如权利要求l所述的方法，还包括计算表示所述燃烧室内的燃料注 入的定时的期望值。
5. 如权利要求4所述的方法，还包括在所述压缩-点火引擎(14)的运行期间，获得表示所述燃烧室内的燃料注入的定时的实际值。
6. 如权利要求5所述的方法，还包括如果表示所述燃烧室内的最大压 力的、感测的参数的实际值超过表示所述最大压力的期望值，并且，如果表延迟燃料注入的定时(86)。
7. —种系统，包括控制器(28)，其被配置为如果压缩-点火引擎的燃烧室内的最大压力超 过预定压力，并且，如果燃料注入定时超过预定定时，则延迟燃料注入的定时。
8. 如权利要求7所述的系统，还包括进气空气温度传感器(50)、进气 空气压力传感器(46)和燃料注入定时传感器(32)。
9. 如权利要求8所述的系统，其中，所述控制器(28)被配置为根据来 自所迷进气空气温度传感器(50)、或所述进气空气压力传感器(46)、或所述燃 料注入定时传感器(32)的信号，或者这些信号的組合，确定所述燃烧室内的最 大压力。
10. 如权利要求7所迷的系统，还包括涡轮增压器速度传感器(56)和 排气溫度传感器(54)。
全文摘要
公开了运行压缩-点火引擎(14)的方法，包括如果表示燃烧室内的最大压力的、感测的参数相对于预先选择的压力而变化(62)，并且，如果燃料注入定时大于预先选择的定时，则调整燃料注入的定时(64)。
文档编号F02D41/30GK101151450SQ200680009908
公开日2008年3月26日 申请日期2006年3月22日 优先权日2005年3月31日
发明者玛诺吉·P·戈克黑尔 申请人:通用电气公司