УСТРОЙСТВО, СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВЫБРОСОВ ИЗ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
DEVICE, SYSTEM AND METHOD TO REDUCE DIESEL ENGINE EXHAUST

Изобретение относится в основном к подавлению образования выбросов двигателей внутреннего сгорания и, в частности, к системе управления впрыском топлива, которая подавляет образование выбросов.
Хорошо известно, что двигатели внутреннего сгорания, такие как двигатели с воспламенением от сжатия, создают выбросы черного дыма или тяжелых частиц во время ускорения или в переходных режимах при увеличении нагрузки. Одной причиной этого явления является неполное смешивание топлива с воздухом при впрыске и сгорании топлива, впрыскиваемого в цилиндры сжатия во время этих рабочих режимов ускорения и переходных режимов при увеличении нагрузки.
Базовый процесс сгорания для воспламенения от сжатия включает сгорание диффузионного жидкого топлива. При впрыске жидкого топлива в сжатый горячий воздух цилиндра оно испаряется и смешивается с окружающим воздухом с образованием воспламеняемой смеси. Это является непрерывным процессом, который происходит при впрыске топлива в цилиндр. Первоначально образованная смесь сгорает и поднимает локальную температуру, прежде чем испаряемое позже топливо имеет время для полного смешивания с воздухом. В результате, сжигаемое позже топливо подвергается воздействию высоких температур при недостатке топлива для поддержания полного сгорания топлива. В этих условиях происходит высокотемпературный пиролиз топлива с образованием сажи. При продолжении сгорания в цилиндре существенная часть этой сажи сгорает в результате воздействия имеющегося воздуха в цилиндре. Сажа продолжает сгорать в двигателе, пока расширение объема рабочего хода не понизит достаточно температуру цилиндра, за счет чего прекращается химическая реакция. Любая не сгоревшая сажа, остающаяся в цилиндре в этот момент, покидает двигатель в виде дыма или выброса частиц, когда открывается выпускной клапан.
Поэтому в двигателях с воспламенением от сжатия указанное выше образование сажи смягчается выгоранием сажи. В обычных двигателях с воспламенением от сжатия при обычных рабочих условиях механизм выгорания сажи достаточно уменьшает выброс, вызванный образованием сажи. Однако в определенных двигателях, работающих в условиях ускорения или переходных режимах при увеличении нагрузки, механизм выгорания сажи является недостаточным для уменьшения образования выбросов сажи, как будет пояснено более подробно ниже. Двигатели, работающие в условиях ускорения или переходных режимах при увеличении нагрузки, называемом далее «переходным режимом», часто «поздно сжигают» впрыскиваемое топливо. Во время позднего сжигания впрыскиваемого топлива не обеспечивается адекватное время для осуществления процесса выгорания сажи перед открыванием выпускного клапана. Часто происходит значительный выхлоп дыма и частиц в больших двигателях с воспламенением от сжатия, работающих в переходном режиме.
Двигатели с воспламенением от сжатия, известные из уровня техники, обычно имеют фиксированный момент впрыска с помощью регулятора и механических соединений, которые приводят в действие одновременно ряд устройств подачи топлива. Начальный момент впрыска топлива обычно задается для любой данной рабочей точки двигателя, и его обычно нельзя изменить при изменении условий. Системы подачи топлива могут включать конфигурации насос-магистраль-форсунка или конфигурации с блоком впрыска. Электронная система впрыска топлива для воспламенения от сжатия в цилиндрах с большим объемом вытеснения раскрыта в патенте США №5394851. Указанная система впрыска топлива применяется в соединении с обычным двигателем с воспламенением от сжатия, обозначенном в целом ссылочной позицией 10 на фиг.1. Двигатель 10 может быть любым большим двигателем с воспламенением от сжатия. Такой двигатель может содержать турбонагнетатель 12 и ряд унифицированных силовых узлов 14. Например, 12-цилиндровый двигатель имеет двенадцать таких силовых узлов, в то время как 16-цилиндровый двигатель имеет шестнадцать таких силовых узлов. Кроме того, двигатель 10 содержит коллектор 16 для впуска воздуха, магистраль 18 подачи топлива для подачи топлива в каждый из силовых узлов 14, коллектор 20 для впуска воды, используемой для охлаждения двигателя, насос 22 для смазочного масла и водяной насос 24, которые все известны из уровня техники. Промежуточный охладитель 26, соединенный с турбонагнетателем 12, облегчает охлаждение воздуха турбонагнетателя перед его входом в соответствующую камеру сгорания внутри одного из силовых узлов 14. Двигатель может быть V-образным, что также известно из уровня техники.
Хотя показанная на фиг.1 система хорошо подходит для своего применения, она не предназначена и не приспособлена для рабочих режимов ускорения и переходных режимов при увеличении нагрузки и к воздействию этих рабочих режимов на образование выбросов за счет позднего сгорания, как указывалось выше. В таких системах момент впрыска топлива с воспламенением от сжатия обычно задан оптимально для каждого рабочего условия (скорости и нагрузки) для устойчивой работы. Когда двигатель работает в переходном режиме, момент впрыска топлива может быть все еще установлен на мгновенную величину, обусловленную условием установившегося режима. При работе в установившемся режиме обычно имеется достаточно времени для управления выбросом частиц или дыма с помощью указанного выше процесса выгорания сажи. Однако во время переходного режима двигатель требует больше топлива, так что продолжительность впрыска топлива становится больше. Сгорание дополнительного топлива, которое входит в цилиндр в конце периода впрыска, не обеспечивает достаточного времени для выгорания сажи перед открытием выпускного клапана. Результатом является повышенный выброс дыма или тяжелых частиц на этапе выхлопа цикла двигателя.
Нормальное ускорение воспламенения от сжатия (например, в двигателе средней скорости для применения в локомотивах) переводит двигатель в переходный режим, который отличается от установившегося режима, и к увеличению образования выброса сажи и частиц. Такие двигатели испытывают также сильные изменения нагрузки за счет переключения больших вспомогательных нагрузок, таких как компрессорные нагрузки или вентиляторные нагрузки при применениях в локомотивах и нагрузки электропитания (генератор переменного тока напряжением 110 В при частоте 60 Гц) для применений в пассажирских поездах. Включение или отключение таких нагрузок может приводить к изменениям нагрузки порядка 500 лошадиных сил в любой момент. Позднее сгорание впрыскиваемого топлива, как указывалось выше, превалирует в таких режимах ускорения и переходных режимах с увеличением нагрузки двигателей с воспламенением от сжатия. Позднее сгорание предотвращает правильное сжигание образовавшейся сажи и приводит к увеличенному выбросу дыма и частиц.
Согласно первому объекту настоящего изобретения создан способ уменьшения выбросов из дизельного двигателя, используемого в локомотивах, предполагающих работу двигателя в переходных режимах, в которых двигатель ускоряется или подвергается увеличенным нагрузкам, при котором осуществляют мониторинг, по меньшей мере, одного рабочего параметра дизельного двигателя; определяют на основе такого рабочего параметра, находится ли дизельный двигатель в переходном режиме; и управляют моментом впрыска топлива в цилиндры двигателя посредством обеспечения запаздывания момента впрыска, когда дизельный двигатель находится в переходном режиме, относительно времени впрыска топлива, когда дизельный двигатель не находится в переходном режиме работы, при этом управление моментом впрыска топлива в цилиндры двигателя посредством обеспечения запаздывания момента впрыска осуществляют в точке после верхней мертвой точки (ВМТ).
Предпочтительно, дополнительно определяют, после работы дизельного двигателя в переходном режиме, работает ли затем дизельный двигатель вне переходного режима; и осуществляют опережение момента впрыска топлива для дизельного двигателя, если дизельный двигатель больше не находится в переходном режиме.
Предпочтительно, управление моментом впрыска топлива в цилиндры двигателя осуществляют посредством обеспечения запаздывания момента впрыска на более чем около 3 градусов после верхней мертвой точки (ВМТ).
Предпочтительно, управление моментом впрыска топлива в цилиндры двигателя осуществляют посредством обеспечения запаздывания момента впрыска на менее чем около 10 градусов после верхней мертвой точки (ВМТ).
Предпочтительно, при определении, находится ли двигатель в переходном режиме, осуществляют мониторинг параметра, указывающего разницу между заданной скоростью двигателя и действительной скоростью двигателя.
Предпочтительно, при определении, находится ли двигатель в переходном режиме, осуществляют мониторинг параметра, указывающего положение дроссельной заслонки двигателя.
Предпочтительно, при определении, находится ли двигатель в переходном режиме, осуществляют мониторинг параметра, указывающего на приложение нагрузки к двигателю.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создано устройство для уменьшения выбросов из дизельного двигателя, используемого в локомотивах, предполагающих работу двигателя в переходных режимах, в которых двигатель ускоряется или подвергается увеличенным нагрузкам, содержащее дизельный двигатель внутреннего сгорания; устройство мониторинга двигателя для мониторинга, по меньшей мере, одного рабочего параметра двигателя, указывающего на то, находится ли двигатель в переходном режиме работы; электронную систему впрыска топлива, связанную с устройством мониторинга двигателя и функционально соединенную с двигателем, при этом электронная система впрыска топлива выполнена с возможностью регулирования с обеспечением выборочного инициирования впрыска топлива в заданный момент относительно ВМТ поршней в цилиндрах двигателя, и содержит контроллер для управления работой системы впрыска топлива, выполненный с возможностью обеспечения запаздывания впрыска топлива в двигатель, когда двигатель находится в переходном режиме, относительно момента впрыска топлива, когда двигатель не находится в переходном режиме работы, причем контроллер обеспечивает запаздывание впрыска топлива в каждый цилиндр двигателя в точке после верхней мертвой точки (ВМТ).
Предпочтительно, контроллер выполнен с возможностью задерживания момента впрыска топлива в каждый цилиндр двигателя на более чем около 3 градусов после ВМТ.
Предпочтительно, контроллер выполнен с возможностью задерживания момента впрыска топлива в каждый цилиндр двигателя на менее чем около 10 градусов после ВМТ.
Предпочтительно, устройство мониторинга двигателя осуществляет мониторинг параметра, указывающего положение дроссельной заслонки двигателя.
Предпочтительно, устройство мониторинга двигателя осуществляет мониторинг параметра, указывающего разницу между заданной скоростью двигателя и действительной скоростью двигателя.
Предпочтительно, устройство мониторинга двигателя осуществляет мониторинг параметра, указывающего на приложение нагрузки на двигатель.
Согласно третьему объекту настоящего изобретения создана электронная система впрыска топлива для уменьшения выбросов из дизельного двигателя, используемого в локомотивах, предполагающих работу двигателя в переходных режимах, в которых двигатель ускоряется или подвергается увеличенным нагрузкам, содержащая устройство мониторинга двигателя для мониторинга, по меньшей мере, одного рабочего параметра двигателя, указывающего на нахождении двигателя в переходном режиме работы; и контроллер, связанный с устройством мониторинга двигателя и дизельным двигателем; при этом контроллер выполнен с возможностью обеспечения запаздывания впрыска топлива в дизельный двигатель, когда дизельный двигатель находится в переходном режиме, относительно момента впрыска топлива, когда дизельный двигатель не находится в переходном режиме работы, причем контроллер обеспечивает запаздывание впрыска топлива в двигатель в точке после верхней мертвой точки (ВМТ).
Предпочтительно, контроллер дополнительно выполнен с возможностью обеспечения запаздывания момента впрыска топлива на более чем около 3 градусов после ВМТ.
Предпочтительно, контроллер дополнительно выполнен с возможностью обеспечения запаздывания момента впрыска топлива на менее чем около 10 градусов после ВМТ.
Предпочтительно, устройство мониторинга двигателя осуществляет мониторинг параметра, указывающего положение дроссельной заслонки двигателя.
Предпочтительно, устройство мониторинга двигателя осуществляет мониторинг параметра, указывающего разницу между заданной скоростью двигателя и действительной скоростью двигателя.
Предпочтительно, устройство мониторинга двигателя осуществляет мониторинг параметра, указывающего на приложение нагрузки к двигателю.
Согласно четвертому объекту настоящего изобретения создан носитель данных, кодированных машиносчитываемым компьютерным программным кодом для электронного управления моментом впрыска топлива для дизельного двигателя, используемого в локомотивах, предполагающих работу двигателя в переходных режимах, в которых двигатель ускоряется или подвергается увеличенным нагрузкам, при этом носитель данных включает команды для осуществления компьютером способа, при котором осуществляют мониторинг, по меньшей мере, одного рабочего параметра дизельного двигателя; определяют на основе такого рабочего параметра, находится ли дизельный двигатель в переходном режиме; и осуществляют запаздывание момента впрыска топлива, когда дизельный двигатель находится в переходном режиме, относительно момента впрыска топлива, когда дизельный двигатель не находится в переходном режиме работы, причем момент впрыска топлива в каждый цилиндр двигателя задерживают до точки после верхней мертвой точки (ВМТ).
Предпочтительно, носитель данных включает команды для осуществления компьютером способа, при котором дополнительно определяют, находится ли двигатель вне переходного режима; и осуществляют опережение момента впрыска топлива для дизельного двигателя, если определяется, что дизельный двигатель больше не находится в переходном режиме работы.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - вид в перспективе обычного V-образного двигателя с воспламенением от сжатия;
Фиг.2 - блок-схема раскрываемого устройства;
Фиг.3 - график, показывающий влияние на скорость выделения теплоты;
Фиг.4 - график зависимости скорости плунжера от начала впрыска;
Фиг.5 - график, показывающий влияние на степень нагрузки двигателя;
Фиг.6 - графическая схема одного варианта выполнения раскрываемого способа;
Фиг.7 - блок-схема другого варианта выполнения раскрываемого устройства;
Фиг.8 - блок-схема другого варианта выполнения раскрываемого устройства.
На фиг.2 показан один вариант выполнения раскрываемого устройства для подавления выбросов двигателя внутреннего сгорания. Ниже приводится описание нескольких вариантов выполнения применительно к большим двигателям внутреннего сгорания средней скорости типа, используемого в железнодорожных локомотивах, предполагающих работу в переходных режимах, таких как вызываемые изменением положения дроссельной заслонки, разницей между заданной и действительной скоростью двигателя и приложением нагрузок к двигателю в течение коротких периодов времени. Двигатель 10 с воспламенением от сжатия показан в оперативной связи с электронной системой 34 впрыска топлива. С двигателем 10 и электронной системой 34 впрыска топлива связано устройство 30 мониторинга двигателя. В этом варианте выполнения устройство 30 мониторинга двигателя осуществляет мониторинг двигателя и определяет, когда двигатель находится в переходном режиме. В другом варианте выполнения электронная система 34 впрыска топлива может содержать устройство 30 мониторинга двигателя. При обнаружении переходного режима устройство 30 мониторинга двигателя передает эту информацию в электронную систему 34 впрыска топлива, и электронная система 34 впрыска топлива задерживает момент впрыска топлива, по меньшей мере, одного поршневого цилиндра. Впрыск топлива можно задерживать до точки после верхней мертвой точки (ВМТ). В одном варианте выполнения момент впрыска топлива можно задерживать в диапазоне около 10 градусов после ВМТ. Такая задержка момента впрыска топлива уменьшает количество выброса дыма из двигателей с воспламенением от сжатия во время переходного режима работы.
На фиг.3 показан график влияния на скорость выделения теплоты. По оси Х на фиг.3 показан угол поворота коленчатого вала поршня относительно ВМТ в градусах, при этом точки слева от линии ВМТ являются точками перед ВМТ, а точки справа от линии ВМТ - точками после ВМТ. По оси Y показано влияние на скорость выделения теплоты, которая представляет количество выделяемой теплоты при сгорании топлива в цилиндре. Линия опережающего впрыска топлива является графиком обычного опережающего впрыска топлива в поршневой цилиндр, когда топливо впрыскивается при около 3 градусах перед ВМТ. На линии опережающего впрыска имеется пик, который соответствует сгоранию предварительного смешивания. Это соответствует относительно чистому сгоранию топлива за счет хорошо смешанной комбинации воздуха и топлива. За пиком сгорания предварительного смешивания следует длительное диффузионное сгорание топлива. Диффузионное сгорание соответствует относительно грязному сгоранию топлива и связано с отсутствием хорошего смешивания между воздухом и топливом. В последнее время было обнаружено, что при условиях работы в переходном режиме задержка момента топлива на около 3-10 градусов после ВМТ (в противоположность широко распространенному мнению об установке момента впрыска топлива на около 3 градуса перед ВМТ) приводит к более чистому сгоранию топлива. Линия задержанного впрыска топлива показывает более крупный пик сгорания предварительного смешивания, чем линия впрыска топлива с опережением. Это происходит за счет того, что поскольку топливо впрыскивается в цилиндр после ВМТ, т.е. при расширении цилиндра и уменьшении давления, то требуется больше времени для самовоспламенения топлива. Это дополнительное время обеспечивает лучшее смешивание топлива и воздуха в поршневом цилиндре, что приводит к большему сгоранию предварительного смешивания.
Поскольку больше топлива сгорает в состоянии предварительного смешивания, то остается меньше топлива для грязного диффузионного сгорания, поэтому диффузионное сгорание под линией задержанного впрыска топлива меньше и заканчивается быстрее, чем диффузионное сгорание под линией опережающего впрыска топлива, что приводит к более чистому сгоранию по сравнению с двигателями с опережающим впрыском топлива во время переходного режима.
На фиг.4 показан график зависимости скорости плунжера от угла поворота коленчатого вала относительно ВМТ для служащего в качестве примера двигателя внутреннего сгорания. При работе в установившемся режиме, показанном точкой работы в установившемся режиме, в обычном двигателе с воспламенением от сжатия топливо обычно впрыскивается при приблизительно 5 градусов перед ВМТ. В этой точке скорость плунжера относительно высока. Скорость плунжера прямо пропорциональна давлению впрыска топлива, таким образом, давление впрыска топлива является также относительно высоким. Высокое давление впрыска топлива приводит к лучшему смешиванию топлива и воздуха в цилиндре и тем самым обеспечивает более чистое сгорание. Это является одной из причин более чистого сгорания в двигателя с воспламенением от сжатия во время работы в установившемся режиме. Во время переходных режимов известно опережение впрыска топлива в точке работы с опережением в переходном режиме, показанной на фиг.4. Точка опережения при работе в переходном режиме в обычном двигателе с воспламенением от сжатия может находиться около 15 градусов перед ВМТ. Целью опережения момента впрыска в переходном режиме является обеспечение большего времени для смешивания топлива и воздуха перед самовоспламенением с целью уменьшения диффузионного сгорания и обеспечения более чистого сгорания. Однако при около 15 градусах перед ВМТ скорость плунжера на около 30% меньше скорости плунжера в точке работы в установившемся режиме. Поэтому наблюдается пропорциональное уменьшение давления впрыска. При меньшем давлении впрыска происходит меньшее смешивание топлива и воздуха в цилиндре. Таким образом, во время впрыска топлива имеются, по меньшей мере, два конкурирующих процесса: (1) обеспечивается больше времени для смешивания, что обеспечивает более чистое сгорание; (2) создается меньшее давление впрыска топлива, что уменьшает смешивание топлива и воздуха и приводит к менее чистому сгоранию. Если применяется задержанный впрыск топлива с использованием впрыска топлива около 3-10 градусов перед ВМТ, как показано на фиг.4 в точке работы с запаздыванием в переходном режиме, то имеется уменьшение лишь на около 10% скорости плунжера относительно точки работы в установившемся режиме. Это соответствует пропорциональному уменьшению давления впрыска топлива, которое намного меньше, чем уменьшение, наблюдаемое в обычной точке работы с опережением в переходном режиме, за счет чего обеспечивается более чистое сгорание, чем при опережающем впрыске топлива.
На фиг.5 показано влияние на степень нагрузки двигателя для выбранного в качестве примера двигателя с воспламенением от сжатия, которое требуется для удерживания выбросов двигателя на определенном заданном уровне или ниже его. Линия опережающего впрыска топлива показывает, что требуется около 80-90 секунд для двигателя с воспламенением от сжатия, в котором используется опережающий впрыск топлива в переходном режиме, для достижения полной нагрузки при удерживании выбросов двигателя на заданном уровне или ниже его. С другой стороны, когда используется запаздывающий впрыск топлива в переходном режиме, то, как показывает линия запаздывающего впрыска топлива, требуется лишь около 40-45 секунд для достижения двигателем полной нагрузки при удерживании выбросов двигателя на заданном уровне или ниже его.
На фиг.6 показан один вариант выполнения способа, согласно изобретению. На этапе 40 обработки устройство 30 мониторинга двигателя осуществляет мониторинг двигателя. На этапе 44 принятия решения определяется, находится ли двигатель в переходном режиме. Для определения нахождения двигателя в переходном режиме на этапе 44 принятия решения, устройство 30 мониторинга двигателя может анализировать данные, такие как, но не ограничиваясь этим, положение дроссельной заслонки, скорость двигателя, мощность из контроллера поля генератора переменного тока, скорость коленчатого вала, ускорение двигателя, частота генератора переменного тока, частота зажигания цилиндров, мощность генератора переменного тока, уровень подачи топлива, давление во впускном коллекторе, давление в выхлопном коллекторе, скорость турбонагнетателя, давление топлива, давление воды, давление масла, мощность в лошадиных силах. На этапе 48 обработки электронная система впрыска топлива задерживает впрыск топлива, т.е. задерживает впрыск топлива до около 3-10 градусов после ВМТ. На этапе 52 принятия решения устройство мониторинга двигателя определяет, вышел ли двигатель из переходного режима. Для определения выхода двигателя из переходного режима на этапе 52 принятия решения устройство 30 мониторинга двигателя может анализировать данные, такие как, но не ограничиваясь этим, положение дроссельной заслонки, скорость двигателя, мощность из контроллера поля генератора переменного тока, скорость коленчатого вала, ускорение двигателя, частота генератора переменного тока, частота зажигания цилиндров, мощность генератора переменного тока, уровень подачи топлива, давление во впускном коллекторе, давление в выхлопном коллекторе, скорость турбонагнетателя, давление топлива, давление воды, давление масла, мощность в лошадиных силах. Действия, показанные на фиг.6, можно осуществлять механически.
Как показано на фиг.7, способ, раскрытый на фиг.6, можно осуществлять в виде осуществляемых компьютером процессов и с помощью устройств для реализации этих процессов. Способ, согласно изобретению, можно также осуществлять в виде компьютерного программного кода, содержащего команды, осуществляемые в реальных носителях, таких как гибкие диски, диски CD-ROM, жесткие диски, или любом другом читаемом компьютером носителе 60 данных, при котором, если компьютерный программный код загружен и выполняется компьютером 64, то компьютер становится устройством для реализации изобретения. Данный способ можно осуществлять также в виде компьютерного программного кода, например, сохраняемого на носителе 60 данных, или загружаемого и/или выполняемого с помощью компьютера 64, или передаваемого в виде сигнала 68 данных через любую среду передачи данных, такую как электрические провода или кабели, оптические волокна или электромагнитное излучение, при этом, когда компьютерный программный код загружается и выполняется компьютером, компьютер становится устройством для реализации изобретения. При осуществлении в микропроцессоре общего назначения, сегменты компьютерного программного кода осуществляют конфигурирование микропроцессора для создания заданных логических схем.
На фиг.8 показана блок-схема другого варианта выполнения его раскрываемого устройства. Двигатель 10 находится в функциональной связи с устройством 30 мониторинга двигателя и контроллером 70 двигателя. Устройство 30 мониторинга двигателя и контроллер 70 двигателя находятся также в функциональной связи друг с другом. В этом варианте выполнения действия, показанные на фиг.6, могут быть предназначены для механического осуществления или же они могут быть предназначены для электронного осуществления.
Техническим вкладом способа и устройства, согласно изобретению, является создание управляемой компьютером системы впрыска топлива, которая уменьшает выбросы из двигателя внутреннего сгорания с воспламенением посредством обеспечения запаздывания впрыска топлива во время работы в переходном режиме.
Хотя описание изобретения дано применительно к примерам его выполнения, для специалистов в данной области техники понятно, что возможны различные изменения и эквивалентные замены элементов без выхода из объема изобретения. Дополнительно к этому, можно выполнять различные модификации для согласования частной ситуации или материала с идеями изобретения без выхода из его существенного объема. Поэтому изобретение не ограничивается раскрытыми частными вариантами его выполнения данного изобретения, а включает все варианты выполнения, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.