CN1788147B - 满足二级机车排放规程的气缸内燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柴油发动机(E)，该发动机具有燃烧室(C)，可在燃烧室中移动的活塞(T)，进气阀和排气阀(IV、EV)，和将燃油喷入燃烧室的喷嘴(N)。通过控制空气燃油混合物的液压流动特性，由空气混合物在燃烧室里燃烧产生的颗粒物(PM)能够减少到满足由环境保护局(EPA)为发动机制定的二级要求。这可进一步通过下述方法实现，即增加喷入气缸的燃油的喷射压力，改变燃油通过喷嘴喷进燃烧室时喷油器的喷嘴的尺寸和/或形状以增加空气对燃油的比例，增加燃烧室中的压缩比，降低进气导管空气温度(MAT)并且延缓燃烧室内燃油的喷射(SOI)。除了将颗粒物水平减少至二级限制范围内，由发动机产生的氮氧化合物也维持在二级要求内，并且发动机的燃料消耗也得以减少。

Description

满足二级机车排放规程的气缸内燃烧方法

技术领域

本发明涉及用于机车等的柴油发动机，更特别地，涉及其排放必须满足由环境保护局(EPA)颁布的二级排放标准的柴油发动机。

背景技术

在柴油机中，燃油直接喷入具有高温压缩空气的气缸。燃油分解成小液滴，小液滴蒸发并与空气混合，从而形成可燃混合物。该混合物燃烧的产物是包括碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NO_x)、一氧化碳(CO)和颗粒物(PM)在内的废气排放物。为了减少大气中的污染量，环境保护局规定了这些不同废气排放物可接受的排放水平。排放物的可接受水平随着时间的变化而变化。对于机车柴油发动机来说，排放的最新标准为二级标准。

这些标准的达到需要考虑有关发动机运行的大量因素。这些因素包括喷射压力和喷射定时、喷嘴喷射方式、油流量、导管(manifold)空气温度、压缩比和空气/燃油比。本领域技术人员可知，一种类型排放物的减少完全有可能导致另一种排放物成分的增加。例如，延迟燃油的喷射定时可有效地减少氮氧化合物，但同时也会影响发动机的性能并且增加一氧化碳和颗粒物的量。其他减小颗粒物的尝试也会导致不可接受的燃油消耗的增加。在共同待审、共同授予的美国专利申请中(序列号)，描述了一种操作机车柴油机的方法，从而可满足氮氧化合物的二级排放要求。

因此，最好实现一种方法，以使汽缸内的燃烧在满足氮氧化合物的二级排放要求之外还能满足颗粒物的二级排放要求，同时还可将包括燃油消耗在内的发动机的性能保持在可接受的水平。重要的是，满足颗粒物的二级排放要求同时也满足氮氧化合物的二级排放要求的方法应该在不需要对燃烧产品做任何诸如清洗的处理或者对废气进行处理的情况下实现。这些废气处理技术的使用增加了发动机的成本，占用了发动机安装的封闭区域的不容易获得的空间，并且也增加了发动机的维护需求。而且，完全通过控制发动机的运行来达到二级水平是更加重要的。

发明内容

简单地说，本发明解决的技术问题是提供一种通过改善机车柴油发动机的运行而降低由空气/燃油混合物燃烧产生的颗粒物的方法。颗粒物水平可减少到达到或超过环境保护局规定的二级颗粒物排放的要求。在满足颗粒物排放要求的同时，本发明的方法和装置可进一步将产生的氮氧化合物量保持在达到或超过二级氮氧化合物排放要求的水平。

本发明的实现不需要对发动机废气做燃烧后处理，因此不会明显地增加运行和维护发动机的成本。

本发明的方法首先涉及降低柴油机进气导管的空气温度(MAT)。接下来，本方法包括增加压缩比。第三步，本方法包括减小喷入气缸的燃料的液压流量。第四步，本方法涉及延缓喷入气缸的燃油的喷射开始时间(SOI)。关于控制液压流量，用于将燃油喷进汽缸的喷嘴的孔的尺寸(直径)被大幅减小，喷嘴尺寸的减少可导致喷入汽缸的燃油的液压流量的减少。

通过阅读下述描述，并结合附图，本发明上述和其他目的、特征和优点，以及目前的优选实施例将会变得更加清楚明了。

附图说明

在构成说明书的一部分的附图中：

图1是对柴油发动机和其控制系统的简化示意图；

图2是描绘在一套发动机常规运行条件下制动氮氧化合物排放率(BSNO_x)，制动颗粒物排放率(BSPM)以及制动燃料消耗率(BSFC)的三维曲线图；

图3是类似于图2的曲线图，示出了压缩比变化的影响；

图4是类似于图2的曲线图，示出了进气导管空气温度的影响；

图5是类似于图2的曲线图，示出了燃油喷射泵压力变化的影响；

图6是类似于图2的曲线图，示出了喷嘴流量(液压作用)中变化的影响；

图7是类似于图2的曲线图，示出了通过本发明的方法将颗粒物降低到环境保护局(EPA)二级要求水平以下同时将氮氧化合物的水平保持在二级要求以下并且将燃油消耗保持在可接受水平时产生的总体效果；

图8示出了一种从喷油器的喷嘴将燃油喷到汽缸里的燃油喷射方式；

图9示出了从喷射器喷嘴开始到气缸中距离为d处的燃油喷射方式的横截面的当量比Φ(equivalence ratio)的曲线图，图中示出了形成传统的液压流动的喷射方式和依照本发明的教导形成减小的液压流动的喷射方式。

在所有附图中，相应的附图标记表示相应的部分。

具体实施方式

下述详细描述通过实例对本发明进行说明而非对本发明进行限制。本说明书使本领域技术人员能够制造和使用本发明，同时也记载了本发明的若干实施例、修改、变更、备选实施例以及用途，包括目前被认为是最佳的实施方式。

参考附图，柴油发动机E具有多个燃烧室或者气缸C，图1中仅仅示出了一个气缸。在本领域中已公知，经过升温的空气流过进气导管M，通过进气阀IV吸入到燃烧室中，在活塞T的移动下进行压缩。导管M中的空气温度由进气空气冷却系统A控制，该系统包括，例如，风扇(未示出)和流体冷却剂(也未示出)。由油泵P供应的燃油通过喷油器J的喷嘴N喷入燃烧室中，所得的空气/燃油混合物进行燃烧。燃烧产物随后通过排气阀EV从燃烧室中排出。如前面所述的那样，废气排放物包括氢炭化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、一氧化碳和颗粒物质。也要注意到，环境保护局为这些排放设立了标准，发动机E必须到达或者超过这些标准才能被允许使用。

电控单元ECU控制发动机的全部运行，包括控制燃油向气缸C的喷入。ECU接受来自发动机的各种输入，并对这些输入进行响应。在图1中，三个传感器S1-S3分别提供作为曲轴位置的函数的发动机位置的信息(S1)、导管M中空气温度(S2)的信息以及燃油管中压力(S3)的信息。除了这些输入，其他的传感器(未示出)提供关于机车的运行高度、发动机负荷、周围空气温度和排放水平的输入。ECU响应于这些输入控制燃油喷射入汽缸。

参照图2至图6，对发动机E或者向气缸提供空气和燃油的方式进行多种的变化或改进会对每种类型废气的排放的最终水平、发动机的燃料经济性和发动机的总体性能产生影响。在图2中，曲线L1是表示在发动机初始运行状况下发动机废气中的氮氧化合物和颗粒物水平以及发动机燃油消耗的曲线。通过实例，对于传统发动机E来说，在到达上止点之前(BTDC)6°时开始喷射(SOI)，发动机进气导管的空气温度是150°F(65°)。喷嘴N上孔的直径为0.46mm(约为0.01英寸)，压缩比为15.5∶1。在这组技术参数下运行的发动机的油耗、氮氧化合物和颗粒物的数值由在曲线L1上的点P1确定。在图2中，氮氧化合物、颗粒物和油耗值在其相应数轴上由N1、M1和F1表示。

如果喷射的开始(SOI)被提前，那么发动机的运行会沿着曲线L1右移(如图2所示)到运行点P2的位置。相应的氮氧化合物、颗粒物和油耗值在其各自数轴上由N2、M2和F2表示。如图2所示，该变化具有减少颗粒物和油耗的优点；但是氮氧化合物的量会明显增加。相反，如果SOI被延迟，那么发动机的运行点将沿着曲线L1左移到P3点，相应的氮氧化合物、颗粒物和油耗值在其数轴上分别表示为N3、M3和F3。这一改变减少了氮氧化合物的值，但是颗粒物和油耗值显著增加。

进一步参照图2，相应于构成曲线图的三个因素中的每个因素，如果燃油提前喷射，那么发动机的谐振时间会变长，气缸内部温度会升高，热效率会得到改善，预混合燃烧会增加。如果延缓燃油的喷射(SOI)，那么发动机的谐振时间会缩短，气缸内部温度会降低，热效率会降低，预混合燃烧会减少。在图2中，这些变化由A1至A3各个箭头表示。

参照图3，示出了氮氧化合物、颗粒物和油耗值相应于气缸C中压缩比的变化而进行的变化。如果压缩比增加，那么由L1代表的曲线将移动变成L2代表的曲线，L2上的数据点P4-P6与L1上的P1-P3点相对应。如图3所示，该移动改善了热效率，提高了缸内的温度，增加了燃油的蒸发。如果燃油的喷射如前面所讨论的那样提前或延迟，那么数据点N1-N3、M1-M3和F1-F3将分别转移到数据点N4-N6、M4-M6和F4-F6的位置。总的结果与图2所示的相似。也就是说，燃油喷射的提前可减少颗粒物和油耗值，但是会增加氮氧化合物的量。如果延缓燃油喷射，那么结果是氮氧化合物减少，但是颗粒物和油耗值会增加。

现在参照图4，考虑进气导管的空气温度(MAT)对氮氧化合物、颗粒物和油耗值的影响。如果进气导管的空气温度如箭头所示方向降低，那么由L1代表的曲线将移动变成L3代表的曲线，曲线L3上的数据点P7-P9与曲线L1上的数据点P1-P3相对应。该移动如图中所示可降低气缸内部的温度。如果燃油喷射如前面所述那样提前或者延迟，那么数据点N7-N9、M7-M9和F7-F9分别标记在相应的数轴上。降低进气导管空气温度(MAT)的总体结果可使氮氧化合物的量降低。进气导管空气温度的降低对颗粒物和油耗值的影响基本上很小。如图所示，代表颗粒物的相应数据点M7-M9基本上与数据点M1-M3相对应，代表油耗值的数据点F7-F9基本上与数据点F1-F3分别相对应。本质上，氮氧化合物的降低是归因于进气导管空气温度降低带来的低的缸内温度，但是如果说这对颗粒物和油耗值有影响的话，影响是很小的。降低进气导管空气温度是通过进气空气冷却系统A来实现的。对传感器S2发出的信号做出响应的电控单元ECU通过控制空气冷却系统来增加风扇的转速，并且/或者增加冷却剂流量，从而把空气的温度从例如150°F降低到120°F或者120°F以下。

在图5中，可观察到喷油压力的变化对氮氧化合物、颗粒物和燃油消耗值的影响。如果如图5所示的箭头的方向增加喷油压力，那么曲线L1会移动变成曲线L4，曲线L4上的数据点P10-P12与曲线L1上的数据点P1-P3相对应。进一步如图5所示，增加喷油压力会带来更短的喷油持续时间、加大的喷油速率和前移的热释放重心(centroid)。如果油料的喷射如前面所讨论的那样提前或延迟，那么数据点N10-N12、M10-M12以及F10-F12如各个制动氮氧化合物排放率(BSNO_x)、制动颗粒物排放率(BSPM)和制动燃料消耗率(BSFC)数轴上所示。燃油喷射压力的增加使得P10-P12每一个点的氮氧化合物水平比对应的点P1-P3的氮氧化合物水平值要高。但是，在每一种情况下(例如，初始的燃油喷射，增加的燃油喷射，延迟的燃油喷射)，增加燃油喷射压力也导致了颗粒物和燃料消耗值的显著降低。可知，用来表示颗粒物水平的各数据点M10-M12的值比对应数据点M1-M3的值要显著降低，用来表示燃料消耗水平的各数据点F10-F12的值比对应数据点F1-F3的值也要显著降低。由于本发明的方法是为了降低颗粒物的水平以满足二级标准，那么增加燃油喷射压力是一种能达到这种目的的方法，并且同时也能够降低燃油的消耗。

参照图6，可观察到喷嘴流量的变化对氮氧化合物、颗粒物和燃油消耗值的影响。该变化可以通过改变如图1所示喷油器上的喷嘴N的直径或者通过改变影响燃油喷射方式的喷嘴的形状来实现。如图6中箭头所示，如果通过改变喷嘴来减少喷嘴油流量，那么曲线L1会移位到曲线L5的位置，曲线5上的数据点P13-P15与曲线L1上的点P1-P3相对应。喷嘴的油流量通过使用喷油口(喷油器的喷嘴)的恒压差(ΔP)和测量预定时间内的油流量而测量得到。进一步如图6所示，减少喷嘴的油流量使得喷油时间延长并且使夹杂的空气增加。如果燃油喷射如前面所述提前或延迟，那么数据点N13-N15、M13-M15和F13-F15分别标注在制动氮氧化合物排放率(BSNOx)、制动颗粒物排放率(BSPM)和制动燃料消耗率(BSFC)数轴上。喷油压力的增加使得P13-P15每一个点的氮氧化合物的水平高于对应的点P1-P3的氮氧化合物的水平，但是，在与曲线L1上点P1-P3相对应的曲线L5上的点P13-P15中，颗粒物水平有所降低。重要的是，M13-M15每一个数据点表明比对应点M1-M3明显低的颗粒物值，而且这种颗粒物值的减少不论燃油喷入的开始是否提前或者延迟都会发生。最后，由数据点F13-F15所代表的燃料消耗值高于对应的数据点F1-F3所代表的燃料消耗值。

参照图8，图中示出了喷油器J的喷射方式。如图所示，在离喷嘴口距离为d处对喷射的方式进行评定。在图9中，示出了在d处测量的两种油喷射的方式。实线代表了传统喷油器的喷嘴的喷射方式，例如，直径为0.46mm的喷嘴。根据本发明和图6中的相关讨论，虚线示出了能产生较小油流量的燃油喷油器的喷嘴的喷油方式。例如，这种喷油方式可以通过将喷嘴的直径减少到0.43mm或者把喷嘴的喷射面积减少大约12％来获得。通过减小的喷嘴直径获得的减少的油流量在图9中反映出较低的当量比(Φ)。在运行中，由喷嘴产生的较低的油流量特性与加大的喷油速率和较长的喷油持续时间相结合，从而达到排放水平的预期结果。

图7表示图2至图6中所讨论的各种步骤的综合。根据本发明的方法，通过把改变压缩率(图3)、进气导管空气温度(图4)、喷油压力作用(图5和图6)的步骤结合起来，再通过使燃油喷射(SOI)提前或延迟，从而使产生的颗粒物和氮氧化合物的水平落入二级的范围。图7中的阴影矩形区域代表环境保护局二级标准对氮氧化合物和颗粒物水平的限制。使发动机E在该阴影区域中的任何一点运行，就可以使其满足环境保护局的要求。

具体地说，如图7所示，本发明的方法首先涉及到采用前面所讨论的方式降低进气导管空气的温度。进气导管空气温度的降低由图中步骤1的箭头表示，沿着步骤1的箭头，发动机的运行点从曲线1上的P1点移动到曲线3上的P16点。接下来，将传统柴油发动机的压缩比增加到高于15.5∶1的水平。这可以用图中的步骤2箭头来表示，沿着步骤2的箭头，发动机的运行点从P16移动到曲线L2上的P17点。第三步，步骤3，增加燃油喷射压力(喷嘴油流量)，发动机运行点从而由P17点移到曲线L4和L5上的P18点，这可以通过如前面图8和图9中所讨论的那样来实现。最后，如果现在使燃油喷射(SOI)延迟，那么发动机的运行点沿着曲线L4和L5从P18点移到P19点。当P19点的位置投影到制动氮氧化合物排放率(BSNO_x)轴和制动颗粒物排放率(BSPM)轴所在的平面时，可以看到所得到的P20点位于表示二级标准范围的阴影矩形内。

如图7中箭头所示，通过比较P1点和P19的氮氧化合物、颗粒物和燃料消耗值，本发明的方法具有以下实际结果：i)降低了氮氧化合物的水平从而使其从二级标准的界限外移到了二级标准界限内；ii)降低了颗粒物的水平从而使其从二级标准界限外移到了允许范围内；iii)降低了燃料消耗。本领域技术人员可知，如果不降低进气导管空气温度(MAT)，那么发动机就不能够满足氮氧化合物水平的标准；如果不增加压缩比，那么燃料消耗就不能够降低；如果不减小喷嘴的油流量，那么颗粒物水平就不能降低；如果不延缓燃油的喷射(SOI)，那么发动机还是不能满足氮氧化合物水平的限制。

通过实例，进行测试以确定本发明的上述步骤和方法是否能够达到允许的氮氧化合物和颗粒物水平，以及是否也可使燃料消耗的水平降低。下表中给出了近似的数值。

结果如下：

	开始点(P1)	满足要求点(P19)
			开始燃油喷射(SOI)	6°BTDC	3°BTDC
进气导管空气温度(MAT)	150°F	120°F
			喷嘴孔的尺寸	0.46mm(直径)	0.43mm(直径)
压缩比	15.5	17.0

最后，重要的是，注意到本发明的方法在不必对发动机的废气进行处理的情况下使其达到二级标准对氮氧化合物和颗粒物水平的要求。不需要在发动机上加入清洁器、过滤器和其他的处理仪器就可达到理想的排放标准。因此本发明没有不恰当地增加发动机的成本、运行费用和维护费用。

鉴于上述内容，可知已经达到了本发明的若干目的并且也实现了其他的有益结果。由于在不超出本发明范围的情况下可对上述构造进行改动，所以以上描述所包含的以及附图所显示的所有内容应该被认为是示意性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种用于铁路机车的柴油发动机，包括：

具有可在其中移动的活塞(T)的燃烧室(C)，以及由活塞的移动定时控制开启和关闭的进气阀(IV)和排气阀(EV)，

将燃料喷进所述燃烧室并具有喷嘴(N)的喷油器(J)，该喷嘴(N)的直径被减小从而减少进入所述燃烧室的燃料流量并且减少由所述燃烧室里的空气-燃料混合物的燃烧产生的颗粒物(PM)，

感应各种发动机运行参数的传感器(S1-S3)；以及

对所述传感器关于发动机当前运行状态的输入做出响应的发动机控制器(ECU)，以控制所述喷油器在上止点(BTDC)向所述气缸喷射燃料从而减少由所得燃烧产生的颗粒物和NO_x排放物；

所述喷嘴的喷油速度加快和喷嘴的喷油持续时间延长，从而降低排放水平，进一步地其中；

所述喷嘴在燃油通过所述喷嘴喷入所述燃烧室期间增加空气燃油比。

2.根据权利要求1所述的柴油机，其中，由控制发动机运行状态的发动机控制器使用的传感器检测以下发动机参数的至少一个：发动机曲轴位置、进气导管空气温度或者向所述喷油器供油的油管内的压力，所述发动机控制器响应于所述传感器的输入从而控制燃油喷入所述燃烧室的定时。

3.根据权利要求1所述的柴油机，其中，所述喷油速率和燃料喷射持续时间由所述发动机控制器进行控制。

4.根据权利要求2所述的柴油机，其中，为了控制向所述燃烧室喷入燃油的定时，所述发动机控制器还对以下参数之一做出响应：所述柴油发动机的运行高度、由所述发动机牵引的负荷、周围环境温度或者发动机的排放水平。

5.根据权利要求4所述的柴油机，包括向所述喷油器提供压缩燃油的油泵(P)，传送向所述喷油器供油的油管的内部压力的传感器之一(S3)，所述发动机控制器对所述喷油器的输入做出响应，从而控制所述油泵的油压输出。

6.一种控制柴油发动机(E)中的空气/燃油混合物的方法，该方法减少在燃烧室(C)中的空气-燃油混合物燃烧所产生的颗粒物(PM)，同时也保持NOx的排放水平，该方法包括；

增加射入所述燃烧室里的空气/燃料混合物的喷射压力；

控制由喷嘴(N)喷入所述燃烧室的燃油，所述喷嘴的直径被减小从而减低进入所述燃烧室中的燃料的流量并且增加当燃油通过所述喷嘴注入所述燃烧室时增加所述燃烧室中的空气与燃料比；

增加所述燃烧室内的压缩比，并且，

将进气导管(M)的空气温度(MAT)保持在预定的水平。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括提高喷嘴的喷射速率和延长喷嘴燃油喷射持续时间，从而减少颗粒物和NOx的排放水平。

Images