СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ВПРЫСКОМ Российский патент 2011 года по МПК F02D41/40 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к системе и способу для приведения в действие снабженного турбонаддувом двигателя с воспламенением от сжатия и, в частности, к системе и способу для снижения удельного расхода топлива и уменьшения выброса отработавших газов в снабженном турбонаддувом двигателе с воспламенением от сжатия, который входит в состав локомотива.

В двигателях с воспламенением от сжатия, таких как дизельные двигатели, система впрыска топлива впрыскивает топливо (например, дизельное топливо) в сжатый воздух внутри каждого цилиндра двигателя, чтобы создать топливовоздушную смесь, которая воспламеняется под действием тепла и давления сжатия. К сожалению, КПД двигателя, выходная мощность, расход топлива, выброс отработавших газов и другие рабочие характеристики далеко неидеальны. Кроме того, обычные способы улучшения одной рабочей характеристики часто приводят к ухудшению одной или более других рабочих характеристик. Например, попытки уменьшения удельного расхода топлива часто приводят к увеличению выбросов различных отработавших газов. Выбросы отработавших газов транспортного средства включают в себя такие токсичные вещества, как окись углерода, окиси азота (NOx), твердые частицы и дым, генерируемые вследствие неполного сгорания топлива в камере сгорания. Количество этих загрязняющих веществ изменяется в зависимости от топливовоздушной смеси, степени сжатия, регулировки момента впрыска, условий окружающей среды и т.п.

Следовательно, необходим способ для уменьшения удельного расхода топлива без увеличения выбросов определенных отработавших газов, таких как NOx, в дизельном двигателе с турбонаддувом.

Краткое описание

Согласно одному варианту настоящего изобретения способ включает впрыск первого количества топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигнет верхней мертвой точки такта сжатия. Способ дополнительно включает впрыск второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения, до того как он достигнет верхней мертвой точки такта сжатия.

Согласно еще одному варианту настоящего изобретения, способ включает опережение впрыска топлива на заданную величину опережения для сокращения удельного расхода топлива в двигателе с воспламенением от сжатия локомотива. Способ дополнительно включает разделение заданного количества топлива впрыска на предварительное количество топлива и основное количество топлива в течение второй половины такта сжатия до верхней мертвой точки такта сжатия двигателя с воспламенением от сжатия для уменьшения выбросов оксида азота, связанных с опережением впрыска топлива.

Согласно другому варианту настоящего изобретения система содержит контролер, выполненный с возможностью впрыска первого количества топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, и впрыска второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения до того, как он достигнет верхней мертвой точки такта сжатия.

Согласно другому варианту настоящего изобретения локомотив содержит турбонагнетатель, двигатель с воспламенением от сжатия и контроллер, который соединен с двигателем с воспламенением от сжатия и выполнен с возможностью впрыска первого количества топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, и впрыска второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения до того, как он достигнет верхней мертвой точки такта сжатия.

Согласно другому варианту настоящего изобретения способ включает обеспечение контролера, выполненного с возможностью впрыска первого количества топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, и впрыска второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения до того, как он достигнет верхней мертвой точки такта сжатия.

Согласно другому варианту настоящего изобретения компьютерная программа содержит материальный носитель информации и программные команды на материальном носителе информации, причем программные команды включают в себя команды для впрыска первого количества топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигает верхней мертвой точки такта сжатия, и команды для впрыска второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения до того, как он достигнет верхней мертвой точки такта сжатия.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки, варианты и преимущества настоящего изобретения будут понятны после прочтения следующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые символы представляют одинаковые детали во всех чертежах, и на которых:

Фиг.1 представляет собой схематичное представление двигателя с турбонаддувом, такого как силовой агрегат локомотива, который имеет функциональные элементы управления выбросом отработавших газов и удельным расходом топлива согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 представляет собой схематичное представление функциональных элементов управления выбросом отработавших газов и удельным расходом топлива согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг.3 представляет собой схематичное представление многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который имеет функциональные элементы управления выбросом отработавших газов и удельным расходом топлива согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг.4 представляет собой схематичное представление системы, включающей в себя двигатель с турбонагнетателем, такой как силовой агрегат локомотива, который имеет функциональные элементы управления выбросом отработавших газов и удельным расходом топлива согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг.5 представляет собой блок-схему последовательности операций процесса управления выбросом отработавших газов и удельным расходом топлива в двигателе с турбонаддувом согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг.6 представляет собой график, иллюстрирующий изменение скорости впрыска топлива для первого и второго количества впрыска топлива в зависимости от угла поворота коленчатого вала и, в частности, верхней мертвой точки в течение такта сжатия двигателя с воспламенением от сжатия согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг.7 представляет собой график, иллюстрирующий относительное изменение выброса NOx в зависимости от удельного расхода топлива двигателя с воспламенением от сжатия согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг.8 представляет собой блок-схему последовательности операций процесса управления выбросом отработавших газов и удельным расходом топлива в двигателе с турбонаддувом согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения; и

Фиг.9 представляет собой блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую пример процесса изготовления двигателя с турбонагнетателем, такого как силовой агрегат локомотива, который имеет функциональные элементы управления выбросом отработавших газов и удельным расходом топлива согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание

На фиг.1 показана система 10 с турбонаддувом, которая имеет логику 11 уменьшения выброса отработавших газов и удельного расхода топлива согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения. В показанном варианте осуществления система 10 с турбонаддувом представляет собой силовой агрегат локомотива. В других вариантах осуществления силовой агрегат может использоваться для других применений двигателей средней скорости, которые известны специалистам в данной области техники. Силовой агрегат 10 локомотива включает в себя турбонагнетатель 12 и двигатель с воспламенением от сжатия, например дизельный двигатель 14. Как описано более подробно ниже, варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют функциональные элементы мониторинга и управления, такие как датчики и управляющая логика, чтобы управлять выбросами отработавших газов и удельным расходом топлива в силовом агрегате 10 локомотива. Например, выбросы отработавших газов двигателя регулируются и удельный расход топлива уменьшается путем разделения впрыска топлива заданного количества на предварительный впрыск топлива и опережающий основной впрыск топлива в течение второй половины такта сжатия до верхней мертвой точки такта сжатия двигателя 14 на основании рабочих характеристик двигателя 14, таких как скорость двигателя, угол поворота коленчатого вала, давление в аккумуляторной топливной системе и т.п. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения вторая половина такта сжатия относится к углу поворота коленчатого 90 градусов до верхней мертвой точки такта сжатия. Операция впрыска включает в себя разделение впрыска топлива на предварительный впрыск топлива и основной впрыск топлива, обеспечение большего количества топлива для основного впрыска, опережение события основного впрыска на заданную величину и регулирование периода между предварительным впрыском и основным впрыском.

Показанный двигатель 14 включает в себя впускной коллектор 16 и выпускной коллектор 18. Турбонагнетатель 12 включает в себя компрессор 20 и турбину 22, и он действует, чтобы подавать сжатый воздух во впускной коллектор 16 для сгорания внутри цилиндра 24. Турбина 22 соединена с выпускным коллектором 18. Отработавшие газы, выводимые из выпускного коллектора 18, проходят через турбину 22, тем самым, приводя во вращение вал 26 турбонагнетателя, соединенный с компрессором 20. Компрессор 20 всасывает окружающий воздух через воздушный фильтр 28 и подает сжатый воздух в теплообменник 30. Благодаря сжатию в компрессоре 20 температура воздуха повышается. Сжатый воздух проходит через теплообменник 30, так что температура воздуха понижается до того, как он подается во впускной коллектор 16 двигателя 14. В одном варианте осуществления теплообменник 30 представляет собой воздушно-водяной теплообменник, который использует охлаждающую жидкость для содействия удалению теплоты из сжатого воздуха. В еще одном варианте осуществления теплообменник 30 представляет собой воздушно-воздушный теплообменник, который использует окружающий воздух для содействия удалению теплоты из сжатого воздуха. В еще одном другом варианте осуществления теплообменник 30 использует сочетание охлаждающей жидкости и окружающего воздуха для содействия удалению теплоты из сжатого воздуха.

Силовой агрегат 10 также включает в себя контроллер 32. В одном варианте осуществления контроллер 32 представляет собой электронный логический контроллер, который имеет возможность программирования пользователем. В еще одном варианте осуществления контроллер 32 представляет собой электронный контроллер впрыска топлива для двигателя 14. Контроллер 32 принимает сигнал 34 угла поворота коленчатого вала от датчика 36 угла поворота коленчатого вала, который предусмотрен для определения угла (в градусах) поворота коленчатого вала (не показан) двигателя 14. Контроллер 32 может действовать для генерирования сигнала 38 давления для управления работой множества насосов 40 впрыска топлива. Насосы 40 приводят в действие множество топливных инжекторов 42 для впрыска топлива во множество цилиндров 24 двигателя 14. В показанном варианте осуществления топливный инжектор 42 представляет собой топливный инжектор с электрическим приводом. Топливный инжектор 42, как правило, впрыскивает топливо в цилиндр 24 двигателя как функцию от сигнала 39 впрыска топлива, который он принимает от контроллера 32. Сигнал 39 впрыска топлива может включать в себя колебания, которые указывает требуемую скорость впрыска, требуемый момент впрыска топлива, количество топлива, которое необходимо впрыснуть в цилиндр 24, и т.п. В каждом цилиндре 24 расположен поршень 44, выполнен с возможностью скольжения внутри цилиндра, и который совершает возвратно-поступательные перемещения между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой, как хорошо известно специалистам в данной области техники. Контроллер 32 также принимает сигнал 46 скорости от датчика 48 скорости, который выполнен с возможностью определения скорости (в единицах оборотов коленчатого вала в минуту) двигателя 14. Контроллер 32 выполнен с возможностью генерирования сигнала 39 впрыска топлива для управления работой множества топливных инжекторов 42 на основании сигнала 34 угла поворота коленчатого вала и сигнала 46 скорости двигателя.

На фиг.2 показан контроллер 32 с логикой 11 управления выбросом отработавших газов и удельным расходом топлива согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано, контроллер 32 принимает сигналы датчиков от множества датчиков, таких как датчик 36 положения коленчатого вала, датчик 48 скорости, датчик 50 мощности, датчик 52 температуры всасываемого воздуха, датчик 54 температуры выхлопных газов, кислородный датчик 56, датчик 58 CO и датчик 60 NOx. Датчик 50 мощности может быть выполнен с возможностью определения мощности двигателя (в лошадиных силах). Датчик 52 температуры всасываемого воздуха может быть выполнен с возможностью определения температуры воздуха (в градусах Цельсия или Кельвина), подаваемого во впускной коллектор. Датчик 54 температуры выхлопных газов может быть выполнен с возможностью определения температуры выхлопных газов (в градусах Цельсия или Кельвина), выходящих из выпускного коллектора. Кислородный датчик 56, датчик 58 CO и датчик 60 NOx могут быть выполнены с возможностью определения в выхлопных газах количества кислорода, оксида углерода и оксидов азота соответственно. Контроллер 32 включает в себя логику 62 управления количеством и пропорцией разделяемого впрыска топлива, которая позволяет контроллеру 32 впрыскивать первое количество 64 топлива (например, предварительный впрыск топлива) в цилиндр 24 двигателя до того, как поршень достигнет положения верхней мертвой точки такта сжатия. Например, до верхней мертвой точки такта сжатия в цилиндр двигателя может быть впрыснуто топливо в количестве предварительного впрыска в размере от 1 до 5% от общего количества впрыскиваемого топлива. Логика 62 управления количеством и пропорцией разделяемого впрыска топлива также позволяет контроллеру 32 впрыскивать второе количество 66 топлива (например, главный/основной впрыск топлива) в цилиндр 24 двигателя, когда поршень находится вблизи положения верхней мертвой точки такта сжатия. Например, когда поршень находится вблизи верхней мертвой точки такта сжатия, в цилиндр 24 двигателя может быть впрыснуто топливо в количестве основного впрыска в размере от 95 до 99% от общего количества впрыскиваемого топлива.

Контроллер 32 также включает в себя логику 68 управления моментом/опережением разделяемого впрыска топлива, которая позволяет контроллеру 32 впрыскивать в цилиндр двигателя топливо в количестве предварительного впрыска в первый заданный момент 70 времени до того, как поршень достигнет положения верхней мертвой точки такта сжатия. Например, предварительный впрыск топлива выполняется тогда, когда положение поршня находится в диапазоне от 20 до 90 градусов до верхней мертвой точки такта сжатия. Логика 68 управления моментом/опережением разделяемого впрыска топлива также позволяет контроллеру 32 впрыскивать в цилиндр двигателя топливо в количестве основного впрыска во второй заданный момент 72 времени до того, как поршень достигнет положения верхней мертвой точки такта сжатия. Например, основной впрыск топлива выполняется тогда, когда положение поршня находится в диапазоне менее 5 градусов до верхней мертвой точки такта сжатия.

В показанном варианте осуществления контроллер 32 включает в себя логику 74 управления давлением и длительностью импульса разделяемого впрыска топлива, которая позволяет контроллеру 32 регулировать давление и длительность импульса предварительного впрыска 76 топлива. Логика 74 управления давлением и длительностью разделяемого впрыска топлива также позволяет контроллеру 32 регулировать давление и длительность импульса основного впрыска 78 топлива. Как описано выше в показанном варианте осуществления, котроллер 32 выполнен с возможностью управления количеством, моментом, давлением и длительностью импульса впрыска топлива на основании выходных сигналов от множества датчиков. Несмотря на то, что в показанном варианте осуществления работа контроллера описана относительно одного цилиндра 24, в других вариантах осуществления работа контроллера применима к множеству цилиндров 24 двигателя.

На фиг.3 показан силовой агрегат 10 локомотива с многоцилиндровой установкой двигателя 14 согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения. Каждый топливный инжектор включает в себя клапан 80 впрыска топлива, который сообщается по текучей среде с соответствующим цилиндром 24. В показанном варианте осуществления двигатель 14 включает в себя четыре цилиндра 24 и четыре клапана 80 впрыска топлива, соответственно. Однако в объем настоящего изобретения входят другие количества (например, 6, 8, 10, 12 и т.п.) и конфигурации цилиндров 24 и клапанов 80 впрыска топлива. Клапаны 80 впрыска топлива предусмотрены для впрыска топлива в камеру сгорания каждого цилиндра 24. Клапаны 80 впрыска топлива соединены с аккумуляторной топливной системой 82 высокого давления, выполненной с возможностью сжатия топлива до заданного значения. Аккумуляторная топливная система 82 высокого давления соединена с насосом 40 впрыска топлива посредством подающего топливопровода 84. Аккумуляторная топливная система 82 может быть снабжена датчиком давления (не показан) для определения давления топлива аккумуляторной топливной системы 82 и для передачи в контроллер 32 сигнала 81 давления, соответствующего определенному давлению топлива. Посредством приведения в действие насоса 40 впрыска топлива давление топлива в аккумуляторной топливной системе поддерживается на заданном уровне в зависимости от рабочих параметров двигателя 14. В конкретных вариантах осуществления контроллер 32 выполнен с возможностью генерирования сигнала 39 впрыска топлива для управления работой множества топливных инжекторов 42 на основании сигнала 34 угла поворота коленчатого вала и сигнала 46 скорости двигателя. В других вариантах осуществления силовой агрегат может иметь множество аккумуляторных топливных систем 82 и множество насосов 40 впрыска топлива. В одном примере двигатель 14 локомотива может иметь следующие характеристики: максимальное давление внутри цилиндра в диапазоне от 80 до 240 бар; четырехтактный; ступенчатый принцип работы дроссельной заслонки, то есть, множество положений дроссельной заслонки; средняя скорость в диапазоне от 300 до 1500 оборотов в минуту; рабочий объем в диапазоне от 5 до 20 литров на цилиндр; система впрыска топлива с аккумуляторной топливной системой.

Впускной коллектор 16 соединен с камерами сгорания соответствующих цилиндров 24. Впускной коллектор 16 соединен с впускной трубой 86. На впускной трубе 86 может быть предусмотрен датчик температуры всасываемого воздуха (не показан). Во впускной трубе 86 может быть предусмотрен теплообменник 88 для охлаждения всасываемого воздуха, проходящего через впускную трубу 86. Выпускной коллектор 18 соединен с камерами сгорания соответствующих цилиндров 24. Выпускной коллектор 18 соединен с выпускной трубой 90. Множество датчиков (не показаны), таких как датчик температуры выхлопных газов, кислородный датчик, датчик CO и датчик NOx, могут быть соединены с выпускной трубой 90.

Как описано выше, котроллер 32 принимает сигнал 34 угла поворота коленчатого вала от датчика 36 угла поворота коленчатого вала, предусмотренного для определения угла поворота коленчатого вала двигателя 14. Контроллер 32 может генерировать сигнал 39 впрыска топлива для управления работой топливных инжекторов. Контроллер 32 также принимает сигнал 46 скорости от датчика 48 скорости, выполненного с возможностью определения скорости двигателя 14. Как описано выше, в показанном варианте осуществления котроллер 32 выполнен с возможностью управления количеством, моментом, давлением и длительностью импульса впрыска топлива на основании выходных сигналов от множества датчиков. Использование аккумуляторной топливной системы 82 высокого давления в сочетании с топливным инжектором с электрическим приводом позволяет контроллеру 32 обеспечить гибкость в части скорости впрыска топлива, количества топливных инжекторов, а также в части количества, момента, давления и длительности импульса впрыска топлива. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения операция впрыска топлива применима при условиях работы двигателя от средней нагрузки до полной нагрузки.

Для однократного впрыска топлива, если момент впрыска топлива выбирается с опережением, то удельный расход топлива уменьшается, а выброс отработавших газов увеличивается. Согласно настоящему изобретению впрыск топлива разделяется на предварительный впрыск топлива и основной впрыск топлива с опережением до положения верхней мертвой точки такта сжатия двигателя 14. Благодаря разделяемому впрыску распыление топлива улучшается, и оно может быть дополнительно улучшено путем повышения давления топлива при впрыске. Топливо равномерно распределяется в камере сгорания, и потребление воздуха внутри камеры сгорания улучшается. Меньшее количество предварительного впрыска способствует предотвращению прилипания топлива к стенкам цилиндра. В результате выброс отработавших газов, по существу, регулируется, а удельный расход топлива уменьшается.

На фиг.4 показан один вариант осуществления силового агрегата 10 локомотива. Как описано выше, силовой агрегат 10 включает в себя турбонагнетатель 12 и дизельный двигатель 14. Силовой агрегат 10 может использоваться для приведения в действие системы 92. Система 92 может включать в себя двигатель локомотива для работы на большой высоте над уровнем моря, автомобильный двигатель, судовой двигатель и т.п. Силовой агрегат 10 включает в себя контроллер 32. Котроллер 32 принимает сигнал 34 угла поворота коленчатого вала от датчика 36 угла поворота коленчатого вала, предусмотренного для определения угла поворота коленчатого вала двигателя 14. Контроллер 32 может генерировать сигнал 39 впрыска топлива для управления работой множества топливных инжекторов 42. Контроллер 32 также принимает сигнал 46 скорости от датчика 48 скорости, выполненного с возможностью определения скорости двигателя 14.

В показанном варианте осуществления контроллер 34 может дополнительно включать в себя базу 94 данных, алгоритм 96 и блок 98 анализа данных. База 94 данных может быть выполнена с возможностью хранения заданной информации о силовом агрегате 10. Например, база 94 данных может хранить информацию, относящуюся к углу поворота коленчатого вала, скорости двигателя, мощности двигателя, температуре всасываемого воздуха, температуре выхлопных газов, состава выхлопных газов и т.п. База 94 данных может также включать в себя наборы команд, карты преобразования, справочные таблицы, переменные и т.п. Такие карты преобразования, справочные таблицы и наборы команд предназначены для корреляции характеристик предварительного впрыска и основного впрыска с заданными рабочими параметрами двигателя, такими как скорость двигателя, угол поворота двигателя, давление аккумуляторной топливной системы, требуемое количество топлива и т.п. Кроме того, база 94 данных может быть выполнена с возможностью хранения фактической измеренной/определенной информаций, принятой от вышеупомянутых датчиков. Алгоритм 96 способствует обработке сигналов от множества вышеупомянутых датчиков.

Блок 98 анализа данных может включать в себя различные типы схем, таких как микропроцессор, программируемый логический контроллер, логический модуль и т.п. Блок 98 анализа данных в сочетании с алгоритмом 96 может использоваться для выполнения различных вычислительных операций, относящихся к определению скорости впрыска топлива, количеству топливных инжекторов, количеству впрыскиваемого топлива, моменту, давлению и длительности импульса, временному интервалу между предварительным впрыском и основным впрыском, колебания электрического тока инжектора или к комбинациям перечисленных величин. Любой из вышеупомянутых параметров можно избирательно и/или динамически адаптировать или изменять относительно времени. Контроллер 34 выполнен с возможностью управления выбросом отработавших газов и удельным расходом топлива путем выполнения предварительного впрыска в первый заданный момент времени до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, и путем выполнения опережающего основного впрыска топлива во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени до того, как поршень достигает верхней мертвой точки такта сжатия.

На фиг.5 показана блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая один вариант осуществления способа приведения в действие системы 10 с турбонаддувом по фиг.1. В показанном варианте осуществления на этапе 100 определяют угол поворота коленчатого вала и скорость двигателя. Датчик 36 положения коленчатого вала предусмотрен для определения угла поворота коленчатого вала двигателя, а датчик 48 скорости предусмотрен для определения скорости двигателя (например, в единицах оборотов коленчатого вала в минуту). На этапе 102 контроллер 32 определяет первый заданный момент времени для предварительного впрыска топлива до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, на основании угла поворота коленчатого вала и/или скорости двигателя. На этапе 104 контроллер 32 приводит в действие насос 40 впрыска топлива для впрыска в цилиндр 24 двигателя топлива в количестве предварительного впрыска. В конкретных вариантах осуществления, топливо предварительного впрыска в количестве от 1 до 5% впрыскивается, когда поршень находится в положении от 20 до 90 градусов до верхней мертвой точки такта сжатия. Топливо предварительного впрыска распыляется и смешивается с захваченным воздухом в цилиндре 24. По мере продвижения поршня к верхней мертвой точке давление и температура смеси топлива предварительного впрыска и воздуха увеличивается из-за сжатия. Когда смесь топлива предварительного впрыска и воздуха достигает температуры воспламенения (температуры самовоспламенения), смесь топлива предварительного впрыска и воздуха воспламеняется, образуя продукты сгорания до основного впрыска и в течение самого основного впрыска.

На этапе 106 на основании величины угла поворота коленчатого вала и/или скорости двигателя контроллер 32 определяет второй заданный момент времени для основного впрыска топлива вблизи верхней мертвой точки такта сжатия. На этапе 108 контроллер 32 приводит в действие насос 40 впрыска топлива для впрыска в цилиндр 24 двигателя топлива в количестве основного впрыска. В конкретных вариантах осуществления топливо основного впрыска в количестве от 95 до 99% впрыскивается, когда поршень находится в положении менее 5 градусов до верхней мертвой точки такта сжатия. Топливо основного впрыска распыляется и смешивается с захваченным воздухом в цилиндре 24. Топливо основного впрыска также смешивается с захваченной сгоревшей смесью топлива предварительного впрыска и воздуха. Захваченная сгоревшая смесь топлива предварительного впрыска и воздуха действует как разбавитель с высокой удельной теплоемкостью для снижения температуры, при которой выполняется основной впрыск, тем самым, уменьшая выброс отработавших газов. Разделение впрыска топлива на предварительный впрыск топлива и опережающий основной впрыск топлива улучшает расход топлива, между тем сохраняя выброс отработавших газов в заданных границах.

На фиг.6 показан график, иллюстрирующий изменение скорости впрыска топлива (показанное по оси Y) относительно угла поворота коленчатого вала (показанного по оси X) и, в частности, верхнюю мертвую точку 110 в течение такта сжатия двигателя 14 с воспламенением от сжатия согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения. В показанном варианте осуществления кривая 112 представляет предварительный впрыск топлива внутрь цилиндра 14 двигателя в количестве, например, 1%, 3% или 5%, который начинается с первого угла 114, расположенного до верхней мертвой точки 110. Первый угол 114 предварительного впрыска может быть в диапазоне от 20 до 90 градусов до верхней мертвой точки 110 в течение такта сжатия. Кривая 116 представляет основной впрыск топлива в количестве, например, 99%, 97% или 95%, который начинается с угла 118 относительно верхней мертвой точки 110. Второй угол 118 основного впрыска может составлять менее 5 градусов до верхней мертвой точки 110 в течение такта сжатия. "Выдержка" представляет собой период времени между завершением предварительного впрыска и началом основного впрыска. В показанном примере выдержка может варьировать в пределах от 10 до 80 градусов до верхней мертвой точки 110.

На фиг.7 показан график, иллюстрирующий изменение выброса NOx (ось Y) относительно удельного расхода топлива (показанного по оси X) двигателя 14 с воспламенением от сжатия согласно примеру осуществления настоящего изобретения. Ось X представляет процентное изменение удельного расхода топлива относительно базовой величины 119 удельного потребления топлива. Ось Y представляет процентное изменение выброса NOx относительно базовой величины 121 NOx. Кривая 120 представляет уменьшение выбросов NOx и удельного расхода топлива для предварительного впрыска топлива в объеме 3%. Выдержка между предварительным впрыском и основным впрыском может варьировать в пределах от 10 до 80 градусов до верхней мертвой точки. Кривая 122 представляет уменьшение удельного расхода топлива и увеличение выброса NOx для предварительного впрыска топлива в объеме 3%, выдержки 60 градусов до верхней мертвой точки и относительно большей скорости впрыска топлива. Кривая 124 представляет уменьшение удельного расхода топлива и увеличение выброса NOx для предварительного впрыска топлива в объеме 3%, выдержки 60 градусов до верхней мертвой точки, относительно большей скорости впрыска топлива и основного впрыска топлива, выполняемого с опережением в 2 градуса до верхней мертвой точки. Как описано выше, выбросы отработавших газов двигателя регулируются и удельный расход топлива уменьшается путем разделения впрыска топлива предопределенного количества на предварительный впрыск топлива и опережающий основной впрыск топлива до верхней мертвой точки такта сжатия двигателя 14 на основании рабочих параметров двигателя 14, таких как скорость двигателя, угол поворота коленчатого вала, давление аккумуляторной топливной системы и т.п. В одном примере наряду с сохранением выбросов NOx в заданных границах может быть получено уменьшение удельного расхода топлива на более чем 2%.

На фиг.8 показана блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая еще один вариант осуществления способа приведения в действие системы 10 с турбонаддувом по Фиг.1. В показанном варианте осуществления на этапе 126 система впрыска топлива двигателя 14 приводится в действие на основании угла поворота коленчатого вала и скорости двигателя. Система впрыска топлива включает в себя множество топливных инжекторов, соединенных с аккумуляторной топливной системой 82 высокого давления, которая выполнена с возможностью сжатия топлива до заданного значения. Как описано выше, использование аккумуляторной топливной системы 82 высокого давления в сочетании с топливным инжектором с электрическим приводом позволяет контроллеру 32 обеспечить гибкость в части скорости впрыска топлива, количества топливных инжекторов, а также в части количества, момента, давления и длительности импульса впрыска топлива.

На этапе 128 выбросы отработавших газов сокращаются или поддерживаются в заданных пределах путем разделения впрыска топлива на предварительный впрыск топлива и основной впрыск топлива до положения верхней мертвой точки такта сжатия двигателя. Топливо предварительного впрыска в количестве от 1 до 5% впрыскивается, когда поршень находится в положении от 20 до 90 градусов до верхней мертвой точки такта сжатия. Топливо предварительного впрыска распыляется и смешивается с захваченным воздухом в цилиндре 24. По мере продвижения поршня к верхней мертвой точке, давление и температура смеси топлива предварительного впрыска и воздуха увеличивается из-за сжатия. Когда смесь топлива предварительного впрыска и воздуха достигает температуры воспламенения, смесь топлива предварительного впрыска и воздуха воспламеняется, образуя продукты сгорания до основного впрыска и в течение самого основного впрыска. Удельный расход топлива сокращается путем опережения основного впрыска топлива вблизи верхней мертвой точки такта сжатия на этапе 130. Топливо основного впрыска распыляется и смешивается с захваченным воздухом в цилиндре 24. Топливо основного впрыска также смешивается с захваченной сгоревшей смесью топлива предварительного впрыска и воздуха. Захваченная сгоревшая смесь топлива предварительного впрыска и воздуха действует как разбавитель с высокой удельной теплоемкостью для снижения температуры, при которой выполняется основной впрыск, тем самым, уменьшая выброс отработавших газов. Опережение события основного впрыска обеспечивает возможность лучшего распыления топлива, что приводит к уменьшению расхода топлива. Соответственно, сочетание меньшего количества топлива предварительного впрыска и опережающего основного впрыска топлива обеспечивает уменьшенный расход топлива, одновременно поддерживая выбросы отработавших газов в безопасных пределах.

На фиг.9 показана блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ изготовления силового агрегата 10 согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Способ включает в себя этап 132, на котором обеспечивают логику 62 управления количеством и пропорцией разделяемого впрыска топлива, позволяющую контроллеру 32 впрыскивать в цилиндр двигателя первое количество 64 топлива (например, предварительный впрыск топлива) до того, как поршень достигнет положения верхней мертвой точки такта сжатия, а также впрыскивать в цилиндр двигателя второе количество 66 топлива (например, главный/основной впрыск топлива), когда поршень находится вблизи положения верхней мертвой точки такта сжатия. Предварительный впрыск топлива выполняется тогда, когда положение поршня находится в диапазоне от 20 до 90 градусов до верхней мертвой точки такта сжатия. Способ также включает в себя этап 134, на котором обеспечивают логику 68 управления моментом/опережением разделяемого впрыска топлива, позволяющую контроллеру 32 впрыскивать в цилиндр двигателя топливо в количестве основного впрыска во второй заданный момент 72 времени до того, как поршень достигнет положения верхней мертвой точки такта сжатия. Опережение основного впрыска топлива до верхней мертвой точки такта сжатия равно или меньше 5 градусов. Способ также включает в себя этап 136, на котором обеспечивают логику 74 управления давлением и длительностью импульса разделяемого впрыска топлива, которая позволяет контроллеру 32 регулировать давление и длительность импульса предварительного впрыска 76 топлива и основного впрыска 78 топлива. Логика 74 управления давлением и длительностью импульса разделяемого впрыска топлива может также позволять контроллеру 32 регулировать выдержку между событиями предварительного и основного впрыска.

Несмотря на то, что выше были показаны и описаны только определенные отличительные признаки настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что возможны многочисленные модификации и изменения. Следовательно, нужно понимать, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и изменений, которые входят в рамки сущности настоящего изобретения.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности системам и способам для проведения в действие снабженного туробонаддувом двигателя с воспламенением от сжатия, и в частности, к системе и способу для снижения удельного расхода топлива и уменьшения выброса отработавших газов в снабженном турбонаддувом двигателе с воспламенением от сжатия, который входит в состав локомотива. Изобретение позволяет уменьшить удельный расход топлива без увеличения выбросов определенных отработавших газов дизельном двигателе. Способ управления предварительным впрыском включает впрыск первого количества топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигнет верхней мертвой точки такта сжатия; при этом впрыск первого количества топлива содержит впрыск предварительного количества топлива от 1 до 5 процентов от общего количества топлива; и впрыск второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения до того, как он достигнет верхней мертвой точки такта сжатия. Впрыск второго количества топлива содержит впрыск основного количества от 95 до 99 процентов от общего количества топлива. В формуле представлены второй вариант способа управления предварительным впрыском, система управления предварительным впрыском, локомотив, содержащий турбонагнетатель, способ управления предварительным впрыском и машиночитаемый носитель. 6 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ управления предварительным впрыском, включающий:
впрыск первого количества топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигнет верхней мертвой точки такта сжатия; при этом впрыск первого количества топлива содержит впрыск предварительного количества топлива от 1 до 5% от общего количества топлива; и
впрыск второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения до того, как он достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, причем впрыск второго количества топлива содержит впрыск основного количества топлива от 95 до 99% от общего количества топлива.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий захват продуктов сгорания от сгорания первого количества топлива во второе количество топлива.

3. Способ по п.1, в котором первый заданный момент времени соответствует углу поворота коленчатого вала от 20 до 90% до верхней мертвой точки такта сжатия, а второй заданный момент времени соответствует углу поворота коленчатого вала менее, чем 5% до верхней мертвой точки такта сжатия.

4. Способ по п.1, дополнительно включающий подачу топлива в дизельный двигатель, содержащий цилиндр двигателя.

5. Способ по п.4, дополнительно включающий приведение в движение локомотива, содержащего дизельный двигатель.

6. Способ по п.5, дополнительно включающий модифицирование системы впрыска топлива дизельного двигателя.

7. Способ по п.6, в котором модифицирование системы впрыска топлива содержит обеспечение общей аккумуляторной топливной системы высокого давления, которая имеет множество топливных инжекторов.

8. Способ управления предварительным впрыском, включающий:
опережение впрыска топлива с заданной величиной опережения для сокращения удельного расхода топлива в двигателе с воспламенением от сжатия локомотива; и
разделение заданного количества топлива впрыска на предварительное количество топлива и основное количество топлива в течение второй половины такта сжатия до верхней мертвой точки такта сжатия двигателя с воспламенением от сжатия для уменьшения выбросов оксида азота, связанных с опережением впрыска топлива, при этом опережение и разделение содержит модифицирование системы впрыска топлива двигателя с воспламенением от сжатия для уменьшения удельного расхода топлива без увеличения уровня выбросов.

9. Способ по п.8, в котором опережение впрыска топлива содержит впрыск предварительного количества топлива при угле поворота коленчатого вала от 20 до 90% до верхней мертвой точки такта сжатия и впрыск основного количества топлива при угле поворота коленчатого вала менее, чем 5% до верхней мертвой точки такта сжатия.

10. Способ по п.8, в котором модифицирование системы впрыска топлива содержит обеспечение аккумуляторной топливной системы высокого давления, которая имеет множество топливных инжекторов.

11. Система управления предварительным впрыском, содержащая:
контроллер, выполненный с возможностью впрыска первого количества топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, и второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения и до того, как он достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, при этом контроллер дополнительно выполнен с возможностью впрыска первого количества топлива в первый заданный момент времени и второго количества топлива во второй заданный момент времени в цилиндр двигателя сжатия для уменьшения удельного расхода топлива без увеличения уровня выбросов загрязняющих веществ.

12. Система по п.11, дополнительно содержащая датчик угла поворота коленчатого вала и датчик скорости двигателя, которые соединены с контроллером и выполнены с возможностью определения угла поворота коленчатого вала и скорости двигателя соответственно.

13. Система по п.12, в которой контроллер выполнен с возможностью управления впрыском первого количества топлива и второго количества топлива в цилиндр двигателя на основании соответствующих величин угла поворота коленчатого вала и скорости двигателя.

14. Система по п.13, дополнительно содержащая дизельный двигатель с контроллером.

15. Система по п.14, дополнительно содержащая транспортное средство, имеющее дизельный двигатель и контроллер, соединенный с дизельным двигателем.

16. Система по п.11, в которой контроллер выполнен с возможностью управления множеством топливных инжекторов для регулирования количества и момента впрыска топлива на основании угла поворота коленчатого вала и скорости двигателя.

17. Локомотив, содержащий:
турбонагнетатель;
двигатель с воспламенением от сжатия;
контроллер, соединенный с двигателем с воспламенением от сжатия и выполненный с возможностью впрыска первого количества топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, и второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения и до того, как достигнет верхней мертвой точки такта сжатия.

18. Локомотив по п.17, дополнительно содержащий датчик угла поворота коленчатого вала и датчик скорости двигателя, которые соединены с контроллером и выполнены с возможностью определения угла поворота коленчатого вала и скорости двигателя соответственно.

19. Локомотив по п.18, в котором контроллер выполнен с возможностью управления впрыском первого количества топлива и второго количества топлива в цилиндр двигателя на основании соответствующих величин угла поворота коленчатого вала и скорости двигателя.

20. Способ управления предварительным впрыском, включающий:
обеспечение контроллера, выполненного с возможностью впрыска первого количество топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, и второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения до того, как он достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, при этом контроллер дополнительно выполнен с возможностью впрыска первого количества топлива в первый заданный момент времени и второго количества топлива во второй заданный момент времени в цилиндр двигателя для уменьшения удельного расхода топлива без увеличения уровня выбросов загрязняющих веществ.

21. Способ по п.20, дополнительно включающий обеспечение двигателя с воспламенением от сжатия, имеющего контроллер.

22. Способ по п.21, дополнительно включающий обеспечение транспортного средства, имеющего двигатель с воспламенением от сжатия и контроллер, соединенный с двигателем с воспламенением от сжатия.

23. Способ по п.22, в котором обеспечение транспортного средства представляет собой обеспечение локомотива.

24. Машиночитаемый носитель, содержащий:
программные команды, причем программные команды включают в себя команды для впрыска первого количества топлива в цилиндр двигателя в первый заданный момент времени в течение второй половины такта сжатия до того, как поршень цилиндра двигателя достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, и команды для впрыска второго количества топлива в цилиндр двигателя во второй заданный момент времени после первого заданного момента времени, когда поршень опережает на заданную величину опережения до того, как он достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, при этом программные команды обеспечивают впрыск первого количества топлива в первый заданный момент времени и второго количества топлива во второй заданный момент времени в цилиндр двигателя сжатия для уменьшения удельного расхода топлива без увеличения уровня выбросов загрязняющих веществ.