CN101415923B - 用于运行双燃料内燃机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种可以燃烧两种燃料的内燃机。存在主燃料暂时不可获得或在主燃料的系统贮备被补充之前不可获得的情况。提供了一种用于确定何时给内燃机加主燃料和副燃料或仅加副燃料为燃料的装置。该装置包括：主燃料供给系统，其包括可操作以将所述主燃料引入所述发动机的燃烧室的主燃料喷射阀；副燃料喷射系统，其包括可操作以将所述副燃料直接引入所述燃烧室的副燃料喷射阀；压力传感器，其和所述主燃料供给系统相关联，用于确定所述主燃料喷射阀内的有效喷射压力；以及电子控制器，其和所述压力传感器通信，且可编程为当所述有效喷射压力大于预定阈值时，分别地指示启动所述副燃料喷射阀和所述主燃料喷射阀，以及否则的话指示启动所述副燃料喷射阀，不启动所述主燃料喷射阀。

Description

用于运行双燃料内燃机的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于运行双燃料内燃机的方法和装置。更具体地，本发明涉及一种用于电子发动机控制器自动确定何时将两种燃料或仅一种燃料传送到发动机的燃烧室中的方法和装置。

背景技术

燃烧柴油燃料的发动机是最普通类型的压燃式发动机。所谓的柴油发动机以高压将燃料直接引入燃烧室。因为这允许采用高压缩比且没有爆震的危险，所以柴油发动机非常有效率，其中爆震是指燃料混合物在燃烧室中过早爆燃。因为柴油发动机将其燃料直接引入燃烧室，所以燃料喷射压力必须大于当燃料正被引入时燃烧室内的压力，对于液体燃料，该压力必须高出较多，以便燃料被雾化以便有效燃烧。

柴油发动机为工业上所偏好，因为它们被证实是以给予操作者动力、性能、效率和可靠性的最佳组合而著称的执行器。例如，与以汽油作燃料的火花点燃式发动机相比，柴油发动机通常以低得多的成本运行，尤其是在消耗大量燃料的高使用率(high-use)的应用中。然而，柴油发动机的一个缺点是，它们会造成更多污染，例如颗粒物质(烟灰)和NOx，这些受到越来越严格的法规限制，这些法规要求这样的排放日益减少。为了符合这些法规，发动机制造商正在开发催化转化器和其他后处理设备，以从排气流中除去污染物。对燃料的改进也正在被引入，例如，以减少燃料中硫的量，以防止硫使催化剂失去活性，并降低空气污染。正在进行研究来提高燃烧效率以减少发动机排放，例如通过对发动机控制策略作出改良实现。然而，这些方法中大多数均会增加发动机的基本成本和/或运行成本。

最近的研发集中于将一些柴油燃料用更清洁燃烧的气体燃料取代，例如，天然气、纯甲烷、丁烷、丙烷、氢气以及它们的混合物。然而，在本公开内容中，“气体燃料”的定义比这些实例更宽泛。气体燃料在本文中被定义为在大气压力和环境温度下处于气相的任何可燃烧的燃料。由于气体燃料通常在与柴油燃料相同的温度和压力下不自动点火，少量的液体燃料可以被引入燃烧室以自动点火并引发气体燃料的点火。消耗车载气体燃料的一种方法包括将气体燃料以相对低的压力引入发动机的进气歧管。在此方法中，由于气体燃料被引入进气气流中，气体燃料的供给压力不是确定何时可以引入气体燃料的限制因素。用于将柴油燃料引入燃烧室的液体燃料喷射阀，可以使用与传统的柴油机阀相同的喷口几何结构，且如果气体燃料不可获得，具有这种设计的发动机可以只以柴油燃料运行。如果由这样的发动机提供动力的车辆在一条无法补充其气体燃料供应的路线上运行，这一点会成为一个优势，因为如果该车辆耗尽了气体燃料，它可以仅使用柴油燃料继续运行。然而，此特性可能会被为以更清洁燃烧的气体燃料作燃料的发动机提供补贴的管理者和政府机构认为是一个缺点，因为对于此技术，没有简便的方法来确保申请该补贴的操作者实际上会将享受补贴的发动机以气体燃料作燃料，而且与发动机以气体燃料和仅辅助量的柴油燃料作燃料时相比，当发动机仅以柴油燃料作燃料时发动机排放量会高得多。

此外，将燃料引入进气歧管或进气端口的双燃料发动机，已经不能比得上传统柴油发动机的性能和效率。有多个因素导致此缺陷。将气体燃料引入进气气流的双燃料发动机通常必须采用较低的压缩比，因为气体燃料可能会在压缩冲程的较早期与空气预混合，从而导致发动机爆震的可能，其中爆震是指燃料在燃烧室中的过早爆燃。为了防止发动机爆震，这样的发动机必须要么限制可被引入燃烧室的气体燃料的量，要么减小发动机的压缩比。较低的压缩比导致发动机不能比得上具有与柴油发动机相同压缩比的发动机的性能和效率。将气体燃料引入进气气流的另一个缺点是，通过占据进气歧管中的空间，该燃料会减少能够流入燃烧室的空气的质量。

在另一种用气体燃料替代大多数柴油燃料的方法中，通过将高压气体燃料直接喷射到燃烧室中，能够基本比得上传统柴油发动机的性能和效率。以此方法，可以控制将燃料引入燃烧室的时机(timing)，且可以将压缩比保持为与传统柴油发动机相同。然而，将两种燃料直接喷射入燃烧室的一个问题是，两种燃料都需要以高到足以克服汽缸内压力的压力供给，同时还引入进入燃烧室空间中以与空气混合的燃料喷雾。在液体燃料的情况下，喷射压力应足够高，以将燃料雾化，使得其能够在燃烧室内有效燃烧。在气体燃料的情况下，如提交于2004年4月7日的共有的加拿大专利申请2,463,791中所公开的，理想的是，气体燃料的喷射压力足够高以使得该气体燃料以超声速扩展到燃烧室空间中。

因为液体燃料是基本不可压缩的流体，液体燃料泵能够几乎瞬间地将液体燃料压力提升到期望的喷射压力。然而，因为气体燃料是可压缩的流体，在发动机的运行过程中，可能有的时候不可能以期望的喷射压力供应气体燃料。例如，这可能发生在当发动机启动时，或当气体燃料罐空了时，或气体燃料泵或压缩机出问题时。若无针对这些事件的控制策略，可能会有气体燃料喷射阀运行的结果为很少或没有气体燃料被引入燃烧室的时候。在启动条件下，当气体燃料供给系统被加压时，打开气体燃料喷射阀可以延长将气体燃料压力提升到正常运行水平所花的时间。未能识别出气体燃料未被以期望的喷射压力或以期望的量引入燃烧室，可能会导致燃烧不良、较高的颗粒物质和未燃烧的碳氢化合物废气排放以及较低的发动机性能和效率，因为喷射时机可能与被引入燃烧室的燃料的量不相匹配。

对于某些使用气体燃料为主燃料的发动机，液体燃料喷射阀不能够引入足够的液体燃料以仅使用液体燃料以全功率运行发动机。例如，如果喷孔的尺寸被定为适于在正常的运行条件下以预定流速和速度传送较小量的液体燃料，这样的喷孔的尺寸可能会被定得过小，以致于不能引入足够量的液体燃料以仅以液体燃料运行发动机。对于为车辆原动机的发动机，需要一个控制策略来处理车辆耗尽气体燃料和不能以全功率运行的可能情况。

因此，对于不能仅仅以液体燃料以全功率运行的发动机，需要一种识别出何时气体燃料不可获得的控制策略，用来在这种情况下控制发动机运行，以及用于识别出何时气体燃料是可获得的，从而发动机可以恢复正常运行。

发明内容

提供了一种用于确定何时给内燃机加主燃料和副燃料或仅加副燃料为燃料的装置。该装置包括：主燃料供给系统，包括可操作以将主燃料引入发动机的燃烧室的主燃料喷射阀；副燃料喷射系统，包括可操作以将副燃料直接引入燃烧室的副燃料喷射阀；压力传感器，其和主燃料供给系统相关联，用于确定主燃料喷射阀内的有效喷射压力；以及电子控制器，其和压力传感器通信，且可编程为当有效喷射压力大于预定阈值时，分别地指示启动副燃料喷射阀和主燃料喷射阀，以及否则的话，指示启动副燃料喷射阀而不启动主燃料喷射阀。

在优选的配置中，压力传感器安装在位于一压力控制阀和上述主燃料喷射阀之间的主燃料供给轨上。发动机可包括多个燃烧室，且主燃料喷射阀可以是多个主燃料喷射阀中的一个，该多个主燃料喷射阀中的每一个与该多个燃烧室中的一个相应的燃烧室相关联。在多缸发动机中，多个主燃料喷射阀中的每一个包括延伸到燃烧室中的与之相关联的燃烧室中的喷嘴，使得主燃料可直接喷射到每个上述相关联的燃烧室中。即，在优选的实施方案中，主燃料和副燃料被直接喷射到燃烧室中。

在优选的实施方案中，副燃料喷射阀和主燃料喷射阀是可独立操作的，且被并入组合双燃料喷射阀组件中，该组合双燃料喷射阀组件带有用于分别地将主燃料和副燃料直接引入燃烧室的喷孔。

该装置优选地包括一个流体连接到主燃料供给管的蓄压器(accumulator)，一个截流阀位于该蓄压器和主燃料供给管之间。在优选的配置中，该蓄压器可在位于用于给主燃料加压的设备和一压力调节阀之间的位置与主燃料供给管流体连通。该装置还可以包括与主燃料供给管流体连通的第二蓄压器容器。

在优选的实施方案中，主燃料供给系统包括用于将主燃料加压的设备以及用于将主燃料从该设备传送到主燃料喷射阀的主燃料供给管。在优选的实施方案中，主燃料供给系统是共轨燃料供给系统，该共轨燃料供给系统以喷射压力将主燃料传送到燃料喷射阀中，其中燃料通过燃料喷射阀可直接喷射到燃烧室中。用于给主燃料加压的设备可以是压缩机，或者如果主燃料被以液化气体形式存储，该设备可以是泵。如果主燃料是液化气体，其可以被存储在适于在低温温度(cryogenic temperature)下存储主燃料的隔热存储罐中。

在优选的实施方案中，主燃料是气体燃料，而副燃料是液体燃料。主燃料供给系统可适于供应选自由天然气、甲烷、丙烷、丁烷、氢气及它们的混合物构成的组的气体燃料。副燃料供给系统适于供应选自由柴油燃料、二甲醚、生物柴油和煤油构成的组的液体燃料。

在优选的装置中，为了减少对加单一燃料作燃料的常规压燃式发动机的汽缸盖的改变，副燃料喷射阀和主燃料喷射阀被并入单个组件中。这种配置的优点是，单个整体阀组件可以安装在通常被单燃料喷射阀占据的同一个开口中。

提供了一种方法，用于确定何时给内燃机加主燃料和副燃料或仅加副燃料为燃料。该方法包括：测量主燃料的有效喷射压力；当该有效喷射压力在预定阈值压力之上时，通过按基于发动机转速和发动机载荷确定的每种燃料的命令量和喷射时机给发动机加主燃料和副燃料为燃料，以双燃料模式运行；以及通过按基于发动机转速和发动机载荷的命令量和喷射时机给发动机仅加副燃料为燃料，以副燃料模式运行。

该方法还可包括：当上述有效喷射压力等于预定阈值压力时，在双燃料模式和副燃料模式之间切换，以及然后启用一个死区，该死区限定一个包括所述阈值压力的预定压力范围；阻止在运行模式之间的进一步切换，直到死区被禁用；当所述有效喷射压力高于所述预定压力范围时，禁用死区并以双燃料模式运行；以及当所述有效喷射压力低于所述预定压力范围时，禁用死区并以副燃料模式运行。在优选的实施方案中，该预定压力范围具有比阈值压力高和低的边界。

优选的方法还包括将在副燃料模式下的运行限制在预定时间内，向发动机操作员提供一个如果该预定时间到期发动机将关闭的警告，以及当该预定时间到期时关闭发动机。例如，该预定时间可以是10分钟或少于15分钟。

该方法还可以包括在关闭发动机之前，将用于主燃料的蓄压器容器加压。为了保存该蓄压器内高压气体燃料的贮存，该方法优选地包括在关闭发动机之前，关闭在该蓄压器容器和主燃料供给管之间的截流阀。在一个实施方案中，该方法还可以包括当发动机启动时，打开上述截流阀一预定时间，直到上述有效喷射压力等于蓄压器内的压力，以及然后关闭该截流阀直到所述有效喷射压力被提升到一个高设定点。该方法还可以包括，将一个大的蓄压器容器和一个小的蓄压器容器加压，其中这两个蓄压器容器均与向主燃料喷射阀传送主燃料的主燃料供给管流体连通。例如，在某些系统中，如果当发动机启动时该大的蓄压器为空，可以采用该小的蓄压器来减少将主燃料轨加压所需的时间。

附图说明

图1、1A和1B是示出了用于确定给发动机加主燃料和副燃料为燃料还是仅加副燃料为燃料的控制策略的流程图。图1示出了一种示出主要运行原理的基本控制策略，而图1A和1B示出了更为优选的策略，其引入了死区(deadband)以防止在所选择的运行模式之间的振荡。

图2是用于发动机的燃料供给系统的示意图，其中该发动机可以加主气体燃料和副液体燃料为燃料。

图3是一个绘出了对照时间的主燃料压力的曲线图，在该曲线图的左侧示出了，当主燃料压力从一个预定阈值之下提高到在该预定阈值之上的正常运行压力时，该控制策略如何工作。在该曲线图的右侧示出了，当主燃料压力从该预定阈值之上下降到一个较低的值的时候，该控制策略如何工作。

优选实施方案的详细描述

本发明针对加主燃料和副燃料为燃料的内燃机，其中该两种燃料可以独立地和分别地被直接引入发动机的燃烧室。在一些实施方案中，副燃料喷射阀适于引入按能量计的较少数量的燃料。对于这样的发动机，需要一种控制策略来处理主燃料不可获得时的情况。对于具有将副燃料质量流速限制到使得发动机不能仅用副燃料以全功率运行的程度的几何结构的副燃料喷射阀的发动机，尤其如此。

在本公开内容中，“副燃料”是用来描述通常比主燃料更易自动点火的第二燃料的术语。在正常运行中，只有少量的副燃料被喷射入燃烧室，以辅助主燃料的点火。即，在正常的运行条件下，副燃料用作用于辅助主燃料的点火的引燃燃料，且按能量计，该副燃料平均起来可代表少于10％的所消耗的总燃料。例如，副燃料可以选自由柴油燃料、煤油、生物柴油和二甲醚构成的组。然而，在本公开内容中，与引燃燃料不同，副燃料并不限于描述仅仅用来充当用于点燃另一种燃料的引燃剂(pilot)的燃料。当主燃料不可获得时，所述的控制策略允许发动机仅加副燃料为燃料；在这种情况下，副燃料不作为用于点燃另一种燃料的引燃剂，而是其本身成为发动机所消耗的唯一燃料。当发动机仅加副燃料为燃料时，在优选的实施方案中，发动机的功率输出被降低，且该发动机可仅加副燃料为燃料运行的时间可以受到限制。

在优选的实施方案中，主燃料是一种比如柴油之类的传统的液体燃料更清洁燃烧的气体燃料。例如，主燃料可以是天然气、纯甲烷、丁烷、丙烷、氢气以及它们的混合物。在优选的实施方案中，主燃料是一种清洁燃烧的气体燃料，所以在优选实施方案的描述中，“气体燃料”和“主燃料”的使用是可以互换的，但是熟知发动机技术的人员将能理解，主燃料也可以是一种需要与主燃料不同的副燃料来引发点火的液体燃料。因为按能量计，该气体燃料平均起来代表所消耗燃料的至少90％，所以与传统柴油燃料发动机相比，因为发动机所消耗的大部分燃料是比它所替代的液体燃料更清洁燃烧的燃料，NOx和颗粒物质的排放大为降低。

对于传统的发动机，由于液体燃料是不可压缩的流体，所以只要存在可获得的燃料，液体燃料就可以被迅速地被泵抽到期望的喷射压力。对于气体燃料，情况并非如此。因为气体燃料是可压缩的，并且流体流动特性不同，可能会出现气体燃料不可以期望的喷射压力一样迅速地获得——或者是暂时地不可获得，或者在气体燃料可被补充之前不可获得——的情况。例如，当存储气体燃料的燃料容器为空时，气体燃料不可获得。如果燃料系统中的部件之一失效，或是以降低的能力工作，气体燃料可能不可以期望的压力获得，直到对该燃料系统进行适当的修理和/或维护。在启动时，即便气体燃料是可获得的，如果未采用蓄压器容器，或者蓄压器容器未充满加压气体燃料，气体燃料供给系统中的压力可能暂时是低的，直到气体燃料泵或压缩机能够将该系统充气到正常运行压力。在一些情况下，发动机控制器可以根据机载诊断程序(diagnostics)确定气体燃料不应被供应到发动机，例如若诊断程序指示气体燃料供给系统中可能存在泄漏，或者气体燃料喷射阀存在问题的话。

图1是一个示出了所公开的控制策略的基本运行原理的流程图。第一步是测量有效喷射压力(AIP)。这是在主燃料喷射阀内的气体燃料的压力，但是实际的压力测量可以在将气体燃料传送到主燃料喷射阀的主燃料供给管或主燃料轨中进行。如果有效喷射压力大于一个预定阈值压力(Td)，则控制器选择双燃料运行模式，并且设置将主燃料和副燃料喷射到燃烧室内的时机和喷射的量。例如，在一个优选的实施方案中，该阈值压力可以是大约18MPA(大约2,600psi)。如果有效喷射压力不大于预定阈值压力，则控制器选择副燃料运行模式，并且仅设置副燃料的喷射时机和量。当控制器从选择副燃料运行模式切换到双燃料运行模式时，用于副燃料的喷射时机和脉冲宽度可以改变，反之亦然，因为在后一运行模式中，副燃料被用作引燃燃料，而不作为主燃料。例如，当选择副燃料运行模式时，用于喷射副燃料的脉冲宽度可以较宽，且在压缩冲程中开始副燃料的喷射的时机可以比当选择双燃料运行模式时开始主燃料的喷射的时机更早。例如，在副燃料运行模式下，喷射副燃料的时机可以比在双燃料运行模式下喷射主燃料的时机早10度到20度的曲柄角。实际时机和脉冲宽度取决于给定发动机的特性。

当副燃料运行模式被选择时，优选地使用一个计时器以限制发动机在该运行模式下可以运行的时间。在优选的实施方案中，副燃料运行模式可用于启动条件或用于主燃料暂时不可获得、或在气体燃料的供应可以被补充之前不可获得或在主燃料供给系统可以适于使用之前不可获得的紧急情况。在启动时，发动机可以副燃料运行模式启动，且在怠速模式下运行直到主燃料的有效喷射压力增加到期望运行范围。在紧急情况下，计时器可以允许发动机运行足够长时间，以允许车辆被开到一个安全地点停下，或者如果不需要全功率输出的话，车辆可以被开到一个附近的加燃料站。例如，该计时器可以被设置为允许车辆有足够时间以副燃料运行模式行驶到车队操作员工作场地中的加燃料库。然而，在优选的实施方案中，因为发动机在副燃料运行模式下不能将全功率输送到车辆，这一类型的发动机不能避开用于正常的车辆使用的双燃料运行，这可以使得所公开的发动机符合清洁燃料补贴条件，而其他当仅加副燃料为燃料时允许发动机输送全功率的双燃料发动机不适合于清洁燃料补贴。在图1中，计时器功能是通过确定是否存在从双燃料运行模式到副燃料运行模式的切换而开始的。该计时器可以是一个简单的记时仪，该记时仪在每次控制器从双燃料运行模式切换到副燃料运行模式时从t＝0开始。只要发动机在副燃料运行模式下运行，控制器就在每个控制循环中确定计时器是否超过了预定时间限制t_L，当在副燃料运行模式下的时间超过了t_L时，则控制器使发动机停止。在某种程度上，预定时间限制t_L可以被任意设定，因为由于发动机在副燃料运行模式下不能获得全功率输出，已经存在着在副燃料运行模式下运行的抑制因素。取决于燃料供给和喷射系统的设计，可能有其他阻止在副燃料运行模式下的长时间运行的运行上的考虑。例如，在一些实施方案中，t_L可以被设为大约10分钟，或优选地被设为更短的时间。

图1A是一个优选的控制策略，因其引入了会减少在运行模式之间的振荡的死区。为了简洁，图1A并未示出计时器功能，但此功能可以被并入所有优选的实施方案中。死区是一个预定的压力范围，在优选的实施方案中，可以从预定阈值压力增加或减去该预定的压力范围，以定义由控制方法以本文所描述的方式使用的压力上限和压力下限。该方法是通过测量有效喷射压力(AIP)开始的。控制器所考虑的第一个问题是，确定有效喷射压力是否小于如死区限定的压力下限或大于如死区限定的压力上限。如果这些条件之一的答案为“是”，则有效喷射压力在由压力下限和压力上限定义的范围之外，且电子控制器禁用死区。如果有效喷射压力在压力下限和压力上限之间，且死区先前已被启用，则死区保持被启用。电子控制器所考虑的第二个问题是，有效喷射压力自前一控制循环以来是否升到预定阈值压力之上或降到预定阈值压力之下。所公开的方法通过确定是否满足两个判别标准之一回答这个问题。第一个判别标准是，有效喷射压力是否小于或等于预定阈值压力，还有在前一控制循环中测量的有效喷射压力是否大于或等于预定阈值压力。第二个判别标准是，有效喷射压力是否大于或等于预定阈值压力，还有在前一控制循环中测量的有效喷射压力是否小于或等于预定阈值压力。如果满足这些判别标准之一，这就意味着自前一控制循环以来，与预定阈值压力相等或相交过，且死区被启用。如果未满足这些判别标准之一，则在继续到第三个问题之前不对死区的状态作出改变，其中该第三个问题是有效喷射压力是否小于预定阈值压力，或死区是否被启用；如果这些条件之一为真，则电子控制器选择副燃料运行模式，且根据此运行模式设置燃料喷射时机和量。如果有效喷射压力不小于预定阈值压力，且死区被禁用，则电子控制器选择双燃料运行模式，且根据此运行模式设置燃料喷射时机和量。

在应用图1A中所给出的控制策略时，通过只要死区被启用就保持副燃料运行模式，以及通过仅当有效喷射压力升到压力上限(Td+DB)之上时才从副燃料运行模式切换到双燃料运行模式，死区减少了在双燃料运行模式和副燃料运行模式之间的来回切换。一旦死区被禁用，死区在有效喷射压力与预定阈值压力相交或相等之前不会被启用。

图1B示出了另一也使用死区的控制方法，其具有与图1A中的控制方法相似的结果。在图1B的方法中，当有效喷射压力与预定阈值压力相等或相交时，死区被启用。当死区被启用时，电子控制器从在前一控制循环中选择的运行模式切换到另一运行模式。当测量的有效喷射压力大于由预定阈值压力加上死区而定义的压力上限时，电子控制器禁用死区并选择双燃料运行模式。当测量的有效喷射压力小于由预定阈值压力减去死区而定义的压力下限时，电子控制器禁用死区，并且选择副燃料运行模式。

参照图1B，在测量有效喷射压力之后，电子控制器所考虑的第一个问题是死区是否被启用。如果死区被启用，该控制器确定有效喷射压力是否仍然在通过死区设定的压力上限和压力下限之间。如果有效喷射压力仍然在通过死区限定的压力上限和压力下限之间，则电子控制器保持当前选择的运行模式。另一方面，如果有效喷射压力在压力下限之下或在压力上限之上，则电子控制器禁用死区，同时如果有效喷射压力小于压力下限，选择副燃料运行模式，否则选择双燃料运行模式。

如果控制器在控制循环中的第一个问题上确定死区未被启用，电子控制器考虑测量的有效喷射压力和在前一控制循环中测量的有效喷射压力，以确定自前一控制循环以来，有效喷射压力是否已经与预定阈值压力相等或相交。如果自前一控制循环以来有效喷射压力未与预定阈值压力相交或相等，则死区保持被禁用，并且如果有效喷射压力大于预定阈值压力，则电子控制器选择双燃料运行模式，同时如果有效喷射压力不大于预定阈值压力，则电子控制器选择副燃料运行模式。如果电子控制器确定自前一控制循环以来有效喷射压力已经与预定阈值压力相交或相等，且测量的有效喷射压力保持在由死区限定的压力上限和下限之间，则启用死区，且电子控制器指示从在前一控制循环中选择的运行模式切换到另一个运行模式。如果自前一控制循环以来，有效喷射压力已经与预定阈值压力相交或相等，但当前测量的有效喷射压力不在由死区限定的压力下限和上限之间，则死区保持被禁用，且如果有效喷射压力小于压力下限，电子控制器选择副燃料运行模式，否则电子控制器选择双燃料运行模式。

对于图1A的控制方法，电子控制器在死区被启用时总是选择副燃料运行模式，而对于图1B的控制方法，每当死区从被禁用切换到被启用时，电子控制器切换运行模式。两种控制方法都引入了死区，以在有效喷射压力在预定阈值压力附近在由预定死区限定的压力上限和压力下限之间波动的情况下，减少在两种运行模式之间的来回切换。

图2是装置200的示意图，该装置200将主燃料和副燃料传送到内燃机的燃烧室。在此实例中，副燃料是一种液体燃料而主燃料是一种气体燃料。装置200包括副燃料供给系统210，该副燃料供给系统本身包括副燃料存储容器212、吸入管线213、副燃料泵214、压力控制阀216、可选的压力传感器217以及副燃料轨218。装置200还包括主燃料供给系统220，该主燃料供给系统本身包括主燃料存储容器222、主燃料压缩机224、热交换器225、压力控制阀226、压力传感器227以及主燃料轨228。

发动机包括多个安装在汽缸盖242中的燃料喷射阀240。在图2中，汽缸盖242示意性地以虚线轮廓示出。在所示的实施方案中，发动机可以具有一个带有六个直列式汽缸的汽缸体(未示出)，其中由每个汽缸限定的燃烧室关联于一个燃料喷射阀。在所示的实施方案中，每个燃料喷射阀240能够将副燃料和主燃料喷射到相应的燃烧室(未示出)中，从而每个燃料喷射阀240与副燃料轨218和主燃料轨228相关联。即使副燃料喷射阀和主燃料喷射阀被并入单个双燃料喷射阀中，副燃料喷射阀和主燃料喷射阀也优选地可独立操作来分别地将副燃料和主燃料引入燃烧室。这允许为副燃料和主燃料喷射事件设置单独的时机，并允许对喷射到燃烧室中的每种燃料的量进行更精确的控制。

本领域技术人员将能理解，所公开的装置和方法可应用于具有不同尺寸和具有任意数量汽缸的内燃机。对于具有不止一个汽缸盖的发动机，燃料供给轨可以具有与每个汽缸盖相关联的支路。

在未示出的另一实施方案中，副燃料喷射阀可以与主燃料喷射阀分离。主燃料喷射阀可以将主燃料引入燃烧室上游紧邻的进气歧管或进气端口。然而，这样的实施方案是较不优选的，因为优选的是将主燃料直接喷射入燃烧室中，以更为接近地赶上将燃料直接喷射入燃烧室中的柴油发动机的功率、性能和效率。

根据图1中所示的控制策略运行设备200的方法被描述如下。燃料喷射阀240优选地是如图2所示的所谓的共轨喷射阀。即，燃料被以喷射压力通过相同的燃料轨供应到每个燃料喷射阀240。熟知共轨技术的人员将能理解，术语“轨”，如此处所定义，意为一个导管、孔或管道，其起用于将燃料分配到燃料喷射阀的歧管的作用。因此，当发动机正常运行的时候，副燃料轨218和主燃料轨228各充满处于喷射压力的加压燃料，且可以通过将相应的阀针从关闭位置致动到开启位置来喷射燃料。对于主燃料，由压力传感器227所测量的压力代表有效喷射压力。相似地，由压力传感器217所测量的压力代表副燃料的有效喷射压力。

所公开的方法并不依赖于所使用的燃料喷射器的类型。例如，虽然在图2中示出了一个共轨燃料系统，但该方法可以用于使用多个个别式喷射器的发动机，其中每个喷射器具有一个用于将燃料压力提升到喷射压力的增压机构。

控制器250可编程以通过运行泵214和对压力控制阀216的操作，将在副燃料轨218中的副燃料维持在期望喷射压力，其中该压力控制阀216被放置于在泵214和副燃料轨218之间的副燃料传送管道中。压力控制阀216可被操作以控制副燃料轨218中的副燃料压力，使得当发动机运转时副燃料压力被维持在预定固定压力。在一些实施方案中，压力控制阀216可以被电子控制器控制以响应发动机运行条件而调节副燃料轨218中的副燃料压力，例如，以将副燃料轨218中的压力调整到由发动机特性曲线图(engine map)所限定的预定压力。

在图2的示意图中，副燃料轨被示为具有多个支路219，其中支路219将副燃料轨218连接到每个燃料喷射阀240。支路219，在图2中示意性地示出，可以是汽缸盖242中的一个孔，或者如果液体燃料轨218是管道，支路219可以是连接到在汽缸盖242上方的燃料喷射阀240的管道，或者是通过设置在汽缸盖242中的开口的管道。

控制器250可编程以通过运行压缩机224和通过操作压力控制阀226，将在主燃料轨228中的主燃料维持在期望喷射压力，其中压力控制阀226位于在热交换器225和主燃料轨228之间的主燃料传送管道中。在优选的实施方案中，主燃料是一种气体燃料，其可以在高存储压力下作为压缩气体存储，以增加存储密度。在一些实施方案中，主燃料存储容器222可以是一个额定压力的容器，用于安全地以最高达69MPa(大约10,000psia)的压力保存主燃料。对于更大的存储密度，气体主燃料可以在低温温度下以液化形态存储在双层壁真空隔热容器中。

可以采用热交换器225，以在主燃料被压缩之后将其冷却。在图2中示意性地示出了主燃料压缩机224，但是在优选的实施方案中，压缩机224可以是一个或多个往复式活塞压缩机。

主燃料供给系统220还可以包括在压力调节器226上游的蓄压器容器230。如果由主燃料供给管和主燃料轨228所限定的容积较小，可以采用蓄压器容器230来通过保证高压主燃料的充足供给总是可获得的，来帮助维持期望的主燃料压力。当发动机被关闭时，主燃料轨228通常被排气或排液。当发动机被关闭时，阀232可以被关闭以保留一些高压燃料用于发动机启动时。一旦启动发动机，阀232可被开启以用主燃料充满主燃料轨228。在优选的实施方案中，蓄压器230的容积比主燃料轨228的容积大得多，使得在蓄压器230中通常有足够的以高压存储的燃料来充满主燃料轨228。然而，对于蓄压器容积和燃料轨容积之间的比率较低的系统，或者如果蓄压器230在发动机启动时未被完全充气，在阀232开启之后可能没有足够的燃料来将主燃料轨228加压到预定低压设定点之上，这意味着压缩机224立即被命令向燃料供给系统提供更多燃料气体。在这种情况下，如果阀232保持开启，将主燃料轨228充分加压可能会花较长时间，因为压缩机224正在同时填充主燃料轨228和蓄压器230，并且要进一步提升主燃料轨228中的压力，压缩机224也需要提升蓄压器容器230中的压力。对于会发生上述情况的系统，可以遵循以下过程：一旦启动发动机，阀232就被初始打开以将主燃料轨228充满燃料；同时，压力调节器226完全打开，因为当发动机在启动时，主燃料压力通常最初处于大气压力；在允许对主燃料轨228进行初始填充的预定延迟之后，阀232被关闭直到由压力传感器227测量的压力达到高设定点；以及，然后阀232被打开，使得压缩机224可以将蓄压器230充满。

蓄压器234是一个可选的功能部件，其可以被用于这样的发动机系统：该发动机系统需要蓄压器230具有大容积来用于正常运行，但可以使用较小的蓄压器234以通过关闭阀232并仅使用小蓄压器234来加速燃料系统的初始增压。一旦发动机在双燃料运行模式下运行且有效喷射压力高于预定阈值压力，阀232可被打开且蓄压器230可被充满。

当副燃料喷射阀和主燃料喷射阀被并入一个双燃料喷射阀组件中时，为了减少在两种高压燃料之间的压力差，主燃料喷射压力优选地被设置为等于或略低于副燃料喷射压力，使得主燃料不会泄漏到副燃料通道中，其中在优选的实施方案中主燃料为气体燃料。在共有的美国专利No.6,298,833中，公开了动态控制整体副燃料和主燃料喷射阀中的副燃料和主燃料压力的装置和方法。因此，压力控制阀226的操作优选地与压力控制阀216的操作相联系，或者可以采用一个压力控制阀来保持副燃料轨218中的压力和主燃料轨228中的压力之间的压力差。

与副燃料轨218相似，在图1的示意性图解中，主燃料轨228被示为具有支路229，该支路229将气体燃料轨228连接到燃料喷射阀240中的相应燃料喷射阀。

控制器250是一个电子控制器，其可以接收指示诸如发动机转速、有效喷射压力之类的发动机运行参数和诸如需求负载之类的操作员输入的数据。从压力传感器217和227引向控制器250的虚线表示用于从这些压力传感器发送数据信号到控制器250的连接。控制器250可以处理数据以经过计算和/或通过参照查找表来确定信号命令。控制器250向例如压力控制阀226或压缩机224或燃料喷射阀240等系统部件发送信号命令，如从控制器250引向相应部件的虚线所示。根据当前公开的方法，控制器250可以确定主燃料轨228中的有效喷射压力和确定有效喷射压力是否通过大于预定阈值压力而足够，以当有效喷射压力大于预定阈值压力时允许发动机在双燃料模式下运行，或者如果不大于，则仅给发动机加副燃料作燃料。在图2中，控制器250被示意性地表示为单个部件，但是知晓发动机控制系统知识的人员将能理解，控制器250实际上可以包括使用控制器区域网络进行通信的数个子部件。比如，可以有一个带有分离的喷射器驱动器模块的主发动机控制器以及一个分离的燃料供给系统控制器。

控制器250可以被编程为按照在图1、图1A和图1B中所示的方法运行。例如，如图1A和1B所示，控制器250可以被编程为，如果自上一个发动机循环或喷射事件以来有效喷射压力等于预定阈值压力，则启用死区。控制器250也可编程为包括一个计时器，用于限制发动机可以在副燃料运行模式下连续运行的最长时间。

图1B的方法由图3进一步图解，其中图3是有效喷射压力(AIP)对照时间的曲线图。当发动机被关闭时，主燃料供给轨可被排气到大气压力，从而使得一旦启动就需要对主燃料供给轨再加压。在图3左侧的线310示出了当系统在被加压时有效喷射压力可以如何增加的实例。起初，死区被禁用，且因为有效喷射压力小于预定阈值压力Td，控制器选择副燃料运行模式，并发送适当的信号命令到发动机部件。例如，控制器发送信号命令来控制副燃料喷射压力，以及基于所选择的副燃料运行模式，指示每个燃料喷射事件的适当时机和脉冲宽度。在点312处，有效喷射压力等于预定阈值压力，于是控制器选择并且切换到双燃料运行模式，并且还启用死区。只要有效喷射压力保持在死区上限316和死区下限326之间，控制器就向发动机部件发送适当的信号命令，以在双燃料模式下运行。在所示的实例中，在点314处，有效喷射压力与死区上限316相等，且当此情况发生时，死区被禁用，且由于有效喷射压力大于预定阈值压力，控制器继续选择双燃料运行模式。相反地，如果线310不等于死区上限316，而是线310落至死区下限326，控制器仍然将禁用死区，但那时会切换回副燃料运行模式，因为此时有效喷射压力将小于预定阈值压力。

如线310所示，当有效喷射压力增加时，有效喷射压力曲线会振荡，甚至低到预定阈值压力之下，但是控制器不切换所选的运行模式或禁用死区，直到线310与死区边界之一相交为止。这样减少了在双燃料运行模式和副燃料运行模式之间的来回切换，从而减少了当未采用死区的时候可能出现的不稳定的运行状况。

在图3的右侧，线320绘出了有效喷射压力的下降。在此实例中，因为有效喷射压力起初大于预定阈值压力，控制器起初选择了双燃料运行模式，且死区被禁用。当在点322处有效喷射压力等于预定阈值压力时，死区被启用并且控制器选择副燃料运行模式，保持此运行模式直到线320与死区边界之一相交为止。在点324处，线320与死区下限326相交，此时控制器禁用死区，且因为有效喷射压力低于预定阈值压力，控制器继续选择副燃料运行模式。

虽然已经示出和描述了本发明的特定要素、实施方案和应用，但可以理解的是，本发明并不限于此，因为本领域技术人员可以在不偏离本公开内容的范围的前提下作出修改，尤其是根据前述教导进行修改。

Claims (26)

1.一种装置，被提供用于确定何时给内燃机加主燃料和副燃料或仅加副燃料为燃料，所述装置包括：

主燃料供给系统，包括可操作以将所述主燃料引入所述发动机的燃烧室的主燃料喷射阀；

副燃料喷射系统，包括可操作以将所述副燃料直接引入所述燃烧室的副燃料喷射阀；

压力传感器，其和所述主燃料供给系统相关联，用于确定所述主燃料喷射阀内的有效喷射压力；以及

电子控制器，其和所述压力传感器通信，且可编程为当所述有效喷射压力大于预定阈值时，分别地指示启动所述副燃料喷射阀和所述主燃料喷射阀以允许所述发动机以最高达全功率的功率水平运行，以及否则的话，指示启动所述副燃料喷射阀而不启动所述主燃料喷射阀以允许所述发动机以小于全功率的降低的功率水平运行最长达一预定量的时间。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述压力传感器安装在位于压力控制阀和所述主燃料喷射阀之间的主燃料供给轨上。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述发动机包括多个燃烧室，且所述主燃料喷射阀是多个主燃料喷射阀中的一个，所述多个主燃料喷射阀中的每一个与所述多个燃烧室中的一个相应的燃烧室相关联。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述多个主燃料喷射阀中的每一个包括延伸到所述燃烧室中的所述与之相关联的燃烧室中的喷嘴，使得所述主燃料可直接喷射到每个所述相关联的燃烧室中。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述副燃料喷射阀和所述主燃料喷射阀是可独立操作的，且被并入组合双燃料喷射阀组件中，该组合双燃料喷射阀组件带有用于分别地将所述主燃料和所述副燃料直接引入所述燃烧室的喷孔。

6.根据权利要求1所述的装置，还包括一个流体连接到主燃料供给管的蓄压器，一个截流阀位于所述蓄压器和所述主燃料供给管之间。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述蓄压器在位于用于给所述主燃料加压的设备和压力调节阀之间的位置与所述主燃料供给管流体连通。 

8.根据权利要求7所述的装置，还包括与所述主燃料供给管流体连通的第二蓄压器容器。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述主燃料供给系统包括用于将所述主燃料加压的设备以及用于将所述主燃料从所述设备传送到所述主燃料喷射阀的主燃料供给管。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述设备是压缩机。

11.根据权利要求10所述的装置，还包括一隔热存储罐，该隔热存储罐适于将所述主燃料在低温温度下以液化气体形式存储，且其中所述用于将所述主燃料加压的设备是能够泵抽所述液化气体的泵。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述主燃料供给系统适于供应选自由天然气、甲烷、丙烷、丁烷、氢气及它们的混合物构成的组的气体燃料。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述副燃料供给系统适于供应选自由柴油燃料、二甲醚、生物柴油和煤油构成的组的液体燃料。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述副燃料喷射阀和所述主燃料喷射阀被并入单个组件中。

15.一种确定何时给内燃机加主燃料和副燃料或仅加副燃料为燃料的方法，所述方法包括：

测量所述主燃料的有效喷射压力；

当所述有效喷射压力在预定阈值压力之上时，通过按基于发动机转速和发动机载荷确定的每种燃料的命令量和喷射时机给所述发动机加所述主燃料和所述副燃料为燃料，以双燃料模式运行，在该双燃料模式下所述发动机可以最高达全功率的功率水平运行；以及

通过按基于发动机转速和发动机载荷的命令量和喷射时机给所述发动机仅加所述副燃料为燃料，以副燃料模式运行，在该副燃料模式下所述发动机可以小于全功率的降低的功率水平运行最长达一预定量的时间。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

当所述有效喷射压力等于所述预定阈值压力时，在所述双燃料模式和所述副燃料模式之间切换，以及然后启用一个死区，该死区限定一个包括所述阈值压力的预定压力范围；

阻止在运行模式之间的进一步切换，直到所述死区被禁用； 

当所述有效喷射压力高于所述预定压力范围时，禁用所述死区并以所述双燃料模式运行；以及

当所述有效喷射压力低于所述预定压力范围时，禁用所述死区并以所述副燃料模式运行。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述预定压力范围具有比所述阈值压力高和低的边界。

18.根据权利要求15所述的方法，其中当所述发动机以所述副燃料模式运行时，所述方法还包括向发动机操作员提供一个如果所述预定量的时间到期该发动机将关闭的警告，以及当所述预定量的时间到期时关闭所述发动机。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述预定量的时间是10分钟。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述预定量的时间少于15分钟。

21.根据权利要求15所述的方法，还包括在关闭所述发动机之前，将用于所述主燃料的蓄压器容器加压。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括在关闭所述发动机之前，关闭在所述蓄压器容器和主燃料供给管之间的截流阀。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括当所述发动机启动时，打开所述截流阀一预定时间，直到所述有效喷射压力等于所述蓄压器内的压力，以及然后关闭所述截流阀直到所述有效喷射压力被提升到一个高设定点。

24.根据权利要求15所述的方法，还包括将一个大的蓄压器容器和一个小的蓄压器容器加压，其中该两个蓄压器容器均与向所述主燃料喷射阀传送主燃料的主燃料供给管流体连通。

25.根据权利要求1所述的装置，其中所述副燃料喷射阀具有将副燃料质量流速限制到使得所述发动机不能仅用副燃料以全功率运行的程度的几何结构。

26.根据权利要求1所述的装置，其中所述电子控制器被编程为：(i)当所述有效喷射压力等于所述预定阈值压力时，启用一个死区，该死区限定一个包括所述阈值压力的预定压力范围；(ii)阻止在所述电 子控制器指示启动所述副燃料喷射阀和所述主燃料喷射阀时的双燃料模式和所述电子控制器指示仅启动所述副燃料喷射阀时的副燃料模式之间的进一步切换，直到所述死区被禁用；(iii)当所述有效喷射压力高于所述预定压力范围时，禁用所述死区；以及(iv)当所述有效喷射压力低于所述预定压力范围时，禁用所述死区，并以所述副燃料模式运行。 

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