CN102341580A - 燃料喷射系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制对发动机的第一燃料和第二燃料的供应的方法，发动机在第一模式下的运行只以第一燃料为燃料，在第二模式下的运行以所述第一燃料和第二燃料的混合物为燃料，所述方法包括如下步骤：1)计算所述发动机如果在所述第一模式下运行所需的第一燃料的质量Md；2)由所述质量Md计算质量Md的量将提供的燃料能量Fe；3)确定在第二模式下运行所期望的最小减少后的柴油燃料的量Fdmin；4)计算第二燃料的量Msub，所述第二燃料的量Msub与减少后的柴油燃料的量Fdmin一起将提供等于Fe的燃料能量。

Description

燃料喷射系统
技术领域
本发明涉及一种用于多燃料发动机的燃料喷射系统。
背景技术
使用多于一种的燃料来为发动机提供动力是已知的；例如，已知在第一模式运行时，只用柴油燃料来运行柴油发动机，或者在第二模式下运行时，使用柴油和诸如天然气或例如丙烷的LPG(液化石油气)之类的另一种燃料的混合物来运行发动机。
在我们的申请号为PCT/GB2008/003188的PCT专利申请中描述了这种多燃料发动机的例子。
当使用燃料混合物运行多燃料发动机时，需要向发动机的相关汽缸中供应正确燃料的量，从而保证发动机平滑有效地运行。
发明内容
本发明的一个总的目的是提供一种旨在满足上述需求的用于多燃料发动机的燃料喷射系统。
根据本发明的一方面，提供了一种用于控制对发动机的第一燃料和第二燃料的供应的方法，发动机在第一模式下的运行只以第一燃料为燃料，在第二模式下的运行以所述第一燃料和第二燃料的混合物为燃料，所述方法包括如下步骤：
1)计算所述发动机如果在所述第一模式下运行所需的第一燃料的质量Md；
2)由所述质量Md计算质量Md的量将提供的燃料能量Fe；
3)确定在第二模式下运行所期望的最小减少后的柴油燃料的量Fdmin；
4)计算第二燃料的量Msub，所述第二燃料的量Msub与减少后的柴油燃料的量Fdmin一起将提供等于Fe的燃料能量。
通过本发明，可以在发动机以第二模式运行期间用适当量Msub的第二燃料来替代，从而对减少后的量Md的第一燃料进行补偿，而无需进行任何发动机系统的映射(mapping)。
在本发明的实施例中，确定Fdmin的步骤包括查找存储在存储器中的将不同Fdmin与不同Fe值关联起来的数据的步骤，其关联关系是基于维持发动机安全运行所需的第一燃料的最小量通过在预先确定的条件下使用不同量的第一和第二燃料混合物进行实验而预先确定的。
因为能够使用已经存储在存储器中的数据计算Fdmin，因此不需要进行任何发动机系统的映射。这种映射过程非常耗时间。
所述方法还包括在步骤3)中确定第二模式下的运行是否可行的步骤。
就此而言，使得第二模式下的运行可行所需的Fe最小燃料能量值是通过实验预先确定的，并且被存储在存储器中。
然后将计算出的燃料能量值Fe与所述最小值比较，如果计算出的燃料能量值Fe大于或等于该最小值，则允许发动机以第二模式运行。
在本发明的实施例中，该方法还包括在步骤3)中执行减少后的第一燃料的量Fdmin的预设最小替换限制或者上限的步骤。
这一限制是需要的，因为，例如用第二燃料只替换极少量的第一燃料得到的益处将极其微小。
在本发明的实施例中，计算第二燃料的量Msub的步骤还包括如下步骤：
基于使用第一燃料的质量Md，计算发动机在所述第一模式下运行所需的空气-燃料比AFRd；
确定发动机在第二模式下运行时提供与当发动机以AFRd使用第一燃料质量Md时相同的性能所需的空气-燃料比AFRdual；
结合所述燃料能量Fdmin，计算提供所述AFRdual所需的第二燃料的量Msud。
在本发明的实施例中，所述方法还包括如下步骤：进行比较核对，以查明能量Fe是否与计算出的所需的第一和第二燃料的量提供的能量基本上相同。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于发动机的燃料喷射系统，该系统具有第一电子控制单元，所述第一电子控制单元被设置成控制多个主喷射器，所述多个主喷射器用于将第一燃料传送到所述发动机的多个汽缸，从而使得在第一模式下运行时所述发动机在所述第一电子控制单元的控制下只以第一燃料为燃料，所述燃料喷射系统被设置成运行来向第二模式下运行的发动机提供燃料，其中在第二模式下使用第一燃料和第二燃料的混合物来向发动机提供燃料，所述燃料喷射系统包括用于将第二燃料传送进入所述发动机中的多个辅助喷射器、用于控制所述多个辅助喷射器的运行的第二电子控制单元，所述第二电子控制单元可操作地连接到所述第一电子控制单元以从第一电子控制单元接收输出的多个喷射器控制信号，并且可连接到所述多个主喷射器，用于在第二模式下的运行中操作所述多个主喷射器以供应减少后的第一燃料的量Fdmin，并且控制所述多个辅助喷射器，以供应量为Msub的第二燃料，从而为发动机的每一作功冲程提供预定组合的空气-燃料比AFRdual。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于发动机的燃料喷射系统，所述系统包括第一电子控制单元和第二电子控制单元，其中所述第一电子控制单元被设置成控制多个主喷射器，所述多个主喷射器用于将第一燃料传送到所述发动机的多个汽缸，从而使得在第一模式下运行时所述发动机在所述第一电子控制单元的控制下只以第一燃料为燃料，所述第二电子控制单元能够向第二模式下运行的发动机提供燃料，其中在第二模式下使用第一燃料和第二燃料的混合物来向发动机提供燃料，该系统还包括用于将第二燃料传送进入发动机中的多个辅助喷射器，该第二电子控制单元可操作地连接到第一电子控制单元以从所述第一电子控制单元接收输出的多个喷射器控制信号，并且被设置成响应于所述输出的多个喷射器控制信号来控制所述多个主和辅助喷射器的运行，从而供应减少后的第一燃料的量Md，并且控制所述多个辅助喷射器，以供应量为Msub的第二燃料，从而为发动机的每一作功冲程提供的预定组合的空气-燃料比AFRdual。
根据本发明第二方面或第三方面的燃料喷射系统可以配置为使得当发动机以第一模式运行时控制信号穿过第二ECU，当发动机以第二模式运行时也是如此。
附图说明
此后参照附图描述本发明的各个方面，其中：
图1到图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的4冲程柴油发动机运行时的各种运行阶段；
图5是示出了根据本发明实施例的系统的框图；
图6是示出了第一和第二ECU可以如何彼此连接的框图；以及
图7是示出了根据本发明实施例的系统的运行阶段的流程图。
具体实施方式
首先参照图1，示出了柴油发动机的汽缸12。示出的位于汽缸12中的活塞14与曲轴16连接，曲轴16以箭头R的方向旋转。
设置有用于经由进给阀22将空气供应到汽缸12中的进气管24，并且设置有用于经由排出阀28将燃烧气体输送到活塞12外部的排气管26。
在图1中，阀门22，28都是闭合的，活塞12刚经过上止点(top deadcentre)并且柴油燃料喷射器18刚注入了柴油燃料Fd；因此，燃烧开始，从而在箭头Dc的方向上向活塞施加动力。这是发动机的作功冲程(powerstroke)。
如图2所示，在经过下止点(bottom dead centre)后，活塞14沿着箭头Ue的方向上升；排出阀28开启，阀门22保持闭合，因而燃烧气体通过排气管26被排出(汽缸12外的排出气体流由图2中的箭头Ef表示)。这是发动机的排气冲程(exhaust stroke)。
在图3中，活塞14刚经过上止点并沿着箭头Di的方向下降。进给阀22开启并且排出阀28闭合。相应地，随着活塞下降，空气被吸入到汽缸12中(进入汽缸12的空气流由图3中的箭头Am表示)。这是发动机的进气冲程(induction stroke)。
在进气冲程期间，根据本发明，通过第二燃料喷射器31将预定量的第二燃料30引入被吸入到汽缸12中的空气流中。
在图4中，活塞14刚经过下止点并沿着箭头Uc的方向上升。进给阀22和排出阀28均闭合，因而，随着活塞沿着箭头Uc的方向持续上升，汽缸12中包含的空气和第二燃料的混合物被压缩。这是发动起的压缩冲程。
当活塞刚经过上止点时，柴油燃料喷射器18注入预定量Fd的柴油燃料，该柴油燃料燃烧并点燃空气和第二燃料的混合物。这在图1中示出，并完成发动机的循环。
对于只使用柴油燃料运行的柴油发动机，在发动机的压缩冲程完成后，喷射器18将通过喷射器18注入正确量的柴油燃料。柴油燃料的量是由原设备制造商(OEM)提供的第一电子控制单元(ECU)60来确定的，第一电子控制单元60被按照已知方式编程来监测发动机的性能，并且如果发动机是安装在车辆中，也监测该车辆的其他性能特征。
OEM ECU响应于发动机和车辆的监测情况而控制燃料的供应，从而保证发动机在预定负载/运行条件下以预定方式运行。通常控制是通过如下的方式来表现的：OEM ECU60将喷射器控制信号输出到柴油燃料喷射器18来将喷射器18开启预定长度的时间，并且改变喷射器18分配燃料的持续时间和/或喷射器18的开启时机(timing)来开始燃料的注入。
根据本发明的一个方面，图5示出了第二电子控制单元50，包括多燃料ECU，该多燃料ECU响应于OEM ECU60发出的控制信号来控制对柴油燃料喷射器18的柴油燃料的供应，并且还控制对第二燃料喷射器31的第二燃料的供应，从而达到在压缩冲程期间汽缸中期望的空气-燃料比(AFR)，并且控制用于开始作功冲程的期望量的柴油的传送。
在本发明的一些实施例中，以控制信号穿过第二ECU50而不管发动机在哪种模式下运行这样的配置，将第一ECU60和第二ECU50连接在一起的。因此不需要将第二ECU50切换为运行和停止运行。图6示意性地示出了这样一种配置。
如同以下将详细介绍的那样，多燃料ECU50连接到用于提供指示多个可变性能特征的信号的各种传感器和输入端(图5中方框51到55示出)，这些可变性能特征影响用以提供期望的发动机运行而需在给定时间注入的柴油以及第二燃料的正确量的确定。
在图5中，方框51表示与柴油燃料的运行条件(包括RPM(发动机速度))和柴油喷射器脉冲宽度(由OEM ECU60提供)相关的输入端。
方框52表示确定空气吸入歧管(manifold)24中空气运行条件所需的传感器(这些传感器包括用于监测吸入歧管24中空气温度和压力的温度和压力传感器，并且还包括发动机速度传感器)。在本发明的其他实施例中(未示出)，发动机速度传感器可以与空气温度和压力传感器分开。
方框53表示确定第二燃料30的运行条件所需的传感器。在本例中，第二燃料是以气体形式供应到喷射器31的天然气。相应地，方框53表示的传感器包括用于确定供应到喷射器31的燃料气体温度和压力的传感器。
方框54表示提供表示发动机性能的信号所需的传感器，发动机性能例如是发动机速度(每分钟转数的形式，RPM)和曲轴16的角度。
方框55表示设置在排气管26中的传感器，这些传感器用于提供表示期望性能特征(例如燃烧效率)的反馈信号。例如，这类传感器可以是用于感测沿着管26流动的排出气体中未使用的氧的量的拉姆达传感器(lambda sensor)29(图1到图4)。
此外，ECU50包括用于进行柴油和第二燃料所需量的确定的微处理器56；为了使得未处理器进行这种确定，它还包括存储了预定参考性能数据的存储器57。例如，这类数据包括喷射器16和31的计量特征、柴油和第二燃料的热量值，以及用于不同量组成物的混合燃料的预定空气-燃料比的表格。
图7示出了根据本发明优选实施例的用于多燃料ECU50的逻辑流程图；该流程图中涉及的计算是由微处理器56执行的。
在图6的图表中，控制顺序的开始是从步骤1开始，第二ECU50从OEM(第一)ECU60接收控制信号，从而开始作功冲程。该控制信号向微处理器56指示通过OEM ECU60只将柴油燃料传送到汽缸12从而进行正确的发动机运行所需的喷射器18的激活持续时间。
在接下来的步骤2，微处理器56计算在ECU60的控制下待被注入的用于燃烧冲程的柴油燃料的质量Md，并且由计算出的质量Md计算质量Md的量的柴油燃料将提供的燃料能量Fe(即，热含量)。
确定质量Md时，微处理器经由方框51接收输入信号，这些输入信号与柴油喷射器信号脉冲宽度和RPM相关。进行计算所需的其他标准存储在存储器57中，例如，柴油喷射器16的预定的校正后的质量流速(massflow rate)。
在接下来的步骤3，微处理器56使用计算出的燃料能量值Fe来确定以多燃料模式运行所需的最小的减少后的柴油燃料的量Fdmin。
这种确定是通过微处理器56查找存储在存储器57中的数据来实现的，该数据将不同的Fdmin与不同的Fe值关联起来(这种关联关系是基于维持发动机安全运行所需的柴油燃料的最小量在预先确定的条件下使用不同量的柴油/第二燃料混合物进行试验而确定的)。
可选地，在步骤3中微处理器56也可以确定是否能够发生双燃料模式下的运行。就此而言，用于可能的双燃料运行所需的Fe最小燃料能量值是通过试验来预先确定的，并且存储在存储器57中。微处理器56将计算出的燃料能量值Fe和该最小值进行比较，并且如果计算出的燃料能量值Fe大于或等于该最小值则允许启动双燃料模式。
该微处理器56还可以在步骤3中执行预设最小替换限制，即，减少后的柴油燃料的量Fdmin的上限。这种限制是期望的，因为，例如，用第二燃料只替换1％的柴油燃料得到的益处将极其微小。此外，第二燃料喷射器31可能不能适应非常短暂的第二燃料注入。
在接下来的步骤4，微处理器56基于使用柴油质量Md(步骤2)根据来自ECU60的操作指令来计算发动机运行所需的空气-燃料比AFRd(即，满足通过ECU60在激活时间内的发动机运行要求)。
为了进行这种计算，微处理器56接收来自方框52表示的传感器的输入信号，即，微处理器56接收指示发动机速度和吸入歧管24中空气压力和空气温度的输入信号。
在接下来的步骤5中，微处理器56确定当使用柴油/第二燃料混合物时为了提供与当只以AFRd使用柴油(质量Md)时相同的性能(即，功率输出)所需的空气-燃料比AFRdual。
在步骤5中，通过已知可能的第二燃料的最大量(来自步骤3)和所需的柴油的量(来自步骤3的Fdmin)来实现这种确定。该确定可以通过计算或者通过微处理器56查询存储在存储器57中的数据来进行。
在接下来的步骤6，微处理器56计算用于提供在步骤5中确定的AFRdual(结合柴油最小量提供的燃料能量Fdmin)所需的第二燃料的量Msub。
在接下来的步骤7，微处理器56执行比较核对，以查明柴油质量Md(步骤2)提供的能量是否与计算出的柴油/第二燃料混合物的量(如步骤3和6所确定的)提供的能量相同。该步骤是可选的，但提供了一种方式来确定先前计算的正确性，并且如果发生错误，允许该系统迅速地返回到100％柴油的状态从而保证发动机的安全运行。
在接下来的步骤8，微处理器56计算第二燃料喷射器31的运行持续时间To(即，喷射器31开启从而传送所确定的量为Msub的第二燃料以提供所需的AFRdual所需的时间长度)。
由于在该例子中第二燃料是通过喷射器31以气体形式注入的天然气，因而微处理器基于气态(gaseous)条件计算这种持续时间。
相应地，在步骤8中，微处理器56从由方框53表示的传感器接收信号；这些传感器包括用于发送指示供应到喷射器31的第二燃料气体的气体压力和温度的信号的传感器，以及用于提供指示吸入歧管24中绝对压力的信号的传感器。此外，存储在存储器中的是进行(喷射持续时间的)计算所需的已知特征数据，例如，喷射器31的质量流速和气体喷射系统效率。
在上下文中，气体喷射系统效率是与相对于喷射的气体量实际吸入到汽缸中的气体量相关的性能参数。考虑这一因素，允许喷射系统设计改变，并适应不同的系统性能。
在接下来的步骤9，微处理器56确定可用于注入计算出的量Msub的第二燃料的持续时间Ti、以及与发动机运行有关的持续时间Ti的时机。
在确定时间Ti和它的时机时，微处理器56从由方框54表示的用于监测发动机性能的传感器接收信号；例如，这些传感器(例如用于监测发动机的RPM和曲轴角度的传感器)提供指示进给阀22的开启/关闭的时间的信号。
在接下来的步骤10，微处理器56在与发动机周期有关的期望时间点向ECU50提供输出信号Os，从而使得ECU50运行以驱动喷射器31在发动机周期进气冲程中的正确时间注入第二燃料，该注入持续预定时间Ti。
在接下来的步骤S11，微处理器56向ECU50提供输出信号Od，以使ECU50运行喷射器18，以传送计算出的最小减少后的柴油的量Fdmin，从而在进气冲程之后立即开始作功冲程，其中在进气冲程期间第二燃料/空气混合物已经被引入。
在接下来的步骤12，微处理器56从由方框55表示的传感器接收信号。这些传感器向微处理器56提供反馈，从而使得考虑发动机的实际燃烧性能来修正计算结果。优选地，这种传感器是拉姆达传感器29，该传感器用于监测废气中未使用的氧的量，并将信号返回给微处理器56使其修正计算出的AFRdual值，进而改善燃烧效率。
来自拉姆达传感器29的反馈可以用于使用相应的校正因子来调节柴油或者天然气的量，或者调节两种燃料的量。校正因子可能不用于每一单个喷射周期，但是可以在几个周期内被平均。
在上述的例子中，第二燃料是通过喷射器31以气体形式注入的天然气。应当理解，第二燃料可以是以液体形式注入的燃料(例如，汽油)，并且微处理器56将被相应地编程，从而修正步骤8中的计算。

Claims (12)

1.一种用于控制对发动机的第一燃料和第二燃料的供应的方法，所述发动机在第一模式下的运行只以第一燃料为燃料，在第二模式下的运行以所述第一燃料和第二燃料的混合物为燃料，所述方法包括如下步骤：
1)计算所述发动机如果在所述第一模式下运行所需的第一燃料的质量Md；
2)由所述质量Md计算质量Md的量将提供的燃料能量Fe；
3)确定在所述第二模式下运行所期望的最小减少的柴油燃料的量Fdmin；
4)计算第二燃料的量Msub，所述第二燃料的量Msub与所述减少后的柴油燃料的量Fdmin一起将提供等于Fe的燃料能量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定Fdmin的步骤包括查找存储在存储器中的将不同Fdmin与不同Fe值关联起来的数据的步骤，其关联关系是基于维持所述发动机安全运行所需的第一燃料的最小量在预先确定的条件下使用不同量的第一和第二燃料混合物进行实验而预先确定的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括在步骤3)中确定所述第二模式下的运行是否可行的步骤。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的方法，还包括在步骤3)中执行所述减少后的第一燃料的量Fdmin的预设最小替换限制或者上限的步骤。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中，计算所述第二燃料的量Msub的步骤还包括如下步骤：
基于使用所述第一燃料的质量Md，计算所述发动机在所述第一模式下运行所需的空气-燃料比AFRd；
确定所述发动机在所述第二模式下运行时提供与当所述发动机以AFRd使用所述第一燃料质量Md时相同的性能所需的空气-燃料比AFRdual；
结合所述燃料能量、Fdmin，计算提供所述AFRdual所需的所述第二燃料的量Msud。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，还包括如下步骤：进行比较核对，以查明所述能量Fe是否与所计算出的所需的第一和第二燃料的量提供的能量基本上相同。
7.一种用于发动机的燃料喷射系统，所述系统具有第一电子控制单元，所述第一电子控制单元被设置成控制多个主喷射器，所述多个主喷射器用于将第一燃料传送到所述发动机的多个汽缸，从而使得在第一模式下运行时所述发动机在所述第一电子控制单元的控制下只以所述第一燃料为燃料，所述燃料喷射系统被设置成运行来向第二模式下运行的所述发动机提供燃料，其中在所述第二模式下使用所述第一燃料和第二燃料的混合物来向所述发动机提供燃料，所述燃料喷射系统包括用于将所述第二燃料传送进入所述发动机中的多个辅助喷射器、用于控制所述多个辅助喷射器的运行的第二电子控制单元，所述第二电子控制单元可操作地连接到所述第一电子控制单元以从所述第一电子控制单元接收输出的多个喷射器控制信号，并且可连接到所述多个主喷射器，用于在所述第二模式下的运行中操作所述多个主喷射器以供应减少后的第一燃料的量Fdmin，并且控制所述多个辅助喷射器，以供应量为Msub的所述第二燃料，从而为所述发动机的每一作功冲程提供预定组合的空气-燃料比AFRdual。
8.根据权利要求7所述的燃料喷射系统，其中所述第二电子控制单元包括微处理器，所述微处理器被编程，从而基于从所述第一电子控制单元接收到的输出信号的持续时间来确定所述第一燃料的所述量Md和所述第二燃料的所述量Msub。
9.根据权利要求8所述的燃料喷射系统，还包括用于感测所述发动机的多个预定性能特征的多个传感器，所述多个传感器连接到所述微处理器，以向所述微处理器提供指示所述多个性能特征的多个传感器信号，并且所述微处理器响应于所述多个传感器信号来确定所述Md和Msub的值。
10.根据权利要求9所述的燃料喷射系统，其中，所述微处理器包括：存储器，其中存储有与所述多个预定性能特征相关的数据，以供所述微处理器在确定所述Md和Msub的值时访问。
11.根据权利要求7所述的燃料喷射系统，基本上是如同本文参照附图所描述的。
12.一种用于发动机的燃料喷射系统，所述系统包括第一电子控制单元和第二电子控制单元，其中所述第一电子控制单元被设置成控制多个主喷射器，所述多个主喷射器用于将第一燃料传送到所述发动机的多个汽缸，从而使得在第一模式下运行时所述发动机在所述第一电子控制单元的控制下只以所述第一燃料为燃料，所述第二电子控制单元能够向第二模式下运行的所述发动机提供燃料，其中在所述第二模式下使用所述第一燃料和第二燃料的混合物来向所述发动机提供燃料，所述系统还包括用于将所述第二燃料传送进入所述发动机中的多个辅助喷射器，所述第二电子控制单元可操作地连接到所述第一电子控制单元以从所述第一电子控制单元接收输出的多个喷射器控制信号，并且被设置成响应于所述输出的所述多个喷射器控制信号来控制所述多个主和辅助喷射器的运行，从而供应减少后的所述第一燃料的量Md，并且控制所述多个辅助喷射器，以供应量为Msub的所述第二燃料，从而为所述发动机的每一作功冲程提供的预定组合的空气-燃料比AFRdual。
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