CN103452682A - 用于操作发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作发动机的方法包括：将第一燃料、第二燃料和氧化剂引入第一发动机气缸和第二发动机气缸中；监测多个发动机参数；以及，基于多个监测的发动机参数中的至少一个，将被引入到第一发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量调整为不同于被引入到第二气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量。

Description

用于操作发动机的方法
技术领域
本发明大体上涉及用于操作发动机的方法。更特定而言，本发明涉及用于将多种燃料引入内燃发动机中以操作这种发动机的方法。
背景技术
由于高的功率重量比以及高的燃料能量密度，内燃发动机已被广泛应用于许多领域，例如交通工具。近年来，随着对于减少有害发动机排放对环境的污染的日益关注，诸如压燃式发动机的内燃发动机(也称为“柴油”发动机)可改为燃烧多种燃料，例如天然气和柴油燃料两者，这被称为“双燃料操作”。
在双燃料操作期间，天然气与进入空气预混合，且然后混合物在发动机气缸的进气冲程期间被引入发动机气缸内。随后，发动机气缸的压缩冲程开始并继续增加混合物的压力和温度。在压缩冲程结束时，将少量柴油燃料喷射到发动机气缸中以通过柴油燃料的自动点火而点燃进入空气和天然气的混合物，以便触发发动机气缸中的燃烧。
结果，天然气对柴油燃料的替代减少了诸如氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)的污染物的排放。然而，当这种发动机的操作从稳定状态切换至增加负载状态(例如瞬态加速状态)时，天然气的量显著增加以提供期望的功率，这导致空燃比(AFR)的减小，并可相应地导致预混合天然气的自动点火。预混合天然气的自动点火可在发动机气缸中导致爆燃或爆震，从而损坏发动机。
一直试图避免发动机气缸中的爆燃或爆震。例如，为了允许双燃料操作，可降低发动机气缸的压缩比。这可导致发动机循环效率的降低和冷启动期间增加的挑战。备选地，在双燃料操作期间，可减少天然气对柴油燃料的替代，由于柴油燃料的增加量，这增加了有害的发动机排放和燃料成本。
因此，需要新的改进的方法以用于在内燃发动机的增加负载状态下操作内燃发动机，同时具有高的气态燃料(例如天然气)与液体燃料(例如柴油)的比率。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于操作发动机的方法。该方法包括：将第一燃料、第二燃料和氧化剂引入第一发动机气缸和第二发动机气缸中；监测多个发动机参数；以及，基于多个监测的发动机参数中的至少一个，将被引入到第一发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量调整为不同于被引入到第二气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于操作发动机的方法。该方法包括：将第一燃料、第二燃料和氧化剂引入第一发动机气缸中以操作发动机；监测多个发动机参数；基于多个监测的发动机参数中的一个，增加被引入第一发动机气缸中的第二燃料的量；以及，响应于发动机的增加负载操作，基于多个监测的发动机参数中的一个，减少被引入第一气缸中的第一燃料的量。
根据本发明的又一实施例，提供了一种用于操作发动机的方法。该方法包括：将第一燃料、第二燃料和氧化剂引入第一和第二发动机气缸中；监测多个发动机参数；响应于发动机的增加负载操作，增加第一发动机气缸中第二燃料的量并减少第一燃料的量；以及，将被引入到第二发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量调整为不同于被引入到第一发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量。
在一方面，一种用于操作发动机的方法包括：将第一燃料、第二燃料和氧化剂引入第一发动机气缸和第二发动机气缸中；监测多个发动机参数；以及基于多个监测的发动机参数中的至少一个，将被引入到第一发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量调整为不同于被引入到第二发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量。
优选地，调整包括减少被引入到第一发动机气缸中的第一燃料的量并增加第二燃料的量。
优选地，第一燃料的量被减少到处于第一发动机气缸中的总能量含量的大约70％至大约50％的范围内，其中，第二燃料的量被增加到处于第一发动机气缸中的总能量含量的大约30％至大约50％的范围内。
优选地，增加第二燃料的量并减少第一燃料的量响应于发动机的增加负载操作。
优选地，第一发动机气缸中的第一燃料的量小于第二发动机气缸中的第一燃料的量，并且其中，第一发动机气缸中的第二燃料的量大于第二发动机气缸中的第二燃料的量。
优选地，发动机的增加负载操作包括瞬态加速操作。
优选地，第一燃料包括气态燃料，且其中第二燃料包括液体燃料。
优选地，第一燃料包括天然气，其中第二燃料包括柴油，且其中氧化剂包括空气。
优选地，多个发动机参数包括发动机负载和发动机转速中的一个。
优选地，引入包括在第一发动机气缸的进气冲程期间将第一燃料和氧化剂的预混合物引入第一发动机气缸中，以及在第一发动机气缸的压缩冲程期间将第二燃料引入第一发动机气缸中。
优选地，发动机包括内燃发动机。
优选地，第一发动机气缸具有第一硬件配置，其中第二发动机气缸具有第二硬件配置，且其中第一硬件配置和第二硬件配置是不同的。
优选地，第一和第二硬件配置的差别包括下列之一：阀动作、压缩比、活塞、活塞环、阀升程轮廓、压力传感器、温度传感器、爆震传感器、喷射器和喷射器喷嘴。
在另一方面，一种用于操作发动机的方法包括：将第一燃料、第二燃料和氧化剂引入第一发动机气缸中；监测多个发动机参数；基于多个监测的发动机参数中的一个，增加被引入第一发动机气缸中的第二燃料的量；以及响应于发动机的增加负载操作，基于多个监测的发动机参数中的一个，减少被引入第一发动机气缸中的第一燃料的量。
优选地，发动机的增加负载操作包括瞬态加速操作。
优选地，第一燃料的量被减少到处于第一发动机气缸中的总能量含量的大约70％至大约50％的范围内，并且其中，第二燃料的量被增加到处于第一发动机气缸中的总能量含量的大约30％至大约50％的范围内。
优选地，该方法还包括将第一燃料、第二燃料和氧化剂引入第二发动机气缸中。
优选地，该方法还包括将被引入到第二发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量调整为不同于被引入到第一发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量。
优选地，响应于发动机的增加负载操作，第二发动机气缸中的第一燃料的量大于第一发动机气缸中的第一燃料的量，并且其中，第二发动机气缸中的第二燃料的量小于第一发动机气缸中的第二燃料的量。
优选地，引入包括在第一发动机气缸的进气冲程期间将第一燃料和氧化剂的预混合物引入第一发动机气缸中，以及在第一发动机气缸的压缩冲程期间将第二燃料引入第一发动机气缸中。
优选地，第一燃料包括气态燃料，且其中第二燃料包括液体燃料。
优选地，第一燃料包括天然气，其中第二燃料包括柴油，且其中氧化剂包括空气。
优选地，发动机包括内燃发动机。
在又一方面，一种用于操作发动机的方法包括：将第一燃料、第二燃料和氧化剂引入第一和第二发动机气缸中；监测多个发动机参数；响应于发动机的增加负载操作，增加第一发动机气缸中的第二燃料的量并减少第一燃料的量；以及将被引入到第二发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量调整为不同于被引入到第一发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量。
优选地，发动机的增加负载操作包括瞬态加速操作。
优选地，第二燃料的量被增加到处于第一发动机气缸中的总能量含量的大约30％至大约50％的范围内，并且其中，第一燃料的量被减少到处于第一发动机气缸中的总能量含量的大约70％至大约50％的范围内。
优选地，响应于发动机的增加负载操作，第二发动机气缸中的第一燃料的量大于第一发动机气缸中的第一燃料的量，并且其中，第二发动机气缸中的第二燃料的量小于第一发动机气缸中的第二燃料的量。
优选地，引入包括在第一发动机气缸的进气冲程期间将第一燃料和氧化剂的预混合物引入第一发动机气缸中，以及在第一发动机气缸的压缩冲程期间将第二燃料引入第一发动机气缸中，并且其中，预混合物是贫乏的。
优选地，第一燃料包括气态燃料，且其中第二燃料包括液体燃料。
优选地，第一燃料包括天然气，其中第二燃料包括柴油，且其中氧化剂包括空气。
优选地，发动机包括内燃发动机。
附图说明
根据下面结合附图所做的详细描述，本公开的上述和其它的方面、特征以及优点将变得更加显而易见，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的发动机的发动机气缸的示意图；以及
图2是示出根据本发明的一个实施例的发动机的操作的示意性流程图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本公开的优选实施例。在以下描述中，没有详细描述公知的功能或构造，以避免在不必要的细节上使本公开模糊。
在本发明的实施例中，提供了一种用于操作发动机的方法。该发动机可包括内燃发动机或其它类型的发动机。通常，该方法采用多种燃料来操作发动机。在一个非限制性示例中，提供该方法以操作发动机从稳定状态切换至增加负载状态。如文中所用，在某些应用中，用语“稳定状态”可指示发动机负载或发动机转速基本稳定。
燃料至少包括第一燃料和第二燃料。第一和第二燃料分别包括非压缩可燃燃料和压缩可燃燃料。如文中所用，用语“非压缩可燃燃料”指任何单一材料或材料的组合，其不会在典型的操作状况下自发点火或燃烧，但会借助于往复式发动机气缸中的点火火花或火焰而点燃或燃烧。
本领域技术人员公知的是，大多数燃料在足够高的温度下将是压缩可燃的，但这里所指的非压缩可燃燃料是这样的燃料，其意图仅通过火焰传播而点火，并且避免自动点火或压缩燃烧。这样的燃料的非限制性示例包括天然气、乙醇或汽油。
用语“压缩可燃燃料”指任何单一材料或材料的组合，其意图在往复式发动机气缸中的活塞的压缩冲程期间和/或紧接着之后自发点火或燃烧，而不借助于往复式发动机气缸中的点火火花或现有火焰。压缩可燃燃料的非限制性示例包括柴油、煤油和重燃油。
在发动机的增加负载状态期间，与其稳定状态下的操作相比，可减少第一燃料的量并增加第二燃料的量，以用于引入到发动机的气缸内，使得进入发动机的总燃料增加。在一些示例中，第一燃料的量减少至处于从大约70％至大约50％的范围内，并且第二燃料的量增加至处于从大约30％至大约50％的范围内。
图1示出根据本发明的一个实施例的发动机10的气缸11的示意图。虽然示出发动机10的单个气缸11，但发动机10可包括不止一个气缸，例如四个、六个、八个或十二个气缸，其合作以基于不同应用提供合适的功率。为了说明简单起见，未在图1中示出其它元件，例如传感器和密封元件。
如图1中所示，发动机10包括具有活塞12的气缸11，活塞12可移动地位于其中。进气歧管13和排气歧管14分别与限定于气缸11内的燃烧室15流体连通。进气歧管13配置成提供输入通路(未标示)以用于将氧化剂和第一燃料引入到燃烧室15中。排气歧管14配置成提供输出通路(未标示)以用于在燃烧室15中发生的燃烧事件的所有产物。
多个阀(例如进气阀16和排气阀17)配置成在特定时间促动且达特定持续时间，以打开和关闭在燃烧室15与相应的进气歧管13和排气歧管14之间的流体通路(未标示)。此外，一个或多个喷射器(例如第一喷射器18和第二喷射器19)也与燃烧室15流体连通，以便提供至少一种燃料到燃烧室15中。对本领域技术人员而言应当清楚的是，喷射器中的任何一个可与燃烧室直接连通，或者可仅仅通过歧管(例如进气歧管)或经由预燃室与燃烧室流体连通。
连杆20设置在活塞12与传动机构(例如曲轴(图中未示出))之间并连接它们，以便将由发动机10产生的平移机械能转换成旋转能量以供进一步使用。
另外，发动机还包括控制单元21，该控制单元21配置成基于来自多个传感器(未示出)的输出而控制发动机的操作或状态。传感器配置成监测或检测多个(测量或监测的)发动机参数，包括压力、温度、流率、速度和功率，使得控制单元21确定和控制其它参数，包括但不限于相应地被引入的所有燃料的燃料喷射定时和量。
多个传感器的非限制性实施例包括燃料喷射定时传感器、燃料流量传感器、节流位置传感器、歧管空气压力传感器、歧管空气温度传感器、排气温度传感器、发动机功率传感器、爆震传感器等。因此，在非限制性示例中，所测量的发动机参数可包括下列至少一项：发动机转速、发动机负载、发动机节流位置、进气歧管温度、进气歧管压力、排气流率和温度、进入气缸的空气流、压缩比、进气和排气阀定时。
一般而言，在所谓的四冲程发动机的操作期间，每个气缸(例如发动机10的气缸11)通常经历四冲程循环，包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。参照图1，在进气冲程期间，排气阀17关闭且进气阀16打开。混合物22通过进气歧管13引入到燃烧室15中，同时活塞12朝气缸11的底部移动以增加燃烧室15内的体积，直到活塞12移动到燃烧室15处于其最大体积的位置，该位置通常被称为完成进气冲程的下止点(BDC)。对本领域技术人员而言将显而易见的是，本发明并不限于四冲程发动机，而将适用于其它类型的发动机，例如两冲程发动机和旋转发动机。
对于图示的布置，混合物22包括第一燃料，例如天然气和至少一种氧化剂。在非限制性示例中，该至少一种氧化剂包括空气、纯氧，或者可与再循环排气混合的任一种氧化剂。在将混合物22引入燃烧室15中之前，该至少一种氧化剂和第一燃料预混合。在一个非限制性示例中，预混合可发生在进气歧管13中。由于控制单元21的采用，可基于所检测的发动机参数而控制第一燃料和该至少一种氧化剂的量和/或预混合。
如文中所用，用语“预混合”指在一个事件之前增加两种或更多种物质的均质性的水平、程度和/或因子。仅仅作为示例，可使空气和第一燃料预混合以在燃烧事件之前产生预混合的混合物22，使得空气和第一燃料的均质性的水平或程度增加。
如文中所用，用语“燃烧事件”指在(多种)燃料/空气混合物部分或全部点燃和/或燃烧时在发动机的燃烧室中发生的活动，从而产生热量、二氧化碳、蒸汽和其它化学物质，而不论该事件是否经由火花点火、压缩点火或其它合适手段。
随后，在压缩冲程期间，进气阀16和排气阀17关闭。活塞12朝气缸头(未标示)移动以便压缩燃烧室15内的混合物22。当燃烧室15处于其最小体积时活塞12在该冲程结束时所处的位置通常被称为上止点(TDC)。
在压缩冲程结束时，在一个非限制性示例中，由控制单元21控制特定量或数量的第二燃料23经由喷射器18、19中的一个或多个直接喷射到燃烧室15中。备选地，第二燃料23可在活塞12移动至压缩冲程的上止点之前被喷射到燃烧室15中。
在该压缩冲程中，因为混合物22比化学计量更贫乏(lean)，所以第一燃料(例如混合物22中的天然气)可能不易于自动点火。由于压缩可燃性质，第二燃料23在喷射到燃烧室15中后可易于点燃，从而点燃空气和天然气的混合物22，以便相应地触发燃烧。
如文中所用，用语“贫乏”指(多种)燃料/(多种)氧化剂混合物与特定混合物的化学计量点所需的(多种)氧化剂的量相比具有更多的(多种)氧化剂。用语“化学计量”指(多种)燃料/(多种)氧化剂混合物具有将所有(多种)燃料转化成主要燃烧产物(例如对于烃类燃料而言CO2和H2O)所需的恰好足够的(多种)氧化剂。
接着，在膨胀冲程期间，由于燃烧，在燃烧期间产生的膨胀气体将活塞12推回到BDC。连杆20将活塞12的移动转换成旋转能量以供进一步使用。最后，在排气冲程期间，排气阀17打开以通过排气歧管14释放燃烧的空气-燃料混合物，且活塞12返回到TDC。
应当指出，上述操作仅作为示例示出。在一些示例中，代替在压缩冲程期间喷射第二燃料23，可在任何燃烧之前在进气冲程期间将混合物22和第二燃料23引入燃烧室15中以随时间推移在其中混合在一起，使得混合物22和第二燃料23的均质性的程度增加。在混合后，在压缩冲程期间使第二燃料23经由活塞12的压缩而燃烧。
在发动机10的操作期间，控制单元21基于所监测的发动机参数控制发动机操作。基于对发动机10的参数的监测，当发动机被检测到例如在稳定状态下操作时，第一燃料(例如天然气)与第二燃料(例如柴油)的比率高且稳定，并且减少了污染物的排放。
然而，如上所述，在一些当前应用中，当发动机操作而响应于瞬态状况时，例如包括瞬态加速状态的增加负载状态(或操作)，通常从稳定状态切换至瞬态加速状态，天然气的量可被控制为增加至特定量以提供期望的功率。结果，这导致总体空燃比(AFR)的减少，并可导致预混合的天然气在压缩冲程期间的自动点火。预混合的天然气成体积地燃烧并可导致发动机中的爆燃或爆震问题。
因此，在本发明的实施例中，与稳定状态下的操作相比，当发动机在增加负载状态下操作时，可减少第一燃料的量，并且可增加第二燃料的量。由于第二燃料在喷射之后点燃并因此可能不会成体积地燃烧，使得可避免或消除爆燃或爆震问题。
对于一些布置，在发动机响应于瞬态要求(例如增加负载状态)的操作期间，发动机的第一气缸可充当瞬态气缸(transient cylinder)，以通过减少第一燃料的量、增加第二燃料的量并增加总体燃料消耗率而响应于增加负载状况，以产生更多功率。发动机的第二气缸可充当基本负载气缸，其以基本恒定的第一燃料与第二燃料的比率来操作，例如，在稳定状态下，或者当空气流或其它被监测参数改变时逐渐地调整燃料消耗率。
在一些应用中，基本负载气缸可具有与瞬态气缸不同的操作状况，以便与瞬态气缸相比缓慢地响应于增加负载操作。在一些示例中，基于监测的发动机参数中的一个或多个，被引入到第一发动机气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量不同于到第二气缸的第一燃料、第二燃料和氧化剂之一的量。例如，基本负载(第二)发动机气缸中的第一燃料的量大于瞬态(第一)发动机气缸中的第一燃料的量，并且在响应于增加负载操作期间，基本负载发动机气缸中的第二燃料的量小于瞬态发动机气缸中的第二燃料的量。如文中所用，“一个”表示一个或多个。在完成增加负载操作之后，基本负载气缸和瞬态气缸可以以相似或相同的稳定状态模式操作。
在瞬态气缸中，控制单元21可控制使得用于引入其中的第一燃料可处于其中总能量含量的大约50％至大约70％的范围内。在一个示例中，用于引入的第一燃料可为其中总能量含量的大约60％。在稳定状态下，第一燃料与第二燃料的比率可不在对应的气缸中变化，例如可对于发动机的所有气缸相等。
图2是用于在发动机在增加负载状态下操作时将第一和第二燃料引入发动机气缸中的方法24的示意图。应当指出，图2的布置仅仅是说明性的。如上文所述，可采用不止一个发动机气缸，并且该不止一个发动机气缸可包括瞬态发动机气缸(第一发动机气缸)和基本负载发动机气缸(第二发动机气缸)。
如图2中所示，在步骤25，将第一燃料、第二燃料和氧化剂引入第一发动机气缸中以操作发动机。在步骤26，监测多个发动机参数。如上所述，发动机参数可包括发动机负载和发动机转速。
随后，在步骤27，基于所监测的发动机参数中的一个或多个，将第二燃料的量增加到处于总能量含量的大约30％至大约50％的范围内，以用于引入到第一发动机气缸中。同时，在步骤28，将第一燃料的量减少到处于第一发动机气缸中的大约50％至大约70％的范围内。
在一些应用中，在发动机的增加负载操作结束之后，发动机可被控制成在之前的或另一稳定状态下操作，并且第一燃料与第二燃料的比率增加且相应地稳定。在一些示例中，将燃料引入气缸中和监测发动机参数的顺序可相同或不同。步骤27和28的顺序也可相同或不同。
在本发明的实施例中，在一些气缸中响应于发动机操作状况而调整第一燃料与第二燃料的比率。例如，在瞬态加速操作中，增加第二燃料的量并减少第一燃料的量，以便避免在发动机中产生爆燃或爆震问题。同时，所供应的燃料的总量(例如第一燃料和第二燃料的总量)增加以增加功率水平。
另外，用于响应于瞬态加速状况而操作发动机的方法对于改造常规发动机而言相对简单。在某些应用中，该方法可响应于不仅瞬态加速操作而且其它瞬态操作使用。瞬态操作的非限制性示例包括从相应稳定状态切换的操作。
各气缸还可根据需要基于其用途被进一步改型。例如，接受瞬态加燃料的气缸与基本负载气缸相比可配备有不同的压缩比、不同的阀升程轮廓(valve lift profile)、不同的传感器或不同的硬件配置。在一些应用中，瞬态气缸与相应的基本负载气缸之间的硬件配置的差别可包括下列之一：阀动作、压缩比、活塞、活塞环、阀升程轮廓、压力传感器、温度传感器、爆震传感器、喷射器或喷射器喷嘴。
虽然本公开已经在典型的实施例中示出和描述，但其并不意图限于所示的细节，因为在不以任何方式背离本公开的精神的情况下可做出各种修改和替换。因此，本领域技术人员使用不超过常规实验而可想到本文公开的本公开的进一步修改和等同物，并且所有此类修改和等同物被认为在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种用于操作发动机的方法，包括：
将第一燃料、第二燃料和氧化剂引入第一发动机气缸和第二发动机气缸中；
监测多个发动机参数；以及
基于多个监测的发动机参数中的至少一个，将被引入到所述第一发动机气缸的所述第一燃料、所述第二燃料和所述氧化剂之一的量调整为不同于被引入到所述第二发动机气缸的所述第一燃料、所述第二燃料和所述氧化剂之一的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调整包括减少被引入到所述第一发动机气缸中的所述第一燃料的量并增加所述第二燃料的量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一燃料的量被减少到处于所述第一发动机气缸中的总能量含量的大约70％至大约50％的范围内，其中，所述第二燃料的量被增加到处于所述第一发动机气缸中的总能量含量的大约30％至大约50％的范围内。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，增加所述第二燃料的量并减少所述第一燃料的量响应于所述发动机的增加负载操作。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一发动机气缸中的所述第一燃料的量小于所述第二发动机气缸中的所述第一燃料的量，并且其中，所述第一发动机气缸中的所述第二燃料的量大于所述第二发动机气缸中的所述第二燃料的量。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发动机的所述增加负载操作包括瞬态加速操作。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一燃料包括气态燃料，且其中所述第二燃料包括液体燃料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一燃料包括天然气，其中所述第二燃料包括柴油，且其中所述氧化剂包括空气。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个发动机参数包括发动机负载和发动机转速中的一个。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，引入包括在所述第一发动机气缸的进气冲程期间将所述第一燃料和所述氧化剂的预混合物引入所述第一发动机气缸中，以及在所述第一发动机气缸的压缩冲程期间将所述第二燃料引入所述第一发动机气缸中。
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