CN103485909A - 用于补偿气体燃料喷射的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于补偿气体燃料喷射的系统和方法。描述了使用气体燃料操作发动机的系统和方法。在一个实例中，响应于进入发动机的空气温度和喷射至发动机的气体燃料的形成温度，调整发动机操作。该系统和方法可改进发动机空气-燃料控制。

Description

用于补偿气体燃料喷射的系统和方法

技术领域

本描述涉及使用气体燃料操作发动机的方法和系统。本系统和方法尤其可用于将气体燃料喷射至汽缸进气口的发动机。

背景技术

可使用气体燃料作为液体燃料的替代物，操作车辆发动机。可选地，可使用液体燃料和/或气体燃料的组合，操作车辆发动机。使用气体燃料操作发动机可以以较低操作成本和车辆排放的形式为车主/驾驶员提供益处。例如，通过燃烧气体燃料起动发动机可降低发动机起动排放。此外，例如甲烷的气体燃料比例如汽油的液体燃料可具有成本优势。

另一方面，在一些条件下，使用气体燃料喷射器操作发动机可降低发动机空气-燃料控制。例如，当甲烷被喷射至发动机进气歧管或汽缸进气口同时空气被抽吸至进气歧管时，气体燃料可能造成空气从进气歧管被替换。如果无法建立单独量的空气和气体燃料，则发动机可比所需要的更贫或更富地运转。因此，为了完全利用气体燃料的益处，可期望准确地确定进入发动机汽缸的空气和气体燃料的量。

发明内容

本文发明人已认识到上述不利，并且已开发出操作发动机的方法，包括：响应于发动机进气道内的温度传感器的输出，调整引入发动机的空气量；以及响应于气体燃料膨胀后气体燃料的温度，调整引入发动机的空气量，气体燃料的温度不基于温度传感器。

通过响应于温度传感器和不基于空气温度传感器的气体燃料膨胀后的温度，调整引入汽缸的空气量，可以能够在基于单个温度传感器调整发动机空气量时改进发动机空气-燃料控制。例如，在许多气体燃料应用中，在集合管区域测量进气歧管温度以提供平均进气歧管温度。然而，通常在各个汽缸进气口处喷射气体燃料，以改善暂时性空气-燃料控制。结果，位于集合管区域的温度传感器可能无法提供汽缸入口（例如，汽缸入口端）处的空气燃料混合物的准确温度。通过结合来自上游空气温度传感器的空气温度的信息和进气道内气体燃料膨胀后的气体燃料温度的估计，可以提供更准确的空气燃料混合物温度估计。可以由气体物质的各个流确定空气燃料混合物温度：空气和气体燃料温度。以这种方式，可以能够提供更好估计的空气燃料混合物温度，以便可以更准确地确定进入汽缸的空气量。

在另一个实施方式中，操作发动机的方法包括响应于引入发动机的空气温度以及喷射至发动机进气道的气体燃料的形成温度(resultanttemperature)，调整汽缸空气充气，其中形成温度是不基于空气温度的温度。

在另一个实施方式中，响应于形成进气充气温度，调整汽缸空气充气，该形成进气充气温度基于引入发动机的空气温度和气体燃料的形成温度。

在另一个实施方式中，本方法还包括响应于形成进气充气温度，调整火花正时。

在另一个实施方式中，本方法还包括响应于汽缸空气充气，调整喷射至发动机的气体燃料量。

在另一个实施方式中，通过节气门，调整汽缸空气充气。

在另一个实施方式中，操作发动机的方法包括：在第一条件期间，将第一比率的气体燃料与空气供应至汽缸；在第二条件期间，将第二比率的气体燃料与空气供应至汽缸；响应于第一比率，在第一条件期间调整汽缸空气充气；以及响应于第二比率，在第二条件期间调整汽缸空气充气。

在另一个实施方式中，在第一条件期间气体燃料与空气的第一比率大于在第二条件期间气体燃料与空气的第二比率，并且其中在第一条件期间汽缸空气充气被调整的百分比大于在第二条件期间汽缸空气充气被调整的百分比。

在另一个实施方式中，响应于不基于空气温度的形成气体燃料温度，调整在第一条件期间的汽缸空气充气。

在另一个实施方式中，也响应于被喷射的气体燃料量的形成温度和在第一条件期间进入发动机的空气温度，调整在第一条件期间的汽缸空气充气。

在另一个实施方式中，在第一条件期间，气体燃料和空气的混合物的估计温度基于第一比率。

在另一个实施方式中，在第一条件期间，通过节气门，调整汽缸空气充气。

本描述可以提供若干优势。尤其是，本途径可改进发动机空气-燃料控制。此外，本途径在不增加系统成本的情况下，可提供改进的空气-燃料控制。

当单独考虑或结合附图时，从以下具体实施方式，将更容易明白本发明的上述优势和其他优势以及特征。

应理解，提供上述发明内容以便以简化的形式介绍所选概念，其将在具体实施方式中进一步说明。这并不意味着确立了所要求保护主题的关键或必要特征，主题的范围仅由所附权利要求限定。另外，要求保护的主题不限于考虑上述的或在本公开任何部分指出的任何缺点的执行方式。

附图说明

当单独或参考附图时，通过阅读实施方式的实例——本文中称为具体实施方式，将更全面理解本文描述的优势。

图1是发动机的示意图；

图2是操作气体燃料发动机的实例方法的流程图。

具体实施方式

本描述涉及使用气体燃料操作发动机。具体而言，本描述提供了通过改进进入发动机汽缸的空气和燃料的估计来改进发动机空气-燃料控制的方法。在一个非限制性实例中，发动机可位于图1所示的系统中。图2示出确定和调整汽缸空气充气、火花正时、以及喷射至发动机的气体燃料量的实例方法。在一个实例中，响应于供应至发动机的空气和燃料的比率，估计汽缸充气温度。

现在参考图1，通过电发动机控制器12控制包含多个汽缸的内燃机10，图1示出其中一个汽缸。发动机10包括燃烧室30和汽缸壁32，活塞36位于燃烧室30内并且连接至曲轴40。示出燃烧室30经各自的进气阀52和排气阀54与进气歧管44和排气歧管48连通。可以通过进气凸轮51和排气凸轮53操作每个进气和排气阀。可以通过进气凸轮传感器55确定进气凸轮51的位置。可以通过排气凸轮传感器57确定排气凸轮53的位置。

示出直接液体燃料喷射器66被放置来将液体燃料直接喷射至汽缸30，这被本领域技术人员称为直接喷射。可选地，液体燃料可被喷射至进气口，这被本领域技术人员称为进气口喷射。直接液体燃料喷射器66与控制器12供应的脉冲宽度成比例地传送液体燃料。通过燃料系统（未示出）将液体燃料传送至直接液体燃料喷射器66，其中燃料系统包括燃料罐、燃料泵、以及燃料轨（未示出）。

示出端口气体燃料喷射器81被放置来将气体燃料喷射至汽缸进气口35。在一些实例中，端口气体燃料喷射器81可被放置在汽缸盖的进气口内。在其他实例中，气体燃料喷射器81可将气体燃料喷射至进气歧管44的中心区域。端口气体燃料喷射器81可与供应液体燃料的液体燃料喷射器66同时地将气体燃料提供至发动机10。然而，在其他实例中，可仅通过端口气体燃料喷射器81供应气体燃料。

端口气体燃料喷射器81通过燃料轨90和储罐91接收气体燃料。压力调节器86控制由储罐91传送至燃料轨90的压力。通过温度传感器60感测燃料轨90内的气体温度。通过压力传感器61感测燃料轨90内的气体压力。通过控制器12控制端口气体燃料喷射器81的打开和关闭，以便每个传送不同的气体燃料量，这些气体燃料量可被传送至燃烧室30。

示出进气歧管44与任选的电子节气门62连通，电子节气门62调整节流板64的位置，以控制从进气道42到进气歧管44的气流。示出电子节气门62被放置在进气歧管44和进气道42之间。在一些实例中，进气歧管44和汽缸进气口35可以是进气系统的一部分。

响应于控制器12，无分电器点火系统88通过火花塞92将点火火花提供至燃烧室30。示出宽域废气氧(UEGO)传感器126被连接至催化转化器70上游的排气歧管48。可选地，双态废气氧传感器可以代替UFGO传感器126。

在一个实例中，转换器70包括多个催化剂块。在另一个实例中，可使用每个均带有多个催化剂块的多个排放控制装置。在一个实例中，转换器70可以是三效催化剂。

图1显示的控制器12为传统微计算机，其包括：微处理器单元102、输入/输出端口104、只读存储器106、随机存取存储器108、保活存储器110、以及传统的数据总线。示出控制器12接收来自被连接至发动机10的传感器的各种信号，除了上述那些信号之外，还包括：来自连接至冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度（ECT）；位置传感器134，其被连接至加速器踏板130，用于感测由脚132施加的力；来自压力传感器122的发动机歧管压力（MAP）的测量，其中压力传感器122被连接至进气歧管44；来自霍尔效应传感器118的发动机位置传感器，其用于感测曲轴40位置；来自传感器120的进气压力的测量；以及来自传感器58的节气门位置的测量。还可感测大气压（传感器未被示出），以便由控制器12处理。在本描述的优选方面，发动机位置传感器118在曲轴的每次旋转中产生预定数量的相等间距的脉冲，由曲轴的旋转能够确定发动机速度（RPM）。

在一些实例中，发动机可被连接至混合动力车辆中的电动机/电池系统。混合动力车辆可具有并联配置、串联配置、或其变型或组合。此外，在一些实施方式中，可以采用其他发动机配置，例如柴油发动机。

在操作过程中，通常，发动机10中的每个汽缸经历四个冲程循环：所述循环包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程、以及排气冲程。通常，在进气冲程过程中，排气阀54关闭，进气阀52打开。空气经进气歧管44被引入燃烧室30，并且活塞36移至汽缸的底部，以便增加燃烧室30内的真空。通常，活塞36接近汽缸底部以及在其冲程末端处的位置（例如，当燃烧室30处于其最大体积时）被本领域技术人员称为下止点（BDC）。在压缩冲程过程中，进气阀52和排气阀54关闭。活塞36朝向汽缸盖移动，以便在燃烧室30内压缩空气。通常，活塞36在其冲程末端处以及最接近汽缸盖处（例如，当燃烧室30处于其最小体积时）的点被本领域技术人员称为上止点（TDC）。在以下称为喷射的过程中，燃料被引入燃烧室和/或在一些实例中引入包括汽缸口的发动机进气道。在以下称为点火的过程中，通过已知的点火装置如火花塞92点燃喷射的燃料，导致燃烧。在膨胀冲程期间，膨胀的气体推动活塞36返回至BDC。曲轴40将活塞运动转换成旋转轴的旋转扭矩。最终，在排气冲程期间，排气阀54打开，从而将燃烧的空气燃料混合物释放至排气歧管48，并且活塞返回至TDC。注意，以上仅作为实例显示，并且进气阀和排气阀打开和/或关闭正时(timing)可以变化，例如以提供正或负气门重叠、迟的进气阀关闭、或各种其他实例。

现在参考图2，示出操作发动机的方法的流程图。图2方法可通过存储由图1系统提供的控制器12的非短暂性存储器内的指令来执行。

在202处，方法200确定容纳气体燃料的燃料轨内的气体燃料温度。在一个实例中，通过温度传感器，例如图1所示的温度传感器61，测量气体燃料的温度。温度传感器可输出电压、电流、或脉冲宽度。在确定气体燃料温度后，方法200前进至204。

在204处，方法200确定容纳气体燃料的燃料轨内的气体燃料压力。在一个实例中，通过压力传感器，例如图1所示的压力传感器60，测量气体燃料的压力。压力传感器可输出电压、电流、或脉冲宽度。在确定了气体燃料压力后，方法200前进至206。

在206处，方法200确定进气系统内的压力。在一个实例中，通过压力传感器，例如图1所示的压力传感器122，测量进气系统的压力。压力传感器可输出电压、电流、或脉冲宽度。进气压力可以是来自空气和排气的结合的空气压力或压力。进气系统的压力可还包括来自进气道内的排气再循环（EGR）的压力。在确定了进气道压力后，方法200前进至208。

在208处，方法200确定膨胀后的被喷射气体燃料温度。在一个实例中，根据下列方程确定被喷射燃料温度：

$\mathrm{IFT}=\mathrm{FRT}\·{\left(\frac{\mathrm{MAP}}{\mathrm{FRP}}\right)}^{\frac{(k-1)}{k}}$

其中IFT为被喷射燃料温度、FRT为燃料轨内的气体燃料温度、MAP为进气歧管压力、以及k为数值为1.299的常数。被喷射的燃料温度为在发动机进气道内膨胀后气体燃料的温度。在确定了被喷射气体燃料的温度后，方法200前进至210。

在210处，方法200确定进气温度。在一个实例中，通过在节气门下游和汽缸进气口上游的进气歧管内的温度传感器确定进气温度。该温度传感器将指示进气温度的信号输出至图1所示控制器12。在确定进气温度后，方法200前进至212。

在212处，方法200确定发动机进气道内的气体燃料与空气的比率。在一个实例中，调整气体燃料与空气的比率以提供数值为17.2:1的用于燃烧的化学计量混合物。通过将添加或减少至发动机的燃料，可提供富燃或贫燃比率。通过降低或增加气体燃料喷射器的燃料脉冲宽度，可调整燃料量。在确定了气体燃料与空气的比率后，方法200前进至214。

在214处，方法200确定结合的空气和气体燃料混合物的比热。在一个实例中，通过下述方程确定恒定体积下结合的混合物的比热：

其中Eff_Cvo为空气和燃料的混合物的初始有效Cvo、17.2为气体燃料与空气的比率、Cvo_甲烷为恒定体积甲烷的比热（例如，1.7354kJ/kgK）、以及Cvo_空气为恒定体积空气的比热（例如，0.165kJ/kgK）。在确定气体燃料和空气混合物的比热后，方法200前进至216。

在216处，确定结合的气体燃料和空气混合物的温度。该结合的温度反映出注入气体燃料如何冷却被引入发动机的空气的温度。在一个实例中，方法200根据下列方程确定结合的气体燃料和空气混合物温度：

其中Eff_mct为有效歧管充气温度、IFT为被喷射燃料的温度、MCT为歧管充气温度、以及剩余变量如上所述。在确定了有效歧管充气温度后，方法200前进至218。

在218处，通过来自216的结合的燃料空气混合物温度或有效歧管充气温度，方法200确定汽缸空气充气。在一个实例中，根据理想气体定律PV=nRT，确定汽缸空气充气，其中，T为在K度时的有效歧管充气温度、P为206处确定的进气歧管压力、V为汽缸体积、n为空气摩尔数、以及R为气体常数。可选地，汽缸空气充气可以通过空气质量传感器确定，并且针对空气充气温度进行调整，如美国专利5,331,936所描述，其公开内容在此通过引用完全并入，用于所有意图和目的。在调整汽缸空气充气后，方法200前进至220。

在220处，方法200调整节气门位置，以将来自218的估计的汽缸空气充气调整为期望的汽缸空气充气。期望的汽缸空气充气可凭经验确定，并且可被存储在通过发动机速度和发动机扭矩要求检索的存储器内。如果估计的汽缸空气充气比期望的汽缸空气充气少，增加节气门打开量。如果估计的汽缸空气充气比期望的汽缸空气充气大，减少节气门打开量。调整节气门的位置，以便汽缸空气充气经调整用于随后的汽缸循环。在节气门经调整提供期望的汽缸空气充气（例如，在汽缸循环过程中使用燃料燃烧的汽缸内的空气量）后，方法200前进至222。

在222处，方法200调整汽缸火花正时。火花正时可经调整用于当前汽缸循环，使得在218处使用有效歧管充气温度确定的汽缸空气充气的情况下火花提前是合适的。在一个实例中，凭经验确定火花正时，并且将其存储在通过发动机速度和所需扭矩检索的表格内。基于进气温度，尤其是有效歧管充气温度，调整该表格的输出。例如，如果有效歧管充气温度低于在进气歧管内测量的温度，火花可以提前。在调整汽缸火花正时后，方法200前进至224。

在224处，方法200调整被喷射气体燃料的正时。可以关于空气甲烷混合物的化学计量条件（例如，17.2:1）改变被喷射气体燃料的量，从而改进催化剂效率。然而，如果因为被喷射燃料量冷却了汽缸空气充气，汽缸空气充气比期望的要大，则可减少被喷射至发动机的燃料量，以考虑(account for)至少部分的汽缸空气充气差异。然而，在更多权限下可调整节气门，以便可维持期望的空燃比。对于包括气体燃料和液体燃料喷射的系统，方法200前进至226。否则，当液体燃料未被喷射至发动机时，方法200前进至退出。

在226处，方法200调整喷射至发动机的液体燃料量。如果基于有效歧管温度的汽缸空气充气比预期的大，可以增加喷射至发动机的液体燃料量，以将化学计量的空气燃料混合物提供至发动机汽缸。如果基于有效歧管温度的汽缸空气充气比预期的小，可以减少喷射至发动机的液体燃料量，以将化学计量的空气燃料混合物提供至发动机汽缸。在一个实例中，喷射至发动机汽缸的液体燃料量经调整与期望汽缸充气和通过有效歧管温度估计的汽缸充气之间的差异成比例。在调整液体燃料喷射的正时后，方法200前进至退出。

因此，图2的方法提供了操作发动机的方法，包括：响应于发动机进气道内的温度传感器的输出，调整引入发动机的空气量；以及响应于气体燃料膨胀后气体燃料的温度，调整引入发动机的空气量，气体燃料的温度不响应于气流中的温度传感器。也就是说，调整汽缸空气充气以考虑气体燃料的喷射，而没有源自响应于空气温度、或空气和EGR的温度调整的气体燃料喷射的补偿。

在一些实例中，本方法包括其中气体燃料为甲烷，并且其中进气道为汽缸进气口。本方法还包括其中气体燃料为甲烷，并且其中进气道为位于节气门下游的进气歧管。本方法包括其中响应于气体燃料膨胀后所述气体燃料的温度，调整引入所述发动机的空气量包括响应于使引入发动机的空气密度增加的冷却效应,调整引入所述发动机的空气量。本方法包括其中所述响应于冷却效应调整引入所述发动机的空气量包括基于等熵膨胀确定燃料温度。本方法还包括在喷射气体燃料时，在发动机循环过程中将液体燃料喷射至发动机汽缸。本方法包括其中液体燃料为汽油，并且其中响应于气体燃料和空气混合物的温度，调整喷射的汽油量。

在另一个实例中，图2的方法提供操作发动机的方法，包括：响应于引入发动机的空气温度以及喷射至发动机进气道的气体燃料的形成温度，调整汽缸空气充气，该形成温度是不基于空气温度的温度。本方法包括其中形成温度是气体燃料在发动机进气道内膨胀后的温度。本方法包括其中形成温度基于气体燃料的等熵膨胀。本方法包括其中响应于形成进气充气温度，调整汽缸空气充气，该形成进气充气温度基于引入发动机的空气温度和气体燃料的形成温度。

在一些实例中，本方法还包括响应于形成进气充气温度，调整火花正时。本方法还包括响应于汽缸空气充气，调整喷射至发动机的气体燃料量。本方法还包括其中通过节气门调整汽缸空气充气。

在又一个实例中，图2的方法提供操作发动机的方法，包括：在第一条件期间，将第一比率的气体燃料和空气供应至汽缸；在第二条件期间，将第二比率的气体燃料和空气供应至汽缸；响应于第一比率，在第一条件期间，调整汽缸空气充气；以及响应于第二比率，在第二条件期间，调整汽缸空气充气。也就是说，因为喷射气体燃料至发动机的冷却效应直接基于被喷射气体燃料的量，所以响应于被喷射气体燃料的量以及它提供至燃料和空气混合物的冷却量，调整汽缸空气充气。

本方法包括其中在第一条件期间，气体燃料与空气的第一比率大于第二条件期间的气体燃料与空气的比率，并且其中在第一条件期间汽缸空气充气被调整的百分比大于第二条件期间的汽缸空气充气。本方法还包括其中响应于不基于空气温度的形成气体燃料温度，调整第一条件期间的汽缸空气充气。本方法包括其中也响应于被喷射的气体燃料量的形成温度和在第一条件期间进入发动机的空气温度，在第一条件期间调整汽缸空气充气。本方法还包括其中在第一条件期间，气体燃料和空气的混合物的估计温度基于第一比率。本方法还包括其中在第一条件期间，通过节气门调整汽缸空气充气。

本领域普通技术人员将理解，图2所述的方法可表示许多处理策略中的一种或多种，例如事件驱动、中断驱动、多任务处理、多线程处理等等。因此，所示的各种步骤或功能可按照所示顺序、并列执行、或在一些情况下被省略。同样地，本处理顺序未必需要用于实现本文所描述的目标、特征和优势，其被提供是为了便于说明和描述。尽管没有明确地示出，但是本发明普通技术人员将认识到，取决于使用的具体策略，可以重复地执行所述步骤或功能中的一个或多个。

这里结束了本描述。本领域技术人员通过阅读本描述，在不背离本描述的精神和范围的情况下，会想到许多变更和修改。例如，使用天然气、汽油、柴油、或替代性燃料配置操作的I3、I4、I5、V6、V8、V10以及V12发动机能够使用本描述获得优势。

Claims (10)

1.操作发动机的方法，包括：

响应于发动机进气道内的温度传感器的输出，调整引入发动机的空气量；以及

响应于气体燃料膨胀后所述气体燃料的温度，调整引入所述发动机的空气量，所述气体燃料的温度不响应于所述温度传感器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料为甲烷，并且其中所述发动机进气道包括汽缸进气口。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料为甲烷，并且其中所述发动机进气道是位于节气门下游的进气歧管。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述响应于气体燃料膨胀后所述气体燃料的温度，调整引入所述发动机的空气量包括响应于使引入发动机的空气密度增加的冷却效应,调整引入所述发动机的空气量。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述响应于冷却效应调整引入所述发动机的空气量包括基于等熵膨胀确定燃料温度。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括在喷射所述气体燃料时在发动机循环过程中将液体燃料喷射至发动机汽缸。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述液体燃料为汽油，并且其中响应于所述气体燃料和空气混合物的温度调整喷射至所述发动机的汽油的量。

8.操作发动机的方法，包括：

响应于引入发动机的空气温度以及喷射至发动机进气道的气体燃料的形成温度，调整汽缸空气充气，所述形成温度是不基于所述空气温度的温度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述形成温度是所述气体燃料在所述发动机进气道内膨胀后的温度。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述形成温度基于所述气体燃料的等熵膨胀。

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