CN103597191B - 用于内燃发动机的燃料供给系统和燃料供给方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于内燃发动机的燃料供给系统包括热交换器（20），该热交换器具有位于液化燃料通路（20a）和发动机冷却剂通路（20b）之间的热交换壁。从热交换器的液化燃料通路流出的经加热和气化的燃料被供给到内燃发动机。供给到热交换器的液化燃料通路的液化燃料的流量被设定。供给到热交换器的发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的流量基于供给到热交换器的发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的温度被确定成使得设定流量下的液化燃料的泡核沸腾或过渡沸腾在液化燃料通路中在泡核沸腾和过渡沸腾之间的分界附近发生。
Description
技术领域
本发明涉及使液化燃料气化并向内燃发动机供给液化燃料的用于内燃发动机的燃料供给系统和燃料供给方法。
背景技术
一般已知在常温和常压下为气态的燃料如LPG被用作用于内燃发动机的燃料。这种气态燃料被冷却而液化并储存在燃料箱中。燃料箱中的液化燃料被加热而气化并供给到内燃发动机的气缸中。发动机冷却剂的热一般被用于将液化燃料加热和气化；然而，提出了一种在发动机冷却剂的温度低时利用电加热器的热的燃料供给系统（参见日本专利申请公报No.2008-121645（JP2008-121645A））。
上述燃料供给系统构造成通过在发动机冷却剂的温度高于或等于设定温度时在发动机冷却剂和液化燃料之间进行热交换来将液化燃料加热和气化。然而，当发动机冷却剂的温度比较高时，从发动机冷却剂到液化燃料的热通量（热流）下降并且因此液化燃料可能不会充分气化。
发明内容
本发明提供了一种用于内燃发动机的燃料供给系统和燃料供给方法，该燃料供给系统和燃料供给方法抑制热交换器中从发动机冷却剂到液化燃料的热通量的下降，以由此能利用发动机冷却剂的热来适当地使燃料箱中的液化燃料气化并将气化的燃料供给到气缸中。
本发明的第一方面提供了一种用于内燃发动机的燃料供给系统，所述燃料供给系统向所述内燃发动机供给经加热和气化的燃料。所述燃料供给系统包括热交换器，所述热交换器具有位于液化燃料通路和发动机冷却剂通路之间的热交换壁，其中所述经加热和气化的燃料从所述热交换器的所述液化燃料通路流出，供给到所述热交换器的所述液化燃料通路的液化燃料的流量被设定，并且供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的流量基于供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的所述发动机冷却剂的温度被确定成使得设定流量下的所述液化燃料的泡核沸腾或过渡沸腾在所述液化燃料通路中在泡核沸腾和过渡沸腾之间的分界附近发生。
对于根据上述方面的燃料供给系统，该燃料供给系统包括热交换器，该热交换器具有位于液化燃料通路和发动机冷却剂通路之间的热交换壁，从热交换器的液化燃料通路流出的经加热和气化的燃料被供给到内燃发动机，供给到热交换器的液化燃料通路的液化燃料的流量被设定，并且供给到热交换器的发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的流量基于供给到热交换器的发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的温度被确定成使得设定流量下的液化燃料的泡核沸腾或过渡沸腾在液化燃料通路中在泡核沸腾和过渡沸腾之间的分界附近发生。这样，当液化燃料的泡核沸腾或过渡沸腾在热交换器的液化燃料通路中在泡核沸腾和过渡沸腾之间的分界附近发生时，液化燃料可从发动机冷却剂获得接近极大值（局部最大值）的热通量，因而液化燃料可被适当地气化并供给到内燃发动机。
本发明的第二方面涉及一种用于内燃发动机的燃料供给方法，所述燃料供给方法向所述内燃发动机供给经加热和气化的燃料。所述燃料供给方法包括：提供热交换器，所述热交换器具有位于液化燃料通路和发动机冷却剂通路之间的热交换壁，其中所述经加热和气化的燃料从所述热交换器的所述液化燃料通路流出；设定供给到所述热交换器的所述液化燃料通路的液化燃料的流量；以及基于供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的温度将供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的所述发动机冷却剂的流量确定成使得设定流量下的所述液化燃料的泡核沸腾或过渡沸腾在所述液化燃料通路中在泡核沸腾和过渡沸腾之间的分界附近发生。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：
图1是示出根据本发明的一个实施例的用于内燃发动机的燃料供给系统的示意图；
图2是示出在液化燃料沸腾时过热度和热通量之间的关系的曲线图；以及
图3是示出基于液化燃料的流量和发动机冷却剂的温度而确定的发动机冷却剂的流量的脉谱图。
具体实施方式
图1是示出根据本发明的一个实施例的用于内燃发动机的燃料供给系统的示意图。下文描述的对燃料供给系统的部件的控制由电子控制单元（未示出）执行。在图中，附图标记10表示燃料箱，并且燃料箱10储存主要包含丙烷（沸点为-42.09℃）和丁烷（沸点为-0.5℃）的LPG。当然，根据本发明的方面的燃料供给系统所针对的液化燃料并不限于LPG，而是该液化燃料可以是任何在常温和常压下为气态的可燃物质。例如，液化燃料可以是沸点与丙烷的沸点几乎相等的可燃物质、沸点与丁烷的沸点几乎相等的可燃物质以及沸点在丙烷的沸点和丁烷的沸点之间的可燃物质。
附图标记20表示用于使燃料箱10中的液化燃料气化的热交换器。热交换器20包括内管20a和外管20b。内管20a用作液化燃料通路。外管20b用作发动机冷却剂通路。这样，内管20a的管壁用作液化燃料和发动机冷却剂之间的热交换壁。燃料导入通路30连接到内管20a的入口部20c。燃料导入通路30用于供给储存在燃料箱10中的液化燃料。燃料输送通路40连接到内管20a的出口部20d。燃料输送通路40用于直接或经由各气缸共有的蓄压器将气化燃料供给到各气缸的燃料喷射阀。
此外，冷却剂导入通路50连接到外管20b的入口部20e。冷却剂导入通路50用于供给在气缸体（未示出）内的冷却剂通路中被加热并且还未由散热器（未示出）冷却的发动机冷却剂。冷却剂输送通路60连接到外管20b的出口部20f。冷却剂输送通路60用于使从外管20b流出的发动机冷却剂回到散热器（或气缸体的冷却剂通路）。在必要的情况下在冷却剂导入通路50中设置有冷却剂泵。
在燃料箱10内设置有燃料泵P。燃料泵P用于将液化燃料泵送到燃料导入通路30。在燃料导入通路30中设置有燃料计量阀V1。燃料计量阀V1计量由燃料泵P泵送的液化燃料的流量并将液化燃料供给到热交换器20的内管20a。此外，流体连通通路70形成为提供冷却剂导入通路50和冷却剂输送通路60之间的流体连通。在流体连通通路70中设置有冷却剂计量阀V2。冷却剂计量阀V2计量通过流体连通通路70并绕过热交换器20的外管20b的发动机冷却剂的流量，以由此能控制通过外管20b的发动机冷却剂的流量。附图标记80表示温度传感器。温度传感器80用于测量冷却剂导入通路50中的冷却剂的温度。
在根据本实施例的如此构成的燃料供给系统中，在如箭头所示通过用作液化燃料通路的内管20a的液化燃料和如箭头所示通过用作发动机冷却剂通路的位于外管20b和内管20a之间的通路的发动机冷却剂之间进行热交换，以由此使内管20a中的液化燃料沸腾，并且内管20a的管壁内表面用作将在内管20a的外侧通过的发动机冷却剂的热传递给液化燃料的传热面。
图2是示出当特定的液化燃料在热交换器的内管20a中沸腾时过热度和热通量之间的关系的曲线图。这里，过热度是内管20a的管壁内表面也就是传热面的温度与液化燃料的沸点之差，而热通量是每单位时间从单位面积的传热面传递到液化燃料的热量。如图2所示，对于在内管20a的外侧通过的发动机冷却剂的温度和流量的每个组合存在针对特定的液化燃料示出过热度和热通量之间的关系的曲线，并且随着发动机冷却剂的温度升高，相对于相同过热度的热通量增大；而随着发动机冷却剂的流量增大，相对于相同过热度的热通量增大。亦即，按曲线L1、L2、L3和L4的次序，发动机冷却剂的流量增大或者发动机冷却剂的温度升高。
这样，存在多条针对特定的液化燃料示出过热度和热通量之间的关系的曲线，并且如图2所示，热通量对于大致恒定的分界过热度ΔTt变成极大值。过热度低于分界过热度ΔTt的区域是泡核沸腾区域，其中液化燃料按照用以从传热面的特定点产生蒸气气泡的泡核沸腾的方式沸腾。过热度高于分界过热度ΔTt的区域是过渡沸腾区域，其中液化燃料按来自传热面的特定点的蒸气气泡借以连接而在传热面上部分地形成蒸气膜的过渡沸腾的方式沸腾。
此外，在各曲线中，随着通过内管20a的液化燃料的流量增大，内管20a的管壁内表面的温度也就是传热面的温度下降，因此过热度降低。例如，在供给到热交换器20的发动机冷却剂的特定流量和特定温度的组合的曲线L4中，在过热度高于分界过热度ΔTt的点a4供给到热交换器20的液化燃料的流量比在实现了分界过热度ΔTt的点a4t供给到热交换器20的液化燃料的流量小；然而，仅有比点a4t处的流量下的液化燃料的热通量小的热通量被提供给点a4处的流量下的液化燃料，并且液化燃料在过热度高于分界过热度ΔTt的点a4不会适当地沸腾。因此，为了适当地使点a4处的流量下的液化燃料气化，仅需此时相对于发动机冷却剂的温度减小发动机冷却剂的流量以利用具有相同温度的发动机冷却剂相对于相同流量下的液化燃料实现分界过热度ΔTt。
此外，例如，在供给到热交换器20的发动机冷却剂的另一个特定流量和另一个特定温度的组合的曲线L3中，在过热度低于分界过热度ΔTt的点a3供给到热交换器20的液化燃料的流量大于在实现了分界过热度ΔTt的点a3t供给到热交换器20的液化燃料的流量。在这种情况下，仅有比点a3t处的流量下的液化燃料的热通量小的热通量被提供给点a3处的流量下的液化燃料，因而液化燃料在点a3不会适当地沸腾。因此，为了适当地使点a3处的流量下的液化燃料气化，在可能的情况下，仅需此时相对于发动机冷却剂的温度增大发动机冷却剂的流量以利用温度相同的发动机冷却剂相对于相同流量下的液化燃料实现分界过热度ΔTt。随着相对于相同过热度的热通量增大，亦即，按曲线L1、L2、L3和L4的次序，在实现分界过热度ΔTt并且极大热通量被提供给液化燃料时（在点a1t、a2t、a3t和a4t）供给到热交换器20的液化燃料的流量增大。
这样，用于确定发动机冷却剂的流量QW的脉谱图可基于液化燃料的流量QF和发动机冷却剂的温度TW如图3所示被设定成使得存在在实现分界过热度ΔTt时供给到热交换器20的发动机冷却剂的流量QW和温度TW与供给到热交换器20的液化燃料的流量QF的组合，并且基本实现分界过热度ΔTt以向液化燃料提供大致极大热通量。
因此，为了实现基于发动机负荷和发动机转速的当前发动机运转状态所需的各气缸的燃料喷射量，当供给到热交换器20的液化燃料通路也就是内管20a的液化燃料的流量QF被设定时，供给到热交换器20的发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的流量QW可基于供给到热交换器20的发动机冷却剂通路也就是外管20b的发动机冷却剂的温度TW由图3的脉谱图确定成使得如此设定的流量下的液化燃料的泡核沸腾或过渡沸腾在液化燃料通路中在泡核沸腾和过渡沸腾之间的分界附近发生。
液化燃料的设定流量QF可通过控制燃料计量阀V1来实现，并且所确定的发动机冷却剂的流量QW可通过控制冷却剂计量阀V2来实现。供给到热交换器20的发动机冷却剂的温度TW可由温度传感器80检测。替换地，发动机冷却剂的温度TW可基于发动机运转状态来推定。
这样，当液化燃料的泡核沸腾或过渡沸腾在热交换器20的液化燃料通路中在泡核沸腾和过渡沸腾之间的分界附近发生时，液化燃料可从发动机冷却剂获得接近极大值的热通量，因此液化燃料可被适当地气化并且然后供给到内燃发动机。
特别地，在图3的脉谱图中，当发动机冷却剂的温度TW低于设定温度并且液化燃料的流量QF大于设定流量时，流量可被设定成使得通过热交换器20的外管20b的发动机冷却剂的雷诺数大于或等于2000以使发动机冷却剂呈湍流，以由此有利于从发动机冷却剂到内管20a的热传递并增大从内管20a的内表面传递到液化燃料的热通量。
热交换器20并不限于图1所示的双管形状，而是热交换器20可形成为任意形状。当然，图3所示的脉谱图在尺寸、形状和材料不同的热交换器之间不同，并且此外，在沸点和气化热不同的燃料之间不同。例如，当使用LPG作为燃料时，希望针对丙烷和丁烷的各混合比率设定图3所示的脉谱图并且通过例如检测混合比率来针对各混合比率选择性地使用这些脉谱图。
Claims (7)
1.一种用于内燃发动机的燃料供给系统，所述燃料供给系统向所述内燃发动机供给经加热和气化的燃料，所述燃料供给系统的特征在于包括：
热交换器(20)，所述热交换器具有位于液化燃料通路(20a)和发动机冷却剂通路(20b)之间的热交换壁，其中
所述经加热和气化的燃料从所述热交换器的所述液化燃料通路流出，
供给到所述热交换器的所述液化燃料通路的液化燃料的流量被设定，并且
供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的流量基于供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的所述发动机冷却剂的温度被确定成使得设定流量下的所述液化燃料的泡核沸腾或过渡沸腾在所述液化燃料通路中在泡核沸腾和过渡沸腾之间的分界附近发生。
2.根据权利要求1所述的燃料供给系统，其中，所述液化燃料是在常温和常压下为气态的可燃物质。
3.根据权利要求2所述的燃料供给系统，其中，所述液化燃料是沸点与丙烷的沸点几乎相等的可燃物质、沸点与丁烷的沸点几乎相等的可燃物质以及沸点在丙烷的沸点和丁烷的沸点之间的可燃物质中的任意一种。
4.一种用于内燃发动机的燃料供给系统，所述燃料供给系统向所述内燃发动机供给经加热和气化的燃料，所述燃料供给系统的特征在于包括：
热交换器(20)，所述热交换器具有位于液化燃料通路(20a)和发动机冷却剂通路(20b)之间的热交换壁，其中所述经加热和气化的燃料从所述热交换器的所述液化燃料通路流出；
燃料计量阀(V1)，所述燃料计量阀设置在所述液化燃料通路的上游并且用于设定供给到所述热交换器的所述液化燃料通路的液化燃料的流量；
发动机冷却剂计量阀(V2)，所述发动机冷却剂计量阀设置在所述发动机冷却剂通路的上游并且用于设定供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的流量；和
控制单元，所述控制单元控制所述燃料计量阀和所述发动机冷却剂计量阀，其中
所述控制单元控制所述燃料计量阀来设定所述液化燃料的流量，并且
所述控制单元基于供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的温度将供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的所述发动机冷却剂的流量确定成使得设定流量下的所述液化燃料的泡核沸腾或过渡沸腾在所述液化燃料通路中在泡核沸腾和过渡沸腾之间的分界附近发生，并且控制所述发动机冷却剂计量阀来设定所确定的所述发动机冷却剂的流量。
5.根据权利要求4所述的燃料供给系统，其中，所述液化燃料是在常温和常压下为气态的可燃物质。
6.根据权利要求5所述的燃料供给系统，其中，所述液化燃料是沸点与丙烷的沸点几乎相等的可燃物质、沸点与丁烷的沸点几乎相等的可燃物质以及沸点在丙烷的沸点和丁烷的沸点之间的可燃物质中的任意一种。
7.一种用于内燃发动机的燃料供给方法，所述燃料供给方法向所述内燃发动机供给经加热和气化的燃料，所述燃料供给方法的特征在于包括：
提供热交换器，所述热交换器具有位于液化燃料通路和发动机冷却剂通路之间的热交换壁，其中所述经加热和气化的燃料从所述热交换器的所述液化燃料通路流出；
设定供给到所述热交换器的所述液化燃料通路的液化燃料的流量，以及
基于供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的发动机冷却剂的温度将供给到所述热交换器的所述发动机冷却剂通路的所述发动机冷却剂的流量确定成使得设定流量下的所述液化燃料的泡核沸腾或过渡沸腾在所述液化燃料通路中在泡核沸腾和过渡沸腾之间的分界附近发生。
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