CN103987946A - 用于移动资产的燃料优化系统及其相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种方法包括确定与移动资产相关联的多个特性轮廓，所述移动资产沿预先限定的路径从第一操作点移动至第二操作点。该方法还包括基于该多个特性轮廓来确定与移动资产的至少一个发动机缸相关联的多种燃料的燃料燃烧比，以便保持与多种燃料的使用相关联的多个实际值小于或等于预先限定的对应阈值。该方法还包括控制移动资产的燃料输送系统，以便基于燃料燃烧比来将该多种燃料输送至该至少一个发动机缸。

Description

用于移动资产的燃料优化系统及其相关方法
技术领域
本发明大体上涉及移动资产，并且更具体而言，涉及用于使用多于一种燃料的发动机的燃料优化系统。
背景技术
通常，具有发动机(例如，压燃发动机)的移动资产通过将燃料(例如，柴油燃料)直接地喷射到一个或更多个活塞缸组件中的压缩空气中，使得压缩空气的热点燃燃料空气混合物来操作。直接燃料喷射使燃料雾化成微滴，微滴蒸发且与活塞缸组件的燃烧室中的压缩空气混合。燃料空气比影响发动机性能、效率、排气污染物和其它发动机特性。排气排放大体上包括污染物，诸如碳氧化物(例如，一氧化碳)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)和颗粒物质(PM)。这些污染物的量和相对比例根据燃料空气混合物、压缩比、喷射时间、环境条件(例如，大气压力、温度等)等而变化。
双燃料发动机为一种备选内燃机，其设计成以多于一种燃料(例如，天然气和柴油，各自储存在单独的容器中)运行。此种发动机能够在燃烧室中燃烧燃料的所得掺混的混合物，且燃料喷射或火花定时可根据燃烧室中的燃料掺混来调整。对于燃料中的一种与空气预混的双燃料操作，氮氧化物(NOx)和颗粒物质(PM)排放的减少通过燃烧预混燃料中的相对较大部分来实现。
不同燃料的相对成本和可用性是始终变化的。不同燃料的比例还可对来自发动机的排气污染物有影响。
需要一种用于以多于一种燃料操作的发动机的改进的系统和方法，以便优化燃料使用同时满足排放标准。
发明内容
根据本发明的一个示范实施例，公开了一种操作使用多种燃料的移动资产的方法。该方法包括确定与移动资产相关联的多个特性轮廓，该移动资产沿预先限定的路径从第一操作点移动至第二操作点。该方法还包括基于该多个特性轮廓来确定与移动资产的至少一个发动机缸相关联的多种燃料的燃料燃烧比，以便保持与多种燃料的使用相关联的多个实际值小于或等于预先限定的对应阈值。燃料燃烧比为待输送至该至少一个发动机缸的多种燃料之比。该方法还包括控制移动资产的燃料输送系统，以便基于燃料燃烧比来将多种燃料输送至该至少一个发动机缸。
根据本发明的另一个示范实施例，公开了一种具有燃料优化单元的系统。燃料优化单元构造成确定与移动资产相关联的多个特性轮廓，该移动资产使用多种燃料，沿预先限定路径从第一操作点移动至第二操作点。燃料优化单元还构造成基于该多个特性轮廓来确定与移动资产的至少一个发动机缸相关联的多种燃料的燃料燃烧比，以便保持与多种燃料的使用相关联的多个实际值小于或等于预先限定的对应阈值。燃料燃烧比包括待输送至该至少一个发动机缸的多种燃料之比。燃料优化单元还构造成控制移动资产的燃料输送系统，以便基于燃料燃烧比来将多种燃料输送至该至少一个发动机缸。
根据本发明的另一个示范实施例，公开了一种利用程序编码的非瞬时性计算机可读介质。
附图说明
当参照附图来阅读如下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更容易理解，在附图中，附图中各处的相似标号表示相似零件，在附图中：
图1为根据本发明的示范实施例的具有燃料优化单元的移动资产(例如，机车(locomotive))的示意图；
图2为根据本发明的示范实施例的具有燃料优化单元的详图的移动资产的示意图；并且
图3为示出根据本技术的示范实施例的移动资产中的燃料优化所涉及的示范步骤的流程图。
具体实施方式
根据本文所述的实施例，公开了一种用于操作使用多种燃料的移动资产的方法。该方法包括确定与移动资产相关联的多个特性轮廓，该移动资产沿预先限定的路径从第一操作点移动至第二操作点。该方法还包括基于该多个特性轮廓来确定与移动资产的至少一个发动机缸相关联的多种燃料的燃料燃烧比，以便保持与多种燃料的使用相关联的多个实际值小于或等于预先限定的对应阈值。燃料燃烧比为待输送至该至少一个发动机缸的多种燃料之比。该方法还包括控制移动资产的燃料输送系统，以便基于燃料燃烧比来将多种燃料输送至该至少一个发动机缸。根据一些实施例，公开了一种相关系统。
参看图1，公开了沿预先限定的路径16从第一操作点12移动至第二操作点14的移动资产10。用语“轮廓”在本文中用于描述移动资产10的总体操作参数和条件。这些轮廓可改变移动资产10的操作系统可响应于操作输入而受控的方式。在所示的实施例中，移动资产10为机车。在其它实施例中，移动资产10可为车辆(vehicle)或其它发动机供能的组件。适合的车辆包括客车和非客车、混合动力车辆、越野车辆、公路车辆(诸如，拖拉机拖车)、轨道车辆、空气承载车辆、铁路车辆和海洋船舶。移动资产的构造可包括性能变量，诸如，移动资产10的峰输出额定值、功率水平设置与生成的总功率的百分比之间的相关性、发动机排放曲线、声音排放、电磁排放、使用的牵引马达数目、燃料经济性能、粘性极限、操作者控制的组织、呈现和功能、通信协议、辅助功能、安全措施等。可影响移动资产的期望构造的外部因素可包括操作的纳税义务、天气考虑、(由犯罪或冲突引起的)损坏风险、与人口中心的接近度等。
在所示的实施例中，移动资产10由使用多种燃料的发动机18驱动。在示范发动机18中，通过燃烧预混燃料中的相对较大部分来实现氮氧化物(NOx)和颗粒物质(PM)排放的减少。然而，不同燃料的相对成本和可用性是始终变化的。例如，在一些实施例中，柴油和天然气可用于驱动发动机18。如果柴油的成本相对于天然气成本升高，则可使用更多的天然气，从而导致减少的成本和排放。如果天然气的成本相对于柴油成本升高，则可使用更多的柴油来驱动发动机18。在此应当注意的是，在某些实施例中，移动资产10可使用其它燃料来替代柴油、天然气。燃料使用的优化还取决于与移动资产10相关联的各种特性轮廓，且可作为时间和资产10沿路径16的对应位置的函数来变化。根据本发明的实施例，燃料优化单元20用于基于成本和可用性来优化燃料使用，同时确保沿从第一操作点12沿预先限定的路径16到第二操作点14的行进的排放合规。燃料优化单元20在下文中参照随后的附图来更详细地阐释。
参看图2，示出了根据本技术的某些实施例的具有燃料优化特征的移动资产10。移动资产10包括涡轮增压器22和压燃发动机，例如柴油发动机18。马达-发电机单元(未示出)可机械地联接到涡轮增压器22。如下文更详细所述，本技术的实施例提供监测和控制特征，诸如传感器和控制逻辑，以优化燃料的使用。
所示的发动机18包括进气歧管24和排气歧管26。涡轮增压器22包括压缩机28和涡轮30，且操作成将压缩空气供应至进气歧管24，以用于在发动机18内燃烧。涡轮30联接到排气歧管26，以用于从排出气体提取能量，用于使连接到压缩机28的涡轮增压器轴32旋转。压缩机28通过过滤器34吸收环境空气，且将压缩空气提供至热交换器36。空气的温度由于压缩而升高。压缩空气流过热交换器36，使得空气温度在输送至发动机18的进气歧管24中之前降低。在一个实施例中，热交换器36为空气与水(air-to-water)的热交换器，其使用冷却剂以促进从压缩空气移除热。在另一个实施例中，热交换器36为空气与空气的热交换器，其使用环境空气来促进从压缩空气移除热。在此，应当注意的是，发动机18和相关联的构件的所示构造为示范实施例，且不应当以任何方式解释为对范围进行限制。换言之，示范燃料优化单元20可用于使用多种燃料的任何类型的发动机或其它移动资产，以便基于成本和可用性来优化燃料使用，同时确保行进期间的排放合规。
燃料优化单元20包括控制单元38和多个传感器，包括但不限于发动机排放水平传感器40、燃料使用水平传感器42、功率输出传感器44、发动机负载传感器46、发动机速度传感器48、燃料成本计量计50、和燃料喷射轮廓传感器52。燃料优化单元20还可包括全球定位传感器(GPS)53。在所示的实施例中，控制单元38为用于发动机14的电子燃料喷射控制单元。在另一个实施例中，控制单元38为能够由使用者编程的电子逻辑控制单元。控制单元38可能能够操作以产生信号，以控制具有多个燃料喷射泵(未示出)的燃料输送系统41的控制操作，以用于驱动多个燃料喷射器(未示出)中的多个，用于将燃料喷射到发动机14的多个缸43中。活塞(未示出)可滑动地设置在各个缸43中，且在上死点与下死点位置之间往复移动。控制单元38可接收来自水平传感器40的发动机排放水平信号、来自传感器42的燃料使用水平信号、来自功率传感器44的功率输出信号、来自负载传感器46的发动机负载信号、来自速度传感器48的发动机速度信号、来自计量计50的燃料成本、和来自喷射传感器52的燃料喷射轮廓信号。
控制单元38还可接收与以下中的至少一者相关联的一个或更多个信号：沿预先限定的路径从第一操作点到第二操作点的距离、与该路径相关联的地形轮廓、环境温度和压力、通过该距离所需的时间、和来自GPS 53的沿预先限定的路径的一个或更多个燃料站点的位置。
在所示的实施例中，控制单元38还可包括存储器54、算法56和处理器58。存储器54可构造成储存与移动资产10相关联的预先限定的信息。例如，存储器可储存关于但不限于以下的信息：发动机18的温度和压力、燃料喷射时间和压力、发动机速度、发动机18的功率输出、发动机排放水平、燃料使用水平、发动机负载、燃料成本、沿预先限定的路径从第一操作点到第二操作点的距离、与该路径相关联的地形轮廓、环境温度和压力、通过该距离所需的时间、和沿该预先限定的路径的一个或更多个燃料站点的位置，等等。此外，存储器54可构造成储存来自上述传感器的实际感测/检测信息。算法56有助于处理来自上述多个传感器的信号。与移动资产10相关联的特性轮廓包括来自之前论述的全部上述传感器的输出、且还包括储存在存储器54中的信息。
处理器58可包括一定范围的电路类型，诸如微处理器、可编程逻辑控制器、逻辑模块等。与算法56组合的处理器58可用于执行如下各种计算操作，该各种计算操作与确定待输送至发动机18的各个缸43的多种燃料的燃烧比相关。在此，应当注意的是，燃烧比为输送至发动机18各个缸43的多种燃料之比。例如，如果发动机18使用柴油和天然气，则燃烧比将为待输送至各个缸43的柴油与天然气之比。在所示的实施例中，移动资产10具有用于将第一燃料和第二燃料分别给送至发动机18的对应缸43的第一燃料源60和第二燃料源62。第一和第二燃料可经由进气歧管24喷射到缸43，或还可直接地喷射到缸。在此，应当注意的是，在一些实施例中，还可使用多于两种燃料。
处理器58构造成基于多个特性轮廓确定与移动资产10的各个发动机缸43相关联的多种燃料的燃料燃烧比。在一些实施例中，处理器58基于来自传感器40,42,44,46,48,50和52的输出来确定燃烧比。在某些其它实施例中，处理器58基于来自GPS 53的输出确定燃烧比。在特定实施例中，处理器58使用来自GPS 53的信息连同来自其它传感器40,42,44,46,48,50和52的信息来确定燃烧比。此外，处理器58还可使用储存在存储器54中的信息。处理器58将控制信号输出至燃料输送系统41，以便基于燃烧比来将多种燃料输送至缸43。燃烧比以一种方式确定为以便保持与多种燃料的使用相关联的多个实际值小于或等于预先限定的对应阈值。在一个实施例中，与多种燃料的使用相关联的实际成本保持小于或等于预先限定的阈值成本。在另一个实施例中，与多种燃料的使用相关联的实际排放水平保持小于或等于预先限定的阈值排放水平。在又一个实施例中，移动资产中的燃料的实际量保持小于或等于预先限定的阈值量。总体上，燃料优化单元20用于基于成本和可用性来优化燃料使用，同时确保沿从第一操作点沿预先限定的路径到第二操作点的行进的排放合规。例如，如果使用两种燃料，则优化单元20在考虑了特性轮廓的情况下确保副燃料的最大使用，且存在足够的主燃料来完成行进。
如前所述，不同燃料的相对成本和可用性是始终变化的。而且，不同燃料的比例也可对来自发动机18的排气污染物有影响。在一个实施例中，燃料优化单元20考虑感测到的发动机排放水平、燃料使用水平(即，行进所需的燃料量，燃料源60,62中的剩余燃料量)、发动机功率输出、发动机负载、发动机速度、燃料成本和燃料喷射轮廓。在一些实施例中，燃料优化单元20可考虑沿预先限定的路径从第一操作点到第二操作点的距离、与该路径相关联的地形轮廓、环境温度和压力、通过该距离所需的时间、和沿该预先限定的路径的一个或更多个燃料站点的位置，等等。还构想出了其它适合的参数。
在此，应当注意的是，本文所述的参数可作为时间和资产10的位置的函数而动态地变化。根据本发明的实施例，与移动资产10相关联的多个特性轮廓作为时间和移动资产10沿预先限定的路径的对应位置的函数而确定。因此，燃料优化单元20还可基于多个特性轮廓中的一个或更多个以作为时间和移动资产10的对应位置的函数来确定燃料燃烧比。感测特性轮廓的频率和燃烧比的确定可取决于应用类型而变化。
在某些实施例中，控制单元38可将数据输出至用户界面64。有利的是，用户界面64可有助于经由触摸屏66从使用者输入至控制单元38，且提供了如下机构，使用者可通过该机构操纵来自控制单元38的数据和感测属性。如本领域技术人员将认识到的那样，用户界面64可包括命令行界面、菜单驱动界面和图形用户界面。控制单元38能够操作以调整燃烧比，燃烧比影响与燃料使用相关联的成本和发动机排放。在一些实施例中，控制单元38可经由用户界面64告知使用者是否有可能利用资产10中可用的燃料达到预定目的地同时满足排放目标。
参看图3，公开了示出移动资产的燃料优化中涉及的多个步骤的流程图68。首先，如步骤70表示的那样，确定与移动资产相关联的多个特性轮廓，该移动资产沿预先限定的路径从一个操作点移动至另一个操作点。在一个实施例中，特性轮廓可包括资产感测信息。在另一个实施例中，特性轮廓可包括GPS信息。在又一个实施例中，特性轮廓可包括存储器储存的信息。特性轮廓可作为时间和移动资产的位置的函数来确定。然后，如由步骤72表示的那样，基于该多个特性轮廓确定与移动资产的至少一个发动机缸相关联的多种燃料的燃料燃烧比。在此，应当注意的是，燃料燃烧比是指待输送至移动资产的至少一个发动机缸的多种燃料之比。燃料燃烧比还可作为时间和移动资产的位置的函数来确定。
如由步骤74表示的那样，燃料输送系统基于确定的燃料燃烧比来受控。如由步骤76表示的那样，燃料输送系统基于确定的燃料燃烧比来输送多种燃料。结果，如由步骤78表示的那样，与多种燃料的使用相关联的实际排放水平保持小于或等于预先限定的阈值排放水平。如由步骤80表示的那样，移动资产中的多种燃料的实际量保持小于或等于预先限定的阈值量。如由步骤82表示的那样，与多种燃料的使用相关联的实际成本保持小于或等于预先限定的阈值成本。
尽管本文已经示出和描述了本发明的仅某些特征，但本领域技术人员将想到许多改型和变化。因此，应理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本发明真正精神内的全部此类改型和变化。

Claims (23)

1. 一种用于操作使用多种燃料的移动资产的方法，所述方法包括：
确定与所述移动资产相关联的多个特性轮廓，所述移动资产沿预先限定的路径从第一操作点移动至第二操作点；
基于所述多个特性轮廓来确定与所述移动资产的至少一个发动机缸相关联的所述多种燃料的燃料燃烧比，以便保持与所述多种燃料的使用相关联的多个实际值小于或等于预先限定的对应阈值；其中,所述燃料燃烧比包括待输送至所述至少一个发动机缸的多种燃料之比；和
控制所述移动资产的燃料输送系统，以便基于所述燃料燃烧比来将所述多种燃料输送至所述至少一个发动机缸。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个特性轮廓包括至少一种资产感测信息，所述至少一种资产感测信息包括以下中的至少一者：发动机排放水平、燃料使用水平、功率输出、发动机负载、发动机速度、燃料成本、和燃料喷射轮廓。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个特性轮廓包括全球定位传感器(GPS)信息，所述全球定位传感器(GPS)信息包括以下中的至少一者：沿所述预先限定的路径从所述第一操作点到所述第二操作点的距离、与所述路径相关联的地形轮廓、环境温度和压力、通过所述距离所需的时间、和沿所述预先限定的路径的一个或更多个燃料站点的位置。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个特性轮廓包括与所述移动资产相关联的存储器储存信息。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括作为时间和所述移动资产沿所述预先限定的路径的对应位置的函数来确定与所述移动资产相关联的所述多个特性轮廓。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保持与所述多种燃料的使用相关联的所述多个实际值小于或等于所述预先限定的对应阈值包括保持与所述多种燃料的使用相关联的实际排放水平小于或等于预先限定的阈值排放水平。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保持与所述多种燃料的使用相关联的所述多个实际值小于或等于所述预先限定的对应阈值包括保持所述移动资产中的所述多种燃料的实际量小于或等于预先限定的阈值量。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，保持与所述多种燃料的使用相关联的所述多个实际值小于或等于所述预先限定的对应阈值包括保持与所述多种燃料的使用相关联的实际成本小于或等于预先限定的阈值成本。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括保持与所述多种燃料的使用相关联的所述多个实际值小于或等于作为时间和所述移动资产沿所述预先限定的路径的对应位置的函数的所述预先限定的对应阈值。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多种燃料包括柴油和天然气。
11. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动资产包括机车。
12. 一种系统，包括：
燃料优化单元，其构造成：
确定与移动资产相关联的多个特性轮廓，所述移动资产使用多种燃料，沿预先限定的路径从第一操作点移动至第二操作点；
基于所述多个特性轮廓来确定与所述移动资产的至少一个发动机缸相关联的所述多种燃料的燃料燃烧比，以便保持与所述多种燃料的使用相关联的多个实际值小于或等于预先限定的对应阈值；其中，所述燃料燃烧比包括待输送至所述至少一个发动机缸的多种燃料之比；并且
控制所述移动资产的燃料输送系统，以便基于所述燃料燃烧比来将所述多种燃料输送至所述至少一个发动机缸。
13. 根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述燃料优化单元包括设置在所述移动资产中的多个传感器，以用于作为时间和所述移动资产沿所述预先限定的路径的对应位置的函数来感测所述多个特性轮廓，所述多个特性轮廓包括以下中的至少一者：发动机排放水平、燃料使用水平、功率输出、发动机负载、发动机速度、燃料成本、和燃料喷射轮廓。
14. 根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述燃料优化单元包括设置在所述移动资产中的全球定位传感器，以用于感测所述多个特性轮廓，所述多个特性轮廓包括以下中的至少一者：沿所述预先限定的路径从所述第一操作点到所述第二操作点的距离、与所述路径相关联的地形轮廓、环境温度和压力、通过所述距离所需的时间、和沿所述预先限定的路径的一个或更多个燃料站点的位置。
15. 根据权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元构造成基于所述多个特性轮廓来确定与所述移动资产的至少一个发动机缸相关联的所述多种燃料的燃料燃烧比。
16. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述控制单元还构造成控制所述移动资产的燃料输送系统，以便基于所述燃料燃烧比来将所述多种燃料输送至所述至少一个发动机缸。
17. 根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述燃料优化单元包括存储器，以用于储存所述多个特性轮廓，所述多个特性轮廓包括与所述移动资产相关联的感测信息。
18. 根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述燃料优化单元构造成保持与所述多种燃料的使用相关联的实际排放水平小于或等于预先限定的阈值排放水平。
19. 根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述燃料优化单元构造成保持所述移动资产中的所述多种燃料的实际量小于或等于预先限定的阈值量。
20. 根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述燃料优化单元构造成保持与所述多种燃料的使用相关联的实际成本小于或等于预先限定的阈值成本。
21. 根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述燃料优化单元构造成保持与所述多种燃料的使用相关联的所述多个实际值小于或等于作为时间和所述移动资产沿所述预先限定的路径的对应位置的函数的所述预先限定的对应阈值。
22. 根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述燃料优化单元设置在包括机车的所述移动资产中。
23. 一种非瞬时性计算机可读介质，其利用程序编码来指示基于处理器的燃料优化单元，以：
确定与移动资产相关联的多个特性轮廓，所述移动资产沿预先限定的路径从第一操作点移动至第二操作点；
基于所述多个特性轮廓来确定与所述移动资产的至少一个发动机缸相关联的所述多种燃料的燃料燃烧比，以便保持与所述多种燃料的使用相关联的多个实际值小于或等于预先限定的对应阈值；其中，所述燃料燃烧比包括待输送至所述至少一个发动机缸的多种燃料之比；并且
控制所述移动资产的燃料输送系统，以便基于所述燃料燃烧比来将所述多种燃料输送至所述至少一个发动机缸。
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