CN104136750A - 用于双燃料发动机的控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

包括电子控制模块(104，106)的控制系统可被配置为控制双燃料内燃发动机(1)的操作。在电子控制模块(104，106)失效的情况下，双燃料内燃发动机(1)会中断操作。所公开的控制系统和方法可在检测到双燃料内燃发动机(1)操作模式的故障时，尤其是在电子控制模块(104，106)失效时保持双燃料内燃发动机(1)的操作。

Description

用于双燃料发动机的控制系统和方法
技术领域
本发明总的涉及用于双燃料内燃发动机的控制系统和控制方法，尤其涉及在检测到操作模式中有故障时保持双燃料内燃发动机的操作。
背景技术
在控制内燃发动机时，自冗余控制系统可以确保内燃发动机的连续操作，特别是船用内燃发动机。自冗余控制系统通常监控其自身功能性以及受控内燃发动机的操作。
作为具有多个汽缸排的单燃料运行内燃发动机的实例，EP 2 388460 A1公开了一种每一排带有独立控制的燃料供给的共轨燃料系统。每一个汽缸排的控制模块被配置为相互连通由此提供自冗余控制系统。因此，控制模块作为主控制模块和从动控制模块操作。
对于双燃料内燃发动机，US 6,073,592公开了一种控制系统，其包括控制柴油燃料模式功能的主电子控制模块和控制该双燃料发动机的气体燃料功能的一个或多个从动电子控制模块。与一个或多个从动电子控制模块连通的主电子控制模块驱动柴油燃料喷射器，处理柴油操作所需的传感器数据，在柴油机操作期间监控和保护发动机，起停发动机以及处理操作者输入。剩余的电子控制功能在从动电子控制模块中进行分派，包括控制螺线管进气阀。在任何气体燃料模式的特定零件失效的情况下，或者如果主电子控制模块和从动电子控制模块之间的连通失效，主电子控制模块将操作转变为液体燃料模式。因此，即使一个或者整个从动电子控制模块失效，发动机的操作仍能继续。
WO 2008/104764A1公开了一种用于控制燃料喷射发动机的双燃料供给的设备，该发动机具有将主喷射器控制信号供应到每个主燃料喷射器的电子发动机管理系统。此外，该设备包括对主喷射器的电特征进行仿真的仿真器和处理监控器信号以获得用来控制主燃料供给或者主燃料和辅助燃料混合物的替代控制信号的控制器。
用于双燃料发动机的控制系统的另一个实例可由US2011/0202256 A1获知。
本发明至少部分地用于改进或者克服现有系统的一个或者多个方面。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于可在使用用来控制液体燃料量的燃料架驱动器的液体燃料模式和使用用来控制气体燃料量的气体燃料进气阀的气体燃料模式下操作的双燃料内燃发动机的控制系统包括第一电子控制模块和第二电子控制模块，第一电子控制模块被配置为在控制液体燃料模式时将液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器，并且第二电子控制模块被配置为在控制气体燃料模式时将气体燃料量控制信号提供至气体燃料进气阀以及被配置为在控制液体燃料模式时将备用液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器。
根据本发明的另一个方面，可在液体燃料模式和气体燃料模式下操作的内燃发动机包括液体燃料喷射系统，该液体燃料喷射系统包括被配置为在液体燃料模式期间喷射液体燃料的主喷射系统、被配置为在气体燃料模式期间喷射液体燃料的点火喷射系统以及被配置为控制喷射液体的量的燃料架驱动器。该内燃发动机进一步包括气体燃料喷射系统和正如在此公开的控制系统，该气体燃料喷射系统包括用于混合气体燃料和压缩空气的气体燃料进气阀。
根据本发明的另一方面，用于可在使用用来控制液体燃料量的燃料架驱动器的液体燃料模式和使用用来控制气体燃料量的气体燃料进气阀的气体燃料模式下操作的内燃发动机的控制方法包括如下步骤：在通过第一电子控制模块控制液体燃料模式时将液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器，在通过第二电子控制模块控制气体燃料模式时将气体燃料量控制信号提供至气体进气阀以及在通过第二电子控制模块控制液体燃料模式时将备用液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器。
在控制系统的某些实施例中，第二电子控制模块可被配置为在监控到第一电子控制模块的液体燃料量控制信号的故障时将备用液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器。
在某些实施例中，控制系统可包括位于第一电子控制模块和第二电子控制模块之间的监控连接线，用来根据液体燃料量控制信号监控第一电子控制模块的功能性。
在控制系统的某些实施例中，第一电子控制模块可被进一步配置为在监控到第二电子控制模块的气体燃料量控制信号的故障时将双燃料内燃发动机从气体燃料模式转换至液体燃料模式。
在某些实施例中，控制方法可进一步包括在监控到第一电子控制模块的液体燃料量控制信号的故障时将备用液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器。
在某些实施例中，控制方法可进一步包括监控第一电子控制模块和第二电子控制模块的功能性。
在某些实施例中，控制方法可进一步包括在监控到第二电子控制模块的气体燃料量控制信号的故障时将内燃发动机从气体燃料模式转换至液体燃料模式。
本发明的其他特征和方面将由接下来的描述和附图变得显而易见。
附图说明
图1给出了双燃料内燃发动机的示例性示意图；
图2给出了示例性方框图，图示出控制图1的双燃料内燃发动机；
图3给出了流程图，图示了关于双燃料内燃发动机的液体燃料操作的自冗余；以及
图4给出了流程图，图示了关于双燃料内燃发动机的气体燃料操作的自冗余。
具体实施方式
下面是本发明示例性实施例的详细说明。在此描述和附图显示的示例性实施例意欲教导本发明的原理，使本领域普通技术人员能够在多种不同环境下以及针对多种不同应用实施和使用本发明。因此，该示例性实施例不打算、也不应被认为是专利保护范围的限制性描述。相反地，专利保护范围应由所附权利要求进行限定。
本发明可部分基于这样的认识，即双燃料内燃发动机可配有通过使用气体燃料模式的电子控制模块同样适用于液体燃料模式的电子控制模块失效情况的自冗余控制系统。
双燃料内燃发动机可以用像是重燃料油(HFO)、柴油燃料、汽油和天然气的各种不同燃料进行操作。具体来说，双燃料内燃发动机可以要么以例如柴油燃料模式的液体燃料模式(LFM)要么以例如天然气模式的气体燃料模式(GFM)进行操作。
对于LFM，液体燃料喷射系统将液体燃料提供至燃烧室内的充填空气，在燃烧室内充填空气/液体燃料混合物通过压缩进行点火。
对于GFM，诸如天然气的气体燃料可控地释放到与汽缸连接的进气端口，形成充填空气/气体燃料混合物。在预定时间段之后，也被称为点火燃料的少量柴油燃料可被喷射到容纳充填空气/燃料混合物的汽缸内。点火燃料的量可大约是LFM期间喷射的燃料量的3％。压缩点燃柴油燃料，柴油燃料又点燃充填空气/气体燃料混合物。
为了运行LFM以及GFM，用于双燃料内燃发动机的控制系统可控制液体燃料喷射系统和气体燃料喷射系统的零件，包括气体进气阀和点火燃料喷射器。
参考图1，给出包括发动机单元、空气系统、燃料系统和控制系统的双燃料内燃发动机1的示例性示意图。
发动机单元可包括发动机组2、提供用于燃烧燃料的至少一个燃烧室6的至少一个汽缸4、活塞8和经由活塞杆12连接到活塞的曲柄轴10。活塞8可被配置为在汽缸4内往复运动。
空气系统可包括流体连接到至少一个燃烧室42的进口阀42和同样流体连接到至少一个燃烧室6的出口阀70。进口阀42可被配置为使压缩的充填空气和/或压缩的充填空气和气体燃料混合物能够喷射到至少一个燃烧室6内。液体燃料或者气体燃料燃烧之后，废气可经由出口阀70从至少一个燃烧室6释放到相连的排气系统(未示出)用来处理废气。
该燃料系统可包括用来存储例如天然气的气体燃料的气体燃料罐14和液体燃料罐单元16，液体燃料罐单元可包括用来存储例如HFO的第一液体燃料罐18和用来存储例如柴油燃料的第二液体燃料罐20。
该燃料系统可进一步包括液体燃料喷射系统30、气体燃料喷射系统40和点火燃料喷射系统50。
该液体燃料喷射系统30可被配置为将源自液体燃料罐单元16的液体燃料喷射到至少一个燃烧室6内。液体燃料喷射器32被供有来自第一液体燃料罐18的HFO或者来自第二液体燃料罐20的柴油燃料。
该液体燃料喷射系统30可包括液体燃料喷射器32，其具有与至少一个燃烧室6流体连通的液体燃料喷射喷嘴34和被配置为控制供给到液体燃料喷射器32的液体燃料量的燃料架驱动器36。该燃料架驱动器36可经由台架38连接到液体燃料喷射器32用来控制所喷射的液体燃料的量。
该气体燃料喷射系统40可被配置为将源自气体燃料罐14的气体燃料喷射到至少一个燃烧室6内。该气体燃料喷射系统40可包括进气阀44，例如螺线管进气阀，其可被设置在进口阀42上游并可被配置为混合源自气体燃料罐14的气体燃料和压缩的充填空气。气体燃料和压缩的充填空气的混合物经由进口阀42喷射到至少一个燃烧室6内。
该点火燃料喷射系统50可被配置为将少量液体燃料(优选为柴油燃料)喷射到至少一个燃烧室6内。该点火燃料喷射系统50可包括点火燃料喷射器52，其具有与至少一个燃烧室6流体连通的点火燃料喷射喷嘴54和从液体燃料罐16的第二液体燃料罐20接收柴油燃料的共轨系统60。该点火燃料喷射器52可被供有来自共轨系统60的柴油燃料。该共轨系统60可体现为本领域中已知的小型共轨系统。
在某些实施例中，点火燃料喷射系统50还可被配置为在LFM期间将液体燃料喷射到至少一个燃烧室6内。这可防止点火燃料喷射喷嘴54被例如由燃烧过程引起的烟尘堵塞。
控制系统可包括控制单元102，其包括第一电子控制模块(FECM)104和第二电子控制模块(SECM)106以及若干根连接到燃料系统的各个零件上的控制线。FECM 104可经由监控连接线120连接到SECM 106，监控连接线120可被配置为在FECM 104和SECM106之间交换信息用于相互监控。
FECM 104可被配置为控制双燃料内燃发动机1的LFM。具体来说，FECM 104可经由连接线112和诸如继电器130的硬件连接连接到燃料架驱动器36。
例如，硬件连接还可体现为多个继电器130。此外，硬件连接可体现为二极管或者多个二极管。二极管可允许ECM和燃料架致动器之间的连续连接，而不需要转换，正如下根据继电器130所述。
在LFM期间，FECM 104可经由连接线112将液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器36。该液体燃料量控制信号可表示要喷射到至少一个燃烧室6的要求液体燃料量。此外，该液体燃料量控制信号可进一步体现为关键失效模式(key failure mode)。该燃料架驱动器36可枢转台架38用于调节液体燃料的量，例如源自第一液体燃料罐18的HFO或者源自第二液体燃料罐20的柴油燃料。
另外，FECM 104可被配置为总体控制双燃料内燃发动机1，例如控制发动机速度和由发动机输送的燃料/动力。此外，在GFM期间，FECM 104可被配置为经由连接线114控制点火燃料喷射系统50，正如接下来根据利用SECM 106控制GFM所述的。
SECM 106可被配置为控制双燃料内燃发动机1的GFM。具体来说，SECM 106可经由连接线110连接到进气阀44。此外，SECM106可经由连接线110和继电器130连接到燃料架驱动器36。
在GFM期间，SECM 106可经由连接线110将气体燃料量控制信号提供至气体进气阀44。气体燃料量控制信号可表示要与气体进气阀44中的压缩充填空气混合的要求气体燃料量，该混合物可被喷射到至少一个燃烧室6内。此外，气体燃料量控制信号可体现为SECM的关键失效模式，例如与诸如CAN总线系统的连接损失。同时，FECM 104可经由连接线114将点火燃料量控制信号提供至点火燃料喷射器52。该点火燃料量控制信号可表示要喷射到至少一个燃烧室6内用于点燃气体混合物的要求点火燃料量。例如，少量的喷射点火液体燃料可大约是LFM期间喷射的液体燃料量的3％。
应当注意的是，FECM 104提供的液体燃料量控制信号可以是例如70V的信号，而SECM 106提供的气体燃料量控制信号可以是例如108V的信号。
该控制系统可进一步包括用来接收双燃料内燃发动机1的实际参数的若干个传感器。例如，该控制系统可包括用来感测至少一个燃烧室6内的压力的汽缸压力传感器80、用来测量曲柄轴10速度的曲柄轴速度传感器82、用来测量压缩充填空气压力的充填空气压力传感器84、用来测量气体燃料压力的气体燃料压力传感器86、用来测量液体燃料压力的液体燃料压力传感器88、用来测量共轨内液体燃料压力的共轨压力传感器90和用来测量从至少一个燃烧室6释放的废气压力的废气压力传感器92。
该控制系统还可包括其他传感器，诸如加速/正时传感器，对于这些传感器，FECM 104和SECM 106可直接将速度和发动机角度信息解释为用于其自身使用。
传感器80、82、84、86、88、90和92可经由数据链路118(图示于图2)、例如CAN总线系统连接到控制单元102。FECM 104和SECM 106均可连接到每个传感器，例如用来接收时间关键(timecritical)信息，以及为了满足海洋规则，用来改进控制系统的冗余度。例如，FECM 104和传感器之间的CAN链路的失效不会引起SECM106的操作。
要喷射到至少一个燃烧室6的要求量的液体燃料和/或气体燃料可根据由传感器80、82、84、86、88、90和92接收的参数确定。
参考图2，显示出双燃料内燃发动机1的控制系统。正如图2中所见，FECM 104可经由监控连接线120连接到SECM 106，监控连接线120可被配置为在FECM 104和SECM 106之间交换信息。因而，FECM 104能够监控SECM 106的气体燃料量控制信号，反之亦然。
继电器130可被配置为经由连接线116将液体燃料量控制信号从FECM或者SECM 106传递至燃料架驱动器36。
FECM 104可连接到包括点火燃料喷射器52和点火喷射喷嘴54的点火燃料喷射系统50，且SECM 106可连接到包括进气阀42和进口阀42的气体燃料喷射系统40。
工业实用性
在下文中，将结合图3和4描述双燃料内燃发动机1的操作。具体来说，图3涉及FECM 104故障下的备用系统而图4涉及SECM106故障下的备用系统。
如图3所示，LFM可通过FECM 104控制(步骤200)。继续地，SECM 106可监控通过FECM 104提供至继电器130的液体燃料量控制信号(步骤202)。继电器130可继而将液体燃料量控制信号传递到燃料架驱动器36。SECM 106可检测FECM 104提供的液体燃料量控制信号的故障(步骤204)，例如SECM 106可检测SECM 104的关键失效模式，诸如SECM 104和CAN总线系统的连接损失。在这种情况下，SECM 106可接管LFM的控制(步骤206)。因此，SECM106可将备用液体燃料量控制信号提供至继电器130，该继电器可进行转换并可将液体燃料量控制信号从SECM 106传递至燃料架驱动器36。于是，LFM可通过SECM 106控制(步骤208)，即，双燃料内燃发动机1可在LFM中保持操作。
参考图4，GFM可通过SECM 106控制(步骤300)。继续地，FECM 104可监控通过SECM 106提供至气体燃料喷射系统40的气体燃料量控制信号。同时，FECM 104可将点火燃料量控制信号提供至点火燃料喷射系统50用来开始点火燃料的喷射，用来点燃至少一个燃烧室6内的气体混合物。FECM 104可检测通过SECM 106提供的气体燃料量控制信号的故障(步骤302)。在这种情况下，FECM104可将双燃料内燃发动机1从GFM转换为LFM(步骤304)，即，LFM是GFM的备用模式。因此，双燃料内燃发动机1可以受FECM104控制在LFM中操作(步骤306)。
根据图3和4，可以保证的是，即使出现由ECM 104、106中的一个提供的控制信号故障，双燃料发动机1仍能继续操作。可以保证的是，例如，较大的船只在任何情况下都可行驶到下一个港口进行双燃料内燃发动机1的维护。
FECM 104提供的液体燃料量控制信号可包括70V的电压，SECM 106提供的气体燃料量控制信号可包括108V的电压。因此，提供较高电压的SECM 106可接管由70V电压控制的LFM的控制。
在LFM和GFM两个模式期间，控制单元102可从传感器80、82、84、86、88、90和92接收例如表示至少一个燃烧室6内压力的发动机参数。控制单元102然后可将这些参数提供至FECM 104和SECM 106用来控制各个燃料模式的操作。
例如，如果包括双燃料内燃发动机1的较大船只在沿海区域行驶，双燃料内燃发动机可以GFM操作，因为它的排放低。然而，当例如在公海行驶时，双燃料内燃发动机1可以LFM操作。
另外，应当注意的是，在控制V型双燃料发动机的情况下，控制单元102可进一步包括第三ECM。可以理解的是，第三ECM可控制第一排汽缸的操作，例如奇数汽缸，而FECM 104可控制第二排汽缸的操作，例如偶数汽缸。
所公开的控制系统可用于中型到大型的内燃发动机。特别是，双燃料内燃发动机1可设计尺寸并被配置为例如用在船舶、较大船只或者电厂中。这种尺寸的双燃料内燃发动机可具有12至20个汽缸、大于500kW/缸的动力输出。
总的来说，双燃料内燃发动机可进一步体现为多排缸的双燃料发动机，其可从由星形发动机、对置式发动机、V型发动机、直列式发动机和W型发动机组成的发动机组中选取。
在此，术语"内燃发动机"指的是如下内燃发动机，其可用作静止动力提供系统(例如用来产生热量和/或电力的电厂)的主发动机或者辅发动机以及用于诸如巡洋舰班轮、货船、集装箱货船和油轮的船只/船舶的主发动机或者辅发动机。内燃发动机的燃料可包括柴油、船用柴油、重燃料油、替代燃料或其混合物以及天然气。
另外，这里所用的术语"内燃发动机"未具体限制并且包括任何发动机，其中燃料与氧化剂发生燃烧以产生高温高压气体，该气体直接用于发动机的可动零件，例如活塞或者涡轮叶片，并将其运动一距离由此产生机械能。因此，正如在此所用的，术语"内燃发动机"包括活塞发动机和涡轮机。
中速内燃发动机可以是大型的独立发动机，其因此为发动机组的端侧提供适当的入口。
尽管已经在此描述了本发明的优选实施例，在不脱离以下权利要求的范围的情况下可以包括改进和变形。

Claims (15)

1.一种用于双燃料内燃发动机(1)的控制系统，该内燃发动机能够在使用用来控制液体燃料量的燃料架驱动器(36)的液体燃料模式和使用用来控制气体燃料量的气体燃料进气阀(44)的气体燃料模式下操作，该控制系统包括：
第一电子控制模块(104)，其能够在控制液体燃料模式时将液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器(36)，和
第二电子控制模块(106)，其能够在控制气体燃料模式时将气体燃料量控制信号提供至气体燃料进气阀(44)以及能够在控制液体燃料模式时将备用液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器(36)。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中，第二电子控制模块(106)能够在监控到第一电子控制模块(104)的液体燃料量控制信号的故障时将备用液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器(36)。
3.如权利要求1或权利要求2所述的控制系统，进一步包括至少一个继电器(130)，其连接到第一电子控制模块(104)、第二电子控制模块(106)和燃料架驱动器(36)，用于从通过第一电子控制模块控制的液体燃料模式转换到通过第二电子控制模块控制的液体燃料模式。
4.如在前权利要求中任一项所述的控制系统，进一步包括监控连接线(120)，其位于第一电子控制模块(104)和第二电子控制模块(106)之间用于根据液体燃料量控制信号监控第一电子控制模块(104)的功能性。
5.如在前权利要求中任一项所述的控制系统，其中，第一电子控制模块(104)进一步能够在监控到第二电子控制模块(106)的气体燃料量控制信号的故障时将双燃料内燃发动机(1)从气体燃料模式转换至液体燃料模式。
6.如权利要求3-5中任一项所述的控制系统，进一步包括：
位于第一电子控制模块(104)和继电器(130)之间的第一控制连接线(122)；
位于第二电子控制模块(106)和继电器(130)之间的第二控制连接线(124)；和
位于继电器(130)和燃料架驱动器(36)之间的第三控制连接线(126)。
7.一种能够在液体燃料模式和气体燃料模式下操作的内燃发动机(1)，该内燃发动机(1)包括：
液体燃料喷射系统(30)，其包括能够在液体燃料模式期间喷射液体燃料的主喷射系统(32)、能够在气体燃料模式期间喷射液体燃料的点火燃料喷射系统(50)和能够控制喷射液体的量的燃料架驱动器(36)；
气体燃料喷射系统(40)，其包括用于混合气体燃料和压缩空气的气体燃料进气阀(44)；和
根据权利要求1-6中任一项所述的控制系统。
8.如权利要求所述7的内燃发动机(1)，其中，点火燃料喷射系统(50)包括用于在气体燃料模式期间喷射点火燃料量的共轨系统(60)。
9.如权利要求8所述的内燃发动机(1)，其中，通过气体燃料喷射系统喷射的点火燃料是柴油燃料。
10.如权利要求8或权利要求9所述的内燃发动机(1)，其中，通过液体燃料喷射系统喷射的液体燃料是重燃料油和/或柴油燃料。
11.一种用于内燃发动机(1)的控制方法，内燃发动机(1)能够在使用用来控制液体燃料量的燃料架驱动器(36)的液体燃料模式和使用用来控制气体燃料量的气体进气阀(44)的气体燃料模式下操作，该方法包括：
在通过第一电子控制模块(104)控制液体燃料模式时将液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器(36)，和
在通过第二电子控制模块(106)控制气体燃料模式时将气体燃料量控制信号提供至气体进气阀(44)，以及在通过第二电子控制模块(106)控制液体燃料模式时将备用液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器(36)。
12.如权利要求11所述的控制方法，进一步包括：
在监控到第一电子控制模块(104)的液体燃料量控制信号的故障时将备用液体燃料量控制信号提供至燃料架驱动器(36)。
13.如权利要求11或权利要求12所述的控制方法，进一步包括：
在监控到第一电子控制模块(104)的液体燃料量控制信号的故障时从通过第一电子控制模块(104)控制的液体燃料模式转换为通过第二电子控制模块(106)控制的液体燃料模式。
14.如权利要求11-13中任一项所述的控制方法，进一步包括：
监控第一电子控制模块(104)和第二电子控制模块(106)的功能性。
15.如权利要求11-14中任一项所述的控制方法，进一步包括：
在监控到第二电子控制模块(106)的气体燃料量控制信号的故障时将双燃料内燃发动机(1)从气体燃料模式转换至液体燃料模式。
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