CN104141547A - 气体燃料发动机中稀释剂或二次燃料的直接喷射 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气体燃料发动机中稀释剂或二次燃料的直接喷射。一种用于操作发动机的方法，其包括在气缸循环中端口喷射第一数量的第一气体燃料和在所述气缸循环中直接喷射作为期望空燃比(AFR)函数的第二数量的二次喷射物，期望AFR基于发动机气缸气门的温度。期望AFR可以是只在天然气燃烧过程中可用的AFR范围之外，因此允许较冷的发动机操作。

Description

气体燃料发动机中稀释剂或二次燃料的直接喷射
技术领域
替代燃料已被开发来减轻常规燃料价格上涨且用于减少废气排放。例如，天然气已被公认为具有吸引力的替代燃料。对于汽车应用，天然气可在高压下被压缩和存储作为气缸中的气体。各种发动机系统可与天然气使用，利用适于CNG燃料的具体物理和化学性质的各种发动机技术和喷射技术。例如，单燃料发动机系统可经配置与CNG操作，同时多燃料系统可经配置与CNG和一种或多种其他燃料如汽油或汽油混合物液体燃料操作。发动机控制系统可基于发动机操作条件在各种操作模式下操作此类多燃料系统。
背景技术
然而，CNG发动机，特别是已经被转换以CNG运行的发动机会遇到很多操作问题。与汽油和其他传统燃料相比，CNG具有临界可燃性和窄的浓混合气极限。因此，当在高负荷下运行CNG发动机时，在完全燃烧进入燃烧气缸的燃料或空气之前可达到该发动机的温度极限。由于不完全燃烧燃烧气缸的内含物，发动机爆震的可能性增大。另外，CNG的燃烧产生的烟灰比同等汽油发动机燃烧产生的烟灰少。这减少了发动机气门的天然润滑，潜在地导致气门衰退和劣化。
在峰值操作下，富运行的汽油发动机可富操作高达40％，以减轻过热。相比之下，NG发动机在峰值条件下富操作约10％。因此，本发明人开发了一种方法来降低天然气发动机中空燃比(AFR)，以便提供汽油发动机中存在的一些气门保护。
为了对付过热问题，通过节流气流或贫运行可限制进气，但这些解决方案会限制发动机的最大功率输出。具体功率可通过增加发动机大小增加，但是这对于所有平台或转换可能是不可能的。喷射水或其他控制流体到燃烧室中可降低温度并防止发动机爆震，但会进一步降低燃料混合物的可燃性。
由于诸多原因，CNG发动机也遇到气门磨损增加。天然气具有比汽油更高的比热且因此在较高温度下燃烧。天然气也具有显著比汽油发动机更小的碳氢化合物浓度。因此，本发明人开发了一种方法来增加天然气发动机中操作的AFR丰富度，以便提供汽油发动机中存在的一些气门保护。
发明内容
本文发明人已经认识到上述问题可以至少部分通过喷射具有较高AFR富操作极限的二次燃料量到燃烧室或气体燃料源中解决，其中发动机可操作的AFR可增加。添加的液体燃料也引入较高的潜冷却，因为热能量在蒸发过程中被吸收。液体燃料也可作为稀释剂，以在燃烧过程中降低火焰温度。更富的AFR也允许在稀燃天然气发动机中不可用的更先进火花正时，其结合较低热发生，也帮助降低发动机爆震倾向。另外，使用具有较高碳氢化合物浓度的二次燃料源允许作为气门润滑剂、微型焊接和热障的烟灰产生的增加，从而消减气门衰退。在一些实施例中，使用蒸汽重整，CNG可被重整以提供二次燃料，如CO和H2。
本发明人进一步认识到，上述问题可例如至少部分地通过一种用于涡轮增压发动机的方法解决，该方法包括：在高载荷条件下，响应升高的发动机温度，在端口喷射第一数量的第一气体燃料之后，在第一正时处直接喷射第二数量的第二液体或气体燃料，其中第二数量的第二液体或气体燃料是期望(desired)空燃比(AFR)的函数。以这种方式，可最大化主要由第一气体燃料供给燃料的用于发动机的发动机功率，同时控制最大燃烧温度和最大燃烧压力并减轻发动机爆震。
在另一示例中，一种用于涡轮增压发动机的方法可包括：在高载荷条件下，响应升高的发动机温度，在端口喷射第一气体燃料之后，在燃烧火花点火之后但在第一气体燃料的燃烧过程中的正时处直接喷射第二液体燃料。以这种方式，火花点火和上止点事件之间喷射的第二液体燃料可降低燃烧温度和压力，而不管第二液体燃料的可燃性如何。另外，在火花点火之后和在上止点事件之后喷射的第二液体燃料可降低排气温度，而不管第二液体燃料的可燃性如何。液体燃料还引入较高潜冷却，因为热能量在液体燃料的蒸发过程中被吸收。本发明人还发现，一些液体燃料的高碳氢化合物浓度(与天然气相比)增加了作为气门润滑剂、微型焊接和热障的烟灰产生，以降低气门磨损。
在又一示例中，一种用于涡轮增压发动机的方法包括：在高载荷条件下，响应发动机爆震，在端口喷射第一气体燃料之后，直接喷射第二燃料，同时维持火花正时。以这种方式，主要由气体燃料供给燃料的发动机中的发动机爆震可通过喷射与燃烧事件一致的第二液体燃料减轻，而不响应发动机爆震迭代地提前和延迟火花正时。
本文进一步公开的是用于提供二次燃料到发动机的系统。例如，实施例可使用重整催化剂与EGR系统，以提供进气与具有较高AFR丰富度操作极限的二次气体燃料源。其他实施例可使用额外液体燃料或气体箱，以提供二次燃料到进气系统。当单独或结合附图考虑时，通过下列详细描述，本描述的上述优点和其他优点以及特征将是显而易见的。
应该理解，上述发明内容提供来以简化形式介绍在详细描述中进一步描述的概念的选择。这并不旨在识别所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围是由详细描述之后的权利要求书唯一限定。此外，所要求保护的主题并不限于解决上面或本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施。
附图说明
图1示意性地示出内燃机气缸的示例实施例。
图2示意性地示出多气缸发动机的示例实施例。
图3示出用于操作内燃机的示例高水平流程图，包括根据本公开的端口燃料喷射系统和二次直接喷射系统。
图4示出用于操作端口燃料喷射系统和二次直接喷射系统作为发动机操作条件的函数的示例流程图。
图5是用于车辆操作和根据本公开的端口燃料喷射系统和二次直接喷射系统的操作的示例时间轴的图形表示。
图6示出用于操作端口燃料喷射系统和二次直接喷射系统作为储备流体可燃性的函数的示例流程图。
图7是用于车辆操作和根据本公开的端口燃料喷射系统和二次直接喷射系统的操作的示例时间轴的图形表示。
图8示出用于调节二次喷射速率的示例流程图。
图9示出用于使用二次喷射调节AFR的示例流程图。
图10示意性地示出使用蒸气重整的天然气富集系统的示例实施例。
图11示出用于喷射额外气体燃料源的示例流程图。
图12示意性地示出内燃机气缸的示例实施例。
具体实施方式
下列描述涉及用于解决气体燃料发动机中过热和发动机爆震的系统和方法，如图1和图2中示意性所示的发动机。所述系统可包括联接到端口燃料喷射器的气体燃料箱和联接到直接燃料喷射器的油箱的第二燃料箱。控制器可经编程通过控制例程，如图3、4、6和8中所述的例程，控制燃料喷射的速率和正时。燃料喷射的正时可被设置与在发动机气缸的燃烧循环过程中的事件一致，如图5和图7中所述。图10中示出具有EGR和重整装置的发动机系统的示例实施例。根据本公开，该重整装置可用于提供二次气体燃料源。图11中示出用于如图10中所述系统的控制例程。另外，直接燃料喷射可经控制被偏置到喷射燃料到易爆震的发动机气缸的区域内，如图12中示意性所述。
图1示出内燃机10的燃烧室或气缸的示例实施例。发动机10可至少部分由包括控制器12的控制系统和通过经由输入装置132的来自车辆操作员130的输入控制。在此示例中，输入装置132包括加速器踏板和用于生成成比例踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的气缸(即燃烧室)14可包括具有活塞138定位在其中的燃烧室壁136。活塞138可联接到曲轴140，以便该活塞的往复运动被转化成该曲轴的旋转运动。曲轴140可经由传输系统联接到乘客车辆的至少一个驱动轮。另外，起动电动机可经由飞轮联接到曲轴140，以启用发动机10的起动操作。
气缸14可以经由一系列进气道142、144和146接收进气。除气缸14之外，进气道146也可以与发动机10的其他气缸连通。在一些实施例中，一个或多个所述进气道可包括增压装置，如涡轮增压器或机械增压器。例如，图1示出配置有涡轮增压器的发动机10，其中涡轮增压器包括布置在进气道142和144之间的压缩机174和沿排气道148布置的排气涡轮176。压缩机174可经由轴180至少部分由排气涡轮176提供电力，其中该增压装置作为涡轮增压器被配置。然而，在其他示例中，如在发动机10设置有增压器的情况下，可任选地省略排气涡轮176，其中压缩机174可由来自电动机或该发动机的机械输入提供电力。包括节流板164的节气门162可沿该发动机的进气道设置，用于改变提供至发动机气缸的进气的流速和/或压力。例如，节气门162可如图1中所示设置在压缩机174的下游，或者可以可替换地设置在压缩机174的上游。
除气缸14之外，排气道148也可以从发动机10的其他气缸接收废气。废气传感器128被示出在排放控制装置178的上游联接到排气道148。传感器128可以是用于提供废气AFR指示的任何合适传感器，如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域废气氧)、(所示的)双态氧传感器或EGO、HEGO(加热的EGO)、NOX、HC或CO传感器。排放控制装置178可以是三效催化剂(TWC)、NOX捕集器、各种其他排放控制装置或其组合。
发动机10的每个气缸可包括一个或多个进气门和一个或多个排气门。例如，气缸14被示出包括位于气缸14上部区域的至少一个进气提升阀150和至少一个排气提升阀156。在一些实施例中，包括气缸14的发动机10的每个气缸可包括位于该气缸上部区域的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。
进气门150可经由致动器152由控制器12控制。类似地，排气门156可经由致动器154由控制器12控制。在一些条件期间，控制器12可改变提供至致动器152和154的信号，以控制各自进气门和排气门的打开和关闭。进气门150和排气门156的位置可以由各自气门位置传感器(未示出)确定。所述气门致动器可以是电动阀致动类型或凸轮致动类型或其组合。可以同时控制进气门正时和排气门正时，或可以使用可能的可变进气凸轮正时、可变排气凸轮正时、双独立可变凸轮正时或固定凸轮正时中的任何一个。每个凸轮致动系统可包括一个或多个凸轮，并且可利用凸轮轮廓切换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可以由控制器12操作的可变阀升程(VVL)系统中的一个或多个，以改变气门操作。例如，气缸14可以可替换地包括经由电动阀致动控制的进气门和经由包括CPS和/或VCT的凸轮致动控制的排气门。在其他实施例中，进气门和排气门可以由共同的气门致动器或致动系统控制，或者由可变气门正时致动器或致动系统控制。
气缸14可以具有压缩比，当活塞138是在底部中心至上部中心处时该压缩比是体积比。常规地，该压缩比是在9:1至10:1的范围中。然而，在其中使用不同燃料的一些示例中，可增加该压缩比。例如当使用较高辛烷燃料或具有较高蒸发潜焓的燃料时，此会发生。如果使用直接喷射，由于其对发动机爆震的影响，也可增加该压缩比。
在一些实施例中，发动机10的每个气缸可包括用于启动燃烧的火花塞192。在选定的操作模式下，点火系统190可以响应来自控制器12的火花提前信号SA经由火花塞192提供点火火花到燃烧室14。然而，在一些实施例中，如与一些柴油发动机的情况一样，在发动机10可通过自动点火或通过燃料喷射启动燃烧的情况下，可省略火花塞192。
在一些实施例中，发动机10的每个气缸可被配置有一个或多个用于提供燃料到其中的燃料喷射器。作为非限制性示例，气缸14被示出包括两个燃料喷射器166和170。燃料喷射器166被示出直接联接到气缸14，用于经由电子驱动器168与从控制器12接收的信号FPW-1的脉冲宽度成正比直接喷射燃料到其中。以这种方式，燃料喷射器166提供燃料到燃烧室14中的所谓直接喷射(以下称为“DI”)。虽然图1示出喷射器166作为侧喷射器，其还可位于活塞的顶部，如接近火花塞192的位置。当用基于醇的燃料操作发动机时，由于一些基于醇的燃料的较低挥发性，此类位置会增加混合和燃烧。可替换地，该喷射器可位于顶部且接近进气门，以增加混合。燃料可以从高压力燃料系统172输送到燃料喷射器166，该高压力燃料系统172包括燃料箱、燃料泵、燃料轨和驱动器168。可替换地，燃料可在较低压力下由单级燃料泵输送，在此情况下，与如果使用高压燃料系统相比，直接燃料喷射的正时可在压缩冲程期间受到更多限制。另外，尽管未示出，燃料箱可具有提供信号给控制器12的压力变换器。
燃料喷射器170被示出以提供燃料到气缸14上游的进气端口中的所谓端口喷射(以下称为“PFI”)的配置，布置在进气道146而不是在气缸14中。燃料喷射器170可喷射与经由电子驱动器171从控制器12接收的FPW-2的脉冲宽度成正比的燃料。燃料可由燃料系统172输送到燃料喷射器170。
燃料可在气缸的单循环过程中由两个喷射器输送到气缸。例如，每个喷射器可输送在气缸14中燃烧的总燃料喷射的一部分。另外，从每个喷射器输送的燃料的分布和/或相对量可随如下文所述的操作条件变化。喷射的总燃料在喷射器166和170之中的分布可被称为第一喷射比。例如，经由(端口)喷射器170为燃烧事件喷射较大量的燃料可以是端口与直接喷射的较高第一比的示例，而经由(直接)喷射器166为燃烧事件喷射较大量的燃料可以是端口与直接喷射的较低第一比。注意，这些仅是不同喷射比的示例，并且可以使用各种其他喷射比。另外，应该理解，端口喷射的燃料可以在打开进气门事件过程中、在关闭进气门事件过程中(例如，基本在进气冲程之前，如在排气冲程期间)以及在打开和关闭进气门操作过程中输送。类似地，直接喷射的燃料可在进气冲程期间以及部分在先前排气冲程期间，例如在所述进气冲程期间和部分在压缩冲程期间输送。另外，直接喷射的燃料可被输送作为单喷射或多喷射。这些可包括在压缩冲程期间的多喷射、在进气冲程的多喷射或一些在压缩冲程期间的直接喷射与一些在进气冲程期间的直接喷射的组合。在执行多直接喷射时，在进气冲程(直接)喷射和压缩冲程(直接)喷射之间的总直接喷射燃料的相对分布可称为第二喷射比。例如，在进气冲程期间为燃烧事件喷射较大量的燃料可以是进气冲程直接喷射的较高第二比的示例，而在压缩冲程期间为燃烧事件喷射较大量的燃料可以是进气冲程直接喷射的较低第二比的示例。注意，这些仅是不同喷射比的示例，并且可以使用各种其他喷射比。
因此，甚至对于单个燃烧事件，喷射的燃料可以在不同正时从端口和直接喷射器喷射。此外，对于单个燃烧事件，可以每个循环都执行输送的燃料的多个喷射。所述多个喷射可以在压缩冲程、进气冲程或其任何合适组合期间执行。
如上所述，图1仅示出多气缸发动机的一个气缸。因此，每个气缸可类似地包括其本身的一组进气/排气门、燃料喷射器(一个或多个)、火花塞等。
燃料喷射器166和170可具有不同特征。这些包括大小的差异，例如，一个喷射器可具有比另一喷射器更大的喷射孔。其他差异包括但不限于不同喷射角度、不同操作温度、不同定向、不同喷射正时、不同喷射特征、不同位置等。此外，取决于喷射器170和166之中的喷射燃料的分布比，可以实现不同效果。
燃料系统172可包括一个燃料箱或多个燃料箱。在其中燃料系统172包括多个燃料箱的实施例中，所述多个燃料箱可容纳燃料而具有相同燃料数量，或者可容纳燃料而具有不同燃料数量，如不同燃料组成。这些差异可包括不同的醇含量、不同辛烷、不同汽化热、不同燃料混合物和/或其组合等。在一个示例中，具有不同醇含量的燃料可包括汽油、乙醇、甲醇或诸如E85(约为85％乙醇和15％汽油)或M85(约为85％甲醇和15％汽油)的醇混合物。其他包含醇的燃料可以是醇和水的混合物、醇、水和汽油的混合物等。在一些示例中，燃料系统172可包括容纳诸如汽油等液体燃料的燃料箱，并且还包括容纳诸如CNG等气体燃料的燃料箱。燃料喷射器166和170可经配置喷射来自相同燃料箱的燃料、来自不同燃料箱的燃料、来自多个相同燃料箱的燃料或来自一重叠组的燃料箱的燃料。
控制器12在图1中示出为微型计算机，包括处理器106、输入/输出端口108、用于在此特定示例中如只读存储器110所示的可执行程序和校准值的电子存储介质、随机存取存储器112、保活存储器114和数据总线。除先前讨论的那些信号以外，控制器12也可接收来自联接到发动机10的传感器的各种信号，包括来自空气质量流量传感器122的进气质量空气流量(MAF)；来自联接到冷却套筒118的温度传感器116的发动机冷却液温度(ECT)；来自联接到曲轴140的霍尔效应传感器120(或其他类型传感器)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；和来自传感器124的歧管绝对压力信号(MAP)的测量。发动机转速信号RPM可以由控制器12从信号PIP生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用于提供进气歧管中真空或压力的指示。
存储介质只读存储器110可以与计算机可读数据编程，用于执行下面所述方法以及预期的但未具体列出的其他变化，所述计算机可读数据表示可由处理器106执行的指令。图3中描述了可由该控制器执行的示例例程。
图2示出根据本公开的多气缸发动机的示意图。如图1中所述，内燃机10包括联接到进气道144和排气道148的气缸14。进气道144可包括节气门162。排气道148可包括排放控制装置178。
气缸14可被配置为气缸盖201的一部分。在图2中，气缸盖201被示出具有串联配置的四个气缸。在一些示例中，气缸盖201可具有更多或更少气缸，例如六个气缸。在一些示例中，所述气缸可布置为V配置或其他合适配置。
气缸盖201被示出联接到燃料系统172。气缸14被示出联接到燃料喷射器166和170。虽然仅一个气缸被示出联接到燃料喷射器，但是应该理解气缸盖201中包括的所有气缸14也可联接到一个或多个燃料喷射器。在此示例实施例中，燃料喷射器166被描述作为直接燃料喷射器且燃料喷射器170被描述作为端口燃料喷射器。每个燃料喷射器可经配置响应来自控制器12的命令在发动机循环中的特定时间点处输送特定数量的燃料。在每个燃烧循环过程中，可利用一个或两个燃料喷射器输送可燃的燃料到气缸14。作为发动机操作条件的函数，燃料喷射的正时和数量可被控制。下面将关于图3-9进一步讨论燃料喷射的正时和数量的控制。
燃料喷射器170被示出联接到燃料轨206。燃料轨206可联接到燃料管线221。燃料管线221可联接到燃料箱240。燃料泵241可联接到燃料箱240和燃料管线221。燃料轨206可包括多个传感器，包括温度传感器和压力传感器。类似地，燃料管线221和燃料箱240可包括多个传感器，包括温度传感器和压力传感器。燃料箱240还可包括加燃料端口。
在一些实施例中，燃料箱240可包含气体燃料，如CNG、甲烷、LPG、氢气等。在其中燃料箱240包含气体燃料的实施例中，燃料箱阀门可在燃料泵241的上游联接到燃料管线221。管线阀门可在燃料箱阀门的上游联接到燃料管线221。压力调节器可在管线阀门的上游联接到燃料管线221。燃料管线221还可联接到凝聚过滤器，并且可进一步包括在燃料轨206上游的泄压阀。
燃料喷射器166被示出联接到燃料轨205。燃料轨205可联接到燃料管线220。燃料管线220可联接到燃料箱250。燃料泵251可联接到燃料箱250和燃料管线220。燃料轨205可包括多个传感器，包括温度传感器和压力传感器。类似地，燃料管线220和燃料箱250可包括多个传感器，包括温度传感器和压力传感器。燃料箱250还可包括加燃料端口。在一些实施例中，燃料箱250可包含液体燃料，如汽油、柴油、乙醇、E85等。在其中燃料箱250包含液体燃料且燃料箱240包含气体燃料的实施例中，燃料轨205可被配置作为较高压力的燃料轨，并且燃料轨206可被配置作为较低压力燃料轨。
燃料喷射器166还被示出联接到供给管线235。供给管线235可联接到贮存器260。贮存器260可包括泵261。在一些实施例中，泵261可用抽吸器代替。供给管线235被示出直接联接到喷射器166，但可联接到燃料轨205或单独的增压室。供给管线235可联接到单独的喷射器，其可被配置作为直接喷射器或端口喷射器。
在一些实施例中，贮存器260可以是风挡刮水器流体箱、散热器冷却液箱或其他液体容纳箱。在这些示例中，贮存器260可经由额外泵或抽吸器联接到额外供给管线。贮存器260可包含流体，如乙醇、甲醇、乙醇/水或甲醇/水溶液、液体EGR、汽油等，或者可包含诸如H2、CO、气体EGR等气体。在其中贮存器260包含流体的实施例中，该流体可具有多个不同质量，包括但不限于包括不同醇含量、不同水含量、不同辛烷、不同蒸发热、不同燃料混合物、不同水含量、不同易燃极限和/或其组合等。在其中贮存器260包含气体的实施例中，燃料箱阀门可在燃料泵261的上游联接到供给管线235。管线阀门可在该燃料箱阀门的上游联接到燃料管线235。压力调节器可在该管线阀门的上游联接到燃料管线235。燃料管线235还可联接到凝聚过滤器，且可进一步包括泄压阀。燃料管线235可联接到与控制器连通的一个或多个压力传感器和/或温度传感器。
二次燃料或稀释剂的直接喷射的正时和流速可被协调，以与在所述燃烧序列期间发生的事件一致。另外，二次燃料或稀释剂的直接喷射的正时和流速可被作为发动机操作条件的函数或作为二次燃料或稀释剂的组成的函数确定。另外，根据二次燃料或稀释剂的直接喷射的正时和流速，可调节火花正时和增压压力。
图3示出描述根据本公开的方法300的流程图。方法300可由控制器12执行。方法300在305可开始于确定发动机操作条件。发动机操作条件可被测量、估计或推断出，且可包括各种车辆条件，如车辆速度，以及各种发动机操作条件，如发动机转速、发动机温度、排气温度、增压水平、MAP、MAF、转矩需求、马力需求等。确定发动机操作条件可包括确定发动机是否在高载荷条件下操作。在这里，高载荷条件可被限定为与大于下限阈值的载荷相比大于上限阈值如最大载荷的75％的载荷。
在310，该方法可包括确定该发动机是否在气体燃料模式下操作。对于仅在CNG或另一气体燃料上运行的车辆，该车辆可被假定为在气体燃料模式下操作，例如在第一气体燃料上操作，其中该第一气体燃料为CNG和甲烷中的一个或多个。对于双燃料发动机、多燃料发动机或混合动力发动机，该方法可包括确定气体燃料使用的当前速率。如果该发动机未在气体燃料模式下操作，方法300可前进到312。在312，方法300可包括保持当前喷射剖面(profile)。方法300随后可结束。如果该发动机在气体燃料模式下操作，或者如果气体燃料使用高于阈值，方法300可前进到315。
在315，方法300可包括测量或估计燃料箱中剩余气体燃料的质量和数量。燃料的数量可使用联接到包含气体燃料的燃料箱或燃料管线的压力传感器测量。燃料的质量可包括辛烷、可燃性、纯度等，并且可以由一个或多个车载传感器测量，基于测得的发动机操作条件估计，在加燃料事件处推断或确定，或者通过其他手段评估。
在320，方法300可包括作为上述讨论的条件、测量和估计的函数设置气体燃料喷射剖面。所述燃料喷射剖面可包括所喷射的燃料的数量，且可包括相对于发动机燃烧循环的燃料喷射正时。在下面并关于图4-8进一步讨论示例燃料喷射剖面。所述燃料喷射剖面又可由控制器执行，该控制器输送信号到燃料喷射器，且通过调节泵或抽吸器进一步调节燃料轨或燃料管线中气体燃料的压力。所述燃料喷射剖面可以是期望AFR的函数。例如，所喷射的燃料的数量可被增加以便通过富运行增加最大功率，或者被减小以便通过贫运行最大化燃料效率。
在325，方法300可包括测量或估计二次喷射物的质量和数量。如上面关于图2所讨论的，所述二次喷射物可以是燃料箱中包含的二次燃料源。例如，在双燃料车辆中，所述二次喷射物可以是汽油。第二液体燃料可以是甲醇溶液和乙醇溶液中的一个或多个。在一些实施例中，所述二次喷射物可以是贮存器中包含的稀释剂。例如，所述二次喷射物可以是甲醇溶液或风挡刮水器流体箱中包含的风挡刮水器流体。在一些示例中，可有多个可用的二次喷射物，例如汽油和甲醇溶液。在此类示例中，可评价所有可能的二次喷射物。可替换地，如果所述二次喷射物具有很不同的属性，一个或多个二次喷射物的数量和质量可以取决于发动机操作条件和二次喷射期望的效果进行评价。
在330，方法300可包括作为上面所讨论的条件、测量和估计的函数设置二次喷射剖面。所述二次喷射剖面可包括所喷射的燃料和/或稀释剂的数量，且可包括相对于发动机燃烧循环和相对于主燃料喷射正时的二次喷射正时。在下面且关于图4-8进一步讨论示例二次燃料喷射剖面。所述二次喷射剖面又可以由控制器执行，该控制器输送信号到燃料喷射器，且通过调节泵或抽吸器进一步调节燃料轨、燃料管线或输送管线中的燃料或稀释剂的压力。例如，稀释剂可被喷射，以增加进入燃烧室的充气密度，或者以减小离开气缸的废气的温度。稀释剂可被喷射，以改变燃烧室中的AFR。例如，所喷射的第一数量的第一气体燃料可生成具有基本化学计量AFR的发动机的操作，并且所喷射的第二数量的第二液体燃料可降低AFR到基本富AFR。在另一示例中，所喷射的第一数量的第一气体燃料可允许具有基本贫AFR的发动机的操作，并且所喷射的第二数量的第二液体燃料可降低AFR到基本化学计量AFR。注意，化学计量AFR和基本化学计量AFR可指在用于以化学计量进行发动机操作的AFR的10％以内的AFR。
在335，方法300可包括作为所述发动机条件及气体燃料和二次喷射物的喷射剖面的函数调节火花正时和增压压力。此可包括提前或延迟火花正时且增加或减小增压压力。火花正时调节和增压压力设置可由控制器实现，且其可实施查找映射，以为当前一组操作条件选择最优火花正时和增压压力。
所述燃料喷射剖面、二次喷射剖面、火花正时和增压压力可用查找映射实现，在该查找映射中，期望发动机性能质量被映射到喷射剖面和火花正时剖面且作为可用的燃料和二次喷射物的质量和数量的函数。燃料喷射剖面、二次喷射剖面、火花正时和增压压力可按顺序地确定且作为彼此的函数，或者例如通过查找映射可同时确定。例如，二次喷射剖面可被作为增压压力的函数确定。燃料喷射剖面、二次喷射剖面、火花正时和增压压力可通过反馈回路迭代地设置，且可被作为车辆速度、发动机载荷或其他发动机操作条件的函数进一步连续更新。
图4示出描述根据本公开的方法400的流程图。方法400可由控制器12执行。方法400可作为另一方法如方法300的子例程实施。特别是，方法400可在包括二次喷射物贮存器的气体燃料、双燃料或多燃料车辆例如图2中所述的系统中实施。方法400可被执行作为减轻发动机爆震的例程、最大化比功率的例程或控制发动机点火循环的例程的一部分。方法400将在这里参照包括涡轮增压CNG发动机和水、甲醇溶液或乙醇溶液的贮存器的车辆进行描述，但应该理解该方法可在其他车辆中实施而不背离本公开的范围。
方法400可在405开始于确定发动机操作条件。发动机操作条件可以被测量、估计或推断，且可包括各种车辆条件，如车辆速度，以及各种发动机操作条件，如发动机转速、发动机温度、排气温度、增压水平、MAP、MAF、转矩需求、马力需求等。在410，方法400可包括确定是否同时检测发动机爆震，或者操作条件是否预期发动机爆震发生，除非一个或多个发动机参数被改变。例如，发动机爆震可由爆震传感器检测。在一些示例中，发动机爆震可作为气缸压力、气缸温度、发动机操作条件、燃料质量等的函数被预期。
如果未检测或预期发动机爆震，方法400可前进到415。在415，方法400可包括确定当前转矩需求或当前马力需求是否大于阈值。该阈值可以是确定的值，或者可以作为当前发动机操作条件的函数被计算。在一些示例中，可以预测或预期转矩或马力需求的增加，例如，车载GPS可感测接近的倾斜，该接近的倾斜将吸取增加的转矩或马力以保持当前车辆速度。
如果当前转矩和马力需求小于阈值，方法400可前进到420，其中该方法可包括保持当前喷射剖面。在已经保持当前喷射剖面时，方法400可结束。
如果当前转矩和/或马力需求大于阈值，方法400可前进到425。在425，方法400可包括确定期望AFR。例如，转矩需求的增加可指示AFR可从当前AFR减小且朝向富燃烧比偏置。在430，方法400可包括设置端口燃料喷射剖面。该端口燃料喷射剖面可包括端口喷入进气歧管的气体燃料的正时和数量。
在435，方法400可包括设置二次喷射剖面以最大化比功率。例如，比功率可以通过在气体燃料的端口喷射之后且在火花点火之前直接喷射一定数量的二次喷射物最大化。图5中描述了示例喷射剖面。
图5示出相对于发动机燃烧循环的用于端口燃料喷射和二次喷射剖面的示例正时曲线图。曲线510表示一个气缸的活塞位置，该气缸经历包括进气、压缩、动力和点火冲程的四冲程发动机循环。该曲线图可被视为无限地循环。在此示例中，排气门在时间点t7处打开且在时间点t2处关闭。进气门在时间点t1处打开且在时间点t3处关闭。火花点火在时间点t5处发生。火花点火被示出在活塞到达上止点(TDC)之前的几度处发生，但可根据发动机操作条件提前或延迟。
正时曲线图501被示出用于设置喷射剖面以最大化比功率，如上面关于图4所述。正时曲线图501包括喷射剖面A和喷射剖面B。喷射剖面A是用于端口喷射CNG的端口喷射剖面。喷射剖面B是用于直接喷射诸如水或甲醇溶液的二次喷射物的直接喷射剖面。方框520表示CNG的端口喷射。在此示例中，CNG的端口喷射在进气冲程期间的时间点(t0)处开始，但在进气门在t1处打开之前。方框525表示甲醇溶液的直接喷射。在此示例中，甲醇溶液的直接喷射在压缩冲程期间的时间点(t4)处发生，但在火花点火之前。以这种方式，可以以化学计量或富AFR端口喷射CNG。以这种方式，在火花点火之前甲醇溶液的喷射可降低有效AFR且允许有比单独CNG更富的燃烧。CNG/甲醇溶液的富燃烧可允许响应增加的转矩或马力需求而最大化发动机的比功率。
在这里，以化学计量(或化学计量的)AFR操作发动机可指AFR是随时间基本化学计量的。例如，发动机可在化学计量比的5％内操作且可被视为是化学计量的，或者AFR可在高于化学计量AFR和低于化学计量AFR的5％内振荡，且对于本公开目的，可被视为是化学计量的。
以富AFR操作发动机可指AFR比如上所述化学计量AFR更富。发动机可随时间在两个富AFR之间振荡，并且只要没有偏移到贫AFR，可被视为以基本富AFR操作。
类似地，以贫AFR操作发动机可指AFR比如上所述化学计量AFR更贫。发动机可随时间在两个贫AFR之间振荡，并且只要没有偏移到富AFR，可被视为以基本贫AFR操作。
返回到图4，如果在410检测或预期到发动机爆震，方法400可前进到450。在450，方法400可包括确定当前转矩需求或当前马力需求是否大于阈值。如上所述，所述阈值可以是预定值，或者可以作为当前发动机操作条件的函数进行计算。在一些示例中，可以预测或预期转矩或马力需求的增加。
如果确定当前转矩和/或马力需求大于阈值，方法400可前进到455。在455，方法400可包括确定期望AFR。例如，如果发动机正在爆震或将要爆震，且要求低转矩需求，贫AFR可以是期望的。在460，方法400可包括设置端口燃料喷射剖面。该端口燃料喷射剖面可包括要端口喷入进气歧管的气体燃料的正时和数量。
在465，方法400可包括设置二次喷射剖面，以实现化学计量AFR。例如，在点火之后和在动力冲程期间，可喷射甲醇溶液，以降低气缸内的AFR。
在图5中由正时曲线图502描述用于上述条件的示例喷射剖面。正时曲线图502包括喷射剖面C和喷射剖面D。喷射剖面C是用于端口喷射CNG的端口喷射剖面。喷射剖面D是用于直接喷射诸如水或甲醇溶液的二次喷射物的直接喷射剖面。方框530表示CNG的端口喷射。在此示例中，CNG的端口喷射在进气冲程期间的时间点(t0)处开始，但在进气门在t1处打开之前。在此示例中，方框530表示将引起贫燃烧AFR的CNG数量。方框535表示甲醇溶液的直接喷射。在此示例中，甲醇溶液的直接喷射在动力冲程期间的时间点(t6)处在火花点火之后发生。以此方式，CNG可以贫AFR进行端口喷射，以避免发动机爆震，并且甲醇溶液可被直接喷射，以在燃烧过程中控制AFR为基本化学计量的。
返回到图4，在450，如果确定当前转矩和/或马力需求大于阈值，方法400可前进到475。在475，方法400可包括确定期望AFR。例如，如果发动机正在爆震或将要爆震，且要求高转矩需求，富AFR可以是期望的。在480，方法400可包括设置端口燃料喷射剖面。该端口燃料喷射剖面可包括要端口喷入进气歧管的气体燃料的正时和数量。
在485，方法400可包括设置二次喷射剖面，以降低燃烧温度。例如，在燃烧之后且在排气冲程期间，可喷射甲醇溶液，以降低离开气缸的排气的温度。
在图5中由正时曲线图503描述用于上述条件的示例喷射剖面。正时曲线图503包括喷射剖面E和喷射剖面F。喷射剖面E是用于端口喷射CNG的端口喷射剖面。喷射剖面F是用于直接喷射诸如水或甲醇溶液的二次喷射物的直接喷射剖面。方框540表示CNG的端口喷射。在此示例中，CNG的端口喷射在进气冲程期间的时间点(t0)处开始，但在进气门在t1处打开之前。在此示例中，方框540表示将引起化学计量的或富燃烧AFR的CNG数量。方框545表示甲醇溶液的直接喷射。在此示例中，甲醇溶液的直接喷射在排气冲程期间的时间点(t4)处发生，但在排气门的打开之前。以这种方式，可以以化学计量的或富AFR端口喷射CNG，以最大化发动机功率，并且可直接喷射甲醇溶液，以冷却燃烧气缸的温度和伴随的离开燃烧气缸的废气，从而减轻发动机爆震。在一些示例中，甲醇溶液的直接喷射可与排气门的打开重叠，或者可以在排气门的打开之后开始。甲醇溶液的多个直接喷射可在发动机循环期间发生。例如，第一喷射可在时间点t4处发生，接着第二喷射发生在时间点t7处。以这种方式，可最大化发动机比功率，同时保持发动机温度低于阈值且同时也减轻发动机爆震。
返回到图4，当端口喷射剖面和二次喷射剖面已被设定时，方法400前进到490。在490，方法400可包括调节火花正时和/或调节增压压力。
端口喷射剖面、二次喷射剖面、火花正时和增压压力可以用查找映射实施，在查找映射中发动机性能质量被映射到喷射剖面和火花正时剖面且作为可用燃料和二次喷射物的质量和数量的函数。燃料喷射剖面、二次喷射剖面、火花正时和增压压力可按顺序确定且作为彼此的函数，或者可以例如通过查找映射被同时确定。例如，二次喷射剖面可作为增压压力的函数被确定。燃料喷射剖面、二次喷射剖面、火花正时和增压压力可通过反馈回路迭代地设置，且可被进一步作为车辆速度、发动机载荷、期望AFR、发动机爆震或其他发动机操作条件的函数连续地更新。
图6示出描述根据本公开的方法600的流程图。方法600可由控制器12执行。方法600可作为另一方法例如方法300的子例程实施。特别是，方法600可在包括二次喷射物贮存器的气体燃料、双燃料或多燃料车辆例如图2中所述的系统中实施。方法600可被执行作为减轻发动机爆震的例程、最大化比功率的例程或控制发动机点火循环的例程的一部分。方法600将在这里参照包括涡轮增压CNG发动机和可容纳多个具有不同性质的二次喷射物之一的贮存器的车辆进行描述，但应该理解该方法可在其他车辆中实施而不背离本公开的范围。
方法600可在610开始于确定发动机操作条件。发动机操作条件可被测量、估计或推断出，且可包括各种车辆条件，如车辆速度，以及各种发动机操作条件，如发动机转速、发动机温度、排气温度、增压水平、MAP、MAF、转矩需求、马力需求等。
在620，方法600可包括确定发动机温度是否大于阈值。该阈值可以是预定温度，或者可以作为发动机操作条件的函数被确定。在一些实施例中，排气温度可以与除了或代替发动机温度的阈值进行比较。如果发动机温度低于该阈值，方法600可移动到630。在630，方法600可包括保持当前喷射剖面。在当前喷射剖面已被保持时，方法600可以结束。
如果发动机温度高于该阈值时，方法600可前进到640。在640，方法600可包括测量或估计储备流体的质量。如上面关于图2和图3讨论的，二次喷射物可以是燃料箱中包含的二次燃料源。例如，在双燃料车辆中，二次喷射物可以是汽油。在另一示例中，二次喷射物可以是贮存器中包含的稀释剂。例如，二次喷射物可以是挡风玻璃清洗器流体箱中包含的甲醇溶液。在一些示例中，可以有多个二次喷射物可用，例如汽油和甲醇溶液。在此类示例中，可以评价所有可能的二次喷射物。可替换地，如果二次喷射物具有很不同的性质，可以根据发动机操作条件和二次喷射的期望效果评价一个或多个二次喷射物的数量和质量。
在650，方法600可包括将储备流体的可燃性与阈值比较。如果储备流体具有的可燃性低于该阈值，方法600可前进到660。在660，方法600可包括调节喷射剖面，以在10％燃烧时间处喷射一定数量的储备流体。换句话说，具有低可燃性的二次喷射物可在火花点火之后的预定时间处喷射。
如果储备流体具有的可燃性高于该阈值，方法600可前进到670。在670，方法600可包括调节喷射剖面，以在火花点火之前喷射一定数量的储备流体。换句话说，具有高可燃性的二次喷射物可以在火花点火之前的预定时间处喷射。
当喷射剖面作为二次喷射物可燃性的函数已被调节，方法600可前进到680。在680，方法600可包括调节火花正时和/或调节增压压力。
二次喷射剖面、火花正时和增压压力可以用查找映射实施，在查找映射中期望发动机性能质量被映射到喷射剖面和火花正时剖面且作为可用燃料和二次喷射物的质量和数量的函数。二次喷射剖面、火花正时和增压压力可以按顺序确定且作为彼此的函数，或者可以例如通过查找映射被同时确定。二次喷射剖面、火花正时和增压压力可以通过反馈回路迭代地设置，且可作为车辆速度、发动机载荷、期望AFR、发动机爆震或其他发动机操作条件的函数被进一步连续更新。
例如，二次喷射的正时可作为增压压力的函数被调节。对于具有相对低可燃性的二次喷射物，火花点火之后二次喷射的正时可以与增压压力成反比。换句话说，在高增压压力下，该正时可被调节比较低增压压力更接近火花点火，其中喷射的正时可进一步来自于火花点火。
图7示出相对于发动机燃烧循环的用于端口燃料喷射和二次喷射剖面的示例正时曲线图700。曲线710表示用于一个气缸的活塞位置，该活塞经历包括进气、压缩、动力和点火冲程的四冲程发动机循环。该曲线图可被视为无线地循环。在此示例中，排气门在时间点t7处打开且在时间点t2处关闭。进气门在时间点t1处打开且在时间点t3处关闭。火花点火在时间点t5处发生。火花点火被示出在活塞到达上止点(TDC)之前的几度处发生，但可根据发动机操作条件提前或延迟。
喷射曲线701被示出用于设置具有低可燃性的二次喷射物的喷射剖面，如上面关于图6所述。正时曲线图701包括喷射剖面A和喷射剖面B。喷射剖面A是用于喷射CNG的端口喷射剖面。喷射剖面B是用于直接喷射诸如水或甲醇溶液的具有低可燃性的二次喷射物的直接喷射剖面。方框720表示CNG的端口喷射。在此示例中，CNG的端口喷射在进气冲程期间的时间点(t0)处开始，但在进气门在t1处打开之前。方框725表示甲醇溶液的直接喷射。在此示例中，甲醇溶液的直接喷射在动力冲程期间的时间点(t6)处发生，在火花点火且在10％燃烧时间之后。以这种方式，火花点火之后甲醇溶液的喷射可降低有效AFR且允许比单独CNG更富的燃烧。通过在时间t6处喷射甲醇溶液，甲醇溶液的较差可燃性不影响火焰中心的建立。由燃烧事件所做的膨胀功可增加，且排气的温度可减小。在一些示例中，喷射正时可以与流体燃料或稀释剂的可燃性减少成比例地延迟，而喷射时间点是在火焰中心形成之后。甲醇溶液的喷射正时可在火花点火和TDC之间发生。以这种方式，CNG/甲醇溶液的富燃烧可允许最大化发动机的比功率，以响应于增加的转矩或马力需求，同时也通过减小最大燃烧温度减轻发动机爆震。
喷射曲线图702被示出用于设置具有高可燃性的二次喷射物的喷射剖面，如上面关于图6所述。正时曲线图702包括喷射剖面C和喷射剖面D。喷射剖面C是用于端口喷射CNG的端口喷射剖面。喷射剖面D是用于直接喷射诸如H2、CO或汽油的具有高可燃性二次喷射物的直接喷射剖面。方框730表示CNG的端口喷射。在此示例中，CNG的端口喷射在进气冲程期间的时间点(t0)处开始，但在进气门在t1处打开之前。方框735表示汽油的直接喷射。在此示例中，在火花点火之前，汽油的直接喷射在压缩冲程期间的时间点(t4)处发生。以这种方式，火花点火之前的汽油喷射可降低有效的AFR且允许比单独的CNG更富的燃烧。CNG/汽油的富燃烧可允许最大化发动机的比功率，以响应于增加的转矩或马力需求，同时也通过减小最大燃烧温度减轻发动机爆震。
图8示出描述根据本公开的方法800的流程图。方法800可由控制器12执行。方法800可作为另一方法例如方法300的子例程实施。特别是，方法800可在包括二次喷射物贮存器的气体燃料、双燃料或多燃料车辆例如图2中所述的系统中实施。方法800可被执行作为减轻发动机爆震的例程、最大化比功率的例程或控制发动机点火循环的例程的一部分。方法800将在这里参照包括涡轮增压CNG发动机和可容纳甲醇或乙醇溶液的贮存器的车辆进行描述，但应该理解该方法可在其他车辆中实施而不背离本公开的范围。
方法800可在805开始于确定发动机操作条件。发动机操作条件可被测量、估计或推断出，且可包括各种车辆条件，如车辆速度，以及各种发动机操作条件，如发动机转速、发动机温度、排气温度、增压水平、MAP、MAF、转矩需求、马力需求等。
在810，方法800可包括测量或估计储备箱中容纳的二次喷射物的醇量。例如，醇百分比可作为储备箱中蒸气压和流体体积的函数被测量，或者可根据诸如风挡刮水器流体的商品的质量进行估计。
在815，方法800可包括确定可用二次喷射物的喷射实现的AFR的值作为二次喷射物的醇百分比的函数。此值可被称为AFR_add_capability。二次喷射物可用于允许比用单独CNG更富的AFR燃烧。用于CNG+喷射物的燃烧剖面和最大AFR可作为二次喷射物的醇百分比的函数被确定。例如，100％甲醇具有非常宽的AFR窗口，而20％甲醇具有较窄的AFR窗口。
在820，方法500可包括测量气缸中的气门温度。此可包括测量气门或气门座的温度，或根据发动机条件，如排气温度，估计气门温度。可对进气门、排气门或两者测量或估计气门温度。可对多气缸发动机的每个气门测量或估计气门温度，或者对整个发动机测量或估计气门温度。
在825，方法800可包括确定在820测量或估计的气门温度是否大于阈值。该阈值可作为当前发动机操作条件的函数被确定，或者进行计算。如果该气门温度不高于该阈值，方法800可前进到830。在830，方法800可包括保持最小储备喷射率。该最小储备喷射率可以是储备流体的质量如储备流体的醇百分比的函数。最小储备喷射率可被设置为能够在燃烧循环过程中产生最小数量的烟灰以便充当排气门润滑剂的最小速率。
如果气门温度高于该阈值，方法800可前进到840。在840，方法800可包括作为气门温度的函数确定所要求的冷却温度。期望的冷却温度可在这里被称为cooling_temp_des，且可以是维持气门温度在作为当前发动机操作条件的函数的阈值温度以下的某一值所要求的温度。
在845，方法800可包括确定期望AFR。期望AFR可在这里被称为AFR_des，且可以是AFR_add_capability、cooling_temp_des和其他发动机操作条件的函数。AFR_des的值可被设定为能够实现富燃烧和较低燃烧温度的AFR。
在850，方法800可包括作为发动机操作条件的函数确定实现AFR_des所需的二次喷射率。该二次喷射率可在这里被称为mass_rate_fluid_des，且可以是储备流体的醇百分比的函数以及AFR_add_capability、cooling_temp_des、发动机转速、发动机载荷和其他发动机操作条件的函数。
在855，方法800可包括调节储备喷射率，以便该喷射率是mass_rate_fluid_des的函数。该喷射率可被无限地调节，或被命令调节直到气门温度已减小低于阈值。
当喷射剖面作为二次喷射物可燃性的函数已被调节时，方法800可前进到860。在860，方法800可包括调节火花正时和/或调节增压压力。
储备喷射剖面、火花正时和增压压力可以用查找映射实施，在查找映射中期望发动机性能质量被映射到喷射剖面和火花正时剖面且作为可用的燃料和储备喷射物的质量和数量的函数。储备喷射剖面、火花正时和增压压力可按顺序确定且作为彼此的函数，或者可以例如通过查找映射被同时确定。例如，二次喷射剖面可作为增压压力的函数被确定。储备喷射剖面、火花正时和增压压力可通过反馈回路迭代地设置，且可作为车辆速度、发动机载荷、期望AFR、发动机爆震或其他发动机操作条件的函数被进一步连续更新。
图9示出描述根据本公开的方法900的流程图。方法900可由控制器12执行。方法900可作为另一方法例如方法300的子例程实施。特别是，方法900可在包括二次喷射物贮存器的气体燃料、双燃料或多燃料车辆例如图2中所述系统中实施。方法900可被执行作为减轻气门衰退的例程的一部分。
气门磨损和气门座衰退是发动机气门随时间和操作的劣化。高温及气门的重复打开和关闭可以劣化气门和气门座之间的接口，导致不合适的气门坐落。气门磨损在经历来自废气的最高热吸收的排气门中最明显。
在天然气发动机中，由于与液体碳氢化合物燃料相比较高的天然气比热，气门磨损增加。CNG发动机也经历相对完全的燃烧，造成低的烟灰产生速率以提供排气门润滑、绝热或微型焊接。天然气发动机中减小的碳氢化合物含量和燃烧完全也有助于防护烟灰产生的缺乏。
为天然气燃料操作改装的发动机特别容易遭受气门磨损，因为它们可能不被设计来维持增加的CNG操作温度。预先存在的润滑方法对于CNG操作也是不足够的。另外，部分燃烧的碳氢化合物可产生烟灰，以绝缘和润滑发动机气门和气门座。因此，当液体燃料用作二次喷射物时，本实施例的保护性益处增加。
方法900将在这里参照包括涡轮增压CNG发动机和可容纳甲醇或乙醇溶液的贮存器的车辆进行描述，但应该理解该方法可在其他车辆中实施而不背离本公开的范围。方法900可在862开始于确定发动机操作条件。发动机操作条件可被测量、估计或推断出，且可包括各种车辆条件，如车辆速度，以及各种发动机操作条件，如发动机转速、发动机温度、排气温度、增压水平、MAP、MAF、转矩需求、马力需求等。操作条件还可包括当前AFR和被喷入发动机的NG与二次喷射物的当前值(Gas_Split)。喷入发动机气缸的空气质量也可被确定且将在下文中称为Air_Mass。
在864，方法900可包括测量和估计发动机气门的温度。气门温度(Valve_Temp)可使用位于该气门上或气门附近的温度传感器直接测量。也可从其他操作条件，如发动机载荷、转速，或在诸如排气系统的发动机系统的另一部分中输出的温度传感器推断出。
在866，期望AFR可根据当前气门温度确定。该AFR可被确定，以便保持气门温度在期望的操作范围内。此范围可对应于引起气门衰退或发动机爆震的发动机温度。
在其他实施例中，如果气门温度不高于阈值，(未示出)该方法可在864之后终止。当气门温度处于或接近过热阈值时，可因此添加二次喷射物。
在868，可确定期望AFR是否高于阈值。此阈值可对应于在该方法的最后重复中确定的期望AFR。换句话说，如果期望的AFR丰富度增加，则满足该阈值；如果期望的AFR丰富度保持相同或减小，则不满足该阈值。该阈值也可对应于单独经由天然气或经由当前喷射的天然气和二次喷射物的比可以实现的AFR。如果期望的AFR不可用当前天然气与可用二次燃料喷射物实现，则满足该阈值。当前AFR可以是在862处测量的操作条件之一。
如果该阈值得到满足，可在870处增加Gas_Split比；如果该阈值未得到满足，可减小Gas_Split比。注意方法900可在发动机操作过程中或在发动机操作开始时起动，且可在整个发动机操作中循环。方法900的第一迭代可使用Gas_Split的预定值，以便当该方法达到870和872时，Gas_Split可从此预定Gas_Split值增加或减小。该预定值可以是零。另外，此预定值可在步骤870之前由控制系统确定，且可以是在866处发现的期望AFR的函数。
在874，可以确定二次喷射物的质量。二次喷射物可以是气体。要喷射的质量可与在870或872处确定的Gas_Split比以及在862确定的Air_Mass成正比，且可与期望的AFR丰富度成反比。在876，可确定要喷入发动机的CNG量。此可与气体分流比和作为Air_Mass的一之间的差成正比，且可与期望的AFR成反比。然后，方法900可以重复。
二次喷射物可用于允许比单独用CNG更富的AFR燃烧。CNG+喷射物的燃烧剖面和最大AFR可被作为二次喷射物的醇百分比的函数确定。例如，100％甲醇具有非常宽的AFR窗口，而20％甲醇具有较窄的AFR窗口。较富的AFR和因此较冷的发动机操作可有助于减轻气门磨损。
在一些实施例中，发动机可具有天然气箱和汽油箱。在经设计用天然气使发动机坚固的改装发动机中，汽油箱和输送系统可适于喷射汽油到改装的发动机中。在实施例中，期望的AFR可被确定以响应于操作条件和载荷需求以及发动机气门温度。发动机气门温度可基于由控制系统获取的诸如发动机载荷和转速的信息直接测量或确定。在一些实施例中，AFR可以是气门温度而不是期望的转矩、发动机转速或发动机载荷的函数。AFR可以通过协调喷入气缸的天然气、汽油和空气的量实现。在一些实施例中，对于给定AFR，所协调的AFR可通过最小化输送到发动机的汽油量最大化燃料效率。其他实施例可使用替代天然气与汽油比，以实现例如加强的烟灰产生或减小的发动机爆震。
期望的AFR可被确定以响应于气门和/或气门座温度。气门温度可以是发动机载荷和转速的函数，或者可以由发动机或排气系统内的一个或多个传感器测量。
图10示出根据本公开的多气缸发动机的示意图。在此示例中，二次喷射物可包括高度可燃的燃料源，如一氧化碳和/或氢。内燃机10包括联接到进气道144的气缸14和双排气道148和149。进气道144可包括节气门162。排气道148可包括排放控制装置178。
气缸14可被配置作为气缸盖201的一部分。在图10中，气缸盖201被示出分别具有四个气缸的两排。所述排的气缸沿两个气缸盖组以V形配置布置。在一些示例中，气缸盖201可具有更多或更少气缸，例如六个气缸。在一些示例中，所述气缸可以以串联配置或另一合适配置布置。
气缸盖201联接到燃料系统。气缸14被示出联接到燃料喷射器166。在此示例实施例中，燃料喷射器166被描述作为直接燃料喷射器。每个燃料喷射器可经配置响应来自控制器12的命令，在发动机循环中的具体时间点处输送具体数量的燃料。在每个燃烧循环期间可利用该燃料喷射器来输送可燃燃料到气缸14。如前面所讨论，燃料喷射的正时和数量可作为发动机操作条件的函数进行控制。
燃料喷射器166可联接到燃料轨，燃料轨可联接到燃料管线。该燃料管线可联接到燃料箱。在一些实施例中，该燃料箱可包含气体燃料，如CNG、甲烷、LPC、氢气等。
进气道144可具有位于其中的空气过滤器161。节气门162可控制空气流动到发动机中。该进气道可分支成两个不同通道，且可联接到节气门162和/或可各自具有位于其中的相应节气门。
每个进气道可联接到可压缩进气的压缩机。每个压缩机可从位于排气道148内的涡轮机147接收动力。一些实施例可具有一个进气道和一个或多个压缩机，所述一个或多个压缩机从一个或多个涡轮机接收动力。
额外节气门可位于压缩机123的下游，以控制冷凝空气流入发动机中。进气道144的一个或多个分支可联接到增压空气冷却器(CAC)。在其他实施例中，每个分支可具有相应的增压空气冷却器。进气道的分支可在CAC的上游汇合，或者它们都可布置在CAC的单独入口处。可选地，每个分支可具有相应的不同CAC。
增压空气冷却器可经由一个或多个通道联接到用于输送到气缸14的发动机的进气歧管。阀29可联接在所述气缸之间，以控制气流到发动机中。气缸14可通过使用任何前述方法进行操作。
废气可经由联接到气缸的排气门和排气歧管离开气缸14。在所示的双组气缸配置中，第一行气缸可联接到排气歧管的第一侧，且第二行的气缸可联接到排气歧管149的第二侧。排气歧管149的第一侧和第二侧可以是分开的，或者可以在排气歧管149的下游分支。
排气歧管149的第一侧可联接到重整通道131。传感器122可位于排气道内，且可与控制器传递温度、压力、一氧化碳、湿度、氧等。传感器122还可与控制器一起使用来确定通过发动机的空气的质量。涡轮机147可联接到重整通道131。涡轮机147可提供动力至压缩机123用于发动机涡轮增压。阀135可控制排气流入涡轮机中。
在涡轮机147的下游，排气道可分支成两个或更多路径。第一路径可联接到排放控制装置178，如催化剂，其可直接或间接联接到消声器或排气管。第二分支可联接到重整催化剂179。重整催化剂179可具有用于经由喷射管181的CNG喷射的入口。喷射管181可联接到包含一定量CNG的箱，该箱可以是或可以不是提供CNG到发动机用于燃烧的相同箱。该箱还可联接到具有不同碳氢化合物燃料位于其中的箱。可进一步联接其到提供CNG到发动机10的燃料轨。换句话说，喷射管181可联接重整催化剂179到第一气体燃料源，该第一气体燃料源为发动机10提供燃料。喷射管181可交替地联接重整催化剂179到第三气体燃料源，该第三气体燃料源可以是或可以不是为除了提供气体燃料到重整催化剂179之外的目的而提供。
重整催化剂179可经由阀183联接到EGR冷却器，该阀183可由控制系统致动，以允许一定量重整的废气经由EGR冷却器185到进气系统中。位于重整通道内的一个或多个传感器122可与控制系统连通。重整通道131可设置在进气道144上。此为低压实施例，其中重整通道在涡轮机147的下游联接到排气道，且在压缩机的上游设置到进气道144中。
在替代高压实施例中，重整通道可在涡轮机的上游和/或压缩机的下游联接到排气道。在进一步的实施例中，重整通道可被具体化为端口喷射器或直接喷射器。在这些实施例中，重整通道可经由喷射阀直接联接到发动机10或气缸14。
注意此系统可与所公开的前述方法和系统中的任何一个结合使用。离开重整催化剂179的重整废气应该被理解为二次喷射物和/或二次燃料源。因此，在示例中，重整通道131可被理解为包含气体燃料的燃料箱的实施例。因此，重整排气的喷射可由例程方法300或900控制。
低压EGR系统133可经由第二排气道148联接到排气歧管149的第二侧。排气道148可包括阀135，以测量进入涡轮机147的废气量。涡轮机147可由压缩机123联接和供电。EGR路径可从排放控制装置178上游的排气道分支，该排放控制装置178可联接到消声器或排气管。EGR系统133也可联接到EGR冷却器和一个或多个阀，以控制EGR流入进气系统中。EGR系统可在压缩机123的上游联接到进气系统。在高压EGR系统中，EGR系统133可在涡轮机147的上游或下游及压缩机123的上游或下游联接到排气道。该排气道和/或EGR系统可包括与控制系统连通的一个或多个传感器，其可测量湿度、温度、压力、一氧化碳、氧等。
其他实施例可以不包括EGR系统。又进一步的实施例可联接重整通道131直接到EGR路径，以便转入重整通道的废气来自将经由EGR再循环的一定量的排气。在又进一步的系统中，重整通道可具有联接到排气道的入口和联接到EGR系统的出口。该出口可位于EGR冷却器的上游。
二次喷射物的直接喷射的正时和流速可被协调以与在燃烧顺序过程中发生的事件一致。注意，二次喷射物可以是稀释剂或二次燃料。另外，二次喷射物的直接喷射的正时和流速可作为发动机操作条件的函数或作为二次喷射物的组成的函数被确定。另外，火花正时和增压压力可根据二次喷射物的直接喷射的正时和流速调节。
重整催化剂179可被具体化为蒸气重整催化剂。一些有利的实施例可使用碳化钙催化剂。在高温下，蒸气重整催化剂可催化甲烷(CH4)和蒸气(H2O)重整为一氧化碳和气态氢。两者都具有比甲烷更高的AFR范围和烟灰产生速率。当甲烷富含CO和H2时，AFR丰富度操作极限会增加。这允许更富的燃烧且更冷燃烧。这种高度可燃混合物可被称为合成气，且可在700-1100℃(1300-2000℉)之间的温度下在蒸气重整催化剂内产生。
蒸气可经由热废气提供，该热废气往往富含水蒸气。对于增加的蒸气产生，额外蒸气可使用水或刮水器流体进行喷射。甲烷可经由用于CNG发动机中发动机操作的CNG提供。
蒸气重整催化剂179可包括位于其中的单块基底或高表面积载体板。该基底或载体板可以以活性涂层涂覆，该活性涂层可包含金属氧化物。因此，穿过重整催化剂179的CNG和EGR气体可接触金属氧化物涂层。该金属氧化物涂层可包括过渡金属氧化物，如氧化镍、氧化铜、氧化锌、氧化锰、钼、氧化铬、氧化钒、氧化钛、氧化铁、氧化钴、氧化钨、氧化锆、氧化铝、氧化铈、氧化镨或氧化钕。在一些实施例中，该基底或板可进一步包括高度分散在该基底或载体板上的贵金属，如铂、钯、铑、钌、金或银。在一些有利的实施例中，重整催化剂可以是碳化钙催化剂。
废气可保持在有助于加强蒸气重整的给定丰富度或百分比H2/CO。再循环到重整通道中的排气可保持接近10％丰富或保持在化学计量。再循环到重整路径的废气也可保持在12％的H2/CO浓度。发动机可在重整条件下以进气丰富度的水平操作，以提供废气期望丰富度。另外，当废气在一定丰富度或H2/CO范围内时，可打开允许废气进入重整系统的阀。此可以由一个或多个氧、一氧化碳、湿度或温度传感器确定。
另外，当发动机在温度范围内操作时，废气可穿过重整系统。这可以由温度传感器在发动机或排气歧管内确定。当发动机处于预定温度阈值最小值时，联接重整通道到排气道的阀可打开。此最小值可以在排气系统内为700℃，在重整通道内为400℃。另外，温度传感器可位于重整通道内。当温度达到温度阈值最大值时，该重整通道可与排气系统断开。这可以是在重整通道内、在发动机内或在排气歧管内的最大值。此最大值可以在排气系统内为1100℃，在重整通道内为700℃。
图11示出描述根据本公开的方法1000的流程图。方法1000可以由控制器12执行。方法1000可以作为另一方法如方法300的子例程实施。特别是，方法1000可在包括二次喷射物贮存器的气体燃料、双燃料或多燃料车辆如图2中所述系统中实施。方法1000可被执行作为减轻气门衰退或发动机爆震的例程的一部分。
方法1000还可在如图10中所述的发动机系统中实施。另外，方法1000可用于任何系统上，其中AFR操作极限通过添加二次燃料源增加，该二次燃料源作为一定量的诸如CNG的第一气体燃料源的函数产生。兼容系统的非限制性示例可包括重整装置，该重整装置经由一个反应重整CNG为二次喷射物，该反应包括一个或多个额外反应物或催化剂。例如，方法1000可控制一定量的喷入蒸气重整催化剂的CNG在其中具有EGR量的EGR系统内。该蒸气重整催化剂可进一步包括一定量的金属氧化物。下面的描述可涉及一种系统，该系统包括使用CNG喷射作为第一气体燃料源的重整催化剂。CNG可与一定量的EGR气体反应，以形成二次喷射物。更具体地，CNG可包括甲烷，EGR可包含一定量的H2O，且二次喷射物可以是称为合成气的H2和CO的组合。该反应可通过下列等式：CH4+H2O->CO+3H2描述。
方法1000可开始于确定发动机操作条件。在880，发动机操作条件可被测量、估计或推断出，且可包括各种车辆条件，如车辆速度，以及各种发动机操作条件，如发动机转速、发动机温度、排气温度、增压水平、MAP、MAF、转矩需求、马力需求等。操作条件还可包括正喷入发动机的二次燃料/喷射物的当前AFR和当前量。其可进一步包括正喷入二次燃料源(即重整催化剂)的CNG的当前量(CNG_Mass)、由二次燃料提供的额外AFR的量(AFR_From_H2CO)和喷入进气系统的二次燃料与EGR的当前百分比。
在882，方法1000可包括测量或估计发动机气门的温度。气门温度(Valve-Temp)可使用位于该阀之上或附近的温度传感器直接测量。也可从诸如发动机载荷、转速的其他操作条件或在诸如排气系统的发动机系统的另一部分中输出的温度传感器推断出。
在884，期望的AFR可基于当前气门温度确定。该AFR可被确定，以便保持发动机或气门温度在期望的操作范围内。此范围可对应于引起例如气门衰退或发动机爆震的发动机温度。
在其他实施例(未示出)中，如果气门温度或发动机温度不高于阈值，该方法可在882之后终止。当该系统处于或接近过热阈值时，可因此添加二次燃料。
在886，确定由二次喷射物的添加所需要的额外AFR的量。该二次喷射物还可指燃料，且可包括例如H2和CO。注意，对于本公开的目的，二次燃料和二次喷射物可指相同物质和/或可以被可交换地使用。由二次喷射物的条件所需要的额外AFR的量可以是当前AFR减去期望的AFR。注意，当前的AFR可以使用一定量的二次喷射物实现，因此该当前AFR不一定指从单独CNG燃烧实现的AFR量。
来自H2和CO的期望额外AFR可随后与阈值进行比较。如果来自H2和CO的AFR被发现高于阈值，则每质量再循环到进气的EGR的H2和CO百分比会增加。换句话说，如果当前AFR比期望AFR更高，则发动机比期望AFR更贫运行，因此可为更富操作增加H2和CO百分比。可选地，如果当前AFR比期望AFR更小，则发动机比期望AFR更富运行，且输送到发动机的H2和CO百分比可以增加。在一些实施例中，该阈值可因此为零。
在一些实施例中，如果来自H2和CO的AFR低于阈值，H2和CO百分比可以减小到零，以便无CNG喷入重整器中。此可以是有利的，以便当阀冷却或发动机爆震消减是不必要的时候用最大效率操作。
在又进一步实施例中，经由二次喷射物的期望额外AFR可作为当前AFR和期望AFR的函数被计算，且可以不受阈值或期望的主导额外AFR影响。每EGR质量的二次喷射物百分比可被类似地作为期望的额外AFR的函数计算；因此，不可以从主导值增加或减小，但相反，在方法1000的每次迭代时独立地计算。
输送到重整装置的CNG的质量可在894确定，以实现在890或892确定的H2和CO百分比。要喷入重整器的CNG的质量可以是所确定的H2和CO百分比、正输送到进气系统的EGR质量、发动机转速和发动机载荷的函数。由重整装置产生的H2和CO百分比取决于喷入该重整装置的CNG的质量。在896，在894确定的所述质量的CNG可喷入该重整装置中。该过程可以在发动机操作的持续时间内重复。输送到重整器的CNG可以是第一气体燃料源，该第一气体燃料源也提供CNG给发动机用于燃烧。在替代实施例中，可以是第三气体燃料源，该第三气体燃料源可以为提供第三气体燃料源给重整催化剂的目的提供。
图12示出根据本公开的燃烧气缸14的示意图。如上所述，且相对于图1和图2，气缸14包括腔室壁136、冷却套筒118、进气门150、排气门156、活塞138和火花塞192，其中该进气门150设置在气缸14和进气道144之间，该排气门156设置在气缸14和排气歧管149之间，该活塞138可联接到曲轴140。在此示例中，气缸14被示出联接到直接燃料喷射器166和直接二次喷射器966。气缸14也可联接到端口燃料喷射器170(未示出)。
气缸14的燃烧室可被分成两个区，端部区901和内部区902。端部区901可包括最有可能变成燃烧端部区的燃烧室区域，且因此燃烧室区域最有可能发生发动机爆震。直接二次喷射器966可被配置以便喷射稀释剂到最有可能变成燃烧端部区的燃烧室区域中。以这种方式，二次喷射物可被有效地朝向其中最有可能发生爆震的气缸各部分。
直接二次喷射器966可经配置作为活塞位置燃烧循环的函数喷射流体，例如在燃烧结束时喷射。与由直接喷射器166喷射的精细雾化液滴相比，喷射器966可喷射大液滴。以这种方式，离开喷射器966的喷射蒸气可穿透进一步到气缸14的端部区901，其中端部区901在该燃烧室中的位置比区902在其中的位置更低。在一些实施例中，喷射器966可以是径向朝向的喷射器。直接喷射器199可经配置喷射燃料到内部区902中。直接喷射一定数量的液体燃料可包括响应燃烧端部区的预测位置，在不同正时喷射液体燃料。此外，喷射液体可包括响应燃烧端部区的预测位置，用径向朝向的喷射器喷射液体燃料到气缸的不同位置。以这种方式，可建立分层的燃料型供送。
将理解，本文公开的配置和方法在本质上是示例性的，且这些具体实施例并不以限制意义考虑，因为许多变化都是可能的。例如，上述技术可以应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置及其他特征、功能和/或属性的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。
所附权利要求具体指出被视为新颖和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可提及“一个”元件或“第一”元件或其等价物。这些权利要求应当理解为包括一个或多个这种元件的并入，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。通过目前权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提供新权利要求，可要求保护公开的特征、功能、元件和/或特性的其它组合和子组合。这些权利要求，不论范围比原始权利要求更宽、更窄、相同或不同，也被视为包括在本公开的主题之内。

Claims (20)

1.一种用于操作发动机的方法，其包括：
在气缸循环中端口喷射第一数量的第一气体燃料；和
在所述气缸循环中直接喷射作为期望空燃比(AFR)函数的第二数量的二次喷射物，所述期望AFR基于发动机气缸气门的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机是涡轮增压的，并且其中所述发动机气缸气门是排气门。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一气体燃料是CNG和甲烷中的一种或多种，且其中所述气缸阀是排气门。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述二次喷射物是液体且是甲醇溶液、乙醇溶液、风挡刮水器流体或汽油溶液中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述二次喷射物是气态的且是合成气。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二数量的二次喷射物是所述二次喷射物中醇量的函数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在火花点火之前，在压缩冲程期间的第一正时处喷射所述二次喷射物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在火花点火之后，在动力冲程期间的第一正时处喷射所述二次喷射物。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一数量的第一气体燃料产生具有基本化学计量AFR的发动机操作，并且所述第二数量的二次喷射物减少所述空燃比到基本富AFR。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在具有基本贫AFR的发动机操作过程中燃烧所述第一数量的第一气体燃料，并且所述第二数量的二次喷射物减少所述AFR到基本化学计量的AFR或基本富AFR。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机气门的温度包括排气门的温度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二数量的二次喷射物作为进气空气质量的函数被确定。
13.根据权利要求1所述的方法，其中喷射所述二次喷射物进一步包括用径向朝向的喷射器喷射液体燃料到所述气缸的不同位置，所述喷射响应于燃烧端部区的预期位置。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述二次喷射物具有比所述第一气体燃料显著更高的碳氢化合物含量。
15.一种发动机系统，其包括：
发动机气缸，其联接到具有第一气体燃料位于其中的第一气体燃料箱和具有二次喷射物位于其中的第二燃料箱；和
控制系统，其具有存储在存储器中的非暂时性指令，以响应发动机气门温度确定期望AFR，且响应所述期望AFR喷射一定量的二次喷射物到所述气缸中。
16.根据权利要求15所述的发动机系统，其中所述第一气体燃料是CNG和甲烷中的一种或多种。
17.根据权利要求15所述的发动机系统，其中所述二次喷射物是风挡刮水器流体、合成气、汽油或另一燃料源中的一种或多种，具有比所述第一气体燃料显著更高的碳氢化合物含量。
18.一种用于操作涡轮增压发动机的方法，其包括：
喷射一定量的气体燃料到发动机中；
如果期望AFR高于阈值，喷射第一量的二次喷射物到所述发动机中；和
如果期望AFR低于所述阈值，喷射第二不同量的二次喷射物到所述发动机中。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括响应发动机进气空气质量流量，确定所述第一量的二次喷射物和所述第二量的二次喷射物。
20.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括响应发动机气门温度，确定所述期望AFR。
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