CN104863712A - 运行气体燃料的内燃发动机中的失火检测 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了运行气体燃料的内燃发动机中的失火检测，具体地，公开了在运行气体燃料的内燃发动机中检测诸如失火的不完全燃烧的方法。所述方法包括：接收(步骤402)对应于单个燃烧循环内燃烧期间内缸压力的时间发展的压力数据；从特定燃烧循环的压力数据(506、508、510)导出(步骤404)燃烧的燃烧能量值；确定(步骤406B)所述导出的燃烧能量值超过预先确定的燃烧循环特定的燃烧阈值水平；以及将所述特定燃烧循环的燃烧事件与不完全燃烧相关联(步骤410)。

Description

运行气体燃料的内燃发动机中的失火检测
技术领域
本发明整体涉及内燃发动机。更具体地，本发明涉及在至少部分地运行气体燃料的内燃发动机的运行期间检测不完全燃烧。
背景技术
可以至少部分地运行气体燃料的内燃发动机包括气体燃料内燃发动机和双燃料(DF)内燃发动机。例如，DF内燃发动机配置用于运行液体燃料(例如柴油)和气体燃料(例如天然气)。诸如失火的不完全燃烧可在这种发动机的缸内的气体燃料和空气的混合物只被火焰部分地消耗时发生。不完全燃烧可由点火系统的故障引起，使得例如形成不充分的点火火焰。替代地，燃料和空气的混合物会被不适当地设置，例如，由于不充分的燃料供给。
气体燃料和空气的稀混合物尤其易受不完全燃烧影响，因为那些混合物少而且燃料在一个燃烧循环内会被不充分地消耗。作为不希望看到的结果，未燃烧燃料会在内燃发动机的排气通道中积聚。这可导致发动机的爆炸和潜在损害。
例如，由Caterpillar Motoren GmbH&Co.KG,GERMANY于2013年6月28日提交的欧洲专利申请No.13174377.5中公开了一种示例性DF内燃发动机。在Journal of Kones.Combustion Engine,Vol 8,No 1-2,2001的p.326–341中给出了用于内燃发动机的车载诊断中的各种发动机失火检测方法的概述。
本发明至少部分针对改进或克服现有系统的一个或多个方面。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种检测至少部分地运行气体燃料的内燃发动机中不完全燃烧的方法。所述方法包括：接收对应于燃烧期间缸压力的时间发展(temporal development)的压力数据；从压力数据导出燃烧的燃烧能量值；确定所述导出的燃烧能量值超过预先确定的燃烧阈值水平；以及将燃烧事件与不完全燃烧相关联。
特别地，压力数据可对应于单个燃烧循环内缸压力的时间发展，燃烧能量值可从特定燃烧循环的压力数据导出，并且所述特定燃烧循环的燃烧事件可与不完全燃烧事件相关联。
根据本发明的另一方面，至少部分地运行气体燃料的内燃发动机包括：气体燃料点火系统，以点火气体燃料与空气的混合物；传感器，其配置成检测对应于燃烧期间缸压力的时间发展的压力数据；以及控制单元，其配置成执行本文所示例性公开的方法。
在一些实施例中，确定所导出的燃烧能量值超过预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平，可包括提供预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平和将预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平与所导出的燃烧能量值进行比较。通过提供阈值水平和比较阈值水平与所导出的燃烧能量值，不需要使用来自发动机的进一步信息确定燃烧事件是完全燃烧，还是不完全燃烧。
在一些实施例中，预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平可通过从储存在内燃发动机的控制单元上的预先设置发动机特定数据库读取预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平来提供。因为预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平储存在控制单元上，所以可容易地得到预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平并且不要求诸如喷射燃料量等进一步信息来将燃烧循环期间的燃烧事件与完全燃烧或不完全燃烧关联。
在一些实施例中，预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平可作为映射提供，所述映射包括作为内燃发动机的负载或速度的函数给定的阈值。从而，例如在低负载或低速下运行期间的内燃发动机的易失火性可被考虑在内。
在一些实施例中，预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平可根据与缸的失火相关联的预先确定燃烧能量值进行设置。从而，可仅通过比较燃烧能量值将燃烧事件与完全燃烧或不完全燃烧相关联。
在一些实施例中，预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平可以是检测到失火时的热释放率、内燃发动机缸中的最大燃烧压力、或者平均指示有效压力之一。
在一些实施例中，检测到失火时的热释放率、内燃发动机缸中的最大燃烧压力、或者平均指示有效压力可以是缸中完全燃烧时内燃发动机的运行期间热释放率、缸中最大燃烧压力、或者平均指示有效压力的例如约5％到25％。
本发明的其它特征和方面通过以下描述和附图将显而易见。
附图说明
本文所包括的附图构成本说明书的部分，所述附图示出了本发明的示例性实施例，并且与说明书一起用来解释本发明的原理。在附图中：
图1示出了至少部分地运行气体燃料的示例性内燃发动机的示意图；
图2示出了DF内燃发动机的缸的横截面示意图；
图3示出了气体燃料内燃发动机的缸的横截面示意图；
图4示出了检测内燃发动机的缸内不完全燃烧的示例性方法的流程图；
图5示出了在内燃发动机的各种运行条件期间缸压力的示例性时间-压力图；以及
图6示出了检测包括控制回路的内燃发动机的缸内不完全燃烧的示例性方法的流程图。
具体实施方式
下面是本发明的示例性实施例的详细描述。本文所描述的和附图所示出的示例性实施例旨在教导本发明的原理，使本领域的那些普通技术人员能够在许多不同的环境中实施并使用本发明，并将本发明实施和用于许多不同的应用中。因此，示例性实施例不是，并且不应该被认为是专利保护范围的限制性描述。相反，专利保护的范围应该由所附权利要求书限定。
本发明部分基于内燃发动机的缸内不完全燃烧可通过燃烧的燃烧能量值检测的认识，所述燃烧能量值可从燃烧期间缸压力的时间发展导出。缸压力的所述时间发展可通过关联的控制系统观察和分析。
通常，一旦检测到不完全燃烧，关联的控制系统可终止内燃发动机的运行，向发动机的使用者指示内燃发动机的失效并且/或者启动适当的应对措施以防止不完全燃烧再次发生。例如，控制系统可增加进入缸的混合物的燃料-空气的比例。如果内燃发动机是运行在气体燃料模式下的DF内燃发动机，控制系统还可配置成从气体燃料模式转换成液体燃料模式或者配置成停止转换成气体燃料模式。
至少部分地运行气体燃料的内燃发动机和用于如上所述控制的示例性方法分别结合图1至3和图4至6在下面进行了描述。
图1示意性地示出了至少部分地运行气体燃料的示例性内燃发动机100，例如DF发动机(图2示意性地示出)或者气体燃料发动机(图3示意性地示出)。
内燃发动机100包括发动机机体2、充气系统4、排气系统5、包括吹扫气体系统7的气体燃料系统6和/或液体燃料系统8。内燃发动机100可用液体燃料提供动力，例如液体燃料模式(LFM)的柴油燃料，和用气体燃料提供动力,例如通过LNG系统提供的气体燃料模式(GFM)的天然气。
发动机机体2包括多个缸。图1示例性地描绘了四个缸9。发动机机体2可以是任何尺寸，带有任意数量的缸，例如6、8、12、16或20个，并且可以是任何配置，例如“V”形配置、直列配置或径向配置。
每个缸9都配备有至少一个入口阀16和至少一个出口阀18。入口阀16流体地连接至充气系统4并且配置成将充气或充气与燃料的混合物提供到缸9中。类似地，出口阀18流体地连接至排气系统5并且配置成将排气从相应的缸9导出。
充气由充气系统4提供，所述充气系统4包括进气口20、用于充气的压缩机22、以及充气冷却器24。充气歧管26流体地连接充气冷却器24的下游并且引导充气经由缸特定入口通道28进入相应的缸9中。
排气系统5包括排气涡轮机30和排气歧管34，所述排气涡轮机30通过轴32连接至压缩机22，并且排气歧管34将排气从单个排气出口通道35引导至排气涡轮机30。
充气系统4可包括一个或多个充气歧管26。类似地，排气系统5可包括一个或多个排气歧管34。
此外，入口阀16和出口阀18可分别地安装在入口通道28和出口通道35内。入口通道28以及出口通道35可设置在覆盖缸9的公共缸盖或单独缸盖内。
气体燃料系统6包括连接至气体燃料管道42的气体燃料源36。气体燃料源36构成气体燃料供给用于以GFM模式燃烧供应气体燃料。例如，气体燃料源36包括气体阀单元和容纳加压状态天然气的气体燃料罐。
气体阀单元配置成允许、阻断以及控制从气体燃料罐到气体燃料管道42中的流动。气体阀单元可包括气体燃料控制阀、气体燃料截止阀和放气阀。
气体燃料管道42流体地连接至分成多个气体燃料通道56的气体燃料歧管54。各个气体燃料通道56流体地连接至所述多个入口通道28之一。为了将气体燃料供入单独入口通道28中，在各个气体燃料通道56中安装了气体燃料进气阀58。在一些实施例中，内燃发动机100可包括多于一个的气体燃料歧管54。
各个气体燃料进气阀58配置成允许或者阻断气体燃料进入单独入口通道28中以以GFM模式与来自充气系统4的压缩充气混合的流动。从而，各个气体燃料进气阀58的下游产生缸特定混合区域。例如，气体燃料进气阀58可以是螺线管驱动的板阀，其中弹簧保持可运动盘的下表面靠着固定盘或板的上表面，所述两个表面配置成在气体燃料进气阀58的关闭状态中提供密封关系。各个气体燃料进气阀58可安装至覆盖至少一个缸9的缸盖。
吹扫气体系统7(图1中用短划框标示)包括串联连接的吹扫气体罐60、吹扫气体控制阀62和吹扫气体截止阀64。吹扫气体罐60构成吹扫气体源以用吹扫气体(例如加压状态的氮气)冲洗气体燃料管道42、气体燃料歧管54等。
吹扫气体系统7可在各种位置处流体地连接至气体燃料系统6。例如，图1中第一连接66设置在气体燃料歧管54的近侧。第二连接70设置在气体燃料源36的近侧。第一截止阀68和第二截止阀72可分别地阻断或允许吹扫气体流过第一连接66和第二连接70。额外的连接可集成在气体燃料源36的气体阀单元中。
如前面提到的，图1示出了DF内燃发动机和气体燃料发动机。在DF内燃发动机中，液体燃料系统8包括连接至液体燃料管道44的液体燃料罐40。液体燃料罐40可包括用于储存第一液体燃料(例如重质燃料油HFO)的第一液体燃料罐，和用于储存第二液体燃料(例如柴油燃料)的第二液体燃料罐。液体燃料罐40构成液体燃料源用于以LFM模式燃烧供应液体燃料。此外，液体燃料罐40可构成液体燃料源用于以GFM模式供应点火燃料。
液体燃料管道44流体地连接至分成多个液体燃料入口通道48的液体燃料歧管46。为了将液体燃料供入缸9的燃烧室中，在各个液体燃料入口通道48中安装了燃料喷射系统50。
在气体燃料内燃发动机中，例如在火花点火气体燃料内燃发动机系统中，燃料喷射系统50流体地连接至气体燃料源36(如短划线49所示)而不是液体燃料罐40。在此实施例中，燃料喷射系统50可包括用于提供火花点火引导火焰91(见图3)以点火气体燃料与空气的混合物的预燃烧室。
图2和图3分别对用于DF和气体燃料内燃发动机的燃料喷射系统50的示例性实施例进行了详细描述。
如图1所示，内燃发动机100还包括安装在各个缸9处的多个压力传感器77。各个压力传感器77配置成产生对应于发动机的运行期间(例如，燃烧期间)内缸压力的时间发展的信号。图2对压力传感器进行了进一步描述。
为了控制发动机100的运行，设置了控制单元76。控制单元76形成发动机的控制系统的部分。控制单元76配置成通过读出连接线102接收压力传感器77的数据。控制单元76还可配置成通过控制连接线104控制发动机100的诸如气体燃料进气阀58的各种组件，和通过控制连接线106控制燃料喷射系统50。控制单元76还可配置成控制吹扫气体系统7的阀。替代地，第二控制单元(未示出)可配置成控制发动机100的运行。图2和图3中将会给出控制系统和控制单元76与发动机的诸如燃料喷射系统50的其它组件之间的额外控制线的进一步描述。
控制单元76还可连接至图1中未示出的提供用于各个单独缸或多个缸的其它传感器，例如发动机负载传感器、发动机速度传感器、温度传感器、NOX传感器或者燃料-空气比例传感器。控制单元76也可连接至操作人员面板(未示出)用于向操作人员发出警报，指示发动机的失效等情况。
图2示出图1的内燃发动机100的示例性实施例的DF内燃发动机200的缸9。已经结合图1进行描述的元件具有相同的附图标记，例如发动机机体2、控制单元76、压力传感器77和缸9。
缸9提供用于燃烧气体燃料与空气混合物的至少一个燃烧室10、活塞84、和通过活塞杆82驱动地连接至活塞84的曲轴80。活塞84配置成在缸9内往复运动。
缸9通过入口通道28连接至充气歧管26，并且通过出口通道35连接至排气歧管34(见图1)。入口阀16设置在入口通道28中，而出口阀18设置在出口通道35中。气体燃料进气阀58可将气体燃料供应至缸9的燃烧室10。
图2还通过短划框示出了燃料喷射系统50。当DF内燃发动机200以LFM模式运行时，燃料喷射系统50用来将液体燃料喷射到燃烧室10中，所述液体燃料是仅有的能量源。当DF内燃发动机200以GFM模式运行时，燃料喷射系统50可用来将引导量的液体燃料喷射到燃烧室10中以点火气体燃料与空气的混合物。从而在GFM模式中，燃料喷射系统50可起气体燃料点火系统的作用。
在图2中，这种气体燃料点火系统的示例性实施例基于主液体燃料喷射器38，所述主液体燃料喷射器38用于以LFM模式喷射大量液体燃料以及以GFM模式喷射引导量的液体燃料进入燃烧室10中以点火气体燃料和空气的混合物。在其它实施例中，例如对于重型DF内燃发动机，气体燃料点火系统可包括分离的点火液体燃料喷射器39以便以GFM模式将引导量的液体燃料喷入燃烧室10中。
缸9还包括压力传感器77，以测量发动机的运行期间(例如，燃烧期间)内缸压力的时间发展。压力传感器77可以是电容压力传感器、电磁压力传感器、压电压力传感器、光学压力传感器或本领域已知的任何其它压力传感器。压力传感器77可安装在缸9的便于在燃烧期间测量缸压力的任何位置。例如，压力传感器77可安装在缸侧壁内或安装在缸盖面处。压力传感器77可通过例如缸侧壁中的孔至少部分地伸进缸9的燃烧室中。
压力传感器77还可设置在燃烧室10的外部以间接地检测缸压力。例如，压力传感器77可安装在发动机的现有组件处，例如螺栓头、火花塞座等。压力传感器77可感测燃烧期间组件的应力、对应于燃烧期间内缸压力的应力。
DF内燃发动机200额外地包括控制系统，所述控制系统包括控制单元76。控制单元76通过控制连接线108连接至主液体燃料喷射器38，并且在重型DF内燃发动机的情况下，还通过分离的控制连接线(未示出)连接至点火液体燃料喷射器39。
图3示出了作为图1的内燃发动机100的另一示例性实施例的气体燃料内燃发动机300的缸9。已经结合图1和图2进行描述的元件具有相同的附图标记。气体燃料内燃发动机300类似于图2的DF内燃发动机200，除了下面描述的组件。
燃料喷射系统50包括预燃烧室90。预燃烧室配置成接收气体燃料与燃烧室10外部空气的预混合物。通过例如火花塞点火气体燃料与空气的预混合物，以提供设置在燃烧室10中的引导火焰91。引导火焰91用来点火燃烧室10中气体燃料与空气的混合物。控制单元76通过控制连接线110连接至预燃烧室90。替代地，燃料喷射系统50可以是用于通过放电点火气体燃料与空气混合物的火花塞。
通常，如结合图1至图3公开的发动机的控制单元76可以是单个微处理器或者多个微处理器，其包括用来控制(除了其它之外)DF内燃发动机200的各种组件的运行的方法。控制单元76可以是能够控制与DF内燃发动机200相关联的许多功能和/或其相关组件的通用发动机控制单元(ECU)。控制单元76可包括运行应用所要求的所有组件，例如存储器、辅助存储设备、和诸如中央处理单元的处理器或者用于控制DF内燃发动机200及其组件的本领域已知的其它工具。各种其它已知电路可与控制单元76相关联，包括供电线路、信号调节线路、通信线路以及其它适合的线路。控制单元76可分析并比较接收的数据和储存的数据，并且根据存储器中存储的或由用户输入的指令和数据确定是否要求动作。例如，控制单元76可将从压力传感器77接收的压力数据与存储器中存储的目标值进行比较，并根据比较的结果向发动机的一个或多个组件传递信号以改变发动机的运行。
工业实用性
适合于所公开方法的示例性内燃发动机是例如由CaterpillarMotoren GmbH&Co.KG,Kiel,Germany制造的M46DF和M34DF系列的DF内燃发动机，或者GCM34系列的气体燃料内燃发动机。然而本领域技术人员会认识到，所公开的方法也可适用于其它内燃发动机。
下面结合图4至图6参照图1至图3描述内燃发动机100的运行和控制。出于示例的目的，所述方法是参照结合图1至图3公开的结构元件进行公开的。然而本领域技术人员会认识到，相应步骤也可实施于其它实施例。
参照图4，示出了检测内燃发动机的缸内不完全燃烧的示例性方法的流程图。
所述方法包括分析部分400和控制部分418。在分析部分400中，控制单元76执行必要的步骤以确定缸9中的燃烧与不完全燃烧(失火)还是完全燃烧相关联。如果燃烧与不完全燃烧相关联，则控制单元76执行在控制部分418中开始的控制步骤。
参照分析部分400，在步骤402处控制单元76通过读出连接线102从压力传感器77接收压力数据。压力数据对应于燃烧期间缸压力的时间发展，例如经过时间或曲柄转角。
在图5中将对于发动机的各种运行条件下的缸压力的示例性发展进行了示出，并将在下面进行论述。如果内燃发动机以马达运行模式运行，即，没有燃烧发生，则由控制单元76接收的时间-压力数据通过曲线图502标示。曲线图502示出达到某最大压缩压力504的压力的增加，接着压力下降回到初始压力。达到最大压缩压力504的压力增加只对应于充气的压缩或者对应于缸9中活塞84的向上运动期间未点火燃料-空气混合物的压缩。当活塞84达到上止点(TDC)时，压力接近其最大值(通过504标示)。时间-压力曲线图502是可以测量的，或者可根据热力学方程(例如用于绝热压缩或多变压缩的方程)从缸9内的气体燃料-空气混合物的压缩导出，或者可作为估计或仿真提供。控制单元76已经储存了对于内燃发动机的马达运行的缸压力的时间发展(例如曲线图502)，并且将其用作后面分析的参考。
如果发动机在正常条件下运行，即，全部或实质地全部气体燃料与空气的混合物被火焰消耗(假定完全燃烧)，则由控制单元76接收的时间-压力数据会类似于曲线图506。与曲线图502中示出的马达运行进行比较，燃烧的放热使缸压力增加达到远高于最大压缩压力504的最大燃烧压力507。此外，由于有限的燃烧时间，峰值压力发生在晚于TDC的时间处。对于最大压缩压力504和最大燃烧压力507的示例值分别是100bar和180bar。
如果缸9中发生失火，则燃料-空气混合物只被火焰部分地消耗。从而缸9中的压力增加会稍微低于完全燃烧(曲线图506)的压力增加，但是会稍微高于发动机的马达运行的压力增加(曲线图502)。图5中通过曲线图508给出了对于失火(不完全燃烧)的情况下所接收的示例性时间-压力数据。取决于气体燃料和空气被火焰消耗多少，时间-压力曲线图508可以更加接近与马达运行相关联的时间-压力曲线图502，或者更加接近与完全燃烧相关联的时间-压力曲线图506。
在步骤402处，控制单元76接收对应于上面所解释的缸9的各种运行条件之一的压力数据。取决于压力传感器77的时间分辨率，压力数据可用于燃烧循环期间的离散时间，例如，对于0.1°曲柄转角，或者可以是准连续的。
在步骤404处，控制单元76从压力数据导出燃烧的燃烧能量值。燃烧能量值可作为燃烧的放热率通过例如使用给定方程(例如Internal Combustion Engine Fundamentals,John B.Heywood,ISBN0071004998给出的)将所接收的压力数据(曲线图506、508或510)与相应的缸容量相乘导出。燃烧能量值的另一示例是缸9的平均指示有效压力(IMEP)，其中，IMEP是通过在燃烧循环的整个周期上积分接收的压力数据(曲线图506、508、510)导出的。另外，燃烧能量值可从例如与燃烧(曲线图506、508、510)相关联的压力数据和与发动机的马达运行相关联的压力数据(曲线图502)之间的压力差导出。
控制单元76还可使燃烧能量值与已燃烧燃料能量值相关联。在另一实施例中，控制单元76可通过例如接收燃烧室10容许的燃料和空气的总质量流量的数据，额外地接收对应于燃烧的总能量值的数据。根据燃烧的总能量值和已燃烧燃料能量值，控制单元76得出未燃烧能量值。
在步骤406处，控制单元76确定导出的燃烧能量值是否超过预先确定的燃烧阈值水平。预先确定的燃烧阈值水平可作为固定值储存在控制单元76的存储器中或者可根据发动机的典型经验值确定。预先确定的燃烧阈值水平还可取决于内燃发动机的负载。在这种情况下，控制单元76可额外地连接至配置成接收发动机负载的发动机负载传感器。
在一些实施例中，预先确定的燃烧阈值水平，或者更确切地说，预先确定的燃烧循环特定燃烧阈值水平可通过发动机的制造商设置为发动机类型特定默认参数，并且可从测试发动机的运行获得。默认参数可在为发动机控制系统定义所有发动机类型特定运行参数期间进行限定。测试发动机可以是与内燃发动机100相同类型或不同类型的，并且可故意使其进入测试发动机的一个或多个缸开始失火的状态。例如，在测试发动机的运行期间，可降低供应至缸9的气体燃料的燃料-空气比，或者迫使气体燃料喷射系统和/或气体燃料进气阀58处于关闭状态，直到缸之一开始失火。在所述测试期间，每个或所有缸的缸压力(例如缸9中最大燃烧压力)、热释放率或平均指示有效压力—通常会记录用于导出燃烧能量值的所有数据。从记录的缸压力可确定内燃发动机100的一个或所有缸开始失火时的临界缸压力。
例如，可根据与内燃发动机100的任意缸的失火相关联的预先确定燃烧能量值设定预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平。例如，预先确定燃烧能量值可以是检测到失火时的热释放率、缸9中最大燃烧压力、或者平均指示有效压力。在一些实施例中，检测到失火时的热释放率、缸9中最大燃烧压力、或者平均指示有效压力可以是内燃发动机100的期望运行期间，例如完全燃烧的运行期间热释放率、缸9中最大燃烧压力、或者平均指示有效压力的约5％到25％。因此，预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平可以设置成(严格来说)燃烧发生时的值，尽管燃烧未如期望的发生。
另外，因为缸压力—或者更一般地说从缸压力导出的燃烧能量值也取决于其它发动机参数，例如内燃发动机100的负载或速度，所以在一些实施例中，测试运行也可针对内燃发动机100的各种负载和速度执行。于是，可在内燃发动机100的一个或所有缸开始失火时确定对于每个负载以及每个速度的临界缸压力。接着可将辨别完全燃烧与不完全燃烧的那些临界缸压力值作为发动机速度和/或负载的函数储存在控制单元76的存储器上，作为发动机特定数据库的一部分。从而，可容易地获得预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平映射用于控制程序的进一步步骤。
因此，在一些实施例中，步骤406(在此处控制单元76确定导出的燃烧能量值是否超过预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平)可包括以虚线框标示的进一步的步骤404’，在步骤404’处控制单元76从其存储器提供预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平和/或关联的映射。在一些实施例中，可通过读取(步骤404”)储存有预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平和/或关联映射的发动机特定数据库提供那些值和/或映射。
一旦在步骤404’处读取预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平和/或关联的映射，接着可在进一步的步骤(未示出)中将预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平和/或关联映射与导出的燃烧能量值进行比较。
下文中预先确定燃烧特定燃烧阈值水平也可指预先确定燃烧阈值水平。
通常，阈值比较可对于燃烧的和未燃烧的能量值不同。例如，当控制单元将燃烧能量值与燃烧燃料能量值相关联时，控制单元76确定燃烧燃料能量值是否低于预先确定的燃烧阈值水平。反之，当控制单元76得出未燃烧燃料能量值时，控制单元76确定未燃烧燃料能量值是否高于预先确定的燃烧阈值水平。
假定可接受的燃烧，控制单元76在步骤406A处确定燃烧能量值未超过预先确定的燃烧阈值水平，例如，燃烧(未燃烧)燃料能量值高于(低于)预先确定的阈值水平，并将燃烧与完全燃烧相关联(步骤408)，在这种情况下，不通过控制单元76执行进一步的控制步骤并且可执行用于进一步燃烧过程的分析。
如果控制单元76确定燃烧能量值超过预先确定的燃烧阈值水平(步骤406B)，例如，燃烧(未燃烧)燃料能量值低于(高于)预先确定的阈值水平，控制单元将燃烧与不完全燃烧相关联(步骤410)并且执行在控制部分418处开始的进一步的控制步骤。
在一些实施例中，控制单元76可执行分析部分400的用于一系列燃烧事件的步骤并只在一系列燃烧事件的预先设定部分与不完全燃烧相关联时执行控制部分418中开始的进一步的控制步骤。所述预先设定部分可以是存储在控制单元76的存储器中的固定值或者可取决于发动机的负载，使得例如在低发动机负载时更大量的不完全燃烧事件被控制单元76所接纳直到执行控制部分418的控制步骤。
接下来，解释控制部分418的控制步骤可单独地执行或者以期望的组合执行。通常，一旦控制单元76确定燃烧事件或者一系列燃烧事件的预先设定部分与不完全燃烧相关联，在步骤412处控制单元76向燃料系统发送控制任务。例如，可通过控制连接线104控制气体燃料进气阀58以使气体燃料停止流入燃烧室10中。当内燃发动机是DF内燃发动机时(见图2)，控制单元76可通过控制连接线108向主液体燃料喷射器38发送控制任务，以使液体燃料停止流入燃烧室10中，从而终止内燃发动机的LFM或GFM模式的运行。当内燃发动机是气体燃料内燃发动机时(见图3)，在步骤412处控制单元76可通过控制连接线110控制气体燃料通流阀58以停止气体燃料的流动和/或控制预燃烧室90，以停止火花点火引导火焰91的形成。
在图4中，用短划线标示了在控制部分418中通过控制单元执行替代控制步骤。作为一个示例，在步骤414处控制单元76可向内燃发动机的操作人员面板发送指示内燃发动机的失火的控制任务，例如，通过闪烁报警灯或通过发出警报音。作为另一示例，如果内燃发动机是DF内燃发动机，在步骤416处控制单元可通过向气体燃料进气阀58发送控制任务从GFM模式转换成LFM模式，以使气体燃料停止进入燃烧室10，并接着向主液体燃料喷射器38发送控制任务以增加液体燃料流入燃烧室10中，从而开始转换。
参照图6，示出了包括带有控制回路601的进一步应对措施部分600的检测缸中不完全燃烧的示例性方法的流程图。已经结合图4描述的步骤具有相同的附图标记。图6的示例性方法可包括与图4中所描述的相同的分析部分400。附加的应对措施部分600可在需要执行控制部分418的控制步骤之前避免在接下来的燃烧循环中再次发生不完全燃烧。应对措施部分600中的附加步骤在下面进行了描述。
在步骤410处时，控制单元76将燃烧与不完全燃烧相关联，在步骤602处它从与燃料-空气混合物的点火相关联的压力数据的部分(图5中501部分)导出了点火能量值。部分501通常在但是不限于活塞84的TDC之前的0°曲柄转角与20°曲柄转角之间的时间，并且尤其是在5°曲柄转角与15°曲柄转角之间的时间。点火能量值可从由压力传感器77接收的时间-压力数据和与部分501内发动机的马达运行相关联的预先确定的时间-压力数据之间的压力差导出。
点火能量值表示气体燃料点火系统的可操作性，例如DF内燃发动机中的点火液体燃料喷射器39和主液体燃料喷射器38或者气体燃料内燃发动机中的预燃烧室90。
在步骤604，控制单元76通过确定点火能量值是否超过预先确定的点火阈值水平来确定从部分501导出的点火能量值指示气体燃料点火系统的可操作性还是不可操作性。预先确定的点火阈值可作为固定值和/或取决于发动机的负载储存在控制单元76的存储器中。
如果点火能量值超过预先确定的阈值水平，则控制单元76确定点火能量值指示气体燃料点火系统的可操作性(步骤604A)。
如果控制单元76在步骤604A确定点火能量值指示气体燃料点火系统的可操作性，则控制单元76在步骤606进一步确定缸9接纳的混合物的燃料-空气比例是否低于燃料-空气比例上阈值水平。为此目的，控制单元76可额外地连接至燃料-空气比例传感器。燃料-空气比例上阈值水平储存在控制单元76的储存器中，但是根据发动机的负载可以类似于点火阈值水平和燃烧阈值水平。除此之外或者替代地，控制单元76可以已经储存了预先确定的时间-压力数据，例如图4中的曲线图510，其对应于燃料-空气上阈值水平。
如果燃料-空气比例低于燃料-空气比例上阈值水平(步骤606A)，则控制单元76向气体燃料进气阀58发送控制任务以增加用于内燃发动机的相应缸9、缸的子组或者所有缸的气体燃料流(步骤608)。接着控制单元可评估对应于下个燃烧循环的新的时间-压力数据并执行步骤602和604。如果控制单元76确定气体燃料点火系统仍可操作，也执行步骤606，直到在步骤606B处控制单元76确定燃料-空气比例不能再增加并离开控制回路601。
如果在步骤606B离开控制回路，如前面在步骤410中所做的，接着控制单元76确定燃烧与不完全燃烧相关联(步骤610)，在此处执行在控制部分418(图4)中开始的至少一个控制步骤。
类似地，如果控制单元76已经在步骤604B确定(在通过控制回路601的任何运行中，或者甚至在进入控制回路601之前)点火能量值指示气体燃料系统的不可操作性，则在步骤604B离开控制回路601，并且控制单元76确定燃烧与不完全燃烧相关联(步骤610)，从而开始控制部分418的至少一个控制步骤。
在燃烧能量值和/或点火能量值是导出用于一系列燃烧事件的一些实施例中，燃烧能量值和/或点火能量值可导出用于例如连续的燃烧事件或者每个其它的、第三、第四燃烧事件或者燃烧事件的任何部分。
在一些实施例中，预先确定的燃烧阈值水平可根据诸如固定值、低于平均时间-压力数据的delta值进行确定，或者可根据入口歧管压力上的预先确定的燃烧压力进行确定。
分析部分400和控制部分418与例如船用DF和气体燃料内燃发动机的安全运行是相关的。对于那些发动机，Marine Class Society要求在发动机的排气通道中不应该超出爆炸下限(LEL)以保证发动机的安全运行。一旦检测到发动机的失火，分析部分400和控制部分418可通过开始适合的控制步骤，例如终止发动机的运行或者在发动机是DF内燃发动机的情况下终止从GFM模式到LFM模式的转换，保证或至少帮助发动机，例如M46DF和M34DF系列的DF内燃发动机或者GCM34系列的气体燃料内燃发动机，遵守此规定。
应对措施部分600在此方面可类似地有所帮助，因为在此部分内执行的步骤允许对失火做出反应，而无需转换到LFM模式或终止发动机的运行。使用本文公开的方面，可因此能够减少发动机的停机时间，增加维护间隔期和/或扩大发动机的作业范围。
尽管本文已经描述了本发明的优选实施例，但是可包含改进和修改而不脱离所附权利要求书的范围。

Claims (16)

1.一种检测至少部分地运行气体燃料的内燃发动机(100、200、300)中的不完全燃烧的方法，所述方法包括：
接收(步骤402)对应于单个燃烧循环内燃烧期间缸压力的时间发展的压力数据(506、508、510)；
从用于特定燃烧循环的压力数据(506、508、510)导出(步骤404)燃烧的燃烧能量值；
确定(步骤406B)导出的燃烧能量值超过预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平；以及
将所述特定燃烧循环的燃烧事件与不完全燃烧相关联(步骤410)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定(步骤406B)所导出的燃烧能量值超过预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平还包括：
提供(步骤404’)预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平作为发动机类型特定默认参数；以及
比较预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平与导出的燃烧能量值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，提供(步骤404’)预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平还包括：
从储存在内燃发动机(100、200、300)的控制单元上的发动机特定数据库读取(步骤404”)预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平，其中：
预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平特别地作为包括以内燃发动机(100、200、300)的负载或速度的函数给出的阈值的映射提供。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平辨别内燃发动机(100、200、300)的缸(9)中完全燃烧和不完全燃烧，并且/或者
是检测到失火时热释放率、缸(9)中最大燃烧压力、或者平均指示有效压力之一，并且/或者
是缸(9)中完全燃烧时内燃发动机(100)的运行期间热释放率、缸(9)中最大燃烧压力、或者平均指示有效压力的约5％到25％。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平基于在测试发动机的运行期间确定的临界缸压力，和/或
其中，根据内燃发动机(100、200、300)的缸(9)的失火设定临界缸压力。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，根据与内燃发动机(100、200、300)的缸(9)的失火相关联的预先确定燃烧能量值设定预先确定燃烧循环特定燃烧阈值水平。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，不完全燃烧指示增加量的未燃烧气体燃料是在与燃烧相关联的排气中，并且所述方法还包括：
终止(步骤412)运行气体燃料的内燃发动机(100、200、300)的运行；
指示(步骤414)内燃发动机(100、200、300)的失效；和/或
将运行转换(步骤416)成液体燃料运行。
8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，其中，对于多个燃烧事件，当燃烧事件的预先设定部分与不完全燃烧相关联时，所述方法还包括：
终止(步骤412)运行气体燃料的内燃发动机(100、200、300)的运行；
指示(步骤414)内燃发动机(100、200、300)的失效；和/或
将运行转换(步骤416)成液体燃料运行。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，内燃发动机(100、200、300)包括气体燃料点火系统，并且所述方法还包括：
从与点火相关联的压力数据(506、508、510)的部分(501)导出(步骤602)表示气体燃料点火系统的可操作性的点火能量值。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：
确定(步骤604A)点火能量值指示气体燃料点火系统的可操作性；以及
增加(步骤608)燃料-空气比例，并且，例如对于带有多个缸(9)的内燃发动机(100、200、300)，为各自的缸(9)增加燃料-空气比例。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：
确定(步骤604B)点火能量值指示气体燃料点火系统的不可操作性；和下述情况中的至少一种：
终止(步骤412)运行气体燃料的内燃发动机(100、200、300)的运行；
指示(步骤414)内燃发动机(100、200、300)的失效；以及
将运行转换(步骤416)成液体燃料运行。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，确定(步骤604)点火能量值指示可操作性或不可操作性包括：
确定点火能量值超过预先确定的点火阈值水平。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，燃烧能量值与燃烧的燃料能量值相关联并且所述方法还包括：
确定(步骤406B)燃烧的燃料能量值低于预先确定的燃烧循环特定燃烧阈值水平。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括：
接收对应于燃烧的总能量值的数据；
从燃烧的总能量值和燃烧燃料能量值得出未燃烧燃料能量值；以及
确定(步骤406B)未燃烧燃料能量值高于预先确定的燃烧阈值水平。
15.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，燃烧能量值是燃烧的放热率，燃烧的放热率通过例如将接收的压力数据与对应的缸容量相乘导出，并且/或者
其中，燃烧能量值是缸(9)的平均指示有效压力(IMEP)，平均指示有效压力通过例如在燃烧循环的周期上积分接收的压力数据导出，并且/或者
其中，燃烧能量值是从与燃烧(506、508、510)相关联的压力数据和与发动机的马达运行相关联的压力数据(502)之间的压力差导出的，其中，后者是从例如充气或未点火的燃料-空气混合物的压缩导出的。
16.一种至少部分地运行气体燃料的内燃发动机(100、200、300)，包括：
气体燃料点火系统，以点火气体燃料和空气的混合物，
传感器(77)，其能够检测对应于燃烧期间缸压力的时间发展的压力数据，以及
控制单元(76)，其能够执行根据任一前述权利要求所述的方法，
其中，传感器(77)至少部分地伸进内燃发动机(100、200、300)的缸(9)的燃烧室(10)中。
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