CN104912678A - 气体或双燃料发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气体或双燃料发动机。具体地，一种操作具有多个缸(104)的气体或双燃料发动机(100)的方法(300)包括监视操作过程中所述多个缸的每个缸(104)的至少一个特征(302)。该方法(300)基于监视的特征检测与所述多个缸(104)的一个或多个缸(104)相关的预点燃条件(304)。该方法(300)减少到具有与其相关的预点燃条件的一个或多个缸(104)的燃料供应(306)。响应于到具有预点燃条件的一个或多个缸(104)的减少燃料供应增加到所述多个缸(104)的剩余缸(104)的燃料供应以维持所述气体或双燃料发动机(100)的恒定动力输出(308)。该方法(300)基于供应到剩余缸(104)的燃料增加量调节供应到所述多个缸的每个缸(104)的空气量以使空气-燃料比维持在希望范围。

Description

气体或双燃料发动机
技术领域
本发明涉及一种气体或双燃料内燃发动机，具体涉及一种操作气体或双燃料发动机的系统和方法。
背景技术
预点燃可在内燃发动机的操作过程中发生。预点燃是气体和/或燃料和空气的混合物在发动机的燃烧室中自点燃的过程。预点燃会在高发动机载荷和/或高温度时发生。气体和/或燃料和空气的混合物的预点燃会造成非常高的缸压并会潜在损害发动机。
美国专利4979481涉及用于具有缸的内燃发动机的控制设备。每个缸设置有独有的燃料喷射阀。每个缸具有用于检测此缸中的失火的失火检测装置。控制设备包括用于停止与失火缸对应的燃料喷射阀的驱动以停止向此失火缸供应燃料的驱动停止装置。该设备进一步在发动机的排气路径中设有空气-燃料比传感器，使得在检测到缸失火时，燃料喷射阀保持经过反馈控制控制。正常点火的缸的打开根据从空气-燃料比传感器输出的空气-燃料比信号控制，使得缸的表观空气-燃料比通过公式L＝nLo/(n-p)给出，其中L是p个缸失火时缸的空气-燃料比的表观值，n是缸的数目，Lo是所有缸正常操作时缸的空气-燃料比，p是失火缸的数目。
发明内容
在本发明的一方面，一种操作具有多个缸的气体或双燃料发动机的方法包括监视气体或双燃料发动机的操作过程中所述多个缸的每个缸的特征。该方法基于监视的所述多个缸的特征检测与所述多个缸的一个或多个缸相关的预点燃条件。该方法减少到具有与其相关的预点燃条件的一个或多个缸的燃料供应。响应于到具有预点燃条件的一个或多个缸的减少燃料供应增加到所述多个缸的剩余缸的燃料供应以维持气体或双燃料发动机的恒定动力输出。该方法基于供应到剩余缸的燃料增加量调节供应到所述多个缸的每个缸的空气量以使空气-燃料比维持在希望范围。
在本发明的另一方面，提供一种气体或双燃料发动机。该发动机包括多个缸。该发动机还包括与所述多个缸的每个缸相关的燃料进入阀。燃料进入阀能够将燃料供应到所述多个缸的每个缸的燃烧室。此外，发动机包括与所述多个缸的每个缸相关并能够检测气体或双燃料发动机的操作过程中所述多个缸的每个缸的特征的传感器。此外，发动机包括操作地联接到与所述多个缸的每个缸相关的所述传感器和所述燃料进入阀的控制单元。控制单元从传感器接收气体或双燃料发动机的操作过程中所述多个缸的每个缸的至少一个特征。此外，控制单元基于接收到的所述多个缸的每个缸的特征检测与所述多个缸的一个或多个缸相关的预点燃条件。控制单元减少到具有与其相关的预点燃条件的一个或多个缸的燃料供应。控制单元响应于到具有预点燃条件的一个或多个缸的减少燃料供应增加到所述多个缸的剩余缸的燃料供应，以维持气体或双燃料发动机的恒定动力输出。此外，控制单元基于供应到所述剩余缸的燃料增加量调节供应到所述多个缸的每个缸的空气量，以将空气-燃料比维持在希望范围。
本发明的其他特征和方面将从以下描述和附图得以清楚。
附图说明
图1示出根据本发明的一种实施方式的示例性发动机的示意表示；
图2示出根据本发明的一种实施方式的操作图1的发动机的控制系统的示意图；和
图3示出根据本发明的一种实施方式操作发动机的示例性方法。
具体实施方式
本发明涉及用于操作气体或双燃料发动机的系统和方法。图1示出根据本发明的一种实施方式的发动机100的示意表示。根据一种实施方式，发动机100是气体燃料内燃发动机系统。但是，在多种替代实施方式中，发动机100可以是任何类型的内燃发动机，例如双燃料发动机、Otto或压缩点燃内燃发动机。发动机100可利用气体和/或液体燃料以便燃烧。
发动机100包括发动机缸体102。发动机缸体102包括一组缸104-1、104-2、104-3,…104-n，可互换且总体称为缸104。缸104可由诸如钢、铝基合金等的金属合金制成。可以想到，发动机100可包括任何数目的缸104且缸104可以直列构型、“V”构型或本领域中已知的任何其他构型布置。发动机100可用来为任何机器或其他装置，包括高速路卡车或车辆、非高速路卡车或机器、土方设备、发电机、泵等提供动力。机器可用在各种应用中，例如航天应用、机车应用、海洋应用、发电和其他发动机供能应用。
发动机100进一步包括燃料箱(未显示)、与缸104相关联的涡轮增压器106和进气歧管108。进气歧管108流体连接到每个缸104的燃烧室202(如图2所示)并且被构造成将压缩空气引入缸104的燃烧室202中。涡轮增压器106包括压缩机110以经由空气入口112接收环境空气并将压缩空气经由冷却器114提供给进气歧管108。节流阀116定位在冷却器114下游并被构造成调节冷却器114和进气歧管108之间的空气流。
此外，排气歧管118连接到每个缸104。在气体燃料在燃烧室202燃烧后，排气经过排气歧管118释放。涡轮增压器106进一步包括被构造成使用排气的热量和压力来驱动压缩机110的涡轮机120。压缩机110经由轴121可转动地连接到涡轮机120并通过由来自排气歧管118的排气造成的涡轮机120的转动运动驱动。
此外，发动机100可包括废气门系统，其具有经由废气门阀124流体连接到排气歧管118的废气门连接件122。废气门系统可被构造成调节涡轮机120的速度。另外，发动机100可包括具有旁通连接件126的旁通系统，旁通连接件被构造成经由旁通阀128将过量的压缩空气释放到大气。
图2示出操作图1的发动机的控制系统220的示意图。为了便于解释，图2中只示出了一个缸104。如图2所示，发动机缸体102包括限定燃烧室202的缸104并包括能够在其中往复的活塞204。发动机缸体102进一步包括支承在曲轴箱(未示出)内并经由活塞杆205连接到活塞204的曲轴206。
发动机100进一步包括与每个缸104相关联的入口阀208。入口阀208被构造成调节进气通道210和缸104的燃烧室202之间的流体流。可以想到，缸104经由进气通道210和入口阀208连接到进气歧管108(如图1所示)。入口阀208被构造成将压缩进气供应到燃烧室202。
发动机100进一步包括与每个缸104相关联的排气阀212。排气阀212被构造成调节排气通道214和缸104的燃烧室202之间的流体流。可以想到，缸104经由排气通道214和排气阀212连接到排气歧管118(如图1所示)。虽然图2中示出了仅一个入口阀208和一个排气阀212，但可以理解入口阀208和排气阀212的数目可改变，不偏离要求保护的主题的范围。
此外，发动机100包括与每个缸104相关联的燃料进入阀216。燃料进入阀216可被构造成将燃料供应到燃烧室202。在示例性实施方式中，燃料进入阀216可以是被构造成将气体燃料供应到燃烧室202或者供应到与每个缸104相关联的进气通道210的进气阀。
此外，发动机100包括被构造成在希望点燃正时点燃燃烧室202内侧的燃料和空气的混合物的点燃装置218。在示例性实施方式中，点燃装置218是火花塞。替代地，点燃装置218可以是双燃料发动机情况下的先导喷射器，并且被构造成喷射先导量的燃料(诸如柴油)以点燃混合物。相应缸104的点燃正时或者喷射正时在下文中称为针对此相应缸104的点燃开始(SOI)。
在本发明的实施方式中，控制系统220被设置用于发动机100中的每个缸104。控制系统220包括与每个缸104相关联的传感器222。传感器222至少部分设置在相应缸104的燃烧室202中。传感器222被构造成检测在发动机100的操作期间相应缸104的特征。在一种实施方式中，传感器222是被构造成检测缸104的缸内压力的压力传感器。替代地，传感器222可以是被构造成检测缸104中的燃烧的火焰前锋的燃烧传感器、被构造成检测燃烧室202内的温度波动的温度传感器等。
此外，通信链226连接控制单元224和传感器222，通信链228连接控制单元224与燃料进入阀216。此外，控制单元224可连接到点燃装置218并可被构造成通过控制点燃装置218控制燃烧室202内的混合物的SOI。控制单元224也可被构造成控制发动机100的各种部件的操作。在一种示例性实施方式中，控制单元224可以是单个控制器，例如连接到相应缸104的所有传感器222的机器电子控制模块(ECM)。控制单元224可包括中央处理单元、存储器和便于连通到发动机100的各种组件的输入/输出电路。控制单元224可通过执行操作指令(例如存储在存储器中的计算机可读程序代码)控制操作。操作可自动启动或者基于外部输入启动。各种其他组件可与控制单元224相关联，例如供电电路、信号处理电路、通信电路等。
控制单元224可被构造成从传感器222接收表示缸104的检测特征的输出信号。控制单元224可基于从传感器222接收的缸104的特征确定发动机100的操作过程中燃烧室202中燃料和空气的混合物的燃烧开始(SOC)。控制单元224可被构造成存储和分析由传感器222检测的缸内压力测量值以确定燃烧室202中的SOC。在示例性实施方式中，控制单元224可确定燃烧室202中的测量缸内压力大于第一阈值压力时的SOC。例如，第一阈值压力也可存储在控制单元224的存储器模块(未示出)内。
控制单元224包括本领域中已知的用于存储与发动机100及其组件的操作相关的数据的存储器模块。数据可以一个或多个发动机映射的形式存储。发动机映射也可包括来自传感器222的检测特征与燃烧室202中的SOC之间的关系。发动机映射可以是表格、曲线和/或公式的形式并且可包括从实验室和/或发动机100的现场操作收集的数据汇编。可以想到，这些发动机映射可通过在各种操作条件下对发动机100的操作执行器械测试同时改变与其相关的参数或执行各种测量来产生。控制单元224可引用这些发动机映射和控制发动机100的一个或多个组件的操作。
在本发明的实施方式中，控制单元224被构造成检测与发动机100内的一个或多个缸104相关联的预点燃条件。例如，控制单元224被构造成确定缸104的燃烧开始(SOC)和点燃或喷射开始(SOI)之间的时间差。可以想到，预点燃条件可以通过SOC朝着SOI的快速移动来表征。这意味着，在预点燃条件开始出现时，SOC与SOI之间的时间差减小，且在燃烧开始(SOC)在点燃开始(SOI)之前出现时，则针对此缸104检测到完全预点燃条件。控制单元224可通过使用发动机映射使用来自传感器222的检测特征来确定此缸104的燃烧开始(SOC)。替代地，控制单元224可从传感器222接收SOC正时，此处传感器222可使用检测的特征确定SOC正时。此外，控制单元224被构造成比较SOC正时与SOI正时以检测此缸104的预点燃条件。在一种示例性实施方式中，可针对给定的缸104比较SOC出现时的曲柄角与SOI出现时的曲柄角，且曲柄角之间的差可对应于时间差。
此外，控制单元224可被构造成减少向具有与其相关联的预点燃条件的每个缸104的燃料供应。也可存储可限定燃料供应的条件和每个缸104的SOC与SOI之间的时间差之间的关系的对应发动机映射。控制单元224可引用该发动机映射用于确定对应于预点燃条件并基于缸104的SOC与SOI之间的时间差减少的燃料供应量。因此，当SOC与SOI之间的时间差小于预定阈值时，则检测到预点燃条件且其与该时间差对应，通过控制单元224减少到相应缸104的燃料供应。同样，对于SOC与SOI之间的时间差的不同值，减少的燃料供应可从到缸104的较小的减少燃料供应变化到较大的减少燃料供应。例如，在时间差非常小时，则减少较大量的燃料供应，类似地，在时间差大但小于预定阈值时，则对于对应的缸减少较小量的燃料。
在示例性实施方式中，控制单元224可减少燃料进入阀216的打开持续时间以减少到对应缸104的燃料供应。替代地，控制单元224可控制燃料进入阀216的打开程度以减少到对应缸104的燃料供应。发动机映射也可包括燃料进入阀216的打开持续时间和/或打开程度与缸104的SOC和SOI之间的时间差之间的关系。
此外，响应于减少到具有预点燃条件的一个或多个缸104的燃料供应，增加到发动机100中没受影响且正常操作的剩余缸104的燃料供应。例如，如果在缸104-1、104-2、104-3、…104-n之间，只有一个缸104-2具有预点燃条件，则到缸104-2的燃料供应将减少，而到剩余缸104-1、104-3、…104-n的燃料供应相应增加。在一种示例性实施方式中，发动机映射可被限定成限定待供应到缸104的燃料减少量和对应燃料增加量之间的关系。在一种示例性实施方式中，分别供应到受影响和不受影响缸104的燃料减少量和对应燃料增加量之间的关系可进一步取决于发动机100的希望动力输出。例如，到具有预点燃条件的受影响缸104的减少燃料供应可产生低的动力输出。因此，为了维持发动机的恒定动力输出，不受影响缸104的动力输出可通过相应增加到这些缸104的燃料供应来增加。控制单元224可参考这些发动机映射来确定响应于供应到具有预点燃条件的缸104的燃料减少量而增加的燃料量。
在一种实施方式中，控制单元224可增加燃料进入阀216的打开持续时间来增加到发动机100中的剩余缸104的燃料供应。在替代实施方式中，控制单元224可增加燃料进入阀的打开程度来增加到发动机100的剩余缸104的燃料供应。
此外，控制单元224被构造成基于供应到剩余缸104的燃料增加量增加供应到发动机100中的所有缸的空气量以针对发动机100中的不受影响的剩余缸104使空气-燃料比维持在希望范围。在一种示例性实施方式中，空气-燃料比的希望范围可从约33:1到38:1。替代地，剩余缸的空气-燃料比的希望范围可以基于许多因素变化，例如发动机校准、具有预点燃条件的一个或多个缸104中的燃料减少量等。
可以想到，空气-燃料比将在具有预点燃条件的一个或多个缸104中增加，造成对应燃烧室202中的贫空气燃料混合物。因此，较少量的燃料导致具有预点燃条件的一个或多个缸104的减小动力输出。而，对于不受影响的剩余缸104，空气-燃料比维持不变，具有更大量的燃料和对应更大量的空气。因此，高量的燃料造成对应剩余缸104的增加动力输出。具有预点燃条件的一个或多个缸104的减小动力输出通过剩余缸104的增加动力输出来补偿，以维持发动机100的恒定动力输出。
工业实用性
用于操作发动机100的控制系统220的工业实用性将从前面的讨论得到容易地理解。控制系统220被构造成防止气体或双燃料内燃发动机100中的预点燃。
图3示出根据本发明的一种实施方式的操作发动机100的示例性方法的流程图。在步骤302，控制单元224可监视发动机100的操作过程中与缸104相关的一个或多个特征。传感器222检测与每个缸104相关的特征，例如缸内压力、温度等。
在步骤304，控制单元224检测与发动机100内的一个或多个缸104相关的预点燃条件。控制单元224可检测缸104的SOC并确定缸104的SOC和SOI之间的时间差。控制单元224可在如果SOC和SOI之间的时间差小于预定阈值时检测到预点燃条件。
假使，控制单元224检测一个或多个缸104的预点燃条件，控制单元224可在步骤306减少到对应缸104的燃料供应。例如，控制单元224可减小燃料进入阀216的打开持续时间和/或燃料进入阀216的打开程度。随着到具有与其相关的预点燃条件的一个或多个缸104的燃料供应减少，所述一个或多个缸104的动力输出减小。
响应于到一个或多个缸104的燃料供应减少，控制单元224可在步骤308相应地增加到剩余缸104的燃料供应。控制单元224可增加对应剩余缸104的燃料进入阀216的打开持续时间和/或打开程度。到发动机100中的剩余缸104的增加燃料供应可增加这些缸104的动力输出，使得这些剩余缸104补偿具有预点燃条件的缸104的减小动力输出，以维持发动机100的恒定动力输出。
此外，在步骤310，控制单元可基于供应到剩余缸104的燃料增加量调节供应到每个缸104的空气量。例如，控制单元224可增加供应到发动机100中的所有缸的空气量以针对发动机100中的不受影响的剩余缸104使空气-燃料比维持在希望范围内。空气-燃料比的希望范围可以从约33:1到38:1。
虽然已经参考上面的实施方式特别示出和描述了本发明的各方面，但本领域技术人员将理解，通过不脱离公开的精神和范围对公开的机器、系统和方法进行修改可想到各种另外的实施方式。这些实施方式应被理解为落入基于权利要求书及其等同确定的本发明的范围。

Claims (13)

1.一种操作具有多个缸的气体或双燃料发动机的方法，该方法包括：
监视所述气体或双燃料发动机的操作过程中所述多个缸的每个缸的至少一个特征；
基于监视的所述多个缸的每个缸的特征检测与所述多个缸的一个或多个缸相关的预点燃条件；
减少到具有与其相关的预点燃条件的一个或多个缸的燃料供应；
响应于到具有预点燃条件的一个或多个缸的减少燃料供应增加到所述多个缸的剩余缸的燃料供应以维持所述气体或双燃料发动机的恒定动力输出；和
基于供应到剩余缸的燃料增加量调节供应到所述多个缸的每个缸的空气量以使空气-燃料比维持在希望范围。
2.如权利要求1所述的方法，其中，空气-燃料比的希望范围为从大约33:1到38:1。
3.如权利要求1所述的方法，其中，监视所述多个缸的每个缸的至少一个特征包括监视所述多个缸的每个缸的缸压。
4.如权利要求1所述的方法，其中，检测预点燃条件还包括：
基于监视的所述多个缸的每个缸的特征确定所述多个缸的每个缸的燃烧开始；和
确定与所述气体或双燃料发动机的所述多个缸的每个缸相关的燃烧开始和点燃正时之间的时间差。
5.一种气体或双燃料发动机，包括：
多个缸；
燃料进入阀，其与所述多个缸的每个缸相关，所述燃料进入阀能够将燃料供应到所述多个缸的每个缸的燃烧室；
传感器，其与所述多个缸的每个缸相关并能够检测所述气体或双燃料发动机的操作过程中所述多个缸的每个缸的特征；和
控制单元，其操作地联接到与所述多个缸的每个缸相关的所述传感器和所述燃料进入阀，所述控制单元能够：
从所述传感器接收所述气体或双燃料发动机的操作过程中所述多个缸的每个缸的至少一个特征；
基于接收到的所述多个缸的每个缸的特征检测与所述多个缸的一个或多个缸相关的预点燃条件；
减少到具有与其相关的预点燃条件的一个或多个缸的燃料供应；
响应于到具有预点燃条件的一个或多个缸的减少燃料供应增加到所述多个缸的剩余缸的燃料供应，以维持所述气体或双燃料发动机的恒定动力输出；和
基于供应到所述剩余缸的燃料增加量调节供应到所述多个缸的每个缸的空气量，以将空气-燃料比维持在希望范围。
6.如权利要求5所述的气体或双燃料发动机，其中，控制单元还能够减小与具有与其相关的预点燃条件的一个或多个缸相关的燃料进入阀的打开持续时间。
7.如权利要求5所述的气体或双燃料发动机，其中，空气-燃料比的希望范围为从大约33:1到38:1。
8.如权利要求5所述的气体或双燃料发动机，其中，传感器是能够检测所述多个缸的每个缸的缸压的压力传感器。
9.如权利要求5所述的气体或双燃料发动机，其中，控制单元还能够：
基于从传感器接收的所述多个缸的每个缸的特征确定所述多个缸的每个缸的燃烧开始；和
确定与所述气体或双燃料发动机的所述多个缸的每个缸相关的燃烧开始和点燃正时之间的时间差。
10.如权利要求9所述的气体或双燃料发动机，其中，控制单元还能够在燃烧开始和点燃正时之间的时间差小于一个或多个缸的预定阈值时增加与剩余缸相关的燃料进入阀的打开持续时间。
11.如权利要求5所述的气体或双燃料发动机，还包括能够将先导燃料喷射到所述多个缸的每个缸的燃烧室中的先导喷射器。
12.如权利要求11所述的气体或双燃料发动机，其中，控制器能够确定燃烧开始和先导喷射器喷射先导燃料开始之间的时间差。
13.如权利要求12所述的气体或双燃料发动机，其中，控制器还能够在燃烧开始和喷射正时开始之间的时间差小于一个或多个缸的预定阈值时增加与剩余缸相关的气体进入阀的打开持续时间。
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