CN104995387A - 用于双燃料发动机的控制系统 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于双燃料发动机(10)的控制系统。该控制系统可具有带喷嘴(54)的气体燃料喷射器(38)，该喷嘴位于发动机的气缸(16)的第一进气口(32)处并且配置为基于发动机的负载和转速中的至少一者将不同量的气体燃料径向地喷入气缸。控制系统还可具有液体燃料喷射器(36)，该液体燃料喷射器配置为基于发动机的负载和转速中的至少一者将固定量的液体燃料轴向地喷入气缸。此外，该控制系统可具有调节器(57)和至少一个传感器(53)，该调节器配置成选择性地调节进入气体燃料喷射器的气体燃料的流量，而该传感器配置成产生指示发动机的性能参数的信号。该控制系统也可以具有与调节器和至少一个传感器连通的控制器(55)。该控制器可以配置为基于信号选择性地使调节器调节气体燃料的流量。

Description

用于双燃料发动机的控制系统
技术领域
本发明涉及一种控制系统，具体来说，它涉及一种用于双燃料发动机的控制系统。
背景技术
由于液体燃料(如柴油)的成本上涨以及废气排放的限制越发严格，发动机制造商开发出了双燃料发动机。在一种示例性的双燃料发动机中，它是通过发动机气缸的进气口，喷入一种低成本的气体燃料(如天然气)。气体燃料与由进气口进入的清洁空气引入，并由各燃烧循环的中喷入液体燃料点燃。因为液体燃料和一种成本更低的燃料一起使用，成本得以降低。此外，气体和液体燃料混合物的燃烧可以减少有害的排放物。
在这些双燃料发动机中，特别要注意压力、流速、喷入缸内的气体和液体燃料的时序。如果不能严格地控制这些参数，发动机可能无法达到预期的运行状态。
Foster的美国专利第4,527,516号中公开了一种用于双燃料发动机的示例性控制系统。特别地，516’专利中公开了一种双燃料发动机，该发动机包括进气管，该进气管的一端连接到气体源，该进气管的另一端经由进气口连接到发动机气缸的侧面。516’专利还包括电控气体进气阀，用以控制气体经由进气管进入气缸的时序。该电控气体进气阀控制气流的参数，以满足发动机的要求，但它并不依赖于实现控制目的反馈。相反，此阀仅包括前馈控制，以满足特定的燃料规格。
尽管516’专利可能选用于某些场合，但它的控制系统可能还不是最佳的。特别地，因为这种控制系统仅使用前馈控制，它可能无法考虑会影响系统性能的环境因素和/或老化因素中的变化。
本发明公开的控制系统的目的在于克服上述一个以上问题和/或现有技术的其他问题。
发明内容
一方面，本发明涉及一种用于双燃料发动机的控制系统。该控制系统可包括气体燃料喷射器，该气体燃料喷射器具有喷嘴，该喷嘴位于发动机气缸的第一进气口处，且配置为根据发动机负载和转速中的至少一个将不同量的气体燃料沿径向喷入气缸。该控制系统还可以包括液体燃料喷射器，该液体燃料喷射器配置为根据发动机负载和转速中的至少一个将固定量的液体燃料沿轴向喷入气缸。该控制系统还可包括调节器和至少一个传感器，该调节器配置为有选择地调节气体燃料进入气体燃料喷射器的流量，该传感器配置为产生指示发动机性能参数的信号。该控制系统还可以包括与上述调节器和上述至少一个传感器相连通的控制器。该控制器可以配置为根据上述信号选择性地使调节器调整气体燃料的流量。
另一方面，本发明涉及一种用于控制双燃料发动机运行的方法。该方法可包括：根据发动机负载和转速中的至少一个，将不同量的气体燃料通过发动机气缸的第一进气口沿径向喷入气缸；以及根据发动机负载和转速中的至少一个，将固定量的液体燃料沿轴向喷入气缸。该方法还可包括感测发动机的性能参数，并基于该性能参数选择性地调整气体燃料的喷入量。
附图说明
图1是用于说明配有一种示意性控制系统的双燃发动机的剖面示意图；和
图2是与图1所示的控制系统相关的示例性公开的时序图。
具体实施方式
图1图示了示例性内燃发动机10。发动机10被示为和描述为两冲程双燃料发动机。发动机10可以包括发动机机体12，发动机机体12至少部分地限定了多个气缸16(只示出一个)，每个气缸16具有相关的气缸头20。气缸衬18可以布置在每个发动机气缸16内，并且气缸头20可以封闭气缸衬18的一端。活塞24可滑动地布置在每个气缸衬18内。每个气缸衬18、气缸头20、以及活塞24可以一起限定燃烧室22，该燃烧室22从安装到发动机10的燃料系统14中接收燃料。可以预期的是，发动机10可以包括具有相应的燃烧室22的任意数目的发动机气缸16。
在发动机气缸衬18之内，活塞24可以配置为在下死点(BDC)或最低位置与上死点(TDC)或最上位置之间往复运动。特别地，活塞24可以是包括枢转地连接到杆28的活塞冠26的组件，杆28可以接着枢转地连接到曲轴30。发动机10的曲轴30可旋转地布置在发动机机体12内并通过杆28联接到曲轴30的每个活塞24内，使得气缸衬18内的每个活塞24的滑动动作导致曲轴30的旋转。类似的，曲轴30的旋转可以导致活塞24的滑动动作。当曲轴30旋转通过大约180度时，活塞冠26和连接的杆28可移动经过在下死点和上死点之间的一个完整冲程。发动机10是两冲程发动机，可具有包括动力冲程/排气冲程/进气冲程(上死点到下死点)和进气冲程/压缩冲程(下死点到上死点)的完整循环。
在上述的动力冲程/排气冲程/进气冲程的最后阶段期间，可经位于气缸衬18的侧壁内的一个或多个气体交换口(例如，进气口32)将空气吸入燃烧室22。特别地，当活塞24在气缸衬18内向下移动时，将最终到达进气口32不再被活塞24阻挡并且相反与燃烧室22流体连通的位置。当进气口32与燃烧室22流体连通，并且进气口32的空气压力大于燃烧室22内的压力时，空气将通过进气口32进入燃烧室22。可以预期的是，气体燃料(例如甲烷或天然气)可以通过至少一个进气口32引入燃烧室22(例如径向地喷射)。气体燃料可与空气混合以在燃烧室22内形成燃料/空气混合物。
最后，活塞24将开始向上运动，该运动阻挡进气口32并压缩空气/燃油混合物。当燃烧室22内的空气/燃料混合物被压缩时，混合物的温度可升高。在活塞24邻近上死点的时候，液体燃料(例如柴油或其他石油基液体燃料)在某一点经液体燃料喷射器36喷射到燃烧室22中。液体燃料可以通过热空气/燃料混合物点燃，使得这两种类型的燃料燃烧并导致燃烧室22内的化学能以温度和压力尖峰的形式释放。在动力冲程/排气冲程/进气冲程的第一阶段期间，燃烧室22内的压力尖峰可向下推动活塞24，从而给曲轴30施加机械动力。在这一向下行程期间的特定点，位于气缸头20内的一个或多个气体交换口(例如，排气口34)可以打开以允许燃烧室22内的加压废气排出，并且循环将重新开始。
液体燃料喷射器36可以定位在气缸头20内部，并且配置为通过以大致锥形方式朝向气缸衬18的内部轴向地释放燃料，将液体燃料喷射到燃烧室22的顶部中。液体燃料喷射器36可以配置为周期性地喷射固定量的液体燃料，例如，取决于当前的发动机转速和/或负载。在一个实施例中，发动机10可以设置为仅依靠液体燃料喷射或少量与气体燃料混合的液体燃料运行。气体燃料可经由任意数目的气体燃料喷射器38通过进气口32喷射到燃烧室22中。在进气口32通过活塞24的运动打开之后，气体燃料可通过相应的进气口32径向地喷射到燃烧室22中。喷入燃烧室22中的气体燃料的量可以基于发动机负载和/或转速以及基于监测的性能参数而变化，如下面将更详细地描述。
当作为双燃料发动机运行时，利用燃料系统14的发动机10可以消耗两种类型的燃料。可以预期的是，气体燃料可以产生发动机10的总能量输出的40％到85％。例如，气体燃料可以产生总能量输出的60％到65％，而液体燃料产生剩余的35％到40％。无论如何，液体燃料可以充当点火源，使得比发动机10仅运行在液体燃料下时需要的量更少。
如图1所示，燃料系统14可以包括各种供应部件。供应部件可以包括用于每个气体燃料喷射器38的单独的燃料供应线52。可以包括供应歧管51、公共流量调节器57、以及燃料供应62，从而给单独的燃料供应线52提供气体燃料。燃料供应62可以代表燃料箱或其他配置用作燃料贮存器的容器。燃料供应62经公共燃料供应线59提供气体燃料给公共调节器57。可以控制公共流量调节器57来调整气体燃料的上游参数(例如压力、流速、喷射时序，等等)并将气体燃料引导到燃料供应歧管51中。供应歧管51可以连接到每个单独的燃料供应线52，用于给每个气体燃料喷射器38提供燃料。供应线52和气体燃料喷射器38两者都定位在气箱40内部。
气体燃料喷射器38可在气箱40内部直接安装到发动机机体12的壁42或安装到气缸衬18，使得气体燃料喷射器38的喷嘴54与邻近的发动机气缸16的进气口32中的一个直接连通。喷嘴54可以是收缩喷嘴，该收缩喷嘴具有收缩部分56以及连接在收缩部分56的远端的尖端58。尖端58可以创造轴向流动路径，以将气体燃料引导向气缸16的中心轴线。收缩部分56可以增加将要通过下游尖端58喷射到气缸16中的气体燃料的上游压力。收缩部分56可能具有相对于中心轴线大约60度的夹角，其他的在50度到70度范围内的角度也是可能的。
通过喷嘴54创造的气体燃料的上游/下游压力比例可能需要被控制以便实现临界流或扼流。出于本发明的目的，扼流可定义为通过喷嘴54的流动，只要上游压力是固定的，则基本不受下游压力变化的影响。扼流可以帮助最佳实现燃料渗透至大约燃烧室22的中央。在一个实施例中，其中气体燃料是甲烷，用于完成扼流的上游与下游压力的最小比值是大约1.84。不管气体燃料的类型，利用扼流可以设置燃料的下游压力，使得通过周围进气口32的空气流被压制，并且气体燃料渗透到燃烧室22的中央。为了帮助完成该气体燃料渗透，可以设想，喷射的气体燃料的下游压力可以比导入燃烧室22中的空气的压力高大约0.5-4巴。该压力差是必要的以允许气体燃料在短时间窗口期间进入气缸16，在该时间窗口中，进气口32打开以将气箱40与燃烧室22流体连通。
公共流量调节器57能够调整进入气体燃料喷射器38的气体燃料的压力，以通过喷嘴54实现预期的下游压力和扼流。发动机10可以包括控制系统以通过公共流量调节器57经调整来调节气体燃料喷射。控制系统可以包括传感器53和控制器55。基于传感器53产生的信号，控制器55经公共流量调节器57调整燃料流以维持预期性能。传感器53可以安装在发动机10内部或附近的任意合适位置，用于监测与发动机10运行有关的性能参数。传感器53可连接到控制器55以向控制器55提供表示所述参数的信息(通过产生电子信号)。相应地，控制器55可以解释这些信号并经公共流量调节器57调整燃料流。
传感器53可以代表定位在一个或多个进气口32处的性能传感器，用于测量经过相应进气口32的空气和/或燃料流。例如，传感器53可以放置在进气口32，该进气口32邻近容纳气体燃料喷射器38的喷嘴54的进气口32。在该方案中，传感器53可以是压力传感器，该压力传感器配置为测量从气箱40进入气缸16的空气的压力。可选地，传感器53可定位在气体燃料喷射器38相对的气缸16的一侧上的进气口32处。在这种情况下，传感器53可以是燃料传感器，该燃料传感器配置为检测已经通过相应进气口32离开气缸16的来自气体燃料喷射器38的燃料。在两个实施例中，传感器53可以将关于空气流和/或燃料流的信息发送至控制器55，该控制器55可以将指令中继到公共流量调节器57，从而响应地调整燃料的压力和/或流速。为了有效地测量目标参数，传感器53能够采用不同的形状和/或放置在不同的位置。还可以设想，如果需要，也可以被使用监测相同和/或不同的参数的多个传感器53。
还可以设想，传感器53可以用于检测作为性能参数的高于阈值水平的废气组分(例如氮氧化物(NOx)、颗粒物质、碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳，等等)的存在。响应于传感器53监测到的不期望水平的特定废气组分，控制系统可调整气体燃料流以减少相关排放。
在替代的实施例中，传感器53可以代表爆振传感器，该爆振传感器可放置在发动机机体12上或附近的任意合适位置以给控制器55提供关于双燃料燃烧的信息。例如，爆振传感器53可以配置为检测通过燃烧室22内的燃料燃烧创造的压力波的频率，或以别的方式测量燃烧过程的状况。如果该状况满足某个阈值，例如测量的频率在目标范围之外，则可出现发动机爆振(也就是某种程度的燃料不完全燃烧)。爆振传感器53可以与控制器55通信并且配置为向控制器55提供指示燃烧过程的信号。如果调整被确定是必要的，则控制器55用信号通知公共喷射器调节器57来调整唯一的喷射的气体燃料的参数，直到通过爆振传感器53测量的状况处于目标范围之内。
图2说明了示例性的双燃料发动机的时序图。图2将在下面的部分中详细讨论以进一步说明所公开的概念。
工业实用性
燃料系统14可以用于新的双燃料发动机或改装成现有的单燃料发动机。为了以更清洁和更划算的方式利用相关的发动机，燃料系统14可以是单燃料系统的替代品。可以提供控制系统以帮助确保燃料系统14的有效使用。通过传感器53的使用，有效的控制是可能的，从而监测临界参数并通过控制器55向燃料系统14提供反馈。特别地，来自控制系统的反馈可以用于基于运行状况(例如负载和/或发动机10的转速)来调整气体燃料喷射。由于液体燃料喷射器36可以按循环的方式机械地被驱动，而不需要来自控制系统的任何输入，这可能是有利的。也就是说，不管环境因素、老化因素等等的变化，对于每个燃烧循环(也就是，对于给定的负载状况和/或发动机10的转速)，液体燃料喷射器36均喷射相同量的液体燃料。
图2是与发动机10和燃料系统14的运行有关的示例性时序图100。当操作者转动钥匙起动发动机10时，可以开始发动机的运行。燃料可以从燃料贮存器(例如燃料供应62)中抽取至每个气缸16。在起动时，尽管初始燃烧循环可能包括两种燃料，但是发动机10按照惯例在上死点102附近(在液体喷射起点106和液体喷射终点108之间)依靠唯一的液体燃料喷射运行。在起动之后，并且随着活塞24在它的动力冲程/排气冲程/进气冲程上朝下死点104移动，排气口34可以在点110附近打开。活塞24可以继续向下直到活塞冠26在图2的相应点112处开始不覆盖进气口32。一旦活塞冠26通过进气口32的底部，进气口32可完全打开。然后在进气口32打开的相应点114和116之间的时间段期间，可以从气体燃料喷射器38喷射气体燃料。同样在这个时间段期间，空气可从气箱40进入气缸16。当活塞24从下死点104向上移动时，活塞冠26将逐渐关闭进气口32。进气口32可以在点118处完全关闭。所有的气体燃料喷射可在到达该点之前发生。可以预期的是，将在112和118之间的完整时间段的大约25％到40％的期间喷射气体燃料，其中在该完整时间段进气口32打开。在一个实施例中，当活塞处于它的进气冲程/压缩冲程时，仅在该时间段的后半部分期间出现这一喷射时间(在114和116之间)。在气体燃料被喷射且进气口32被关闭之后，排气口34可以在点120附近关闭。在到达上死点102之前，可以在点106处开始液体燃料喷射。当活塞24完成它的进气冲程/压缩冲程时，喷射的液体燃料可以引起全部燃料混合物的燃烧，从而重新起动循环。
如果必要的话，可由传感器53监测进入或离开气缸16的空气和燃料流以允许调整。例如，如果喷射到进气口32中的燃料的压力不足以压制通过进气口32进入的空气的压力，则需要压力调整。可以在进气口32处监测空气压力，该进气口32邻近其中喷射气体燃料的进气口32。传感器53收集的数据可以发送给控制器55并解释(通过与来自调节器57的数据或来自气体燃料喷射器38中的单独的传感器的数据比较)以确定燃料压力调整是否是必要的以达到下游燃料喷射和进气之间的预期压力差(大约2-4巴)。如果压力调整是必要的，控制器55可以发送指令到公共流量调节器57以调整进入气体燃料喷射器38的燃料流速，使得喷射压力达到预期范围。还可以预期，传感器53可以监测其他运行状况，例如温度、速度、时序及类似数据，这些数据可以转化为控制系统的指令以确保燃料强力流入气缸。
例如，传感器53可以用于检测燃料离开进气口32的流动性。传感器53可以定位在与气体燃料喷射器38相对的气缸16的一侧上的进气口32外部，以检测已经离开气缸16的燃料。如果检测到燃料，或如果检测到的燃料量超过阈值水平，可以经公共流量调节器57通过控制器55调整喷射的气体燃料的压力。以这种方式使用传感器53和控制系统可以促成燃料在气缸16内部更大的停留，并因此提高了燃料系统14的效率。
另一选项可以是利用传感器53作为爆振传感器以监测燃烧室22内的燃料燃烧。可以通过公共流量调节器57增加由气体燃料喷射器38喷射的气体燃料的压力，直到爆振传感器53检测到预示发动机爆振的由燃料燃烧生成的阈值压力波频率。传感器53可以将信息中继到控制器55以经公共流量调节器57减少喷射的气体燃料的压力，直到出现燃烧而不爆振。
在给定的燃烧循环期间或之后，传感器53感知到超出预期范围的参数。如果是，传感器53可以产生指示该参数的信号并发送该信号至控制器55。控制器55可解释这些信号并将指令引导到公共流量调节器57(或如果存在的话，在气体燃料喷射器38内的单独的流量调节器)以调整参数(例如压力、流速、时序，等等)，使得可以优化流动以满足由传感器53监测的预期范围。这种类型的动态控制系统可以有益于允许燃料系统14和发动机10有效地运行，同时适应运行状况的改变。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对所公开的发动机和控制系统进行各种修改和变型。另外的实施例从公开的控制系统的说明与实践的考虑对所属领域的技术人员将是显而易见的。说明书和示例仅仅是示例性的，真实范围由所附权利要求书及其等价内容指出。

Claims (10)

1.一种用于双燃料发动机(10)的控制系统，包括：
气体燃料喷射器(38)，其具有的喷嘴(54)位于所述发动机的气缸(16)的第一进气口(32)处并且配置为基于所述发动机的负载和转速中的至少一者将不同量的气体燃料径向地喷入所述气缸；
液体燃料喷射器(36)，其配置为基于所述发动机的负载和转速中的至少一者将固定量的液体燃料轴向地喷入所述气缸；
调节器(57)，其配置成选择性地调节进入所述气体燃料喷射器的气体燃料的流量；
至少一个传感器(53)，其配置成产生指示所述发动机的性能参数的信号；以及
控制器(55)，其与所述调节器和所述至少一个传感器连通，且所述控制器配置成基于所述信号选择性地使所述调节器调节气体燃料的流量。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述传感器定位在所述气缸的第二进气口(32)处。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述性能参数是通过所述第二进气口进入气缸的空气的压力。
4.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述性能参数是通过所述第二进气口离开气缸的气体燃料的存在。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述性能参数是高于阈值的废气成分的存在。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述性能参数是由燃料燃烧产生的压力波的频率。
7.一种用于控制双燃料发动机(10)的操作的方法，包括：
基于所述发动机的负载和速度的至少一者通过所述发动机的气缸(16)的第一进气口(32)径向地喷射不同量的气体燃料；
基于所述发动机的负载和速度的至少一者将固定量的液体燃料轴向地喷入所述气缸；
感测所述发动机的性能参数；以及
基于所述性能参数选择性地调节所喷射的气体燃料的量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，调节气体燃料喷射包括将喷射到所述气缸内的气体燃料的压力调节至超过进入所述气缸的空气压力大约0.5-4巴的压力。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，喷射所述气体燃料包括在所述第一进气口打开的大约25-40％的时间段内喷射所述气体燃料。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，喷射不同量的气体燃料包括将气体燃料引导穿过配置成阻碍气体燃料流动的收缩喷嘴(54)。
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