CN105008700A - 燃料系统诊断 - Google Patents

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Abstract

一种用于在原地运作内燃机的方法和装置，所述方法包括确定所述内燃机的燃烧室的至少一个燃烧特性，所述至少一个特性包括所述燃烧室的实际放热信号；以及输入所述实际放热信号到诊断逻辑树中，以用于诊断由于以下各项中的至少一项的燃烧特性的变化：故障的燃料喷射器；燃烧始点定时误差；以及燃料质量的变化；以及执行缓和技术以补偿燃烧特性的所述变化。

Description

燃料系统诊断
发明领域
本申请涉及对于在内燃机中的燃料系统诊断使用非侵入性燃烧传感器的技术。
发明背景
主要发动机制造商在下一代发动机设计中正越来越多地采用闭环发动机控制来提高可靠性、性能和排放。闭环发动机控制的关键部件是燃烧传感器。燃烧传感器的主要功能是获得关于缸内燃烧的质量的详细信息，所述信息包括放热定时(例如10％、50％和90％)、来自个别汽缸的明显放热的总量和缸内压力。所述信息可用在实时发动机控制中用于平衡汽缸负载以及补偿燃料系统变化性。
获得缸内燃烧信息的最可靠的方法是通过直接测量缸内压力。有用于测量缸内压力的几种技术。但是，现有的缸内压力(燃烧)传感器的成本和耐久性远不是发动机制造商可以接受的。进入燃烧室所需的额外机械加工也增加了实现技术的难度。
燃烧特性(放热)的变化可以是由于除了燃料量的变化之外的许多因素。例如，故障或故障的燃料喷射器可通过将过多或过少燃料引入到燃烧室中或在不同于期望的时机下引入燃料而影响燃烧。燃料质量(热值)的变化也造成燃料特性的变化。在遍及世界的某些地方，如在欧洲，由于不同的管理机构，对于气体燃料的燃料质量在不同区域中不同是常见的。使用燃烧传感器的现有的控制技术不会检测引起燃烧特性变化的这些其他因素，所述燃烧特性变化由于所述控制不可能针对对应的原因而被校正而影响闭环控制。
现有技术缺乏用于确定哪些因素正引起燃烧特性的变化的技术。本方法和装置提供对于在内燃机中的燃料系统诊断使用非侵入性燃烧传感器的技术。
发明内容
用于在原地运作内燃机的改进的方法包括确定发动机的燃烧室的至少一个燃烧特性。至少一个燃烧特性包括用于燃烧室的实际放热信号。将实际放热信号输入到诊断逻辑树中以用于诊断由于以下各项中的至少一项的燃烧特性的变化：(a)与燃烧室相关联的故障的燃料喷射器；(b)燃烧始点定时误差；以及，(c)燃料质量的变化。执行缓和技术以补偿燃烧特性的变化。
方法优选地还包括根据发动机运作条件确定所需的放热信号。比较实际放热信号和所需放热信号之间的差异与预定容差。当这种差异在预定容差的范围之外时，燃料喷射器被诊断为故障。也就是说，当这样的差异大于预定容差的正值时，故障的燃料喷射器正引入过多燃料，而当这样的差异小于预定容差的负值时，那么它正引入过少燃料。
方法还包括确定用于燃烧室的另一燃烧特性，包括实际燃烧始点定时，所述方法将所述另一燃烧特性输入到诊断逻辑树中用于诊断燃烧始点定时误差。根据发动机运作条件确定所需燃烧始点定时。比较实际燃烧始点定时和所需燃烧始点定时之间的差异与第一预定容差；并且当这种差异在第一预定容差的范围之外时，通过调整燃料喷射器的喷射始点定时来校正燃烧始点定时误差。作为在调整燃料喷射器的喷射始点定时之前的先决条件，确定燃料喷射器正引入在第二预定容差的范围内的燃料的数量。
方法还包括根据实际进气歧管压力和实际放热信号中的至少一个来确定燃料供给校正。燃料供给校正对由燃料质量的变化引起的燃烧特性的变化进行校正。在一个实施方案中，使用以下步骤来确定燃料供给校正。根据发动机运作条件确定所需进气歧管压力。比较实际进气歧管压力与所需进气歧管压力之间的第一差异与第一预定容差。当第一差异在第一预定容差的范围之外时，根据第一差异确定燃料供给校正。当内燃机包括与各自燃料喷射器相关联的多个燃烧室时，每一燃烧室包括各自燃烧特性，并且内燃机包括发动机燃烧特性。根据与各自燃烧室相关联的放热信号确定发动机的平均放热信号。根据发动机运作条件确定所需平均放热信号。比较实际平均放热信号和所需平均放热信号之间的第二差异与第二预定容差。当第二差异在第二预定容差的范围之外时，确定燃料供给校正。作为确定燃料供给校正的先决条件，确定内燃机中的每一燃料喷射器正将第二预定容差限定的范围内的燃料的数量引入到各自燃烧室中。
在另一实施方案中，使用以下步骤来确定燃料供给校正。当内燃机包括与各自燃料喷射器相关联的多个燃烧室时，每一燃烧室包括各自燃烧特性，并且内燃机包括发动机燃烧特性。根据与各自燃烧室相关联的放热信号确定内燃机的平均放热信号，并且根据发动机运作条件确定所需的平均放热信号。比较实际平均放热信号和所需平均放热信号之间的第一差异与第一预定容差。然后当第一差异在由第一预定容差限定的范围之外时，根据第一差异确定燃料供给校正。根据发动机运作条件可以确定所需进气歧管压力，并且可比较实际进气歧管压力与所需进气歧管压力之间的第二差异与第二预定容差，使得当第二差异在由第二预定容差限定的范围之外时执行燃料供给校正。
在又一个实施方案中，可以根据实际排气歧管压力和实际放热信号中的至少一个来确定燃料供给校正。
内燃机在启动期间可以用蒸发气体做燃料供给。当用蒸发气体做燃料供给时，检测相对于默认燃料质量的燃料质量的变化。提供燃料供给校正来校正燃料质量的变化。在确定以下各项中的一项的出现后，发动机切换到用低温燃料做燃料供给：用蒸发气体给内燃机做燃料供给的预定时间量已经流逝；以及，蒸发气体的蒸气压已经降至预定值以下。当用低温燃料做燃料供给时，可以检测相对于默认燃料质量的燃料质量的变化。然后提供另一燃料供给校正来校正燃料质量的变化。
内燃机可以用低温燃料、低温燃料的蒸发气体、和不同比例的低温燃料和蒸发气体的组合中的一个做燃料供给。相对于默认燃料质量可以检测燃料质量的变化。可以提供燃料供给校正来校正燃料质量的变化。发动机可以选择性地用低温燃料、蒸发气体、和低温燃料和蒸发气体的组合做燃料供给。
用于在原地运作内燃机的改进的装置包括与内燃机中的燃烧室相关联的加速计传感器和接收代表燃烧室中的压力的来自加速计传感器的信号的控制器。编程控制器来确定包括实际放热信号的燃烧室的至少一个燃烧特性；以及将实际放热信号输入到诊断逻辑树中，用于诊断由于以下各项中的至少一项的燃烧特性的变化：(a)与燃烧室相关联的燃料喷射器故障，(b)喷射始点定时误差，以及(c)燃料质量的变化。执行缓和技术以补偿燃烧特性的变化。
附图简述
图1是配备有加速计传感器和使用从加速计传感器接收的信号的燃料系统诊断的控制系统的内燃机的汽缸的示意图。
图2是图1的燃料系统诊断的控制系统中的诊断逻辑树模块的流程图。
图3是在1200RPM和75％节流下运行的发动机的放热对曲柄转角的图表，示出原始喷射始点定时的放热曲线、模拟表1中的故障模式3的移位喷射始点定时(喷射定时的移位)的放热曲线以及校正喷射始点定时的放热曲线。
图4是在1200RPM和75％节流下运行的发动机的缸内压力对曲柄转角的图表，示出原始喷射始点定时的放热曲线、模拟表1中的故障模式3的移位喷射始点定时(喷射定时的移位)的放热曲线以及校正喷射始点定时的放热曲线。
图5是在1200RPM和75％节流下运行的发动机的放热对曲柄转角的图表，示出原始喷射量的放热曲线、模拟表1中的故障模式2和4的改良的喷射量的放热曲线以及校正的喷射量的放热曲线。
图6是在1200RPM和75％节流下运行的发动机的缸内压力对曲柄转角的图表，示出原始喷射量的放热曲线、模拟表1中的故障模式2和4的改良的喷射量的放热曲线以及校正的喷射量的放热曲线。
图7是在1200RPM和75％节流下运行的发动机的发动机扭矩对ESC模式的柱状图，示出甲烷数为87的典型管线气的扭矩、甲烷数为65的混合气体的扭矩以及在燃料供给校正之后的混合气体的校正扭矩。
图8是在1200RPM和75％节流下运行的发动机的未燃烃(UHC)排放对ESC模式的柱状图，示出当发动机用甲烷数为87的典型管线气作燃料时的UHC排放、用甲烷数为65的混合气体作燃料时的UHC排放以及用燃料供给校正之后的混合气体作燃料时的UHC排放。
图9是在1200RPM和75％节流下运行的发动机的一氧化碳(CO)排放对ESC模式的柱状图，示出当发动机用甲烷数为87的典型管线气作燃料时的CO排放、用甲烷数为65的混合气体作燃料时的CO排放以及用燃料供给校正之后的混合气体作燃料时的CO排放。
图10是在1200RPM和75％节流下运行的发动机的滤纸式烟度单位(FSN)对ESC模式的柱状图，示出当发动机用甲烷数为87的典型管线气作燃料时的FSN、用甲烷数为65的混合气体作燃料时的FSN以及用燃料供给校正之后的混合气体作燃料时的FSN。
优选实施方案详细描述
参照图1，通过实施例示出具有控制系统的内燃机100，使用所述控制系统检测由于除了燃料量的变化之外的原因而引起燃烧特性的变化的因素以及执行缓和技术以补偿所述变化。控制系统在原地实时运作，使得发动机100可在控制系统运作时连续运行而无需必须停止。发动机100包括燃烧室110，所述燃烧室在这个实施例中由汽缸120、汽缸盖130和活塞140限定。在图1中示出仅仅一个这样的汽缸，但如本技术领域的技术人员所知晓的，发动机100一般包括两个或更多汽缸，并且本文公开的技术适于于具有一个或多个汽缸的任何发动机。活塞140在汽缸120内是往复的，并且活塞140的往复运动通过连接杆160转变为曲轴150的旋转，所述连接杆160操作性地附接到活塞140和曲轴150的相对末端。进气阀和排气阀(未示出)运作来将包括氧气的负荷从进气歧管输送到燃烧室110，并来将排气副产物从那里移除到排气歧管。发动机100还包括燃料和空气输送系统，以及与内燃机相关联的任何其他标准系统。
发动机100示出以安装在轴承盖180上的爆震传感器形式的加速计传感器170，所述加速计传感器170通过由缸内压力的变化引起的阻尼偏转而充当阻尼振荡器。许多常规发动机爆震传感器使用加速计并且将适合用于所公开的布置。使用加速计170来通过在燃烧期间产生的振动信号来检测燃烧室110的压力变化。如本技术领域的技术人员将知晓的，可以使用发动机100中的其他位置来安装加速计170使得可以检测燃烧压力的变化。电子控制器190通过信号线200接收来自加速计170的代表缸内压力的信号。当发动机100包括多个汽缸时，所需加速计的数量取决于发动机几何结构。在典型的发动机中，因为邻近的汽缸相对于彼此一般异相运作，所以一个这样的加速计170和对应的信号线200可以与相邻的一对燃烧室相关联。如那些熟悉技术领域的技术人员知晓的，电子控制器190接收来自发动机100中的其他传感器中的其他信号，如发动机转速(RPM)、踏板位置、进气歧管压力(IMP)、节气门位置传感器、含氧传感器、燃料轨压力和扭矩、以及这些信号的集合，且这些信号到控制器的的输入由信号线210表示。电子控制器190包括模块，所述模块响应于在电线200和210上的信号来执行燃料系统诊断，以便确定哪些因素正引起燃烧特性的变化。如本文所使用，术语模块、算法和步骤是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路，和/或提供所描述功能性的其他合适部件。在优选实施方案中，本文的模块、算法和步骤是电子控制器190的部分。
当引入到燃烧室的燃料量由于发动机运作条件而改变时，如放热和燃烧始点定时的燃烧特性改变。然而，燃烧特性可以因为除了燃料量的命令变化之外的原因而改变。例如，如果燃料喷射器损坏，那么它可以出乎意料地修改引入到燃烧室的燃料量。当燃料质量改变时，燃烧特性也可以改变，其可以出于各种原因发生。如果燃料质量改变，那么即使引入到燃烧室的燃料量是不变的，燃烧特性仍可以改变。例如，当将具有不同于已经在箱中的燃料的热值的燃料加入到燃料箱时，燃料质量可以改变，并且当燃料老化或当燃料的部分蒸发时也是如此。为了识别燃烧系统中可能故障的原因和后果，通过集中于对缸内燃烧有直接影响的事实，执行简化的故障模式工程分析(FMEA)(参见表1)。基于故障模式来产生诊断逻辑树，且形成检测和缓和策略。这些策略在发动机控制器190中实现并在论述诊断逻辑树之后将如解释的进行测试。在表1内，将燃料喷射器的修整列为在某些故障模式中推荐措施。修整涉及修改本公开中的个别燃料喷射器的喷射定时和/或脉宽。图2示出对应于表1中列出的每一个故障模式的诊断逻辑树。
表1
参照图2，模块220是以诊断逻辑树形式的虚拟燃烧传感器，所述诊断逻辑树检测燃烧特性的变化并且考虑可以引起这些变化的多个因素并且诊断由于除了燃料量的命令变化之外的原因造成的引起这些变化的哪些具体因素。模块220可以执行缓和技术来在可能时补偿燃烧特性的变化。重建算法230通过与各自燃烧室110相关联的信号线200接收来自每一加速计170的加速计信号240，并且为每一燃烧室110确定燃烧始点(SOC)定时250和以累积的放热260形式的放热。累积放热270是基于用于所有燃烧室的实际累积放热信号260，由模块460接收用于确定用于发动机100的平均累积放热470。重建算法230可以是在申请人的对应美国专利公布第20120150414号中公开的算法，但是可以使用提供燃烧室的SOC定时和放热信息的任何重建算法。在优选实施方案中，重建算法230包括以校正算法形式的自适应学习能力，所述校正算法调整算法230以适应当发动机100老化时的性能的变化。校正算法是车载诊断系统(OBD)的部分，并且当调整算法230时，相应地调整使用算法230的其他OBD诊断。
模块280确定SOC定时误差290，所述SOC定时误差290是实际SOC定时250和所需SOC定时300之间的差异。使用包括发动机转速和踏板位置的发动机参数来在图310中查找所需SOC定时300。如在技术领域的技术人员应知晓的，可以使用发动机参数的其他组合来在图310中查找所需SOC定时，以及在其他图370、510、580中查找其他特性。作为一个实施例，这样的发动机参数的非详尽清单包括发动机转速、踏板位置、燃料供给量、扭矩以及燃料轨压力，还有其他发动机参数。在模块320中比较误差290与由容差[-TOL1,TOL1]限定的预定范围，并且当误差290在由预定容差限定的预定范围之外(误差290的绝对值大于容差TOL1)时，将信号330设为逻辑一，将其他信号330设为逻辑零。在模块440中使用信号330用于确定喷射始点定时校正，如将在下文更详细地解释的。
模块340确定对于一个燃烧室110的累积的放热误差350，所述累积放热误差350是实际累积放热260和所需累积放热360之间的差异。使用包括发动机转速和踏板位置的发动机参数来在图370中查找所需累积放热360，并且如先前论述的，可以在查找过程中使用其他发动机参数作为限定参数。在模块380中比较误差350与预定容差TOL2，并且当误差大于容差时，将信号390设为逻辑一并且将信号400设为逻辑零，否则当误差不大于容差TOL2时，将信号390设为逻辑零并且将信号400设为逻辑一。当将信号390设为逻辑一(实际累积放热260比所需累积放热360大超过容差TOL2)时，此指示与燃烧室相关联的燃料喷射器正将多于所需的燃料引入到燃烧室中。也就是说，溢流或泄露的燃料喷射器正引起所述燃烧室的燃烧特性的变化。信号390与OBD系统连接，以便可以使其他发动机系统以及车辆操作者或维护人员意识到溢流或泄露的燃料喷射器。
在模块410中比较误差350与容差TOL2的负数，并且当误差小于容差TOL2的负数时，将信号420设为逻辑一并且将信号430设为逻辑零，否则当误差不小于容差TOL2的负数时，将信号420设为逻辑零并且将信号430设为逻辑一。当将信号420设为逻辑一(实际累积放热260比所需累积放热360小至少容差TOL2)时，此指示与燃烧室相关联的燃料喷射器正将少于所需的燃料数量引入到燃烧室中。也就是说，低于流量的燃料喷射器正引起所述燃烧室的燃烧特性的变化。信号420与OBD系统连接，以便可以使其他发动机系统以及车辆运作者或维护人员意识到低于流量的燃料喷射器。
模块440确定不正确的SOC定时是否是引起个别燃烧室的燃烧特性的变化的因素。模块440分别从模块320中接收输入信号330以及从模块380和410接收信号400和430，并且作为逻辑与(AND)功能运算。信号330在设为逻辑一时指示燃烧室的SOC定时误差290在由容差[-TOL1,TOL1]限定的范围之外。信号400和430在设为逻辑一时指示与燃烧室相关联的燃料喷射器既不是溢流也不是低于流量，并且由模块440使用来排除导致燃烧始点定时误差的故障喷射器。当信号330、400和430中的每一个设为逻辑一时，模块440将信号450设为逻辑一，指示SOC定时正引起燃烧特性的变化并且需要喷射始点(SOI)定时校正。当信号450设为逻辑一时，模块457根据SOC定时误差290来确定SOI定时校正459。SOI定时校正459调整当燃料由与经历SOC定时误差的燃烧室相关联的燃料喷射器喷射的定时来减少误差从而在容差的预定范围内。
模块480确定对于发动机100的所有燃烧室110的平均累积的放热误差490，所述平均累积放热误差490是实际平均累积放热470与所需平均累积放热500之间的差异。使用包括发动机转速和踏板位置的发动机参数来在图510中查找所需平均累积放热500，并且如先前论述的，可以在查找过程中使用其他发动机参数作为限定参数。在模块520中比较误差490与容差[-TOL3,TOL3]的预定范围，并且当误差490在容差的预定范围之外(误差490的绝对值大于容差TOL3)时，将信号530设为逻辑一，否则将信号设为逻辑零。在算法中使用信号530用于检测燃料质量的变化，其在下文中描述。
在图2中示出的诊断逻辑树的实施方案中，发动机100包括涡轮增压器(图1中未示出)，所述涡轮增压器根据排气压力和其他发动机运作参数来增加进气歧管压力(IMP)。由于燃料热值的变化，燃料质量变化可以影响燃烧特性和排气压力。通过监视IMP，可以做出关于燃料质量是否已经变化的确定。在其他实施方案中，当发动机100未经涡轮增压时，那么作为替代的选择可以监视排气压力来监视进气歧管压力。模块540确定IMP误差550，所述IMP误差550是实际IMP570与所需IMP560之间的差异。使用包括发动机转速和踏板位置的发动机参数来在图580中查找所需IMP560，并且如先前论述的，可以在查找过程中使用其他发动机参数作为限定参数。在模块590中比较IMP误差550与容差[-TOL4,TOL4]的预定范围，并且当误差550在容差的预定范围之外(误差550的绝对值大于容差TOL4)时，将信号600设为逻辑一，否则将信号设为逻辑零。
通过评估每一个燃烧室的信号400和430，以及信号530和600，模块610确定燃料质量是否对在作为整体的发动机100的燃烧特性的变化负责。注意到，每一个燃烧室具有一对相关联的信号400和430。例如，当发动机100包括两个燃烧室时，有两个这样的信号400和两个这样的信号430，而当发动机100包括六个燃烧室时，每一个分别有六个这样的信号。模块610用作逻辑AND门，使得当所有信号400、430、530和600设为逻辑一时，那么模块610将信号620设为逻辑一，指示燃料质量变化对燃烧特性变化负责。通过在模块610中监视信号400和430，可以排除故障喷射器(过多燃料供给和不足燃料供给)作为对燃烧特性的变化负责。信号530和600指示燃料质量变化对燃烧特性变化负责，如将要在下文更详细地说明的。当信号620设为逻辑一时，模块630根据IMP误差550和平均累积放热误差490中的至少一个来确定燃料供给校正640。燃料供给校正640包括将平均累积放热误差490和IMP误差550带到它们各自的容差的预定范围内所需的对喷射始点定时和燃料供给量的校正。
信号530和600独立地指示燃料量的变化对燃烧特性的变化负责。取决于发动机100的实现细节，这些信号中的任一个对于燃料质量的变化可以比另一个更灵敏，并且因此更精确地检测到这些变化。在优选实施方案中，在模块610中使用信号530和600两者来彼此补足用于燃料质量变化检测算法中的增加的稳健性。在其他实施方案中，可以单独将任一信号530或600输入到模块610中用于检测燃料质量的变化。在优选实施方案中，由于如图2中可见的容差TOL3和TOL4的相对值，信号530提供比信号600更精确的确定。来自加速计170的信号240的精确性确定容差TOL1、TOL2和TOL3的相对值，并且这个精确性取决于使用的加速计的类型、加速计安装技术以及取决于发动机100的几何结构。当信号530在检测燃料质量变化时具有比信号600更高的灵敏度时，根据平均累积放热误差490确定燃料校正640，并且根据IMP误差550来确定信号600何时具有比燃料供给校正640更高的灵敏度。在又一个实施方案中，根据IMP误差550和平均累积放热误差490两者，可以使用燃料供给校正640。
在发动机100的短暂的发动机运作条件期间，在模块610中仅仅使用信号400、430和530来检测燃料质量变化。这些信号来源于加速计信号240，所述加速计信号240在循环的基础上可以检测燃烧特性的变化。尽管信号600在稳定状态期间精确于检测燃料质量的变化，但是由于涡轮增压器滞后，运作条件在短暂的条件期间经历减少的精确性。也就是说，引起缸内压力以及因此排气压力中的增加或减少的燃料质量变化不会引起进气歧管压力的立即的增加或减少，由于涡轮增压器滞后而使用所述燃料质量变化来确定信号600。在短暂的条件期间，模块630根据平均累积放热误差490来确定燃料供给校正640。在稳定状态运作条件期间，模块630可以根据平均累积放热误差490和IMP误差550中的任一个或两个来确定燃料供给校正640。
本文描述的虚拟燃烧传感器系统包括加速计和进气歧管压力传感器来监视包括放热量值和相位的燃烧特性。通过监视燃烧系统中的全局(每一个发动机)和局部(每一个汽缸)变化，传感器可以区分由燃料质量变化引起的燃烧质量的变化与由燃料系统硬件问题引起的燃烧质量的变化。在前者的情况下，可以量化所述变化并且因此可以补偿发动机燃料供给控制；在后者的情况下，可以提高预警使得问题在一被认定时就可以解决。将由模块220确定的SOI定时和燃料供给量校正输入到发动机100的其他闭环系统，使得空气燃料比率和排放量维持在预定的容差范围和水平内。在OBD系统中报告燃料喷射器的硬件问题(溢流和低于流量)，使得可通知车辆操作者或维护人员所需的校正。
模块220可以与发动机100的后处理硬件控制器(如图1中的控制器190)通信。后处理硬件包括以下部件，如尿素选择性催化还原(SCR)转换器和柴油颗粒过滤器(DPF)和其他相关联的传感器。由模块220采取的任何校正措施可以传递到后处理硬件控制器，使得涉及排放量和其他发动机参数的发动机性能可以在短暂和稳定的状态运作条件期间维持在预定运作范围内。
测试在模块220中的诊断逻辑树检测和缓和由表1中示出的燃料系统故障模式产生的问题的能力，并且在图3到图10中示出由此产生的结果。在第一阶段，测试模块220来检测以及校正故障模式3(喷射定时的不需要的移位)。为了模拟故障模式3，用于选定的汽缸的命令喷射定时被人工修改小的曲柄转角。由加速计170感测用于选定的汽缸的缸内压力，并且在图2中示出传递至控制器190的信息。实时产生并且在随后的发动机循环中使用SOI定时校正459。图3示出原始SOI定时的放热信号700、修改SOI定时的放热信号710以及校正SOI定时的放热信号720。图4示出原始SOI定时的缸内压力信号730、修改SOI定时的缸内压力信号740和校正SOI定时的缸内压力信号750。如这些图示出的，减少SOC误差290到容差的预定范围内。
在第二阶段，测试模块220来检测和校正燃料供给量的意外变化，所述意外变化可以针对表1中的故障模式2和4中的任意一个而发生。为了模拟故障模式2和4，对于选定的汽缸的天然气的命令喷射量人工修改大约10％。喷射量的变化立即被模块220检测到，并且控制器190产生实时喷射量校正。图5示出原始喷射量的放热信号760、修改喷射量的放热信号770以及校正喷射量的放热信号780。图6示出原始喷射量的缸内压力信号790、修改喷射量的缸内压力信号800和校正喷射量的缸内压力信号810。如这些图示出的，调整燃料供给量使得将放热和缸内压力校正到容差的预定范围内。
在第三阶段，测试模块220来检测和缓和燃料质量的变化(表1中的故障模式5)。为了模拟燃料质量的变化，发动机首先与甲烷数为87的典型管线气一起运作，并且然后与包括9.6％丙烷、4.4％乙烷和86％甲烷(按体积)的甲烷数为65的混合气体一起运作。混合气体的低热值(LHV)显著高于典型管线气的低热值，并且在没有执行燃料供给校正的情况下，将会在峰值负载处使发动机的扭矩过高。为了使模块220执行燃料供给校正，当与记录的典型管线气运作时，发动机首先在1200RPM和75％节流的校准点处运行来获得放热信息。然后发动机在十三个欧洲稳态循环(ESC)模式下与典型管线气、与没有燃料供给校正的混合气体以及与校正的混合气体一起运作。当发动机在校正下运作时，校正图630产生燃料供给校正640(SOI定时和燃料供给量校正)。对于每一个发动机运作，监视扭矩和关键排放。在图7到图10中，对于柱的分组中的每一个，第一柱820、820’、820”、820’”表示与典型管线气运行的发动机，第二柱830、830’、830”、830’”表示与没有校正的混合管线气运行的发动机，并且第三柱840、840’、840”、840’”表示与校正的混合管线气运行的发动机。图7中的柱示出扭矩对ESC模式。图8中的柱示出未燃烃(UHC)排放对ESC模式。图9中的柱示出一氧化碳排放对ESC模式。图10中的柱示出滤纸式烟度单位(FSN)对ESC模式。从这些测试结果中可以看出，模块220成功地补偿燃料量的变化并且阻止过度负载发动机，并且与没有校正的情况相比而提高排放水平。
模块220可以与气体燃料内燃机一起使用来检测燃料的燃料质量变化。气体燃料是在标准温度和压力下处于气相的任何燃料。模块220的一个具体应用是在用低温燃料做燃料供给的气体燃料发动机的启动期间，所述低温燃料如液化天然气(LNG)或液态丙烷气(LPG)。低温燃料是在标准温度和压力下处于气相的任何燃料。如熟悉技术的技术人员已知的，低温燃料通常存储在双壁容器中，所述双壁容器提供真空绝热障壁来维持燃料接近沸点。无论容器绝热得如何好，一般都会有少量的热泄露到容器中，引起低温燃料沸腾。从低温燃料的沸腾产生的气体蒸汽称作蒸发气体。低温燃料的沸腾提高容器内的蒸汽压。当蒸汽压上升超过预定值时，打开排气阀来减轻压力。需要避免将蒸发气体排放到大气，以便减少浪费燃料和温室气体排放。对于发动机还需要消耗蒸发气体。
在运作发动机的一个技术中，在启动期间发动机用蒸发气体做燃料供给，并且在发动机已经运行到预定时间量之后或在低温容器内的蒸汽压降到预定值以下之后，切换到用低温燃料做燃料供给。在发动机启动期间消耗蒸发气体具有几个优势。此减少将蒸发气体排放到大气的可能性。此允许对于汽化器增加发动机冷却剂温度，以便使用发动机冷却剂中的废热来汽化低温燃料。此给低温泵提供更多时间来在由发动机泵送低温燃料来消耗之前冷却到低温。由发动机控制器(如控制器190)使用的燃料供给图经优化用于在发动机运作(默认燃料质量)的区域发现的低温燃料的典型质量。当低温燃料包括多个成分(如LNG)时，由于低温燃料的不同成分在不同的比率和温度下蒸发，蒸发气体具有不同于其低温燃料源的化学组成物。由于蒸发气体与低温燃料之间的不同化学组成物，当发动机从蒸发气体而不是低温燃料中取燃料时，燃烧特性变化。在没有燃料供给校正的情况下，排放水平可以提高并且扭矩水平根据所需目标而变化。
解决这些问题的一个技术是基于发动机正消耗哪种燃料，发动机控制器切换燃料供给图。通常来说，发动机控制器通过运作与每一燃料供应路径相关联的各自设备来确定发动机是用蒸发气体还是用低温燃料做燃料供给。这个技术有一些缺点。首先，发动机控制器不必知道蒸发气体或低温燃料中的任一者的燃料组成物。随着低温燃料内的某些成分在不同速率下蒸发，蒸发气体的化学组成物随时间变化。因为蒸发气体的组成物变化，然后低温燃料的组成物(其是蒸发气体的来源)也明显地变化。可以使用模块220来检测正燃料供给发动机的无论什么燃料的燃料质量并且做出恰当燃料供给校正。燃料源可以是低温燃料、蒸发气体或处于不同比例的蒸发气体和低温燃料的组合。这些燃料源中的每一个的燃料质量可以随时间变化。
虽然已经展示和描述了本发明的具体元件、实施方案和应用，但是应理解，本发明不限于所述的具体元件、实施方案和应用，因为在不脱离本公开的范围、尤其是依据前述教导的情况下，本领域技术人员可以进行修改。

Claims (30)

1.一种用于在原地运作内燃机的方法，其包括：
确定所述内燃机的燃烧室的至少一个燃烧特性，所述燃烧特性包括所述燃烧室的实际放热信号；以及
将所述实际放热信号输入到诊断逻辑树中以用于诊断由于以下各项中的至少一项的燃烧特性的变化：
与所述燃烧室相关联的故障的燃料喷射器，
燃烧始点定时误差；以及
燃料质量的变化；以及
执行缓和技术来补偿燃烧特性的所述变化。
2.如权利要求1所述的方法，其还包括：
根据发动机运作条件确定所需放热信号；
比较所述实际放热信号和所述所需放热信号之间的差异与预定容差；以及
当所述差异在所述预定容差的范围之外时，诊断所述燃料喷射器是故障的。
3.如权利要求2所述的方法，其还包括诊断所述故障的燃料喷射器：(a)当所述差异大于所述预定容差的正值时，引入过多燃料；以及(b)当所述差异小于所述预定容差的负值时，引入过少燃料。
4.如权利要求1所述的方法，其还包括：
确定所述燃烧室的另一燃烧特性，所述另一燃烧特性包括实际燃烧始点定时；以及
将所述实际燃烧始点定时输入到所述诊断逻辑树中用于诊断所述燃烧始点定时误差。
5.如权利要求4所述的方法，其还包括：
根据发动机运作条件确定所需燃烧始点定时；
比较所述实际燃烧始点定时和所述所需燃烧始点定时之间的差异与第一预定容差；以及
当所述差异在所述第一预定容差的范围之外时，调整所述燃料喷射器的喷射始点定时，以便校正所述燃烧始点定时误差。
6.如权利要求5所述的方法，其还包括：在调整所述燃料喷射器的所述喷射始点定时之前，作为先决条件，确定所述燃料喷射器正引入在第二预定容差范围内的燃料数量。
7.如权利要求1所述的方法，其还包括：根据实际进气歧管压力和所述实际放热信号中的至少一个确定燃料供给校正，所述燃料供给校正对由燃料质量的变化引起的所述燃烧特性的变化进行校正。
8.如权利要求7所述的方法，其还包括：
根据发动机运作条件确定所需进气歧管压力；
比较所述实际进气歧管压力和所述所需进气歧管压力之间的第一差异与第一预定容差；以及
当所述第一差异在所述第一预定容差的范围之外时，根据所述第一差异确定所述燃料供给校正。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述内燃机包括：与各自燃料喷射器相关联的多个燃烧室，每一所述燃烧室包括各自燃烧特性，并且所述内燃机包括发动机燃烧特性，所述方法还包括：
根据与各自燃烧室相关联的放热信号确定所述内燃机的平均放热信号；
根据发动机运作条件确定所需平均放热信号；
比较所述实际平均放热信号和所述所需平均放热信号之间的第二差异与第二预定容差；以及
当所述第二差异在所述第二预定容差的范围之外时，确定所述燃料供给校正。
10.如权利要求8所述的方法，其还包括；
作为确定所述燃料供给校正的先决条件，确定在所述内燃机中的每一燃料喷射器正将在第二预定容差范围内的燃料数量引入到各自燃烧室中。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述内燃机包括：与各自燃料喷射器相关联的多个燃烧室，每一所述燃烧室包括各自燃烧特性，并且所述内燃机包括发动机燃烧特性，所述方法还包括：
根据与各自燃烧室相关联的放热信号确定所述内燃机的平均放热信号；
根据发动机运作条件确定所需平均放热信号；
比较所述实际平均放热信号和所述所需平均放热信号之间的第一差异与第一预定容差；以及
当所述第一差异在所述第一预定容差的范围之外时，根据所述第一差异确定所述燃料供给校正。
12.如权利要求11所述的方法，其还包括：
根据发动机运作条件确定所需进气歧管压力；
比较所述实际进气歧管压力和所述所需进气歧管压力之间的第二差异与第二预定容差；以及
当所述第二差异在所述第二预定容差的范围之外时，确定所述燃料供给校正。
13.如权利要求1所述的方法，其还包括：根据实际排气歧管压力和所述实际放热信号中的至少一个，确定燃料供给校正，所述燃料供给校正对由于燃料质量的变化的所述燃烧特性的变化进行校正。
14.如权利要求1所述的方法，其还包括：
在启动期间，用蒸发气体给所述内燃机做燃料供给；
当用蒸发气体做燃料供给时，相对于默认燃料质量检测燃料质量的所述变化；
提供燃料供给校正来对燃料质量的所述变化进行校正；以及
在确定以下各项中的一项后，转换到用低温燃料做燃料供给：(a)用所述蒸发气体给所述发动机做燃料供给的预定时间量已经流逝；以及，(b)所述蒸发气体的蒸气压已经降至预定值以下。
15.如权利要求1所述的方法，其还包括：
用低温燃料、所述低温燃料的蒸发气体、以及不同比例的所述低温燃料和所述蒸发气体的组合中的一个给所述内燃机做燃料供给；
相对于默认燃料质量检测燃料质量的所述变化；以及
提供燃料供给校正来对燃料质量的所述变化进行校正。
16.如权利要求15所述的方法，其还包括:根据以下各项中的至少一项，选择性地用所述低温燃料、所述蒸发气体、以及所述低温燃料和所述蒸发气体的所述组合给所述内燃机做燃料供给：
在发动机启动期间，用所述蒸发气体给所述内燃机做燃料供给；
在发动机启动后的预定时间量之后，用低温燃料给所述内燃机做燃料供给；以及
在蒸发气体压力降低到预定压力下限阈值以下之后，用低温燃料给所述内燃机做燃料供给；以及
当蒸发气体压力增加到预定压力上限阈值之上时，在一般发动机运作期间，用所述低温燃料和所述蒸发气体的所述组合做燃料供给。
17.一种用于在原地运作气体燃料内燃机的装置，其包括：
加速计传感器，其与在所述内燃机中的燃烧室相关联；
控制器，其接收代表所述燃烧室中的压力的来自所述加速计传感器的信号并编程来：
确定包括实际放热信号的所述燃烧室的至少一个燃烧特性；以及
将所述实际放热信号输入到诊断逻辑树中以用于诊断由于以下各项中的至少一项的燃烧特性的变化：与所述燃烧室相关联的故障的燃料喷射器；喷射始点定时误差；以及，燃料质量的变化；以及
执行缓和技术以补偿燃烧特性的所述变化。
18.如权利要求17所述的装置，所述控制器还被编程来：
根据发动机运作条件确定所需放热信号；
比较所述实际放热信号和所述所需放热信号之间的差异与预定容差；以及
当所述差异在所述预定容差的范围之外时，诊断所述燃料喷射器是故障的。
19.如权利要求18所述的装置，所述控制器还被编程以通过以下各项中的一项来确定所述燃料喷射器是故障的：(a)当所述差异大于所述预定容差的正值时，引入过多燃料，以及(b)当所述差异小于所述预定容差的负值时，引入过少燃料。
20.如权利要求17所述的装置，所述控制器还被编程来：
确定所述燃烧室的另一燃烧特性，所述另一燃烧特性包括实际燃烧始点定时；以及
将所述实际燃烧始点定时输入到所述诊断逻辑树中用于确定所述燃烧始点定时误差。
21.如权利要求20所述的装置，所述控制器还被编程来：
根据发动机运作条件确定所需燃烧始点定时；
比较将所述实际燃烧始点定时和所述所需燃烧始点定时之间的差异与第一预定容差；以及
当所述差异在所述第一预定容差的范围之外时，通过调整所述燃料喷射器的喷射始点定时来对所述燃烧始点定时误差进行校正。
22.如权利要求21所述的装置，所述控制器还被编程来：在调整所述燃料喷射器的所述喷射始点定时之前，作为先决条件，确定所述燃料喷射器正引入在第二预定容差范围内的燃料数量。
23.如权利要求17所述的装置，所述控制器还被编程来根据以下各项中的至少一项确定燃料供给校正：实际进气歧管压力；以及，所述实际放热信号、对由于燃料质量变化的所述燃烧特性的变化进行校正的所述燃料供给校正。
24.如权利要求23所述的装置，所述控制器还被编程来：
根据发动机运作条件确定所需进气歧管压力；
比较所述实际进气歧管压力和所述所需进气歧管压力之间的第一差异与第一预定容差；以及
当所述第一差异在所述第一预定容差的范围之外时，根据所述第一差异确定所述燃料供给校正。
25.如权利要求24所述的装置，其中所述内燃机包括：与各自燃料喷射器相关联的多个燃烧室，每一所述燃烧室包括各自燃烧特性，并且所述内燃机包括发动机燃烧特性，所述控制器还被编程来：
根据与各自燃烧室相关联的放热信号确定所述内燃机的平均放热信号；
根据发动机运作条件确定所需平均放热信号；
比较所述实际平均放热信号和所述所需平均放热信号之间的第二差异与第二预定容差；以及
当所述第二差异在所述第二预定容差的范围之外时，确定所述燃料供给校正。
26.如权利要求24所述的装置，所述控制器还被编程来：
作为确定所述燃料供给校正的先决条件，确定在所述内燃机中的每一燃料喷射器正将在第二预定容差内的燃料数量引入到各自燃烧室中。
27.如权利要求23所述的装置，其中所述内燃机包括：与各自燃料喷射器相关联的多个燃烧室，每一所述燃烧室包括各自燃烧特性，并且所述内燃机包括发动机燃烧特性，所述控制器还被编程来：
根据与各自燃烧室相关联的放热信号确定所述内燃机的平均放热信号；
根据发动机运作条件确定所需平均放热信号；
比较所述实际平均放热信号和所述所需平均放热信号之间的第一差异与第一预定容差；以及
当所述第一差异在所述第一预定容差的范围之外时，根据所述第一差异确定所述燃料供给校正。
28.如权利要求27所述的装置，所述控制器还被编程来：
根据发动机运作条件确定所需进气歧管压力；
比较所述实际进气歧管压力和所述所需进气歧管压力之间的第二差异与第二预定容差；以及
当所述第二差异在所述第二预定容差的范围之外时，确定所述燃料供给校正。
29.如权利要求17所述的装置，所述控制器还被编程来根据实际排气歧管压力和所述实际放热信号中的至少一个确定燃料供给校正，所述燃料供给校正对由于燃料质量的变化的所述燃烧特性的变化进行校正。
30.如权利要求17所述的装置，所述控制器还被编程来：
在启动期间，用蒸发气体燃料供给所述内燃机；
当用蒸发气体做燃料供给时，相对于默认燃料质量检测燃料质量的所述变化；
提供燃料供给校正来对燃料质量的所述变化进行校正；以及
在确定以下各项中的一项后，转换到用低温燃料做燃料供给：用所述蒸发气体给所述发动机做燃料供给的预定时间量已经流逝；以及，所述蒸发气体的蒸气压已经降至预定值以下。
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