CN105020030A - 气体燃料内燃机内的进气压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体燃料内燃机内的进气压力控制方法。控制气体燃料内燃机内的进气压力包括基于压力误差来计算进气压力控制环内的控制项，以及响应于第一和第二控制环周期内的控制项而调整节气阀和第二阀。第二阀位于回流管内，该回流管将压缩气体从压缩机下游的位置返回至上游位置。进气管内的气体燃料和空气的压力通过调整而改变，从而减小压力误差。

Description

气体燃料内燃机内的进气压力控制方法

技术领域

本发明概括地涉及控制气体燃料发动机内的进气压力，且更具体地涉及通过响应于共同的控制项而确定节气阀(节气门)和回流阀(再循环阀)的位置来控制进气压力。

背景技术

内燃机被熟知并广泛用于驱动车辆，产生电力，并且驱动许多种机械装置例如泵、压缩机以及工业设备。在某些内燃机中，特别是那些用于重载用途的，使用涡轮增压器从排气中回收能量并压缩供应至发动机用于燃烧的吸入空气(进气)。根据熟知的原理，对吸入空气加压通常使发动机能提取比另外发生的更多的与加压吸入空气一起燃烧的给定量的燃料中包含的潜在能量。在许多策略中，动力输出和发动机速度取决于在每一发动机循环中输送至气缸的燃料量或进料量。比足以支持一定范围的燃料量的充分燃烧更多量的空气通常可行，但在其他情况例如稀薄燃烧发动机操作中，发动机会对燃料量和空燃比均敏感。增加或减少进气压力可影响空燃比，且可通过改变涡轮增压器速度而产生。进气压力过大，那么发动机会发生点火问题。进气压力过小，那么相对浓的燃料空气混合物的燃烧会危及喷射。

因为这些和其他的原因，除涡轮增压器的转速之外，各种策略已被提出用于选择地控制进气压力。Boley等人的美国专利8302402名称为“airinduction system with recirculation loop(具有回流循环的空气引入系统)”。Boley等人提出这样的空气引入系统，其中压缩机能操作从而压缩导入发动机的空气。节气阀设置在压缩机和发动机之间，并且再循环阀设置在压缩机和节气阀之间。再循环阀显然响应于节气阀的上游空气和节气阀的下游空气之间的压力差而被致动。

发明内容

一方面，控制气体燃料内燃机内的进气压力包括：基于内燃机的进气管内的测出压力和期望压力之差，计算在进气压力控制环中的控制项。控制进气压力还包括：响应于第一控制环周期内的控制项而调整进气管内的电致动的节气阀，以及响应于第二控制环周期内的控制项而调整电致动的第二阀。第二阀位于从进气管中的压缩机下游的位置延伸至压缩机上游的另一位置的回流管中。控制进气压力还包括通过调整节气阀和第二阀来改变进气管内的气体燃料和空气的压力，从而减小测出压力和期望压力之差。

另一方面，气体燃料内燃机包括发动机壳体以及空气和燃料输送系统，该发动机壳体具有在其中形成的多个气缸。空气和燃料输送系统包括：进气管，其与发动机壳体连接从而向所述多个气缸提供吸入空气和气体燃料；至少部分位于进气管内的压缩机；以及在压缩机下游的位置和压缩机上游的另一位置流通地连接至进气管的回流管。空气和燃料输送系统还包括进气管内的电致动的节气阀、回流管内的电致动的第二阀以及与节气阀和第二阀各自的致动器控制连通的电子控制单元。电子控制单元进一步配置为基于进气管内的测出压力和期望压力之差来计算控制项，并响应性地向各致动器输出指令从而循序地改变节气阀的位置和第二阀的位置以减小测出压力和期望压力之差。

还有一方面，用于气体燃料内燃机的进气压力控制系统包括配置为与内燃机的进气管内的节气阀连接的第一阀致动器，以及配置为与从进气管内的压缩机下游的第一位置延伸至压缩机上游的第二位置的回流管内的第二阀连接的第二阀致动器。该系统还包括与第一和第二阀致动器控制连通的电子控制单元。电子控制单元配置为通过执行进气压力控制环而基于进气管内的测出的进气压力与期望的进气压力之差来计算控制项。电子控制单元还配置为在进气压力控制环的各第一周期和第二周期中基于控制项来向第一和第二阀致动器输出指令，以及通过所述指令循序地调整节气阀和第二阀从而减小测出压力和期望压力之差。

附图说明

图1是根据一实施例的发动机系统的示意图；

图2是根据一实施例的控制策略的框图；以及

图3是根据一实施例的展示包括控制逻辑的示例控制流程的流程图。

具体实施方式

参考图1，示出根据一实施例的气体燃料内燃机10，该内燃机包括具有在其中形成的多个气缸14的发动机壳体12，其中一个气缸被展示。活塞24在气缸14内可在上止点和下止点之间以常规方式运动从而带动曲轴26转动。将认识到额外的气缸——通常6个、8个、12个或更多的气缸——在图1展示的视图中被隐藏，各气缸具有在其中往复的活塞从而促使曲轴26转动。进气歧管19与壳体12连接并通过合适的进气阀(未示出)提供吸入空气以及气体燃料至各气缸。排气歧管22同样与壳体12连接并且以通常常规的方式，通过排气阀(未示出)从气缸14和其他气缸接收排气。

空气和燃料输送系统16包括进气管18，该进气管与发动机壳体12连接从而通过进气歧管19向气缸14提供吸入空气和气体燃料，进气歧管19可理解为形成进气管18的一部分。系统16还包括至少部分位于进气管18内的压缩机30，以及典型地具有位于从排气歧管22延伸至排气口46的排气管47内的涡轮32的部分涡轮增压器28。在实用的实施方法中，进气口44——典型地包括空气过滤器——提供吸入空气至进气管18，由此吸入空气被输送至且经过压缩机30，通过后冷却器42，进入进气歧管19然后进入发动机气缸14。系统16还包括回流管36，该回流管在压缩机30下游的第一位置38和压缩机30上游的另一位置40流通地连接至进气管18。系统16可进一步包括在压缩机30上游的位置连接至进气管18的气体燃料进口48，且在所示实施例中该位置是同样的上游位置40，在该位置回流管36与进气管18连接。系统16也可包括具有电致动器59的气体燃料计量阀58，并且该计量阀58从气体燃料供应装置和压力控制机构60接收气体燃料。

机构60可包括液化燃料罐、低温泵，以及例如在本领域中广泛使用并熟知的其他元件。点火机构34与发动机壳体12连接，且可包括诸如延伸至气缸14的火化塞之类的火花点火结构，但在其他实施例中可包括预燃烧室，该预燃烧室连接至机构60并且配置为火花或压缩点燃引燃燃料进料——其随后用于点燃气缸14内的主燃料进料。如上面间接提到的，某些内燃机，并特别是气体燃料发动机，可从相对精确的进气压力控制中受益。将从下述中进一步明了，发动机10独特地配置为以相对当前水平具有多种优点的方式控制进气压力。

为此，系统16可还包括电致动的节气阀50，其位于进气管18内且具有电致动器52。系统16也可包括电致动的第二阀54，其位于回流管36内且具有电致动器56。电子控制单元70与致动器52和致动器56控制连通。电子控制单元70也可与燃料计量阀58的致动器59控制连通。致动器52和56，与电子控制单元70一起，可理解为组成进气压力控制系统。电子控制单元70可包括微处理器72和计算机可读介质74，计算机可读介质74存储可由处理器72执行的、用于多种目的但特别用于通过改变阀50和阀54的位置来控制发动机10内的进气压力的代码。电子控制单元70可配置为特别用于在进气压力控制环中执行计算机可读介质74上的代码。执行进气压力控制环可包括基于进气管18内的测出压力和期望压力之差计算控制项，并响应性地输出指令至各致动器52和56，从而循序地改变节气阀50的位置和第二阀54的位置以减小测出压力和期望压力之差。

现在也参考图2，示出了根据本发明的包括进气压力控制环的控制方法的框图100。在图100中，期望的燃料进料流输入105和推定的进料流输入110在求和块115被处理。块115处的处理可理解为确定燃料进料流误差的计算。来自块115的输出在积分块120被处理，并在处理块125根据理想气体方程式进一步处理以产生输出130，该输出为推定进气压力(IMAP)，换言之即基于期望的空气对气体燃料的稀薄比而需要的期望IMPA。根据现有技术，输入110可基于通过进气门至发动机的质量流的计算。输入105可基于发动机负荷和发动机速度要求或需求，同样以已知方式。期望压力130和感测的压力225可在另一求和块135被处理以产生压力误差输出140。压力误差输出140通过比例控制器——例如PI控制器145——被处理，从而计算控制项150。

响应于进气压力误差140计算出的控制项150可具有例如0-2的限定范围内的数值。在实用的实施方法中，致动器52和56中的一个可配置为响应于在约0至约1的范围内的控制项数值，而致动器52和56中的另一个可配置为响应于具有从约1至约2的范围内的数值的控制项。在实用的实施方法中，用于节气阀致动器52的和用于第二阀致动器56的控制指令可在每一控制环周期中确定，并在每一控制环周期中输出至致动器52和56。控制项150在块155示为具有0-1的数值，在该块155节气阀区域指令160被确定。节气阀区域指令160可在块165根据区域-位置线性图而处理，且然后控制信号输出至节气阀致动器52，示为块170。如果控制项数值大于1，则致动器52随后将不被调整。

在块185，从控制项中减去数值可为1的偏移项190。电子控制单元70从而理解为配置成基于控制项确定偏移值。相应地，在块185如果控制项具有0-1的数值则将产生0或负值，且致动器56将不被调整。然而，如果控制项具有1-2的数值，减去1将在块195产生0-1的正值。在块205根据另一区域-位置线性图而处理第二阀区域指令200。块210代表致动器56。块180是节气阀和第二阀向IMAP的转移函数，并且输出215是IMAP。IMAP 215通过传感器和滤波块220被感测，产生感测IMAP 225。如上所示，执行进气压力控制环可包括计算压力误差。发动机10，并且更具体的是系统16，也可包括配置为监测指示进气管18内的气体燃料和空气的混合物的压力的参数的传感器53。传感器53可为常规进气歧管压力传感器。

从过往描述可理解的是，阀50和54均响应于进气压力控制环中计算出的控制项而被调整。取决于控制项数值，节气阀50可响应于第一控制环周期中的控制项而被调整，并且第二阀56可响应于第二控制环周期中的控制项而被调整，第二控制环周期可包括下一个后续周期。控制项可在第一周期中具有第一原始值和在第二周期中具有第二原始值。从而将依据计算出的控制项数值改变阀50和54的位置。当某种程度的重叠可能确实存在时，概括地，当发动机负荷或速度——并且从而燃料改变量——将会增加时，节气阀50将开至提供增加的空气和燃料从而增加歧管19中的空气和燃料压力直至节气阀50大开的点。在节气阀50大开的点，节气阀已达到其对进气压力的影响极限。在节气阀50大开的点或就在该点之前，第二阀54可开始从大开位置向关闭位置移动，进一步增加进气压力以及从而歧管19内的燃料和空气压力。当要降低发动机速度和发动机负荷并且从而气体燃料进料量减少时，阀54将首先向大开位置移动，并且阀50随后在位于或接近到达阀54的权限边界点向关闭位置移动。通过此通用方式，可看出阀54的作用很像节气阀50的扩展。该方法与已知系统不同，在已知系统中再循环阀或回流阀，有时称为压缩机旁通阀，典型地为避免撞上硬件限制而用于控制节气阀上游的压缩机出口压力。在这些早期方法中，节气阀典型地具有针对进气压力的唯一的控制权限，导致节气阀和压缩机旁通阀相反工作或相互“冲突”的常见状况。本发明克服了这些缺陷。

工业适用性

总体参考附图，但现在特别是图3，示出根据一实施例的展示由电子控制单元70执行的包括控制逻辑的示例控制流程的流程图300。流程图300的流程可始于开始或初始化步骤305，并且随后进行至步骤310以接收期望的IMAP输入。从步骤310流程可进行至步骤315以接收测出的IMAP输入。从步骤315流程可进行至步骤320以计算压力误差，例如基于测出压力和期望压力之差。如上所述，期望压力可基于对应期望的发动机10内的空气对气体燃料的稀薄比的期望进气压力。稀薄表示存在相对氧气量的低于按化学计量组成所需的气体燃料量，在许多情况下具有被本领域技术人员熟知的期望的排放控制性能。如此处所述，从步骤320，流程可进行至步骤325以计算控制项，包括比例积分控制项。

从步骤325流程可进行至步骤330以计算偏移值。结合图2如上所述，偏移值可包括通过从原始值减去一数值——例如减去1——而偏移的控制项的原始值。从步骤330流程可进行至步骤335以确定节气阀区域指令。如上所述，节气阀区域指令可操作节气阀的打开的气体通道区域，该指令可在控制块165根据区域-位置线性图而处理，从而产生控制信号或致动器指令至节气阀致动器52。如果控制项在节气阀50设计成做出响应的范围之外，那么没事情响应于该指令发生。替代地，如果，控制项数值使得节气阀50能做出响应，那么节气阀50的位置将被调整。从步骤335，或在步骤335之前，或与步骤335并行地，流程可进行至步骤340以确定第二阀区域指令。总体上类似阀50，如果控制项数值在阀54设计成做出响应的范围之外，则没事情发生。如果控制项数值在阀54做出响应的范围内，那么阀54的位置将被调整。将回想到，至各致动器52和56的指令在每一控制环周期中计算。对于致动器52，响应于控制项的原始数值而做出调整，而对于致动器56，响应于控制项的偏移值而做出调整。调整阀50和54的任一个导致进气管18内的气体燃料和空气的压力的改变从而减小测出压力和期望压力之差。从步骤340，流程可进行至步骤345以输出致动器指令，并且可随后循环返回而重复，或在步骤350结束。

从过往描述中可明显看出，针对进气压力的控制权限在权限边界发生转换，该权限边界即阀50和54针对进气压力的影响能力。本系统从而允许当负荷改变时在基于节气阀的控制和基于第二阀的控制之间实现无缝转变。电子控制单元70可持续地在进气压力控制环中循环，并且进气压力的调整将自然地在节气阀和第二数值之间转变。这不同于其中节气阀和再循环阀具有按不同参数控制的不同功能的在先方法。在许多情况下，本方法可预期更容易定制和/或校正以及对硬件限制更不敏感，省去了优化至节气阀和第二阀不相互冲突的最佳位置的需要。在许多情况下也将不需要采用专门的压缩机喘振控制。在某些已知系统中，再循环阀用于控制压缩机喘振。因为根据本发明的两阀循序地操作的方式，最大的压缩机喘振裕度将典型地存在，消除了对于专门的喘振控制器的需要并且同样消除了对于增压传感器的需要。

本描述仅用于说明目的，并且不应当解释为以任何方式缩小本发明的范围。从而，本领域技术人员可意识到，可针对目前公开的实施例在不脱离本发明的全部和合理的范围以及精神下进行各种改变。阅读附图和所附权利要求书将明了其他方面、特征和优点。

Claims (10)

1.一种控制气体燃料内燃机内的进气压力的方法，该方法包括步骤：

基于内燃机的进气管内的测出压力和期望压力之差，计算在进气压力控制环中的控制项；

响应于第一控制环周期内的控制项而调整进气管内的电致动的节气阀；

响应于第二控制环周期内的控制项而调整电致动的第二阀，其中所述第二阀位于从进气管中的压缩机下游的位置延伸至压缩机上游的另一位置的回流管中；以及

通过节气阀和第二阀的调整而改变进气管内的气体燃料和空气的压力，从而减小测出压力和期望压力之差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制项具有第一控制环周期中的第一原始值和第二控制环周期中的第二原始值；

所述方法还包括在各第一和第二控制环周期中确定用于节气阀致动器的控制指令和用于第二阀致动器的控制指令的步骤；以及

其中该确定步骤进一步包括基于第一原始值确定用于节气阀致动器的控制指令，和使第二原始值偏移从而确定用于第二阀致动器的控制指令。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括在各节气阀和第二阀的权限边界在节气阀和第二阀之间切换进气压力控制的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括计算进气压力误差的步骤，并且其中计算控制项的步骤包括响应于进气压力误差计算比例积分控制项；

其中计算进气压力误差的步骤进一步包括基于与内燃机内的空气对气体燃料的期望稀薄比相对应的期望进气压力计算进气压力误差。

5.一种气体燃料内燃机，包括：

发动机壳体，所述发动机壳体具有在其中形成的多个气缸；

空气和燃料输送系统，所述空气和燃料输送系统包括与发动机壳体连接从而向所述多个气缸提供吸入空气和气体燃料的进气管、至少部分位于 进气管内的压缩机以及在压缩机下游的位置和压缩机上游的另一位置流通地连接至进气管的回流管；

所述空气和燃料输送系统还包括进气管内的电致动的节气阀、回流管内的电致动的第二阀以及与各节气阀和第二阀的致动器控制连通的电子控制单元；以及

所述电子控制单元配置为基于进气管内的测出压力和期望压力之差计算控制项，并响应性地向各致动器输出指令从而循序地改变节气阀和第二阀的位置以减小测出压力和期望压力之差。

6.根据权利要求5所述的内燃机，其中：

所述电子控制单元进一步配置为在循序的进气压力控制环周期中向各致动器输出指令；

所述空气和燃料输送系统还包括在压缩机的上游位置连接至进气管的气体燃料计量机构；

所述进气管包括进气歧管，且还包括配置为监测指示进气歧管内的气体燃料和空气混合物的压力的参数的传感器。

7.根据权利要求6所述的内燃机，其中：所述电子控制单元进一步配置为响应于来自传感器的数据计算进气压力误差，并响应于进气压力误差计算所述控制项；以及

其中所述控制项包括具有限定范围内的数值的比例控制项，并且所述电子控制单元进一步配置为响应于控制项数值确定节气阀区域指令和第二阀区域指令。

8.一种用于气体燃料内燃机的进气压力控制系统，包括：

第一阀致动器，所述第一阀致动器配置为与内燃机的进气管内的节气阀连接；

第二阀致动器，所述第二阀致动器配置为与从进气管内的压缩机下游的第一位置延伸至压缩机上游的第二位置的回流管内的第二阀连接；和

电子控制单元，所述电子控制单元与第一和第二阀致动器控制连通；

所述电子控制单元配置为通过实施进气压力控制环来基于进气管内的 测出的进气压力与期望的进气压力之差计算控制项；以及

所述电子控制单元还配置为在进气压力控制环的各第一周期和第二周期中基于控制项向第一和第二阀致动器输出指令，并且通过所述指令循序地调整节气阀和第二阀从而减小测出压力和期望压力之差。

9.根据权利要求8所述的系统，还包括配置为监测指示包括部分进气管的进气歧管内的压力的参数的传感器，并且其中所述电子控制单元进一步配置为响应于来自传感器的数据计算进气压力误差，并响应于进气压力误差计算控制项；

其中所述电子控制单元进一步配置为确定控制项的偏移值，并且响应于控制项的偏移值确定用于第二阀致动器的指令。

10.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制项包括具有限定范围内的数值的比例积分控制项，并且所述电子控制单元进一步配置为通过执行进气压力控制环而响应于比例积分控制项的数值来确定节气阀区域指令和第二阀区域指令。