CN105257416B - 用于内燃机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于内燃机的控制方法。公开了一种用于控制被供给以具有变化的气体组分的气态燃料的内燃机(100)的方法。该方法包括：接收(步骤504)与在变化的气体组分的时间段期间的爆震水平(402)对应的爆震数据(400)；由爆震数据(400)确定(点506A)爆震水平(402)在该时间段期间有改变倾向(403A，403B，403C)，以及相应地已经发生供给到内燃机的气态燃料的气体组分的变化；以及调节(步骤510)内燃机的运转状态以使内燃机(100)的爆震敏感性适应变化的气体组分。

Description

用于内燃机的控制方法
技术领域
1.本发明总体上涉及内燃机。更具体地，本发明涉及一种用于控制被供给以具有不同气体组分的气态燃料的内燃机的方法。
背景技术
2.气态燃料运转的内燃机通常使用天然气或沼气作为用于燃烧的能量来源。这些气态燃料通常包括诸如甲烷的不同烃类和更高烃类以及惰性气体的混合物。例如，当使用来自天然气田或其它气藏的气态燃料时，在内燃机运转期间气态燃料的组分可能变化。气体组分的变化可在长时间段——例如在数分钟或数小时——发生并且可由这些气藏中存在的气体品质的变化导致。
3.气体组分的变化还会例如由于更高烃类的变化的量而影响气态燃料的含能量。结果，内燃机利用不同含能量的气态能量运转。因此，气体组分的变化会影响内燃机的运转。
4.本发明至少部分针对于改善或克服现有技术系统的一个或多个方面。
发明内容
5.根据本发明的一个方面，公开了一种用于控制至少部分地利用具有变化的气体组分的气态燃料来运转的内燃机的方法。该方法包括：接收与在变化的气体组分时间段期间的爆震水平对应的爆震数据，由该爆震数据来确定爆震水平有在该时间段期间改变的倾向并且相应地已发生被供给到内燃机的气态燃料的气体组分的变化。该方法还包括调节内燃机的运转状态(例如一个或多个运转参数)以使内燃机的爆震敏感性适应变化的气体组分。
6.根据本发明的另一方面，公开了一种用于至少部分地利用具有变化的气体组分的气态燃料来运转的内燃机的控制系统。该控制系统包括爆震传感器和控制单元，所述爆震传感器构造成连续检测内燃机或内燃机的每个单独的气缸的爆震水平，所述控制单元与爆震传感器连接并且构造成执行如文中示例性地公开的方法。
7.根据本发明的又一方面，一种至少部分地利用具有变化的气体组分的气态燃料来运转的内燃机包括如文中示例性地公开的控制系统。
8.本发明的其它特征和方面将从下文的描述和附图而显而易见。
附图说明
9.结合在本文中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的示例性实施例，并连同说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
10.图1示出了可至少部分地利用气态燃料运转的示例性内燃机的示意图；
11.图2示出了双燃料(DF)内燃机的气缸的示意性的截面图；
12.图3示出了气态燃料内燃机的气缸的示意性的截面图；
13.图4示出了至少部分地利用具有变化的气体组分的气态燃料来运转的内燃机的示例性的时间-爆震水平图；
14.图5示出了用于响应于气态燃料的变化的气体组分来控制内燃机的示例性程序的通用流程图；
15.图6示出了用于使用一系列闭环控制响应于变化的气体组分来控制内燃机的示例性程序的流程图；以及
16.图7示出了用于使用闭环控制响应于变化的气体组分来控制内燃机的示例性程序的流程图，其中两个控制动作被同时执行。
具体实施方式
17.以下是对本发明的示例性实施例的详细描述。文中所述和附图所示的示范性的实施例旨在教导本发明的原理，从而使本领域的普通技术人员能够在许多不同的环境中并针对许多不同应用实施并使用本发明。因此，示例性实施例并非旨在成为且不应该被认为是对专利保护范围的限制性说明。确切而言，专利保护范围应该通过所附权利要求来限定。
18.本发明部分基于以下认识：气体组分的变化可以与供给到内燃机的气态燃料的变化的低热值(LHV)和/或甲烷值相关联。LHV通常代表气态燃料的含能量并且是燃烧放热的度量。甲烷值表示气态燃料的爆震敏感性并且通常处于从0至140的范围内，其中较高甲烷值表示燃料的较低爆震敏感性。
19.还认识到变化的LHV和/或甲烷值会导致内燃机的爆震水平的变化。特别地，发现在LHV上升和/或甲烷值降低的情况下，内燃机的爆震水平可能有升高倾向。同样，LHV降低和/或甲烷值升高可对应于爆震水平降低的倾向。这些升高或降低的爆震水平的倾向通常可例如在数十秒到120min的时间段发生。该时间段比通常与不同于所述的变化的气体组分的现象导致的发动机爆震——这种发动机爆震将要求即时的对策——相关联的时间段长。
20.本发明还部分基于以下认识：一旦已确定爆震水平有升高或降低倾向且相应地气态燃料的LHV和/或甲烷值的变化已发生，就调节内燃机的运转状态以使内燃机的爆震敏感性适应变化的气体组分。在爆震水平有升高倾向的情况下，例如可以通过升高进气的进气歧管气压(IMAP)、延迟内燃机的气缸的点火正时和/或用液态燃料代替一部分气态燃料来调节运转状态。同样，如果爆震水平有降低倾向，则可以例如通过降低进气的IMAP、提前气缸的点火正时和/或用气态燃料代替一部分液态燃料来调节运转状态。
21.在下文中，分别结合图1至图3和图4至图7描述可至少部分地利用气态燃料来运转的内燃机和用于控制该内燃机的示例性方法。
22.图1示意性地示出了至少部分地利用气态燃料来运转的示例性内燃机100，例如DF发动机(在图2中示意性地示出)或气态燃料发动机(在图3中示意性地示出)。
23.内燃机100包括发动机缸体2、进气系统4、排气系统5、包括吹扫气体系统7的气态燃料系统6和/或液态燃料系统8。内燃机100可以在液态燃料模式(LFM)下由诸如柴油的液态燃料提供动力，而在气态燃料模式(GFM)下由诸如例如由LNG系统提供的天然气的气态燃料提供动力。
24.发动机缸体2包括多个气缸。示范性地，在图1中示出了四个气缸9。发动机缸体2可具有任何尺寸，具有任何数量的气缸，例如6、8、12、16或20个气缸，并呈任何构型，例如“V”形、直列或径向构型。”
25.每个气缸9都配备有至少一个进气门16和至少一个排气门18。进气门16与进气系统4流体连接并且构造成向气缸9中提供进气或进气和气态燃料的混合物。类似地，排气门18与排气系统5流体连接并且构造成将排气从相应气缸9引出。
26.进气由进气系统4提供，该进气系统4包括进气管20、用于充入空气的压缩机22、压缩机出口21和进气冷却器24。进气歧管26流体连接在进气冷却器24的下游并且经由气缸专用流入通道28将进气引导到相应气缸9中。
27.进气系统4还可包括放气系统44。放气系统44包括例如放气管路441和设置在放气管路441内的至少一个放气阀442。放气管路441可在进气冷却器24的上游或下游与压缩机出口21流体连接且在压缩机22的上游与进气管20流体连接。替代地，放气管路441可以不与进气管20连接，而是可向环境开放。放气阀442可构造成允许进气的一部分返回进气管20，由此例如在压缩机出口21中的压力超过预设的临界水平的情况下经由放气管路441避开压缩机22。放气阀442还可帮助控制进入气缸9的燃料-空气混合物的期望的燃料-空气比。当放气管路441未与进气管20连接时，进气的避开压缩机22的部分可被释放到环境。
28.排气系统5包括经由轴32与压缩机22连接的排气涡轮30和将排气从各个排气流出通道35引导到排气涡轮30并且进一步引导到排气出口33的排气歧管34。
29.排气系统5还可包括废气门系统55。废气门系统55包括例如废气门管路551和设置在废气门管路551内的至少一个废气门阀552。废气门551可在排气涡轮30的上游与排气歧管34并在排气涡轮30的下游与排气出口33流体连接。技术人员可了解，废气门管路551和废气门阀552可以以与这里示出的构型不同的构型设置。废气门阀552可构造成例如在进气的压缩应当未超过预设的压缩率的情况下允许排气的一部分经由废气门管路551避开排气涡轮30。
30.进气系统4还可包括一个或多个进气歧管26。类似地，排气系统5可包括一个或多个排气歧管34。
31.此外，进气门16和排气门18可分别安装在流入通道28和流出通道35内。流入通道28以及流出通道35可设置在共同的气缸盖或覆盖气缸9的单独的气缸盖内。
32.气态燃料系统6包括与气态燃料管道42连接的气态燃料源36。气态燃料源36构成用于在GFM下供给燃烧用的气态燃料的气态燃料进料装置。例如，气态燃料源36包括气阀单元和容纳例如处于加压状态的天然气的气态燃料罐。
33.气阀单元构造成允许、阻止和控制从气态燃料罐到气态燃料管道42中的流动。该气阀单元可包括气态燃料控制阀、气态燃料切断阀和通气阀。
34.气态燃料管道42与被分割成多个气态燃料通道56的气态燃料歧管54流体连接。每个气态燃料通道56都与多个流入通道28中的一个流体连接。为了将气态燃料计量供给到各个流入通道28中，在各气态燃料通道56中安装有气态燃料进气阀58。在一些实施例中，内燃机100可包括多于一个的气态燃料歧管54。
35.每个气态燃料进气阀58都构造成允许或阻止气态燃料在GFM下流入各个流入通道28中以与来自进气系统4的进气混合。因而，产生位于各气态燃料进气阀58下游的气缸专用混合区。例如，气态燃料进气阀58可以是螺线管致动的盘状阀，其中弹簧保持可移动盘的下表面靠在静止的盘或板的上表面上，这两个表面构造成在气态燃料进气阀58的关闭状态下提供密封关系。每个气态燃料进气阀58都可安装在覆盖至少一个气缸9的气缸盖上。
36.吹扫气体系统7(图1中用点划线框表示)包括串联连接的吹扫气罐60、吹扫气体控制阀62和吹扫气体切断阀64。吹扫气罐60构成用于使用吹扫气体如处于加压状态的氮气冲洗气态燃料管道42、气态燃料歧管54等的吹扫气源。
37.吹扫气体系统7可在不同位置与气态燃料系统6流体连接。例如，在图1中，在气态燃料歧管54的近侧配置有第一连接部66。在气态燃料源36的近侧配置有第二连接部70。第一切断阀68和第二切断阀72可以分别阻止或允许吹扫气体流经第一连接部66和第二连接部70。在气态燃料源36的气阀单元中可一体形成有另外的连接部。
38.如上所述，图1示出了DF内燃机以及气态燃料发动机。在DF内燃机中，液态燃料系统8包括与液态燃料管道43连接的液态燃料罐40。液态燃料罐40可包括用于储存第一液态燃料例如重燃料油(HFO)的第一液态燃料罐和用于储存第二液态燃料例如柴油的第二液态燃料罐。液态燃料罐40构成用于在LFM下供给燃烧用的液态燃料的液态燃料源。此外，液态燃料罐40可构成用于在GFM下供给点火用燃料的液态燃料源。
39.液态燃料管道43与被分割成多个液态燃料流入通道48的液态燃料歧管46流体连接。为了将液态燃料计量供给到气缸9的燃烧室中，在每个液态燃料流入通道48中都安装有燃料喷射系统50。
40.在诸如火花点火式气态燃料内燃系统的气态燃料内燃机中，燃料喷射系统50与气态燃料源36(用虚线49表示)而不是液态燃料罐40流体连接。在此实施例中，燃料喷射系统50可包括用于提供火花点火的先导火焰91(参看图3)以点燃气态燃料和空气的混合物的预燃室。
41.分别参照图2和图3更详细地描述用于DF的燃料喷射系统50和气态燃料内燃机的示例性实施例。
42.如图1所示，内燃机100还可包括一个或多个爆震传感器77。爆震传感器77可安装在气缸9上并且构造成生成与气缸9的爆震水平对应的信号。爆震传感器77可替代地安装在内燃机100的气缸盖或进气歧管26上。另外或替代地，爆震传感器77可构造成生成与内燃机100的爆震水平对应的信号。结合图2进一步描述爆震传感器。
43.为了控制内燃机100的运转，设置了控制单元76。控制单元76构成发动机的控制系统的一部分。控制单元76构造成经由读取连接线101接收爆震传感器77的爆震数据。控制单元76还可构造成经由控制连接线102来控制内燃机100的各种构件，例如废气门阀552，经由控制连接线103来控制放气阀442，经由控制连接线104来控制气态燃料进气阀58，经由控制连接线106来控制燃料喷射系统50。控制单元76还可构造成经由另外的控制线来控制吹扫气体系统7的阀。替代地，第二控制单元(未示出)可构造成控制内燃机100的运转。将参照图2和3中提供对控制系统和位于控制单元76与发动机的其它构件如燃料喷射系统50之间的附加控制线的进一步描述。
44.控制单元76还可与图1中未示出的其它传感器如针对每个单独的气缸或针对多个气缸设置的发动机负荷传感器、发动机转速传感器、温度传感器、NOx传感器或燃料与空气比传感器连接。控制单元76还可与用于向操作人员发出指示发动机的故障等的警告的操作人员面板(未示出)连接。
45.图2示出了DF内燃机200的气缸9，该内燃机是图1的内燃机100的一个示例性实施例。已经结合图1描述的元件具有相同的附图标记，例如发动机缸体2、控制单元76、爆震传感器77和气缸9。
46.气缸9提供用于燃烧气态燃料和空气的混合物的至少一个燃烧室10、活塞84和经由活塞杆82与活塞84驱动连接的曲轴80。活塞84构造成在气缸9内往复运动。
47.气缸9经由流入通道28与进气歧管26连接并经由流出通道35(参看图1)与排气歧管34连接。进气门16配置在流入通道28中，而排气门18配置在流出通道35中。气态燃料进气阀58可以向气缸9的燃烧室10供给气态燃料。
48.图2用虚线框进一步示出了燃料喷射系统50。当DF内燃机200在LFM下运转时，燃料喷射系统50用来将液态燃料喷射到燃烧室10中，液态燃料是唯一的能量来源。当DF内燃机200在GFM下运转时，燃料喷射系统50可用来将液态燃料的先导量喷射到燃烧室10中以点燃气态燃料和空气的混合物。在GFM下，燃料喷射系统50因此可用作气态燃料点火系统。
49.在图2中，诸如气态燃料点火系统的一个示例性实施例基于主液态燃料喷射器38，该主液态燃料喷射器用于在LFM下喷射大量液态燃料并在GFM下将液态燃料的先导量喷射到燃烧室10中以点燃气态燃料和空气的混合物。在例如用于重负荷DF内燃机的其它实施例中，气态燃料点火系统可包括用于在GFM下将液态燃料的先导量喷射到燃烧室10中的单独的点火液态燃料喷射器39。
50.如图2中示例性地示出的，气缸9还包括用于检测燃烧室10内的压力变动的爆震传感器77。一般而言，爆震传感器77可以是技术人员已知的任何类型的爆震传感器。例如，爆震传感器77可另外或替代地构造成检测指示发动机爆震的变动，例如在进气歧管26和/或发动机缸体2内传播的声波，或燃烧室10内的温度变动。
51.爆震传感器77可检测这些变动并生成与检测到的爆震的强度对应的信号，例如电压信号。
52.DF内燃机200还包括控制系统，该控制系统包括控制单元76。控制单元76经由控制连接线108与主燃料喷射器38连接，并且在重负荷DF内燃机的情况下还经由单独的控制连接线(未示出)与点火用液态燃料喷射器39连接。
53.图3示出了作为图1的内燃机100的另一示例性实施例的气态燃料内燃机300的气缸9。已经结合图1和2描述的元件具有相同的附图标记。气态燃料内燃机300与图2的DF内燃机200相似，在下文中描述的构件除外。
54.燃料喷射系统50包括预燃室90。预燃室构造成在燃烧室10的外部接收气态燃料和空气的预混物。气态燃料和空气的预混物例如通过火花塞点燃，以提供分配到燃烧室10中的先导火焰91。先导火焰91用来点燃燃烧室10中的气态燃料和空气的混合物。控制单元76经由控制连接线110与预燃室90连接。替代地，燃料喷射系统50可以是用于经由放电来点燃气态燃料和空气的混合物的火花塞。
55.一般而言，如结合图1至图3公开的发动机的控制单元76可以是包括用于尤其控制DF内燃机200的各种构件的运转的装置的单个微处理器或多个微处理器。控制单元76可以是能够控制与DF内燃机200和/或其相关构件相关联的许多功能的普通发动机控制单元(ECU)。控制单元76可包括运行应用所需的所有构件，例如存储器、二次存储装置和诸如中央处理单元或本领域中已知的用于控制DF内燃机200及其构件的任何其它装置的处理器。各种其它已知的电路可以与控制单元76相关联，包括供电电路、信号调节电路、通信电路和其它合适的电路。控制单元76可分析和比较所接收和存储的数据，并基于存储在存储器中或由使用者输入的指令和数据来判定是否需要动作。例如，控制单元76可将从爆震传感器77接收的压力数据与存储在存储器中的目标值进行比较，并基于比较结果来将信号传输到发动机的一个或多个构件以改变其运转。
56.工业适用性
57.适合所公开的控制程序的示例性内燃机例如为由德国Caterpillar MotorenGmbH&Co.KG，Kiel制造的M46DF、M34DF和M43DF系列的DF内燃机或GCM34和GCM46系列的气态燃料内燃机，或其它火花点火开放式或预燃室式气态燃料发动机。相应的内燃机可在500-750rpm下运转并且例如可应用于中速发电机组和/或压缩机或泵驱动装置中。其它适合所公开的程序的发动机例如为由Caterpillar公司制造的3600和3500系列的气态燃料发动机以及其它动态混合气体发动机，这些发动机通常以高达1500rpm或甚至3000rpm的转速运转。但是，本领域的技术人员将了解所公开的程序也可被调节成适合其它内燃机。
58.在下文中，结合图4至图7描述内燃机如参考图1至图3描述的内燃机的运转和控制。出于说明的目的，文中描述的程序参考在图1至图3中公开的结构元件公开。但是，技术人员将了解，也可对其它实施例执行该程序的相应步骤。
59.参照图4，示出了至少部分地利用具有变化的气体组分的气态燃料来运转的内燃机的示例性的时间-爆震水平图。该时间-爆震水平图示出了用圆点针对选定的燃烧循环示例性地示出的爆震水平402的时间演化。图4还示出了一系列的接收的爆震水平402可以被分组成对应于与气态燃料呈现变化的气体组分的时间段相关联的爆震水平402的爆震数据400。根据内燃机100的构型、类型和转速，该时间段例如可以处于从数十秒到120分钟的范围内。
60.“爆震水平”可由控制单元76通过执行从爆震传感器77接收的电压信号的频率分析来确定。但是，技术人员将了解的是，频率分析可取决于内燃机100的运转条件，例如发动机转速或发动机负荷，以及要控制的发动机的类型或构型。
61.基于该频率分析，控制单元76确定这些频率的幅度并且将所确定的幅度与存储在控制单元76的存储器中的预设的下限和上限幅度阈值进行比较。
62.控制单元76然后将等于或小于预设的下限幅度阈值的幅度与0％爆震水平(基线404)相关联。类似地，控制单元76将等于或大于预设的上限幅度阈值与100％爆震水平(顶线406)相关联。因此，0％的爆震水平(基线404)表示内燃机100未发生爆震或至少内燃机中存在的爆震水平低于控制单元76可检测到的爆震水平。100％的爆震水平(顶线406)表示内燃机经历严重爆震。0％到100％之间的爆震水平对应于无爆震与严重爆震之间的爆震强度，即下限和上限幅度阈值之间的幅度(例如，以对数或线性单位呈现)被投影在100％范围上。
63.如在图4中进一步可见的，示例性爆震数据400显示了爆震水平402在气态燃料的气体组分变化的时间段有改变倾向。例如，爆震水平402可具有升高倾向(用向上的箭头403A和403B表示)或可具有降低倾向(用向下的箭头403C表示)。例如，对于中速发动机而言(在约500rpm下运转)而言，该倾向可基于4、10、20、200或高达2000个燃烧循环或更多的系列，例如至少4个、至少10个、至少20个、至少200个或至少2000个燃烧循环的系列。控制单元76将倾向403A、403B、403C与气体组分的变化相关联并且将内燃机100的运转状态调节成使得发动机的爆震敏感性适应变化的气体组分。
64.参照图5，结合图4说明内燃机的控制。在步骤504，控制单元76经由读取连接线101从爆震传感器77接收例如图4所示的爆震数据。
65.在步骤506，控制单元76由爆震数据400判定爆震水平402是否具有在该时间段改变的倾向，以及相应地供给到内燃机100的气态燃料的气体组分的变化是否已发生。当判定该倾向时，控制单元76可进一步判定爆震水平402是否有升高倾向(403A，403B)或降低倾向(403C)。
66.控制单元76还可特别是针对升高倾向(403A，403B)确定爆震数据400满足爆震水平402处于预设的爆震水平阈值410之下的预设爆震水平范围408之外或其内的要求。例如，倾向403A不会引起控制动作，而倾向403B会引起控制动作。预设的爆震水平范围408的下限和预设的爆震水平阈值410在图4中分别作为虚线和双点划线被示例性地示出。预设的爆震水平范围408使得控制单元76能够将所确定的升高趋势(403A，403B)是否需要响应于例如LHV或甲烷值的潜在有害变化而对内燃机100采取合适的控制动作分类。这种判定可能不适用于如与线409交叉的相应爆震数据400所示的降低倾向(403C)。
67.替代地或另外，控制单元76可确定爆震裕度416，其中爆震裕度416是爆震水平阈值410与当前爆震水平402之差。控制单元76可进一步判定爆震裕度416是否处于从爆震水平阈值410的预设爆震裕度范围内以将所确定的升高倾向(403A，403B)是否会要求合适的控制动作进行分类。
68.预设的爆震水平范围408、预设的爆震水平阈值410和预设的爆震裕度范围可以是存储在控制单元76的存储器中的经验值。预设的爆震水平范围408、预设的爆震水平阈值410和预设的爆震裕度范围也可根据内燃机100的运转状态——例如根据发动机的负荷或转速——来设定。在此情况下，控制单元76还可与内燃机100的负荷传感器或转速传感器连接。优选地，预设的爆震水平阈值410可处于从1％至10％的范围内。同样，预设的爆震水平范围408可向下扩展到0％，例如，下限409处于从0％至5％的范围内，相应地预设的爆震裕度范围可处于从0％至10％的范围内。
69.一旦控制单元76在点506A判定为爆震水平402具有改变倾向时，控制单元76便在步骤510将内燃机100的运转状态调节成使得内燃机的爆震敏感性适应变化的气体组分。当控制单元76确定爆震水平402具有升高倾向(403A，403B)并且例如还确定该倾向在预设的爆震水平范围408内发生时，在步骤510执行的控制动作可包括适合降低内燃机100的爆震敏感性的任何已知的控制动作。控制动作例如可以是升高(步骤512)进入气缸9的进气的IMAP、以点火延迟时间延迟(步骤514)气缸9的点火正时和/或用诸如柴油的液态燃料代替(步骤516)一部分气态燃料。
70.在一些实施例中，控制单元76还可构造成降低供给到内燃机100的进气或气态燃料和空气的混合物的温度。例如，控制单元76还可与进气冷却器24(图1)连接并且使进气冷却器24运转以实现供给到内燃机100的进气或混合物的冷却。在一些实施例中，可采用可变凸轮轴正时以使燃烧循环适合米勒循环，由此降低进气的温度。在一些实施例中，控制单元76还可构造成降低内燃机100的负荷。因此，控制单元76可与内燃机100的负荷传感器连接。
71.类似地，当控制单元76在点506A确定爆震水平402具有降低倾向(403C)时，控制单元76在步骤510执行的控制动作可包括适合提高爆震敏感性的任何已知的控制动作，由此使内燃机100的运转状态适合降低LHV和/或升高甲烷值。控制动作可包括例如降低(步骤512)进入气缸9的进气的IMAP、以点火提前时间提前(步骤514)气缸9的点火正时和/或用气态燃料代替(步骤516)一部分液态燃料。
72.除上述控制动作外或代替上述控制动作，可执行更多控制动作以调整内燃机100的爆震敏感性。
73.在一些实施例中，当内燃机100配备有NOx传感器时，控制单元76可根据从NOx传感器接收的NOx排放量而在步骤510另外或替代地调节控制动作以例如符合排放规定。
74.各控制动作可针对每个气缸9或针对所有气缸9执行或可同时或分别执行。但是，本领域的技术人员将了解，在气态燃料内燃机中可以不执行用液态燃料代替(步骤516)一部分气态燃料或替代地用气态燃料代替一部分液态燃料。
75.控制步骤504、506和510还可以在闭环控制520(图5中用虚点划线框表示)中执行。闭环控制520包括在步骤510中所述的至少一个控制动作并且被执行到所接收的爆震数据400与稳定的爆震水平对应(图4中的区域418)为止。稳定的爆震水平表示内燃机100的爆震敏感性适合气态燃料的当前LHV和/或甲烷值。一旦控制单元76判定为爆震水平例如通过呈现稳定的爆震水平(图4的区域418中)而不再具有改变倾向(点506B)，控制单元76便在步骤508确定不需要进一步的控制动作。该程序然后经由环508A返回初始步骤504。
76.替代地，一旦已执行控制动作并且要求内燃机100的运转状态的进一步变化，例如，发动机负荷或发动机转数的变化，便可重置并重新启动上述程序，由此在不执行任何更多步骤的情况下返回初始步骤504。重置该程序可包括重置预设的爆震水平范围408、预设的爆震水平阈值410和/或预设的爆震裕度范围，以及目前已执行的控制动作。也可采用不进行重置的连续控制。
77.在一些实施例中，该程序还可包括颠倒部分530。在颠倒部分530中，控制单元76响应于控制单元76通过闭环控制520在前一轮期间接收的确定的稳定爆震水平而颠倒在步骤510执行的控制动作。颠倒部分530可包括颠倒动作，例如在响应于升高的爆震水平而执行控制动作的情况下降低(步骤532)进入气缸9的进气的IMAP、提前(步骤534)气缸9的点火正时和/或用气态燃料代替(步骤536)一部分液态燃料。
78.替代地，颠倒动作可包括例如在响应于降低的爆震水平而执行控制动作的情况下升高(步骤532)进入气缸9的进气的IMAP、延迟(步骤534)气缸9的点火正时和/或用液态燃料代替(步骤536)一部分气态燃料。
79.应当了解的是，与在步骤510中所述的控制动作相似，颠倒动作可针对每个气缸9或针对内燃机10的所有气缸被同时或分别执行。
80.将了解，对于给定的控制动作而言，该程序不需要响应于稳定的爆震水平而执行对应的颠倒动作。换言之，当通过延迟(步骤514)点火正时来改变运转状态时，所公开的程序可以不局限于例如提前(步骤534)点火正时，且反之亦然。一旦已执行颠倒动作，该程序便经由环530A返回初始步骤504。
81.在一些实施例中，在内燃机100包括安装在每个单独的气缸9上的多个爆震传感器77的情况下，控制单元76可接收与相应气缸9对应的单独的多组气缸专用爆震数据并且一旦对于气缸专用爆震数据中的至少一组而言相应爆震水平402具有升高倾向(403A，403B)或降低倾向(403C)便开始上述程序。如果对内燃机100采用气缸平衡，则文中描述的程序将更稳定。这种情况下，内燃机100将平衡运行并且对于所有气缸9而言相应爆震水平402都应当相等。
82.在图6中，示出了用于控制内燃机的流程图，其中相应控制动作与预设的运转状态的最大变化相关联。在该示例性程序中，控制单元76在点506A确定在该时间段爆震水平402有升高倾向(图4中的403A、403B)。但是，技术人员将了解，在控制单元76确定爆震水平402具有降低倾向(图4中的403C)的情况下，可以反向执行该程序。已经结合图5描述的步骤具有相同的附图标记。
83.在图6中，图5的闭环控制520作为三个闭环控制(520A，502B，520C)被实施。每个闭环控制都与相应控制动作相关联并且被执行到相应控制动作达到预设的运转状态的最大变化为止。一旦特定控制动作达到预设的运转状态的最大变化，便启动另一个闭环控制。替代地，内燃机100可在不启动另一个闭环控制的情况下切换到液态燃料模式(步骤518)，由此在不执行更多上述控制动作的情况下降低内燃机100的爆震敏感性。
84.在图6的示例性实施例中，闭环控制520包括与第一控制动作——例如，提高进气的IMAP——相关联的第一闭环控制520A。一旦控制单元76在点506A确定爆震水平有升高倾向(图4中的403A、403B)，控制单元76便在步骤602检查放气阀442和/或废气门阀552的打开面积是否已经达到预设的最小打开面积。预设的最小打开面积可以例如处于从0％至5％的范围内。在放气阀442和/或废气门阀552的打开面积尚未达到预设的最小值(点602B)的情况下，控制单元76在步骤512进一步升高进气的IMAP。重复该环，直至控制单元76在点602A确定达到预设的最小打开面积并且IMAP不会再升高为止。
85.然后，控制单元76启动与第二控制动作——例如，延迟(步骤514)气缸9的点火正时——相关联的第二闭环控制520B。控制单元76在步骤604检查点火延迟时间是否已达到预设的最大点火延迟时间，并执行第二闭环控制520B，直至达到最大点火延迟时间(点604B)为止。最大点火延迟时间可根据内燃机100的负荷和/或转速来设定并且可以例如处于从1度曲柄角到10度曲柄角的范围内。
86.当由于两个控制动作都已达到它们各自预设的运转状态的最大变化而不会再执行第一闭环控制520A和第二闭环控制520B时，控制单元76以第三控制动作——例如，用液态燃料代替(步骤516)一部分气态燃料——启动第三闭环控制520C。类似地，第三闭环控制520C被执行到控制单元76在点606A确定气态燃料的预设最大比例——例如高达50％——被代替为止。在其它实施例中，气态燃料的预设最大比例可为60％、70％或高达100％。此时，控制单元76最终启动从GFM到LFM的切换(步骤518)。在一些实施例中，在执行第三闭环控制(520C)——即，用诸如柴油的液态燃料代替气态燃料——时，控制单元76也可提前气缸9的点火正时(并同时增加液态燃料的比例)或如双点划线520D所示执行颠倒部分530的其它颠倒动作。
87.替代地，一旦控制单元76已针对任何闭环控制确定相应控制动作已达到其预设的运转状态的最大变化，控制单元76便可直接进行至仍可执行的闭环控制，如虚线所示。在一些实施例中或在特定条件——例如很大的倾向——下，控制单元76在闭环控制(520A，520B，520C)中的仅一个不会再被执行时可能已经启动从GFM到LFM的切换(步骤518)，如双点划虚线所示。例如，当内燃机100需要对变化的气体组分快速反应时就会是这种情况。
88.图7示出了包括闭环控制520AB的又一个控制程序，其中在该环路中同时执行两个控制动作。例如，当控制单元76确定爆震水平402的倾向403A、403B、403C超出预设倾向、由此确定已发生LHV和/或甲烷值的大幅变化时，可使用这样一个实施例。预设倾向可被存储在控制单元76的存储器中，或替代地它可以根据经验值来设定。
89.在该示例性程序中，控制单元76在点506A确定爆震水平402具有升高倾向，由此确定已发生LHV的大幅上升和/或甲烷值的大幅降低。一旦确定LHV和/或甲烷值的大幅变化，控制单元76便在一个闭环控制内执行例如升高(步骤512)IMAP和延迟(步骤514)一个或全部气缸的点火正时的控制步骤。在控制单元76在点602A确定IMAP已经达到预设的最大IMAP值的情况下，该程序可直接进行到步骤604，以检查延迟点火正时是否已经达到预设的最大点火延迟时间。如果是这种情况，则控制单元76在点606A开始从GFM到LFM的切换(步骤518)。
90.替代地，当控制单元76在点506A确定爆震水平402有降低倾向时，控制单元76可执行例如在一个环中同时降低(步骤512)IMAP和提前(步骤514)点火正时的控制步骤。
91.在一些实施例中，所公开的程序可与其它已知的用于检测和/或控制内燃机100中的爆震的程序——其中检测到的爆震可以由不同于所述的变化的气体组分的现象导致——同时执行。例如，当爆震水平402超过预设的爆震水平阈值410(图4中用虚点划线420表示)时，可延迟气缸9的点火正时，可升高进气的IMAP，和/或可用液态燃料如柴油代替一部分气态燃料。在此情况下，将执行已知的爆震控制策略，但文中描述的用于响应于变化的气体组分而控制内燃机100的程序也可保持活动。
92.在一些实施例中，可在初始步骤504之前对所接收的爆震数据400或其子组进行数据过滤步骤和/或数据平滑步骤，以便提高爆震数据400的信噪比，由此还提高所述程序的可靠性。
93.多个闭环控制(520A、520B和520C)可基于一旦已确定气体品质的变化便可被改变的各种运转参数。
94.颠倒区段530可确保对于内燃机100的给定运转状态而言，与闭环控制520相关联的控制措施不会达到相应预设的运转状态的最大变化。因此，内燃机100可对气体品质的进一步变化作出反应。
95.文中描述的程序例如适合于在工业发电设备如油/气平台上的发电机组——其中变化的气体品质会负面地影响发电设备的功率输出——中运转的内燃机。利用文中公开的方面，内燃机可在适合当前气体品质的运转状态下运行，并且结果可以降低内燃机的爆震敏感性并且可增加发动机的运转时间。
96.尽管文中的一些示例可能仅针对升高或降低的爆震水平(作为气体组分的变化的一个示例)给出，但技术人员将了解，也可处理相应状况以降低或升高爆震水平。
97.尽管文中已描述本发明的优选实施例，但可加入改进和修改而不脱离附后权利要求的范围。

Claims (23)

1.一种用于控制内燃机(100)的方法，该内燃机(100)至少部分地利用具有变化的气体组分的气态燃料来运转，所述方法包括：
第一步骤：接收与在变化的气体组分的时间段期间的爆震水平(402)对应的爆震数据(400)；
第二步骤：由所述爆震数据(400)确定所述爆震水平(402)在所述时间段期间有改变倾向(403A，403B，403C)，以及相应地已经发生供给到所述内燃机(100)的气态燃料的气体组分的变化；以及
第三步骤：调节所述内燃机(100)的运转状态，以使所述内燃机(100)的爆震敏感性适应所述变化的气体组分，
其中，当所述爆震水平(402)在所述时间段期间有升高倾向(403A，403B)时，所述第三步骤包括以下控制动作中的至少一个：
控制动作A：升高进入所述内燃机(100)的气缸(9)的进气的进气歧管气压(IMAP)；
控制动作B：以点火延迟时间来延迟所述气缸(9)的点火正时；和
控制动作C：用液态燃料代替一部分气态燃料，
其中，各控制动作与运转状态的预设的最大变化相关联，并且所述方法还包括：
在包括所述第一和第二步骤及第一控制动作的第一闭环控制期间检测到达所述第一控制动作的预设的最大变化，其中所述第一控制动作是所述控制动作A和控制动作B中的一者，和
执行包括所述第一和第二步骤及第二控制动作的第二闭环控制和/或将所述内燃机(100)切换到液态燃料模式，其中所述第二控制动作是所述控制动作A和控制动作B中的另一者。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述爆震数据(400)对应于在至少4个燃烧循环的时间段或数十秒到120分钟或更长的时间段接收的爆震水平(402)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
确定所述爆震数据(400)满足所述爆震水平(402)处于预设的爆震水平阈值(410)之下的预设爆震水平范围(408)内的要求，和/或
确定与至少一些所述爆震数据(400)相关联的所述爆震水平阈值(410)的爆震裕度(416)处于预设的爆震裕度范围内。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
根据所述内燃机(100)的当前运转状态来设定所述预设的爆震水平阈值(410)、所述预设的爆震水平范围(408)和/或所述预设的爆震裕度范围，其中所述预设的爆震水平阈值(410)设定在从1％至10％的范围内，所述预设的爆震水平范围(408)设定在从0％至10％的范围内，和/或所述预设的爆震裕度设定在从0％至5％或10％的范围内。
5.根据权利要求1或2所述的方法，还包括
反复执行包括所述第一、第二和第三步骤的闭环控制，直至所接收的爆震数据(400)与稳定的爆震水平对应为止。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述爆震水平(402)有升高倾向(403A，403B)时，通过升高进气的IMAP来执行第一闭环控制，直至放气阀(442)和/或废气门阀(552)的打开面积已达到0％至5％的预设最小打开面积，由此达到最大IMAP值，并且
通过延迟所述气缸(9)的点火正时来执行所述第二闭环控制，直至点火延迟时间达到预设的最大点火延迟时间，并且其中，
一旦达到预设的最大点火延迟时间，便通过用液态燃料代替一部分气态燃料来执行第三闭环控制，直至预设最大比例的气态燃料被液态燃料代替。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述预设的最大点火延迟时间处于从1度曲柄角到10度曲柄角的范围内。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，气态燃料的所述预设最大比例为50％、60％、70％或100％。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定所述倾向(403A，403B)超出预设的倾向；以及
执行包括在环中被一起执行的、所述控制动作A、B和C中的至少两个控制动作的闭环控制。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，当所接收的爆震数据(400)对应于稳定的爆震水平时，所述方法还包括：
颠倒先前执行的控制动作中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，针对所述内燃机(100)的各个气缸(9)，接收单独的多组气缸具体爆震数据，并且在至少对于所述气缸具体爆震数据中的一个而言相应的爆震水平(402)有所述倾向(403A，403B，403C)时执行所述方法。
12.一种用于控制内燃机(100)的方法，该内燃机(100)至少部分地利用具有变化的气体组分的气态燃料来运转，所述方法包括：
第一步骤：接收与在变化的气体组分的时间段期间的爆震水平(402)对应的爆震数据(400)；
第二步骤：由所述爆震数据(400)确定所述爆震水平(402)在所述时间段期间有改变倾向(403A，403B，403C)，以及相应地已经发生供给到所述内燃机(100)的气态燃料的气体组分的变化；以及
第三步骤：调节所述内燃机(100)的运转状态，以使所述内燃机(100)的爆震敏感性适应所述变化的气体组分，
其中，当所述爆震水平(402)在所述时间段期间有降低倾向(403C)时，所述第三步骤包括以下控制动作中的至少一个：
控制动作A’：降低进入所述内燃机(100)的气缸(9)的进气的进气歧管气压(IMAP)；
控制动作B’：以点火提前时间来提前所述气缸(9)的点火正时；和
控制动作C’：用气态燃料代替一部分液态燃料，
其中，各控制动作与运转状态的预设的最大变化相关联，并且所述方法还包括：
在包括所述第一和第二步骤及第一控制动作的第一闭环控制期间检测到达所述第一控制动作的预设的最大变化，其中所述第一控制动作是所述控制动作A’和控制动作B’中的一者，和
执行包括所述第一和第二步骤及第二控制动作的第二闭环控制和/或将所述内燃机(100)切换到气态燃料模式，其中所述第二控制动作是所述控制动作A’和控制动作B’中的另一者。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述爆震数据(400)对应于在至少4个燃烧循环的时间段或数十秒到120分钟或更长的时间段接收的爆震水平(402)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：
确定所述爆震数据(400)满足所述爆震水平(402)处于预设的爆震水平阈值(410)之下的预设爆震水平范围(408)内的要求，和/或
确定与至少一些所述爆震数据(400)相关联的所述爆震水平阈值(410)的爆震裕度(416)处于预设的爆震裕度范围内。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
根据所述内燃机(100)的当前运转状态来设定所述预设的爆震水平阈值(410)、所述预设的爆震水平范围(408)和/或所述预设的爆震裕度范围，其中所述预设的爆震水平阈值(410)设定在从1％至10％的范围内，所述预设的爆震水平范围(408)设定在从0％至10％的范围内，和/或所述预设的爆震裕度设定在从0％至5％或10％的范围内。
16.根据权利要求12或13所述的方法，还包括
反复执行包括所述第一、第二和第三步骤的闭环控制，直至所接收的爆震数据(400)与稳定的爆震水平对应为止。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括：
确定所述倾向(403C)超出预设的倾向；以及
执行包括在环中被一起执行的、所述控制动作A’、B’和C’中的至少两个控制动作的闭环控制。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，当所接收的爆震数据(400)对应于稳定的爆震水平时，所述方法还包括：
颠倒先前执行的控制动作中的至少一个。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，针对所述内燃机(100)的各个气缸(9)，接收单独的多组气缸具体爆震数据，并且在至少对于所述气缸具体爆震数据中的一个而言相应的爆震水平(402)有所述倾向(403A，403B，403C)时执行所述方法。
20.一种控制系统，用于至少部分地利用具有变化的气体组分的气态燃料运转的内燃机(100)，所述控制系统包括：
爆震传感器(77)，所述爆震传感器构造成连续检测所述内燃机(100)或所述内燃机(100)的每个单独的气缸(9)的爆震水平(402)；和
控制单元(76)，所述控制单元与所述爆震传感器(77)连接并且构造成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
21.根据权利要求20所述的控制系统，其中，所述爆震传感器(77)至少部分地安装在所述气缸(9)内或所述气缸(9)附近，并且其中所述控制单元(76)与所述内燃机(100)的放气阀(442)和/或废气门阀(552)连接。
22.根据权利要求21所述的控制系统，其中，所述爆震传感器(77)安装在所述内燃机(100)的气缸盖或进气歧管(26)中。
23.一种至少部分地利用具有变化的气体组分的气态燃料来运转的内燃机(100)，包括根据权利要求20至22中任一项所述的控制系统。
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