CN105556101B - 具有燃料质量传感器的发动机系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种与发动机(12)一起使用的控制系统(114)。该控制系统可具有与供给至所述发动机的未知气态燃料混合物流流体连通的感测元件(58)。所述感测元件可被配置成感测该未知的气态燃料混合物的热力学性质。所述控制系统还可具有被配置成将所述感测元件处未知的气态燃料混合物的温度增加至多个不同的温度水平的加热元件(60)，以及被配置成依据在多个不同温度水平下感测到的热力学性质确定所述未知的气态燃料混合物的燃料参数的微处理器(62)。所述控制系统还可具有与所述微处理器相连通且被配置成基于所述燃料参数选择性地调节所述发动机的控制参数的控制器(56)。

Description

具有燃料质量传感器的发动机系统
技术领域
本发明总体涉及一种发动机系统，并且尤其涉及一种具有燃料质量传感器的发动机系统。
背景技术
气态燃料动力发动机能够通过利用一系列不同的燃料混合物来运行。且一些燃料混合物具有大于其他燃料混合物的热值和/或低于其他燃料混合物的甲烷值。如果向发动机供给具有极高甲烷值的燃料(“热燃料”)，那么可发生损坏发动机。如果向发动机供给具有极低甲烷值的燃料，那么发动机可能表现不佳或根本无法运行。因此，了解在特定时间供给至特定发动机的燃料混合物的甲烷值是很重要的。然而，在一些应用中，燃料混合物是可变的。当分配器通过使用各种燃料源来满足需求时这个问题可能会更加突出。
以往，供给有“热燃料”的气态燃料动力发动机能够以两种方式中的一种来运转。首先，发动机能够在极其延迟的定时下以更大余量运行以应对“最糟糕”的情况，使得发动机将会被保护免受损坏，而无关于被供给至发动机的确切燃料混合物。然而，这种操作模式通常是低效的，因为不能充分利用燃料中的真正热值的全部优势。其次，可以更少余量运行发动机直到检测到问题(例如，直到检测到发动机爆震)为止，且接着可调整运行直到不再检测到问题为止。因为在检测到问题时可能已经发生了一定的损坏，所以这种操作模式在更加高效的同时也可造成发动机寿命降低。
Bonne在1994年5月10发布的第5,311,447号美国专利('447专利)中公开了解决上述问题的一种尝试。具体地说，'447专利公开了用于测量送入气体消耗装置的燃料的质量的无燃烧方法。所述方法包括将燃料的一部分转移通过传感器腔室，以及测量腔室中的第一传感器处的燃料的粘度。所述方法还包括使用腔室中的第二传感器在两个不同温度水平下测量燃料的热导率。接着基于燃料的温度和压力来修正粘度和热导率值，且使用依据所修正粘度和热导率值确定的经验公式来确定对应的热值。接着根据特定应用所需要的信息来存储、显示或发出热值作为控制脉冲。通过使用市售回归分析程序来确定用于计算燃料的热值的经验公式。
虽然'447专利中描述的方法在一些应用中可能已经足够了，但是可能并非最优的。例如，因为所述方法依赖于来自两个或多个不同传感器的输入，所以关联系统可能昂贵并且是复杂的。另外，只在两个温度水平下采样热导率无法提供所需精确度等级。而且，由于依赖于粘度、温度和压力测量，系统可能较为缓慢。且系统的速度可妨碍其在高度瞬时应用(例如，内燃机应用)中的使用。
所公开的发动机系统涉及克服上文阐述的一个或多个问题。
发明内容
一方面，本发明涉及一种燃料质量传感器。燃料质量传感器可以包括被配置成感测未知气态燃料混合物的热力学性质的单个感测元件和被配置成将单个感测元件处的未知气态燃料混合物的温度增加至多个不同温度水平的加热元件。燃料质量传感器还可以包括微处理器，所述微处理器被配置成只依据多个不同温度水平下感测的热力学性质来计算未知气态燃料混合物的燃料参数。
另一方面，本发明涉及一种用于与发动机一起使用的控制系统。控制系统可以包括与被供给至发动机的未知气态燃料混合物流流体连通的感测元件。传感器可以被配置成感测未知气态燃料混合物的热力学性质。控制系统还可以包括加热元件，所述加热元件被配置成将感测元件处的未知气态燃料混合物的温度增加至多个不同的温度水平；以及微处理器，所述微处理器被配置成依据多个不同温度水平下感测的热力学性质来确定未知气态燃料混合物的燃料参数。控制系统还可以包括控制器，所述控制器与微处理器连通并且被配置成基于燃料参数选择性地调整发动机的控制参数。
另一方面，本发明涉及发动机系统。发动机系统可包括发动机，所述发动机具有至少一个燃烧室，与至少一个燃烧室流体连通的燃料输送系统，以及连接至燃料输送系统的气态燃料供给装置。发动机系统还可包括与气态燃料供给装置流体连通且被配置成感测气态燃料的热容量、热导率和热扩散率中的至少一个的感测元件，以及被配置成将感测元件处的气态燃料的温度增加至多个不同的温度水平的加热元件。发动机系统还可包括微处理器以及与微处理器和发动机连通的控制器，所述微处理器被配置成根据在多个不同温度水平下感测到的热容量和热导率中的至少一个确定低热值、沃布指数、％稀释剂、比重、比热比和甲烷值中的至少一个。控制器可被配置成基于低热值、沃布指数、％稀释剂、比重、比热比和甲烷值中的至少一个选择性地调节空气/燃料比、发动机定时或发动机负载中的至少一个。
另一方面，本发明涉及一种控制发动机的方法。所述方法可包括当未知气态燃料混合物流入发动机时感测未知气态燃料混合物的热力学性质，以及当感测未知气态燃料混合物的热力学性质时加热未知气态燃料混合物至多个不同的温度水平。所述方法还可包括根据多个不同的温度水平下感测到的热力学性质确定未知气态燃料混合物的燃料参数，以及基于燃料参数选择性地调节发动机的控制参数。
附图说明
图1是示例性公开的发动机系统的示意图；
图2-图11是示出了执行公开的发动机控制方法的示例性结果的图表；以及
图12和图13是示出了由图1的发动机系统执行的示例性公开的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了具有发动机12和相关的控制系统14的示例性发动机系统10。为了本发明的目的，发动机12被示出且描述为四冲程气态燃料发动机。但是，本领域技术人员将认识到，如果需要的话发动机12可以可替代地为二冲程发动机。发动机12可包括发动机缸体16，所述发动机缸体至少部分地限定了一个或多个汽缸18(在图1中示出的仅为一个)。活塞20可被可滑动地设置在每个汽缸18中以在上止点(TDC)位置与下止点(BDC)位置之间往复运动，且汽缸盖22可与每个汽缸18相关联。汽缸18、活塞20和汽缸盖22可一起限定燃烧室24。可以设想的是，发动机12可包括任何数量的燃烧室24，且燃烧室24可以以“直线”配置、“V型”配置、与活塞相对配置或任何其它适合的配置被设置。
发动机12还可包括在发动机缸体16内可旋转地设置的曲轴26。连杆28可连接每个活塞20至曲轴26的曲拐30，以便活塞20在每个各自的汽缸18内的TDC位置与BDC位置之间的滑动运动导致曲轴26的旋转。类似地，曲轴26的旋转会导致活塞20在TDC位置与BDC位置之间的滑动移动。在四冲程发动机中，活塞20可通过进气冲程、压缩冲程、燃烧或做功冲程以及排气冲程在TDC位置与BDC位置之间往复运动。在二冲程发动机中，完整的循环可包括压缩/排气冲程(BDC至TDC)和做功/排气/进气冲程(TDC至BDC)。
汽缸盖22可限定进气通道32和排气通道34。进气通道32可将来自进气歧管36的压缩的空气或空气与燃料的混合物导引穿过进气口40并进入燃烧室24。排气通道34可类似地将来自燃烧室24的排出气体导引穿过排气口42并进入排气歧管44。
进气阀46可设置在进气口32内且被配置成选择性地接合相应的座。进气阀46可在第一位置与第二位置之间移动，在该第一位置处时，进气阀46接合所述座且抑制流体相对于进气口40的流动，且在该第二位置处时，进气阀46从所述座上被移除以允许流体的流动。
排气阀48可类似地设置在排气口42内且被配置成选择性地接合相应的座。排气阀48可在第一位置与第二位置之间移动，在该第一位置处时，排气阀48接合所述座以抑制流体相对于排气口42的流动，且在该第二位置处时，排气阀48从所述座上被移除以允许流体的流动。
一系列阀致动组件(未示出)可以可操作地与发动机12相关联以在所需的定时相对于曲轴26的旋转和/或活塞20的位置使得进气阀46和排气阀48在第一位置与第二位置之间移动。应当注意的是，每个汽缸盖22可包括多个进气口40和多个排气口42。每个这样一种口将与进气阀46或排气阀48相关联。发动机12可包括用于每个汽缸盖22的阀致动组件，其被配置成致动汽缸盖22的所有进气阀46或所有排气阀48。还可设想到的是，如果需要的话，单个阀致动组件可致动与多个汽缸盖22相关联的进气阀46或排气阀48。例如，阀致动组件可每个表现为凸轮/推杆/摇臂结构、电磁致动器、液压致动器和/或本领域中已知的其它用于致动的装置。应当注意的是，进气阀46或排气阀48打开和/或关闭的定时会对发动机运行产生影响(例如，对汽缸压力、温度、效率、引爆定时等的影响)，且在某些实施例中可被可变地控制。
燃料输送系统50可与发动机12相关联以将来自供给装置52的加压燃料导引至燃烧室24内。例如，燃料输送系统50可表现为处于与进气通道32相连通的位置的阀、燃料喷射器、化油器等。可以设想的是，如果需要的话，燃料输送系统50可以是电驱动、液压驱动、机械驱动、和/或气动驱动的以将加压燃料直接地传递至燃烧室24内或间接地经由进气通道32传递至燃烧室内。燃料可包括压缩气态燃料例如，例如天然气、丙烷、沼气、填埋气体、氢气和/或另外燃料的混合物。
允许进入进气通道32的燃料量和/或通过燃料输送系统50允许燃料进入进气通道32的定时可与引入至燃烧室24内的空气燃料比(A/F)相关联。具体地，倘若需要将空气和燃料的贫混合物(即，与空气的量相比，具有相对的少量燃料的混合物)引入燃烧室24内，燃料输送系统50可使得燃料被导引至通道32(和/或燃烧室24)所需要时间与空气和燃料的富混合物被引导(例如，与空气的量相比，具有相对的大量燃料的混合物)所需要的时间相比更短(或相反，在每个给定周期中进行控制以注入更少燃料)。同样地，倘若需要空气和燃料的富混合物，燃料输送系统50可使得燃料被导引至通道32(和/或燃烧室24)所需要的时间与稀混合物被导引所需要的时间相比更长(或相反，在每个给定周期中进行控制以注入更多燃料)。
控制系统14可包括响应于各个感测到的参数和/或输入协同调节发动机12的运行的部件(例如进气阀46、排气阀48、燃料输送系统50、由发动机12驱动的负载等)。除了其它元件之外，部件还可包括燃料质量传感器54和控制器56。燃料质量传感器54可被配置成确定与由发动机12消耗的燃料相关联的一个或多个质量参数，以及用于导引相应的信号至控制器56，指示出参数值。响应于燃料质量参数值，控制器56可被配置成选择性地调节发动机运行。
燃料质量传感器54可以为多个部件的组件，其包括，例如，感测元件58、加热元件60和微处理器62。在一个实施例中，感测元件58可包括一个或多个电极(例如，空间上靠近加热元件60的感测电极，和与加热元件60相隔开的参考电极)。电流可通过电极，其中电流的电阻可测量，且该电阻与电极附近的气态燃料的特定热力学性质相关。在公开的实施例中，热力学性质可包括气态燃料的热容量、热导率和/或热扩散率。可以设想的是，为了这个目的可以使用任何类型的感测元件58。
根据需要，燃料质量传感器54可位于主燃料输送通道内或旁路内。在感测热力学性质期间，经过和/或通过燃料质量传感器54的燃料流可保持为基本连续或停滞。这种燃料流可以用任何本领域中已知的常规方式控制(例如经由上游和/或下游阀的控制移动，未示出)。
热力学性质可以是基于温度可变的性质，且针对不同的气态燃料的变化是不同的。因此，加热元件60可被用于加热位于感测元件58处的气态燃料(例如，通常在感测元件58的附近)以获得多个不同的温度水平，该多个不同的温度水平用于确定当前被供给至发动机12的特定的未知气态燃料混合物的性质是如何变化的。在公开的实施例中，当感测元件58在感测热力学性质时，加热元件60可被配置成将未知的气态燃料混合物加热至十四个不同的温度水平。但是，可以设想的是，根据需要，可以产生许多不同的温度水平。
微处理器62可以被配置成接收由感测元件58在不同温度水平下生成的信号，并基于该信号计算一个或多个特定燃料质量参数。在所公开的实施例中，燃料质量参数包括空气燃料比(A/F)、较低热值(LHV)、沃布指数(WI)、比重(Sg)、甲烷值(MN)和比热比(γ)。微处理器62可通过利用一个或多个存储在存储器中的经验公式来计算燃料质量参数。例如，为了计算通过注入器50注入进气通道32中的气态燃料的特定未知混合物的甲烷值，微处理器62可将不同温度水平下的热力学特性值插入以下方程式：
其中
Cpj是每个不同温度水平下未知气体燃料混合物的热容量；且
Co和Cj是预期被发动机12消耗的已知气态燃料的多元回归常数。
由图2-图5可以看出，通过微处理器62基于由感测元件58感测的热容量来分别计算LHV、％稀释剂、Sg和γ的值已证明是成功的。特别地，数百种不同燃料混合物从供给装置52朝向注入器50并经过传感器54被定向在一个仿真或数值实验中。且传感器54用来确定LHV、％稀释剂、Sg和γ的值。然后，这些值(Y轴)与相同燃料的已知值(X轴)进行比较，且图2-图5中示出的图示出了这些比较的结果。由这些图可以看出，根据所测量的热容量计算的每个比较的标准偏差和误差对于每个燃料参数值是相对低的。
类似地，图6-图10示出了利用存储在微处理器62中的经验公式并基于由感测元件58生成的热导率值计算的已知气态燃料的LHV、％稀释剂、Sg、γ和MN的值(Y轴)与这些相同燃料的估计值(X轴)相比很接近。图11示出了利用存储在微处理器62中的经验方程式以及由感测元件58生成的热扩散率值计算的已知气态燃料的MN的值(Y轴)与这些相同燃料的估计值(X轴)相比很接近。图12示出了生成微处理器62使用的经验方程式以确定未知气态燃料混合物的热力学性质的方法，其将在下文详述。
控制器56可体现为包括用于控制发动机系统10的运行的装置的单个处理器或多个处理器。许多市售的处理器可执行控制器56的功能。控制器56可包括或与用于存储数据(诸如例如，发动机系统10的运行条件、设计限制、性能特征或规范、操作说明以及相应燃料质量参数)的存储器相关。包括动力供给电路、信号调制电路、电磁驱动器电路、通讯电路、以及其它适当的电路的各种其它已知的电路可以与控制器56相连。此外，经由任一无线或有线传输，控制器56能够与发动机系统10的部件(例如，与阀致动组件、燃料输送系统50、由发动机12驱动的负载等)进行连通，且同样地，控制器56可以被连接至发动机12或者设置在远离发动机12的位置。
控制器56可以被配置成基于由微处理器62计算的燃料质量参数选择性地调整发动机12的运行。例如，控制器56可能能够使进气阀46和/或排气阀48相对于活塞20(参照图1)的运动较早地打开以保持更长的开启，和/或以不同提升量打开。这种阀定时的变化可对允许进入燃烧室24中的空气/或燃料的量以及所产生压力、温度、效率和/或排放产生影响。同样地，控制器56能够使燃料输送系统50在任何所需定时下将或多或少的燃烧输送入通道32(和/或输送入燃烧室24)以从而改变发动机12的空气燃料比并影响所产生速度输出、功率输出、效率、排放等。控制器56还能够改变发动机12上的负载，例如增加或减少负载。可以设想的是，控制器56可同样以其他方式影响发动机运行。
控制器56可基于燃料质量参数调整发动机运行以改善在给定的一组条件下的运行。即，基于燃料质量参数，控制器56可能需要改变发动机运行以便避免损坏情况(例如，发动机爆震、过压、过温等)，提高效率和/或功率输出，和/或实现其他用户指定目标。图13示出了描述基于计算的燃料质量参数来控制发动机12的方法的流程图。图13将在以下部分中将更详细地讨论以进一步说明所公开的概念。
工业实用性
所公开的发动机系统可适用于改变燃料供给的情况，在此需要更高性能水平下的相关发动机的持续运行。所公开的发动机系统可有助于基于改变由该系统探测的燃料质量参数通过选择性地实现发动机保护调整来确保持续运行。所公开的发动机系统也可有助于通过选择性地实现发动机调整来确保高水平发动机性能，该发动机调整充分利用了包含在改变的燃料供给内的能量的所有优点。发动机系统10的运行现在将参照图12和图13进行描述。
在微处理器62能够产生控制器56所使用的燃料参数以调整发动机运行之前，必须首先确定微处理器62使用的经验公式。图12的流程图详细说明了这个过程。如图12中所示，第一步可以包括获得预期由发动机12使用的多种不同燃料混合物(步骤200)。然后，对于不同燃料混合物中的每一种，可在多个不同温度水平下测量所需热力学性质(步骤210)。可以在受控环境(例如，实验室)中执行步骤210，且不同温度水平的数量可以与传感器54旨在运行时的不同温度水平的数量关联。如上文所公开，这些热力学性质可尤其包括热容量、热导率和热扩散率中的任何一个或多个。
可以在约完成步骤210的同时计算和/或测量这些相同的已知燃料混合物的燃料质量参数(步骤220)。如上所述，这些燃料质量参数尤其可以包括A/F、LHV、WI、Sg、MN和γ中的任何一个或多个。在步骤220处，可经由本领域已知的任何方式来完成燃料质量参数的计算和/或测量。然后，可以将步骤210中测量的热力学性质与步骤220中确定的燃料性质关联(步骤230)。可经由本领域中已知的任何方式来进行这种关联。在所公开的实施例中，通过多元回归分析利用市售软件程序来进行关联，且上述经验方程式可以是关联的一个示例性结果。然后，可以将经验方程式存储在微处理器62的存储器内以在发动机系统10的运行期间使用(步骤240)。
一旦使用必要的经验方程式编程微处理器62，发动机系统10就可以遵循图13的程序。具体来说，可以将气态燃料流从供给装置52引导通过注入器50并且进入通道32中(步骤300)。在许多情况下，确切的气态燃料混合物的识别可能是未知的，并且可以改变发动机12的整个运行。
由于气态燃料流进入传感器54中(例如，连续穿过传感器54或大致上滞留在传感器54附近)，通过微处理器62可使得加热元件60改变气态燃料的温度(步骤310)。如上所述，加热元件60可以被配置成将温度改变为多个不同并且离散的温度水平，例如3个或更多个(例如，7个)不同的温度水平。在每个温度水平下，可以使得感测元件58获得未知气态燃料混合物的一个或多个热力学性质(步骤320)。感测元件58可以产生指示这些性质的信号并且将信号引导到微处理器62。所述流可以保持连续或间断地引导至燃料质量传感器54中/通过燃料质量传感器54，且接着经由本领域中已知的任何方式在感测期间选择性地滞留。
当从感测元件58接收信号时，微处理器62可以利用存储在存储器中的经验公式依据热力学性质来确定燃料质量参数(步骤330)。然后，微处理器62可以产生指示燃料性质的信号并且将这些信号引导至控制器56。在大多数情况下，由微处理器62传送至控制器56的燃料质量参数可以不包括由发动机12消耗的确切的气态燃料混合物的指示。但是可对比另外的关联来帮助预测气态燃料混合物的组成(如果需要)。然后，控制器56可以利用燃料质量参数信息来以上述方式调整并且调节发动机运行(步骤340)。
所公开的发动机系统可提供若干优点。首先，所公开的发动机系统可相对简单、只具有单个传感器。这种简单性可以帮助降低发动机系统10的成本。另外，通过在许多不同水平下对热力学性质进行采样，可以增加测量的精确度。另外，因为只需要单个热力学性质来确定对应的燃料质量参数，所以所述系统可以作出响应，以允许瞬时系统的广泛应用。
可对本发明的发动机系统作出各种修改和变更对本领域技术人员来说是显而易见的。通过考虑说明书和本文中公开的实践，发动机系统的其他实施例对本领域技术人员来说将变得显而易见。所述说明书和实例旨在仅仅是示例性的，其中本发明的真实范围是由以下权利要求书和其等同物指示。

Claims (5)

1.一种用于与发动机(12)一起使用的控制系统(114)，包括：
感测元件(58)，所述感测元件(58)与被供给至所述发动机的未知气态燃料混合物流流体连通，所述感测元件被配置成感测所述未知气态燃料混合物的热力学性质；
加热元件(60)，所述加热元件(60)被配置成将所述感测元件处的所述未知气态燃料混合物的温度增加至多个不同的温度水平；
微处理器(62)，所述微处理器(62)被配置成仅依据所述多个不同的温度水平下感测的所述热力学性质且不依据其他感测的性质来确定所述未知气态燃料混合物的燃料参数，所述燃料参数是低热值、沃布指数、％稀释剂、比重、比热比或甲烷值；和
控制器(56)，所述控制器(56)与所述微处理器连通并且被配置成基于所述燃料参数选择性地调整所述发动机的控制参数。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中：
所述感测元件是将信息提供至所述微处理器的唯一感测元件；且
所述微处理器被配置成只依据所述热力学性质来确定所述未知气态燃料混合物的所述燃料参数。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述热力学性质为所述未知气态燃料混合物的热容量。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述热力学性质为所述未知气态燃料混合物的热导率和热扩散率中的一个。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述微处理器被配置为利用经验公式计算所述燃料参数,所述经验公式通过对预期被感测元件感测到的已知燃料的测得的热力学性质和测得的燃料参数进行多元回归分析确定。
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