CN106460715A - 控制双燃料发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制双燃料内燃四冲程活塞式发动机(1)的方法，该发动机包括：多个气缸(5)；活塞(50)能在限定燃烧室的所述气缸(5)内在上止点(TDC)和下止点(BDC)之间以往复方式运动；将发动机(1)构造成在两种模式下运行：使用气态主燃料(10)的气体模式；和使用直接喷射到所述气缸(5)内的液体燃料(20)的液体燃料模式；将所述发动机(1)构造成在需要时在所述模式之间切换；在运转的发动机(1)上发生从气体模式到液体模式的跳转或其它转变的情况下，在所述活塞(50)已经经过所述上止点(TDC)之后所述活塞(50)已经朝向所述下止点(BDC)移动时在燃烧冲程过程中喷射液体燃料(20)。

Description

控制双燃料发动机的方法
技术领域
本发明总体上涉及诸如大型双燃料发动机的内燃机的技术。具体而言，本发明涉及在运行状态改变过程中以及紧接在运行状态改变之后控制燃料馈送的方式。
更精确地说，本发明涉及控制双燃料内燃四冲程活塞式发动机的方法，该发动机包括：
-多个气缸，各气缸包括气缸盖和气缸壁，活塞可在限定燃烧室的所述气缸内在上止点(TDC)和下止点(BDC)之间以往复方式运动；
-所述活塞经由连杆连接至曲轴，其中所述活塞的往复运动被转换成所述曲轴的旋转运动；
-将所述发动机构造成在两种模式下运行：
-使用气态主燃料的气体模式；和
-使用直接喷射到所述气缸内的液体燃料的液体燃料模式；
-将所述发动机构造成在需要时在所述模式之间切换；
-将燃料馈送定时构造成根据曲轴旋转角来进行。
背景技术
在双燃料发动机中，存在发动机需要从使用一种燃料换到使用另一种燃料的情形。这可能由于若干因素而发生，并且根据运转状态这可能是预期或非预期的。这些情形在时间上可能非常短或者在长度上更短暂，它们可以被称为到备用模式或类似模式的跳转(trip)或切换(switch)。基本上，燃料的转换需要尽可能平顺，尤其是当发动机为了向电力网供电而运转时。因而，发动机的功率需要维持在非常恒定的水平，因而发动机的扭矩和速度不能变化。
大多数现有技术文献公开了某种类型的斜升过程，像WO2011098077A1，其描述了将供应给内燃机的燃料从第一燃料切换到第二燃料的方法，该方法包括如下步骤：
a)使用第一燃料运行内燃机；
b)降低供应内燃机的燃料线路中的第一燃料的部分，并且增加供应内燃机的燃料线路中的第二燃料的部分；
c)使用包含第一燃料和第二燃料的燃料混合物来运行内燃机；以及
d)重复步骤b)和c)，直到内燃机仅使用第二燃料运行，其特征在于如下步骤：确定传导第一燃料的线路中的第一燃料的流率和/或确定传导第二燃料的线路中的第二燃料的流率，并且基于第一燃料和/或第二燃料的流率来调节燃料混合物中的第一燃料的部分和第二燃料的部分。
而且，当执行燃料转换时可以考虑燃料的量。
US 7,913,673公开了一种用于从引导模式转换到仅柴油模式的过程(如这里图1所示)。该文献描述了在逐循环基础上监测发动机运行，以确定由曲线204代表的实际气体λ是否逼近贫λ极限。当在图1中的时间T1发生这种情况时，切断由曲线202代表的供应至混合器42的气体，以将所供应的气体的量立即从Q气体需求减小到0。随后将柴油燃料的供应量(由曲线200代表)从Q柴油引导增加到增加量Q柴油需求，该增加量提供用于当前速度和载荷状态所需的总能量。然而，与从引导运行转换到仅柴油运行一样，供应柴油燃料的量的变化被延迟，然后以增量或步进方式改变而不是突然改变。当在混合器40的气体供应被切断之后的一定时间里识别到在供应系统中特别是进气歧管34中存在一些气体时执行该延迟和初始增加以及随后的步进增加，期望的是进行延迟然后逐步进行柴油燃料增加以避免功率浪涌。更优选地，为了防止或至少减少功率浪涌，将柴油燃料供应量的增加延迟至时间T3，该延迟在时间T2达到的贫气体极限λ之后发生。与从引导到仅柴油转换一样，在全速、全载荷基础上以总体维持恒定功率为目标而经验地确定延迟周期T3-T1的长度、随之发生的过渡周期T4-T3中的步数以及每步的大小，并且将它们储存在控制器70中的映射图或查找表中。
发明内容
如下提供了一个简单的概要，以便提供对各种发明实施方式的一些方面的基本理解。该概要并不是本发明的广泛概述。其既不是为了识别本发明的关键或决定性要素，也不是为了界定本发明的范围。如下概要仅仅作为本发明的示例性实施方式的更详细描述的前序以简化形式提供本发明的一些构思。
在运转的发动机上发生从气体模式到液体模式的跳转或其它转变的情况下，在所述活塞已经经过所述上止点(TDC)之后所述活塞已经朝向所述下止点(BDC)移动时在燃烧冲程过程中喷射液体燃料。该喷射的液体燃料将由于喷射时刻的高温和高压而点燃，并且将燃烧已经喷射到发动机的气体，但是其将不会产生过多的气缸压力和扭矩。结果，发动机以稳定的载荷和发动机速度平顺地跳转到诸如柴油的液体燃料。这还防止了未燃烧气体退出到出口通道并可能导致出口通道中的延迟燃烧的可能性。该喷射应该最早开始于0°曲轴角处(这意味着上止点(TDC))。在实践中，最晚喷射开始角将在TDC之后的大约25°。在这之后开始的喷射可能太晚，点燃可能变得不可靠。发动机控制系统可能由于各种原因(诸如由于燃烧时的爆震或其它干扰、监测系统中或气体馈送中的干扰等等)而执行燃料模式转换。在这种模式转换情形下，馈送到进气歧管的气体立即停止，从而不允许任何新气体流入到进气歧管。
根据本发明的一个实施方式，在上止点(TDC)之后5°到20°的曲轴角处开始液体燃料的喷射。这致使液体燃料在活塞已经明确地朝向下止点(BDC)移动时的时刻开始燃烧。在馈送的气体仍然将为100％并且馈送的液体也是100％的量的可能情况下，过于接近上止点喷射的液体燃料的燃烧将导致过高升压，但是这取决于发动机的各种因素。在上止点TDC之后大约5°进行喷射，升压将不会太大。但是其仍然将导致显著升温，但是其在时间上如此之短以至于该升温可以容许。
通过本发明方法，甚至发动机排放也可以保持相对较低水平。可能的气体残余物被燃烧并且首次喷射的液体燃料也被燃烧。结果，与未燃烧气体退出发动机的情形相比，HC排放较低。
仍然根据本发明的一个实施方式，将待喷射的所述液体燃料的量确定成含能量与当前运转状态的燃烧所需要馈送的气态燃料的含能量基本相同。因此，与使用多步增量来逐步完全馈送的现有技术文献的教导相反，对于本发明，馈送的液体量从模式变化一开始就基本为所需的完全100％或至少90％。所述馈送可以被计算或确定为一次喷射馈送的含能量，并且其取决于所使用的燃料等级等。
根据本发明的一个实施方式，在1到10次循环的过渡周期之后，将液体燃料的喷射提前到在所述活塞已经到达上止点之前即在上止点(TDC)之前20°到5°的曲轴角处在压缩冲程上开始。这种提前动作的最终结果对应于发动机在液体燃料模式下的正常运转模式。如从这里提供的数次循环可知，本发明方法提供了一种从气体模式转换到液体模式的非常快速且可靠的方式。
在本专利申请中，不应将本发明的示例性实施方式解释为对所附权利要求的适应性施加限制。在本专利申请中作为开放性限制来使用动词“包括”，这种开放性限制不排除存在还没有阐述的特征。在从属权利要求中阐述的特征可相互自由组合，除非另有明确说明。
被认为是本发明的特征的新颖特征在所附权利要求中具体阐述。然而，当结合附图进行阅读时，将从如下具体实施方式的描述就本发明的构造及其操作方法以及本发明的附加目的和优点更好地理解本发明本身。
附图说明
图1图示了US 7,913,673的现有技术方法；
图2图示了本发明构思的发动机构造的一个实施方式；
图3图示了本发明构思的一个实施方式；
图4图示了执行本发明方法之后的情形。
具体实施方式
在图1中，示出了如何根据US 7,913,673执行模式转换的概念。这已经在上面在本发明的背景技术中进行了说明。
在图2中，示出了可以使用本发明方法的示意性发动机构造。图2示出了共轨双燃料发动机1，其中引导燃料喷射器2和主液体燃料喷射器2相同。当主喷射器和引导喷射器不同时，同一方法也同样地起作用，从而该原理在具有脉动泵和引导喷射器(未在图中示出)的传统双燃料系统上也起作用。在气体模式下，在进气歧管6中将气体11与空气12预先混合，以形成待馈送到气缸5内的气体10。因而，当运行时，在气体模式下，进气歧管6容纳一定量的气体10混合物，而在液体燃料模式下，进气歧管仅容纳空气。馈送到气缸5的气体10由进气阀4控制。这就是为什么与直接喷射到气缸5内的液体燃料20相比所馈送的气体10不那么精确地停止或开始的原因。由于图2示出发动机1的俯视图，因此应该理解，发动机1包括多个气缸5，每个气缸5都包括气缸盖和气缸壁，活塞50能以往复方式在限定燃烧室的气缸5内在上止点(TDC)和下止点(BDC)之间运动。活塞50经由连杆连接至曲轴，其中活塞的往复运动被转换成曲轴的旋转运动。
在图3中，示出了本发明方法的一个实施方式。发动机曲轴角在水平轴上表示，零点θ＝0对应于压缩冲程和燃烧冲程之间的活塞的上止点(TDC)位置。图3图示了发动机1以1000RPM运转的情形，1毫秒的时间对应于6°的曲轴角。燃料喷射时长为6毫秒，因而对应于36°的曲轴角，如箭头23所示。
控制双燃料内燃四冲程活塞式发动机1的方法被图示为如何将发动机1构造成在两种模式下运行，图2特别地示出了响应于曲轴角的燃料喷射定时原理：
-使用气态主燃料10以及可能使用作为引导燃料的液体燃料的气体模式；以及
-使用直接喷射到气缸的液体燃料20的液体燃料模式；
-发动机被构造成在需要时在所述模式之间切换；
-燃料馈送定时被构造成根据曲轴旋转角来执行；
-在运转的发动机上发生从气体模式到液体模式的跳转或其它转变的情况下，在活塞已经经过上止点(TDC)之后活塞已经朝向下止点(BDC)移动时在燃烧冲程过程中喷射液体燃料20。馈送的气体10被示出为在TDC之前的某一点终止，并且需要一段时间在进气歧管内行进到气缸。如前所说，一些不规则性，例如气体压力的突然变化等可能导致跳转到液体燃料模式。然而，由于在正常运转情况下，在上止点(TDC)之前360°将气体喷射到进气歧管，并且在TDC之前15°将液体燃料喷射到气缸。如果在这两者之间发生跳转，则发动机将获得双倍量的燃料。本发明方法将这样发生的后果减少到最少，同时仍然将发动机的速度和扭矩维持在非常恒定的水平。馈送的液体量从模式变化一开始就是基本为所需的100％或至少90％。
在图4中，示出了在1到10次循环的过渡周期之后将液体燃料20的喷射提前到在活塞到达上止点TDC之前即在上止点(TDC)之前在20°到5°的曲轴角处在压缩冲程上开始。因而，将液体燃料喷射成使得如液体燃料模式中正常进行的那样开始喷射。基于实际发动机的响应时间，根据发动机进气接收器的构造以及在所述进气接收器中可能容纳的气体量来确定提前动作之前的循环数。
在不脱离修改的权利要求的范围的情况下，可以对以上描述的实施方式进行改动和修改。例如，还可以根据发动机载荷、气缸压力(例如，计算的IMEP)或表示运行状态例如燃烧开始的其它信号来确定液体燃料量，而不是计算好的燃料需求。
附图标记
1 发动机
10 馈送的气体
11 气体
12 空气
2 (引导或主)液体燃料喷射器
20 馈送的液体燃料
23 主液体燃料喷射时长
4 进气阀
5 气缸
50 活塞
6 进气歧管
TDC 上止点
BDC 下止点
θ 曲轴角

Claims (6)

1.一种控制双燃料内燃四冲程活塞式发动机(1)的方法，该发动机包括：
-多个气缸(5)，各气缸包括气缸盖和气缸壁，活塞(50)能在限定燃烧室的所述气缸(5)内在上止点(TDC)和下止点(BDC)之间以往复方式运动；
-所述活塞(50)经由连杆连接至曲轴，其中所述活塞(50)的往复运动被转换成所述曲轴的旋转运动；
-将所述发动机(1)构造成在两种模式下运行：
-使用气态主燃料(10)的气体模式；和
-使用直接喷射到所述气缸(5)内的液体燃料(20)的液体燃料模式；
-将所述发动机(1)构造成在需要时在所述模式之间切换；
-将燃料馈送定时构造成根据曲轴旋转角来进行，
其特征在于，
-在运转的发动机(1)上发生从气体模式到液体模式的跳转或其它转变的情况下，在所述活塞(50)已经经过所述上止点(TDC)之后所述活塞(50)已经朝向所述下止点(BDC)移动时在燃烧冲程过程中喷射所述液体燃料(20)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在上止点(TDC)之后5°到20°的曲轴角处开始所述液体燃料的喷射。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将待喷射的所述液体燃料的量确定成含能量与当前运转状态的燃烧所需要馈送的气态燃料的含能量基本相同。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在1到10次循环的过渡周期之后，将液体燃料的喷射提前到在所述活塞到达上止点之前即在上止点(TDC)之前20°到5°的曲轴角处在压缩冲程上开始。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于实际发动机的响应时间，根据发动机进气接收器的构造以及在所述进气接收器中可能容纳的气体量来确定提前动作之前的循环数。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，馈送的液体量从模式变化一开始就基本为所需的完全100％或至少90％。
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