CN108026866A - 具有改进型瞬态响应的天然气发动机系统 - Google Patents

Abstract

天然气发动机系统(10)可具有带至少一个汽缸(24)的发动机(12)。发动机还可具有被配置为将用于燃烧的空气输送至汽缸的进气歧管(28)和被配置为将排气从汽缸中排出的排气歧管(30)。天然气发动机系统可具有联接至发动机的发电机(104)。发电机可被配置为产生用于电负载(108)的电功率。天然气发动机系统可具有被配置为供应用于在发动机中燃烧的天然气的燃料源(66)以及与进气歧管和排气歧管流体连通的空气罐(78)。另外，天然气发动机系统可具有控制器(20)。控制器可被配置为将第一空气量从空气罐引导至排气歧管并且将第二空气量从空气罐引导至进气歧管。

Description

具有改进型瞬态响应的天然气发动机系统

技术领域

本发明总体上涉及一种天然气发动机系统，并且更具体地涉及一种具有改进型瞬态响应的天然气发动机系统。

背景技术

天然气动力内燃机已经用于各种应用中，例如在用作主电功率源或备用电功率源的发电机组中使用。天然气发动机也越来越广泛地用于海洋、非公路和机车应用。具体地，天然气发动机由于它们与汽油发动机或柴油发动机相比减少排放、占地面积少以及操作和维护成本相对较低而变得受关注。然而，由于发动机尺寸较小，天然气发动机可能不像它们的汽油或柴油动力同类产品那样有效地响应瞬态动力需求。

改进天然气发动机瞬态响应能力的一种可能的解决方案包括使用更大排量的发动机。然而，使用较大的发动机增加了发动机的操作和维护成本，从而抵消了与使用较小的火花点火天然气发动机相关联的一些成本优势。因此，需要改进天然气发动机的瞬态响应，以使得这些发动机能够充分响应它们的所需动力输出的突然和瞬态变化。

Cieslar等人在2013年4月8日发布题为“用于通过将压缩气体喷射至排气歧管中减少涡轮滞后的新型系统(A Novel System for Reducing Turbo-Lag by Injection ofCompressed Gas into the Exhaust Manifold)”的SAE出版物(“SAE出版物”)。该SAE出版物公开了一种用于改进内燃机瞬态响应的排气辅助系统。在SAE出版物中公开的系统中，当发动机突然需要满足更高转矩输出时，来自贮存器的压缩空气被喷射至发动机的排气歧管中以加速涡轮增压器。SAE出版物公开了其排气辅助系统优于将压缩空气喷射至进气歧管中的进气辅助系统。具体地，SAE出版物指出了当所喷射的压缩空气进入压缩机而不是进入发动机的燃烧室时引起的众所周知的压缩机喘振问题。

虽然SAE出版物公开了一种用于加速涡轮增压器以满足发动机负载的突然增加的系统，但是该系统仍然可能不是最佳的。具体地，所公开的系统仅使用压缩空气来加速涡轮增压器。然而，为了对发动机上增加的负载供应足够的动力，通常将附加的燃料喷射至发动机的燃烧室中。然而，在所公开的系统中，即使在使用压缩空气进行加速之后，涡轮增压器压缩机也可能不能供应足够的空气来燃烧额外的燃料，从而导致发动机低于所需动力输出。这在发电机组操作中尤其如此，其中发动机可能必须从冷起动状态开始，并且在突然和接近瞬态电功率需求的情况下将期望转矩输出输送至发电机。

本发明的天然气发动机系统解决了上述的一个或多个问题和/或现有技术的其它问题。

发明内容

在一个方面中，本发明涉及一种天然气发动机系统。天然气系统可包括发动机。发动机可包括至少一个汽缸。发动机还可包括进气歧管，其被配置为将用于燃烧的空气输送至汽缸。另外，发动机可包括排气歧管，其被配置为将排气从汽缸中排出。天然气发动机系统可包括联接至发动机的发电机。发电机可被配置为产生用于电负载的电功率。天然气发动机系统可包括燃料源，其被配置为供应用于在发动机中燃烧的天然气。天然气发动机系统可包括空气罐，其与进气歧管和排气歧管流体连通。另外，天然气发动机系统可包括控制器。控制器可被配置为将第一空气量从空气罐引导至排气歧管。控制器还可被配置为将第二空气量从空气罐引导至进气歧管。

在另一个方面中，本发明涉及一种操作天然气发动机发电机组的方法，该天然气发动机发电机组具有发电机和联接至发电机的发动机。该方法可包括确定将发电机联接至电负载的转换开关的状态。该方法还可包括当转换开关闭合时确定目标发动机参数。另外，该方法可包括基于目标发动机参数使用控制器来确定目标燃料量。该方法还可包括基于目标发动机参数来确定驱动与发动机相关联的涡轮增压器所需的第一空气量。另外，该方法可包括确定用于燃烧发动机中的燃料量的第二空气量。该方法可包括从燃料源向发动机输送一定量的燃料。该方法可进一步包括将第一空气量从空气罐引导至发动机的排气歧管。该方法还可包括将第二空气量从空气罐引导至发动机的进气歧管。

在又一方面中，本发明涉及一种天然气发动机。天然气发动机可包括多个汽缸。天然气发动机还可包括进气歧管，其被配置为将用于燃烧的空气输送至汽缸。天然气发动机可进一步包括排气歧管，其被配置为将排气从汽缸中排出。天然气发动机可包括燃料源，其被配置为供应用于在发动机中燃烧的天然气。另外，天然气发动机可包括空气罐，其与进气歧管和排气歧管流体连通。天然气发动机还可包括控制器。控制器可被配置为将第一空气量从空气罐引导至排气歧管。控制器还可被配置为将第二空气量从空气罐引导至进气歧管。天然气发动机可包括涡轮增压器。涡轮增压器可包括涡轮级，其被配置为由排气和第一空气量中的至少一个驱动。涡轮增压器还可包括联接至涡轮级的压缩机级。压缩机级可被配置为将来自环境的空气的第三部分引导至进气歧管。

附图说明

图1是示例性公开的天然气发动机系统的图示；且

图2是示出操作图1的天然气发动机系统的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1说明了示例性发动机系统10，其可用于诸如辅助或备用发电、海洋、采矿、建筑、农业、铁路或本领域已知的另一种工业等应用中。发动机系统10可包括发动机12、燃料系统14、空气喷射系统16、发电机装置18和控制器20。发动机12可为任何类型的发动机，诸如例如火花点火气态燃料发动机、柴油发动机、汽油发动机、双燃料发动机等。在一个示例性实施例中，发动机12可为使用天然气作为燃料的气态燃料动力发动机。发动机12可包括汽缸体22，其可包括一个或多个汽缸24。在一个示例性实施例中，如图1中所说明，汽缸体22可包括以“直列式”配置设置的四个汽缸24。然而，可预期的是，汽缸体22可包括任何数量的汽缸24，汽缸24可以“V”配置或以任何其它合适的配置设置。每个发动机汽缸24可包括连接至曲轴26的往复式活塞(未示出)。发动机汽缸24内的燃料的燃烧可引起活塞往复运动并且使曲轴26旋转以从发动机12产生转矩和/或动力输出。

发动机12可包括进气歧管28，其可与一个或多个汽缸24流体连通。进气歧管28可被配置为将新鲜空气引导至汽缸24以在汽缸24内燃烧燃料。发动机12还可包括排气歧管30，其可与汽缸24流体连通。排气歧管30可被配置为将排气从汽缸24中排出。发动机12可包括废气再循环(EGR)装置32。EGR装置32可包括通路34和EGR阀36。通路34可将排气歧管30与进气歧管28连接，以将排气的一部分从排气歧管30引导至进气歧管28。EGR阀36可调节通路34中的排气流量。例如，EGR阀36可选择性地将来自排气歧管30的排气的一部分经由通路34引导至进气歧管28。空气与进气歧管28中的排气的部分的混合物可在后续燃烧循环期间进入汽缸24。

发动机12可包括涡轮增压器38，其可包括压缩机级40和涡轮级42。轴44可连接压缩机级40和涡轮级42。压缩机级40可实施为固定几何形状压缩机，其被配置为将从环境接收的空气压缩至预定压力水平。例如，如图1中所说明，压缩机级40可经由通路46从环境接收空气。压缩机级40可压缩空气并且将压缩空气经由通路48输送至进气歧管28。

涡轮级42可包括附接至轴44的涡轮叶轮(未示出)。当排气离开排气歧管30移动通过涡轮级42时，排气可使涡轮叶轮旋转，这进而可经由轴44驱动压缩机级40。本领域一般技术人员将认识到，压缩机级40的转速(其可确定压缩机级40可输送至发动机12的压缩空气的量)可由涡轮级42可驱动压缩机级40时的转速支配。在行进通过涡轮级42之后，排气可经由通路50被引导至环境。虽然未在图1中示出，但是可设想的是，发动机系统10可在通路50中包括一个或多个后处理部件以在将排气排放至环境之前处理该排气。

发动机12可包括中间冷却器52，其被设置在压缩机级40与进气歧管28之间的通路48中。中间冷却器52可被配置为在将离开压缩机级40的压缩空气输送至进气歧管28之前冷却该压缩空气。中间冷却器52可实施为空气对空气热交换器、空气对液体热交换器或这两者的组合，并且被配置为促进将热能传递远离从压缩机级40接收的压缩空气。被传递远离压缩空气的热能可被吸收至低压冷却剂流(例如，空气、乙二醇、水、水/乙二醇混合物、掺和空气混合物或本领域已知的另一种冷却剂)中。可设想的是，如果需要的话，附加部件可包括在发动机12内，诸如阀门、一个或多个空气滤清器、一个或多个废气门、旁路回路以及用于调节增压空气和将其引入至汽缸24并且将汽缸24中的排气排放至环境中的其它装置。

发动机12可包括被配置为检测发动机12的操作参数的多个传感器。传感器可包括例如温度传感器54、56、压力传感器58、60、流量传感器62和速度传感器64。温度传感器54可被设置在通路46内并且可被配置为确定进入压缩机级40的空气的温度。类似地，温度传感器56可被设置在进气歧管28中，并且可被配置为确定从进气歧管28进入汽缸24的压缩空气的温度。温度传感器54、56可包括二极管温度计、热敏电阻、热电偶、红外传感器或本领域已知的任何其它类型的温度传感器。

压力传感器58可被设置在进气歧管28内并且可被配置为确定进气歧管28中的空气的压力。类似地，压力传感器60可被设置在排气歧管30中并且可被配置为确定排气歧管30中的排气的压力。压力传感器58、60可包括压阻应变计、电容元件、压电型传感器、位移型传感器或本领域已知的任何其它类型的压力传感器。流量传感器62可被设置在通路46中并且可被配置为确定通路46中的空气流量。流量传感器62可包括热线或冷线传感器、孔传感器、叶片传感器、膜传感器、基于压力差的传感器或本领域已知的任何其它类型的流量传感器。

速度传感器64可被设置在曲轴26上或附近并且可被配置为确定曲轴26的转速。速度传感器64可实施为常规的转速检测器，该转速检测器具有刚性地连接至汽缸体22(参考图1)的静止元件，该汽缸体22被配置为感测曲轴26的相对旋转运动。静止元件可为磁性元件或光学元件，其被配置为检测连接至曲轴26的一部分、嵌入曲轴26的一部分内或以其它方式形成曲轴26的一部分的分度元件(例如，齿形音轮、嵌入式磁体、校准条纹、正时齿轮的齿、凸轮凸角等)的旋转。速度传感器64可位于分度元件附近并且被配置为每当分度元件(或其一部分，例如，齿)经过静止元件附近时产生信号。曲轴26的转速可基于由速度传感器64产生的信号来确定。其它类型的传感器和/或策略也可或替代地用于确定曲轴26的转速。

虽然图1仅说明了温度传感器54、56、压力传感器58、60、流量传感器62和速度传感器64，但是可设想到，发动机系统10可包括任意数量的温度传感器54、56、压力传感器58、60、流量传感器62和速度传感器64。还可设想到，发动机系统10可包括任何数量的附加流量传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、排放传感器和/或本领域已知的用于确定与发动机系统10相关联的操作参数的任何类型的其它传感器。

燃料系统14可被配置为将燃料供应至汽缸24以在汽缸24内燃烧。燃料系统14可包括配合以将加压燃料输送至每个汽缸24的部件。具体地，燃料系统14可包括被配置为供应燃料的燃料源66、燃料泵送装置(未示出)以及被配置为将燃料从燃料源66输送至汽缸24的一个或多个通路68。燃料源66可为被配置为存储液态或气态燃料的贮存器或可供应液态或气态燃料的管线。在一个示例性实施例中，燃料源66可存储用于在汽缸24内燃烧的液态天然气。燃料系统14的泵送装置可包括一个或多个燃料泵、过滤器、阀、调节器、燃料喷射器以及本领域已知的用于将加压气态燃料喷射至汽缸24中的任何其它部件。燃料系统14还可包括一个或多个燃料流量传感器70，其可被配置为确定供应至汽缸24的燃料的流量。虽然图1说明了来自燃料源66的气态燃料被输送至汽缸24，但是可设想到，来自燃料源66的气态燃料可替代地被输送至进气歧管28。还可设想到，液态燃料或液态与气态燃料的混合物可从燃料源66输送至汽缸24和/或进气歧管28。

空气喷射系统16可包括空气存储装置72、进气喷射装置76和排气喷射装置74。空气存储装置72可包括空气罐78、压缩机80和控制阀82。空气罐78可包括被配置为积聚和存储压缩空气的储罐。替代地，空气罐78可包括能够存储压缩空气的贮存器。在一个示例性实施例中，空气罐78内的空气压力可在约150psi至约200psi之间的范围内。如在本发明中所使用的，术语“约”可指示典型的制造公差和四舍五入。因此，例如，术语“约”可表示与标称值相差±5psi的压力变化。压缩机80可被配置为经由通路84接收空气，压缩空气，并且经由通路86将压缩空气输送至空气罐78。压缩机80可由发动机12或外部电源(例如，电动机、与发动机12不同的压缩点火或火花点火发动机)驱动，或由本领域已知的任何其它类型的原动机驱动。控制阀82可被设置在通路86中并且可被配置为选择性地将来自压缩机80的压缩空气经由通路86引导至空气罐78。

排气喷射装置74可被配置为将第一空气量从空气罐78输送至排气歧管30。排气喷射装置74可包括压力调节器88、控制阀90和止回阀92，所有这些均可沿着将空气罐78连接至排气歧管30的通路94设置。压力调节器88可被设置在空气罐78与排气歧管30之间的通路94中。压力调节器88可被配置为将从空气罐78接收的压缩空气的压力从空气罐78内的第一压力降低至通路94中的第一空气量的第二压力。第二压力可低于第一压力并且高于或约等于排气歧管30内的第三压力。在一个示例性实施例中，排气歧管30内的压力可在约50psi至约80psi的范围内。在另一个示例性实施例中，空气罐78内的第一压力与通路94内的第二压力的比值可在约4:1至10:1之间的范围内。

控制阀90可被设置在空气罐78与排气歧管30之间，并且可被配置为选择性地将来自空气罐78的压缩空气经由通路94引导至排气歧管30。在如图1中所说明的一个示例性实施例中，控制阀90可被设置在压力调节器88与排气歧管30之间。止回阀92可被设置在空气罐78与排气歧管30之间，并且可被配置为减小和/或消除经由通路94从排气歧管30至空气罐78的空气逆流。在如图1中所说明的一个示例性实施例中，止回阀92可被设置在控制阀90与排气歧管30之间。压力调节器88、控制阀90和止回阀92可配合以将来自空气罐78的第一空气量引导至排气歧管30。虽然在图1中仅说明了压力调节器88、控制阀90和止回阀92中的每一个，但是可设想到，排气喷射装置74可包括任何数量的压力调节器88、控制阀90和止回阀92。还可设想到，排气喷射装置74可包括一个或多个其它部件，诸如过滤器、加热器、冷却器、导流器、压力传感器、温度传感器、流量传感器等。

进气喷射装置76可被配置为将第二空气量从空气罐78输送至进气歧管28。进气喷射装置76可包括压力调节器96、控制阀98和止回阀100，所有这些均可沿着将空气罐78连接至进气歧管28的通路102设置。压力调节器96可被设置在空气罐78与进气歧管28之间的通路102中。压力调节器96可被配置为将从空气罐78接收的压缩空气的压力从空气罐78内的第一压力降低至通路102中的第二空气量的第四压力。第四压力可小于第一压力并且大于或等于进气歧管28内的第五压力。在一个示例性实施例中，通路94内的第一空气量的第二压力可大于通路102内的第二空气量的第四压力。在另一个示例性实施例中，进气歧管28可在从约30psi至约40psi的范围内。在又一示例性实施例中，空气罐78内的第一压力与通路102内的第四压力的比值可在约4:1至5:1之间的范围内。

控制阀98可被设置在空气罐78与进气歧管28之间，并且可被配置为选择性地将来自空气罐78的压缩空气经由通路102引导至进气歧管28。在如图1中所说明的一个示例性实施例中，控制阀98可被设置在压力调节器96与进气歧管28之间。止回阀100可被设置在空气罐78与进气歧管28之间，并且可被配置为减小和/或消除经由通路102从进气歧管28至空气罐78的空气逆流。在如图1中所说明的一个示例性实施例中，止回阀100可被设置在控制阀98与进气歧管28之间。压力调节器96、控制阀98和止回阀102可配合以将来自空气罐78的第二空气量引导至进气歧管28。虽然在图1中仅说明了压力调节器96、控制阀98和止回阀102中的每一个，但是可设想到，进气喷射装置76可包括任何数量的压力调节器96、控制阀98和止回阀102。还可设想到，进气喷射装置76可包括一个或多个其它部件，诸如过滤器、加热器、冷却器、导流器、压力传感器、温度传感器、流量传感器等。虽然图1将通路102说明为将第二空气量输送至中间冷却器52与汽缸体22之间的进气歧管28，但是可设想到，通路102可将第二空气量输送至通路48中以允许中间冷却器52冷却第二空气量。

控制阀82、90和98可为两位或比例型阀，其阀元件可移动以分别调节通过通路86、94和102的压缩空气的流量。控制阀82、90和98中的阀元件可为液压的、气动的、螺线管操作的或机电操作的，以在流通位置与流动阻挡位置之间移动。还可设想到，控制阀82、90和98中的阀元件可以本领域已知的任何其它方式操作。在流通位置，控制阀82、90和98可允许压缩空气分别大致上不受控制阀82、90和98限制地流过通路86、94和102。相反，在流动阻挡位置中，控制阀82、90和98可完全阻挡压缩空气分别流过通路86、94和102。

来自发动机12的转矩输出可经由曲轴26供应至例如发电机装置18。发电机装置18可包括发电机104、转换开关106和电负载108。在如图1中所说明的一个示例性实施例中，发动机12可联接至发电机104以机械地驱动发电机104，该发电机104进而可产生供电负载108使用的电功率。发电机104可为例如AC感应发电机、永磁发电机、AC同步发电机或开关磁阻发电机。在一个实施例中，发电机104可包括多个极对(未示出)，每个配对具有被布置在定子(未示出)的圆周上的三个相以产生频率为50Hz和/或60Hz的交流电。由发电机104产生的电功率可通过一个或多个发电机母线110引导至电负载108。

转换开关106可被设置在发电机104与电负载108之间。转换开关106可通信地连接至一个或多个母线110以选择性地将电功率供应至电负载108。因此，例如，当转换开关106“闭合”时，发电机104可向电负载108供电。相反，当转换开关106“断开”时，发电机104可停止向电负载108供电。在一个示例性实施例中，转换开关106可为机械开关。在另一个示例性实施例中，转换开关106可实施为包括用于控制来自发电机104的供电的装置的单个微处理器或多个微处理器。许多可商购的微处理器可被配置为执行转换开关106的功能。应当明白的是，转换开关106可容易地实施为能够控制许多机器或电源功能的通用机器或电源微处理器。转换开关106可包括执行所需系统控制所需的所有部件，诸如例如存储器、辅助存储装置以及诸如中央处理单元等处理器。本领域技术人员将明白的是，转换开关106可包含附加的或不同的部件。与转换开关106相关联的可为各种其它已知的电路，诸如例如功率供应电路、信号调节电路和螺线管驱动电路等。还可设想到，如果需要，转换开关106可替代地手动致动。电负载108可表示多种应用，诸如电动机、照明、电气或电子设备，或本领域已知的任何其它类型的电动装置或应用。

控制器20可与温度传感器54、56、压力传感器58、60、流量传感器62、速度传感器64、燃料流量传感器70、转换开关106、电负载108、压力调节器88、96、控制阀82、90、98以及发动机系统10的许多其它部件进行通信。如下面详细讨论的，控制器20可被配置为控制分别从空气罐78流至排气歧管30和进气歧管28的第一和第二空气量。

控制器20可实施为单个微处理器或多个微处理器，其包括用于监测发动机系统10的操作并控制第一和第二空气量的装置。例如，控制器20可包括存储器、辅助存储装置、时钟以及处理器，诸如中央处理单元或用于完成与本发明一致的任务的任何其它装置。与控制器20相关联的存储器或辅助存储装置可存储可帮助控制器20执行其功能的数据、查找表和/或例程。另外，与控制器20相关联的存储器或存储装置还可存储从与发动机系统10相关联的各种传感器接收到的数据。许多可商购的微处理器可被配置为执行控制器20的功能。应当明白的是，控制器20可容易地实施为能够控制许多其它发动机系统功能的通用发动机系统控制器。各种其它已知的电路可与控制器20相关联，这些电路包括信号调节电路、通信电路、液压或其它致动电路以及其它适当的电路。

图2说明了可由发动机系统10的控制器20执行的示例性方法。图2将在下面的部分中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用于被配置为驱动发电机以提供电力来供一个或多个电应用使用的任何发动机。例如，所公开的发动机系统10可用于驱动发电机104，该发电机104被配置为向电负载108提供备用电功率。当至电负载108的主要电功率供应中断时，发动机12可能需要从冷启动状态启动以开始驱动发电机104，该发电机104可向电负载108供应备用电功率。替代地，当电负载108要求主电源不能输送的附加功率时，发动机12可能需要从冷启动状态启动以开始驱动发电机104，该发电机104可向电负载108提供附加的电功率。作为又一示例，当发电机104向电负载108供应备用电功率时，发动机12可能必须响应电负载108的电功率需求的突然增加或峰值。例如，发动机12可能必须通过以更高的速度增加来自曲轴26的转矩输出来驱动发电机104来响应以满足电负载108的附加功率需求。现在将参考图1和2详细描述发动机系统10的示例性操作方法。

图2说明了可由发动机系统10的控制器20执行的示例性所公开的方法200。方法200可包括监测转换开关106的步骤(步骤202)。例如，控制器20可监测转换开关106以确定转换开关106的状态(闭合与断开)。例如，当电负载108由于与电负载108相关联的主电源的故障或由于电负载108的电力需求的增加而需要来自发电机104的附加电功率时，转换开关106可闭合。控制器20可以许多方式监测转换开关106。例如，控制器20可监测由转换开关106传输至控制器20的信号以确定状态。另外或替代地，例如，控制器20可监测通过转换开关106的电流流动或转换开关106两端的电压降来确定状态。

方法200可包括确定转换开关106是否闭合的步骤(步骤204)。当控制器20确定转换开关106断开时(步骤204：否)，控制器20可返回至监测转换开关106的步骤202。然而，当控制器20确定转换开关106闭合时(步骤204：是)，方法200可前进至监测负载参数的步骤206。控制器20可以许多方式监测负载参数(步骤206)。例如，控制器20可确定电负载108所需的电流量。另外或替代地，控制器20可确定电负载108所需的电功率的量(以例如千瓦为单位)。控制器20可基于电负载108的负载参数来确定发动机12的目标发动机参数。用于发动机12的目标发动机参数可包括例如产生电负载108需要的电流或电功率所需要的曲轴26的目标转速、曲轴26的目标转矩输出、发动机12的目标功率输出等。

方法200可包括确定发动机参数是否满足或超过目标发动机参数的步骤(步骤208)。在一个示例性实施例中，当例如发动机12从冷启动状态开始操作时，发动机参数可小于目标发动机参数。控制器20可通过将例如曲轴26的速度、发动机12的转矩输出、发动机12的功率输出与分别在步骤206中确定的目标速度、目标转矩输出或目标功率输出进行比较来确定发动机参数是否满足或超过目标发动机参数。可设想到，控制器20可基于从温度传感器54、56、压力传感器58、60、流量传感器62、速度传感器64、燃料流量传感器70，和/或发动机系统10的任何其它传感器中的一个或多个接收到的信号来确定曲轴26的速度、发动机12的转矩输出和/或发动机12的功率输出。当控制器20确定发动机参数满足或超过目标发动机参数时(步骤208：是)，方法200可返回至监测负载参数的步骤206。然而，当控制器20确定一个或多个发动机参数未满足或超过目标发动机参数时(步骤208：否)，控制器20可前进至步骤210。

方法200可包括从空气罐78供应压缩空气的步骤(步骤210)。例如，控制器20可基于在例如步骤206中确定的一个或多个目标发动机参数来确定产生发动机12的目标速度、目标转矩输出和/或目标功率输出可能需要的目标燃料量。控制器20还可基于从温度传感器54、56、压力传感器58、60、流量传感器62和/或发动机系统10的任何其它传感器中的一个或多个接收到的信号来确定进气歧管28内的空气流量。控制器20可进一步确定进气歧管28内的空气流量是否足以燃烧目标量的燃料。

控制器20可确定加速涡轮级42以使涡轮增压器从停止状态启动或以更高速度驱动涡轮增压器所需的第一压缩空气量。控制器20还可确定弥补由压缩机级40供应的第三空气量与燃烧目标量的燃料所需的空气总量之间的差值所需的第二压缩空气量。控制器20可调整控制阀90以将来自空气罐78的第一空气量引导至排气歧管30。控制器20可另外或替代地调整控制阀98以将来自空气罐78的第二空气量引导至进气歧管28。

当发动机12从冷启动状态启动时，涡轮增压器38可能无法操作。结果，压缩机级40可能不处于将空气输送至进气歧管28的状态。第一压缩空气量可行进通过排气歧管30并且帮助驱动涡轮级42，这进而可驱动压缩机级40以将第三空气量输送至进气歧管28。第二空气量可帮助确保有足够的空气可用于燃烧目标量的燃料以产生目标速度、目标转矩输出和/或目标功率输出，使得发电机104可能能够满足电负载108的电功率。具体地，从空气罐78接收的第二空气量和从压缩机级40接收的第三空气量可由进气歧管28引导至汽缸24以用于燃烧目标量的燃料。在一个示例性实施例中，例如，第一空气量可大于第二空气量，因为可能需要第一空气量来将涡轮级42从冷启动状态加速，而第二空气量可能只需要弥补汽缸24中可用于燃烧的空气量的不足。

最初使用第一空气量驱动涡轮也可帮助减小压缩机喘振。例如，通过最初仅将第一空气量供应至涡轮级42，控制器20可帮助确保压缩机级40可在通路48中产生足够高的压力，这可帮助减小或消除被输送至进气歧管28中的第二空气量流动至压缩机级40。控制器20还可通过将第二空气量引导至进气歧管28来帮助补偿由压缩机级40输送的空气量的任何不足。因此，通过控制第一空气量和第二空气量的相对量，发动机系统10可帮助减小或消除压缩机喘振并且仍然供应足够空气量用于汽缸24中的燃烧以满足发电机装置18需要的功率输出中的突然增加。

方法200可包括确定发动机参数是否满足或超过目标发动机参数的步骤(步骤212)。例如，控制器20可执行与上面关于步骤208所讨论的过程类似的过程，以确定发动机参数是否满足或超过目标发动机参数。当控制器20确定一个或多个发动机参数不满足或超过目标发动机参数时(步骤212：否)，控制器20可前进至调整从空气罐78供应的空气量的步骤214。例如，控制器20可执行与上面关于步骤210所讨论的过程类似的过程，以修改或更新确保有足够的空气可用于燃烧目标量的燃料所需要的第一空气量和第二空气量。控制器20可调整控制阀90以将来自空气罐78的第一空气量引导至进气歧管28。控制器20可另外或替代地调整控制阀98以将来自空气罐78的第二空气量引导至排气歧管30。在调整空气量之后，控制器20可返回至监测负载参数的步骤216。在步骤216中，控制器20可执行与例如关于步骤206所讨论的处理类似的过程。在步骤216中监测负载参数之后，控制器20可前进至步骤212。

返回至步骤212，当控制器20确定发动机参数满足或超过目标发动机参数时(步骤212：是)，控制器20可逐渐停止来自空气罐78的压缩空气供应。例如，控制器20可调整控制阀90以减小通路94中的第一空气量。控制器20可同时或依次减少通路102中的第二空气量，以减少来自空气罐78的压缩空气对涡轮级42的加速。在一个示例性实施例中，控制器20可在减少第一空气量之前减少第二空气量，以降低第二空气量的任何部分进入压缩机级40并引起压缩机喘振的可能性。

在步骤212中，控制器20可确定从空气罐78不需要压缩空气。控制器20然后可依次或同时关闭控制阀90和98，以分别停止从空气罐78向排气歧管30和进气歧管28供应第一空气量和第二空气量。在关闭控制阀90和98之后，控制器20可打开控制阀82以允许来自压缩机80的压缩空气流过通路86进入空气罐78。因此，在来自空气罐78的压缩空气不需要用于发动机12的操作的时间段期间，控制器20可使用压缩机80来对空气罐78进行增压。控制器20可监测空气罐78内的第一压力空气。当空气罐78内的空气压力约等于或高于预定压力时，控制器20可关闭控制阀82。在一个示例性实施例中，预定压力可在约150psi至约200psi之间的范围中。

对于本领域技术人员将显而易见的是，可对所公开的发动机系统进行各种修改和变化。考虑到所公开的发动机系统的说明和实践，其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。希望说明书和示例仅被认为是示例性的，其中真正的范围由下面的权利要求以及其等同物指示。

Claims (10)

1.一种天然气发动机系统(10)，包括：

发动机(12)，其包括：

至少一个汽缸(24)；

进气歧管(28)，其被配置为将用于燃烧的空气输送至所述汽缸；

排气歧管(30)，其被配置为将排气从所述汽缸中排出；

发电机(104)，其联接至所述发动机并且被配置为产生用于电负载(108)的电功率；

燃料源(66)，其被配置为供应用于在所述发动机中燃烧的天然气；

空气罐(78)，其与所述进气歧管和所述排气歧管流体连通；以及

控制器(20)，其被配置为将第一空气量从所述空气罐引导至所述排气歧管并且将第二空气量从所述空气罐引导至所述进气歧管。

2.根据权利要求1所述的天然气发动机系统，进一步包括涡轮增压器(38)，所述涡轮增压器(38)包括：

与所述排气歧管和所述空气罐流体连通的涡轮级(42)，所述涡轮级被配置为由所述排气和所述第一空气量中的至少一个驱动；以及

联接至所述涡轮级的压缩机级(40)，所述压缩机级被配置为将第三空气量从环境引导至所述进气歧管。

3.根据权利要求2所述的天然气发动机系统，其中所述控制器进一步被配置为基于所述第三空气量确定所述第二空气量。

4.根据权利要求2所述的天然气发动机系统，进一步包括：

第一控制阀(90)，其被设置在所述空气罐与所述排气歧管之间；以及

第二控制阀(98)，其被设置在所述空气罐与所述进气歧管之间，其中所述控制器被配置为：

调整所述第一控制阀以引导所述第一空气量；以及

调整所述第二控制阀以引导所述第二空气量。

5.根据权利要求4所述的天然气发动机系统，进一步包括：

第一压力调节器(88)，其被设置在所述空气罐与所述第一控制阀之间并且被配置为调节所述第一空气量的压力；以及

第二压力调节器(88)，其被设置在所述空气罐与所述第二控制阀之间并且被配置为调节所述第二空气量的压力。

6.根据权利要求4所述的天然气发动机系统，进一步包括：

第一止回阀(92)，其被设置在所述第一控制阀与所述排气歧管之间并且被配置为减少从所述排气歧管至所述空气罐的第一空气流量；以及

第二止回阀(100)，其被设置在所述第二控制阀与所述进气歧管之间并且被配置为减少从所述进气歧管至所述空气罐的第二空气流量。

7.一种天然气发动机(10)，包括：

多个汽缸(24)；

进气歧管(28)，其被配置为将用于燃烧的空气输送至所述汽缸；

排气歧管(30)，其被配置为将排气从所述汽缸中排出；

燃料源(66)，其被配置为供应用于在所述发动机中燃烧的天然气；

空气罐(78)，其与所述进气歧管和所述排气歧管流体连通；

控制器(20)，其被配置为：

将第一空气量从所述空气罐引导至所述排气歧管；以及

将第二空气量从所述空气罐引导至所述进气歧管；以及

涡轮增压器(38)，其包括：

涡轮级(42)，其被配置为由所述排气和所述第一空气量中的至少一个驱动；以及

联接至所述涡轮级的压缩机级(40)，所述压缩机级被配置为将第三空气量从环境引导至所述进气歧管。

8.根据权利要求7所述的天然气发动机，进一步包括：

第一控制阀(90)，其被设置在所述空气罐与所述进气歧管之间；以及

第二控制阀(98)，其被设置在所述空气罐与所述排气歧管之间，其中所述控制器被配置为：

调整所述第一控制阀以引导所述第一空气量；以及

调整所述第二控制阀以引导所述第二空气量。

9.根据权利要求8所述的天然气发动机，进一步包括：

第一压力调节器(88)，其被设置在所述空气罐与所述第一控制阀之间并且被配置为调节所述第一空气量的压力；以及

第二压力(96)调节器，其被设置在所述空气罐与所述第二控制阀之间并且被配置为调节所述第二空气量的压力。

10.根据权利要求9所述的天然气发动机，进一步包括：

第一止回阀(92)，其被设置在所述第一控制阀与所述排气歧管之间并且被配置为减少从所述排气歧管至所述空气罐的第一空气流量；以及

第二止回阀(100)，其被设置在所述第二控制阀与所述进气歧管之间并且被配置为减少从所述进气歧管至所述空气罐的第二空气流量。