CN109958540B - 用于起动气体燃料内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于起动气体燃料内燃机的方法。根据所公开的方法，使用起动装置旋转发动机直到达到第一速度阈值。在达到第一速度阈值之后，向发动机的多个气缸供应引燃燃料以燃烧该燃料。在执行点火健康检查之后，向所有或相对大量的气缸供应气体燃料以开始将发动机加速到第二速度阈值。

Description

用于起动气体燃料内燃机的方法
技术领域
本发明总体上涉及气体燃料内燃机和其操作方法，特别是涉及一种起动气体燃料内燃机的方法。
背景技术
通常，气体燃料内燃机在发动机的气缸中燃烧气体燃料与空气的混合物。气体燃料内燃机可以包括例如燃气发动机，其中空气和燃料的混合物使用火花点燃或者使用少量液体燃料(诸如柴油)来点燃。类似地，另一种气体燃料内燃机可以是可在液体燃料模式和气体燃料模式下操作的双燃料发动机。
燃烧的特征在于所谓的λ值，其描述空燃比，即，气缸中的空气量与化学计量燃烧所需的空气量的比。在气体燃料内燃机的操作期间，可以通过控制例如空燃比来控制发动机。
气体燃料内燃机的各种起动程序是已知的。例如，WO 2016/046448A1公开了一种用于起动双燃料发动机的方法。
本发明至少部分地涉及改进或克服现有系统的一个或多个方面。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种用于起动气体燃料内燃机的方法包括使发动机旋转直到达到第一速度阈值，该气体燃料内燃机具有分别与多个气缸相关联的多个进气阀。该方法还包括在达到第一阈值之后通过引燃燃料系统开始向多个气缸供应引燃燃料以发起引燃燃料和进气的燃烧。该方法还包括在向多个气缸供应引燃燃料时确定引燃燃料系统的操作状态。此外，该方法包括经由相关的进气阀向多个气缸供应气体燃料来操作发动机。
在本发明的另一个方面中，内燃机包括：发动机缸体，其至少部分地限定多个气缸；多个进气阀，其分别与多个气缸相关联；以及起动装置，其配置为使发动机旋转。
此外，发动机包括控制单元，其配置为控制起动装置以使发动机旋转直到达到第一速度阈值；
在达到第一阈值之后开始向多个气缸供应引燃燃料以发起引燃燃料和进气的燃烧；
在向多个气缸供应引燃燃料时确定引燃燃料系统的操作状态，
以及通过经由相关的进气阀向气缸供应气体燃料来操作发动机，直到达到高于第一速度阈值的第二速度阈值。
在本发明的又一方面中，一种计算机程序包括计算机可执行指令，其在计算机上运行时使计算机执行上述方面的方法的各步骤。
根据以下描述和附图，本发明的其它特征和方面将是显而易见的。
附图说明
图1是根据本发明的示例性内燃机的示意图；
图2是根据本发明的用于实施起动图1的内燃机的方法的控制系统的示意图；以及
图3是根据本发明的示出在发动机的起动期间发动机转速、轨压、进气阀打开持续时间和气体压力的行为的图形。
具体实施方式
下文是本发明的示例性实施例的详细说明。本文所述的示例性实施例意图教导本发明的原理，使得本领域一般技术人员在许多不同环境中且对于许多不同应用实施并使用本发明。因此，示例性实施例不意图并且不应当被视为对保护范围的限制性描述。相反，保护范围应当由所附权利要求限定。
本发明可以部分地基于以下认识：可能难以通过用于发动机正常操作的控制算法起动奥托发动机，例如微型引燃柴油点火式燃气发动机或火花点火式燃气发动机，以及以气体模式操作的双燃料发动机。具体地，本发明可以部分地基于以下认识：可以进行调适和调整以改进发动机的起动。例如，起动程序可以用于检查点火系统和/或进气阀。此外，在起动阶段期间可以改变点火气缸的数量，以实现发动机的更平稳起动。此外，可以使用不同的空燃比(AFR)控制来进一步改进发动机的起动性能。例如，可以控制排放阀和废气门阀或可变几何涡轮以在发动机起动期间调节进气的供应。
本发明还可以基于以下认识：当双燃料发动机以气体模式起动时，必须在激活气体供应之前测试该双燃料发动机的点火系统。此外，在将气体燃料供应到发动机之前，还必须检查进气阀的正常功能。具体地，通过发动机的压力测量系统进行的气缸压力测量可以用于确定点火系统和进气阀是否完全起作用。
另外，本发明可以基于以下认识：在起动发动机的第一阶段中，需要大量动力来克服发动机及其部件的惯性以便开始旋转。因此，在该第一阶段期间，发动机的所有气缸或选定数量的气缸可以被点火。在达到速度阈值之后，可能需要较少的动力来将发动机加速到期望的速度，例如发动机的额定速度。因此，可以对较少数量的选定气缸点火。这可以通过例如关闭要跳过的一个或多个气缸的进气阀来实现。在达到期望速度并超过负荷阈值之后，可以激活用于发动机的正常操作的AFR控制，并且可以对所有气缸点火。
现在参考附图，图1中示出了内燃机10的示例性实施例。内燃机10可以包括未示出的特征，诸如燃料系统、空气系统、冷却系统、外围设备、传动系部件等。出于本发明的目的，内燃机10是燃气发动机。然而，本领域技术人员将认识到，内燃机10可以是任何类型的内燃机，例如双燃料发动机或至少暂时利用气体燃料与空气的混合物进行燃烧的任何其它奥托发动机。
内燃机10可以具有任何尺寸，具有任何数量的气缸和任何配置(“V”、“直列式”等)。内燃机10可以用于为任何机器或其它装置供电，该机器或装置包括船舶或其它船舶应用、机车应用、公路卡车或车辆、非公路用机器、土方设备、发电机、航空航天应用、泵、诸如发电厂等固定式设备或其它发动机动力式应用。
仍然参考图1，内燃机10包括发动机缸体20，其包括一组气缸26A-26D、至少一个燃料箱(未示出)、与气缸26A-26D相关联的涡轮增压器40、包括进气歧管22的进气系统12，以及排气系统14。
发动机缸体20包括曲轴箱(未示出)，曲柄轴6(参见图2)支撑在曲轴箱内。曲柄轴6连接到活塞18(见图2)，该活塞在内燃机10的操作期间可在气缸26A-26D中的每一个内移动。
进气歧管22至少暂时流体连接到气缸26A-26D中的每一个。气缸26A-26D中的每一个设置有至少一个进气门35(参见图2)，其适于打开或关闭进气通道24与气缸26A-26D的相应燃烧室16之间的流体连接。
排气歧管28连接到气缸26A-26D中的每一个。气缸26A-26D中的每一个设置有至少一个排气门36，其设置在排气通道37(参见图2)中并且配置为打开和关闭气缸26A-26D中的每一个的燃烧室16与排气歧管28之间的流体连接。
通常，当内燃机10操作时，气体燃料与空气的混合物(以下称为“混合物”)通过进气道4、进气歧管22和供应压缩进气的进气门35以及供应气体燃料的进气阀38(参见图2)引入多个气缸26A-26D的燃烧室中。通过调节经由进气歧管22供应的进气量和/或经由进气阀38供应的气体燃料量来控制气缸26A-26D的空燃比。在燃烧之后，由燃烧过程产生的排气通过排气歧管28从气缸26A-26D释放。
排气传感器29可以设置在排气歧管28中以检测来自内燃机10的排气的成分。在本文描述的示例性实施例中，排气传感器可以是NOx传感器，其配置为检测来自内燃机10的排气中的NOx量。
涡轮增压器40配置为使用内燃机10的排气的热量和压力来驱动压缩机44，以在进气供应到发动机之前压缩进气。具体地，通过涡轮增压器40的涡轮42的排气使涡轮42旋转，由此降低压力和温度。压缩机44经由公共轴46可旋转地连接到涡轮42，并由涡轮42驱动。
通常，压缩机44的出口经由压缩机连接件21流体地连接到进气歧管22的入口。如图1中所示，压缩机44的出口经由冷却器23连接到进气歧管22的入口。布置在冷却器23下游的节流阀27配置为打开或关闭压缩机连接21与进气歧管22之间的流体连接，由此实现或限制压缩进气从压缩机连接件21流入进气歧管22。
在内燃机10的操作期间，进气在被供应到气缸26A-26D之前被压缩和冷却。在气缸26A-26D内，混合物的进一步压缩和加热可以由活塞18的运动引起(见图2)。然后，可以例如通过使用火花塞或液体燃料的引燃喷射来点燃气缸26A-26D内的混合物，以在预定点火正时发起混合物的燃烧。产生的排气经由排气歧管28排出。排气歧管28的出口流体地连接到涡轮42的入口。涡轮42的出口可以流体连接到例如排气处理系统(未示出)。
另外，如图1中所指示，内燃机10设置有用于绕过涡轮42的废气门系统。废气门系统包括废气门连接件80和废气门阀82。替代地，内燃机10可以设置有可变几何涡轮。另外，内燃机10可以包括用于排出压缩机44下游的进气以减小进气歧管空气压力的排放系统。排放系统包括排放连接件66和排放阀64。应当明白的是，如果合适的话，排放连接件66和排放阀64可以设置有与图1中所示的配置不同的配置。替代地，可以省略这些部件中的一个或多个。
现在转到图2，示出了用于起动气体燃料内燃机10的控制系统100的示例性实施例。本领域技术人员将认识到，图2中所示的示例性气缸26展示了图1的气缸26A-26D的原理。因此，图2中所示的示例性公开配置也适用于图1中所示的气缸26A-26D。
图2示出了气缸26的示意性横截面视图。气缸26限定燃烧室16并包括活塞18。曲柄轴6经由活塞杆8连接到活塞18。活塞18配置为在气缸26内往复运动。
气缸26经由进气通道24连接到进气歧管22(图1)并经由排气通道37连接到排气歧管28。进气门35设置在进气通道24中，而排气门36设置在排气通道37中。提供进气阀38以向气缸26的燃烧室16供应气体燃料。在示例性实施例中，进气阀38可以是螺线管操作的进气阀。应当注意，虽然图2示出了设置用于将气体燃料直接喷射到燃烧室16中的进气阀38，但是进气阀38也可以与气缸26相关联地设置在进气通道24中。
进气门35配置为向燃烧室16供应压缩的进气或气体燃料与空气的混合物。排气门36配置为在燃烧之后将排气从燃烧室16排出到排气歧管28。
点火装置90配置为在期望的点火正时点燃燃烧室16内的气体燃料与空气的混合物。在该实施例中，点火装置90是引燃喷射器，其配置为喷射引燃量的例如柴油燃料以点燃混合物。此外，在其它实施例中，可以在燃烧室16中提供预燃室(未示出)，并且点火装置90可以是火花塞，其配置为点燃供应到预燃室的引燃量的气体燃料以便发起燃烧室16中的气体燃料和空气的燃烧。
控制系统100包括与气缸26相关联的传感器60。传感器60可以至少部分地设置在燃烧室16内。在其它示例性实施例中，传感器60可以设置在燃烧室16的外部。传感器60配置为检测气缸26中的燃烧特性。在一些实施例中，传感器60可以是压力传感器，其配置为检测气缸26中的气缸压力。传感器60可以是任何已知的压力传感器，并且可以配置为以已知的方式检测燃烧室16内的压力。
控制系统100还包括控制单元50。控制单元50经由通信线路54连接到传感器60并且经由通信线路52连接到进气阀38。控制单元50还经由通信线路53连接到点火装置90。控制单元50配置为经由点火装置90控制燃烧室16中的混合物的点火正时。控制单元还通过另外的通信线路(未示出)连接到排放阀64和废气门阀82(见图1)。控制单元50配置为控制排放阀64和废气门阀82以调整其开度面积。此外，控制单元50配置为接收传感器60的检测结果，并且根据接收的检测结果确定至少气缸26中的燃烧特性。
控制单元50可以是单个微处理器或双微处理器，其尤其包括用于控制内燃机10的各种部件的操作的装置。控制单元50可以是能够控制内燃机10和/或其相关部件的通用发动机控制单元(ECU)。控制单元50可以包括运行应用程序所需的所有部件，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或本领域已知的用于控制内燃机10以及部件的任何其它装置。各种其它已知电路可以与控制单元50相关联，包括电源电路、信号调节电路、通信电路和其它适当的电路。控制单元50可以分析和比较接收和存储的数据，并且基于存储在存储器中或由用户输入的指令和数据来确定是否需要动作。例如，控制单元50可以将接收的值与存储在存储器中的目标值进行比较，并且基于比较的结果，将信号传输到一个或多个部件以改变其操作状态。
控制单元50可以包括本领域已知的用于存储与内燃机10及其部件的操作有关的数据的任何存储器装置。数据可以一个或多个映射图或其它类型的信息的形式存储，这些信息描述例如来自与曲柄轴6相关联的速度传感器(未示出)的检测结果和/或使检测结果与例如在发动机10的起动阶段期间对该发动机的不同类型的控制相关，这将在下面更详细地描述。每个映射图都可以为表格、图形和/或公式的形式，并且可以包括从内燃机10的实验室和/或现场操作收集的数据的汇编。可以通过在各种运行状态下对内燃机10的操作执行仪表测试同时改变与其相关联的参数或执行各种测量来产生映射图。控制单元50可以参考这些映射图并响应于一个部件的期望操作来控制另一个部件的操作。例如，映射图可以包含关于在内燃机10的起动期间要使用的若干速度阈值的数据。另外，控制单元50的存储器可以包括关于在起动期间的排放阀64和废气门阀82的期望致动的信息(例如基于当前发动机转速、当前发动机负荷等)。
控制单元50配置为在内燃机10的起动期间控制内燃机的不同部件。这将参考图3更详细地描述。
在起动的第一阶段中，控制单元50配置为例如通过预加热内燃机的一个或多个部件来使内燃机10准备起动。
接下来，控制单元50配置为在正时t1起动与内燃机10相关联的起动装置(未示出)，以便开始旋转发动机。例如，起动装置可以是起动器，其可操作地连接到曲柄轴6并且配置为使其旋转。在其它实施例中，可以使用空气起动器系统，并且可以配置为将压缩空气喷射到内燃机10的气缸26A-26D中以开始旋转曲柄轴6。如图3中所示，这可能导致发动机转速增加。同时，与点火装置90相关联的共轨的轨压(即，配置为喷射液体燃料的引燃喷射的引燃喷射器)也增加。气压调节单元(未示出)处的气体压力保持在低水平，例如，高于大气压(巴(g))约0.1巴。内燃机10的气体系统在没有燃料气体的情况下保持减压。
在使用起动装置达到设定的发动机转速(例如，大约60rpm)之后，在正时t2，控制单元50配置为开始向多个气缸26A-26D供应引燃燃料以便在燃烧室16中发起引燃燃料和进气的燃烧。在这种状态下，控制单元50可以配置为控制排放阀64和废气门阀82处于预定第一位置(例如，全闭)以便实现最大可能的进气歧管空气压力和向气缸供应最大可能进气量。应当明白的是，在其它实施例中，控制单元50可以控制排放阀64和废气门阀82以具有预定开度面积，以便在该阶段期间实现期望的进气歧管空气压力。
接下来，在t3处，控制单元50配置为对内燃机10的点火系统执行点火健康检查。例如，控制单元50可以从传感器60接收气缸压力测量值，并基于所接收的气缸压力测量结果确定点火装置90是否起作用。也可以使用其它发动机相关测量值，例如，排气温度。该检查可以针对所有气缸同时执行，或者同时针对一个或多个气缸依次执行。
在对所有气缸的点火健康检查都通过了的情况下，控制单元50然后发起进气阀健康测试以确定所有进气阀38是否都完全起作用。在点火健康检查已经通过了之后，控制单元50可以启用向发动机的气体供应并且将气体压力增加到大约0.1巴(g)至大约0.5巴(g)之间，并且开始操作气体进气阀38以加速发动机10。在该阶段期间，进气阀可以打开预定义持续时间，例如独立于限速器和/或发动机转速。在操作的第一阶段期间，控制单元50可以从传感器60接收气缸压力测量值和/或关于发动机转速增加的数据，并且基于所接收的测量值来确定进气阀38是否起作用。例如，在阀门卡在打开位置的情况下，增加燃料流量将会导致气缸压力增加，与具有起作用的进气阀的其它气缸相比，可以检测到气缸压力增加。在检查已经通过了之后，控制单元50然后可以在t4将气体压力增加到例如在大约0.3巴(g)至约1.5巴(g)之间(在图3中，1.2巴(g))的期望值，并且继续起动程序。
在t4激活气体供应之后，控制单元50可以配置为通过经由相关的进气阀38向第一数量或全部数量的选定气缸供应气体燃料来操作内燃机10。例如，控制单元50可以配置为向内燃机10的所有气缸26A-26D或更多数量的所述气缸供应气体燃料供应。如图3中所示，这导致发动机转速的进一步增加。必须对更多数量的气缸点火以克服内燃机10的惯性并将内燃机加速到另一速度阈值，例如内燃机10的期望的低怠速。
在该过程期间，例如当在t5达到相应的速度阈值时或在此之前，控制单元50将会控制排放阀64和废气门阀82(或用于改变涡轮几何形状的杠杆位置)以具有第二预定配置(例如，全开)以实现最小可能的进气歧管空气压力。应当明白的是，在其它实施例中，控制单元50可以配置为设定并非全开配置的排放阀64和/或废气门阀82的配置，只要该配置是其中阀门的开度面积大于在经由点火装置90发起引燃喷射时使用的第一配置中的开度面积的配置即可。
当在正时t5达到期望的发动机转速(例如，低怠速时)，控制单元50可以配置为通过经由相关的进气阀38向第二数量的选定气缸供应气体燃料来操作内燃机10。具体地，选定气缸的第二数量可以小于选定气缸的第一数量。其原因在于，当已经达到低怠速时，需要更少的动力来进一步增加发动机转速，例如增加至额定发动机转速。因此，控制单元50配置为例如通过在已经达到第二速度阈值时保持关联的进气阀关闭来跳过向更多数量的气缸供应气体燃料。
在一些实施例中，控制单元50可以使用闭环控制来进行内燃机10的低负荷操作。具体地，点火气缸的平均负荷可以例如根据所测量的点火气缸的气缸压力来确定。如果负荷降低到低于较低负荷水平(例如，20％负荷)，则可以跳过一个附加气缸以增加平均负荷。另一方面，如果平均负荷高于较高负荷水平(例如，35％负荷)，则必须对一个附加气缸点火以减小平均负荷。应当明白的是，当发动机加速并且气缸负荷减小时，该闭环控制可以用第二(较少)数量的选定气缸来自动操作发动机10。控制单元50可以配置为执行该闭环控制直到达到预定负荷阈值。在达到所述负荷阈值之后，将使用低负荷操作期间的空燃比控制。具体地，控制单元50可以确定到燃烧气缸的燃料流量以确定期望的进气歧管空气压力。一旦发动机正常运行，所有气缸都会点火并使用适当的空燃比控制。
利用上述方法，控制单元50可以可靠且迅速地起动内燃机10，即，将内燃机的速度提高到例如大约500rpm的期望额定速度。
工业实用性
从前面的讨论中可以容易地明白本文所述的用于起动气体燃料内燃机的系统和方法的工业实用性。适用于本发明的示例性机器是大型内燃机，诸如由德国CaterpillarMotoren GmbH&Co.KG,Kiel制造的M46DF、M43DF、GCM46、GCM34、M32DF、M34DF、M27DF、M3x系列的发动机。例如，对于M46DF系列发动机，第一速度阈值可以是大约60rpm，而第二速度阈值可以是大约300rpm。此外，额定速度可以是大约500rpm。另外，最低负荷连续操作的负荷阈值可以是大约20％，例如低至15％。
将容易明白的是，虽然上述实施例涉及引燃点火式燃气发动机，但是本教导也可以应用于其它燃气发动机，例如双燃料发动机。
在一些实施例中，控制单元50可以配置为在达到第二速度阈值(例如，低怠速)之前并且在达到第二速度阈值之后喷射不同量的引燃液体燃料。具体地，第一量可以大于第二量，例如，引燃液体燃料的最大可能喷射量和/或引燃液体燃料的多点喷射。
应当明白的是，前面的描述提供了所公开的系统和方法的示例。然而，预期本发明的其它实施方式可以与前述示例在细节上不同。对本发明或其示例的所有引用意图参考当时正在讨论的特定示例，并且不意图暗示对于一般公开内容的任何限制。
除非在本文另有指示，否则在本文对值范围的叙述仅仅意图用作单独提及落入该范围内的每个单独值的简略方法，并且每个单独值被包含在说明书中，如同在本文单独叙述一样。除非另有指示或与上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法步骤都可以任何合适的顺序执行。
虽然本文已经描述了本发明的优选实施例，但是在不脱离所附权利要求的范围的情况下可以包含改进和修改。

Claims (8)

1.一种用于起动气体燃料内燃发动机的方法，所述气体燃料内燃发动机具有分别与多个气缸相关联的多个进气阀，所述方法包括：
旋转所述发动机直到达到第一速度阈值；
在达到所述第一速度阈值之后通过引燃燃料系统开始向所述多个气缸供应引燃燃料以发起所述引燃燃料和进气的燃烧；
进行点火健康检查，所述点火健康检查包括在向所述多个气缸供应所述引燃燃料时确定所述引燃燃料系统的操作状态，以确定点火装置是否起作用，所述点火装置是引燃喷射器，其配置为喷射引燃量的燃料以点燃混合物，
在对所有气缸的点火健康检查通过之后，独立于限速器和/或发动机转速将进气阀打开预定义持续时间，从而进行进气阀健康测试，经由所述相关的进气阀向所述多个气缸供应气体燃料来操作所述发动机以加速发动机，其中，
在进气阀健康测试期间，在向所述多个气缸供应气体燃料期间检测所述进气阀的操作状态以确定所有进气阀是否都完全起作用，在通过进气阀健康测试之后，增加气体压力以进一步增加发动机转速。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过确定所述多个气缸的基于气缸压力的数据来确定所述引燃燃料系统的操作状态。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过确定连接到所述气缸的排气口的温度来确定所述引燃燃料系统的所述操作状态。
4.根据权利要求1所述的方法，其中通过确定所述发动机的速度增加来检测所述进气阀的所述操作状态。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过基于气缸压力的数据来检测所述进气阀的所述操作状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其中通过失火事件检测所述进气阀的所述操作状态。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中通过所述气缸压力的增加来检测所述进气阀的所述操作状态。
8.一种内燃发动机，其包括：
发动机缸体，其至少部分地限定多个气缸；
多个进气阀，其分别与所述多个气缸相关联；
起动装置，其配置为旋转所述发动机；
引燃燃料系统；以及
控制单元，其配置为根据权利要求1所述的方法来控制所述内燃发动机。
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