CN116263128A - 用于多燃料发动机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于多燃料发动机的方法和系统。在一个示例中，一种方法包括：在从单燃料燃烧到多燃料燃烧的过渡期间增加燃烧混合物的温度降低质量。

Description

用于多燃料发动机的方法和系统
技术领域
本文公开的主题的实施例涉及多燃料发动机，并且更具体地，涉及调整运行条件以促进更高的替换比例。
背景技术
内燃发动机可以包括压缩点火发动机和/或火花点火发动机。发动机可以燃烧多种类型的燃料。发动机可以包括多个注射器，其定位于直接注射到燃烧室中并注射到发动机的吸入端口中。可以调整发动机燃料的替换比例以调整发动机功率输出、排放、发动机温度等。一些燃料虽然能量密集，但由于汽化的高热量、不良混合和/或低火焰速度，可能易于产生不良的燃烧条件。因此，期望具有用于不同于当前可用的燃料燃烧的方法和系统。
发明内容
在一个实施例中，一种方法可以包括在：从单燃料燃烧到多燃料燃烧过渡期间增加燃烧混合物的温度降低质量。多燃料燃烧可包括氨和氢中的一种或多种。单燃料燃烧可包括柴油、氢化衍生可再生柴油(HDRD)、生物柴油、合成气、酒精、汽油、煤油、醚和天然气中的一种。取决于被配置为降低缸体温度的燃烧条件，温度降低质量可以包括空气、排气再循环(EGR)、水和其他添加剂。
附图说明
图1示出了包括机车组的列车的示例实施例。
图2示出了图1中具有双燃料发动机的机车的示例实施例的示意图。
图3示出了可包括在图1的列车中的燃料供给车的示例实施例。
图4示出了发动机系统的详细视图。
图5示出了用于基于替换比例调整温度降低质量的方法。
图6示出了用于使温度降低质量的增压空气最大化的方法。
图7示出了说明基于温度降低质量和替换比例对燃烧条件的调整的时间线。
具体实施方式
本发明的实施例在以下描述中公开，并且可涉及用于运行内燃发动机(ICE)的方法和系统。ICE可以通过不同燃料的组合作为混合物来运行，并且相对于彼此以不同的比例来运行，以形成一种燃料相对于另一种燃料的替换比例。这些燃料可具有相对不同的碳量，并且合适的燃料可包括汽油、柴油、氢化衍生可再生柴油(HDRD)、酒精、醚、氨、生物柴油、氢、天然气、煤油、合成气等中的一种或多种。多种燃料可以单独地或组合地包括气体燃料和液体燃料。ICE的主要燃料与次要燃料的替换比例可由控制器确定。控制器可以至少部分地基于当前发动机负载来确定替换比例。控制器可以至少部分地基于混合物中所使用的燃料及其相关联的特性来确定替换比例。替换比例可以被定义为由第二燃料提供的总燃料能量的百分比。在一个实施例中，替换比例可对应于具有相对较低碳含量或零碳含量的燃料(例如，氢气或氨)的注射量。随着替换比例的增加，具有较低或零碳含量的燃料的相对比例增加并且组合燃料中的碳含量的总量降低。
在一个示例中，ICE可燃烧包括柴油和氢两者的燃料。在一些运行模式期间，ICE可以仅燃烧柴油、仅燃烧氢或燃烧其组合(例如，分别在第一条件、第二条件和第三条件期间)。当提供氢时，可以调整运行条件以考虑氢并且促进氢的增强燃烧。当提供氨时，可以调整运行条件以考虑氨并且促进氨的增强燃烧。
在一个实施例中，发动机系统可以燃烧三种或更多种燃料的混合物作为示例：柴油、氢和氨。另外地或可选地，乙醇可以被包括在燃烧混合物中。ICE的发动机配置可被调整以有利地将一个或多个氨注射器布置在各种位置，且在这些位置氨可与热排气预混合。这样，可在不增加发动机或吸入歧管温度的情况下增加氨的点火性以使氨汽化。例如，注射器可以位于排放端口中，并且，可以朝向燃烧室的排放阀来注射氨。在一些示例中，当氨被注射到排放端口时，排放阀打开和关闭可以被延迟以增加排气再吸收。排气再吸收可以包括：通过在吸入冲程期间保持排放阀打开而将从燃烧室排出的排气吸回至燃烧室中。排气滞留可以包括：在排放冲程完成之前通过关闭排放阀来调整排放阀时机以减少从缸体排出的排气量。排气再吸收和排气滞留两者均可影响排气再循环(EGR)流率。在排气再吸收和排气滞留中所使用的排气可以相对于来自EGR通道的EGR具有较高的温度，因为更少的热量流失至各发动机材料、EGR冷却部分和环境大气。最高的排放温度可蒸发氨，这可提高其点火性。其它运行调整可包括：激活供体缸体，通过改进的柴油注射时机将柴油与氨预混合，和/或将氨直接注射到EGR流中。供体缸体可将来自其的全部或部分排气流动到另一缸体。这样，EGR可以沿着不同于EGR流所流过的EGR通道的路线而被输送。本文描述了用于促进氨燃烧的各种示例和例程。
在一个示例中，用于多燃料发动机的系统和方法可以包括与一种或多种次要燃料组合地燃烧的主要燃料。多燃料发动机可以单独燃烧主要燃料。在一些条件期间，多燃料发动机可以通过将一种或多种次要燃料替换至燃烧混合物中而减少所使用的主要燃料的量。次要燃料可以包括相对于主要燃料减少的碳含量。另外地或可选地，次要燃料可以更便宜、更可用和/或更高效。次要燃料可在点火性和燃烧特性方面有所变化。响应于燃烧混合物考虑对次要燃料的包括，可以调整多燃料发动机的点火时机。例如，随着氢的量增加，点火时机可以延迟。作为另一示例，随着氨的量增加，点火时机可以提前。点火时机可以通过以下方式来进一步调整：响应于向燃烧混合物添加和减少主要燃料和一种或多种次要燃料。这样，可以减轻爆震、失火和预燃烧。在一个示例中，时机被延迟以减轻爆震和预燃烧。作为另一示例，时机被提前以提高燃烧效率或减轻失火。
本文描述的系统的实施例可以包括各种发动机类型和各种发动机驱动系统。其中一些系统可能是固定的，而其他系统可以在半移动或移动平台上。半移动平台可在运行时段之间重新定位，例如安装在平板拖车上。移动平台可包括自推进车辆。这种车辆可以包括公路运输车辆(例如，汽车)、采矿设备、船舶、飞机、轨道车辆和其他非公路车辆(OHV)。为了清楚说明，轨道车辆(诸如机车)被用作移动平台的示例。合适的系统可包括发动机、涡轮增压器、燃料系统和控制器或控制系统。一些实施例可以包括后处理系统或其他减排系统。车辆可以单独运行或者可以作为一组移动。车辆组可以机械地(如在组中)和/或虚拟地(如在队或群中)联接在一起以协调它们的移动。
在进一步讨论用于提高发动机启动效率的方法之前，示出了其中可以实现方法的示例平台。图1描述了示例列车100，其包括多辆轨道车辆102、104、106、燃料供给车160和在轨道110上运行的车厢108。多辆轨道车辆、燃料供给车和车厢通过联接器112彼此连接。在一个示例中，多个轨道车辆可以是机车，其包括牵引机车和一辆或多辆远程机车。虽然所示示例示出了三辆机车、一辆燃料供给车和四个车厢，但是列车中可以包括任何适当数量的机车、燃料供给车和车厢。此外，列车中的机车可形成组。例如，在所描述的实施例中，机车可以组成组101。各种车辆可以形成车辆组(例如组、队、群、车队、排等)。组中的车辆可以机械地和/或虚拟地联接在一起。
在一些示例中，机车组可以包括连续的机车，例如，机车按顺利排列，其间没有车厢。在其他示例中，如图1所示，在实现分布式功率运行的一种配置中，机车可由一个或多个车厢分开。在该配置中，油门和制动命令例如可以通过无线电链路或物理电缆而从牵引机车传递到远程机车。
机车可以由发动机10提供动力，而车厢可以是无动力的。在一个示例中，发动机可以是多燃料发动机。例如，发动机可以燃烧具有不同碳量的气体燃料和/或液体燃料，并且气体燃料和/或液体燃料相对于彼此的燃料比例可变化。在一些示例中，多燃料发动机可以是用于燃烧两种燃料的双燃料发动机，两种燃料中的任一种可以是基于碳氢(化合物)或非碳氢(化合物)的气体燃料或液体燃料。在其他示例中，发动机可以是可燃烧气体燃料或液体燃料的单燃料发动机。
列车还可以包括控制系统。控制系统可包括至少一个发动机控制器12，并且其可包括至少一个组控制器22。如图1所示，每个机车包括发动机控制器。发动机控制器可与组控制器通信。组控制器位于列车的一个车辆上，例如牵引机车上，或者可远程位于例如调度中心处。组控制器可从组的每个机车接收信息并且向组的每个机车传送信号。例如，组控制器可从列车上各种传感器接收信号，并相应地调整列车运行。组控制器还联接到每个发动机控制器，以调整每个机车的发动机运行。
列车可包括至少一个燃料供给车，其可以承载一个或多个燃料储存箱162并且包括控制器164。虽然燃料供给车位于远程机车106的前方，但是其他示例可包括燃料供给车沿着列车的其他位置。例如，燃料供给车可以位于远程机车后面或位于牵引机车和远程机车之间。
在一个示例中，燃料供给车可以是无动力的以用于推进，例如，没有发动机或电牵引马达(例如，图2中所示的电牵引马达124)。然而，在其他示例中，燃料供给车可被提供动力以用于推进。例如，如图3所示，燃料供给车可以包括发动机。燃料供给车的发动机可以燃烧存储在燃料储存箱中的燃料和/或存储在列车的另一车辆处的燃料。
燃料供给车的一个或多个燃料储存箱可以具有用于存储特定类型的燃料的合适结构。在一个示例中，燃料储存箱可适用于低温存储液化天然气(LNG)。作为另一示例，燃料储存箱可以在环境温度和压力下将燃料储存在液态，如柴油或氨。在又一示例中，燃料储存箱可以将燃料储存为压缩气体，如氢或天然气。在每种条件下，燃料供给车可配备有用于存储特定燃料的各种机构和装置。参考图3，进一步示出了燃料供给车的详细细节。
在一些示例中，燃料可仅存储在燃料供给车处。在其他示例中，燃料可以既存储在燃料供给车处又存储在一个或多个机车处，例如，如图2所示。此外，在一些情况下，燃料供给车可以存储燃料电池系统，其包括燃料电池以及一个或多个压缩氢气的罐。或者，燃料电池系统可以被存储在一个或多个机车处。
图2描绘了作为可以通过多个车轮116在轨道110上运行的列车的一部分的机车的示例实施例。用于推进机车的动力可至少部分由发动机提供。发动机从吸入通道118接收用于燃烧的进气。吸入通道接收来自空气过滤器(未示出)所过滤的环境空气。由在发动机中所燃烧产生的排气被供应到排放通道120。排气流过排放通道，流出机车的排放管(未示出)。
在一个实施例中，发动机作为压缩点火发动机来运行。在另一个实施例中，发动机作为火花点火发动机来运行。发动机可以仅燃烧一种特定燃料类型，或者可以燃烧两种或更多种类型的燃料，例如，多燃料发动机。因此，不同的燃料类型可以在发动机处单独燃烧或共同燃烧(例如，同时燃烧)。在一个实施例中，多燃料发动机可以是双燃料发动机，如图2所示，并且双燃料发动机可以接收来自第一燃料贮存器134的第一燃料和来自第二燃料贮存器136的第二燃料。
虽然机车在图2中配备有两个燃料贮存器，但是在其他示例中，机车可能仅包括一个燃料贮存器或不包括燃料贮存器。例如，至少一个燃料贮存器可以存储在燃料供给车处，例如，图1的燃料供给车160。或者，除了机车的第一燃料贮存器处的第一燃料和第二燃料贮存器处的第二燃料之外，第三燃料还可存储在燃料供给车处。在一个示例中，可以在没有任何附加设备或专用储存箱配置的情况下，可在环境压力和温度下储存的燃料(如柴油)可以存储在机车上。需要专用设备的燃料(如低温或高温储存)可存储在车载燃料供给车上。而在其他示例中，机车和燃料供给车可以各自存储不需要专用设备的燃料。
第一燃料、第二燃料和第三燃料(如储存在列车上的任何燃料)可以是多种不同燃料类型中的任一种。例如，燃料的类型可以包括：碳氢基燃料，例如柴油、天然气、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、其他醇、二甲醚(DME)、其他醚、生物柴油、HDRD、合成气等。可选地，燃料可以是非碳氢基燃料，例如氢、氨等。上面列出的燃料是可以在发动机处燃烧的燃料的非限制性示例，并且各种其他类型的燃料也是可能的。
另外，每种储存的燃料可以是气体或液体燃料。因此，当被配置为燃烧单燃料类型的压缩点火发动机时，发动机可消耗气体燃料或液体燃料。当压缩点火发动机是多燃料发动机时，发动机可仅燃烧液体燃料、仅燃烧气体燃料、或燃烧液体燃料和气体燃料的组合。类似地，当被配置为燃烧单一燃料类型的火花点火发动机时，发动机也可消耗气体燃料或液体燃料。当被配置为多燃料火花点火发动机时，发动机可仅燃烧液体燃料、仅燃烧气体燃料、或燃烧液体燃料和气体燃料的组合。
作为火花点火或压缩点火多燃料发动机配置中的任一种，发动机可以以不同的方式燃烧燃料组合。例如，一种燃料类型可以是初级燃烧燃料，而另一种燃料类型可以是在某些条件下用于调整燃烧特性的次要的、添加的燃料。例如，在发动机启动期间，燃料燃烧混合物可以包括较小比例的柴油以进行种子点火，而氢可以形成混合物的较大比例。在其他示例中，一种燃料可以在注射初级燃烧燃料之前用于试点注射。在一些示例中，可以基于一个或多个条件来设置替换比例以增加无碳燃料的量以减少碳排放。所用无碳燃料的比例可以根据期望的点火时机来调整，其中期望的点火时机基于以下中的一个或多个：发动机负载、吸入歧管温度和压力、以及燃料混合物的燃烧性。
作为多燃料发动机，发动机可以燃烧燃料的各种组合，并且燃料可以在燃烧之前预混合或不预混合。在一个示例中，第一燃料可以是氢，第二燃料可以是柴油。在另一个示例中，第一燃料可以是氨，第二燃料可以是柴油。在又一个示例中，第一燃料可以是氨，第二燃料可以是乙醇。在燃料供给车上存储第三燃料的情况下，还可以有进一步的组合。例如，LNG可存储在燃料供给车上，并且发动机可燃烧LNG和氢，或LNG、柴油和氢，或LNG、氨和氢。因此，燃料类型可以有多种组合，其中，组合可以基于燃料的相容性来确定。将燃料输送到发动机用于燃烧的方法可类似地取决于燃料类型的特性。
当发动机条件允许仅单燃料(火花点火或压缩点火)燃烧时，发动机可以消耗单液体燃料。例如，发动机可以燃烧柴油、汽油、氨、LNG或其他液体燃料。类似地，发动机可以燃烧单气体燃料，诸如氢或其他气体燃料。
在一种物理状态(例如，气体或液体)中车载存储的燃料可以以相同状态或不同状态输送到发动机。例如，LNG可低温储存为液体状态，但在发动机处注射之前，其例如可在燃料供给车的再气化装置中过渡到气体状态。然而，其它燃料可存储为液体且以液体注射，或存储为气体且以气体注射。
例如，可以根据多种注射技术在发动机处注射燃料。在一个示例中，一种或多种燃料可以通过间接注射方法(诸如吸入端口注射和/或排放端口注射)而被输送到发动机缸体。在另一个示例中，至少一种燃料可通过直接注射而被引至发动机缸体。在又一个示例中，至少一种燃料可通过中心歧管注射而被注射。发动机可以排他地通过间接注射、排他地通过直接注射、或通过间接注射和直接注射的组合来接收燃料。作为一个示例，可以在低负载期间通过端口注射并且在高负载期间通过直接注射来注射燃料。具体地，当燃料中的一种是气体燃料时，可以通过端口注射来期望将气体燃料与空气和/或EGR预混合。当通过中心歧管注射引入时，燃料也可以预混合。也可以通过直接注射进行预混合，如通过在发动机缸体的吸入冲程期间注射气体燃料。另外地或可选地，一种或多种燃料的注射位置可以基于燃料的燃烧性。例如，氨可以间接地被注射并且与增压空气和/或EGR预混合以增强其燃烧性和汽化。
每种类型的注射可以包括气体或液体燃料的注射。然而，根据燃料类型的具体特性，一些注射方法可能更适合于某些燃料。例如，可以通过端口注射或直接注射来注射氢。诸如柴油的液体燃料可以通过直接注射来注射。氨和天然气可各自通过端口注射或直接注射而选择性地被注射。类似地，诸如甲醇和乙醇的燃料可以通过端口注射或直接注射。在一些情况下，发动机可以具有能够在气体燃料的注射和液体燃料的注射之间切换的燃料注射器。
根据燃料类型，多燃料发动机所燃烧的燃料，无论是气体还是液体，在燃烧前都可以或可以不预混合。例如，根据运行条件，可能需要预混合氢、天然气、氨、甲醇、乙醇和DME。在其他运行条件期间，诸如柴油、氢、天然气、甲醇和乙醇等燃料可以不预混合。例如，在较高负载下可能需要较大量的预混合氢，并且在较低负载下可能需要较低量的预混合氢。燃料的预混合可以包括将至少一种燃料通过端口注射到入口歧管或入口端口中，其中燃料可以在进入缸体之前与空气混合。作为另一个示例，每种燃料可以通过端口注射，从而允许燃料在燃烧之前相互混合并与空气混合。在其他示例中，可以将燃料注射到与缸体头部流体耦合的预燃室中，其中燃料可以在流到缸体头部之前与预燃烧室中的空气混合。
或者，如上所述，当缸体填充至少有压缩空气且在一些条件下填充有气体燃料时，可以通过将一种或多种燃料直接注射到发动机缸体中来将燃料输送到发动机缸体。直接注射可以包括高压直接注射(HPDI)和低压直接注射(LPDI)。在一个示例中，当被直接注射时，燃料可以不预混合。然而，在另一个示例中，如上所述，可以通过在发动机缸体的压缩冲程之前直接注射一种或多种燃料来实现预混合。
对于其中第一燃料是氢并且第二燃料是柴油的发动机的实施例，氢与空气的预混合(用于注射方法)可以通过在低发动机转速和更平稳的发动机启动下提供更稳定的空气/燃料混合物。然而，在较高的发动机转速下，氢的端口注射可增加发动机爆震的可能性。氢的直接注射可以减轻爆震。因此，在一些示例中，可期望在低发动机转速下的氢的端口注射和在高发动机转速下的氢的直接注射的组合应用。另外地或可选地，具有较低燃烧性的燃料(如氨)可以与氢预混合以减轻爆震。
此外，所使用的气体燃料的类型可以确定燃料的直接注射是否包括HPDI、或LPDI、或HPDI和LPDI两者。例如，当氢储存为压缩气体时，可通过HPDI或通过LPDI来注射氢，具体取决于发动机负载和可用传送压力。特别地，当氢在发动机缸体中混合时，由于氢的连续燃烧，氢的HPDI可以减轻爆震。此外，HPDI可允许更高的氢的替换比例，如对于柴油的替换，从而在发动机运行期间减少碳氢(化合物)、NOx和颗粒物质排放。
如图2所示，发动机联接到发电系统，该发电系统包括交流机/发电机122和电牵引马达。例如，发动机产生扭矩输出，该扭矩输出被传输到机械地联接到发动机的交流机/发电机。交流机/发电机产生电力，该电力可被存储并应用于随后传输到各下游电部件。例如，交流机/发电机可以电联接到电牵引马达，并且交流机/发电机可以向电牵引马达提供电力。如所示，电牵引马达的每一个连接到多个车轮116中的一个，以提供牵引动力来推动机车。一个示例机车配置包括：每个车轮对应于一个牵引马达。如这里所示，六对牵引马达对应于机车的六对车轮中的每一对。
机车可包括布置在吸入通道和排放通道之间的一个或多个涡轮增压器126。涡轮增压器增加吸收至吸入通道中的环境空气的充气量，以在燃烧期间提供更大的充气密度，以提高功率输出和/或发动机运行效率。涡轮增压器可包括压缩机(未示出)，该压缩机至少由涡轮(未示出)驱动。虽然在这种条件下包括单个涡轮增压器，但是系统可以包括多个涡轮和/或压缩机级。另外，在一些实施例中，可以提供允许排气绕过涡轮增压器的废气门。废气门可以打开，例如，以使排气从涡轮机流出。通过这种方式，可以调整压缩机的转速，从而调整由涡轮增压器提供给发动机的增压。
机车可包括排气再循环(EGR)系统170。EGR系统可以将排气从涡轮增压器上游的排放通道引导到涡轮增压器下游的吸入通道。EGR系统包括EGR通道172和EGR阀174，其用于控制从发动机的排放通道再循环到发动机的吸入通道的排气量。通过将排气引入发动机，可用于燃烧的氧气量减少，从而降低燃烧火焰温度并减少氮氧化物(如NOx)的形成。例如，EGR阀可以是由机车控制器控制的开/关阀，或者其可以控制EGR的可变量。
EGR系统还可以包括EGR冷却器176，以在排气达到吸入通道中之前降低排气的温度。如图2的非限制性示例实施例所示，EGR系统是高压EGR系统。在其它实施例中，机车可以另外地或可选地包括低压EGR系统，其相对于排气流的方向将EGR从涡轮增压器的下游位置引导到涡轮增压器的上游位置。另外，EGR系统可以是供体缸体EGR系统，其中一个或多个缸体仅将排气提供到EGR通道，并且然后提供到吸入处。另外地或可选地，供体缸体EGR系统可以包括将排气直接引导到一个或多个相邻的缸体。
机车包括联接在排放通道中的排气处理系统，以减少规定的排放。在一个示例实施例中，排气处理系统可包括柴油氧化催化剂(DOC)130和柴油颗粒过滤器(DPF)132。DOC可以氧化排气成分，从而减少一氧化碳、碳氢(化合物)和颗粒物质排放。DPF可以捕获在燃烧期间产生的微粒，也称为微粒物质(其示例是碳灰)，并且可以是陶瓷、碳化硅或任何合适的材料。在其他实施例中，排气处理系统还可以包括选择性催化还原(SCR)催化剂、三元催化剂、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或其组合。在一些实施例中，排气处理系统可位于涡轮增压器的上游，而在其它实施例中，排气处理系统可位于涡轮增压器的下游。
机车还可包括联接到发动机的节流阀142，以指示功率水平。在本实施例中，节流阀被描述为槽口节流阀。然而，任何合适的节流阀均在本申请的范围内。槽口节流阀的每个槽口可以对应于离散功率水平。功率水平表示机车上的负载或发动机输出的量，并且控制机车行驶的速度。尽管图2的示例实施例中描绘了八个槽口设置，但在其他实施例中，节流槽口可以有八个以上的槽口或八个以下的槽口，以及用于空载和动态制动模式的槽口。在一些实施例中，槽口设置可以由机车的运行人员选择。在一个示例中，槽口设置的值对应于发动机负载，其中较高的值等于较高的发动机负载。在其它实施例中，组控制器可确定行程计划(例如，行程计划可使用行程优化软件来生成，如Wabtec公司提供的Trip Optimizer系统，和/或负载分布计划可使用组优化软件来生成，如Wabtec公司提供的ConsistManager)，其包括基于发动机和/或机车运行条件的槽口设置，下面将更详细地说明。
发动机控制器可以控制与机车相关的各种部件。例如，机车的各种部件可以通过通信信道或数据总线联接到发动机控制器。在一个示例中，发动机控制器和组控制器均包括计算机控制系统。发动机控制器和组控制器可另外地或可选地包括：存储非临时计算机可读存储介质(未示出)的存储器，其包括用于实现机车运行的车载监测和控制的代码。发动机控制器例如可通过数字通信信道或数据总线而联接到组控制器。
发动机控制器和组控制器都可以从多个传感器接收信息，并且可将控制信号发送到多个致动器。在监督机车的控制和管理时，发动机控制器可以被配置为从各种发动机传感器150接收信号，如本申请进一步详细描述的，以确定运行参数和运行条件，并相应地调整各种发动机致动器152以控制机车的运行。例如，发动机控制器可以从各种发动机传感器接收信号，包括但不限于发动机转速、发动机负载、吸入歧管空气压力、增压压力、排放压力、环境压力、环境温度、排放温度、发动机温度、排放氧水平等。相应地，发动机控制器可以通过向各种部件(诸如电牵引马达、交流机/发电机、缸体阀、燃料注射器、槽口节流阀等)发送命令来控制机车。其它致动器可联接到机车中的各个位置。
组控制器可包括可操作地联接至控制信号部分的通信部分。通信部分可以从机车传感器接收信号，机车传感器包括机车位置传感器(例如，GPS装置)、环境条件传感器(例如，用于感测海拔、环境湿度、温度和/或大气压力等)、机车耦合器力传感器、轨道坡度传感器、机车槽口传感器、制动位置传感器等。各种其它传感器可联接到机车中的各个位置。控制信号部分可生成控制信号以触发各种机车致动器。示例机车致动器可包括：空气制动器、制动空气压缩机、牵引马达等。其它致动器可联接到机车中的各个位置。组控制器可接收来自各种机车传感器的输入，处理数据，并基于其中与一个或多个例程相对应的编程于其中的指令或代码而响应于所处理的输入数据来触发机车致动器。此外，组控制器可从发动机控制器接收(如由诸如发动机冷却剂温度传感器等各发动机传感器所确定的)发动机数据，确定发动机致动器设置，并且根据组控制器所执行的例程将用于触发发动机致动器的指令或代码传输(如下载)回发动机控制器。
例如，组控制器可根据运行条件来确定在列车中的所有机车之间分配负载的行程计划。在某些条件下，组控制器可不均地分配负载，即，一些机车可以以比其它机车更高的功率设置或更高的节流阀设置来运行。负载分配可以基于多个因素，诸如燃料经济性、耦合力、隧道运行、坡度等。在一个示例中，负载分布可以根据机车组的分布(例如，机车组的每一个机车在列车上的位置)来调整。例如，至少一个机车可位于列车的末端，并且至少一个机车可位于列车的前端。列车的末端的机车可推动列车的推进，并且列车的前端的机车可牵引列车，特别是在上坡航行期间。这样，更大的负载可以被放置在列车的末端的推动机车上。
现在转到图3，其示出了图1的燃料供给车160的实施例。如上所述，燃料供给车包括燃料储存箱、控制器164和发动机302。燃料供给车还可以包括第一单元304，第一单元304可以是用于控制燃料储存箱内的温度和压力的装置。例如，当LNG储存在燃料储罐中时，第一单元可以是低温单元。燃料储存箱尺寸和配置可以基于最终使用参数来选择，可以从燃料供给车移除，并且可以通过端口306从外部燃料供给站接收燃料。
燃料储存箱可以向燃料修改单元312供应燃料。燃料修改单元可调整燃料的特性。例如，当燃料是LNG时，燃料可在燃料调整单元处从液体转换成气体。另一示例中，燃料修改单元可以是泵，以在燃料储存为气体状态时调整燃料的输送压力。在不需要燃料修改的其他示例中，可以省略燃料修改单元。燃料可从燃料修改单元输送至机车的发动机。
通过将燃料从燃料储存箱供应到机车发动机和燃料供给车的发动机，燃料可以由分布在列车上的发动机来燃烧。在另一非限制性实施例中，燃料供给车发动机可以产生电力，该电力可以被输送到燃料供给车和/或机车上的一个或多个部件。在一个示例中，如图3所示，燃料供给车发动机可以产生扭矩，该扭矩经由驱动轴316而被传送至功率转换单元314。功率转换单元可以将扭矩转换成电能，该电能通过电力总线318而被输送到燃料供给车中的各下游电力部件。这样的部件可以包括但不限于：第一单元、燃料修改单元、控制器、压力传感器320、温度传感器322、电池324、各种阀门、流量计、附加的温度和压力传感器、压缩机、鼓风机、散热器、电池、灯、车载监测系统、显示器、气候控制器等，为了简洁起见，其中一些未在图3中示出。此外，来自电力总线的电能可被提供至机车的一个或多个部件。
在一个示例中，功率转换单元包括串联连接到一个或多个整流器(未示出)的交流机(未示出)，整流器在沿着电力总线传输之前将交流机的交流电输出转换为直流电能。基于从电力总线接收电力的下游电力部件，一个或多个逆变器可在向下游部件供电之前逆变来自电力总线的电力。在一个示例中，单个逆变器可从直流电力总线向多个部件供应交流电。在另一非限制性实施例中，多个不同的逆变器中的每一个可以向不同的部件供电。
燃料供给车上的控制器可以通过向这些部件发送命令来控制燃料供给车上的各种部件，如燃料修改单元、燃料供给车发动机、功率转换单元、第一单元、控制阀和/或燃料供给车上车载的其他部件。控制器还可监测活动运行、空载和关闭状态下的燃料供给车运行参数。这些参数可以包括但不限于：燃料储存箱的压力和温度、燃料修改单元的压力和温度、燃料供给发动机温度、压力和负载、压缩机压力、加热流体温度和压力、环境空气温度等。在一个示例中，燃料供给车控制器可以执行代码以响应于一个或多个控制系统例程而自动停止、自动启动、运行和/或调整发动机和燃料修改单元。计算机可读存储介质还可以执行代码，以向机车上车载的发动机控制器发送和接收通信。
图3中描述的燃料供给车是燃料供给车配置的非限制性示例。在其他示例中，燃料供给车可以包括附加的或替代的部件。例如，燃料供给车还可以包括一个或多个附加的传感器、流量计、控制阀、用于控制燃料输送和存储条件的各种其他装置和机构等。
发动机缸体和燃料系统注射器的更详细视图如图4所示。车辆系统的控制器可以使用多个不同的控制策略来基于替换比例、发动机温度和排放温度来调整排放阀时机、柴油注射时机和氨注射位置，如图5和图6的方法所示。在图7中绘制了示例性运行顺序。
现在转向图4，其示出了发动机的示例缸体401。缸体可以是多个缸体中的一个，每个缸体包括至少一个吸入阀403、至少一个排放阀405。多个缸体中的每一个可包括至少一个直接注射器412和至少一个端口注射器422。每个燃料注射器可包括可通过来自发动机的控制器的信号来致动的致动器。发动机的缸体可以基于运行条件从一个或多个燃料系统接收燃料。燃料系统可以包括将燃料箱、泵和燃料轨流体地联接到直接注射器和端口注射器中的一者或多者的一条或多条燃料管线。更具体地，直接注射器可以通过第一燃料导管411从第一燃料系统410接收燃料。端口燃料注射器可以通过第二燃料导管421从第二燃料系统420接收燃料。在一个示例中，第一燃料系统可以供应含碳燃料，并且第二燃料系统可以供应无碳燃料。含碳燃料可包括：汽油、柴油、生物柴油、天然气、HDRD、醚、合成气、煤油和酒精中的一种或多种。无碳燃料可包括：氨和氢中的一种或多种。在一些示例中，发动机可以是无火花发动机。在其他示例中，发动机可以是火花点火发动机。
在一个示例中，发动机可燃烧输送到其中的一种或多种燃料类型。例如，直接注射器可以将第一燃料直接注射到缸体，并且端口燃料注射器可以将第二燃料直接注射到吸入端口404中。在一个示例中，第一燃料作为液体燃料而被注射，并且第二燃料作为气体燃料而被注射。第一燃料和第二燃料可以在由缸体壁、缸体头部和活塞402限定的缸体的内部容积内混合。在燃烧之后，排放阀可以将燃烧产物从缸体排出到排放端口406。
在运行期间，发动机内的每个缸体可以通过活塞沿着轴线的致动来使用四冲程循环。该循环包括吸入冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排放冲程。在吸入冲程期间，通常，排放阀关闭并且吸入阀打开。空气通过吸入歧管被引入燃烧室，并且活塞移动到缸体的底部，以增加燃烧室内的容积。端口注射可以在吸入冲程期间发生。活塞在靠近缸体底部并且在其冲程结束时的位置(例如，当燃烧室处于其最大容积时)通常被本领域技术人员称为下止点(BDC)。在压缩冲程期间，吸入阀和排放阀关闭。活塞朝向缸体头部移动，以压缩燃烧室内的气体。活塞在其冲程结束并且最靠近缸体头部的点(例如，当燃烧室处于其最小容积时)通常被本领域技术人员称为上止点(TDC)。在下文中被称为直接注射的过程中，燃料被引入燃烧室中。在一些示例中，燃料可以在单个缸体循环期间被多次注射到缸体。在下文中被称为点火的过程中，所注射的燃料由压缩点火点燃，从而导致燃烧。在膨胀冲程期间，膨胀气体将活塞推回到BDC。曲轴将活塞运动转换为旋转轴的旋转扭矩。最后，在排放冲程期间，排放阀打开以将燃烧的空气-燃料混合物释放到排放歧管，并且活塞返回到TDC。注意，以上仅作为示例被描述，并且吸入阀和排放阀打开和/或关闭时机可以变化，例如以提供正阀或负阀重叠、延迟吸入阀关闭或各种其他示例。例如，吸入阀和/或排放阀的打开和/或关闭的时机可被提前以降低进入车辆系统的后处理系统的排气的温度，以提高后处理系统的效率。此外，在一些示例中，可以使用二冲程循环而不是四冲程循环。
可以通过燃料注射和/或火花时机调整发动机的点火时机。通过调整吸入阀时机、燃料注射时机、燃料温度、燃料压力、发动机转速、发动机负载、空气温度、发动机温度、火花时机和增压压力和/或歧管压力中的一者或多者，可以允许从基线时机调整燃料注射时机和/或火花时机。点火时机可以基于在发动机循环期间活塞的位置，并且可以期望在燃烧冲程的TDC处或附近。更提前的点火时机可以包括点火时机移至在燃烧冲程的TDC之前，而更延迟的点火时机可以包括点火时机移至在燃烧冲程的TDC之后。
发动机、缸体、吸入歧管和排放歧管的各种表面可以用锌涂层电镀，或者可以涂覆有可以容许化学反应环境的其他合适的材料。这样的涂层和涂覆工艺包括但不限于：环氧树脂涂层、化学气相沉积涂层和阳极化涂层。表面可以是镀锌的，这是由于排气成分溶解到包含在其中的水中。例如，CO2化合物可与NOx成分一起溶解到水中。CO和NOx成分可质子化成酸性化合物，其与CO2一起可降低排气的pH值，从而增加排气的酸性。在特定EGR流率下，排气可能是腐蚀性的。在氢正在燃烧的运行条件期间，排气的水含量可以增加。通过镀锌于发动机，可容许排气的腐蚀性。
因此，发动机系统可以包括被配置为燃烧一种或多种燃料的多燃料发动机。第一燃料系统可以通过直接注射器向发动机的缸体提供第一燃料。第二燃料系统可以通过吸入端口注射器提供第二燃料。具有存储在其上的指令的控制器可以基于关于以下方法所描述的一个或多个运行条件来命令调整由第二燃料系统的一个或多个注射器所注射的第二燃料的量。
发动机系统还可包括提供EGR的多种方法。在本文中，EGR被定义为从缸体排出并且返回到发动机用于燃烧的排气。可以通过专用供体缸体、调整的排放阀时机和/或EGR通道来提供EGR。供体缸体可从其内部容积排出排气且使排气流动到流体地联接到其的另一缸体。另外地或可选地，供体缸体可以将排气直接排出到EGR通道。调整的排放阀时机可以包括其中排放阀打开可重叠于吸入阀打开，从而导致缸体的真空将排出的排气抽吸回到缸体中。以这种方式，EGR率可以通过供体缸体、调整的排放阀时机和/或EGR通道中的阀位置来设置。
在本发明的另一示例中，可以调整缸体的排放阀时机。在一个示例中，可以针对给定的缸体调整排放阀时机，使得排放冲程期间的排放阀的关闭时间被提前。缸体中的排气可以基于包括在排放冲程完成之前的排放阀关闭的提前的阀时机来保留。这样，可以提高EGR率。
在一些示例中，另外地或可选地，排放阀时机可以被延迟，使得排放阀可以在吸入冲程期间与缸体的吸入阀一起打开。通过延迟排放阀关闭的时机，排气可被重新吸收到缸体中。在一个示例中，当排放阀关闭被更加延迟时，重新吸收到缸体中的排气的量增加，从而增加EGR率。在EGR冷却器冷凝物量相对较高和/或当吸入歧管温度相对较高时，可以期望重新吸收EGR。
现在转向图5，高级流程图示出了用于确定是否期望多燃料燃烧的方法500。该方法可以由车辆的控制器(如图1-4的控制器)基于存储在控制器的存储器中的指令来执行。
该方法可以在步骤502开始，在该步骤，该方法可以包括：估算和/或测量车辆运行参数和/或条件。车辆运行参数和/或条件可以基于车辆的各种传感器的一个或多个输出(例如，诸如一个或多个排放温度传感器、发动机转速、车轮转速和/或涡轮轴转速传感器、扭矩传感器、歧管压力传感器等，如上文参考图1-4的车辆系统所述)来估算。车辆运行条件可以包括：发动机转速、发动机温度和发动机扭矩、车辆速度、传动油温度、排气流量、质量空气流量、冷却剂温度、冷却剂流量、发动机油压力(例如，油道压力)、缸体温度、一个或多个吸入阀和/或一个或多个排放阀的运行模式、电马达速度、电池电荷、发动机扭矩输出、车轮扭矩等。发动机温度可以基于吸入温度、排放温度、发动机或附近部件的表面温度和接近TDC的压缩混合物的温度中的一者或多者。另外地或可选地，可以基于上述条件中的一个或多个来计算或估算发动机温度。
在步骤504处，方法500可以包括确定是否期望多燃料燃烧。基于多种条件(包括但不限于以下的一者或多者：排放目标、燃料成本、燃烧混合物效率和燃料可用性中)可以期望多燃料燃烧。排放目标可以基于根据政府标准的独立车辆排放目标。另外地或可选地，排放目标可以基于地理围栏位置的当地政府标准。例如，城市可以包括与农村位置不同的排放目标。可以为在城市中运行的多个车辆定制燃烧混合物，使得来自多个车辆的总排放可以满足本地排放目标。这样，可在某些运行点处超过独立车辆的排放目标，以平衡多个车辆的排放，进而满足本地排放目标。
在一些示例中，基于燃料成本可以期望多燃料燃烧。燃料成本可以通过来自多个车辆、燃料供给站、车辆操作者等中的一者或多者的反馈来确定。可以为包括在组中的每种类型的燃料确定平均燃料成本。例如，如果该组包括柴油、氢、氨和乙醇，则可以确定每种燃料类型的成本，并且可以至少基于燃料类型的成本来调整燃烧混合物。在一个示例中，可能期望最小化燃烧混合物的成本。
在另外的示例中，另外地或可选地，燃烧混合物效率可以指示燃烧混合物。在一个示例中，可以调整燃烧混合物以使燃烧混合物效率最大化。在其他示例中，可以调整燃烧混合物以最大化发动机功率输出。车辆操作者可以选择优先考虑发动机功率输出或燃烧混合效率。
在另外的示例中，另外地或可选地，可以响应于燃料可用性来调整燃烧混合物。在某些位置，包括在组中的一种或多种燃料可能具有低可用性。在一些示例中，可以减少具有低可用性的燃料的消耗。可以增加具有较高可用性的燃料的消耗。可以基于来自多个车辆和燃料供给站的反馈来确定燃料可用性。可以基于从车辆的当前位置的范围来确定可用性。该范围可以等于基于当前燃料水平剩余的英里数。
多燃料燃烧可至少包括第一燃料和第二燃料的燃烧。在一个示例中，第一燃料可以是含碳燃料，并且第二燃料可以是包括比含碳燃料更少的碳的无碳燃料。多燃料燃烧可以通过增加第二燃料的量并减少第一燃料的量来减少车辆的CO2和/或NOx排放。在一个示例中，多燃料燃烧可以包括作为第一燃料的柴油和作为第二燃料的氢。替换比例可以被定义为由第二燃料提供的总燃料能量的百分比。可能影响替换比例的条件可包括：发动机空气流、发动机负载、吸入歧管温度、环境压力和环境温度、发动机温度和排放歧管压力。例如，如果期望的替换比例是60％，则第二燃料可提供60％的燃料能量，并且第一燃料可提供40％的燃料能量。在一个示例中，无碳燃料的量随着替换比例增加而增加。
另外地或可选地，在一些示例中，可以响应于碳排放(例如，CO2、碳氢化合物和其它含碳燃烧副产物)和/或NOx排放来调整期望的替换比例。例如，随着碳排放增加，可能期望增加替换比例。可选地，随着燃烧效率降低，可能期望降低替换比例。
另外地或可选地，车辆控制器可以基于燃料可用性来选择是否期望多燃料燃烧。例如，某些位置可能不包括燃料站(包括诸如HDRD、氨、氢等的替代燃料)。例如，如果其他燃料源在本地燃料站处不可用，则车辆控制器可以请求单一燃料的燃烧。取决于所选择的配置，车辆控制器可在车辆上或车辆外。在一个实施例中，车辆控制器是在运行期间位于车辆上的操作者。作为另一个示例，基于燃料成本可以期望多燃料燃烧。平均燃料成本可以通过中央服务器的处理器从不同车辆系统的多个控制器的控制器接收反馈来确定。可以为各种地理围栏区域内的每种燃料类型确定平均燃料成本，其中地理围栏区域可以包括街道、城市、学校、邮区、州、距当前车辆位置的半径和地标。
如果不期望多燃料燃烧，则在步骤506，该方法可包括仅燃烧单一燃料。在一个示例中，单一燃料可以是含碳燃料或非可再生燃料。在一个示例中，单一燃料是柴油或氢。在一些示例中，另外地或可选地，单一燃料可以是可再生燃料，诸如HDRD和/或生物柴油。
在步骤508，该方法可以包括减少温度降低质量。温度降低质量可以对应于包括空气、EGR、水和一种或多种替代和/或次要燃料的缸体的燃烧混合物的一部分。与包括一些第二燃料(诸如氢)的多燃料燃烧相比，由于热生成相对较低，在单燃料燃烧期间可降低温度降低质量。点火时机和发动机冷却可以通过调整冷却剂流率、阀时机、注射时机等来满足期望值。
返回到步骤504，如果期望多燃料燃烧，则在步骤510，该方法可包括燃烧多种燃料。在一个示例中，多燃料燃烧可以至少包括第一燃料和第二燃料。在图5的方法的示例中，第一燃料是柴油并且第二燃料是氢。然而，如上所述，多燃料发动机可以以多个比例燃烧多种燃料。氢可以由于其点火性而增加缸体温度。因此，可能期望在可支持多燃料燃烧的条件期间降低缸体温度，以减少第一燃料(例如，含碳燃料)的消耗。缸体温度可以通过温度降低质量降低。
在步骤512，该方法可以包括增加温度降低质量。增加温度降低质量可以包括增加空气、EGR和水中的一种或多种的量。另外地或可选地，替代燃料(例如，第三燃料)可以包括在温度降低质量中，其中，第三燃料包括比第一燃料和第二燃料更低的点火性和/或燃烧率。包括在温度降低质量中的第三燃料仍然可以在燃烧期间燃烧。在一个示例中，响应于第三燃料包括在温度降低质量中而减少柴油的量，从而增加替换比例。第三燃料可以以类似于包括在温度降低质量中的其他成分的方式来降低总体缸体温度。
在一个示例中，在引入第三燃料之前，燃烧混合物中的非燃料质量可以增加到最大量。非燃料质量可包括增压、EGR和水。这样，在满足替换比例的同时提高了燃料经济性。
在一些示例中，另外地或可选地，燃烧条件可以不增强第三燃料的点火性，使得其用作稀释剂而不是燃料。作为示例，如果氨包括在温度降低质量中，则与氨用作燃料的条件相比，氨可在燃烧循环中稍后注射。另外地或可选地，氨可以仅被注射到吸入端口中，并且其可以不与EGR混合或与EGR最小预混合。在一个示例中，当氨被用作温度降低质量时，替换比例可以不变。响应于后处理装置的还原剂负载小于期望的量，氨可用作非燃料。氨可降低缸体温度且在燃烧期间不燃烧，随后流到后处理装置并增加其还原剂负载。第三燃料的其他示例可以包括酒精，诸如甲醇和乙醇。
在一些实施例中，当氨包括在温度降低质量中时，氨可能需要相对大量的热能以期望的速率燃烧。因此，氨可与燃烧混合物一起用于冷却各种发动机部件。例如，氨可以通过排放端口注射器朝向排放阀注射，排放端口注射器可以加热氨并且冷却排放阀。另外地或可选地，氨可用于冷却EGR，这可加热氨并冷却EGR，从而降低总燃烧温度。
在步骤514，该方法可以包括：最大化温度降低质量中的增压空气的量。相对于替代燃料和/或水的消耗，增压空气可被最大化以降低运行成本。此外，增压空气可比其它温度降低质量元素更容易获得，同时其还要求进一步的运行参数调整。在一个示例中，增压空气可以基于最高的可用涡轮转速而被增加到最大量。最高的可用涡轮转速可以基于当前运行条件(包括替换比例、峰值缸体压力、发动机温度和吸入歧管温度中的一者或多者)。峰值缸体压力可基于压缩压力和燃烧压力上升。因此，来自当前增压的增压的增加可以基于压缩压力和燃烧压力上升之间的平衡。该增加可以进一步基于阈值吸入歧管温度。关于图6进一步详细阐述了响应于替换比例使增压最大化以增加温度降低质量。
在步骤516，该方法可以包括：确定温度降低质量是否等于期望的温度降低质量。期望的温度降低质量可以基于替换比例、峰值缸体压力和发动机温度。例如，随着替换比例增加，期望的温度降低质量可以增加。期望的温度降低质量的上限可以基于低于阈值峰值缸体压力的峰值缸体压力。随着发动机温度的增加，期望的温度降低质量可以增加。例如，尽管增压空气比非增压空气流更热，但当燃烧多种燃料包括其中多种燃料中的一种为氢时，增压空气仍可提供冷却效果。温度降低质量可以允许将点火时机调整到期望时机以减轻爆震，这可以允许通过多燃料燃烧执行更多的发动机条件。
如果温度降低质量等于期望的温度降低质量，则在步骤518，该方法可以包括：不提供进一步的温度降低质量元素，诸如水、EGR和氨。
如果温度降低质量不等于期望的温度降低质量(例如，小于)，则在步骤520，该方法可以包括：提供其他温度降低质量元素，直到满足期望的温度降低质量。在一个示例中，控制器可以向注射器发出信号以将氨注射到发动机吸入端口中，其中注射时机和燃烧条件促进氨作为稀释剂发挥作用。作为另一示例，水可以被注射或流到发动机。水可被捕获为EGR冷却器中的冷凝物或作为氢燃烧的副产物。
因此，在一个示例中，一种方法可以包括：在从仅包括第一燃料的单燃料燃烧到包括第一燃料和第二燃料的多燃料燃烧的过渡期间，增加缸体的非燃料质量。非燃料质量的量与发动机温度成比例，其中发动机温度可以基于吸入温度、排放温度、发动机或附近部件的表面温度和接近TDC的压缩混合物的温度中的一者或多者来确定。另外地或可选地，可以基于上述条件中的一者或多者来计算或估算发动机温度。非燃料质量可包括：空气、EGR和水中的一种或多种。一旦满足非燃料质量阈值，如果缸体温度仍然高于期望的温度，则燃烧混合物可以包括第三燃料(诸如氨或酒精)。氨和/或酒精的点火性降低可继续降低缸体温度。可以减少第一燃料的量以允许包括第三燃料。在一个示例中，第一燃料是柴油，第二燃料是氢，并且第三燃料是氨、甲醇或乙醇。
现在转向图6，示出了用于使温度降低质量中的增压最大化的方法600。在步骤602，该方法可以包括确定期望的替换比例。如上所述，期望的替换比例可以基于排放目标、燃料成本、燃烧混合物效率和燃料可用性中的一者或多者。期望的替换比例可以进一步基于发动机转速、发动机负载、环境压力和环境温度。在一个示例中，期望的替换比例可响应于较低的发动机转速、较低的发动机负载、较高的环境压力和较低的环境温度而增加。因此，期望的替换比例可响应于较高的发动机转速、较高的发动机负载、较低的环境压力和较高的环境温度而减小。在一个示例中，期望的替换比例限定提供给多燃料发动机的第一燃料和第二燃料的量，其中第二燃料的量随着期望的替换比例的增加而增加。
在一个示例中，第一燃料是柴油并且第二燃料是氢。提供给发动机的氢的量可以随着替换比例的增加而增加。由于较高负载下的爆震和/或预点火的可能性，可以在较低的发动机负载期间向发动机提供较高的替换比例。在一些示例中，在较高发动机负载下，燃烧混合物可以被提供以比氢更不易燃的另外的燃料，以减少柴油或其他不可再生的含碳燃料的消耗。
在步骤604，该方法可以包括：调整发动机设置以增加增压，其等于吸入歧管压力。增压可以基于峰值缸体压力、涡轮增压器转速限制和排放限制而朝着期望的增压量增加。峰值缸体压力可以通过缸体内压力传感器来感测，或者可以基于歧管压力和温度来估算，或者可以基于其他发动机参数来估算。涡轮增压器转速极限可以基于以下一者或多者：节流限制、压缩机和/或涡轮的机械特性、歧管压力和温度、发动机温度、缸体内压力和EGR流率。另外地或可选地，可以基于阈值峰值缸体压力来限制当前最大涡轮增压器转速。如果峰值缸体压力接近阈值峰值缸体压力，则可以减小当前最大涡轮增压器转速以避免超过阈值峰值缸体压力。
在步骤606，该方法可包括：确定非机动涡轮转速是否小于需求的涡轮转速。在一个示例中，非机动涡轮转速等于当前涡轮转速，没有来自电马达或发动机的辅助。需求的涡轮转速可以与期望的增压成比例。非机动涡轮转速可以基于排放流率、喷嘴叶片位置、节流阀位置、发动机负载、空气流率和吸入歧管温度，而不通过电马达或发动机增加其转速。
如果非机动涡轮转速不小于需求的转速(例如，大于或等于)，则在步骤608，该方法可包括：确定非机动涡轮转速是否大于需求的转速。在一个示例中，在较高负载期间，非机动涡轮转速可大于需求的转速，其中通过涡轮的排气流相对较高。如果非机动涡轮转速不大于需求的转速，则在步骤610，该方法可包括：保持当前涡轮转速。
在步骤612，该方法可包括：在从单燃料燃烧到多燃料燃烧的过渡期间调整燃料供给和注射时机。调整燃料供给可包括：调整第一燃料的量和第二燃料的量以匹配期望的替换比例。在一个示例中，第一燃料的量减少并且第二燃料的量增加。可以基于期望的点火时机来调整第一燃料和第二燃料中的一者或多者的注射时机。在一个示例中，EGR流率可进一步影响注射时机。在一个示例中，第一燃料注射时机和/或第二燃料注射时机可以响应于流到发动机的EGR而被延迟。延迟的幅度可以与EGR流率成比例。因此，随着EGR流率的增加，第一燃料注射时机和第二燃料注射时机可以更加延迟。
在一个示例中，由于吸入歧管温度中的进气，当提供EGR时，注射时机可以被延迟。另外地或可选地，当EGR被提供时，注射时机可以被提前，以降低爆震和NOx排放的可能性。当提供EGR时的注射时机可以基于当前排放输出、爆震可能性和吸入歧管温度来进行选择。
如果非机动涡轮转速大于需求的涡轮转速，则在步骤614，该方法可包括：减小涡轮转速以匹配需求的涡轮转速。在一个示例中，减小涡轮转速可包括：通过电马达或发电机来减慢涡轮的轴速度。电马达可以进入发电机模式并通过减慢轴来降低涡轮转速，这可以补充电池的充电状态(SOC)，同时还允许实现期望的空气流率，并且因此允许满足期望的温度降低质量。另外地或可选地，涡轮可用于通过发动机来驱动车轮，这可提高电马达效率。通过使用涡轮来辅助发动机驱动车轮，可以降低由压缩机产生的空气流率以匹配期望的空气流率。可选地，使用排放废气门来绕过涡轮增压器涡轮周围的一些排放能量，可以降低涡轮增压器转速。
在步骤616，该方法可包括：基于期望的替换比例来调整燃料供给和注射时机，类似于步骤612。
返回到步骤606，如果非机动涡轮转速小于用于期望的替换比例所需求的涡轮转速，则在步骤618，该方法可包括：在当前条件期间确定最高机动涡轮转速。当前条件可包括但不限于：当前排气流率620和可选的电池电荷状态(SOC)622中的一个或多个。可以通过排气流传感器来感测当前排气流率。当前排气流率可以基于发动机负载、节流阀位置、空气/燃料比例和高压排气再循环(HP-EGR)率中的一者或多者。
电池SOC可以通过感测电池电压的设备来被感测。另外地或可选地，可以通过测量流向电池和从电池流出的电流来随时间跟踪电池SOC。最高涡轮转速可基于排气流率和电池SOC中的每一个。在一个示例中，最高涡轮转速可以基于涡轮条件来计算，增加涡轮转速，并且因此增加涡轮转速。例如，可以基于废气门关闭、喷嘴叶片打开以及HP-EGR率相对较低而计算最高涡轮转速。
在步骤624，该方法可包括：确定最高机动涡轮转速是否大于或等于需求的涡轮转速。如果最高的机动涡轮转速大于或等于需求的涡轮转速，则可通过排气和驱动涡轮的电马达的组合来满足期望的歧管压力。
在步骤626，该方法可包括：驱动涡轮以匹配需求的涡轮转速。在一个示例中，电马达可增加涡轮(turbine)和涡轮(turbo)转速。在另一个示例中，可以运行发动机以增加涡轮和涡轮转速。发动机功率可以增加到大于驾驶员需求的功率输出。额外功率(等于发动机功率与驾驶员需求功率之间的差)可用于驱动压缩机并提供额外量的空气流。在一个示例中，可以基于当前条件将涡轮驱动到当前最大转速，或者基于需求的涡轮转速将涡轮驱动到比当前最大转速较低的转速。
在步骤628，该方法可包括：调整燃料供给和注射时机，如上所述。
在该方法的一些示例中，如果当前的替换比例处于期望的替换比例并且当前的空气流率大于期望的空气流率，期望的空气流率基于期望的替换比例，则可以减小当前的空气流率。另外地或可选地，期望的替换比例可以增加到对应于当前空气流速率的替换比例。
如果最高的机动涡轮转速不大于或等于需求的涡轮转速，则在步骤630，该方法可包括：将涡轮机动(此处的“机动”是动词，即，“用马达驱动”)至最高转速并且提供其它温度降低质量元素。在一个示例中，如果电池SOC小于阈值SOC，则来自电池的期望量的电能可能不可用于将涡轮驱动到需求的涡轮转速。在另一个示例中，发动机可以不被驱动以基于当前运行条件增加涡轮转速。例如，如果驾驶员需求相对较高，则可以减小涡轮的最大转速。作为另一示例，发动机功率输出可基于局部排放准则和其它外部因素来进行限制。
所提供的其它温度降低质量元素的量可与当前最大机动涡轮转速和期望涡轮转速之间的差值成比例。随着差值增加，其他温度降低质量元素的量也可以增加。其他温度降低质量元素可包括EGR、水、氨、酒精以及可降低缸体温度的其他元素。氨可以在其它多燃料燃烧运行参数期间用作燃料。然而，在图5和图6的示例中，氨由于其减小的点火性可以用作燃料和温度降低元素。氨(如果使用的话)可以以较低的温度和减少的雾化提供给发动机，以促进缸体中的热减少。在一个示例中，如果氨被用作稀释剂(其中氨在燃烧期间不燃烧)，则氨在排气流中可用，以用作后处理系统中的还原剂。虽然这可以进一步增强温度降低质量中的氨的温度降低性质，但是仅当后处理系统需要还原剂时，氨才可用作稀释剂。在一些示例中，氨燃烧的量可与后处理系统的还原剂需求和缸体温度成比例。
现在转向图7，其示出了形象地说明响应于选择的替换比例对一个或多个发动机运行条件调整的示意图700。绘图710示出了替换比例且虚线712示出了期望的(例如，选择的)替换比例。绘图720示出了输送到发动机的第一燃料的量。绘图730示出了输送到发动机的第二燃料的量。绘图740示出了总的温度降低质量，而虚线742示出了期望的温度降低质量。绘图750示出了涡轮转速，虚线752示出了期望的涡轮转速，并且虚线754示出了最大涡轮转速。绘图760示出了与增压空气不同的元素的温度降低质量。时间沿着横坐标从该图的左侧向右侧增加。每个绘图的值可沿着纵坐标波动。
在t1之前，替换比例相对较低并且等于期望的替换比例，结果，提供给发动机的大量的第一燃料和少量的第二燃料。在一个示例中，相对低的替换比例可以对应于单燃料运行，其中仅第一燃料被提供到发动机并且第二燃料不被提供到发动机。在一个示例中，第一燃料可以是柴油。如上所述，第一燃料可以是其他含碳燃料。由于在单燃料燃烧期间缸体温度相对较低，温度降低质量可能相对较低。
在t1，选择的替换比例增加。在一个示例中，发动机运行条件可以从其中仅期望第一燃料的第一条件改变到期望第一燃料和第二燃料两者的第二条件。
在t1和t2之间，第一燃料的量减少并且第二燃料的量增加。涡轮转速增加到当前最大涡轮转速，其小于期望的涡轮转速。因此，其中总的温度降低质量增加的量小于期望的温度降低质量。由于温度降低质量小于期望的温度降低质量，替换比例可以不增加到期望的替换比例。
在一个示例中，期望的温度降低质量可以基于当前缸体温度和阈值缸体温度之间的差值。随着差值减小，期望的温度降低质量可以增加，以进一步降低由于多燃料燃烧引起的缸体的温度升高。对于包括多个缸体的发动机，可以基于其温度为多个缸体中的每个缸体定制期望的温度降低质量。输送至多个缸体中的每个缸体的温度降低质量可以通过由供体缸体提供的EGR、水注射和氨注射来进行调整。因此，在其中多个缸体中的每个缸体需要不同的温度降低质量的示例中，涡轮转速可以增加，以满足多个缸体的最低期望的温度降低质量。然后可以定制到多个缸体中的每个缸体的氨注射，以满足增压流和期望的温度降低质量之间的差。
在t2，其他的温度降低质量元素被提供至发动机。在一个示例中，氨可通过吸入端口注射器而被提供至发动机。另外地或可选地，可以增加EGR流率。另外地或可选地，可以将水提供至发动机。所提供的其他的温度降低质量元素的量可以与当前温度降低质量(其基于当前涡轮转速)和期望的温度降低质量之间的差值成比例。在t2与t3之间，替换比例增加以匹配期望的替换比例。第一燃料减少并且第二燃料增加。替换比例和温度降低质量在t3及之后进行保持。
响应于替换比例来增加温度降低质量的技术效果是：降低缸体温度增加，同时通过无碳燃料的增加使用来促进燃烧条件。这样，含碳燃料的消耗可在更宽范围的运行条件下得以减少。
本发明提供了一种方法的支持，该方法包括：在从单燃料燃烧到多燃料燃烧过渡期间增加燃烧混合物的温度降低质量。该方法的第一示例还包括其中温度降低质量的量与发动机温度成比例。该方法的第二示例(可选地包括第一示例)还包括其中温度降低质量包括空气、EGR和水中的一者或多者。该方法的第三示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括在过渡期间向燃烧混合物提供氨。该方法的第四示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括增加温度降低质量包括提供额外增压量，其中额外增压量基于峰值缸体压力。该方法的第五示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括基于EGR流率、电池SOC、驾驶员需求和峰值缸体压力中的一者或多者来增加增压空气流。该方法的第六示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括延迟提供给燃烧混合物的燃料中的至少一个的注射时机。该方法的第七示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括其中多燃料燃烧包括汽油、柴油、氢化衍生可再生柴油(HDRD)、酒精、醚、氨、生物柴油、氢、天然气、煤油和合成气中的两种或更多种。
本发明还提供了一种系统的支持，该系统包括：包含第一燃料的第一燃料系统，包含不同于第一燃料的第二燃料的第二燃料系统，包括涡轮和压缩机的涡轮增压器，以及包括存储在其非暂时性存储器上的计算机可读指令的控制器，其中当计算机可读指令执行时使得控制器能够响应于期望的替换比例来调整燃烧混合物的温度降低质量。该系统的第一示例还包括其中指令还使得控制器能够响应于期望的替换比例的增加而增加温度降低质量。该系统的第二示例(可选地包括第一示例)还包括其中第一燃料系统联接至位于直接注射到发动机的缸体的容积中的直接注射器，并且其中第二燃料系统联接至位于注射到缸体的吸入端口中的端口注射器。该系统的第三示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括其中指令还使得控制器能够响应于当前替换比例小于期望的替换比例并且空气流率小于期望的空气流率而调整涡轮增压器的转速。该系统的第四示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括其中当前替换比例基于涡轮增压器的当前最大转速，其中涡轮增压器的当前最大转速基于发动机的一个或多个运行参数。该系统的第五示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括其中第一燃料是柴油并且第二燃料是氢。该系统的第六示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括其中指令还使得控制器能够响应于期望的替换比例的增加而增加燃烧混合物的温度降低质量，其中期望的替换比例基于发动机负载。
本发明还提供了对一种方法的支持，该方法包括：响应于发动机负载而选择替换比例，并且至少基于该替换比例来调整燃烧混合物的温度降低质量。该方法的第一示例还包括调整温度降低质量进一步响应于发动机温度。该方法的第二示例(可选地包括第一示例)还包括：其中调整温度降低质量包括响应于替换比例增加或发动机温度增加中的一者或多者而增加温度降低质量。该方法的第三示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括：其中温度降低质量包括增压空气，并且其中温度降低质量中的增压空气的量基于峰值缸体压力。该方法的第四示例(可选地包括先前示例中的一个或多个)还包括其中在添加其他非燃料元素之前使温度降低质量中的增压空气量最大化。
在一个实施例中，控制系统或控制器可以具有部署的本地数据收集系统，并且可以使用机器学习来启用基于推导的学习成果。控制器可以通过根据数据集进行数据驱动的预测和适配来从一组数据(包括由各种传感器提供的数据)学习并做出决定。在实施例中，机器学习可以涉及由机器学习系统执行多个机器学习任务，诸如受监督的学习、无监督的学习和强化学习。受监督的学习可以包括：向机器学习系统呈现一组示例性输入和期望的输出。无监督的学习可以包括：通过诸如模式检测和/或特征学习的方法来构造其输入的学习算法。强化学习可以包括：在动态环境中执行机器学习系统，然后提供关于正确和错误决策的反馈。在示例中，机器学习可以包括：基于机器学习系统的输出的多个其他任务。任务可以是机器学习问题，例如：分类、回归、聚类、密度估算、降维、异常检测等。在示例中，机器学习可以包括多种数学和统计技术。机器学习算法可以包括：基于决策树的学习、关联规则学习、深度学习、人工神经网络、遗传学习算法、归纳逻辑编程、支持向量机(SVM)、贝叶斯网络、强化学习、表示学习、基于规则的机器学习、稀疏字典学习、相似性和度量学习、学习分类器系统(LCS)、逻辑回归、随机森林、K均值、梯度提升、K最近邻(KNN)、先验算法等。在实施例中，可以使用某些机器学习算法(例如，用于解决可能基于自然选择的约束式优化和无约束式优化问题两者)。在实例中，该算法可用于解决混合整数编程的问题，其中一些分量被限制为整数值。算法和机器学习技术和系统可以用于计算智能系统、计算机视觉、自然语言处理(NLP)、推荐系统、强化学习、构建图形模型等。在示例中，机器学习可以用于车辆性能和控制、行为分析等。
在一个实施例中，控制器可以包括可应用一个或多个策略的策略引擎。这些策略可以至少部分地基于给定的装备或环境的项目的特性。关于控制策略，神经网络可以接收多个环境和任务相关参数的输入。可以训练神经网络以基于这些输入生成输出，其中输出表示发动机系统应当采取的动作或动作顺序。这对于平衡发动机上的竞争约束可能是有用的。在一个实施例的运行期间，可以通过处理神经网络的参数输入以在输出节点处生成将该动作指定为期望动作的值来进行确定。该动作可以转换成使发动机运行的信号。这可以通过反向传播、前馈过程、闭环反馈或开环反馈来实现。可选地，控制器的机器学习系统可以使用演化策略技术来调整人工神经网络的各种参数，而不是使用反向传播。控制器可以使用神经网络结构，其函数可能不总是能够使用反向传播来求解，例如非凸的函数。在一个实施例中，神经网络具有一组表示其节点连接的权重的参数。生成该网络的多个副本，然后对参数进行不同调整，并且进行模拟。一旦获得了来自各模型的输出，就可以使用所确定的成功度量来对它们的性能进行评估。选择最佳模型，并且车辆控制器执行该计划以实现期望的输入数据以反映预测的最佳结果情形。另外，成功度量可以是优化输出的组合。这些可以相对于彼此进行加权。
如本文所用，以单数形式列举且以单词“一”或“一个”开头的元素或步骤应理解为不排除所述复数或步骤的复数形式，除非明确说明了此类排除。此外，对本发明的“一个实施例”的引用不排除也包含所述特征的附加实施例的存在。此外，除非明确相反地陈述，否则“包括”、“包含”或“具有”具有特定性质的元素或多个元素的实施例可包含不具有所述性质的另外的此类元素。术语“包括”和“其中”被用作普通语言等同于“其包括”和“在其中”等术语。此外，“第一”、“第二”、“第三”等术语仅作为标识使用，并不旨在对其对象施加数量要求或特定位置顺序。
本说明公开的控制方法和例程可以作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可以由包括控制器的控制系统结合各种传感器、致动器和其他发动机硬件来执行。本文描述的具体例程可以表示一个或多个处理策略，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各动作、运行或功能可以所示顺序执行、并行执行，或者在一些条件下被省略。同样，处理的顺序不是实现本文所述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为了易于说明和描述而提供。根据所使用的特定策略，所示出的动作、运行和/或功能中的一个或多个可以被重复执行。另外，所描述的动作、运行和/或功能可以图示地表示被编入发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器的代码，其中通过结合电子控制器执行包括各种发动机硬件部件的系统中的指令而使所描述的动作得以实现。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的普通技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的普通技术人员想到的其它示例。其他这样的示例如果具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们应属于本申请权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
在从单燃料燃烧到多燃料燃烧过渡期间，提高燃烧混合物的温度降低质量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述温度降低质量的量与发动机温度成比例。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述温度降低质量包括空气、EGR和水中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述过渡期间，向所述燃烧混合物提供氨。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，增加所述温度降低质量包括：提供额外的增压量，其中，所述额外的增压量基于峰值缸体压力。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于EGR流率、电池SOC、驾驶员需求和峰值缸体压力中的一者或多者来增加增压气流。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：延迟提供给所述燃烧混合物的燃料中的至少一种的注射时机。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多燃料燃烧包括：汽油、柴油、氢化衍生可再生柴油(HDRD)、酒精、醚、氨、生物柴油、氢、天然气、煤油和合成气中的两种或多种。
9.一种系统，包括：
第一燃料系统，其包含第一燃料；
第二燃料系统，其包含不同于所述第一燃料的第二燃料；
涡轮增压器，其包括涡轮和压缩机；和
控制器，其包括存储在其非暂时性存储器上的计算机可读指令，所述计算机可读指令在被执行时使得所述控制器能够：
响应于期望的替换比例来调整燃烧混合物的温度降低质量。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述指令还使所述控制器能够响应于所述期望的替换比例的增加而增加所述温度降低质量。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一燃料系统联接至位于直接注射到发动机的缸体的容积中的直接注射器，并且其中，所述第二燃料系统联接至位于注射到所述缸体的吸入端口中的端口注射器。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述指令还使得所述控制器能够响应于当前的替换比例小于所述期望的替换比例和空气流率小于期望的空气流率而调整所述涡轮增压器的转速。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，当前的替换比例基于所述涡轮增压器的当前的最大转速，其中，所述涡轮增压器的所述当前的最大转速基于发动机的一个或多个运行参数。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一燃料是柴油并且所述第二燃料是氢。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述指令还使所述控制器能够响应于所述期望的替换比例的增加而增加所述燃烧混合物的所述温度降低质量，其中，所述期望的替换比例基于发动机负载。
16.一种方法，包括：
响应于发动机负载选择替换比例；以及
基于至少所述替换比例来调整燃烧混合物的温度降低质量。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，调整所述温度降低质量还响应于发动机温度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，调整所述温度降低质量包括：响应于所述替换比例的增加或所述发动机温度的增加中的一者或多者而增加所述温度降低质量。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述温度降低质量包括增压空气，并且其中，所述温度降低质量中的增压空气的量基于峰值缸体压力。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，在添加其它非燃料元素之前，使所述温度降低质量中的所述增压空气的量最大化。
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