CN117627793A - 瞬态事件期间的发动机负载控制 - Google Patents

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Abstract

在一些实现方式中，控制器可以通过气体燃料的火花点火能操作的发动机的恒速操作有关地确定将发生与发动机相关联的瞬态事件，瞬态事件使得联接到发动机的变速器的从第一档到第二档的换档，其中从第一档到第二档的换档是为了增加与发动机相关联的主负载。在从第一档到第二档的换档之前，控制器可以使得与发动机相关联的辅助负载增加。在从第一档到第二档的换档的期间，控制器可以使得辅助负载减小。

Description

瞬态事件期间的发动机负载控制
技术领域
本发明总体上涉及发动机负载控制，并且例如涉及在瞬态事件期间的发动机负载控制。
背景技术
气体燃料动力发动机在许多应用中都很常见。例如，发动机发电机组(发电机组)的发动机可以由气体燃料提供动力。气体燃料，诸如天然气，可能比其它碳氢化合物燃料更便宜，在偏远地区更容易获得，并且在操作期间燃烧相对更清洁。典型的气体燃料内燃发动机与传统的液体燃料内燃发动机的主要区别在于气体燃料(例如甲烷、天然气、乙烷和/或丙烷)在发动机中燃烧，而不是来自燃料喷射器或汽化器的液体燃料的雾化雾。大多数气体燃料发动机使用传统火花塞的火花点火操作。
虽然气体燃料发动机具有许多优点，但是气体燃料发动机典型地具有较差的瞬态响应特性。这是因为气体燃料发动机可以与发动机的气缸和发动机的燃料入口之间的相对长的路径相关联。因此，可能需要几秒钟才能将发动机中的气体燃料的体积调节到新的水平。在一个示例中，以恒速操作的气体燃料发动机可以用于为流体泵提供动力，并且流体泵的流率可以通过联接到发动机的变速器的切换档来调节。这里，例如，从较低档切换到较高档以增加流率可能延迟几秒钟，或甚至几十秒钟，而发动机中的气体燃料的体积增加到使用较高档的操作所需的水平。
本发明的控制系统解决了上述一个或多个问题和/或本领域中的其它问题。
发明内容
一种控制系统可以包括发动机，其通过气体燃料的火花点火能操作；变速器，其连接到发动机并且在至少第一档和第二档中能操作；以及控制器。控制器可以经配置与发动机的恒速操作有关地接收执行从第一档到第二档的换档的命令，其中从第一档到第二档的换档是为了增加与发动机相关联的主负载。控制器可以经配置在从第一档到第二档的换挡之前使得与发动机相关联的辅助负载增加。控制器可以经配置在从第一档到第二档的换档期间使得辅助负载减小。
一种方法可以包括与通过气体燃料的火花点火能操作的发动机的恒速操作有关地确定将发生与发动机相关联的瞬态事件，其中瞬态事件使得联接到发动机的变速器的从第一档到第二档的换档，并且其中从第一档到第二档的换档是为了增加与发动机相关联的主负载。该方法可以包括在从第一档到第二档的换档之前使得与发动机相关联的辅助负载增加。该方法可以包括在从第一档到第二档的换档期间使得辅助负载减小。
一种控制器可以包括一个或多个存储器和一个或多个处理器。一个或多个处理器可以经配置与通过气体燃料的火花点火能操作的发动机的恒速操作有关地接收执行从联接到发动机的变速器的第一档到第二档的换档的命令，其中从第一档到第二档的换档是为了增加或减小与发动机相关联的主负载。一个或多个处理器可以经配置基于命令使得与发动机相关联的辅助负载增加。一个或多个处理器可以经配置在从第一档到第二档的换档期间使得辅助负载减小。
附图说明
图1是示例性发动机系统的示意图。
图2是示例性控制系统的示意图。
图3是与瞬态事件期间的发动机负载控制相关联的示例过程的流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种控制系统，该控制系统适用于具有与不良瞬态响应相关联的往复式发动机(诸如气体燃料发动机)的任何机器。例如，该机器可以是包括发动机和发电机的发电机组。
图1是示例性发动机系统10的示意图。发动机系统10包括内燃发动机12。例如，发动机12可以是往复式发动机。在一些示例中，发动机12可以通过气体燃料的火花点火能操作。即，发动机12可以是火花点火式气体燃料发动机。
发动机12包括至少部分地限定一个或多个气缸18的发动机缸体16、设置在每个气缸18内以形成主燃烧室22的活塞20。发动机系统10可以包括一个或多个(例如，多个)燃烧室22，并且燃烧室22可以设置成“直列”配置、“V”配置或任何其它常规配置。每个活塞20经配置在相应的气缸18内往复运动。具体地，每个活塞20可以通过连杆(未示出)枢转地联接到曲轴24的曲柄上。发动机12的曲轴24轴颈连接在发动机缸体16内，并且每个活塞20联接到曲轴24，使得每个活塞20在每个气缸18内的滑动运动导致曲轴24的旋转。类似地，曲轴24的旋转可能导致每个活塞20的往复运动。
发动机12包括与每个气缸18相关联的多个气体交换阀，这些气体交换阀经配置计量进入燃烧室22和从燃烧室22排出的空气和燃料。具体地，发动机12包括与每个气缸18相关联的至少一个进气阀26和至少一个排气阀28。进气阀26经配置在活塞20的进气和/或压缩冲程的一部分期间允许空气和燃料混合物流过各自的进气口30并进入相应的燃烧室22。排气阀28经配置在活塞20的动力和/或排气冲程的一部分期间允许排气通过各自的排气口32从相应的燃烧室22排出。
发动机12可以包括多个不同的子系统，这些子系统协作以便于气缸18内的燃烧。发动机12的子系统可以包括进气系统34和排气系统36等。进气系统34经配置将空气和燃料的混合物供应到发动机12以用于随后的燃烧。排气系统36经配置处理燃烧过程的副产物并将其从发动机12排放到大气中。
进气系统34包括多个部件，这些部件协作以调节压缩空气和燃料并将其引入燃烧室22中。例如，进气系统34可以包括位于一个或多个压缩机40下游的空气冷却器38。空气冷却器38可以通过通道42连接到压缩机40，并通过通道44连接到进气口30。压缩机40可以经配置加压空气和气体燃料(例如，天然气、丙烷、甲烷或其混合物)的混合物，该混合物经引导通过冷却器38并经由通道42、44和进气口30进入发动机12。进气系统34可以包括与上述部件不同或附加的部件，诸如节流阀、过滤部件和/或压缩机旁路部件等。
排气系统36包括调节和引导来自燃烧室22的排气到大气的多个部件。例如，排气系统36可以包括排气通道46、由流过通道46的排气驱动的一个或多个排气涡轮48、以及通道52。排气通道46将与燃烧室22相关联的排气口32流体地连接到排气涡轮48。排气涡轮48经配置接收从燃烧室22排出的排气，并通过公共轴56连接到进气系统34的一个或多个压缩机40以形成涡轮增压器。在一些实现方式中，一个或多个后处理部件54(例如，氧化催化剂、过滤器、捕集器、吸附器、吸收器、还原催化剂、洗涤器、和/或排气再循环回路等)可以设置在通道52内或连接到通道52。排气系统36可以包括与上述部件不同或附加的部件，诸如旁通部件、排气压缩或限制制动器和/或衰减装置等。
发动机系统10包括连接到发动机12的变速器60。具体地，变速器60可以联接到曲轴24。变速器60可以是在至少第一档和第二档中能操作的多档变速器。“第一”和“第二”用于指示档彼此不同，并且可以但不一定是指通常称为“第一档”和“第二档”的变速器60的档。例如，第一档可以是变速器60的“第三档”，第二档可以是变速器60的“第四档”。使用多个档，即使当发动机12以恒速操作时，变速器60的输出也可以在多个速度之间切换。变速器60的变速器类型可以包括例如行星式、副轴式、静液压式或无级变速器。与发动机12(例如，由发动机12驱动)相关联的主负载62可以能操作地连接到变速器60。具体地，主负载62的输入轴可以能操作地连接到变速器60的输出轴。主负载62可以包括从发动机12(例如，经由变速器60)接收机械动力输出的任何类型的动力消耗系统或装置。例如，主负载62可以包括一个或多个流体泵(例如，用于水力压裂)、一个或多个发电机、或由发动机12提供动力的另一装置。
发动机系统10还包括与发动机12(例如，由发动机12驱动)相关联的辅助负载64。如图所示，辅助负载64能操作地联接到曲轴24的与变速器60和主负载62相对的端。然而，也可以采用其它配置。例如，辅助负载64可以能操作地联接到曲轴24的与变速器60和主负载62相同的端。这里，辅助负载64可以联接到变速器60的上游或变速器60的下游的曲轴24。在一些实现方式中，辅助负载64的输入轴可以能操作地联接到联接到曲轴24的变速器或变速箱(未示出)的输出轴。辅助负载64可以包括从发动机12(例如，经由变速器或变速箱)接收机械动力输出的任何类型的动力消耗系统或装置。例如，辅助负载64可以包括与发动机12相关联(例如，由发动机12驱动)的冷却系统的一个或多个风扇、与发动机12相关联(例如，由发动机12驱动)的一个或多个交流发电机、和/或与发动机12相关联(例如，由发动机12驱动)的一个或多个润滑泵等。
如本文所述，发动机12、变速器60、主负载62和辅助负载64可以与发动机系统10的机械驱动动力系相关联。即，发动机12、变速器60、主负载62和辅助负载64可以经机械地联接，使得变速器60、主负载62和辅助负载64可以由发动机12机械地驱动(例如，与电动相反)。附加地或可替代地，发动机12、变速器60、主负载62和/或辅助负载64可以具有液压流体连接和/或电气连接(例如，到发电机和/或交流发电机等)。在一些示例中，发动机12、变速器60、主负载62和/或辅助负载64的机械联接可以与液压流体连接和/或电气连接结合使用。
如上所指示，提供图1作为示例。其它示例可以与关于图1所述的不同。
图2是示例性控制系统200的示意图。如本文所述，控制系统200可以包括发动机系统10的一个或多个部件。例如，控制系统200可以包括发动机12、变速器60、主负载62和/或辅助负载64。另外，控制系统200可以包括控制器202。控制器202可以包括一个或多个存储器和/或通信地联接到一个或多个存储器的一个或多个处理器。一个或多个处理器可以基于存储在一个或多个存储器中的信息来执行本文所述的操作。例如，如本文所述，一个或多个处理器可以经配置在瞬态事件期间执行与发动机负载控制相关联的操作。
本文所述的操作可以与发动机12的恒速操作(其也可以称为恒速应用)有关地来执行。例如，当驱动作为主负载62的流体泵时，发动机12可以以恒速操作。“恒速”可以是指当发动机12操作时保持近似地恒定(例如，保持在目标速度的阈值范围内，诸如±1％或±5％)的发动机12的输出速度。换言之，在恒速下，发动机12可以提供不可变的输出速度(例如，可以使曲轴24以不可变的速度旋转)。发动机12可以在发动机12的稳态操作中以恒速操作，并且瞬态事件可以暂时地中断发动机12在恒速下的操作。
与发动机12的恒速操作有关，控制器202可以确定将发生与发动机12相关联的瞬态事件。例如，瞬态事件可以是变速器60的从第一档到第二档的换档，或者是使得从第一档到第二档的换档的事件。在一些实现方式中，控制器202可以基于来自发动机系统10的一个或多个传感器(例如，一个或多个速度传感器、一个或多个扭矩传感器、一个或多个负载传感器、和/或一个或多个温度传感器等)的信息来确定瞬态事件(例如，换档)将发生。具体地，该信息可以指示与基线的偏差，该基线指示发生的瞬态事件和/或指示发生的瞬态事件的发动机12的特定操作状态。
在一些实现方式中，控制器202可以接收执行变速器60的从第一档到第二档的换档的命令。这里，控制器202可以基于接收到命令来确定将发生的瞬态事件。控制器202可以接收来自包括发动机12的机器的操作员控制的命令。即，执行换档的命令可以由包括发动机12的机器的操作员提供。从第一档到第二档的换档可以是从较低档到较高档(即，升档)或从较高档到较低档(即，降档)。从第一档到第二档的换档可以增加主负载62(例如，在升档的情况下)或减小主负载62(例如，在降档的情况下)。
在一些实现方式中，基于确定瞬态事件将发生(例如，基于接收换挡命令)，控制器202在执行(例如，使得执行)换挡之前(例如，在一秒钟或多秒钟之前)可以使得辅助负载64增加。例如，如果换档是升档，则控制器202可以使得在升档之前增加辅助负载64。控制器202可以经由联接到辅助负载64的变速器、变速箱等使得辅助负载64增加。辅助负载64可以瞬间增加，或者在一段时间内逐渐增加。为了增加辅助负载64，控制器202可以使得辅助负载64在最大水平或比当前水平高的水平下操作。增加辅助负载64可以使得流入发动机12的气体燃料的体积增加，由此增加发动机12的可用马力并且使得能够快速地执行从第一档到第二档的换档。控制器202可以独立于(例如，不相关于)辅助负载64的主功能而使得辅助负载64增加(例如，该增加仅用于增加气体燃料的体积的目的)。例如，如果辅助负载64包括用于冷却发动机12的一个或多个风扇，则控制器202可以使得辅助负载64增加而不考虑发动机12的温度。
在从第一档到第二档的换档(例如，升档)期间(例如，当正在执行换档时)，控制器202可以使得辅助负载64减小。控制器202可以经由联接到辅助负载64的变速器、变速箱等使得辅助负载64减小。辅助负载64可以瞬间减小，或者在一段时间内逐渐减小。为了减小辅助负载64，控制器202可以使得辅助负载64在最小水平、在增加辅助负载64之前使用的先前水平、或比当前水平低的水平(例如，低于增加的水平)下操作。因此，归因于换档的主负载62的增加可以与辅助负载64的减小同时发生，由此实现主负载62与辅助负载64之间的动力交换并使发动机12的速度下降(例如，低于恒速设定的速度)最小化。此外，由于归因于在换档之前增加辅助负载64而使得流入发动机12的气体燃料的体积增加，所以可以在没有显著延迟的情况下实现主负载62的增加。换言之，通过在换档之前增加辅助负载64来减少与增加流入发动机12的气体燃料的体积相关联的延迟，其是实现换档和增加主负载62所需的。
在一些实现方式中，基于确定瞬态事件将发生(例如，基于接收换挡命令)，控制器202可以在执行(例如，使得执行)从第一档到第二档的换挡(或以其它方式在从第一档到第二档的换挡期间)开始时使得辅助负载64增加。例如，如果换档是降档，则控制器202可以在从第一档到第二档的换档开始时使得辅助负载64增加。可以以与上述类似的方式增加辅助负载64。在降档开始时增加辅助负载64可以使得发动机12中的过量体积的气体燃料被吸收，这归因于减小的主负载62，从而吸收发动机12的过量马力并使发动机12的超速状况(例如，高于恒速设定的速度)最小化。如上所述，控制器202可以独立于(例如，不相关于)辅助负载64的主功能而使得辅助负载64增加(例如，该增加仅用于吸收过量气体燃料的目的)。
在从第一档到第二档的换档(例如，降档)期间(例如，当正在执行换档时)，控制器202可以以与上述类似的方式使得辅助负载64减小。例如，控制器202可以在发动机12中的气体燃料的体积减小到适合于与降档有关的当前发动机负载的水平的同时使得辅助负载64减小。
如上所指示，提供图2作为示例。其它示例可以与关于图2所述的不同。
图3是与瞬态事件期间的发动机负载控制相关联的示例过程300的流程图。图3的一个或多个过程框可以由控制器(例如，控制器202)执行。附加地或可替代地，图3的一个或多个过程框可以由与控制器分离或包括控制器的另一装置或一组装置来执行，诸如在包括发动机12的机器内部或外部的另一装置或部件。
如图3所示，过程300可以包括与通过气体燃料的火花点火能操作的发动机的恒速操作有关地接收执行从联接到发动机的变速器的第一档到第二档的换档的命令，其中从第一档到第二档的换档是为了增加或减小与发动机相关联的主负载(框310)。例如，如上所述，控制器可以与通过气体燃料的火花点火能操作的发动机的恒速操作有关地接收执行从联接到发动机的变速器的第一档到第二档的换档的命令。从第一档到第二档的换档可以是增加或减小与发动机相关联的主负载。发动机、变速器、主负载和辅助负载可以经机械地联接。
主负载可以包括一个或多个流体泵。例如，从第一档到第二档的换档可以是为了增加一个或多个流体泵的流率。辅助负载可以包括与发动机相关联的冷却系统的一个或多个风扇。附加地或可替代地，辅助负载可以包括交流发电机或润滑泵中的至少一个。
如图3中进一步所示，过程300可以包括基于命令使得与发动机相关联的辅助负载增加(框320)。例如，如上所述，控制器可以基于命令使得与发动机相关联的辅助负载增加。从第一档到第二档的换档可以是增加主负载的升档，并且辅助负载的增加可以在从第一档到第二档的换档之前。可替代地，从第一档到第二档的换档可以是减小主负载的降档，并且辅助负载的增加可以在从第一档到第二档的换档开始时。辅助负载的增加可以独立于辅助负载的主功能。辅助负载的增加可以使得流入发动机的气体燃料的体积增加。
如图3中进一步所示，过程300可以包括在从第一档到第二档的换档期间使得辅助负载减小(框330)。例如，如上所述，在从第一档到第二档的换档的期间，控制器可以使得辅助负载减小。
尽管图3示出了过程300的示例框，但是在一些实现方式中，过程300可以包括与图3中描绘的那些框相比附加的框、更少的框、不同的框或不同地布置的框。附加地或可替代地，可以并行地执行过程300的两个或多个框。
工业实用性
本文描述的控制系统可以与往复式发动机(诸如火花点火式气体燃料发动机)一起使用，并且该发动机可以联接到变速器和主负载。例如，控制系统可以用于发动机以恒速操作的应用，诸如驱动流体泵，并且变速器提供速度控制。当变速器换挡(例如，改变流体泵的流率)时，控制系统可用于防止或最小化速度下降状况和/或超速状况。例如，如本文所述，控制系统可以在升档之前使得辅助负载增加，即增加主负载，从而防止或最小化速度下降状况。作为另一示例，如本文所述，控制系统可以在降档开始时使得辅助负载增加，即减小主负载，从而防止或最小化超速状况。
这样，通过控制系统改善了发动机速度恢复到稳定状态。换言之，控制系统改善了发动机的瞬态响应时间。因此，发动机可以提供更稳定的输出，从而改善了主负载的性能。
前述公开提供了说明和描述，但并不旨在穷举或将实现方式限制为所公开的精确形式。可以根据以上公开进行修改和变化，或者可以从实现方式的实践中获得修改和变化。此外，本文所述的任何实现方式可以组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实现方式不能组合的理由。即使特征的特定组合在权利要求中叙述和/或在说明书中公开，但这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。尽管下面列出的每项从属权利要求可以直接从属于仅一项权利要求，但是各种实现方式的公开包括与权利要求组中的所有其它权利要求相组合的每项从属权利要求。
如本文所使用的，“一(a)”、“一个(an)”和“一组(set)”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。进一步地，如本文所使用的，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用。进一步地，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。而且，如本文所使用的，术语“或”在以系列使用时旨在是包括性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一者”或“仅一者”组合使用)。

Claims (10)

1.一种控制系统，包括：
发动机，其通过气体燃料的火花点火能操作；
变速器，其连接到所述发动机并且在至少第一档和第二档中能操作；以及
控制器，其经配置：
与所述发动机的恒速操作有关地接收执行从所述第一档到所述第二档的换档的命令，
其中从所述第一档到所述第二档的所述换档是为了增加与所述发动机相关联的主负载；
在从所述第一档到所述第二档的所述换挡之前使得与所述发动机相关联的辅助负载增加；以及
在从所述第一档到所述第二档的所述换档期间使得所述辅助负载减小。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述控制器经配置独立于所述辅助负载的主功能而使得所述辅助负载增加，以使得所述辅助负载增加。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的控制系统，其中所述主负载包括一个或多个流体泵。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其中从所述第一档到所述第二档的所述换档是为了增加所述一个或多个流体泵的流率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制系统，其中所述辅助负载包括与所述发动机相关联的冷却系统的一个或多个风扇。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的控制系统，其中所述辅助负载包括交流发电机或润滑泵中的至少一个。
7.一种控制器，包括：
一个或多个存储器；以及
一个或多个处理器，其经配置：
与通过气体燃料的火花点火能操作的发动机的恒速操作有关地接收执行从联接到所述发动机的变速器的第一档到第二档的换档的命令，
其中从所述第一档到所述第二档的所述换档是为了增加或减小与所述发动机相关联的主负载；
基于所述命令使得与所述发动机相关联的辅助负载增加；以及
在从所述第一档到所述第二档的所述换档期间使得所述辅助负载减小。
8.根据权利要求7所述的控制器，其中从所述第一档到所述第二档的所述换档是为了增加所述主负载的升档，并且
其中所述一个或多个处理器经配置在从所述第一档到所述第二档的所述换档之前使得所述辅助负载增加，以使得所述辅助负载增加。
9.根据权利要求7所述的控制器，其中从所述第一档到所述第二档的所述换档是为了减小所述主负载的降档，并且
其中所述一个或多个处理器经配置在从所述第一档到所述第二档的所述换档开始时使得所述辅助负载增加，以使得所述辅助负载增加。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的控制器，其中所述一个或多个处理器经配置使得流入所述发动机的气体燃料的体积增加，以使得所述辅助负载增加。
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