CN117780526A - 用于控制以氢和天然气的燃料混合物运行的内燃式发动机的操作的方法 - Google Patents

用于控制以氢和天然气的燃料混合物运行的内燃式发动机的操作的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制内燃式发动机的操作的方法，所述内燃式发动机配置成以氢和天然气的燃料混合物运行。所述方法包括获得由设置在所述发动机的气缸盖中的至少一个温度传感器测量的温度值的步骤；以及根据所述温度值来控制所述发动机的操作的步骤。

Description

用于控制以氢和天然气的燃料混合物运行的内燃式发动机的 操作的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制内燃式发动机的操作的方法，所述内燃式发动机配置成以氢和天然气的燃料混合物运行。此外，本发明涉及一种应用这种方法的内燃式发动机。
背景技术
出于环境原因，特别是为了减少污染排放，使用氢作为碳氢燃料的添加剂的重要性持续增长，特别是在燃气发动机领域中。因此，已知使用以包括富含氢的天然气的燃料混合物运行的燃气发动机。然而，在这样的燃气发动机应用中，氢的供应可能在发动机的操作期间不可靠地或无意地变化。
发明内容
因此，目的是提供一种用于控制内燃式发动机的操作的改进方法，所述内燃式发动机以变化的比率、特别是无意变化的比率的氢-天然气燃料混合物运行。另一目的是提供一种其中应用这种方法的内燃式发动机。
这些目的通过独立权利要求的主题来解决。优选实施例在本说明书、附图以及从属权利要求中阐述。
因此，提供了一种用于控制内燃式发动机的操作的方法，所述内燃式发动机配置成以氢和天然气的燃料混合物运行。所述方法包括获得由设置在所述发动机的气缸盖中的至少一个温度传感器测量的温度值的步骤；以及根据获得的温度值来控制所述发动机的操作的步骤。
此外，提供了一种配备有控制单元的内燃式发动机。所述控制单元可以用于执行如上所述的方法。因此，在下文中结合方法描述的技术特征也可以涉及并且应用于所提出的内燃式发动机，反之亦然。
所提出的内燃式发动机配置成以天然气和氢的燃料混合物运行，并且包括设置在所述发动机的气缸盖中的至少一个温度传感器和控制单元，所述控制单元配置成用于获得由所述温度传感器测量的温度值并且用于根据所述获得的温度值来控制所述发动机的操作。
附图说明
通过参考结合附图考虑的以下详细描述将更容易理解本公开，附图中：
图1示出了流程图，示出了用于控制内燃式发动机的操作的方法的实施例；以及
图2示意性地示出了内燃式发动机的纵向截面。
具体实施方式
在下文中，将参考附图更详细地解释本发明。
图1示出了流程图，所述流程图示出了用于控制内燃式发动机10的操作的方法，所述内燃式发动机的纵向截面在图2中示意性地描绘。在下文中被称为“发动机”的内燃式发动机10以燃气发动机的形式提供，所述燃气发动机配置成以氢-天然气燃料混合物运行。因而，发动机10配置成以富含氢的天然气运行，其中燃料混合物的氢浓度可以在操作期间变化。例如，燃料混合物中的氢浓度可以在0％至30％的范围内、特别是在0％至20％(体积％)的范围内。换句话说，发动机10旨在并且配置成以变化比率的氢和天然气的燃料混合物运行。
该方法不限于特定应用的内燃式发动机，并且可以应用于不同的技术领域，例如在动力装置或载具中用作主发动机或辅助发动机等的燃气发动机。
发动机10包括多个气缸12，例如四个、八个、十二个或十八个气缸，所述气缸可以根据不同的气缸布局布置，例如根据直列构型或V形构型布置。气缸12设置在发动机缸体14中，并且由至少一个气缸盖16从上方界定，如图2中描绘。通常，气缸盖16是指发动机10的安装到发动机缸体14并且部分地界定发动机10的一个或多个燃烧室的部件。因此，气缸盖16可以与发动机10的一个或多个气缸12相关联。因而，发动机10根据其构型可以包括单个气缸盖或超过一个气缸盖。例如，在其中气缸以多排或多行布置的发动机的构型中，例如，如在V形构型中所采用的，可以每排或每行设置单独的气缸盖。
气缸12的侧壁由气缸套18形成，所述气缸套压配合到发动机缸体14的相应设计的圆柱形凹部中。每个气缸12容纳一个活塞(未示出)，所述活塞与气缸12的内表面一起界定气缸12内的相关联燃烧室。因而，燃烧室从活塞的头部部分(即，其端面)延伸到位于发动机缸体14的顶部上的气缸盖16。
活塞配置成用于在其相关联的气缸12内沿着气缸12的纵向轴线L往复和轴向移动。在本公开的上下文中，“纵向轴线L”是指与气缸12、活塞和气缸套18的中间轴线重合的轴线。因而，纵向轴线L与气缸的侧壁的周向内表面的对称轴线重合，并且与活塞的周向外表面的对称轴线重合。
发动机10还包括控制机构，所述控制机构控制用于选择性地将燃料-空气混合物供应到燃烧室中的进气系统的致动、用于选择性地点燃接收在燃烧室中的燃料-空气混合物的点火系统(未示出)的致动以及用于选择性地从燃烧室排出燃烧气体的排出系统(未示出)的致动。通过这样的配置，即在选择性地供应和点燃燃烧室中的燃料-空气混合物时，在燃烧室中产生高温高压气体，所述高温高压气体向活塞施加力并且因此使活塞沿着纵向轴线L轴向移动，由此旋转发动机的曲轴。以该方式，化学能被转换成机械能。
为了将燃料-空气混合物供应到燃烧室中并且为了在燃烧发生之后从燃烧室排出燃烧气体，气缸盖16容纳多个阀(未示出)，所述多个阀配置成控制发动机10的相关联燃烧室内的介质交换的正时和量。为此，发动机10包括阀致动机构，所述阀致动机构典型地包括凸轮轴，所述凸轮轴可以至少部分地容纳在气缸盖16中。
容纳在气缸盖16中的阀可以以提升阀的形式提供，并且可以包括进气阀和排气阀。发动机的每个气缸可以与一个或多个进气阀和一个或多个排气阀相关联。因此，气缸盖16可以配置成发动机10的每个气缸10接收一个或多个进气阀和一个或多个排气阀。为了接收阀，气缸盖16设置有多个阀座20，每个阀座旨在并且配置成用于容纳和支撑一个相关联的阀。通过该配置，阀配置成选择性地打开或关闭用于介质交换的相关联进气口22或排气口。
进气口22形成进气系统的一部分，以用于选择性地将燃料-空气混合物供应到燃烧室中。在所示的配置中，在将进气与包括天然气和氢的燃料混合物在引入到燃烧室中之前混合时产生燃料-空气混合物。替代地，发动机可以设置成使得进气和燃料混合物通过单独的进气口单独地引入到燃烧室中。以该方式，可以在将进气和燃料混合物单独供应到燃烧室中时产生燃料-空气混合物。
如图2中所示，气缸盖16还设置有至少一个冷却通道24，在发动机10的操作期间冷却介质(特别是水)选择性地流过所述至少一个冷却通道以从气缸12散热。发动机10还包括冷却管理系统，所述冷却管理系统配置成选择性地调节和控制冷却介质到至少一个冷却通道24的供应。例如，冷却管理系统可以配置成在冷却介质被引入到气缸盖16中之前选择性地调节冷却介质的温度并且/或者调节被引导通过至少一个冷却通道24的冷却介质的流速。
如上所述，发动机10包括控制发动机10中的燃烧过程的控制机构。控制机构包括发动机控制单元(未示出)，在本文中也称为“控制单元”。控制单元可以是电子控制单元，其控制控制机构的一系列致动器以设定发动机10的期望操作条件。为此，控制单元从多个传感器读出指示实际发动机操作参数的输入数据，并且例如通过使用多维性能图来解释这些输入数据，以调节和设置发动机致动器。控制单元还可以配置成控制燃料的组成和向发动机的供应，因此也可以被称为“电子发动机管理系统”。
发动机10及其部件的基本结构和操作模式是本领域技术人员公知的，因此不再进一步说明。而是，在下文中提出用于控制发动机10的操作的方法和与本发明关联的发动机10的特性。对于本领域技术人员显而易见的是，除了上述部件之外，发动机10还可以包括本文未提出的其他部件。
如上所述，图1描绘了用于控制发动机10的操作的方法的流程图。在所示实施例中，该方法由发动机10的上述控制单元执行，但不限于该实施方式。而是，该方法还可以由能够解释和/或执行信息和/或指令以控制发动机10的操作(特别是控制其中的燃烧过程)的任何类型的装置或任何类型的部件执行。
在该方法的第一步骤S1中，控制单元获得由温度传感器26测量的数据，特别是温度值，所述温度传感器设置在发动机10的气缸盖16中并且与一个气缸12相关联。在本公开的上下文中，“温度值”是指指示在温度传感器26的测量点28处占主导的温度或温度变化的任何数据。
在下文中，出于降低复杂性的原因，仅参考一个气缸12来描述该方法。然而，本领域技术人员理解，与该单个气缸12相关的方法步骤可以相应地针对发动机10的其他气缸应用和执行。也就是说，控制单元可以配置成获得由与其他气缸相关联的另外的温度传感器测量的温度值。这些另外的温度传感器可以类似于温度传感器26相对于其相关联的气缸设置和布置。
在本公开的上下文中，已经发现，通过使用位于气缸盖16内的温度传感器26，由此测量的温度值可以用于评估和量化燃烧室内的燃烧过程。具体地，已经发现，由此测量的值可以用于评估和量化活塞的燃烧表面温度，即在活塞的表面处(即在界定燃烧室的活塞的端面处)占主导的温度。换句话说，所提出的方法使得能够间接地测量燃烧室内的温度，基于所述温度，可以允许发动机的改进控制，如下面结合方法步骤S5所述。
因此，温度传感器26设置成使得由温度传感器26测量的温度值指示活塞的燃烧表面温度。更具体地，温度传感器26设置在气缸盖16中，使得由温度传感器26测量的温度值与活塞的燃烧表面温度相关。为了实现这样的相关性，温度传感器26位于气缸盖16内的预定位置处。
具体地，温度传感器26定位在气缸盖16内，使得在发动机10的操作期间，测量点28处的热条件或热传导性质、特别是热对流性质和/或冷却性质和/或热流对应于或基本上对应于活塞的表面处、特别是活塞的端面处的热条件或热传导性质。换句话说，测量点28在操作期间经受的温度变化可以或基本上可以与活塞的表面(特别是在活塞的端面处)在操作期间经受的温度变化相关、特别是可以或基本上可以与其成比例或相同。
在所示的配置中，温度传感器26设置成使得测量点28位于气缸盖16内。换句话说，温度传感器26配置成在位于气缸盖16内的测量点28处测量温度值。替代地，测量点28可以位于燃烧室内部，其中特别地，温度传感器的突出到燃烧室中的一部分可以被盖覆盖。
更具体地，在所示的配置中，测量点28布置在距燃烧室的距离X处，其中距离X是测量点28和燃烧室之间，特别是到燃烧室的外表面的最小距离。具体地，距离X可以在0.3mm至10mm的范围内。此外，测量点28布置在距气缸12的纵向轴线L的另一距离Y处，其中另一距离Y是测量点28和纵向轴线L之间的最小距离。具体地，另一距离Y可以在气缸12或气缸套18的直径、特别是气缸12围绕其纵向轴线L的直径的10％至100％的范围内。
温度传感器26可以以热电偶的形式或以用于测量温度值的任何其他合适的装置的形式提供。温度传感器26包括探针30，所述探针被引入到气缸盖16中的相应设计的凹部32中。具体地，在所示的配置中，气缸盖16设置有呈盲孔形式的凹部32，探针30被引入到所述盲孔中，使得探针30的尖端与凹部32的端表面(即底部)接触、特别是热接触，如图2中描绘。在该配置中，探针30的尖端与测量点28重合。
此外，探针30的尖端可以被按压或弹簧偏置抵靠凹部32的端表面。以该方式，可以在发动机的操作期间可靠地保持探针30和凹部32的底部之间的热接触。替代地或附加地，可以将导热膏引入或施加在凹部32中，特别是在探针30的尖端的区域中。以该方式，可以建立有利的热条件，例如良好的导热性。
在下一可选步骤S2中，控制单元根据获得的温度值确定活塞的燃烧表面温度。在该步骤中，控制单元可以利用测量温度值和燃烧表面温度之间的相关性。换句话说，控制单元可以知道或估计该相关性，并且使用该相关性基于获得的温度值来确定燃烧表面温度。为此，控制单元可以使用温度值和燃烧表面温度之间的预定相关性。例如，可以以数学函数或算法的形式提供预定相关性。替代地，可以以特性图或一组特性曲线的形式提供预定相关性。以该方式，基于测量温度值作为输入，可以由控制单元导出或确定相关或对应的燃烧表面温度。
在下一可选步骤S3中，控制单元确定至少一个操作参数。在本公开的上下文中，术语“操作参数”是指指示发动机10的操作条件的任何参数。例如，操作参数可以指代或者是发动机功率、发动机扭矩、点火正时、阀致动正时、冷却特性、空气供应特性和燃料供应特性中的至少一个。具体地，点火正时可以指代在气缸11的操作循环期间在其燃烧室内开始点火的正时。此外，阀致动正时可以指代与气缸12相关联的进气或排气阀在操作循环期间打开和/或关闭的正时。更进一步地，冷却特性可以指代指示用于冷却气缸12的冷却功率的参数。例如，冷却特性可以指代被引导通过冷却通道24的冷却介质的温度或流速。更进一步地，空气供应特性可以指示或可以是供应空气质量流速或供应空气体积流速。更进一步地，燃料供应特性可以指示或可以是燃料消耗(例如燃料混合物质量或体积流速)或天然气消耗(更具体地是天然气供应质量流速或天然气供应体积流速)。
在下一可选步骤S4中，控制单元根据或基于获得的温度值、特别是根据或基于确定的燃烧表面温度、并且可选地根据或基于确定的至少一个发动机操作参数来监测燃料混合物的特性。具体地，在该步骤中，控制单元可以监测或确定引入到气缸12中的燃料混合物的组成、特别是燃料混合物中的氢和天然气的比率。例如，为此，控制单元可以确定对于给定的操作参数，测量的温度值是否相对低，特别是当与参考温度相比时，由此确定燃料混合物中的氢的相对部分可能太高或高于预期或预定值。因此，在测量的温度值指示相对高的温度的情况下，控制单元可以确定燃料混合物中的氢的相对部分可能太低或低于预期或预定值。该监测例程可以基于燃烧温度通常随着燃料混合物中的氢的相对部分的增加而降低的效果。
在下文中，描述了监测燃料混合物的特性的步骤S4的示例性配置。在第一子步骤中，基于确定的操作参数来确定参考温度。然后，在下一子步骤中，将参考温度与获得的温度值或燃烧表面温度之间的差值与指示测量公差范围的阈值范围进行比较。在差值位于阈值范围内的情况下，控制单元可以确定燃料混合物的组成对应于期望或预定组成。在差值位于阈值范围之外的情况下，则控制单元可以确定燃料混合物的组成不对应于期望或预定组成。具体地，在确定或获得的温度大于参考温度的情况下，控制单元可以确定燃料混合物中的氢的相对部分可能太低。然而，在确定或获得的温度小于参考温度的情况下，控制单元可以确定燃料混合物中的氢的相对部分可能太高。
在替代配置中，控制单元可以配置成根据确定的操作参数和获得的温度值或确定的燃烧表面温度来确定燃料混合物中的氢和天然气的比率。为此，例如，控制单元可以使用多维性能图。
在下一步骤S5中，控制单元根据获得的温度值来控制发动机10的操作。具体地，该步骤S5可以包括控制或调节点火正时、阀致动正时、冷却特性、空气供应特性和燃料供应特性中的至少一个。更具体地，可以根据步骤S4的结果，特别是根据确定的燃料混合物的组成或燃料混合物中的氢和天然气的比率来执行该步骤S5。例如，在控制单元在步骤S4中确定相对低或高的温度值或确定燃料混合物中的氢的比率已增加或减小的情况下，控制单元可以调节操作参数、特别是点火正时和/或阀致动正时，以便调节燃烧室中的燃烧过程。替代地或附加地，在控制单元确定获得的温度值相对低的情况下，控制单元可以调节冷却特性以便减小气缸的冷却，即减小从燃烧室到流过冷却通道24的冷却介质的热流。为此，控制单元可以增加冷却温度并且/或者可以减小流过冷却通道24的冷却介质的冷却流。因此，在控制单元确定获得的温度值相对高的情况下，控制单元可以调节冷却特性，以便例如通过增加从燃烧室到冷却介质的热流来增加气缸的冷却。为此，控制单元可以根据温度减小并且/或者可以增加冷却介质的冷却流。
对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施例和项目仅描绘了多种可能性的实例。因此，此处所示实施例不应理解为形成对这些特征和配置的限制。根据本发明的范围，可以选择所描述的特征的任何可能的组合和配置。考虑到下面描述的技术特征，这特别适用。
可以提供一种用于控制内燃式发动机的操作的方法，所述内燃式发动机配置成以氢和天然气的燃料混合物运行。该方法可以包括获得由设置在发动机的气缸盖中的至少一个温度传感器测量的温度值的步骤；以及根据温度值控制发动机的操作的步骤。
温度传感器可以设置在气缸盖中，使得测量的温度值与在发动机的活塞的表面处占主导的燃烧表面温度相关。替代地或附加地，温度传感器可以设置在气缸盖中，使得在测量点处测量温度值，在所述测量点处发动机操作期间的热传导性质对应于或基本上对应于活塞的表面处的热传导性质。
替代地或附加地，温度传感器可以配置成在位于气缸盖内的测量点处测量温度值。具体地，测量点可以定位在距发动机的燃烧室0.3mm至10mm的距离处。替代地或附加地，测量点可以定位在距气缸的纵向轴线的另一距离处，其中该另一距离可以在气缸直径的10％至100％的范围内。
替代地或附加地，温度传感器可以包括探针，所述探针被引入到设置在气缸盖中的凹部中，其中探针的尖端可以与凹部的端表面热接触。探针的尖端可以被按压或弹簧偏置抵靠凹部的端表面。
在进一步的改进中，该方法还可以包括通过使用温度值和燃烧表面温度之间的预定相关性，根据获得的温度值来确定活塞的燃烧表面温度的步骤。
替代地或附加地，该方法还可以包括确定至少一个发动机操作参数的步骤，其中发动机操作参数可以是发动机功率、发动机扭矩、冷却特性、阀致动正时和点火正时中的至少一个。
替代地或附加地，该方法还可以包括根据获得的温度值监测燃料混合物的组成的步骤。在进一步的改进中，在监测燃料混合物的组成的步骤中，可以确定燃料混合物中的氢和天然气的比率。
在进一步的改进中，控制发动机的操作的步骤包括调节点火正时、阀致动正时、冷却特性、空气供应特性和燃料供应特性中的至少一个。替代地或附加地，根据燃料混合物中的氢和天然气的确定比率来执行控制发动机的操作的步骤。
此外，可以提供一种内燃式发动机，其配置成以天然气和氢的燃料混合物运行。发动机可以包括设置在发动机的气缸盖中的至少一个温度传感器和控制单元，所述控制单元配置成用于获得由温度传感器测量的温度值并且用于根据获得的温度值来控制发动机的操作。
工业适用性
参考附图，提出了一种用于控制内燃式发动机的操作的方法。如上所述的方法适用于配置成以氢和天然气的燃料混合物运行的任何合适的内燃式发动机。

Claims (15)

1.用于控制内燃式发动机的操作的方法，所述内燃式发动机配置成以氢和天然气的燃料混合物运行，所述方法包括：
获得由设置在所述发动机的气缸盖中的至少一个温度传感器测量的温度值的步骤；以及
根据所述温度值来控制所述发动机的操作的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度传感器设置在所述气缸盖中，使得测量的温度值与在所述发动机的活塞的表面处占主导的燃烧表面温度相关。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述温度传感器设置在所述气缸盖中，使得在测量点处测量所述温度值，在所述测量点处所述发动机的操作期间的热传导性质对应于或基本上对应于所述活塞的表面处的热传导性质。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述温度传感器配置成在位于所述气缸盖内的测量点处测量所述温度值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述测量点定位在距所述发动机的燃烧室0.3mm至10mm的距离处。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述测量点定位在距气缸的纵向轴线的另一距离处，并且其中所述另一距离在所述气缸的直径的10％至100％的范围内。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述温度传感器包括探针，所述探针被引入到设置在所述气缸盖中的凹部中，并且其中所述探针的尖端与所述凹部的端表面热接触。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述探针的尖端被按压或弹簧偏置抵靠所述凹部的端表面。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括通过使用所述温度值和所述燃烧表面温度之间的预定相关性，根据获得的温度值确定所述活塞的燃烧表面温度的步骤。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，还包括确定至少一个发动机操作参数的步骤，其中所述发动机操作参数可为发动机功率、发动机扭矩、冷却特性、阀致动正时和点火正时中的至少一个。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，还包括根据所述获得的温度值监测所述燃料混合物的组成的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在监测所述燃料混合物的组成的所述步骤中，确定所述燃料混合物中的氢和天然气的比率。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中控制所述发动机的操作的所述步骤包括调节点火正时、阀致动正时、冷却特性、空气供应特性和燃料供应特性中的至少一个。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中根据所述燃料混合物中的氢和天然气的确定比率来执行控制所述发动机的操作的所述步骤。
15.配置成以天然气和氢的燃料混合物运行的内燃式发动机，所述内燃式发动机包括设置在所述发动机的气缸盖中的至少一个温度传感器和控制单元，所述控制单元配置成用于获得由所述温度传感器测量的温度值并且用于根据获得的温度值来控制所述发动机的操作。
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