CN1831318A - 用于气体发动机的气体供应装置及其运转方法 - Google Patents
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Abstract
气体供应装置具有用于供应燃料气体的三个系统。其中一个是其中燃料气体与空气混合的涡轮增压器侧气体供应管。另一个系统是其中由气体压缩机压缩的燃料气体被供应到气缸的气缸侧气体供应管。在涡轮增压器中的空气－燃料气体混合物经第三供应管被供应到气缸。该气体供应装置避免了涡轮增压器出口处燃料气体的爆炸。此外，气体压缩机的功耗被减小。利用气体流量控制器，涡轮增压器中的混合物中的燃料气体的气体密度被保持低于爆炸最低极限气体密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于气体发动机的气体供应装置及其运转方法，在该气体发动机中使用低卡路里气体、设置有涡轮增压器、空气和燃料气体的混合物被点燃并在一个或多个气缸内燃烧。
背景技术
在贫燃料气体发动机中，燃料气体以规定的A/F比率与空气混合。空气和燃料气体混合物经设置有诸如节流阀的气体流量控制器的供应管被供应到发动机的燃烧室。
在设置有涡轮增压器的发动机中，存在两种气体供应方法。
一种是将压力高于空气的压力的混合气体喷射到正好在每个气缸前的供应管中。
另一种是在涡轮增压器的入口处将燃料气体与空气混合，以将混合物供应给涡轮增压器，以在涡轮增压器中对混合物加压，并将加压混合物供应给发动机。
此外，JP2001-132550A公开了一种上述两种方法的组合方法。
在上述组合方法中，由气体压缩机加压的燃料气体被供应到供应管的气缸入口或气缸。同时，未被加压的燃料气体被供应到涡轮增压器的上游侧处的气体管。因此，在发动机中，对气缸侧(涡轮增压器的下游)的燃料气体供应能够被切换到对涡轮增压器的上游侧的气体供应或从对涡轮增压器的上游侧的气体供应被切换。
然而，JP2001-132550具有如下缺点。
如已经提及，在用于给气缸入口或气缸供应加压燃料气体的燃料气体供应系统中，需要以高于空气的压力的压力对燃料气体加压。然而，这需要大尺寸和大容量气体压缩机对诸如甲烷的低卡路里气体加压。
另一方面，由于可燃燃料气体在涡轮增压器中被高度加压和高压加热，因此其中加压前的燃烧气体被供应到涡轮增压器的上游侧的气体供应系统具有燃料气体可能会在涡轮增压器的出口处爆炸的缺点。
发明内容
本发明的一个目的在于避免在气体发动机中涡轮增压器的出口处的燃料气体爆炸，其中燃料气体与涡轮增压器入口处的空气混合、混合物被供应到涡轮增压器且燃料气体被供应到与气缸连接的气体管。此外，本发明的另一目的在于减小用于对气缸侧燃料气体加压的气体压缩机的能耗，从而使气体压缩机尺寸更小和具有较小容量。
具体而言，在用于气体发动机的第一发明的气体供应装置中，涡轮增压器将燃料气体管供应的燃料气体与空气混合，而混合物被供应到一个或多个气缸中，并在其中燃烧。
第一发明的气体供应装置包括：涡轮增压器侧气体供应管，所述涡轮增压器侧气体供应管从所述燃料气体管分支，与所述涡轮增压器的空气入口连接，并设置有用于控制所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体的气体流量的涡轮增压器侧气体流量控制阀；气缸侧气体供应管，所述气缸侧气体供应管从所述燃料气体管分支，设置有用于压缩所述燃料气体的气体压缩机，并设置有用于控制到所述气缸中的气体流量的气缸侧气体流量控制阀；与所述涡轮增压器连接并向所述气缸供应所述混合物的混合物气体供应管；和用于驱动用于控制所述涡轮增压器侧气体供应管中所述燃料气体的所述气体流量的所述气体流量控制阀的气体流量控制器。
在第一发明的气体供应装置中，为产生混合物，所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体与所述涡轮增压器的所述空气入口处的所述空气混合；所述气缸侧气体供应管中的所述燃料气体与所述混合物气体供应管中的所述混合物混合；而所述涡轮增压器中的所述混合物中的所述燃料气体的气体密度保持低于爆炸最低极限气体密度。
在用于气体发动机的第二发明的气体供应装置中，类似于第一发明，涡轮增压器将燃料气体管供应的燃料气体与空气混合，而混合物被供应到一个或多个气缸中，并在其中燃烧。
第二发明的气体供应装置包括：涡轮增压器侧气体供应管，所述涡轮增压器侧气体供应管从所述燃料气体管分支，与所述涡轮增压器的空气入口连接，并设置有用于控制所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体的气体流量的涡轮增压器侧气体流量控制阀；气缸侧气体供应管，所述气缸侧气体供应管从所述燃料气体管分支，设置有用于对所述燃料气体加压的气体压缩机，设置有用于控制到所述气缸中的气体流量的气缸侧气体流量控制阀，并与与所述气缸连接的管连接；与所述涡轮增压器连接并向所述气缸供应所述混合物的混合物气体供应管；和用于驱动用于控制所述涡轮增压器侧气体供应管中所述燃料气体的所述气体流量的所述气体流量控制阀的气体流量控制器。
在第二发明的气体供应装置中，为产生混合物，所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体与所述涡轮增压器的所述空气入口处的所述空气混合；所述气缸侧气体供应管中的所述燃料气体与所述混合物气体供应管中的所述混合物混合，其中所述混合物气体供应管与与所述气缸连接的管连接；而利用所述气体流量控制器，所述涡轮增压器中的所述混合物中的所述燃料气体的气体密度保持低于爆炸最低极限气体密度。
根据第一发明或第二发明的第三发明的气体供应装置还包括：用于检测所述气体发动机中供应压力的供应压力传感器；用于检测所述气体发动机中供应温度的供应温度传感器；和用于检测所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体的流量的流量表。
在第三发明的气体供应装置中，所述气体流量控制器：基于所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体的所述流量、所述供应温度和所述供应压力，计算所述混合物中的所述燃料气体的密度；将所述计算结果与所述爆炸最低极限密度比较；并以所述混合物中的所述燃料气体的所述气体密度低于所述爆炸最低极限密度的方式，控制涡轮增压器侧气体流量控制阀。
在根据第一发明或第二发明的所述的第四发明的气体供应装置中，所述燃料气体为甲烷而其所述爆炸最低极限密度为5％。
根据第一发明或第二发明所述的第五发明的气体供应装置还包括：排气旁路管，所述排气旁路管旁路所述涡轮增压器的排气涡轮，并与与所述气缸连接的排放连接管连接；用于控制所述排气旁路管中排放气体流量的排气旁路阀；和A/F比控制器，所述A/F比控制器用于以流入所述气体发动机中的气体流量为规定的气体流量的方式，控制所述排气旁路阀。
第六发明的气体发动机包括根据第一发明或第二发明的所述的气体供应装置。
一种用于燃烧由燃料气体管供应的燃料气体的根据第七发明的气体发动机运转方法，所述燃料气体利用涡轮增压器与空气混合，所述混合物被供应在所述气体发动机的一个或多个气缸中，所述方法包括如下步骤：为了产生混合物，将空气与与所述涡轮增压器的空气入口连接的涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体混合；向所述涡轮增压器供应所述混合物；向所述气缸供应在设置有气体压缩机的气缸侧气体供应管中的所述燃料气体；并以所述涡轮增压器中的所述混合物中的所述燃料气体的气体密度保持低于爆炸最低极限气体密度的方式，控制涡轮增压器侧气体流量控制阀。
根据本发明，在气体发动机中，涡轮增压器的出口处的燃料气体爆炸被完全避免，其中燃料气体与涡轮增压器入口处的空气混合、混合物被供应到涡轮增压器且燃料气体被供应到气缸的气体管。
此外，根据本发明，由于燃料气体流量被减少了与供应到涡轮增压器侧的量相同的量，减小了用于对到气缸侧的供应通路的燃料气体加压的气体压缩机的能耗，从而使气体压缩机的尺寸更小且具有较小容量。
此外，根据本发明，即使当由于各种原因等，涡轮增压器吸收的空气温度改变，从而导致涡轮增压器吸收的空气量变化，而因此导致混合气体量变化时，利用由A/F比控制器控制的排气旁路阀，供应到气缸的混合气体的空气过剩比也被保持几乎恒定。
附图说明
图1是本发明的气体供应装置的框图；
图2是用于涡轮增压器侧气体供应管中的燃料气体的气体流量控制器的框图；
图3是用于气体供应装置的A/F比控制器的框图。
图4是用于说明燃料气体的最低可燃极限压力的曲线。
具体实施方式
本发明的优选实施例将参照附图进行描述。应该理解：本发明不局限于构成元件的具体描述的尺寸、材料和相对布置等。
图1是本发明的气体供应装置的框图。气体发动机1与下面的各部件连接：气缸盖4、发电机13、飞轮14、涡轮增压器7(包括排气涡轮7a和压缩机7b)、与气缸盖4连接的分支供应管(split supplytubes)3、连接在压缩机7b的出口和分支供应管3之间的供应管2和用于冷却供应管2中流动的混合物气体的冷却器9。
与气缸盖4的排气口连接的排气体管5与排气集合管或排气连接管6连接。排气出口管110将排放气体从排气涡轮7a排出。
排气旁路管11从排气涡轮7a的入口侧分支，并与排气出口管110连接。排气旁路阀12改变排气旁路管11的开口。
混合器10的空气入口10a将外部空气引导入涡轮增压器7的压缩机7b中。燃料气体从未示出的燃料气体箱被引入气体供应管21中，涡轮增压器侧气体供应管211和气缸侧气体供应管212从气体供应管21分支。
涡轮增压器侧气体供应管211与设置在空气入口10a处的混合器10连接，而气缸侧气体供应管212经气体供应分支管213与分支供应管3连接。
气体压缩机18压缩流入气缸侧气体供应管212中的燃料气体。涡轮增压器侧气体流量控制阀19控制涡轮增压器侧气体供应管211的开口，同时气缸侧气体流量控制阀20控制气体供应分支管213的开口。
此外，在本发明的气体供应装置中设置有：用于检测发动机旋转速度的发动机旋转速度传感器15；用于检测发电机13的负载的负载检测器013；用于检测供应管2中的压力的供应压力传感器17；和用于检测供应管2中的温度的供应温度传感器16。此外，燃料气体流量表021检测涡轮增压器侧气体供应管211中的燃料气体的流量。
此外，在本发明的气体供应装置中设置有：旋转速度控制器24；A/F比控制器23；以及气体流量控制器22。来自旋转速度传感器15的旋转速度被输入旋转速度控制器24、A/F比控制器23和气体流量控制器22。自负载检测器013的发动机负载被输入A/F控制器23。自供应压力传感器17的供应压力被输入A/F比控制器23和气体流量控制器22。自供应温度传感器16的供应温度也被输入A/F比控制器23和气体流量控制器22。自燃料气体流量表021的燃料气体流量被输入气体流量控制器22。
旋转速度控制器24是传统的电调速器，旋转速度控制器24基于自旋转速度传感器15的发动机旋转速度，控制气缸侧气体控制阀20，以便以规定的旋转速度旋转发动机。
根据自负载检测器013的负载、自供应压力传感器17的供应压力和自供应温度传感器16的供应温度，A/F比控制器23以如下方式控制排气旁路阀12。此外，根据自旋转速度传感器15的旋转速度、自供应压力传感器17的供应压力和自供应温度传感器16的供应温度，气体流量控制器22以如下方式控制涡轮增压器侧气体流量控制阀19。
当气体发动机1运转时，燃料气体被分支成两路。一路分支燃料气体经涡轮增压侧气体供应管211被导入将分支的燃料气体与来自涡轮增压器侧空气进入通路10a的空气混合的混合器10中，而该混合物被导入涡轮增压器7中的压缩机7b中。由压缩机7b高度加热和高度加压的混合物由冷却器9冷却，并被导入分支供应管3中。
另一分支燃料气体被导入气缸侧气体供应管212、由气体压缩机18压缩并经气体供应分支管213和分支供应管3导入气缸中。
自发动机1的气缸的排放气体流入排放管5，并一起流入排放连接管6，从而驱动排气涡轮7a并从排放出口管110排出。
当排气旁路阀12由自A/F比控制器23的下述控制信号打开时，排放连接管6中的一部分排放气体旁路排气涡轮7a而从排放出口管110排出。
以下将参照图2到图4，说明气体发动机1的燃烧控制操作。
图2是气体流量控制器22的框图。如图2所示，自供应压力传感器17的供应压力、自供应温度传感器16的供应温度和自旋转速度传感器15的旋转速度被输入气体流量控制器22中的供应量计算单元221。根据供应压力、供应温度和发动机旋转速度，供应量计算单元221计算实际的空气量，并将计算结果输入到气体密度计算单元222中。
根据自燃料气体流量表021检测的燃料气体量和自供应量计算单元221计算的实际气量，气体密度计算单元222计算经过压缩机7b的混合气体中的燃料气体的密度，并将计算结果输入气体密度偏差计算单元224。
如图4所示，爆炸最低极限气体密度设置单元223设置每种燃料气体的最低极限气体密度。标号1到11所示的气体不能爆炸的气体密度区域位于极限线的左侧。本发明的优选实施例中使用的甲烷气体的爆炸最低极限气体密度被设置为低于5％。
气体密度偏差单元224将自气体密度计算单元222的计算气体密度与自爆炸最低极限气体密度设置单元223的爆炸最低极限气体密度进行比较，从而取得密度偏差。基于密度偏差，气体密度偏差计算单元224计算经涡轮增压器侧气体供应管221供应到混合器10的燃料气体量的校正值；而此外，为了将气体密度保持在爆炸最低极限气体密度以下，涡轮增压器侧气体流量控制阀开口计算单元225计算涡轮增压器侧气体流量控制阀19的开口，且它将所计算的开口量输入涡轮增压器侧气体流量控制阀19。
因此，涡轮增压器侧气体流量控制阀19以空气燃料气体混合物中的燃料气体密度保持低于爆炸最低极限密度的方式，控制燃料气体流量。
简而言之，基于检测的供应压力、检测的供应温度、检测的发动机旋转速度和检测的燃料气体流量，气体流量控制器22计算实际的燃料气体密度。然后，它将计算的实际燃料气体密度与爆炸最低极限密度(例如，甲烷为5％)比较；并以涡轮增压器侧供应通路211中的气体密度低于爆炸最低极限密度的方式，控制涡轮增压器侧气体流量控制阀19。因此，燃料气体量总被精确地保持在最大水平区域中，在该区域中，能够避免被涡轮增压器7高温和高压压缩后，燃料气体爆炸。
到气缸侧气体供应管212的气体流量能够被减小与到涡轮增压器侧气体供应管211的气体流量一样的流量。因此，气体压缩机18能够被制造得尺寸较小和容量较小。
为获得规定的发动机输出，需要大量诸如甲烷的低卡路里气体。然而，由于燃料气体流量被设置在其中气体爆炸能够被避免的最大水平区域内，并由于供应到气缸的燃料气体流量能够被减小与供应到涡轮增压器7的气体流量相同的流量，因此压缩机18的功率能被更有效地减小。
图3是A/F比控制器23的框图。如图3所示，自供应压力传感器17的供应压力、自供应温度传感器16的供应温度和自旋转速度传感器15的旋转速度被输入到A/F控制器23中的供应量计算单元221。基于供应压力、供应温度和发动机旋转速度，供应量计算单元221计算实际的空气量，并将计算结果输入到混合气体计算单元231中。
此外，自发动机负载检测器013的负载被输入目标混合气体量计算单元232并被输入混合气体量计算单元231。基于对应于检测的发动机负载的燃料气体量和实际空气量，混合气体量计算单元231计算实际的混合气体量。然后，它将计算结果输入混合的气体量偏差计算单元233。
此外，基于对应于检测的发动机负载的适合的空气过剩比，目标混合气体量计算单元232计算目标混合气体量。然后，它将计算结果输入到供应量控制量计算单元234中。
基于混合气体量偏差，供应量控制量计算单元234计算涡轮增压器7的出口处的供应量控制量。然后，它将计算结果输入排气旁路阀开口计算单元235。
在这里，在发动机1中，当排气旁路阀12的开口增加，从而增加了排放气体量时，供应压力降低。另一方面，当排气旁路阀12的开口减小，从而减少了排放气体量时，供应压力增加。
因此，基于供应压力和阀开口之间的上述关系，排气旁路阀开口计算单元235计算排气旁路阀12的开口，并将计算的阀开口量输入用于排气旁路阀12的未示出的阀驱动装置。
因此，实际的空气量以发动机1以适合的恒定空气过剩比运转的方式得到控制。
如上说明，以完全避免被涡轮增压器7高度加压和高度加热后气体爆炸的方式，供应到涡轮增压器侧气体供应管211的燃料气体量总是精确地得到控制。此外，由于供应到气缸的气体量被减少了供应给涡轮增压器侧的量，因此气体压缩机18的功耗得到抑制。
此外，即使当由于各种原因等，涡轮增压器7吸收的空气温度改变，从而导致涡轮增压器7吸收的空气量变化，而因此导致混合气体量变化时，通过控制排气旁路阀12，供应到气缸的混合气体的空气过剩比也被保持得几乎恒定。
虽然我们已描述了本发明的优选实施例，但存在对该优选实施例的许多修改。
虽然气体供应基于上述实施例中的供应温度和供应压力计算的，但是气体供应也可以基于供应温度和流量计算。
此外，虽然旋转速度被输入气体流量控制器22，但是为了预先输入额定的旋转速度，额定的旋转速率设置单元可设置在气体流量控制器22中。
此外，虽然气体流量控制器22计算了自传感器的输入，但是可以预先准备对应于供应压力、供应温度和燃料气体流量的映象(map)。
Claims (7)
1.一种用于气体发动机的气体供应装置，其中，燃料气体管供应的燃料气体由涡轮增压器与空气混合，而该混合物被供应到一个或多个气缸中并在其中燃烧，所述气体供应装置包括：
涡轮增压器侧气体供应管，所述涡轮增压器侧气体供应管从所述燃料气体管分支，与所述涡轮增压器的空气入口连接，并设置有用于控制所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体的气体流量的涡轮增压器侧气体流量控制阀；
气缸侧气体供应管，所述气缸侧气体供应管从所述燃料气体管分支，设置有用于对所述燃料气体加压的气体压缩机，并设置有用于控制到所述气缸中的气体流量的气缸侧气体流量控制阀；
与所述涡轮增压器连接并向所述气缸供应所述混合物的混合物气体供应管；和
用于驱动用于控制所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体的所述气体流量的所述气体流量控制阀的气体流量控制器，
其中：
为产生混合物，所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体与所述涡轮增压器的所述空气入口处的所述空气混合；
所述气缸侧气体供应管中的所述燃料气体与所述混合物气体供应管中的所述混合物混合；和
所述涡轮增压器中的所述混合物中的所述燃料气体的气体密度保持低于爆炸最低极限气体密度。
2.一种用于气体发动机的气体供应装置，其中燃料气体管供应的燃料气体由涡轮增压器与空气混合，而混合物被供应到一个或多个气缸中并在其中燃烧，所述气体供应装置包括：
涡轮增压器侧气体供应管，所述涡轮增压器侧气体供应管从所述燃料气体管分支，与所述涡轮增压器的空气入口连接，并设置有用于控制所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体的气体流量的涡轮增压器侧气体流量控制阀；
气缸侧气体供应管，所述气缸侧气体供应管从所述燃料气体管分支，设置有用于对所述燃料气体加压的气体压缩机，设置有用于控制到所述气缸中的气体流量的气缸侧气体流量控制阀，并与与所述气缸连接的管连接；
与所述涡轮增压器连接并向所述气缸供应所述混合物的混合物气体供应管；和
用于驱动用于控制所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体的所述气体流量的所述气体流量控制阀的气体流量控制器，
其中：
为产生混合物，所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体与所述涡轮增压器的所述空气入口处的所述空气混合；
所述气缸侧气体供应管中的所述燃料气体与所述混合物气体供应管中的所述混合物混合，其中所述混合物气体供应管与与所述气缸连接的管连接；和
利用所述气体流量控制器，所述涡轮增压器中的所述混合物中的所述燃料气体的气体密度保持低于爆炸最低极限气体密度。
3.根据权利要求1或2所述的气体供应装置，还包括：
用于检测所述气体发动机中的供应压力的供应压力传感器；
用于检测所述气体发动机中的供应温度的供应温度传感器；和
用于检测所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体的流量的流量表，
其中所述气体流量控制器：
基于所述涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体的所述流量、所述供应温度和所述供应压力，计算所述混合物中的所述燃料气体的密度；
将所述计算结果与所述爆炸最低极限密度比较；和
以所述混合物中的所述燃料气体的所述气体密度低于所述爆炸最低极限密度的方式，控制涡轮增压器侧气体流量控制阀。
4.根据权利要求1或2所述的气体供应装置，其中：所述燃料气体为甲烷而其所述爆炸最低极限密度为5％。
5.根据权利要求1或2所述的气体供应装置，还包括：
排气旁路管，所述排气旁路管旁路所述涡轮增压器的排气涡轮，并与与所述气缸连接的排放连接管连接；
用于控制所述排气旁路管中的排放气体的流量的排气旁路阀；和
A/F比控制器，所述A/F比控制器用于以流入所述气体发动机中的气体流量为规定的气体流量的方式控制所述排气旁路阀。
6.一种气体发动机，该气体发动机包括根据权利要求1或2所述的气体供应装置。
7.一种气体发动机运转方法，该气体发动机运转方法用于燃烧由燃料气体管供应的燃料气体，所述燃料气体利用涡轮增压器与空气混合，该混合物被供应在所述气体发动机的一个或多个气缸中，所述方法包括如下步骤：
为了产生混合物，将所述空气与涡轮增压器侧气体供应管中的所述燃料气体混合；
向所述涡轮增压器供应所述混合物；
向所述气缸供应在设置有气体压缩机的气缸侧气体供应管中的所述燃料气体；和
以所述涡轮增压器中的所述混合物中的所述燃料气体的气体密度被保持低于爆炸最低极限气体密度的方式，控制涡轮增压器侧气体流量控制阀。
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