专利名称：气体燃料发动机进气密度控制系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及气体燃料内燃机，更具体地涉及一种具有排气再循环的发动机，该排气再循环用于调节供应给所述发动机的气体混合物的密度。
背景技术：
气体燃料内燃机早已已知，并且在当今社会中变得日益普遍。典型的气体燃料内燃机与传统的液体燃料内燃机的主要区别在于，在发动机中燃烧气体，例如甲烷、天然气、 乙烷、丙烷等或某些混合物，而不是燃烧来自喷油器或化油器的液体燃料的雾化油雾。大部分气体燃料发动机通过传统的J间隙火花塞火花点火。其它变型如非增浓式预燃烧室火花塞或增浓式预燃烧室J间隙火花塞也可用于点燃气体燃料和空气混合物。在其它示例诸如双燃料发动机中，气体燃料经由传播火焰前锋并燃烧气体燃料和空气混合物的馏出柴油的小量先导喷射的压缩点火被点燃。虽然可设想制造压缩点火式气体燃料发动机，但公知不存在商业上可行的压缩点火式气体燃料发动机。使用气体燃料而不是液体燃料如汽油或柴油在调节供应给发动机的燃料量方面提出了挑战。例如，在某些发动机中将离散数量的液体燃料直接喷入发动机气缸或预燃烧室比输送可燃气体的经过计量的进气相对容易。所述的在气体燃料发动机中燃料计量挑战的其中一个原因涉及在温度改变时气体的体积和/ 或压力会变化。然而，气体燃料发动机可提供显著的优点，其中之一是某些排气污染物的减少。例如，燃烧气体如甲烷的内燃机排放物中，即使有未燃烧的碳氢化合物物质或炭黑，其量也很少。气体燃料内燃机比传统的液体燃料发动机也更适于偏远环境，在那些地方可以供给可燃气体如天然气，但精炼的碳氢化合物燃料费用高昂或根本无法供应。作为燃料的碳氢化合物，无论是气态还是液态，其燃烧不可避免地会产生某些污染物。多年来，工程师已想出很多用于减少发动机排放物中某些污染物的方法。对燃料喷射量和喷射正时的复杂的控制、燃料添加剂和催化转化器都代表了提高各种内燃机的经济性和排放性能的努力。虽然在内燃机中用气态碳氢化合物代替液态碳氢化合物提供了固有的优点，但工程师在不断地寻求改进。关注的一类污染物一般已知为NOx。NOx涉及几种类型的氮氧化物组分，这几种类型的组分每个分子内与单个氮原子结合的氧原子的数量不同。由授予Toelle的美国专利No. 4，173，205已知一种在内燃汽油发动机中降低NOx 组分的排放的尝试。Toelle描述了一种系统，在该系统中闭合回路排气再循环系统将来自发动机的排气泵入发动机进气歧管中。Toelle系统是电子控制系统，并使用查询表，该查询表具有对应于给定的节气门位置和发动机转速的推定歧管气压最优值。在排气再循环系统中的电子控制阀调节成用于提供相对更多或更少的所需的排气再循环流量，以减少NOx排放物。Toelle给出了在内燃机中减少NOx的一种尝试，然而这种设计也有其缺点，主要在于单独的歧管气压仅代表发动机排气中的NOx含量的近似预测。在授予Boley等人的美国专利申请出版物No. 2004/0024518中给出了另一种已知
4的用于限制NOx生成的设计。Boley等人讲述了一种系统，该系统中进入发动机的燃烧用混合物的密度被调节成用于调节发动机的NOx输出。Boley等人教导了使用质量流量传感器或压力与温度传感器的组合来确定燃烧用混合物的密度。一旦已知，可通过增加进入发动机的燃料流量和/或空气流量来将燃烧用混合物密度调节到所期望的水平。虽然Boley等人的设计提供了一些优点，但仅通过调节混合物中空气与燃料的相对比例来调节燃烧用混合物的密度，这可能会将发动机限制在某些运行方案中。本发明的目的在于解决上述的一个或多个问题或缺点。
发明内容
一方面，本发明提供一种气体燃料发动机。该发动机包括气体燃料供应系统和排气再循环系统，该排气再循环系统具有可调节的流量，并可操作以给至少一个发动机气缸供应排气。所述发动机还包括用于确定表征供应给该发动机的气体混合物密度的值、以及至少部分地基于上述值调节通过排气再循环系统的流量的装置。火花塞部分地位于所述至少一个发动机气缸中。另一方面，本发明提供了一种包括计算机可读的数据存储介质的制品。气体燃料供给系统控制算法记录在所述数据存储介质上。火花塞控制算法也记录在所述介质上。排气控制算法记录在所述介质上，该排气控制算法包括用于确定表征在内燃机中的气体混合物密度的值的方法。该控制算法还包括用于至少部分地基于上述值设定发动机中发动机排气再循环流量的方法。又一方面，本发明提供了一种操作具有排气再循环系统的气体燃料发动机的方法。该方法包括给至少一个发动机气缸供给气体燃料的步骤。该方法包括确定表征供应给该发动机的气体混合物的期望密度的值的步骤。该方法包括火花点燃所述气体混合物的步骤。该方法还包括通过至少部分地基于上述值设定排气再循环流量来将发动机的NOx输出设定在预定范围内的步骤。
图1是根据本发明的气体燃料内燃机的示意图；图2是说明操作根据本发明的发动机的方法的流程图；图3是说明调整根据本发明的发动机的方法的流程图；图4是用于图1所示发动机的发动机气缸的剖视图。
具体实施例方式参照图1和4，图中示出了气体燃料内燃机10。发动机10基本上适合于需要内燃动力源的任何应用场合，特别是很好地适合于需要限制某些污染物如NOx组分排放的应用场合。大体上，发动机10包括用于确定表征气体混合物例如进入发动机缸体12的燃烧用混合物的密度的值的装置，以及用于至少部分地根据所确定的值设置排气再循环流量的装置。泵入发动机进气装置中的排气将气体混合物的密度朝期望的密度调节。在气体燃料是气体混合物的一部分的情况下，气体混合物的密度可描述为气体混合物或燃烧用混合物的 “进气密度”。只要可计算或估算进入发动机的主要气体量的密度，就可获得用于设置或调节排气再循环流量的有用的“值”。在一个最优选的实施例中，通过所述值来确定和表示气体燃料、排气和空气的混合物的实际进气密度。在目标气体混合物不包括燃料的其它实施例中，该气体混合物的密度或估算密度可用作用于调节或设定排气再循环的运行值，或者该密度或估算密度可与后续添加的燃料压力的值或估算值结合使用。这样一个替换方案可为气体燃料被直接供应给每个单独的气缸的发动机。当排气被泵入气体混合物中时，排气用作惰性气体散热装置，从而增加气体混合物的密度，同时降低发动机10的NOx排放。因此，根据发动机10的特定设计和运行，可在发动机10的进气系统中的多个位置处进行密度测量或近似表示。例如，在发动机10在进气歧管上游使用传统的气体燃料、空气和排气混合物的情况下，如文中所述，本文公开的系统和方法将优选测量、估算或近似表示整个混合物的进气密度。在发动机10例如使用直接喷射或进气口喷射的情况下，可仅测量或估算空气和排气的混合物的密度。本领域的技术人员将认识到，有很多获得上述“值” 的方法，多种发动机设计和运行方案可很好地适合于运行并根据文中的教导构造。如文中所用，短语“表征......的值”应理解成包括直接关心的特性或值，例如密
度或进气密度的直接测量值，以及与关心的特性或值具有已知关系的其它值。“值”本身应理解成包括数量、代码和/或信号。而这里讨论的“信号”应类似地理解成广泛地指在发动机10的各个部件之间的各种通信。发动机10包括其中具有至少一个气缸70的发动机缸体12，并优选地燃烧气态碳氢化合物燃料或包含例如甲烷或丙烷的燃料混合物。应当认识到，可以使用任何合适的气态燃料。包含各种比例的气体燃料种类的天然气很可能成为本发明的大部分应用场合中的气体燃料。发动机10的气体燃料供给系统17包括与发动机进气通道23相连接的燃料进口 20和进气口 22。设有燃料计量阀18，该燃料计量阀18优选布置在向发动机缸体12和相关的所述至少一个气缸供给燃烧用混合物的进气歧管M的上游。进气歧管压力和温度传感器50经由通信线路67将进气歧管压力和温度传送到电子控制模块60。如文中所述，发动机10也可以是直接喷射或进气口喷射发动机，或者可包括预燃烧室。本领域内公知的λ 传感器16优选设置于排气出口通道25中，并包括可与燃料计量阀18直接或间接通信的通信装置。传统的三元催化剂14优选设置于排气出口通道25中，以减少污染物排放，如文中所述。其它类型的催化剂系统例如可代替三元催化剂14，而不会偏离本发明的预期精神和范围。发动机10还包括可操作以使排气从出口通道25优选地循环至进气通道23的排气再循环系统或回路28。在发动机10中，排气被示出从催化剂14下游的出口通道25供给。在这一实施例中，文氏管/文丘里管52或某个其它装置优选结合在进气通道23中，以有助于经由供给管路四优选从进气通道23与燃料进口 20连接处的上游向进气通道传输排气。这是因为排气经过催化剂14时通常导致排气中的压力降低，因此通常需要某些用于辅助向进气通道23供给排气的装置。应当认识到，排气也可从催化剂14上游的某一位置处获取/抽吸。在这一实施例中，减小或消除了补充泵送排气的需求，文氏管也不是必需的， 因为催化剂14上游的排气的压力通常足以使排气再循环。在图1中以虚线示出用于此目的的上游供给管路^a。此外，替代从燃料进口 20与进气通道23的连接处的上游供给排气，在上述任一实施例中可在燃料进口 20下游提供排气。进气通道23和燃料进口 20之间的连接处下游的供给管路29a在图1中以虚线示出。排气再循环系统观还优选地包括排气中间冷却器40(例如传统的热交换器)和可调节的排气控制阀30。特别参照图4，气体燃料发动机12包括多个发动机气缸70，各气缸70包括往复运动的活塞71，气缸70与活塞71共同限定出燃烧室72。本领域的技术人员将认识到，发动机12的压缩比不足以引起燃烧室72中的气体燃料的压缩点火。相反，发动机12的各气缸 70装备有经由通信线路68从电子控制模块60接收控制信号的火花塞75。因此在位于预燃烧室77中的火花隙76处形成火花。预燃烧室77中的火花点燃的气体混合物随即经由通过火焰连通通道79伸出的火焰点燃燃烧室72中其余的气体燃料、空气和排气的混合物。 然而，本领域的技术人员应认识到，本发明还设想不包括预燃烧室77而是可利用不同的火花塞构型如本领域内公知的传统J间隙类型火花塞的火花点火式气体燃料发动机。各气缸 70还装备有从进气歧管M接收排气、气体燃料和空气的混合物的进气阀73。同样，各气缸 70包括用于将燃烧产物从燃烧室72排放到排气出口通道25的排气阀74。优选地还设有优选包括可编程微处理器的电子控制模块60，该电子控制模块可操作以控制发动机10的各个部件，如文中所述。控制模块60优选经由通信链路62与λ传感器16通信。传感器16例如可构造成产生传送给控制模块60的周期性的信号，或控制模块60本身可启动传感器16以确定对排气的读取。在任一情况下，控制模块60优选可操作以确定λ值或发动机的空燃比。控制模块60还优选可操作，以经由通信链路64利用燃料计量阀18来调节燃烧用混合物的燃料与空气的比率。通常期望以尽可能接近燃烧用混合物中的燃料和空气的理想配比(化学计量比) 的量来运行发动机10。在理想配比的燃料与空气的比率下，λ等于一。因此，控制模块60 将连续地或有规律地计算λ值并根据需要朝所期望的比例来调节燃料与空气的比率。例如，在计算出的λ值表明混合物过浓的情况下，可调节燃料计量阀18以减小供应给进气通道23的燃料量。在λ值表明混合物过于稀薄的情况下，控制模块60可调节燃料计量阀18 以增加供应给进气通道23的燃料量。通常，发动机10上的负荷可粗略地与空燃比相关。因此，λ值的计算和燃料与空气的比率的调节可主要是微调。换言之，可利用控制模块60，至少部分地通过参考预存的基于不同的发动机负荷水平的燃料-空气比率的脉谱图(map)来进行该过程，该控制模块可在燃料和/或空气供给中依次对较精细的调节进行控制。本领域的技术人员会认识到，存在其它合适的用于在或接近于理想配比的空燃比的情况下运行发动机10的手段，可使用这些其它的手段而不会偏离本发明的预期范围。控制模块60还优选经由通信链路66与排气再循环阀30通信，并可操作以调节该排气再循环阀从而改变从排气通道25到进气通道23的排气流量。因此，优选地包括空气、 燃料和可变水平的再循环排气的燃烧用混合物被输送到进气歧管24。在直接喷射或进气口喷射的设计中，混合物将是空气加上可变量的再循环排气。在一个优选实施例中，至少部分地基于供应给发动机10的气体混合物的期望密度，最优选地至少部分地基于气体燃料、空气和排气的混合物的进气密度，来调节排气流量。已发现，混合物的进气密度与排气流中的NOx含量有关。因此，可改变排气再循环的流量以调节混合物的密度，以及相应地改变发动机排气的NOx含量。通常，较高的密度引起生成较少的NOx。然而，如果密度过高，例如，在过多的排气被添加到燃烧用混合物的情况下， 可能发生由于稀薄而熄火。同样，过低的密度可能引起发动机爆震。因此，通常在发动机熄火边缘与发动机爆震边缘之间调整排气再循环流量，以得到期望的NOx含量。如文中所述，控制模块60与λ传感器16和燃料计量阀18协作，优选地将空燃比保持成尽可能接近理想配比量。这可通过调节供应给进气通道23的气体燃料量或喷射到发动机气缸或预燃烧室中的燃料量来进行。将排气泵入进气通道23中以便增加进入歧管 24的气体混合物的密度。然而，优选地大致保持供应给发动机10的燃料和空气的相对比例，再循环的排气用作降低燃烧温度的惰性气态散热装置。此外，因为燃烧用混合物优选地被保持为比较接近于理想配比的比例，所以三元催化剂14可以在由排气中未燃烧的氧产生的氧中毒很少或没有的情况下工作，而在稀薄燃烧条件下以传统方式运行的发动机会出现氧中毒的情况。气体混合物的实际密度可通过多种方法中的任何一种来测量、近似表示或估算， 并且优选地通过检测在进气歧管M处的压力和温度来测量。可使用理想气体方程的形式来帮助计算，该方程如下其中d=气体混合物密度；P =气体混合物压力；T =气体混合物温度；R=理想气体常数。丽=气体混合物的平均分子量测量进气歧管处的气体混合物的压力与温度的比率，或温度与压力的比率，使得可以计算进入发动机缸体12的气缸的气体的密度。这种能力不论气体燃料的类型如何都一直存在。具体而言，因为“R”是常数，所以它代表一个已知的值。同样，“丽”或分子量仅与本质上封闭的系统内具有恒定的平均分子量的气体反应物和产物——也就是燃料、空气和排气——有关，该“丽”也代表一个已知的值。换言之，燃料和空气混合物的平均分子量与排气的平均分子量相等。因此，“P”与“T”的比率可与表示燃烧用混合物的密度的值相关联，并且实际上就是表征燃烧用混合物的密度的值。由于密度可与NOx输出相关，所以所述计算可产生对发动机10的排气中NOx含量的较为接近的预测。这提供了对这样一种系统的显著改善的控制，在该系统中单独的压力用于确定所期望的排气流量。在一个优选的实施例中，一旦确定表征进入发动机缸体12的气体混合物的密度的值，便可调节再循环并被输送给进气通道23的排气量，以将密度调节到所期望的量，从而相应地调节进气密度和发动机10的NOx输出。所期望的排气流量优选基于上述考虑通过控制模块60来计算。优选地，控制模块60包括计算机可读的介质，该介质具有记录在其上的用于控制上述表征值确定和排气再循环流量的控制算法。该算法优选包括用于优选地基于测得的歧管温度和压力来确定表征气体混合物密度的值的方法，还包括用于至少部分地基于所述值来设定排气再循环流量的方法。控制算法在确定该值时可利用理想气体方程，尽管如文中所述可考虑替代手段。还可对控制模块60进行编程，使其具有第二或相同的控制算法，该第二或相同的控制算法具有用于确定发动机10中的燃料-空气比率的方法，以及用于设定所述燃料-空气比率或朝所期望的例如理想配比的燃料-空气比率来调节所述燃料-空气比率的方法。因为发动机10优选地尽可能接近理想配比的燃料-空气比例运转，所以气体混合物密度调节优选至少部分地基于λ值比较接近1的运行进行。虽然已经发现进气密度和NOx输出相关，但该关系至少部分地取决于特定的发动机转速和负荷下的运行。因此，发动机10可装备有一个或多个指示转速和其上负荷的传感器(未示出)。因而，当基于进气密度计算和设定发动机10的NOx输出时，所选择的值取决于发动机的转速和负荷两者。进气密度是指将要在燃烧室72中燃烧的燃料、空气和再循环的排气的气体混合物的密度。控制模块60可构造成例如借助于记录在其上的算法来访问包括进气密度、发动机转速和发动机负荷在内的多个参数的查询表。当例如通过测量在进气歧管M处的压力和温度确定了表征密度的值时，可通过比较该值与查询表中预先记录的值的集合，针对发动机转速和负荷来设定排气再循环流量。控制模块60还可构造成部分地基于将阀位置与一个或多个粗略相关的发动机参数例如单独的发动机负荷联系起来的位置脉谱图，来设定或微调排气控制阀30的位置。因此，发动机负荷与阀30的期望位置之间的关联可用作后续微调的出发点。电子控制模块60也可构造成具有传统气体燃料供给系统控制算法，该算法记录在介质上并且可由程序执行或与电子控制模块60相关联以控制燃料计量阀18的运行，并因此控制对发动机12的燃料供给。此外，电子控制模块60可包括记录在介质上的火花塞控制算法，用于控制通过火花塞75通常在活塞71位于压缩冲程的上死点附近时发生的火花点火事件的正时和时长，以控制发动机气缸72中的气体混合物的点火正时。工业实用性参照图2，图中示出提出在根据本发明的气体燃料发动机运行过程的多个步骤的流程图。图2的过程描述了用来确定和设定发动机10中所期望的排气再循环流量的示例性步骤。起初，发动机10起动，燃料和空气优选通过进口 20和22被输送至进气通道23。优选的气体燃料和空气的混合物流过进气通道23到达进气歧管Μ，进而到达发动机缸体12。 排气以传统的方式从发动机缸体12穿过排气出口通道25，并最终流过三元催化剂14。作为发动机起动的一部分，或紧接在发动机起动后，λ传感器16优选测量排气通道25中未燃烧的氧气含量，控制模块60可操作燃料计量阀18，以朝理想配比的比例调节燃料与空气的比率。燃料、空气和再循环的排气的气体混合物在某一期望的正时(例如当活塞71处于上死点附近时)借助于在预燃烧室77中的火花隙76处形成的火花点火。预燃烧室77中的气体混合物的初始点燃经由多个火焰传送通道79被传送至燃烧室72中其余的气体混合物。如果需要，则发动机12可包括某一已知策略，用于在空燃比较高并且气体混合物对点火和燃烧呈现出更大阻力的这些情况下增加预燃烧室77中的气体混合物的相对浓度。一旦发动机10开始运行，则优选地确定发动机转速和发动机负荷。如文中所述， 这可用包括多种传感器的多种方法来进行。在发动机10用于驱动发电机的情况下，发动机负荷可例如通过监控或测量发电机本身的负荷要求来确定。发动机转速测量可通过多种公知方法中的任何一种来进行。对于给定的发动机转速和负荷，排气的NOx含量与进气密度相关。因此，一旦确定了转速和负荷，控制模块60便优选访问查询表以确定在该转速和负荷下所期望的进气密度，该进气密度会产生所期望的NOx输出。接下去，控制模块60将如文中所述，优选地通过在歧管M处使用压力和温度传感器50，来优选确定表征燃烧用混合物的进气密度的值。一旦确定出实际的进气密度或表征该进气密度的值，控制模块60将设定/调节阀30以获得所期望的燃烧用混合物的进气密度。所述的确定速度和负荷、访问查询表和设定所期望的进气密度值通常在发动机10 运转期间重复多次，经常以几微秒一次的速度进行。多个因素例如环境温度、发动机转速和负荷的变化等可能要求重新调节进气密度。上述说明主要针对于在控制模块60中具有预存的查询表的系统。对于给定系列的发动机，查询表最初可在单个试验发动机中创建，然后再应用到具有类似设计的其它发动机上，如文中所述。对于某些应用或特定的发动机设计， 各个单个的发动机可能需要其自己特有的查询表，该查询表提供有通过在受控条件下运行发动机而产生的数据，也如文中所述。因此，控制模块60将确定燃烧用混合物进气密度应增加的期望程度，以获得所期望的发动机10的NOx输出。所述值确定了阀30的设定点，该阀在发动机断火边缘和发动机爆震边缘之间调节所期望的应当再循环的排气流量，以获得适当的进气密度和相应的NOx 输出。一旦已确定出所期望的进气密度值，控制模块60便优选相应地打开或调节排气再循环阀30。例如，电子控制模块60可采用标准的闭环PID控制器，以周期性地比较所期望的进气密度和检测到的密度，然后调整阀30，以与期望值和实际值之间的差值成比例地调节排气循环的量。如上所述，对于各个发动机转速和负荷，所期望的进气密度可包括在本领域内公知类型的查询表中。流向进气歧管M的排气在燃烧过程中可用作惰性气体散热装置， 从而增大进气歧管M中的气体混合物的压力和密度，并增大燃烧用混合物的进气密度，而不会改变燃烧用混合物中的燃料和空气的相对量，在某些较早的设计中会改变该相对量。 因此，可减少发动机10的NOx输出，而不会产生过多的自由氧来使催化剂14中毒。大部分(如果不是全部)内燃机都具有制造公差，该制造公差以较小的但并不可忽略的方式影响发动机的运行。因此对于某些应用，可能需要为各个单独的发动机的电子控制模块提供查询表。或者，某些发动机设计可能很好地适用于一个可应用于很多类似的或相同的发动机的标准查询表。在任一情况下，当实际的NOx排放可例如在实验室或生产厂测量时，通常需要提供用于发动机控制的查询表。该过程通常通过起动发动机并使其以恒定的转速和负荷运行来进行。一旦确定了转速和负荷，就可将NOx传感器或类似装置设置在排气流中，并通过使排气再循环来调节进气密度，以改变NOx输出。然后，可绘制出NOx 输出值并将其记录在用于给定的进气密度、发动机转速和发动机负荷的查询表中。NOx输出和进气密度之间的关系允许将绘制出的值拟合成一曲线。尽管各种发动机间的公差可能使基于进气密度精确设定NOx输出的尝试失败，但进气密度与NOx输出之间的一般数学关系倾向于可在各种发动机类型、发动机型号和气体燃料类型中应用。因此，一旦描述所述关系的函数从对单个发动机的测试中得出，便可计算出用于其它单个发动机的与该函数的偏差值或系数(multiplier)。所述偏差值的确定可描述为基于从另一个类似发动机得出的数据来“调节”各个单独的发动机。参考图3，图中示出描述调节发动机使其运行与已知的进气密度与NOx输出之间的数学关系相称的过程的流程图。一旦发动机起动、转速和负荷设定、并已获得近似理想配比的燃料-空气比，便例如用NOx传感器测量实际的发动机输出NOx含量。然后，将所期望的发动机输出NOx排放水平与实际的发动机输出NOx排放水平相比较，确定两者之间的差值。该“差值”可理解为与发动机实际性能和所期望的发动机性能的偏差相对应的偏差值或数据系数。一旦已知该偏差值，预存的查询表便可合适地与该特定的发动机一起使用，并且根据所述偏差值简单地调节查询表地址。因此，可为一系列的发动机生成一基本系列的查询表，然后通过比较每个特定的发动机在已知转速和负荷下的实际NOx输出水平与基于基本系列号的所期望的NOx输出，来将该基本系列的查询表调节至各特定的发动机。尽管本发明认识到，在进气密度和排气的NOx含量之间似乎存在数学关系，并且该关系很好地适合于查询表，但本领域的技术人员将认识到，公式、曲线拟合方程、神经网络等可代替查询表而不会偏离本发明的预期范围。 本说明书仅用于说明目的，决不应理解成缩小本发明的范围。因此，本领域技术人员应认识到，可对这里公开的实施例作出多种改动而不会偏离本发明的预期精神和范围。 例如，虽然已结合测量歧管压力和温度的系统对这里公开的实施例进行了描述，但也可设想其它的用于确定气体混合物密度的装置。例如，用于空气或燃料的质量流量传感器可用来确定密度，而不会偏离本发明的范围。通过对附图和所附权利要求的研究，可以清楚地看到其它方面、特征和优点。
权利要求
1.一种气体燃料发动机，包括 气体燃料供给系统(17)；具有可调节的流量的排气再循环系统(观)，所述排气再循环系统08)可操作以给至少一个发动机气缸供给排气；部分地位于所述至少一个气缸中的火花塞(75)，用于点燃气体混合物；以及用于确定表征供应给所述发动机的气体混合物的密度的值、并至少部分地基于所述值调节通过所述排气再循环系统08)的流量的装置。
2.根据权利要求1所述的气体燃料发动机，其特征在于，该发动机包括 进气歧管(24)；排气出口通道05)；设置在所述进气歧管04)和所述出口通道05)中的至少一者中的至少一个传感器；以及构造成与所述至少一个传感器通信并且可操作以确定所述值的处理器。
3.根据权利要求2所述的气体燃料发动机，其特征在于所述至少一个传感器包括设置在所述进气歧管04)中的压力传感器和温度传感器 (50)；所述处理器构造成与所述压力传感器和所述温度传感器(50)通信，并可操作以至少部分地基于所述进气歧管04)中的气体压力和气体温度的比率或所述比率的倒数确定所述值。
4.根据权利要求3所述的气体燃料发动机，其特征在于，该发动机还包括 设置在所述排气出口通道0 中的λ传感器(16)；设置在所述进气歧管04)上游并与所述处理器联接的燃料计量阀(18)，所述燃料计量阀(18)可操作以调节流到所述进气歧管04)的燃料流，并朝所期望的燃料-空气比率调节所述发动机的实际的燃料-空气比率；所述处理器构造成与所述λ传感器(16)通信，并可操作以部分地基于所述期望的燃料-空气比率来设定所述排气再循环流量。
5.根据权利要求4所述的气体燃料发动机，其特征在于，所述处理器可操作以设定所述排气再循环流量，以便独立于气体燃料类型地调节气体混合物的密度。
6.根据权利要求1所述的气体燃料发动机，其特征在于，该发动机包括设置在所述排气出口通道0 中的三元催化剂(14)，所述排气再循环回路与所述排气出口通道0 在所述三元催化剂(14)下游相连接；也设置在所述排气出口通道05)中的λ传感器(16)；可操作地与所述λ传感器(16)联接的燃料计量阀(18)，所述燃料计量阀(18)可操作以朝理想配比的空燃比调节所述发动机的实际空燃比。
7.一种用于操作具有排气再循环系统08)的气体燃料发动机的方法，该方法包括以下步骤向至少一个发动机气缸供给气体燃料； 用火花点燃气体燃料、空气和再循环的排气的混合物； 确定表征供应给所述发动机的气体混合物的期望密度的值；以及通过至少部分地基于所述值设定排气再循环流量，来将所述发动机的NOx输出设定在预定范围内。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，确定值的步骤包括测量包括空气和排气的混合物的温度和气体压力。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，设定发动机的NOx输出的步骤包括参考预存的一组NOx值，该组NOx值与燃料、空气和排气的混合物的给定的进气密度相对应；测量发动机在给定转速和负荷下的实际的NOx输出；以及确定所述实际的NOx输出相对于所述预存的一组NOx值的偏差值。
10.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，该方法包括至少部分地通过在发动机爆震进气密度和发动机熄火进气密度之间的预定范围内调节发动机的进气密度来设定发动机的NOx输出的步骤；以及测量燃料、空气和排气的混合物的燃料-空气比率，并朝理想配比的燃料-空气比率来调节所述燃料-空气比率。
全文摘要
本发明涉及一种包括排气再循环系统的火花点火式气体燃料发动机和一种用于操作气体燃料发动机的方法。该排气再循环系统具有可调节的流量，并可操作以给至少一个发动机气缸供给排气。该发动机还包括用于确定表征供应给所述至少一个气缸的包括气体燃料、空气和排气的燃烧用混合物的进气密度的值、并至少部分地基于该值调节通过排气再循环系统的流量的装置。进气密度可允许控制器经由进气密度与NOx输出之间的预定相关性来设定发动机的NOx输出率。
文档编号F02M21/02GK102216598SQ200980145329
公开日2011年10月12日 申请日期2009年11月12日 优先权日2008年11月13日
发明者B·M·拜利, W·C·博利 申请人:卡特彼勒公司