提高内燃机中的容积效率的装置和方法
【专利说明】提高内燃机中的容积效率的装置和方法发明领域
[0001]本申请涉及提高内燃机中的容积效率的装置和方法。更具体地说，主题装置和方法涉及以在低温温度下存储的气体燃料为燃料的发动机。
[0002]发明背景
[0003]汽车制造商设计以诸如天然气和液化石油气(LPG)的替代燃料为燃料的车辆，以便与使用汽油和柴油操作相比降低燃料的排放和成本。过去，此类以替代燃料为燃料的车辆的大多数已经以接近环境温度存储此类气体燃料，例如，作为压缩天然气(CNG)。由于与CNG相比增加的能量密度，液化天然气(LNG)在许多应用中越来越被接受。也就是说，使用LNG，存储等量的燃料需要的空间量减少。在外容器与绝缘内容器之间维持真空的双壁存储容器以大约_162°C的沸点温度(在每平方英寸50镑至150镑的范围之间的典型存储压力下)或接近所述温度存储液化天然气。液化天然气通常在引入发动机燃烧室之前从液体状态转换成气体或超临界状态。通常被称为蒸发器的热交换器是用于完成这种转换的有效装置，因为它可以采用由发动机水套中的冷却剂捕获的发动机废热来使液化天然气蒸发。可采用能量的其他源，诸如燃烧诸如天然气蒸汽的燃料的电加热器或锅炉来使LNG蒸发。
[0004]转换成以天然气为燃料的汽油发动机通常导致输送功率的10%至15%的降低，其中所述降低功率的两个主要因素是通常与奥托循环发动机对狄塞尔循环发动机相关联的较低压缩比以及由天然气的引入引起的空气置换。一种提高以天然气为燃料的奥托循环发动机的容积效率的已知方法是增大压缩比，因为天然气通常具有与汽油(通常在88与92之间)相比更高的辛烷值(通常为约120)，这意味着天然气更不易预燃或导致发动机爆震。在本公开中，“预燃”被定义为在燃烧室中的空气/燃料混合物在点火源被激活之前点燃时发生，并且“发动机爆震”或“爆震”被定义为在燃烧室中的空气/燃料混合物的燃烧响应于被点火源点燃正确地开始，但一袋或多袋的空气/燃料混合物在正常燃烧前缘的包络面外面爆炸时发生。
[0005]2002年11月14日公开的、标识Scott Tritton为发明人(下文引用为Tritton)的国际专利公开号W0 02，090，750A公开一种将液体燃料转换成气体燃料的燃料输送系统，其尤其用于转换成以液化气运行的柴油发动机。流到热交换器以用于将液化气转换成蒸汽的液体冷却剂的流量由恒温阀控制，所述恒温阀由如由燃料管线中的温度传感器确定的液体燃料的温度致动。在一个实施方案中，恒温阀具有简单的打开/关闭操作，使得低于阈值温度时阀门被打开以便向热交换器提供发动机冷却剂并因此更多的热量。所述温度阈值在一个水平下被选定，低于所述水平设备可能不充分地使燃料气化或在过低的温度下提供气体。恒温阀还可被配置来在高于阈值温度时关闭并中断到热交换器的液体冷却剂流以便防止气体的温度变得过高。在另一实施方案中，流到热交换器的液体冷却剂的流量在燃料的温度范围之间的全流量与零流量之间变化。燃料的较低阈值温度被选择来避免热交换器的结冰，并且较高阈值温度被选择来提供气化燃料。例如，在液化石油气(LPG)的情况下，Tritton教导合适的范围可开始于低于_37°C的流到热交换器的液体冷却剂的全流量，并在被选择来防止气化燃料的过热的任何合适的温度下逐渐降低至中断的或零流量。Tritton公开，如果热交换器的外表面在70°C至80°C的范围中，那么可获得合适的效应，但在某些情况下可接受20°C至100°C的范围。Tritton教导将进气使用为另外的热源来协助使燃料蒸发并用于降低进气温度来减少失不合时机的爆炸的可能性。然而，Tritton的公开专注于控制发动机冷却剂流到蒸发器的流量以管理燃料的温度使得燃料蒸发并不被加热到过高的温度。尽管Tritton公开了提供冷却进气的另外益处的一些实施方案，但Tritton并没教导控制被蒸发的燃料的温度来控制燃烧室中的温度以便提高容积效率。Tritton的主要实例涉及以在约_37°C下存储的LPG为燃料的发动机，所以当人们考虑与进气质量相比的燃料质量时，除了以有限方式降低不合时机的爆炸的可能性之外，不存在对进气充气温度具有显著影响的足够大的温度差。另外，Tritton教导作为第一阶段使用进气来温暖燃料，因此Tritton装置没有机会为了控制充气温度而控制燃料温度。
[0006]发明概述
[0007]—种用于操作内燃机并提高容积效率的改进方法包括:存储液体状态的气体燃料；根据发动机操作条件确定内燃机上的负荷；根据负荷确定气体燃料的降低预燃和爆震可能性的目标温度；以及控制传递到气体燃料以将其转换成气体状态和超临界状态中的一个的热量的量，使得气体燃料在目标温度下被引入内燃机。目标温度被确定为具有特定的值加或减预定的公差范围。可进一步根据环境温度确定目标温度。在负荷增加时降低气体燃料温度，并且在负荷降低时增加气体燃料温度。有利的是跨越发动机的负荷/速度范围调整燃料温度以便防止例如像节流刀片和排气再循环阀的部件冻结，尤其是在寒冷的环境条件下。如果气体燃料温度在(更)轻的负荷下被增加使得整体混合温度增加从而增加受限体积中的压力，那么节流损失可被降低。根据气体燃料温度调整燃料喷射器的工作时间以便修正燃料密度中的变化。气体燃料可被弓I入燃烧室的进气阀的上游或直接进入燃烧室中。当气体燃料被直接引入燃烧室时，在与所述燃烧室相关联的进气阀打开时引入气体燃料的至少一部分。在进气阀仍然打开时将较冷的燃料引入燃烧室的优势是其置换较少的空气，因为更冷的燃料的密度更大并占据更少的体积。因为较少的空气被置换，所以存在可用于燃烧的更多的氧气，这提高了发动机的效率和功率。可根据加速器踏板位置、发动机速度、发动机扭矩、歧管空气温度和歧管空气压力中的至少一个确定发动机上的负荷。气体燃料可选自包含天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氢气及其混合物的列表。
[0008]在优选的实施方案中，内燃机可以以可变的压缩比操作，并且所述方法还可包括当增加有效压缩比时降低到气体燃料的热传递。内燃机可以是具有可变压缩比的二元燃料发动机，并且所述方法还可包括当为内燃机供给气体燃料时增加有效压缩比。二元燃料发动机是可以以气体燃料(诸如天然气)或液体燃料(诸如汽油)或者同时以气体燃料和液体燃料为燃料的发动机。
[0009]可通过以下方式中的至少一个来调整传递到气体燃料的热量的量:(1)调整热源与气体燃料之间的热交换速率，(2)调整气体燃料流动速率以及(3)调整气体燃料在热交换器中的驻留时间。热源可以是来自发动机水套的被加热的发动机冷却剂，并且可以通过调整发动机冷却剂的流与气体燃料之间的热交换速率由此调整气体燃料温度来控制传递到气体燃料的热量的量。
[0010]提供一种用于操作以气体燃料为燃料的发动机并提高容积效率的改进装置。存在用于液体状态存储气体燃料的容器。热交换装置包括热交换器和热输送装置。热交换器将来自容器的气体燃料转换成气体状态和超临界状态中的一个。热输送装置将热量供应到热交换器以用于所述转换。温度传感器发射代表热交换器的下游的气体燃料温度的信号。燃料喷射器将气体燃料从热交换器引入到发动机的气缸中。控制器可操作地与热输送装置、温度传感器以及燃料喷射器连接并被编程用于下述操作。根据发动机操作条件确定发动机上的负荷。根据发动机上的负荷确定来自热交换装置下游的气体燃料的目标温度。根据由温度传感器发射的信号确定热交换装置的下游的实际气体燃料温度。并且调整由热输送装置输送到热交换器的热量的量，使得实际气体燃料温度等于目标气体燃料温度，以便处于预定的公差范围内。
[0011]热输送装置可包括将发动机的水套与热交换装置连接的换向阀。控制器可操作地与换向阀连接以便控制来自水套通过热交换器的发动机冷却剂流。在另一实施方案中，热输送装置包括电加热器，使得控制器可操作地与所述电加热器连接以便控制加热器的功率输出。在又一实施方案中，热输送装置包括锅炉和位于容器中的蒸汽空间与锅炉之间的可调整阀。控制器可操作地与可调整阀连接以便控制从蒸汽空间到锅炉的汽化气体流。
[0012]位于容器与热交换装置之间的栗送装置将气体燃料栗送通过热交换装置。控制器可操作地与栗送装置连接并被编程来操作所述栗送装置以调整气体燃料在热交换器中的驻留时间。燃料喷射器可被配置来在所述装置中将气体燃料弓I入进气阀的上游或直接进入气缸中。当燃料喷射器被配置用于将气体燃料直接引入气缸中时，控制器还被编程来在与气缸相关联的进气阀打开时引入气体燃料的至少一部分。控制器被编程来根据气体燃料温度按时调整燃料喷射器，使得对于给定的发动机操作条件在能量基础上等量的气体燃料被引入气缸中。
[0013]附图简述
[0014]图1是根据第一实施方案的发动机装置的示意图。
[0015]图2是用于控制图1中的发动机装置中的气体燃料的温度的算法的流程图。
[0016]图3是