用于增加气体燃料置换的系统和方法

文档序号:9920291
用于增加气体燃料置换的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及多燃料内燃发动机中的气体燃料置换,并且更具体地涉及一种用于增加气体燃料置换的系统和方法。
【背景技术】
[0002]在多种应用中使用气体燃料供能发动机以及以多种不同燃料操作的发动机。例如,机车或其他重型设备的发动机可以通过天然气供能。用于在机动车辆中输送的天然气的优选形式是液化天然气(LNG),因为它的较高能量密度。LNG可以在气体燃料罐内输送,在其递送到内燃发动机之前加压并加热到气体状态。压缩的天然气(CNG)可以喷射到发动机的缸内并诸如通过火花或先导燃料(例如柴油燃料)点燃。在一个例子中,CNG使用高压直接喷射(HPDI)喷射,其中高压栗在LNG加温到超临界气体状态之前加压LNG,并接着发送到HPDI内燃发动机。
[0003]作为双燃料内燃发动机的例子,授予Brown等人的美国专利N0.6073592(“’592专利”)公开一种控制系统,其包括控制柴油燃料模式功能的主电子控制模块以及控制双燃料发动机的气体燃料功能的一个或多个辅电子控制模块。与一个或多个辅电子控制模块连通的主电子控制模块驱动柴油燃料喷射器,处理柴油操作所需的传感器数据,监控并保护柴油操作期间的发动机,启动和停止发动机,并处理操作者输入。剩余的电子控制功能被分配在辅电子控制模块中,其包括控制电磁气体引入阀。主电子控制模块在任何气体燃料模式特定部件失效的事件中,或者如果主电子控制模块和辅电子控制模块之间的连通失效,将操作转换成液体燃料模式。因此,即使一个或全部辅电子控制模块失效,发动机的操作也可继续。
[0004]虽然’592专利中公开的双燃料发动机包括在任何双燃料模式特定部件失效的情况下允许从双燃料模式转变到只是柴油燃料模式的控制,还存在改进的空间。发动机使用的不同类型的燃料的相对成本和可用性也可形成希望增加发动机可以使用的最廉价燃料的量和/或最容易得到燃料的量的状况。不同类型的燃料的不同燃烧特性且甚至对于从不同来源获得的相同类型燃料来说,需要一种控制系统,该控制系统能够在始终满足所有操作目标的同时使得可以使用的优选燃料的量最大化,并对于具有不同燃烧特性的不同燃料进行自动调节。
[0005]本发明的系统针对克服以上提出的一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。

【发明内容】

[0006]根据本发明的一个方面,一种用于多燃料内燃发动机的控制系统可包括与发动机的每个缸相联的至少一个缸压力传感器。控制系统还可包括数据收集模块,其被构造成接收来自至少一个缸压力传感器的每个的实时缸压力测量值并由实时缸压力测量值计算一个或多个实际燃烧参数值。控制系统还可包括比较模块,其被构造成接收来自数据收集模块的计算的一个或多个实际燃烧参数值,并将每个缸的计算的一个或多个实际燃烧参数值与参考燃烧参数值比较,以确定其之间的任何差别。控制系统还可过程控制模块,其被构造成控制供应到每个缸的至少两种不同类型的燃料的燃料喷射,以减小每个缸的计算的实际燃烧参数值和参考燃烧参数值之间的任何差别。
[0007]根据本发明的另一方面,一种能够以组合的液体和气体燃料模式操作的多燃料内燃发动机可包括多个缸、与多个缸的每个相联的实时缸压力传感器、液体燃料喷射系统、气体燃料喷射系统和控制系统。控制系统可包括数据收集模块,其被构造成接收来自每个缸压力传感器的实时缸压力测量值,并由实时缸压力测量值计算一个或多个实际燃烧参数值。控制系统还可包括比较模块,其被构造成接收来自数据收集模块的计算的一个或多个实际燃烧参数值,并将每个缸的计算的一个或多个实际燃烧参数值与参考燃烧参数值比较,以确定其之间的任何差别,其中参考燃烧参数值对于每个缸都是相同的。控制系统还可包括过程控制模块,其被构造成控制至少液体燃料和气体燃料的燃料喷射和点燃中的一种或多种,以减小每个缸的计算的实际燃烧参数值和参考燃烧参数值之间的任何差别。
[0008]根据本发明的另一方面,一种用于控制能够以至少组合的液体和气体燃料模式操作的多燃料内燃发动机的方法可包括接收来自多燃料内燃发动机的每个缸的实时缸压力测量值。该方法还可包括基于实时缸压力测量值计算一个或多个实际燃烧参数值。该方法还可包括将每个缸的计算的实际燃烧参数值与参考燃烧参数值比较以确定其之间的任何差别。该方法可包括控制至少液体燃料和气体燃料的燃料喷射和点燃中的一种或多种,以减小每个缸的计算的实际燃烧参数值和参考燃烧参数值之间的任何差别。
[0009]本发明的其他特征和方面将从以下描述和附图中明白。
【附图说明】
[0010]图1示出多燃料内燃发动机的示例性示意图;
[0011]图2示出多燃料内燃发动机的控制系统的示意图;
[0012]图3示出图示图1的多燃料内燃发动机的每个缸的闭环控制的示例性流程图;以及
[0013]图4示出图示图3的闭环控制的步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0014]图1图示可以不同类型的燃料(诸如重燃料油(HF0)、柴油燃料、生物柴油、汽油和天然气)操作的多燃料内燃发动机100的示例性应用。示例性多燃料发动机100可以液体燃料模式、气体燃料模式和组合的液体和气体燃料模式操作。
[0015]在液体燃料模式期间,液体燃料喷射系统130将液体燃料提供给燃烧室106内的充量空气,并且充量空气/液体燃料混合物可以通过压缩点燃。与诸如汽油供能发动机的火花点燃发动机不同,柴油发动机和均质充量压缩点燃(HCCI)发动机依赖自动点燃以便开始燃烧。在火花点燃发动机中,自动点燃是不希望的,因为这会造成爆震,并且过多爆震会在发动机上形成超过可接受阈值水平的应力。燃料自动点燃的趋势与燃料的辛烷水平成反比。在高性能高压缩火花点燃发动机中,会需要较高辛烷燃料来避免不希望的爆震。用于依赖于自动点燃来开始燃烧的柴油发动机和HCCI发动机的燃料通常被给予与辛烷定额正好相反的十六烷定额,因为十六烷定额是燃料自动点燃趋势的度量。诸如CNG的气体燃料比柴油燃料更难以自动点燃,通常自动点燃所需的压缩比可以是造成柴油燃料自动点燃的压缩比的十倍以上那样高。因此,出于点燃目的,已经开发出将气体燃料与液体燃料混合的不同方法。在气体燃料模式期间,诸如天然气的气体燃料可以受控地释放到连接到缸104的气体引入端口,产生充量空气/气体燃料混合物。在组合的液体和气体燃料模式中,在预定时间周期之后,少量柴油燃料可喷射到容纳充量空气/气体燃料混合物的缸104内,以点燃燃料混合物。用作点燃燃料的柴油燃料量可以是液体燃料模式期间喷射的燃料量的大约3%。压缩点燃柴油燃料,继而点燃充量空气/气体燃料混合物。为了以液体燃料模式以及气体燃料模式操作,用于多燃料内燃发动机的控制系统可以控制液体燃料喷射系统130、气体燃料喷射系统140和点燃燃料喷射系统150的部件。
[0016]参考图1,示出了包括发动机单元、空气系统、燃料系统和控制系统的多燃料内燃发动机100的示例性示意图。发动机单元包括发动机缸体102、提供至少一个燃烧室106以便燃烧燃料的至少一个缸104、活塞108和经由活塞杆112连接到活塞108的曲轴110。活塞108可以被构造成在缸104内往复。
[0017]在根据本发明的多种应用中,多燃料内燃发动机100可用作非公路采矿卡车、用于推进的大型海洋船舶、诸如井压裂或钻井的石油应用以及可得益于这种发动机提供的灵活性的其他应用中的功率源。在这些应用的一些中,多燃料内燃发动机可以动态气体混合(DGB)模式使用多种燃料。DGB模式的特征在于喷射气体燃
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