专利名称：用于控制气态燃料内燃机的燃烧质量的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制排放物和发动机性能的方法和装置，包括对燃烧进行控制以满足气态燃料内燃机的物理限制。
背景技术：
对于柴油燃料发动机所有的优点来说，其也具有明显的缺点。在基本上以扩散燃烧模式燃烧时，柴油燃料产生高程度的某些污染物。例如氮氧化合物(NOx)和颗粒物(PM)的污染物就会成为问题。较为清洁的气态燃料，例如天然气、氢、乙烯、丙烷，气态混合物，例如天然气与氢的混合物，以及其他物质在内燃机中燃烧时往往会比柴油燃料在其中燃烧排放较少的污染物。已经确定，一些气态燃料在例如四冲程发动机的压缩冲程刚完成后或接近做功冲程开始时以高压力直接喷入，其也可以提供类似的功率输出。
在提供排放好处的同时，气态燃料在用于具有柴油机压缩比的发动机中时往往需要一些类型的点燃辅助物来启始燃烧。一种普通的点燃辅助物是引燃燃料(pilot fuel)。引燃燃料用来产生自动可燃工质，该工质可用来帮助启始气态燃料的燃烧。气态燃料可以在其燃烧之前作为预混合燃料/空气混合气如上所述直接喷入或者供给燃烧室。这种引燃发动机被认为是气态燃料压燃发动机的一种。
气态压燃发动机一般可根据操作人员的需要和发动机转速、利用发动机特性图(engine map)来进行控制，所述特性图指引多种手段(lever)控制燃烧的开始(SOC)。例如，在发动机转速和负荷需要的适当时机，可以监控并使用进气特性来调整SOC，以设定燃烧能量释放的目标。然而，控制SOC无法考虑到发动机操作对控制排放物和性能较重要的许多方面。
在发动机特定的工作循环中燃料燃烧所获得的热释放率(HRR)是驱动发动机性能和排放的重要决定因素。一旦燃烧已经开始，单独采用点燃手段来控制SOC无法控制热释放率。如此，在直接控制热释放率时，可以获得优势。特别地，发生进气变化的发动机导致HRR的明显变化，该发动机可受益于根据目标HRR来调整HRR的手段。这是进气变化无法预料或出于其他目的所需要的情况。
例如，当采用废气再循环(EGR)来减小NOx排放物时，可能产生各缸间的EGR程度的明显变化，并且可能发生短暂偏离于理想EGR率的情况。在这些情况下，EGR程度的变化可以导致不期望的HRR变化。HRR变化会不利地影响发动机的性能。例如，可以产生高浓度其他污染物，例如颗粒物(PM)和一氧化碳(CO)。一般地，对EGR程度的限制已经被HRR的这些不理想变化所影响。
根据EGR程度将HRR控制为目标HRR允许EGR程度增加并且进一步减小NOx，同时保持发动机性能和其他排放目标。因此，可通过调整EGR对HRR的影响实现优势。
控制HRR对于气态燃料压燃机重要的另一个例子来源于采用预混合工质燃烧点火(PCCI)的发动机。这包括利用直接喷射气体燃料的发动机，该直接喷射气体以扩散燃烧模式(PCCI-DI)或非(PCCI)的方式燃烧。PCCI和PCCI-DI发动机导入可以在短期和长期显著变化的进气工质。
PCCI-DI发动机的至少一部分能量通过燃烧预混合工质来提供，该预混合工质与相同量的燃料以扩散燃烧模式燃烧的情况相比释放出较少的有害排放物。然而，不管是否使用直接喷射量的主燃料，预混合燃料在燃烧之前的缺点在于工质会受到爆震的限制。即，如果不能控制SOC和HRR，那么预混合燃料/空气工质可能会过度地爆震，或者工质完全不能点燃而导致发动机不能起动。进气工质的变化(通过实例，取决于天然气的甲烷数量和其他燃料性能，燃料/空气比或进气温度)可以在短和长的期间内明显地变化。例如，短期变化可能是载荷转变的结果，其中，作为实例，PCCI发动机的进气歧管温度取决于硬件，可花费10至100秒范围内的任一时间达到所需的值。进气工质性能的长期变化是气态燃料的成分随着时间变化的结果，从而造成不同的自燃性能。在短期和长期的情况下，进气性能将明显地影响HRR。因此，使用一种机构控制这种变化对HRR所造成的影响是有帮助的，并且因此可更好地控制发动机的性能和排放物。
除了EGR程度和预混合工质性能之外，影响HRR的其他方式和条件包括将水导入燃烧室以控制排放物，操作者对发动机的要求，以及环境温度、湿度和压力的变化，所有这些都因采用调整到目标HRR的方法而受益。
出于本申请的目的，作为用来控制发动机性能和排放物的变量和作为发动机性能和排放物的指示的HRR，可以与在发动机循环期间的实际HRR和用来指示所使用的燃料燃烧所得的实际HRR的任何变量两者互换。即，HRR不需要参考发动机给定工作循环的实际HRR曲线(trace)。这里，HRR将包括对例如气缸压力、废气性能(成分、温度)、进气工质性能(成分、温度等)以及其他指示实际HRR的变量进行的测量。
在本发明中，涉及扩散燃烧、层流燃烧模式以及均匀燃烧模式。各自提供了与一般未混合的燃料和空气工质一致的燃烧性能的指示，其中，燃烧被认为分别发生在燃料/空气界面、燃料和空气部分混合工质以及燃料和空气预混合工质的地方。
本主题发明公开了一种在气态燃料内然机中依赖于或独立于SOC来调整HRR的方法。
发明内容
本发明提供一种用来控制气态燃料压燃内燃机中的HRR的方法和装置。HRR控制手段用来根据目标HRR控制HRR。一般来说，引燃燃料定时是用来控制目标HRR的重要手段。取决于燃烧方法，引燃燃料的量也是重要的手段。例如，当EGR用来帮助控制NOx排放时，EGR造成的进气变化影响HRR，这可以通过调整引燃燃料定时来补偿。本主题发明采用HRR控制手段来根据所测量到的HRR(包括HRR指示器)和目标HRR(包括HRR指示器)之间的差来调整HRR。目标HRR可以考虑到逐渐导致燃料燃烧的进气和/或发动机冷却剂的变化和/或考虑到由燃料燃烧所产生废气的性能，和/或考虑到与在发动机循环中的HRR量相互关联的测量HRR量和压力量。
优选的HRR控制触发器，即引燃燃料定时，其可以取决于发动机的燃烧方法优选地与引燃燃燃料量结合，该优选的HRR控制触发器包括相对于上止点(TDC)和相对于气体燃料直接喷射的气体喷射定时的定时进行调整。还有，可以单独采用引燃燃料量来根据目标HRR调整HRR。
因此，本发明的一个方面提供一种操作气态燃料内燃机的方法。该方法包括确定内燃机工作循环的目标HRR，并且在内燃机的工作循环期间i.将进气工质导入燃烧室，ii.在燃烧室内压缩进气工质，iii.将至少一种气态燃料导入燃烧室，iv.在引燃燃料定时将一些量引燃燃料导入所述燃烧室，在所述循环期间接近压缩冲程结束时、当活塞在所述燃烧室内接近或位于上止点时的第一曲柄角处，所述引燃燃料能够自燃，所述燃烧室由活塞部分地限定v.启动HRR控制手段(lever)来调整所述循环的HRR和所述目标HRR之间的差值，所述HRR控制手段包括所述引燃燃料定时和所述量引燃燃料中的至少其一，vi.使所述气态燃料和所述引燃燃料燃烧，所述引燃燃料的燃烧导致所述气态燃料点燃。
在本发明的另一实施例中，工作循环的HRR与目标HRR的差值来自于发动机燃烧条件与先前循环燃烧条件相比较的变化，其中，所述发动机燃烧条件和所述先前循环燃烧条件包括至少以下的一个所述进气工质的性能，所述气态燃料的性能，在所述活塞接近或位于上止点时所述燃烧室中的湿度，环境压力，环境温度以及环境湿度。
在另一实施例中，所述方法包括预测循环HRR，其用来确定循环HRR和目标HRR的差别。循环HRR还指示在发动机先前循环期间所引起的HRR曲线，或在发动机的先前循环期间所产生的压力曲线。
在本方法的另一实施例中，循环HRR为由在所述发动机的先前循环期间所产生的控制器处理信号推导出的HRR曲线。
在本方法的另一实施例中，循环HRR指示在所述发动机的先前循环期间所产生的废气性能，其可以包括废气温度和废气成分中的至少一个。
在本方法的另一实施例中，在所述循环期间、在所述压缩冲程完成时、当所述活塞位于或接近上止点时，所述气体燃料被直接喷入所述燃烧室。所述气态燃料在所述气态燃料点燃之前在进气歧管内与所述进气工质预混合。
在另一实施例中，所述气态燃料在第一阶段导入所述燃烧室。所述气态燃料在所述循环期间、至少在进气冲程或所述压缩冲程的至少一部分期间被导入。所述气态燃料也可以在所述循环期间在接近所述压缩冲程完成时所述活塞位于或接近上止点时的第二阶段导入。
在优选实施例中，所述引燃燃料定时是在所述循环期间、在所述压缩冲程期间上止点之前的50度曲柄角之前。所述HRR控制手段可以还包括所述引燃燃料定时和所述引燃燃料量。
在本方法的另一实施例中，所述进气包括在所述发动机的先前循环中使所述气态燃料和所述引燃燃料燃烧所产生的废气。在本方法的另一实施例中，所述HRR控制手段是所述引燃燃料定时，并且所述引燃燃料定时在所述循环中随后调整。这里，所述进气工质包括与具有第二废气浓度的先前循环相比的第一废气浓度。所述第一废气浓度高于所述第二废气浓度。
在本方法的采用EGR的另一实施例中，所述引燃燃料定时在所述工作循环中比气态燃料定时要晚，在所述工作循环中当所述活塞在接近于压缩冲程完成时而位于或接近于上止点时，所述气态燃料直接导入所述燃烧室。
在本方法的另一实施例中，所述引燃燃料定时在所述循环期间随后调整，在所述工作循环中，所述气态燃料的甲烷量增加超过先前循环的甲烷量。
可以实施该方法，其中，所述气态燃料包括甲烷、氢、乙烷、丙烷中的至少其一。
本发明还提供了一种用于控制气态燃料直接喷射内燃机的HRR的控制装置，所述控制装置包括a.控制器，b.至少一个用于在所述发动机的循环期间监控指示HRR的信号的传感器，所述至少一个传感器与所述控制器通信，c.HRR控制手段，其与所述控制器通信，所述控制器能够响应于所述信号与指示目标HRR的目标信号之间的差值来调整所述HRR控制手段。
在优选的实施例中，所述HRR控制手段为引燃燃料定时和引燃燃料量中的至少其一，所述引燃燃料定时和所述引燃燃料量由喷油器致动，所述喷油器能够直接将引燃燃料喷入所述发动机的燃烧室中。
在控制装置的另一实施例中，所述HRR控制手段为引燃燃料定时和引燃燃料量，所述引燃燃料定时和所述引燃燃料量由喷油器致动，所述喷油器能够直接将引燃燃料喷入所述发动机的燃烧室中。
在所述控制装置的优选实施例中，至少一个传感器包括以下的至少一个/任何一个加速计、缸内压力传感器、应变仪、离子探测器、废气温度传感器或缸内纤维光学探测器。
以下说明本发明的另外的各方面和本发明的特定实施例的各特征。
在附图中示出了本发明的非限制性实施例。
图1提供四冲程气态燃料压燃内燃机的燃烧室的五个剖视图。图1a示出了发动机循环的进气冲程。图1b示出了发动机循环的压缩冲程。图1c示出了在燃烧完成时引燃燃料直接喷入燃烧室。图1d示出了发动机循环的做功冲程。图1e示出了发动机循环的排气冲程。
图2是气态燃料压燃内燃机的废气再循环系统的示意图。
图3是HRR相对于曲柄角的曲线图，其显示优选的HRR控制手段对PCCI-DI应用的进气变化的影响。
图4是所绘制的HRR相对于曲柄角的第二曲线图，其显示优选的HRR控制手段对高EGR直喷主燃料应用的进气工质变化的影响。
具体实施例方式
本发明公开的内容教导了一种用于对气态燃料压燃内燃机的目标HRR进行调整的方法和装置。
参考图1，图中示出了一种典型的气态燃料直喷机循环中各进程的横截面剖视图。图1a提供了在方向12上通过进气管14引入燃烧室10的进气工质。所述进气工质可包括新鲜空气、EGR、水和气态燃料的任何混合物。同时，在进气冲程，活塞16在方向17上运动，远离喷嘴18，该喷嘴位于点火板(fire deck)中并与燃烧室10流体流通。同时示出的是排气管20。图1b说明发动机压缩冲程中活塞16在方向22上运动以将燃烧室内的工质压缩为气缸压力。参考图1c，当活塞位于或接近上止点时，燃料24可被引入到燃烧室10。当使用预混合主燃料时，引燃燃料也可在进气冲程或者压缩冲程的早期被导入以在活塞接近上止点时提供预混合工质。当引燃燃料与主燃料预混合工质在发动机循环期间较早地导入时，其优选地在压缩冲程期间当曲柄位于上止点之前120和50度之间时导入。引燃燃料24从喷射器18被引进到燃烧室10，如果需要的话，也可用于直接喷入主燃料。为了本申请的目的，接近或位于上止点的燃料的喷射通常处于上止点任何一侧30度的曲柄角内。
参考图1d，直接喷入或预混合然后导入(或两者)到燃烧室的引燃燃料和任何气态燃料在活塞接近上止点时开始燃烧，其由燃烧产物26示出，从而沿方向25推动活塞16。当引燃燃料24点燃时，气态燃料被点燃(或者是，在活塞位于上止点时直接喷入-未示出，或者是，在活塞位于上止点附近之前，在工作循环中较早地导入以供给预混合工质-也未示出)。预混合气态燃料，如果有的话，预混合气态燃料可以是在化学计量方面为高浓度的、或低浓度的，并且可以包含EGR。
引燃燃料24可以在压缩冲程的上止点附近直接喷入燃烧室以导致扩散燃烧(这是在图1c中的直接喷入引燃燃料24的情况)，或与燃烧室内的进气工质部分地混合以实现层流引燃燃烧(这是较早引燃喷射的情况)，或在燃烧前预混合(这是非常早的引燃燃料喷射或在进气阀的上游引燃燃料喷射的情况，未示出)以实现均匀的引燃燃烧。
最后，发动机工作循环以排气冲程结束，其中，在沿方向28移动的活塞16的作用下，燃烧产物26从燃烧室沿方向30被推入到排气管20中。
参考图2，示出了典型的EGR系统，其中，装有一个或多个燃烧室的发动机组50将废气经由管道51沿方向52排出。然后，一些废气经由阀门54沿方向58导入管道56，这些废气在管道61中与经由管道60沿方向62导入的进气混合。管道61将进气/EGR工质导入发动机组50中。可以在管道56和60两者中都使用冷却器64、66来冷却并且增加进气和EGR部分的密度。还有，可以配设变速涡轮机68和涡轮增压机70。
参考图3，示出了HRR的变化随着进气工质变化的实例。第一实例是在完成发动机的压缩冲程之前(TDC之前的90度)引燃燃料很好地喷入到燃烧室中的例子。开始时，额定HRR曲线100反映了初始的引燃燃料的定时，t(P)in。HRR曲线101示出了在进气工质发生变化后的HRR。与提供给曲线100的循环相比，所提供的例子的进气工质温度和燃料/空气比被改变，注意，所使用的发动机至少部分地被供给有预混合气态燃料/进气工质。曲线102示出了同一工作循环的HRR，在该情况中，已通过调整引燃燃料的量调整SOC。曲线104示出了具有新进气工质温度和相等比值的循环的HRR，其中，引燃燃料定时调整量t(P)adj反映了对HRR进行操作以使得所获得的曲线104与在初始工作循环中由初始HRR所产生的曲线100相似时所需的引燃燃料定时的变化。
注意，在对图4进行讨论之前，出于该申请的目的，在引燃燃料的喷射在压缩冲程的上止点(TDC)附近发生时对引燃燃料定时进行操作的情况下，引燃燃料定时可以表示为相对于气态燃料喷射定时-RIT。RIT是引燃燃料喷射和气态燃料喷射之间的定时。即，引燃燃料的喷射定时的调整是RIT调整以及引燃定时相对于上止点的调整。假定主燃料喷射和引燃燃料喷射的近似定时，对RIT的引用可以更好地说明本主题发明。
参考图4，提供另一实例来表示引燃燃料定时对HRR的影响。这里，绘制了在气体燃料压燃内燃机的循环中HRR相对于曲柄角的曲线图，其中，由于采用EGR而引起了进气工质的变化。曲线150提供了进气工质的额定HRR，该进气不包含有EGR并且其与所期望的发动机性能相关联。HRR曲线152示出了在不改变引燃燃料定时的情况下增加EGR浓度的影响。曲线154是(a)保持与曲线152相关联的相同EGR程度和(b)调整气态燃料喷射和引燃燃料喷射之间的相对喷射定时(RIT)的结果。在该情况下的调整使RIT减小为负值(即，引燃燃料喷射在气态燃料喷射之后开始)。与所期望的发动机性能相关联的初始热释放形状(shape)可重新获得。
对于许多不同的进气工质性能，或更一般地，发动机的燃烧条件，引燃燃料定时可以基于目标HRR来调整HRR。例如，由于如下因素的变动，可以采用引燃燃料定时来调整HRR。
●燃料/空气比●进气工质温度●进气工质的氧气浓度●进气歧管压力●预混合燃料性能●以及环境湿度、温度和压力●包括导入水喷射来控制NOx的操作方法当引燃燃料在上止点附近喷射时，SOC往往由喷射定时控制。即，当足够量的引燃燃料在上止点压缩附近喷射时，工质的升高温度典型地足以驱动在引燃燃料的开始喷射和SOC之间产生较短和可预知的点火迟后。因此，引燃燃料定时与SOC通常可很好地相互关联(假定气态燃料在引燃燃料SOC之前喷射)。然而，在采用较早引燃燃料喷射方法时，导入引燃燃料和点燃引燃燃料之间的时间更明显地受到喷入到燃烧室中引燃燃料的量的影响。因而，在这种情况下，SOC会受到引燃燃料的喷入量的显著影响。
出于该发明公开的目的，较早的引燃燃料定时被认为是引燃燃料在发动机循环的压缩冲程早期或在进气冲程期间喷入的方法，其导致了引燃燃料层流的或混合的工质，其中引燃燃料的量对SOC具有较强的影响。其使用在预混合主燃料工质被使用的时候。
还有，对初始引燃燃料量q(P)in上的引燃燃料量的调整q(P)adj在某一程度上影响HRR，不论是在工作循环的早期喷射还是当活塞位于上止点或在其附近的时候。因此，当引燃燃料定时用于影响HRR时，在某些应用中，重要的是根据进气工质的变化来考虑引燃燃料量的影响。优选地，出于本主题发明的目的，通过考虑和调整引燃燃料的定时和量来控制HRR。然而，单独的引燃燃料定时可以用来使HRR达到目标，不论是引燃燃料在循环后期还在循环的前期导入，其可以用来使HRR达到目标。原则上，也可以采用引燃燃料的量来使HRR达到目标，然而，实际上，其只有在较早的引燃燃料喷射控制时使用才会有实际效果。
还有，在本技术领域已公知的是，在考虑较晚的引燃燃料喷射定时时，气态燃料喷射定时还可以影响热释放率。
参考各实施例，首先参考图3，可以看出，比较曲线101和102，除了引燃量的调整造成了对SOC的影响之外，HRR在HRR曲线的峰值减小而其持续时间(duration)得以增加的情况下稍微发生一些变化。在图3中所示的方法一般用于PCCI-DI。关于PCCI-DI发动机操作的教导，例如可参照美国专利申请20020078918A1。
回到图3，曲线104来自于对q(P)in和t(P)in的调整。在图3中所示的结果示出了这种较早引燃喷射方法受益于根据所需求目标HRR对q(P)in和t(P)in两者进行的调整。
接下来，参考图2，考虑采用本主题发明所提供的较晚引燃燃油喷射定时的实例。这里，可以采用阀54和EGR冷却器64来控制经由管道60的空气与经由管道58的废气混合之后经由管道61提供的进气工质中的EGR的浓度。在该情况下，转换成进气工质中目标氧气浓度的目标EGR浓度可以通过冷却器64和66以及阀54来部分地控制。还有，所测量的进气工质的氧气浓度可以根据所确定的EGR率和目标HRR之间的校准相互关系随后调整引燃燃料定时。
当采用EGR系统时，在短暂动作期间或各缸之间会出现进气性能的变化。在采用本主题发明时，可以考虑这些变化的影响。
例如，参考图4，曲线150提供了不包括EGR的进气工质的额定HRR。HRR曲线150与所需的发动机性能相关联。如果对于额定的条件(即，曲线150)使用相同的引燃和气态燃料喷射定时，但通过导入EGR减小了缸内的氧气浓度，那么热释放形状如图4中的HRR曲线152所示变宽。在这里采用了高水平的EGR。通过实例，进气工质的50％的EGR程度得以支持。
为了从曲线152重新回到额定热释放形状(曲线150)，在该情况中可将RIT减小为负的RIT。效果是为了增加幅值并且缩短热释放过程的持续时间。得到HRR曲线154。曲线154与额定曲线150的对照说明了所需的HRR形状可以通过采用RIT调整来得以恢复。因此，如果不能将EGR控制到所需的EGR程度，或者具有明显的各缸之间的变化(或各发动机间的变化，或如果不能达到所需EGR程度)，那么可以调整引燃燃料定时来重新恢复目标HRR。如以上和以下所示，这转变成高EGR程度，一般地在高程度EGR的同时牺牲了较少的性能和PM和CO排放物。
由于进气工质性能的变化而通过RIT的功能达到目标HRR提供了一种影响排放和性能的机构。在如图4所示的EGR的情况中，仅对于RIT的HRR控制手段来说，大大超过30％的EGR程度在气体燃料直接喷射发动机中通常是不希望的。本领域技术人员可以理解的是，诸如PM和CO的排放物在EGR程度较高时会明显增加。然而，这往往是因为EGR(或氧气浓度)的变化已经影响了HRR而产生的结果。因此，当NOx排放物在高EGR程度的情况中下降时，所引起的其他排放物的损失可提供一个上界限，在超过该上界限时，较高的EGR程度将证明是不可以接受的。由于气态燃料不容易产生例如PM的排放物，所以在达到PM排放界限之前气态燃料允许高程度的EGR。然而，在可以控制HRR时，通过补偿EGR的这种变化会对HRR(并且因而对性能和排放产生影响)产生影响的趋势，EGR浓度仍然会变得更高。如图4所示，通过减小RIT所调整的EGR程度可以得到与目标HRR匹配的HRR，从而有助于防止产生有害排放和不必要性能下降的任何趋势。本领域技术人员可以理解，该方法考虑对进气工质的EGR程度和其他可控制的性能进行调整，以在达到目标HRR的同时控制并满足所需的其他燃烧性能。一般来说，这会获得这样的控制方法，即，通过参考与载荷、转速和目标EGR程度相关联的列表来查寻提供引燃燃料定时或RIT的校准。
在气态燃料内燃机的循环期间通过使用引燃燃料定时(或引燃燃料定时和引燃燃料量或单独使用引燃燃料量)来控制燃烧所产生的HRR有助于确保基于目标HRR的在燃烧室内所需的燃烧质量。这样，所释放的能量可适合于发动机的载荷和转速的需要，可接受的性能范围和排放考虑音速。偏离目标HRR可导致效率的损失，其中，例如，太多的热量释放太快，以及可导致NOx排放的增加，这都可造成通过气缸壁过多的热量损失而产生能量损失，或造成过度的爆震，或造成过度的气缸峰值压力。可选择地，在HRR偏离目标HRR时，可能发生不完全的燃烧或不能起动。通过实例，太早、较晚或部分引燃燃料燃烧都可能使主燃料不能完全点火或一点也不能点火。在效率低时，偏离于目标HRR可能导致过度的碳氢化合物排放和/或CO排放。
在实践中，发动机可受益于HRR的开环或闭环控制。在开环控制中，发动机可以被校准，以使得与指示目标HRR的校准和映射值相比较可根据发动机运行范围中影响HRR的参数来选定t(P)adj(以及基于目标HRR的适合的q(P)adj)。通过实例，表示进气工质温度的数据可用来确定t(P)adj(通常考虑到发动机转速和载荷)以达到目标HRR。同样，燃料的甲烷量、进气工质的当量比以及氧气浓度的变化提供了所测量参数的另外实例，所述测量参数可以用来形成发动机的映射关系以调整引燃燃料定时(和/或在一些情况下的量)，从而根据目标HRR指导燃烧。
此外，t(P)adj(以及q(P)adj，如果适合的话)的闭环控制可以基于实际HRR-称作循环HRR(或指示HRR的某些参数)与给定循环(或循环的平均值)的目标HRR之间的测量差。通过实例，这些HRR测量值包括实际的HRR，从燃烧室中的压力曲线或表示气缸压力的其他信号而重新构成的HRR，或下述的参数，所述参数通过监控气体温度或离子数测量HRR的进展。废气温度也会根据发动机运行条件或独立于这些条件提供对HRR的指示，其可以而用作对HRR的指示。在如上所述的开环方法的教导中，可以基于实际HRR测量值或指示HRR的参数来对目标HRR参数进行校准，上述参数例如是废气温度和气缸压力测量参数，但不限于此。
一般来说，在发动机的先前的循环或各循环中测量循环HRR。
还有，闭环控制可包括基于目标进气成分来测量和调整引燃燃料定时和/或引燃燃料的量，其中，可以相对容易地控制和预测目标进气的性能，例如典型地在采用EGR方法的发动机的情况中。这可以与HRR指示读数、实际HRR和排放性能直接地校准或比较。
还有，本领域技术人员可以理解，可以采用开环和闭环控制的组合。
一般来讲，可以预先确定发动机特性图上给定点的目标HRR，HRR(t)tar。如上所述，HRR(t)tar是发动机特性图上的校准参数，其反映了发动机目前状态(例如，当前发动机负荷和转速)所需的实际(或指示的)HRR。对于在如上所示的发动机特性图上的给定点运行的发动机循环，HRR、HRR(t)n被直接确定或者等于指示的HRR(t)n值。HRR(t)n可以被直接测量，或者由指示HRR的测量变量推导出，或由交叉引用的指示HRR的数值的校准查询表提供。所推导的或所测量的HRR值与在发动机运行条件下所校准的HRR的目标值比较，并且根据t(P)in(以及q(P)in，在可能的情况下)来确定t(P)adj(以及q(P)adj，如果合适的话)以减小所得到的差值。通过实例，本主题方法通常表示如下t(P)adj≈t(P)in+ft(HRRtar-HRR(t)n) 1并且其中，结合作为对HRR进一步控制的引燃燃料量q(P)adj≈q(P)in+fq(HRRtar-HRR(t)n) 2因此，一般来讲，出于本发明公开的目的，确定目标HRR包括但不限于实际HRR曲线；指示燃料燃烧期间的压力或HRR的燃烧室内的信号测量值或各测量值；在燃料燃烧期间指示燃烧室的应变和应力或振动的信号测量值或各测量值，达到信号与HRR相关联的程度；进气工质性能的测量，其在发动机的运行条件下产生受HRR影响的目标发动机性能和/或排放物；废气性能，其在发动机运行条件下获得受HRR影响的发动机性能和/或排放物；以及上述的任意的组合。不管怎样确定目标HRR，通常要与相应的HRR比较。例如，如果目标HRR是通过公知的气缸压力曲线来提供目标HRR，那么将相应的HRR，也就气缸压力曲线与目标HRR比较，并且对引燃燃料定时(或其数量或两者)进行调整。
如上所示，可以参考曲柄角旋转度数和参考主燃料喷射定时或者RIT(如果有的话)二者来调整引燃燃料定时。当在某些情况下调整引燃燃料定时时，调整作为曲柄角旋转度数的函数的主燃料喷射定时有助于调整HRR。然而，一般来讲，调整引燃燃料定时的优选方法是，既相对于主燃料定时又作为曲柄角旋转度数的函数来调整引燃燃料定时。
本领域技术人员应理解，在可能存在的情况中，对主气态燃料喷射定时(相对于上止点压缩)会影响SOC和HRR，并且可能被包括在发动机运行的控制手段中。
注意，同样，调整可以使RIT的变化受益，以使得引燃燃料和主燃料之间的定时为负。即，引燃燃料在导入主燃料开始之后喷入。
典型引燃燃料包括柴油燃料和其他高十六烷的燃料，这些燃料在为燃烧室10提供的条件下更容易自燃。
虽然采用四冲程发动机讨论了上述各实施例，但各实施例可以适用于两冲程发动机或旋转式发动机。对进气过程、压缩过程、做功过程以及排气过程的任何引用都包含旋转式发动机和四冲程发动机。
虽然示出和说明了本发明的特定部件、实施例和应用，但可以理解的是，尤其根据前述的教导，由于本领域技术人员在不脱离本发明公开范围的情况下可以对本发明进行修改，所以本发明并不局限于此。
权利要求
1.一种操作气态燃料内燃机的方法，所述方法包括a.确定所述内燃机的循环的目标HRR，b.在所述内燃机的所述循环期间i.将进气工质导入所述燃烧室，ii.在所述燃烧室内压缩所述进气工质，iii.将至少一种气态燃料导入所述燃烧室，iv.在引燃燃料定时将一些量引燃燃料导入所述燃烧室，在所述循环期间接近压缩冲程结束时、当活塞在所述燃烧室内接近或位于上止点时的第一曲柄角处，所述引燃燃料能够自燃，所述燃烧室由活塞部分地限定，v.启动HRR控制手段(lever)来调整所述循环的HRR和所述目标HRR之间的差值，所述HRR控制手段包括所述引燃燃料定时和所述量引燃燃料中的至少其一，vi.使所述气态燃料和所述引燃燃料燃烧，所述引燃燃料的燃烧导致所述气态燃料点燃。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述差值来自于发动机燃烧条件与先前循环燃烧条件相比较的变化，其中，所述发动机燃烧条件和所述先前循环燃烧条件包括至少以下的一个a.所述进气工质的性能，b.所述气态燃料的性能，c.环境压力，d.在所述活塞接近或位于上止点时所述燃烧室中的湿度，e.环境温度，以及f.环境湿度。
3.如权利要求1所述的方法，其进一步包括预测所述循环的循环HRR，所述循环HRR用来确定所述差值。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述循环HRR指示在所述发动机的先前循环期间所产生的HRR曲线(trace)。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述循环HRR为由在所述发动机的先前循环期间所产生的控制器处理信号推导出的HRR曲线。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述循环HRR指示在所述发动机的先前循环期间所产生的压力曲线。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述循环HRR指示在所述发动机的先前循环期间所产生的废气性能。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述废气性能包括废气温度和废气成分中的至少其一。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述气态燃料被直接地喷入所述燃烧室。
10.如权利要求9所述的方法，其中，在所述循环期间、在接近所述压缩冲程完成时、当所述活塞位于或接近上止点时，所述气体燃料被直接喷入所述燃烧室。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述气态燃料在所述气态燃料点燃之前在进气歧管内与所述进气工质预混合。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述气态燃料在第一阶段和第二阶段被导入所述燃烧室。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一阶段在所述循环期间、至少在进气冲程或所述压缩冲程的至少一部分期间被导入，所述第二阶段为，在所述循环期间在接近所述压缩冲程完成时所述活塞位于或接近上止点时。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述引燃燃料定时是在所述循环期间、在所述压缩冲程期间上止点之前的50度曲柄角之前。
15.如权利要求11和14中任一项所述的方法，其中，所述HRR控制手段包括所述引燃燃料定时和所述引燃燃料量。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述进气工质包括在所述发动机的先前循环中燃烧所述气态燃料和所述引燃燃料所产生的废气。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述HRR控制手段是所述引燃燃料定时，所述引燃燃料定时在所述循环中随后调整，在该循环中，所述进气工质包括与具有第二废气浓度的先前循环相比的第一废气浓度，所述第一废气浓度高于所述第二废气浓度。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述引燃燃料定时在所述循环中晚于气态燃料定时，在所述循环期间、接近压缩冲程完成时、当所述活塞位于或接近上止点时，所述气态燃料直接导入所述燃烧室。
19.如权利要求1所述的方法，其中，所述引燃燃料定时在所述循环期间随后调整，在所述循环中，所述气态燃料的甲烷量增加超过先前循环的甲烷量。
20.如权利要求1所述的方法，其中，所述气态燃料包括甲烷、氢、乙烷、丙烷中的至少其一。
21.一种用于控制气态燃料直喷内燃机中的HRR的控制装置，所述控制装置包括a.控制器，b.至少一个用于在所述发动机的循环期间监控指示HRR的信号的传感器，所述至少一个传感器与所述控制器通信，c.HRR控制手段，其与所述控制器通信，所述控制器能够响应于所述信号与指示目标HRR的目标信号之间的差值来调整所述HRR控制手段。
22.如权利要求21所述的控制装置，其中，所述HRR控制手段为引燃燃料定时和引燃燃料量中的至少其一，所述引燃燃料定时和所述引燃燃料量由喷油器致动，所述喷油器能够直接将引燃燃料喷入所述发动机的燃烧室中。
23.如权利要求21所述的控制装置，其中，所述HRR控制手段为引燃燃料定时和引燃燃料量，所述引燃燃料定时和所述引燃燃料量由喷油器致动，所述喷油器能够直接将引燃燃料喷入所述发动机的燃烧室中。
24.如权利要求21所述的控制装置，其中，所述至少一个传感器包括加速计。
25.如权利要求21所述的控制装置，其中，所述至少一个传感器包括缸内压力传感器。
26.如权利要求21所述的控制装置，其中，所述至少一个传感器包括应变仪。
27.如权利要求21所述的控制装置，其中，所述至少一个传感器包括离子探测器。
28.如权利要求21所述的控制装置，其中，所述至少一个传感器包括废气温度传感器。
29.如权利要求21所述的控制装置，其中，所述至少一个传感器包括缸内纤维光学探测器。
全文摘要
本发明公开一种采用HRR控制手段来控制目标热释放率(HRR)的方法和装置，即，用在气体燃料压燃内燃机中的引燃燃料定时和/或引燃燃料量。将HRR控制到目标HRR的机制为该发动机提供改善的性能和排放。为发动机循环确定目标HRR。然后在考虑到发动机的燃烧条件以及目标HRR与所述循环的循环HRR之间的差值的情况下采用HRR控制手段来调整到目标HRR，所述工作循环HRR通过如下方式来预测，例如，参照由先前循环所推导出的HRR曲线、压力曲线、直接确定的废气的测量性能或用于对发动机的目标HRR进行调整而在校准期间所提供的映射值。该映射值可以交叉引用到发动机的燃烧条件中。
文档编号F02B7/08GK1871416SQ200480031144
公开日2006年11月29日 申请日期2004年9月30日 优先权日2003年10月1日
发明者理查德·安西默, 康斯坦丁·塔宁, 蒂姆·弗雷泽, 桑迪普·芒什 申请人:韦斯特波特研究公司