专利名称：用于双燃料发动机的气体燃料置换比率的数字控制的制作方法
技术领域：
双燃料发动机典型地是燃料的约百分之九十可以是天然气的柴油机或者液体燃料发动机。双燃料发动机经常用于与诸如医院的关键设施相关联的电力应急发电机或者备用发电机。双燃料发动机也用于驱动井口发电机，所述井口发电机使用从相关联的油井回收的天然气体燃料。在大部分应用中，重要的是对液体/气体燃料比率的可变控制。本申请涉及借助多个数字致动的气体燃料阀对液体/气体燃料比率的开环控制。
背景技术：
众所周知，需要基于负荷和其它因素控制双燃料发动机中的液体/气体燃料比率。普通的柴油机可以转化成通过使输入空气与天然气混合并且通过在压缩冲程的顶 部处将减少量的柴油燃料喷射到气缸中而使用柴油和天然气(或者类似物)的混合物运行° 在题名为“Bi-FuelControl System and Assembly for Reciprocating DieselEnginePowered Electric Generator”的绿色(Green)美国专利 No. 6，256，260 中说明了这样方式的双燃料发动机的操作，该专利通过参考包含于此。如在该绿色专利中所解释，随着气体燃料的量增加，柴油燃料的量通过调速器自动地减少，所述调速器控制在每个压缩冲程的终点处喷射到气缸中的柴油燃料的量。为了确保点火，通常燃料的至少百分之十必须是直接喷射到气缸中的液体燃料。为了安全起见，这些系统具有螺线管操作的关闭阀以用于断开气体燃料供给。可以由气体燃料安全地或者有利地替换的总燃料的百分比随着操作条件改变。因而，必要的是控制气体燃料置换比率。事先已经使用传统的模拟控制环路在闭环基础上进行对气体燃料置换比率的控制，由此通过将反馈信号与命令信号相比较并且通过基本上持续地调节可变的装置的输出以减小命令信号和反馈信号之间的差异，从而调节可持续改变的装置。在每次调节之后，新的操作条件与期望(命令)的条件相比较，直到达到期望的置换比率为止。在典型执行的数字闭环系统中，通常采用多次迭代以达到期望的操作条件。甚至在纯模拟系统中，这本质上是迭代处理，在所述迭代处理中会采取数十秒或者数十分钟的数量级。在例如油井钻机发电机驱动器的某些应用中，发动机负荷是循环的并且从不在任何时间段上保持恒定的操作条件。在这些应用中，用于气体燃料置换的闭环系统没有如所期望的那样起作用。操作条件的变化比控制环路所能进行的需要的调节更快；因此，从不会达到在设定的点处期望的平衡。
发明内容
简要地，根据本发明，提供一种用于双燃料内燃机的气体控制系统，所述双燃料内燃机包括一个或多个燃烧气缸，并且在所述双燃料内燃机中气体燃料与进气混合并且液体燃料在压缩冲程的终点附近被喷射到气缸中。改进之处在于包括气体燃料控制系统，所述气体燃料控制系统用于控制供给到发动机的一个或多个气缸的气体燃料的量，所述气体燃料控制系统包括入口和多个阀，所述入口可连接到加压气体燃料源，所述多个阀迅速地从全开运动到全闭。多个阀具有可调节的全开流量并且能够响应于数字信号从全开运动到全闭。这些阀并联地布置在可连接到加压气体燃料源的入口与发动机的一个或多个气缸之间。电子系统监测至少一个发动机操作参数并且具有计算装置，所述计算装置用于对一个或多个发动机操作参数的值进行查表(mapping)以控制多个阀中的一个或多个阀的打开和关闭来建立起期望的气体燃料流量。优选 地，多个阀是具有可调节的流量控制孔径的电磁阀。简单地，根据本发明的另一个实施例，提供一种发电机组，所述发电机组包括驱动发电机的双燃料内燃机。发动机包括一个或多个燃烧气缸。气体燃料与用于气缸的进气混合，并且液体燃料在压缩冲程的终点附近被喷射到气缸中以导致点火。改进之处在于包括气体燃料控制系统，所述气体燃料控制系统用于控制供给到发动机的一个或多个气缸的气体燃料的量，所述气体燃料控制系统包括入口和多个阀，所述入口可连接到加压气体燃料源，所述多个阀迅速地从全开运动到全闭。多个阀具有可调节的全开流量并且能够响应于数字信号从全开运动到全闭。这些阀并联地布置在可连接到加压气体燃料源的入口与发动机的一个或多个气缸之间。电子系统监测至少一个发动机操作参数并且具有计算装置，所述计算装置用于对一个或多个发动机操作参数的值进行查表以触发多个阀中的一个或多个阀的打开来建立起期望的气体燃料流量。优选地，多个阀是具有可调节的流量控制孔径的电磁阀。
其它特征和其它目的以及优点将从以下参照附图的详细说明而变得明显，其中图I是发电机组和负荷的示意图；图2是具有根据本发明的气体控制系统的双燃料发动机的示意图；图3是阀组件的透视图，所述阀组件具有相关联的入口室和出口室以用于与根据本发明的气体燃料控制系统一起使用；图4、5、6和7分别是图3中所示的单通道阀组件的入口侧视图、正视图、出口侧视图、和后侧视图；图8是双通道阀组件的透视图，所述双通道阀组件具有相关联的入口室和出口室以用于与根据本发明的气体燃料控制系统一起使用；以及图9和10分别是图8中所示的双通道阀组件的入口侧视图、正视图、出口侧视图、和后侧视图。
具体实施例方式现在参照图1，示出双燃料发动机10，所述双燃料发动机10物理上连接到发电机11，所述发电机11电连接到负载12，所述负载12例如是用于驱动静液压式压裂车上的泵的泵用马达。双燃料发动机和物理上连接的发电机在本技术领域中已知为“发电机组”。双燃料发动机典型地是具有多个气缸13的柴油机，在所述多个气缸13中空气燃料混合物被烧尽以产生用于驱动活塞的压力，如在本技术领域中被广为理解的那样。现在参照图2，示出双燃料发动机20的示意图，所述双燃料发动机20具有相关联的气体燃料阀21和根据本发明的一个实施例的电子监测和控制系统22。图2还示出典型地与双燃料发动机相关联的气体燃料源23、液体燃料源24和液体燃料控制器25。参照图3至7，单通道阀组件包括输入室26，所述输入室26具有端口 27，所述端口27用于连接到燃烧空气供给。该组件还包括输出室28，所述输出室28具有输出端口 29，所述输出端口 29用于连接到用于双燃料发动机10的一个或多个气缸13的空气进气歧管。旁路通道30将输入室26和输出室28连接起来以提供用于空气流动的路径。旁路通道30中放置有平衡阀31。在输入室和输出室之间定位有多个可调节的电磁阀32、33和34，所述多个可调节的电磁阀32、33和34在打开的位置中将气体燃料喷射到输出室中。这些阀具有可连接到加压气体燃料源的入口 35。参照图8至10，双通道阀组件与单通道阀组件基本相同。然而，平衡阀37和38设置在输出室的出口端口处。电子监测和控制系统借助开环控制策略控制电磁阀。电子监测和控制系统可以是 基于固态的可编程的微控制器的用法，所述微控制器具有模拟和数字输入、数字输出、中央处理单元和存储器。从而，能够将液体/气体燃料比率或者置换比率放置到期望的“操作范围”中。存储的程序重复地监测传感器输入，将这些传感器输入与相对于置换比率的脉谱图校正输入值相比较，并且因此命令数字输出直接地(或者经由输出开关间接地)打开或者关闭适当的阀。所提出的用于双燃料发动机的控制系统使用多个单独控制的阀，每个所述阀都被独立的输出开关控制。每个独立的阀都如对于操作条件的子集所期望的那样供给气体燃料置换的量。这些阀的多种组合在没有任何显著延迟的情况下，即在少于一秒的情况下，允许广泛范围的总气体燃料置换比率的调节。在优选的实施例中，电子监测和控制系统监测多种操作参数以用于安全性和可允许的气体燃料置换比率二者。将基于测量到的压力、温度、速度和易燃极限推定出安全功能。可接受的气体燃料置换比率将基于所存储的脉谱图，该脉谱图是置换比率对发动机负荷或发动机驱动的发电机的电功率输出的脉谱图。为了安全，可以包括用于异常操作条件的额外调节，其中气体燃料置换比率减小。将其中期望的气体燃料置换比率被分成四个不同的操作范围的发动机应用作为非限制性的示例。当发动机负荷小于额定的负荷的25%时，气体燃料置换比率将是百分之零。当发动机负荷介于额定的负荷的25%和50%之间时，气体燃料置换比率将是50%。当发动机负荷是额定的负荷的75%至100%时，气体燃料置换比率将是75%。该系统将使用三个独立的输出开关以控制三个阀。每个阀的气体燃料流量都被调节成替换液体(柴油)燃料的25%。阀不打开将建立起零百分比的置换比率。一个阀打开将建立起25%的置换比率，依此类推。在另一个实施例中，相同的三个阀将设定成供给气体燃料，其中75%置换比率被脉谱图确定到额定的负荷范围的50%至75%，并且其中操作由于空气燃料混合物的潜在自爆而被限制到50%置换比率。在又一个实施例中，三个阀中的每个阀的全开流量可以被调节成提供在I : 2 : 4的比例下的不同的流量。在每个阀的独立的控制下，可以供给从O至7的8个不同的相对流量。
在又一个实施例中，旁路可能被手动地调节以提供在40%置换比率的流动(在这种系统中，必须设置切断阀以在紧急情况下或者当发动机不行驶时停止供给所有气体燃料)。三个可调节的电磁阀被调节以传送(pass)置换比率的6%、7%和8%。然后，在一个负荷范围内，置换比率可以被控制到46 %，在另一个负荷范围内，置换比率可以被控制到53%,并且在又一个负荷范围内，置换比率可以被控制到61 %。通过打开可调节的电磁阀中的一个、两个或者全部而实现期望的置换比率。虽然可以提供其它布置，但是该方法在允许使用三个相对限制的流量阀方面是实用的和节约成本的。当然，更多的独立的输出和独立的可调节的电磁阀将提供广泛范围的置换比率。在典型的双燃料系统中，气体燃料被引入到柴油机的空气流中，并且气体燃料流动直接与由正使用的气体燃料混合器所确定的空气流动成比例。如图3和8中所示，本质上由气体燃料阀组件所提供的流动限制减小了气体燃料与空气的比。最优选地，与气体燃料供给阀相关联的入口室和出口室是充分大的，从而减小了 不期望的流动响应。在最实用的示例中，受控的气体燃料流动或置换比率是基于负荷指示器，所述负荷指标例如是由双燃料发动机所驱动的发电机上的感测的输出功率(KW)、双燃料柴油机上的空气歧管压力、双燃料柴油机上的空气歧管空气流动、或者由双燃料发动机所驱动的液泵的排出流动。然而，也可以使用其它负荷指标。可以使用任何测量参数，所述任何测量参数将与期望的气体燃料置换比率具有较好的相关性。由此按专利法的要求详细且具体地限定了本发明，在以下权利要求中给出要求被专利证书所保护的内容。
权利要求
1.一种用于双燃料内燃机的气体控制系统，所述双燃料内燃机包括一个或多个燃烧气缸，并且在所述双燃料内燃机中气体燃料与进气混合并且液体燃料在压缩冲程的终点附近被喷射到所述气缸中，改进之处在于包括所述气体燃料控制系统，所述气体燃料控制系统用于控制供给到所述发动机的一个或多个气缸的气体燃料的量，所述气体燃料控制系统包括入口和多个阀，所述入口能连接到加压气体燃料源，所述多个阀迅速地从全开运动到全闭，所述多个阀具有能调节的全开流量并且能够响应于数字信号从全开运动到全闭，所述阀并联地布置在所述气体燃料入口与所述发动机的一个或多个气缸之间，用于监测至少一个发动机操作参数的电子系统具有这样的装置，即，所述装置用于对一个或多个发动机操作参数的值进行查表以控制所述多个阀中的一个或多个阀的打开和关闭来建立期望的气体燃料流量。
2.根据权利要求I所述的气体控制系统，其中，所述多个阀是具有能调节的流量控制孔径的电磁阀。
3.根据权利要求I所述的气体控制系统，其中，所述操作参数是发动机负荷。
4.根据权利要求I所述的气体控制系统，其中，至少两个阀的全开流量是不同的。
5.一种发电机组，其包括驱动发电机的双燃料内燃机，所述发动机包括一个或多个燃烧气缸，并且在所述发动机中气体燃料与进气混合并且液体燃料在压缩冲程的终点附近被喷射到所述气缸中，改进之处在于包括气体燃料控制系统，所述气体燃料控制系统用于控制供给到所述发动机的一个或多个气缸的气体燃料的量，所述气体燃料控制系统包括入口和多个阀，所述入口能连接到加压气体燃料源，所述多个阀迅速地从全开运动到全闭，所述多个阀具有能调节的全开流量并且能够响应于数字信号从全开运动到全闭，所述阀并联地布置在所述气体燃料入口与所述发动机的一个或多个气缸之间，用于监测至少一个发动机操作参数的电子系统具有这样的装置，即，所述装置用于对一个或多个发动机操作参数的值进行查表以触发所述多个阀中的一个或多个阀的打开来建立起期望的气体燃料流量。
6.根据权利要求5所述的发电机组，其中，所述多个阀是具有能调节的流量控制孔径的电磁阀。
7.根据权利要求5所述的发电机组，其中，所述操作参数是发动机负荷。
8.一种发电机组，其包括驱动发电机的双燃料内燃机，所述发电机的电力输出驱动静液压式压裂车上的泵，所述发动机包括一个或多个燃烧气缸，并且在所述发动机中气体燃料与进气混合并且液体燃料在压缩冲程的终点附近被喷射到所述气缸中，改进之处在于包括气体燃料控制系统，所述气体燃料控制系统用于控制供给到所述发动机的一个或多个气缸的气体燃料的量，所述气体燃料控制系统包括入口和多个阀，所述入口能连接到加压气体燃料源，所述多个阀迅速地从全开运动到全闭，所述多个阀具有能调节的全开流量并且能够响应于数字信号从全开运动到全闭，所述阀并联地布置在所述气体燃料入口与所述发动机的一个或多个气缸之间，用于监测至少一个发动机操作参数的电子系统具有这样的装置，即，所述装置用于对一个或多个发动机操作参数的值进行查表以触发所述多个阀中的一个或多个阀的打开来建立起期望的气体燃料流量。
9.根据权利要求7所述的发电机组，其中，所述多个阀是具有能调节的流量控制孔径的电磁阀。
10.根据权利要求7所述的发电机组，其中，所述操作参数是发动机负荷。
11.根据权利要求9所述的发电机组，其中，所述发动机驱动泵，并且所述发动机负荷通过正在泵送的流体的体积流量确定。
12.—种发动机和流体泵组合，其包括驱动静液压式压裂车上的泵的双燃料内燃机，所述发动机包括一个或多个燃烧气缸，并且在所述发动机中气体燃料与进气混合并且液体燃料在压缩冲程的终点附近被喷射到所述气缸中，改进之处在于包括气体燃料控制系统，所述气体燃料控制系统用于控制供给到所述发动机的一个或多个气缸的气体燃料的量，所述气体燃料控制系统包括入口和多个阀，所述入口能连接到加压气体燃料源，所述多个阀迅速地从全开运动到全闭，所述多个阀具有能调节的全开流量并且能够响应于数字信号从全开运动到全闭，所述阀并联地布置在所述气体燃料入口与所述发动机的一个或多个气缸之间，用于监测至少一个发动机操作参数的电子系统具有这样的装置，即，所述装置用于对一个或多个发动机操作参数的值进行查表以触发所述多个阀中的一个或多个阀的打开来建立起期望的气体燃料流量。
全文摘要
本发明涉及一种用于双燃料内燃机的气体燃料控制系统，所述气体燃料控制系统包括多个阀，所述多个阀用于控制供给到发动机的气体燃料的量。这些阀具有可调节的全开流量并且响应于数字信号从全开运动到全闭。用于监测至少一个发动机操作参数的电子系统对所述参数的值进行查表以控制所述阀的打开和关闭来建立起期望的气体燃料流量。
文档编号F02D19/08GK102966443SQ20121004780
公开日2013年3月13日 申请日期2012年2月28日 优先权日2011年8月31日
发明者J·M·勒普莱 申请人:贺尔碧格压缩机技术控股有限公司