燃烧发动机的改进的制作方法

燃烧发动机的改进的制作方法
【专利摘要】本发明提供用于改进燃烧发动机效率的方法。所述方法包括测量被供应到所述燃烧发动机的一次燃料的量。确定所述燃烧发动机的运行状态。基于所述燃烧发动机的运行状态选择燃料映射分布图以及从所述燃料映射分布图确定作为一次燃料所测得量的分数的待被喷射的二次燃料的量。
【专利说明】燃烧发动机的改进

【技术领域】
[0001]本发明涉及燃烧发动机的改进并涉及燃烧发动机，具体地但非唯一地涉及内燃发动机燃烧效率的改进。

【背景技术】
[0002]已知使用一种以上燃料的发动机操作。许多这些系统试图通过使用更廉价的二次燃料来代替使用相对更昂贵的一次燃料来降低整体燃料成本。这种类型的系统可由制造商改装成现有发动机或供应为发动机/车辆的一体部分。存在为汽车市场(尤其是轻型和重型货车市场)生产的种类繁多的系统，其中对于操作人员而言燃料成本构成显著的成本。
[0003]通常存在典型使用的两种类型的系统。
[0004]第一种类型的系统通过引入除了一次燃料之外的二次燃料来工作。一次燃料的量通常是不变的。这些通常被称为“添加”系统。所涉及的原理是二次燃料的引入增加了发动机的功率/扭矩，以及由原始发动机控制系统或由操作人员所做的适应性调节导致节约净燃料成本。这种类型的一些系统还使用一些粗形式的控制通常通过改变来自传感器的输入或修改扭矩或速度控制输入来试图减少一次燃料装料。
[0005]对这类添加系统存在一些局限性。可被引入的二次燃料量受到发动机主要由于缺乏氧气(通常被称为“缺氧(或氧气耗尽)”)而燃烧二次燃料的能力以及二次燃料“猝熄(quenching) ”一次燃料燃烧的能力的限制。由于不完全燃烧以及离开排气装置的未燃烧燃料产品的通过，以该模式运行会导致较差的燃料消耗和高排放。不能保证所产生的燃料节省，且可以是负值以及正值。给发动机提供蓄意过大的功率将导致发动机在其正常运行范围之外运行。这将在制造商的保质期、保险证明、安全认证和潜在的发动机寿命方面存在负面影响。
[0006]第二种类型的系统通过引入除了减少量的一次燃料之外的二次燃料来工作。这些通常被称为“替代”系统。所涉及的原理是对一次和二次燃料两者进行直接控制，且这两种燃料同时燃烧时所产生的功率/扭矩与仅基于一次燃料运行时的原始发动机所产生的功率/扭矩大致相同。
[0007]所采用的这两种燃料的百分比在该替代型系统之间产生另外的差别。使用二次燃料与一次燃料的更高比例、且其中一次燃料是柴油以及二次燃料是气态燃料的系统被称为柴油点火燃气发动机。使用二次燃料与一次燃料的更低比例、且其中一次燃料是柴油以及二次燃料是气态燃料的系统保持其分类为柴油发动机。
[0008]这两种类型的替代系统的特征在于它们需要采用大约25%的最小比例的二次燃料，以便使得该系统在商业上可行。出于使得添加系统可行所必要的类似考虑，假定可使得它们以产生净燃料成本节约的模式运行。
[0009]US4, 463，734公开一种柴油发动机，其中增加功率需求时，增加比例的液化石油气(LPG)被计量供应到发动机，从少至20%的燃气(gas)开始并增加至约80%的燃气，其中所述百分比以热值给出。US4，641，625公开了在液气混合物中燃气在O和95%之间的气态燃料的范围。US-A-6026787和US2005/0205021均公开了双燃料发动机，但没有明确指定燃料的比例。W02008/036999涉及一种双燃料系统和双燃料系统总成，其中液态的液化石油气和柴油混合，然后通过共轨分配到燃烧室。W02010/121306涉及用于柴油发动机的燃料系统。具体地，该发明涉及用于具有间接喷射系统的柴油发动机的双燃料供应系统。US5, 408，957公开了 LPG(丙烷)、天然气、氢气等以基本上恒定的压力被连续地喷射到传统内燃发动机的进气歧管或进气系统内，发动机以电子或机械的方式受控以便将空气与液态燃料混合物的比例调节到最佳值。US5，370，097公开了一种与内燃发动机一起使用的双燃料控制系统，其控制单独的液体燃料的流量或控制与气态燃料组合的液态燃料的流量。US2011/301826公开了一种传统的汽油发动机，其改装成作为双燃料发动机运行，其校准成以各种可接受的空气燃料比来燃烧作为一次燃料的氢气和作为二次燃料的汽油，同时避免禁用的空气燃料比。W099/30024涉及一种方法，其用于在膨胀循环过程中通过将烃类喷射到柴油发动机的燃烧室内以便生成氮氧化物(NOx)还原剂。
[0010]W02009/115845公开了少量二次燃料的喷射，二次燃料具有比一次燃料的分子结构较短的分子结构以便实现均匀燃烧。二次燃料的较短分子结构用作促进剂以便加速化学过程，并公开了二次燃料在5% -25%之间的范围内。此外，控制一次和二次燃料的供应。
[0011]因此，现有的双燃料系统具有一些限制，例如需要约25%最低分数的二次燃料和/或要求ECU或一次燃料供应受到控制或可进行适应性调节。
[0012]因此，希望克服这些限制和/或产生甚至更大的燃料效率提高。


【发明内容】

[0013]根据本发明的一方面，提供改进燃烧发动机效率的方法，所述方法包括:测量被供应到所述燃烧发动机的一次燃料的量；确定所述燃烧发动机的运行状态；基于所述燃烧发动机的运行状态选择燃料映射分布图(fuel mapping profile);以及从所述燃料映射分布图确定作为一次燃料所测得量的分数的待被喷射的二次燃料的量。
[0014]根据本发明的另一方面，提供一种燃烧发动机，其包括:用于测量供应到燃烧发动机的一次燃料量的第一传感器；用于确定所述燃烧发动机运行状态的第二传感器；基于所述燃烧发动机运行状态来选择燃料映射分布图的控制器；以及所述控制器从所述燃料映射分布图确定作为一次燃料所测得量的分数的待被喷射的二次燃料量。
[0015]此外根据本发明的又一方面，提供用于改装被设计成燃烧一次燃料的燃烧发动机的成套工具，所述成套工具包括:用于容纳二次燃料的储罐；用于将二次燃料喷射到发动机内的喷射器；控制器，其配置成接收:指示正被供应到发动机的一次燃料量的第一输入，以及指示所述发动机运行状态的第二输入；并且其中所述控制器配置成基于所述运行状态来选择燃料映射分布图并从所选择的燃料映射分布图来确定作为一次燃料所测得量的分数而由所述喷射器所喷射的二次燃料的量。
[0016]此外根据本发明的又一方面，提供一种用于控制将二次燃料喷射到供应有一次燃料的发动机内的控制器，所述控制器包括:用于接收指示正被供应的一次燃料量的第一输入；以及用于接收指示所述发动机运行状态的第二输入；用于存储多个燃料映射分布图的存储器；处理器，其用于基于所述第二输入来选择燃料映射分布图之一，并确定作为一次燃料所测得量的分数的待被喷射的二次燃料的量。
[0017]此外根据本发明的又一方面，提供提高燃烧发动机效率的方法，所述方法包括:测量被供应到燃烧发动机的一次燃料量；基于一次燃料所测得量的分数来喷射二次燃料的量，其中一旦超过一次燃料的阈值量，二次燃料的分数(fract1n)随着一次燃料量的增加而减小。
[0018]此外根据本发明的又一方面，提供提高内燃发动机燃料效率的一种方法，所述方法包括:测量被供应到内燃发动机的一次燃料量；基于一次燃料所测得量的分数来喷射二次燃料的量；一次燃料具有比二次燃料的分子结构更大的分子结构；利用二次燃料将一次燃料裂解(split)成较小的分子。
[0019]优选地或任选地，其中裂解步骤包括:通过压缩与二次燃料组合的空气来将二次燃料进行第一裂解以便产生自由基(radical);以及通过自由基与一次燃料相结合而对一次燃料进行第二裂解。
[0020]根据本发明的另一方面，提供提高内燃发动机燃料效率的一种方法，所述方法包括以下步骤:测量在燃烧循环期间喷射到发动机燃烧室内的具有第一分子结构的一次燃料的量；以及以受控比例量将具有更短分子结构的二次燃料供应到燃烧室；其中所喷射的二次燃料的热值量被限制到最低分数和最高分数，在最低分数下开始燃烧的显著增强，而在最高分数下二次燃料的低效率燃烧(对于用于燃烧一次燃料而设计的发动机而言)显著抵消增强效果。
[0021]此外根据本发明的又一方面，提供提高内燃发动机燃料效率的一种方法，所述方法包括以下步骤:测量在燃烧循环期间喷射到发动机燃烧室内的具有第一分子结构的一次燃料的量；以及将受控比例量的具有更短分子结构的二次燃料供应到燃烧室；其中所喷射的二次燃料的量受到限制，这样对于给定水平的性能而言喷射到发动机内的组合燃料的质量小于为了获得相同水平性能单独喷射时所需的一次燃料的质量。
[0022]此外根据本发明的又一方面，提供用于提高内燃发动机的燃料效率的一种系统，所述系统包括:用于连接到发动机燃料供应系统的装置；用于测量在燃烧循环期间被喷射到所述发动机燃烧室内的具有第一分子结构的一次燃料量的装置；以及用于将受控比例量的具有更短分子结构的二次燃料供应到燃烧室的装置；其中所述系统包括:用于从测量装置和监控装置接收信号的微处理器；并且其中所述微处理器适于计算所喷射的一次燃料量，并产生总信号，并将总信号发送到用于供应所述二次燃料的所述装置。
[0023]根据本发明的一个方面，提供提高内燃发动机燃料效率的一种方法，所述方法包括:测量被供应到所述内燃发动机的一次燃料的量；以及基于小于一次燃料所测得量的15%的分数喷射二次燃料的量，一次燃料具有比二次燃料的分子结构更大的分子结构。

【专利附图】

【附图说明】
[0024]现在将参照附图仅仅通过实例的方式来对本发明的实施例进行描述，其中:
[0025]图1示出了根据本发明一个实施例的内燃发动机；
[0026]图2示出根据本发明一个实施例的可被改装成现有发动机的成套工具；
[0027]图3示出了用于发动机不同运行状态的二次燃料的最大分数；
[0028]图4示出了用于“正常”或运行操作模式的燃料映射分布图；
[0029]图5a示出了在对燃气控制器系统进行改装之前的车辆的侧视图；
[0030]图5b示出了根据一个实施例在对燃气控制器系统进行改装之后的车辆的侧视图；
[0031]图5c示出了根据一个实施例在对燃气控制器系统进行改装之后的车辆的相对侧视图；
[0032]图6示出了根据本发明一个实施例的燃气控制器的功能；以及
[0033]图7示出了根据本发明一个实施例的燃气控制器的硬件。

【具体实施方式】
[0034]根据一个实施例，在无需控制和/或修改发动机的ECU、主燃烧室或一次燃料供应的情况下就可实现提高内燃发动机的效率。取而代之，测量被供应的一次燃料(例如，柴油)的量，以及控制器能够从预先确定的燃料映射分布图来确定待被喷射的二次燃料(例如，燃气)的最优分数量。
[0035]在一个实施例中，燃料映射分布图确定作为正被喷射的一次燃料函数的待被喷射的二次燃料的分数。燃料映射分布图基于在发动机的整个运行范围内维持发动机处于运行的增强混合燃烧模式。换言之，只需要喷射恰好正确量的二次燃料(燃气)从而在其整个运行范围内维持发动机处于该增强的燃烧模式。
[0036]根据运行的一个实施例，通过优化燃烧(或燃烧过程)就可以使用较少的柴油，这会导致更高的燃料效率。因此，所选择的燃料映射分布图基于在其整个运行范围内保持发动机以该运行的增强燃烧模式来运行，这会导致更大的燃料节约。在不同的条件下发动机的表现不同。以稳定车速巡航的车辆会表现出非常不同于在重负载下加速的车辆。因此，预先确定若干燃料映射分布图，每一个燃料映射分布图对应于发动机的不同状态。
[0037]图3示出指示不同发动机状态的图形，“怠速”，“巡航”，“正常”，“其它”和“故障”。“其它”状态可为运行的瞬态模式(剧烈加速或换档等)。“停止”状态实际上与“故障”状态是一样的，因为燃气系统应该可用于所有时间的运行，但其也可以是隔离的(isolated)。
[0038]根据一个实施例，针对每一不同的发动机状态来确定二次燃料(作为供应的一次燃料的一定百分比)的最大分数。例如，在“正常”状态下，可以看出作为一次燃料的百分比的被供应的二次燃料的最大分数为15%。
[0039]因此，如果确定发动机处于“正常”状态，能够选择一个相应的燃料映射分布图，如图4中所示。燃料映射分布图具有大致的颠倒V字形。这意味着最初待被供应的燃气分数将随着柴油供应的增加而增加。然而，一旦达到一次燃料的阈值量，可发现通过随着柴油增加降低燃气分数来保持发动机处于增强的燃烧模式。
[0040]事实上，图3示出了根据一个实施例的燃料映射分布图的一个实例，其中可见一旦超过一次燃料的65%左右的阈值量，曲线逐渐停止(taper off)。换言之，分布图示出最初待被喷射的燃气分数(为柴油的一定百分比)随着柴油供应的增加而增加，但是一旦柴油供应超过阈值，待被喷射的燃气分数开始降低或逐渐减少(taper off) 0
[0041]相比之下，传统的双燃料系统尝试控制一次和二次燃料(柴油和燃气)两者的供应。此外，这通常通过采用被引入的一次和二次燃料水平之间的线性(和/或成比例)关系来完成。事实上，传统观点会建议更多的柴油需要更多的燃气。
[0042]然而，根据本发明的一个实施例，已经发现一旦超过柴油阈值，通过随着柴油量的增加来减少所引入的燃气量来实现更有效的燃烧。(燃料映射分布图的)该逐渐减少防止发动机氧气耗尽，因为供应恰好正确量的二次燃料以便保持发动机以增强模式运行。
[0043]本发明的一个实施例仅仅控制二次燃料的供应，依靠现有的控制器(ECU)按其所设计的那样即控制一次燃料的供应(即发动机设计成用于此)来进行操作。原始ECU监控并调节一次燃料体积，以便补偿所述燃料燃烧地程度。通过以混合燃烧模式运行，实际上可以用较少的柴油来实现相同的效率(或能量释放)，并且ECU将只通知需要较少的柴油。
[0044]在本发明的一个实施例中发现仅通过最小分数的正被喷射的燃气就可维持这种增强的燃烧模式，即对于发动机所有状态而言小于15%，而对于一些状态而言会显著地更低(参见图3)。
[0045]图3的燃料映射分布图示出函数可包括线性和非线性部分。此外，函数的一些部分可以是成正比的，而另一部分可以是成反比的。
[0046]根据本发明的一个实施例，这些燃料映射可在发动机启动时建立，其中执行自动自校准步骤。在替代性实施例中，这些燃料映射可基于实验室中的不同发动机状态的广泛测试来预先确定。在另一个实施例中，可确定预先确定的燃料映射分布图，但是可以利用自校准步骤来改变或改进这些作为发动机变化响应的随时间的预先确定的映射。
[0047]在一个实施例中，可通过测量颗粒排放物来选择燃料映射分布图。即，通过测量排气中的未燃烧排放物。在一个实施例中，将通过考虑来自消光烟度传感器的测量来确定燃料映射分布图，该传感器定位于车辆排气装置中。以这种方式，对于任何给定的柴油使用和/或转速而言能够确定实现最大的半透明度所需的燃气最小量。另外，也可以从该测量来确定最大的燃料映射分布图，即在烟雾(即颗粒物)增加之前可能被喷射的最大分数的燃气。
[0048]能够以各种不同的方法来确定发动机状态，如下文所述。
[0049]例如，可以使用一次燃料轨压(来自现有的发动机传感器)和一次燃料喷射器控制信号(原始ECU的输出)的持续时间。
[0050]在另一个实施例中，通过考虑发动机的状态(例如，通过测量诸如RPM和/或颗粒物排放物的输入)，可以选择更精确的燃料映射分布图。因此，本发明的实施例能够提供二次燃料的更精确分数范围，其仍在一次燃料所测得量的1-15%之间，但其中燃料映射分布图可取决于车辆是否沿线巡航或在重负载下加速而会有所不同。在一个实施例中，通过不仅考虑一次燃料的所测得量而且还考虑发动机状态和/或排放物从而能够更精确地确定该范围的精确分数(或百分比)。即，处于怠速状态下的发动机与车辆加速或在重负载下时的情况相比行为相当地不同。本发明的实施例能够将这些变量考虑在内以及更加精确地确定分数(或一次燃料的百分比)位于范围(envelope)内的何处。实际上，燃料映射分布图用作能够将其它变量考虑在内的一种多维算法。
[0051]根据一个实施例，增强的混合燃烧模式通过“裂化(crack) ”过程来实现，其从根本上改变化学层面上的燃烧。具体地，使用二次燃料来裂化一次燃料，使得一次燃料裂解成更容易且更完全燃烧的更小分子。这会导致提高内燃发动机的效率。
[0052]图1示出了本发明的一个实施例，其中内燃发动机具有位于燃烧室112上游的涡轮增压器106。涡轮增压器具有旋转的涡轮(未示出)，其将空气吸入到其内以便有助于燃烧过程。在所示的实施例中，燃气被喷射到涡轮增压器单元106内。然后与空气混合形成均匀分布的空气/燃气混合物，然后该混合物进入燃烧室112并被压缩。空气/燃气混合物的该压缩将短链的燃气裂解成被称为自由基的甚至更短链的分子(或甚至原子)。然后该自由基存在于燃烧室112内并与较长链的柴油烃类键联，导致柴油裂解成更容易燃烧的较短分子。
[0053]因此，仅需要少量的燃气来改善柴油的燃烧。该燃气被裂解成更小的组分，其将柴油裂解成更小的组分。此裂解过程促进在整个室内发生化学链式反应，这导致更均匀的燃料/空气混合物。在火花点火式发动机中，燃气容易与空气混合，并遍布发动机燃烧室的内部。此外，其易于燃烧，这样其至少完全燃烧，这样做可以确保所有的燃料也被点燃。至少更大量的燃料在两个发动机类型中燃烧。因此，发动机的效率得以提高。
[0054]术语“裂化”在广义上理解为用于使得分子裂解的一种化学过程。从燃料的意义上而言，不同的燃料具有不同的分子结构，一些具有与另一些相比的更复杂分子结构或链更长的烃类。不同的燃料可能含有不同长度的烃链或复杂的分子结构。根据一个实施例，内燃发动机设计成使用诸如柴油的第一燃料。柴油由相对长链的烃分子构成。裂化使得这些长链烃分子能够裂解成更有效燃烧的较短链的烃分子。
[0055]因此，根据一个实施例，燃料裂化以提高内燃发动机的效率。在一个实施例中，这是通过将燃气与空气混合并对其进行压缩使得燃气电离以产生自由基、所述自由基依次裂化较长柴油烃链来实现。具体通过喷射少量的由相对较短链的烃类构成的二次燃料来应用裂化原理，其导致提高内燃发动机的效率，例如提高燃料效率、减少排放物等等。基于由发动机正使用的柴油测得量对所喷射燃气的量进行严格控制。更具体地，燃气的精确量基于所确定的燃料映射分布图(范围)，根据各个实施例其也将诸如发动机的状态和/或排气中颗粒排放物的其它变量考虑在内。
[0056]根据一个实施例，裂化使得二次燃料能够同时用作促进剂和试剂(或反应物)。具体地，试剂产生化学反应和/或在化学反应的过程中被消耗掉。由裂化产生的自由基通过附着到一次燃料并将一次燃料分解成较短链的烃类来诱导化学反应。此外，所生成的短链烃类更容易和更快速地燃烧。
[0057]根据一个实施例，在裂解分子意义上的裂化进行两次。燃气被裂化，然后柴油被裂化。更具体地，在发动机循环的压缩阶段将燃气裂化，这使燃气进入到(通过产生自由基)裂化柴油所必需的物理条件下。即，所产生的自由基则在点火和燃烧阶段期间存在于气团中，将柴油分子裂解成更容易燃烧的更小分子。在该实施例中，柴油裂化和点火/燃烧同时发生，但气裂化在其前面发生。
[0058]虽然可在高达25%的范围内发生增强，但是根据优选实施例在从约1%到15%的范围内发生最大的增强，这是用于减少柴油颗粒排放物的下限和上限。
[0059]传统的内燃发动机包括在气缸内作往复运动的活塞以及用于将活塞的往复运动转换为旋转输出的曲柄机构。内燃发动机的运行和效率取决于大量因素，包括所使用燃料的类型和混合物、压缩比、活塞/气缸的尺寸、气门正时、点火正时、温度和温度在燃烧室内的分布。然而确定发动机整体效率的其中一个主要因素是燃料燃烧的方式，其由燃烧过程的速度和完整性来代表。
[0060]诸如柴油的相对复杂的烃类燃料具有长的且燃烧速度相对较慢的分子结构，这防止某些烃类完全燃烧。此外，这些长链烃类具有聚结的趋势，防止在燃烧过程中与空气或氧气的有效混合。
[0061]此外，在外部冷却的封闭腔室内燃烧的柴油将趋于首先在腔室的中心点燃，然后点火就会朝向腔室的边缘向外扩散。如果火焰前缘的扩散是不完全的或低效的，则会导致烟雾和颗粒物，其将在发动机的排气阶段排放出去。
[0062]传统的四冲程发动机具有以下阶段:
[0063]1.进气冲程，其中空气与一次燃料被吸入；
[0064]2.压缩冲程，其中所述空气和一次燃料被压缩和点燃；
[0065]3.燃烧冲程，其中所述一次燃料燃烧以及活塞位移；
[0066]4.排气冲程，其中将未燃烧的颗粒物从排气中驱逐出去。
[0067]在传统的4冲程发动机中，燃烧(燃料的燃烧)在活塞的“点火”或“动力”冲程期间发生，并且在大多数发动机中，发动机的几何形状在动力冲程期间固定活塞的位移和加速度。为了最大限度地提高发动机的效率，重要的是在动力冲程期间燃烧尽可能多的一次燃料。然而，燃烧的化学和热力学性质实际上对在动力冲程期间实际可燃烧的燃料最大百分比存在限制，这通常导致在动力冲程之后在气缸中残留一定量的未燃烧的燃料。
[0068]通常，传统的重型柴油发动机在动力冲程期间只燃烧存在于气缸内的高达80%的燃料。
[0069]本发明一个实施例的目的在于通过增强燃烧过程将该百分比数增加到更接近于100%。
[0070]影响燃烧的可用燃料比例的主要因素包括:
[0071]-燃料本身的性质。燃烧特性包括十六烷值和辛烷值。
[0072]-气缸的尺寸。气缸容积越大，“火焰前缘”到达气缸边界所花费的时间将越长，这对于较大尺寸或缓慢火焰前缘而言绝不会发生较高的发动机速度。
[0073]-发动机的定时。气门正时和起始燃烧的定时会影响燃烧燃料的比例。在一个实施例中，通过控制燃烧过程的均质性或均匀性来提高发动机的效率。如果点火源可在整个燃烧室内进行扩散，则燃烧过程会较少地受到火焰前缘效果或在燃烧气缸内温度变化的损害。
[0074]这些因素也同样适用于旋转式或涡轮发动机。
[0075]图1示出了内燃发动机的一个基本的实施例，但应当理解的是其它实施例和配置也同样适用。例如，在一个替代性的实施例(未示出)中，二次燃气未被喷射到所述涡轮增压器单元106内。取而代之的是，在一个实施例中，存在后涡轮喷射单元(未示出)。在另一实施例中，二次燃料直接喷射到燃烧室112内。
[0076]可存在其它任选的元件，诸如中间冷却器108，其在图1中示出为位于涡轮增压器106和燃烧室112之间。燃烧室112可包括多种不同的配置。例如在六气缸的车辆中，燃烧室112可包括注入到六个相应活塞(未示出)内的六个相应的歧管分支。燃烧室的出口是排气口 114，所有的未燃烧颗粒物在排气口 114处排放。内燃发动机将具有用于存储柴油的相关联储罐110和用于将柴油从储罐供应到燃烧室内气缸的燃料管线。整个系统的操作由ECU(发动机控制单元)104控制，其根据需要监控和激活内部燃烧系统的各个组件。未示出到不同发动机组件的链接。取决于车量的配置，在ECU104和组件之间的这些链接中的一些是任选的。
[0077]在图1的实施例中，对ECU、一次燃料供应或燃烧室没有任何修改或适应性调节。相反，单独的燃气控制器116负责控制喷射到涡轮增压器106内的燃气。图1中的实例示出在涡轮增压器106和储气罐118之间延伸的燃气供应管线124。在燃气供应管线124中，存在喷射器128，其可以控制在涡轮增压器106之前喷射到进气口内的燃气量。通过来自燃气控制器116的控制输出来实现喷射器128的控制。
[0078]本发明的一个实施例提供用于控制、监控和将二次燃料传送到发动机的实用方法。其中所应用的二次燃料的比例取决于所用的一次燃料的量和发动机的运行状态。所用的二次燃料的比例通常低于所用一次燃料体积的15 %。所用的技术改进或增强发动机的燃烧，其由控制系统进行实时地管理。
[0079]这对于发动机的一次燃料供给没有明显的控制，以及对发动机运行的任何适应性调节主要受到燃烧改进的影响。
[0080]根据本发明的另一个实施例中，执行以下步骤:
[0081]1.实时地计算在发动机中所使用的一次燃料的体积。
[0082]2.基于发动机的运行状态来计算所需的二次燃料的百分比。
[0083]3.计算所需的二次燃料的体积。
[0084]4.计算喷射器的开启时间从而传送所需体积的二次燃料。
[0085]5.将二次燃料引入到发动机内以便与发动机气缸内的一次燃料混合燃烧。
[0086]存在用于实施这些步骤中每个步骤的多种不同的方式，现在将对所述方式进行更详细地描述。
[0087]对于步骤I而言，可通过测量一次燃料轨中的压力以及用于将一次燃料引入到发动机内的喷射器开启时间来确定一次燃料的体积。这适用于共轨喷射器和整体式喷射器，这是用在车辆发动机上的最常见的一次燃料传送系统。此外，可在体积的计算中使用一次燃料的温度。在一个替代性的实施例中，在确定所使用的一次燃料瞬时体积的过程中使用一次燃料的流率。这将适用于稳定状态的发动机，这在植物或海洋应用中常见。在又一个替代性实施例中，可直接从所述发动机的RPM来确定一次燃料轨中的压力。在又一个替代性实施例中，可以使用来自数据总线连接(诸如但不限于CAN总线)所获得的数据来确定一次燃料轨中的压力。在又一个替代性的实施例中，可以使用来自数据总线连接(诸如但不限于CAN总线)所获得的数据来确定一次燃料喷射器的开启时间。在又一个替代性的实施例中，在燃烧过程中正使用的空气量可通过单独或组合地使用空气质量流量、空气质量压力和宽频带λ传感器来计算，从而确定二次燃料需求。在又一个替代性的实施例中，可以使用来自数据总线连接(诸如但不限于CAN总线)所获得的数据来确定所用的一次燃料的瞬时体积。在又一个替代性的实施例中，可使用排放颗粒物的测量来确定最佳的二次燃料需求。
[0088]对于步骤2而言，通过若干输入来确定发动机的运行状态，所述输入包括但不限于:发动机转速(每分钟转数)、一次燃料轨压、一次燃料喷射器开启时间、温度(发动机水温和外部环境温度)、所述车辆的方位和运动。车辆的方位和运动通常由加速度计来确定，所述加速度计以三个轴操作、或以倾斜开关和速度传感器的组合操作。
[0089]对于步骤3而言，在一个实施例中，基于所用的一次燃料量和发动机的运行状态来计算所需的二次燃料量。在一个实施例中，所述发动机的运行状态用于将所需二次燃料的百分比设定在0%和15%之间。这可通过许多方法来完成。在第一实施例中，使用用户限定的查找表(通常被称为映射)，以上限定的若干发动机输入(例如发动机转速RPM)应用到该查找表，以及该查找表输出所需的二次燃料百分比。可存在用于此目的的若干映射。在第二实施例中，可基于发动机的运行状态来设定二次燃料的百分数。这可以包括但不限于固定的百分数或作为校准操作一部分而被自动调节的百分数。
[0090]对于步骤4而言，在一个实施例中，所需的二次燃料量被转换成对于控制二次燃料传送的喷射器而言所需的开启时间。喷射器可具有相对于不同燃料流率的不同特性。它们也可以具有不同的电气或开启特性。对于多个喷射器而言，二次燃料需求到激活时间的转换应该考虑二次燃料喷射器的特性，尤其是考虑最低开启或运行时间，低于该最低开启或运行时间就不能保证二次燃料的最小传送量。
[0091]通过校准过程通过实验确定各个喷射器开启时间和二次燃料传送之间的关系。该校准过程的结果被存储在系统中的非易失性存储器内。
[0092]可根据二次燃料的压力和温度来调节所述喷射器的开启时间。
[0093]对于步骤5而言，根据一个实施例，用于控制二次燃料传送的喷射器然后由电信号来驱动，所述电信号设计成用最短的等待时间开启和关闭喷射器，同时也将喷射器内的稳态电功率消耗最小化。典型地，这将使用峰值和保持脉冲宽度调制技术来实现。
[0094]根据一个实施例，图1中的燃气控制器116被示为接收各种控制输入。其可以从ECU104接收输入，但是这未在图1的实施例中示出。应当理解的是，在一个实施例中可从ECU获得发动机状态。然而，应当理解的是，可以其它方式来监控发动机状态，其不需要来自E⑶804的输入。在一个实施例中，燃气控制器116还具有从测量传感器126所示的控制输入，该测量传感器126用于确定实时地用于或供应到发动机的柴油量。然而，其它实施例描述了不同的方式，包括直接和间接的，其中柴油燃料可如上面已经描述的那样被测量和/或确定。在一个实施例中，燃气控制器116利用微处理器来实施，该微处理器用于执行存储于控制器存储器内的计算机程序或算法。
[0095]可在软件(SW)、固件(FW)、或两者的组合中来实施控制系统操作的算法，例如该算法存储于图1中燃气控制器116的存储器内。
[0096]包括至少五个发动机运行状态的状态机将被用于控制系统的操作，如下:
[0097]-停止-给系统供电但发动机不运行。
[0098]-怠速-车辆静止以及发动机空转(发动机上无负载)。
[0099]-巡航-车辆在稳定状态下条件下运行。
[0100]-正常/运行-车辆运行，但尚未满足巡航或怠速要求。
[0101]-故障-已检测到导致系统关闭的操作误差。
[0102]在巡航和怠速状态下，系统可执行自动的校准操作，其可包括选择固定百分比、t匕例或者体积的待被传送的二次燃料。而在停止状态下，系统执行内置测试(BIT)和诊断操作。而在工作状态下，系统正常运行。而在故障状态下，禁止系统操作。这以系统停止在安全状态下，其中禁用二次燃料传送系统为特征。
[0103]状态机状态之间的转换由所述车辆、发动机和系统的运行状态来控制。在替代性实施例中，从数据总线诸如CAN获得的数据也可用于提供一些或所有这些信息。
[0104]具体地，系统应在所有状态下进行连续地监控，以便确定整个系统与原始发动机的正确操作。另外，控制算法应自主地将在自动校准中获得的任何参数记录到非易失性存储器内，例如存储于燃气控制器116 (但未75)内。
[0105]怠速状态应主要地但非排它性地由发动机的转速RPM，车辆的运动和用于车辆应用的一次燃料体积的组合来确定。应该由对主输入的一系列测试来控制进入和离开怠速状态，所述主输入应包括范围和持续性。
[0106]巡航状态应主要地但非排它性地由发动机的转速RPM，车辆的运动和用于车辆应用的一次燃料体积的组合来确定。应该由对主输入的一系列测试来控制进入和离开巡航状态，所述主输入应包括范围和持续性。巡航状态可附加地使用速度输入传感器。但是进入巡航状态并不局限于特定的速度。
[0107]在另一实施例中，系统能够在启动时执行自动的自校准，用于调整算法(在燃气控制器116中执行)，这样使用产生最大燃烧增强效果所必需的最小量二次燃料。这将在净燃料经济性或排放量或两者的组合上导致最大的性能。
[0108]可利用从发动机传感器或数据总线、或备选地从专用器械(例如λ传感器、消光烟度传感器、温度传感器)所获得的反馈信息来实施自动校准。例如，可将激光传感器嵌入到车辆的排气管内来检测颗粒排放物的量。然后该信号被反馈到燃气控制器116，并且如果颗粒排放物实际是待被控制的变量，则该算法可相应地调节所喷射的二次燃料的水平。
[0109]通常而言，由于燃料更有效地燃烧，因此改进的燃料经济性对应于颗粒排放物的减少。然而，在一个实施例中，可能的是用户(或驾驶员)能够选择一个控制变量使其相比其它控制变量最重要。例如，对生态敏感的驾驶员可能偏好于使得颗粒排放物的控制成为最重要的，并且这可以通过选择生态选项来完成，在燃气控制器116中的算法将相应地对其进行解释。在一个替代性的实施例中，另一个驾驶员可能更偏好于将燃料成本最小化，并因此通过选择这样的选项，控制器中的算法将使得控制燃料效率成为最重要的。
[0110]虽然图1示出了单独的燃气控制器116，其独立于ECU104操作，但是可能的是在一个替代性的实施例中，燃气控制器的功能整合到现有发动机的ECU内或设计成与现有发动机的ECU合作。事实上在又一个实施例中，ECU可代替现有的装备有燃气控制器功能的ECU。
[0111]燃气控制器116可以各种方式在发动机中实施并与发动机接口连接。该接口可以是基于模拟的或数字的或数据总线(例如CAN)。取决于发动机类型和应用，燃气控制器可以是单个单元或若干单元。可以设想到多个单元将需要某种形式的数据或网络连接从而允许它们共同运行并可以主-从配置运行。在另一个实施例中，所述燃气控制器功能也可以部分地或者全部在ECU中实施，该ECU用于控制到发动机的一次燃料。这可使用原始发动机ECU104中的备用容量，或通过使用设计成控制一次和二次燃料的替代性ECU。
[0112]在一个实施例中，所述燃气控制器还必须可操作地连接到用于二次燃料的控制和传送系统。燃气控制器也可以连接到不直接与发动机相关联的子系统。通常，这将包括底盘控制系统或排气和排放系统的元件，所述排气和排放系统将包括处理后的任何排气。
[0113]在另一个实施例中，该燃气控制器应提供用于实施控制系统所必需的软件(SW)和固件(FW)资源。通常而言，这将包括用于SW的微处理器和用于FW的现场可编程门阵列(FPGA)。因此能够单独地使用SW或FW或由两者的组合来实施所需的功能。此外，也可以单独地使用微处理器或FPGA实施该系统。该FPGA能够使用软核、或嵌入式微处理器同时运行SW和FW。
[0114]燃气控制器应提供若干外部通信接口。这些可以包括通用串行总线(USB-主机和设备)、以太网、RS232和控制器局域网(CAN)。这些接口给燃气控制器提供在网络环境中操作或连接到外围组件的能力，所述外围组件诸如调制解调器、膝上型笔记本电脑、或者大容量存储设备。
[0115]燃气控制器应当执行用于与所述发动机和所述二次燃料燃气传送系统接口连接所必要的电路。这应该主要地使用位于电子电路板上的HW组件来提供，但是根据需要还应包括HW或SW支持。
[0116]与所述发动机接口连接的电路应设计成提供电隔离，或者如果这不可能的话，应设计成对于其所连接到的现有原始电路呈现最小的电气干扰。这是为了确保该连接在正常的操作条件下尽量地不能被原始电路检测到。控制所述二次燃料传送系统的能量部件的电路元件应设计成使得单个故障不会导致激活二次燃料传送系统的任何部件，上述任何部件的激活可能存在潜在的危险。
[0117]在正常操作条件下，应对二次燃料传送系统进行监控以确保其正确操作。如果检测到故障，则报告故障代码，并将故障代码存储于非易失性存储器内。取决于故障代码的严重性，二次燃料系统的操作可被禁用以及无法重新启用，直到故障被排除。例如，通过激活如图2中所示的安全截流阀，下面将对其进行更详细地描述。
[0118]根据一个实施例，电子电路板应包含专用的非易失性存储器。其应被用于存储信息，诸如硬件序列号、测试结果和故障代码以及应用程序的详细信息。所述存储器可使用不需要给ECU供电的外部测试设备来访问和编程。该ECU可包含防止未经授权的访问SW和FW编程、校准和映射数据的技术。ECU、电子电路板、FW、SW和线束的设计可结合基于输入和输出观测防止产品反向工程的技术。E⑶的设计可并入若干监控功能(例如监视器)，以便检查FW或SW的不正确操作，Fff或SW的不正确操作将导致受影响子系统的复位。
[0119]燃气控制器可以不同的方式以物理的方式实施。在一个实施例中，燃气控制器密封以防止水、灰尘和其它污染物玷污。E⑶应使用密封的连接器系统。理想情况下，其将是单个连接器。电子线路板应具有经由外壳的热路径，以防止在单元内耗散的功率导致电子组件温度的过度增加。电子电路板和外壳应设计成尽量减少电磁辐射(EMI)。电子电路板和外壳应设计成尽量减少电磁敏感性。ECU设计成与在发动机舱或轮机舱中的安装兼容。
[0120]燃气控制器的实施例可适于与各种应用一起使用。例如，燃气控制器能够与全球定位系统(GPS)接收器集成。该系统将能够通过射频(RF)调制解调器(例如3G或GPRS)双向通信。这应包括通过该连接使得系统能够启用或禁用的设施。该设施可提供关于该系统位置和操作的遥测信息。其也可以使得系统能够被远程启动。其提供对系统的防盗保护，另外提供一种实施和监控按每次使用付费、或按租赁商业模型付费的方法。
[0121]在另一个实施例中，控制器系统能够与在基于计算机的系统上运行的应用程序集成。此应用程序将对非车辆应用(例如工业或海洋)提供控制和管理。该系统可针对所有设想的应用场合中的大多数进行定制，其中仅仅需要通过对线束、SW和FW进行改变。应该能够通过外部连接器对单元SW和FW重新进行编程。每个E⑶应编程有唯一的序号。每个E⑶应编程有足够的细节来识别应用程序。对于车辆应用而言，这可包括发动机、底盘或注册号。这些信息可在存在这种设施的场所自动地获得(例如通过CAN)。ECU应实施符合OBDII的诊断和维护接口。
[0122]图2示出根据本发明一个实施例可被改装成现有发动机的成套工具；
[0123]成套工具包括燃气控制器116，其用于控制喷射器128(经由控制线238)以便将一定量的燃气从储气罐118供应到现有的内燃发动机供应线124。因此，该成套工具意旨用螺栓连接到现有的内燃发动机上。
[0124]图2实施例中所示的成套工具具有位于储气罐118和喷射器128之间的另外任选元件。例如，第一压力和温度传感器220，能够作为电磁阀或电截流阀的两个电动气阀224和230，能够执行燃气调节功能并附连到温度传感器228的蒸发器226，第二压力传感器232以及用于提供机械截留阀功能的手动气阀。储气罐可配备有浮标240。可出于安全原因安装电动阀和机械阀，以便使得在出现故障模式或其它方式的情况下应该切断燃气供应。
[0125]在另一个实施例中，所述燃气控制器116配置成具有来自柴油喷射器的第一输入，来自轨压传感器的第二输入和来自凸轮传感器(用于在任何时间点给定所述发动机的转速RPM)的第三输入。应当理解的是其它的输入也是可能的，且燃气控制器116使用这些输入来确定范围(或燃料映射分布图)，这依次将确定待被供应到发动机的燃气分数(或百分比)。
[0126]该成套工具可被改装成传统的内燃发动机，而无需对ECU、燃烧室或供应燃烧室的连接控制进行改变。而许多传统的系统描述控制一次燃料的量，该发明的实施例涉及基于一次燃料的所测得的分数量来控制二次燃料的量。因此，该系统能够做出反应，而不是破坏性地(invasively)控制发动机的性能。除了该发动机将只获得更有效的燃烧之外，车辆的E⑶将如正常起作用。
[0127]图5a_5c示出根据本发明一个实施例的改装操作之前和之后的车辆的实例。更具体地，图5a示出在改装所述燃气控制器系统之前的车辆的侧视图。在图5a中示出侧视图，其中空气罐和电池组安装到卡车底盘的左侧。在图5b中，在改装之后，空气罐在卡车底盘内部移动，并由储气罐替代(即二次燃料供应)。在图5c中，在改装之后，并从相对侧观察时，车辆示出燃气从储气罐流动通过燃气电磁阀(执行类似于图2中气阀224和230的功能)和燃气调节器(执行类似于图2中燃气蒸发器226的功能)。
[0128]图6示出燃气控制器116功能的功能(或软件)实施方式的实例。图6示出用于同步和调度定期操作的调度程序610或操作系统。此外还负责处理异步输入，诸如中断和内部错误检测。通信处理器620提供使得燃气控制器与各种通信接口和协议能够连接的功能。其负责驱动外部和内部的所有通信接口。存储器接口 630提供多种类型的存储器功能，并负责与处理器内部和外部的所有存储器资源接口连接。初始化功能650负责紧接在开机之后立即进行SW操作。该处理器执行自检测试，然后从存储器加载操作性的SW。其还加载FPGA，然后在操作之前使用默认设置对其进行配置。操作功能640负责运行与双燃料应用程序相关联的算法。其也能够基于这些输入选择和执行有关的燃料映射分布图，以便确定激活那一个用于控制待被喷射的二次燃料分数的输出。
[0129]图7示出了燃气控制器116的内部电子结构的一个实例。其示出了控制器的内部电子结构。处理器是独立的装置。它负责所有的外部通信接口和监督功能。其通过存储器映射接口与FPGA通信。FPGA则负责所有的实时功能。这两个装置都需要操作以便燃气系统被激活。微处理器720布置成连接到各个I/O接口(以太网，USB，RS232等)，诸如用于确定车辆方位的三-轴加速度计730的传感器，以及还有其它IC(例如FPGA740)，监控电路750和驱动电路760。FPGA740连接到EEPROM装置且存在用于测试电路板的JTAG集成电路。
[0130]应当理解的是，图6和图7的功能和组件是行业内标准的，以及能够实现本发明实施例的其它配置也是可能的。
[0131]总之，根据一个实施例，由相对长链烃分子构成的一次燃料设计成在内燃发动机的气缸中燃烧。二次燃料能够用作促进剂、试剂、反应物或催化剂并且能够混合燃烧，这样当其被引入到发动机气缸内时，燃烧过程的效率以及因此发动机的效率得以提高。根据该实施例，一次和二次燃料两者的同时燃烧导致发动机以比燃料单独燃烧更高的效率运行。
[0132]这种增强的燃烧效果或燃烧改进可归因于二次燃料的添加导致一次燃料的更完全燃烧以及还有一次燃料的更快燃烧。这以更高的发动机效率和更低的颗粒排放物为特征。在一个实施例中通过将一次燃料的长链烃分子裂解成较短链的烃分子(通常称为裂化)、使得燃料空气混合物在发动机气缸中电离、增加燃烧发生时的火焰前缘的速度和扩散以及燃料空气混合物在发动机气缸中的更有利分布从而产生这种效果。在一个优选实施例中，当调节热值时二次燃料的比例按体积计小于一次燃料的15%。
[0133]根据一个实施例，通过引入同时作为促进剂和试剂的二次燃料或多种燃料以便形成更均质或均匀的燃烧从而提高效率来促进一次烃类燃料的更完全燃烧。在一个实施例中，增加发动机的效率意味着可获得更好的燃料经济性和/或更高的功率，同时通过引入二次燃料来改进发动机的排放标准。根据另一实施例，提供一种便利的二次燃料传送和控制方法，使得一次和二次燃料可以同时燃烧。根据另一实施例，提供一种便利的二次燃料传送和控制方法，其中当被引入到发动机内时二次燃料处于气态状态。根据另一实施例，提供一种二次燃料的传送和控制系统，其可容易地被改装成现有发动机以便将它们从在单种燃料上运行转换到在多种燃料上运行而无需对发动机或其控制系统进行较大修改。根据另一实施例，提供一种二次燃料传送和控制系统，其可由发动机供应商或车辆制造商结合入以便于用多种燃料进行操作，而无需对原有的发动机管理系统进行重新映射或重新校准。
【权利要求】
1.改进燃烧发动机效率的方法，所述方法包括: 测量被供应到所述燃烧发动机的一次燃料的量； 确定所述燃烧发动机的运行状态； 基于所述燃烧发动机的运行状态选择燃料映射分布图；以及 从所述燃料映射分布图确定作为一次燃料所测得量的分数的待被喷射的二次燃料的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述分数小于一次燃料所测得量的15%。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述燃料映射分布图具有阈值量，并且一旦超过一次燃料的所述阈值量，二次燃料的分数随着一次燃料量的增加而减小。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述发动机具有多个运行状态，每个运行状态具有相应的燃料映射分布图，并且其中每一燃料映射分布图限定在分数的相应最小值和最大值的范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所选择的燃料映射分布图基于颗粒排放物的测量。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述一次燃料具有比二次燃料的分子结构更大的分子结构。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所喷射的二次燃料导致一次燃料裂解成更小的分子。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述一次燃料的裂解与较小分子的燃烧基本上同时发生。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述二次燃料在压缩阶段期间喷射有空气，以便将二次燃料裂解成自由基，并且在燃烧阶段期间喷射该自由基以便将一次燃料裂解成更小的分子。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述一次燃料是柴油，以及二次燃料是液化石油气(LPG)、压缩的天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、甲烷或氢气(布朗燃气)中的至少一种。
11.一种燃烧发动机，其包括: 用于测量供应到燃烧发动机的一次燃料量的第一传感器； 用于确定所述燃烧发动机运行状态的第二传感器； 基于所述燃烧发动机运行状态来选择燃料映射分布图的控制器；以及从所述燃料映射分布图确定作为一次燃料所测得量的分数的待被喷射的二次燃料量的控制器。
12.根据权利要求11所述的燃烧发动机，其中所述燃烧发动机是内燃发动机，以及一次燃料是柴油。
13.用于改装被设计成燃烧一次燃料的燃烧发动机的成套工具，所述成套工具包括: 用于容纳二次燃料的储罐； 用于将二次燃料喷射到发动机内的喷射器； 控制器，其配置成接收: 指示被供应到发动机的一次燃料量的第一输入；以及 指示所述发动机运行状态的第二输入；并且其中所述控制器配置成基于所述运行状态来选择燃料映射分布图并从所选择的燃料映射分布图来确定作为一次燃料所测得量的分数的由所述喷射器所喷射的二次燃料的量。
14.用于控制将二次燃料喷射到供应有一次燃料的发动机内的控制器，所述控制器包括: 用于接收指示正被供应的一次燃料量的第一输入； 用于接收指示所述发动机运行状态的第二输入； 用于存储多个燃料映射分布图的存储器； 处理器，其用于基于所述第二输入来选择燃料映射分布图之一，并确定作为一次燃料所测得量的分数的待被喷射的二次燃料的量。
15.提高燃烧发动机效率的方法，所述方法包括: 测量被供应到燃烧发动机的一次燃料量；以及 基于一次燃料所测得量的分数来喷射二次燃料的量，其中一旦超过一次燃料的阈值量，二次燃料的分数随着一次燃料量的增加而减小。
【文档编号】F02D41/00GK104136748SQ201280061118
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2012年10月29日 优先权日:2011年10月28日
【发明者】G·麦克马洪 申请人:Eht专利和许可有限公司