用于爆震控制的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于双燃料发动机内的爆震控制的装置和方法，适合于与天然气或沼气和柴油一起使用。这种方法适合用在重型车辆发动机中。
【背景技术】
[0002]在理想的情况下，普通内燃机在汽缸中以有序且受控的方式燃烧燃料/空气混合物。在汽油发动机中，取决于包括发动机速度和负载的各种因素，由火花塞在上止点(TDC)之前在少数曲轴度处启动燃烧。这种点火提前为燃烧过程留出了时间，以便在对于来自膨胀气体的工作的最大回收的理想时机发展峰压。
[0003]在正常的燃烧中，火焰前缘以对于特定混合物所特有的速度遍及燃料/空气混合物移动。当消耗了几乎所有的可用燃料时，压力平稳地上升到峰值，然后，当活塞下降时压力下降。在活塞经过TDC后，在少数曲轴度处达到最大汽缸压力，使得增加的压力能够强推活塞，此时活塞的速度和在曲轴上的机械优势给予来自膨胀气体的力的最好回收。
[0004]当超过火焰前缘边界的未燃烧的燃料/空气混合物遭受到热和压力的混合达某一持续时间时，它可以以瞬间的爆炸性点火方式在火焰前缘外面的燃料/空气混合物的至少一个油盘(pocket)中自燃。在每个油盘周围产生局部冲击波，并且汽缸压力可以急剧地上升至超过其设计限制。如果这在极端条件下或者在许多个发动机循环中被允许持续的话，则发动机零件可能被损坏或毁坏。这被称为爆震。中度的爆震能够产生颗粒，所述颗粒在被油过滤器捕获之前能够在油系统中引起零件上的磨损。以穿过活塞或汽缸头打孔的物理孔形式的严重爆震能够导致灾难性的故障，这可将大的金属碎片、燃料和燃烧产物引入油系统中。
[0005]存在避免汽油发动机中的爆震的不同的方式。一种方式是使用具有高辛烷值的汽油，这增加了燃料的燃烧温度并且减小了爆震的倾向。另一种方式是使用更富有的燃料/空气比，该方式将额外的燃料添加到混合物中，导致了降低的火焰温度并且当燃料在汽缸内蒸发时增加了冷却效果，或者导致了通过增加发动机转数而减小燃烧持续时间，或者导致了通过增加发动机转数或通过借助燃烧室的设计增加扰动而增加混合物扰动或漩涡。也可以通过减小节流阀开度降低歧管压力或减小发动机上的负载。
[0006]因为压力和温度是强烈关联的，所以爆震也能够通过控制峰燃烧室温度、通过压缩比减少、废气再循环、发动机点火计时时间表的适当校准并且通过仔细的设计发动机燃烧室和冷却系统以及控制最初的进气温度而被衰减。
[0007]在双燃料发动机中，发动机适合于采用不同的燃料发挥作用。正常地，发动机适合于采用特定的单种燃料或者两种不同燃料的混合物而发挥作用。同样可能的是发动机适合于采用独立存在的燃料中的任一种或者两种燃料的混合物发挥作用。在这种发动机中可能出现的问题是所用燃料质量的差异。
[0008]一种类型的双燃料发动机利用第一种燃料和第二种燃料以混合模式操作，第一种燃料典型地为天然气，其主要在预混合的火焰传播过程中被燃烧，第二种燃料典型地为柴油，对其而言，燃烧通过自动点火过程被启动，并且具有随后的混合控制的燃烧过程，类似于在直接被喷射的柴油发动机中的过程。由于第一种燃料的预混合，第一种燃料的自动点火能够出现在十分高的温度和压力下。如果自动点火过程太快，则可导致有害的爆震，所述爆震例如可能导致严重损坏发动机。
[0009]通过使发动机压缩比和柴油喷射开始适合，能够为给定质量的第一种燃料(即天然气)控制爆震。对于天然气而言，与爆震相关的最重要的参数是甲烷值MN。较高的甲烷值引起较低的爆震趋向。对于作为发动机燃料的天然气而言，颗粒问题是在大约从70到95的甲烷值中的宽扩展，这取决于气源。该甲烷值范围非常大并且对于当前的发动机控制系统引发了问题，如果发动机以具有低MN的气体为燃料，则可能导致破坏性的爆震。
[0010]解决该问题的一种方式是例如通过降低压缩比为低MN的气体优化发动机。当发动机以具有大部分的柴油和/或以具有高MN的甲烷气体为燃料时，这将导致较低的效率。控制双燃料发动机内的爆震的另一种已知的解决方案是通过稍后注入柴油燃料来延迟燃烧。也可以增加注入的柴油燃料量。然而，这些解决方案导致较低的效率以及较低的柴油置换速率。
[0011]因此，存在用于双燃料发动机内的爆震控制的改善型装置和方法的空间。
【发明内容】
[0012]因此，本发明的一个目的是提供一种用于双燃料发动机内的爆震控制的改善型装置。本发明更进一步的目的是提供一种用于双燃料发动机内的爆震控制的方法。
[0013]根据本发明，在用于装置的权利要求1和用于方法的权利要求10的特征部分中描述了针对该问题的解决方案。其它的权利要求包含本发明的用于双燃料发动机中的爆震控制的装置和方法的有利的更进一步的发展。
[0014]一种车辆发动机中的装置，包括进气歧管、废气歧管和多个汽缸，并且适合于通过包括柴油和气体燃料的双燃料而被操作，所述装置进一步包括:将所述废气歧管与所述进气歧管连接的废气再循环管道、布置在所述废气再循环管道内的废气再循环阀、以及布置用于控制所述废气再循环阀的操作的控制单元，本发明的目的通过所述装置进一步包括布置在所述发动机上并且连接到所述控制单元的爆震传感器而被实现；所述控制单元适合于在所述爆震传感器检测到爆震的情况下打开所述废气再循环阀。
[0015]通过根据本发明的装置的该第一实施例，提供了一种用于双燃料发动机内的爆震控制的装置，该装置允许发动机以各种组合方式使用柴油以及所有的各种天然气，而不引起爆震。这是通过将少量的废气再循环从废气歧管供给到进气歧管而得以实现。废气再循环的量由控制废气再循环阀的控制单元控制。通过仅允许少部分的废气再循环，未增加燃料消耗。
[0016]柴油发动机被优化，以便与高质量的天然气一起使用，例如具有的甲烷值为100的甲烷。通过将少部分的废气再循环引入进气歧管内，能够使用具有的甲烷值低至大约70的低质量气体，而不引起爆震发生。
[0017]在一种用于控制双燃料柴油发动机的方法中，包括步骤:利用爆震传感器检测爆震，并且利用控制单元打开废气再循环阀，其中所述控制单元以与检测到的爆震成比例地打开阀。采用该方法，可以使用不同质量的甲烷气体，而不会引起发动机中的爆震。对于发动机而言，由于最经济的燃油方法是为具有最高质量的燃料优化发动机，并且采用避免爆震的控制策略使燃烧适合于具有较低质量的燃料，因此这是有优势的。
【附图说明】
[0018]下面将参照附图更加详细地描述本发明，其中:
[0019]图1示出了根据本发明的示意性的发动机，
[0020]图2示出了根据本发明的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0021]下面描述的具有更进一步发展的本发明的实施例将被视为仅仅作为实例，并且绝非用于限制由专利权利要求书所提供的保护范围。
[0022]图1示出了根据本发明的示意性的发动机装置I。发动机2为双燃料柴油发动机，适合于与柴油发动机燃料以及诸如天然气或沼气的甲烷气体形式的气体燃料一起使用。气体中的能量将取决于气源而变化。甲烷气体的质量或能含量由甲烷值(MN)限定，其中较高的数值指示较高的能级。高质量的甲烷气体可以具有95的MN，而较低质量的甲烷气体具有接近70的丽。
[0023]所述发动机设置有多个汽缸3，汽缸3具有以已知的方式连接到曲轴5的活塞4。发动机进一步设置有进气歧管6，在进气歧管6中安装了用于甲烷气体的气体喷射器7。当使用甲烷气体或入口空气时，所述进气歧管优选地设置有压缩机8，压缩机8适合于对入口空气和甲烷气体的混合物加压。所述发动机也设置有适合于排出废气的废气歧管9。所述废气歧管优选地设置有废气驱动的涡轮机10，涡轮机10适合于以已知的方式从废气中回收一些能量。每个汽缸也设置有柴油喷射器11，柴油喷射器11适合于优选地从共同的轨道喷射柴油。
[0024]所述装置进一步设置有废气再循环(EGR)系统，包括将废气歧管9与进气歧管6连接的废气再循环管道12。在所述废气再循环管道中，设置了能够以可变方式打开和关闭的废气再循环阀13。EGR阀受控于控制单元14，所述控制单元14可以被包含在车辆的现有控制单元中，例如发动机控制单元中。所述发动机进一步设置有安装在发动机上的爆震传感器15。所述装置可以设置有一个爆震传感器，或者每个汽缸均可以