用于双燃料发动机的温度受控的排气再循环系统和方法
【技术领域】
[0001]本专利发明总体上涉及发动机系统，并更具体地涉及使用气体燃料的发动机系统。
【背景技术】
[0002]近年来，相比于汽油或柴油等较传统的燃料，使用液化气体作为各种应用的燃料源已经得到普及，这是因为诸如液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)之类的气体燃料的成本更低且燃烧更清洁。在实际应用中，例如，矿用卡车、机车、公路货车等等，发动机可主要靠天然气运行，其是一种需要点火的燃料。点火可以通过火花或通过将引燃量的诸如柴油之类的压缩点火燃料引入到发动机汽缸内来提供。
[0003]典型的压缩点火发动机，如柴油发动机，在相对较高的压缩比之下运作，例如，发动机运作期间发动机汽缸内的柴油自燃所需要的16:1到17:1的范围内。火花点火发动机，例如在奥托循环下运作的发动机，利用火花塞或电热塞在预定时间点燃发动机汽缸内的空气/燃料混合物。在火花点火发动机中，不希望空气/燃料混合物自燃，这对发动机正常运行通常是有害的。火花点火发动机使用的压缩比通常比压缩点燃发动机要低。例如，天然气发动机可使用大约11:1到12:1的压缩比。
[0004]正如所能理解的，使用引燃柴油来点燃天然气/空气混合物的压缩点火双燃料发动机面临着冲突的设计参数，因为虽然需要高压缩比来点燃引燃柴油，但高压缩比也可能会导致天然气过早自燃。当使用低压缩比来避免天然气/空气混合物自身爆燃时，汽缸温度和压力不足可能会导致柴油点火中不可接受的易变性，特别是当使用稀薄的空气/燃料比时，这可能会影响发动机正常运作。
【发明内容】
[0005]在一个方面，本发明描述了一种双燃料发动机系统。在一个实施例中，双燃料发动机系统包括被配置成用于在至少一个燃烧室中使用第一燃料和与空气和再循环排气混合提供的第二燃料来运行的内燃发动机。再循环气体可在内燃发动机的排气系统与进气系统之间输送。双燃料发动机系统进一步包括与第一燃料喷射器相关联的第一燃料供应系统，其被配置成将一个或多个预定量的第一燃料直接喷射到至少一个燃烧室中。第二燃料供应系统与第二燃料喷射器相关联，其被配置成将预定量的第二燃料输送到至少一个燃烧室中。第一排气再循环(EGR)通道在排气系统和进气系统之间流体连接，且第二 EGR通道在排气系统和进气系统之间流体连接。EGR冷却器被设置为冷却通过第二 EGR通道的排气。三通EGR阀具有与排气系统流体连通的入口、流体连接至第一 EGR通道的未冷却气体出口，以及流体连接至第二 EGR通道的冷却气体出口。三通EGR阀可操作用于选择性地允许第一EGR气体流通过第一 EGR气体通道及选择性地允许第二 EGR气体流通过第二 EGR气体通道。在内燃发动机运作期间，第一 EGR气流和第二 EGR气流被配置成混合并形成第三EGR气体流。第三EGR气体流具有介于第一 EGR气体流的第一温度与第二 EGR气体流通过EGR冷却器后的第二温度之间的EGR气体温度。与所述三通EGR阀相关联的控制器被配置成控制所述三通EGR阀的运作，从而使得所述EGR气体温度接近于预定温度值。
[0006]在另一个方面，本发明描述了一种内燃发动机。所述内燃发动机包括至少一个可往复地接纳活塞的汽缸。所述至少一个汽缸至少部分地限定了在内部汽缸壁、活塞以及汽缸头之间的燃烧室。所述燃烧室可经由进气流道流体连接到进气歧管，以及连接到排气歧管。柴油燃料喷射器被设置成将柴油燃料直接喷射到所述燃烧室中。天然气喷射器被设置成将天然气喷射到进气流道中。非冷却排气再循环(EGR)通道直接流体连接在排气歧管与进气歧管之间。非冷却排气通道适于引导第一温度下的第一 EGR气体流。冷却的EGR通道流体连接在排气系统与进气系统之间。所述冷却的EGR通道包括设置成将通过所述冷却的EGR通道的第二 EGR流从所述第一温度冷却至第二温度的EGR冷却器。EGR阀装置与所述冷却和非冷却的EGR通道相关联。所述EGR阀装置被设置成选择性地控制第一 EGR流和第二EGR流中每一者的流率。所述第一 EGR流和第二 EGR流混合以提供第三EGR流，其具有介于第一温度和第二温度之间的EGR气体温度。控制器与EGR阀装置相关联并且被配置为控制第一 EGR流和第二 EGR流中每一者的流率，从而使得EGR气体温度接近于预定温度值。
[0007]在又一个方面，本发明描述了一种用于操作内燃发动机的方法。所述方法包括控制再循环排气的温度以实现预定的再循环排气温度，以及在进气冲程期间准许空气与再循环排气的混合物进入燃烧室。气体燃料喷射器在进气冲程期间也被激活，用于将气体燃料输送到燃烧室中。在压缩冲程的初期，第一次激活柴油燃料喷射器以将预引燃柴油量直接输送到燃烧室中。在压缩冲程的后期，至少第二次激活柴油燃料喷射器以将引燃柴油量直接输送到燃烧室中。在一个实施例中，在柴油燃料喷射器第二次激活完成时，燃烧室内的总空气/燃料比是稀薄的。燃烧室内的空气/燃料混合物在燃烧冲程期间燃烧，且燃烧产物在排气冲程期间从燃烧室去除。
【附图说明】
[0008]图1是根据本发明的发动机系统的框图。
[0009]图2是根据本发明的发动机汽缸横截面的示意图。
[0010]图3是示出根据本发明的燃料喷射器激活的代表性时序图。
[0011]图4是定性发动机控制参数图，示出根据本发明的用于排气再循环温度的各种控制区域。
[0012]图5是根据本发明的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0013]本发明涉及内燃发动机，更特别地，涉及使用柴油作为引燃燃料以启动发动机汽缸内的燃烧的天然气发动机。本文中描述的发动机系统和方法适用于移动式应用，例如卡车、机车、运土机器等等，固定式应用，例如发电机、压缩机等等，或海上应用。此外，应当理解的是，气体发动机燃料的来源可经由机载存储罐，例如低温液化天然气罐、加压气体罐来提供，或由另一气体源来提供，例如由石油产物提取、分配、输送或精炼作业来提供。
[0014]图1中示出了说明关于发动机系统100的一个实施例的框图。图2中示出了发动机汽缸的横截面。主要参照图1，发动机系统100包括发动机102，其具有包围多个发动机汽缸106的汽缸壳104。虽然六个发动机汽缸106示出为处于直列式构型，但也可以使用处于相同或不同构型的少于或多于六个汽缸。每个汽缸106包括往复式活塞108 (图2)，其限定燃烧室110 (图2)，燃烧室110在汽缸106的壁、活塞108以及汽缸头112之间具有可变容积(图2)。众所周知，每个燃烧室110内的空气/燃料混合物的燃烧提供推动活塞108的动力，活塞108经由连杆116连接到曲轴114 (图2)并使其转动。
[0015]空气经由进气歧管118被提供给燃烧室110，在所示实施例中，进气歧管118从压缩机120接收通过增压空气冷却器122冷却和压缩的增压空气。增压空气的压力和/或流率可以任选地通过节流阀124控制或调整。在示出的发动机系统100中，压缩机120是涡轮增压器126的一部分，涡轮增压器126包括涡轮机128，涡轮机128连接到排气歧管130并且被配置成从排气歧管130接收排气。通过涡轮机128从排气中提取出的能量使压缩机120运作，但是在替代实施例中，可以使用空气压缩的替代模式。
[0016]发动机系统100进一步包括排气再循环(EGR)系统132，其流体连接在进气歧管118与排气歧管130之间。在所示实施例中，EGR系统132有利地被配置成将来自排气歧管130的排气提供给进气歧管118，从而提供给燃烧室110。如图所示，EGR系统132被配置成处于通常称为高压回路(HPL)的构型中，这意味着:从涡轮机128上游的发动机排气系统提取出排气(即在相对较高压力条件下)，并且在压缩机120下游的位置处将排气提供给发动机进气系统。可选地，EGR系统可被配置成处于称为低压回路(LPL)的构型中，即在位于至少一个涡轮机的下游的发动机排气系统中的位置与位于至少一个压缩机的上游的发动机进气系统中的位置之间。
[0017]EGR系统132被配置成提供具有可变温度的排气，所述可变温度在作为上限的汽缸排出排气温度与作为下限的冷却温度之间变化，所述冷却温度视发动机冷却剂温度而定。如图所示，EGR系统132包括三通阀装置134，其包括直接流体连接至排气歧管130的排气入口 136、第一或冷却排气出口 138以及第二或未冷却排气出口 140。在所示实施例中，第一两通阀142选择性地流体阻塞冷却排气出口 138形成排气入口 136，且第二两通阀144选择性地流体阻塞未冷却排气出口 140，但能够使用其他阀构型。在运作期间，第一两通阀142及第二两通阀144中的一者或者两者可以被操作以将冷却的和未冷却的排气流的混合物的任何一种提供给进气歧管118。连接至阀装置134的排气导管并入主EGR通道145中。将通过冷却排