用于燃料喷射和动态燃烧控制的方法和设备的制造方法
【专利摘要】实现在扩散燃烧模式下燃烧气体燃料的被供以气体燃料的内燃机的排放目标，诸如NOx水平越来越更有挑战性。一种用于被供以气体燃料的内燃机的燃料喷射方法包括：在第一燃料喷射阶段引入第一引燃燃料量；在第二燃料喷射阶段引入第一主燃料(气体燃料)量；以及在第三燃料喷射阶段引入第二主燃料量。所述第一和第二主燃料量有助于所述内燃机的负荷和速度需求。可以在发动机的负荷和速度范围的不同区域中使用针对不同发动机性能校准的发动机特性图。当所述发动机在两个区域之间转变时结合所述发动机特性图；且至不同区域中的瞬时偏移不会改变发动机校准。
【专利说明】
用于燃料喷射和动态燃烧控制的方法和设备
技术领域
[0001 ]本申请涉及将引燃燃料和气体燃料引入至内燃机中以及动态地控制燃烧的技术。
[0002]发明背景
[0003 ]已知在被供以气体燃料的柴油循环内燃机中使用引燃燃料来起始燃烧。典型的气体燃料(诸如天然气)的十六烷值低，从而使得在使用常规压缩比的气缸中自动点燃是困难的。在压缩冲程后期引入引燃燃料(诸如柴油)，其中引燃燃料因为气缸中的压力和温度而自动点燃，进而产生适合于气体燃料点燃的环境。一般来说，引燃燃料可以是在正常操作期间在燃烧室内产生的条件下可靠地按所要定时自动点燃的任何燃料。举例来说，在被设计以被供以柴油燃料的发动机中，柴油是合适的引燃燃料，因为它将在正常发动机循环期间在燃烧室内产生的温度和压力下自动点燃。
[0004]已知在多个阶段在柴油循环内燃机中引入气体燃料。2003年11月4日向Ancimer等人颁布的申请者自己的美国专利N0.6,640,773公开了一种均质充量直接喷射发动机，所述发动机在三个阶段引入气体燃料和引燃燃料。在第一阶段，在压缩冲程中直接喷射气体燃料，使得其与空气混合从而形成均质充量。在第二阶段，在压缩冲程后期引入引燃燃料以起始均质充量的燃烧。在第一阶段引入的气体燃料的量限于减小且优选地防止过早燃烧(诸如发动机爆震)的可能性。对于发动机的负荷和速度范围中的一些部分，在第一阶段并不引入足够的气体燃料以满足发动机的负荷需要，而且在此类操作条件下在第三阶段在引燃燃料之后直接喷射气体燃料使得发动机的负荷需要得以满足。
[0005]以上技术具有若干优点。发动机爆震的可能性减小。第一阶段气体燃料的燃烧中的氮氧化物(NOx)形成率非常小，这是因为预先混合的气体燃料和空气在非常稀薄的状态下燃烧。其通过在同一发动机循环中使用分层充量(引燃烟流)、稀薄燃烧和扩散燃烧模式全部来提供有效操作，并且与常规操作方法相比维持高发动机输出同时减少NOx排放。尽管如此，但在一些实现方式中，这种技术存在缺点，诸如燃烧稳定性、有限的发动机功率和发动机校准困难。未燃烧的烃类排放可因为预先混合的充量过度稀薄而增加。
[0006]在仅仅在扩散模式下燃烧气体燃料的被供以气体燃料的柴油循环内燃机中，已知因为燃烧温度和压力，在发动机的负荷和速度范围的某些区域中NOx形成率可以是过量的。举例来说，参看图1，示出一个内燃机实现方式的特性区域10，在特性区域10中NOx形成率过高。技术现状是缺乏用于降低在扩散燃烧模式下操作的被供以气体燃料的内燃机中的NOx形成率的技术。本方法和设备提供用于改进在扩散燃烧模式下操作的被供以气体燃料的柴油循环内燃机的操作的技术。
发明概要
[0007]—种用于被供以气体燃料的内燃机的改进的燃料喷射方法包括:在第一燃料喷射阶段引入第一引燃燃料量;在第二燃料喷射阶段引入第一主燃料量；以及在第三燃料喷射阶段引入第二主燃料量。所述第一和第二主燃料量有助于所述内燃机的负荷和速度需求。所述主燃料是所述气体燃料，且所述引燃燃料和所述主燃料都在扩散燃烧模式下燃烧。所述第一燃料喷射阶段可在上止点前50度(°BTDC)与10°BTDC之间发生。所述第二燃料喷射阶段可在30° BTDC与0°BTDC之间发生。所述第三燃料喷射阶段可在20°BTDC与上止点后20度(°ATDC)之间发生。在所述第一燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的下降沿(结束)与在所述第二燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的上升沿(开始)之间的间隔定时可以在200与400微秒之间。如本文中所使用，上升沿表示燃料喷射脉冲的开始，且下降沿表示燃料喷射脉冲的结束。在替代实施方案中，上升沿可以表示燃料喷射脉冲的结束，且下降沿可以表示燃料喷射脉冲的开始(即，使用负逻辑)。在所述第二燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的下降沿(结束)与在所述第三燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的上升沿(开始)之间的间隔定时可以在500与750微秒之间。所述方法可以进一步包括在第四燃料喷射阶段引入第二引燃燃料量。所述第四燃料喷射阶段可以在0° ATDC与50° ATDC之间发生。
[0008]在优选实施方案中，当所述内燃机的操作点在所述第一、第二和第三燃料喷射阶段中的至少一者中从第一特性区域转变至第二特性区域时，所述方法进一步包括在所述操作点转变至所述第二特性区域中之后在第一所测量参数小于第一预定阈值时，使用来自第一发动机特性图的校准。当所述第一所测量参数在所述第一预定阈值与第二预定阈值之间时，所述方法进一步包括结合来自所述第一发动机特性图和第二发动机特性图的校准；以及使用所述所结合的校准。当所述第一所测量参数大于所述第二预定阈值时，所述方法包括使用来自所述第二发动机特性图的校准。所述第一和第二发动机特性图中的所述校准包括燃料供给和定时校准。可以使用比率来结合所述第一和第二发动机特性图，或替代地可以通过针对每一特性图使用单独的加权因子来结合第一和第二发动机特性图。可以在所述第一特性区域中使用所述第一发动机特性图。在优选实施方案中，所述第一所测量参数是时间且所述第一和第二预定阈值分别是第一和第二预定时间阈值。在另一优选实施方案中，所述第一所测量参数是表示燃烧温度的温度且所述第一和第二预定阈值分别是第一和第二预定温度阈值。
[0009]—种被供以气体燃料的内燃机中的改进的燃料喷射设备包括直接喷射设备，所述直接喷射设备用于将引燃燃料和主燃料直接引入至所述内燃机的燃烧室中。所述主燃料是所述气体燃料。引燃燃料供应系统将所述引燃燃料递送至所述直接喷射设备，且主燃料供应系统将所述主燃料递送至所述直接喷射设备。被配置用来致动方向喷射设备以将所述引燃燃料和所述主燃料引入至所述燃烧室中的控制器被编程以执行以下操作:(I)在第一燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第一引燃燃料量；(2)在第二燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第一主燃料量；以及(3)在第三燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第二主燃料量。所述第一和第二主燃料量有助于所述内燃机的负荷和速度需求。所述引燃燃料和所述主燃料在扩散燃烧模式下燃烧。所述第一燃料喷射阶段可在上止点前50度(° BTDC)与10° BTDC之间发生。所述第二燃料喷射阶段可在30° BTDC与0° BTDC之间发生。所述第三燃料喷射阶段可在20°BTDC与上止点后20度(°ATDC)之间发生。在所述第一燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的下降沿(结束)与在所述第二燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的上升沿(开始)之间的间隔定时可以在200与400微秒之间。在所述第二燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的下降沿(结束)与在所述第三燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的上升沿(开始)之间的间隔定时可以在500与750微秒之间。所述控制器可被进一步编程以在第四燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第二引燃燃料量。所述第四燃料喷射阶段可以在0° ATDC与50° ATDC之间发生。所述直接喷射设备可以包括同心针燃料喷射阀。替代地，所述直接喷射设备可以包括与所述引燃燃料供应系统操作地连接的引燃燃料直接喷射器，和与所述主燃料供应系统操作地连接的主燃料直接喷射器。
[0010]在优选实施方案中，当所述内燃机的操作点在所述第一、第二和第三燃料喷射阶段中的至少一者中从第一特性区域转变至第二特性区域时，所述控制器被进一步编程以在所述操作点转变至所述第二特性区域中之后在第一所测量参数小于第一预定阈值时，使用来自第一发动机特性图的校准。当所述第一所测量参数在所述第一预定阈值与第二预定阈值之间时，所述控制器被编程以结合来自所述第一发动机特性图和第二发动机特性图的校准；以及使用所述所结合的校准。当所述第一所测量参数大于所述第二预定阈值时，所述控制器被编程以使用来自所述第二发动机特性图的校准。所述第一和第二发动机特性图中的所述校准包括燃料供给和定时校准。可以使用比率来结合所述第一和第二发动机特性图，或替代地可以通过针对每一特性图使用单独的加权因子来结合所述第一和第二发动机特性图。所述控制器可被编程以在所述第一特性区域中使用所述第一发动机特性图。在优选实施方案中，所述第一所测量参数是时间且所述第一和第二预定阈值分别是第一和第二预定时间阈值。在另一优选实施方案中，所述第一所测量参数是表示燃烧温度的温度且所述第一和第二预定阈值分别是第一和第二预定温度阈值。
[0011]在用于被供以气体燃料的内燃机的改进的燃料喷射方法中，当喷射所述气体燃料时，当所述内燃机的操作点从第一特性区域转变至第二特性区域时，所述方法包括在所述操作点转变至所述第二特性区域中之后在第一所测量参数小于第一预定阈值时，使用来自第一发动机特性图的校准。当所述第一所测量参数在所述第一预定阈值与第二预定阈值之间时，所述方法进一步包括结合来自所述第一发动机特性图和第二发动机特性图的校准；以及使用所述所结合的校准。当所述第一所测量参数大于所述第二预定阈值时，所述方法包括使用来自所述第二发动机特性图的校准。在优选实施方案中，所述第一所测量参数是时间且所述第一和第二预定阈值分别是第一和第二预定时间阈值。在另一优选实施方案中，所述第一所测量参数是表示燃烧温度的温度且所述第一和第二预定阈值分别是第一和第二预定温度阈值。
[0012]在优选实施方案中，所述方法进一步包括:在第一燃料喷射阶段引入第一引燃燃料量;在第二燃料喷射阶段引入第一主燃料量；以及在第三燃料喷射阶段引入第二主燃料量。所述第一和第二主燃料量有助于所述内燃机的负荷和速度需求。所述主燃料是所述气体燃料。
[0013]—种被供以气体燃料的内燃机中的改进的燃料喷射设备包括直接喷射设备，所述直接喷射设备用于将主燃料直接引入至所述内燃机的燃烧室中。所述主燃料是所述气体燃料。主燃料供应系统将所述主燃料递送至所述直接喷射设备。控制器被配置用来致动方向喷射设备以将所述主燃料引入至所述燃烧室中。当喷射所述气体燃料时，当所述内燃机的操作点从第一特性区域转变至第二特性区域时，所述控制器被编程以在所述操作点转变至所述第二特性区域中之后在第一所测量参数小于第一预定阈值时，使用来自第一发动机特性图的校准。当所述第一所测量参数在所述第一预定阈值与第二预定阈值之间时，所述控制器被编程以结合来自所述第一发动机特性图和第二发动机特性图的校准；以及使用所述所结合的校准。当所述第一所测量参数大于所述第二预定阈值时，所述控制器被编程以使用来自所述第二发动机特性图的校准。在优选实施方案中，所述第一所测量参数是时间且所述第一和第二预定阈值分别是第一和第二预定时间阈值。在另一优选实施方案中，所述第一所测量参数是表示燃烧温度的温度且所述第一和第二预定阈值分别是第一和第二预定温度阈值。
[0014]在优选实施方案中，所述设备进一步包括引燃燃料供应系统，所述引燃燃料供应系统将引燃燃料递送至所述直接喷射设备，所述控制器被进一步编程以执行以下操作:在第一燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第一引燃燃料量;在第二燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第一主燃料量；以及在第三燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第二主燃料量。
[0015]附图简述
[0016]图1是示出被供以气体燃料的柴油循环内燃机的功率与发动机速度曲线13、扭矩与发动机速度曲线14、燃料消耗与发动机速度曲线11和燃料消耗率与发动机速度曲线12，以及NOx形成可较高的特性区域的曲线图。
[0017]图2是根据一个实施方案的内燃机的示意图。
[0018]图3是根据第一实施方案的图2的发动机的燃料喷射器的致动信号的曲线图，所述致动信号包括第一引燃脉冲、第一主脉冲和第二主脉冲。
[0019]图4是根据第二实施方案的图2的燃料喷射器的致动信号的曲线图，所述致动信号包括第一引燃脉冲、第一主脉冲、第二主脉冲和第二引燃脉冲。
[0020]图5是用于在图2的内燃机的操作点从发动机的负荷和速度范围的第一特性区域转变至第二特性区域时动态地结合第一发动机特性图和第二发动机特性图的技术的流程图。
[0021 ]优选实施方案的详细描述
[0022]参看图2，发动机20包括燃烧室30，燃烧室30在这个实例中通过气缸壁40、气缸盖50和活塞60界定。图2中仅示出一个此类气缸，但如本领域技术人员将知道，发动机20通常包括多个气缸，且本文中公开的技术适用于具有一个或多个气缸的任何发动机。直接燃料喷射器70将引燃燃料和主燃料直接引入至燃烧室30中。在优选实施方案中，引燃燃料是液体燃料，诸如柴油，且主燃料是气体燃料，诸如天然气。在所说明的实施方案中，直接燃料喷射器70是与申请者的美国专利N0.6,761,325中公开的喷射器类似的同心针式燃料喷射器，其可与主燃料分开地和独立地喷射引燃燃料。在其它优选实施方案中，发动机20可以包括并排地集成在共同的喷射器外壳中或彼此分开的引燃燃料直接喷射器和主燃料直接喷射器，而不是同心针式直接喷射器70。在替代实施方案中，直接喷射器70可以将引燃燃料和/或主燃料引入至预燃室中，在预燃室中燃料点燃并产生燃烧火炬，燃烧火炬进入燃烧室。通过进气阀80将空气充量引入至燃烧室30中，且通过排气阀90将废气从燃烧室排出。引燃燃料供应系统100通过导管110将引燃燃料递送至直接喷射器70且主燃料供应系统120通过导管130将气体燃料供应至直接喷射器70。当主燃料供应系统120需要引燃燃料或更具体地说需要引燃燃料压力来调节气体燃料压力时使用导管140。控制器150命令引燃燃料系统100和主燃料供应器120递送具有用于直接喷射至燃烧室30中的合适压力的引燃燃料和气体燃料。
[0023]参看图3，说明根据第一实施方案的引入引燃燃料和主燃料的技术。控制器150在三个阶段致动直接燃料喷射器70以将引燃燃料和主燃料引入至燃烧室30中。在第一阶段，控制器150产生第一引燃脉冲200，第一引燃脉冲200致动燃料喷射器70以在燃烧冲程后期将第一引燃燃料量引入至燃烧室30中。在第一阶段引入的引燃燃料在扩散燃烧模式下燃烧。在第二阶段，控制器150产生第一主脉冲210，第一主脉冲210致动直接燃料喷射器70以将第一主燃料量引入至燃烧室30中。主燃料在压缩冲程中比引燃燃料引入得更晚。第一主燃料量因为由引燃燃料的燃烧产生的压力和温度而点燃。在第三阶段，控制器150产生第二主脉冲220，第二主脉冲220致动直接燃料喷射器70以将第二主燃料量引入至燃烧室30中。由引燃燃料和第一主燃料量的燃烧产生的压力和温度提供适合于使第二主燃料量点燃的环境。在第二和第三阶段引入的主燃料没有时间与燃烧室中的空气充量混合形成均质充量，且在扩散燃烧模式下燃烧。第一主燃料量和第二主燃料量都需要满足发动机的负荷和速度需求。
[0024]第一引燃脉冲喷射开始定时(引燃S0I1)在上止点前50度(°BTDC)至10°BTDC的范围内，且更优选地在30° BTDC与10° BTDC之间的范围内，且被确定为随发动机操作条件而变。第一引燃脉冲宽度(引燃PWl)致动直接燃料喷射器70以按能量为基础引入少于被引入至燃烧室30中的总燃料的10 %的引燃燃料量，且优选地大约5 %或少于5 %，且被确定为随发动机操作条件而变。第一主脉冲喷射开始定时(主SOI I)在30° BTDC至0° BTDC的范围内且被确定为随发动机操作条件而变。第一主脉冲宽度(主PWl)也被确定为随发动机操作条件而变且通常致动直接燃料喷射器70以提供主燃料的30 %与70 %之间。第二主脉冲喷射开始定时(主S0I2)在20° BTDC至20° ATDC的范围内且被确定为随发动机操作条件而变。第二主脉冲宽度(主PW2)也被确定为随发动机操作条件而变且通常致动直接燃料喷射器70以提供主燃料的30%与70%之间。在优选实施方案中，在第一引燃脉冲200的下降沿(结束)与第一主脉冲210的上升沿(开始)之间的引燃-主时间间隔(引燃SEP)在200至400微秒之间且在第一主脉冲210的下降沿(结束)与第二主脉冲220的上升沿(开始)之间的主-主时间间隔(主SEP)在500与750微秒之间。在所说明的实施方案中，上升沿定义燃料喷射脉冲的开始，且下降沿定义燃料喷射脉冲的结束。如熟悉技术的技术人员将理解，在其它实施方案中有可能将下降沿定义为燃料喷射脉冲的开始且将上升沿定义为燃料喷射脉冲的结束(即，使用负逻辑)。
[0025]与在单个阶段引入相同的气体燃料量相比，通过在两个阶段在燃烧室30中引入主燃料来降低峰值燃烧温度和压力，进而减少NOx的形成。在其它实施方案中，主燃料喷射可以存在两个以上阶段以将燃烧温度和压力维持在合适范围内以用于控制NOx。通过在扩散燃烧模式下燃烧第一主燃料量和第二主燃料量，燃烧稳定性得以改进且未燃烧的烃类(UHC)的量得以减少。
[0026]现在参看图4，说明根据第二实施方案的引入引燃燃料和主燃料的技术，第二实施方案与第一实施方案类似且相同部分将具有相同参考数字且将不再对其进行详细论述(如果有的话)。对于发动机20的负荷和速度范围中的某些区域，使控制器150在引入主燃料之后产生第二引燃脉冲230以在第四燃料喷射阶段引入第二引燃燃料量是有利的。当对发动机20的燃料供给从燃料供给量相对大的第一模式改变为燃料供给量相对小的第二模式(例如，从满燃料供给到闲置)时，第二引燃脉冲230是有利的。引入第二引燃燃料量有助于在引燃燃料压力在两个模式之间改变时稳定引燃燃料压力。第二引燃脉冲喷射开始定时(引燃S0I2)在上止点后O度(°ATDC)至50° ATDC的范围内且被确定为随发动机操作条件而变。选择第二引燃脉冲宽度(引燃PW2)以引入适合于在预定时间限制内稳定柴油机轨压的第二引燃燃料量，且第二引燃脉冲宽度(引燃PW2)被确定为随发动机操作条件而变。
[0027]在发动机20的负荷和速度范围的某些区域中，NOx的形成可过高，诸如在图1示出的特性区域10中。在这些区域中，可以使用不同的发动机特性图，其包括用于减少NOx形成的校准。在本申请的上下文中，发动机特性图包括对引燃脉冲200、第一和第二主脉冲210和220以及第二引燃脉冲230(使用的话)的燃料供给(脉冲宽度)和定时(喷射开始)校准，其随发动机负荷和速度而变。举例来说，在图1中的特性区域10外可以使用第一发动机特性图，且在特性区域10内可以使用第二发动机特性图。使用第二发动机特性图的益处包括减少特性区域10中的NOx形成。然而，因为例如在第二发动机特性图的一个实施方案中喷射开始定时的延迟，在使用第二发动机特性图时存在折衷，诸如增加其它排放和升高排气温度(与燃烧温度相对)ο发动机20的操作点(即发动机的负荷和速度)可以暂时地和瞬时地进入特性区域10，这并不倾向于增加NOx排放。可以容许至特性区域10中的瞬时偏移且可以在这些瞬时偏移期间使用第一发动机特性图。在发动机20已在特性区域10中操作持续预定时间量之后使用第二发动机特性图以减少NOx排放。
[0028]现在参看图5，论述当发动机20在操作区域之间转变时结合第一与第二发动机特性图的技术。当发动机20在使用第一发动机特性图在特性区域10外操作与使用第二发动机特性图在特性区域10内操作之间转变时，可以使用编程在控制器150中的算法300。类似地，当发动机20在使用第二发动机特性图在特性区域10内操作与使用第一发动机特性图在特性区域10外操作之间转变时，可以使用算法300。更一般地说，当发动机20在发动机的负荷和速度范围的任何两个区域之间转变时可以使用算法300，其中在这两个区域之间需要使用单独的发动机特性图。现在在发动机20从使用第一发动机特性图在第一特性区域中操作转变至使用第二发动机特性图在第二特性区域10内操作的情况下描述算法300。算法300的初始条件包括发动机20在第一特性区域中操作持续预定时间量。在步骤310中，控制器150确定发动机20的操作点是否已从第一特性区域转变至第二特性区域中。如果操作点已转变至第二特性区域中，那么在步骤320中，控制器150启动计时器以用于指示发动机20已在第二特性区域内操作多久。另外，在步骤320中，控制器150设置第一发动机特性图比率Rm1和第二发动机特性图比率Rm2，Rmi和Rm2用以根据以下方程式I和2动态地结合第一和第二发动机特性图中的燃料供给(脉冲宽度)和定时(喷射开始)校准。在方程式I中，最终燃料供给量Ff等于第一燃料供给量F1(来自第一发动机特性图)与第一发动机特性图比率Rm1相乘的结果加上第二燃料供给量F2(来自第二发动机特性图)与第二燃料供给特性图比率Rm2相乘的结果。在方程式2中，最终定时Tf等于第一定时T1(来自第一发动机特性图)与第一发动机特性图比率Rm1相乘的结果加上第二定时T2(来自第一发动机特性图)与第二燃料供给特性图比率Rm2相乘的结果。第一和第二引燃脉冲200和230以及第一和第二主脉冲210和220中的每一者存在相应方程式I和2。方程式3说明第一发动机特性图比率Rm1与第二发动机特性图比率Rm2之间的优选关系，且可用以在计算时取代第二发动机比率Rm2。在其它实施方案中，可以使用单独的加权因子(不通过方程式3相关)而不是比率Rm1和Rm2来结合第一发动机和第二发动机特性图。在步骤320中，将第一发动机特性图比率Rm1设置为一(I)且将第二发动机特性图比率Rm2设置为零(O)。即，在至第二特性区域中的瞬时偏移期间，排它地使用第一发动机特性图。
[0029]Ff = Rmi*Fi+Rm2*F2 方程式 I
[0030]Tf = Rmi*Ti+Rm2*T2 方程式 2
[0031]Rm2 = 1-Rmi 方程式 3
[0032]在步骤330中，控制器150确定步骤320中启动的计时器是否已达到第一时间阈值，且如果它已达到第一时间阈值，那么在步骤340中用新的值更新第一发动机特性图比率Rm1和第二发动机特性图比率Rm2，使得第二发动机特性图开始影响最终燃料供给和定时，且第一发动机特性图在较小程度上影响最终燃料供给和定时。在优选实施方案中，将第一和第二发动机特性图比率RmJPRm2各自设置为二分之一 (0.5)。通过在第一与第二特性区域之间转变时结合第一和第二发动机特性图，燃烧稳定性得以改进。在步骤350中控制器150确定在步骤320中启动的计时器是否已达到第二时间阈值。如果计时器已达到第二时间阈值，那么在步骤360中用新的值更新第一发动机特性图比率Rm1和第二发动机特性图比率Rm2，使得第二发动机特性图唯一地影响最终燃料供给和定时，且第一发动机特性图完全不影响最终燃料供给和定时。即，将第一发动机特性图比率Rm1设置为零(O)且将第二发动机特性图比率Rm2设置为一(I)。发动机20现在已在第二特性区域中操作持续预定时间量。如果发动机20的操作点在计时器已达到第二时间阈值之前的任何时间离开第二特性区域，那么将第一发动机特性图比率Rmi和第二发动机特性图比率Rm2分别复位为100和O，且控制回到步骤310。尽管在算法300中使用了两个时间阈值，但应理解，在使用适当设置的其它实施方案中在第一发动机特性图比率Rmi和第二发动机特性图比率Rm2的每一计时增量期间相应地可以使用两个或两个以上计时器阈值。在另一优选实施方案中，可以使用第一温度阈值而不是第一时间阈值，且可以使用第二温度阈值而不是第二时间阈值，而且可以使用温度传感器(未示出)而不是计时器。温度传感器与控制器150操作地连接并向控制器150发送信号，所述信号表示燃烧温度。
[0033]本文中所描述的技术跨域在扩散燃烧模式下燃烧气体燃料的柴油循环内燃机的负荷和速度范围而减少NOx的形成率。多个燃料喷射阶段降低峰值燃烧温度和压力，进而减少NOx的形成。可以在发动机操作的多个特性区域中使用多个发动机特性图，其中校准每个发动机特性图以实现所要结果，诸如减少NOx的形成。论述了在发动机特性图之间转变的技术，所述技术动态地结合发动机特性图之间的燃料供给和定时，使得这些特性区域之间的瞬时偏移不会立即改变发动机校准，而且发动机以受控方式在校准之间转变。这改进燃烧稳定性和效率，这有助于减少有害排放。实验结果已说明NOx在高负荷操作区域中减少20%且在低负荷操作区域中减少40%。
[0034]尽管已示出和描述本发明的特定元素、实施方案和应用，但应理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员可在不脱离本公开的范围的情况下特别按照以上教导进行修改。
【主权项】
1.一种用于被供以气体燃料的内燃机的燃料喷射方法，其包括: 在第一燃料喷射阶段引入第一引燃燃料量； 在第二燃料喷射阶段引入第一主燃料量；以及 在第三燃料喷射阶段引入第二主燃料量，所述第一和第二主燃料量有助于所述内燃机的负荷和速度需求； 其中所述主燃料是所述气体燃料，且所述弓I燃燃料和所述主燃料在扩散燃烧模式下燃/9ti ο2.如权利要求1所述的方法，其中当所述内燃机的操作点在所述第一、第二和第三燃料喷射阶段中的至少一者中从第一特性区域转变至第二特性区域时，所述方法进一步包括: 在所述操作点转变至所述第二特性区域中之后在第一所测量参数小于第一预定阈值时，使用来自第一发动机特性图的校准； 当所述第一所测量参数在所述第一预定阈值与第二预定阈值之间时: 结合来自所述第一发动机特性图和第二发动机特性图的校准；以及 使用所述所结合的校准；以及 当所述第一所测量参数大于所述第二预定阈值时使用来自所述第二发动机特性图的校准。3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一所测量参数是时间且所述第一和第二预定阈值分别是第一和第二预定时间阈值。4.如权利要求2所述的方法，其中所述第一所测量参数是表示燃烧温度的温度且所述第一和第二预定阈值分别是第一和第二预定温度阈值。5.如权利要求2所述的方法，其进一步包括在所述第一特性区域中使用所述第一发动机特性图。6.如权利要求2所述的方法，其中所述第一和第二发动机特性图中的所述校准包括燃料供给和定时校准。7.如权利要求2所述的方法，其中使用比率来结合所述第一和第二发动机特性图。8.如权利要求1所述的方法，其中所述第一燃料喷射阶段在50°BTDC与10° BTDC之间发生。9.如权利要求1所述的方法，其中所述第二燃料喷射阶段在30°BTDC与0° BTDC之间发生。10.如权利要求1所述的方法，其中所述第三燃料喷射阶段在20°BTDC与20° ATDC之间发生。11.如权利要求1所述的方法，其中在所述第一燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的结束与在所述第二燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的开始之间的间隔定时在200与400微秒之间。12.如权利要求1所述的方法，其中在所述第二燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的结束与在所述第三燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的开始之间的间隔定时在500与750微秒之间。13.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在第四燃料喷射阶段引入第二引燃燃料量。14.如权利要求1所述的方法，其中所述第四燃料喷射阶段在0°ATDC与50° ATDC之间发生。15.一种被供以气体燃料的内燃机中的燃料喷射设备，其包括: 直接喷射设备，其用于将引燃燃料和主燃料直接引入至所述内燃机的燃烧室中，所述主燃料是所述气体燃料； 弓I燃燃料供应系统，其将所述弓I燃燃料递送至所述直接喷射设备； 主燃料供应系统，其将所述主燃料递送至所述直接喷射设备； 控制器，其被配置用来致动所述方向喷射设备以将所述引燃燃料和所述主燃料引入至所述燃烧室中，且被编程以执行以下操作: 在第一燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第一引燃燃料量； 在第二燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第一主燃料量；以及在第三燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第二主燃料量，所述第一和第二主燃料量有助于所述内燃机的负荷和速度需求； 其中所述引燃燃料和所述主燃料在扩散燃烧模式下燃烧。16.如权利要求15所述的设备，其中当所述内燃机的操作点在所述第一、第二和第三燃料喷射阶段中的至少一者中从第一特性区域转变至第二特性区域时，所述控制器被进一步编程以执行以下操作: 在所述操作点转变至所述第二特性区域中之后在第一所测量参数小于第一预定阈值时，使用来自第一发动机特性图的校准； 当所述第一所测量参数在所述第一预定阈值与第二预定阈值之间时: 结合来自所述第一发动机特性图和第二发动机特性图的校准；以及 使用所述所结合的校准；以及 当所述第一所测量参数大于所述第二预定阈值时使用来自所述第二发动机特性图的校准。17.如权利要求16所述的设备，其中所述第一所测量参数是时间且所述第一和第二预定阈值分别是所述第一和第二预定时间阈值。18.如权利要求16所述的设备，其中所述第一所测量参数是表示燃烧温度的温度且所述第一和第二预定阈值分别是所述第一和第二预定温度阈值。19.如权利要求16所述的设备，其中所述控制器被进一步编程以在所述第一特性区域中使用所述第一发动机特性图。20.如权利要求16所述的设备，其中所述第一和第二发动机特性图中的所述校准包括燃料供给和定时校准。21.如权利要求16所述的设备，其中使用比率来结合所述第一和第二发动机特性图。22.如权利要求15所述的设备，其中所述第一燃料喷射阶段在50°BTDC与10° BTDC之间发生。23.如权利要求15所述的设备，其中所述第二燃料喷射阶段在30°BTDC与0° BTDC之间发生。24.如权利要求15所述的设备，其中所述第三燃料喷射阶段在20°BTDC与20°ATDC之间发生。25.如权利要求15所述的设备，其中在所述第一燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的结束与在所述第二燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的开始之间的间隔定时在200与400微秒之间。26.如权利要求15所述的设备，其中在所述第二燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的结束与在所述第三燃料喷射阶段中所使用的燃料喷射脉冲的开始之间的间隔定时在500与750微秒之间。27.如权利要求15所述的设备，其中所述控制器被进一步编程以在第四燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第二引燃燃料量。28.如权利要求15所述的设备，其中所述第四燃料喷射阶段在0°ATDC与50° ATDC之间发生。29.如权利要求15所述的设备，其中所述直接喷射设备包括同心针燃料喷射阀。30.如权利要求15所述的设备，其中所述直接喷射设备包括与所述引燃燃料供应系统操作地连接的引燃燃料直接喷射器，和与所述主燃料供应系统操作地连接的主燃料直接喷射器。31.—种用于被供以气体燃料的内燃机的燃料喷射方法，其包括: 当喷射所述气体燃料时，当所述内燃机的操作点从第一特性区域转变至第二特性区域时: 在所述操作点转变至所述第二特性区域中之后在第一所测量参数小于第一预定阈值时，使用来自第一发动机特性图的校准； 当所述第一所测量参数在所述第一预定阈值与第二预定阈值之间时: 结合来自所述第一发动机特性图和第二发动机特性图的校准；以及 使用所述所结合的校准；以及 当所述第一所测量参数大于所述第二预定阈值时使用来自所述第二发动机特性图的校准。32.如权利要求31所述的方法，其中所述第一所测量参数是时间且所述第一和第二预定阈值是所述第一和第二预定时间阈值。33.如权利要求31所述的方法，其中所述第一所测量参数是表示燃烧温度的温度且所述第一和第二预定阈值是所述第一和第二预定温度阈值。34.如权利要求31所述的方法，其进一步包括: 在第一燃料喷射阶段引入第一引燃燃料量； 在第二燃料喷射阶段引入第一主燃料量；以及 在第三燃料喷射阶段引入第二主燃料量，所述第一和第二主燃料量有助于所述内燃机的负荷和速度需求； 其中所述主燃料是所述气体燃料。35.一种被供以气体燃料的内燃机中的燃料喷射设备，其包括: 直接喷射设备，其用于将主燃料直接引入至所述内燃机的燃烧室中，所述主燃料是所述气体燃料； 主燃料供应系统，其将所述主燃料递送至所述直接喷射设备； 控制器，其被配置用来致动所述方向喷射设备以将所述主燃料引入至所述燃烧室中，当喷射所述气体燃料时，当所述内燃机的操作点从第一特性区域转变至第二特性区域时，所述控制器被编程以执行以下操作: 在所述操作点转变至所述第二特性区域中之后在第一所测量参数小于第一预定阈值时，使用来自第一发动机特性图的校准； 当所述第一所测量参数在所述第一预定阈值与第二预定阈值之间时: 结合来自所述第一发动机特性图和第二发动机特性图的校准；以及 使用所述所结合的校准；以及 当所述第一所测量参数大于所述第二预定阈值时使用来自所述第二发动机特性图的校准。36.如权利要求35所述的设备，其中所述第一所测量参数是时间且所述第一和第二预定阈值分别是所述第一和第二预定时间阈值。37.如权利要求35所述的设备，其中所述第一所测量参数是表示燃烧温度的温度且所述第一和第二预定阈值分别是所述第一和第二预定温度阈值。38.如权利要求35所述的设备，其进一步包括 引燃燃料供应系统，其将所述引燃燃料递送至所述直接喷射设备，所述控制器被进一步编程以执行以下操作； 在第一燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第一引燃燃料量； 在第二燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第一主燃料量；以及 在第三燃料喷射阶段致动所述直接喷射设备以引入第二主燃料量。
【文档编号】F02M25/00GK105849396SQ201480070277
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年12月16日
【发明人】W·费, J·D·沃尔克, G·P·麦克塔格特-考恩, K·R·曼恩
【申请人】西港电力公司