控制雙燃料發動機的方法與流程

本發明總體上涉及諸如大型雙燃料發動機的內燃機的技術。具體而言，本發明涉及在運行狀態改變過程中以及緊接在運行狀態改變之后控制燃料饋送的方式。

更精確地說，本發明涉及控制雙燃料內燃四沖程活塞式發動機的方法，該發動機包括：

-多個氣缸，各氣缸包括氣缸蓋和氣缸壁，活塞可在限定燃燒室的所述氣缸內在上止點(TDC)和下止點(BDC)之間以往復方式運動；

-所述活塞經由連桿連接至曲軸，其中所述活塞的往復運動被轉換成所述曲軸的旋轉運動；

-將所述發動機構造成在兩種模式下運行：

-使用氣態主燃料的氣體模式；和

-使用直接噴射到所述氣缸內的液體燃料的液體燃料模式；

-將所述發動機構造成在需要時在所述模式之間切換；

-將燃料饋送定時構造成根據曲軸旋轉角來進行。

背景技術：

在雙燃料發動機中，存在發動機需要從使用一種燃料換到使用另一種燃料的情形。這可能由于若干因素而發生，并且根據運轉狀態這可能是預期或非預期的。這些情形在時間上可能非常短或者在長度上更短暫，它們可以被稱為到備用模式或類似模式的跳轉(trip)或切換(switch)。基本上，燃料的轉換需要盡可能平順，尤其是當發動機為了向電力網供電而運轉時。因而，發動機的功率需要維持在非常恒定的水平，因而發動機的扭矩和速度不能變化。

大多數現有技術文獻公開了某種類型的斜升過程，像WO2011098077A1，其描述了將供應給內燃機的燃料從第一燃料切換到第二燃料的方法，該方法包括如下步驟：

a)使用第一燃料運行內燃機；

b)降低供應內燃機的燃料線路中的第一燃料的部分，并且增加供應內燃機的燃料線路中的第二燃料的部分；

c)使用包含第一燃料和第二燃料的燃料混合物來運行內燃機；以及

d)重復步驟b)和c)，直到內燃機僅使用第二燃料運行，其特征在于如下步驟：確定傳導第一燃料的線路中的第一燃料的流率和/或確定傳導第二燃料的線路中的第二燃料的流率，并且基于第一燃料和/或第二燃料的流率來調節燃料混合物中的第一燃料的部分和第二燃料的部分。

而且，當執行燃料轉換時可以考慮燃料的量。

US 7,913,673公開了一種用于從引導模式轉換到僅柴油模式的過程(如這里圖1所示)。該文獻描述了在逐循環基礎上監測發動機運行，以確定由曲線204代表的實際氣體λ是否逼近貧λ極限。當在圖1中的時間T₁發生這種情況時，切斷由曲線202代表的供應至混合器42的氣體，以將所供應的氣體的量立即從Q氣體_需求減小到0。隨后將柴油燃料的供應量(由曲線200代表)從Q柴油_引導增加到增加量Q柴油_需求，該增加量提供用于當前速度和載荷狀態所需的總能量。然而，與從引導運行轉換到僅柴油運行一樣，供應柴油燃料的量的變化被延遲，然后以增量或步進方式改變而不是突然改變。當在混合器40的氣體供應被切斷之后的一定時間里識別到在供應系統中特別是進氣歧管34中存在一些氣體時執行該延遲和初始增加以及隨后的步進增加，期望的是進行延遲然后逐步進行柴油燃料增加以避免功率浪涌。更優選地，為了防止或至少減少功率浪涌，將柴油燃料供應量的增加延遲至時間T₃，該延遲在時間T₂達到的貧氣體極限λ之后發生。與從引導到僅柴油轉換一樣，在全速、全載荷基礎上以總體維持恒定功率為目標而經驗地確定延遲周期T₃-T₁的長度、隨之發生的過渡周期T₄-T₃中的步數以及每步的大小，并且將它們儲存在控制器70中的映射圖或查找表中。

技術實現要素：

如下提供了一個簡單的概要，以便提供對各種發明實施方式的一些方面的基本理解。該概要并不是本發明的廣泛概述。其既不是為了識別本發明的關鍵或決定性要素，也不是為了界定本發明的范圍。如下概要僅僅作為本發明的示例性實施方式的更詳細描述的前序以簡化形式提供本發明的一些構思。

在運轉的發動機上發生從氣體模式到液體模式的跳轉或其它轉變的情況下，在所述活塞已經經過所述上止點(TDC)之后所述活塞已經朝向所述下止點(BDC)移動時在燃燒沖程過程中噴射液體燃料。該噴射的液體燃料將由于噴射時刻的高溫和高壓而點燃，并且將燃燒已經噴射到發動機的氣體，但是其將不會產生過多的氣缸壓力和扭矩。結果，發動機以穩定的載荷和發動機速度平順地跳轉到諸如柴油的液體燃料。這還防止了未燃燒氣體退出到出口通道并可能導致出口通道中的延遲燃燒的可能性。該噴射應該最早開始于0°曲軸角處(這意味著上止點(TDC))。在實踐中，最晚噴射開始角將在TDC之后的大約25°。在這之后開始的噴射可能太晚，點燃可能變得不可靠。發動機控制系統可能由于各種原因(諸如由于燃燒時的爆震或其它干擾、監測系統中或氣體饋送中的干擾等等)而執行燃料模式轉換。在這種模式轉換情形下，饋送到進氣歧管的氣體立即停止，從而不允許任何新氣體流入到進氣歧管。

根據本發明的一個實施方式，在上止點(TDC)之后5°到20°的曲軸角處開始液體燃料的噴射。這致使液體燃料在活塞已經明確地朝向下止點(BDC)移動時的時刻開始燃燒。在饋送的氣體仍然將為100％并且饋送的液體也是100％的量的可能情況下，過于接近上止點噴射的液體燃料的燃燒將導致過高升壓，但是這取決于發動機的各種因素。在上止點TDC之后大約5°進行噴射，升壓將不會太大。但是其仍然將導致顯著升溫，但是其在時間上如此之短以至于該升溫可以容許。

通過本發明方法，甚至發動機排放也可以保持相對較低水平。可能的氣體殘余物被燃燒并且首次噴射的液體燃料也被燃燒。結果，與未燃燒氣體退出發動機的情形相比，HC排放較低。

仍然根據本發明的一個實施方式，將待噴射的所述液體燃料的量確定成含能量與當前運轉狀態的燃燒所需要饋送的氣態燃料的含能量基本相同。因此，與使用多步增量來逐步完全饋送的現有技術文獻的教導相反，對于本發明，饋送的液體量從模式變化一開始就基本為所需的完全100％或至少90％。所述饋送可以被計算或確定為一次噴射饋送的含能量，并且其取決于所使用的燃料等級等。

根據本發明的一個實施方式，在1到10次循環的過渡周期之后，將液體燃料的噴射提前到在所述活塞已經到達上止點之前即在上止點(TDC)之前20°到5°的曲軸角處在壓縮沖程上開始。這種提前動作的最終結果對應于發動機在液體燃料模式下的正常運轉模式。如從這里提供的數次循環可知，本發明方法提供了一種從氣體模式轉換到液體模式的非常快速且可靠的方式。

在本專利申請中，不應將本發明的示例性實施方式解釋為對所附權利要求的適應性施加限制。在本專利申請中作為開放性限制來使用動詞“包括”，這種開放性限制不排除存在還沒有闡述的特征。在從屬權利要求中闡述的特征可相互自由組合，除非另有明確說明。

被認為是本發明的特征的新穎特征在所附權利要求中具體闡述。然而，當結合附圖進行閱讀時，將從如下具體實施方式的描述就本發明的構造及其操作方法以及本發明的附加目的和優點更好地理解本發明本身。

附圖說明

圖1圖示了US 7,913,673的現有技術方法；

圖2圖示了本發明構思的發動機構造的一個實施方式；

圖3圖示了本發明構思的一個實施方式；

圖4圖示了執行本發明方法之后的情形。

具體實施方式

在圖1中，示出了如何根據US 7,913,673執行模式轉換的概念。這已經在上面在本發明的背景技術中進行了說明。

在圖2中，示出了可以使用本發明方法的示意性發動機構造。圖2示出了共軌雙燃料發動機1，其中引導燃料噴射器2和主液體燃料噴射器2相同。當主噴射器和引導噴射器不同時，同一方法也同樣地起作用，從而該原理在具有脈動泵和引導噴射器(未在圖中示出)的傳統雙燃料系統上也起作用。在氣體模式下，在進氣歧管6中將氣體11與空氣12預先混合，以形成待饋送到氣缸5內的氣體10。因而，當運行時，在氣體模式下，進氣歧管6容納一定量的氣體10混合物，而在液體燃料模式下，進氣歧管僅容納空氣。饋送到氣缸5的氣體10由進氣閥4控制。這就是為什么與直接噴射到氣缸5內的液體燃料20相比所饋送的氣體10不那么精確地停止或開始的原因。由于圖2示出發動機1的俯視圖，因此應該理解，發動機1包括多個氣缸5，每個氣缸5都包括氣缸蓋和氣缸壁，活塞50能以往復方式在限定燃燒室的氣缸5內在上止點(TDC)和下止點(BDC)之間運動。活塞50經由連桿連接至曲軸，其中活塞的往復運動被轉換成曲軸的旋轉運動。

在圖3中，示出了本發明方法的一個實施方式。發動機曲軸角在水平軸上表示，零點θ＝0對應于壓縮沖程和燃燒沖程之間的活塞的上止點(TDC)位置。圖3圖示了發動機1以1000RPM運轉的情形，1毫秒的時間對應于6°的曲軸角。燃料噴射時長為6毫秒，因而對應于36°的曲軸角，如箭頭23所示。

控制雙燃料內燃四沖程活塞式發動機1的方法被圖示為如何將發動機1構造成在兩種模式下運行，圖2特別地示出了響應于曲軸角的燃料噴射定時原理：

-使用氣態主燃料10以及可能使用作為引導燃料的液體燃料的氣體模式；以及

-使用直接噴射到氣缸的液體燃料20的液體燃料模式；

-發動機被構造成在需要時在所述模式之間切換；

-燃料饋送定時被構造成根據曲軸旋轉角來執行；

-在運轉的發動機上發生從氣體模式到液體模式的跳轉或其它轉變的情況下，在活塞已經經過上止點(TDC)之后活塞已經朝向下止點(BDC)移動時在燃燒沖程過程中噴射液體燃料20。饋送的氣體10被示出為在TDC之前的某一點終止，并且需要一段時間在進氣歧管內行進到氣缸。如前所說，一些不規則性，例如氣體壓力的突然變化等可能導致跳轉到液體燃料模式。然而，由于在正常運轉情況下，在上止點(TDC)之前360°將氣體噴射到進氣歧管，并且在TDC之前15°將液體燃料噴射到氣缸。如果在這兩者之間發生跳轉，則發動機將獲得雙倍量的燃料。本發明方法將這樣發生的后果減少到最少，同時仍然將發動機的速度和扭矩維持在非常恒定的水平。饋送的液體量從模式變化一開始就是基本為所需的100％或至少90％。

在圖4中，示出了在1到10次循環的過渡周期之后將液體燃料20的噴射提前到在活塞到達上止點TDC之前即在上止點(TDC)之前在20°到5°的曲軸角處在壓縮沖程上開始。因而，將液體燃料噴射成使得如液體燃料模式中正常進行的那樣開始噴射。基于實際發動機的響應時間，根據發動機進氣接收器的構造以及在所述進氣接收器中可能容納的氣體量來確定提前動作之前的循環數。

在不脫離修改的權利要求的范圍的情況下，可以對以上描述的實施方式進行改動和修改。例如，還可以根據發動機載荷、氣缸壓力(例如，計算的IMEP)或表示運行狀態例如燃燒開始的其它信號來確定液體燃料量，而不是計算好的燃料需求。

附圖標記

1 發動機

10 饋送的氣體

11 氣體

12 空氣

2 (引導或主)液體燃料噴射器

20 饋送的液體燃料

23 主液體燃料噴射時長

4 進氣閥

5 氣缸

50 活塞

6 進氣歧管

TDC 上止點

BDC 下止點

θ 曲軸角