用于雙燃料發動機的溫度受控的排氣再循環系統和方法
【技術領域】
[0001]本專利發明總體上涉及發動機系統，并更具體地涉及使用氣體燃料的發動機系統。
【背景技術】
[0002]近年來，相比于汽油或柴油等較傳統的燃料，使用液化氣體作為各種應用的燃料源已經得到普及，這是因為諸如液化石油氣(LPG)、壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)之類的氣體燃料的成本更低且燃燒更清潔。在實際應用中，例如，礦用卡車、機車、公路貨車等等，發動機可主要靠天然氣運行，其是一種需要點火的燃料。點火可以通過火花或通過將引燃量的諸如柴油之類的壓縮點火燃料引入到發動機汽缸內來提供。
[0003]典型的壓縮點火發動機，如柴油發動機，在相對較高的壓縮比之下運作，例如，發動機運作期間發動機汽缸內的柴油自燃所需要的16:1到17:1的范圍內。火花點火發動機，例如在奧托循環下運作的發動機，利用火花塞或電熱塞在預定時間點燃發動機汽缸內的空氣/燃料混合物。在火花點火發動機中，不希望空氣/燃料混合物自燃，這對發動機正常運行通常是有害的。火花點火發動機使用的壓縮比通常比壓縮點燃發動機要低。例如，天然氣發動機可使用大約11:1到12:1的壓縮比。
[0004]正如所能理解的，使用引燃柴油來點燃天然氣/空氣混合物的壓縮點火雙燃料發動機面臨著沖突的設計參數，因為雖然需要高壓縮比來點燃引燃柴油，但高壓縮比也可能會導致天然氣過早自燃。當使用低壓縮比來避免天然氣/空氣混合物自身爆燃時，汽缸溫度和壓力不足可能會導致柴油點火中不可接受的易變性，特別是當使用稀薄的空氣/燃料比時，這可能會影響發動機正常運作。
【發明內容】
[0005]在一個方面，本發明描述了一種雙燃料發動機系統。在一個實施例中，雙燃料發動機系統包括被配置成用于在至少一個燃燒室中使用第一燃料和與空氣和再循環排氣混合提供的第二燃料來運行的內燃發動機。再循環氣體可在內燃發動機的排氣系統與進氣系統之間輸送。雙燃料發動機系統進一步包括與第一燃料噴射器相關聯的第一燃料供應系統，其被配置成將一個或多個預定量的第一燃料直接噴射到至少一個燃燒室中。第二燃料供應系統與第二燃料噴射器相關聯，其被配置成將預定量的第二燃料輸送到至少一個燃燒室中。第一排氣再循環(EGR)通道在排氣系統和進氣系統之間流體連接，且第二 EGR通道在排氣系統和進氣系統之間流體連接。EGR冷卻器被設置為冷卻通過第二 EGR通道的排氣。三通EGR閥具有與排氣系統流體連通的入口、流體連接至第一 EGR通道的未冷卻氣體出口，以及流體連接至第二 EGR通道的冷卻氣體出口。三通EGR閥可操作用于選擇性地允許第一EGR氣體流通過第一 EGR氣體通道及選擇性地允許第二 EGR氣體流通過第二 EGR氣體通道。在內燃發動機運作期間，第一 EGR氣流和第二 EGR氣流被配置成混合并形成第三EGR氣體流。第三EGR氣體流具有介于第一 EGR氣體流的第一溫度與第二 EGR氣體流通過EGR冷卻器后的第二溫度之間的EGR氣體溫度。與所述三通EGR閥相關聯的控制器被配置成控制所述三通EGR閥的運作，從而使得所述EGR氣體溫度接近于預定溫度值。
[0006]在另一個方面，本發明描述了一種內燃發動機。所述內燃發動機包括至少一個可往復地接納活塞的汽缸。所述至少一個汽缸至少部分地限定了在內部汽缸壁、活塞以及汽缸頭之間的燃燒室。所述燃燒室可經由進氣流道流體連接到進氣歧管，以及連接到排氣歧管。柴油燃料噴射器被設置成將柴油燃料直接噴射到所述燃燒室中。天然氣噴射器被設置成將天然氣噴射到進氣流道中。非冷卻排氣再循環(EGR)通道直接流體連接在排氣歧管與進氣歧管之間。非冷卻排氣通道適于引導第一溫度下的第一 EGR氣體流。冷卻的EGR通道流體連接在排氣系統與進氣系統之間。所述冷卻的EGR通道包括設置成將通過所述冷卻的EGR通道的第二 EGR流從所述第一溫度冷卻至第二溫度的EGR冷卻器。EGR閥裝置與所述冷卻和非冷卻的EGR通道相關聯。所述EGR閥裝置被設置成選擇性地控制第一 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，其具有介于第一溫度和第二溫度之間的EGR氣體溫度。控制器與EGR閥裝置相關聯并且被配置為控制第一 EGR流和第二 EGR流中每一者的流率，從而使得EGR氣體溫度接近于預定溫度值。
[0007]在又一個方面，本發明描述了一種用于操作內燃發動機的方法。所述方法包括控制再循環排氣的溫度以實現預定的再循環排氣溫度，以及在進氣沖程期間準許空氣與再循環排氣的混合物進入燃燒室。氣體燃料噴射器在進氣沖程期間也被激活，用于將氣體燃料輸送到燃燒室中。在壓縮沖程的初期，第一次激活柴油燃料噴射器以將預引燃柴油量直接輸送到燃燒室中。在壓縮沖程的后期，至少第二次激活柴油燃料噴射器以將引燃柴油量直接輸送到燃燒室中。在一個實施例中，在柴油燃料噴射器第二次激活完成時，燃燒室內的總空氣/燃料比是稀薄的。燃燒室內的空氣/燃料混合物在燃燒沖程期間燃燒，且燃燒產物在排氣沖程期間從燃燒室去除。
【附圖說明】
[0008]圖1是根據本發明的發動機系統的框圖。
[0009]圖2是根據本發明的發動機汽缸橫截面的示意圖。
[0010]圖3是示出根據本發明的燃料噴射器激活的代表性時序圖。
[0011]圖4是定性發動機控制參數圖，示出根據本發明的用于排氣再循環溫度的各種控制區域。
[0012]圖5是根據本發明的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]本發明涉及內燃發動機，更特別地，涉及使用柴油作為引燃燃料以啟動發動機汽缸內的燃燒的天然氣發動機。本文中描述的發動機系統和方法適用于移動式應用，例如卡車、機車、運土機器等等，固定式應用，例如發電機、壓縮機等等，或海上應用。此外，應當理解的是，氣體發動機燃料的來源可經由機載存儲罐，例如低溫液化天然氣罐、加壓氣體罐來提供，或由另一氣體源來提供，例如由石油產物提取、分配、輸送或精煉作業來提供。
[0014]圖1中示出了說明關于發動機系統100的一個實施例的框圖。圖2中示出了發動機汽缸的橫截面。主要參照圖1，發動機系統100包括發動機102，其具有包圍多個發動機汽缸106的汽缸殼104。雖然六個發動機汽缸106示出為處于直列式構型，但也可以使用處于相同或不同構型的少于或多于六個汽缸。每個汽缸106包括往復式活塞108 (圖2)，其限定燃燒室110 (圖2)，燃燒室110在汽缸106的壁、活塞108以及汽缸頭112之間具有可變容積(圖2)。眾所周知，每個燃燒室110內的空氣/燃料混合物的燃燒提供推動活塞108的動力，活塞108經由連桿116連接到曲軸114 (圖2)并使其轉動。
[0015]空氣經由進氣歧管118被提供給燃燒室110，在所示實施例中，進氣歧管118從壓縮機120接收通過增壓空氣冷卻器122冷卻和壓縮的增壓空氣。增壓空氣的壓力和/或流率可以任選地通過節流閥124控制或調整。在示出的發動機系統100中，壓縮機120是渦輪增壓器126的一部分，渦輪增壓器126包括渦輪機128，渦輪機128連接到排氣歧管130并且被配置成從排氣歧管130接收排氣。通過渦輪機128從排氣中提取出的能量使壓縮機120運作，但是在替代實施例中，可以使用空氣壓縮的替代模式。
[0016]發動機系統100進一步包括排氣再循環(EGR)系統132，其流體連接在進氣歧管118與排氣歧管130之間。在所示實施例中，EGR系統132有利地被配置成將來自排氣歧管130的排氣提供給進氣歧管118，從而提供給燃燒室110。如圖所示，EGR系統132被配置成處于通常稱為高壓回路(HPL)的構型中，這意味著:從渦輪機128上游的發動機排氣系統提取出排氣(即在相對較高壓力條件下)，并且在壓縮機120下游的位置處將排氣提供給發動機進氣系統。可選地，EGR系統可被配置成處于稱為低壓回路(LPL)的構型中，即在位于至少一個渦輪機的下游的發動機排氣系統中的位置與位于至少一個壓縮機的上游的發動機進氣系統中的位置之間。
[0017]EGR系統132被配置成提供具有可變溫度的排氣，所述可變溫度在作為上限的汽缸排出排氣溫度與作為下限的冷卻溫度之間變化，所述冷卻溫度視發動機冷卻劑溫度而定。如圖所示，EGR系統132包括三通閥裝置134，其包括直接流體連接至排氣歧管130的排氣入口 136、第一或冷卻排氣出口 138以及第二或未冷卻排氣出口 140。在所示實施例中，第一兩通閥142選擇性地流體阻塞冷卻排氣出口 138形成排氣入口 136，且第二兩通閥144選擇性地流體阻塞未冷卻排氣出口 140，但能夠使用其他閥構型。在運作期間，第一兩通閥142及第二兩通閥144中的一者或者兩者可以被操作以將冷卻的和未冷卻的排氣流的混合物的任何一種提供給進氣歧管118。連接至閥裝置134的排氣導管并入主EGR通道145中。將通過冷卻排