双燃料发动机的气体燃料模式时的结束操作

摘要

双燃料发动机的气体燃料模式时的结束操作。公开了一种用于控制双燃料内燃机的操作的方法。该方法包括通过停止气体燃料的供给来发起气体燃料的结束处理。在结束处理期间，在汽缸(8、9、10、11)的子组(12)内使剩余气体燃料与液体燃料一起燃烧。该方法进一步包括确定子组(12)中的至少一个汽缸(11)内的燃烧过程参数与仅燃烧液体燃料的不在子组(12)中的至少一个汽缸(8、9、10)内的燃烧过程参数的差异在预设的可接受范围内，并指示结束处理完成。

说明书

技术领域

本公开总体上涉及双燃料内燃机，更特别是涉及用于控制双燃料 内燃机的气体燃料模式的结束处理的方法和装置。

背景技术

双燃料内燃机可以在液体燃料模式(LFM)和气体燃料模式 (GFM)下操作。在LFM时，诸如柴油燃料等的液体材料作为燃烧 过程中唯一能源被直接注入发动机汽缸或预燃烧室内。在GFM时， 诸如天然气等的气体燃料在汽缸的进口通道内与压缩增压空气混合， 并且少量液体燃料被注入汽缸或预燃烧室内以点燃空气与气体燃料 的混合物。

在这种双燃料内燃机中，在气体燃料源与各发动机汽缸的独立入 口通道之间布置有一个或多个气体燃料进气阀。当在GFM下打开气 体燃料进气阀时，气体燃料进入到独立入口通道内，用于与压缩增压 空气混合。这种气体燃料进气阀也可以用在火花点火发动机中。

如果未启用GFM，则为安全起见，双燃料内燃机的气体燃料供 给线应该没有气体燃料。因此，典型地为气体燃料系统连接排气线以 将剩余气体燃料从气体燃料供给线排出到环境中。为排出剩余气体燃 料，可以将吹扫气体(purge gas)供给至气体燃料供给线以冲刷剩余 气体燃料。

US8,340,886B2公开了一种包括具有吹扫控制逻辑的涡轮机燃 料控制的系统。吹扫逻辑控制在完全关闭燃料阀之前、打开吹扫气体 用吹扫阀的吹扫序列。

本公开至少部分地涉及改进或克服现有系统中的一个或多个方 面。

发明内容

根据本公开的一个方面，公开了一种用于结束双燃料内燃机的气 体燃料模式的方法。该方法可以包括通过停止气体燃料的供给来发起 结束处理。该方法可以进一步包括，在结束处理期间，在汽缸的子组 内使剩余气体燃料与液体燃料一起燃烧。该方法可以进一步包括确定 子组中的至少一个汽缸内的燃烧过程参数与仅使液体燃料燃烧的不 在子组中的至少一个汽缸内的燃烧过程参数的差异在预设的可接受 范围内，并且指示结束处理完成。

根据本公开的另一方面，公开了一种用于控制双燃料内燃机的操 作的控制系统。双燃料内燃机可以被配置成以液体燃料模式和气体燃 料模式操作。控制系统可以包括可以被配置成根据如本文中示例性公 开的方法来控制双燃料内燃机的控制单元。

该公开的其他特征和方面将从以下说明和附图中变得显而易见。

附图说明

本文中包含的并且构成说明书的一部分的附图图示了公开的示 例性实施例，并且与说明书一起用于说明公开的原理。图中：

图1示出示例性双燃料内燃机的示意图；和

图2示出用于控制气体燃料模式的结束处理的示例性方法的流程 图。

具体实施方式

下面是本公开的示例性实施例的详细说明。本文中描述的和图中 图示的示例性实施例旨在教导本公开的原理，使本技术领域普通技术 人员能够在多种不同环境中以及为了多种不同应用而实施并使用本 公开。因此，示例性实施例并非旨在并且不应该被视为专利保护范围 的限制说明。而是，专利保护范围应该由随附权利要求书限定。

本公开部分基于以下认识：取代将剩余气体燃料从气体燃料供给 线释放至环境，可以将剩余气体燃料用于向双燃料内燃机提供动力。 由此，可提供一种环境友好的解决方案，其可以减少温室气体、即诸 如天然气或甲烷气体等的气体燃料的排放。然而，稳定地减少剩余气 体燃料的燃烧的控制是一项具有挑战性的任务。

在下文中，公开了一种双燃料内燃机和用于控制该双燃料内燃机 的方法，其促进气体燃料模式的整个结束处理的可靠控制，同时通过 使剩余气体燃料燃烧而提供了环境友好的解决方案。

参见图1，示出了示例性双燃料内燃机1的示意图，其包括发动 机缸体2、增压空气系统4、废气系统5、气体燃料系统6和吹扫气体 系统7。

双燃料内燃机1可以包括未示出的特征，如附加的空气系统组成 部件、附加的冷却系统组成部件、附加的废气组成部件、外围、动力 传动系统组成部件等。双燃料内燃机1可以用于为任何机器或其他装 置提供动力，包括但不限于火车头应用、公路卡车或车辆、非公路卡 车或机器、推土设备、发电机、航空航天应用、航海应用、海上应用、 泵、固定设备或其他发动机动力应用。双燃料内燃机1可以例如在液 体燃料模式(LFM)中用诸如柴油燃料等的液体燃料提供动力，或者 可以例如在气体燃料模式(GFM)中用诸如甲烷气体等的气体燃料提 供动力。

发动机缸体2包括多个汽缸。图1中示例性地绘出了四个汽缸8、 9、10和11。发动机缸体2可以是任何尺寸的、具有任何数量的汽缸 并且可以是任何构造，例如是“V”型、直列、星型等。如后面将详 细说明的，四个汽缸中的汽缸11属于汽缸子组12，而汽缸8至10 不属于子组12。

各汽缸8至11配备有至少一个入口阀18和至少一个出口阀16。 入口阀18被配置成将增压空气或增压空气与气体燃料的混合物提供 到汽缸8至11内。相似地，出口阀16被配置成将废气导出各个汽缸 8至11。

增压空气由增压空气系统4提供。增压空气系统4包括流体连接 至压缩机22的进气口20，该压缩机22进而流体连接至增压空气冷却 器24。增压空气歧管26流体连接在增压空气冷却器24的下游，并经 由汽缸专用入口通道28将增压空气导入各个汽缸8至11内。

在示出的构造中，压缩机22和废气涡轮机30经由轴32连接以 形成一级涡轮增压器(one stage turbocharger)。作为可选示例，可以 设置具有中间冷却的两级涡轮增压器。

增压空气歧管26流体互连在增压空气冷却器24与独立入口通道 28之间以将增压空气导入独立汽缸8至11内。取决于发动机缸体2 的类型，可以设置超过一个的增压空气歧管。例如，在发动机缸体2 以V型配置构造的情况下，两个汽缸排(cylinder bank)可以包括独 立增压空气歧管，或者可以为两个汽缸排设置共用的增压空气歧管。

由于增压空气在压缩机22内的压缩过程中变热，所以设置了增 压空气冷却器24以在燃烧前使增压空气冷却至期望水平。

具有废气涡轮机30的废气系统5进一步包括将废气从独立废气 通道35导入废气涡轮机30的废气歧管34。各废气通道流体连接在多 个汽缸8至11中的一个汽缸与废气歧管34之间。与增压空气歧管26 类似并且取决于发动机缸体2的类型，废气系统5可以包括超过一个 的废气歧管。例如，在发动机缸体2以V型配置汽缸来构造时，两个 汽缸排可以包括独立废气歧管，或者可以为两个汽缸排设置共用的废 气歧管。附加地，入口阀18和出口阀16可以分别安装在入口通道28 和出口通道35内。

入口通道28以及出口通道35可以设置在共用的汽缸盖内、或者 设置在覆盖汽缸8至11的独立汽缸盖内。

如上所述，图1中未具体绘出的附加的组成部件可以是增压空气 系统4和废气系统5的一部分。例如，增压空气系统4和废气系统5 两者可以包括消音器以减少操作过程中噪声的产生。

气体燃料系统6包括气体燃料箱36和气体阀单元38(图1中用 点划线框指示)。气体燃料箱36构成用于供给GFM中的燃烧用的气 体燃料的气体燃料源。例如，气体燃料箱36含有处于加压状态的甲 烷气体。

气体阀单元38被配置成允许、阻止并控制从气体燃料箱36进入 到气体燃料管道42内的流动。在示出的构造中，气体阀单元38可以 包括串联连接的气体燃料控制阀44与两个气体燃料切断阀46和48。 气体燃料控制阀44被配置成对从气体燃料箱36流经气体阀单元38 的气体燃料的流动进行调节。第一和第二气体燃料切断阀46和48被 配置成瞬时允许或阻止气体燃料从气体燃料箱36流出。气体阀单元 38进一步包括被配置成在打开状态时将气体燃料和/或吹扫气体释放 到环境中的第一和第二排气阀50和52。

气体管道42流体连接至气体燃料歧管54，气体燃料歧管54分成 多个气体燃料通道56的。各气体燃料通道56流体连接至多个入口通 道28中的一个。为了将气体燃料配量投入到独立入口通道28内，在 各气体燃料通道56中安装了气体燃料进气阀58。在一些实施例中， 双燃料内燃机1可以包括超过一个的气体燃料歧管54。

各气体燃料进气阀58被配置成：如果从气体燃料箱36供给了气 体燃料并且气体阀单元38允许气体燃料的流动，则在GFM中各气体 燃料进气阀58允许或阻止气体燃料进入到独立入口通道28内以与来 自增压空气系统4的压缩增压空气混合的流动。因此，产生了在各气 体燃料进气阀58下游的汽缸专用混合区。例如，气体燃料进气阀58 可以是电磁致动板阀，其中弹簧使可动盘的下表面抵接固定盘或板的 上表面，两个表面被配置成在气体燃料进气阀58的关闭状态时提供 密封关系。各气体燃料进气阀58可以安装到覆盖至少一个汽缸8至 11的汽缸盖上。

吹扫系统7(图1中用点划线框指示)包括串联连接的吹扫气体 箱60、吹扫气体控制阀62和第一吹扫气体切断阀64。吹扫气体箱60 吹扫气体源，以便用吹扫气体冲刷气体燃料管道42、气体燃料歧管 54等。例如，吹扫气体箱60可以含有处于加压状态的诸如氮气等的 非活性气体。吹扫气体控制阀62被配置成对从吹扫气体箱60流出的 吹扫气体进行调节，并且第一吹扫气体切断阀64被配置成瞬时允许 或阻止吹扫气体从吹扫气体箱60的流动。

吹扫气体系统7在多个位置处流体连接至气体燃料系统6。第一 连接66靠近气体燃料歧管54布置。流过所述第一连接66的吹扫气 体可以用第二吹扫气体切断阀68阻止或允许。第二连接70靠近气体 阀单元38布置。作为第二连接70的可选或附加方案，可以在气体阀 单元38中结合第三连接74(图1中用虚线指示)。具体地，第二连 接70可以直接布置在第二气体燃料切断阀48的直接下游，而第三连 接74可以布置在气体阀单元38内的第一气体燃料切断阀46与第二 气体燃料切断阀48的流体连接处。吹扫气体的通过第二连接70和/ 或第三连接74的流动可以通过布置在气体阀单元38外侧的第三吹扫 气体切断阀72来阻止或允许。作为可选方案，特别是如果存在第三 连接74，则第三吹扫气体切断阀72可以结合在气体阀单元38内。第 四连接75示意性地表示在图1中并且流体互连在气体燃料控制阀44 与第一气体燃料切断阀46之间。

为控制双燃料内燃机1的操作，设置了控制单元76。控制单元 76形成了控制系统的一部分，并且被配置成经由控制连接线(图1 中用点划线指示)对诸如气体阀单元38的阀、吹扫气体系统7的阀、 气体燃料进气阀58和吹扫气体阀68和72等的双燃料内燃机1的各 个组成部件进行控制。为简单起见，未绘出控制单元76与其他组成 部件之间其它的控制连接线。

发动机1可以进一步包括：安装在各汽缸8至11处并被配置成 产生指示各汽缸用燃烧压力的信号的多个燃烧压力传感器77；和/或 安装在各汽缸8至11处并被配置成产生指示各汽缸用燃烧温度的信 号的多个燃烧温度传感器77。作为可选或附加方案，可以在各汽缸8 至11处安装有被配置成产生指示各汽缸用爆震参数的信号的多个爆 震传感器77。传感器77可以连接至控制单元76。

工业实用性

下面，参照图1和图2说明双燃料内燃机1的操作和控制。

如上所述，双燃料内燃机1可以用不同种类的燃料操作。具体地， 双燃料内燃机1可以在LFM下操作(例如柴油燃料模式)，或者在 GFM下操作(例如甲烷气体模式)。

对于LFM，增压空气系统4将由压缩机22加压了的增压空气提 供至独立汽缸8至11。压缩增压空气被朝向各个汽缸的上止点(TDC) 移动的活塞进一步压缩。液体燃料注入系统(未示出)将液体燃料提 供至压缩增压空气，以使得增压空气/液体燃料混合物归因于由各汽缸 8至11内的高压和高温引起的液体燃料的自点火而被点燃。

对于GFM，从气体燃料系统6的气体燃料箱36供给诸如甲烷气 体等的气体燃料。气体阀单元38允许气体燃料到气体燃料管道42的 流动。气体燃料进气阀58将气体燃料配量投入到由增压空气系统4 供给并通过了入口通道28的压缩增压空气内，由此产生增压空气/气 体燃料混合物。所述混合物通过打开的入口阀18进入各汽缸8至11、 被朝向TDC移动的活塞压缩并且由于少量点火燃料(例如柴油燃料) 的注入而被点火。归因于高压和高温，点火燃料瞬时点燃，并由此还 点燃了压缩增压空气-气体燃料混合物。点火燃料的量例如可以在 LFM过程中注入的燃料量的0.5％至5％的范围内。

对于LFM和GFM两者，在空气燃料混合物燃烧之后，废气通过 打开的出口阀16经由出口通道35离开汽缸8至11到废气系统5。

转向图2，绘出了用于结束GFM的方法。如果执行从GFM到 LFM的转换时，或者如果结束GFM和双燃料内燃机1的操作时，需 要执行GFM的结束处理。

在步骤80中，在发起结束处理前减少双燃料内燃机1的发动机 负载以增加用于结束处理的反应时间和时间框架。双燃料内燃机1上 负载减少的直接意味着减少燃料消耗。通过减少发动机负载，能够提 高用于控制和切换与结束处理相关联的各个组成部件的反应时间。作 为可选方案，如果当前负载的定时充分，则可以不需要步骤80。于是， 当发起结束处理时发动机负载可以维持不变。

在步骤82中，通过关闭阀44、46和/或48而停止气体燃料从气 体燃料箱36的供给来发起GFM的结束处理。

在步骤84中，控制单元76被配置成使得气体燃料管道42和气 体燃料歧管54内的剩余气体燃料仅在汽缸的子组12内燃烧。在一些 实施例中，该燃烧也基于提供至汽缸的子组12的液体燃料量。不在 子组12内的其他汽缸8、9、10与纯LFM类似仅供给液体燃料。可 以通过打开各个气体燃料进气阀58来实现气体燃料到子组12的供 给，而不在子组12内的汽缸8至11的其他气体燃料进气阀58可以 维持关闭状态。

作为示例并且如上所述，子组12含有汽缸11，并且余下的汽缸 8至10不在子组12内。然而，在其他实施例中，子组12可以由其他 的和/或附加的汽缸形成。在各构造中，至少一个汽缸不在子组12内。

在一些实施例中，所有汽缸8至11可以在结束处理期间供给有 相同量液体燃料。如果液体燃料注入系统仅能够根据共用设定对用于 各汽缸8至11的液体燃料注入量进行调节，则可能是这种情况。例 如，液体燃料注入系统可以包括柔性凸轮(flexible cam)技术，其可 以仅能够共用地调节用于各汽缸8至11的液体燃料注入量。

在其他实施例中，例如在可以包括用于各汽缸的压电致动液体燃 料注入器的共轨液体燃料注入系统中，可以独立地设定用于各汽缸的 液体燃料注入量。在这样的情况中，当估计燃烧参数时将考虑独立设 定，这将在后面说明。

为使剩余气体燃料流入到汽缸11内，可以例如通过吹扫气体系 统7经由第二连接70和/或第三连接74将吹扫气体提供到气体燃料管 道42内。在经由第三连接74供给吹扫气体的情况下，必须打开第二 气体燃料切断阀48。供给的吹扫气体朝子组12的方向“推动”剩余 气体燃料。

吹扫气体的供给也可以帮助将气体燃料管道42、气体燃料歧管 54和气体燃料通道56内维持在一定的压力水平，这可能是需要的， 以维持气体燃料通道56与入口通道28之间的压力差，用于气体燃料 进气阀58的操作时可能需要该压力差。

为尽可能有效地“推动”剩余气体燃料到子组12内，吹扫气体 可以在远离汽缸8至11的位置处、例如通过连接70经由打开的吹扫 气体阀72进入气体燃料系统6。另外，子组12可以仅包括流体地距 气体燃料箱36最远地定位的汽缸，和/或可以仅包括流体地距吹扫气 体箱60最远地定位的汽缸以使得对于燃烧而言能够尽可能地冲刷。

在一些实施例中，子组12对于各汽缸排包括总共恰好一个汽缸， 例如汽缸11。例如，在双燃料内燃机1具有两个汽缸排的情况中，各 汽缸排中的一个汽缸可以在子组12内。

使第四汽缸11中的气体燃料与剩余液体燃料一起燃烧的燃烧过 程与其他汽缸8至10内的燃烧过程不同，这是因为这些汽缸8至10 仅使液体燃料燃烧。换言之，子组12的汽缸使液体燃料与富余的剩 余气体燃料燃烧，因此接收到更大量的能量，而不在子组12内的汽 缸仅使液体燃料燃烧。

再次参见图2，在步骤86中，在子组12的至少一个汽缸和不在 子组12内的至少一个汽缸(例如汽缸8中)测量燃烧过程参数。燃 烧过程参数可以例如是燃烧压力、燃烧温度或者燃烧声音/爆震参数。

在步骤88中，确定对于子组12的汽缸11与不在子组12内的汽 缸的所测得的燃烧过程参数的差异。

在一些实施例中，仅测量了燃烧参数的汽缸被供给有相同量的液 体燃料注入量，如例如子组12的汽缸11和不在子组12内的汽缸8 等。在这些构造中，液体燃料注入系统能够对于各汽缸8至11独立 地调节液体燃料注入量。

在判断90中，控制单元76检查确定出的燃烧过程的差异是否在 预设的可接受范围内。只要差异(尚)不在预设的可接受范围内，剩 余气体燃料就仍然以大量存在并且可在结束处理期间(图2中用循环 91指示)燃烧。只要剩余气体燃料被完全燃烧，子组12的汽缸和不 在子组12内的汽缸中的燃烧过程会变得类似。只要燃烧过程参数上 的差异移至预设的可接受范围内，就在步骤92中产生信号。信号指 示剩余气体燃料已燃烧并且气体管道42和气体燃料歧管54基本没有 气体燃料。

例如，预设的可接受范围可以达到关于压力值、温度值或爆震参 数值的最大负载参数的105％、110％、115％或120％。

在判断94中，确定双燃料内燃机1是停止还是在LFM下操作。 在步骤96中执行双燃料内燃机1的停止。

在步骤98中执行双燃料内燃机1的在LFM下的继续操作。如果 发动机1在LFM下进一步操作，则若发动机负载在结束处理前减小 了那么可使发动机负载增加。另外，可以基于信号停止从吹扫气体系 统7供给吹扫气体。

控制单元76被配置成执行上述方法步骤，并且可以是单个微处 理器或多个微处理器，其除了别的部件以外可以包括还用于控制双燃 料内燃机1的各个组成部件的操作，例如入口阀18、出口阀16、气 体阀单元38、气体燃料进气阀58和吹扫气体系统7。控制单元76可 以是能够控制与双燃料内燃机1相关联的数值函数和/或其相关联的 组成部件的通用发动机控制单元(ECU)。控制单元76可以包括需 要运行应用所需的所有组成部件或者现有技术已知的用于控制双燃 料内燃机1及其各个组成部件的任何其他手段，运行应用所需的组成 部件诸如为，存储器，辅助存储装置，诸如中央处理单元等的处理器 等。

各种其他已知电路可以与控制单元76相关联，包括电源电路、 信号调节电路、通信电路和其他适用电路。控制单元76可以将接收 到的和存储的数据进行分析和比较，并基于储存器中存储的指令和数 据或用户的输入来确定是否需要做动作。例如，控制单元76可以将 接收到的值与储存器中存储的目标值进行比较，并基于比较结果，控 制单元76可以将信号传输至一个或多个组成部件以改变其操作状态。

控制单元76可以包括现有技术中已知的用于存储与双燃料内燃 机1及其组成部件的操作有关的数据的任何存储装置。数据可以以描 述和涉及例如阀打开定时的一个或多个映射的形式存储。各映射可以 以表、图表和/或方程式的形式，并且包括从实验室和/或双燃料内燃 机1的现场操作收集的数据的编辑。映射可以通过在使与之相关联的 参数变化的状态下使双燃料内燃机1在各种操作条件下的操作进行仪 器试验来产生。控制单元76可以响应于另一组成部件的期望操作而 参照一个组成部件的这些映射和控制操作。

在本公开的另一方面中，公开了用于确定双燃料内燃机1的气体 燃料供给线的填充状态变化的方法。例如，该方法可以需要识别例如 空气、氮气、天然气或甲烷气体的填充状态到这些气体介质中另一种 的填充状态之间的变化。该方法可以包括在汽缸的子组12中使来自 气体燃料管道的气体介质与液体燃料一起燃烧。该方法可以进一步包 括确定在子组12的至少一个汽缸11中的燃烧过程参数与仅燃烧液体 燃料的不在子组12内的至少一个汽缸8、9、10中的燃烧过程参数的 差异是否在预设范围内。该方法可以进一步包括指示气体燃料供给线 的填充状态，例如气体燃料填充状态。

例如，预设范围可以设定成：如果差异变得小于预设阈值，则确 定在气体燃料管道中基本不存在气体燃料。作为可选示例，预设范围 可以设定为：如果差异变得大于预设阈值，则确定气体燃料管道被完 全填满。

本文中描述的与双燃料模式的结束处理有关的具体实施例如适 用的话也可以应用至上述用于确定气体燃料填充状态的方法。

在本公开的另一方面中，公开了一种用于启动双燃料内燃机1的 气体燃料模式的方法。该方法可以包括通过启动气体燃料到填充有气 体介质的气体燃料供给线的供应来发起启动处理。该方法可以在启动 处理期间进一步包括在汽缸的子组12内使具有逐渐增加含量的供给 气体燃料的气体介质与液体燃料一起燃烧。该方法可以进一步包括： 确定在子组12的至少一个汽缸11中的燃烧过程参数与仅燃烧液体燃 料的不在子组12内的至少一个汽缸8、9、10中的燃烧过程参数的差 异是否在预设的可接受范围互内。该方法可以进一步包括指示启动处 理已完成。

再次，本文中描述的与双燃料模式的结束处理有关的具体实施例 如适用的话也可以应用至用于双燃料模式的上述启动处理。

在本文中公开的方面中，可以利用不同的燃烧特性，如至少临时 设置在气体燃料线中的气体介质的能量含量等。由于这些不同燃烧特 性仅对汽缸单元中选取的那些汽缸中的燃烧有影响，所以监控各个燃 烧参数允许得出关于填充状态的结论，并因此允许得出关于结束/启动 /切换阶段的结论。

虽然本文中已经说明了该发明的优选实施例，但是可以在不脱离 随附权利要求书的范围的情况下包含改进和变型。