提高内燃机中的容积效率的装置和方法

摘要

与预混液体燃料发动机相比，预混气体燃料发动机的容积效率降低。一种用于操作内燃机并提高容积效率的改进方法包括：存储液体状态的气体燃料；根据发动机操作条件确定所述内燃机上的负荷；根据所述负荷确定所述气体燃料的降低预燃和爆震可能性的目标温度；以及控制传递到所述气体燃料以将其转换成气体状态和超临界状态中的一个的热量的量，使得所述气体燃料在所述目标温度下被引入所述内燃机中。

说明书

发明领域

本申请涉及提高内燃机中的容积效率的装置和方法。更具体地说， 主题装置和方法涉及以在低温温度下存储的气体燃料为燃料的发动 机。

发明背景

汽车制造商设计以诸如天然气和液化石油气(LPG)的替代燃料为 燃料的车辆，以便与使用汽油和柴油操作相比降低燃料的排放和成本。 过去，此类以替代燃料为燃料的车辆的大多数已经以接近环境温度存 储此类气体燃料，例如，作为压缩天然气(CNG)。由于与CNG相比 增加的能量密度，液化天然气(LNG)在许多应用中越来越被接受。也 就是说，使用LNG，存储等量的燃料需要的空间量减少。在外容器 与绝缘内容器之间维持真空的双壁存储容器以大约-162℃的沸点温 度(在每平方英寸50磅至150磅的范围之间的典型存储压力下)或接 近所述温度存储液化天然气。液化天然气通常在引入发动机燃烧室之 前从液体状态转换成气体或超临界状态。通常被称为蒸发器的热交换 器是用于完成这种转换的有效装置，因为它可以采用由发动机水套中 的冷却剂捕获的发动机废热来使液化天然气蒸发。可采用能量的其他 源，诸如燃烧诸如天然气蒸汽的燃料的电加热器或锅炉来使LNG蒸 发。

转换成以天然气为燃料的汽油发动机通常导致输送功率的10％ 至15％的降低，其中所述降低功率的两个主要因素是通常与奥托循环 发动机对狄塞尔循环发动机相关联的较低压缩比以及由天然气的引 入引起的空气置换。一种提高以天然气为燃料的奥托循环发动机的容 积效率的已知方法是增大压缩比，因为天然气通常具有与汽油(通常 在88与92之间)相比更高的辛烷值(通常为约120)，这意味着天然气 更不易预燃或导致发动机爆震。在本公开中，“预燃”被定义为在燃烧 室中的空气/燃料混合物在点火源被激活之前点燃时发生，并且“发动 机爆震”或“爆震”被定义为在燃烧室中的空气/燃料混合物的燃烧响应 于被点火源点燃正确地开始，但一袋或多袋的空气/燃料混合物在正 常燃烧前缘的包络面外面爆炸时发生。

2002年11月14日公开的、标识ScottTritton为发明人(下文引用 为Tritton)的国际专利公开号WO02,090,750A公开一种将液体燃料转 换成气体燃料的燃料输送系统，其尤其用于转换成以液化气运行的柴 油发动机。流到热交换器以用于将液化气转换成蒸汽的液体冷却剂的 流量由恒温阀控制，所述恒温阀由如由燃料管线中的温度传感器确定 的液体燃料的温度致动。在一个实施方案中，恒温阀具有简单的打开 /关闭操作，使得低于阈值温度时阀门被打开以便向热交换器提供发 动机冷却剂并因此更多的热量。所述温度阈值在一个水平下被选定， 低于所述水平设备可能不充分地使燃料气化或在过低的温度下提供 气体。恒温阀还可被配置来在高于阈值温度时关闭并中断到热交换器 的液体冷却剂流以便防止气体的温度变得过高。在另一实施方案中， 流到热交换器的液体冷却剂的流量在燃料的温度范围之间的全流量 与零流量之间变化。燃料的较低阈值温度被选择来避免热交换器的结 冰，并且较高阈值温度被选择来提供气化燃料。例如，在液化石油气 (LPG)的情况下，Tritton教导合适的范围可开始于低于-37℃的流到热 交换器的液体冷却剂的全流量，并在被选择来防止气化燃料的过热的 任何合适的温度下逐渐降低至中断的或零流量。Tritton公开，如果热 交换器的外表面在70℃至80℃的范围中，那么可获得合适的效应， 但在某些情况下可接受20℃至100℃的范围。Tritton教导将进气使用 为另外的热源来协助使燃料蒸发并用于降低进气温度来减少失不合 时机的爆炸的可能性。然而，Tritton的公开专注于控制发动机冷却剂 流到蒸发器的流量以管理燃料的温度使得燃料蒸发并不被加热到过 高的温度。尽管Tritton公开了提供冷却进气的另外益处的一些实施 方案，但Tritton并没教导控制被蒸发的燃料的温度来控制燃烧室中 的温度以便提高容积效率。Tritton的主要实例涉及以在约-37℃下存 储的LPG为燃料的发动机，所以当人们考虑与进气质量相比的燃料 质量时，除了以有限方式降低不合时机的爆炸的可能性之外，不存在 对进气充气温度具有显著影响的足够大的温度差。另外，Tritton教导 作为第一阶段使用进气来温暖燃料，因此Tritton装置没有机会为了 控制充气温度而控制燃料温度。

发明概述

一种用于操作内燃机并提高容积效率的改进方法包括：存储液体 状态的气体燃料；根据发动机操作条件确定内燃机上的负荷；根据负 荷确定气体燃料的降低预燃和爆震可能性的目标温度；以及控制传递 到气体燃料以将其转换成气体状态和超临界状态中的一个的热量的 量，使得气体燃料在目标温度下被引入内燃机。目标温度被确定为具 有特定的值加或减预定的公差范围。可进一步根据环境温度确定目标 温度。在负荷增加时降低气体燃料温度，并且在负荷降低时增加气体 燃料温度。有利的是跨越发动机的负荷/速度范围调整燃料温度以便 防止例如像节流刀片和排气再循环阀的部件冻结，尤其是在寒冷的环 境条件下。如果气体燃料温度在(更)轻的负荷下被增加使得整体混合 温度增加从而增加受限体积中的压力，那么节流损失可被降低。根据 气体燃料温度调整燃料喷射器的工作时间以便修正燃料密度中的变 化。气体燃料可被引入燃烧室的进气阀的上游或直接进入燃烧室中。 当气体燃料被直接引入燃烧室时，在与所述燃烧室相关联的进气阀打 开时引入气体燃料的至少一部分。在进气阀仍然打开时将较冷的燃料 引入燃烧室的优势是其置换较少的空气，因为更冷的燃料的密度更大 并占据更少的体积。因为较少的空气被置换，所以存在可用于燃烧的 更多的氧气，这提高了发动机的效率和功率。可根据加速器踏板位置、 发动机速度、发动机扭矩、歧管空气温度和歧管空气压力中的至少一 个确定发动机上的负荷。气体燃料可选自包含天然气、甲烷、乙烷、 丙烷、丁烷、氢气及其混合物的列表。

在优选的实施方案中，内燃机可以以可变的压缩比操作，并且所 述方法还可包括当增加有效压缩比时降低到气体燃料的热传递。内燃 机可以是具有可变压缩比的二元燃料发动机，并且所述方法还可包括 当为内燃机供给气体燃料时增加有效压缩比。二元燃料发动机是可以 以气体燃料(诸如天然气)或液体燃料(诸如汽油)或者同时以气体燃料 和液体燃料为燃料的发动机。

可通过以下方式中的至少一个来调整传递到气体燃料的热量的 量：(1)调整热源与气体燃料之间的热交换速率，(2)调整气体燃料流 动速率以及(3)调整气体燃料在热交换器中的驻留时间。热源可以是 来自发动机水套的被加热的发动机冷却剂，并且可以通过调整发动机 冷却剂的流与气体燃料之间的热交换速率由此调整气体燃料温度来 控制传递到气体燃料的热量的量。

提供一种用于操作以气体燃料为燃料的发动机并提高容积效率 的改进装置。存在用于液体状态存储气体燃料的容器。热交换装置包 括热交换器和热输送装置。热交换器将来自容器的气体燃料转换成气 体状态和超临界状态中的一个。热输送装置将热量供应到热交换器以 用于所述转换。温度传感器发射代表热交换器的下游的气体燃料温度 的信号。燃料喷射器将气体燃料从热交换器引入到发动机的气缸中。 控制器可操作地与热输送装置、温度传感器以及燃料喷射器连接并被 编程用于下述操作。根据发动机操作条件确定发动机上的负荷。根据 发动机上的负荷确定来自热交换装置下游的气体燃料的目标温度。根 据由温度传感器发射的信号确定热交换装置的下游的实际气体燃料 温度。并且调整由热输送装置输送到热交换器的热量的量，使得实际 气体燃料温度等于目标气体燃料温度，以便处于预定的公差范围内。

热输送装置可包括将发动机的水套与热交换装置连接的换向阀。 控制器可操作地与换向阀连接以便控制来自水套通过热交换器的发 动机冷却剂流。在另一实施方案中，热输送装置包括电加热器，使得 控制器可操作地与所述电加热器连接以便控制加热器的功率输出。在 又一实施方案中，热输送装置包括锅炉和位于容器中的蒸汽空间与锅 炉之间的可调整阀。控制器可操作地与可调整阀连接以便控制从蒸汽 空间到锅炉的汽化气体流。

位于容器与热交换装置之间的泵送装置将气体燃料泵送通过热 交换装置。控制器可操作地与泵送装置连接并被编程来操作所述泵送 装置以调整气体燃料在热交换器中的驻留时间。燃料喷射器可被配置 来在所述装置中将气体燃料引入进气阀的上游或直接进入气缸中。当 燃料喷射器被配置用于将气体燃料直接引入气缸中时，控制器还被编 程来在与气缸相关联的进气阀打开时引入气体燃料的至少一部分。控 制器被编程来根据气体燃料温度按时调整燃料喷射器，使得对于给定 的发动机操作条件在能量基础上等量的气体燃料被引入气缸中。

附图简述

图1是根据第一实施方案的发动机装置的示意图。

图2是用于控制图1中的发动机装置中的气体燃料的温度的算法 的流程图。

图3是根据第二实施方案的发动机装置的示意图。

图4是根据第三实施方案的发动机装置的示意图。

图5是根据第四实施方案的发动机装置的示意图。

优选实施方案的详述

参考图1，示出根据第一实施方案的发动机装置10。装置10包 括以来自低温容器30的气体燃料为燃料的内燃机20。在优选实施方 案中，发动机20是奥托循环发动机。然而，在不同的实施方案中， 可设想其他类型的发动机，诸如狄塞尔循环发动机。发动机20还可 以是采用可变压缩比的二元燃料发动机。二元燃料发动机的有效压缩 比可以取决于由发动机燃烧的燃料混合物的构成通过诸如可变阀致 动的技术来调整，使得二元燃料发动机烧灼的气体燃料越多，有效压 缩比增加的就越多。可采用各种技术来点燃发动机20中的气体燃料， 并且作为此类技术的非限制性实例，气体燃料可由主动点火源(例如 火花点火器、激光点火器)、火花塞或受热表面、引燃燃料、压缩点 火或这些技术的组合点燃。液体状态的气体燃料存储在容器30中， 在低温温度下存储这种燃料的方式是熟悉低温燃料存储技术的人所 已知的。泵送装置40将液化的气体燃料从容器30泵送通过热交换装 置45并进入管路100中，其中它经历从液体状态到气体或超临界状 态的转变。蓄能器(未示出)可以与管路100连接以便存储预定量的加 压气体燃料，所述加压气体燃料起到缓冲液的作用以便在发动机20 的瞬变操作模式期间限制管路100中的压力波动以及可变下游需求。 在其他实施方案中，管路100可相应地被设定尺寸以起到蓄能器的作 用。燃料喷射器120由控制器80致动来将来自管路100的气体燃料 引入发动机20的气缸(未示出)中。喷射器120可以将气体燃料引入 与气缸相关联的进气阀(未示出)的上游，或者可以将气体燃料直接引 入气缸中。尽管在图1的说明性示意图中仅示出一个喷射器，但应理 解，大多数的内燃机具有多个燃烧室并可具有多个喷射器。例如，在 采用端口喷射器或直接喷射器的发动机的情况中，一个喷射器通常与 每个燃烧室相关联。

热交换装置45包括热交换器50和热输送装置55。热交换器50 从装置55接收热量以用于使从泵送装置40接收的液化的气体燃料蒸 发。在本实施方案中，热输送装置55将存储在来自发动机的水套(未 示出)的冷却剂中的废热从发动机20输送到热交换器50。装置55包 括换向阀85和管路70、75和130。换向阀85操作来控制来自管路 60的分别流经管路70和130的发动机冷却剂的比例。流经管路70 并因此经过热交换器50的发动机冷却剂的比例可以在流经管路60的 发动机冷却剂的0％与100％之间变化。控制器80命令阀85根据发 动机操作条件调整流入管路70以及热交换器50中的发动机冷却剂的 比例，如同在下文将详细解释的。来自管路70的发动机冷却剂流经 热交换器50进入管路75中，在管路75中其与在管路130中流动的 发动机冷却剂(如果有的话)结合并被引导到管路65中，在管路65中 其返回到水套。注意，在其他实施方案中，可采用中间热交换器来将 装置45的水套冷却剂回路与热交换器回路分离。

电子控制器80从压力传感器90接收代表管路100中的压力的信 号并相应地控制泵送装置40来根据发动机操作条件将管路100中的 气体燃料加压至公差范围内的预定值。控制器80从温度传感器110 接收代表管路100中的气体燃料的温度的信号，并且从温度传感器 115接收代表管路60中的发动机冷却剂的温度的信号。代表发动机 20中的加速器踏板位置的信号通过信号线140被输送到控制器80。 加速器踏板位置代表稳定状态条件期间的发动机负荷以及当踏板位 置变化时的瞬变条件期间的所希望的发动机负荷。控制器80还接收 内燃机中通常采用的诸如发动机速度、发动机扭矩、歧管空气温度 (MAT)、歧管空气压力(MAP)、预燃和/或爆震、废气氧气浓度、气缸 压力和环境温度以及其他的信号。发动机20上的瞬时负荷可通过控 制器80使用这些信号中的至少一些来确定，如同本领域技术人员已 知的那样。预燃和或爆震可使用各种技术检测，诸如将麦克风使用为 传感器的基于声音的方法，或将加速计使用为传感器的基于运动的方 法。

发动机容积效率是被吸入发动机20中的空气的密度的直接函数。 冷却进入发动机的空气将增加发动机容积效率并增加发动机输出功 率和扭矩。此外，通过冷却进气，发动机将更不易于预燃和爆震，从 而允许采用进一步增加发动机20的容积效率的更大的压缩比。可根 据发动机操作条件控制热交换器50的下游的气体燃料温度以便冷却 气体燃料被引入其中的空气充气，因为气体燃料以低温温度存储并在 引入发动机20之前被蒸发。在降低气体燃料温度时，并且其对预燃 和发动机爆震的抵抗力增加，发动机20的压缩比可被增加来进一步 在(更)高的负荷下提高容积效率、功率输出和扭矩。可通过改变燃烧 室的几何形状来增加压缩比，并且还可通过采用本领域技术人员已知 的可变阀致动技术在发动机操作期间动态调整有效压缩比。

在优选的实施方案中，通过控制通过热交换器50的发动机冷却 剂的流来调整管路100中的气体燃料温度。可通过增加通过热交换器 50的发动机冷却剂的流量从而提供更多的用于蒸发的热量来增加气 体燃料的温度。当更多的发动机冷却剂流经管路70时，热交换器50 中的发动机冷却剂与气体燃料之间的热传递增加。热传递越强，热交 换速率就越大并且通过热交换器50的气体燃料的温度升高就越大。 可通过降低通过热交换器50的发动机冷却剂的流量从而提供更少的 用于汽化的热量来降低气体燃料的温度。类似地，当更少的发动机冷 却剂流经管路70从而降低热交换速率并降低通过热交换器50的气体 燃料的温度升高时，热传递被降低。控制器80可根据管路100中的 气体燃料的温度、管路60中的发动机冷却剂的温度、MAT、MAP、 发动机速度、发动机扭矩、预燃和/或爆震的检测水平、环境温度以 及踏板位置中的至少一个来确定通过热交换器50的发动机冷却剂的 所要求的流动速率。

作为基线要求，管路100中的气体燃料温度维持在热交换器50 冻结(也就是说循环通过热交换器的发动机冷却剂冻洁)的温度之上。 可通过将管路70中的发动机制冷剂温度维持在相对于通过热交换器 50的气体燃料的流动速率的预定最小值之上来实现所述要求。可根 据管路60中的温度、通过管路70的冷却剂流动速率以及通过热交换 器50的气体燃料流动速率来确定热交换器50冻洁的可能性。在替代 的实施方案中，可采用温度传感器来直接测量管路70中的冷却剂的 温度,代替或除了管路60中的温度之外。假设热交换器50没有冻结, 管路100中的气体燃料温度可以低至针对热交换装置45的下游的部 件的温度限制。

管路100中的气体燃料是可压缩流体，因为它处于气体或超临界 状态。在这些状态下，管路100中的气体燃料的密度根据至少其温度 和压力以及由气体燃料所占据的体积来确定。在气体燃料的温度根据 本文公开的技术变化时，其密度也变化。为了将预定质量的燃料准确 引入气缸中，在气体燃料温度变化时，必须调整燃料喷射器致动信号 的脉冲宽度(除了调整气体燃料中的压力变化的脉冲宽度之外)。根据 气体燃料温度、气体燃料压力以及将被引入气缸中的气体燃料的质量 来确定脉冲宽度。对于给定的喷射器压力和喷射燃料的质量，随着管 路100中的气体燃料的温度增加脉冲宽度增加，并且随着温度降低脉 冲宽度降低。可能的是，当离开热交换器50进入管路100中的气体 燃料的温度变化时，管路100中的瞬时气体燃料压力变化。例如，如 果来自泵送装置40的流动速率在离开热交换器50的气体燃料的温度 变化前后在公差范围内不变，那么管路100中的气体燃料压力也将变 化，这影响气体燃料密度。为了将预定质量准确喷射入气缸中，脉冲 宽度必须补偿管路100中的气体燃料的瞬时压力变化。通常，针对稳 定状态发动机操作条件的管路100中的气体燃料压力在公差范围内 维持在预定值。

参考图2，示出在控制器80中执行来控制管路100中的气体燃 料的温度的算法。在步骤200中，控制器80通过信号线140(在图1 中可见)从发动机20接收驾驶员踏板位置请求。在步骤210中，控制 器80通过使用踏板位置作为表格索引查找表格的方式来确定管路 100中的目标气体燃料温度设定点。在其他实施方案中，可采用公式 来确定使用踏板位置作为参数的目标气体燃料温度设定点。在再其他 实施方案中，可采用其他发动机操作参数来编入表格或公式中以便确 定目标气体燃料温度设定点。在步骤220中，控制器80调整阀85直 到管路100中的气体燃料温度在预定公差范围内等于目标气体燃料 温度。在步骤230中，根据气体燃料温度、气体燃料压力以及将被喷 射的气体燃料的质量来确定喷射器120的脉冲宽度。或者，可根据气 体燃料温度中的变化以及气体燃料压力中的变化中的至少一个来确 定可被用来修正预定燃料喷射器脉冲宽度的脉冲宽度温度修正因数。 在步骤240中发动机20上的负荷与预定阈值相比较，并且大于阈值 时，在步骤250中控制器80通过调整进气阀致动定时来命令有效压 缩比中的变化。在步骤260中，控制器确定是否已检测预燃和/或爆 震的阈值水平，并且如果所检测的气体燃料温度降低，那么在步骤 270中根据本文所描述的技术中的一个来增加气体燃料对预燃和发动 机爆震的抵抗性。熟悉所述技术的人将理解，可并列执行如前所述的 步骤中的一些。

现在论述其他实施方案，其中第一实施方案以及在所有实施方案 中的相似零件具有相同参考数字，并且如果先前论述过，那么如果可 能的话将不被具体描述。现在参考图3，示出根据第二实施方案的发 动机装置10，其中热输送装置55包括通过路径310向热交换器50 提供热量的电加热器300。可采用来自加热器300的热量来加热在加 热器300与热交换器50之间循环的中间热交换流体，或者可以通过 具有低热阻的材料被直接传递到热交换器50。根据图2的算法，控 制器80通过命令行320命令加热器300的输出功率。

现在参考图4，示出根据第三实施方案的发动机装置10，其中热 输送装置55包括灼烧来自容器30被输送通过可调整阀410的汽化气 体的锅炉400。在其他实施方案中，锅炉400可灼烧来自另一容器的 另一燃料类型。循环通过锅炉400和热交换器50的中间热交换流体 将热量从锅炉传递到气体燃料。控制器80命令汽化气体到锅炉400 的流动速率，从而通过相应地命令阀410来控制由所述锅炉生成的热 量的量。

现在参考图5，示出根据第四实施方案的发动机装置10，其中来 自发动机20的冷却剂流经管路60和热交换器50来使气体燃料蒸发。 热输送装置55包括控制器80中的用于控制通过热交换器50的瞬时 气体燃料流动速率从而控制气体燃料在热交换器内部的驻留时间的 算法。气体燃料在热交换器50内部的驻留时间越长，所传递的热量 的量就越多并且离开热交换器进入管路100中的气体燃料的温度就 越高。在大多数的操作条件期间，泵送装置40并不持续泵送，因为 下游需求未处于最大值。在这些情况下，可通过调整泵送装置40在 泵送冲程期间的速度来调整瞬时气体燃料流动速率，同时维持整体的 平均泵送速度不变从而保持平均气体燃料流动速率不变。通过改变通 过热交换器50的瞬时气体燃料流动速率，可调整驻留时间。当泵送 装置40包括往复式活塞泵时，可调整冲程长度来改变通过热交换器 50的燃料的驻留时间，如同在2013年3月15日提交的标题为 “TemperatureControlofaFluidDischargedfromaHeatExchanger”的 申请人的共同未决专利申请所描述的。

虽然已经示出并描述了本发明的具体元件、实施方案和应用，但 应当理解，本发明并不限于所述的具体元件、实施方案和应用，因为 在不脱离本公开的范围、尤其是依据前述教导的情况下，本领域的技 术人员可以进行修改。例如，尽管已单独论述先前描述的实施方案， 可能的是将用于控制气体燃料温度的任何数量的这些先前论述的技 术结合到其他单个实施方案中。