用于双燃料柴油机的方法和燃料喷射系统

摘要

用于控制双燃料柴油机的方法和相应的燃料喷射控制系统，所述方法包括以下步骤：‑使用第一电控制系统(311)来控制通过第一液体燃料喷射器(301)将液体燃料喷射到所述柴油机的汽缸中，‑使用第二电控制系统(312)来控制通过不同于所述第一液体燃料喷射器(301)的第二液体燃料喷射器(302)将液体燃料喷射到所述柴油机的所述汽缸中，‑在气体燃料模式(402)下，将气体燃料喷射到所述柴油机的所述汽缸中，并且通过所述第二液体燃料喷射器(302)执行到所述汽缸的引燃喷射，以及‑在通过所述第二液体燃料喷射器(302)进行引燃喷射出现故障的情况下，采用气体燃料备份模式(423)，在气体燃料备份模式下，通过所述第一液体燃料喷射器(301)来执行到所述汽缸的引燃喷射。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及可以燃烧液体燃料和气体燃料二者的双燃料柴油机的技术。特别地，本发明涉及在像喷射器故障的异常情况下执行并控制将各种燃料喷射到发动机的汽缸内的方式。

背景技术

双燃料柴油机可以使用液体燃料(诸如，燃油)以及气体燃料(诸如，天然气)二者。保证发动机的可靠操作需要针对不能实现将气体燃料或液体燃料中的任一种正常喷射到汽缸中的异常情况进行一些预防措施。

图1示意性地示出了用于双燃料柴油机的一个汽缸的现有技术燃料喷射系统。可以通过电控制气体燃料喷射器(或阀)101来将气体燃料喷射到汽缸中。液体燃料可以通过电控制液体燃料喷射器102或者机械控制液体燃料喷射器103中的任一个被喷射到汽缸中。电控制系统111被联接以控制电控制喷射器101和102。机械控制系统112控制机械控制喷射器103的操作。图1中字母G和L分别表示气体燃料和液体燃料。

图2示出了装配有图1中所示类型的现有技术燃料喷射系统的双燃料柴油机的操作。发动机的正常操作模式为液体燃料模式201以及气体燃料模式202。当电控制液体燃料控制器102和机械控制液体燃料控制器103正常工作并且仅液体燃料在每个操作循环中被喷射到汽缸中时，发动机处于液体燃料模式201中。气体燃料模式202可以是发动机所产生的所有机械能来自燃烧气体燃料的纯气体燃料模式，或者发动机通过燃烧气体燃料和液体燃料二者产生机械能的混合模式。为此目的，气体燃料模式202也可以被称为双燃料模式。即便是在用于点燃气体燃料的纯气体燃料模式下，少量的液体燃料(被称为引燃(pilot))也会被喷射到汽缸中，但是该引燃不应该与在混合模式期间实际用于产生机械能的一定量的液体燃料相混淆。

箭头211表示从液体燃料模式201到气体燃料模式202的转变。该转变是相对较 慢的模式变化，特征在于，燃料喷射正常发生。其它可能的模式变化是对于异常条件(诸如，故障喷射器)的快速反应的行程。根据箭头212从气体燃料模式202到液体燃料模式201的变化作为所谓的气体行程而发生，指的是气体燃料的喷射不正常工作并其由此被快速关停。从气体燃料模式202到液体燃料模式201的行程也可以通过例如严重撞击而触发，这反映了燃料喷射控制对快速和/或重复改变负载的反应的有限能力。

机械喷射模式221构成了故障模式，当在液体燃料201或者气体燃料202模式下操作是不可能时采用该故障模式221。箭头231表示所谓的引燃行程。这意味着气体模式202下故障已经防止了液体燃料的引燃喷射，并且因此电控制喷射器101和102是不能使用的(在没有引燃的情况下不应有气体燃料被喷射到汽缸中，这是因为该气体燃料不能被正确点燃)。箭头232表示从液体燃料模式201到机械喷射模式221的行程。这意味着电控制喷射器102变得不可操作，因此仅可以执行机械控制喷射。

虽然机械喷射控制是鲁棒的并可靠的，但是电喷射控制更为精准并且构成了对现代双燃料柴油机适当的长期操作的绝对先决条件。机械喷射模式221因此严格来说是故障模式。在很多情况下，其仅可以被用于操作发动机足够长的时间以设置安全且受控制的关停。

发明内容

以下示出了简化的发明内容以便提供各种本发明实施方式的一些方面的基础理解。该发明内容并不是本发明的广泛概述。该发明内容也没有旨在标识本发明关键或者主要元素，也没有旨在描绘本发明的范围。下面的发明内容仅以简化形式将本发明的一些概念呈现为前序以更详细地描述本发明的示例性实施方式。

使得在正常和异常两种情况下发动机能够进行灵活、又可靠的双燃料操作的拥有双燃料柴油机的方法、控制系统和燃料喷射系统将是需要的。应当使汽缸盖中和汽缸盖周围的结构方案是简单的、易于制造、并且对于服务和维护来说是简明的。

本发明的有利目的通过对双燃料柴油机的汽缸装配有两个电控制液体燃料喷射器(每个在其自身的电控制系统下操作)来实现，使得即便一个电控制系统出现故障，那么另一个电控制系统仍然完全可操作。两个电控制系统中的一个可以是同时控制相同汽缸的电控制气体喷射器的电控制系统。独立控制的液体燃料喷射器中的任一个可 以用作用于点燃气体燃料的引燃喷射器。本发明的有利目的通过装配双燃料柴油机的汽缸来实现。本发明的有利目的通过装配双燃料往复活塞发动机来实现。

提供两个电控制液体燃料喷射器能够在气体燃料备份模式下操作双燃料柴油机，在气体燃料备份模式下，通过除了在正常气体燃料模式下通过其执行引燃喷射的那个电控制液体燃料喷射器之外的另一个电控制液体燃料喷射器来执行到汽缸的引燃喷射。在正常液体燃料模式下，通常使用两个电控制液体燃料喷射器。两个电控制液体燃料喷射器中的仅一个电控制液体燃料喷射器将燃料喷射到汽缸中的液体燃料备份模式是可能的。

模式之间的过渡可以采取转变或行程的形式。作为与机械喷射模式或者之前解释过的故障模式的显著差异，备份模式可以在发动机的操作中提供与正常模式同样的精确控制。这些模式也是可以恢复的，指的是可以发生从备份模式到正常模式的转变。由于正常液体燃料模式通常比正常气体燃料模式更稳定，所以从气体燃料备份模式或者液体燃料备份模式开始并且最后终止于正常气体燃料模式的恢复可以通过正常液体燃料模式发生。

本专利申请中示出的本发明的示例性实施方式不应被解释成对所附权利要求的应用性施加限制。动词“包括”作为不排除存在没有记载的特征的开放式限制被用于本专利申请中。从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合，除非另有明确地指出。

被视为本发明特点的新颖特征特别地在所附权利要求中进行阐述。然而发明本身就其结构以及操作方法两者连同其附加目的和优点可以在结合附图阅读时根据特定实施方式的以下说明来更好地理解。

附图说明

图1示出了现有技术的燃料喷射系统，

图2示出了现有技术双燃料柴油机的操作模式，

图3示出了根据本发明的实施方式的燃料喷射系统，以及

图4示出了根据本发明的实施方式的双燃料柴油机的操作模式。

具体实施方式

图3示意性地示出了燃料喷射系统，该燃料喷射系统的一部分是燃料喷射控制系 统。这些系统旨在双燃料柴油机中使用，并且由于这些系统对于每个汽缸都基本相同，所以在此针对发动机的一个汽缸讨论燃料喷射系统和燃料喷射控制系统就足够了。

第一电控制系统311被配置为控制第一液体燃料喷射器301的操作，该第一液体燃料喷射器是电控制喷射器。第二电控制系统312被配置为控制第二液体燃料喷射器302的操作，该第二液体燃料喷射器也是电控制喷射器。第一电控制系统311和第二电控制系统312可以被称为CCM，或者汽缸控制模块。在第一电控制系统311和第二电控制系统312中的一个的正确操作不依赖于另一个的正确操作的意义上来说，第一电控制系统311和第二电控制系统312在功能上是彼此独立的；换句话说，第一电控制系统311和第二电控制系统312中的每个可以继续正常操作，即使另一个出现故障或者不能正确操作。因此第一电控制系统311和第二电控制系统312可被称为冗余电控制系统。

燃料喷射系也包括气体燃料喷射器303，其像第一电控制系统311和第二电控制系统312一样是电控制的。技术上来说，气体燃料到双燃料柴油机的汽缸的输送与液体燃料的输送相比是稍有不同的工作，为此目的，气体燃料喷射器303也可以被称为气体燃料阀。为了简洁，并且由于本发明对于燃料实际上进入汽缸的技术方式相对不敏感，所以我们使用了指定“气体燃料喷射器”来描述构建用于将气体燃料可控地输送到汽缸中的所有装置，而动词“喷射”用来描述使气体燃料进入到汽缸的所有实例。例如，可以这样做，使得气体经由沿着发动机运行的共同管道、利用单独的进料管道继续输送到每个汽缸、或者通过如专利申请F1955900A中公开的直接气体喷射系统被提供到汽缸中。

在图3的实施方式中，我们假设气体燃料喷射器303和第二液体燃料喷射器302在相同控制模块下被联接，该控制模块为第二电控制系统312。词语“第一”和“第二”仅是名字，因此技术上可以完全等同地说气体燃料喷射器和第一液体燃料喷射器在第一电控制系统下操作，而第二液体燃料喷射器在第二电控制系统下操作。可替换实施方式可以是燃料喷射器301、302和303中的每个在三个并联、相互独立的电控制系统中的对应的一个电控制系统下被联接。

燃料喷射系统可以包括机械控制液体燃料喷射器304和机械控制系统313，但是如果这种机械喷射系统被完全省略，则可以使该系统的结构和其技术实现相当简单。可以通过构建电控制部件来实现显著的优点，使得所有必需的备份功能和保留模式可 以利用图3中所示的元件如301、302、303、311和312来实施。

在气体燃料模式下操作柴油机包括将气体燃料喷射到汽缸中。其也可以包括通过电控制液体燃料喷射器来执行到汽缸的引燃喷射。由于气体燃料喷射器303和第二液体燃料喷射器302在共同操作系统下操作，所以我们可以假设到汽缸的引燃喷射在正常气体燃料模式下通过第二液体燃料喷射器302来进行。在通过第二液体燃料喷射器302的引燃喷射出现故障的情况下，可以采用气体燃料备份模式，在该气体燃料备份模式下，到汽缸的引燃喷射通过第一液体燃料喷射器301来执行。作为可替换的实施方式，到汽缸的引燃喷射可以在正常气体燃料模式下通过第一液体燃料喷射器301以及在气体燃料备份模式下通过第二液体燃料喷射器302来进行。

图4以模式图的方式示出了根据本发明的实施方式的方法的一些方面。正常操作模式包括液体燃料模式401和气体燃料模式402，上述气体燃料模式可以是纯气体燃料模式或者混合模式。液体燃料模式401包括通过第一液体燃料喷射器301和第二液体燃料喷射器302将液体燃料喷射到汽缸中。通过喷射器中的每个喷射液体燃料的比例可以改变。向下的箭头表示执行从液体燃料模式到气体燃料模式402的转变411。这种转变411可以跟随例如启动阶段，在此阶段中发动机首先仅以液体燃料启动，或者转变411可以在当发动机的操作者认为需要燃烧气体燃料时的某些其它情况下发生。为了清楚起见，提到了启动不必总是利用液体燃料来进行；可以启动双燃料柴油机立刻进入到气体燃料模式。

向上的箭头表示从气体燃料模式402切换412到液体燃料模式401。切换412可以采取例如行程的形式，使得作为对气体燃料喷射到汽缸出现故障的响应，而在气体燃料模式402下切换412到液体燃料模式401迅速发生。即使技术上在燃料喷射系统中没有异常的情况下，故障应该被广义地理解为包括例如发动机在气体燃料模式下准确地操作变得不可能的动态负载情况。在这种情况下，表述“气体燃料喷射故障”指的是按照需要尽可能准确地控制气体燃料的喷射故障。例如，当气体燃料将要耗尽并因此仅可在液体燃料模式401下继续操作发动机时，也可以以转变的形式中更平稳地执行切换412。

作为对在液体燃料或者气体燃料到汽缸中的喷射中的故障的响应，该方法包括切换到液体燃料备份模式，在图4的模式图中有两种液体燃料备份模式。液体燃料备份模式一般来说指的是仅通过第一液体燃料喷射器301和第二液体燃料喷射器302中的 一个仅将液体燃料被喷射到汽缸中的模式。为了在两种模式之间进行区分，我们可以说第一液体燃料备份模式421包括通过第一液体燃料喷射器301将液体燃料喷射到柴油机的汽缸内。类似地，第二液体燃料备份模式422包括通过第二液体燃料喷射器302将液体燃料喷射到柴油机的汽缸内。

回想(正常)液体燃料模式401包括通过第一液体燃料喷射器301和第二液体燃料喷射器302二者将液体燃料喷射到汽缸内，直观地该方法可以包括：从(正常)液体燃料模式401切换431到第一液体燃料备份模式421或者从(正常)液体燃料模式401切换432到第二液体燃料备份模式422。这些模式改变对应于分别通过第二液体燃料喷射器302或者第一液体燃料喷射器301中断喷射。

早前假设了，作为第一种假设，(正常)气体燃料模式402包括通过第二液体燃料喷射器302执行到汽缸的引燃喷射。因此如果一些不期望的情况(像气体燃料的喷射故障)引起了到液体燃料备份模式的切换，这意味着到第二液体燃料备份模式422的几乎大部分切换433通过经由气体燃料喷射器303中断喷射来进行。

当方法的执行已经将系统带入第一液体燃料备份模式421时，原因可能是通过第二液体燃料喷射器302的液体燃料的喷射的故障，这种故障是不会很影响气体燃料喷射器303的操作的类型。因此，作为一种可能性，该方法可以包括执行从第一液体燃料备份模式421转变441到气体燃料备份模式423，其中，气体燃料被喷射到柴油机的汽缸中，但是如在(正常)气体燃料模式402下通过第一液体燃料喷射器301而不是通过第二液体燃料喷射器302执行到汽缸的引燃喷射。作为对在气体燃料备份模式423下气体燃料喷射到汽缸中的故障的响应，该方法可以包括切换442回到第一液体燃料备份模式421。

图4示出了具有恢复特性的模式的三种改变，即，从备份模式切换到正常模式。由于从备份模式的恢复仅在如果可以保证燃料喷射的所有方面正常操作并且处于完全控制下是可行的，所以假设从第一液体燃料备份模式421切换434到(正常)液体燃料模式401、或者从第二液体燃料备份模式422切换435到(正常)液体燃料模式401、或者从第二液体燃料备份模式切换436到(正常)气体燃料模式402都采取转变的形式而不是行程的形式是合理的。

液体燃料模式从本质上来说比起气体燃料模式多少更为稳定并且多少更为易于控制。因此，即使能够执行直接到气体燃料模式402的恢复，例如如图4的436所示， 本发明的有利的实施方式涉及通过液体燃料模式401进行从气体燃料备份模式423、或者从液体燃料备份模式421或422中的一个到气体燃料模式402的恢复。该方法可以包括从气体燃料备份模式423首先切换422到第一液体燃料备份模式421，然后从液体燃料备份模式421切换434到(正常)液体燃料模式401，以及最后从液体燃料模式401切换411到气体燃料模式402。如果恢复的起点是第一液体燃料备份模式421，则过程与前述相同，仅省略其初始转变442。作为直接恢复436的替换方案，该方法可以包括从第二液体燃料备份模式422切换435到(正常)液体燃料模式401，并且此后仅从液体燃料模式401切换411到气体燃料模式402。

为了能够实现这些模式以及上述模式的改变，第一电控制系统311和第二电控制系统312二者被配置为在柴油机在双燃料模式402或423下的操作期间，通过相应的液体燃料喷射器301或302选择性地执行到同一汽缸的引燃喷射，该双燃料模式包括将气体燃料喷射到汽缸内。电控制系统基本上是设置有机器可读指令的可编程电路，该机器可读指令当由处理器执行时使得实现适宜的控制方法。CCM或汽缸控制模块是一种电控制系统，该电控制系统采用控制命令作为输入，并且电驱动电磁管或使喷射器和/或阀打开和关闭的其它致动器。配置这种电控制系统以执行例如引燃喷射意味着给电控制系统提供用于对液体燃料喷射器进行适当电控制的输出连接，并且利用用于引燃喷射的机器可读指令对电控制系统进行编程。如果电控制系统中的一个具有由其支配的液体燃料喷射器和气体燃料喷射器两者，像图3中的第二电控制系统312，则该电控制系统额外地被配置为通过以下方式控制在所述柴油机在双燃料模式下操作期间的气体燃料喷射器的操作：通过给电控制系统提供用于对液体燃料喷射器进行适当电控制的输出连接，并且利用用于气体燃料喷射的机器可读指令对电控制系统进行编程。

上面我们已经假设电控制系统311和电控制系统312可以与CCM(汽缸控制模块)的概念相对比，使得对于具有特定数量汽缸的双燃料柴油机来说，将有两倍的电控制系统，针对每个汽缸两个控制系统。提供汽缸特定电控制系统涉及的这样的优势，图4中所示的模式和模式改变可以在每个汽缸中独立于另一汽缸进行。提供汽缸特定电控制系统也涉及了这样的优势，即使在第一电控制系统和第二电控制系统中同时出现故障，仅能使用机械喷射控制(如果安装有)，这将仅影响发动机中的一个汽缸。然而，制造汽缸特定的电控制系统并非本发明的需要：相同模式和模式改变也可以利 用中央控制系统来实现，该中央控制系统为发动机中的所有汽缸所共用。在中央化解决方案中，保持划分为相互冗余的第一电控制系统和第二电控制系统是有利的，以确保一个电控制系统的故障仍能够采用上述的备份模式中至少一个。例如可以在异常条件和故障状态(诸如，如果发生了过度撞击)下完成模式的改变。