用于雙燃料發(fā)動機的控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，具體來說，它涉及一種用于雙燃料發(fā)動機的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于液體燃料(如柴油)的成本上漲以及廢氣排放的限制越發(fā)嚴(yán)格，發(fā)動機制造商開發(fā)出了雙燃料發(fā)動機。在一種示例性的雙燃料發(fā)動機中，它是通過發(fā)動機氣缸的進(jìn)氣口，噴入一種低成本的氣體燃料(如天然氣)。氣體燃料與由進(jìn)氣口進(jìn)入的清潔空氣引入，并由各燃燒循環(huán)的中噴入液體燃料點燃。因為液體燃料和一種成本更低的燃料一起使用，成本得以降低。此外，氣體和液體燃料混合物的燃燒可以減少有害的排放物。
[0003]在這些雙燃料發(fā)動機中，特別要注意壓力、流速、噴入缸內(nèi)的氣體和液體燃料的時序。如果不能嚴(yán)格地控制這些參數(shù)，發(fā)動機可能無法達(dá)到預(yù)期的運行狀態(tài)。
[0004]Foster的美國專利第4，527，516號中公開了一種用于雙燃料發(fā)動機的示例性控制系統(tǒng)。特別地，516’專利中公開了一種雙燃料發(fā)動機，該發(fā)動機包括進(jìn)氣管，該進(jìn)氣管的一端連接到氣體源，該進(jìn)氣管的另一端經(jīng)由進(jìn)氣口連接到發(fā)動機氣缸的側(cè)面。516’專利還包括電控氣體進(jìn)氣閥，用以控制氣體經(jīng)由進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸的時序。該電控氣體進(jìn)氣閥控制氣流的參數(shù)，以滿足發(fā)動機的要求，但它并不依賴于實現(xiàn)控制目的反饋。相反，此閥僅包括前饋控制，以滿足特定的燃料規(guī)格。
[0005]盡管516’專利可能選用于某些場合，但它的控制系統(tǒng)可能還不是最佳的。特別地，因為這種控制系統(tǒng)僅使用前饋控制，它可能無法考慮會影響系統(tǒng)性能的環(huán)境因素和/或老化因素中的變化。
[0006]本發(fā)明公開的控制系統(tǒng)的目的在于克服上述一個以上問題和/或現(xiàn)有技術(shù)的其他問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]一方面，本發(fā)明涉及一種用于雙燃料發(fā)動機的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可包括氣體燃料噴射器，該氣體燃料噴射器具有噴嘴，該噴嘴位于發(fā)動機氣缸的第一進(jìn)氣口處，且配置為根據(jù)發(fā)動機負(fù)載和轉(zhuǎn)速中的至少一個將不同量的氣體燃料沿徑向噴入氣缸。該控制系統(tǒng)還可以包括液體燃料噴射器，該液體燃料噴射器配置為根據(jù)發(fā)動機負(fù)載和轉(zhuǎn)速中的至少一個將固定量的液體燃料沿軸向噴入氣缸。該控制系統(tǒng)還可包括調(diào)節(jié)器和至少一個傳感器，該調(diào)節(jié)器配置為有選擇地調(diào)節(jié)氣體燃料進(jìn)入氣體燃料噴射器的流量，該傳感器配置為產(chǎn)生指示發(fā)動機性能參數(shù)的信號。該控制系統(tǒng)還可以包括與上述調(diào)節(jié)器和上述至少一個傳感器相連通的控制器。該控制器可以配置為根據(jù)上述信號選擇性地使調(diào)節(jié)器調(diào)整氣體燃料的流量。
[0008]另一方面，本發(fā)明涉及一種用于控制雙燃料發(fā)動機運行的方法。該方法可包括:根據(jù)發(fā)動機負(fù)載和轉(zhuǎn)速中的至少一個，將不同量的氣體燃料通過發(fā)動機氣缸的第一進(jìn)氣口沿徑向噴入氣缸；以及根據(jù)發(fā)動機負(fù)載和轉(zhuǎn)速中的至少一個，將固定量的液體燃料沿軸向噴入氣缸。該方法還可包括感測發(fā)動機的性能參數(shù)，并基于該性能參數(shù)選擇性地調(diào)整氣體燃料的噴入量。
【附圖說明】
[0009]圖1是用于說明配有一種示意性控制系統(tǒng)的雙燃發(fā)動機的剖面示意圖；和
[0010]圖2是與圖1所示的控制系統(tǒng)相關(guān)的示例性公開的時序圖。
【具體實施方式】
[0011]圖1圖示了示例性內(nèi)燃發(fā)動機10。發(fā)動機10被示為和描述為兩沖程雙燃料發(fā)動機。發(fā)動機10可以包括發(fā)動機機體12，發(fā)動機機體12至少部分地限定了多個氣缸16 (只不出一個)，每個氣缸16具有相關(guān)的氣缸頭20。氣缸襯18可以布置在每個發(fā)動機氣缸16內(nèi)，并且氣缸頭20可以封閉氣缸襯18的一端?；钊?4可滑動地布置在每個氣缸襯18內(nèi)。每個氣缸襯18、氣缸頭20、以及活塞24可以一起限定燃燒室22，該燃燒室22從安裝到發(fā)動機10的燃料系統(tǒng)14中接收燃料?？梢灶A(yù)期的是，發(fā)動機10可以包括具有相應(yīng)的燃燒室22的任意數(shù)目的發(fā)動機氣缸16。
[0012]在發(fā)動機氣缸襯18之內(nèi)，活塞24可以配置為在下死點(BDC)或最低位置與上死點(TDC)或最上位置之間往復(fù)運動。特別地，活塞24可以是包括樞轉(zhuǎn)地連接到桿28的活塞冠26的組件，桿28可以接著樞轉(zhuǎn)地連接到曲軸30。發(fā)動機10的曲軸30可旋轉(zhuǎn)地布置在發(fā)動機機體12內(nèi)并通過桿28聯(lián)接到曲軸30的每個活塞24內(nèi)，使得氣缸襯18內(nèi)的每個活塞24的滑動動作導(dǎo)致曲軸30的旋轉(zhuǎn)。類似的，曲軸30的旋轉(zhuǎn)可以導(dǎo)致活塞24的滑動動作。當(dāng)曲軸30旋轉(zhuǎn)通過大約180度時，活塞冠26和連接的桿28可移動經(jīng)過在下死點和上死點之間的一個完整沖程。發(fā)動機10是兩沖程發(fā)動機，可具有包括動力沖程/排氣沖程/進(jìn)氣沖程(上死點到下死點)和進(jìn)氣沖程/壓縮沖程(下死點到上死點)的完整循環(huán)。
[0013]在上述的動力沖程/排氣沖程/進(jìn)氣沖程的最后階段期間，可經(jīng)位于氣缸襯18的側(cè)壁內(nèi)的一個或多個氣體交換口(例如，進(jìn)氣口 32)將空氣吸入燃燒室22。特別地，當(dāng)活塞24在氣缸襯18內(nèi)向下移動時，將最終到達(dá)進(jìn)氣口 32不再被活塞24阻擋并且相反與燃燒室22流體連通的位置。當(dāng)進(jìn)氣口 32與燃燒室22流體連通，并且進(jìn)氣口 32的空氣壓力大于燃燒室22內(nèi)的壓力時，空氣將通過進(jìn)氣口 32進(jìn)入燃燒室22。可以預(yù)期的是，氣體燃料(例如甲烷或天然氣)可以通過至少一個進(jìn)氣口 32引入燃燒室22 (例如徑向地噴射)。氣體燃料可與空氣混合以在燃燒室22內(nèi)形成燃料/空氣混合物。
[0014]最后，活塞24將開始向上運動，該運動阻擋進(jìn)氣口 32并壓縮空氣/燃油混合物。當(dāng)燃燒室22內(nèi)的空氣/燃料混合物被壓縮時，混合物的溫度可升高。在活塞24鄰近上死點的時候，液體燃料(例如柴油或其他石油基液體燃料)在某一點經(jīng)液體燃料噴射器36噴射到燃燒室22中。液體燃料可以通過熱空氣/燃料混合物點燃，使得這兩種類型的燃料燃燒并導(dǎo)致燃燒室22內(nèi)的化學(xué)能以溫度和壓力尖峰的形式釋放。在動力沖程/排氣沖程/進(jìn)氣沖程的第一階段期間，燃燒室22內(nèi)的壓力尖峰可向下推動活塞24，從而給曲軸30施加機械動力。在這一向下行程期間的特定點，位于氣缸頭20內(nèi)的一個或多個氣體交換口(例如，排氣口 34)可以打開以允許燃燒室22內(nèi)的加壓廢氣排出，并且循環(huán)將重新開始。
[0015]液體燃料噴射器36可以定位在氣缸頭20內(nèi)部，并且配置為通過以大致錐形方式朝向氣缸襯18的內(nèi)部軸向地釋放燃料，將液體燃料噴射到燃燒室22的頂部中。液體燃料噴射器36可以配置為周期性地噴射固定量的液體燃料，例如，取決于當(dāng)前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和/或負(fù)載。在一個實施例中，發(fā)動機10可以設(shè)置為僅依靠液體燃料噴射或少量與氣體燃料混合的液體燃料運行。氣體燃料可經(jīng)由任意數(shù)目的氣體燃料噴射器38通過進(jìn)氣口 32噴射到燃燒室22中。在進(jìn)氣口 32通過活塞24的運動打開之后，氣體燃料可通過相應(yīng)的進(jìn)氣口32徑向地噴射到燃燒室22中。噴入燃燒室22中的氣體燃料的量可以基于發(fā)動機負(fù)載和/或轉(zhuǎn)速以及基于監(jiān)測的性能參數(shù)而變化，如下面將更詳細(xì)地描述。
[0016]當(dāng)作為雙燃料發(fā)動機運行時，利用燃料系統(tǒng)14的發(fā)動機10可以消耗兩種類型的燃料?？梢灶A(yù)期的是，氣體燃料可以產(chǎn)生發(fā)動機10的總能量輸出的40%到85%。例如，氣體燃料可以產(chǎn)生總能量輸出的60%到65%，而液體燃料產(chǎn)生剩余的35%到40%。無論如何，液體燃料可以充當(dāng)點火源，使得比發(fā)動機10僅運行在液體燃料下時需要的量更少。
[0017]如圖1所示，燃料系統(tǒng)14可以包括各種供應(yīng)部件。供應(yīng)部件可以包括用于每個氣體燃料噴射器38的單獨的燃料供應(yīng)線52?？梢园ü?yīng)歧管51、公共流量調(diào)節(jié)器57、以及燃料供應(yīng)62，從而給單獨的燃料供應(yīng)線52提供氣體燃料。燃料供應(yīng)62可以代表燃料箱或其他配置用作燃料貯存器的容器。燃料供應(yīng)62經(jīng)公共燃料供應(yīng)線59提供氣體燃料給公共調(diào)節(jié)器57。可以控制公共流量調(diào)節(jié)器57來調(diào)整氣體燃料的上游參數(shù)(例如壓力、流速、噴射時序，等等)并將氣體燃料引導(dǎo)到燃料供應(yīng)歧管51中。供應(yīng)歧管51可以連接到每個單獨的燃料供應(yīng)線52，用于給每個氣體燃料噴射器38提供燃料。供應(yīng)線52和氣體燃料噴射器38兩者都定位在氣箱40內(nèi)部。
[0018]氣體燃料噴射器38可在氣箱40內(nèi)部直接安裝到發(fā)動機機體12的壁42或安裝到氣缸襯18，使得氣體燃料噴射器38的噴嘴54與鄰近的發(fā)動機氣缸16的進(jìn)氣口 32中的一個直接連通。噴嘴54可以是收縮噴嘴，該收縮噴嘴具有收縮部分56以及連接在收縮部分56的遠(yuǎn)端的尖端58。尖端58可以創(chuàng)造軸向流動路徑，以將氣體燃料引導(dǎo)向氣缸16的中心軸線。收縮部分56可以增加將要通過下游尖端58噴射到氣缸16中的氣體燃料的上游壓力。收縮部分56可能具有相對于中心軸線大約60度的夾角，其他的在50度到70度范圍內(nèi)的角度也是可能的。
[0019]通過噴嘴54創(chuàng)造的氣體燃料的上游/下游壓力比例可能需要被控制以便實現(xiàn)臨界流或扼流。出于本發(fā)明的目的，扼流可定義為通過噴嘴54的流動，只要上游壓力是固定的，則基本不受下游壓力變化的影響。扼流可以幫助最佳實現(xiàn)燃料滲透至大約燃燒室22的中央。在一個實施例中，其中氣體燃料是甲烷，用于完成扼流的上游與下游壓力的最小比值是大約1.84。不管氣體燃料的類型，利用扼流可以設(shè)置燃料的下游壓力，使得通過周圍進(jìn)氣口 32的空氣流被壓制，并且氣體燃料滲透到燃燒室22的中央。為了幫助完成該氣體燃料滲透，可以設(shè)想，噴射的氣體燃料的下游壓力可以比導(dǎo)入燃燒室22中的空氣的壓力高大約0.5-4巴。該壓力差是必要的以允許氣體燃料在短時間窗口期間進(jìn)入氣缸16，在該時間窗口中，進(jìn)氣口 32打開以將氣箱40與燃燒室22流體連通。
[0020]公共流量調(diào)節(jié)器57能夠調(diào)整進(jìn)入氣體燃料噴射器38的氣體燃料的壓力，以通過噴嘴54實現(xiàn)預(yù)期的下游壓力和扼流。發(fā)動機10可以包括控制系統(tǒng)以通過公共流量調(diào)節(jié)器57經(jīng)調(diào)整來調(diào)節(jié)氣體燃料噴射?？刂葡到y(tǒng)可以包括傳感器53和控制器55。基于傳感器53產(chǎn)生的信號，控制器55經(jīng)公共流量調(diào)節(jié)器57調(diào)整燃料流以維持預(yù)期性能。傳感器53可以安裝在發(fā)動機10內(nèi)部或附近的任意合適位置，用于監(jiān)測與發(fā)動機10運行有關(guān)的性能參數(shù)。傳感器53可連接到控制器55以向控制器55提供表示所述參數(shù)的信息(通過產(chǎn)生電子信號)。相應(yīng)地，控制器55可以解釋這些信號并經(jīng)公共流量調(diào)節(jié)器57調(diào)整燃料流。
[0021]傳感器53可以代表定位在一個或多個進(jìn)氣口 32處的性能傳感器，用于測量經(jīng)過相應(yīng)進(jìn)氣口 32的空氣和/或燃料流。例如，傳感器53可以放置在進(jìn)氣口 32，該進(jìn)氣口 32鄰近容納氣體燃料噴射器38的噴嘴54的進(jìn)氣口 32。在該方案中，傳感器53可以是壓力傳感器，該壓力傳感器配置為測量從氣箱40進(jìn)入氣缸16的空氣的壓力。可選地，傳感器5