CN104755733B - 用于气体燃料的组合式加燃料策略 - Google Patents
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Abstract
一种操作使用气体燃料的内燃机的方法包括将燃料通过中央点喷射和多点喷射提供至多个气缸。提供了充分空气/燃料混合的中央点喷射可提供大部分稳态燃料供给，且多点喷射用于在稳态过程中补充中央点喷射并用于提供对负载变化的快速瞬时响应。
Description
背景技术
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年10月24日提交的美国临时专利申请No. 61/717,835的优先权，其所有内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及内燃机，且更特别地涉及用于将气体燃料(比如天然气或丙烷)喷射到内燃机中的策略。尽管某些车辆当前靠天然气(CNG/LNG) 或丙烷(LPG)来操作，但是它们尚未得到主流市场认可。
发明内容
一方面，本发明提供了一种操作使用气体燃料的内燃机的方法。提供了分别具有相应的活塞和燃烧室的多个气缸。提供了包括节气门体和进气歧管的进气系统。还提供了被构造成能供送某些燃料并将燃料以气体状态喷射的燃料系统。燃料供送系统包括中央燃料喷射器和与所述中央燃料喷射器独立的多个气缸专用式燃料喷射器，所述中央燃料喷射器定位在所述进气歧管上游且被构造成能将燃料提供至所有所述多个气缸，所述多个气缸专用式燃料喷射器中的每个均定位在所述中央燃料喷射器下游且被构造成能将燃料提供至所述多个气缸中的仅一个相应的气缸。所述内燃机在稳态部分负载下通过由中央燃料喷射器供送的第一部分气体燃料和由所述多个气缸专用式燃料喷射器供送的第二部分气体燃料来操作。确定用于发动机的总燃料量到目标总燃料量的变化的请求，该请求限定出转换点。总燃料量的目标份额被确定用于中央燃料喷射器和所述多个气缸专用式燃料喷射器中的每个，以用于目标总燃料量下的稳态操作。该变化通过以下方式来响应：在从转换点起的第一时间跨度内将来自中央燃料喷射器的燃料量逐渐改变至相应的目标份额，且在从转换点起的短于第一时间跨度的第二时间跨度内超过用于所述多个气缸专用式燃料喷射器的相应的目标份额以补偿中央燃料喷射器的较慢相应并在第一时间跨度届满之前满足目标总燃料量。
另一方面，本发明提供了一种操作使用气体燃料的内燃机的方法。该内燃机在第一稳态转矩输出下以总气体燃料量操作，所述总气体燃料量包括通过中央燃料喷射器供送以供内燃机的所有多个气缸燃烧的第一部分气体燃料和通过多个气缸专用式燃料喷射器供送至所述多个气缸中的单个气缸的第二部分气体燃料。从内燃机请求的处于可用转矩输出范围内的目标转矩输出被检测，所述目标转矩输出要求总气体燃料量中的与第一稳态转矩输出对应的变化。所述变化具有增加或降低中的一个的方向。与所述目标转矩输出对应的总气体燃料量以及通过中央燃料喷射器供送的气体燃料与通过所述多个气缸专用式燃料喷射器供送的气体燃料之间的相应的稳态比被确定以用于所述目标转矩输出。所述稳态比通过由所述多个气缸专用式燃料喷射器提供两部分响应和由所述中央燃料喷射器提供单一响应来实现。所述目标转矩输出首先通过由所述多个气缸专用式燃料喷射器完成在变化方向上的初级响应来实现，且所述目标转矩输出在次级响应过程中保持，所述次级响应由所述多个气缸专用式燃料喷射器在与所述变化相反的方向上进行。
附图说明
图1是根据本发明的一个方面的内燃机的示意图。
图2是示出了根据本发明的一个方面的操作方法的转矩随时间变化图。
具体实施方式
在详细阐述本发明的任何实施方式之前，应当理解，本发明在其应用方面不限于在以下说明书中提出的或在附图中示出的结构的详细情形和构件的布置方式。本发明能够具有其他实施方式且能够以多种方式来实施或执行。
图1是具有至少一个气缸24的内燃机20的示意图。进气系统和燃料系统分别将空气和气体燃料供送至气缸24，以用于燃烧。如下文更详细地描述，燃料系统提供了耦合的中央点和多点喷射，以用于发动机20的燃烧室26内的火花点火。发动机20可以是多气缸发动机，尽管仅示出了一个气缸24。发动机20可依靠气体燃料(比如天然气或丙烷)来操作。发动机 20可设置在车辆(例如，商用车辆)中，以向车辆提供动力驱动力。
发动机20的每个气缸24都接收活塞28，所述活塞28在气缸24中作往复运动，所述往复运动对应于已知的四冲程操作的四个冲程。气缸24的所有活塞28都联接至绕着曲轴轴线(未示出)旋转的曲轴32。曲轴位置传感器96在操作过程中监测曲轴32的旋转位置。火花塞36位于每个气缸24 的每个燃烧室26内，所述火花塞36在压缩冲程结束时或接近结束时操作，以便点燃燃烧室26内的燃料/空气混合物。高压点火线圈40联接至每个火花塞36，以便用高压电能给予火花塞36电压。
发动机20的进气系统包括进气歧管42，所述进气歧管42将进入的空气引导通过过滤器44而进入发动机20的所有气缸24。包括节气门48的节气门体定位在空气过滤器44下游，且能够调节进气通过歧管42的流动。发动机转矩输出或负载通过节气门48来调整。节气门控制器52联接至节气门48，且能够操作以将节气门48的位置在最小开启与完全开启条件之间改变。节气门控制器52可以是响应于车辆的车舱内的加速踏板的电子机械式装置，尽管节气门48可以以多种方法中的任一个来操纵。节气旁路56 靠近节气门48设置。在增压式发动机的情况下，放气阀(blow-off valve) 58可设置在节气旁路56处，以便在压缩机喘振的情况下在节气门48之前释放过量的压力。通过节气门48到进气歧管42的空气通过从歧管42的下游端延伸的多个单个气缸进气管(intake runner)60被分散至单个气缸24。在其他应用中，比如重型或商用发动机中，可能没有限定出进气歧管42与气缸头的进气口之间的单独通道的实体进气管。
现在来看燃料系统，气体燃料通过组合式喷射策略被供送至气缸24，所述组合式喷射策略在进气系统内的多个位置处喷射燃料，包括中央点喷射和多点喷射。为了本说明书的目的，中央点喷射被限定为：在没有单个气缸控制的情况下将燃料从一个或多个中央燃料喷射器64分散至发动机 20的所有气缸24的燃料喷射。如图1所示，通过将一个或多个中央燃料喷射器64定位在进气歧管42上游来提供中央点喷射。例如，中央燃料喷射器64可靠近进气歧管42的进口紧接着节气门体和节气门48的下游定位。在其他构造中，中央燃料喷射器64可定位得更上游，包括节气门48的上游。在一个构造中，中央燃料喷射通过安装在混合器装置内的一组喷射器来提供，从而促成均匀的燃料/空气混合物。为了本说明书的目的，多点喷射被限定为：为每个气缸24单独地提供燃料计量的燃料喷射。例如，多点喷射可包括定位在进气歧管42下游的、对于每一气缸24的至少一个燃料喷射器68(即，气缸专用式喷射器)。多点喷射系统的每个气缸专用式喷射器68都可将燃料喷射到相应的进气管60的下游端，进入气缸头的紧接着燃烧室26上游的进气口，或直接进入燃烧室26。在没有进气管的进气系统中(其中，进气从进气歧管42直接进入气缸头进气口)，多点喷射可通过定位在进气歧管42内的燃料喷射器来提供，但是所述燃料喷射器定向成使喷射针对单个气缸且定时成仅在用于该气缸的进气门开启以接收燃料时才施与燃料。
除了独立类型的喷射器64、68之外，燃料系统还包括燃料储存箱70 和沿着储存箱70与喷射器64、68之间的供送管路的多个构件。在燃料储存箱70下游，燃料流动通过设有紧急关闭阀72、箱压力传感器74、高压燃料过滤器78和燃料压力调节器82的主燃料供送管路71。在主燃料供送管路71的下游端处的进气门86将燃料流动分别提供到第一和第二分支管路87、89并相应地到中央和气缸专用式喷射器64、68。尽管未示出，但是应当理解，单独的分支管路89设置用于单独的气缸专用式喷射器68中的每个。如图1所示，组合式低压和温度传感器90设置在分支管路89中。
发动机20内的燃烧通过爆震传感器94和被构造成能检测空气过量系数(lambda)的排气传感器98来监测。传感器94、98与发动机控制单元或ECU 100就指示测量值的信号进行通信。ECU 100提供气缸专用式喷射器68、中央喷射器64(通过进气门86)以及如图1所示的发动机20的所有其他电子构件的电子控制。ECU 100还电连接至电池102、交流发电机104和起动器106。
燃料/空气混合比是保证气体燃料和空气充分燃烧的关键参数。在天然气燃烧式发动机的情况下，由于天然气是火焰速度相对较慢的气体燃料，因此燃料/空气混合比更加关键。与燃烧燃料空气混合物相应的热量释放的定时正比于发动机效率。充分混合的且化学计量混合的空气和燃料将具有最快且速度最均匀的热量释放。在燃烧和流体动力学中，混合时间被限定为混合物达到其期望组成之前所需的时间量。对于内燃式应用而言，可用于混合的时间由发动机几何形式、发动机速度和燃料喷射装置的布置方式来规定。
多点喷射由于将燃料传送至气缸24的时间更短以及它能够精确地计量用于每个气缸24的燃料量，因此实现了最快的发动机响应。在单独使用时，多点燃料喷射的缺点是，喷射点与燃烧室之间的长度(尤其在重型发动机的情况下)相对较小。因此，可用于混合的时间有限。燃料在进气门开启时喷射且可能没有时间充分混合就开始燃烧。这可导致低燃料效率，以及潜在的高碳氢化合物排放。在高发动机动力条件(加速/减速)下的驾驶性能与使燃料在开始燃烧之前能够有充分时间混合之间存在着权衡。
如上所述，中央点喷射可在进气歧管42上游(例如，紧接着节气门体和节气门48下游)发生。期望量的燃料和空气在进入单独的气缸进气管60 之前被混合。可用于喷射和混合的时间与多点喷射相比很长。这使得能够形成均匀的燃料/空气混合物，从而将更高效地且完全地燃烧。在单独使用时，中央点喷射的缺点是，它不能控制单个气缸燃料计量，因为燃料/空气混合物在没有有限控制的情况下被动地在所有单个气缸之间分配。由于喷射点在气缸24上游相对较远，因此中央点喷射还要求较长的时间来响应驾驶员的转矩命令。中央点喷射系统需要辅助，以在加速/减速下精确计量燃料和响应发动机问题(比如爆震、排气温度或排放故障)。如图1所示的多点喷射和中央点喷射的组合结合了单个喷射策略的优点且克服了各种缺陷。优点包括由于均匀混合而提高了燃料经济性、通过加速/减速过程中的精确燃料计量而增加了效率、对高发动机动力条件的良好响应、精确的排气温度和排放控制以及更高的压缩比操作。尽管更高的压缩要求精确的爆震检测，但是它提供了最大效率。
在图1的发动机20中，来自中央燃料喷射器64的中央点喷射在进气歧管中提供了充分混合的燃料/空气混合物以用于所有气缸24，而来自单个气缸专用式喷射器68的多点喷射提供了用于每个气缸24以平衡气缸24之间的混合物的必需燃料、提供了用于立即加速的额外转矩或关闭燃料喷射以节省燃料、或降低排气温度。空气/燃料比的精确控制保证了在通常用于火花点火式气体燃料(例如，天然气)发动机中的三效废气催化器中的适当的排放物转化。通过可由多点喷射系统补充的中央点喷射提供了稳态基线(baseline)转矩。该组合在气体燃料发动机20中提供了根本控制和灵活性，且提高了带发动机20的车辆的燃料效率和驾驶性能。
在加燃料策略方面，稳态转矩可主要通过中央点喷射来提供。总稳态转矩的小部分将来自在每个气缸24处的多点喷射。换言之，产生特定稳态转矩所需的总燃料量包括通过中央燃料喷射器64提供的大部分和通过气缸专用式燃料喷射器68提供的小部分。该策略使燃料系统能够在减速过程中立即减少到每个气缸24的燃料供送，或从稳态转矩水平减小。相反的效果也可用于加速，或从稳态转矩水平增加。在加速时，通过多点喷射系统供送的燃料量增加，以便迅速产生驾驶员所期望的转矩。由于多点喷射系统邻近燃烧室，因此多点喷射系统可更迅速地响应驾驶员踏板输入。这是控制转矩并同时利用两种系统的益处的高效方式。
根据本发明的某些方面，加燃料策略、包括单独的加燃料响应通过图2 的转矩随时间变化的曲线图来示出。该图通过图示表示了来自车辆驾驶员的变化的总转矩请求TSUM的示例性顺序，所述总转矩请求TSUM的每个值都对应于发动机为产生该转矩所需的总燃料量。在所示的时间跨度上产生的时间或事件以顺序的字母作为附图标记。该图示出了用于发动机20的负载范围内的三个不同的TSUM值的示例性稳态条件以及在各种稳态条件之间的加速和减速事件。每个转矩请求TSUM都由可归属于通过中央点喷射器供送的燃料量的转矩TCPI和可归属于从多点喷射器供送的燃料量的转矩TMPI的组合来满足。在初始稳态部分负载条件下(从0至A)，TCPI提供了驾驶员所请求的转矩TSUM的超过50％。例如，如图所示，驾驶员所请求的转矩 TSUM由大约67％的TCPI和大约33％的TMPI组成。在驾驶员所请求的减速事件A处，TMPI呈现快速下降，以便在时刻B立即响应，在该时刻B处TCPI仅仅开始下降。换言之，TMPI的斜率在绝对值上明显大于TCPI的斜率。由于该事件是在总转矩请求TSUM上的减小，因而TMPI的斜率是负的，且如图 2所示，TMPI从点A至点B的斜率近似等于TSUM的斜率。在B处达到局部最小值后，总转矩请求TSUM在再加速事件中增加，其在该情况下仍稍小于初始稳态值。在该区域中，在B和C之间，TMPI在增加方向上(正斜率，与TSUM的斜率相比具有更高的值)独力地响应，以达到TSUM的新稳态值，同时TCPI从初始请求减速的点A继续其原来的降低(负斜率)，从而产生从 A至C的单独的、更平缓的响应，新稳态条件在C处建立。中央点喷射的响应可以是在减速和再加速事件中都单向且线性的单独的稳态响应。在从 C至D的稳态条件中，TCPI提供了驾驶员所请求的转矩TSUM的超过50％。然而，TCPI的值和TSUM的份额与可不同于从0至A的值。例如，如图所示，驾驶员所请求的转矩TSUM由大约60％的TCPI和大约40％的TMPI组成。另一方面，TMPI的实际值对TSUM的两个不同的稳态值(0至A，以及C至D) 而言可以是相同的。确定了TCPI和TMPI的不同份额的燃料平衡可被预定用于所有可能的稳态负载且受ECU 100控制。附加因素也可通过ECU 100来考虑，从而TCPI和TMPI的份额可响应于其他驾驶参数或条件(例如当前转矩请求的持续时间、周围环境条件、发动机20的油温或水温)而变化。
重大的加速事件发生在转矩请求TSUM急剧增加的D处。随着加速请求， TMPI呈现快速转变响应以在从D至E的跨度内几乎立即增加至新TSUM值，同时TCPI在从D至F的时间跨度上更平缓地响应。应当注意，TMPI的初始响应是初级响应，其补偿了TCPI的较慢响应。该补偿通过使TSUM的TMPI份额暂时超过最终稳态目标来产生，所述最终稳态目标是对与所请求TSUM值相应的TMPI份额而言的。在初级响应过程中，在加速事件过程中TMPI的斜率近似等于TSUM的斜率。这之后是TMPI中的、(在该情况下)具有紧接着正斜率区域的负斜率的次级响应，该次级响应在与初级响应相反的、且与TSUM中的变化方向相反的方向上。次级响应区域中的斜率在绝对值上小于初级响应区域中的斜率。次级响应与TCPI的单独的、平缓且稳态的响应同时发生，直至在F处达到稳态燃料比。稳态TSUM值在该“再平衡”时间跨度上(E至F)保持不变，其中，TMPI和TCPI的值朝着预定比被调节。实际上，TMPI和TCPI之间的、用于所请求的转矩TSUM的预定长期平衡被暂时忽略，以便实现更快速的响应，从而在该情况下产生了TMPI暂时提供TSUM的主要份额的情况，直至TCPI逐渐占优并最终在F处达到稳态目标值。ECU 100可被编程，以将TCPI增加至针对稳态条件的预定大份额(至少高于某一阈值转矩量)，且TMPI被降低以补偿TCPI和总稳态请求TSUM之间的差。所述预定大份额可随转矩量TSUM而定。
Claims (18)
1.一种操作使用气体燃料的内燃机的方法，该方法包括：
提供具有相应的活塞和燃烧室的多个气缸；
提供包括节气门体和进气歧管的进气系统；和
提供被构造成能供送一些燃料并将燃料以气体状态喷射的燃料系统，所述燃料供送系统包括：
中央燃料喷射器，其定位在所述进气歧管上游且被构造成能将燃料提供至所有所述多个气缸，和
与所述中央燃料喷射器独立的多个气缸专用式燃料喷射器，所述多个气缸专用式燃料喷射器中的每个均定位在所述中央燃料喷射器下游且被构造成能将燃料提供至所述多个气缸中的仅一个相应的气缸；
在稳态部分负载下通过由中央燃料喷射器供送的第一部分气体燃料和由所述多个气缸专用式燃料喷射器供送的第二部分气体燃料来操作所述内燃机；
确定用于发动机的总燃料量到目标总燃料量的变化的请求，该请求限定出转换点；
针对中央燃料喷射器和所述多个气缸专用式燃料喷射器中的每个来确定总燃料量的目标份额，以用于目标总燃料量下的稳态操作；和
通过以下方式来响应所述变化：从转换点起以单向响应在第一时间跨度内将来自中央燃料喷射器的燃料量逐渐改变至相应的目标份额；且改变来自所述多个气缸专用式燃料喷射器的燃料量，以在从转换点起的短于第一时间跨度的第二时间跨度内超出用于所述多个气缸专用式燃料喷射器的相应的目标份额以补偿中央燃料喷射器的较慢响应并在第一时间跨度届满之前满足目标总燃料量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一部分气体燃料是大部分，第二部分气体燃料是小部分，在所述变化是总燃料量上的增加时，超出用于所述多个气缸专用式燃料喷射器的相应的目标份额使得所述多个气缸专用式燃料喷射器提供了总燃料量的暂时大部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括限定稳态组合式加燃料策略，所述稳态组合式加燃料策略包括由中央燃料喷射器和由气缸专用式燃料喷射器供送的燃料部分，以用于在目标总燃料量下操作，稳态比仅在第一时间跨度过去时实现。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括用来自共用储存箱的气体燃料来供送中央燃料喷射器和所述多个气缸专用式燃料喷射器。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一和第二部分气体燃料包括天然气。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一和第二部分气体燃料包括丙烷。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中央燃料喷射器的响应在第一时间跨度上保持在基本稳定的速度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，超出用于所述多个气缸专用式燃料喷射器的相应的目标份额是所述多个气缸专用式燃料喷射器的初级响应，对所述变化的响应还包括所述多个气缸专用式燃料喷射器的在与所述初级响应的相反方向上的且在第一时间跨度内的次级响应。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中央燃料喷射器邻近所述进气歧管的上游端、在节气门体下游喷射气体燃料。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个气缸专用式燃料喷射器中的每个都将燃料喷射到将所述进气歧管联接至所述多个气缸的多个进气管中的单独一个中。
11.一种操作使用气体燃料的内燃机的方法，该方法包括：
在第一稳态转矩输出下以总气体燃料量操作所述内燃机，所述总气体燃料量包括通过中央燃料喷射器供送以供内燃机的所有多个气缸燃烧的第一部分气体燃料和通过多个气缸专用式燃料喷射器供送至所述多个气缸中的单个气缸的第二部分气体燃料；
检测从内燃机请求的处于可用转矩输出范围内的目标转矩输出，所述目标转矩输出要求总气体燃料量中的与第一稳态转矩输出对应的变化，所述变化具有增加或降低中的一个的方向；
确定与所述目标转矩输出对应的总气体燃料量以及通过中央燃料喷射器供送的气体燃料与通过所述多个气缸专用式燃料喷射器供送的气体燃料之间的相应的稳态比，以用于所述目标转矩输出；和
通过由所述多个气缸专用式燃料喷射器提供两部分响应和由所述中央燃料喷射器提供单一响应来实现所述稳态比，
其中，所述目标转矩输出首先通过由所述多个气缸专用式燃料喷射器完成在变化方向上的初级响应来实现，以及
其中，所述目标转矩输出在次级响应过程中保持，所述次级响应由所述多个气缸专用式燃料喷射器在与所述变化相反的方向上进行。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，第一部分气体燃料是大部分，第二部分气体燃料是小部分，在所述变化的方向是增加时，所述多个气缸专用式燃料喷射器的初级响应使得所述多个气缸专用式燃料喷射器提供了总燃料量的暂时大部分。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述稳态比在所述多个气缸专用式燃料喷射器的次级响应和通过中央燃料喷射器的单向响应完成后才实现。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用来自共用储存箱的气体燃料来供送中央燃料喷射器和所述多个气缸专用式燃料喷射器。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，第一和第二部分气体燃料包括天然气。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，第一和第二部分气体燃料包括丙烷。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，中央燃料喷射器的所述单一响应是所述变化的方向上的单向响应，所述单向响应与所述多个燃料喷射器的初级响应相比以更慢的速度发生。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述中央燃料喷射器的所述单一响应与所述多个燃料喷射器的初级和次级响应同时地发生。
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