CN106855019B - 用于操作发动机的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于操作发动机的方法。发动机包括被配置成将空气供应给发动机的进气管道、被配置成将空气供应给进气管道的主空气供应单元和被配置成将空气选择性地供应给进气管道的副空气供应单元。方法公开了选择性地控制空气从副空气供应单元到进气管道的供应，使得空燃比在发动机负荷增加期间维持在第一阈值与第二阈值之间。

Description

用于操作发动机的方法

技术领域

本发明涉及发动机领域。特别地，本发明涉及在发动机负荷增加期间操作燃烧均质空气燃料混合物的发动机的系统和方法。

背景技术

内燃机在操作期间往往会经历负荷的突然增加。发动机控制器可在这种瞬时负荷期间增加供应给发动机的燃料量，以保持发动机速度。然而，对于燃烧均质空气燃料混合物的气体燃料发动机而言，供应给发动机的燃料的增加速率由供应给燃烧的空气的增加速率进行限制，并因此由发动机的进气歧管气压的增加速率进行限制。具有涡轮增压器的发动机可通过控制压缩机来增加进气歧管气压。然而，压缩机通常由于增加压缩机的速度所需的固有时间而花费一定的时间来增加气压。这可能导致功率滞后，直到气流增加到必需的水平。

一种用于快速增加进气歧管气压的途径是通过使用额外的空气存储单元来提供额外的压缩空气。这减少了在负荷的突然增加期间增加发动机功率所需的时间。然而，引入发动机中的额外压缩空气可引起较贫的空燃比，这可能会导致发动机中出现不点火或不当燃烧的现象。

美国第4,864,991号专利公开了一种用于控制气体燃料发动机的空气-气体比的方法。该方法描述了当发动机负荷突然增加时，增加气体的供应并减少空气的供应以获得富空气-气体混合物。

发明内容

根据一个方面，公开了一种用于操作发动机的方法。该发动机包括被配置成将空气供应给发动机的进气管道、被配置成将空气供应给进气管道的主空气供应单元和被配置成将空气选择性地供应给进气管道的副空气供应单元。该方法公开了选择性地控制空气从副空气供应单元到进气管道的供应，使得空燃比在发动机负荷增加期间维持在第一阈值与第二阈值之间。

根据另一方面，公开了一种发动机。发动机包括被配置成将空气供应给进气管道的主空气供应单元和被配置成将空气选择性地供应给进气管道的副空气供应单元。发动机进一步包括控制器，其被配置成用于在增加的发动机负荷期间增加燃料供应。控制器被进一步配置成用于选择性地控制进气管道中来自副空气供应单元的空气供应，使得空燃比在发动机负荷增加期间维持在第一阈值与第二阈值之间。

附图说明

图1示出了根据实施例的发动机。

图2示出了根据实施例的可选发动机。

图3示出了根据实施例的用于操作发动机的方法。

图4示出了根据实施例的用于操作可选发动机的方法。

具体实施方式

参照图1，示出了包括主空气供应单元102和副空气供应单元104的发动机100的实施例。发动机100可以是汽油发动机、气体发动机(在图1中所示)或双燃料发动机。气体发动机可使用天然气、丙烷气体、甲烷气体或任何其它适合用于气体发动机的气体燃料。发动机100可以是单缸或多缸发动机。发动机100可通过燃烧均质增压空气燃料混合物来进行操作。虽然发动机100可以是燃烧诸如天然气的气体发动机，但本发明可应用于任何发动机(其在燃烧室中通过奥托循环来燃烧任何类型的作为基本均质的空气燃料混合物的燃料)。

如图1所示，主空气供应单元102是具有压缩机106和涡轮机108的涡轮增压器。压缩机106由涡轮机108驱动，并将压缩空气提供给进气管道110。涡轮机108由废气驱动。在另一实施例中，主空气供应单元102可以是增压器.进一步地，可构想的是，主空气供应单元102可以是任何其它被配置成永久地供应空气以用于发动机100的操作的空气源。

除了由主空气供应单元102供应的空气之外，副空气供应单元104也被配置成将空气选择性地引入到进气管道110中。当发动机100上的负荷增加时，副空气供应单元104可将空气提供给进气管道110。副空气供应单元104可包括储气罐112和阀114。储气罐112可被配置成储存压缩空气。通过压缩机(未示出)将压缩空气提供给储气罐112。虽然通过压缩机给储气罐112充气是可预期的，但本领域技术人员已知的其它装置也适用。

从储气罐112引入到进气管道110中的压缩空气量通过控制阀114的致动和打开来进行控制。阀114可以是电磁致动阀，并由控制器116进行控制。虽然电磁致动阀是可预期的，但本领域技术人员已知的其它类型的阀(例如，液压致动阀、气压致动阀等)也适用。在实施例中，控制器116可以是电子控制模块(ECM)。在另一实施例中，阀114可由独立的控制器进行控制。

控制器116可包括非瞬态计算机可读存储介质(未示出)，其包括用于启动发动机100的监测和控制的代码。如本文所进一步阐述的，控制器116可被配置成从各种发动机传感器接收信号，以确定操作参数和操作条件，并相应地调整各种发动机致动器来控制发动机100的操作。例如，控制器116可从各种发动机传感器接收信号，其包括但不限于：发动机速度、发动机负荷、进气歧管气压、储气罐压力、排气压力、环境压力、排气温度等。相应地，控制器116可基于发动机系统内来自发动机传感器的通信(其指示发动机负荷的增加)将信号发送到阀114以将压缩空气从储气罐112喷射到进气管道110。

进一步地，控制器116可被配置成基于发动机负荷的增加来增加到进气管道110的燃料供应。在实施例中，控制器116可在增加燃料的供应之后控制阀114来将空气供应给进气管道110。在实施例中，除了由主空气供应单元102供应的空气之外，控制器116也可同时控制来自副空气供应单元104的空气引入，并增加到进气管道110的燃料供应。控制器116在发动机负荷增加期间控制来自副空气供应单元104的空气供应，使得空燃比维持在第一阈值与第二阈值之间。空燃比的第一阈值对应于空燃比的富极限。类似地，空燃比的第二阈值对应于空燃比的贫极限。

在实施例中，进气管道110中的空燃比由控制器116通过确定引入到进气管道110中的空气质量或体积和燃料质量或体积来进行监测。控制器116可基于发动机负荷、发动机速度、压力和进气管道110中的空气温度来估算空气质量。进一步地，控制器116可通过使用本领域中公知的传感器来确定进气管道110中的燃料量。在实施例中，控制器116可通过使用位于进气管道110中的空气燃料传感器来确定空燃比。

再次参照图1，发动机100还可包括进气歧管118、排气歧管120和燃料供应系统122。如虚线124和126分别示意性地示出的，进气歧管118和排气歧管120均与多个汽缸C1～C6流体联接。在所示的实施例中，单体进气歧管118和排气歧管120与汽缸C1～C6流体联接。然而，也可将进气歧管118和/或排气歧管120配置为分体或多件式歧管，其中每一分体或多件式歧管都与不同的汽缸组相关联。

燃料供应系统122被配置成将燃料提供给进气管道110或直接提供给汽缸C1～C6。燃料可以是气体燃料，例如，天然气、丙烷气体、甲烷气体、汽油、柴油或任何其它合适的燃料。燃料供应系统122可包括燃料储存容器、一个或多个燃料泵以及一个或多个控制燃料量的阀。在本实施例中，由于发动机100是基于奥托循环的气体发动机，因此燃料供应系统122将气体燃料提供给进气管道110。

参照图2，示出了发动机100a的可选实施例。发动机100a是双燃料发动机。发动机100a可包括主空气供应单元102、副空气供应单元104、燃料供应系统122a、进气管道110、进气歧管118、排气歧管120、汽缸C1～C6和控制器116a。

燃料供应系统122a包括液体燃料供应单元128和气体燃料供应单元130。液体燃料供应单元128被配置成将液体燃料供应给汽缸C1～C6。液体燃料可以是柴油机燃料。气体燃料供应单元130被配置成将气体燃料供应给进气管道110。气体燃料可以是天然气、丙烷气体、甲烷气体或任何其它适合用于发动机100a的气体燃料。分别来自气体燃料供应单元130、液体燃料供应单元128和副空气供应单元104的气体燃料、液体燃料和空气的供应可由控制器116a进行控制。

控制器116a可包括非瞬态计算机可读存储介质(未示出)，其包括用于启动发动机100a的监测和控制的代码。如本文所进一步阐述的，控制器116a可被配置成从各种发动机传感器接收信号，以确定操作参数和操作条件，并相应地调整各种发动机致动器来控制发动机100a的操作。例如，控制器116a可从各种发动机传感器接收信号，其包括但不限于：发动机速度、发动机负荷、进气歧管气压、储气罐压力、排气压力、环境压力、排气温度、加速器踏板、节流阀等。相应地，控制器116a可基于发动机系统内来自发动机传感器的通信(其指示发动机负荷的增加)将信号发送到阀114以将空气从储气罐112喷射到进气管道110。

控制器116a被配置成当发动机负荷增加时增加到进气管道110的气体燃料供应。在增加气体燃料的供应之后，除了由主空气供应单元102供应的空气之外，控制器116a也控制空气从副空气供应单元104到进气管道110的供应。副空气供应单元104的阀114的致动和打开由控制器116a进行控制，以控制供应给进气管道110的空气量。在实施例中，控制器116a可同时增加气体燃料的供应以及从副空气供应单元104到进气管道110的空气的供应。副空气供应单元104的阀114的致动和打开由控制器116a进行控制，以控制供应给进气管道110的空气量。控制器116a被配置成控制从副空气供应单元104引入到进气管道110的空气量，使得空燃比维持在第一阈值与第二阈值之间。第一阈值对应于空气-气体燃料混合物的富极限。类似地，第二阈值对应于空气-气体燃料混合物的贫极限。

进一步地，控制器116a被配置成当空气-气体混合物的空燃比达到第一阈值时供应汽缸C1～C6内的液体燃料，以使发动机保持以期望的发动机操作曲线进行操作。在实施例中，当空气-气体混合物的空燃比达到第一阈值并且发动机功率保持小于与发动机负荷相对应的所需发动机功率时，控制器116a增加到汽缸C1～C6的液体燃料的供应。直接供应到汽缸C1～C6的液体燃料使发动机功率快速增加，由此使得发动机100a可快速地响应于增加的发动机负荷。

控制器116a可通过确定引入到进气管道110中的空气质量或体积和燃料质量或体积来监测进气管道110中的空燃比。控制器116a可基于发动机负荷、发动机速度、压力和进气管道110中的空气温度来估算空气质量。进一步地，控制器116a可通过使用本领域中公知的传感器来确定引入到进气管道110中的燃料量。在实施例中，控制器116a可通过使用位于进气管道110中的空气燃料传感器来确定空燃比。

工业实用性

本发明提供了用于发动机100和100a的副空气供应单元104，除了由主空气供应单元102供应的空气之外，其也将空气选择性地供应给进气管道110，以在发动机负荷增加期间快速地增加发动机功率。同样，控制器116和116a有助于从副空气供应单元104引入空气，使得空燃比维持在第一阈值与第二阈值之间。

进一步地，本发明根据本发明的实施例提供了用于操作发动机100的方法300。参照图3，方法300包括步骤302，在该步骤中，当发动机负荷增加时，燃料供应也增加，以使发动机速度保持在恒定状态中。燃料由燃料供应系统122供应。发动机负荷的增加可通过监测发动机速度或本领域中已知的任何其它发动机参数来进行确定。

方法300进一步包括步骤304，在该步骤中，空气从副空气供应单元104到进气管道110的引入受到控制，使得空燃比维持在第一阈值与第二阈值之间。来自副空气供应单元104的空气引入可通过控制阀114来进行控制。在实施例中，阀可以是电磁致动阀。在实施例中，空气从副空气供应单元104供应给进气管道110，同时增加到进气管道110的燃料供应。在另一实施例中，在增加燃料的供应之后，供应来自副空气供应单元104的空气。

在又一实施例中，在增加燃料的供应之后，当空燃比等于或大于第一阈值时，开始将空气从副空气供应单元104引入到进气管道110。之后，在进气管道110中监测空燃比，且当空燃比等于或小于第二阈值时，停止供应来自副空气供应单元104的空气。因此，在增加燃料的供应之后，通过选择性地控制空气从副空气供应单元104到进气管道110的供应，空燃比得以维持在第一阈值与第二阈值之间。燃料供应随着发动机负荷的增加而增加，使得发动机功率得以增加来承受增加的发动机负荷。进一步地，来自副空气供应单元104空气引入通过快速地供应额外的空气而有助于快速地增加发动机功率。同样，当空燃比维持在富极限与贫极限之间时，爆震和不点火也得以最小化。

此外，本发明根据本发明的可选实施例提供了用于操作发动机100a的方法400。参照图4，方法400包括步骤402，在该步骤中，当发动机负荷增加时，气体燃料的供应也增加。气体燃料由气体燃料供应单元130供应。发动机负荷的增加可通过监测发动机速度、加速踏板的下压或本领域中已知的任何其它发动机参数来进行确定。

方法400进一步包括步骤404，在该步骤中，空气从副空气供应单元104到进气管道110的引入受到控制，使得空气-气体燃料比在发动机负荷增加期间维持在第一阈值与第二阈值之间。来自副空气供应单元104的空气引入可通过控制阀114来进行控制。在实施例中，阀114可以是电磁致动阀。在实施例中，空气从副空气供应单元104供应给进气管道110，同时增加到进气管道110的气体燃料供应。在另一实施例中，在增加气体燃料的供应之后，供应来自副空气供应单元104的空气。

在又一实施例中，在增加气体燃料的供应之后，当空气-气体燃料比等于或大于第一阈值时，开始将空气从副空气供应单元104引入到进气管道110。之后，在进气管道110中监测空气-气体燃料比，且当空气-气体燃料比等于或小于第二阈值时，停止供应来自副空气供应单元104的空气。因此，在增加气体燃料的供应之后，通过选择性地控制空气从副空气供应单元104到进气管道110的供应，空气-气体燃料比得以维持在第一阈值与第二阈值之间。

气体燃料供应随着发动机负荷的增加而增加，使得发动机功率得以增加来承受增加的发动机负荷。方法400进一步包括步骤406，在该步骤中，当空气-气体混合物的空燃比达到第一阈值时，在增加气体燃料的供应之后将液体燃料引入到汽缸C1～C6中，以使发动机保持以期望的发动机操作曲线进行操作。发动机操作曲线是指发动机速度与发动机转矩之间的曲线。在实施例中，当空气-气体混合物的空燃比达到第一阈值并且发动机功率保持小于与发动机负荷相对应的所需发动机功率时，控制器116a可增加液体燃料从液体燃料供应单元128到汽缸C1～C6的供应。

在示例性实施例中，当机器开始上坡时，操作者压下加速器踏板，以使机器速度与在平坦路径上的机器速度保持相同，从而增加发动机负荷。在这种情况下，控制器116a可增加气体燃料的供应并将额外的空气从副空气供应单元104引入到进气管道110。引入额外的空气，使得空燃比处于第一阈值与第二阈值之间。进一步地，当空燃比达到第一阈值且副空气供应单元104不能快速地供应空气以增加与增加的发动机负荷相对应的发动机功率时，控制器116a将液体燃料供应给汽缸C1～C6，以快速地增加发动机功率。

因此，发动机100a通过利用最大量的气体燃料而不是切换到纯液体燃料模式来响应于增加的发动机负荷。进一步地，由于可从副空气供应单元104快速地供应额外的空气，并且液体燃料直接供应给汽缸C1～C6，因此发动机100a在短时间内增加发动机功率。这有助于减少响应于发动机负荷的突然增加的时间延迟。进一步地，由于空燃比总是维持在富极限与贫极限之间，因此当发动机100a增加与发动机负荷的增加相对应的发动机功率时，爆震和不点火的可能性得以降低。

Claims (10)

1.一种用于操作发动机的方法，所述发动机包括被配置成将空气供应给所述发动机的进气管道、被配置成将空气永久地供应给所述进气管道的主空气供应单元和被配置成将空气选择性地供应给所述进气管道的副空气供应单元，所述发动机包括燃料供应系统，所述燃料供应系统具有被配置成将液体燃料供应给所述发动机的汽缸的液体燃料供应单元和被配置成将气体燃料供应给所述进气管道的气体燃料供应单元，所述方法包括：

当发动机负荷增加时，增加气体燃料的供应；

选择性地控制空气从所述副空气供应单元到所述进气管道的供应，当空燃比等于或大于第一阈值时，开始将空气从副空气供应单元引入到进气管道，当空燃比等于或小于第二阈值时，停止供应来自副空气供应单元的空气，使得空燃比在发动机负荷增加期间维持在第一阈值与第二阈值之间；其中第一阈值对应于空燃比的富极限，第二阈值对应于空燃比的贫极限；

当空燃比达到所述第一阈值时，除了增加的气体燃料供应之外，还选择性地供应液体燃料，以使发动机保持以期望的发动机操作曲线进行操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述主空气供应单元包括压缩机。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述副空气供应单元包括储气罐。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述副空气供应单元所供应的空气量通过操作电磁致动阀来进行控制。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料供应随着发动机负荷的增加而增加。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机基于奥托循环来进行操作。

7.一种发动机，包括：

主空气供应单元，其被配置成将空气永久地供应给进气管道；

副空气供应单元，其被配置成将空气选择性地供应给所述进气管道；

控制器，其被配置成用于：

在增加的发动机负荷期间增加到所述发动机的气体燃料供应；以及

选择性地控制所述进气管道中来自所述副空气供应单元的空气供应，当空燃比等于或大于第一阈值时，开始将空气从副空气供应单元引入到进气管道，当空燃比等于或小于第二阈值时，停止供应来自副空气供应单元的空气，使得空燃比在发动机负荷增加期间维持在第一阈值与第二阈值之间；其中第一阈值对应于空燃比的富极限，第二阈值对应于空燃比的贫极限；

当空燃比达到所述第一阈值时，除了增加的气体燃料供应之外，还选择性地供应液体燃料，以使发动机保持以期望的发动机操作曲线进行操作。

8.根据权利要求7所述的发动机，其中所述发动机包括电磁致动阀，以控制从所述副空气供应单元到所述进气管道的所述空气。

9.根据权利要求7所述的发动机，其中所述副空气供应单元包括储气罐。

10.根据权利要求7所述的发动机，其中所述燃料供应随着发动机负荷的增加而增加。

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