用於操作發動機的方法與流程

2023-12-09 05:12:56

本發明涉及發動機領域。特別地，本發明涉及在發動機負荷增加期間操作燃燒均質空氣燃料混合物的發動機的系統和方法。

背景技術：

內燃機在操作期間往往會經歷負荷的突然增加。發動機控制器可在這種瞬時負荷期間增加供應給發動機的燃料量，以保持發動機速度。然而，對於燃燒均質空氣燃料混合物的氣體燃料發動機而言，供應給發動機的燃料的增加速率由供應給燃燒的空氣的增加速率進行限制，並因此由發動機的進氣歧管氣壓的增加速率進行限制。具有渦輪增壓器的發動機可通過控制壓縮機來增加進氣歧管氣壓。然而，壓縮機通常由於增加壓縮機的速度所需的固有時間而花費一定的時間來增加氣壓。這可能導致功率滯後，直到氣流增加到必需的水平。

一種用於快速增加進氣歧管氣壓的途徑是通過使用額外的空氣存儲單元來提供額外的壓縮空氣。這減少了在負荷的突然增加期間增加發動機功率所需的時間。然而，引入發動機中的額外壓縮空氣可引起較貧的空燃比，這可能會導致發動機中出現不點火或不當燃燒的現象。

美國第4,864,991號專利公開了一種用於控制氣體燃料發動機的空氣-氣體比的方法。該方法描述了當發動機負荷突然增加時，增加氣體的供應並減少空氣的供應以獲得富空氣-氣體混合物。

技術實現要素：

根據一個方面，公開了一種用於操作發動機的方法。該發動機包括被配置成將空氣供應給發動機的進氣管道、被配置成將空氣供應給進氣管道的主空氣供應單元和被配置成將空氣選擇性地供應給進氣管道的副空氣供應單元。該方法公開了選擇性地控制空氣從副空氣供應單元到進氣管道的供應，使得空燃比在發動機負荷增加期間維持在第一閾值與第二閾值之間。

根據另一方面，公開了一種發動機。發動機包括被配置成將空氣供應給進氣管道的主空氣供應單元和被配置成將空氣選擇性地供應給進氣管道的副空氣供應單元。發動機進一步包括控制器，其被配置成用於在增加的發動機負荷期間增加燃料供應。控制器被進一步配置成用於選擇性地控制進氣管道中來自副空氣供應單元的空氣供應，使得空燃比在發動機負荷增加期間維持在第一閾值與第二閾值之間。

附圖說明

圖1示出了根據實施例的發動機。

圖2示出了根據實施例的可選發動機。

圖3示出了根據實施例的用於操作發動機的方法。

圖4示出了根據實施例的用於操作可選發動機的方法。

具體實施方式

參照圖1，示出了包括主空氣供應單元102和副空氣供應單元104的發動機100的實施例。發動機100可以是汽油發動機、氣體發動機(在圖1中所示)或雙燃料發動機。氣體發動機可使用天然氣、丙烷氣體、甲烷氣體或任何其它適合用於氣體發動機的氣體燃料。發動機100可以是單缸或多缸發動機。發動機100可通過燃燒均質增壓空氣燃料混合物來進行操作。雖然發動機100可以是燃燒諸如天然氣的氣體發動機，但本發明可應用於任何發動機(其在燃燒室中通過奧託循環來燃燒任何類型的作為基本均質的空氣燃料混合物的燃料)。

如圖1所示，主空氣供應單元102是具有壓縮機106和渦輪機108的渦輪增壓器。壓縮機106由渦輪機108驅動，並將壓縮空氣提供給進氣管道110。渦輪機108由廢氣驅動。在另一實施例中，主空氣供應單元102可以是增壓器.進一步地，可構想的是，主空氣供應單元102可以是任何其它被配置成永久地供應空氣以用於發動機100的操作的空氣源。

除了由主空氣供應單元102供應的空氣之外，副空氣供應單元104也被配置成將空氣選擇性地引入到進氣管道110中。當發動機100上的負荷增加時，副空氣供應單元104可將空氣提供給進氣管道110。副空氣供應單元104可包括儲氣罐112和閥114。儲氣罐112可被配置成儲存壓縮空氣。通過壓縮機(未示出)將壓縮空氣提供給儲氣罐112。雖然通過壓縮機給儲氣罐112充氣是可預期的，但本領域技術人員已知的其它裝置也適用。

從儲氣罐112引入到進氣管道110中的壓縮空氣量通過控制閥114的致動和打開來進行控制。閥114可以是電磁致動閥，並由控制器116進行控制。雖然電磁致動閥是可預期的，但本領域技術人員已知的其它類型的閥(例如，液壓致動閥、氣壓致動閥等)也適用。在實施例中，控制器116可以是電子控制模塊(ECM)。在另一實施例中，閥114可由獨立的控制器進行控制。

控制器116可包括非瞬態計算機可讀存儲介質(未示出)，其包括用於啟動發動機100的監測和控制的代碼。如本文所進一步闡述的，控制器116可被配置成從各種發動機傳感器接收信號，以確定操作參數和操作條件，並相應地調整各種發動機致動器來控制發動機100的操作。例如，控制器116可從各種發動機傳感器接收信號，其包括但不限於：發動機速度、發動機負荷、進氣歧管氣壓、儲氣罐壓力、排氣壓力、環境壓力、排氣溫度等。相應地，控制器116可基於發動機系統內來自發動機傳感器的通信(其指示發動機負荷的增加)將信號發送到閥114以將壓縮空氣從儲氣罐112噴射到進氣管道110。

進一步地，控制器116可被配置成基於發動機負荷的增加來增加到進氣管道110的燃料供應。在實施例中，控制器116可在增加燃料的供應之後控制閥114來將空氣供應給進氣管道110。在實施例中，除了由主空氣供應單元102供應的空氣之外，控制器116也可同時控制來自副空氣供應單元104的空氣引入，並增加到進氣管道110的燃料供應。控制器116在發動機負荷增加期間控制來自副空氣供應單元104的空氣供應，使得空燃比維持在第一閾值與第二閾值之間。空燃比的第一閾值對應於空燃比的富極限。類似地，空燃比的第二閾值對應於空燃比的貧極限。

在實施例中，進氣管道110中的空燃比由控制器116通過確定引入到進氣管道110中的空氣品質或體積和燃料質量或體積來進行監測。控制器116可基於發動機負荷、發動機速度、壓力和進氣管道110中的空氣溫度來估算空氣品質。進一步地，控制器116可通過使用本領域中公知的傳感器來確定進氣管道110中的燃料量。在實施例中，控制器116可通過使用位於進氣管道110中的空氣燃料傳感器來確定空燃比。

再次參照圖1，發動機100還可包括進氣歧管118、排氣歧管120和燃料供應系統122。如虛線124和126分別示意性地示出的，進氣歧管118和排氣歧管120均與多個汽缸C1～C6流體聯接。在所示的實施例中，單體進氣歧管118和排氣歧管120與汽缸C1～C6流體聯接。然而，也可將進氣歧管118和/或排氣歧管120配置為分體或多件式歧管，其中每一分體或多件式歧管都與不同的汽缸組相關聯。

燃料供應系統122被配置成將燃料提供給進氣管道110或直接提供給汽缸C1～C6。燃料可以是氣體燃料，例如，天然氣、丙烷氣體、甲烷氣體、汽油、柴油或任何其它合適的燃料。燃料供應系統122可包括燃料儲存容器、一個或多個燃料泵以及一個或多個控制燃料量的閥。在本實施例中，由於發動機100是基於奧託循環的氣體發動機，因此燃料供應系統122將氣體燃料提供給進氣管道110。

參照圖2，示出了發動機100a的可選實施例。發動機100a是雙燃料發動機。發動機100a可包括主空氣供應單元102、副空氣供應單元104、燃料供應系統122a、進氣管道110、進氣歧管118、排氣歧管120、汽缸C1～C6和控制器116a。

燃料供應系統122a包括液體燃料供應單元128和氣體燃料供應單元130。液體燃料供應單元128被配置成將液體燃料供應給汽缸C1～C6。液體燃料可以是柴油機燃料。氣體燃料供應單元130被配置成將氣體燃料供應給進氣管道110。氣體燃料可以是天然氣、丙烷氣體、甲烷氣體或任何其它適合用於發動機100a的氣體燃料。分別來自氣體燃料供應單元130、液體燃料供應單元128和副空氣供應單元104的氣體燃料、液體燃料和空氣的供應可由控制器116a進行控制。

控制器116a可包括非瞬態計算機可讀存儲介質(未示出)，其包括用於啟動發動機100a的監測和控制的代碼。如本文所進一步闡述的，控制器116a可被配置成從各種發動機傳感器接收信號，以確定操作參數和操作條件，並相應地調整各種發動機致動器來控制發動機100a的操作。例如，控制器116a可從各種發動機傳感器接收信號，其包括但不限於：發動機速度、發動機負荷、進氣歧管氣壓、儲氣罐壓力、排氣壓力、環境壓力、排氣溫度、加速器踏板、節流閥等。相應地，控制器116a可基於發動機系統內來自發動機傳感器的通信(其指示發動機負荷的增加)將信號發送到閥114以將空氣從儲氣罐112噴射到進氣管道110。

控制器116a被配置成當發動機負荷增加時增加到進氣管道110的氣體燃料供應。在增加氣體燃料的供應之後，除了由主空氣供應單元102供應的空氣之外，控制器116a也控制空氣從副空氣供應單元104到進氣管道110的供應。副空氣供應單元104的閥114的致動和打開由控制器116a進行控制，以控制供應給進氣管道110的空氣量。在實施例中，控制器116a可同時增加氣體燃料的供應以及從副空氣供應單元104到進氣管道110的空氣的供應。副空氣供應單元104的閥114的致動和打開由控制器116a進行控制，以控制供應給進氣管道110的空氣量。控制器116a被配置成控制從副空氣供應單元104引入到進氣管道110的空氣量，使得空燃比維持在第一閾值與第二閾值之間。第一閾值對應於空氣-氣體燃料混合物的富極限。類似地，第二閾值對應於空氣-氣體燃料混合物的貧極限。

進一步地，控制器116a被配置成當空氣-氣體混合物的空燃比達到第一閾值時供應汽缸C1～C6內的液體燃料，以使發動機保持以期望的發動機操作曲線進行操作。在實施例中，當空氣-氣體混合物的空燃比達到第一閾值並且發動機功率保持小於與發動機負荷相對應的所需發動機功率時，控制器116a增加到汽缸C1～C6的液體燃料的供應。直接供應到汽缸C1～C6的液體燃料使發動機功率快速增加，由此使得發動機100a可快速地響應於增加的發動機負荷。

控制器116a可通過確定引入到進氣管道110中的空氣品質或體積和燃料質量或體積來監測進氣管道110中的空燃比。控制器116a可基於發動機負荷、發動機速度、壓力和進氣管道110中的空氣溫度來估算空氣品質。進一步地，控制器116a可通過使用本領域中公知的傳感器來確定引入到進氣管道110中的燃料量。在實施例中，控制器116a可通過使用位於進氣管道110中的空氣燃料傳感器來確定空燃比。

工業實用性

本發明提供了用於發動機100和100a的副空氣供應單元104，除了由主空氣供應單元102供應的空氣之外，其也將空氣選擇性地供應給進氣管道110，以在發動機負荷增加期間快速地增加發動機功率。同樣，控制器116和116a有助於從副空氣供應單元104引入空氣，使得空燃比維持在第一閾值與第二閾值之間。

進一步地，本發明根據本發明的實施例提供了用於操作發動機100的方法300。參照圖3，方法300包括步驟302，在該步驟中，當發動機負荷增加時，燃料供應也增加，以使發動機速度保持在恆定狀態中。燃料由燃料供應系統122供應。發動機負荷的增加可通過監測發動機速度或本領域中已知的任何其它發動機參數來進行確定。

方法300進一步包括步驟304，在該步驟中，空氣從副空氣供應單元104到進氣管道110的引入受到控制，使得空燃比維持在第一閾值與第二閾值之間。來自副空氣供應單元104的空氣引入可通過控制閥114來進行控制。在實施例中，閥可以是電磁致動閥。在實施例中，空氣從副空氣供應單元104供應給進氣管道110，同時增加到進氣管道110的燃料供應。在另一實施例中，在增加燃料的供應之後，供應來自副空氣供應單元104的空氣。

在又一實施例中，在增加燃料的供應之後，當空燃比等於或大於第一閾值時，開始將空氣從副空氣供應單元104引入到進氣管道110。之後，在進氣管道110中監測空燃比，且當空燃比等於或小於第二閾值時，停止供應來自副空氣供應單元104的空氣。因此，在增加燃料的供應之後，通過選擇性地控制空氣從副空氣供應單元104到進氣管道110的供應，空燃比得以維持在第一閾值與第二閾值之間。燃料供應隨著發動機負荷的增加而增加，使得發動機功率得以增加來承受增加的發動機負荷。進一步地，來自副空氣供應單元104空氣引入通過快速地供應額外的空氣而有助於快速地增加發動機功率。同樣，當空燃比維持在富極限與貧極限之間時，爆震和不點火也得以最小化。

此外，本發明根據本發明的可選實施例提供了用於操作發動機100a的方法400。參照圖4，方法400包括步驟402，在該步驟中，當發動機負荷增加時，氣體燃料的供應也增加。氣體燃料由氣體燃料供應單元130供應。發動機負荷的增加可通過監測發動機速度、加速踏板的下壓或本領域中已知的任何其它發動機參數來進行確定。

方法400進一步包括步驟404，在該步驟中，空氣從副空氣供應單元104到進氣管道110的引入受到控制，使得空氣-氣體燃料比在發動機負荷增加期間維持在第一閾值與第二閾值之間。來自副空氣供應單元104的空氣引入可通過控制閥114來進行控制。在實施例中，閥114可以是電磁致動閥。在實施例中，空氣從副空氣供應單元104供應給進氣管道110，同時增加到進氣管道110的氣體燃料供應。在另一實施例中，在增加氣體燃料的供應之後，供應來自副空氣供應單元104的空氣。

在又一實施例中，在增加氣體燃料的供應之後，當空氣-氣體燃料比等於或大於第一閾值時，開始將空氣從副空氣供應單元104引入到進氣管道110。之後，在進氣管道110中監測空氣-氣體燃料比，且當空氣-氣體燃料比等於或小於第二閾值時，停止供應來自副空氣供應單元104的空氣。因此，在增加氣體燃料的供應之後，通過選擇性地控制空氣從副空氣供應單元104到進氣管道110的供應，空氣-氣體燃料比得以維持在第一閾值與第二閾值之間。

氣體燃料供應隨著發動機負荷的增加而增加，使得發動機功率得以增加來承受增加的發動機負荷。方法400進一步包括步驟406，在該步驟中，當空氣-氣體混合物的空燃比達到第一閾值時，在增加氣體燃料的供應之後將液體燃料引入到汽缸C1～C6中，以使發動機保持以期望的發動機操作曲線進行操作。發動機操作曲線是指發動機速度與發動機轉矩之間的曲線。在實施例中，當空氣-氣體混合物的空燃比達到第一閾值並且發動機功率保持小於與發動機負荷相對應的所需發動機功率時，控制器116a可增加液體燃料從液體燃料供應單元128到汽缸C1～C6的供應。

在示例性實施例中，當機器開始上坡時，操作者壓下加速器踏板，以使機器速度與在平坦路徑上的機器速度保持相同，從而增加發動機負荷。在這種情況下，控制器116a可增加氣體燃料的供應並將額外的空氣從副空氣供應單元104引入到進氣管道110。引入額外的空氣，使得空燃比處於第一閾值與第二閾值之間。進一步地，當空燃比達到第一閾值且副空氣供應單元104不能快速地供應空氣以增加與增加的發動機負荷相對應的發動機功率時，控制器116a將液體燃料供應給汽缸C1～C6，以快速地增加發動機功率。

因此，發動機100a通過利用最大量的氣體燃料而不是切換到純液體燃料模式來響應於增加的發動機負荷。進一步地，由於可從副空氣供應單元104快速地供應額外的空氣，並且液體燃料直接供應給汽缸C1～C6，因此發動機100a在短時間內增加發動機功率。這有助於減少響應於發動機負荷的突然增加的時間延遲。進一步地，由於空燃比總是維持在富極限與貧極限之間，因此當發動機100a增加與發動機負荷的增加相對應的發動機功率時，爆震和不點火的可能性得以降低。