CN103422998A - 直喷式气体发动机和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直喷式气体发动机和方法，具体涉及一种具有液体和气体燃料***的发动机***，这两种燃料***的任一种都直接将燃料注入到发动机气缸中。控制器在正常模式下以及在跛行模式下监控和控制发动机的运转，在正常模式下，发动机产生额定功率，而当气体燃料***存在异常运转情况时，使用跛行模式。在跛行模式运转期间，相对于正常模式，发动机使用更多的液体燃料和更少的气体燃料或者不使用气体燃料，并产生低于额定功率的功率。

Description

直喷式气体发动机和方法
技术领域
本发明总体上涉及内燃机，尤其是直喷式柴油发动机和直喷式气体发动机的紧急或跛行操作模式。
背景技术
有各种不同类型的发动机，其使用不止一种燃料。其中一种已知的是直喷式气体发动机(DIG)，在这种发动机中，当源自柴油引燃的在气缸中的燃烧已经进行时，诸如LPG等的气体燃料在高压下被注入到气缸中。DIG发动机依靠气体燃料运转，柴油引燃提供气体燃料的点燃。另一类型的使用不止一种燃料的发动机被称为双燃料发动机，该双燃料发动机使在相对低压的气体燃料，例如天然气，其在相对较低的压力下和准许进入发动机气缸中的进入空气混合。双燃料发动机典型地能够利用诸如柴油或汽油的液体燃料在全功率运转。在稳态运转期间，提供气体燃料来替代一定量的液体燃料。在一定运转条件下向气缸提供的空气/气体燃料混合物被压缩，然后类似于汽油发动机，用火花点燃，或者用注入到在气缸中原有的空气/气体燃料混合物中的压燃燃料例如柴油点燃。
当双燃料发动机中的燃料传送***中的一个发生故障时，例如，当气体燃料供给不能提供足够量的气体燃料时，依据发动机的类型，调整其运转将有不同程度的难度系数。例如，在双燃料发动机中气体燃料供给是在低压力下的，调整发动机的运转相对容易，因为这些发动机已经能够在没有气体燃料的情况下正常运转。因此在发动机故障阻止气体燃料的供给到达气缸的情况下，发动机仅继续依靠液体燃料运转。
这样发动机结构的一个例子可以在于2004年2月17号授权的美国专利6，694，242中找到。在这个例子中，发动机包括两个控制器，一个控制发动机在双燃料模式中运转，另一个控制在单一的液体燃料模式中运转。发动机能够在单燃料控制器的命令下在纯柴油模式下运转。双燃料模式下的运转在第二个控制器的控制下发生。当在这种模式下运转时，在低压下提供的气体燃料与空气混合进入发动机气缸，在气缸中这些气体燃料在柴油被注入气缸而开始点燃前被压缩。正如所看到的，例如，当在气体燃料传送***中检测到故障时，发动机在纯柴油模式下运转的能力允许发动机转换到这种运转模式。
在2007年5月24号公布的国际公布号为WO2007/056845A1中看到，具有在发动机运转期间替代液体燃料的燃料供给的双燃料发动机的另一例子。在这个例子中，气体燃料传送***被设计为用于在现有柴油发动机上进行改进，并且包括安装在发动机的现有电热塞开口中的气体燃料喷射器。气体燃料被直接注入到发动机气缸中，就像目前的柴油喷射器所做的一样。使用加热器预先处理进入到气缸中的空气来完成燃烧，其中加热器提高进入空气的温度来创造有利于气体燃料燃烧的条件。发动机可以在双燃料或者在加热器的帮助下在纯气体燃料或纯柴油燃料的操作下运转。
尽管都已知使用不止一种燃料的发动机，在某些运转模式下这些发动机使用气体燃料来替代一些量的液体燃料诸如柴油。因此，当检测到气体燃料故障时，发动机能够在没有任何气体燃料下运转。
然而，这不是DIG发动机的情况，在DIG发动机中主燃料是气体燃料，次要的燃料是液体燃料，例如柴油，其如前面所述用于引起燃烧。在这些发动机中，气体燃料***的故障将会使发动机不动，其中安装有此发动机的车辆也这样不动，因为气体燃料是发动机的主要燃料供给，液体燃料仅仅是用作点火源。当这种发动机安装在大型设备例如矿用卡车上时，特别不希望有这样的不能动的情况，因为一个车队中单一个不能动的卡车能停止整个采矿的运转。例如，在矿山中到挖掘场和从挖掘场出来的道路是随着挖掘场的移动而开创的，通常在一定程度上用于运输的单一车道被断开。一个全负载的卡车滞留在其中一个陡峭的道路上，将会导致其他进入或离开挖掘场的卡车滞留，这将会产生危险的交通情况，产生长时间的耽搁，并增加矿山开采运转的成本。
发明内容
本发明一方面描述了一种直喷式气体(DIG)发动机***。该DIG发动机***包括具有至少一个气缸的发动机，该气缸在往复式活塞、孔和火焰挡板之间形成一个可变容腔。液体燃料***包括与液体燃料喷射器流体连通的液体燃料轨道，该液体燃料喷射器能够将液体燃料直接注入到可变容腔中作为点燃源。气体燃料***包括与气体燃料喷射器流体连通的气体燃料轨道，该气体燃料喷射器能够将气体燃料直接注入到可变容腔中作为功率源。控制器被设置为监控和控制在正常模式下或跛行模式下发动机的运转。
在一种实施例中，当不存在***的异常运转情况时，正常模式存在，当控制器确定异常运转情况存在时，跛行模式存在。当在正常模式下运转时，正常量的液体燃料和正常量的气体燃料被注入到气缸中来产生额定发动机功率。当在跛行模式下运转时，比正常量的液体燃料多的液体燃料量和比正常量的气体燃料少的气体燃料被注入到气缸中来产生比额定功率低的跛行功率，但足够使发动机继续以有效的功率输出运转。
另一方面，本发明描述了一种适用于直喷式气体(DIG)发动机的故障缓解***，该直喷式气体发动机使用柴油引燃来点燃直接注入的气体燃料，诸如液化石油或天然气等，这些气体燃料存储在低温储罐中并被加热以便在发动机中使用。这个***包括至少一个发动机气缸，该气缸在活塞、孔和火焰挡板之间形成一个可变容腔。柴油燃料***包括和柴油燃料喷射器流体连通的柴油燃料轨道，该柴油燃料喷射器能够将柴油燃料直接注入到可变容腔中作为点燃源。气体燃料***包括与气体燃料喷射器流体连通的气体燃料轨道，该气体燃料喷射器能够将气体燃料直接注入到可变容腔中作为功率源。控制器被设置为监控和控制在正常模式下和跛行模式下发动机的运转。
在一种实施例中，当不存在异常运转情况时，正常模式存在，当控制器确定异常运转情况存在时，跛行模式存在。当以正常模式运转时，正常量的柴油燃料和正常量的气体燃料被注入到气缸中来产生额定发动机功率。当在跛行模式下运转时，比正常量的柴油燃料更多的柴油燃料量和比正常量的气体燃料更少的气体燃料量被注入到气缸中来产生比额定功率低的跛行发动机功率。
在又一个方面，本发明描述了一种用于缓解在直喷式气体(DIG)发动机中的气体燃料***故障或异常运转情况的方法。该方法包括：使气体燃料供给***运转，该***包括适用于存储低温液化状态下的气体燃料的储存罐、适用于从储存罐中吸取气体燃料并且对其压缩以产生压缩气体燃料的气体泵、适用于增加压缩气体燃料的焓的加热器和适用于收集压缩气体燃料的气体燃料轨道。控制器监控指示气体燃料供给的运转情况的传感器信号。传感器信号包括下列中的至少一种：指示气体燃料轨道中压缩气体燃料状态的轨道状态信号，指示在加热器出口处的气体燃料状态的加热器状态信号，指示在加热器进口处的气体燃料状态的液体状态信号，指示在存储罐中低温液化状态下的气体燃料的液位的液位信号。当控制器基于对轨道状态信号、加热器状态信号、液体状态信号和液位信号中的至少一种确定异常运转情况存在时，将会使发动机运转从正常模式转换到跛行模式。当在正常模式下运转时，正常量的液体燃料和正常量的气体燃料被注入到发动机气缸中来产生额定发动机功率。当在跛行模式下运转时，比正常量的液体燃料更多的液体燃料量和比正常量的气体燃料更少的气体燃料量被注入到发动机气缸中来产生比额定功率低的跛行发动机功率。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于发动机的直喷式气体(DIG)***和液态燃料***的框图，
图2示出了根据本发明的DIG发动机气缸的剖视图，
图3示出了根据本发明的DIG和直喷式液体燃料喷射器的剖视图，
图4示出了根据本发明的控制器的框图，
图5示出了根据本发明的双模式***控制的流程图，
图6示出了根据本发明的监测异常运转情况的方法的流程图，
图7示出了根据本发明的双模式运转的流程图。
具体实施方式
本公开涉及使用柴油点燃的直喷式气体(DIG)发动机，以及尤其涉及用于减轻在气体输送***中的故障的发动机控制策略和***，从而使即使发动机所安装在其中的车辆是满载，发动机也能够以跛行模式运转，使车辆能够保持路上的移动性以到达服务或维修地。图1示出了DIG发动机***100的框图。发动机***100包括具有与每个发动机气缸(在图2中最好地示出)相关联的燃料喷射器104的发动机102(总体上在图1中示出)。燃料喷射器104是双止回阀喷射器，该喷射器能够独立地注入预设量的两种单独的燃料。
喷射器104通过液体燃料供给线112与高压气体燃料供给线108和高压液体燃料轨道110连接。在图示说明的实施例中，气体燃料是在大约25-50MPa之间的压力下经由气体燃料供给线108提供的天然气或者石油气，以及液体燃料是以大约25-50MPa的压力保持在液体燃料轨道中的柴油，但是根据每个发动机应用的运转情况，也可使用任一其他压力或者其它类型的燃料。值得注意的是，尽管在供给线108和燃料轨道110中存在的燃料使用了单词“气体”或“液体”以参照，但是这些称号并没有限制在相对应的轨道中存在的燃料的相，而是仅用于讨论的目的。例如，在控制压力下在气体燃料供给线108中提供的燃料根据所保持的压力可能是液态，气态或者超临界相。附加地，液态燃料可以是任何烃基燃料；例如DME(二甲醚)、生物燃料、MDO(船用柴油)、或者HFO(重油)。
不管***100是安装在移动应用设备中还是安装在固定应用设备中(这两种中的每一种是可以设想的)，可以在相对低压下、例如大气压，或较高压力下加压的气体燃料可以以液体状态储存在低温储存罐114中。在图示说明的实施例中，储存罐114是隔热的，以储存温度在大约-160℃(-256°F)下和压力在大约100到1750kPa下的液化天然气(LNG)，但也可使用其他存储条件。储存罐114还可包括泄压阀116。
在操作期间，从储存罐中出来的LNG仍在液体状态下在泵118中被压缩，该泵能够在保持LNG在液体状态的同时提高LNG的压力。泵118能够选择性地提高LNG的压力到能够响应于由电子控制器120提供给泵118的压力命令信号而变化的压力。
压缩LNG在热交换器122中被加热。热交换器122向压缩LNG提供热量来降低LNG的密度和粘度，同时增加LNG的焓和温度。在一种事例性的应用中，LNG可以大约为-160℃的温度、大约为430kg/m3的密度、大约为70kJ/kg的焓、以及大约为169μPas的粘度作为液体进入热交换器122，以大约为50℃的温度、大约为220kg/m3的密度、大约为760kJ/kg的焓、以及大约为28μPas的粘度离开热交换器。可以看到的是，这些有代表性的状态参数的值可依据使用的燃料特殊组成而不同。总地来说，期望燃料在低温液态下进入热交换器，在超临界气态下离开热交换器，在此使用超临界气态来描述燃料是气态但具有在气相和液相之间的密度的状态。热交换器122可是任何已知类型的热交换器或和LNG一起使用的加热器。在图示说明的实施例中，热交换器122是能够从发动机冷却液中汲取热量的水套加热器。温度传感器121被设置为测量离开热交换器122的发动机冷却液的温度，并向控制器120提供温度信号123。
从热交换器122离开的气体在过滤器124处过滤。过滤的气体的一部分可存储在加压蓄能器126中，剩余的气体提供给压力控制模块128。向气体燃料供给线108提供压力调节过的气体。压力控制模块128响应来自电子控制器120的控制信号，和/或被构造为调节提供给燃料喷射器104的气体的压力。压力控制模块128可以是诸如圆顶加载调节器(dome loaded regulator)的机械装置，或替代地可为能够响应来自控制器120的命令信号的机电控制装置。
液体燃料或在图示说明的实施例中的柴油燃料存储在燃料储存器136中。燃料从那里经由过滤器140并根据发动机的运转模式以不同的速度被吸入到容积泵138中。由泵138提供的燃料速度通过泵的响应于来自电子控制器120的命令信号的可变容积来控制。从泵138中出来的加压燃料被提供给液体燃料轨道110。
***100可包括向控制器120提供有关***运转状态和整体健康的信息的各种其他传感器。相对于气体***供给，发动机***100包括与储存罐114相关联的被设置为检测储存罐中现存LNG液位的液位指示器142。液位指示器142向电子控制器120提供指示残留在储存罐114中的LNG液位的液位信号143。
***100还可包括指示***中不同位置处的气体燃料的状态的各种其他传感器。如在此使用的，气体状态意在描述指示气体燃料的热力学状态的参数，例如，根据情况而定的燃料的压力和/或温度。当确定气体的状态时，以诊断***健康为目的而感兴趣的参数将会依据发生在气体状态上的变化。相应地，气体的压力与诊断泵的运转有关，气体的温度可与诊断加热气体的热交换器的运转状态更为相关。在下面的描述中，对“状态”传感器进行了引用，该“状态”传感器应理解为测量一个或多个气体状态参数(包括但不局限于压力、温度、密度等)的任一类型的传感器。
相应地，气体状态传感器144被设置用来测量和提供指示在气体燃料供给线108处流体状态的轨道状态信号146。轨道状态信号146可指示气体的压力和/或温度。状态传感器148被设置用来测量和提供指示在气体过滤器124(的下游)和压力控制模块128(的上游)之间的气体状态的过滤器状态信号150。过滤器状态信号150能够指示气体压力。附加的状态传感器152被设置用来测量和提供指示在热交换器122和气体过滤器124之间的气体状态的加热器状态信号154。加热器状态信号154可以指示那个位置的气体温度。附加的状态传感器156被设置用来测量和提供在泵118的出口处的液体状态信号158。在泵118的出口处的液体状态信号158可以指示气体压力，用于诊断泵的运转，和/或气体的温度，用于与热交换器122下游的加热器状态信号154进行对比来诊断热交换器122的运转状态。在运转过程中，轨道状态信号146、过滤器状态信号150、加热器状态信号154、液体状态信号158和/或其他指示液体/气体燃料的流体状态的状态信号被持续地提供给电子控制器120。
电子控制器120包括操作用于监控由***传感器提供的各种信号的函数性和其他算法，并探测***100的各种故障或异常运转模式，从而在异常运转情况存在时，能够采取缓解措施。换句话说，控制器120包括用于DIG发动机***100的故障缓解***，该***能够探测并处理燃料***中的燃料***故障或异常运转模式，特别是在气体燃料***中的异常运转模式。***的异常运转模式的例子可包括：储存罐114中LNG耗尽、气体泵118或其控制器故障、任一过滤器的阻塞、热交换器122的结冰和/或阻塞、压力控制模块128故障和/或特别是与到气体燃料供给线108和从气体燃料供给线108出来的压缩气体供给相关的其他故障。
在正常运转期间，气体燃料和液体燃料在高压下通过燃料喷射器104分别被喷入到发动机气缸中。安装在发动机气缸204中的喷射器104的一个实施例的剖视图在图2中示出，而在图3中示出了从发动机中移出的喷射器104的一个实施例的剖视图。虽然这些图中示出的喷射器104有两个并排布置的止回阀，但任一其他燃料喷射器设计也是合理的，例如具有同心止回阀或针阀的双喷射器。现在参考示图，每个发动机气缸204都包括一个孔206，该孔形成在缸体202中并且以可滑动的方式在其中容纳活塞208。从典型的发动机应用中都已知，活塞可以和发动机曲轴(未示出)相连接，该曲轴运转以例如在压缩冲程中提供使每一活塞在气缸孔中移动的力，同样例如在燃烧或做功冲程中可通过活塞施加的使曲轴旋转的力被移动。
气缸204定义了可变容腔210，在图示说明的介绍中，该可变体积在横向被孔206的壁约束，并且在其端部被活塞208的顶部或冠部以及气缸盖213的表面212所封闭，该气缸盖的表面通常被称为火焰挡板。当活塞208在孔206内在下死点(BDC)和上死点(TDC)之间做往复运动时，可变体积相应地在最大容量和最小容量之间变化。
参见图2，每个活塞204包括至少一个进气阀214和至少一个排气阀216。值得注意的是，尽管活塞204以与在至少四冲程循环下的发动机运转相一致的方式示出，同样也包括气缸进气阀和排气阀，但可以设想诸如二冲程发动机等的其他类型发动机，但为了简便起见没有特别示出。在图2所示的特定的发动机中，在发动机102的运转过程中进气阀214和排气阀216有选择地被激活从而使可变容腔210与流体排出装置和流体源流体连通。特别地，进气阀214选择性地堵住将可变体积210与进气歧管222流体互连的进气道220。类似地，排气阀216选择性地堵住将可变容腔210与排气歧管226流体互连的排气道224。在图示说明的实施例中，燃料喷射器104被设置为有选择地将柴油和压缩天然气(CNG)燃料直接注入到每个发动机气缸204的可变容腔210中。
喷射器104的剖视图在图3中更详细地示出。值得注意的是，尽管在此示出的单个喷射器能够独立地注入两种燃料，但可以设想的是，可使用两个喷射器来代替这种单个的喷射器，此两个喷射器中的每个与两种燃料中的一种相对应。替代地，可以使用具有同心针的燃料喷射器。因此，喷射器104代表着能够独立地注射两种类型燃料的喷射器无数可能的实施例中的一种。尽管两种燃料在大约相等的压力下(在图示的实施例中是25到50MPa之间)提供给喷射器，但喷射器104的特定实施例仍使用柴油燃料压力来激活用于注入气体燃料的止回阀。
特别参考图3中示出的剖视图，喷射器104包括喷射器主体302，该主体包括致动器壳体304和阀针壳体306。该致动器壳体304形成包住有两个电子致动器308的内部容腔。每个致动器308激活一个相应的二通阀310，所述二通阀选择性地在相应的液压密闭腔312中增加或释放流体压力。喷射器104还包括两个燃料进口，每个进口都与一个相应的注入腔流体连接。更具体地说，从液体燃料轨道110(图1)中出来的柴油燃料被提供给柴油注入腔314，而从气体燃料供给线108(图1)出来的气体燃料被提供给气体注入腔316。气体燃料阀针318通过气体关闭弹簧320和在相应的密闭腔312处的流体压力朝关闭位置偏移，在此位置时柴油注入腔314中现存的流体不允许离开喷射器104并进入可变容腔210(图2)中。类似地，气体燃料阀针322通过关闭弹簧324和通过由在相应的密闭腔312中存在的流体压力产生的液压力朝关闭位置偏移。
当柴油或气体从喷射器104被注入时，燃料相应地通过各自的喷嘴开口326和328被注入，所述喷嘴开口在相应的针318或322被提起时打开。更具体地说，当注入柴油时，从电子控制器120(图1)提供一个信号给相应的致动器308，该致动器激活相对应的二通阀310并使其改变位置并释放在相对应的液压密闭腔312中的流体压力。当压力释放后，作用在阀针322上的液压力克服关闭弹簧324的力，允许阀针322提起，并允许柴油通过柴油喷嘴开口328注入到可变容腔210(图1)中。类似地，从控制器120得到的分别的命令信号被提供给与喷射器104的气体燃料侧相对应的致动器308。该致动器308的激活使相对应的二通阀310(图3的图示左侧)改变位置并释放在与气体注入腔314相对应的液压密闭腔312中的柴油流体压力。当压力释放后，作用在气体阀针326上的液压压力/气动压力克服关闭弹簧320的力，允许气体阀针318提起并允许气体在高压下通过喷射器104的专用喷嘴开口326被直接注入到可变容腔210(图1)。
以这种方法，在发动机运转过程中，喷射器104能够有选择地注入柴油或/气体。在图示说明的实施例中，在正常运转过程中发动机的总燃料供给由大约5％质量的柴油以及总燃料供给的剩余95％质量的气体燃料构成。这些燃料在发动机运转期间的不同时间注入。例如，当气缸204在经历压缩冲程时活塞208向TDC位置移动时，可以首先注入柴油。当柴油燃料在可变容腔中的燃烧已经开始或将要开始时，喷射器104使气体阀针318打开，从而使气体在高压下被直接注入到气缸204中并燃烧，因为气体被正在燃烧的柴油燃料点燃。
当出现非正常运转情况使***100(图1)给发动机运转提供所需足够量的气体燃料的能力减弱时，控制器120激活跛行模式(limp-home mode)。在跛行运转模式期间，调整发动机的各种参数来使发动机能够依靠液体燃料运转以使得向其中安装有此发动机的车辆提供足够的动力使其移动到达维修地点。在图示说明的实施例中，例如，在以跛行模式运转期间，发动机功率是发动机总功率的50％从而使甚至是在斜坡上行驶的满载车辆也能够保持足够的动力来卸除负载并移动到安全的地点。
与正常地能够使用两种可用燃料的任意一种在满功率下运转的传统双燃料发动机不同，一些DIG发动机***的运转要求调节从而能够实现单一燃料发动机运转。而且，某些发动机组件的设计能使实现跛行发动机运转。一般而言，DIG发动机的柴油或液体燃料***通常仅被要求用来提供点燃气体燃料的引燃燃料能力，其尺寸被设定为允许发动机在由柴油燃料燃烧提供功率的情况下运转。根据气体燃料传送***的故障类型和程度，跛行运转模式可以使用比正常情况所需更少量的气体燃料量。在安全或其他考虑下要求完全关闭气体燃料***的情况下，或者在车辆气体燃料的供应已经耗尽的情况下，发动机有利地能够在完全依靠液体燃料运转的同时提供预定的跛行功率。这个功能性是通过在发动机控制器内运行的软件算法以及各种发动机组件和***的各种硬件能力来完成的。
一方面，在图4中示出了跛行控制器400的一个实施例。控制器400可以被实施为计算机的一部分，该部分具有有形的存储介质，其具有存储在其上的在计算机处理器中运行的计算机可执行的命令。控制器400替代地可被实施为硬件控制器或其他在车辆上随行操作或远程操作的合适类型的控制装置。
在图示说明的实施例中，控制器400被设置为接收来自与***100(图1)相联的各种传感器的信号、在传感器信号的基础上处理信息、并根据情况来提供指令以控制发动机102(图1)的各组件和***的运转。例如，在图4中示出的控制器400被设置为相应地接收发动机的速度信号402和负载信号404，该两种信号分别指示了所需的发动机运转情况。速度信号402和负载信号404可基于操作者指令或替代地可由控制发动机运转的发动机控制器提供。控制器400还可接受发动机正时信号406，该正时信号例如，以已知的方式由发动机102的曲轴或凸轮轴传感器(未示出)来提供，该信号可以是一个单独的信号或者替代地可以是已经讨论过的发动机速度信号402的一部分。
在运转过程中，控制器400接收指示属于发动机***100的气体和液体燃料传送***的运转状态的信号，从而评估这些***的运转健康情况并处理所出现的问题。更具体地说，并平行参考图1，控制器400接收柴油压力信号134、液位信号143、气体轨道状态信号146、过滤器状态信号150、加热器状态信号154、液体状态信号158和/或指示发动机***100中各种与燃料相关的组件和***的运转状态的其他状态信号。
除了接收与发动机***100的运转状态相关的信息外，控制器400能够提供控制发动机***100中各种与燃料相关的组件和***运转的指令信号。更具体地说，控制器400分别向燃料喷射器104提供柴油燃料指令408和气体燃料指令410(同样参见图1)。每种燃料指令408和410分别向相应的喷射器致动器308(图3)提供电信号，该电信号有预定的持续时间，在持续时间期间相应的燃料从喷射器104被注入。
控制器400还可提供控制用于设定柴油泵138和LNG泵118的输出压力的信号，通过压力控制模块128设置气体燃料要求的压力。更具体地说，柴油泵控制信号412和气体燃料泵控制信号414在控制器400中确定，并提供给相应的泵从而在运转过程中控制各个泵118和138提供的燃料的压力。在一个实施例中，在控制器400内的用于通过燃料指令408和410以及泵指令412和414命令燃料注入的决定是在先前讨论的液位信号143和其他各种状态信号134、146、150、154和158中的至少一种信号的基础上做出的，该决定还可在发动机速度信号402和负载信号404的基础上提供运转设定点，从而能够提供跛行发动机运转。
在图5中示出了控制器400的运转方法的流程图。这个方法以在502处基于在保持存储罐中现存的液化的气体燃料的液位指示确定是否有足够的气体燃料可用于发动机消耗的决定开始。如果确定存储罐是空的，例如，存在燃料的零液位，发动机燃料***的指令被送交到在504处的跛行函数。当在502处确定存储罐中仍有液化气体燃料存在，则会在506处执行对液化的气体燃料输送***的运转是否在可接受参数内的确定。
在506处的确定可包括监控多个运转参数并将其与预先设定的值或值的范围进行对比，从而来确定所有***组件都在适当地运转。用于506处的确定的流程图在图6中详细地示出，并且可以包括在508处，将气体燃料供给线中的气体状态146与指示所希望的或所指令的气体燃料轨道状态的参数P_GAS_R进行对比。类似地，如果存在，燃料过滤器124(图1)的函数也能够被确定，例如，通过对所希望的经过过滤器的压差P_FILT_DIFF与现存的经过过滤器的压差进行比较，该压差在图示说明的实施例(图1)中可以由在过滤器上游的加热器状态信号154和过滤器下游在510处的过滤器状态信号150之间的差异来推测出。在512处，通过基于例如加热器或热交换器122上游的液体状态158和加热器下游的气体状态154，将气体状态，在这种情况下将加热器的上游和下游的温度，与预定的加热器相关的性能参数(例如温度的增加)P_EVAP进行对比，来确定加热器的运转。液化气体泵、例如泵118(图1)的运转，在514处，可通过将泵的出口压力，例如液体压力158与要求的或期望的压力P_LIQ进行对比来进行监控。在每个监控状态和相应的期望值之间可以进行附加的检查从而能够推测出在***的任何地点的气体泄漏或组件故障(如果存在的话)。被示出为按顺序进行的每个确定508、510、512和/或514可以以任何顺序执行，如果每个确定508、510、512和514指示相应的组件或***正在正常地或如期望地运转，将会产生一个如图5所示出的信号516，该信号在518处允许发动机正常运转。
当在508、510、512和/或514处探测到一个或多个异常运转情况时，例如，当在508处气体燃料轨道压力低、在510处气体过滤器阻塞、在512处加热器冻结、液化气体泵514运转不佳、和/或存在气体泄漏的至少一个指示存在时，通过在506的确定提供异常运转情况520从而激活跛行函数504。异常运转情况指示520可是一个单独的变量或替代地可以是多个变量中的一个，这些变量中的每个都分配给一种探测到的特定的异常模式。例如基于阻塞的过滤器的指示可以不同于加热器冻结的指示，因为一种情况-阻塞的过滤器-可要求过滤器的维修或更换，而另一种情况-冻结的加热器-要在运转过程中调整，例如通过减少或消除气流使加热器变热。
跛行函数504的流程图在图7中示出，该跛行函数被构造为根据已探测到的异常运转情况类型提供不同程度的紧急情况功能性或异常运转情况功能性。例如，随车携带的液化的气体燃料供给已经耗尽的指示将通过关闭气体燃料供应***和完全依靠液体燃料运转发动机来缓解。类似地，例如由于各种组件的结冰而导致的气体燃料供给***运转不佳的指示，气体供给将会减少直到这种情况被纠正，例如在发动机暖机之后。在这些中间状态，发动机使用的气体燃料量将会被减少以避免进一步的结冰，液体燃料供给将会暂时增加以补偿气体燃料的减少，直到异常情况已被修正(如果可能的话)。
现在参考图7，跛行函数504包括多种查找表或基于正在执行的跛行模式的类型将发动机运转设定点情况与各种发动机控制参数相互关联的其他函数。例如，当接收到指示液化燃料供给耗尽的信号时，紧急发动机运转或跛行发动机运转将完全依靠柴油燃料来执行。替代地，当给出可以以降低的速率供应气体燃料的指示时，执行紧急发动机运转，其使用增加的柴油燃料供给同时仍保持一些气体燃料。
相应地，跛行函数504包括纯柴油运转模式，该模式当出现要求关掉气体燃料供给***的情况时在521处被激活。这些情况包括，但不局限于，如前面所讨论的：气体燃料供给耗尽、气体燃料泵故障、气体燃料压力调节器故障以及其他类型的故障，例如一个或多个燃料喷射器中的故障等。在524处，当在任何紧急运转模式中的运转存在时，也将会有视觉的、听觉的和/或触觉的指示提供给操作者以通知操作者异常运转情况和需要维修。当发动机以纯柴油模式运转时，各种指令信号408、410、412和414(图4)可被相应地调整，以使气体燃料供给无效，并调整发动机运转参数以实现纯柴油运转。
例如，当以纯柴油或纯液体燃料模式运转时，发动机的液体燃料轨道110中的压力可增加以使更多量的燃料注入到气缸中，和/或由于同样的原因增加注入持续时间。在图示说明的实施例中，液体燃料轨道110中的压力可从正常运转期间存在的大约35MPa增加到紧急运转期间存在的大约100MPa。类似地，喷射器中的柴油或液体燃料部分的注入持续时间可以根据为了提供所需的紧急发动机功率而要求的燃料量，增加到覆盖40度或多于40度的曲轴旋转。当以纯柴油模式运转时，在预计可能最坏情况下，发动机能够提供足够的动力使车辆移动。例如，在斜坡路上行驶的满载的矿用卡车要求正常发动机功率输出能力的大约50％以在紧急模式或跛行模式中运转。这种运转能够提供有限的功能性从而在一定程度上给机器提供继续运行的能力直到其能够得到维修。在发动机特定应用要求的基础上，可以选择跛行模式发动机输出。在控制器400中，例如，在跛行模式中能够可用的发动机额定输出的百分比可以通过合适的变量设置，该变量可以根据发动机应用的情况调整到跛行发动机功率输出水平的最大功率。
当以紧急或跛行模式运转时并同时仍保留向发动机减少地提供气体燃料时，跛行函数504还可包括柴油/减少的气体紧急运转模式，该模式在526处被激活。当以紧急运转模式运转时，将会继续监控***的情况，以及，根据存在的异常情况的类型，如果致使紧急运转的情况不再存在时，在528处做出是否使发动机返回到正常模式的决定。类似地，例如，在预定阶段之后，例如，如果附加的允许情况本身还存在，和/或最初的允许情况没有调整，则在530处做出是否将紧急运转升级到纯柴油运转模式521的决定。
工业实用性
本发明可应用于具有与液体燃料***一起运转的气体燃料***的DIG发动机中，所述液体燃料***用于提供液体燃料来点燃气体燃料。在图示说明的实施例中，使用双止回阀燃料喷射器将两种燃料都直接注入到每个发动机气缸中。各种传感器被设置为监控发动机的组件和***以进行适当地运转，并在与异常运转情况的***相关联的控制器中生成指示。当异常运转情况出现时，控制器确定异常情况的严重程度，并调整发动机的运转来改变两种燃料供给的比例。例如，当在正常运转模式下，液体燃料主要用于点燃气体燃料，在紧急或跛行运行模式下，液体燃料用来提供发动机功率，该功率替代或取代正常情况下由气体燃料提供的功率。
可以理解的是，前面的描述提供了本发明的***和技术的一些例子。尽管如此，可以设想，本发明的其他实施方式可以在细节上和前面所述的例子不同。对本发明或对其例子的所有引用的目的是在当时引用特定的例子来讨论，而不是意味着更概括地对本发明的范围做出限制。对于某些特征的语言上的区别和轻视的目的是指出对这些特征并非优选，并非将其整体上从本发明的范围中排除，除非另有指示。
在此除非另外地指出，对值的范围的记载仅意在作为一种分别指示各个落入到该范围中的单独的值的速记方法，并且每个单独的值都并入到说明书中，如同这些数值以被单独地进行记载。在此所描述的所有方法都能够以任何合适的顺序执行，除非在此有另外的指示或明显地与上下文相矛盾。

Claims (20)

1.一种直喷式气体发动机***，包括：
具有至少一个气缸的发动机，该气缸在往复式活塞、孔和火焰挡板之间形成一个可变容腔；
液体燃料***，其包括与液体燃料喷射器流体连通的液体燃料轨道，该液体燃料喷射器能够将液体燃料直接注入到可变容腔中作为点燃源；
气体燃料***，其包括气体燃料喷射器，该气体燃料喷射器能够将气体燃料直接注入到可变容腔中作为功率源；以及
控制器，其用来监控和控制正常模式下或跛行模式下发动机的运转，当不存在异常运转情况时，正常模式存在，当控制器确定异常运转情况存在时，跛行模式存在，从而使：
当以正常模式运转时，正常量的液体燃料和正常量的气体燃料被注入到气缸中来产生额定发动机功率，以及
当以跛行模式运转时，比正常量的液体燃料多的液体燃料量和比正常量的气体燃料少的气体燃料量被注入到气缸中以产生比额定功率低的跛行发动机功率。
2.如权利要求1所述的发动机***，其中，所述液体燃料和气体燃料相继地被注入到气缸中。
3.如权利要求1所述的发动机***，其中，所述液体燃料***包括液体燃料泵，该液体燃料泵能够从液体燃料容器中吸取液体燃料并向与液体燃料喷射器流体连通的液体燃料轨道提供加压的液体燃料，加压的液体燃料被增压到轨道压力。
4.如权利要求3所述的发动机***，其中，所述气体燃料***包括能够以液体状态存储气体燃料的低温储罐，以及与气体燃料喷射器流体连通的气体燃料供给线。
5.如权利要求4所述的发动机***，其中，所述气体燃料***还包括气体燃料泵，该气体燃料泵能够从低温储罐中吸取液化的气体燃料并向加热器提供压缩的液化的气体燃料，该加热器能够提高液化的气体燃料的温度。
6.如权利要求5所述的发动机***，还包括布置在加热器和气体燃料供给线之间的压力控制模块，该压力控制模块能够控制气体燃料的压力。
7.如权利要求6所述的发动机***，其中，当发动机***正在以正常模式运转时，所述气体燃料的压力和压缩液体燃料的轨道压力基本是相等的。
8.如权利要求6所述的发动机***，还包括下列传感器中的至少一种：
布置在气体燃料供给线和压力控制模块之间的气体状态传感器，该气体状态传感器能够向控制器提供指示压缩液体燃料的状态的轨道状态信号；
布置在燃料过滤器和压力控制模块之间的燃料过滤器状态传感器，该燃料过滤器状态传感器能够向控制器提供指示被过滤的气体燃料状态的过滤器状态信号；
布置在燃料过滤器和加热器之间的加热器状态传感器，该加热器状态传感器能够向控制器提供指示气体燃料状态的加热器状态信号；
布置在气体燃料泵出口处的液体状态传感器，该液体状态传感器能够向控制器提供指示压缩气体燃料状态的液体状态信号；以及
与低温储罐相关联的液位传感器，该液位传感器能够向控制器提供指示在低温储罐内液体状态下的气体燃料的液位的液位信号。
9.如权利要求8所述的发动机***，其中，所述控制器能够监控轨道状态信号、过滤器状态信号、加热器状态信号、液体状态信号和液位信号中的一个或多个来确定异常运转情况的存在出现，以及当一个或多个异常运转情况存在时，使发动机运转从正常模式转到跛行模式。
10.一种用于直喷式气体发动机的故障缓解***，所述直喷式气体发动机用柴油引燃来点燃直接注入的气体燃料，诸如石油液化气或天然气，其存储在低温储罐中并且在加热器中加热以便在发动机中使用，所述故障缓解***在与DIG发动机相关的控制器中运行，所述DIG发动机包括：
至少一个发动机气缸，该气缸在布置在孔内的活塞、孔的一部分和火焰挡板之间形成一个可变容腔；
柴油燃料***，该柴油燃料***包括与柴油燃料喷射器流体连通的柴油燃料轨道，该柴油燃料喷射器能够将柴油燃料直接注入到可变容腔中作为点燃源；以及
气体燃料***，该气体燃料***包括气体燃料喷射器，该气体燃料喷射器能够将气体燃料直接注入到可变容腔中作为功率源；
其中，所述的控制器用来监控和控制在正常模式下或跛行模式下发动机的运转，当不存在异常运转情况时，正常模式存在，当控制器确定异常运转情况存在时，跛行模式存在，使得：
当以正常模式运转时，正常量的柴油燃料和正常量的气体燃料被注入到气缸中以产生额定发动机功率；以及
当以跛行模式运转时，比正常量的柴油燃料多的柴油燃料量和比正常量的气体燃料少的气体燃料量被注入到气缸中以产生比额定功率低的跛行发动机功率。
11.如权利要求10所述的故障缓解***，其中，所述柴油燃料***包括柴油燃料泵，该柴油燃料泵能够从容器中吸取柴油燃料并向与柴油燃料喷射器流体连通的柴油燃料轨道提供加压的柴油燃料，加压的柴油燃料被增压到轨道压力。
12.如权利要求10所述的故障缓解***，其中，所述气体燃料***还包括气体燃料泵，该气体燃料泵能够从低温储罐中吸取液化的气体燃料并向加热器提供压缩的液化的气体燃料，所述气体燃料***还包括能够提高液化的气体燃料的温度从而使液化的气体燃料接近超临界的气体状态的加热器，以及用来过滤超临界气体状态下的气体燃料的燃料过滤器。
13.如权利要求12所述的故障缓解***，还包括与气体燃料喷射器流体连通的气体燃料供给线，以及布置在加热器和气体燃料供给线之间的压力控制模块，该压力控制模块能够控制提供给气体燃料喷射器的气体燃料的压力。
14.如权利要求13所述的故障缓解***，其中，当发动机***正在以正常模式运转时，所述气体燃料的压力和柴油燃料的轨道压力基本是相等的。
15.如权利要求13所述的发动机***，还包括下列传感器中的至少一种：
布置在气体燃料供给线和压力控制模块之间的气体状态传感器，该气体状态传感器能够向控制器提供指示燃料状态的状态信号；
布置在燃料过滤器和压力控制模块之间的燃料过滤器状态传感器，该燃料过滤器状态传感器能够向控制器提供指示被过滤的气体燃料的状态的过滤器状态信号；
布置在燃料过滤器和加热器之间的加热器状态传感器，该加热器状态传感器能够向控制器提供指示气体燃料状态压力的加热器状态信号；
布置在气体燃料泵的出口处的液体状态传感器，该液体状态传感器能够向控制器提供指示压缩的气体燃料状态的液体状态信号；以及
与低温储罐相关联的液位传感器，该液位传感器能够向控制器提供指示在低温储罐中液态下的气体燃料的液位的液位信号。
16.如权利要求15所述的故障缓解***，其中，所述控制器能够监控在供给线处的状态的信号、过滤器状态信号、加热器状态信号、液体状态信号和液位信号中的一个或多个来确定异常运转情况的存在，以及当一个或多个异常运转情况存在时，使发动机运转从正常模式转到跛行模式。
17.如权利要求10所述的故障缓解***，其中，所述柴油燃料喷射器和气体燃料喷射器集成在一个具有第一和第二止回阀的单一喷射器中，每个止回阀都与相应的第一致动器和第二致动器相对应，每个致动器都是可以独立激活的，第一致动器和第二致动器中的每一个都和阀相关联，当激活时，使与第一致动器相对应的第一止回阀打开或者与第二致动器相对应的第二止回阀打开，从而在第一止回阀打开时柴油燃料被注入，在第二止回阀打开时气体燃料被注入。
18.一种缓解在直喷式气体发动机中的气体燃料***故障或异常运转情况的方法，包括：
使气体燃料供给***运转，该气体燃料供给***包括能够存储低温液化状态下的气体燃料的储存罐、能够从储存罐中吸取气体燃料并将其压缩来产生压缩气体燃料的气体泵、能够增加压缩气体燃料的焓的加热器和能够提供压缩气体燃料的气体燃料供给线；
在控制器中，监控指示气体燃料供给的运转情况的传感器信号，传感器信号包括下列信号中的至少一种：指示在气体燃料供给线中的压缩气体燃料的状态的状态信号、指示在加热器出口处的气体燃料状态的加热器状态信号、指示在加热器进口处的气体燃料状态的液体状态信号，以及指示在储存罐中低温液化状态下的气体燃料的液位的液位信号；
在监控轨道状态信号、加热器状态信号、液体状态信号和液位信号中的至少一种信号的基础上，在控制器中确定异常运转情况存在；以及
当异常运转情况存在时，通过使用控制器使发动机运转从正常模式转换为跛行模式；
其中，当以正常模式运转时，正常量的液体燃料和正常量的气体燃料被注入到发动机气缸中以产生额定发动机功率，以及
当以跛行模式运转时，比正常量的液体燃料多的液体燃料量和比正常量的气体燃料少的气体燃料量被注入到发动机气缸中来产生比额定功率低的跛行发动机功率。
19.如权利要求18所述的方法，还包括控制在加热器出口处的压缩气体燃料的压力，使得在气体燃料供给线提供控制的气体燃料的压力。
20.如权利要求18所述的方法，其中，将发动机从正常模式转换到跛行模式包括增加液体燃料的压力以及增加液体燃料喷射器的注入持续时间，以补偿注入到发动机气缸中的气体燃料量的减少。
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