CN104005892A - 用于检测液体燃料泄漏到气体燃料轨内的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于检测液体燃料泄漏到气体燃料轨内的设备和方法。具体地，公开了用于检测液体燃料泄漏到用于内燃发动机的双燃料***的气体燃料轨内的方法和***。该方法和***包括从控制器发送喷射信号至燃料喷射器并随后将气体燃料和液体燃料喷射到气缸内用于燃烧。气体轨中的压力检测在喷射事件之后的预定时间段内气体轨中的压力。控制器测量在喷射事件之后的预定时间段内气体轨中的压力波动。如果气体轨中的压力波动超出预定量，则控制器被程序化为采取至少一种缓解动作以阻止或限制对发动机的损伤。

Description

用于检测液体燃料泄漏到气体燃料轨内的设备和方法

技术领域

本发明整体上涉及双燃料共轨***，更具体地，涉及一种包括解决液体燃料泄漏到***的气体燃料侧内的策略的仅柴油操作方法。

背景技术

柴油发动机是压燃式发动机的最普遍类型。柴油发动机将燃料直接引入燃烧室。柴油发动机是非常高效的，因为它们提供高压缩比而没有爆震，爆震是燃料混合物在燃烧室内过早爆燃。由于柴油发动机将燃料直接引入燃烧室，燃料喷射压力必须比燃烧室内的压力大。对于诸如柴油的液体燃料，压力必须显著更高，使得燃料被雾化用于高效燃烧。

柴油发动机由于其功率、性能、效率和可靠性的极好结合而备受产业青睐。例如，与汽油燃料火花点燃发动机相比，柴油发动机的操作成本通常低很多，尤其在使用大量燃料的商业应用中。但是，柴油发动机的一个缺点是污染，诸如颗粒物质（煤烟）和NOX气体，其受到日益严格的监管，要求NOX排放物随着时间逐渐减少。为了遵守这些日益严格的监管，发动机制造商开发催化转化器和其它后处理装置，用以从柴油排气流移除污染物。

还引入对柴油燃料的改进，以减少柴油燃料中硫的量，从而防止硫使催化转化器的催化剂活性减低并且减少空气污染。还进行研究以例如通过对发动机控制策略细化以改进燃烧效率，从而减少发动机排放。但是，这些方式中的大多数都增加发动机的资金成本和/或运行成本。

其它最近的开发涉及用诸如像天然气、甲烷、丁烷、丙烷、氢气及其混合物的更清洁的燃烧气体燃料替代一些柴油燃料。由于气体燃料通常与柴油燃料不在相同温度和压力下自动点燃，因此少量的先导柴油燃料能够被引入燃烧室内以自动点燃并触发气体燃料的点燃。用于消耗车辆车载的气体燃料的另一种方式涉及在相对低的压力下将气体燃料引入发动机的进气歧管内。但是，这种方式已经无法与当前可获得的柴油发动机的性能和效率相匹配，尤其在高的气体柴油比的情况下。因此，已经开发了燃料喷射器，其向燃烧室提供柴油燃料和气体燃料的同时输送，其中，柴油用作先导燃料。

例如，美国专利7627416似乎教导了一种双燃料共轨***，其中，液体柴油燃料和天然气燃料均从与每个发动机气缸相关联的单个燃料喷射器喷射。该参考文献认识到可能存在由于天然气燃料供应耗尽或者可能在***的天然气部分中出现一些故障而使得发动机必须仅以液体柴油燃料运行的情况。但是，该参考文献未认识到的一个问题是柴油或液体燃料移往气体燃料输送***或气体轨内。如果液体燃料移往或泄漏到气体轨内，气体与液体燃料比改变，发动机性能受损害并且可能损伤发动机。

发明内容

因此，需要一种用于检测液体燃料何时泄漏或移往气体轨内的方法和***，使得发动机的操作能够改变为缓解或阻止损伤并且/或者使得操作员能够注意到这种问题存在。

一方面，公开一种用于检测液体燃料泄漏到用于内燃发动机的双燃料***的气体轨内的方法。该方法可以包括从控制器发送喷射信号至燃料喷射器并将气体燃料和液体燃料喷射到气缸内用于燃烧。该方法还可以包括检测在喷射事件之后的预定时间段内气体轨中的压力。该方法还可以包括测量在预定时间段内气体轨中的压力波动，并且如果气体轨中的压力波动超出预定量，该方法还可以包括采取至少一种缓解动作。

另一方面，公开一种用于检测液体燃料泄漏到双燃料内燃发动机的气体燃料供应内的***。该***可以包括联接至压力传感器的气体轨。该气体轨还可以与燃料喷射器的气体喷嘴室连通，用于将气体燃料输送至气体喷嘴室。该***还可以包括与燃料喷射器的液体喷嘴室连通的液体轨，用于将液体燃料输送至液体燃料室。另外，该***可以包括连结至压力传感器的控制器。该控制器可以具有被程序化为接收来自压力传感器的信号并确定气体轨中的压力是否波动超出预定量的存储器。该存储器还可以被程序化为在气体轨中的压力波动超出预定量时启动缓解动作。

还公开一种车辆，该车辆可以包括发动机，该发动机可以包括多个气缸和多个燃料喷射器。每个气缸可以与燃料喷射器之一连通。每个燃料喷射器可以包括液体喷嘴室和气体喷嘴室，用于分别将液体燃料和气体燃料同时喷射到其各自的气缸内。每个燃料喷射器还可以与气体轨和液体轨连通。气体轨可以用于将气体燃料从气态燃料箱输送至多个燃料喷射器。液体轨可以用于将液体燃料从液体燃料箱输送至多个燃料喷射器。气体轨可以联接至压力传感器。压力传感器可以连结至控制器。控制器可以具有被程序化为接收来自压力传感器的信号并确定气体轨中的压力是否波动超出预定量的存储器。该存储器还可以被程序化为在气体轨中的压力波动超出预定量时启动缓解动作。

附图说明

图1是根据本发明的双燃料发动机的示意图。

图2是发动机壳体的一部分的剖面立体图，其被示出为显示一个套筒组件、公开的燃料喷射器以及发动机气缸的结构。

图3是经过图2中所示的同轴套筒组件的侧面剖视图。

图4-9是经过公开的燃料喷射器的剖视图。

图10用图表表示在气体轨中没有液体与在气体轨中有液体的情况下，由喷射事件产生的压力波或波动的差别。

具体实施方式

首先参照图1-3，双燃料发动机20可以包括安装到发动机缸体22的双燃料共轨***21，发动机缸体22可以限定多个发动机气缸23。每个气缸23可以包括燃料喷射器24，燃料喷射器24被定位成直接喷射到每个其各自的气缸23内。气体燃料共轨25和液体燃料共轨26可以流体地连接至每个燃料喷射器25，并且由此流体地连接至每个气缸23。

气体燃料共轨25可以与歧管27连通，歧管27可以与隔离阀28连通。在气体燃料压力降至不希望的水平并且发动机20必须转换成发动机20仅以液体燃料运行的“跛行回家”模式的情况下，隔离阀28可以用于关闭气体燃料供应。隔离阀28可以连接至燃料调节模块29，燃料调节模块29可以与隔离阀28连结至控制器31。控制器31可以是发动机控制模块（ECM）。过滤器32、蓄能器33、泵35和加压低温气体燃料箱36可以设置在调节模块29的上游。燃料箱36可以装备有卸压阀37。控制器31还可以连结至监控气体轨25中的压力的气体燃料轨压力传感器38。

液体燃料共轨26也可以与歧管27连通，歧管27可以与高压燃料泵41连通。燃料泵41可以连结至控制器31并且还可以设置在过滤器42的上游或下游。在图1中所示的实施方式中，泵41从液体燃料箱43抽吸液体燃料并且在将液体燃料输送至歧管27和液体燃料共轨26之前经过过滤器42。

控制器31可以以已知方式控制每个燃料喷射器24、隔离阀28、燃料调节模块29和泵41。气体燃料泵35可以是单向可变排量低温泵，而液体燃料泵41可以是单向可变排量液压泵。燃料调节模块29可以用于控制气体燃料到气体燃料共轨25的供应和压力。

转向图1-3，显示气缸23联接至燃料喷射器24，燃料喷射器24可以联接至同轴套筒组件44。如图1中所示，每个气缸23可以与其自身的套筒组件44相联，并且如图1-2中所示，每个套筒组件44可以包括块体（block）45。转向图3，同轴套筒组件44可以包括与每个燃料喷射器25的公共锥形座48密封接触的内套筒46和外套筒47（还参照图2）。同轴套筒组件44的块体45可以通过气体燃料轨25和液体燃料轨26联接在一起。如图2中所示，块体45还可以与燃料调节模块29连通。在这里将注意到，气体燃料轨25和液体燃料轨26不必为整体结构，而是可以是在各个块体45处联接在一起的区段。

每个同轴套筒组件44的每个块体45可以限定一区段气体共轨25，该区段可以垂直于内套筒46的轴线51取向。气体燃料通道52的一端在气体燃料共轨25处开口、行进经过止回阀53、在内套筒46和外套筒47之间经过、之后在其另一端处通入燃料喷射器24的气体燃料入口54。因此，一区段气体燃料轨25位于内套筒46和外套筒47之间。块体45中的每个还限定一区段液体燃料共轨26。液体燃料通道55的一端在液体共轨26处开口，并且可以在其相对端处通入燃料喷射器24的液体燃料入口56。

参照图4-9并且主要参照图4，公开的燃料喷射器24可以包括喷嘴本体57，喷嘴本体57限定气体喷嘴出口58和液体喷嘴出口61。喷射器24可以包括联接到喷嘴本体57的喷射器本体63，喷射器本体63限定液体排放出口62和气体排放出口60。喷射器本体63还可以限定气体燃料入口54和液体燃料入口56，从图3中能够看到，气体燃料入口54和液体燃料入口56通过燃料喷射器24的公共座48打开。气体燃料入口54和液体燃料入口56也在图6-9中示出。

返回图4，喷射器本体63可以包括分别通过板59与气体止回阀66和液体止回阀72的闭合液压表面67、73限定的气体控制室64和液体控制室65。闭合液压表面67暴露于气体控制室64中的流体（气体）压力。气体止回阀66能够在与气体座68接触以流体地阻挡从气体燃料入口54（图3和图6-9）到气体喷嘴出口58的流动的闭合位置（如图4-9中所示）和不与气体座68接触以将气体燃料入口54（图3和图6-9）流体地连接至气体喷嘴出口58的打开位置（未示出）之间运动。

液体止回阀72具有暴露于液体控制室65中的流体压力的闭合液压表面73（图4）。液体止回阀72也能够在与液体座74接触以流体地阻挡液体燃料入口56到液体喷嘴出口61的闭合位置（如图4-9中所示）和不与液体座74接触以将液体燃料入口56经由液体供应通道75（图4中不可见，但在图5-9中显示）流体地连接至液体喷嘴出口61的打开位置之间运动。

因此，通过气体止回阀66的运动有利于气体燃料（例如，天然气）经过气体喷嘴出口58到气缸23的喷射，同时通过液体止回阀72的运动有利于液体燃料（例如，柴油）经过液体喷嘴出口61的喷射。本领域技术人员将理解，可能期望气体喷嘴出口58和液体喷嘴出口61均包括以本领域熟知的方式围绕各自的中心线布置的若干喷嘴出口。但是，在不背离本发明的范围的情况下，气体喷嘴出口58和液体喷嘴出口61均可以包括少至一个喷嘴出口或者任意布置的任意数量的喷嘴出口。

气体控制阀77可以定位在喷射器本体63中，并且可以在打开位置和与座78接触的闭合位置之间轴向地运动，在该打开位置，如图5-7和9中所示，气体控制室64经由控制通道76流体地连接至气体排放出口60，在该闭合位置，气体控制室64与气体排放出口60被流体地阻隔。当在打开位置中气体控制室64流体地连接至气体排放出口60时，气体控制室64中的压力下降、释放闭合液压表面67上的压力以允许气体止回阀66在弹簧或偏置元件69的辅助下提升，从而有利于气体燃料（例如，天然气）经过气体喷射出口58的喷射。

液体控制阀81可以定位在喷射器本体63中，并且能够在与座82接触的闭合位置和不与座82接触的打开位置之间轴向地运动，在该闭合位置，如图4中所示，使得液体控制室65与液体排放出口62被流体地阻隔，在该打开位置，如图4-5中所示，液体控制室65经由液体控制通道93流体地连接至液体排放出口62。当液体控制室65流体地连接至液体排放出口62时，作用在闭合液压表面73上的流体压力被释放以允许液体止回阀72提升至打开位置，从而有利于液体燃料（例如，柴油）经过液体喷嘴出口61的喷射。

在图示的实施方式中，气体控制阀构件77和液体控制阀构件81可以分别通过气体电致动器83和液体电致动器84运动至它们各自的闭合位置和打开位置之一。通过弹簧或偏置构件85可以将控制阀77、81偏置到它们的闭合位置。液体电枢86可以附接至与液体控制阀81接触的推动器87。通过弹簧85可以将液体电枢86、推动器87和液体控制阀81偏置到显示为与座82接触的位置。因此，液体电枢86能够被认为是可操作地联接以使液体控制阀81运动。类似地，气体电枢88可以被可操作地联接以经由推动器91使气体控制阀77运动。公共的定子92使液体电枢86与气体电枢88分离。

液体控制阀81可以分别在其打开位置和闭合位置与座82接触和不与座82接触。同样地，气体控制阀77可以分别在其闭合位置和打开位置与座78接触和不与座78接触。液体控制阀81可以响应于安装在公共的定子92中的液体致动器84的去激励而联接为与液体电枢86一起运动。当液体致动器84被激励时，电枢86和推动器87被向上提升（或移至图4-9中的右侧），由此允许控制通道93（图4-5）中的高压推动液体控制阀81不与座82接触，从而将液体控制室65流体地连接至排放出口62。

气体喷嘴室94可以经由通道71（参照图6-9）流体地连接至气体燃料入口54。液体喷嘴室96可以经由液体燃料供应通道75（参照图5-9）流体地连接至液体燃料入口56。在常规操作模式过程中，从液体喷嘴室96到气体喷嘴室94内可能出现一定量的液体燃料泄漏。但是，大量泄漏可能导致对发动机20及其各种部件的损坏。一方面，一种用于确定这种泄漏何时出现的方法可以包括如图10中所示并在下面讨论的检测气体共轨25中的压力波动。

双燃料共轨燃料***还可以具有单一燃料操作模式，其中，只利用液体柴油燃料向发动机20供以动力。该操作模式可以被称为“跛行回家”模式，因为该操作模式可能仅在气体燃料***中存在一些故障时是优选的。故障可以包括诸如卸压阀37、泵35、换热器34、过滤器32、燃料调节模块29或隔离阀28的气体供应压力控制装置中的一个或多个失灵。失灵也可以简单地涉及箱36中缺乏充足的气体燃料来继续以常规模式操作。当以跛行回家模式操作时，控制器31可以使液体轨26保持在高压（例如，80MPa），而可以允许气体轨25中的压力衰减并可能缓慢地降低至大气压力。

在跛行回家模式过程中，发动机20作为常规柴油发动机操作，其中，液体柴油燃料以充足的量且在定时通过液体喷嘴出口61喷射以压缩点燃液体燃料。另一方面，在常规操作模式过程中，可能期望通过液体喷嘴出口61的相对少的先导液体喷射被压缩点燃，以点燃通过气体喷嘴出口58喷射的更大充量的气体燃料，从而以常规操作模式向发动机20供以动力。与在液体燃料和气体燃料之间的压差较小的常规操作模式相反，由于在跛行回家操作模式过程中在液体燃料和气体燃料之间存在较高压差，预期从上液体喷嘴室102到气体喷嘴室94的液体燃料泄漏更多。

再参照图1，虽然不是必须的，双燃料共轨***30还可以包括可操作地定位在燃料调节模块29和歧管27之间的电子控制的隔离阀28。隔离阀28可以被朝向闭合位置机械地偏置，但能够响应于来自控制器31的控制信号运动到打开位置。当双燃料共轨燃料***21以常规模式操作时，电子控制器31可以将隔离阀28保持在打开位置。但是，在***转换为跛行回家操作模式的情况下，电子控制器31可以关闭隔离阀28，以将气体供应与可以进入双燃料共轨***21的气体侧的任何泄漏的液体燃料流体地隔离。作为一种替代方案，可以采用机械止回阀来使气体供应与双燃料共轨***21隔离。

转向图10，线95表示在正常操作过程中气体共轨25中的压力。但是，线97表示当出现液体燃料到气体共轨25内的显著泄漏时气体共轨25中的压力。如上面注意到的，这种泄漏可能主要出现在液体喷嘴室102和气体喷嘴室94之间。相应地，如线97所示对气体共轨25中的压力峰值和下降的检测提供用于检测正在出现或最近已经出现液体燃料泄漏到气体共轨25内的方式。读者将注意到气体轨25中的峰值和下降可能在由控制器31发送喷射信号（如线98指示）之后出现。波的大小可以指示泄漏到气体轨25内的液体燃料的量。

另外，从液体喷嘴室96到气体喷嘴室94的泄漏可能是液体燃料泄漏到气体轨25内的主要位置，公开的喷射器24和与公开的喷射器24的设计不同的其它燃料喷射器的其它区域可以是这种泄漏的来源，并且本领域技术人员将能够检查燃料喷射器设计并确定这种泄漏可能出现的位置。

工业实用性

公开一种用于检测从液体轨26到气体轨25的液体燃料泄漏的***和方法。当这种泄漏出现时，气体轨25中的压力将波动，并且这种波动能够通过气体轨压力传感器38检测并可以通信至控制器31。气体轨压力传感器38可以与控制器31连续或定期通信。

因此，公开一种双燃料***，其能够：（1）监控气体轨25中的压力；（2）评估在喷射之后气体轨25中的压力波，以确定气体轨25中是否存在液体燃料；以及（3）采取一种或多种缓解动作。检测气体轨25中的液体燃料或柴油将允许发动机控制器31采取以下缓解动作中的任意一种或多种，诸如：（1）进入诊断模式以确定泄漏位置；（2）进入仅液体燃料或柴油操作模式；（3）减少输送至受影响气缸的燃料，以防止或减小发动机损伤；（4）降低发动机额定值或减小发动机的功率输出以防止发动机损伤；和/或（5）通知操作员存在问题。如本领域技术人员将理解的，控制器31也可以被程序化为采取其它校正动作。

Claims (10)

1.一种用于检测液体燃料泄漏到用于内燃发动机的双燃料***的气体轨内的方法，所述方法包括：

从控制器发送喷射信号至燃料喷射器；

将气体燃料和液体燃料喷射到气缸内用于燃烧；

检测在喷射之后的预定时间段内气体轨中的压力；

测量在预定时间段内气体轨中的压力波动；以及

如果气体轨中的压力波动超出预定量，则采取至少一种缓解动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种缓解动作包括确定液体燃料泄漏到气体轨内的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种缓解动作包括进入仅液体燃料操作模式。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，仅液体燃料操作模式的进入包括关闭设置在气体燃料箱和气体轨之间的隔离阀。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种缓解动作包括减小发动机的功率输出。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种缓解动作包括向操作员发送指示失灵的信号。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种缓解动作包括向操作员发送指示出现了液体燃料泄漏到气体轨内的信号。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，气体燃料是液化天然气（LNG）。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，液体燃料是柴油。

10.一种用于检测液体燃料泄漏到双燃料内燃发动机的气体燃料供应内的***，所述***包括：

气体轨，所述气体轨联接至压力传感器，所述气体轨与燃料喷射器的气体喷嘴室连通，用于将气体燃料输送至气体喷嘴室；

液体轨，其与燃料喷射器的液体喷嘴室连通，用于将液体燃料输送至液体燃料室；

连结至压力传感器的控制器，所述控制器具有被程序化为接收来自压力传感器的信号并确定气体轨中的压力是否波动超出预定量的存储器，所述存储器还被程序化为在气体轨中的压力波动超出预定量时启动缓解动作。