CN105026736A - 具有可变孔口的发动机控制*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于发动机(12)的控制***(18)。所述控制***可具有：第一气体燃料喷射器(36)，其配置为将气体燃料注入与至少第一汽缸(22)相关联的第一进气通道(30)；和第二气体燃料喷射器(38)，其配置为将气体燃料注入与至少第二汽缸(22)相关联的第二进气通道(32)。所述控制***还可具有设置于所述第一气体燃料喷射器上游的所述第二进气通道内的可变孔口(70)。所述控制***可另外具有传感器(72)，其配置为提供指示所述发动机的性能参数的信号；和控制器(68)，其电子式连接到所述可变孔口和所述传感器。所述控制器可配置为基于所述信号移动所述可变孔口以调整所述第一进气通道和所述第二进气通道中的空燃比。

Description

具有可变孔口的发动机控制***
技术领域
本发明涉及一种发动机控制***，且更具体地说涉及一种具有可变孔口的发动机控制***。
背景技术
气体燃料发动机已经发展成为仅柴油发动机的成本高效的替代发动机。这些发动机单独使用或与液体燃料组合使用气体燃料(例如天然气)以产生机械输出。气体燃料发动机的一个控制方面是输送到发动机汽缸中用于燃烧的混合物中空气与燃料(空气/燃料)的比率。空燃比影响发动机性能，包括产生的动力的量以及被排放的排气的性质。对于一些发动机来说，空气输送***被优化成用于在特定空燃比以及在较高负荷下的高发动机输出。然而，由于不能调整空气输送***，这些气体燃料发动机可能很难在低负荷下保持有效空燃比，包括在发动机怠速期间难以保持有效空燃比。
在1977年6月21日授予Hata的第4,030,293号美国专利案(“′293专利案”)中公开了一种发动机的实例，所述发动机具有能够调整空燃比的***。′293专利案公开了一种发动机，其具有连接到进气歧管的两组汽缸。发动机包括化油器，其通过进气歧管将空气/燃料混合物馈送到汽缸。进气歧管包括挡板，其被配置为用于阻挡空气/燃料混合物流向第一组汽缸，从而减少到所述汽缸的未汽化燃料流。所导致的未汽化燃料流的减少引起输送到第一组汽缸的空气/燃料混合物更加稀薄，而输送到第二组汽缸的空气燃料混合物更加浓厚。
虽然′293专利案的***可以允许对输送到不同组汽缸的空气/燃料混合物进行一定控制，但还没有达到最佳。特别是，′293专利案涉及对包括未汽化成分的空气/燃料混合物进行控制，其可以限制所述***在气体燃料发动机中的作用。此外，′293专利案还涉及调整空燃比，以获得更稀薄的混合物，从而减少排放。然而，在更稀薄混合物过于稀薄而导致发动机无法有效运行的情况下，所述混合物可能对于处于低负荷的气体燃料发动机没有帮助。
本发明旨在克服上述一或多个问题和/或现有技术中的其他问题。
发明内容
在第一个方面中，本发明涉及一种用于发动机的控制***。所述控制***可以包括第一气体燃料喷射器，其配置为将气体燃料注入与至少第一汽缸相关联的第一进气通道，和第二气体燃料喷射器，其配置为将气体燃料注入与至少第二汽缸相关联的第二进气通道。所述控制***还可以包括可变孔口，其被布置在位于第一气体燃料喷射器下游的第二进气通道内。所述控制***另外可以包括配置为提供指示发动机的性能参数的信号的传感器以及电子式连接到可变孔口和传感器的控制器。所述控制器可以配置为基于信号移动可变孔口，以调整第一进气通道和第二进气通道中的空燃比。
在另一个方面中，本发明公开了一种用于控制发动机的空燃比的方法。所述方法可以包括将增压空气并行地引导进入第一进气通道和第二进气通道中。所述方法还可以包括将气体燃料注入到第一进气通道和第二进气通道中的每一者中。所述方法可以另外包括移动可变孔口以选择性地限制增压空气流仅通过第二进气通道，从而影响第一进气通道和第二进气通道中的空燃比。
附图说明
图1为示例性公开的动力***的示意图；以及
图2为另一示例性公开的动力***的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有发动机12的动力***10。动力***10可以包括配置为引导空气和燃料进入到发动机12中的进气***14、配置为引导排气从发动机12排出的排气***16，以及配置为监视及控制进气***14和排气***16的控制***18。出于本发明的目的，将发动机12图示并且描述为气体燃料发动机，其可以包括仅由气体燃料(例如，天然气、甲烷等)提供动力的发动机和由气体燃料与液体燃料(例如，柴油)的组合提供动力的双燃料发动机。发动机12可以包括至少部分地限定多个汽缸22的发动机组20。活塞(未示出)可以可滑动地设置在每个汽缸22内以在上止点位置与下止点位置之间往复运动，并且汽缸盖(未示出)可以与每个汽缸22相关联。汽缸22、活塞和汽缸盖可以形成燃烧室24。在图示的实施例中，发动机12包括布置到第一排26和第二排28中(例如，布置成V型构造)的十二个这种燃烧室24。然而，如果需要的话，可以设想，发动机12可包括布置成直列式构造或者布置成任何其他常规构造的更多或者更少数量的燃烧室24。
发动机12可以是二冲程、四冲程、六冲程或者至少部分地依靠气体燃料运行的其他类型的发动机。随着在动力、排气、进气与压缩冲程之间的活塞循环，燃料在汽缸22内的燃烧可以转动曲轴(未示出)以产生机械动力。燃烧所需的气体燃料和空气可以通过连接至第一排26的第一进气通道30、连接至第二排28的第二进气通道32和共用进气通道40供应至每个汽缸22。第一进气通道30和第二进气通道32可各自包括一个或多个通道，所述通道将共用进气通道40与第一排26和第二排28中的每个汽缸22流体连接。例如，第一进气通道30可以包括将共用进气通道40与汽缸22的第一排26流体连接的第一进气歧管，并且第二进气通道32可以包括将共用进气通道40与汽缸22的第二排28流体连接的第二进气歧管。输送至汽缸22的空气/气体燃料混合物可以要求用于燃烧的点火源以发生燃烧。在其中发动机12是双燃料发动机的一个实施例中，压缩点火燃料(例如，柴油燃料)可以经由液体燃料喷射器34注入到汽缸22中，以启动空气/气体燃料混合物的燃烧。在另一个实施例中，电火花可以被用作点火源。
进气***14可以包括配置为将气体燃料诸如到第一进气通道30和第二进气通道32中的多个气体燃料喷射器36、38。例如，气体燃料喷射器36、38可以包括配置为将气体燃料注入到第一进气通道30中的第一燃料喷射器36，以及配置为将气体燃料注射到第二进气通道32的第二燃料喷射器38。第一进气通道30和第二进气通道32可以将气体燃料连同增压空气流输送至汽缸22。在其他实施例中，多个气体燃料喷射器可以配置为将气体燃料单独地注入到每个汽缸22中。
进气***14可以进一步包括被配置为将增压空气引入到发动机12中的部件。例如，进气***14可以包括压缩机44。压缩机44可以体现为固定排量式压缩机、离心式压缩机，或者配置为接收来自流体通道46的空气并且在空气进入发动机12之前将空气压缩至预定压力级别的任何其他类型的压缩机。压缩机44可以经由共用进气通道40和第一进气通道30及第二进气通道32连接至发动机12，并且可以由曲轴(未示出)或者一些其他装置来机械地提供动力。
排气***16可以包括被配置为管理从发动机12到大气的排气的部件。具体地，排气***16可以包括与燃烧室24流体连通的第一排气通道50和第二排气通道52、共用排气通道56和与共用排气通道56相关联的涡轮机58。第一排气通道50和第二排气通道52可各自包括将汽缸22的第一排26和第二排28与共用排气通道56流体连接的一个或多个通道。例如，第一排气通道50可以包括将汽缸22的第一排26与共用排气通道56流体连接的第一排气歧管，并且第二排气通道52可以包括将汽缸22的第二排28与共用排气通道56流体连接的第二排气歧管。可以利用从排出发动机12的排气中去除的能量来压缩输入的空气。具体地，压缩机44和涡轮机58可以一起形成由来自共用排气通道56的排气驱动的涡轮增压器60。
图2描绘另一示例性动力***10，其中排气***16也可以包括排气再循环(EGR)电路53。EGR电路53可以进一步包括协作地将发动机12产生的排气的一部分从第一排气通道50以及第二排气通道52重引导到进气***14的部件。具体地，EGR电路53可以包括主要EGR通道54，其具有一个或多个进气口62和排气口64。EGR电路53也可以包括辅助EGR通道66，其将第一排气通道50流体连接到第二进气通道32。进气口62可以流体连接到第一排气通道50和第二排气通道52，以接收与涡轮机58并联的高温高压排气(即，接收还没有通过涡轮机58的排气)。排气口64可以将排气排放到进气***14中，例如，通过共用进气通道40排放到第一进气通道30和第二进气通道32两个通道。辅助EGR通道66可以接收来自于汽缸22的第一组26的一些高压排气，并且通过第二进气通道32将排气仅分配到汽缸22的第二组28。
如图1和图2所示，控制***18可以包括被配置为控制向汽缸22输送空气、燃料和排气的部件。具体地，控制***18可以包括与可变孔口70连通的控制器68、液体燃料喷射器34，以及第一气体燃料喷射器36及第二气体燃料喷射器38。控制器68可以配置为基于来自于一个或多个传感器72的信号电子式管理空气、燃料以及排气的流动。
控制器68可以包括一个或多个计算装置，例如一个或多个微处理器。例如，控制器68可以体现为能够控制许多机器或发动机功能的通用微处理器。控制器68还可以包括运行应用程序所需的所有部件，例如，计算机可读存储器、辅助储存装置以及处理器(例如中央处理单元)或任何其他已知装置。各种其他已知的电路可以与控制器68相关联，包括电源和其他合适电路。
可变孔口70可以设置在第二进气通道32内，并配置为调整穿过第二进气通道32的空气与排气流(参考图2)。可变孔口70可以是通过控制器68可选择性移动的装置，用于调整第二进气通道32的有效横截面积。可变孔口70可以是节流型装置，例如挡板、闸门、蝶阀、可调孔或任何其他可变的限流装置。
如图1的示例性实施例所示，单个可变孔口70可以位于第二进气通道32内，在所述位置的下游处，共用进气通道40分支成第一进气通道30和第二进气通道32。如图2的实施例中所示，可变孔口70也可以位于下游，其中主要EGR通道54将再循环的排气输送到共用进气通道40中。在两个实施例中，可变孔口70可以位于气体燃料喷射器36、38的上游。这样，可变孔口70可以被布置为限制穿过第二进气通道32的增压空气(以及再循环排气)流。穿过第二进气通道32的空气流减小可以导致穿过第一进气通道30的空气流增加。因此，可变孔口70的运动选择性地限制仅流经第二进气通道32的增压空气可以对第一进气通道30和第二进气通道32中的空气输送进行调整，从而影响第一进气通道30和第二进气通道32中的空燃比。例如，可变孔口70的运动可以增加穿过第一进气通道30的空气流(增加空燃比以保持稳定燃料量)，并且减少穿过第二进气通道32的空气流(减少空燃比以保持稳定燃料量)。虽然图1中仅描绘了一个可变孔口70，但是可以设想，实施任何数量或可变孔口70作为进气***14和控制***18的一部分。
传感器72可以采用设置在发动机12之上或附近的形式。传感器72可以配置为将反馈和/或前馈信号提供到控制器68，以控制动力***10。例如，传感器72可以配置为测量发动机12的速度和/或动力***10产生的排气的成分。也就是说，可以提供两个传感器72，包括发动机速度传感器72A以及氧气传感器72B，所述氧气传感器被配置为检测第一排气通道50和第二排气通道52中的氧气量。
工业实用性
所公开的控制***18可实施为其中可需要控制流动和多种流体的混合比的任何动力***应用。所公开的控制***18可尤其用于管理进入发动机12的燃料、空气和/或排气流。具体地说，示例性公开的控制***18可允许控制空气、燃料，和/或排气流入汽缸22(例如，第一组26和第二组28)的不同子集，用于在不同组内产生不同的操作和性能特性。此能力可在所有负荷下帮助提高动力***效率。下文描述使用控制***18的各种策略。
在一个示例性控制策略中，控制***18可用于减少汽缸22内燃烧事件的数量，使低负荷状态与优化用于较高负荷状态的空燃比相匹配。例如，当发动机12在较高负荷下***作时，控制器68可调整可变孔口70至开启位置，以便使进入第一进气通道30及第二进气通道32的空气流大致相等。此外，控制器68可根据特定的调度引导气体燃料喷射器36、38注入一定量的燃料，用于在较高负荷下为发动机12产生高效空燃比。以此方式，发动机12可调谐到在较高负荷下有效运行，并且很少或没有可变孔口70对空气流的限制。
然而，由于发动机12上的负荷改变并开始减小，控制***18可确定可变孔口70应移动以限制通过排气通道50的空气流，并且燃料喷射器34、36、38的时序和/或喷射燃料的量应当被调整。此控制策略可基于来自传感器72的信号(例如来自速度传感器72A的信号)而管理。例如，对于给定的发动机速度，控制器68能够确定应引导入第一进气通道30及第二进气通道32中的每一者中的空燃比。
随着负荷减小，来自速度传感器72A的信号(例如，指示发动机12的速度高于阀值)可指示控制器68输送至每一汽缸22的空燃比可能需要增加，因为用于有效燃烧的混合物过于稀薄。在低负荷下，对有效燃烧来说每一汽缸22上的部分负载可能过低。例如，在一个或多个汽缸22内燃烧可能效率低(或根本未发生)，例如，空燃比大于约2(即，对于特定燃料约2x的计量空燃比)。
为了解决这个问题，控制器68可降低至一些汽缸22(例如第二组28中的那些汽缸)的空气流并且将空气重引导至其他汽缸22(例如第一组26中的那些汽缸)。空气流的减少可允许浓度较高的空燃比并且，因此更有效地燃烧。因此，当发动机12遭受较低负荷或怠速时，控制器68可以被配置为调整可变孔口70以限制空气流进入第二组28，使得由汽缸22的第二组28产生的动力可足以匹配发动机12在较低负荷下的动力需求。以这种方式重引导气流，控制器68可移动可变孔口70以限制增压空气流进入第二进气通道32，从而减少输送至汽缸22的第二组28的空燃比。控制器68可监视来自氧气传感器72B的信号以检测氧气量并且基于氧气量(例如，如果空燃比还未被充分地调整)确定可变孔口70的额外移动是否是必要的。
同时，在一个实例中，接收经重引导的空气的部分或全部的汽缸22可关闭(例如，不向其引导任何燃料)，使得其不被无效率地操作。例如，控制器68可引导气体燃料喷射器36(和相应的液体燃料喷射器34)不为给定发动机循环注入燃料。剩余的空气可通过第一进气通道30流动进入第一组26的汽缸22并且进入第一排气通道50。至少部分的空气将通过共用排气通道56流向涡轮增压器60的动力涡轮机58。因此，汽缸22的第一组26可以用于仅通过发动机12使空气运动。
在另一实例中，第一组26的汽缸22可以跳过烧制，例如通过注入足够的气体燃料量以产生高效的空燃比，但是仅适用于一些发动机循环(即，在其他发动机循环期间跳过燃烧)。因此，可能跳过一些循环(例如，通过不注入燃料或点燃空气/燃料混合物)，而不是多个连续的少量喷射，其导致所有燃烧事件处于低负载和无效的负载下。通过在未跳过的循环期间增加燃料注入量，针对特定负荷的更高效率的燃烧事件是可能的。
随着发动机12上的负荷增加，传感器72A可以示意控制器68第一组26的汽缸22再次需要匹配功率要求。控制器68可以移动可变孔口70以增加通过第二进气通道32的增压空气流。控制器68可以再次监视来自传感器72B的信号以确定空燃比是否已经被充分地调整过。例如，控制器68可以产生移动可变孔口70的信号以允许通过第二进气通道32的更多空气，由此改变到第一进气通道30和第二进气通道32的空气的相对流率。控制器68也可以重新调整气体燃料喷射器36、38和液体燃料喷射器34的时序以与空气流速率匹配，从而在第一进气通道30和第二进气通道32中的每一个中产生所需空燃比。
发动机12可以利用可变孔口70以战略性地控制输送到第一组26和第二组28的每个汽缸22的空燃比。例如，控制器68可以利用控制图以根据来自传感器72的信号所指示的性能参数递增地调整在打开位置和闭合位置之间的可变孔口70以及调整燃料喷射器34、36、38的时序，以产生输送到每一汽缸22的期望的空燃比。
在控制***18的另一个示例性使用中，可以选择性地调整可变孔口70以允许在贫燃料操作和富燃料操作之间的可选操作。例如，可变孔口70可以控制进入汽缸22的第一组26和第二组28中的每一者的空气流速率，以使燃料可被注入进汽缸22的第一组26(而不是将燃料注入汽缸22的第二组28)以用于贫燃料操作模式(由于空气流速率较大)，或燃料可被注入汽缸22的第二组28(而不是将燃料注入进缸22的第一组26)以用于富燃操作模式(由于空气流速率较小)。以这种方式，可选择性地利用发动机12以满足不同的性能特性。
在利用如图2中所描绘的排气***16的另一个示例性控制策略中，控制***18可利用由可变孔口70产生的压力差来通过辅助EGR通道66驱动从第一排气通道50到第二进气通道32的排气。例如，控制器68可以移动可变孔口70以减少通过第二进气通道32的增压空气流和增加通过第一进气通道30的相应流，导致在第一进气通道30和第一排气通道50之间以及在第二进气通道32和第二排气通道52之间产生压力差。
当可变孔口70处于产生驱动排气通过辅助EGR通道66(即，在第一排气通道50中的压力高于在第二进气通道32中的压力)的足够的压力差位置时，可以通过控制器68可选择性地打开辅助EGR通道66。以这种方式，可以将排气分布在汽缸22的第一组26和第二组28之间。在其他实施例中，控制器68可以通过主要EGR通道54调整可变孔口70以分布排气，和/或针对汽缸22的第一组26和第二组28通过辅助EGR通道66以分别控制再循环的排气的量。
将排气独立地分布到汽缸22的第一组26和第二组28可允许更有效的排气分布以用于后续燃烧。例如，来自第一组26(其可由于更稀薄的空气/燃料混合物跳过燃烧循环)的排气可通过压力差分布到第二组28用于后续燃烧。以这种方式可选择性地分布排气可允许整体减少排气，因为可进一步控制空燃比以产生更有效的燃烧(例如，具有减少的排气最终被排到空气中)。
对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明的控制***进行的不同修改及变化。通过考虑本文公开的实施例的说明书和实践，其他实施例对于本领域的技术人员将是显而易见的。本说明书和实例仅仅应被认为是示例性的，其中本发明的真实范围由以下的权利要求书指示。

Claims (10)

1.一种用于发动机(12)的控制***(18)，其包括：
第一气体燃料喷射器(36)，其配置为将气体燃料注入与至少第一汽缸(22)相关联的第一进气通道(30)；
第二气体燃料喷射器(38)，其配置为将气体燃料注入与至少第二汽缸(22)相关联的第二进气通道(32)；
可变孔口(70)，其设置于所述第一气体燃料喷射器上游的所述第二进气通道内；
传感器(72)，其配置为提供指示所述发动机的性能参数的信号；和
控制器(68)，其电子式连接到所述可变孔口和所述传感器，其中所述控制器配置为基于所述信号移动所述可变孔口以调整所述第一进气通道和所述第二进气通道中的空燃比。
2.根据权利要求1所述的控制***，其中所述控制器电子式连接到所述第一气体燃料喷射器和所述第二气体燃料喷射器。
3.根据权利要求2所述的控制***，其进一步包括至少一个液体燃料喷射器(34)，其中所述控制器电子式连接到所述至少一个液体燃料喷射器。
4.根据权利要求1所述的控制***，其中，所述可变孔口设置于空气压缩机(44)的下游。
5.根据权利要求1所述的控制***，其进一步包括主要EGR通道(54)，其流体连接所述第一汽缸的第一排气通道(50)和所述第二汽缸的第二排气通道(52)与所述第一进气通道和所述第二进气通道，其中，所述主要EGR通道配置为将排气从所述第一汽缸和所述第二汽缸引入所述第一进气通道和所述第二进气通道。
6.根据权利要求5所述的控制***，其进一步包括辅助EGR通道(66)，其直接流体连接所述第一排气通道与所述第二进气通道。
7.一种控制发动机(12)的空燃比的方法，其包括：
将增压空气并行地引导进入第一进气通道(30)和第二进气通道(32)中；
将气体燃料注入所述第一进气通道和所述第二进气通道中的每一者中；以及
移动可变孔口(70)以选择性地限制增压空气流仅通过所述第二进气通道，从而影响所述第一进气通道和所述第二进气通道中的所述空燃比。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括调整气体燃料在所述第二进气通道中的注入，以进一步调整所述第二进气通道中的所述空燃比。
9.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括在移动所述可变孔口以关闭所述发动机的汽缸(22)的子集之后，停止将气体燃料注入所述第一进气通道中。
10.根据权利要求7所述的方法，其中将气体燃料注入所述第二进气通道发生在所述可变孔口的下游。
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