CN106194451A - 多燃料发动机和多燃料发动机运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了多燃料发动机和多燃料发动机运行的方法。具体地，公开了一种用于控制多燃料发动机中燃料流量的方法。该方法包括通过至少将映射的体积流量值与输入体积流量值比较确定气体燃料的估计低热值(LHV)，输入体积流量值基于输入功率。该方法还包括确定气体燃料的气体燃料流量率，气体燃料流量率至少基于气体燃料与次级燃料的特定的燃料置换比和气体燃料源的估计LHV。

Description

多燃料发动机和多燃料发动机运行的方法
技术领域
本发明通常涉及内燃机并且尤其涉及可以多种类型的燃料运行的多燃料发动机。
背景技术
多燃料发动机通常是设计用于在运行期间燃烧多种类型的燃料的任意类型的发动机、锅炉、加热器或其他燃烧燃料的装置。这种多燃料发动机可用于多个适用的领域以满足与运行环境相关的特别的运行要求。例如，多燃料发动机可用于军用车辆，从而车辆在多个部署位置中可充分利用各种不同的备选的燃料，例如汽油、柴油或航空燃料。在可供更廉价的燃料源(例如天然气)，但是出于性能原因(例如，对短期负荷需求更快速的反应)需要备选或次级燃料(例如柴油燃料)作为备用的情况下，当发生首级燃料源供应中断或者对于其他运行或发动机性能状况，尤其需要多燃料发动机。
通常，多燃料发动机可以可用燃料的指定的混合物运行。如果只规定液体燃料混合物，则将液体燃料(例如，柴油燃料、汽油或者任意其他液体碳氢化合物燃料)直接喷射进入发动机气缸或者预燃室中，作为燃烧期间的唯一能量源。当规定是液体和气体燃料混合物时，可将气体燃料(例如，天然气、甲烷、乙烷、戊烷或者任意其他合适的液体碳氢化合物燃料)在气缸的进气道与空气混合，并且以根据指定置换比的量将少量或者先导量的液体燃料喷射进入气缸或者预燃室中，以点燃空气和气体燃料的混合物。
一些多燃料发动机已设计具有发动机转速控制器，其作用于转速误差以设置燃料率。对于可以多种燃料运行的发动机，基于燃料分数或者要求的燃料比例设置多种燃料率。但是，上述典型的转速控制器(例如，比例-积分(PI)控制器)只可设置单种燃料的燃料率。在这种情况下，每种燃料的每个PI控制器将对于相应的燃料设置单独的燃料率，而忽视供应发动机动力的其他燃料；犹似其他燃料不存在。这些需要大量设计时间和工作的发动机转速控制器需要多个PI控制器，并且也包括复杂的切换策略以保障整体可靠设计。
因此，已开发多燃料发动机控制策略以简化确定可用于发动机的多个燃料的燃料流量率的过程。例如在申请号为13/919，166的美国专利中(“Fuel Apportionment forMulti-fuel Engine System”)已公开了这种控制策略。在上述公开文本中，公开了多燃料发动机控制策略，其使用PI控制器确定发动机运行的输入功率并且使用燃料分配模块确定每种燃料的燃料流量率。这种燃料分配模块的分配可基于指定的燃料比例和要求的输入功率。控制***执行分配多种燃料，而不需要多个PI控制器。
但是，当在多燃料发动机中使用气体燃料作为一个或多个燃料源时，某一种或多种燃料中包含的相关能量必然影响发动机性能。因此，在多燃料发动机中存在考虑这种变化的燃料能级的需求。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种用于多燃料发动机中控制燃料流量的方法。多燃料发动机至少由气体燃料源和次级燃料源提供动力。本方法可包括确定输入功率，以使多燃料发动机以要求的发动机转速运行。本方法还可包括至少基于输入功率和分配次级燃料源和气体燃料源的指定燃料置换比确定次级燃料源的次级燃料流量率。本方法还可包括至少通过将映射的体积流量值与输入体积流量值相比较确定气体燃料的估计低热值(LHV)，输入体积流量值基于输入功率。本方法还可包括确定气体燃料的气体燃料流量率，气体燃料流量率至少基于指定的燃料置换比和气体燃料源的估计LHV。
根据本发明的另一方面，公开了一种多燃料发动机。本多燃料发动机可至少由气体燃料源和次级燃料源提供动力。本多燃料发动机可包括：至少一个气缸；燃料喷射器，其在运行时与至少一个气缸相关联；和燃料控制阀，其在运行时与至少一个气缸相关联。本多燃料发动机可包括：发动机转速控制器，其能够输出表示要求的发动机转速的发动机转速控制信号；转速控制器，其用于至少基于要求的发动机转速确定输入功率；和燃料混合输入控制器，其用于提供气体燃料源和次级燃料源的指定燃料置换比。本多燃料发动机还可包括低热值(LHV)预估器，该LHV预估器至少通过将映射的体积流量值与输入体积流量值相比较确定气体燃料的估计LHV，输入体积流量值基于输入功率。本多燃料发动机还可包括燃料分配模块，其用于至少基于输入功率和指定燃料置换比确定次级燃料源的次级燃料流量率，并且用于确定气体燃料的气体燃料流量率，气体燃料流量率至少基于指定燃料置换比和气体燃料源的估计LHV。本多燃料发动机还可包括：第一执行器，其用于指导燃料控制阀以气体燃料流量率输出气体燃料至多燃料发动机；和第二执行器，其用于指导燃料喷射器以次级燃料流量率输出次级燃料至多燃料发动机。
根据本发明的又一方面，公开了一种用于多燃料发动机中动态确定气体燃料的低热值(LHV)方法。本多燃料发动机可至少由气体燃料和次级燃料提供燃料。本方法可包括从与多燃料发动机相关的控制器接收多燃料发动机的计算的体积流量值，并且从与多燃料发动机相关的发动机转速传感器接收测量的发动机转速。本方法还可包括基于传感器的输入确定多燃料发动机的测量的指示平均有效压力(IMEP)，和基于测量的发动机转速与IMEP确定映射的体积流量值。本方法还可包括将映射的体积流量值与计算的体积流量值相比较以确定体积流量误差并且至少基于体积流量误差确定气体燃料的LHV。
连同附图一起阅读时将更好地理解本发明的这些和其他方面。
附图说明
图1是根据本发明的多燃料发动机***实例的示意性的视图。
图2是电子控制单元和控制部件实例的示意性的框图，其可实施成与图1的多燃料发动机***相关联。
图3是燃料分配***实例的示意性的框图，其根据图2的电子控制单元和图1的多燃料发动机***。
图4是与图3的燃料分配***相关联的燃料分配模块实例的示意性的框图。
图5是与图3的燃料分配***相关联的动态的基于指示平均有效压力(IMEP)的低热值(LHV)预估器的示意性的框图。
图6是一种用于多燃料发动机中控制燃料流的示范性的方法的流程图，该多燃料发动机根据本发明至少由一个气体燃料源和一个次级燃料源提供动力。
图7是一种用于多燃料发动机中动态确定气体燃料的LHV的示范性的方法的流程图，其中，该多燃料发动机根据本发明至少由该气体燃料和一种次级燃料提供燃料。
当关于一些示意性实施例给出以下具体实施方式时，应理解为，附图不必是按比例的并且有时以图解的方式且以局部视图阐明所公开的实施例。额外地，在某些情况下，可忽略对于理解所公开的主旨非必须的细节或者为提供其他细节可忽略难以觉察的细节。因此，应理解为，本发明不限制于在此公开且阐明的特定的实施例，而是限制于整体发明和权利要求以及其任何等效物的正确解读。
具体实施方式
本发明提供了基于气体燃料低热值(LHV)控制并且使多种燃料的分配适应多燃料发动机的***和方法。这种***和方法可基于气体燃料的指示平均有效压力(IMEP)自动地适应气体燃料LHV改变。平均有效压力，通常是涉及发动机运行的量并且可在测量与发动机排量无关的发动机工作能力中非常重要。尤其，指示平均有效压力(IMEP)是从经历发动机循环的缸内压力计算出的平均有效压力。在多燃料发动机中，IMEP可基于在发动机的区域中测量的压力、例如测量发动机气缸处的压力来计算。
燃料在多燃料发动机中的比例可受燃料的低热值(LHV)影响。LHV可理解为所有燃烧产物的焓，减去燃料在参考温度时的焓，减去化学计量比的氧在参考温度时的焓，减去燃烧产物的水汽含量的蒸发热。已知LHV是一定燃料中包含的能量的近似表示。
液体燃料的LHV(例如柴油燃料)通常是恒定的，并且因此，在计算燃料比例时通常不考虑液体LHV的变化。但是，气体燃料的LHV可改变。如果不考虑气体燃料LHV的变化，那么发动机可以错误的液体对气体燃料比例运行和/或LHV的变化可影响发动机的性能和排放。在某些情况下，LHV的变化对发动机来说可是破坏性的。
现在回到附图，并且特别参考图1，显示了多燃料发动机***10。发动机***10可是任意类型的内燃机，包括但是不限制于奥托循环和柴油循环发动机。多燃料发动机***10可包括多燃料发动机12，具有代表气缸14，其是实施在发动机12中的多个气缸14中的一个。尽管只显示一个气缸14，认识到发动机12的气缸14的实际数量是可变的并且发动机12可是直列式、V型或者甚至回转式发动机。布置活塞16用于在气缸14内移动，气缸14包括进气道18和排气道20。气缸还可包括进气门22和排气门24，进气门用于调节在气缸14与进气道18之间的流体连通，排气门用于调节在气缸14与排气道20之间的流体连通。进气道18接收来自进气歧管26的空气并且通至进气通过以后流经的部件、例如空气过滤器(未显示)和涡轮增压器(未显示)。
通常，在本领域中已知一种类型的气体燃料进气阀28，其布置在上游的气体燃料歧管30与下游的进气道18之间。阀28的喷嘴部分可延伸到进气道18中，用于向那里传输气体燃料并且与来自进气歧管26的空气混合。气体燃料歧管30通过燃料路径34连接到气体燃料源32，并且螺线管操控的气体燃料关闭阀36可沿燃料路径34布置。气体燃料源32可提供任意合适的可用于多燃料发动机12的气体燃料，例如天然气、甲烷、乙烷、戊烷或者任何其他气体碳氢化合物燃料。尽管未显示，认识到这种***通常可包括布置在气体燃料源32与气体燃料歧管30之间的平衡调节器，其用于调节在气体燃料进气阀28上游处的气体燃料压力。
发动机12还可包括液体燃料喷射器38，例如用于将液体燃料、例如柴油燃料喷射进入气缸14中的电控泵喷嘴。液体燃料可经由共轨40提供至燃料喷射器38以给发动机12的每个气缸14供应加压的液体燃料，液体燃料从加压的液体燃料源42经由液体燃料路径44输送至共轨40。螺线管操控的液体燃料关闭阀46可沿液体燃料路径44布置以在必要时切断液体燃料流。排气道20将气缸14流体连接至多燃料发动机***10的排放部分(未显示)，以将燃料燃烧产生的排气从气缸14中排出。
多燃料发动机***10的电控模块(ECM)48可连接到气体燃料压力传感器50、到进气压力传感器52，并且到液体燃料压力传感器54。这种压力传感器50，52，54产生压力指示信号并且在现有技术中广泛已知；因此，在此未包括传感器50、52、54的具体描述。温度传感器56、58也分别安装于气体燃料歧管30和共轨40中，以提供温度指示信号给ECM48。压力传感器50、52、54和温度传感器56、58可通过适于发送和/或接收由或者ECM48或者传感器50、52、54、56、58产生的电信号的任何导电通路连接至ECM48。
此外，ECM48操作地连接到气体燃料进气阀28以控制气体燃料进入。ECM48还连接到燃料喷射器38以控制液体燃料流量。就此而言，已知ECM48中包括驱动电路或者软件，用于传输当前的控制信号至气体燃料进气阀28和燃料喷射器38以控制流过那里的相应燃料的流量率。但是，认识到这种驱动电路可实施成独立于ECM48，但是连接到ECM。
在一些实例中，发动机***10可包括指示平均有效压力(IMEP)传感器59，用于确定发动机12的至少一个气缸14的IMEP。IMEP传感器59可使用在气缸14处的压力，与其他测量值一起，确定发动机12的IMEP并且传输代表发动机IMEP的信号至ECM48。IMEP传感器59可传输在气缸14处确定的压力读出信号，从其中ECM48可确定IMEP值。额外地或备选地，IMEP传感器59可传输确定的IMEP信号。此外，发动机转速传感器60与凸轮轴或者发动机12的其他部件相关联，由此可确定发动机转速，发动机转速传感器也可连接到ECM48，用于将发动机转速指示信号传输到那里。
如所示的多燃料发动机***10可以液体燃料模式或者以多燃料模式运行。在液体燃料模式中，在单燃料能量源燃烧期间，当加压的液体燃料通过燃料喷嘴38被喷射进入发动机气缸14中时，气体燃料进气阀28保持关闭。在多燃料模式中，来自气体燃料源32的气体燃料通过气体燃料进气阀28被排入进气道18并且与来自进气歧管26的空气混合，并且少量或者先导量的加压液体燃料在燃料喷射器38处被喷入气缸14中，以点燃空气和气体燃料的混合物。本领域技术人员将理解在图1中显示且在这里描述的多燃料发动机***10的结构仅为示范性的，并且可以设想到其他结构用于实施根据本发明的多燃料发动机控制策略。例如，可设置多燃料发动机***10由额外类型的气体和液体燃料供能，并且可设置多燃料发动机控制策略以允许根据发动机12要求的输入功率指定在可行的燃料中进行分配的置换比。
图2说明了ECM48的示范性的结构，其可实施在多燃料发动机***10中以控制发动机12的运行，并且控制燃料分配以提供要求的功率给发动机12，必要时，控制与多燃料发动机***10集成的其他***的运行。ECM48可包括处理器70，用于执行具体程序，以控制并且监视各种与***10相关的功能。处理器70与存储器72相关联，例如只读存储器(ROM)74(用于存储一个或多个程序)和随机存取存储器(RAM)76(用作工作存储器区域)，用于执行存储在存储器72中的一个或多个程序。当提及处理器70时，通常，作为处理器，它可实施成使用多种电子部件中的一种或多种，例如微存储器、微控制器、ASIC(专用集成电路)芯片或者任意其他集成的电路装置。
ECM48电连接多燃料发动机***10的控制元件，也电连接至用于指令发动机12运行并且监视其性能的多个输入装置。结果，ECM48可电连接至压力传感器50、52、54、温度传感器56、58、IMEP传感器59和发动机转速传感器60，如以上所讨论地接收涉及发动机12的运行条件的参数数值指示信号。ECM48可也电连接至输入装置，例如发动机转速控制器80、燃料特性输入控制器82和燃料混合输入控制器84。当要求产生对于可用的燃料的所要求分配必要的发动机转速时，随着运行发动机12的指令，多燃料发动机***10的操作者可操纵控制器80、82、84以产生并且传输控制信号至ECM48。发动机转速控制器80可是任意类型的输入装置，其允许操作者指定发动机12需运行在哪个转速以提供对于执行所要求的任务必要的输出。例如，发动机转速控制器80可是汽车或者挖掘机的油门踏板、飞机的推力杆、或者其他合适用于指定发动机12的转速的输入装置。
燃料特性输入控制器82可是任意适合的输入装置，其允许操作者、技术员或者其他多燃料发动机***10的使用者输入关于***10可使用的燃料的特性信息。燃料特性数据输入可包括任何对于***10确定燃料量必须的数据，该燃料量对于在发动机12中产生一定量的功率以满足如下还将讨论确定的功率要求是必须的。对于可用于发动机12的燃料，可规定燃料特性数据的实例，包括燃料的密度或特定的比重、燃料燃烧释放的热、例如，表示每单位质量或体积燃料释放出的能量的原始低热值(LHV)等等。燃料特性输入控制82可是计算终端或者其他类似的连接到ECM48的输入装置，允许使用者输入燃料特性数据并且将数据传输至ECM48。在备选的实施例中，燃料特性输入控制器82可是远程计算装置或者计算***，其经由网络连接从远程位置、例如中央控制中心将燃料特性数据传输至多燃料发动机***10，连同ECM48一起管理***10的运行。此外，作为备选，燃料特性输入控制器82可是外部储存装置，例如磁性、光学或者固态储存装置，燃料特性数据储存于储存装置上并且当外部储存装置连接至ECM48时，燃料特性数据下载至ECM48。此外，用于输入燃料特性数据并将数据传输至ECM48的备选的装置(其可是直接连接或者无线连接)，对于本领域技术人员来说是显而易见的并且被发明者认为在根据本发明的多燃料发动机***中有用。
燃料混合输入控制器84可是任意合适的输入装置，其允许多燃料发动机***10的操作者、技术员或者其他使用者输入关于分配***10可用的燃料的信息。在燃料混合输入控制器84处的燃料混合数据输入可指定每个可用的燃料的燃料置换比或者使用的分数，以满足对于使发动机12运行在发动机转速控制器80处指定的发动机转速必要的所要求的发动机转速输入功率。例如，在以气体燃料(例如天然气)和液体燃料(例如柴油燃料)运行的双燃料发动机中，可要求气体燃料提供80％的功率供给并且液体燃料提供剩余的20％的功率供给。在这种情况下，20％或者0.20的置换比，可在燃料混合输入控制器84处输入并且储存于ECM48处，从而液体燃料将置换气体燃料并且提供20％的功率。在此，可实现更多种燃料，可针对每种燃料输入燃料置换比或者分数，而单个的置换比总计为100％或者1.00，从而单种燃料供应的功率合计为发动机12要求的总输入功率。燃料混合输入控制器84可是如以上所讨论的那样类似的用于燃料特性输入控制器82的输入装置。在一些实施例中，输入控制器82、84可实施在相同的输入装置中、例如位于操作者站内部并且具有允许操作者输入燃料特性数据和燃料混合数据的一系列屏幕的图形用户界面。
ECM48也可电连接至执行器和传输控制信号至执行器以使多燃料发动机***10的多个元件运转。因此，用于流体流量控制装置的执行器例如气体燃料进气阀28、液体燃料喷射器38和关闭阀36、46可连接至ECM48并且接收来自ECM48的控制信号以操作相应的阀28、36、46和燃料喷射器38来控制气体和液体燃料流量。***10的备选的实施方案可允许发动机12由额外的可用的燃料提供动力。在那些实施方案中，可安装额外的燃料控制阀86和关闭阀88，以用于控制***10的额外的燃料(至多n种)的流量。
图2的ECM48和附属的控制元件可用于实施多燃料发动机***10的燃料分配控制***，可根据在燃料混合输入控制器84处提供的燃料混合数据提供燃料至发动机12。如从图3至图5的示意性的图示可见，可对ECM48进行编程以包括多个控制模块(在ECM48的虚线内的方框所说明的)，用于实施燃料分配控制策略逻辑操作。尽管如在单个ECM48内包含的那样显示，必要时基于特定实施方案的要求，图3至图5的控制模块可分布于多燃料发动机***10的多种处理元件中。但是，针对图示的目的，在此，ECM48作为单个处理元件讨论。
燃料分配***可始于ECM48的加法器90处。加法器90可执行比较发动机12所要求的转速(作为来自发动机转速控制器80的要求的转速控制信号输入)与当前测量的发动机转速(当前发动机转速由发动机转速传感器60提供给ECM48)。加法器90可从要求转速中减去测量的发动机12转速以确定转速误差。转速误差可具有正值，如果发动机12运行低于要求转速；转速误差可具有负值，如果发动机12运行高于必须的转速。由于来自发动机转速控制器80的要求的转速变化，或者由于诸如发动机12的负荷或扭矩变化引起的由发动机转速传感器60测量的发动机12实际转速改变可导致发生转速误差。
可将计算的转速误差从加法器90传输至ECM48的单个比例-积分(PI)控制器92。可设置PI控制器92使用要求的转速和转速误差来确定由可用的燃料提供的输入功率，引起测量的发动机转速以在PI控制器92的结构中指定的响应速度朝要求的发动机转速上升或下降。用于计算发动机12的输入功率的PI控制器92的特定程序在本领域技术人员的理解范围内，因此在此不提供PI控制器编程方法的具体讨论。需注意到，PI控制器的使用也是示范性的，并且能够确定发动机12的输入功率的其他类型的控制器和控制计算方法可实施于根据本发明的燃料分配控制策略中。
燃料分配模块100可连同其它输入数据一起使用由PI控制器92确定的发动机12的输入功率，以在可用的燃料之间分配功率需求。燃料分配模块100可也使用燃料特性输入控制器82和燃料混合输入控制器84处的数据输入来确定将提供给发动机12的每种燃料的量。额外地或备选地，关于燃料特性的数据可储存在ECM48的存储器72中。例如，n种可用燃料中的每个在燃料特性输入控制器82处的燃料特性数据输入包括第i种燃料的以低热值LHVi形式测量的燃料的化学能量含量或者燃料质量、测量燃料密度、例如质量密度Di或者比重SGi，和对于通过计算分配准确调节燃料流量必须的任意其他燃料特性数据。
在燃料分配模块100的普遍的实施例中，对于n种燃料分配策略，在燃料混合输入控制器84处输入的燃料混合数据表示由n种可用燃料中每种燃料提供的输入功率的份额。为了改善在多燃料发动机12中使用额外的或备选的燃料的适应性，可设置***10允许操作者针对n种燃料中的每种燃料在燃料混合输入控制器84处输入燃料置换比FSRi。每个燃料置换比FSRi可具有在0.00和1.00之间的数值，表示要求由相应的燃料提供的输入功率的份额。为了保证由燃料提供100％的输入功率要求，并且不提供过多的燃料给发动机12，可设置ECM48和燃料混合输入控制器84限制输入的燃料置换比值FSRi满足该公式：
Σ i = 1 n FSR i = 1 - - - ( 1 )
如下将讨论的，燃料置换比值FSRi等于0.00表示不使用第i种燃料提供功率给发动机12，并且燃料置换比值FSRi等于1.00表示第i种燃料提供100％的输入功率给发动机12，而不置换任意其他可用的燃料。
当将输入功率从PI控制器92传输至燃料分配模块100(例如总燃料体积流量)时，燃料分配模块100检索对于分配可用的燃料必要的燃料特性和燃料混合数据。燃料分配模块100基于以下公式使用数据确定每种燃料的质量流量率
m · i = FSR i × I n p u t P o w e r LHV i - - - ( 2 )
其中，FSRi是第i种燃料的无单位燃料置换比，输入功率(Input Power)是指令从PI控制器92传输的功率，具有的单位是能量每单位时间，并且LHVi是第i种燃料的低热值，具有的单位是能量每单位质量。公式(2)产生的质量流量率是要求提供所需份额的指令功率给发动机12的每个第i种燃料的每单位时间质量。
在确定每个可用燃料的质量流量率后，燃料分配模块100确定燃料流量控制装置的执行器(例如，气体燃料进气阀28、液体燃料喷嘴38和/或燃料n控制阀86)的指令的格式，以引起装置提供所需质量流量给发动机12。可设置燃料分配模块100将每个质量流量率转换成控制信号，该控制信号将引起相应的燃料流量控制装置以合适的速率输出燃料。在燃料分配模块100中的转换可包含查询表，利用额外的燃料特性的转换公式，或者对于产生控制信号必须的任意其它合适的转换逻辑操作。
如在图3所示的那样，燃料分配模块100可传输分离的控制信号给每个燃料流量控制装置。因此，可将气体燃料指令传输至气体燃料进气阀28以引起阀28打开到对于添加适量的气体燃料给进气道18和气缸14的进气必须的位置。类似地，可将液体燃料指令传输给液体燃料喷射器38以引起喷射所需要的液体燃料量进入气缸14的燃烧室中。对于直至第n种的每种附加可用的燃料，燃料分配模块100传输燃料指令至相应的燃料n控制阀86。对于每种具有燃料置换比FSRi为零并且相应的质量流量率为零的燃料，燃料分配模块100传输燃料指令引起相应的燃料流量控制装置阻止燃料流至发动机12。
在示范性的多燃料发动机12中，发动机12首先可以天然气运行并且可使用柴油燃料作为后备或者次级燃料源以给发动机12供以动力或者提供先导量的燃料以点燃气体燃料和空气的混合物。在这些多燃料发动机12中，可修改燃料分配控制策略以符合发动机12的设计并且准确地使用两种燃料给发动机12提供动力。在图4至图5中显示的示范性的控制元件，其更详细地示出燃料分配模块100和基于动态IMEP的LHV预估器120，用于主要使用柴油燃料源和天然气燃料源运行的多燃料发动机。
回到图4，燃料分配模块100从PI控制器92中接收总体积流量指令并且输入总体积流量至到功率变换模块102的体积流量。然后到功率变换模块102的体积流量将总体积流量转换成总功率指令用于输入到功率分配模块104。功率分配模块104从例如燃料混合输入控制器84中接收至少一个燃料置换比(FSR)。在发动机12设计仅用于两种燃料的情况下，单个燃料置换比FSR可用于表示置换首级燃料源的次级燃料源的量。因此，在示范性的天然气/柴油燃料双燃料发动机12中，燃料置换比FSR等于20％或0.20，例如，可在燃料混合输入控制器94处指定以80％天然气/20％柴油燃料的分配给发动机12供应动力。
然后功率分配模块104可输出柴油功率指令至柴油质量流量模块106并且输出气体功率指令至气体质量流量模块108。在燃料特性输入控制器82处，操作者可在其他相关的燃料特性数据中输入天然气供应的起始低热值LHVGi和比重SGG，并且输入柴油燃料的低热值LHVD和比重SGD。在燃料混合输入控制器94处输入的燃料混合数据表示由天然气和柴油燃料提供的输入功率的份额。
在双燃料发动机的实例中，也可修改在燃料分配模块100处执行的燃料的质量流量率的计算方案以考虑使用两种燃料和输入单种燃料置换比FSR。在这种实施方案中，可将公式(2)修改成分别的首级燃料质量流量率公式和次级燃料质量流量率公式。柴油质量流量模块106可确定次级柴油燃料质量流量率可如下计算所谓的燃料质量流量率
m · D = F S R × I n p u t P o w e r LHV D - - - ( 3 )
然后将质量流量率输出至柴油体积流量模块110以确定柴油体积流量率vD，执行器使用柴油体积流量率指令液体燃料喷射器38基于FSR提供合适的液体燃料分配。
回到燃料分配的气体部分，气体质量流量模块108也从功率分配模块104接收FSR。在气体质量流量的计算方案中，气体质量流量模块108可使用(1-FSR)确定来自气体的功率份额；因此，来自液体燃料的功率份额(FSR)和来自气体燃料(1-FSR)的功率份额相加将等于1(100％)。此外，气体质量流量模块108可接收效率调节，其可作为因素在计算期间在输出气体质量流量(mG)中考虑。用于确定首级天然气质量流量率的一般公式可如下使用单种燃料置换比FSR:
m · G = ( 1 - F S R ) × I n p u t P o w e r LHV G e - - - ( 4 )
在公式4中，使用气体燃料低热值估计值(LHVGe)，将其通过基于动态IMEP的LHV预估器120输入气体质量流量模块108。
在图5中更详细地显示基于动态IMEP的LHV预估器120。基于动态IMEP的LHV预估器从第一PI控制器92接收总体积流量的输入并且比较总体积流量与映射的总柴油流量，以确定体积流量的误差。然后将体积流量误差用于基于动态IMEP的LHV预估器的第二PI控制器122以确定气体燃料的气体LHV估计值(LHVGe)。
为了确定映射的柴油流量，基于动态IMEP的LHV预估器120包括模块124，其从发动机转速传感器60接收测量转速的输入并且从IMEP传感器59接收发动机12的当前循环的IMEP值。映射的总柴油流量模块124包括由发动机12以纯柴油模式运行时的总体积流量值构成的表。在模块124内的数据使总体积流量值与给定的发动机转速值和IMEP值相关。模块124使用输入测量的转速值和IMEP值并且确定当前发动机循环的总柴油流量。然后，将确定的总柴油流量供应给加法器126，其中，确定的总柴油流量与来自第一PI控制器92的总体积流量相比较，确定体积流量误差。在一些实例中，基于动态IMEP的LHV预估器120可包括低通滤波器126，用于保证在与由第一PI控制器92计算的总体积流量输出相同的转速处计算输出总柴油流量。
然后将体积流量误差输入第二PI控制器122。第二PI控制器122使用体积流量误差确定LHVGe值，使用LHVGe值修正气体燃料质量流量中由于气体低热值波动产生的差异。如果气体LHVGe是期望值(例如，天然气的正常LHV)，那么误差应为零，意味着LHVGe值将等于天然气的正常LHV。但是，如果体积流量误差不为零，那么将改变LHVGe值以或者升高或者降低天然气的输出，原因在于由于气体LHV改变导致差异。如果体积流量误差大于零，那么气体质量流量将低于期望气体质量流量。备选地，如果体积流量误差小于零，那么气体质量流量将低于期望气体质量流量。ECM48将继续更新LHVGe直至误差为零。
使用公式(3)和(4)，质量流量率应100％符合从PI控制器92输出的指令输入功率。基于质量流量率燃料分配模块100将产生合适的控制信号并且分别传输相应的气体燃料指令和液体燃料指令至气体燃料进气阀28和液体燃料喷射器38。
图5显示了一种用于控制多燃料发动机12中的燃料流量的方法200的实例框图。在实例方法200中，由气体燃料源(例如碳氢化合物燃料例如天然气)和次级燃料源(例如液体燃料例如柴油燃料)给多燃料发动机12提供动力。可使用(与多燃料发动机12和ECM48相关的)硬件和/或(由例如ECM48的处理器70执行的)软件的任意组合执行方法200和其相关的步骤。
在框210处，针对要求的发动机转速确定用于运行多燃料发动机12的输入功率。要求的发动机转速可由发动机转速控制器80提供。在加法器90处将要求的转速与由发动机转速传感器60提供的测量的转速相加之后，可使用PI控制器92确定输入功率。
使用燃料分配模块100(框220)可确定次级燃料流量值(例如柴油质量流量mD)。使用功率输入、由燃料混合输入控制器84提供的FSR值，和任意其他由燃料特性输入控制器82提供的数据(例如LHVD)可确定次级燃料流量率。
在框230处，方法200包括确定气体燃料的估计LHV(LHVGe)。在图7中还显示了确定估计LHV所涉及的步骤，其提供了用于动态确定在多燃料发动机12中的气体燃料的低热值的方法230。基于动态IMEP的LHV预估器120从多燃料发动机12经由PI控制器92接收计算的体积流量值(框231)。基于动态IMEP的LHV预估器120也从发动机转速传感器60接收测量的转速值并且基于来自IMEP传感器59的输入确定IMEP值(框232、233)。
基于动态IMEP的LHV预估器120可基于测量的发动机转速和IMEP值确定映射的体积流量值。确定映射的体积流量值可包括，将测量的发动机转速和IMEP与包括多个预定的发动机转速值、多个预定的IMEP值、和多个预定的体积流量值的查询表比较，多个预定的体积流量值中的每个与多个预定的发动机转速值中的至少一个和至少一个预定的IMEP值相关联。在一些这样的实例中，确定映射的体积流量还可包括确定映射的发动机转速值(映射的发动机转速值是多个预定的发动机转速值中与所测量的发动机转速值最近似的一个)，确定映射的IMEP值(映射的IMEP值是多个预定的IMEP值中与所测量的IMEP值最近似的一个)，和确定映射的体积流量值(多个预定的体积流量值中与映射的发动机转速值和映射的IMEP值相关联的那一个)。
此外，方法230通过比较映射的体积流量值与计算的体积流量值继续确定体积流量误差(框235)。至少使用体积流量误差，确定估计的气体燃料LHV(框236)。
然后使用确定的估计LHV、功率和FSR确定气体燃料流量率(框240)。然后输出气体燃料流量率至气体燃料进气阀28(框250)并且输出次级燃料流量率至液体燃料喷射器38(框260)。
工业实用性
本发明通常涉及可以液体燃料、气体燃料和液体燃料与气体燃料的混合物运行的多燃料发动机，并且尤其涉及用于基于气体燃料的低热值控制并且使多种燃料的分配适应于多燃料发动机的***和方法。所公开的***和方法对于为多燃料发动机提供更高的效率、更低的排放和成本效益非常有利。
在一些多燃料发动机中，需要昂贵的气体燃料分析器监视并且随后为正确使用输入LHV值。如以上非常详细地描述的那样，所公开的***和方法摆脱了对这种装置的需求，因为动态估计气体燃料的LHV并且所述数值用于改变***内的气体质量流量。额外地，所公开的***和方法可在气体LHV改变时因转速控制保证准确的基于能量的气体置换。同样地，本***和方法可提供低成本的控制***并且也提供可靠且准确的发动机保护方案；因为错误的气体质量流量可引起发动机损坏。
应该理解本发明提供了基于气体燃料的低热值用于控制并且使多种燃料的分配适应于多燃料发动机的***和方法。虽然只陈述了一定的实施例，从以上说明中备选方案和变型对于本领域技术人员来说是显而易见的。这些和其他的备选方案认为是等效的并且在本发明和所附权利要求书的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种用于控制多燃料发动机中燃料流量的方法，多燃料发动机至少由气体燃料源和次级燃料源提供动力，该方法包括：
确定输入功率，以使多燃料发动机以要求的发动机转速运行；
至少基于输入功率和分配所述次级燃料源与所述气体燃料源的指定燃料置换比来确定所述次级燃料源的次级燃料流量率；
至少通过将映射的体积流量值与输入体积流量值相比较来确定所述气体燃料的估计低热值(LHV)，所述输入体积流量值基于所述输入功率；以及
确定所述气体燃料的气体燃料流量率，所述气体燃料流量率至少基于所述指定燃料置换比和所述气体燃料源的估计LHV。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述气体燃料的估计LHV还包括：
从与所述多燃料发动机相关联的发动机转速传感器接收测量的发动机转速；
基于来自传感器的输入确定所述多燃料发动机的测量指示平均有效压力(IMEP)；以及
基于所述测量的发动机转速和所述IMEP确定映射的体积流量值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定映射的体积流量值包括将所述测量的发动机转速和所述IMEP与查询表相比较，所述查询表包括多个预定的发动机转速值、多个预定的IMEP值和多个预定的体积流量值，多个预定的体积流量值中的每个与多个预定的发动机转速值中的至少一个和至少一个预定的IMEP值相关联。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述映射的体积流量值还包括通过以下各项确定所述映射的体积流量：
确定映射的发动机转速值，所述映射的发动机转速值是所述多个预定的发动机转速值中最近似于所述测量的发动机转速值的那一个；
确定映射的IMEP值，所述映射的IMEP值是多个预定的IMEP值中最近似于所述测量的IMEP值的那一个；以及
确定所述映射的体积流量值，所述映射的体积流量值是多个预定的体积流量值中与所述映射的发动机转速值和所述映射的IMEP值相关联的那一个。
5.根据权利要求1所述方法，其中,确定所述输入功率包括：
接收所述要求的发动机转速；
确定所述多燃料发动机的测量的发动机转速；
确定转速误差，其等于所述要求的发动机转速与所述测量的发动机转速之间的差值；以及
基于所述测量的发动机转速和所述转速误差确定所述输入功率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述气体燃料流量率包括:
基于所述指定燃料置换比确定所述气体燃料的输入功率的份额；以及
通过所述气体燃料的输入功率的份额除以气体燃料的估计LHV计算所述气体燃料流量率。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
输出所述气体燃料流量率至第一流体流量控制装置的第一执行器，所述第一执行器用于以所述气体燃料流量率提供所述气体燃料至所述多燃料发动机；以及
输出所述次级燃料流量率至第二流体流量控制装置的第二执行器，所述第二执行器用于以所述次级燃料流量率提供所述次级燃料至所述多燃料发动机。
8.根据所述权利要求7所述的方法，其中，输出所述次级燃料流量率至所述第二执行器包括输出次级燃料流量率至燃料喷射器的执行器，并且输出所述气体燃料流量率至所述第一执行器包括输出所述气体燃料流量率至燃料控制阀的执行器。
9.一种多燃料发动机，所述多燃料发动机至少由气体燃料源和次级燃料源提供动力，所述多燃料发动机包括：
至少一个气缸；
燃料喷射器，其在运行时与所述至少一个气缸相联；
燃料控制阀，其在运行时与所述至少一个气缸相联；
发动机转速控制器，其能够输出表示要求的发动机转速的发动机转速控制信号；
转速控制器，其用于至少基于所述要求的发动机转速确定输入功率；
燃料混合输入控制器，其用于提供所述气体燃料源和所述次级燃料源的指定燃料置换比；
低热值(LHV)预估器，所述LHV预估器至少通过将映射的体积流量值与输入体积流量值相比较来确定所述气体燃料的估计LHV，所述输入体积流量值基于所述输入功率；
燃料分配模块，其用于至少基于所述输入功率和所述指定燃料置换比确定所述次级燃料源的次级燃料流量率，并且用于确定所述气体燃料的气体燃料流量率，所述气体燃料流量率至少基于所述指定燃料置换比和所述气体燃料源的估计LHV；
第一执行器，其用于指导所述燃料控制阀以所述气体燃料流量率输出所述气体燃料至所述多燃料发动机；以及
第二执行器，其用于指导所述燃料喷射器以次级燃料流量率输出所述次级燃料至所述多燃料发动机。
10.根据权利要求9所述的多燃料发动机，其中，通过所述转速控制器确定所述输入功率包括：
从所述发动机转速控制器接收所述要求的发动机转速；
确定多燃料发动机的测量的发动机转速；
确定转速误差，其等于所述要求的发动机转速与所述测量的发动机转速之间的差值；以及
基于所述测量的发动机转速和所述转速误差确定所述输入功率。
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