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CN102076938B - 用于发动机的气体燃料喷射系统 - Google Patents

用于发动机的气体燃料喷射系统 Download PDF

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CN102076938B CN200980125438.XA CN200980125438A CN102076938B CN 102076938 B CN102076938 B CN 102076938B CN 200980125438 A CN200980125438 A CN 200980125438A CN 102076938 B CN102076938 B CN 102076938B
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Abstract

一种气体燃料直接喷射系统(10)，其包括：用于容纳气体燃料例如LPG的主燃料箱(13)、和用于容纳储备燃料供给的副燃料箱。气体燃料输送到与燃料轨(15)连接的燃料喷射器(23)。燃料喷射器(23)的运行由电子控制单元(ECU)控制。随着主燃料箱(13)中可用的气体燃料耗尽，燃料轨(15)中的蒸气压力减小。ECU能够补偿燃料轨(15)中减小的蒸气压力通过按需增大燃料喷射器(23)的开启的持续时间，以维持通过燃料喷射器(23)输送必要质量的气体燃料。然而，在某个阶段ECU不再能够补偿减小的燃料压力，在该时刻有必要将燃料供给从主燃料箱(13)切换至副燃料箱。利用主燃料箱(13)中正在耗尽的气体燃料的衰减的压力特性识别那个阶段和发起燃料供给的切换至副燃料箱。

Description

用于发动机的气体燃料喷射系统
技术领域
本发明涉及用于内燃机的气体燃料喷射。
在此使用的术语“气体燃料”是指压缩气体燃料例如压缩天然气(CNG)和氢气(H2)，以及液化气体燃料例如液化石油气(LPG)和液化天然气(LNG)。
术语“直接喷射”是指燃料的输送直接地进入内燃机的燃烧室，通常要借助于燃料喷射器。
背景技术
以下的背景技术的讨论意图仅为帮助理解本发明。此讨论并非确认或承认任何所参考的材料为为在本申请的优先权日之前的公知知识。
气体燃料公知对于内燃机具有优于液体燃料(例如汽油和柴油)的一定的(certain)优势，特别是涉及成本和尾气排放。因为这些优势，所以在发动机中使用这种燃料有增长的趋势。
这种使用的一个示例涉及用于车辆的二冲程直接喷射气体燃料发动机。通常，车辆装配有用于气体燃料的主燃料箱和储备燃料箱，布置为当主燃料箱耗尽至几乎排空状态时燃料供给可从主燃料箱切换至储备燃料箱。然而，需要检测何时即将发生主燃料箱中不再有适当的可用气体燃料以继续良好地运行发动机。虽然这可通过使用燃料箱中的燃料水平(level)传感器来实现，但是对于某些应用它不一定是成本划算的解决办法。
本发明正是针对此背景、问题及相关联的困难而开发的。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种控制用于发动机的气体燃料喷射系统的方法，该方法包括：监测来自燃料源(source)的气体燃料的供给压力，监测到燃料喷射器的气体燃料的输送压力，按输送压力的函数来运行燃料喷射器以补偿输送压力中的任何减小，和检测供给压力中或输送压力中的变化是否以大于指定速率(prescribed rate)的速率减小。
由于这种布置，输送的气体燃料的量是燃料喷射器的运行的持续时间的函数。
优选地，燃料喷射器的运行由控制构件例如电子控制单元(ECU)控制。具体地，ECU确定燃料喷射器运行所依据的参数。该运行参数可以，例如，包括燃料喷射器的开启的持续时间，燃料喷射器相应于发动机运行循环开始开启的时间，燃料喷射器相应于发动机运行循环开始关闭的时间，或者它们的任何组合。
优选地，ECU监测气体燃料的供给压力和输送压力。
优选地，ECU参考“查图或表(“look-up”map or table)”以确定所需的燃料喷射器的运行参数。
优选地，在ECU识别出供给压力或者输送压力中的变化涉及大于指定速率的减小的情况下，终止气体燃料到燃料喷射器的输送。
通常，ECU会切换发动机至储备燃料供给。该储备燃料供给可以是气体燃料供给或另一形式的燃料包括液体燃料(例如汽油或柴油燃料)。
优选地，在ECU识别出供给压力或者输送压力中的变化涉及大于指定的速率减小的情况下，发送指示燃料源将用尽气体燃料的信号。
该通过ECU发送的信号可发起(initiate)切换至储备燃料供给。
事实上，该ECU识别在发动机运行时在运行特性中的变化，并且发起动作作为对其的响应，这可涉及将燃料供给切换至储备燃料供给。
因此，本发明设法运用在发动机运行时正在耗尽的气体燃料源(其通常为正在排空的气体容器)的衰减的压力特性以识别该事件和发起随后的动作。该随后的动作可采用任何适当的形式，例如发送指示气体燃料源已耗尽至预定程度的信号和/或将发动机运行切换至储备燃料供给，由此避免由于过度低的气体压力引起不好的发动机性能。
根据本发明的第二方面，提供一种用于发动机的气体燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括：用于监测来自燃料源的气体燃料的供给压力的构件，用于监测气体燃料至燃料喷射器的输送压力的构件，和用于按输送压力的函数来运行燃料喷射器以补偿输送压力中的任何减小和检测供给压力或输送压力中速率大于指定的速率的减小(reduction)的构件。
根据本发明的第三方面，提供一种具有燃料喷射系统的发动机，包括：用于气体燃料的第一燃料供给，第二燃料供给，用于监测来自第一燃料供给的气体燃料的供给压力的构件，用于监测气体燃料至燃料喷射器的输送压力的构件，用于按输送压力的函数来运行燃料喷射器以补偿输送压力中的任何减小和检测供给压力或输送压力中速率大于指定的速率的减小的构件，和用于当检测到供给压力或输送压力中速率大于指定的速率的减小时将发动机从第一燃料供给切换至第二燃料供给的构件。
根据本发明的第四方面，提供一种具有根据本发明的第三方面的发动机的车辆。
附图说明
通过参考本发明的一个具体实施例的下列描述将更好地理解本发明，如附图中所示，其中：
图1是根据该实施例的气体燃料直接喷射系统的概略性视图；和
图2图示根据该实施例的燃料系统中燃料箱的排空情况。
具体实施方式
附图所示的实施例是针对用于车辆的内燃机(未示出)的气体燃料直接喷射系统10。该布置适合于从较小车辆例如在印度常用类型的自动黄包车(auto-rickshaw)到重型卡车的车辆范围。
该气体燃料直接喷射系统10包括提供主燃料箱13的气体容器，用于容纳气体燃料例如LPG。该燃料系统10还包括副燃料箱(未示出)，用于容纳储备燃料供给，储备燃料供给可包括气体燃料或传统的液体燃料(例如汽油或柴油，根据发动机运行所处的燃料循环)。
如果该气体燃料包括液化气体燃料，例如液化石油气(LPG)或液化天然气(LNG)，则它以液化状态储存在燃料箱13中。
该气体燃料沿燃料管道17输送至燃料轨(fuel rail)15。压力调整器19结合在燃料供给管道17中，以调节供给燃料轨15的气体燃料的供给压力。热交换器21也结合在燃料供给管道17中，用于使液化气体燃料汽化，使得气体燃料以气体状态输送至燃料轨15。在示意的布置中，调整器19和热交换器21配置为一体的单元。燃料供给管道也结合有过滤器25和电磁锁闭阀(solenoid lock-off valve)27。
在此实施例中，发动机是多气缸(multi-cylinder)发动机，并且气体燃料通过连接至燃料轨15的燃料喷射器23而直接地喷射进各缸所确定的燃烧室中。
燃料喷射器23的运行由电子控制单元(未示出)控制。该电子控制单元(ECU)可控制各燃料喷射器23的运行参数，尤其是喷射器的开启的持续时间，以及在发动机循环中喷射器开启和关闭的时间点。
该ECU从提供关于发动机的运行状况和驾驶员指令的信息的各种传感器接收输入信号。该ECU输出各种控制信号，包括关于燃料喷射器23的运行的控制信号。
随着主燃料箱13中可用的气体燃料耗尽(deplete)，燃料轨15中的蒸气压力降低。该ECU通过凭借燃料喷射器的运行参数的变化控制由燃料喷射器23输送的气体燃料的量，能够补偿燃料轨15中减小的蒸气压力。通过控制燃料喷射器的开启的持续时间，燃料喷射器相应于发动机气缸循环开始开启的时间，燃料喷射器相应于发动机气缸循环开始关闭的时间，或者它们的任何组合，该ECU改变各燃料喷射器23的运行参数。具体地，ECU按需增大燃料喷射器23的开启的持续时间，以维持按主要的(prevailing)发动机运行状况所需输送必要质量(mass)的气体燃料进入燃烧室。
在某阶段该ECU不再能够补偿减小的燃料压力，这时有必要将燃料供给从容纳气体燃料的主燃料箱13切换至副燃料箱(未示出)。这是必要的，因为不期望在缺乏足够燃料可用的情况下继续运行发动机，否则将导致发动机功率下降、空燃比稀薄和操纵性能差。然而，也期望优化使用主燃料箱13中可用的气体燃料。因此，需要检测何时即将发生主燃料箱13中不再有足够的可用气体燃料以继续良好地运行发动机，并且仅在那时切换至储备燃料供给。为此，连续地监测主燃料箱13中的气体燃料蒸气压力和燃料轨15中的气体燃料蒸气压力，任何在较短的时间段上的减小就指示着即将发生可用燃料的不足。
为此目的，用于向ECU提供信息的传感器包含：第一传感器31，用于感应燃料箱13中容纳的气体燃料的蒸气压力；和第二传感器32，用于感应燃料轨15内的气体燃料的蒸气压力。第一传感器31也感应燃料箱13中容纳的气体燃料的温度，第二传感器32也感应燃料轨15中的气体燃料的温度。温度感应能力为一定的(certain)气体燃料提供了附加的益处，这将在后面解释。
对给定的发动机速度和发动机负载，所收集的关于主燃料箱13中的气体燃料蒸气压力和燃料轨15中的气体燃料蒸气压力的数据临时存储在ECU存储器中。通常，这在每次发动机循环中执行，但是其它的定时安排是可能的。新的压力数据被比较，虽然通常是在连续的基础上每秒执行多次，但是其它的定时安排是可能的。如果主燃料箱13中的气体燃料蒸气压力和/或燃料轨15中的气体燃料蒸气压力的变化减小得快于标定速率，则主燃料箱13被视为排空了。
参考图2将更好地理解此监测策略，图2是表示燃料箱排空情况的图形，其显示：(1)主燃料箱13中的气体燃料蒸气压力(以TANK指示)；(2)燃料轨15中的气体燃料蒸气压力(以RAIL指示)；(3)各燃料喷射器23的开启的持续时间(以FPW指示，燃料脉冲宽度)；和(4)空燃比(以AFR指示)。参考图2，以A指示的阶段表示主燃料箱13中的气体燃料蒸气压力开始(commence)减小的时刻，并且由于压力调整器19的特性燃料轨15中的气体燃料蒸气压力也开始减小。在此阶段，燃料喷射器23的开启的持续时间开始增大，以维持输送必要质量的气体燃料进入燃烧室，由此补偿因燃料轨15中减小的气体燃料蒸气压力而损失的燃料供应(fuelling)。以B指示的阶段表示燃料喷射器23的开启的持续时间达到最大补偿极限的时刻。在此时刻以后，该燃料喷射器开启期间的更多补偿对解决减小的燃料轨压力是非有效的，并且为发动机运行循环所需的质量的气体燃料的不能被输送进入燃烧室，结果是AFR增大到不可接受的程度并且变得稀薄(lean)。以C指示的阶段表示燃烧稳定的极限，在该阶段发动机操纵性能是非良好的。以D指示的阶段表示发动机由于缺乏燃料将熄火(stall)的时刻。
依据通过ECU执行的监测，ECU识别到达阶段B之前的TANK的斜率(slope)和RAIL标绘线(plot line)并且发起(initiate)切换至储备燃料供给。
换句话说，该ECU识别在发动机运行时在运行特性中的变化，并且发起动作作为对其的响应，这在此实施例中涉及将燃料供给从主燃料箱13切换至副燃料箱。
该ECU还可为发动机的运行发起任何适当形式的信号(例如视觉信号和/或音频信号)，指示燃料供给从主燃料箱13切换至副燃料箱。
如上所提及，通过第一传感器31和第二传感器32执行的温度感应为某些气体燃料提供了附加的益处，因为它连同压力感应一起考虑到了待评估的这种燃料的成分以及为可能发生的显著变化而补偿的燃料供应。这是有利的，因为一些气体燃料混合物的成分根据来源以及一年中的季节会变化。气体燃料的成分中的变化会影响燃料的质量流率(mass flow rate)、热值(calorific value)和化学当量比(stoichiometric ratio)。这转而会影响发动机的性能，特别地，在发动机用于车辆的情况下涉及排放水平、扭矩、燃烧稳定性和操作性能。举例来说，可用的LPG的变型包括：主要为丙烷的混合物、主要为丁烷的混合物、和更普遍的包括丙烷和丁烷的混合物。类似地，天然气的成分(其主要为甲烷)会改变，混合气体燃料的成分(通常是氢和天然气)也会改变。ECU参考“查图或表”(“look-up”map or table)，以根据存储在燃料箱13中的气体燃料的温度和蒸气压力以确定气体燃料的成分。
依据前述，显然，本发明提供了一种简单的但非常有效的方法，其确定有必要将燃料供给从容纳气体燃料的主燃料箱切换至副燃料箱的阶段。该ECU识别在发动机运行时在运行特性中的变化，并且发起动作作为对其的响应，将燃料供给从容纳气体燃料的主燃料箱切换至副燃料箱。特别是，利用主燃料箱13中正在耗尽(depleting)的气体燃料的衰减的(decaying)压力特性来识别ECU不再能够补偿减小的气体燃料压力以及有必要将燃料供给切换至副燃料箱的阶段。
应当领会，本发明的范围不限于所描述的实施例的范围。
举例来说，本发明不限于直接喷射系统。本发明可应用于依靠端口喷射或者熏蒸(fumigation)(燃料是否由喷射器或者其它的计量设备例如servoid计量阀进行计量)的系统。
本发明可应用于可能用于重型道路用柴油发动机及关联车辆上的气体燃料输送系统。此外，虽然本实施例已关于对每个发动机气缸使用一个燃料喷射器的布置进行了描述，但是本发明不限于此。例如，本发明可应用于喷射器的数量与气缸的数量不相等的布置。
此外，本发明可不限于喷射运行与发动机定时同步的布置。
本发明可应用于运行在二冲程或四冲程循环下的发动机。
此外，本发明可应用于压缩点火和火花点火发动机。
此外，本发明可用于涉及双流体(two-fluid)的燃料喷射系统，其中燃料以压缩的气体例如空气的方式输送至燃烧室。
在说明书和和权利要求通篇中，除非上下文要求，否则词语“包括(comprise)”及其变型例如“包括(comprises)”或者“包括(comprising)”，将理解为意指对声明的完整物(integer)或完整物的集合(group)的包含，而非对任何其它的完整物或完整物的集合的排除。

Claims (20)

1.一种控制用于发动机的气体燃料喷射系统的方法，该方法包括：监测来自燃料源的气体燃料的供给压力；监测输送至燃料喷射器的气体燃料的输送压力；按所述输送压力的函数来运行燃料喷射器以补偿所述输送压力的任何减小；和检测所述供给压力或所述输送压力的变化是否以大于指定速率的速率减小。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，燃料喷射器的运行由控制构件控制，并且，该控制构件监测气体燃料的所述供给压力和所述输送压力。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，控制构件参考“查图或表”来确定所需的燃料喷射器的运行参数。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在控制构件识别出所述供给压力或者所述输送压力的变化涉及以大于指定速率的速率减小的情况下，终止气体燃料向燃料喷射器的输送。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，当所述情况发生时控制构件将发动机切换至储备燃料供给。
6.一种用于发动机的气体燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括：用于监测来自燃料源的气体燃料的供给压力的构件，用于监测气体燃料向燃料喷射器的输送压力的构件；和用于按所述输送压力的函数来运行燃料喷射器以补偿所述输送压力的任何减小和检测所述供给压力或输送压力以大于指定速率的速率减小的构件。
7.根据权利要求6所述的气体燃料喷射系统，其中，提供了一种控制构件用于监测气体燃料的所述供给压力和气体燃料的所述输送压力，并且，该控制构件是可操作的以便按所述输送压力的函数来控制燃料喷射器的运行，以补偿输送压力的任何减小。
8.根据权利要求7所述的气体燃料喷射系统，其中，该控制构件适于监测供给压力或输送压力的变化，并在压力以大于指定速率的速率发生减小时发起动作。
9.根据权利要求6、7或8所述的气体燃料喷射系统，其中，还包括用于容纳气体燃料的气体容器和用于感应气体容器中气体燃料的蒸气压力的第一传感器，该气体容器提供气体燃料的燃料源。
10.根据权利要求9所述的气体燃料喷射系统，其中，第一传感器还感应气体容器中所容纳的气体燃料的温度。
11.根据权利要求9所述的气体燃料喷射系统，其中，还包括用于感应输送至燃料喷射器的气体燃料的蒸气压力的第二传感器。
12.根据权利要求11所述的气体燃料喷射系统，其中，第二传感器还感应输送至燃料喷射器的气体燃料的温度。
13.根据权利要求11所述的气体燃料喷射系统，其中，燃料喷射器连接至燃料轨，并且其中，该第二传感器感应燃料轨中的气体燃料的蒸气压力。
14.根据权利要求12所述的气体燃料喷射系统，其中，燃料喷射器连接至燃料轨，并且其中，该第二传感器感应燃料轨中的气体燃料的蒸气压力。
15.根据权利要求9所述的气体燃料喷射系统，其中，该气体容器提供主燃料箱，此外还设置有用于容纳储备燃料供给的副燃料箱。
16.根据权利要求15所述的气体燃料喷射系统，还包括用于将向燃料喷射器的燃料供给从主燃料箱切换至副燃料箱、并且响应于控制构件发起的动作进行操作的构件。
17.一种发动机，具有根据权利要求6至16中任何一项所述的气体燃料喷射系统。
18.一种发动机，具有燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括：用于供给气体燃料的第一燃料供给；第二燃料供给；用于监测来自第一燃料供给的气体燃料的供给压力的构件；用于监测气体燃料向燃料喷射器的输送压力的构件；用于按所述输送压力的函数来运行燃料喷射器以补偿所述输送压力的任何减小、并检测所述供给压力或输送压力以大于指定速率的速率发生减小的构件；和用于在检测到所述供给压力或输送压力以大于指定速率的速率发生减小时将发动机从第一燃料供给切换至第二燃料供给的构件。
19.一种具有根据权利要求17所述的发动机的车辆。
20.一种具有根据权利要求18所述的发动机的车辆。
CN200980125438.XA 2008-06-30 2009-06-30 用于发动机的气体燃料喷射系统 Expired - Fee Related CN102076938B (zh)

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