專利名稱：用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在柴電動車組(DEMU)中，柴油發(fā)動機(jī)驅(qū)動產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)。雙燃料發(fā)動機(jī)是集成有附加系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，所述附加系統(tǒng)通過使用用于操作的一定水平的液體燃料(先導(dǎo)燃料)而允許使用氣體燃料(通常是天然氣)作為補(bǔ)充燃料并且允許點(diǎn)燃該氣體燃料。然后，所產(chǎn)生的動力被輸送給電力牽引電動機(jī)，用于驅(qū)動機(jī)車的車輪。柴電動車組(DEMU)通常以八個檔(等級)操作。每個檔的特征在于預(yù)定速度和負(fù)載。因此，機(jī)車的調(diào)節(jié)器需要控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)負(fù)載。對于柴油操作，完全借助柴油致動器來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)控制，且因此是簡單控制。然而，對于雙燃料操作，需要開發(fā)用于以合適控制引入氣體并且限制柴油的控制策略。雙燃料發(fā)動機(jī)具有許多質(zhì)量屬性。使用雙燃料發(fā)動機(jī)的主要益處在于其提供燃料靈活性、更清潔的操作、在可用時(shí)使用更便宜的天然氣并且必要時(shí)能夠僅以液體燃料操作。目前可用的雙燃料發(fā)動機(jī)集成有標(biāo)準(zhǔn)柴油發(fā)動機(jī)。測定量的天然氣正好在其進(jìn)入氣缸之前與空氣混合并且被壓縮到與柴油發(fā)動機(jī)相同的水平以保持效率。天然氣混合物在壓縮下不會自發(fā)地點(diǎn)火。因此，噴射少量的柴油燃料。所噴射的柴油燃料的量的作用就象許多微小火花塞，從而引起貧氣體-空氣混合物的清潔且有效的燃燒。因此，感到需要一種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能夠克服現(xiàn)有技術(shù)已知的雙燃料發(fā)動機(jī)的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于發(fā)動機(jī)中的雙燃料操作在特定的發(fā)動機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM) 下優(yōu)化燃料引入的方法，所述發(fā)動機(jī)適于在變化負(fù)載和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下使用液體燃料和氣體燃料操作，所述方法包括從預(yù)定發(fā)動機(jī)負(fù)載下限開始將所述氣體燃料和所述液體燃料引入到所述發(fā)動機(jī)中；當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)載從所述預(yù)定發(fā)動機(jī)負(fù)載下限增加到預(yù)定發(fā)動機(jī)負(fù)載上限時(shí)增加被引入到所述發(fā)動機(jī)中的所述氣體燃料的量；在高于所述預(yù)定發(fā)動機(jī)負(fù)載上限的發(fā)動機(jī)負(fù)載水平下，限制引入到所述發(fā)動機(jī)中的所述氣體燃料的量的增加；以及在高于所述預(yù)定發(fā)動機(jī)負(fù)載上限的發(fā)動機(jī)負(fù)載水平下，使被引入的所述液體燃料的量增加預(yù)定量。通常，根據(jù)本發(fā)明，所述優(yōu)化燃料引入的方法包括識別與一系列預(yù)定負(fù)載狀態(tài)對應(yīng)的進(jìn)氣歧管壓力；識別與所述一系列預(yù)定負(fù)載狀態(tài)對應(yīng)的液體燃料的壓力；對應(yīng)于所述進(jìn)氣歧管壓力的變化和相應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來改變所述液體燃料的壓力；以及在從包括如下的模式的模式組選擇的模式中引入燃料第一模式，在所述第一模式中，僅液體燃料被引入到所述發(fā)動機(jī)中；
第二模式，在所述第二模式中，液體燃料的引入保持恒定并且氣體燃料與負(fù)載對應(yīng)地被漸增引入；以及第三模式，在所述第三模式中，在高于預(yù)定負(fù)載的情況下，使液體燃料的引入增加預(yù)定量并且使氣體燃料的引入保持在規(guī)定限值內(nèi)。通常，根據(jù)本發(fā)明，所述預(yù)定下限在20%負(fù)載至25%負(fù)載的范圍內(nèi)。通常，根據(jù)本發(fā)明，所述優(yōu)化燃料引入的方法還包括在所述預(yù)定下限之前，致動液體燃料致動器并且保持氣體燃料致動器處于關(guān)閉位置。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明，共同供給氣體燃料還包括控制液體燃料致動器以引入受控液體燃料并且控制氣體燃料致動器以漸增地引入氣體燃料。通常，根據(jù)本發(fā)明，所述優(yōu)化燃料引入的方法還包括在超過所述預(yù)定上限的情況 下，致動液體燃料致動器，用于使所述液體燃料的引入增加預(yù)定量；并且將氣體燃料致動器保持在最大規(guī)定限值內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，提供一種為發(fā)動機(jī)中的雙燃料操作而用于優(yōu)化燃料引入的控制系統(tǒng)，所述發(fā)動機(jī)適于在變化負(fù)載和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下借助液體燃料和氣體燃料來操作，所述控制系統(tǒng)包括第一傳感器，所述第一傳感器適于感測所述發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管壓力；第二傳感器，所述第二傳感器適于感測所述液體燃料的壓力；速度感測機(jī)構(gòu)，所述速度感測機(jī)構(gòu)適于產(chǎn)生與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和變動負(fù)載對應(yīng)的信號;適于引入所述液體燃料的液體燃料致動器；適于引入所述氣體燃料的氣體燃料致動器；以及處理機(jī)構(gòu)，所述處理機(jī)構(gòu)適于接收來自所述第一傳感器、所述第二傳感器和所述速度感測機(jī)構(gòu)的信號，并且還適于產(chǎn)生選自包括如下的組的至少一個觸發(fā)信號操作所述液體燃料致動器的觸發(fā)信號、操作所述氣體燃料致動器的觸發(fā)信號、以及操作所述液體燃料致動器和所述氣體燃料致動器的觸發(fā)信號。


現(xiàn)將結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，在附圖中圖I示出了用于現(xiàn)有技術(shù)已知的雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的框圖；圖2示出了用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制要求的框圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的空氣-氣體感應(yīng)系統(tǒng)的示意性流程圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)；圖5示出了來自柴油和氣體的能量(單位BTU/分)對負(fù)載(單位百分比)的圖示；圖6示出了利用開環(huán)優(yōu)化實(shí)施的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的圖示；圖7示出了利用閉環(huán)優(yōu)化實(shí)施的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的替代邏輯的圖示；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的替代邏輯的流程圖；圖9示出了利用閉環(huán)優(yōu)化實(shí)施的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)中的替代百分比對檔號；圖10示出了在利用閉環(huán)優(yōu)化實(shí)施的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)中的替代誤差百分比對檔號的圖示；以及圖11示出了在全負(fù)載下發(fā)動機(jī)的實(shí)際操作中所發(fā)現(xiàn)的替代誤差，以用于驗(yàn)證在圖10中獲得的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)有技術(shù)中已知用于利用現(xiàn)場改進(jìn)工具包的雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括可編程邏輯控制器(PLC)和氣閥。然而，申請人認(rèn)識到，當(dāng)前可用的雙燃料發(fā)動機(jī)(包括那些使用改進(jìn)工具包的發(fā)動機(jī))不能夠在全部操作條件下提供對柴油和氣體噴射的精確控制，往往導(dǎo)致排放問題。圖I示出了現(xiàn)有技術(shù)已知的并且總體上用附圖標(biāo)記100表示的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的框圖。雙燃料發(fā)動機(jī)的控制中所包括的主要步驟/特征總體上如下指出速度信號輸入114 ；在柴油模式期間的速度控制110 ;燃料壓力輸入116;在雙燃料模式期間的替代控制112;·用于柴油致動器控制的制動器電流輸出118 ；用于氣閥控制的可編程邏輯控制器(PLC) 122 ；至PLC122的柴油致動器電流輸入120 ；用于氣閥的調(diào)節(jié)的致動電流124 ；發(fā)電機(jī)的勵磁控制126 ;以及用于發(fā)電機(jī)負(fù)載控制的勵磁電流128。在公知的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)100中，用氣體替代燃料的控制是間接的。當(dāng)啟動雙燃料操作時(shí)，PLC逐漸打開氣體致動器，由此將氣體引入到進(jìn)氣氣流中。這降低了柴油需求。氣體被允許進(jìn)入，直到柴油燃料壓力降低至期望值。使用柴油致動器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)速度控制。在過渡狀態(tài)期間，柴油致動器接管，這是因?yàn)椴裼偷捻憫?yīng)更快，從而導(dǎo)致燃料供給過量，直到實(shí)現(xiàn)借助氣體致動器的穩(wěn)定操作。此外，系統(tǒng)100中的負(fù)載反饋也是間接的。勵磁邏輯基于柴油致動器電流接管負(fù)載反饋。氣體替代降低了柴油致動器電流，并且需要被操縱以用于負(fù)載反饋需求。這影響發(fā)電機(jī)的勵磁控制的穩(wěn)定性和精度。因此，如圖I所示的使用控制系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)操作是不穩(wěn)定的，從而導(dǎo)致排氣管中的爆震、黑煙、高排氣溫度和后燃；不充分的控制和不合適的替代是不穩(wěn)定的發(fā)動機(jī)操作的主因。已經(jīng)做出數(shù)種嘗試以提供用于雙燃料發(fā)動機(jī)的可靠控制系統(tǒng)。例如，美國專利US6543395公開了一種用于柴油發(fā)動機(jī)的雙燃料控制系統(tǒng)，并且采用導(dǎo)致在上文闡述的缺點(diǎn)的氣體替代的間接控制。所述雙燃料控制系統(tǒng)還包括復(fù)雜計(jì)算以精確地確定用于打開氣閥的氣體量。此外，美國專利US6101986公開了一種用于雙燃料發(fā)動機(jī)的操作模式之間的受控轉(zhuǎn)變的方法，其中包括復(fù)雜能量計(jì)算以確定待被傳輸?shù)娜剂虾蜌怏w的量。因此，朝向提供用于雙燃料發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定和可靠的控制系統(tǒng)的前述嘗試除了不能夠提供對雙燃料發(fā)動機(jī)的替代需要的充分控制之外還缺乏簡單性。因此，根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)想出一種用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)提供下述功能燃料靈活性；在所有操作條件下對柴油致動器和氣體致動器的精確控制；優(yōu)化的排放；優(yōu)化的效率；高可靠性；
安全且穩(wěn)定的燃燒；簡單且精巧的設(shè)計(jì)；足夠的安全裕量；少維護(hù)；內(nèi)置的電子安全保護(hù)；以及消除不必要的負(fù)載減少和關(guān)機(jī)。具有根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的雙燃料發(fā)動機(jī)提供用于限制在雙燃料操作期間消耗的柴油燃料的量的閉環(huán)控制。最初，直到大約25%的負(fù)載，發(fā)動機(jī)操作僅基于液體燃料，并且接著雙燃料操作開始，并且氣體燃料連同液體燃料一起被引入。在雙燃料模式中速度控制被傳遞給氣體致動器。高于一定負(fù)載時(shí)，不能增加氣體燃料，因此增加了液體燃料的量，從而仍將控制局限于閉環(huán)。所使用的液體燃料通常是柴油，而所使用的氣體燃料是天然氣?，F(xiàn)將參考附圖示出的示例性實(shí)施方式來描述本發(fā)明。實(shí)施方式并不限制本發(fā)明的范圍和界限。本說明僅僅涉及示例性優(yōu)選實(shí)施方式及其建議的應(yīng)用。圖2示出了用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制要求的框圖，并且該控制要求總體上用附圖標(biāo)記(200)表示。柴電動車組(DEMU)動力系主要包括發(fā)動機(jī)(210)、發(fā)電機(jī)(212)和牽引電動機(jī)(214 )，其中，發(fā)動機(jī)(210 )產(chǎn)生用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)(212 )的機(jī)械能，該發(fā)電機(jī)(212 )繼而產(chǎn)生電能，該電能向牽引電動機(jī)(214)供電，用于驅(qū)動機(jī)車的車輪。典型機(jī)車以8個檔(等級)操作。每個檔的特征在于預(yù)定速度和負(fù)載。因此，機(jī)車的調(diào)節(jié)器需要控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)負(fù)載。對于液體燃料模式操作，發(fā)動機(jī)(210)的速度控制完全由液體燃料致動器來處理，且因此是簡單控制。在液體燃料操作模式期間的速度控制由框(216)表示，并且包括使用速度作為控制邏輯的輸入的燃料致動器控制?？?218)表示在液體燃料操作模式期間的KW級負(fù)載控制，并且包括使用負(fù)載作為控制邏輯的輸入的發(fā)電機(jī)(212)的勵磁的控制。對于雙燃料操作，用于引入氣體并且限制液體燃料的控制策略是復(fù)雜的，并且需要被優(yōu)化?？?220)表示在雙燃料操作期間的速度控制，并且包括液體燃料控制、替代控制以及使用速度作為控制邏輯的輸入的氣體致動器控制?？?222)表示在雙燃料操作期間的KW級負(fù)載控制(使用用于KW反饋的變壓器/變流器模塊)，并且包括使用負(fù)載作為控制邏輯的輸入的發(fā)電機(jī)(212)的勵磁的控制。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的空氣-氣體引入系統(tǒng)的示意性流程圖。氣體燃料經(jīng)由氣體致動器被引入到發(fā)動機(jī)中。氣體致動器經(jīng)由零壓調(diào)節(jié)器接收來自一組氣體吸收裝置的氣體燃料。零壓力調(diào)節(jié)器在感測進(jìn)氣歧管處的預(yù)定壓差時(shí)能夠進(jìn)行將氣體燃料引入到發(fā)動機(jī)中。雙燃料發(fā)動機(jī)在液體燃料模式和雙燃料模式中操作，在液體燃料模式中僅液體燃料被引入到發(fā)動機(jī)中；在雙燃料模式中氣體燃料連同液體燃料一起被引入。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)器(410)設(shè)置用于控制液 體燃料致動器(468)、氣體致動器(474)、勵磁系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)安全面板的操作。調(diào)節(jié)器(410)設(shè)置有電源(412)，該電源與由電池(416)提供的電力隔離，以便避免與噪音和電壓峰值相關(guān)的問題。調(diào)節(jié)器(410)與多個傳感器協(xié)作以接收與數(shù)個參數(shù)有關(guān)的模擬和數(shù)字輸入。轉(zhuǎn)速計(jì)(428)設(shè)置用于測量發(fā)動機(jī)的操作速度并且將該操作速度傳送到調(diào)節(jié)器(410)。傳感器(430)設(shè)置用于測量燃料軌道(在附圖中未示出)的液體燃料的壓力，以提供燃料軌道壓力。設(shè)置氣壓開關(guān)(432)以感測用于雙燃料操作的氣體燃料的壓力。氣壓開關(guān)(432)在發(fā)動機(jī)的雙燃料模式中在缺乏氣體燃料的情況下自動切換到液體燃料模式，而沒有操作者的干涉。設(shè)置氣體節(jié)氣門位置傳感器434以感測氣體致動器(474)的百分比開度。設(shè)置至少一個排氣溫度傳感器(436和/或438)以感測排氣的溫度，以便使得發(fā)動機(jī)能夠在預(yù)定熱界限內(nèi)的操作。排氣溫度傳感器(436和/或438)通常是基于熱敏電阻器的排氣溫度傳感器。設(shè)置振動傳感器(440)，用于測量、顯示并分析車輛的線性速度、位移、接近度和加速。至少一個進(jìn)氣歧管壓力傳感器(442和/或444)使得能夠感測進(jìn)氣歧管壓力，該進(jìn)氣歧管壓力表示為KW級負(fù)載需求和發(fā)動機(jī)過載保護(hù)所需的負(fù)載，至少一個進(jìn)氣歧管溫度傳感器(458和/或460)用于在雙燃料模式下提供發(fā)動機(jī)保護(hù)，冷卻劑溫度傳感器(450)和冷卻劑壓力傳感器(448)設(shè)置用于發(fā)動機(jī)保護(hù)以及在雙燃料操作起動之前的發(fā)動機(jī)升溫。潤滑油壓力傳感器(446)和潤滑油溫度傳感器(462)設(shè)置用于保護(hù)發(fā)動機(jī)。緊急開關(guān)(456)設(shè)置用于在緊急情況下停用液體燃料致動器和氣體致動器動力。點(diǎn)火開關(guān)(452 )使得能夠向調(diào)節(jié)器(410 )提供起動信號，并且雙燃料開關(guān)(454 )設(shè)置用于雙燃料操作。變壓器傳感器(424)設(shè)置成感測牽引發(fā)電機(jī)輸出電壓，而變流器傳感器(426)設(shè)置用于感測牽引發(fā)電機(jī)輸出電流。變壓器傳感器(424 )和變流器傳感器(426 )被需要用于計(jì)算發(fā)動機(jī)上的負(fù)載。設(shè)置繼電器模塊(418)用于感測檔位置并且將該檔位置傳送給調(diào)節(jié)器410。 調(diào)節(jié)器410向液體燃料致動器(468 )、氣體致動器(474)、氣體電磁閥(472 )、液體燃料電磁閥(470)、故障碼燈(464)以及勵磁硬件模塊(420)提供輸出信號。液體燃料致動器(468)和氣體致動器(474)使得能夠分別控制在液體燃料模式和雙燃料模式下發(fā)動機(jī)的操作速度。在緊急情況下，液體燃料切斷閥470使得能夠切斷發(fā)動機(jī)，同時(shí)氣體切斷閥(472)使得能夠切斷氣體供應(yīng)。液體燃料切斷閥(470)和氣體切斷閥(472)通常是電磁閥。故障碼燈(464)使得能夠提供任何操作故障或傳感器中的任何故障的指示。勵磁硬件模塊(420)使得能夠?qū)碾姵?416)到調(diào)節(jié)器(410)的24伏電源放大到110伏DC。110伏的放大功率被供應(yīng)給牽引發(fā)電機(jī)(422)的勵磁繞組，以通過變壓器(424)和變流器(426)產(chǎn)生電壓和電流。圖5示出了在具體檔下從液體燃料和氣體燃料獲得的能量(單位BTU/分)對負(fù)載(單位百分比)。氣體燃料直到負(fù)載在特定RPM下處于負(fù)載的20%至25%的范圍內(nèi)才被引導(dǎo)到發(fā)動機(jī)中。從液體燃料的燃燒獲得的能量用D表示，而從氣體燃料的燃燒獲得的能量用G表不。圖6輸出了使用開環(huán)優(yōu)化實(shí)施的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的圖示。發(fā)動機(jī)的液體燃料操作區(qū)域用D表示，而發(fā)動機(jī)的雙燃料操作用DF表示。如圖4所示，用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)首先以開環(huán)操作，然后以閉環(huán)操作。雙燃料發(fā)動機(jī)的操作以開環(huán)來實(shí)施，用于通過考慮到由調(diào)節(jié)器(410)接收的輸入信號來計(jì)算待被引入的燃料的量。通過借助考慮到輸入傳感器以及對預(yù)定參數(shù)的反饋來計(jì)算待被引入的燃料的量，以閉環(huán)實(shí)施雙燃料發(fā)動機(jī)的操作。使用具有如圖2所示的控制要求(200)的雙燃料發(fā)動機(jī)以液體燃料模式和雙燃料模式實(shí)施性能的優(yōu)化。在液體燃料操作模式中，在不同的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)下記錄雙燃料發(fā)動機(jī)的用于多個參數(shù)的基線性能。在液體燃料模式中性能優(yōu)化期間記錄的參數(shù)是溫度、壓力、流量、峰值汽缸壓力和廢氣排放。在雙燃料模式中雙燃料發(fā)動機(jī)的開環(huán)性能如下被實(shí)施第一確定下限，低于該下限，僅液體燃料被引入到發(fā)動機(jī)中，用圖6中的D表示；由于空氣燃料比是十分貧的，也就是說，超過用于燃燒氣體燃料的可燃性下限。因此，當(dāng)氣體燃料在下限之下被引入，即在圖6的點(diǎn)A處時(shí)，不會存在發(fā)動機(jī)功率的增加，并且還導(dǎo)致來自發(fā)動機(jī)的總烴(THC)廢氣排放 的增加。該下限在特定RPM下在負(fù)載的20%至25%的范圍內(nèi)被優(yōu)化。該下限需要被優(yōu)化，以便避免點(diǎn)火不良、排氣后燃以及最大化借助氣體燃料的液體燃料替代。第二，在高于下限并且直到預(yù)定上限時(shí)，用B表示，液體燃料引入被限于預(yù)定值，并且氣體燃料的引入由氣體燃料致動器(474)來致動。因此，超過下限時(shí)，發(fā)動機(jī)操作以雙燃料模式操作并且在圖6中用DF表示。氣體燃料致動器(474)對超過預(yù)定下限的負(fù)載增加作出響應(yīng)。第三，當(dāng)在預(yù)定RPM下的負(fù)載增加超過上限時(shí)，用B表示，直到獲得在特定RPM下獲得的被優(yōu)化的最大預(yù)定負(fù)載，使液體燃料的量增加預(yù)定量以防止爆震、發(fā)動機(jī)上的較高熱/機(jī)械加載。液體燃料的引入增加的點(diǎn)用C表示。在用DF表示的雙燃料模式中，通過考慮發(fā)動機(jī)的熱限值(S卩，渦輪機(jī)入口溫度(TIT)、渦輪機(jī)出口溫度(Τ0Τ)、以及峰值燃燒溫度)、機(jī)械限值(S卩，峰值汽缸壓力、爆震裕量)、廢氣排放(即，N0x、THC、C0和煙)來確定待被引入的液體燃料的最大量以及氣體燃料的
最大量。開環(huán)優(yōu)化邏輯提供下述值，于是這些值被用于閉環(huán)替代邏輯中以便克服注意到的性能問題用于期望負(fù)載條件的進(jìn)氣歧管壓力值；以及用于所識別的替代的液體燃料、燃料壓力值。通過保持在發(fā)動機(jī)的雙燃料操作模式期間產(chǎn)生的總能量等于在液體燃料模式中獲得的總能量來實(shí)施下限和上限的優(yōu)化。在下限和上限的優(yōu)化期間，燃料軌道壓力、氣體燃料節(jié)氣門位置、排氣溫度和進(jìn)氣歧管溫度的優(yōu)化值被記錄并且用作至替代邏輯的輸入，如圖7和圖8所示。圖7示出了使用閉環(huán)優(yōu)化實(shí)施的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的替代邏輯的示意圖，其中，SC-DA表示液體燃料致動器的速度控制，DA-LLM表示液體燃料致動器負(fù)載限制模式，DA-FP表示液體燃料致動器燃料壓力，并且SC-GA表示氣體燃料致動器的速度控制。最初，借助液體致動器(468)的PID (比例-積分-微分)控制來實(shí)現(xiàn)速度控制，并且氣體燃料致動器(474)保持在關(guān)閉位置。
當(dāng)達(dá)到如由歧管壓力MAP_SP1和液體燃料壓力FRP_SP1識別的下限時(shí)，速度控制被傳遞到氣體燃料致動器(474) PID控制，而液體致動器(468)借助燃料壓力反饋處于負(fù)載限制模式DA-LLM，且因此限制液體燃料量的引入。這是將燃料軌道壓力作為反饋的閉環(huán)PID控制。當(dāng)負(fù)載進(jìn)一步增加時(shí)，這由進(jìn)氣歧管溫度和壓力識別到，增加用于液體燃料壓力DA-FP的負(fù)載限制設(shè)定點(diǎn)。例如，在歧管壓力MAP_SP2下，燃料壓力DA-FP增加到FRP_SP2，并且類似地在MAP_SP3下，燃料壓力DA-FP被設(shè)定為FRP_SP3。由于在液體燃料模式和雙燃料模式期間產(chǎn)生的總能量需要在預(yù)定負(fù)載下保持恒定，因此使液體燃料的引入增加預(yù)定量，使得氣體燃料引入的量不超過由排氣溫度和爆震水平確定的安全限值。用于實(shí)現(xiàn)期望替代的可設(shè)定閾值參數(shù)以及與這些閾值相關(guān)的動作概括如下FRP_SP1 :用于最初變電站的燃料軌道壓力限值。液體致動器(474)控制直到該點(diǎn) 的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。在該點(diǎn)處的進(jìn)氣歧管壓力是MAP_SP1。MAP_SP2 :當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)載增加并且歧管壓力越過MAP_SP2時(shí)，燃料軌道壓力增加至FRP_SP2。MAP_SP3 :當(dāng)發(fā)動機(jī)歧管壓力越過MAP_SP3時(shí)，燃料軌道壓力增加至FRP_SP3。GAS_P0S_MAX 當(dāng)氣體燃料致動器(468)達(dá)到用于特定RPM的該值時(shí)，阻止氣體燃料致動器468進(jìn)一步打開。圖8示出了如圖7所示的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的替代邏輯的流程圖。下述標(biāo)準(zhǔn)形成替代邏輯的基礎(chǔ)I.基于下述確定最低點(diǎn)，在該最低點(diǎn)以下不能夠允許氣體燃料進(jìn)入i.在雙燃料系統(tǒng)中，在部分負(fù)載下，空氣/燃料比太貧(超過可燃性極限)； 先導(dǎo)液體燃料燃燒溫度較低，這不能夠有助于氣體燃料有效地燃燒；iii.最低點(diǎn)的特征在于，即使當(dāng)氣體燃料被允許進(jìn)入時(shí)，功率也不增加；iv.總烴(THC)廢氣排放；V.避免點(diǎn)火不良、廢氣排放物的后燃、以及由最大化借助天然氣的液體燃料替代；以及vi.不管發(fā)動機(jī)以燃料運(yùn)行還是或以氣體運(yùn)行都傳輸相同輸出。2.基于下述確定在較高負(fù)載下的最大氣體燃料引入i.熱限值(ΤΙΤ/Τ0Τ/峰值燃燒溫度)； 機(jī)械限值(峰值汽缸壓力)；iii.爆震裕量(具有良好裕量的無爆震操作)；以及iv.廢氣排放(N0x、THC、C0 和煙)。3.基于下述在下限和上限之間雙燃料優(yōu)化i.總能量效率，即，在雙燃料模式下的總能量必須等于液體燃料模式下的總能量。用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的替代邏輯提供下述特征·對液體燃料和氣體燃料的直接控制；·控制始終處于具有速度或燃料壓力的反饋的閉環(huán)；以及·全部控制環(huán)(例如，致動器速度、液體燃料致動器燃料壓力和氣體燃料致動器速度)都是精確的PID控制環(huán)。
因此，用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)的如圖8所示的直接多點(diǎn)閉環(huán)替代邏輯提供用于優(yōu)化并且提供在全部操作條件下液體燃料致動器和氣體燃料致動器的穩(wěn)定且精確的控制的框架。液體燃料致動器和氣體燃料致動器由來自控制輸出選擇邏輯的脈寬調(diào)制(PWM)輸出來驅(qū)動。雖然本文在上提供的說明關(guān)于柴電動車組(DEMU)，但是根據(jù)本發(fā)明的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)能夠延及到其他應(yīng)用，例如發(fā)電機(jī)組。試驗(yàn)結(jié)果圖9示出了雙燃料發(fā)動機(jī)的各種參數(shù)。已經(jīng)觀察到，在僅以液體燃料操作發(fā)動機(jī)期間獲得的功率與在雙燃料模式中獲得的功率幾乎相同。此外，熱限值、機(jī)械限值和廢氣排放被發(fā)現(xiàn)處于這些限值范圍內(nèi)。
圖10示出了在使用閉環(huán)優(yōu)化實(shí)施的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)中的替代誤差百分比對檔號的圖示。圖11示出了在全負(fù)載下的發(fā)動機(jī)操作中發(fā)現(xiàn)的替代誤差。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，閉環(huán)操作中的替代位于開環(huán)優(yōu)化值的+/-8%內(nèi)。技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)意義由根據(jù)本發(fā)明的用于雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)提供的技術(shù)進(jìn)步加上經(jīng)濟(jì)意義包括實(shí)現(xiàn)下述方面燃料靈活性；在全部操作條件下對柴油致動器和氣體致動器的精確控制；優(yōu)化排放；優(yōu)化效率；高可靠性；安全且穩(wěn)定的燃燒；簡單且精巧的設(shè)計(jì)；足夠安全裕量；少維護(hù)；內(nèi)置的電子安全保護(hù)；以及消除不必要的負(fù)載減少和關(guān)機(jī)。各個物理參數(shù)、尺寸和量的給出的數(shù)值僅是近似值，并且能構(gòu)想到，比分配給這些物理參數(shù)、尺寸和量的數(shù)值更大或更小的值都落入本發(fā)明和權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，除非在說明書中相反地陳述。無論在哪指定值范圍，達(dá)到分別低于和高于指定范圍的最小數(shù)值和最大數(shù)值10%的值被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。雖然在本文已經(jīng)顯著地強(qiáng)調(diào)了優(yōu)選實(shí)施方式的特定特征，但是將理解的是，能夠添加許多附加特征，并且能夠作出優(yōu)選實(shí)施方式中的許多變化，而不偏離本發(fā)明的原理。優(yōu)選實(shí)施方式中的這些以及其他變化對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將從本文公開內(nèi)容顯而易見，因此顯然要理解的是，前述描述性內(nèi)容應(yīng)僅被解釋為描述本發(fā)明而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)動機(jī)中的雙燃料操作在特定的發(fā)動機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)下優(yōu)化燃料引入的方法，所述發(fā)動機(jī)適于在變化負(fù)載和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下使用液體燃料和氣體燃料操作，所述方法包括從預(yù)定發(fā)動機(jī)負(fù)載下限開始將所述氣體燃料和所述液體燃料引入到所述發(fā)動機(jī)中；當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)載從所述預(yù)定發(fā)動機(jī)負(fù)載下限增加到預(yù)定發(fā)動機(jī)負(fù)載上限時(shí)，增加被引入到所述發(fā)動機(jī)中的氣體燃料的量；在高于所述預(yù)定發(fā)動機(jī)負(fù)載上限的發(fā)動機(jī)負(fù)載水平下，限制被引入到所述發(fā)動機(jī)中的所述氣體燃料的量的增加；以及在高于所述預(yù)定發(fā)動機(jī)負(fù)載上限的發(fā)動機(jī)負(fù)載水平下，使被引入的所述液體燃料的量增加預(yù)定量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，該方法包括 識別與一系列預(yù)定負(fù)載狀態(tài)對應(yīng)的進(jìn)氣歧管壓力； 識別與所述一系列預(yù)定負(fù)載狀態(tài)對應(yīng)的液體燃料的壓力； 對應(yīng)于所述進(jìn)氣歧管壓力的變化和相應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速而改變所述液體燃料的壓力；以及 在從包括如下的模式的模式組中選擇的模式中引入燃料 第一模式，在所述第一模式中，僅液體燃料被引入到所述發(fā)動機(jī)中； 第二模式，在所述第二模式中，液體燃料的引入保持恒定并且氣體燃料與負(fù)載對應(yīng)地被漸增地引入；以及 第三模式，在所述第三模式中，在高于預(yù)定負(fù)載的情況下，使所述液體燃料的引入增加預(yù)定量并且使氣體燃料的引入保持在規(guī)定限值內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述預(yù)定下限在20%負(fù)載至25%負(fù)載的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，該方法還包括在所述預(yù)定下限之前，致動液體燃料致動器并且保持氣體燃料致動器處于關(guān)閉位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，共供給氣體燃料還包括控制液體燃料致動器以引入受控液體燃料并且控制氣體燃料致動器以漸增地引入氣體燃料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，該方法還包括在超過所述預(yù)定上限的情況下，致動液體燃料致動器，用于使所述液體燃料的引入增加預(yù)定量；并且將氣體燃料致動器保持在最大規(guī)定限值內(nèi)。
7.一種為發(fā)動機(jī)中的雙燃料操作而用于優(yōu)化燃料引入的控制系統(tǒng)，所述發(fā)動機(jī)適于在變化負(fù)載和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下借助液體燃料和氣體燃料操作，所述控制系統(tǒng)包括 第一傳感器，所述第一傳感器適于感測所述發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管壓力； 第二傳感器，所述第二傳感器適于感測所述液體燃料的壓力； 速度感測裝置，所述速度感測裝置適于產(chǎn)生與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和變化負(fù)載對應(yīng)的信號； 適于引入所述液體燃料的液體燃料致動器； 適于引入所述氣體燃料的氣體燃料致動器；以及 處理裝置，所述處理裝置適于接收來自所述第一傳感器、所述第二傳感器和所述速度感測裝置的信號，并且還適于產(chǎn)生選自包括如下的組的至少一個觸發(fā)信號操作所述液體燃料致動器的觸發(fā)信號、操作所述氣體燃料致動器的觸發(fā)信號、以及操作所述液體燃料致動器和所述氣體燃料致動器的觸發(fā)信號。
全文摘要
公開了一種用于操作雙燃料發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)，其中在變化負(fù)載和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下所述發(fā)動機(jī)借助液體燃料和氣體燃料操作。所述控制系統(tǒng)具有第一傳感器和第二傳感器，其分別用于感測所述發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管壓力和液體燃料的壓力。設(shè)置速度感測裝置以產(chǎn)生與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和變化負(fù)載對應(yīng)的信號。設(shè)置液體燃料致動器和氣體燃料致動器以分別將液體燃料和氣體燃料引入到發(fā)動機(jī)中。
文檔編號F02D19/00GK102918237SQ201180026929
公開日2013年2月6日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者P·S·戴施潘德, V·V·金坎卡爾, P·A·蘇耶萬士 申請人:康明斯知識產(chǎn)權(quán)公司