專利名稱：氣體燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)氣密度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種氣體燃料內(nèi)燃機(jī)，更詳細(xì)地說，涉及一種具有排氣再循環(huán)的發(fā)動機(jī)，該排氣再循環(huán)用于調(diào)節(jié)供應(yīng)給所iij良動機(jī)的氣體混合 物的密度。
背景技術(shù)：
氣體燃料內(nèi)燃機(jī)早已已知，并且在當(dāng)今社會中變得日益普遍。典型的 氣體燃料內(nèi)燃機(jī)與傳統(tǒng)的液體燃料內(nèi)燃機(jī)的區(qū)別主要在于，在發(fā)動機(jī)中燃 燒氣體，例如甲烷、天然氣、乙烷、丙烷等或某些混合氣，而不是燃燒來 自噴油器或化油器的液體燃料的霧化油霧。使用氣體燃料而不是液體燃料 例如汽油或柴油在調(diào)節(jié)供應(yīng)給發(fā)動機(jī)的燃料量方面提出了挑戰(zhàn)。例如，在 某些發(fā)動機(jī)中將不連續(xù)的一定量的液體燃料直接噴4動機(jī)氣缸或預(yù)燃燒 室比輸送可燃?xì)怏w的經(jīng)過計(jì)量的進(jìn)氣相對容易。所述的在氣體燃料發(fā)動機(jī) 中燃料計(jì)量挑戰(zhàn)的其中一個原因涉及在溫度改變時氣體的體積和/或壓力 會變化。然而，氣體燃料發(fā)動機(jī)可提供顯著的優(yōu)點(diǎn)，其中之一是某些排氣污染 物的減少。例如，燃燒氣體如曱烷的內(nèi)燃機(jī)排放物中，即使有未燃燒的碳 氬化合物物質(zhì)或炭黑，其量也很少。氣體燃料內(nèi)燃機(jī)比傳統(tǒng)的液體燃料內(nèi) 燃機(jī)也可更好地適合于偏遠(yuǎn)環(huán)境，在那些地方可以供給可燃?xì)怏w例如天然 氣，但精煉的碳?xì)淙剂腺M(fèi)用高昂或根本無法供應(yīng)。作為燃料的碳?xì)浠衔?，無論是氣態(tài)還是液態(tài)，其燃燒不可避免地會 產(chǎn)生某些污染物。多年來，工程師已想出很多用于減少發(fā)動機(jī)排放物中某 些污染物的方法。對燃料噴射量和噴射正時的復(fù)雜的控制、燃料添加劑和催化轉(zhuǎn)化器都代表了提高各種內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能的努力。雖然在內(nèi)燃機(jī)中用氣態(tài)碳?xì)浠衔锎嬉簯B(tài)碳?xì)浠衔锾峁┝斯逃械膬?yōu)點(diǎn)，但工程師在不斷地尋求改進(jìn)。關(guān)注的一種污染物一般已知為NOx。 NOx涉及幾種類型的氮氧化物組分，這幾種類型的組分在每個分子內(nèi)與單 個氮原子結(jié)合的氧原子的數(shù)量不同。由Toelle的美國專利No. 4,173,205已知一種在汽油內(nèi)燃機(jī)中降低NOx 組分的排放的嘗試。Toelle描述了一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中閉環(huán)排氣再循環(huán) 系統(tǒng)將來自發(fā)動機(jī)的排氣泵入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管中。Toelle系統(tǒng)是電子控制 系統(tǒng)，并使用查詢表，該查詢表具有對應(yīng)于給定的節(jié)氣門位置和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn) 速的推定歧管氣壓最優(yōu)值。在排氣再循環(huán)系統(tǒng)中的電子控制閥調(diào)節(jié)成用于 提供相對更多或更少的所需的排氣再循環(huán)流量，以減少NOx排放物。Toelle 給出了在內(nèi)燃機(jī)中減少NOx的一種嘗試，然而這種設(shè)計(jì)也有其缺點(diǎn)，主 要在于單獨(dú)的歧管氣壓僅代表發(fā)動機(jī)排氣中的NOx含量的近似預(yù)測。在Boley等人的美國專利申請出版物No. 2004/0024518中給出了另一 種已知的用于限制NOx生成的詔:計(jì)。Boley等人二沐述了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng) 中i^v發(fā)動機(jī)的燃燒用混合物的密度被調(diào)節(jié)成用于調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的NOx輸 出。Boley等人講述了使用質(zhì)量流傳感器或壓力與溫度傳感器的組合來確 定燃燒用混合物的密度。已知，可通過增加i^J良動機(jī)的燃料流和/或空氣 流來將燃燒用混合物密度調(diào)節(jié)到所想要的水平。雖然Boley等人的設(shè)計(jì)提 供了一些優(yōu)點(diǎn)，但僅通過調(diào)節(jié)混合物中空氣相對于燃料的相對含量來調(diào)節(jié) 燃燒用混合物的密度，這可能會將發(fā)動機(jī)限制在某些運(yùn)行方案中。本發(fā)明的目的在于，解決上述的一個或多個問題或缺點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容一方面，本發(fā)明提供了一種氣體燃料發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)包括排氣再循 環(huán)系統(tǒng)，該排氣再循環(huán)系統(tǒng)具有可調(diào)節(jié)的流量，并可運(yùn)行以給至少一個發(fā) 動機(jī)氣缸供給排氣。所述發(fā)動機(jī)還包括用于確定表征供應(yīng)給該發(fā)動機(jī)的氣 體混合物密度的值的裝置、以及用于至少部分地根據(jù)上述值調(diào)節(jié)通過排氣再循環(huán)系統(tǒng)的流量的裝置。另 一方面，本發(fā)明提供了一種包括計(jì)算機(jī)可讀的數(shù)據(jù)儲存介質(zhì)的制品。 排氣控制算法記錄在所述介質(zhì)上，該算法包括用于確定表征在內(nèi)燃機(jī)中的 氣體混合物密度的值的方法/裝置。該控制算法還包括用于至少部分地根據(jù) 上述值設(shè)置發(fā)動機(jī)中發(fā)動機(jī)排氣再循環(huán)流量的方法。又一方面，本發(fā)明提供了一種操作具有排氣再循環(huán)系統(tǒng)的氣體燃料發(fā) 動機(jī)的方法。該方法包括確定表征供應(yīng)給該發(fā)動機(jī)的氣體混合物密度的值 的步驟。該方法還包括至少部分地根據(jù)上述值通過設(shè)置排氣再循環(huán)流量來將發(fā)動機(jī)的NOx輸出設(shè)置在預(yù)定范圍內(nèi)。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的氣體燃料內(nèi)燃機(jī)的示意圖；圖2示出用于說明操作根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機(jī)的方法的;t^呈圖；圖3示出用于說明調(diào)整根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機(jī)的方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
參照圖1,圖中示出氣體燃料內(nèi)燃機(jī)IO。發(fā)動機(jī)10基本上適合于需要 內(nèi)燃機(jī)動力源的任何應(yīng)用場合，特別是很好地適合于需要限制某些污染物 例如NOx組分排放的應(yīng)用場合。大體上，發(fā)動機(jī)10包括用于確定表征氣 體混合物，例如i^A^L動機(jī)缸體12中的燃燒用混合物的密度的值的裝置， 和用于至少部分地根據(jù)所確定的值設(shè)定排氣再循環(huán)流量的裝置。泵入發(fā)動 機(jī)進(jìn)氣裝置中的排氣將氣體混合物的密度朝想要的密度調(diào)節(jié)。在氣體燃料 是一部分氣體混合物的情況下，氣體混合物的密度可描述為氣體混合物或 燃燒用混合物的"進(jìn)氣密度"。只要可計(jì)算或估算出i^發(fā)動機(jī)的主要?dú)?體的密度，就可獲得用于設(shè)置或調(diào)節(jié)排氣再循環(huán)流量的有用的"值"。在 一最優(yōu)選的實(shí)施例中，通過所述值來確定和表示氣體燃料、排氣和空氣的 混合物的實(shí)際進(jìn)氣密度。在目標(biāo)氣體混合物不包括燃料的其它實(shí)施例中， 該氣體混合物的密度或估算密度可用作用于調(diào)節(jié)或設(shè)置排氣再循環(huán)的操作值，或者該密度或估算密度可與后續(xù)添加的燃料壓力的值或估算值相關(guān)聯(lián)地使用。當(dāng)排氣泵入氣體混合物中時，排氣用作惰性的(inert)氣體冷源， 從而增加氣體混合物的密度，同時降4議動機(jī)10的NOx排放。因此，根據(jù)發(fā)動機(jī)10的特定的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，可在發(fā)動機(jī)10的進(jìn)氣系 統(tǒng)的多個位置處進(jìn)行密度測量或近似表示。例如，在發(fā)動機(jī)10在進(jìn)氣歧管 上游使用傳統(tǒng)的氣體燃料、空氣和排氣混合物的情況下，如文中所述，本 文公開的系統(tǒng)和方法將優(yōu)選測量、估算或近似表示整個混合物的進(jìn)氣密度。 在發(fā)動機(jī)10例如使用直接噴射或進(jìn)氣口噴射的情況下，僅空氣和排氣的混 合物的密度可測量或估算。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，有很多獲得上述"值，， 的方法，多種發(fā)動機(jī)i殳計(jì)和運(yùn)行方案可很好地適合于操作，并根據(jù)文中的 教導(dǎo)進(jìn)行構(gòu)造。文中使用的短語"表征……的值"應(yīng)理解成包括具有直接影響的特性 或值，例如密度或進(jìn)氣密度的直接測量值，以及與具有直接影響的特性或 值具有已知關(guān)系的其它值。"值，，本身應(yīng)理解成包括數(shù)量、代碼和/或信號。 而這里討論的"信號"應(yīng)類似地理解成廣泛地指在發(fā)動機(jī)10的各個部件之 間的各種通信。發(fā)動機(jī)10包括其中具有至少一個氣釭的發(fā)動機(jī)釭體12,并優(yōu)選燃燒 氣態(tài)碳?xì)寤衔锶剂匣虬缂淄榛虮榈娜剂匣旌衔?。?yīng)當(dāng)認(rèn)識到， 可使用任何合適的氣態(tài)燃料。例如，可使用室溫下呈液態(tài)的、揮發(fā)的、較 重的碳?xì)寤衔锶剂?，而不會偏離本發(fā)明的范圍。發(fā)動機(jī)10還優(yōu)選包括與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣通道23相連接的燃料進(jìn)口 20和進(jìn) 氣口 22。設(shè)有燃料計(jì)量閥18,并優(yōu)選布置在向發(fā)動機(jī)釭體12和相關(guān)的至 少一個氣缸供給燃燒用混合物的進(jìn)氣歧管24的上游。如文中所述，發(fā)動機(jī) IO也可以是直接噴射或進(jìn)氣口噴射發(fā)動機(jī)，或者可包括預(yù)燃燒室。本領(lǐng)域 內(nèi)/>^的入傳感器16優(yōu)選位于排氣出口通道25中，并包括可與燃料計(jì)量 閥18直接或間接通信的裝置。傳統(tǒng)的三元催化器14優(yōu)選位于排氣通道25 中，以減少污染物排放，如文中所述。其它類型的催化系統(tǒng)例如可代替三 元催化器14，而不會偏離本發(fā)明的精神和范圍。發(fā)動機(jī)10還包括可操作以使排氣從排氣通道25優(yōu)選循環(huán)至進(jìn)氣通道 23的排氣再循環(huán)系統(tǒng)或回路28。在發(fā)動機(jī)10中，排氣被示出從催化器14 下游的排氣通道25供給。在這一實(shí)施例中，文氏管52或某個其它裝置優(yōu) 選安裝在進(jìn)氣通道23中，以有助于經(jīng)由供給管道29優(yōu)選從該文氏管與燃 料進(jìn)口 20連接處的上游向進(jìn)氣通道23傳輸排氣。這是因?yàn)榕艢庵械膲毫?降低通常源自排氣穿流催化器14,某些用于輔助給進(jìn)氣通道23供給排氣 的裝置通常是想要的。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，排氣也可從催化器14上游的某一位置 處獲取或抽取。在這一實(shí)施例中，減小或消除了補(bǔ)充泵入排氣的需求，文 氏管也不是必需的，因?yàn)榇呋?4上游的排氣的壓力通常足以循環(huán)排氣。 在圖1中以虛線示出了用于此目的的上游的供給管路28a。此外，除了從 燃料進(jìn)口 20與進(jìn)氣通道23的連接處的上游供給排氣外，在上述任一實(shí)施 例中可在燃料進(jìn)口 20的下游提供排氣。進(jìn)氣通道23和燃料進(jìn)口 20之間的 連接處下游的供給管道29a在圖1中以虛線示出。排氣再循環(huán)系統(tǒng)28還優(yōu) 選包括排氣中間冷卻器40例如傳統(tǒng)的熱交換器和可調(diào)節(jié)的排氣控制閥30。優(yōu)選也設(shè)有優(yōu)選包括可編程微處理器的電子控制模塊60，該電子控制 模塊可操作以控制發(fā)動機(jī)10的各個部件，如文中所述?？刂颇K60優(yōu)選 經(jīng)由通信鏈路62與X傳感器16通信。傳感器16例如可構(gòu)造成產(chǎn)生傳送給 控制模塊60的周期性的信號，或控制模塊60本身可啟動傳感器16以確定 對排氣(測量信號)的讀取。在任一情況下，控制模塊60優(yōu)選可操作以確 定X值或發(fā)動機(jī)的空燃比?？刂颇K60還優(yōu)選可操作，以經(jīng)由通信鏈路 64利用燃料計(jì)量閥18來調(diào)節(jié)燃燒用混合物的燃料與空氣的比率。通常想要以盡可能接近燃燒用混合物中的燃料和空氣的理想配比的量 來運(yùn)行發(fā)動機(jī)IO。在理想配比的燃料與空氣的比率下，X等于l。因此， 控制模塊60將連續(xù)地或有規(guī)律地計(jì)算X值并根據(jù)需要朝所想要的比值來調(diào) 節(jié)燃料與空氣的比率。例如，在計(jì)算的X值表明混合物過濃的情況下，燃 料計(jì)量閥18可調(diào)節(jié)成用于減小供應(yīng)給進(jìn)氣通道23的燃料量。在X值表明 混合物過于稀薄的情況下，控制模塊60可調(diào)節(jié)燃料計(jì)量閥18以增加供應(yīng) 給進(jìn)氣通道23的燃料量。通常，發(fā)動機(jī)10的負(fù)荷可粗略地與空燃比相關(guān)。因此，X值的計(jì)算和燃料與空氣比率的調(diào)節(jié)基本上可以是精細(xì)調(diào)節(jié)。換句話說，可利用控制模塊60，至少部分地通過參考預(yù)存的基于不同的發(fā)動機(jī) 負(fù)荷水平的燃料空氣比率的特性曲線圖來進(jìn)行該(調(diào)節(jié))過程，該控制模 塊可在調(diào)節(jié)燃料和/或空氣的供給中依次對較精細(xì)的調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。本領(lǐng)域 技術(shù)人員會認(rèn)識到，存在其它合適的用于在或接近于理想空燃比的情況下 運(yùn)行發(fā)動機(jī)的裝置，可使用這些其它的裝置而不會偏離本發(fā)明的范圍。 控制模塊60還優(yōu)選經(jīng)由通信鏈路66與排氣再循環(huán)閥30通信，并可操因此，優(yōu)選包括空氣、燃料和可變量的再循環(huán)排氣的燃燒用混合物輸送到 進(jìn)氣歧管24。在直接噴射或進(jìn)氣口噴射的設(shè)計(jì)中，混合物將是空氣加上可 變量的再循環(huán)排氣。在一優(yōu)選實(shí)施例中，至少部分地根據(jù)供應(yīng)給發(fā)動機(jī)10的氣體混合物的 所想要的密度，最優(yōu)選地至少部分地根據(jù)氣體燃料、空氣和排氣的混合物 的進(jìn)氣密度，來調(diào)節(jié)排氣流量。已發(fā)現(xiàn)，混合物的進(jìn)氣密度與排氣流中的 NOx含量有關(guān)。因此，可改變排氣再循環(huán)的流量以調(diào)節(jié)混合物的密度，以 ;M目應(yīng)地改變發(fā)動機(jī)排氣的NOx含量。通常，較高的密度引起生成較少的 NOx。然而，如果密度過高一一例如在過多的排氣添加到燃燒用混合物中的情況下，可能發(fā)生由于稀薄而熄火。同樣，過低的密度可能引^ic動機(jī)爆震。因此，排氣再循環(huán)流量通常調(diào)整到發(fā)動機(jī)熄火邊緣和發(fā)動機(jī)爆震邊 緣之間，以得到想要的NOx含量。如文中所述，控制模塊60與X傳感器16和燃料計(jì)量閥18協(xié)作，優(yōu)選 將空燃比保持成盡可能接近理想配比量。這可通過調(diào)節(jié)供應(yīng)給進(jìn)氣通道23 的氣體燃料量或噴射到發(fā)動機(jī)氣缸或預(yù)燃燒室中的燃料量來進(jìn)行。排氣泵 入進(jìn)氣通道23中以便增加ii^歧管24中的氣體混合物的密度。通常優(yōu)選 保持供應(yīng)給發(fā)動機(jī)10的燃料和空氣的相對比率，并且再循環(huán)的排氣用作降 低燃燒溫度的惰性的氣體冷源。此外，因?yàn)槿紵没旌衔飪?yōu)選保持得較接 近于理想配比的比率，所以三元催化器14可以在由排氣中未燃燒的氧產(chǎn)生 的氧中毒4艮少或沒有的情況下工作，而在稀薄燃燒條件下以傳統(tǒng)方式運(yùn)行的發(fā)動機(jī)會出現(xiàn)(較嚴(yán)重的)氧中毒的情況。氣體混合物的實(shí)際密度可通過多種方法中的任何一種來測量、近似表示或估算，優(yōu)選通過檢測進(jìn)氣歧管24處的壓力和溫度來測量?？墒褂美硐?氣體方程的形式來便于計(jì)算，方程如下<formula>formula see original document page 10</formula>— 燈 其中(1=氣體混合物密度； P:氣體混合物壓力； T-氣體混合物溫度； R-理想氣體常數(shù)； MW-氣體混合物的平均分子量。測量進(jìn)氣歧管處的氣體混合物的壓力與溫度的比率，或溫度與壓力的 比率，使得可以計(jì)算iiAjL動機(jī)釭體12中的氣體的密度。這種可能性不論 氣體燃料的類型如何一直存在。具體而言，因?yàn)?R"是常數(shù)，所以它代 表一個已知的值。同樣，"MW"或分子量僅涉及在本質(zhì)上封閉的系統(tǒng)內(nèi) 具有恒定的平均分子量的氣體反應(yīng)物和產(chǎn)物，也就是燃料、空氣和排氣， 該"MW"也代表一個已知的值。換句話說，燃料和空氣混合物的平均分 子量與排氣的平均分子量相等。因此，"P"與"T"的比率可與表示燃燒 用混合物的密度的值相關(guān)，并且實(shí)際上就是表征燃燒用混合物的密度的值。 因?yàn)槊芏瓤膳cNOx輸出相關(guān)，所以所述計(jì)算可產(chǎn)生對發(fā)動機(jī)10的排氣中 NOx含量的較接近的預(yù)測。這提供了對這樣一種系統(tǒng)的顯著改善的控制， 在該系統(tǒng)中單獨(dú)的壓力用于確定所想要的排氣流量。在一優(yōu)選的實(shí)施例中， 一旦確定了表征i^AJL動機(jī)缸體12中的氣體混 合物的密度的值，便可調(diào)節(jié)再循環(huán)并輸送給進(jìn)氣通道23的排氣量，以將密 度調(diào)節(jié)到所想要的量，從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)進(jìn)氣密度和發(fā)動機(jī)10的NOx輸出。 所想要的排氣流量優(yōu)選基于上述考慮通過控制模塊60來計(jì)算。優(yōu)選地，控制模塊60包括計(jì)算機(jī)可讀的媒介，該媒介具有記錄在其上 用于控制上述J^征值計(jì)算和排氣再循環(huán)流量的算法。該算法優(yōu)選包括用于優(yōu)選根據(jù)測得的歧管溫度和壓力來確定表征氣體混合物密度的值的方法， 還包括用于至少部分地基于所述值來設(shè)置排氣再循環(huán)流量的方法。控制算 法在確定所述值時可利用理想氣體方程，盡管如文中所述可考慮替代手段。還可對控制模塊60進(jìn)行編程，使其具有第二或相同的控制算法，該算法具 有用于確定發(fā)動機(jī)10中的燃料空氣比率的方法，并具有用于設(shè)置所述燃料比率的方法。因?yàn)榘l(fā)動機(jī)10優(yōu)選盡可能接近理想配比的燃料空氣比率地運(yùn) 行，所以氣體混合物密度調(diào)節(jié)優(yōu)選至少部分地基于X值較接近于1地運(yùn)行。雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣密度和NOx輸出相關(guān)，但該關(guān)系至少部分地取決于 特定的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的運(yùn)行。因此，發(fā)動機(jī)10可裝備有一個或多個 指示轉(zhuǎn)速和其上負(fù)荷的傳感器(未示出)。因而，當(dāng)根據(jù)進(jìn)氣密度計(jì)算和 設(shè)置發(fā)動機(jī)10的NOx輸出時，所選擇的值取決于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。 控制模塊60可構(gòu)造成例如借助于記錄在其上的算法來訪問包括進(jìn)氣密度、 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)負(fù)荷在內(nèi)的多個參數(shù)的查詢表。當(dāng)通過例如進(jìn)氣歧管 24處的測量壓力和溫度確定表征密度的值時，可通過比較該值與查詢表中 預(yù)存的值的集合，針對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷來設(shè)定排氣再循環(huán)流量?？刂颇K60還可構(gòu)造成部分地才艮據(jù)將閥位置與一個或多個粗略相關(guān) 的發(fā)動機(jī)M例如單獨(dú)的發(fā)動機(jī)負(fù)荷聯(lián)系起來的位置特性曲線圖，來設(shè)置 或精細(xì)調(diào)節(jié)排氣控制閥30的位置。因此，發(fā)動機(jī)負(fù)荷與閥30的所想要的 位置之間的關(guān)系可用作后來精細(xì)調(diào)節(jié)的出發(fā)點(diǎn)。工業(yè)實(shí)用性見圖2,圖中示出提出在根據(jù)本發(fā)明的氣體燃料發(fā)動M行過程中的 多個步驟的流程圖。圖2的過程描述了用來確定和設(shè)置發(fā)動機(jī)10中所想要 的排氣再循環(huán)流量的示例性步驟。起初，發(fā)動機(jī)10啟動，燃料和空氣優(yōu)選 通過進(jìn)口 20和22輸送至進(jìn)氣通道23。優(yōu)選的氣體燃料和空氣的混合物流 過進(jìn)氣通道23到達(dá)進(jìn)氣歧管24，進(jìn)而到達(dá)發(fā)動機(jī)缸體12。排氣以傳統(tǒng)的 方式從發(fā)動機(jī)釭體12穿過排氣出口通道25，并最終流過三元催化器14。作為發(fā)動機(jī)啟動的一部分，或緊接在發(fā)動機(jī)啟動后，k傳感器16優(yōu)選測量 排氣通道25中未燃燒的氧氣含量，控制模塊60可操作燃料計(jì)量閥18，以 朝理想配比的比率調(diào)節(jié)燃料與空氣的比率。一旦發(fā)動機(jī)10開始運(yùn)行，優(yōu)選確定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)負(fù)荷。如文中 所述，這可用包括多種傳感器的多種方法來進(jìn)行。在發(fā)動機(jī)10用于驅(qū)動發(fā) 電機(jī)的情況下，發(fā)動機(jī)負(fù)荷可例如通過監(jiān)控或測量發(fā)電機(jī)本身的負(fù)荷要求 來確定。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量可通過多種公知的方法中的任何一種來進(jìn)行。對 于給定的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，排氣中的NOx含量與進(jìn)氣密度相關(guān)。因此， 一旦確定了轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，控制模塊60便優(yōu)選訪問查詢表以確定在該轉(zhuǎn)速和 負(fù)荷下所想要的進(jìn)氣密度，該進(jìn)氣密度會產(chǎn)生所想要NOx輸出。接下去， 控制模塊60將如文中所述，優(yōu)選通過在歧管24處使用壓力和溫度傳感器 50，來優(yōu)選確定表征燃燒用混合物的進(jìn)氣密度的值。 一旦確定出實(shí)際的進(jìn) 氣密度或表征該進(jìn)氣密度的值，控制模塊60將設(shè)置/調(diào)節(jié)閥30以獲得所想 要的燃燒用混合物的進(jìn)氣密度。所述的確定轉(zhuǎn)速和負(fù)荷、訪問查詢表和設(shè)置所想要的進(jìn)氣密度值通常 在發(fā)動機(jī)10運(yùn)行期間以幾微秒一次的速度重復(fù)多次。多個因素例如周圍環(huán) 境溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化等可能要求重復(fù)調(diào)節(jié)進(jìn)氣密度。上述說 明主要針對于在控制模塊60中具有預(yù)存的查詢表的系統(tǒng)。對于給定系列的 發(fā)動機(jī)，查詢表可最初在單個試驗(yàn)發(fā)動機(jī)中創(chuàng)建，然后再應(yīng)用到具有類似 設(shè)計(jì)的其它發(fā)動機(jī)上，如文中所述。對于某些應(yīng)用、或特定的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)， 各個單個的發(fā)動機(jī)可能需要其自己特有的查詢表，該查詢^^供有通it^ 受控條件下運(yùn)行發(fā)動機(jī)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，也如文中所述。因此，控制模塊60將確定燃燒用混合物進(jìn)氣密度應(yīng)增加的程度，以獲 得所想要的發(fā)動機(jī)10的NOx輸出。所述值確定了閥30的i殳置點(diǎn)，該閥在 發(fā)動機(jī)熄火邊緣和發(fā)動機(jī)爆震邊緣之間調(diào)節(jié)所想要的應(yīng)當(dāng)再循環(huán)的排氣流 量，以獲得適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣密度和相應(yīng)的NOx輸出。 一旦已確定出所想要的進(jìn) 氣密度值，控制模塊60便優(yōu)選相應(yīng)地打開或調(diào)節(jié)排氣再循環(huán)閥30。例如， 電子控制模塊60可使用標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)PID控制器，以周期性地比較所想要的進(jìn)氣密度和檢測到的密度，然后調(diào)節(jié)閥30，以與所想要的值與實(shí)際值之 間的差值成比例地調(diào)節(jié)排氣再循環(huán)的量。如上所述，對于各個發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 和負(fù)荷，所想要的進(jìn)氣密度可包括在本領(lǐng)域公知類型的查詢表中。流向進(jìn) 氣歧管24的排氣在燃燒過程中可用作惰性的氣體冷源，從而增大進(jìn)氣歧管 24中的氣體混合物的壓力和密度，并增大燃燒用混合物的進(jìn)氣密度，而不 像在某些較早的設(shè)計(jì)中會改變?nèi)紵没旌衔镏械娜剂虾涂諝獾南鄬α俊Ｒ?而，可減少發(fā)動機(jī)10的NOx輸出，而不會產(chǎn)生過多的自由氧來4吏催化器 14中毒。如果不是全部那也是大部分內(nèi)燃機(jī)都具有制造公差，該制造公差以較 小的但并不可忽略的方式影響發(fā)動機(jī)的運(yùn)行。因而對于某些應(yīng)用，可能需 要為各個單獨(dú)的發(fā)動機(jī)電子控制模塊提供查詢表?；蛘?，某些發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)可4艮好地適用于一個可用于很多類似的或相同的發(fā)動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)查詢表。在 任一情況下，當(dāng)實(shí)際的NOx排放可例如在實(shí)驗(yàn)室或在生產(chǎn)廠測量時，通常 需要裝備用于發(fā)動機(jī)控制的查詢表。該過程通常通過啟動發(fā)動機(jī)并使其以 恒定的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷運(yùn)行來進(jìn)行。 一旦確定了轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，NOx傳感器或類 似裝置可設(shè)置在排氣流中，進(jìn)氣密度可通過使排氣再循環(huán)來調(diào)節(jié)，以改變 NOx輸出。然后，NOx輸出值可標(biāo)示出并記錄在用于給定的進(jìn)氣密度、發(fā) 動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)負(fù)荷值的查詢表中。NOx輸出和進(jìn)氣密度間的關(guān)系將允 許一曲線適于標(biāo)示出的值。盡管各發(fā)動機(jī)間的公差值可能使基于進(jìn)氣密度精確設(shè)置NOx輸出的 嘗試失敗，但進(jìn)氣密度與NOx輸出之間的通用的數(shù)學(xué)關(guān)系傾向于可在各個 發(fā)動機(jī)類型、發(fā)動機(jī)型號和氣體燃料類型中應(yīng)用。因此， 一旦描述所述關(guān) 系的函數(shù)M單個發(fā)動機(jī)的測試中得出，便可從計(jì)算出用于其它單個發(fā)動 機(jī)的與該函數(shù)的偏差值或系數(shù)。所述偏差值的確定可描述為基于從另 一個 類似發(fā)動機(jī)得出的數(shù)據(jù)來"調(diào)節(jié)"各個單獨(dú)的發(fā)動機(jī)。參考圖3，圖中示出描述調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)使其運(yùn)行與已知的進(jìn)氣密度和 NOx輸出間的數(shù)學(xué)關(guān)系相稱的過程的流程圖。 一旦發(fā)動機(jī)啟動、轉(zhuǎn)速和負(fù) 荷設(shè)定、并已獲得近似理想配比的燃料空氣比，則例如用NOx傳感器測量實(shí)際的發(fā)動機(jī)NOx含量。然后，將所想要的發(fā)動機(jī)NOx排放水平與實(shí)際 的發(fā)動機(jī)NOx排放水平相比較，確定二者之間的差值。該"差值"可理解 為與發(fā)動機(jī)實(shí)際性能與所想要的發(fā)動機(jī)性能的偏差相對應(yīng)的偏差值或數(shù)據(jù) 系數(shù)。 一旦該偏差值已知，預(yù)存的查詢表便可合適地與特定的發(fā)動機(jī)一起 使用，并且該查詢^fc根據(jù)所述偏差值進(jìn)行簡單調(diào)節(jié)后用于查詢。因此， 可為一系列的發(fā)動機(jī)制作一基本系列的查詢表，然后通過比較該發(fā)動機(jī)在 已知轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的實(shí)際NOx輸出水平與基于基本系列號的所想要的 NOx輸出，來將該基本系列的查詢表調(diào)節(jié)至各特定的發(fā)動機(jī)。盡管本發(fā)明 認(rèn)識到，在進(jìn)氣密度和排氣的NOx含量之間似乎存在數(shù)學(xué)關(guān)系，以及該關(guān) 系很好地適合于查詢表，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，公式、曲線擬合方 程、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等可代替(查詢表)而不會偏離本發(fā)明的范圍。本說明僅用于說明目的，決不應(yīng)理解成限制本發(fā)明的范圍。因此，本 領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，可對這里公開的實(shí)施例作出多種改動而不會偏離 本發(fā)明的精神和范圍。例如，盡管已聯(lián)系測量歧管壓力和溫度的系統(tǒng)對這 里公開的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但也可構(gòu)想其它的用于確定氣體混合物密度 的裝置。例如，用于空氣或燃料的質(zhì)量流傳感器可用于確定密度，而不會 偏離本發(fā)明的范圍。通過對附圖和所附權(quán)利要求書的研究，可以清楚地看 到其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種氣體燃料發(fā)動機(jī)，包括具有可調(diào)節(jié)的流量的排氣再循環(huán)系統(tǒng)(28)，所述系統(tǒng)(28)可運(yùn)行以給至少一個發(fā)動機(jī)氣缸供給排氣；以及用于確定表征供應(yīng)給所述發(fā)動機(jī)的氣體混合物的密度值、并至少部分地根據(jù)所述值調(diào)節(jié)通過所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)(28)的流量的裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體燃料發(fā)動機(jī)，其特征在于，該發(fā)動機(jī) 包括進(jìn)氣歧管(24); 排氣出口通道(25);設(shè)置在所述進(jìn)氣歧管(24)和所述排氣出口通道(25)中的至少一個 中的至少一個傳感器；以及構(gòu)造成與所述至少一個傳感器通信并可操作以確定所述值的處理器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體燃料發(fā)動機(jī)，其特征在于 所述至少一個傳感器包括i殳置在所述進(jìn)氣歧管(24)中的壓力傳感器和溫度傳感器(50);所述處理器構(gòu)造成用于與所述壓力傳感器和所述溫度傳感器(50)通 信，并可操作用于至少部分地根據(jù)所述進(jìn)氣歧管(24)中的氣體壓力和氣 體溫度的比率或所述比率的倒數(shù)來確定所述值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體燃料發(fā)動機(jī)，其特征在于，該發(fā)動機(jī) 還包括設(shè)置在所述排氣出口通道(25)中的X傳感器(16);設(shè)置在所述進(jìn)氣歧管(24)上游并與所述處理器聯(lián)接的燃料計(jì)量閥 (18)，所述燃料計(jì)量閥(18)可操作，以調(diào)節(jié)進(jìn)入所述進(jìn)氣歧管(24) 的燃料流，并朝所想要的燃料空氣比率調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的實(shí)際的燃料空氣比率；所述處理器構(gòu)造成用于與所述X傳感器(16)通信，并可操作以部分 地根據(jù)所述想要的燃料空氣比率來設(shè)置所述排氣再循環(huán)流量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體燃料發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述處理 器可操作用于設(shè)置所述排氣再循環(huán)流量，以不依賴于氣體燃料類型地調(diào)節(jié) 氣體混合物的密度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氣體燃料發(fā)動機(jī)，其特征在于，該發(fā)動機(jī) 包括設(shè)置在所述排氣出口通道(25)中的三元催化器(14)，所述排氣再 循環(huán)回路與所述排氣出口通道(25)在所述三元催化器(14)下游相連接；也設(shè)置在所述排氣出口通道(25)中的k傳感器(16);可操作地與所述X傳感器(16)聯(lián)接的燃料計(jì)量閥(18)，所述燃料 計(jì)量閥(18)可操作用于朝理想配比的空燃比調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的實(shí)際空燃比。
7. —種用于操作具有排氣再循環(huán)系統(tǒng)(28 )的氣體燃料發(fā)動機(jī)的方 法，該方法包括以下步驟確定表征供應(yīng)給發(fā)動機(jī)的氣體混合物的所想要的密度的值；以及 通過至少部分地根據(jù)所述值設(shè)置排氣再循環(huán)流量，來將發(fā)動機(jī)的NOx 輸出設(shè)置在預(yù)定范圍內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，確定值的步驟包括測 量包括空氣和排氣的混合物的溫度和氣體壓力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，設(shè)置發(fā)動機(jī)的NOx 輸出的步驟包括參考預(yù)存的NOx值的集合，該值的集合與燃料、空氣和排 氣的混合物的給定的進(jìn)氣密度相對應(yīng)；測量發(fā)動機(jī)在給定速度和負(fù)荷下的實(shí)際的NOx輸出；以及 確定實(shí)際NOx輸出相對于預(yù)存的NOx值的集合的偏差值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該方法包括至少部 分地通過在發(fā)動機(jī)爆震進(jìn)氣密度和發(fā)動機(jī)熄火進(jìn)氣密度之間的預(yù)定范圍內(nèi) 調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣密度來設(shè)置發(fā)動機(jī)的NOx輸出的步驟；以及測量燃料、空氣和排氣的混合物的燃料空氣比率，并朝理想配比的燃 料空氣比率來調(diào)節(jié)所述燃料空氣比率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括排氣再循環(huán)系統(tǒng)(28)的氣體燃料發(fā)動機(jī)和一種用于操作氣體燃料發(fā)動機(jī)的方法。該排氣再循環(huán)系統(tǒng)(28)具有可調(diào)節(jié)的流量，并可運(yùn)行以給至少一個發(fā)動機(jī)氣缸供給排氣。所述發(fā)動機(jī)還包括用于確定表征供應(yīng)給至少一個氣缸的包括氣體燃料、空氣和排氣的燃燒用混合物的密度值、并至少部分地根據(jù)所述值調(diào)節(jié)通過所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)(28)的流量的裝置。
文檔編號F02M25/07GK101278112SQ200680036570
公開日2008年10月1日 申請日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月6日
發(fā)明者B·M·拜利, W·C·博利 申請人:卡特彼勒公司