用于補(bǔ)償氣體燃料噴射的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于補(bǔ)償氣體燃料噴射的系統(tǒng)和方法。描述了使用氣體燃料操作發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)例中，響應(yīng)于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣溫度和噴射至發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體燃料的形成溫度，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)操作。該系統(tǒng)和方法可改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣-燃料控制。
【專利說明】用于補(bǔ)償氣體燃料噴射的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本描述涉及使用氣體燃料操作發(fā)動(dòng)機(jī)的方法和系統(tǒng)。本系統(tǒng)和方法尤其可用于將氣體燃料噴射至汽缸進(jìn)氣口的發(fā)動(dòng)機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]可使用氣體燃料作為液體燃料的替代物，操作車輛發(fā)動(dòng)機(jī)?？蛇x地，可使用液體燃料和/或氣體燃料的組合，操作車輛發(fā)動(dòng)機(jī)。使用氣體燃料操作發(fā)動(dòng)機(jī)可以以較低操作成本和車輛排放的形式為車主/駕駛員提供益處。例如，通過燃燒氣體燃料起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可降低發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)排放。此外，例如甲烷的氣體燃料比例如汽油的液體燃料可具有成本優(yōu)勢(shì)。
[0003]另一方面，在一些條件下，使用氣體燃料噴射器操作發(fā)動(dòng)機(jī)可降低發(fā)動(dòng)機(jī)空氣-燃料控制。例如，當(dāng)甲烷被噴射至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管或汽缸進(jìn)氣口同時(shí)空氣被抽吸至進(jìn)氣歧管時(shí)，氣體燃料可能造成空氣從進(jìn)氣歧管被替換。如果無法建立單獨(dú)量的空氣和氣體燃料，則發(fā)動(dòng)機(jī)可比所需要的更貧或更富地運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，為了完全利用氣體燃料的益處，可期望準(zhǔn)確地確定進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的空氣和氣體燃料的量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本文發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到上述不利，并且已開發(fā)出操作發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括:響應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)的溫度傳感器的輸出，調(diào)整引入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量；以及響應(yīng)于氣體燃料膨脹后氣體燃料的溫度，調(diào)整引入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量，氣體燃料的溫度不基于溫度傳感器。
[0005]通過響應(yīng)于溫度傳感器和不基于空氣溫度傳感器的氣體燃料膨脹后的溫度，調(diào)整引入汽缸的空氣量，可以能夠在基于單個(gè)溫度傳感器調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)空氣量時(shí)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣-燃料控制。例如，在許多氣體燃料應(yīng)用中，在集合管區(qū)域測(cè)量進(jìn)氣歧管溫度以提供平均進(jìn)氣歧管溫度。然而，通常在各個(gè)汽缸進(jìn)氣口處噴射氣體燃料，以改善暫時(shí)性空氣-燃料控制。結(jié)果，位于集合管區(qū)域的溫度傳感器可能無法提供汽缸入口(例如，汽缸入口端)處的空氣燃料混合物的準(zhǔn)確溫度。通過結(jié)合來自上游空氣溫度傳感器的空氣溫度的信息和進(jìn)氣道內(nèi)氣體燃料膨脹后的氣體燃料溫度的估計(jì)，可以提供更準(zhǔn)確的空氣燃料混合物溫度估計(jì)。可以由氣體物質(zhì)的各個(gè)流確定空氣燃料混合物溫度:空氣和氣體燃料溫度。以這種方式，可以能夠提供更好估計(jì)的空氣燃料混合物溫度，以便可以更準(zhǔn)確地確定進(jìn)入汽缸的空氣量。
[0006]在另一個(gè)實(shí)施方式中，操作發(fā)動(dòng)機(jī)的方法包括響應(yīng)于引入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣溫度以及噴射至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的氣體燃料的形成溫度(resultant temperature),調(diào)整汽缸空氣充氣，其中形成溫度是不基于空氣溫度的溫度。
[0007]在另一個(gè)實(shí)施方式中，響應(yīng)于形成進(jìn)氣充氣溫度，調(diào)整汽缸空氣充氣，該形成進(jìn)氣充氣溫度基于弓I入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣溫度和氣體燃料的形成溫度。
[0008]在另一個(gè)實(shí)施方式中，本方法還包括響應(yīng)于形成進(jìn)氣充氣溫度，調(diào)整火花正時(shí)。
[0009]在另一個(gè)實(shí)施方式中，本方法還包括響應(yīng)于汽缸空氣充氣,調(diào)整噴射至發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體燃料量。[0010]在另一個(gè)實(shí)施方式中，通過節(jié)氣門，調(diào)整汽缸空氣充氣。
[0011]在另一個(gè)實(shí)施方式中，操作發(fā)動(dòng)機(jī)的方法包括:在第一條件期間，將第一比率的氣體燃料與空氣供應(yīng)至汽缸；在第二條件期間，將第二比率的氣體燃料與空氣供應(yīng)至汽缸；響應(yīng)于第一比率，在第一條件期間調(diào)整汽缸空氣充氣；以及響應(yīng)于第二比率，在第二條件期間調(diào)整汽缸空氣充氣。
[0012]在另一個(gè)實(shí)施方式中，在第一條件期間氣體燃料與空氣的第一比率大于在第二條件期間氣體燃料與空氣的第二比率，并且其中在第一條件期間汽缸空氣充氣被調(diào)整的百分比大于在第二條件期間汽缸空氣充氣被調(diào)整的百分比。
[0013]在另一個(gè)實(shí)施方式中，響應(yīng)于不基于空氣溫度的形成氣體燃料溫度，調(diào)整在第一條件期間的汽缸空氣充氣。
[0014]在另一個(gè)實(shí)施方式中，也響應(yīng)于被噴射的氣體燃料量的形成溫度和在第一條件期間進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣溫度，調(diào)整在第一條件期間的汽缸空氣充氣。
[0015]在另一個(gè)實(shí)施方式中，在第一條件期間，氣體燃料和空氣的混合物的估計(jì)溫度基
于第一比率。
[0016]在另一個(gè)實(shí)施方式中，在第一條件期間，通過節(jié)氣門，調(diào)整汽缸空氣充氣。
[0017]本描述可以提供若干優(yōu)勢(shì)。尤其是，本途徑可改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣-燃料控制。此外，本途徑在不增加系統(tǒng)成本的情況下，可提供改進(jìn)的空氣-燃料控制。
[0018]當(dāng)單獨(dú)考慮或結(jié)合附圖時(shí)，從以下【具體實(shí)施方式】，將更容易明白本發(fā)明的上述優(yōu)勢(shì)和其他優(yōu)勢(shì)以及特征。
[0019]應(yīng)理解，提供上述
【發(fā)明內(nèi)容】
以便以簡化的形式介紹所選概念，其將在【具體實(shí)施方式】中進(jìn)一步說明。這并不意味著確立了所要求保護(hù)主題的關(guān)鍵或必要特征，主題的范圍僅由所附權(quán)利要求限定。另外，要求保護(hù)的主題不限于考慮上述的或在本公開任何部分指出的任何缺點(diǎn)的執(zhí)行方式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]當(dāng)單獨(dú)或參考附圖時(shí)，通過閱讀實(shí)施方式的實(shí)例——本文中稱為【具體實(shí)施方式】，將更全面理解本文描述的優(yōu)勢(shì)。
[0021]圖1是發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；
[0022]圖2是操作氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)例方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本描述涉及使用氣體燃料操作發(fā)動(dòng)機(jī)。具體而言，本描述提供了通過改進(jìn)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的空氣和燃料的估計(jì)來改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣-燃料控制的方法。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，發(fā)動(dòng)機(jī)可位于圖1所示的系統(tǒng)中。圖2示出確定和調(diào)整汽缸空氣充氣、火花正時(shí)、以及噴射至發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體燃料量的實(shí)例方法。在一個(gè)實(shí)例中，響應(yīng)于供應(yīng)至發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣和燃料的比率，估計(jì)汽缸充氣溫度。
[0024]現(xiàn)在參考圖1，通過電發(fā)動(dòng)機(jī)控制器12控制包含多個(gè)汽缸的內(nèi)燃機(jī)10，圖1示出其中一個(gè)汽缸。發(fā)動(dòng)機(jī)10包括燃燒室30和汽缸壁32，活塞36位于燃燒室30內(nèi)并且連接至曲軸40。示出燃燒室30經(jīng)各自的進(jìn)氣閥52和排氣閥54與進(jìn)氣歧管44和排氣歧管48連通?？梢酝ㄟ^進(jìn)氣凸輪51和排氣凸輪53操作每個(gè)進(jìn)氣和排氣閥。可以通過進(jìn)氣凸輪傳感器55確定進(jìn)氣凸輪51的位置?？梢酝ㄟ^排氣凸輪傳感器57確定排氣凸輪53的位置。
[0025]示出直接液體燃料噴射器66被放置來將液體燃料直接噴射至汽缸30，這被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為直接噴射?？蛇x地，液體燃料可被噴射至進(jìn)氣口，這被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為進(jìn)氣口噴射。直接液體燃料噴射器66與控制器12供應(yīng)的脈沖寬度成比例地傳送液體燃料。通過燃料系統(tǒng)(未示出)將液體燃料傳送至直接液體燃料噴射器66，其中燃料系統(tǒng)包括燃料罐、燃料泵、以及燃料軌(未示出)。
[0026]示出端口氣體燃料噴射器81被放置來將氣體燃料噴射至汽缸進(jìn)氣口 35。在一些實(shí)例中，端口氣體燃料噴射器81可被放置在汽缸蓋的進(jìn)氣口內(nèi)。在其他實(shí)例中，氣體燃料噴射器81可將氣體燃料噴射至進(jìn)氣歧管44的中心區(qū)域。端口氣體燃料噴射器81可與供應(yīng)液體燃料的液體燃料噴射器66同時(shí)地將氣體燃料提供至發(fā)動(dòng)機(jī)10。然而，在其他實(shí)例中，可僅通過端口氣體燃料噴射器81供應(yīng)氣體燃料。
[0027]端口氣體燃料噴射器81通過燃料軌90和儲(chǔ)罐91接收氣體燃料。壓力調(diào)節(jié)器86控制由儲(chǔ)罐91傳送至燃料軌90的壓力。通過溫度傳感器60感測(cè)燃料軌90內(nèi)的氣體溫度。通過壓力傳感器61感測(cè)燃料軌90內(nèi)的氣體壓力。通過控制器12控制端口氣體燃料噴射器81的打開和關(guān)閉，以便每個(gè)傳送不同的氣體燃料量，這些氣體燃料量可被傳送至燃燒室30。
[0028]示出進(jìn)氣歧管44與任選的電子節(jié)氣門62連通，電子節(jié)氣門62調(diào)整節(jié)流板64的位置，以控制從進(jìn)氣道42到進(jìn)氣歧管44的氣流。示出電子節(jié)氣門62被放置在進(jìn)氣歧管44和進(jìn)氣道42之間。在一些實(shí)例中，進(jìn)氣歧管44和汽缸進(jìn)氣口 35可以是進(jìn)氣系統(tǒng)的一部分。
[0029]響應(yīng)于控制器12，無分電器點(diǎn)火系統(tǒng)88通過火花塞92將點(diǎn)火火花提供至燃燒室30。示出寬域廢氣氧(UEGO)傳感器126被連接至催化轉(zhuǎn)化器70上游的排氣歧管48?？蛇x地，雙態(tài)廢氣氧傳感器可以代替UFGO傳感器126。
[0030]在一個(gè)實(shí)例中，轉(zhuǎn)換器70包括多個(gè)催化劑塊。在另一個(gè)實(shí)例中，可使用每個(gè)均帶有多個(gè)催化劑塊的多個(gè)排放控制裝置。在一個(gè)實(shí)例中，轉(zhuǎn)換器70可以是三效催化劑。
[0031]圖1顯示的控制器12為傳統(tǒng)微計(jì)算機(jī)，其包括:微處理器單元102、輸入/輸出端口 104、只讀存儲(chǔ)器106、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器108、?；畲鎯?chǔ)器110、以及傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線。示出控制器12接收來自被連接至發(fā)動(dòng)機(jī)10的傳感器的各種信號(hào)，除了上述那些信號(hào)之外，還包括:來自連接至冷卻套筒114的溫度傳感器112的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度(ECT);位置傳感器134，其被連接至加速器踏板130，用于感測(cè)由腳132施加的力；來自壓力傳感器122的發(fā)動(dòng)機(jī)歧管壓力(MAP)的測(cè)量，其中壓力傳感器122被連接至進(jìn)氣歧管44 ;來自霍爾效應(yīng)傳感器118的發(fā)動(dòng)機(jī)位置傳感器，其用于感測(cè)曲軸40位置；來自傳感器120的進(jìn)氣壓力的測(cè)量；以及來自傳感器58的節(jié)氣門位置的測(cè)量。還可感測(cè)大氣壓(傳感器未被示出)，以便由控制器12處理。在本描述的優(yōu)選方面，發(fā)動(dòng)機(jī)位置傳感器118在曲軸的每次旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生預(yù)定數(shù)量的相等間距的脈沖，由曲軸的旋轉(zhuǎn)能夠確定發(fā)動(dòng)機(jī)速度(RPM)。
[0032]在一些實(shí)例中，發(fā)動(dòng)機(jī)可被連接至混合動(dòng)力車輛中的電動(dòng)機(jī)/電池系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力車輛可具有并聯(lián)配置、串聯(lián)配置、或其變型或組合。此外，在一些實(shí)施方式中，可以采用其他發(fā)動(dòng)機(jī)配置，例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0033]在操作過程中，通常，發(fā)動(dòng)機(jī)10中的每個(gè)汽缸經(jīng)歷四個(gè)沖程循環(huán):所述循環(huán)包括進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程、以及排氣沖程。通常，在進(jìn)氣沖程過程中，排氣閥54關(guān)閉，進(jìn)氣閥52打開?？諝饨?jīng)進(jìn)氣歧管44被引入燃燒室30，并且活塞36移至汽缸的底部，以便增加燃燒室30內(nèi)的真空。通常，活塞36接近汽缸底部以及在其沖程末端處的位置(例如，當(dāng)燃燒室30處于其最大體積時(shí))被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為下止點(diǎn)(BDC)。在壓縮沖程過程中，進(jìn)氣閥52和排氣閥54關(guān)閉?；钊?6朝向汽缸蓋移動(dòng)，以便在燃燒室30內(nèi)壓縮空氣。通常，活塞36在其沖程末端處以及最接近汽缸蓋處(例如，當(dāng)燃燒室30處于其最小體積時(shí))的點(diǎn)被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為上止點(diǎn)(TDC)。在以下稱為噴射的過程中，燃料被引入燃燒室和/或在一些實(shí)例中引入包括汽缸口的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道。在以下稱為點(diǎn)火的過程中，通過已知的點(diǎn)火裝置如火花塞92點(diǎn)燃噴射的燃料，導(dǎo)致燃燒。在膨脹沖程期間，膨脹的氣體推動(dòng)活塞36返回至BDC。曲軸40將活塞運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)扭矩。最終，在排氣沖程期間，排氣閥54打開，從而將燃燒的空氣燃料混合物釋放至排氣歧管48，并且活塞返回至TDC。注意，以上僅作為實(shí)例顯示，并且進(jìn)氣閥和排氣閥打開和/或關(guān)閉正時(shí)(timing)可以變化，例如以提供正或負(fù)氣門重疊、遲的進(jìn)氣閥關(guān)閉、或各種其他實(shí)例。
[0034]現(xiàn)在參考圖2，示出操作發(fā)動(dòng)機(jī)的方法的流程圖。圖2方法可通過存儲(chǔ)由圖1系統(tǒng)提供的控制器12的非短暫性存儲(chǔ)器內(nèi)的指令來執(zhí)行。
[0035]在202處，方法200確定容納氣體燃料的燃料軌內(nèi)的氣體燃料溫度。在一個(gè)實(shí)例中，通過溫度傳感器，例如圖1所示的溫度傳感器61，測(cè)量氣體燃料的溫度。溫度傳感器可輸出電壓、電流、或脈沖寬度。在確定氣體燃料溫度后，方法200前進(jìn)至204。
[0036]在204處，方法200確定容納氣體燃料的燃料軌內(nèi)的氣體燃料壓力。在一個(gè)實(shí)例中，通過壓力傳感器，例如圖1所示的壓力傳感器60，測(cè)量氣體燃料的壓力。壓力傳感器可輸出電壓、電流、或脈沖寬度。在確定了氣體燃料壓力后，方法200前進(jìn)至206。
[0037]在206處,方法200確定進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力。在一個(gè)實(shí)例中，通過壓力傳感器,例如圖1所示的壓力傳感器122，測(cè)量進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力。壓力傳感器可輸出電壓、電流、或脈沖寬度。進(jìn)氣壓力可以是來自空氣和排氣的結(jié)合的空氣壓力或壓力。進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力可還包括來自進(jìn)氣道內(nèi)的排氣再循環(huán)`(EGR)的壓力。在確定了進(jìn)氣道壓力后，方法200前進(jìn)至208。
[0038]在208處，方法200確定膨脹后的被噴射氣體燃料溫度。在一個(gè)實(shí)例中，根據(jù)下列方程確定被噴射燃料溫度:
[0039]IFT = FRT.I MAP\ k

?、FRP J
[0040]其中IFT為被噴射燃料溫度、FRT為燃料軌內(nèi)的氣體燃料溫度、MAP為進(jìn)氣歧管壓力、以及k為數(shù)值為1.299的常數(shù)。被噴射的燃料溫度為在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)膨脹后氣體燃料的溫度。在確定了被噴射氣體燃料的溫度后，方法200前進(jìn)至210。
[0041]在210處，方法200確定進(jìn)氣溫度。在一個(gè)實(shí)例中，通過在節(jié)氣門下游和汽缸進(jìn)氣口上游的進(jìn)氣歧管內(nèi)的溫度傳感器確定進(jìn)氣溫度。該溫度傳感器將指示進(jìn)氣溫度的信號(hào)輸出至圖1所示控制器12。在確定進(jìn)氣溫度后，方法200前進(jìn)至212。
[0042]在212處，方法200確定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)的氣體燃料與空氣的比率。在一個(gè)實(shí)例中，調(diào)整氣體燃料與空氣的比率以提供數(shù)值為17.2:1的用于燃燒的化學(xué)計(jì)量混合物。通過將添加或減少至發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，可提供富燃或貧燃比率。通過降低或增加氣體燃料噴射器的燃料脈沖寬度，可調(diào)整燃料量。在確定了氣體燃料與空氣的比率后，方法200前進(jìn)至214。
[0043]在214處，方法200確定結(jié)合的空氣和氣體燃料混合物的比熱。在一個(gè)實(shí)例中，通過下述方程確定恒定體積下結(jié)合的混合物的比熱:
【權(quán)利要求】
1.操作發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括: 響應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)的溫度傳感器的輸出，調(diào)整引入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量；以及 響應(yīng)于氣體燃料膨脹后所述氣體燃料的溫度，調(diào)整引入所述發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量，所述氣體燃料的溫度不響應(yīng)于所述溫度傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣體燃料為甲烷，并且其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道包括汽缸進(jìn)氣口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣體燃料為甲烷，并且其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道是位于節(jié)氣門下游的進(jìn)氣歧管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述響應(yīng)于氣體燃料膨脹后所述氣體燃料的溫度，調(diào)整引入所述發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量包括響應(yīng)于使引入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣密度增加的冷卻效應(yīng)，調(diào)整引入所述發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述響應(yīng)于冷卻效應(yīng)調(diào)整引入所述發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量包括基于等熵膨脹確定燃料溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在噴射所述氣體燃料時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程中將液體燃料噴射至發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述液體燃料為汽油，并且其中響應(yīng)于所述氣體燃料和空氣混合物的溫度調(diào)整噴射至所述發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油的量。
8.操作發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括: 響應(yīng)于引入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣溫度以及噴射至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的氣體燃料的形成溫度，調(diào)整汽缸空氣充氣，所述形成溫度是不基于所述空氣溫度的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述形成溫度是所述氣體燃料在所述發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)膨脹后的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述形成溫度基于所述氣體燃料的等熵膨脹。
【文檔編號(hào)】F02D41/30GK103485909SQ201310176356
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月13日
【發(fā)明者】R·D·珀西富爾 申請(qǐng)人:福特環(huán)球技術(shù)公司