本發(fā)明通常涉及內(nèi)燃機(jī)并且尤其涉及可以多種類型的燃料運(yùn)行的多燃料發(fā)動機(jī)。

背景技術(shù)：

多燃料發(fā)動機(jī)通常是設(shè)計(jì)用于在運(yùn)行期間燃燒多種類型的燃料的任意類型的發(fā)動機(jī)、鍋爐、加熱器或其他燃燒燃料的裝置。這種多燃料發(fā)動機(jī)可用于多個(gè)適用的領(lǐng)域以滿足與運(yùn)行環(huán)境相關(guān)的特別的運(yùn)行要求。例如，多燃料發(fā)動機(jī)可用于軍用車輛，從而車輛在多個(gè)部署位置中可充分利用各種不同的備選的燃料，例如汽油、柴油或航空燃料。在可供更廉價(jià)的燃料源(例如天然氣)，但是出于性能原因(例如，對短期負(fù)荷需求更快速的反應(yīng))需要備選或次級燃料(例如柴油燃料)作為備用的情況下，當(dāng)發(fā)生首級燃料源供應(yīng)中斷或者對于其他運(yùn)行或發(fā)動機(jī)性能狀況，尤其需要多燃料發(fā)動機(jī)。

通常，多燃料發(fā)動機(jī)可以可用燃料的指定的混合物運(yùn)行。如果只規(guī)定液體燃料混合物，則將液體燃料(例如，柴油燃料、汽油或者任意其他液體碳?xì)浠衔锶剂?直接噴射進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸或者預(yù)燃室中，作為燃燒期間的唯一能量源。當(dāng)規(guī)定是液體和氣體燃料混合物時(shí)，可將氣體燃料(例如，天然氣、甲烷、乙烷、戊烷或者任意其他合適的液體碳?xì)浠衔锶剂?在氣缸的進(jìn)氣道與空氣混合，并且以根據(jù)指定置換比的量將少量或者先導(dǎo)量的液體燃料噴射進(jìn)入氣缸或者預(yù)燃室中，以點(diǎn)燃空氣和氣體燃料的混合物。

一些多燃料發(fā)動機(jī)已設(shè)計(jì)具有發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器，其作用于轉(zhuǎn)速誤差以設(shè)置燃料率。對于可以多種燃料運(yùn)行的發(fā)動機(jī)，基于燃料分?jǐn)?shù)或者要求的燃料比例設(shè)置多種燃料率。但是，上述典型的轉(zhuǎn)速控制器(例如，比例-積分(PI)控制器)只可設(shè)置單種燃料的燃料率。在這種情況下，每種燃料的每個(gè)PI控制器將對于相應(yīng)的燃料設(shè)置單獨(dú)的燃料率，而忽視供應(yīng)發(fā)動機(jī)動力的其他燃料；猶似其他燃料不存在。這些需要大量設(shè)計(jì)時(shí)間和工作的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器需要多個(gè)PI控制器，并且也包括復(fù)雜的切換策略以保障整體可靠設(shè)計(jì)。

因此，已開發(fā)多燃料發(fā)動機(jī)控制策略以簡化確定可用于發(fā)動機(jī)的多個(gè)燃料的燃料流量率的過程。例如在申請?zhí)枮?3/919，166的美國專利中(“Fuel Apportionment for Multi-fuel Engine System”)已公開了這種控制策略。在上述公開文本中，公開了多燃料發(fā)動機(jī)控制策略，其使用PI控制器確定發(fā)動機(jī)運(yùn)行的輸入功率并且使用燃料分配模塊確定每種燃料的燃料流量率。這種燃料分配模塊的分配可基于指定的燃料比例和要求的輸入功率?？刂葡到y(tǒng)執(zhí)行分配多種燃料，而不需要多個(gè)PI控制器。

但是，當(dāng)在多燃料發(fā)動機(jī)中使用氣體燃料作為一個(gè)或多個(gè)燃料源時(shí)，某一種或多種燃料中包含的相關(guān)能量必然影響發(fā)動機(jī)性能。因此，在多燃料發(fā)動機(jī)中存在考慮這種變化的燃料能級的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種用于多燃料發(fā)動機(jī)中控制燃料流量的方法。多燃料發(fā)動機(jī)至少由氣體燃料源和次級燃料源提供動力。本方法可包括確定輸入功率，以使多燃料發(fā)動機(jī)以要求的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行。本方法還可包括至少基于輸入功率和分配次級燃料源和氣體燃料源的指定燃料置換比確定次級燃料源的次級燃料流量率。本方法還可包括至少通過將映射的體積流量值與輸入體積流量值相比較確定氣體燃料的估計(jì)低熱值(LHV)，輸入體積流量值基于輸入功率。本方法還可包括確定氣體燃料的氣體燃料流量率，氣體燃料流量率至少基于指定的燃料置換比和氣體燃料源的估計(jì)LHV。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種多燃料發(fā)動機(jī)。本多燃料發(fā)動機(jī)可至少由氣體燃料源和次級燃料源提供動力。本多燃料發(fā)動機(jī)可包括：至少一個(gè)氣缸；燃料噴射器，其在運(yùn)行時(shí)與至少一個(gè)氣缸相關(guān)聯(lián)；和燃料控制閥，其在運(yùn)行時(shí)與至少一個(gè)氣缸相關(guān)聯(lián)。本多燃料發(fā)動機(jī)可包括：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器，其能夠輸出表示要求的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號；轉(zhuǎn)速控制器，其用于至少基于要求的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速確定輸入功率；和燃料混合輸入控制器，其用于提供氣體燃料源和次級燃料源的指定燃料置換比。本多燃料發(fā)動機(jī)還可包括低熱值(LHV)預(yù)估器，該LHV預(yù)估器至少通過將映射的體積流量值與輸入體積流量值相比較確定氣體燃料的估計(jì)LHV，輸入體積流量值基于輸入功率。本多燃料發(fā)動機(jī)還可包括燃料分配模塊，其用于至少基于輸入功率和指定燃料置換比確定次級燃料源的次級燃料流量率，并且用于確定氣體燃料的氣體燃料流量率，氣體燃料流量率至少基于指定燃料置換比和氣體燃料源的估計(jì)LHV。本多燃料發(fā)動機(jī)還可包括：第一執(zhí)行器，其用于指導(dǎo)燃料控制閥以氣體燃料流量率輸出氣體燃料至多燃料發(fā)動機(jī)；和第二執(zhí)行器，其用于指導(dǎo)燃料噴射器以次級燃料流量率輸出次級燃料至多燃料發(fā)動機(jī)。

根據(jù)本發(fā)明的又一方面，公開了一種用于多燃料發(fā)動機(jī)中動態(tài)確定氣體燃料的低熱值(LHV)方法。本多燃料發(fā)動機(jī)可至少由氣體燃料和次級燃料提供燃料。本方法可包括從與多燃料發(fā)動機(jī)相關(guān)的控制器接收多燃料發(fā)動機(jī)的計(jì)算的體積流量值，并且從與多燃料發(fā)動機(jī)相關(guān)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器接收測量的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。本方法還可包括基于傳感器的輸入確定多燃料發(fā)動機(jī)的測量的指示平均有效壓力(IMEP)，和基于測量的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與IMEP確定映射的體積流量值。本方法還可包括將映射的體積流量值與計(jì)算的體積流量值相比較以確定體積流量誤差并且至少基于體積流量誤差確定氣體燃料的LHV。

連同附圖一起閱讀時(shí)將更好地理解本發(fā)明的這些和其他方面。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)實(shí)例的示意性的視圖。

圖2是電子控制單元和控制部件實(shí)例的示意性的框圖，其可實(shí)施成與圖1的多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。

圖3是燃料分配系統(tǒng)實(shí)例的示意性的框圖，其根據(jù)圖2的電子控制單元和圖1的多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。

圖4是與圖3的燃料分配系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的燃料分配模塊實(shí)例的示意性的框圖。

圖5是與圖3的燃料分配系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的動態(tài)的基于指示平均有效壓力(IMEP)的低熱值(LHV)預(yù)估器的示意性的框圖。

圖6是一種用于多燃料發(fā)動機(jī)中控制燃料流的示范性的方法的流程圖，該多燃料發(fā)動機(jī)根據(jù)本發(fā)明至少由一個(gè)氣體燃料源和一個(gè)次級燃料源提供動力。

圖7是一種用于多燃料發(fā)動機(jī)中動態(tài)確定氣體燃料的LHV的示范性的方法的流程圖，其中，該多燃料發(fā)動機(jī)根據(jù)本發(fā)明至少由該氣體燃料和一種次級燃料提供燃料。

當(dāng)關(guān)于一些示意性實(shí)施例給出以下具體實(shí)施方式時(shí)，應(yīng)理解為，附圖不必是按比例的并且有時(shí)以圖解的方式且以局部視圖闡明所公開的實(shí)施例。額外地，在某些情況下，可忽略對于理解所公開的主旨非必須的細(xì)節(jié)或者為提供其他細(xì)節(jié)可忽略難以覺察的細(xì)節(jié)。因此，應(yīng)理解為，本發(fā)明不限制于在此公開且闡明的特定的實(shí)施例，而是限制于整體發(fā)明和權(quán)利要求以及其任何等效物的正確解讀。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了基于氣體燃料低熱值(LHV)控制并且使多種燃料的分配適應(yīng)多燃料發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)和方法。這種系統(tǒng)和方法可基于氣體燃料的指示平均有效壓力(IMEP)自動地適應(yīng)氣體燃料LHV改變。平均有效壓力，通常是涉及發(fā)動機(jī)運(yùn)行的量并且可在測量與發(fā)動機(jī)排量無關(guān)的發(fā)動機(jī)工作能力中非常重要。尤其，指示平均有效壓力(IMEP)是從經(jīng)歷發(fā)動機(jī)循環(huán)的缸內(nèi)壓力計(jì)算出的平均有效壓力。在多燃料發(fā)動機(jī)中，IMEP可基于在發(fā)動機(jī)的區(qū)域中測量的壓力、例如測量發(fā)動機(jī)氣缸處的壓力來計(jì)算。

燃料在多燃料發(fā)動機(jī)中的比例可受燃料的低熱值(LHV)影響。LHV可理解為所有燃燒產(chǎn)物的焓，減去燃料在參考溫度時(shí)的焓，減去化學(xué)計(jì)量比的氧在參考溫度時(shí)的焓，減去燃燒產(chǎn)物的水汽含量的蒸發(fā)熱。已知LHV是一定燃料中包含的能量的近似表示。

液體燃料的LHV(例如柴油燃料)通常是恒定的，并且因此，在計(jì)算燃料比例時(shí)通常不考慮液體LHV的變化。但是，氣體燃料的LHV可改變。如果不考慮氣體燃料LHV的變化，那么發(fā)動機(jī)可以錯(cuò)誤的液體對氣體燃料比例運(yùn)行和/或LHV的變化可影響發(fā)動機(jī)的性能和排放。在某些情況下，LHV的變化對發(fā)動機(jī)來說可是破壞性的。

現(xiàn)在回到附圖，并且特別參考圖1，顯示了多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10可是任意類型的內(nèi)燃機(jī)，包括但是不限制于奧托循環(huán)和柴油循環(huán)發(fā)動機(jī)。多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10可包括多燃料發(fā)動機(jī)12，具有代表氣缸14，其是實(shí)施在發(fā)動機(jī)12中的多個(gè)氣缸14中的一個(gè)。盡管只顯示一個(gè)氣缸14，認(rèn)識到發(fā)動機(jī)12的氣缸14的實(shí)際數(shù)量是可變的并且發(fā)動機(jī)12可是直列式、V型或者甚至回轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)。布置活塞16用于在氣缸14內(nèi)移動，氣缸14包括進(jìn)氣道18和排氣道20。氣缸還可包括進(jìn)氣門22和排氣門24，進(jìn)氣門用于調(diào)節(jié)在氣缸14與進(jìn)氣道18之間的流體連通，排氣門用于調(diào)節(jié)在氣缸14與排氣道20之間的流體連通。進(jìn)氣道18接收來自進(jìn)氣歧管26的空氣并且通至進(jìn)氣通過以后流經(jīng)的部件、例如空氣過濾器(未顯示)和渦輪增壓器(未顯示)。

通常，在本領(lǐng)域中已知一種類型的氣體燃料進(jìn)氣閥28，其布置在上游的氣體燃料歧管30與下游的進(jìn)氣道18之間。閥28的噴嘴部分可延伸到進(jìn)氣道18中，用于向那里傳輸氣體燃料并且與來自進(jìn)氣歧管26的空氣混合。氣體燃料歧管30通過燃料路徑34連接到氣體燃料源32，并且螺線管操控的氣體燃料關(guān)閉閥36可沿燃料路徑34布置。氣體燃料源32可提供任意合適的可用于多燃料發(fā)動機(jī)12的氣體燃料，例如天然氣、甲烷、乙烷、戊烷或者任何其他氣體碳?xì)浠衔锶剂?。盡管未顯示，認(rèn)識到這種系統(tǒng)通?？砂ú贾迷跉怏w燃料源32與氣體燃料歧管30之間的平衡調(diào)節(jié)器，其用于調(diào)節(jié)在氣體燃料進(jìn)氣閥28上游處的氣體燃料壓力。

發(fā)動機(jī)12還可包括液體燃料噴射器38，例如用于將液體燃料、例如柴油燃料噴射進(jìn)入氣缸14中的電控泵噴嘴。液體燃料可經(jīng)由共軌40提供至燃料噴射器38以給發(fā)動機(jī)12的每個(gè)氣缸14供應(yīng)加壓的液體燃料，液體燃料從加壓的液體燃料源42經(jīng)由液體燃料路徑44輸送至共軌40。螺線管操控的液體燃料關(guān)閉閥46可沿液體燃料路徑44布置以在必要時(shí)切斷液體燃料流。排氣道20將氣缸14流體連接至多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的排放部分(未顯示)，以將燃料燃燒產(chǎn)生的排氣從氣缸14中排出。

多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的電控模塊(ECM)48可連接到氣體燃料壓力傳感器50、到進(jìn)氣壓力傳感器52，并且到液體燃料壓力傳感器54。這種壓力傳感器50，52，54產(chǎn)生壓力指示信號并且在現(xiàn)有技術(shù)中廣泛已知；因此，在此未包括傳感器50、52、54的具體描述。溫度傳感器56、58也分別安裝于氣體燃料歧管30和共軌40中，以提供溫度指示信號給ECM48。壓力傳感器50、52、54和溫度傳感器56、58可通過適于發(fā)送和/或接收由或者ECM48或者傳感器50、52、54、56、58產(chǎn)生的電信號的任何導(dǎo)電通路連接至ECM48。

此外，ECM48操作地連接到氣體燃料進(jìn)氣閥28以控制氣體燃料進(jìn)入。ECM48還連接到燃料噴射器38以控制液體燃料流量。就此而言，已知ECM48中包括驅(qū)動電路或者軟件，用于傳輸當(dāng)前的控制信號至氣體燃料進(jìn)氣閥28和燃料噴射器38以控制流過那里的相應(yīng)燃料的流量率。但是，認(rèn)識到這種驅(qū)動電路可實(shí)施成獨(dú)立于ECM48，但是連接到ECM。

在一些實(shí)例中，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10可包括指示平均有效壓力(IMEP)傳感器59，用于確定發(fā)動機(jī)12的至少一個(gè)氣缸14的IMEP。IMEP傳感器59可使用在氣缸14處的壓力，與其他測量值一起，確定發(fā)動機(jī)12的IMEP并且傳輸代表發(fā)動機(jī)IMEP的信號至ECM48。IMEP傳感器59可傳輸在氣缸14處確定的壓力讀出信號，從其中ECM48可確定IMEP值。額外地或備選地，IMEP傳感器59可傳輸確定的IMEP信號。此外，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器60與凸輪軸或者發(fā)動機(jī)12的其他部件相關(guān)聯(lián)，由此可確定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器也可連接到ECM48，用于將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速指示信號傳輸?shù)侥抢铩?/p>

如所示的多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10可以液體燃料模式或者以多燃料模式運(yùn)行。在液體燃料模式中，在單燃料能量源燃燒期間，當(dāng)加壓的液體燃料通過燃料噴嘴38被噴射進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸14中時(shí)，氣體燃料進(jìn)氣閥28保持關(guān)閉。在多燃料模式中，來自氣體燃料源32的氣體燃料通過氣體燃料進(jìn)氣閥28被排入進(jìn)氣道18并且與來自進(jìn)氣歧管26的空氣混合，并且少量或者先導(dǎo)量的加壓液體燃料在燃料噴射器38處被噴入氣缸14中，以點(diǎn)燃空氣和氣體燃料的混合物。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解在圖1中顯示且在這里描述的多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)僅為示范性的，并且可以設(shè)想到其他結(jié)構(gòu)用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的多燃料發(fā)動機(jī)控制策略。例如，可設(shè)置多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10由額外類型的氣體和液體燃料供能，并且可設(shè)置多燃料發(fā)動機(jī)控制策略以允許根據(jù)發(fā)動機(jī)12要求的輸入功率指定在可行的燃料中進(jìn)行分配的置換比。

圖2說明了ECM48的示范性的結(jié)構(gòu)，其可實(shí)施在多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10中以控制發(fā)動機(jī)12的運(yùn)行，并且控制燃料分配以提供要求的功率給發(fā)動機(jī)12，必要時(shí)，控制與多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10集成的其他系統(tǒng)的運(yùn)行。ECM48可包括處理器70，用于執(zhí)行具體程序，以控制并且監(jiān)視各種與系統(tǒng)10相關(guān)的功能。處理器70與存儲器72相關(guān)聯(lián)，例如只讀存儲器(ROM)74(用于存儲一個(gè)或多個(gè)程序)和隨機(jī)存取存儲器(RAM)76(用作工作存儲器區(qū)域)，用于執(zhí)行存儲在存儲器72中的一個(gè)或多個(gè)程序。當(dāng)提及處理器70時(shí)，通常，作為處理器，它可實(shí)施成使用多種電子部件中的一種或多種，例如微存儲器、微控制器、ASIC(專用集成電路)芯片或者任意其他集成的電路裝置。

ECM48電連接多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的控制元件，也電連接至用于指令發(fā)動機(jī)12運(yùn)行并且監(jiān)視其性能的多個(gè)輸入裝置。結(jié)果，ECM48可電連接至壓力傳感器50、52、54、溫度傳感器56、58、IMEP傳感器59和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器60，如以上所討論地接收涉及發(fā)動機(jī)12的運(yùn)行條件的參數(shù)數(shù)值指示信號。ECM48可也電連接至輸入裝置，例如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器80、燃料特性輸入控制器82和燃料混合輸入控制器84。當(dāng)要求產(chǎn)生對于可用的燃料的所要求分配必要的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著運(yùn)行發(fā)動機(jī)12的指令，多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的操作者可操縱控制器80、82、84以產(chǎn)生并且傳輸控制信號至ECM48。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器80可是任意類型的輸入裝置，其允許操作者指定發(fā)動機(jī)12需運(yùn)行在哪個(gè)轉(zhuǎn)速以提供對于執(zhí)行所要求的任務(wù)必要的輸出。例如，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器80可是汽車或者挖掘機(jī)的油門踏板、飛機(jī)的推力桿、或者其他合適用于指定發(fā)動機(jī)12的轉(zhuǎn)速的輸入裝置。

燃料特性輸入控制器82可是任意適合的輸入裝置，其允許操作者、技術(shù)員或者其他多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的使用者輸入關(guān)于系統(tǒng)10可使用的燃料的特性信息。燃料特性數(shù)據(jù)輸入可包括任何對于系統(tǒng)10確定燃料量必須的數(shù)據(jù)，該燃料量對于在發(fā)動機(jī)12中產(chǎn)生一定量的功率以滿足如下還將討論確定的功率要求是必須的。對于可用于發(fā)動機(jī)12的燃料，可規(guī)定燃料特性數(shù)據(jù)的實(shí)例，包括燃料的密度或特定的比重、燃料燃燒釋放的熱、例如，表示每單位質(zhì)量或體積燃料釋放出的能量的原始低熱值(LHV)等等。燃料特性輸入控制82可是計(jì)算終端或者其他類似的連接到ECM48的輸入裝置，允許使用者輸入燃料特性數(shù)據(jù)并且將數(shù)據(jù)傳輸至ECM48。在備選的實(shí)施例中，燃料特性輸入控制器82可是遠(yuǎn)程計(jì)算裝置或者計(jì)算系統(tǒng)，其經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接從遠(yuǎn)程位置、例如中央控制中心將燃料特性數(shù)據(jù)傳輸至多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10，連同ECM48一起管理系統(tǒng)10的運(yùn)行。此外，作為備選，燃料特性輸入控制器82可是外部儲存裝置，例如磁性、光學(xué)或者固態(tài)儲存裝置，燃料特性數(shù)據(jù)儲存于儲存裝置上并且當(dāng)外部儲存裝置連接至ECM48時(shí)，燃料特性數(shù)據(jù)下載至ECM48。此外，用于輸入燃料特性數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至ECM48的備選的裝置(其可是直接連接或者無線連接)，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的并且被發(fā)明者認(rèn)為在根據(jù)本發(fā)明的多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中有用。

燃料混合輸入控制器84可是任意合適的輸入裝置，其允許多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的操作者、技術(shù)員或者其他使用者輸入關(guān)于分配系統(tǒng)10可用的燃料的信息。在燃料混合輸入控制器84處的燃料混合數(shù)據(jù)輸入可指定每個(gè)可用的燃料的燃料置換比或者使用的分?jǐn)?shù)，以滿足對于使發(fā)動機(jī)12運(yùn)行在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器80處指定的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速必要的所要求的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速輸入功率。例如，在以氣體燃料(例如天然氣)和液體燃料(例如柴油燃料)運(yùn)行的雙燃料發(fā)動機(jī)中，可要求氣體燃料提供80％的功率供給并且液體燃料提供剩余的20％的功率供給。在這種情況下，20％或者0.20的置換比，可在燃料混合輸入控制器84處輸入并且儲存于ECM48處，從而液體燃料將置換氣體燃料并且提供20％的功率。在此，可實(shí)現(xiàn)更多種燃料，可針對每種燃料輸入燃料置換比或者分?jǐn)?shù)，而單個(gè)的置換比總計(jì)為100％或者1.00，從而單種燃料供應(yīng)的功率合計(jì)為發(fā)動機(jī)12要求的總輸入功率。燃料混合輸入控制器84可是如以上所討論的那樣類似的用于燃料特性輸入控制器82的輸入裝置。在一些實(shí)施例中，輸入控制器82、84可實(shí)施在相同的輸入裝置中、例如位于操作者站內(nèi)部并且具有允許操作者輸入燃料特性數(shù)據(jù)和燃料混合數(shù)據(jù)的一系列屏幕的圖形用戶界面。

ECM48也可電連接至執(zhí)行器和傳輸控制信號至執(zhí)行器以使多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的多個(gè)元件運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，用于流體流量控制裝置的執(zhí)行器例如氣體燃料進(jìn)氣閥28、液體燃料噴射器38和關(guān)閉閥36、46可連接至ECM48并且接收來自ECM48的控制信號以操作相應(yīng)的閥28、36、46和燃料噴射器38來控制氣體和液體燃料流量。系統(tǒng)10的備選的實(shí)施方案可允許發(fā)動機(jī)12由額外的可用的燃料提供動力。在那些實(shí)施方案中，可安裝額外的燃料控制閥86和關(guān)閉閥88，以用于控制系統(tǒng)10的額外的燃料(至多n種)的流量。

圖2的ECM48和附屬的控制元件可用于實(shí)施多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的燃料分配控制系統(tǒng)，可根據(jù)在燃料混合輸入控制器84處提供的燃料混合數(shù)據(jù)提供燃料至發(fā)動機(jī)12。如從圖3至圖5的示意性的圖示可見，可對ECM48進(jìn)行編程以包括多個(gè)控制模塊(在ECM48的虛線內(nèi)的方框所說明的)，用于實(shí)施燃料分配控制策略邏輯操作。盡管如在單個(gè)ECM48內(nèi)包含的那樣顯示，必要時(shí)基于特定實(shí)施方案的要求，圖3至圖5的控制模塊可分布于多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的多種處理元件中。但是，針對圖示的目的，在此，ECM48作為單個(gè)處理元件討論。

燃料分配系統(tǒng)可始于ECM48的加法器90處。加法器90可執(zhí)行比較發(fā)動機(jī)12所要求的轉(zhuǎn)速(作為來自發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器80的要求的轉(zhuǎn)速控制信號輸入)與當(dāng)前測量的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(當(dāng)前發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器60提供給ECM48)。加法器90可從要求轉(zhuǎn)速中減去測量的發(fā)動機(jī)12轉(zhuǎn)速以確定轉(zhuǎn)速誤差。轉(zhuǎn)速誤差可具有正值，如果發(fā)動機(jī)12運(yùn)行低于要求轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速誤差可具有負(fù)值，如果發(fā)動機(jī)12運(yùn)行高于必須的轉(zhuǎn)速。由于來自發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器80的要求的轉(zhuǎn)速變化，或者由于諸如發(fā)動機(jī)12的負(fù)荷或扭矩變化引起的由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器60測量的發(fā)動機(jī)12實(shí)際轉(zhuǎn)速改變可導(dǎo)致發(fā)生轉(zhuǎn)速誤差。

可將計(jì)算的轉(zhuǎn)速誤差從加法器90傳輸至ECM48的單個(gè)比例-積分(PI)控制器92?？稍O(shè)置PI控制器92使用要求的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速誤差來確定由可用的燃料提供的輸入功率，引起測量的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速以在PI控制器92的結(jié)構(gòu)中指定的響應(yīng)速度朝要求的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升或下降。用于計(jì)算發(fā)動機(jī)12的輸入功率的PI控制器92的特定程序在本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解范圍內(nèi)，因此在此不提供PI控制器編程方法的具體討論。需注意到，PI控制器的使用也是示范性的，并且能夠確定發(fā)動機(jī)12的輸入功率的其他類型的控制器和控制計(jì)算方法可實(shí)施于根據(jù)本發(fā)明的燃料分配控制策略中。

燃料分配模塊100可連同其它輸入數(shù)據(jù)一起使用由PI控制器92確定的發(fā)動機(jī)12的輸入功率，以在可用的燃料之間分配功率需求。燃料分配模塊100可也使用燃料特性輸入控制器82和燃料混合輸入控制器84處的數(shù)據(jù)輸入來確定將提供給發(fā)動機(jī)12的每種燃料的量。額外地或備選地，關(guān)于燃料特性的數(shù)據(jù)可儲存在ECM48的存儲器72中。例如，n種可用燃料中的每個(gè)在燃料特性輸入控制器82處的燃料特性數(shù)據(jù)輸入包括第i種燃料的以低熱值LHV_i形式測量的燃料的化學(xué)能量含量或者燃料質(zhì)量、測量燃料密度、例如質(zhì)量密度D_i或者比重SG_i，和對于通過計(jì)算分配準(zhǔn)確調(diào)節(jié)燃料流量必須的任意其他燃料特性數(shù)據(jù)。

在燃料分配模塊100的普遍的實(shí)施例中，對于n種燃料分配策略，在燃料混合輸入控制器84處輸入的燃料混合數(shù)據(jù)表示由n種可用燃料中每種燃料提供的輸入功率的份額。為了改善在多燃料發(fā)動機(jī)12中使用額外的或備選的燃料的適應(yīng)性，可設(shè)置系統(tǒng)10允許操作者針對n種燃料中的每種燃料在燃料混合輸入控制器84處輸入燃料置換比FSR_i。每個(gè)燃料置換比FSR_i可具有在0.00和1.00之間的數(shù)值，表示要求由相應(yīng)的燃料提供的輸入功率的份額。為了保證由燃料提供100％的輸入功率要求，并且不提供過多的燃料給發(fā)動機(jī)12，可設(shè)置ECM48和燃料混合輸入控制器84限制輸入的燃料置換比值FSR_i滿足該公式：

${\Σ}_{i=1}^n{\mathrm{FSR}}_i=1---\left(1\right)$

如下將討論的，燃料置換比值FSR_i等于0.00表示不使用第i種燃料提供功率給發(fā)動機(jī)12，并且燃料置換比值FSR_i等于1.00表示第i種燃料提供100％的輸入功率給發(fā)動機(jī)12，而不置換任意其他可用的燃料。

當(dāng)將輸入功率從PI控制器92傳輸至燃料分配模塊100(例如總?cè)剂象w積流量)時(shí)，燃料分配模塊100檢索對于分配可用的燃料必要的燃料特性和燃料混合數(shù)據(jù)。燃料分配模塊100基于以下公式使用數(shù)據(jù)確定每種燃料的質(zhì)量流量率

${\stackrel{\·}{m}}_i=\frac{{\mathrm{FSR}}_i\×InputPower}{{\mathrm{LHV}}_i}---\left(2\right)$

其中，F(xiàn)SR_i是第i種燃料的無單位燃料置換比，輸入功率(Input Power)是指令從PI控制器92傳輸?shù)墓β剩哂械膯挝皇悄芰棵繂挝粫r(shí)間，并且LHVi是第i種燃料的低熱值，具有的單位是能量每單位質(zhì)量。公式(2)產(chǎn)生的質(zhì)量流量率是要求提供所需份額的指令功率給發(fā)動機(jī)12的每個(gè)第i種燃料的每單位時(shí)間質(zhì)量。

在確定每個(gè)可用燃料的質(zhì)量流量率后，燃料分配模塊100確定燃料流量控制裝置的執(zhí)行器(例如，氣體燃料進(jìn)氣閥28、液體燃料噴嘴38和/或燃料n控制閥86)的指令的格式，以引起裝置提供所需質(zhì)量流量給發(fā)動機(jī)12?？稍O(shè)置燃料分配模塊100將每個(gè)質(zhì)量流量率轉(zhuǎn)換成控制信號，該控制信號將引起相應(yīng)的燃料流量控制裝置以合適的速率輸出燃料。在燃料分配模塊100中的轉(zhuǎn)換可包含查詢表，利用額外的燃料特性的轉(zhuǎn)換公式，或者對于產(chǎn)生控制信號必須的任意其它合適的轉(zhuǎn)換邏輯操作。

如在圖3所示的那樣，燃料分配模塊100可傳輸分離的控制信號給每個(gè)燃料流量控制裝置。因此，可將氣體燃料指令傳輸至氣體燃料進(jìn)氣閥28以引起閥28打開到對于添加適量的氣體燃料給進(jìn)氣道18和氣缸14的進(jìn)氣必須的位置。類似地，可將液體燃料指令傳輸給液體燃料噴射器38以引起噴射所需要的液體燃料量進(jìn)入氣缸14的燃燒室中。對于直至第n種的每種附加可用的燃料，燃料分配模塊100傳輸燃料指令至相應(yīng)的燃料n控制閥86。對于每種具有燃料置換比FSR_i為零并且相應(yīng)的質(zhì)量流量率為零的燃料，燃料分配模塊100傳輸燃料指令引起相應(yīng)的燃料流量控制裝置阻止燃料流至發(fā)動機(jī)12。

在示范性的多燃料發(fā)動機(jī)12中，發(fā)動機(jī)12首先可以天然氣運(yùn)行并且可使用柴油燃料作為后備或者次級燃料源以給發(fā)動機(jī)12供以動力或者提供先導(dǎo)量的燃料以點(diǎn)燃?xì)怏w燃料和空氣的混合物。在這些多燃料發(fā)動機(jī)12中，可修改燃料分配控制策略以符合發(fā)動機(jī)12的設(shè)計(jì)并且準(zhǔn)確地使用兩種燃料給發(fā)動機(jī)12提供動力。在圖4至圖5中顯示的示范性的控制元件，其更詳細(xì)地示出燃料分配模塊100和基于動態(tài)IMEP的LHV預(yù)估器120，用于主要使用柴油燃料源和天然氣燃料源運(yùn)行的多燃料發(fā)動機(jī)。

回到圖4，燃料分配模塊100從PI控制器92中接收總體積流量指令并且輸入總體積流量至到功率變換模塊102的體積流量。然后到功率變換模塊102的體積流量將總體積流量轉(zhuǎn)換成總功率指令用于輸入到功率分配模塊104。功率分配模塊104從例如燃料混合輸入控制器84中接收至少一個(gè)燃料置換比(FSR)。在發(fā)動機(jī)12設(shè)計(jì)僅用于兩種燃料的情況下，單個(gè)燃料置換比FSR可用于表示置換首級燃料源的次級燃料源的量。因此，在示范性的天然氣/柴油燃料雙燃料發(fā)動機(jī)12中，燃料置換比FSR等于20％或0.20，例如，可在燃料混合輸入控制器94處指定以80％天然氣/20％柴油燃料的分配給發(fā)動機(jī)12供應(yīng)動力。

然后功率分配模塊104可輸出柴油功率指令至柴油質(zhì)量流量模塊106并且輸出氣體功率指令至氣體質(zhì)量流量模塊108。在燃料特性輸入控制器82處，操作者可在其他相關(guān)的燃料特性數(shù)據(jù)中輸入天然氣供應(yīng)的起始低熱值LHV_Gi和比重SG_G，并且輸入柴油燃料的低熱值LHV_D和比重SG_D。在燃料混合輸入控制器94處輸入的燃料混合數(shù)據(jù)表示由天然氣和柴油燃料提供的輸入功率的份額。

在雙燃料發(fā)動機(jī)的實(shí)例中，也可修改在燃料分配模塊100處執(zhí)行的燃料的質(zhì)量流量率的計(jì)算方案以考慮使用兩種燃料和輸入單種燃料置換比FSR。在這種實(shí)施方案中，可將公式(2)修改成分別的首級燃料質(zhì)量流量率公式和次級燃料質(zhì)量流量率公式。柴油質(zhì)量流量模塊106可確定次級柴油燃料質(zhì)量流量率可如下計(jì)算所謂的燃料質(zhì)量流量率

${\stackrel{\·}{m}}_D=\frac{FSR\×InputPower}{{\mathrm{LHV}}_D}---\left(3\right)$

然后將質(zhì)量流量率輸出至柴油體積流量模塊110以確定柴油體積流量率v_D，執(zhí)行器使用柴油體積流量率指令液體燃料噴射器38基于FSR提供合適的液體燃料分配。

回到燃料分配的氣體部分，氣體質(zhì)量流量模塊108也從功率分配模塊104接收FSR。在氣體質(zhì)量流量的計(jì)算方案中，氣體質(zhì)量流量模塊108可使用(1-FSR)確定來自氣體的功率份額；因此，來自液體燃料的功率份額(FSR)和來自氣體燃料(1-FSR)的功率份額相加將等于1(100％)。此外，氣體質(zhì)量流量模塊108可接收效率調(diào)節(jié)，其可作為因素在計(jì)算期間在輸出氣體質(zhì)量流量(m_G)中考慮。用于確定首級天然氣質(zhì)量流量率的一般公式可如下使用單種燃料置換比FSR:

${\stackrel{\·}{m}}_G=\frac{(1-FSR)\×InputPower}{{\mathrm{LHV}}_{Ge}}---\left(4\right)$

在公式4中，使用氣體燃料低熱值估計(jì)值(LHV_Ge)，將其通過基于動態(tài)IMEP的LHV預(yù)估器120輸入氣體質(zhì)量流量模塊108。

在圖5中更詳細(xì)地顯示基于動態(tài)IMEP的LHV預(yù)估器120?；趧討B(tài)IMEP的LHV預(yù)估器從第一PI控制器92接收總體積流量的輸入并且比較總體積流量與映射的總柴油流量，以確定體積流量的誤差。然后將體積流量誤差用于基于動態(tài)IMEP的LHV預(yù)估器的第二PI控制器122以確定氣體燃料的氣體LHV估計(jì)值(LHV_Ge)。

為了確定映射的柴油流量，基于動態(tài)IMEP的LHV預(yù)估器120包括模塊124，其從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器60接收測量轉(zhuǎn)速的輸入并且從IMEP傳感器59接收發(fā)動機(jī)12的當(dāng)前循環(huán)的IMEP值。映射的總柴油流量模塊124包括由發(fā)動機(jī)12以純柴油模式運(yùn)行時(shí)的總體積流量值構(gòu)成的表。在模塊124內(nèi)的數(shù)據(jù)使總體積流量值與給定的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值和IMEP值相關(guān)。模塊124使用輸入測量的轉(zhuǎn)速值和IMEP值并且確定當(dāng)前發(fā)動機(jī)循環(huán)的總柴油流量。然后，將確定的總柴油流量供應(yīng)給加法器126，其中，確定的總柴油流量與來自第一PI控制器92的總體積流量相比較，確定體積流量誤差。在一些實(shí)例中，基于動態(tài)IMEP的LHV預(yù)估器120可包括低通濾波器126，用于保證在與由第一PI控制器92計(jì)算的總體積流量輸出相同的轉(zhuǎn)速處計(jì)算輸出總柴油流量。

然后將體積流量誤差輸入第二PI控制器122。第二PI控制器122使用體積流量誤差確定LHV_Ge值，使用LHV_Ge值修正氣體燃料質(zhì)量流量中由于氣體低熱值波動產(chǎn)生的差異。如果氣體LHV_Ge是期望值(例如，天然氣的正常LHV)，那么誤差應(yīng)為零，意味著LHV_Ge值將等于天然氣的正常LHV。但是，如果體積流量誤差不為零，那么將改變LHV_Ge值以或者升高或者降低天然氣的輸出，原因在于由于氣體LHV改變導(dǎo)致差異。如果體積流量誤差大于零，那么氣體質(zhì)量流量將低于期望氣體質(zhì)量流量。備選地，如果體積流量誤差小于零，那么氣體質(zhì)量流量將低于期望氣體質(zhì)量流量。ECM48將繼續(xù)更新LHV_Ge直至誤差為零。

使用公式(3)和(4)，質(zhì)量流量率應(yīng)100％符合從PI控制器92輸出的指令輸入功率。基于質(zhì)量流量率燃料分配模塊100將產(chǎn)生合適的控制信號并且分別傳輸相應(yīng)的氣體燃料指令和液體燃料指令至氣體燃料進(jìn)氣閥28和液體燃料噴射器38。

圖5顯示了一種用于控制多燃料發(fā)動機(jī)12中的燃料流量的方法200的實(shí)例框圖。在實(shí)例方法200中，由氣體燃料源(例如碳?xì)浠衔锶剂侠缣烊粴?和次級燃料源(例如液體燃料例如柴油燃料)給多燃料發(fā)動機(jī)12提供動力?？墒褂?與多燃料發(fā)動機(jī)12和ECM48相關(guān)的)硬件和/或(由例如ECM48的處理器70執(zhí)行的)軟件的任意組合執(zhí)行方法200和其相關(guān)的步驟。

在框210處，針對要求的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速確定用于運(yùn)行多燃料發(fā)動機(jī)12的輸入功率。要求的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速可由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器80提供。在加法器90處將要求的轉(zhuǎn)速與由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器60提供的測量的轉(zhuǎn)速相加之后，可使用PI控制器92確定輸入功率。

使用燃料分配模塊100(框220)可確定次級燃料流量值(例如柴油質(zhì)量流量m_D)。使用功率輸入、由燃料混合輸入控制器84提供的FSR值，和任意其他由燃料特性輸入控制器82提供的數(shù)據(jù)(例如LHV_D)可確定次級燃料流量率。

在框230處，方法200包括確定氣體燃料的估計(jì)LHV(LHV_Ge)。在圖7中還顯示了確定估計(jì)LHV所涉及的步驟，其提供了用于動態(tài)確定在多燃料發(fā)動機(jī)12中的氣體燃料的低熱值的方法230?；趧討B(tài)IMEP的LHV預(yù)估器120從多燃料發(fā)動機(jī)12經(jīng)由PI控制器92接收計(jì)算的體積流量值(框231)?；趧討B(tài)IMEP的LHV預(yù)估器120也從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器60接收測量的轉(zhuǎn)速值并且基于來自IMEP傳感器59的輸入確定IMEP值(框232、233)。

基于動態(tài)IMEP的LHV預(yù)估器120可基于測量的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和IMEP值確定映射的體積流量值。確定映射的體積流量值可包括，將測量的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和IMEP與包括多個(gè)預(yù)定的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值、多個(gè)預(yù)定的IMEP值、和多個(gè)預(yù)定的體積流量值的查詢表比較，多個(gè)預(yù)定的體積流量值中的每個(gè)與多個(gè)預(yù)定的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值中的至少一個(gè)和至少一個(gè)預(yù)定的IMEP值相關(guān)聯(lián)。在一些這樣的實(shí)例中，確定映射的體積流量還可包括確定映射的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值(映射的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值是多個(gè)預(yù)定的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值中與所測量的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值最近似的一個(gè))，確定映射的IMEP值(映射的IMEP值是多個(gè)預(yù)定的IMEP值中與所測量的IMEP值最近似的一個(gè))，和確定映射的體積流量值(多個(gè)預(yù)定的體積流量值中與映射的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值和映射的IMEP值相關(guān)聯(lián)的那一個(gè))。

此外，方法230通過比較映射的體積流量值與計(jì)算的體積流量值繼續(xù)確定體積流量誤差(框235)。至少使用體積流量誤差，確定估計(jì)的氣體燃料LHV(框236)。

然后使用確定的估計(jì)LHV、功率和FSR確定氣體燃料流量率(框240)。然后輸出氣體燃料流量率至氣體燃料進(jìn)氣閥28(框250)并且輸出次級燃料流量率至液體燃料噴射器38(框260)。

工業(yè)實(shí)用性

本發(fā)明通常涉及可以液體燃料、氣體燃料和液體燃料與氣體燃料的混合物運(yùn)行的多燃料發(fā)動機(jī)，并且尤其涉及用于基于氣體燃料的低熱值控制并且使多種燃料的分配適應(yīng)于多燃料發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)和方法。所公開的系統(tǒng)和方法對于為多燃料發(fā)動機(jī)提供更高的效率、更低的排放和成本效益非常有利。

在一些多燃料發(fā)動機(jī)中，需要昂貴的氣體燃料分析器監(jiān)視并且隨后為正確使用輸入LHV值。如以上非常詳細(xì)地描述的那樣，所公開的系統(tǒng)和方法擺脫了對這種裝置的需求，因?yàn)閯討B(tài)估計(jì)氣體燃料的LHV并且所述數(shù)值用于改變系統(tǒng)內(nèi)的氣體質(zhì)量流量。額外地，所公開的系統(tǒng)和方法可在氣體LHV改變時(shí)因轉(zhuǎn)速控制保證準(zhǔn)確的基于能量的氣體置換。同樣地，本系統(tǒng)和方法可提供低成本的控制系統(tǒng)并且也提供可靠且準(zhǔn)確的發(fā)動機(jī)保護(hù)方案；因?yàn)殄e(cuò)誤的氣體質(zhì)量流量可引起發(fā)動機(jī)損壞。

應(yīng)該理解本發(fā)明提供了基于氣體燃料的低熱值用于控制并且使多種燃料的分配適應(yīng)于多燃料發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)和方法。雖然只陳述了一定的實(shí)施例，從以上說明中備選方案和變型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。這些和其他的備選方案認(rèn)為是等效的并且在本發(fā)明和所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)。