用于将填充燃料喷射至气体燃料和空气流的发动机和控制策略制造技术

用于火花点火气体燃料发动机的控制系统包括燃料质量感测机构和控制装置，控制装置构造成接收由燃料质量感测机构产生的指示气体燃料和空气流的能量含量变化的数据以及基于数据改变喷射到气体燃料和空气流中的填充燃料的量。该策略适用于诸如矿井通风中产生的低能量气体燃料和空气混合物。

Engine and control strategy for injecting fill fuel into gaseous fuel and air flow

The control system for a spark ignition gas fuel engine consists of a fuel mass sensing mechanism and a control device configured to receive data generated by the fuel mass sensing mechanism indicating changes in the energy content of the gas fuel and air flow, and to alter the filled combustion injected into the gas fuel and air flow based on the data. The quantity of the material. The strategy applies to low energy gaseous fuels and air mixtures such as mine ventilation.

【技术实现步骤摘要】
用于将填充燃料喷射至气体燃料和空气流的发动机和控制策略
本专利技术一般涉及用于较低能量含量的气体燃料和燃料混合物的内燃机和操作策略，并且更具体地涉及使用填充燃料可控地增加气体燃料和空气混合物的能量含量。专利技术背景气体燃料发动机广泛应用于诸如发电、车辆推进、气体压缩、泵送及其它领域。对气体燃料的操作提供许多优点，包括通常期望的和可控的排放特征，特别是对于氮氧化物或“NOx”。气体燃料发动机通常也非常适合于化学计量稀燃操作，并且气体燃料往往能够容易且经济地获得和运输。大多数气体燃料发动机也是火花点火的，使得能够相对精确地控制任何给定汽缸内的燃烧进气的点火正时，该能力可以用于各种目的。例如通常由于易于获得气体燃料、特别是天然气、填埋场气体、沼气和包括混合物的其它各种燃料，气体燃料发动机通常部署在诸如油田和气田场所、填埋场、钻井平台和一些工业场所的场所。在最近几年中，人们一直对在通常发现天然存在的天然气的某些矿场处的气体燃料发动机的部署感兴趣。例如，在煤矿中，一定量的天然气将一般往往存在于矿井内，特别是竖井矿井中，并且在耗尽时通过自然过程补充。虽然竖井煤矿中天然气的相对丰度通常会相对较低，但由于各种原因可能仍需要排放矿井气体。在许多现代竖井煤矿中，通过迫使来自表面的新鲜空气贯通矿井的各种竖井和通道，矿井气体从矿井或多或少连续通风。在矿井中使用否则浪费的天然气的期望是显而易见的，然而，矿井气体中的天然气的相对比例往往低于大多数气体燃料发动机设计操作的天然气的相对比例。取决于特定矿井和通风策略，矿井气体中易燃气体燃料的比例可以低至约4％并且通常不高于约12-15％。由于这个原因，矿井气体的能量含量往往相对较低，并且如果甚至可以操作，气体燃料发动机的总气体通过量的相当比例必须专用于输送矿井气体。由于这些和其它原因，为了能够成功和可行地对矿井气体进行气体燃料发动机的操作，可能需要昂贵的设备，并且以矿井气体流中可燃燃料的相对比例在所有给定波动下操作这种发动机仍然可能不可行。在涉及混合气体燃料与混合物以获得期望的特性(例如能量含量)之前，已经提出了各种策略。Hughes的美国专利第9133779号公开了一种混合粗天然气与甲烷气体的策略。虽然Hughes公开的技术可能对某些类型的不合格气体或某些应用有利，但在气体燃料和气体燃料发动机领域还有进一步创新的空间。
技术实现思路
在一个方面中，内燃机系统包括发动机壳体，其具有在其中形成的燃烧室以及具有用于接收气体燃料和空气流的入口和用于将气体燃料和空气流输送至燃烧室的出口的流体导管。发动机系统进一步包括燃料供应和电子控制燃料阀，电子控制燃料阀流体地定位在流体导管与燃料供应之间，以将填充燃料流从燃料供应输送到气体燃料和空气流中。发动机系统进一步包括构造成产生指示气体燃料和空气流的能量含量的数据的燃料质量感测机构以及与电子控制燃料阀和燃料质量感测机构联接的控制装置。控制装置构造成致动电子控制燃料阀以在发动机壳体内形成燃烧进气，燃烧进气含有气体燃料、空气和取决于气体燃料和空气流的能量含量的一定喷射量的填充燃料。在另一方面中，用于内燃机的燃料系统包括流体导管，流体导管具有用于接收气体燃料和空气流的入口以及构造成流体连接至内燃机中的燃烧室的出口。燃料系统进一步包括燃料供应和电子控制燃料阀，电子控制燃料阀与燃料供应流体连通并且构造成将填充燃料从燃料供应喷射到气体燃料和空气流中，以在内燃机内形成燃烧进气。燃料系统进一步包括燃料质量感测机构和与电子控制燃料阀和燃料质量感测机构联接的控制装置。控制装置构造成接收由燃料质量感测机构产生的指示气体燃料和空气流的能量含量从第一时间到第二时间的变化的数据，并且基于指示能量含量变化的数据改变从第一时间到第二时间被喷射到气体燃料和空气流中的填充燃料的量。在又一方面中，一种用于火花点火的气体燃料内燃机系统的控制系统包括燃料质量感测机构，燃料质量感测机构构造成与流体导管联接以用于输送通过内燃机的含有气体燃料和空气的流，使得燃料质量感测机构暴露于气体燃料和空气流的流动中。控制系统进一步包括与燃料质量感测机构联接并且构造成与燃料阀联接的控制装置，用于将填充燃料喷射到气体燃料和空气流中以增加气体燃料和空气流的能量含量。控制装置构造成接收由燃料质量感测机构产生的指示气体燃料和空气流的能量含量从第一时间到第二时间的变化的数据，并且基于指示能量含量变化的数据改变从第一时间到第二时间被喷射到气体燃料和空气流中的填充燃料的量。附图说明图1是根据一个实施例的发动机系统的示意图；图2是根据一个实施例的数据处理和控制计算的框图；以及图3是根据一个实施例的示出实例过程和控制逻辑流程的流程图。具体实施方式参照图1，示出了根据一个实施例的包括具有在其中形成的燃烧室14的发动机壳体12的内燃机系统10。发动机壳体12包括具有用于接收气体燃料和空气流的入口18的流体导管16。流体导管16进一步包括用于将气体燃料和空气流输送至燃烧室14的出口20。在所示实施例中，内燃机系统10(在下文中称为“发动机系统10”)是多汽缸火花点火设计，其包括多个汽缸14(在本文中与一个或多个燃烧室14可互换地描述)，每个汽缸14具有以大致常规的方式在其中往复运动以旋转曲轴28的活塞26。气体燃料和空气流可以是来自矿井气体供应源30的所谓的矿井气流，例如可以通过煤矿的通风或可能的另一种类型的矿井来生产。气体燃料和空气流通常将是化学计量稀燃的，并且一般具有约10体积％或更小、并且可能约4体积％或更小的气体燃料含量。如本文所使用的，术语“约”可以在常规四舍五入为一致数目的有效数字的上下文中理解。因此，“约10”表示5至14，并且“约4”表示3.5至4.4，等等。除矿井气流以外，气体燃料和空气流可以是气体燃料和空气的各种其它已知混合物，例如沼气流、填埋场气体或另一种。在一个实施方式中，气体燃料和空气流被输送到入口18中，并且随后通过涡轮增压器48的压缩机50，然后通过后冷却机42。气体燃料和空气流可以从后冷却机42被输送至进气歧管22，进气流道(未标号)将气体燃料和空气流从进气歧管22输送至单独汽缸14。排气从汽缸14输送至排气歧管24，然后通过涡轮增压器48的涡轮52，并排到排气出口46。出于本专利技术的目的，流体导管16可以被理解为从入口18延伸至出口46的各种流体通道和腔室的整体。用于将气体燃料和空气输送到汽缸14中的出口20可以被理解为流体导管16内的出口。发动机系统10进一步包括燃料系统34，燃料系统34包括另一燃料供应32，燃料供应32可以包括液体天然气(LNG)、液体丙烷(LP)、管道天然气或诸如可能的含有柴油机燃料的液体燃料供应的另一种形式的燃料供应。在一个实施例中，燃料供应32包括可以包括用于存储液化气体燃料的低温燃料箱的燃料箱36以及用于使存储在燃料箱36中的液化燃料汽化和增压的设备38。包括电致动器41的电子控制燃料阀40可以在发动机壳体12与燃料供应32之间提供并且联接，以通过流体导管16从燃料供应32将诸如如上讨论的任何燃料类型或其它燃料类型的填充燃料流输送到气体燃料和空气流中。电子控制燃料阀40(下文称为阀40)可以包括诸如液压致动燃料喷射器、机械致动燃料喷射器或电致动燃料喷射器的燃料喷射器，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内燃机系统，包含：发动机壳体，其具有在其中形成的燃烧室并且包括具有用于接收气体燃料和空气流的入口和用于将所述气体燃料和空气流输送至所述燃烧室的出口的流体导管；燃料供应；电子控制燃料阀，其流体地定位在所述流体导管与所述燃料供应之间，以从所述燃料供应输送填充燃料流，以喷射到所述气体燃料和空气流中；燃料质量感测机构，其构造成产生指示所述气体燃料和空气流的能量含量的数据；以及与所述电子控制燃料阀和所述燃料质量感测机构联接的控制装置，并且所述控制装置构造成致动所述电子控制燃料阀以在所述发动机壳体内形成燃烧进气，所述燃烧进气含有所述气体燃料、空气和取决于所述气体燃料和空气流的所述能量含量的一定喷射量的所述填充燃料。

【技术特征摘要】
2017.03.20 US 15/463,5191.一种内燃机系统，包含：发动机壳体，其具有在其中形成的燃烧室并且包括具有用于接收气体燃料和空气流的入口和用于将所述气体燃料和空气流输送至所述燃烧室的出口的流体导管；燃料供应；电子控制燃料阀，其流体地定位在所述流体导管与所述燃料供应之间，以从所述燃料供应输送填充燃料流，以喷射到所述气体燃料和空气流中；燃料质量感测机构，其构造成产生指示所述气体燃料和空气流的能量含量的数据；以及与所述电子控制燃料阀和所述燃料质量感测机构联接的控制装置，并且所述控制装置构造成致动所述电子控制燃料阀以在所述发动机壳体内形成燃烧进气，所述燃烧进气含有所述气体燃料、空气和取决于所述气体燃料和空气流的所述能量含量的一定喷射量的所述填充燃料。2.如权利要求1所述的发动机系统，其中，所述流体导管包括在压缩机与在所述发动机壳体中形成所述燃烧室的汽缸之间延伸的进气导管，并且进一步包含与所述汽缸流体连通的火花点火机构；其中，所述燃料质量感测机构包括暴露于所述气体燃料和空气流的流动的至少一个传感器；以及其中，所述至少一个传感器包括量热计。3.如权利要求1所述的发动机系统，其中，所述控制装置进一步构造成确定基于指示能量含量的所述数据的校正因子，并且通过输出基于所述校正因子的燃料加注控制命令来致动所述电子控制燃料阀；所述发动机系统进一步包含密度感测机构，所述密度感测机构包括暴露于所述气体燃料和空气流的流动的至少一个传感器，并且其中，所述控制装置进一步构造成基于所述密度感测机构产生的数据确定所述校正因子。4.如权利要求3所述的发动机系统，其中，所述控制装置进一步构造成计算基于由所述数据指示的实际密度和期望密度之间的差异以及指示能量含量的所述数据的误差项，并且构造成根据所述误差项计算所述校正因子；其中，所述控制装置进一步构造成通过将比例增益应用于所述误差项来计算所述校正因子。5.一种用于内燃机的燃料系统，包含：流体导管，其具有用于接收气体燃料和空气流的入口以及构造成流体连接至所述内燃机中的燃烧室的出口；燃料供应；电子控制燃料阀，其与所述燃料供应流体连通并且构造成将填充燃料从所述燃料供应喷射到所述气体燃料和空气流中，以在所述内燃机内形成燃烧进气；燃料质量感测机构；以及与所述电子控制燃料阀和所述燃料质量感测机构联接的控制装置，所述控制装置构造成：接收由所述燃料质量感测机构产生的指示所述气体燃料和空气流的能量含量从第一时间到第二时间的变化的数据；以及基于指示能量含量变化的所述数据改变从所述第一时间到所述第二时间被喷射到所述气体燃料和空气流中的所述填充燃料的量。6.如权利要求5所述的燃料...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·班纳，D·沃林，
申请(专利权)人：卡特彼勒公司，
类型：发明
国别省市：美国,US