直喷式气体发动机和方法技术

本发明专利技术涉及直喷式气体发动机和方法，具体涉及一种具有液体和气体燃料系统的发动机系统，这两种燃料系统的任一种都直接将燃料注入到发动机气缸中。控制器在正常模式下以及在跛行模式下监控和控制发动机的运转，在正常模式下，发动机产生额定功率，而当气体燃料系统存在异常运转情况时，使用跛行模式。在跛行模式运转期间，相对于正常模式，发动机使用更多的液体燃料和更少的气体燃料或者不使用气体燃料，并产生低于额定功率的功率。

【技术实现步骤摘要】
直喷式气体发动机和方法
本专利技术总体上涉及内燃机，尤其是直喷式柴油发动机和直喷式气体发动机的紧急或跛行操作模式。
技术介绍
有各种不同类型的发动机，其使用不止一种燃料。其中一种已知的是直喷式气体发动机(DIG)，在这种发动机中，当源自柴油引燃的在气缸中的燃烧已经进行时，诸如LPG等的气体燃料在高压下被注入到气缸中。DIG发动机依靠气体燃料运转，柴油引燃提供气体燃料的点燃。另一类型的使用不止一种燃料的发动机被称为双燃料发动机，该双燃料发动机使在相对低压的气体燃料，例如天然气，其在相对较低的压力下和准许进入发动机气缸中的进入空气混合。双燃料发动机典型地能够利用诸如柴油或汽油的液体燃料在全功率运转。在稳态运转期间，提供气体燃料来替代一定量的液体燃料。在一定运转条件下向气缸提供的空气/气体燃料混合物被压缩，然后类似于汽油发动机，用火花点燃，或者用注入到在气缸中原有的空气/气体燃料混合物中的压燃燃料例如柴油点燃。当双燃料发动机中的燃料传送系统中的一个发生故障时，例如，当气体燃料供给不能提供足够量的气体燃料时，依据发动机的类型，调整其运转将有不同程度的难度系数。例如，在双燃料发动机中气体燃料供给是在低压力下的，调整发动机的运转相对容易，因为这些发动机已经能够在没有气体燃料的情况下正常运转。因此在发动机故障阻止气体燃料的供给到达气缸的情况下，发动机仅继续依靠液体燃料运转。这样发动机结构的一个例子可以在于2004年2月17号授权的美国专利6，694，242中找到。在这个例子中，发动机包括两个控制器，一个控制发动机在双燃料模式中运转，另一个控制在单一的液体燃料模式中运转。发动机能够在单燃料控制器的命令下在纯柴油模式下运转。双燃料模式下的运转在第二个控制器的控制下发生。当在这种模式下运转时，在低压下提供的气体燃料与空气混合进入发动机气缸，在气缸中这些气体燃料在柴油被注入气缸而开始点燃前被压缩。正如所看到的，例如，当在气体燃料传送系统中检测到故障时，发动机在纯柴油模式下运转的能力允许发动机转换到这种运转模式。在2007年5月24号公布的国际公布号为WO2007/056845A1中看到，具有在发动机运转期间替代液体燃料的燃料供给的双燃料发动机的另一例子。在这个例子中，气体燃料传送系统被设计为用于在现有柴油发动机上进行改进，并且包括安装在发动机的现有电热塞开口中的气体燃料喷射器。气体燃料被直接注入到发动机气缸中，就像目前的柴油喷射器所做的一样。使用加热器预先处理进入到气缸中的空气来完成燃烧，其中加热器提高进入空气的温度来创造有利于气体燃料燃烧的条件。发动机可以在双燃料或者在加热器的帮助下在纯气体燃料或纯柴油燃料的操作下运转。尽管都已知使用不止一种燃料的发动机，在某些运转模式下这些发动机使用气体燃料来替代一些量的液体燃料诸如柴油。因此，当检测到气体燃料故障时，发动机能够在没有任何气体燃料下运转。然而，这不是DIG发动机的情况，在DIG发动机中主燃料是气体燃料，次要的燃料是液体燃料，例如柴油，其如前面所述用于引起燃烧。在这些发动机中，气体燃料系统的故障将会使发动机不动，其中安装有此发动机的车辆也这样不动，因为气体燃料是发动机的主要燃料供给，液体燃料仅仅是用作点火源。当这种发动机安装在大型设备例如矿用卡车上时，特别不希望有这样的不能动的情况，因为一个车队中单一个不能动的卡车能停止整个采矿的运转。例如，在矿山中到挖掘场和从挖掘场出来的道路是随着挖掘场的移动而开创的，通常在一定程度上用于运输的单一车道被断开。一个全负载的卡车滞留在其中一个陡峭的道路上，将会导致其他进入或离开挖掘场的卡车滞留，这将会产生危险的交通情况，产生长时间的耽搁，并增加矿山开采运转的成本。
技术实现思路
本专利技术一方面描述了一种直喷式气体(DIG)发动机系统。该DIG发动机系统包括具有至少一个气缸的发动机，该气缸在往复式活塞、孔和火焰挡板之间形成一个可变容腔。液体燃料系统包括与液体燃料喷射器流体连通的液体燃料轨道，该液体燃料喷射器能够将液体燃料直接注入到可变容腔中作为点燃源。气体燃料系统包括与气体燃料喷射器流体连通的气体燃料轨道，该气体燃料喷射器能够将气体燃料直接注入到可变容腔中作为功率源。控制器被设置为监控和控制在正常模式下或跛行模式下发动机的运转。在一种实施例中，当不存在系统的异常运转情况时，正常模式存在，当控制器确定异常运转情况存在时，跛行模式存在。当在正常模式下运转时，正常量的液体燃料和正常量的气体燃料被注入到气缸中来产生额定发动机功率。当在跛行模式下运转时，比正常量的液体燃料多的液体燃料量和比正常量的气体燃料少的气体燃料被注入到气缸中来产生比额定功率低的跛行功率，但足够使发动机继续以有效的功率输出运转。另一方面，本专利技术描述了一种适用于直喷式气体(DIG)发动机的故障缓解系统，该直喷式气体发动机使用柴油引燃来点燃直接注入的气体燃料，诸如液化石油或天然气等，这些气体燃料存储在低温储罐中并被加热以便在发动机中使用。这个系统包括至少一个发动机气缸，该气缸在活塞、孔和火焰挡板之间形成一个可变容腔。柴油燃料系统包括和柴油燃料喷射器流体连通的柴油燃料轨道，该柴油燃料喷射器能够将柴油燃料直接注入到可变容腔中作为点燃源。气体燃料系统包括与气体燃料喷射器流体连通的气体燃料轨道，该气体燃料喷射器能够将气体燃料直接注入到可变容腔中作为功率源。控制器被设置为监控和控制在正常模式下和跛行模式下发动机的运转。在一种实施例中，当不存在异常运转情况时，正常模式存在，当控制器确定异常运转情况存在时，跛行模式存在。当以正常模式运转时，正常量的柴油燃料和正常量的气体燃料被注入到气缸中来产生额定发动机功率。当在跛行模式下运转时，比正常量的柴油燃料更多的柴油燃料量和比正常量的气体燃料更少的气体燃料量被注入到气缸中来产生比额定功率低的跛行发动机功率。在又一个方面，本专利技术描述了一种用于缓解在直喷式气体(DIG)发动机中的气体燃料系统故障或异常运转情况的方法。该方法包括：使气体燃料供给系统运转，该系统包括适用于存储低温液化状态下的气体燃料的储存罐、适用于从储存罐中吸取气体燃料并且对其压缩以产生压缩气体燃料的气体泵、适用于增加压缩气体燃料的焓的加热器和适用于收集压缩气体燃料的气体燃料轨道。控制器监控指示气体燃料供给的运转情况的传感器信号。传感器信号包括下列中的至少一种：指示气体燃料轨道中压缩气体燃料状态的轨道状态信号，指示在加热器出口处的气体燃料状态的加热器状态信号，指示在加热器进口处的气体燃料状态的液体状态信号，指示在存储罐中低温液化状态下的气体燃料的液位的液位信号。当控制器基于对轨道状态信号、加热器状态信号、液体状态信号和液位信号中的至少一种确定异常运转情况存在时，将会使发动机运转从正常模式转换到跛行模式。当在正常模式下运转时，正常量的液体燃料和正常量的气体燃料被注入到发动机气缸中来产生额定发动机功率。当在跛行模式下运转时，比正常量的液体燃料更多的液体燃料量和比正常量的气体燃料更少的气体燃料量被注入到发动机气缸中来产生比额定功率低的跛行发动机功率。附图说明图1示出了根据本专利技术的用于发动机的直喷式气体(DIG)系统和液态燃料系统的框图，图2示出了根据本专利技术的DIG发动机气缸的剖视图，图3示出了根据本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直喷式气体发动机系统，包括：具有至少一个气缸的发动机，该气缸在往复式活塞、孔和火焰挡板之间形成一个可变容腔；液体燃料系统，其包括与液体燃料喷射器流体连通的液体燃料轨道，该液体燃料喷射器能够将液体燃料直接注入到可变容腔中作为点燃源；气体燃料系统，其包括气体燃料喷射器，该气体燃料喷射器能够将气体燃料直接注入到可变容腔中作为功率源；以及控制器，其用来监控和控制正常模式下或跛行模式下发动机的运转，当不存在异常运转情况时，正常模式存在，当控制器确定异常运转情况存在时，跛行模式存在，从而使：当以正常模式运转时，正常量的液体燃料和正常量的气体燃料被注入到气缸中来产生额定发动机功率，以及当以跛行模式运转时，比正常量的液体燃料多的液体燃料量和比正常量的气体燃料少的气体燃料量被注入到气缸中以产生比额定功率低的跛行发动机功率。

【技术特征摘要】
2012.05.17 US 13/474,0791.一种直喷式气体发动机系统，包括：具有至少一个气缸的发动机，该气缸在往复式活塞、孔和火焰挡板之间形成一个可变容腔；液体燃料系统，其包括与液体燃料喷射器流体连通的液体燃料轨道，该液体燃料喷射器能够将液体燃料直接注入到可变容腔中作为点燃源；气体燃料系统，其包括气体燃料喷射器，该气体燃料喷射器能够将气体燃料直接注入到可变容腔中作为功率源；以及控制器，其用来监控和控制正常模式下或跛行模式下发动机的运转，当不存在异常运转情况时，正常模式存在，当控制器确定异常运转情况存在时，跛行模式存在，从而使：当以正常模式运转时，正常量的液体燃料和正常量的气体燃料被注入到气缸中来产生额定发动机功率，以及当以跛行模式运转时，比正常量的液体燃料多的液体燃料量和比正常量的气体燃料少的气体燃料量被注入到气缸中以产生比额定功率低的跛行发动机功率；其中，所述液体燃料系统包括液体燃料泵，该液体燃料泵能够从液体燃料容器中吸取液体燃料并向与液体燃料喷射器流体连通的液体燃料轨道提供加压的液体燃料，加压的液体燃料被增压到轨道压力；其中，所述气体燃料系统包括能够以液体状态存储气体燃料的低温储罐，以及与气体燃料喷射器流体连通的气体燃料供给线；其中，所述气体燃料系统还包括气体燃料泵，该气体燃料泵能够从低温储罐中吸取液化的气体燃料并向加热器提供压缩的液化的气体燃料，该加热器能够提高液化的气体燃料的温度；还包括布置在加热器和气体燃料供给线之间的压力控制模块，该压力控制模块能够控制气体燃料的压力。2.如权利要求1所述的发动机系统，其中，所述液体燃料和气体燃料相继地被注入到气缸中。3.如权利要求1所述的发动机系统，其中，当发动机系统正在以正常模式运转时，所述气体燃料的压力和压缩液体燃料的轨道压力基本是相等的。4.如权利要求1所述的发动机系统，还包括下列传感器中的至少一种：布置在气体燃料供给线和压力控制模块之间的气体状态传感器，该气体状态传感器能够向控制器提供指示压缩液体燃料的状态的轨道状态信号；布置在燃料过滤器和压力控制模块之间的燃料过滤器状态传感器，该燃料过滤器状态传感器能够向控制器提供指示被过滤的气体燃料状态的过滤器状态信号；布置在燃料过滤器和加热器之间的加热器状态传感器，该加热器状态传感器能够向控制器提供指示气体燃料状态的加热器状态信号；布置在气体燃料泵出口处的液体状态传感器，该液体状态传感器能够向控制器提供指示压缩气体燃料状态的液体状态信号；以及与低温储罐相关联的液位传感器，该液位传感器能够向控制器提供指示在低温储罐内液体状态下的气体燃料的液位的液位信号。5.如权利要求4所述的发动机系统，其中，所述控制器能够监控轨道状态信号、过滤器状态信号、加热器状态信号、液体状态信号和液位信号中的一个或多个来确定异常运转情况的存在出现，以及当一个或多个异常运转情况存在时，使发动机运转从正常模式转到跛行模式。6.一种用于直喷式气体发动机的故障缓解系统，所述直喷式气体发动机用柴油引燃来点燃直接注入的气体燃料，其存储在低温储罐中并且在加热器中加热以便在发动机中使用，所述故障缓解系统在与DIG发动机相关的控制器中运行，所述DIG发动机包括：至少一个发动机气缸，该气缸在布置在孔内的活塞、孔的一部分和火焰挡板之间形成一个可变容腔；柴油燃料系统，该柴油燃料系统包括与柴油燃料喷射器流体连通的柴油燃料轨道，该柴油燃料喷射器能够将柴油燃料直接注入到可变容腔中作为点燃源；以及气体燃料系统，该气体燃料系统包括气体燃料喷射器，该气体燃料喷射器能够将气体燃料直接注入到可变容腔中作为功率源；其中，所述的控制器用来监控和控制在正常模式下或跛行模式下发动机的运转，当不存在异常运转情况时，正常模式存在，当控制器确定异常运转情况存在时，跛行模式存在，使得：当以正常模式运转时，正常量的柴油燃料和正常量的气体燃料被注入到气缸中以产生额定发动机功率；以及当以跛行模式运转时，比正常量的柴油燃料多的柴油燃料量和比正常量的气体燃料少的气体燃料量被注入到气缸中以产生比额定功率低的跛行发动机功率；其中，所述气体燃料系统还包括气体燃料泵，该气...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·斯托克纳，F·隆巴迪，
申请(专利权)人：卡特彼勒公司，
类型：发明
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