带背压控制的双燃料发动机系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及一种双燃料发动机系统，并且更具体地涉及一种带背压控制的双燃料发动机系统。
【背景技术】
[0002]发动机燃烧燃料和空气的混合物以连同热排气流一起产生机械动力输出。增压发动机包括被驱动以压缩进入发动机的燃烧空气的一个或多个压缩机。通过迫使压缩空气进入至发动机中，可用于燃烧的空气变得比在其它方面可通过发动机活塞的运动吸入发动机内的空气多。所述增加的空气供给允许燃料供给的相应增加，从而带来增加的动力输出。增压发动机通常产生比不带增压的相同发动机更多的动力。
[0003]发动机可以采用不同方式进行增压。例如，发动机可为经涡轮增压的，其中涡轮通过由发动机产生的热排气驱动并且机械地连接成驱动压缩机。在另一示例中，压缩机可与发动机的曲轴机械地连接并由发动机直接驱动。当压缩机与发动机的曲轴机械地连接时，发动机被称为是经机械增压的(supercharged)。在一些情形中，发动机可既经涡轮增压又经机械增压。
[0004]压缩机可以向发动机供给过多的空气。例如，在低发动机负荷下，压缩机实际上会供给足以过度冷却发动机并由此降低燃烧效率和/或增加排气排放的空气。此外，当发动机在低负荷设定下被供给气态燃料时，该过量的空气会使燃烧熄灭。
[0005]在1992年I月14日颁布的McCandless等人的美国专利5,079,921( “’921专利”)中公开了一种解决这些问题的尝试。具体地，’921专利公开了一种在涡轮增压器的排气出口中具有阀的排气背压控制系统。该阀由微计算机控制以在发动机启动期间关闭和限制排气流。通过限制排气流，发动机内的背压和摩擦增加，由此引起发动机以更大的负荷工作(work harder)并且比在其它方面可以实现的暖机更快地暖机。微计算机根据发动机冷却剂温度、发动机转速、发动机燃料消耗和实际背压来使阀移动。
[0006]尽管’921专利的排气背压控制系统在一些状况下可以胜任，但它不适用于双燃料系统和/或具有混合增压系统(即，既经涡轮增压又经机械增压的系统)的系统。
[0007]本发明的发动机系统解决了一个或多个上述问题和/或本领域中的其它问题。
【发明内容】
[0008]在一方面，本发明涉及一种发动机系统。该发动机系统可包括具有多个气缸的发动机，以及与多个气缸中的每个气缸相关联且构造成喷射液态燃料和气态燃料的至少一个喷射器。该发动机系统还可包括涡轮增压器和阀，所述涡轮增压器由来自多个气缸的排气驱动以对被引入多个气缸内的空气流加压，所述阀与涡轮增压器直列地配置(disposedinline)并且构造成选择性地增大排气背压。该发动机系统还可包括控制器，该控制器构造成仅在至少一个喷射器正喷射气态燃料时选择性地引起所述阀朝向限流位置的移动。
[0009]在另一方面，本发明涉及另一种发动机系统。该发动机可包括具有多个气缸和涡轮增压器的发动机。该涡轮增压器可具有由来自多个气缸的排气驱动的涡轮，和由涡轮或发动机选择性地驱动以对被引入至多个气缸中的空气流加压的压缩机。该发动机系统还可包括阀和控制器，所述阀与涡轮直列地配置并且构造成选择性增大排气背压，所述控制器构造成仅在涡轮增压器的压缩机由发动机驱动时选择性地引起所述阀朝向限流位置的移动。
[0010]在又一方面，本发明涉及一种控制发动机的方法。该方法可包括使用涡轮或发动机中的一者选择性地驱动压缩机以压缩被引入至发动机中的空气，并且选择性地将液态燃料和气态燃料引入至发动机中。该方法还可包括使空气和燃料的混合物在发动机中燃烧以产生动力和被引导经过涡轮的排气流，并确定发动机的负荷。该方法还可包括仅在气态燃料正被喷射至发动机中以及仅在涡轮增压器的压缩机由发动机驱动时基于所述负荷而选择性地增大发动机的排气背压。
【附图说明】
[0011]图1是公开的示例性发动机的示意图。
【具体实施方式】
[0012]图1示出了发动机系统10。出于本发明的目的，发动机系统10示出和描述为包括双燃料发动机12。本领域的技术人员将认识到，发动机12可为构造成燃烧液态燃料(例如，柴油)和气态燃料(例如，天然气(natural gas,NG))的任何类型的双燃料发动机，例如二冲程或四冲程发动机。发动机系统10可与移动应用(例如，列车编组)或静止应用(例如，发电厂)相关。当与移动应用相关时，设想发动机12可与液态燃料和/或气态燃料的供给装置分开定位，例如位于牵引容纳有燃料供给装置的补给车的机车上。
[0013]发动机12可包括至少部分地限定多个气缸16的发动机缸体14。活塞(未示出)能够可滑动地配置在各气缸16内以在上死点位置与下死点位置之间往复运动，并且气缸盖(未不出)可与各气缸16相关联。各气缸16、活塞和气缸盖可共同至少部分地限定燃烧室。在示出的实施例中，仅出于例述的目的，发动机12包括两个气缸16。可设想的是，发动机12可包括数目更大或更小的气缸16并且气缸16可按需成直列构型、对置活塞构型、V形构型或另一构型排列。气缸16内发生的燃烧可形成驱动活塞以使曲轴18旋转的机械功输出。
[0014]发动机12可配备有将液态燃料和气态燃料分开输送至气缸16中的液态燃料回路20和气态燃料回路22。液态燃料回路20可尤其包括燃料箱24、泵26、共轨28和与各气缸16相关联的至少一个燃料喷射器30。泵26可箱24吸入液态燃料，对液态燃料加压，并且将经加压的液态燃料引入至共轨28中以分配至不同的燃料喷射器30。气态燃料回路22可类似地包括燃料箱32、调节器34和与各气缸16相关的至少一个燃料喷射器36。容纳于箱32内的经加压的气态燃料可由调节器34选择性地计量经过各喷射器36并进入至气缸16中。在一些实施例中，可使用共用喷射器(未示出)来喷射液态燃料和气态燃料两者。在所公开的实施例中，液态燃料沿轴向喷射至各气缸16中，而气态燃料分开地沿径向喷射(例如，经由位于气缸16的环形壁内的一个或多个进气口)。然而设想的是，两种燃料流均可按需择一地沿轴向喷射或两者都沿径向喷射。
[0015]可基于发动机12的运转状况来协调液态燃料和气态燃料的喷射。例如，在启动时，发动机12可主要由液态燃料供给。当低负荷运转(例如，等级设定(notch setting)为4或以下)时，发动机12可由液态燃料和气态燃料的混合物供给。而在高发动机负荷下(例如，等级设定为6或以上)，发动机12可主要由气态燃料供给。也可采用其它燃料供给策略。可借助于油门杆38手动选择与发动机12的燃料供给相关联的等级设定。可设想的是，也可或替代地基于一个或多个不同的操作参数(例如，发动机转速和/或行驶速度)来自动选择等级设定。
[0016]发动机12还可配备有增压空气系统40。增压空气系统40可尤其包括涡轮增压器42和背压阀44。涡轮增压器42可包括位于气缸16的排气流路径46内的涡轮54，和由涡轮54驱动以压缩被引入气缸16内的进气的压缩机52。涡轮54可经由轴43与压缩机52机械地连接，并且涡轮54、压缩机52和轴43可共同位于共用壳体45内。在所公开的实施例中，压缩机52也可由发动机12通过直接连接选择性地驱动。具体地，不管排气流是否经过相关联的涡轮54，压缩机52都可与曲轴18机械地连接并被驱动以将空气压缩。压缩机52可通过齿轮系(在图1中示出)、带和带轮构型、齿和带构型或本领域中已知的另一构型与曲轴18连接。在一些实施例中，离合器机构(未示出)可仅在涡轮54在其它方面提供不足以驱动压缩机52的推力时的低负荷状态期间选择性地将涡轮增压器42的压缩机52与曲轴18连接。背压阀44可在涡轮54的上游和/或下游位于排气流路径46内。
[0017]背压阀44可在第一位置与第二位置之间自动移动。当处于第一位置时，背压阀44可完全打开，并且对经过它的排气流的影响小。当处于第二位置时，背压阀44可减小排气流路径46的有效面积，由此形成增大上游排气压力的限制。可设想的是，当背压阀44处于第二位置时，一些排气仍可允许流过背压阀44。换言之，背压阀从未完全地阻塞排气流路径46。虽然作为蝶型阀44示出，但是还可设想的是，背压阀44可为本领域中已知的任何其它类型的阀。致动器(未示出)可与背压阀44相关联并在通电时引起背压阀44移动。
[0018]控制器48可构造成基于发动机12的一个或多个运转状况而选择性地使致动器通电并引起背压阀44在第一和第二位置之间的移动。控制器48可体现为单个处理器或多个处理器，所述单个处理器或多个处理器包括用于控制发动机系统10的操作的装置。许多商售处理器可执行控制器48的功能。控制器48可包括用于存储诸如发动机系统10的运转状况、设计极限、性能特性或规格、操作指令和背压阀44的相应位置的数据的存储器或与该存储器相关联。该数据可按需以一个或多个查找表的形式存储在控制器48的存储器内。各种其它已知的电路可与控制器48相关联，包括供电电路、信号调节电路、螺旋管驱动器电路、通信电路和其它适当的电路。此外，控制器48能够经由有线或无线传输与发动机10的其它构件(例如，发动机12的燃料回路20和/或22、涡轮增压器42的离合器、油门杆38、与背压阀44等)通信。因此，控制器48可与发动机12连接或替代地配置在远离发动机12的位置。
[0019]控制器48可依赖于来自一个或多个传感器50的信号来确定被用作背压阀44移动的基础的发动机12的运转状况。这些传感器50可包括例如环境气温传感器、发动机转速传感器、冷却剂温度传感器、排气温度、压力和/或流量传感器、涡轮增压器离合器状态传感器等的任何组合。由传感器50产生的信号可引导至控制器48以进行进一步的处理。可设想的是，控制器48可按需将这些信号的值直接地与存储在存储器中的查找表对照以确定背压阀44的相应的移动，或控制器48可替代地使用所述信号的值来计算其它参数，然后将所述参数与查找表对照。例如，控制器48可使用环境气温信号和