天然气发动机系统及其喷嘴喷射控制方法与流程

1.本技术涉及一种天然气发动机系统及其天然气喷嘴的喷射控制方法。


背景技术：

2.天然气发动机是以天然气为燃料的发动机。与燃油发动机相比，天然气发动机的尾中的污染物也显著降低，所以天然气发动机在改善空气质量方面有着重要意义。
3.对于包含多缸的天然气发动机，来自储气罐的天然气在分配器中通过多个喷嘴向各个气缸输送天然气。在某些工况下(例如发动机的低负荷工况)，每个喷嘴的喷射时序与相应一个气缸的吸气冲程相对应，从而实现通过每个喷嘴向相应的气缸输送天然气。
4.通常，在发动机平稳工作时，每个喷嘴的开启时间长度是一样的。由于喷嘴之间存在结构上的差异(生产公差、零件公差、安装公差等)，因此会导致各个气缸的天然气吸入量之间存在差异，使得各个气缸的工作表现不同，进而影响整个发动机的性能和排放。


技术实现要素：

5.本技术的一个目的是提供一种天然气发动机系统及其喷嘴喷射控制方法，能够减小各个气缸的天然气吸入量差异。
6.为此，本技术在其一个方面提供了一种用于天然气发动机系统的控制单元，所述天然气发动机系统包括储气罐、天然气分配器和发动机，所述发动机包括多个气缸，所述天然气分配器包括多个喷嘴，所述控制单元设置成通过所述天然气分配器的喷嘴向发动机供应来自储气罐的天然气；
7.所述控制单元配置成执行下述天然气喷射控制过程：
8.在发动机低负荷工况下，在发动机运转中的一时间段内，利用同一个喷嘴向发动机的所有气缸依次供应天然气。
9.根据一种可行实施方式，所述控制单元被配置成：在发动机的每个工作循环中，对于每个气缸的吸气冲程，依次控制各喷嘴保持相等的开启时间长度。
10.根据一种可行实施方式，所述控制单元被配置成：根据发动机的天然气吸入量请求确定各喷嘴的开启时间长度。
11.根据一种可行实施方式，所述控制单元被配置成：在发动机低负荷工况下的全部运转状况下执行所述天然气喷射控制过程；或者在发动机低负荷工况下的部分运转状况下执行所述天然气喷射控制过程。
12.根据一种可行实施方式，所述发动机低负荷工况是可标定的。
13.根据一种可行实施方式，所述发动机低负荷工况为：发动机的转速在1000rpm以下、并且扭矩在500nm以下。
14.根据一种可行实施方式，所述部分运转状况包括：发动机低速运转，和/或存在影响发动机排放质量的因素。
15.根据一种可行实施方式，所述控制单元被配置成在经过了所述时间段后，切换天
然气分配器的另一个喷嘴在相应时段内执行所述天然气喷射控制过程，由此依次轮换使用各个喷嘴。
16.本技术在其另一方面提供了一种天然气发动机系统，其包括储气罐、天然气分配器、发动机以及如前所述的控制单元，所述发动机包括多个气缸，所述天然气分配器包括多个喷嘴，所述控制单元设置成通过所述天然气分配器的喷嘴向发动机供应来自储气罐的天然气，其中，在发动机低负荷工况下，在发动机运转中的一时间段内，利用同一个喷嘴向发动机的所有气缸依次供应天然气。
17.根据一种可行实施方式，所述喷嘴的数量与所述气缸的数量相同或不同。
18.本技术在其又一方面提供了一种用于天然气发动机系统的天然气喷嘴喷射控制方法，其可以由如前所述的控制单元执行、或是应用于如前所述的天然气发动机系统；所述天然气喷射控制方法包括下述天然气喷射控制过程：
19.在发动机低负荷工况下，在一时间段内，利用天然气发动机系统中的天然气分配器的同一个喷嘴向所述天然气发动机系统中的发动机的所有气缸依次供应天然气。
20.根据一种可行实施方式，所述天然气喷嘴喷射控制方法还包括：在经过了所述时间段后，切换天然气分配器的另一个喷嘴在相应时段内执行所述天然气喷射控制过程，由此依次轮换使用天然气分配器的各个喷嘴。
21.根据本技术，在发动机低负荷工况下，尤其是天然气喷射精度要求高的情况下，例如发动机怠速运转时，控制单一的喷嘴向所有气缸依次供应天然气。这样，可以减少各喷嘴之间的结构差异导致的各个气缸的天然气吸入量差异，从而改善发动机的性能和排放。
22.根据进一步的实施方式，在某个喷嘴单独工作了一段时间(可标定)后，切换到另一喷嘴向所有气缸供应天然气，从而各个喷嘴被轮换使用，可保证各喷嘴的使用均匀性，从而降低不同喷嘴使用期间发动机的性能和排放的差异。
附图说明
23.本技术的前述和其它方面将通过下面参照附图所做的详细介绍而被更完整地理解和了解，其中：
24.图1是根据本技术的一种可行实施方式的天然气发动机系统的示意图；
25.图2、3是根据本技术的天然气发动机系统的各个工作周期的喷射策略示意图。
具体实施方式
26.本技术总体上涉及一种天然气发动机系统，如图1中示意性显示。该天然气发动机系统包括储气罐1、天然气分配器2、发动机3和控制单元4。
27.储气罐1中储存着压缩或液化的天然气，并且配备有阀门(未示出)。在阀门打开时，储气罐1经分配器2向发动机3供应天然气。
28.储气罐1可以包括单一的罐体。或者，储气罐1可以包括多个罐体。多个罐体中可以串联布置，并且储存着同一类型的天然气。或者，多个罐体中可以并联布置，并且储存着不同类型的天然气，以便向发动机2供应不同天然气的混合气。
29.分配器2包括气轨5、配送室6以及布置在气轨5与配送室6之间的n个喷嘴i1、i2…
i
n
。储气罐1通过管路l
ng
连接着气轨5，管路l
ng
中布置着压力调节器(未示出)。储气罐1通过
管路l
ng
向气轨5供应天然气。气轨5中的天然气通过各喷嘴向配送室6喷射。
30.发动机3包括n个气缸c1、c2…
c
n
，一般情况下分配器2中喷嘴的数量与发动机3中气缸的数量相等。配送室6通过供应管l1、l2…
l
n
连接着相应的气缸。每根供应管通向相应气缸的进气管(未示出)。在每个气缸的吸气冲程中，来自配送室6的天然气经相应的供应管与吸入进气管的空气混合并且进入气缸中。各个气缸的工作周期分别相隔720
°
/n的相位角。
31.控制单元4连接着储气罐1、天然气分配器2、发动机3，用以控制它们的操作，尤其是根据各个发动机3气缸的工作周期控制分配器2的各个喷嘴的开闭。
32.根据本技术的基本原理，至少在发动机3的某些工况下，控制单元4以轮流的方式在每个工作时段内控制单一的喷嘴依次向发动机3的所有气缸供应天然气。
33.控制单元4的这种控制过程可以针对发动机3的所有的低负荷工况实施。或者，在低负荷工况中的某些特定状况下，例如天然气喷射精度要求高、发动机3低速(例如怠速)运转的情况下，控制单元4实施这种控制过程。
34.控制单元4通常根据发动机3的天然气吸入量请求(例如基于带有发动机3的车辆中的驾驶员对加速踏板的踩下程度、自动驾驶时基于车速计算出的吸入量需求等等)控制各个喷嘴的开启时间长度，由此控制每个喷嘴每次开启喷射的天然气量。
35.控制单元4的上述控制过程的一种可行实施方式在图2中示意性展示。如图2所示，在发动机3的第一工作时段cycle 1中，控制单元4控制喷嘴i1依次向每个气缸c1、c2…
c
n
供应天然气。
36.图2中以台阶形曲线表示了喷嘴i1针对每个气缸的工作周期依次施加的作动控制(打开、保持开启、关闭)。喷嘴i1在发动机的一个工作循环中针对每个气缸保持开启的时间长度是一致的，这样，通过喷嘴i1向每个气缸供应的天然气量是基本相等的。在喷嘴i1为所有气缸依次执行喷射操作期间，其它喷嘴保持关闭。
37.根据发动机3的天然气吸入量请求的变化，控制单元4通过改变喷嘴i1在每个气缸的工作周期中保持开启的时间长度来调节每个气缸的天然气吸入量。
38.在喷嘴i1被使用了一段时间后，控制单元4将喷嘴切换到喷嘴i2，以便在发动机3的第二工作时段cycle 2中，仅利用喷嘴i2向各喷嘴供应燃油，如图3中示意性展示。喷嘴i2的控制方式与前面描述的喷嘴i1相同。在喷嘴i2的被使用了一段时间后，控制单元4将喷嘴切换到喷嘴i3，依次类推，直至所有喷嘴都被轮换使用依次，然后，控制单元将喷嘴切换回喷嘴i1。通过如此轮换使用喷嘴，可保证各喷嘴的使用均匀性，从而降低不同喷嘴使用期间发动机的性能和排放的差异，并且减小各喷嘴的损耗差异，提高发动机系统的寿命。
39.各喷嘴每次被使用的时间段可以标定。例如，各喷嘴每次被使用的时间段可以标定位彼此相等。或者，可以针对每个喷嘴单独标定，使得某个或某些喷嘴每次被使用的时间段与其它喷嘴稍有不同。
40.根据一种可行实施方式，各喷嘴为电磁阀形式的，其通电时开启，断电时关闭。每个喷嘴的控制过程为，向电磁阀施加高电压/电流，使得喷嘴打开，然后改为向电磁阀施加低高电压/电流，保持喷嘴开启，在喷嘴打开一段时间后，将电磁阀断电，使得喷嘴关闭。保持开启的时间长度取决于发动机3的天然气吸入量请求。
41.当然，各喷嘴也可以是以其它方式作动的。
42.如前所述，可以在发动机3的全部低负荷工况下实施上述喷嘴控制过程。或者，可
以仅在低负荷工况中的某些情况下，实施上述喷嘴控制过程。在发动机3负荷较高工况下，如果单一喷嘴喷射能够满足天然气吸入量需求，则也可以实施上述喷嘴控制过程。如果单一喷嘴喷射不能满足天然气吸入量需求，则需要两个或更多个、甚至全部喷嘴同时参与喷射(通常喷射时序有所不同，即一个喷嘴尚未关闭时，另一喷嘴已被开启)，在这种情况，不实施上述喷嘴控制过程。
43.这里所说的发动机3的低负荷工况，分别是指发动机3的负荷在一个预定负荷值以下，例如发动机3的转速在1000rpm以下并且扭矩在500nm以下。发动机3的低负荷工况是可标定的，即可对预定负荷值、例如发动机3的转速和扭矩的上述值作出调整。
44.在天然气喷射精度要求高的情况下，例如存在可能导致发动机排放质量下降的因素，诸如气候因素、海拔因素、天然气质量因素等等，或是在某些可能导致排放质量下降的情况下，诸如低速运转等等，控制发动机3的各气缸的天然气吸入量的均匀度，对于发动机性能和排放而言是至关重要的，采用每个喷嘴向相应的气缸喷射天然气的现有技术难以确保各气缸的天然气吸入量的均匀度。尤其是在发动机3低速(例如怠速)运转时，每个喷嘴的每次开启时间较短，采用现有技术更难确保各气缸的天然气吸入量的均匀度。根据本技术，利用同一个喷嘴依次向所有气缸供应天然气，减小了现有技术中因不同喷嘴之间结构差异导致的各气缸吸入量的差异，因此更容易确保各气缸的天然气吸入量的均匀度。
45.根据本技术进一步的实施方式，考虑到在发动机3运转的某个时段内，利用天然气分配器2的同一个喷嘴向发动机3的所有气缸依次供应天然气，因此，可以将天然气分配器2中喷嘴的数量设计成与发动机3中气缸的数量不同。喷嘴的数量主要取决于发动机3中各气缸的天然气吸入量需求，喷嘴的设计寿命等等因素。
46.天然气分配器2中的喷嘴可以是高流量喷嘴(hfi)。
47.本技术还提供了用于天然气发动机系统的天然气喷嘴喷射控制方法，其能够执行前面基于天然气分配器2的喷嘴描述的控制过程。总体上讲，所述天然气喷射控制方法包括：在一时间段内，利用同一个喷嘴向发动机的所有气缸依次供应天然气。
48.在所述天然气喷嘴喷射控制方法中，进一步地，在经过了所述时间段后，切换天然气分配器的另一个喷嘴执行所述天然气喷射控制过程，由此依次轮换使用天然气发动机系统的各个喷嘴。
49.所述天然气喷射控制方法适用于前面描述的天然气发动机系统中，并且可以借助前面描述的控制单元4执行。因此，前面针对天然气发动机系统及其控制单元4描述的种种控制相关特征，同样适用于本技术的天然气喷嘴喷射控制方法中，这里不再重复叙述。
50.虽然这里参考具体的实施方式描述了本技术，但是本技术的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本技术的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改。