[发明专利]具有改进型瞬态响应的天然气发动机系统

说明书

天然气发动机系统(10)可具有带至少一个汽缸(24)的发动机(12)。发动机还可具有被配置为将用于燃烧的空气输送至汽缸的进气歧管(28)和被配置为将排气从汽缸中排出的排气歧管(30)。天然气发动机系统可具有联接至发动机的发电机(104)。发电机可被配置为产生用于电负载(108)的电功率。天然气发动机系统可具有被配置为供应用于在发动机中燃烧的天然气的燃料源(66)以及与进气歧管和排气歧管流体连通的空气罐(78)。另外，天然气发动机系统可具有控制器(20)。控制器可被配置为将第一空气量从空气罐引导至排气歧管并且将第二空气量从空气罐引导至进气歧管。

技术领域

本发明总体上涉及一种天然气发动机系统，并且更具体地涉及一种具有改进型瞬态响应的天然气发动机系统。

背景技术

天然气动力内燃机已经用于各种应用中，例如在用作主电功率源或备用电功率源的发电机组中使用。天然气发动机也越来越广泛地用于海洋、非公路和机车应用。具体地，天然气发动机由于它们与汽油发动机或柴油发动机相比减少排放、占地面积少以及操作和维护成本相对较低而变得受关注。然而，由于发动机尺寸较小，天然气发动机可能不像它们的汽油或柴油动力同类产品那样有效地响应瞬态动力需求。

改进天然气发动机瞬态响应能力的一种可能的解决方案包括使用更大排量的发动机。然而，使用较大的发动机增加了发动机的操作和维护成本，从而抵消了与使用较小的火花点火天然气发动机相关联的一些成本优势。因此，需要改进天然气发动机的瞬态响应，以使得这些发动机能够充分响应它们的所需动力输出的突然和瞬态变化。

Cieslar等人在2013年4月8日发布题为“用于通过将压缩气体喷射至排气歧管中减少涡轮滞后的新型系统(A Novel System for Reducing Turbo-Lag by Injection ofCompressed Gas into the Exhaust Manifold)”的SAE出版物(“SAE出版物”)。该SAE出版物公开了一种用于改进内燃机瞬态响应的排气辅助系统。在SAE出版物中公开的系统中，当发动机突然需要满足更高转矩输出时，来自贮存器的压缩空气被喷射至发动机的排气歧管中以加速涡轮增压器。SAE出版物公开了其排气辅助系统优于将压缩空气喷射至进气歧管中的进气辅助系统。具体地，SAE出版物指出了当所喷射的压缩空气进入压缩机而不是进入发动机的燃烧室时引起的众所周知的压缩机喘振问题。

虽然SAE出版物公开了一种用于加速涡轮增压器以满足发动机负载的突然增加的系统，但是该系统仍然可能不是最佳的。具体地，所公开的系统仅使用压缩空气来加速涡轮增压器。然而，为了对发动机上增加的负载供应足够的动力，通常将附加的燃料喷射至发动机的燃烧室中。然而，在所公开的系统中，即使在使用压缩空气进行加速之后，涡轮增压器压缩机也可能不能供应足够的空气来燃烧额外的燃料，从而导致发动机低于所需动力输出。这在发电机组操作中尤其如此，其中发动机可能必须从冷起动状态开始，并且在突然和接近瞬态电功率需求的情况下将期望转矩输出输送至发电机。

本发明的天然气发动机系统解决了上述的一个或多个问题和/或现有技术的其它问题。

发明内容

在一个方面中，本发明涉及一种天然气发动机系统。天然气系统可包括发动机。发动机可包括至少一个汽缸。发动机还可包括进气歧管，其被配置为将用于燃烧的空气输送至汽缸。另外，发动机可包括排气歧管，其被配置为将排气从汽缸中排出。天然气发动机系统可包括联接至发动机的发电机。发电机可被配置为产生用于电负载的电功率。天然气发动机系统可包括燃料源，其被配置为供应用于在发动机中燃烧的天然气。天然气发动机系统可包括空气罐，其与进气歧管和排气歧管流体连通。另外，天然气发动机系统可包括控制器。控制器可被配置为将第一空气量从空气罐引导至排气歧管。控制器还可被配置为将第二空气量从空气罐引导至进气歧管。