大型涡轮增压二冲程压燃式内燃发动机及其操作方法技术

一种大型二冲程压燃式内燃发动机，其包括其中具有活塞(21)的多个气缸(1)，活塞(21)在发动机运行期间在BDC和TDC之间往复运动。发动机还具有燃料喷射系统，其包括与每个气缸(1)相关联的一个或多个燃料阀(30)，用于将燃料喷射到气缸(1)中用于燃烧。电子控制单元(50)构造成通过控制相关的燃料阀(30)的打开和关闭来相对于相关的气缸(1)的曲轴转角控制燃料喷射的时机。电子控制单元(50)被构造成通过电子控制单元(50)在TDC时或TDC之后执行至少一个预喷射，随后进行主喷射，而至少在特定转速范围内利用延迟燃料喷射来操作发动机。

【技术实现步骤摘要】
大型涡轮增压二冲程压燃式内燃发动机及其操作方法
本专利技术涉及一种具有十字头的大型涡轮增压二冲程压燃式内燃发动机以及用于操作这种发动机的方法。
技术介绍
大型涡轮增压二冲程压燃式十字头内燃发动机，通常用于大型远洋船(如集装箱船)或发电厂的原动机。特别是在远洋船上运行时，扭转振动可能难以控制。由于将发动机连接到螺旋桨的螺旋桨轴在扭转上是相对灵活性的并且这种扭转相对灵活性的系统暴露于来自发动机的变化的切向压力(扭矩)，所以发生这种扭转振动。来自发动机的这种变化的切向压力是由每个气缸内的循环过程引起的，并且对于每个曲轴旋转都会重复。每个气缸中的这种循环过程在曲轴扭矩中产生很大的变化。在压缩期间，扭矩是负的，而在膨胀期间是正的。这在图5中示出，来自一个气缸的气缸压力P和扭矩Q示意为实线，以及来自六个气缸的组合扭矩示意为虚线。通过在旋转上分配多个气缸，曲轴扭矩的变化减小，但是仍然是显著的。振动应力级别可以直接或间接被测量，也可以使用发动机及其相关结构的数学模型进行估算或计算。对于包括由发动机驱动或激励的一个或多个设备的每个单独的发动机，可以根据例如发动机转速和一起定义如上所述的发动机的运行模式的不同组的运行参数，计算一个或多个部件的振动应力级别。计算出的振动应力级别可以与预定的极限值进行比较，如果超出极限值，可以采取适当的动作。振动应力级别包括由纵向和横向(或剪切)振动和扭转振动引起的应力级别。部件中过度的振动应力级别可能会损坏部件，最终可能导致部件损坏，并对发动机和/或整个设备造成致命后果。因此，将振动应力级别保持在安全极限值以下非常重要。在船上，来自发动机的振动不限于发动机本身和螺旋桨轴，而是振动也会传递到船体的其他部位，在那里可以感受到那样的振动，或者该振动可以产生可听见的噪音，这可能会给船员和/或乘客带来不适。为此，希望将振动应力级别保持在舒适极限值以下。发动机的主轴(包括螺旋桨轴)的扭转振动由多个频率组成，包括发动机转速的谐波。发动机的主轴中的扭转振动将具有与发动机的转速有关的频率。通常，在带有k个气缸的发动机中，发动机转速的k次谐波以及其倍数和可能的子倍数将存在于频谱中，并且每个频率将引起发动机的主轴中相应的扭转振动。某些频率的扭转振动比其他频率的扭转振动更重要，并且需要将总振动级别保持在预定极限值以下，而且要保持选定(或全部)频率下的振动级别低于预定义的极限值，这些级别可以单独对应于每个频率。在图5所示的具有六个气缸的发动机的示例中，每转实际上有曲轴转矩为负的六个周期。但是，要注意的是，这不仅仅是示例，并不是所有的发动机都有扭矩为负的周期。这取决于发动机的联结。高缸数的发动机永远不会有负曲轴转矩的周期。同样地，具有五个气缸的发动机每转有五个周期，具有七个气缸的发动机每个气缸有七个周期等等。负载-驱动轴-发动机系统中的扭转振动的问题在4、5、6、7缸发动机显现。考虑到发动机和负载之间的传动轴的灵活性，这些振动是关键的，例如螺旋桨发动机和螺旋桨的惯性，以及连接它们的灵活性的轴导致共振。当接近共振时，来自扭矩变化的激励变得至关重要。部署弹簧和/或黏滞类型的扭转阻尼器以减少扭转振动的问题。但是，扭转阻尼器会显著增加成本。此外，即使使用扭转阻尼器，由于轴中的高应力减少了使用寿命，因此这些发动机通常具有限制速度范围，即不允许连续运行的速度范围。WO2005/124132公开了一种通过逐渐增加燃料喷射率来控制大型二冲程柴油发动机的燃料喷射系统的方法，从而减小扭转振动。燃料喷射的逐渐增加提供了扭转振动的一些减少，但是对于在特定速度范围内具有最大扭转振动问题的发动机，例如5缸发动机，这种效果是不够的。专利技术人的模拟和测量表明，点火/燃烧的延迟以某种方式影响气缸压力，这显著降低了扭矩变化的某些重要顺序。因此，通过延迟燃料喷射可以减少扭转激励。然而，由于发生柴油机爆震，通常不可能在上止点(TDC)之后超过10°曲轴转角延迟燃油喷射。
技术实现思路
鉴于上述情况，本专利技术的目的是提供一种大型二冲程压燃式发动机，其至少在给定的RPM带宽内可以以非常晚的定时燃料喷射延迟来运行，以克服或至少减少上述问题。前述和其他目的通过独立权利要求的特征来实现。进一步的实施方式从从属权利要求、说明书和附图中显而易见。根据第一方面，提供了一种大型二冲程压燃式内燃发动机，其包括：多个其中具有活塞的气缸，所述活塞在发动机运行期间在BDC和TDC之间往复运动；所述活塞，通过活塞杆、十字头和连杆可操作地连接至曲轴；曲轴，在发动机运行期间以一定的转速旋转；燃料喷射系统，包括：与每个气缸相关联的一个或多个燃料阀，该燃料阀用于将燃料喷射到气缸中用于燃烧；电子控制单元，该电子控制单元被构造成通过控制相关的燃料阀的打开和关闭来相对于相关的气缸的曲轴转角来控制燃料喷射的时机，所述电子控制单元被构造成通过所述电子控制单元在TDC或在TDC之后执行至少一个预喷射，随后是零燃料喷射的时段，随后是延迟主喷射，而至少在特定转速范围内利用延迟燃料喷射来操作发动机的至少一个气缸(1)。燃烧室内的压力和温度会影响爆震的发生。当延迟燃烧时，由于燃烧室内空气的膨胀，温度和压力都下降。通过在TDC之后，即在TDC＝0之后执行至少一个预喷射，燃烧室中的温度保持在较高水平，由此增加主喷射的最大可接受延迟而没有柴油爆震的风险。在本文中，延迟燃料喷射是主燃料喷射过程，即大量燃料被喷射，这提供用于在期望的发动机负载下运行发动机所需的动力，并且延迟燃料喷射不是少量燃料被喷射的先导喷射，该少量燃料被喷射不能维持期望的负载的发动机运行，延迟燃料喷射发生在具有扭转振动的特定转速范围之外的燃料喷射之后。预喷射过程之后是零喷射时间段，随后是主喷射过程。因此，在有问题的(特定的)速度范围(RPM范围)中，发动机以特殊模式运行，该模式可以被称为低扭转振动(TV)模式。在有问题的速度范围以下的速度范围内以及在有问题的速度范围以上的速度范围内，发动机将以几种“正常”运行模式中的一种运行，“正常”运行模式例如是符合IMOII级或IMO排放级别的运行模式。显著延迟的主燃料喷射过程显著减少了扭转振动的量。根据第一方面的第一可能的实施方式，电子控制单元被构造为优选地晚于在TDC之后12°，更优选地晚于TDC之后的13°，甚至更优选地晚于TDC之后的14°，并且最优选地晚于TDC之后15°执行主喷射。这是开始燃油喷射过程的角度。典型地，在现有技术中，主燃料喷射过程位于在TDC之前的极少几度(例如1-2度)和TDC之后几度(例如1-6度)之间的任意处。这是开始燃油喷射过程的角度。燃料喷射过程的“正常”开始角度是相对于能量效率和例如NOX的排放而言最优的角度。根据第一方面的第二可能实施方式，至少一个预喷射包括显著低于在全发动机负载下在主喷射中喷射的燃料量的燃料喷射量。根据第一方面的第三可能的实施方式，至少一个预喷射包括对于所有发动机负载而言基本相同的燃料的量。根据第一方面的第四可能的实施方式，电子控制单元被构造成预喷射的燃料量足以确保在延迟主喷射时相关的气缸中的温度基本上等于在TDC时相关的气缸中的温度。根据第一方面的第五可能的实施方式，用于主喷射的燃料气体燃料并且用于预喷射的燃料是点火液体，点火液体也在主喷射的同时被喷射。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型二冲程压燃式内燃发动机，包括：其中具有活塞的多个气缸(1)，所述活塞(21)在发动机运行期间在BDC和TDC之间往复运动；所述活塞(21)，所述活塞(21)经由活塞杆、十字头(23)和连杆可操作地连接到曲轴(22)；所述曲轴(22)，所述曲轴(22)在所述发动机运行期间以一定的转速旋转；燃料喷射系统，所述燃料喷射系统包括与每个气缸(1)相关联的用于将燃料喷射到所述气缸(1)中用于燃烧的一个或多个燃料阀(30)；电子控制单元(50)，所述电子控制单元(50)被构造成通过控制相关的燃料阀(30)的打开和关闭来相对于相关的气缸(1)的曲轴转角来控制燃料喷射的时机，所述电子控制单元(50)被构造成通过所述电子控制单元(50)在TDC时或在TDC之后执行至少一个预喷射，随后是零燃料喷射的时段，随后是延迟主喷射，而至少在特定转速范围内利用延迟燃料喷射来操作所述发动机的至少一个气缸(1)。

【技术特征摘要】
2017.06.23 DK PA201770489;2017.12.18 DK PA201770951.一种大型二冲程压燃式内燃发动机，包括：其中具有活塞的多个气缸(1)，所述活塞(21)在发动机运行期间在BDC和TDC之间往复运动；所述活塞(21)，所述活塞(21)经由活塞杆、十字头(23)和连杆可操作地连接到曲轴(22)；所述曲轴(22)，所述曲轴(22)在所述发动机运行期间以一定的转速旋转；燃料喷射系统，所述燃料喷射系统包括与每个气缸(1)相关联的用于将燃料喷射到所述气缸(1)中用于燃烧的一个或多个燃料阀(30)；电子控制单元(50)，所述电子控制单元(50)被构造成通过控制相关的燃料阀(30)的打开和关闭来相对于相关的气缸(1)的曲轴转角来控制燃料喷射的时机，所述电子控制单元(50)被构造成通过所述电子控制单元(50)在TDC时或在TDC之后执行至少一个预喷射，随后是零燃料喷射的时段，随后是延迟主喷射，而至少在特定转速范围内利用延迟燃料喷射来操作所述发动机的至少一个气缸(1)。2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述电子控制单元被构造成减小所述曲轴(22)中和/或连接到所述曲轴的螺旋桨轴(42)中和/或将所述曲轴(22)连接到负载的中间轴中的扭转振动。3.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述负载是用于推进船(40)的螺旋桨(44)。4.根据权利要求2或3所述的发动机，其中，所述曲轴(42)通过主轴(42)连接到用于推进船(40)的螺旋桨(44)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的发动机，其中，所述电子控制单元(50)被构造成在运行带有增加的负载的发动机经历所述特定转速范围时，通过所述电子控制单元(50)对至少一个气缸执行在TDC时或在TDC之后的至少一个预喷射，接着主喷射，而利用延迟燃料喷射来操作所述发动机。6.根据权利要求1至5中任一项所述的发动机，其中，所述电子控制单元(50)被构造成至少在所述特定转速范围内运行发动机时，优选晚于TDC之后12°，更优选晚于TDC之后的13°，甚至更优选晚于在TDC之后14°，并且最优选晚于TDC之后15°执行所述主喷射。7.根据权利要求1至6中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个预喷射包括显著低于在全发动机负载下在所述主喷射中喷射的燃料量的燃料喷射量。8.根据权利要求1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：金姆·詹森，
申请(专利权)人：曼能解决方案曼能解决方案德国股份公司分公司，
类型：发明
国别省市：丹麦,DK