大型二冲程单流扫气式气态燃料发动机及用于控制燃烧室中的状况的方法技术

大型二冲程涡轮增压单流扫气式气动型内燃发动机及其控制方法。该发动机具有多个燃烧室，至少一个控制器与该发动机相关联，控制器被配置成：确定燃烧开始时在燃烧室中的平均压缩空气过量比和体积压缩温度；当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比下阈值之下时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施；当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上阈值之上时，执行至少一个压缩空气过量比降低措施；当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度下阈值之下时，执行至少一个体积压缩温度增大措施；以及当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度上阈值之上时，执行至少一个体积压缩温度降低措施。

【技术实现步骤摘要】
大型二冲程单流扫气式气态燃料发动机及用于控制燃烧室中的状况的方法
本公开内容涉及大型二冲程气态燃料内燃发动机，特别地涉及具有十字头的大型二冲程单流扫气式内燃发动机，该十字头针对从布置在气缸套中的燃料阀喷射的气态燃料来运行。
技术介绍
具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机例如用于大型远洋船舶的推进或者用作发电厂的初级原动机。不仅由于庞大的尺寸，这些二冲程柴油发动机被构建的不同于任何其他内燃发动机。它们的排出阀可能重达400kg，活塞具有的直径最高至100cm，并且在燃烧室中的最大运行压力通常为几百巴。在这些高压力水平和活塞尺寸处所涉及的力是巨大的。利用由沿着气缸套的长度居中布置的燃料阀准许进入的气态燃料运行的大型二冲程涡轮增压内燃发动机——即在刚好在排出阀关闭前启用的活塞的向上冲程期间准许气态燃料的发动机——将在燃烧室中的气态燃料和扫气空气的混合物压缩，并且通过定时点火装置诸如先导油喷射来在上止点(TDC)处或该上止点附近对经压缩的混合物进行点火。使用布置在气缸套中的燃料阀的这种类型的气体准许进入所具有的优点在于可以使用低得多的燃料喷射压力，因为与在活塞接近其上止点(TDC)时，即在燃烧室中的压缩压力处于其最大值或接近其最大值时喷射气态燃料的大型二冲程涡轮增压内燃发动机相比，气态燃料是在压缩压力相对较低时被喷射的。后一类型的发动机需要的燃料喷射压力显著地高于已经高的最大燃烧压力。由于气态燃料的挥发性及其在这种高压下的特性，该特性包括扩散进入并穿过燃料系统的钢部件，因此能够在这些极高压力下处理气态压力的燃料系统既昂贵又复杂。因此，当与在TDC处或该TDC附近喷射气态燃料的发动机相比时，用于在压缩冲程期间喷射气态燃料的发动机的燃料供应和系统明显没那么昂贵。然而，当在压缩冲程期间喷射气态燃料时，活塞压缩该气态燃料和扫气空气的混合物，并因此存在提前点火的危险。通过使用非常稀薄的混合物可以降低提前点火的风险，但是稀薄的混合物使点不燃的风险增大。因此，在这样的大型二冲程涡轮增压内燃发动机中的压缩期间需要对燃烧室中的条件的控制进行改进，以便克服或至少减少与提前点火/柴油机爆震有关的问题。为了防止发生提前点火和点不燃，需要非常准确地控制燃烧室中的条件。在发动机稳态运行期间，发动机的性能设计通常确保避免提前点火。这是通过仔细选择燃烧室设计、燃料喷射时间和排出阀时间来实现的。但是，酷热的运行条件和其他外在因素诸如发动机不平稳运行是不可避免的，并可能引起导致燃烧室中提前点火或点不燃的情况。EP2634398公开了根据权利要求1的前序部分的、以燃料气体为主要燃料来运行、具有空气-燃料比控制器的二冲程发动机，该空气-燃料比控制器被配置成计算气缸内部的平均空气-燃料比，并且通过调节被供应到多个气缸的空气流量来控制平均空气-燃料比；并且被配置成计算每个气缸内部的空气-燃料比，并且通过调节排出阀的关闭时间来控制空气-燃料比)。因此，空气-燃料比可以被保持在上阈值和下阈值内。但是，这不足以确保在所有运行条件下避免提前点火。
技术实现思路
目的是提供一种克服或至少减少以上所指出问题的发动机和方法。通过本专利技术的实施方式实现前述以及其他目的。根据本专利技术的实施方式、说明书和附图，另外的实施形式是明显的。根据第一方面，提供大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，被配置成基于作为主要燃料的气态燃料以气动模式来运行，所述发动机包括：多个燃烧室，每个燃烧室由气缸套、活塞和气缸盖界定，扫气端口，被布置在气缸套中，以用于准许扫气空气进入所述燃烧室中，排出气体出口，被布置在气缸盖中并由排出阀控制，可变时间的排出阀致动系统，与发动机相关联的至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置成确定和控制所述排出阀的打开和关闭时间，所述至少一个控制器被配置成确定和控制准许进入燃烧室中的气态燃料的量，所述至少一个控制器被配置成确定或测量燃烧室的平均压缩空气过量比(excessratio，过剩比)，至少一个控制器被配置成确定或测量燃烧开始时燃烧室中的体积压缩温度，至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比下阈值之下时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施，至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上阈值之上时，执行至少一个压缩空气过量比降低措施，至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度下阈值之下时，执行至少一个体积压缩温度增大措施，以及至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度上阈值之上时，执行至少一个体积压缩温度降低措施。通过提供具有控制器的大型二冲程发动机，该控制器通过执行调节体积压缩温度和空气-燃料比的动作，分别使体积压缩温度保持在上阈值和下阈值之间和使压缩空气过量比保持在上阈值和下阈值之间，确保了燃烧室中在压缩期间的条件既不会发展成导致提前点火的条件，也不会发展成导致点不燃的条件。因此，具有如上限定的进行配置的控制器的大型二冲程发动机基本上不考虑发动机的运行条件，将在既没有提前点火的风险也没有点不燃的风险的情况下运行。在第一方面的可能的实施形式中，至少一个控制器包括或被连接到压缩空气过量比观察器，以用于确定燃烧室中的瞬时平均压缩空气过量比。在第一方面的可能的实施形式中，至少一个控制器包括或被连接到体积压缩温度观察器，以用于确定燃烧室的平均瞬时体积压缩温度。在第一方面的可能的实施形式中，压缩空气过量比下阈值、压缩空气过量比上阈值、体积压缩温度下阈值以及体积压缩温度上阈值是发动机负荷相关的参数。在第一方面的可能的实施形式中，至少一个压缩空气过量比增大措施选自包括下述的组：-使排出阀在较早的时间关闭，-对于包括扫气旁路的发动机：关闭扫气旁路或增大扫气旁路的节流，-对于具有热气缸旁路的发动机：打开热气缸旁路控制阀或减小该热气缸旁路控制阀的节流，-对于具有辅助鼓风机的发动机：启用辅助鼓风机，-对于具有可变几何形状的涡轮的发动机：减小有效的涡轮流通面积，-对于以涡轮增压器进行辅助的发动机：使涡轮增压器加速对于具有排出气体再循环的发动机，增大排出气体再循环鼓风机的速度，对于以气态和液态燃料两者运行的发动机，使液态燃料的份额增大。在第一方面的可能的实施形式中，至少一个压缩空气过量比降低措施选自包括下述的组：-使排出阀在较晚的时间关闭，-对于包括扫气旁路的发动机：打开扫气旁路控制阀或减小该扫气旁路控制阀的节流，-对于包括排出气体再循环管路的发动机：启用排出气体再循环管路中的排出气体再循环鼓风机或增大该排出气体再循环鼓风机的速度，-对于包括排出气体旁路的发动机：打开排出气体旁路控制阀或减小该排出气体旁路控制阀的节流，-对于具有可变几何形状的涡轮的发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，被配置成基于作为主要燃料的气态燃料以气动模式运行，所述发动机包括：/n多个燃烧室，每个燃烧室由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)界定，/n扫气端口(18)，所述扫气端口被布置在所述气缸套(1)中，以用于准许扫气空气进入所述燃烧室，/n排出气体出口，所述排出气体出口被布置在所述气缸盖(22)中并由排出阀(4)控制，/n可变时间的排出阀致动系统，/n与所述发动机相关联的至少一个控制器(60)，/n所述至少一个控制器(60)被配置成确定和控制所述排出阀(4)的打开和关闭时间，/n所述至少一个控制器(60)被配置成确定和控制准许进入所述燃烧室中的气态燃料的量，/n其特征在于，/n所述至少一个控制器(60)被配置成确定或测量所述燃烧室的平均压缩空气过量比，/n所述至少一个控制器(60)被配置成确定或测量燃烧开始时所述燃烧室中的体积压缩温度，/n所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比下阈值之下时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施，/n所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上阈值之上时，执行至少一个压缩空气过量比降低措施，/n所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度下阈值之下时，执行至少一个体积压缩温度增大措施，以及/n所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度上阈值之上时，执行至少一个体积压缩温度降低措施。/n...

【技术特征摘要】
20190613 DK PA2019703701.一种大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，被配置成基于作为主要燃料的气态燃料以气动模式运行，所述发动机包括：
多个燃烧室，每个燃烧室由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)界定，
扫气端口(18)，所述扫气端口被布置在所述气缸套(1)中，以用于准许扫气空气进入所述燃烧室，
排出气体出口，所述排出气体出口被布置在所述气缸盖(22)中并由排出阀(4)控制，
可变时间的排出阀致动系统，
与所述发动机相关联的至少一个控制器(60)，
所述至少一个控制器(60)被配置成确定和控制所述排出阀(4)的打开和关闭时间，
所述至少一个控制器(60)被配置成确定和控制准许进入所述燃烧室中的气态燃料的量，
其特征在于，
所述至少一个控制器(60)被配置成确定或测量所述燃烧室的平均压缩空气过量比，
所述至少一个控制器(60)被配置成确定或测量燃烧开始时所述燃烧室中的体积压缩温度，
所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比下阈值之下时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施，
所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上阈值之上时，执行至少一个压缩空气过量比降低措施，
所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度下阈值之下时，执行至少一个体积压缩温度增大措施，以及
所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度上阈值之上时，执行至少一个体积压缩温度降低措施。


2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述至少一个控制器(60)包括或被连接到压缩空气过量比观察器(46)，以用于确定所述燃烧室中的瞬时平均压缩空气过量比。


3.根据权利要求1或2所述的发动机，其中，所述至少一个控制器(60)包括或被连接到体积压缩温度观察器(47)，以用于确定所述燃烧室中的平均瞬时体积压缩温度。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个压缩空气过量比增大措施选自包括下述的组：
-使所述排出阀(4)在较早的时间关闭，
-对于包括扫气旁路(37)的发动机：关闭扫气旁路阀(38)或增大所述扫气旁路阀的节流，
-对于具有热气缸旁路(29)的发动机：打开热气缸旁路控制阀(31)或减小所述热气缸旁路控制阀的节流，
-对于具有辅助鼓风机(16)的发动机：启用所述辅助鼓风机(16)，
-对于具有可变几何形状的涡轮(6)的发动机：减小有效的涡轮流通面积，
-对于以涡轮增压器进行辅助的发动机：使涡轮增压器(5)加速。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个压缩空气过量比降低措施选自包括下述的组：
-使所述排出阀(4)在较晚的时间关闭，
-对于包括冷扫气旁路(37)的发动机：打开冷扫气旁路控制阀(38)或减小所述冷扫气旁路控制阀的节流，
-对于包括排出气体旁路(39)的发动机：打开排出气体旁路控制阀(40)或减小所述排出气体旁路控制阀的节流，
-对于包括排出气体再循环管路(42)的发动机：启用所述排出气体再循环管路(42)中的排出气体再循环鼓风机(43)或增大所述排出气体再循环鼓风机的速度，
-对于具有可变几何形状的涡轮(6)的发动机：增大有效的涡轮流通面积，
-对于以液态燃料进行点火的发动机，降低所述气态燃料的份额并且增大所述液态燃料的份额，
-对于在所述排出阀和涡轮增压器入口之间具有热交换器的发动机：利用所述热交换器使从所述排出气体中提取的热的量增大...

【专利技术属性】
技术研发人员：基姆·詹森，马克·霍夫曼，
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