单流型大型涡轮增压二冲程内燃发动机及其操作方法技术

本公开提供了单流型大型涡轮增压二冲程内燃发动机(100)以及操作这种发动机(100)的方法，发动机(100)构造成向加压气体消耗装置(200)供应加压的扫气和/或排气。发动机包括：多个气缸；进气系统；排气系统；一个或更多个涡轮增压器，其具有涡轮；燃料系统；旁通系统，其用于通过从进气系统取出受控量的扫气从而绕过发动机和/或通过从排气系统取出受控量的加压排气从而绕过涡轮，向加压气体消耗装置供应旁通的加压气体；以及控制器，其配置成根据所感测的扫气压力和/或排气温度对供应至消耗装置的旁通加压气体的量进行调节。控制器配置成以进行各种调整措施以使扫气压力最大化和/或使扫气旁通质量流量最大化的方式操作发动机。使扫气旁通质量流量最大化的方式操作发动机。使扫气旁通质量流量最大化的方式操作发动机。

【技术实现步骤摘要】
单流型大型涡轮增压二冲程内燃发动机及其操作方法


[0001]本公开涉及构造成除了机械能、例如用于推进或驱动发电机之外还产生用在另一应用中的加压气体的方法和大型涡轮增压二冲程内燃发动机，并且涉及操作这种发动机的方法。

技术介绍

[0002]大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机通常用在大型船舶的推进系统中或者用作发电厂中的原动机。这些发动机巨大的尺寸、重量和功率输出使他们完全不同于普通的燃烧式发动机，并且使大型二冲程涡轮增压压燃式内燃发动机自成一类。这些发动机的高度通常并不是至关重要的，因此他们构建有十字头以避免活塞上的侧向载荷。通常，这些发动机利用天然气、石油气、甲烷、乙烷或燃油进行操作。
[0003]用于船舶推进的大型涡轮增压二冲程自然式内燃发动机(船用发动机)进行了调整以支撑船上的某些节省燃料的系统装置。特别地，废热回收系统与降低总能量消耗以及减少来自船用发动机的排放相关。
[0004]在某些应用中，该发动机除了提供机械能、例如用于推进之外还需要提供加压气体，例如加压空气、加压排气或者加压空气与加压排气的混合物。一种这样的应用是空气润滑。具有较大平坦底部区域的海洋船舶可以利用：通过空气润滑减少在水中移动时的阻力，从而减少将船舶以给定速度推进所需的主发动机功率。空气润滑系统将稳定的气泡流泵送在船体下方以对船体的平坦底部区域进行润滑。
[0005]为了实现船舶推进所需功率的期望降低，需要根据船舶的吃水深度以足够的压力向专用的气泡产生器输送足够的空气/气体量。具有标准调整的大型二冲程发动机经常受限于在所有需要的发动机负载下提供足够的加压空气/气体。
[0006]JP2010228679A公开了一种常规调整的发动机，该发动机具有从扫气系统的输出装置，以供加压气体的消耗装置(consumer)使用。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供克服或者至少减少以上所指出的问题的单流(uniflow)型的大型涡轮增压二冲程内燃发动机。
[0008]为了避免或者至少减少昂贵的空气压缩机单元的安装和操作，提出了适合的二冲程发动机。
[0009]前述和其他目的通过本公开的各方面来实现。另外的实施形式通过说明书和附图而是明显的。
[0010]根据第一方面，提供了一种单流型大型涡轮增压二冲程内燃发动机，该发动机构造成向加压气体消耗装置供应加压的扫气和/或排气，该发动机包括：
[0011]多个气缸，该气缸具有扫气口和排气阀，该扫气口位于气缸的下端部处，该排气阀位于气缸的上端部处，
[0012]进气系统，扫气通过该进气系统被引入气缸中，进气系统包括经由扫气口连接至气缸的扫气接收器，
[0013]排气系统，在气缸中产生的排气通过该排气系统排出，该排气系统包括经由排气阀连接至气缸的排气接收器，
[0014]至少一个涡轮增压器，所述至少一个涡轮增压器具有以可操作的方式联接至压缩机的排气驱动涡轮，涡轮的进口连接至排气系统，以及压缩机的出口连接至进气系统，以用于向进气系统输送加压扫气流，
[0015]燃料系统，该燃料系统用于向气缸输送燃料，
[0016]旁通(bypass)系统，该旁通系统用于通过从进气系统取出受控量的扫气从而绕过发动机以及/或者通过从排气系统取出受控量的加压排气从而绕过涡轮，向加压气体消耗装置供应旁通的加压气体，以及，
[0017]控制器，该控制器联接至压力传感器和/或温度传感器，该控制器配置成根据所感测的扫气压力和/或排气温度对供应至消耗装置的旁通加压气体的量进行调节，
[0018]其中，控制器配置成以进行以下各项中的一项或更多项以使扫气压力最大化以及/或者使扫气旁通质量流量最大化的方式操作发动机：
[0019]‑
增大设置有涡轮液压系统装置的涡轮增压器的动力输出，
[0020]‑
增大发动机的进气系统中的辅助鼓风机的速度，
[0021]‑
增大发动机的EGR装置中的EGR鼓风机的速度，
[0022]‑
启动发动机的附加的小涡轮增压器装置，
[0023]‑
打开发动机的气缸旁通装置中的气缸旁通阀，
[0024]‑
打开通向发动机的动力涡轮装置的排气旁路，以用于驱动专用的电驱动压缩机，
[0025]‑
启动由发动机的液压系统装置提供动力的液压驱动压缩机，
[0026]‑
对一个或更多个涡轮增压器的可变几何涡轮的几何形状进行调节以及因此对可变几何涡轮的涡轮流动面积进行调节，以使在发动机的实际操作状态下由压缩机输送的压力最大化，优选地，通过减少涡轮流动面积来使在发动机的实际操作状态下由压缩机输送的压力最大化，
[0027]‑
切断所述一个或更多个涡轮增压器中的一个或更多个涡轮增压器，以使在发动机的部分负载状态下由压缩机输送的压力最大化，优选地，根据发动机负载来切断所述一个或更多个涡轮增压器中的一个或更多个涡轮增压器，以使在发动机的部分负载状态下由压缩机输送的压力最大化，
[0028]‑
在低于第一切断发动机负载阈值时启动一个涡轮增压器，在处于第一切断发动机负载阈值与第二切断发动机负载阈值之间的区间中时启动两个涡轮增压器，以及在高于第二切断发动机负载阈值时启动三个涡轮增压器。
[0029]通过提供配置成应用使发动机中可用于向加压气体消耗装置供应气体的压力增大的各种调整措施的控制器，可以使由发动机为加压气体消耗装置输送的加压气体的量最大化，而没有使发动机在次优状态下运行的风险。考虑到从发动机循环取出的旁通气体在本质上导致发动机燃料消耗的增加，根据第一方面的发动机极大地增强了具有空气润滑的海洋船舶在商业方面的潜力。此外，通过用所列举的措施中的一项或更多项措施对发动机进行调整以提供可能的最高扫气压力或者可能的最高排气压力，可以将发动机转变为用于
向外部的加压气体消耗装置、比如海洋船舶的空气润滑系统输送加压气体的加压气体供应器，这与使用例如由电驱动马达驱动的空气压缩机相比要有效的多。此外，通过对发动机进行调整以提供可能的最高扫气压力或者可能的最高排气压力，可以将发动机转变为用于向外部的加压气体消耗装置、比如海洋船舶的空气润滑系统输送加压气体的加压气体供应器，这与使用例如由电驱动马达驱动的空气压缩机相比要有效的多。
[0030]在第一方面的第一可能实施形式中，控制器配置成：当所感测或观测的扫气压力低于扫气压力阈值以及/或者所感测或观测的排气温度高于排气温度阈值时，对供应至消耗装置的旁通加压气体的量进行限制。
[0031]在第一方面的另外的可能的实施形式中，控制器配置成根据所感测或观测的扫气压力和/或所感测或观测的排气温度确定实际的发动机涡轮增压效果。术语“发动机涡轮增压效果”是指由发动机体验或感受到的涡轮增压效果，与环境条件无关。
[0032]在第一方面的另外的可能的实施形式中，控制器配置成根据所确定的实际发动机涡轮增压效果对供应至消耗装置的旁通加压气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单流型大型涡轮增压二冲程内燃发动机(100)，所述发动机构造成向加压气体消耗装置(200)供应加压的扫气和/或排气，所述发动机(100)包括：多个气缸(1)，所述气缸(1)具有扫气口(18)和排气阀(4)，所述扫气口(18)位于所述气缸(1)的下端部处，所述排气阀(4)位于所述气缸(1)的上端部处，进气系统，扫气通过所述进气系统被引入所述气缸(1)中，所述进气系统包括经由所述扫气口(18)连接至所述气缸(1)的扫气接收器(2)，排气系统，在所述气缸中产生的排气通过所述排气系统排出，所述排气系统包括经由所述排气阀(4)连接至所述气缸(1)的排气接收器(3)，一个或更多个涡轮增压器(5)，每个涡轮增压器(5)具有以可操作的方式联接至压缩机(7)的排气驱动涡轮(8)，所述涡轮(8)的进口连接至所述排气系统，以及所述压缩机(7)的出口连接至所述进气系统，以用于向所述进气系统输送加压扫气流，燃料系统，所述燃料系统用于向所述气缸(1)输送燃料，旁通系统，所述旁通系统用于通过从所述进气系统取出受控量的扫气从而绕过所述发动机(100)以及/或者通过从所述排气系统取出受控量的加压排气从而绕过所述涡轮(8)，向所述加压气体消耗装置(200)供应旁通的加压气体，控制器(50)，所述控制器(50)联接至压力传感器(34)和/或温度传感器(33)，所述控制器(50)配置成根据所感测的扫气压力和/或排气温度对供应至所述消耗装置(200)的旁通加压气体的量进行调节，其中，所述控制器(50)配置成以进行以下各项中的一项或更多项以使扫气压力最大化以及/或者使扫气旁通质量流量最大化的方式操作所述发动机(100)：
‑
增大来自设置有涡轮液压系统的涡轮增压器(5)的动力输出，
‑
增大所述发动机(100)的所述进气系统中的辅助鼓风机(16)的速度，
‑
增大所述发动机(100)的排气再循环装置中的排气再循环鼓风机(29)的速度，
‑
启动所述发动机(100)的附加的小涡轮增压器装置，
‑
打开所述发动机(100)的气缸旁通装置中的气缸旁通阀，
‑
打开通向所述发动机(100)的动力涡轮装置的排气旁路，以用于驱动专用的电驱动压缩机，
‑
启动由所述发动机(100)的液压系统提供动力的液压驱动压缩机，
‑
对所述一个或更多个涡轮增压器(5)的可变几何涡轮(8)的几何形状进行调节以及因此对所述可变几何涡轮(8)的涡轮流动面积进行调节，以使在所述发动机(100)的实际操作状态下由所述压缩机(7)输送的压力最大化，优选地，通过减少所述涡轮流动面积来使在所述发动机(100)的实际操作状态下由所述压缩机(7)输送的压力最大化，
‑
切断所述一个或更多个涡轮增压器(5)中的一个或更多个涡轮增压器，以使在所述发动机(100)的部分负载状态下由所述压缩机(7)输送的压力最大化，优选地，根据发动机负载来切断所述一个或更多个涡轮增压器(5)中的一个或更多个涡轮增压器，以使在所述发动机(100)的部分负载状态下由所述压缩机(7)输送的压力最大化，
‑
在低于第一切断发动机负载阈值时启动一个涡轮增压器(5)，在处于所述第一切断发动机负载阈值与第二切断发动机负载阈值之间的区间中时启动两个涡轮增压器(5)，以及在高于所述第二切断发动机负载阈值时启动三个涡轮增压器(5)。
2.根据权利要求1所述的发动机(100)，其中，所述控制器(50)配置成：当所感测或观测的扫气压力低于扫气压力阈值以及/或者所感测的排气温度高于排气温度阈值时，对供应至所述加压气体消耗装置(200)的旁通加压气体的量进行限制。3.根据权利要求1或2所述的发动机(100)，其中，所述控制器(50)配置成：根据所感测或观测的所述扫气压力和/或所感测/或观测的所述排气温度，确定实际发动机涡轮增压效果。4.根据权利要求3所述的发动机(100)，其中，所述控制器(50)配置成：根据所确定的所述实际发动机涡轮增压效果，对供应至所述加压气体消耗装置(200)的旁通加压气体的量进行限制，优选地，所述控制器(50)配置成：当所确定的所述实际发动机涡轮增压效果低于实际发动机涡轮增压效果阈值时，减少或者限制供应至所述加压气体消耗装置(200)的旁通加压气体的所述量。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的发动机(100)，其中，所述控制器(50)配置成：确定与预定的最小发动机涡轮增压效果阈值相比所述一个或更多个涡轮增压器(5)的实际可用效果过量。6.根据权利要求5所述的发动机(100)，其中，所述控制器(50)配置成：根据所述一个或更多个涡轮增压器(5)的所确定的所述可用效果过量，对供应至所述加压气体消耗装置(200)的旁通加压气体的量进行限制。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的发动机(100)，其中，所述控制器(50)配置成：根据所述加压气体消耗装置(200)的加压气体需求，对供应至所述加压气体消耗装置(200)的旁通加压气体的量进行调节，优选地是响应于来自所述加压气体消耗装置(200)的信号，对供应至所述加压气体消耗装置(200)的旁通加压气体的量进行调节。8.根据权利要求1至7中的任一项所述的发动机(100)，其中，所述一个或更多个涡轮增压器(5)至少在给定的发动机负载范围内具有超过预定的最小所需发动机涡轮增压效果的涡轮增压器效果。9.根据权利要求1至8中的任一项所述的发动机(100)，其中，用于切断两个或更多个涡轮增压器(5)中的一个或更多个涡轮增压器的切换点被置于发动机负载的60％至80％的范围内，以及所述控制器(50)配置成：当发动机负载低于所述切换点时，切断所述两个或更多个涡轮增压器(5)中的一个或更多个涡轮增压器。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的发动机(100)，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赫伯特，
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：