大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法技术

一种大型二冲程涡轮增压式内燃发动机和相应的方法，该发动机包括控制器(60)，该控制器配置成：

【技术实现步骤摘要】
大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法


[0001]本公开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，该发动机借助于在活塞从BDC至TDC的冲程期间从燃料阀进入的气态燃料来运行。

技术介绍

[0002]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对大型远洋航行的船舶进行推进或者用作发电厂中的初级原动机。不仅由于庞大的尺寸，而且这些二冲程柴油发动机构建成不同于任何其他内燃发动机。大型二冲程涡轮增压单流型扫气内燃发动机的排出阀可以重达400kg，活塞的直径达100cm，并且在燃烧室中的最大操作压力通常为数百bar。在这些高的压力水平和活塞尺寸处所涉及的力是巨大的。
[0003]利用通过沿着气缸套(liner)的长度或在气缸盖中居中布置的燃料阀而准许进入的气态燃料操作的大型二冲程涡轮增压内燃发动机——即，在刚好在排气阀关闭前启用的活塞的向上冲程期间准许气态燃料进入的发动机——对燃烧室中的气态燃料与扫气空气的混合物进行压缩，并且通过定时点火装置、比方说例如先导油喷射件在上止点(TDC)处或在上止点(TDC)附近对经压缩的混合物进行点火。
[0004]使用布置在气缸套中或气缸盖中的燃料阀(气体准许进入阀)的这种类型的气体准许进入具有可以使用低得多的燃料喷射压力的优点，这是因为当与在活塞接近活塞的上止点(TDC)时、即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时，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高于已经较高的最大燃烧压力。能够在这些极高压力处对气态压力进行处理的燃料系统是昂贵且复杂的，这是由于气态燃料的挥发性质以及气态燃料在这种高压下的行为，该行为包括扩散进入燃料系统的钢部件中并穿过燃料系统的钢部件。
[0005]因此，当与在活塞接近TDC时在较高压力处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给系统显著更便宜。
[0006]然而，当在压缩冲程期间喷射气态燃料时，活塞对气态燃料与扫气空气的混合物进行压缩，并且因此存在提前点火的风险。提前点火的风险可以通过用非常稀的混合物操作而被降低，但是稀的混合物使失火(misfire)或部分失火以及由此产生的燃料泄露(slip)的风险增加。
[0007]因此，需要改进对在这种大型二冲程涡轮增压内燃发动机中的压缩期间燃烧室中的条件的控制，以克服与失火和提前点火/柴油机爆震(diesel
‑
knock)有关的问题或至少部分地使与失火和提前点火/柴油机爆震有关的问题减少。为了防止提前点火和失火发生，需要对燃烧室中的条件进行非常精确地控制。
[0008]在发动机的稳态运行期间，发动机的性能布设通常确保避免提前点火。这是通过对燃烧室设计、燃料喷射正时和排气阀正时进行仔细选择来实现的。然而，这需要在与具有
发生失火或部分失火或提前点火的较高可能性的燃烧条件相距的安全距离处进行操作。这种较大的安全距离导致燃烧条件不是最佳的、特别是在燃油效率方面。
[0009]DK201970370公开了一种大型二冲程涡轮增压单流扫气操作式内燃发动机，该发动机具有多个燃烧室、与该发动机相关联的至少一个控制器，控制器配置成对燃烧开始时燃烧室中的平均压缩空燃比和整体圧缩温度进行确定，该控制器配置成：
[0010]‑
当所确定的或所测量的平均压缩空燃比低于压缩空燃比下限阈值时，执行至少一个压缩空燃比增大措施，
[0011]‑
当所确定的或所测量的平均压缩空燃比在压缩空燃比上限阈值以上时，执行至少一个压缩空燃比减小措施，
[0012]‑
当所确定的或所测量的整体圧缩温度低于整体圧缩温度下限阈值时，执行至少一个整体圧缩温度增大措施，以及
[0013]‑
当所确定的或所测量的整体圧缩温度在整体圧缩温度上限阈值以上时，执行至少一个整体圧缩温度减小措施。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的是提供一种克服以上所指出的问题或至少部分地减少以上所指出问题的发动机和方法。
[0015]前述及其他目的通过独立权利要求的特征来实现。另外的实施形式通过从属权利要求、描述和附图而是明显的。
[0016]根据第一方面，提供了大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，该发动机构造成在气态操作模式下以气态燃料作为主要燃料操作。该发动机包括：
[0017]多个燃烧室，每个燃烧室是由气缸套、往复运动的活塞和气缸盖限界的；
[0018]扫气端口，该扫气端口布置在气缸套中以用于准许扫气进入到燃烧室中；
[0019]排气出口，该排气出口布置在气缸盖中并且是由排气阀控制的；
[0020]可变正时排气阀致动系统，该可变正时排气阀致动系统允许分别对每个燃烧室的排气阀正时进行控制；
[0021]一个或更多个气态燃料准许进入开口，该气态燃料准许进入开口布置在气缸套或气缸盖中，该气态燃料准许进入开口构造成在活塞朝向气缸盖的冲程期间准许气态燃料进入；
[0022]至少一个控制器，所述至少一个控制器是与发动机相关联的；
[0023]所述至少一个控制器配置成分别对每个燃烧室的排气阀的打开正时及关闭正时进行确定和控制，并且配置成分别对被准许经由每个燃烧室的气态燃料准许进入开口而进入至燃烧室的气态燃料的量进行控制；
[0024]所述至少一个控制器配置成对发动机的操作条件进行监测并且对发动机何时在稳态的操作条件下操作进行确定；
[0025]所述至少一个控制器配置成：当所述至少一个控制器已经确定发动机在稳态条件下操作时，所述至少一个控制器以稳态模式操作；
[0026]燃烧室具有至少对于稳态操作而言已知的不希望的燃烧状态，在该燃烧状态中，当空燃比超出已知的与操作条件相关的临界水平时，可能发生部分失火事件、失火事件和/
或提前点火；
[0027]处于稳态操作模式下的所述至少一个控制器配置成：
[0028]分别对每个燃烧室，将空燃比根据操作条件控制至下述空燃比值：
[0029]该空燃比值相比于已知的与操作条件相关的临界水平小了最初设置为第一值的裕度；
[0030]分别对每个燃烧室，将裕度从实际值向第二值以减量的方式随时间推移地减小，该第二值小于第一值并且大于零；
[0031]分别对每个燃烧室的部分失火事件、失火事件和提前点火事件进行监测；
[0032]在检测到部分失火事件、失火事件和/或提前点火事件时，将裕度从实际值向第一值以增量的方式增大，直到不再检测到部分失火事件、失火事件和提前点火事件。
[0033]通过允许裕度相对于正常稳态操作条件的裕度而被减小，比如(最大化)燃料效率(能效)、(最小化)氮氧化物排放物或(最小化)碳氢化合物泄露(HC slip)(未燃烧的或部分燃烧的燃料)、以此类参数等的发动机操作参数可以以与临界本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，所述发动机构造成在气态操作模式下以气态燃料作为主要燃料进行操作，所述发动机包括：多个燃烧室，每个燃烧室是由气缸套(1)、往复运动的活塞(10)和气缸盖(22)进行限界的，扫气端口(18)，所述扫气端口(18)布置在所述气缸套(1)中以用于准许扫气空气进入到所述燃烧室中，排气出口，所述排气出口布置在所述气缸盖(22)中并且所述排气出口是由排气阀(4)控制的，可变正时排气阀致动系统，所述可变正时排气阀致动系统允许对每个燃烧室的排气阀正时进行控制，一个或更多个气态燃料准许进入开口，所述气态燃料准许进入开口布置在所述气缸套(1)或所述气缸盖(22)中，所述气态燃料准许进入开口构造成在所述活塞(10)的朝向所述气缸盖(22)的冲程期间准许气态燃料进入，以及至少一个控制器(60)，所述至少一个控制器(60)是与所述发动机相关联的，所述至少一个控制器(60)配置成：对每个燃烧室的所述排气阀(4)的打开正时和关闭正时进行确定和控制，以及，对被准许经由每个燃烧室的所述气态燃料准许进入开口而进入所述燃烧室的气态燃料的量进行控制，所述至少一个控制器(60)配置成：对所述发动机的操作条件进行监测，以及，对所述发动机何时在稳态操作条件下操作进行确定，所述燃烧室具有至少对于稳态操作而言已知的不希望的燃烧状态，在所述不希望的燃烧状态中，当空燃比超过已知的与操作条件相关的临界水平时，可能发生部分失火事件、失火事件和/或提前点火，所述可变正时排气阀致动系统允许对每个燃烧室的所述排气阀正时进行单独控制，所述至少一个控制器(60)配置成：分别对每个燃烧室的所述排气阀(4)的所述打开正时和所述关闭正时进行确定和控制，并且分别对被准许经由每个燃烧室的所述气态燃料准许进入开口而进入到所述燃烧室的气态燃料的量进行控制，所述至少一个控制器(60)配置成：当所述至少一个控制器(60)已经确定所述发动机在稳态条件下操作时，所述至少一个控制器(60)在稳态操作模式下操作，处于所述稳态操作模式下的所述至少一个控制器(60)配置成：分别将每个燃烧室的所述空燃比根据操作条件而控制至下述空燃比值：所述空燃比值相比于所述已知的与操作条件相关的临界水平小了最初设置为第一值(p1)的裕度，分别将每个燃烧室的所述裕度从实际值向第二值(p2)以减量的方式随时间推移地减小，所述第二值(p2)小于所述第一值(p1)并且大于零，分别对每个燃烧室的部分失火事件、失火事件和提前点火事件进行监测，以及当检测到部分失火事件、失火事件和/或提前点火事件时，将所述裕度从实际值向所述第一值(p1)以增量的方式增大，直到不再检测到部分失火事件、失火事件和提前点火事件。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)配置成被通知所述不希望的燃烧状态和所述已知的与操作条件相关的临界水平。3.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述控制器(60)配置成：当自实际值的上一次
增加以来已经经过预定时间长度并且所述值不等于所述第二值(p2)时，分别恢复将每个燃烧室的所述裕度从实际值以小减量的方式随时间推移地减小。4.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述控制器(60)配置成通过使排气阀关闭正时提前而将所述裕度以减量的方式减小；优选地，所述控制器(60)配置成通过使排气阀关闭正时以步长的方式提前而将所述裕度以减量的方式减小。5.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述控制器(60)配置成通过使排气阀关闭正时延迟而将所述裕度以增量的方式增大；优选地，所述控制器(60)配置成通过使排气阀关闭正时以步长的方式延迟而将所述裕度以增量的方式增大。6.根据权利要求1所述的发动机，包括具有排气旁路控制阀(49)的排气旁路(39)，其中，所述控制器(60)配置成：通过将所述排气旁路控制阀(49)关闭或将所述排气旁路控制阀(49)的节流增大，将所述裕度以减量的方式减小。7.根据权利要求1所述的发动...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克，
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：