CN101566092A - 用于监测扫气过程中过程参数的扫气性能监测系统和方法 - Google Patents

用于监测扫气过程中过程参数的扫气性能监测系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101566092A
CN101566092A CNA2009101347992A CN200910134799A CN101566092A CN 101566092 A CN101566092 A CN 101566092A CN A2009101347992 A CNA2009101347992 A CN A2009101347992A CN 200910134799 A CN200910134799 A CN 200910134799A CN 101566092 A CN101566092 A CN 101566092A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cylinder
scavenging
diesel engine
air
monitoring system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2009101347992A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101566092B (zh
Inventor
S·K·南达
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wartsila NSD Schweiz AG
Original Assignee
Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wartsila NSD Schweiz AG filed Critical Wartsila NSD Schweiz AG
Publication of CN101566092A publication Critical patent/CN101566092A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101566092B publication Critical patent/CN101566092B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N9/00—Electrical control of exhaust gas treating apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F02B25/04—Engines having ports both in cylinder head and in cylinder wall near bottom of piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/08—Safety, indicating, or supervising devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/08—Safety, indicating, or supervising devices
    • F02B77/085—Safety, indicating, or supervising devices with sensors measuring combustion processes, e.g. knocking, pressure, ionization, combustion flame
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/04—Introducing corrections for particular operating conditions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1439—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the position of the sensor
    • F02D41/1441—Plural sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/22—Safety or indicating devices for abnormal conditions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D2041/1433—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method using a model or simulation of the system
    • F02D2041/1437—Simulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2400/00—Control systems adapted for specific engine types; Special features of engine control systems not otherwise provided for; Power supply, connectors or cabling for engine control systems
    • F02D2400/04—Two-stroke combustion engines with electronic control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1439—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the position of the sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Testing Of Engines (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

本发明涉及用于监测扫气过程中过程参数的扫气性能监测系统和方法。大型柴油机包括设置成以便在气缸中沿着运行表面在底部死点(UT)与顶部死点(OT)之间来回运动的活塞，其中燃料由喷嘴供给到该大型柴油机的气缸内。在气缸的入口区设有扫气槽以用于供应预定量的扫气空气，且在气缸的气缸盖中设有出口阀以用于排出燃气。在运行状态，新鲜空气由排气涡轮增压器吸入并作为扫气空气经由扫气槽以预定充入气压供应至气缸，从而在气缸中由扫气空气与燃料产生点火气体混合物。根据本发明，在气缸的运行表面上至少设有第一氧传感器和第二氧传感器，以评价该大型柴油机气缸中的扫气性能。

Description

用于监测扫气过程中过程参数的扫气性能监测系统和方法
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求1和8的特征前序部分的用于监测纵向扫气的二冲程大型柴油机的扫气过程中的过程参数的扫气性能监测系统以及用于监测扫气过程中的过程参数的方法。
背景技术
为了提高(例如用于船只的大型柴油机或用于产生电力的固定单元的)往复活塞内燃机的动力，在燃烧冲程后，通过增压组(charginggroup)将新鲜空气以高压引入到气缸的内燃机内，该增压组大体上被设计为排气涡轮增压器。就此而言，可利用在燃烧冲程之后离开气缸燃烧室的排气热能的一部分。为此目的，通过打开出口阀将热气从气缸的燃烧室输送出来到增压组。该增压组大体包括由在压力下进入增压组的热排气驱动的涡轮机。对涡轮机而言，其驱动压缩机，新鲜空气由压缩机吸入及压缩。带有涡轮机的扩散器(其是通常简单地称作涡轮增压器且特别地但不仅在二冲程大型柴油机的情况下使用径向压缩机作为压缩机的一种设置)后面是所谓的扩散器、空气冷却器、水分离器以及入口接收器，压缩的新鲜空气(也被称作充入空气或扫气空气)从入口接收器最终供给到大型柴油机的气缸的单独的燃烧室。通过使用这种增压组，可因此而增加新鲜空气的这种供应且可提高气缸燃烧室中燃烧过程的效率。
在大型柴油机的情况下，空气的供入取决于类型而发生于气缸的不同位置处。因此，例如在纵向扫气的二冲程发动机中，空气经由扫气槽被引入到燃烧室内，扫气槽设置于气缸下部区域中的运行表面中。在四冲程发动机中，充入空气通常经由设置于气缸盖中的一个或多个入口阀而引入。就此而言，二冲程发动机也是确知的，其在气缸盖中替代气缸下部区域中的扫气槽而装设有入口阀。
就此而言，在柴油内燃机的运行中产生大量的氮氧化物(NOx)，这会对环境产生不利的影响。因此已做出许多努力来保护环境，即开发显著地降低了(NOx)排放的柴油机。
另一方面，大型柴油机在长期运行期间常常运行相当长的时期，这造成了对于运行可靠性和可用性的高要求。因此，特别是较长的维护间隔(即长的大修间隔时间(TBO))、低磨损以及燃料和运行材料的经济使用是操作者选择机器的重要标准。
就此而言，人们所熟知的理论是：倘若最大气缸压力保持恒定，则提高来自具有恒定内孔大小和冲程的发动机的动力输出将提高燃油消耗率。在大多数情形下，通过增加峰值压力以使燃油消耗率(sfoc)保持恒定或目标锁定更低的值来提高动力输出。但在现有设计中，燃烧压力的增加受其它因素制约，诸如结构限制和轴承负载。
这种低燃油消耗率的优化过程必须以低的NOx来实现，以符合现有的排放法规。这个优化过程中的关键因素中的一个因素在于单个气缸的扫气性能。可通过如过去主要用于回流和横流扫气发动机中例如用以确定端口淤塞的轻弹簧示功图表(light spring indicator diagram)(压力体积迹线)在某种程度上说明这种性能。但这种方法并不量化穿过气缸衬套的扫气效率和流态。在当前这一代慢速柴油机中，关键是理解这个过程并提供这个过程的测量，以实现sfoc与NOx排放之间更好的权衡。
在过去二十年中计算能力的改进减少了对于柴油机制造商用于其产品开发所需的昂贵样机的开发需求，因为现在可在具有高RAM和处理速度的计算机上模拟过程参数之间的所有必要的数学和物理关系。计算流体力学通常被称作CFD，其用于预测流体流量和动力，计算流体力学现在是不仅用于柴油机开发而且还用于工程的各个方面的常用工程工具。在发动机开发中使用这种工具已经降低了对于进行耗时费力的实验的需要，否则这种实验将是必须的。此外，由于模拟工具给出气缸内所发生的物理过程更好的理解，所以能实现更远期的目标，诸如增加固定气缸尺寸的动力输出同时减小与成本节约直接相关的安全系数。这是可行的，因为该模型能(例如)通过使用点燃特征已知的参考燃料来预测燃烧空间内火焰的大小和形状。
一般惯例是利用在特定发动机类型上执行的一系列实验得到的数据来验证CFD模型，然后使用它作为外推工具来映射其它发动机布局图并监测它们的性能。但是，以下事实也是众所周知的：简单的线性外推未必给出正确结果。模拟工具不能预测的许多因素中的一个因素是基于使用中的燃料品质的燃烧而造成的热部件上的热负载。只要参数在CFD模型所限定的边界内，优化的发动机设计就良好地运作。当然在实践中这是很少的情形，除非已经考虑部件随时间的劣化或较差维护的影响而充分地设定了边界。
随着使用这种分析工具而柴油机技术在热力学发展中不断进步，发展监测技术是必要的，监测技术能够预测其性能并确定发动机中的故障。用于监测发动机的热力学性能的最常用的参数是在循环中的各个点处的压力和温度。监测柴油机性能最广泛使用的技术是上文所提到的压力体积迹线，一种比柴油机更老的技术且通常被称作示功图示意。其用于计算由气缸所形成的指示功且当用于轻弹簧型式时使气体交换过程直观化。使用指示仪表以获得异相示功图(out of phasediagram)，通常被称作“手拉压力历程图(draw card)”，其有助于在喷射和燃烧周期期间探测故障。这种技术可能不能指示热力学过程中的某些故障。这是因为该技术依赖于测量随温度变化的压力且当其监测利用低空气燃料比来运行的现代柴油机时具有其局限性。
简言之，这可解释为：如果空气质量和体积保持恒定，那么最大循环温度中100°的变化将以系数1.04来改变压力，这个值较小且在示功图表上不能绝对可靠地探测到。当更接近化学计量条件运行时会发生解离(将产物分解回到反应物的吸热反应)，其会降低循环温度。因此，观察不到温度和随后压力的显著变化。然而，在气缸上具有不均匀空气燃料比的柴油机气缸中，在空气燃料混合物富集的区域中燃烧速率会减缓。这会影响火焰大小和燃烧周期，从而提高对燃烧室部件的热传递的速率。
到目前为止，尚不能利用从指示仪表所获得的图表来确定这些故障。
为了发展新的技术，理解柴油机与其负载之间的相互作用和火焰大小与空气燃料比例之间的关系是必要的。使发动机更接近热过载条件运行将缩短燃烧室部件的运行寿命且在某些情况下可能造成灾难性故障。有意义的是，不能通过可能仅略微升高的平均排气温度来预测出某些异常的气缸状态。过去的若干年中，在提高相同气缸尺寸的动力输出的同时，包括高发生率的气缸衬套磨损的活塞运行问题也已增加。多种因素造成磨损的出现且不当燃烧是其中之一。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种监测系统以及相应方法，其可很好地预先预测气缸状态以防止气缸衬套损失和对邻接单元的任何后续损坏。此外，本发明的另一目的在于通过同时改进柴油机的可靠性和可用性来减小柴油机设计每个方面中的安全裕度。
也就是说，本发明的一个目的在于使得可以有一种改进的二冲程大型柴油机，其具有更长的维护间隔、更低的磨损以及燃料和运行材料更经济的使用，其中显著地减小了NOx排放。
满足这些目的的本发明的主题的特征在于独立权利要求1和8的特征。
从属权利要求涉及本发明的特别有利的实施例。
因此，本发明涉及一种用于优化纵向扫气的二冲程大型柴油机的扫气过程中的过程参数的扫气性能监测系统。大型柴油机包括活塞，该活塞被设置成可沿着运行表面在底部死点与顶部死点之间来回运动，其中燃料由喷嘴供给到大型柴油机的气缸内。在气缸的入口区设有扫气槽以用于供应预定量的扫气空气，以及在气缸的气缸盖处设有出口阀以用于排出燃气。在运行状态中，新鲜空气由排气涡轮增压器吸入并作为扫气空气经由扫气槽以预定充入气压供应至气缸，从而在气缸中由扫气空气和燃料产生点火气体混合物。根据本发明，在气缸的运行表面处至少设有第一氧传感器和第二氧传感器，以评价大型柴油机的气缸的扫气性能。
对于本发明而言所必须的是：在气缸的运行表面处设有至少第一氧传感器和第二氧传感器，且在实践中优选为多个氧传感器，以评价大型柴油机气缸中的扫气性能。
使用根据本发明的方法，首次可局部预测单个气缸内的截留空气燃料比以及最大循环温度以使得能够监测热状态系统，以作为对标准示功图技术的补充，其给出了气缸状态更准确的指示。根据本发明的系统和方法可独立于示功图技术工作，当然，如有必要，其可额外地合并到该系统中。
因此实现了发动机气缸中改进的扫气，从而得到气缸中更高的纯度和更好的截留空气燃料比，即达到气缸中燃料空气混合物的最佳λ值。其效果在于优化的燃烧持续时间，可观测到其具有较低的排气温度和燃烧室部件温度，从而降低了部件失效的风险且同时延长了TBO(大修间隔时间)。
就此而言，本发明的主要发现在于发生于慢速纵向扫气大型柴油机气缸中的扫气过程运行速度足够慢，以使得熟知的氧传感器(例如，已知的λ-sonde)可用于监测气缸中燃料-空气混合物比例的时间分辨变化(time resolved change)以及位置分辨变化。。
也就是说，关于设于气缸运行表面的给定氧传感器，该氧传感器可监测在氧传感器位置处扫气空气中的氧浓度随时间的变化。
另一方面，如果第一氧传感器置于气缸运行表面处的给定第一位置且第二氧传感器置于气缸运行表面处的给定第二位置，则根据本发明的扫气性能系统能够监测第一氧传感器的第一位置与第二氧传感器的第二位置之间的扫气空气中的氧浓度差异。
使用多于两个氧传感器并将它们放置于(例如)气缸的入口(特别是气缸的入口接收器)处，气缸的出口(特别是排气管道)处，且额外地使用在气缸运行表面处沿周边以及沿着纵向轴线的多个氧传感器，可获得扫气空气流量的时间分辨和位置分辨曲线，且例如，可设置气缸中的氧浓度的时间分辨和位置分辨模式并将其用于优化大型柴油机的多个过程参数，诸如燃料消耗、NOx排放、温度以及机械负载等。
如上文已提到，在实践中非常重要的特定实施例中，多个氧传感器沿周边设置在气缸运行表面处，和/或多个氧传感器沿着气缸的纵向轴线而设置在气缸运行表面处。
此外，为了监测扫气空气从入口接收器到排气管道的流动，氧传感器优选地设于靠近扫气槽的入口处，特别地在入口接收器处，和/或另外的氧传感器设于气缸的出口处，特别地在排气管道和/或在大型柴油机的排气歧管处。
为了记录和评价来自氧传感器的数据，设有数据采集装置以便从氧传感器采集信号，特别是实时信号，以量化气缸上的扫气性能，尤其是关于大型柴油机的曲柄角。
有待在运行状态中优化的过程参数可为扫气性能本身、燃烧过程、燃油消耗率、部件磨损率、发动机热力学过程参数、两个气缸之间的动力平衡、NOx-燃油消耗率权衡、烟气产生、能量消耗和/或大型柴油机的扫气过程中的其它过程参数，其中，过程参数优选地依据扫气性能来优化。
本发明还涉及用于通过扫气性能监测系统来优化纵向扫气的二冲程大型柴油机的扫气过程中的过程参数的方法。二冲程大型柴油机包括活塞，该活塞被设置成以便在气缸中沿着运行表面在底部死点与顶部死点之间来回运动。在运行状态，燃料由喷嘴供给到大型柴油机的气缸内且扫气槽设于气缸的入口区以用于供应预定量的扫气空气且出口阀设于气缸的气缸盖处以用于排出燃气，其中新鲜空气由排气涡轮增压器吸入并作为扫气空气经由扫气槽以预定充入气压供应到气缸，从而在气缸中由扫气空气和燃料产生点火气体混合物。根据本发明，由设于气缸运行表面的第一氧传感器和第二氧传感器来探测氧浓度且通过氧浓度来评价大型柴油机的气缸中的扫气性能。
在第一实施例中，通过沿周边设于气缸运行表面处的多个氧传感器和/或通过沿着气缸纵向轴线而设于气缸运行表面处的多个氧传感器，在气缸的多个位置处取得氧浓度和/或扫气空气流量脉动和/或氧标志(oxygen signature)曲线。
关于在实践中非常重要的特定实施例，通过设于通向扫气槽的入口处(特别是入口接收器处)的氧传感器和/或通过设于气缸出口(特别是排气管道和/或排气歧管)处的氧传感器，来取得氧浓度和/或扫气空气的流量脉动和/或氧标志曲线。
优选地，来自氧传感器的信号，特别是实时信号，由数据采集装置采集且气缸上的扫气性能被量化，尤其是关于大型柴油机的曲柄角。
有待由根据本发明的方法优化的过程参数为：扫气性能本身、燃烧过程、燃油消耗率、部件磨损率、发动机热力学过程参数、两个气缸之间的动力平衡、NOx-燃油消耗率权衡、烟气产生、能量消耗和/或大型柴油机的扫气过程中的其他过程参数，和/或其中依赖于扫气性能来优化过程参数。
关于另一特定实施例，由扫气性能监测系统来确定绕扫气槽回流的持续时间和/或在气缸中截留的残余气体的质量和/或流态类型和/或扫气性能中的循环与循环间变化和/或未燃烧燃料的指示。
附图说明
在下文中，将借助于附图来更详细地解释本发明，附图显示了：
图1示意性地示出了根据本发明的具有扫气性能监测系统的纵向扫气的二冲程柴油机；
图2是大型二冲程柴油机的优选实施例；
图3是根据图2的沿着I-I的截面区域。
具体实施方式
图1示出用于解释根据具有排气涡轮增压器系统的大型柴油机的原理的构造的不同部件协作示意图，该柴油机形成为具有纵向扫气且具有根据本发明的扫气性能监测系统的二冲程大型柴油机。在下文中，扫气性能监测系统用附图标记1来指代。
大型柴油机2在原理上是现有技术熟知的，其以本身已知的方式包括多个气缸4，气缸4带有设置于气缸4的气缸盖9中的出口阀8，以及设置成可在气缸4中沿着运行表面5在底部死点UT与顶部死点OT之间来回运动的活塞3。气缸4的气缸壁和气缸盖9以及活塞3以已知方式界定了气缸4的燃烧空间41。多个扫气空气孔口6设于气缸4的入口区中，这些孔口被设计为扫气槽6。取决于活塞3的位置，扫气槽6被活塞3覆盖或被暴露。扫气空气7(也称为充入空气7)可通过扫气槽6流入到气缸4的燃烧空间41内。在燃烧期间产生的燃气10穿过设置于气缸盖9中的出口阀8、穿过排气管道14而流动到排气涡轮增压器12内，排气管道14通常被设计为邻接出口阀8的排气歧管14。
以本身已知的方式，排气涡轮增压器12包括压缩机和涡轮机作为必要部件，压缩机具有用于压缩新鲜空气11的压缩机转子121，涡轮机具有用于驱动压缩机转子121的涡轮机转子122，压缩机转子121通过轴杆而固定地连接到涡轮机转子122。涡轮机和压缩机被设置于壳体中并形成排气涡轮增压器12，排气涡轮增压器12在当前情况下形成为压缩机侧的径向压缩机。涡轮机由从气缸4的燃烧空间41流入的热燃气10驱动。
为了利用扫气空气7使气缸4的燃烧室41充气，新鲜空气11经由进入空气短管(intake air stub)吸入经过压缩机转子121并在排气涡轮增压器12中压缩成高压，该压力略微高于最终存在于气缸4中的充入气压。压缩的新鲜空气11作为扫气空气7从排气涡轮增压器12流出，穿过后面的扩散器1200和充入空气冷却器1201，经由水分离器1202进入到入口接收器1203内，入口接收器1203优选地形成为接收器空间1203，且压缩的新鲜空气11作为扫气空气7从入口接收器1203最终以提高的充入气压穿过扫气槽6进入到气缸4的燃烧空间41内。
根据本发明，具有第一氧传感器131和第二氧传感器132的扫气性能监测系统1设于气缸4的运行表面5处，以评价大型柴油机2的气缸4中的扫气性能。
通过图2和图3，显示了在实践中非常重要的大型二冲程柴油机的优选实施例。图3是根据图2沿着线I-I的截面区域。
为了简洁起见，显示了大型柴油机2的仅一个气缸4。气缸4具有气缸盖9和活塞3，活塞3被设置成可在气缸4中沿着运行表面5来回运动，如在现有技术中熟知的情形。气缸4的气缸壁与气缸盖5和活塞3以已知方式界定了气缸4的燃烧空间41。多个扫气空气孔口6设于气缸4的入口区中，其被设计为扫气槽6。扫气空气7在运行状态下从接收器空间1203流出，该接收器空间1203从排气涡轮增压器12(在图2中未示出)接收扫气空气7，经过扫气槽6而进入气缸4的燃烧空间41中。在燃烧期间产生的燃气10通过设置于气缸盖9中的出口阀8、通过邻接出口阀8的排气通道14而流入到排气涡轮增压器12中。
关于图2和图3的优选实施例，由沿周边设于气缸4的运行表面5处(如图3所示)以及沿着气缸4的纵向轴线A设于运行表面5处(如图2中可见)两处的多个氧传感器130、131、132在气缸4中的多个位置处分别取得氧浓度和/或扫气空气7的流量脉动和/或氧标志曲线。此外，氧传感器130设于接收器空间1203内的扫气槽7处及排气管道14处。
使用根据图2和图3的扫气性能监测系统，可由各个氧传感器130、131、132实时监测从入口接收器1203穿过气缸4并流到排气管道14的扫气空气7的流动，从而可设置气缸中氧浓度和/或流量的时间分辨和位置分辨模式并将其用于优化大型柴油机的多个过程参数，诸如燃料消耗、NOx排放、温度和机械负载等。
为使本讨论完整，根据本发明的扫气性能控制系统的技术背景和构思可总结如下。
所有慢速二冲程柴油机取决于扫气与排气歧管之间的压力差来清洁气缸的燃烧产物并且向气缸充入新鲜空气以用于在接下来的循环中燃烧。这种气体交换过程的优化对于在样机和使用试验期间实现燃油消耗率与NOx之间的更好的权衡是至关重要的。在当代优化慢速柴油机中，气体交换过程的部分故障可造成较低的TBO及在某些情况下造成部件失效。气体交换过程以及其它过程参数的评价将提供发动机热力学性能的指示。用于监测发动机的热力学性能的最常用的参数是在循环的各个点处的压力和温度。
在现有技术中用于监测柴油机性能的最广泛使用的技术是压力体积迹线，一种比柴油机更老的技术且通常被称作示功图。在现代慢速柴油机中，在测试和使用期间，其未能指示出对于发动机性能关键的热力学过程中的某些故障。扫气性能监测系统使用氧传感器阵列来评价发动机的扫气性能。用于该系统的传感器将安装于发动机的单个或所有气缸的以下位置处的一个或多个点上：
1.扫气端口的入口处；
2.沿周向在衬套上；
3.沿着衬套的行程；
4.气缸的出口处。
由此，本发明的扫气性能监测系统将用于确定扫气过程中的以下过程参数：
1.在扫气过程开始时绕端口的回火持续时间；
2.在排气阀关闭时气缸中截留的残余气体的质量，即，在开始压缩时气缸的纯度；
3.流态类型，即，活塞流，完全混合和/或穿过气缸的短路和其作为曲柄角函数的持续时间或者端口和排气阀打开分数；
4.在单个气缸和多个气缸上扫气性能的循环与循环间变化；
5.气缸中的延长燃烧和排气中的未燃烧燃料的指示；
6.从多个位置所取得的氧标志曲线将给出穿过气缸的流量的任何脉动的指示。
将通过数据采集系统采集来自传感器的关于发动机的曲柄角的实时信号并对其进行评价以量化扫气性能。该系统可特别地用于以下应用中：
1.在试验台上及使用中监测并优化燃烧过程；
2.燃油消耗率优化；
3.在设计期间优化部件磨损率及在使用中再优化实时部件磨损测量；
4.对于使用中碰到的不同燃料等级来优化发动机热力学过程参数；
5.在试验台上和在使用中对发动机进行性能监测；
6.气缸之间的动力平衡；
7.NOx-sfoc权衡的优化；
8.实现无烟运行；
9.对于作为大型动力装置部件的发动机节省能量。
应了解在本申请中所描述的根据本发明的所有实施例应仅以举例说明的方式理解且特别地，在本发明的情形内所描述或显而易见的所有实施例可在根据本发明的实施例的特定实例中单独地或以所有合适的组合来提供，使得在本发明中所描述的实施例的所有合适的组合包括于并涵盖于本发明中。

Claims (15)

1.一种用于优化纵向扫气的二冲程大型柴油机(2)的扫气过程中的过程参数的扫气性能监测系统，所述大型柴油机(2)具有设置成可以在气缸(4)中沿着运行表面(5)在底部死点(UT)与顶部死点(OT)之间来回运动的活塞(3)，其中燃料由喷嘴供给到所述大型柴油机(2)的所述气缸(4)中，并且在所述气缸(4)的入口区设有扫气槽(6)，以用于供应预定量的扫气空气(7)，且在所述气缸(4)的气缸盖(9)处设有出口阀(8)，以用于排出燃气(10)，其中，在运行状态中，新鲜空气(11)由排气涡轮增压器(12)吸入并作为所述扫气空气(7)经由所述扫气槽(6)以预定充入气压供应至所述气缸(4)，从而在所述气缸(4)中由所述扫气空气(7)与所述燃料产生点火气体混合物，其特征在于，至少第一氧传感器(130，131)和第二氧传感器(130，132)设于所述气缸(4)的所述运行表面(5)处，以评价所述大型柴油机(1)的所述气缸(4)中的扫气性能。
2.根据权利要求1所述的扫气性能监测系统，其特征在于，多个氧传感器(130，131，132)沿周边设于所述气缸(4)的所述运行表面(5)处。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的扫气性能监测系统，其特征在于，多个氧传感器(130，131，132)沿着所述气缸(4)的纵向轴线(A)设于所述气缸(4)的所述运行表面(5)处。
4.根据前述权利要求中任一项所述的扫气性能监测系统，其特征在于，氧传感器(130)设于通向所述扫气槽(6)的入口处，特别是在入口接收器(1302)处。
5.根据前述权利要求中任一项所述的扫气性能监测系统，其特征在于，氧传感器(130)设于所述气缸(4)的出口处，特别地设于排气管道(14)和/或排气歧管(14)处。
6.根据前述权利要求中任一项所述的扫气性能监测系统，其特征在于，设有数据采集装置(1000)以从所述氧传感器(130，131，132)采集信号，特别是实时信号，以便量化气缸(4)上的所述扫气性能，尤其是关于所述大型柴油机(2)的曲柄角。
7.根据前述权利要求中任一项所述的扫气性能监测系统，其特征在于，所述过程参数是所述扫气性能本身、燃烧过程、燃油消耗率、部件磨损率、发动机热力学过程参数、两个气缸(4)之间的动力平衡、NOx-燃油消耗率权衡、烟气产生、能量消耗和/或所述大型柴油机(2)的所述扫气过程中的其他过程参数，且/或其中依据所述扫气性能来优化所述过程参数。
8.一种用于通过扫气性能监测系统(1)来优化纵向扫气的二冲程大型柴油机(2)的扫气过程中的过程参数的方法，其中所述二冲程大型柴油机(2)包括设置成以便在气缸(4)中沿着运行表面(5)在底部死点(UT)与顶部死点(OT)之间来回运动的活塞(3)，并且，其中燃料由喷嘴供给到所述大型柴油机(2)的所述气缸(4)中，且在所述气缸(4)的入口区设有扫气槽(6)，以用于供应预定量的扫气空气(7)，且在所述气缸(4)的气缸盖(9)处设有出口阀(8)，以用于排出燃气(10)，其中，在运行状态中，新鲜空气(11)由排气涡轮增压器(12)吸入并作为所述扫气空气(7)经由所述扫气槽(6)以预定充入气压供应至所述气缸(4)，从而在所述气缸(4)中由所述扫气空气(7)与所述燃料产生点火气体混合物，其特征在于，由设于所述气缸(4)的所述运行表面(5)处的第一氧传感器(130，131)和第二氧传感器(130，132)来探测氧浓度，并由所述氧浓度来评价所述大型柴油机(1)的气缸(4)中的扫气性能。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过沿周边设于所述气缸(4)的所述运行表面(5)处的多个氧传感器(130，131，132)在所述气缸(4)中的多个位置处取得氧浓度和/或所述扫气空气的流量脉动和/或氧标志曲线。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，通过沿着所述气缸(4)的纵向轴线(A)设于所述气缸(4)的所述运行表面(5)处的多个氧传感器(130，131，132)在所述气缸(4)中的多个位置处取得氧浓度和/或所述扫气空气的流量脉动和/或氧标志曲线。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，通过设于通向所述扫气槽(6)的入口，特别是入口接收器(1302)处的氧传感器(130)，来取得氧浓度和/或所述扫气空气的流量脉动和/或氧标志曲线。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，通过设于所述扫气槽(6)的出口处，特别是设于排气管道(14)和/或排气歧管(14)处的氧传感器(130)，来取得氧浓度和/或所述扫气空气的流量脉动和/或氧标志曲线。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于，由数据采集装置(100)采集来自所述氧传感器(130，131，132)的信号，特别是实时信号，并量化气缸(4)上的所述扫气性能，尤其是关于所述大型柴油机(2)的曲柄角。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述过程参数是所述扫气性能本身、燃烧过程、燃油消耗率、部件磨损率、发动机热力学过程参数、两个气缸(4)之间的动力平衡、NOx-燃油消耗率权衡、烟气产生、能量消耗和/或所述大型柴油机(2)的所述扫气过程中的其它过程参数，且/或其中依据所述扫气性能来优化所述过程参数。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的方法，其特征在于，
由所述扫气性能监测系统(1)来确定绕所述扫气槽(6)的回流持续时间和/或所述气缸(4)中的截留残余气体质量和/或流态类型和/或所述扫气性能的循环与循环间变化和/或未燃烧燃料的指示。
CN200910134799.2A 2008-04-21 2009-04-20 用于监测扫气过程中过程参数的扫气性能监测系统和方法 Expired - Fee Related CN101566092B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08154852 2008-04-21
EP08154852.1 2008-04-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101566092A true CN101566092A (zh) 2009-10-28
CN101566092B CN101566092B (zh) 2014-07-16

Family

ID=39752690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200910134799.2A Expired - Fee Related CN101566092B (zh) 2008-04-21 2009-04-20 用于监测扫气过程中过程参数的扫气性能监测系统和方法

Country Status (7)

Country Link
EP (1) EP2112349B1 (zh)
JP (1) JP5461039B2 (zh)
KR (1) KR101564704B1 (zh)
CN (1) CN101566092B (zh)
BR (1) BRPI0900931A2 (zh)
DK (1) DK2112349T3 (zh)
RU (1) RU2490487C2 (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103967534A (zh) * 2013-01-07 2014-08-06 通用电气公司 高压涡轮进口管道和发动机
CN105874181A (zh) * 2014-01-17 2016-08-17 株式会社Ihi 单流扫气式双循环发动机
CN107100748A (zh) * 2015-10-16 2017-08-29 温特图尔汽柴油公司 操作低速运行大型柴油机的方法以及低速运行大型柴油机
CN109323865A (zh) * 2018-11-06 2019-02-12 大连理工大学 可调压力控制的扫气模拟装置及其使用方法
CN110398611A (zh) * 2019-07-01 2019-11-01 天津大学 低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置与方法
CN111140351A (zh) * 2019-12-13 2020-05-12 天津大学 缸内取样法的二冲程发动机扫气效率测试系统及其方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9651456B2 (en) * 2014-07-17 2017-05-16 Ford Global Technologies, Llc Dual HEGO method for identification and mitigation of air-fuel imbalance faults
KR20170035333A (ko) 2015-09-22 2017-03-30 조주혁 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 사이클 내연기관
US10914246B2 (en) 2017-03-14 2021-02-09 General Electric Company Air-fuel ratio regulation for internal combustion engines
CN114592966B (zh) * 2022-05-11 2022-08-09 四川迅联达智能科技有限公司 全空气扫气发动机

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1733648A1 (ru) * 1988-12-12 1992-05-15 К.А.Кошарко Устройство дл наддува двигател внутреннего сгорани
US4903648A (en) * 1989-04-14 1990-02-27 Outboard Marine Corporation Engine with improved exhaust gas sensing
JPH07145747A (ja) * 1993-09-30 1995-06-06 Sanshin Ind Co Ltd エンジンの空燃比検出装置
JPH1037769A (ja) * 1996-07-26 1998-02-10 Yamaha Motor Co Ltd 燃料噴射式２サイクルエンジン
US5746163A (en) * 1996-09-26 1998-05-05 Clean Cam Technology Systems Low emission power plant and method of making same
JP4194007B2 (ja) * 1999-05-26 2008-12-10 ヤマハマリン株式会社 ２サイクルエンジン
JP2001164972A (ja) * 1999-12-06 2001-06-19 Fuji Heavy Ind Ltd 内燃機関の制御装置
DE19963358A1 (de) * 1999-12-28 2001-07-12 Bosch Gmbh Robert Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Luftsystem
DE50300453D1 (de) * 2002-07-09 2005-05-25 Waertsilae Schweiz Ag Winterth Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine
JP2004316456A (ja) * 2003-04-11 2004-11-11 Daihatsu Motor Co Ltd ２サイクル内燃機関
JP2005076490A (ja) * 2003-08-29 2005-03-24 Daihatsu Motor Co Ltd 二サイクル内燃機関及び圧縮着火式二サイクル内燃機関

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103967534A (zh) * 2013-01-07 2014-08-06 通用电气公司 高压涡轮进口管道和发动机
CN105874181A (zh) * 2014-01-17 2016-08-17 株式会社Ihi 单流扫气式双循环发动机
CN105874181B (zh) * 2014-01-17 2018-10-12 株式会社 Ihi 单流扫气式双循环发动机
CN107100748A (zh) * 2015-10-16 2017-08-29 温特图尔汽柴油公司 操作低速运行大型柴油机的方法以及低速运行大型柴油机
CN109323865A (zh) * 2018-11-06 2019-02-12 大连理工大学 可调压力控制的扫气模拟装置及其使用方法
CN110398611A (zh) * 2019-07-01 2019-11-01 天津大学 低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置与方法
CN110398611B (zh) * 2019-07-01 2021-04-20 天津大学 低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置与方法
CN111140351A (zh) * 2019-12-13 2020-05-12 天津大学 缸内取样法的二冲程发动机扫气效率测试系统及其方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP5461039B2 (ja) 2014-04-02
BRPI0900931A2 (pt) 2010-01-26
KR101564704B1 (ko) 2015-10-30
KR20090111272A (ko) 2009-10-26
RU2009115011A (ru) 2010-10-27
JP2009264372A (ja) 2009-11-12
DK2112349T3 (da) 2013-06-24
EP2112349B1 (en) 2013-04-10
EP2112349A1 (en) 2009-10-28
CN101566092B (zh) 2014-07-16
RU2490487C2 (ru) 2013-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101566092B (zh) 用于监测扫气过程中过程参数的扫气性能监测系统和方法
CN104919298B (zh) 基于排气歧管压力的内燃发动机不点火检测
CN105736190B (zh) 燃烧发动机系统以及调整其中的排气再循环的系统和方法
CN101498267A (zh) 用于点火液喷射器的检验方法
Fandakov A Phenomenological Knock Model for the Development of Future Engine Concepts
CN104912678A (zh) 气体或双燃料发动机
Khoa et al. Effective release energy, residual gas, and engine emission characteristics of a V-twin engine with various exhaust valve closing timings
Kesgin Efficiency improvement and NOx emission reduction potentials of two‐stage turbocharged Miller cycle for stationary natural gas engines
CN105606367A (zh) 一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法和装置
CN107152346B (zh) 用于减少颗粒物质的发动机控制系统
Singh et al. An Evaluation of Knock Determination Techniques for Diesel-Natural Gas Dual Fuel Engines
US8555831B2 (en) Method for operating a two-stroke engine
Liu et al. Evaluation analysis of scavenging process of two-stroke marine diesel engine by experiment and simulation
EP4317667A1 (en) A method for detecting pre-ignition in a large engine and a large engine
YAMADA et al. Numerical analysis of combustion and flow inside a small rotary engine for developing an unmanned helicopter
KR102656099B1 (ko) 사전 혼합 공정 또는 압축 착화 공정에 따라 선택적으로 실린더를 작동시키기 위한 대형 2행정 유니플로 스캐빈지 엔진 및 방법
RU209241U1 (ru) Устройство экспресс-диагностирования параллельных турбокомпрессоров дизельного двигателя
Gschiel et al. Development of a method to investigate the influence of engine oil and its additives on combustion anomalies in hydrogen engines
Shi et al. Research and analysis of engine combustion based on independent test system
Aghdam Validation of a Polytropic-Based Blow by Model and Predicting Crevice Flow Cyclic Variations in a CNG SI Engine.
CN1854703A (zh) 旋转流体机械性能测试装置
Kamaltdinov et al. Calculation and Experimental Studies of the Working Parameters of the Gas Piston Engine
Juna et al. Modification Monitoring of Combustion Chamber Temperature and Pressure on Diesel Engines
KR20230094033A (ko) 선박용 2행정 디젤기관의 실린더 기밀 상태 진단 방법
CN107100748A (zh) 操作低速运行大型柴油机的方法以及低速运行大型柴油机

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140716

Termination date: 20200420

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee