CN101666259A - 纵向扫气两冲程大型柴油发动机的操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有至少一个汽缸的纵向扫气两冲程大型柴油发动机的操作方法。每个汽缸的进气口区域具有扫气狭缝，以引入预定量扫气空气。各汽缸都具有汽缸盖，其具有用于排出燃烧气体的排气阀。在该方法中，处于环境压强的可用新鲜空气由废气涡轮增压器吸取，并经由扫气狭缝以预定扫气空气压强作为扫气空气供应到汽缸，在汽缸内压缩引入的空气，然后燃料被喷射到空气中并随后被燃烧。燃烧过程中形成的燃烧气体经由排气管道供给到废气涡轮增压器的涡轮机。扫气空气压强随柴油发动机的发动机功率持续增大，直到预定发动机功率处，在该发动机功率的上部范围中经过了0.2到1bar的骤然减小，之后所述扫气空气压强重新随发动机功率持续增大。

Description

纵向扫气两冲程大型柴油发动机的操作方法
技术领域
[0001]本发明涉及根据权利要求1前序部分的纵向扫气两冲程大型柴油发动机的操作方法。
背景技术
[0002]为了改进往复活塞式内燃机(例如，船舶或者用来产生电能的固定系统所用的两冲程大型柴油发动机)的性能，在紧接着燃烧周期之后，借助于废气涡轮增压器在增大的压强下将新鲜空气引入到汽缸的燃烧空间内。在这方面，因为在汽缸燃烧空间内来自燃烧过程的热废气通过打开排气阀被供应到增压组，所以废气的一部分热能能够被利用。增压组基本上包括涡轮机，该涡轮机由进入到该增压组的加压热废气驱动。接下来，涡轮机驱动压缩机，由此新鲜空气被吸入并被压缩。在压缩机和涡轮机(以下将这两者称为涡轮增压器或者废气涡轮增压器)的下游设置有所谓的扩散器、增压空气冷却器、水分离器、以及进气接收器，从进气接收器处被压缩的新鲜空气(还公知为增压空气或扫气空气)被最终供给到大型柴油发动机汽缸的独立燃烧空间中。因此，通过使用这样的增压组，能够增加新鲜空气供应，并且能够增加汽缸燃烧空间内的燃烧过程的效率。
[0003]由于高昂的燃料价格，柴油燃料发动机(尤其是货船内的柴油燃料发动机)常常以部分负载运行以便节省燃料。术语“部分负载”是指，发动机功率是在最大发动机功率之下。对于采用了废气涡轮增压器的两冲程大型柴油发动机而言，因为更低的扫气空气压强所导致的更不理想的汽缸清扫(cylinder flushing)，所以对于典型地最大发动机功率的30％至50％的部分负载，耗油率会增加。而且，这样的柴油燃料发动机在相应的部分负载运行范围内的长期运行可能会损害其功能。
[0004]为了改善在部分负载运行范围内的两冲程大型柴油发动机的效率，可以以公知的方式将扫气空气压强增大到最大可能值。为了该目的，例如，布置在废气进入废气涡轮增压器的涡轮机的进气口区域之前喷嘴的喷嘴环的横截面可以像例如EP-A-1 956 210中所描述的那样相应地减小。关于增大扫气空气压强的另一个可能性通过使用具有可变涡轮机几何形状的涡轮增压器而给出。
[0005]不过，将扫气空气压强增大到最大可能值可能会影响更高的发动机功率范围中的废气涡轮增压器的功能，或者还可能引起柴油发动机的机械和/或热过载。
[0006]所有用于以柴油发动机较低的部分负载增大扫气空气压强的方法都会引起更高的氮氧化物(NOx)废气值。为了符合排放标准，在柴油发动机其它负载范围内的NOx排放必须降低。
发明内容
[0007]本发明的目标是提供一种纵向扫气两冲程大型柴油发动机的操作方法，该方法在该发动机的部分负载范围内也能保证高效率，不会损害该柴油发动机和废气涡轮增压器的功能可靠性，并且在整个发动机功率范围内保持NOx排放处于可接受的水平。
[0008]通过具有如权利要求1特征的方法，本发明的目标得以满足。在从属权利要求中对根据本发明的方法的优选实施例进行了描述。
[0009]根据本发明的方法用于纵向扫气两冲程大型柴油发动机的操作。两冲程大型柴油发动机在每个汽缸的进气口区域处具有扫气狭缝(或称缝槽)，用于供应预定量的扫气空气。此外，每个汽缸具有汽缸盖和至少一个用于排出燃烧气体的排气阀。在根据本发明的方法中，处于环境压强PO的可用新鲜空气通过废气涡轮增压器被吸取，并且作为扫气空气以预定的扫气空气压强PL经由扫气狭缝被供应到汽缸，使得被引入的空气在汽缸内被压缩，其中燃料(例如，液体燃料或者气体燃料)接着被喷射进入该空气中并随后燃烧，使得由空气和燃料产生燃烧气体。对于本发明，所必需的是，扫气空气压强PL随着发动机功率或者柴油发动机负载持续地增大一直到预定发动机功率LS，在预定发动机功率LS处出现0.2至1bar的骤然减小，随后扫气空气压强PL重新随着发动机功率L持续增大。预定发动机功率LS优选处于较高的功率范围中，尤其是处于柴油发动机最大功率范围的前四分之一范围内。在这方面，最大功率范围的前四分之一涉及在最大发动机功率的75％至100％之间的发动机功率，其中将最大发动机功率被指代为L100％。
[0010]这里将发动机功率和发动机负载这两个术语用作等同的术语。下文中，增压空气压强和扫气空气压强这两个术语也被用作等同的术语。
[0011]优选地，在位于75％至90％之间的发动机功率范围内实现扫气空气压强PL的骤然减小。特别优选地，增压空气压强的骤然变化发生在发动机负载的83％至87％之间。
[0012]增压空气压强PL的骤然压强减小量优选是在0.2至0.7bar之间，特别优选地，该骤然的压强减小量是在0.2至0.6bar之间。
[0013]此外，优选在该骤然减小之前和之后，增压空气压强都随着发动机功率持续增大，其中在压强跃变之外该相关性优选为随发动机负载基本上线性增大。
[0014]与标准操作方法相比，本方法中的增压空气压强通常更高，对于40％发动机负载，增压空气压强优选在1.8至2.5bar之间。扫气空气压强值是绝对压强值。在所有情况下，与环境空气压强(新鲜空气以此压强被吸入)的压强差都比上述值小了所有情况下环境空气压强的大小。
[0015]在增压空气压强发生骤然减小的预定发动机功率LS之下的发动机功率范围内，扫气空气压强PL的基本上线性增加优选是在0.035与0.045bar/发动机功率百分数之间，尤其是在0.040与0.041bar/发动机功率百分数之间。在增压空气压强PL发生骤然减小的预定发动机功率LS之上直至最大发动机功率的发动机功率范围内，增压空气压强随着发动机功率基本上线性的增加是在0.040与0.045bar/发动机功率百分数之间，具体优选在0.041与0.043bar/发动机功率百分数之间。
[0016]增压空气压强PL的骤然减小可以以一个或多个相继的阶跃来产生，优选采用一个单独的阶跃。
[0017]在根据本发明的方法的优选实施例中，处于发动机功率的较低范围内(即，从0至最大发动机功率的65％的范围内)的扫气空气压强PL，采用了与标准操作模式相比增大了的扫气空气压强来操作，其中该增大在发动机功率的40％处为大约0.25bar，在发动机功率的65％处典型地为0.4bar。排气阀的打开以及燃料的喷射发生在和标准操作模式大约相同的时刻。更高的增压空气压强导致了更高的燃烧压强，由此也导致了更高的NOx排放；不过，由于燃烧进行得更有效率，所以结果导致了更低的耗油率。
[0018]与标准操作模式相比，根据本发明方法的增大的扫气空气压强可以通过公知的压强增大方式来加以实现。例如，可以使用更强有力的废气涡轮增压器，或者例如像EP-A-1956 210中所描述的那样，在位于涡轮增压器之前的废气管道中使用用来增加废气流动速度的孔隙。
[0019]在发动机功率的65％以上至预定的发动机功率LS(其中在预定发动机功率LS处实现扫气空气压强的骤然减小，该预定发动机功率LS优选在发动机功率的大约85％处。)的范围内，在操作的优选模式中同样使用了与标准操作模式相比增大了的扫气空气压强，同时与标准过程相比排气阀被关闭得更晚一些，这使得紧随燃烧过程之后汽缸得以被清扫更长时间，由此对于下一个燃烧周期而言汽缸内的压强被减小。因此，燃烧变得效率更低；不过，燃烧温度降低使得NOx排放因此减少。因而，通过排气阀的延迟关闭降低了燃烧压强，从而采用选定的排气阀关闭与燃料供给，使得汽缸内的燃烧压强大约对应于标准过程汽缸内的燃烧压强。
[0020]在发动机功率最大功率的70％至80％，与标准操作模式相比，排气阀要晚一定角度关闭，该角度是在10°与15°之间。该角度标示与曲轴角相关。活塞的下止点位置对应于180°的曲轴角，其中燃烧空间由汽缸、汽缸盖与活塞界定，且具有最大容积；而活塞的上止点位置被分别标示为0°的曲轴角或者360°的曲轴角，其中燃烧空间具有最小容积。因为在标准过程中排气阀关于曲轴角是在220°与265°之间的范围内关闭(取决于汽缸的缸径冲程比和压缩比)，所以根据本发明的方法在上述发动机功率范围内的排气阀的关闭关于曲轴角是发生在230°与280°之间的范围内，优选发生在260°与280°的曲轴角范围内。
[0021]在发动机功率的85％以上至最大发动机功率的范围内(其中最大发动机功率对应发动机功率的100％，即在发生扫气空气压强的骤然减小的预定发动机功率LS随后的发动机功率范围内)，扫气空气压强从较低水平开始重新随着发动机功率持续(constantly)增大，其中该较低的水平是在压强减小跃变之后所获得的。在这个范围内，与标准过程相比，扫气空气压强典型地仍然高出0.1至0.15bar。
[0022]例如，压强减小跃变(即，扫气空气压强的骤然减小)可以依靠相应合适且可控制的废气涡轮增压器来发生，或者通过使用跨过废气涡轮增压器的涡轮增压器区域的旁路管线来实现，存在于旁路管线中的阀优选在从发动机功率的70％至90％的范围内(尤其是在发动机功率的大约85％处)突然打开，由此一部分废气(优选大约5％的废气量)被引导经由旁路绕过废气涡轮增压器，并被直接导向排出口。必需阐明的是，在发动机功率的进一步增大中(即，在从触发了压强减小阶跃的预定发动机功率LS至最大发动机功率的范围中)，该旁路保持打开。
[0023]通过经由废气涡轮增压器的增压侧区域的旁路的使用，给出了压强减小跃变实施方式的另一种可能。关于这方面，在到达预定发动机功率LS时，阀同样被突然打开，使得除了新鲜空气之外，废气涡轮增压器还吸入在废气涡轮增压器排气口处的被压缩的扫气空气，由此扫气空气压强被相应减小。
[0024]为了关于燃烧温度、废气、NOx排放以及耗油率来理想地实现根据本发明的方法，两冲程大型柴油发动机应当装备有电子可控的排气阀、电子可控的燃料喷射系统、以及用于根据本发明的扫气空气压强控制的装置。
[0025]根据本发明的方法使纵向扫气两冲程大型柴油发动机的效率增加(尤其是在部分负载运行中)，在整个功率范围内均符合预先规定的氮氧化物的排放值，且没有增加在一定程度上损害功能可靠性的发动机热负载，也没有进行实质上的结构改变，这使得现有发动机也能采用根据本发明的方法被操作，或者可以通过简单的措施来改造。
附图说明
[0026]下面参照以下附图对本发明进一步进行说明。附图中示出：
[0027]图1示出了随发动机功率L变化的扫气空气压强PL，对采用两冲程大型柴油发动机标准操作模式的情况和采用本发明方法的情况进行了比较；
[0028]图2是带有根据本发明的废气涡轮增压器系统的纵向扫气两冲程大型柴油发动机的示意性组装；
[0029]图3是带有根据本发明的废气涡轮增压器系统的纵向扫气两冲程大型柴油发动机的另一个实施例；
[0030]图4示出了随发动机功率L变化的耗油率BV，对采用两冲程大型柴油发动机标准操作模式的情况和采用本发明方法的情况进行了比较。
具体实施方式
[0031]图1示出了相关于发动机功率L的扫气空气压强P，对采用两冲程大型柴油发动机标准操作模式的情况和采用本发明方法的情况进行了比较。以单位bar沿纵轴绘出了扫气空气压强PL，且沿着横轴绘出了发动机功率L。发动机功率被示为最大发动机功率的百分数。
[0032]在图1中，曲线100示出了在纵向扫气两冲程大型柴油发动机标准操作模式中相关于发动机功率L的扫气空气压强PL。在该方面，扫气压强PL随着发动机功率L不断地增大(或称持续增大)，即没有跃变发生。该相关性是线性的，即对于发动机功率的整个范围，扫气空气压强PL总是以与发动机功率变化成比例的变化来对该发动机功率变化做出反应。曲线100描绘出了一条差不多斜率为0.0375bar/发动机功率百分数的直线，其中在发动机功率的40％处，扫气空气压强PL或者增压空气压强为大约1.6875bar。
[0033]在图1中，曲线200示出了根据本发明的方法，相关于发动机功率L的扫气空气压强PL。在该方面，扫气空气压强PL总是要比标准过程的扫气空气压强更高。在根据本发明的方法中，在发动机功率的40％处的扫气空气压强PL比曲线100中示出的标准过程中的扫气空气压强高大约0.25bar，在发动机功率的80％处的扫气空气压强PL则比曲线100中示出的标准过程中的扫气空气压强高大约0.4375bar。
[0034]在发动机功率的85％之下，根据本发明方法的扫气空气压强PL的增长是随着发动机功率L持续增大，在大约发动机功率的85％处，显示出扫气空气压强骤然减小了约0.3125bar，随后扫气空气压强重新随着发动机功率L持续增大。在发动机功率的85％之下和之上，扫气空气压强PL与发动机功率的相关性都被表示为线性曲线，即，除了在发生压强减小跃变的发动机功率的85％这个预定发动机功率LS处之外，在发动机功率的整个范围上，扫气空气压强PL总是以与发动机功率L的变化成比例的变化来对该发动机功率L的变化做出反应。
[0035]为了对示意性图示中不同部件的协作进行说明，图2示出了根据本发明的大型柴油发动机的废气涡轮增压器系统的原理性构造，其中该大型柴油发动机适应于具有纵向扫气的两冲程大型柴油发动机，且在下文中以附图标记1对其整体进行标记。
[0036]大型柴油发动机1本身以公知的方式典型地包括多个汽缸3，所述汽缸3具有布置在汽缸盖5上的排气阀7，其中活塞15被布置成在汽缸3中沿着工作表面在下止点UT与上止点OT之间可向上和向下移动。汽缸3的汽缸壁与汽缸盖5以及活塞15一起以公知的方式限定汽缸3的燃烧空间。在汽缸3的进气口区域2中，提供有多个扫气空气开口4，其适于作为扫气狭缝4。取决于活塞15的位置，扫气狭缝4被活塞覆盖或者打开。扫气空气10(也被称为增压空气10)通过扫气空气开口4能够流动进入到汽缸3的燃烧空间内。在燃烧期间生成的燃烧气体6通过布置在汽缸盖5中的开式阀7流经排气阀7之后的排气管道16进入到废气涡轮增压器9。
[0037]废气涡轮增压器9包括带有用于压缩新鲜空气8的压缩机叶轮18的压缩机，以及具有涡轮机叶轮19的涡轮机。压缩机叶轮18通过轴被旋转地固定连接到涡轮机叶轮19，使得压缩机叶轮18被涡轮机叶轮19驱动。涡轮机和压缩机被布置在壳体17中，形成废气涡轮增压器9，所述废气涡轮增压器9在本实施例情况中形成在压缩机侧，且适于作为离心式压缩机。涡轮机由流入的热燃烧气体6驱动，该燃烧气体6来自汽缸3的燃烧空间。
[0038]为了采用扫气空气10为汽缸3的燃烧空间增压，新鲜空气8由压缩机叶轮18经由歧管吸入并且在废气涡轮增压器9中被压缩成比最终在汽缸3内形成的扫气空气压强PL稍高的更高压强。被压缩的新鲜空气8作为扫气空气10从废气涡轮增压器9通过被设置在下游的扩散器20和增压空气冷却器21，经由水分离器22到达进气接收器25，被压缩的增压空气10以增大了的扫气空气压强PL从进气接收器25通过扫气狭缝4最终进入到汽缸3的燃烧空间。
[0039]图2所示的实施例还示出了旁路管线35，其在废气涡轮增压器9的涡轮机侧26处跨越该废气涡轮增压器9。旁路管线具有阀30和节气门32。阀可采取两个位置，即打开和关闭。节气门可以由例如喷嘴环形成，并起到减小旁路管线的横截面的作用。在这方面，横截面的减小量优选地保持恒定。旁路管线的横截面被选定，使得通过打开的阀，在排气管道16中传导的燃烧气体6的3％至8％，优选地4％至6％，尤其是大约5％被引导通过该旁路管线。被引导通过旁路管线的燃烧气体被引导绕过了废气涡轮增压器9，因而不能对增压空气10的压缩起作用。
[0040]图3示出了根据本发明的大型柴油发动机1的另一个实施例的示意图。旁路管线45被附接到压缩机侧27，从而跨越废气涡轮增压器9的压缩机。旁路管线45具有阀40和节气门42，该阀40和节气门42以和图2中所示实施例中的阀30和节气门32同样的方式形成，并且具有同样的功能。图3所示的其它元件的功能和对图2所示的相应元件的描述一样。
[0041]通过打开的阀40，空气还由压缩机叶轮18从旁路管线45吸入，由此压缩机的效能降低，从而增压空气压强相应地降低。例如，节气门42可由喷嘴环形成，并起到减小旁路管线45的横截面的作用。该横截面的减小量优选是恒定的。旁路管线45的横截面和节气门42可以以这样的方式形成，使得在废气涡轮增压器9的出口处的扫气空气压强通过打开阀40从而被减小0.2至1bar，优选地减小0.2至0.7bar。
[0042]图4示出了相关于发动机功率L的耗油率BV根据两冲程大型柴油发动机标准操作模式时与根据本发明的方法时的比较。耗油率以g/kWh示出，其对应于BSFC值(BSFC为制动耗油率)，该BSFC值是通过每单位发动机功率(以kW为单位)的耗油率(以gph为单位，gph是“克/小时”)来计算。发动机功率是通过w×Tq来计算，其中w是每分钟的转数(以rpm为单位)，Tq是转矩(以Nm为单位)。
[0043]在图4中沿着纵轴描绘出了耗油率BV，沿着横轴描绘出了发动机功率L。发动机功率以最大发动机功率的百分数给出。
[0044]图4中的曲线400示出了根据本发明的方法的相关于发动机功率的耗油率，而曲线300示出了根据标准操作模式的耗油率。从图4中清楚可见，根据本发明的方法的耗油率(尤其是在大约最大发动机功率的75％以下的部分负载区域中)显著低于标准操作模式下的耗油率。

Claims (9)

1.一种用于纵向扫气两冲程大型柴油发动机(1)的操作方法，所述纵向扫气两冲程大型柴油发动机(1)具有至少一个汽缸，其中扫气狭缝(4)存在于每个汽缸(3)的进气口区域(2)处，用于预定量的扫气空气的引入，排气阀(7)存在于每个汽缸(3)的汽缸盖(5)处，用于燃烧气体(6)的排出，在该方法中，处于环境压强(P0)的可用新鲜空气(8)通过废气涡轮增压器(9)被吸取并经由所述狭缝(4)以预定的扫气空气压强(PL)作为扫气空气(10)供应到所述汽缸(3)，其中，被引入的所述空气在所述汽缸(3)内被压缩，然后燃料被喷射到所述空气中并随后被燃烧，在燃烧过程中形成的所述燃烧气体(6)经由排气管道(16)被供给到所述废气涡轮增压器(9)的涡轮机，其特征在于，所述扫气空气压强(PL)相关于所述柴油发动机的发动机功率(L)连续增大，直到预定发动机功率(LS)处，在所述预定发动机功率(LS)处所述扫气空气压强(PL)会经过0.2至1bar的阶跃减小，随后所述扫气空气压强(PL)重新相关于所述发动机功率(L)连续增大。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在最大发动机功率(L100％)的75％至90％之间的范围内实施所述扫气空气压强(PL)的阶跃减小，尤其是在所述最大发动机功率(L100％)的83％至87％之间的范围内实施所述扫气空气压强(PL)的阶跃减小。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述扫气空气压强(PL)在压强上的阶跃减小量是在0.2至0.7bar之间。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述阶跃减小之前和之后，所述扫气空气压强(PL)随着所述发动机功率(L)基本上线性增大。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述发动机功率的40％处所述扫气空气压强在1.8至2bar绝对压强之间，且还在于，在所述发动机功率的40％到所述扫气空气压强的阶跃减小之下的区域内，所述扫气空气压强相关于所述发动机功率的基本上线性增大在0.035与0.045bar/发动机功率百分数之间，尤其在0.04与0.041bar/发动机功率百分数之间，且还在于，在所述扫气空气压强的阶跃减小之上直到所述最大发动机功率(L100％)，所述扫气空气压强相关于所述发动机功率的基本上线性增大在0.040与0.045bar/发动机功率百分数之间，尤其在0.041与0.043bar/发动机功率百分数之间。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述扫气空气压强的阶跃减小是在所述预定发动机功率(LS)处以一个或多个阶跃来实现的。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，与所述标准操作模式相比，在发动机功率的0％到实现所述扫气空气压强阶跃减小的所述预定发动机功率(LS)的区域内，所述扫气空气压强PL增大，其中在所述最大发动机功率的40％处所述增大量在0.2与0.3bar之间，在所述最大发动机功率的65％处所述增大量在0.35与0.45bar之间。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述最大发动机功率的65％到实现所述扫气空气压强阶跃减小的所述预定发动机功率(LS)的区域内，所述排气阀关于曲轴角在230°与290°之间的范围内关闭，尤其是关于曲轴角在从260°到280°的范围内所述排气阀关闭。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在从实现所述扫气空气压强PL阶跃减小的所述预定发动机功率(LS)到所述最大发动机功率的范围内，从所述压强中的阶跃减小之后获得的扫气空气压强水平开始，所述扫气空气压强随着所述发动机功率(L)连续增大。
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