CN103502609A - 在瞬时负载变化下操作内燃活塞式发动机的方法、控制内燃发动机操作的控制系统和活塞式发动机 - Google Patents

在瞬时负载变化下操作内燃活塞式发动机的方法、控制内燃发动机操作的控制系统和活塞式发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在瞬时负载变化下操作内燃活塞式发动机(10)的方法，所述方法包括以下步骤：将含有氧气的气体引入发动机的燃烧室，将气态燃料引入发动机的燃烧室，将液态燃料引入发动机的燃烧室，通过利用氧气在燃烧室内燃烧第一和液态燃料，产生指示发动机负载的一个或更多个信号。基于所述指示发动机负载的一个或更多个信号，确定被引入燃烧室的气态燃料量和液态燃料量的比值。本发明还涉及控制系统和设置有该控制系统(100)的发动机。

Description

在瞬时负载变化下操作内燃活塞式发动机的方法、控制内燃发动机操作的控制系统和活塞式发动机
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的操作内燃活塞式发动机的方法。本发明还涉及一种控制适用于燃烧气态燃料的内燃活塞式发动机的操作的控制系统，该控制系统包括：被设置为接收表示发动机负载的一个或更多个信号的输入单元、被设置为处理所述一个或更多个信号的处理单元，以及被设置为发送一个或更多个控制信号以控制将气态燃料引入发动机燃烧室的和将液态燃料引入发动机燃烧室的输出单元。
本发明还涉及一种包括控制系统的活塞式发动机。
背景技术
即使用于产生动力的大型发动机一般是在适当的负载变化下操作，也存在要求负载变化大致很快速的情形。在本文中，大型发动机被认为是指每个汽缸可以产生超过150kW动力的活塞式发动机。
存在与海洋船舶上的发动机特别相关的问题，其中快速提高发动机负载的能力是很重要的安全特征。通常地，要求可以提供在0-33％，33-66％和66-100％的发动机负载之间的负载步长，从而为船舶快速地提供转向功率。如果不能实现这种功率快速提高，那么可能导致机动性不足，甚至更危险的情况。尤其在发动机直接连接到推进器轴的装备中，另一个问题是当在环境恶劣的海面上操作时发动机将经历负载的突然变化。
随着发动机被安装在产生电功率和/或热功率的发电场中，能够非常快速带动负载也变得越来越重要。和发电厂发动机的操作相关的方面是连接到电网的风力发电系统的数量不断增加，这还导致更加不稳定的电网频率。为了提高电网频率的稳定性，所谓的电网规范已经被制定得更加严格，所谓的电网规范为电网系统中的不同操作商制定了以有效、可靠、经济和稳定的方式规划、开发、维护和操作发电系统而需要遵守的规则、方针和/或标准，其中要求非风力发电场以比之前更大的程度支持电网频率。
大型燃气发动机有利地操作以使得汽缸内的空气和气态燃料混合物具有比完全燃烧所需的空气更多的空气。贫燃降低了峰值温度，因此降低NOX排放。提高了效率，达到了更高的输出，同时避免爆震。通过将少量的液态引燃燃料比如轻燃油(LFO)喷入汽缸，启动贫空气-燃料混合物的燃烧。引燃燃料按照常规的迪塞尔过程点火，向发动机燃烧室内提供用于对空气-气态燃料混合物进行点火的高能量点火源。
燃气发动机对空气-燃料比的偏差特别敏感。因此，对于发动机负载的大变化而言，发动机会变得倾向于发生汽缸爆震和不点火，这潜在地可能导致危险情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种在负载瞬时变化时操作内燃活塞式发动机的方法，该方法能提供安全而可靠的操作。
本发明的目的也是提供一种用于诸如双燃料发动机这样的可以用气态燃料操作的活塞式发动机的控制系统，该操作系统提高发动机处理负载突然变化的能力。本发明的一个具体目的是提供一种用于以气态燃料操作的活塞式发动机的控制系统，该发动机使用气态燃料作为其主燃料并且使用液态燃料作为引燃燃料。
通过一种在瞬时负载变化下操作内燃活塞式发动机的方法基本上实现本发明的目的，该发动机使用气态燃料作为其主燃料并且使用液态燃料作为引燃燃料，所述方法包括以下步骤：
-将含有氧气的气体引入发动机的燃烧室，
-将气态燃料引入发动机的燃烧室，
-将液态燃料引入发动机的燃烧室，
-通过利用氧气在燃烧室内燃烧气态燃料和液态燃料，
-产生指示发动机负载的一个或更多个信号，
-基于所述指示发动机负载的一个或更多个信号确定被引入燃烧室的气态燃料量和液态燃料量的比值，
-在所述指示发动机负载的一个或更多个信号增大的情况下，改变被引入的气态燃料量和被引入的液态燃料量的比值，
其中，本发明的特征在于
-确定被引入燃烧室的气态燃料量和液态燃料量的比值以使得限定指示发动机负载的一个或更多个信号的时间导数，
-限定所述时间导数的变化边际值或者使其可用于确定气态燃料量和液态燃料量的比值，以及
-在实际的时间导数大于针对所述时间导数的变化边际值的情况下，减小气态燃料量和液态燃料量的比值。
这样，通过控制被喷射的气态燃料量和引燃燃料量之间的比值，可以应对突然负载变化，而不危及发动机操作的操作稳定性。通过本发明，可以降低以气态燃料操作的双燃料发动机的不点火和/或汽缸爆震的风险。
根据本发明的实施方式，根据本发明的一个实施方式，在指示发动机负载的一个或更多个信号增大的情况下，也增加引入燃烧室中的氧气量。通过增加进入燃烧室的空气量来增加引入燃烧室的氧气量。当发动机设置有涡轮增压器时，这可以通过控制废气门的操作来实现。如果可用，则可以通过从可连接到发动机的增压空气室提供空气，另选地或额外地增加引入燃烧室的氧气量。
根据本发明的另一个实施方式，双燃料发动机可以被认为是以组合的迪塞尔循环和奥托循环操作，其中液态(引燃)燃料的燃烧采用迪塞尔循环，而利用液态燃料压燃来点火气态燃料奥托循环，通过增加液态燃料量来改变比值较不容易产生扰动。
根据本发明的另一个实施方式，所述操作内燃活塞式发动机的方法包括利用增压器(super charger)将含有氧气的气体引入发动机燃烧室，通过控制增压器以提高增压器的压缩器部分的功率来增加被引入燃烧室的氧气量。所述增压器可以被机械地驱动，在此情况下，可以通过选择性地结合到该增压器的电动马达来获得功率增加。
可以利用涡轮增压器来实现将含有氧气的气体引入发动机的燃烧室，其中在涡轮增压器的涡轮机部分使用废气的能量来驱动其压缩器部分。因为可以通过控制涡轮增压器的涡轮机部分废气门的状态来增加被引入燃烧室的氧气量，所以这是有利的。
根据本发明的另一个实施方式，通过增加发动机进气阀的打开时间来增加被引入燃烧室的氧气量。这可以通过代替地或附加地提高增压器的压缩器部分的功率来实现。
当达到期望负载时，气态燃料和引燃燃料之间的比值被调整回之前比值或标称比值。
通过一种用于控制适合燃烧气态燃料的内燃活塞式发动机的操作的控制系统也基本上实现本发明的目标，该控制系统包括：
-输入单元，所述输入单元被设置为接收指示发动机负载的一个或更多个信号；
-处理单元，所述处理单元被设置为处理所述一个或更多个信号；
-输出单元，所述输出单元被设置为发送一个或更多个控制信号以控制将气态燃料引入到发动机的燃烧室以及将液态燃料引入到发动机的燃烧室；
-所述控制系统包括逻辑单元，所述逻辑单元被设置为在操作时基于输入单元所接收到的所述指示发动机负载的一个或更多个信号限定控制信号，以控制气态燃料和液态燃料的引入，
其中，所述逻辑单元被设置为限定控制信号以控制气态燃料和液态燃料的引入，以使得在所述指示发动机负载的一个或更多个信号增大的情况下，气态燃料量和液态燃料量的比值减小。
有利地，所述逻辑单元被设置为：
-限定所述指示发动机负载的一个或更多个信号的时间导数，
-限定所述时间导数的变化边际值或使所述时间导数的变化边际值可用，
-在实际的时间导数大于时间导数的所述变化边际值的情况下，发送命令信号以减小被引入燃烧室的气态燃料量和液态燃料量的比值。
更有利的是，所述逻辑单元被设置为，在实际的时间导数大于所述变化边际的情况下，发送命令信号以增加被引入燃烧室的氧气。
有利的是，所述控制系统包括存储单元或被设置为与存储单元通信，在存储单元中作为发动机速度和负载的函数给出所述比值。
通过一种用气态燃料操作的活塞式发动机也基本上实现本发明的目标，其中该活塞式发动机包括上述控制系统。
附图说明
在下面，将参照示例性、示意附图描述本发明，其中；
图1例示了本发明的实施方式，以及
图2例示了根据本发明实施方式的操作内燃活塞式发动机的方法的流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出了所谓的双燃料发动机10。发动机10设置有机体或块12以及其中的汽缸14。在发动机操作期间，经由通常设置有飞轮的曲轴16提供机械动力。发动机设置有增压器20。增压器20根据其类型至少包括压缩器部分22，含有氧气的气体可以通过该压缩器部分22被引入汽缸内的发动机燃烧室中。通常地，含有氧气的气体是周围空气，但是所述气体还可以含有循环的废气。有利地，增压器是涡轮增压器，其中压缩器部分22由涡轮机部分24通过利用从发动机废气中所获得的能量来驱动。根据本发明实施方式的涡轮增压器的涡轮机部分24设置有排气门26，其允许废气绕过涡轮机部分从而控制压缩机部分22做的功。
发动机是所谓的双燃料发动机，它的主燃料是气态燃料。因此，发动机10设置有被设置为按照工作循环将气态燃料引入各个发动机燃烧室的气态燃料馈送系统28。所述气态燃料馈送系统包括与位于各汽缸盖的进气阀(未示出)上游的进气通道相连通的气态燃料进气阀30。各气态燃料进气阀连接到从气态燃料源34供给燃料的气态燃料输送管32。
另外，发动机10设置有被设置为根据其工作循环将液态燃料引入各发动机燃烧室或其前室40的液态燃料馈送系统29，从而在发动机燃烧室内对气态燃料进行点火。在图1的实施方式中，液态燃料馈送系统包括与前室40相连的燃料喷射阀38。各燃料喷射阀38连接到从液态燃料源44馈送燃料的燃料输送管42。明显的是燃料输送管42可以包括所谓的共轨系统(未公开)。通常地，该液态燃料例如是轻燃油。
发动机还设置有控制系统100。控制系统包括：被设置为接收来自一个或更多个测量装置的一个或更多个信号的输入单元104，该信号是发动机负载的指示。另外，控制系统包括：被设置为发送一个或更多个控制信号以控制发动机的操作的输出单元106。所述控制系统还包括：被设置为处理接收到的或将被控制系统发送的一个或更多个信号的处理单元110。根据图1的实施方式，输出单元106被设置为发送一个或更多个控制信号以控制将气态燃料引入到发动机燃烧室和将液态燃料引入到发动机燃烧室。
该控制系统还设置有逻辑单元108，其被设置为当操作时基于输入单元接收到的指示发动机负载的所述一个或更多个信号来限定控制信号，以控制气态燃料和液态燃料的引入。
该控制系统还包括：气态燃料馈送致动器35和液态燃料馈送致动器45，用于在控制系统的控制下驱动气态燃料进气阀30和燃料喷射阀38的打开和关闭。另外，该控制系统包括：发动机速度信号源112和发动机负载信号源114。
参照图1和图2，实施操作以双燃料操作的内燃活塞式发动机的方法，使得检测或确定指示发动机负载的信号(步骤210)。可以根据一个或几个发动机操作参数的测量值来确定指示发动机负载的信号。如图1所示，一个所述测量值是发动机速度112。对于本领域技术人员来说，显然可以采用直接或间接测量值以及其他信息以多种方式提供指示发动机负载的信号。
指示发动机负载的信号与预先确定的指示发动机负载的信号相比较。在发动机负载的增加大于预定的变化边际值的情况下，即，当已经检测到这种增加时(步骤220)，则燃料比值(即，喷射的气态燃料量除以喷射的引燃燃料量)减小(步骤240)。否则燃料比值不变(步骤260)。
预定的变化边际值可以是专门针对瞬时负载变化而确定的范围或窗口。在本文中，瞬时负载变化具体是指需要负载增加的负载台阶，根据相关技术通过仅控制主燃料喷射和氧气，该负载增加导致诸如失火这样的故障情形。该预定变化边际值可以例如是以kW/s为单位的针对负载增加的一定数值。
增加该比值以使得喷射更多的液态燃料(例如LFO)。因为这样提高了发动机带动更大负载的能力，所以这是有利的。由于液态燃料燃烧应用的迪塞尔循环对过量空气不太敏感，所以发动机可以被控制以用增加量的氧气操作。废气门26还可以附加地被废气门控制装置116按照在此阶段实现增加空气流的方式来控制，这接着增加涡轮增压器速度的斜线上升速率。
作为当前发动机速度和负载的函数给出的比值可以被存储在控制系统100中，或者对于控制系统是可用的。
当已经达到期望负载后，气态燃料和引燃燃料的比值被调整回之前的或标称的比值。
虽然在此已经通过示例的方式结合目前被认为是最佳实施方式描述了本发明，但是应当明白本发明并不限于所公开的实施方式，而意在覆盖其特征的各种组合或变化，以及被包含在如所附的权利要求限定的本发明范围内的多个其他应用。如果这种组合在技术上是可行的，与前面任何实施方式相结合而提及到的细节可以与其他实施方式相结合使用。

Claims (13)

1.一种在瞬时负载变化下操作内燃活塞式发动机的方法，所述内燃活塞式发动机使用气态燃料作为主燃料并且使用液态燃料作为引燃燃料，所述方法包括以下步骤：
-将含有氧气的气态燃料引入所述发动机的燃烧室，
-将气态燃料引入所述发动机的燃烧室，
-将液态燃料引入所述发动机的燃烧室，
-通过利用氧气在所述燃烧室内燃烧第一燃料和液态燃料，
-产生指示发动机负载的一个或更多个信号，
-基于所述指示发动机负载的一个或更多个信号确定被引入所述燃烧室的气态燃料量和液态燃料量的比值，
-在所述指示发动机负载的一个或更多个信号增大的情况下，改变被引入的气态燃料量和被引入的液态燃料量的比值，
其中，
-确定被引入所述燃烧室的气态燃料量和液态燃料量的比值，使得限定指示发动机负载的一个或更多个信号的时间导数，
-限定所述时间导数的变化边际值或者使所述时间导数的变化边际值可用，用于确定气态燃料量和液态燃料量的比值，以及
-在实际的时间导数大于针对所述时间导数的变化边际值的情况下，减小被引入所述燃烧室的气态燃料量和液态燃料量的比值。
2.根据权利要求1所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其中，
-在指示发动机负载的一个或更多个信号增大的情况下，增加被引入所述燃烧室的氧气量。
3.根据权利要求1所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其中，
-通过增加液态燃料的引入量来改变被引入的气态燃料量与被引入的液态燃料量的比值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其中，
-所述气态燃料是气态燃料并且与含氧气的气体一起被引入所述燃烧室，以及
-液态燃料是液态燃料并且被直接引入所述燃烧室或所述燃烧室的前室。
5.根据权利要求2所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其中，
-使用增压器来实现将含氧气的气体引入所述发动机的燃烧室，
-通过控制所述增压器以提高所述增压器的压缩器部分的功率来增加被引入所述燃烧室的氧气量。
6.根据权利要求5所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其中，
-使用涡轮增压器来实现将含氧气的气体引入所述发动机的燃烧室，以及
-通过控制关闭所述涡轮增压器的废气门来增加被引入所述燃烧室的氧气量。
7.根据权利要求2或5所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其中，
-通过增加发动机的进气阀的打开时间来增加被引入所述燃烧室的氧气量。
8.根据权利要求1所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其中，
-当已经达到期望负载时，所述气态燃料和引燃燃料的比值被调整回先前比值或标称比值。
9.一种用于控制适合燃烧气态燃料的内燃活塞式发动机的操作的控制系统，所述控制系统包括：
-输入单元，所述输入单元被设置为接收指示发动机负载的一个或更多个信号，
-处理单元，所述处理单元被设置为处理所述一个或更多个信号，
-输出单元，所述输出单元被设置为发送一个或更多个控制信号，以控制将气态燃料引入到所述发动机的燃烧室以及将液态燃料引入到所述发动机的燃烧室，
-所述控制系统包括逻辑单元，所述逻辑单元被设置为在操作时基于所述输入单元接收到的所述指示发动机负载的一个或更多个信号来限定控制信号，以控制气态燃料和液态燃料的引入，
其中，
-所述逻辑单元被设置为在操作时限定控制信号，以控制气态燃料和液态燃料的引入，使得在所述指示发动机负载的一个或更多个信号增大的情况下，引入的气态燃料量和引入的液态燃料量的比值减小。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述逻辑单元被设置为：
-限定指示发动机负载的一个或更多个信号的时间导数，
-限定所述时间导数的变化边际值或使所述时间导数的变化边际值可用，
-在实际时间导数大于时间导数的所述变化边际值的情况下，发送命令信号以减小被引入所述燃烧室的气态燃料量和液态燃料量的比值。
11.根据权利要求10所述的控制系统，其中，所述逻辑单元被设置为：
-在实际时间导数大于所述变化边际值的情况下，发送命令信号以增加被引入所述燃烧室的氧气。
12.根据权利要求9的控制系统，其中，
-所述控制系统包括存储单元或者被设置为与存储单元通信，在所述存储单元中作为发动机速度和负载的函数给出所述比值。
13.一种用气态燃料操作的活塞式发动机，其中，所述发动机包括根据权利要求9至12中任一项所述的控制系统。
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