CN103511104B - 燃料气体喷射压力受到控制的内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机，所述内燃机例如是两冲程十字头柴油机，所述内燃机包括：燃料气体供给系统；气缸，所述气缸设置有用于将燃料气体直接喷射到气缸的燃烧室中的燃料气体喷射器；以及至少一个发动机控制单元，所述至少一个发动机控制单元根据用于在给定的发动机负载下获得期望的发动机速度的应用的燃料指数控制喷射到燃烧室中的燃料气体的量，其中燃料指数限定每一次喷射时喷射到气缸中的燃料气体的量，并且被喷射的燃料气体的量通过调节燃料气体喷射周期的持续时间而被控制。传感器装置被设置成用于测量运行期间的发动机负载，并且至少一个发动机控制单元响应于燃料气体的能量密度的变化控制燃烧室中的燃料气体的喷射压力，使得应用的燃料指数对应于参考燃料指数。

Description

燃料气体喷射压力受到控制的内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机，诸如两冲程的十字头柴油机，包括气缸和至少一个发动机控制单元，该气缸设置有用于将燃料气体直接喷射到气缸的燃烧室中的燃料气体喷射器，所述至少一个发动机控制单元根据用于在给定的发动机负载下获得期望的发动机速度的应用的燃料指数控制喷射到燃烧室中的燃料气体的量，其中燃料指数限定每次喷射时被喷射到所述气缸中的燃料气体的量，所述燃料气体的量通过调节燃料气体喷射周期的持续时间而被控制。

背景技术

在降低来自内燃机的运行的二氧化碳、一氧化氮以及硫排放上具有不断增加的兴趣，因此已经研究了对传统的燃料油的可替代的燃料替代物。诸如MAN Diesel12K80MC-GI-S的大型两冲程柴油机的运行已经表明用燃料气体作为主燃料的运行可以既是安全可靠的，又是与传统的燃料油相比对于排放在环境方向是期望的。关于海运市场的大型两冲程柴油机，使用燃料气体的发动机正在变得越来越感兴趣，尤其是对于液化天然气运输器(LNG carrier)，其中来自气罐的汽化气体必须在运输期间被处理。

因此，对于这种发动机的运行，理想的是使用来自LNG运输器的气罐的天然气和/或汽化气体。然而，来自LNG运输器的气罐的燃料气体的热值可能会随着时间而变化，例如由于汽化气体还包括例如氮气，其降低了提供给气缸的燃料气体的能量密度。同样地，提供给气缸的燃料气体的温度变化导致了喷射到气缸的燃烧室内的燃料气体的能量密度变化。

在喷射到气缸中的燃料气体的能量密度不同于参考燃料气体的能量密度(所述能量密度是发动机的制造参考调节和用于确定发动机的参考燃料指数的基础，即在给定负载下用于获得期望的发动机速度的被喷射到气缸中的燃料的量)时，需要调节应用的燃料指数以保持发动机速度。传统地，燃料气体的能量密度变化在实际的发动机负载下作为所施加的燃料指数与参考燃料指数的变化。

如果例如燃料气体的能量密度低于参考燃料气体，那么每时间单位喷射的能量的量将不足以保持发动机速度，且发动机速度将会降低。然而，这通过电子控制单元来补偿，因为燃料指数被增加，喷射到气缸中的能量的量被增加，使得发动机速度处于期望的水平，即燃料气体喷射周期的持续时间被增加。

然而，用于补偿燃料气体的能量密度变化和实现期望的发动机速度的这种方案导致了较低的效率，这是因为燃烧室中的最大燃烧压力低于最优运行点。同样地，如果燃料气体的能量密度高于参考气体，那么最大燃烧压力将高于设计发动机的最大燃烧压力，这将导致发动机的增加的磨损和潜在的损害。

因此，燃料气体的热值和燃料气体的温度的变化两者都影响能量密度和每时间单位喷射到气缸中的能量的量。

EP1546532公开了一种用于运行多个燃料发动机的系统，所述多个燃料发动机基于燃料油和燃料气体的组合物运行。电子控制单元连接至发动机系统，且基于发动机系统的运行特性(诸如燃料气体温度和燃料气体压力)控制将输送到发动机的多种燃料中的每一种燃料的量。

发明内容

根据本发明，期望在以变化的能量密度的燃料气体运行时优化内燃机的效率。

鉴于此，根据本发明的内燃机的特征在于，传感器装置被设置成用于在运行期间测量发动机负载，并且基于由测量的发动机负载确定的参考燃料指数与由至少一个发动机控制单元所确定的应用的燃料指数比较用于在给定的发动机负载下获得期望的发动机速度，所述至少一个发动机控制单元响应于燃料气体的能量密度的变化控制燃烧室中的燃料气体的喷射压力，使得应用的燃料指数对应于参考燃料指数。

电子控制单元可以基于来自传感器装置的读数确定测量的发动机负载和对应的参考燃料指数，并将该参考燃料指数与由发动机控制单元所计算的应用的燃料指数进行比较。如果参考燃料指数和应用的燃料指数之间有差别，那么燃料气体喷射压力被调节使得每时间单位喷射的能量的量即使在燃料气体的热值和/或燃料气体的温度变化的情况下也是恒定的。

例如由于作用到具有根据本发明的海运发动机的船上的波浪而导致的快速发动机负载扰动或导致不同于期望的速度的速度变化的诸如燃料气体的快速能量密度变化的功率变化通过由调节燃料喷射周期的持续时间快速调节每一次喷射时喷射到气缸中的能量的量来补偿。通过调节燃料喷射压力，可以补偿燃料气体的热值随时间的缓慢变化和/或燃料气体的温度的变化，且保持如与喷射的燃料气体的性质对应于参考燃料气体的情况相同的热量释放和效率。这另外导致了关于例如喷射的时序和排放阀的打开和关闭的时序比通过调节燃料喷射周期的持续时间更加有效率的时间关键的燃烧过程的时序。

除了所述显然的由降低的燃料消耗和排放燃烧气体所造成的益处之外，被调节和平衡的发动机潜在地在维修成本上带来了大的节省，且降低了对发动机的损害风险。

在优选的允许更加有效地运行发动机的实施例中，至少一个发动机控制单元响应于燃料气体的温度和/或热值的变化控制将燃料气体喷到到燃烧室中的喷射压力。

在实际的简单实施例中，测量的发动机负载由轴扭矩和轴旋转速度的传感器装置测量值确定。

在可替代的实施例中，测量的发动机负载由燃烧循环期间的燃烧压力和轴的旋转速度的传感器装置测量值确定。

这允许根据本发明的尤其有利的实施例，其中燃料气体喷射压力依赖于曲柄轴的位置结合对排放阀的打开和关闭的时序和喷射时序的调节进行调节以获得优化的燃料消耗和燃烧气体排放。

根据本发明的可靠实施方式，气缸设置有燃料油供给系统和将燃料油直接喷射到气缸的燃烧室中的燃料油喷射器。

根据本发明的可靠实施方式，燃料气体供给系统是共轨燃料气体供给系统。

在实际优选的实施例中，提供给气缸的燃料气体的温度在10℃至70℃的范围内。这防止了气体供给管道上的冷凝。

在优选的实施例中，在100％的发动机负载下，发动机速度在45rpm至250rpm的范围内。在实际上关系在燃烧压力方面上有效地运行发动机的情况下，低速发动机典型地是非常大功率的发动机。

在实际上优选的实施例中，提供燃料气体至气缸的气体供给系统连接至液化天然气运输器的液化天然气罐。

附图说明

参考高度示意的附图在下文更加详细地描述本发明的示例和其的实施例，在附图中：

图1是根据本发明的发动机的整体视图；以及

图2是根据本发明的具有组合的燃料油和燃料气体运行模式的发动机的示例。

具体实施方式

根据本发明的优选实施例的内燃机1可以是两冲程十字头柴油机，如图1中所示。这种发动机1可以是品牌MAN Diesel和型号MC或ME，或品牌的型号Sulzer RT-flex或Sulzer RTA，或品牌Mitsubishi Heavy Industries(三菱重工公司)。这种型号的发动机是大型发动机，该发动机典型地用作船中的主发动机或发电厂中的固定发动机。气缸可以例如具有在25cm至120cm的范围内的缸筒，发动机可以例如具有在从3000kW至120000kW的范围内的功率。发动机速度典型地在从40rpm至250rpm的范围内。根据本发明的压缩点火内燃机典型地能够使用重质燃料油作为主燃料。

图1的发动机1具有多个气缸，且气缸套2安装在发动机框架4的气缸部分3中。排放阀外壳5安装在气缸盖6中，排放管7从单个气缸延伸至多个或所有气缸所共有的废气接收装置8。在废气接收装置中，由从废气管排出的废气脉冲所引起的压力变化被均衡成更加均匀的压力，一个或更多的涡轮增压器9接收来自废气接收装置8的废气，且将压缩的空气输送至包括扫气接收装置10的扫气系统，该扫气接收装置10类似于废气接收装置为细长压力容器。

在单个气缸中，活塞安装在活塞杆上，该活塞杆经由十字头和连接杆(未示出)与曲柄轴上的曲柄销连接。燃料喷射器将燃料喷射到燃烧室中。在喷射燃料是燃料油时，该燃料由于在活塞上方的空气中的高温而自动点火。高温由于活塞在向上压缩冲程期间压缩进入空气而出现。

优选的是本发明在具有双燃料供给系统的海运柴油机中实施，在下述中本发明通过这样的示例而被描述，但是当然本发明可以被实施为单个燃料系统。本示例中的发动机是电子控制发动机，其电子控制油和气体喷射，从而确保燃料喷射和燃烧被优化。另外，基于高压气体喷射原理，且引燃燃料油喷射用于对燃料气体燃烧进行点火。通过该原理，柴油机燃烧过程可以被完全利用且由此可以获得与燃料油燃烧一样高的热效率。在图2中，气缸部分3被示出仅具有单个气缸11，但是发动机具有多个气缸，诸如4至16个气缸。如在图2中所示意性地显示，内燃机1包括燃料油供给系统23和燃料气体供给系统19，给燃料油喷射系统20和燃料气体喷射系统30提供燃料油和燃料气体，以被提供到气缸11的燃烧室中。在本示例中，燃料油喷射系统20和燃料气体喷射系统30分别控制燃料油和燃料气体到气缸11的燃烧室中的喷射。燃料喷射系统20、30的一般原理是每个气缸11与连接至气缸盖6中的燃料喷射器13、14的诸如燃料泵或阀的、控制一个或更多的燃料定量装置15、16的气缸控制单元12相关联。每个气缸的喷射器13、14的数量取决于气缸11的功率。在优选的实施例中，每个气缸包括至少一个燃料油喷射器和燃料气体喷射器14。在较小的发动机中，对于每种燃料来说，单个喷射器可以足以喷射一个燃烧过程所需要的燃料量，而在较大型更大功率的发动机中，对于每一种燃料来说可能需要两个或三个喷射器。在每一气缸11设置多个喷射器时，每个喷射器13、14可以具有一个燃料定量装置15、16。燃料喷射系统20、30的气缸控制单元12由与船的桥接装置(bridge)通信的发动机控制单元17进行控制。

优选的是燃料气体供给系统19连接至在海上运行的LNG运输器的天然液化气(LNG)罐18。LNG运输器的LNG罐保持处于低温，但是由于来自海水和大气的外部热量通过罐的绝缘被传递而不可避免地被加热。由于外部热量的进入，LNG的一部分被气化，即被汽化，罐压力逐渐增加。为了将罐压力保持在可接受的水平，再液化系统(未显示)可以用于再液化汽化气体。可替代地，或与再液化系统组合，汽化气体压缩机可以在其被燃料气体喷射系统30命令时提供高压汽化气体。在气缸处，由气缸控制单元12所控制的燃料气体定量装置16影响燃料气体喷射器14的时序和打开。燃料气体优选地被通过共轨设计的双壁气体供给管道26被提供至燃料气体喷射系统，其中燃料气体喷射器14的阀由辅助控制油系统控制。原则上，这由液压控制油系统和电子气体喷射阀构成，从而将高压控制油供给至气体喷射器14，由此控制气体喷射器14的气体阀的时序和打开。在气体输送压力基于发动机负载在150巴至400巴之间时实现了有效的气体喷射，并且燃料气体具有在30℃和60℃之间的温度，优选地大约45℃。缓冲罐22用于在汽化气体通过燃料气体供给系统19被提供至燃料气体喷射系统30之间存储汽化气体。在LNG运输器的LNG罐中不可避免的汽化气体的量通常不足以用作用于LNG运输器的内燃机的运行的唯一燃料，但是汽化气体的量可以有利地组合根据本发明的内燃机中的燃料油一起使用。燃料气体喷射系统30的运行对于气体组成以及气体组成的变化不敏感。因此，通常由如丙烷和丁烷的更高的烃构成的液化石油气体(LPG)也可以如LNG那样用作燃料气体，且不需要在速度、热效率和功率输出方面上改变发动机的性能，同时保持与燃料油相同的额定功率。

在燃料油喷射系统20中，燃料油定量装置15可以是燃料泵，在需要燃料油供给系统23的情况下，仅将燃料油从燃料油罐21在燃料供料管24中以相对低的供给压力(诸如在从2巴至15巴的范围中的压力)输送至燃料计量装置。可替代低，燃料油定量装置15可以是阀或与计量装置相连接的阀，燃料供料管则是高压管，在所述高压管中，燃料处于比喷射压力更高的压力，诸如在500巴至1500巴的范围内的供给压力。这种燃料油供给系统23被称为共轨系统(common-rail system)。在任一情形中，燃料油定量装置15通过具有阀的分支导管连接至燃料供给管24，该阀在正常发动机运行期间保持处于打开位置。燃料油定量装置15经由高压燃料油导管连接至燃料油喷射器13。回送导管从燃料油喷射器通至燃料油回送管线(未显示)。被提供至气缸的燃料油典型地是重质燃料油或船用柴油。

根据本发明的内燃机1可以通过将燃料气体供给系统19和燃料气体喷射系统30安装在具有上述燃料油供给系统的已有的发动机上来提供。喷射控制装置可以是一个气缸控制单元或具有独立的气缸控制单元12a、12b，所述气缸控制单元分别控制提供到气缸11的燃烧室中的燃料油和燃料气体的量。同样地，燃料油喷射系统20和燃料气体喷射系统30两者可以由发动机控制单元17控制或在独立的发动机控制单元17a、17b中被单独地控制。在运行根据本发明的内燃机时，燃料喷射的发动机调节通过燃料油喷射系统20或燃料气体喷射系统30进行。通常，发动机控制单元17接收来自传感器装置40的发动机速度信号和其他发动机运行参数，并且控制被提供到气缸11的燃烧室中的燃料的量和速率，这也被称作为发动机管理控制。根据本发明的内燃机可以在燃料油运行模式、燃料气体运行模式和组合的燃料油和燃料气体运行模式下运行。运行模式的命令可以来自船的桥接装置，除了在例如气体泄漏的情况下的安全原因之外，发动机被立即自动切换至燃料油运行模式。

组合的燃料油和燃料气体运行模式可以通过自动地在燃料油运行模式和燃料气体运行模式之间的交替来实施。燃料油运行模式和燃料气体运行模式之间的切换可以通过连接至燃料油喷射系统20和燃料气体喷射系统30的发动机模式选择功能部25来命令，优选地，发动机切换功能是燃料气体供给系统19的一部分，因此所述切换通过专用于燃料气体喷射系统30的发动机控制单元17b控制。在组合的燃料油和燃料气体运行模式中，发动机模式选择功能部25确定内燃机中的燃烧是否通过燃料油喷射系统20或燃料气体喷射系统30启动，即发动机模式选择功能部25在使用燃料油喷射系统20或燃料气体喷射系统30之间切换发动机控制单元17的管理控制功能。

在燃料气体运行模式中，燃烧过程的时序和燃料气体喷射由燃料气体喷射系统30来控制。这根据预定的参考燃料指数(即，规定在给定的发动机负载下优选地运行发动机所需要的燃料气体喷射长度和燃料气体喷射压力的燃料气体指数)来进行。在进行运行之前，发动机沿着螺旋桨曲线(propeller curve)在不同的负载下被测试，以确定在不同的负载下优化的参考燃料气体喷射长度和燃料气体喷射压力。因此，在发动机控制单元17、17b在发动机图中进行查找以获得例如燃料气体喷射的正确时序、排放阀的打开和关闭的时序和液压压力时，还获得在期望的发动机负载下运行发动机所需要的命令的燃料气体喷射压力和命令的燃料气体喷射长度。

在发动机在燃料气体模式下运行时，发动机控制单元17、17b的管理控制通过计算燃料指数以获得在给定的发动机负载下期望的发动机速度来控制将被喷射的燃料气体的量。因此，发动机负载的变化将使得发动机速度与期望的发动机速度不同，因此调节应用的燃料指数，使得获得期望的发动机速度。如果例如燃料气体的热值低于参考气体的热值，则在燃料气体喷射期间较少的能量被喷射到气缸中。这将导致减小的发动机速度，该减小的发动机速度由与发动机控制单元17、17b通信的传感器装置40测量。为了获得期望的发动机速度，发动机控制单元17、17b增加应用的燃料指数，使得燃料气体喷射周期被增加，由此增加被喷射燃料气体的量。燃料油喷射系统的发动机控制单元17a使用用于保持期望的发动机速度的相同原理，且该原理对发动机负载中的突然变化可进行非常有效且快速的控制。然而，在燃料气体运行模式中，期望的发动机速度通过以燃烧室中的较低的最大压力实现，因此通过比在使用参考气体时所设计的发动机更低的效率实现。在燃料气体的热值高于参考气体时，燃烧室中的最大燃烧压力高于设计发动机的燃烧压力，发动机部件的磨损增加，且发动机可能会损坏。

假定提供给气缸恒定压力的燃料气体，与参考燃料气体的温度相比更低的燃料气体温度将造成比设计的发动机高的最大燃烧压力，这是因为燃料气体的能量密度则高于参考燃料气体。因此，被提供至气缸的燃料气体的温度和热值的变化对燃烧过程具有相同的影响，并且当通过发动机控制单元17、17b相应地调节发动机负载和燃料指数的变化时，发动机控制单元经历这种变化。

因此，在燃料指数响应于燃料气体的能量密度变化通过调节燃料喷射周期以快速调节的方式被调节时，由发动机控制单元17、17b所使用的被应用的燃料指数将随着时间不同于对应于实际发动机负载的参考燃料指数。实际发动机负载并由此参考指数可以例如基于发动机速度和从传感器装置40接收到的曲柄轴的扭矩或平均气缸燃烧压力的测量值由发动机控制单元17、17b确定。

发动机控制单元17、17b将应用的燃料指数与参考燃料指数相比较，且调节燃料气体喷射压力，使得应用的燃料指数对应于参考燃料指数。因此，发动机控制单元17、17b通过命令来自燃料气体供给系统19的被调节的燃料气体压力来控制燃料气体的喷射压力，使得每时间单位喷射到气缸中的能量的量保持恒定，例如在发动机的制造参考调节下处于与发动机控制单元17、17b中的地图中所存储的相同的水平。由于被调节的燃料气体喷射压力和每时间单位被喷射的能量的量的相应调节造成了发动机功率的变化，所以发动机控制单元17、17b的管理控制将调节应用的燃料指数以保持发动机功率恒定，由此保持发动机速度恒定，从而产生对应于参考燃料指数的应用的燃料指数。

因此，燃料气体热值的降低导致燃料气体喷射压力的增加，而燃料气体热值的增加导致了燃料气体喷射压力的降低。同样地，相对于参考气体燃料气体的较低温度降增加燃料气体的能量密度，来自燃料气体供给系统19所命令的燃料气体喷射压力通过发动机控制单元17b被降低，而相对于参考气体的较高温度的燃料气体将降低燃料气体的能量密度，来自燃料气体供给系统19通过发动机控制单元17b所命令的燃料气体喷射压力被增加。

Claims (10)

1.一种内燃机，所述内燃机包括：

燃料气体供给系统；

气缸，所述气缸设置有用于将燃料气体直接喷射到气缸的燃烧室中的燃料气体喷射器；以及

至少一个发动机控制单元，所述至少一个发动机控制单元根据用于在给定的发动机负载下获得期望的发动机速度的应用的燃料指数控制喷射到燃烧室中的燃料气体的量，其中燃料指数限定每一次喷射时喷射到气缸中的燃料气体的量，并且被喷射的燃料气体的量通过调节燃料气体喷射周期的持续时间而被控制，

其特征在于：

传感器装置被设置成用于测量运行期间的发动机负载，并且基于由测量的发动机负载确定的参考燃料指数与由至少一个发动机控制单元确定的用于在给定的发动机负载下获得期望的发动机速度的应用的燃料指数的比较，所述至少一个发动机控制单元响应于燃料气体的能量密度的变化控制燃烧室中的燃料气体的喷射压力，使得应用的燃料指数对应于参考燃料指数；以及

依赖于曲柄轴的位置，结合喷射时序的调节和排放阀的打开和关闭的时序的调节，来调节燃料气体喷射压力，以便获得优化的燃料消耗和燃烧气体排放。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述至少一个发动机控制单元响应于燃料气体的热值和/或温度的变化控制将燃料气体喷射到燃烧室中的喷射压力。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，测量的发动机负载由在燃烧循环期间的燃烧压力和轴的旋转速度的传感器装置测量值确定。

4.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，测量的发动机负载由轴扭矩和轴旋转速度的传感器装置测量值确定。

5.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，气缸设置有燃料油供给系统和将燃料油直接喷射到气缸的燃烧室中的燃料油喷射器。

6.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，燃料气体供给系统是共轨燃料气体供给系统。

7.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，提供给气缸的燃料气体的温度在10℃至70℃的范围内。

8.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，在100％的发动机负载下，发动机速度在45rpm至250rpm的范围内。

9.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，提供燃料气体至气缸的气体供给系统连接至液化天然气运输器的液化天然气罐。

10.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机是两冲程十字头柴油机。