CN104213993A - 用于操作内燃发动机的方法 - Google Patents

Abstract

通常需要快速执行内燃发动机(10)的功率输出的增加。为了至少临时快速满足内燃发动机(10)的功率输出的增加，本发明的用于在操作内燃发动机(10)时支持功率输出的增加的方法可包括通过将一定量的填充空气和燃料供应至至少一个缸(26)并在其中燃烧该混合物来操作所述内燃发动机(10)、监控至少一个发动机参数、确定所述至少一个发动机参数的临时改变和/或所述至少一个发动机参数与预定发动机参数表的不匹配以及在确定的临时改变和/或确定的不匹配超过相应的预定阈值时，除了所述量的空气之外将加压气态流体供应到所述至少一个缸(26)。

Description

用于操作内燃发动机的方法

技术领域

本发明整体涉及一种操作内燃发动机的方法，更具体地涉及一种操作内燃发动机以至少临时增加内燃发动机的功率输出的方法。

背景技术

例如像双燃料内燃发动机或者以重燃料油、柴油或者气态燃料油运行的内燃发动机的内燃发动机可用来为任何机器或者其他装置供能，包括船只或者其他海洋应用、机车应用、高速公路卡车或车辆、非高速公路机器、土方设备、发电机、航空应用、泵、例如电厂等固定设备或者其他发动机供能的应用。在操作内燃发动机时，会发生功率需求增加的操作条件，使得内燃发动机的功率输出会快速增加。

为了增加内燃发动机的功率输出，已知例如增加至燃烧室的喷射燃料的量和供应空气的量。为了增加供应空气的量，例如可以增加涡轮增压器的速度，这导致更高的压力以及因此在燃烧事件过程中燃烧室中更多填充的空气。但是，喷射燃料量的增加和通过加速的涡轮增压器供应的空气的增加可能不同时发生，因为涡轮增压器速度不会像喷射燃料量的增加那样快地增加。

本发明至少部分旨在改善或克服现有系统的一个或多个方面。

发明内容

根据本发明的一方面，一种用于增加包括至少一个缸(更具体地用于在操作包括所述至少一个缸的内燃发动机时支持功率输出的增加)、流体连接到所述至少一个缸的进气歧管和流体互连在进气歧管和所述至少一个缸之间用于控制(例如填充的)空气到所述至少一个缸的流动的入口阀的内燃发动机的功率输出的方法，可包括通过将一定量的(填充)空气和一定量的燃料供应至所述至少一个缸并在所述至少一个缸内燃烧(填充)空气和燃料的混合物来操作所述内燃发动机。所述方法还可包括监控所述至少一个发动机参数、确定所述至少一个发动机参数的临时改变和/或所述至少一个发动机参数与预定发动机参数表的不匹配以及在确定的临时改变和/或确定的不匹配超过相应的预定阈值时，除了所述填充空气之外将加压气态流体供应到所述至少一个缸。

根据本发明的另一方面，一种内燃发动机可包括至少一个缸、流体连接到所述至少一个缸的进气歧管、流体互连在进气歧管和所述至少一个缸之间用于控制(填充)空气到所述至少一个缸的流动的入口阀以及能够执行根据本发明的方法的控制单元。

根据本发明的另一方面，一种内燃发动机可包括至少一个缸、流体连接到所述至少一个缸的进气歧管、流体互连在进气歧管和所述至少一个缸之间用于提供(填充)空气到所述至少一个缸的入口阀以及用于将另外的加压气态流体提供到所述至少一个缸的控制阀。

通过控制单元监控的所述至少一个发动机参数可包括例如燃料量、空气量、发动机速度、涡轮增压器速度、空气-燃料比和燃料量-涡轮增压器速度比中的至少一个。

在一些实施方式中，加压气态流体可另外在沿着进气歧管的多个位置处供应至进气歧管。在一些实施方式中，加压气态流体的入口数可小于发动机缸数。例如，在10个缸的直列内燃发动机中，可以在进气歧管处具有例如4个加压气态流体入口，其可被构造成将另外的加压气态流体引入进气歧管。通过提供小于发动机缸数的多个加压气态流体入口，可以减小潜在泄漏点的数量，同时保持用于在操作内燃发动机时支持功率输出增加的能力。

在一些实施方式中，进入进气歧管的加压气态流体入口的数量可以小于或等于发动机缸数的2/3，例如小于或等于发动机缸数的一半。

在一些实施方式中，加压气态流体入口可沿着进气歧管彼此等距地分布，这意味着加压气态流体入口可沿着进气歧管对称分布。在一些实施方式中，至少一个加压气态流体入口可在两个相邻缸之间的位置连接到进气歧管，例如在距两个相邻缸相同距离处。

本发明的其他特征和方面通过下面的描述和附图将会清楚。

附图说明

图1是根据第一实施方式具有气态流体供应的涡轮增压的内燃发动机的示意图；

图2是根据第二实施方式具有气态流体供应的涡轮增压的内燃发动机的示意图；

图3是根据第三实施方式具有气态流体供应的涡轮增压的内燃发动机的示意图。

具体实施方式

下面是本发明的示例性实施方式的详细说明。本文描述和附图示出的示例性实施方式旨在教导本发明的原理，使得本领域普通技术人员能够在许多不同环境和针对许多不同应用实施和使用本发明。因此，示例性实施方式不意欲并且不应当被认为是专利保护范围的限制性说明。相反，专利保护范围应当通过权利要求书限定。

本发明可至少基于这样的认识，即内燃发动机的功率增加可通过除了填充空气外向内燃发动机的缸供应例如像加压空气的加压气态流体来支持。加压气态流体的供应可支持快速增加内燃发动机的额功率输出。例如，在至少一个发动机参数指示增加的功率要求时，加压气态流体的供应可增加功率输出，直到涡轮增压器加速，使得填充空气可使用以具有希望和要求的功率输出。在这种情况下，可以终止加压气态流体的供应。因此，用于通过燃烧增加量的燃料增加输出功率所需的氧气可通过例如空气或者包含氧气的气体混合物的加压气态流体来提供。加压气态流体可例如在压缩和/或进气冲程过程中提供。

本发明还可以至少部分基于这样的认识，即除了填充空气外向燃烧室提供加压空气可增加空气-燃料比，这可导致具有更高效率的有效燃烧，并且因此导致内燃发动机的功率输出增加。特别是，向缸供应另外的加压空气可增加内燃发动机的加速性能，这可导致内燃发动机的快速功率输出增加和/或改善的发动机排烟表现。

参考附图，图1中示出一种内燃发动机的示例性实施方式。内燃发动机10可包括未显示的特征，例如燃料系统、空气系统、冷却系统、外设、驱动系部件。出于本发明的目的，内燃发动机10是以重燃料油(HFO)运行的内燃发动机。但本领域技术人员将认识到，内燃发动机10可以是任何类型的内燃发动机，例如气态燃料发动机、以液体和气态燃料类型操作的双燃料发动机或者利用燃料和空气的混合物来燃烧的任何其他Otto或者柴油内燃发动机。

内燃发动机10可以具有任何尺寸，具有任何数量的缸和具有任何构造(“V”、“直列”等)。内燃发动机10可用来为任何机器或其他装置提供功率，包括船只或者其他海洋应用、机车应用、高速公路卡车或车辆、非高速公路机器、土方设备、发电机、航天应用、泵、诸如发电厂的固定设备或者其他发动机供能的应用。

仍参考图1，内燃发动机10包括发动机缸体20，发动机缸体20包括至少一个缸26、至少一个燃料箱(未显示)、与所述至少一个缸26相关的涡轮增压器40以及进气歧管22。虽然图1中未明确显示，进气歧管22可经由多个进气管道24流体连接到所述至少一个缸26的每一个。

发动机缸体20包括曲轴箱(未显示)，曲轴6支承在曲轴箱内。曲轴6连接到活塞18，活塞18能够在内燃发动机10的操作过程中在所述至少一个缸26的每一个内运动。

所述至少一个缸26的每一个设置有至少一个入口阀35，入口阀35能够打开或关闭进气管道24和所述至少一个缸26的对应燃烧室16之间的流体连接。

排气歧管28连接到所述至少一个缸26的每一个。所述至少一个缸26的每一个设置有至少一个排气阀36，排气阀36设置在排气管道37中并能够打开和关闭所述至少一个缸26的每一个的燃烧室16和排气歧管28之间的流体连接。

通常，当内燃发动机10操作时，HFO和空气的混合物(下文中称为“燃烧混合物”)提供到所述至少一个缸26的燃烧室16中。

具体地，燃料喷射系统(图中未明确显示)被构造成将合适量的HFO喷射到燃烧室16中，并且填充空气经由进气歧管22引入燃烧室16中。在燃烧后，燃烧过程生成的废气经排气管道37从所述至少一个缸26释放进入排气歧管28、接着进入例如连接到涡轮增压器40的主排气管道29。

涡轮增压器40被构造成使用内燃发动机10的废气的热量和压力来驱动压缩机44，以在进气被供应到发动机之前压缩进气。具体地，废气经过涡轮增加器40的涡轮42，使涡轮42转动，由此减小压力和温度。压缩机44经由公共轴46可转动地连接到涡轮42并被涡轮42驱动。

空气经主空气入口4吸入并供应至压缩机44。应当理解，在关于气态燃料内燃发动机的其他实施方式中，气态燃料和空气可在被供应至压缩机44之前在混合器中混合。在关于气态燃料(双燃料)内燃发动机的另一些其他实施方式中，例如可以为所述至少一个缸26的每一个设置气体阀以在入口阀35上游将气态燃料喷射到供应至每个缸的空气中。还想到，可使用合适的气态燃料喷射器将气态燃料直接喷射到每个缸中。

一般来说，压缩机44的出口经由压缩机连接部21流体连接到进气歧管22的入口。如图1所示，压缩机44的出口经由冷却器23连接到进气歧管22的入口。布置在冷却器23下游的节流阀27被构造成打开或关闭压缩机连接部21和进气歧管22之间的流体连接，由此实现或限制从压缩机连接部21到进气歧管22的流动。

在内燃发动机10的操作过程中，进气在被供应至所述至少一个缸26之前被压缩和冷却。在所述至少一个缸26内，通过活塞18的运动可造成燃烧混合物的进一步压缩和加热。接着，可以使用火花塞(未显示)或者由于混合物在燃烧室16内的压缩点燃所述至少一个缸26内的燃烧混合物。也可以使用先导喷射的燃料来开始燃烧。产生的废气经由排气歧管28排放。

排气歧管28的出口流体连接到涡轮42的入口。涡轮42的出口流体连接到例如废气处理系统(未显示)。

在一些实施方式中，如图1所示，内燃发动机10可设有包括废气门连接部80和废气门阀82的废气门系统。另外，内燃发动机10可包括具有排泄连接部66和排泄阀(blow-off valve)64的排泄系统。应当认识到，如果合适，排泄连接部66和排泄阀64可设置有与图1所示的不同的构造。

如图1进一步显示，内燃发动机10包括与所述至少一个缸26、特别是与燃烧室16直接流体连通的控制阀90。控制阀90还经由流体管道94流体连接到能够存储加压气态流体的气态流体源92。在一些实施方式中，气态流体可以是加压空气。

控制阀90也可构成常用于将压缩空气供应至所述至少一个缸26以便起动内燃发动机10的操作的起动阀。

虽然图1中未显示，所述至少一个缸26的每一个设有控制阀90，而每个控制阀90流体连接到气态流体源92。

气态流体源92的尺寸可设置成用于存储足以起动内燃发动机10的加压流体并用于在功率需求超过预定阈值时至少临时增加内燃发动机10的功率输出，这将在下面更加详细描述。

控制单元50被构造成用于确定要求的功率需求。如果内燃发动机10的要求的功率需求超过预定阈值，则控制单元50与每个控制阀90通信以操作每个控制阀。例如，在控制阀90将打开气态流体源92和燃烧室26之间的流体连通使得加压气态流体能够流入所述至少一个缸26的情况下，控制单元50向控制阀90提供指示打开控制阀90的电信号。

控制单元50可以是单个微处理器或者包括其中用于控制燃烧发动机10的各种部件的操作的装置的双微处理器。控制单元50可以是能够控制与内燃发动机10和/或其相关部件相关的多种功能的通用发动机控制单元(ECU)。控制单元50可包括运行应用所需的所有部件，例如像存储器、辅助存储装置和处理器(诸如中央处理单元)或者本领域已知的用于控制内燃发动机10及其部件的其他装置。各种其他已知的电路可与控制单元50相关，包括供电电路、信号调节电路、通信电路和其他合适电路。控制单元50可分析和比较接收和存储的数据，并基于存储器中存储或者由使用者输入的指令和数据，确定是否需要行动。例如，控制单元50可将接收的值与存储器中存储的目标值进行比较，并基于比较结果，向一个或多个部件传送信号以改变该一个或多个部件的操作状态。

参考图2，详细示出了内燃发动机10的另一种实施方式。只要合适，与图1的内燃发动机10的部件相同的图2的内燃发动机10的部件设置相同的附图标记。

如图2所示，内燃发动机10包括一组缸26A-26D和经由流体管道194流体连接到进气歧管22的控制阀190。流体管道194被构造成流体连接到进气歧管22的至少两个位置，使得增强加压气态流体沿着所述组的缸26A-26D到进气歧管22的分布。控制阀190流体连接到气态流体源92并与控制单元50连通。虽然图2示出了流体管道194和进气歧管22之间的连接数量对应于缸的数量(在图2所示的例子中：4个连接和4个缸26A-26D)，流体管道194和进气歧管22之间的连接数量可小于缸26A-26D的数量。

在一些实施方式中，可设置多个控制阀190。在这种情况下，可为流体管道194与进气歧管22的每个连接设置一个控制阀190。例如，在图2的内燃发动机10的情况下，4个控制阀190可设置在流体管道194和进气歧管22的4个连接的每一个处。

图3详细示出了内燃发动机10的另一实施方式。只要合适，与图1的内燃发动机10的部件相同的图3的内燃发动机10的部件设置相同的附图标记。

图3的内燃发动机10包括经由流体管道294流体连接到每个进气管道24的控制阀290。控制阀290流体连接到气态流体源92并与控制单元50连通。

在一些实施方式中，可设置多个控制阀290。在这种情况下，每个控制阀290可设置在每个进气管道24处。例如，在包括4个缸26的内燃发动机10的情况下，4个控制阀290可设置在4个流体管道194的每个处。

虽然图1至图3都没有明确显示，公开的内燃发动机10可用在用于生成电能的发电机组组件中。例如像电力网的电载荷可连接到发电机组组件的电输出。在一些情形下，在内燃发动机10的正常操作过程中，电载荷的功率需求可超过内燃发动机10的功率输出。为了满足功率需求，例如像加压空气的另外的加压流体被供应到所述至少一个缸26以至少临时增加燃烧混合物的空气-燃料比，并因此增加内燃发动机10的功率输出。

在一些其他实施方式中，增加的功率需求可源于例如加速船的需求，其要求船桨更快转动。在又一些实施方式中，功率需求可源于要求内燃发动机10的快速加速的任何需求，其可导致内燃发动机10的更高转速。

在接收增加的功率需求的情况下，通过增加涡轮增压器40的压缩机44的功率输出增加空气-燃料比可能对于快速满足功率需求来说太慢，特别是对于提供足够量的氧气到发动机来说太慢。因此，通过向缸26供应另外的加压流体可快速增加内燃发动机10的功率输出，从而至少临时满足增加的功率需求，直到涡轮增压器40达到希望的速度并且由压缩机44压缩的填充空气可符合发动机的要求的功率输出。那么，可以终止加压气态流体的供应。

工业实用性

下面，参考图1-图3更详细地描述内燃发动机10的操作。例如，内燃发动机10被认为用在发电机组组件中。但是，本发明不局限于此具体使用。在一些实施方式中，内燃发动机10也可与需要功率的任何其他机器或者装置结合使用。

在内燃发动机10的正常操作过程中，填充空气和燃料的混合物在所述至少一个缸26的燃烧室16内燃烧。填充空气和燃料的混合物根据对应于内燃发动机的希望功率输出的希望空气-燃料比选择。产生的废气可经由排气阀36释放出燃烧室16并可接着经由排气歧管28流入排气管道37。接着，废气可驱动涡轮增压器40的涡轮42，涡轮42继而可驱动经由公共轴46机械连接到涡轮42的压缩机44。压缩机44吸入空气并将空气填充至例如大约2至8bar的预定压力。填充空气经由节流阀27提供给进气歧管22。接着，填充空气经由进气管道24分配到每个缸26中。

控制单元50控制每个缸26的入口阀35的打开和关闭操作以将具有预定空气-燃料比的燃烧混合物提供到燃烧室16。例如，燃料喷射器(未显示)将预定量的燃料(例如HFO)喷射到燃烧室16中。燃料喷射器也可通过控制单元50控制。

控制单元50还监控至少一个发动机参数，例如填充空气量、发动机速度、涡轮增压器速度、空气-燃料比、燃料量-涡轮增压器速度比和/或喷射燃料量。接着，控制单元50确定所述至少一个发动机参数的临时改变和/或所述至少一个发动机参数与存储在例如结合在控制单元50中的存储器中的预定发动机参数表的不匹配。所述至少一个发动机参数的临时改变可指示例如功率需求的增加、例如连接到发电机组组件的希望电载荷的增加的改变。根据所述至少一个发动机参数的临时改变，控制单元50可增加喷射的燃料量并可同时开始或增加加压气态流体的供应以具有希望的空气-燃料比。

在一些条件下，涡轮增压器40可能对于快速提供具有希望压力的希望量的填充空气以便提供希望的空气-燃料比来说太慢。因此，为了提供希望的空气-燃料比，另外的加压气态流体可以供应给缸26，直到涡轮增压器40达到供应具有希望压力的填充空气的合适涡轮增压器速度。

例如，当内燃发动机10的功率输出将从大约例如20％发动机载荷增加到大约40％发动机载荷时，内燃发动机10应当加速或者具有增加的燃烧过程。为了满足功率输出需求，控制单元50可进一步控制加压流体到燃烧室16的供应以快速增加空气-燃料比，并因此增加内燃发动机10的功率输出。一旦涡轮增压器速度达到希望的速度，控制单元50终止另外的加压气态流体的供应，因为压缩机44加速以提供具有希望压力的填充空气。另外供应的加压流体可包括范围从大约1bar到大约30bar的压力，这取决于填充空气系统/缸的位置、加压流体供应的位置和/或加压流体在燃烧周期的哪一段供应。

例如，参考图1，控制单元50可提供信号到控制阀90以打开气态流体源92和所述至少一个缸26之间的流体连接，使得预定量的另外加压流体(例如加压空气)供应至所述至少一个缸26。在这种情况下，控制单元50可首先控制进气冲程过程中填充空气经由入口阀35到所述至少一个缸26的供应。接着，在入口阀35关闭后，控制单元50可控制例如进气和/或压缩冲程过程中加压流体经由控制阀90到所述至少一个缸26的供应。这可防止加压流体经过打开的入口阀35流入进气歧管22。

在一些实施方式中，填充空气和加压流体可同时引入燃烧室，并且入口阀可与止回阀构件相关以限制加压流体流经入口歧管。

在一些实施方式中，控制单元50可例如通过修改涡轮增压器几何结构、通过马达机械地增速(excellarating)涡轮增压器或者通过修改经由废气门提供的废气流控制涡轮增压器40以同时地增加涡轮增压器速度以供应加压流体。当控制单元50检测到涡轮增压器速度适合例如喷射的燃料量时，控制单元50可停止加压气态流体的供应。

在一些实施方式中，关于图2和图3，加压流体可经由进气歧管22和进气管道24供应到所述至少一个缸26中。在这种情况下，加压流体另外经由入口阀35与填充空气一起供应至所述至少一个缸26。

虽然附图示出了包括涡轮增压器系统(单级或多级系统)的发动机系统，但在一些实施方式中，这里公开的概念也可适用于自然吸气的发动机。

虽然这里已经描述了本发明的优选实施方式，但可以引入改善和变型而不脱离权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种用于在操作内燃发动机(10)时支持功率输出的增加的方法，内燃发动机(10)包括至少一个缸(26)、流体连接到所述至少一个缸(26)的进气歧管(22)和流体互连在所述进气歧管(22)和所述至少一个缸(26)之间用于控制空气到所述至少一个缸(26)的流动的入口阀(35)，所述方法包括：

通过将一定量的空气和一定量的燃料供应至所述至少一个缸(26)并在所述至少一个缸(26)内燃烧空气和燃料的混合物来操作所述内燃发动机(10)；

监控至少一个发动机参数；

确定所述至少一个发动机参数的临时改变和/或所述至少一个发动机参数与预定发动机参数表的不匹配；以及

在确定的临时改变和/或确定的不匹配超过相应的预定阈值时，除了所述量的空气之外将加压气态流体供应到所述至少一个缸(26)，

其中，另外的加压气态流体在至少两个位置处供应至进气歧管(22)，其中将加压气态流体供应至进气歧管(22)的位置的数量小于所述缸(26)的数量。

2.一种在操作内燃发动机(10)时用于支持功率输出的增加的方法，内燃发动机(10)包括至少一个缸(26)、流体连接到所述至少一个缸(26)的进气歧管(22)和流体互连在所述进气歧管(22)和所述至少一个缸(26)之间用于控制空气到所述至少一个缸(26)的流动的入口阀(35)，所述方法包括：

通过将一定量的空气和一定量的燃料供应至所述至少一个缸(26)并在所述至少一个缸(26)内燃烧空气和燃料的混合物来操作所述内燃发动机(10)；

监控至少一个发动机参数；

确定所述至少一个发动机参数的临时改变和/或所述至少一个发动机参数与预定发动机参数表的不匹配；以及

在确定的临时改变和/或确定的不匹配超过相应的预定阈值时，除了所述量的空气之外将加压气态流体供应到所述至少一个缸(26)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，加压气态流体供应至进气歧管(22)的位置的数量小于或等于缸(26)的数量的2/3，例如小于或等于缸(26)数量的一半。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，加压气态流体供应至进气歧管(22)的位置沿着进气歧管(22)彼此等距地分布。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少一个气态流体供应在两个相邻缸(26)之间的位置连接到进气歧管(22)，例如在距两个相邻缸(26)相同距离处。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个发动机参数包括燃料量、空气量、发动机速度、涡轮增压器速度、空气-燃料比和燃料量-涡轮增压器速度比中的至少一个。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

增加涡轮增压器速度；

检测与燃料的喷射量对应的涡轮增压器速度；和

停止加压气态流体的供应。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，加压气态流体直接供应到所述至少一个缸(26)，例如加压气态流体经由内燃发动机(10)的起动阀直接供应到所述至少一个缸(26)。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，加压气态流体经由进气歧管(22)的至少两个位置供应至所述至少一个缸(26)，或

其中，加压气态流体供应到将进气歧管(22)流体连接到所述至少一个缸(26)的进气管道(24)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，加压气态流体在内燃发动机(10)的进气冲程和/或压缩冲程过程中供应至所述至少一个缸(26)，例如加压气态流体在所述量的填充空气供应到所述至少一个缸(26)之后供应至所述至少一个缸(26)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，加压气态流体是加压空气；和/或

其中，加压气态流体具有范围从大约1bar到大约30bar的压力。

12.一种内燃发动机(10)，包括：

至少一个缸(26)；

流体连接到所述至少一个缸(26)的进气歧管(22)；

入口阀(35)，其流体互连在进气歧管(22)和所述至少一个缸(26)之间以控制空气到所述至少一个缸(26)的流动；和

控制单元(50)，其能够执行前述权利要求中任一项所述的方法。

13.根据权利要求12所述的内燃发动机(10)，还包括用于提供加压气态流体的控制阀(90；190；290)。

14.根据权利要求13所述的内燃发动机(10)，还包括流体连接到控制阀(90；190；290)并能够存储加压气态流体的气态流体源(92)。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的内燃发动机(10)，其中，内燃发动机(10)是发电机组组件的部分。