CN104295381A - 具有双燃料供给系统的大型低速运行涡轮增压双冲程内燃发动机 - Google Patents

具有双燃料供给系统的大型低速运行涡轮增压双冲程内燃发动机 Download PDF

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Abstract

一种具有十字头的大型低速运行涡轮增压双冲程单流内燃发动机。发动机包括多个气缸并设置有主燃料供应系统，其采用第一类型燃料操作并且包括用于第一类型燃料的主燃料罐和用于传递第一类型燃料至气缸的燃烧室的主燃料阀。发动机还设置有二次燃料供应系统，其采用不同于第一类型燃料的第二类型燃料操作，并且包括用于第二类型燃料的二次燃料罐和用于传递第二类型燃料至气缸的燃烧室的二次燃料阀。发动机还具有电子控制单元，其被配置为控制和操作主燃料系统和二次燃料系统。电子控制单元被配置为采用第二类型燃料经由二次燃料系统操作多个气缸中选定数量的气缸，电子控制单元被配置为采用第一类型燃料经由主燃料系统操作多个气缸中的剩余气缸。

Description

具有双燃料供给系统的大型低速运行涡轮增压双冲程内燃发动机
技术领域
本发明涉及用于具有十字头的大型低速运行单流涡轮增压双冲程内燃发动机的双燃料供给系统，特别涉及用于燃油供应系统和气体燃料供应系统的用于大型低速运行单流涡轮增压双冲程内燃发动机的燃料供应系统。
背景技术
十字头类型的大型双冲程发动机通常用在大型船只的推进系统中或者作为发电厂的原动机。典型地，这些发动机采用重燃油或者燃油运行。WO2012080568公开了根据权利要求1的前序部分的发动机。
最近，出现了对于能够处理替代性燃料如气体、煤浆、石焦油等特别是气体的的大型双冲程柴油发动机的需求。
为了能够完成各种燃料供应系统的要求，其已经证明确保发动机侧的最大灵活性是有用的。
在灵活性不足的情况下，一些操作条件将不能利用替代性燃料。
一般如果替代燃料的供给不能将发动机需要的所有燃料传递至所需的服务操作点(发动机负载)，则发生该情况。
在该情况下，目前的理论选择是完全切换或者暂时完全切换至主燃油并且关闭二次燃料系统，或者改变燃油与替代燃料的比率。
完全切换至主燃油造成控制方面的挑战，因为其造成燃料腔室中操作条件的大的离散步骤。换句话说，以平稳的方式提供该燃料改变是显著的挑战。另外，由于在切换后替换燃料消耗降低至零，所以替换燃料的供应系统必须停止一些辅助设备。该停止/开启操作是不希望的，特别是对于一些高压气体泵，其寿命时间主是通过开启和停止的数量来计算。
改变两个不同燃料之间的比率也造成重大挑战，因为包括两种不同类型燃料的燃烧过程的优化变得更复杂得多。实际得到的最终效率将随着时间变化并且危及控制系统管理功率的能力。
发明内容
在此背景下，本申请的目的是提供具有十字头的大型低速运行涡轮增压双冲程单流内燃发动机以克服或者至少降低以上所指出的问题。
该目的通过提供具有十字头的大型低速运行涡轮增压双冲程单流内燃发动机实现，发动机包括：多个气缸；主燃料供应系统，其采用第一类型燃料操作并且包括用于第一类型燃料的主燃料罐和用于传递第一类型燃料至气缸的燃烧室的主燃料阀；二次燃料供应系统，其采用不同于第一类型燃料的第二类型燃料操作，并且包括用于第二类型燃料的二次燃料罐和用于传递第二类型燃料至气缸的燃烧室的二次燃料阀；以及被配置为控制和操作主燃料系统和二次燃料系统的电子控制单元；电子控制单元被配置为采用第二类型燃料经由二次燃料系统操作多个气缸中选定数量的气缸，并且电子控制单元被配置为采用第一类型燃料经由主燃料系统操作多个气缸中的剩余气缸。
可以通过选择性地通过二次燃料供应系统采用第二类型燃料选择地操作多个气缸中的某些气缸和经由主燃料系统采用第一类型燃料操作多个气缸中的剩余气缸，获得明显增加的操作灵活性。尤其因而可以当二次燃料系统的容量降低时降低经由二次燃料系统在第二类型燃料上操作的气缸的数量，进而很大程度上避免被迫全关闭二次燃料系统的需要，关闭二次燃料系统具有与关闭关联不利结果。还避免了同时采用两种类型燃料操作给定气缸，进而避免该双燃料燃烧过程复杂的并且具有挑战性的优化。
在一个实施例中，主燃料供应系统具有足够大的容量以在所有的发动机操作条件下为多个气缸中的所有气缸供应燃料，并且其中二次燃料供应系统的容量有时不足够大而不能在所有的发动机操作条件下为多个气缸中的整体气缸供应燃料。
在一个实施例中，电子控制单元被配置为确定采用二次燃料系统的瞬时可用容量能够产生瞬时发动机功率的哪个部分，并且其中电子控制单元还被配置为基于二次燃料系统的瞬时地瞬时可用容量，确定多个气缸中能够唯一地采用第二类型燃料操作的气缸的最大数量，并且其中，电子控制单元还被配置为经由二次燃料系统采用第二类型燃料操作确定最大数量的气缸。
在一个实施例中，电子控制单元被配置为当二次燃料系统的瞬时容量是足够大以满足发动机在瞬时操作条件下发动机的全部燃料供应需求时，采用第二类型燃料操作多个气缸中的所有气缸。
在一个实施例中，主燃料系统用于提供燃料给前导喷射，以用二次燃料系统(34)传递的第二类型燃料。前导喷射具有固定的小量。经由第二类型燃料进行时间功率控制。
在一个实施例中，电子控制单元被配置为采用第二类型燃料操作多个气缸中的某些气缸，并且采用第一类型燃料操作多个气缸中的剩余气缸。
根据本公开的发动机的其它目的、特征、优点和性能将由详细描述变得更明显。
附图说明
在本描述的下述详细部分，本发明将参考图中示出的示例性实施例更详细地解释，其中：
图1是根据示例性实施例的大型双冲程柴油发动机的正视图；
图2是图1中的大型双冲程柴油发动机的侧视图；
图3是根据图1的大型双冲程柴油发动机的图示；以及
图4是用于图1中的发动机的双燃料系统的示例性实施例的图示。
具体实施方式
在下文的详细描述中，大型双冲程低速运行涡轮增压内燃(柴油)发动机将由示例性实施例描述。图1和图2示出了具有曲轴42和十字头43的大型低速运行涡轮增压双冲程柴油发动机。图3示出了具有进气和排气系统的大型低速涡轮增压双冲程柴油发动机。在此示例性实施例中，发动机具有排成一行的六个气缸1。大型低速涡轮增压双冲程柴油发动机通常具有由发动机框架13承载的四个到十四个排成一行的气缸。发动机可以例如用作远洋船舶中的主发动机或者作为用于操作发电厂中发电机的固定发动机。发动机的总输出量可以例如在5000千至110000千瓦之间。
在此示例性实施例中的发动机是双冲程单流类型柴油发动机，其在气缸1的下部区域处具有扫气端口的并且在气缸1的顶部处具有排气阀4。扫气从扫气接收器2传递至各个气缸1的扫气端口(未示出)。气缸1的活塞41压缩扫气，燃料从气缸盖中的燃料喷射阀注入，随后燃烧并产生排气。当排气阀4打开时，排气阀经由与气缸1相关的排放管道进入排气接收器3并且向前经由第一排气管道18到达涡轮增压器5的涡轮机6，排气从其离开，经由排气预热器28到达出口并进入大气。涡轮机6通过轴驱动压缩机9，压缩机9通过进风口10供应新鲜空气。压缩机9将加压扫气传递至通向扫气接收器2的扫气导管11。
导管11中的扫气通过中间冷却器12，以将以约200摄氏度离开压缩机的扫气冷却至36摄氏度和80摄氏度之间。
冷却的扫气通过由电动机17驱动的辅助鼓风机16到达扫气接收器2，电动机17在发动机的低或者部分负荷条件下加压扫气流。涡轮增压器压缩机9在较高的发动机负荷下传递足够的压缩扫气，然后通过止回阀15使得辅助鼓风机16被旁路。
图4示出了双燃料供给系统和与该双燃料供给系统相关联的多个气缸，与每个气缸关联的发动机控制单元ECU和气缸控制单元CCU。双燃料供给系统包括两个独立的燃料系统：主燃料系统24和二次燃料系统34。
主燃料系统24包括主燃料罐20和主燃料泵22，主燃料泵22接收来自主燃料罐20的第一类型燃料并传递加压的第一类型燃料至共轨(还能够使用具有单独的燃料泵和单独的高压燃料管道的燃料系统)。主燃料系统24还包括将主燃料泵22的(出口)连接至与各个气缸1(在对应的气缸1的气缸盖中)关联的主燃料阀7的管道(共轨)。对每个气缸1提供至少一个，但是优选两个或者三个主燃料阀7，因为燃烧室的大尺寸，导致雾化的燃料需要经过长距离以覆盖燃烧腔室。
在此实施例中，主燃料类型是重燃油，但是其它类型燃料也用作主燃料，例如船用柴油。为了避免重燃油的固化(重燃油在环境温度下不容易流动)，重燃料主燃料罐20、主燃料泵22、主燃料阀7和连接这些组件的管道被加热(例如，通过蒸汽伴热)。
二次燃料系统34包括二次燃料罐30和二次燃料泵32，二次燃料泵32接收来自二次燃料罐30的第二类型燃料并且将加压的第二类型燃料传递至共轨。二次燃料系统34还包括将二次燃料系统32的出口连接至与单独的气缸1关联的二次燃料阀8(在相应气缸1的气缸盖中)的管道(共轨)。对每个气缸1提供至少一个，但是优选两个或者三个此燃料阀8，因为燃烧室的大尺寸，导致雾化的燃料需要经过长距离以覆盖燃烧腔室。在一个实施例中，前导燃料阀(未示出)与每个二次燃料阀关联。
在此实施例中，二次燃料类型是气体，例如，如天然气或者石油气，但是其它类型燃料也能够用作二次燃料。用于传递加压气体的二次燃料泵32对于启动和停止是敏感的，并且其试用期主由启动和停止确定，因此期望没有不必要的启动和停止的连续操作。这样的启动和停止被二次燃料系统的问题引起。实例是当使用货物“蒸发”气体时。由于货物有关的问题超出了发动机操作者的控制，“蒸发”气体的量有时可能低(更低)。另一个实例是，气体供应系统能够包括十分显著的时间常数，使得供应系统不可能快速增加可用的量。通过配置文中所描述的电子控制系统，二次燃料系统必须完全停止的情况能够避免。
发动机控制单元ECU控制主燃料系统24的操作，特别是主燃料泵22的操作，并且发动机控制单元ECU在其可操作状态上接收来自主燃料系统的信息，例如，瞬时容量、燃料温度和燃料喷射压力。
发动机控制单元ECU还控制二次燃料系统34的操作，特别是二次燃料泵32的操作，并且发动机控制单元ECU在其可操作状态上接收来自二次燃料系统34的信息，例如，瞬时容量、燃料温度和燃料喷射压力。可替代地，二次燃料系统的瞬时容量手动地输入ECU。
电子控制单元ECU被配置为控制和操作主燃料系统24和由气缸控制单元CCU辅助的二次燃料系统34。对于发动机的多个气缸1的每个气缸1提供有并关联有一个气缸控制单元CCU(在此实施例中，多个气缸1是六个气缸1，但是可以理解的是，多个气缸1能包括任何其它更多或者更少数量的气缸1，尽管大型低速双冲程柴油发动机很少具有少于5个气缸)。
电子控制单元ECU被配置为通过指示相应的气缸控制单元CCU仅激活二次燃料阀8，以使用二次燃料系统34采用第二类型燃料经由相应的气缸控制单元CCU操作多个气缸1中选定数量的气缸，并且电子控制单元ECU被配置为通过指示相应的气缸控制单元CCU仅激活主燃料阀7，以采用第一类型燃料操作多个气缸中的剩余气缸。
在一个实施例中，主燃料供应系统24具有足够大的容量以在发动机的全操作状态下，也就是也在最大发动机负载下，供应燃料至多个气缸中的所有气缸1。
在一个实施例中，二次燃料供应系统34的容量有时不足够大从而不能在全操作条件下，给多个气缸1中的所有气缸1供应燃料，也就是在特定较高的发动机负荷水平下，二次燃料系统34不一定具有足够的容量以实现来自所有气缸1的燃料需求。
电子控制单元ECU被配置为确定采用二次燃料系统34的瞬时可用容量能够产生瞬时发动机功率的哪个部分，并且其中电子控制单元ECU还被配置为基于二次燃料系统34的瞬时地瞬时可用容量，确定多个气缸1中能够唯一地采用第二类型燃料操作的气缸1的最大数量，并且其中，电子控制单元ECU还被配置为经由二次燃料系统34采用第二类型燃料来操作所确定最大数量的气缸。
电子控制单元ECU被配置为当二次燃料系统34的瞬时容量是足够大以满足发动机在瞬时操作条件下发动机的整体燃料供应需求时，通过指示所有的发动机控制单元仅激活二次燃料阀8，采用第二类型燃料操作多个气缸1中的所有气缸1。
在一个实施例中，主燃料系统24用于提供前导喷射的燃料，以辅助由二次燃料系统34传递的第二类型燃料的点火。对于前导喷射，电子控制单元ECU被配置为对于在相关前导喷射过程中注射的第一类型燃料的数量，使用在注射过程中注射的第二类型燃料的量的固定的预定部分。
在一个实施例中，电子控制单元ECU被配置为采用第二类型燃料操控多个气缸1中的某些气缸1并且采用第一类型燃料操作多个气缸1中的剩余气缸1。
在供应不足够用于发动机的总功率输出的情况下，仅有一些发动机控制单元CCU被给予对应于可替换(第二类型)燃料的最大使用的“燃烧过程选择”命令，同时剩余气缸控制单元被给予对应于可替换(第二类型)燃料零使用的“燃烧过程选择”命令。
结果，可替换燃料(第二类型)的消耗可被调节为接近最大可用供应，同时避免完全停止可替换(次)燃料供应，并且保持仅最优化两个单独燃烧过程的可能性。
在一个实施例中，所述电子控制单元ECU、CCU被配置为当已经被选择为用于在第二类型燃料上运行的气缸1的一个或者多个燃料阀8失效时，指示选择不同的气缸1以用于在第二类型燃料上运行。气缸的一个或者多个燃料阀8的失效的信息可以被自动检测或者由操作员手动地输入。
在另一个实施例中，电子控制单元ECU、CCU被配置为当已经被选择为用于在第二类型燃料上运行的气缸1的一个或者多个燃料阀8失效时，指示经由主燃料系统20和经由二次燃料阀7改变操作至第一类型燃料。
权利要求中使用的术语“包括”并不排除其它元件或者步骤。权利要求中使用的术语“一个”并不排除多个。电子控制单元可以实现权利要求中所引用的多种装置的功能。
权利要求中使用的附图标记不应被解释为限制范围。
尽管为了说明的目的已经详细描述本发明，可以理解的是这样的细节仅用于说明的目的，并且本领域熟练技术人员可以在不脱离本发明的范围下在其中进行变形。

Claims (9)

1.一种具有十字头(43)的大型低速运行涡轮增压双冲程单流内燃发动机，所述发动机包括：
多个气缸(1)；
主燃料供应系统(24)，其采用第一类型燃料操作并且包括用于所述第一类型燃料的主燃料罐(20)和用于传递所述第一类型燃料至所述气缸(1)中的燃烧室的主燃料阀(7)；
二次燃料供应系统(34)，其采用不同于所述第一类型燃料的第二类型燃料操作，并且包括用于第二类型燃料的二次燃料罐(30)和用于传递所述第二类型燃料至所述气缸(1)中的燃烧室的二次燃料阀(8)；以及
被配置为控制并且操作所述主燃料系统(24)和所述二次燃料系统(34)的电子控制单元(ECU、CUU)；
其特征在于，
所述电子控制单元(ECU、CUU)被配置为采用所述第二类型燃料经由所述二次燃料系统(34)操作所述多个气缸(1)中选定数量的气缸(1)，并且所述电子控制单元(ECU、CUU)被配置为采用第所述一类型燃料经由所述主燃料系统(24)操作所述多个气缸(1)中的剩余气缸(1)。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述主燃料供应系统(24)具有足够大以在全发动机操作条件下为所述多个气缸(1)中的所有所述气缸(1)供应燃料的容量，并且其中，所述二次燃料供应系统(34)具有有时不足够大而不能在全发动机操作条件下为所述多个气缸(1)中的所有所述气缸(1)供应燃料的容量。
3.根据权利要求1或者2所述的发动机，其中，所述电子控制单元(ECU、CUU)被配置为确定采用二次燃料系统(34)的瞬时可用容量能够产生瞬时发动机功率的哪个部分，并且其中所述电子控制单元(ECU、CUU)还被配置为基于二次燃料系统(34)的所述瞬时地瞬时可用容量，确定所述多个气缸(1)中能够采用所述第二类型燃料操作的气缸(1)的最大数量，并且其中，所述电子控制单元(ECU、CUU)还被配置为经由二次燃料系统(34)采用所述第二类型燃料来操作所述确定最大数量的气缸(1)。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述电子控制单元(ECU、CUU)还被配置为当所述二次燃料系统(34)的瞬时容量是足够大以满足在瞬时发动机操作条件下所述发动机的整体燃料供应需求时，采用第二类型燃料操作所述多个气缸(1)中的所有气缸(1)。
5.根据权利要求4所述的发动机，其中，当气缸(1)用由所述二次燃料系统(34)传递的所述第二类型燃料操作时，所述主燃料系统(24)用于提供前导喷射的燃料。
6.根据权利要求5所述的发动机，其中，所述电子控制单元(ECU、CUU)被配置为在前导喷射情况中使用固定量的第一类型燃料。
7.根据权利要求3至6中的任一项所述的发动机，其中，所述电子控制单元(ECU、CUU)被配置为采用所述第二类型燃料操作所述多个气缸(1)中的一些气缸(1)并且采用所述第一类型燃料操作所述多个气缸(1)中的剩余气缸(1)。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的发动机，其中，所述电子控制单元(ECU、CUU)被配置为当已经被选定为用第二类型燃料运行的气缸(1)的一个或者多个燃料阀(8)失效时，指示选择不同的气缸(1)用第二类型燃料运行。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的发动机，其中，所述电子控制单元(ECU、CUU)被配置为当已经被选择为用第二类型燃料运行的气缸(1)的一个或者多个燃料阀(8)失效时，指示经由主燃料系统(20)和经由主燃料阀(7)改变操作至第一类型燃料。
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