CN104641086A - 操作多缸内燃活塞式发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种操作多缸内燃活塞式发动机(10)的方法。该发动机包括第一燃料供给系统(20)和第二燃料供给系统(30)。在发动机运行时，通过在至少两个缸中燃烧第二燃料来操作该发动机。停止将第二燃料供应至所述至少两个缸中的第一缸，随后开始将第一燃料供应至所述第一缸。控制并设置第一缸中的第一燃料的燃烧进程的控制参数以达到燃烧的预定条件。利用先前设定的控制参数将第一燃料供应至所述至少两个缸中的第二缸并使其在该第二缸中燃烧。

Description

操作多缸内燃活塞式发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种操作多缸内燃活塞式发动机的方法。具体地，本发明涉及用至少两种不同燃料操作这样的发动机。
背景技术
往复式活塞发动机是在固定式电厂中以及船舶中用于电气产品的已知功率源。还已知的是通过使用气体燃料来操作这样的发动机。对于使用燃气作为燃料的电厂来说，可能经常要将不同品质(具体来说具有不同热值)的燃气输往电厂。通常来说，为了提供可靠的发动机操作，发动机对燃料品质(也是就热值而言)有一定的要求。
燃气发动机(这里指的是使用气体燃料运行的活塞式发动机，尤其是船舶发动机)的安全和可靠的使用对于燃料供给系统来讲有着特殊要求，其中最重要的是在任何情况下发动机的意外关停都是无法接受的。因此，作为船舶发动机的燃气发动机在燃料供给系统中包括备用系统。典型地，气体燃料作为燃气发动机中的主要燃料混杂着空气被供给至发动机的燃烧室中。通过喷入非常少量的点火燃料而将气体燃料点燃，该点火燃料因现有条件而被点燃并且因此也点燃所述气体燃料。在此情况下，对于所述气体燃料而言，发动机根据奥托进程运转。为了防止上述提到的操作出现故障而影响发动机运转，可以为发动机配备仅使用液体燃料的备用燃料供给系统。在此情况下，存在从以燃气运行到以液体燃料运行的转换并且发动机是根据迪塞尔进程来运转的。
在US 2010170470A1中记载了一种用于发动机的燃料输送系统及其操作方法。该燃料输送系统包括用于将第一燃料输送至发动机缸的第一燃料喷射器、用于将第二燃料输送至发动机缸的第二燃料喷射器、布置于第一电势与第一和第二燃料喷射器中的每个之间的继电器系统、布置于第二电势与第一和第二燃料喷射器中的每个之间的电子驱动器系统、以及控制模块。该控制模块配置为在第一和第二位置之间切换继电器系统，以便分别选择第一和第二燃料中的一者。电子驱动器由控制模块关闭，以便将第一和第二燃料中选出的一者经由第一和第二燃料喷射器中的相应一者输往第一缸。在US 2010170470中，分别将用于输送第一燃料的燃料喷射器同时启动或停止，并将用于输送第二燃料的燃料喷射器同时启动或停止。因此，由于这样的设置，一些缺陷仍然存在，尤其是在可控制性和灵活性方面。
本发明的目的旨在提供一种多缸内燃发动机的操作方法，借助该方法在变换燃料期间，发动机的操作更加可靠。
发明内容
本发明的目标通过一种多缸活塞式发动机的操作方法而基本实现，该发动机包括第一燃料供给系统和第二燃料供给系统，在该方法中，将第二燃料引入到发动机中，并且通过燃烧至少两个缸中的所述第二燃料来操作该发动机；停止将第二燃料引入所述至少两个缸中的第一缸，随后开始将第一燃料引入第一缸；控制并设置第一缸中的第一燃料的燃烧进程的控制参数以达到燃烧的预定条件；并且将第一燃料引入所述至少两个缸中的第二缸中并使其在该第二缸中燃烧。
这样，每次都只在一个缸中发生燃烧燃料的这种转换而发动机的整体操作是稳定的。这样也使得能立即从柴油(液体燃料)燃烧直接转换到奥托(气体燃料)燃烧以最小化燃烧扰动。
燃烧进程的控制参数作为用于以第一缸中的第一燃料启动燃烧进程的燃烧进程初始控制参数，可被存储于发动机的控制系统中或者可用于发动机的控制系统。
根据本发明的一个实施方式，控制并设置第一缸中的第一燃料的燃烧进程的控制参数以达到燃烧的预定条件的步骤至少包括设置增压空气压力。
根据本发明的一个实施方式，还包括进一步的步骤，在该进一步的步骤中使用与第一缸中的第一燃料的燃烧相关地设置的控制参数来控制第二缸中的第一燃料的燃烧进程。因未知确切所需的气体量，所以快速调节第一转换缸，而后其他缸采用同样的气体量进行转换从而使得能平稳转换。
根据本发明的一个实施方式，第二燃料被引入发动机并且通过燃烧至少两个缸中的第二燃料来操作发动机；停止将第二燃料引入所述至少两个缸中的第一缸，随后开始将第一燃料引入第一缸；控制并设置第一缸中的第一燃料的燃烧进程以达到燃烧的预定条件；第一燃料被引入所述至少两个缸中的第二缸并使其在该第二缸中燃烧；使用与燃烧第一缸中的第一燃料相关地设置的控制参数来控制第二缸中的第一燃料的燃烧进程并且使用与第一缸相关地设置的控制参数来控制第二缸中的第一燃料的燃烧进程的起始阶段。有利的是，该起始阶段持续所使用的控制系统允许的最短时间，其在缸中仅为一次点火。具体地，因在气体交换阶段喷入气体燃料并且在工作阶段喷入液体燃料，所以在液体燃料点火之后但在随后的气体交换阶段之前即在用于喷射气体燃料的下一可能时窗之前对所使用的燃料进行选择。
根据本发明的一个实施方式，将第二燃料引入发动机，通过燃烧至少两个缸中的第二燃料来操作发动机；停止将第二燃料引入所述至少两个缸中的第一缸，随后开始将第一燃料引入第一缸；控制并设置第一缸中的第一燃料的燃烧进程的控制参数以达到燃烧的预定条件；将第一燃料引入所述至少两个缸中的第二缸并使其在该第二缸中燃烧；使用与燃烧第一缸中的第一燃料相关地设置的控制参数来控制第二缸中的第一燃料的燃烧进程并且使用与燃烧第一缸相关地设置的控制参数来控制在起始阶段发动机中所有其他缸中的第一燃料的燃烧进程。这样所有后续的燃料变化都在没有不适当的延迟的情况下进行。
根据本发明的一个实施方式，将液体燃料引入到发动机中，通过在至少两个缸中燃烧所述液体燃料来操作发动机；停止将该液体燃料引入所述至少两个缸中的第一缸，随后开始将气体燃料引入第一缸；控制第一缸中的气体燃料的燃烧进程以达到预定条件，并且将气体燃料引入所述至少两个缸中的第二缸并使其在该第二缸中燃烧。
根据本发明的一个实施方式，将气体燃料引入到发动机中，通过在至少两个缸中燃烧所述气体燃料来操作发动机；停止将该气体燃料引入所述至少两个缸中的第一缸，随后开始将液体燃料引入第一缸；控制第一缸中的液体燃料的燃烧进程以达到预定条件，并且将液体燃料引入所述至少两个缸中的第二缸并使其在该第二缸中燃烧。
附图说明
以下将参考所附例示性示意图对本发明进行说明，其中图1示出了用于包括根据本发明一个实施方式的控制系统的内燃活塞式发动机的燃料供给系统。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有所选数目的缸12、12′、12″的内燃发动机10。该发动机设有两个独立的燃料系统，第一燃料系统20和第二燃料系统30。在该实施方式中第一燃料系统是气体燃料系统，而第二燃料系统是液体燃料系统。
下面以非常概括的方式来描述燃料系统，仅示出了所涉及到的对于理解根据本发明的该实施方式的发动机的操作来说必要的部件。第一燃料系统20包括气体燃料源21，第一燃料供给管道22从该气体燃料源延伸到发动机10。该供给管道分支到分支管道23至发动机的各个缸12、12′、12″。每个分支管道23均设有专有供给控制单元24。相应地，第二燃料系统30包括液体燃料源31，第二燃料供给管道32从该液体燃料源延伸到发动机10。该供给管道30也分支到分支管道33至发动机的各个缸12、12′、12″。每个分支管道各自设有专有供给控制单元34。
发动机还配置有控制系统40，该控制系统40配置为控制发动机的操作并且特别地对控制单元的操作进行控制。
当发动机作为气体发动机操作或者说在燃气模式下操作时，第一燃料即气体燃料经由第一燃料系统20被引入发动机。发动机在正常条件下通过以被认为利用奥托循环的方式燃烧缸中的气体燃料来操作。所述气体燃料可以通过火花点火或者通过第二燃料系统或第三燃料系统(未示出)喷入到缸中的液体引燃燃料点燃。发动机还可以通过以被认为在此期间经由第二燃料系统20将燃料引入发动机中的方式来燃烧其缸中的液体燃料并利用迪塞尔循环即以柴油模式操作来进行操作。
根据本发明的一个实施方式，发动机可以以如下方式操作，当发动机运行时，燃料被引入发动机并且发动机的缸12、12′，12″中的至少一个缸通过燃烧该至少一个缸12″中的第一燃料(即气体燃料)来操作。在发动机操作期间，从发动机中获取表示所述缸12″中或者在以燃气模式操作的每个缸中的燃烧进程的情况的控制参数。可以以如下方式操作发动机，即：第一数量的缸通过燃烧气体燃料来操作，第二数量的缸通过燃烧液体燃料来操作，这可被称作燃料共享模式。因此在该发动机中可以根据需要选择到每个缸的燃料。例如选定数量的缸可以在燃气模式下运行而剩下的缸则在柴油模式下运行。从而通过缸的智能启动和控制能够针对不同的燃料进行性能优化。
在该方法中，从发动机获取的表示所述缸12″中的燃气模式燃烧进程的情况的控制参数被与它们各自的目标值进行对比，在获取的任何一个控制参数与其目标值之差大于预定差值时，停止将气体燃料引入所述缸并随后开始将液体燃料引入该缸，而发动机的其他缸中所使用的燃料的燃烧仍在持续，即在其他缸中如无必要不发生燃料转换。这样，根据本发明的一个实施方式，当以燃气模式操作时发动机的缸12″中的燃烧进程出现扰动时，只有故障缸12″转换到柴油模式。本文中无论是发生扰动或者是出现更严重的故障的缸均称之为故障缸。造成缸变换到柴油模式的扰动或者故障可以例如是重击、不点火、缸压力过高、排气温度高或者排气温度低。
根据本发明的另一个实施方式取代在燃料共享模式下操作发动机，发动机通过在发动机的所有缸中燃烧第一燃料来操作。还是在该实施方式中，从发动机中获取表示发动机的各个缸中的燃烧进程的情况的控制参数。这些控制参数由控制系统40获取或者可由控制系统40使用。通过控制系统40将这些控制参数与它们各自的目标值进行对比，在燃气模式下操作的任何一个缸中，在获取的任何一个控制参数和其目标值之差大于预定差值时，停止将气体燃料引入这样的扰动缸，并且随后开始将液体燃料引入该缸而在发动机的其他缸中气体燃料的燃烧仍然持续，即在其他缸中不发生燃料转换。因此，根据本发明的实施方式，在缸12″或所有在燃气模式下操作的缸中的燃烧进程出现扰动的情况下，只有故障缸12″被转换到柴油模式，即使所有的缸之前皆以燃气模式操作。
为了提供甚至更加灵活的操作，在发动机或该发动机的至少一个缸的操作期间，在燃气模式下，第二燃料供给系统维持在备用状态，当发生这样的扰动而触发故障缸中的燃料变化时，该备用状态允许待燃烧的燃料快速转换。为了获得期望的操作，发动机设有两个控制单元34、35，即位于供给管道32中的主控制单元35和位于每一个分支管道33中的次级控制单元34。所述主控制单元包括主柴油泵致动器。作为一个在特定类型的发动机中实现该目标的示例，将主柴油泵致动器保持在与发动机负载成比例的正确位置，各个泵利用一个或多个气动止挡缸保持在零位置。在一个缸发生故障的情况下，所述气动止挡缸失效而将该缸移向柴油模式。于是，对主柴油致动器位置的精确调节可以根据例如缸压来进行。
有利地，第二燃料供给系统即液体燃料系统的操作通过使用两个控制单元34、35来控制，使得主控制单元35持续维持在与发动机负载成比例的正确控制位置，尽管其不是实际被激活的、正在使用的燃料系统，次级控制单元34被设置为保持第二燃料系统关闭的操作。因此，如果第二燃料系统需要与工作的缸中的任何一个关联操作，则次级控制单元34将第二燃料系统设置为操作状态。并且，因为主控制系统具有用于立即动作的正确控制位置，所以转换是迅速可靠的。次级控制单元还是用于每个分支管道33的专用供给控制单元。
在燃气模式操作期间，控制并设置发动机的至少一个缸中的发动机燃烧进程的控制参数以达到燃烧的预定条件。这些控制参数被存储于发动机的控制系统40或者可用于发动机的控制系统40。在任何一个缸已经发生故障即如上面解释的已经存在燃料转化至液体燃料到柴油模式的情况下，一旦有需要或者期望则缸会往回转换到燃气模式。这些发生后，开始气体燃料的引入，只停止向之前有故障的缸引入液体燃料，上述提到的气体燃料燃烧进程的控制参数被用来控制所述缸中的气体燃料的燃烧进程。这样从一开始就可将正确控制参数应用于燃烧。
当通过液体燃料操作发动机并且期望操作转到燃气模式时，执行以下一系列步骤。还能构想该发动机也可以被操作以使得不同缸中的不同燃料同时燃烧，在该情况下液体燃料在发动机的执行这一系列步骤的至少两个缸中燃烧。
这样，液体燃料通过第二燃料系统20被引入发动机10，至少引入该发动机的、燃料燃烧所处的两个缸中。接着，当开始所述一系列步骤时，停止将第二燃料引入所述至少两个缸12、12″中的第一缸12，并且基本同时地或者最迟在缸的下一次循环，开始将气体燃料引入第一缸12。
第一缸12中的第一燃料的燃烧进程的控制参数被控制系统40控制并被设置为达到预定条件，所述预定条件存储于控制系统或者也可用于控制系统。随后气体燃料被引入所述至少两个缸中的第二缸12′并且在控制系统40的控制下在其中燃烧。因此，从第一燃料到第二燃料的燃烧燃料变换在一个缸中一次完成。这样每次只在一个缸中发生这样的转换而整体操作稳定。
为了在气体燃料被引入到所述至少两个缸中的第二缸12′时进一步改善发动机的操作以及其中的燃烧，使用与第一缸12中的燃烧相关地设置的控制参数来控制第二缸12′中的第一燃料的燃烧进程。这样，燃料的燃烧进程从一开始就以令人满意的方式被加以控制。
可使用与第一缸相关地设置的控制参数仅在预设的时间段对第二缸中的燃料燃烧进程的起始阶段进行控制。在该预设的时间段之后，对第二缸中的燃烧进程的控制可以单独进行控制，或者使得在限定和设置控制参数时将该燃烧进程考虑在内。特别地，因为在气体交换阶段气体燃料喷入而在工作阶段液体燃料喷入，因此在各个气体交换阶段之前即在喷入气体燃料之前对使用的燃料进行选择。
有利的是，使用与第一缸相关地设置的控制参数来控制发动机的所有其他缸中的第一燃料的燃烧进程。
因此，停止将气体燃料引入故障缸，并且随后开始将液体燃料引入故障缸并且操作发动机使得液体燃料被引入所述故障缸在柴油模式下操作，而发动机的其他缸仍然通过以燃气模式操作的气体燃料进行操作。
尽管在此通过示例的方式，结合目前被看作最优选实施方式的示例对本发明加以描述，但是应该了解本发明不限于这些公开的实施方式，而是旨在涵盖其特征的各种组合或变型，以及本发明范围内的由权利要求限定的若干其他应用。只要技术上可行的话，与以上任何实施方式相关地提到的细节皆可结合另外的实施方式来使用。

Claims (5)

1.一种操作多缸内燃活塞式发动机(10)的方法，该发动机包括第一燃料供给系统(20)和第二燃料供给系统(30)，在该方法中，在该发动机运行时：
(a)将第二燃料引入所述发动机中，并且通过在至少两个缸中燃烧所述第二燃料来操作所述发动机；
(b)停止将第二燃料引入所述至少两个缸中的第一缸，随后开始将第一燃料引入所述第一缸；
(c)控制并设置所述第一缸中的所述第一燃料的燃烧进程的控制参数以达到燃烧的预定条件；并且
(d)将所述第一燃料引入所述至少两个缸中的所述第二缸中并使其在该第二缸中燃烧，
其特征在于，使用在步骤(c)中与所述第一缸相关地设置的控制参数来控制步骤(d)中所述第二缸中的所述第一燃料的燃烧进程。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于进一步的步骤，在该进一步的步骤中，使用在步骤(c)中与所述第一缸相关地设置的控制参数来控制在所述第二缸中的所述第一燃料的燃烧进程的起始阶段。
3.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于进一步的步骤，在该进一步的步骤中，使用在步骤(c)中与所述第一缸相关地设置的控制参数来控制所述发动机的所有其他缸中的所述第一燃料的燃烧进程。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中将液体燃料引入所述发动机中，并且通过在至少两个缸中燃烧所述液体燃料来操作所述发动机；在步骤(b)中停止将液体燃料引入所述至少两个缸中的第一缸，随后开始将气体燃料引入所述第一缸；在步骤(c)中控制所述第一缸中的所述气体燃料的燃烧进程以达到预定条件；并且在步骤(d)中将气体燃料引入所述至少两个缸中的所述第二缸中并使其在所述第二缸中燃烧。
5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中将气体燃料引入所述发动机中，并且通过在至少两个缸中燃烧所述气体燃料来操作所述发动机；在步骤(b)中停止将所述气体燃料引入所述至少两个缸中的第一缸，随后开始将液体燃料引入所述第一缸；在步骤(c)中控制所述第一缸中的所述液体燃料的燃烧进程以达到预定条件；并且在步骤(d)中将液体燃料引入所述至少两个缸中的所述第二缸中并使其在该第二缸中燃烧。
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