CN104763540A - 操作内燃机的方法和用该方法操作的内燃机 - Google Patents

操作内燃机的方法和用该方法操作的内燃机 Download PDF

Info

Publication number
CN104763540A
CN104763540A CN201510003801.8A CN201510003801A CN104763540A CN 104763540 A CN104763540 A CN 104763540A CN 201510003801 A CN201510003801 A CN 201510003801A CN 104763540 A CN104763540 A CN 104763540A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel
combustion engine
internal
engine
egr
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510003801.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104763540B (zh
Inventor
安德斯·安德烈亚森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Original Assignee
MAN Diesel and Turbo Filial af MAN Diesel and Turbo SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MAN Diesel and Turbo Filial af MAN Diesel and Turbo SE filed Critical MAN Diesel and Turbo Filial af MAN Diesel and Turbo SE
Publication of CN104763540A publication Critical patent/CN104763540A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104763540B publication Critical patent/CN104763540B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/0602—Control of components of the fuel supply system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/0639—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels
    • F02D19/0642—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels at least one fuel being gaseous, the other fuels being gaseous or liquid at standard conditions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/0639—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels
    • F02D19/0649—Liquid fuels having different boiling temperatures, volatilities, densities, viscosities, cetane or octane numbers
    • F02D19/0652—Biofuels, e.g. plant oils
    • F02D19/0655—Biofuels, e.g. plant oils at least one fuel being an alcohol, e.g. ethanol
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0027—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures the fuel being gaseous
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/003—Adding fuel vapours, e.g. drawn from engine fuel reservoir
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/005—Controlling exhaust gas recirculation [EGR] according to engine operating conditions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/0065—Specific aspects of external EGR control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/3011—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Botany (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

一种内燃机，其使用废气再循环。发动机有些时间在具有第一排放标准的环境中运行，而其他时间在具有更严格的第二排放标准的另一环境中运行。当在具有所述第二排放标准的所述另一环境中运行时，发动机通过第一燃料或通过具有第二低热值的第二燃料运行，所述第二低热值低于第一燃料的第一低热值。发动机在通过所述第一燃料运行时以第一废气再循环程度运行，而在通过所述第二燃料运行时以更高的第二废气再循环程度运行。

Description

操作内燃机的方法和用该方法操作的内燃机
技术领域
本发明涉及一种操作内燃机的方法，所述内燃机具有多个气缸和至少一个燃料喷射器，所述多个气缸在各气缸内部具有往复式活塞和位于所述活塞上方的燃烧室，所述至少一个燃料喷射器在操作期间将燃料直接喷射到活塞上方的燃烧室中，所述内燃机通过废气再循环运行，并且所述内燃机有时通过废气在具有限制污染成分排放的第一排放标准的环境中运行，并且所述内燃机在其他时间通过废气在具有限制这些污染成分排放的更严格的第二排放标准的另一环境中运行。
背景技术
WO-A-2009/046713公开了一种用于控制混合燃料压缩点火发动机的方法和设备，藉此，发动机用的燃料由不同的成分混合而成以调节燃料质量以便由此调节点火时间。因此，公开了一种燃料混合单元。
EP-B-0459983和EP-B-0553364两者都公开了一种用于在柴油机中喷射燃料和水的混合物的设备，藉此，燃料和水以紧密的时间间隔交替地喷射以同时减少黑烟并减少NOx。
US2011/0288744涉及一种具有废气再循环管道和废气再循环阀的发动机和一种可操作多种燃料的燃料喷射系统。控制器控制操作以便降低燃料消耗率，并且同时发动机中的废气排放物和成分在阈值极限内操作。
总的来说，本发明的目的在于减少内燃机的废气中的NOx。内燃机的废气受到针对诸如NOx的各种污染成分含量的限制，并通常不期望排放颗粒物质(PM)或烟尘。
作为联合国的机构之一的国际海事组织(International MaritimeOrganization，IMO)已经设定了已知的I级、II级和III级排放标准限制，后者将在2016年进行强制执行，其中I级和II级排放标准全球有效，而III级排放标准仅应用于NOx排放管制区域(ECA)。II级和III级NOx排放标准对于新式发动机具有影响，而I级NOx要求适用于2000年之前安装的现有发动机。
因此，在全世界航行的诸如轮船的自推进式船舶将有时处于II级区域(即，应用II级的环境)，而是有处于应用III级的其它环境(ECA)，其中ECA大多数被限定用于海岸区域。
废气再循环(EGR)是一种已知的减小内燃机的NOx排放物的有效方法，其中在所述内燃机的每个气缸气缸内具有往复使活塞、位于活塞上方的燃烧室、以及在操作期间将燃料直接喷射到活塞上方的燃烧室中的至少一个燃料喷射器。
在内燃机操作期间，包括进入空气和再循环废气的混合物的气缸装料被吸入到燃烧室中，并且燃料喷雾以相对于发动机操作周期的适当的时序被喷射到燃烧室中，并且被喷射的燃料点燃并在燃烧室内形成燃烧区。进入空气包括氧气，而再循环废气没有氧气或具有低含量氧气。另一方面，与进入空气相比较，再循环废气含有相对大量的水蒸汽和二氧化碳。因此，与传统的没有废气再循环的进入空气相比较，气缸装料具有相对较低含量的氧气和相对较高含量的水蒸汽和二氧化碳，并且与其中纯进入空气用于气缸装料的情况相比较，低含量氧气和高含量水蒸汽和二氧化碳两者都是降低燃烧温度并且(由于大多数NOx经由热路径形成)因此减少燃烧区中的NOx的形成的因素。废气再循环已经显示出了能够将NOx排放物降低达到80％的潜在性。
然而，因为废气再循环增加了颗粒物质(PM)或烟尘的形成以及增加了一氧化碳的形成，因此这是不期望的，并且将对废气再循环的程度造成限制。
发明内容
本发明的目的是在需要额外减小NOx排放的环境中通过使用高度的废气再循环同时抑制过量烟尘颗粒的排放以进一步减少内燃机的NOx排放。
为了实现根据本发明以及如背景技术所提及的方法，其特征在于：
a)当在具有所述第一排放标准的环境中运行时，内燃机以具有第一低热值的第一燃料和第一废气再循环程度运行；以及
b)当在具有更严格的第二排放标准的另一环境中运行时，内燃机以具有第二低热值的第二燃料和第二废气再循环程度运行，其中所述第二低热值低于所述第一低热值，并且第二废气再循环程度高于第一废气再循环程度。
并且，对于给定的内燃机载荷，当内燃机通过第二燃料运行时，内燃机循环中的燃料喷射开始的时刻早于当内燃机通过第一燃料运行时的时刻。
当内燃机在具有第二排放标准的所述另一环境中运转时，第二燃料被喷射到气缸中，并且应用更高的第二程度的废气再循环。更高程度的废气再循环使得燃烧过程期间NOx的形成进一步减少，因此进一步符合由第二排放标准设定的NOx排放物的下限，同时由于针对给定的内燃机载荷喷射大量燃料的作用，因而能够起到有效抑制过量烟尘颗粒的排放的效果。
由重度废气再循环导致的烟尘的形成是因为燃烧区域缺少氧气，这限制了已形成的烟尘颗粒的再次氧化的可能性以及同样限制了从一氧化碳到二氧化碳的进一步氧化。通过使用具有相对较低热值的燃料，可以喷射大量燃料以实现指定的能量输出。大量燃料被喷射到位于燃烧室中的气缸装料中，并且当以高压进行燃料喷射时，更大量的燃料的喷射将导致燃烧室中的内容物的更有力的搅动，并且更大量的气缸装料将被带入到燃烧区域中。与喷射燃料的热值有关的更大量的喷射燃料因此导致气缸装料进入到实际燃烧区域中的增强的混合，并且这补偿了由于废气再循环程度的提高导致的气缸装料的低氧含量。
因此，燃烧实际所需的氧气的量将存在于燃烧区域中，并且将能够抑制或甚至避免烟尘的形成。此外，由于废气再循环程度的提高实现了对NOx的形成所要求的限制，藉此可以满足例如NOx排放管控区域(ECA)的限制。当内燃机在NOx排放管控区域外运转时，使用具有相对较高的低热值的第一燃料使得可以最小化燃料消耗率(以每单位内燃机产出所需的燃料重量计)，这也是一项重要的环境要求。
针对给定的内燃机载荷，与内燃机通过第一燃料运转相比，当内燃机通过第二燃料运转时，燃料喷射在内燃机循环中开始的时间更早。具有比第一燃料的热值更低的热值的第二燃料可以以大于第一燃料的量被喷射，并因此使得在燃烧室中释放相同的能量和燃烧效果，并且当使用第二燃料时，较早地开始燃料喷射能够允许通过与第一燃料喷射相同的燃料喷嘴几何形状喷射第二燃料，并且在内燃机循环期间依然能够获得相同的最大压力。这简化了内燃机气缸设计。气缸将也可以设有更多个喷射器，并且一个或多个喷射器可以在使用第二燃料时操作，或者各个喷射器可以具体实现为喷射喷嘴中的可调节的喷射区域。
优选地，第二燃料的第二低热值小于第一燃料的第一低热值的90％，并因此针对给定的内燃机载荷，随后喷射相对应的更大量的第二燃料。
在一个实施例中，第二燃料是混合物，其包括作为第一成分的第一燃料和至少一种其他成分，该至少一种其他成分具有比第一燃料的低热值更低的低热值。因此，可通过将至少一种其它成分混入到第一燃料流中来实现从第一燃料到第二燃料的改变。通过使用第一燃料作为第二燃料的一部分，还能够实现简化不同燃料类型的存储的优点。
在一个实施例中，第二燃料包括不可燃烧的成分。不可燃烧的成分可以是第二燃料中的所述至少一种其它成分。不可燃烧的成分具有等于零的低热值，并因此是一种用于可燃烧的第一成分的混合物的热值的非常有效的改性剂。
在一个实施例中，逐渐执行从第一燃料到第二燃料的改变。这允许通过将一种或多种其它成分逐渐地添加到第一燃料中以便提供第二燃料的混合物的方式实现向第二燃料的简单的转换。
在一个实施例中，第一燃料包括液体燃料，第二燃料包括从一个组中选出的燃料，所述组包括：：用水乳化的馏分燃料、用水乳化的残余燃料、乙醇、氨水、二甲醚、和它们的混合物。该实施例对于具有液体燃料喷射器的内燃机来说是有利的。
在另一个实施例中，第一燃料包括燃料气，而第二燃料包括从一个组中选出的气态燃料，所述组包括：具有低热值的蒸发气、合成气、混合有惰性气体的气体、和它们的混合物。该实施例对于具有基于气体喷射的燃料喷射器的内燃机、或对于具有首先喷射引燃燃料以进行点火然后喷射作为主燃料的气体的双燃料喷射器的内燃机来说是有利的。
根据所讨论的内燃机的规格来确定使用液体燃料或气体燃料。在使用液体燃料的情况下，乳化到可燃成分中的水构成第二燃料的不可燃烧的成分。在使用气体燃料的情况下，不参与燃烧的惰性气体(例如氮气)构成第二燃料的不可燃烧的成分。
在一种实施例中，内燃机是低速、两冲程十字头柴油机式内燃机。低速内燃机是在40到300rpm转速范围内、尤其在40-250rpm的区间转速内以100％内燃机载荷运行的内燃机。术语“柴油机式”应该被理解为包括根据柴油机循环进行工作的内燃机和可以例如基于柴油、重质燃油、诸如甲烷或天然气的气体燃料、或双燃料(即，自动点火引燃燃料和非自动点火主燃料)运行的内燃机。
在另一个实施例中，内燃机是一种中速、四冲程内燃机。中速内燃机是在300-1200rpm转速区间，尤其是在400-1000rpm转速区间内以100％的内燃机载荷运行的内燃机。
在一个实施例中，对于给定的内燃机载荷，与内燃机通过第一燃料运转时相比，当内燃机通过第二燃料运转时，在更大比例部分的内燃机循环期间执行燃料喷射。可以通过在内燃机循环的更大比例的部分期间喷射燃料来使用低热值的第二燃料和随后在每个内燃机循环中喷射所需要的更大量的燃料以实现相同的内燃机载荷，并因此当内燃机以恒定转数(rpm)运转时燃料喷射需要延长的时间段。可选地，喷射器可以设有更大的喷射面积，从而可以相对于曲柄角以与第一燃料的喷射轮廓相同的喷射轮廓喷射更大量的第二燃料。
进一步，本地陆地区域根据实际气象条件可能会遇到不同的NOx等排放标准。位于这种本地陆地区域中的内燃机将因此有时在具有第一排放标准的环境中运行，而在其他时间由于实际气象条件改变环境的标准的事实而在具有对于废气中的这种污染成分的可容许的排放的更严格的第二排放标准的另一环境中运行。由于在特定地理位置的环境变化而导致的排放标准的这种改变可能与作为船舶上的推进内燃机或辅助内燃机运转的内燃机相关，但可能甚至更与用作固定发电厂的原动机运转的内燃机有关，其中原动机经由由内燃机驱动的发电机将电力输送给电网。
附图说明
本发明的示例及其实施例将参照高度示意图在以下更详细地描述，其中：
图1在垂直剖视图中示出了内燃机中的气缸；
图2是图1的内燃机中的废气再循环的示例图；
图3示出了气缸中的燃烧室和燃料供给系统的实施例；
图4示出了作为废气再循环的函数的烟尘浓度图；以及
图5示出了混入空气如何依赖于喷射燃料的更低的热值。
具体实施方式
根据本发明的方法涉及两冲程式十字头柴油机类型的内燃发动机机，诸如由MAN Diesel & Turbo制造的示例型号为MC或ME型的发动机、或由制造的并且示例型号为X型、RT-fiex型或RTA型的发动机、或三菱重工制造的发动机。这类发动机是通常用作船舶中的主发动机或用作发电厂中的固定发动机的大型发动机。气缸例如可以具有在从25cm到120cm范围内的缸筒，并且发动机可以例如具有在从3000kW到120,000kW范围内的功率。这种发动机是低速发动机，且发动机速度在从40rpm到250rpm的范围内，或甚至高达300rpm。根据本发明的方法还涉及四冲程式柴油发动机，例如，由MAN Diesel & Turbo制造的发动机并且示例型号为32/44CR、48/60DF、51/60DF、V28-33D、或由制造的发动机并且示例型号为20至64、以及DF型，这些发动机具有例如在300rpm至1200rpm范围内的发动机转速。
在图1中，示出的被安装在气缸盖中、位于发动机气缸6的顶部的排气阀1处于打开位置，其中活塞处于下死点位置(BDC)，在该位置，气缸的下部中的扫气端口允许来自扫气接收器3的进入空气-或进入空气/气体混合物-以漩流运动的方式流入到气缸中并将燃烧气体产物(如黑色箭头所示)通过排气阀排出并推送进入废气接收器7中，从废气接收器开始，废气流动通过涡轮增压器2的涡轮部。涡轮增压器2的压缩机部抽吸进入空气(如白色箭头所示)并经由气体冷却器4和水雾捕集器5将被压缩的进入空气输送到扫气接收器3。
在下文中，相同的附图标记用于表示同样类型的细节，然而，为了便于说明，当涉及平行或并行布置或操作的细节时，一些附图标记可以用字母a和b加以识别。
发动机通过废气再循环(EGR)操作。在图2中显示了用于此的布局的示例。图中显示了两个涡轮增压器2a、2b，但是发动机也可以仅具有一个涡轮增压器，或具有两个以上，例如，三个、四个或五个涡轮增压器。涡轮增压器2a是辅助涡轮增压器，所述辅助涡轮增压器可以通过关闭两个控制阀13而退出操作，所述两个控制阀13中的一个定位在涡轮部上游的废气管道中，其中的另一个定位在压缩机部下游的进入空气管道中。涡轮增压器2b是基础涡轮增压器。辅助涡轮增压器能够在发动机载荷较高时进行操作，而在发动机载荷低较低时能够退出操作。
在所示的示例中，发动机具有六个气缸，并且每一个气缸将废气输送到废气接收器7。来自废气接收器的废气能够被供给到涡轮增压器2a、2b。来自废气接收器7的废气再循环管道10具有关闭阀8和可选择的第一净气器(scrubber)9，该净气器用于在废气被输送到位于控制阀13下游的进入空气管道之前从废气中清除不希望的成分。第二净气器11可以定位在气体冷却器4与用于从再循环废气清除不希望的成分的水雾捕集器5A之间。鼓风机17能够例如在低发动机载荷时将再循环废气输送到扫气接收器3。与鼓风机17相比具有更高性能的EGR鼓风机14能够将再循环废气从水雾捕集器5a经由控制阀18输送到位于气体冷却器4b下游的涡轮增压器2b的进入空气管道。再循环废气将接下来在进入扫气接收器3之前穿过水雾捕集器5a和水雾捕集器5b两者。
辅助鼓风机16连接到涡轮增压器2b的入口空气管道，并且辅助鼓风机16能够例如在发动机启动期间的非常低的发动机载荷下使用，其时，废气流量非常小而不能有效地供应涡轮增压器2。向扫气接收器进行供给的各个管道设有止回阀15。六个气缸由箭头所述从扫气接收器供应进入空气/气体。
废气再循环还能够以其它方式起作用，例如在辅助涡轮增压器2a与控制阀13以及鼓风机17一起已经被移除并且EGR鼓风机14在水雾捕集器5b下游的位置处连接到涡轮增压器2b的进入空气管道的布局中。
活塞19在发动机操作期间在各个气缸6内往复运动。如图3所示，一个或多个燃料喷射器22被定位在气缸上，例如安装在气缸盖上，以便将燃料直接喷射到位于活塞上方的气缸中的燃烧室20内。当控制装置24将燃料输送到喷射器时，燃料经由燃料供应管道23被输送到各个燃料喷射器。控制装置24经由信号线25与控制单元26进行电子通信。发动机可以具有单个控制单元或多个控制单元，例如，每个气缸都可以具有气缸控制单元，并且还可能具有一个或多个中央控制单元。燃料从燃料供给系统被输送到燃料喷射器22。这种输送能够以多种不同的方式进行。一种可能是以相对较低的压力(例如，介于在2至25巴范围内的供给压力)提供燃料，然后使用与各个喷射器相关联的高压燃料泵，以便在发动机循环中以期望时序以高压(例如，800巴)将燃料输送给喷射器。高压燃料泵可以是Bosh类型的，并且该高压燃料泵可以被液压致动或凸轮轴致动。另一种可能是以喷射所需的高压将燃料提供至共用轨道31，然后可以通过打开和关闭控制阀从所述共用轨道对各个喷射器进行供应。
供应到燃料喷射器22的燃料具有取决于内燃机当前正在运行的环境的成分。第一燃料源27存放具有第一热值的第一燃料。第二燃料源28存放具有低于第一燃料的第一热值的第二热值的第二燃料或燃料成分。混合单元29根据通过信号线30从控制单元26或等同的控制单元(例如用于控制燃料的成分的中央控制单元和用于控制各个气缸上的控制燃料喷射器的操作的其他本地控制单元)接收到的控制信号混合第一燃料和第二燃料。
第一燃料是具有第一热值的燃料。第二燃料是具有第二热值的燃料。该第二燃料可以作为与第一燃料完全无关的单独的燃料加以供应。然而，第二燃料也可以是混合物，其中第一燃料被用作第二燃料的成分混合物中的第一成分，其中所述第一成分与至少一种另一成分混合，所述至少一种另一成分具有比第一成分的热值低的热值。
所述另一成分可以是类似于水或惰性气体的不可燃烧的成分，并且在两者的情况下，这些不可燃烧的成分有助于降低第二燃料的较低的第二热值。第一燃料可以是具有40.9MJ/kg的低热值的重燃油，或具有42.9MJ/kg的低热值的中级燃油。混合有25％的水的中级燃油可以作为第二燃料加以供应，并且具有32.2MJ/kg的更低的热值。混合有40％的水的中级油可以作为第二燃料加以供应，并具有25.7MJ/kg的更低的热值。在基于气体运行的发动机的情况下，第一燃料可以是具有33MJ/kg低热值的丁醇，而第二燃料可以是具有19.5MJ/kg低热值的甲醇，或具有18.6MJ/kg低热值的丁醇与惰性气体(例如氮气)或氨水的混合物。
当内燃机在第一排放标准(例如，NOx排放量的最大极限为14.4g/kWh)的环境中运行时，发动机基于第一燃料和第一程度的废气再循环(例如25％再循环)运行。当发动机随后在具有第二排出标准(例如，NOx排放量的最大极限为3.4g/kWh)的环境中运行时，发动机基于第二燃料和第二程度的废气再循环(例如50％再循环)运行。高程度的废气再循环具有如下副面作用：在废气离开发动机之前，在燃烧室中的燃烧期间形成的烟尘不被再次清除。如果燃烧产物与含氧气体混合，则一氧化碳将与氧气反应，并且将形成二氧化碳，且烟尘被清除。
具有较低水平的低热值的第二燃料的喷射通过喷射更大量燃料来执行，以满足在给定发动机载荷下发动机对燃料的需求。燃料喷射被设置成在发动机的工作循环中的早期开始，使得有时间进行大量的喷射，并且还可以使用更大喷射喷嘴面积，例如可以针对每个气缸采用四个喷射器进行喷射，而不是通过三个喷射器进行喷射。如果燃料喷射例如被设置成在上死点(TDC)之前曲柄角为2°时开始喷射第一燃料，则例如设定成在上死点(TDC)之前曲柄角为5°时开始喷射第二燃料。因此，当内燃机以第二燃料运行时燃料喷射开始的时刻在发动机循环中早于当内燃机以第一燃料运行时燃料喷射开始的时刻。在之前给出的例子中，开始喷射第二燃料的时刻例如早于开始喷射第一燃料的时刻3°(TDC之前2°到5°，也就是提前了3°)，但是该提前的时间也可以具有其它值，例如比开始喷射第一燃料提前0.1°至15°范围内的值，并且优选地比开始喷射第一燃料提前1°至8°范围内的值。控制单元26可以为控制装置24提供喷射开始的信号。控制单元26从与曲轴相关联的旋转检测器接收关于发动机的曲轴的当前位置的信息，并且相对于TDC位置确定发动机循环中喷射开始的时间，例如，在TDC之前的4°或TDC之前的7°。
当发动机基于第二燃料操作时，也可以在发动机循环的较大比例部分的期间内执行燃料喷射的持续过程。燃料喷射的持续过程可以更长，这不仅可通过在所述循环中较早地开始燃料喷射实现，还可通过在发动机循环中较晚地结束燃料喷射来实现，例如，当内燃机以第二燃料操作时，其在所述循环中比当内燃机以第一燃料操作时晚3°的曲柄角。
图4中示出了作为废气再循环程度的函数的烟尘的形成。由实线所示的曲线A显示了当废气再循环超过40％时烟尘浓度是如何能够增加的。虚线所示的曲线B显示了通过使用喷射第二燃料(该第二燃料的喷射体积大于第一燃料的喷射体积)对所产生的烟尘浓度的影响。第二燃料的体积越大并且质量越大，则通过燃料喷射使得燃烧室中的内容物的搅拌程度就越高。喷射的燃料夹带着来自燃烧区域外部的空气并将此空气带入到燃烧区域中，并因此还将空气中所含有的氧气送入燃烧区域中，其中在所述燃烧区域中，氧气发生反应以清除烟尘。所喷射的燃料具有可以用(kJ)表示的一定的内能。为了使发动机在特定的发动机载荷下运行，具有特定内能的燃料必须被喷射到燃烧室中。作为第二燃料的以MJ/kg表示的低热值的函数的每喷射一次的燃料内能KJ被夹带(吸入)至燃烧区域中的空气的质量在图5中由曲线C被示出。可以看到，当第二燃料的低热值降低时，空气的质量增加。
当燃料存储在诸如燃料存储罐的燃料源中时，可以基于一个或更多个参数的测量值来计算第二燃料的低热值(LCV，Lower Calorific Value)。通过以这种方式获得低热值的测量值，该测量值可以被存储在控制单元中并自动用于内燃机的控制。可以用已知的各种方法测量大量不同的参数以用于计算燃料的低热值。还可以测量发动机的一个或多个运行参数，并且使用这些信息确定被混合到第二燃料中的燃料成分的设定。这种运行参数可以例如涉及至少一个气缸内部的贯穿整个循环的压力变化的测量值。作为替换方案，可以使用低热值并且可以将低热值手动设定给内燃机的控制系统。
通过与喷射燃料的热值有关的更大量的喷射燃料，增加的废气再循环过程中的燃烧条件被改善，这是因为实现了进入实际燃烧区域中气缸装料的混合度提高，并且这补偿了由增加的废气再循环程度导致的气缸装料的较低的氧气含量。
上述各种实施例的细节可以合并到在专利权利要求的保护范围内的进一步的实施例中。

Claims (12)

1.一种操作内燃机的方法，所述内燃机具有多个气缸和至少一个燃料喷射器，所述多个气缸的每个气缸内部具有往复式活塞和位于所述活塞上方的燃烧室，所述至少一个燃料喷射器在操作期间将燃料直接喷射到活塞上方的燃烧室中，所述内燃机通过废气再循环操作，并且所述内燃机在有些时间内在具有限制废气的污染成分的排放的第一排放标准的环境中运行，并且所述内燃机在其他时间内在具有限制废气的所述污染成分的排放的更严格的第二排放标准的另一环境中运行，其特征在于：
a)当在具有所述第一排放标准的环境中运行时，内燃机以具有第一低热值的第一燃料和第一废气再循环程度运行；以及
b)当在具有所述更严格的第二排放标准的另一环境中运行时，内燃机以具有第二低热值的第二燃料和第二废气再循环程度运行，其中所述第二低热值低于所述第一低热值，并且第二废气再循环程度高于第一废气再循环程度；
并且，对于给定的内燃机载荷，当内燃机通过第二燃料运行时，内燃机循环中的燃料喷射开始的时刻早于当内燃机通过第一燃料运行时的时刻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二燃料的第二低热值小于所述第一燃料的第一低热值的90％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二燃料是混合物，该混合物包括作为第一成分的第一燃料和至少一种其他成分，该至少一种其他成分具有比第一燃料的低热值更低的低热值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二燃料包括不可燃烧的成分。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在内燃机的运行期间逐渐地执行从第一燃料到第二燃料的改变。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，第一燃料包括液体燃料，并且第二燃料包括从一个组中选出的燃料，所述组包括：用水乳化的馏分燃料、用水乳化的残余燃料、乙醇、氨水、二甲醚和它们的混合物。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，第一燃料包括燃料气，第二燃料包括从一个组中选出的气态燃料，所述组包括：具有低热值的蒸发气、合成气、混合有惰性气体的气体和它们的混合物。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述内燃机是低速、两冲程十字头柴油机式内燃机。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述内燃机是中速、四冲程内燃机。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，针对给定的内燃机载荷，与当内燃机通过第一燃料运行时相比，当内燃机通过第二燃料运行时，燃料喷射在更大比例部分的内燃机循环期间被执行。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述内燃机是位于特定地面位置的固定内燃机，并且所述内燃机有些时间在具有第一排放标准的环境中运行，而在其他时间，由于当前气象条件而在具有更严格的第二排放标准的所述另一环境中运行。
12.一种内燃机，所述内燃机具有：
多个气缸，所述多个气缸具有位于每个气缸内部的往复式活塞和位于活塞上方的燃烧室；
至少一个燃料喷射器，所述至少一个燃料喷射器在操作期间将燃料直接喷射到活塞上方的燃烧室中；
至少一个涡轮增压器；
废气再循环管道；
控制阀；以及
废气再循环鼓风机，其用于将再循环废气输送到所述内燃机的进入空气管道，
其特征在于：
所述内燃机的控制单元被配置成根据权利要求1-11中任一项所述的方法控制所述内燃机。
CN201510003801.8A 2014-01-06 2015-01-05 操作内燃机的方法和用该方法操作的内燃机 Active CN104763540B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DK201470003A DK178072B1 (en) 2014-01-06 2014-01-06 A method of operating an internal combustion engine
DKPA201470003 2014-01-06

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104763540A true CN104763540A (zh) 2015-07-08
CN104763540B CN104763540B (zh) 2017-10-13

Family

ID=52997741

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510003801.8A Active CN104763540B (zh) 2014-01-06 2015-01-05 操作内燃机的方法和用该方法操作的内燃机

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP6100290B2 (zh)
KR (1) KR101780693B1 (zh)
CN (1) CN104763540B (zh)
DK (1) DK178072B1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111779580A (zh) * 2019-04-04 2020-10-16 现代自动车株式会社 用于控制机动车辆的排气排放的控制系统和方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3081790A1 (en) * 2015-02-20 2016-10-19 Winterthur Gas & Diesel Ltd. Dual-fuel marine combustion engine with exhaust gas recirculation for suppressing pre-ignition
DK179645B1 (en) * 2017-06-15 2019-03-08 MAN Energy Solutions Internal combustion engine
DK179683B1 (en) * 2017-09-04 2019-03-20 MAN Energy Solutions A LARGE TWO-STROKE COMPRESSION-IGNITED INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH DUAL FUEL SYSTEMS
KR102610736B1 (ko) 2018-10-31 2023-12-07 현대자동차주식회사 연료 및 물 분사시스템 및 그 제어방법
DK181454B1 (en) * 2022-03-04 2024-01-26 Man Energy Solutions Filial Af Man Energy Solutions Se Tyskland A large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine with a system for reducing nitrous oxide emissions and a method for reducing nitrous oxide emissions of such an engine
DK181315B1 (en) * 2022-04-22 2023-08-09 Man Energy Solutions Filial Af Man Energy Solutions Se Tyskland A large turbocharged two-stroke uniflow crosshead compression ignition internal combustion engine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1576531A (zh) * 2003-07-08 2005-02-09 日产自动车株式会社 用于内燃发动机的燃烧控制设备
US20070289582A1 (en) * 2006-06-16 2007-12-20 Mahle International Gmbh Exhaust gas recirculation apparatus for an internal combustion engine and the respective operating method
US20110288744A1 (en) * 2008-05-28 2011-11-24 Gokhale Manoj Prakesh Multi-fuel control system and method
CN102341589A (zh) * 2009-03-18 2012-02-01 曼恩柴油机涡轮公司,曼恩柴油机涡轮德国公司子公司 带有排气或者燃烧气体再循环的大型涡轮增压二冲程柴油发动机和用于减少NOx和碳烟排放的方法
CN103256127A (zh) * 2012-02-16 2013-08-21 曼卡车和巴士股份公司 用于运行自点燃式内燃机的方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3900034B2 (ja) * 2002-07-29 2007-04-04 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
US7121254B2 (en) * 2005-02-17 2006-10-17 General Motors Corporation Compression-ignited IC engine and method of operation
US20110010074A1 (en) * 2009-07-09 2011-01-13 Visteon Global Technologies, Inc. Methods Of Controlling An Internal Combustion Engine Including Multiple Fuels And Multiple Injectors
JP2012102631A (ja) * 2010-11-08 2012-05-31 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 内燃機関の燃料噴射装置
JP5819753B2 (ja) * 2012-03-06 2015-11-24 三井造船株式会社 電気推進船
DK177700B1 (en) * 2012-04-19 2014-03-24 Man Diesel & Turbo Deutschland A large slow running turbocharged two stroke internal combustion engine with crossheads and exhaust- or combustion gas recirculation
JP5949183B2 (ja) * 2012-06-06 2016-07-06 株式会社Ihi ２ストロークユニフローエンジン
JP5654084B2 (ja) * 2013-05-17 2015-01-14 ヤンマー株式会社 船舶における排気ガス浄化システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1576531A (zh) * 2003-07-08 2005-02-09 日产自动车株式会社 用于内燃发动机的燃烧控制设备
US20070289582A1 (en) * 2006-06-16 2007-12-20 Mahle International Gmbh Exhaust gas recirculation apparatus for an internal combustion engine and the respective operating method
US20110288744A1 (en) * 2008-05-28 2011-11-24 Gokhale Manoj Prakesh Multi-fuel control system and method
CN102341589A (zh) * 2009-03-18 2012-02-01 曼恩柴油机涡轮公司,曼恩柴油机涡轮德国公司子公司 带有排气或者燃烧气体再循环的大型涡轮增压二冲程柴油发动机和用于减少NOx和碳烟排放的方法
CN103256127A (zh) * 2012-02-16 2013-08-21 曼卡车和巴士股份公司 用于运行自点燃式内燃机的方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111779580A (zh) * 2019-04-04 2020-10-16 现代自动车株式会社 用于控制机动车辆的排气排放的控制系统和方法
CN111779580B (zh) * 2019-04-04 2023-01-20 现代自动车株式会社 用于控制机动车辆的排气排放的控制系统和方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150082127A (ko) 2015-07-15
KR101780693B1 (ko) 2017-09-21
JP2015145670A (ja) 2015-08-13
CN104763540B (zh) 2017-10-13
DK178072B1 (en) 2015-04-27
JP6100290B2 (ja) 2017-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104763540A (zh) 操作内燃机的方法和用该方法操作的内燃机
Chybowski et al. An overview of systems supplying water into the combustion chamber of diesel engines to decrease the amount of nitrogen oxides in exhaust gas
KR101063175B1 (ko) 내연 기관으로부터 질소산화물의 방출물을 저감시키는 배기가스 재순환 방법 및 장치
CN100404809C (zh) 具有低充入空气氧浓度水平和高燃料喷射压力的低排放柴油机内燃烧系统及方法
CN104334858B (zh) 使用基于水的混合物作为燃料的内燃发动机及操作其的方法
CN102251897A (zh) 内燃机多燃料预混合燃烧系统
CN106499531A (zh) 一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷内燃机及控制方法
JP7183369B2 (ja) アンモニアで動作する圧縮着火内燃機関及び改造キット
CN103256127A (zh) 用于运行自点燃式内燃机的方法
CN102341589A (zh) 带有排气或者燃烧气体再循环的大型涡轮增压二冲程柴油发动机和用于减少NOx和碳烟排放的方法
CN105673199A (zh) 带egr的进气掺氢富氧汽油发动机及燃烧的控制方法
CN105114174A (zh) 基于egr系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机及控制方法
CN105114193A (zh) 一种甲醇/柴油双燃料柴油机燃油供给方法
CN104454190B (zh) 一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧及控制装置
CN109404123A (zh) 一种氢气缸内直喷转子机及其控制方法
JP2022107648A (ja) 二元燃料大型ディーゼルエンジンの動作方法および二元燃料大型ディーゼルエンジン
CN103348110A (zh) 充分膨胀内燃发动机
CN111305977A (zh) 一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机
JP7558635B2 (ja) 大型ディーゼルエンジンの運転方法及び大型ディーゼルエンジン
RU2446294C2 (ru) Система питания двигателя внутреннего сгорания и способ ее работы
CN107061064A (zh) 一种基于混合气稀释的当量燃烧系统及其控制方法
CN207554189U (zh) 一种混合燃烧的双燃料发动机
CN102996223A (zh) 柴油机预混合燃烧系统
CN101672226A (zh) 一种清洁多燃料内燃机
CN205154394U (zh) 基于egr系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
EXSB Decision made by sipo to initiate substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant