CN105637192A - 操作内燃发动机的方法 - Google Patents

Abstract

操作涡轮增压内燃发动机(1)的方法，所述发动机包括用于发动机(1)冷却液体的冷却液体回路(13)，在该方法中：在涡轮增压器(6)处对增压空气进行加压；利用增压空气冷却器(10)冷却被加压的增压空气；设有配置给所述冷却液体回路(13)的至少两个润滑油冷却器(14a，14b)，使得一个润滑油冷却器(14a)连接至相对于所述增压空气冷却器(10)而言的上游位置，并且一个润滑油冷却器(14b)连接至相对于所述增压空气冷却器(10)而言的下游位置，通过控制所述润滑油冷却器(14a，14b)的热交换功率，将所述增压空气冷却器(10)之后的增压空气的温度保持为高于相应的露点(Td)，并且将润滑油的温度保持在操作范围(Tlo)之内。

Description

操作内燃发动机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于操作增压内燃发动机的方法，该发动机包括用于发动机冷却液体的冷却液体回路，在该方法中，

在涡轮增压器处对增压空气进行加压；

利用增压空气冷却器冷却被加压的增压空气；

限定增压空气冷却器的下游的被加压的增压空气的露点；以及

通过控制输送到增压空气冷却器中的冷却液体的温度，将离开增压空气冷却器的增压空气的温度调节成高于露点；

利用润滑油冷却器冷却处于润滑油回路中的用于发动机润滑的润滑油。

背景技术

在增压内燃活塞发动机中，增压空气的压力至少在一个级中被压缩机增大。在压缩机之后，被加压的增压空气一般被增压空气冷却器冷却。如果增压空气压力、温度和湿度处在一特定水平，则增压空气中的水蒸气冷凝成水。冷凝(水滴、水雾)可能会对发动机部件(例如，涡轮增压压缩机叶轮(在2级涡轮增压中)、增压空气接收器、进口通道和进口阀)造成腐蚀和侵蚀。如果吸入空气的湿度高，那么尤其在增压空气系统的高压侧，冷凝的量可能会很高。露点是水蒸气冷凝为液态水的温度。

对于二级涡轮增压发动机来说，增压压力很高，并且增压空气的温度也很高。这导致冷却水系统的设计和控制面临挑战。增压空气冷却的需求相对于单级涡轮增压发动机来说更高。燃烧空气或接收空气，或本文所说的增压空气，其温度必须保持较低以避免某些型号的发动机发生爆震。特别在干燥的工况下更需要冷增压空气。因此，潮湿的工况增加了发生爆震的可能，且因此在潮湿的工况下允许更高的接收空气温度。润滑油温度也必须被保持在发动机安全操作的限制之内。

从现有技术已知，文献WO2001/073512公开了一种操作涡轮增压活塞发动机的方法，所述发动机包括用于低温冷却液体的低温冷却回路、用于高温冷却液体的高温冷却回路以及连接到所述低温冷却回路的增压空气冷却器。在该方法中，增压空气至少在一个级中被加压，被加压的增压空气借助于输送有低温冷却液体的增压空气冷却器而被冷却，限定增压空气冷却器的下游的被加压的增压空气的露点，并且通过控制输送到增压空气冷却器的低温冷却液体的温度，将离开增压空气冷却器的增压空气的温度调节成高于所述露点。通过向低温冷却液体加入高温冷却液体来控制低温冷却液体的温度。

发明内容

本发明的目的是进一步改进对涡轮增压发动机(尤其是两级涡轮增压发动机)中增压空气的控制。

本发明包括一种方法，其中，设有配置给冷却液体回路的至少两个润滑油冷却器，使得一个润滑油冷却器连接至相对于增压空气冷却器而言的上游位置，并且一个润滑油冷却器连接至相对于增压空气冷却器而言的下游位置，通过控制所述润滑油冷却器的热交换功率，将所述增压空气冷却器之后的增压空气的温度保持为高于相应的露点，并且将润滑油的温度保持在操作范围之内。

可以从本发明的方法中得到显然的益处。可以减少增压空气系统中的冷凝量，进而可以减少发动机部件的腐蚀和侵蚀。而且，还改进了发动机润滑油和冷却液体的可控制性，更加易于确保返回的润滑油的温度处于最优范围之内。在说明书中使用术语过量的热来描述导致相关介质的温度升高成高于目标或需求温度范围的热或热功率的量。

附图说明

将在下文中通过参考附图来描述本发明，附图中：

图1示出了本活塞发动机的总体示意图，

图2示出了本活塞发动机示意图的实施方式，

图3示出了本活塞发动机示意图的另一个实施方式，

图4至图13示出了相对于彼此来布置润滑油回路和冷却液体回路的不同的可选方案。

具体实施方式

图1是活塞发动机1的示意图。该实施方式中的发动机1包括一个涡轮增压压缩机6。发动机1是包括多个气缸3的往复式内燃发动机。发动机可以用作例如船舶和电厂中的主发动机和辅助发动机。操作该涡轮增压内燃发动机1(该发动机包括用于发动机1冷却液体的冷却液体回路13)的方法如下：

在涡轮增压器6处对进气通道2中的增压空气进行加压；

利用增压空气冷却器10冷却被加压的增压空气；

限定增压空气冷却器10的下游的被加压的增压空气的露点Td；以及

通过控制输送到增压空气冷却器10中的冷却液体的温度，将离开增压空气冷却器10的增压空气的温度调节成高于露点Td；

利用润滑油冷却器14a、14b冷却润滑油回路15中的用于发动机润滑的润滑油；

设有配置给冷却液体回路13的至少两个润滑油冷却器14a、14b，使得一个润滑油冷却器14a连接至相对于增压空气冷却器11而言的上游位置，并且一个润滑油冷却器14b连接至相对于增压空气冷却器10而言的下游位置，通过控制所述润滑油冷却器14a、14b的热交换功率，将所述增压空气冷却器10之后的增压空气的温度保持为高于相应的露点Td，并且将润滑油的温度保持在操作范围Tlo之内。冷却液体被引导而通过散热器18(如果需要的话)以从冷却液体去除过量的热，然后再将冷却液体返回到回路13中。在图1到图3中，没有示出润滑油在润滑油回路15中的循环方向，这是因为可以根据图4到图13中示出了更多细节的不同的可选方案来进行布置。润滑油温度的操作范围TIo指的是发动机入口的润滑油温度，其在图中仅作示意。

增压空气的露点Td(或图2和图3中的Td1、Td2)可以基于增压空气压力、温度和湿度的测量而被限定。实践中可采用很多选择，但在本申请中不予详细解释。

在图2中，示出了本发明的实施方式，其中：

在第一级利用低压涡轮增压器6对增压空气进行加压；

利用低压增压空气冷却器11冷却在第一级被加压的增压空气；

限定低压增压空气冷却器11的下游的被加压的增压空气的第一露点Td1；以及

通过控制输送到低压增压空气冷却器11的冷却液体的温度，将离开低压增压空气冷却器11的增压空气的温度调节成高于第一露点Td1；

在第二级利用高压涡轮增压器9对增压空气进行加压；

利用高压增压空气冷却器12冷却在第二级被加压的增压空气；

限定高压增压空气冷却器12的下游的被加压的增压空气的第二露点Td2；以及

通过控制输送到高压增压空气冷却器12的冷却液体的温度，将离开高压增压空气冷却器12的增压空气的温度调节成高于第二露点Td2；

设有配置给冷却液体回路13的至少两个润滑油冷却器14a、14b，使得一个润滑油冷却器14a设置在相对于高压增压空气冷却器12而言的上游位置，并且一个润滑油冷却器14b设置在相对于低压增压空气冷却器11而言的下游位置，通过控制所述润滑油冷却器14a、14b的热交换功率，将所述低压增压空气冷却器11和所述高压增压空气冷却器12之后的增压空气的温度保持为高于相应的露点Td1、Td2，并且将润滑油的温度保持在操作范围Tlo之内。这样，通过使用将相关温度保持在安全和操作良好范围内的手段，使得发动机能够安全操作。热交换功率指的是在热交换器中热输送的功率或速率，因此，基本是指每单位时间输送的热的量。

图1和图2的实施方式示出了这样一种配置，在这种配置中，润滑油的过量的热，或更准确地说，热交换功率，在所述润滑油冷却器14a、14b之间进行分割。实现了这一点之后，例如，就可以通过调节经过旁通通道14a1、14b1的润滑油的流量而使得润滑油冷却器14a、14b中的至少一个的热交换功率是可控的。经过旁通通道14a1、14b1或者经过热交换器14a、14b的流量的调节可以通过连接至所述旁通通道的阀或者通过管线与热交换器和旁通通道的交叉来实现。当润滑油流过旁通通道时，流经热交换器的流量减小。这导致从一个回路输送到另一个回路的热的量减少，因此流体的入口温度和出口温度彼此更加接近，因此，那个特定的被旁通(或部分旁通)的热交换器中的热交换功率变小。因此，例如，如果与旁通通道14a1连接的阀打开，则热交换器14a接收到的润滑油变少，因此热交换功率变小。总之，可以为热交换器的主回路或次级回路设置旁通通道。这意味着，旁通通道可以位于润滑油冷却器14a、14b的冷却液体回路13或者润滑油回路15，以控制所述润滑油冷却器的热交换功率。

图3中示出了又一个实施方式，其大部分特征都与图2的实施方式相同。但是，低压增压空气冷却器11被分为两级，级一111和级二112。这使得可以在三种流体(增压空气、润滑油和冷却液体)之间对热交换功率或热输送进行更加精确的调节。

润滑油冷却器14a、14b可被配置成至少三种基本模式的可选方案，这些可选方案可以基于初始增压空气属性来选择，一种可选方案用于冷增压空气，一种可选方案用于热干增压空气，并且一种可选方案用于热湿增压空气。基本上，这可以通过图1、图2和图3的实施方式来实现，但图3的实施方式提供了更先进的工具来执行任务。在下文中，将更加详细地解释三种取决于环境空气属性的配置。

用于冷增压空气的模式包括这样一种配置，在这种配置中，润滑油冷却器14b在冷却液体回路13中处于低压增压空气冷却器11、112的下游的位置，并且在这种配置中，润滑油的过量的热被输送到冷却液体。

用于热干增压空气的模式包括这样一种配置，在这种配置中，润滑油冷却器14b在冷却液体回路13中处于低压增压空气冷却器11的级二112的下游的位置，其中，润滑油的大部分过量的热的被输送到冷却液体，大部分过量的低压增压空气热在低压增压空气冷却器的级一111被输送到冷却液体回路。

用于热湿增压空气的模式包括这样一种配置，在这种配置中，一个润滑油冷却器14b在冷却液体回路13中处于低压增压空气冷却器的级二112的下游的位置，其中，润滑油的大部分过量的热被输送到冷却液体并且润滑油的小部分过量的热被输送到第二润滑油冷却器14a处的冷却液体，所述第二润滑油冷却器14a在高压增压空气冷却器12的上游的位置处连接在冷却液体回路13中，大部分低压增压空气过量的热在低压增压空气冷却器的级一111被输送到冷却液体回路13。

在图4到图13中，示意性地示出了配置润滑油冷却器14a、14b；旁通通道14a1、14a2、14b1、14b2；增压空气冷却器10；发动机1；冷却液体回路13和润滑油回路15的多个实施方式。在此，将它们简化标记为：

图4：润滑油旁通通道14a1、14b1用于润滑油冷却器14a、14b；

图5：冷却液体旁通通道14a2、14b2用于润滑油冷却器14a、14b；

图6：润滑油旁通通道14a1用于润滑油冷却器14a，并且冷却液体旁通通道14b2用于润滑油冷却器14b；

图7：冷却液体旁通通道14a2用于润滑油冷却器14，并且润滑油旁通通道14b1用于润滑油冷却器14b；

在图8到图13中，润滑油的循环方向与图4到图7中的相反：

图8：润滑油旁通通道14a1用于润滑油冷却器14a；

图9：润滑油旁通通道14a1、14b1用于润滑油冷却器14a、14b；

图10：冷却液体旁通通道14a2用于润滑油冷却器14a；

图11：冷却液体旁通通道14a2、14b2用于润滑油冷却器14a、14b；

图12：润滑油旁通通道14a1用于润滑油冷却器14a，并且冷却液体旁通通道14b2用于润滑油冷却器14b；

图13：冷却液体旁通通道14a2用于润滑油冷却器14a，并且润滑油旁通通道14b1用于润滑油冷却器14b。

所示出的实施方式在可控制性上基本相同，但是其更多地取决于其他因素以及发动机/电厂布局或设计，以及在实践中最具有吸引力的选择方案。

为了先进的可控性的目的，有优势地，热交换器可以合理地具有超尺寸，从而使旁通通道能够被有效地使用。如果热交换器刚好在容量限制范围内，则可能会造成旁通通道的效果下降。

对于本领域技术人员显而易见的是，本发明以及其实施方式不仅限于以上记载的实施方式示例。表示存在特性的表述方式，例如“发动机包括冷却液体回路”，不是限制性的，因此，对某些特性的说明不排除其他未在独立权利要求或从属权利要求中所示出的其他特性，也不是这些特性的先决条件。

图中的附图标记：

1发动机

2入口通道

3气缸

4排气通道

6涡轮增压器，低压涡轮增压器(压缩机)

9高压涡轮增压器(压缩机)

10增压空气冷却器

11低压增压空气冷却器

111低压增压空气冷却器的级一

112低压增压空气冷却器的级二

Td1第一露点

12高压增压空气冷却器

Td2第二露点

13冷却液体回路

14a润滑油冷却器

14a1润滑油冷却器旁路(油)

14a2润滑油冷却器旁路(冷却液体)

14b润滑油冷却器

14b1润滑油冷却器旁路(油)

14b2润滑油冷却器旁路(冷却液体)

15润滑油回路

18热交换器，散热器

Claims (11)

1.一种操作涡轮增压内燃发动机(1)的方法，所述发动机包括用于发动机(1)冷却液体的冷却液体回路(13)，在该方法中：

在涡轮增压器(6)处对增压空气进行加压；

利用增压空气冷却器(10)冷却被加压的增压空气；

限定所述增压空气冷却器(10)的下游的被加压的增压空气的露点(Td)；以及

通过控制输送到所述增压空气冷却器(10)中的冷却液体的温度，将离开所述增压空气冷却器(10)的增压空气的温度调节成高于所述露点(Td)；

利用润滑油冷却器(14a，14b)冷却处于润滑油回路(15)中的用于发动机润滑的润滑油，其特征在于，

设有配置给所述冷却液体回路(13)的至少两个润滑油冷却器(14a，14b)，使得一个润滑油冷却器(14a)连接至相对于所述增压空气冷却器(11)而言的上游位置，并且一个润滑油冷却器(14b)连接至相对于所述增压空气冷却器(10)而言的下游位置，通过控制所述润滑油冷却器(14a，14b)的热交换功率，将所述增压空气冷却器(10)之后的增压空气的温度保持为高于相应的露点(Td)，并且将润滑油的温度保持在操作范围(Tlo)之内。

2.如权利要求1所述的方法，其中，

在第一级利用低压涡轮增压器(6)来对增压空气进行加压；

利用低压增压空气冷却器(11，111，112)冷却在所述第一级被加压的增压空气；

限定所述低压增压空气冷却器(11，111，112)的下游的被加压的增压空气的第一露点(Td1)；以及

通过控制输送到所述低压增压空气冷却器(11，111，112)的冷却液体的温度，将离开所述低压增压空气冷却器(11，111，112)的增压空气的温度调节成高于所述第一露点；

在第二级利用高压涡轮增压器(9)来对增压空气进行加压；

利用高压增压空气冷却器(12)冷却在所述第二级被加压的增压空气；

限定所述高压增压空气冷却器(12)的下游的被加压的增压空气的第二露点(Td2)；以及

通过控制输送到所述高压增压空气冷却器(12)的冷却液体的温度，将离开所述高压增压空气冷却器(12)的增压空气的温度调节成高于所述第二露点(Td2)；

设有配置给所述冷却液体回路(13)的至少两个润滑油冷却器(14a，14b)，使得一个润滑油冷却器(14a)连接至相对于所述高压增压空气冷却器(12)而言的上游位置，并且一个润滑油冷却器(14b)连接至相对于所述低压增压空气冷却器(11，111，112)而言的下游位置，通过控制所述润滑油冷却器(14a，14b)的热交换功率，将所述低压增压空气冷却器(11，111，112)之后的以及所述高压增压空气冷却器(12)之后的增压空气的温度保持为高于相应的露点(Td1，Td2)，并且将润滑油的温度保持在操作范围(Tlo)之内。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热交换功率在所述润滑油冷却器(14a，14b)之间被分割。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过调节经过旁通通道(14a1，14b1)的润滑油的流量，所述润滑油冷却器(14a，14b)中的至少一个润滑油冷却器的热交换功率是可控的。

5.如权利要求1至3所述的方法，其特征在于，通过调节经过旁通通道(14a2，14b2)的冷却液体的流量，所述润滑油冷却器(14a，14b)中的至少一个润滑油冷却器的热交换功率是可控的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述润滑油冷却器(14a，14b)能被配置成至少三种基本的可选方案，所述至少三种基本的可选方案能基于初始增压空气属性而被选择，一种可选方案用于冷增压空气，一种可选方案用于热干增压空气，而另一种可选方案用于热湿增压空气。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，用于冷增压空气的所述可选方案包括这样一种配置，在这种配置中，所述润滑油冷却器(14b)在所述冷却液体回路(13)中处于所述低压增压空气冷却器(11，112)的下游的位置处，并且，润滑油的过量的热被输送到冷却液体。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述低压增压空气冷却器被分成两级。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，用于热干增压空气的所述可选方案包括这样一种配置，在这种配置中，所述润滑油冷却器(14b)在所述冷却液体回路(13)中处于低压增压空气冷却器(11)的级二(112)的下游的位置处，其中，润滑油的大部分过量的热被输送到冷却液体，大部分过量的低压增压空气热在低压增压空气冷却器的级一(111)被输送到所述冷却液体回路。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，用于热湿增压空气的所述可选方案包括这样一种配置，在这种配置中，一个润滑油冷却器(14b)在所述冷却液体回路(13)中处于低压增压空气冷却器的级二(112)的下游的位置处，其中，润滑油的大部分过量的热被输送到冷却液体，并且润滑油的小部分过量的热被输送到第二润滑油冷却器(14a)处的冷却液体，所述第二润滑油冷却器在所述冷却液体回路(13)中连接在高压增压空气冷却器(12)的上游的位置处，大部分低压增压空气过量的热在低压增压空气冷却器的级一(111)被输送到所述冷却液体回路(13)。

11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，增压空气的露点(Td，Td1，Td2)基于增压空气压力、温度和湿度的测量而被限定。