CN106968776A - 用于运行发动机的方法和控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于运行设计为气体发动机或双燃料发动机的发动机的方法，其包括多个气缸（2），其中，为了燃烧来自气体燃料和空气的气体/空气混合物，气体/空气混合物在气缸（2）中使用点火流体点火，其中，根据要遵循的废气排放规定，气体发动机或双燃料发动机或者在具有气体/空气混合物扩散燃烧的第一运行模式中运行或者在具有气体/空气混合物均质燃烧的第二运行模式中运行。

Description

用于运行发动机的方法和控制装置
技术领域
本发明涉及用于运行发动机的一种方法和用于实施所述方法的控制装置。
背景技术
所谓的双燃料发动机从拖拉机中已知，其中一方面在液体燃料运行模式中，液体燃料（例如柴油）可以被燃烧，另一方面在气体燃料运行模式中，气体燃料（例如天然气）可以被燃烧。此外，已知作为主要能量载体的气体发动机燃烧气体燃料。下文中，气体燃料以简化形式被描述为“气体”。在双燃料发动机的气体燃料运行模式中和在气体发动机情况下，气体/空气混合物通常被引入发动机的气缸并通过将点火能量引入气缸被点火。在此情况下，点火能量可以（例如但不排他地）以电能的形式或以点火流体的形式被引入气缸。点火流体可以是点火油或柴油燃料。此外，根据扩散燃烧原理运行的气体燃烧方法是已知的。通过这些燃烧方法，没有气体/空气混合物而是纯空气（柴油发动机就是如此）被引入气缸。燃烧气体随后在高压下被喷射进入少量已经过热的点火流体，因此过热并扩散燃烧。由于扩散燃烧方法不会爆震（在最终气体范围内不受控制的反应），相对于可实现的发动机输出的甲烷数是无关紧要的。
对于运行双燃料发动机和气体发动机，越来越多地必须要保持更加严格的废气排放规定。特别地，这也适用于应用在船只上作为驱动单元的双燃料发动机和气体发动机。相应地，已知靠近海岸比在远海上适用于更加严格的排放规定。在航运中适用更加严格的排放规定的这些区域也被描述为排放控制区域（ECAs）。位于排放控制区域之外的区域也被称为非排放控制区域（NECAs）。为了能够特别地在所谓的排放控制区域保持严格的排放规定，船只上越来越多地需要昂贵的废气后处理装置。
因此需要用于运行发动机的方法和用于实施所述方法的控制装置，借助于所述方法和控制装置，即使没有昂贵和复杂的废气后处理，也可以保持可适用的排放规定。
发明内容
由此出发，本发明基于产生用于运行发动机的新型方法和控制装置的目标。
此目标通过根据权利要求1的方法实现。根据本发明并根据要保持的废气排放规定，内燃发动机被实施为往复式活塞发动机，或者在具有气体扩散燃烧的第一运行模式中运行，或者在具有气体/空气混合物预混燃烧的第二运行模式中运行。通过本发明，第一次提出根据要保持的废气排放规定，或者在具有气体扩散燃烧的第一运行模式中或者可替代地在具有气体/空气混合物预混燃烧的第二运行模式中运行内燃发动机，所述内燃发动机以气体（存储在容器中的液体或气体）作为主要能量载体运行。
特别地当必须要保持严格的排放规定时，发动机在具有气体/空气混合物预混稀燃燃烧的第二运行模式中运行，从而特别减少氮氧化物的排放。
特别地当必须要保持较不严格的废气排放限制值时，特别在所谓的非排放控制区域，发动机在具有气体扩散燃烧的第一运行模式中运行，从而以尽可能高的效率运行发动机而不受爆震的限制。
在发动机的第一运行模式中，在气体的扩散燃烧期间，点火流体在每个气缸的每个工作冲程中被引入每个气缸，所述点火流体在热气缸充气（空气、残余气体和（如果适用的）AGR）上过热，气体燃料随后被引入此过热点火流体量。优选地，在第一运行模式中的气体扩散燃烧的情况下，点火流体在相应气缸的点火上止点之前被引入相应气缸，随后，气体燃料在点火上止点之前和部分地在相应气缸的点火上止点之后被引入相应气缸。特别地也在气体量波动时，这种具有气体扩散燃烧的该第一运行模式允许气体类似于柴油机原理高效燃烧，而没有爆震趋势。然而会引起相对高的废气排放，特别是高氮氧化物排放，从而当适用较不严格的废气排放限制值时，特别在所谓的非排放控制区域，应用这种运行模式。
在具有气体/空气混合物预混燃烧的发动机第二运行模式中，气体燃料在每个气缸的工作循环首先被引入每个气缸，随后排放流体被引入相应气缸。优选地在具有气体/空气混合物均质燃烧的第二运行模式中，点火流体在相应气缸的点火上止点之前被引入，在此之前，优选地在进气冲程期间，气体燃料被引入相应气缸。这种具有气体/空气混合物预混稀燃燃烧的运行模式允许遵循更加严格的排放规定，从而在所谓的排放控制区域中优选地使用。特别地，使用气体/空气混合物均质燃烧，氮氧化物的排放相比于扩散燃烧可以被大大降低。
根据本发明的有利其他扩展，在具有气体/空气混合物预混燃烧的第二运行模式中，气体在每种情况下以两个阶段在点火流体之前被引入相应气缸，即在第一阶段（优选地在相应气缸的进气冲程期间）为了使增压空气和气体最优地均质化，在第二阶段（优选地在相应气缸的压缩冲程期间）为了在点火喷流周围区域的局部富集，因此保证快速过热，还保证在最终气体范围（稀燃外范围（leaned out range））内的低爆震趋势。优选地，引入气体/空气混合物的第二阶段在引入点火油之前的5°曲柄角和引入点火油之前的80°曲柄角之间。优选地，在第二阶段中引入的气体/空气混合物量是在第一阶段中引入的气体/空气混合物量的3%到20%之间。这种用于气体/空气混合物预混燃烧的第二运行模式的其他扩展特别有利于遵循严格的废气排放规定和影响爆震行为。通过将气体/空气混合物在每种情况下以两个阶段在点火流体之前引入，可以提高气体/空气混合物的燃烧效率，并可以减少在此运行模式中的爆震趋势。此种运行策略因此是部分均质运行模式。
用于实施所述方法的控制装置在权利要求12中限定。
附图说明
本发明的优选其他扩展由从属权利要求和下述描述中获得。本发明的典型实施例借助于附图更加详细地说明但不限制于此。附图示出：
图1：根据所述方法运行的发动机的方框图；
图2：说明根据本发明用于运行发动机的方法的第一示意图；
图3：进一步说明根据本发明用于运行发动机的方法的第二示意图；和
图4：进一步说明根据本发明用于运行发动机的方法的第三示意图。
具体实施方式
在图1中，发动机的组件被示出，其中图1示出此种发动机的气缸2。气缸2包括气缸盖3。在气缸2中，被连杆5引导的活塞4上下移动。在气缸盖3中，燃料喷射器6被附接，液体燃料特别是柴油燃料可以经由燃料管路7通过燃料喷射器从压力发生单元8直接喷射到气缸2的燃烧室9。在此情况下压力的发生优先通过发动机机械驱动。燃料喷射器6、燃料管路7和压力发生单元8是燃料供应装置的元件，所述燃料供应装置用于将液体燃料提供进入气缸2的燃烧室9。为了燃烧，增压空气10可以经由入口阀门17被额外引入双燃料发动机的相应气缸2，其中在燃料燃烧过程中产生的废气15可以经由排放阀门18从气缸2排出。
此外，气缸2的燃烧室9包括将气体直接喷射进燃烧室的高压气体喷射器，经由气体供应管路21供应气体。
在发动机的气缸2的（部分）均质气体运行模式中，点火流体用于点火气体/空气混合物。
图1中所示的气缸2的点火流体喷射器13是发动机点火流体喷射系统的部分，其中点火流体喷射系统包括用于发动机的每个气缸2的各个气缸点火流体喷射器13。点火流体喷射器13能优选地经由从点火流体喷射系统的共同点火流体储存器22出发的点火流体管路14供应点火流体，其中点火流体储存器22被分配点火流体输送泵16，所述点火流体输送泵向点火流体储存器22供应点火流体。点火流体输送泵16优选地是机械运行的高压泵。点火流体输送泵16在此情况下被分配进气节流阀19。
原则上，对于此发动机构思还可以想到的是，此外，另一柴油喷射器被布置在燃烧室内（例如还用于重质燃料油），借助于所述另一柴油喷射器，发动机可以被运行为纯柴油发动机。
如上文已经解释过的，图1示出了设计为双燃料发动机的发动机的气缸2。所述发动机可以在液体燃料运行模式和气体燃料运行模式中运行，其中本发明涉及此种双燃料发动机的气体燃料运行模式。
然而，本发明不限制于在双燃料发动机中使用。相反，本发明还可以被应用于气体发动机，其中排他地，气体燃料和空气的气体/空气混合物利用点火流体在发动机气缸中被点火和燃烧。相应地，本发明可以在气体燃料运行模式中应用于双燃料发动机，并也应用在气体发动机中。
本发明提出在气体燃料运行模式中运行双燃料发动机和运行气体发动机，使得根据要遵循的废气排放规定，发动机或者在具有气体/空气混合物的扩散燃烧的第一运行模式中运行，或者在具有气体/空气混合物的均质燃烧的第二运行模式中运行。特别地当必须要遵循相对严格的废气排放规定时，特别地在所谓的排放控制区域中，发动机在具有气体/空气混合物的均质燃烧的第二运行模式中运行。特别地当适用相比而言相对低的废气排放规定时，发动机在具有气体/空气混合物的扩散燃烧的第一运行模式中运行。由于此，可以在气体燃料运行模式中运行双燃料发动机和运行气体发动机，使之保持可适用的废气排放规定，具有高效率，而无需昂贵和复杂的废气后处理。
用于气体/空气混合物燃烧的两种运行模式的细节在下文中参考图2到4被描述，根据要遵循的废气排放规定选择运行气体发动机或在气体燃料运行模式中运行双燃料发动机，其中在图2到4中，在相应气缸中的气体/空气混合物和排放流体的引入对于根据本发明要运行的发动机的气缸的工作冲程在每种情况下被示出。
图2示出了在气体的扩散燃烧期间在气体燃料运行模式中的内燃发动机第一运行模式的细节。在第一运行模式中，点火流体23在第一运行模式的每个工作冲程中被首先引入每个气缸中，随后气体燃料被引入相应气缸。
图2示出，在气体的扩散燃烧期间在第一运行模式中，点火流体在相应气缸2的上止点（也称为点火上止点）前被完全引入气缸2，其中在点火流体引入之后，气体在点火上止点之前和部分地在所述气缸的点火上止点之后被引入相应气缸2，并在已经燃烧的点火流体上过热，因此气体扩散燃烧。类似柴油的燃烧可以因此保证高效率，而没有要运行的发动机的爆震趋势，然而其中相对高的污染物排放形成，从而这种第一运行模式特别地当必须要遵循较不严格的废气排放限制值时被使用，特别地在所谓的非排放控制区域。
用于气体发动机或者在具有气体/空气混合物的预混燃烧的气体燃料运行模式中的双燃料发动机的第二运行模式在图3和4中被示出，其中根据图3和4，在第二运行模式中，点火流体26在相应气缸的点火上止点前被引入相应气缸，然而气体25在点火流体26之前（即在相应气缸2的负荷变化上止点之后）被引入相应气缸2。
在图3的型式中，在第二运行模式中，气体25以单个阶段（即部分地在相应气缸2的下止点之前）被引入气缸2，在负荷变化上止点之后且在点火流体的引入之前，并部分地在相应气缸2的此下止点之后。在此下止点之前，气体25在第二运行模式中相应气缸2的进气冲程中被引入，压缩冲程在此下止点之后出现。
特别优选地，在具有气体25的预混燃烧的第二运行模式中，气体25在每种情况下以两个阶段25a、25b在点火流体26之前被引入相应气缸。
根据图4，气体25的两个阶段的引入以这样的方式发生：在第一阶段25a中，气体在气缸的下止点之前被引入，所述下止点位于相应气缸的负荷变化上止点和点火上止点之间，而在第二阶段25b中，气体在此下止点之后和在点火流体26被引入相应气缸2之前被引入。气体引入的第二阶段25b完全位于下止点和点火流体的引入（即压缩冲程）之间，所述下止点位于负荷变化上止点和点火上止点之间。在第一阶段25b之前完成的气体引入的第一阶段25a在图4中完全位于负荷变化上止点和下止点之间，所述下止点完全位于负荷变化上止点和点火上止点之间（即在进气冲程中）。如果适用，第二阶段25a也延伸越过此下止点是可能的。根据图4，特别地当在具有气体/空气混合物的预混燃烧的第二运行模式中时，气体25在两个阶段25a、25b中被引入相应气缸，气体/空气混合物的预混燃烧以最优的效率、减少的爆震趋势和低废气排放发生，从而此运行模式特别优选地用于在所谓的排放控制区域保持严格的排放规定。
气体25引入的第二阶段25b位于第一阶段25a之后，并位于引入点火流体26之前的5°曲柄角和80°曲柄角之间。优选地，此气体25引入的该第二阶段25b位于引入点火流体之前的5°曲柄角和60°曲柄角之间。在第二阶段25b中引入的气体质量是在第一阶段25a中引入的气体质量的3%到20%之间，优选地在3%到15%之间。
第一运行模式和第二运行模式之间的转变优选地根据船只的位置数据自动发生，相应发动机在所述船只上运行，其中基于优选地通过GPS系统提供的位置数据，自动地判定船只位于非排放控制区域还是排放控制区域，其中然后根据此自动地选择发动机的运行模式，即在非排放控制区域选择第一运行模式，在排放控制区域选择第二运行模式。然而与此不同，也可以允许在两种运行模式之间的人工转变或改变。
在用于气体/空气混合物的预混燃烧的第二运行模式中，具有过量空气或者lambda值大于1的稀燃气体/空气混合物优选地被使用。
借助于本发明，在气体燃料运行模式中以最优的效率、低爆震趋势同时保持可应用的废气排放规定（即无需昂贵和复杂的废气后处理方法或者废气后处理装置）来运行发动机是可能的。本发明优选地应用于在船只上运行的发动机。
此外，本发明涉及用于自动实施所述方法的控制装置。控制装置包括用于实施所述方法的器件。这些包括硬件器件例如用于与涉及实施所述方法的组件进行数据交换的数据接口、用于数据存储的存储器和用于数据处理的处理器，以及软件器件例如程序模块。

Claims (12)

1.一种用于运行发动机的方法，所述发动机设计为气体发动机或双燃料发动机，所述发动机包括多个气缸（2），其中，为了燃烧来自气体燃料和空气的气体/空气混合物，气体/空气混合物在气缸（2）中使用点火流体点火，其特征在于：根据要遵循的废气排放规定，气体发动机或双燃料发动机或者在具有气体/空气混合物扩散燃烧的第一运行模式中运行或者在具有气体/空气混合物均质燃烧的第二运行模式中运行。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
在相对低的废气排放规定时触发的第一运行模式中，为了气体/空气混合物在每个气缸（2）区域中在每个气缸的工作冲程中扩散燃烧，首先将点火流体引入相应气缸（2），在此之后是气体/空气混合物的气体燃料和空气，
在相对严格的废气排放规定触发的第二运行模式中，为了气体/空气混合物在每个气缸（2）区域中在每个气缸的工作冲程中均质燃烧，首先将气体/空气混合物的气体燃料和空气引入相应气缸（2），在此之后是点火流体。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在用于气体/空气混合物的扩散燃烧的第一运行模式中，点火流体在相应气缸（2）的点火上止点之前被引入，在此之后，气体/空气混合物的气体燃料和空气部分地在相应气缸（2）的点火上止点之前和部分地在相应气缸（2）的点火上止点之后被引入相应气缸。
4.如权利要求1到3中任何一项所述的方法，其特征在于：在用于气体/空气混合物的均质燃烧的第二运行模式中，点火流体在相应气缸（2）的点火上止点之前和在气体/空气混合物的气体燃料和空气之前被引入，所述气体/空气混合物的气体燃料和空气在相应气缸（2）的负荷变化上止点之后被引入相应气缸。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：在具有气体/空气混合物的均质燃烧的第二运行模式中，气体/空气混合物在每种情况下以两个阶段在点火流体之前被引入相应气缸，即：在第一阶段，至少部分地在相应气缸（2）的下止点之前，在第二阶段，完全在相应气缸（2）的下止点之后。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：引入气体/空气混合物的第二阶段在引入点火流体之前的5°曲柄角和引入点火流体之前的80°曲柄角之间。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：引入气体/空气混合物的第二阶段在引入点火流体之前的5°曲柄角和引入点火流体之前的60°曲柄角之间。
8.如权利要求4到7中任何一项所述的方法，其特征在于：在第二阶段中引入的气体/空气混合物量达到在第一阶段中引入的气体/空气混合物量的3%到20%之间。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：在第二阶段中引入的气体/空气混合物量达到在第一阶段中引入的气体/空气混合物量的3%到15%之间。
10.如权利要求1到9中任何一项所述的方法，其特征在于：在用于气体/空气混合物的扩散燃烧的第一运行模式和用于气体/空气混合物的均质燃烧的第二运行模式之间的切换自动实现。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：尤其是当发动机是船只的发动机时，在第一运行模式和第二运行模式之间的自动切换根据船只的位置信号执行。
12.一种发动机控制装置，其特征在于：用于实施根据权利要求1到11中任何一项所述的方法的器件。
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