CN107061028A - 一种船用低速发动机变热力循环模式运行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用低速气体发动机，当船舶在排放控制区外航行时，发动机在迪塞尔循环下使用燃油或燃气工作；船舶在排放控制区内航行时，发动机在奥托循环下使用燃气工作，实现低温均质稀薄燃烧降低排放，达到国际海事组织第三阶段排放标准。本发明采用多种技术的组合实现变热力循环模式和燃烧优化：通过电控系统调整燃气喷射及排气定时；通过燃气喷射阀结构或布置的改变实现燃料均质预混合；通过可变气门等技术降低压缩比防止爆震；通过可变喷嘴环或废气旁通技术调节空燃比实现稀薄燃烧；通过适当降低发动机低排放模式的额定功率防止爆震。本发明使发动机同时具备现有高、低压气体燃料发动机的优势。

Description

一种船用低速发动机变热力循环模式运行的方法

技术领域

本发明涉及一种船用低速气体(含双燃料)发动机运行机理。更具体地说，涉及基于可变热力循环，使发动机同时具备迪塞尔和奥托循环发动机的优势，属内燃机燃烧组织和排放控制领域。

背景技术

目前世界上仅有两种低速气体发动机，即丹麦曼恩公司(MAN Diesel&Turbo)高压气体发动机(即采用高压天然气缸内直喷技术、迪塞尔循环的发动机，ME-GI系列)和瑞士Winterthur Gas&Diesel低压气体发动机(即采用低压天然气奥托循环的发动机，Flex系列)。其中，曼恩公司的高压气体发动机燃气工作压力大于30MPa，采用迪塞尔循环，具有功率密度高、燃油经济性好、工作可靠、动态性能好的优点，但它不能直接满足国际海事组织(IMO Tier III)氮氧化物排放标准。而Winterthur公司低压低速双燃料发动机燃气工作压力约1.6MPa，采用奥托循环，可实现均质低温稀薄燃烧，直接达到Tier III排放标准，但它由于爆震的限制，存在功率下降、燃油消耗大、动态性能差、对燃气质量要求高的缺点。

远洋船舶大量时间在公海航行，需要保证较低的油耗以提高经济性，需要好的动态响应以保证恶劣海况下的航行安全，这时高压双燃料发动机非常有优势。而船舶在排放控制区内航行的时间较短，可适当牺牲些经济性换来排放的提高。高压气体发动机技术相对成熟，除了排放性能处于劣势外，其他方面都有优势。因此，我们试图在高压低速气体发动机的基础上改进其排放性能。

在传统的柴油机中，NOx主要生成在气缸的高温区，燃烧温度及持续时间是影响氮氧化物形成的最主要因素。平均燃烧温度的降低会影响循环的热效率增加油耗，不能过度降低温度。研究表明，柴油机着火高温点虽然只燃烧了10％左右的燃料，却可能释放80％的氮氧化物。因此防止局部高温点的产生，是降低排放的有效手段。均质燃烧技术(HCCI)已在奥托循环的低压气体发动机上得到了成功的应用。但在迪塞尔循环为基础的高压气体发动机上要实现低温均质燃烧尚无先例，这需要突破高压气体发动机无法实现均质稀薄燃烧的固有思维。

气体及双燃料发动机已普遍使用电子控制系统，可以实现各种复杂的控制模式，灵活地改变各种控制参数，已具备实现可变热力循环的硬件基础。可在保持迪塞尔循环模式原有设计不变的情况下，增加奥托循环模式，并可比照低压气体发动机技术方案，设法在保持原发动机设计参数尽可能少改变以及尽可能少增加部件的情况下，实现奥托循环的低温均质稀薄燃烧。在不使用废气再循环技术和不增加后处理设备的情况下，达到IMO TierIII标准，并且可有效控制制造和使用成本。

低速气体发动机空间限制少，控制系统和燃气单元模块化设计，使高低压气体发动机技术集成成为可能。HCCI在低压气体发动上得以成功应用的经验和技术同样可用于变热力循环气体发动机。由于可节省尾气后处理装置的高昂投资，可变热力循环技术在经济上可行。

发明内容

本发明提供一种在船用低速高压气体燃料发动机上，采用可变热力循环，实现低温均质稀薄燃烧，降低氮氧化物排放的方法。同时还保留了原有高压气体发动机功率密度高、燃油经济性好、工作可靠、动态性能好的优点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种船用低速发动机变热力循环模式运行的方法，改进在于，一个发动机分别在如下模式运行：

船舶在排放控制区外航行时，发动机在迪塞尔循环下使用燃油或燃气工作；

当船舶在排放控制区内航行时，发动机在奥托循环下使用燃气工作。

其中，发动机迪塞尔循环与奥托循环的转换方式：以船用低速高压气体发动机(即采用高压天然气缸内直喷技术、迪塞尔循环的发动机，如MAN Diesel&Turbo公司ME-GI系列发动机)为基础，通过燃气喷射和点火正时的控制，分别实现具有等压吸热过程的迪塞尔循环以及等容吸热过程的奥托循环。

由迪塞尔循环转换为奥托循环的控制方式为：增加燃气喷射阀喷射提前角，将燃料在发动机上死点前进气门关闭后喷入气缸并和空气预混合；点火时刻在发动机上死点前，燃气在上死点附近快速燃烧实现等容放热过程。

由奥托循环转换为迪塞尔循环的控制方式为：减小燃气喷射提前角，将燃料在发动机上死点附近喷入气缸并引燃，燃气在上死点后实现等压放热过程。

优选方式下，发动机在奥托循环模式下采用均质稀薄燃烧技术组合降低发动机排放。为防止爆震，通过可变气门技术降低压缩比，和/或通过可变喷嘴环技术或废气旁通方法调节空燃比实现稀薄燃烧防止爆震；和/或通过加湿技术控制燃烧速率；和/或适当限制发动机低排放模式的额定功率。

一种优选方式下，为实现燃气预混合，在气缸盖上设有奥托循环用燃气喷射阀。迪塞尔循环时，燃气通过燃气喷射阀喷射在气缸顶部区域。在奥托循环时，将燃气喷射时间提前至上死点前120度至35度曲柄转角且在排气阀关闭后，燃气通过燃气喷射阀喷射至气缸底部。增加气流的贯穿度和涡流比，使燃气能够在气缸内均布，并利用活塞压缩过程形成的涡流进一步达到均质混合。

另一优选方式下，为实现燃气预混合，在气缸套扫气口处设有奥托循环用燃气喷射阀。迪塞尔循环时，燃气通过燃气喷射阀喷射在气缸顶部区域。在奥托循环时，将燃气喷射时间提前至扫气口关闭前，燃气通过燃气喷射阀喷射至气缸底部，并随扫气空气而布满气缸。利用活塞压缩过程形成的涡流进一步达到均质混合。

为防止爆震，发动机工作在奥托循环下的条件为：额定功率在迪塞尔循环额定功率的60-100％；延迟所述排气阀关闭时间，降低压缩比至小于等于20；采用可变喷嘴环增压器(例如MAN公司VTA系列增压器)或废气旁通阀门，使得过量空气系数在1.5-3倍。

此外，本发明的进一步改进在于，在奥托循环下，为增加点火能量在发动机缸盖上设置预燃室或选配带有预燃室的微引燃油喷射系统，预燃室内有高浓度燃气(较其他区域浓度高)。或者在奥托循环下，采用分层喷射技术，在引燃油喷射阀或火花塞周围形成高浓度燃气区，以保证充分快速引燃。

本发明有益效果为：发动机电子喷射控制系统硬件具备实现可变热力循环的控制潜力，可在成本变化不大的情况下实现变循环控制。通过多循环模式的采用，在尽可能少改变发动机迪塞尔循环设计参数和尽可能少更换发动机部件的情况下，通过优化奥托循环运行参数、燃烧组织、燃烧速度，实现均质低温燃烧。使发动机同时具备高低压发动机的优点，既能保证发动机的可靠性和经济性，又能降低排放值，以致达到国际海事组织第三阶段(Tier III)排放标准，满足船舶在不同航区的应用需求。

本发明将两种工作模式集中在一台发动机上。远洋船舶大量时间在公海航行，需要保证较低的油耗以提高经济性，需要好的动态响应以保证恶劣海况下的航行安全，这时高压双燃料发动机非常有优势。而船舶在航行控制区内航行的时间较短，可适当牺牲些经济性换来排放的提高。高压气体发动机技术相对成熟，除了排放性能处于劣势外，其他方面都有优势。而且低压二冲程气体发动机的动态性能很难在短时间内证明可满足恶劣海况要求。因此，本发明在高压气体发动机的基础上改进其排放性能，有非常重要的应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是发动机可变热力循环示意图。

图2是现有技术ME-GI原设计原理结构示意图。

图3是本发明可变循环船用低速气体发动机燃烧装置第一种实施例原理结构示意图。

图4是本发明可变循环船用低速气体发动机燃烧装置第二种实施例原理结构示意图。

图5是发动机可变循环控制系统示意图。

具体实施方式

本发明提供一种船用发动机变热力循环模式运行的方法，基于发动机电子喷射控制系统，实现两种或以上的热力循环。在保持高压气体发动机迪塞尔循环模式原有设计不变的情况下，增加奥托循环模式。并能通过技术组合实现低温均质稀薄燃烧降低排放，使发动机同时具备高、低压气体发动机的优势。具体为：

如图1所示，当船舶在排放控制区外航行时，发动机可在迪塞尔(图1，1-2-3-4)或循环(1-2-3-4-6-7)下工作，实现扩散燃烧，具有热效率高、功率密度高、动态性能好的特点。

船舶在排放控制区内航行时，发动机在奥托(图1，1-5-3-4)或循环(1-5-3-4-6-7)下工作，实现低温稀薄均质燃烧，降低排放，以致达到国际海事组织第三阶段(Tier III)排放标准。

图1为可变循环模式示意图，分别为：迪塞尔循环(1-2-3-4)、奥托循环(1-5-3-4)、米勒循环(1-2-3-4-6-7或1-5-3-4-6-7)。

本发明可用于设计新型具有可变热力循环的船用低速气体发动机，或用于现有成熟的高压双燃料发动机的降低排放改造。现有技术的高压气体或双燃料发动机的迪塞尔循环下的工作性能已非常可靠，无需实质性改进。本发明以现有技术的高压气体发动机为基础，进行改进，以便实现奥托循环，及在奥托循环下实现低温均质燃烧，降低排放，这是本技术能得以应用的基本条件。本发明重点需要解决：可变热力循环控制方式、均质预混合气形成、防止爆燃、快速均匀点燃、控制燃烧速度。由于德国MAN公司的ME-GI发动机是目前世界上唯一应用的船用低速高压气体发动机，下面结合该机改进补充说明。

图1所示的热力循环图中，当ME-GI发动机使用油类燃料时，发动机工作在迪塞尔循环下(1-2-3-4)。当使用天然气燃料时，发动机仍工作于迪塞尔循环，但控制系统将工作参数转换至气体模式。当在排放控制区航行时，为达到Tier III排放标准，现有的发动机设计采用了成本很高的废气再循环(EGR)系统(该技术为MAN公司专利，专利号CN102619615)。本方法可对上述产品改进，在航行控制区只使用天然气燃料，这时采用奥托循环(1-5-3-4)。可变循环使其他燃烧组织方案的应用成为可能，并最终实现低温均质燃烧，达到IMOTierIII排放标准。

为实现低温均质稀薄燃烧，可通过电控系统调节燃气喷射提前角，并改变燃气喷射阀结构及布置，实现均质预混合；通过可变气门等技术降低压缩比防止爆震；通过增压比的改变及废气旁通等方法调节空燃比实现稀薄燃烧防止爆震；必要时通过加湿技术控制燃烧速率；适当限制发动机低排放模式的额定功率。燃烧组织所用技术不限于上述方法之一或其组合。其应用方案如下：

一、现有技术MAN Diesel&Turbo公司ME-GI系列发动机的布置。

如图2所示，每个气缸包括扫气口1、扫气箱2、缸套3、活塞杆4、活塞5、气缸盖6、排气阀7、燃气喷射阀8(原迪塞尔循环)、燃油喷射阀9(燃油喷嘴)。活塞5和气缸盖6合围形成气缸。

二、本发明的改进

针对图2的发动机，本发明增加了奥托循环模式下使用的的预燃室(10)和燃气喷射阀11。有两种布置方式，分别为方案1(图3)和方案2(图4)，具体实现如下：

1、奥托循环的实现

发动机电子喷射控制系统的应用是实现变热力循环模式的基础。如图1，高压直喷发动机通常在迪塞尔循环下(图1，1-2-3-4)或(1-2-3-4-6-7)工作。调整至奥托循环(图1，1-5-3-4)或(1-5-3-4-6-7)仅仅需要将等压吸热过程(图1，2-3)改变为等容吸热过程(图1，5-3)。具体实现是，调整控制系统的设置，增加燃气喷射阀喷射提前角，将燃料在发动机上死点前喷入气缸并和空气预混合；点火时刻在发动机上死点前，预混合好的燃气在上死点附近快速燃烧实现等容放热。

实际上，由于通过延迟排气阀关闭，降低压缩比技术的采用，在压缩阶段初期为等压压缩，膨胀比不变，发动机工作近似米勒循环。即，发动机工作循环由(1-2-3-4-6-7)变为(1-5-3-4-6-7)。

2、均质混合气形成：

奥托/米勒循环前提是形成均质预混合燃气，通过均质稀薄燃烧技术降低氮氧化物的排放。原有的为迪塞尔循环设计的燃气喷射阀不利于混合气的形成，新喷嘴设置有两种方案：

(1)如图3方案1，保持原燃油喷射阀9和燃气喷射阀8不变，在缸盖6上增加专用的燃气喷射阀11，可以将燃气喷射至气缸底部。控制高压气体喷射贯穿度和涡流比，使燃气能够在气缸内均布，并利用活塞压缩过程形成的涡流进一步达到均质混合。将燃气喷射时间提前至上死点前120度至35度曲柄转角，在排气阀7关闭后向气缸内喷射高压燃气，实现均质预混合。

(2)如图4方案2，在气缸套扫气口1位置布置燃气喷射阀11，将燃气喷射时间提前至扫气口1关闭前，燃气通过燃气喷射阀11喷射至气缸底部，并随扫气空气而布满气缸。利用活塞压缩过程形成的涡流进一步达到均质混合。燃气喷射角度控制在扫气口被活塞遮住之前尽量短的时间内，喷射时间过早易造成甲烷逃逸或扩散至扫气箱2。

上述两种方案的喷射提前角及喷射量都由电喷控制系统调整实现。

3、防止爆震方法

防止爆震是均质预混合燃烧必须解决的问题。天然气本身的着火点较高，不容易被压燃。但当天然气甲烷值不高时，容易在发动机压缩过程中自燃，有爆震倾向。又由于发动机在排放控制区内航行的时间较短，对经济性和功率要求不高。为防止混合气体在气缸压缩过程中发生非受控燃烧而导致爆震，采用以下一种或几种方案的组合：

(1)由于仅在排放控制区使用奥托/米勒循环，可降低相应的额定功率，但不低于船舶要求的最小推进功率，一般可降低至迪塞尔循环额定功率的80％左右；

(2)延迟排气阀7关闭时间，由于允许额定功率下降，所以可将压缩比降低至不超过20，一般可小于16以内。压缩比的确定应保证压缩终点的压缩温度不超过混合气着火温度；

(3)降低平均有效压力至不超过2.0MPa，一般在1.8MPa左右；

(4)选择较高压比的可变喷嘴环增压器(如MAN公司的VTA系列)并结合废气旁通阀，精确控制空燃比，保持在稀薄燃烧适宜的区间内，防止爆燃和不完全燃烧。一般过量空气系数在1.5-3倍(空燃比20-40倍)区间。

4、在上死点附近喷入点火油，需具备足够的点火能量，保证快速均匀点燃，有两种方案选择：

(1)增加设置预燃室(图3，10)，或选配带有预燃室的微引燃油喷射系统，预燃室内有高浓度燃气，通过微量引燃油压燃。

(2)采用分层喷射技术，使原燃气喷射阀(图4，8)周围形成高浓度燃气区，然后燃油喷嘴(图4，9)喷入引燃油，快速充分引燃混合气。

5、燃烧控制

通过调整点火定时，控制最大燃烧压力和燃烧温度，减少氮氧化物形成。控制燃烧速度，必要时采用喷水加湿等技术控制燃烧速率。对于低速发动机，通常无需设置EGR或喷水加湿来降低燃烧速率。

6、防止天然气逃逸

对燃烧室优化，保证预混合的均匀性，避免形成不可燃的过份稀薄的混合气区，防止气体非充分燃烧造成天然气逃逸。

7、控制系统的实现

图5可变热力循环发动机控制单元中，燃气喷射控制主要用于确定不同工况下燃油燃气喷射量及其正时，该功能由发动机控制系统及气缸控制单元CCU61实现。ME-GI发动机的每个气缸设有一个CCU，控制燃油和燃气阀的喷射和排气阀63的动作。

图5中，标号61-气缸控制单元CCU，62-喷油器(对应于图2的标号9)，63-排气阀(对应图2的标号7)，64-迪塞尔循环用燃气喷射阀(图3图4方案使用，对应于标号8)，65-奥托循环用燃气喷射阀(图3图4方案使用，对应于标号11)，66-窗口阀，67-安全单元CSU。

在迪塞尔循环下，CCU控制燃油在上死点喷入气缸点火，然后在CCU和安全单元67控制下燃气喷射阀64喷入高压燃气，被燃油点燃，实现扩散燃烧。可变热力循环发动机，每个气缸需增加燃气喷射阀65，用于在排放控制区内，采用不同于燃气喷射阀的方式完成燃气喷射(见上文说明)。这时，控制系统增加燃气喷射阀喷射提前角，在上死点前120度至35度曲柄转角处，燃气喷射阀65向气缸内喷射高压燃气，实现均质预混合。CCU控制燃油的喷射提前角，使燃气在上死点附近快速燃烧实现等容放热，从而实现奥托循环。

从上述实施例可知，大型低速气体发动机采用变热力循环方案降低排放是本发明的创新。通过可变热力循环实现节能减排，发动机在运行中可根据不同的排放标准改变热力循环模式，以达到高的热效率或低排放的目标。发动机采用变循环方案不是目的而是手段，它提供了兼顾经济性及环保性的可能。在此基础上，针对船用低速气体发动机，设计一系列技术组合用来实现低温均质稀薄燃烧是本发明实施的重点。本方法以船用二冲程发动机为改进对象，但也可用于其它类型的气体或双燃料发动机。

本发明船用低速气体发动机是一种通过可变热力循环实现节能减排的方法。当船舶在排放控制区外航行时，发动机在迪塞尔循环下使用燃油或燃气工作；船舶在排放控制区内航行时，发动机在奥托循环下使用燃气工作，实现低温均质稀薄燃烧降低排放，达到国际海事组织第三阶段排放标准。总体而言，本发明在如下方面具有先进性，并因此做了改进：

船用低速二冲程气体/双燃料发动机，采用可变热力循环方法。并能通过技术组合实现低温均质稀薄燃烧降低排放，使发动机同时具备高、低压双燃料发动机的优势。具体为：

(1)当船舶在排放控制区外航行时，发动机可在迪塞尔(图1，1-2-3-4)或类似循环下工作，实现扩散燃烧，具有热效率高、功率密度高、动态性能好的特点。

(2)船舶在排放控制区内航行时，发动机在奥托(图1，1-5-3-4)或类似循环下工作，通过技术组合能够实现低温稀薄均质燃烧，降低排放，以致达到国际海事组织第三阶段(Tier III)排放标准。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种船用低速发动机变热力循环模式运行的方法，其特征在于，一个发动机分别在如下模式运行：

船舶在排放控制区外航行时，发动机在迪塞尔循环下使用燃油或燃气工作；

当船舶在排放控制区内航行时，发动机在奥托循环下使用燃气工作。

2.根据权利要求1所述船用低速发动机变热力循环模式运行的方法，其特征在于，发动机迪塞尔循环与奥托循环的转换方式：

以船用低速高压气体发动机为基础，通过燃气喷射和点火正时的控制，分别实现具有等压吸热过程的迪塞尔循环以及等容吸热过程的奥托循环；

由迪塞尔循环转换为奥托循环的控制方式为：增加燃气喷射阀喷射提前角，将燃料在发动机上死点前进气门关闭后喷入气缸并和空气预混合；点火时刻在发动机上死点前，燃气在上死点附近快速燃烧实现等容放热过程；

由奥托循环转换为迪塞尔循环的控制方式为：减小燃气喷射提前角，将燃料在发动机上死点附近喷入气缸并引燃，燃气在上死点后实现等压放热过程。

3.根据权利要求2所述船用低速发动机变热力循环模式运行的方法，其特征在于，通过可变气门技术降低压缩比，和/或通过可变喷嘴环技术或废气旁通方法调节空燃比实现稀薄燃烧防止爆震；和/或通过加湿技术控制燃烧速率；和/或适当限制发动机低排放模式的额定功率。

4.根据权利要求3所述船用低速发动机变热力循环模式运行的方法，其特征在于，在气缸盖(6)上设有奥托循环用燃气喷射阀(11)；

迪塞尔循环时，燃气通过燃气喷射阀(8)喷射在活塞(5)和气缸盖(6)合围形成的气缸顶部区域；

在奥托循环时，将燃气喷射时间提前至上死点前120度至35度曲柄转角且在排气阀(7)关闭后，燃气通过燃气喷射阀(11)喷射至气缸底部，并随扫气空气而布满气缸。

5.根据权利要求3所述船用低速发动机变热力循环模式运行的方法，其特征在于，在气缸套扫气口(1)处设有奥托循环用燃气喷射阀(11)；

迪塞尔循环时，燃气通过燃气喷射阀(8)喷射在活塞(5)和气缸盖(6)合围形成的气缸顶部区域；

在奥托循环时，将燃气喷射时间提前至扫气口(1)关闭前，燃气通过燃气喷射阀(11)喷射至气缸底部，并随扫气空气而布满气缸。

6.根据权利要求3～5任一所述船用低速发动机变热力循环模式运行的方法，其特征在于，发动机工作在奥托循环下的条件为：

额定功率在迪塞尔循环额定功率的60-100％；

延迟所述排气阀(7)关闭时间，降低压缩比至小于等于20；

采用可变喷嘴环增压器或废气旁通阀门，使得过量空气系数在1.5-3倍。

7.根据权利要求3～5任一所述船用低速发动机变热力循环模式运行的方法，其特征在于，在奥托循环下，为增加点火能量在发动机缸盖(6)上设置预燃室(10)或选配带有预燃室的微引燃油喷射系统。

8.根据权利要求3～5任一所述船用低速发动机变热力循环模式运行的方法，其特征在于，在奥托循环下，采用分层喷射技术，在引燃油喷射阀或火花塞周围形成高浓度燃气区，以保证充分快速引燃。