CN107304726A - 用于操作燃气发动机的方法和控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种操作具有排气催化转化器（13）和具有排气再循环装置（12）的燃气发动机（10）的方法，其中，燃气发动机（10）包括气缸（11），气缸（11）包括主燃烧腔室（14）和预燃烧腔室（15），离开气缸（11）的排气（23）能经由排气催化转化器（13）引导，离开气缸的排气（23）的一部分能经由排气再循环装置（12）在气缸（11）的方向被引导。在第一操作策略中，燃气发动机（10）以此种方式操作：经由排气再循环装置（12）引导的排气（23）在气缸的主燃烧腔室（14）的方向被引导，从而将被馈送到主燃烧腔室的燃气/空气混合物（18）包含排气；经由排气再循环装置引导的排气（23）不在气缸的预燃烧腔室（15）的方向被引导，从而将被馈送到预燃烧腔室的燃气/空气混合物（19）不包含任何排气；将被馈送到气缸（11）的主燃烧腔室（14）的燃气/空气混合物（18）的燃气比例以此种方式控制：气缸（11）中的燃烧在化学计量燃烧空气比或λ值为1时发生。

Description

用于操作燃气发动机的方法和控制装置
技术领域
本发明涉及用于操作燃气发动机的方法并涉及用于实施所述方法的控制装置。
背景技术
从实践已知具有排气催化转化器和排气再循环装置的燃气发动机，其中在燃气/空气混合物燃烧期间在燃气发动机的气缸中产生的排气可经由排气催化转化器引导，且其中离开气缸的排气的一部分可经由排气再循环装置在气缸的方向再循环或者可与将被馈送到气缸的燃气/空气混合物混合。
此外，已知根据贫燃烧方法（超化学计量比）的燃气发动机，所述燃气发动机的气缸要么包括唯一的主燃烧腔室，要么除了主燃烧腔室之外包括预燃烧腔室，其中在气缸包括主燃烧腔室和预燃烧腔室的燃气发动机的情况下，燃气/空气混合物在预燃烧腔室中被点火，其将馈送到各自气缸的各自主燃烧腔室的燃气/空气混合物点火。所述方法当燃料被额外馈送到预燃烧腔室或前室（prechamber）时特别有利。这称为清扫前室。在这里，仅仅是燃料（通常是气体）被馈送到前室。燃烧所需的氧气在压缩阶段期间经由前室的溢流孔从主燃烧腔室流出到前室中。在所述情况下，溢流物质的成分与主燃烧腔室的成分对应。所述清扫前室燃烧方法的优点在于燃烧腔室因此被细分为较富区域（前室）和贫区域。由于前室中的较富区域，产生快速燃烧，通过高能火炬射流（torch jets）传送到主燃烧腔室中，所述快速燃烧快速点燃贫的主燃烧腔室。由于主燃烧腔室非常贫乏，仅少量氮氧化物产生且仅有低的爆震倾向，因此使高性能密度和高效率可能。总体上，发动机在贫方式下操作，因此根据三通原则的催化排气清洁是不可能的。
需要一种方法，借助于所述方法，燃气发动机可以在发动机的高效率和低爆震倾向以及在排气催化转换器的区域中的有效排气清洁的情况下来操作，所述燃气发动机的气缸包括主燃烧腔室和预燃烧腔室，且所述燃气发动机包括排气催化转化器和排气再循环装置。
发明内容
由此出发，本发明基于产生用于操作燃气发动机的新型方法和控制装置的目的。
所述目的通过根据权利要求1的方法解决。根据本发明，在第一操作策略中，发动机以此种方式操作：经由排气再循环装置引导的排气在气缸的主燃烧腔室的方向被引导，从而将被馈送到主燃烧腔室的燃气/空气混合物包含排气；经由排气再循环装置引导的排气不在气缸的预燃烧腔室的方向被引导，从而将被馈送到预燃烧腔室的燃气/空气混合物不包含任何排气；且将被馈送到气缸的主燃烧腔室的燃气/空气混合物的燃气比例以此种方式控制：在气缸中的燃烧总体上在化学计量燃烧空气比或λ（lambda）值为1时发生。
将被馈送到气缸的主燃烧腔室的燃气/空气混合物在发动机的第一操作策略中与排气混合。相反，将被馈送到气缸的预燃烧腔室的燃气/空气混合物不与排气混合。在气缸的预燃烧腔室中和在气缸的主燃烧腔室中，燃气/空气混合物的有效点火是可能的。优选地，燃气/空气混合物在压缩阶段期间在高压下被喷射到前室中，因此，从主燃烧腔室流入的混合物被再循环的排气置换，且在前室中的燃烧因此进一步优化。
通过使用无排气的燃气/空气混合物清扫预燃烧腔室，最大点火能量和动能可以转移到气缸的主燃烧腔室中。通过将被馈送到气缸的主燃烧腔室的燃气/空气混合物的排气，气缸的主燃烧腔室惰性化，因此实现较低燃烧温度、较低爆震趋势和较低部件温度。
气缸的主燃烧腔室中的燃气/空气混合物的排气比例使燃烧减速的效果可以由气缸的预燃烧腔室中的燃气/空气混合物抵消，即在于，经由预燃烧腔室的燃气/空气混合物，最大点火能量和最大动能可以被引入主燃烧腔室中。
由于将被馈送到气缸的主燃烧腔室的燃气/空气混合物的燃气比例以此种方式控制的事实：在气缸中存在为1的λ值且相应地气缸具有化学计量燃烧空气比，位于燃气发动机下游的排气催化转化器（优选地是三通排气催化转化器）以最大效率操作。相应地，具有燃气清扫前室的上述贫燃烧方法的优点（通过低爆震趋势具有高效率的低部件和排气温度）可以与具有三通催化转化器的λ为1的燃烧方法的优点（最低的排放）结合。
根据本发明的又一有利扩展，将被馈送到气缸的预燃烧腔室的燃气/空气混合物具有0.8和1.1之间的λ值，其中将被馈送到气缸的主燃烧腔室的燃气/空气混合物的燃气比例以此种方式控制：在气缸中，平衡地遍及主燃烧腔室和前室，燃气/空气混合物具有化学计量燃烧空气比或为1的λ值。本发明的所述又一扩展允许在低爆震趋势、高发动机效率和位于燃气发动机下游的排气催化转化器中排气清洁高有效性的情况下特别有利地操作燃气发动机。
根据又一有利扩展，将被馈送到气缸的主燃烧腔室的燃气/空气混合物的燃气比例在第二操作策略中以此种方式控制：气缸中的燃气/空气混合物具有大于1的λ值。在这里，与第一操作策略相比，优选地减少排气再循环，从而使更少的排气与将被馈送到气缸的主燃烧腔室的燃气/空气混合物混合。
特别当燃气发动机将在波动燃气质量的情况下操作时，第二操作策略是有利的。在这里，相对于甲烷数波动的燃气质量可以被调节。此外，特别当在移动使用燃气发动机期间，排放规定导致对于顾客的成本优点由改变操作策略实现的情况的时候，第二操作策略是有利的。
用于实施所述方法的控制装置在权利要求9中限定。
附图说明
本发明的进一步优选扩展从从属权利要求和下述说明中获得。通过附图的方式但不限于此更详细地解释本发明的示例性实施例。
其示出：
图1是具有排气催化转化器的燃气发动机的框图；和
图2是图1在燃气发动机的气缸区域中的细节。
具体实施方式
本发明涉及用于操作燃气发动机的方法并涉及用于实施所述方法的装置。
图1示出了具有多个气缸11、具有排气再循环装置12和排气催化转化器13的燃气发动机10的高度示意性框图。图2示出了燃气发动机10在所述燃气发动机10的气缸11区域中的细节。
燃气发动机10的每个气缸11包括主燃烧腔室14和联接到主燃烧腔室14的预燃烧腔室15。在主燃烧腔室14中，各自气缸11的活塞16上下移动，其中活塞16经由连接杆17联接到未示出的曲轴。
在各自气缸11的主燃烧腔室14中燃烧的燃气/空气混合物18可以被馈送到燃气发动机10的气缸11的主燃烧腔室14。又一燃气/空气混合物19用于点火主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18，所述燃气/空气混合物19被馈送到燃气发动机10的各自气缸11的预燃烧腔室15并经由点火装置20在预燃烧腔室15中点火，其中在各自气缸11的预燃烧腔室15中点火的燃气/空气混合物19在所述过程中释放出的能量被引入到各自的主燃烧腔室14中，从而在各自的主燃烧腔室14中点火燃气/空气混合物18。
图2此外示出了用于将被馈送到所示气缸11的主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18的入口阀21和用于在所述燃气/空气混合物燃烧期间产生的排气23的排放阀22。
如已经解释的，燃气发动机10包括排气再循环装置12和排气催化转化器13。离开燃气发动机10的气缸11的排气23可经由排气催化转化器13（优选是三通排气催化转化器）引导。排气23的一部分可经由排气再循环装置（即根据排气再循环装置12的排气再循环阀24的打开位置）引导。
经由排气再循环装置12引导的排气23可以借助于排气再循环冷却器25冷却。
为了能够在高效率、燃气发动机10的低爆震趋势和排气催化转化器13中的有效排气后处理的情况下操作具有排气催化转化器13和排气再循环装置12的所述燃气发动机10，所述燃气发动机10在根据本发明的第一操作策略中操作。
在根据本发明的操作策略中，经由排气再循环装置12引导的排气23在气缸11的主燃烧腔室14的方向被引导，从而将被馈送到主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18包含排气。相反，经由排气再循环装置12引导的排气23不在气缸11的预燃烧腔室15的方向被引导，从而将被馈送到预燃烧腔室15的燃气/空气混合物19不包含任何排气。将被馈送到气缸11的主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18的燃气比例以此种方式控制：在气缸11中的燃烧在化学计量燃烧空气比或λ值为1时发生。相应地，与排气23混合的由燃气26和充注空气27组成的燃气/空气混合物18在第一操作策略中被馈送到燃气发动机10的气缸11的主燃烧腔室14，而由燃气26和充注空气27组成的无排气的燃气/空气混合物19被馈送到气缸11的预燃烧腔室15。此外，将被馈送到燃气发动机10的气缸11的主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18的燃气比例以此种方式控制：在气缸11中，燃气/空气混合物具有化学计量燃烧空气比或为1的λ值。通过将第一操作策略的这些措施结合，燃气发动机10可以在高效率和低爆震趋势以及排气催化转化器10中的排气清洁的高有效性的情况下操作。
在第一操作策略中，经由排气再循环装置12引导的且经由排气再循环冷却器25冷却的排气23根据燃气发动机10的当前操作点（即通过合适调节排气再循环阀24）固定地调节。再循环阀24的设定点位置理想地存储在发动机控制的特征映射图中。在燃气发动机的第一操作策略中，其中所述燃气发动机相应地可以在不同的操作点或负载点操作，根据操作点的固定排气流23经由排气再循环装置12（即根据排气控制阀24的打开位置）相应地与燃气/空气混合物18混合。
将被馈送到气缸11的主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18的燃气比例经由被控制装置30激活的一个或更多个燃气阀29调节，即以此种方式调节：在气缸11中，燃气在气缸11中在化学计量燃烧空气比或λ值为1时燃烧。定位在排气催化转化器13上游的λ探针31用于所述λ控制，且所述λ探针31分析离开燃气发动机10的排气23，其中根据λ探针31的测量信号，控制装置30调节燃气控制阀29并因此以此种方式调节将被馈送到燃气发动机10的气缸11的主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18的燃气比例：在气缸中存在化学计量燃烧空气比或为1的λ值。
通过经由排气再循环装置12将优选冷却排气23与将被馈送到气缸的主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18混合的方式，燃气发动机10的气缸11的主燃烧腔室14惰性化。因此，获得对于燃气发动机10的较低燃烧温度、较低部件温度和爆震趋势。由于被馈送到预燃烧腔室15的燃气/空气混合物19是无排气的且相应地具有不同燃气/空气混合物成分的事实，燃气/空气混合物19可以在燃气发动机10的气缸11的预燃烧腔室15中点火，用于保证服从于引入最大点火能量和动能的最大燃烧速率包括主燃烧腔室14。通过所述方式，抵消燃气/空气混合物18中排气比例使主燃烧腔室14中的燃气燃烧减速的效果是可能的。由于服从于保证为1的λ值或化学计量燃烧空气比，将被馈送到燃气发动机10的气缸11的主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18的燃气比例被控制的事实，排气催化转化器13可以有效清洁排气。
优选地，将被馈送到燃气发动机10的气缸11的预燃烧腔室15的无排气的燃气/空气混合物19具有0.8和1.1之间的λ值，优选地λ值在0.8和0.9之间。这对于保证最大燃烧速率和将最大排放能量和动能输入到主燃烧腔室14中是特别有利的。将被馈送到主燃烧腔室14的在第一操作策略中与排气23互相混合的燃气/空气混合物18具有不同的λ值，所述不同的λ值根据被馈送到预燃烧腔室15的燃气/空气混合物19的λ值。将被馈送到主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18的燃气比例经由λ控制被控制，即以此种方式控制：在包括前室在内的气缸11中存在总体上化学计量燃烧空气比和因此在λ值为1时的燃烧。
在燃气发动机10的第二操作策略中，可以提供以此种方式调节将被馈送到燃气发动机10的气缸11的主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18中的燃气26的燃气比例：在气缸11中，存在大于1的λ值，其中在所述第二操作策略中燃气发动机10随后操作为具有贫燃气/空气混合物的贫发动机。在第二操作策略中，将被馈送到主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18可以相似地与经由排气再循环装置12引导的排气23混合，其中然而与第一操作策略相比，经由排气再循环装置12引导的燃气量减少（即通过较大地关闭排气再循环阀24），从而使更少排气与将被馈送到气缸11的主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18混合。如果合适，排气再循环阀24可以完全关闭，从而在第二操作策略中，主燃烧腔室14的燃气/空气混合物18于是不包含排气。特别当燃气发动机10以波动燃气质量操作时且尤其是当特别在移动使用燃气发动机期间，应用不同排放规定，为了符合所述排放规定，改变操作模式对顾客产生优点的时候，第二操作策略是有利的。
波动燃气质量可以被抵消，特别通过激活或调节排气再循环阀24的打开位置的方式调节。
本发明可以实施为排气增压和非排气增压燃气发动机。排气增压可以在单级或多级中发生，特别在两级中。排气再循环装置12在排气增压燃气发动机10的情况下可以实施为低压排气再循环或高压排气再循环，其中在低压排气再循环的情况下，排气再循环装置12的排气23在压缩机的上游混合，在高压排气再循环的情况下，排气再循环装置22的排气23在压缩机的下游与充注空气27混合。
本发明还涉及用于自动实施所述方法的控制装置30。所述控制装置30包括用于实施所述方法的器件。所述器件包括硬件器件例如用于与参与实施所述方法的组件（特别地与λ探针31和燃气控制阀29）交换数据的数据接口、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。
本发明优选地实施为在船只上操作的燃气发动机。

Claims (9)

1.一种操作具有排气催化转化器（13）和具有排气再循环装置（12）的燃气发动机（10）的方法，其中，所述燃气发动机（10）包括气缸（11），所述气缸（11）包括主燃烧腔室（14）和预燃烧腔室（15），其中，离开气缸（11）的排气（23）能经由排气催化转化器（13）引导，且其中，离开气缸的排气（23）的一部分能经由排气再循环装置（12）在气缸（11）的方向被引导，其特征在于：在第一操作策略中，所述燃气发动机（10）以此种方式操作：经由排气再循环装置（12）引导的排气（23）在气缸的主燃烧腔室（14）的方向被引导，从而将被馈送到主燃烧腔室的燃气/空气混合物（18）包含排气；经由排气再循环装置引导的排气（23）不在气缸的预燃烧腔室（15）的方向被引导，从而将被馈送到预燃烧腔室的燃气/空气混合物（19）不包含任何排气；将被馈送到气缸（11）的主燃烧腔室（14）的燃气/空气混合物（18）的燃气比例以此种方式控制：气缸（11）中的燃烧在化学计量燃烧空气比或λ值为1时发生。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：经由排气再循环装置（12）引导的排气流根据燃气发动机上的操作点使用排气再循环控制阀（24）固定地调节。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：经由排气再循环装置（12）引导的排气流通过排气再循环冷却器（25）的方式冷却。
4.如权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于：将被馈送到气缸（11）的主燃烧腔室（14）的燃气/空气混合物（18）的燃气比例根据定位在排气催化转化器（13）上游的λ探针（31）的测量信号控制。
5.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于：将被馈送到气缸（11）的预燃烧腔室（15）的燃气/空气混合物（19）具有0.8和1.1之间的λ值，且在于：将被馈送到气缸（11）的主燃烧腔室（14）的燃气/空气混合物（18）的燃气比例以此种方式控制：气缸（11）中的燃烧在化学计量燃烧空气比或λ值为1时发生。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：将被馈送到气缸（11）的预燃烧腔室（15）的燃气/空气混合物具有0.8和0.9之间的λ值。
7.如权利要求1到6中任一项所述的方法，其特征在于：在第二操作策略中，将被馈送到气缸（11）的主燃烧腔室（14）的燃气/空气混合物的燃气比例以此种方式控制：气缸（11）中的燃烧在λ值大于1时发生。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：在所述过程中，与第一操作策略相比，经由排气再循环装置（12）引导的排气量减少，从而将被馈送到气缸（11）的主燃烧腔室（14）的燃气/空气混合物（18）包括更少的排气。
9.一种发动机控制装置，其特征在于：用于实施根据权利要求1到8中任一项所述的方法。
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