CN107575313A - 用于操作双燃料大型柴油机的方法以及大型柴油机 - Google Patents

用于操作双燃料大型柴油机的方法以及大型柴油机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于操作双燃料大型柴油机的方法以及大型柴油机。提出了一种用于操作双燃料大型柴油机的方法，所述双燃料大型柴油机特别地是纵向扫气式两冲程大型柴油机，能在将液体燃料引入气缸中进行燃烧的液体模式下操作，并且也能在将燃气作为燃料引入所述气缸中的气体模式下操作，所述燃气与扫气按空气‑燃气比率混合并且进行燃烧，其中，在所述气体模式下进行操作期间，监测允许检测所述空气‑燃气比率的变化的控制参数，并且其中，如果所述控制参数达到极限值，则所述大型柴油机在动力平衡模式下操作，其中，在所述动力平衡模式下，为了燃气的燃烧，增加所述空气‑燃气比率。

Description

用于操作双燃料大型柴油机的方法以及大型柴油机
技术领域
本发明涉及用于操作双燃料大型柴油机的方法，所述双燃料大型柴油机特别地是纵向扫气式两冲程大型柴油机，该纵向扫气式两冲程大型柴油机能在将液体燃料引入气缸中进行燃烧的液体模式下操作并且也能在将燃气作为燃料引入气缸中的气体模式下操作。本发明还涉及用此方法进行操作的双燃料大型柴油机。
背景技术
可设计为两冲程或四冲程发动机的大型柴油机(例如，纵向扫气式两冲程大型柴油机)常常用作船的动力单元或者另外用在静止操作中，例如用于驱动大型发电机来产生电力。这里，通常，发动机在相当长的时间段内进行恒定操作，这对操作安全性和可用性的要求高。为此原因，维护之间的长间隔、操作材料的低磨损度和经济使用对操作者来说是核心标准。
多年来愈发重要的其他基本点是排气排放的质量，特别是排气排放中的氮氧化物浓度。从这点上说，针对对应排气排放标准的法律规定和极限值已愈发严格。特别地，关于两冲程大型柴油机，这带来的结果是，被污染物重度污染的经典重油的燃烧而且柴油或其他燃料的燃烧变得有越来越多的问题，这是因为符合排放极限值变得越来越困难，技术上更复杂，因此更昂贵，或最终它们符合排放极限值甚至不再是经济上的明智选择。
实际上，因此已经长期需要所谓的“双燃料发动机”。这些发动机是可用两种不同燃料进行操作的发动机。在气体模式下，使用诸如如同LNG(液化天然气)的天然气的燃气或液化石油气形式的燃气或适于驱动内燃机的另一种燃气形式进行燃烧，而在液体模式下，可在所述内燃机中燃烧诸如汽油、柴油、重油、乙醇、油的衍生品及其水混合物、生物燃料或其他合适液体燃料的合适液体燃料。从这点上说，发动机可以是两冲程发动机和四冲程发动机二者，特别地也是纵向扫气式两冲程大型柴油机。
因此，双燃料大型柴油机可在除了特征在于燃料压燃的柴油操作外还在特征在于燃料外部点燃的奥托(Otto)操作中进行操作。特别地，燃料的压燃还可用于另一种燃料的外部点燃。
在液体模式下，通常将燃料直接引入气缸的燃烧室中，并且按照压燃原理在气缸的燃烧室中进行燃烧。在气体模式下，已知将气态的燃气与扫气根据奥托原理进行混合，以在气缸的燃烧室中生成可燃混合气。在该低压过程中，通常，将少量液体燃料适时地喷射气缸的燃烧室中或预燃室中(该液体燃料随后造成空气-燃气混合气点燃)来在气缸中点燃混合气。当然，还可用电子方法或本身已知的其他方式来点燃空气-燃气混合气。在操作期间，双燃料发动机可从气体模式切换成液体模式，反之亦然。
在双燃料发动机中，当在气体模式下操作时，将燃气引入气缸的燃烧室中的过程对于此发动机可靠的、低排放和安全操作而言有决定性的重要性。
虽然在液体模式或柴油操作中，扫气和液体燃料之比相对并不关键，但是在气体模式下，特别地，调节扫气和燃气之间的正确比率(所谓的空气-燃气比率或空气-燃料比率)有决定性的重要性。在大型柴油机中，通常，由涡轮增压机提供扫气和增压空气，涡轮增压机根据发动机的负荷进而根据发动机的动力或转矩或旋转速度来生成扫气或增压空气压力。可针对给定扫气压力，计算气缸中的空气质量，然后针对发动机生成的相应所需的驱动转矩或针对所期望的旋转速度，可确定合适量的气态燃料，这造成针对该操作状态的最佳燃烧过程。
特别地，如果气体模式按照奥托原理进行操作，则正确调节空气-燃气比率对于发动机的优选地低排放、高效且经济的操作而言有决定性的重要性。如果燃气的量过高，则燃气-燃气混合气变得过浓。混合气被过快或过早燃烧，这会导致机械应力高，发动机爆震和污染物排放的显著增加。因为在这种情况下，燃烧过程不再正确地适于气缸中的活塞移动，这还导致了以下事实：燃烧部分地对抗活塞的移动而做功。
然而，即使现代大型柴油机中的空气-燃气比率的正确调节在正常操作条件下不再是真实问题，也存在会造成显著困难的操作条件。
从这点上说，正常操作条件被理解为意指例如大型柴油机的技术规范所参照的诸如其在满负荷下的最大动力、其污染物排放、其燃料消耗等这些条件。这些技术规范参照由诸如ISO 3046-1的国际标准(ISO)命名的操作条件和例如25℃的环境温度。
特别地，常常在运送到实际维修操作之前或者在维护的框架中，测试大型柴油机，而无论它们是否符合所指示的规范(例如，在IMO(国际海事组织)已经确定其极限值的污染物排放方面)。然而，这些测试常常不能在以上提到的ISO条件下执行，从而会导致显著的问题。
例如，所谓的热带条件(tropical condition)会造成特别地在气体模式下进行操作期间有困难。热带条件被理解为意指特征在于大气的非常高的温度和/或非常高的相对湿度(例如，至少27℃或甚至高于30℃的温度或30％、40％或甚至高于60％的相对湿度)这样的周围环境条件。气候条件的一个示例是60％的相对湿度和45℃的空气温度。在这样的气候条件下，另外，被涡轮增压机吸入的用于为气缸提供扫气的空气非常温暖和/或非常潮湿。
吸入的该温暖/潮湿空气可大幅减少涡轮增压机中的空气质量流，因为温暖的空气的密度较低并且因为湿润的空气更加快速地导致增压空气冷却器中形成水的凝结物或蒸汽。由于对于空气-燃气比率非常敏感的气体模式下的该减小的空气质量流，因此燃气的燃烧可进入空气不足范围，这意味着，气缸中的空气-燃气比率减小并且空气-燃气混合气可变得过浓，从而导致大型柴油机中的燃烧过快，进而导致高机械应力或非常高的污染物排放。如果发生该现象或者在此之前，必须降低或减小大型柴油机的负荷，以避免气体模式下的空气不足范围。
特别地，在大型柴油机在满负荷(即，其负荷的100％)下操作的测试操作中，在气体模式下出现不可允许的高污染物排放。而且，在大型柴油机的维修操作中，诸如非常温暖和/或非常潮湿的大气的这种不利的周围环境条件会导致显著的问题。即使在维修操作中大型柴油机常常很少在100％负荷(即，满负荷)下操作的，非常温暖和/或非常潮湿的大气甚至也会导致以下事实：大型柴油机可在其标称满负荷的仅仅最大85％或甚至仅仅最大75％下进行操作，就经济方面而言，这也是不利的。
发明内容
该问题将由本发明解决。
从该现有技术出发，本发明的目的是提出一种用于操作双燃料大型柴油机的方法，大型柴油机也可用该方法在其满负荷的至少大致100％下在气体模式下在不利周围环境条件下(特别地，在所提到的热带条件下)进行操作，而没有造成大型柴油机的污染物排放任何显著增加。另外，本发明的目的是提出一种对应的大型柴油机。
解决这些问题的本发明的主题的特征在于相应类别的独立专利权利要求的特征。
根据本发明，提出了一种用于操作双燃料大型柴油机的方法，所述双燃料大型柴油机特别地是纵向扫气式两冲程大型柴油机，能在将液体燃料引入气缸中进行燃烧的液体模式下操作，并且也能在将燃气作为燃料引入气缸中的气体模式下操作，所述燃气与扫气按空气-燃气比率混合并且进行燃烧，其中，在所述气体模式下进行操作期间，监测允许检测所述空气-燃气比率的变化的控制参数，并且其中，如果所述控制参数达到极限值，则所述大型柴油机在动力平衡模式下操作，其中，在所述动力平衡模式下，为了燃气的燃烧，增大所述空气-燃气比率。
因此，本发明的必要方面是至少在气体模式下监测允许检测空气-燃气比率的变化的控制参数。由于监测该控制参数，可及时地检测燃气的燃烧是否有进入空气不足范围的风险，这意味着在气缸中是否有过快燃烧的风险。控制参数的当前值一达到极限值，大型柴油机就切换成动力平衡模式，动力平衡模式增大气缸中的空气-燃气比率。从这点上讲，控制参数的极限值被设置为使得燃气的燃烧决还没有太快(即，燃气-燃气混合气还没有过浓)。这样确保大型柴油机也能在非常不利的周围环境条件下(特别地，在热带条件下)在其标称满负荷的至少大致100％下进行操作，而污染物排放和机械应力都不必显著地增加。
优选地，选择一参数作为用于启用动力平衡模式的控制参数，该参数的当前值无论如何在大型柴油机中都能得到或者可由能得到的参数推导出或者可不很费力地记录。优选且合适的所述控制参数包括以下参数中的至少一个：气缸压力、气缸压力和压缩压力(所谓的跳火花)之间的比率、燃烧速度、在用于提供扫气的涡轮增压机的进口处吸入的空气的温度、用于涡轮增压机的排气旁通阀的位置、在用于提供扫气的涡轮增压机的进口处吸入的空气的湿度、引入所述气缸中的所述扫气的温度、所述扫气的当前压力、排气中的氧浓度、排气中的氮氧化物浓度。
在特别优选的实施方式中，用于启用所述动力平衡模式的所述控制参数是在所述空气-燃气混合气燃烧期间的所述气缸压力。也被命名为点火压力并且指示工作循环内气缸中出现的最大压力的该压力是常常被记录在双燃料大型柴油机中的因子，是可得到的并且允许以特别可靠的方式检测燃气燃烧期间的空气-燃气比率的变化。
从这点上讲，优选的是，所述控制参数的极限值是所述气缸的设计压力。对于每个大型柴油机，存在此设计压力。该压力指示用于确保安全操作的气缸中的气缸压力或点火压力的最大值。如果在该优选实施方式中气缸压力的控制参数达到作为极限值的设计压力，则将启用动力平衡模式。
其他优选(因为特别简单)的实施方式是，如果通过涡轮增压机吸入的空气的温度超过极限温度，则启用所述动力平衡模式，其中，所述极限温度是至少27℃。
另外优选的措施是，如果通过涡轮增压机吸入的空气的相对湿度超过极限湿度，则启用所述动力平衡模式，其中，所述相对湿度是至少40％，优选地至少60％。这也构成可以以特别简单的方式实现的措施。
在特别优选的实施方式中，在所述动力平衡模式下，除了所述燃气之外，还将附加量的液体燃料引入所述燃烧室中。该方法允许为了燃气的燃烧以特别简单的方式增大空气-燃气比率。因为通过液体燃料的燃烧而生成发动机所需动力的一部分，所以相应燃气燃烧过程所需的燃气量减小。由于燃气量减小，为了燃气的燃烧，可增大空气-燃气比率。
因为就技术设备而言非常简单，所以优选地凭借在所述大型柴油机的所述液体模式下使用的喷射装置将附加量的液体燃料引入所述气缸中。
在这种情况下，优选地，首先将最小附加量的液体燃料引入所述气缸中，然后逐步地增加所述附加量的液体燃料，直到达到所述大型柴油机的期望负荷。这意味着，当启用动力平衡模式时，首先，除了燃气之外，还将该最小附加量的液体燃料引入气缸中。如果该最小附加量不足以在不存在过快燃烧风险(空气不足范围)的情况下实现发动机的期望负载，则在随后的工作循环中，将逐步增加附加量的液体燃料，直到达到发动机的期望负荷。
为了避免污染物排放增加，优选的是，所述附加量的液体燃料保持尽可能小并且特别地是引入所述气缸中的燃料总量的不超过20重量％，优选地，不超过15重量％。
特别优选的是，所述附加量的液体燃料在引入所述气缸中的燃料总量的大约5重量％至10重量％的范围内。实际经验惊人地表现为，实际上，由于该附加量，导致甚至可以实现污染物排放的减少，这是特别有利的。此外，在大量应用中，将附加量的液体燃料限于该范围以使大型柴油机也在热带条件下在气体模式下满负荷操作。
根据其他优选实施方式，在所述动力平衡模式下，启用鼓风机，所述鼓风机有助于产生附加量的扫气。由于该措施，导致在动力平衡模式下，除了涡轮增压机所提供的扫气质量流之外，可以产生更多扫气，从而允许为了燃气的燃烧而增加气缸中的空气-燃气比率。另外，该措施有助于使大型柴油机甚至在不利周围环境条件(特别地，热带条件)下在气体模式下也满负荷地操作。
从这点上说，鼓风机优选地是能调节的鼓风机，所述能调节的鼓风机允许改变所述附加量的扫气。由于该能调节的鼓风机，可为了燃气的燃烧而连续地增大或调节空气-燃气比率，使得可相对于可能最小消耗和可能最小污染物排放优化燃气燃烧。
鼓风机优选地与涡轮增压机的压缩机串联布置，其中，鼓风机借助涡轮增压机的压缩机来减小压力差，从而导致扫气的质量流增加。特别优选的是，将鼓风机布置在压缩机的压力侧。
当然，还可以将鼓风机或其他鼓风机与涡轮增压机的压缩机并联布置。
根据本发明，提出了一种双燃料大型柴油机，所述双燃料大型柴油机特别地是纵向扫气两冲程大型柴油机，所述双燃料大型柴油机用根据本发明的方法进行操作。
根据本发明的方法尤其适于改造双燃料大型柴油机。因为在大量情况下可在技术设备方面并没有明显额外费力的情况下实现根据本发明的方法，所以其也特别适于转换或改造这些大型柴油机，以使得已经存在的大型柴油机也可在不利周围环境条件下(特别地，在热带条件下)高效地以环境安全方式满负荷操作。
本发明的其他有利措施和设计得自于从属权利要求。
附图说明
以下，将基于实施方式和附图，针对技术设备和方法更详细地描述本发明。在附图中：
图1示出了用于例示在气体模式下操作的双燃料大型柴油机的实施方式中转矩与空气-燃气比率的相关性的示意图。
具体实施方式
举例来说并且基于实施方式，本发明的以下描述是指实际上特别重要的并且被设计为纵向扫气式两冲程大型柴油机的双燃料大型柴油机。
双燃料大型柴油机是可用两种不同的染料进行操作的发动机。特别地，大型柴油机可在只将液体燃料喷射到气缸的燃烧室中的液体模式下操作。诸如重油或柴油的液体燃料常常被适时地直接喷射燃烧室中并且根据压燃的柴油原理在燃烧室中燃烧。但是，还可以在诸如天然气的用作燃料的燃气以空气-燃气混合气形式在燃烧室中点燃的气体模式下操作大型柴油机。特别地，本文中描述的大型柴油机的实施方式根据低压过程在气体模式下工作。这意味着，气态燃气被引入气缸中，其中，燃气与空气在气缸本身中或甚至在气缸前方进行混合。空气-燃气混合气根据奥托原理在燃烧室中被外部点燃。为了进行该外部点燃，常常必须适时将少量液体燃料引入燃烧室中，从而导致燃料压燃，带来的结果是空气-燃气混合气被外部点燃。当然，还可以用电学方法或另一种方式来实现外部点燃。
大型柴油机可被设计成四冲程发动机和两冲程发动机二者。在本文中描述的实施方式中，大型柴油机被设计为具有共轨系统并在液体模式下工作的纵向扫气式两冲程大型柴油机。
本领域的技术人员熟知用于作为两冲程发动机的设计和作为四冲程发动机的设计二者的大型柴油机的构造和各个部件，诸如用于液体模式的喷射系统、用于气体模式的供气系统、气体置换系统、排气系统或用于提供扫气或增压空气的涡轮增压机系统以及用于大型柴油机的监测和控制系统，因此不需要进行进一步说明。
在本文中描述的纵向扫气式两冲程大型柴油机的实施方式中，常常在每个气缸或缸套的下部部分中设置扫气隙缝。这些隙缝由活塞在气缸中得移动周期性闭合和开启，以使得由涡轮增压机在增压下提供的扫气可穿过扫气隙缝(只要它们是开启的)进入气缸中。在气缸盖或气缸罩中，设置大部分居中布置的排气门，在燃烧过程之后，燃烧燃气可从气缸通过排气门排放到排气系统中。设置一个或更多个用于喷射液体燃料的燃油喷嘴，燃油喷嘴例如布置在气缸盖中，靠近排气门。为了在气体模式下供应燃气，设置燃气供应系统，燃气供应系统包括具有一个进气喷嘴的至少一个进气门。进气喷嘴通常设置在气缸壁中，例如，设置在活塞的上止点和下止点之间的中间的高度。
此外，在下文中，通过举例的方式参照大型柴油机是船的动力单元的应用。
现今，由于针对排气排放的法律规定，大型柴油机常常必须在海岸附近在气体模式下操作，否则将不再符合针对排气排放(特别地，氮氧化物NOx和氧化硫)的所规定的极限值。
在气体模式下，空气-燃气混合气的效率和低污染燃烧敏感地依赖于空气量和燃气量之间的比率。常常用值λ来指示该比率，λ指示可用于燃烧的空气质量和用作燃料的燃气质量之间的比率。
最佳的空气-燃气比率取决于将由发动机产生的驱动转矩，进而取决于所期望的船速。
图1用示意图示出空气-燃气比率1和由发动机产生的并且为船提供动力的转矩2之间的示例性关系。特别地，图1中例示的转矩2构成BMEP(平均有效压力)转矩，该转矩基本上是工作循环(两冲程发动机的一个活塞移动周期和四冲程发动机的两个活塞移动周期)内平均的转矩。
在图1的图示中，可看到两个极限曲线：爆震极限3和不点火极限4。在图示中的爆震极限3左边的操作状态下，燃气-燃气混合气过浓，这意味着在混合气中的空气不足。过浓的混合气可导致诸如发动机的快速燃烧或爆震或预燃的不同问题，预燃即由于大量燃气(基于工作循环)，气缸中的混合气燃烧因压燃而过早开始。在图示的不点火极限4右边的操作状态下，空气-燃气混合气过稀薄，即，没有足以在燃烧室中进行最佳燃烧的燃气。
因此，努力地使大型柴油机恒定地在空气-燃气比率的最佳范围内(即，在爆震极限3和不点火极限4之间的范围内)在气体模式下操作。在图1中，存在操作线6，操作线6指示空气-燃气比率1和发动机产生的转矩2之间的关系。操作线6的末端对应于大型柴油机在满负荷下产生的转矩，即，用参考标号7命名的点构成满负荷操作，即，大型柴油机在100％负荷下的操作。如果从点7开始，遵循操作线6向下，从部分负荷范围顺着到达低负荷范围和操作线6在水平轴上的起点，水平轴指示空气-燃气比率。例如，操作线6在空气-燃气比率为2和空气-燃气比率为3之间的范围内。在图1中，操作线6的起点对应于例如空气-燃气比率为2.5。
之前描述的曲线(即，爆震极限3、不点火极限4和操作线6)均是指ISO条件，即，大型柴油机的技术规范所指的标准化条件。因此，所提到的曲线3、4和6特别地是指25℃的空气温度。从这点上说，空气温度被理解成意指大气的温度或通过涡轮增压机吸入的大气的温度。
此外，图1包括涡轮增压机的特性线8，特性线8也是指吸入的25℃的大气温度。该特性线8表示可由涡轮增压机根据转矩2提供的作为扫气的最大空气质量流，根据转矩2意味着根据大型柴油机操作所处的负荷。特性线8左边图示的区域意指涡轮增压机能够生成足以在气缸中实现空气-燃气比率1的所期望值的扫气的大质量流。如果该特性线8交叉并且到达特性线8右边图示的区域，则涡轮增压机产生的扫气的质量流不再足以实现气缸中所期望的空气-燃气比率。
如可在图1中识别的，在意味着处于ISO条件下(ISO条件意指在点7所表示的满负荷操作中的特别地25℃下)与涡轮增压机的特性线8有足够的距离。该距离常常被命名为排气旁通余量并且在图1中用双箭头9表示。如果大型柴油机在100％负荷(满负荷)下在点7进行操作，则排气旁通余量等同于与涡轮增压机的特性线9的安全距离。该距离确保了，涡轮增压机提供的扫气在不同情况下足以在气缸中实现空气-燃气比率的所期望值。
实际上，在大型柴油机的排气系统中，设置被命名为排气旁通阀的专用阀。该阀有助于调节供给到涡轮增压机中的排气的质量流。如果排气旁通阀被完全或部分开启，则排气的一部分转移离开涡轮增压机，以致涡轮增压机没有实现其最大动力。如果排气旁通阀被完全闭合，则排气的总质量流被供给到涡轮增压机中，涡轮增压机随后产生其最大动力，这意味着它产生扫气的最大质量流。
如果大型柴油机在热带条件下在气体模式下操作，则这导致图1中的某些改变，以下将对此进行描述。热带条件被理解成意指特征在于大气进而通过涡轮增压机吸入的空气的高温和/或高湿度的这些条件。高温被理解成意指至少27℃的温度。在热带条件下，大气温度可甚至超过30℃或35℃，是例如45℃。该温度被理解成意指涡轮增压机的进口处空气的温度。高湿度被理解成意指至少40％特别地至少50％的大气相对湿度。但是，湿度也可以是60％或甚至更大。
特别地，因通过涡轮增压机吸入的空气的高湿度和高温度的组合导致了一些问题，因为高温表示空气的密度低，进而表示流过涡轮增压机的空气质量减小。高湿度导致特别地在增压空气冷却器下游有更多的水凝结物或蒸汽。
在图1中定性地表示热带条件的效果，其中，带有撇号的参考标号是指在热带条件下的大型柴油机的操作。
热带条件的一个效果是，爆震极限3在图示中向右(如用箭头A所指示的)移动，形成热带爆震极限3’。特别地，因扫气温度增加和在燃烧后排气停留在气缸燃烧室中的部分增加，造成该偏移。
涡轮增压机的特性线8在图示中向下(如图1中的箭头B所指示的)移动，形成热带特性线8’。该偏移主要是由于已经提到的事实：吸入的空气高温表示空气的密度低并且有更多凝结物。
大型柴油机的操作线6在低负荷范围内和部分负荷范围内基本保持不变。然而，在高负载范围(在图1中，超过满负荷的大约80％)内，出现向左的猛烈弯曲，如热带操作线6’所表示的。结果，在ISO条件下的全负荷操作(100％负荷)的点7移动，形成表示热带条件下的满负荷操作7’。在图1中用箭头C指示该偏移。
在图1中例示的实施方式中，在满负荷时在热带条件下的操作仍然是能够的，尽管该操作不再是最佳的。可认识到，热带点7’(满负荷)在涡轮增压机的热带爆震极限3’上和热带特性线8’二者上。热带特性线8’的进一步向下移动或朝向热带点7’右边的进一步移动将意味着，大型柴油机可不再在满负荷下操作，从而没有快速燃烧的风险。
根据本发明，因此提出了如果出现这些关键条件，即，特别地，在热带周围环境条件下，则使大型柴油机在动力平衡模式下在气体模式下操作。根据本发明，如果允许检测空气-燃气比率的控制参数实现了极限值，则启用该动力平衡模式。
优选的控制参数是也被命名为点火压力的气缸压力。这是在空气-燃气混合气燃烧期间在气缸燃烧室中主导的压力。更精确地，气缸压力或点火压力是在工作循环内气缸中出现的最大压力。如果例如空气-燃气比率减小，则燃烧将通常在燃烧室中加速进行。燃烧的速度越大，导致气缸压力越高，使得利用气缸压力，可检测到气缸中的空气-燃气比率改变。
如果使用气缸压力作为控制参数，则控制参数的极限值优选地但不一定是气缸的设计压力，即，在正常操作期间气缸中的最大可允许压力。对于纵向扫气式两冲程大型柴油机而言，该设计压力通常在150巴和200巴之间，例如是180巴。
如果此时大型柴油机在满负荷的至少75％的高负荷(优选地，满负荷的至少85％)范围内进行操作期间，检测到气缸压力达到极限值，则将启用动力平衡模式，以避免大型柴油机在空气不足范围内进行任何操作，空气不足范围意指热带爆震极限3’左边图示的范围。
当然，还有如果应该启用动力平衡模式则进行检测的其他合适控制参数。还可以监测不止一个控制参数。例如，优选且合适的控制参数是以下参数：气缸中的燃烧速度、气缸压力和压缩压力之间的比率、燃烧速度、涡轮增压机的排气旁通阀的位置、涡轮增压机的进口处吸入的空气的温度、涡轮增压机的进口处吸入的空气的湿度、引入气缸中的扫气的温度、扫气的当前压力、排气中的氧浓度、排气中的氮氧化物浓度。可例如通过模拟或通过实验或基于经验数据来计算或确定适于相应控制参数的极限值。
气缸压力和压缩压力之间的比率是在工作循环期间气缸中主导的最大压力和恰在空气-燃气混合气点火之前气缸中主导的压力(压缩压力)之间的比率。
排气旁通阀的位置指示排气旁通阀的开启位置。如果排气旁通阀被完全开启，则排气中可能最多的部分转移离开涡轮增压机(由涡轮增压机产生的扫气的最小质量流)。如果排气旁通阀被完全闭合，则所有排气从气缸导向涡轮增压机，以使得涡轮增压机产生其最大动力(即，扫气的最大质量流)。
其他优选(因为非常简单)的实施方式是，如果通过涡轮增压机吸入的空气的温度超过极限温度，并且大型柴油机在不同情况下在相对于满负荷的至少75％负荷(优选地，至少85％负荷)的高负荷范围内操作，则启用动力平衡模式。极限温度是至少27℃，但它还可以是例如30℃或35℃或45℃或甚至更高。
其他可能性是，如果通过涡轮增压机吸入的空气的相对湿度超过极限湿度并且大型柴油机在不同情况下在相对于满负荷的至少75％负荷(优选地，至少85％负荷)的高负荷范围内操作，则启用动力平衡模式。极限湿度是至少40％，优选地，60％。这也构成可以以特别简单的方式实现的方法。
根据本发明，在功率平衡模式下，为了燃气的燃烧，增大空气-燃气比率。在启用动力平衡模式之前，控制参数已经接近并且实现了其极限值，从而检测到气缸中的空气-燃气比率已减小，即，其接近热带爆震极限(图1)。如果此时启用动力平衡模式，则特别地为了燃气的燃烧，增大空气-燃气比率。
从这点上说，特别优选的措施是在动力平衡模式下除了燃气之外，还将附加量的液体燃料引入燃烧室中。该措施允许为了燃气的燃烧以特别简单的方式增大空气-燃气比率。因为通过液体燃料的燃烧而生成发动机所需动力的一部分，所以相应燃气燃烧过程所需的燃气量减少。由于这样的燃气量减小，导致为了燃气的燃烧，可增大空气-燃气比率。
因为就技术设备而言特别简单，所以优选地利用大型柴油机的液体模式下使用的喷射装置将附加量的液体燃料喷射到气缸中。这意味着，用与喷射液体模式的液体燃料的喷射喷嘴相同的喷射喷嘴，将液体燃料喷射到气缸的燃烧室中。
当然，期望并且还有可能，由于在气体模式下附加地喷射液体燃料，导致大型柴油机的污染物排放没有显著增加。为此原因，选择尽可能少地附加量的液体燃料。实际经验惊人地表现为，通过喷射附加量的液体燃料，污染物排放更加减少。
为了喷射附加量的液体燃料，优选地首先将最小附加量的液体燃料引入气缸中，之后逐步地增加附加量的液体燃料，直到达到大型柴油机所期望的负荷。这意味着，当启用动力平衡模式时，首先，除了燃气之外，还将该最小附加量的液体燃料引入气缸中。如果该最小附加量不足以在不存在过快燃烧风险(空气不足范围，在图1中的热带爆震极限3’的左边)的情况下实现发动机的所期望负载，则在随后的工作循环中，将逐步增加液体燃料的附加量，直到达到发动机的所期望负荷。
为了避免污染物排放显著增加，优选地，如已经提到地，使液体燃料的附加量保持尽可能小或者在最佳范围内，特别地，引入气缸中的燃料总量的不超过20重量％，优选地，不超过15重量％。
当然，合适的附加量取决于特定应用。但是，实际经验已经表明，在许多应用中，引入气缸中的燃料总量的大约5重量％至10重量％的范围内的液体燃料附加量是足够的。该附加量常常使得大型柴油机即使在热带条件下也能够在气体模式下满负荷地操作。特别地，变得显而易见的是，由于该附加量液体燃料，导致污染物排放可更加减少。
增加动力平衡模式下燃气燃烧的空气-燃气比率的其他优选可能性是，在动力平衡模式下启用鼓风机，鼓风机有助于产生附加量的扫气。由于该措施，导致在动力平衡模式下，除了涡轮增压机所产生的扫气质量流之外，可以产生更多扫气，从而允许增加气缸中的针对燃气燃烧的空气-燃气比率。该措施还有助于使大型柴油机甚至在不利周围环境条件(特别地，热带条件)下在气体模式下也满负荷地操作。
从这点上说，鼓风机优选地是能调节的鼓风机，其允许改变扫气的附加量。由于该能调节的鼓风机，为了燃气的燃烧，可连续地增加或调节空气-燃气比率，以使得可相对于可能最小消耗和可能最小污染物排放优化燃气燃烧。
鼓风机优选地与涡轮增压机的压缩机串联布置，其中，鼓风机借助涡轮增压机的压缩机来减小压力差，从而导致扫气的质量流增加。特别优选的是，将鼓风机串联布置在高压侧，即，布置在压缩机后方的流动方向上。
还可以交替地或另外地使用与涡轮增压机的压缩机并联布置的鼓风机。
上述用于在动力平衡模式下增加空气-燃气比率的措施(即，喷射附加量的液体燃料并且启用附加鼓风机)二者可交替地或一起实现。
根据本发明的方法特别适于改造双燃料大型柴油机。因为根据本发明的方法可在许多应用中实现而在技术设备方面并没有明显额外费力，所以其也特别适于转换或改造这些大型柴油机，以使得已经存在的大型柴油机也可在不利周围环境条件下(特别地，在热带条件下)高效地以环境安全方式满负荷操作。
根据本发明的方法对于行驶试验是特别有利的，该行驶试验是例如在大型柴油机用于维修操作中之前用大型柴油机执行的，因为在那些试验中，也必须满负荷(即，其负荷的100％)操作。

Claims (15)

1.一种用于操作双燃料大型柴油机的方法，所述双燃料大型柴油机特别地是纵向扫气式两冲程大型柴油机，能在将液体燃料引入气缸中进行燃烧的液体模式下操作，并且也能在将燃气作为燃料引入所述气缸中的气体模式下操作，所述燃气与扫气按空气-燃气比率进行混合并且进行燃烧，其中，在所述气体模式下进行操作期间，监测允许检测所述空气-燃气比率的变化的控制参数，并且其中，如果所述控制参数达到极限值，则所述大型柴油机在动力平衡模式下操作，其中，在所述动力平衡模式下，为了燃气的燃烧，增大所述空气-燃气比率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，用于启用所述动力平衡模式的所述控制参数包括以下参数中的至少一个：气缸压力、气缸压力和压缩压力之间的比率、燃烧速度、在用于提供扫气的涡轮增压机的进口处吸入的空气的温度、用于涡轮增压机的排气旁通阀的位置、在用于提供扫气的涡轮增压机的进口处吸入的空气的湿度、引入所述气缸中的所述扫气的温度、所述扫气的当前压力、排气中的氧浓度、排气中的氮氧化物浓度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，用于启用所述动力平衡模式的所述控制参数是在空气-燃气混合气燃烧期间的所述气缸压力。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制参数的所述极限值是所述气缸的设计压力。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果通过涡轮增压机吸入的空气的温度超过极限温度，则启用所述动力平衡模式，其中，所述极限温度是至少27℃。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果通过涡轮增压机吸入的空气的相对湿度超过极限湿度，则启用所述动力平衡模式，其中，所述极限湿度是至少40％，优选地至少60％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述动力平衡模式下，除了所述燃气之外，还将附加量的液体燃料引入燃烧室中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，凭借在所述大型柴油机的所述液体模式下使用的喷射装置将所述附加量的液体燃料引入所述气缸中。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，首先将最小附加量的液体燃料引入所述气缸中，然后逐步地增加所述附加量，直到达到所述大型柴油机的期望负荷。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，所述附加量的液体燃料是引入所述气缸中的燃料总量的不超过20重量％，优选地，不超过15重量％。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中，所述附加量的液体燃料在引入所述气缸中的燃料总量的大约5重量％至10重量％的范围内。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述动力平衡模式下，启用鼓风机，所述鼓风机有助于产生附加量的扫气。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述鼓风机是能调节的鼓风机，所述能调节的鼓风机有助于改变所述附加量的扫气。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述鼓风机与涡轮增压机的压缩机串联布置。
15.一种双燃料大型柴油机，所述双燃料大型柴油机特别地是纵向扫气式两冲程大型柴油机，所述双燃料大型柴油机用根据权利要求1至14中任一项的方法进行操作。
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