CN107787399A - 双燃料内燃机 - Google Patents

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D.因霍夫
G.丁施曼
C.特拉普
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Abstract

一种双燃料内燃机(1)，其具有：用于调节内燃机的调节设备(2)；至少两个活塞气缸单元(3)，其中，至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个关联有用于液态燃料的相关联的燃料喷射器(4)，其具有可占据不同的针位置的喷射针(5)，其中，该至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个关联有用于气态燃料的气体输送设备(6)，其中，调节设备(2)构造成用于，独立地操纵燃料喷射器(4)和至少一个气体输送设备(6)以选择性地配量被输送给至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个的液态或气态燃料的量，其中，对于至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个而言，设置有至少一个与调节设备(2)相连接的且与相应的活塞气缸单元(3)相关联的针传感器(7)，通过该针传感器(7)可获取对于针位置而言在弹道范围中有代表性的信号，从而为了在弹道范围中对于至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个独立地调节被输送的燃料量，可以以可受控的方式使燃料喷射器(4)运行。

Description

双燃料内燃机
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分所述的特征的双燃料内燃机以及一种用于使该双燃料内燃机运行的方法。
背景技术
这种类型的双燃料内燃机典型地在两种运行模式中运行。在此，区分成具有初级的液态燃料输送的运行模式(简称“液态运行”，在使用柴油作为液态燃料的情况中简称为“柴油运行”)以及具有初级的气态燃料输送的运行模式，在其中，液态燃料用作用于起动内燃机的引导燃料(也被称为“引导运行”或“点火射流运行”)。
可取决于不同的因素选择液态运行或是引导运行，例如取决于相应的燃料的可用性、经济性考虑或法律规定。
也已知的是，在气态燃料的质量下降时从引导运行中转换到液态运行中。
此外，还存在混合运行，在其中，气态和液态燃料的量类似。
迄今不利的是，不能毫不费力地实现可靠地配量较小量的液态燃料，但是这在引导运行中是必要的。为了该目的，或者必须提供两种不同的用于液态燃料的燃料喷射器(一个用于较大量的液态燃料并且一个用于较小量的液态燃料)，或者使用具有两个喷射针的唯一的燃料喷射器(例如见文件WO 2014/106525 A1)。
发明内容
本发明的任务是，提供一种双燃料内燃机以及一种用于使该双燃料内燃机运行的方法，在其中，不需要以上描述的不利的措施。
该任务通过具有权利要求1的特征的双燃料内燃机和具有权利要求13的特征的方法来解决。在从属权利要求中限定了本发明的有利的实施方式。
通过设置至少一个与调节设备相连接的且与相应的活塞气缸单元相关联的针传感器，通过该针传感器可获取对于在弹道范围中的针位置而言有代表性的信号，可在弹道范围中独立地对于至少两个活塞气缸单元中的每一个而言以控制的方式使用于调节被输送的燃料量的燃料喷射器运行，因为对于每个而言可推断出液态燃料的输送给其的量，并且这样其也可进行调节。针传感器的弹道范围可理解成喷射针在完全打开和完全关闭之间的位置的范围。这种针传感器的分辨范围可在喷射针的额定行程(Nennhub)的20%至50%之间。
根据本发明设置成，内燃机具有至少两个活塞气缸单元。优选的是12、16、20或24个活塞气缸单元。那么根据本发明设置成，至少两个活塞气缸单元中的每一个分别关联有至少一个针传感器。
此外，根据本发明设置成，调节设备构造成用于，取决于对于针位置而言有代表性的信号调节被输送给至少两个活塞气缸单元的液态或气态燃料的量。
在本公开文献中，在燃料量方面的百分数说明(Prozentangaben)涉及通过活塞气缸单元的相应燃料量输送的能量量(Energiemenge)。这样，例如1%的液态燃料的说明意味着，被输送给活塞气缸单元的能量量的1%来源于液态燃料。在该示例中，通过气态燃料提供被输送的能量的互补的99%。通过得到使用的燃料的相应特定的能量含量得出，怎样的能量量相应于液态或气态燃料的被输送给活塞气缸单元的质量流。
对于液态燃料的示例是柴油和重油(英文，HFO“重质燃料油(heavy fuel oil)”或(主要在航海领域中)BFO“船用燃料油(bunker fuel oil)”)。对于气态燃料的示例是气态的碳水化合物、例如天然气或沼气。
优选地设置成，对于至少两个活塞气缸单元中的每一个而言设置有至少一个与调节设备相连接的且与相应的活塞气缸单元相关联的燃烧传感器，通过该燃烧传感器可获取对于相应的活塞气缸单元进行的燃烧的有代表性的信号。
在这种情况中，优选地设置成，调节设备构造成用于，取决于对于相应的针位置和对于相应的燃烧的有代表性的信号独立地调节被输送给至少两个活塞气缸单元的液态或气态燃料的量。
如果也提供对于燃烧而言有代表性的信号，这实现了在调节双燃料内燃机时考虑在至少两个活塞气缸单元中的一个中的燃烧过程。可设置成，燃烧传感器是爆震传感器、气缸压力传感器、温度传感器(例如布置在燃烧室中或排气歧管中)或者NOx探测器。因此，例如可考虑误点火(Fehlzündung)、爆震的出现和在燃烧时产生的排放。在识别气缸压力时，可取决于该气缸压力调节燃烧。相对于具有仅仅一个针传感器的实施方式，这开启了使双燃料内燃机在更高效率和/或更适宜排放下运行的可能性。
可设置成，针传感器和燃烧传感器构造成彼此不同。备选地可设置成，针传感器和燃烧传感器构造为同一个传感器。那么提供的是，将传感器构造成爆震传感器(固体声传感器)。
特别优选地设置成，每个活塞气缸单元设置刚好一个用于液态燃料的燃料喷射器，其优选地具有刚好一个喷射针。
可设置成，调节设备构造成用于，在0.5%(引导运行的下边界)至100%(液态运行的上边界)的范围中独立地改变被输送给至少两个活塞气缸单元的液态燃料的量，并且相应地在99.5%至0%的范围中改变被输送给至少两个活塞气缸单元的气态燃料的量。
可设置成，调节设备构造成用于，取决于被储存的或计算的资料，独立地调节被输送给至少两个活塞气缸单元的气态燃料的量和被输送给至少两个活塞气缸单元的液态燃料的量，其中，该资料限定在内燃机的不同运行状态和气态和液态燃料的从属于此的量之间的关系。例如，在给定的内燃机负载和预设的排放限制的情形中，可作为资料储存分别在效率方面最优的液态和气态燃料的百分比份额。当然，液态和气态燃料的份额跟随这样的预设，即，是应进行引导运行、液态运行还是进行在最大气体量方面特定的混合运行。
资料的使用优选地至少覆盖内燃机的静态运行。瞬态的范围例如可利用固定地预设液态和气态燃料的份额来进行。
一种示例：
在作为目标参量预设的BMEP(“制动平均有效压力(Brake Mean EffectivePressure)”表示对于内燃机的负载的特征)和具有测得的或已知的甲烷数和增压空气温度的预设的NOx排放限制的情形中，通过查询表或以数学函数的形式，取决于喷射开始、喷射持续时间、轨道压力和空气比(Luftverhältnis)确定用于效率最大化的运行参数的目标值。应注意的是，优选地也探测爆震或NOx排放并且如有可能结合到运行参数的所选择的目标值中以允许可靠的运行。例如，如果存在爆震，可减小气态燃料的量并且相应地，改变液态燃料的量或液态燃料的喷射的时刻。
尤其对于引导运行需要的是，当希望进行内燃机的调节时，在测量技术上解出(auflösen)喷射针的弹道范围。弹道范围理解成燃料喷射器的这样的运行，即，在其中喷射针从“完全关闭”位置出发沿着“完全打开”位置的方向运动，然而不到达该“完全打开”位置。随后，喷射针再次沿着“完全关闭”位置的方向运动，而不已经到达“完全打开”位置。
例如，可使用在喷射针的行程方面高分辨率的传感器，或者可设置(本身已知的)传感器，其探测“完全关闭”位置的到达。也可直接通过光学传感器探测喷射针的位置。
根据本发明，针传感器需要可此外探测关于“完全打开”或“完全关闭”的二元信息的信息。
可设置成，针传感器构造成布置在燃料喷射器中的压力传感器、行程测量设备或光学传感器。压力传感器例如可布置在与喷射针相连接的燃料喷射器的储存容积处。
在光学传感器的情况中，其例如指向喷射针自身，并且直接通过视觉检查获得针位置。备选地，光学传感器可指向邻近燃料喷射器的那个区域，在该区域中在喷射针打开时可预测到燃料喷洒(Kraftstoffspray)的出现。
从针传感器的值中可直接确定喷射针的打开持续时间，并且通过利用其通过燃料喷射器喷射液态燃料的压力(轨道压力)从中可计算出实际喷射的液态燃料的量。通过匹配燃料喷射器的通电持续时间，可调节该量。通过匹配燃料喷射器的打开和关闭时刻，可改变喷射特征。
通过针传感器获得对于操纵燃料喷射器的总归可用的电流特征的附加信号。由此，可探测从燃料喷射器的通电中预测的与喷射针的实际打开、即例如抬起的偏差。
可设置成，设置用于燃料喷射器的冷却设备。由此，可防止液态燃料的焦化(Verkoken)或者燃料喷射器的提高的损耗和材料失效。冷却设备例如可实施成液体冷却部。
可设置成，调节设备构造成用于，根据针传感器的对于针位置而言有代表性的信号确定针传感器的磨损特征。例如，相对于喷射针的打开持续时间，在时间上观察为了限定地输送燃料所需的喷射针的执行器螺线管(Aktuatorsolenoid)的通电持续时间，并且探测通电持续时间的延长。这指示了磨损。
在此，对于燃料喷射器通过螺线管(线圈)的操纵表述，相互关系也适用于备选的执行器，例如压电执行器(Piezo-Aktuator)。
在用于使尤其根据上述实施方式中任一项所述的双燃料内燃机运行的方法中，设置成，取决于用于液态燃料的相应的活塞气缸单元的燃料喷射器的喷射针的位置并且取决于在至少一个活塞气缸单元中进行的燃烧，独立地调节被输送给至少两个活塞气缸单元的气态燃料的量和被输送给活塞气缸单元的液态燃料的量。
可设置成，在0.5%至100%的范围中独立地改变被输送给至少两个活塞气缸单元的液态燃料的量，并且相应地在99.5%至0%的范围中改变被输送给至少两个活塞气缸单元的气态燃料的量。
可设置成，独立地取决于被储存或计算的资料调节被输送给至少两个活塞气缸单元的气态燃料的量和液态燃料的量，其中，该资料限定在内燃机的不同运行状态和气态和液态燃料的从属于此的量之间的关系。
作为简单的示例提到：
- 当确定了空气和气态燃料的混合物的低易燃性(Zündwilligkeit)时，提高被输送的液态燃料的量，
- 当探测到爆震时，向较迟(spät)调整喷射时刻，
- 当确定了误点火(misfire)时，调节设备检查液态燃料的喷入量是否过低。
根据本发明设置成，设置至少两个活塞气缸单元并且对于至少两个活塞气缸单元中的每一个独立地调节被输送的气态燃料的量和被输送的液态燃料的量。
优选地，根据本发明的内燃机为静态内燃机，其或者直接作为机械驱动器或者作为用于在所谓的发电机组单元(Genset-Einheit)中用于产生电流的发电机的驱动设备。
活塞气缸单元的气缸优选地具有至少130mm的孔直径。
本发明的特别的优点总结如下：
- 具有对于针传感器的喷射针的位置的反馈信号的燃料喷射器允许可复制地映射(Abbildung，有时也称为描摹)最小量(即，所谓的微引导(Micropilot)，在1%的柴油/液态燃料下)
- 在燃料喷射器的使用寿命上修正喷射量
- 较高的调节比(turn-down ratio)可映射
- 较高的“喷射到喷射(shot-to-shot)精度”(从一个喷射事件到下一个喷射事件的喷射量的可复制性)
- 燃料喷射器在弹道范围中以可控制的方式运行。
调节比是最大和最小燃料量的比例，喷射器可受控地喷射该燃料量。如果喷射器可呈现0.5%至100%的燃料量，则该喷射器具有200的调节比。
为了在燃料喷射器的使用寿命上修正喷射量提及的是，由于磨损或沉积，喷射周期在燃料喷射器的使用寿命上不仅可延长而且可缩短。针传感器开启了在两个方向上探测偏差的可能性。
附图说明
根据附图讨论本发明的另外的优点和细节。其中：
图1示意性地示出了在第一实施例中的根据本发明的内燃机，
图2示意性地示出了在另一实施例中的根据本发明的内燃机，
图3示出了用于单个活塞气缸单元的对于根据本发明的方法的实施例的调节计划(Regelschema)，
图4在备选的图示中示出了调节计划。
具体实施方式
图1示意性地示出了内燃机1的活塞气缸单元3。压缩设备10通过轴与废气涡轮11相连接，在废气涡轮11中，内燃机1的废气泄压。通过压缩设备10，可压缩待输送给内燃机1的增压空气(Ladeluft)或空气燃料混合物。
可通过根据该实施例的气体输送设备6在压缩设备10上游将气态燃料输送给内燃机1的活塞气缸单元3。因为在该变型方案中空气和可燃气体的混合物被压缩，谈及混合物增压(Gemischaufladung)。
可通过燃料喷射器4将液态燃料、例如柴油输送给活塞气缸单元3。
出于清楚原因，未示出用于液态和气态燃料的相应的介质管路。
在该实施例中，燃料喷射器4具有刚好一个喷射针5。此外，在燃料喷射器4中构造有冷却设备9。这例如可为液态冷却部(Flüssigkeitskühlung)。燃料喷射器4此外具有针传感器7，通过该针传感器7可将喷射针5的针位置报告到调节设备2处。针传感器7例如可构造成布置在燃料喷射器4中的压力传感器、行程测量设备或光学传感器。
在活塞气缸单元3处构造有燃烧传感器8，由该燃烧传感器8可将对于燃烧而言有代表性的信号报告到调节设备2处。燃烧传感器8例如可构造成气缸压力传感器、温度传感器或光学传感器。可通过调节设备2控制或调节通过燃料喷射器4输送给活塞气缸单元3的液态燃料的量或通过气体输送设备6输送的气态燃料的量。
调节设备2可在内燃机1的发动机控制部(Motorsteuerung)中实现，或者构造成与其分离。
在图2中示出的实施例与在图1中的实施例通过以下方式相区别，即，在此气体输送设备6构造在压缩设备10下游。因此，在此气态燃料首先直接在输入阀(Einlassventil)之前且在压缩设备10下游被输送，该压缩设备10在这种情况中不压缩混合物而是增压空气。在此，谈及空气增压的方案；气体输送设备6例如可构造成进气口喷射(PI)阀(port-injection(PI)-Ventil)。这种阀开启了气缸独立地改变气体输送的可能性。
图3示出了用于图解根据本发明的方法的经简化的调节计划。
作为方框示出了用于活塞气缸单元3的气体输送设备6、燃烧传感器8、燃料喷射器4和针传感器7，其被表示为数字1(即，存在多个活塞气缸单元3)。优选地，所提到的元件气体输送设备、燃烧传感器8、燃料喷射器4和针传感器7设置在内燃机1的多个、尤其优选地所有活塞气缸单元3中。
调节设备2首先识别，内燃机1是否以双燃油模式运行。
出于清楚原因，示出了用于唯一的活塞气缸单元3的原理。通过针传感器7将关于燃料喷射器4的喷射针5的位置的信息报告到调节设备2处。该信息例如可包含，喷射针5是否已经到达其相应的最终位置，其定位在该位置中或者在最终位置之间多长时间。
燃烧传感器8提供关于在活塞气缸单元3中的燃烧的信息。该信息例如可为燃烧持续时间、气缸压力或气缸温度。取决于由燃烧传感器8或针传感器7传输的数据，调节设备2将命令给出到调整元件(Stellglieder)、气体输送设备6和燃料喷射器4处。被传输到燃料喷射器4处的数据例如可为通电持续时间(英文：duration of current，DOC)或通电开始(英文：Start of current，SOC)。这是用于确定燃料喷射器4的操纵特征的通常的参量。
例如当确定了燃料喷射器4的实际打开持续时间相对理论打开持续时间的偏差时，现在，通过针传感器7的反馈，调节设备2可修正(SOC_cor,DOC_cor)被传输到燃料喷射器4处的值(SOC,DOC)。
气体输送设备6可从调节设备2获得对于打开时刻或关闭时刻和打开持续时间的命令，由此，得出气态燃料的被输送的量。
另外的可由调节设备2操控的参量例如是压缩机旁路(Verdichterumblasung)或废气门。例如，气体输送的压力或液态燃料的轨道压力(rail-Druck)的匹配不可即时操纵，但是适合用于较缓慢的变化的补偿。当可气缸独立地操控气体输送设备6和燃料喷射器4时，调整元件废气门、压缩机旁路(compressor-bypass)涉及所有活塞气缸单元3的气态燃料的供给压力和(液态燃料的)轨道压力，即，不可气缸独立地改变。
图4以备选的图示形式示出了图3的调节计划。首先，在起动时确定，内燃机1在双燃料模式中运行还是在柴油模式中运行。在双燃料模式中，调节设备2(在此称为ECU)取决于由燃烧传感器8和针传感器7接收的信号气缸独立地调节燃料喷射器4和/或如有必要用于配量气态燃料的气体输送设备6的操纵特征。
例如，通过进气口喷射阀实现气缸独立地改变被输送的气态燃料的量，例如在根据图2的实施例中解释的那样。一种用于气缸独立地改变被输送的气态燃料的备选方案是可变的气阀传动机构(Ventiltrieb，有时也称为气门传动机构)。
在图表的左侧上，示出了示例性地用于两个活塞气缸单元3(在此称为气缸1和2)的互联(Verschaltung，有时也称为错接)。元件或调节计划优选地对于内燃机1的多个、特别优选地对于所有活塞气缸单元3被实现。
由燃料喷射器4和针传感器7组成的功能单元一方面从调节设备2(ECU)接收针传感器7关于燃料喷射器4的实际操纵特征、也就是说打开持续时间、打开时刻和关闭时刻的反馈。另一方面，由燃料喷射器4和针传感器7组成的功能单元获得用于操纵燃料喷射器4的命令，例如通电开始(英文：Start of current，SOC)和通电持续时间(英文：Start ofcurrent，SOC)。根据需要，调节设备2从针传感器7的反馈中计算并传输经修正的值SOC_cor和DOC_cor。
在图表的右侧上，给出了调整参量，其不是气缸独立地起作用，而是涉及内燃机1的所有活塞气缸单元3。
使用的附图标记清单
1 内燃机
2 调节设备
3 活塞气缸单元
4 燃料喷射器
5 喷射针
6 气体输送设备
7 针传感器
8 燃烧传感器
9 冷却设备
10 压缩设备
11 废气涡轮。

Claims (15)

1.一种双燃料内燃机(1)，其具有：
- 用于调节内燃机的调节设备(2)，
- 至少两个活塞气缸单元(3)，
- 其中，所述至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个关联有用于液态燃料的燃料喷射器(4)，其具有可占据不同的针位置的喷射针(5)，
- 其中，所述至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个关联有用于气态燃料的气体输送设备(6)，
- 其中，所述调节设备(2)构造成用于，独立地操纵所述燃料喷射器(4)和所述至少一个气体输送设备(6)以便选择性地配量被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个的液态或气态燃料的量，
其特征在于，
对于所述至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个而言，设置有至少一个与所述调节设备(2)相连接的且与相应的活塞气缸单元(3)相关联的针传感器(7)，通过所述针传感器(7)可获取对于所述针位置而言在弹道范围中有代表性的信号，从而为了在弹道范围中对于至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个独立地调节被输送的燃料量，可以以可受控的方式使所述燃料喷射器(4)运行。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其中，为所述至少两个活塞气缸单元(3)中的每一个设置至少一个与所述调节设备(2)相连接的且与相应的活塞气缸单元(3)相关联的燃烧传感器(8)，通过所述燃烧传感器(8)可获取对于相应的活塞气缸单元(3)进行的燃烧有代表性的信号。
3.根据权利要求2所述的内燃机，其中，所述调节设备(2)构造成用于，取决于对于相应的针位置和对于相应的燃烧的有代表性的信号独立地调节被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)的液态或气态燃料的量。
4.根据权利要求2或3所述的内燃机，其中，所述针传感器(7)和所述燃烧传感器(8)彼此分开地构造。
5.根据权利要求2或3所述的内燃机，其中，所述针传感器(7)和所述燃烧传感器(8)构造成同一个传感器。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的内燃机，其中，每个活塞气缸单元(3)设置刚好一个用于液态燃料的燃料喷射器(4)，其优选地具有刚好一个喷射针(5)。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的内燃机，其中，所述调节设备(2)构造成用于，在0.5%至100%的范围中独立地改变被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)的液态燃料的量，并且相应地在99.5%至0%的范围中改变被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)的气态燃料的量。
8.根据权利要求7所述的内燃机，其中，所述调节设备(2)构造成用于，取决于被储存的或计算的资料，独立地调节被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)的气态燃料的量和被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)的液态燃料的量，其中，所述资料限定在所述内燃机(1)的不同运行状态和气态和液态燃料的从属于此的量之间的关系。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的内燃机，其中，所述针传感器(7)构造成布置在所述燃料喷射器(4)中的压力传感器、行程测量设备或光学传感器。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的内燃机，其中，所述燃烧传感器(8)是爆震传感器、气缸压力传感器、温度传感器或者NOx探测器。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的内燃机，其中，设置有用于所述燃料喷射器(4)的冷却设备(9)。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的内燃机，其中，所述调节设备(2)构造成用于，根据所述针传感器(7)的对于所述针位置有代表性的信号确定所述针传感器(7)的磨损特征。
13.一种用于使尤其根据权利要求1至12中任一项所述的双燃料内燃机运行的方法，其中，取决于用于所述液态燃料的相应的活塞气缸单元(3)的燃料喷射器(4)的喷射针(5)的位置并且取决于在所述至少两个活塞气缸单元(3)中进行的燃烧，独立地调节被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)的气态燃料的量和被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)的液态燃料的量。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在0.5%至100%的范围中独立地改变被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)的液态燃料的量，并且相应地在99.5%至0%的范围中改变被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)的气态燃料的量。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，取决于被储存或计算的资料独立地调节被输送给所述至少两个活塞气缸单元(3)的气态燃料的量和液态燃料的量，其中，所述资料限定在所述内燃机(1)的不同运行状态和气态和液态燃料的从属于此的量之间的关系。
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