CN108291499B

CN108291499B - 内燃发动机的多燃料供给系统以及操作该系统的方法

Info

Publication number: CN108291499B
Application number: CN201580084817.4A
Authority: CN
Inventors: C·斯泰加尔; T·哈格达尔; J·拉西拉
Original assignee: Vassiland Finland Co Ltd
Current assignee: Vassiland Finland Co Ltd
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2020-02-04
Anticipated expiration: 2035-10-28
Also published as: EP3368761B1; WO2017071746A1; EP3368761A1; KR20180075590A; CN108291499A; KR102008633B1

Abstract

本发明提供了一种用于内燃发动机的多燃料供给系统以及操作该系统的方法。多燃料供给系统包括气体燃料供给系统、液体燃料供给系统和控制器。控制器如下操作多燃料供给系统：在将液体燃料输送到发动机以用于循环的同时，通过使用气体燃料供给系统和第一液体燃料供给子系统在第一燃料模式下操作，并且在将液体燃料输送到发动机以用于消耗的情况下，使用液体燃料供给系统在第二燃料模式下操作。当多燃料供给系统在第一燃料模式下操作时，与多燃料供给系统在第二燃料模式下操作时的情况相比，在发动机在相同的操作点操作的情况下，输送到发动机的液体燃料的量减少，由于液体燃料的减少的量引起的液体燃料的缺少由燃料缓冲罐补偿并从燃料缓冲罐输送。

Description

内燃发动机的多燃料供给系统以及操作该系统的方法

技术领域

本发明涉及操作用于例如船舶或电厂的内燃发动机的多燃料供给系统的方法以及内燃发动机的多燃料供给系统。

背景技术

船舶和电厂二者中使用的内燃发动机常常使用多种燃料来操作。这些燃料可以是诸如液化天然气(LNG)的气体燃料(气体)或者类似船用轻柴油(MGO)和重质燃料油(HFO)的传统液体船用燃料(柴油)。通常，多燃料发动机在气体模式下或在柴油模式下操作，即，作为双燃料发动机操作。由于排放更低、效率更好(消耗更低)、可视烟气和环境管制更低，所以双燃料发动机的大多数用户大多数时候将这些发动机运行在气体模式下。在这种模式下，气体作为主要燃料被供应到发动机以燃烧，该发动机作为奥托发动机操作。另外，用于点燃气体的引燃燃料被供应到发动机。由于可使用引燃燃料MGO，其中消耗(即，燃烧)的引燃燃料的量非常小。当MGO用作柴油模式的柴油时，即，当MGO用作作为柴油发动机操作的发动机所消耗的主要燃料时，可通过从柴油供给系统分支出燃料管来确保引燃燃料供应。在这种情况下，针对引燃燃料使用单独的燃料供给系统不是必要的。另选地，为了增加系统的冗余度，引燃燃料供给系统可使用相同的罐，但是除了罐之外，可完全独立于柴油供给系统。当HFO用作柴油模式的柴油时，由于HFO不适合用作引燃燃料，所以使用与柴油供给系统分离的完全独立的供给系统来供应引燃燃料(例如，MGO)。在这种情况下，发动机是使用HFO、MGO和气体的所谓三燃料发动机。

在用于船舶或电厂的任何类型的发动机中，可靠性是主要的设计标准，因为故障会导致机动性的丧失或停电。因此，当使用多燃料发动机时，在一个燃料供应系统发生故障的情况下或者当系统燃料用尽时(定期切换)，必须确保燃料模式之间的快速平稳切换。出于这个原因，传统多燃料发动机的柴油供应系统必须永久运行以便维持柴油的足够粘度以用于将柴油供给到发动机以便于燃烧。因此，即使发动机大部分在气体模式下操作，备用柴油供给系统也持续运行以防突然改变为柴油模式。因此，出于安全原因，备用系统持续耗电，从财务和环境角度看这是主要缺点。此外，柴油供应系统的组件的维护和检查间隔由此缩短。因此，产生了进一步的成本。

发明内容

鉴于上文，本发明的目的在于提供一种操作用于内燃发动机的多燃料供给系统的节省成本和燃料的方法、适于在燃料模式之间快速且平稳地切换的内燃发动机的节省成本和燃料的多燃料供给系统以及升级用于内燃发动机的传统多燃料供给系统的方法。

该目的通过一种操作用于内燃发动机的多燃料供给系统的方法、通过一种用于内燃发动机的多燃料供给系统、以及通过升级用于内燃发动机的多燃料供给系统的方法来实现。

根据本发明，一种内燃发动机的多燃料供给系统由气体供给系统(气体燃料供给系统)和柴油供给系统(液体燃料供给系统)组成。柴油供给系统具有至少一个罐(液体燃料罐)、引燃燃料供给子系统(第一液体燃料供给子系统)和柴油供给子系统(第二液体燃料供给子系统)。

在气体模式(第一燃料模式)下，气体供给系统将气体输送到发动机以用于消耗(即，用于燃烧)，并且柴油供给系统的引燃燃料供给子系统输送引燃燃料(例如，MGO)以用于点燃气体，即，也用于消耗(燃烧)。换言之，引燃燃料供给泵(第一供给泵)完全启用，即，以发动机的期望的操作点所需的速度(操作速度)操作。此外，柴油供给系统的柴油供给子系统也将柴油输送到发动机，但仅用于循环，而不用于消耗。由于该循环，柴油供给子系统中的柴油保持在准备好消耗的状态以防燃料模式需要改变为柴油模式(第二燃料模式)，在该模式下仅柴油供给系统被使用以向发动机输送燃料以用于消耗。为了保持柴油循环，柴油供给泵(第二供给泵)不必完全启用以确保柴油处于准备好消耗的状态，即，其不必以标称速度操作。实际上，该泵在所谓的经济模式下(例如，通过使用变频器)操作。换言之，当双燃料供给系统在气体模式下操作时，输送到发动机的柴油量减少，发动机仍在与当双燃料供给系统在柴油模式下操作时相同的操作点操作。然而，在双燃料发动机的情况下，即，当引燃燃料供给子系统至少部分地取决于柴油供给子系统的组件时，在气体模式下的操作期间确保柴油供给系统中的足够压力以维持所需流量的引燃燃料到发动机。在三燃料发动机的情况下，即，当引燃燃料供给子系统完全独立于柴油供给子系统时，仅引燃燃料供给泵以操作速度操作，并且柴油供给子系统中的压力甚至可进一步降低。

为了将发动机的燃料模式从气体模式改变为柴油模式，发动机的控制单元(控制器)例如向柴油供给泵的变频器输出信号以进行标称操作。柴油供应子系统的前置时间(lead time)(即，直至其提供期望的燃料压力的时间)足够短以在不影响发动机速度的情况下保持发动机运行。换言之，由于发动机的惯性，柴油供给泵从经济模式提速(加速)到标称操作并向系统提供期望的压力所需的时间段(即，泵的前置时间)比直至发动机速度开始下降为止所逝去的时间段短。根据经济模式和泵的类型，前置时间的数量级可介于2至8秒之间，但不超过10秒。根据发动机，即使燃料压力下降到0巴发动机速度仍保持恒定的时间段的数量级为至少40秒。因此，泵的前置时间明显更短。因此，可在不影响发动机性能(输出)的情况下快速且平稳地改变燃料模式。

另选地，上述目的通过一种具有柴油供给系统的内燃发动机的多燃料供给系统来实现，所述柴油供给系统设置有作为燃料缓冲罐的高架罐(overhead tank)(静态燃料压力罐)。更精确地，高架罐被设置在例如船舶或电厂中的发动机上方，并且连接到柴油供给子系统，以在罐敞开或通风的情况下根据发动机确保约0.5至1巴的静水压头(hydrostatichead)。在封闭罐的情况下，可在柴油供给子系统上施加附加压力。高架罐可例如通过使用泵(例如，外部泵)和两个液位开关(一个高液位开关和一个低液位开关)来自动填满。作为高架罐，可使用囊式罐、弹簧加压式罐或膜/隔膜型膨胀罐。

在从气体模式转变为柴油模式期间，高架罐经由柴油供给子系统的部件(例如，经由燃料管)将柴油输送到发动机，以补偿由于柴油供给泵未以标称速度操作而发生的柴油缺少。换言之，高架罐利用静压向发动机提供附加柴油，即，其补充输送到发动机的柴油的减少量以用于消耗，直至柴油供给泵达到标称速度并提供所需压力为止。可选地，当柴油供给子系统中积累的压力变得高于高架罐的静压时，例如，止回阀防止柴油回流到高架罐。因此，可补偿柴油供应系统积累期望的燃料压力所需的前置时间。因此，一方面，可在燃料模式之间进行更快速且更平稳的切换。另一方面，高架罐的使用可用于当发动机在气体模式下操作时在经济模式下的操作期间进一步减小柴油供给泵的速度，并且仍具有相同的前置时间直至获得期望的压力为止。实际上，柴油供给泵甚至可转变到所谓的待机模式(即，进入非操作状态)，而无需放弃在气体模式和柴油模式之间进行快速且平稳切换的能力。在待机模式下，泵被关闭并允许柴油流过。结果，燃料消耗和附加成本可进一步降低。

然而，由于柴油供给子系统中的压力较低，此另选方案仅适用于具有(几乎完全)独立的引燃燃料供给子系统而未从柴油供给子系统分支的双燃料发动机。这是因为对于引燃燃料供给子系统必须维持特定压力。然而，可使用常见燃料罐。同样，此另选方案不适合于使用HFO作为柴油模式的柴油的三燃料发动机，因为HFO必须通过热交换器在特定压力水平的回路中泵送，当使用HFO时总是采用热交换器以防止其冷却太多。

如果上述任何柴油供给系统另外具有支撑柴油供给子系统中的柴油供给泵的增压泵，则当发动机处于气体模式时，该增压泵可转变到上述待机模式。这确保了成本和燃料的最大节省。另选地，增压泵也可在经济模式下操作(例如，也通过使用变频器)。这进一步改进了系统的可靠性(冗余度)，并且仍节省成本和燃料。根据在气体模式期间增压泵的预期操作模式以及增压泵的类型，高架罐可在增压泵的上游或下游与柴油供给子系统连接。

可在新的系统和现有系统二者中通过使用新的控制器或者对现有控制器重新编程来容易地采用上述操作多燃料供给系统的方法。根据需要，也可在现有系统内容易地进行对系统进行所需结构改变(即，高架罐以及最终新控制器和变频器的安装)。

附图说明

下面通过参照示出本发明的一些实施方式的附图来详细描述本发明。

图1示出在气体模式和柴油模式下操作的用于MGO和气体的传统双燃料供给系统。

图2示出在气体模式和柴油模式下操作的用于HFO、MGO和气体的传统三燃料供给系统。

图3示出在气体模式下操作的根据本发明的用于MGO和气体的双燃料供给系统。

图4示出在气体模式下操作的根据本发明的用于MGO和气体的双燃料供给系统，其中与图3所示的模式相比，柴油供给子系统在另选模式下操作。

图5示出根据本发明的在气体模式下操作并使用高架罐的用于MGO和气体的双燃料供给系统。

图6示出根据本发明的在柴油模式下操作并使用高架罐的用于MGO和气体的双燃料供给系统。

图7示出在气体模式下操作的根据本发明的用于HFO、MGO和气体的三燃料供给系统。

图8示出在气体模式下操作的根据本发明的用于HFO、MGO和气体的三燃料供给系统，其中与图7所示的模式相比，柴油供给子系统在另选模式下操作。

图9示出诸如柴油供给泵或增压泵的泵的特性。

具体实施方式

在附图中，实线描绘了完全启用的系统/子系统和组件。短划线表示经济模式，虚线表示待机模式(不操作)。

此外，本领域已知的气体供给系统在附图中未示出。换言之，图1至图8仅示出发动机的柴油供给系统。图1示出具有用于MGO和气体的传统双燃料供给系统10的内燃发动机1。此外，示出了具有引燃燃料供给子系统40和柴油供给子系统50的柴油供给系统20，其中，引燃燃料供给子系统40分支出柴油供给子系统50。引燃燃料供给子系统40和柴油供给子系统50二者连接到相同的MGO罐30。引燃燃料供给子系统40具有引燃燃料供给泵41，并且柴油供给子系统50具有柴油供给泵51和增压泵53。图1示出了无论内燃发动机1的燃料模式如何均启用以用于维持柴油的期望的粘度(温度)的传统双燃料供给系统10。此外，柴油供给泵51和增压泵53总是启用，以便将柴油提供给引燃燃料供给子系统40。

图2示出具有用于HFO、MGO和气体的传统三燃料供给系统11的内燃发动机1。基本上，该结构与图1中的系统的结构相同。然而，与图1所示的系统相比，传统三燃料供给系统11具有完全独立于柴油供给子系统50的引燃燃料供给子系统40，其包括单独的引燃燃料罐31。传统三燃料供给系统11基本上按照与上述传统双燃料供给系统相同的方式操作，即，柴油供给子系统50永久地完全启用。

图3示出内燃发动机1，其包括具有与图1的系统相同的结构的根据本发明的双燃料供给系统10。然而，与该传统系统相反，在根据本发明的系统中，当发动机1在气体模式下操作时，仅引燃燃料供给子系统40完全启用。柴油供给子系统50转变到经济模式，而增压泵53(增压泵53总之为可选的)未启用，即，处于待机模式。柴油供给系统20的这种操作方法导致成本和燃料的高节省，而不会对发动机1的可靠性有负面影响。换言之，可在任何时间从图3所示的气体模式切换到柴油模式，而不会降低发动机1的输出。

图4示出具有图3中所呈现的相同双燃料供给系统10的内燃发动机1。与前述系统相比唯一的不同在于，可选的增压泵53在经济模式下操作。因此，柴油供给系统20的这种操作方法与上述方法相比导致成本和燃料节省较低。然而，其确保了柴油供给子系统50的更高的冗余度并且缩短了在燃料模式突然改变的情况下积累压力所需的前置时间。

由于图3和图4所示的上述双燃料供给系统10的结构基本上与图1所示的传统结构相同，所以已经使用的发动机的升级相对简单，并且鉴于较大的节省，是有益的。特别是，仅控制器的硬件和/或软件必须升级(调整)以实现期望的效果。

图5示出内燃发动机1，其包括具有与上面所呈现的结构不同的结构的根据本发明的双燃料供给系统10。在图5所示的实施方式中，柴油供给系统20具有独立于柴油供给子系统50的引燃燃料供给子系统40。除了前述实施方式的子系统的组件之外，柴油供给子系统50还包括在增压泵53的下游连接到柴油供给子系统50的燃料管的高架罐52。应该注意，高架罐52也可设置在增压泵53的上游。为了保护高架罐52免于压力过载，可在高架罐52与柴油供给子系统50的燃料管之间安装止回阀54。

当发动机1在气体模式下操作时，如图5所示，柴油供给泵51和增压泵53转变为待机模式。如图5所示，气体模式一被激活，止回阀54就可被打开，以便在突然切换为柴油模式的情况下瞬时地向发动机1提供期望的压力。另一方面，止回阀54也可保持关闭直至切换到柴油模式为止，以防止在定期切换操作的情况下从高架罐52损失燃料。另外，可将结构安装到柴油供给子系统50以用于在发动机1的柴油模式期间利用由柴油供给泵51和增压泵53提供的压力重新填充高架罐52。

上述多燃料供给系统甚至比基本上传统的系统的最有效的操作方法更有效，因为如图5所示，柴油供给泵51和增压泵53二者可转变到待机模式。因此，成本和燃料的节省最大，而不会对发动机1的可靠性有任何负面影响。

使用高架罐的解决方案的简单结构使得仅以很少的努力就能够升级已经使用的发动机。特别是，仅必须安装高架罐52和必要的管。另外，控制器必须如上所述升级。根据情况，可安装另外的结构元件，例如止回阀54。

图6示出根据图5中所呈现的实施方式的双燃料供给系统10，其中发动机1在柴油模式下操作。与气体模式相反，柴油供给泵51和增压泵53二者完全启用，并且止回阀54关闭。

图7示出本发明的另一实施方式。该实施方式示出了内燃发动机1，其包括具有与图2的系统相同的结构的用于从柴油罐30供应的HFO、从引燃燃料罐31供应的MGO以及气体的三燃料系统11。然而，与该传统系统相比，当发动机1在气体模式下运行时，柴油供给子系统50处于经济模式，并且增压泵处于待机模式。柴油供给子系统50的该操作状态足以将HFO保持在准备好消耗的状态，以使得可在任何时间从气体模式切换到柴油模式而不会降低发动机1的输出。完全独立于柴油供给子系统50的引燃燃料供给子系统40完全启用。

类似于图3的实施方式，柴油供给系统20的这种操作方法导致成本和燃料的高节省，而不会对发动机1的可靠性有负面影响。

图8示出具有图7中所呈现的相同三燃料供给系统11的内燃发动机1。与前述系统相比唯一的不同在于，可选的增压泵53在经济模式下操作。因此，柴油供给系统20的这种操作方法与上述方法相比导致的成本和燃料节省较低。然而，其确保了柴油供给子系统50的更高的冗余度并且缩短了在燃料模式改变的情况下压力积累所需的前置时间。

由于上述三燃料供给系统11的结构基本上与传统结构相同，所以已经使用的发动机的升级相对简单，并且鉴于较大的节省，是有益的。特别是，仅控制器的硬件和/或软件必须升级(调整)以实现期望的效果。

图9示出利用变频器操作的柴油供给泵51或增压泵53的典型特性。显而易见，相应泵的甚至小幅减速也会导致对其功耗的相对大的影响。例如，当速度总体降低20％至80％时，功耗约为以标称速度操作的传统系统中的泵的功耗的约50％。这种情况在图9中被指示为经济模式“轻(light)”。速度总体再降低20％至60％导致与传统系统相比约80％的功率节省。这种情况在图9中被指示为经济模式“节电器(power saver)”。在现有的传统结构化系统内，在除了如上所述的小修改之外而无需对系统组件的任何进一步修改的情况下，可以进行高达50％的降速，即，可降低约90％的功耗。

尽管本文中作为示例结合目前所认为的最优选实施方式描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在涵盖包括在所附权利要求所限定的本发明的范围内的其特征的各种组合或修改以及若干其它应用。当这种组合在技术上可行时，结合上述任何实施方式提及的细节可结合另一实施方式来使用。

附图的标号和简短说明的列表

1 内燃发动机

10 双燃料供给系统

11 三燃料供给系统

20 柴油供给系统(液体燃料供给系统)

30 柴油罐(液体燃料罐)

31 引燃燃料罐(液体燃料罐)

40 引燃燃料供给子系统(第一液体燃料供给子系统)

41 引燃燃料供给泵(第一供给泵)

50 柴油供给子系统(第二液体燃料供给子系统)

51 柴油供给泵(第二供给泵)

52 高架罐(燃料缓冲罐)

53 增压泵

54 止回阀

实线：完全启用

短划线：经济模式

虚线：待机模式(不操作)

Claims

1.一种操作用于内燃发动机(1)的多燃料供给系统(10)的方法，所述系统(10)包括：

气体燃料供给系统，以及

液体燃料供给系统(20)，该液体燃料供给系统(20)包括：

液体燃料罐(30)，

第一液体燃料供给子系统(40)，该第一液体燃料供给子系统(40)包括第一供给泵(41)，

第二液体燃料供给子系统(50)，该第二液体燃料供给子系统(50)包括：

第二供给泵(51)，该第二供给泵(51)用于将液体燃料输送到所述发动机(1)以用于消耗和循环，以及

燃料缓冲罐(52)；其中，

在所述第二液体燃料供给子系统(50)将液体燃料输送到所述发动机(1)以用于循环的同时，所述多燃料供给系统(10)通过使用所述气体燃料供给系统和所述第一液体燃料供给子系统(40)在第一燃料模式下操作，在所述第二液体燃料供给子系统(50)将液体燃料输送到所述发动机(1)以用于消耗的情况下，所述多燃料供给系统(10)通过使用所述液体燃料供给系统(20)在第二燃料模式下操作；

其中，

当所述多燃料供给系统(10)在所述第一燃料模式下操作时，与所述多燃料供给系统(10)在所述第二燃料模式下操作时的情况相比，在所述发动机(1)在相同的操作点操作的情况下，输送到所述发动机(1)的液体燃料的量减少，其中，由于液体燃料的减少的量导致的液体燃料的缺少由所述燃料缓冲罐(52)补偿并从所述燃料缓冲罐(52)输送。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述第二液体燃料供给子系统(50)还包括增压泵(53)，并且当所述多燃料供给系统(10,11)在所述第一燃料模式下操作时，所述增压泵(53)被关闭或者在所述发动机(1)的相同操作点下以比所述多燃料供给系统(10,11)在所述第二燃料模式下操作时低的速度操作。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述液体燃料供给系统(20)包括另一液体燃料罐(31)，并且其中，从不同的液体燃料罐(31,30)向所述第一液体燃料供给子系统(40)和所述第二液体燃料供给子系统(50)供应燃料。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，

从相同的液体燃料罐(30)向所述第一液体燃料供给子系统(40)和所述第二液体燃料供给子系统(50)二者供应燃料。

5.一种用于内燃发动机(1)的多燃料供给系统(10)，所述系统(10)包括：

气体燃料供给系统，以及

液体燃料供给系统(20)，该液体燃料供给系统(20)包括：

液体燃料罐(30)，

燃料缓冲罐(52)；以及

控制器，该控制器被设置为通过使用根据权利要求1至4中的任一项所述的方法如下操作所述多燃料供给系统(10)：在所述第二液体燃料供给子系统(50)操作以将液体燃料输送到所述发动机(1)以用于循环的同时，所述多燃料供给系统(10)通过使用所述气体燃料供给系统和所述第一液体燃料供给子系统(40)在第一燃料模式下操作，并且在所述第二液体燃料供给子系统(50)操作以将液体燃料输送到所述发动机(1)以用于消耗的情况下，所述多燃料供给系统(10)通过使用所述液体燃料供给系统(20)在第二燃料模式下操作。

6.根据权利要求5所述的系统(10,11)，其中，所述第二液体燃料供给子系统(50)还包括增压泵(53)，并且当所述多燃料供给系统(10,11)在所述第一燃料模式下操作时，所述控制器被设置为关闭所述增压泵(53)或者在所述发动机(1)的相同操作点下以比所述多燃料供给系统(10,11)在所述第二燃料模式下操作时低的速度操作所述增压泵(53)。

7.根据权利要求5所述的系统(10)，其中，

所述燃料缓冲罐(52)是提供至少0.5巴的静水压头的静态燃料压力罐。

8.根据权利要求7所述的系统(10)，其中，

所述静态燃料压力罐(52)与所述发动机(1)相比被提升。

9.根据权利要求7所述的系统(10)，其中，

所述燃料缓冲罐(52)是囊式罐或弹簧加压式罐。

10.根据权利要求5至9中的任一项所述的系统(10)，其中，

所述燃料缓冲罐(52)被设置在所述第二供给泵(51)的下游。

11.根据权利要求6所述的系统(10)，其中，

所述燃料缓冲罐(52)被设置在所述增压泵(53)的下游。