CN108869060A - 用于操作大型柴油发动机的方法和大型柴油发动机 - Google Patents

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Abstract

提出了用于操作大型柴油发动机的方法和大型柴油发动机。具体为双燃料大型柴油发动机的该大型柴油发动机能在将液体燃料引入到气缸中的液体模式下操作，还能在将气体作为燃料引入到气缸中的气体模式下操作，向大型柴油发动机的气缸供应扫气空气以产生空气燃料混合物，扫气空气由具有充注压力的涡轮增压器提供，涡轮增压器由发动机废气驱动并吸入环境空气以提供扫气空气，涡轮增压器的功率能借助排气阀来改变，借此调节驱动涡轮增压器的废气的质量流量，在大型柴油发动机的操作期间确定控制参数，该控制参数是环境空气或扫气空气的温度和/或湿度的特性，并且控制参数的值用于调节排气阀，使得根据环境空气的温度和/或湿度改变涡轮增压器的功率。

Description

用于操作大型柴油发动机的方法和大型柴油发动机
技术领域
本发明涉及一种用于操作大型柴油发动机(具体涉及双燃料大型柴油发动机)的方法和大型柴油发动机，该双燃料大型柴油发动机可以在液体模式下操作，在该液体模式下，将液体燃料引入到用于燃烧的气缸中，并且该双燃料大型柴油发动机还可以在气体模式下操作，在该气体模式下，将气体作为燃料引入到气缸中。
背景技术
可以被设计为二冲程或四冲程发动机(例如被设计为纵向扫气的二冲程大型柴油发动机)的大型柴油发动机经常用作用于船舶的驱动单元甚至用于固定操作，例如，驱动用于生成电能的大型发电机。发动机在连续操作中经常运行相当长的时段，这对操作安全性和可用性提出高要求。因此，特别长的维修间隔、低磨损以及操作材料的经济处理是操作员的核心标准。
多年来，废气的质量是越来越重要的另一个重要问题，特别是废气中的氮氧化物浓度。这里，越来越强化对应的排放阈值的法律要求和极限值。因此，特别是在二冲程大型柴油发动机中，因为与排放阈值的遵守变得越来越困难、技术上更复杂且由此更昂贵或最终遵守不再有意义的可能，所以受污染物高度污染的传统重燃油的燃烧以及柴油或其他燃料的燃烧变得更成问题。
因此，实际上，对所谓的“双燃料发动机”(即，可以用两种不同燃料操作的发动机)的需要已经长时间存在。气体(例如，诸如LNG(液化天然气)的天然气或采取液化石油气或适于驱动内燃发动机的另一种气体的形式的气体)在气体模式下燃烧，而合适的液体燃料(诸如汽油、柴油、重燃油、酒精、石油衍生物及其水混合物、生物燃料或其他合适的液体燃料)可以在液体模式下在同一发动机中燃烧。在这种情况下，发动机可以为二冲程和四冲程发动机这两者，具体还为纵向扫气的二冲程大型柴油发动机。
由此，双燃料大型柴油发动机不仅可以在以燃料的自燃为特征的柴油操作中操作，还可以在以燃料的强制点燃(positive ignition)为特征的奥托(Otto)操作中操作。具体地，燃料的自燃还可以用于另一种燃料的强制点燃。
在液体模式下，燃料通常直接引入到气缸的燃烧室中，并且根据自燃的原理或根据扩散燃烧的原理燃烧。在气体模式下，已知根据奥托原理将气态的气体与扫气空气混合，以便在气缸的燃烧室中产生可点燃混合物。在该低压方法中，气缸中混合物的点燃通常通过在正确时刻将少量的液体燃料喷射到气缸的燃烧室中或预燃室中来进行，该液体燃料然后导致空气—气体混合物的点燃。当然，空气—气体混合物也可以电气或以本身已知的另一种方法来强制点燃。双燃料发动机在操作期间可以从气体模式切换为液体模式，反之亦然。
具体地，在气体模式下，扫气空气与气体的正确比例(所谓的空气—气体比或空气—燃料比)的调节至关重要。实际上，空气与燃料的该比例在液体模式下或在柴油模式下也是重要的，但气体模式下的非最佳空气—燃料比的影响通常比液体模式下更显著。
用于大型柴油发动机中的气缸的扫气空气或充注空气(charging air)通常由涡轮增压器来提供，该涡轮增压器生成扫气空气的质量流量，该扫气空气准备在扫气空气压力或充注压力下引入到气缸中。还被称为废气涡轮增压器的涡轮增压器通常包括涡轮和由涡轮驱动的压缩机，其中，涡轮由来自大型柴油发动机的废气来驱动。压缩机吸入新环境空气并压缩它，以提供扫气空气。通常，充注空气冷却器仍然在涡轮增压器的下游，以在扫气空气被送到气缸之前冷却扫气空气。
由涡轮增压器供应的扫气空气的量或所生成的充注压力取决于发动机的负荷，由此取决于发动机的功率或转矩或速度。另外，习惯借助于还被称为废气门阀的排气阀调节涡轮增压器的功率。被送到涡轮的废气的质量流量可以借助于该排气阀来调节。如果排气阀完全或部分打开，则废气的一部分被传递到涡轮增压器的涡轮，使得它不提供其最大可能功率。如果排气阀完全关闭，则废气的整个质量流量被送到涡轮增压器的涡轮，使得涡轮增压器然后提供其最大可能功率，即，它生成扫气空气的最大可能质量流量。
已知根据当前操作大型柴油发动机所用的负荷改变排气阀的调节并由此改变被送到涡轮增压器用于驱动的废气的质量流量。预期对于相应负荷条件保持由涡轮增压器生成的充注压力恒定，其中，充注压力本质上为在压缩机的出口处的空气的压力。通常，期望的充注压力随着发动机负荷增大而增大。例如，在较低负荷范围内比在中间或较高负荷范围内需要更低的充注压力。因此，在用于大型柴油发动机的发动机控制单元或检查装置中存放数据，该数据向发动机的各负荷或负荷范围指派充注压力。取决于当前负荷，然后以涡轮增压器提供用于扫气空气的期望充注压力的这种方式调节废气阀。
具体地，如果根据奥托原理操作气体模式，则空气—气体比的正确调节对于发动机的优选低排放、高效且经济操作至关重要。如果气体含量太高，则空气—气体混合物变得太富集。混合物的燃烧过快或过早，这可能导致高机械负荷、发动机的爆震以及废气中的污染物的显著增加。因为燃烧过程然后不再与气缸中的活塞移动正确匹配，所以这还尤其导致燃烧部分对活塞的移动不利的事实。
即使现代大型柴油发动机在正常操作条件下的空气—气体比的正确调节不再是主要问题，也存在可能导致相当大困难的操作条件。
例如，正常操作条件提及大型柴油发动机的技术规范提及的操作条件，诸如其在满负荷下的最大功率、其污染物排放量、其燃料消耗等。排气阀的负荷相关调节通常还涉及正常操作条件。这些技术规范涉及在国际标准(ISO)(例如，ISO 3046-1)中指定的操作条件，并且例如，涉及环境温度，更具体地涉及25℃的进气温度。
然而，大型柴油发动机经常必须在不再与这些“正常”操作条件对应的操作条件下操作。
作为示例，这里提及所谓的热带条件，这些热带条件具体(但不仅)可能引起气体模式操作下的困难。热带条件是以环境空气的非常高的温度和/或以非常高的相对湿度(例如，至少27℃甚至30℃以上的温度或30％、40％甚至多于60％的相对湿度)为特征的那些环境条件。热带条件的示例是60％的相对湿度和45℃的空气温度。由涡轮增压器吸入以为气缸提供扫气空气的空气在这种热带条件下也非常温暖/或非常潮湿。
因为温暖空气具有更低密度并因为潮湿空气可能更快地导致充注空气冷却器中的水凝结或蒸汽形成，所以该温暖/潮湿的进入空气可能导致涡轮增压器中的空气质量流量的显著降低。对空气—气体比非常敏感的、特别是在气体模式下空气质量流量的这种降低可能导致以下事实：气体燃烧进入空气不足范围内，即，气缸中的空气—气体比降低，并且空气—气体混合物变得太富集可能发生，使得大型柴油发动机进入过快燃烧的范围内，这导致高机械负荷或非常高的污染物排放。
另外，通常作为用于船舶发动机的海水的环境的高温通常还导致以下事实：发动机的冷却水的温度升高，并且被供应到气缸的扫气空气的温度升高。这可能具有以下后果：气缸的燃烧室中的温度升高，这使得大型柴油发动机进入具有已经提及的关联问题的过快燃烧的范围内。
本发明致力于该问题。
发明内容
因此，从该现有技术开始，本发明的目的是提出一种用于操作大型柴油发动机(具体为双燃料大型柴油发动机)的方法，该方法允许大型柴油发动机在不引起大型柴油发动机的污染物排放显著增加的情况下即使在不利环境条件下(具体在所述热带条件下)也以最佳可能空燃比操作。此外，本发明的目的是提出一种对应的大型柴油发动机。
根据本发明，提出了一种用于操作大型柴油发动机(具体为双燃料大型柴油发动机)的方法，该双燃料大型柴油发动机可以在液体模式下操作，在该液体模式下，将液体燃料引入到用于燃烧的气缸中，并且该双燃料大型柴油发动机还可以在气体模式下操作，在该气体模式下，将气体作为燃料引入到所述气缸中，在该方法中，向所述大型柴油发动机的气缸供应扫气空气，以便产生空气—燃料混合物，该扫气空气由具有充注压力的涡轮增压器来提供，其中，所述涡轮增压器由来自所述大型柴油发动机的废气来驱动，并且其中，吸入环境空气，以便提供所述扫气空气，其中，所述涡轮增压器的功率可以借助于排气阀来改变，凭借该排气阀，调节驱动所述涡轮增压器的废气的质量流量，其中，在所述大型柴油发动机的操作期间确定控制参数，该控制参数是环境空气和/或扫气空气的温度和/或湿度的特性，并且所述控制参数的值用于调节所述排气阀，使得根据所述环境空气的温度和/或湿度改变所述涡轮增压器的功率。
由此，不再仅根据大型柴油发动机的当前负荷调节涡轮增压器的功率并由此调节可用扫气空气流量和充注压力，而是还经由控制参数考虑环境空气的当前特性(具体为其温度和其湿度)，以便保证为气缸提供扫气空气的足够质量流量来调节燃烧室中的正确空燃比。例如，如果控制参数确定环境空气非常温暖和/或非常潮湿，则进一步关闭排气阀，使得更多废气被送到涡轮增压器的涡轮，这提高涡轮增压器的功率。结果，即使在非常温暖和/或非常潮湿的环境空气中，涡轮增压器也生成扫气空气的足够质量流量，以实现正确的空燃比，凭借该正确的空燃比，可以避免快速燃烧的范围。
根据特别优选的实施方式，所述气缸的出口阀在预定关闭时间关闭，以便完成所述气缸的扫气，其中所述控制参数的值用于确定关闭时间。除了用于通过排气阀的打开程度来调节扫气空气的所提供质量流量的涡轮增压器功率之外，控制参数还用于根据环境空气的特性(例如其温度和/或其湿度)修改出口阀的关闭时间。
为了在调节气缸中的空燃比时充分考虑环境空气的特性并避免快速燃烧的状态(空气不足范围)，该组合(具体地，即经由排气阀来修改由涡轮增压器提供的扫气空气的质量流量并经由出口阀的关闭时间来改变气缸中的相应扫气过程的完成)是特别有利的。
通过测量确定被所述涡轮增压器吸入的所述环境空气的温度是用于确定所述控制参数的优选措施。
除了确定控制参数之外或作为确定控制参数的另选方案，另一个优选措施是通过测量确定被所述涡轮增压器吸入的所述环境空气的湿度。
又一个优选措施是使用充注空气的温度来确定所述控制参数。
关于排气阀，在第一相互关系用于调节所述排气阀时是有利的，该第一相互关系指示由所述涡轮增压器提供的所述充注压力对由所述涡轮增压器生成的空气质量流量的依赖性。由涡轮增压器生成的充注压力(更准确来说为涡轮增压器的压缩机的出口处与入口处的空气之间的压差)随着由涡轮增压器供应的空气质量流量而变化。由此，相应生成的质量流量可以借助于第一相互关系根据控制参数被调节为期望值。
关于出口阀的启动，在第二相互关系用于确定所述气缸的所述出口阀的所述关闭时间时是有利的，该第二相互关系指示扫气程度对所提供的所述扫气空气、所述关闭时间以及所述扫气空气或环境空气的温度的依赖性，其中，所述扫气程度是在所述关闭时间时所述气缸中的扫气空气的体积与所述气缸中的扫气空气和残余气体的体积和之比。
已知，在大型柴油发动机(具体为纵向扫气的二冲程大型柴油发动机)的气缸中的扫气阶段中，无法经由气缸的排气阀完全排放因之前的燃烧过程而产生的残余气体，使得在扫气过程结束时(即，在刚刚完全关闭出口阀时)，特定量的残余气体仍然存在于气缸中。扫气程度然后指示在刚刚关闭出口阀的情况下新鲜空气(即，扫气空气)占气缸中的体积的多少。例如，80％的扫气程度意指在出口阀的关闭时间时，新鲜空气或扫气空气占气缸中的体积(活塞面与气缸头或气缸盖之间的体积)的80％，并且残余气体占20％。
由此，所述第二相互关系指示扫气程度对关闭时间和对可用扫气空气(质量流量、充注压力、温度)的依赖性。
关于最佳可能燃烧过程，在所述出口阀的所述关闭时间以以下这种方式来调节时是特别优选的：所述气缸中的所述扫气程度为至少70％，优选地为至少大约80％。
所述第一相互关系和/或第二相互关系可以以查找表的形式来提供。查找表例如可以存储在大型柴油发动机的检查装置或控制装置中。这里，用于第一相互关系的查找表包含例如以下信息：用于环境空气的温度的不同值、由涡轮增压器生成的充注压力如何根据所输送的空气质量流量进行变化。用于第二相互关系的查找表例如指示气缸中的扫气程度如何根据出口阀的关闭时间、充注压力以及扫气空气的质量流量进行变化。
然而，还可以将所述第一相互关系提供为功能相互关系或以算法的形式来提供所述第一相互关系。
此外，可以将所述第二相互关系提供为功能相互关系或以算法的形式来提供所述第二相互关系。
另一个有利变型在于提供压缩机模型和扫气模型，其中，所述压缩机模型考虑所述环境空气的温度或湿度来模拟由所述涡轮增压器提供的所述充注压力与由所述涡轮增压器生成的所述空气质量流量之间的所述第一相互关系，其中，所述扫气模型考虑充注空气温度来模拟所述气缸中的所述扫气程度与所提供的所述扫气空气和所述出口阀的所述关闭时间之间的所述第二相互关系，并且借助于所述压缩机模型和所述扫气模型，根据所述控制参数的值来确定所述出口阀的所述关闭时间和所述排气阀的调节这两者。所述排气阀的调节用于根据所述控制参数的值来调节所述充注压力。
在该变型中，涡轮增压器(并且具体为涡轮增压器的压缩机)和气缸中的扫气各由模型来表示，该模型然后可以用于确定针对排气阀打开程度和出口阀关闭时间的控制参数的相应值的合适值。
该方法的另一个优选实施方式为，将所述气缸中的最终压缩温度维持在预定范围内。所述最终压缩温度指示所述气缸中的温度，该温度在空气—燃料混合物的压缩结束时(即，紧接在气缸中的混合物的点燃之前)存在的温度。如果最终压缩温度太高，则这导致空气—燃料混合物不利地过早点燃。这意味着将最终压缩温度保持在预定范围内是有利的。
根据本发明，还提出了一种通过根据本发明的方法操作的大型柴油发动机，具体为双燃料大型柴油发动机。
所述大型柴油发动机优选地被设计为纵向扫气的二冲程大型柴油发动机。
具体实施方式
在下文中，参照实施方式从仪器和程序方面更详细地说明本发明。
在基于实施方式的本发明的以下描述中，用示例性性质提及对于实践特别重要的双燃料大型柴油发动机的情况，该大型柴油发动机被设计为纵向扫气的二冲程大型柴油发动机。
双燃料大型柴油发动机是可以用两种不同燃料操作的发动机。具体地，大型柴油发动机可以在液体模式下操作，在该液体模式下，仅一种液体燃料被喷射到气缸的燃烧室中。例如重燃油或柴油的液体燃料通常在合适时间直接喷射到燃烧室中，并且根据自燃的柴油原理点燃。大型柴油发动机还可以在气体模式下操作，在该气体模式下，充当燃料的气体(例如天然气)以空气—气体混合物的形式引入到燃烧室中，以便点燃。具体地，这里所描述的大型柴油发动机的实施方式根据低压方法在气体模式下工作，即，气体以气态引入到气缸中。低压方法意指气态燃料被喷射到相应气缸的燃烧室中所用的喷射压力为至多100巴(10MPa)。优选地，喷射压力为至多50巴(5MPa)，并且特别优选地为至多20巴(2MPa)。然而，用于气态燃料的最大喷射压力甚至可能更低，例如15巴甚至更少。气体与空气的混合可以在气缸本身中进行，甚至可以在气缸外部进行。空气—气体混合物根据奥托原理在燃烧室中被强制点燃。该强制点燃通常由以下事实引起：少量的液体燃料在适当时刻被引入到燃烧室中或引入到预燃室中，该燃料然后点燃本身并引起空气—气体混合物的强制点燃。当然，还可以电气地或由其他手段实现强制点燃。
大型柴油发动机可以被设计为四冲程发动机和二冲程发动机这两者。在这里所描述的实施方式中，大型柴油发动机被设计为至少在液体模式下与共轨系统一起工作的纵向扫气的二冲程大型柴油发动机。
大型柴油发动机的结构和独立部件(诸如用于液体模式的喷射系统、用于气体模式的气体供应系统、每气缸包括至少一个出口阀的气体交换系统、用于提供扫气空气或充注空气的排气系统或涡轮增压器系统以及大型柴油发动机的检查系统和控制系统)在设计为二冲程发动机以及四冲程发动机方面对本领域技术人员是公知的，因此，这里不需要另外的说明。大型柴油发动机被设计为电控发动机，其中，具体地，电控气体交换系统和相应燃料的引入，即，借助于来自发动机的检查装置和控制装置的电气或电子信号进行出口阀和喷射系统或气体供应系统的致动。因为操作参数(诸如到独立气缸的燃料供应的开始或结束或出口阀的打开时间或出口阀的关闭时间)可以自由选择，并且不例如经由机械耦合受限于工作循环中的特定曲柄角，所以该电子控制提供最大可能灵活性的优点。
在这里所描述的纵向扫气的二冲程大型柴油发动机的实施方式中，通常在各气缸或气缸衬垫的下部区域中设置扫气空气槽，这些扫气空气槽由气缸中的活塞的移动来周期性地关闭和打开，使得由涡轮增压器在充注压力下提供的扫气空气可以借助扫气空气槽流入到气缸中，只要它们打开即可。大部分居中布置的出口阀设置在气缸头或气缸盖中，通过该出口阀，燃烧气体可以在燃烧过程之后从气缸排放到排气系统中。当然，对于每个气缸设置多个出口阀(例如两个或具体四个出口阀)的实施方式也是可以的。为了引入液体燃料而设置一个或更多个燃料喷射喷嘴，这些燃料喷射喷嘴例如布置在出口阀附近的气缸头中。为了气体模式下的气体供应而设置气体供应系统，该气体供应系统包括具有气体入口喷嘴的至少一个气体入口阀。气体入口喷嘴例如通常设置在气缸的壁中，大致位于活塞的顶部死点与底部死点之间的中间的高度处。
此外，以下将用示例的方式对大型柴油发动机是船舶的驱动单元的应用进行参照。
根据本发明的方法主要用来甚至在与通常测试大型柴油发动机且技术规范通常指的正常操作条件显著不同的那些环境条件下也确保气缸中的最佳空燃比，具体地，以便避免以上所描述的快速燃烧的不利状态(太富集的混合物)。大型柴油发动机在气体模式下通常对不正确调节的空燃比更敏感地反应，因此，以下用示例性性质提及双燃料大型采油机的气体模式。然而，清楚的是，根据本发明的方法还可以以类似相同的方式用于液体模式。
由于与排气排放值有关的法律规定，靠近海岸的大型柴油发动机经常必须在气体模式下操作，因为否则无法再满足用于废气排放(具体为氮氧化物NOx和硫氧化物)的规定限值。
在气体模式下，具有最低可能排放量的空气—气体混合物的效率和燃烧对空气量和气体量之比敏感。该比率通常由λ值来指示，该值指示可用于燃烧的空气质量与用作燃料的气体质量之比。
最佳空气—气体比取决于要由发动机生成的驱动转矩，由此，取决于船舶的期望速度或操作发动机所用的负荷。
由驱动船舶的发动机生成的转矩经常被称为BMEP(制动平均有效压力)转矩，该转矩本质上是在工作循环期间的平均转矩(用于二冲程发动机的活塞移动的周期和用于四冲程机器的活塞移动的两个周期)。
期望以在两个极限曲线(即，爆震极限和失火极限)之间的各负荷下操作发动机的高效且特别低排放的操作。在超过爆震极限的操作条件下，空气—气体混合物或更一般地为空气—燃料混合物太富集，即，混合物中存在太少空气。太富集的混合物可能导致各种问题，即，燃烧发生过快(快速燃烧)或发动机开始爆震或气缸中的混合物然后通常由于太高的气体含量导致自燃(与工作循环有关)而过早开始燃烧(预燃)。在超过失火极限的操作条件下，空气—气体混合物太贫瘠，即，燃烧室中不存在可用于最佳燃烧的足够气体。
由于该原因，具体在气体模式下(还有在液体模式下)总是在用于空燃比的最佳范围内(即，在爆震极限与失火极限之间的范围内)对操作大型柴油发动机作出努力。例如，指示空燃比与由发动机生成的转矩之间的相互关系的操作线表征该操作。该操作线的末端与由大型柴油发动机在满负荷下(即，在满负荷操作中)生成的转矩对应，在满负荷操作中，大型柴油发动机以100％负荷操作。操作线从那里向下延伸穿过部分负荷范围(例如，满负荷的50％—75％)到达低负荷范围和与发动机的空负荷操作或停止对应的操作线的起点。在气体模式下，例如，大型柴油发动机以2至3之间(例如，在2.5的范围内)的λ值操作。
如已经提及的，这些曲线(爆震极限、失火极限、操作线)指各情况下的ISO条件，即，大型柴油发动机的技术规范提及的标准化条件。由此，以上所提及的曲线具体指25℃的空气温度。空气温度指进入空气的温度，即，由涡轮增压器吸入的环境空气的温度。与这些标准化条件的严重偏差(诸如所提及的热带条件)可能导致曲线的显著变化。
如已经提及的，被供应到气缸的扫气空气通常由包括涡轮和压缩机的涡轮增压器生成。涡轮由来自大型柴油发动机的废气系统的废气驱动并转而驱动压缩机，压缩机吸入环境空气并压缩它。这样生成的扫气空气然后通常穿过充注空气冷却器，然后准备借助扫气空气槽送到气缸中。
特殊废气阀通常设置在大型柴油发动机的废气系统中，以控制或调整涡轮增压器的功率，由此控制或调整扫气空气所提供的质量流量，该废气阀还被称为废气门阀，并且凭借该废气阀，可以调节被供应到涡轮增压器的废气的质量流量。如果废气门阀完全或部分打开，则废气的一部分被引导穿过涡轮增压器，使得它不提供其最大可能功率。如果废气门阀完全关闭，则废气的整个质量流量被送到涡轮增压器，该涡轮增压器然后以其最大可能功率工作，由此生成扫气空气的最大可能质量流量。废气门阀的位置指示废气门阀的打开位置。如果废气门阀完全打开，则来自气缸的最大可能比例的废气被引导通过涡轮增压器(由涡轮增压器生成的扫气空气的最小质量流量)，如果废气门阀完全关闭，则来自气缸的所有废气被引导到涡轮增压器，使得它实现其最大功率(即，扫气空气的最大质量流量)。
由涡轮增压器生成的充注压力随着由涡轮增压器供应的空气质量流量而变化。例如，该相互关系近似为平方的。实际上，情况经常是根据发动机的负荷调节涡轮增压器的功率。例如，用于发动机的各负荷或各负荷范围的充注压力的值存储在查找表中，该值然后在各情况下应为了保持发动机在爆震极限以下而确保以扫气空气足量供应气缸。通常，所需的充注压力随着发动机的负荷而增大。根据发动机的相应负荷，发动机的检查和控制装置然后打开或关闭废气阀如此长的时间，以至在压缩机的出口处生成期望的充注压力。
充注压力(由此还有扫气空气的质量流量)的相应调节还基于指“正常”或标准化操作条件的值(即，例如指25℃的所吸入环境空气的温度)。如果例如，以上所提及的热带条件导致环境空气的温度的显著提高，则这由于空气的更低密度导致以下事实：由涡轮增压器生成的扫气空气的质量流量不再足以为气缸中的正确空燃比提供足够的空气。存在以下风险：气缸中的燃烧进入空气不足范围内，这导致快速燃烧的不利影响。
根据本发明，提出了：在大型柴油发动机的操作期间确定控制参数，该控制参数是环境空气或扫气空气的温度和/或湿度的特性，并且控制参数的值用于调节排气阀，使得根据环境空气的温度和/或湿度改变涡轮增压器的功率。该措施可以确保发动机总是以最佳空气—燃料混合物操作。
具体地，这在大型柴油发动机(特别是在气体模式下)在热带条件下操作时也是可以的。热带条件是以环境空气(由此以涡轮增压器所吸入的空气)的高温和/或高湿度为特征的那些条件。高温指至少27℃的温度。然而，在热带条件下，环境空气的温度可能完全超过30℃或35℃，或者可能为45℃。该温度指在涡轮增压器的入口处的空气的温度。高湿度指至少40％(具体为至少50％)的环境空气的相对湿度。湿度可能达到60％甚至更多。
作为控制参数合适的变量例如是：由涡轮增压器吸入的环境空气的温度、由涡轮增压器吸入的环境空气的相对湿度、充注空气的当前温度或这些变量的组合。这些变量已知或可以通过测量确定。
根据特别简单的第一实施方式，在排气阀的负荷相关调节中另外考虑控制参数，由此考虑环境空气的特性(具体为其温度或湿度)。因此，排气阀的调节且由此涡轮增压器的功率的调节不仅取决于操作发动机的特定负荷，还取决于由涡轮增压器吸入的环境空气的当前温度和/或湿度。例如，如果在恒定负荷(在满负荷的50％—75％的中等负荷范围内的某处)下操作大型柴油发动机，然后环境空气的温度显著升高(这降低环境空气的密度)，则排气阀进一步关闭，这导致以下事实：更大质量流量的废气被引导到涡轮增压器的涡轮，并且增大其功率。这确保：尽管有压缩机的出口处的降低密度的环境空气，但仍然提供扫气空气的足够质量流量或足够充注压力。
适于不同负荷范围和控制参数的不同值的排气阀的位置例如可以以查找表的形式存储或存放在大型柴油发动机的检查装置或控制装置中。
根据另一个优选实施方式，除了排气阀的温度相关或湿度相关调节之外，还根据控制参数的当前值调节确定相应扫气过程结束的出口阀的关闭时间。出口阀的关闭时间确定气缸中的有效压缩比。由此，改变关闭时间并由此改变有效压缩比例如可以在非常温暖的环境空气的情况下且由此在更温暖的扫气空气的情况下补偿空气的降低密度。
在大型柴油发动机的操作期间，然后经由以空气—燃料混合物具有用于燃烧的最佳构成的这种方式进行的、超过出口阀的关闭时间的排气阀的调节和气缸扫气的完成，根据发动机的负荷和环境空气的特性(例如其温度和/或其湿度)调节涡轮增压器的功率。
这在例如具有考虑两个相互关系(即，第一相互关系和第二相互关系)的一个或更多个查找表的特别简单的实施方式中是可以的，该第一相互关系指示由涡轮增压器提供的充注压力对由涡轮增压器生成的空气质量流量的依赖性，并且第二相互关系指示气缸中的扫气程度对所提供的扫气空气(充注压力和/或质量流量)和出口阀的关闭时间的依赖性。优选地，在两个相互关系中考虑由控制参数和/或扫气空气的温度或湿度描述的环境空气的特性。
这里，气缸中的扫气程度指在出口阀的关闭时间新鲜空气或扫气空气与气缸中的总体积的体积比。在出口阀刚刚完全关闭时，气缸的扫气停止，并且气缸中的压缩开始。此时，活塞的顶部、气缸壁以及气缸盖或气缸头限制气缸中的特定体积，该特定体积之前(且随后)指的是术语“总体积”。然而，该总体积通常不用新鲜扫气空气完全填充。即使足够大填充体积(例如至少与总体积一样大但通常大于总体积)的新鲜扫气空气在气缸的扫气期间借助扫气空气槽引入到气缸中，总体积通常也无法用新鲜扫气空气完全填充，因为新供应的扫气空气的一部分连同源于气缸中的上次燃烧的、要排放的残余气体一起借助出口阀流出。
结果，特定量的残余气体(即，由之前燃烧生成的气体)在停止扫气的出口阀的关闭时间通常存在于气缸的总体积中。
然后，扫气程度指示在出口阀的关闭时间用新鲜扫气空气填充的总体积的百分比。因为总体积由用扫气空气填充的体积和用残余气体填充的体积组成，所以扫气程度由扫气空气的体积与扫气空气和残余气体的体积和的商来确定，或者该商与在出口阀的关闭时间扫气空气体积与总体积的商相等。扫气程度通常以百分比来指示。
由此，扫气程度取决于充注压力、出口阀的关闭时间以及温度。因为充注压力转而如以上参照第一相互关系提及的取决于由涡轮增压器提供的空气质量流量，所以扫气程度(至少在充注压力上)也取决于扫气空气的质量流量。
可以借助于第一相互关系、第二相互关系以及控制参数的当前值，针对环境空气的相应当前特性(温度、湿度)来确定用于出口阀的关闭时间的值，凭借该值，实现启用气缸中的最佳燃烧并具体防止快速燃烧或太富集空气—燃料混合物的扫气程度。
优选地，以气缸中的扫气程度为至少70％且优选地为接近80％或至少80％的这种方式调节出口阀的关闭时间。
具体地，关闭时间的调节还可以用于将气缸中的最终压缩温度保持在预定范围内，由此例如避免气缸中的空气—燃料混合物的预燃。
取决于控制参数的相应值和发动机的相应负荷的、用于调节排气阀和出口阀的关闭时间的值可以存放为查找表，例如存放在大型柴油发动机的检查装置或控制装置中。这种查找表例如可以为多维表或矩阵，其中，在各情况下，用于调节排气阀和出口阀的关闭时间的值被指派给操作马达的负荷和控制参数的值的不同组合。基于用于控制参数的当前值和操作发动机的实际负荷，发动机的检查装置和控制装置从查找表取出用于调节排气阀和出口阀的关闭时间的值，并且根据这些值控制排气阀和出口阀。
然而，借助于第一相互关系和第二相互关系，还可以提供功能相互关系或算法，该功能相互关系或算法具有控制参数的值和发动机的负荷(作为输入参数)，并且提供用于调节排气阀和出口阀的关闭时间的相应合适值(作为输出参数)。
查找表或算法中的值可以基于经验数据、模拟或模型计算、测试运行、计算或这些内容的组合来确定。
另一个可能性是模拟气缸和/或涡轮增压器中的扫气或由模型描绘它。为此，例如，可以创建扫气模型和/或压缩机模型。压缩机模型表示在考虑控制参数(具体为环境空气的温度或湿度)时由涡轮增压器提供的充注压力与由涡轮增压器生成的空气质量流量之间的第一相互关系。扫气模型表示在考虑控制参数(具体为扫气空气的温度或湿度)时气缸中的扫气程度与出口阀的关闭时间之间的第二相互关系。压缩机模型和扫气模型然后用于根据控制参数的值确定出口阀的关闭时间和排气阀的调节这两者。当然，还可以组合扫气模型和压缩机模型，以形成整体模型。
根据本发明的方法特别适于改造大型柴油发动机，具体适于改造双燃料大型柴油发动机。因为根据本发明的方法可以在没有另外的主设备的情况下实现或可以没有另外的主设备，所以它特别适于改装或改造已经存在的大型柴油发动机，使得它们即使在不利环境条件下(具体在热带条件下)也可以高效、安全、环境友好且经济地操作。

Claims (15)

1.一种用于操作具体为双燃料大型柴油发动机的大型柴油发动机的方法，该双燃料大型柴油发动机能在液体模式下操作，在该液体模式下，将液体燃料引入到用于燃烧的气缸中，并且该双燃料大型柴油发动机还能在气体模式下操作，在该气体模式下，将气体作为燃料引入到气缸中，在该方法中，向所述大型柴油发动机的气缸供应扫气空气，以便产生空气—燃料混合物，该扫气空气由具有充注压力的涡轮增压器来提供，其中，所述涡轮增压器由来自所述大型柴油发动机的废气来驱动，并且其中，所述涡轮增压器吸入环境空气，以便提供所述扫气空气，其中，所述涡轮增压器的功率能借助于排气阀来改变，凭借该排气阀，调节驱动所述涡轮增压器的所述废气的质量流量，该方法的特征在于：在所述大型柴油发动机的操作期间确定控制参数，该控制参数是所述环境空气或所述扫气空气的温度和/或湿度的特性，并且所述控制参数的值用于调节所述排气阀，使得根据所述环境空气的所述温度和/或所述湿度改变所述涡轮增压器的所述功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气缸的出口阀在预定关闭时间关闭，以完成所述气缸的扫气，其中所述控制参数的所述值用于确定所述关闭时间。
3.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，通过测量来确定被所述涡轮增压器吸入的所述环境空气的所述温度，以确定所述控制参数。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，通过测量来确定被所述涡轮增压器吸入的所述环境空气的所述湿度，以确定所述控制参数。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，使用充注空气的温度来确定所述控制参数。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，使用第一相互关系来调节所述排气阀，该第一相互关系指示由所述涡轮增压器提供的所述充注压力对由所述涡轮增压器生成的空气质量流量的依赖性。
7.根据权利要求2至6中任意一项所述的方法，其中，使用第二相互关系来确定所述气缸的所述出口阀的所述关闭时间，该第二相互关系指示扫气程度对所提供的所述扫气空气、所述关闭时间以及所述扫气空气或所述环境空气的所述温度的依赖性，其中，所述扫气程度是在所述关闭时间时所述气缸中的扫气空气的体积与所述气缸中的扫气空气和残余气体的体积和之比。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述出口阀的所述关闭时间以以下这种方式来调节：所述气缸中的所述扫气程度为至少70％，优选地为至少大约80％。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的方法，其中，所述第一相互关系和/或所述第二相互关系以查找表的形式来提供。
10.根据权利要求6至9中任意一项所述的方法，其中，将所述第一相互关系提供为功能相互关系或以算法的形式来提供所述第一相互关系。
11.根据权利要求6至10中任意一项所述的方法，其中，将所述第二相互关系提供为功能相互关系或以算法的形式来提供所述第二相互关系。
12.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，提供压缩机模型和扫气模型，其中，所述压缩机模型考虑所述环境空气的所述温度或湿度来模拟由所述涡轮增压器提供的所述充注压力与由所述涡轮增压器生成的所述空气质量流量之间的所述第一相互关系，其中，所述扫气模型考虑所述充注空气的所述温度来模拟所述气缸中的所述扫气程度与所提供的所述扫气空气和所述出口阀的所述关闭时间之间的所述第二相互关系，并且其中，借助于所述压缩机模型和所述扫气模型，根据所述控制参数的所述值来确定所述出口阀的所述关闭时间和所述排气阀的调节这两者。
13.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，将所述气缸中的最终压缩温度维持在预定范围内。
14.一种大型柴油发动机，具体地为双燃料大型柴油发动机，该大型柴油发动机通过根据权利要求1至13中任意一项所述的方法来操作。
15.根据权利要求14所述的大型柴油发动机，所述大型柴油发动机被设计为纵向扫气的二冲程大型柴油发动机。
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