CN112081652A - 大型二冲程单流扫气式气态燃料发动机及用于控制燃烧室中的状况的方法 - Google Patents

大型二冲程单流扫气式气态燃料发动机及用于控制燃烧室中的状况的方法 Download PDF

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Abstract

大型二冲程涡轮增压单流扫气式气动型内燃发动机及其控制方法。该发动机具有多个燃烧室，至少一个控制器与该发动机相关联，控制器被配置成：确定燃烧开始时在燃烧室中的平均压缩空气过量比和体积压缩温度；当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比下阈值之下时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施；当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上阈值之上时，执行至少一个压缩空气过量比降低措施；当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度下阈值之下时，执行至少一个体积压缩温度增大措施；以及当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度上阈值之上时，执行至少一个体积压缩温度降低措施。

Description

大型二冲程单流扫气式气态燃料发动机及用于控制燃烧室中 的状况的方法
技术领域
本公开内容涉及大型二冲程气态燃料内燃发动机，特别地涉及具有十字头的大型二冲程单流扫气式内燃发动机，该十字头针对从布置在气缸套中的燃料阀喷射的气态燃料来运行。
背景技术
具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机例如用于大型远洋船舶的推进或者用作发电厂的初级原动机。不仅由于庞大的尺寸，这些二冲程柴油发动机被构建的不同于任何其他内燃发动机。它们的排出阀可能重达400kg，活塞具有的直径最高至100cm，并且在燃烧室中的最大运行压力通常为几百巴。在这些高压力水平和活塞尺寸处所涉及的力是巨大的。
利用由沿着气缸套的长度居中布置的燃料阀准许进入的气态燃料运行的大型二冲程涡轮增压内燃发动机——即在刚好在排出阀关闭前启用的活塞的向上冲程期间准许气态燃料的发动机——将在燃烧室中的气态燃料和扫气空气的混合物压缩，并且通过定时点火装置诸如先导油喷射来在上止点(TDC)处或该上止点附近对经压缩的混合物进行点火。
使用布置在气缸套中的燃料阀的这种类型的气体准许进入所具有的优点在于可以使用低得多的燃料喷射压力，因为与在活塞接近其上止点(TDC)时，即在燃烧室中的压缩压力处于其最大值或接近其最大值时喷射气态燃料的大型二冲程涡轮增压内燃发动机相比，气态燃料是在压缩压力相对较低时被喷射的。后一类型的发动机需要的燃料喷射压力显著地高于已经高的最大燃烧压力。由于气态燃料的挥发性及其在这种高压下的特性，该特性包括扩散进入并穿过燃料系统的钢部件，因此能够在这些极高压力下处理气态压力的燃料系统既昂贵又复杂。
因此，当与在TDC处或该TDC附近喷射气态燃料的发动机相比时，用于在压缩冲程期间喷射气态燃料的发动机的燃料供应和系统明显没那么昂贵。
然而，当在压缩冲程期间喷射气态燃料时，活塞压缩该气态燃料和扫气空气的混合物，并因此存在提前点火的危险。通过使用非常稀薄的混合物可以降低提前点火的风险，但是稀薄的混合物使点不燃的风险增大。
因此，在这样的大型二冲程涡轮增压内燃发动机中的压缩期间需要对燃烧室中的条件的控制进行改进，以便克服或至少减少与提前点火/柴油机爆震有关的问题。为了防止发生提前点火和点不燃，需要非常准确地控制燃烧室中的条件。
在发动机稳态运行期间，发动机的性能设计通常确保避免提前点火。这是通过仔细选择燃烧室设计、燃料喷射时间和排出阀时间来实现的。但是，酷热的运行条件和其他外在因素诸如发动机不平稳运行是不可避免的，并可能引起导致燃烧室中提前点火或点不燃的情况。
EP2634398公开了根据权利要求1的前序部分的、以燃料气体为主要燃料来运行、具有空气-燃料比控制器的二冲程发动机，该空气-燃料比控制器被配置成计算气缸内部的平均空气-燃料比，并且通过调节被供应到多个气缸的空气流量来控制平均空气-燃料比；并且被配置成计算每个气缸内部的空气-燃料比，并且通过调节排出阀的关闭时间来控制空气-燃料比)。因此，空气-燃料比可以被保持在上阈值和下阈值内。但是，这不足以确保在所有运行条件下避免提前点火。
发明内容
目的是提供一种克服或至少减少以上所指出问题的发动机和方法。
通过本发明的实施方式实现前述以及其他目的。根据本发明的实施方式、说明书和附图，另外的实施形式是明显的。
根据第一方面，提供大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，被配置成基于作为主要燃料的气态燃料以气动模式来运行，所述发动机包括：
多个燃烧室，每个燃烧室由气缸套、活塞和气缸盖界定，
扫气端口，被布置在气缸套中，以用于准许扫气空气进入所述燃烧室中，
排出气体出口，被布置在气缸盖中并由排出阀控制，
可变时间的排出阀致动系统，
与发动机相关联的至少一个控制器，
所述至少一个控制器被配置成确定和控制所述排出阀的打开和关闭时间，
所述至少一个控制器被配置成确定和控制准许进入燃烧室中的气态燃料的量，
所述至少一个控制器被配置成确定或测量燃烧室的平均压缩空气过量比(excessratio，过剩比)，
至少一个控制器被配置成确定或测量燃烧开始时燃烧室中的体积压缩温度，
至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比下阈值之下时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施，
至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上阈值之上时，执行至少一个压缩空气过量比降低措施，
至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度下阈值之下时，执行至少一个体积压缩温度增大措施，以及
至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度上阈值之上时，执行至少一个体积压缩温度降低措施。
通过提供具有控制器的大型二冲程发动机，该控制器通过执行调节体积压缩温度和空气-燃料比的动作，分别使体积压缩温度保持在上阈值和下阈值之间和使压缩空气过量比保持在上阈值和下阈值之间，确保了燃烧室中在压缩期间的条件既不会发展成导致提前点火的条件，也不会发展成导致点不燃的条件。因此，具有如上限定的进行配置的控制器的大型二冲程发动机基本上不考虑发动机的运行条件，将在既没有提前点火的风险也没有点不燃的风险的情况下运行。
在第一方面的可能的实施形式中，至少一个控制器包括或被连接到压缩空气过量比观察器，以用于确定燃烧室中的瞬时平均压缩空气过量比。
在第一方面的可能的实施形式中，至少一个控制器包括或被连接到体积压缩温度观察器，以用于确定燃烧室的平均瞬时体积压缩温度。
在第一方面的可能的实施形式中，压缩空气过量比下阈值、压缩空气过量比上阈值、体积压缩温度下阈值以及体积压缩温度上阈值是发动机负荷相关的参数。
在第一方面的可能的实施形式中，至少一个压缩空气过量比增大措施选自包括下述的组：
-使排出阀在较早的时间关闭，
-对于包括扫气旁路的发动机：关闭扫气旁路或增大扫气旁路的节流，
-对于具有热气缸旁路的发动机：打开热气缸旁路控制阀或减小该热气缸旁路控制阀的节流，
-对于具有辅助鼓风机的发动机：启用辅助鼓风机，
-对于具有可变几何形状的涡轮的发动机：减小有效的涡轮流通面积，
-对于以涡轮增压器进行辅助的发动机：使涡轮增压器加速
对于具有排出气体再循环的发动机，增大排出气体再循环鼓风机的速度，
对于以气态和液态燃料两者运行的发动机，使液态燃料的份额增大。
在第一方面的可能的实施形式中，至少一个压缩空气过量比降低措施选自包括下述的组：
-使排出阀在较晚的时间关闭，
-对于包括扫气旁路的发动机：打开扫气旁路控制阀或减小该扫气旁路控制阀的节流，
-对于包括排出气体再循环管路的发动机：启用排出气体再循环管路中的排出气体再循环鼓风机或增大该排出气体再循环鼓风机的速度，
-对于包括排出气体旁路的发动机：打开排出气体旁路控制阀或减小该排出气体旁路控制阀的节流，
-对于具有可变几何形状的涡轮的发动机：增大有效的涡轮流通面积，
-对于以液态燃料进行点火的发动机，增大气态燃料的份额并且增大液态燃料的份额，
-对于以涡轮增压器进行辅助的发动机：减小涡轮增压器的辅助。
在第一方面的可能的实施形式中，至少一个体积压缩温度增大措施选自包括下述的组：
-对于包括气缸旁路的发动机：打开气缸旁路控制阀或减小该气缸旁路控制阀的节流，
-对于具有热气缸旁路的发动机：打开热气缸旁路控制阀或减小该热气缸旁路控制阀的节流，
-对于具有冷气缸旁路的发动机：打开冷气缸旁路控制阀或减小冷气缸旁路控制阀的节流，
-对于具有扫气空气冷却器旁路的发动机：打开扫气空气冷却器旁路控制阀或减小扫气空气旁路控制阀的节流，
-提前关闭排出阀。
在第一方面的可能的实施形式中，至少一个体积压缩温度降低措施选自具有下述的组：
-暂时地防止改变关闭排出阀的时间，
-使排出阀在较晚的时间关闭，
-对于具有热气缸旁路的发动机：关闭热气缸旁路控制阀或增大该热气缸旁路控制阀的节流，
-对于具有辅助鼓风机的发动机：启用辅助鼓风机，
-对于具有水喷射的发动机，在压缩期间将水喷射到燃烧室中。
在第一方面的可能的实施形式中，至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在小于压缩空气过量比下阈值的最小压缩空气过量比阈值之下时，执行另外的压缩空气过量比增大措施。
在第一方面的可能的实施形式中，至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在大于最大压缩空气过量比上阈值的最大压缩空气过量比阈值之上时，执行另外的压缩空气过量比降低措施，该最大压缩空气过量比上阈值大于压缩空气过量比上阈值。
在第一方面的可能的实施形式中，至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在小于体积压缩温度下阈值的最小体积压缩温度阈值之下时，执行至少一个另外的体积压缩温度增大措施。
在第一方面的可能的实施形式中，至少一个控制器被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在大于体积压缩温度上阈值的最大体积压缩温度阈值之上时，执行至少一个另外的体积压缩温度降低措施。
在第一方面的可能的实施形式中，一个或多个气态燃料准许进入开口被布置在气缸套中，以用于准许从经加压的气态燃料供应处接收的气态燃料经由燃料准许进入阀进入到燃烧室中。
在第一方面的可能的实施形式中，液态燃料以气动模式被喷射以用于对燃烧室中的空气-燃料混合物进行点火。
在第一方面的可能的实施形式中，发动机被配置成基于处于液态燃料运行模式的液态燃料来运行。
在第一方面的可能的实施方案中，压缩空气过量比是基于重量的比。
在第一方面的可能的实施方案中，当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比上升到压缩空气过量比下阈值之上时，控制器终止执行至少一个压缩空气过量比增大措施。
在第一方面的可能的实施方案中，当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比下降到压缩空气过量比上阈值之下时，控制器终止执行至少一个压缩空气过量比降低措施。
在第一方面的可能的实施方案中，当所确定的或所测量的体积压缩温度升高到体积压缩温度下阈值之上时，控制器终止执行至少一个体积压缩温度增大措施，以及
在第一方面的可能的实施方案中，当所确定的或所测量的体积压缩温度下降到体积压缩温度上阈值之下时，控制器终止执行至少一个体积压缩温度降低措施。
在第一方面的可能的实施方案中，控制器根据预定的查找表控制排出阀致动系统和燃料准许进入阀，该预定的查找表指示排出阀的打开和关闭的时间并且指示与发动机载荷有关的燃料准许进入阀的打开和关闭。
在第一方面的可能的实施方案中，气体准许进入开口基本上被布置在气缸套的纵向方向上的中间部分中。
在第一方面的可能的实施方案中，发动机是单流扫气式发动机。
在第一方面的可能的实施方案中，准许进入开口指向气缸套的中心并且被定位在扫气端口的上端之上并且在一变型中处于气缸架的顶板之上。
在第一方面的可能的实施方案中，发动机设置有火系统用于发起点火的点火系统并且优选在TDC处或在该TRC附近被电子控制单元控制。点火系统可以是诸如例如包括激光点火的电子点火系统。替代性地，点火系统可以包括液态燃料喷射系统，当控制器确定应当发起点火时，该液态燃料喷射系统被电子地控制以对液态燃料进行点火。点火系统可以包括在其中喷射液态燃料的预燃室。
在第一方面的可能的实施方案中，最小压缩空气过量比阈值、最大压缩空气过量比阈值、最小体积压缩温度阈值以及最大体积压缩温度阈值取决于发动机运行条件诸如发动机载荷、环境温度、环境湿度、发动机速度。
在第一方面的可能的实施方案中，发动机包括用于确定压缩空气过量比的状态观察器，即根据对发动机的输入和输出的测量来提供燃烧室中的压缩空气过量比的估计的系统。在一实施方式中，用于确定压缩空气过量比的状态观察器是计算机实施的。
在第一方面的可能的实施方案中，发动机包括用于确定体积压缩温度的状态观察器，即根据对发动机的输入和输出的测量来提供燃烧室中的体积压缩温度的估计的系统。在一实施方式中，用于确定体积压缩温度的状态观察器是计算机实施的。
根据第二方面，提供控制大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机的方法，该发动机被配置成基于作为主要燃料的气态燃料以气动模式运行，并且该发动机包括：
多个燃烧室，每个燃烧室由气缸套、活塞和气缸盖界定，
扫气端口，被布置在气缸套中，以用于准许扫气空气进入燃烧室，
排出气体出口，被布置在气缸盖中并由排出阀控制，
可变时间的排出阀致动系统，
与发动机相关联的至少一个控制器，
利用至少一个控制器：
确定和控制排出阀的打开和关闭时间，
确定和控制被准许进入到燃烧室的气态燃料的量，
确定或测量燃烧室的平均压缩空气过量比，
确定或测量燃烧开始时燃烧室中的体积压缩温度，
当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比下阈值之下时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施，
当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上阈值之上时，执行至少一个压缩空气过量比降低措施，
当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度下阈值之下时，执行至少一个体积压缩温度增大措施，以及
当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度上阈值之上时，执行至少一个体积压缩温度降低措施。
根据以下描述的实施方式这些和其他方面将显而易见。
附图说明
在本公开内容的以下详细部分中，将参考附图中所示出的示例性实施方式更详细地解释方面、实施方式和实施方案，其中：
图1是根据示例性实施方式的大型二冲程柴油发动机的正视图，
图2是图1的大型二冲程发动机的侧视图，
图3是根据图1的大型二冲程发动机的第一图解图示，
图4是图1的发动机的气缸架和气缸套的截面图，其中，示出了气缸盖和装配到其上的排出阀以及处于TDC和处于BDC的活塞，
图5是图1的发动机的第二图解图示，
图6是压缩温度观察器和压缩空气过量比观察器的示意性图示，
图7是以压缩空气过量比在竖向轴线上和体积气缸温度在水平轴线上的方式例示的、示出了安全区域的图，该安全区域由在其中需要采取动作以返回到安全区域的区域包围，以及
图8是对控制大型二冲程发动机的方法的实施方式进行例示的过程。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将参考示例性实施方式中的大型二冲程低速涡轮增压内燃十字头发动机来描述内燃发动机。图1、图2和图3示出了具有曲轴8和十字头9的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机的实施方式。图1和图2分别地是正视图和侧视图。图3是具有其吸入和排出系统的图1和图2的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机的图解视图。在该示例性实施方式中，发动机具有联机(in line，串联、呈线性排列)的四个气缸。大型低速涡轮增压二冲程内燃发动机通常具有四个至十四个联机的、由发动机架11承载的气缸。发动机可以例如用作航海船舶中的主发动机或用作用于操作发电站中的发电机的固定发动机。发动机的总输出可以例如在1,000至110,000kW的范围内。
在该示例实施方式中，发动机是二冲程单流扫气型发动机，在气缸套1的下部区域中具有扫气端口18并且在气缸套1的顶部处具有中心排出阀4。当活塞在扫气端口18下方时，扫气空气从扫气空气接收器2递送穿过各个气缸1的扫气端口18。当活塞处于其向上移动时并且在活塞经过燃料阀30之前，在电子控制器60的控制下从气态燃料喷射阀30喷射气态燃料。燃料阀30优选地环绕气缸套的圆周均匀地分布并且被放置在气缸套1的长度的中央区域中的某处。因此，当压缩压力相对低时，即，比活塞达到TDC时的压缩压力低得多时，发生气态燃料的喷射/准许进入。
气缸套1中的活塞10压缩该气态燃料和扫气空气的装填物，发生压缩，在TDC处或附近进行点火，并且该点火通过例如从优选地布置在气缸盖22中的先导油燃料阀50喷射先导油(或任何其他适合的点火液体)被触发，然后燃烧并生成排出气体。代替先导油燃料阀50或除先导燃料阀50之外，还可以使用替代形式的点火系统诸如例如预燃室(未示出)、激光点火(未示出)或电热塞(未示出)来发起点火。
当打开排出阀4时，排出气体流动通过与气缸1相关联的排出管道到达排出气体接收器3中，并且向上通过第一排出管路19到达涡轮增压器5的涡轮6，排出气体从该涡轮增压器的涡轮流走通过第二排出管路经由节能器20到达出口21并进入周围大气。涡轮6通过轴驱动压缩机7，该压缩机经由空气入口12被供应有新鲜空气。压缩机7将经加压的扫气空气递送到通向扫气空气接收器2的扫气空气管路13。管路13中的扫气空气经过中间冷却器14，以用于对扫气空气进行冷却。
经冷却的扫气空气经由通过电机17驱动的辅助鼓风机16传递，当涡轮增压器5的压缩机7没有为扫气空气接收器2递送足够的压力时，即处于发动机的低负荷或部分负荷的条件下，该辅助鼓风机对该扫气空气加压。在较高的发动机负荷下，涡轮增压器的压缩机7递送足够的经压缩的扫气空气，并且然后辅助鼓风机16经由止回阀15被旁通。
图4示出了通常用于大型二冲程十字头发动机的气缸套1。根据发动机的尺寸，气缸套1可以被制造成不同的大小，具有的气缸镗孔通常在250mm至1000mm的范围内，并且对应的典型长度在1000mm至4500mm的范围内。
在图4中，气缸套1被示出为安装在气缸框架23中，其中，气缸盖22被放置在气缸套1的顶部上，在气缸盖与气缸套之间具有气密界面。在图4中，通过中断线示意性地示出了处于下止点(BDC)活塞10和处于上止点(TDC)的活塞二者，但是当然且清楚的是这两个位置不是同时地发生的，而是通过曲轴8的180度旋转被分开的。气缸套1设置有气缸润滑孔25和气缸润滑管线24，当活塞10经过润滑管线24时，该气缸润滑管线提供气缸润滑油的供应，接下来活塞环(未示出)将气缸润滑油分布到气缸套1的运行表面上。
先导燃料阀50(通常每个气缸不止一个)或带有先导油阀50的预燃室被安装在气缸盖22中，并且被连接到先导油源(未显示)。先导油喷射的时间由电子控制单元60控制。
燃料阀30被安装在气缸套1中，其中，燃料阀的喷嘴基本与气缸套1的内表面齐平，并且其中，燃料阀30的后端从气缸套1的外壁伸出。通常，在每个气缸套1中，设置有环绕气缸套1在周向上分布的一个或两个燃料阀30，但可能多达三个或四个燃料阀。在一实施方式中，燃料阀30沿着气缸套1的长度基本上被布置在中间。
此外，图4示意性地示出了包括经加压的气态燃料源40的气态燃料供应系统，该经加压的气态燃料源经由气态燃料供应管路41连接到气态燃料阀30中的每个气态燃料阀的入口。
图5类似于图2但是利用发动机的气体交换基础结构上的更多细节例示了发动机的示意性图示。环境空气在环境气压和温度处被吸入，并且通过空气入口12被输送到涡轮增压器5的压缩机7。经压缩的扫气空气从压缩机7通过空气管路32被输送到分布点28。
分布点28允许通过热气缸旁路管路29将扫气空气分支到第一排出管路19中的涡轮连接32。通过热气缸旁路管路29的流量被热气缸旁路控制阀31调节。热气缸旁路控制阀31被控制器60电子地控制。打开热气缸旁路29的效果或减小热气缸旁路中的控制阀31的节流的效果是增大压缩空气过量比以及增大体积压缩温度，反之亦然。
空气管路13还包括在中间冷却器14上游的第一扫气空气控制阀33。第二扫气空气控制阀34被布置在中间冷却器14的下游。空气管路13延续到扫气空气接收器2。从中间冷却器14分支出来包括辅助鼓风机16的管路。
冷气缸旁路管路35将扫气空气接收器2连接到第一排出管路19中的涡轮连接32。通过旁路35中的场地(courts：区域、天井)的流量被冷气缸旁路控制阀36调节。冷气缸旁路控制阀36被控制器60电子地控制。打开冷气缸旁路35的效果或减小冷气缸旁路阀36的节流的效果是增大体积压缩温度。
冷扫气旁路管路37允许扫气空气从扫气空气接收器26逸出到环境中。通过冷扫气旁路管路37的流量被冷扫气旁路控制阀38控制。冷扫气旁路控制阀38被控制器60电子地控制。打开冷扫气旁路控制阀38的效果或减小冷扫气旁路控制阀38的节流的效果是降低扫气空气压力以及减小压缩空气过量比。冷扫气旁路管路37不需要从扫气空气接收器2分支出来，而是还可以在中间冷却器14下游的任何位置处从空气管路13被分支出来。
排出气体再循环管路42将排出气体接收器3连接到扫气空气接收器2，并且包括排出气体再循环控制阀45、排出气体再循环冷却器44和排出气体再循环鼓风机43。在控制器60的电子控制下，排出气体再循环鼓风机43和排出气体再循环控制阀45两者都用于调节通过排出气体再循环管路42的流量。在正常操作条件下，除非排出气体再循环鼓风机43是启用的，否则将不会出现流量通过排出气体再循环管路42，因为排出气体接收器42中的压力通常低于扫气空气接收器2中的压力(因此，当排出气体再循环鼓风机43不启用时，排出气体再循环控制阀45需要被关闭)。排出气体再循环管路42不需要从排出气体接收器3连接，而是还可以在任何点处被连接到第一排出管路19，并且不需要连接到扫气空气接收器2，并且也可以只连接到中间冷却器14下游的空气管路13上的任何位置。
启用排出气体再循环管路42中的排出气体再循环鼓风机43或者增大其该排出气体再循环鼓风机的速度减小了压缩空气过量比，并且略微地减小体积压缩温度。
排出气体旁路39从排出气体接收器3或从第一排出管路19分支出来，并以给定的背压27连接到周围大气27。排出气体旁路控制阀40通过控制器60的电子控制调节通过排出气体旁路管路39的流量。
打开排出气体旁路控制阀40或减小排出气体旁路控制阀40的节流降低了气缸中的压缩空气过量比。
在设置有选择性催化式接收器(SVR)反应器和反应器旁路阀(RVB)的发动机中，在控制器60的电子控制下，调节从扫气空气接收器3到涡轮增压器5的涡轮6的经过SCR反应器的流量的份额。
所有以上提到的部件由通过信号线连接到这些部件的控制器60控制，上述信号线通过图5中的中断线指示。
图6例示了压缩空气过量比观察器46和体积压缩温度观察器47。
压缩空气过量比观察器46是计算机实施的算法，其具有关于下述的信息：扫气空气压力、排出阀关闭时间、气缸几何形状、按化学计量的空气-燃料比和所喷射的气体量。压缩空气过量比观察器46可以是控制器60的一部分，或者可以是分开的计算机或控制器。压缩空气过量比观察器46提供一输出，该输出是对(完全地)经压缩的空气-燃料混合物(当活塞10处于TDC时)的压缩空气过量比的估计，并将该输出发送到控制器60。该估计是以下述为基础的：当排出阀4落在其座部上时在燃烧室中捕获的新鲜空气质量除以按化学计量的总喷射气体质量的燃烧所需要的新鲜空气质量的比。
体积压缩温度观察器47是计算机实施的算法，其具有关于下述的信息：扫气空气压力、扫气空气温度、排出阀关闭时间和曲轴速度。体积压缩温度观察器47可以是控制器60的一部分，或者可以是分开的计算机或控制器。压缩空气过量比观察器46提供一输出，该输出是Tcomp(Tc)的估计；在燃烧室中从气体喷射开始到先导喷射的时间的时间窗中燃烧室中的最大体积压缩温度。压缩空气过量比观察器46将估计发送到控制器60。在一实施方式中，Tcomp估计涉及在TDC处的活塞10。
图7是展示体积压缩温度Tcomp相对于压缩空气过量比(λ)的图表。正常运行区域51在由下述限定的边界内：压缩空气过量比下阈值、压缩空气过量比上阈值、体积压缩温度下阈值以及体积压缩温度上阈值。在该正常运行区域51中，控制器60提供当前发动机载荷所需要的燃料量，并且控制器60不采取改变体积压缩温度和压缩空气过量比的任何措施。
然而，当气缸套1中的条件预示会离开正常运行区域51并进入作用区域(actionzone：行动区域、动作区域)52时，控制器60将采取措施以防止其发生。
对此，控制器60被配置成：
-当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比下阈值之下时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施(CAERIM)，
-当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上阈值之上时，执行至少一个压缩空气过量比降低措施(AERDM)，
-当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度下阈值之下时，执行至少一个体积压缩温度增大措施(BCTIM)，以及
-当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度上阈值之上时，执行至少一个体积压缩温度降低措施(BCTDM)。
通过执行这些措施，控制器60使气缸套1中的条件保持在正常运行区域51内，并且至少仅暂时地允许该条件移动到正常运行区域51之外并进入作用区域52。作用区域52被可能发生提前点火和/或点不燃的临界区域53围绕。
用于区域51、52和53的边界可以由用于体积压缩温度的上阈值和下阈值以及用于压缩空气过量比的上限和下限限定。对于特定的发动机，这些阈值可以通过试错法或通过发动机循环的计算机模拟凭经验地确定
当观察器指示压缩空气过量比和体积压缩温度二者都在正常运行区域51之外时，控制器60将采取两种措施来调节压缩空气过量比和体积压缩温度，以便使气缸套中的条件移动回到正常运行区域51。
通过调节排出气体旁路控制阀40(将排出气体旁路控制阀40移动到打开更多的位置)来打开排出气体旁路(EGB)管路39(从TC涡轮入口到涡轮出口或环境的流)使得扫气空气压力显著地减小，并且因此使燃烧室中的所捕获的空气质量显著地减小。因此，该措施适合于减小压缩空气过量比，而对压缩体积温度仅有较小的影响。在发动机具有更多涡轮增压器的情况下，仍然可以使用来自排出气体接收器的单个EGB，只要其位置是根据从其他流到排出气体接收器的其他潜在混合点来选择的。
打开热气缸旁路控制阀31(从TC压缩机出口到TC涡轮入口的流)使得燃烧室中的压缩空气过量比和体积压缩温度增大。
打开扫气旁路控制阀38会产生从扫气空气接收器2到压缩机入口或环境的流，并且这种打开对空气压缩过量比具有与排出气体旁路相似的定性效果，但是对扫气过程具有不同的影响(并且因此对燃烧室中的体积压缩温度具有不同的影响)。当与排出气体旁路相比时，打开扫气旁路控制阀38在燃烧室条件方面的效果较快速。
打开冷气缸旁路阀36增大从扫气空气接收器到TC涡轮入口的流量，并且使得体积压缩温度增大，同时对压缩空气过量比有非常小的效果。
排出阀关闭时间确定了燃烧室中压缩空气压力与扫气空气压力之间的比。变化的时间对燃烧室中的压缩空气过量比和体积压缩温度两者上具有显着效果。
排出阀打开时间影响燃烧室的扫气过程的第一阶段：变化的时间将影响发动机效率和扫气过程。随着扫气过程被改变，最终的体积温度也改变。通过非常早地打开排出阀4，当活塞10随后打开扫气端口18时，没有到扫气空气接收器2的流量。当排出阀4很晚被打开时，在活塞10随后打开扫气端口18时，有到扫气空气接收器2的大流量。这些措施改变了扫气过程，并因此将来自先前的燃烧的“脏的热”气体的份额改变，该先前的燃烧与下一压缩冲程接合。
因此，通过非常早地打开排出阀4，将有来自先前燃烧的更多的“脏的热”气体，并且因此压缩空气过量比将降低并且体积压缩温度将增大。非常晚地打开排出阀4，将有来自先前燃烧的较少的“脏的热气体，并且因此压缩空气过量比将增大并且体积压缩温度将降低。当通过较早地关闭排出阀4来增大压缩时，较少的气体通过排出阀4逸出，并因此更多的气体被捕获在燃烧室中。这增大了空气过量比。而且，增大压缩使得活塞10对燃烧室中的气体做更多的压缩工作。这使得燃烧室中气体温度较高。
通过启用排出气体再循环鼓风机43或通过增大排出气体再循环鼓风机43的速度来增大排出气体再循环流量，更多的排出气体从排出气体接收器3流动到涡轮增压器的压缩机出口或扫气空气接收器2)，并且这将减小压缩空气过量比，使燃烧室中的体积压缩温度有所减小。
增大辅助鼓风机16的速度将略微增大压缩空气过量比，并减小燃烧室中的体积压缩温度。
对于具有水喷射的发动机，在压缩期间将水喷射到燃烧室中将会降低体积压缩温度。
扫气空气冷却器旁路(未示出)：将中间冷却器14旁通将显著地增大燃烧室中的体积压缩温度，而对压缩空气过量比的效果较小。
对于设置有可变几何形状的涡轮6的发动机，减小涡轮流通面积的效果是减小扫气空气压力，并因此减小燃烧室中所捕获的空气质量。因此，该措施适合于减小压缩空气过量比，而对压缩体积温度仅有较小的影响。
对于设置有涡轮增压器的辅助的发动机，通过增大辅助来使涡轮增压器5加速将增大压缩空气过量比，而对压缩温度有较小的效果。
另一措施是使气态燃料和液态燃料(例如船用柴油机)之间的比变化。减小总喷射燃料能量中的气态燃料的份额使压缩空气过量比减小。液态燃料的份额对应地被增大，确保保持了曲轴的扭矩。
对于在其中的排出气体接收器中安装了热交换器(或者具有接收一部分排出气体的热交换器)的发动机，增大经过热交换器的排出气体的份额，即从排出气体中提取更多的热使得扫气空气压力减小，并因此使燃烧室中捕获的空气质量减小。因此，该措施适合于减小压缩空气过量比，而对压缩体积温度仅有较小的影响。热交换器可以用于产生蒸汽。
对于具有热扫气旁路的发动机，打开热扫气旁路控制阀会建立或增大从压缩机出口到环境或压缩机入口的流量，使扫气空气压力显著地减小，并因此使燃烧室中捕获的空气质量显著地减小。因此，该措施适合于减小压缩空气过量比，而对压缩体积温度具有较小的影响。
在一实施方式中，压缩空气过量比下阈值、压缩空气过量比上阈值、体积压缩温度下阈值以及体积压缩温度上阈值是发动机运行条件相关的参数。通过参数诸如发动机载荷、环境温度、环境湿度、发动机速度等确定的发动机运行条件。与这些运行条件相关的参数的值通过例如查找表或算法或其组合可用于控制器60。
在一实施方式中，控制器60被配置成：
当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在小于所述压缩空气过量比下阈值的最小压缩空气过量比阈值之下时，执行另外的压缩空气过量比增大措施(例如，从以上提到的措施中选择)，
当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在大于最大压缩空气过量比上阈值的所述最大压缩空气过量比阈值之上时，执行另外的压缩空气过量比降低措施，所述最大压缩空气过量比阈值大于所述压缩空气过量比上阈值。
当所确定的或所测量的体积压缩温度在小于所述体积压缩温度下阈值的最小体积压缩温度阈值之下时，执行至少一个另外的体积压缩温度增大措施，以及
当所确定的或所测量的体积压缩温度在大于所述体积压缩温度上阈值的最大体积压缩温度阈值之上时，执行至少一个另外的体积压缩温度降低措施。
当燃烧室中的条件已经从作用区域52移动出围绕该作用区域52的临界区域53时，将采取这些其他措施。因此，控制器60被配置成采取使过程移动回到作用区域52中并且进一步回到正常运行区域51中所必需的尽可能多的动作。
控制器60被配置成使约束最小化，即以上提到的措施，以便使发动机移动回到正常区域51内的运行条件。因此，控制器被配置成：当燃烧室中的条件已经返回到正常运行区域时停止以上提到的措施中的所有措施。
图8是示出了根据以上描述的控制器60的配置来使发动机运行的过程的流程图。
在过程开始后，控制器检查压缩气过量比是否在下阈值之下。如果答案为否，则控制器移动以检查压缩空气过量比上阈值是否被超过，并且如果答案为是，则控制器60采取来自以上提到的措施之一的压缩空气过量比增大措施。接下来，控制器60检查压缩空气过量比是否在最小阈值之下。如果答案为否，则控制器移动以检查压缩空气过量比上阈值是否被超过，并且如果答案为是，则控制器60采取来自以上提到的措施的另外的压缩过量比增大措施，并移动到检查压缩过量比是否在上阈值之上的步骤。
控制器60检查压缩空气过量比是否在上阈值之上。如果答案为否，则控制器移动以检查体积压缩温度下阈值是否被超过，并且如果其为是，则控制器60采取来自以上提到的措施之一的压缩空气过量比降低措施。接下来，控制器60检查压缩空气过量比是否在最大阈值之上。如果答案为否，则控制器移动以检查体积压缩温度下阈值是否被超过，并且如果答案为是，则控制器60采取来自以上提到的措施的另外的压缩过量比降低措施，并在此后移动到检查体积压缩温度是否在下阈值之下的步骤。
控制器60检查体积压缩温度是否在下阈值之下。如果答案为否，则控制器60移动至下一步骤来检查体积压缩温度是否在上阈值之上，并且如果答案为是，则控制器60采取体积压缩温度增大措施。此后，控制器60检查体积压缩温度是否在最小阈值之下，并且如果答案为否，则过程60移动以检查体积压缩温度是否在上阈值之上的步骤并且如果答案为是，控制器60采取来自以上提到的措施中的另外的体积温度增大措施，并且在此后移动以检查体积压缩温度阈值是否被超过的步骤。
控制器60检查体积压缩温度阈值是否被超过，并且如果答案为否，则控制器60移动回到检查压缩空气过量比是否在下阈值之下的步骤，并且如果答案为是，则控制器60采取来自以上提到的措施的体积温度降低措施。接下来，控制器60检查体积压缩温度是否在最大阈值之上，并且如果答案为否，则控制器60移动回到检查压缩空气过量比是否在下阈值之下的步骤，并且如果答案为是，则控制器60采取来自以上提到的措施的另外的体积温度降低措施，并且在此后移动到检查压缩空气过量比是否在下阈值之下的步骤。
在一实施方式中，控制器被提供有算法、查找表或其他信息，以决定用于增大或降低体积压缩温度的可用措施中的哪一个措施是对于发动机当前运行条件最适合的措施。同样地，控制器被提供有算法、查找表或其他信息，以决定用于增大或降低压缩空气过量比的可用措施中的哪一个措施是在发动机当前运行条件中最适合的措施。
结合本文的各个实施方式已经描述了各个方面和实施方案。然而，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的主题中可以理解和实现对所公开的实施方式的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一(an)”不排除多个。单个处理器、控制器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载的某些方案仅仅是并不表示不能有利地使用这些方案的组合的事实。
权利要求中使用的附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (12)

1.一种大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，被配置成基于作为主要燃料的气态燃料以气动模式运行，所述发动机包括：
多个燃烧室，每个燃烧室由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)界定，
扫气端口(18)，所述扫气端口被布置在所述气缸套(1)中，以用于准许扫气空气进入所述燃烧室，
排出气体出口，所述排出气体出口被布置在所述气缸盖(22)中并由排出阀(4)控制，
可变时间的排出阀致动系统，
与所述发动机相关联的至少一个控制器(60)，
所述至少一个控制器(60)被配置成确定和控制所述排出阀(4)的打开和关闭时间，
所述至少一个控制器(60)被配置成确定和控制准许进入所述燃烧室中的气态燃料的量，
其特征在于，
所述至少一个控制器(60)被配置成确定或测量所述燃烧室的平均压缩空气过量比，
所述至少一个控制器(60)被配置成确定或测量燃烧开始时所述燃烧室中的体积压缩温度，
所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比下阈值之下时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施，
所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上阈值之上时，执行至少一个压缩空气过量比降低措施，
所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度下阈值之下时，执行至少一个体积压缩温度增大措施，以及
所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度上阈值之上时，执行至少一个体积压缩温度降低措施。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述至少一个控制器(60)包括或被连接到压缩空气过量比观察器(46)，以用于确定所述燃烧室中的瞬时平均压缩空气过量比。
3.根据权利要求1或2所述的发动机，其中，所述至少一个控制器(60)包括或被连接到体积压缩温度观察器(47)，以用于确定所述燃烧室中的平均瞬时体积压缩温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个压缩空气过量比增大措施选自包括下述的组：
-使所述排出阀(4)在较早的时间关闭，
-对于包括扫气旁路(37)的发动机：关闭扫气旁路阀(38)或增大所述扫气旁路阀的节流，
-对于具有热气缸旁路(29)的发动机：打开热气缸旁路控制阀(31)或减小所述热气缸旁路控制阀的节流，
-对于具有辅助鼓风机(16)的发动机：启用所述辅助鼓风机(16)，
-对于具有可变几何形状的涡轮(6)的发动机：减小有效的涡轮流通面积，
-对于以涡轮增压器进行辅助的发动机：使涡轮增压器(5)加速。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个压缩空气过量比降低措施选自包括下述的组：
-使所述排出阀(4)在较晚的时间关闭，
-对于包括冷扫气旁路(37)的发动机：打开冷扫气旁路控制阀(38)或减小所述冷扫气旁路控制阀的节流，
-对于包括排出气体旁路(39)的发动机：打开排出气体旁路控制阀(40)或减小所述排出气体旁路控制阀的节流，
-对于包括排出气体再循环管路(42)的发动机：启用所述排出气体再循环管路(42)中的排出气体再循环鼓风机(43)或增大所述排出气体再循环鼓风机的速度，
-对于具有可变几何形状的涡轮(6)的发动机：增大有效的涡轮流通面积，
-对于以液态燃料进行点火的发动机，降低所述气态燃料的份额并且增大所述液态燃料的份额，
-对于在所述排出阀和涡轮增压器入口之间具有热交换器的发动机：利用所述热交换器使从所述排出气体中提取的热的量增大，
-对于以涡轮增压器进行辅助的发动机：减小所述涡轮增压器(5)的辅助。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个体积压缩温度增大措施选自包括下述的组：
-对于包括冷气缸旁路(35)的发动机：打开冷气缸旁路控制阀(36)或减小所述冷气缸旁路控制阀的节流，
-对于具有热气缸旁路(29)的发动机：打开热气缸旁路控制阀(31)或减小所述热气缸旁路控制阀的节流，
-对于具有扫气空气冷却器旁路的发动机：打开所述扫气空气冷却器旁路控制阀或减小所述扫气空气旁路控制阀的节流，
-提前关闭所述排出阀。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个体积压缩温度降低措施选自具有下述的组：
-暂时地防止改变关闭所述排出阀(4)的时间，
-使所述排出阀(4)在较晚的时间关闭，
-对于具有热气缸旁路(29)的发动机：关闭热气缸旁路控制阀(31)或增大所述热气缸旁路控制阀的节流，
-对于具有辅助鼓风机(16)的发动机：启用所述辅助鼓风机(16)，
-对于具有水喷射的发动机，在压缩期间将水喷射到所述燃烧室中。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在小于所述压缩空气过量比下阈值的最小压缩空气过量比阈值之下时，执行另外的压缩空气过量比增大措施。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在大于最大压缩空气过量比上阈值的最大压缩空气过量比阈值之上时，执行另外的压缩空气过量比降低措施，所述最大压缩空气过量比上阈值大于所述压缩空气过量比上阈值。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在小于所述体积压缩温度下阈值的最小体积压缩温度阈值之下时，执行至少一个另外的体积压缩温度增大措施。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的发动机，其中，所述至少一个控制器(60)被配置成：当所确定的或所测量的体积压缩温度在大于所述体积压缩温度上阈值的最大体积压缩温度阈值之上时，执行至少一个另外的体积压缩温度降低措施。
12.一种控制大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机的方法，所述发动机被配置成基于作为主要燃料的气态燃料以气动模式运行，并且所述发动机包括：
多个燃烧室，每个燃烧室由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)界定，
扫气端口(18)，所述扫气端口被布置在所述气缸套(1)中，以用于准许扫气空气进入所述燃烧室中，
排出气体出口，所述排出气体出口被布置在所述气缸盖(22)中并由排出阀(4)控制，
可变时间的排出阀致动系统，
与所述发动机相关联的至少一个控制器(60)，
利用所述至少一个控制器(60)：
确定和控制所述排出阀的打开和关闭时间，
确定和控制被准许进入所述燃烧室的气态燃料的量，其特征在于，所述控制器(60)：
确定或测量所述燃烧室的平均压缩空气过量比，
确定或测量燃烧开始时所述燃烧室中的体积压缩温度，
当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比下阈值之下时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施，
当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上阈值之上时，执行至少一个压缩空气过量比降低措施，
当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度下阈值之下时，执行至少一个体积压缩温度增大措施，以及
当所确定的或所测量的体积压缩温度在体积压缩温度上阈值之上时，执行至少一个体积压缩温度降低措施。
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