CN116025459B - 大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法 - Google Patents

大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法 Download PDF

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Abstract

一种大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法。发动机具有多个机械设计约束并包括燃烧室、构造成在BDC与TDC之间往复运动的活塞、气态燃料准许进入阀、构造成向燃烧室正时供给液态燃料以启动点火的液态燃料阀及与发动机关联的控制器，控制器配置成：分别针对每个燃烧室对活塞从BDC向TDC的冲程期间经由气态燃料准许进入阀而准许进入燃烧室的气态燃料的正时和量进行控制；监测每个气缸的燃烧过程并检测燃烧过程何时导致机械设计约束中的一者或多者被超过；当燃烧过程未导致任何预定机械设计约束被超过时进行第一量液态燃料的正时供给；当燃烧过程导致一个或多个预定机械设计约束被超过时进行第二量液态燃料的正时供给，第二量大于第一量。

Description

大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法
技术领域
本公开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，该发动机借助于在活塞从下止点(BDC)至上止点(TDC)的冲程期间从燃料阀准许进入的气态燃料来运行。
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对大型远洋航行的船舶进行推进或者用作发电厂中的初级原动机。不仅由于这些二冲程柴油发动机的庞大尺寸，而且这些二冲程柴油发动机被构建成不同于任何其他内燃发动机。大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机的排气阀可以重达400kg，活塞具有达100cm的直径，并且在燃烧室中的最大操作压力通常为数百bar。在这些高的压力水平和活塞尺寸处所涉及的力是巨大的。
利用通过沿着气缸套(liner)的长度或在气缸盖中居中布置的燃料阀而被准许进入的气态燃料进行操作的大型二冲程涡轮增压内燃发动机——即，在刚好在排气阀关闭之前开始的活塞的向上冲程(从BDC向TDC)期间准许气态燃料进入的发动机——对燃烧室中的气态燃料与扫气空气的混合物进行压缩，并且通过正时(timed)点火装置、比方说例如液态燃料喷射而在TDC处或在TDC附近对经压缩的混合物进行点火。
使用布置在气缸套中或气缸盖中的燃料阀(气体准许进入阀)的这种类型的气体准许进入具有可以使用低得多的燃料喷射压力的优点，这是因为当与在活塞接近TDC时或在TDC处、即当燃烧室中的压力处于其最大值时或者接近其最大值时喷射燃料气体的大型二冲程涡轮增压内燃发动机相比时，气态燃料是在压缩压力相对较低时喷射的。这后一类型的发动机需要的燃料喷射压力显著高于已经较高的最大燃烧压力。能够在这些极高压力处对气态燃料进行处理的燃料系统是昂贵且复杂的，这是由于气态燃料的挥发性质和气态燃料在这种高压下的行为，该行为包括扩散进入燃料系统的钢部件中并穿过燃料系统的钢部件。
因此，当与在活塞处于TDC或接近TDC时在较高压力处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给系统显著更便宜。
然而，当在压缩冲程期间喷射气态燃料时，活塞对气态燃料与扫气空气的混合物进行压缩，并且因此存在提前点火的风险。另外，与在TDC处或TDC附近喷射燃料的发动机相比，燃烧过程更难以控制。除了提前点火以外，典型的挑战是恶劣燃烧(在燃烧期间压力增加速率太高)以及/或者超过最大设计压力。
JP2020200831公开了一种预混式大型二冲程涡轮增压单流扫气式气体操作的内燃发动机，该发动机具有多个燃烧室、与该发动机相关联的至少一个控制器，控制器配置成对在燃烧开始时燃烧室中的平均压缩空气过量比(compression air excess ratio)和整体压缩温度(bulk compression temperature)进行确定，该控制器配置成：
-当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比低于压缩空气过量比下限阈值时，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限阈值以上时，执行至少一个压缩空气过量比减小措施，
-当所确定的或所测量的整体压缩温度低于整体压缩温度下限阈值时，执行至少一个整体压缩温度增大措施，以及
-当所确定的或所测量的整体压缩温度在整体压缩温度上限阈值以上时，执行至少一个整体压缩温度减小措施。
预混式发动机需要正时点火系统，这是因为压缩比被选择成使得燃烧将不会被压缩自身触发。正时点火系统通常是基于液态燃料、例如燃料油(先导油)的喷射的，有时正时点火系统与火花塞相结合。正时通常在TDC处或TDC附近并且通常根据操作条件来调节。因此，在一个操作模式中，这种类型的发动机利用在活塞从BDC向TDC的冲程期间在相对较低压力下准许进入的气态燃料作为主要燃料、即提供向发动机供给的能量的主要部分来操作，而相比较而言，液态燃料构成仅对向发动机供给的能量的量做出相对较小贡献的相对少量的燃料，液态燃料的目的在于正时点火。
因此，需要在对这种大型二冲程涡轮增压内燃发动机中的燃烧室中的条件的控制方面进行改进，以克服发生以上所指出的不期望的燃烧现象的风险或者至少使发生以上所指出的不期望的燃烧现象的风险降低。
使发生以上所指出的不期望的燃烧现象的风险降低的一种已知方式是将喷射的液态燃料的量增加。然而，通常，排放物的增加是与使用的液态燃料量的增加相关联的，因此，通常希望使所使用的液态燃料量最小化。对避免以上所指出的不期望的燃烧现象所需的液态燃料量进行确定的一种已知方式是基于确定的空燃比的函数。然而，对空燃比进行精确地确定本身就是挑战，因此，通常将需要使用安全裕量并且因而导致的所使用的液态燃料供给量将高于必要量，从而导致相比于必要量而言更多的排放物。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服以上所指出的问题或者至少使以上所指出的问题减少的发动机和方法。
前述及其他目的通过本发明的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法的特征来实现。另外的实施形式根据本发明的下文描述和附图而是明显的。
根据第一方面，提供了一种大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，该发动机构造成在气态操作模式下以气态燃料作为主要燃料进行操作，该发动机具有多个机械设计约束，并且该发动机包括：
多个燃烧室，每个燃烧室是由气缸套、构造成在BDC与TDC之间往复运动的活塞、以及气缸盖限界的，
扫气端口，该扫气端口布置在气缸套中以用于准许扫气空气进入到燃烧室中，
排气出口，该排气出口布置在气缸盖中并且是由排气阀进行控制的，
一个或更多个气态燃料准许进入阀，所述一个或更多个气态燃料准许进入阀布置在气缸套或气缸盖中，所述一个或更多个气态燃料准许进入阀构造成在活塞从BDC向TDC的冲程期间准许气态燃料进入，
一个或更多个液态燃料阀，所述一个或更多个液态燃料阀构造成向燃烧室正时供给液态燃料以启动点火，
至少一个控制器，所述至少一个控制器是与发动机相关联的，
所述至少一个控制器配置成：分别针对每个燃烧室对在活塞从BDC向TDC的冲程期间经由所述一个或更多个气态燃料准许进入阀而被准许进入气态燃料的正时和量进行控制，
所述至少一个控制器配置成：对每个气缸的燃烧过程进行监测并且对燃烧过程何时导致机械设计约束中的一者或更多者被超过进行确定，
所述至少一个控制器配置成：当燃烧过程没有导致任何预定的机械设计约束被超过时，所述至少一个控制器进行第一量的液态燃料的正时供给(timed supply)，以及
所述至少一个控制器配置成：当燃烧过程导致一个或更多个预定的机械设计约束被超过时，所述至少一个控制器进行第二量的液态燃料的正时供给，第二量大于第一量。
通过基于被超过的机械设计约束来确定对液态燃料的增加量的需求，提供了可靠且相对不复杂的解决方案，而避免大型二冲程预混式内燃发动机中的不期望的燃烧状态。控制器能够对机械设计约束是否被超过进行确定所需的信息通常已经用在这种发动机中，并且因此，对这些机械设计约束是否被超过进行确定是相对易于以由配置成对该信息进行处理的控制器所使用的软件的形式来实现的。
在第一方面的可能实施形式中，该发动机具有正时点火系统，这是因为(机械的)压缩比使得燃烧将不会被压缩自身触发。正时点火系统优选地通常基于液态燃料、例如燃料油(先导油)的喷射，正时点火系统有时与来自火花塞的火花相结合。正时(timing)优选地在TDC处或在TDC附近，正时是由控制器进行控制的，并且正时优选地由控制器根据操作条件来调节。
在第一方面的可能实施形式中，控制器配置成将第一量的液态燃料或第二量的液态燃料喷射，优选地，控制器配置成针对每个发动机循环将第一量的液态燃料或第二量的液态燃料喷射，并且优选地，控制器配置成在TDC处或在TDC附近将第一量的液态燃料或第二量的液态燃料喷射。
在第一方面的可能实施形式中，控制器配置成：使用气缸盖中的一个或更多个先导油喷射阀和/或液态燃料喷射阀来将第一量的液态燃料或第二量的液态燃料以接近TDC的角度或在TDC处的角度喷射。
在第一方面的可能实施形式中，将第一量的液态燃料或第二量的液态燃料喷射的角度是由控制器根据发动机的操作条件来确定的。
发动机是单流扫气式发动机，即，扫气空气通过布置在气缸套的下部端部处的扫气端口进入并且通过位于发动机的顶部处的排气阀离开气缸，因此，气体在气缸套中的流动方向大体上总是在从气缸套的底部到气缸套的顶部的相同方向上。
在第一方面的可能实施形式中，气态燃料是甲醇、LPG、LNG、乙烷和氨中的任一者。
在第一方面的可能实施形式中，机械设计约束是预定的机械设计约束。
在第一方面的可能实施形式中，机械设计约束是以下各者中的一者或更多者：
-由供给液态燃料的正时所限定的燃烧开始；
-在燃烧期间气缸压力的预定的最大增加速率；
-预定的最大气缸压力；
-相对于预定的标称螺旋桨曲线(nominal propeller curve)的发动机操作点；以及
-相对于预定的调节器扫气空气限制器曲线(governor scavenge air limitercurve)的发动机操作点。
在第一方面的可能实施形式中，第一量是预定的固定量，并且第二量是预定的固定量，或者是作为机械设计约束已经被超过的程度的函数的量，优选地，该函数是比例函数。
在第一方面的可能实施形式中，控制器配置成实现由已经被超出的设计约束中的任何设计约束所指示的第二量中的最大值。
在第一方面的可能实施形式中，控制器包括调节器，该调节器提供用于要向相关的气缸供给的燃料量的指数信号，优选地，调节器对表示设定或所需的发动机速度与所测量的发动机速度之间的差异的信号进行接收。
在第一方面的可能实施形式中，控制器配置成：根据向相关的气缸供给的液态燃料的量，对要向相关的气缸供给的气体的量进行调节。
在第一方面的可能实施形式中，发动机包括可变正时排气阀致动系统，从而允许对每个燃烧室的排气阀正时进行单独控制。
在第一方面的可能实施形式中，所述至少一个控制器配置成分别对每个燃烧室的排气阀的打开正时和关闭正时进行确定和控制。
在第一方面的可能实施形式中，控制器对表示气缸压力的信号进行接收，并且控制器被通知液态燃料被供给的角度或者控制器自身对液态燃料被供给的角度进行确定，并且控制器配置成基于这些信号对燃烧开始是否先于由供给液态燃料的正时所限定的点火开始进行确定，优选地，控制器配置成对燃烧开始先于由供给液态燃料的正时所限定的点火开始的程度进行确定，
以及/或者
-控制器对表示气缸压力的信号进行接收，并且控制器配置成基于该信号对在燃烧期间气缸压力的预定的最大增加速率是否已经被超过进行确定，优选地，控制器配置成对气缸压力的预定的最大增加速率已经被超过的程度进行确定，
以及/或者
-控制器对表示气缸压力的信号进行接收，并且控制器配置成基于该信号对预定的最大气缸压力水平是否已经被超过进行确定，优选地，控制器配置成对预定的最大气缸压力水平已经被超过的程度进行确定，
以及/或者
-控制器对表示发动机速度的信号和表示燃料指数的信号进行接收，并且控制器配置成基于这些信号对发动机操作点是否偏离标称螺旋桨曲线进行确定，优选地，控制器配置成对发动机操作点偏离标称螺旋桨曲线的程度进行确定，
以及/或者
-控制器对表示扫气压力的信号进行接收，并且控制器配置成基于该信号对发动机操作点是否偏离预定的调节器扫气空气限制器曲线进行确定，优选地，控制器配置成对发动机操作点偏离预定的调节器扫气空气限制器曲线的程度进行确定。
在第一方面的可能实施形式中，控制器配置成通过将所述一个或更多个液态燃料阀激活来对点火正时进行控制，优选地，控制器配置成通过在TDC处或在TDC附近将所述一个或更多个液态燃料阀激活来对点火正时进行控制。
在第一方面的可能实施形式中，第二量等于将第一量增加预定的量或比率，或者第二量等于将先前施加的第二量增加预定的量或比率。
在第一方面的可能实施形式中，液态燃料为燃料油。
在第一方面的可能实施形式中，发动机包括压力传感器，该压力传感器优选地布置在气缸盖中，该压力传感器生成表示燃烧室中的压力的信号。
根据第二方面，提供了使具有多个燃烧室的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机在气态操作模式下操作的方法，其中，空气-燃料的混合物在点火前存在于燃烧室中，发动机具有多个机械设计约束，该方法包括：
分别针对每个燃烧室对在活塞的从BDC向TDC的冲程期间经由一个或更多个气态燃料准许进入阀而被准许进入燃烧室的气态燃料的正时和量进行控制，
对每个气缸的燃烧过程进行监测并且对燃烧过程何时导致机械设计约束中的一者或更多者被超过进行确定，
当燃烧过程没有导致任何预定的机械设计约束被超过时，提供对第一量的液态燃料的正时供给，以及
当燃烧过程导致一个或更多个预定的机械设计约束被超过时，提供对第二量的液态燃料的正时供给，第二量大于第一量。
这些和其他方面将通过以下描述的实施方式而变得明显。
附图说明
在本公开的以下详细部分中，将参照附图中所示的示例性实施方式对各个方面、实施方式和实施形式进行更详细地说明，在附图中：
图1是根据示例性实施方式的大型二冲程柴油发动机的前视图；
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示意图；
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、配装至气缸盖的排气阀和示出为处于TDC和BDC两者的活塞，以及
图5是图1的发动机的控制系统的示意图。
具体实施方式
在以下详细描述中，将参照示例性实施方式中的带十字头的大型二冲程低速涡轮增压内燃发动机对内燃发动机进行描述。图1、图2和图3示出了具有曲轴8和十字头9的大型二冲程低速涡轮增压柴油发动机的实施方式。图1和图2分别是前视图和侧视图。图3是图1和图2的大型二冲程低速涡轮增压柴油发动机的示意图，该发动机具有其进气系统和排气系统。在该示例性实施方式中，该发动机具有直列(in line)的四个气缸。大型二冲程低速涡轮增压内燃发动机通常具有由发动机框架11承载的直列的四个至十四个气缸。该发动机可以例如用作航海船舶中的主发动机或者用作发电站中用于对发电机进行操作的固定发动机。该发动机的总输出可以例如在从1,000kW至110,000kW的范围内。
该示例性实施方式中的发动机是二冲程单流扫气式发动机，该发动机具有位于气缸套1的下部区域中的扫气端口18和位于气缸套1的顶部处的中央排气阀4。当活塞10在扫气端口18下方时，扫气空气从扫气空气接收器2穿过各个气缸套1的扫气端口18。当活塞处于其向上运动(从BDC向TDC)中时并且在活塞经过气态燃料准许进入阀30(气体准许进入阀)之前，气态燃料(例如，甲醇、LPG、LNG、乙烷或氨)在控制器60的控制下被准许从气态燃料准许进入阀30进入。气体被准许在相对较低的压力下进入，该相对较低的压力低于30bar，优选地低于25bar，更优选地低于20bar。气态燃料准许进入阀30优选地围绕气缸套的圆周部均匀分布并且置于气缸套1的长度的中央区域中的某处。因此，气态燃料的准许进入发生在压缩压力相对较低、即远低于当活塞到达TDC时的压缩压力时，从而允许在相对较低压力下进入。
气缸套1中的活塞10对气态燃料与扫气空气的充填物进行压缩，压缩发生并且在TDC处或在TDC附近，点火通过来自优选地布置在气缸盖22中的液态燃料阀50的液态燃料的喷射而被触发。随后燃烧并且产生排气。
当排气阀4被打开时，排气穿过与气缸相关联的排气管道而流入到排气接收器3中，并且继续穿过第一排气导管19而流动至涡轮增压器5的涡轮6，排气从涡轮6穿过第二排气导管经由节能器20而流动至出口21，并且然后进入大气中。涡轮6通过轴而对经由空气进口12被供以新鲜空气的压缩机7进行驱动。压缩机7将加压扫气空气输送至通向扫气空气接收器2的扫气空气导管13。导管13中的扫气空气穿过用于对扫气空气进行冷却的中间冷却器14。
经冷却的扫气空气经过由电动马达17驱动的辅助鼓风机16，当涡轮增压器5的压缩机7没有为扫气空气接收器2输送足够的压力、即在发动机的低负载状态或部分负载状态时，该辅助鼓风机16对扫气空气流进行加压。在较高发动机负载时，涡轮增压器的压缩机7输送经充分压缩的扫气空气，并且然后经由单向阀15而绕过辅助鼓风机16。
控制器60(电子控制单元，该电子控制单元自身可以包括多个相互连接的电子单元)通常对发动机的操作进行控制，并且超越(exceed)对例如气态燃料准许进入(量和正时)、液态燃料喷射(量和正时)以及排气阀4的打开和关闭(正时和升程(lift)的程度)的控制。优选地，发动机包括可变正时排气阀致动系统，从而允许分别对每个燃烧室的排气阀正时进行控制。控制器60经由信号线或无线连接而连接至气态燃料准许进入阀30、液态燃料阀50、排气阀致动器、角度位置传感器75和压力传感器70，该角度位置传感器75对曲轴的角度进行检测并且生成表示曲轴位置的信号，该压力传感器70优选地位于气缸盖22中或者替代性地位于气缸套1中，该压力传感器70生成表示燃烧室中的压力的信号。
图4示出了通常指定用于带十字头的大型二冲程发动机的气缸套1。根据发动机的尺寸，气缸套1可以以不同尺寸来制造，其中，气缸套1具有通常在250mm至1000mm的范围内的气缸孔径(bore)，并且具有在1000mm至4500mm的范围内的对应典型长度。
在图4中，气缸套1被示出为安装在气缸架23中，其中，气缸盖22安置在气缸套1的顶部上，其中，气缸盖22与气缸套1之间具有气密性接合部。在图4中，活塞10是由在下止点(BDC)和上止点(TDC)中的虚线而示意性地示出的，但当然明显的是，这两个位置不会同时发生并且是由曲轴8的180度旋转而被分开的。气缸套1设置有多个沿周向分布的气缸润滑孔25，该气缸润滑孔25连接至气缸润滑管路，当活塞10经过气缸润滑孔25时，该气缸润滑管路提供气缸润滑油的供给，随后活塞环(未示出)将气缸润滑油分布在气缸套1的运行表面上。预混式发动机通常具有介于8与15之间的几何压缩比。
液态燃料阀50(通常每个气缸多于一个先导油阀)安装在气缸盖22中并且连接至液态燃料源(未示出)。液态燃料喷射的正时和量是由控制器60进行控制的。气缸盖22可以设置有预燃室(未示出)，并且液态燃料阀50的梢端部——通常是设置有具有一个或更多个喷嘴孔的喷嘴的梢端部——布置成使得先导流体被喷射且雾化到预燃室中。预燃室有助于确保可靠的点火。在实施方式中，预燃室是双预燃室、即串联地连接的两个预燃室。
气态燃料准许进入阀30安装在气缸套1中(或者安装在气缸盖22中)，其中，气态燃料准许进入阀30的喷嘴是与气缸套1的内表面大致齐平的，并且气态燃料准许进入阀30的后端部从气缸套1的外部壁伸出。通常，在每个气缸套1中设置有围绕气缸套1沿周向分布(优选地，沿周向均匀分布)的一个或两个气态燃料准许进入阀30，但也可能多达三个或四个气态燃料准许进入阀30。在实施方式中，气态燃料准许进入阀30是沿着气缸套1的长度大致居中布置的。燃料阀连接至加压气态燃料(例如，甲醇、LPG、LNG、乙烷或氨)源40，即，当燃料被输送至气态燃料准许进入阀30时，燃料处于气相。由于气态燃料是在活塞10从BDC向TDC的冲程期间被准许进入的，因此气态燃料源的压力仅需要高于气缸套1中驻存的压力，并且通常小于20bar的压力足以用于将气态燃料输送至气态燃料准许进入阀30。气态燃料准许进入阀30连接至控制器60，该控制器60对燃料阀的打开正时和关闭正时以及气态燃料准许进入阀30的打开持续时间进行确定。图4示意性地示出了气态燃料供给系统，该气态燃料供给系统包括经由气态燃料供给导管41而与气态燃料准许进入阀30中的每个气态燃料阀的进口连接的加压气态燃料源40。
该发动机具有多个机械设计约束，比如：
-由供给液态燃料的正时所限定的预期燃烧开始，并且实际燃烧可能不会先于该预期燃烧开始，无论如何如果发生了实际燃烧先于该预期燃烧开始，则该现象被称为提前点火，
-在燃烧期间气缸压力的预定的最大增加速率，如果超过该速率，则所产生的现象还被称为恶劣燃烧，
-预定的最大气缸压力，如果超过该压力，则发动机部件上的应力会超过设计标准并且这可能导致增加的磨损或损坏，
-相对于预定的标称螺旋桨曲线的发动机操作点，如果发动机操作点与预定的标称螺旋桨曲线相距太远——这可以例如在加速(发动机的旋转速度增加，例如在安装有该发动机的航海船舶的加速期间)期间或者当安装有该发动机的航海船舶正在经历恶劣条件或强顶风时发生，则该现象还可以被称为重载运行(heavy running)，
-相对于预定的调节器(governor)扫气空气限制器曲线的发动机操作点，这可能例如在热带条件下发生并且导致空燃比低于所需的空燃比，这又可能使提前点火的风险增加。
标称螺旋桨曲线是由相对螺旋桨功率＝(相对发动机速度)^3的关系给出的。
扫气空气限制器曲线是对在给定的扫气空气压力下所允许的最大允许燃料指数(对于气态燃料而言)进行限定的曲线。
在实施方式中，重载运行是通过以下函数确定的：
重载运行数＝(调节器指数-速度^2)*速度
调节器指数是速度控制器的相对扭矩要求，该速度控制器的相对扭矩要求被转换成液态燃料和气体的量。等式中所使用的速度是相对发动机速度、即实际的发动机速度除以最大发动机速度(最大发动机速度等于在标称螺旋桨曲线上的连续最大额定值处的发动机速度)。
在实施方式中，控制器60配置成对作为重载运行数的函数的第二量进行确定，优选地以比例函数来对第二量进行确定。
机械设计约束是预定的机械设计约束。机械设计约束是在发动机的设计和开发期间确定的并且可以通过计算、计算机模拟和/或比如发动机在试验台上的测试运行的测试中导出。
图5示出了用于图1的发动机的控制系统的示意图，并且示出了控制器60如何对向各个气缸的燃料供给进行控制。
控制器60包括调节器，该调节器提供用于要向相关气缸供给的燃料量的燃料指数。调节器对表示设定或所需的发动机速度(如从由发动机的操作者所控制的外部信号接收的)与从角度位置传感器75的信号导出的测量的发动机速度之间的差异的信号进行接收。
控制器60配置成分别对每个气缸的燃烧过程进行监测并且对燃烧过程何时导致机械设计约束中的一者或更多者被超过进行检测。
控制器60配置成：当燃烧过程没有导致任何预定的机械设计约束被超过时，进行第一量的液态燃料的正时供给；以及当燃烧过程导致一个或更多个预定的机械设计约束被超过时，进行第二量的液态燃料的正时供给。第二量大于第一量。
第一量的液态燃料或第二量的液态燃料的正时供给是所需要的正时点火系统的一部分，这是因为发动机的(机械)压缩比使得燃烧将不会被压缩自身触发(即，发动机根据奥托(Otto)过程而不是根据狄塞尔(Diesel)过程进行操作)。正时点火系统使用液态燃料、即燃料油(先导油)的喷射，正时点火系统有时与火花塞(未示出)的火花的使用相结合。正时是由控制器60确定的并且优选地在TDC处或在TDC附近，并且正时优选地由控制器根据操作条件来调节。
第一量可以是预定的固定量，但在实施方式中，第一量还可以是由控制器60根据操作条件来调节的。
第二量是预定的固定量，或者第二量是作为机械设计约束已经被超过的程度的函数、例如比例函数的量。
控制器60配置成实现由已经被超过的设计约束中的任何设计约束所指示的第二量中的最大值并且发出液态燃料指数。控制器可以配置成：将第二量保持给定的时间段，或者替代性地，保持第二量直到控制器已经确定没有被超过的机械约束。如果控制器仅确定机械设计约束已经被超过，但没有确定该机械设计约束被超过的程度，则控制器将发出第二量是预定的固定量的点火燃料指数，该预定的固定量当然总是大于第一量或者是第一量的增加。如果控制器确定设计约束已经被超过的程度，则控制器将根据机械设计约束已经被超过的程度来对第二量的量进行计算，第二量仍然是大于第一量或者是第一量的增加。
控制器60配置成根据向相关气缸供给的液态燃料的量如所示的通过接收总燃料指数并且从该总燃料指数中减去液态燃料指数的求和点来对向相关气缸供给的气体量进行调节，以确保向相关气缸供给的气态燃料与液态燃料的组合的燃料能量与要向气缸供给的燃料能量/扭矩值相匹配。
控制器60接收来自压力传感器70的表示气缸压力的信号，并且控制器60自身对供给液态燃料的角度进行确定，以及控制器60配置成基于这些信号对燃烧开始是否先于由液供给态燃料的正时所限定的点火开始进行确定，优选地，控制器60配置成对燃烧开始先于由供给液态燃料的正时所限定的点火开始的程度进行确定。
控制器60接收来自压力传感器70的表示气缸压力的信号，并且控制器60配置成基于该信号来对在燃烧期间气缸压力的预定的最大增加速率是否已经被超过进行确定，优选地，控制器60配置成对气缸压力的预定的最大增加速率已经被超过的程度进行确定。
控制器60接收来自压力传感器70的表示气缸压力的信号，并且控制器60配置成基于该信号对预定的最大气缸压力水平是否已经被超过进行确定，并且优选地，控制器60配置成对预定的最大气缸压力水平已经被超过的程度进行确定。
控制器60接收来自角度位置传感器75的表示发动机速度的信号且被通知燃料指数，并且控制器60配置成基于这些信号对发动机操作点是否偏离标称螺旋桨曲线进行确定。优选地，控制器60配置成对发动机操作点偏离标称螺旋桨曲线的程度进行确定。
控制器60接收来自例如布置在扫气空气接收器2中的传感器(未示出)的表示扫气压力的信号，该传感器生成表示扫气空气压力的信号，并且控制器60配置成基于该信号来对发动机操作点是否偏离预定的调节器扫气空气限制器曲线进行确定，优选地，控制器60配置成对发动机操作点偏离预定的调节器扫气空气限制器曲线的程度进行确定。
控制器60配置成通过将一个或更多个液态燃料阀50激活来对点火的正时进行控制。所需的点火开始通常在TDC处或在TDC附近，并且所需的点火开始是由控制器60根据操作条件来调节的。
在实施方式中，第二量是第一量的增加，或者是先前施加的第二量的增加。
在实施方式中，液态燃料是燃料油。
气态操作模式可以是发动机的多种操作模式中的一种操作模式。在气态燃料操作模式中，发动机利用在活塞从BDC向TDC的冲程期间在相对较低压力处被准许进入的气态燃料作为主要燃料、即提供向发动机供给的能量的主要部分来操作，而相比较而言，液态燃料构成仅对向发动机供给的能量的量做出相对较小贡献的相对少量的燃料，液态燃料的目的在于正时点火。
在实施方式中，发动机是双燃料发动机，即，该发动机具有该发动机仅以液态燃料进行操作的模式。
在实施方式中，控制器60配置成将第一量的液态燃料或第二量的液态燃料喷射，优选地，控制器60配置成针对每个发动机循环将第一量的液态燃料或第二量的液态燃料喷射，以及，优选地，控制器60配置成在TDC处或在TDC附近将第一量的液态燃料或第二量的液态燃料喷射。
在实施方式中，控制器60配置成：使用双燃料发动机的先导油系统的一个或更多个液态燃料阀50以及/或者液态燃料系统的液态燃料喷射阀而将第一量的液态燃料或第二量的液态燃料以接近TDC的角度或在TDC处的角度喷射。
在实施方式中，用于将第一量的液态燃料或第二量的液态燃料喷射的角度是由控制器60根据发动机的操作条件确定的。
已经结合本文中的各种实施方式对各种方面和实施形式进行了描述。然而，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时通过对附图、本公开内容和所附的权利要求进行研究可以理解和实现所公开的实施方式的其他变型。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”或“一种”并不排除复数。单个处理器、控制器或其他单元可以实现权利要求中所列举的多个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的这一事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。
权利要求中所使用的附图标记不应当被解释为对范围进行限制。

Claims (14)

1.一种大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，所述发动机构造成在气态操作模式下以气态燃料作为主要燃料进行操作，所述发动机具有多个机械设计约束，并且所述发动机包括：
多个燃烧室，每个所述燃烧室是由气缸套(1)、构造成在BDC与TDC之间往复运动的活塞(10)、以及气缸盖(22)限界的，
扫气端口(18)，所述扫气端口(18)布置在所述气缸套(1)中以用于准许扫气空气进入到所述燃烧室中，
排气出口，所述排气出口布置在所述气缸盖(22)中，并且所述排气出口是由排气阀(4)控制的，
一个或更多个气态燃料准许进入阀(30)，所述一个或更多个气态燃料准许进入阀(30)布置在所述气缸套(1)或所述气缸盖(22)中，所述一个或更多个气态燃料准许进入阀(30)构造成在所述活塞(10)从BDC向TDC的冲程期间准许气态燃料进入，
一个或更多个液态燃料阀(50)，所述一个或更多个液态燃料阀(50)构造成向所述燃烧室正时供给液态燃料以启动点火，
控制器(60)，所述控制器(60)是与所述发动机相关联的，
所述控制器(60)配置成：分别针对每个燃烧室对在所述活塞从BDC向TDC的冲程期间经由所述一个或更多个气态燃料准许进入阀(30)而被准许进入所述燃烧室的气态燃料的正时和量进行控制，
所述控制器(60)配置成：对每个气缸的燃烧过程进行监测并且对所述燃烧过程何时导致所述机械设计约束中的一者或更多者被超过进行检测，以及
所述控制器(60)配置成：当所述燃烧过程没有导致任何预定的机械设计约束被超过时，所述控制器(60)进行第一量的液态燃料的正时供给，
其特征在于，
所述控制器(60)配置成：当所述燃烧过程导致一个或更多个预定的机械设计约束被超过时，所述控制器(60)进行第二量的液态燃料的正时供给，所述第二量大于所述第一量，
其中，所述机械设计约束是以下各者中的一者或更多者：
-由供给液态燃料的正时所限定的燃烧开始；
-在燃烧期间气缸压力的预定的最大增加速率；
-预定的最大气缸压力；
-相对于预定的标称螺旋桨曲线的发动机操作点；以及
-相对于预定的调节器扫气空气限制器曲线的发动机操作点。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述第一量是预定的固定量，并且所述第二量是预定的固定量，或者所述第二量是作为机械设计约束已经被超过的程度的函数的量。
3.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述第二量是预定的固定量，或者所述第二量是作为机械设计约束已经被超过的程度的比例函数的量。
4.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述控制器(60)配置成实现由已经被超过的所述机械设计约束中的任一者所指示的所述第二量中的最大值。
5.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述控制器(60)包括调节器，所述调节器提供用于要向相关的所述气缸供给的燃料量的指数信号。
6.根据权利要求5所述的发动机，其中，所述控制器(60)配置成：根据向相关的所述气缸供给的液态燃料的量，对要向相关的所述气缸供给的气体的量进行调节。
7.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述发动机包括可变正时排气阀致动系统，从而允许对每个燃烧室的排气阀正时进行单独控制。
8.根据权利要求7所述的发动机，其中，至少一个所述控制器(60)配置成分别对每个燃烧室的所述排气阀(4)的打开正时和关闭正时进行确定和控制。
9.根据权利要求1所述的发动机，其中，
-所述控制器(60)对表示气缸压力的信号进行接收，并且所述控制器(60)被通知所述液态燃料被供给的角度或者所述控制器(60)自身对所述液态燃料被供给的角度进行确定，并且所述控制器(60)配置成基于这些信号对燃烧开始是否先于由供给液态燃料的正时所限定的点火开始进行确定，
以及/或者
-所述控制器(60)对表示气缸压力的信号进行接收，并且所述控制器(60)配置成基于该信号对在燃烧期间气缸压力的预定的最大增加速率是否已经被超过进行确定，
以及/或者
-所述控制器(60)对表示气缸压力的信号进行接收，并且所述控制器(60)配置成基于该信号对预定的最大气缸压力水平是否已经被超过进行确定，
以及/或者
-所述控制器(60)对表示所述发动机的速度的信号和表示燃料指数的信号进行接收，并且所述控制器(60)配置成对所述发动机操作点是否偏离所述标称螺旋桨曲线进行确定，
以及/或者
-所述控制器(60)对表示扫气压力的信号进行接收，并且所述控制器(60)配置成基于该信号对所述发动机操作点是否偏离所述预定的调节器扫气空气限制器曲线进行确定。
10.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述控制器(60)配置成通过将所述一个或更多个液态燃料阀(50)激活来对点火正时进行控制。
11.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述第二量是所述第一量的增加，或者所述第二量是先前施加的第二量的增加。
12.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述液态燃料是燃料油。
13.根据权利要求1所述的发动机，包括压力传感器(70)，所述压力传感器生成表示所述燃烧室中的压力的信号。
14.一种使具有多个燃烧室的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机在气态操作模式下操作的方法，其中，空气-燃料的混合物在点火前存在于所述燃烧室中，所述发动机具有多个机械设计约束，所述方法包括：
分别针对每个燃烧室对在活塞从BDC向TDC的冲程期间经由一个或更多个气态燃料准许进入阀(30)而被准许进入所述燃烧室的气态燃料的正时和量进行控制，
对每个气缸的燃烧过程进行监测并且对所述燃烧过程何时导致所述机械设计约束中的一者或更多者被超过进行检测，以及
当所述燃烧过程没有导致任何预定的机械设计约束被超过时，对第一量的液态燃料进行的正时供给，
其特征在于，
当所述燃烧过程导致一个或更多个预定的机械设计约束被超过时，对第二量的液态燃料进行正时供给，所述第二量大于所述第一量，其中，所述机械设计约束是以下各者中的一者或更多者：
-由供给液态燃料的正时所限定的燃烧开始；
-在燃烧期间气缸压力的预定的最大增加速率；
-预定的最大气缸压力；
-相对于预定的标称螺旋桨曲线的发动机操作点；以及
-相对于预定的调节器扫气空气限制器曲线的发动机操作点。
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