CN116517734A - 内燃机和用于运行内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃机和用于运行内燃机的方法。内燃机(10)，即能至少在气体模式下运行的大型船舶发动机或固定式发动机，包括至少一个具有至少200mm的内径(12)的气缸(11)。内燃机(10)包括涡轮增压器(13)，该涡轮增压器包括涡轮机(14)和压缩机(15)。内燃机包括具有EGR阀(17)的低压排气再循环路径(16)。内燃机(10)进一步包括用于提供表示低压排气再循环路径中的过量空气系数的信号的第一测量单元(18)，优选地，该第一测量单元具有布置在所述EGR阀(17)下游的λ传感器。

Description

内燃机和用于运行内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种包括用于排气再循环的系统的内燃机以及一种用于运行内燃机的方法。
背景技术
本发明优选地涉及一种内燃机，例如大型船用或轮船发动机或固定式发动机，该内燃机的气缸具有至少200mm的内径。发动机优选为二冲程发动机或二冲程十字头发动机。
发动机可以是柴油机或燃气发动机、双燃料或多燃料发动机。气体燃料或液体和/或气体燃料在这种发动机中的燃烧以及自燃或强制点火是可能的。
因此，术语“内燃机”通常还指不仅能够以柴油模式(其特征在于燃料的自点火)而且能够以奥托模式(其特征在于燃料的强制点火)或以两者的混合物(例如通过火花点火)运行的大型发动机。此外，术语“内燃机”尤其包括双燃料发动机和大型发动机，其中，燃料的自燃用于另一种燃料的强制点火。
发动机具有至少一个其中具有活塞的气缸。活塞连接到曲轴。在发动机运行期间，活塞在上止点(TDC)和下止点(BDC)之间往复运动。气缸通常具有至少一个用于进气的空气通道开口(特别是布置在气缸的衬套中的空气入口)以及至少一个用于排气的空气通道开口(特别是布置在气缸的盖中的排气出口)。优选地，空气入口与扫气空气接收器流体连接。
内燃机可以是纵向冲洗的二冲程发动机。
发动机速度优选低于800RPM(四冲程)，更优选低于200RPM(二冲程)，这是低速发动机的标志。
燃料可以是柴油或船用柴油或重燃料油或乳化液或悬浮液或甲醇或乙醇以及气体如液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)等。
可能根据要求添加的其他可能燃料有：LBG(液化沼气)、生物燃料(例如：藻类燃料或海藻油))、氢气、来自CO2的合成燃料(例如由动力至气体或动力至液体制成的合成燃料)。
大型轮船，特别是用于运输货物的船舶，通常由内燃机驱动，特别是柴油和/或气体发动机，主要是二冲程十字头发动机。在液体燃料(如重燃料油、船用柴油、柴油或其他液体)被发动机燃烧的情况下以及在气体燃料(如LNG、LPG或其他)被发动机燃烧的情况下，来自该燃烧过程的排气需要被清洁以符合现有的污染物规定，如IMO Tier III规则。
内燃机可以以气体模式运行。可以提供诸如气体燃料的流体燃料，或者可以由进气阀将加压气液作为液体提供，并且加压气液用于产生扭矩。此外，在气体模式中，可以喷射少量的液体燃料(有时称为“引燃喷射”)以执行诱导点火。
除了新鲜空气和流体燃料之外，还可以将惰性气体例如排气引入气缸。发动机可以包括高压或低压排气再循环路径。
现代的四冲程奥托循环发动机使用闭环λ控制，测量排气中的氧含量并控制发动机中喷射的燃料量，以将λ保持在期望的限度内并避免浓燃烧。
在二冲程发动机上，缸内λ测量可能是有挑战性的，因为气缸扫气过程允许新鲜空气在排气阀打开时通过进气口进入，与排气混合。因此，测量排气中的残余燃烧氧气是不可靠的。
从EP372572A1已知，可以通过调整引燃燃料喷射正时，通过调整EGR率，通过调整添加的燃料量，通过调整扫气压力和/或通过调整惰性添加量来调整点火压力峰值角度。EGR率可能对燃烧过程具有强烈的影响。
EGR系统可以在压缩之后提供温度的降低并提供气缸充气的惰性化，这有助于抑制充气的提前点火以及发动机爆震。
已知为了减少或避免不正常的燃烧过程，可以将惰性气体例如排气引入气缸中。从EP3081890A1中已知通过调节EGR率来防止提前点火，也可以减少或避免爆震和断火。
此外，通过应用排气再循环，可以减少排气排放物CH4、THC、NOx、CO。
然而，EGR率越高，气缸中的空燃比(AFR)变得太小的风险也越高。空燃比是与燃烧过程中存在的固体、液体或气体燃料的质量比。
可以通过在发动机之前和之后(例如在扫气接收器中和在排气口处)测量O2浓度来在使用EGR的内燃机中测量EGR率，从而优化燃烧过程。一种替代方案是通过测量排气和扫气充气中的CO2浓度来计算EGR率。
WO2011/076837A1教导了测量和控制EGR率并且从穿过气缸的总排气质量流量和穿过涡轮机的涡轮机质量流量来确定EGR质量流量。
发明内容
本发明的目的是避免现有技术的缺点，特别是提供一种内燃机和一种运行内燃机的方法，该内燃机和该方法允许精确地设定发动机参数。
根据本发明，内燃机是能至少在气体模式下运行的大型船舶发动机或固定式发动机。
内燃机包括至少一个具有至少200mm的内径的气缸。
内燃机可包括至少一个用于向气缸供应流体燃料的进气阀。流体燃料可以是燃料气体或高压燃料液体，该高压燃料液体在进入气缸时蒸发。
内燃机包括具有至少一个涡轮机和至少一个压缩机的至少一个涡轮增压器。
涡轮增压器利用从气缸排出的排气来增加供给到气缸的空气量。由涡轮增压器压缩的空气可以供应到扫气接收器，该扫气接收器与用于进气的空气通道开口流体连接。
内燃机包括具有EGR阀的低压排气再循环路径。
对于低压排气再循环，排气经过涡轮增压器的涡轮机，之后它与新鲜空气混合和/或经过涡轮增压器的压缩机并作为扫气空气的一部分进入气缸。因此，通常EGR路径在涡轮机的下游分支。
内燃机进一步包括用于提供表示低压排气再循环路径中的过量空气系数的信号的第一测量单元。
第一测量单元可以包括布置在EGR阀下游的λ传感器。λ(也称为空燃当量比)是给定混合物的实际空燃比与化学计量的比率。λ＝1.0表示混合物处于化学计量，对于λ<1.0给出富混合物，对于λ>1.0给出贫混合物。
空燃当量比应当总是大于1。典型地，50％的EGR率导致1.5的λ。
过量空气系数可由空燃比或空燃当量比λ指定。
典型地，λ传感器测量被分析气体中的氧气(O2)的比例，在这种情况下，被分析气体是再循环的排气。如果燃料的种类是已知的，从氧含量可以确定空燃当量比或化学计量空气需求。
标准宽带λ探头在高达λ～1.5－1.7的λ范围内工作良好。
例如，ETAS公司的ES63xλ模块可以用作具有用于任何常规燃料的标准宽带λ探头的测量单元。
因此，可以通过排气中的λ测量、燃料消耗和涡轮机质量流量计算来计算EGR率。
排气的空燃当量比的掌握允许确定用于控制燃烧的其他值。
内燃机可以包括第二测量单元，该第二测量单元具有至少一个用于提供表示环境压力的信号的传感器并且优选地具有至少一个用于提供表示环境温度的信号的传感器。
内燃机可以进一步包括第三测量单元，该第三测量单元具有至少一个用于提供表示涡轮机下游的压力的信号的传感器、至少一个用于提供表示涡轮机上游的压力的信号的传感器以及至少一个用于提供表示涡轮机上游的温度的信号的传感器。
内燃机可以进一步包括第一控制单元，该第一控制单元被配置成：接收来自第一测量单元的信号；接收来自第二测量单元的信号；并且接收来自第三测量单元的信号。
优选地，第一控制单元被配置成分别基于上游压力和下游压力以及基于上游温度来确定涡轮机质量流量。
如在WO2011076837A1中公开的，涡轮机质量流量mturbine的计算可以应用熟知的表达式来进行，例如从通过使用类似于节流方程的已知表达式确定的涡轮机模型导出的表达式，如例如在以下文献中描述的：Guzzella，Onder：“Introduction to Modeling andControl of Internal Combustion Engine Systems”，ISBN3-540-22274-x，Springer-Verlag，Berlin，2004。
典型地，为特定的涡轮增压器给出涡轮机流动特性，例如在Mitsubishi METurboTZ-E002-5573的用户手册中，“Guideline for MET turbocharger project”，2017年4月，第54ff页。以kg/s为单位的气体量是作为涡轮机之前的温度和压力、环境温度和压力以及涡轮机流量参数的函数给出的，该涡轮机流量参数与涡轮机压力比特征性地相关。
涡轮机质量流量mturbine是排气的经过涡轮机的那部分。在排气门打开的情况下，排气的另一部分可以通过排气门。在发动机的气体模式下，排气门保持关闭。
替代地，涡轮机质量流量mturbine或“Exh mass flow rate,turbine in”可以从涡轮增压器的能量平衡来计算。
其中，“αlpha-T”和“Arest”可以取自涡轮增压器说明书，“p5 turbine in”和“p0ambient”是测量值并且“Rexh”是给定的常数或者为了更高的精度可以基于在涡轮机上游测量的温度值“T5 turbine in”来计算。
“p5 turbine in”是涡轮机上游的压力，其可以在排气接收器和涡轮机之间测量，优选靠近涡轮机。“p0 ambient”是环境压力并且可以例如在发动机中的任何地方测量。
术语“psi1”由下式给出：
其中，“k exh”是常数或为了更高的精确度可以基于测量的“T5 turbine in”值和EGR率来计算并且其中，
其中，“p6 turbine out”是涡轮机下游的压力。
第一控制单元可以被配置成基于来自第一测量单元、第二测量单元的信号以及来自第三测量单元的信号来确定EGR率，特别是根据涡轮机质量流量来确定EGR率。
通常，环境压力和环境温度的值可在轮船发动机的给定控制单元中获得。因此，替换地，第一控制单元可以包括输入线，用于从外部装置接收表示环境压力并且优选地表示环境温度的信号。第一控制单元可以使用这些值来确定EGR率。
排气再循环率或EGR率XEGR可以例如作为以下比率获得：
在这些公式中，mturbine是通过涡轮机的质量流量，mfuel是燃料质量流量，λexhaust是由第一测量单元测量的排气中的空燃当量比，LST是化学计量空气需求或化学计量空燃比。
为了确定通过涡轮机的质量流量，环境压力需要是已知的，如上面所解释的。
燃料质量流量mfuel通常在轮船发动机的给定控制单元中可得到。附加地或替代地，第一控制单元被配置成基于关于在内燃机中实际使用的燃料的量和种类的信息来确定燃料质量流量。
通常，可以通过设定EGR率来控制燃烧。然而，燃烧控制应该能够以精确的方式调节EGR率。为了能够实现精确的燃烧控制，实际EGR率的确定是重要的。
第一控制单元可以被配置成将所确定的EGR率与预定值和/或与预定区间进行比较。预定值和/或预定区间可以在车间测试中确定，或者可以从映射中获得，或者可以根据压力曲线选择。
设定点通常取决于负载。它们可以因发动机类型而不同并且取决于缸径。设定点还可以取决于发动机速度和功率。
第一控制单元可以被配置成当EGR率低于或高于预定值和/或预定区间时产生信号。内燃机可以包括用于显示信号的监视器。监视器可以是视觉和/或声音监视器。
因此，使用者可以意识到EGR率是否达到不希望的值，并且在这种情况下他可以停止或修改控制过程。可以避免EGR率的不合理设定。
第一控制单元可以被配置成确定所确定的EGR率与预定值和/或预定区间之间的差值。
第一控制单元可以被配置成通过停止和/或修改设定新的EGR率的控制过程来对低于或高于预定值和/或预定区间的所确定的EGR率作出反应。
燃烧控制能够调节EGR率。
为了以精确的方式做到这一点，提出了实际EGR率的确定。
内燃机可以包括第二控制单元，该第二控制单元至少被配置成调节EGR路径中的排气流。第二控制单元可以是第一控制单元的一部分。第一控制单元和/或第二控制单元可以是发动机控制系统的一部分。
第二控制单元可被配置成基于表示燃烧参数、排放水平、发动机性能、环境条件、燃料性质和/或气缸中的空燃比的信号来调节EGR路径中的排气流。
第二控制单元可以被配置成当调节EGR路径中的排气流时考虑所确定的EGR率。
燃烧参数是表征燃烧的参数，例如峰值气缸压力、提前点火、爆震和/或断火事件或贝塔值β。
贝塔值β是燃烧期间压力增加的参数。
β＝(pmax－pcomp)/(θpmax－θPIT)，
其中，pmax是最大气缸压力，θpmax是最大气缸压力的曲轴转角，pcomp是压缩后达到的气缸压力，θPIT是喷射引燃燃料时的曲轴转角。
排放水平是表征排气质量的参数，例如排气中的NOx值或CH4值。
发动机性能是表征发动机输出的参数，例如涡轮机出口处的温度。
环境条件是表征环境的参数，例如环境温度、环境湿度和/或环境压力。
燃料性质表征所使用的燃料，例如燃料质量、甲烷值或热值。
考虑所确定的EGR率可以意味着，第二控制单元可以被配置成：将EGR率与预定值和/或预定区间进行比较；和/或将由第一控制单元提供的EGR率与预定值和/或预定区间之间的差用于进一步处理。
在所确定的EGR率太低或太高或者相对于预定EGR率值的差达到预定水平的情况下，第二控制单元可以被配置成停止EGR率的调节、校正EGR率的调节、改变不同于EGR率的参数和/或引起维护。
内燃机可包括第三控制单元，所述第三控制单元被配置成：接收来自所述第一测量单元的信号；并基于来自所述第一测量单元的信号以及来自所述第二测量单元和所述第三测量单元的信号来确定所述气缸中的空燃比或空燃当量比(λ)。替代地或附加地，气缸中的空燃比或空燃当量比(λ)基于来自第一测量单元的信号和来自第一控制单元的信号。
气缸中的λ值可以通过下式确定。
λcylinder＝(mL+mL，EGR)/(LST*mfuel)
在该公式中，mfuel是燃料质量流量，mL是进入燃烧室的空气的质量流量，LST是化学计量空燃比，mL，EGR是来自再循环排气的空气当量氧气质量流量。
来自再循环排气的空气当量氧气质量流量mL，EGR可以通过下式变精确：
mL，EGR＝mEGR*wO2/0.232，
其中，mEGR是再循环排气的质量流量，wO2是空气中氧气的质量分数。
再循环排气的质量流量通过下式连接到排气再循环率：
mEGR＝mL/XEGR/(1－XEGR)。
空气中氧气的质量分数wO2可以通过以下方式变精确：
wO2＝νO2，exhaust*0.232/0.2095，
其中，νO2，exhaust是氧气在排气中的摩尔分数。
摩尔分数νO2通常可以通过下式计算：
νO2＝(λexhaust－1)/(4.76λexhaust+(HB/CB)/(HB/CB+4))，
其中，HB是燃料的氢含量，CB是燃料的碳含量。HB和CB是针对燃料的量。对于CH4，HB的值为4，CB的值为1。
用排气中的λ探头测量λexhaust。
因此，已知使用的燃料、排气的质量流量和λ，可以计算EGR率和气缸中的λ。
这两个值都可以用于精确地监测燃烧过程和改进燃烧过程的控制。
根据本发明，一种用于运行如上所述的内燃机的方法包括以下步骤：提供表示低压排气再循环路径中的过量空气系数的信号。
该值可用于监测燃烧过程和改进燃烧过程的控制。
该方法可以进一步包括以下步骤：提供表示环境压力的信号，并且优选地提供表示环境温度的信号；提供表示涡轮机下游的压力的信号、表示涡轮机上游的压力的信号以及表示涡轮机上游的温度的信号。
该方法可以进一步包括以下步骤：基于表示低压排气再循环路径中的过量空气系数的信号、表示环境压力的信号、表示涡轮机下游的压力的信号、表示涡轮机上游的压力的信号和/或表示涡轮机上游的温度的信号来确定EGR率。
优选地，分别基于上游压力和下游压力，基于上游温度和/或环境压力来确定涡轮机质量流量。
另外，可以基于表示低压排气再循环路径中的过量空气系数的信号来确定气缸中的空燃比或空燃当量比(λ)。
附图说明
在下文中，通过附图在实施方式中进一步解释本发明。相同的附图标记表示功能上对应的特征。
图1示出了内燃机的示意图；
图2示出了内燃机的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了内燃机10的第一实施例，内燃机10包括具有往复式活塞9的气缸11，气缸11具有至少200mm的内径12。内燃机10包括用于排气再循环的系统，该系统具有布置在气缸11的排气出口31和空气入口32之间的EGR路径16。内燃机10包括具有涡轮机14和压缩机15的涡轮增压器13。
用于排气再循环的系统是低压系统，其中，再循环的排气可经由涡轮增压器13的压缩机15被引导到气缸11的空气入口32，在压缩机15处排气与新鲜空气混合。在该实施例中，排气可被引导通过涡轮增压器13的涡轮机14，并且EGR路径16在涡轮机14的下游分叉。
再循环的排气的量可以通过设置EGR阀17和通过设置背压阀29来控制。
第一测量单元18布置在EGR阀17的下游。第一测量单元18包括λ传感器并向第一控制单元20提供表示低压排气再循环路径中的过量空气系数的信号。
内燃机可以包括第二测量单元8(见图2)，第二测量单元8包括至少一个用于提供表示环境压力的信号的传感器2(见图2)和至少一个用于提供表示环境温度的信号的传感器3(见图2)。
第三测量单元19靠近涡轮机14布置。
第一控制单元可以基于来自第一测量单元18、来自第二测量单元8(见图2)和/或来自第三测量单元19的信号来计算EGR率。
内燃机10包括第二控制单元21，第二控制单元21被配置成通过设定背压阀29来调节EGR路径16中的排气流。
第二控制单元21基于燃烧参数来调节EGR路径中的排气流量。燃烧参数可以从接收自气缸测量单元33的信号来确定，气缸测量单元33例如提供气缸11内的压力测量值，特别是爆发峰值压力、提前点火、爆震和/或断火事件或β值。
图2示出了内燃机10的另一个实施例的示意图。
来自至少一个气缸11(见图1)的排气被收集在排气接收器27中并且可以经由涡轮增压器13的涡轮机14和压缩机15再循环到扫气空气接收器28。
低压EGR路径16在涡轮机14的下游分支。EGR路径包括EGR阀17。在EGR路径的接头的下游有背压阀29，背压阀29可用于控制再循环的排气的量。
另外，EGR路径可以包括图中未示出的鼓风机。
第一测量单元18布置在EGR阀17的下游。该实施例示出了第一测量单元18的两个典型位置，EGR冷却器24的上游和下游。
内燃机可包括第二测量单元8，第二测量单元8具有至少一个用于提供表示环境压力的信号的传感器2和至少一个用于提供表示环境温度的信号的传感器3。
第三测量单元19(见图1)包括用于提供表示涡轮机14下游的压力的信号的传感器22b、用于提供表示涡轮机14上游的压力的信号的传感器22a、用于提供表示涡轮机14上游的温度的信号的传感器23a以及用于提供表示涡轮机14下游的温度的信号的传感器23b。
涡轮机下游的温度对应于EGR冷却器24上游的排气的温度。温度可以用于计算排气的等熵指数κ。
排气与新鲜空气33混合并且经由扫气空气冷却器25并且最终经由鼓风机26被引导到扫气空气接收器28。

Claims (10)

1.一种内燃机(10)，即能至少在气体模式下运行的大型船舶发动机或固定式发动机，
所述内燃机(10)包括至少一个具有至少200mm的内径(12)的气缸(11)，
所述内燃机(10)包括涡轮增压器(13)，该涡轮增压器包括涡轮机(14)和压缩机(15)，
所述内燃机包括具有EGR阀(17)的低压排气再循环路径(16)，
其特征在于，
所述内燃机进一步包括用于提供表示所述低压排气再循环路径中的过量空气系数的信号的第一测量单元(18)，优选地，该第一测量单元具有布置在所述EGR阀(17)下游的λ传感器。
2.根据权利要求1所述的内燃机(10)，其中：
所述内燃机(10)包括第二测量单元(8)，该第二测量单元具有至少一个用于提供表示环境压力的信号的传感器(2)并且优选地具有至少一个用于提供表示环境温度的信号的传感器(3)；
所述内燃机(10)包括第三测量单元(19)，该第三测量单元具有至少一个用于提供表示所述涡轮机(14)下游的压力的信号的传感器(22b)、至少一个用于提供表示所述涡轮机(14)上游的压力的信号的传感器(22a)和/或至少一个用于提供表示所述涡轮机(14)上游的温度的信号的传感器(23a)；并且
其中，所述内燃机(10)包括第一控制单元(20)，该第一控制单元被配置成：
－接收来自所述第一测量单元(18)的信号；
－接收来自所述第二测量单元(8)的信号；
－接收来自所述第三测量单元(19)的信号，并且优选地，分别基于上游压力和下游压力以及基于上游温度来确定涡轮机质量流量；并且
－基于来自所述第一测量单元(18)、所述第二测量单元(8)的信号以及来自所述第三测量单元(19)的信号来确定EGR率，特别是根据所述涡轮机质量流量来确定EGR率。
3.根据权利要求2所述的内燃机(10)，其中，所述第一控制单元(20)被配置成将所确定的EGR率与预定值和/或与预定区间进行比较。
4.根据权利要求3所述的内燃机(10)，其中，所述第一控制单元(20)被配置成在所述EGR率低于或高于所述预定值和/或所述预定区间时产生信号。
5.根据权利要求4所述的内燃机(10)，其中，所述内燃机包括用于显示所述信号的监视器。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的内燃机(10)，其中，所述内燃机包括第二控制单元(21)，该第二控制单元至少被配置成基于表示如下的信号来调节所述EGR路径中的排气流：
－燃烧参数，例如爆发峰值压力、提前点火、爆震和/或断火事件或β值；
－排放水平，例如排气中的NOx值或CH4值；
－发动机性能，例如涡轮机出口处的温度；
－环境条件，例如温度、湿度和/或压力；
－燃料性质，例如燃料质量、甲烷值或热值；和/或
－所述气缸中的空燃比或空燃当量比(λ)，
其中，所述第二控制单元被配置成当调节所述EGR路径中的排气流时考虑所确定的EGR率。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的内燃机(10)，其中，所述内燃机(10)包括第三控制单元(19)，该第三控制单元被配置成：
－接收来自所述第一测量单元(18)的信号；
－基于来自所述第一测量单元(18)的所述信号来确定所述气缸(11)中的空燃比或空燃当量比(λ)。
8.一种用于运行根据权利要求1至7中任一项所述的内燃机(10)的方法，所述方法包括以下步骤：
－提供表示所述低压排气再循环路径中的过量空气系数的信号。
9.根据权利要求8所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：
－提供表示环境压力的信号和表示环境温度的信号；
－提供表示所述涡轮机(14)下游的压力的信号、表示所述涡轮机(14)上游的压力的信号以及表示所述涡轮机(14)上游的温度的信号；
－基于表示所述低压排气再循环路径(16)中的过量空气系数的信号、表示所述涡轮机(14)下游的压力的信号、表示所述涡轮机(14)上游的压力的信号以及表示所述涡轮机(14)上游的温度的信号来确定所述EGR率，
优选地，分别基于上游压力和下游压力以及基于上游温度来确定涡轮机质量流量。
10.根据权利要求8或9所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：基于表示所述低压排气再循环路径(16)中的过量空气系数的信号来确定所述气缸(11)中的空燃比或空燃当量比(λ)。
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