操作活塞发动机的方法和活塞发动机的控制系统与流程

1.本发明涉及根据权利要求1的使用气态主燃料和液态引燃燃料在瞬态状态下操作活塞发动机的方法。本发明还考虑如其他独立权利要求中限定的用于活塞发动机的控制系统。


背景技术：

2.使用气态燃料(诸如天然气)操作活塞发动机的可能性具有许多优势，例如，在与许多液态燃料相比方面排放量更低。气态燃料通常需要点火源，在大多数情况下，点火源要么是火花塞，要么是引燃燃料。在双燃料发动机中，通过利用液态引燃燃料将气态主燃料点燃，该引燃燃料是直接或经由预燃室喷射到发动机的缸中的。在进气冲程期间，气态燃料被引入进气管并流动通过进气口进入缸。在压缩冲程结束时，液态引燃燃料借助于引燃燃料喷射器来喷射。引燃燃料是自燃的，并且引燃燃料的点火会触发气态主燃料的燃烧。空气/燃料混合物通常是稀混合物，所述稀混合物包括比气态燃料和液态引燃燃料两者的完全燃烧所需空气更多的空气。
3.在发动机负载迅速增加的瞬态情况下，通常燃料量比空气量增加得更快，这会导致浓空气/燃料混合物。浓混合物会导致燃料自燃或燃烧速度过快，从而导致爆震。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是提供一种使用气态主燃料和液态引燃燃料在瞬态状态下操作活塞发动机的改进方法，该气态主燃料是在进气冲程期间被引入发动机的缸的主燃烧室中的，液态引燃燃料是在压缩冲程期间随着一个或更多个喷射事件发生而被引入主燃烧室或预燃室中以用于点燃气态主燃料的。根据本发明的方法的特征在权利要求1中给出。本发明的另一个目的是提供一种用于活塞发动机的改进的控制系统。控制系统的特征在其他独立权利要求中给出。
5.根据本发明的方法包括以下步骤：
6.监测指示发动机输出功率或发动机速度的第一测量信号，
7.将所述第一测量信号与设定点进行比较，
8.基于所述第一测量信号与所述设定点之间的所述比较，生成用于控制所述气态主燃料的量的第一控制信号，以及
9.将所述第一控制信号与第一限值进行比较，
10.其中，
11.如果所述第一控制信号低于所述第一限值，
12.基于所述第一控制信号来控制被引入所述缸中的所述气态主燃料的量，并且
13.如果所述第一控制信号高于所述第一限值，
14.生成被限制在(capped to)所述第一限值的第二控制信号，并且基于所述第二控制信号来控制被引入所述缸中的所述气态主燃料的量，
15.确定所述第一控制信号与所述第一限值之间的差，
16.将所述第一控制信号与所述第一限值之间的所述差用作生成第三控制信号的输入，以及
17.基于所述第三控制信号来控制在燃烧冲程期间将附加液态燃料喷射到所述缸中。
18.根据本发明的控制系统被配置成根据上述方法在瞬态状态下操作发动机。
19.根据本发明的活塞发动机包括以上定义的控制系统。
20.因此，在根据本发明的方法中，主要通过调节被引入燃烧室中的气态燃料的量来控制输出功率。然而，如果发动机的燃料需求大于允许的气态燃料的量，则被引入缸中的气态燃料的量的被限于一限值。燃料需求与可以被引入缸中的气态燃料的量之间的差被确定并用作用于控制附加液态燃料喷射的输入。
21.根据本发明的方法和控制系统，发动机可以响应快速增加的负载，同时可以避免气态燃料的自燃或过快的燃烧速度。通过在燃烧冲程期间喷射附加液态燃料，可以在不影响燃烧开始的情况下补偿气体供应的限制。
22.根据本发明的实施方式，测量或计算指示所述发动机的所述操作的第一变量或第一变量集合，并且基于至少一个第一变量的值来确定所述第一限值。对用于确定第一限值的第一变量进行选择，使得第一限值反映了以下限值：高于该限值爆震风险会增加。
23.根据本发明的实施方式，所述第一变量包括来自以下组中的至少一个变量：增压空气压力、发动机负载、发动机速度和空气/燃料比。也可以使用两个或更多个变量的组合来确定第一限值。
24.根据本发明的实施方式，来自查找表的值被用作用于生成所述第三控制信号的附加输入。因此，附加液态燃料喷射可以具有可以从查找表中检索到的基本水平，以及基于第一控制信号与第一限值之间的差的可变部分。
25.根据本发明的实施方式，在所述附加液态燃料喷射的持续时间达到针对所述附加液态燃料喷射的所述持续时间而确定的上限的情况下，所述第三控制信号被限制在第二限值。例如，第二限值可用于防止烟雾。
26.根据本发明的实施方式，所述附加液态燃料喷射的所述持续时间的所述上限是基于允许的空气/燃料比、发动机的最大速度或发动机的最大负载来确定的。
27.根据本发明的实施方式，确定所述第三控制信号的下降率并将所述下降率与第三限值进行比较，并且在所述下降率超过所述限值的情况下，所述第三值的所述下降率被限制在第三限值。通过防止附加液态燃料喷射过快下降，保证了液态燃料喷射不会过早终止，并且气态燃料的供应能够满足燃料需求。
28.根据本发明的实施方式，监测所述发动机的至少一个缸中的压力，并且在测量的峰值压力超过预定值的情况下，被引入所述缸中的所述气态燃料的量从由所述第一控制信号或所述第二控制信号确定的水平下降。
29.根据本发明的实施方式，监测指示爆震的一个或更多个变量，并且在检测到爆震的情况下，被引入所述缸中的所述气态燃料的量从由所述第一控制信号或所述第二控制信号确定的水平下降。
附图说明
30.下面结合附图更详细地描述本发明的实施方式，其中：
31.图1示意性地示出活塞发动机的引燃燃料和主燃料喷射系统的简化视图，
32.图2示意性地示出了图1的发动机的一个缸，以及
33.图3将根据本发明实施方式的方法示出为流程图。
具体实施方式
34.图1示意性地示出了活塞发动机1的引燃燃料和气态燃料喷射系统。图2示出了图1的发动机1的缸2中的一者。发动机1是大型内燃发动机，例如船舶的主发动机或辅发动机或在发电厂用于发电的发动机。发动机1的额定功率至少为每缸150kw，并且缸径至少为150mm。在图1中，示出了被布置成行的四个缸2，但是发动机1可以包括任何合理数量的、被布置成例如行或v形构造的缸2。图1的发动机1是双燃料发动机，其至少可以在使用气态主燃料和液态引燃燃料的气态燃料模式中操作。气态燃料可以是例如天然气、沼气、液化石油气或乙烷。液态引燃燃料可以是例如轻质燃料油(lfo)、船用柴油(mdo)或生物柴油。发动机1也可以在仅使用液态燃料(例如lfo或mdo)的液态燃料模式中操作。发动机1也可以是多燃料发动机，其可以使用两种或更多种不同类型的液态燃料和/或气态燃料来操作。例如，发动机1可以是三燃料发动机，其可以在使用气态主燃料和液态引燃燃料的气态燃料模式中操作，并且可以在两种不同的液态燃料模式(例如，使用重质燃料油或其他主要含有残渣燃料油的第一液态燃料模式以及使用轻质燃料油或其他主要含有馏分燃料油的第二液态燃料模式)中操作。
35.发动机1连接到涡轮增压器16，涡轮增压器16包括压缩机16a和涡轮16b，以对发动机1的进气空气进行加压。发动机1还可以设有两个或更多个串联和/或并联的涡轮增压器。
36.发动机1设有针对气态燃料和引燃燃料的分开的燃料喷射系统。气态燃料被存储在气罐6中，将气态燃料从气罐6经由气体线7供应到发动机1的缸2中。气体线7设有主气体阀8，该主气体阀8用于控制将气态主燃料供应到气体线7中。例如，当发动机1在液态燃料模式中操作时，主气体阀8可以关闭。发动机1的每个缸2都设有自身的进气阀3。进气阀3是可单独控制的。第一控制线9将进气阀3连接到控制单元10，控制单元10控制进气阀3的打开和关闭。每个进气阀3借助于致动器(例如螺线管或步进电机)来打开和关闭。进气阀3被布置成将气态燃料引入发动机1的进气管4中。每个进气阀3靠近相应缸2的进气阀定位。发动机1还可以包括用于将部分气态燃料引入预燃室中的附加进气阀。在进气冲程期间，气态燃料被引入进气管4中。当缸2的进气阀打开时，气态燃料流动进入缸2中，从而形成空气/燃料混合物。优选地，空气/燃料混合物是稀混合物，所述稀混合物包括比气态燃料和液态引燃燃料两者的完全燃烧所需空气更多的空气。应注意，图1仅示出了用于气态主燃料的燃料喷射系统的简化示例。燃料喷射系统可以包括图中未示出的许多附加部件，例如不同的阀、过滤器等。
37.针对液态引燃燃料的燃料喷射系统包括用于发动机1的各个缸2自身的引燃燃料喷射器5。引燃燃料喷射器5可以被布置成将燃料直接喷射到主燃烧室23中(如图2所示)或到预燃室中。引燃燃料喷射器5是可单独控制的。例如，引燃燃料喷射器5可以是电致动的。第二控制线15将引燃燃料喷射器5连接到控制单元10，控制单元10控制引燃燃料喷射器5的
打开和关闭。每个引燃燃料喷射器5都包括阀针，该阀针可以被升起，以使燃料喷射通过引燃燃料喷射器5。
38.在图1的实施方式中，引燃燃料喷射系统是共轨燃料喷射系统，其包括用于存储加压燃料的燃料轨11。所有的引燃燃料喷射器5被连接到同一燃料轨11。低压泵12将燃料从液体燃料箱14供应到高压泵13，高压泵13将引燃燃料的压力升高到适用于直接燃料喷射的水平并将该引燃燃料供应到燃料轨11中，燃料从燃料轨11被供应到引燃燃料喷射器5。燃料喷射压力可以在800bar至3000bar的范围内。代替单个燃料轨11，每个引燃燃料喷射器5可以设有自身的燃料蓄积器，或者引燃燃料喷射系统可以包括两个或更多个燃料轨11，每个燃料轨11服务两个或更多个引燃燃料喷射器5。除了作为引燃燃料喷射系统来使用，图1的燃料喷射系统在其他情况下也可以用于将液态燃料喷射到发动机1的缸2中。
39.当发动机1在仅使用液态燃料的液态燃料模式中操作时，也可以使用引燃燃料喷射系统。在那种情况下，引燃燃料喷射器5也将用作主燃料喷射器。也可以仅将图1的燃料喷射系统的一部分用作针对液体主燃料的燃料喷射系统的一部分。例如，附加的燃料喷射器可以连接到图1的燃料轨11以喷射液体主燃料。在气态燃料模式中，液态引燃燃料将由引燃燃料喷射器5喷射，而在液态燃料模式中，液态燃料将由主燃料喷射器喷射。在两种操作模式中，将使用相同的低压泵12和高压泵13。引燃燃料喷射器5和主燃料喷射器可以集成在燃料喷射器单元中。在活塞接近上止点的压缩冲程期间，引燃燃料经由引燃燃料喷射器5而被喷射到发动机1的缸2中。
40.除了图1所示的燃油喷射系统外，发动机1还可以设有至少一个附加燃油喷射系统，例如以将液态主燃料喷射到发动机1的缸2中。该附加燃料喷射系统可以是共轨系统或具有用于发动机1的各个缸2自身的燃料喷射泵的燃料喷射系统。
41.图2示意性地示出了图1的发动机1的一个缸2。发动机1的每个缸2都设有活塞18，活塞18被构造成在缸2内以往复方式运动。活塞18经由连杆19连接到曲轴20。飞轮21被附接到曲轴20的一端。活塞18与缸2的壁和缸盖22一起界定了主燃烧室23。发动机1的每个缸2设有至少一个进气阀24。例如，每个缸2可以设有两个进气阀24。进气阀24被用于打开和关闭进气管(进气接收器)4与主燃烧室23之间的流体连通。发动机1的每个缸2设有至少一个排气阀25。例如，发动机的每个缸2可以设有两个排气阀25。排气阀25用于打开和关闭燃烧室23与排气管26之间的流体连通。
42.进气阀24被连接到进气阀致动装置27。进气阀致动装置27用于打开和关闭进气阀24。进气阀致动装置27可以被构造成允许可变的进气阀定时。因此可以改变进气阀24打开和/或关闭时的曲柄角。进气阀致动装置27可以以许多另选方式实现。进气阀致动装置27可以包括电致动器、液压致动器或机械致动器。进气阀致动装置27也可以是电装置、液压装置和/或机械装置的任何组合。例如，进气阀24可以借助于凸轮轴打开。用于关闭进气阀24的关闭力可以借助于一个或更多个弹簧(例如螺旋弹簧和/或空气弹簧)来产生。进气阀24的关闭可以借助于液压系统延迟。另选地，可以借助于诸如螺线管之类的电致动器来确定打开和关闭定时两者。另选地，进气阀24可以液压地打开和关闭。进气阀致动装置27连接到控制单元10，控制单元10被配置成将控制信号发送到进气阀致动装置27，以确定进气阀24的打开和/或关闭定时。
43.在图2的实施方式中，排气阀25像进气阀24一样连接到类似的致动装置28。然而，
排气阀25也可以设有不同的致动装置。例如，排气阀25的致动装置28不必允许可变的阀定时。在图2的实施方式中，排气阀致动装置28也连接到控制单元10，该控制单元10被配置成将控制信号发送到排气阀致动装置28，以确定排气阀25的打开和/或关闭定时。代替上述布置，进气阀24和排气阀25两者可以是凸轮控制的。阀定时可以是可变的或固定的。
44.进气阀3和引燃燃料喷射器5连接到控制单元10。因此，引燃燃料喷射和主燃料喷射的喷射定时和持续时间可以在发动机1的每个缸2中单独控制。
45.发动机1的每个缸2都设有缸压力传感器29。缸压力传感器29被布置成测量缸2中的压力。发动机1设有数据处理装置，例如控制单元10，数据处理装置接收来自缸压力传感器29的测量数据。发动机1还包括曲柄角传感器30或用于确定曲轴20的角度位置的其他装置。在图2的实施方式中，曲柄角传感器30监测飞轮21的角度位置。基于飞轮21的角度位置，可以确定活塞18在每个缸2中的位置。除了压力测量数据，控制单元10还接收来自曲柄角传感器30的测量数据。因此，缸压力可以参考曲柄角来确定。
46.在气态燃料模式下的发动机1的正常稳态操作期间，发动机1的每个缸2的进气阀24在排气冲程结束时打开。在进气冲程开始时，控制单元10经由第一控制线9向进气阀3发送控制信号以打开进气阀3。进气阀3打开，并且阀3在特定时间段内保持打开，以允许气态燃料流动进入进气管4中、并进一步进入缸3中。在进气冲程结束之前，进气阀3关闭。进气阀24也关闭，并且在进气冲程之后的压缩冲程期间，缸2中的空气/燃料混合物被压缩。随着缸2中的活塞18接近上止点，控制单元10经由第二控制线路15向引燃燃料喷射器5发送控制信号，以打开引燃燃料喷射器5并将液态引燃燃料喷射到缸2中。引燃燃料喷射器5的阀针在短时间段内升起，并且引燃燃料被喷射到缸2中。经过一定的点火迟延后，引燃燃油自燃。引燃燃料量相对少。例如，引燃燃料的燃烧可以释放的热量小于缸2中燃烧所释放的热量的百分之五。引燃燃料的燃烧还会点燃空气和气态主燃料的混合物。当活塞18接近下止点时，排气阀25打开。在排气冲程期间，废气从缸2中流出，并开始新的发动机循环。
47.在稳态操作中，发动机1使用稀空气/燃料混合物来操作。在发动机负载迅速增加的瞬态情况下，需要增加向缸中的燃料供应。涡轮增压器16不能立即响应增加的负载，并且因此空气/燃料混合物变得更浓。这会导致自动点火或气态燃料燃烧过快，从而导致爆震。本发明解决了这个问题。
48.在根据本发明的方法中，发动机是使用气态主燃料和液态引燃燃料在瞬态状态下操作的，该气态主燃料是在进气冲程期间被引入发动机1的缸2的主燃烧室23中的，该液态引燃燃料是随着一个或更多个喷射事件在压缩冲程期间发生而被引入主燃烧室23或预燃室中以用于点燃气态主燃料的。
49.上面已经描述了适用于根据本发明的方法的气体供应系统的一个示例。然而，该系统不需要与图1和图2的系统相同。除了向主燃烧室23供应气体外，如果发动机1设有预燃室，则气态燃料的一部分可以被引入预燃室中。
50.为了点燃气态主燃料，将液态引燃燃料引入主燃烧室23和/或预燃室中。上述液态燃料喷射系统可以被用于喷射液态燃料。在压缩冲程期间喷射液态引燃燃料。引燃燃料喷射可以分为一个或更多个喷射事件。例如，可以在上止点前50-20度的范围内进行引燃燃料喷射。
51.根据本发明的方法的步骤如图3所示。在该方法的第一步骤中，监测指示发动机输
出功率或发动机速度的第一测量信号101。将第一测量信号与设定点进行比较102。例如，如果第一测量信号是速度信号，则将该第一测量信号与期望的发动机速度进行比较。使用速度信号作为第一测量信号适用于许多不同的应用，例如发动机发电机组，其目的是保持发动机和发电机的转速恒定。代替速度信号，例如指示由发动机驱动的发电机产生的电功率的信号可以被监测并与设定点进行比较。
52.基于第一测量信号与设定点之间的比较，生成用于控制气态主燃料量的第一控制信号103。发动机1可以包括pid控制器10a，pid控制器10a可以是控制单元10的一部分。pid控制器10a可以接收第一测量信号和设定点。第一控制信号可以由pid控制器10a基于第一测量信号与设定点之间的差而生成。
53.将第一控制信号与第一限值进行比较104。第一限值指示在没有明显爆震风险的情况下可以被引入发动机的缸中的气态燃料的最大量。如果第一控制信号低于第一限值，则爆震风险低。第一限值不必是恒定的，它可以是变化的限值。可以基于测量或计算的一个或更多个第一变量的值来确定第一限值。第一变量可以包括增压空气压力、发动机负载、发动机速度和空气/燃料比。例如，可以监测发动机的增压空气压力，并且可以基于增压空气压力来确定第一限值。更高的增压空气压力允许在没有爆震风险的情况下将更多的气态主燃料引入发动机的缸中，并且因此第一限值可以随着增压空气压力的增加而增加。如果第一限值是基于空气/燃料比确定的，则计算喷射燃料的质量和被引入缸中的空气的质量，并且第一限值按照实现最小允许的空气/燃料比的方式确定。第一限值也可以基于两个或更多个第一变量的组合来确定。例如，增压空气压力和发动机负载或发动机速度全部可以被监测，并且第一限值可以基于增压空气压力和发动机负载或发动机速度来确定。
54.如果第一控制信号低于第一限值，则基于第一控制信号来控制气态主燃料的量105。当第一控制信号低于第一限值时，爆震风险低。因此，可以基于诸如pid控制器10a的输出信号之类的第一控制信号来控制发动机的输出功率。
55.如果第一控制信号高于第一限值，则生成被限制在第一限值的第二控制信号，并基于第二控制信号来控制气态主燃料的量106。当第一控制信号高于第一限值时，则表明如果基于第一控制信号引入缸中的气态燃料的量增加，爆震风险增加。因此，第一控制信号(例如pid控制器10a的输出信号)不用于直接控制气态主燃料的量。因此，气态主燃料的量没有像pid控制器10a的输出信号所指示的那样增加。
56.如果被引入缸中的气态主燃料的量不等于燃料需求，若气态主燃料的受限供应的影响没有得到补偿，则发动机速度就会降低。因此，确定第一控制信号与第一限值之间的差107，将第一控制信号与第一限值之间的差用作生成第三控制信号的输入108，并且基于第三控制信号来控制在燃烧冲程期间将附加液态燃料喷射到缸2中109。因为第二控制信号已被限制在第一限值，所以被引入发动机的缸中的气态主燃料的量不足以满足功率需求。通过将液态燃料喷射到缸中来补偿气态主燃料供应不足的影响。由于在燃烧冲程期间进行了附加液态燃料喷射，因此不必改变引燃燃料喷射，并且因此不影响燃烧的开始。例如，附加液态燃料喷射可以发生在上止点之后0-25度的范围内。
57.第三控制信号可以基于第一控制信号与第一限值之间的差。然而，这不是必需的，而是可以使用来自查找表的值作为用于生成第三控制信号的附加输入。因此，附加液态燃料喷射可以具有使用查找表来确定的基本水平，并且第一限值与第一测量信号之间的差可
以确定附加液态燃料喷射的可变部分。查找表可以包括针对不同速度/负载组合的附加液态燃料喷射的不同基本水平。
58.可以确定附加液态燃料喷射持续时间的上限。例如，该上限可用于防止烟雾。在附加液态燃料喷射的持续时间达到该上限的情况下，第三控制信号可以被限制在第二限值。例如，可以基于允许的空气/燃料比、发动机的最大速度或发动机的最大负载来确定附加液态燃料喷射的持续时间的上限。
59.第三控制信号的下降率也可以具有限值。可以确定第三控制信号的下降率并将该下降率与第三限值进行比较，并且如果下降率超过限值，则第三值的下降率可以被限制在第三限值。通过防止附加液态燃料喷射过快减少，保证了附加液态燃料喷射不会过早终止，并且气态主燃料的供应能够满足燃料需求。
60.可以基于缸压力进一步控制气态燃料的量。可以监测缸压力，并且在一个或更多个缸中测量的峰值压力超过预定值的情况下，被引入缸中的气态燃料的量可以从由第一控制信号或第二控制信号确定的水平下降。
61.可以基于检测到的爆震进一步控制气态燃料的量。可以监测指示爆震的一个或更多个变量，并且在检测到爆震的情况下，被引入缸中的气态燃料的量可以从由第一控制信号或第二控制信号确定的水平下降。例如，可以通过监测缸压力来检测爆震。
62.本领域技术人员将理解，本发明不限于上述实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内变化。