CN108368783A - 用于操作活塞发动机的方法和活塞发动机 - Google Patents

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Abstract

用于操作四冲程双燃料或多燃料活塞发动机(1)的方法包括以下步骤：向进气阀(3)发送第一控制信号以用于打开进气阀(3)并将气体燃料引入到进气管道(4)中并且进一步引入到发动机(1)的汽缸(2)中(100)；向引燃燃料喷射器(5)发送第二控制信号以用于打开引燃燃料喷射器(5)并且将液体引燃燃料引入到汽缸(2)中以用于点燃进入空气和气体燃料的混合物(101)；以预定曲柄角测量燃烧冲程期间汽缸(2)中的压力，其在燃料的推测点燃之后且在打开排气阀之前(102)；将测量的压力与预定极限值进行比较(103)；以及在测量的压力超过预定极限值的情况下，禁用第一控制信号和第二控制信号(104)。

Description

用于操作活塞发动机的方法和活塞发动机
技术领域
本发明涉及如权利要求1中限定的用于操作四冲程双燃料或多燃料活塞发动机的方法。本发明还涉及如其它从属权利要求中限定的四冲程双燃料或多燃料活塞发动机。
背景技术
使用气体主燃料(诸如，天然气)操作活塞发动机的可能性例如以低排放的形式提供许多优点。气体燃料通常需要点火源，点火源在大多数情况下是火花塞或引燃燃料二者之一。在双燃料发动机中，气体主燃料通过利用液体引燃燃料被点燃，液体引燃燃料直接或经由预燃室被喷射到发动机的汽缸中。在进气冲程期间，气体燃料被引入到进气管道中并且流经进气口到汽缸中。液体引燃燃料在压缩冲程结束时，借助引燃燃料喷射器被喷射。引燃燃料被自点燃，并且引燃燃料的点燃触发气体主燃料的燃烧。
如果引燃燃料喷射器的阀针卡在打开位置或部分打开位置，则出现问题。在这种情况下，引燃燃料喷射在随后压缩冲程、排气冲程、进气冲程和压缩冲程内继续。过多引燃燃料尤其在压缩冲程期间造成问题。压缩冲程期间引燃燃料在汽缸中的存在可能导致空气/燃料混合物的提前点燃，并且因为所积累的引燃燃料量可能较大，所以混合物的早期燃烧可能损坏汽缸盖。发动机的汽缸的变化功率输出还造成振动，并且未燃烧燃料增加发动机的碳氢化合物排放。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于操作四冲程双燃料或多燃料活塞发动机的改进方法。根据本发明的方法的特征化特征在权利要求1中给出。本发明的另一个目的是提供一种改进的四冲程双燃料或多燃料活塞发动机。根据本发明的发动机的特征化特征在其它从属权利要求中给出。
根据本发明的方法包括以下步骤：向进气阀发送第一控制信号以用于打开所述进气阀，并且将气体燃料引入到进气管道中且进一步引入到所述发动机的汽缸中；向引燃燃料喷射器发送第二控制信号以用于打开所述引燃燃料喷射器，并且将液体引燃燃料引入到所述汽缸中以用于点燃经由所述进气阀引入的进入空气和所述气体燃料的混合物；以预定曲柄角测量燃烧冲程期间所述汽缸中的压力，所述测量在所述燃料的推测点燃之后且在打开排气阀之前；将测量的压力与预定极限值进行比较，并且在所述测量的压力超过所述预定极限值的情况下，禁用所述第一控制信号和所述第二控制信号。
根据本发明的发动机包括：用于气体燃料的第一燃料喷射***，所述第一燃料喷射***包括用于所述发动机的每个汽缸的进气阀，所述进气阀用于将气体燃料引入到所述发动机的进气管道中；用于液体引燃燃料的第二燃料喷射***，所述第二燃料喷射***包括用于所述发动机的每个汽缸的引燃燃料喷射器，所述引燃燃料喷射器用于将液体引燃燃料喷射到所述发动机的所述汽缸中；用于所述发动机的每个汽缸的压力传感器，所述压力传感器用于测量所述发动机的所述汽缸中的压力；以及控制单元，所述控制单元被构造为实现上面限定的方法。
凭借根据本发明的方法和根据本发明的发动机，可以早期检测卡在打开位置或部分打开位置的故障燃料喷射器，并且可以防止由汽缸中的过多燃料量造成的损坏。未检测到过多压力的发动机的那些汽缸中的正常操作可以继续。
根据本发明的实施方式，以在可推测峰值压力曲柄角之后的曲柄角测量所述压力。在已经达到峰值压力之后，泄漏引燃燃料喷射器的效果可以被最佳检测。为了泄漏引燃燃料喷射器的更可靠检测，优选地，压力应当在打开排气阀之前不久被测量。因此，压力可以在排气阀打开之前以最多50度被测量，或者在排气阀打开之前甚至在最多20或10度被测量。
根据本发明的实施方式，以在上止点之后至少20度的曲柄角测量压力。压力可以甚至以上止点之后至少40或60度的曲柄角被测量。当在燃烧冲程开始时未测量压力时，确保可以检测泄漏引燃燃料喷射器的效果。可以在燃烧结束时测量压力。
根据本发明的实施方式，所述预定极限值基于预定次数的先前燃烧冲程期间以所述预定曲柄角在所述汽缸中测量的压力值来确定。
根据本发明的实施方式，在用于检测汽缸中的可能燃烧的随后燃烧冲程期间监测汽缸，并且在检测到燃烧的情况下，保持禁用至少第一控制信号并且触发告警。例如，通过监测汽缸中的压力，可以检测汽缸中的可能燃烧。而且，在检测到燃烧的情况下，第二控制信号可以保持禁用。
根据本发明的实施方式，在未检测到燃烧的情况下，启用第一控制信号和第二控制信号。
禁用控制信号的汽缸中的燃烧是打开引燃燃料喷射器的指示。通过保持禁用至少第一控制信号，可以最小化汽缸中的燃料量。另一方面，如果未检测到燃烧，则过多汽缸压力可能由于某种其它原因造成，在这种情况下，可以恢复汽缸中的正常操作。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明的实施方式，附图中
图1示意性地示出了活塞发动机的引燃燃料和主燃料喷射***的简化图，以及
图2作为流程图示出了根据本发明的实施方式的方法。
具体实施方式
图1示意性地示出了活塞发动机1的引燃燃料和气体燃料喷射***。发动机1是大型内燃机，诸如船的主或辅发动机或在用于发电的发电厂处使用的发动机。发动机1的额定功率是每个汽缸至少150kW，并且缸径是至少150mm。在图1中，示出了布置成一排的四个汽缸2，但是发动机1可以包括例如布置成一排或V构造的任意合理数量的汽缸2。图1的发动机1是双燃料发动机，其可以使用气体主燃料和液体引燃燃料至少在气体燃料模式下操作。气体燃料可以是例如天然气或生物气。液体引燃燃料可以是例如轻燃料油(LFO)或船用柴油(MDO)。发动机1还可能在仅使用液体燃料(诸如LFO或MDO)的液体燃料模式下操作。发动机1还可以是多燃料发动机，其可以使用两个或更多不同类型的液体燃料和/或气体燃料来操作。例如，发动机1可以是三燃料发动机，其可以使用气体主燃料和液体引燃燃料在气体燃料模式下操作，并且在两个不同液体燃料模式下(例如，在使用重燃油或主要含有残留燃油的其它燃料的第一液体燃料模式下和在使用轻燃料油或主要含有蒸馏燃料油的其它燃料的第二液体燃料模式下)操作。
发动机1连接到涡轮增压器16，涡轮增压器包括压缩机16a和用于对发动机1的进入空气进行加压的涡轮机16b。发动机1还可以设置有串联和/或并联连接的两个或更多个涡轮增压器。
发动机1设置有用于气体燃料和引燃燃料的各自燃料喷射***。气体燃料被存储在气罐6中，气体燃料经由输气管线7从气罐6被供给到发动机1的汽缸2中。输气管线7设置有主气阀8，主气阀用于控制气体主燃料到输气管线7的供给。主气阀8可以例如当发动机1在液体燃料模式下操作时闭合。发动机1的每个汽缸2设置有自己的进气阀3。进气阀3能够独立受控。第一控制线路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的打开和闭合。进气阀3借助诸如步进马达的致动器被打开和闭合。布置进气阀3，以将气体燃料引入到发动机1的进气管道4中。每个进气阀3被定位成靠近各个汽缸2的进口阀。气体燃料在进气冲程期间被引入到进气管道4中。当汽缸2的进口阀打开时，气体燃料流到形成空气/燃料混合物的汽缸2中。优选地，空气/燃料混合物是稀混合物，包括比需要完全燃烧气体燃料和液体引燃燃料这两者的空气更多的空气。应当注意的是，图1仅示出了用于气体主燃料的燃料喷射***的简化示例。燃料喷射***可以包括图中未示出的许多附加组件，例如，不同阀、过滤器等。
用于液体引燃燃料的燃料喷射***包括用于发动机1的每个汽缸2的自己的引燃燃料喷射器5。引燃燃料喷射器5可以被布置为将燃料直接喷射到汽缸2中或者喷射到预燃室中。引燃燃料喷射器5能够独立受控。引燃燃料喷射器5可以例如被电致动。第二控制线路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的打开和闭合。每个引燃燃料喷射器5包括阀针，阀针可以被提起以用于借助引燃燃料喷射器5喷射燃料。
在图1的实施方式中，引燃燃料喷射***是包括用于存储加压燃料的燃料轨道11的普通轨道燃料喷射***。所有引燃燃料喷射器5连接到相同燃料轨道11。低压泵12从引燃燃料罐14向高压泵13供给燃料，这将引燃燃料的压力提高到适合于直接燃料喷射的水平，并且将引燃燃料供给到燃料轨道11中，从燃料轨道11向引燃燃料喷射器5供给燃料。燃料喷射压力可以在800巴至3000巴的范围中。代替单个燃料轨道11，每个引燃燃料喷射器5可以设置有自己的燃料贮存器，或者引燃燃料喷射***可以包括两个或更多个燃料轨道11，每个燃料轨道服务两个或更多个引燃燃料喷射器5。除了用作引燃燃料喷射***之外，图1的燃料喷射***还可以用于将液体主燃料喷射到发动机1的汽缸2中。当发动机1在仅使用液体燃料的液体燃料模式下操作时，可以由此使用相同燃料喷射***。在这种情况下，引燃燃料喷射器5还用作主燃料喷射器。还可以的是，图1的燃料喷射***的仅一部分用作用于液体主燃料的燃料喷射***的一部分。例如，附加燃料喷射器可以连接到用于喷射液体主燃料的图1的燃料轨道11。在气体燃料模式下，液体引燃燃料由引燃燃料喷射器5喷射，并且在液体燃料模式下，液体燃料由主燃料喷射器喷射。在这两个操作模式下，使用相同低压泵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单元中。
在活塞接近上止点时引燃燃料在压缩冲程期间经由引燃燃料喷射器5喷射到发动机1的汽缸2中。引燃燃料喷射还可以在燃烧冲程期间部分发生。
除了图1中示出的燃料喷射***之外，发动机1可以设置有至少一个附加燃料喷射***，例如用于将液体主燃料喷射到发动机1的汽缸2中。附加燃料喷射***可以是共轨***或具有用于发动机1的每个汽缸2的自身主燃料喷射泵的燃料喷射***。
发动机1的每个汽缸2设置有用于监测汽缸2中的压力的压力传感器17。压力传感器17连接到控制单元10，并且测量数据可以由此从压力传感器17被发送到控制单元10。
在发动机1在气体燃料模式下的正常操作期间，发动机1的每个汽缸2的进口阀在排气冲程结束时打开。在进气冲程开始时，控制单元10经由第一控制线路9向进气阀3发送用于打开进气阀3的第一控制信号。进气阀3打开并且保持阀3打开特定时间段，以用于允许气体燃料流到进气管道4中并且进一步到汽缸3中。在进气冲程结束之前，关闭进气阀3。而且，闭合进口阀，并且在进气冲程之后的压缩冲程期间，压缩汽缸2中的空气/燃料混合物。随着汽缸2中的活塞接近上止点，控制单元10经由第二控制线路15向引燃燃料喷射器5发送第二控制信号，以用于打开引燃燃料喷射器5并用于将液体引燃燃料喷射到汽缸2中。引燃燃料喷射器5的阀针在短时间段内被提起，并且引燃燃料被喷射到汽缸2中。在特定点燃延迟之后，使引燃燃料自点燃。引燃燃料的量相对小。引燃燃料的燃烧可以释放例如少于由汽缸2中的燃烧释放的热的百分之五。引燃燃料的燃烧还点燃空气和气体主燃料的混合物。汽缸2中的压力快速上升，直到到达峰值汽缸压力为止，通常在上止点之后0至20度的范围内。随着活塞朝向下止点移动，汽缸2中的压力减小。当活塞接近下止点时，排气阀打开。在排气冲程期间，废气流出汽缸2，并且新发动机循环开始。
如果引燃燃料喷射器5的阀针卡在打开或部分打开位置，则引燃燃料的喷射不在压缩冲程结束时终止，而在整个燃烧冲程内继续。在燃烧开始时，汽缸压力表现正常。然而，因为引燃燃料喷射在燃烧期间继续，所以燃烧比期望时间段继续更长时间段。因此，在燃烧正常结束时的特定曲柄角，汽缸压力高于期望压力。汽缸2中的压力保持在比正常更高的水平，直到排气阀打开为止。如果引燃燃料喷射器5的阀针保持打开，则引燃燃料喷射在排气冲程内继续。在排气冲程期间，大多数所喷射的引燃燃料流出汽缸2。然而，当排气阀闭合时，引燃燃料开始积累在汽缸2中。向汽缸2中喷射的引燃燃料在进气冲程期间与被引入到汽缸2中的空气和气体燃料混合。在压缩冲程期间，汽缸2中的压力开始上升。而且，温度上升，并且当汽缸2中的温度到达引燃燃料的自点燃温度时，汽缸2中的混合物被点燃。这可能甚至在引燃燃料喷射应当开始之前。由于引燃燃料的积累，燃料的总量(引燃燃料和主燃料)可能明显大于发动机1的正常操作期间的燃料的总量。与提前点燃结合，过多燃料量的燃烧可能造成例如对汽缸盖的损坏。在百分之五十发动机负荷下，在进气冲程和压缩冲程期间在汽缸2中积累的引燃燃料量可以等于喷射到汽缸2中的总燃料量。
为了防止损坏并减少由故障引燃燃料喷射器5造成的其它有害影响，提供了根据本发明的方法。图2作为流程图示出根据本发明的实施方式的方法。根据本发明，进气阀3和引燃燃料喷射器5在进气冲程和压缩冲程期间正常操作。第一控制信号由此被发送到进气阀3以用于打开进气阀3(步骤100)，并且第二控制信号被发送到引燃燃料喷射器5以用于提起阀针并将引燃燃料喷射到汽缸2中(步骤101)。在压缩冲程期间，监测汽缸2中的压力(步骤102)。压力监测可以是连续的，或者压力可以仅在某个预定曲柄角被测量。选择预定曲柄角，使得可以检测打开的引燃燃料喷射器5对汽缸压力的影响。因此，压力测量在燃料的推测点燃之后且在排气阀打开之前发生。推测点燃意味着假定燃烧开始的时刻。在引燃燃料喷射器5泄漏的情况下，燃烧的实际开始时刻可能更早。还可以的是，无点燃发生在汽缸2中，例如，在引燃燃料喷射器5不打开的情况下。
优选地，在出现峰值压力的曲柄角之后测量压力。压力测量可以发生在例如上止点之后20至150度的范围中。可以例如在燃烧结束时测量压力。无需知道点燃的开始时刻，或者峰值压力的曲柄角，但是可以选择测量压力的曲柄角，使得其必定在峰值压力曲柄角之后。当压力在打开排气阀之前不久被测量时，可以最佳地测量故障引燃燃料喷射器5。因此，压力可以于在打开排气阀之前例如最多20度的曲柄角被测量。排气阀的打开这里指的是排气阀的打开移动开始的时刻。通过选择靠近排气阀的打开时刻的曲柄角，还确保测量在已经达到峰值压力之后发生。对于发动机1的所有操作条件，预定曲柄角不需要都相同，但其可以例如取决于发动机速度和负荷。
在测量压力之后，将测量的压力与控制单元10中的预定极限值进行比较(步骤103)。极限值不是恒定的，而是取决于至少发动机速度和负荷。例如，如果发动机速度是恒定的，则汽缸2中的压力由于更大的发动机负荷而更高。因此，预定极限值在特定发动机速度下对于更大发动机负荷来说更高。预定极限值可以基于例如在特定数量的在前燃烧冲程期间测量的压力值。平均值可以从之前测量值计算，并且预定极限值可以是特定百分比或高于计算的平均值的量。例如，预定极限值可以是高于平均值的3-15％或5-10％。预定极限值还可以基于来自对讨论中的发动机类型进行的测试的模拟结果或实验数据。用于不同发动机速度和负荷的预定极限值可以被存储在查找表中，并且控制单元10可以将测量的压力值与从查找表检索的值进行比较。
如果测量的压力超过预定极限值，则第一控制信号和第二控制信号针对讨论中的汽缸2被禁用(步骤104)。在那些汽缸2中，在测量的汽缸压力不超过预定极限值的情况下，引燃燃料和气体主燃料这两者的喷射正常继续。第一控制信号由此被发送到进气阀3，并且第二控制信号被发送到未受影响的汽缸2的引燃燃料喷射器5。
增大的汽缸压力可以是打开引燃燃料喷射器5的结果。然而，增大的压力还可以例如由故障进气阀3造成。如果在具有卡在打开或部分打开位置的阀针的引燃燃料喷射器5中存在故障，则引燃燃料到汽缸中的喷射继续，而与禁用的第二控制信号无关。然而，因为防止气体主燃料进入汽缸中，所以在随后进气冲程和燃烧冲程期间被引入到汽缸2中的燃料总量是合理的，并且汽缸压力保持在可接受水平。因此，可以避免损坏发动机1的汽缸盖和其它组件。
在随后燃烧冲程期间，监测汽缸2以用于检测汽缸2中的可能燃烧(步骤105)。燃烧可以例如通过测量至少在特定预定曲柄角处的汽缸压力被检测。在打开排气阀之前，测量汽缸压力。汽缸压力在先前燃烧冲程期间可以以相同曲柄角被测量，但是曲柄角在引燃燃料的推测点燃之后还可以是另一个曲柄角。代替压力监测，可以例如通过监测发动机1的振动来检测燃烧。如果检测到燃烧，则是打开引燃燃料喷射器5的指示。因此，至少第一控制信号保持被禁用，以用于最小化流到汽缸2中的燃料，并且触发告警(步骤107)。而且，还可以保持禁用第二控制信号。在未检测到燃烧的情况下，增大的汽缸压力最可能由某个其它原因造成。在这种情况下，启用第一控制信号和第二控制信号，以用于继续发动机1的正常操作(步骤106)。
发动机1的所有汽缸2的汽缸压力在操作发动机1时在各个燃烧冲程期间被测量。故障引燃燃料喷射器5由此可以在随后气体喷射之前及时被检测，并且可以禁用气体喷射。燃烧冲程期间的早期检测给予发动机1的控制***足够时间切断到具有故障引燃燃料喷射器5的汽缸2中的气体喷射。由此有效保护发动机1不受过多汽缸压力影响。
本领域技术人员将理解，本发明不限于上述实施方式，而可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (15)

1.一种用于操作四冲程双燃料或多燃料活塞发动机(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
-向进气阀(3)发送第一控制信号以用于打开所述进气阀(3)并且将气体燃料引入到进气管道(4)中并且进一步到所述发动机(1)的汽缸(2)中(100)，
-向引燃燃料喷射器(5)发送第二控制信号以用于打开所述引燃燃料喷射器(5)并且将液体引燃燃料引入到所述汽缸(2)中以用于点燃经由所述进气阀(3)引入的进入空气和所述气体燃料的混合物(101)，
-以预定曲柄角测量在燃烧冲程期间所述汽缸(2)中的压力，所述测量在所述燃料的推测点燃之后且在排气阀打开之前(102)，
-将测量的压力与预定极限值进行比较(103)，以及
-在所述测量的压力超过所述预定极限值的情况下，禁用所述第一控制信号和所述第二控制信号(104)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，以在可推测峰值压力曲柄角之后的曲柄角测量所述压力。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述压力在排气阀打开之前以最多50度被测量。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述压力在排气阀打开之前以最多20度被测量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述压力在排气阀打开之前以最多10度被测量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以为上止点之后至少20度的曲柄角测量所述压力。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，以为上止点之后至少40度的曲柄角测量所述压力。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，以为上止点之后至少60度的曲柄角测量所述压力。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在燃烧结束时测量所述压力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述预定极限值基于在预定次数的先前燃烧冲程期间以所述预定曲柄角在所述汽缸(2)中测量的压力值来确定。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在用于检测所述汽缸(2)中的可能燃烧的随后燃烧冲程期间监测所述汽缸(2)，并且在检测到燃烧的情况下，保持禁用至少所述第一控制信号，并且触发告警(107)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过监测所述汽缸(2)中的所述压力检测所述汽缸(2)中的所述可能燃烧。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，还在检测到燃烧的情况下，保持禁用所述第二控制信号。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，在未检测到燃烧的情况下，启用所述第一控制信号和所述第二控制信号(106)。
15.一种四冲程双燃料或多燃料活塞发动机(1)，所述四冲程双燃料或多燃料活塞发动机包括
-用于气体燃料的第一燃料喷射***，所述第一燃料喷射***包括用于所述发动机(1)的每个汽缸(2)的进气阀(3)，所述进气阀用于将气体燃料引入到所述发动机(1)的进气管道(4)中，
-用于液体引燃燃料的第二燃料喷射***，所述第二燃料喷射***包括用于所述发动机(1)的每个汽缸(2)的引燃燃料喷射器(5)，所述引燃燃料喷射器用于将液体引燃燃料喷射到所述发动机(1)的所述汽缸(2)中，
-用于所述发动机(1)的每个汽缸(2)的压力传感器(17)，所述压力传感器用于测量所述发动机(1)的所述汽缸(2)中的压力，以及
-控制单元(10)，所述控制单元被构造为实现根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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