具有可变燃料气体喷射压力和持续时间的内燃的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种内燃机，所述内燃机例如是两冲程十字头柴油机，所述内燃机包括：燃料气体供给系统；气缸，所述气缸设置有用于将燃料气体直接喷射到气缸的燃烧室中的燃料气体喷射器；以及发动机控制单元，所述发动机控制单元根据发动机负载指数控制到气缸中的燃料气体喷射，其中到气缸中的燃料气体喷射通过调节燃料气体喷射长度而被控制，其中到气缸中的燃料气体喷射通过调节燃料气体喷射长度和燃料气体喷射压力来控制，发动机控制单元通过调节燃料气体喷射长度使燃料气体喷射适应于发动机负载的突然变化，燃料喷射长度和燃料气体喷射压力依赖于发动机负载指数，以及发动机控制单元调节燃料气体喷射压力且相反地调节燃料气体喷射长度以符合发动机负载指数。
【专利说明】具有可变燃料气体喷射压力和持续时间的内燃机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种内燃机，诸如两冲程十字头柴油机，包括燃料气体供给系统、气缸以及发动机控制单元，所述气缸设置有用于将燃料气体直接喷射到气缸的燃烧室中的燃料气体喷射器，所述发动机控制单元根据发动机负载指数控制到气缸中的燃料气体喷射，其中到气缸的燃料气体喷射通过调节燃料气体喷射长度而被控制。
【背景技术】
[0002]在降低来自内燃机的运行的二氧化碳、一氧化氮以及硫排放上具有不断增加的兴趣，因此已经研究了对传统的燃料油的替代物。诸如MANDiesel 12K80MC-G1-S的大型两冲程柴油机的运行已经表明用燃料气体作为主燃料的运行可以既是安全可靠的，又是与传统的燃料油相比对于排放在环境方向是期望的。关于海运市场的大型两冲程柴油机，使用燃料气体的发动机正在变得越来越感兴趣，尤其是对于液化天然气运输器(LNG carrier),其中来自气罐的汽化气体必须在运输期间被处理。
[0003]通常，通过命令较短的燃料喷射长度以用于降低发动机负载、或通过命令较长的燃料喷射长度进行较长的喷射长度以用于增加发动机负载来控制这种内燃机的发动机负载。这基于在发动机负载和燃料喷射长度之间存在简单的线性关系并且燃料消耗通常针对于高发动机负载进行优化的假定。
[0004]US 5，533，492公开了一种用于补偿通过低压燃料气体供给系统将燃料气体提供至内燃机的气缸的压力的变化的方法。到气缸中的燃料气体喷射的持续时间依赖于燃料气体压力的测量到的变化的起伏的平均值被调节。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种内燃机，该内燃机的燃料气体燃烧在全发动机负载下具有更优化的运行。
[0006]鉴于此，本发明的特征在于，到气缸中的燃料气体喷射通过调节燃料气体喷射长度和燃料气体喷射压力来控制，发动机控制单元通过调节燃料气体喷射长度使燃料气体喷射适应于发动机负载的突然变化，燃料喷射长度和燃料气体喷射压力依赖于发动机负载指数，以及发动机控制单元调节燃料气体喷射压力且相反地调节燃料气体喷射长度以符合发动机负载指数。
[0007]通过独立于发动机负载指数调节燃料气体喷射长度，可以立即调节喷射到气缸中的能量的量，以使燃料气体喷射适应于发动机负载的变化。这有利于海运柴油机，其中例如作用到船上的演习(manoeuvre)、波浪、海流以及风暴可能导致发动机负载的突然变化。沿着螺旋桨曲线为在不同的发动机负载的运行限定燃料气体喷射长度和燃料气体喷射压力的预定的发动机负载指数的设置提供了在发动机效率上提供了相当大的改进。
[0008]由于可以比燃料气体喷射压力更快地改变命令的燃料气体喷射长度，所以调节发动机负载以符合发动机负载的突然变化通过以下实现:首先调节燃料气体喷射长度，然后其次燃料气体喷射压力被调节，同时相反地调节燃料气体喷射长度直到燃料气体喷射长度和燃料气体喷射压力两者符合预定的发动机负载指数为止。这使得发动机的调节在更宽的发动机负载下非常灵活且非常有效，这是因为燃料气体喷射压力的调节使得可以沿着螺旋桨曲线在宽范围的发动机负载下优化燃料气体喷射长度和燃料气体喷射压力两者。
[0009]发动机负载的灵活地调节在燃料气体喷射压力可以仅被燃料气体供给系统非常缓慢地改变时也是有利的。如果需要期望的发动机负载的显著变化，则期望的发动机负载可以容易地通过以较不有效地运行发动机为代价调节燃料气体喷射长度的持续时间直到燃料气体供给系统可以根据发动机负载指数提供燃料气体喷射压力来实现。在燃料气体喷射压力接近基于发动机负载指数的水平时，燃料气体喷射长度的持续时间被相反地调节，直到基于发动机负载指数的期望的运行点被实现为止。
[0010]在优选的实施例中，气缸设置有燃料油供给系统和将燃料油直接喷射到气缸的燃烧室中的燃料油喷射器。
[0011]在本发明优选的实施例中，燃料气体供给系统是共轨燃料气体供给系统。
[0012]在本发明优选的实施例中，燃料气体喷射压力在150巴至300巴的范围内。因此，燃料气体供给系统是高压燃料气体供给系统，燃料喷射压力的调节可以由所述高压燃料供给系统通过发动机控制单元命令。
[0013]在本发明优选的实施例中，在100%的发动机负载下，发动机速度在45rpm至175rpm的范围内。
[0014]在本发明的另外的实施例中，提供燃料气体至气缸的燃料气体供给系统连接至液化天然气运输器的液化天然气罐。显然，燃料气体供给系统可以连接至专门的燃料气体罐，即，货船与燃料气体分隔开。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]参考高度示意的附图在下文更加详细地描述本发明的示例和其的实施例，在附图中:
[0016]图1是根据本发明的发动机的整体视图，
[0017]图2是根据本发明优选实施例的具有组合的燃料油和燃料气体运行模式的发动机的示例。
【具体实施方式】
[0018]参考高度示意的附图在下文更加详细地描述本发明的示例和其的实施例，在附图中:
[0019]图1是根据本发明的发动机的整体视图；以及
[0020]图2是根据本发明的优选实施例的具有组合的燃料油和燃料气体运行模式的发动机的示例。
[0021]【具体实施方式】
[0022]根据本发明的优选实施例的内燃机I可以是两冲程十字头柴油机，如图1中所示。这种发动机I可以是品牌MAN Diesel和型号MC或ME,或品牌WiirtsiUi的型号SulzerRT-flex 或 Sulzer RTA,或品牌 Mitsubishi Heavy Industries (三菱重工公司)。这种型号的发动机是大型发动机，该发动机典型地用作船中的主发动机或发电厂中的固定发动机。气缸可以例如具有在25cm至120cm的范围内的缸筒，发动机可以例如具有在从3000kW至120000kW的范围内的功率。发动机速度典型地在从40rpm至250rpm的范围内。根据本发明的压缩点火内燃机典型地能够使用重质燃料油作为主燃料。
[0023]图1的发动机I具有多个气缸，且气缸套2安装在发动机框架4的气缸部分3中。排放阀外壳5安装在气缸盖6中，排放管7从单个气缸延伸至多个或所有气缸所共有的废气接收装置8。在废气接收装置中，由从废气管排出的废气脉冲所引起的压力变化被均衡成更加均匀的压力，一个或更多的涡轮增压器9接收来自废气接收装置8的废气，且将压缩的空气输送至包括扫气接收装置10的扫气系统，该扫气接收装置10类似于废气接收装置为细长压力容器。
[0024]在单个气缸中，活塞安装在活塞杆上，该活塞杆经由十字头和连接杆(未示出)与曲柄轴上的曲柄销连接。燃料喷射器将燃料喷射到燃烧室中。在喷射燃料是燃料油时，该燃料由于在活塞上方的空气中的高温而自动点火。高温由于活塞在向上压缩冲程期间压缩进入空气而出现。
[0025]优选的是本发明在具有双燃料供给系统的海运柴油机中实施，在下述中本发明通过这样的示例而被描述，但是当然本发明可以被实施为单个燃料系统。发动机是电子控制发动机，其电子控制油和气体喷射，从而确保燃料喷射和燃烧被优化。另外，基于高压气体喷射原理，且引燃燃料油喷射用于对燃料气体燃烧进行点火。通过该原理，柴油机燃烧过程可以被完全利用且由此可以获得与燃料油燃烧一样高的热效率。在图2中，气缸部分3被示出仅具有单个气缸11，但是发动机具有多个气缸，诸如4至15个气缸。如在图2中所示意性地显示，内燃机I包括燃料油供给系统23和燃料气体供给系统19，给燃料油喷射系统20和燃料气体喷射系统30提供燃料油和燃料气体，以被提供到气缸11的燃烧室中。在本示例中，燃料油喷射系统20和燃料气体喷射系统30分别控制燃料油和燃料气体到气缸11的燃烧室中的喷射。燃料喷射系统20、30的一般原理是每个气缸11与连接至气缸盖6中的燃料喷射器13、14的诸如燃料泵或阀的、控制一个或更多的燃料定量装置15、16的气缸控制单元12相关联。每个气缸的喷射器13、14的数量取决于气缸11的功率。在优选的实施例中，每个气缸包括至少一个燃料油喷射器和燃料气体喷射器14。在较小的发动机中,对于每种燃料来说，单个喷射器可以足以喷射一个燃烧过程所需要的燃料量，而在较大型更大功率的发动机中，对于每一种燃料来说可能需要两个或三个喷射器。在每一气缸11设置多个喷射器时，每个喷射器13、14可以具有一个燃料定量装置15、16。燃料喷射系统20、30的发动机控制单元12又由与容器的桥接部通信的发动机控制单元17进行控制。
[0026]优选的是燃料气体供给系统19连接至在海上运行的LNG运输器的天然液化气(LNG)罐18。LNG运输器的LNG罐保持处于低温，但是由于来自海水和大气的外部热量通过罐的绝缘被传递而不可避免地被加热。由于外部热量的进入，LNG的一部分被气化，即被汽化，罐压力逐渐增加。为了将罐压力保持在可接受的水平，再液化系统(未显示)可以用于再液化汽化气体。可替代地，或与再液化系统组合，汽化气体压缩机可以在其被燃料气体喷射系统30命令时提供高压汽化气体。在气缸处，由气缸控制单元12所控制的燃料气体定量装置16影响燃料气体喷射器14的时序和打开。燃料气体优选地被通过共轨设计的双壁气体供给管道26被提供至燃料气体喷射系统，其中燃料气体喷射器14的阀由辅助控制油系统控制。原则上，这由液压控制油系统和电子气体喷射阀构成，从而将高压控制油供给至气体喷射器14，由此控制气体喷射器14的气体阀的时序和打开。燃料气体供给系统是高压燃料气体供给系统。在气体输送压力基于发动机负载在150巴至300巴之间时实现了有效的气体喷射，并且燃料气体具有大约45°C的温度。缓冲罐22用于在汽化气体通过燃料气体供给系统19被提供至燃料气体喷射系统30之间存储汽化气体。在LNG运输器的LNG罐中不可避免的汽化气体的量通常不足以用作用于LNG运输器的内燃机的运行的唯一燃料，但是汽化气体的量可以有利地组合根据本发明的内燃机中的燃料油一起使用。燃料气体喷射系统30的运行对于气体组成以及气体组成的变化不敏感。专用燃料气体罐则可以是在与货船完全分离的甲板的顶部上的另外的燃料气体压力罐。因此，通常由如丙烷和丁烷的更高的烃构成的液化石油气体(LPG)也可以如LNG那样用作燃料气体，且不需要在速度、热效率和功率输出方面上改变发动机的性能，同时保持与燃料油相同的额定功率。实现燃料气体的完全雾化(atomization:或喷射)所需的压力则大约为550巴，并且大为35°C的温度是优选的。
[0027]燃料气体供给系统可以接收直接来自船的货船的燃料气体或来自专门的燃料罐的燃料气体，所述专门的燃料罐可以是船的甲板上的燃料罐。此外，燃料气体供给系统可以接收来自例如制造商Hamworthy的汽化气体再液化系统的燃料气体,或可以接收直接来自货船或专门的燃料气体罐的燃料气体。燃料气体供给系统还可以来自制造商Hamworthy并通常包括增压泵、高压泵以及加热器单元。在通过增压泵将燃料气体泵吸至所需要的压力时，燃料气体被加热至需要的温度，然后经由双壁气体供给管道26提供至发动机气缸。额外的增压泵可以在加热燃料气体之后被设置至燃料，以将燃料气体压力调节至期望的水平。
[0028]在燃料油喷射系统20中，燃料油定量装置15可以是燃料泵，在需要燃料油供给系统23的情况下，仅将燃料油从燃料油罐21在燃料供料管24中以相对低的供给压力(诸如在从2巴至15巴的范围中的压力)输送至燃料计量装置。可替代低，燃料油定量装置15可以是阀或与计量装置相连接的阀，燃料供料管则是高压管，在所述高压管中，燃料处于比喷射压力更高的压力，诸如在500巴至1500巴的范围内的供给压力。这种燃料油供给系统23被称为共轨系统(common-rail system)。在任一,清形中，燃料油定量装置15通过具有阀的分支导管连接至燃料供给管24，该阀在正常发动机运行期间保持处于打开位置。燃料油定量装置15经由高压燃料油导管连接至燃料油喷射器13。回送导管从燃料油喷射器通至燃料油回送管线(未显示)。被提供至气缸的燃料油典型地是重质燃料油或船用柴油。
[0029]根据本发明的内燃机I可以通过将燃料气体供给系统19和燃料气体喷射系统30安装在具有上述燃料油供给系统的已有的发动机上来提供。为了简化安装和通常使得燃烧过程的控制策略最不复杂，通常优选的是独立的气缸控制单元12a、12b控制分别提供到气缸11的燃烧室中的燃料油和燃料气体的量。喷射控制装置可以是一个气缸控制单元或具有独立的气缸控制单元12a、12b，所述气缸控制单元分别控制提供到气缸11的燃烧室中的燃料油和燃料气体的量。同样地，燃料油控制系统20和燃料气体控制系统30两者包括独立的发动机控制单元17a、17b。显然，如在海运柴油机的领域中所已知的，至少燃料油控制系统20优选是冗余的，即存在冗余地缆线连接至气缸控制单元的另外的发动机控制单元。在运行根据本发明的内燃机时，燃料喷射的发动机调节通过燃料油喷射系统20或燃料气体喷射系统30进行。通常，发动机控制单元17接收来自传感器装置40的发动机速度信号和其他发动机运行参数，并且控制被提供到气缸11的燃烧室中的燃料的量和速率，这也被称作为发动机管理控制。根据本发明的内燃机可以在燃料油运行模式、燃料气体运行模式和组合的燃料油和燃料气体运行模式下运行。运行模式可以由船的桥接装置被命令。操作模式之间的切换可以通过连接至燃料油喷射系统20和燃料气体控制系统30的发动机切换单元25来执行，优选地发动机切换单元是燃料气体供给系统19的一部分。在组合的燃料油和燃料气体运行模式中，发动机切换控制单元25确定是否通过燃料油喷射系统20或燃料气体喷射系统30进行内燃机中的燃烧过程的关键时序和调节，即发动机切换单元25在燃料油控制系统20和燃料气体控制系统30之间切换管理控制。因此，在组合的燃料油和燃料气体运行模式中，在燃料油运行模式和燃料气体运行模式之间自动交替所述运行。运行模式之间的切换可以由来自桥接装置(bridge)的命令控制或为了安全原因在气体泄漏的情况下被命令，从而立即将发动机切换至燃料油运行模式。
[0030]在燃料气体运行模式中，燃烧过程的时序和燃料气体喷射由燃料气体喷射系统30来控制。这根据预定的、规定在给定的发动机负载下优化地运行发动机所需要的燃料喷射长度和燃料喷射压力的发动机负载指数来进行。在进行运行之前，发动机沿着螺旋桨曲线(propeller curve)在不同的负载下被测试，以确定在不同的负载下优化的参考燃料喷射长度和燃料喷射压力。因此，在发动机控制单元在发动机图中进行查找以获得例如燃料气体喷射的正确时序、排放阀的打开和关闭的时序和液压压力时，依赖于在期望的发动机负载下运行发动机所需要的命令的燃料喷射压力和命令的燃料喷射长度。
[0031]燃料喷射长度可以在从一个燃料气体喷射至下一个燃料气体喷射的非常短的时间尺度上被调节，即在I至2秒的范围内，或不太依赖于发动机速度，并且在实际中，可能的调节仅由通常的安全要求限制，所述通常的安全要求限制了从一个燃料气体喷射至下一个燃料气体喷射的燃料喷射长度的可能的变化。通过调节燃料气体喷射长度，喷射到气缸中的能量的量被调节。虽然发动机控制单元可以通过将期望的燃料喷射长度通信至气缸控制单元12来控制从燃料气体喷射至燃料气体喷射的燃料喷射长度，但是来自燃料气体供给系统19由发动机控制单元17b命令的燃料气体喷射压力的变化更加耗时。通过调节燃料气体喷射压力，能够调节每时间单位喷射到燃烧室中的能量的量。依赖于燃料气体供给系统的结构和所需要的燃料气体喷射压力的变化，命令的燃料气体喷射压力可以由燃料气体供给系统19在2秒至15秒内提供至燃料气体喷射系统30。然而，用于提供期望的燃料气体喷射压力的更长的响应时间是可行的。
[0032]燃料喷射长度的可行快速调节允许发动机控制单元通过下述方式控制发动机负载:首先调节燃料喷射长度以立即适应发动机负载的变化，之后根据预定发动机负载指数调节燃料喷射压力且相反地(counter)调节燃料喷射长度,其中该发动机负载指数提供发动机的最优运行。因此，为了使燃料气体喷射适应发动机负载的变化，燃料气体喷射长度首先独立于预定的发动机负载指数通过调节燃料气体喷射长度且由此调节喷射到气缸中的能量的量进行调节。然而，这以较不优化的发动机运行来实现，这是因为燃料气体喷射长度和燃料气体喷射压力都不符合发动机负载指数。因此，在燃料气体喷射长度被发动机控制单元命令以符合(comply)发动机负载的突然变化时，由燃料气体供给系统19命令燃料气体喷射压力的调节。虽然由燃料气体供给系统19输送至气缸的燃料气体喷射压力被调节成命令的燃料气体喷射压力，但是燃料气体喷射长度通过发动机控制单元相反地调节，直到燃料气体喷射压力和燃料气体喷射长度两者与预定的发动机负载指数相对应为止。
【权利要求】
1.一种内燃机，所述内燃机例如是两冲程十字头柴油机，所述内燃机包括: 燃料气体供给系统； 气缸，所述气缸设置有用于将燃料气体直接喷射到气缸的燃烧室中的燃料气体喷射器；以及 发动机控制单元，所述发动机控制单元根据发动机负载指数控制到气缸中的燃料气体喷射，其中到气缸中的燃料气体喷射通过调节燃料气体喷射长度而被控制， 其特征在于: 到气缸中的燃料气体喷射通过调节燃料气体喷射长度和燃料气体喷射压力来控制，发动机控制单元通过调节燃料气体喷射长度使燃料气体喷射适应于发动机负载的突然变化，燃料喷射长度和燃料气体喷射压力依赖于发动机负载指数，发动机控制单元调节燃料气体喷射压力且相反地调节燃料气体喷射长度以符合发动机负载指数。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，气缸设置有燃料油供给系统和将燃料油直接喷射到气缸的燃烧室中的燃料油喷射器。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，燃料气体供给系统是共轨燃料气体供给系统。
4.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，燃料气体喷射压力在150巴至300巴的范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，在100%的发动机负载下，发动机速度在45rpm至175rpm的范围内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，提供燃料气体至气缸的燃料气体供给系统连接至液化天然气输送器的液化天然气罐。
【文档编号】F02D1/02GK103511088SQ201310258145
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月26日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】安德斯·安德烈亚森 申请人:曼恩柴油机涡轮股份公司曼恩柴油机涡轮德国分公司