本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的操作多缸活塞发动机的方法。本发明还涉及根据另一个独立权利要求的前序部分中定义的活塞发动机。
背景技术：
当大型活塞发动机(诸如，船舶的主或辅助发动机或发电厂发动机)以非常低的负载(诸如，小于发动机额定输出的25％的负载)运转时，部分气缸可被停止。通过只使用发动机的气缸中的一些气缸，能够减少发动机的排放并且能够提高发动机的效率。在这种被称为跳跃点燃或启动气缸停止的操作模式下，在预定数量的发动机循环内，中断所选择气缸中的燃料喷射。当预定数量的发动机循环已经过去时，恢复被停止的气缸中的燃料喷射，并且在另一组气缸中，中断燃料喷射。通过按照预定模式交替地停止气缸，确保被停止的气缸中的温度不会变得太低。然而，尽管气缸被交替地停止，但是当恢复被停止的气缸中的燃料喷射时，至少在恢复燃料喷射之后的第一循环期间，被启动的气缸中的燃烧是弱的。微弱的燃烧造成发动机转速和动力有波动。该波动可能幅度较大，并且发动机操作者可检测到发动机的呈晃动或摇摆的形式的波动。另外，发动机的转速/负载控制器需要不断地调节其设置，因此不能达到真正的稳态操作。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种改进的用于操作多气缸活塞发动机的方法。该方法包括以下步骤：操作处于启动状态下的包括至少一个气缸的第一气缸组，在所述启动状态下，在所述发动机的每个循环期间将第一量的主要燃料喷射到所述第一气缸组中的每个气缸中，同时，操作处于停止状态下的包括至少一个气缸的第二气缸组，在所述停止状态下，至少所述主要燃料到所述第二气缸组中的气缸中的喷射被停止，以及通过发起或恢复所述主要燃料到所述第二气缸组中的气缸中的燃料喷射来启动所述燃料喷射。换句话讲，发动机在跳跃点燃模式下操作，在跳跃点燃模式下，气缸被交替地停止，以防止被停止的气缸中温度过度降低。在权利要求1的特征部分中，给出了根据本发明的特征化特征。本发明的另一个目的是提供一种改进的活塞发动机，该活塞发动机包括控制单元，该控制单元用于独立地控制发动机的各气缸中的燃料喷射量。在其它独立权利要求的特征部分中，给出了根据本发明的活塞发动机的特征化特征。
在根据本发明的方法中，当所述主要燃料到所述第二气缸组中的气缸中的燃料喷射被启动时，在所述发动机的第一循环期间，第二量的主要燃料被喷射到所述第二气缸组中的每个气缸中，所述第二量大于所述第一量。
在根据本发明的发动机中，所述控制单元被配置成实施以上定义的方法。
利用根据本发明的方法，可补偿在停止状态下的操作之后第一发动机循环期间出现的较弱燃烧。发动机的动力输出因此保持稳定并且发动机可以更平稳地运转。
根据本发明的实施方式，当到所述第二气缸组中的气缸中的所述燃料喷射被启动时，只有所述第二气缸组中的气缸中的所述燃料喷射的量被增加。因此，第一气缸组中的气缸至多接收与恢复所述第二气缸组中的气缸中的燃料喷射之前相同量的主要燃料。如果发动机持续在跳跃点燃模式下操作，则第一气缸组中的全部或部分气缸可被自然地切换至停止状态。通过只在最近被启动的气缸中增加燃料喷射量，各气缸的动力输出得到了均衡化。
根据本发明的实施方式，在所述第二量的所述主要燃料被喷射到所述第二气缸组中的气缸中的第一发动机循环之后，所述第二气缸组中的气缸中的所述燃料喷射的量被减少。较弱的燃烧经常主要出现在第一启动循环期间，因此可以在第一启动循环之后减少燃料喷射量。在第一启动循环之后，燃料喷射量可减少至第一量。另选地，燃料喷射量可减少至第三量，第三量大于第一量。可在第二启动循环期间使用该第三量。在某些情况下，另外，在第二启动循环期间，燃料喷射量略大于稳态操作时的量可能是有益的。如果燃料喷射量在第一启动循环之后减少至第三量而非第一量，则燃料喷射量可在第二启动循环之后减少至第一量。
根据本发明的实施方式，燃料的所述第二量比燃料的所述第一量大20％至60％，优选地，比燃料的所述第一量大25％至50％。燃料喷射量的适当增加取决于几个因素，但是通常以上提到的范围内的增加应该是适当的。燃料的第三量可例如比燃料的第一量大0％至25％。
根据本发明的实施方式，所述主要燃料是气态燃料。所述主要燃料的至少大部分可被引入到所述发动机的进气管道中。如果发动机通过将气态主要燃料引入到进气管中而进行操作，则根据本发明的方法是特别有益的。在此发动机进行稳态操作期间，在进气阀闭合之后，所喷射燃料中的一部分保留在进气管道中。燃料的流入气缸中的那一部分因此是“新鲜”燃料，并且燃料的一部分是来自先前的燃料喷射的残余气体。如果将燃料引入进气管道中的进气阀在一个或更多个发动机循环中是闭合的，则用进气对进气管道进行扫气，并且在气缸的第一启动循环期间，气缸接收量比所喷射量少的燃料。增加的燃料喷射量补偿了该差异。
可借助于液体引燃燃料将气态主要燃料点燃，并且在所述停止状态下，液体引燃燃料到所述第二气缸组中的气缸的喷射也可被中断。在进行液体引燃燃料喷射的燃气发动机中，还可在发动机的第一启动循环期间增加液体引燃燃料的燃料喷射量。在第一启动循环期间，在被启动的气缸中喷射的引燃燃料的量因此大于在稳定状态下已经喷射到气缸中的引燃燃料的量。如果在第二启动发动机循环期间也使用喷射量增加的主要燃料，则在第二启动循环期间也可增加引燃燃料量。通过增加引燃燃料喷射，主要燃料的点燃可被提前。
根据本发明的实施方式，所述第二燃料喷射量选自查询表，在所述查询表中，所述第二燃料喷射量基于所述发动机的中断平均有效压力和被停止的所述气缸的数量。这是根据发动机的操作状况来调节燃料喷射量的简单方式。
根据本发明的实施方式，所述发动机的所指示的平均有效压力即imep被监测，并且基于所述监测，燃料的所述第二量被优化，使得所述第一启动循环期间的所述imep接近稳定状态操作期间的所述imep。发动机的控制单元因此被配置成学习适于测得的某个imep的燃料喷射量。以这种方式，气缸的第一启动循环期间的燃料喷射量被最佳地优化，以确保所述气缸的动力输出保持稳定。可通过校正查询表来实施该方法，第二燃料喷射量被存储在所述查询表中。
附图说明
以下，将参照附图来更详细地描述本发明的实施方式，在附图中，
图1示意性地示出了活塞发动机，
图2示意性地示出了另一个活塞发动机，以及
图3示出了跳跃点燃模式下发动机的操作流程图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了活塞发动机1。发动机1是大型内燃发动机，诸如，船舶的主或辅助发动机或在发电厂用于发电的发动机。发动机1的额定功率为每气缸至少150kw，气缸内径至少为150mm。在图1的示例中，发动机1包括被编号为气缸c1至c6的六个气缸2。气缸2排成一行。发动机1可包括任何合理数量的气缸2(例如，从4至20)，并且气缸2也可例如以v形配置而不是图1的成排配置进行布置。图1的发动机1包括涡轮增压器3，涡轮增压器3包括压缩机3a和涡轮机3b。发动机1也可设置有两个或更多个涡轮增压器3，例如，用于两级涡轮增压。然而，发动机1的操作不是必须需要涡轮增压器。发动机1的进气经由进气管道11引入发动机1的气缸2中。来自发动机1的排气通过排气管道12被传导到涡轮增压器3的涡轮机3b。
在图1的实施方式中，发动机1是燃气发动机，在其中用液体引燃燃料将气态主要燃料点燃。主要燃料可以是例如天然气。引燃燃料可以是例如轻燃料油。因气缸2中的燃烧而释放的能量中的大部分来源于主要燃料。优选地，由燃烧释放的能量中的不到10％来自引燃燃料。发动机1设置有燃料喷射器5，燃料喷射器5用于将引燃燃料喷射到气缸2中。每个燃料喷射器5可被独立控制。引燃燃料被直接喷射到发动机1的气缸2中。用于引燃燃料的燃料喷射器5是共轨系统的一部分，共轨系统包括燃料轨道6以及高压泵7和低压泵8，高压泵7和低压泵8将罐9中的液体燃料供应到燃料轨道6中。简化了引燃燃料喷射系统的例示，并且引燃燃料系统可包括图1中未示出的许多其它组件。引燃燃油喷射可能有许多其它的布置。例如，燃料轨道6和燃料泵7、8的数量可有所不同。
发动机1还包括用于气态燃料的燃料喷射系统。用于气态燃料的燃料喷射系统设置有进气阀4，进气阀4用于将气态燃料引入到发动机1的气缸2中。燃料从罐10经由气体供应管线14供应到进气阀4。发动机1的每个气缸2都设置有进气阀4。进气阀4被定位成使得燃料能够被引入靠近发动机1的进气门的进气管道11中。气态燃料因此不被直接喷射到气缸2中。因此，由气缸2接纳的燃料量与喷射量不完全相同，而是所喷射燃料的一部分保留在进气管道11中，并且在先前的发动机循环期间已经喷射的燃料的一部分从进气管道11流入到气缸2中。进气阀4可连接到发动机1的气缸盖。每个进气阀4可被独立控制。因此，每个气缸2的燃料喷射量可被独立控制。实际上，可通过控制燃料喷射的时段来控制燃料喷射量。发动机1包括电子控制单元13，电子控制单元13用于控制进气阀4的打开和闭合。为了清晰起见，未示出控制单元13如何连接到进气阀4。可使用同一个控制单元13来控制引燃燃料系统的燃料喷射器5的打开和闭合。
当发动机负载是十足的负载(例如，小于发动机1的额定输出的少于百分之二十五)时，发动机1可在跳跃点燃模式下操作，在跳跃点燃模式下，发动机1的气缸2中的一些气缸至少被部分停止。随着发动机1的负载降低，燃烧过程的效率降低。效率的降低是例如由以下因素造成的：气缸压力越低，导致混合密度越小并且火焰传播越差，空气/燃料比率越高，导致气体混合物越稀，气体喷射时段越短，造成气体混合越差，引燃燃料的较大部分干扰了主要燃料的燃烧。在跳跃点燃模式下，启动气缸2所经受的负载增加，而发动机1的总输出可保持在所期望水平。
如果发动机1在跳跃点燃模式下运行较长时间段，则被停止的气缸2的温度变低。发动机1中的大温度梯度可能会造成问题，并且另外，如果被停止的气缸2中的温度低，则难以在气缸2中启动燃料喷射。为了避免这些问题，可改变被停止的气缸2。例如，可在预定数量的发动机循环内中断气缸c1、c3和c5中的燃料喷射，并且在预定数量的循环已经过去之后，在中断气缸c2、c4和c6中的燃料喷射的同时，恢复那些气缸2中的燃料喷射。以这种方式，气缸2中只有一半的气缸被用于燃烧，而启动气缸2以一定间隔改变。
然而，启动气缸2的改变会牵涉到一些问题。当恢复已经被停止的气缸2中的燃料喷射时，在气缸2启动之后的第一循环期间，气缸2中的燃烧较弱。气缸2启动之后的第一循环，第一启动循环或类似表述在这里是指这样的发动机循环，在该发动机循环期间，在停止时间段之后的第一时间内，主要燃料被引入到已经处于停止状态的气缸2中。在停止时间段之后的气缸2的第一启动循环期间，由所述气缸2产生的动力比在发动机1进行稳定状态操作期间的低。这造成发动机1的动力和速度有波动，这可被察觉为发动机1的晃动或摇摆。另外，发动机的转速/负载控制器需要不断地调节其设置，因此不能达到稳定状态。可以用本发明来减少或消除以上提到的问题。
图3被示出为根据本发明的实施方式的发动机1的操作方法的流程图。在该方法中，发动机1的气缸2分两组进行操作。气缸c1、c3和c5形成第一气缸组(气缸组1)，气缸c2、c4、c6形成第二气缸组(气缸组2)。发动机1以比发动机1的额定功率的25％小的恒定负载进行操作。为了将发动机1的输出动力以所期望水平保持在稳定状态下，在发动机1的每个循环期间，需要将一定量的主要燃料引入到发动机1的每个启动气缸2中。该量在下文中被称为主要燃料的第一量。实际上，通过改变燃料喷射的时段来调节发动机1的每个循环期间喷射的主要燃料的量。因此，使用第一燃料喷射时段将燃料喷射到气缸2中。表述“发动机的循环”或“发动机循环”在这里指的是包括四冲程发动机中的曲轴的两个旋转和二冲程发动机中的一个旋转的循环。在一个发动机循环期间，将燃料喷射到发动机1的每个启动气缸2中一次。
引燃燃料的量被选择成使得主要燃料被可靠地点燃，但是整个燃料喷射的引燃燃料的比例被保持在最小值。在时刻t0，气缸组1中的气缸c1、c3、c5中的燃料喷射被中断。通过进气阀4进行的主要燃料喷射和通过燃料喷射器5进行的引燃燃料喷射这二者被中断。气缸组2中的燃料喷射正常持续，并且在发动机1的每个循环期间，第一量的主要燃料被喷射到气缸组2中的每个气缸c2、c4、c6中。发动机1因此以跳跃点燃模式操作，并且气缸组1中的气缸c1、c3、c5处于停止状态，而气缸组2中的气缸c2、c4、c6处于启动状态。发动机1的该操作以预定数量的发动机循环继续进行。
在时刻t1，气缸组1中的气缸c1、c3、c5被切换成启动状态，而气缸组2中的气缸c2、c4、c6被切换成停止状态。如果发动机1已经以跳跃点燃模式开始并且气缸组2中的燃料喷射被中断，则气缸组1中的燃料喷射因此被恢复或开始。在气缸组1中，使用第二燃料喷射量开始主要燃料的燃料喷射。第二燃料喷射量大于第一燃料喷射量，例如，大25％至50％。实际上，通过将燃料喷射时段增加25％至50％来增加燃料喷射量。因此，使用比第一燃料喷射时段长的第二燃料喷射时段将燃料喷射到气缸中。较大量的主要燃料补偿了在燃料喷射中断之后气缸组1中的气缸中面临的较弱的燃烧。理想的燃料喷射量的增加取决于几个因素(诸如，发动机负载、发动机的尺寸、被停止的气缸组中气缸的数量和燃料的类型)。当恢复燃料喷射时喷射到气缸c1、c3、c5中的引燃燃料的量可与燃料喷射中断之前的相同。另选地，另外，可按与主要燃料的量相同的方式来增加引燃燃料的量。在引燃燃料喷射量也增加的情况下，燃料喷射量的总增加量优选地保持在25％至50％的范围内。通过增加引燃燃料的量，主要燃料的点燃可被提前。优选地，如果引燃燃料喷射量增加，则引燃燃料的喷射定时同时也被提前。
可按不同方式来确定第二燃料喷射量。如以上已经讨论的，所需增加量取决于几个因素。简单的替代方案是，使第二燃料喷射量基于被停止的气缸2的数量和发动机1的中断平均有效压力(bmep)。针对被停止的气缸的数量和bmep范围的每种组合来确定合适的第二燃料喷射量。燃料喷射量被存储在查询表中，并且在发动机操作期间，控制单元13监测bmep和被停止的气缸2的数量，并且从查询表中选择对应的燃料喷射量或燃料喷射时段。
为了更好地优化第二燃料喷射量，可测量所指示的平均有效压力(imep)，并且第二燃料喷射量可以基于该测量结果。因此，发动机1的控制单元13监测imep并且调节第二燃料喷射量，使得第一启动循环期间的imep接近发动机1进行稳态操作期间的imep。控制单元13因此学习发动机1的行为并且改善燃料喷射控制。以这种方式，能够有效地平衡各气缸2的动力输出。另外，在这种方法中，可将所确定的第二燃料喷射量的值存储在查询表中，从该查询表中选择适当的量。
在时刻t2，气缸组1中的气缸c1、c3、c5中的主要燃料的燃料喷射量被减少至第一量。较弱的燃烧主要发生在燃料喷射中断之后的第一循环期间，因此时刻t2优选是时刻t1之后的一个发动机循环。因此，只有在第一启动发动机循环期间才使用增加的燃料喷射量。然而，在某些情况下，在第二启动发动机循环期间使用增加的燃料喷射量可能是有益的。因此，例如，在前两个启动发动机循环期间，也可使用第二燃料喷射量。也可以在第二启动发动机循环期间使用第三燃料喷射量。第三燃料喷射量可例如比第一燃料喷射量大0％至25％。第三燃料喷射量因此大于第一燃料喷射量，但小于第二燃料喷射量。第三燃料喷射量和第一燃料喷射量之间的差值可例如是第二燃料喷射量和第一燃料喷射量之间的差值的30％至60％。如果还使用第三燃料喷射量来操作发动机1，则可在时刻t1之后的作为一个发动机循环的时刻t1'将燃料喷射量减少至第三燃料喷射量。在时刻t2(该时刻t2是时刻t1'之后的一个发动机循环和时刻t1之后的两个发动机循环)，燃料喷射量可减少至第一量。
在时刻t3，气缸组2中的气缸c2、c4、c6中的燃料喷射被恢复。同时，气缸组1中的气缸c1、c3、c5中的燃料喷射被再次中断。另外，在气缸组2中，使用第二燃料喷射量的主要燃料来恢复燃料喷射。在优选作为时刻t3之后的一个发动机循环的时刻t4，气缸组2中的气缸c2、c4、c6中的主要燃料的燃料喷射量减少至第一量。再者，在将燃料喷射量减少至第一燃料喷射量之前，可使用第三燃料喷射量。在时刻t5，气缸组1中的气缸c1、c3、c5中的燃料喷射被再次恢复。同时，气缸组2中的气缸c2、c4、c6中的燃料喷射被再次中断。跳跃点燃模式按照相同模式继续进行，直到发动机负载或其它某些条件的改变造成需要改变操作模式为止。
在上述的实施方式中，主要燃料的喷射和引燃燃料的喷射这二者在被停止的气缸组中的气缸2中被中断。然而，还可通过只中断主要燃料喷射并且维持引燃燃料喷射来实施跳跃点燃模式。
可按许多不同方式将发动机1的气缸2划分成气缸组。例如，气缸2可被分成三个或更多个气缸组，并且一次在一个气缸组中中断燃料喷射。另外，分成不同的气缸组不需要是固定的，而是可根据需要而改变。例如，在一定的负载下，发动机1可进行操作，以使得一次中发动机1的气缸2中的一半处于停止状态，并且在较大的负载下，一次中仅仅例如气缸2中的三分之一处于停止状态。在某些情况下，气缸组可只包括一个气缸2。
以上描述了使用气态主要燃料和液体引燃燃料的燃气发动机1的操作。一次只使用一种燃料进行运转的发动机以类似方式操作。图2示意性示出火花点燃的燃气发动机1。图2的发动机1与图1的发动机1的不同之处在于，使用火花塞15替代引燃燃料喷射器5来将气态主要燃料点燃。发动机1的每个气缸2都设置有火花塞15。至少气态燃料的主要部分被引入发动机1的靠近进气阀的进气管道14中。然而，燃料的一部分可被引入到预燃室中。在该情况下，发动机1的每个气缸2都设置有预燃室，预燃室设置有用于控制燃料进入到预燃室中的单独预燃室阀。火花塞15可布置在预燃室中。预燃室允许将稀的燃料/空气混合物引入到主要燃烧室中并且将预燃室中较富集的混合物点燃。
在火花点燃的燃气发动机中，不需要引燃燃料。当将停止的气缸组2切换成启动状态时，仅主要燃料的量因此被增加至第二量。如果发动机1设置有预燃室，则发动机1可进行操作，使得进入到预燃室中的燃料喷射量保持恒定并且只有喷射到进气管道11中的量被增加。因此，可保持用于点燃的最佳燃料/空气比，同时进气管道11中增加的燃料喷射可以确保气缸2的性能在停止状态之后的第一启动发动机循环期间也处于所需水平。
本领域的技术人员应该理解，本发明不限于上述实施方式，而是可在随附权利要求书的范围内变化。