具有燃料气体性质测量系统的内燃机的制作方法

本发明涉及一种基于燃料气体运行的内燃机。

背景技术：

使用奥托(otto)或柴油原理的内燃机(例如二冲程内燃机、四冲程内燃机)可以用液体燃料或气态燃料来运行。为了使现代内燃机正确运行，需要准确知道内燃机的负荷。需要该信息来控制各种参数，例如喷射定时和长度排气阀打开定时和长度、可变涡轮增压器设置、scr(selectivecatalyticreduction，选择性催化还原法)设置、egr(exhaustgasrecirculation，排气再循环)设置、注入的气体压力、液压系统压力、排气旁路开度、冷却风扇速度、冷却液泵设置。这不是穷举的，并取决于内燃机类型。然而，所有内燃机的共同之处在于：为了正常运行需要准确确定负荷。

在本领域中，已知测量曲轴的转矩和转速并根据该信息得出内燃机负荷。还已知测量所消耗的燃料量以确定负荷。然而，这要求燃料的性质，特别是发热性质和密度是已知的或能够准确地确定。对于气态燃料，由于压力、温度的变化而导致更加难以确定所输送的燃料的密度，并且由于输送到内燃机中的燃烧室的气体的组成的变化而导致通常更加难以确定发热性质。

一种确定气态燃料性质的方法是使用气相色谱仪，并以定时的间隔取样。通过分析气体组成，可以计算关于气体性质的必要信息。然而，用例如气相色谱仪以定时间隔取样是昂贵和耗时的，并且不会提供即时结果，使得内燃机总是基于已经延时的信息运行，通常至少有几分钟的延时。实际气体采样与测量结果输出之间的延迟降低了内燃机运行的准确性。

其它可用的仪器测量或输出标准的沃泊指数(沃泊index)。沃泊指数是燃料气体互换性的指标。沃泊指数iw被定义为：iw＝vc/(sqrtgs)，其中vc是较高的热值，gs是比重。

沃泊指数用于比较装置中不同组成燃料气体的燃烧能量输出。如果两种燃料具有相同的沃泊指数，那么对于给定的压力和阀门设置，能量输出也将是相同的。

然而，沃泊指数并不是准确确定内燃机负荷所需的精确信息，因为沃泊指数仅会提供气体质量/性质之间的比较。

因此，当准确输送到内燃机且不存在明显的延迟时，需要确定燃料气体性质及其状态，以能够改善对基于燃料气体运行的内燃机的控制。

jp2005226621公开了根据权利要求1的前序部分的内燃机。在jp2005226621中，基于第一气体运行的内燃机具有用于确定供应到内燃机的气体的性质的仪器。一个或多个其它内燃机利用来自与基于第一气体运行的内燃机相同来源的相同气体供应运行。第一内燃机的设置基于其仪器，并且所述设置用于其它内燃机以基于气体供应正常运行。因此，仅一台内燃机需要设置有仪器，而其它内燃机能够使用第一台内燃机获得的信息而无需仪器即可运行。然而，这并不能提供用于那些只有一台基于单一气体运行的内燃机的情况的解决方案，该情况通常是在海洋船舶中使用大型二冲程柴油内燃机的情况。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种克服或至少减少上述问题的系统。

上述和其它目的通过独立权利要求的特征来实现。根据从属权利要求、说明书和附图中，进一步的实施形式是显而易见的。

根据第一方面，提供了一种内燃机，其包括：一个或多个汽缸；燃烧室；以及燃料气体供应系统，其被配置为向气缸供应给定压力和温度的燃料气体流且被配置为向燃烧室供应相同的给定压力和温度的燃料气体流，一个或多个气缸各自设置有至少一个进气阀，燃烧室设置有：喷嘴，用于将来自燃料气体供应系统的燃料气体流喷入燃烧室；用于向燃烧室供应氧化剂气体流的供应管线；用于将燃烧气体流从燃烧室输出的排气管道；和用于测量燃烧气体流中的氧气比例的传感器。

通过燃烧室的喷嘴喷射的能量或表示通过燃烧室的喷嘴喷射的燃料气体的发热特性的值的直接测量，能够在应用于供应到内燃机的进气阀的燃料气体的完全相同的条件下确定。该信息能够直接用于内燃机控制，无需考虑到燃料气体的温度和压力的进一步校准或其它校准。因此，能够大大扩大内燃机的允许/可行气体质量的范围。该系统能够直接集成到内燃机本身或气阀机构(气体供应系统)中。

根据第一方面的第一可行实施方式，内燃机包括用于将氧化剂气体流中的氧气质量速率保持恒定的装置。

根据第一方面的第二可行实施方式，内燃机包括用于控制氧化剂气体流中的氧气质量速率的装置。

根据第一方面的第三可行实施方式，内燃机包括用于测量供应到燃烧室的氧化剂气体的流速或供应到燃烧室的氧化剂气体流中的氧气质量速率的装置。

根据第一方面的第四可行实施方式，内燃机包括控制单元，其被通知供应到燃烧室的氧化剂气体流中的氧气质量速率，并且从用于测量燃烧气体流中的氧气比例的装置接收信号。

根据第一方面的第五可行实施方式，内燃机包括控制单元，其被配置为基于来自用于测量氧化剂气体流中的氧气质量速率的装置的信号和来自用于测量燃烧气体流中的氧气比例的装置的信号来确定通过喷嘴喷射的能量。

根据第一方面的第六可行实施方式，控制单元被配置为确定表示供应到气缸和燃烧室的燃料气体的热值的值。

根据第一方面的第七可行实施方式，内燃机包括控制单元，该控制单元被配置为考虑到通过喷嘴喷射的能量的量或考虑到表示供应到气缸和燃烧室的燃料气体的热值的值来确定通过燃料进入阀注入或进入到一个或多个气缸(1)中的能量。

根据第一方面的第八可行实施方式，控制单元被配置成为根据经由燃料进入阀注入或进入一个或多个气缸中的能量的量来确定内燃机负荷。

根据第一方面的第九可行实施方式，控制单元被通知喷嘴的尺寸和燃料进入阀的尺寸之间的关系。

根据第一方面的第十可行实施方式，控制单元被通知喷嘴的精确尺寸和燃料进入阀的精确尺寸。

根据第一方面的第十一可行实施方式，控制单元被配置为使用表示供应到气缸和燃烧室的燃料气体的热值的值作为用于计算内燃机负荷的校正因子

根据第一方面的第十二可行实施方式，氧化剂气体是空气。

根据第一方面的第十三可行实施方式，氧化剂气体是空气与附加的氮气的混合物。

根据第一方面的第十四可行实施方式，氧化剂气体中的氧气含量低于环境空气中的氧气含量。

根据第一方面的第十五可行实施方式，燃烧室具有氧化催化剂。

根据第一方面的第十六可行实施方式，燃烧室设置有冷却系统。

根据第一方面的第十七可行实施方式，用于确定燃烧气体流中的氧气比例的装置包括λ传感器。

根据第一方面的第十八可行实施方式，控制单元被配置为响应于来自用于确定燃烧气体中的氧气比例的装置的信号来控制氧气质量速率或氧化剂气体流速。

根据第一方面的第十九可行实施方式，供应到燃烧室的燃料气体流的流速小于供应到一个或多个气缸的燃料气体流的流速。

根据第一方面的第二十可行实施方式，控制单元被配置为确定在燃烧室中燃烧期间消耗的氧气量。

根据第一方面的第二十一可行实施方式，燃烧室被校准，即使用已知的气体，优选纯气体(例如，纯甲烷)来确定喷嘴尺寸。使用已知气体得知燃烧室所需的氧气消耗量，所有其它气体可以被视为与该基准情况的偏差。

根据第一方面的第二十二可行实施方式，燃烧室不是内燃机的燃烧腔室。

根据第一方面的第二十三可行实施方式，燃烧室包括被配置用于燃烧均以基本稳定的流速供应并在连续过程中燃烧的燃料气体和氧化剂气体的燃烧腔室。

根据第二方面，提供了一种用于确定基于燃料气体运行的内燃机中的燃料气体的性质的方法，所述方法包括：向内燃机的气缸供应给定压力和温度的燃料气体，并向燃烧室供应相同的给定压力和温度的燃料气体流；向燃烧室供应氧化剂气体流；在燃烧室中用氧化剂气体燃烧所述燃料气体，从而生成燃烧气体流；以及测量燃烧气体中的氧气比例。

根据第二方面的第一可行实施方式，所述方法还包括确定或控制所述氧化剂气体流中的氧气质量速率、优选地响应于所测量的燃烧气体中的氧气比例来确定或控制氧化剂气体流中的氧气质量速率。

根据第二方面的第二可行实施方式，所述方法还包括确定表示燃料气体的发热性质的值。

根据第二方面的第三可行实施方式，所述方法还包括基于内燃机的燃料进入阀打开的时间和表示燃料气体的发热特性的值来确定内燃机负荷。

根据第二方面的第四可行实施方式，所述方法还包括确定在所述燃烧室中燃烧期间消耗的氧气的量。

本发明的这些和其它方面将从以下描述的实施方式中变得显而易见。

附图说明

在本发明的以下详细部分中，将参照附图中示出的示例性实施方式更详细地说明本发明，其中：

图1是根据示例性实施方式的大型二冲程柴油内燃机的俯视正视图，

图2是图1的大型二冲程内燃机的俯视侧视图，

图3是根据图1的大型二冲程内燃机的示意图，

图4是用于确定供应到内燃机气缸的燃料气体的性质的系统的示意图，以及

图5是示出用于确定供应到内燃机气缸的燃料气体的性质的方法的流程图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，将在示例性实施方式中参考具有十字头的大型二冲程低速涡轮增压压缩点火式内燃机来描述内燃机，但是应当理解，内燃机可以是另一种类型，例如具有或不具有涡轮增压、具有或不具有废气再循环的二冲程奥托型、四冲程奥托型或柴油型。

图1、图2和图3示出了具有曲轴8和十字头9的大型低速涡轮增压二冲程柴油内燃机。图3示出了具有进气系统和排气系统的大型低速涡轮增压二冲程柴油内燃机的示意图。在该示例性实施方式中，内燃机具有成行的六个气缸。大型低速涡轮增压二冲程柴油内燃机通常具有成行的四个气缸到十四个气缸，所述气缸由内燃机架11承载的气缸架23承载。该内燃机可以例如用作海洋船舶中的主内燃机或用作用于运行发电厂中的发电机的固定内燃机。内燃机的总输出可以例如在1,000kw至110,000kw的范围内。

在该示例性实施方式中，内燃机是二冲程单流型压缩点火式内燃机，具有在气缸衬套1的下部区域处的扫气口18和在气缸衬套1的顶部处的中央排气阀4。扫气从扫气容器2被传送到各个气缸1的扫气口18。气缸衬套1中的活塞10压缩扫气，通过气缸盖22中的燃料喷射阀31喷射燃料，接着发生燃烧并产生废气。

当排气阀4打开时，排气通过与气缸1相连的排气管道流入排气容器3并且通过第一排气管道19前往涡轮增压器5的涡轮6，排气通过第二排气管道从涡轮6离开，经过节能器20流到出口21并进入大气中。涡轮6通过轴驱动经由空气入口12供应新鲜空气的压缩机7。压缩机7将加压扫气输送到通向扫气容器2的扫气管道13中。管道13中的扫气经过用于冷却扫气的中间冷却器14。

经冷却的扫气经过由电动机17驱动的辅助鼓风机16，其在涡轮增压器5的压缩机7不能为扫气容器2输送足够的压力时，即在内燃机低负荷或部分负荷条件下对扫气流加压。在较高的内燃机负荷下，涡轮增压器压缩机7输送足够的经压缩扫气，则经由止回阀1绕过辅助鼓风机165。

内燃机用燃料气体(例如天然气、煤气、沼气、填埋气体、甲烷、乙烯、lpg(liquefiedpetroleumgas，液化石油气)来运行，该燃料气体由气体供应系统30在基本稳定的压力和温度下以气态形式供应。然而，根据气体供应系统的细节和所供应的气体类型，温度和压力的微小变化是不可避免的。此外，也可能发生气态燃料的组成的微小变化。

气体供应系统为所有燃料喷射阀31提供加压的气态燃料。内燃机的电子控制单元60经由图3以中断线所示的信号线接收来自各个传感器的信号。来自各个传感器的信号包括：例如进气压力和温度、排气压力和温度以及曲柄角度和速度，但是应注意，该列表并非穷举，而是将取决于内燃机的构造，例如其是否包括排气再循环，是否包括涡轮增压器等。电子控制单元60控制燃料喷射阀31，即电子控制单元确定燃料阀31何时打开并确定打开时间的长度。燃料阀打开的时刻大大影响柴油内燃机(压缩点火式内燃机)中的燃烧压力，并且燃料阀的打开持续时间决定允许进入气缸1的燃料量，随着持续时间的增加致使允许进入气缸1的燃料量增加。电子控制单元60被配置为根据所有燃料阀31打开的组合持续时间来确定内燃机负荷。由于电子控制单元60确定了燃料阀31的持续时间的长度，所以电子控制单元60被完全通知所有燃料阀31的打开时间的组合持续时间。

然而，燃料气体的性质，例如输送到燃料喷射阀31的燃料气体的温度、压力和组成可能发生波动，从而导致内燃机负荷计算不准确。这可能是有问题的，因为内燃机负荷是用于控制内燃机运行的最重要的控制参数。内燃机负荷影响内燃机的运行的许多方面，例如，液压系统中的压力、排气阀打开的时刻、燃料喷射开始的时刻、排气旁路的操作以及在该排气旁路中的阀的开度、可变涡轮增压器的设置、scr操作的激活和停用、燃料气体激活和停用的气体压力等。

因此，重要的是在燃料阀31的打开期间准确地通知通过燃料阀31喷射的能量的量而没有(实质)延迟。对于诸如柴油的液体燃料，由柴油的压力、温度和组成引起的变化可忽略不计，因此对于内燃机基于柴油或其它液体燃料运行来说，通过知道燃料阀开启的总持续时间，能够非常准确地确定内燃机负荷。然而，由于燃料气体的压力、温度和组成的变化是不可忽略的，所以对于基于燃料气体运行的内燃机来说并不是这种情况。

为了能够从燃料阀打开的持续时间准确地确定内燃机负荷，内燃机设置有图4所示的系统。

该系统提供了调整内燃机负荷计算所需的信息，使得内燃机负荷计算能够基于燃料阀的总持续时间，但是根据供应到气缸1的气态燃料的变化进行调节，从而达到准确并即时的效果。

气态燃料供应系统30通过燃料阀31向气缸1供应给定温度和压力的气态燃料。气态燃料供应系统30还通过将燃料供应系统30连接到喷嘴49并包括阀43的气态燃料供应管道41向燃烧室40供应相同给定压力和温度的相同的燃料气体。阀43可以用于关闭气态燃料供应管道41。

喷嘴49通过喷嘴49中的一个或多个喷嘴孔将燃料气体喷射到燃烧室40中。例如通过校准，喷嘴49的尺寸被精确地确定。可以相对于内燃机的燃料阀31执行校准，或者校准可以是绝对校准。喷嘴49的尺寸是一个或多个喷嘴孔的面积的尺寸。

与燃料气体到气缸1的流动相比，燃料气体向燃烧室40的流动非常小。与燃料阀31的尺寸相比，喷嘴49的尺寸优选地相对较小，从而使得燃料气体向燃烧室流动也很小。由于向燃烧室40供应的燃料气体与输送到气缸1的燃料气体是相同的压力和温度的相同的燃料气体，喷嘴49在与燃料阀31相同的条件下接收燃料气体。

供应管线42将氧化剂气体流提供应到燃烧室40。氧化剂气体是例如环境空气或用氮气稀释以相对于环境空气减少氧化剂气体中的氧气含量的环境空气。当环境空气用氮气稀释时，氧化剂气体具有比环境空气低的氧比例，其优点在于，与用空气燃烧燃料气体相比燃烧温度较低。在一个实施方式中，燃烧室40设置有用于控制燃烧室40的温度的冷却装置。

在一个实施方式中，燃烧室40具有用于燃烧过程的氧化催化剂。这种氧化催化剂是本领域公知的。可替选地，燃烧室40可以设置有简单的点火装置，例如电火花发生装置。

在一个实施方式中，供应管线42包括鼓风机44、文丘里管45和控制阀46。测量文丘里管45处的压力以确定进入燃烧室40的氧化剂气体的流速。调节控制阀46的开度和鼓风机44的设置从而控制进入燃烧室40的氧化剂气体的流速。

电子控制单元50控制系统的运行。在一个实施方式中，电子控制单元50控制鼓风机44和电子控制阀46的运行。在一个实施方式中，电子控制单元50从文丘里管45处的压力传感器接收信号。

燃料气体在燃烧室40中的腔室内用氧化剂气体燃烧。生成的燃烧气体经由排气管道47从燃烧室40排出。排气管道47设置有用于测量燃烧气体流中的氧气比例的传感器48。在一个实施方式中，传感器48是λ传感器48。电子控制单元50从传感器48接收信号。

控制氧化气体流，使得燃烧40中的燃烧在受控的条件下(即具有受控的化学计量系数)进行。优选地，化学计量系数保持在1和2之间。在一个实施方式中，优选地，燃烧在精确的化学计量条件下(即化学计量系数为1)进行。

电子控制单元50响应于传感器48的信号通过相应地控制鼓风机44和/或控制阀46的运行而控制化学计量系数。因此，传感器48的反馈用于调节氧化剂气体的进入。

监测在受控化学计量系数下燃烧所需的氧气质量速率(massrate)，优选由电子控制单元例如利用来自文丘里管45的信号连续监测。

在另一个实施方式中，系统可以在供应管线42中设置保持氧气质量速率恒定的装置，而无需控制单元50的任何控制动作，并且在该实施方式中，电子控制单元50被简单地通知恒定氧气质量速率的值，并根据恒定氧气质量速率和所测量的燃烧气体中氧气的比例来确定燃烧过程中使用的氧气的质量速率。

氧气质量速率是对气流中限定的化学能的直接测量，因为对于给定的氧气质量可以释放预定量的热。当燃料气体由烃类(且氧化剂气体是空气)组成时，每公斤空气能够释放的热量约为3mj。因此，燃烧过程中使用的氧气质量速率或空气质量速率与每时间单位通过喷嘴喷射的能量的量成正比。在一个实施方式中，由于喷嘴尺寸相对于燃料阀31的尺寸校准，因此可以通过知道通过喷嘴49喷射的能量的精确量而精确地确定每时间单位通过燃料阀喷射了多少能量。这进而允许通过将燃料阀31的打开时间的持续时间加和来精确地计算内燃机负荷。

在一个实施方式中，系统的输出信号，例如从电子控制单元50到电子控制单元60的信号是校正系数的形式，其将电子控制单元60的内燃机负荷计算校正为施加到气缸1的燃料气体的实际条件。因此，电子控制单元60可以使用从电子控制单元50接收到的信号来调整内燃机负荷计算，从而使内燃机负荷计算更精确。

从电子控制单元50到电子控制单元60的信号的性质取决于系统的运行方式。如果系统以恒定的空气流量或恒定的氧气质量流量进入燃烧室来运行，则得到的所测量的化学计量系数(例如用λ传感器48测得)可以是用于电子控制单元64根据燃料阀31的打开持续时间确定需要应用于内燃机负荷计算的校正的输入信号。

如果系统在控制氧化剂气体流量的大小并保持化学计量系数恒定(例如1)下运行，则电子控制单元60的输入信号可以是来自文丘里管45处的压力传感器的信号。基于该信号，电子控制单元60计算内燃机负荷计算所需的调整。也可以用其它方式(例如使用热丝传感器或移动叶轮流速计)而不是文丘里管来测量氧化剂气体的质量流量。来自用于测量或确定进入燃烧室40的氧化剂气体的流量大小的装置的信号可以被直接发送到电子控制单元60或经由电子控制单元50发送。

在一个实施方式中，电子控制单元50被配置为确定供应到燃烧室40的燃料气体的热值，并被配置为将确定的热值发送到电子控制单元60。热值可以表示为mw/mm2。

在一个实施方式中，电子控制单元60被通知燃料阀31的尺寸，即与喷嘴49中的一个或多个喷嘴孔的面积的大小相应的燃料阀31的喷嘴中的喷嘴孔的面积。电子控制单元60还可以被配置为确定这两种尺寸之间的比例，并且基于这种差异来确定流过喷射阀31的能量的精确量。

虽然电子控制单元50和电子控制单元60已经被描述为单独的电子控制单元，但是应当理解，可以向内燃机提供一个单独的电子控制单元，其涵盖电子控制单元50和电子控制单元60的功能。

在一个实施方式中，使用已知的气体，优选纯气体，例如纯甲烷来校准燃烧室40，即确定喷嘴尺寸。用已知的气体得知燃烧室40所需的氧气消耗量，然后可以将所有其它气体视为与该基准情况的偏差。

图5是示出系统运行的流程图。该流程图说明了方法的原理，而流程图中的框不表示连续的步骤。该方法用于确定基于燃料气体运行的内燃机中的燃料气体的性质。该方法包括在给定的压力和温度下向内燃机的气缸1供应燃料气体，并且在相同的给定压力和给定温度下将燃料气体流供应到燃烧室40。

该方法还包括向燃烧室40供应氧化剂气体流，并且在燃烧室40中用氧化剂气体燃烧燃料气体，从而产生燃烧气体流并测量燃烧气体中氧气的比例。

该方法包括确定或控制供应到燃烧室40的氧化剂气体流中的氧气质量速率。优选响应于所测量的在燃烧气体中的氧气比例对供应到燃烧室40的氧化剂气体流中的氧气质量速率进行控制。

该方法包括基于内燃机的燃料进入阀31打开的持续时间计算内燃机负荷，并且基于在燃烧过程中使用的所计算的氧气质量速率来调整所计算的内燃机负荷。后一步骤可以包括基于相对于所测量或确定的供应到燃烧室40的氧气质量速率而测量或确定的化学计量系数来计算在燃烧中使用的氧气质量速率。

在一个实施方式中，该方法还可以包括确定表示燃料气体的发热特性的值。在一个实施方式中，该方法可以包括在计算中使用所测量或确定的燃料的发热特性来确定内燃机负荷。

已经结合本文的多个实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员在实施所要求保护的本发明时，根据对附图、公开内容和所附权利要求书的研究，可以理解和实现对所公开的实施方式的其它变化。在权利要求中，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的简单实施并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中使用的附图标记不应被解释为对范围的限制。