内燃发动机及运行方法与流程

本发明涉及一种内燃发动机和用于运行内燃发动机的方法。本发明优选地涉及诸如气缸具有至少200mm内径的大型船舶发动机或船用发动机或固定式发动机之类的内燃发动机。该发动机优选地是二冲程发动机或二冲程十字头发动机。

背景技术：

1、发动机可以是柴油或燃气发动机、双燃料或多燃料发动机。在这种发动机中可燃烧气体燃料或液体和/或气体燃料、并且可进行自点火或强迫点火。

2、术语“内燃发动机”指的是不仅可以在柴油模式下而且可以在奥托(otto)模式下、或者在两者的混合模式下运行的大型发动机，柴油模式的特征在于燃料的自点火，奥托模式的特征是燃料的强制点火，两者的混合模式的特征在于例如火花点火。此外，术语“内燃发动机”特别包括双燃料发动机和大型发动机，其中燃料的自点火用于另一种燃料的强制点火。

3、发动机包括其中具有活塞的至少一个气缸。活塞连接至曲轴。在发动机运行期间，活塞在上止点(tdc)和下止点(bdc)之间往复运动。气缸典型地具有至少一个空气通道进气口以及至少一个空气通道排气口，进气口特别地被布置在气缸套中，排气出口特别地被布置在气缸盖中。优选地，进气口与扫气空气接收器流体连接。

4、内燃发动机可以是纵向冲洗的二冲程发动机。

5、发动机转速优选地低于800rpm(4-冲程)，更优选地低于200rpm(2-冲程)，其指示低转速发动机的规格。

6、燃料可以是柴油或船舶用柴油或重质燃料油或乳化液或浆液或甲醇或乙醇、以及液体天然气(lng)、液体石油气(lpg)等气体。

7、可以根据要求添加的其它可能燃料包括：lbg(液化生物气)、生物燃料(例如，藻类燃料或海藻油)、氢气、co2合成燃料(例如通过电产气(power-to-gas)或电产液(power-to-liquid)制造的合成燃料)。

8、大型船(特别是运输货物的船舶)通常由内燃发动机(特别是柴油和/或燃气发动机，主要是二冲程十字头发动机)提供动力。如果液体燃料(如重质燃料油、船舶用15号柴油、柴油或其它液体)以及气体燃料(如lng、lpg或其它)被发动机燃烧，则需要清洁该燃烧过程中的废气，以符合现有规则，诸如imo tier iii。

9、在本技术中中，内燃发动机优选地可以在气体或燃气模式下运行。流体燃料(诸如，气体燃料或加压气体即在气缸中汽化的液体)由进气阀提供并用于产生扭矩。此外，在气体或燃气模式下，可以喷射少量液体燃料(有时称为引燃喷射)以进行诱导点火。

10、内燃发动机典型地包括涡轮增压器，该涡轮增压器使用从气缸排放的废气来增加供应到气缸的空气量。由涡轮增压器压缩的空气可以被供应到扫气接收器，该扫气接收器与空气通道进气口流体连接。

11、除了新鲜空气和液体燃料外，惰性气体(诸如，废气)也可以被引入气缸。发动机可以包括高压或低压废气再循环路径。对于低压废气再循环，废气在与新鲜空气混合之前经过涡轮增压器的涡轮和/或经过涡轮增压器的压缩机，并且作为扫气空气的一部分进入气缸。

12、特别是当新鲜空气与气体/燃气的比率(即，空气与燃料比率或空气与燃料当量比率(也称为λ(lambda))不在一定范围内时，会发生异常燃烧过程(诸如，提前点火、爆震或失火)。

13、如果气体/燃气含量太高，则空气-燃料混合物变得太浓。混合物的燃烧发生得太快或太早(例如通过自点火)，这可能导致发动机提前点火或爆震。如果空气含量太高，则空气-燃料混合物太稀，并且可能发生不希望的延迟燃烧或者甚至失火，这当然也对发动机的高效和低污染运行产生负面影响。特别地，气体含量过高和空气含量过高的这两种状态被指定为异常燃烧过程。因此，在气体模式下，人们努力实现燃烧过程而不使空气-气体混合物自点火。该燃烧过程应在空气-气体/燃气混合物既不太浓也不太稀的极限之间进行。

14、众所周知，可以将惰性气体(诸如，废气)引入气缸中，以减少或避免诸如爆震之类的异常燃烧过程。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是避免现有技术的缺点，特别是提供一种内燃发动机和运行内燃发动机的方法，该方法允许在提供最佳燃料效率的同时防止爆震。

2、根据本发明，内燃发动机是至少可在气体/燃气模式下运行的大型船舶发动机或固定式发动机。

3、可在气体/燃气模式下运行意味着燃料气体被允许进入气缸或高压燃料液体被准许进入气缸，高压燃料液体在进入气缸时立即汽化。内燃发动机包括用于向气缸供应燃料的至少一个进气阀。每个气缸可以包括燃料流体进入阀。燃料流体可以例如从lng罐被供应到燃料流体进入阀。

4、内燃发动机包括内径至少为200mm的至少一个气缸。气缸包括预燃室，预燃室例如具有引燃点火系统或火花点火系统。

5、内燃发动机还包括废气再循环路径。优选地，废气再循环路径是低压废气再循环路径。特别地，内燃发动机包括涡轮增压器，该涡轮增压器被布置成使得废气的至少一部分通过涡轮增压器的涡轮并被再循环到涡轮增压器的压缩机，使得再循环的废气与新鲜空气一起被供应到气缸。

6、特别地，内燃发动机包括扫气空气接收器，新鲜空气和再循环废气可以从该扫气空气接收器被引导至布置在气缸下部的开口。

7、内燃发动机还包括压力测量单元，该压力测量单元具有用于提供表示至少一个气缸内的压力的信号的至少一个传感器。优选地，对于每个气缸，压力测量单元都包括至少一个传感器。传感器可以是压力传感器。

8、内燃发动机还包括控制单元，该控制单元被配置为接收压力测量单元的信号，特别是所有气缸的所有信号。控制单元还被配置为基于所述信号确定爆震指数，特别是每个气缸的爆震指数。

9、控制单元还被配置为将爆震指数与预定爆震指数值或预定爆震指数区间进行比较。爆震指数值和/或爆震指数区间可以基于例如气缸的尺寸、气缸的固有频率和/或基于车间测试中指定的经验值来预先确定。

10、控制单元还被配置为：如果所确定的爆震指数低于或高于爆震指数值或爆震指数区间，则调适废气再循环率(egr率)、点火事件的时间(例如，引燃点火的时间或引燃燃料喷射的时间)和/或所供应的流体燃料的量。

11、控制单元可以被配置为通过确定mapo值和/或impo值来确定爆震指数。

12、典型地，原始压力信号例如在0.2khz至20khz之间的带通中被转换成带通滤波压力信号。优选地，可以应用0.5khz至10khz的带通滤波窗口。

13、带通滤波器可以是压力测量单元的一部分或者可以是控制单元的一部分。

14、从该带通滤波信号可以确定绝对值。

15、mapo值是压力振荡的最大幅值，并且由以下公式确定：

16、

17、impo值是压力振荡模量的积分，并且由以下公式确定：

18、

19、其中，是滤波后的缸内压力，n是所计算的周期数，θ0是对应于计算窗口的开始的曲柄角，ζ是计算窗口的值。

20、爆震指数也可以通过计算压力振荡模量(modulus)的积分(impg)、热释放速率(rohr)或净累积热释放(chrnet)来确定。

21、众所周知，废气的再循环减少了爆震。然而，随着废气的增多，燃烧效果可能会降低。因此，应使用防止爆震的尽可能低的废气排放率。

22、内燃发动机优选地包括多个(n个，其中n大于1)气缸，并且压力测量单元提供表示每个气缸内的压力的信号。

23、控制单元可以被配置为执行调整过程(procedure)，其中，控制单元被配置为设置第一egr率。egr率是对于由一个公共涡轮增压器供应的所有气缸来说通常是公共的参数。

24、第一设置可以从映射图(map)获取，例如在车间测试中被预先确定的映射图。

25、egr率可以通过第一egr率步长(step)减小，并且可以确定每个气缸的爆震指数。

26、如果对于至少一个气缸来说所确定的爆震指数低于或高于爆震指数值或爆震指数区间，则控制单元被配置为调整相应气缸的点火时间，例如引燃燃料喷射的时间或火花点火时间。

27、如果已经调整了多于n-2个或多于n/2个气缸，则egr率必须保持恒定。

28、否则，可以再次减小egr率，并且可以再次针对每个气缸确定爆震指数，并且可以通过调整点火时间来调整各个气缸。

29、可以重复该过程，直到egr率必须保持恒定为止。

30、另选地，egr率可以按照预定义设定点来设置。控制单元可以被配置为确定每个气缸的爆震指数。如果对于至少一个气缸来说爆震指数高于爆震指数值或爆震指数区间，则控制单元可以被配置为调整相应气缸的点火时间。控制单元被配置为：如果所有n个气缸中的至少预定数量的气缸(例如，n-2个气缸或n/2个气缸)提供高于爆震指数值或爆震指数区间的信号，则增加egr率。

31、之后，可以计算每个气缸的爆震指数。控制单元可以在每一轮自调适之后重新开始监测爆震指数。

32、爆震指数的监测可以连续运行，从而可以按照上述过程调适点火正时和egr率。

33、这样，如果只有几个单元(例如小于或等于n-2或n/2个气缸)根据定义标准发生爆震，则可以避免总体egr率的变化。

34、点火时间可以通过在稍后的时间点引起点火来调整，例如通过在先前点火事件的曲柄角之后一到两度引起点火。

35、控制单元可以被配置为在特定时间间隔之后，特别是每隔一到十个周期，更特别是每隔五到十个发动机运行周期，连续地执行如上所述的调整过程。

36、在本技术中，术语“周期”涉及曲轴旋转一周的持续时间，在此期间，发生气缸扫气、压缩、热释放/燃烧、膨胀/工作冲程。

37、在本发明的优选实施方式中，内燃发动机包括控制单元，该控制单元被配置为特别是在确定爆震指数之前区分由于点火事件引起的振荡压力波和由于爆震事件引起的振荡压力波。

38、控制单元可以被配置为识别并比较在接近点火事件的曲柄角的第一曲柄角范围(cri)中的振荡和在接近周期的压力进程(course)的最大值的曲柄角的第二曲柄角(crii)范围中的振荡。

39、由点火过程引起的燃烧室中的压力振荡通常在点火事件之后的短时间内已经存在，例如由引燃点火或引燃燃料喷射引起。

40、这种振荡可以在接近点火事件的第一曲柄角范围内检测到。第一曲柄角范围可以覆盖曲柄角区间，该曲柄角区间从距点火事件的曲柄角的第一曲柄角距离开始并且在距点火事件的曲柄角的第二曲柄角距离结束，其中，第二曲柄角距离大于第一曲柄角距离。

41、第一曲柄角距离可以为2°，第二曲柄角距离可以为4°。

42、第一曲柄角范围cri可以由下式定义：

43、cri＝{θignition+θ1；θignition+θ2}，

44、其中，θignition是(例如由引燃燃料的喷射引起的)点火事件的曲柄角，θ1是第一曲柄角距离，θ2是大于第一曲柄角距离的第二曲柄角距离。第一曲柄角距离θ1和第二曲柄角距离θ2是需要在控制系统中设置的变量。在引燃燃料喷射的曲柄角θpit之后，θignition+θ1通常约为1°至2°ca(曲柄角)。在引燃燃料喷射的曲柄角θpit之后，θignition+θ2通常约为4°至6°ca。

45、爆震事件引起的振荡通常出现在燃烧过程的稍后阶段，通常在最大气缸压力的曲柄角附近或周围的第二曲柄角范围内。第二曲柄角范围可以例如覆盖从大约最大气缸压力的曲柄角减去5°曲柄角开始并且持续直到最大气缸压力加上10°曲柄角的曲柄角为止的曲柄角区间。

46、第二曲柄角范围crii可以由下式定义：

47、crii＝{θpmax+θ3；θpmax+θ4}，

48、其中，θpmax是最大气缸压力的曲柄角，θ3是第三曲柄角距离，θ4是第四曲柄角距离。第三曲柄角距离θ3和第四曲柄角距离θ4是需要在控制系统中设置的变量。θ3通常约为-10°ca至-5°ca。θ4通常约为+5°ca至+10°ca。

49、根据一个可能的规则，如果第二曲柄角范围crii中的压力振荡不超过第一区间cri中的压力振荡的因子x倍，则不将压力振荡算作爆震。

50、因子x是需要在控制系统中设置的变量。典型地，x约为1.5至2.5。

51、压力振荡可以由相应区间内的带通滤波压力信号的最大压力振荡幅值给出。

52、另选地，压力振荡可以通过例如相应区间内的mapo或impo值或任何其它合适的方法来量化。

53、在生成滤波压力信号之前或之后，控制单元可以检查压力信号是否被评估为爆震事件。控制单元可以仅考虑压力进程的第二曲柄角范围crii来确定爆震指数。

54、对于大型发动机，采样率被选择为使得计算工作量不会太高，因为振荡频率小于小型发动机的振荡频率。通常，可以选择1000hz-5000hz的采样率，特别是1000hz-2500hz的采样率。

55、通常对压力振荡的幅值贡献最大的爆震频率是第一切向模式、第二切向模式和第一径向模式。在二冲程大缸径发动机中，这些模式的典型爆震频率fknock在500hz至2500hz的范围内。因此，5000hz的采样率能够测量第一切向模式、第二切向模式和第一径向模式，因为采样率应该是振荡频率的至少两倍。

56、由于第一切向模式对由于爆震引起的燃烧室中的压力振荡贡献最大，因此分别对于直径例如为0.92m的大缸径采用1250hz的采样率和对于直径例如为0.5m的中等尺寸缸径采用2500hz的采样频率足以检测爆震。

57、控制单元可以被配置为通过设置egr阀和/或通过设置背压阀和/或者通过设置egr鼓风机来设置egr率。

58、该问题还通过用于运行如上所述的内燃发动机的方法来解决，该方法包括以下步骤。提供表示至少一个气缸内的压力的信号。爆震指数基于该信号来确定，特别是通过确定mapo值或impo值来确定。

59、将爆震指数与预定爆震指数值或爆震指数区间进行比较。如果所确定的爆震指数低于或高于爆震指数值或爆震指数区间，则调适egr率、点火事件的时间(例如引燃点火的时间或引燃燃料喷射的时间)和/或所供应的流体燃料的量。

60、爆震过程的减少可以在闭环控制过程中执行。

61、在确定了每个气缸的爆震指数之后，egr率可以从第一egr率开始减小或增大。如果对于至少一个气缸来说所确定的爆震指数低于或高于爆震指数值或爆震指数区间，则调整相应气缸的点火时间。

62、如果已经调整了多于n-2个气缸或多于n/2个气缸，则不应改变egr率。

63、否则，可以再次改变egr率，并且确定所有气缸的爆震指数，并且可以调整点火时间。

64、一旦已经调整了预定数量的气缸，例如n-2或n/2个气缸，该过程就停止。

65、另选地，egr率可以按照预定义设定点来设置。可以针对每个气缸确定爆震指数。如果对于至少一个气缸来说爆震指数高于预定爆震指数值或预定爆震指数区间，则可以针对相应气缸调整点火时间。如果所有n个气缸中的至少预定数量的气缸(例如n-2个气缸或n/2个气缸)提供高于爆震指数值或爆震指数区间的信号，则可以增加egr率。

66、之后，可以计算每个气缸的爆震指数。控制单元可以在每一轮调适之后重新开始监测爆震指数。

67、优选地，该方法包括区分由于爆震事件引起的振荡压力波和由于点火事件(例如引燃点火或引燃燃料喷射)引起的振荡压力波的步骤。

68、内燃发动机可以包括具有涡轮和压缩机的涡轮增压器。