单流型大型涡轮增压二冲程内燃发动机及其操作方法与流程

本公开涉及配备有用于对扫气空气进行供给的多个排气驱动的涡轮增压器的方法和大型涡轮增压二冲程内燃发动机以及对这种发动机进行操作的方法。

背景技术：

1、大型涡轮增压二冲程内燃发动机通常用于大型船舶的推进系统或者用作发电厂中的原动机。这种大型涡轮增压二冲程内燃发动机的庞大尺寸、重量和功率输出使它们与普通内燃发动机完全不同，并且使大型二冲程涡轮增压压缩点火式内燃发动机自成一类。这些发动机的高度通常并不是至关重要的，并且因此这些发动机构建有十字头以避免活塞上的侧向载荷。通常，这些发动机使用天然气体、石油气体、甲醇、乙烷或(重)燃料油进行操作。

2、大型涡轮增压二冲程内燃发动机可以利用压缩点火进行操作，即根据狄塞尔(diesel)原理进行操作，或者可以作为预混发动机，即根据奥托(otto)原理进行操作，其中，扫气气体在活塞从下止点(bdc)到上止点(tdc)的冲程期间与燃料混合。

3、针对单个发动机负载来对这种发动机中的涡轮增压器性能进行优化相对简单。然而，大型涡轮增压二冲程内燃发动机需要在大范围的发动机负载和操作条件下进行操作，如果安装单个(非可变几何形状)涡轮增压器，则难以在大的发动机负载范围内实现最佳涡轮增压器效率。可变几何涡轮增压器可以缓解问题中一些问题，但是也具有其他缺点，比如使成本、维护和复杂性增加。已经证明的是，特别是在对部分负载下的发动机效率进行优化时，能够在部分负载下增加扫气空气压力是很有用的。因此，使用排气旁路来影响扫气空气压力已经变得很普遍。该影响是通过在旁路打开的情况下将涡轮增压器与100％负载下的特定压力匹配来获得的。这导致涡轮增压器的功率减小，这是因为一部分排气绕过涡轮增压器的涡轮。从气缸的角度来看，这对应于以较低的效率安装涡轮增压器，并且因此扫气会受到负面影响。然而，当旁路在部分负载下关闭时，涡轮增压器的涡轮接收所有可用的排气质量流，然后涡轮增压器的涡轮将接收到的排气质量流转化为较高的空气质量流，从而在部分负载下产生较高的扫气空气压力。然而，在高发动机负载下，显然不希望扫气减少。避免该问题的一种方式是安装多个涡轮增压器并且选择性地使用涡轮增压器中一个或更多个涡轮增压器，从而以在实际发动机负载下产生最佳性能的方式使用总涡轮增压容量的选定部分。通过选择性地启用及停用涡轮增压器，启用的一个或更多个涡轮增压器总是获得所有排气功率，并且避免了高负载下扫气质量的降低。被启用及停用的一个或更多个涡轮增压器不一定与其余的涡轮增压器具有相同的尺寸(容量)(所述其余的涡轮增压器为总是启用的涡轮增压器)。选择性地启用及停用的一个或更多个涡轮增压器的相对尺寸/容量根据所需的对扫气空气压力的影响大小来进行选择。

4、因此，如果安装有多个涡轮增压器并且对处于操作中的涡轮增压器的数量进行控制，则可以在大的发动机负载范围内实现高涡轮增压器效率，从而与单个(非可变几何形状)涡轮增压器相比改进了燃料消耗，从而降低了发动机操作成本和环境负载。

5、当涡轮增压器被停用时，100％的发动机负载不一定是可能的。剩余的一个或更多个启用的涡轮增压器根本没有足够的容量来处理总的排气量。这意味着当将发动机负载向最大发动机负载增加时，一个或更多个涡轮增压器需要在相对较高的负载下被启用，通常在最大发动机负载(最大持续功率(maximum continuous rating))的50％与75％之间被启用。这同样适用于停用涡轮增压器的逆向过程，这通常也需要在类似或相同的相对较高的发动机负载下进行。

6、然而，在实践中已经表明难以在如此高的发动机负载下启用或停用涡轮增压器，这是因为在切入和切出期间，将压缩机操作点保持在涡轮增压器的压缩机的压缩机图表内是关键的。如果涡轮增压器速度对于当前压力比而言变得太低，则压缩机将被推动到喘振/失速状态。喘振是压缩机中稳定流的中断，这通常发生在低流速时。当压缩机偏离设计点运行时会发生喘振，并且喘振会影响整个涡轮增压器，而这在空气动力学和机械上都是不希望的。喘振会损坏涡轮增压器。喘振会导致高温、高振动并且导致倒流，这意味着流会倒退并且流出压缩机消音器。这会导致涡轮增压器的机械部件上的高负载。虽然单个喘振/失速对涡轮增压器来说不一定是严重的，但随着时间的推移，多个喘振可能会危及涡轮增压器的可靠性。

7、在现有技术中，这个问题还没有解决，即不可能将压缩机操作点保持在压缩机图表中的所需位置或区域中，并且因此，在现有技术中，这个问题已经通过在相对较低的发动机负载、通常约为最大持续功率的10％或更低的发动机负载下启用及停用涡轮增压器来规避。然而，这意味着每次启用或停用涡轮增压器都需要将发动机减速至10％的发动机负载，这在实践中是非常不希望的，而且通常是不可能的，例如当发动机用作远洋船舶的主推进力时，发动机在能够以高于例如65％的发动机负载进行操作之前需要被减速至10％的发动机负载是不希望的。

8、us2010/0281862公开了一种配备有多个涡轮增压器的船用发动机，其中，涡轮增压器从单独操作切换到并联操作或者从并联操作切换到单独操作，并且声称防止了要启动或停止的涡轮增压器中的喘振。船用柴油发动机包括：排气管，安装在发动机本体上的排气歧管经由该排气管与涡轮部分相通；涡轮入口阀，该涡轮入口阀连接在排气管中的某处；供给管，压缩机部分经由该供给管与安装在发动机本体上的供给歧管相通；止回阀，该止回阀连接在供给管中的某处，并且当该压缩机部分的出口压力达到或超过压缩机部分的出口压力时，该止回阀打开；通气管，该通气管的一个端部在压缩机部分与止回阀之间连接在供给管中的某处；以及通气阀，该通气阀连接在通气管中的某处。当涡轮增压器被启动时，通气阀在涡轮入口阀几乎到达该涡轮入口阀的打开位置时关闭，并且当涡轮增压器被停止时，通气阀恰好在涡轮入口阀开始关闭之前打开。然而，本公开的发明人的测试表明，通过遵循us2010/0281862的教导并不能可靠地防止涡轮增压器发生喘振。

9、jpwo2015162840a1公开了一种发动机系统，其中，从主增压器和辅助增压器进行操作的状态开始，辅助涡轮入口阀和辅助压缩机出口阀被关闭，并且辅助增压器停止，同时保持主增压器进行操作；当将操作的增压器的数量减少时，基于辅助增压器的转速来确定具有规定喘振裕度的停止时间参考压力，并且当辅助压缩机的出口压力高于停止时间参考压力时，排出阀被打开，以及当辅压机的出口压力低于停止时间参考压力时，排出阀被关闭。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种单流型大型涡轮增压二冲程内燃发动机，该发动机允许在相对较高的发动机负载下启用及停用涡轮增压器，并且涡轮增压器发生喘振/失速的风险最小。

2、前述和其他目的是通过本公开的各个方面实现的。另外的可能的实施形式通过例如说明书和附图而变得明显。

3、根据第一方面，提供了一种单流型大型涡轮增压二冲程内燃发动机，该发动机包括：

4、多个气缸，该气缸具有位于该气缸的下端部处的扫气端口和位于该气缸的上端部处的排气阀，

5、进气系统，扫气气体通过该进气系统被引入到气缸中，该进气系统包括扫气气体接收器，该扫气气体接收器经由扫气端口连接至气缸，

6、排气系统，气缸中产生的排气通过该排气系统排出，该排气系统包括排气接收器，该排气接收器经由排气阀连接至气缸1，

7、多个涡轮增压器，每个涡轮增压器具有排气驱动的涡轮，该涡轮以可操作的方式联接至压缩机，其中，涡轮的入口连接至排气接收器，以及压缩机的出口连接至进气系统，以将经加压的扫气气体流输送到扫气气体接收器，

8、所述多个涡轮增压器中的至少一个涡轮增压器是可选择性启用的涡轮增压器，该可选择性启用的涡轮增压器具有：

9、可启用的涡轮，该可启用的涡轮通过电子控制的涡轮控制阀而选择性地连接至排气接收器，

10、可启用的压缩机，其中，该可启用的压缩机的出口选择地连接至

11、以下各者：

12、进气系统，该可启用的压缩机的出口通过电子控制的压缩机控制阀而连接至该进气系统，以及

13、大气，该可启用的压缩机的出口通过电子控制的空气释放阀而连接至大气，该空气释放阀在压缩机控制阀上游处连接至可启用的压缩机的出口，

14、空气释放阀是可变阀，从而对穿过该空气释放阀的气体流形成可控的可变限制，以及

15、控制器，该控制器联接至以下各者：

16、涡轮控制阀，

17、压缩机控制阀，以及

18、空气释放阀，

19、其中，当将可选择性启用的涡轮增压器启用时，控制器被配置成：

20、使涡轮控制阀从关闭位置移动到打开位置，

21、使压缩机控制阀从关闭位置移动至打开位置，

22、根据关于以下各者中的至少一者的函数(function)，使空气释放

23、阀朝向关闭位置连续移动：

24、可启用的压缩机的出口处的测量或估算的压力，

25、以及

26、可选择性启用的涡轮增压器的测量或估算的转速。

27、通过根据该函数使空气释放阀从打开位置向关闭位置连续移动，可以对可启用的压缩机的出口处的压力进行控制，并且因此将可启用的压缩机上的压力比控制在以下水平：该水平确保由压缩机上的压力比和涡轮增压器/压缩机速度的组合限定的压缩机操作点与压缩机发生喘振/失速的操作点相距一距离，即具有喘振/失速裕度，从而显著降低了压缩机在可启用的压缩机的启用期间发生喘振/失速的风险。

28、在第一方面的可能的实施形式中，该函数是从可启用的压缩机的已知处于与发生喘振或失速相距安全距离处的操作点获得的。

29、在第一方面的可能的实施形式中，该函数是从压缩机特性获得的，该压缩机特性例如是与可启用的压缩机相关联的压缩机图表中限定的压缩机特性。

30、通过将可启用的压缩机的出口处的压力控制为从压缩机图表中获得的函数，可以以防止或至少减少失速和/或喘振发生的方式控制涡轮增压器的启动。

31、在第一方面的可能的实现形式中，当将选择性启用的涡轮增压器停用时，控制器被配置成：

32、使压缩机控制阀从打开位置移动到关闭位置，

33、使涡轮控制阀从打开位置移动到关闭位置，优选地，在压缩机控制阀已经关闭之后使涡轮控制阀从打开位置移动到关闭位置，

34、根据关于以下各者中的至少一者的函数，使空气释放阀朝向打开位置移动：

35、可启用的压缩机的出口处的测量和/或估算的压力，

36、以及

37、可选择性启用的涡轮增压器的测量和/或估算的转速。

38、通过根据该函数来使空气释放阀从关闭位置向打开位置连续移动，可以对可启用的压缩机的出口处的压力进行控制，并且因此将可启用的压缩机上的压力比控制在以下水平：该水平确保了由压力比和涡轮增压器速度的组合限定的压缩机操作点与压缩机发生喘振/失速的操作点相距一距离，即具有喘振/失速裕度，从而显著降低了压缩机在可启用的压缩机的停用期间发生喘振或失速的风险。

39、在第一方面的可能的实施形式中，对于可选择性启用的涡轮增压器的转速范围内的可选择性启用的涡轮增压器的给定转速，控制器被通知可启用的压缩机的出口处的目标压力。

40、在第一方面的可能的实施形式中，控制器使空气释放阀移动到下述位置：该位置使得可启用的压缩机的出口处的实际压力对应于可选择性启用的涡轮增压器的实际转速的目标压力。通过确保可启用的压缩机的出口处的实际压力对应于目标压力，可以将操作点保持在最佳位置、例如对应于最高压缩机效率的位置。此外，通过将可启用的压缩机的操作点保持在最佳操作位置或接近最佳操作位置，也显著降低了发生失速的风险。

41、在第一方面的可能的实施形式中，可选择性启用的涡轮增压器的给定转速的目标压力与可启用的压缩机在可选择性启用的涡轮增压器的相同给定转速下发生喘振的压力相距喘振裕度。

42、在第一方面的可能的实施形式中，可选择性启用的涡轮增压器的给定转速下的目标压力对应于可启用的压缩机在可选择性启用的涡轮增压器的相同给定转速下具有最高效率的压力。

43、在第一方面的可能的实施形式中，发动机包括：压力传感器，该压力传感器提供表示可启用的压缩机的出口处的压力的信号；以及/或者速度传感器，该速度传感器被配置成提供表示可选择性启用的涡轮增压器的转速的信号。

44、在第一方面的可能的实施形式中，控制器被配置成基于来自速度传感器的信号来确定目标压力。

45、在第一方面的可能的实施形式中，控制器被配置成对目标压力与来自压力传感器的信号之间的差异进行确定并且根据该差异确定空气释放阀的设定点。

46、在第一方面的可能的实施形式中，控制器被配置成根据所确定的与设定点的差异来对涡轮控制阀和/或压缩机控制阀的设定点进行确定。

47、在第一方面的可能的实施形式中，涡轮控制阀被布置在可启用的涡轮的上游处，以及/或者其中，压缩机控制阀被布置在可启用的压缩机的下游处，以及/或者其中，空气释放阀被布置在空气释放导管中，该空气释放导管位于选择性启用的涡轮增压器的压缩机的下游处于并且位于压缩机控制阀的上游处。

48、在第一方面的可能的实施形式中，可选择性启用的涡轮增压器的估算压力和/或估算转速是从一个或更多个测试和/或模拟中或者通过经验获得的预存值。

49、在第一方面的可能的实施形式中，发动机包括燃料系统，该燃料系统用于将燃料输送到气缸。

50、在第一方面的可能的实施形式中，涡轮控制阀被配置成对向可启用的涡轮的排气流进行控制。

51、在第一方面的可能的实施形式中，压缩机控制阀被配置成对从可启用的压缩机向扫气气体接收器的扫气气体流进行控制。

52、在第一方面的可能的实施形式中，发动机包括用于对扫气气体接收器中的扫气气体压力进行感测的压力传感器和/或用于对扫气气体接收器中的扫气压力进行估算的观测器。

53、在第一方面的可能的实施形式中，控制器被配置成根据发动机的操作条件来将可选择性启用的涡流增压器启用及停用，优选地，控制器被配置成根据发动机负载、扫气空气压力或负载设定点来将可选择性启用的涡轮增压器启用及停用。

54、在第一方面的可能的实施形式中，控制器配置成根据感测或观测到的扫气气体压力以及/或者感测或观测到的排气温度来确定实际的发动机涡轮增压效率。术语“发动机涡轮增压效率”是指发动机所经受/感觉到的涡轮增压效率，而与环境条件无关。

55、在第一方面的可能的实施形式中，压缩机控制阀是可变阀，从而对穿过该压缩机控制阀的气体流形成可控的可变限制，并且当将可选择性启用的涡轮增压器启用时，控制器被配置成根据以下两者来使压缩机控制阀朝向打开位置移动：

56、可启用的压缩机的出口处的测量或估算的压力，

57、以及

58、可选择性启用的涡轮增压器的测量或估算的转速。

59、根据第二方面，提供了一种对单流型大型涡轮增压二冲程内燃发动机进行操作的方法，该发动机包括：

60、多个气缸，该气缸具有位于该气缸的下端部处的扫气端口和位于该气缸的上端部处的排气阀，

61、进气系统，扫气气体通过该进气系统被引入到气缸中，该进气系统包括扫气气体接收器，该扫气气体接收器经由扫气端口连接至气缸，

62、排气系统，气缸中产生的排气通过该排气系统排出，该排气系统包括排气接收器，该排气接收器经由排气阀连接至气缸，以及

63、多个涡轮增压器，每个涡轮增压器具有排气驱动的涡轮，该涡轮以可操作的方式连接至压缩机，其中，涡轮的入口连接至排气接收器，以及压缩机的出口连接至进气系统，以将经加压的扫气气体流输送至扫气气体接收器，

64、所述多个涡轮增压器中的至少一个涡轮增压器是可选择性启用的涡轮增压器，该可选择性启用的涡轮增压器具有：

65、可启用的涡轮，该可启用的涡轮经由电子控制的涡轮控制阀而选择性地连接至排气接收器，

66、可启用的压缩机，该可启用的压缩机的出口选择地连接至以下各者：

67、

68、进气系统，该可启用的压缩机的出口通过电子控制的压缩机控制阀而连接至该进气系统，以及

69、大气，该可启用的压缩机的出口通过电子控制的空气释放阀而连接至大气，该空气释放阀在压缩机控制阀的上游处连接至可启用的压缩机的出口，

70、空气释放阀是可变阀，从而对穿过该空气释放阀的气体流形成可控的可变限制，

71、该方法包括：

72、对可启用的压缩机的出口处的压力和可选择性启用的涡轮增压器的转速中的至少一者进行测量或估算，

73、通过以下方式将至少一个可选择性启用的涡轮增压器启用：

74、使涡轮控制阀从关闭位置移动到打开位置，

75、使压缩机控制阀从关闭位置移动到打开位置，优选地，在涡轮控制阀已经打开之后使压缩机控制阀从关闭位置移动到打开位置，

76、根据以下各者中的至少一者，使空气释放阀从关闭位置向打开位置连续移动：

77、可启用的压缩机的出口处的测量或估算的压力，以及可选择性启用的涡轮增压器的测量或估算的转速。

78、在第二方面的可能的实施形式中，该方法包括：

79、通过以下方式将至少一个可选择性启用的涡轮增压器停用：

80、使压缩机控制阀从打开位置移动到关闭位置，

81、使涡轮控制阀从打开位置移动到关闭位置，优选地，在压缩机控制阀已经关闭之后使涡轮控制阀从打开位置移动到关闭位置，

82、根据以下各者中的至少一者，使空气释放阀从打开位置向关闭位置连续移动：

83、可启用的压缩机的出口处的测量或估算的压力，

84、以及

85、可选择性启用的涡轮增压器的测量或估算的转速。

86、本发明的这些和其他方面将从以下描述的实施方式中变得明显。