雙燃料船用內燃發動機以及對應的方法和改裝工具包的制作方法
【專利摘要】本發明涉及雙燃料船用內燃發動機以及對應的方法和改裝工具包。雙燃料船用內燃發動機(1)，優選是低壓雙燃料發動機，尤其是兩沖程雙燃料低速發動機，以及對應的方法和改裝工具包，包括至少一個用于氣體燃料?空氣混合物的點燃或液體燃料?空氣混合物的點燃的燃燒室(2)。發動機包括進入燃燒室(2)的空氣入口(3)和離開燃燒室(2)的空氣出口(4)。另外，發動機(1)包括氣體燃料運行模式和液體燃料運行模式，其中惰性氣體入口閥(5)能夠由控制單元(6)控制，從而惰性氣體能夠根據預定燃燒狀態優選地通過空氣入口(3)被引入至少一個燃燒室(2)。
【專利說明】
雙燃料船用內燃發動機以及對應的方法和改裝工具包
技術領域
[0001]本發明涉及一種雙燃料船用內燃發動機、一種用于在雙燃料船用內燃發動機中控制燃燒中的早燃和燃燒速度的方法、一種用于雙燃料內燃發動機的改裝工具包以及一種用于控制將惰性氣體引入雙燃料內燃發動機的燃燒室的計算機程序產品。
【背景技術】
[0002]由于海運業中越來越嚴厲的空氣污染規定，雙燃料發動機成為造船業中的重要發動機。
[0003]市場上有基于低壓或高壓概念的雙燃料發動機。低壓雙燃料發動機被優化為奧托循環的兩沖程氣體燃料發動機。高壓雙燃料發動機是柴油循環發動機并要求基本上更大量的引燃燃料并產生更高水平的ΝΟχ。
[0004]當氣體燃料進入內燃發動機的燃燒室并與燃燒空氣混合時，存在不受控的燃燒(所謂的早燃)的風險早燃。早燃主要是由于燃燒室內的基團造成的。早燃的發生降低了發動機效率并導致零件的更高程度磨損。

【發明內容】

[0005]因此，本發明的目標是避免現有技術的缺點，并提供一種雙燃料船用內燃發動機、一種用于控制早燃和燃燒速度的方法、一種用于雙燃料內燃發動機的改裝工具包以及一種用于控制將惰性氣體引入雙燃料內燃發動機的燃燒室的計算機程序產品，這減少了早燃的發生。該目標通過根據本發明的一種雙燃料船用內燃發動機、一種用于控制預點火和燃燒速度的方法、一種用于雙燃料內燃發動機的改裝工具包以及一種用于控制將惰性氣體引入雙燃料內燃發動機的燃燒室的計算機程序產品被實現。
[0006]具體地，該目標通過一種雙燃料船用內燃發動機被實現，優選地為低壓雙燃料發動機，尤其是兩沖程雙燃料低速發動機，該雙燃料船用內燃發動機包括至少一個燃燒室，所述至少一個燃燒室用于氣體燃料-空氣混合物的點燃或液體燃料-空氣混合物的點燃。所述發動機包括進入燃燒室的空氣入口和離開燃燒室的空氣出口，其中所述發動機包括氣體燃料運行模式和液體燃料運行模式。惰性氣體入口閥能夠由控制單元控制，從而惰性氣體能夠根據預定燃燒狀態優選地通過所述空氣入口被引入所述至少一個燃燒室。
[0007]由于可以阻止燃燒室中的早燃以及燃燒速度，這種雙燃料發動機導致更有效率的燃燒和更少的發動機零件磨損。
[0008]預定燃燒狀態是從理論上或在試驗運轉中的或在發動機運行期間預先確定的最可能發生早燃的狀態。
[0009]根據本發明，預定燃燒狀態只由早燃發生的可能性決定。預定燃燒狀態不由任何排放標準決定。
[0010]根據本發明，低速發動機是一種轉速最高為200rpm的發動機。具體地，這些低速發動機是具有缸徑為250mm到100mm的燃燒室的大型發動機。[0011 ]低壓雙燃料發動機不需要任何排氣后處理，因為在氣體燃料模式下不需要任何排氣后處理就能實現tier 3排放，使用液體燃料最少能實現tier 2排放。因此，低壓雙燃料發動機在每種可能的運行條件(從怠速到滿負荷輸出)下都能滿足全球的排放限制。
[0012]根據發動機是高壓還是低壓系統，惰性氣體入口閥可以被設置在渦輪增壓器的上游或下游。替換地，惰性氣體入口閥可以是氣缸套上的獨立零件。
[0013]惰性氣體可以能夠在氣體燃料運行模式期間被引入。
[0014]在氣體燃料運行模式下惰性氣體的引入導致氣體燃料模式下早燃以及燃燒速度被抑制。發動機的效率被提高，且零件上的磨損被減少。另外，在液體燃料模式下該過程不受影響。
[0015]惰性氣體可以是排氣。
[0016]使用排氣作為惰性氣體導致非常有效率的過程和排氣的進一步清潔，從而實現發動機排放的優化。另外，不需要額外的惰性氣體容器。
[0017]發動機包括用于將排氣引入燃燒室的排氣再循環系統。
[0018]排氣再循環系統的使用是產生新的抑制早燃和燃燒速度的效果的標準零件的引入。
[0019]排氣再循環系統可以至少包括鼓風機、冷卻裝置(優選是水分離器)，以及清潔或洗滌單元，優選與渦輪增壓器并聯布置，更優選布置在渦輪增壓器的低壓側。
[0020]渦輪增壓器的低壓側的布置比高壓側的布置便宜。
[0021]排氣再循環系統使得能夠在排氣被引入渦輪增壓器之前清潔排氣、冷卻排氣以及最終增加排氣的壓力。
[0022]排氣再循環系統可以能夠由控制單元控制。
[0023]因此，排氣再循環系統可以只在早燃發生或最可能發生的情況下被啟動。排氣再循環系統不為達到某個排放水平而連續運行。
[0024]預定燃燒狀態可以由燃燒室中的溫度和/或壓力決定。
[0025]例如，氣缸壓力軌跡可以被用于確定燃燒室中早燃的開始。具體的壓力和/或溫度值取決于所使用的氣體燃料和某種發動機，并且必須被提前確定，或者在試驗運轉期間或發動機運行期間被輸入控制單元。
[0026]所述目標還通過一種用于在雙燃料船用內燃發動機中控制燃燒中的早燃的方法被實現，雙燃料為氣體燃料和液體燃料，液體燃料尤其是柴油，所述雙燃料船用內燃發動機優選是前面描述過的發動機早燃。該方法包括氣體燃料運行模式和液體燃料運行模式。在氣體燃料運行模式下在預定燃燒狀態期間將惰性氣體引入燃燒室。
[0027]預定燃燒狀態基于早燃的發生或發生可能性。預定燃燒狀態不取決于發動機的排放水平。
[0028]通過使用所述方法，早燃的發生可以被控制和避免，因此發動機效率被提高。
[0029]預定燃燒狀態可以取決于燃燒室中的溫度和/或壓力。
[0030]因此，惰性氣體只在需要時被引入。
[0031 ]可以在發動機運行期間在氣體燃料運行模式下連續地確定燃燒狀態。
[0032]連續地確定導致對燃燒狀態的連續監視，因此導致可以在早燃可能發生或已經發生的情況下引入惰性氣體。另外，液體燃料模式不受惰性氣體所導致的早燃抑制的影響。
[0033]可以在試驗運轉中提前確定發動機的燃燒狀態，并且基于試驗運轉確定預定燃燒狀態。
[0034]因此，可以在沒有連續監視或者有額外的連續監視的情況下引入惰性氣體，并且發動機的效率被提高。
[0035]如果探測到燃燒室中的早燃(優選地是在之前未知早燃的狀態下探測到早燃)，則增加預定燃燒狀態早燃早燃。
[0036]因此，在發動機運行期間系統獲得信息，并且可以增加其他的預定燃燒狀態。
[0037]惰性氣體是排氣，優選地是再循環排氣。
[0038]因此，排氣被重復利用，排放被降低。另外，不需要額外的惰性氣體容器。
[0039]所述目標還通過一種用于雙燃料內燃發動機的改裝工具包被實現，所述雙燃料內燃發動機優選是低壓發動機，尤其是具有氣體燃料運行模式和柴油運行模式的船用發動機。所述改裝工具包包括用于在氣體燃料運行模式期間將排氣再循環到燃燒室中的排氣再循環系統。所述改裝工具包還包括惰性氣體入口閥和用于控制所述排氣再循環系統的控制單元。
[0040]通過所述改裝工具包，即使是已有的內燃發動機也很能被更新，從而抑制雙燃料模式下的早燃。
[0041]所述目標還通過一種用于控制將惰性氣體引入內燃發動機的燃燒室的計算機程序產品被實現，所述內燃發動機優選是低壓雙燃料內燃發動機，優選是如之前所述的發動機。如之前所述的用于控制早燃的方法能夠由這種計算機程序產品執行。
【附圖說明】
[0042]通過附圖在實施方式中進一步描述本發明:
[0043]圖1是具有低壓排氣再循環的裝置的示意圖；
[0044]圖2是具有高壓排氣再循環的裝置的示意圖；
[0045]圖3是用于控制早燃的方法的示意流程圖；
[0046]圖4是標準燃燒循環的圖；
[0047]圖5是發生早燃的燃燒循環的圖。
【具體實施方式】
[0048]圖1示出了具有低壓排氣再循環的裝置的示意圖。在低壓排氣再循環系統中，排氣再循環系統7布置在渦輪增壓器12的低壓側。雙燃料船用內燃發動機I是兩沖程低壓雙燃料發動機I。雙燃料發動機I具有兩個獨立的運行模式:氣體燃料運行模式和液體燃料運行模式。在兩種模式下，燃料都被引入燃燒室2。另外，空氣通過空氣入口 3被引入燃燒室2。燃燒之后，排氣從燃燒室2被釋放到排氣出口 4。在空氣入口 3的下游布置有渦輪增壓器12。通過渦輪增壓器12的應用，提高了發動機I的效率。在渦輪增壓器12的下游布置有排氣再循環系統7。排氣再循環系統7包括清潔單元8、冷卻單元9、水分離器10和鼓風機11。如果燃燒室中達到預定燃燒狀態，惰性氣體入口閥5由控制單元6打開。還將排氣再循環系統7連接到渦輪增壓器12的壓縮側是可能的，從而在液體燃料運行期間使用排氣再循環系統。控制單元6與燃燒室2中的一個傳感器或幾個傳感器連接，從而確定燃燒室2中是否存在預定燃燒狀態。排氣再循環系統7只在預定燃燒狀態被傳感器感測到時才被控制單元6啟動。傳感器是燃燒室2中的壓力傳感器和溫度傳感器。
[0049]圖2示出了圖1的替換實施方式，其中排氣再循環系統7布置在渦輪增壓器12的高壓側。排氣再循環系統7包括清潔單元8、冷卻單元9、水分離器10、鼓風機11和惰性氣體入口閥5。惰性氣體入口閥5由控制單元6控制，并根據燃燒室2中預定燃燒狀態的發生允許將排氣引入燃燒室2。為此，控制單元6被連接到一個或幾個確定預定燃燒狀態的傳感器。傳感器是燃燒室2中的壓力傳感器和溫度傳感器。可以通過將可利用的排氣共享給兩根流體連接管線同時將來自燃燒室2的排氣用于渦輪增壓器12和排氣再循環。只要預定燃燒狀態不再被識別，排氣再循環在氣體燃料運行模式下被停止。
[0050]圖3示出了用于控制燃燒中早燃的方法的示意流程圖。當在發動機運行期間氣體燃料模式31開始時，為了預定燃燒狀態32連續地監視燃燒。預定燃燒狀態32由燃燒室2中的溫度和壓力確定(參見圖1和圖2)。預定燃燒狀態32的一個實施例在圖5中示出。在沒有達到預定燃燒狀態32的情況下，在氣體燃料運行模式下不需要排氣再循環33。在預定燃燒狀態32被識別的情況下，進入燃燒室2的排氣再循環被開啟。在預定燃燒狀態不再被識別的情況下，排氣再循環被停止。在發動機I的氣體燃料運行模式31期間，連續地進行預定燃燒狀態的監視。
[0051]圖4通過氣缸壓力與曲軸轉角示出了在沒有任何早燃的標準燃燒循環期間的早燃燃燒過程。氣缸壓力的峰值發生在大約5°曲軸轉角處，該峰值本身非常陡峭。
[0052]圖5示出了在早燃發生的情況下預定燃燒狀態下的圖4的相同圖。在早燃發生期間，氣缸壓力已經在0°曲軸轉角處達到峰值。另外，該峰值更平緩且峰值壓力比圖4中所示的標準循環的峰值壓力高大約10%。
【主權項】
1.一種雙燃料船用內燃發動機(I)，優選地為低壓雙燃料發動機，尤其是兩沖程雙燃料低速發動機，該雙燃料船用內燃發動機(I)包括至少一個燃燒室(2)、進入所述燃燒室(2)的空氣入口(3)以及離開所述燃燒室(2)的空氣出口(4)，所述至少一個燃燒室(2)用于氣體燃料-空氣混合物的點燃或液體燃料-空氣混合物的點燃，其中所述雙燃料船用內燃發動機(I)包括氣體燃料運行模式和液體燃料運行模式，其特征在于，惰性氣體入口閥(5)能夠由控制單元(6)控制，從而惰性氣體能夠根據預定燃燒狀態優選地通過所述空氣入口(3)被引入所述至少一個燃燒室(2)。2.根據權利要求1所述的雙燃料船用內燃發動機(I)，其特征在于，所述惰性氣體能夠在氣體燃料運行模式期間被引入。3.根據權利要求1或2所述的雙燃料船用內燃發動機(I)，其特征在于，所述惰性氣體是排氣。4.根據權利要求3所述的雙燃料船用內燃發動機，其特征在于，所述雙燃料船用內燃發動機包括用于將排氣引入所述至少一個燃燒室(2)的排氣再循環系統(7)。5.根據權利要求4所述的雙燃料船用內燃發動機，其特征在于，所述排氣再循環系統(7)至少包括鼓風機(11)、冷卻裝置(9)以及清潔單元(8)，優選地與渦輪增壓器(12)并聯布置，更優選地布置在渦輪增壓器(12)的低壓側。6.根據權利要求4或5所述的雙燃料船用內燃發動機，其特征在于，所述排氣再循環系統(7)能夠由所述控制單元(6)控制。7.根據前述權利要求中任一項所述的雙燃料船用內燃發動機(I)，其特征在于，所述預定燃燒狀態由所述至少一個燃燒室(2)中的溫度和/或壓力決定。8.—種用于在雙燃料船用內燃發動機(I)中控制燃燒中的早燃的方法，雙燃料為氣體燃料和液體燃料，液體燃料尤其是柴油，所述雙燃料船用內燃發動機(I)優選地是根據權利要求I至7中任一項所述的雙燃料船用內燃發動機，所述雙燃料船用內燃發動機(I)具有氣體燃料運行模式和液體燃料運行模式，其特征在于，在所述氣體燃料運行模式下在預定燃燒狀態期間將惰性氣體弓I入燃燒室(2)。9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述預定燃燒狀態由所述燃燒室(2)中的溫度和/或壓力決定。10.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于，在發動機運行期間在所述氣體燃料運行模式下連續地確定燃燒狀態。11.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于，在試驗運轉中提前確定所述雙燃料船用內燃發動機的燃燒狀態，并且基于所述試驗運轉確定所述預定燃燒狀態。12.根據權利要求8至11中任一項所述的方法，其特征在于，在探測到所述燃燒室(2)中的早燃的情況下，增加預定燃燒狀態。13.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體是排氣，優選是再循環排氣。14.一種用于低壓雙燃料內燃發動機的改裝工具包，所述低壓雙燃料內燃發動機尤其是船用發動機，所述低壓雙燃料內燃發動機具有氣體燃料運行模式和柴油運行模式，所述改裝工具包包括用于在氣體燃料運行模式期間將排氣再循環到燃燒室(2)中的排氣再循環系統(7)、惰性氣體入口閥(5)以及用于控制所述排氣再循環系統(7)的控制單元(6)。15.—種用于控制將惰性氣體引入低壓雙燃料內燃發動機的燃燒室(2)的計算機程序產品，所述低壓雙燃料內燃發動機優選地是根據權利要求1至7中任一項所述的雙燃料船用內燃發動機，其中能夠執行根據權利要求8至13中任一項所述的方法。
【文檔編號】F02D19/06GK105909399SQ201610097135
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月16日
【發明人】N·S·基肖爾
【申請人】溫特圖爾汽柴油公司