操作大型低速二冲程单流扫气涡轮增压内燃发动机的方法与流程

本发明涉及具有十字头并且具有多个气缸的大型低速涡轮增压二冲程单流扫气内燃发动机，以及对这种发动机进行操作的方法。

背景技术：

1、具有十字头的大型低速涡轮增压二冲程单流扫气内燃发动机通常用于大型船舶的推进系统或用作发电厂的原动机。

2、这种类型的现代发动机是完全地电子地控制的，即在发动机运行期间，可以通过电子控制系统既对燃料的进入/喷射进行控制又对排气阀的打开和关闭进行控制，以确保发动机在给定的运行条件下最佳地运行。

3、在出厂前对发动机进行校准，以确保发动机满足所有性能要求，比如说例如功率、燃料效率、排放、噪音/振动水平和可靠性。

4、因此，在出厂时，发动机发挥最佳性能并满足性能要求。然而，因为发动机、或者至少是发动机的气缸偏离了出厂规格、即需要重新校准，因此随着时间的流逝发生磨损和损耗。

5、近来，存在大型涡轮增压二冲程压缩点火发动机能够处理替代类型的燃料的需要，替代类型的燃料比如天然气、石油气、甲醇、煤泥、水油混合物、石油焦等。

6、这些替代燃料中的若干燃料具有降低成本和排放的潜力。

7、通常使用大型低速单流扫气涡轮增压二冲程内燃发动机来推进大型远洋货轮，因此可靠性至关重要。这些使用替代燃料的发动机的运行仍处于相对较新的发展，并且与使用常规燃料运行时相比，使用气体燃料运行的冗余性处于较低的可靠性水平。在有意使用气体燃料时，双燃料发动机的正常运行时间缩短，从而降低成本。例如，对于气体燃料系统，冗余性较低。如果在一个气缸上检测到故障，则停止向所有气缸的气体燃料供给。在常规的燃料(燃油)模式下，只有受故障影响的气缸被停止。使用常规燃料运行确保了相关性。因此，重要的是能够快速从替代燃料切换为常规燃料，因为使用常规燃料的运行被认为是安全的后退措施。

8、因此，现有的大型低速二冲程柴油发动机都是双燃料发动机，该双燃料发动机具有用于使用比方说诸如气体燃料之类的替代燃料运行的燃料系统和用于使用比方说诸如燃油之类的常规燃料运行的另一燃料系统，使得发动机可以在仅使用常规燃料的情况下以全功率运行。

9、在使用替代燃料运行存在问题、比方说例如在使用气体燃料运行时存在气体压力不足的情况下，能够迅速从使用替代燃料运行切换为使用常规燃料运行是必不可少的。为了节省成本和减少排放，能够快速和简便地从常规燃料切换回替代燃料也很重要。

10、然而，当燃料类型改变时，燃烧过程不再相同，并且发动机必须重新校准以适应使用不同燃料的运行，例如，需要将燃料喷射的时机和时长、排气阀关闭的时机、扫气压力、压缩压力、气缸最大(峰值)压力和平均指示压力的控制调节成所使用的燃料类型。这意味着必须实现新的过程平衡，尤其是因为由典型的气体燃料系统输送的大量气体燃料的特性(热值)会显示出较大的波动。

11、已知的发动机控制系统无法在没有人为干预的情况下以令人满意的方式执行这种重新校准。已知的控制系统或者花费太长的时间或者精度不足，无法在燃料切换后立即达到发动机的最佳运行条件。

12、此外，大型低速涡轮增压二冲程单流扫气内燃发动机在出厂前已经校准为使得发动机的气缸中的每个气缸中的燃烧过程在发动机的整个运行状态下均根据设计标准来执行。在出厂前，气缸是平衡的(负载平衡的)，即各个气缸的气缸最大(峰值)压力或平均指示压力(负载)是尽可能均匀的。替代性地，代替峰值压力，对于每个气缸的平均指示压力尽可能的保持均匀，以确保尽可能最佳的负载平衡。

13、然而，在工厂后，随着时间的流逝，磨损和损耗将对发动机和对气缸中的每个气缸产生不同的影响。在使用期间，气缸中的燃烧过程偏离出厂规格，并且气缸平衡劣化。随着时间的流逝，这样的发展导致性能降低和排放增加，而应该在某个时间点通过对控制系统重新校准来抵消这种发展。

14、用于大型二冲程内燃发动机的已知控制系统需要人工干预来进行这种重新校准。然而，手动干预需要专家技能，因为参数中的一个参数变化、例如排气阀的关闭角度都将影响其他参数范围。通常，发动机操作人员不具备进行涉及人工干预的重新校准所需的技能，并且因此，这种重新校准实际上不会发生。这种缺乏重新校准的后果中的某些后果是增加了燃料消耗和排放。

15、rolle s.，wiesmann a.于2011年在瓦锡兰技术杂志的二冲程发动机的燃烧控制和监控公开了一种具有闭环燃料控制系统的发动机，在该发动机中，为所有气缸提供了公共负载设定点，分别为每个气缸测量气缸压力并相应地调节燃料喷射时机和排气阀关闭。

技术实现思路

1、在这种背景下，本技术的目的是提供一种克服或至少减轻上述问题的大型低速涡轮增压二冲程单流扫气内燃发动机以及对这种发动机进行操作的方法。

2、根据第一方面，该目的是通过提供一种具有十字头的大型低速二冲程单流扫气涡轮增压内燃发动机来实现的，该发动机包括：

3、多个气缸，所述气缸具有：

4、-排气阀，

5、-排气阀致动系统，该排气阀致动系统用于对排气阀进行致动，

6、-燃料输送系统，该燃料输送系统用于将一定量的第一燃料输送至相关的气缸，

7、-压力传感器，该压力传感器用于产生表示相关的气缸中的压力的特定气缸的压力信号，

8、排气驱动的涡轮增压器，该排气驱动的涡轮增压器对用于气缸的扫气进行加压，

9、控制器，该控制器接收发动机的如下实际运行状态或配置成确定发动机的如下实际运行状态：

10、表示要由发动机传递的扭矩的公共扭矩信号，

11、表示要在气缸中实现的峰值气缸压力的公共峰值压力信号，

12、表示要在气缸中实现的压缩压力的公共压缩压力信号，

13、控制器对特定气缸的压力信号进行接收，

14、其中：

15、a)控制器被配置成：从特定气缸的压力信号中得出表示由相关的特定气缸传递的扭矩的实际特定气缸的扭矩信号；以及根据公共扭矩信号与实际特定气缸的扭矩信号的偏差来对公共扭矩信号进行调节，以获得特定气缸的扭矩信号；以及根据特定气缸的扭矩信号向相关的特定气缸输送一定量的燃料，

16、以及

17、b)控制器配置成：从特定气缸的压力信号得出表示相关的气缸(1)中的峰值压力的实际特定气缸的峰值压力信号，以根据公共峰值压力信号与实际特定气缸的峰值压力信号的偏差来对公共峰值压力信号进行调节，以获得特定气缸的峰值压力信号；以及根据特定气缸的峰值压力信号，确定将所述一定量的燃料输送至相关的特定气缸(1)的开始的时间，

18、以及

19、c)控制器被配置成：从特定气缸的压力信号中得出表示相关的气缸中的压缩压力的实际特定气缸的压缩压力信号，以根据公共压缩压力信号与实际特定气缸的压缩压力信号的偏差对公共压缩压力信号进行调节，以获得特定气缸的压缩压力信号；以及根据特定气缸的压缩压力信号来确定相关的特定气缸的排气阀的关闭的时间。

20、通过按特定于气缸的方式对相应的燃烧过程参数(一个或更多个)进行调节，即在反馈回路中产生特定气缸的扭矩信号、特定气缸的进给压力信号和/或特定气缸的压缩压力信号，可以实现每个气缸严格地按照工厂规范运行，即使在发动机的磨损和损耗或其他因素改变了相关的气缸的运行状态的情况下也是如此。同时，实现了在不考虑整个发动机的气缸的负载平衡或气缸的情况下执行对发动机中的气缸的燃烧过程的控制。这种控制发动机的方式确保了每个气缸均处于最佳运行状态，而无需关心气缸平衡(负载平衡)。

21、在第一方面的可能实施方案中，发动机是燃料引导的，并且发动机包括至少元件a)。

22、在第一方面的可能实施方案中，发动机是空气引导的，并且发动机包括至少元件c)。

23、在第一方面的可能实施方案中，发动机是部分燃料引导的和部分空气引导的，并且发动机包括至少元件a)和元件c)。

24、在第一方面的可能实施方案中，发动机是双燃料发动机，并且其中，燃料输送系统被配置成处理至少两种不同的燃料，并且气缸各自设置有用于输送第一燃料的至少一个燃料阀和用于输送第二燃料的至少一个燃料阀。

25、在第一方面的可能实施方案中，发动机在以第一燃料运行时为燃料引导的，而在以第二燃料运行时为空气引导的。

26、在第一方面的可能实施方案中，控制器对期望的发动机速度进行接收并对经测量的发动机速度进行接收，并且其中，控制器包括调节器，该调节器被配置成根据期望的发动机速度与经测量的发动机速度的偏差来确定燃料指标信号。

27、在第一方面的可能实施方案中，控制器被配置成通过将燃料指标信号应用于第一预定图来将燃料指标信号转换成公共扭矩信号。

28、在第一方面的可能实施方案中，控制器包括功率计算模块，该功率计算模块被配置成对指示发动机负载的发动机负载信号进行计算，该功率计算模块优选地对燃料指标信号和经测量的发动机速度进行接收。

29、在第一方面的可能实施方案中，控制器被配置成：

30、-通过将发动机负载信号应用于第二预定图来确定公共峰值压力信号，和/或

31、-通过将发动机负载信号应用于第三预定图来确定公共压缩压力。

32、在第一方面的可能实施方案中，控制器包括燃料指标信号至分布持续时间模块，该分布持续时间模块被配置成将燃料指标信号转换为公共燃料输送持续时间信号。

33、在第一方面的可能实施方案中，控制器被配置成根据公共燃料输送持续时间信号与特定气缸的扭矩信号的偏差来对公共燃料输送持续时间信号进行调节，以获得特定气缸的燃料输送持续时间信号。

34、在第一方面的可能实施方案中，控制器被配置成根据特定气缸的扭矩信号或根据特定气缸的燃料输送持续时间信号来确定特定气缸的喷射分布，并且其中，燃料输送系统通过根据特定气缸的喷射分布来打开一个或更多个燃料阀而将该一定量的燃料输送至相关的特定气缸。

35、在第一方面的可能实施方案中，燃料输送系统通过根据由控制器确定的一定量的燃料的输送的开始时机来打开一个或更多个燃料阀而开始将该一定量的燃料输送至相关的特定气缸。

36、在第一方面的可能实施方案中，控制器被配置成：

37、-在对于其他气缸的调节处于相同方向时，将公共扭矩信号的调节的幅值限制到第一阈值，并且其中，控制器配置成在对于其他气缸的调节处于相反方向时将公共扭矩信号的调节的幅值限制到第二阈值，

38、和/或

39、-在对于其他气缸(1)的调节处于相同方向时，将公共峰值压力信号的调节的幅值限制到第一阈值，并且其中，控制器(55)配置成在对于其他气缸(1)的调节处于相反方向时将公共峰值压力信号的调节的幅值限制到第二阈值，

40、和/或

41、-当对于其他气缸(1)的调节处于相同方向时，将公共压缩压力信号的调节的幅值限制到第一阈值，并且其中，控制器(55)配置成在对于其他气缸(1)的调节处于相反方向时将公共压缩压力信号的调节的幅值限制到第二阈值。

42、在第一方面的可能实施方案中，第二阈值低于第一阈值。

43、在第一方面的可能实施方案中，第一预定图、第二预定图和/或第三预定图优选地是在发动机工厂根据相关的发动机或相同的或相当的发动机的测试而预先设定的，第一预定图、第二预定图和/或第三预定图优选地包括算法和/或表。

44、在第一方面的可能实施方案中，公共扭矩信号对应于对于所有气缸的平均指示气缸压力，并且其中，特定气缸的扭矩信号对应于对于相关的特定气缸的平均指示气缸压力。

45、在第一方面的可能实施方案中，控制器包括用于每个气缸的特定气缸的气缸补偿模块，该特定气缸的气缸补偿模块配置成用于对相关的特定气缸的公共扭矩信号、公共峰值压力信号和/或公共压缩压力信号进行补偿。

46、在第一方面的可能实施方案中，特定气缸的补偿模块是手动控制或自动控制的。

47、在第一方面的可能实施方案中，控制器被配置成在不考虑气缸平衡的情况下分别地对发动机的气缸进行控制。

48、在第一方面的可能实施方案中，

49、控制器配置成根据特定气缸的扭矩与实际特定气缸的扭矩之间的差对误差值连续地进行计算，并且在发动机具有元件a)的情况下，基于成比例的项和积分项施加校正，

50、控制器配置成根据特定气缸的峰值压力与实际特定气缸的峰值压力之间的差对误差值连续地进行计算，并且在发动机具有元件b)的情况下，基于成比例的项和积分项施加校正，

51、控制器配置成根据特定气缸的压缩压力与实际特定气缸的压缩压力之间的差对误差值连续地进行计算，并且在发动机具有元件c)的情况下，基于成比例的项和积分项施加校正。

52、在第一方面的可能实施方案中，燃料输送系统配置成用于将一定量的第一燃料和/或一定量的第二燃料输送至相关的气缸。

53、根据第二方面，提供了一种对具有十字头的大型低速二冲程单流扫气涡轮增压内燃发动机进行操作的方法，该发动机包括：

54、多个气缸，所述气缸具有：

55、-排气阀，

56、-排气阀致动系统，该排气阀致动系统用于对排气阀进行致动，

57、-燃料输送系统，该燃料输送系统用于将一定量的第一燃料输送至相关的气缸，

58、-压力传感器，该压力传感器用于产生表示相关的气缸中的压力的特定气缸的压力信号，

59、排气驱动的涡轮增压器，所述排气驱动的涡轮增压器对用于气缸的扫气进行加压，

60、该方法包括：

61、根据特定气缸的压力信号和特定气缸的设定点按特定于气缸的方式对气缸的至少一个燃烧过程参数进行闭环控制，特定气缸的设定点是对于所有气缸的公共设定点的特定气缸的补偿。

62、通过按特定于气缸的方式对相应的燃烧过程参数(一个或更多个)进行调节，即在反馈回路中产生特定气缸的扭矩信号、特定气缸的进给压力信号和/或特定气缸的压缩压力信号，可以实现每个气缸都严格地按照工厂规范运行，即使在发动机的磨损和损耗或其他因素改变了相关的气缸的运行状态的情况下也是如此。同时，实现了对发动机中的气缸的燃烧过程的控制，而无需考虑整个发动机的气缸的负载平衡或气缸。这种控制发动机的方式可确保每个气缸均处于最佳运行状态，而无需关心气缸平衡(负载平衡)。

63、在第二方面的可能实施方案中，所述至少一个燃烧过程参数包括：

64、-燃料量，

65、-燃料喷射开始的时机，和/或

66、-排气阀关闭的时机。

67、在第二方面的可能实施方案中，闭环控制而是在不考虑保持气缸平衡的情况下执行的。

68、在第二方面的可能实施方案中，闭环控制基于成比例的项和积分项施加校正。

69、在第二方面的可能实施方案中，公共设定点是：

70、-表示要由发动机传递的扭矩的公共扭矩信号，和/或

71、-表示要在气缸中实现的峰值气缸压力的公共峰值压力信号，和/或

72、-表示要在气缸中实现的压缩压力的公共压缩压力信号。

73、在第二方面的可能实施方案中，闭环控制使用特定气缸的经测量的气缸压力作为参考值。

74、在第二方面的可能实施方案中，从特定气缸的经测量的气缸压力得出特定气缸的平均指示气缸压力，以及/或者其中，从特定气缸的经测量的气缸压力得出特定气缸的峰值压力，以及/或者其中，从特定气缸的经测量的压力得出特定气缸的压缩压力。

75、根据第三方面，提供了一种对具有十字头的大型低速二冲程单流扫气涡轮增压内燃发动机进行操作的方法，该发动机包括：

76、多个气缸，所述气缸具有：

77、-排气阀，

78、-排气阀致动系统，该排气阀致动系统用于对排气阀进行致动，

79、-燃料输送系统，该燃料输送系统用于将一定量的第一燃料输送至相关的气缸，

80、-压力传感器，该压力传感器用于产生表示相关的气缸中的压力的特定气缸的压力信号，

81、排气驱动的涡轮增压器，该排气驱动的涡轮增压器对用于气缸的扫气进行加压，

82、控制器，该控制器接收发动机的如下实际运行状态或配置成确定发动机的如下实际运行状态：

83、公共扭矩信号，该公共扭矩信号表示要由发动机传递的扭矩，

84、公共峰值压力信号，该公共峰值压力信号表示要在气缸中实现的峰值气缸压力，

85、公共压缩压力信号，该公共压缩压力信号表示要在气缸中实现的压缩压力，

86、控制器，该控制器对特定气缸的压力信号进行接收，

87、该方法包括：

88、从特定气缸的压力信号得出表示由相关的特定气缸传递的扭矩的实际特定气缸的扭矩信号，并根据公共扭矩信号与实际特定气缸的扭矩信号的偏差来对公共扭矩信号进行调节，以获得特定气缸的扭矩信号，

89、以及根据特定气缸的扭矩信号将一定量的燃料输送至相关的特定气缸，和/或

90、b)从特定气缸的压力信号中得出表示相关气缸中的峰值压力的实际特定气缸的峰值压力信号，根据公共峰值压力信号与实际特定气缸的峰值压力信号之间的偏差来调节公共峰值压力信号，以获得特定气缸的峰值压力信号，以及

91、根据特定气缸的峰值压力信号来确定开始输送所述一定量燃料的时机，和/或

92、c)从特定气缸的压力信号得出表示相关的气缸中的压缩压力的实际特定气缸的压缩压力信号，根据公共压缩压力信号与实际特定气缸的压缩压力信号的偏差来调节公共压缩压力信号，以获得特定气缸的压缩压力信号，以及

93、根据特定气缸的压缩压力信号来确定排气阀关闭的时机。

94、根据第四方面，提供了一种具有十字头的大型低速二冲程单流扫气涡轮增压内燃发动机，该发动机包括：

95、多个气缸，所述气缸具有：

96、-排气阀，

97、-排气阀致动系统，所述排气阀致动系统用于对排气阀进行致动，

98、-燃料输送系统，所述燃料输送系统用于将一定量的第一燃料输送至相关的气缸，

99、-压力传感器，该压力传感器用于产生表示相关的气缸中的压力的特定气缸的压力信号，

100、排气驱动的涡轮增压器，该排气驱动的涡轮增压器对用于气缸的扫气进行加压，

101、控制器，该控制器配置成用于按特定于气缸的方式根据以下项对气缸的一个或更多个燃烧过程参数进行闭环控制：

102、-特定气缸的压力信号，以及

103、o对于所有气缸的公共设定点，或

104、o特定气缸的设定点，特定气缸的设定点是公共设定点的特定气缸的补偿。

105、根据第五方面，提供了一种具有十字头的大型低速二冲程单流扫气涡轮增压内燃发动机，该发动机包括：

106、-多个气缸，所述气缸具有：

107、排气阀，

108、排气阀致动系统，该排气阀致动系统用于对排气阀进行致动，

109、燃料输送系统(30)，该燃料输送系统(30)用于将一定量的第一燃料输送至相关的气缸，

110、-排气驱动的涡轮增压器，该排气驱动的涡轮增压器对用于气缸的扫气进行加压，

111、-控制器，该控制器被配置成按特定于气缸的方式对燃烧过程参数(一个或更多个)、燃料量、燃料喷射开始的时机和排气阀关闭的时机中的至少一者进行控制，

112、控制器(55)被配置成：

113、根据发动机的运行状态，通过循环地按特定于气缸的方式对燃烧过程参数(一个或更多个)的公共设定点或特定气缸的设定点进行调节而分别对气缸(1)的燃烧过程参数进行控制，

114、对气缸的燃烧过程参数(一个或更多个)的特定气缸的调节的平均值进行计算，

115、将燃烧过程参数(一个或更多个)的循环中的特定气缸的调节限制为由所计算出的相关的燃烧过程参数的调节的平均值加上或减去最大预定偏差。

116、通过提供确保特别是特定气缸的调节不会超出范围的限制器功能，可以确保提供足够的灵活性以适应正常情况下发生的大的调节，同时抑制了由于错误引起的大的调节，从而确保避免损坏或中断操作。

117、根据第五方面的可能实施方案，控制器被配置成将区间限定为由所计算出的相关的燃烧过程参数的调节的平均值加上或减去最大预定偏差，并且将燃烧过程参数(一个或更多个)的循环中的特定气缸的调节限制成在区间内的调节。

118、根据第五方面的可能实施方案，该区间是相对于所计算出的相关的燃烧过程参数的调节的平均值具有正向上的第一范围和负向上的第二范围的范围。

119、根据第五方面的可能实施方案，该区间是燃烧过程参数特定的。

120、根据第五方面的可能实施方案，正范围具有第一预定幅值，并且其中负范围具有第二预定幅值，第一预定幅值不必与第二预定幅值相同。

121、根据第五方面的可能实施方案，控制器被配置成针对相关的燃烧过程参数的循环调节的一个循环或多个循环计算气缸的对于燃烧过程参数(一个或更多个)的特定气缸的调节的平均值。

122、根据第五方面的可能实施方案，燃烧过程参数(一个或更多个)的调节是针对单个循环的调节。

123、根据第五方面的可能实施方案，所述至少一个燃烧过程参数包括：

124、-燃料量，

125、-燃料喷射开始的时机，和/或

126、-排气阀关闭的时机。

127、根据第五方面的可能实施方案，用于燃烧过程参数(一个或更多个)的特定气缸的设定点是对于燃烧过程参数(一个或更多个)的公共设定点的补偿。

128、根据第五方面的可能实施方案，发动机的运行状态为以下各者中的一者或更多者：发动机速度、发动机负载、气缸峰值压力、气缸燃烧压力、气缸平均指示压力、扫气压力燃料类型、环境湿度和环境温度。

129、根据第六方面，提供了一种对具有十字头的大型低速二冲程单流扫气涡轮增压内燃发动机进行操作的方法，该发动机包括：

130、-多个气缸，所述气缸具有：

131、排气阀，

132、排气阀致动系统，该排气阀致动系统用于对排气阀进行致动，

133、燃料输送系统，该燃料输送系统用于将一定量的第一燃料输送至相关的气缸，

134、-排气驱动的涡轮增压器，该排气驱动的涡轮增压器对用于气缸的扫气进行加压，

135、该方法包括：

136、按特定于气缸的方式对燃烧过程参数(一个或更多个)、燃料量、燃料喷射开始的时机和排气阀关闭的时机中的至少一者进行控制，

137、根据发动机的运行状态，通过循环地按特定于气缸的方式对燃烧过程参数(一个或更多个)的公共设定点或特定气缸的设定点进行调节而分别对气缸(1)的燃烧过程参数(一个或更多个)进行控制，

138、计算对于燃烧过程参数(一个或更多个)的特定气缸的调节的平均值，

139、对围绕所计算出的对于燃烧过程参数(一个或更多个)调节的平均值的区间进行确定，以及

140、将燃烧过程参数(一个或更多个)的循环中的特定气缸的调节限制至由所计算出的相关的燃烧过程参数的调节的平均值加上或减去最大预定偏差。

141、通过详细描述，根据本公开的燃料阀和发动机的其他目的、特征、优点和特性将变得显而易见。