[发明专利]大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法

说明书

一种大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法。发动机具有多个机械设计约束并包括燃烧室、构造成在BDC与TDC之间往复运动的活塞、气态燃料准许进入阀、构造成向燃烧室正时供给液态燃料以启动点火的液态燃料阀及与发动机关联的控制器，控制器配置成：分别针对每个燃烧室对活塞从BDC向TDC的冲程期间经由气态燃料准许进入阀而准许进入燃烧室的气态燃料的正时和量进行控制；监测每个气缸的燃烧过程并检测燃烧过程何时导致机械设计约束中的一者或多者被超过；当燃烧过程未导致任何预定机械设计约束被超过时进行第一量液态燃料的正时供给；当燃烧过程导致一个或多个预定机械设计约束被超过时进行第二量液态燃料的正时供给，第二量大于第一量。

技术领域

本公开涉及大型二冲程气态燃料内燃发动机，特别地涉及具有十字头的大型二冲程单流扫气式内燃发动机，该发动机借助于在活塞从下止点(BDC)至上止点(TDC)的冲程期间从燃料阀准许进入的气态燃料来运行。

背景技术

具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机例如用于对大型远洋航行的船舶进行推进或者用作发电厂中的初级原动机。不仅由于这些二冲程柴油发动机的庞大尺寸，而且这些二冲程柴油发动机被构建成不同于任何其他内燃发动机。大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机的排气阀可以重达400kg，活塞具有达100cm的直径，并且在燃烧室中的最大操作压力通常为数百bar。在这些高的压力水平和活塞尺寸处所涉及的力是巨大的。

利用通过沿着气缸套(liner)的长度或在气缸盖中居中布置的燃料阀而被准许进入的气态燃料进行操作的大型二冲程涡轮增压内燃发动机——即，在刚好在排气阀关闭之前开始的活塞的向上冲程(从BDC向TDC)期间准许气态燃料进入的发动机——对燃烧室中的气态燃料与扫气空气的混合物进行压缩，并且通过正时(timed)点火装置、比方说例如液态燃料喷射而在TDC处或在TDC附近对经压缩的混合物进行点火。

使用布置在气缸套中或气缸盖中的燃料阀(气体准许进入阀)的这种类型的气体准许进入具有可以使用低得多的燃料喷射压力的优点，这是因为当与在活塞接近TDC时或在TDC处、即当燃烧室中的压力处于其最大值时或者接近其最大值时喷射燃料气体的大型二冲程涡轮增压内燃发动机相比时，气态燃料是在压缩压力相对较低时喷射的。这后一类型的发动机需要的燃料喷射压力显著高于已经较高的最大燃烧压力。能够在这些极高压力处对气态燃料进行处理的燃料系统是昂贵且复杂的，这是由于气态燃料的挥发性质和气态燃料在这种高压下的行为，该行为包括扩散进入燃料系统的钢部件中并穿过燃料系统的钢部件。

因此，当与在活塞处于TDC或接近TDC时在较高压力处喷射气态燃料的发动机相比时，用于在压缩冲程期间喷射气态燃料的发动机的燃料供给系统显著更便宜。

然而，当在压缩冲程期间喷射气态燃料时，活塞对气态燃料与扫气空气的混合物进行压缩，并且因此存在提前点火的风险。另外，与在TDC处或TDC附近喷射燃料的发动机相比，燃烧过程更难以控制。除了提前点火以外，典型的挑战是恶劣燃烧(在燃烧期间压力增加速率太高)以及/或者超过最大设计压力。

JP2020200831公开了一种预混式大型二冲程涡轮增压单流扫气式气体操作的内燃发动机，该发动机具有多个燃烧室、与该发动机相关联的至少一个控制器，控制器配置成对在燃烧开始时燃烧室中的平均压缩空气过量比(compression air excess ratio)和整体压缩温度(bulk compression temperature)进行确定，该控制器配置成：

-当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比低于压缩空气过量比下限阈值时，执行至少一个压缩空气过量比增大措施，

-当所确定的或所测量的平均压缩空气过量比在压缩空气过量比上限阈值以上时，执行至少一个压缩空气过量比减小措施，

-当所确定的或所测量的整体压缩温度低于整体压缩温度下限阈值时，执行至少一个整体压缩温度增大措施，以及