技术领域
[0001] 本
发明总的涉及一种双燃料发动机，即利用
液体燃料和气体燃料运行的内燃发动机，以及用于操作这种双燃料发动机的方法。这种双燃料发动机可配备有废气再循环系统(EGR)和/或可经由废气
涡轮增压器进行装载。特别是，而非排他地，被配置为燃烧例如重
燃料油和/或柴油燃料油的燃料油以及气体的例如用在船上、电厂或与重型车辆和建筑用车辆一起使用的大型内燃发动机可根据本发明进行控制。
背景技术
[0002] 总的来说，双燃料发动机中的进气压缩比大大低于
柴油发动机中的压缩比以便确保以气
体模式操作的双燃料发动机的安全操作。这种较低压缩比带来较低的进气
温度和较低的进气压
力。
[0003] 当双燃料发动机以气体模式操作时，例如诸如柴油的先导液体燃料先导喷射到双燃料发动机的缸内以点燃一定装载量的气体燃料。另外，双燃料发动机的先导喷射器可被用来在液体燃料模式下在主要液体燃料燃烧后喷射先导液体燃料用于冷却。
[0004] US6,202,601B1公开了一种用于内燃发动机内的双燃料喷射方法和设备。气体燃料被用作主要燃料，而先导燃料在气态的主要燃料喷射之前被喷射到内燃发动机的
燃烧室内以点燃主要燃料。US5,271,357公开了一种设备和方法，将可以是
水煤浆的主要燃料以及可以是常规柴油燃料的高度燃烧辅助燃料引入内燃柴油发动机内。取决于发动机的负载状态，该辅助燃料被用作燃烧点火剂或者燃烧增强剂。
[0005] 本发明至少部分地用于改进或者克服现有系统的一个或者多个方面。
发明内容
[0006] 总的来说，本发明涉及一种被配置为在气体模式和液体燃料模式下操作的双燃料发动机。在本发明的一个方面，该双燃料发动机包括至少一个缸和与该至少一个缸相关的进气
阀，用于在气体模式下将气体燃料引入该缸内。该双燃料发动机进一步包括与该至少一个缸相关的主要喷射器和与该至少一个缸相关的先导喷射器，主要喷射器用于在液体燃料模式下将主要液体燃料喷射到缸内，先导喷射器用于将先导液体燃料喷射到缸内。控制单元被配置为控制先导喷射器喷射先导液体燃料的正时。控制单元被配置为控制先导喷射器在液体燃料模式下在主要液体燃料喷射之前喷射先导液体燃料。
[0007] 在本发明的另一方面，操作可在气体模式和液体燃料模式下操作的双燃料发动机的方法包括在气体模式下将气体燃料引入和将先导液体燃料喷射到双燃料发动机的至少一个缸内。该方法进一步包括在液体燃料模式下将主要液体燃料喷射到该至少一个缸内。此外，该方法包括在液体燃料模式下在喷射主要液体燃料之前将先导液体燃料喷射到该至少一个缸内。
[0008] 正如在此使用的，双燃料发动机可表示任何一种被配置为燃烧例如重燃料油(HFO)或者船用柴油(MDO)的液体燃料和例如
天然气的气体燃料的内燃发动机。
[0009] 根据本发明，“晚”其中可以表示主要液体燃料的喷射比高负载液体燃料模式下开始得要晚。“早”其中可以表示先导液体燃料的喷射比高负载液体燃料模式下开始得要早。
[0010] 必须指出的是，术语“气体燃料模式”、“气体模式”和“气态燃料模式”在此可被用于双燃料发动机的同一种操作模式。所有这些术语指的是双燃料发动机的这种操作模式，即其中双燃料发动机燃烧气体燃料，例如具有任一气体
质量的气体，尤其是与油田气体有关的非管道质量气体。为此，应当理解的是，当双燃料发动机在气体模式下操作时，先导喷射系统喷射很少量的先导液体燃料。先导喷射系统喷射少量的先导液体燃料以点燃气体/空气混合物。这种先导喷射系统在本领域内是众所周知的并且常用于双燃料发动机内。当双燃料发动机使用诸如重燃料油等等的液体燃料时，使用常规的喷射系统。如果在此就气体模式而言提到停止液体燃料，意味着对常规喷射系统而不是先导喷射系统的液体燃料供给停止。
[0011] 应当理解的是，对进口阀、出口阀、进气阀或者燃料
泵的任何谈论都不将本发明限制为一个单独的阀或者泵。相反地，一个或多个进口阀、出口阀和进气阀或者一个或多个燃料喷射泵可通过任何一种已知的方法进行控制。
[0012] 此外，可以理解的是，上述一般性说明以及随后的详细说明都只是示例性和解释性的，不是对本发明的限制。基于接下来的描述、
附图以及所附的
权利要求书，本发明的其他特征和方面对普通技术人员来说是显而易见的。
附图说明
[0013] 包含在此并且构成
说明书一部分的附图图示出本发明的示例性
实施例，并且与说明书一起用来解释本发明的原理。在附图中：
[0014] 图1图示出可用于根据本发明的双燃料发动机的喷射系统的示意图；
[0015] 图2图示出用来控制根据本发明的双燃料发动机的操作的示例性设备的示意图；以及
[0016] 图3图示出描述根据本发明的示例性阀正时和喷射正时的图表。
具体实施方式
[0017] 下面是本发明示例性实施例的详细说明。在此描述的示例性实施例意欲教导本发明的原理，使本领域普通技术人员能够在多种不同环境下和针对多种不同应用实施和使用本发明。因此，这些示例性实施例不打算、也不应被认为是保护范围的限制性描述。相反地，保护范围应由所附权利要求进行限定。
[0018] 本发明可部分地基于如下认识，即当例如重燃料油(HFO)的液体燃料用于双燃料发动机时，由于进气的低压缩比，很难在液体燃料模式下点燃液体燃料和进气的混合物。这在低发动机负载的情况下尤其困难。
[0019] 根据本发明，该问题可至少部分通过如下方式解决，即当发动机在液体燃料模式下操作时，使用双燃料发动机的先导喷射器将先导液体燃料喷射到该双燃料发动机的缸内以帮助点燃主要液体燃料。该先导液体燃料可在主要液体燃料喷射开始之前预定
曲柄角进行喷射。喷射的先导液体燃料的燃烧明显增加相应缸的燃烧室内的温度和压力，导致主要液体燃料、例如HFO的良好燃烧。
[0020] 进一步地，本发明可至少部分地基于如下认识，即在低负载液体燃料模式下提供早先导燃料喷射可以确保该低负载液体燃料模式下主要液体燃料的相对无烟燃烧。
[0021] 根据图1，经由废气
涡轮增压器装载(charged)的、未图示的双燃料发动机包括
凸轮轴10，其优选为例如与诸如泵凸轮16的若干个凸轮一体形成。在接下来描述的示例性实施例中，该双燃料发动机被配置为利用在低负载液体燃料模式和高负载液体燃料模式下作为主要液体燃料的一个示例的重燃料油和气体模式下的气体进行操作。然而，应当理解的是，根据本发明的其它实施例可以用不同的主要液体燃料进行操作，例如
原油、皮罗依(PyOil)等等。
[0022] 未图示的双燃料发动机可包括至少一个缸360。应当理解的是，具有与缸360相同结构的许多缸可以以任何一种已知的缸结构包含在该双燃料发动机中。
[0023] 缸360包括进口阀362、出口阀362、进气阀375、主要液体燃料喷射器374和先导液体燃料喷射器390。
[0024] 进口阀362被配置为接收一定装载量的压缩进气，用于在缸360的燃烧室内燃烧。进气阀375被配置为接收一定装载量的气体燃料，用于在该双燃料发动机以气体模式操作时与缸体的压缩进气一起燃烧。应当理解的是，在某些实施例中，气体燃料可在被引入到缸
360的燃烧室内之前与压缩进气混合。在这些示例性实施例中，进气阀375可以省略，并且混合物可经由进口阀362引入到燃烧室内。进口阀362可连接到该双燃料发动机的进气
歧管(未示出)。一个或多个
传感器(未示出)可设置于
进气歧管内或者在进口阀362上游的其他
位置处以测量压缩进气的参数，例如，温度、压力等等。
[0025] 出口阀364被配置为打开以将源自缸360的燃烧室内的燃烧过程的废气释放到该双燃料发动机(未示出)的排气系统中。
[0026] 如图1所示，喷射泵370经由压力管线372连接到主要液体燃料喷射器374。喷射器374被配置为在该双燃料发动机的高负载液体燃料模式和低负载液体燃料模式下执行主要液体燃料的主要喷射。
[0027] 在某些实施例中，喷射泵370包括具有控制边缘376和纵向槽378的泵
活塞24。为了调节供给速度，泵活塞24可经由例如控制杆380绕与其线性往复运动平行的轴线转动。可将供给孔382配备到喷射泵370的供给空间。如图1所示，泵活塞24在其向上冲程期间闭合供给孔382的时间点可通过例如转动偏心盘40进行调节，使得
支撑在泵操作杆34端部上的追踪辊33的位置可以移动，例如沿着图1中大致水平的线移动。应当理解的是，在其他示例性实施例中，喷射泵370可具有不同于图1中所示的结构，或者主要液体燃料可以任何一种其他的已知方式递送到主要液体燃料喷射器374。
[0028] 用于喷射泵370和进口阀362、出口阀364的控制装置的示例性实施例图示于图2中。正如图2所示，
凸轮轴10包括进口凸轮12、出口凸轮14和泵凸轮16。
[0029] 进口凸轮12适合于操作进口阀362，该进口阀设置在缸360的燃烧室的进口中并经由例如进口阀操作装置18进行操作。出口凸轮14适合于经由例如出口阀操作装置20操作出口阀364，该出口阀设置在该双燃料发动机的缸360的燃烧室的出口中。泵凸轮16适合于经由例如泵操作装置22操作喷射泵370的泵活塞24。
[0030] 进口阀操作装置18包括例如形成为摆臂的进口阀操作杆26，其适合于经由例如支撑在其上的辊子25追踪进口凸轮12的行程并且经由例如进口阀操作升降杆28将同一行程传递至进口阀362以便操作所述进口阀。
[0031] 以类似的方式，出口阀操作装置20设置有出口阀操作杆30，其适合于经由例如支撑在其上的辊子29追踪出口凸轮14的行程并将同一行程传递至出口阀操作升降杆32。
[0032] 泵凸轮16的行程可通过例如设置在泵操作杆34端部的辊子33进行追踪并且被传递至泵活塞24。
[0033] 在背离追踪辊子25、29、33的端部，操作杆26、30和34支撑在偏心盘36、38和40上，这些偏心盘优选为与可支撑在发动机壳体(未示出)上的可转动轴42一体形成。偏心盘36、38、40的优选为圆柱形的圆周表面相对于轴42的轴线的偏心距，以及该偏心距相对于轴42的旋转位置的相对位置可根据在此概述的相应要求分别选择。
[0034] 为了调节轴42的旋转位置，轴42可例如扭转刚性地连接到
齿轮44或者例如与扇形齿轮46的齿
啮合的任何其他适用元件上，齿轮44或其他适用元件的转动位置是可经由例如包括致动杆49的
致动器48调节的。致动器48连同扇形齿轮46和齿轮44一起可形成致动单元50。液压或者
气动缸可用作纵向可调元件。在其它实施例中，线性
马达或者任何一种其他合适的元件可适用于以合适的方式转动轴42。
[0035] 用来调节轴42的输入设备54、用来检测该双燃料发动机的缸内的缸压力的多个缸
压力传感器86和用来检测该双燃料发动机的
曲轴转速的速度传感器88可连接到控制单元52的输入。用来检测所需负载及其变化的负载传感器90也可连接到控制单元52的其他输入。
[0036] 利用三个偏心盘36、38、40的偏心距，盘36、38、40在轴42上的转动位置，即进口阀362和出口阀364的打开和/或闭合以及液体燃料主要喷射的开始可以合适的方式进行控制。
[0037] 应当理解的是，在其它实施例中，不同的控制装置可被用来控制进口阀362、出口阀364和/或主要液体燃料喷射器374的操作。因此，本发明不局限于经由图2的示例性设备进行控制的双燃料发动机。
[0038] 先导液体燃料喷射器390被配备为先导喷射系统的一部分以在该双燃料发动机的任何一种操作模式下进行先导液体燃料到缸360的燃烧室内的先导喷射。应当理解的是，在此使用的术语“先导喷射”并不必然表示先导燃料是在主要液体燃料之前喷射的。在某些情况下，先导液体燃料可在主要液体燃料之后喷射。
[0039] 在某些实施例中，先导喷射器可被配置为接收来自共轨(未示出)的高压柴油燃料。先导喷射器390可具有任何一种已知的结构并且可被控制为在控制单元52的控制下以预定正时和预定量进行先导液体燃料喷射。应当理解的是，控制单元52可以是专
门用于控制先导喷射器390喷射先导液体燃料正时的独立控制单元。在其它实施例中，控制单元52可体现为该双燃料发动机的
发动机控制单元(ECU)的一部分。
[0040] 控制单元52优选包括带有合适的程序和数据
存储器的
微处理器，并且包括若干个输出，所述输出中的至少一个连接到先导喷射器52。控制单元52优选设有若干个输入，所述输入中的一个例如与用于检测该双燃料发动机的操作状态的传感器相连。例如，控制单元52可被配置为检测该双燃料发动机的负载。此外，控制单元可连接到一个或多个传感器上，该传感器被设置为检测经由进口阀362供给到缸360的压缩进气的参数。
[0041] 在本发明的某些示例性实施例中，与高负载液体燃料相比，主要液体燃料喷射的正时在低负载液体燃料模式下要晚，例如在5°BTDC时，其中BTDC表示
上止点前。然而，应当理解的是，在其它实施例中，如果合适，主要液体燃料喷射的正时可以在低负载液体燃料模式和高负载液体燃料模式下是相同的。此外，低负载液体燃料模式比高负载液体燃料模式具有更小的阀重叠。换句话说，在低负载液体燃料模式下，进口阀362打开得早而出口阀364打开得晚。阀升程曲线和主要喷射正时通过适当配置的轴42的转动进行变化。
[0042] 图3图示出该双燃料发动机不同操作模式下的示例性喷射正时。如图3所示，为了促进例如低负载液体燃料模式下主要液体燃料的燃烧，例如在10°BTDC时进行先导液体燃料的早期喷射。
[0043] 类似地，在气体模式下进行先导燃料喷射。气体模式下的先导喷射可在与低负载液体燃料模式不同的正时进行。此外，在某些实施例中，先导喷射的正时可在气体模式和液体燃料模式之间的过渡期间内调节，例如，当轴42在与气体模式相关的第一位置和与液体燃料模式相关的第二位置之间转动时。
[0044] 在某些实施例中，在气体模式和低负载液体燃料模式下喷射不同量的先导燃料。例如，在低负载液体燃料模式下，可控制先导喷射器390从而以先导喷射器390的最大能力喷射先导燃料来辅助缸360内的燃烧过程。在气体模式下，明显更少的先导燃料可通过先导喷射器360喷射。
[0045] 在某些示例性实施例中，控制单元52可接收源自与缸360相关的传感器、例如缸压力传感器86的检测结果，并且基于接收到的检测结果改变每个缸的先导喷射正时，例如来减少
爆震。
[0046] 应当理解的是，图3中给出的柴油燃料主要喷射正时和柴油燃料先导喷射正时仅仅是示例性的并且可在一定界限内进行改动。例如，液体燃料模式下的先导喷射可在30°BTDC到0°BTDC之间进行，低负载液体燃料模式下的主要喷射可在20°BTDC到
0°BTDC之间进行，并且高负载液体燃料模式下的主要喷射可在20°BTDC到0°BTDC之间进行。
[0047] 在某些实施例中，先导喷射器390可被配置为在低负载液体燃料模式和高负载液体燃料模式下在相同或者不同的正时喷射先导液体燃料。在其它实施例中，控制单元52可被配置为控制先导喷射器390以在低负载液体燃料模式下在主要液体燃料之前以及在高负载液体燃料模式下在主要液体燃料之后喷射先导液体燃料。在某些实施例中，先导喷射器390可被配置为在液体燃料模式以晚于气体模式的正时喷射先导液体燃料。
[0048] 根据某些示例性实施例，先导喷射器390可被配置为在主要液体燃料喷射之前预定曲柄角喷射先导液体燃料。预定曲柄角可以是在主要液体燃料喷射之前例如大约0°到10°之间，尤其是大约1°到4°之间的曲柄角。在某些实施例中，曲柄角可以根据双燃料发动机的操作参数、例如发动机负载变化。
[0049] 在某些实施例中，控制单元52可以接收源自与该双燃料发动机相关的一个或多个传感器的检测结果，并且可被配置为以所接收的检测结果为
基础控制液体燃料模式下先导燃料喷射的正时和/或量。例如，控制单元可被配置为接收针对供给到缸360的进气压缩比的检测结果，并且可以检测到的压缩比为基础控制先导喷射器390。在其它实施例中，控制单元52可被配置为为双燃料发动机设定压缩比并且以该设定压缩比为基础控制先导燃料喷射器390的先导燃料喷射。
[0050] 在某些实施例中，重燃料油(HFO)可被用作主要液体燃料，柴油可被用作先导液体燃料。然而，可以理解的是，在不脱离本发明教导的情况下可以使用不同的燃料。
[0051] 在本发明的某些示例性实施例中，低负载范围和高负载范围可代表该双燃料发动机的总负载范围。高负载范围例如可以包括发动机的中间负载和高负载范围。在本发明的示例性实施例中，低负载范围可被限定为额定负载的0％到30％，而高负载范围可被限定为额定负载的30％到110％。
[0053] 本发明可适用于使
用例如根据内燃发动机的操作条件或者内燃发动机操作的环境(例如周围温度等等)很难点燃的主要液体燃料的内燃发动机。虽然已经根据使用气体燃料和诸如HFO的液体燃料的双燃料发动机描述了本发明，但本发明不局限于这种双燃料发动机而是还可以适用于其他发动机。
[0054] 为了实现根据本发明的方法，有利地选择如下操作参数：
[0055] 在稳定操作时，即，在操作元件54的固
定位置，该双燃料发动机以大于满负载25％的负载操作，也就是说，例如在高负载液体燃料模式下以轴42的第一角位置(高负载液体燃料模式角位置)操作。为了获得更好的主要液体燃料燃烧，可以在主要液体燃料喷射之前，例如在主要液体燃料喷射之前2°曲柄角的大约12°BTDC进行先导液体燃料喷射。可选地和/或另外地，可以在主要液体燃料喷射之后，例如在大约0°BTDC进行晚先导燃料喷射。
[0056] 在低于满负载25％的负载下，轴42转至第二角位置(低负载液体燃料模式角位置/气体模式角位置)，使得该双燃料发动机在低负载液体燃料模式下以阀正时和晚主要喷射正时以及早先导喷射正时进行操作，如图3所示。在该操作区域内，例如在5°BTDC喷射该主要液体燃料。为了促进主要液体燃料燃烧，在例如主要液体燃料喷射之前5°曲柄角，例如在10°BTDC喷射先导液体燃料的先导喷射。低负载液体燃料模式下先导液体燃料的喷射允许该模式下相对无烟的燃烧。此外，允许一般情况下很难以与通常双燃料发动机有关的相对低压缩比使用的液体燃料燃烧。
[0057] 如果操作者决定以气体运行该双燃料发动机，该双燃料发动机必须从高负载柴油燃料模式或者低负载柴油燃料模式过渡到气体模式。先导喷射器390喷射液体燃料的先导喷射从而例如在20°BTDC处以已知方式点燃气体。
[0058] 在此，大型内燃发动机可以是具有1,000kW以上的输出范围的任何一种双燃料发动机。在此公开的双燃料发动机适用于重油(HFO)、船用柴油(MDO)、柴油(DO)和PyOil操作。
[0059] 尽管已经在此描述了本发明的优选实施例，在不脱离所附权利要求的范围的情况下可以包括改进和变型。
