[发明专利]一种船用低速发动机变热力循环模式运行的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种船用低速气体(含双燃料)发动机运行机理。更具体地说，涉及基于可变热力循环，使发动机同时具备迪塞尔和奥托循环发动机的优势，属内燃机燃烧组织和排放控制领域。

背景技术

目前世界上仅有两种低速气体发动机，即丹麦曼恩公司(MAN Diesel&Turbo)高压气体发动机(即采用高压天然气缸内直喷技术、迪塞尔循环的发动机，ME-GI系列)和瑞士Winterthur Gas&Diesel低压气体发动机(即采用低压天然气奥托循环的发动机，Flex系列)。其中，曼恩公司的高压气体发动机燃气工作压力大于30MPa，采用迪塞尔循环，具有功率密度高、燃油经济性好、工作可靠、动态性能好的优点，但它不能直接满足国际海事组织(IMO Tier III)氮氧化物排放标准。而Winterthur公司低压低速双燃料发动机燃气工作压力约1.6MPa，采用奥托循环，可实现均质低温稀薄燃烧，直接达到Tier III排放标准，但它由于爆震的限制，存在功率下降、燃油消耗大、动态性能差、对燃气质量要求高的缺点。

远洋船舶大量时间在公海航行，需要保证较低的油耗以提高经济性，需要好的动态响应以保证恶劣海况下的航行安全，这时高压双燃料发动机非常有优势。而船舶在排放控制区内航行的时间较短，可适当牺牲些经济性换来排放的提高。高压气体发动机技术相对成熟，除了排放性能处于劣势外，其他方面都有优势。因此，我们试图在高压低速气体发动机的基础上改进其排放性能。

在传统的柴油机中，NOx主要生成在气缸的高温区，燃烧温度及持续时间是影响氮氧化物形成的最主要因素。平均燃烧温度的降低会影响循环的热效率增加油耗，不能过度降低温度。研究表明，柴油机着火高温点虽然只燃烧了10％左右的燃料，却可能释放80％的氮氧化物。因此防止局部高温点的产生，是降低排放的有效手段。均质燃烧技术(HCCI)已在奥托循环的低压气体发动机上得到了成功的应用。但在迪塞尔循环为基础的高压气体发动机上要实现低温均质燃烧尚无先例，这需要突破高压气体发动机无法实现均质稀薄燃烧的固有思维。

气体及双燃料发动机已普遍使用电子控制系统，可以实现各种复杂的控制模式，灵活地改变各种控制参数，已具备实现可变热力循环的硬件基础。可在保持迪塞尔循环模式原有设计不变的情况下，增加奥托循环模式，并可比照低压气体发动机技术方案，设法在保持原发动机设计参数尽可能少改变以及尽可能少增加部件的情况下，实现奥托循环的低温均质稀薄燃烧。在不使用废气再循环技术和不增加后处理设备的情况下，达到IMO Tier III标准，并且可有效控制制造和使用成本。

低速气体发动机空间限制少，控制系统和燃气单元模块化设计，使高低压气体发动机技术集成成为可能。HCCI在低压气体发动上得以成功应用的经验和技术同样可用于变热力循环气体发动机。由于可节省尾气后处理装置的高昂投资，可变热力循环技术在经济上可行。

发明内容

本发明提供一种在船用低速高压气体燃料发动机上，采用可变热力循环，实现低温均质稀薄燃烧，降低氮氧化物排放的方法。同时还保留了原有高压气体发动机功率密度高、燃油经济性好、工作可靠、动态性能好的优点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种船用低速发动机变热力循环模式运行的方法，改进在于，一个发动机分别在如下模式运行：

船舶在排放控制区外航行时，发动机在迪塞尔循环下使用燃油或燃气工作；

当船舶在排放控制区内航行时，发动机在奥托循环下使用燃气工作。

其中，发动机迪塞尔循环与奥托循环的转换方式：以船用低速高压气体发动机(即采用高压天然气缸内直喷技术、迪塞尔循环的发动机，如MAN Diesel&Turbo公司ME-GI系列发动机)为基础，通过燃气喷射和点火正时的控制，分别实现具有等压吸热过程的迪塞尔循环以及等容吸热过程的奥托循环。

由迪塞尔循环转换为奥托循环的控制方式为：增加燃气喷射阀喷射提前角，将燃料在发动机上死点前进气门关闭后喷入气缸并和空气预混合；点火时刻在发动机上死点前，燃气在上死点附近快速燃烧实现等容放热过程。

由奥托循环转换为迪塞尔循环的控制方式为：减小燃气喷射提前角，将燃料在发动机上死点附近喷入气缸并引燃，燃气在上死点后实现等压放热过程。