操作內(nèi)燃機的方法和用該方法操作的內(nèi)燃機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種操作內(nèi)燃機的方法，所述內(nèi)燃機具有多個氣缸和至少一個燃料噴 射器，所述多個氣缸在各氣缸內(nèi)部具有往復(fù)式活塞和位于所述活塞上方的燃燒室，所述至 少一個燃料噴射器在操作期間將燃料直接噴射到活塞上方的燃燒室中，所述內(nèi)燃機通過廢 氣再循環(huán)運行，并且所述內(nèi)燃機有時通過廢氣在具有限制污染成分排放的第一排放標準的 環(huán)境中運行，并且所述內(nèi)燃機在其他時間通過廢氣在具有限制該些污染成分排放的更嚴格 的第二排放標準的另一環(huán)境中運行。
【背景技術(shù)】
[0002] W0-A-2009/046713公開了一種用于控制混合燃料壓縮點火發(fā)動機的方法和設(shè)備， 藉此，發(fā)動機用的燃料由不同的成分混合而成W調(diào)節(jié)燃料質(zhì)量W便由此調(diào)節(jié)點火時間。因 此，公開了一種燃料混合單元。
[0003] EP-B-0459983和EP-B-0553364兩者都公開了一種用于在柴油機中噴射燃料和 水的混合物的設(shè)備，藉此，燃料和水W緊密的時間間隔交替地噴射W同時減少黑煙并減少 NOx。
[0004] US2011/0288744設(shè)及一種具有廢氣再循環(huán)管道和廢氣再循環(huán)閥的發(fā)動機和一種 可操作多種燃料的燃料噴射系統(tǒng)?？刂破骺刂撇僮鱓便降低燃料消耗率，并且同時發(fā)動機 中的廢氣排放物和成分在闊值極限內(nèi)操作。
[0005] 總的來說，本發(fā)明的目的在于減少內(nèi)燃機的廢氣中的NOx。內(nèi)燃機的廢氣受到針對 諸如NOx的各種污染成分含量的限制，并通常不期望排放顆粒物質(zhì)（PM)或煙塵。
[0006] 作為聯(lián)合國的機構(gòu)之一的國際海事組織（InternationalMaritime 化ganization，IMO)已經(jīng)設(shè)定了已知的I級、II級和III級排放標準限制，后者將在2016 年進行強制執(zhí)行，其中I級和II級排放標準全球有效，而III級排放標準僅應(yīng)用于NOy排 放管制區(qū)域巧CA)。II級和III級NOy排放標準對于新式發(fā)動機具有影響，而I級NOy要求 適用于2000年之前安裝的現(xiàn)有發(fā)動機。
[0007] 因此，在全世界航行的諸如輪船的自推進式船舶將有時處于II級區(qū)域（即，應(yīng)用 II級的環(huán)境），而是有處于應(yīng)用III級的其它環(huán)境巧CA)，其中ECA大多數(shù)被限定用于海岸 區(qū)域。
[000引廢氣再循環(huán)巧GR)是一種已知的減小內(nèi)燃機的NO,排放物的有效方法，其中在所 述內(nèi)燃機的每個氣缸氣缸內(nèi)具有往復(fù)使活塞、位于活塞上方的燃燒室、W及在操作期間將 燃料直接噴射到活塞上方的燃燒室中的至少一個燃料噴射器。
[0009] 在內(nèi)燃機操作期間，包括進入空氣和再循環(huán)廢氣的混合物的氣缸裝料被吸入到燃 燒室中，并且燃料噴霧W相對于發(fā)動機操作周期的適當?shù)臅r序被噴射到燃燒室中，并且被 噴射的燃料點燃并在燃燒室內(nèi)形成燃燒區(qū)。進入空氣包括氧氣，而再循環(huán)廢氣沒有氧氣或 具有低含量氧氣。另一方面，與進入空氣相比較，再循環(huán)廢氣含有相對大量的水蒸汽和二氧 化碳。因此，與傳統(tǒng)的沒有廢氣再循環(huán)的進入空氣相比較，氣缸裝料具有相對較低含量的氧 氣和相對較高含量的水蒸汽和二氧化碳，并且與其中純進入空氣用于氣缸裝料的情況相比 較，低含量氧氣和高含量水蒸汽和二氧化碳兩者都是降低燃燒溫度并且（由于大多數(shù)NO, 經(jīng)由熱路徑形成）因此減少燃燒區(qū)中的NO,的形成的因素。廢氣再循環(huán)已經(jīng)顯示出了能夠 將NOx排放物降低達到80 %的潛在性。
[0010] 然而，因為廢氣再循環(huán)增加了顆粒物質(zhì)（PM)或煙塵的形成W及增加了一氧化碳 的形成，因此該是不期望的，并且將對廢氣再循環(huán)的程度造成限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是在需要額外減小NO,排放的環(huán)境中通過使用高度的廢氣再循環(huán)同 時抑制過量煙塵顆粒的排放W進一步減少內(nèi)燃機的NO法巧義。
[0012] 為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明W及如【背景技術(shù)】所提及的方法，其特征在于：
[0013] a)當在具有所述第一排放標準的環(huán)境中運行時，內(nèi)燃機W具有第一低熱值的第一 燃料和第一廢氣再循環(huán)程度運行；W及
[0014] b)當在具有更嚴格的第二排放標準的另一環(huán)境中運行時，內(nèi)燃機W具有第二低熱 值的第二燃料和第二廢氣再循環(huán)程度運行，其中所述第二低熱值低于所述第一低熱值，并 且第二廢氣再循環(huán)程度高于第一廢氣再循環(huán)程度。
[0015] 并且，對于給定的內(nèi)燃機載荷，當內(nèi)燃機通過第二燃料運行時，內(nèi)燃機循環(huán)中的燃 料噴射開始的時刻早于當內(nèi)燃機通過第一燃料運行時的時刻。
[0016] 當內(nèi)燃機在具有第二排放標準的所述另一環(huán)境中運轉(zhuǎn)時，第二燃料被噴射到氣缸 中，并且應(yīng)用更高的第二程度的廢氣再循環(huán)。更高程度的廢氣再循環(huán)使得燃燒過程期間NOy 的形成進一步減少，因此進一步符合由第二排放標準設(shè)定的NOy排放物的下限，同時由于針 對給定的內(nèi)燃機載荷噴射大量燃料的作用，因而能夠起到有效抑制過量煙塵顆粒的排放的 效果。
[0017] 由重度廢氣再循環(huán)導(dǎo)致的煙塵的形成是因為燃燒區(qū)域缺少氧氣，該限制了已形成 的煙塵顆粒的再次氧化的可能性W及同樣限制了從一氧化碳到二氧化碳的進一步氧化。通 過使用具有相對較低熱值的燃料，可W噴射大量燃料W實現(xiàn)指定的能量輸出。大量燃料被 噴射到位于燃燒室中的氣缸裝料中，并且當W高壓進行燃料噴射時，更大量的燃料的噴射 將導(dǎo)致燃燒室中的內(nèi)容物的更有力的攬動，并且更大量的氣缸裝料將被帶入到燃燒區(qū)域 中。與噴射燃料的熱值有關(guān)的更大量的噴射燃料因此導(dǎo)致氣缸裝料進入到實際燃燒區(qū)域中 的增強的混合，并且該補償了由于廢氣再循環(huán)程度的提高導(dǎo)致的氣缸裝料的低氧含量。
[0018] 因此，燃燒實際所需的氧氣的量將存在于燃燒區(qū)域中，并且將能夠抑制或甚至避 免煙塵的形成。此外，由于廢氣再循環(huán)程度的提高實現(xiàn)了對NOy的形成所要求的限制，藉此 可W滿足例如NO,排放管控區(qū)域巧CA)的限制。當內(nèi)燃機在NO,排放管控區(qū)域外運轉(zhuǎn)時，使 用具有相對較高的低熱值的第一燃料使得可W最小化燃料消耗率（W每單位內(nèi)燃機產(chǎn)出 所需的燃料重量計），該也是一項重要的環(huán)境要求。
[0019] 針對給定的內(nèi)燃機載荷，與內(nèi)燃機通過第一燃料運轉(zhuǎn)相比，當內(nèi)燃機通過第二燃 料運轉(zhuǎn)時，燃料噴射在內(nèi)燃機循環(huán)中開始的時間更早。具有比第一燃料的熱值更低的熱值 的第二燃料可大于第一燃料的量被噴射，并因此使得在燃燒室中釋放相同的能量和燃 燒效果，并且當使用第二燃料時，較早地開始燃料噴射能夠允許通過與第一燃料噴射相同 的燃料噴嘴幾何形狀噴射第二燃料，并且在內(nèi)燃機循環(huán)期間依然能夠獲得相同的最大壓 力。該簡化了內(nèi)燃機氣缸設(shè)計。氣缸將也可W設(shè)有更多個噴射器，并且一個或多個噴射器 可W在使用第二燃料時操作，或者各個噴射器可W具體實現(xiàn)為噴射噴嘴中的可調(diào)節(jié)的噴射 區(qū)域。
[0020] 優(yōu)選地，第二燃料的第二低熱值小于第一燃料的第一低熱值的90%，并因此針對 給定的內(nèi)燃機載荷，隨后噴射相對應(yīng)的更大量的第二燃料。
[0021] 在一個實施例中，第二燃料是混合物，其包括作為第一成分的第一燃料和至少一 種其他成分，該至少一種其他成分具有比第一燃料的低熱值更低的低熱值。因此，可通過將 至少一種其它成分混入到第一燃料流中來實現(xiàn)從第一燃料到第二燃料的改變。通過使用第 一燃料作為第二燃料的一部分，還能夠?qū)崿F(xiàn)簡化不同燃料類型的存儲的優(yōu)點。
[0022] 在一個實施例中，第二燃料包括不可燃燒的成分。不可燃燒的成分可W是第二燃 料中的所述至少一種其它成分。不可燃燒的成分具有等于零的低熱值，并因此是一種用于 可燃燒的第一成分的混合物的熱值的非常有效的改性劑。
[0023] 在一個實施例中，逐漸執(zhí)行從第一燃料到第二燃料的改變。該允許通過將一種或 多種其它成分逐漸地添加到第一燃料中W便提供第二燃料的混合物的方式實現(xiàn)向第二燃 料的簡單的轉(zhuǎn)換。
[0024] 在一個實施例中，第一燃料包括液體燃料，第二燃料包括從一個組中選出的燃料， 所述組包括；；用水乳化的饋分燃料、用水乳化的殘余燃料、己醇、氨水、二甲離、和它們的混 合物。該實施例對于具有液體燃料噴射器的內(nèi)燃機來說是有利的。
[0025] 在另一個實施例中，第一燃料包括燃料氣，而第二燃料包括從一個組中選出的氣 態(tài)燃料，所述組包括；具有低熱值的蒸發(fā)氣、合成氣、混合有惰性氣體的氣體、和它們的混合 物。該實施例對于具有基于氣體噴射的燃料噴射器的內(nèi)燃機、或?qū)τ诰哂惺紫葒娚湟既?料W進行點火然后噴射作為主燃料的氣體的雙燃料噴射器的內(nèi)燃機來說是有利的。
[0026] 根據(jù)所討論的內(nèi)燃機的規(guī)格來確定使用液體燃料或氣體燃料。在使用液體燃料的 情況下，乳化到可燃成分中的水構(gòu)成第二燃料的不可燃燒的成分。在使用氣體燃料的情況 下，不參與燃燒的惰性氣體（例如氮氣）構(gòu)成第二燃料的不可燃燒的成分。
[0027] 在一種實施例中，內(nèi)燃機是低速、兩沖程十字頭柴油機式內(nèi)燃機。低速內(nèi)燃機是在 40到