專利名稱：具有單列10缸的兩沖程渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有單列10缸的兩沖程十字頭式內(nèi)燃機(jī)。
背景技術(shù)：
上述內(nèi)燃機(jī)具有發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸C1-C10的發(fā)火順序。本申請(qǐng)人制造的10MC60發(fā)動(dòng)機(jī)的已知發(fā)火順序?yàn)?-8-7-3-5-9-4-2-10-6。英國(guó)專利No.917,748中描述了另一種現(xiàn)有發(fā)火順序1-8-5-6-3-10-2-7-4-9。
發(fā)火順序影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的振動(dòng)狀況，并通過(guò)外力和外力矩影響支撐結(jié)構(gòu)和軸系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供發(fā)火順序，使得發(fā)動(dòng)機(jī)適于被安裝作為具有高且細(xì)長(zhǎng)上部結(jié)構(gòu)的船的主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的兩沖程內(nèi)燃機(jī)的特征在于發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸C1-C10的發(fā)火順序(n1-n10)是下列之一1-7-8-2-5-10-4-3-9-6，1-6-9-3-4-10-5-2-8-7，1-8-7-2-5-10-3-4-9-6，1-6-9-4-3-10-5-2-7-8，1-6-8-4-2-10-5-3-7-9，或者1-9-7-3-5-10-2-4-8-6。
這些發(fā)火順序已被證明使得所謂的四級(jí)外X型導(dǎo)向力矩以及四級(jí)自由力矩具有有利的低值。這對(duì)于這種船而言尤其有利，即具有長(zhǎng)而纖細(xì)的船體并且上部結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度相對(duì)于高度較短。當(dāng)振動(dòng)力矩具有每分鐘300到450周期的頻率范圍時(shí)，這種上部結(jié)構(gòu)需要抑制振動(dòng)的措施。但是，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)產(chǎn)生任何大尺寸的四級(jí)振動(dòng)，所以當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)速度在300/4rpm到450/4rpm范圍之間時(shí)，不需要這種減振措施。該速度范圍與通常在船上用作大的主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的大十字頭式柴油機(jī)的額定速度非常相配。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的額定速度可以為例如94rpm或106rpm。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，汽缸C1與汽缸C10的發(fā)火角(α1，α10)為180°間隔，汽缸C2與汽缸C9的發(fā)火角(α2，α9)為180°間隔，汽缸C3與汽缸C8的發(fā)火角(α3，α8)為180°間隔，汽缸C4與汽缸C7的發(fā)火角(α4，α7)為180°間隔，汽缸C5與汽缸C6的發(fā)火角(α5，α6)為180°間隔。這些發(fā)火角是這樣的，使得相對(duì)于偶數(shù)級(jí)自由力矩，即二級(jí)、四級(jí)、六級(jí)等，成對(duì)中的其中一個(gè)汽缸重于成對(duì)中的另一個(gè)汽缸，結(jié)果不僅四級(jí)自由力矩可忽略，而且偶數(shù)級(jí)的其它自由力矩也可忽略。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，鑒于任何兩個(gè)相鄰發(fā)火汽缸之間的曲軸的回轉(zhuǎn)角是36°，所以發(fā)火順序是均勻的。對(duì)于單列10缸發(fā)動(dòng)機(jī)，有362,880種不同的均勻發(fā)火順序。其中，本發(fā)明涉及上述6種發(fā)火順序，當(dāng)這些順序中的發(fā)火角是如此的，使得任何兩個(gè)相鄰發(fā)火汽缸之間的曲軸的回轉(zhuǎn)角是36°時(shí)，那么四級(jí)外X型導(dǎo)向力矩以及四級(jí)自由力矩均為零。另外，所有大于一級(jí)的級(jí)別的自由力矩也為零。
如果在一個(gè)特定發(fā)動(dòng)機(jī)裝置中存在一個(gè)特殊問(wèn)題，那么也有可能通過(guò)使用一個(gè)不均勻發(fā)火順序而細(xì)調(diào)振動(dòng)模式，上述不均勻發(fā)火順序是鑒于至少一些相鄰發(fā)火汽缸的發(fā)火之間的曲軸回轉(zhuǎn)角不是360°/10。
發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)選地是一個(gè)集裝箱貨輪的主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，但是它也可以用作其它類型船的主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，例如貨船或散裝貨輪，它也可以被用作發(fā)電廠的一個(gè)固定發(fā)動(dòng)機(jī)。
所述兩沖程十字式內(nèi)燃機(jī)最好具有每汽缸最大功率至少為5200千瓦。這種每汽缸大功率輸出的十字式發(fā)動(dòng)機(jī)具有相當(dāng)大的高度，并且在導(dǎo)向平面的上端與曲軸中心線之間具有一個(gè)大的垂直距離。就此而論，如果偶數(shù)級(jí)的外X型導(dǎo)向力矩是零則是有利的。
附圖簡(jiǎn)介下面參考高度示意性的附圖，更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例的實(shí)例，附圖中

圖1為根據(jù)本發(fā)明的具有10個(gè)汽缸的兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的剖視圖；圖2為圖1中發(fā)動(dòng)機(jī)的頂視圖；圖3示出了圖1中發(fā)動(dòng)機(jī)的X型導(dǎo)向力矩；圖4-9示出了汽缸C1-C10的發(fā)火順序；圖10示出了一個(gè)集裝箱貨船的船體的振動(dòng)模式；圖11為一個(gè)示出了計(jì)算振動(dòng)數(shù)據(jù)的圖表。
優(yōu)選實(shí)施方式圖1為具有10缸的MC型兩沖程十字頭式大型內(nèi)燃機(jī)的橫截面視圖。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)例如為MAN B&W Diesel制造并且型號(hào)是MC或ME，或者為Waertsilae制造并且型號(hào)是Sulzer RT-flex或者Sulzer RTA。汽缸具有范圍為例如50厘米到120厘米的內(nèi)徑，優(yōu)選地是內(nèi)徑為80厘米到120厘米，更優(yōu)選地是內(nèi)徑為95厘米到120厘米，比如108厘米。發(fā)動(dòng)機(jī)可以例如具有每汽缸3000至8500千瓦的功率，優(yōu)選地是4000至8000千瓦，例如至少每汽缸5200千瓦。每個(gè)汽缸C1-C10通常具有一個(gè)在其下端帶有一排換氣孔2的汽缸襯套1，以及位于汽缸頂部的帶有一個(gè)排氣閥4的汽缸蓋3。
活塞5安裝于活塞桿6上，而活塞桿6藉由一個(gè)十字頭7以及一個(gè)連接桿8而與曲軸10上的一個(gè)曲柄銷9相連。曲軸軸頸11位于一個(gè)安裝在臺(tái)板12上的主軸承中。
十字頭在橫向由導(dǎo)塊13支撐，導(dǎo)塊13在沿著垂直方向從A形架14的底部至頂部延伸的導(dǎo)向面22上滑動(dòng)。該導(dǎo)向面固定于發(fā)動(dòng)機(jī)的固定A形架14上，A形架固定于臺(tái)板12的頂部上。地腳螺栓23將臺(tái)板12與發(fā)動(dòng)機(jī)底座(未示出)固定在一起。在發(fā)動(dòng)機(jī)是船的主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)底座為船體的一部分，或者在發(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)電廠的固定發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)底座是建筑物結(jié)構(gòu)的一部分。由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)所引起的外力和外力矩被傳輸?shù)桨l(fā)動(dòng)機(jī)底座，同時(shí)也可能被傳輸?shù)狡渌Y(jié)構(gòu)上，比如在應(yīng)用頂部支架以加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下傳輸?shù)奖谏匣虼w側(cè)。汽缸部15被安裝在A形架的頂部。
汽缸蓋3通過(guò)蓋柱頭螺栓16而與汽缸部固定在一起。系桿17從汽缸部向下延伸至臺(tái)板，并且它們將汽缸部15與臺(tái)板12固定在一起。通常有四個(gè)系桿17作用于每個(gè)汽缸部上，從系桿向下的力的總和超過(guò)了由汽缸燃燒室中的燃燒所產(chǎn)生的最大壓力引起的作用在汽缸蓋上的向上的力。
排氣管18從排氣閥區(qū)域中的單個(gè)汽缸延伸出并開口進(jìn)入廢氣接收器19中。發(fā)動(dòng)機(jī)具有一個(gè)所有汽缸所共有的單一的廢氣接收器，或者可以具有多個(gè)廢氣接收器。
渦輪增壓器20與廢氣接收器19相連，并藉由一個(gè)氣流通道24以及可能一個(gè)進(jìn)氣冷卻器25而將壓縮空氣輸送到一個(gè)包括換氣接收器27的換氣系統(tǒng)26，并藉由一個(gè)流動(dòng)通道28將壓縮空氣輸送至一個(gè)位于換氣孔2上的進(jìn)氣室29。
如圖2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸之間的距離l是常量，除了汽缸C5和C6之間的距離之外，它為l2＝l+l1，相當(dāng)于汽缸之間的正常距離l加上一個(gè)附加長(zhǎng)度l1，該附加長(zhǎng)度是由于存在兩個(gè)主軸承和一個(gè)中間曲軸接頭，例如一個(gè)法蘭連接件，在該法蘭連接件處，兩個(gè)曲軸部通過(guò)螺栓連接而結(jié)合在一起。
發(fā)動(dòng)機(jī)可以為一個(gè)不帶有用于驅(qū)動(dòng)燃油泵和排氣閥的凸輪軸的電控發(fā)動(dòng)機(jī)，例如ME型發(fā)動(dòng)機(jī)或者flex型發(fā)動(dòng)機(jī)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)為帶有凸輪軸的傳統(tǒng)型發(fā)動(dòng)機(jī)，則凸輪軸可以藉由鏈條傳動(dòng)裝置或齒輪傳動(dòng)裝置而從曲軸上被驅(qū)動(dòng)，該鏈條傳動(dòng)裝置或齒輪傳動(dòng)裝置可適當(dāng)?shù)匚挥诖缶嚯x間隔l2的汽缸之間，或者在所有汽缸等距離地位于發(fā)動(dòng)機(jī)中時(shí)位于發(fā)動(dòng)機(jī)的端部。
曲軸被適當(dāng)?shù)胤譃閮刹糠忠员憬档透鞑糠值闹亓?。這有利于在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中將曲軸提升到臺(tái)板上，它同時(shí)有利于曲軸的制造。位于接頭處的汽缸之間的距離l2大于其他汽缸之間的距離l。當(dāng)然也可以使曲軸接頭位于除C5和C6之外的其它汽缸之間，在提升能力足夠大的情況下，曲軸可以被制成一個(gè)單一件，在整個(gè)曲軸上具有相等距離的汽缸。
沿垂直方向，所有導(dǎo)向面22從臺(tái)板上的同一水平延伸到汽缸部15正下方的同一水平。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)塊抵壓在導(dǎo)向面上，并且力沿著發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架的橫向。由單個(gè)導(dǎo)塊作用于相關(guān)導(dǎo)向面上而引起的力的大小和方向自然與相關(guān)活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中的位置有關(guān)。在兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞在每個(gè)循環(huán)中進(jìn)行一個(gè)壓縮沖程和一個(gè)做功沖程。
特定汽缸在循環(huán)中的相位依賴于汽缸的發(fā)火角。發(fā)火角的總大小依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序。舉例說(shuō)明，10缸發(fā)動(dòng)機(jī)中的任何一個(gè)汽缸不能改變發(fā)火角大于72°而不改變發(fā)火次序，這是因?yàn)檫@種大小的角度變化會(huì)使發(fā)火順序發(fā)生強(qiáng)制變化。在大多數(shù)實(shí)際情況中，從與每個(gè)相鄰發(fā)火之間為36°的均勻發(fā)火順序相關(guān)的發(fā)火角出發(fā)，一個(gè)特定發(fā)火順序中的任何給定汽缸的發(fā)火角不會(huì)改變大于20°，經(jīng)常不會(huì)超過(guò)5°，或者不會(huì)超過(guò)0°-3°。
圖3示出了X型導(dǎo)向力矩，它由導(dǎo)塊作用于相關(guān)導(dǎo)向面以及從導(dǎo)向面至A形架14的變化的水平力引起。線a表示曲軸的縱向中心軸，線b表示通過(guò)導(dǎo)向面上端的水平線，線c表示線a和線b之間的垂直距離。由于力與分離力的距離之間的乘積，產(chǎn)生力矩。當(dāng)達(dá)到一定程度以致X型導(dǎo)向力矩產(chǎn)生外力矩時(shí)，它們被傳輸?shù)桨l(fā)動(dòng)機(jī)底座并在與底座相關(guān)的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生振動(dòng)，比如船體，因此也在位于船體頂部的上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生振動(dòng)。
圖4-9描述了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)火順序。鄰接對(duì)角交叉線標(biāo)注的角度符號(hào)對(duì)應(yīng)于任何相鄰發(fā)火角(發(fā)火間隔)之間的角度為36°的均勻發(fā)火順序的情形。這種均勻發(fā)火順序使得發(fā)火在0°、36°、72°、108°、144°、180°、216°、252°、288°和360°時(shí)發(fā)生。
在附圖中描述的實(shí)際發(fā)火順序如下所述圖41-7-8-2-5-10-4-3-9-6
圖51-6-9-3-4-10-5-2-8-7圖61-8-7-2-5-10-3-4-9-6圖71-6-9-4-3-10-5-2-7-8圖81-6-8-4-2-10-5-3-7-9圖91-9-7-3-5-10-2-4-8-6這些發(fā)火順序能夠如上所述被用于均勻發(fā)火順序中以及非均勻發(fā)火順序中。
這些發(fā)火順序尤其與用作集裝箱貨輪主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)，在上述集裝箱貨輪中，上部結(jié)構(gòu)在上甲板之上以高且纖細(xì)的結(jié)構(gòu)延伸。這種纖細(xì)結(jié)構(gòu)能夠例如是這樣一種類型，即位于上甲板之上的上部結(jié)構(gòu)的高度超過(guò)上部結(jié)構(gòu)沿船的縱向的長(zhǎng)度的2或3倍。該上部結(jié)構(gòu)可以例如具有20米至35米的高度，比如從23米到30米，以及范圍為6至14米的長(zhǎng)度，通常為7至10米。
圖10示出了這樣一種船，其中船體標(biāo)號(hào)為30，上部結(jié)構(gòu)標(biāo)號(hào)為31。這種上部結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體分開，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體向上延伸至煙囪32。上部結(jié)構(gòu)31對(duì)振動(dòng)敏感，特別當(dāng)上部結(jié)構(gòu)是高的或者具有一個(gè)短的長(zhǎng)度時(shí)。在船體30之上，圖10示出了一種具有3個(gè)結(jié)點(diǎn)41的振動(dòng)模式40，以及一個(gè)具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)51的振動(dòng)模式50。
圖11為一個(gè)與本申請(qǐng)人制造的10K98MC發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的圖表。該發(fā)動(dòng)機(jī)在速度為94rpm時(shí)，輸出功率為57200千瓦，相當(dāng)于每汽缸為5720千瓦。最大固定負(fù)載狀態(tài)(MCR)是在94rpm速度時(shí)。根據(jù)IACS，對(duì)于所述結(jié)構(gòu)用于計(jì)算的數(shù)值如下sigb＝550MPa，sigax＝10.29MPa，K＝0.930，betab＝betaq＝betat＝0.0，alfab＝1.744，alfat＝1.744，SIGA＝30MPa，l1＝466mm，B＝1600mm，W＝492.00mm，rh＝65.0mm，rg＝18.0mm，rulb＝1.2，rult＝1.0mm，D＝1062mm，DBH＝531mm，DG＝1062mm，DBG＝150mm。對(duì)于這些數(shù)值以及如圖4所示的發(fā)火順序1-7-8-2-5-10-4-3-9-6或在圖5中如果汽缸1從發(fā)動(dòng)機(jī)的另一端計(jì)算的發(fā)火順序，振動(dòng)響應(yīng)如圖11所示。曲線位于由通過(guò)Y軸上負(fù)荷1.0的水平線表示的最大容許振動(dòng)的下方。因此發(fā)火順序1-7-8-2-5-10-4-3-9-6是可接受的。
也有可能應(yīng)用不規(guī)則發(fā)火順序，即鑒于幾個(gè)相鄰發(fā)火汽缸的發(fā)火之間的角間隔偏離36°的不均勻發(fā)火順序。僅僅幾度的偏離能導(dǎo)致不同的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)模式。這種不規(guī)則發(fā)火順序?qū)τ诎l(fā)動(dòng)機(jī)的最終振動(dòng)特性的精細(xì)調(diào)整是有用的。
特定發(fā)火順序的振動(dòng)水平的計(jì)算通常由一個(gè)計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行，例如由MAN B&W柴油機(jī)公司所開發(fā)的PROFIR，或者如由紐約Wien的Springer-Verlag出版的、作者為H.Maass/H.Klier以及K.E.Hafner/H.Maass的“燃燒動(dòng)力機(jī)”中所描述的教科書程序。
關(guān)于本發(fā)明的6種發(fā)火順序，它們能夠被劃分成三個(gè)雙順序，其中每個(gè)雙順序反映了兩種狀況，即汽缸的記數(shù)始于發(fā)動(dòng)機(jī)的一端或另一端。這些雙順序?qū)嶋H上描述了具有相同發(fā)火順序的發(fā)動(dòng)機(jī)。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的三種實(shí)際不同的發(fā)火順序，相對(duì)于與圖11的圖表相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)而給出下列振動(dòng)值表1

與偶數(shù)振動(dòng)級(jí)相關(guān)的以kNm表示的外X型導(dǎo)向力矩為零。
大于第一級(jí)的較高級(jí)的外(自由)力矩是零。
在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改。不需要在發(fā)動(dòng)機(jī)的前端將汽缸編號(hào)C1，而在后端編號(hào)C10。在后端編號(hào)C1、而在前端編號(hào)C10也是一樣的。
權(quán)利要求
1.一種具有單列10缸的兩沖程十字頭式內(nèi)燃機(jī)，所述內(nèi)燃機(jī)具有汽缸C1-C10的發(fā)火順序(n1-n10)，其特征在于所述內(nèi)燃機(jī)汽缸C1-C10的發(fā)火順序(n1-n10)是下列其中之一1-7-8-2-5-10-4-3-9-6，1-6-9-3-4-10-5-2-8-7，1-8-7-2-5-10-3-4-9-6，1-6-9-4-3-10-5-2-7-8，1-6-8-4-2-10-5-3-7-9，或者1-9-7-3-5-10-2-4-8-6。
2.如權(quán)利要求1所述的兩沖程十字頭式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述汽缸C1和汽缸C10的發(fā)火角(α1，α10)為180°間隔，所述汽缸C2和汽缸C9的發(fā)火角(α2，α9)為180°間隔，所述汽缸C3和汽缸C8的發(fā)火角(α3，α8)為180°間隔，所述汽缸C4和汽缸C7的發(fā)火角(α4，α7)為180°間隔，所述汽缸C5和汽缸C6的發(fā)火角(α5，α6)為180°間隔。
3.如權(quán)利要求2所述的兩沖程十字頭式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述發(fā)火順序是均勻的，這是鑒于任意兩個(gè)相鄰發(fā)火汽缸之間的曲軸的回轉(zhuǎn)角為36°。
4.如權(quán)利要求1-3中任一個(gè)所述的兩沖程十字頭式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于其為集裝箱貨輪上的主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。
5.如權(quán)利要求1-3中任一個(gè)所述的兩沖程十字頭式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述內(nèi)燃機(jī)具有每汽缸最大功率至少為5200千瓦。
全文摘要
一種兩沖程十字頭式內(nèi)燃機(jī)具有單列10缸。所述發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸C1－C10的發(fā)火順序(n1－n10)是下列其中之一1－7－8－2－5－10－4－3－9－6，1－6－9－3－4－10－5－2－8－7，1－8－7－2－5－10－3－4－9－6，1－6－9－4－3－10－5－2－7－8，1－6－8－4－2－10－5－3－7－9，或者1－9－7－3－5－10－2－4－8－6。
文檔編號(hào)F02B75/00GK1796744SQ20041010487
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
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