專利名稱：用于控制一柴油機的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于控制權利要求1前序部分所述柴油機的方法。
權利要求1前序部分作為本發(fā)明的現(xiàn)有技術，這些現(xiàn)有技術可從出版物“Proc Instn Mech Engrs”1973年第187 35/73卷第425-434頁得知。在此，從一壓縮空氣儲存腔來的附加空氣供給一柴油機的增壓器的壓氣機。該附加空氣用于在部分負荷，特別是在發(fā)動機減速和過渡狀態(tài)時消除燃燒空氣不足的狀況。這樣做的一個缺點是該附加空氣可使該壓氣機的葉輪的葉片產生振動。當葉輪加速時，會產生一個不希望的時間滯后。
使一柴油機處于燃料自發(fā)點火所需要的啟動轉速的幾種啟動形式在1986年柏林VEB技術出版社出版，Rudolf Sperber博士編著的“柴油機技術手冊”第4版99-108頁中記載了。大型柴油機利用從一個帶有3Mpa壓力的壓縮空氣的啟動空氣瓶來的壓縮空氣并通過一減壓閥，中央空氣分配器和設置在各氣缸蓋中的的啟動閥進行啟動。該啟動閥是由彈簧加載的單向閥，在點火發(fā)生后它立即關閉，在發(fā)動機反轉時，它由一凸輪軸控制。在啟動開始時，該柴油機作為一臺壓縮空氣發(fā)動機運行。通過一發(fā)動機氣缸的充氣閥或通過單獨安裝在發(fā)動機上的一壓縮機充滿該啟動空氣瓶。但其中沒有公開當發(fā)動機啟動后附加空氣的供給情況。
CH624182A5公開了一種多缸柴油機，該發(fā)動機中，在啟動期間并且在部分負荷狀態(tài)時，可以在某些氣缸單元中借助于使其他的氣缸單元臨時作為壓縮機而獲得一更高的壓縮，及更好的點火條件。但這樣做的一個缺點是在這種狀態(tài)期間，該發(fā)動機只有部分氣缸輸出理想的功率。
從EP0367406A2中可以知道可利用由發(fā)動機的廢氣驅動的增壓器來使該柴油機的氣缸壓力上升。設置在該增壓器的軸上的是一電機的轉子，在啟動期間或在該柴油機轉速掉落到一預定的最小轉速之下時，該電機工作作為一外設供給電動機，其他情況時，該電機工作作為一發(fā)電機。這種技術方案太復雜。
考慮到相關的現(xiàn)有技術，請參考Hans-Josef Schiffgens等在MTZ“發(fā)動機技術”雜志58期(1997)第584-590頁上發(fā)表的“新ManB&W柴油燃氣發(fā)動機32/40DG”。從該文章中可以知道一柴油燃氣發(fā)動機，其中一燃料氣體是在相當?shù)偷膲毫ο鹿┙o該柴油機的空氣的進氣管的。該燃氣閥是電控制的，由液壓力開啟而由彈簧力關閉。
所謂的Miller方式是公知的，特別是可從柏林海德堡紐約(Berlin Heidelberg New York)Springer-出版社1980出版的由K.Zinner撰寫的的書“內燃機增壓”第2版第221-228頁中得知。在該方式中，空氣進氣閥(VE)在該柴油機的活塞處于下死點(UT)前關閉，如圖2中由虛線所示的一關閉線(21’)所示。當一發(fā)動機按Miller方式運行固定控制的時間時，在低負荷范圍內會產生嚴重的空氣不足的現(xiàn)象。
如權利要求1所述的本發(fā)明，其目的是為了獲得一種更有效地控制上述類型的柴油機的方法，它可使所有氣缸中獲得足夠的燃燒空氣，甚至在部分負荷和過渡工作狀態(tài)時，也是如此。
本發(fā)明更有利的改進由各從屬權利要求限定。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是該柴油機可在所有運行狀態(tài)都可更有效的運行，特別是可降低排放和熱負荷。
根據(jù)本發(fā)明更有利的改進，用于啟動的裝置也可以用在后續(xù)運行中，并且該柴油機的每個氣缸設置有一組啟動氣體和附加氣體用的燃氣進口。
下面參考各附圖對本發(fā)明進行說明。其中

圖1表示一四沖程柴油機的示意圖，該柴油機具有一廢氣增壓器并且每個氣缸具有一組啟動氣體和附加氣體用的燃氣進口；圖2表示開閥面積作為曲柄轉角的函數(shù)的示意圖；圖3表示圖1所述柴油機的怠速和全負荷時氣缸壓力作為曲柄轉角的函數(shù)的示意圖；圖4表示圖1所述柴油機的額定功率作為時間的函數(shù)的曲線圖；圖5表示額定轉速和圖1所述柴油機的氣缸中的實際平均有效壓力作為時間的函數(shù)的曲線圖；圖6表示在圖1所述四沖程柴油機情況下燃燒比作為時間的函數(shù)的曲線圖7表示一二沖程柴油機的每個氣缸具有一組啟動氣體和附加氣體用的氣體進口的示意圖；圖8表示圖7所述二沖程發(fā)動機的開閥面積作為曲柄轉角的函數(shù)的示意圖。
在各附圖中，相同的部件用相同的參考號表示。
圖1示意性地示出了N-缸四沖程柴油機1，它具有N個完全相同的氣缸單元(Z1-Zn)，一氣缸單元Z1被詳細示出在該剖視圖和一頂視圖中。該發(fā)動機氣缸單元Z1具有一個活塞2，該活塞通過一連桿3和曲柄4以鉸鏈方式連接到一發(fā)動機驅動軸5上。在活塞2處于上死點(0T)時，曲柄轉角φ為0°，活塞2處于下死點(UT)時，該角度值到達1800。此外，該發(fā)動機氣缸單元Z1具有一個在氣缸蓋側通過一新鮮空氣進口E連接到一新鮮空氣進氣管路8上并通過一排氣口A連接到一排氣管路9上的燃燒空間6。該新鮮空氣進口E可由一可控空氣進氣閥(VE)關閉，而該排氣口A可由一可控空氣排氣閥關閉。一燃料噴嘴7設置在氣缸蓋側，用于在參見圖2所示的著火點(φz)到達之前或燃燒空間6中的點火溫度到達之前，進行短暫的柴油噴射。
在一四沖程發(fā)動機1的做功沖程后通過排氣口A從燃燒空間6中排出的廢氣15由排氣管路9用來驅動廢氣增壓器10的透平11。連接在該廢氣增壓器10的一軸上的是一壓縮機13，該壓縮機將新鮮空氣壓縮并通過一個設置在該新鮮空氣進口管路8中的空氣冷卻器K將該壓縮空氣輸送給該新鮮空氣進口E。一電機12的轉子也可以連接在該軸上，并且在該四沖程柴油機1啟動期間用作一電動機，之后用作一發(fā)動機。
此外，該發(fā)動機氣缸單元Z1在氣缸蓋側具有兩個單獨的氣體進口或用于壓縮空氣或附加空氣或啟動氣體19的附加氣體進口或啟動氣體進口(E1a)和(E1b)，在任何情況下，這些進口的孔口截面積都小于該新鮮空氣進口E。這些啟動氣體進口(E1a,E1b)可借助于可控單向閥或附加氣體閥或啟動閥(V1a,V1b)關閉。該啟動氣體19從氣體壓力通常為3Mpa的壓縮空氣瓶或氣體儲存腔16中通過一減壓閥或壓縮空氣調節(jié)閥17供給一供給空氣分配器或一啟動氣體分配器18，從這里它通過壓縮空氣管路或壓縮氣體管路(L1a,L1b,Ln)到達該發(fā)動機氣缸單元(Z1-Zn)的啟動氣體進口(E1a,E1b)。每個發(fā)動機氣缸單元(Z1-Zn)都可設置有一個或多個啟動氣體進口(E1a,E1b)和啟動閥(V1a,V1b)。
圖2表示閥VA,VE和V1a開啟的時間順序，用度表示的曲柄轉角φ表示在橫坐標上，而任一氣缸單元中的新鮮空氣進口開啟面積FE表示在縱坐標上?？諝馀艢忾yVA用的一面積曲線20表示該閥在下死點前開始開啟，并且在下死點(UT)和上死點(OT)之間全部開啟。之后，它馬上關閉，從而結束了排氣狀態(tài)。進氣閥VE用的一面積曲線21表示該閥在上死點前剛剛開始開啟，直到它在后續(xù)的下死點(UT)前剛剛完全開啟并隨后立即關閉為止。這就結束了該空氣進氣閥VE的進氣狀態(tài)。當該空氣進氣閥VE關閉后，啟動閥V1a,V1b開始根據(jù)一面積曲線22開啟，為了清楚，圖中只示出了啟動閥V1a。這些啟動閥V1a,V1b在下一個上死點到達前，并在著火點φZ處開始點火前剛剛關閉，其結果是壓縮狀態(tài)結束。最好這些啟動或附加啟動閥V1a,V1b在柴油噴射之前關閉。在這些啟動閥V1a,V1b開啟期間，壓縮空氣或啟動或附加氣體19毫不延遲地流入該發(fā)動機氣缸單元Z1的燃燒空間6中，從而消除了燃燒空氣不希望的缺少。
由虛線表示的一面積曲線22’示出了各啟動閥V1a,V1b的開啟可以甚至在空氣排出閥VA關閉后開始，并且該空氣排出閥VE的關閉是可變的。由虛線表示的各啟動閥V1a,V1b的一面積曲線23示出了在一四沖程發(fā)動機1啟動時各啟動閥V1a,V1b的開啟情況。
圖3表示該四沖程發(fā)動機1的燃燒空間6中以Mpa表示的燃燒空間壓力P6作為曲柄轉角φ的函數(shù)得出的壓力曲線，怠速方式的壓力曲線為24，全負荷方式的壓力曲線為25?？梢钥闯鲈谌摵蓵r燃燒空間壓力P6比怠速時的更早到達3Mpa。最晚在附加氣體19的壓力到達燃燒空間6中的壓力時，各啟動閥V1a,V1b必須關閉。
圖4是計算機模擬曲線，其表示用于該四沖程發(fā)動機1的功率與額定功率之比值作為時間t的函數(shù)得出的曲線，發(fā)動機額定功率曲線為29-31，發(fā)動機額定消耗功率曲線為32-34，由實線表示的曲線31和34是在沒有使用附加氣體19時獲得的，由虛線29和32表示的曲線是在按本發(fā)明使用附加氣體19的情況下獲得的。由點表示出的各曲線30和33是在按常規(guī)由圖1中虛線所示的壓縮氣體管路L將附加氣體19供給壓縮機13的情況下獲得的。從這可以看出借助于本發(fā)明的方法也可最快地達到額定功率PN。
圖5是計算機模擬曲線，其表示用于該四沖程發(fā)動機1的驅動軸5的轉速或發(fā)動機轉速(ns)與額定轉速(nN)之比值及燃燒空間6中以Mpa表示的實際平均有效壓力Pme作為時間t的函數(shù)得出的曲線，額定轉速曲線為35-37，實際平均有效壓力曲線為38-40。由實線表示的曲線37和40是在沒有使用附加氣體19的情況下獲得的，由虛線表示的曲線35和38是在根據(jù)本發(fā)明使用附加氣體19的情況下獲得的。由各點表示的曲線36和39是在按常規(guī)將附加氣體19供給壓縮機13時獲得的。從這里可以看出利用本發(fā)明的方法最快到達額定轉速。
圖6是計算機模擬曲線，其表示用于該四沖程發(fā)動機1的燃燒比(λV)作為時間t的函數(shù)得出的曲線41-43，由實線表示的曲線43是在沒有使用附加氣體19的情況下獲得的，由虛線表示的曲線41是在根據(jù)本發(fā)明使用附加氣體19的情況下獲得的。由各點表示的曲線42是在按常規(guī)將附加氣體19通過附加管路L供給壓縮機13時獲得的。下列方程可適用于該燃燒比(λV)λV=mLZ/(mB.Lmin)其中mLZ是施加到該燃燒空間6的空氣質量，mB是施加的燃料質量，Lmin是空/燃化學當量比(即用于使燃料完全燃燒所需要的最小空氣量)。從這里可以看出利用本發(fā)明的方法可以最快地到達燃燒比(λV)的最終靜態(tài)值。在圖4-6中，T=2秒意味著負荷切入點。當在t=2秒處借助于供給附加空氣19而使發(fā)動機氣缸Z1-Zn中的空氣量增加10％時，則在t=6秒處可以使燃燒比(λV)因此增加150％。該附加空氣19可以使附加柴油燃料燃燒。這就導致了該廢氣透平10可更快地加速。
圖7表示一二沖程柴油機的示意圖，本發(fā)明的方法也可以用于該柴油機。燃料噴嘴(7a,7b,7c)和各啟動閥(V1a,V1b,V1c)繞一發(fā)動機氣缸單元Z1’的氣缸蓋中的中央排氣口A沿一圓形設置。SE代表一組橫向新鮮空氣進口或新鮮空氣進入處中的一個。
圖8表示一時間順序圖，其對應于圖2所示的各氣閥VA和V1a的開度，也對應于該二沖程發(fā)動機1’的新鮮空氣進入處SE的開度，用度表示的曲柄轉角φ由橫坐標表示，而任一氣缸單元中新鮮空氣進口的開啟面積FE由縱坐標表示。該開啟排出閥VA用的面積曲線26表示該閥在下死點前在第一曲柄轉角位置φ1開始開啟，而在下死點后相同的曲柄轉角間隔處關閉。該新鮮空氣進入處SE用的一面積曲線27表示其在下死點前在第一曲柄轉角位置φ1后的一第二曲柄轉角φ2處開始開啟，而在下死點后相同的曲柄轉角間隔處關閉。當這些新鮮空氣進入處SE關閉后，啟動閥(V1a,V1b,V1c)根據(jù)一面積曲線28’開始開啟，為了清楚，圖中只示出了啟動閥V1a。這些啟動閥(V1a,V1b,V1c)在上死點到達前，并且在著火點處φZ開始點火前剛剛關閉，其結果是結束壓縮狀態(tài)。最好，如面積曲線28所示，各啟動閥(V1a,V1b,V1c)在空氣排出閥VA關閉后開始開啟。由虛線表示的一面積曲線28”表示在該二沖程柴油機1’啟動期間啟動或附加氣體閥(V1a,V1b,V1c)的開啟情況。
重要的是該啟動氣體19和各啟動閥(V1a,V1b,V1c)不但可用來啟動該柴油機(1,1’)，而且在啟動后發(fā)動機正常運行期間借助于改變控制時間也可用來提供附加空氣。
本發(fā)明也可以用于不用啟動氣體進行啟動的柴油機(1,1’)。
最好，該附加氣體19是在過渡負荷作用期間以0.6-3Mpa范圍內的壓力提供給該柴油機(1,1’)的燃燒空間6的。
當該柴油機(1,1’)處于靜態(tài)的部分負荷時，該附加氣體19以100-800kPa范圍內的壓力提供給該燃燒室6。
當該柴油機(1,1’)按所謂的Miller方式在額定負荷的50％的低負荷范圍內運行時，該附加氣體19可由該柴油機(1,1’)的氣缸(Z1,Z1’,Zn)吸入，而不會產生超壓。在這種情況下，圖1所示的壓縮氣體調節(jié)閥17關閉，而一新鮮空氣閥17a開啟以便新鮮空氣14進入。當該柴油機(1,1’)只按Miller方式運行沒有超壓時，閥17和17a及氣體儲存腔16可以省略。該附加氣體19可由該柴油機(1,1’)的各氣缸(Z1,Z1’,Zn)從該柴油機(1,1’)的周圍環(huán)境14中吸入，或從該廢氣增壓器10的壓縮機13的出口處吸入。
權利要求
1．一種用于控制一柴油機(1,1’)的方法，a)，借助于廢氣增壓器(10)將一燃/空混合氣燃燒用的新鮮空氣(14)壓縮；b)，該壓縮氣體通過至少一個新鮮空氣進口(E,SE)提供給各氣缸(Z1,Z1’,Zn)的燃燒空間(6)；其中c)，在該柴油機(1,1’)啟動期間，附加氣體(19)可作為啟動氣體通過至少一個單獨的附加氣體進口(E1a,E1b)提供給該燃燒空間6；d)，由至少一個單獨的附加氣體閥(V1a,V1b,V1c)提供；e)，在該柴油機(1,1’)啟動后提供；f)，在該燃/空混合氣點火前提供；g)，含氧的附加氣體(19)通過這些單獨的附加氣體進口(E1a,E1b)中的至少一個另外提供給該燃燒空間(6)。
2．如權利要求1所述方法，其中該含氧的附加氣體(19)是在該柴油機(1,1’)啟動后且柴油燃料噴射入該燃燒空間(6)中前提供給該燃燒空間(6)的。
3．如權利要求1或2所述方法，其中在該柴油機(1,1’)已經(jīng)發(fā)生啟動后，該含氧的附加氣體(19)基本上是在一空氣進氣閥VE關閉或一新鮮空氣進入處SE關閉前提供給該燃燒空間(6)的。
4．如權利要求1或2所述方法，其中在該柴油機(1,1’)已經(jīng)發(fā)生啟動后，該含氧的附加氣體(19)是在一空氣進氣閥VE關閉后提供給該燃燒空間(6)的。
5．如前述任一權利要求所述方法，其中在該柴油機(1,1’)已經(jīng)發(fā)生啟動后，該含氧的附加氣體(19)最晚是在到達著火點φZ時提供給該燃燒空間(6)的。
6．如前述任一權利要求所述方法，其中該含氧的附加氣體(19)是同時通過一組附加氣體進口(E1a,E1b)提供給該燃燒空間(6)的。
7．如前述任一權利要求所述方法，其中該含氧的附加氣體(19)是以范圍為1.5-3Mpa的一壓力在過渡負荷作用在該該柴油機(1,1’)上期間提供給該燃燒空間(6)的。
8．如權利要求1-6任一所述方法，其中當該柴油機(1,1’)處于靜態(tài)部分負荷時，該含氧的附加氣體(19)是以范圍為100-800Kpa的一壓力提供給該燃燒空間(6)的。
9．如權利要求1所述方法，其中該附加氣體(19)可由該柴油機(1,1’)的各氣缸(Z1,Z1’,Zn)從該柴油機(1,1’)的周圍環(huán)境(14)中吸入，或從該廢氣增壓器(11)的壓縮機(13)的出口處吸入。
全文摘要
用于控制一柴油機的方法,借助于該方法可在部分負荷和過渡負荷狀態(tài)下在一柴油機的各氣缸中獲得足夠的燃燒空氣,從一氣體分配器來的含氧氣體或附加氣體或壓縮空氣在壓力作用下可通過至少一個單獨的附加氣體進口利用至少一個單獨的附加氣體閥V1a另外提供給該氣缸的燃燒空間,即使在該柴油機已經(jīng)啟動后,也是如此。在該柴油機的一空氣進氣閥VE關閉或一空氣排出閥VA關閉后,開始供給該附加氣體。該方法不但適用于四沖程發(fā)動機,而且適用于二沖程發(fā)動機。
文檔編號F02B29/02GK1324431SQ99812410
公開日2001年11月28日 申請日期1999年10月19日 優(yōu)先權日1998年10月21日
發(fā)明者E·科丹, H·菲德勒, I·弗拉斯科斯 申請人:Abb渦輪系統(tǒng)有限公司