专利名称：用于控制一柴油机的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制权利要求1前序部分所述柴油机的方法。
权利要求1前序部分作为本发明的现有技术，这些现有技术可从出版物“Proc Instn Mech Engrs”1973年第187 35/73卷第425-434页得知。在此，从一压缩空气储存腔来的附加空气供给一柴油机的增压器的压气机。该附加空气用于在部分负荷，特别是在发动机减速和过渡状态时消除燃烧空气不足的状况。这样做的一个缺点是该附加空气可使该压气机的叶轮的叶片产生振动。当叶轮加速时，会产生一个不希望的时间滞后。
使一柴油机处于燃料自发点火所需要的启动转速的几种启动形式在1986年柏林VEB技术出版社出版，Rudolf Sperber博士编著的“柴油机技术手册”第4版99-108页中记载了。大型柴油机利用从一个带有3Mpa压力的压缩空气的启动空气瓶来的压缩空气并通过一减压阀，中央空气分配器和设置在各气缸盖中的的启动阀进行启动。该启动阀是由弹簧加载的单向阀，在点火发生后它立即关闭，在发动机反转时，它由一凸轮轴控制。在启动开始时，该柴油机作为一台压缩空气发动机运行。通过一发动机气缸的充气阀或通过单独安装在发动机上的一压缩机充满该启动空气瓶。但其中没有公开当发动机启动后附加空气的供给情况。
CH624182A5公开了一种多缸柴油机，该发动机中，在启动期间并且在部分负荷状态时，可以在某些气缸单元中借助于使其他的气缸单元临时作为压缩机而获得一更高的压缩，及更好的点火条件。但这样做的一个缺点是在这种状态期间，该发动机只有部分气缸输出理想的功率。
从EP0367406A2中可以知道可利用由发动机的废气驱动的增压器来使该柴油机的气缸压力上升。设置在该增压器的轴上的是一电机的转子，在启动期间或在该柴油机转速掉落到一预定的最小转速之下时，该电机工作作为一外设供给电动机，其他情况时，该电机工作作为一发电机。这种技术方案太复杂。
考虑到相关的现有技术，请参考Hans-Josef Schiffgens等在MTZ“发动机技术”杂志58期(1997)第584-590页上发表的“新ManB&W柴油燃气发动机32/40DG”。从该文章中可以知道一柴油燃气发动机，其中一燃料气体是在相当低的压力下供给该柴油机的空气的进气管的。该燃气阀是电控制的，由液压力开启而由弹簧力关闭。
所谓的Miller方式是公知的，特别是可从柏林海德堡纽约(Berlin Heidelberg New York)Springer-出版社1980出版的由K.Zinner撰写的的书“内燃机增压”第2版第221-228页中得知。在该方式中，空气进气阀(VE)在该柴油机的活塞处于下死点(UT)前关闭，如图2中由虚线所示的一关闭线(21’)所示。当一发动机按Miller方式运行固定控制的时间时，在低负荷范围内会产生严重的空气不足的现象。
如权利要求1所述的本发明，其目的是为了获得一种更有效地控制上述类型的柴油机的方法，它可使所有气缸中获得足够的燃烧空气，甚至在部分负荷和过渡工作状态时，也是如此。
本发明更有利的改进由各从属权利要求限定。
本发明的一个优点是该柴油机可在所有运行状态都可更有效的运行，特别是可降低排放和热负荷。
根据本发明更有利的改进，用于启动的装置也可以用在后续运行中，并且该柴油机的每个气缸设置有一组启动气体和附加气体用的燃气进口。
下面参考各附图对本发明进行说明。其中
图1表示一四冲程柴油机的示意图，该柴油机具有一废气增压器并且每个气缸具有一组启动气体和附加气体用的燃气进口；图2表示开阀面积作为曲柄转角的函数的示意图；图3表示图1所述柴油机的怠速和全负荷时气缸压力作为曲柄转角的函数的示意图；图4表示图1所述柴油机的额定功率作为时间的函数的曲线图；图5表示额定转速和图1所述柴油机的气缸中的实际平均有效压力作为时间的函数的曲线图；图6表示在图1所述四冲程柴油机情况下燃烧比作为时间的函数的曲线图7表示一二冲程柴油机的每个气缸具有一组启动气体和附加气体用的气体进口的示意图；图8表示图7所述二冲程发动机的开阀面积作为曲柄转角的函数的示意图。
在各附图中，相同的部件用相同的参考号表示。
图1示意性地示出了N-缸四冲程柴油机1，它具有N个完全相同的气缸单元(Z1-Zn)，一气缸单元Z1被详细示出在该剖视图和一顶视图中。该发动机气缸单元Z1具有一个活塞2，该活塞通过一连杆3和曲柄4以铰链方式连接到一发动机驱动轴5上。在活塞2处于上死点(0T)时，曲柄转角φ为0°，活塞2处于下死点(UT)时，该角度值到达1800。此外，该发动机气缸单元Z1具有一个在气缸盖侧通过一新鲜空气进口E连接到一新鲜空气进气管路8上并通过一排气口A连接到一排气管路9上的燃烧空间6。该新鲜空气进口E可由一可控空气进气阀(VE)关闭，而该排气口A可由一可控空气排气阀关闭。一燃料喷嘴7设置在气缸盖侧，用于在参见图2所示的着火点(φz)到达之前或燃烧空间6中的点火温度到达之前，进行短暂的柴油喷射。
在一四冲程发动机1的做功冲程后通过排气口A从燃烧空间6中排出的废气15由排气管路9用来驱动废气增压器10的透平11。连接在该废气增压器10的一轴上的是一压缩机13，该压缩机将新鲜空气压缩并通过一个设置在该新鲜空气进口管路8中的空气冷却器K将该压缩空气输送给该新鲜空气进口E。一电机12的转子也可以连接在该轴上，并且在该四冲程柴油机1启动期间用作一电动机，之后用作一发动机。
此外，该发动机气缸单元Z1在气缸盖侧具有两个单独的气体进口或用于压缩空气或附加空气或启动气体19的附加气体进口或启动气体进口(E1a)和(E1b)，在任何情况下，这些进口的孔口截面积都小于该新鲜空气进口E。这些启动气体进口(E1a,E1b)可借助于可控单向阀或附加气体阀或启动阀(V1a,V1b)关闭。该启动气体19从气体压力通常为3Mpa的压缩空气瓶或气体储存腔16中通过一减压阀或压缩空气调节阀17供给一供给空气分配器或一启动气体分配器18，从这里它通过压缩空气管路或压缩气体管路(L1a,L1b,Ln)到达该发动机气缸单元(Z1-Zn)的启动气体进口(E1a,E1b)。每个发动机气缸单元(Z1-Zn)都可设置有一个或多个启动气体进口(E1a,E1b)和启动阀(V1a,V1b)。
图2表示阀VA,VE和V1a开启的时间顺序，用度表示的曲柄转角φ表示在横坐标上，而任一气缸单元中的新鲜空气进口开启面积FE表示在纵坐标上。空气排气阀VA用的一面积曲线20表示该阀在下死点前开始开启，并且在下死点(UT)和上死点(OT)之间全部开启。之后，它马上关闭，从而结束了排气状态。进气阀VE用的一面积曲线21表示该阀在上死点前刚刚开始开启，直到它在后续的下死点(UT)前刚刚完全开启并随后立即关闭为止。这就结束了该空气进气阀VE的进气状态。当该空气进气阀VE关闭后，启动阀V1a,V1b开始根据一面积曲线22开启，为了清楚，图中只示出了启动阀V1a。这些启动阀V1a,V1b在下一个上死点到达前，并在着火点φZ处开始点火前刚刚关闭，其结果是压缩状态结束。最好这些启动或附加启动阀V1a,V1b在柴油喷射之前关闭。在这些启动阀V1a,V1b开启期间，压缩空气或启动或附加气体19毫不延迟地流入该发动机气缸单元Z1的燃烧空间6中，从而消除了燃烧空气不希望的缺少。
由虚线表示的一面积曲线22’示出了各启动阀V1a,V1b的开启可以甚至在空气排出阀VA关闭后开始，并且该空气排出阀VE的关闭是可变的。由虚线表示的各启动阀V1a,V1b的一面积曲线23示出了在一四冲程发动机1启动时各启动阀V1a,V1b的开启情况。
图3表示该四冲程发动机1的燃烧空间6中以Mpa表示的燃烧空间压力P6作为曲柄转角φ的函数得出的压力曲线，怠速方式的压力曲线为24，全负荷方式的压力曲线为25。可以看出在全负荷时燃烧空间压力P6比怠速时的更早到达3Mpa。最晚在附加气体19的压力到达燃烧空间6中的压力时，各启动阀V1a,V1b必须关闭。
图4是计算机模拟曲线，其表示用于该四冲程发动机1的功率与额定功率之比值作为时间t的函数得出的曲线，发动机额定功率曲线为29-31，发动机额定消耗功率曲线为32-34，由实线表示的曲线31和34是在没有使用附加气体19时获得的，由虚线29和32表示的曲线是在按本发明使用附加气体19的情况下获得的。由点表示出的各曲线30和33是在按常规由图1中虚线所示的压缩气体管路L将附加气体19供给压缩机13的情况下获得的。从这可以看出借助于本发明的方法也可最快地达到额定功率PN。
图5是计算机模拟曲线，其表示用于该四冲程发动机1的驱动轴5的转速或发动机转速(ns)与额定转速(nN)之比值及燃烧空间6中以Mpa表示的实际平均有效压力Pme作为时间t的函数得出的曲线，额定转速曲线为35-37，实际平均有效压力曲线为38-40。由实线表示的曲线37和40是在没有使用附加气体19的情况下获得的，由虚线表示的曲线35和38是在根据本发明使用附加气体19的情况下获得的。由各点表示的曲线36和39是在按常规将附加气体19供给压缩机13时获得的。从这里可以看出利用本发明的方法最快到达额定转速。
图6是计算机模拟曲线，其表示用于该四冲程发动机1的燃烧比(λV)作为时间t的函数得出的曲线41-43，由实线表示的曲线43是在没有使用附加气体19的情况下获得的，由虚线表示的曲线41是在根据本发明使用附加气体19的情况下获得的。由各点表示的曲线42是在按常规将附加气体19通过附加管路L供给压缩机13时获得的。下列方程可适用于该燃烧比(λV)λV=mLZ/(mB.Lmin)其中mLZ是施加到该燃烧空间6的空气质量，mB是施加的燃料质量，Lmin是空/燃化学当量比(即用于使燃料完全燃烧所需要的最小空气量)。从这里可以看出利用本发明的方法可以最快地到达燃烧比(λV)的最终静态值。在图4-6中，T=2秒意味着负荷切入点。当在t=2秒处借助于供给附加空气19而使发动机气缸Z1-Zn中的空气量增加10％时，则在t=6秒处可以使燃烧比(λV)因此增加150％。该附加空气19可以使附加柴油燃料燃烧。这就导致了该废气透平10可更快地加速。
图7表示一二冲程柴油机的示意图，本发明的方法也可以用于该柴油机。燃料喷嘴(7a,7b,7c)和各启动阀(V1a,V1b,V1c)绕一发动机气缸单元Z1’的气缸盖中的中央排气口A沿一圆形设置。SE代表一组横向新鲜空气进口或新鲜空气进入处中的一个。
图8表示一时间顺序图，其对应于图2所示的各气阀VA和V1a的开度，也对应于该二冲程发动机1’的新鲜空气进入处SE的开度，用度表示的曲柄转角φ由横坐标表示，而任一气缸单元中新鲜空气进口的开启面积FE由纵坐标表示。该开启排出阀VA用的面积曲线26表示该阀在下死点前在第一曲柄转角位置φ1开始开启，而在下死点后相同的曲柄转角间隔处关闭。该新鲜空气进入处SE用的一面积曲线27表示其在下死点前在第一曲柄转角位置φ1后的一第二曲柄转角φ2处开始开启，而在下死点后相同的曲柄转角间隔处关闭。当这些新鲜空气进入处SE关闭后，启动阀(V1a,V1b,V1c)根据一面积曲线28’开始开启，为了清楚，图中只示出了启动阀V1a。这些启动阀(V1a,V1b,V1c)在上死点到达前，并且在着火点处φZ开始点火前刚刚关闭，其结果是结束压缩状态。最好，如面积曲线28所示，各启动阀(V1a,V1b,V1c)在空气排出阀VA关闭后开始开启。由虚线表示的一面积曲线28”表示在该二冲程柴油机1’启动期间启动或附加气体阀(V1a,V1b,V1c)的开启情况。
重要的是该启动气体19和各启动阀(V1a,V1b,V1c)不但可用来启动该柴油机(1,1’)，而且在启动后发动机正常运行期间借助于改变控制时间也可用来提供附加空气。
本发明也可以用于不用启动气体进行启动的柴油机(1,1’)。
最好，该附加气体19是在过渡负荷作用期间以0.6-3Mpa范围内的压力提供给该柴油机(1,1’)的燃烧空间6的。
当该柴油机(1,1’)处于静态的部分负荷时，该附加气体19以100-800kPa范围内的压力提供给该燃烧室6。
当该柴油机(1,1’)按所谓的Miller方式在额定负荷的50％的低负荷范围内运行时，该附加气体19可由该柴油机(1,1’)的气缸(Z1,Z1’,Zn)吸入，而不会产生超压。在这种情况下，图1所示的压缩气体调节阀17关闭，而一新鲜空气阀17a开启以便新鲜空气14进入。当该柴油机(1,1’)只按Miller方式运行没有超压时，阀17和17a及气体储存腔16可以省略。该附加气体19可由该柴油机(1,1’)的各气缸(Z1,Z1’,Zn)从该柴油机(1,1’)的周围环境14中吸入，或从该废气增压器10的压缩机13的出口处吸入。
权利要求
1．一种用于控制一柴油机(1,1’)的方法，a)，借助于废气增压器(10)将一燃/空混合气燃烧用的新鲜空气(14)压缩；b)，该压缩气体通过至少一个新鲜空气进口(E,SE)提供给各气缸(Z1,Z1’,Zn)的燃烧空间(6)；其中c)，在该柴油机(1,1’)启动期间，附加气体(19)可作为启动气体通过至少一个单独的附加气体进口(E1a,E1b)提供给该燃烧空间6；d)，由至少一个单独的附加气体阀(V1a,V1b,V1c)提供；e)，在该柴油机(1,1’)启动后提供；f)，在该燃/空混合气点火前提供；g)，含氧的附加气体(19)通过这些单独的附加气体进口(E1a,E1b)中的至少一个另外提供给该燃烧空间(6)。
2．如权利要求1所述方法，其中该含氧的附加气体(19)是在该柴油机(1,1’)启动后且柴油燃料喷射入该燃烧空间(6)中前提供给该燃烧空间(6)的。
3．如权利要求1或2所述方法，其中在该柴油机(1,1’)已经发生启动后，该含氧的附加气体(19)基本上是在一空气进气阀VE关闭或一新鲜空气进入处SE关闭前提供给该燃烧空间(6)的。
4．如权利要求1或2所述方法，其中在该柴油机(1,1’)已经发生启动后，该含氧的附加气体(19)是在一空气进气阀VE关闭后提供给该燃烧空间(6)的。
5．如前述任一权利要求所述方法，其中在该柴油机(1,1’)已经发生启动后，该含氧的附加气体(19)最晚是在到达着火点φZ时提供给该燃烧空间(6)的。
6．如前述任一权利要求所述方法，其中该含氧的附加气体(19)是同时通过一组附加气体进口(E1a,E1b)提供给该燃烧空间(6)的。
7．如前述任一权利要求所述方法，其中该含氧的附加气体(19)是以范围为1.5-3Mpa的一压力在过渡负荷作用在该该柴油机(1,1’)上期间提供给该燃烧空间(6)的。
8．如权利要求1-6任一所述方法，其中当该柴油机(1,1’)处于静态部分负荷时，该含氧的附加气体(19)是以范围为100-800Kpa的一压力提供给该燃烧空间(6)的。
9．如权利要求1所述方法，其中该附加气体(19)可由该柴油机(1,1’)的各气缸(Z1,Z1’,Zn)从该柴油机(1,1’)的周围环境(14)中吸入，或从该废气增压器(11)的压缩机(13)的出口处吸入。
全文摘要
用于控制一柴油机的方法,借助于该方法可在部分负荷和过渡负荷状态下在一柴油机的各气缸中获得足够的燃烧空气,从一气体分配器来的含氧气体或附加气体或压缩空气在压力作用下可通过至少一个单独的附加气体进口利用至少一个单独的附加气体阀V1a另外提供给该气缸的燃烧空间,即使在该柴油机已经启动后,也是如此。在该柴油机的一空气进气阀VE关闭或一空气排出阀VA关闭后,开始供给该附加气体。该方法不但适用于四冲程发动机,而且适用于二冲程发动机。
文档编号F02B29/02GK1324431SQ99812410
公开日2001年11月28日 申请日期1999年10月19日 优先权日1998年10月21日
发明者E·科丹, H·菲德勒, I·弗拉斯科斯 申请人:Abb涡轮系统有限公司