大型柴油发动机和确定大型柴油发动机的气缸压力的方法与流程

本发明涉及一种大型柴油发动机和用于确定大型柴油发动机中的气缸压力的方法。

背景技术：

1、大型柴油发动机，其可以被设计为二冲程或四冲程发动机、例如被设计为纵向扫气二冲程大型柴油发动机，通常用作船舶的驱动发动机或者也用于固定操作，例如，用于为大型发电机提供动力以产生电能。在此，发动机通常在连续操作中运行相当长的时间，这对操作安全性和可用性提出了高要求。因此，尤其是长的维护间隔、低磨损和操作材料的经济处理是操作者的中心标准。大型柴油发动机通常具有内径(缸径)至少为200mm的气缸。目前，使用具有高达960mm或甚至更大缸径的大型柴油发动机。大型柴油发动机传统上用重质燃料油来工作。

2、考虑到经济和有效的操作、废气排放标准的遵守和资源的可用性，如今正在寻求重质燃料油燃料的替代品，甚至对于大型柴油发动机。这里，使用液体燃料和气体燃料，液体燃料是指以液态被引入燃烧腔室中的燃料，气体燃料是指以气态被引入燃烧腔室中的燃料。

3、作为重质燃料油的已知替代物的液体燃料的示例是其它重质烃，该重质烃在天然油、醇(特别是甲醇或乙醇)、汽油、柴油或还有乳液和悬浮液的精炼期间特别地作为残留物保留。例如，众所周知使用称为msar(多相超细雾化残留物)的乳液作为燃料。已知的悬浮液是由煤粉和水制成的悬浮液，其也用作大型发动机的燃料。例如，天然气诸如lng(液化天然气)、液化气如lpg(液化石油气)或乙烷已知作为气体燃料。

4、还特别存在已知这样的大型柴油发动机，其可以使用至少两种不同的燃料操作，其中根据操作情况或环境使用一种燃料或另一种燃料来操作发动机。

5、可以使用两种不同燃料操作的大型柴油发动机的示例是被设计为双燃料大型柴油发动机的大型柴油发动机。它可在液体模式和气体模式下操作，在液体模式下，液体燃料被引入气缸中以用于燃烧，在气体模式下，气体作为燃料被引入气缸中。

6、可以使用至少两种或甚至更多种不同的液体或气体燃料操作的大型柴油发动机通常根据有效使用的燃料在不同的操作模式下操作。在通常称为柴油操作的操作模式中，燃料的燃烧通常遵循燃料的压缩点火或自点火的原理发生。在通常称为奥托操作的模式下，燃烧通过可点燃的预混合空气燃料混合物的火花点火发生。例如，这种火花点火可以通过例如利用火花塞的电火花发生，或者也可以通过少量喷射燃料的自点火发生，然后该自点火使另一种燃料火花点火。在此，用于自点火的少量燃料通常被喷射到连接至燃烧腔室的预燃腔室中。

7、此外，奥托操作和柴油操作的混合形式也是已知的。

8、在本技术的范围内，术语“大型柴油发动机”是指能够至少在柴油操作下操作的发动机。术语“大型柴油发动机”尤其还包括这样的双燃料大型发动机，该双燃料大型发动机还可以在除了柴油操作之外的另一操作模式下操作，例如在奥托操作下操作。

9、在本技术的范围内，术语“气体模式”或替代地“在气体模式下的操作”是指仅气体或气体燃料用作用于产生扭矩的燃烧的燃料。如前所述，在气体模式下对于预混合空气燃料混合物的火花点火，喷射少量的自点火液体燃料例如重质燃料油以执行火花点火是可能的并且也是非常常见的，但是尽管如此，产生扭矩的燃烧过程完全利用气体或气体燃料来操作。

10、这种借助于少量液体燃料的自点火的火花点火的过程有时也被称为引燃喷射。当大型发动机在液体模式下操作时，该引燃喷射与将液体燃料喷射到燃烧腔室中无关。通常，与液体模式下的液体燃料的喷射相比，不同的喷射装置通常用于引燃喷射。在引燃喷射期间，少量液体燃料也经常不被直接喷射到燃烧腔室中，而是喷射到经由管道连接到燃烧腔室的至少一个预燃腔室中。

11、还已知的是，在气体模式下的低压过程中操作这种双燃料大型柴油发动机，是指气体以气态被引入气缸中，其中气体的喷射压力至多为50巴，优选地至多为20巴。为此，在气缸壁中设置至少一个气体入口，气体通过该气体入口在气体模式下被引入气缸中。在实践中，通常设置两个气体入口，该两个气体入口相对于气缸轴线彼此径向相对地定位。(一个或多个)气体入口开口位于活塞移动的下反向点和上反向点之间的这样的高度处：使得只要气缸内没有任何压缩或至少没有显著的压缩，气体就可以在活塞的向上移动期间被引入气缸中。

12、大型柴油发动机通常以这样的方式设计，使得致密化率、或者换句话说压缩比在100％负荷点处、即在满负荷下被优化，并且大型柴油发动机在那里具有燃烧行为和效率之间的最佳可能折衷，这意味着大型柴油发动机以这样的方式被设计使得它们在100％负荷点处，即在满负荷和最大速度下具有最高可能的热力学效率。

13、压缩比是几何值，其是在空气燃料混合物的压缩之前的燃烧腔室的第一容积与在空气燃料混合物的压缩之后的燃烧腔室的剩余第二容积的比率。

14、从100％负荷点处的燃烧行为的优化得出，在较低负荷点处，例如在较低的中压下，大型柴油发动机的效率不再是最佳的。

15、此外，对于使用至少两种不同燃料操作的大型柴油发动机-是指例如双燃料大型柴油发动机-期望对于每种不同燃料实现最高可能的效率。

16、由于这些原因，已知这样的大型柴油发动机，其中可改变压缩比以便优化相应负荷和/或相应燃料的效率。这种设计也称为vcr系统(vcr：可变压缩比)。

17、例如，对于具有十字头驱动器的大型柴油发动机，从ep-a-2 687707中已知，安装在十字头的十字头销中的活塞杆可相对于十字头销在气缸轴线的方向上移位以便改变压缩比。这样，能够改变压缩比。例如，如果活塞杆相对于十字头销在燃烧腔室的方向上移位，则导致燃烧腔室在最大压缩时的较小容积，并因此导致较大的压缩比。

18、对于例如根据当前负荷的压缩比的最佳调节或者也对于对有效使用的燃料的适配非常重要的重要参数是气缸压力，其指的是气缸的燃烧腔室内的压力。因此，通常为每个气缸提供压力传感器，利用该压力传感器可以确定燃烧腔室内的压力。

19、已知的解决方案是提供尽可能靠近气缸的燃烧腔室定位的压力传感器。为此目的，在气缸盖中设置连续的孔，该孔通向燃烧腔室。该孔在进入燃烧腔室的入口附近设置有螺纹，使得设置有外螺纹的压力传感器可拧入该孔中。在此，压力传感器尽可能靠近燃烧腔室定位，特别是为了使压力传感器和燃烧腔室之间的孔的长度尽可能小。这是因为孔的这个区域代表了气体或其它燃料可在其中以不可控制的方式燃烧的死容积。另外，这种死容积在扫气过程期间不能很好地被扫气空气清扫，这可能导致甲烷逸出，尤其是在气体模式下。

20、然而，由于其紧邻燃烧腔室，压力传感器暴露于非常高的温度，这不利地影响其使用寿命。靠近燃烧腔室还导致燃烧残留物沉积在传感器表面上。通常，甚至是这些残留物不仅沉积在传感器表面上，而是覆盖孔的整个口部。为了保证大型发动机的可靠和有效的操作，压力传感器因此需要定期被拆卸，使得传感器表面特别地可以被清洁。由于压力传感器在气缸盖中的孔中定位得非常低，因此很难够到它。必须将长的工具插入到孔中，利用该工具压力可以将传感器从孔的螺纹中拧出或者可以被拧入该螺纹中。因此，这些维修工作涉及相当大的工作量。

21、从这种现有技术出发，本发明的目的是提出一种具有十字头驱动器的大型柴油发动机，其中气缸的燃烧腔室中的压力可以以可靠的方式被确定，由此不发生前面提到的问题。此外，本发明的目的是提出一种用于确定大型柴油发动机中的气缸压力的对应方法。

技术实现思路

1、根据本发明，因此提出了一种大型柴油发动机，该大型柴油发动机具有至少一个气缸，该气缸具有由活塞限定的燃烧腔室，该活塞定位成可沿着气缸轴线来回移动，该大型柴油发动机还具有可旋转的曲轴，其中，活塞经由活塞杆连接到十字头，该十字头具有十字头销，其中，十字头经由推杆连接到曲轴，并且其中，在十字头销中设置有液压腔室，该液压腔室由活塞杆限定，并且活塞杆借助于该液压腔室可相对于十字头销在气缸轴线的方向上移位以便调节压缩比。设置压力传感器以及估算单元，利用该压力传感器可以确定存在于液压腔室中的液压压力，利用该估算单元可以借助于液压压力来确定存在于燃烧腔室中的气缸压力。

2、因此，借助于存在于液压腔室中的液压压力来测量存在于燃烧腔室中的气缸压力，借助于该液压压力，活塞杆可以移位以便调节压缩比。由于活塞杆限制液压腔室，所以在燃烧腔室一侧作用于活塞的气缸压力经由活塞杆被传输到液压腔室。压力传感器测量作用在液压腔室中的液压压力并且将该测量值传输到估算单元，该估算单元根据该测量值确定燃烧腔室内部的气缸压力。可以但不是必须的是，借助于减压器将存在于液压腔室中的压力减小到与液压腔室中的液压压力成比例的较低压力，以通过测量来检测该减小的压力，然后根据该测量值来确定存在于燃烧腔室中的压力。

3、因此，定位成紧密靠近燃烧腔室的压力传感器不再是必需的。因此，可以避免所有前面描述的由压力传感器定位成紧密靠近燃烧腔室和例如在气缸盖中引起的问题。

4、本发明的一个可能的实施方式是压力传感器以压力传感器与十字头一起移动的方式位于十字头上。因此，压力传感器不相对于十字头移动，并且执行与十字头相同的移动。然后，由压力传感器确定的测量值被传输到通常固定的估算单元。从压力传感器到估算单元的这种传输例如可以无线地发生，例如，利用压力传感器上的发射器和估算单元上的接收器。也可以借助于柔性线缆进行传输，该柔性线缆将估算单元连接到可相对于估算单元移动的压力传感器。例如，这种线缆可以位于肘节杆上或肘节杆内。这种位于固定的发动机壳体和在操作状态下移动的十字头之间的肘节杆通常设置在大型柴油发动机上，例如，以将润滑介质或冷却介质引入到十字头中或引入到活塞杆中。同样地，肘节杆可用于引导这种线缆，液压介质利用该线缆被供给到液压腔室以使活塞杆移位。

5、根据优选实施方式，压力传感器设置在相对于发动机壳体固定定位的测量点处。在该实施方式中，压力传感器因此在大型柴油发动机的操作期间不移动，而是被固定在适当位置，意味着压力传感器不相对于发动机壳体移动，而十字头相对于压力传感器移动。

6、优选地，然后设置液压压力传输装置，利用该液压压力传输装置，存在于液压腔室中的液压压力可以被传输到压力传感器。借助于液压压力传输装置，可以容易地实现固定压力传感器可以被施加以与十字头中液压腔室中的液压压力相等或成比例的压力。

7、特别优选地，液压压力传输装置包括肘节杆，该肘节杆一方面连接到十字头，另一方面连接到发动机壳体。在此，可以为压力传输装置设置专用的单独的肘节杆，或者可以针对压力传输装置使用另一现有的肘节杆。

8、液压压力传输装置的肘节杆优选包括供给部，利用该供给部可以将液压介质供给到液压腔室。因此，液压压力传输装置优选使用相同的肘节杆，液压介质经由该肘节杆被引入到液压腔室中。

9、另一优选的措施是，肘节杆包括用于泄压阀的控制管线，该控制管线用于从液压腔室排放液压介质。

10、此外，优选的是，液压压力传输装置包括减压器，该减压器可以被施以存在于液压腔室中的液压压力并且减小该压力。这具有的优点是，存在于液压腔室中的高液压压力不需要被传输，而仅传输与液压腔室中的压力成比例的减小的液压压力。在操作状态下，液压腔室内的压力实际上可以高达几百巴(1巴＝0.1mpa)，例如500至600巴(50-60mpa)。

11、减压器优选地位于十字头上。然后，减压器与十字头一起移动，使得仅减小的压力必须从移动的十字头被传输到相对于发动机壳体固定定位的测量点。

12、进一步优选的是，减压器包括高压侧和低压侧，其中，高压侧流动连接到液压腔室，并且其中，压力传感器可被施以存在于低压侧的压力。

13、例如，减压器流动连接到用于从液压腔室排放液压介质的出口管线。在此，该流动连接设置在截止阀的上游，液压介质能够经由该截止阀从液压腔室被排放。

14、进一步优选的措施是，液压介质可以被供给到减压器的低压侧。这样，减压器可返回到其初始构造。

15、优选地，大型柴油发动机被设计为纵向扫气的二冲程大型柴油发动机。

16、特别优选地，大型柴油发动机被设计为双燃料大型柴油发动机，该双燃料大型柴油发动机可以在液体模式下操作，在液体模式下液体燃料被引入燃烧腔室中用于燃烧，并且该双燃料大型柴油发动机还可以在气体模式下操作，在气体模式下气体被引入燃烧腔室中用于燃烧。

17、本发明还提出了一种用于确定大型柴油发动机中的气缸压力的方法，该大型柴油发动机具有至少一个气缸，该气缸具有燃烧腔室，该燃烧腔室由活塞限定，该活塞定位成可沿着气缸轴线来回移动，该大型柴油发动机还具有可旋转的曲轴，其中，活塞经由活塞杆连接到十字头，该十字头具有十字头销，其中，十字头经由推杆连接到曲轴，并且其中，在十字头销中设置有液压腔室，该液压腔室由活塞杆限定，并且借助于该液压腔室，活塞杆能够相对于十字头销在气缸轴线的方向上移位，以便调节压缩比。根据本发明，借助于压力传感器以及借助于估算单元确定液压腔室中的液压压力，借助于该液压压力确定存在于燃烧腔室中的气缸压力。

18、在根据本发明的方法中，存在于燃烧腔室中的压力因此借助于存在于液压腔室中的液压压力来确定。因此不再需要定位成紧靠燃烧腔室的压力传感器。因此，可以避免所有前面描述的由在燃烧腔室附近和例如在气缸盖中的压力传感器的布置所导致的问题。