CN100420833C

CN100420833C - 具有单列10缸的两冲程涡轮增压内燃机

Info

Publication number: CN100420833C
Application number: CNB2004101048729A
Authority: CN
Inventors: 博·汉森
Original assignee: MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: CN1796744A

Abstract

一种两冲程十字头式内燃机具有单列10缸。所述发动机汽缸C1-C10的发火顺序(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1-9-7-3-5-10-24-8-6。

Description

具有单列10缸的两冲程涡轮增压内燃机

技术领域

本发明涉及一种具有单列10缸的两冲程十字头式内燃机。

背景技术

上述内燃机具有发动机汽缸C1-C10的发火顺序。本申请人制造的10MC60发动机的已知发火顺序为1-8-7-3-5-9-4-2-10-6。英国专利No.917,748中描述了另一种现有发火顺序1-8-5-6-3-10-2-7-4-9。

发火顺序影响发动机内部的振动状况，并通过外力和外力矩影响支撑结构和轴系统。

发明内容

本发明的一个目的是提供发火顺序，使得发动机适于被安装作为具有高且细长上部结构的船的主推进发动机。

根据本发明的两冲程内燃机的特征在于：发动机汽缸C1-C10的发火顺序(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。

这些发火顺序已被证明使得所谓的四级外X型导向力矩以及四级自由力矩具有有利的低值。这对于这种船而言尤其有利，即具有长而纤细的船体并且上部结构的长度相对于高度较短。当振动力矩具有每分钟300到450周期的频率范围时，这种上部结构需要抑制振动的措施。但是，因为根据本发明的发动机不会产生任何大尺寸的四级振动，所以当发动机速度在300/4rpm到450/4rpm范围之间时，不需要这种减振措施。该速度范围与通常在船上用作大的主推进发动机的大十字头式柴油机的额定速度非常相配。这种发动机的额定速度可以为例如94rpm或106rpm。

在一个优选实施例中，汽缸C1与汽缸C10的发火角(α1，α10)为180°间隔，汽缸C2与汽缸C9的发火角(α2，α9)为180°间隔，汽缸C3与汽缸C8的发火角(α3，α8)为180°间隔，汽缸C4与汽缸C7的发火角(α4，α7)为180°间隔，汽缸C5与汽缸C6的发火角(α5，α6)为180°间隔。这些发火角是这样的，使得相对于偶数级自由力矩，即二级、四级、六级等，成对中的其中一个汽缸重于成对中的另一个汽缸，结果不仅四级自由力矩可忽略，而且偶数级的其它自由力矩也可忽略。

在一个优选实施例中，鉴于任何两个相邻发火汽缸之间的曲轴的回转角是36°，所以发火顺序是均匀的。对于单列10缸发动机，有362,880种不同的均匀发火顺序。其中，本发明涉及上述6种发火顺序，当这些顺序中的发火角是如此的，使得任何两个相邻发火汽缸之间的曲轴的回转角是36°时，那么四级外X型导向力矩以及四级自由力矩均为零。另外，所有大于一级的级别的自由力矩也为零。

如果在一个特定发动机装置中存在一个特殊问题，那么也有可能通过使用一个不均匀发火顺序而细调振动模式，上述不均匀发火顺序是鉴于至少一些相邻发火汽缸的发火之间的曲轴回转角不是360°/10。

发动机优选地是一个集装箱货轮的主推进发动机，但是它也可以用作其它类型船的主推进发动机，例如货船或散装货轮，它也可以被用作发电厂的一个固定发动机。

所述两冲程十字式内燃机最好具有每汽缸最大功率至少为5200千瓦。这种每汽缸大功率输出的十字式发动机具有相当大的高度，并且在导向平面的上端与曲轴中心线之间具有一个大的垂直距离。就此而论，如果偶数级的外X型导向力矩是零则是有利的。

附图简介

下面参考高度示意性的附图，更加详细地描述本发明的实施例的实例，附图中：

图1为根据本发明的具有10个汽缸的两冲程发动机的剖视图；

图2为图1中发动机的顶视图；

图3示出了图1中发动机的X型导向力矩；

图4-9示出了汽缸C1-C10的发火顺序；

图10示出了一个集装箱货船的船体的振动模式；

图11为一个示出了计算振动数据的图表。

优选实施方式

图1为具有10缸的MC型两冲程十字头式大型内燃机的横截面视图。根据本发明的发动机例如为MAN B&W Diesel制造并且型号是MC或ME，或者为Waertsilae制造并且型号是Sulzer RT-flex或者Sulzer RTA.汽缸具有范围为例如50厘米到120厘米的内径，优选地是内径为80厘米到120厘米，更优选地是内径为95厘米到120厘米，比如108厘米。发动机可以例如具有每汽缸3000至8500千瓦的功率，优选地是4000至8000千瓦，例如至少每汽缸5200千瓦。每个汽缸C1-C10通常具有一个在其下端带有一排换气孔2的汽缸衬套1，以及位于汽缸顶部的带有一个排气阀4的汽缸盖3。

活塞5安装于活塞杆6上，而活塞杆6藉由一个十字头7以及一个连接杆8而与曲轴10上的一个曲柄销9相连。曲轴轴颈11位于一个安装在台板12上的主轴承中。

十字头在横向由导块13支撑，导块13在沿着垂直方向从A形架14的底部至顶部延伸的导向面22上滑动。该导向面固定于发动机的固定A形架14上，A形架固定于台板12的顶部上。地脚螺栓23将台板12与发动机底座(未示出)固定在一起。在发动机是船的主推进发动机的情况下，发动机底座为船体的一部分，或者在发动机是发电厂的固定发动机的情况下，发动机底座是建筑物结构的一部分。由发动机振动所引起的外力和外力矩被传输到发动机底座，同时也可能被传输到其它结构上，比如在应用顶部支架以加强发动机的情况下传输到壁上或船体侧。汽缸部15被安装在A形架的顶部。

汽缸盖3通过盖柱头螺栓16而与汽缸部固定在一起。系杆17从汽缸部向下延伸至台板，并且它们将汽缸部15与台板12固定在一起。通常有四个系杆17作用于每个汽缸部上，从系杆向下的力的总和超过了由汽缸燃烧室中的燃烧所产生的最大压力引起的作用在汽缸盖上的向上的力。

排气管18从排气阀区域中的单个汽缸延伸出并开口进入废气接收器19中。发动机具有一个所有汽缸所共有的单一的废气接收器，或者可以具有多个废气接收器。

涡轮增压器20与废气接收器19相连，并藉由一个气流通道24以及可能一个进气冷却器25而将压缩空气输送到一个包括换气接收器27的换气系统26，并藉由一个流动通道28将压缩空气输送至一个位于换气孔2上的进气室29。

如图2所示的发动机的汽缸之间的距离l是常量，除了汽缸C5和C6之间的距离之外，它为l₂＝l+l₁，相当于汽缸之间的正常距离l加上一个附加长度l₁，该附加长度是由于存在两个主轴承和一个中间曲轴接头，例如一个法兰连接件，在该法兰连接件处，两个曲轴部通过螺栓连接而结合在一起。

发动机可以为一个不带有用于驱动燃油泵和排气阀的凸轮轴的电控发动机，例如ME型发动机或者flex型发动机。如果发动机为带有凸轮轴的传统型发动机，则凸轮轴可以藉由链条传动装置或齿轮传动装置而从曲轴上被驱动，该链条传动装置或齿轮传动装置可适当地位于大距离间隔l₂的汽缸之间，或者在所有汽缸等距离地位于发动机中时位于发动机的端部。

曲轴被适当地分为两部分以便降低各部分的重量。这有利于在发动机装配过程中将曲轴提升到台板上，它同时有利于曲轴的制造。位于接头处的汽缸之间的距离l₂大于其他汽缸之间的距离l。当然也可以使曲轴接头位于除C5和C6之外的其它汽缸之间，在提升能力足够大的情况下，曲轴可以被制成一个单一件，在整个曲轴上具有相等距离的汽缸。

沿垂直方向，所有导向面22从台板上的同一水平延伸到汽缸部15正下方的同一水平。当发动机运行时，导块抵压在导向面上，并且力沿着发动机机架的横向。由单个导块作用于相关导向面上而引起的力的大小和方向自然与相关活塞在发动机循环中的位置有关。在两冲程发动机中，活塞在每个循环中进行一个压缩冲程和一个做功冲程。

特定汽缸在循环中的相位依赖于汽缸的发火角。发火角的总大小依赖于发动机的发火顺序。举例说明，10缸发动机中的任何一个汽缸不能改变发火角大于72°而不改变发火次序，这是因为这种大小的角度变化会使发火顺序发生强制变化.在大多数实际情况中，从与每个相邻发火之间为36°的均匀发火顺序相关的发火角出发，一个特定发火顺序中的任何给定汽缸的发火角不会改变大于20°，经常不会超过5°，或者不会超过0°-3°。

图3示出了X型导向力矩，它由导块作用于相关导向面以及从导向面至A形架14的变化的水平力引起。线a表示曲轴的纵向中心轴，线b表示通过导向面上端的水平线，线c表示线a和线b之间的垂直距离。由于力与分离力的距离之间的乘积，产生力矩。当达到一定程度以致X型导向力矩产生外力矩时，它们被传输到发动机底座并在与底座相关的结构中产生振动，比如船体，因此也在位于船体顶部的上部结构中产生振动。

图4-9描述了根据本发明的发火顺序.邻接对角交叉线标注的角度符号对应于任何相邻发火角(发火间隔)之间的角度为36°的均匀发火顺序的情形.这种均匀发火顺序使得发火在0°、36°、72°、108°、144°、180°、216°、252°、288°和360°时发生。

在附图中描述的实际发火顺序如下所述：

图4：1-7-8-2-5-10-4-3-9-6

图5：1-6-9-3-4-10-5-2-8-7

图6：1-8-7-2-5-10-3-4-9-6

图7：1-6-9-4-3-10-5-2-7-8

图8：1-6-8-4-2-10-5-3-7-9

图9：1-9-7-3-5-10-2-4-8-6

这些发火顺序能够如上所述被用于均匀发火顺序中以及非均匀发火顺序中。

这些发火顺序尤其与用作集装箱货轮主推进发动机的主发动机相关，在上述集装箱货轮中，上部结构在上甲板之上以高且纤细的结构延伸。这种纤细结构能够例如是这样一种类型，即位于上甲板之上的上部结构的高度超过上部结构沿船的纵向的长度的2或3倍。该上部结构可以例如具有20米至35米的高度，比如从23米到30米，以及范围为6至14米的长度，通常为7至10米。

图10示出了这样一种船，其中船体标号为30，上部结构标号为31。这种上部结构与发动机壳体分开，发动机壳体向上延伸至烟囱32。上部结构31对振动敏感，特别当上部结构是高的或者具有一个短的长度时。在船体30之上，图10示出了一种具有3个结点41的振动模式40，以及一个具有4个节点51的振动模式50。

图11为一个与本申请人制造的10K98MC发动机相关的图表.该发动机在速度为94rpm时，输出功率为57200千瓦，相当于每汽缸为5720千瓦。最大固定负载状态(MCR)是在94rpm速度时。根据IACS，对于所述结构用于计算的数值如下：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.对于这些数值以及如图4所示的发火顺序1-7-8-2-5-10-4-3-9-6或在图5中如果汽缸1从发动机的另一端计算的发火顺序，振动响应如图11所示。曲线位于由通过Y轴上负荷1.0的水平线表示的最大容许振动的下方。因此发火顺序1-7-8-2-5-10-4-3-9-6是可接受的。

也有可能应用不规则发火顺序，即鉴于几个相邻发火汽缸的发火之间的角间隔偏离36°的不均匀发火顺序。仅仅几度的偏离能导致不同的发动机振动模式。这种不规则发火顺序对于发动机的最终振动特性的精细调整是有用的。

特定发火顺序的振动水平的计算通常由一个计算机程序执行，例如由MAN B&W柴油机公司所开发的PROFIR，或者如由纽约Wien的Springer-Verlag出版的、作者为H.Maass/H.Klier以及K.E.Hafner/H.Maass的“燃烧动力机”中所描述的教科书程序。

关于本发明的6种发火顺序，它们能够被划分成三个双顺序，其中每个双顺序反映了两种状况，即汽缸的记数始于发动机的一端或另一端。这些双顺序实际上描述了具有相同发火顺序的发动机。

对于根据本发明的三种实际不同的发火顺序，相对于与图11的图表相关的发动机而给出下列振动值：

表1

与偶数振动级相关的以kNm表示的外X型导向力矩为零。

大于第一级的较高级的外(自由)力矩是零。

在所附的权利要求的范围内可以对上述实施例进行修改。不需要在发动机的前端将汽缸编号C1，而在后端编号C10。在后端编号C1、而在前端编号C10也是一样的。

Claims

1. 一种具有单列10缸的两冲程十字头式内燃机，所述内燃机具有汽缸C1-C10的发火顺序(n1-n10)，其特征在于：所述内燃机汽缸C1-C10的发火顺序(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. 如权利要求1所述的两冲程十字头式内燃机，其特征在于：所述汽缸C1和汽缸C10的发火角(α1，α10)为180°间隔，所述汽缸C2和汽缸C9的发火角(α2，α9)为180°间隔，所述汽缸C3和汽缸C8的发火角(α3，α8)为180°间隔，所述汽缸C4和汽缸C7的发火角(α4，α7)为180°间隔，所述汽缸C5和汽缸C6的发火角(α5，α6)为180°间隔。

3. 如权利要求2所述的两冲程十字头式内燃机，其特征在于：所述发火顺序是均匀的，这是鉴于任意两个相邻发火汽缸之间的曲轴的回转角为36°。

4. 如权利要求1-3中任一个所述的两冲程十字头式内燃机，其特征在于：其为集装箱货轮上的主推进发动机。

5. 如权利要求1-3中任一个所述的两冲程十字头式内燃机，其特征在于：所述内燃机具有每汽缸最大功率至少为5200千瓦。