CN100564818C - 减少柴油机燃料消耗的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种当低于全功率运行时减少柴油机中燃料消耗的方法(和相应的系统)，该方法包括下列步骤：调节来自柴油机(300)的系统润滑油(301)的粘度，产生修正的系统润滑油(301’)，此处粘度得到调节使得当修正的系统润滑油(301’)供给到柴油机(300)时，柴油机(300)的机械效率提高，其中调节的步骤基于至少一个表示柴油机(300)实际负荷的参数和系统润滑油(301)的粘度参数而进行。这样，当低于全速/半速运行时，柴油机的机械效率得到提高。这减少了柴油机的燃料消耗及排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种当低于全速运行时减少柴油机燃料消耗的方法。而且，本发明涉及一种当低于全速运行时减少柴油机燃料消耗的系统。
背景技术
在某些型号的船上和/或在某些固定式应用中使用的柴油机通常是为大家所知的二冲程式或四冲程式的。
在船上和/或在固定式应用中使用的二冲程十字头式发动机设有两个独立的润滑油系统。一个润滑系统包括所谓的系统润滑油/系统润滑剂，其通常用于润滑和冷却发动机轴承和例如油冷活塞，以及用于驱动和/或控制各种阀门或类似物。另一个润滑系统包括全消耗润滑剂(气缸润滑油/气缸润滑剂)，其通常用于润滑发动机气缸、活塞环和活塞裙。
在典型的二冲程十字头式发动机中，气缸润滑油随着发动机的每次转动连续消耗，而系统润滑油基本不消耗(除了较小的无意泄漏)。因为油被消耗，所以包括气缸润滑油的润滑系统经常称为全消耗润滑系统。系统润滑油和气缸润滑油的使用及各种类型是本领域所共知的。
典型的气缸润滑油通常具有大约等于50的SAE(汽车工程协会)粘度，且通常具有大约40-70的总碱值用于中和燃烧过程中产生的酸性物质。典型的系统润滑油通常具有大约30的SAE粘度并具有较低的BN含量，通常小于10。这些示例性的值可根据用油系统的实际应用和具体设计而改变。
在近来的二冲程十字头式发动机设计中，包括阀门等等的电子和/或液压控制和/或驱动，与以前使用传统的机械控制/驱动的设计相比，系统润滑油的最小性能需求明显增加。
然而，四冲程、筒状活塞(柴油)发动机通常仅仅使用单一类型的油用于润滑和冷却。这种发动机通常用在船上或者在固定式发电或液体/气体传送应用中作为第二/辅助或推进发动机。这种用油通常具有大约30或40的SAE粘度。虽然二冲程十字头式发动机的系统润滑油通常可在较长的一段时间内保持在它的特定性能界限之内，但是筒状活塞发动机油不断地受到暴露于燃烧过程的影响。
通常要定期对润滑剂的性能指标进行测量，如果用油组件的状况不应受到危害，则该性能指标不能超过特定界限。
柴油机的另一个特点是对于较低的发动机功率或速度或输出(前者仅指发动机功率)，它们的机械效率明显降低。这会导致当发动机在较低的功率下运转时，具体发动机的特定燃料消耗增加。另一特点是对于较低的发动机功率发动机中的轴承应力减小。此外，与全/最大发动机输出相比，处于较低发动机功率的发动机部件上的油膜厚度增加，从而降低了发动机组件的负荷。当通过适当调节经过通常使用水作为冷却剂的相关的油冷却器供给的润滑油的量，保持润滑油的温度与发动机的负荷无关而基本为恒量时，这对于作为发动机曲柄机构的一部分的所有类型的轴承都有效，这通常是我们想达到的目标。
发动机的实际功率隐含地确定了发动机气缸内的实际压力状况，即，最大压力、压缩压力和平均压力，它们是轴承上的应力或应变的主要决定因素。对于直接连接到推进器的发动机，转数也是发动机负荷的已知函数。
另外，在发动机运行期间，轴承的应力或应变在任何时刻都受到系统润滑油的具体粘度的影响，系统润滑油可能正在受到例如油污染的影响。
柴油机的摩擦损失主要在于粘度特性。系统润滑油粘度的增加将因此导致效率降低、燃料消耗增加以及排放增加。
专利说明书US 5485895涉及一种系统，该系统具有低粘度的第一润滑剂和高粘度的第二润滑剂。当组件暴露于环境范围内(例如温度值的范围内)时，需要调节该润滑剂的至少一个物理属性时，该润滑剂的属性得到调节。在较低的运行温度下，第一润滑剂是适宜的。在较高的温度下，该第一润滑剂(具有低粘度)与第二润滑剂(具有高粘度)混合形成具有适合于给定环境的不同粘度的第三润滑剂。
专利说明书US 6418887涉及一种包含有四冲程发动机的舷外马达，该四冲程发动机包括润滑剂供给系统，其将润滑剂通过发动机形成再循环以润滑内燃机的运动组件。该润滑剂供给系统包括润滑剂冷却器，其可选择旁通润滑剂和/或冷却剂以保持适宜的润滑剂的工作温度范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种当低于全功率运行时减少柴油机中燃料消耗的方法和相应的系统，其能够解决上述(和其它)的缺点。另一目的是以简单有效的方式提供此方法和系统。
本发明的另一目的是当柴油机低于全功率运行时，增加机械效率，减少柴油机的燃料消耗。
本发明的另一目的是当柴油机低于全功率运行时，减少柴油机的排放。
依据本发明，提供一种减少柴油机中燃料消耗的方法，该方法包括下列步骤：当柴油机低于全功率运行时，调节来自柴油机的系统润滑油的粘度，产生修正的系统润滑油，此处粘度得到调节使得当修正的系统润滑油供给到柴油机时柴油机的机械效率提高，其中调节的步骤基于至少一个表示柴油机实际负荷的参数和系统润滑油的粘度参数而进行，其特征在于：调节粘度的步骤包括提高导致粘度降低的系统润滑油的温度。
依据本发明，提供一种减少柴油机中燃料消耗的系统，该系统包括：当柴油机低于全功率运行时，粘度调节装置适于调节来自柴油机的系统润滑油的粘度，产生修正的系统润滑油，此处粘度得到调节使得当修正的系统润滑油供给到柴油机时，柴油机的机械效率提高，其中粘度的调节基于至少一个表示柴油机实际负荷的参数和系统润滑油的粘度参数，其特征在于：所述粘度调节装置适于通过提高导致粘度降低的系统润滑油的温度而调节粘度。
这样，由于润滑油粘度的变化将以这样的方式影响机械效率，即粘度的降低将提高发动机的机械效率，所以当低于全速/部分速度运行时，发动机的机械效率得到提高。然而，粘度的降低也导致发动机轴承上的应力或应变增加以及油膜的厚度减小。
但是，发动机轴承的设计将运行期间，即，以全负荷/功率/速度，可能的最高轴承应力或应变考虑在内，因此当发动机以部分或低于全负荷/功率/速度运行时，轴承是超尺寸的。具体超尺寸的程度取决于轴承的具体类型、发动机的目的(例如，发动机是否以恒转数/恒速或以变转数/变速运行)，等等。
根据本发明，通过调节粘度，考虑到实际负荷，能够确保在给定的情形下得到尽可能高的机械效率增长，同时不会引起发动机轴承的过度应力或应变。
机械效率的提高导致燃料消耗的降低和发动机排放的减少。
在优选实施例中，调节粘度的步骤包括提高导致粘度降低的系统润滑油的温度。
这样，获得了调节粘度的非常简单的方法。
在一个实施例中，提高系统润滑油的温度是通过在油冷却器中旁通一定量的系统润滑油，使其余的系统润滑油通过该油冷却器而进行，此处该量取决于至少一个表示发动机实际负荷的参数和粘度参数。粘度的调节可例如通过控制在油冷却器中旁通的系统润滑油的量的阀门进行，从而引导该量的系统润滑油经过冷却器，当被引导回发动机时，该部分系统润滑油在整体上提高了系统润滑油的温度。使用根据本发明所述的参数控制该阀门。旁通过冷却器的系统润滑油越多，温度提高的越高。
在一个实施例中，粘度参数是实测的系统润滑油的粘度。该量测的系统润滑油的粘度可使用标准化的设备例如粘度计或类似物测量。
这样，粘度的调节考虑到了系统润滑油当前的实际粘度。由于轴承的应力或应变在任何时刻都受到系统润滑油的具体粘度的影响，在发动机运行期间，系统润滑油可能正在受到例如油污染的影响，所以这可能是很重要的方面。通过将系统润滑油的当前粘度考虑在内，可确保粘度不会增加太多，因此获得尽可能高的燃料效率增长。
在可替代实施例中，粘度参数是标称或额定的系统润滑油的粘度。该标称或额定的系统润滑油的粘度是这样的粘度，即当系统润滑油是新的或第一次进入到发动机时所具有的粘度。该标称或额定的系统润滑油的粘度是被具体发动机的设计者所推荐的，根据发动机具体类型的构造和样式而改变。
这样，由于使用该标称或额定的系统润滑油的粘度作为系统润滑油实际和当前粘度的估计，所以根据本发明的系统润滑油的粘度调节是很简单的。这可无需使用设备测量系统润滑油的实际或当前粘度，从而节约了成本。由于这样的污染影响系统润滑油的粘度，并由此影响发动机轴承的应力或应变，所以使用该标称或额定的系统润滑油粘度作为估计应优选仅在当本发明应用到具有小量的或可忽略量的系统润滑油污染的发动机时使用。
在一个实施例中，发动机在运行期间具有恒定的转数。
在一可替代实施例中，发动机在运行期间具有可变的转数。
在一个实施例中，调节的步骤还基于发动机的实际转数而进行。
这样，由于对于直接连接到推进器或类似物的发动机，转数是发动机负荷的已知指示或函数，所以实际的转数可用作发动机实际负荷的指示或估计。
在一个实施例中，表示发动机实际负荷的该至少一个参数包括：表示发动机轴承上的应力或应变的参数，和/或表示发动机气缸中最大压力的参数，和/或表示发动机气缸中压缩压力的参数，和/或表示发动机气缸中平均压力的参数。
这样，由于发动机气缸中的实际压力状况，即，最大压力、压缩压力和平均压力，是轴承上的应力或应变的主要决定因素，所以当确定如何调节粘度而不危及发动机的安全时，最好将发动机实际负荷的指示考虑在内。
在一个实施例中，调节步骤连续地、接近连续地或间歇地进行。
本发明还涉及一种当低于全速运行时，减少柴油机内燃料消耗的系统，该系统与本发明的方法相对应，并且由于相同的原因具有相同的优点。
更具体地，本发明涉及一种减少柴油机内燃料消耗的系统，该系统包括粘度调节装置，当发动机低于全速运行时，该粘度调节装置适于调节来自发动机的系统润滑油的粘度，产生修正的系统润滑油，此处粘度得到调节使得当修正的系统润滑油供给到发动机时，发动机的机械效率提高，其中粘度的调节基于至少一个表示发动机实际负荷的参数和系统润滑油的粘度参数。
根据本发明的该系统的优选实施例在附属的权利要求中进行了阐述并在下面进行了详细说明。该系统的实施例与该方法的实施例相对应并且由于相同的原因，具有相同的优点。
附图说明
参照附图中所示的示例性实施例，本发明的这些方面和其它方面将变得更加明显并且将被说明，其中：
图1示出了本发明的一个实施例的示意性结构图。
具体实施方式
图1示出了本发明的一个实施例的示意性结构图。图中示出了至少一个柴油机300，例如，二冲程十字头式柴油机的简图。该示例性的发动机包括一个包含有所谓系统润滑油301的润滑系统，该系统润滑油通常用于润滑和冷却发动机的轴承、气缸和例如油冷活塞以及用于驱动和/或控制各种阀门或类似物。另一润滑系统包括全消耗润滑剂或气缸润滑油302，其通常用于润滑发动机气缸、活塞环和活塞裙。其它类型的柴油机为四冲程筒状活塞柴油机(其不包含气缸润滑油)。原理上，本发明可用于所有类型的往复式内燃机中。
除了下面将要说明的外，发动机300对应于现有技术已知的柴油机。
另外要说明的是粘度修正系统100，其包括根据本发明的粘度调节装置101，连接该粘度调节装置以优选地从发动机300获得系统润滑油301。或者，粘度调节装置101可以从油罐(图中未示)或类似物中接收系统润滑油，取代从发动机中直接接收。
响应于产生修正的系统润滑油301’的多个参数，粘度调节装置101修正(至少一部分的)所接收的系统润滑油301或者更具体地调节所接受的系统润滑油301的粘度。在一优选实施例中，仅通过提高所接收的系统润滑油的温度导致系统润滑油粘度降低而修正所接收的系统润滑油的粘度。
在一个实施例中，粘度的调节可通过一阀门进行，该阀门控制在油冷却器中旁通的系统润滑油的量，从而引导该量的系统润滑油绕过冷却器，由此提高温度。使用所述的参数来控制该阀门。旁通过冷却器的系统润滑油越多，温度提高的越高，其提供了一个很简单根据相关参数调节粘度的方法。
该调节确保了当修正后的系统润滑油301’供回到发动机300时，发动机300的机械效率得到提高。
进行调节所依据的参数包括至少一个表示发动机300实际负荷的参数和系统润滑油301的粘度参数。
粘度参数可以是例如量测的系统润滑油301实际/当前的粘度，如果该粘度很可能由于如前所述的污染等已经发生改变的话，该实际/当前的粘度是很有用的。或者，该粘度参数是系统润滑油301的标称或额定的粘度，由此不需提供测量实际/当前粘度的设备，这节省了成本，降低了系统的复杂程度。
在运行期间，发动机可具有恒定的转数。或者，在运行期间，发动机可具有可变的转数。在一个实施例中，调节步骤还基于发动机的实际转数进行，由于对于直接连接到推进器或类似物的发动机，转数是发动机负荷的已知指示或函数，所以实际的转数可用作对发动机实际负荷的附加估计。通过例如扭力计或类似物连续或接近连续地测量发动机的实际负荷也是可能的。
在一个实施例中，表示发动机实际负荷的该至少一个参数包括：表示发动机轴承上的应力或应变的参数，和/或表示发动机气缸中最大压力的参数，和/或表示发动机气缸中压缩压力的参数，和/或表示发动机气缸中平均压力的参数。
这样，由于发动机气缸中的实际压力状况，即，最大压力、压缩压力和平均压力，是轴承上的应力或应变的主要决定因素，所以当确定如何调节粘度而不危及发动机的安全时，最好将发动机的实际负荷的指示考虑在内。
例如使用已知的可购买的工具，连续或接近连续地测量发动机气缸内的上述压力也是可能的。
因而，当发动机低于全速运行时，减少柴油机的燃料消耗(以及由此减少排放)得以实现。
在权利要求中，位于圆括号之间的任何参考标记不是用于限制权利要求的。词“包括”不排除存在除了权利要求中列出的那些以外的部件或步骤。部件前面的词“一”不排除存在多个这样的部件。
Claims (18)
1、一种减少柴油机(300)中燃料消耗的方法，该方法包括下列步骤：
当柴油机(300)低于全功率运行时，调节来自柴油机(300)的系统润滑油(301)的粘度，产生修正的系统润滑油(301’)，此处粘度得到调节使得当修正的系统润滑油(301’)供给到柴油机(300)时柴油机(300)的机械效率提高，其中调节的步骤基于至少一个表示柴油机(300)实际负荷的参数和系统润滑油(301)的粘度参数而进行，
其特征在于：调节粘度的步骤包括提高导致粘度降低的系统润滑油(301)的温度。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：提高系统润滑油(301)的温度是通过在油冷却器中旁通一定量的系统润滑油，将其余的系统润滑油通过该油冷却器而进行，此处该量与至少一个表示柴油机实际负荷的参数和粘度参数相关。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述粘度参数是系统润滑油(301)的标准粘度。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述粘度参数是系统润滑油(301)实际量测的粘度。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在运行期间，柴油机(300)具有恒定转数。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在运行期间，柴油机(300)具有可变转数。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：调节的步骤还基于柴油机(300)的实际转数进行。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述至少一个表示柴油机(300)实际负荷的参数包括：
表示柴油机(300)轴承上的应力或应变的参数，和/或
表示柴油机(300)气缸中最大压力的参数，和/或
表示柴油机(300)气缸中压缩压力的参数，和/或
表示柴油机(300)气缸中平均压力的参数。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：调节步骤连续、接近连续或间歇进行。
10、一种减少柴油机(300)中燃料消耗的系统，该系统(100)包括：当柴油机低于全功率运行时，粘度调节装置(101)适于调节来自柴油机(300)的系统润滑油(301)的粘度，产生修正的系统润滑油(301’)，此处粘度得到调节使得当修正的系统润滑油(301’)供给到柴油机(300)时，柴油机(300)的机械效率提高，其中粘度的调节基于至少一个表示柴油机(300)实际负荷的参数和系统润滑油(301)的粘度参数，
其特征在于：所述粘度调节装置(101)适于通过提高导致粘度降低的系统润滑油(301)的温度而调节粘度。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述粘度调节装置(101)适于通过在油冷却器中旁通一定量的系统润滑油，将其余的系统润滑油通过该油冷却器而提高系统润滑油(301)的温度，此处该量与至少一个表示柴油机实际负荷的参数和粘度参数相关。
12、根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述粘度参数是系统润滑油(301)的标准粘度。
13、根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述粘度参数是系统润滑油(301)实际量测的粘度。
14、根据权利要求10所述的系统，其特征在于：在运行期间，柴油机(300)具有恒定转数。
15、根据权利要求10所述的系统，其特征在于：在运行期间，柴油机(300)具有可变转数。
16、根据权利要求15所述的系统，其特征在于：所述粘度调节装置(101)还适于根据柴油机(300)的实际转数调节粘度。
17、根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述至少一个表示柴油机(300)实际负荷的参数包括：
表示柴油机(300)轴承上的应力或应变的参数，和/或
表示柴油机(300)气缸中最大压力的参数，和/或
表示柴油机(300)气缸中压缩压力的参数，和/或
表示柴油机(300)气缸中平均压力的参数。
18、根据权利要求10所述的系统，其特征在于：粘度调节装置(101)适于连续、接近连续或间歇地调节粘度。
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