CN101449051B - 十字头式大型二冲程柴油发动机及其运转方法 - Google Patents

Abstract

一种大型二冲程柴油发动机，其设置有共轨燃油喷射系统，该共轨燃油喷射系统包括至少两条不互连的油轨。每条油轨都连接到高压燃油源。每个气缸都设置有至少两个燃油喷射阀。每个气缸的其中一个燃油喷射阀连接到其中一条油轨，且每个气缸的两个燃油喷射阀中的另一个连接到另一条共用油轨。因此，其中一条共用油轨中的压力丧失仅会导致气缸的燃油供应减少并且发动机能够在降低后的动力水平下继续运转。如果该发动机用于船舶，则即使在其中一条共用油轨中的压力丧失的情况下，船舶也将保持机动性。

Description

十字头式大型二冲程柴油发动机及其运转方法

技术领域

本发明涉及十字头式大型二冲程柴油发动机，特别是涉及用于船舶推进器的十字头式大型二冲程柴油发动机以及在发电厂中使用的十字头式大型二冲程柴油发动机及其运转方法。

背景技术

用于船舶推进器的大型二冲程柴油发动机以及在发电厂中使用的大型二冲程柴油发动机通常都设置有直接喷射式高压燃油系统。大型远洋船舶通常由单一的主机推进。这些大型发动机的气缸直径通常在25cm到110cm范围内。由于燃烧室的尺寸大，所以发动机的每个气缸都设置超过一个的燃油喷射阀，通常每个气缸设置两个或三个燃油喷射阀。燃油喷射系统或是基于每个气缸一个泵——泵由凸轮轴驱动——的原则，或是在近年来基于共轨燃油喷射系统，所述共轨燃油喷射系统包括用于将燃油供应到所有喷油器的一条加压油轨或若干个相互连通的油轨段。因此，共用油轨的爆裂、或其它突发的重大油轨泄漏会导致整个共轨喷射系统的减压，而且发动机会停机。大型远洋船舶失去推进力以及发电厂意外损失电力是非常不便的而且甚至可能是危险的。发动机的可靠性对于船舶的机动性、并因此对于船员、货物、环境以及船舶本身的安全是必不可少的。

为了确保此可靠性，按照惯例以及给船舶保险的船只定级机关的要求，发动机的基本功能件例如润滑油泵和燃油供应泵为备份设置，以在产生故障的情况下具有备用系统。在传统的以凸轮轴驱动燃油喷射泵的柴油机中，一个燃油喷射泵的故障会使一个气缸停止运转，且其余气缸能够以减小的负荷运转，从而保持船舶的机动性。但是，带有单一共轨的发动机如果不能保持油轨压力，例如如果共用油轨发生重大泄漏，将立即失去所有气缸的动力。

发明内容

基于此背景，本发明的目的在于提供一种大型二冲程柴油发动机，所述大型二冲程柴油发动机带有共轨燃油喷射系统，同时降低动力故障的风险。

该目的通过提供一种十字头式大型二冲程柴油发动机实现，所述发动机包括：多个气缸，每个所述气缸都设置有至少第一燃油喷射阀和第二燃油喷射阀；高压燃油源；以及至少第一共用油轨和第二共用油轨，在所述第一共用油轨和所述第二共用油轨彼此互不连接的情况下，所述第一共用油轨和所述第二共用油轨连接到所述高压燃油源，并且所述第一燃油喷射阀连接到第一共用油轨，所述第二燃油喷射阀连接到所述第二共用油轨。

通过将每个气缸的其中一个燃油喷射阀连接到其中一条共用油轨并且将每个气缸的另一个燃油喷射阀连接到另一条共用油轨，如果其中一条共用油轨无意中减压，则发动机的所有气缸都能接收到适当数量的燃油，所以提供了改善的备用性。

每个气缸能够设置有第三燃油喷射阀，所述第三燃油喷射阀连接到第一共用油轨或者连接到第二共用油轨。

高压燃油源可包括高压泵站或者包括一个或多个高压油泵。

优选地，每个共用油轨都连接到专用的高压油泵或者专用的高压泵站。

第一共用油轨和第二共用油轨可以在不同的压力水平工作。

燃烧室部件的冷却被调节为补偿因发动机以第一和第二共用油轨中的不同压力运转所引起的热负荷变化。

发动机可另外包括燃油再循环系统，用于在发动机停机过程中将燃油喷射系统中的燃油保持为温热并予以除气。

在发动机停机过程中，燃油再循环系统可以确保通过所述共用油轨并通过所述喷油器进行再循环。

本发明的另一个目的是提供一种十字头式大型二冲程柴油发动机的运转方法，所述柴油发动机设置有：多个气缸，每个气缸设置有两个或者更多个燃油喷射阀；共轨燃油喷射系统，其包括与第二共用油轨互不连接的第一共用油轨，每个气缸的燃油喷射阀中的至少一个连接到所述第一共用油轨，并且每个气缸的燃油喷射阀中的至少另一个连接到第二共用油轨，当其中一条共用油轨失去压力之后，所述发动机依靠其余的共用油轨以及与所述其余的共用油轨相关联的燃油喷射阀而运转。

所述方法可另外包括在发动机正常运转中以不同压力操作所述第一共用油轨以及所述第二共用油轨的步骤。

在所述方法中，为了减少发动机的燃油消耗，能够选择第一和第二共用油轨中的压力水平。可替代地，为了减少发动机的排气排放物，能够选择第一和第二共用油轨中的压力水平。

本发明的再一个目的是提供一种十字头式大型二冲程柴油发动机的运转方法，所述柴油发动机设置有：多个气缸，每个气缸设置有两个或者更多个燃油喷射阀；共轨燃油喷射系统，其包括与第二共用油轨互不连接的第一共用油轨，每个气缸的燃油喷射阀中的至少一个连接到所述第一共用油轨，并且每个气缸的燃油喷射阀中的至少另一个连接到第二共用油轨，在低负荷条件下，所述发动机依靠第一共用油轨和第二共用油轨中的一条而运转。

因此，发动机能够在低负荷水平以较高的喷射压力以及合理长的喷射时间运转，该合理长的喷射时间即是燃油阀处于开启状态的合理长的时段。

根据本发明的大型二冲程柴油发动机以及大型二冲程柴油发动机的运转方法的更多目的、特征、优点和特性，可以从详细的说明书而变得容易理解。

附图说明

在本说明书的以下详细部分，将参考附图所示的示例性实施方式更详细地说明本发明，其中：

图1为根据本发明的发动机的横截面图；

图2为图1所示发动机的一个气缸的纵截面图；

图3为根据本发明的发动机的第一实施方式的符号化表示；

图4为根据本发明的发动机的第一实施方式的另一种符号化表示；

图5为根据本发明的发动机的另一个实施方式的符号化表示；

图6为根据本发明的发动机的再一个实施方式的符号化表示；

图7为根据本发明的发动机的还一个实施方式的符号化表示；以及

图8为根据本发明的发动机的又一个实施方式的符号化表示。

具体实施方式

图1和2分别以横截面图和纵截面图(一个气缸的)示出根据本发明优选实施方式的发动机1。发动机1是十字头式的单向流动式低速二冲程十字头型柴油发动机，该柴油发动机可以是船舶内的推进系统或者发电厂内的原动机。这些发动机通常具有从3个到最高达14个直列式气缸。发动机1装配在带有用于曲轴3的主轴承的底座板2上。

曲轴3为半构造式。半构造式曲轴由锻钢的或铸钢的曲拐制成，所述曲拐通过缩紧配合连接件与主轴颈连接。

根据生产设备情况，底座板2能够制成一个部件或者能够分成合适尺寸的部分。底座板包括侧壁和带有轴承支撑架的焊接横梁。在现有技术中，横梁也指“横向梁”。机油盘58焊接到底座板2的底部并收集强制润滑和冷却机油系统中的回油。

连杆8将曲轴3连接至十字头轴承22。十字头轴承22在竖向导向面23之间受到导引。

焊接设计的A形机架箱4安装在底座板2上。机架箱4是焊接设计的。在排气侧，机架箱4为每个气缸设置有卸压阀，而在凸轮轴侧，机架箱4为每个气缸设置有大尺寸的铰接门。十字头导向面23在机架箱4中结合。

缸体机架5安装在机架箱4的顶部。支撑螺栓29将底座板2、机架箱4和缸体机架5连接起来，并将结构保持在一起。支撑螺栓29以液压千斤顶紧固。

缸体机架5铸造成最终带有一体形成的凸轮轴壳25的一个部件或多个部件，或者设计为焊接结构。根据该实施方式的变型(未示出)，排气门动作由电子控制，既不存在凸轮轴28，也不存在凸轮轴壳25，而是以电子控制的液压系统代替。

缸体机架5设置有检修盖，用于清洁扫气空间以及从凸轮轴侧检查扫气口和活塞环。缸体机架5与缸套6一起形成扫气空间。扫气接收器9利用其敞开侧以螺栓连接到缸体机架5。在缸体机架的底部处设置有活塞杆填料箱，所述活塞杆填料箱设置有用于扫气的密封环，并设置有防止排气物质渗透到机架箱4和底座板2的空间内的刮油环，并以这种方式保护设置在此空间内的所有轴承。

活塞13包括活塞头部和活塞裙部。活塞头部由耐热钢材制成，并具有4个活塞环槽，所述活塞环槽在上下表面上都镀有硬铬。

活塞杆14利用4个螺钉连接到十字头22上。活塞杆14具有两个同轴孔(在图中不可见)，所述孔与冷却油管一起形成用于活塞13的冷却油的入口和出口。

缸套6由缸体机架5支撑。缸套6由合金铸铁制成并借助设置在下部的凸缘悬挂在缸体机架5内。衬套的最上部由铸铁制冷却水套包围。缸套6具有用于气缸润滑的钻制孔(未示出)。

气缸是单向流动式的并具有设置于进气箱内的扫气口7，由涡轮增压器10(附图1)从扫气接收器9(附图1)向所述进气箱提供加压的扫气。

发动机安装有一个或多个涡轮增压器10，对4～9缸发动机来说涡轮增压器布置在发动机的后部，并且对具有10个或者更多个气缸的发动机来说涡轮增压器布置在发动机的排气侧。

涡轮增压器10的进气直接从发动机室通过涡轮增压器的进气消声器(未示出)进行。空气从涡轮增压器10经由增压气体管路(未示出)、空气冷却器(未示出)以及扫气接收器9被引导到缸套6的扫气口7。

发动机设置有电力驱动的扫气鼓风机(未示出)。鼓风机的吸入侧在空气冷却器之后连接到扫气空间。在空气冷却器和扫气接收器之间安装有单向阀(未示出)，当辅助鼓风机供气时所述单向阀自动关闭。辅助鼓风机在低负荷及中负荷条件下辅助涡轮增压器压缩机。

在气缸盖12中安装有至少两个燃油喷射阀50、50′。在压缩行程的终点，燃油喷射阀50、50′通过它们的喷油嘴在高压下将燃油以细雾状喷射到燃烧室15内。排气门11安装在气缸顶部的气缸盖12的中心。在膨胀行程的终点，在发动机活塞13向下经过扫气口7之前，排气门11打开，由此使得活塞13上方的燃烧室15中的燃烧气体通过通向排气接收器17的排气通道16流出，并且燃烧室15中的压力下降。在活塞13的向上运动的过程中，排气门11再度关闭。排气门11由液力致动。

图3和4示出本发明所述燃油喷射系统的第一实施方式。为说明性/实用性目的而保持附图的简化，图3仅示出发动机的两个气缸，虽然图4示出3个气缸，但对于燃油喷射系统的部件不很详细。然而，可以理解，发动机1能具有多于两个或三个的气缸。燃油喷射系统包括重质燃油工作油箱27，在所述工作油箱27中，重质燃油以高温贮存。重质燃油通过低压输油泵30以低压(优选大约在2到10巴之间)泵送到低压油管32中(出于备用目的，总是设置有至少两个输油泵，但是为了简化仅在图中示出其中的一个)。低压油管32包括连接到燃油阀50、50′出口的多个支管33。低压输油泵30补充的燃油相应于发动机1消耗的数量。

低压油管32包括连接到循环泵36(出于备用目的，总是设置有至少两个循环泵，但为了简化仅在图中示出其中的一个)的入口的支管34以及连接到循环泵36′的入口的支管34′。通过提供两套油泵、油管、阀以及用于燃油喷射系统一部分的其它部件，使燃油喷射系统有备用性。备份部件用带有单引号的参考标号标识。燃油喷射阀50连接到燃油喷射系统的具有不带单引号的参考标号的部分，并且燃油喷射阀50′连接到燃油喷射系统的具有带单引号的参考标号的部分。每个气缸都设置有一个燃油喷射阀50以及一个燃油喷射阀50′。燃油喷射阀50也称作气缸的第一燃油喷射阀，并且燃油喷射阀50′也称作气缸的第二燃油喷射阀。

循环泵36将重质燃油以中等压力泵送到中压油管38内并保持低压油管和中压油管之间的压力差大约为2到10巴，同时在中压油管中的压力优选为在6到16巴的范围内。中压油管38分叉到高压燃油泵40(出于备用目的，总是设置有至少两套高压燃油泵，但为了简化仅在图中示出其中的一个；此外，通常还设置有未示出的电力驱动的高压起动泵，用于发动机起动时给共用油轨加压)的入口。

高压燃油泵40向(第一)共用油轨42馈送高压重质燃油。共用油轨中的压力会波动，但是优选将共用油轨42中的压力保持在600到1200巴之间。从共用轨42到每个气缸分出有供油管44。控制阀46将每个供油管44连接到喷油管48。每个喷油管48都连接到与每个气缸相关联的两个燃油阀50的入口(可替代地，能设置仅一个或超过两个与每个气缸相关联的燃油阀50)。

控制阀46(可以是比例阀)是电子控制的并经由线路56接收来自于未示出的电子控制单元的控制信号。控制阀46具有：第一位置，在该位置处，所述控制阀将供油管44与喷油管48相连；以及第二位置，在该位置处，所述控制阀经由中压油管38的支管39将喷油管48与中压油管38连接。当相关气缸的燃油喷射必须开始时，控制单元指令控制阀46处于第一位置，并且当相关气缸的燃油喷射必须结束时，燃油喷射控制单元指令控制阀46处于第二位置。控制单元接收来自转速计(未示出)的信号用于确定各气缸的燃油喷射的开始和结束时间。

弹簧加载式单向阀58确保在燃油喷射结束时喷油管48的压力释放不会过于突然以致燃油阀50和控制阀46因过大的冲击力而被损坏。通常，弹簧加载式单向阀58保持大约100巴的背压。压力控制阀(未示出)能够用以替代弹簧加载式单向阀。

中压油管38的支管39呈叉形，从而包括两个平行的油管部61和62。前面提到的单向阀58设置于油管部61上，并且允许燃油从控制阀46流向中压油管38，而另一个单向阀59设置于油管部62上，并且允许流体从中压油管38流向控制阀46，用于在发动机停机过程中的重质燃油循环。

在发动机停机过程中，当需要发动机备用时，共用油轨42能够保持为加压状态。如果不需要发动机备用，则共用油轨42能够经由卸压油管67在卸压阀66的控制下减压，所述卸压阀66能够根据来自控制单元的指令打开或者关闭在共用油轨42和低压油管32之间形成的连接。在发动机停机过程中，循环泵36将中压油管中的压力保持为比低压油管32中由输油泵30保持的压力大约高4巴。在这种情况下，控制阀46保持在第二位置并将中压油管38连接到喷油管48。

燃油阀50设置有压敏式内部阀构件(未示出)，当低压或中压流体被输送至燃油阀的入口时，所述压敏式内部阀构件将燃油阀50的入口连接到燃油阀的出口，但是当高压流体被输送到燃油阀的入口时，压敏式内部阀构件将燃油阀50的入口连接到燃油阀的喷油嘴。燃油阀50的出口连接到低压油管32的支管33。因此，由中压油管38输送的经由单向阀59、控制阀46和喷油管48的中压重质燃油能够流经喷射阀50，并且经由喷射阀的出口从喷射阀50排到低压油管32，从而保持燃油阀50的温热以及除气。

在优选实施方式中，由中压油管38和低压油管32形成的循环回路设置有蒸汽伴热管和隔热件。

旁通/反向压力阀69保持中压油管38和低压油管32之间的压力差。

第二燃油喷射阀50′和第一燃油喷射阀50基本相同。第二燃油喷射阀50′供应有来自备用喷射系统的备份部件中的高压燃油或重质燃油，所述备用喷射系统包括再循环泵36′、高压燃油泵40′、(第二)共用油轨42′、控制阀46′以及喷油管48′。该喷射系统的连接到第二燃油喷射阀50′的部分与该喷射系统的连接到第一燃油喷射阀50的部分基本相同，并且工作方法也基本相同。第二共用油轨42′与第一共用油轨42绝对不互连，因此如果两个油轨中的一个减压，则这两个油轨不会彼此影响。

实践中，在正常的发动机运转过程中，第一共用油轨42和第二共用油轨42′以基本相同的压力工作。如果其中一条共用油轨开始减压，例如由于其中一个共用油轨破裂或者由于其中一个高压油泵的故障，发动机能够通过未受影响的共用油轨所喷射的燃油而保持为以自动防止故障的方式运转。在这样的情况下，每个气缸仍旧接收到一定数量的——可能减少的——燃油并且发动机能够保持运转，可能会降低输出功率水平。在通常情况下，此降低的输出功率水平对于保证安装本发明所述发动机的船只的机动性而言已经足够。

在另一个实施方式中，第一共用油轨42和第二共用油轨42′以不同的压力工作。一条共用油轨以高压——例如在600到1200巴范围内——工作，而另一条共用油轨以低压——例如在250到800巴范围内——工作。这些压力由电子发动机管理系统(未示出)控制。发动机管理系统还控制燃油喷射阀50、50′的开启和关闭的时机，并且当开启和关闭相关的燃油喷射阀时，发动机管理系统会考虑相关共用油轨的压力。为了减少排气排放物或者为了提高燃油效率，可以对发动机管理系统进行编程以利用由两个不同的压力水平提供的机会。调节燃烧室部件的冷却以补偿因发动机以第一和第二共用油轨内的不同压力运转而引起的热负荷变化。

在实施方式中，在低负荷运转过程中，发动机依靠仅从其中一条共用油轨提供的燃油而运转。因此，能够在较高压下以合理长的喷射时间喷射较少量的燃油。

图5图示本发明的另一种实施方式，除了该实施方式设置有与另外的共用油轨42、42′不互连的第三共用油轨42″外，该实施方式与参考图3和4所描述的第一实施方式基本相同。此实施方式还包括用于每个气缸的第三燃油喷射阀50″，并且从第三共用油轨42″经由控制阀46″和喷油管48″提供高压燃油到所述第三燃油喷射阀50″。如果其中一条共用油轨减压，本实施方式会提供更进一步提高的备用性，因此在这样的情况下，发动机性能能够保持在更高的水平。

图6图示本发明的再一种实施方式，在该实施方式中除了每个气缸都设置有三个燃油喷射阀50、50′和50″之外，该实施方式与参考图3和4所描述的第一实施方式基本相同。燃油喷射阀50和50″经由喷油管48和48″以及控制阀46和46″连接到第一共用油轨42。

图7图示本发明的还一种实施方式，在该实施方式中除了连接到第二共用油轨42′的两个燃油喷射阀50′和50″是经由单一的控制阀46′提供燃油之外，该实施方式与参考图6所描述的实施方式基本相同。

图8图示本发明的又一种实施方式，除了每个气缸都设置有两个燃油喷射阀50和两个燃油喷射阀50′——即每个气缸有四个燃油喷射阀之外，该实施方式与参考图3和4所描述的第一实施方式基本相同。每个燃油阀都设置有其各自专用的控制阀46、46′以及其各自专用的喷油管48、48′。

本发明具有许多优点。不同的实施方式或实现方式会产生一个或更多个以下优点。应当注意，这并非穷举性的罗列并且存在其它未在此描述的优点。本发明的一个优点在于其容许带有共轨燃油喷射系统的大型二冲程柴油发动机具有提高的备用性。本发明的另一个优点在于其容许发动机中不同共用油轨中具有不同压力。

在权利要求书中所使用的术语“包括”不排除其它元件或步骤。在权利要求书中所使用的术语“一种”不排除多个的情况。

虽然在前述说明书中努力促使人们关注本发明的那些被认为是特别重要的特征，但是应当理解，无论是否已做出相应的具体强调，申请人都要求保护关于以上任何可授予专利的特征或者参考附图在前面描述过的特征和/或在附图中示出的特征的组合。此外，应当理解，本领域技术人员基于本发明的描述，能够对该装置进行修改和/或改进，而这些都属于如以下权利要求书中所阐明的范围和精神。

Claims (13)

1.一种十字头式大型二冲程柴油发动机，所述发动机包括：

多个气缸，每个所述气缸都设置有至少第一燃油喷射阀和第二燃油喷射阀；

高压燃油源；以及

至少第一共用油轨和第二共用油轨；

在所述第一共用油轨和所述第二共用油轨彼此互不连接的情况下，所述第一共用油轨和所述第二共用油轨连接到所述高压燃油源，

所述第一燃油喷射阀连接到所述第一共用油轨，并且所述第二燃油喷射阀连接到所述第二共用油轨。

2.如权利要求1所述的发动机，其中，每个所述气缸都设置有第三燃油喷射阀，所述第三燃油喷射阀连接到所述第一共用油轨、所述第二共用油轨或者不与其它油轨连接的第三共用油轨。

3.如权利要求1或2所述的发动机，其中，所述高压燃油源包括高压泵站或者包括一个或多个高压油泵。

4.如权利要求1或2所述的发动机，其中，每条共用油轨都连接到专用的高压油泵或者专用的高压泵站。

5.如权利要求4所述的发动机，其中，所述第一共用油轨和所述第二共用油轨工作在不同的压力水平。

6.如权利要求5所述的发动机，其中，燃烧室部件的冷却被调节为补偿因发动机以所述第一和第二共用油轨中的不同压力运转所引起的热负荷变化。

7.如权利要求1或2所述的发动机，还包括燃油再循环系统，用于在发动机停机过程中将燃油喷射系统中的燃油保持为温热并予以除气。

8.如权利要求7所述的发动机，其中，所述燃油再循环系统确保在发动机停机过程中通过共用油轨并通过喷油器进行再循环。

9.一种十字头式大型二冲程柴油发动机的运转方法，所述柴油发动机设置有：

多个气缸，每个气缸设置有两个或者更多个燃油喷射阀；

共轨燃油喷射系统，其包括第一共用油轨，所述第一共用油轨与第二共用油轨互不连接；

每个气缸的所述燃油喷射阀中的至少一个连接到所述第一共用油轨，并且每个气缸的所述燃油喷射阀中的至少另一个连接到所述第二共用油轨，

当所述第一共用油轨和所述第二共用油轨中的一个失去压力之后，所述发动机依靠所述第一共用油轨和所述第二共用油轨中的另一个以及与所述第一共用油轨和所述第二共用油轨中的所述另一个相关联的燃油喷射阀而运转。

10.如权利要求9所述的方法，还包括以不同压力水平操作所述第一共用油轨以及所述第二共用油轨的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其中，为了减少所述发动机的燃油消耗，对所述第一和第二共用油轨中的压力水平进行选择。

12.如权利要求9所述的方法，其中，为了减少所述发动机的排气排放物，对所述第一和第二共用油轨中的压力水平进行选择。

13.一种十字头式大型二冲程柴油发动机的运转方法，所述柴油发动机设置有：

多个气缸，每个气缸设置有两个或者更多个燃油喷射阀；

共轨燃油喷射系统，其包括第一共用油轨，所述第一共用油轨与第二共用油轨互不连接；

每个气缸的燃油喷射阀中的至少一个连接到所述第一共用油轨，并且每个气缸的燃油喷射阀中的至少另一个连接到所述第二共用油轨，

在低负荷条件下，所述发动机仅依靠所述第一共用油轨和所述第二共用油轨中的一条而运转。

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