CN1044732C - 内燃机 - Google Patents

Abstract

一种内燃机，尤其是船用大型二冲程十字头发动机，有若干气缸，各具一活塞，跟曲轴(1)相应曲柄(2、3)相连，曲柄经主轴颈这样连接，使相邻曲柄具预定夹角(2)，α角对于相邻曲柄是不同的。一控制装置向所在曲柄(2、3)跟相邻曲柄构成大夹角的气缸(Cn)分配的燃油量大于向所在曲柄跟相邻曲柄构成最小夹角的气缸分配的燃油量。在8缸机中，向气缸1、2、7和8分配燃油最多。在12缸机中，向气缸9和10分配燃油最少。

Description

内燃机

本发明涉及内燃机，尤其涉及推动船舶的大型两冲程十字头内燃机，它具有许多气缸，每一气缸有一活塞，活塞跟这些气缸共用的曲轴的相关曲柄相连，曲柄经支承于主轴承内的主轴颈这样连接，使曲柄具有预定的相互夹角，所述夹角对于至少某些相邻的曲柄是变化的，其中，在发动机工作循环内喷入气缸的燃油量通过控制装置，是可调的。

日本专利申请刊物No.62-113844叙述了一种用于调节在发动机工作期间经燃料泵输到柴油机燃烧室内的燃料量的控制装置。日本专利刊物公开的发明以这样一种发动机作为出发点，其中燃料喷射的起始定时受固定于凸轴上的凸轮控制，燃料喷射量按照发动机负荷受处于燃油泵输送侧的准时阀开启时间变化的控制。该由凸轮起始的燃料喷射对发动机全负荷运转工况已最佳化了的，这导致部分负荷运转工况时的喷射定时相对于发动机工作循环太迟，使仅仅有限的燃料量可以喷射。因此，在部分负荷时，发动机并不产生对发动机各部件施加全负荷的功率。该日本刊物建议采用计算机作为控制装置来控制燃料喷射的起始时间，这样，在部分负荷运转工况下，在发动机工作循环的较早时刻可喷射一额外的燃料量以增加部分负荷时的发动机功率。该计算机接收发动机转速和来自配置在主轴承内的热传感器的信号，以确保该轴承不会因在部分负荷时发动机功率增加而引起的过载。

通常希望发动机所有的主轴承是相同的，这样，不必购置和储存几种不同的主轴承备件，并且在发动机内不会装上错号的主轴承。

已知的通过改变燃油量的方法来改变发动机功率及改善曲柄轴荷载分布的技术方案，其主要目的是要当前的发动机功率适应当前的发动机荷载。当发动机调速器设定到较高的荷载时，燃油供应量便增加，反之，在较低的荷载时则使燃油量减少。这种已知技术旨在使各气缸之间的供油量尽可能均匀，使机械和热负荷均匀分布。

关于相应于发动机荷载以产生一功率、从而满足功率要求的具体做法，本领域技术人员一般所能知的方法是给所有气缸供入同量的燃油。有例外的是EP0254005，它为了解决一业已测定的振动问题，让一些气缸的供油量多于另一些气缸。给各气缸的供油量多少是基于所测定的振动状况而决定的。由于振动分析能准确地确定出各气缸的实际工作状态，所以技术人员不必去做任何选择工作。EPO 254 005所述的方案的技术效果是减少振动。

除了EPO 254 005以外，本领域技术人员很难找到其它任何关于给发动机气缸不均匀供油的教导。然在曲柄轴每一旋转期间，为对每个气缸供油而选择一合适的组合供油量时，本领域技术人员面对无数种可能性却缺乏必要的指导，往往无从下手。

本发明的目的是提高发动机在全负荷和部分负荷时的功率，而不超过所容许的最大主轴承负荷。

由此，本发明的内燃机具有这样的特点，所述控制装置对所在气缸的曲柄跟相邻曲柄构成大角度的那些气缸分配的燃油量多于分配给所在气缸的曲柄跟相邻曲柄构成最小角度的那些气缸的燃油量。

根据本发明，由于供油量是基于曲轴曲柄之间的夹角来选定的，给本领域技术人员提供了一个简单的手段来选定需多供油的气缸。对于一具体的发动机而言，这些角度都是可确定下来的，所以只作一次选定便一劳永逸了。

由此获得的技术效果首先是，对于任何发动机荷载，各主轴承的负载更为均匀，因而对于最大负载的主轴承来说其负载降低了。其次是，发动机可在更高的最大负荷下工作，而不会让最大负载的主轴承过载。

在构成沿曲轴圆周方向看最小角度的曲柄之间的主轴承，承受特别大的负荷，部分是由于在曲轴同一侧径向指向外的两相邻曲柄产生的质量力引起的，部分是由于安装在两相邻曲柄的连杆轴颈上的两连杆产生的压缩力引起的，因为在两相关气缸内发生的燃烧过程的相位差一在有一定数量气缸的发动机中一仅仅是相应于该两相邻曲柄之间夹角的某一角度。因此，该主轴承必须同时接受两气缸的压缩负荷。如上所述，通常认为所有主轴承为同一结构是适当的，这意味着，在该公知的发动机中，负荷最重的轴承处于所有气缸平均压力、从而功率的上限。通过向所在气缸的曲柄跟相邻曲柄构成大夹角的气缸分配大量的燃油，在这些曲柄之间的主轴承的超负荷能力得到了利用，赋予发动机较大的功率。这一额外的功率可在发动机所有负荷下获得。这样，在本发明的发动机中，这些主轴承较公知的发动机有更均匀的负荷。

在一个8气缸发动机的优先实施例中，控制装置向1、2、7和8气缸分配最多的燃油。在8气缸发动机中，3、4气缸的曲柄之间的夹角及5、6气缸的曲柄之间的相应夹角为45°，而其余气缸的曲柄之间的夹角为135°或225°。这里所提到的角度相当于上述气缸压缩冲程起始点之间的相位移动。由于所述夹角大小存在大的差异，气缸1、2、7和8可以增加很多功率，而不会使气缸1-2、2-3、6-7和7-8之间的主轴承超负荷。

在12气缸发动机的另一优先实施例中，控制装置向气缸9和10分配最少的燃油。至12气缸发动机中，相邻曲柄之间的夹角以及相邻气缸压缩冲程起始点之间的相位差为120°，210°或300°，只是气缸9和10之间的所述夹角仅为30°。由于气缸9和10之间的所述夹角跟发动机其余气缸之间的所述夹角存在大的差异，就12气缸发动机来说，可使发动机能得到显著提高而不会使轴承超负荷。

最好，该控制装置这样分配燃油量，当所有的轴承相同时，使曲柄之间主轴承负荷基本均匀一致，这相对于主轴承的负载能力赋于发动机以最高的性能。“曲柄之间的主轴承”被认为意指处于曲柄两端的主轴承无须被包含在最佳化内，因为它们仅受一个气缸的负荷影响。若在两曲柄之间配置两个主轴承，由于该曲柄是由两分离的轴件组成的，同样的考虑适用于也基本上承受仅一个气缸负荷的这两个轴承。

参照这些非常简单的附图，下面将更详细地叙述本发明的实施例，其中：

图1为8缸发动机曲轴的透视原理简图；

图2和图3分别为8缸和12缸发动机的曲柄之间夹角及发火次序图。

本发明对于推进船舶的大型二冲程+字头发动机或用作固定发电发动机是特别有用的，因为这些发动机在低转速时每缸产生极大的功率，这使主轴承承受重的负荷。为使发动机长度缩小，希望主轴承的长度不要太大，这限制了这些主轴承的面积。

这些气缸的发火次序是按扭转振动状况所决定的，并希望限制这些在发动运转时可能出现于发动机支座和船体内的第一级和第二级独立的质量力矩。两顺序点火气缸的曲柄之间的夹角，在二冲程发动机中应是360°被除以气缸数，对于四冲程发动权，则为720°被除以气缸数。对于二冲程8缸发动机，该夹角便是45°，而在二冲程12缸发动机中，则是30°。

图1表示总的以标号1标注的8缸二冲程发动机的曲轴。该轴的主轴颈支承于主轴承MB1-MB9中，其中MB1和MB9处于该轴的两端，而MB_5a和MB_5b处于该轴中部，在由两轴件制成的曲轴的接头两侧。若发动机的燃油泵和气阀是受凸轮轴控制的，则可将一个经链驱动装置驱动该凸轮轴的链轮安装在该轴的连接处。对于气缸C₁-C₈中的每一气缸，曲轴1具有由连于两相关主轴颈的两曲柄臂2及由该两臂支承的连杆轴销3组成的曲柄，在连杆轴销上装有连杆(未示)。该连杆经十字头和活塞杆连于相关气缸中的活塞。

8缸发动机典型的发火次序表示在下面表1中。

该表的第一栏表示相关的气缸时，第二栏表示属于第一栏中气缸对的两相邻曲柄之间的夹角α。所示α相应于相关气缸对的燃烧冲程起始点之间的相位移动，因此，从夹角的表示可直接看出，处于气缸对之间的主轴承是否可同时受到两气缸的压缩力的作用。该表的第三栏表示在该气缸对中的第一气缸的发火次序。

表1

8缸

气缸 对              夹角α°                       发火次序

 1-2                  225                   1

 2-3                  225                   6

 3-4                   45                   3

 4-5                  135                   4

 5-6                   45                   7

 6-7                  225                   8

 7-8                  135                   5

 8-1                 (135)                  2

表1的内容简略图示于图2中，其中，由轴旋转360°的一个完整的发动机工作循环表示为全循环。因为该发动机为8缸发动机，该循环被划分为45°间隔，相当于两顺序活塞燃烧冲程起始点之间的曲轴转动。在每一旋转间隔内，指出了进行燃烧冲程的气缸Cn的数目n。两相邻曲柄之间的夹角可从该图中直接读为属于该两气缸的两半径之间的夹角。在气缸1和2之间，可看到该角α1-2=225°，对于其它气缸，依此类推。在气缸5和6之间，可看到该角α5-6=45°，还可看到气缸6在气缸5后立即点燃，这意味着在该两气缸之间的主轴承须得同时接受两连杆的压缩力。相应的情况适于气缸3和4。因此，控制装置能对气缸1和2分配最多的燃油量。而对气缸3-6分配最少的燃油量，对气缸7和8分配的燃油量则处于其它两个量之间。

在图3图示了12缸发动机的情况，并表示在下面表2中。

表2

12缸

气缸对           夹角α°                    发火次序

 1-2               120                1

 2-3               120                5

 3-4               210                9

 4-5               120                4

 5-6               120                8

 6-7               300                12

 7-8               120                10

 8-9               120                2

 9-10              30                 6

 10-11             120                7

 11-12             120                11

 12-1              (300)              3

可以看到，控制装置可以对气缸6、7和12分配最多的燃油量，对气缸3和4分配较少的燃油量，对气缸1、2、4、5、7、8和11分配中等的燃油量，对气缸9和10分配最少的燃油量。

若该发动机为用凸轮轴控制燃油泵的传统设计发动机，该控制装置可以是一种根据发动机负荷调节泵标度的标度杆。该泵此时可这样连接控制标度杆，使其恒定地调正，以便在发动机全负荷时供以彼此不同的燃油量。

若该发动机为计算机控制的现代发动机，该控制装置可包括计算机和例如可电子-机械控制或液压操作的燃料泵操作单元。根据各轴承负荷之间相互比率的预定资料，该计算机可迅速地作出各气缸燃油量这样分别的分配，使曲轴主轴承尽可能承受均匀一致的负荷。

若在主轴承中发现有问题，诸如由于轴承和相关轴颈之间卡滞引起的轴承温度升高，该计算机可按编定的程序临时分配少量的燃油给邻近该轴承的气缸。这种暂时减少所选轴承上负荷的可能性在本发明的发动机中是特别有利的，因为当本发明提供的提高发动机功率的可能性已被充分利用时该发动机的所有主轴承已承受全负荷。在仅一至二主轴承承受全负荷的公知发动机中，不太需要这样暂时减少轴承负荷。

Claims (4)

1．一种用于推进船舶的大型二冲程十字头发动机的内燃机，具有若干气缸(Cn)，每一气缸有一活塞，跟在这些气缸共用的曲轴(1)上的相关曲柄(2、3)相连，这些曲柄经支承于主轴承(MBn)中的主轴颈是这样连接的，使相邻曲柄有一预定夹角(α)，所述夹角对于至少某些相邻曲柄是不同的，其中，在发动机工作循环期间喷入气缸内的燃油量借助于控制装置是可调的，其特征在于该控制装置对所在气缸的曲柄(2、3)跟相邻曲柄构成大夹角(α)的气缸(Cn)分配的燃油量大于向所在气缸的曲柄跟相邻曲柄构成最小夹角的气缸分配的燃油量。

2．按权利要求1所述的内燃机，其特征在于该发动机具有8个气缸，所述控制装置对气缸1、2、7和8分配的燃油最多。

3．按权利要求1所述的内燃机，其特征在于该发动机具有12个气缸，所述控制装置对气缸9和10分配的燃油最少。

4．按上述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于在主轴承(MBn)中发现有问题的情况下，该控制装置暂时分配较少量的燃油到相邻于该轴承的气缸(Cn)内。

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