CN105863821B - 内燃机、内燃机的操作方法、内燃机的气缸、缸套及封板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机、内燃机的操作方法、内燃机的气缸、缸套及封板。所述内燃机(1)特别是两冲程发动机，优选是柴油两冲程发动机，其包括布置在气缸(11)内的至少一个活塞(10)。所述活塞(10)和所述气缸(11)限定可变燃烧腔(101)和可变第二腔(102)。可变燃烧腔(101)经由至少一个进气口(111)连接到涡轮增压器(2、2′)的压缩机侧并经由排气口(112)流体连接到涡轮增压器(2、2′)的涡轮机侧。第二腔(102)流体连接到涡轮增压器(2、2′)的压缩机侧以将压缩空气流引入到第二腔(102)。

Description

内燃机、内燃机的操作方法、内燃机的气缸、缸套及封板

技术领域

本申请涉及内燃机以及内燃机的操作方法。本申请进一步涉及气缸、缸套和腔封板。

背景技术

已经做了多种尝试以提高内燃机的效率。内燃机越大，效率的提高对燃料燃烧的影响越大。特别的，在巨型内燃机中，诸如船的两冲程柴油发动机，效率的提高是有利的。

例如，CH414265提出，为两级涡轮增压器增加发电机以利用由增压器产生的能量。这样的系统复杂。改造现有的发动机需要很多部件。此外，发电机需要额外的部件以调整其电压、电流和对例如现有的板网的频率。

JPH0797926公开了一种内燃机，其中扫气腔室分成上腔室和下腔室以向气缸提供两种不同的气流从而降低进气的整体温度。这样的系统需要带有中间冷却器的第二涡轮增压器。这样的系统复杂且成本高。

发明内容

本申请的目的在于克服现有技术的缺点。特别地且在其他方面之外，本申请提供了一种内燃机以及内燃机的操作方法，该方法提供了优化的制动燃料消耗率(BSFC)，并能够改造现有的发动机。

根据本申请的内燃机包括布置在气缸内的至少一个活塞。通常，并如现有技术呈现的，活塞由连接到曲轴的活塞杆驱动。如本领域技术人员所知，曲轴的旋转角度用于指示活塞在气缸内部的位置。活塞和气缸限定可变的燃烧腔和可变的第二腔。通常，活塞在气缸内部向上和向下移动并因此将气缸分成上部空间和下部空间。所述上部空间限定燃烧腔而所述的下部空间限定第二腔。所述腔的尺寸取决于活塞的实际位置。内燃机可以是两冲程发动机且优选是柴油两冲程发动机。

可变燃烧腔是可流体连接的，且特别地通过至少一个进口连接到涡轮增压器的压缩机侧。此外，燃烧腔是可连接的，且特别地通过排气口连接到涡轮增压器的涡轮侧。可变的第二腔是可流体连接的，且特别地连接到涡轮增压器的压缩机侧以将压缩空气流引入到第二腔内。

当在这里描述并使用时，表述口不仅指一个单独的开口。一个或一个开口，当在这里使用时，可能包括一个或多个开口。

压缩的空气流是可中断的，使得第二腔从涡轮增压器断开。第二腔包括用于降低第二腔压力的出口。出口可包括可控制的腔阀。

上面描述的本申请实现了由涡轮增压器输送的空气的膨胀，直接在活塞上做有用功并因此提高了发动机效率。

涡轮增压器提供了特定压力的空气，在船用柴油发动机内通常高达5巴。这个压力存在于活塞下方的第二腔内。压缩空气流的中断和第二腔的出口使能够降低第二腔内的压力并因此降低活塞移动的阻力并因此提高发动机的效率。此外，压力的降低还提供了气缸内活塞下方部件的冷却，因为压缩空气的膨胀冷却了空气。

如果所述第二腔阀可以根据特定的发动机值控制，可能是有利的。特定的发动机值例如可以是压缩空气的压力值、第二腔内的压力值、活塞或阀的位置的值、发动机载荷值、发动机速度值、制动装置有效压力值和其组合。

这样的控制允许以根据特定需求的方式操作发动机，例如低BSFC，且保证操作可靠性。

此外，这样的控制允许调节流入第二腔的空气。其可能被设定以最大化效率的提高同时保证发动机的正确操作，如两冲程发动机内的充分扫气流。

优选地，该至少一个进口包括可控进口阀。

在优选实施例中，进口阀和第二腔阀可由单一部件制成，例如三通阀。

优选地，所述进口阀根据这里描述的特定发动机阀是可控的。

这样的控制允许根据特定需求的方式操作发动机，例如低BSFC，同时保证操作可靠性。

内燃机的排气口可包括排气阀，其优选是可控的。该排气阀根据这里描述的特定发动机阀是可控的，并以这样的方式来考虑诸如低BSFC或低排放的特定要求。

内燃机可包括涡轮增压器。在优选实施例中，其为多级涡轮增压器，优选为两级涡轮增压器。

多级涡轮增压器提供从废气中分离出更大量的能量。能量的这种剩余允许释放更多的加压空气，其可在第二腔内膨胀。因此，效率的可能的提高高于使用单级涡轮增压器。

内燃机可为十字头发动机，这样的十字头发动机的特征为额外的铰链，即十字头，其通过额外的连接杆将带有活塞的活塞杆连接到曲轴。十字头发动机通常用于船用推进因为这样的往复式发动机是相对简单且坚固。此外，为了船用推进需要的高功率输出，十字头发动机的使用，尤其是两冲程柴油十字头发动机是现有技术。

这允许以可替代的方式且不复杂的结构布置孔。

有利地，出口可布置在第二腔封板上。第二腔封板是这样的元件：其使在活塞下方提供封闭的空间成为可能。在优选方式中，第二腔封板布置在气缸的缸套的底部上，活塞在气缸中上下移动。

压力封板内的出口的布置使得容易的维修成为可能并允许重装和升级现有发动机。

出口还可以布置在缸套内。

通常，缸套包括进口。通过在缸套内布置出口，进口和出口可结合。此外，相关阀的结合是可能的。这减少了材料成本且利于生产。

出口可连接外部环境。替代地，出口可连接到压力容器。

因此，可能从第二腔收集加压空气。该空气可用于船上送风或存储并再次引入到燃烧循环内。因此，内燃机可像活塞式压缩机一样工作并泵送或加压流进第二腔的空气。

替代地或额外地，出口可连接到涡轮增压器的压缩机一侧，以再循环或重新引入排出的空气。

这样的结构提高BSFC。

替代地或额外地，出口可连接到中冷器。因此，排出的空气可用作冷却介质以冷却增压空气。

本申请另一方面涉及操作内燃机的方法，该内燃机包括布置在气缸内的至少一个活塞。所述活塞和所述气缸限定可变燃烧腔和可变第二腔，其与涡轮增压器的压缩机侧流体连通以将压缩空气流引入到第二腔内。

内燃机可为两冲程发动机且特别地是柴油两冲程发动机。优选该内燃机是这里描述的内燃机。该发动机具有从上死点到下死点的燃烧冲程和从下死点到上死点的压缩冲程。

在燃烧冲程的至少部分期间，流向第二腔的压缩空气流被中断且出口打开以降低第二腔的压力。

第二腔的空气可被引入到大气中或引入到压力容器中或替代地引入到涡轮增压器的压缩机侧或引入到增压空气冷却器。

压缩空气流的中断和第二腔的出口使得减小腔内的压力成为可能并因此减小对活塞运动的阻力。

在压缩冲程的至少部分期间，活塞的向上运动可由压缩空气支撑。所述压缩空气优选由涡轮增压器提供。

这样的支撑减少了向上移动活塞需要的能量。

优选地，压缩空气通过优选的可控进口阀引入到第二腔。这样的进口阀根据特定的发动机值和/或根据固定值和/或以根据特定要求的方式可是可控的，例如低BSFC。

可控进口阀可开到在活塞的下死点位置之前的40°到60°，优选50°±5°，且更优选50°±2°，且优选关到在活塞的上死点位置之前的140°到70°，优选125°到80°，更优选100°±5°，且特别的100°±2°。

可控腔阀可开到在活塞的上死点位置之前的130°到0°，优选110°到30°，更优选70°±5°且特别的70°±2°，且优选关到在活塞的下死点位置之前的40°到60°，优选50°±5°，且特别的50°±2°。

排气阀可开到在活塞的上死点位置之后的100°到120°，优选110°±5°且特别的100°±2°，且优选关到在活塞的下死点位置之前的60°到140°，优选100°±5°，且优选100°±2°。

这些值能够在广泛的模式范围中以可靠的状态实现发动机的操作。

此外，定时阀和角度可从周期到周期地变化，优选地根据发动机的载荷和特定安装而变化。

此外，如果进口阀在上死点之前关闭而出口不打开，可能是有利的。这引起第二腔内压缩空气的膨胀并因此导致较低的温度。因此，气缸和活塞冷却下来。

在燃烧冲程中从第二腔排出的空气，可引入到大气中或引回到涡轮增压器的压缩机侧以再循环或再次引入排出的空气或用作船上送风或存储并通过充满压力容器再次引入到燃烧循环。

各个阀的控制以及特别是第二腔内进口阀的控制使得调整进入到第二腔且可能膨胀的空气的量成为可能。进入的空气的量越大，在活塞上做的功越大。

为了允许校正两冲程发动机的操作，必须在进气接收器和排气环境之间赋予压力差。

这个压力差允许空气从进气接收器流到排出环境并清除气缸内前一循环中的废气(扫气工序)。

如果进气部分用于第二腔，压力差将被减小。因此，根据载荷或其他特定值，压力的降低被限制以仍然保持通过气缸的一定空气质量流并因此赋予充分的扫气。这个最小的空气质量流取决于发动机实际状态且对本领域技术人员是已知的。

两级涡轮增压器的使用提供了比单级涡轮增压器更大的进气和排气之间的压力差。因此，这能够实现更宽范围的调整且通常在第二腔内可使用更多的空气。

本申请另外一方面涉及用于内燃机的缸套，特别是这里描述的内燃机，所述缸套适于容纳活塞，其将缸套分成燃烧腔和第二腔。缸套包括用于连接到涡轮增压器的压缩机侧的进口和用于连接到涡轮增压器的涡轮机侧的排气口。缸套包括用于调节第二腔内的压力的出口，优选通过可控腔阀调节。

这样的缸套能够实现缸套的替换，同时升级或改造现有内燃机。

本申请另一方面涉及包括这里描述的缸套的气缸或气缸组。

通常，在气缸组内布置多于一个的气缸，其适于容纳多于一个的活塞。因此，准备具有一个或多个缸套的气缸组是有利的。这允许快速并以最小的代价升级现有发动机。可以预先调整不同的设置。

气缸可包括腔封板，在其中设置有出口。

在优选的方式中，第二腔封板布置在气缸的缸套的底部上，在其中活塞上下移动。

这使得提供零部件或替代部件成为可能并能实现快速升级气缸。

可以生产这里描述的气缸，使得进口和出口布置在三通阀内。

这样的结构使在气缸内使用同样的开口作为进口和出口成为可能。

本申请的另一方面涉及用于内燃机的第二腔封板，特别是这里描述的内燃机。所述第二腔封板能够连接到气缸，使得其封闭气缸以形成第二腔。

第二腔封板使得提供容易安装的额外的部件成为可能，并使重装或升级现有内燃机成为可能。

有利地，出口布置在第二腔封板内。出口可具有可控腔阀。

在其内布置有出口的第二腔封板使得容易地且没有很大变化地升级现有内燃机成为可能。简化了维修和替换。此外，包括可控腔阀的第二腔封板使得以快速的方式替换可在一个步骤中预组装的全装配成为可能。

本申请的另一方面涉及改型内燃机的一套部件。所述套件包括至少这里描述的第二腔封板。此外，该套件包括可控进口阀。

该套件可包括缸套且优选是这里描述的缸套。

这样的套件使得提供彼此对准的一组部件成为可能。

附图说明

参考下面的附图，以非限定的方式描述本申请的多个方面，其中附图示出：

图1是内燃机的示意图。

图2是工作循环的示意图。

图3是根据本申请的实施例的详细图。

具体实施方式

图1示出内燃机1的示意图。该内燃机1连接到两个串行布置的涡轮增压器2和2′。每一个涡轮增压器包括压缩机20、20′和涡轮机21、21′。单独的冷气机16、16′分配给每一个涡轮增压器2、2′。每一个涡轮增压器2、2′的压缩机20、20′可使用压缩机旁通阀14、14′旁通。此外，每一个涡轮机可使用涡轮旁通阀15、15′旁通。因此，可以旁通涡轮增压器2、2′中的一个，例如第二涡轮增压器2′，并可以仅使用第一涡轮增压器2运行内燃机1。这可能是有用的，如果涡轮增压器中的一个发生故障。该旁通阀14、15、14′、15′也可根据需要的操作模式部分地打开或关闭。

图2示意性示出内燃机工作循环的几个阶段。在图2a中，示出气缸11，在其中容纳有活塞10。活塞10处于其下部位置，下死点。在气缸11上，布置有进口111、排气口112和出口113。活塞10将气缸的体积分为燃烧腔101和第二腔102(见图2b)。为了清楚起见，仅在前两个阶段用附图标记表示一些部件。

如上面提到的(图2a)，活塞10处于其下死点。进气口111和排气口112打开。来自涡轮增压器的空气被吹进燃烧腔101中并通过排气口112清除废气。出口113关闭。这是压缩冲程开始时的典型结构，如根据下面的步骤描述的。活塞10现在向上移动(见图2b)并开始压缩已经吹进燃烧腔101中的空气。排气口现在根据特定的发动机值关闭。进口保持打开且现在连接到第二腔102。还可能使用独立的进口取代进口111以独立控制压缩空气进入到燃烧腔以及压缩空气进入到第二腔。活塞下面的体积，即第二腔，由来自涡轮增压器的压缩空气填充。活塞10在其向上冲程期间由气体的压力支撑。图2c示出活塞10在其达到其上死点前的位置。进气口111现在关闭。基于活塞10进一步的向上移动，第二腔102的体积变大且因此，第二腔102内的压缩空气膨胀并因此冷却。这使得能够带走发动机的热部件的能量并冷却它们。

在下一步骤中(见图2d)，燃烧已经开始而燃烧冲程如下所描述。活塞10接近其顶部中心。第二腔102的出口113现在打开。第二腔102内的压缩空气可以膨胀到大气压力。发动机内的阻力最小化。

活塞10现在向下移动(见图2e)并从第二腔102排出膨胀的空气。排出的空气可以被引到大气中或到压力容器中或引回到例如工作循环。在向下冲程运动期间，排出阀112根据特定的发动机值被打开。进气阀在之后的阶段是打开的并允许将加压空气吹进燃烧腔101内以清除废气。出口阀113现在是关闭的(图2f)。

图2g示出图2a和2c的状态之间的状态上循环的开始。

图3示出本申请实施例的详细图。在图3中，示出十字头发动机的部分，具有布置在缸套13内的活塞10。活塞10处于其下死点。在缸套的圆周上，示出多个进口111。进口111使用可控进气阀1111关闭。进气阀1111制成套筒的形式并围绕缸套13布置。活塞10通过延伸穿过第二腔封板12的活塞杆连接到曲轴(未示出)。缸套13、活塞10和第二腔封板12限定第二腔102。在活塞12上方，示出燃烧腔101。

Claims (15)

1.一种内燃机(1)，即十字头发动机，该内燃机包括至少一个活塞(10)，该活塞布置在气缸(11)内，其中所述活塞(10)和所述气缸(11)限定可变燃烧腔(101)和可变第二腔(102)，并且其中，带有所述活塞的活塞杆通过额外的连接杆连接到曲轴，

其中，可变燃烧腔(101)能够经由至少一个进气口(111)流体连接到涡轮增压器(2、2′)的压缩机侧并经由排气口(112)连接到所述涡轮增压器(2、2′)的涡轮机侧，所述可变第二腔(102)能够通过第二腔阀而流体连接到所述涡轮增压器(2、2′)的所述压缩机侧以将压缩空气流引入到所述可变第二腔(102)内，其特征在于：

所述压缩空气流能够被中断，使得所述可变第二腔(102)与所述涡轮增压器(2、2′)断开，且所述可变第二腔(102)包括用于减小所述可变第二腔(102)的压力的出口(113)，并且进口阀和所述第二腔阀由单一部件制成，使得在压缩冲程期间所述进气口(111)保持打开并且连接到所述可变第二腔(102)，并且使得在所述活塞到达其上死点前所述进气口(111)关闭。

2.根据权利要求1所述的内燃机(1)，其特征在于，所述进口阀是可控进口阀。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机(1)，其中，所述出口(113)布置在第二腔封板内，或者其中所述出口布置在缸套内。

4.根据权利要求1所述的内燃机(1)，其中，所述内燃机(1)是两冲程发动机。

5.根据权利要求4所述的内燃机(1)，其中，所述两冲程发动机是柴油两冲程发动机。

6.根据权利要求1所述的内燃机(1)，其中，所述出口(113)包括可控腔阀。

7.一种操作内燃机(1)的方法，所述内燃机即为十字头发动机，该内燃机包括布置在气缸(11)内的至少一个活塞(10)，其中所述活塞(10)和所述气缸(11)限定可变燃烧腔(101)和可变第二腔(102)，并且其中，带有所述活塞的活塞杆通过额外的连接杆连接到曲轴，其中所述可变第二腔(102)通过第二腔阀与涡轮增压器(2、2′)的压缩机侧流体连通以将压缩空气流引入到所述可变第二腔(102)内，所述内燃机是根据权利要求1到6中任一项所述的内燃机，至少具有燃烧冲程和压缩冲程，

其特征在于，在燃烧冲程的至少一部分期间，流向所述可变第二腔(102)的所述压缩空气流能够被中断，并且出口(113)打开以减小所述可变第二腔(102)的压力，其中进口阀和所述第二腔阀由单一部件制成，使得在压缩冲程期间进气口(111)保持打开并且连接到所述可变第二腔(102)，并且使得在所述活塞到达其上死点前所述进气口(111)关闭。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在压缩冲程的至少一部分期间，所述活塞(10)的向上运动由涡轮增压器(2、2′)的压缩空气支撑。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述进口阀是可控进口阀并且被布置在所述进气口(111)中，所述压缩空气通过可控进口阀被引入到所述可变第二腔(102)，所述可控进口阀在所述活塞的下死点位置之前的40°到60°打开且在所述活塞(10)的上死点位置之前的140°到70°关闭。

10.根据权利要求7到9中任一项所述的方法，其中，所述出口(113)包括可控腔阀，所述可控腔阀在所述活塞的上死点位置之前的130°到0°打开且在所述活塞(10)的下死点位置之前的40°到60°关闭。

11.一种内燃机(1)的缸套，所述内燃机是根据权利要求1到6中任一项所述的内燃机，所述缸套适于容纳活塞(10)，该活塞将气缸(11)分为可变燃烧腔(101)和可变第二腔(102)，其中所述缸套包括用于连接到涡轮增压器(2、2′)的压缩机侧的进气口(111)和用于连接到涡轮增压器(2、2′)的涡轮机侧的排气口(112)，其特征在于，所述缸套包括用于调节所述可变第二腔(102)内的压力的出口(113)。

12.根据权利要求11所述的缸套，其中，所述可变第二腔(102)内的压力通过可控腔阀调节。

13.一种包括根据权利要求11所述的缸套的气缸(11)。

14.根据权利要求13所述的气缸(11)，其中，所述出口布置在第二腔封板内。

15.根据权利要求14所述的气缸，其特征在于，所述进气口和所述出口布置在三通阀内。

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