CN1087392C - 用于自燃往复式活塞内燃机运行的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

自燃往复式活塞内燃机在局部负荷范围内运行的方法和装置，其特征在于，至少往复式活塞内燃机的一个状态变量利用传感器(10)来测量；燃油喷射设备(3)的喷射起始时间以及进气阀或排气阀(5，4)的打开和/或关闭的起始时间这两者根据至少一个状态变量这样来调节，使得燃烧室中的压缩压力在较大的局部负荷范围内随着负荷的变化保持不变或接近不变。

Description

用于自燃往复式活塞内烯机运行的方法和设备
本发明涉及一种自燃往复式活塞内燃机在负荷范围内运转的方法。本发明还涉及一种自燃往复式活塞内燃机。
大型自燃往复式活塞内燃机例如柴油机当运行在局部负荷时效率降低。从EP 0316271B1可知，通过在某些限制条件下改变相对于曲轴转角的燃油喷入气缸空间的起始时间可以改善柴油机的效率。因此，可以在非常有限的局部负荷范围内达到改善效率的目的。
本发明的目的是进一步改善自燃往复式活塞内燃机的效率，以便使往复式活塞内燃机运行得更加经济。特别是，往复式活塞内燃机应当在较大的局部负荷范围内有更高的效率。
本发明提供了一种自燃往复式活塞内燃机在负荷范围内运行的方法，其中至少往复式活塞内燃机的一个状态变量利用传感器来测量；燃油喷射设备的喷射起始时间以及进气阀或排气阀的打开和/或关闭的起始时间这两者根据至少一个状态变量来控制，其中对喷射起始及阀控制时间进行控制使得燃烧室中的压缩压力在较大的局部负荷范围内随着负荷的变化保持不变或接近不变。
本发明还提供了一种自燃往复式活塞内燃机，其中该往复式活塞内燃机的至少一个状态变量由传感器检测，并且燃油喷射设备的喷射起始时间以及进气阀或排气阀的打开和/或关闭的起始时间被控制，其中设置了对喷射起始和阀控制时间起作用的控制装置，使得在燃烧室中的压缩压力在较大的局部负荷范围内随着负荷的变化保持不变或接近不变。
本发明的用于自燃往复式活塞内燃机运行的设备这样来工作，使得往复式活塞内燃机的至少一个状态变量利用传感器来测量，并且燃油喷射设备的喷射起始时间以及进气阀或排气阀的打开和/或关闭的起始时间这两者根据至少一个状态变量这样来调节，使得在上死点时的燃烧室中的压缩压力或在燃烧期间燃烧室中产生的最大压力在较大的局部负荷范围内随着负荷的变化保持不变或接近不变。
这样的方法可以称为局部负荷的辅助手段，因为当往复式活塞内燃机在局部负荷运行时其性能得到了改善。按照本发明的方法，在上死点时的燃烧室中的压缩压力或在燃烧期间燃烧室中产生的最大压力在处于额定负荷的大约50％-100％范围内的较大的局部负荷范围内随着负荷的变化保持不变或接近不变。特别是，在较大的局部负荷范围内取得了与在额定负荷时近似一样的压力。因此在该较大的局部负荷范围内可以改善效率。
这里，传感器至少测量往复式活塞内燃机的下列状态变量之一：气缸中的增压压力(进气压力)，最大压力，在给定曲轴转角时的气缸中的压力，发动机功率，发动机转速，涡轮增压器的转速，压缩器后的温度，增压空气冷却器后的温度，燃烧空气量，涡轮机前的排气温度，涡轮机后的排气温度，或燃油量。
在二冲程往复式活塞内燃机中，除了燃油喷射设备外，还控制排气阀。在四冲程往复式活塞内燃机中，除了燃油喷射设备外，还控制进气阀和/或排气阀。通过综合控制燃油喷射设备，以及进气阀和/或排气阀，则可以在很宽阔的局部负荷范围内，即上述的较大的局部负荷范围内，与现有技术相比，实现压力不变因而效率改善。
在燃烧过程中产生的NOx气体的量除了其它因素外取决于最大压力与所输送的功率之比。现在，如果在较大的局部负荷范围内压力保持不变而功率降低，这会导致在局部负荷时NOx气体量的增加。而借助通过燃油喷射设备将由燃油和水组成的乳化液供给气缸空间来燃烧，则可以避免附加NOx的产生。乳化液所具有的水与燃油的混合比可以通过混合设备在宽阔的范围内变化，并且特别是可以根据所测定的状态变量来予以控制。因此，乳化液与上述的用于改善局部负荷时效率的方法结合起来采用的优点是，往复式活塞内燃机在较大的局部负荷范围内既可以改善效率又可以减少NOx气体的产生。
现在结合附图，根据几个示范性的实施例进一步解释本发明，其中：
图1a是四冲程往复式活塞内燃机的示意图；
图1b是二冲程往复式活塞内燃机的示意图；
图2a是图1a所示内燃机带有附加传感器和控制装置的的示意图；
图2b是图1b所示内燃机带有附加传感器和控制装置的的示意图；
图3a是负荷/发动机功率和燃烧室压力之间的关系图；
图3b是负荷/发动机功率和产生的NOx气体之间的关系图；
图4是乳化液的成分随着负荷/发动机功率而变化的关系图；
图5是用于生产乳化液的设备；
图1a是作为低速大型柴油机运行的自燃式四冲程往复式活塞内燃机2的示意侧视图。该内燃机2有带有多个气缸的气缸壳体6，这些气缸一个接一个地排列着并且一起作用在放置在曲轴箱7内的曲轴9a上。燃油通过供油管3a供给喷油泵3，再通过管路3b和喷油嘴3c进入气缸壳体6的燃烧室。另外，四冲程柴油机2有一个进气阀5和一个排气阀4。
图1b是作为低速大型柴油机运行的自燃式二冲程往复式活塞内燃机1的示意侧视图。该内燃机1有带有多个气缸的气缸壳体6，这些气缸一个接一个地排列着并且一起作用在放置在曲轴箱7内的曲轴9a上。燃油通过供油管3a供给喷油泵3，再通过管路3b和喷油嘴3c进入气缸壳体6的燃烧室。另外，该二冲程柴油机1有用于燃烧气体的排气阀4。燃烧空气通过孔口被吸入。
图2a表示图1a的四冲程柴油机2带有一个控制和调节装置8，该控制和调节装置8通过电气连接管路8a，8b和8d控制着进气阀5，排气阀4以及喷油泵3。另外，曲轴9a的瞬时转角由转角传感器9测量并且通过电气连接管路8e供给控制装置8。传感器10测量至少一个状态变量，例如气缸6中的最大压力或气缸6中在给定曲轴转角时的压力，特别是在气缸上死点时的压缩压力。由传感器10所测量的数值通过电气连接管路8c供给控制装置8。
图2b表示图1b的二冲程柴油机1带有一个控制和调节装置8，该控制和调节装置8通过电气连接管路8a，和8d控制着排气阀4以及喷油泵3。另外，曲轴9a的瞬时转角由转角传感器9测量并且供给控制装置8。传感器10测量至少一个状态变量，并将它通过电气连接管路8c供给控制装置8。还可以在柴油机1，2的任何一个实施例上布置多个传感器，以便测量各种状态变量并将它们供给控制装置8。
图3a示出了本发明的方法对于负荷或发动机功率和柴油机1，2的燃烧室中的压力之间的关系的作用。直线11a表示，在没有局部负荷辅助装置的情况下，在上死点时的压缩压力随着发动机的功率或负荷而变化的情况。11b表示，当柴油机按照本发明的方法运转时，在上死点时的相同的压缩压力随着发动机的功率而变化的情况。在四冲程柴油机2中，喷油泵3，进气阀5以及排气阀4由控制装置8以这样的方式控制着，即压缩压力在较高的局部负荷范围II内取恒定数值，而在较低的局部负荷范围内线性地降低。二冲程柴油机1通过致动喷油泵3以及排气阀4这样来运转，即压缩压力11b在较高的局部负荷范围II内同样取恒定数值，而在较低的局部负荷范围内线性地降低。直线11c表示，在没有局部负荷辅助装置的情况下，在燃烧室中发生的最大压力随着发动机的功率或负荷而变化的情况。曲线11d表示，当柴油机按照本发明的方法运转时，在燃烧室中发生的相同的最大压力随着发动机的功率而变化的情况。这里，排气阀4和/或进气阀5以及喷油泵3与曲轴转角9b的关系或瞬时关系这样予以控制，使得曲线11b，11d在较大的局部负荷范围II内有恒定的或近似恒定的数值。
图3b表示，柴油机1，2的负荷或发动机功率与燃烧产生的NOx的量之间的关系。在不采用局部负荷辅助装置的情况下，所产生的NOx气体比例在较大的局部负荷范围II内大致保持不变。而如果采用按照附图3a运转的并且在较大的局部负荷范围II内产生恒定的或几乎恒定的压力的局部负荷辅助装置，那么，如曲线12a所示，随着局部负荷的减小，NOx气体的比例将逐渐增加。由于生态学的原因，在局部负荷下该NOx气体的比例的增加是不希望的。因此，在本发明方法的一个特别优越的实施例中，采用了由燃油和水构成的乳化液，将该乳化液供给喷油泵3并通过喷嘴3c喷入气缸空间中。曲线12c示出了，当采用具有曲线11b，11d的效果的局部负荷辅助装置和由燃油和水组成的的乳化液时，在较大的局部负荷范围II内的NOx气体的比例随着负荷变化的情况。由于生态学的原因，因此应用附图3a的本发明的方法并结合由燃油和水组成的乳化液是有利的。
图4示出了由喷油泵3输送的量随着发动机的功率而变化的情况。直线a表示，由通常运作的喷油泵所输送的流体的总量仅由燃油组成，所输送的量是随着发动机的功率变化的。直线b表示，随着发动机功率的变化，混合和输送由水和燃油组成的乳化液的该有利方法。利用传感器测量柴油机的发动机功率。在从全负荷的大约0％-50％的较低的发动机功率范围I内，与所输送的燃油量a成比例地混合附加水量，使得输送给喷油泵3的整个水-燃油乳化液相当于按照直线b的情况的量。在从点S延伸到最大发动机功率Mmax的较大局部负荷范围II内，输送给喷油泵3的相当于曲线b的整个乳化液的总量保持恒定。这里，燃油量随着发动机的功率按照曲线a变化，而附加的水量这样来调节，使得水-燃油乳化液的净量保持不变或接近不变。图4所示的在较大的局部负荷范围II内的燃油与水的混合比随着发动机功率的变化仅是一个例子。该比例也可以以不同于曲线a的方式变化，以便有利地使NOx气体减少。
图5示出了用于混合和输送由燃油和水组成的乳化液的设备30的简化图。用于测量柴油机状态的传感器10通过信号线路8a连接在控制装置8上。两个输送泵21，22的每一个的转速分别通过信号线路20a，20b由控制装置8预先确定。来自燃油箱25的燃油通过管路3d和随后的转送泵21供给乳化设备23。来自水箱24的水通过管路3e和随后的输送泵22供给乳化设备23，该乳化设备23将水以一种未进一步说明的方式与燃油混合而成为水-燃油乳化液。该乳化液通过管路3a供给喷油泵3，并通过管路3b和喷嘴喷入气缸壳体6的气缸空间中。控制装置8监测着传感器10并且监测和控制着示于附图2a或2b中的其它部件。

Claims (9)

1.自燃往复式活塞内燃机在负荷范围内运行的方法，其中至少往复式活塞内燃机的一个状态变量利用传感器(10)来测量；燃油喷射设备(3)的喷射起始时间以及进气阀或排气阀(5，4)的打开和/或关闭的起始时间这两者根据至少一个状态变量来控制，其特征在于，对喷射起始及阀控制时间进行控制使得燃烧室中的压缩压力在较大的局部负荷范围内随着负荷的变化保持不变或接近不变。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，自燃往复式活塞内燃机以二冲程循环工作，并且燃油喷射设备(3)的喷射起始时间以及排气阀(4)的关闭起始时间都受到控制。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，自燃往复式活塞内燃机以四冲程循环工作，并且燃油喷射设备(3)的喷射起始时间以及进气阀(5)的打开和/或关闭起始时间都受到控制。
4.如权利要求1-3中的任何一项所述的方法，其特征在于，所测量的状态变量包括至少下列参数之一：
-增压压力(进气压力)
-气缸中的最大压力
-在给定曲轴转角处的气缸中的压力
-发动机功率
-发动机转速
-涡轮增压转速
-压缩器后的温度
-增压空气冷却器后的温度
-燃烧空气量
-涡轮机前的排气温度
-涡轮机后的排气温度
-燃油量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，往复式活塞内燃机以由水和燃油组成的乳化液来工作。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，乳化液的量和/或水和燃油在乳化液中的比例根据状态变量来变化。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，较大的局部负荷范围在全负荷的50％和100％之间的范围内延伸。
8.一种自燃往复式活塞内燃机，其中该往复式活塞内燃机的至少一个状态变量由传感器检测，并且燃油喷射设备(3)的喷射起始时间以及进气阀或排气阀(4，5)的打开和/或关闭的起始时间被控制，其特征在于，设置了对喷射起始和阀控制时间起作用的控制装置，使得在燃烧室中的压缩压力在较大的局部负荷范围内随着负荷的变化保持不变或接近不变。
9.如权利要求8所述的自燃往复式活塞内燃机，其特征在于，用于产生由水和燃油组成的乳化液的设备(30)连接在燃油喷射设备(3)上；该设备(30)有由该控制和调节装置(8)控制的输送泵(21，22)，以便控制乳化液的量和/或乳化液中的水和燃油的比例。
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