CN116220897A - 大型柴油发动机和确定大型柴油发动机的气缸压力的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及大型柴油发动机和确定大型柴油发动机的气缸压力的方法。该大型柴油发动机具有至少一个气缸(2)，气缸具有由活塞(3)限定的燃烧腔室(4)，活塞定位成可沿着气缸轴线(A)来回移动，该大型柴油发动机还具有可旋转的曲轴(9)，其中，活塞(3)经由活塞杆(6)与十字头(7)连接，该十字头具有十字头销(71)，其中，十字头(7)经由推杆(8)与曲轴(9)连接，并且其中，在十字头销(71)中设置有液压腔室(10)，该液压腔室由活塞杆(6)限定，并且借助于液压腔室，活塞杆(6)能够相对于十字头销(71)在气缸轴线(A)的方向上移位，以便调节压缩比。

Description

大型柴油发动机和确定大型柴油发动机的气缸压力的方法
技术领域
本发明涉及一种大型柴油发动机和用于确定大型柴油发动机中的气缸压力的方法。
背景技术
大型柴油发动机，其可以被设计为二冲程或四冲程发动机、例如被设计为纵向扫气二冲程大型柴油发动机，通常用作船舶的驱动发动机或者也用于固定操作，例如，用于为大型发电机提供动力以产生电能。在此，发动机通常在连续操作中运行相当长的时间，这对操作安全性和可用性提出了高要求。因此，尤其是长的维护间隔、低磨损和操作材料的经济处理是操作者的中心标准。大型柴油发动机通常具有内径(缸径)至少为200mm的气缸。目前，使用具有高达960mm或甚至更大缸径的大型柴油发动机。大型柴油发动机传统上用重质燃料油来工作。
考虑到经济和有效的操作、废气排放标准的遵守和资源的可用性，如今正在寻求重质燃料油燃料的替代品，甚至对于大型柴油发动机。这里，使用液体燃料和气体燃料，液体燃料是指以液态被引入燃烧腔室中的燃料，气体燃料是指以气态被引入燃烧腔室中的燃料。
作为重质燃料油的已知替代物的液体燃料的示例是其它重质烃，该重质烃在天然油、醇(特别是甲醇或乙醇)、汽油、柴油或还有乳液和悬浮液的精炼期间特别地作为残留物保留。例如，众所周知使用称为MSAR(多相超细雾化残留物)的乳液作为燃料。已知的悬浮液是由煤粉和水制成的悬浮液，其也用作大型发动机的燃料。例如，天然气诸如LNG(液化天然气)、液化气如LPG(液化石油气)或乙烷已知作为气体燃料。
还特别存在已知这样的大型柴油发动机，其可以使用至少两种不同的燃料操作，其中根据操作情况或环境使用一种燃料或另一种燃料来操作发动机。
可以使用两种不同燃料操作的大型柴油发动机的示例是被设计为双燃料大型柴油发动机的大型柴油发动机。它可在液体模式和气体模式下操作，在液体模式下，液体燃料被引入气缸中以用于燃烧，在气体模式下，气体作为燃料被引入气缸中。
可以使用至少两种或甚至更多种不同的液体或气体燃料操作的大型柴油发动机通常根据有效使用的燃料在不同的操作模式下操作。在通常称为柴油操作的操作模式中，燃料的燃烧通常遵循燃料的压缩点火或自点火的原理发生。在通常称为奥托操作的模式下，燃烧通过可点燃的预混合空气燃料混合物的火花点火发生。例如，这种火花点火可以通过例如利用火花塞的电火花发生，或者也可以通过少量喷射燃料的自点火发生，然后该自点火使另一种燃料火花点火。在此，用于自点火的少量燃料通常被喷射到连接至燃烧腔室的预燃腔室中。
此外，奥托操作和柴油操作的混合形式也是已知的。
在本申请的范围内，术语“大型柴油发动机”是指能够至少在柴油操作下操作的发动机。术语“大型柴油发动机”尤其还包括这样的双燃料大型发动机，该双燃料大型发动机还可以在除了柴油操作之外的另一操作模式下操作，例如在奥托操作下操作。
在本申请的范围内，术语“气体模式”或替代地“在气体模式下的操作”是指仅气体或气体燃料用作用于产生扭矩的燃烧的燃料。如前所述，在气体模式下对于预混合空气燃料混合物的火花点火，喷射少量的自点火液体燃料例如重质燃料油以执行火花点火是可能的并且也是非常常见的，但是尽管如此，产生扭矩的燃烧过程完全利用气体或气体燃料来操作。
这种借助于少量液体燃料的自点火的火花点火的过程有时也被称为引燃喷射。当大型发动机在液体模式下操作时，该引燃喷射与将液体燃料喷射到燃烧腔室中无关。通常，与液体模式下的液体燃料的喷射相比，不同的喷射装置通常用于引燃喷射。在引燃喷射期间，少量液体燃料也经常不被直接喷射到燃烧腔室中，而是喷射到经由管道连接到燃烧腔室的至少一个预燃腔室中。
还已知的是，在气体模式下的低压过程中操作这种双燃料大型柴油发动机，是指气体以气态被引入气缸中，其中气体的喷射压力至多为50巴，优选地至多为20巴。为此，在气缸壁中设置至少一个气体入口，气体通过该气体入口在气体模式下被引入气缸中。在实践中，通常设置两个气体入口，该两个气体入口相对于气缸轴线彼此径向相对地定位。(一个或多个)气体入口开口位于活塞移动的下反向点和上反向点之间的这样的高度处：使得只要气缸内没有任何压缩或至少没有显著的压缩，气体就可以在活塞的向上移动期间被引入气缸中。
大型柴油发动机通常以这样的方式设计，使得致密化率、或者换句话说压缩比在100％负荷点处、即在满负荷下被优化，并且大型柴油发动机在那里具有燃烧行为和效率之间的最佳可能折衷，这意味着大型柴油发动机以这样的方式被设计使得它们在100％负荷点处，即在满负荷和最大速度下具有最高可能的热力学效率。
压缩比是几何值，其是在空气燃料混合物的压缩之前的燃烧腔室的第一容积与在空气燃料混合物的压缩之后的燃烧腔室的剩余第二容积的比率。
从100％负荷点处的燃烧行为的优化得出，在较低负荷点处，例如在较低的中压下，大型柴油发动机的效率不再是最佳的。
此外，对于使用至少两种不同燃料操作的大型柴油发动机-是指例如双燃料大型柴油发动机-期望对于每种不同燃料实现最高可能的效率。
由于这些原因，已知这样的大型柴油发动机，其中可改变压缩比以便优化相应负荷和/或相应燃料的效率。这种设计也称为VCR系统(VCR：可变压缩比)。
例如，对于具有十字头驱动器的大型柴油发动机，从EP-A-2 687707中已知，安装在十字头的十字头销中的活塞杆可相对于十字头销在气缸轴线的方向上移位以便改变压缩比。这样，能够改变压缩比。例如，如果活塞杆相对于十字头销在燃烧腔室的方向上移位，则导致燃烧腔室在最大压缩时的较小容积，并因此导致较大的压缩比。
对于例如根据当前负荷的压缩比的最佳调节或者也对于对有效使用的燃料的适配非常重要的重要参数是气缸压力，其指的是气缸的燃烧腔室内的压力。因此，通常为每个气缸提供压力传感器，利用该压力传感器可以确定燃烧腔室内的压力。
已知的解决方案是提供尽可能靠近气缸的燃烧腔室定位的压力传感器。为此目的，在气缸盖中设置连续的孔，该孔通向燃烧腔室。该孔在进入燃烧腔室的入口附近设置有螺纹，使得设置有外螺纹的压力传感器可拧入该孔中。在此，压力传感器尽可能靠近燃烧腔室定位，特别是为了使压力传感器和燃烧腔室之间的孔的长度尽可能小。这是因为孔的这个区域代表了气体或其它燃料可在其中以不可控制的方式燃烧的死容积。另外，这种死容积在扫气过程期间不能很好地被扫气空气清扫，这可能导致甲烷逸出，尤其是在气体模式下。
然而，由于其紧邻燃烧腔室，压力传感器暴露于非常高的温度，这不利地影响其使用寿命。靠近燃烧腔室还导致燃烧残留物沉积在传感器表面上。通常，甚至是这些残留物不仅沉积在传感器表面上，而是覆盖孔的整个口部。为了保证大型发动机的可靠和有效的操作，压力传感器因此需要定期被拆卸，使得传感器表面特别地可以被清洁。由于压力传感器在气缸盖中的孔中定位得非常低，因此很难够到它。必须将长的工具插入到孔中，利用该工具压力可以将传感器从孔的螺纹中拧出或者可以被拧入该螺纹中。因此，这些维修工作涉及相当大的工作量。
从这种现有技术出发，本发明的目的是提出一种具有十字头驱动器的大型柴油发动机，其中气缸的燃烧腔室中的压力可以以可靠的方式被确定，由此不发生前面提到的问题。此外，本发明的目的是提出一种用于确定大型柴油发动机中的气缸压力的对应方法。
发明内容
根据本发明，因此提出了一种大型柴油发动机，该大型柴油发动机具有至少一个气缸，该气缸具有由活塞限定的燃烧腔室，该活塞定位成可沿着气缸轴线来回移动，该大型柴油发动机还具有可旋转的曲轴，其中，活塞经由活塞杆连接到十字头，该十字头具有十字头销，其中，十字头经由推杆连接到曲轴，并且其中，在十字头销中设置有液压腔室，该液压腔室由活塞杆限定，并且活塞杆借助于该液压腔室可相对于十字头销在气缸轴线的方向上移位以便调节压缩比。设置压力传感器以及估算单元，利用该压力传感器可以确定存在于液压腔室中的液压压力，利用该估算单元可以借助于液压压力来确定存在于燃烧腔室中的气缸压力。
因此，借助于存在于液压腔室中的液压压力来测量存在于燃烧腔室中的气缸压力，借助于该液压压力，活塞杆可以移位以便调节压缩比。由于活塞杆限制液压腔室，所以在燃烧腔室一侧作用于活塞的气缸压力经由活塞杆被传输到液压腔室。压力传感器测量作用在液压腔室中的液压压力并且将该测量值传输到估算单元，该估算单元根据该测量值确定燃烧腔室内部的气缸压力。可以但不是必须的是，借助于减压器将存在于液压腔室中的压力减小到与液压腔室中的液压压力成比例的较低压力，以通过测量来检测该减小的压力，然后根据该测量值来确定存在于燃烧腔室中的压力。
因此，定位成紧密靠近燃烧腔室的压力传感器不再是必需的。因此，可以避免所有前面描述的由压力传感器定位成紧密靠近燃烧腔室和例如在气缸盖中引起的问题。
本发明的一个可能的实施方式是压力传感器以压力传感器与十字头一起移动的方式位于十字头上。因此，压力传感器不相对于十字头移动，并且执行与十字头相同的移动。然后，由压力传感器确定的测量值被传输到通常固定的估算单元。从压力传感器到估算单元的这种传输例如可以无线地发生，例如，利用压力传感器上的发射器和估算单元上的接收器。也可以借助于柔性线缆进行传输，该柔性线缆将估算单元连接到可相对于估算单元移动的压力传感器。例如，这种线缆可以位于肘节杆上或肘节杆内。这种位于固定的发动机壳体和在操作状态下移动的十字头之间的肘节杆通常设置在大型柴油发动机上，例如，以将润滑介质或冷却介质引入到十字头中或引入到活塞杆中。同样地，肘节杆可用于引导这种线缆，液压介质利用该线缆被供给到液压腔室以使活塞杆移位。
根据优选实施方式，压力传感器设置在相对于发动机壳体固定定位的测量点处。在该实施方式中，压力传感器因此在大型柴油发动机的操作期间不移动，而是被固定在适当位置，意味着压力传感器不相对于发动机壳体移动，而十字头相对于压力传感器移动。
优选地，然后设置液压压力传输装置，利用该液压压力传输装置，存在于液压腔室中的液压压力可以被传输到压力传感器。借助于液压压力传输装置，可以容易地实现固定压力传感器可以被施加以与十字头中液压腔室中的液压压力相等或成比例的压力。
特别优选地，液压压力传输装置包括肘节杆，该肘节杆一方面连接到十字头，另一方面连接到发动机壳体。在此，可以为压力传输装置设置专用的单独的肘节杆，或者可以针对压力传输装置使用另一现有的肘节杆。
液压压力传输装置的肘节杆优选包括供给部，利用该供给部可以将液压介质供给到液压腔室。因此，液压压力传输装置优选使用相同的肘节杆，液压介质经由该肘节杆被引入到液压腔室中。
另一优选的措施是，肘节杆包括用于泄压阀的控制管线，该控制管线用于从液压腔室排放液压介质。
此外，优选的是，液压压力传输装置包括减压器，该减压器可以被施以存在于液压腔室中的液压压力并且减小该压力。这具有的优点是，存在于液压腔室中的高液压压力不需要被传输，而仅传输与液压腔室中的压力成比例的减小的液压压力。在操作状态下，液压腔室内的压力实际上可以高达几百巴(1巴＝0.1MPa)，例如500至600巴(50-60MPa)。
减压器优选地位于十字头上。然后，减压器与十字头一起移动，使得仅减小的压力必须从移动的十字头被传输到相对于发动机壳体固定定位的测量点。
进一步优选的是，减压器包括高压侧和低压侧，其中，高压侧流动连接到液压腔室，并且其中，压力传感器可被施以存在于低压侧的压力。
例如，减压器流动连接到用于从液压腔室排放液压介质的出口管线。在此，该流动连接设置在截止阀的上游，液压介质能够经由该截止阀从液压腔室被排放。
进一步优选的措施是，液压介质可以被供给到减压器的低压侧。这样，减压器可返回到其初始构造。
优选地，大型柴油发动机被设计为纵向扫气的二冲程大型柴油发动机。
特别优选地，大型柴油发动机被设计为双燃料大型柴油发动机，该双燃料大型柴油发动机可以在液体模式下操作，在液体模式下液体燃料被引入燃烧腔室中用于燃烧，并且该双燃料大型柴油发动机还可以在气体模式下操作，在气体模式下气体被引入燃烧腔室中用于燃烧。
本发明还提出了一种用于确定大型柴油发动机中的气缸压力的方法，该大型柴油发动机具有至少一个气缸，该气缸具有燃烧腔室，该燃烧腔室由活塞限定，该活塞定位成可沿着气缸轴线来回移动，该大型柴油发动机还具有可旋转的曲轴，其中，活塞经由活塞杆连接到十字头，该十字头具有十字头销，其中，十字头经由推杆连接到曲轴，并且其中，在十字头销中设置有液压腔室，该液压腔室由活塞杆限定，并且借助于该液压腔室，活塞杆能够相对于十字头销在气缸轴线的方向上移位，以便调节压缩比。根据本发明，借助于压力传感器以及借助于估算单元确定液压腔室中的液压压力，借助于该液压压力确定存在于燃烧腔室中的气缸压力。
在根据本发明的方法中，存在于燃烧腔室中的压力因此借助于存在于液压腔室中的液压压力来确定。因此不再需要定位成紧靠燃烧腔室的压力传感器。因此，可以避免所有前面描述的由在燃烧腔室附近和例如在气缸盖中的压力传感器的布置所导致的问题。
附图说明
下面将基于实施方式和附图更详细地解释本发明。在附图中，示出了：
图1：根据本发明的大型柴油发动机的第一实施方式的示意性截面图，
图2：根据本发明的大型柴油发动机的第二实施方式的示意性截面图，
图3：根据本发明的大型柴油发动机的第三实施方式的示意性截面图，
图4：根据本发明的大型柴油发动机的第四实施方式的示意性截面图，以及
图5：根据本发明的大型柴油发动机的第五实施方式的示意性截面图。
具体实施方式
术语“大型柴油发动机”是指通常用作船舶的主驱动发动机或还用于固定操作的发动机，例如用于为大型发电机提供动力以产生电能。通常，大型柴油发动机的气缸均具有为至少200mm的内径(缸径)。术语“纵向扫气”是指扫气或增压空气在下端的区域中被引入到气缸中。燃烧残留物、即尤其是废气在气缸的上端处被排出。
在本发明的以下描述中，参考被设计为双燃料大型柴油发动机的大型柴油发动机，是指可使用两种不同燃料操作的发动机。具体地，双燃料大型柴油发动机可以在仅将液体燃料喷射到气缸的燃烧腔室中的液体模式下操作。通常，液体燃料、例如重燃油或柴油在合适的时刻被直接喷射到燃烧腔室中，并且遵循柴油自点火原理而在那里自点火。大型柴油发动机也可以在气体模式下操作，其中，用作燃料的气体、例如天然气(如LNG(液化天然气)或LPG(液化石油气))或乙烷以预混合的空气燃料混合物的形式经由火花点火在燃烧腔室内进行燃烧。
如上面已经说明的，在本申请的范围内，术语“气体模式”或替代地“在气体模式下的操作”以这样的方式来理解：在该气体模式下，大型柴油发动机仅利用气体或气体燃料操作，其中可选地，少量的自点火燃料(例如重质燃料油或柴油)被引入燃烧腔室或预燃腔室或若干预燃腔室中，专门用于空气-气体混合物的火花点火(引燃喷射)。
具体地，在气体模式下，大型柴油发动机根据低压方法操作，即气体以气态被引入气缸中，其中气体被引入气缸中的喷射压力为至多50巴，优选至多20巴。空气-气体混合物在燃烧腔室中遵循奥托原理火花点火。该火花点火优选由于以下原因导致，在合适的时刻，少量的自点火液体燃料(例如柴油或重质燃料油)被引入燃烧腔室或预燃腔室或多个预燃腔室中，然后其自点火并引起燃烧腔室中的空气燃料混合物的火花点火。
在这里描述的实施方式中，参考大型柴油发动机，该大型柴油发动机被设计为具有十字头驱动器的纵向扫气的双燃料二冲程大型柴油发动机。当然，本发明不限于双燃料大型柴油发动机，而是涉及所有种类的大型柴油发动机，指的是至少能够以柴油操作来操作的大型发动机。
图1以非常示意的图示示出了根据本发明的大型柴油发动机的第一实施方式，该柴油发动机整体上用附图标记1表示。在图1中，仅示出了大型柴油发动机1的通常的几个气缸2中的一个气缸2。
在气缸2内以本身已知的方式布置有活塞3，该活塞定位成可沿着气缸轴线A在下反向点和上反向点之间来回移动。
活塞3具有上侧31，该上侧与气缸盖21一起限定燃烧腔室4，在该燃烧腔室中进行燃烧过程。
如从十字头驱动器已知的，活塞3经由活塞杆6连接到十字头7，该十字头经由推杆8连接到曲轴9，使得活塞3的移动经由活塞杆6、十字头7和推杆8被传输到曲轴9以使曲轴旋转。曲轴的旋转由具有附图标记R的箭头表示。十字头7以本身已知的方式被设计，使得其将活塞3和活塞杆6的线性上下移动转换成推杆8的旋转运动，其中推杆8以其能够围绕十字头7的十字头销71旋转的方式被支撑。
对于作为二冲程发动机的设计以及作为四冲程发动机的设计的专家来说大型柴油发动机1的结构和各个部件是充分已知的，例如用于液体模式的喷射系统(未示出)、用于气体模式的气体供应系统(未示出)、气体交换系统、废气系统(未示出)或用于为这种大型柴油发动机1提供扫气或增压空气的涡轮增压系统(未示出)，因此在此不需要任何进一步的说明。
由于足以理解本发明，图1中仅示出了这些部件中的一个出口阀5。用于气体模式的气体供应系统通常包括两个气体入口开口(未示出)，用作燃料的气体通过该两个气体入口开口在气体模式下被引入到气缸2中。两个气体入口开口优选定位在气缸2的壁中，并且特别优选地以这样的方式定位，使得它们以彼此相对并且相对于由气缸轴线A限定的轴向方向径向相对地定位，它们位于上反向点和下反向点之间的大致中间。
此外，设置发动机控制系统100，利用该发动机控制系统控制大型柴油发动机1的功能和操作。在现代的大型柴油发动机1中，发动机控制系统100是电子系统，利用该电子系统通常所有发动机和气缸功能、尤其是喷射(喷射的开始和结束)，在气体模式和液体模式下，以及出口阀5的致动可以被调节或控制或调整。
在这里描述的纵向扫气二冲程大型柴油发动机的实施方式中，通常在每个气缸2或气缸套的下部区域中设置有扫气空气狭缝(未示出)，该扫气空气狭缝通过活塞3在气缸2中的移动而周期性地关闭和打开，使得由涡轮增压器在入口接收器(未示出)中的增压空气压力下提供的扫气空气能够只要在扫气空气狭缝打开时就通过扫气空气狭缝流入气缸2中。在气缸头或气缸盖21中设置有基本上居中定位的出口阀5，燃烧气体可以在燃烧过程之后通过该出口阀从气缸2被排放到废气系统(未示出)中。废气系统将燃烧气体的至少一部分引导到涡轮增压器的涡轮(未示出)，涡轮增压器的压缩机在增压空气压力下在入口接收器中提供增压空气。
为了在液体模式下将液态燃料引入到气缸2的燃烧腔室4中，设置一个或多个燃料喷射喷嘴(未示出)，该燃料喷射喷嘴例如位于气缸盖21中在出口阀5附近。例如重质燃料油或柴油可以在液体模式下作为液态燃料燃烧。
为了气体模式下的气体供应或气体引入，设置本身已知的气体供应系统，该气体供应系统包括气体入口开口(未示出)。优选地，气体入口开口均被设计为具有气体入口喷嘴的气体入口阀。
根据图示，活塞杆6用其下端定位在十字头销71中。另外，十字头销71中设置有用于调节压缩比的液压腔室10。压缩比是作为在扫气空气或空气燃料混合物的压缩之前的燃烧腔室4的第一容积与在扫气空气或空气燃料混合物的压缩之后的燃烧腔室4的剩余的第二容积的比的几何值。第一容积是紧接在关闭出口阀5之后燃烧腔室4的容积，即在利用活塞3的向上移动开始压缩的时刻的容积。第二容积是在扫气空气或空气燃料混合物的最大压缩时燃烧腔室4的容积。这基本上是燃烧过程开始时燃烧腔室4的容积。
用于改变压缩比的装置在现有技术中是已知的，例如从EP-A-2 687 707中已知，因此在此不需要任何详细的说明。
在根据本发明的大型柴油发动机1中，液压腔室10被设计成用于以这样的方式调节压缩比：使得位于十字头销71中的活塞杆6可以相对于十字头销71在气缸轴线A的方向上整体地移位。为此目的，活塞杆6被设计并定位成使得其限制液压腔室10。通过将液压介质例如液压油引入到液压腔室10中，或者通过从液压腔室10排放液压介质，活塞杆6可以相对于十字头销71移位。根据图1中的图示，活塞杆6以及因此还有活塞3可以因此相对于十字头销71向上和向下移位。如果活塞杆6根据图示通过将液压介质引入到液压腔室10中而向上移位，则第二容积、即最大压缩时的容积由此减小，从而压缩比增大。如果活塞杆6根据图示通过从液压腔室10排放液压介质而向下移动，则第二容积、即最大压缩时的容积由此增大，由此压缩比减小。因此，压缩比可以借助于液压腔室10在最小值和最大值之间被连续地调节。
由此，可以针对大型柴油发动机1操作的每个负荷来最佳地调节压缩比，使得对于每个负荷进行最有效的可能的燃烧过程。此外，在每种情况下，对于双燃料大型柴油发动机另外地可以最佳地调节相应燃料的压缩比。大型柴油发动机1与在液体模式下相比例如可以在气体模式下以更低的压缩比操作。
此外，也可以根据其它操作条件或操作参数，例如根据扫气空气(增压空气)的温度、在气体模式下用作燃料的气体的甲烷值或根据其它操作参数来最佳地调节压缩比。
根据本发明，设置压力传感器11，利用该压力传感器可以确定存在于液压腔室10中的液压压力，并且设置估算单元12，利用该估算单元可以借助于液压压力确定存在于燃烧腔室4中的气缸压力。
经由活塞杆6和其上侧31界定燃烧腔室4的活塞3，存在于燃烧腔室中的气缸压力被传输到液压腔室10中的液压介质，并因此改变存在于液压腔室10中的液压压力。因此，燃烧腔室4中的气缸压力可以根据液压腔室10中的液压压力的确定来确定。
在图1所示的第一实施方式中，压力传感器11设置在相对于发动机壳体200固定定位的测量点处。在图1中，发动机壳体200由线200表示。例如包括供用于十字头7的滑轨定位在其中的支架的发动机壳体200是固定的，其意义在于，在大型柴油发动机1的操作期间，该发动机壳体相对于大型柴油发动机1所处的空间不移动，当然与振动分离。相反，在大型柴油发动机1的操作期间，驱动部件，即特别是活塞3、活塞杆6、十字头7、推杆8和曲轴9相对于发动机壳体200运动，是指非固定的。术语“固定的”和“非固定的”必须按以下意义理解：在大型柴油发动机1的操作期间，固定部件不相对于发动机壳体200移动。在大型柴油发动机1的操作期间，非固定部件相对于发动机壳体200移动。因此，例如活塞3由于其冲程移动是非固定部件。
为了将存在于液压腔室10中的液压压力传输到固定定位的压力传感器11，设置液压压力传输装置13。压力传输装置13包括液压管线H，该液压管线一方面与液压腔室10连接，另一方面向压力传感器11施加压力。液压管线H在图1中用虚线示出。
液压压力传输装置13还包括肘节杆14，该肘节杆一方面以本身已知的方式附接到非固定的十字头7，另一方面附接到相对于发动机壳体200固定定位的固定点141。因此，肘节杆14、也称为枢转杆或摇臂可以用其一端跟随十字头7的移动，而其另一端附接到相对于发动机壳体200固定的固定点141。液压管线H可以位于肘节杆14上或肘节杆14内。
优选地，液压压力传输装置13包括减压器15，以便将存在于液压腔室10中的液压压力减小到较低压力，然后向压力传感器11施加该较低压力。减压器15优选地位于十字头7上并固定，使得其与十字头7一起移动。减压器15以这样的方式位于液压管线H内：其在高压侧流动连接到液压腔室10并被施以存在于液压腔室10中的压力。在低压侧，减压器15连接到压力传感器11，使得压力传感器11被施以减小的压力。减压器15具有的优点是，不必将作用在液压腔室10中的全部液压压力从十字头7传输到压力传感器11所处的该固定测量点，而仅传输减小的压力。在确定气缸压力时，在估算单元12中考虑经由减压器15的这种压力减小。
优选地，如图1所示，减压器15水平地布置，使得十字头7在竖直方向上移动的加速效果不影响减压器15内的压力传输。减压器15可以例如包括压力活塞，该压力活塞具有用压力加压的两个平面，这两个平面具有不同的尺寸，从而实现压力减小。然后，压力活塞以这样的方式布置：其在水平方向上移位，意味着垂直于十字头7或活塞杆6的移动方向。
压力传感器11与估算单元12信号连接。该信号连接例如通过第一信号线路S1实现。在图1中，信号连接被描绘为虚线。估算单元12信号连接到发动机控制系统100。例如，通过第二信号线路S2实现该信号连接。由估算单元12确定的气缸压力经由第二信号线路S2被传输到发动机控制系统100，使得发动机控制系统知道气缸2的燃烧腔室4中的气缸压力。
在估算单元12内存储有计算方法，估算单元12利用该计算方法根据由压力传感器11测量的压力或信号确定气缸2的燃烧腔室4中的气缸压力。该计算方法考虑了通过减压器15进行的压力减小。该计算方法还可以考虑其它值，例如由活塞3的移动产生的动态力，例如离心力，或离心动力，以保证根据由压力传感器11传输的测量值最精确地确定气缸压力。由活塞3和活塞杆6的移动产生的这种动态力例如可以取决于大型柴油发动机1活动地操作时的旋转速度。
为了补偿液压介质的潜在泄漏，例如可能在肘节杆14或减压器15处发生的泄漏，设置用于液压介质的第一储液器16。第一储液器16经由再填充管线17连接到液压管线H，其中再填充管线在位于固定点141和压力传感器11之间的点处通向液压管线H，意味着再填充管线17的口部设置在液压管线H的固定部分中。在再填充管线17中，第一止回阀171设置在其通向液压管线H的口部和第一储液器16之间，该第一止回阀以液压介质能够从第一储液器16流入液压管线H中而不能从液压管线H流入第一储液器16中的方式布置。从再填充管线17引入液压管线H中的液压介质还能够用于例如通过使设置在减压器15中的压力活塞根据图示向右移动-是指朝向高压侧移动，而使减压器15返回至其初始位置。此外，在第一止回阀171与第一储液器16之间的再填充管线17中设置有第二节流装置175。
优选地，当活塞3处于其移动的下反向点或其移动的下反向点附近时，发生液压介质从第一储液器16到液压管线H中的再填充或减压器15的复位。在活塞3的周期性移动的这个阶段中，燃烧腔室4中被施加在活塞31的上侧的压力是最小的，使得液压腔室10中的液压压力也是最小的。液压介质存在于第一储液器16中的压力如此大以致于当活塞3处于其下反向点的区域中时，液压介质可以通过再填充管线17流入液压管线H中。例如，第一储液器16中的液压介质的压力为几巴，例如小于10巴(1MPa)或大约4至5巴(0.4至0.5MPa)。该压力被选择为足够大，使得当活塞3处于其下反向点的区域中时，液压介质能够通过止回阀171流入液压管线H中。当减压器15回到其初始位置时，止回阀171关闭。在活塞3的随后的压缩冲程期间，液压腔室10中的液压压力增大，因此液压管线H中的压力也增大。当然，原则上，也可以以例如高达100巴的较高压力在第一储液器16中提供液压介质，但是小于16巴的压力是优选的，因为第一储液器16及其供应部件于是不被认为是高压系统，并且因此可以被设计成具有单个壁。
图2以示意图示出了根据本发明的大型柴油发动机1的第二实施方式。在第二实施方式的以下描述中，将仅更紧密地阐述与第一实施方式的不同之处。除此之外，第一实施方式的说明也以相同的方式或以类似的方式应用于第二实施方式。在第二实施方式中，相同的部件或相同功能的部件用与第一实施方式中相同的附图标记表示。
在第二实施方式中，压力传输装置13的肘节杆14附加地用于其它目的，而不是仅用于液压管线H。在第二实施方式中，肘节杆14因此不被设计为专门用于压力传输装置13的单独的肘节杆14，而是肘节杆14也用于其它目的。在第二实施方式中，肘节杆14附加地用于将液压介质引入液压腔室10中以及用于致动液压腔室10的压力释放。
为此目的，肘节杆包括供给部Z，利用该供给部可以将液压介质供给到液压腔室10。供给部Z例如被设计为位于肘节杆14中或肘节杆14上的管线。为了更好地理解，供给部Z用实线描绘，使得其可以更好地区别于用于压力测量的液压管线H。
供给部Z一方面与液压腔室10流动连接，另一方面可经由设定装置22与用于液压介质的第二储液器23连接。在第二储液器23中，液压介质与在第一储液器16中相比处于明显更高的压力下，例如为第一储液器16中的压力的30倍。第二储液器23中的压力被选择成使得可以使液压腔室10的压力足以在燃烧腔室4的方向上(根据图示向上)将活塞杆6和活塞3提升，以便调节压缩比。
第二储液器23和设定装置22相对于发动机壳体200是固定的。
设定装置22用于以这样的方式调节供给部Z内的压力，使得由其产生期望的压缩比。设定装置22例如被设计为比例阀，该比例阀例如经由第三信号线路S3信号连接到发动机控制系统100，使得发动机控制系统100可以致动设定装置22。如果活塞杆6和活塞3应当被提升以增大压缩比，则发动机控制系统100以这样的方式致动设定装置22、即例如比例阀：在供给部Z内产生压力，从而在液压腔室10内产生压力，使得活塞3被提升到期望位置。
在供给部Z内还设置有第二止回阀25，该第二止回阀位于肘节杆14和液压腔室10之间，即不在供给部Z的固定部分中。第二止回阀25优选地固定到十字头7。第二止回阀25防止液压介质从液压腔室10回流到供给部Z中。
设定装置22以这样的方式被设计：它将供给部Z连接到第二储液器23，其中较高压力占据(prevail)或完全阻断供给部Z和第二储液器23之间的流动连接，如图2所示。图2所示的这种状态意味着优选被设计为比例阀的设定装置22完全关闭。
如果液压腔室10中的压力应当增大以改变压缩比，则供给部Z经由设定装置22流动连接到第二储液器23，并且压力经由比例控制增大到期望值。根据泄漏或正常消耗，比例阀的开放流动截面将例如增大或减小。因此，如果需要大量的液压介质来填充液压腔室10，则设定装置22中的流动截面相应地增大，并且结果，在工作循环的一部分(其中，活塞3处于其下反向点的区域中)中，更多的液压介质可以流入液压腔室10中。
与供给部Z到第二储液器23的连接并行地，第一储液器16也经由备用管线172和第三止回阀174流动连接到供给部Z，其中第三止回阀174以这样的方式被布置和设计：液压介质能够从第一储液器16流入供给部Z中，但不能沿相反方向从供给部Z流入第一储液器16中。此外，第一节流机构173在备用管线172中设置在第三止回阀174和第一储液器16之间。备用管线172用于确保即使当设定装置22完全关闭并且供给部Z因此从第二储液器23脱离时，供给部Z也不会干运行，这可能导致不期望的干运行状况(dry running condition)。
对于所有的操作状态，例如也指在以恒定压缩比的操作期间不应当发生活塞杆的提升的那些操作状态，通过备用管线172确保供给部Z至少流动连接到第一储液器16并且不能完全干运行，例如通过泄漏。在此，第二止回阀25防止液压介质从液压腔室10回流到供给部Z中。
液压管线H中的减压器15在其高压侧与液压腔室10流动连接。为此目的，减压器15在其高压侧与出口管线101流动连接，该出口管线用于将液压介质从液压腔室10中排放。
与减压器15并行地，出口管线101与泄压阀26流动连接，该泄压阀用于从液压腔室10排放液压介质。这里，泄压阀26被设计为可致动的二通阀，该泄压阀的控制端口27通过液压管线H流动连接到减压器15的低压侧。因此泄压阀26被液压地致动。因此，与存在于减压器15的低压侧的大致相同量的压力被施加在泄压阀26的控制端口27上。
如果泄压阀26处于如图2所示的打开位置，则出口管线101和排放装置28之间的流动连接被打开，液压介质可以通过出口管线101和泄压阀28流出液压腔室10流到排放装置28，液压介质可以通过排放装置流出到容器29中，例如槽或盆。如果泄压阀26处于其关闭位置，则其关闭出口管线101和排放装置28之间的流动连接，使得液压介质不能流出液压腔室10而流入容器29中。
因此，具有与液压腔室10中相同的压力的出口管线101经由两个并行支路与用于压力交换的液压管线H连接，即一方面经由减压器15，该减压器的高压侧与出口管线101连接并且其低压侧与液压管线H连接，另一方面经由泄压阀26，该泄压阀的控制端口27与液压管线H连接。
因此，只要在控制端口27处存在足够高的压力以将泄压阀26保持在其关闭位置，就没有液压介质能够通过排放装置28从液压腔室10流出。为了从液压腔室10排放液压介质，控制端口27上的压力被释放，使得泄压阀26打开并且液压介质能够经由泄压阀26和排放装置28流出。
在第二实施方式中，液压管线H因此另外用作泄压阀26的控制管线，以从液压腔室10排放液压介质。
同样在第二实施方式中，液压管线H在其固定侧经由再填充管线17连接到第一储液器16，其中再填充管线17在位于固定点141和压力传感器11之间的点处通向液压管线H。在再填充管线17内设置第一止回阀171，该第一止回阀以这样的方式定位：使得液压介质可以从第一储液器16流入液压管线H中，但不能从液压管线H流入第一储液器16中。
此外，液压管线H在其固定区域中与泄压管线30流动连接，在该泄压管线中设置有在此被设计为截止元件的可致动的开关元件31，该开关元件选择性地打开或关闭穿过泄压管线30的通道。开关元件31被设计为例如可致动的截止阀，例如双通阀。开关元件31例如经由第四信号线路S4信号连接到发动机控制系统100，使得发动机控制系统100可以致动控制元件31。
在该实施方式中，泄压管线30通向另一个容器32，例如槽或盆，该容器32可以与容器29相同。
只要开关元件31阻断穿过泄压管线30的通道，则经由减压器15减小的与液压腔室10中的液压压力成比例的压力就存在于液压管线H中，使得存在于燃烧腔室4中的气缸压力可以借助于压力传感器11和估算单元12来确定。此外，出口管线101经由泄压阀26保持关闭。
例如，如果液压介质应当从液压腔室10被排放以便减小压缩比，则发动机控制系统100经由第四信号线路S4以这样的方式致动开关元件31：使得开关元件打开穿过泄压管线30的通道。由此，液压管线H中的压力被释放，特别地泄压阀26的控制端口27上的压力也下降。由此，泄压阀26打开，并且液压介质能够经由出口管线101和排放装置28流出液压腔室10。
在此，再填充管线17内的第二节流装置175防止足够量的液压介质从第一储液器16流入，使得液压管线H中的压力根据需要下降，并且泄压阀26切换到打开位置。
图3以示意图示出了根据本发明的大型柴油发动机1的第三实施方式。在第三实施方式的以下描述中，将仅更紧密地阐述与第一实施方式和第二实施方式的不同之处。除此之外，第一实施方式和第二实施方式的说明以相同的方式或类似的方式应用于第三实施方式。在第三实施方式中，相同的部件或相同功能的部件用与第一实施方式和第二实施方式中相同的附图标记表示。
同样在第三实施方式中，正如在第二实施方式中一样，用于液压腔室10的泄压的液压连接被用作用于压力测量的液压管线H，意味着压力传输装置13的肘节杆14也用于致动液压腔室10的压力释放。
然而，与第二实施方式不同的是，在第三实施方式中，另外用作泄压阀26的控制管线的液压管线H可选地可连接到第一储液器16或第二储液器23。为此目的，开关元件31在第三实施方式中被设计为开关阀，例如3/2通阀，该开关阀在其出口处与泄压管线30连接，该泄压管线与液压管线H流动连接。对于开关元件31的两个入口，一个入口经由再填充管线17与具有较低压力的第一储液器16流动连接，另一个入口经由供应管线231与具有较高压力的第二储液器23流动连接。此外，在供应管线231内设置有第四止回阀232，该第四止回阀以这样的方式定位和设计：使得它允许液压介质从第二储液器23流入开关元件31中，但是阻止液压介质通过供应管线231回流到第二储液器23中。
如果开关元件31处于图3所示的开关位置，则液压管线H经由泄压管线30和再填充管线17与第一储液器16流动连接。如果开关元件31处于其另一开关位置，则液压管线H经由泄压管线30和供应管线231与第二储液器23流动连接。
图3所示的开关元件31的开关位置优选地仅在VCR系统被停用时使用。如果液压管线H与第一储液器16流动连接，则仅存在于第一储液器16中的较低压力被施加到泄压阀26的控制端口27。根据第一储液器16中的较低压力被选择为多大，第一储液器16中的较低压力可能不足以将泄压阀26保持在关闭位置。因此，图3中描述的开关元件31的开关位置优选地仅在VCR系统被停用时被选择。
当VCR系统启用或被启动时，开关元件31被置于该开关位置，在该开关位置，液压管线H经由泄压管线30和供应管线231流动连接到具有较高压力的第二储液器23。由于现在较高的压力被施加到泄压阀26的控制端口27，所以它被可靠地带回到其关闭位置并被保持在那里。因为第四止回阀231在液压管线H中的压力变得大于第二储液器23中的压力的情况下也防止液压介质的回流，所以现在可以经由液压管线H借助于压力传感器11和估算单元12确定气缸压力。
在第三实施方式中，在再填充管线17内设置止回阀171不是必需的，但可以如此。
第三实施方式特别具有的优点是，即使VCR系统被停用，肘节杆14或液压管线H也保持充满液压介质并且不会干运行，因为即使在VCR系统被停用时，液压管线H也流动连接到第一储液器16。
图4以示意图示出了根据本发明的大型柴油发动机1的第四实施方式。在第四实施方式的以下描述中，将仅更紧密地说明与第一实施方式、第二实施方式和第三实施方式的不同之处。除此之外，第一实施方式、第二实施方式和第三实施方式的说明以相同或类似的方式应用于第四实施方式。在第四实施方式中，相同的部件或相同功能的部件用与第一实施方式、第二实施方式和第三实施方式中相同的附图标记表示。
在第四实施方式中，压力的测量经由供给部Z进行，液压介质利用该供给部Z被供给到液压腔室10中。这意味着，在第四实施方式中，供给部Z用作用于测量压力的液压管线H。由于用于测量压力的液压管线H用虚线示出，所以在第四实施方式的图4中，供给部Z也用虚线示出。
在图4中，用于致动泄压阀26的控制管线用实线示出并且用附图标记L表示。
由于在第四实施方式中，供给部Z用作用于测量压力的液压管线H，因此减压器15在低压侧流动连接到供给部Z。减压器15在低压侧的一点处连接到供给部Z，该点相对于流动方向位于肘节杆14和第二止回阀25之间。在高压侧，减压器15流动连接到液压腔室10，使得减压器15的高压侧被施以存在于液压腔室10中的压力。减压器15与第二止回阀25并行地定位。
供给部Z用作用于测量供给部Z的非固定区域中的压力的液压管线H。在供给部Z的固定区域中设置有支路142，在该支路中，液压管线H从供给部Z分支出并朝向压力传感器11延伸。供给部Z从该支路142延伸到设定装置22。如已经结合第二实施方式所述，设定装置22以这样的方式被设计：使得设定装置可选地将供给部Z连接到第二储液器23(较高压力存在于该第二储液器中)，或者设定装置完全关闭供给部Z和第二储液器23之间的流动连接，如图4所示。图4所示的这种状态意味着优选被设计为比例阀的设定装置22被完全关闭。
为了能够经由液压管线H测量压力，在支路142和设定装置22之间的流动连接中设置第五止回阀221，该第五止回阀以这样的方式定位和设计：使得第五止回阀允许液压介质从设定装置22流到支路142，但是防止液压介质从支路142在设定装置22的方向上的回流。
以类似于基于第三实施方式描述的方式，控制管线L可以可选地流动连接到第一储液器16(较低压力)或第二储液器23(较高压力)以致动泄压阀26。
在此，当活塞3处于其下反向点的区域中时，也发生用液压介质填充或再填充液压腔室10，因为在此液压腔室10中的压力在整个工作循环中是最低的。第五止回阀221和第二止回阀25打开，使得液压介质以本身已知的方式流入液压腔室10中，例如以补偿由泄漏引起的损失。例如通过使减压器15的压力活塞移位，减压器15被液压介质带到其初始位置。当气缸2内的压缩在活塞3的压缩冲程的过程中开始时，液压腔室10内的压力增大，由此第二止回阀25关闭。一旦液压介质停止流入液压腔室10中，第五止回阀221也关闭。减压器15与存在于液压腔室10中的液压压力成比例地、并因此与气缸压力成比例地增加液压管线H中的压力。存在于液压管线H中的压力由液压管线H的固定侧的压力传感器11检测，并被传输到估算单元12，以用于确定气缸2的燃烧腔室4中的气缸压力。
图5以示意图示出了根据本发明的大型柴油发动机1的第五实施方式。在第五实施方式的以下描述中，将仅更紧密地说明与先前描述的实施方式的不同之处。除此之外，对前述实施方式的说明也以相同方式或类似方式应用于第五实施方式。在第五实施方式中，相同的部件或相同功能的部件用与前述实施方式中相同的附图标记表示。
在第五实施方式中，压力传感器11以压力传感器11与十字头7一起移动的方式定位在十字头7上。因此，压力传感器11在第五实施方式中不是固定的，而是相对于发动机壳体移动。由压力传感器11确定的值然后被传输到通常但不是必需是固定的估算单元12。从压力传感器11到估算单元12的这种传输可以经由无线信号连接而发生，例如经由压力传感器11上的发射器和估算单元12上的接收器。也可以借助于第一信号线路S1执行传输，该第一信号线路被设计为柔性线缆并且将估算单元12连接到可相对于估算单元移动的压力传感器11。这种线缆例如可以位于肘节杆上或肘节杆中。这尤其也可以是大型柴油发动机1中的肘节杆中的一个，该肘节杆位于固定的发动机壳体200和在操作状态下移动的十字头7之间，例如以将润滑或冷却介质引入到十字头7或活塞杆6中。为了引导第一信号线路S1，也可以使用肘节杆，利用该肘节杆将液压介质供给到液压腔室10中以用于使活塞杆6移位。当然，在第五实施方式中，减压器15也可设置在液压管线H中位于液压腔室10和压力传感器11之间。

Claims (15)

1.一种大型柴油发动机，所述大型柴油发动机具有至少一个气缸(2)，所述气缸具有由活塞(3)限定的燃烧腔室(4)，所述活塞定位成能够沿着气缸轴线(A)来回移动，所述大型柴油发动机还具有能够旋转的曲轴(9)，其中，所述活塞(3)经由活塞杆(6)与十字头(7)连接，所述十字头具有十字头销(71)，其中，所述十字头(7)经由推杆(8)与所述曲轴(9)连接，并且其中，在所述十字头销(71)中设置有液压腔室(10)，所述液压腔室由所述活塞杆(6)限定，并且借助于所述液压腔室，所述活塞杆(6)能够相对于所述十字头销(71)在所述气缸轴线(A)的方向上移位，以便调节压缩比，其特征在于，设置有压力传感器(11)和估算单元(12)，利用所述压力传感器能够确定存在于所述液压腔室(10)中的液压压力，利用所述估算单元能够借助于所述液压压力来确定存在于所述燃烧腔室(4)中的气缸压力。
2.根据权利要求1所述的大型柴油发动机，其中，所述压力传感器(11)以该压力传感器(11)与所述十字头(7)一起移动的方式定位在所述十字头(7)上。
3.根据权利要求1所述的大型柴油发动机，其中，所述压力传感器(11)设置在相对于发动机壳体(200)固定定位的测量点处。
4.根据权利要求3所述的大型柴油发动机，其中，设置有液压压力传输装置(13)，利用所述液压压力传输装置能够将存在于所述液压腔室(10)中的液压压力传输到所述压力传感器(11)。
5.根据权利要求4所述的大型柴油发动机，其中，所述液压压力传输装置(13)包括肘节杆(14)，所述肘节杆一方面连接到所述十字头(7)，另一方面连接到所述发动机壳体(200)。
6.根据权利要求5所述的大型柴油发动机，其中，所述肘节杆(14)包括供给部(Z)，利用所述供给部能够将液压介质供给到所述液压腔室(10)。
7.根据权利要求5或6所述的大型柴油发动机，其中，所述肘节杆(14)包括用于泄压阀(26)的控制管线(H)，所述控制管线用于从所述液压腔室(10)排放所述液压介质。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的大型柴油发动机，其中，所述液压压力传输装置(14)包括减压器(15)，所述减压器能够被施以存在于所述液压腔室(10)中的液压压力并减小该压力。
9.根据权利要求8所述的大型柴油发动机，其中，所述减压器(15)位于所述十字头(7)上。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的大型柴油发动机，其中，所述减压器(15)包括高压侧和低压侧，其中，所述高压侧流动连接到所述液压腔室(10)，并且其中，所述压力传感器(11)能够被施以存在于所述低压侧的压力。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的大型柴油发动机，其中，所述减压器(15)流动连接到用于从所述液压腔室(10)排放所述液压介质的出口管线(101)。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的大型柴油发动机，其中，液压介质能够被供给到所述减压器(15)的所述低压侧。
13.根据前述权利要求中任一项所述的大型柴油发动机，所述大型柴油发动机被设计为纵向扫气二冲程大型柴油发动机。
14.根据权利要求13所述的大型柴油发动机，所述大型柴油发动机被设计为双燃料大型柴油发动机，所述双燃料大型柴油发动机能够在液体模式下操作，在所述液体模式下，液体燃料被引入到所述燃烧腔室(4)中以用于燃烧，并且所述双燃料大型柴油发动机能够另外在气体模式下操作，在所述气体模式下，气体被引入到所述燃烧腔室(4)中以用于燃烧。
15.一种确定大型柴油发动机的气缸压力的方法，所述大型柴油发动机具有至少一个气缸(2)，所述气缸具有由活塞(3)限定的燃烧腔室(4)，所述活塞定位成能够沿着气缸轴线(A)来回移动，所述大型柴油发动机还具有能够旋转的曲轴(9)，其中，所述活塞(3)经由活塞杆(6)与十字头(7)连接，所述十字头具有十字头销(71)，其中，所述十字头(7)经由推杆(8)与所述曲轴(9)连接，并且其中，在所述十字头销(71)中设置有液压腔室(10)，所述液压腔室由所述活塞杆(6)限定，并且借助于所述液压腔室，所述活塞杆(6)能够相对于所述十字头销(71)在所述气缸轴线(A)的方向上移位，以便调节压缩比，其特征在于，借助于压力传感器(11)并且借助于估算单元(12)来确定所述液压腔室中的液压压力，借助于所述液压压力来确定存在于所述燃烧腔室(4)中的气缸压力。
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