CN1248671A - 往复活塞式内燃机 - Google Patents

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Abstract

往复活塞式内燃机包含每缸一个供容积喷射的喷射系统;一个或多个供应燃料的高压泵;至少一个供应控制介质的压力泵;相对于燃料、控制油和工作油各有一个蓄压器,与泵、换气系统和液压系统连通,液压系统带有控制喷射和作动换气的控制件;一个或多个转角传感器和一个控制装置,控制装置带有一个中央单元和多个电子控制模件,以控制起动空气供应、喷射、换气和中央润滑。该内燃机在正常运转中以纯电子方式受控。

Description

往复活塞式内燃机
本发明涉及一种具有多个气缸的往复活塞式内燃机，尤其是二冲程柴油机。
内燃机，尤其是二冲程柴油机用作船舶推进器的主机，但也用作发电的电站。这些机器有一控制轴(凸轮轴)，它经设置于凸轮轴上的凸轮驱动燃料泵。此外，换气阀由该控制轴经凸轮和推杆，或分别由凸轮驱动的泵，所谓液压推杆和活塞驱动装置驱动。该控制轴本身已代表了大的造价和复杂性。这固然是由于它在发动机整个长度内的尺寸、大的质量，倒车机构的轴承要被双向运转的机器中的润滑油润滑，尤其是由于由曲轴驱动所需要的至少2(至4)个齿轮(和/或链条)。
此外，需要扭振阻尼装置。
这类结构的缺点在于，一方面，喷射开始和换气阀开、闭的时刻是由相应凸轮恒定地预定的，另一方面，为使换气阀作动可变和/或喷射开始可变需要较大的结构工作量。
本发明的目的是改善具有多个气缸的往复活塞式内燃机，同时避免所列举的缺点。
可以看到采用本发明所能获得的优点在于具有更加实用的发动机结构，较低的燃料消耗，较低的污染排放，部件受热较低，保养较简单，和由于采用电子控制系统较可靠的运转。而且，改善了在小于额定转速的25％的转速下机器的运转，通过改善的集中控制这使发动机能连续地运转，尤其是在通过海峡的低速行驶期间。
下面参照附图说明本发明。
图1是本发明二冲程柴油机的一个实施例的简略表示；
图2是图1机器的简略表示；
图3是喷射装置实施例的简略表示；
图4是换气系统的简略表示；
图5是该机器的控制系统的框图；
图6是喷射装置另一实施例的简略表示；
图7是图4中A的细部。
参照图1至3。图1表示一台二冲程柴油机，它例如具有4个未图示的气缸，其中，换气阀运动、燃料供给和活塞位置之间的配合是由电子控制的。该发动机有一安装在曲轴上的第一齿轮1和一与第一齿轮啮合的第二齿轮2。第二齿轮2存在于机械传动机构中作为辅助动力，在特定气缸数的情况下能用以驱动第二级惯性力的补偿机构。该发动机包含高压泵3，最好是一些具有可变燃料输送压力的负压限制泵；一调压器作动器4；燃料蓄压器5，经管线6与该高压泵连通；控制润滑油的压力泵7，107；控制油蓄压器8，108，它们经管线109与压力泵7，107连通，在所有情况下仅图示出一个泵，一个蓄压器和一条管线。燃料高压泵3由第二齿轮2驱动，控制油泵107由辅助马达驱动。
如图2所示，每一缸设有一个与蓄压器5和第二蓄压器108相连的喷射系统11，以及一个与第三蓄压器8相连的换气系统12。
蓄压器5，108是带与不带连接件的管状部件。在无连接件的蓄压器中，容积贮存最好仅基于被贮介质的弹性。在蓄压器5上设有一个将蓄压器内的压力限制于一固定的最大值的安全阀16和一个测定蓄压器中压力的压力检测器17。
分别泵压润滑油或控制油的蓄压器8，108的压力泵7，107及预控制阀14在所有情况下构成一个控制喷射系统和换气系统的液压系统，一过滤器13设置在每一泵的前头，每一蓄压器8，108设有一压力检测器18，19。在液压控制系统的进口和出口中以及在蓄压器5和喷射系统11之间的燃料管路中装入阀40，41，42，它们能使各单独气缸的喷射系统跟发动机切断，因而在发动机运转时仍能进行喷射系统的修理。
该机器具有一电子控制装置。为确定曲轴转速和曲轴转角，一转角传感器25经机械装置连于该曲轴，其间无滑转和窜动，在第二齿轮2和转角传感器25之间能构成这样的传动装置(未示)，使转角传感器以发动机转速旋转。设置两参考传感器26，以监测曲轴和转角传感器之间的同步性。
润滑装置包含至少一个中央单元21，每缸一个控制模件22，一遥控装置23和一转速调节器24。中央单元21和控制模件22经一数据总线相联，但构成一些独立的控制单元，赋于它们的工作范围是确定的。遥控装置23以信号发送方式与中央单元相连。压力传感器17，18，和19连于中央单元21。中央单元21还连于高压燃料泵3的一个或几个调压器作动器4和一个或几个高压润滑油泵7的一个或几个调压件。该控制模件22连于喷射系统11和换气系统12的预控阀14以及换气系统的测量系统71和容积喷咀的测量装置(图7)。
中央单元21包含一记忆装置，其中储存有关该发动机的全部功能。该控制模件同样包含一记忆装置，其中储存有关该缸的各种功能。
控制单元21构成发动机各相关传感器，转速调节器和遥控装置(操作者界面)到各缸控制单元的界面。此外它应答各介质的压力调节。
按照所提供的数据，在中央单元内确定发动机相应的瞬时和所希望的运转状况，并经该总线传递给控制模件22。
控制模件22根据喷射瞬时、喷射量和考虑了各别缸偏差的换气控制时间确定这些数据。出于安全考虑，在该实施例中以备分的方法设置中央单元21。由于不管哪一个缸发生故障都要确保连续的运转，因此对控制模件22的故障要有储备。
作为仅有中央单元21的各实施例，该中央单元可仅包含压力调节器和操作者界面的功能。这二个功能是由一独立于该中央单元的简单的备分系统支持的。所有其它的资料和功能被合并于各单独的控制模件22内，通过这种安排，发动机在中央单元21故障和控制模件22故障时能够运转。
下面说明喷射系统11，相对于四缸中的每一缸它包括3个燃料喷咀31和一个喷射装置31，并与一个或多个预控阀14相联。
图3表示喷射装置32实施例的主要部分。该喷油装置包含一计量活塞34，一滑阀35和一监测该计量活塞位置以进行容积喷射的行程记录系统36。计量活塞34被设计成一种差动活塞。该计量活塞被设置在一计量腔37内，一方面，一连通蓄压器5的连接通道通向其内，另一方面，与通道140连通。该通道140与腔141和腔142连通，将该通道的长度设计得较短是有利的，以保持低的动态压力差，并防止该滑阀自动开启。一盲孔143通至腔141内。一弹簧145设置在腔141内，它一方面支承在滑阀35上，另一方面支承在腔141内，以使滑阀保持在基本位置。在滑阀35上制有阀座38’和二控制棱38II和38IV。滑阀35设置在所述壳体内，并和后者一起构成间隙密封装置38III，38V和39。滑润35有一活塞144，后者突入所述盲孔内。设有防护罩30的燃料回流通道分叉成喷射通道，这样，当喷咀针阀由于燃料经该罩30流出而被吸到该无压力空间内时不会发生燃料喷射。
该预控阀设计成一换向阀，并在换向位置之间须有一刚性罩，防止阀柱塞被吸附时第二蓄压器108排空。
此外，设置一个未图示出的单元，以便对各缸提供润滑手段，而与负荷和/或曲轴转角无关。
下面将说明喷射系统的功能。在滑阀35的基本位置上，燃料自蓄压器5经滑阀35的控制棱38IV流入计量腔37。由于在两侧用蓄压器压力加载的计量活塞34的面积差，计量活塞34移入其限定端位置。该计量活塞34和滑阀35阻止自蓄压器5引出的燃料通道通至燃料喷咀31，并且，若燃料喷咀的喷咀针阀已被吸住，阻止自蓄压器5流出。此外，燃料经通道140流入腔141和142，因此在腔142内存在相同的压力。这具有这样的好处，仅由于一控制命令，便能作动该滑阀。
预控阀14通过控制模件22变换，使控制油自蓄压器108到达滑阀35的控制活塞39，并使后者产生位移。由于在阀座38I和控制棱38II之间有刚性罩，因此在控制棱38II开启之前控制棱38IV关闭。当控制棱38II开启时，计量腔37和燃料喷咀31之间接通。通过滑阀35的位移，活塞144被移入盲孔143内，控制棱147开始阻止滑阀移动，并以特别有利的方式达到阻尼。
计量活塞的后侧连通于蓄压器5，蓄压器5内的压力将燃料移至燃料喷咀31，直到燃料容积相当于计量活塞面积和其行程的乘积，以获得由转速调节器确定的转速值；这就是说，达到了容积燃料计量。计量活塞34的位移由测量系统36测定，而控制模件22使预控阀14变换，因此，在滑阀35中，控制棱38II首先关闭，然后，控制棱38IV开启。由于这一动作，中断了对燃料喷咀31的燃料供应。
滑阀35与各燃料喷咀31相关联，因此各缸的燃料喷咀能彼此独立地得到控制，而所有的喷射可能性，诸如单次喷射，一次或多次间歇喷射，各别喷咀不同的喷射时间长度，在所有情况下用周期的或随机的互换可以实现(图2)。若燃料喷咀设有喷咀针阀的阻尼装置是有利的。出于这个理由，在该壳体中形成将腔148连通到泄油管路的腔148和通道149。该喷咀针阀设置在背离带有柱塞150的阀座的一端，该柱塞突入该腔中。单个滑阀35作为低价方案能操作所有的燃料喷咀。对于所述系统，能使用在这些发动机中常用的重油和沉积油。
如图4所示，换气系统12包含一个具有一分隔活塞56和一控制活塞52的装置51，分隔活塞和控制活塞在所有情况下与换气阀53相关联。分隔活塞56用于分隔液压系统(工作油)和控制油回路及在该端部位置区域阻尼输出阀53的运动。预控阀14在一变换位置上自蓄压器8排除工作油，并将控制活塞52变换到二个可能位置中的一个，在这位置上，换气阀53由于阀空气弹簧61进入“关闭”位置。这样，一驱动活塞54沿阀轴被推动，将油排入管路55内，油又推动活塞56，使它接近一限定的起始位置。活塞56又将工作油经控制活塞52排入管路57，最好到一集油槽。在直到换气阀53下一次变换的时间内，由于泄漏损失和经未图示的连续换气而损失的油经管路58和止回阀59重新补充，从而使活塞56完全进入限定的初始位置。
若将预控制阀14安置在另一位置，一压缩弹簧60将控制活塞52移入另一位置，这样，工作油可经该预控制阀14流出，并将背离管路58的活塞56的一侧经控制活塞52连通至蓄压器8。流过活塞56的工作油流过活塞56、所述管道和驱动活塞54的工作油克服仍存在于发动机气缸中的气体压力和阀空气弹簧61开启该换气阀。
若该换气阀用作出口阀，由于仅在这动程的开始必须有大的力存在，以便能克服仍然存在于气缸中的压力而开启，该驱动阀54被制成为一阶梯活塞65，66。在该阀动程开始时，大活塞64以其大横截面积作用，并产生为开启换气阀53所需的力。在阀运动的其余进程中，小的力足以使换气阀53完成全部的行程。大活塞65移向台阶座67，该运动在到达该台阶座不久前受未图示的阻尼装置的阻尼。通过活塞65和66的安排，使取自第二蓄压器8的工作油量减至最小。
测量系统71包含一阶梯圆锥体72和备分传感器78，以测量换气阀的运动，并产生一测量信号，它被传输来控制模件22。该控制系统判别换气阀运动是否符合所需要的值，在发生变换故障的情况下干预并抑制例如对相关气缸的燃料喷射。于是确保例如一台几个气缸的发动机能以n-1个气缸工作。如图7所示，阶梯圆锥72有一第一圆锥部79，一邻接的圆柱部76和一连续的第二圆锥部77，第一和第二圆锥部的锥角选得尽可能的大，以利用传感器测量区域的最大范围。第一部79测量阀的开启状态，并在阀开启期间能判断阻尼。第二部77测量阀的关闭状态，并在阀关闭期间能判断阻尼。在小发动机内，由于出口阀行程短以及许差小，仅用一个锥部覆盖整个阀行程的单一的圆锥结构也是可能的。
若出于某些理由，换气阀53并不完全关闭，则阶梯活塞65和66并不处在其初始位置，即在管路55内有太多的油。现在若活塞56输送全量的油，则换气阀53会受空气弹簧61的压力而处在相对于阀导套未限定的状态中，这会使发动机毁坏。
为防止这一事故产生，设置了通过压缩吸收换气阀功能的板簧，从而防止了发动机损坏。在管路55和驱动活塞54之间的一个未图示出的连续换气系统和不可避免的泄漏损失保证了在换气阀“开启”相位中若液压控制器出现故障，换气阀在一定时间(数秒)后自动关闭。
由于活塞56隔离液压系统和润滑油路，工作油路污染的危险大大地排除了，因为充以精细过滤的油的工作油路在露出油缸时无须开启。允许每缸的换气系统与发动机隔离的阀73、74、75被装入处在第二蓄压器8和控制活塞52之间的管路内，以及在止回阀59前面的补充管路58内和流出管路57内，这样，在发动机运转时可以对出口阀控制器进行修理。
如图5所示，该控制装置可有两个中央单元21，其中一个作为主单元工作，而另一个作为备用单元。中央单元21经总线系统连于各控制模件22和传感器25，26。传感器25，26是以这样方式安排的，在曲轴的某一特定角度位置上，使所有的传感器信号经一逻辑线路均受到有效性的检验。若测得一个错误，便能确定有缺陷的传感器。每一控制模件22借助于中央单元21的资料控制该喷射系统，换气系统和起动空气阀28。若设有一进口控制器27，一喷水器或一连续的活塞润滑装置，它同样受控制模件22的控制。在正常运转状况下，图5中所示的两总线分担该工作任务，其中一个仅用作模件之间的联系，而另一个仅用作当前的曲轴位置和转速的传输。在紧急状况下，即如果其中的一根总线有故障，发动机也能仅用一根未受损的总线以较低精度运转。
若在该电子控制系统中出现干扰或故障，例如，该两转角传感器25受损，则中央单元21不再正确地产生所需的电信号，然后需要一个应急系统，以保持大型柴油机的运转能力。如图5所示，在本发明的内燃机中，为此可设置一相位控制轴91，它以协调发动机工作循环的方式产生预控阀14的电控信号。该相位控制轴91是一独立组件，机械连接于发动机曲轴。
图6表示喷射装置的另一实施例。压力泵7，蓄压器8和预控阀14构成控制喷射和操作换气的液压系统。
该喷射装置包含一计量活塞81，一滑阀82，一控制阀83和一个用以监测计量活塞位置以实现容积喷射的行程记录系统。该计量活塞被设计为一压力放大器。压力泵86将燃料输入计量活塞81，而控制阀83阻塞通至喷咀的通道。
在基本位置上滑阀关闭，压力放大器处在起始位置，控制阀关闭。由压力泵输入压力放大器的燃料使压力放大器保持在起始位置。若控制滑阀由液压系统借助于预控阀14a作动，则压力控制油流入压力放大器，并移动后者。压力放大器提高了燃料的喷射压力。应当指出，每缸可设置一个或多个预控阀14或控制阀83。
该往复活塞式内燃机包含一个供每缸容积喷射的喷射系统；一个或多个高压燃料供应泵；至少一个供应控制介质的压力泵；燃料、控制油和工作油各有一蓄压器，分别与各所述泵和换气系统连通；一个带控制喷射和操作换气的一些构件的液压系统；一个或多个转角传感器和一个带中央单元和多个电控模件以控制起动空气供应、喷射、换气和中央润滑的控制装置。
该发动机在正常运转状态以纯电子方式受控制。

Claims (19)

1.包括多个气缸的往复活塞式内燃机，尤其是二冲程柴油机，包含借助于计量活塞进行燃料容积喷射的每缸一个喷射系统(11)；每缸一个换气系统(12)；多个供给燃料和控制介质的泵(4.7，107，15)；一个或多个供燃料和控制介质用的蓄压器，它们与泵和喷射系统和/或换气系统连通；一个带有控制喷射和换气的控制件(14)的液压系统；每缸一个润滑装置；一个或多个转角传感器(22，24)；带有多个电子控制模件(92)以调节燃料供给和换气并控制起动空气供给的一个控制装置(21)。
2.包括多个气缸的往复活塞式内燃机，尤其是二冲程柴油机，包含借助于计量活塞进行燃料容积喷射的每缸一个喷射系统(11)；每缸一个换气系统(12)，多个供给燃料和控制介质的泵(3.7，107，15)；一个或多个供燃料和控制介质用的蓄压器，它们与泵和喷射系统和/或换气系统连通；一个带有控制喷射和换气的控制件(14)的液压系统；每缸一个润滑装置，一个或多个转角传感器(25，26)；一个带有中央单元(21)的内燃机控制装置，包括每缸一个自控电子控制模件(22)，它以这样方式工作，使燃料喷咀能各自为燃料供给所激励，能调节换气，能控制起动空气供给。
3.按权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于高压泵(4)最好设有燃料负压限制控制器。
4.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于工作介质泵(7)与曲轴连接。
5.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于具有工作介质泵(7)的辅助驱动装置。
6.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于设有带或不带连接件的蓄压器(5、8、108)。
7.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于设有燃料蓄压器安全阀，以使蓄压器中的压力保持在一设定的最大值。
8.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于在所有情况下在燃料和控制介质的输送管路内设有阀(40，41，42；73，74，75)，以使发动机各缸的喷射系统(11)和换气阀(13)隔离，能通过手动作动这些阀。
9.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于为计量燃料设有一差动活塞(34)或一阶梯活塞(81)。
10.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于它有一测量系统，以调节计量活塞(34，81)的手动。
11.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于设有带压力调节的中央润滑装置。
12.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于设有一定时中央润滑装置。
13.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于每缸设有一个起动空气电控阀。
14.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于具有一个一根与曲轴相连的相位控制轴(23)，以便在控制装置出现故障时控制内燃机。
15.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于设置多个转角传感器(25)，将它们配置在一根轴上以产生代表曲轴转角的信号；多个带有控制逻辑的参考传感器(26)以监测代表曲轴转角的信号。
16.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于一控制模件与每一缸相关联，并按信号传输方式连于控制装置。
17.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于具有一测量系统，以调节换气阀的运动。
18.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于每缸设有一进口控制器(27)。
19.按上述任一权利要求所述的内燃机，其特征在于设置过滤器(13)，它们被安置在泵(7，107)的前头，以控制油。
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