CN1296122A - 使一四冲程内燃机运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种使一四冲程柴油机运行的方法,在该方法中,水被喷入一个活塞(3)在其中作往复运动的气缸(2)中,并且该气缸(2)具有至少一个用于排出废气的排气口(7),及至少一个用于提供空气的进气口(8),其特征在于:在活塞(3)的排气冲程期间,所述排气口是关闭的,因此活塞(3)在排气冲程结束时在到达闲置上死点前,该排气口已经关闭,当活塞(3)处于闲置上死点区域时,将水喷入气缸(2)中。

Description

使一四冲程内燃机运行的方法
本发明涉及一种使一内燃机运行的方法，及一种按该方法运行的四冲程内燃机。
在柴油机运行期间，通常会产生大量的氧化氮(NOx)污染物。特别是在大型柴油机，例如用作船舶或固定发电机的主驱动机组的大型柴油机中更是如此。因此，为了保护环境，人们在开发具有显著低的NOx排放的柴油机方面投入了大量的努力。例如NOx排放的降低可借助于催化转化降低NOx的方法来实现。但是具体地说，由于空间的因素，在大型柴油机中-如果考虑到各种可能性-通常很难设置相应大小的催化转化装置。因此发展起来的所谓主要措施都是集中在降低气缸中燃烧室中的氮氧化物的生成上。
在柴油机中公知的措施是除喷入燃料外还将水喷入燃烧室，以便降低燃烧温度，特别是火焰前锋产生的峰值温度，通过它来降低NOx组分，从而降低发动机的NOx排放。水是在燃烧期间或燃烧前一点喷入燃烧室的。在四冲程柴油机中，通过水是在压缩冲程端部，即在燃料喷入的同时喷入的。水可与燃料分别喷入气缸中的燃烧室中；或者首先形成一种水-油乳化物，然后在将该乳化物喷入气缸。
从这样的现有技术出发，本发明的目的是为了提供一种使一四冲程柴油机运行的简单方法，借助于该方法，该四冲程柴油机的氮氧化物排放与按公知的方法运行的柴油机相比可进一步降低，而不必用复杂的机件或高的成本。
可实现该目的、使一四冲程柴油机运行的方法的特征在于方法独立权利要求的各特征。
因此，根据本发明提供了一种使一四冲程柴油机运行的方法。在该方法中，水被喷入一个活塞在其中作往复运动的气缸中，并且该气缸具有至少一个用于排出废气的排气口，及至少一个用于提供空气的进气口，在活塞的排气冲程期间，该排气口关闭，因此活塞在排气冲程结束时在到达闲置上死点前，该排气口已经关闭，当活塞处于闲置上死点区域时，水被喷入该气缸。
由于该气缸的排气口在活塞于排气冲程结束时在到达闲置上死点前已经关闭，因此在任何情况下，在前面的燃烧过程中产生的部分废气滞留在该气缸中。当活塞处于该闲置上死点区域时，将水喷入仍很热的废气中。这样可使喷入的水非常好地汽化，从而冷却仍滞留在气缸中的废气。在后续的进气冲程中，新鲜空气流入该气缸并与滞留在该气缸中的废气形成混合气。该混合气与新鲜空气相比，其氧的浓度低。在下一个压缩冲程中将该混合气压缩。在压缩冲程端部，将燃料喷入该混合气。由于混合气中和该混合气中所包含的水蒸汽中的氧的浓度降低，因此在后续的燃烧过程中产生氮氧化物显著减少，这样就可使该柴油机以低的污染运行。另外，本发明的方法可在不显著增加成本和复杂性时得到实施，从经济方面考虑这是优越的。
因此，在本发明的方法中，有意使扫气恶化或降低，即在将废气从气缸中扫出的意义上说，是一种不完全扫气。通过将滞留在气缸中所述废气(这一过程可称之为内部废气再循环)与喷入的水相结合，在燃烧过程期间形成的氮氧化物显著降低，而在发动机的经济性方面考虑又不会作出牺牲。在本发明的方法中，滞留的废气和水蒸气都对降低NOx组分具有贡献。
由于水喷入气缸是发生在活塞处于闲置上死点区域的时候，因此这就进一步产生这样的优点，即气缸套被保护起来不会受到水的冲击，因此水对气缸表面形成的油膜不存在不利或有害的影响。
滞留在气缸内的热废气的冷却可通过控制水的喷入量来简单地控制。
在实际应用中，已经证明排气口按这样的方式关闭是较好的，即在闲置上死点前30°±20°曲柄转角处该排气口刚好完全关闭。这样就形成了较好的废气量滞留在气缸中。这个废气量可通过排气口的关闭时间来分别设定或调节。
进气最好在进气冲程期间开启，这意味着在通过闲置上死点后开启，所以当活塞处于闲置上死点区域时进气口仍是关闭的。通过这样的措施，可以保证进气口或进气通道都不会由回流的废气污染。已经证明在闲置上死点后30°±20°曲柄转角处开启进气口是特别有利的。水的喷射最好在排气冲程期间排气口关闭后开始，在进气冲程期间进气口开启前结束。因此，借助于喷入的水可使仍滞留在气缸中的热废气进行特别有效的冷却，并且可使喷入的水产生特别好的蒸发。
从实际应用的观点出发，较好的是水喷射发生在闲置上死点前大约20°曲柄转角到闲置上死点后大约20°曲柄转角的范围内。
作为降低在燃烧过程中产生的氮氧化物的进一步的有利措施是将水另外在压缩冲程期间和/或燃烧期间喷入气缸。从而降低燃烧室中的燃烧温度。
所述的水在压缩冲程期间在燃料喷入的同时喷入气缸。
具体地说，考虑到机件成本和复杂性及在气缸处可获得的空间的大小，较好的是利用喷射燃料的同一喷嘴将水喷入气缸。这样，该喷嘴可制造为所谓的串联喷嘴，该喷嘴具有两个分离的每个都带有一喷嘴孔的喷射通道，一个喷射通道用于喷射水，而另一个喷射通道用于喷射燃料。然而，也可以用一个只有一个喷射通道的常规喷嘴。当活塞处于闲置上死点区域时，水通过该喷嘴喷入气缸，这样可产生一个另外的优点，即可冷却该喷嘴。然后在接近压缩冲程端部时，利用同一个喷嘴通道将燃料或燃料-水的乳化物喷入气缸中的燃烧室中。
水最好以至少200巴的压力喷射，以便获得尽可能细的雾化水。
根据本发明，还提供了一种根据本发明的方法运行的四冲程柴油机。
本发明的主题的进一步优化实施例和有利措施可从各从属权利要求中得出。
下面参照各附图和示范性实施例对本发明进行详细描述。示意性示出的各附图是：
图1是通过一四冲程柴油机的气缸的一剖视图；
图2是表示在一种使一四冲程柴油机运行的公知方法中，进气口和排气口开启和关闭的控制时间示意图；
图3是如图2那样的示意图，但该图表示用于本发明的方法的一个示范性实施例。
图1表示通过一四冲程柴油机例如一大型柴油机的一组气缸2之一的剖视图，该柴油机整体由标号1表示。在图中气缸2的上端部由一气缸盖21封闭。可往复运动的活塞3布置在该气缸2中。该活塞3通过一个连杆4连接到一曲轴上。一个布置于中心的喷嘴5设置于气缸盖21中，燃料借助于该喷嘴喷入气缸中的燃料室6中。此外，在气缸盖21上还设置有至少一个燃烧气体的排气口7和至少一个用于提供空气的进气口8，该空气通常用作扫气空气。在本文描述的四冲程柴油机1中，分别设置有两个排气口7和两个进气口8，它们绕喷嘴5布置。在图1中，只能看到一个排气口7和一个进气口8。对于每个排气口7或进气口8来说，在每一种情况下都分别设置有一排气阀71或一进气阀81，借助于该排气阀或进气阀可分别使排气口7或进气口8开启和关闭。
如大家知道的那样，四冲程过程包括下列四个冲程：活塞3从上死点运动到下死点并将新鲜空气吸入气缸2中的进气冲程，活塞3从下死点运动到上死点并在上死点端部将燃料喷入燃烧室6中的压缩冲程，活塞3从上死点运动到下死点的膨胀冲程，和活塞3从下死点运动到上死点并将废气从气缸2中排出的排气冲程。
为了更好地区别各上死点，活塞3运动通过的，并处于排气冲程和进气冲程之间，且此时没有发生燃料喷射入气缸的上死点在下面将称之为闲置上死点(闲置UDC)。相反地，活塞3通过的，并处于排气冲程和膨胀冲程之间，且其中发生将燃料喷入气缸2中的上死点称之为点火上死点(点火UDC)。
正如通常做的那样，气缸2中的活塞3的位置借助于曲柄转角KW描述如下。按常规，当活塞3处于上死点时，曲柄转角KW分别为0°或360°或720°。因此一个完整的工作循环从KW=0°延伸到KW=720°(即两转)。
图2表示在一种使一四冲程柴油机运行的公知方法中，进气口8和排气口7开启和关闭的控制时间示意图。曲柄转角KW用“度”表示在水平轴上，排气口7和进气口8的两种状态，即“开启”和“关闭”表示在垂直轴上。排气口7的曲线由A表示，进气口8的曲线由E表示。
该图从左侧曲柄转角KW=0°处开始，此时活塞3处于点火上死点。燃烧室6中燃料-空气混合气进行点火。在后续的膨胀冲程中，排气口7在曲柄转角KW=135°时开始开启。在活塞通过下死点(KW=180°)期间，排气口全开，排气冲程开始。在排气冲程期间，废气被迫排出气缸2。在KW=330°，即闲置上死点前30°时，排气口7关闭并且进气口8开启，活塞3通过该闲置上死点(KW=360°)，从而进气冲程开始。在曲柄转角KW=390°时，排气口7刚好完全关闭，并且进气口8刚好完全开启。因此可以认识到：在曲柄转角从闲置上死点前30°到闲置上死点后30°的范围内，该排气口7和进气口8都是部分开启的。在该区域，气缸2产生扫气，这就意味着新鲜空气已经通过已经部分开启的进气口8流入了气缸2中，在此与残余废气混合，且由于此时排气口7仍是部分开启的，因此它与废气一起从气缸中被排出了。在排气口8完全关闭(KW=390°)后，在进气冲程期间，气缸2开始充装新鲜空气。在进气冲程后续过程中，进气口8在曲柄转角KW=495°时开始关闭。很快地，当活塞通过下死点(KW=540°)时，进气口8完全关闭。在此时接着的压缩冲程中，气缸2中新鲜空气被压缩。快到压缩冲程和端部时，将燃料喷入被压缩的新鲜空气中。在点火上死点(KW=720°；即图2的右边)区域，燃-空混合气点火，并且新的循环开始。在与图2相似的图3中，示出了本发明所述的使一四冲程柴油机运行的方法的一示范性优化实施例。各参考标号的含义与图2中的相同。
在膨胀冲程期间，排气口7在KW=135°时开始开启。当活塞到达下死点(KW=180°)时，排气口7刚好完全开启。在后续的排气冲程期间，排气口7大约在KW=280°时已经开始关闭，在KW=330°，即在到达闲置上死点前30°时刚好完全关闭。当活塞3处于该闲置上死点(KW=360°)区域时，水被喷入气缸2中的燃烧室6中，如箭头W所示。水的喷射最好发生在闲置上死点前大约20°到闲置上死点后大约20°的曲柄转角范围内。只有在进气冲程期间，在KW=390°时进气口8才开始开启，这就是说，当活塞3处于闲置上死点时，进气口8仍是完全关闭的。在KW为大约435°时，进气口8完全开启。快到进气冲程的端部时，在KW=495°处，进气口8开始关闭。当活塞通过下死点(KW=540°)后，在KW=555°时，进气口8刚好完全关闭。然后开始压缩，在压缩端部，燃料被喷入燃烧室6中。在点火上死点(KW=720°，即图3中的右边)区域，混合气点火，并且新的膨胀冲程开始。
通过本发明的措施，即在排气冲程期间按排气口7在到达闲置上死点前已经完全关闭的方式关闭排气口7，在燃烧过程中产生的部分废气滞留在气缸2中。活塞通过该闲置上死点期间，即在燃烧前明显的临时分离，水以大约200巴-1000巴的高压喷入这些滞留在气缸中仍很热的废气中。该水在该热废气中雾化并蒸发，从而使废气冷却。废气和水蒸气的混合气与在进气冲程期间从进气口8中流入的新鲜空气混合。废气，水蒸气和新鲜空气形成的这种混合气在后续的压缩冲程中被压缩。快到压缩冲程的端部时将燃料喷入该混合气中。然后在点火上死点区域产生燃烧。由于被压缩的混合气，即由废气，水蒸气和新鲜空气混合形成的混合气的氧含量明显比新鲜空气低，因此在燃烧过程中会产生明显低的氮氧化物。此外，NOx的组分可通过被压缩的混合气的水蒸气含量来降低。
可能存在许多用于喷射水的变型。因此例如可在气缸盖21中设置一单独的水喷射喷嘴。也可以用将燃料喷入气缸2中的喷嘴5同一个喷嘴5将水喷入气缸2中。这就意味着：当活塞3通过闲置上死点时，水由喷嘴5喷入燃烧室6，并且当活塞3接近点火上死点时，燃料由同一个喷嘴5喷入。另一种可能性是采用一个如喷嘴5那样的串联喷嘴。一串联喷嘴具有两个分离的，且在任何情况下都带有喷嘴孔的喷射通道，一个喷射通道用于喷水，另一个喷射通道用于喷油。
滞留在气缸2中的废气的所获得的冷却可非常简单地控制，即通过喷水量来控制。滞留在气缸2中废气量也可用简单的方式，即通过控制排气口7的关闭时间来确定或调节，从而可对NOx组分的降低进行优化。在实际应用中证明：在排气冲程期间，按在闲置上死点前30°±20°曲柄转角处使排气口7刚好完全关闭的方式关闭排气口7是特别有利的。
如图3中可看出的那样，排气口7的关闭和进气口8的开启最好相对该闲置上死点对称发生，这就意味着进气口8最好在进气冲程期间在闲置上死点后30°±20°曲柄转角处开启，所以当活塞3处于该闲置上死点处时，该进气口8仍是关闭的。具体地说，进气口8和排气口7在工作循环的任何时间点都不会同时开启。进气口8晚开的措施是具有优点的，原因是可防止废气通过所述进气口8回流入相邻进气通道中，并污染该进气通道。用于冷却滞留在气缸2中的废气的水喷射，在该闲置上死点区域只在排气口7已经完全关闭时开始，在进气冲程中进气口8开启之前结束是特别有效的。
水喷射最好相对该闲置上死点对称地发生。因此它可保证气缸表面在喷水时尽可能由活塞3保护起来。因此可避免对气缸壁上油膜产生不利影响或损坏。
根据本发明的方法的一种有利变型，除了在闲置上死点区域进行水喷水外，也可在压缩冲程期间和/燃烧期间将水喷入气缸。因此燃烧室中的燃烧温度可降低，从而在燃烧过程中产生的氮氧化物进一步降低。这个第二次喷水例如可大约在压缩冲程中期进行-即在曲柄转角大约为630°时进行。这个第二次喷水可与喷油并列进行或同时进行，并且在燃烧过程中是连续的。
因此本发明提出了一种使一四冲程柴油机运行的方法，在该方法中，有意使废气不从气缸2中完全排出，所以在任何情况下在气缸2中都滞留有燃烧过程中产生的一部分废气。这些滞留的废气通过在闲置上死点区域的喷水进行冷却。通过一部分废气的滞留及水蒸气的作用，在后续的燃烧过程中会产生明显低的氮氧化物，同时在考虑发动机的经济性(例如油耗)时不必要作出牺牲，因此不需要大的额外成本和复杂性就可实现该排放优良的运行方法的另外优点。

Claims (10)

1．一种使一四冲程柴油机运行的方法，在该方法中，水被喷入一个活塞(3)在其中作往复运动的气缸(2)中，并且该气缸(2)具有至少一个用于排出废气的排气口(7)，及至少一个用于提供空气的进气口(8)，其特征在于：在活塞(3)的排气冲程期间，所述排气口是关闭的，因此活塞(3)在排气冲程结束时在到达闲置上死点前，该排气口已经关闭，当活塞(3)处于闲置上死点区域时，将水喷入气缸(2)中。
2．如权利要求1所述方法，其中排气口(7)以这样的方式关闭，即在闲置上死点前30°±20°曲柄转角(KW)处该排气口(7)刚好完全关闭。
3．如权利要求1或2所述方法，其中该进气口(8)在进气冲程期间开启，具体是在闲置上死点后30°±20°曲柄转角处开启，所以当活塞(3)处于该闲置上死点时，该进气口(8)仍是关闭的。
4．如前述权利要求任一所述方法，其中水的喷射在排气冲程期间排气口(7)关闭后开始，在进气冲程期间进气口(8)开始前结束。
5．如前述权利要求任一所述方法，其中水的喷射发生于闲置上死点前大约20°到该闲置上死点后大约20°的曲柄转角范围内。
6．如前述权利要求任一所述方法，其中在压缩冲程期间和/或燃烧期间将水喷入气缸(2)中。
7．如权利要求6所述方法，其中在压缩冲程期间在喷油的同时将水喷入气缸(2)中。
8．如前述权利要求任一所述方法，其中借助于同一个喷油的喷嘴(5)将水喷入气缸(2)中。
9．如前述权利要求任一所述方法，其中水是在至少200巴的压力下喷射的。
10．用前述任一权利要求所述方法运行的四冲程柴油机。
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