CN1766305A - 具有电子控制系统的柴油发动机和启动柴油发动机的方法 - Google Patents
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Abstract
一种柴油发动机(1)具有：一个控制系统(7)，其至少可以部分电子操作。多个由气缸(2)及活塞(3)构成的工作腔(20)，并且每个工作腔附设至少一个用于燃油的喷油嘴(26)、一个用于启动空气的供给喷嘴(25)和一个用于工作腔内气态物质的换气阀。用于致动喷油嘴和供给喷嘴及换气阀的时间间隔是柔性可编程的控制时间。这些控制时间可以通过控制系统电子调节至最佳：用于燃油的点燃条件在第一工作腔中借助压缩建立，在此所需的能量可以借助至少一个第二工作腔通过提供启动空气做功来提供。每个换气阀可以按照所属工作腔中发生的过程来控制－压缩、做功、和最好执行具有与环境压力平衡且不喷射燃油的被动工况。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有电子控制系统的柴油发动机、特别是大柴油发动机。它还涉及一种启动本发明柴油发动机的方法。这种为了启动发动机而设置的装置(短时启动装置)在发动机制动或换向时也可应用的。
背景技术
一般大柴油发动机是在数小时或数天内运行的。因此这种发动机的启动是相对稀少的事件。由此用于启动的启动装置出于成本原因被限制到满足最小需求上。
已经证明压缩空气用于启动是有利的。使用启动空气，正如被称为用于启动以及制动和换向的压缩空气，在启动时发动机气缸可以被单个地驱动，从而将其它气缸工作腔内容纳的大气空气进行压缩。在这个过程中就在其它气缸的工作腔中产生一个热力状态，其中能够实现使喷入气缸的燃油点燃的高压高温条件。
采用贮气罐(储能器)提供可用的启动空气量必须允许从初始压力30bar开始呈存储压力下降到8bar的情况下实现一个预先确定数量的启动过程，例如约10次。特别设计的启动空气分配器被应用在远洋船中。在一个简单的实施方式中，该启动空气分配器包括一个可被转动具有用于间歇性的空气通流之通孔的盘件，其中这些通孔以弓形段的形式与该盘件之旋转轴线同心的布置。借助例如这些或者其它现今已在使用的机械式启动空气分配器，就可确定时间间隔，它们部分地重叠并且在此期间压缩空气进入到该被驱动之气缸的进气管道中。
基于这种已被应用的机械装置，这些时间间隔，即启动空气分配器的控制时间在分配器被安装到一个远洋船上以后不可改变地被预先确定了。这种固定的控制时间则导致压缩空气被部分地输送到具有不利位置之活塞的气缸中并且所产生的功率只造成对启动过程的一个小贡献。由于不利的条件则花费相对大量的压缩空气才换得一个微小的功率。这个量是通过该工作腔的最大容积确定的。在极端情况下该工作腔是被压缩空气基本上无效地填充的。因为该工作腔内所含物质当活塞接近下止点时泄漏到周围环境中，并因此损失掉了。
发明内容
本发明的目的是设计一种柴油发动机，其中启动空气消耗通过应用一种电子控制被减小，从而作为启动装置而应用的装置之制造成本也降低，同时用于启动过程的能量需求也变小了。这一目的通过权利要求1所述的柴油发动机解决。
这种柴油发动机、特别一种大柴油发动机具有一个控制系统，其至少部分可以电子操作。多个由气缸和活塞构成的工作腔各附设至少一个用于燃油的喷油嘴、一个用于启动空气的供给喷嘴和一个用于工作腔内气态物质的换气阀。用于致动喷油嘴和供给喷嘴及换气阀的时间间隔是可灵活地编程的控制时间，这些控制时间可以通过控制系统电子调节至最佳：用于燃油的点燃条件借助压缩在第一工作腔中获得。其中这个所需的能量可以借助将启动空气提供到至少一个第二工作腔中做功来提供。每个换气阀可以按照在所属工作腔中发生的过程来致动，即压缩、做功、或最好执行具有与环境压力平衡的压力并不喷射燃油的被动过程。
在本发明的柴油发动机中，电子控制的应用限制于启动过程上，然而这要被理解为一个除外。
从属权利要求2-6涉及本发明柴油发动机之优选实施方式。用于启动柴油发动机的方法是权利要求7-9所述的技术方案。
附图说明
下面将借助附图解释本发明。附图示出：
图1是公知启动装置的曲线图，其分别表明了各个用于启动空气的供给喷嘴之开启状态，
图2是简化的柴油发动机视图，并具有一个部分被剖去的气缸，
图3是通过该气缸的一个纵剖截面图，
图4是在柴油发动机之曲轴上的力关系图，和
图5是按照本发明应用压缩空气启动的柴油发动机的该启动装置之控制的一个示意图。
具体实施方式
图1以曲线图表明了用于公知的六气缸柴油发动机的启动装置。这六条曲线各示出了用于启动空气的供给喷嘴的开启状态或开启周期，同时在横坐标上给出了曲轴的旋转角。这些梯形的曲线段则表明了该供给喷嘴的致动情况亦即它们何时被打开和又被关闭。这些曲线的安排并不对应于发动机中气缸的位置而是对应于该时间顺序，其中在启动期间供给喷嘴被致动。图1示出了这种固定的控制时间和重叠，其导致一个低效的压缩空气消耗。
参见图2和3，柴油发动机1的组成构件如下：一个气缸2和一个活塞3，其包括一个工作腔20；气缸2的一个头部分21，具有换气阀23、空气供给通道210和用于换气阀23的驱动单元211，在气缸2下边区域中的换气孔22，它们当活塞3位于下止点或在其附近时形成一个从工作腔20到气缸腔24的通路；以及，在一个发动机箱或曲轴箱42内一个源于活塞2的活塞杆30，其在柴油发动机1运行期间通过一个十字头31和一个连杆40作用在发动机或驱动机构4的驱动轴上，由此曲轴41以一个角速度ω转动(转角α)。这个十字头31(十字头销32)具有滑块33，其在导轨34上通过活塞3在上及下止点位置之间的运动而被驱动而上下运动。多个喷油嘴26用于燃油(见图5)和一个供给喷嘴25用于启动空气被配置在气缸2上换气阀23的高度上。
连杆40以力S作用在一个曲轴轴承43上，该力S由活塞施加的力K和被导轨施加的反力，即一个未示出的在该导轨上的法向力所合成(见DUBBEL，Taschenbuchfürden Maschinenbau，卷2，页263，第13版，1974)。该作用力K则是活塞2之负载面积A和工作腔20中超压差的积(K＝A*(P-P0)，其中P是工作腔20中的压力而P0是环境压力)。如图4所示，在曲轴41上存在的力关系那样，通过该曲轴的杠杆臂r产生一个扭力T，基于它产生一个对应于力偶+S，-S的有效扭矩Mt。这个有效的扭矩Mt等于由力偶撑开之阴影面积的数值。正如人们看出的，这个有效的扭矩Mt当活塞到达了一个止点位置(亦即α＝0°或180°)时就消失了。
图5中表示的控制简图则示例性地示出了按照本发明应用压缩空气来启动一个柴油发动机(具有“共轨”)而设置的装置。一个电子控制复合设备70通过用于控制信号的导线70a和用于测量信号的导线70b连接到另外控制系统7的不同构件上。这些构件是：
一个控制单元62，借助它燃油从一个储存器6(＝“共轨”；储存器压力例如1000bar)经过一个供给管道62a和分配管道26a被输送到该喷油嘴26并按照一个程序控制、一个作用在换气阀23上的致动器72、以及用于启动空气的供给喷嘴25，启动空气从一个储能器5(例如储能器压力30bar)提供。源自一个储存器71的伺服油(例如储存器压力200bar)被用于控制单元62和致动器72的致动并且在这个过程中被以传递压力的方式通过管道72a和72b往返地移动。在致动器72中这种伺服油通过一个膜片与一第二种较低品质油分开，借助第二种油经过管道21a可以控制换气阀23。一个用于记录角度α的传感器74也被连接到控制复合设备70。
用于致动该喷油嘴和供给喷嘴26或25以及换气阀23的时间间隔在传统的柴油发动机中作为固定参数设置(见图1)。按照本发明，这些控制时间是可编程的时间间隔。它们可借助该控制系统被调节至最佳。在这种可变控制的基础上，用于燃油的点燃条件在第一工作腔中通过压缩其中包含的空气来建立。为此所需的能量是经过发动机或驱动装置4借助一个第二工作腔20通过将启动空气输送到这个工作腔20做功来提供，其中通过驱动装置4所有活塞3相互机械地耦合。在第一工作腔20中为压缩所需要的功也可以借助两个或更多气缸2来实现。另外的未参与启动过程中的工作腔20最好保持在被动态。没有燃油喷入到这种被动状态的工作腔中并且一个与环境压力相平衡的压力通过开启换气阀23实现。每个换气阀23通过控制系统7按照在关联的工作腔20中发生的过程来控制-压缩、做功或被动态。
在压缩空气期间，在第一工作腔20中的压力P以一条其斜率随工作腔20的容积减小而增加的压力曲线提高。当扭矩Mt而且在一个高压力下持续地朝零减小时，则在活塞上止点位置上达到了最大压力。正如人们可以容易看出的，这个要被压缩的第一工作腔20的空气，借助应用例如30bar的启动空气提供到这个气缸2的工作腔亦即第二工作腔20中来产生能量的气缸2，就可以被带至一个明显高于30bar的压力上。
用于启动过程的启动空气可用贮气罐5提供。从一个至少20bar、最好30bar的起始压力开始，可以随着贮气罐压力下降实现预先确定数量的启动过程。当贮气罐压力下降到低于一个确定值，则压缩所需的能量就不再可能仅由一个气缸2提供了。如果需要的话，提供能量之气缸2的数量(亦即第二工作腔20数量)可以通过控制装置7增加到两个或更多个。因此启动过程可以在贮气罐压力降至10bar或最好是更低，例如8bar时仍可进行。
控制复合设备70最好由电子模块构成。借助这些所有可以被设计得相同的模块，涉及气缸2的局部功能和涉及整个发动机1的全局功能都可以被影响。在这种配置结构方案中，每个气缸都附设一个模块。每个具有等同设计逻辑电路的模块包括一个第一功能部分区域和一个第二功能部分区域。相关的气缸2可由第一功能部分区域控制。全局功能、特别是启动空气的供给可以通过分配在该模块上的控制来影响。在这个配置方案中，全局控制可以按一种冗余方式实现，亦即在这一方式中，它可以通过该模块的至少一部分实现，在任何情况下与另外模块的第二功能部分区域相协作地应用第二功能部分区域来实现。
这种具有模块化控制复合设备70的备用控制被描述在还未公开的申请EP04405073中。另一未在先公开的申请EP04405255.3披露了一种模块化的控制复合设备，其中替代模块可用于消除控制系统中的故障。应用一个模块间互调的总线系统信息就可以在模块之间传输。至少一个用于备用模块的连接点设置在该互调的总线系统上，在此一个连接的备用模块就可以通过控制系统自动地被预调处理，亦即通过加载一个特殊的操作程序和实现运作参数实现。这个备用模块可以与有效运行的操作系统共同操作而在怠速模式下保持被动。在一个运行模块之失效时，该备用模块则立即就位地用作失效模块的一个替补。这个已预调处理的备用模块就被插置在互调总线系统上要被替代的模块的连接点上。
在按照本发明具有模块式控制复合设备70的柴油发动机1中，每个模块都具有信号传输连线70a、70b连接到发动机1之如下构件上：
-用于将启动空气提供到所属气缸2中的阀门25，
-一个包括喷油阀26的喷射系统，
-一个包括换气阀23和换气孔22的换气系统，
-用于提供燃油和伺服油的泵组(未示出)，
-用于启动空气的贮存罐5，用于控制介质的贮存罐71，伺服油和用于燃油的贮存罐6，所谓的“共轨”，其中这些贮存罐被连接到泵组、喷射系统和换气系统上，
-一个具有实施喷油和换气之机构62及72的液压系统，和
-一个用于使局部和全局功能与发动机4之转动同步化的角度检测系统74。
在按照本发明启动柴油发动机1的方法中，控制系统7执行下面的功能：根据已检测的曲轴41之转角α，根据实施的过程-压缩、做功和被动状态(具有一个相对环境压力的压力平衡及没有喷射燃油)选出气缸2。这些为启动发动机1所必需的步骤，特别是启动空气的提供，开始并进行控制。在这个配置方案中，第一和第二工作腔20的选定是根据活塞的位置做出的。这个其活塞最接近下止点-在跑过这个止点之后的气缸最好被选定用于压缩。至少一个其活塞3位于上止点之后且在其附近的气缸2被优选为用于做功。进入到气缸2之工作腔20，即第二工作腔20中的启动空气因此实际上完全地应用于第一工作腔20中的压缩。
如上所述，该启动空气通过具有可变化控制的控制系统7，正如按照本发明的方法所述的，也可以应用于发动机1的制动和/或换向。将该启动空气可变化地控制在制动或换向中的应用则能实现一个加速性并更有效地实施这些操作。
Claims (9)
1.一种柴油发动机(1)，特别是一种大柴油发动机，具有：一个控制系统(7)，其至少可以部分电子操作；多个由气缸(2)及活塞(3)构成的工作腔(20)，并且每个工作腔附设至少一个用于燃油的喷油嘴(26)；一个用于启动空气的供给喷嘴(25)和一个用于工作腔内气态物质的换气阀(23)，其特征在于：
用于致动喷油嘴和供给喷嘴及换气阀的时间间隔是可灵活地编程的控制时间，并且这些控制时间可以通过控制系统电子调节至最佳，亦即，第一工作腔中用于燃油的点燃条件借助压缩建立，其中为此所需的能量可以通过将启动空气供给到至少一个第二工作腔中做功来提供，并且每个换气阀可以按照在所属工作腔中发生的过程来控制，即压缩、做功和最好执行具有与环境压力平衡并不喷射燃油之被动工况。
2.按权利要求1的柴油发动机，其特征在于：
为了启动，所述启动空气可用贮存罐(5)提供并且从贮存罐中一个至少20bar，最好30bar的初始压力开始，可以在贮气罐压力下降过程中完成预先确定数量的启动过程，如果需要，由于贮存罐压力的下降，供能工作腔(20)的数量可以通过控制系统(7)增加。
3.按权利要求2的柴油发动机，其特征在于：
在贮气罐压力下降到10bar或更低，最好8bar时启动过程仍可以实现。
4.按权利要求1-3之一的柴油发动机，其特征在于：
所述控制系统(7)包括电子模块，借助其，涉及气缸(2)的局部功能和涉及整个发动机(1)的全局功能都可以被影响，其中每个气缸附设一个模块，每个模块包括一个等同设计的具有第一功能部分区域和第二功能部分区域的逻辑电路，应用第一功能部分区域所属的气缸可以被控制并且该全局功能、特别是启动可以通过分配在模块上的一个控制被影响，亦即，对于至少一部分模块，在任何情况下，与另外模块之第二功能部分区域协作地应用该第二功能部分区域，按一种冗余方式进行该全局控制。
5.按权利要求4的柴油发动机，其特征在于：
应用一个互调总线系统，信息可以在模块之间传输并且备用模块可用于消除控制系统(7)中的故障，其中用于备用模块的至少一个连接点被设置在该互调总线系统上，其上一个连接的备用模块通过该控制系统可以自动地被预调处理，亦即通过加载一个特殊的操作程序和实现操作参数实现，其中这个备用模块可以与有效运行的操作系统共同操作而在怠速模式下保持被动，并且，在一个运行模块失效时，该备用模块则立即就位地用作失效模块的一个替补，同时，这个已预调处理的备用模块就被插置在互调总线系统上要被替代的模块的连接点上。
6.按权利要求4或5的柴油发动机，其特征在于：
所述控制系统(1)的模块(10)被分别以信号传输方式(100)连接到发动机之下面构件上：
-用于将启动空气提供到所属气缸(2)中的阀门，
-用于提供燃油的喷射系统，换气系统和用于供给燃油和控制介质的泵组，
-用于启动空气的贮存罐(5)，用于控制介质的贮存罐(71)，和用于燃油的贮存罐(6)，所谓的“共轨”，其中这些贮存罐被连接到泵组、喷射系统和换气系统上，
-一个具有实施喷射和换气之机构(62)及(72)的液压系统，和
-一个用于使局部和全局功能与发动机(4)之转动同步化的角度检测系统(74)。
7.一种用于启动权利要求6所述的柴油发动机(1)的方法，其特征在于：
根据已获知的驱动轴之转角，按照实施的过程-压缩、做功和被动状态，通过控制系统(1)选择气缸(2)，并且用于启动发动机所必需的步骤被引入并被控制，其中选择气缸，亦即根据活塞(3)的位置做出该第一和第二工作腔(20)的选择，最好选择活塞位置是处于最接近下止点的气缸用于压缩，且至少一个其活塞处于上止点附近且位于这个止点之后的气缸被选择用于作功冲程。
8.按权利要求7的方法，其特征在于：
所述启动空气通过控制系统(7)也可被用于发动机的制动和/或发动机的换向。
9.按权利要求8或9的方法，其特征在于：
保持在被动态的工作腔(20)之换气阀(23)打开，而要被压缩的并用启动空气加载的工作腔(20)的换气阀关闭。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20060503 |