CN1977099A - 大型柴油发动机的减振 - Google Patents

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Abstract

本方法包括控制燃料喷射系统和/或排气系统以控制预定频率下的气缸压力。尤其是本方法包括控制燃料喷射系统以通过逐渐提高燃料喷射速率来启动燃料喷射。计算或测量压力，并且进行频率分析例如FFT分析以确定每一频率下的压力分量。采用数学模型确定每一频率下的最终振动。通过准确地控制燃料喷射尤其是其初始相位，可以获得更平滑的压力曲线，该曲线高频组成更少和/或最大压力得到降低。从而可以控制气缸压力的频率组成，并且可以抑制预定压力。

Description

大型柴油发动机的减振
技术领域
本发明涉及十字头式大型活塞发动机尤其是两冲程发动机的操作。
背景技术
十字头式大型活塞发动机被用于例如驱动远洋轮船。在这种发动机中对发动机许多过程中的每一个进行优化以获得发动机最佳的总体操作状态和工作特性是相当重要的。发动机最佳的操作状态可以随着地方或国家要求而变化或者可以取决于由船的拥有者或操作者制定的标准。国家要求可以针对保护地方环境并且可以对从发动机排出的有害和有毒物质尤其是NOx和颗粒设定限制。这种操作模式就燃料消耗来说可能不是最经济的模式。在对排放没有任何或很少严格限制的国家保护范围之外，船的所有者或操作者希望以强调低燃料消耗和/或在发动机及其部件或者由发动机激励的装置的部件上产生低机械载荷或振动应力级的模式运行发动机。
可以直接或间接测得振动应力级，或者可以采用发动机及其相关结构的数学模型估计或计算振动应力级。对于包括由发动机驱动或激励的一个或多个装置的每个独立的发动机来说，可以根据例如发动机转速和不同组合的操作参数计算一个或多个部件的振动应力级，所述参数共同限定了如上所述的发动机的操作模式。计算得到的振动应力级可以与预定限值进行比较，如果超过限值，则采取适当的动作。
振动应力级包括由纵向和横向(或剪切)振动以及扭振振动引起的应力级。部件上过度的振动应力级会损坏部件并最终导致部件的断裂，对发动机和/或整个装置产生致命的结果。为此将振动应力级保持在安全限值以下是很重要的。
两冲程低速柴油发动机的电子控制能够实现起动气阀、起动和换向次序、调速器功能、辅助风扇、电子成形喷射(EPIC)、燃料喷射、排气阀动作等的完全集成控制。在这种发动机中用发动机控制系统致动的液压从动泵代替发动机曲轴。由发动机控制系统通过检波系统监测曲轴的角位置。
这种发动机可以具有被称为排放模式和经济模式的两种操作模式。经济模式是在所有发动机载荷下节约发动机燃料消耗的燃料最佳模式。排放模式得到最优化以根据IMO或地方标准降低NOx的排放。因为两种模式在同一发动机载荷下具有不同的工作特性，因此可以看到振动对轴系统具有不同的影响。
在船上，来自发动机的振动不限于发动机本身以及传动轴，而且振动还被传递到可以同样感受到振动的船体的其他部件，或者振动可以产生可听噪声，这会给船员和/或乘客带来不适。为此要求将振动应力级保持在舒适限值以下。
在包括传动轴的发动主轴上的扭转振动由包括发动机转速谐波的多种频率组成。在发动机主轴上的扭转振动将具有与发动机转速相关的频率。通常，在具有k个气缸的发动机中，发动机转速的第k’个谐波及其倍数和有可能的约数将出现在频谱中，并且每个频率将导致在发动机主轴上的相应扭转振动。在一些频率下的扭转振动将比在其他频率下更明显，并且要求将总振动级保持在预定限值以下，而且将选定(或全部)频率下的振动级保持在分别与每个频率相对应的预定限值以下。
WO94/29585中公开了一种用于控制大型柴油发动机主轴上的扭转应力的方法。在压缩冲程中一个或多个气缸的排气阀保持打开，并且其余气缸被控制以提高它们的动力而弥补动力的降低。
EP447 697中公开了一种燃料喷射的定时和持续时间可以变化以抑制扭转振动的方法。
发明内容
本发明的方法采用发动机的数学模型建立燃料喷射和最终瞬时气缸压力之间的关系。根据该数学模型，可以通过控制燃料喷射阀或多个燃料喷射阀的打开来控制尤其是燃料喷射的初始相位，由此可以将气缸压力的频谱控制在预定限值内并且尤其是降低预定频率下的振动。特别地，所述方法包括控制燃料喷射系统以通过逐渐提高燃料喷射速率而开始燃料喷射。
因此本发明提供一种振动最优化的方法，其中，发动机的操作得到最优化，从而不仅控制总振动级而且控制振动频谱各个频率下的振动级。该方法包括控制燃料喷射系统和/或排气系统以控制预定频率下的气缸压力。可以计算或测量所述压力，并且可以执行频率分析例如FFT分析以确定每一频率下的压力分量。采用数学模型确定每一频率下的最终振动。
在操作的振动最优化方法-VIB方法中，特征是更低的压缩压力和更低的最大压力和更平滑的压力曲线。VIB方法与常规的经济和排放模式相比具有显著的减振优势。可以通过在TDC前开始燃料喷射或者优选通过相应地形成喷射型面来降低更高顺序的激励。对于具体的激励顺序例如在5-10的范围内，无论发动机的平均指示压力多大都可以与经济模式相比极大地降低激励能级。可以通过尽可能长的强制热量释放来获得另一优点。这一点可以通过一系列离散的引燃喷射或降低喷射泵液压力来实现。这样导致气缸压力曲线在几乎整个载荷范围内具有低能级的激励顺序1-20。
可以省去重型和昂贵的振动阻尼器，发动机阻隔速度的间隔可以变窄甚至可以被避免，使得发动机可以在所有速度下自由操作。
附图说明
图1示意性表示具有常规安装的发动机的船，所述发动机可以根据本发明进行操作；
图2表示在图1所示发动机两种操作模式下的典型振动应力级，其作为发动机转速的函数；
图3示意性表示十字头式大型两冲程柴油发动机；
图4示意性表示一个工作循环中图3所示发动机气缸内的压力；以及
图5-8表示根据本发明的燃料喷射方法的实施方式。
具体实施方式
参照本发明的实施方式对本发明进行描述，其中十字头式大型活塞发动机尤其是两冲程发动机被安装在由发动机驱动的船上。还可以将本发明应用在其他场合。
在图1中，十字头式大型活塞发动机10尤其是两冲程发动机被安装在仅示意性表示出的船11上。发动机10具有发动机输出轴12和/或根据需要的电力发电机，所述发动机输出轴12驱动载荷例如通过传动轴13被驱动的推进器14。输出轴12和传动轴13由轴支承件15支承。发动机10优选是电控发动机，可以通过电子方式控制其多个操作参数。
在图3中示出了具有主轴或输出轴12的发动机10，以及具有活塞17的气缸16，活塞17用于驱动主轴12。燃料系统包括燃料泵、具有一个或多个可控燃料阀和一个或多个燃料喷嘴的燃料定量系统，它们都未详细示出。排气系统尤其是包括可控排气阀，其也未详细示出。控制器控制燃料系统和排气系统以及发动机的其他过程。
在图2中示出了尤其是发动机部件上或由发动机振动激励的装置的部件上的振动应力级τ，其作为例如以每分钟转数测得的发动机转速n的函数。发动机具有两种(或更多)操作模式，A和B，每个模式得到最优化以获得在发动机转速n范围内的特定性能，例如通过最优化将排放保持在规定限值以下或者通过最优化给出最佳燃料经济性。如图2所示，两种操作模式A和B形成不同的振动应力级。模式A和B的振动应力级都随着发动机转速而提高；都具有最大值并在发动机转速更高时降低。在低和中等发动机转速下，模式A的振动应力级比模式B的振动应力级更高，而更高的转速下模式B形成比模式A更高的振动应力级。
图2还表示同一部件的两个振动应力级限值曲线τ1和τ2。曲线τ1和τ2都随着发动机转速n而降低。振动应力级τ≤τ1允许发动机连续操作。处于区间τ1＜τ≤τ2的振动应力级τ被认为在延长的操作期内对部件具有潜在的危害，并且处于该区间的振动应力级由此仅允许发动机短期操作，例如在改变发动机转速时。振动应力级τ≥τ2根本不允许，即使是发动机短期操作，因为这些应力级被认为是对部件有危害。
图2表示如果发动机以模式B操作，则将存在发动机转速区间n2＜n＜n5，其中振动应力级τ处于区间τ1＜τ≤τ2。发动机因此应该在发动机转速区间n2＜n＜n5内以模式B仅进行更短时间的操作。在发动机转速n＜n2和n＞n5时，发动机可以模式B连续操作。假设发动机转速区间n2＜n＜n5仅在用于更短的时间，例如用于在安全区间n＜n2和n＞n5之间改变发动机转速，发动机则可以模式B连续操作。
图2还表示如果发动机以模式A操作，则将存在发动机转速区间n3＜n＜n4，其中振动应力级τ超过限值τ2，如阴影面积所示，并且因此必须防止发动机以模式A在发动机转速区间n3＜n＜n4的操作。在发动机转速区间n1＜n≤n3和n4＜n≤n6内，振动应力级τ处于区间τ1＜τ≤τ2，该区间被认为在延长的操作时间内具有潜在的危害，并且发动机应该在两个发动机转速区间n1＜n≤n3和n4≤n＜n6中的任何一个内以模式A仅进行更短时间的操作。在发动机转速n＜n1和n＞n6内，发动机可以模式A连续操作。由于模式A在发动机转速区间n3＜n＜n4“禁用”，因此显而易见的是：当在“安全的”发动机转速区间n＜n1和n＞n6中的任何一个操作发动机时，在发动机仍然以模式A操作的情况下发动机转速不能在这些区间之间变化。
图2表示优选的发动机操作。发动机在发动机转速区间n＜n1内以模式A操作，并且希望将发动机转速提高到区间n＞n6。在发动机转速n1确定(例如通过测量或估计)达到应力级τ1，将发动机转换为以模式B操作，由此应力级相应下降。发动机随后以模式B操作直至确定(例如通过测量或估计)变回到以模式A也就是在整个发动机转速区间n1＜n＜n6内操作发动机是安全的。这一点在发动机以第一操作模式(A)操作的情况下是通过将实际确定的部件应力级与计算的在发动机部件上或由发动机激励的装置的部件上存在的推定振动应力级(τ)相比较来实现的。可以看到在转速区间n2＜n＜n5内如图所示的曲线虚线部分超过应力级限值τ1，但从未超过上应力级限值τ2。
总的来说，在每一发动机转速n，在一个或多个发动机部件上或者在由发动机激励的装置的一个或多个部件上的振动应力级τ被确定并与预定振动应力级限值τ1和τ2中的一个或二者进行比较。如果超过上应力级限值τ2，则立即决定改变一个或多个操作参数或者变换到模式B，以立即降低振动应力级τ。如果仅超过下应力级限值τ2，则可以决定改变一个或多个操作参数或者变换到模式B，或者可以决定让发动机继续以模式A操作，这样振动应力级τ处于存在潜在危害的应力级区间τ1＜τ≤τ2，但仅持续有限的时间。
当从转速区间n＜n1提高发动机转速n时，优选在或大致在模式A的振动应力级曲线与振动应力级限值τ1相交的发动机转速n1或者在不超过n3的发动机转速执行从模式A到模式B的变换。相应地，优选在或大致在发动机转速n6或者在高于n4的发动机转速执行从模式B变换回到模式A。当发动机转速从转速区间n＞n6降低到转速区间n＜n1时采取相应的考虑。
在模式A和B之间变换导致振动应力级τ的急剧变化，这样会导致动力和力在发动机部件尤其是曲轴之间的分布的不合乎要求。此外，振动上相应的急剧变化有可能使船员和乘客感觉不舒服，并且经历一段时间直至发动机再次以模式A操作，发动机未在最佳状态下操作。可以通过如下方式解决这一问题。
代替在固定的模式A和B之间变换，优选对选定操作模式中的一个或多个操作参数进行修正，目的是降低振动应力级。这样做的优点是避免了与固定模式A和B之间的变换相关的振动应力级的急剧变化，此外发动机可以在最接近最佳模式(在所选实例中是模式A)的状态下操作。
图2表示得到修正的模式A也就是A1和A2的两个实例。在两种情况下，模式A的发动机转速区间修正为从大约n1到大约n6。两种修正的模式A1和A2都具有连续的振动应力级，两种模式都在上振动应力级限值τ2以下，并且A2更接近未修正的模式A。备选地，可以在整个区间n1＜n＜n6内附随τ1曲线，由此可以允许连续操作。
如果需要，模式B的发动机转速区间也可以如虚曲线B1所示被修正为大约n2到大约n5。由此在模式B的振动应力级保持更接近下振动应力级限值τ1。备选地，可以在区间n2＜n＜n5内附随τ1曲线，由此可以允许连续操作。
可以省去对操作模式A1、A2和B1的修正而进一步选择模式A和B之外的操作模式。
在图4中，实曲线示意性表示大型两冲程柴油发动机一个工作循环也就是360度内的气缸压力。可以根据发动机的数学模型计算所述压力，或者可以采用适当的压力传感器测量所述压力，并且在这两种情况下执行频率分析例如FFT分析以确定每一频率下的压力分量。随后可采用数学模型确定每一频率下的最终振动。
上止点TDC在180度时压缩压力达到其最大值pcomp，0并且在TDC之后立即降低。在TDC之后不久燃料被喷入气缸。喷入的燃料因气缸内的压力和温度作用而点燃，这样导致压力在TDC之后升高到最大压力pmax，0。
气缸内的压力对活塞施加与该压力成比例的作用力。任何压力的变化将会由此导致活塞上作用力的相应变化。气缸压力的频率将会导致同一频率下的扭转振动。换句话说，压力的频谱将会反映在通过系统的机械部件适当修改的主轴的扭转振动频谱上。
通常采用虚线所示的开/关阀喷射燃料，这样导致压力相对快速地提高。图4中的实压力曲线是采用常规燃料喷射阀控制的气缸压力变化的实例。两个峰值pcomp，0和pmax，0及它们之间的谷值具有尖点曲率(sharp curvature)，导致压力中的高频组成，这样又导致扭转轴振动上相应的高频组成。
图4中的虚线表示压缩压力pcomp，1和最大压力pmax，1以及它们之间的谷值已经采用本发明的方法得到平滑的压力曲线。平滑(虚线)压力曲线具有两个特征，每个特征都降低了振动。第一特征是，降低了最大压力，这本身降低了活塞上的作用力并由此还降低了振动。第二特征是，压力曲线得到了平滑，由此压力中的高频组成与实线压力曲线相比明显减少。如果需要，还可以在保持最大压力的同时获得平滑的压力曲线。这都可以采用以下本发明的方法来实现。
图1中的发动机具有燃料喷射阀，其可以被控制以连续地或逐步地改变喷射压力并且不只是开/关。连续(或准连续)可变阀可以被控制逐渐打开和关闭以形成燃料喷射压力并由此形成燃料喷射速率。采用发动机的数学模型确定作为例如喷入燃料的函数的瞬时气缸压力。通过燃料喷射的准确控制，尤其是对其初始相位，可以获得更平滑的压力曲线，其最大压力降低并且高频组成更少。特别是由此可以控制气缸压力的频率组成，并且可以抑制预定频率。
通常，在TDC之后0-5度开始燃料喷射，由此避免了过大的最大压力。利用本发明的方法可以有利地更早甚至在TDC之前通过喷射阀的逐渐打开而开始燃料喷射，并且可以使TDC之后不久的压降和谷值变得平滑。同时可以使具有尖点峰值的最大压力变得平滑。在图4中以虚曲线示出了典型结果。
在图5-7中以虚曲线示出了常规的燃料喷射。在TDC之后开始燃料喷射并且在整个喷射周期内喷射速率恒定。
在图5中实燃料喷射曲线表示稍微在TDC之前开始燃料喷射并逐渐提高到比常规水平更低的拐点。
在图6中稍微在TDC之后开始燃料喷射并逐渐提高到拐点。在拐点之后燃料喷射速率可以如图6所示那样保持恒定或者可以如图5所示那样变化。燃料喷射的终止取决于发动机载荷。
在图7中示出了喷射压力的阶梯式变化。这一点可以采用具有有限数量离散位置的燃料喷射阀来实现，所述离散位置形成了相应数量的离散喷射压力和相应的喷射速率。或者可以布置多个开/关喷射阀向同一气缸内喷射燃料，其中喷射阀可以得到单独控制，并且这些阀可以依次得到致动以获得喷射压力的阶梯式变化。这一点的优点是发动机具有非常大的气缸直径，其中可以沿气缸顶部分布两个或多个单独控制的喷嘴。所述阀可以是开/关式或阶梯式或者甚至是可以连续控制的。
还在图8中示出了可获得的逐渐提高的喷射初始相位，其中快速反应燃料喷射阀被控制喷射一系列小的离散喷射脉冲。通过降低脉冲之间的间隔(也就是提高它们的频率)直到在其余喷射相位阀保持打开这一时刻，来获得逐渐提高的喷射速率。由一个或多个小的离散喷射脉冲产生的初始喷射效果接近如图5-6所示的逐渐打开喷射阀的效果，这在图8中以虚线示出。
根据需要燃料喷射速率的变化可以像所示那样是线性的或者在初始相位和其余喷射相位都是非线性的，并且以上实施方式可以变化和组合。
可以通过改变关闭排气阀的时间来实现压缩压力pcomp的变化。排气阀过早的关闭导致更高的压缩压力，并且排气阀的过晚关闭导致更低的压缩压力。该方法主要导致气缸压力的总体降低以及由此导致振动的全面下降并且可以与逐渐提高燃料喷射速率组合使用。

Claims (10)

1.一种操作十字头式大型活塞发动机(10)尤其是两冲程发动机的方法，所述发动机具有至少一个气缸(16)、受控燃料喷射系统以及受控排气系统，所述方法包括：
控制燃料喷射系统和/或排气系统以控制预定频率下的气缸压力。
2.如权利要求1所述的方法，还包括
控制燃料喷射系统以通过逐渐提高燃料喷射速率而开始燃料喷射。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述燃料喷射速率是连续提高的。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述燃料喷射速率是阶梯式提高的。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过执行一个或多个离散喷射使燃料喷射速率得到提高。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，通过控制排气阀的关闭控制气缸压力。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述预定频率从由发动机轴旋转频率及其倍数组成的频率组中选择。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的方法，所述发动机具有至少两个可选择的操作模式(A，B)，每个操作模式包括操作参数和操作状态，所述操作参数和操作状态得到最优化以获得发动机转速(n)范围内的特定性能，并且每个操作模式(A，B)产生取决于发动机部件(12)上或由发动机激励的装置(11)的部件(13，14，15)上的振动应力级(τ)的发动机转速，
所述方法包括：
以选定的第一操作模式(A)操作发动机，
在每一发动机转速(n)下确定发动机部件上或由发动机激励的装置的部件上的振动应力级(τ)，
将所确定的振动应力级(τ)与预定的振动应力级限值(τ1，τ2)进行比较，如果确定的振动应力级超过预定的振动应力级限值，则
修正所选操作模式中的一个或多个操作参数或者变换到第二操作模式(A1，A2，B，B1)，以降低振动应力级(τ)。
9.如权利要求8所述的方法，还包括当利用修正的操作参数或以第二操作模式(A1，A2，B，B1)操作发动机时：
假定发动机以第一操作模式(A)操作，则在每一发动机转速(n)下确定在发动机部件上或在由发动机激励的装置的部件上存在的通过计算推定的振动应力级(τ)，
将推定的振动应力级(τ)与预定的振动应力级限值(τ1，τ2)进行比较，如果推定的振动应力级不超过预定的振动应力级限值，则
以第一操作模式(A)操作发动机。
10.一种十字头式大型活塞发动机(10)，尤其是两冲程发动机，具有至少一个气缸(16)、受控燃料喷射系统以及受控排气系统，所述发动机被构造成根据权利要求1-9中任意一项所述的方法进行操作。
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