СПОСОБ НАПОЛНЕНИЯ ЦИЛИНДРА ДВУХТАКТНОГО ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С ПРОДОЛЬНОЙ ПРОДУВКОЙ НАДДУВОЧНЫМ ВОЗДУХОМ, А ТАКЖЕ ДВУХТАКТНЫЙ ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С ПРОДОЛЬНОЙ ПРОДУВКОЙ Российский патент 2012 года по МПК F02B25/04 F02B37/12 F02D13/02 

Изобретение относится к способу наполнения цилиндра двухтактного дизельного двигателя большой мощности с продольной продувкой наддувочным воздухом, а также к двухтактному дизельному двигателю большой мощности с продольной продувкой, согласно ограничительной части пунктов 1 и 10 формулы изобретения.

Для повышения мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания, таких как, например, дизельные двигатели большой мощности для судов или стационарных установок для генерирования электрической энергии, после такта сгорания свежий воздух с помощью нагнетательной группы, которая, как правило, выполнена в виде работающего на отработавших газах турбокомпрессора, с повышенным давлением подают в камеру сгорания цилиндра. При этом можно использовать часть тепловой энергии отработавших газов, которые покидают камеру сгорания цилиндра после такта сгорания. Для этого горячие отработавшие газы за счет открывания выпускного клапана подают из камеры сгорания цилиндра в нагнетательную группу. Нагнетательная группа состоит по существу из турбины, которая приводится в действие входящими под давлением в нагнетательную группу горячими отработавшими газами. Турбина в свою очередь приводит в действие компрессор, с помощью которого всасывается и сжимается свежий воздух. За компрессором с турбиной, системой, которую часто называют просто турбонагнетателем и в которой, в частности, но не исключительно, в случае двухтактного дизельного двигателя большой мощности в качестве компрессора применяется радиальный компрессор, включен так называемый диффузор, охладитель наддувочного воздуха, отделитель воды и впускной приемник, из которого сжатый свежий воздух, называемый также наддувочным воздухом или продувочным воздухом, подается в конечном итоге в отдельные камеры сгорания цилиндров дизельного двигателя большой мощности. За счет применения такой нагнетательной группы можно увеличивать подачу свежего воздуха и повышать эффективность процесса сгорания в камере сгорания цилиндра.

В случае дизельных двигателей большой мощности, в зависимости от типа, подача воздуха осуществляется в различных местах на цилиндре. Так, например, в двухтактных двигателях с продольной продувкой воздух подается в камеру сгорания цилиндра через продувочные окна, которые расположены в рабочей поверхности в нижней зоне цилиндра. В четырехтактных двигателях наддувочный воздух, как правило, подается через один или несколько впускных клапанов, которые расположены в крышке цилиндра. При этом известны также двухтактные двигатели, которые вместо продувочных окон в нижней зоне цилиндра снабжены впускными клапанами в крышке цилиндра.

При этом центральное значение для подачи свежего воздуха в цилиндры имеет уже упомянутый выше охладитель наддувочного воздуха. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, известные охладители наддувочного воздуха состоят из имеющего по существу форму параллелепипеда корпуса, в котором расположены охлаждающие пакеты, через которые проходит для охлаждения поток наддувочного воздуха от входа охладителя наддувочного воздуха до выхода охладителя наддувочного воздуха. При этом наддувочный воздух интенсивно охлаждается, обычно, например, с 250 до 50°С, так что наряду с охлаждением воздуха в охладителе наддувочного воздуха, в охладителе также конденсируется вода из наддувочного воздуха.

Однако при высокой окружающей температуре, возможном низком окружающем давлении, и/или плохом наддуве, и/или недостаточном охлаждении наддувочного воздуха двигатель в рабочем состоянии испытывает более высокие тепловые нагрузки. За счет повышенной температуры всасывания, например, на основании высокой температуры окружающего воздуха, что, среди прочего, регулярно происходит в тропических областях, и/или при низком окружающем давлении уменьшается расход воздуха и тем самым избыток воздуха в цилиндре. За счет уменьшенной массы воздуха и обусловленной этим уменьшенной теплопоглощающей способности, т.е., например, уменьшенной теплоемкости, во время такта сжатия и сгорания повышается температура сгорания и соответственно тепловая нагрузка двигателя.

При расчете и оптимизации дизельного двигателя большой мощности с продольной продувкой необходимо, среди прочего, соответствующим образом учитывать эти условия, т.е. тропические температуры до 45°С или даже выше или, соответственно, пониженное давление окружающего воздуха, что принудительно приводит к компромиссу относительно оптимальных рабочих параметров по условиям ISO.

В указанных выше способах, согласно уровню техники, для оптимизации двигателя при опорных условиях (ISO), до настоящего времени приходилось мириться с повышенным расходом топлива и/или с ухудшенными показателями вредных веществ, например с повышенным выбросом NO_x или соответственно с понижением мощности.

Однако даже если согласиться со всеми этими компромиссами, проблема повышенной тепловой нагрузки двигателя решается не полностью. То есть в известных способах оптимизации хотя и уменьшается тепловая нагрузка двигателя до определенной степени, однако уменьшается не полностью до собственно желаемого уровня.

Это приводит к тому, что несмотря на применение всех известных из уровня техники мер, в частности, двухтактным дизельным двигателям с продольной продувкой приходится работать при повышенной тепловой нагрузке, что приводит к повышенному износу и более коротким интервалам между техническими обслуживаниями, что в конечном итоге приводит к повышенной стоимости эксплуатации и, что часто еще хуже, к повышенной вероятности выхода из строя отдельных компонентов или даже всей машины.

Другой недостаток известных способов для приспособления двигателей к тропическим условиям является также очевидным: когда, например, судно выходит из тропических регионов, например совершает рейсы между тропическими областями и не тропическими областями, в экстремальном случае между тропическими водами и полярными водами, то двигатели нельзя оптимизировать одновременно для противоположных условий окружающей среды: если соответствующая машина конструктивно оптимизирована для тропических условий, то в полярных областях она будет иметь соответствующие недостатки, такие как, среди прочего, например, повышенный расход топлива, повышенный выброс NO_x и т.д., и должна работать в термически не согласованных условиях. Это также относится и к обратному случаю.

Поэтому с некоторого времени задумываются над более гибкими решениями, которые основываются не на статических конструктивных изменениях, которые обеспечивают оптимальное согласование двигателей лишь с определенными окружающими условиями, например тропическими, и выполняется поиск альтернативных решений, при которых за счет согласования определенных рабочих параметров можно приспосабливать двигатель к специальным окружающим условиям.

В этой связи в кругах специалистов в данной области техники обсуждается проблема регулирования момента впрыска в зависимости от давления в цилиндре. Однако это решение оказалось малопригодным в реальных условиях и менее щадящим для двигателя, в частности, в случае двухтактных дизельных двигателей с продольной продувкой, поскольку, естественно, за счет этой меры не решается основная проблема, а именно недостаточное или чрезмерное наполнение цилиндра воздухом охлаждения. Это приводит к тому, что с помощью этого способа также неизбежны плохие компромиссы относительно расхода топлива, выброса NO_x и относительно тепловой нагрузки двигателя.

Поэтому задачей изобретения является создание способа оптимизации наполнения цилиндра двухтактного дизельного двигателя большой мощности с продольной продувкой, с помощью которого, в частности, в тропических условиях, можно значительно улучшить наполнение цилиндра наддувочным воздухом и как в тропических, так и в нетропических условиях оптимально согласовывать тепловую нагрузку двигателя при одновременном оптимизировании мощности, расхода топлива и состава отработавших газов. Кроме того, задачей изобретения является создание улучшенного двигателя для осуществления такого способа.

Решающие эти задачи предметы изобретения характеризуются признаками независимых пунктов 1 и 10 формулы изобретения.

Зависимые пункты формулы изобретения относятся к особенно предпочтительным вариантам выполнения изобретения.

Таким образом, изобретение относится к способу наполнения цилиндра двухтактного дизельного двигателя большой мощности с продольной продувкой наддувочным воздухом, при этом во впускной зоне цилиндра предусмотрены продувочные окна для подачи наддувочного воздуха, а на крышке цилиндра предусмотрен выпускной клапан для выброса газа сгорания. В способе, согласно данному изобретению, находящийся под окружающим давлением свежий воздух всасывается работающим на отработавших газах турбонагнетателем и подается в цилиндр в качестве наддувочного воздуха при заданном давлении наддувочного воздуха через продувочные окна. Согласно изобретению, предусмотрен температурный датчик для измерения температуры всасывания свежего воздуха и/или для измерения температуры наддувочного воздуха, при этом в рабочем состоянии с помощью температурного датчика измеряют температуру всасывания и/или температуру наддувочного воздуха. Из температуры всасывания и/или температуры наддувочного воздуха определяют количество наддувочного воздуха, которым наполняется цилиндр. За счет управления выпускным клапаном представляется для цилиндра определенное количество наддувочного воздуха.

При этом определенное количество наддувочного воздуха, обеспечиваемое для цилиндра, является количеством наддувочного воздуха, которое действительно заключается в цилиндре после закрывания продувочных окон и выпускного клапана. От него следует отличать количество наддувочного воздуха, которое во время процесса продувки входит в цилиндр через продувочные окна. А именно, как хорошо известно для специалистов в данной области техники, заключенный в цилиндре для сгорания вновь подаваемый наддувочный воздух является непосредственно разницей между количеством наддувочного воздуха, которое во время процесса продувки в целом входит в цилиндр через продувочные окна, и количеством наддувочного воздуха, которое вместе с газами сгорания во время такта продувки перед сгоранием и перед закрыванием выпускного цилиндра снова выходит через выпускной клапан.

Было установлено, что с помощью данного изобретения регулирование количества наддувочного воздуха, которое подается в цилиндр в зависимости от изменяющихся окружающих условий, является более соответствующим реальным условиям, более надежным и, прежде всего, более щадящим для двигателя, чем уже известное из уровня техники согласование лишь момента впрыска или соответственно количества впрыска.

Согласно данному изобретению, для управления двухтактными дизельными двигателями с продольной продувкой дополнительно используется, по меньшей мере, информация о температуре всасываемого воздуха, т.е. свежего воздуха, который всасывается турбонагнетателем, и/или наддувочного воздуха, который подается в цилиндр. Однако для обеспечения возможности определения необходимого количества наддувочного воздуха, как будет пояснено ниже, дополнительно необходима, по меньшей мере, информация о давлении наружного воздуха и/или давлении наддува. Для этого в простейшем случае можно давление наружного воздуха просто принимать равным фиксированной величине в 1 бар, поскольку в действительности давление наружного воздуха на практике лишь незначительно отклоняется от этой величины. Так, например, отклонения лишь в +/- 50 миллибар уже соответствуют различию давления воздуха между ярко выраженными погодными условиями в зоне высокого давления и в зоне низкого давления. В остальном, как следует из приведенных ниже таблиц, колебания в показаниях барометра, т.е. колебания давления окружающего воздуха, имеют скорее второстепенное значение и требуются, как будет пояснено ниже, лишь для особенно чувствительной тонкой настройки двигателя.

Понятно, что при определении количества наддувочного воздуха, которое необходимо подавать в цилиндр, необходимо дополнительно учитывать свойства и параметры самого двигателя, такие как, например, характеристики двигателя и/или турбонагнетателя, т.е. характеристики решающих применяемых в двигателе компонентов.

Из этих данных затем можно определять управление двигателем, например, с помощью интегрированной или внешней установки для обработки данных, оптимальные параметры управления выпускным клапаном, так что цилиндры двигателя оптимально наполняются наддувочным воздухом, т.е. за счет соответствующего управления выпускным клапаном, с одной стороны, в цилиндре предоставляется в распоряжение такое количество воздуха, что достигается оптимальное охлаждение в цилиндре, так что компоненты двигателя термически не перегружаются. Одновременно за счет этого можно устанавливать в цилиндре изменение давления сжатия или соответственно, изменение давления воспламенения, так что можно одновременно оптимизировать расход топлива, мощность, выброс вредных веществ, в частности выброс NO_x, и, как указывалось выше, тепловую нагрузку дизельного двигателя большой мощности.

В предпочтительных усовершенствованиях способа, согласно изобретению, может быть дополнительно, как указывалось выше, предусмотрен датчик окружающего давления для измерения окружающего давления, окружающее давление можно измерять с помощью датчика окружающего давления и с учетом окружающего давления определять количество наддувочного воздуха.

Кроме того, как будет пояснено ниже, можно также наряду с другими параметрами дополнительно для управления двигателем еще определять температуру и/или давление продувочного воздуха посредством измерения этих величин с помощью подходящих датчиков и, как указывалось выше, использовать данные об окружающем давлении, т.е. давлении наружного воздуха, под которым находится всасываемый свежий воздух в действительных окружающих условиях, и/или давление наддува, с которым наддувочный воздух нагнетается в камеру сгорания цилиндра, для управления двигателем с целью тонкой настройки.

На основании указанных выше дополнительных измерительных величин, которые предпочтительно оцениваются на основе предварительно заданных характеристик, можно осуществлять управление двигателем относительно оптимальных рабочих параметров и максимальной допустимой тепловой нагрузки в зависимости от окружающих условий, состояния турбонагнетателя и охладителя наддувочного воздуха.

Тем самым можно не только в любое время гибко оптимально настраивать двигатель на изменяющиеся окружающие условия, но также гибко настраивать на изменения, которые при остающихся одинаковыми окружающих условиях, например, но не только, в стационарно установленных дизельных двигателях большой мощности, которые, например, установлены неподвижно на земле для генерирования электрической энергии, возникают, например, на основании увеличивающегося износа определенных компонентов дизельного двигателя большой мощности. Таким образом, дизельный двигатель большой мощности можно всегда оптимально эксплуатировать за счет применения способа, согласно изобретению, с учетом обусловленных работой изменений, таких как износ, срабатывание различных компонентов, их прирабатываемость и т.д., в ходе работы двигателя.

В одном особенно предпочтительном варианте выполнения способа, согласно изобретению, определяют, в частности, массу количества наддувочного воздуха, которая подается в цилиндр. А именно, существенным для охлаждающего действия подаваемого в цилиндр наддувочного воздуха является, в первую очередь, масса подаваемого воздуха, а не его объем. При повышенной наружной температуре, которая, например, преобладает в тропических областях, при том же объеме наполняемого наддувочного воздуха, как при низкой окружающей температуре, в цилиндр подается меньшая масса наддувочного воздуха. За счет этого при одинаковом объеме наддувочного воздуха охлаждающее действие уже потому намного меньше, что теплопоглощающая способность, т.е., например, теплоемкость наполняемого в цилиндр наддувочного воздуха в целом меньше, поскольку, как известно для специалистов в данной области техники, теплоемкость газа зависит от его массы.

В одном частном варианте выполнения способа, согласно изобретению, температуру всасывания во всасывающем фильтре работающего на отработавших газов турбонагнетателя измеряют предпочтительно электрически с помощью резистивного термометра, в частности с помощью резистивного термометра типа РТ100, и/или температуру наддувочного воздуха измеряют между охладителем наддувочного воздуха и приемным пространством и/или в приемном пространстве предпочтительно электрически с помощью резистивного термометра, в частности с помощью резистивного термометра типа РТ100.

Если температура и/или давление наддувочного воздуха измеряются не непосредственно в цилиндре, то действительное давление или соответственно действительную температуру наддувочного воздуха в цилиндре можно просто определять, например, с помощью предварительной калибровки или с помощью известных самих по себе математических способов, так что место измерения давления или соответственно температуры наддувочного воздуха имеет скорее второстепенное значение.

Температуру и давление всасываемого свежего воздуха предпочтительно измеряют перед входом в турбонагнетатель. То есть окружающее давление особенно предпочтительно измеряют во всасывающем фильтре работающего на отработавших газах турбонагнетателя, предпочтительно с помощью преобразователя окружающего давления, в частности с помощью электрического преобразователя окружающего давления, например с помощью преобразователя абсолютного давления Keller 33X, и/или давление наддувочного воздуха измеряют между охладителем наддувочного воздуха и приемным пространством и/или в приемном пространстве предпочтительно с помощью преобразователя относительного давления наддува, в частности с помощью электрического преобразователя давления наддува, или же, например, с помощью преобразователя Keller 33X.

Как указывалось выше, для регулирования количества наддувочного воздуха можно определять угол открывания и/или угол закрывания выпускного клапана из температуры всасываемого воздуха, и/или температуры наддувочного воздуха, и/или окружающего давления, и/или давления наддувочного воздуха, предпочтительно с помощью формулы, в частности, из справочной таблицы и/или семейства характеристик, в частности, в виде функции скорости вращения, и/или мощности, и/или нагрузки, которые, хранятся, например, в установке для обработки данных и определяются, например, из калибровочных измерений.

Для оптимизации рабочего параметра, в частности для оптимизации рабочей температуры, и/или расхода топлива, и/или мощности, и/или характеристик отработавших газов, можно дополнительно определять начало впрыска и/или окончание впрыска из температуры всасывания, и/или температуры наддувочного воздуха, и/или окружающего давления, и/или давления наддувочного воздуха, предпочтительно с помощью формулы, в частности, из справочной таблицы и/или семейства характеристик, в частности, в виде функции скорости вращения, и/или мощности, и/или нагрузки.

Для дальнейшего улучшения рабочих характеристик двухтактного дизельного двигателя большой мощности можно также оптимизировать изменение давления сжатия и/или изменение давления воспламенения в цилиндре на основе указанных выше имеющихся данных, при необходимости с использованием справочных таблиц или других калибровочных кривых или калибровочных таблиц.

Кроме того, для улучшения рабочих характеристик двигателя в первом цилиндре может быть предусмотрен датчик давления цилиндра и во втором цилиндре может быть предусмотрен датчик давления цилиндра, можно измерять давление цилиндра в первом цилиндре и во втором цилиндре и компенсировать разницу давлений цилиндра между первым цилиндром и вторым цилиндром.

В таблицах 1.1-1.3 приведено в качестве примера влияние окружающих условий на рабочее состояние двухтактного дизельного двигателя большой мощности при типичной нагрузке, а также влияние определенных согласований и улучшений за счет согласования управления двигателем.

Таблица 1.1 Влияние без согласования параметров управления двигателем   Основа ISO Влияние без согласования параметров управления двигателем Случай изменения - Температура всасывания Барометрическое давление eta_Turb. Температура надд. воздуха Температура всасывания, в °С 25 +20 - - - Барометрическое давление, в мбар 1000 - -50 - - Коэффициент полезного действия турбонагнетателя, в % 69 - - -4 - Температура наддувочного воздуха, в °С 37,7 - - - +10 Начало впрыска, в ° угла поворота коленчатого вала от верхней мертвой точкой 1 фикс. Фикс. фикс. фикс. Угол закрывания выпускного клапана, в ° коленчатого вала от нижней мертвой точки 80 фикс. фикс. фикс. фикс. Расход топлива, в г/кВт·ч 170 2,1 +0,3 +1,5 +0,9 Давление наддувочного воздуха, в бар 3 -0,18 -0,04 -0,04 0,07 Давление сжатия, в бар 103 -7 -1 -5,5 +2 Давление воспламенения, в бар 140 -5 -1,5 -4,5 +1 Соотношение избытка воздуха перед сгоранием 2 -0,2 -0,03 -0,13 -0,02 Температура конструктивных частей (выпускного клапана), в °С 575 +17 +3 +15 +10

Таблица 1.2 Влияние с согласованием параметров управления двигателем   Основа ISO Влияние с согласованием параметров управления двигателем Случай изменения - Температура всасывания Барометрическое давление eta_Turb. Температура надд. воздуха Температура всасывания, в °С 25 +20 - - - Барометрическое давление, в мбар 1000 - -50 - - Коэффициент полезного действия турбонагнетателя, в % 69 - - -4 - Температура наддувочного воздуха, в °С 37,7 - - - +10 Начало впрыска, в ° угла поворота коленчатого вала от верхней мертвой точкой 1 фикс. фикс. фикс. 0,5°СА позже Угол закрывания выпускного клапана, в ° поворота коленчатого вала от нижней мертвой точки 80 7°СА раньше 1°СА раньше 6°СА раньше 2°СА раньше Расход топлива, в г/кВт·ч 170 +1,2 +0,1 +0,7 +1,3 Давление наддувочного воздуха, в бар 3 -0,20 -0,04 -0,04 0,09 Давление сжатия, в бар 103 0 0 0 +4 Давление воспламенения, в бар 140 0 0 0 0 Соотношение избытка воздуха перед сгоранием 2 -0,1 -0,01 -0,05 +0,01 Температура конструктивных частей (выпускного клапана), в °С 575 +13 +2 +13 +6

Таблица 1.3 Улучшение за счет согласования параметров управления двигателем   Основа ISO Улучшение за счет согласования параметров управления двигателем Случай изменения - Температура всасывания Барометрическое давление eta_Turb. Температура надд. воздуха Температура всасывания, в °С 25 - - - - Барометрическое давление, в мбар 1000 - - - - Коэффициент полезного действия турбонагнетателя, в % 69 - - - - Температура наддувочного воздуха, в °С 37,7 - - - - Начало впрыска, в ° угла поворота коленчатого вала от верхней мертвой точкой 1 - - - - Угол закрывания выпускного клапана, в ° поворота коленчатого вала от нижней мертвой точки 80 - - - - Расход топлива, в г/кВт·ч 170 -0,9 -0,2 -0,8 +0,4 Давление наддувочного воздуха, в бар 3 -0,02 -0,004 -0,004 0,015 Давление сжатия, в бар 103 +6,7 +1,5 +5,5 +2,5 Давление воспламенения, в бар 140 +5 +1 +5 -1 Соотношение избытка воздуха перед сгоранием 2 +0,10 +0,02 +0,08 +0,03 Температура конструктивных частей (выпускного клапана), в °С 575 -4 -1 -2 -4

Кроме того, изобретение относится к двухтактному дизельному двигателю большой мощности с продольной продувкой с работающим на отработавших газах турбонагнетателем, при этом во впускной зоне цилиндра двухтактного дизельного двигателя большой мощности предусмотрены продувочные окна для подачи наддувочного воздуха и на крышке цилиндра предусмотрен для выброса газа сгорания выпускной клапан. В рабочем состоянии имеющийся под окружающим давлением свежий воздух всасывается работающим на отработавших газах турбонагнетателем и подается в цилиндр в виде наддувочного воздуха под заданным давлением наддувочного воздуха через продувочные окна. Согласно изобретению, предусмотрен датчик температуры для измерения температуры всасывания свежего воздуха и/или для измерения температуры наддувочного воздуха, так что можно измерять температуру всасывания и/или температуру наддувочного воздуха с помощью датчика температуры. При этом предусмотрены электронные средства оценки, так что из температуры всасывания и/или температуры наддувочного воздуха можно определять количество наддувочного воздуха, подаваемого в цилиндр, и, кроме того, предусмотрено управление для выпускного клапана, так что за счет управления выпускным клапаном в цилиндре имеется в распоряжении упомянутое определенное количество наддувочного воздуха.

При этом, в частности, может быть предусмотрен также датчик окружающего давления для измерения окружающего давления.

В особенно важном для практики примере выполнения двухтактный дизельный двигатель большой мощности с продольной продувкой выполнен так и имеет такие, в частности, электронные средства и/или подходящие наборы данных, что можно определять массу объема наддувочного воздуха из измеренных величин температуры и/или давления.

В частности, может быть предусмотрен датчик температуры для измерения температуры всасывания в фильтре всасывания работающего на отработавших газах турбонагнетателя, и предпочтительно предусмотрен электрический резистивный термометр, в частности резистивный термометр РТ100 или РТ1000, или полупроводниковый термометр, или другой электрически считываемый резистивный термометр, и/или предусмотрен температурный датчик для измерения температуры наддувочного воздуха между охладителем наддувочного воздуха и приемным пространством и/или в приемном пространстве, и предпочтительно является электрическим резистивным термометром, в частности резистивным термометром РТ100 или РТ1000, или полупроводниковым термометром, или другим электрически считываемым резистивным термометром.

При этом может быть предусмотрен датчик окружающего давления для измерения окружающего давления в фильтре всасывания работающего на отработавших газах турбонагнетателя, который предпочтительно является преобразователем абсолютного окружающего давления, в частности электрическим преобразователем окружающего давления, т.е. электрически считываемым преобразователем окружающего давления, и/или предусмотрен датчик давления наддува для измерения давления наддувочного воздуха между охладителем наддувочного воздуха и приемным пространством и/или в приемном пространстве, который предпочтительно является преобразователем абсолютного или относительного давления наддува, в частности электрическим преобразователем давления наддува.

В частном примере выполнения в первом цилиндре предусмотрен датчик давления цилиндра и во втором цилиндре предусмотрен датчик давления цилиндра, так что можно измерять давление цилиндра в первом цилиндре и во втором цилиндре, и компенсировать разницу давлений (воспламенения) цилиндра между первым цилиндром и вторым цилиндром за счет подходящего управления двигателем, например за счет управления и/или регулирования выпускного клапана, и/или момента впрыска, и/или длительности впрыска, и/или за счет других мер управления и/или регулирования.

Особенно предпочтительно двухтактный дизельный двигатель большой мощности является электронно управляемым двигателем, в частности двигателем Wärtsilä RT-Flex или двигателем MAN B&W ME, так что обеспечивается возможность независимого электронного регулирования угла открывания и/или угла закрывания выпускного клапана, и/или момента впрыска, и/или длительности впрыска и предпочтительно гидравлического приведения в действие выпускного клапана и/или форсунки впрыска.

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг. 1 - принципиальная конструкция двухтактного дизельного двигателя большой мощности с продольной продувкой, согласно изобретению, с системой работающего на отработавших газах турбонагнетателя;

фиг. 2 - корректированное, согласно изобретению, изменение давления сжатия и воспламенения.

На фиг. 1 для пояснения взаимодействия различных компонентов схематично показана принципиальная конструкция системы работающего на отработавших газах турбонагнетателя дизельного двигателя большой мощности, который выполнен в виде двухтактного дизельного двигателя большой мощности с продольной продувкой и обозначен в целом позицией 1.

Дизельный двигатель 1 большой мощности содержит, как известно, несколько цилиндров 2 с расположенным в крышке 6 цилиндра выпускным клапаном 8, при этом в цилиндре 2 расположен поршень 200 с возможностью перемещения вдоль рабочей поверхности между нижней мертвой точкой НМТ и верхней мертвой точкой ВМТ. Стенки цилиндра 2 с крышкой 6 цилиндра и поршень 200 ограничивают, как известно, камеру сгорания цилиндра 2. В нижней зоне цилиндра 2 предусмотрено несколько отверстий 5 для продувочного воздуха, которые выполнены в виде продувочных окон 5. В зависимости от положения поршня 200 продувочные окна 5 закрываются им или освобождаются. Через отверстия 5 для продувочного воздуха в камеру сгорания цилиндра 2 может входить продувочный воздух 3, называемый также наддувочным воздухом 3. Через расположенный в крышке 6 цилиндра выпускной клапан 8 возникающие при сгорании газы 7 сгорания проходят через линию 700 для отработавших газов, которая примыкает к выпускному клапану 8, в работающий на отработавших газах турбонагнетатель 10.

Работающий на отработавших газах турбонагнетатель 10 содержит в качестве существенных компонентов компрессор с рабочим колесом 101 для сжатия свежего воздуха 9, а также турбину с рабочим колесом 102 для приведения в действие рабочего колеса 101 компрессора, которое с помощью вала соединено известным образом без возможности проворачивания с рабочим колесом 102 турбины. Турбина и компрессор расположены в одном корпусе и образуют работающий на отработавших газах турбонагнетатель 10, который в данном случае со стороны компрессора выполнен в виде радиального компрессора. Турбина приводится во вращение с помощью входящего из камеры сгорания цилиндра 2 горячего газа 7 сгорания.

Для наполнения камеры сгорания цилиндра 2 наддувочным воздухом 3, с помощью рабочего колеса 101 компрессора через всасывающий патрубок всасывается свежий воздух 9 и сжимается в работающем на отработавших газах турбонагнетателе 10 до повышенного давления, которое несколько выше, чем создаваемое в конечном итоге в цилиндре 2 давление P_L наддувочного воздуха. Из работающего на отработавших газах турбонагнетателя 10 сжатый свежий воздух 9 попадает в качестве наддувочного воздуха 3 через включенный после турбонагнетателя диффузор 1000 и через охладитель 15 наддувочного воздуха посредством отделителя 1001 воды во впускной приемник 16, который предпочтительно выполнен в виде приемного пространства 16, и из которого сжатый наддувочный воздух 3 в конечном итоге попадает в качестве продувочного воздуха 3 через продувочные окна 5 с повышенным давлением в камеру сгорания цилиндра 2.

Для измерения окружающего давления Р₀, которое равно атмосферному давлению Р₀, в фильтре всасывания работающего на отработавших газах турбонагнетателя 10 предусмотрен датчик 11 окружающего давления, а также для измерения температуры Т₀ всасывания свежего воздуха 9 предусмотрен резистивный термометр 12 типа РТ100.

Кроме того, в специальном примере выполнения, показанном на фиг. 1, для измерения температуры T_L наддувочного воздуха между охладителем 15 наддувочного воздуха и приемным пространством 16, а также в самом приемном пространстве 16 предусмотрен резистивный термометр 13 типа РТ100. Понятно, что способ, согласно изобретению, можно осуществлять также лишь с одним из обоих указанных выше резистивных термометров 13, при этом за счет измерения температуры наддувочного воздуха в двух местах можно в определенных случаях еще точнее определять количество подлежащего введению наддувочного воздуха 3.

Кроме того, как уже указывалось выше, измеряют окружающее давление Р₀ в фильтре 14 всасывания работающего на отработавших газах турбонагнетателя 10, предпочтительно с помощью преобразователя 11 окружающего давления, и измеряют давление P_L наддувочного воздуха в показанном на фиг. 1 специальном примере выполнения между охладителем 15 наддувочного воздуха и приемным пространством 16 и одновременно в приемном пространстве 16 с помощью преобразователя 17 давления наддува.

Кроме того, как указывалось выше, измеренные температуры и давления применяют для регулирования количества наддувочного воздуха 3. То есть определяется угол открывания и/или угол закрывания выпускного клапана 8 из температуры Т₀ всасывания и/или температуры T_L наддувочного воздуха и/или из окружающего давления Р₀ и/или давления P_L наддувочного воздуха, что можно осуществлять предпочтительно посредством вычисления из подходящей математической физической формулы, в частности, также из справочной таблицы и/или семейства характеристик, в частности, в виде функции скорости вращения, и/или мощности, и/или нагрузки.

Кроме того, для оптимизации рабочего параметра, в частности для оптимизации рабочей температуры, и/или расхода топлива, и/или мощности, и/или состава отработавших газов, можно определять начало впрыска и/или окончание впрыска из температуры Т₀ всасывания и/или температуры T_L наддувочного воздуха и/или из окружающего давления Р₀ и/или давления P_L наддувочного воздуха.

Естественно, целью является оптимизирование на основе измеренных данных температуры и давления изменения K давления сжатия и/или изменения Z давления воспламенения в цилиндре 2, как схематично показано на фиг. 2.

На фиг. 2 схематично показано скорректированное, согласно изобретению, изменение давления сжатия и давления воспламенения.

В показанном на фиг. 2 графике на оси ординат показано давление Р в цилиндре 2 в виде функции угла Ω поворота коленчатого вала, при этом угол Ω поворота коленчатого вала наносится на ось абсцисс.

Показанные на графике сверху кривые K, Z показывают само по себе известным образом, с одной стороны, изменение K давления сжатия, изображенное штриховой линией, если бы не происходило сгорание. Давление K сжатия имеет, как известно для специалистов в данной области техники, в верхней мертвой точке ВМТ, когда объем камеры сгорания в цилиндре 2 минимален, максимальное значение.

Однако в обычном рабочем состоянии изменение давления следует начиная с некоторого угла поворота коленчатого вала, который приблизительно соответствует верхней мертвой точке ВМТ, ходу кривой Z, т.е. изменению давления воспламенения. Когда, например, примерно при угле ВМТ поворота коленчатого вала в камеру сгорания цилиндра 2 впрыскивается топливо, то при угле V поворота коленчатого вала обычно начинается сгорание, при этом угол V поворота коленчатого вала обычно соответствует углу поворота коленчатого вала примерно 1-2° после угла ВМТ поворота коленчатого вала.

За счет увеличивающегося сгорания впрыснутого топлива давление повышается до максимального давления P_m сгорания, чтобы затем при движении поршня 200 в направлении нижней мертвой точки НМТ снова уменьшаться, поскольку при движении поршня 200 в направлении нижней мертвой точки НМТ объем камеры сгорания снова увеличивается, при этом, наконец, перед достижением нижней мертвой точки снова освобождаются продувочные окна, за счет чего давление Р в цилиндре снова падает по существу до давления P_L наддувочного воздуха.

Изображенная ниже кривой K, Z кривая Т показывает изменение давления сжатия или, соответственно, изменение давления воспламенения в тропических условиях, когда не применяется способ, согласно изобретению. Поскольку входящий свежий воздух имеет повышенную температуру Т₀ и/или давление окружающего воздуха Р₀ имеет пониженное значение, то создаваемое работающим на отработавших газах турбонагнетателем 10 давление наддувочного воздуха также меньше, что приводит к тому, что при угле ВМТ поворота коленчатого вала давление в цилиндре меньше, чем при окружающих условиях, которые соответствуют кривым K, Z, так что после последующего сгорания в цилиндре не достигается оптимальное максимальное давление P_m газа в цилиндре.

За счет применения способа, согласно изобретению, можно управлять выпускным клапаном так, что даже в тропических условиях по существу достигается изменение давления сжатия и давления воспламенения в соответствии с оптимальными кривыми K, Z, за счет того что, например, выпускной клапан 8 закрывается при несколько меньшем угле Ω поворота коленчатого вала, т.е. немного раньше, чем в не тропических условиях.

Для специалистов в данной области техники сразу же понятно, что в обратном случае можно также очень предпочтительно с помощью способа, согласно изобретению, корректировать двигатель, согласно изобретению.

Когда, например, двигатель эксплуатируется в полярных условиях, т.е. при очень низкой температуре Т₀ свежего воздуха и/или при повышенном окружающем давлении Р₀, то кривая V давления сжатия или соответственно кривая Z давления воспламенения может в части или всем диапазоне углов Ω поворота коленчатого вала проходить при слишком высоких давлениях Р в цилиндре, что также приводит к не оптимальным рабочим условиям, так что, например, за счет того что выпускной клапан закрывается при слегка большем угле Ω поворота коленчатого вала, т.е. несколько позже, можно корректировать изменение давления до несколько меньших значений, так что изменение давления Р в цилиндре 2 снова следует оптимальным кривым K, Z.

В качестве вывода можно утверждать, что особое преимущество способа, согласно изобретению, или соответственно двухтактного дизельного двигателя большой мощности, согласно изобретению, состоит, с одной стороны, в возможности оптимизирования двигателя в опорных (справочных) условиях (ISO) на лучший расход топлива без подвергания двигателя, например, в тропических условиях повышенным тепловым нагрузкам.

Управление тепловой нагрузкой предпочтительно осуществляется в специальном примере выполнения, но не только в нем, за счет управления углом закрывания выпускного клапана. За счет более раннего или более позднего угла закрывания выпускного клапана можно управлять массой находящегося в распоряжении для сгорания воздуха в зависимости от окружающих условий.

Дополнительно к этому, можно на основе новых имеющихся в распоряжении измерительных величин управлять двигателем так, что давление воспламенения лежит максимально близко к желаемому и оптимальному значению давления воспламенения. Давление воспламенения можно дополнительно удерживать на оптимальном значении с помощью момента впрыска в комбинации с установкой угла закрывания выпускного клапана.

Это решение регулирования/управления давлением в цилиндре является по сравнению с уже давно обсуждаемым регулированием момента впрыска в зависимости от давления в цилиндре намного более реалистичным, надежным и, прежде всего, щадящим для двигателя.

Кроме того, предлагаемую систему можно дополнительно комбинировать с измерением давления в цилиндре с целью измерения различия давлений воспламенения в отдельных цилиндрах и компенсации вручную нажатием кнопки. Кроме того, система может выдавать рекомендации для оптимального регулирования подачи топлива, которую затем в ограниченном диапазоне можно подрегулировать, например, вручную или автоматически.

Особенно предпочтительно указанную выше систему можно применять, естественно, в электронно управляемом двигателе, как, например, в хорошо зарекомендовавшей себя технологии Wärtsilä RT-Flex. Однако данное изобретение можно предпочтительно применять также в других машинах, например в предлагаемых фирмой MAN B&W двигателях МС/МС-С, для улучшения этих двигателей.

При этом другое важное преимущество решения, согласно данному изобретению, состоит в том, что дополнительные затраты на установку такой системы в уже находящийся в эксплуатации двигатель можно рассматривать как очень небольшие, поскольку требуется установка сравнительно немногих компонентов, таких как датчики температуры и давления.

Понятно, что все указанные в данной заявке примеры выполнения следует понимать лишь в качестве примеров, и, в частности, все варианты выполнения, которые описаны или соответственно пояснены в рамках данной заявки, по отдельности или во всех подходящих комбинациях могут быть предусмотрены в специальных примерах выполнения, согласно изобретению, так что также все подходящие комбинации описанных в данной заявке вариантов выполнения охватываются и входят в объем данного изобретения.

Изобретение может быть использовано в двухтактных дизельных двигателях большой мощности. Способ наполнения цилиндра (2) двухтактного дизельного двигателя (1) большой мощности с продольной продувкой наддувочным воздухом (3) осуществляется двигателем, во впускной зоне (4) цилиндра (2) которого предусмотрены продувочные окна (5) для подачи наддувочного воздуха (3), а на крышке (6) цилиндра (2) предусмотрен выпускной клапан (8) для выброса газа (7) сгорания. Способ заключается в том, что находящийся под окружающим давлением (P₀) свежий воздух (9) всасывается работающим на отработавших газах турбонагнетателем (10) и подается в цилиндр (2) в качестве наддувочного воздуха (3) при заданном давлении (P_L) наддувочного воздуха через продувочные окна (5). Предусмотрен температурный датчик (12, 13) для измерения температуры (T₀) всасывания свежего воздуха (9) и/или для измерения температуры (T_L) наддувочного воздуха (3). В рабочем состоянии с помощью температурного датчика (12, 13) измеряют температуру (T₀) всасывания и/или температуру (T_L) наддувочного воздуха. Из температуры (T₀) всасывания и/или температуры (T_L) наддувочного воздуха определяют количество наддувочного воздуха (3), которым наполняется цилиндр (2). За счет управления выпускным клапаном (8) оставляют в цилиндре (2) определенное количество наддувочного воздуха (3). Раскрыт двухтактный дизельный двигатель для осуществления способа. Технический результат заключается в улучшении наполнения цилиндра двигателя. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Способ наполнения цилиндра (2) двухтактного дизельного двигателя (1) большой мощности с продольной продувкой наддувочным воздухом (3), при этом во впускной зоне (4) цилиндра (2) предусмотрены продувочные окна (5) для подачи наддувочного воздуха (3), а на крышке (6) цилиндра (2) предусмотрен выпускной клапан (8) для выброса газа (7) сгорания, при этом находящийся под окружающим давлением (P₀) свежий воздух (9) всасывается работающим на отработавших газах турбонагнетателем (10) и подается в цилиндр (2) в качестве наддувочного воздуха (3) при заданном давлении (P_L) наддувочного воздуха через продувочные окна (5), отличающийся тем, что предусмотрен температурный датчик (12, 13) для измерения температуры (T₀) всасывания свежего воздуха (9) и/или для измерения температуры (T_L) наддувочного воздуха (3), в рабочем состоянии с помощью температурного датчика (12, 13) измеряют температуру (T₀) всасывания и/или температуру (T_L) наддувочного воздуха и из температуры (T₀) всасывания и/или температуры (T_L) наддувочного воздуха определяют количество наддувочного воздуха (3), которым наполняется цилиндр (2), и за счет управления выпускным клапаном (8) предоставляют для цилиндра (2) указанное определенное количество наддувочного воздуха (3).

2. Способ по п.1, при этом предусмотрен датчик (11) окружающего давления для измерения окружающего давления (P₀), окружающее давление (P₀) измеряют с помощью датчика (11) окружающего давления и с учетом окружающего давления (P₀) определяют количество наддувочного воздуха (3).

3. Способ по п.1 или 2, при этом определяют массу количества наддувочного воздуха (3).

4. Способ по п.2, при этом измеряют температуру (T₀) всасывания в фильтре (14) всасывания работающего на отработавших газах турбонагнетателя (10), предпочтительно электрически с помощью резистивного термометра (12), в частности, резистивного термометра (12) типа РТ100, и/или при этом измеряют температуру (T_L) наддувочного воздуха между охладителем (15) наддувочного воздуха и приемным пространством (16) и/или в приемном пространстве (16), предпочтительно, электрически с помощью резистивного термометра (13), в частности резистивного термометра (13) типа РТ100.

5. Способ по п.2, при этом измеряют окружающее давление (P₀) в фильтре (14) всасывания работающего на отработавших газах турбонагнетателя (10), предпочтительно, с помощью преобразователя (11) окружающего давления, в частности с помощью электрического преобразователя (11) окружающего давления, и/или при этом измеряют давление (P_L) наддувочного воздуха между охладителем (15) наддувочного воздуха и приемным пространством (16) и/или в приемном пространстве (16), предпочтительно, с помощью преобразователя (17) давления наддува, в частности с помощью электрического преобразователя (17) давления наддува.

6. Способ по п.2, при этом для установки количества наддувочного воздуха (3) определяют угол открывания и/или угол закрывания выпускного клапана (8) из температуры (T₀) всасывания и/или температуры (T_L) наддувочного воздуха и/или окружающего давления (P₀) и/или давления (P_L) наддувочного воздуха, предпочтительно вычисляют с помощью формулы, в частности, из справочной таблицы и/или семейства характеристик, в частности, в виде функции скорости вращения, и/или мощности, и/или нагрузки.

7. Способ по п.2, при этом для оптимизации рабочего параметра, в частности для оптимизации рабочей температуры, и/или расхода топлива, и/или мощности, и/или состава отработавших газов определяют начало впрыска и/или окончание впрыска из температуры (T₀) всасывания, и/или температуры (T_L) наддувочного воздуха, и/или окружающего давления (P₀), и/или давления (P_L) наддувочного воздуха, предпочтительно вычисляют с помощью формулы, в частности, из справочной таблицы и/или семейства характеристик, в частности, в виде функции скорости вращения, и/или мощности, и/или нагрузки.

8. Способ по п.2, при этом оптимизируют изменение (K) давления сжатия и/или изменение (Z) давления воспламенения в цилиндре (2).

9. Способ по п.2, при этом в первом цилиндре (2) предусмотрен датчик давления цилиндра и во втором цилиндре (2) предусмотрен датчик давления цилиндра, измеряют давление цилиндра в первом цилиндре (2) и во втором цилиндре (2), и компенсируют разницу давлений воспламенения цилиндра между первым цилиндром (2) и вторым цилиндром (2).

10. Двухтактный дизельный двигатель большой мощности с продольной продувкой, содержащий работающий на отработавших газах турбонагнетатель (10), при этом во впускной зоне (4) цилиндра (2) двухтактного дизельного двигателя большой мощности предусмотрены продувочные окна (5) для подачи наддувочного воздуха (3), а на крышке (6) цилиндра (2) предусмотрен выпускной клапан (8) для выброса газа (7) сгорания, при этом в рабочем состоянии находящийся под окружающим давлением (P₀) свежий воздух (9) всасывается работающим на отработавших газах турбонагнетателем (10) и подается в цилиндр (2) в качестве наддувочного воздуха (3) при заданном давлении (P_L) наддувочного воздуха через продувочные окна (5), отличающийся тем, что предусмотрен температурный датчик (12, 13) для измерения температуры (T₀) всасывания свежего воздуха (9) и/или для измерения температуры (T_L) наддувочного воздуха (3), так что обеспечивается возможность измерения температуры (T₀) всасывания и/или температуры (T_L) наддувочного воздуха с помощью температурного датчика (12, 13), и предусмотрены электронные средства оценки, так что обеспечивается возможность определения из температуры (T₀) всасывания и/или температуры (T_L) наддувочного воздуха количества наддувочного воздуха (3), которым наполняется цилиндр (2), и предусмотрено управление выпускным клапаном (8), так что за счет управления выпускным клапаном (8) в рабочем состоянии для цилиндра (2) предоставляется упомянутое определенное количество наддувочного воздуха (3).

11. Двухтактный дизельный двигатель большой мощности с продольной продувкой по п.10, при этом предусмотрен датчик (11) окружающего давления для измерения окружающего давления (P₀).

12. Двухтактный дизельный двигатель большой мощности с продольной продувкой по п.10 или 11, при этом обеспечивается возможность определения массы количества наддувочного воздуха (3).

13. Двухтактный дизельный двигатель большой мощности с продольной продувкой по п.11, при этом температурный датчик (12) предусмотрен для измерения температуры (T₀) всасывания в фильтре (14) всасывания работающего на отработавших газах турбонагнетателя (10) и предпочтительно представляет собой электрический резистивный термометр (12), в частности электрический резистивный термометр (12) типа РТ100, и/или при этом температурный датчик (13) предусмотрен для измерения температуры (T_L) наддувочного воздуха между охладителем (15) наддувочного воздуха и приемным пространством (16) и/или в приемном пространстве (16) и предпочтительно представляет собой электрический резистивный термометр (13), в частности резистивный термометр (13) типа РТ100.

14. Двухтактный дизельный двигатель большой мощности с продольной продувкой по п.11, при этом датчик (11) окружающего давления предусмотрен для измерения окружающего давления (P₀) в фильтре (14) всасывания работающего на отработавших газах турбонагнетателя (10) и предпочтительно представляет собой преобразователь (11) окружающего давления, в частности электрический преобразователь (11) окружающего давления, и/или при этом датчик (17) давления наддува предусмотрен для измерения давления (P_L) наддувочного воздуха между охладителем (15) наддувочного воздуха и приемным пространством (16) и/или в приемном пространстве (16) и предпочтительно представляет собой преобразователь (17) давления наддува, в частности электрический преобразователь (17) давления наддува.

15. Двухтактный дизельный двигатель большой мощности с продольной продувкой по п.11, при этом в первом цилиндре (2) предусмотрен датчик давления цилиндра и во втором цилиндре (2) предусмотрен датчик давления цилиндра, так что обеспечивается возможность измерения давления воспламенения цилиндра в первом цилиндре (2) и во втором цилиндре (2) и компенсации разницы давлений цилиндра между первым цилиндром (2) и вторым цилиндром (2).

16. Двухтактный дизельный двигатель большой мощности с продольной продувкой по п.11, при этом двухтактный дизельный двигатель большой мощности является электронно управляемым двигателем, в частности двигателем Wärtsilä RT-Flex или двигателем MAN B&W ME, так что обеспечивается возможность независимого электронного регулирования угла открывания, и/или угла закрывания выпускного клапана (8), и/или момента впрыска, и/или длительности впрыска и предпочтительно гидравлического приведения в действие.