优化往复活塞内燃机的运行参数的方法及往复活塞内燃机

摘要

本发明涉及用于优化往复活塞内燃机特别是具有纵向扫气的二冲程大型柴油机的运行参数(B)的方法(1)。往复活塞内燃机包括往复布置在气缸内的活塞。气缸包括排气门和喷油嘴。燃油在预定喷射角(E)由喷油嘴喷射到气缸中且排气门在排气角(A)处致动。运行期间，往复活塞内燃机的转速(D)改变，使得在第一转速(D

说明书

技术领域

本发明涉及根据各类型独立权利要求的前序部分的优化往复活塞式内燃机的运行参数的方法及往复活塞式内燃机。

背景技支术

对于诸如往复活塞式内燃机的复杂系统，整个运行参数组都必须被调节和优化，以提供在不同条件下都没有问题的运行。术语“运行参数”在本申请的上下文中将被理解为指涉及或者表征往复活塞式内燃机的运行状况的任何参数。例如，燃油消耗、污染物排放、振荡或振动幅度、气流脉动的分量以及描述内燃机运行状况的每个其他参数都可以被理解为本申请意义下的运行参数。

已知各个运行参数可以依赖于往复活塞式内燃机的转速而改变。特别地，已知特定运行参数仅在非常特殊的或多或少较窄限定的转速范围中可以采取预定容限之外的极值，并且在这些转速范围之外落入预定容限范围内。

这种行为的示例可以是特殊振荡类型，例如DE 202004002185 U1中描述的气流脉动，或者可以是例如在轮船中使用或者在地面上用来发电的大型柴油机的扭转振荡。

对于上述振荡或气流脉动的数学描述，它们按照其傅立叶分量以已知方式进行有利分析并且被展开为达特定阶数的傅立叶级数。

因此，例如已知根据往复活塞式发动机的气缸数在较窄限定的转速范围中，傅立叶分量在特定阶数中可以彼此相加至最大值，因此在此转速范围中可能产生不可容忍的强振动。

为了禁止这种傅立叶分量的最大振荡的发生或者减小发生至可容忍水平，已知各种措施。为了减小特定的扭转振荡状况，即特定阶数的特定傅立叶分量，例如，已知对大型柴油机的曲轴应用平衡重。通过此措施，运行参数(例如扭转振荡状况)的依赖于转速的变化自然仅可以不充分地进行控制，或者根本不能进行控制。

例如对于装载到轮船中地大型柴油机，尤为难以控制的是扭转振荡。因为大型柴油机与其所安装到的轮船一起构成振荡系统，可能在安装状态中依赖于较窄限定的转速范围中的转速，振荡的傅立叶分量在特定阶数中可以彼此相加至最大值。因此，产生在非安装状态中(例如在测试台上)对同一发动机不会产生并且不可精确预测的谐振形式。这是因为轮船的精确几何结构和确切构造没有被认知到最小细节，结果在预测模型中不能考虑全部细节。因此，不是全部细节都能预先包括到相应的仿真中。

在这样的情况下，在发动机安装到轮船中之后，例如很难影响这样的谐振来充分抑制它们。

到目前为止，这些问题仅仅利用精细或复杂的机械措施来处理，如果有的话。例如，平衡重可以事后额外地附装到曲轴上，这在安装状态下非常困难。此外，这使得必须进行优化，优化当然包括完整系列的依赖于对应转速的测试运行。在最差情况下，利用这样的措施根本不能或者仅仅能不充分地校正依赖于转速的效果。

在特定示例中这种依赖于转速的效果可以被校正。例如，凸轮轴的凸轮可以根据大型柴油机的转速被调节，这当然导致大型柴油机的转矩和性能的减小，引起更高的燃油消耗。这当然必需相当多的额外构造费用，从而成为缺点。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种新方法，利用该方法可以在预定转速范围中优化往复活塞式内燃机的运行参数。本发明的另一个目的是提供一种相应的往复活塞式内燃机。

满足这些目的的本发明主题在技术上从方法方面和从装置的观点而言通过各自类型的独立权利要求的特征来表征。

各个从属权利要求特别地涉及本发明的有利实施例。

本发明因此涉及一种方法，用于优化往复活塞式内燃机特别是具有单向流动扫气的二冲程大型柴油机的运行参数。往复活塞式内燃机包括布置在气缸内的往复活塞，其中气缸包括排气门和喷油嘴，燃油在预定喷射角由喷油嘴喷射到气缸中并且排气门在排气角被致动。在运行期间，往复活塞式内燃机的转速被改变，使得在第一转速下燃油在第一喷射角被喷射并且排气门在第一排气角被打开，并且在第二转速下燃油在第二喷射角被喷射并且排气门在第二排气角被致动。第一喷射角大于等于第二喷射角并且第一排气角大于等于第二排气角。气缸内的气压梯度在第一转速和第二转速之间被改变，使得运行参数的分量改变为预定值。

因此对本发明重要的是因为在第一转速和第二转速的预定转速范围中采取措施，往复活塞式内燃机的运行参数的分量被优化，由此气缸内的气压梯度以使得运行参数的分量被改变为预定值的方式被改变。

因此，为了优化运行参数，例如内燃机的扭转振荡、气流脉动、污染物排放或者功率，例如发生特定动作(例如燃油喷射、排气门的致动等)的控制参数(例如曲柄角)可以在第一转速和第二转速之间从第一转速开始随转速增大或减小被改变预定值，以然后再次被复位到第二曲柄角的值。

用于优化运行参数的措施，即在第一转速和第二转速之间运行参数的分量改变到预定值的类型、方式和大小，不仅取决于特定往复活塞式内燃机自身的构造和类型，而且还特别地取决于例如往复活塞式内燃机安装到其中的轮船。因此，本领域技术人员在应用本教导时将实际上不能避免执行额外的简单试验以实现以下更详细描述的参数的精确调节，这最终提供了精确的参数，例如用于确定第三喷射角或者第三排放角(它们根据情况不同而有所变化)的确切值。

在根据本发明的方法的优选示例性实施例中，在第一转速和第二转速之间燃油在第三喷射角喷射，第三喷射角大于第一喷射角或者小于第二喷射角。

这是指喷射角(及因此发生或者开始喷射周期的曲柄角)根据转速从第一喷射角改变到第二喷射角。第一喷射角和第二喷射角之间的喷射角至少采用依赖于转速并与第一喷射角和第二喷射角相关的最大值和/或最小值。

根据往复活塞式内燃机的哪个运行参数应当被优化，例如振荡的分量、气流脉动、污染物排放或者内燃机的其他运行参数，燃油喷射到气缸中的喷射角最初从第一转速开始随着转速的升高或者降低而降低到第一转速和第二转速之间的最小值，并且再次升高到第二喷射角的值，或者反之。这是指还可能是从第一转速开始随着转速的升高或者降低燃油喷射到气缸中的喷射角最初升高到第一转速和第二转速之间的最大值，并且然后降低到第二喷射角的值。

应当理解到在特殊情况下，燃油喷射到气缸中的喷射角还可以不同于以上描述而在第一转速和第二转速之间根据转速以更复杂的方式变化。

喷射角的改变目前并非改变气缸内气压梯度而使得运行参数的分量可以改变或者优化到预定值的唯一可能。

在本发明的方法的第二示例性实施例中，在第一转速和第二转速之间在喷射周期中喷射到气缸中的燃油量，特别是在第三喷射角下喷射的燃油量与在第一喷射角和/或第二喷射角下的喷射周期中喷射的燃油量不同。

在特定喷射周期中喷射燃油量的变化可以用不同方式实现。

因此，在根据本发明的方法的特殊变化中，在第一转速和第二转速之间喷射燃油到气缸中的喷射周期的持续时间，特别是在第三喷射角下的喷射周期的持续时间与在第一喷射角和/或第二喷射角下的燃油喷射持续时间不同，因此在第三喷射角下在特定喷射周期中，比第一喷射角下和/或第二喷射角下略多或略少的燃油喷射到气缸中。

在另一个喷射燃油量被改变特殊变化中，每个气缸设置至少两个喷油嘴，并且其中在第一转速和第二转速之间至少一个喷油嘴至少暂时关闭。应当理解到以上描述的改变喷射燃油量的两种可能方法可以有利地结合。

实现本发明方法即实现往复活塞式内燃机的运行参数优化的另一种可能通过在第一转速和第二转速之间适当地控制排气门来提供。

因此，在另一个示例性实施例中，在第一转速和第二转速之间的排气时间期间排气门被致动的排气角改变为大于第一排气角或者小于第二排气角的第三排气角。

这是指，排气角(其是来自内燃机气缸的燃气发生排气或者来自气缸的燃气开始排气的曲柄角，即排气门被致动时的曲柄角)以这样的方式根据转速从第一排气角改变为第二排气角，即第一排气角和第二排气角之间的排气角至少采取依赖于转速与第一排气角和第二排气角相关的最大值和/或最小值。

根据往复活塞式内燃机的哪个运行参数应当被优化，例如振荡的分量、气流脉动、污染物排放或者内燃机的其他运行参数，排气角最初从第一转速开始随着转速的升高或者降低而降低到第一转速和第二转速之间的最小值，并且再次升高到第二排气角的值，或者反之。这是指还可能是从第一转速开始随着转速的升高或者降低排气门在排气周期致动的排气角最初升高到第一转速和第二转速之间的最大值，并且然后降低到第二排气角的值。

应当理解到在特殊情况下，排气角还可以不同于以上描述而在第一转速和第二转速之间根据转速以更复杂的方式变化。

但是，不仅排气门被致动的时间点即排气角的值可以被改变来优化内燃机的运行参数，而且排气门被打开的持续时间或者打开和关闭过程的精确时间段也可以影响运行参数的分量。

因此，对根据本发明的方法的另一个变化，在第一转速和第二转速之间在排气角下排气门致动的持续时间，特别是在第三排气角下的排气门致动的持续时间与在第一排气角和/或在第二排气角下的排气门致动的持续时间不同。

这是指，在第一转速和第二转速之间，排气门在第三排气角下被打开的持续时间可以例如分别比在第一转速和/或在第二转速下排气门被打开的持续时间长和/或短。在这点上，当运行参数的分量可以通过这种方式被尤为有利地校正或改变时，排气门在往复活塞式内燃机的一个周期中在第一转速和第二转速之间在每种情况下被打开的持续时间可能以复杂的途径和方式为转速的函数。

本申请自身非常清楚并且本领域技术人员自然可知道的是此处描述的根据本发明方法的示例性实施例的全部可以根据需要被成功地结合。

利用根据本发明的方法，振荡特别是扭转振荡、纵向振荡、横向振荡或者气流脉动可以被特别有利地优化。

如已经描述的那样，振荡过程根据总的几何结构(例如大型柴油机和大型柴油机安装到其中的轮船的几何结构)可能表现出谐振，并且根据发动机的转速以不同方式和不同强度被激励。因此，例如已经发现在14缸柴油机(但不仅是14缸柴油机)中，扭转振荡的傅立叶分量在特定情况下可以叠加至最大值，在特定转速下例如在70转每分(RPM)和120RPM之间该最大值可以变得非常强而使得在该转速范围中轮船的安全运行不再能得到保证。

令人惊讶的是，已经发现如果根据本发明，例如在约80RPM下的第一曲柄角和在约95RPM下的第二曲柄角之间的燃油喷射到气缸中的喷射角被调节约1至2度，即如果在第一转速和第二转速之间燃油比在第一转速和第二转速下略迟地喷射燃油，那么特定傅立叶分量(例如扭转振荡的第11阶傅立叶分量)可以被减小至在此转速范围内也可再次保证大型柴油机安全运行的程度。

以非常类似的方式，例如振荡分量但也可为其他运行参数的分量在第一转速和第二转速之间与喷射角的改变同时地或作为替代地被优化或改变，喷射燃油量和/或致动排气门的排气角的改变和/或排气门被致动的持续时间的改变在第一转速和第二转速之间被适当地改变。

以特别有利的方式，本发明的方法对具有电子凸轮轴的大型柴油机(例如象来自Wrtil和RT-Flex或Sulzer RTA型发动机)，特别是但不限于对14缸发动机来实现。在具有电子凸轮轴的发动机中，燃油喷射到气缸中的喷射角和/或排气门被致动的排气角以及喷油器和/或排气门致动的持续时间可以被完全自由选择，喷油器和/或排气门通过使用计算机支持的控制器或调节器，可以独立于曲柄角在可自由选择的时间点处打开或关闭，和/或打开或关闭可自由选择的持续时间。因此，通过改变燃油喷射的喷射时间点和/或持续时间和/或打开排气门的时间和/或打开排气门的持续时间或者通过改变喷射角和/或排气角，例如扭转振荡的运行参数可以以特别简单的方式被优化，而无需非常复杂的机械措施形式如附加平衡重到曲轴或者调节凸轮轴。

在这点上，已经发现通过使用本发明的方法往复活塞式内燃机的其他运行参数(例如往复活塞式内燃机的根据DE 20 2004 002 185 U1的气流脉动、功率、转矩、排放或者温度的分量)可以用有利的方式有效而简单地优化。

在实践上很重要的特殊变化中，将被优化或改变的运行参数的分量是第一阶和/或更高阶的傅立叶分量，并且特别是扭转振荡的傅立叶分量。

在根据本发明的方法的优选变化中，通过上述措施针对喷射周期和/或排气门的致动仅优化或改变运行参数的特定分量(例如扭转振荡的第11阶傅立叶分量)。

当然，扭转振荡或其他振荡或另一振荡类型的第一阶和/或更高阶的傅立叶分量也可以被优化或改变，并且在特定示例中在第一和第二转速之间通过以上描述/举例说明的措施针对喷射周期和/或排气门的致动该傅立叶分量被最小化。在这点上，公知的是傅立叶分量是指在往复活塞式内燃机的基本旋转频率处显示出的分量、在双倍频率处显示出的第二阶分量、以及在往复活塞式内燃机的n倍旋转频率处显示出的相应第n阶分量。

如上所述，在实践中特别重要的根据本发明的方法的实施例中，以电子方式确定喷射燃油的曲柄角和/或致动排气门的排气角。这是指不执行机械措施，例如凸轮轴的调节或者喷油嘴机械驱动的调节。

本发明的方法可以特别有利地用于往复活塞式内燃机，其是在恒压下运行的涡轮增压14缸直列内燃机并包括至少两个涡轮增压器和/或其中往复活塞式内燃机被构造成至少在两个相继点火的气缸中的两个活塞之间的转角差与360°/14的整数倍具有预定偏移。

这是指，不同气缸中的两个活塞之间的曲柄角差不会如传统14缸发动机中那样确切地是360°/14的整数倍。相反，此曲柄角差可以从恒定角度间距偏移特定角度量并且也可以具有非恒定的角度间距。通过曲轴的这种非恒定间距，与具有曲轴的恒定角度间距情况即当两个不同气缸中的两个活塞之间的曲柄角差总是确切地为360°/14的整数倍时相比，不同的运行参数如功率、有害排放、气流脉动以及所有类型的振荡或其他运行参数可以设置为更理想的值。

与本发明的方法相结合，例如当内燃机被置入轮船中使得轮船的特定几何结构也必须被包括到运行参数的优化中时，一个或多个运行参数仍然可以根据转速被进一步优化。

此外，本发明涉及一种可使用根据本发明的方法来运行的往复活塞式内燃机。

在这点上，本发明涉及在实践中非常重要的往复活塞式内燃机的实施例，其是在恒压下运行的单排14缸涡轮增压内燃机并包括至少两个涡轮增压器，该发动机被构造成燃油喷射到气缸中时间点可电子控制，其中至少两个不同气缸的两个活塞之间的转角差优选但非必须地与360°/14的整数倍具有预定偏移。

附图说明

下面，将参照示意性附图更详细地举例说明本发明，附图中：

图1是现有技术已知的作为转速的函数的运行参数的分量特性；

图2是根据本发明进行了优化的作为转速的函数的运行参数的分量特性。

具体实施方式

图1示出了作为转速D′的函数的运行参数B′的分量K′的特性示意图，这是现有技术已知的。下面，加上标的标号总是指现有技术，而未加上标的标号对应于本发明。

在图1中，横坐标定义了往复活塞式内燃机的转速D′，而在特定转速D′下发生燃油喷射到气缸中的喷射角E′定义在左纵坐标上。

在这点上，留意到在图1的纯粹示意性示图中，在考虑到轴线的对应比例时，排气角A′可以用来代替喷射角E′以举例说明现有技术的问题。问题的论证和举例说明类似地进行。出于清楚的原因，下面将在考虑依赖于转速的喷射角变化的同时讨论现有技术的问题。

根据上述讨论，绘制正喷射角E′，即喷射角E′绘制在纵坐标的数学上为正的方向上，具有正喷射角E′意味着比具有负喷射角E′相应地较晚实现喷射。0°的喷射角是指在相应气缸中在活塞的上止点位置处实现燃油喷射。

同时，运行参数B′的分量K′的大小绘制在右纵坐标上，其转速依赖性由虚线示意性图示。虚线水平线K′_max代表最大容许大小K′_max，在内燃机的运行状态中不允许运行参数B′的分量K′超过K′_max。分量K′例如可以是扭转振荡的傅立叶分量K′。

图1所示的依赖于转速D′的喷射角E′的曲线对轮船中大型柴油机从0转速运转到最大满负荷转速D′_max(在此转速下大型柴油机在满负荷下运行)是典型的。在低转速D′下，例如当轮船离开港口时，燃油在第一正喷射角E′_A下被操作上升至特定转速。典型地第一正喷射角E′_A量为例如约3°，即在上止点后在约3°喷射燃油。如图1中示意性示出，此喷射角E′保持不变直至转速D′，此转速可能对应于最大额定转速D′_max的约70％。在低转速区域中优选地在正曲柄角E′下实现喷射的原因例如可能是期望减小烟的产生，但是这是以更高的油耗为代价而实现的。

随着内燃机的转速D′进一步增大至额定转速D′_max，燃油喷射到气缸中的喷射角E′于是例如以随增大的转速D′而线性减小的斜坡方式持续减小至负值E′_E，其中喷射角E′_E再次被保持直至最大转速D′_max。喷射角E′_E由此确保例如大型柴油机在转速D′_max处满负荷理想运转，并且例如燃油消耗最小化。

在这点上，如从图1中清楚可见，依赖于转速D′的运行参数B′的分量K′的大小图示了特性趋势。在此处描述的示例中，运行参数B′的分量K′为在D′₁和D′₂之间的转速范围中具有谐振位置的类型。这意味着在D′₁和D′₂之间的较窄定义的转速范围中分量K′的大小明显增大超过最大容许值K′_max，因此大型柴油机在此转速范围中不再能够优化地运行。在最差情形中，谐振可能甚至显著地影响安全状况，例如如果运行参数B′是扭转振荡并且分量K′在D′₁和D′₂之间的转速范围中变得过强而使得轮船自身遭受影响。

例如如果在将发动机安装到轮船中后发现如图1所示的运行参数B′的分量K′的曲线或者类似的曲线，需要使用上述部分中描述的非常费钱而复杂的机械措施来做出努力，以将运行参数B′的分量K′的大小减小到最大容许限值K′_max之下。

相反，在图2中，示意性地图示了根据本发明方法的运行参数B的分量K的优化曲线，以下用标号1表示。在这点上，将参照图中喷射角E的改变的示例来更详细地解释根据本发明对运行参数B的分量K的改变和优化。由于运行参数B的分量K可以通过以上详细描述的其他措施被类似地改变，此描述可以仅限于喷射角E的示例并且不需要参照单独的附图对排气门的致动进行再次描述。本领域技术人员能够直接将以下描述转化到排气门的致动，特别是因为以上已经详细描述了根据本发明的方法的重要变化(其与排气门的致动相关)。

类似于图1，往复活塞式内燃机的转速D定义在横坐标上，而在特定转速D下实现燃油喷射到气缸中的喷射角E定义在左纵坐标上。运行参数B的分量K的幅值记录在右纵坐标上。

根据图示，正喷射角E同样记录为向上，这意味着正喷射角E记录在纵坐标的数学正向上，具有正喷射角E表明比具有负喷射角E相应地较晚实现喷射。0°的喷射角是指在相应气缸中在活塞的上止点位置处进行燃油喷射。

同时如上所述，运行参数B的分量K的幅值定义在右纵坐标上，其转速依赖性由虚线示意性图示。虚线K_max代表最大容许幅值K_max，在内燃机的运行状态中不允许运行参数B的分量K超过K_max。运行参数B的分量K例如可以是扭转振荡的傅立叶分量K。

图2部分地示出了依赖于转速D的喷射角E的已知特性曲线，此特性曲线对从0转速加速到最大满负荷转速D_max(在此转速下大型柴油机在满负荷下运行)的轮船中大型柴油机是典型的。在低转速D下，例如当轮船离开港口时，燃油在正喷射角E_A下被喷射以上升至特定转速D。典型地此喷射角E_A为例如约3°，这意味着在上止点位置后在约3°喷射燃油。如图1中示意性示出，此喷射角E可以保持不变直至转速D，此转速可能对应于最大额定转速D_max的约70％。如在对图1的描述中所解释的那样，在低转速范围中在正喷射角下进行喷射的原因例如可能是期望减小烟的产生，但是这是以更高的油耗为代价而实现的。

随着内燃机的转速D进一步增大至额定转速D_max，燃油喷射到气缸中的喷射角E于是最初例如以随增大的转速而线性减小的斜坡方式在第一步骤中持续减小，并且在根据本发明的方法步骤已经执行之后，被进一步减小直至负值E_E，然后喷射角E_E被保持直至最大转速D_max。喷射角E_E确保例如大型柴油机在转速D_max下满负荷理想运转，并且例如燃油消耗最小化。

在这点上，运行参数B的分量K的幅值图示了依赖于转速D的特性曲线。在此处描述的示例中，运行参数B的分量K为在D₁和D₂之间的转速范围中具有谐振位置的类型，类似于图1所示的现有技术示例。

但是，与根据图1的现有技术不同，运行参数B的分量K的幅值在在D₁和D₂之间的较窄限定的转速范围中增大但不会超过最大容许值K_max，而是特别地保持在最大容许值K_max之下，使得在D₁和D₂之间的转速范围中内燃机也优化并安全地运行。

运行参数K的幅值最小化(这在图2中清楚可见并且可以例如是扭转振荡B的傅立叶分量K)根据本发明而实现，在第一转速D₁处以第一喷射角E₁喷射燃油而在第二转速D₂处以第一喷射角E₂喷射燃油，其中第一喷射角E₁大于第二喷射角E₂，并且喷射燃油的喷射角E在第一喷射转速D₁和第二喷射转速D₂之间改变为第三喷射角E₃，其大于第一喷射角E₁和第二喷射角E₂。

通过在第一转速D₁和第二转速D₂之间的较窄限定的转速范围中这样改变喷射角E，运行参数B的分量K的幅值被减小为这样的值，该值明显小于最大容许值K_max，但在没有对依赖于转速的喷射角E(在此喷射角下燃油被喷射到气缸中)进行创造性改变的情况下该值将超过最大容许值。

应当理解到通过图2中示例举例说明的创造性方法1的优选实施例仅仅应理解为示意性的，并且在第一转速D₁和第二转速D₂之间的较窄限定的转速范围中的喷射角E(在此喷射角下燃油被喷射)的改变可以根据要求、内燃机和/或轮船的构造和/或根据哪个运行参数应当被优化而具有其他曲线。例如，在第一转速D₁和第二转速D₂之间的喷射角E还可以包括局部最小值或者具有更复杂的曲线。特别地，在低转速D下确定喷射时间点的喷射角E_A当然也可以小于在高转速D下确定喷射时间点的曲柄角E_E。此外，E_A以及E_E可以具有正的或负的值。喷射角E的绝对值和特性转速D特别地依赖于内燃机以及轮船的构造，并依赖于将被优化的运行参数并且可以相应地改变。