发动机快速反转的反转方法、计算机程序产品和发动机

摘要

本发明涉及一种发动机快速反转的反转方法、计算机程序产品和发动机。该发动机包括气缸，活塞在气缸内在上死点和下死点之间移动，还包括出口阀，其在预定打开压力下通过电子控制装置借助阀门液压系统以液压介质被液压作动。在第一制动阶段，通过给控制装置的停止指令，发动机燃料供应中断和/或燃料供应保持中断以减小发动机在第一转动方向的转速。发动机的出口阀在第一制动阶段在低于预定的极限转速下按预定顺序打开，出口阀保持打开至第一制动阶段结束。在第二制动阶段，气缸的至少所有出口阀被同时关闭，经气缸的扫气缝的扫气空气供应被禁止，相关活塞处于在0°至180°曲柄角之间的压缩冲程中，使得发动机在起动阶段中在第一转动方向相反的转动方向转动。

说明书

技术领域

本发明涉及用于使发动机且尤其是呈大型低速直流扫气式(uniflow-scavenged) 二冲程柴油发动机形式的往复活塞式内燃发动机的转动从第一转动方向快速反转至 相反的转动方向的反转方法、涉及用于控制发动机的计算机程序产品并且涉及一种发 动机且尤其是呈大型低速直流扫气式二冲程柴油发动机形式的往复活塞式内燃发动 机。

背景技术

大型柴油发动机常被用作船舶的驱动单元或者也在稳定运行中例如被用于驱动 大型发电机以发电。就此而言，发动机一般在永久运行中运行相当长的一段时间，这 对运行安全性和可用性提出严格要求。因此，在特别长的维修间歇期情况下，低磨损 以及燃料和工作材料的经济处理对操作者操控机器来说是重要准则。这样的大缸膛低 速柴油发动机的活塞运转状态尤其是维护间歇期长短、可用性和润滑剂消耗的一个决 定性因素，也是直接决定运行成本和进而决定效率的因素。

人们不仅长久以来期望而且必须在航运中在操纵操作中改变船舶行驶方向，例如 当航行入港时或在港口中操纵时(例如在进坞操纵中或在其它操纵操作过程中)，在 尽量短的时间内从向前行驶改变至反向行驶或反之。这牵涉到从一定速度起以尽量短 的时间和距离制动船舶并尽可能快速地使船舶行驶方向反转并且尽量快速地在该相 反方向又加速到预定速度。

与此相关的技术挑战导致不仅在相对低的靠港速度下的紧急制动情况，而且还导 致在高速(如全速)下的紧急制动情况。船舶必须从全速起在尽量短的距离范围内被 尽快制动，或者发动机须被尽快反转，从而使得推进器尽快反向转动，从而船舶能马 上反向航行。

然而，一段时间以来，经过验证的不同做法已可供用于针对相对小型的摩托船或 摩托艇改变行驶方向，并且反转往往简单地能够通过传动装置来实现，但快速制动一 直是一个为了匹配配备有大型往复活塞式内燃发动机如大型低速直流扫气式二冲程 柴油发动机的很大型的船舶而在大部分情况下不能令人满意地得到解决的难题。这涉 及在相对低的速度如在港口内或靠港时的上述操纵操作及发动机在紧急制动时从一 个转动方向快速反转至相反转动方向的所述问题。

这尤其是伴随着大型低速直流扫气式二冲程柴油发动机而不应该被低估的问题， 因为伴随着这些发动机，因为其巨型尺寸和功率，实际上排除了在发动机和推进器之 间采用切合实际的传动装置和/或离合器，从而使得推进器在带有这种发动机的船舶 中通过轴以抗转动的方式被连接至大型柴油发动机的曲轴。

因此，驱动装置的结构与其中传动装置设置在推进器和发动机之间的驱动装置相 比被公认简单了许多。但这种不带传动装置和离合器的结构的缺点是推进器总是即在 其每个运行状态中以抗转动的方式连接至发动机，并且至少在发动机运行状态下(即 只要发动机没有出现完全静止状态)无法与之分离。就是说，在其中发动机被停止以 制动船舶的操作状态中，这在实践中本质上意味着对发动机的燃料供应被中断，船舶 没有马上当场停下，而是因为其巨大的惯性质量而一开始将继续航行，并且只会一点 点地逐渐丧失速度。

与此相关，推进器现在公认不再被发动机驱动，但它现在通过借助在推进器和水 之间的持续相对速度在水中前行被驱动。但因为推进器以抗转动的方式连接至发动机 且也能与发动机分离，故发动机现在也在这样的运行状态下被推进器驱动。这意味着 马达将无论如何继续在燃料供应停止之后在初始方向上转动相当长一段的时间，因为 它现在被推进器驱动。

只能如此获得船舶制动的或船舶行驶方向反转的加速，即，使发动机在相反转动 方向上重新起动。在最常见的船舶发动机且尤其是大型直流扫气式二冲程柴油发动机 中，这只能如此获得，即，在适当的时刻(即在适当的曲柄角(crankangle)处)， 压缩空气(按技术用语也被称为起动空气)以足够高的压力被压入缸套中，从而使得 发动机通过作用于活塞的起动空气在期望的反向转动方向上被重新起动。

由于有巨大的力如上所述由推进器通过曲轴被施加在发动机缸套内的活塞上以 致发动机继续在初始方向转动，发动机随后可以在起动空气的最大可获压力足以充分 补偿推进器作用于活塞的力时在最早时刻在相反方向被重新起动，尽管已停止了燃料 供应，从而可以通过起动空气使发动机足够快速地在相反方向转动，结果，发动机可 以最终在再启用燃料供应情况下在相反方向上独立重新起动。当发动机在相反转动方 向上被重新起动时，以抗转动的方式连接至发动机的推进器自然也在相反方向被发动 机驱动，由此可以随即显著加速船舶的制动，直到船舶的行驶最终停下来或者如果需 要该船舶能启动在相反方向上的行驶。

用于船舶的制动和反转的上述的先前常规做法的缺点是明显的。一方面，船舶且 尤其是具有大型低速直流扫气式二冲程柴油发动机的船舶的制动要求大量时间，因为 发动机可以在相反方向上被重新起动，首先需要等候很长时间直到船舶已失去足够的 速度并变得足够缓慢，从而通过推进器的发动机驱动可以通过该起动空气来补偿。

这不仅目前还是耗用相当多的时间，而且导致实际上消耗相当多的起动空气，这 尤其当船舶须被操纵时(例如当在港口进坞操纵过程中船舶通过停止指令遇到在按照 各种变化组合的“向前-停止-向后”之间的不断改变时)是很不利的。但从现有技术 中知道的方法目前仍然需要当船舶例如必须从高速被快速制动时在紧急制动情况下 的紧急制动操纵中耗用不可接受的大量时间或不可接受的大量起动空气，如在紧急情 况下及时可靠地防止撞上其它船舶、冰山或其它障碍物。公众至今仍对当时尤其无法 及时制动船舶的著名的泰坦尼克号灾难铭记于心。即便泰坦尼克号不是通过大型低速 直流扫气式二冲程柴油发动机被驱动的，该问题在原理上还是一样的。

为了尽量缩短船舶在制动时或反转至相反行驶方向时所经过的距离，人们经常尝 试尽可能早地通过供应起动空气至缸套来反转发动机。但发动机在推进器驱动下在原 来方向上运转得越快，就需要越多的起动空气或起动空气能量以便能够启动反向反 转。这不仅昂贵，而且能量密集，因为起动空气首先须利用相应的压缩机来产生且须 被储蓄在贮压器中。但该方法也承受以下风险，即起动空气的整个贮藏量或多或少被 消耗太快，并且用于结束伴随许多次更改行驶方向的复杂操纵的起动空气并不足以或 者仍然还是无法在相反方向上起动发动机，虽然在较高速度下大量采用了起动空气。 这不仅进一步延缓了所述制动，而且甚至可能变为安全危险，尤其是在相应的紧急制 动情况之后在猛浪情况下，因为在这样的情况下首先必须又提供新的起动空气并且发 动机随后不能被同时再次起动，这在某些情况下产生致命结果，因为船舶在这样情况 下是无驱动的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法，借助该方法能更高效快速地使大型低速直 流扫气式二冲程柴油发动机反转至相反的转动方向，其中最大程度避免源自现有技术 的上述问题，尤其是避免从现有技术中已知的关于发动机以短暂的时隔频繁反转的问 题，而且可以在极大程度上排除所述致命安全问题，并且此外可以很普遍地更经济且 更节能地完成该发动机的反转。

因此，本发明涉及一种用于呈大型直流扫气式二冲程柴油发动机形式的发动机的 转动的快速反转的反转方法，该发动机包括气缸，活塞可在对应于180°曲柄角的上 死点和对应于0°或360°曲柄角的下死点之间来回移动地布置在气缸内，并具有出 口阀，出口阀由电子控制装置借助阀门液压系统以液压介质在预定开启压力下被液压 作动，且优选至少包括在预制动阶段之后的以下方法步骤：

在第一制动阶段中，通过给控制装置的停止指令，对发动机的燃料供应被中断和 /或燃料供应保持中断以降低发动机在第一转动方向上转动的转速。

根据本发明，发动机的多个出口阀在第一制动阶段中在低于预定极限转速下按照 预定顺序被打开，并且被打开的出口阀保持打开，直到第一制动阶段结束。在第二制 动阶段中，这些气缸的至少所有出口阀被同时关闭，此时经所述气缸的扫气缝的扫气 空气供应被禁止，并且相关的活塞处于在0°至180°的曲柄角之间的压缩冲程中， 从而在跟在第二制动阶段后的起动阶段内使发动机在与所述第一转动方向相反的转 动方向上转动。

在针对实践尤其优选的实施方式中，往复活塞式内燃发动机如上所述是船舶(如 集装箱船)的大型低速直流扫气式二冲程柴油发动机，其具有巨大的发动机，该发动 机例如包括多达十二缸或更多缸且可以具有高达10000千瓦/缸或甚至更高的动力。

如本领域技术人员本身所知晓地，活塞在往复活塞式内燃发动机的正常运行状态 中在气缸(按技术用语也称为缸套)内在上死点和下死点之间来回移动并且通过曲轴 驱动推进器，该曲轴被有效固定连接至活塞和推进器。在缸套的缸盖上的出口阀通过 阀门液压系统借助可编程的控制装置被液压致动，该可编程的控制装置在实践中可以 包括液压装置和电子装置。与此相关，此时致动出口阀所处的曲柄角原则上可以根据 需要由该可编程的控制装置或控制器来预定。发动机可以从静止起通过致动一个起动 空气阀来起动，或者在足够小的转速下，发动机转动方向可以被改变。

为了更好理解本发明，将在下文中再次简单示意性回忆本身已知的直流扫气式往 复活塞式内燃发动机在正常运行状态中的普通运行模式。在本申请的框架范围内，0° 至360°的曲柄角被称为下死点UT，180°的曲柄角被称为上死点OT。

从对应于0°的曲柄角的下死点开始，活塞首先在运行状态中向对应于180°的 曲柄角的OT移动。当该活塞位于靠近下死点的位置时，扫气缝在缸套的下区域中被 释放并且出口阀在正常操作状态中是打开的。只要通过活塞释放扫气缝，新风就经扫 气缝被供应给至缸套燃烧室并且燃烧残余物同时经出口阀通过活塞在朝向上死点方 向的运动被扫出燃烧室。当活塞已完全经过扫气缝且由此在燃烧室和扫气缝之间不再 有连通时，出口阀也将随着曲柄角增大而通过控制装置在预定的曲柄角处被关闭。在 进一步过程中，燃料通过喷射阀被供应给由上部气缸区域、位于其上的缸盖和活塞底 面所形成的发动机的燃烧室，该燃料在上死点区域内在通过压缩而变热的空气中点 燃，随后燃烧且通过该能量释放而产生在发动机的燃烧室内的压力增大。

在经过上死点之后，活塞又朝向对应于360°曲柄角的下死点移动。在船舶正常 操作运行状态中，出口阀则又被打开并且在显著大于180°的曲柄角处启动气缸的新 工作循环。

在要制动船舶的情况下，尤其当应该在紧急情况下在尽量短的一定距离内制动船 舶时，往复活塞式内燃发动机也将如下所述按照已知的方法从正常运行状态被调整到 针对制动或反转的不同运行状态。在第一步骤中，已知中断对往复活塞式内燃发动机 的缸套的燃料供应。发动机转速初次降低是通过燃料供应中断来获得的，这产生了船 舶的初次适度减慢。如果没有采取进一步措施，则船速因船在水中的摩擦而被基本减 小。这种摩擦通常比较小，因此船速只是很缓慢地减小。在已经中断了燃料供应之后 不再被往复活塞式内燃发动机驱动的推进器现在在仍然存在的船舶动能驱动下像涡 轮机(turbine)那样工作运转，并且现在转而驱动通过曲轴以抗转动的方式与之连 接的发动机。

如果与在正常运行时和在现有技术中原先所做的相比没有改变地保持出口阀控 制，则船舶动能的一部分被公认地首先在气缸中在0°至180°的曲柄角范围内转化 为压缩能；但该压缩能在活塞从上死点移动至下死点的过程中当在缸套所容纳的扫气 空气随后膨胀时几乎完全以动能形式经推进器又被返还。

现在，本发明基于该点和以下认识，即发动机的快速反转或制动基本上可以只通 过适当控制排气孔就可实现，并且确实能在相反方向上被重新启动，尤其甚至无需起 动空气，并且至少以与在现有技术中原先所需要的相比更少的起动空气，假定根据本 发明巧妙地利用了通过推进器被传递给发动机的制动能。

因此，可以通过本发明在智能出口阀控制的帮助下加速二冲程柴油发动机的反 转，并且可以伴随着至少减少的起动空气消耗在相反方向上进行起动，并且在最理想 情况下甚至没有起动空气消耗。

与此相关，根据本发明利用了通过当前船舶运动经推进器被供给发动机的能量， 该能量被供应给与发动机相连的推进器轴以像弹簧那样给发动机加载。该能量在相反 方向上的独立卸除有助于在相同的相反方向上的起动，至少伴随着比否则所需要的更 少的起动空气消耗。

成功执行本发明方法的要求是被供给发动机的能量小于在当前时刻和当前转速 下由所有气缸的压缩和真空产生所产生的制动功率。因此，发动机转动或船舶速度优 选在预制动阶段首先被减小至预定的极限转速，直到可以满足上述要求并采用本发明 的反转方法。

本发明的反转方法可以尤其优选地被用在以下操纵操作中，在此，向前-停止- 向后之间的不断变化通过停止指令且伴随增加的起动空气消耗按照各种各样变化的 组合形式发生。

所提出的反转方法可以很普遍地总是在要进行转动方向变化时被成功采用。

作为进一步的要求而必须说明的是，船舶如上所述不仅不能太快，而且船舶必须 还具有足够的速度以便仍能通过推进器供应充足能量给发动机使得发动机还能无需 燃料输入地转动，且充足能量还能被供给发动机，从而使得发动机的反转仍然是成功 的，而且如果可能则不需要任何起动空气，至少与现有技术相比需要少许多的起动空 气。

本发明的反转方法的第一阶段是空转阶段，此时的船舶控制从向前或向后被切换 至停止。发动机因船舶继续运动而继续在其初始转动方向上转动。燃料供应被停止并 且出口阀(如果可行是全部但至少是其一部分)在最后的燃料燃烧之后到下次控制变 换之前保持打开，或者一旦气缸内气体压力允许出口阀打开，就被尽量快速打开。

如果现在通过控制预定了方向改变并且发动机至少处于该极限转速或适当地低 于该极限转速，则所有的阀门被关闭，优选同时关闭，它们在本发明反转方法的第二 阶段中高于扫气缝。这意味着所有的气缸可以通过在发出控制指令时直接关闭出口阀 而产生压缩或者真空。或者，只有这些气缸还能被关闭，其产生压缩或者与此时产生 有限的最大真空的气缸合作。

如果船舶或者发动机转速还是太快，即如果仍然未达到该极限速度或该转速还是 不能降低，则可以在预制动阶段或快速制动过程中在本发明反转方法事先执行之前执 行本身已知的标准制动过程，如同本申请人已经在早先的专利申请中所描述的和如以 下将作为可能的预制动过程来描述的那样。

如果极限转速已经达到或下降，则结束预制动过程并且出口阀例如根据当前点火 顺序被打开。在所有出口阀是打开的时刻进行所述第二阶段。

随后，通过充填空气并且又在相反方向上排出空气而优选不到半转地最终停止该 发动机，这在本发明的框架范围内被称为起动。起动可以根据需要例如根据当前转速 通过供应起动空气来附加促成，但所供应的起动空气至少比现有技术的已知传统过程 少许多。

发动机或船舶在相反方向上的转动的加速和发动机在相反方向上的起动则就像 在正常起动过程中那样优选最迟至少在半转之后被启动，可能通过进一步的起动空气 供应或已经通过燃料注入且在本身已知的正常出口阀控制之后进行。如果所达到的转 速不足以起动发动机或者在排气阶段产生对期望转动方向不利的真空，则这可以通过 相应地供应起动空气来补救。

如果用于控制该出口阀的液压系统不能保持出口阀对于每个气缸都是恒定打开 的，则可以采用卸压控制。这通过在其中所述活塞低于扫气缝(即在下死点区域内) 的阶段中短暂关闭和重启出口阀来执行。

因此，本发明第一次提供一种反转方法，借此可以更高效快速地使发动机且尤其 是大型低速直流扫气式二冲程柴油发动机反转到相反的转动方向，同时能够节省可观 的起动空气。在本发明方法的特别优选的实施例中，在相反的转动方向上的重新起动 甚至可以在船舶中完全无需起动空气地启动，例如同时利用由推进器提供给发动机的 制动能量，当本发明的方法被用于船舶发动机的反转或制动时，这当然不仅表示就经 济方面看不能被低估的改进，而且尤其代表在安全技术方面的显著进步。

在根据本发明的反转方法的一个优选实施例中，所述发动机的多个出口阀在第一 制动阶段中低于预定极限转速地被同时打开，或者尤其有利地，发动机的所有出口阀 按照预定顺序被打开，预定顺序当然也能被理解为一部分的或者所有的发动机出口阀 被同时打开。

就此而言，可以如此进一步帮助用于在第二制动阶段中减小发动机转速的制动作 用，即这些气缸的一部分或所有的出口阀被尽量同时附加关闭，其中经所述气缸的扫 气缝的扫气空气供应被禁止，并且相应活塞处于在180°至360°的曲柄角之间的膨 胀冲程中。

在起动阶段中的发动机转动方向的反转可以根据本发明非常有利地被特别启动， 而完全没有起动空气被供应至气缸。或者，发动机转动方向的反转可以在起动阶段中 通过将起动空气供应到处于压缩冲程的至少其中一个气缸内而得到帮助。在这些情况 下，与现有技术相比，因为采用了本发明的反转方法而消耗了相当少的起动空气。

可选地，如上所提到且如上详细所述，对往复活塞式内燃发动机的燃料供应已经 在预制动阶段中在高于预定极限转速情况下被中断以获得发动机转速的初次减小，使 得该转速被减小至该极限转速或低于该极限转速，从而可以成功采用本发明的反转方 法。

因为在某些具体情况下同样认为预制动阶段有着非常重要的意义，因此以下将在 不同的变型中具体描述相应的很合适的预制动过程。尤其当船舶具有较高速度或者发 动机还处于较高转速时，不仅尽可能快速地制动船舶通常是重要的，而且例如在紧急 制动情况要如此快速制动船舶，即发动机被制动到该极限转速，从而本发明的反转方 法可以被尽快采用。

不仅燃料供应例如可以为此在预制动阶段中被中断。还可以在第一气缸的第一出 口阀的阀门液压系统的预定最大开启压力下在与第一气缸相关的第一活塞的上死点 位置区域内的第一曲柄角下提供液压介质，从而第一出口阀通过阀门液压系统最早在 第一活塞经过其上死点位置时在第二曲柄角处被自动打开。因此，对液压系统施加最 大开启压力保证了相应的出口阀在上死点之后的最早可能时间被打开，从而尽量少的 压力能量被回馈到推进器运动中。

在根据本发明的反转过程的优选实施例中，在第一活塞的上死点和下死点之间的 范围内第二曲柄角被选择为在180°至360°之间的值、优选在180°至225°之间或 者在180°至200°之间的值，尤其优选选择在位于第一活塞的上死点之后的180° 和190°之间的第二曲柄角。

为了在预制动阶段获得制动效果的进一步提高，第一出口阀在第二曲柄角和第一 活塞的下死点之间的区域内在第三曲柄角下又被关闭以在第一气缸内产生预定的真 空。根据发动机预制动阶段的采取该措施的阶段，基本上可以产生以下积极作用。

如果在发动机沿第一转动方向转动的预制动阶段中进行在第一气缸内的真空的 产生以及如果相应选择第三曲柄角，则可以通过借助第三曲柄角的适当选择关闭出口 阀而在第一气缸内建立真空，从而使得往复活塞式内燃发动机在第一转动方向上的转 动的制动得到真空建立的辅助。而且，至少因此出现了由此对活塞的轻微抽吸作用， 从而实现了活塞运动的相应制动，这附加地从发动机中消除了运动能并因此加速了该 制动。

本发明方法的另一个附加措施或替代措施包括在下死点和上死点之间的第四曲 柄角关闭第一出口阀，优选是在将扫气空气供应至气缸内结束之后所达到的第四曲柄 角。

当在往复活塞式内燃发动机的转动的制动阶段中将第四曲柄角选择成能在第一 气缸内通过在第四曲柄角关闭第一出口阀来建立过度压力时，往复活塞式内燃发动机 在第一转动方向的转动的制动可由此得到过度压力建立的辅助。而且，确实因为由于 在气缸内以将动能转化为压力能量的方式建立压力而从发动机中除去动能，由此非常 有效地帮助发动机在第一转动方向上的制动。

实践中，往复活塞式内燃发动机具有多个气缸，这些气缸按照本身已知的方式至 少部分地在每种情况下在不同的曲柄角下同时就位，从而可以同时采取在此针对加速 发动机制动或反转所提到的措施，由此产生不同措施的累加效果。

本发明最后还涉及一种用于安装在数据处理系统上以控制呈大型直流扫气式二 冲程柴油发动机形式的发动机的计算机程序产品，用于执行本发明的反转方法，以及 涉及一种发动机尤其是呈大型低速直流扫气式二冲程柴油发动机形式的往复活塞式 内燃发动机，其包括具有用于执行在本申请中描述的反转方法的计算机程序产品的数 据处理系统。

应该理解，在本申请中描述的本发明的实施方式也可以根据本申请按照任何合适 的方式来组合，并且所述的具体实施方式只应被按照例子来理解。本领域技术人员立 刻认识到本发明的所述实施方式的简单有利的进一步改进并且理解这样的简单的进 一步改进自然也被本发明所涵盖。