專利名稱：往復式內燃機的工作方法
技術領域：
本發明涉及一種往復式內燃機的工作方法，和一種根據該方法工作的相應類屬的獨立權利要求的前序部分的往復式內燃機。
由于增壓器組的渦輪只由從汽缸的燃燒室中逸出的熱廢氣驅動，所以已知的用于大型柴油機的增壓器組只能以較低的效率工作，特別是在剛起動之后不久或是在低于某個轉速限值時，更是如此。這意味著，例如，在前一個燃燒過程中出現的廢氣只以一個不足的程度從汽缸的燃燒室掃出，其結果是，其中在掃氣循環中汽缸的燃燒室未被供給足夠的新鮮空氣，從而在接下來的燃燒循環中不能得到足夠量的新鮮空氣。因此，增壓器組經常附帶有一個或多個附加的機械的或電的輔助增壓器，以便在所述轉速限值下達到一個相應的扭矩增加，從而往復式內燃機可以更有效的工作。輔助增壓器通常從一個布置在空氣冷卻器下游的第一室吸入空氣，并將空氣傳送到一個第二室中，然后空氣從該第二室通過掃氣槽流入汽缸的燃燒室，通常通過形式為片狀件的回流阻擋件來防止空氣向該第一室的回流。這樣的輔助增壓器通常設計成每一個都具有高達200kW的電功率的電鼓風機，并支持或替換低于轉速限值的廢氣渦輪增壓器，其通常只達到大型柴油機的全負荷特性的10％-50％，具體為30％-35％。如果超過轉速限值，便可省去該附加的電輔助增壓器，即切斷輔助增壓器，只由廢氣渦輪增壓器來增壓發動機。在這種工作狀態中，即在切斷輔助增壓器之后，上述片狀件被打開，從而允許增壓空氣從位于空氣冷卻器下游的第一室直接溢流到第二室中，空氣從第二室被供給掃氣槽。
即使通過使用輔助增壓器在低負載工作時支持廢氣渦輪增壓器實現了汽缸掃氣中的改進，但盡管如此，在低負載工作時已知的二沖程循環中的汽缸的燃燒室只被不充分地掃氣，從而在隨后的燃燒循環中得不到足夠量的新鮮空氣，或者在低轉速時向燃燒室供入太多量的新鮮空氣。這意味著，所供給的空氣量不能隨用于操作往復式內燃機的已知方法而被控制和/或調節。
另外，在低負載工作時使用輔助增壓器來支持廢氣渦輪增壓器也帶來了大量缺點。除了用于輔助增壓器的購置費用之外，還必需安裝用于它們的控制和/或調節的附加裝置。進氣接收器的設計是相對復雜的，因為上述在輔助增壓器的工作中不可缺少的作為回流保護的片狀件是復雜的。附加的組裝當然需要與工作介質、機器配件和人力的附加費用相關的附加的維護和修理努力。另外，輔助增壓器和進氣接收器的由片狀件分隔開的一個第一空間和一個第二空間的劃分占據了相對大的空間，這通常是缺點，并導致附加的重量。另外，從能量角度講，用輔助增壓器進行工作也是不利的，因為例如這必需能獲得用于電輔助增壓器工作所需的電能。這意味著，輔助增壓器的工作最終導致增加燃料消耗，這也有附加的重量的原因。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種往復式內燃機、特別是一種大型柴油機的工作方法，其允許往復式內燃機特別是在一個低于一個預先確定的轉速限值的較低負載范圍內更為有效的工作，而不需要為此必需的附加的機械的、電氣的或其它的輔助渦輪增壓器。另外，本發明的目的是提供根據本發明方法工作的往復式內燃機。
本發明的滿足這些在技術方法和在設備方面的目的的主題的特征在于，相應種類的獨立權利要求的特征。
相應的從屬權利要求涉及本發明的特別有利的實施例。
因此，根據本發明，提供一種縱向掃氣的往復式內燃機、特別是一種大型柴油機的工作方法。該縱向掃氣的往復式內燃機包括一個汽缸和一個增壓器組，該汽缸具有一個排氣閥和一個設計為掃氣槽形式的掃氣用空氣開口，在該汽缸中布置有一個可在一個下死點位置和一個上死點位置之間沿一個運行表面往復運動的活塞，該增壓器組具有一個由來自汽缸的燃燒室的廢氣驅動的用于壓縮空氣的渦輪，將壓縮空氣通過一個掃氣用空氣開口作為掃氣用空氣供給汽缸的燃燒室，使該縱向掃氣的往復式內燃機的至少一個汽缸至少在一個預先設定的轉速范圍內按四沖程過程工作。
根據本發明的方法優選用于一種大型柴油機、特別是一種十字頭大型柴油機的工作中，其中可以以一種協同的方式在一個布置在預先設定的第一轉速限值之下、例如在起動該大型柴油機之后的低負載范圍內控制和/調節排氣閥的致動和燃料噴射的定時。該低負載范圍可以包括例如一個直到往復式內燃機可達到的作為最大值的全負荷功率的大約10％的范圍，但不必限定為一個直到可達到的作為最大值的全負荷功率的大約10％的負載范圍。在至少低于第一轉速限值時，一個被輸送有從發動機的汽缸的燃燒室中排出的熱廢氣的渦輪增壓器還不能提供所需的功率，該渦輪增壓器在傳統情況下由通常是電操作的并設計成輔助增壓器的附加鼓風機支持。由于在低于轉速限值的低負載工作中使用輔助增壓器來支持廢氣渦輪增壓器，公認可以達到汽缸掃氣的改善，但是，公知的二沖程過程中的汽缸的燃燒室在低負載工作中或者未被足夠地掃氣，從而在隨后的燃燒循環中不能得到足夠量的新鮮空氣，或者在低轉速時向燃燒室供入太多量的新鮮空氣。這意味著，所供給的空氣量不能隨用于往復式內燃機的工作的已知方法而被控制和/或調節。通過使用根據本發明的方法，可以省去設計成輔助增壓器的附加風扇，一方面，可以控制和/或調節新鮮空氣向汽缸的燃燒室的供給，另一方面，從而可以使往復式內燃機更為有效地工作。
在將在下文說明的根據本發明的方法的一個優選變型形式中，往復式內燃機在低于一個預先設定的第一轉速限值的低負載工作狀態中按四沖程過程工作。掃氣用空氣通過形成為汽缸壁中的掃氣槽的掃氣用空氣開口供給汽缸的燃燒室，即該往復式內燃機是例如設計為帶有縱向掃氣的大型發動機。
在根據本發明的方法的一個變形方案中，一個燃燒循環，至少在低于第一轉速限值時，包括一個預掃氣相位，從而排氣閥如下文所說明的那樣在進行燃料噴射并隨后燃燒之后和在掃氣用空氣隨后進入汽缸的燃燒室之前在一個預掃氣相位中先打開，然后再關閉。
在一個隨后是燃燒的壓縮循環之后，在往復式內燃機的汽缸的燃燒室中可得到處于工作壓力下的熱廢氣，從而使活塞在一個膨脹循環中以已知的方式向相應于一個180°的曲柄轉角的下死點位置方向運動。活塞的下死點位置照常用一個180°的曲柄轉角表示，在該位置由汽缸、汽缸蓋和活塞界定的燃燒室具有一個最大容積，而活塞的上死點位置則用一個0°或360°的曲柄轉角表示，在該位置燃燒室具有一個最小容積。在一個四沖程過程中，按通常已知的方式，下死點位置與一個180°或540°的曲柄轉角相關聯，上死點位置與一個0°、360°或720°的曲柄轉角相關聯。排氣閥在燃燒過程之后首先立即關閉。在一個跟隨該燃燒的預掃氣相位中，在活塞在該燃燒之后第一次釋放掃氣槽以前，排氣閥在一個預先設定的限定預掃氣相位的開始的第一曲柄轉角處打開，該第一曲柄轉角、即預掃氣相位的開始是如此選擇的，從而當排氣閥打開時，在汽缸的燃燒室和廢氣管之間存在有壓力差，該廢氣管適用于將來自汽缸的燃燒室的廢氣供給增壓器組，從而熱廢氣由于該壓力差通過廢氣管進入渦輪增壓器，并在那驅動渦輪，從而驅動轉子，因此可得到作為用于引入汽缸的燃燒室中的掃氣用空氣的壓縮空氣，該汽缸的掃氣槽同時被相應的活塞釋放。這意味著，廢氣的熱能中的一些已經按已知方式被利用、通過在釋放掃氣槽之前、即在掃氣用空氣流入汽缸的燃燒室之前已經打開排氣閥來驅動渦輪增壓器的渦輪了。
如果在燃燒室和廢氣管之間的壓力差基本被補償，排氣閥在預掃氣相位中在一個第二曲柄轉角處再次關閉靜止。燃燒室中封閉的體積由活塞在汽缸中向下死點位置方向的進一步運動而增加。由于排氣閥關閉，所以燃燒室中的壓力落到進氣接收器中的壓力值之下，在活塞釋放掃氣槽時，掃氣用空氣經過所述進氣接收器到達汽缸的燃燒室。在一個第三曲柄轉角處，該活塞最終至少部分地釋放掃氣槽，從而掃氣用空氣可從進氣接收器流入燃燒室，并且排氣閥仍保持關閉。掃氣用空氣由于燃燒室中在預掃氣相位中相應于進氣接收器產生的負壓而被吸入燃燒室。這意味著，在一個預先設定的壓力下通過進氣接收器將掃氣用空氣引入汽缸的燃燒室的渦輪增壓器在其功能方面受到在活塞在預掃氣相位中的膨脹運動過程中在燃燒室中產生的負壓的支持。由于在燃燒室和進氣接收器之間的最大壓力差取決于該曲柄轉角，在該曲柄轉角處排氣閥在預掃氣相位中再次關閉，在預掃氣相位中在釋放掃氣槽之后引入燃燒室中的新鮮空氣量由預先設定的曲柄轉角控制和/或調節，排氣閥在預掃氣相位中在該曲柄轉角處關閉。
當然可以設定應該得到的足夠用于汽缸的燃燒室中的下一個燃燒過程的新鮮空氣的具體量，使排氣閥在預掃氣相位開始之前已經打開，但在釋放掃氣槽之前不再關閉。
在接近相應于一個180°的曲柄轉角的下死點位置時，不管預掃氣相位是否已經發生，也不管排氣閥是否在預掃氣相位中已經關閉，排氣閥都再次打開，或保持打開，從而在接下來的包括在180°和360°之間的曲柄轉角范圍并且在其中開始一個主掃氣相位的壓縮沖程中，廢氣中的一部分通過排氣閥經廢氣管供給增壓器組。排氣閥優選保持是打開的，以在至少如此長的直到活塞在壓縮沖程的過程中再次關閉掃氣槽的時間內將廢氣中的一部分排出，然后在一個預先設定的第四曲柄轉角處在主掃氣相位開始時關閉。排氣閥的致動優選地由一個自由可編程控制單元根據往復式內燃機的轉速、和/或曲柄轉角和/或汽缸的燃燒室中的氣體壓力和/或汽缸的燃燒室中的溫度和/或增壓器組的轉速和/或增壓器組中的氣體壓力和/或增壓器組中的溫度和/或根據往復式內燃機的其它工作參數控制和/或調節。
在這方面，在根據本發明的方法的一個優選變形方案中，主掃氣相位開始的曲柄轉角達到大約270°。當然，排氣閥也可以在不同值的曲柄轉角處關閉，從而使主掃氣相位在不同值的曲柄轉角處開始。因此特別地是主掃氣相位可以僅在大于360°的曲軸轉角處開始。
當然也可以設定應該得到的足夠用于汽缸的燃燒室中的下一個燃燒過程的新鮮空氣的具體量，使排氣閥不再關閉，直到掃氣槽被活塞重復釋放，即也可以略去主掃氣相位。
在這方面，至少在180°和540°之間的曲柄轉角范圍內、即特別是在主預掃氣相位內沒有燃料噴射發生。如果發生主預掃氣相位，封閉在燃燒室中的掃氣用空氣和仍未排出的廢氣的混合物被活塞朝上死點位置方向的進一步運動壓縮如此長的時間，直到活塞已經到達相應于360°的曲柄轉角的上死點位置。汽缸的燃燒室中的壓力再次降下來，排氣閥仍由活塞隨后的朝處于540°的曲柄轉角處的下死點位置方向的膨脹運動關閉。由于活塞在180°和360°之間的壓縮沖程中關閉掃氣槽之后關閉排氣閥的行程小于活塞在隨后的在處于360°的曲柄轉角處的上死點位置和掃氣槽的重復釋放之間的膨脹沖程中的行程，所以在汽缸的燃燒室中相應于進氣接收器出現負壓，進氣接收器和燃燒室之間的壓力差的最大數值取決于主掃氣相位開始的曲柄轉角的值。與預掃氣相位相類似，活塞最終部分地再次釋放掃氣槽，從而掃氣用空氣可以流出進氣接收器而進入燃燒室，排氣閥仍保持關閉。掃氣用空氣由于燃燒室中在主掃氣相位相應于進氣接收器產生的負壓而被吸入燃燒室。這意味著，在一個預先設定的壓力下通過進氣接收器將掃氣用空氣引入汽缸的燃燒室的渦輪增壓器在其功能方面受到在活塞在主掃氣相位中的膨脹運動過程中在燃燒室中產生的負壓的支持。由于在燃燒室和進氣接收器之間的最大壓力差取決于主掃氣相位的開始點，所以在主掃氣相位中在釋放掃氣槽之后引入燃燒室中的新鮮空氣量可以由預先設定的主掃氣相位的開始控制和/或調節。
相反，如果沒有發生主掃氣相位來將設定量的掃氣用空氣引入汽缸的燃燒室中，即排氣閥至少在180°和釋放掃氣槽的大于360°的曲柄轉角之間的曲柄轉角范圍內不關閉，那么在活塞在一個360°的曲柄轉角直到釋放往復式內燃機的汽缸的燃燒室中的掃氣槽的相應的膨脹運動中當然就基本上沒有負壓產生了。
如果排氣閥仍關閉，在接近下死點位置處，在一個540°的曲柄轉角處，排氣閥便再次打開，從而在接下來的壓縮沖程中，剩余的廢氣便通過排氣閥經廢氣管供給增壓器組，并且一個壓縮循環以一種公知的方式以燃料噴射和隨后的燃燒開始。
因此縱向掃氣的往復式內燃機根據一種四沖程方法至少在低于一個可預先設定的第一轉速限值的負載范圍內工作，該四沖程過程允許所供給的新鮮空氣量被控制和/或調節。為此目的，至少一個汽缸的排氣閥可以先打開，然后在至少低于第一轉速限值時在預掃氣相位過程中，在進行燃料噴射并隨后燃燒之后和在掃氣用空氣隨后進入汽缸的燃燒室之前關閉，在主掃氣相位中，至少一個汽缸的排氣閥可以先打開，然后在在至少低于第一轉速限值時關閉。
在高于該第一轉速限值且低于一個可預先設定的第二轉速限值時，縱向掃氣的往復式內燃機在一個低負載范圍內工作。該低負載范圍例如可以包括一個在往復式內燃機可達到的作為最大值的全負荷特性的10％和35％之間的范圍。但是，該低負載范圍不必限定為一個可達到的作為最大值的全負荷特性的10％和35％之間的負載范圍。
往復式內燃機優選根據一種二沖程過程在低負載范圍內工作，在根據本發明方法的一個優選變形方案中，該用于低負載范圍內的二沖程過程包括一個具有一個上文已經在四沖程過程的說明構架內詳細說明的預掃氣相位的燃燒相位。當然，往復式內燃機也可以在低負載范圍內根據一種二沖程過程工作，在該過程中，可以設定應該得到的足夠用于汽缸的燃燒室中的下一個燃燒過程的新鮮空氣的具體量，使排氣閥在預掃氣相位開始之前已經打開，但在釋放掃氣槽之前不再關閉。
最后，在高于該可預先設定的第二轉速限值時，縱向掃氣的往復式內燃機在一個高負載范圍內工作。該高負載范圍例如可以包括一個在往復式內燃機可達到的作為最大值的全負荷特性的大約35％以上的范圍。但是，該高負載范圍不必限定為一個可達到的作為最大值的全負荷特性的35％以上的負載范圍。
往復式內燃機優選根據一種二沖程過程在一個高負載范圍內工作，在根據本發明方法的一個優選變形方案中，該用于高負載范圍內的二沖程過程包括一個燃燒相位，在該相位中，可以設定應該得到的足夠用于汽缸的燃燒室中的下一個燃燒過程的新鮮空氣的具體量，使排氣閥在預掃氣相位開始之前已經打開，但在釋放掃氣槽之前不再關閉。在另一個變形方案中，在高負載范圍內使用一種沒有預掃氣相位的二沖程過程。
根據需要，往復式內燃機當然可以在最低負載范圍內和在低負載范圍內在每種情況下根據上述那些四沖程過程中的一種過程工作，在高負載范圍內根據上述那些二沖程過程中的一種過程工作。
在某種情況下，往復式內燃機甚至可以在所有轉速范圍內根據上述那些四沖程過程中的一種過程工作。例如，如果不需要往復式內燃機所能達到的最大特性，例如便可以由此節省燃料。
為實現特殊的工作狀態，往復式內燃機當然可以在上述三種轉速范圍的每一種范圍內，即在低于第一轉速限值和/或在第一轉速限值和第二轉速限值之間和/或在第二轉速限值之上，根據上述二沖程方法中的一種方法或根據上述四沖程方法中的一種方法工作，但是一種四沖程方法用于在根據本發明的三種負載范圍的至少一種范圍內使用。
最后，參考這樣的事實，即在根據本發明的方法的所有上述實施例或變形方案中，或者是往復式內燃機的所有汽缸、或者只是往復式內燃機的一些汽缸可根據上述實施例或變形方案之一工作。例如當不必獲得往復式內燃機的可達到的最大特性時和/或例如當應該節省燃料時，這特別可以適用于按根據本發明方法的不同變形方案同時工作的同一往復式內燃機的不同汽缸。
根據本發明的按本發明方法工作的縱向掃氣的復式內燃機、特別是大型柴油機，包括一個汽缸和一個增壓器組，汽缸具有一個排氣閥和一個設計成掃氣槽形式的掃用空氣開口，在汽缸中布置有一個可在一個下死點位置和一個上死點位置之間沿一個運行表面往復運動的活塞，增壓器組具有一個由來自汽缸的廢氣驅動的用于壓縮空氣的渦輪，將壓縮空氣作為掃氣用空氣通過掃氣槽供給汽缸的燃燒室。


下面將結合附圖更詳細地說明本發明。附圖所示為圖1簡要示出了一個帶有一個增壓器組的大型內燃機的重要部分；圖2a簡要示出了一種具有一個預掃氣相位和一個主掃氣相位的四沖程方法；圖2b與圖2a相同，示出了在預掃氣相位中不關閉的排氣閥；圖3a簡要示出了另一種具有一個預掃氣相位和一個主掃氣相位的四沖程方法；圖3b與圖3a相同，示出了在預掃氣相位中不關閉的排氣閥；圖4簡要示出了一種具有一個預掃氣相位的二沖程方法。
大型柴油機1通常包括數個汽缸2，該汽缸具有一個汽缸蓋21和一個布置在汽缸蓋中的排氣閥3，在汽缸2中布置有一個可在一個下死點位置UT和一個上死點位置OT之間沿一個運行表面6往復運動的活塞5，活塞5的上死點位置OT照常根據發動機是按二沖程方法、還是按四沖程方法工作而用一個0°、360°或720°的曲柄轉角KW表示，活塞5的下死點位置UT照常用一個180°或540°的曲柄轉角KW表示。汽缸2與汽缸蓋21和活塞5按已經方式限定一個燃燒室22。在汽缸2的下部區域中，設置有數個設計為掃氣槽4的掃氣用空氣開口。掃氣槽4根據活塞5的位置而被活塞蓋住或被活塞釋放。以掃氣用空氣12表示的新鮮空氣可以經過掃氣槽4流入汽缸2的燃燒室22。在燃燒室中產生的廢氣8經過布置在汽缸蓋21中的排氣閥3經與排氣閥3相鄰接的廢氣管13流入一個增壓器組7。增壓器組7作為重要構件按已知方式包括有一個用于壓縮空氣11的轉子10和一個用于驅動轉子10的渦輪9，轉子10與渦輪9通過一個軸91以一種有效固定方式相連接。渦輪9和轉子10布置在一個殼體中并構成一個渦輪增壓器14。渦輪9由于來自汽缸2的燃燒室22的熱廢氣8的流入而被驅動。為了用掃氣用空氣12供給汽缸2的燃燒室22，空氣11通過轉子10經過一個吸氣管15被吸入并在渦輪增壓器14中被壓縮。壓縮空氣從渦輪增壓器14通過一個下游擴散器16和一個空氣冷卻器17經一個壓力管路18運動到一個進氣接收器19中，并且壓縮終了的空氣作為掃氣用空氣12在增加的壓力下通過掃氣槽4從該處進入汽缸2的燃燒室22。
圖2a、2b、3a和3b簡要示出了根據本發明方法的用于往復式內燃機的具體轉速范圍的每一個四沖程方法的實施例，根據需要，在低于一個第一轉速限值和/或在該第一轉速限值和一個第二轉速限值之間和/或在該第二轉速限值之上時可以使用在圖2a、2b、3a和3b中示出的這些方法。在這方面，圖3a和3b所示的變形方案不同于圖2a和2b所示的變形方案，在圖3a和3b中排氣閥3在一個大于或等于360°的曲柄轉角K6值處、在主掃氣相位H開始處關閉，而根據圖2a和2b的曲柄轉角則具有一個小于360°的值。如將在下文中詳細說明的那樣，根據圖3a和3b的主掃氣相位H由此可以根據圖3a和3b、特別是在一個大于360°的曲柄轉角K6開始。
由于圖2a和3a所示的四沖程過程的變形方案的不同之處基本上只在于，圖2a中的主掃氣相位在一個小于360°的曲柄轉角處開始，在圖3a中在一個大于或等于360°的曲柄轉角處開始，下面將一起討論這兩種變形方案。在下文的說明中將指出它們的不同點。
在根據圖2a和3a所示的本發明方法的四沖程過程的變形方案中，如下文所說明的那樣，至少在燃料噴射已經和隨后的燃燒一起發生之后并在掃氣用空氣12隨后進入汽缸2的燃燒室22之前，在預掃氣相位V中排氣閥3先打開，然后關閉。在一個隨后是燃燒的壓縮循環之后，在往復式內燃機1的汽缸2的燃燒室11中可得到處于工作壓力下的熱廢氣，從而使活塞5在一個膨脹循環中以已知的方式向相應于一個180°的曲柄轉角的下死點位置UT方向運動。在本申請的構架內，對于一個二沖程過程而言，活塞5的下死點位置UT照常用一個180°的曲柄轉角表示，在該位置由汽缸2、汽缸蓋21和活塞5界定的燃燒室22具有一個最大容積，而上死點位置OT則用一個0°或360°的曲柄轉角表示，在該位置燃燒室22具有一個最小容積。在一個四沖程過程中，按通常已知的方式，下死點位置UT與一個180°或540°的曲柄轉角相關聯，上死點位置OT與一個0°、360°或720°的曲柄轉角相關聯。排氣閥3在燃燒過程之后在一個曲柄轉角K1處立刻靜止關閉。在一個跟隨該燃燒的預掃氣相位V中，在活塞5在該燃燒之后第一次釋放掃氣槽4以前，排氣閥3在一個預先設定的曲柄轉角K2處打開。曲柄轉角K2限定預掃氣相位V的開始，曲柄轉角K2是如此選擇的，從而當排氣閥3打開時，在燃燒室22和廢氣管13之間存在有壓力差，該廢氣管適用于將來自汽缸2的燃燒室22的廢氣8供給增壓器組7，從而熱廢氣8的一部分由于該壓力差通過廢氣管13進入渦輪增壓器14，并在那驅動渦輪9，從而驅動轉子10，因此可得到作為用于引入汽缸2的燃燒室22中的掃氣用空氣12的壓縮空氣，該汽缸的掃氣槽4同時被相應的活塞5釋放。當燃燒室22和廢氣管13之間的壓力差基本上平衡時，排氣閥3在預掃氣相位V中在一個預先設定的曲柄轉角K3處再次靜止關閉。燃燒室22中封閉的體積由活塞5在汽缸2中向處于一個180°的曲柄轉角KW的下死點位置UT方向的進一步運動而增加。由于排氣閥3關閉，所以當活塞5釋放掃氣槽4時，燃燒室22中的壓力落到進氣接收器19中的壓力值之下，掃氣用空氣12經過該進氣接收器進入汽缸2的燃燒室22。在一個曲柄轉角K4處，活塞5至少部分地釋放掃氣槽4，從而掃氣用空氣12可以流出進氣接收器19而進入燃燒室22，排氣閥3仍保持關閉。掃氣用空氣12由于燃燒室22中在預掃氣相位V中相應于進氣接收器19產生的負壓而被吸入燃燒室22。這意味著，在一個預先設定的壓力下通過進氣接收器19將掃氣用空氣12引入汽缸2的燃燒室22的渦輪增壓器14在其功能方面受到活塞5在預掃氣相位V中的膨脹運動過程中在燃燒室22中產生的負壓的支持。由于在燃燒室22和進氣接收器19之間的最大壓力差取決于曲柄轉角K3，在該曲柄轉角處排氣閥3在預掃氣相位V中再次關閉，在預掃氣相位V中在釋放掃氣槽4之后引入燃燒室22中的新鮮空氣量可由該預先設定的曲柄轉角K3控制和/或調節，在該曲柄轉角處排氣閥在預掃氣相位V中關閉。
在接近相應于一個180°的曲柄轉角KW的下死點位置UT時，排氣閥3在一個曲柄轉角K5處再次打開，從而在接下來的包括在180°和360°之間的曲柄轉角范圍的壓縮沖程中，廢氣8中的一部分通過排氣閥3經廢氣管13供給增壓器組7。排氣閥3優選保持打開至少如此長的時間，直到活塞5在壓縮沖程的過程中再次關閉掃氣槽4，然后在一個預先設定的曲柄轉角K6處關閉，排氣閥3在曲柄轉角K6處的關閉限定主掃氣相位H的開始。排氣閥3優選由一個自由可編程控制單元(未示出)根據往復式內燃機1的轉速和/或曲柄轉角KW和/或汽缸2的燃燒室22中的氣體壓力和/或汽缸2的燃燒室22中的溫度和/或增壓器組7的轉速和/或增壓器組7中的氣體壓力和/或增壓器組7中的溫度和/或根據往復式內燃機1的其它工作參數控制和/或調節。
在這方面，在根據本發明的方法的一個優選變形方案中，曲柄轉角K6達到大約270°。當然，排氣閥3也可以在不同值的曲柄轉角K6處關閉，從而使主掃氣相位H在不同值的曲柄轉角K6處開始。因此，如圖3a所示，主掃氣相位H特別也可以在一個大于360°的曲柄轉角K6處開始。
至少在主掃氣相位H內沒有燃料噴射發生。封閉在燃燒室22中的掃氣用空氣12和仍未排出的廢氣8的混合物被活塞5朝相應于一個360°的曲柄轉角KW的上死點位置OT方向的進一步運動壓縮如此長的時間，直到活塞5已經到達相應于360°的曲柄轉角KW的上死點位置OT。汽缸2的燃燒室22中的壓力再次降下來，排氣閥3仍由活塞5隨后的朝處于540°的曲柄轉角處的上死點位置UT方向的膨脹運動關閉。因此排氣閥3在掃氣槽4在一個其值大于360°的曲柄轉角K7處重復釋放之前仍是關閉的。由于活塞5在180°和360°之間的壓縮沖程中關閉掃氣槽4之后關閉排氣閥3的行程小于活塞5在隨后的在處于360°的曲柄轉角KW處的上死點OT和掃氣槽4的重復釋放之間的膨脹沖程中的行程，所以在汽缸2的燃燒室22中相應于進氣接收器19出現負壓，進氣接收器19和燃燒室22之間的壓力差的最大數值取決于主掃氣相位H開始的曲柄轉角K6的值。與預掃氣相位V相類似，活塞5在一個曲柄轉角K8處至少部分地再次釋放掃氣槽4，從而掃氣用空氣12可以流出進氣接收器19而進入燃燒室22，排氣閥3仍保持關閉。掃氣用空氣12由于燃燒室22中在預掃氣相位V相應于進氣接收器19產生的負壓而被吸入燃燒室22。這意味著，在一個預先設定的壓力下通過進氣接收器19將掃氣用空氣12引入汽缸2的燃燒室22的渦輪增壓器14在其功能方面受到在活塞5在預掃氣相位V中的膨脹運動過程中在燃燒室22中產生的負壓的支持。由于在燃燒室22和進氣接收器19之間的最大壓力差取決于主掃氣相位H的開始點處的曲柄轉角K6，在主掃氣相位H中在釋放掃氣槽4之后引入燃燒室22中的掃氣用空氣的量可以由預先設定的曲柄轉角K6控制和/或調節。
在接近相應于一個540°的曲柄轉角KW的下死點位置UT時，排氣閥3在一個預先設定的曲柄轉角K9處再次打開，從而在接下來的壓縮沖程中剩余的廢氣8通過排氣閥3經廢氣管13供給增壓器組7，并且具有燃料噴射和隨后的燃燒的壓縮循環以一種公知的方式在一個限定主掃氣相位的結束的預先設定的曲柄轉角K10處開始。
圖2b和3b示出了一種四沖程過程的另一個例如優選用于本發明方法的構架內的變形方案，圖2b和3b所示的四沖程過程的變形方案不同之處基本上只在于，圖2b中的主掃氣相位在一個小于360°的曲柄轉角處開始，在圖3b中在一個大于360°的曲柄轉角處開始。下面將一起討論這兩種變形方案。在下文的說明中將指出它們的不同點。
圖2b和3b所示的四沖程過程的實施例與圖2a和3a中早先說明的變形方案的不同之處基本上只在于，排氣閥在預掃氣相位V中不關閉。在進行燃料噴射并隨后燃燒之后和在掃氣用空氣12隨后進入汽缸2的燃燒室22之前，排氣閥3在處于曲柄轉角K2處的預掃氣相位V時打開。曲柄轉角K2當然也限定預掃氣相位V在此處的開始。排氣閥3在曲柄轉角K1處的壓縮過程剛剛完成之后起初仍是關閉的。在跟隨著燃燒的預掃氣相位V中，在活塞在燃燒完成之后第一次釋放掃氣槽4之前，排氣閥3在一個預先設定的曲柄轉角K2處打開，曲柄轉角K2是如此選擇的，從而當排氣閥打開時，燃燒室22和廢氣管13之間存在一個壓力差，從而該廢氣管適用于將來自汽缸2的燃燒室22的廢氣8供給增壓器組7，從而熱廢氣8的一部分由于該壓力差通過廢氣管13進入渦輪增壓器14，并在那驅動渦輪9，從而驅動轉子10，因此可得到作為用于引入汽缸2的燃燒室22中的掃氣用空氣12的壓縮空氣，該汽缸的掃氣槽4同時被相應的活塞5釋放。
燃燒室22和廢氣管13之間的壓力差基本上平衡。排氣閥3(如圖2b和3b所示)在燃燒室22和廢氣管13之間已經出現壓力平衡之后在預掃氣相位V過程中不再關閉，從而燃燒室22中的壓力基本上不再由活塞5在汽缸2中朝位于一個180°曲柄轉角KW處的下死點位置UT方向的進一步運動而下降。從而與結合圖2a和3a所說明的變形方案相比可以減少在曲柄轉角K4處釋放掃氣槽之后從進氣接收器19流入燃燒室22中的新鮮空氣量。在曲柄轉角K4處釋放掃氣槽之后，活塞5朝下死點位置UT方向進一步運動，并且如已經在圖2a和2b所說明的那樣，主掃氣相位H跟隨著一個隨后的燃料噴射和燃燒。在這方面，在根據本發明的方法的一個優選變形方案中，曲柄轉角K6達到大約270°。當然，排氣閥3在此也可以在不同值的曲柄轉角K6處關閉，從而使主掃氣相位H在不同值的曲柄轉角K6處開始。因此，如圖3b所示，主掃氣相位H特別也可以在一個大于360°的曲柄轉角K6處開始。這意味著，圖2b所示的四沖程過程與圖3b所示的四沖程過程的不同之處基本上只在于，圖2b中的主掃氣相位H在一個小于360°的曲柄轉角KW處開始，而在根據圖3b的方法中是在一個大于或等于360°的曲柄轉角K6處開始。
在根據本發明方法的一個特別優選的實施例中，往復式內燃機1特別是在一個根據一種二沖程過程預先設定的第一轉速限值之上工作的，該二沖程過程具有包括預掃氣相位V的燃燒相位。
在圖4中簡要示出了大型柴油機1的相應的二沖程過程。為了解釋重要的步驟，在圖4中示出了一個完整的二沖程循環。在一個完整的二沖程循環中在八個選擇的曲柄轉角KW處示出了汽缸2的位置，其中0°的曲柄轉角KW相應于活塞5的上死點位置OT，其中180°的曲柄轉角KW相應于活塞5的下死點位置UT。由于該方法用于一種二沖程過程，所以0°的曲柄轉角KW等于360°的曲柄轉角KW。
在一曲柄轉角K1處，汽缸2的燃燒室22中的燃燒在一個前面的壓縮循環之后基本完成，從而在燃燒室22中可得到處于工作壓力下的熱燃燒氣體，從而使汽缸2中的活塞5從曲柄轉角K1處開始在一個膨脹循環中向相應于一個180°的曲柄轉角KW的下死點位置UT方向運動。排氣閥3在曲柄轉角K1處關閉。在一個在進行燃料噴射并隨后燃燒之后和在掃氣用空氣12隨后進入汽缸2的燃燒室22之前開始的預掃氣相位V中，即在活塞5在一個燃燒循環之后第一次釋放掃氣槽4以前，在一個可預先設定的曲柄轉角K2處，排氣閥3隨著預掃氣相位V的開始而打開，即曲柄轉角K2是如此選擇的，從而當排氣閥在曲柄轉角K2處打開時，汽缸2的燃燒室22中壓力仍很好地保持在廢氣管13中的壓力之上。由于在燃燒室22和廢氣管13之間的壓力差，熱廢氣8通過廢氣管13流入渦輪增壓器14，并在那驅動渦輪9，從而驅動轉子10，因此如上所述，可得到作為用于引入汽缸2的燃燒室22中的掃氣用空氣13的壓縮空氣，該汽缸的掃氣槽4同時被相應的活塞5釋放。這意味著，廢氣8的熱能中的一部分已經按已知方式被利用、通過在釋放掃氣槽41之前、即在掃氣用空氣12流入汽缸2的燃燒室22之前打開排氣閥3來驅動渦輪增壓器14的渦輪9了。
在一個略微大于曲柄轉角K2的曲柄轉角K3處，燃燒室22和廢氣管13之間的壓力差基本上平衡，排氣閥3在預掃氣相位V中在曲柄轉角K3處再次靜止關閉。由于在燃燒室22和進氣接收器19之間的最大壓力差取決于曲柄轉角KW，在該曲柄轉角處排氣閥3在預掃氣相位V中再次關閉，在預掃氣相位V中在釋放掃氣用空氣開口4之后引入燃燒室22中的新鮮空氣量由曲柄轉角K3的預設值根據往復式內燃機1的轉速、根據曲柄轉角KW和/或汽缸2的燃燒室22中的氣體壓力和/或汽缸2的燃燒室22中的溫度和/或增壓器組7的轉速和/或增壓器組7中的氣體壓力和/或增壓器組7中的溫度和/或根據往復式內燃機1的其它工作參數控制和/或調節，在該曲柄轉角處排氣閥3在預掃氣相位V中關閉。燃燒室22中封閉的體積由活塞5在汽缸2中向下死點位置UT方向的進一步運動而增加，從而燃燒室22中的壓力由于排氣閥3關閉而落到進氣接收器19中的壓力之下。在一個標注著預掃氣相位V的結束的曲柄轉角K4處，活塞5至少部分地釋放掃氣槽41，從而掃氣用空氣12可以流出進氣接收器19而進入燃燒室22，排氣閥3仍保持關閉。掃氣用空氣12由于燃燒室22中在預掃氣相位V產生的負壓而被吸入燃燒室22。這意味著，在一個預先設定的壓力下通過進氣接收器19將掃氣用空氣12引入汽缸2的燃燒室22的渦輪增壓器14在其功能方面受到活塞5在預掃氣相位中的膨脹運動過程中在燃燒室22中產生的負壓的支持。
在一個接近下死點位置UT的曲柄轉角K5處，和在活塞5到達下死點位置UT之前，排氣閥3打開，從而在下面的壓縮循環中廢氣8可以通過排氣閥3經廢氣管13供給增壓器組7。在一個180°的曲柄轉角處，排氣閥3仍是打開的，并且一個壓縮循環以一種已知的方式開始，在到達一個曲柄轉角K6時使掃氣槽4關閉。就此而言，根據需要在一個在壓縮循環中到達曲柄轉角K6之前或之后的預先設定的時間、即在活塞已經經過下死點位置UT之后關閉排氣閥3。
在根據本發明的另一種變型方案中，排氣閥3也可特別是在釋放掃氣開口4之后在活塞已經到達下死點位置UT之前再次關閉。通過活塞5向上死點位置OT方向的進一步運動，封閉在燃燒室22中的空氣被壓縮，燃料在一個預先設定的時間以眾所周知的方式通過一個噴嘴(未示出)被引入燃燒室22中，接下來便是燃料/空氣混合物在燃燒室22中的燃燒。
在這方面，排氣閥3的致動可由一個自由可編程控制單元(未示出)根據往復式內燃機1的轉速、根據曲柄轉角KW和/或汽缸2的燃燒室22中的氣體壓力和/或汽缸2的燃燒室22中的溫度和/或增壓器組7的轉速和/或增壓器組7中的氣體壓力和/或增壓器組7中的溫度和/或根據往復式內燃機1的其它工作參數控制和/或調節。
通過將根據本發明的方法用于縱向掃氣的往復式內燃機、特別是大型柴油機的工作中，優選在一個大的負載范圍內、即低于機器的一個可預先設定的轉速限值時達到汽缸掃氣的改善，并可以根據相關工作參數、特別是根據往復式內燃機的轉速或根據增壓器組由排氣閥致動的轉速來控制和/或調節所供給的掃氣用空氣的量。
另外，通過使用根據本發明的方法，避免了與用于在低負載工作時支持廢氣渦輪增壓器的附加輔助增壓器的使用相關的缺點。這樣，不僅避免了對輔助增壓器的花費，而且還避免了用于控制其所需的裝置的購置和安裝的努力。進氣接收器的設計也變得不復雜了，這是因為特別是該進氣接收器中的形式為片狀件的回流阻擋件也可被省去。同樣可以省去與工作資源、機器配件和人力的附加費用相關的服務和修理努力。特別是，通過使用根據本發明的方法可以節省大量的空間和重量。另外，從能量角度而言。不帶有輔助渦輪增壓器的往復式內燃機的工作也是更有利的，因為不再需要得到用于它們工作的電能，這又導致了成本的節約。相當重要的是，根據本發明的方法的使用導致往復式內燃機的燃料消耗降低。
權利要求
1.一種縱向掃氣的往復式內燃機(1)、特別是一種大型柴油機的工作方法，其包括-一個具有一個排氣閥(3)和一個設計為掃氣槽(4)形式的掃氣用空氣開口的汽缸(2)，在汽缸(2)中布置有一個可在一個下死點位置(UT)和一個上死點位置(OT)之間沿一個運行表面(6)往復運動的活塞(5)，和-一個增壓器組(7)，其具有一個由來自汽缸(2)的燃燒室(22)的廢氣(8)驅動的渦輪(9)，用于壓縮空氣(11)將壓縮空氣作為掃氣用空氣(12)通過掃氣槽(4)供給汽缸(2)的燃燒室(22)，其特征在于，縱向掃氣的往復式內燃機(1)的至少一個汽缸(2)根據一種四沖程方法至少在一個可預先設定的第一轉速范圍內工作。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于，縱向掃氣的往復式內燃機(1)的至少一個汽缸(2)根據一種二沖程方法至少在一個第二轉速范圍內工作。
3.按上述權利要求中任一項所述的方法，其中，縱向掃氣的往復式內燃機(1)的至少一個汽缸(2)根據一種四沖程方法在低于一個可預先設定的第一轉速限值的低負載范圍內工作。
4.按上述權利要求中任一項所述的方法，其中，縱向掃氣的往復式內燃機(1)的至少一個汽缸(2)根據一種四沖程方法在高于該第一轉速限值并低于一個可預先設定的第二轉速限值的低負載范圍內工作。
5.按上述權利要求中任一項所述的方法，其中，縱向掃氣的往復式內燃機(1)的至少一個汽缸(2)根據一種四沖程方法在高于該第二轉速限值的高負載范圍內工作。
6.按上述權利要求中任一項所述的方法，其中，該四沖程方法包括一個帶有一個預掃氣相位(V)的燃燒相位。
7.按上述權利要求中任一項所述的方法，其中，該四沖程方法包括一個主掃氣相位(H)。
8.按上述權利要求中任一項所述的方法，其中，該二沖程方法包括一個帶有一個預掃氣相位(V)的燃燒相位。
9.按上述權利要求中任一項所述的方法，其中，至少一個汽缸(2)的排氣閥(3)在至少一個可預先設定的轉速范圍內在預掃氣相位(V)過程中先打開，然后關閉。
10.按上述權利要求中任一項所述的方法，其中，至少一個汽缸(2)的排氣閥(3)在至少一個可預先設定的轉速范圍內在主掃氣相位(H)過程中先打開，然后關閉。
11.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中，排氣閥(3)的致動和向汽缸(2)的燃燒室(22)中噴射燃料的定時由一個自由可編程控制單元根據往復式內燃機(1)的轉速和/或曲柄轉角(KW)和/或汽缸(2)的燃燒室(22)中的氣體壓力和/或汽缸(2)的燃燒室(22)中的溫度和/或增壓器組(7)的轉速和/或增壓器組(7)中的氣體壓力和/或增壓器組(7)中的溫度和/或根據往復式內燃機(1)的其它工作參數控制和/或調節。
12.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中，在一個壓縮循環中，排氣閥(3)在接近下死點位置(UT)處打開，然后在一個到達曲柄轉角(K6)之前或之后的預先設定的時間再次關閉。
13.一種往復式內燃機(1)、特別是一種大型柴油機，其包括一個汽缸(2)和一個增壓器組(7)，汽缸(2)具有一個排氣閥(3)和一個設計成掃氣槽(4)形式的掃用空氣開口，在汽缸(2)中布置有一個可在一個下死點位置(UT)和一個上死點位置(OT)之間沿一個運行表面(6)往復運動的活塞(5)，增壓器組(7)具有一個由來自汽缸(2)的燃燒室(22)的廢氣(8)驅動的用于壓縮空氣(11)的渦輪(9)，將壓縮空氣作為掃氣用空氣(12)通過掃氣用空氣開口(4)供給汽缸(2)的燃燒室(22)，其特征在于，縱向掃氣的往復式內燃機(1)根據如上述權利要求1-12中任一項所述的方法工作。
全文摘要
本發明提供了一種縱向掃氣的往復式內燃機、特別是一種大型柴油機的工作方法。該往復式內燃機(1)包括一個汽缸(2)和一個增壓器組(7)，汽缸具有一個排氣閥(3)和一個設計成掃氣槽(4)形式的掃氣用空氣開口，在汽缸中布置有一個可在一個下死點位置(UT)和一個上死點位置(OT)之間沿一個運行表面(6)往復運動的活塞(5)，增壓器組具有一個由來自汽缸的燃燒室(22)的廢氣(8)驅動的用于壓縮空氣(11)的渦輪，將壓縮空氣作為掃氣用空氣(12)通過掃氣槽供給汽缸的燃燒室，縱向掃氣的往復式內燃機的至少一個汽缸根據一種四沖程方法工作。
文檔編號F01B1/00GK1470750SQ0314718
公開日2004年1月28日 申請日期2003年7月8日 優先權日2002年7月9日
發明者P·贊德特, P 贊德特 申請人:瓦特西拉瑞士股份有限公司