專利名稱：恒壓型渦輪增壓的二沖程直列十三缸內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種恒壓渦輪增壓的二沖程內(nèi)燃機(jī)，其具有排成一列的十三個(gè)氣缸，并具有至少一個(gè)廢氣接收器、至少兩個(gè)渦輪增壓器、以及一掃氣系統(tǒng)，其中的掃氣系統(tǒng)帶有至少一個(gè)縱長(zhǎng)的掃氣接收器，每一氣缸都具有一個(gè)與掃氣接收器相連接的掃氣進(jìn)口、以及一條排氣通道，排氣通道通入到所述的至少一個(gè)廢氣接收器中，所述渦輪增壓器的渦輪側(cè)與廢氣接收器相連接，而壓氣機(jī)側(cè)則與掃氣系統(tǒng)相連接，該發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸C1-C13具有一定的發(fā)火順序(n1-n13)。
背景技術(shù)：
對(duì)內(nèi)燃機(jī)的恒壓式渦輪增壓是基于這樣的原理實(shí)現(xiàn)的通過將從各個(gè)氣缸經(jīng)對(duì)應(yīng)的排氣通道排出的廢氣輸送到一個(gè)公共的廢氣接收器中，可將各個(gè)氣缸排出的廢氣流脈沖平均化，其中的廢氣接收器是一個(gè)縱長(zhǎng)的壓力容器，其具有足夠大的容積，從而可以使從氣缸排出的高強(qiáng)度氣流脈沖在相當(dāng)大的程度上膨脹為處于平均壓力下的普通氣流。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載恒定時(shí)，渦輪增壓器的渦輪部分所接收的廢氣也處于恒定的壓力上，這將能提高渦輪增壓器的效率，并使渦輪增壓器的壓氣機(jī)部分能向位于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸進(jìn)氣口一側(cè)的掃氣系統(tǒng)穩(wěn)定地輸送進(jìn)氣。而廢氣接收器的壓力波動(dòng)則會(huì)造成渦輪增壓器的功率發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而會(huì)改變輸送給充氣系統(tǒng)的充缸空氣，使充缸空氣變得不均勻。
向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口一側(cè)輸送掃吹空氣能影響到用充缸空氣對(duì)氣缸的充氣效果，因而會(huì)影響到氣缸內(nèi)的燃燒過程、以及由燃燒而發(fā)出的功率。具有13個(gè)氣缸的直列發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，因而也具有很長(zhǎng)的掃氣接收器。從渦輪增壓器排出的充缸空氣的壓力變化在一定程度上會(huì)造成掃氣接收器的壓力發(fā)生變動(dòng)。但是，造成掃氣接收器中壓力發(fā)生較大波動(dòng)的原因則在于各個(gè)氣缸按照什么樣的型式來使用掃氣接收器中的掃吹/充缸空氣。
對(duì)于13缸的二沖程內(nèi)燃機(jī)，存在這樣一個(gè)問題所述至少一個(gè)掃氣接收器中氣壓的波動(dòng)會(huì)造成由充缸空氣對(duì)各個(gè)氣缸進(jìn)行充氣的效果存在差異。這樣的充氣差異會(huì)出現(xiàn)在相距一定距離的兩氣缸之間，從而造成各氣缸的燃燒過程所輸出的功率并不相同，而這是一種不利的情況，且充氣差異還影響到對(duì)氣缸的控制—尤其是在燃料配送量方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在恒壓負(fù)載狀況下時(shí)，減小或消除發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸燃料配送量的波動(dòng)，其中，燃料配送量的波動(dòng)是由于用充缸空氣對(duì)氣缸的充氣效果發(fā)生變動(dòng)所致。
考慮到上述的情況，根據(jù)本發(fā)明的二沖程恒壓式渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的特征在于十三個(gè)氣缸的發(fā)火順序(n1-n13)能使如下至少三項(xiàng)要求a)-c)得以滿足對(duì)于氣體的四階脈動(dòng)a) 對(duì)于氣體的五階脈動(dòng)b) 對(duì)于氣體的六階脈動(dòng)c) 式中，n為氣缸的缸號(hào)，n為n號(hào)氣缸的發(fā)火角，F(xiàn)(n)是一加權(quán)函數(shù)，該函數(shù)在氣缸C1時(shí)的F(1)＝1到氣缸C13時(shí)的F(13)＝-1之間線性插值，||代表向量的模長(zhǎng)。向量的模長(zhǎng)是按照常規(guī)的方式計(jì)算出的即等于合量正弦值平方與余弦值平方之和的平方根。
如果發(fā)火順序符合上述的三項(xiàng)要求，則掃氣接收器中壓力波動(dòng)的主要發(fā)生源就被減小到了很低的程度，使得氣缸的燃料配送量不會(huì)受到掃氣壓力波動(dòng)的影響。滿足上述要求的發(fā)火順序使得各個(gè)氣缸依次對(duì)掃氣接收器中掃吹空氣和充缸空氣的消耗不會(huì)造成掃氣接收器中空氣壓力發(fā)生大的波動(dòng)。
在一優(yōu)選實(shí)施方式中，十三個(gè)氣缸的發(fā)火順序(n1-n13)還能滿足如下的要求dd) 式中，n為氣缸的缸號(hào)，n為n號(hào)氣缸的發(fā)火角，F(xiàn)(n)是一加權(quán)函數(shù)，對(duì)于氣缸C1，F(xiàn)(1)＝0，且F(n)＝F(n+1)+氣缸Cn-1中線到氣缸Cn中線的距離/氣缸間標(biāo)稱距離，||代表向量的模長(zhǎng)。氣缸間標(biāo)稱距離是指相互之間不存在鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的氣缸之間的距離，通常，該距離是指氣缸C1和C2中線之間的距離。
諸如13缸二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)等的長(zhǎng)型直列發(fā)動(dòng)機(jī)通常被用作船舶的推進(jìn)機(jī)組。通過達(dá)到要求d)，就能進(jìn)一步促進(jìn)按照a)到c)的要求條件來設(shè)計(jì)發(fā)火順序所能獲得的優(yōu)點(diǎn)。要求d)還具有這樣的有利之處可減小所謂的張口力矩(nick-moment)。張口力矩是各氣缸作用在拉桿和主軸承上的垂向力的加權(quán)之和。張口力矩趨于使發(fā)動(dòng)機(jī)和船體在垂直平面內(nèi)產(chǎn)生不利的振動(dòng)。
在另一實(shí)施方式中，13個(gè)氣缸的發(fā)火順序(n1-n3)還能滿足如下的要求e)e) 式中，n為氣缸的缸號(hào)，n為n號(hào)氣缸的發(fā)火角，F(xiàn)(n)是一加權(quán)函數(shù)，對(duì)于氣缸C1，F(xiàn)(1)＝0，且F(n)＝F(n-1)+氣缸Cn-1中線到氣缸Cn中線的距離/氣缸間標(biāo)稱距離，||代表向量的模長(zhǎng)。二階張口力矩是各氣缸作用在拉桿和主軸承上的二階垂向力的加權(quán)之和。二階張口力矩會(huì)帶來不利的垂直振動(dòng)。還可以將13缸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序(n1-n13)設(shè)計(jì)成可滿足上述的要求d)和e)，這樣就可以減小張口力矩對(duì)船體垂直振動(dòng)的影響。
上述的發(fā)火順序可以是均勻，在此意義上，兩順序氣缸依次發(fā)火之間的曲軸轉(zhuǎn)角均為360°/13。發(fā)動(dòng)機(jī)中的所有氣缸都用到這一固定大小的角度。如果特定發(fā)動(dòng)機(jī)的裝機(jī)存在特殊的問題，則也可以通過采用并不均勻的發(fā)火順序來對(duì)振動(dòng)的特性曲線進(jìn)行微調(diào)，在此意義上，至少兩對(duì)依次發(fā)火氣缸之間的曲軸轉(zhuǎn)角不等于360°/13。


下面將參照高度示意化的附圖對(duì)本發(fā)明的幾種實(shí)施方式作詳細(xì)的描述，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的二沖程13缸發(fā)動(dòng)機(jī)的剖視圖；圖2是圖1所示發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)視圖；圖3中的軸測(cè)圖表示了圖1所示發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸；圖4中的示意圖表示與圖3所示曲軸相關(guān)的氣缸發(fā)火順序；圖5表示了掃氣接收器中氣體脈動(dòng)的不同模式；以及圖6表示出了形成張口力矩的各個(gè)作用力。
具體實(shí)施例方式
圖1是對(duì)一大型十字頭式二沖程內(nèi)燃機(jī)所作的剖視圖，該內(nèi)燃機(jī)屬于恒壓渦輪增壓型，并具有13個(gè)氣缸。該發(fā)動(dòng)機(jī)例如可以由MAN B & W柴油機(jī)公司制造的MC或ME型柴油機(jī)，或者是由Wrtsil公司制造的Sulzer RT-flex或Sulzer RTA型機(jī)組。氣缸的缸徑例如在60到120cm之間，優(yōu)選為80到120cm。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率例如為每缸3000kW到8000kW，優(yōu)選為4000kW到7000kW/每缸。通常，每一氣缸C1-C13缸套1的下端上都具有一列掃氣口2，而氣缸的頂部則設(shè)置有一個(gè)帶有排氣閥4的缸蓋3。
在活塞桿6上安裝著一個(gè)活塞5，活塞桿6通過一十字頭7和一連桿8與曲軸10上的一曲柄銷9相連接。曲軸的軸頸11位于主軸承內(nèi)，主軸承安裝在機(jī)座12內(nèi)。
所述十字頭在橫向上由滑塊13支撐著，滑塊13在垂直延伸的引導(dǎo)面上滑動(dòng)。引導(dǎo)面被固定到內(nèi)燃機(jī)上固定不動(dòng)的A型構(gòu)架14上。在A型構(gòu)架的頂部安裝著氣缸體15。
缸蓋3利用缸蓋螺栓16固定到氣缸體15上。拉桿17從氣缸體15向下延伸向機(jī)座，從而將氣缸體15固定到機(jī)座12上。通常情況下，每一氣缸體上作用有四根拉桿17，且由拉桿產(chǎn)生的總向下拉力大于氣缸中燃燒室內(nèi)燃燒過程所產(chǎn)生的最大壓力對(duì)缸蓋的向上作用力。
在排氣閥所在的區(qū)域處，一排氣導(dǎo)管18從各個(gè)氣缸引出，并通入到一廢氣接收器19中，該廢氣接收器是所有氣缸共用的。發(fā)動(dòng)機(jī)可以只具有一個(gè)由所有氣缸共用的廢氣接收器，或者也可以具有多個(gè)廢氣接收器—例如兩個(gè)或三個(gè)，它們可首尾相連地排列成一行，且通常利用氣流通道相互連通。
廢氣接收器是橫截面為圓筒形狀的壓力容器。廢氣導(dǎo)管18伸入到廢氣接收器19中，當(dāng)排氣閥打開時(shí)，其將廢氣從所屬的燃燒室內(nèi)輸送出去。在廢氣接收器中，由于從廢氣導(dǎo)管18排出脈動(dòng)的廢氣而產(chǎn)生的壓力變化被均衡為更為平均的壓力。
按照一定的方式在廢氣接收器19上連接了四臺(tái)渦輪增壓器20，以使得廢氣能經(jīng)過廢氣通道21而流過渦輪增壓器的渦輪部分22，在渦輪部分中，廢氣作為渦輪葉輪的驅(qū)動(dòng)工質(zhì)，渦輪被安裝到一壓氣機(jī)葉輪的驅(qū)動(dòng)軸上，壓氣機(jī)葉輪位于渦輪增壓器的壓氣機(jī)部分23中。壓氣機(jī)部分23可將壓縮空氣沿箭頭A所示的方向進(jìn)行輸送，使空氣流經(jīng)一空氣通道24、以及可能的話還流經(jīng)一進(jìn)氣冷卻器25而進(jìn)入到掃氣系統(tǒng)26中。
掃氣系統(tǒng)包括至少一個(gè)掃氣接收器27，其由幾個(gè)氣缸或所有氣缸共用，且為各個(gè)氣缸都設(shè)置了一條氣流通道28，該通道將一進(jìn)氣室29與掃氣接收器連通，從而使進(jìn)氣能沿箭頭B的方向充入到進(jìn)氣室中，并由氣缸消耗掉這些空氣。掃氣接收器是一個(gè)橫截面為圓形的圓筒形壓力容器。在掃氣接收器27下部的進(jìn)氣口處設(shè)置了逆止閥31。
進(jìn)氣既被稱為掃吹空氣、也被成為充缸空氣。兩個(gè)名稱都是指同一事物—即發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣。但是，對(duì)于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)排氣閥打開時(shí)，需要利用進(jìn)氣來對(duì)燃燒室執(zhí)行掃吹(清潔)工作，以便于將燃燒產(chǎn)物吹出，且在排氣閥關(guān)閉之后，進(jìn)氣被用于對(duì)氣缸進(jìn)行充氣，用于為下一次燃燒過程作好準(zhǔn)備。進(jìn)氣室29環(huán)繞著缸套1帶有掃氣口2的下部。
在二沖程循環(huán)的燃燒沖程中，活塞5向下運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到位于缸套最下方部位的下死點(diǎn)位置處，在下死點(diǎn)上，活塞的上表面低于掃氣口2。在活塞向下運(yùn)動(dòng)的過程中，當(dāng)活塞經(jīng)過掃氣口時(shí)，空氣從進(jìn)氣室29流入到氣缸內(nèi)，從而使所述進(jìn)氣室中的壓力發(fā)生下降，并使得掃氣接收器中靠近空氣流道28的局部區(qū)域也出現(xiàn)壓力降，其中的空氣流道28通向氣缸。
對(duì)空氣的消耗、以及掃氣接收器中與之相關(guān)的局部氣壓降低是出現(xiàn)在各條空氣流道28處，這些空氣流道28是沿著掃氣接收器的長(zhǎng)度進(jìn)行排布的。各氣缸在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上依次消耗空氣，其中的時(shí)間點(diǎn)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序。由于向氣缸輸送進(jìn)氣的狀況隨時(shí)間和位置的改變而變化，所以會(huì)使掃氣接收器中的空氣發(fā)生波動(dòng)。除了其它一些因素之外，掃氣接收器內(nèi)縱向氣壓波的固有頻率取決于接收器的長(zhǎng)度。
圖5所示的掃氣接收器由發(fā)動(dòng)機(jī)中的所有氣缸共用，因而，其延伸長(zhǎng)度達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的全長(zhǎng)。掃氣接收器中空氣波動(dòng)的最低自然頻率對(duì)應(yīng)于所謂的一階氣體脈動(dòng)，在該階模式中，接收器兩端部處的壓力是反相的，且速度變化最大的位置是在接收器的中點(diǎn)處。在圖5中，一階氣體脈動(dòng)由曲線a表示。二階氣體脈動(dòng)模式則由圖5中的曲線b表示。很顯然，一階氣體脈動(dòng)模式只具有單個(gè)節(jié)點(diǎn)32，而二階氣體脈動(dòng)模式則具有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)32，依次類推，階數(shù)每增大一級(jí)，節(jié)點(diǎn)就另增加一個(gè)。
依次消耗空氣的過程能否激發(fā)掃氣接收器中空氣發(fā)生動(dòng)態(tài)振蕩的能力取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序、以及當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如果氣壓波的頻率與某一特定階氣體脈動(dòng)的固有頻率相一致，則就可能出現(xiàn)相當(dāng)大的氣壓波動(dòng)。這些不利的氣壓波動(dòng)可能會(huì)影響對(duì)氣缸的充氣效果—尤其是對(duì)于那些距離相關(guān)振動(dòng)階的節(jié)點(diǎn)32最遠(yuǎn)的氣缸。
當(dāng)然，可以將掃氣接收器分割成幾個(gè)首尾相聯(lián)的接收器段。盡管這樣作可以改變單個(gè)掃氣接收器的長(zhǎng)度，但卻并不能解決壓力波動(dòng)的問題，原因在于首先，壓力波動(dòng)仍然會(huì)出現(xiàn)，其次，對(duì)接收器進(jìn)行分割在同時(shí)可能會(huì)造成各個(gè)渦輪增壓器輸出的空氣量發(fā)生更為顯著的變化，而這樣的變化量在由所有氣缸共用的單個(gè)掃氣接收器中是無法得到均衡的。
通過按照上述要求a)-c)來選擇發(fā)火順序，可將各個(gè)氣缸從掃氣接收器消耗空氣的次序設(shè)計(jì)成這樣使氣缸充氣效果受掃氣波動(dòng)的影響而變動(dòng)的程度很小，以致于不會(huì)干擾對(duì)各個(gè)氣缸的燃油量調(diào)節(jié)。
下面列出了滿足上述要求的發(fā)火順序的一些實(shí)例序號(hào)C1到C13氣缸的發(fā)火順序1 1 4 11 10 6 2 8 12 7 3 5 13 92 1 5 13 9 4 2 11 10 6 3 7 12 83 1 6 10 11 4 2 9 12 5 3 7 13 84 1 6 10 11 4 2 9 13 5 3 7 12 85 1 6 11 10 4 2 9 13 5 3 7 12 86 1 6 12 9 2 5 10 11 4 3 8 13 77 1 6 13 8 2 5 11 10 4 3 9 12 78 1 7 12 9 2 4 11 10 5 3 8 13 69 1 7 12 9 2 5 11 10 4 3 8 13 6101 7 13 8 2 5 10 11 4 3 9 12 6111 7 13 8 2 5 12 9 4 3 10 11 6121 8 13 6 2 7 11 9 3 4 10 12 5131 8 13 7 2 5 11 10 4 3 9 12 6141 8 13 7 2 5 12 9 3 4 10 11 6151 8 13 7 2 5 12 9 3 4 11 10 6161 8 13 7 2 5 12 9 4 3 11 10 6171 8 13 7 2 5 12 10 3 4 9 11 6181 8 13 7 2 6 10 11 3 4 9 12 5191 8 13 7 2 6 11 9 3 4 10 12 5201 8 13 7 2 6 11 10 4 3 9 12 5211 8 13 7 2 6 12 9 3 4 10 11 5
221 911 7 2 6 13 8 3410 125231 911 7 2 6 13 8 4310 125241 912 7 2 5 13 8 3410 116251 912 7 2 5 13 8 3411 106261 912 7 2 5 13 8 4310 116271 912 7 2 6 11 10 348 135281 912 7 2 6 11 10 358 134291 912 7 2 6 13 8 3410 115301 912 7 2 6 13 8 3411 105311 913 5 2 7 12 8 3411 106321 913 6 2 7 11 8 4312 105331 913 6 2 7 12 8 3410 115341 913 6 2 7 12 8 3411 105351 913 6 2 7 12 8 3510 114361 913 6 2 7 12 8 4311 105371 10 13 5 2 7 12 8 3411 9 6在上述的第一種發(fā)火順序中，C1到C13氣缸按照14 11 10 6 2 8 127 3 5 13 9的次序點(diǎn)火。通過將曲軸10制成使其各個(gè)曲柄行程33的指向遵照能實(shí)現(xiàn)發(fā)火順序的轉(zhuǎn)角型式，就能在發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)該發(fā)火順序。該發(fā)火順序是由曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定的。圖3表示了第一種發(fā)火順序所需的曲軸樣式，該發(fā)火順序是一種平均的發(fā)火順序—即該發(fā)火順序中兩次發(fā)火之間的角度間隔是規(guī)則的(平均的)，其等于360°/13。每一曲柄行程33都包括兩個(gè)曲柄臂34和曲柄銷9，且曲軸軸頸11將各個(gè)曲柄行程聯(lián)接成一根完整的曲軸。曲軸軸頸沿曲軸的中心線35排列，且曲軸被支撐在機(jī)座12的主軸承內(nèi)。
對(duì)于圖3所示的曲軸，整個(gè)曲軸范圍內(nèi)氣缸之間的距離L都是恒定的。這樣的曲軸被用在氣缸之間不存在鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)例如是電子控制的發(fā)動(dòng)機(jī)，其不帶有用于驅(qū)動(dòng)燃油泵和排氣閥的凸輪軸，例如ME型發(fā)動(dòng)機(jī)即為此類機(jī)型。在圖2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣缸C7與C8之間存在鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此，這兩個(gè)氣缸之間的距離L2大于其它氣缸之間的距離L。
圖4表示出了圖3所示曲軸上曲柄行程33之間的各個(gè)轉(zhuǎn)角。也可以采用不規(guī)則的發(fā)火順序—即發(fā)火順序是不均勻的，這是指至少兩對(duì)(可以是幾對(duì))依次發(fā)火氣缸之間的轉(zhuǎn)角間隔不等于360°/13。只偏離平均值很小的幾度就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)具有不同的振動(dòng)模態(tài)。對(duì)于微調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)最終的振動(dòng)特性而言，這種不規(guī)則的發(fā)火順序是有用的。相對(duì)于掃氣接收器中的氣體脈動(dòng)而言，如要為了有利地獲得低水平的氣體脈動(dòng)，則發(fā)火順序是很重要的，而發(fā)火順序是否規(guī)則的重要性則無法與此相比。
通常情況下，是利用一計(jì)算機(jī)程序來電子化運(yùn)算出某一特定發(fā)火順序是否符合上述的要求a)-c)、以及更進(jìn)一步的要求d)和/或e)，其中的計(jì)算機(jī)程序例如是由MAN B & W柴油機(jī)公司開發(fā)出的PROFIR程序、或者是公開在文獻(xiàn)“Die Verbrennungskraftmashing”中的規(guī)范程序，其中的文獻(xiàn)是由H.Maass/H.Klier與K.E.Hafner/H.Maass撰寫的，并由紐約州Wien地方的Springer-Verlag出版社出版。
下面將針對(duì)圖2所示的13缸發(fā)動(dòng)機(jī)舉例說明該計(jì)算過程。發(fā)動(dòng)機(jī)是MAN B & W柴油機(jī)公司的產(chǎn)品，屬于MC型，更具體來講為13K98MC型，其缸徑為0.98米，缸距L的標(biāo)稱值為1.75米。氣缸C1垂直中線與C13垂直中線之間的總長(zhǎng)度為22.3米，且在氣缸C7與C8之間設(shè)置有鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)占用了1.3米長(zhǎng)，因而使氣缸C7與C8之間的距離L2等于3.05米。采用上述第一種發(fā)火順序1 4 11 10 6 2 8 127 3 5 13 9，可計(jì)算出如下的數(shù)值。
氣缸C1到C13的發(fā)火角依次為0°、138.5°、249.2°、27.7°、276.9°、110.8°、221.5°、166.2°、332.3°、83.1°、55.4°、193.8°、以及304.6°。
為了對(duì)氣流的脈動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，利用線性插值的方法求得F(n)的如下數(shù)值，插值運(yùn)算是相對(duì)于氣缸的位置、在氣缸C1的F(1)＝1與氣缸C13的F(13)＝-1之間進(jìn)行的，結(jié)果如下F(1)＝1、F(2)＝0.84305、F(3)＝0.6861、F(4)＝0.52915、F(5)＝0.3722、F(6)＝0.2152、F(7)＝0.0583、F(8)＝-0.2152、F(9)＝-0.3722、F(10)＝-0.5291、F(11)＝-0.6861、F(12)＝-0.843、以及F(13)＝-1。氣缸的位置被計(jì)算為氣缸Cn在發(fā)動(dòng)機(jī)的縱向上相距氣缸C1的距離/氣缸C1中線與C13中線之間的總距離。因而，F(xiàn)(n)等于1-2×(氣缸Cn與C1之間距離/氣缸C1到C13總長(zhǎng)度)。
相對(duì)于方程式a)到e)中矢量求和式的數(shù)值ωt，由于所求得向量的模長(zhǎng)與時(shí)間t無關(guān)，所以可在t＝0時(shí)計(jì)算出向量的模長(zhǎng)。
相對(duì)于由要求條件a)所規(guī)定的4階氣體力的數(shù)值，針對(duì)各個(gè)氣缸，與F(n)相乘后的正弦分量分別為C1＝0、C2＝-0.2018、C3＝-0.6811、C4＝0.49476、C5＝0.17297、C6＝0.21368、C7＝0.01395、C8＝0.17714、C9＝0.34801、C10＝0.24591、C11＝0.45497、C12＝-0.6938、以及C13＝-0.6631，且正弦分量的總和為-0.118。
對(duì)于各個(gè)氣缸而言，方程式a)中與F(n)相乘后的余弦分量如下C1＝1、C2＝-0.8186、C3＝0.0827、C4＝-0.1876、C5＝0.32956、C6＝0.02595、C7＝-0.0566、C8＝-0.1223、C9＝0.13198、C10＝-0.4685、C11＝0.51355、C12＝-0.4789、以及C13＝0.74851，且余弦分量的總和為0.700。所求得向量的模長(zhǎng)為(-0.118×-0.118+0.7×0.7)的平方根—即等于0.71，該數(shù)值遠(yuǎn)小于1.8。
相對(duì)于由要求條件b)所規(guī)定的5階氣體力的數(shù)值，針對(duì)各個(gè)氣缸，與F(n)相乘后的正弦分量分別為C1＝0、C2＝-0.3918、C3＝0.16419、C4＝0.35089、C5＝-0.3063、C6＝-0.0515、C7＝0.02709、C8＝-0.2013、C9＝0.24681、C10＝-0.4355、C11＝0.6811、C12＝0.78826、以及C13＝-0.9927，且正弦分量的總和為-0.12。
對(duì)于各個(gè)氣缸而言，方程式b)中與F(n)相乘后的余弦分量如下C1＝1、C2＝0.74648、C3＝-0.6662、C4＝-0.3961、C5＝0.21143、C6＝-0.209、C7＝0.05162、C8＝0.07633、C9＝0.27859、C10＝-0.3006、C11＝-0.0827、C12＝0.29895、以及C13＝-0.1205，多個(gè)余弦分量的總和為0.89。所求得向量的模長(zhǎng)為0.89，該數(shù)值遠(yuǎn)小于1.8。
相對(duì)于由要求條件c)所規(guī)定的6階氣體力的數(shù)值，針對(duì)各個(gè)氣缸，與F(n)相乘后的正弦分量分別為C1＝0、C2＝0.78826、C3＝0.56465、C4＝0.12663、C5＝-0.2468、C6＝-0.1771、C7＝-0.0545、C8＝0.21368、C9＝0.08907、C10＝-0.3509、C11＝0.31885、C12＝-0.8369、以及C13＝-0.4647，多個(gè)正弦分量的總和為-0.0298。
對(duì)于各個(gè)氣缸而言，方程式c)中與F(n)相乘后的余弦分量如下C1＝1、C2＝-0.2989、C3＝0.38975、C4＝-0.5138、C5＝-0.2786、C6＝0.12227、C7＝-0.0207、C8＝-0.0259、C9＝0.36138、C10＝0.39607、C11＝-0.6075、C12＝-0.1016、以及C13＝-0.8855，各個(gè)余弦分量的總和為-0.46。所求得向量的模長(zhǎng)為0.46，該數(shù)值遠(yuǎn)小于1.8。
為了計(jì)算出與要求條件d)和e)相關(guān)的張口力矩，按照如下的方式計(jì)算出函數(shù)F(n)的數(shù)值F(n)＝F(n-1)+(氣缸Cn-1中線到氣缸Cn中線的距離/氣缸間標(biāo)稱距離)。氣缸間標(biāo)稱距離是指相鄰的、且中間未設(shè)置鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩氣缸的垂直中線之間的水平距離。如果發(fā)動(dòng)機(jī)上為凸輪軸而設(shè)置了鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，則該鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常位于發(fā)動(dòng)機(jī)的中間位置。因而，在普通情況下，氣缸間標(biāo)稱距離與發(fā)動(dòng)機(jī)端部區(qū)域中兩氣缸之間的距離相同，其例如等于氣缸C1與C2之間的距離。對(duì)于上述的發(fā)動(dòng)機(jī)，可求得如下的數(shù)值F(1)＝0、F(2)＝1、F(3)＝2、F(4)＝3、F(5)＝4、F(6)＝5、F(7)＝6、F(8)＝7.74286、F(9)＝8.74286、F(10)＝9.74286、F(11)＝10.7429、F(12)＝11.7429、以及F(13)＝12.7429。
相對(duì)于由要求d)所規(guī)定的1階張口力矩的數(shù)值，針對(duì)各個(gè)氣缸，與F(n)相乘后的正弦分量分別為C1＝0、C2＝0.66312、C3＝-1.87、C4＝1.39417、C5＝-3.9708、C6＝4.67508、C7＝-3.9787、C8＝1.85299、C9＝-4.063、C10＝9.67182、C11＝8.8412、C12＝-2.8102、以及C13＝-10.487多個(gè)正弦分量的總和為-0.08。
對(duì)于各個(gè)氣缸而言，方程式d)中與F(n)相乘后的余弦分量如下C1＝0、C2＝-0.7485、C3＝-0.7092、C4＝2.65637、C5＝0.48215、C6＝-1.773、C7＝-4.4911、C8＝-7.5179、C9＝7.74142、C10＝1.17437、C11＝6.10264、C12＝-11.402、以及C13＝7.23877，各個(gè)余弦分量的總和為-1.25。所求得向量的模長(zhǎng)為1.245，該數(shù)值遠(yuǎn)小于2.5。
相對(duì)于由要求條件e)所規(guī)定的2階張口力矩的數(shù)值，針對(duì)各個(gè)氣缸，與F(n)相乘后的正弦分量分別為C1＝0、C2＝-0.9927、C3＝1.32625、C4＝2.46895、C5＝-0.9573、C6＝-3.3 156、C7＝5.95625、C8＝-3.5983、C9＝-7.1952、C10＝2.33162、C11＝10.0447、C12＝5.45718、以及C13＝-11.915，多個(gè)正弦分量的總和為-0.39。
對(duì)于各個(gè)氣缸而言，方程式e)中與F(n)相乘后的余弦分量如下C1＝0、C2＝0.12054、C3＝-1.497、C4＝1.70419、C5＝-3.8838、C6＝-3.7426、C7＝0.72322、C8＝6.85596、C9＝4.96651、C10＝-9.4597、C11＝-3.8095、C12＝10.3978、以及C13＝-4.5187，各個(gè)余弦分量的總和為-2.14。所求得向量的模長(zhǎng)為2.178，該數(shù)值遠(yuǎn)小于6.0。
在圖6中表示出了產(chǎn)生張口力矩的作用力。當(dāng)氣缸13執(zhí)行燃燒過程時(shí)，作用在缸蓋上的方向向上的力導(dǎo)致四根拉桿受到一個(gè)向上的作用力36，而拉桿將氣缸部分與機(jī)座連接起來，與此同時(shí)，與該氣缸13所對(duì)應(yīng)的主軸承受到一個(gè)向下作用的推力37。當(dāng)其它氣缸發(fā)火時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類似的作用力。這些垂直方向上的作用力產(chǎn)生所謂的張口力矩，其作用在發(fā)動(dòng)機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)上，且其作用方式可引發(fā)垂直振動(dòng)。這些垂向振動(dòng)會(huì)帶來負(fù)面影響，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)被用作集裝箱貨船的主推進(jìn)機(jī)組的情況下，原因在于張口力矩將會(huì)引發(fā)船體產(chǎn)生特性極為不利的振動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序能抑制張口力矩的幅度，因而該發(fā)動(dòng)機(jī)特別適用于其船體通常很長(zhǎng)的集裝箱船，這種船舶需要裝有功率極高的主機(jī)，以便于使船舶具有運(yùn)輸高價(jià)值貨物所必需的高航速。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)除了能解決發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸的充氣效果存在差異的問題(這一問題尤其是與高功率發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān))之外，同時(shí)還能解決與集裝箱貨船推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)的主振動(dòng)問題中的其中之一。
下面的表1列出了上述發(fā)火順序中某些其它順序的相關(guān)振動(dòng)值。這些發(fā)火順序按照上文描述的次序而被標(biāo)記為FS1等標(biāo)號(hào)。該表格列出了按照各個(gè)要求條件a)到e)所獲得的向量的模長(zhǎng)。
表1

可以對(duì)上述的實(shí)施方式進(jìn)行改動(dòng)。例如，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)上使用其它數(shù)目個(gè)渦輪增壓器，例如可采用兩個(gè)或三個(gè)渦輪增壓器，也可以采用多于四個(gè)渦輪增壓器，甚至可多達(dá)八個(gè)渦輪增壓器。發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)架可以是任何合適的形狀，且氣缸體可被一體地制在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架上。掃氣接收器(可能的話廢氣接收器也可以)的橫截面構(gòu)造可以是除圓形之外的其它形狀。掃氣接收器還可被分割成數(shù)個(gè)接收器，從而可形成1到5個(gè)掃氣接收器。廢氣接收器也可被分割成幾個(gè)接收器，使得發(fā)動(dòng)機(jī)所具有的廢氣接收器可以為1到5個(gè)。除了上述的元件之外，掃氣系統(tǒng)還可包括其它一些元件—例如水霧收集器等。也并非必須要將位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端的氣缸編號(hào)為C1、而將位于后端的氣缸編號(hào)為C13。同樣也可以將后端的氣缸編號(hào)為C1，而將前端的氣缸編號(hào)為C13。作為備選方案，該發(fā)動(dòng)機(jī)除了作為船用主機(jī)之外，還可被用在發(fā)電站作為固定機(jī)組。
也可不同于上述的準(zhǔn)則，而將各項(xiàng)要求條件設(shè)定得更為嚴(yán)格。在氣體脈動(dòng)方面，可將要求a)設(shè)定為Vgas(4)＜1.2或Vgas(4)＜1.0，還可將有關(guān)氣體脈動(dòng)的要求條件b)限制為Vgas(5)＜1.2或Vgas(5)＜1.0，也將有關(guān)氣體脈動(dòng)的要求條件c)限制為Vgas(6)＜1.2或Vgas(6)＜1.0?？蓪⒁骴)限定為Vnick(1)＜1.5或Vnick(1)＜1.3，而要求e)可被限制為Vnick(2)＜3.0或Vnick(2)＜2.5。可根據(jù)需要單獨(dú)地、或組合地采用這些更為嚴(yán)格的要求。要求越嚴(yán)格，滿足該要求條件的發(fā)火順序數(shù)目越少，但在同時(shí)，也能使13缸發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性更為有利。
權(quán)利要求
1.一種恒壓渦輪增壓的二沖程內(nèi)燃機(jī)，其具有排成一列的十三個(gè)氣缸，并具有至少一個(gè)廢氣接收器、至少兩個(gè)渦輪增壓器、以及一掃氣系統(tǒng)，其中的掃氣系統(tǒng)帶有至少一個(gè)縱長(zhǎng)的掃氣接收器，每一氣缸都具有一個(gè)與掃氣接收器相連接的掃氣進(jìn)口、以及一條排氣通道，排氣通道通入到所述的至少一個(gè)廢氣接收器中，所述渦輪增壓器的渦輪側(cè)與廢氣接收器相連接，而壓氣機(jī)側(cè)則與掃氣系統(tǒng)相連接，該發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸C1-C13具有一定的發(fā)火順序(n1-n13)，其特征在于十三個(gè)氣缸的發(fā)火順序(n1-n13)能至少滿足如下三項(xiàng)要求a)-c)對(duì)于氣體的四階脈動(dòng)a) 對(duì)于氣體的五階脈動(dòng)b) 對(duì)于氣體的六階脈動(dòng)c) 式中，n為氣缸的缸號(hào)，n為n號(hào)氣缸的發(fā)火角，F(xiàn)(n)是一加權(quán)函數(shù)，在氣缸C1處時(shí)的F(1)＝1到氣缸C13時(shí)的F(13)＝-1之間線性插值，||代表向量的模長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒壓式渦輪增壓二沖程內(nèi)燃機(jī)，其特征在于十三個(gè)氣缸的發(fā)火順序(n1-n13)還能滿足如下的要求d)d) 式中，n為氣缸的缸號(hào)，n為n號(hào)氣缸的發(fā)火角，F(xiàn)(n)是一加權(quán)函數(shù)，對(duì)于氣缸C1，F(xiàn)(1)＝0，且F(n)＝F(n-1)+氣缸Cn-1中線到氣缸Cn中線的距離/氣缸間標(biāo)稱距離，||代表向量的模長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒壓式渦輪增壓二沖程內(nèi)燃機(jī)，其特征在于13個(gè)氣缸的發(fā)火順序(n1-n13)還滿足如下的要求e)e) 式中，n為氣缸的缸號(hào)，n為n號(hào)氣缸的發(fā)火角，F(xiàn)(n)是一加權(quán)函數(shù)，對(duì)于氣缸C1，F(xiàn)(1)＝0，且F(n)＝F(n-1)+氣缸Cn-1中線到氣缸Cn中線的距離/氣缸間標(biāo)稱距離，||代表向量的模長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3之一所述的恒壓式渦輪增壓二沖程內(nèi)燃機(jī)，其特征在于發(fā)火順序是從如下的第一種發(fā)火順序到第三十七種發(fā)火順序的序列組中選出的序號(hào)C1到C13氣缸的發(fā)火順序1 141110 628 127351392 151394211106371283 161011 429 125371384 161011 429 135371285 161110 429 135371286 161292510114381377 161382511104391278 171292411105381369 171292511104381361017138251011439126111713825129 4310 116121813627119 3410 1251318137251110439126141813725129 3410 116151813725129 3411 1061618137251294311 1061718137251210 3491161818137261011 3491251918137261193410 1252018137261110 4391252118137261293410 1152219117261383410 1252319117261384310 1252419127251383410 1162519127251383411 1062619127251384310 1162719127261110 3481352819127261110 3581342919127261383410 1153019127261383411 1053119135271283411 1063219136271184312 1053319136271283410 1153419136271283411 1053519136271283510 1143619136271284311 10537110 135271283411 9 6
5.根據(jù)權(quán)利要求1到3之一所述的恒壓式渦輪增壓二沖程內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述發(fā)火順序是均勻的，在此意義上，兩順序氣缸依次發(fā)火之間的曲軸轉(zhuǎn)角為360°/13。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到3之一所述的恒壓式渦輪增壓二沖程內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述發(fā)火順序是不均勻的，在此意義上，至少兩對(duì)依次發(fā)火氣缸之間的曲軸轉(zhuǎn)角不等于360°/13。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到3之一所述的恒壓式渦輪增壓二沖程內(nèi)燃機(jī)，其特征在于該內(nèi)燃機(jī)是集裝箱船的主推進(jìn)機(jī)組。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種恒壓渦輪增壓的二沖程內(nèi)燃機(jī)，其具有排成一列的十三個(gè)氣缸，并具有一掃氣系統(tǒng)，掃氣系統(tǒng)帶有至少一個(gè)縱長(zhǎng)的掃氣接收器，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸C1－C13具有一定的發(fā)火順序(n1－n13)，從而能使如下三項(xiàng)要求a)－c)中的至少之一得以滿足n為氣缸的缸號(hào)，φn為n號(hào)氣缸的發(fā)火角，F(xiàn)(n)是一加權(quán)函數(shù)，在從氣缸C1到氣缸C13之間，該函數(shù)在F(1)＝1到F(13)＝－1之間線性插值，||代表向量的模長(zhǎng)。
文檔編號(hào)F02D45/00GK1629472SQ200410036649
公開日2005年6月22日 申請(qǐng)日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月17日
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