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CN102076944B - 用于制动内燃机的方法 - Google Patents

用于制动内燃机的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制动内燃机的方法，内燃机具有一种不可燃液体，其中，将不可燃液体喷入内燃机的燃烧室并且大约在燃烧室内的最高压力时刻实施喷入。

Description

用于制动内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制动内燃机的方法，内燃机具有一个燃烧室和一种不可燃液体。
背景技术
在一般现有技术中已知一些用于内燃机的制动系统，它们例如从外部通过相应的制动系统制动内燃机。
可以利用机械的或热力学的辅助机构制动一台内燃机。例如可以在传动系上设置摩擦制动器，以便在需要时通过在摩擦制动装置内部放热制动内燃机。作为备选方案这里还列举一种涡流制动器，它同样适合于制动内燃机。
由文献DE102006059080A1已知一种用于制动具有内燃机的汽车的装置和所属的方法。这里特别要借助一个加速踏板实施制动控制。这样加速踏板的与所希望的制动力连接的位置调节制动强度。为了制动，建议了各项措施或这些措施的组合，其中，这些措施可以是断开点火装置以及燃料配给装置、改变进气压力、控制阀门和气门以及缓速器或连接内燃机的其它消耗器。特别是通过这类措施的组合可以连续不断地制动。
另外，由GB238942A已知一种将水注入内燃机的装置。为了制动，例如从冷却器中取出水并且将其输入内燃机的吸入线路中。在水被注入吸入线路之前或期间，对水进行精细雾化处理。作为备选方案，也可以采用水蒸气，水蒸气同样例如从冷却回路中取出。一方面，一种此类的方法及所属的装置在同时提高功率和优化的情况下用来除去在内燃机的燃烧室中的积碳，而另一方面，一种此类的方法及所属的装置用来制动内燃机。在此，在关闭节气门的情况下进行内燃机的制动，其中，将水、水蒸气或雾汽化水注入内燃机的吸入线路。
在文献AT107194中描述一种方法，按照该方法，在四冲程发动机中的吸气行程期间或在两冲程发动机的进气期间，水被注入一个缸室内。在这里，水特别用于避免燃料空气混合物过热和提前点火，以致燃料空气混合物的压缩比可能升高。还要说明的是，在做功行程期间无热量从气缸中漏出，以致爆炸的力可完全使用。由此，总体上达到更高的功率。另外在该装置中还设置绝热机构，阻止热量向外外流。总体上燃料空气混合物载有杂质很少，致使功率提高，其理由在于燃料空气混合物发生完全而迅速的爆炸。
另外，由文献CH250466已知一种用于涡轮压气机的装置，它带有通过将水喷入工作介质中的冷却装置。在此，要压缩的工作介质的一部分载有一种冷却水，其中，冷却水通过喷入工作介质中通过雾化处理实现。在此，水用于冷却在工作期间达到相当高温度的涡轮压气机。
文献DE10062835A1公开了一种具有顺序的蒸汽喷入装置的活塞式内燃机。在此，该内燃机这样得到改进，以致热损耗减少并且同时该机器的效率得以提高。这将这样实现，即发动机的燃烧室壁被涂以热绝缘层，同时该绝缘层作为用于能量的蓄热器，所述能量用于提高周期性地喷入的水蒸气的压力。特别是在该文献中描述，利用喷入水蒸气实现多个周期过程，在此期间机器以蒸汽发动机方式工作。
由文献DE69209636T2已知一种具有水喷入装置的柴油发动机。该文献公开了将燃料水混合物注入燃烧室，注入导致在内燃机内的氮氧化物的减少。另外，该文献还描述了一个共用燃料喷入阀，通过该燃料喷入阀，可以将燃料和水一起注入。
另外，在现有技术中已知一种反压制动器，里根巴赫（Riggenbach）-反压制动器，它在蒸汽机车上作为动力制动器工作并在其蒸汽运行的驱动缸中制动蒸汽机车且这样阻止了通常车轮制动装置的磨损和过热并且允许一个持久大的制动力。在此，在控制装置由功率运行转换到制动运行时，释放一个用于吸入干净的外部空气的孔并且与将水喷入吸入空气中相结合，进入蒸汽推动的驱动缸中。注入水用于保护蒸汽推动的驱动缸以防过热。另外，还使用一个调节阀，用于调节反压，所述反压在输入掺有水的空气时产生在蒸汽推动的驱动缸内，因为鉴于蒸汽推动的驱动缸的高负荷，可能会有突然爆炸。
当活塞在蒸汽推动的驱动缸中运动时，蒸汽空气混合物被压缩并且同时被加热，然后以被压缩和被加热的状态从蒸汽推动的驱动缸中排出，于是便自身快速膨胀。这种膨胀在里根巴赫-反压制动器中通过一种消音器进行补偿。这种蒸汽机总的来说可作为压缩机运行，其中，在做功过程期间，蒸汽空气混合物被压缩和加热并且接着通过一个相应的排气阀从缸内室排出。能量的最大部分在这里通过压缩蒸汽空气混合物被转换。在蒸汽空气混合物内喷入的水特别用于限制在蒸汽推动的驱动缸中的温度，在制动过程期间，即在压缩空气期间，驱动缸变热，由此特别是用于润滑的油可能燃烧。
从这一现有技术出发，将寻求一种以低磨损制动内燃机的解决方案，而无需从外面影响传动系例如曲轴或驱动轴并且此外放弃例如通过对内燃机的内室进行附加的压力加载的过载。
发明内容
本发明的任务是给出一种方法，它能够实现在内部高效地制动内燃机，以致在内燃机内形成最大的制动作用。
这一任务利用如下的方法来完成。在用于制动内燃机的方法中，内燃机具有一个燃烧室和一种不可燃液体，其中，将不可燃液体直接喷入燃烧室，其特征在于，在内燃机功率运行中已经注入和/或点燃燃料的时刻喷入不可燃液体。
通过的方式是，将不可燃液体直接喷入燃烧室，其中，大约在燃烧室内的最高压力时刻实施喷入，由此在内燃机内通过能量传输产生一种内部制动作用，其中，来自运转的、但不再在功率运行中以相应的燃料输入运行的内燃机的能量被转换用于使不可燃液体从液体到气体物态的相变。特别是实施直接喷入燃烧室，以致极高效率地、节拍准确地并且在正确的时刻实现注入和接着的物态改变。用于将不可燃液体直接喷入燃烧室所要施加的压力必需高于燃烧室内的占优势的压力，致使不可燃液体能够直接注入燃烧室。
内燃机在注入不可燃液体之前已用一种燃料运行，以便相应地由热能也就是在内燃机的功率运行中的燃料空气混合物燃烧的热能产生机械能。
通过注入一种不可燃液体取代燃料，由于在燃烧室内占优势的高温度，压缩后在燃烧室内不可燃液体实现一种从液体物态到气体物态的相变。为了这种从液体到气体的相变，从内燃机内的系统中以热量散失形式抽取的能量是必需的。与此相伴的是在燃烧室内的气体混合物的温度下降，这在排出气体混合物时导致能量释放，由此制动内燃机。
不可燃液体的不可燃性关系到环境和情况，例如也可以在不用使用点燃装置情况下采用一种不可自燃的燃料，以便从内燃机的系统中取出用于汽化必需的相应能量。在内燃机内在气体中存在的如此汽化的不可燃液体在内燃机气体交换/交变时，从内燃机的内部排出来，由此用于汽化过程所必需的能量从内燃机系统中抽取。
由于液体在汽化期间没有经历温度升高，所以整个混合物的温度下降并且因此压力也下降，因为在这一准静态过程期间，内燃机的内室容积没有变化或仅有微小变化。温度和压力下降在此明显地超过了通过注入附加物质也就是注入不可燃液体引起的微小的压力升高。相对于在先前压缩时的体积变化功，在内燃机中的压力水平下降在卸压时引起更小的体积变化功。
因此，内燃机的整体平衡经由内燃机的整个做功过程为负值，因为机械功转换为热功（汽化热）并且该热功通过在内燃机内存在的气体的交换散发到周围环境。
如果大约在内燃机功率运行中已经注入（在具有内部混合物形成的发动机例如柴油发动机或燃气轮机中）和/或（在具有外部混合物形成的发动机例如汽油发动机中）已经点燃燃料的时刻喷入不可燃液体，就为喷入不可燃液体选择了一个最佳时刻。如果在精确定义的时刻注入和/或点燃燃料，内燃机则最佳地在功率运行中工作。优选同样为注入不可燃液体选择该时刻。由此确保实现最佳的能量吸收，即一方面，通过在从液体到气体状态的相变期间的能量吸收，而另一方面，通过随后以气体状态存在的不可燃液体以温度升高形式的能量吸收。
通过内燃机是一种带有一个燃烧室的燃气轮机的方式，其中，将不可燃液体喷入燃气轮机的燃烧室内，这样燃气轮机可以通过相应地喷入不可燃液体被制动。在这里来自在燃气轮机的燃烧室中被压缩的工作介质的能量被用于从液体到气体状态的相变并且因此从该燃气轮机中抽取全部能量，因为在这里现在是气体的不可燃液体在气体交换期间也从整个系统排出
如果内燃机是一种带有一个燃烧室的活塞发动机，其中，将不可燃液体喷入活塞发动机的燃烧室内，则该活塞发动机可以通过喷入不可燃液体而相应保护地且低磨损地被制动。此外，在活塞发动机中设置一些阀，这些阀控制至少排出口或也附加地控制进入口。
通过活塞发动机是一种旋转活塞发动机的方式，其中，在旋转活塞的旋转运动期间，稍稍在最狭窄部位、上死点之前、之中和/或优选直接之后，将一种不可燃液体喷入燃烧室内，因此，注入不可燃液体的时刻这样受到限制，以致活塞发动机的制动相对于一个可自由选择的注入时刻在旋转活塞发动机的磨损和使用寿命方面被优化。
如果活塞发动机是一种往复活塞发动机，其中，在活塞的线性运动期间，稍稍在上死点之前、之中和/或之后，将不可燃液体喷入燃烧室内，则喷入不可燃液体的时刻进一步被限制，这将优化通过喷入不可燃液体的制动作用。
在活塞发动机中，不可燃液体喷入到高的或最高压力的区域内、但至少充分延伸到卸压的区域内而不喷入到压缩的区域内。喷入不可燃液体总体起卸载作用，因为没有引入附加力矩，而是减小现有的气体压力和由此产生的力矩。
为了进一步优化喷入不可燃液体的时刻，在上死点之前5°特别是0.5°直到上死点之后30°特别是15°的范围内开始注入，优选在上死点中实施开始注入。由此确保制动的最大值，因为这些范围确保了既优化又最大的能量吸收，并且内燃机不用加载附加力矩，而是甚至卸载。
为了防止已经相变到气体状态的不可燃液体的液化，在下死点之前结束不可燃液体的喷入。如果有效地在下死点之前结束不可燃液体的喷入，以致可以有足够时间使不可燃液体变成气体状态，同时吸收能量，就阻止了过饱和。
通过往复活塞发动机作为两冲程发动机包括两个冲程的方式，其中，一个第一冲程进行从上死点到下死点或直到打开排气阀的工作步骤，并且在第一冲程开始之前、开始时和/或在第一冲程中喷入不可燃液体，这样可以以最简单的方式制动构成为两冲程发动机的往复活塞发动机。相应的是喷入过程是可精确计划和控制的。
相应的是，如果活塞发动机作为四冲程发动机包括四个冲程，其中，一个第三冲程进行从上死点到下死点的工作步骤，并且在第三冲程开始之前、开始时和/或在第三冲程中喷入不可燃液体，则实现通过将不可燃液体喷入燃烧室制动四冲程发动机的可能性。
通过雾汽化不可燃液体的方式，实现一个尽可能大的表面，该表面可以较快地吸收相应的能量，以便将物态从液体变为气体。由此可以在每个时间单位传递更多的能量，因此汽化过程和与此相伴的能量传送更快地进行。
如果在具有一个燃料喷射系统的内燃机中，经由燃料喷射系统喷入不可燃液体，则采用一个现有的燃料喷射系统用来喷入不可燃液体。在这种情况下，经由一个唯一的系统可以依次地并且根据功率运行和制动运行喷入燃料和不可燃液体。不是在同一时刻而只是有选择地以内燃机的不同运行方式注入燃料和不可燃液体，以致内燃机根据需要产生一次驱动或进行一次内燃机制动。
通过在具有一个燃料喷射系统和一个第二喷射系统的内燃机中，经由第二喷射系统喷入不可燃液体的方式，一方面存在瞬间将内燃机由功率运行转换到制动的可能性，而另一方面防止了通过不可燃液体损害燃料喷射系统。特别是不可燃液体可能具有不同于燃料的材料特性并且因此会损坏共同使用的喷射系统。一种这样的损坏通过使用独立的第二喷射系统得以防止。
通过喷入水作为不可燃液体的方式，则使用了那种对所述方法最适合的液体。水在可观察的压力和温度范围内具有很高的汽化焓。此外它在技术过程中准备、处理和使用方面是充分已知的，它无毒、无环境污染并且为喷入水在增压力过程中已被证明。有利的是，使用脱矿物质的水，以此避免生成积垢。
具体实施方式
下面借助一艘船，例如一艘具有两冲程柴油发动机的大型货船，如这种发动机存在于世界可用商船的大约95%中，用于制动的控制方法将作为一个可能方法流程进行说明。
该船具有一台两冲程柴油发动机，它构成为低速发动机并且具有一个大的工作容积。这种船在运行状态和行驶运行中，就是说这种两冲程柴油发动机以功率运行运转。
该船现在要从其全速航行转到停止，为此需要一段长的制动距离。由于在这个世界的海上越来越高的交通流量，这种长的制动距离意味着一种巨大的安全风险。长的制动距离的理由出于庞大的载有相应货物的轮船质量和很高的航行速度。因此，船在满载行驶时产生高的动能。只有通过船体和推进器在水体中的阻力进行减速。
现在，为了通过借助喷入不可燃液体取代燃料的制动来制动该船，两冲程柴油发动机从以相应输入船用柴油作为燃料的功率运行的运行方式切换到以相应输入水的制动运行状态。现在水取代船用柴油在各气缸的大致上死点中被注入燃烧室的区域内，接着，由于很高的燃烧室温度而转变为气体状态并且这样在排出时从系统中抽取能量。
由于船的推进器经由一个驱动轴直接与两冲程柴油发动机的曲轴连接，所以通过伴流实际上进一步被驱动的推进器现在通过制动单个活塞同样也被制动。借此，具有较高转速的推进器的拖动通过伴流被阻止，更确切地说，推进器在伴流中制动地用于整艘船。
最初只有发动机传动机构的内部摩擦力反作用于推进器的高转速，特别是轴系的轴承中的摩擦力用于小而非本质的制动。
注入到活塞上方的缸室中的不可燃烧和/或不可点燃的液体由于燃烧室内的高温而被汽化。在此，从加压空气中抽取用于注射的液体在液体和气体之间相变的热能。特别是在使用这种控制方法时，必需将不可燃烧和/或不可点燃的液体在上死点和/或直接在上死点之后注入缸室。在活塞的线性运动的这一阶段中，即上死点的转折点，压力水平最高。不是在这个很高的压力水平上以燃烧燃料空气混合物的形式输入，取而代之的是喷入不可燃烧和/或不可点燃的液体，以便从处在高压力水平的空气体积中抽取能量。
总之，通过在横穿上死点之后的连续的卸压过程（做功冲程）中抽取能量，从空气中抽取用于使不可燃液体在相变过程中从液体到气体状态的突然汽化的热量。在卸压阶段内，从空气中在气相中吸收的能量导致压力水平下降并且通过排出导致活塞发动机内的机械能和热能减少。特别是在汽化过程期间，整个混合物的温度下降并且由这一温度下降引起整个混合物的压力下降。接着，所吸收的已经转化为热能的机械功接下来通过气体交换从气缸导出进入排气系统，因此，从整个系统抽取这种能量，并且总体上通过能量转换在两冲程柴油发动机内实现制动作用。

Claims (16)

1.用于制动内燃机的方法，内燃机具有一个燃烧室和一种不可燃液体，其中，将不可燃液体直接喷入燃烧室，其特征在于，在内燃机功率运行中已经注入和/或点燃燃料的时刻喷入不可燃液体。 
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，内燃机是一种带有一个燃烧室的燃气轮机，其中，将不可燃液体喷入燃气轮机的燃烧室内。 
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，内燃机是一种带有一个燃烧室的活塞发动机，其中，将不可燃液体喷入活塞发动机的燃烧室内。 
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，活塞发动机是一种旋转活塞发动机，其中，在旋转活塞的旋转运动期间，稍稍在最狭窄部位、上死点之前、之中和/或之后，将不可燃液体喷入燃烧室内。 
5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，活塞发动机是一种往复活塞发动机，其中，在活塞的线性运动期间，稍稍在上死点之前、之中和/或之后，将不可燃液体喷入燃烧室内。 
6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，开始在上死点之前5°直到上死点之后30°的范围内，喷入不可燃液体。 
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，开始在上死点之前5°直到上死点之后30°的范围内，喷入不可燃液体。 
8.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，开始在上死点之前0.5°直到上死点之后15°的范围内，喷入不可燃液体。 
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，在上死点中喷入不可燃液体。 
10.按照权利要求4至7之一所述的方法，其特征在于，在下死点之前结束不可燃液体的喷入。 
11.按照权利要求5至7之一所述的方法，其特征在于，往复活塞发动机作为两冲程发动机包括两个冲程，其中，一个第一冲程进行从上死点到下死点或直到打开一个排出口的工作步骤，并且在第一冲程开始之前、开始时和/或在第一冲程中喷入不可燃液体。 
12.按照权利要求4至7之一所述的方法，其特征在于，活塞发动机作为四冲程发动机包括四个冲程，其中，一个第三冲程进行从上死点到下死点或直到打开一个排出口的工作步骤，并且在第三冲程开始之前、开始时和/或在第三冲程中喷入不可燃液体。 
13.按照权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在喷入期间雾汽化不可燃液体。 
14.按照权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在具有一个燃料喷射系统的内燃机中，经由燃料喷射系统喷入不可燃液体。 
15.按照权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在具有一个燃料喷射系统和一个第二喷射系统的内燃机中，经由第二喷射系统喷入不可燃液体。 
16.按照权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，喷入水作为不可燃液体。 
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