CN100365265C - 大型增压内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型增压内燃发动机(1)，其包括一个涡轮增压器，该涡轮增压器带有一个废气驱动的涡轮(6)和一个由涡轮来驱动并向发动机气缸供应增压空气的压缩机(9)。内燃发动机还带有一个用水来使所增压空气加湿的加湿单元(12)，以增加增压空气的绝对湿度。

Description

大型增压内燃发动机

本发明是2003年5月21日申请的题为“大型增压内燃发动机”的中国专利申请03136910.3的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种大型增压内燃发动机，例如船只上的主发动机，包括一个带有一个废气驱动涡轮的涡轮增压器和一个由涡轮来驱动并向发动机气缸供应增压空气的压缩机。发动机还包括一个冷却单元，通过水的注入来冷却所充入的气体。

背景技术

例如世界专利WO-9 429 579，公开了一种大型增压双冲程内燃发动机，它带有一个向发动机气缸传送增压空气和净化空气的压缩机，和一个冷却来自压缩机的空气的冷却器。冷却器通过将空气中的水压力雾化来运转。此冷却器包括多个连续的喷雾器部分，和一个液滴收集部分，该液滴收集部分分离来自可能供给至少两个喷雾器部分之间的空气的水滴。温度为环境温度的水注射进空气流中，来将增压空气的温度降到尽可能低。在这篇文档中，压力雾化空气中的水的目的是为带有一个效率高的大的冷却容量的一个大型双冲程内燃发动机的吸入系统设计一个冷却器，这一点是可靠的，并且很少需要维修。

世界专利WO-9 429 587公开了一种大型增压双冲程内燃发动机，其中，废气从涡轮的高压侧向发动机的充气系统再循环。发动机在使用重油作燃料时，它产生大量的燃烧物，这些燃烧物对于与废气接触的发动机元件来说是有害的。重污染的废气不能简单地进行再循环，因为敏感的发动机部分会发生损坏。因此再循环的废气的至少一部分大体上被加湿到相对湿度为100％。这减少了有害燃烧物的量，并且减少了由燃烧物产生的NOx的量。在这篇文档中使用空气加湿单元的目的是使大型增压柴油发动机中的废气以这样一种方式来再循环，发动机对于发动机元件保持高效和长寿命。

这些典型的现有技术中的发动机在增压空气降到大约37℃和绝对湿度在每kg空气中水的质量为4到12g的环境下运转。

在本领域中，一般说来，涡轮发动机在低增压空气温度的环境下运转是有利的，因为这会有一个高的燃烧效率和对发动机产生较低的热负载。

在现有技术中使用加湿单元的一般目的是从杂质中清洁气体。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制大型内燃发动机运转状态的方法。这个目的是由一种用于控制大型内燃发动机运转状态的方法实现的，所述大型内燃发动机包括：一个涡轮增压器，其具有一个废气驱动的涡轮和一个由涡轮驱动并向发动机气缸供应增压空气的压缩机；和一个用水来加湿增压空气的加湿单元，所述方法包括以下步骤：

在所述的加湿单元中，向增压空气加入水，并且通过测量加湿单元下游的增压空气的温度及根据所测得的温度调节所加入的水的温度来控制增压空气的绝对湿度。

发动机可以在增压空气的温度和绝对湿度相对于传统的发动机增加的情况下运转。因此增压空气的整体的能量容量比传统发动机要高一些。增压空气的温度和绝对湿度增加是因为来自压缩机的空气没有被冷却，也就是说，温度低到一定的程度，但没有能量从增压空气中损失掉。相反增压空气中的能量被贮存起来，或者能量通过将控制温度的水注入到增压空气中而被加到增压空气中。优选的是，注入的水的温度高于周围环境。

废气的质量流量比是大致受由增压空气的绝对湿度的增加的影响的，因此，废气气流的能量容量与传统的流动情况相比是增加的。附加的能量可以用作别的用途而不是用来驱动涡轮。废气的一部分因此被分流出来，并用来驱动一个辅助涡轮，同时主涡轮仍接收充足的能量。发动机整体的能量输出因此增加，同时发动机却使用大致相同数量的燃料。这一点是可能的，因为发动机的废弃的能量，即，具有低的放射本能的能量被加到注入到增压空气的水中，这些废弃的能量因此转化成具有高的放射本能的能量，它可以从废气流中分流出来。

用来加热将要注入的水的能量可以从低质量的能源中得到，例如，具有相对低的放射本能的能源。具有低的放射本能的能源一般可以从一个发动机周围以废气，(护套)冷却液等形式得到。

用来加热将要注入的水的能量实际上被加入到气流中(以增压空气的增加的温度和湿度的形式下)，并能可以作为具有高的放射本能的能量回收。通过分流涡轮上游的废气流的一部分来进行能量回收，即以具有高的放射本能的能量的形式回收。由于废气流中的整体能量容量的增加，可以在不降低涡轮的通常可用的能量的量来实现。

因此，不用冷却，同时加湿充入的气体的和向增压空气中添加“废弃”能量，在废气气流中的作为结果额外的能量的容量可以被分流，因此发动机的整体的能量效率增加。被认为是废弃的，具有低放射本能的能量可以通过从废气气流中分流更多的能量来作为具有高放射本能的能量回收。因此，发动机的整体的能量效率增加。

在本发明中使用一个加湿单元的主要目的是，与现有技术相反，设计有一个冷却器，它将能量添加到增压空气中，没有现有技术中的从增压空气带走能量的冷却器。使用的冷却器将增压空气的温度控制在一个相对高的水平，使它含有相当大量的水蒸气，即，来得到具有高能量容量的增压空气。

本发明因此克服了一个偏见，即，一般认为，为了减少加在发动机上的热负载，涡轮增压器发动机在低温的增压空气下运转是可取的，因为冷的增压空气有稍稍提高发动机的燃烧过程的效率的优点。还有，在增压空气的高绝对湿度下，因为NOx的水平，废气的质量增加。

在废气流中的额外得到的能量被送到一个能量消耗体。这个能量消耗体可以是与如涡轮相连的：

一个发电机，

一个供给发动机水压系统的水压泵，或

一个废气再循环送风机，

从能量消耗体中分流出的废气量可根据发动机的运转状态来调节，如由变化的流量调节器调节。

加湿单元优选的是一个带有多个喷雾器段的一个冲刷器。空气中的水的压力雾化使空气中的大量的水可能喷射，因此，空气可以被有效地加湿成饱合状态。在一段很短的气流长度上，冲刷器可以将大量的水雾化到增压空气中，这一点对于得到大致100％的相对湿度的所需的充足的湿度是很重要的。在湿度-饱合状态空气中的水的量随着温度的升高呈指数增加。可以得到的空气的绝对湿度主要依赖于增压空气的温度，为了使绝对湿度最大，在充入空气通过加湿单元时没有能量被带走。因此得到离开加湿单元的高温的和高的绝对水含量的增压空气。离开加湿单元的增压空气的温度因此可以测量，并且这个温度和可能将要被雾化的水的量相应地可以调节。因此，离开加湿单元的增压空气的温度和接下来的同样的空气的绝对湿度可以加以控制。

一个或多个上游段的状态可以供给相对混浊的水，如海水和一个或多个下游的状态可以的相对清的水。

在加湿单元的出口处的增压空气的绝对湿度可以控制在10到120g/kg之间。在加湿单元的出口处的增压空气的温度可以控制在37℃到85℃之间。

发动机可以是四冲程的或是双冲程的。

必须使用大量的水来对充入的气体进行加湿。发动机水的消耗量是燃料的消耗量的四倍。在输出功率为25,000kw的大中型柴油发动机中，每小时消耗的水的量是12-17吨。在船只的甲板上，或是海滨或是近河的发电站中，提供这样数量的水是没问题的。

发动机也可以带有一个废气再循环导管，优选的包括一个第二加湿单元。第二加湿单元可以是一个水槽，通过它废气变成气泡。通过废气再循环，还可以增加发动机的效率。再循环的废气可以在一个单独的加湿单元中被加湿。

发动机可以是四冲程的或是双冲程的。

发动机的运转状态进一步可以通过以下步骤来控制：分流涡轮上游的部分废气流，包含在所分流的废气中的能量优选的是通过一个能量消耗体来使用，如一个辅助的涡轮。

发动机的运转状态因此可以通过在一个大的范围点内得以控制。运转状态的选择依赖于周围温度和湿度，发动机的热载荷，所需的废气的质量等等。充入的气体的温度和湿度可以是变化的，可以是介于传统的低温低湿度的运转状态与最高温度和高绝对湿度运转状态之间的任何值。在低温和低绝对湿度下，如可以得到发动机的低的热载荷。在高温和高的绝对湿度下，可以得到较高的整体效率，这是因为用来冷却的浪费能量减少和“废弃”的具有低的放射本能能源被回收为具有高的放射本能的能量。

离开加湿单元的空气的绝对湿度可以通过调节添加到增压空气中的水的温度和/或通过调节所述的压缩机的上游的空气的温度来进行控制。

包含在分流的废气部分中的能量可以达到废气流所包含的总能量的15％。

发动机的其它的目标，特征，优点和特性和控制发动机的运转状态的方法将在下面进行详细描述。

附图说明

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细的解释和说明：

图1，2，3和4是根据本发明的一个内燃发动机的吸入和排出系统的四种不同的实施例的示意图解；和

图5是对再循环废气进行加湿的装置的一个优选实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明进行详细的解释说明。参照图1，所示的大型增压双冲程内燃发动机，一般由附图标记1表示。发动机1有一个增压空气接收器2和一个废气接收器3，由附图标记4所指的排气阀属于燃烧室。发动机可以例如可用作是船只上的主发动机或用作是发电站的开动发电机的固定发动机。发动机的总的输出功，例如，是范围从5,000到70,000KW，但本发明可以用在输出功，例如，是1,000KW的四冲程发动机中。

增压空气从增压空气接收器2充入到单独的气缸的空气净化部分。当排气阀4打开时，废气流穿过一个废气导管到达废气接收器3并且向里穿过一个传统的废气导管5到达一个涡轮增压器的一个涡轮6，从这里废气流通过一个排气导管7排出。通过一个轴8，涡轮6驱动一个压缩机9，压缩机9通过一个空气入口10来供应空气。进入的空气可以通过一个进入空气加热器33进行加热，优选的使用一种废热源，例如，冷却液来对进入的空气进行加热。压缩机9将雾化的增压空气传送到一个增压空气导管11，增压空气导管11通入到增压空气接收器2。

导管11中的吸入空气穿过一个加湿单元12，加湿单元12在图示的实施例中带有三个喷雾器段13-15。在第一段13中，加热可用的一般质量的水，如海水，穿过一个管子17到达加湿和纯化气体的多个喷雾器喷嘴。供有适当的过量的水，这样没有微粒：如水中的盐或其它杂质从气体中沉淀出。在第二段14中，通过一个管子18供给的水在增压空气中被雾化。同样的，在第三段15中，通过一个管子19供给的新鲜水在增压空气中被雾化。每一段中供给的水的温度依据增压空气所需的温度和湿度来进行控制。每一段13，14，15的末端包括一个液滴收集器，所述的液滴收集器分离悬吊在气体中的液滴并且装盛来自增压空气中的污染物。可以在冷却器使用更少的段。段的数量，在其它东西中，与发动机的输出相适应。

供给喷雾器喷嘴的海水和新鲜水，通过一个热转换器34利用一种“废弃”的热源来冷却或加热。“废弃”的热源可以，例如，是发动机冷却水35。另外，供给加湿单元12的水可以通过一个热转换器38利用废气来预热，如图2所示。热交换器的特征可以进行选择，从而使得废气中的水蒸气浓缩，因此可以被回收。

离开加湿单元的增压空气的绝对湿度和温度可以通过分别控制供给加湿单元12中的各个段13，14，15中的水的温度和/或通过一个加热器33来控制进入空气的温度来进行控制。

在冲刷器12的出口，空气的温度通过电池39来测量，并且向控制单元(未画出)发送一个信号。控制单元对测得的温度和所需(预设)的温度进行比较。如果离开冲刷器12的空气的温度与预定的值不相符，为了消除温差，控制单元调节供应给冲刷器12的不同段的水的温度。

供给喷嘴的水的温度是可控的，这样当增压空气离开加湿单元就能得到所需的空气的湿度的绝对湿度。为了实现所需的发动机运转状态，依据环境来选择所需的值，它可以，例如，是增压空气的最大的绝对湿度，或是加在发动机上的最小热负载，或位于两者之间。

加湿的空气穿过一个由一个电动机20驱动的辅助送风机16，在局部载荷状态下将增压空气流增压，并且穿过发动机的气缸传送废气导管5，废气导管5通向涡轮增压器的涡轮6。一个导管24从涡轮6的上游的废气导管5上分支出来。所述的导管24与一个驱动发电机27的辅助涡轮26相连。供给废气流的能量因此转变成电能，例如，具有高的放射本能的能量。从辅助涡轮26的分流出来的废气的量可能通过位于导管24内的一个可变流量调节器25来调节。

另一种形式，辅助涡轮26可以与一个水压泵相连(未画出)。在其它的形式中(未画出)，辅助涡轮26驱动废气再循环导管28中的一个送风机30。

辅助涡轮可以用其它形式的气体驱动的能源消耗体来代替，例如，任何容积式或非容积式机器或发动机。

根据图3所示的另一个优选实施例，发动机使用再循环废气。一个再循环导管28从废气导管5上分支出来，并且与增压空气导管11相连，因此，再循环导管与吸入系统的一部分一起形成一个再循环通道，吸入系统是与导管11相连的导管28的连接部分的下游。

一个冲刷器29插入到再循环导管28中，来用水加湿和纯化废气。温水从热交换器34供给冲刷器29。从冲刷器29出来的气体通向由一个发动机31驱动的一个送风机30。即使废气在涡轮6的高压侧转向，送风机30必须为这些废气增压，达到比导管11内的增压空气的压力高的一个压力水平。尽管发动机的吸入侧和排出侧之间存在压力比，送风机30使再循环成为可能，这意味着在任何所需的发动机载荷下再循环都可能进行。再循环的废气可以，如图所示，被引导到加湿单元12的上游的导管11或可以被引导到加湿单元12(未画出)的下游的导管11。

如果再循环的废气被引导到加湿单元12的上游，通过使用喷射和文氏管效果，就可能使用来自压缩机的增压空气的高速度来至少部分吸收再循环废气。在这种情况下，没有或只有一个小的废气送风机就可能实现废气的再循环。

代替雾化加湿单元12，29，可以使用一个包括至少一个水槽40，41(如图5所示)的加湿单元，废气通过它而成为气泡。它也具有一个优点，就是在水槽中的水也可以起到噪音屏障的作用。在所需的位于相对冷和相对温暖的温度范围内，热交换器34为这样的一个水槽40，41供水。加湿单元12，29可以有一个或多个段，这取决于废气的纯化和加湿程度，加湿单元12，29可以与多个雾化加湿单元相结合。

实例1

下面的实例描述了一个发动机设备中的冲刷器的运转模式，此处，再循环气体在一个加湿单元29中被纯化和加湿，所有的增压空气在一个两段加湿单元12中被加湿。可以选择发动机的运转状态，以使最大量的能量从废气流中分流出来，为了简单起见，是基于发动机在全载荷，输入功为25,000KW和增压空气的额定压强为360Kpa下进行计算的。

发动机在100％载荷下运转，周围空气的温度是25℃，相对湿度是30％，这意味着吸入空气将包含大约6g水/kg空气。发动机的空气消耗量大约为55kg/s。经过压缩机9后，空气的温度为T1＝190℃，相对湿度为0.25％。

在第一个加湿段13中，在大约为70℃的温度下供给喷雾器喷嘴13l/s的流量的水。优选地通过使用“废弃”的能量(即放射本能低的能量)如发动机冷却液，发动机废气或其它的“废弃”的能量来得到所要的水的温度。空气加湿到相对湿度为90％以上时，于燥温度为85℃，这样等到空气绝对湿度为110g/kg。在从第一冲刷段放出的空气时，空气中的盐分大部分被纯化。

在第二加湿和冲刷段14中，在温度为100到150℃的范围内通过喷雾器喷嘴喷出50l/s的新鲜水(优选的是通过使用废气中的“废弃“的能量来得到)。空气的温度保持在大约85℃，因此100％的湿度-饱合空气的绝对湿度为大约120g水/kg空气。

如果在导管28中使用一个单独冲刷器29来纯化再循环的废气比较合适，在纯化的同时，将废气加湿到大约100％的相对湿度，温度大约为110℃。

离开冲刷器的空气的温度大约为85℃，绝对湿度为120g/kg。与传统的温度为37℃，绝对湿度为6g/kg的增压空气相比，这会引起包含在废气流中的能量增加30％，这对于选择的发动机相应地增长16500KW。这传统的16500KW使得16％的废气流将从废气导管5中分流出来，而被传送到辅助涡轮26。其它所有的条件相同，在传统的发动机中将以燃料的形式使用相同量的能量。因此，在辅助涡轮得到稍稍增加的能量输入1675KW的额外功时，会引起耗油率(SFOC)增加4％。

实例2

这个例子显示了在发动机低热载荷的情况下，选择发动机的运转状态的可能性。在与如上相同的周围条件和发动机载荷的条件下，在第一冲刷段12中的喷雾器喷嘴供应有温度为30℃，流量至少为20l/s的海水，因此，通过蒸发来改变增压空气的温度到大约为T1＝75℃，加湿到相对温度大约为90％，绝对湿度达到大约65g/kg的水平。

在第二冲刷段13，供给有温度大约为30℃，流量为60l/s的水。这将增压空气冷却到温度大约为37℃，在100％饱合气体下的空气的绝对湿度大约为11g/kg。

因此，可以实现发动机的低热载荷设定，例如，用在当出现发动机的热超载信号时。

实例3

这个实例显示了在发动机为中热载时选择发动机的运转状态的可能性。在与如上相同的周围条件和发动机载荷的条件下，在第一冲刷器段12中的喷雾器喷嘴供应有温度为50℃，流量大约为13l/s的海水。这将增压空气的温度改变到大约75℃，同时增压空气被加湿到大约80％的相对湿度。绝对温度因此达到大约59g/kg的水平。

在第二冲刷器段13，供给有温度大约为76℃，流量为50l/s的水。这将增压空气的温度改变到大约为75℃，在100％饱合气体下的空气的绝对湿度大约为76g/kg。

因此，可以实现发动机的中热载荷设定，发动机在减少NOx散发和从废气流中分流出来的能量的量少于实例1中的量的情况下可以运转。

参照图4和图5，本发明的另一个具体实施方式。发动机1有一个增压空气接收器2和一个废气接收器3，由附图标记4所指代的排气阀属于燃烧室。增压空气经过增压空气接收器2到达单独的气缸的净化气口。当排气阀4打开时，废气流经一个充气导管到达废气接收器3，并且向前穿过一个传统的废气导管5到达一个涡轮增压器的一个涡轮6，从这里废气流过一个废气导管7向外排出。通过一个轴8，涡轮6通过一个进气口10来驱动一个压缩机9。进入的空气可能通过一个进气加热器33来加热，优选的使用废热源，如冷却液来加热进入空气。压缩机9向通向增压空气接收器2的一个增压空气导管11传送雾化的增压空气。导管11中的吸入的空气穿过带有两个水槽段40，41的一个加湿单元12’。

发动机可以包括一个废气再循环导管。在这种情况下，一个再循环导管28从废气导管5分支出来，并与增压空气导管11相连，因此再循环导管与吸入系统部分形成一个再循环通道，吸入系统是到导管11的导管28的连接部分的下游。一个由一个电动机31驱动的废气送风机30可以安装在导管28内来推动再循环气体流向增压空气导管11。再循环气体经过带有两个水槽段40，41的一个加湿单元29’。

加湿单元12’的结构原则上与加湿单元29’的结构相同。因此，加湿单元12’，29’的结构的细节可以一起来参照图5。此处示出了一个两段加湿单元。这两个段由导管50相互连接。加湿单元可以包括更多的段或只有一个段。而且，可以将水槽型的加湿单元和一个喷雾器型的加湿单元组合起来。每一段包括一个带有至少部分充有水的空间42，42’的座44，44’。导管43，43’把要充入的空气传送到座44，44’内，到达低于空间42，42’的一点处。空间42，42’位于所述的座内，并至少部分地充有水。水是通过一个入口47，47’供应，通过一个出口48，48’来排出的。优选的是，水是连续供应的，较少量地连续排出。优选的是，供给空间42，42’的水的湿度是受控的。空间42，42’由座来限定，有一个上限46，46’和一个下限45，45’。界限45，45’，46，46’形成一个产生一个压力下降的流动限制。界限45，45’，46，46’上有很多孔，通过这些孔，将要被加湿的气体穿过这些孔进出空间42，42’。当气体穿过下限45，45’，形成大量的气泡，使气体从水中溢出。界限45，45’，46，46’可以例如是由栅板的或穿孔金属板形成的。

为了进一步提高加湿的程度，管子42可以有一个雾化喷射器49。

在每一个加湿单元的段之后提供一个水气分离装置(未画出)，如一个捕雾器。

加湿单元12’中的水槽40，41将气体加湿到100％的相对湿度，气体中的杂质大部分被去除，在传播过程中被阻碍的由气体携带的噪音还通过系统。

虽然为了说明起见，以上对本发明进行了详细描述，可以理解这样的详细描述只是出于说明的目的，本领域的技术人员在不偏离本发明的范围之内的各种变动都是允许的。

因此，对照具体实施例对各种装置和方法所进行的描述只是对本发明的说明，这些装置和方法不是一成不变的。在不偏离本发明的精神和实质的其它的实施方式和结构都在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种控制一种大型增压双冲程内燃发动机(1)的运转状态的方法，该内燃发动机包括：一个涡轮增压器，所述涡轮增压器具有一个废气驱动的涡轮(6)和一个由所述涡轮(6)驱动而向发动机气缸供应增压空气的压缩机(9)；和一个用水加湿增压空气的加湿单元(12)，所述方法包括以下步骤：

在所述的加湿单元(12)中，向增压空气中加入水，其特征在于，

通过测量加湿单元下游的增压空气的温度并根据所测得的温度调节所加入的水的温度来控制增压空气的绝对湿度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：从涡轮(6)的上游分流部分废气。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过一个能量消耗体使用包含在所分流的废气中的能量。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过一个用来驱动发电机(27)的辅助涡轮(26)使用包含在所分流的废气中的能量。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据周围环境将增压空气的绝对湿度控制在最低温度时的增压空气的绝对湿度与最高温度时的增压空气的绝对湿度之间的任意中间状态。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：将加湿单元(12)下游的增压空气的绝对湿度控制在11克/千克到120克/千克之间。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：将恰处于加湿单元(12)下游的增压空气的温度控制在37摄氏度到85摄氏度之间。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将包含在所分流的废气部分中的能量控制在废气流总能量的0到16％之间。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将涡轮(6)下游的废气通过一个废气冷却器(38)进行冷却，从而冷凝和回收包含于废气中的水。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，将涡轮(6)下游的废气冷却到结露点以下。

11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，分流到能量消耗体的废气量通过一个可变的流量调节器(25)来控制。

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