CN101173628B - 用于往复活塞式内燃机的增压空气冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于往复活塞式内燃机(2)，尤其是二冲程大型柴油机的增压空气冷却器，其中增压空气冷却器包括从冷却器进口(3)至冷却器出口(4)沿着纵轴线(L)延伸的冷却器壳体(5)，带有布置在冷却器壳体(5)内部中的冷却部件组(6)，冷却器进口(3)可以与扩压器(7)的出口(71)连接和冷却器出口(4)可以与往复活塞式内燃机(2)的脱水器(8)连接，从而在往复活塞式内燃机(2)的运行状态下新鲜空气(10)能够作为增压空气(10)从废气涡轮增压器(9)经扩压器(7)引入到增压空气冷却器中。按照本发明，增压空气冷却器包括至少两个冷却部件组(6)用于冷却增压空气(10)和用于从增压空气(10)中分离冷凝水(11)，该冷却部件组由用于从增压空气冷却器中排出冷凝水(11)的排放装置(12)相互分开。

Description

用于往复活塞式内燃机的增压空气冷却器

技术领域

本发明涉及一种按照独立权利要求1的前序部分所述的用于往复活塞式内燃机，尤其是用于二冲程大型柴油机的增压空气冷却器。

背景技术

为了实现往复活塞式内燃机如例如用于船舶的或者用于发电的固定装置的大型柴油机的性能的提高，在燃烧冲程之后借助于增压组或强制进气系统，其一般设计成废气涡轮增压器，将新鲜空气在提高的压力下引入气缸的燃烧室中。在这一点上，可以利用在燃烧循环之后离开气缸的燃烧室的废气的一部分热能。为此目的，通过打开排气阀将热的废气从气缸的燃烧室输送到增压组。增压组基本上包括一个由在压力下进入增压组的热的废气驱动的涡轮机。涡轮机本身驱动一个压缩机，通过该压缩机吸入和压缩新鲜空气。压缩机和涡轮机一起构成的装置通常也简称为涡轮增压器并且尤其是-但不仅仅是-在二冲程大型柴油机的情况下用作离心压缩机，该装置具有连接在其之后的所谓的扩压器，增压空气冷却器，脱水器和进气接收容器，从此处被压缩的新鲜空气，也称为增压空气或换气空气，最终被供入到大型柴油机的各个气缸的燃烧室中。因此，通过使用这种类型的增压组能够增加新鲜空气的供给和提高气缸的燃烧室中的燃烧过程的效率。

在大型柴油机情况下，依据不同的类型，空气的供给发生在气缸上的不同的地方。因此，例如在纵向换气的二冲程发动机中，空气经布置在气缸的下部区域的工作面中的换气口引入到气缸的燃烧室中。在四冲程发动机中，增压空气一般经布置在气缸盖中的一个或多个进气阀供入气缸的燃烧室。在这一点上，用在气缸盖中装配的进气阀取代气缸下部区域中的换气口的二冲程发动机当然也是公知的。

在这一点上，上面已经提及的增压空气冷却器对于气缸的新鲜空气供给具有至关紧要的意义。如本领域的普通技术人员知道的那样，已知的增压空气冷却器是具有基本上平行六面体形状的壳体，在壳体中安置有冷却部件组，增压空气通过该冷却部件组从增压空气冷却器的入口流动到增压空气冷却器的出口，以冷却增压空气。增压空气在该装置中被大大地冷却，通常例如从2500℃冷却到500℃，从而除了空气在增压空气冷却器中冷却以外，来自增压空气中的水也凝结在增压空气冷却器中。

在船舶发动机中，相当大的一部分的空气水分已经凝结在增压空气冷却器中，尤其是在热带条件下，因为发动机在相当大的增压空气压力下运行，亦即被加载。

该冷凝物应该尽可能地不进入发动机的接收容器中，而是事先尽可能完全地排出。为此目的，如已知的那样，使用了诸如“吊斗(Uderslung)”以及脱水器，由此可以排出相当大数量的液态冷凝水。

在这一点上，出于制造的原因，增压空气冷却器一般由多个部件，通常是两个到四个各具有例如大约40cm高度的冷却部件组，组装而成。冷却部件组由金属板冷却片组成，增压空气沿着从增压冷却器进口到增压冷却器出口的方向从这些冷却片上流过，其中为了提高增压空气的冷却效率，与冷却片的表面垂直地并且穿过地布置数个由水流过的冷却管。冷却水流入和流出冷却管优选在该装置中以已知的方式从同一侧进行，以避免在增压空气冷却器中由于热膨胀引起的应力。

用于大型柴油机的典型的增压空气冷却器在增压空气的通流方向上具有大约70cm的长度，大约1.6m的高度和冷却管在其上延伸的大约2m-2.5m的宽度。优选水平地延伸的冷却管具有通常10mm的直径和能够以15mm至30mm的间距布置。金属板冷却片基本上平行于增压空气的通流方向在垂直方向上延伸，从而由增压空气中凝结在其上的冷凝水能够通过重力沿垂直方向向下流动，该金属板冷却片例如相互以2mm间距布置。金属板冷却片实际上一般应该称为冷却薄膜，因为它们大多数具有仅仅大约为0.1mm至0.2mm的厚度。

应该理解，依据增压空气冷却器的不同类型，上述以示例的方式给出的尺寸和细节可以有很大的不同。

在冷却部件组之间留有空气间隙，该空气间隙由于受发动机的振动引起的冷却管组即冷却部件组的震荡而周期性地打开和关闭。由于在增压空气冷却器中的压力损失，在该间隙中形成相当大的空气速度，由此冷凝物被带着运动，亦即被进一步带到随后的脱水器中并且由此在增压空气冷却器中不能够预先进行分离。由于由震荡引起的局部速度的最大极限，脱水器的工作方式甚至变得不可能实施。

尤其是还由于金属板冷却片相互之间以大约2mm的非常小的间距布置，相对较厚的一层冷凝水非常快地聚集在金属板冷却片的表面上，其由于表面张力迅速地生长成相当大的尺寸的液滴，例如，可以大于金属板冷却片的间距，从而冷凝水只能够不太充分地在金属板冷却片上流出，因此被流过的增压空气流带着进入脱水器。这种效果还会由于金属板冷却片的振动使得凝结在其上的冷凝水能够相对容易地与其分开而得到加强，从而它能够被空气流带着一起流动。

尤其是在使用水平通流的冷却器的发动机中，一定部分的冷凝物确实已经在增压空气冷却器中形成而没有湿润脱水器。这种效果已经证明原则上是非常有利的，但是在已知的增压空气冷却器中由于上面所述的原因，这种效果还不太显著，亦即在已知的增压空气冷却器中，太多的从增压空气中分离的冷凝水进入到脱水器中。

因此在已知的增压空气冷却器中，例如，只有大约80％或更少的冷凝物被分离，而剩余的部分，亦即剩余的20％例如被带入到脱水器中。

一定部分的冷凝水从增压空气冷却器被带入脱水器的情况对于其本身还不是一个问题。实际的问题是脱水器，由于其结构和其工作方式的原因，已知它的工作是非常不可靠的，亦即在脱水器中的分离率不是足够地高，从而尽管有脱水器但还是有不能够允许的大数量的冷凝水进入到随后的发动机接收容器中和因此进入往复活塞式内燃机的气缸中，这具有不利的后果。

脱水器具有这种不足够的效率的一个原因是，冷凝水是这样被分离的，即携带冷凝水的增压空气流在脱水器中被相应的金属板偏转，从而冷凝水能够沉积在金属板上和向下流动并且因此可以从增压空气流中除去。凝结水仅仅通过较弱的粘附力保持在金属板的表面上。各个液滴能够例如通过在运行状态下的振动非常容易地从金属板上分离，由此又被增压空气流携带运动，然后进入接收容器中和最终进入发动机气缸中。

发明内容

因此本发明的目的是提出一种用于往复活塞式内燃机，尤其是二冲程大型柴油机的改进的增压空气冷却器，借助于它能够分离比已知的增压空气冷却器大得多的数量的冷凝水，从而来自增压空气的、进入随后的脱水器中的冷凝水的数量可以被大大地减少。

本发明实现这些目的的主题由独立权利要求1的特征表征。

从属权利要求涉及本发明的尤其有利的实施例。

本发明因此涉及用于往复活塞式内燃机，尤其是二冲程大型柴油机的增压空气冷却器，其中增压空气冷却器包括从冷却器进口至冷却器出口沿着纵轴线延伸的冷却器壳体，带有布置在冷却器壳体内部中的冷却部件组，冷却器进口可以与扩压器的出口连接和冷却器出口可以与往复活塞式内燃机的脱水器连接，从而在往复活塞式内燃机的运行状态下新鲜空气能够作为增压空气从废气涡轮增压器经扩压器引入到增压空气冷却器中。按照本发明，增压空气冷却器包括至少两个冷却部件组用于冷却增压空气和用于从增压空气中分离冷凝水，该冷却部件组由用于从增压空气冷却器中排出冷凝水的排放装置相互分开。

亦即已经发现，如果在冷却部件组之间设置用于沉积在冷却部件组中的冷凝水的排放装置，则在增压空气冷却器中已经从增压空气分离出的冷凝水的数量能够大大地增加。

由此可以实现这样的情况，其中沉积在冷却部件组中的冷凝水可以单独地从每个冷却部件组中引出，从而例如沉积在更上部地布置在增压空气冷却器中的冷却部件组中的冷凝水在其向下的路途上不再需要在通过增压空气冷却器的空气流的整个高度上向下落下或流动，因为它在一个相对较短的行程或落下路程之后就已经在地球的重力场中被收集并被排出增压空气冷却器。

亦即本发明的一个重要的作用是缩短在增压空气冷却器中沉积在金属板冷却片上的冷凝水的路程或停留时间。

因此再次返回到增压空气流中的冷凝物明显较少，从而在按照本发明的增压空气冷却器中分离的冷凝水的数量大大增加，因此需要在随后的脱水器中分离的冷凝水大大减少，从而实际上不再有冷凝水进入气缸中和因此进入往复活塞式内燃机的燃烧室中。

也就是说，由于在冷却部件组之间集成有排放装置，特别是排放槽，其收集冷凝物并且将其排向增压空气冷却器的冷侧，因此能够在增压空气冷却器中分离的凝结水的数量大大增加。此外，排放装置同时起着加强冷却部件组的作用。由于一种弹性的作用，冷却部件组被夹紧而在它们之间的空气间隙保存在很小的程度或者完全消失。

在一个在实际中特别重要的实施例中，按照本发明的增压空气冷却器的冷却部件组以本身已知的方式包括由冷却液通流的冷却管道和/或冷却部件组包括冷却金属板用于冷却增压空气和用于分离冷凝水，在该冷却金属板上可以凝结增压空气中的冷凝水并且该冷凝水可以流到排放装置中。

优选地，排放装置形成为排放金属板，尤其是形成为排放槽，优选特别是包括排放通道，从而冷凝水能够例如经排放通道可靠地排出冷却部件组并且因此不需要通过例如位于下面的冷却部件组，从而排除了该部分的冷凝水被流过位于下面的冷却部件组的那部分增压空气带走而进入脱水器中的情况。

在一个特定的情况下，排放装置也可以形成为在至少一侧上穿孔的中空金属板结构，从而在布置在穿孔的中空金属板上方的冷却部件组中分离的冷凝水可以通过在中空金属板中形成穿孔的孔口流入到中空金属板的内部并且可以通过合适的机构例如借助于垂直排放管引出增压空气冷却器。

备选地，排放装置可以形成为排放海绵和/或排放泡沫，尤其是以金属的排放海绵和/或排放泡沫形式形成，其吸收分离的冷凝水和/或例如通过合适的抽吸装置从其中吸出冷凝水并且因此可以将冷凝水从增压空气冷却器中输出。

为了能够更好地排出冷凝水，排放装置可以相对于纵轴线以预先确定的角度倾斜，从而由于重力的作用，冷凝水能够更快地和更可靠地排出增压空气冷却器。

如已经提及的那样，也可以附加地设置一个合适的抽吸装置用于从排放装置中抽吸冷凝水，并且在优选的实施例中，为了产生低压，该抽吸装置可以连接到其中相对于增压空气冷却器呈现为低压的扩压器的一个进口，和/或该抽吸装置例如可以也或者附加地连接到一个抽吸泵，用该抽吸泵可以将冷凝水从增压空气冷却器抽出。

在该装置中，冷却器壳体和/或冷却部件组可以是梯形的形状，尤其在出口侧是梯形的，由此已经可以在增压空气冷却器中分离的冷凝水的数量可以再次地增加，因为由于梯形的设计，在增压空气冷却器中可以用于分离冷凝水的行程被增大。

附图说明

以下借助于附图详细解释本发明，附图中：

图1在原理上示意地示出了废气涡轮增压器系统的结构；

图2示出了按照本发明的增压空气冷却器的第一实施例；

图3示出了沿着图2的剖面线I-I的剖面；

图4示出了按照本发明的带有排放槽的增压空气冷却器的第二实施例；

图5示出了按照本发明的带有穿孔的中空金属板的增压空气冷却器的第三实施例；

图6示出了按照本发明的带有排放海绵和抽吸装置的增压空气冷却器的第四实施例；

图7示出了按照本发明的带有产生旋流作用的偏转机构的增压空气冷却器的第五实施例；

图8示出了按照本发明的带有梯形的冷却部件组的增压空气冷却器。

具体实施方式

图1在用于解释各个不同部件的配合作用的示意图中显示了大型柴油机的废气涡轮增压器系统的主要结构，其中大型柴油机是带有纵向换气的并且配备了按照本发明的增压空气冷却器的大型二冲程柴油机，该增压空气冷却器以下在整体上用标号1表示。

大型柴油机2以本身已知的方式通常包括多个带有布置在气缸盖中的排气阀2001的气缸2000，在该气缸2000中布置有活塞2002，其可以在下死点UT和上死点OT之间沿着工作面往复运动。气缸2000的气缸壁与气缸盖和活塞2002一起以已知的方式限定了气缸2000的燃烧空间。多个换气空气口2003设置在气缸的下部区域中，其设计成换气口2003。依据活塞2002的位置，换气口2003被活塞盖住或露出。称为换气空气10的增压空气10可以通过换气空气口2003流入气缸2000的燃烧空间中。在燃烧期间产生的废气2004通过布置在气缸盖中的排气阀2001和通过连接到排气阀2001的废气管道2005流入废气涡轮增压器9中。

废气涡轮增压器9以本身已知的方式包括作为主要部件的压缩机和涡轮机，压缩机带有用于压缩空气10的压缩机转子91，涡轮机带有用于驱动压缩机转子91的涡轮机转子92，压缩机转子通过一个轴固定地连接到涡轮机转子92。涡轮机和压缩机布置在壳体中的和构成废气涡轮增压器9，其在目前的情况下在压缩机侧构造成离心压缩机。涡轮机以已知的方式被来自气缸2000的燃烧空间的流入的热的废气2004驱动。

为了向气缸2000的燃烧空间供入换气空气10，新鲜空气10由压缩机转子91经吸入管接头吸入并且在废气涡轮增压器9中压缩。压缩的新鲜空气10作为增压空气10从废气涡轮增压器9流过随后的扩压器7和按照本发明的增压空气冷却器1，经脱水器8进入进气接收容器2006，从此处压缩的增压空气10在提高的压力下作为换气空气10通过换气口2003最终进入气缸2000的燃烧室。

在图2中以纵剖面示意地显示了按照本发明的增压空气冷却器1的简单的第一实施例。按照图2，按照本发明的增压空气冷却器1的冷却器壳体5沿着纵轴线L从冷却器进口3延伸到冷却器出口4。在往复活塞式内燃机2的运行状态下，冷却器进口3被供给来自扩压器7的增压空气10，其又经冷却器出口4离开增压空气冷却器1进入脱水器8。

在本示例中，四个冷却部件组6相互上下设置地布置在冷却器壳体5的内部中，冷却部件组包括多个其中流过冷却液13的冷却管道14，它们以本身已知的方式垂直地通过和与金属板冷却片15垂直地布置。按照本发明，增压空气冷却器1包括用于排出冷凝水11的排放装置12，其分别布置在两个冷却部件组12之间并且将该冷却部件组相互分开。如图2中的箭头11示意地表示的，在这个非常简单的实施例中，在冷却部件组中分离的冷凝水11通过由相应的箭头B表示的沿着方向B作用的重力的作用被引到按照本发明的增压空气冷却器1的下端处的收集槽100中并且从那里向外排出。

在图3中示出了沿着图2的剖面线I-I的剖面视图，亦即图3显示了从垂直于方向A和垂直于方向B的观察方向看去的图2的增压空气冷却器1的视图。

由图3尤其很容易识别，在往复活塞式内燃机2的运行状态下，是如何通过使用冷却液13，其优选是冷却水13，在冷却部件组6中进行冷却的。按照附图中所示，冷却水13从左边从在图3中没有示出的冷却水箱引入冷却管道14中，流过冷却部件组6并且又从附图左侧排出，从而避免增压空气冷却器1的由热引起的应力。

应该理解，在实际中可以以本身已知的方式由多个冷却管道14构成一个部分冷却系统，从而在冷却液13再次离开增压空气冷却器1之前，将冷却液13引导通过部分冷却系统的多个冷却管道14，以冷却金属板冷却片15。

在图4中示出了按照本发明的增压空气冷却器1的第二实施例。此处排放装置12设计成具有排放通道121的排放槽12。从在方向A上沿着冷却金属板15流动通过增压空气冷却器1的增压空气10中，冷凝水11通过冷却在冷却金属板15上被作为液体分离出来，在重力的作用下流入排放槽12中，其优选在朝着排放通道121的方向上倾斜预定的角度，并且在此之后进入到与排放管1200连接的排放通道121中，冷凝水11通过排放管可以流出到收集槽100中。

图5显示了按照本发明的增压空气冷却器1的第三实施例，其中排放装置12设计成在一侧穿孔的中空金属板122。沉积在冷却金属板15上的冷凝水11通过开口1221进入中空金属板122的内部并且然后经排放管1220被引出到增压空气冷却器1的外面。由于排放装置12设计成中空金属板122，一旦进入中空金属板122内部的冷凝水11就不能够再被从方向A以相当大的速度流过增压空气冷却器1的增压空气10卷入和不能够再被带着一起运动，从而可以达到更好的冷凝水11的分离效率。

该最后的陈述也尤其适用于按照图6的第四实施例，其中穿孔的中空金属板122由金属的排放海绵123代替，该金属的排放海绵当然也可以用其他合适的材料，例如由塑料或复合材料制造，其针对如在图5中描述的在高的速度流动通过的增压空气10同样提供良好的保护。为了更好地从排放海绵123排出冷凝水11，设置了用于抽吸冷凝水11的抽吸装置16，其例如可以连接到抽吸泵161或连接到扩压器7的进口161。

改善冷凝水11的分离效率的另一种可能性由在图7中显示的按照本发明的增压空气冷却器1的第五实施例示出。

在该实施例中，增压空气冷却器1包括在其出口处的所谓的“吊斗”17，其基本上设计成带有旋流作用的偏转器，和因此可以通过离心力使水分离，并且在增压空气10通过冷却器出口4离开增压空气冷却器1和流入在图7没有示出的脱水器8之前，增压空气10在离开其中设置有冷却部件组6的区域之后必须通过该偏转器。

在如图7中所示的水平流动中，通过使用吊斗17可以进一步改善分离作用。此时增压空气首先水平地流动通过增压空气冷却器1，然后在以本身已知的方式基本上是弯曲管的吊斗17中被偏转，然后在增压空气冷却器1下面通过脱水器流入接收容器中。

优选在吊斗17中产生增压空气旋涡101。在凝结水11能够到达脱水器8之前，这些旋涡导致冷凝水11在吊斗17中的进一步分离，该冷凝水然后通过合适的装置同样地被引出，为了清楚起见，在图7中没有明确地显示这些装置。

最后在图8示意地示出了带有梯形的冷却部件组6的增压空气冷却器1。如上面已经详细解释了的，冷凝水11从增压空气冷却器1中的溢出通过冷却部件组6的梯形的设计得到进一步的减少，因为冷凝物在增压空气冷却器中在方向A，亦即在水平方向上具有在其沿着垂直方向B的路途上的延长的行程，从而在增压空气冷却器1中已经能够分离更多的冷凝水11。

应该理解，在该申请中描述的所有按照本发明的实施例应理解为仅仅是示例性的，尤其是如在本申请的范围中描述的或可以明显得出的增压空气冷却器的所有可能的实施例可以单独地或者以所有合适的组合提供在按照本发明的增压空气冷却器的特定的实施例中，从而在本申请中描述的实施例的所有合适的组合也被本发明所包含和覆盖。

Claims (14)

1.用于往复活塞式内燃机(2)的增压空气冷却器，其中增压空气冷却器包括从冷却器进口(3)至冷却器出口(4)沿着纵轴线(L)延伸的冷却器壳体(5)，带有布置在冷却器壳体(5)内部的冷却部件组(6)，冷却器进口(3)能够与扩压器(7)的出口(71)连接和冷却器出口(4)能够与往复活塞式内燃机(2)的脱水器(8)连接，从而在往复活塞式内燃机(2)的运行状态下新鲜空气(10)能够作为增压空气(10)从废气涡轮增压器(9)经扩压器(7)引入到增压空气冷却器中，其特征在于，增压空气冷却器包括至少两个堆摞的冷却部件组(6)用于冷却增压空气(10)和用于从增压空气(10)中分离冷凝水(11)，其中在运行状态下增压空气(10)基本上水平地流动通过冷却部件组，该冷却部件组由用于从增压空气冷却器中排出冷凝水(11)的排放装置(12)相互分开。

2.按照权利要求1所述的增压空气冷却器，其中冷却部件组(6)包括由冷却液(13)通流的冷却管道(14)。

3.按照权利要求1或2中之一所述的增压空气冷却器，其中冷却部件组(6)包括冷却金属板(15)用于冷却增压空气(10)和用于分离冷凝水(11)。

4.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其中排放装置(12)形成为排放金属板(12)。

5.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其中排放装置(12)形成为在至少一侧上穿孔的中空金属板(122)。

6.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其中排放装置(12)形成为排放海绵(123)和/或排放泡沫(123)。

7.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其中排放装置相对于纵轴线(L)以预先确定的角度倾斜。

8.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其中设置抽吸装置(16)用于从排放装置(12，122，123)中抽吸出冷凝水(11)。

9.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其中抽吸装置(16)为了产生低压被连接到扩压器(7)的一个进口和/或抽吸装置(16)被连接到一个抽吸泵(161)上。

10.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其中冷却器壳体(5)设计成梯形的形状。

11.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，排放装置(12)形成为排放槽(12)。

12.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，排放装置(12)包括排放通道(121)，从而冷凝水(11)能够经排放通道(121)排出冷却部件组(6)。

13.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，排放装置(12)是以金属的排放海绵(123)和/或排放泡沫(123)形式形成。

14.按照权利要求1或2所述的增压空气冷却器，冷却器壳体(5)在出口侧是梯形的和/或其中冷却部件组(6)设计成梯形的形状。

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