CN101251047A - 大型两冲程双燃料柴油发动机 - Google Patents

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Abstract

一种具有高压燃料气体喷射系统和高压燃油喷射系统的大型涡轮增压两冲程柴油发动机。在该发动机不使用燃料气体运行时，该燃料气体喷射系统中的高压由基本上惰性的气体保持。

Description

大型两冲程双燃料柴油发动机
技术领域
本发明涉及一种燃气和双燃料(油以及气)两冲程柴油发动机，其中燃料以高压直接喷射到燃烧室中。
背景技术
大型两冲程柴油发动机能够以气体与普通燃油同样高效地运行。气体燃料发动机特别适于在以下地点产生电力：在天然气容易获得以及可能甚至难以处理从而能够以低成本获得的地方，或者在环境考虑支持使用气体燃料的区域，因为其没有SO2排放，并且废气的后期处理具有降低NOX排放的良好可能性。对于这种工厂，在发动机启动的任何时候，气体通常是可用的。双燃料发动机特别用于天然气运输船的推进领域。该发动机能够以燃油满负荷运行，因为这在某些情形下是有利的，例如在罐中气体的自然蒸发不足以向发动机供应燃料的情形下时有利的。
例如天然气的气体燃料能够以一定压力喷射到涡轮增压两冲程柴油发动机的燃烧室中，该压力必需比发动机的最大燃烧压力稍高。点火后，所述气体用作非常适合燃烧的燃料。点火通过喷射一定量的液体燃油而实现，其中，液体燃油在压缩冲程的末端在柴油发动机燃烧室的压力和温度条件下比天然气具有好得多的自燃能力。
气体燃料和双燃料大型两冲程柴油发动机(后者还不存在)都需要用于点火的燃油喷射系统以及用于高压气体喷射的系统。燃气和双燃料发动机之间的区别在于，前者的燃油系统的容量仅用于喷射引火油(pilot oil)以进行火，而双燃料发动机的燃油系统能够在没有任何气体喷射的情形下满负荷运行。
气体燃料和双燃料发动机的共同特性是它们在某些时间段的运行没有气体喷射。在此时间段内，加压气体的供应不连续。到目前为止，已经有这样的实践：当不需要供应高压气体时，以惰性气体(N2是优选的选择)清洗气体系统。这是为了减小空气和气体的爆炸性混合物聚集的危险。
该清洗操作存在两个缺点：
1)若气体燃料喷射阀朝向燃烧室泄漏，则燃烧气体将进入并污染气体系统；
2)在所述系统由低压惰性气体填充时，泄漏检测实际上是不可能的。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种克服或者至少减轻了上述问题的大型两冲程柴油发动机。
该目的根据权利要求1通过提供一种具有高压燃料气体喷射系统和高压燃油喷射系统的大型涡轮增压两冲程柴油发动机而实现，该发动机构造成在该发动机不使用燃料气体运行时保持该燃料气体喷射系统中的高压。
通过将气体系统的压力加压到正常运行压力(该压力高于燃烧室的最大压力)，并且当发动机仅使用燃油运行时，消除燃烧气体进入气体系统的可能。
而且，永久加压可用于气体燃料阀的设计，因为施加在阀轴区域上的气体压力能够设置为在不发生喷射时都帮助机械弹簧或其它设备将阀保持紧紧地关闭。以此方式，可减小阀的尺寸。
所述发动机能够设置成在发动机运行时保持该燃料气体喷射系统中的高压。
在发动机不使用燃料气体运行时，该燃料气体喷射系统可填充以基本上惰性的或者不燃烧的气体或者气体混合物。
通过以基本上不燃烧的气体或者气体混合物替代燃烧气体来对该气体系统加压，该气体系统将彻底安全不会发生火灾或爆炸。
所述基本上不燃烧的气体可以是氮气，或者所述基本上不燃烧的气体可以包含氮气。然而，泄漏到环境空气中的氮气非常难以检测，因为空气中约80％是氮气。
所述基本上惰性的或者不燃烧的气体或者气体混合物可包含适于进行泄漏检测的气体。这种适于进行泄漏检测的气体或示踪气体能够与氮气混合。为此目的，重要的是示踪气体具有某些与环境空气的相应特性明显不同的特性。
氦气可用作示踪气体。氦气与氮气相比具有不同的热传导率，从而可容易地检测到。然而，作为氮气的替代，还能够使用小比例的可燃燃料气体。甲烷、CH4是天然气的主要成分。在环境空气中的浓度低于5％时，甲烷是不可燃的。若5％重量的甲烷与95％重量的N2混合，所述混合物泄漏到空气中将导致可燃的混合物，从而将会是安全的。而且，这种泄漏能够由普通的碳氢化合物(HC)传感器容易地检测，该传感器可检测低达50ppm的甲烷含量。
所述发动机可包括与发动机的一个或多个气缸相关联的一个或多个燃料气体阀，其中该发动机可构造成在使用燃油运行期间定期地使用燃料气体运行，从而将基本上惰性的气体喷射到气缸中，用于练习(exercise)燃料气体阀。以(几乎)惰性的气体进行加压允许在使用燃油运行期间练习气体燃料阀，并允许监控气体燃料阀的运动和功能。不经过练习，在一段时间使用燃油运行后，燃料气体阀将存在粘连和其它故障的危险。这将仅在转换到气体燃料的时候才会注意到。惰性气体的喷射还能够用于冷却气体燃料阀的喷嘴，该喷嘴由于油的燃烧而被加热。
燃料气体系统中的高压可用于在发动机不使用燃料气体运行时帮助保持燃料气体阀紧紧地关闭。以此方式，可减小阀尺寸。
本发明的另一目的是提供一种用于运行具有高压燃料气体喷射系统和高压燃油喷射系统的大型涡轮增压两冲程柴油发动机的方法，所述方法包括：当发动机不使用燃料气体运行时，以所述高压对该燃料气体喷射系统加压。
该方法包括：在发动机不使用燃料气体运行时，用基本上惰性或者基本上不可燃的气体填充所述高压燃料气体喷射系统。
所述基本上不可燃的气体可包括小部分燃料气体或者其它示踪气体，以便于进行泄漏检测。
高压燃料气体喷射系统包括燃料气体阀，并且所述方法可包括：在发动机不使用燃料气体运行时，通过定期地或者间歇地打开所述燃料阀而练习所述燃料气体阀。
本发明的再一目的是提供一种用于大型两冲程柴油发动机的高压燃料气体阀，使得其中采用了所述燃料气体阀的大型两冲程柴油发动机在不使用燃料气体运行期间废气流入的危险减小。
该目的通过提供一种用于大型两冲程柴油发动机的高压燃料气体阀实现，所述燃料气体阀包括：高压密封油系统，其用于防止燃料气体从高压燃料气体阀泄漏；控制油系统，其用于打开气体轴以允许高压燃料气体流到燃料气体喷嘴，其中所述气体轴由燃料气体压力和弹性元件迫压到关闭位置。
在非燃料气体运行期间将保持所述气体压力，并且由于所述气体压力通常高于燃烧压力，所以燃烧气体泄漏到燃料气体阀中的危险得以最小化。
气体轴能够由控制油压力产生的力逆着由燃料气体压力产生的力和由弹性元件产生的力而迫压向打开位置。
通过下面的详细说明，根据本发明的大型两冲程发动机以及大型两冲程发动机的运行方法的其它目的、特征、优点和特性将会变得更为明显。
附图说明
在本说明书下面的详细说明部分中，将参照在附图中示出的示例性的实施方式更为详细地解释本发明，在所述附图中：
图1是根据本发明的发动机的横截面图，
图2是图1中示出的发动机的一个气缸部分的纵向纵截面图，
图2a是图2中示出的气缸的局部示意，
图3是根据本发明实施方式的双燃料喷射系统的示意，图3A-3C分别是图3的不同部分的放大视图，
图4是根据本发明的燃料气体喷射器的实施方式的截面图，以及
图5是根据本发明实施方式的双燃料喷射系统的概略图。
具体实施方式
图1和2分别示出了根据本发明优选实施方式的发动机1的横截面图和纵向截面图(对应一个气缸)。发动机1是十字头型的单向流动的低速两冲程十字头柴油发动机，其可以是船舶中的推进系统或者电厂中的原动机。这些发动机典型地具有3-14个直列气缸。发动机1从底座2上建造，具有用于曲轴3的主轴承。
曲轴3是半组合类型的。半组合类型曲轴由通过冷缩配合连接而连接到主轴颈的锻钢或铸钢件曲轴制成。
底座2能够制成一件式或者根据生产设备而分成多个尺寸适当的部分。底座包括侧壁和具有轴承支撑件的焊接横梁。所述横梁在本领域也被称为“横向桁梁”。油盘58焊接到底座2的底部并收集来自于强制润滑和冷却油系统的回流油。
连杆8将曲轴3连接到十字头轴承22。十字头轴承22在竖直引导平面23之间受到引导。
焊接设计的A形支架箱4安装在底座2上。支架箱4是焊接设计的。在排气侧，支架箱4对于每个气缸设置有安全阀；在凸轮轴侧，支架箱4对于每个气缸设置有大型铰接门。十字头引导平面23整体形成在支架箱4中。
气缸支架5安装在支架箱4的顶部。拉紧螺栓29将底座2、支架箱4和气缸支架5连接起来，并将所述结构保持在一起。拉紧螺栓29由液压千斤顶拉紧。
气缸支架5与铸造成一件式或者多件式，最终带有与之成一体的凸轮轴壳体25，或者其是焊接设计的。根据本实施方式的变化形式(未示出)，排气阀的致动是电控式的，并且不存在凸轮轴28和凸轮轴壳体25，而是存在电控液压系统。
气缸支架5设置有进口盖，进口盖用于从凸轮轴侧检查换气口和活塞环以及用于清洁换气空间。其与气缸套6一起形成所述换气空间。换气容器9的开口侧螺栓连接到气缸支架5。在气缸支架的底部，有一个活塞杆填料箱，其设置有用于换气的密封环，并设置有刮油环，用于防止废气渗透到支架箱4和底座2的空间，并且以此方式保护所有此空间内的轴承。
活塞13包括活塞冠部和活塞裙部。活塞冠部由耐热钢制成并且具有四个环形沟槽，所述沟槽的上下表面上都是硬铬镀层。
活塞杆14由四个螺钉连接到十字头22。活塞杆14具有两个同轴的孔(图中看不到)，这两个孔连接到冷却油管道，形成用于活塞13的冷却油的入口和出口。
气缸套6由气缸支架5支承。气缸套6由合金铸铁制成并且通过下部凸缘悬伸在气缸支架5中。气缸套的最上部由铸铁冷却护套环绕。气缸套6具有用于气缸润滑的钻孔(未示出)。
气缸是单向流动型的并且具有设置在气箱(airbox)中的换气口7，其从换气容器9被供应以由涡轮增压器10增压(图1)的换气。
发动机安装有一个或多个涡轮增压器10，对于4-9缸发动机，所述涡轮增压器设置在发动机尾端；对于10缸或更多缸的发动机，所述涡轮增压器设置在排气侧。
涡轮增压器10的进气从发动机室穿过涡轮增压器的进气消音器(未示出)直接形成。空气通过增压空气管道(未示出)、空气冷却器(未示出)和换气容器9而从涡轮增压器10引入到气缸套6的换气口7。
发动机设置有电驱动的换气风机(未示出)。风机的吸气侧连接到空气冷却器后的换气空间。单向阀(未示出)安装在空气冷却器和换气容器之间，其在辅助的风机供应空气时自动关闭。所述辅助的风机在中低负载情形下帮助涡轮增压压缩机。
燃油阀50和燃料气体阀51(后者在图2a中更好地看到)安装在气缸盖12中。在使用纯燃油运行时，燃油喷射阀50在压缩冲程末期通过其喷嘴将高压燃料以细雾状喷射到燃烧室15中。在使用燃料气体运行时，燃油阀50在压缩冲程末期通过其喷嘴将少量高压燃油以薄雾状喷射到燃烧室15中，同时燃料气体喷射阀51在压缩冲程末期通过其喷嘴将大量的高压燃料气体喷射到燃烧室15中。在使用燃料气体运行时，燃料中约10％为燃油，约90％为燃料气体，由此燃油用于可靠点火。排气阀11在气缸盖12中居中地安装在气缸的顶部内。在膨胀冲程的末期，排气阀11在发动机活塞13向下经过换气口7之前打开，由此燃烧室15中活塞13上方的燃烧气体通过通向排气容器17的排气通道16流出，并且燃烧室15中的压力降低。排气阀11在活塞13向上运动的过程中再次关闭。排气阀11是液压致动的。
图3示意性地示出双燃料喷射系统，其中发动机的其中一个气缸以俯视图示出。所述双燃料喷射系统包括传统的或者通用轨道高压燃油喷射系统，其可以是机械控制式的和/或电控式的。高压燃油喷射系统适于使用重燃油运行，并包括所必需的装备，例如管道示踪/加热和阀或阀体以及燃油循环系统。在另一实施方式中，燃油喷射系统适应于船用柴油或者类似的清洁柴油。如图3所示，所述燃油喷射系统包括高压燃油泵站53，高压燃油泵站53通过通用轨道55连接到燃油喷射阀50(每个气缸两个燃油阀，在未示出的实施方式中，每个气缸三个或四个燃油阀)。燃料阀50的打开在一个实施方式中是电控式的，而在另一未示出的实施方式中由图中未示出控制阀以机械方式控制。
高压燃料气体喷射系统包括具有气体压缩机62的气体供应系统60，该气体供应系统由管道64连接到气体储压器63，该管道64包括多个截止阀67和气体出口68。高压燃料气体压缩机62的入口连接到燃料气体贮存器(未示出)，该气体能够是天然气。气体压缩机62将例如天然气的燃料气体增压到适当地高于发动机的燃烧压力的压力。典型地，燃烧压力能够高达180Bar，并且燃料气体压力保持在200Bar以上，典型地约为250Bar。气体储压器63(可以有多个)通过阀69连接到各个气体燃料阀51，阀69可以是阀体的一部分。
阀体65通过通风系统80交换新鲜空气，该通风系统包括通过吸气通道82连接到相应的阀体65区域的吸气扇81，以及通过通风通道87连接到相应的阀体65区域的通风入口85。通风系统80包括碳氢传感器，以检测燃料气体的泄漏。
气体供应系统还包括惰性气体供应系统70，惰性气体供应系统70分配惰性或至少基本上惰性或者基本上不可燃的气体。惰性气体供应系统包括高压惰性气体压缩机72，高压惰性气体压缩机72能够将所述基本上惰性的气体增压到与高压燃料气体压缩机62所分配的压力基本上相等的压力。高压惰性气体压缩机72的出口通过阀73连接到高压气体燃料喷射系统，阀73控制所述基本上惰性的气体到高压燃料气体喷射系统的流动。在一个实施方式中，这个阀73是电控式的。高压惰性气体压缩机72的入口连接到例如为氮气或氮气与示踪气体混合物的基本上惰性的气体的贮存器(未示出)，该示踪气体能够是天然气，在整个基本上惰性的气体中的浓度达到约5％。
在发动机不使用气体燃料运行期间，例如当发动机使用燃油运行时，高压燃料气体喷射系统被清洗，接着由来自惰性气体供应系统70的基本上惰性的气体增压。
高压燃料气体喷射系统还包括密封油系统100，密封油系统100向燃料气体阀51提供高压密封油。密封油的压力高于燃料气体的压力，并且密封油用于防止气体从燃料气体阀51泄漏，下面将参照图4更详细地解释。密封油系统100包括高压泵单元102，高压泵单元102的入口连接到密封油箱并且其出口连接到管道104，管道104将高压密封油引导到燃料气体阀51。
图4示出了根据本发明实施方式的燃料气体阀。经常在发动机1的每个气缸中安装两个或三个的燃料气体阀51包括具有中心孔的壳体90，所述中心孔容纳有轴引导件91。轴引导件91与气体轴92配合。轴引导件91具有细长部分，该细长部分容纳在气体轴92的孔中，以形成燃料气体压力腔96。燃料气体腔96中的压力将气体轴92向其关闭位置迫压。设置在轴引导件91和气体轴92之间的弹性弹簧94也将气体轴92向其关闭位置迫压。连接到控制油管道97的控制油压力腔95在加压时将气体轴92向其打开位置驱策。除了未示出的衬垫，燃料气体阀51还设置有密封油装置，该密封油装置包括密封油管道93，密封油管道93被增压到高于燃料气体压力的水平。密封油管道93将密封油分配到多个未示出的环形腔，所述环形腔形成防止燃料气体从燃料气体阀51泄漏的屏障。
当控制油压力腔95加压时，阀轴92从其阀座离开，并且高压燃料气体能够从环形腔98流到喷嘴99。当控制油压力腔95未加压或者仅仅为低压时，压力腔96中的燃料气体压力以及弹簧94将阀轴92压在其座上。燃料气体通过未示出的口和管道到达环形腔98。燃料气体从环形腔98通过阀轴92中仅部分可见的管道到达燃料气体压力腔96处。
图5以概略的方式示出了双燃料喷射系统的实施方式。该实施方式本质上与图3示出的实施方式相同，只是在此实施方式中以符号示出了控制油系统107。
在使用燃料气体运行时，燃料气体压缩机62将高压燃料气体分配到燃料阀51。储压器66对压力和/或流量波动进行补偿。燃料气体的运行压力在一个实施方式中高于200 Bar，优选地约为250 Bar。气体燃料阀51通过从控制油系统107施加控制油压力而打开。控制油系统107在一个实施方式中是机械控制式的，在另一实施方式中是电控式的。
在不使用燃料气体运行期间，燃料气体压缩机62不启动，并且惰性气体压缩机72用基本上惰性或基本上不可燃的气体清洗燃料气体喷射系统，并且以与燃料气体所使用的压力基本上相等的压力对所述燃料气体喷射系统加压。所述基本上惰性或基本上不可燃的气体在一个实施方式中是氮气，在另一实施方式中基本上惰性或基本上不可燃的气体是氮气和容易检测的示踪气体的混合物。在一个实施方式中，示踪气体是天然气、甲烷或其它容易检测的碳氢气体。天然气、甲烷或其它碳氢气体的浓度低至使得所述基本上不可燃气体和周围空气的混合物是不可燃的。通风系统80中的碳氢传感器能够检测氮气和甲烷或其它碳氢气体的混合物的泄漏，从而在气体燃料喷射系统填充以基本上惰性或者不可燃气体时，也可以进行气体泄漏检测。
已经以双燃料实施方式对本发明进行了介绍。然而，清楚的是本发明也能够用于主要使用气体运行的发动机，在此种发动机中只能够以容量减小的燃油系统进行紧急运行。
本发明具有多个优点。不同实施方式或实现方式可具有下述优点中的一个或多个。需要指出，这不是排他性的优点列举，可能存在此处未描述的其它优点。本发明的一个优点在于其使得在不使用燃料气体运行期间废气流入到燃料气体喷射系统的危险减小。本发明的另一优点在于其允许在不使用燃料气体运行期间练习废气阀。该发明的另一优点在于其允许改善在不使用燃料气体运行期间的泄漏检测。本发明的另一优点在于其允许在不使用燃料气体运行期间更可靠地关闭燃料气体阀。
权利要求中使用的术语“包括”不排除其它元件或步骤。权利要求中使用的术语“一”或“一个”不排除多个。
尽管前面的说明书中将注意力放在本发明中的相信具有特别重要性的那些特征，但是需要理解的是本申请的权利要求保护范围是指在上文中参照附图所说明和/或附图中所示出的任何具有专利性的特征或这些特征的组合，而不论是否对所述特征进行了特别的强调。而且，需要理解的是，在本公开文本的基础上，本领域普通技术人员可在这里的装置上进行改变和/或改善，并且所述改变或改善仍然落入权利要求所说明的范围和精神之内。

Claims (13)

1. 一种具有高压燃料气体喷射系统和高压燃油喷射系统的大型涡轮增压两冲程柴油发动机，所述发动机构造成在该发动机不使用燃料气体运行时保持所述燃料气体喷射系统中的所述高压。
2. 根据权利要求1所述的大型涡轮增压两冲程柴油发动机，其中，所述发动机构造成在该发动机运行时保持所述燃料气体喷射系统中的所述高压。
3. 根据权利要求1或2所述的大型涡轮增压两冲程柴油发动机，其中，在该发动机不使用燃料气体运行时，所述燃料气体喷射系统以基本上惰性或者不可燃的气体或者气体混合物填充。
4. 根据权利要求3所述的大型涡轮增压两冲程柴油发动机，其中，所述基本上惰性或者不可燃的气体或者气体混合物包含适于进行泄漏检测的气体。
5. 根据权利要求4所述的大型涡轮增压两冲程柴油发动机，其中，所述适于进行泄漏检测的气体是燃料气体，并且，所述燃料气体在所述基本上惰性或者不可燃的气体或者气体混合物中的浓度低于导致所述基本上惰性或者不可燃的气体混合物与环境空气形成可燃混合物的浓度。
6. 根据权利要求1-5中任一项所述的大型涡轮增压两冲程柴油发动机，其中，该发动机包括与该发动机的一个或多个气缸相关联的一个或多个燃料气体阀，并且，所述发动机构造成在使用燃油运行期间定期地或者间歇地操作所述燃料气体阀，从而将所述基本上惰性的气体喷射到所述气缸中，用于练习所述燃料气体阀。
7. 根据权利要求1-6中任一项所述的大型涡轮增压两冲程柴油发动机，其中，所述燃料气体系统中的高压用于在所述发动机不使用燃料气体运行时帮助保持所述燃料气体阀紧紧地关闭。
8. 一种用于运行具有高压燃料气体喷射系统和高压燃油喷射系统的大型涡轮增压两冲程柴油发动机的方法，所述方法包括：在所述发动机不使用燃料气体运行时，以所述高压对所述燃料气体喷射系统进行加压。
9. 根据权利要求8所述的方法，包括：在所述发动机不以燃料气体运行时，用基本上惰性或者基本上不可燃的气体填充所述高压燃料气体喷射系统。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述基本上不可燃的气体包括小部分燃料气体或者其它示踪气体，以便于进行泄漏检测。
11. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述高压燃料气体喷射系统包括燃料气体阀，所述方法包括：在所述发动机不使用燃料气体运行时，通过定期地或者间歇地打开所述燃料气体阀而练习所述燃料气体阀。
12. 一种用于大型涡轮增压两冲程柴油发动机的高压燃料气体阀，所述燃料气体阀包括：高压密封油系统，其用于防止燃料气体从该高压燃料气体阀泄漏；控制油系统，其用于打开气体轴以允许高压燃料气体流到燃料气体喷嘴，其中所述气体轴由燃料气体压力和弹性元件迫压到关闭位置。
13. 根据权利要求12所述的高压燃料气体阀，其中，控制油压力产生的力逆着燃料气体压力产生的力和弹性元件产生的力而朝向打开位置迫压所述气体轴。
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