CN103670670A - 具有十字头和汽轮机的涡轮增压双冲程单流内燃发动机 - Google Patents

Abstract

一种具有十字头的大型低速运行多气缸涡轮增压双冲程单流内燃发动机，具有多个气缸，该多个气缸中的每个均连接至从气缸接收排气的排气接收器以及连接至将扫气供应至气缸的扫气接收器。发动机具有涡轮增压器，其具有驱动用于增压扫气的压缩机的排气驱动涡轮机；排气管道，其将排气接收器连接至涡轮机；扫气管道，其将压缩机连接至该扫气接收器；以及基于水的发动机冷却系统。发动机进一步包括用于加热扫气的热交换器，其被设置在压缩机的上游并且热交换器被利用来自发动机冷却系统的冷却介质加热；以及蒸发或过热和蒸发锅炉，其被设置在扫气管道中，扫气流过蒸发或过热和蒸发锅炉；以及汽轮机，其通过由蒸发或过热和蒸发锅炉传送的蒸汽提供动力。

Description

具有十字头和汽轮机的涡轮增压双冲程单流内燃发动机

技术领域

本发明涉及具有十字头和汽轮机的大型低速运行涡轮增压双冲程内燃发动机。进一步地，本发明涉及一种操作具有十字头和汽轮机的大型低速运行涡轮增压内燃发动机的方法。

背景技术

具有十字头的大型低速运行涡轮增压双冲程内燃发动机是具有至少一个气缸和容纳于气缸内的往复运动的活塞的发动机。这些发动机具有设置在活塞和曲轴之间的十字头。通过位于气缸一端处的气缸盖，燃烧室被限定在活塞和内部气缸壁之间。为了将燃烧残余从燃烧室排放至排放管路系统，气缸盖包括能够可控制地且间歇地打开的排气阀。这些发动机还具有用于在靠近气缸的第二端的燃烧室中发生燃烧之前在燃烧室中间歇地构建开口的装置，用于通过将包括氧气的增压扫气引导通过该开口而向第一端吹扫的装置，并且这些发动机包括用于将燃料注入到压缩扫气中以用于在燃烧室中进行内部燃烧的装置。

依据上述限定的发动机经常是指“大型涡轮增压双冲程单流十字头柴油发动机”，并且经常被具体实现为具有多个成直线的立式气缸，这些气缸的活塞在单个曲轴上工作；为了在相对低的旋转速度下传送用于驱动电站发电机的几百万瓦特的功率或用于海轮推进的兆瓦范围内的功率，这些发动机可能具有纯双冲程工作顺序并且通常在气缸直径和活塞冲程方面具有大的物理尺寸，经常使得这样的发动机像房子一样高。

改善这类发动机的整体能量效率是持续的目标。改善整体能量效率的一种方式是通过从发动机回收废热并将其转换成有用能量。

WO2007/115579公开了一种大型涡轮增压柴油发动机，其设置有排气锅炉和动力涡轮机以用于回收排气中的能量。锅炉中的一个可以是排气接收器的整体部件。涡轮增压器涡轮机的上游的排气流的一部分被分支到动力涡轮机。发动机包括位于涡轮机的涡轮增压器的低压侧的预热锅炉，同时过热锅炉被设置在涡轮增压器涡轮机的高压侧。这种已知发动机的能量回收系统可以实现发动机的整体能量效率的实质上增益，但是由于能量回收系统包含锅炉和与锅炉关联的汽轮机还有通过从排气的主流中分支出的排气提供动力的动力涡轮机，这种能量回收系统相当复杂并且昂贵。

发明内容

在此背景下，本申请的目的是提供具有能量回收系统的大型低速运行涡轮增压双冲程内燃发动机，该能量回收系统不太贵也不太复杂。

该目的通过提供具有十字头的大型低速运行多气缸涡轮增压双冲程单流内燃发动机实现，该发动机包括：多个气缸，该多个气缸中的每一个均连接至从气缸接收排气的排气接收器以及连接至将扫气供应至气缸的扫气接收器；涡轮增压器；其具有排气驱动涡轮机，该排气驱动涡轮机驱动用于增压扫气的压缩机；排气管道，该排气管道将排气接收器连接至涡轮机；扫气管道，该扫气管道将压缩机连接至扫气接收器；发动机冷却系统；热交换器，其用于加热扫气，并且热交换器被设置在压缩机的上游并且热交换器被来自发动机冷却系统的冷却介质加热；蒸发或过热和蒸发锅炉，其被设置在扫气管道中，扫气流过蒸发或过热和蒸发锅炉；以及汽轮机，该汽轮机通过由蒸发或过热和蒸发锅炉传送的蒸汽提供动力。

通过在扫气被压缩前加热该扫气，在压缩机下游的空气的能量被实质上增加并且压缩扫气中的能量可以容易地被转换成汽轮机中的机械能。

在一个实施例中，发动机包括气缸套，该气缸套被容纳在夹套中并且发动机冷却系统包括夹套冷却系统，该夹套冷却系统在夹套和气缸套之间的空间中应用冷却水，由此夹套冷却水是供应至热交换器的用于加热进入的扫气的冷却水。

在一个实施例中，发动机进一步包括蒸发锅炉和/或过热器，其被来自涡轮机下游的位置的排气加热。

在一个实施例中，该蒸发或过热和蒸发锅炉是多级锅炉。

上述目的还可以通过提供一种操作具有十字头的大型低速运行多气缸涡轮增压内燃发动机的方法实现，该发动机包括：多个气缸，该多个气缸中的每个均连接至从气缸接收排气的排气接收器以及连接至将扫气供应至气缸的扫气接收器；涡轮增压器，该涡轮增压器具有排气驱动涡轮机，该排气驱动涡轮机驱动用于增压扫气的压缩机；排气管道，该排气管道将排气接收器连接至该涡轮机；以及扫气管道，该扫气管道将压缩机连接至扫气接收器，该方法包括：在扫气进入压缩机之前利用来自发动机的废热加热该扫气，以使得在压缩机出口处的温度变得足够高以用于产生蒸汽，以及使用压缩扫气中的能量产生蒸汽。

在一个实施例中，该方法还包括使用涡轮机的下游的排气中的能量来过热利用来自压缩扫气的能量生成的蒸汽和/或使用涡轮机的下游的排气中的能量来产生蒸汽。

依据本公开的发动机和操作发动机的方法的进一步的目的、特征、优点以及属性将从详细描述中变得更明显。

附图说明

在本说明书接下来的详细说明部分，将参阅附图中示出的示例性实施例更详细地解释本发明，其中：

图1是大型低速运行发动机的长末端的视图；

图2是依据图1的发动机的侧视图；

图3是传统的大型低速运行发动机的示意性表示；

图4是依据示例性实施例的大型低速运行发动机的示意性表示；以及

图5是依据另一个示例性实施例的大型低速运行发动机的示意性表示。

具体实施方式

图1至图4示出了发动机的示意性表示，此处是具有十字头的大型低速涡轮增压双冲程内燃发动机的形式。图3示出了传统的发动机。图4示出了依据本发明的第一示例性实施例的发动机。图1和图2中所示出的视图适用于传统的发动机和依据各个实施例的所有发动机。

在示例性实施例中，发动机具有成直线的六个气缸1。大型涡轮增压双冲程柴油发动机典型地具有成直线的5个至16个气缸，这些气缸通过发动机框架45承载。气缸中的活塞51通过活塞杆54被连接至十字头53。十字头53通过连接杆55被连接至曲轴52。发动机可以例如被用作远洋船舶中的主发动机或用于在发电站中用于操作发电机的固定式发动机。发动机的总输出可以是例如从5000千瓦到110000千瓦的范围。

发动机是双冲程单流型的，其在气缸1的下部区域处具有扫气口并且在气缸1的顶部具有排气阀4。气缸1由汽缸套27形成。气缸套27为单流型并通过气缸框架45承载。在一个实施例中该气缸套27由合金铸铁制成。该气缸套27的最上部被优选的铸铁冷却夹套26所包围。在夹套26和该气缸套27之间设置有空间以用于夹套冷却水的循环。夹套冷却系统是发动机的冷却系统中的一个。气缸套27具有扫气口24和用于气缸润滑的钻孔（未示出）。

充气从充气接收器42传递至各个气缸1的扫气口24。扫气接收器2是沿着发动机的整个长度延伸的大型圆筒形容器。扫气接收器2具有足够大的体积以实质上补偿进入各个气缸1的扫气的压力波动。扫气接收器2可以被分段成离散部件。

气缸1中的活塞51压缩充气，燃料被注入以及随后燃烧并且产生排气。当排气阀4打开时，排气流过与所涉及的气缸1关联的排气管路35进入排气接收器3以及通过排气管道18前进至涡轮增压器5的涡轮机6，排气从该涡轮机6通过低压排气管道7流走。通过轴8，涡轮机6驱动通过进气口10被供有扫气的压缩机9。该压缩机9将加压的扫气传送至通向扫气接收器2的扫气管道11。仅示出一个涡轮增压器5，但是可以理解的是，还有可能操作具有多个涡轮增压器5的发动机。传统上，用于大型低速运行双冲程柴油发动机的涡轮增压器5的压缩机轮是机加工的铝制压缩机轮。为了能够应对压缩机轮被暴露于其的较高的扫气温度，在依据本发明的发动机中，压缩机轮可以例如是机加工的不锈钢或机加工的钛。

管道11中的进气穿过蒸发锅炉13并且然后通过用于冷却扫气的中间冷却器12。在一个实施例中，蒸发锅炉13可以是蒸发和过热锅炉。在满发动机负荷下，扫气离开压缩机并在约280℃下进入蒸发锅炉13。取决于锅炉的级的数量并且取决于锅炉的压力，离开锅炉13的扫气的温度在135℃至180℃的范围内，但是如果使用冷凝式锅炉，则离开锅炉13的扫气温度也可以低至80℃。中间冷却器12确保了离开中间冷却器的扫气的温度在30℃到80℃的温度范围内，典型地在这个范围的较低部分中。

除了在低发动机负荷下（典型地低于约40%MCR），扫气从该中间冷却器12经过止逆阀15前进至扫气接收器2。在如此低的发动机负荷下，由涡轮机6产生的扫气压力通常是不足的，并且因此在这些低发动机负荷情况下，如果切换辅助吹风机使其起作用，则可以通过辅助吹风机16增加扫气压力。该辅助吹风机16通过电动机17驱动。

依据用于这些气缸1操作的预定顺序，扫气从扫气接收器2通过前述的扫气口进入气缸中1的燃烧室。

在燃烧后并且当排气阀4打开时，排气通过相应的排气管道35离开气缸1中的燃烧室，该排气管道35与每个气缸1相关联并且到达排气接收器3中。排气接收器3是沿着发动机的整个长度上延伸的大型圆筒形容器。排气接收器3具有足够大的体积以实质上减弱来自各个气缸1的排气的压力波动。排气接收器3可以被分段成离散部件并且也可以内含或包括各种功能元件以补充发动机的总体功能，例如，用于从排气中收集有价值的热量或用于添加各种物质以改善整体发动机功能。

该排气通过管18离开该排气接收器3并流至一个或多个涡轮增压器5的一个或多个涡轮机6。在该一个或多个涡轮机6的下游，排气继续通过管7到达废热回收单元28。因此，排气被引入周围环境即大气中。废热回收单元28是相当大容量的，这是因为其被设置在涡轮机6的低压侧，并且因此例如很难在发动机被用作推进单元的船上找到用于该回收单元的空间。

夹套冷却水的全部或部分通过管25形式的管道被输送到热交换器14。当夹套冷却水离开夹套26时，夹套冷却水典型地具有在85℃至90℃的范围内的温度。来自夹套冷却系统的废热从而被用来加热进入的扫气。

在经过压缩机9后，系统中的能量（可被使用的能量）被增加并且在蒸发锅炉13处被利用（tapped into）。

蒸发锅炉13可能只有一级或可能具有多级。水被供应至该蒸发锅炉13并且流过锅炉13的扫气中的能量使得被供应的水转换成蒸汽。锅炉13还可以被配置为包括用于过热所产生的蒸汽的过热端口。该锅炉13所产生的蒸汽通过管道33被输送至汽轮机37。汽轮机37将供应至其的蒸汽中的大部分能量转换成机械旋转能。在本示例性实施例中，汽轮机37的输出轴被耦合至发电机38。然而，汽轮机的机械旋转能可被用于其他目的，例如驱动发动机的泵或吹风机，或者机械能可被传送至曲轴52。

离开汽轮机37的蒸汽被输送到冷凝器（未示出），并从冷凝器中得到的水被输送回蒸发锅炉13。

在一个实施例（未示出）中，该涡轮机6下游的排气穿过蒸发锅炉13。

下面的表1列出了针对各种发动机负荷（最大连续额定值的100％，75％和50％）在发动机中的各位置处的温度，功率，质量流量和压力。

表1

通过在压缩机9之前利用来自发动机的废热升高扫气的温度，在压缩机9出口处的压缩扫气的温度变得足够高以用于在被压缩的扫气加热的锅炉13中产生蒸汽。由于从液态水到蒸汽的相变，该能量被容易且有效地转换成机械旋转功率，由此增加发动机的整体燃料效率。来自汽轮机37的旋转能量可被用于发电或被用于直接驱动其它负载。

图5示出了本发明的另一个示例性实施例，其与参照图1、2及4示出的实施例基本上相同。因此，前述实施例的大部分描述也适用于本实施例。然而，在本实施例中，锅炉13是三级锅炉，由此允许从压缩扫气中取走更大量的能量并且允许扫气在如此低的温度下离开锅炉使得锅炉为冷凝锅炉。因此，中间冷却器12的冷却能力可被减少。

锅炉13还可以包括过热级。由锅炉13产生的蒸汽经由管33形式的管道被输送到收集点32。

在本实施例中，废热回收单元28包括蒸汽锅炉级28a和过热级28b。水被供应至蒸汽锅炉级28a并且所产生的蒸汽经由管31形式的管道被输送至收集点32。

来自锅炉13和锅炉28a的合并蒸汽从收集点32穿过过热级28b。过热蒸汽然后被输送到汽轮机37，在汽轮机处，过热蒸汽中的大部分能量被转换成机械旋转能。

尽管实施例中已经示出使用来自具有水作为冷却介质的夹套冷却系统的废热，应该理解的是来自可能使用不同冷却介质的发动机的其它形式的废热（例如，来自润滑油系统的废热）也可以被用于加热压缩机9上游的扫气。

权利要求书中使用的词语“包括”不排除其他元件或步骤。权利要求书中使用的词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器、装置或者其他单元可以实现权利要求书中所述的多个装置的功能。

在权利要求书中使用的附图标记不应被理解为限制范围。

尽管为了说明的目的已经详细地描述了本发明，但是应当理解这些细节仅是用于该目的，并且在不偏离本发明的范围下，本领域技术人员可以在其中进行改变。

Claims (6)

1.一种具有十字头（53）的大型低速运行多气缸涡轮增压双冲程单流内燃发动机，所述发动机包括：

多个气缸（1），所述多个气缸中的每个均连接至从所述气缸（1）接收排气的排气接收器（3）以及连接至将扫气供应至所述气缸（1）的扫气接收器（2）；

涡轮增压器（5），所述涡轮增压器（5）具有排气驱动涡轮机（6），所述排气驱动涡轮机（6）驱动用于增压所述扫气的压缩机（9）；

排气管道（18），所述排气管道（18）将所述排气接收器（3）连接至所述涡轮机（6）；

扫气管道（11），所述扫气管道（11）将所述压缩机（9）连接至所述扫气接收器（2）；以及

发动机冷却系统；

其特征在于

热交换器（14），所述热交换器（14）用于加热所述扫气，所述热交换器（14）被设置在所述压缩机（9）的上游并且所述热交换器（14）被利用来所述自发动机冷却系统的冷却介质进行加热；

蒸发或过热和蒸发锅炉（13），其被设置在所述扫气管道（11）中，扫气流过所述蒸发或过热和蒸发锅炉（13）；以及

汽轮机（37），其通过由所述蒸发或过热和蒸发锅炉传送的蒸汽提供动力。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述发动机包括被容纳在夹套（26）中的气缸套（27）并且所述发动机冷却系统包括夹套冷却系统，所述夹套冷却系统在夹套（26）和所述气缸套（27）之间的空间中应用冷却水，由此夹套冷却水是被供应至所述热交换器（14）以用于加热进入的扫气的冷却水。

3.根据权利要求1或2所述的发动机，进一步包括利用来自所述涡轮机（6）下游的位置的排气加热的蒸发锅炉和/或过热器（13，28）。

4.根据权利要求1、2或3所述的发动机，其中所述蒸发或过热和蒸发锅炉（13，28）是多级段锅炉。

5.一种操作具有十字头（53）的大型低速运行多气缸涡轮增压双冲程单流内燃发动机的方法，所述发动机包括：

多个气缸（1），所述多个气缸中的每个均连接至从所述气缸（1）接收排气的排气接收器（3）以及连接至将扫气供应至所述气缸（1）的扫气接收器（2）；

涡轮增压器（5），所述涡轮增压器（5）具有排气驱动涡轮机（6），所述排气驱动涡轮机（6）驱动用于增压所述扫气的压缩机（9）；

排气管道（18），所述排气管道（18）将所述排气接收器（3）连接至所述涡轮机（6）；以及

扫气管道（11），所述扫气管道（11）将所述压缩机（9）连接至所述扫气接收器（2），

所述方法包括：

在所述扫气进入所述压缩机（9）之前，利用来自所述发动机的废热加热所述扫气，以使得在所述压缩机（9）的出口处的温度变得足够高以用于产生蒸汽，以及

使用压缩的扫气中的能量产生蒸汽。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括使用所述涡轮机（6）的下游的排气中的能量来过热利用来自所述压缩的扫气的能量生成的蒸汽和/或使用所述涡轮机（6）的下游的排气中的能量来产生蒸汽。

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