CN103748334A - 内燃式两冲程发动机、运转内燃式两冲程发动机的方法以及转换两冲程发动机的方法 - Google Patents

内燃式两冲程发动机、运转内燃式两冲程发动机的方法以及转换两冲程发动机的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内燃式两冲程发动机(10)，该两冲程发动机包括：至少一个气缸(20)，该气缸带有布置成能在上止点和下止点之间往复运动的活塞(24)；限定燃烧室(22)的气缸盖(26)；位于所述气缸(20)的下部中的含氧气体入口(18)，该含氧气体入口至少在所述活塞位于其下止点位置时通向所述燃烧室(22)；在所述含氧气体入口(18)和所述气缸盖(26)之间布置在所述气缸中的气态燃料入口(30)；以及布置于所述气缸盖的排气阀(28)。所述气缸盖(26)设置有至少一个引燃预燃室(36)，该引燃预燃室通过其预燃室口(34)而通向所述燃烧室(22)。本发明还涉及一种运转两冲程发动机(10)的方法。

Description

内燃式两冲程发动机、运转内燃式两冲程发动机的方法以及转换两冲程发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种内燃式两冲程发动机，该内燃式两冲程发动机包括：至少一个气缸，该气缸带有布置成能在上止点和下止点之间往复运动的活塞；限定燃烧室的气缸盖；位于所述气缸的下部中的含氧气体入口，该含氧气体入口至少在所述活塞位于其下止点位置时通向所述燃烧室；在所述含氧气体入口和所述气缸盖之间布置在所述气缸中的气态燃料入口；以及布置于所述气缸盖的排气阀。
本发明还涉及采用气态燃料运转内燃式两冲程发动机的方法，以及将利用液体燃料运转的两冲程发动机转换为气体运转的两冲程发动机的方法，还涉及一种两冲程发动机气缸盖组件。
背景技术
利用重燃油运转的大型两冲程十字头柴油发动机通常被用作例如大型船舶的主动力。最近，气态燃料因为它的燃烧过程相当清洁以及气体可获得性而在内燃发动机中的使用中变得非常重要。人们不断地认识到需要一种能在减少排放的同时还在商业上可行的替换燃料方案。
US5035206公开了一种双燃料天然气／柴油两冲程发动机，其具有至少一个带有位于气缸内的活塞的气缸、围绕气缸以通过活塞在气缸内的向下运动而露出的含氧气体入口装置、用于驱动含氧气体穿过所露出的入口装置的含氧气体装置、排气口和排气口内的阀装置、用于每次循环后将柴油喷入气缸的柴油喷射装置，以及用于每次循环后将天然气喷入气缸的气体喷射装置，气体喷射装置包括输送天然气的管道，该管道在所述含氧气体入口装置的上方位置通向气缸，由此活塞下降时在开始露出所述入口装置之前完全露出所述管道。根据US5035206，在运转期间，发动机在怠速下仅接收柴油燃料。随着负载被施加，天然气开始被喷射。当气体数量随着负载的增加而增加时，通过喷射器的气体喷射的起动被提前，但是气体喷射的结束或终止没有改变。在为下次燃烧的含有氧气的清洗空气进入期间，气体阀喷射器喷射受控数量的天然气通过管道进入发动机气缸。
尽管US5035206所描述的发动机是可行的且有利的，但是仍然需要一种更好地满足现在的排放需求和效率期望值的气体运行两冲程发动机。
发明内容
本发明的目的通过一种内燃式两冲程发动机来实现，该内燃式两冲程发动机包括：至少一个气缸，该气缸带有布置成能在上止点和下止点之间往复运动的活塞；限定燃烧室的气缸盖；位于所述气缸的下部中的含氧气体入口，该含氧气体入口至少在所述活塞位于其下止点位置时通向所述燃烧室；在所述含氧气体入口和所述气缸盖之间布置在所述气缸中的气态燃料入口；以及布置于所述气缸盖的排气阀。本发明的特征在于，所述气缸盖设置有至少一个引燃预燃室，该引燃预燃室通过其预燃室口而通向所述燃烧室。
这样，提供了能利用至少是相当低压的气体的效果和益处，这使得气体供给系统安全且基本上结构简单。气态燃料入口(即，气体喷射口)的位置被选择成使得，在气体进入燃烧室期间，在活塞朝上止点移动时，气体压力低于1MPa。预燃室的使用有利于点燃燃烧室内基本上稀薄的气体混合物，这增加了效率并降低了氮氧化物(NOx)的排放。
过量的空气降低了燃烧过程的温度，这减少了所产生的NOx的数量，因为可利用的氧气也过量，燃烧过程更有效率且相比化学剂量的燃烧，同样数量的燃料能产生更多的功率。
根据本发明的实施方式，气缸盖设置有至少两个预燃室，并且所述预燃室关于气缸的中心轴线以旋转对称的方式布置到气缸盖中。有利地，排气阀在气缸的中心轴线处布置到气缸盖。
根据本发明的另一个实施方式，排气阀的正时能以可变的方式控制。
根据本发明的另一个实施方式，每个预燃室均设置有引燃燃料喷射器。
根据本发明的另一个实施方式，发动机包括在相同纵向位置布置在气缸中的至少两个气态燃料入口。
根据本发明的另一个实施方式，发动机包括等间距地布置于所述气缸的周面的至少两个气态燃料入口。
本发明的目的通过一种运转内燃式两冲程发动机的方法来实现，该方法包括以下步骤：在所述发动机的动力冲程之后，通过活塞的向下运动使所述活塞经过所述发动机的气缸的下部中的含氧气体入口并允许所述含氧气体穿过所述入口而进入所述发动机的燃烧室，保持所述发动机的排气阀打开；通过所述活塞的向上运动使所述活塞经过气缸的下部中的含氧气体入口，从而使所述含氧气体停止进入燃烧室，穿过布置在所述气缸中的至少一个气态燃料入口引入气态燃料并关闭所述发动机的所述排气阀；通过使所述活塞朝其上止点运动来压缩所述燃烧室中的所述含氧气体和所述气态燃料，并将布置在所述发动机的气缸盖中的至少一个预燃室内的含氧气体和气态燃料的混合物点燃。
根据本发明的实施方式，液体燃料被引入预燃室，且液体燃料在至少一个预燃室内通过压缩点火被点燃。
根据本发明的另一个实施方式，燃料在至少一个预燃室内通过火花点火被点燃。
根据本发明的另一个实施方式，燃料在至少一个预燃室内通过施加来自电热塞的热量被点燃。
根据本发明的另一个实施方式，运转发动机以使得有效压缩比大于等于12∶1。
根据本发明的另一个实施方式，控制排气阀的关闭正时，以使得有效压缩比大于等于12∶1。
根据本发明的另一个实施方式，气态燃料在小于1MPa的压力进入燃烧室。
根据本发明的另一个实施方式，仅在以气态燃料进行运转发生故障的情况下才以液体燃料运转发动机。
根据本发明的一个方面，它的目标还通过一种将以液体燃料运转的两冲程发动机转换为气体运转的两冲程发动机的方法来实现，该两冲程发动机具有该发动机的每个气缸中的气缸盖，以及入口开口，该入口开口用于将含氧燃烧气体引入布置于所述发动机的每个气缸的气缸套的燃烧室。
该方法包括以下步骤：
-移除所述发动机的每个气缸的旧气缸盖，
-为所述发动机设置新气缸盖，所述新气缸盖包括排气口和阀以及便于点燃燃烧室内的燃料的预燃室，
-在从所述入口开口朝向所述气缸盖的一距离处，将至少一个燃料开口布置于每个气缸的气缸套，
-设置与所述燃料开口相关联的气态燃料计量阀单元，以及
-将所述气态燃料计量阀单元连接到气态燃料源。
附图说明
在下面，将参考示范性的示意图来描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明实施方式的两冲程发动机，
图2示出了根据本发明实施方式的两冲程发动机的运转，
图3示出了根据本发明实施方式的两冲程发动机的细节。
具体实施方式
图1示意性地示出了两冲程发动机10。发动机包括机体部分12和发动机10的若个气缸单元中的气缸单元14。发动机还设置有用于燃料燃烧的含氧气体入口管道。含氧气体通常是空气。入口管道被连接到用于提供增压含氧气体的压缩机装置或类似装置(未示出)，增压含氧气体通过含氧气体入口18供入发动机。含氧气体入口18包括若干个被布置于气缸20的壁的周面上的开口。含氧气体入口18被布置在气缸20的下部，以在活塞24处于其下止点位置或附近时通向燃烧室22。燃烧室22由发动机的气缸20、活塞24和气缸盖16限定。气缸盖26设置有被布置在气缸盖中的排气阀28，该排气阀有利地位于气缸的中心轴线处。如图1所示，发动机是十字头发动机。发动机还包括在含氧气体入口18和气缸盖26之间布置在气缸20中的气态燃料入口30。气态燃料入口30优选地沿纵向布置在这样一种位置，即，当活塞24朝着气缸盖向上移动时，活塞覆盖入口30，以防止高压的热气体燃烧而穿过气体阀和供给系统。
根据本发明的实施方式，气态燃料入口30包括被布置在气缸20的气缸套中的可替换的独立插件30′，如图3所示。插件30′具有包含特定特征(比如，预定的流通截面)的开口。所述插件可以被改变以使得其横截面与例如所要使用的燃料气体的发热值相匹配。
气态燃料入口30设置有控制阀系统，当活塞位于气缸20中的气态燃料入口30的下方时，气体的进入可以由该系统独立于活塞位置而被控制。气态燃料入口30被连接到气体源32，气态燃料在小于等于1MPa的压力从气体源引入燃烧室。
在图1中，示出了沿截面1a和1b的发动机气缸的投影I-I和II-II。气缸盖26设置有三个通向燃烧室22的引燃预燃室口34。每个口34都与气缸盖26中的引燃预燃室36相关联。还有被布置以将引燃燃料喷入预燃室36的引燃燃料喷射器38。因此，根据实施方式的两冲程发动机气缸盖组件有利地包括排气阀和口、至少一个预燃室以及用于燃料喷射器38并布置至该液体燃料喷射器的至少一个喷嘴孔。
预燃室36被用于提供较高的动能以点燃燃烧室22中基本上稀薄的气体混合物，以提供更好的预点火渗透。根据本发明的实施方式，在预燃室内，稀薄的含氧气体／来自燃烧室22的气体混合物可以通过喷射在过量氧气下易反应的且在预燃室36内的压力和温度之上能自燃的液体燃料而被点燃。
根据本发明的另一个实施方式，电热塞36"被装配并用于辅助点燃或火花塞36′以完成取代引燃燃料的气体的点燃。预燃室的形状取决于实际的点火方法。有或没有电热塞的引燃燃料点火相比常规的火花预燃室点火系统能提供更高的点火能量。要求被引入预燃室的含氧气体／气态燃料混合物和待喷射引燃燃料的快速可重复混合，从而实现了有效率的循环以及燃料气体与被喷射引燃燃料的快速混合。
预燃室的设置在预燃室和燃烧室内产生了可重复且有力的燃烧，这产生了更高的发动机效率和提高的燃烧稳定性。还产生了相对于发动机输出而言更低的有害排放。优选地，气态燃料的引入压力小于1MPa。
如图1所示，预燃室36的横截面1a以旋转对称且等间距的方式布置在气缸盖26内。这在燃烧室22的截面内提供了基本相等的燃烧前沿分布。
图1的横截面1b示出了发动机10包括在相同的纵向位置布置在气缸20中的至少两个气态燃料入口30。而且，气态燃料入口30也以旋转等距的方式布置在气缸20的周面上。
根据本发明的实施方式，两冲程发动机的气缸盖26包括以旋转等距的方式间隔布置的三个预燃室36，在每个预燃室之间还以旋转等距的方式布置有备用燃料喷射器37。这在图1的横截面1a和1b中示出。备用燃料喷射器是用于液体燃料的喷射器。备用燃料喷射器被确定尺寸，从而通过以气态燃料运转发动机来提供具有100％功率的发动机运转，同时引燃燃料喷射器实际上仅能点燃气态燃料。
因此，例如在以气态燃料进行运转发生故障的情况下，发动机可以仅利用燃料喷射器以液体燃料来运转。
下面参考附图2及其描绘了发动机工作循环不同阶段的2a、2b和2c来说明两冲程发动机10的运转方法。2a描绘了发动机动力冲程后的扫气阶段。通过动力冲程期间活塞的向下运动，活塞24已经经过气缸20的下部中的含氧气体入口18。活塞24位于其下止点，并且含氧气体比如空气被允许进入发动机燃烧室。因为入口连接到压缩机，所以气体被压缩，并因此流入燃烧室(入口和出口之间的压差导致该流动)。同时，排气阀28保持打开，且因此，来自燃烧室的燃烧气体被排出，同时新鲜的进气进入燃烧室。
接下来，活塞24开始向上运动，且活塞被布置成通过该活塞的向上运而动经过位于气缸20的下部中的含氧气体入口，如图2的2b所示。因此，停止使含氧气体进入燃烧室。在2b所示的阶段，排气阀28的关闭运动被开始。这在燃料喷射之后发生。现在，气态燃料经气缸20中的气态燃料入口30被引入，并且排气阀28被关闭。气态燃料引入的正时、排气阀的关闭被控制，以使得没有未燃烧的气态燃料通过扫气动作逸出。活塞的位置由曲轴、连杆、活塞杆和活塞的几何形状决定。通过使活塞24朝其上止点移动来使燃烧室内的含氧气体和气态燃料被压缩，直到充气被点燃。这在图2的2c中示出。含氧气体和气态燃料的混合物通过将液体燃料38引入被设置在气缸盖26中的预燃室36而被点燃。液体燃料和气态燃料以及氧气在预燃室内点燃，并且因为预燃室通向燃烧室，预燃室内的燃烧扩展到主燃烧室内，所以燃烧室内的充气接着被点燃。
液体燃料38在预燃室36中可以通过压缩点火来点燃。在燃料物质的燃烧期间和之后，发生动力冲程，并最终导致2a所示的情形。
现在转回图1，发动机设置有控制系统40，控制系统读取通过探头44获得的发动机曲轴42的位置信息。控制系统被连接以操作气缸盖26中的引燃燃料喷射器38和排气阀。这样，尤其是排气阀28的正时能以可变的方式控制，并且是可控的而与活塞24的位置没有固定关系。因此，排气阀28的正时和位置可以根据发动机实际工作环境来控制。优选地，发动机被运转成使得有效压缩比大于等于1 2∶1。根据本发明的实施方式，有效压缩比通过在扫气／压缩阶段相对于活塞24的位置控制排气阀的关闭而被控制为大于等于12∶1。
控制系统40还被布置以控制另一个气态燃料入口30的操作，及其相对于活塞24的位置的正时。
虽然已经结合被认为是最优选的实施方式以示例的方式描述了本发明，但是应当明白，本发明不限于所公开的实施方式，而是覆盖包含在所附权利要求所限定的发明范围内的其特征的各种组合或改动，以及多种其他的应用。当之前结合某些实施方式所述的细节与其他实施方式相组合在技术上是可行的时，可以进行这种组合。

Claims (19)

1.一种内燃式两冲程发动机(10)，该内燃式两冲程发动机包括：至少一个气缸(20)，该气缸带有布置成能在上止点和下止点之间往复运动的活塞(24)；限定燃烧室(22)的气缸盖(26)；位于所述气缸(20)的下部中的含氧气体入口(18)，该含氧气体入口至少在所述活塞位于其下止点位置时通向所述燃烧室(22)；在所述含氧气体入口(18)和所述气缸盖(26)之间布置在所述气缸中的气态燃料入口(30)；以及布置于所述气缸盖的排气阀(28)，其特征在于，所述气缸盖(26)设置有至少一个引燃预燃室(36)，该引燃预燃室通过其预燃室口(34)而通向所述燃烧室(22)。
2.根据权利要求1所述的两冲程发动机，其特征在于，所述排气阀在所述气缸的中心轴线处布置于所述气缸盖。
3.根据权利要求2所述的两冲程发动机，其特征在于，所述气缸盖(26)设置有多个通过预燃室口(34)通向所述燃烧室(22)的引燃预燃室(36)。
4.根据权利要求3所述的两冲程发动机，其特征在于，这些预燃室(36)关于所述气缸的所述中心轴线以旋转对称的方式布置到所述气缸盖中。
5.根据权利要求1所述的两冲程发动机，其特征在于，所述排气阀(28)的正时能以可变的方式控制。
6.根据权利要求3所述的两冲程发动机，其特征在于，每个预燃室均设置有引燃燃料喷射器(38)。
7.根据权利要求3所述的两冲程发动机，其特征在于，每个预燃室均设置有电热塞(38″)。
8.根据权利要求3所述的两冲程发动机，其特征在于，每个预燃室均设置有火花塞(38′)。
9.根据权利要求1所述的两冲程发动机，其特征在于，所述发动机包括在相同纵向位置布置在所述气缸(20)中的至少两个气态燃料入口(30)。
10.根据权利要求1所述的两冲程发动机，其特征在于，所述发动机包括等间距地布置于所述气缸的周面的至少两个气态燃料入口(30)。
11.一种利用气态燃料来运转内燃式两冲程发动机(10)的方法，该方法包括以下步骤：在所述发动机的动力冲程之后，通过活塞(24)的向下运动使所述活塞经过所述发动机的气缸(20)的下部中的含氧气体入口并允许所述含氧气体穿过所述入口(18)而进入所述发动机的燃烧室，保持所述发动机的排气阀(28)打开；通过所述活塞的向上运动使所述活塞经过气缸的下部中的含氧气体入口，从而使所述含氧气体停止进入燃烧室，穿过布置在所述气缸中的至少一个气态燃料入口(30)引入气态燃料并关闭所述发动机的所述排气阀(28)；通过使所述活塞朝其上止点运动来压缩所述燃烧室(22)中的所述含氧气体和所述气态燃料，并将布置在所述发动机的气缸盖(26)中的至少一个预燃室内的含氧气体和气态燃料的混合物点燃。
12.根据权利要求11所述的运转两冲程发动机的方法，其特征在于，将液体燃料(38)引入所述预燃室，并且在所述至少一个预燃室内通过压缩点火点燃所述液体燃料。
13.根据权利要求11所述的运转两冲程发动机的方法，其特征在于，在所述至少一个预燃室中通过火花点火(36′)点燃所述燃料。
14.根据权利要求11所述的运转两冲程发动机的方法，其特征在于，在所述至少一个预燃室中通过施加来自电热塞(38″)的热量来点燃所述燃料。
15.根据权利要求11所述的运转两冲程发动机的方法，其特征在于，运转所述发动机，以使得有效压缩比大于等于12∶1。
16.根据权利要求15所述的运转两冲程发动机的方法，其特征在于，控制所述排气阀的关闭正时，以使得所述有效压缩比大于等于12∶1。
17.根据权利要求11所述的运转两冲程发动机的方法，其特征在于，在小于等于1MPa的压力下将所述气态燃料引入所述燃烧室。
18.根据权利要求11至17中任一所述的运转两冲程发动机的方法，其特征在于，仅在以气态燃料进行运转发生故障的情况下才以液体燃料运转所述发动机。
19.一种将以液体燃料运转的两冲程发动机转换为气体运转的两冲程发动机的方法，该两冲程发动机具有该发动机的每个气缸中的气缸盖，以及入口开口，该入口开口用于将含氧燃烧气体引入布置于所述发动机的每个气缸的气缸套的燃烧室，该方法包括以下步骤：
-移除所述发动机的每个气缸的旧气缸盖，
-为所述发动机设置新气缸盖，所述新气缸盖包括排气口和阀以及便于点燃燃烧室内的燃料的预燃室，
-在从所述入口开口朝向所述气缸盖的一距离处，将至少一个燃料开口布置于每个气缸的气缸套，
-设置与所述燃料开口相关联的气态燃料计量阀单元，以及
-将所述气态燃料计量阀单元连接到气态燃料源。
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