CN105089747A - 往复活塞式内燃发动机、废气调节装置和操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供往复活塞式内燃发动机、废气调节装置和操作方法。一种往复活塞式内燃发动机(1)，特别涉及二冲程发动机或四冲程发动机，具体涉及大型单流扫气式二冲程柴油发动机，该发动机包括气缸(2)，其具有出口阀(3)并且具有活塞(5)，活塞在一侧界定出燃烧空间(4)并且被布置成可在上死点(OT)和下死点(UT)之间来回移动。为此，设置有废气线(6)，使得废气(7)可以经由出口阀从燃烧空间供给到废气线。依据本发明，设置有包括催化转化器(8)和旁路线(9)以及切换装置(10)的废气调节装置(8910)，使得废气可以经由催化转化器或经由旁路线从燃烧空间供给到废气线。此外，还涉及一种具有催化转化器、旁路线和切换装置的废气调节装置并且涉及操作往复活塞式内燃发动机的方法。

Description

往复活塞式内燃发动机、废气调节装置和操作方法
技术领域
本发明涉及一种往复活塞式内燃发动机，具体涉及根据相应类别的独立权利要求的前序部分的具有废气调节装置(exhaustgasconditioning)的单流扫气式(uniflow-scavenged)大型二冲程柴油发动机、废气调节装置以及操作往复活塞式内燃发动机的方法。
背景技术
在实践中，长期以来需要所谓的“双燃料”发动机，即可以使用两种不同燃料运行的发动机。为此，一方面，应该经常燃烧例如采用天然气(例如所谓的“液化天然气”(LNG))形式的燃气，或者燃烧采用液化石油气和适于驱动内燃发动机的另一种燃气的形式的燃气；另一方面，诸如汽油、柴油、重质燃料油或另一种合适的液体燃料等另一种燃料可以在同一个发动机中进行燃烧。就此而言，发动机可以是二冲程发动机和四冲程发动机两者，并且就此而言它们可以是小型发动机、中型发动机或者也可以是大型发动机，特别是大型单流扫气式二冲程柴油发动机，诸如用作船只中的驱动单元，但也经常用于在发电厂产生电能。
在这方面，在催化转化器辅助下净化废气日益重要，这一般是特别的技术挑战，因为由燃烧不同燃料而产生的废气对同一个催化转化器可能具有不同的效果。例如，具体的催化剂由此可以针对一种燃料(例如针对燃气)进行优化，并且最好净化消耗的燃气燃料的废气，但同时针对可替代使用的燃料(例如针对柴油)或多或少是不可用的，或者可能甚至被柴油废气损坏或可以随着时间的推移而变得不可用。
例如，在实践中，大型二冲程双燃料发动机一方面可以常常通过重质燃料油或柴油来运行，而另一方面通过燃气(例如上述LNG)来运行，这可以导致不完全燃烧的高CH4逃逸。如果相应的发动机现在用燃气来运行，即在燃气模式下，则燃烧所产生的废气可以特别是包括并非少量的甲烷和/或甲醛排放，这例如可以在燃烧过程中在气缸壁处因燃烧火焰的自然冷却(“淬熄”)而产生，或者可以在具有新鲜空气的气缸在出口阀未同时闭合的情况下发生扫气的阶段中得以释放，或者可以以不同的方式进行释放。如果废气中的甲烷浓度相应较高，则发动机的安全运行可能从而受到削弱。例如，废气系统中的甲烷，例如废气歧管中的甲烷或涡轮增压器之前甚至之中的区域中的甲烷存在着风险。在最坏的情况下，在废气系统中点燃甲烷可以导致暴露于甲烷燃气点火的有害影响的相应部件损坏。另外，甲烷是极其有效的温室气体，已知比二氧化碳更有效至少25倍，这对计算所谓的“能效设计指数”(EEDI)可能具有显著的负面影响。
因此，对纯燃气发动机而言早已公知使用氧化催化剂，这至少减少甲烷和/或甲醛排放，由此不仅节约环境，而且例如防止甲烷在废气系统中富集得太高，使得这些催化剂也防止甲烷在废气系统中点火，这样可以同样避免所提到的这些催化剂对废气系统部件的可能损坏。这样的纯燃气发动机例如在WO2010147071A1中加以阐述。其它现有技术可以例如在DE102010005814A1中找到。
然而，这样的氧化催化剂通常很敏感，并且可能被与为其提供的不同的废气严重损毁。例如，如果根据WO2010147071A1的纯燃气发动机的氧化催化剂通过已燃烧柴油的废气或者甚至通过燃烧重质燃料油所得的废气而起作用，则它将在很短的时间后就因这些废气的上述所有化学性质非常积极的成分而受到不可挽回的损坏，借此发动机的进一步安全可靠运行将至少是成问题的，并且在最坏的情况下甚至成为泡影。仅仅出于这个原因，诸如根据WO2010147071A1的纯AGN燃气发动机处的催化剂一般不适于双燃料运行，即，例如一方面用燃气来替代运行，另一方面用柴油或者甚至用重型油来运行。
然而，特别地但不仅关于船只中大型柴油发动机的操作，尤其在一方面是先前提到的使用燃气，另一方面是使用柴油或重型油，出于各种原因在实践中是期望的，使得日益需要这样的内燃发动机：可以取决于需求来运行，一方面可替代地通过燃气来运行，特别地通过LNG燃气来运行，而且用柴油来运行，经常用重型油来运行；另一方面同时必须避免特别由于乙烷或甲醛造成的上述有害影响。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种往复活塞式内燃发动机，一方面可以另选地通过燃气来运行，另一方面通过另一种燃料来运行，特别地通过诸如柴油或重型燃料等另一种液体燃料来运行，其中，用燃气运行时，甲烷和/或甲醛和/或根据现有技术已知的其它成分的有害影响通过使用氧化催化剂而排除。然而，另选地，用诸如柴油或重型油等另一种燃料运行在不会损坏或削弱氧化催化剂的情况下也必须是可行的。
满足这些目的的本发明的主题表征为各独立方面的特征。
各自的其它方面涉及到本发明的特别有利实施例。
由此，本发明涉及一种往复活塞式内燃发动机，特别是二冲程发动机或四冲程发动机，具体是大型单流扫气式二冲程柴油发动机，该往复活塞式内燃发动机包括气缸，所述气缸具有出口阀并且具有活塞，所述活塞在一侧界定出燃烧空间并且被布置成能在上死点和下死点之间在所述气缸中来回移动。为此，设置有废气线，使得废气能经由所述出口阀从所述燃烧空间供给到所述废气线。根据本发明，设置有包括催化转化器和旁路线以及切换装置的废气调节装置，使得所述废气能借助所述切换装置经由所述催化转化器或经由所述旁路线从所述燃烧空间供给到所述废气线。
可能是首次由于根据本发明的废气调节装置的构造包括所述催化转化器和所述旁路线，所述催化转化器和所述旁路线与切换装置相互作用，使得所述废气可以借助所述切换装置从所述往复活塞式内燃发动机的燃烧空间经由所述催化转化器或经由所述旁路线导出，用燃气并另选地用诸如柴油或重型油等另一种燃料来运行往复活塞式内燃发动机并且确保在燃气运行时所述废气中的甲烷含量可以显著减少至预定义值，其中同时确保当用另一种燃料运行时，用于减少甲烷负荷的所述催化转化器不受到损坏。
如已经提到的，这对已知发动机而言是不可能的。例如，WO2010147071A1由此涉及具有均质压燃的纯燃气发动机。这些发动机仅可以用纯燃气运行，不具有用柴油或重型油的另选运行，并且特别地也没有使用任何引燃喷射。作为直接后果，在根据WO2010147071A1的发动机中，所述催化剂被固定地安装在所述废气系统中，即在这不具有负面影响的情况下，来自所述燃烧空间的废气始终经由所述催化剂导出。然而，如果这样的发动机例如用柴油或重型油来运行，这将导致损坏或者甚至毁坏所述催化转化器的后果，因为在WO2010147071A1的发动机中，在燃烧柴油或重型油时，所述催化剂无法防止有害废气。
这可能是首次由本发明提供一种具有切换装置的废气调节装置，凭借切换装置，例如由于使用可控阀，在燃烧柴油或重型油时所产生的所述废气经由所述旁路线绕过所述催化转化器被导出所述燃烧空间。
在实践中，根据本发明的往复活塞式内燃发动机通常包括多个气缸以及一废气歧管，使得所述废气可以从至少两个气缸供给到所述废气歧管，其中通常两个以上的气缸将来自所述燃烧空间的废气馈送给所述废气歧管。在非常特殊的情况下，例如当所述发动机仅具有一个气缸或者以不同方式相应地构造时，所述废气线本身可以形成所述废气歧管。
在实践起来特别优选的实施例中，所述废气调节装置设置在所述气缸和所述废气歧管之间，使得来自所述燃烧空间的所述废气可以经由所述废气调节装置供给到所述废气歧管。即，所述催化转化器特别有利地设置在所述废气系统的高压区域中，即在所述废气涡轮增压器之前，特别优选地尽可能接近所述出口阀，即如所提到的介于所述气缸和所述废气歧管之间。将所述催化转化器安装在所述高压区域中特别明确地能大大减小所述催化转化器的构造尺寸，这除其它优点外由于较小构造形状而已经导致其自身的省料，并且由此导致制造所述催化转化器本身巨大的成本降低。所述废气涡轮增压器的效率因所述催化剂的放热反应通过转化甲烷和甲醛也特别提高，这自然已经成为本身非常独特的优点，这是因为在实践中用燃气运行时不幸地经常观察到的功率降低由此被至少部分地加以补偿。
即使所述催化转化器特别有利地布置成非常接近所述气缸，它也可能在特定情况下例如由于几何形状、技术构造或其它需求使所述废气调节装置，特别地使所述催化转化器布置在所述废气歧管的歧管出口之后，可优选地介于所述歧管出口和废气涡轮增压器之间。在非常特殊的情况下，甚至有可能使根据本发明的所述废气调节装置甚至仅安装在所述废气涡轮增压器之后。
为此，例如出于成本的原因或出于纯几何的需求或其它具体的需求，同一个废气调节装置自然也可以与至少两个气缸同时关联。
在实践中，所述往复活塞式内燃发动机通常是所谓的双燃料发动机，可以用燃气和液体燃料两者来运行，特别地用燃气和用柴油或重型油或者用另一种燃料来运行。
为了调节来自燃气燃烧的废气，所述催化转化器非常特别可优选地是甲烷氧化催化剂，特别是其中甲醛也可以被氧化的甲烷氧化催化剂，其中所述甲烷氧化催化剂有利地但不是绝对必要地还特别包括钯以改善甲烷氧化。应理解的是，这样的催化剂在其化学活性元素的结构和组成方面不同于用作柴油发动机的氧化催化剂的本身已知的催化转化器，或者也非常明显地不同于例如用在基于汽油发动机的燃气发动机的汽车构造中的催化转化器。
此外，本发明涉及一种特别用于根据本发明的往复活塞式内燃发动机的废气调节装置本身，该废气调节装置包括催化转化器和旁路线以及切换装置，使得废气可以借助所述切换装置经由所述催化转化器或经由所述旁路线从燃烧过程供给到废气线。
为此，所述催化转化器也可以在所述旁路线内位于一个或多个燃气馈通件(gasleadthrough)中，并且可以借助所述切换装置在可能的废气通流选择(exhaustgasthroughflowoptions)之间进行切换。在另一具体实施例中，所述旁路线可以在所述催化转化器内位于一个或多个燃气馈通件中，并且废气流可以借助所述切换装置在可能的废气通流选择之间进行切换。
除特别紧凑的构造形状之外，将所述旁路安装在所述催化转化器内(反之亦然)也特别具有如下优点：即使没有废气直接流过所述催化转化器，而是通过所述旁路线流过所述催化转化器，所述催化转化器也已经预热。
如已经提到的，所述切换装置特别优选地包括可控阀，使得在安装和运行状态下，所述废气可以另选地重定向通过所述催化转化器或通过所述旁路线。
最后，本发明还涉及一种用于操作往复活塞式内燃发动机的方法、所述往复活塞式内燃发动机特别是二冲程发动机或四冲程发动机，具体是大型单流扫气式二冲程柴油发动机，所述往复活塞式内燃发动机包括气缸，所述气缸具有出口阀并且具有活塞，所述活塞在一侧界定出燃烧空间并且被布置成能在上死点和下死点之间在所述气缸中来回移动，其中设置有废气线，在运行状态下废气经由所述出口阀从所述燃烧空间供给到所述废气线。根据本发明，设置包括催化转化器和旁路线以及切换装置的废气调节装置，使得在运行状态下所述废气借助所述切换装置经由所述催化转化器或经由所述旁路线从所述燃烧空间供给到所述废气线。
在实践起来尤为重要的根据本发明的方法的变型中，所述往复活塞式内燃发动机在第一运行状态下以燃气模式用燃气来运行，并且在第二运行状态下以液体模式用液体燃料、特别地用柴油或重型油来运行。为此，甲烷氧化催化转化器，特别是其中甲醛也可以被氧化的甲烷氧化催化转化器，特别可优选地用作所述催化转化器。所述废气可以由此在燃气模式下借助所述切换装置经由所述催化转化器进行引导，并且其余废气可以在液体模式下借助所述切换装置经由所述旁路线同时绕过所述催化转化器进行引导。
附图说明
将在下文参考示意图更详细地说明本发明。示出有：
图1是根据本发明的往复活塞式内燃发动机的特别优选实施例；
图2a是根据本发明的废气调节装置的第一实施例；
图2b是沿着根据图2a的线I-I截取的截面；
图3a是根据本发明的废气调节装置的第二实施例；
图3b是沿着根据图3a的线II-II截取的截面；
图4a是具有多个催化转化器的根据图2a的具体实施例；以及
图4b是具有多个旁路线的根据图3a的具体实施例。
具体实施方式
图1示出用于说明具有废气涡轮增压器系统的发动机的不同部件基本设计的相互作用的示意图，针对的是根据本发明的往复活塞式内燃发动机的具体实施例，其在此举例来说被构造为具有单流扫气的大型二冲程柴油发动机并且在下文中整体标记为标号1。
根据本发明的除废气调节装置8910之外本身已知的大型二冲程柴油机1在实践中通常包括多个具有出口阀3的气缸2，出口阀3布置在气缸盖中，并且在气缸2中，活塞5布置成能够沿着运行表面在下死点UT和上死点OT之间来回移动。气缸2的气缸壁与气缸盖和活塞5一起以已知的方式界定出气缸2的燃烧空间4。在气缸2的入口区域SP中，提供了多个被构造为扫气狭缝的扫气开口(scavengingairopenings)。取决于活塞5的位置，扫气狭缝由它覆盖或暴露。常常也称为增压空气100的扫气空气100可以通过扫气开口而流入气缸2的燃烧空间4。在燃烧时产生的废气7最后经由废气歧管11流过布置在气缸盖中的出口阀3而进入废气涡轮增压器12。
待燃烧的燃气通过位于气缸2的气缸盖中的燃气计量阀被引入到燃烧空间中。在由活塞5压缩增压空气100和燃气的混合物之后，通过引燃而将其点燃。
根据图1的大型柴油发动机1为此是电控发动机，使得特别是出口阀3的打开角度和/或闭合角度、和/或燃料的注射时间和/或注射量、和/或发动机的其它重要功能可以以可自由编程的方式进行控制和/或调整。
根据本发明，废气调节装置8910设置在废气歧管11和每个气缸2的出口阀3之间，所述废气调节装置包括催化转化器8和旁路线9以及切换装置10，使得废气7借助切换装置10二者择一地或是经由催化转化器8或是经由旁路线9可以从燃烧空间4供给到废气线6，其中废气歧管11以本身已知的方式构造并且设置在发动机处，使得废气7可以从至少两个气缸2供给到废气歧管11，在本具体示例中甚至从所有气缸2供给到同一个废气歧管11。
为此，切换装置10包括一阀，该阀本身为技术人员所知并且可以进行控制和/或调整，使得废气7可以二者择一地或是通过催化转化器8或是通过旁路线9进行转移，这在图1中为清楚起见未被详细示出。
在根据图1实践起来特别重要的实施例中，废气调节装置8910安装在废气系统的高压区域中介于气缸2和废气歧管11之间，因而完全在气缸2处的废气出口附近，即完全在出口阀3附近，使得上文已经总体描述的优点得以利用，安装在废气系统的高压区域中带来了以下优点：催化转化器8具有相对较小的构造尺寸，并且下游废气涡轮增压器12的效率通过催化转化器中的放热反应而额外增加，借此发动机燃气运行中的任何效率损失可以再次至少部分地得到补偿。图1的往复活塞式内燃发动机1具体是所谓的双燃料发动机，其可以用燃气和液体燃料两者来运行，特别地用燃气和柴油或重型油，其中催化转化器8是甲烷氧化催化转化器，特别是也可以特殊地氧化甲醛的甲烷氧化催化转化器，并且甲烷氧化催化转化器尤其特别地还包括钯，以进一步改善和优化甲烷氧化。
将分别参考图2a和图2b来探讨根据本发明的废气调节装置8910的第一具体实施例，其中图2b示出沿着根据图2a的线I-I截取的截面。它在此是特别紧凑的构造形状的第一实施例，其中催化转化器8在旁路线9内位于一个或多个燃气馈通件中并且可以借助切换装置10在可能的废气通流选择之间进行切换。为此，切换装置10包括具有开口101的可控阀，使得废气7可以流过开口101进入催化转化器，或者可以另选地通过旁路线9进行转移，这取决于开口101借助可控阀是释放进入催化转化器8的通道还是闭合在另一位置中。
图3a和图3b分别示出根据本发明的废气调节装置8910的特别紧凑构造空间的第二实施例，其中图3b示出了沿着根据图3a的线II-II截取的截面。在此，旁路线9在催化转化器8内位于一个或多个燃气馈通件中，并且借助切换装置10在可能的废气通流选择之间进行切换。为此，另外在该实施例中，切换装置10包括具有开口101的可控阀，使得废气7可以二者择一地或是流过开口101进入催化转化器8，或是可以通过旁路线9进行转移，这取决于开口101借助可控阀是释放进入催化转化器8的通道还是闭合在另一位置中。
最后，图4a和图4b示出了根据图2a和2b以及图3a和图3b的实施例的进一步变型。
图4a示出了根据图2a的具体实施例，在同一个旁路线9中具有多个催化转化器8，而图4b示出了根据图3a的具体实施例，在催化转化器8内具有多个旁路线9。
应理解的是，在该申请中描述的本发明各实施例还可以依赖于应用以任何合适的方式组合，并且特别地，图中示出的具体实施例仅应以示例的方式加以理解。技术人员马上会认识到本发明所描述实施例的简单有利的进一步改进，并且理解到这样简单的进一步改进自然也被本发明涵盖。

Claims (15)

1.一种往复活塞式内燃发动机，特别是二冲程发动机或四冲程发动机，具体是大型单流扫气式二冲程柴油发动机，该往复活塞式内燃发动机包括气缸(2)，所述气缸具有出口阀(3)并且具有活塞(5)，所述活塞在一侧界定出燃烧空间(4)并且被布置成能在上死点(OT)和下死点(UT)之间在所述气缸(2)中来回移动，其中设置有废气线(6)，使得废气(7)能经由所述出口阀(3)从所述燃烧空间(4)供给到所述废气线(6)，其特征在于，设置有包括催化转化器(8)和旁路线(9)以及切换装置(10)的废气调节装置(8910)，使得所述废气(7)能借助所述切换装置(10)经由所述催化转化器(8)或经由所述旁路线(9)从所述燃烧空间(4)供给到所述废气线(6)。
2.根据权利要求1所述的往复活塞式内燃发动机，其中，所述往复活塞式内燃发动机包括多个气缸(2)并且设置有废气歧管(11)，使得所述废气(7)能从至少两个气缸(2)供给到所述废气歧管(11)。
3.根据权利要求2所述的往复活塞式内燃发动机，其中，所述废气线(6)是所述废气歧管(11)。
4.根据权利要求2或3所述的往复活塞式内燃发动机，其中，所述废气调节装置(8910)设置在所述气缸(2)和所述废气歧管(11)之间，使得所述废气(7)能经由所述废气调节装置(8910)从所述燃烧空间(4)供给到所述废气歧管(11)。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的往复活塞式内燃发动机，其中，所述废气调节装置(8910)布置在所述废气歧管(11)的歧管出口(110)之后，能优选地介于所述歧管出口(110)和废气涡轮增压器(12)之间。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的往复活塞式内燃发动机，其中，同一个废气调节装置(8910)与至少两个气缸(2)同时关联。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的往复活塞式内燃发动机，其中，所述往复活塞式内燃发动机是双燃料发动机，能用燃气和液体燃料两者来运行，特别地用燃气和用柴油或重型油来运行。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的往复活塞式内燃发动机，其中，所述催化转化器(8)是甲烷氧化催化转化器，特别是其中甲醛也能被氧化的甲烷氧化催化转化器。
9.根据权利要求8所述的往复活塞式内燃发动机，其中，所述甲烷氧化催化转化器包括钯以改善甲烷氧化。
10.一种废气调节装置，特别用于根据前述权利要求中的任一项所述的往复活塞式内燃发动机(1)，该废气调节装置包括催化转化器(8)和旁路线(9)以及切换装置(10)，使得废气(7)能借助所述切换装置(10)经由所述催化转化器(8)或经由所述旁路线(9)从燃烧过程供给到废气线(6)。
11.根据权利要求10所述的废气调节装置，其中，所述催化转化器(8)在所述旁路线(9)内位于一个或多个燃气馈通件中，并且能借助所述切换装置(10)在可能的废气通流选择之间进行切换；和/或其中所述旁路线(9)在所述催化转化器(8)内位于一个或多个燃气馈通件中，并且能借助所述切换装置(10)在可能的废气通流选择之间进行切换。
12.根据权利要求10所述的废气调节装置，其中，所述切换装置(10)包括可控阀，使得所述废气(7)能二者择一地或是通过所述催化转化器(8)或是通过所述旁路线(9)进行转移。
13.一种用于操作根据权利要求1至9中的任一项所述的往复活塞式内燃发动机(1)的方法，所述往复活塞式内燃发动机特别是二冲程发动机或四冲程发动机，具体是大型单流扫气式二冲程柴油发动机，所述往复活塞式内燃发动机包括气缸(2)，所述气缸具有出口阀(3)并且具有活塞(5)，所述活塞在一侧界定出燃烧空间(4)并且被布置成能在上死点(OT)和下死点(UT)之间在所述气缸(2)中来回移动，其中设置有废气线(6)，在运行状态下废气(7)经由所述出口阀(3)从所述燃烧空间(4)供给到所述废气线(6)，其特征在于，设置包括催化转化器(8)和旁路线(9)以及切换装置(10)的废气调节装置(8910)，并且在运行状态下，所述废气(7)借助所述切换装置(10)经由所述催化转化器(8)或经由所述旁路线(9)从所述燃烧空间(4)供给到所述废气线(6)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述往复活塞式内燃发动机(1)在第一运行状态下以燃气模式用燃气来运行，并且在第二运行状态下以液体模式用液体燃料、特别地用柴油或重型油来运行。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述废气(7)在燃气模式下借助所述切换装置(10)经由所述催化转化器(8)进行引导，并且所述废气(7)在液体模式下借助所述切换装置(10)经由所述旁路线(9)绕过所述催化转化器(8)进行引导；和/或其中甲烷氧化催化转化器，特别是其中甲醛能被氧化的甲烷氧化催化转化器，用作所述催化转化器(8)。
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