CN105518282A - 燃气发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气发动机(1)，具有用于混合两种气体成分的混合单元(7)，该气体成分提供给燃气发动机(1)的一个或多个燃烧室，特别是用于混合燃气(9)和增压空气(8)；并且具有两个压气机(4、4’)，通过该压气机将所述两种气体成分在提供给混合单元(7)之前分开地压缩。在此，两个压气机(4、4’)由在燃气发动机的排气系中设置的涡轮机(3、3’)驱动。

Description

燃气发动机
技术领域
本发明涉及一种燃气发动机，具有用于混合两种气体成分的混合单元，该气体成分被提供给燃气发动机的一个或多个燃烧室，混合单元特别是用于混合燃气和增压空气。本发明在此特别是涉及燃气发动机，该燃气发动机具有用于为气体成分至少之一增压的废气涡轮增压器。
背景技术
在此，在图1a和1b中示出两个由现有技术已知的变型，如燃气和增压空气的混合物形成可以在具有废气涡轮增压器的燃气发动机中实现。在此,分别示出具有废气涡轮增压器2的内燃机1，该废气涡轮增压器由在排气系5中设置的涡轮机3和布置在涡轮机上游的压气机4组成。增压空气的输送在此通过输送装置8实现，燃气的输送通过输送装置9实现。
在图1a中示出的装置中在无压力区域中实现混合物形成，例如通过文氏管气体混合器。气体混合器7因此在增压空气系中定位在压气机4之前。
虽然对于尽可能精确和动态的进气量控制有利的是，混合物形成的位置可以尽可能贴近地在燃烧室之前并因此在压气机4之后实现。然而,燃气无压力地喷入吸入空气中不再可能。
在图1b中示出的装置中，其中混合单元7在进气线路中设置在压气机4之后，因此也必须压缩燃气9。这在已知的装置中借助于机械或电气泵10实现。然而,整个系统的优化效率由此不可实现。
发明内容
本发明的任务因此在于，特别是在效率方面改善已知的燃气发动机。
该任务按照本发明通过按照权利要求1的燃气发动机解决。
按照本发明的燃气发动机包括用于混合至少两种气体成分的混合单元，该气体成分被提供给燃气发动机的一个或多个燃烧室。此外,燃气发动机具有至少两个压气机，通过该压气机将所述两种气体成分在输送给混合单元之前分开地压缩。按照本发明，两个压气机在此由设置在燃气发动机的排气系中的涡轮机驱动。特别是两种气体成分可以在此是增压空气和燃气。
本发明因此允许吸入空气和燃气分开压缩，从而介质的混合可以尽可能接近燃烧室实现。由此关于动态性、精确性和气缸平衡产生改善的混合物调节。此外,燃气的压缩可以按照本发明以如下效率实现，该效率对于已知方法是具有优势的，因为借助于废气涡轮增压器对两个气体成分进行压缩。
因此，按照本发明废气涡轮增压器的原理不仅用于增压空气，而且分开地也用于燃气。在此设有至少一个涡轮机，该涡轮机通过发动机的排气驱动，并且驱动用于两个气体成分的两个单独的压气机。
按照本发明在此也可以分开压缩并且仅仅在压缩之后混合不同于燃气和增压空气的其它气体介质和/或如果可能还有另外的气体成分。
此外,也可以通过压气机分开压缩两种以上的气体成分，该压气机由至少一个在排气系中设置的涡轮机驱动。
本发明因此基于借助于一个或多个废气涡轮增压器压缩吸入空气和燃气，其中两种介质在压缩期间保持分开。由此实现改善的混合物调节，因为混合物形成的调节接近燃烧室实现。纯燃气的压缩在此单独地实现，然而相对于现在存在的方法在效率上有优势。所述机器在此在功能上由两个泵组成，所述泵作用于两种或多种介质——空气和一种或多种气态燃料——，并且所述泵通过一个或两个涡轮机通过发动机的废气驱动。用于另外的介质的分开压缩的组合根据相同的原理同样是可能的。
在本发明的第一实施形式中，两个压气机在此共同由一个涡轮机驱动。该实施形式具有的优点在于，在驱动侧上不需要双倍的构件。此外,用于两种气体成分特别是用于燃气和增压空气的两个压气机的转速相互固定耦合。因此也不需要两个构件的单独调节。在一个特别优选的实施形式中,两个压气机和涡轮机在此设置在共同的轴上。由此产生特别简单的构造。
在第二实施形式中,两个压气机反之相互分开地通过两个在排气流中设置的涡轮机驱动。在此虽然需要略微更大的构造成本。然而可以借助于标准构件，因为实际上应用两个废气涡轮增压器，其中之一压缩第一气体成分而另一压缩另一气体成分。该废气涡轮增压器的两个涡轮机在此都设置在排气流中并且因此通过内燃机的废气驱动。
在第一变型中在此两个涡轮机串联地在排气流中设置。废气因此依次流经两个涡轮机。
在一个备选的实施变型中，两个涡轮机反之并联地设置在排气流中。优选地，在这样的布置中设有控制装置,例如阀装置或活门，通过其可以驱控流经第一或第二涡轮机的排气流的份额。
在所有按照本发明的实施形式中可以将一个或多个用于涡轮机的旁路设置在排气流中。有利地在此分别设有控制装置,例如阀装置或活门，通过其可以控制通过一个或多个旁路的排气流。
如果两个涡轮机串联地设置，那么有利地给每个涡轮机分别配置一个旁路，以便可以单独地控制流经相应涡轮机的排气流。通过单独设置的旁路管路可以独立地调节通过两个涡轮机的排气流。因此可以以最大的效率调节不仅绝对增压压力而且也可以调节混合比例(通过空气增压压力与燃气增压压力的比例)。备选地然而也可以考虑的是，设有唯一的旁路，该旁路桥接两个串联连接的涡轮机。因此通过控制器驱控通过两个涡轮机的排气流。
在具有两个并联设置的涡轮机的设置中，旁路有利地与两个涡轮机并行设置。
如果设有仅仅一个涡轮机用于驱动两个压气机，那么该涡轮机优选同样具有旁路，通过该旁路可以控制涡轮机的转速。
优选地，燃气发动机在此具有控制器，该控制器控制通过一个或多个旁路的流和/或一个或多个涡轮机的转速。
优选地，两个压气机如此设计，使得将增压空气压缩到1.5巴至6巴的超压或过压，而燃气被压缩到高2至4倍的压力。绝对增压压力和两个增压压力的比例依赖于寻求的混合和调节性能以及混合比例(λ)。在此同样可以设有控制器，控制器相应地驱控压气机或涡轮机。
此外,按照本发明的燃气发动机可以具有至少一个设置在压气机之一与混合单元之间或设置在混合单元之后的冷却器。在一个实施变型中，在两个压气机与混合单元之间分别设置冷却器。在此特别是可以在压气机与混合单元之间在增压空气系中设有增压空气冷却器和/或在压气机与混合单元之间在燃气系中设有燃气冷却器。在此,两个冷却器可以形成一个结构单元。在一个备选实施方案中，冷却器可以实现为在混合单元与燃烧室之间的混合冷却器。
在第一按照本发明的变型中，混合单元设置在用于各个燃烧室的进气线路的分支之前。因此在用于增压空气的压气机与进气线路的分支之间的任意位置上实现加压燃气的中央管进气或中央管扫气。
备选地，混合单元可以具有至少两个混合区域，所述混合区域分别设置在用于各个燃烧室的进气线路的分支之后。特别优选地因此实现加压燃气直接吹入每个单个的气缸的相应进气通道中。因此，在该变型中不仅在增压空气系中而且燃气系中实现分支。
燃气发动机优选具有控制器，通过控制器可以控制和/或调节产生的混合物的空气燃料比。控制器优选通过混合单元和/或废气涡轮增压器的驱控实现。
本发明特别优选用于如下燃气发动机，该燃气发动机如此构成，使得该燃气发动机以化学计量的或超化学计量或低化学计量的混合物工作。因此特别是以这样的方式和方法实现增压空气和燃气的混合，使得产生的混合物以寻求的混合比例特别准确和稳定地被调节。在此可以设有控制器，该控制器如此驱控混合单元和/或涡轮增压器的各个构件，使得产生期望的空气/燃料混合物。在此优选通过空气燃料传感器的信号的反馈或通过借助于其他适合的方法(例如增压或燃烧室温度调节)直接或间接确定混合比例实现混合物调节。
本发明在此可以用于燃气发动机，该燃气发动机根据奥托原理或根据柴油机原理工作。
在第一变型中，燃气发动机在此具有至少一个用于点燃燃烧室中的混合物的火花塞。
在另外的实施形式中，燃气发动机具有至少一个用于点燃燃烧室中的混合物的点火喷油装置和/或至少一个在燃烧室中的热线引火塞。
按照本发明可以应用任意的气态燃料作为燃气，例如天然气、沼气、合成气、LNG、LPG、CNG等。燃气在此如上所述或者借助于第二涡轮增压器或者通过由一个涡轮机和两个单独用于增压空气的压气机组成的唯一的涡轮增压器压缩。因此，排气流中的能量按照本发明不仅用于吸入空气的压缩而且分开地用于气态燃料的压缩。
结果因此按照本发明在分开压缩吸入空气和燃气的情况下总体上以与在共同压缩燃气空气混合物的情况下类似压缩比压缩相同气体量。那么产生涡轮增压器的类似的总效率并且因此相比于具有燃气吹入的现有系统获得了发动机或设备效率的极大改善。
本发明除了燃气发动机之外此外还包括一种用于运行燃气发动机的方法，其中排气流中的能量用于，在相互混合之前分开地压缩两种气体成分，特别是燃气和增压空气。
优选地，按照本发明的方法在此如已经在上文中关于燃气发动机所述的那样实现。
特别优选地，按照本发明的方法在此是用于运行如上所述的燃气发动机的方法。
按照本发明的燃气发动机以及按照本发明的方法可以在此用于多种不同应用。
本发明在此特别是包括静止装置，其具有如上所述的燃气发动机。优选地，燃气发动机在此驱动发电机和/或液压泵。特别优选地，燃气发动机在此连接到静止燃气供给装置。在此燃气特别是可以由燃气供给网络和/或燃气罐提供。
此外本发明包括船舶，其具有如上所述的燃气发动机。燃气发动机在此特别是驱动船用螺旋桨。燃气在此优选由燃气罐引导到燃气发动机。
此外本发明包括运输车辆，其具有如上所述的燃气发动机。运输车辆在此特别是用于运输人员和/或运输货物。运输车辆在此可以特别是公共汽车或货车。优选地，燃气发动机在此驱动运输车辆的行走机构。
本发明此外包括可移动的工作机械，具有如上所述的燃气发动机。特别是燃气发动机在此可以用于驱动行走机构和/或工作设备。在此可以设定，燃气发动机驱动液压系统的液压泵。液压系统又可以用于驱动工作装置的行走机构和/或工作设备。
独立于应用，燃气可以在罐中存储并且由罐引导到压气机。备选地，燃气也可以通过燃气供给网提供。特别是在此可以设有到燃气供给网的静止燃气管。
附图说明
现在根据各实施例以及附图进一步描述本发明。附图示出：
图1a：按照现有技术的燃气发动机的第一变型，其中混合物形成借助于在废气涡轮增压器的压气机之前的文氏管喷嘴实现；
图1b：按照现有技术的燃气发动机，其中混合物形成在废气涡轮增压器之后实现，其中电气或机械地压缩燃气；
图2：本发明的第一实施例，其中借助于两个废气涡轮增压器实现燃气和吸入空气的分开压缩，这两个废气涡轮增压器串联连接；以及
图3：本发明的第二实施例，其中借助于一个组合式的涡轮增压器实现燃气和吸入空气的分开压缩，其中两个压气机由一个共同的涡轮机驱动。
具体实施方式
为了精确和动态的进气量控制必要的是，尽可能近地在燃气发动机的燃烧室之前实现燃气和增压空气的混合物形成的位置。这通过将燃气引入到进气线路中而实现(中央管吹入，在压气机与进气线路的分支之间的任意位置)，或者通过进气道喷射，亦即直接吹入每个单个气缸的吸入通道中实现。因为压缩空气按照本发明通过废气涡轮增压器压缩，所以对于燃气的吹入必要的是，同样压缩该燃气，例如压缩到在8巴与12巴之间的压力。
在图2和3中示出的实施例中在此设有燃气发动机1，在该燃气发动机的排气系中设置至少一个具有至少一个涡轮机3的废气涡轮增压器，涡轮机由从内燃机1流过排气系5的废气驱动。涡轮机3在此驱动至少一个压气机4，通过压气机压缩通过增压空气输送装置8输送的增压空气并且通过进气线路14将其引导到内燃机1的燃烧室。内燃机1在此具有多个燃烧室，其中增压空气通过进气线路的分支10通到各个燃烧室或气缸。
在两个实施例中实现燃气在此通过混合单元7吹入，混合单元在进气线路14中设置在压气机4下游。在实施例中，混合单元7在此设置在进气线路的分支10之前。备选地，混合单元也可以设置在分支10之后，从而实现直接吹气到各个气缸的相应吸入通道中。为此燃气管路15也必须具有相应分支。
按照本发明，吸入空气和燃气在输送给混合单元7之前通过组合的或者两个分开的废气涡轮增压器分开地压缩。因此排气流中的能量不仅用于吸入空气的压缩而且分开地用于燃料的压缩。作为气态燃料在此可以应用例如天然气、沼气、合成气、LNG、LPG、CNG以及诸如此类。
燃气按照本发明分开的压缩可以如图2所示借助于第二涡轮增压器实现，第二涡轮增压器在用于吸入空气的涡轮增压器之前或之后或者与之并行地设置在排气流中。在本发明在图2中示出的实施形式中在此除了由用于增压空气的涡轮机3和压气机4组成的第一废气涡轮增压器之外还设有由涡轮机3’和压气机4’组成的第二废气涡轮增压器，通过第二废气涡轮增压器压缩燃气。在实施例中，第二废气涡轮增压器的涡轮机3’在此与第一废气涡轮增压器的涡轮机3串联设置在排气系5中并且连接在第一涡轮机3下游。然而也可考虑的是，两个涡轮机相反的设置或并行设置。第二废气涡轮增压器在此压缩通过燃气输送装置9输送的燃气并且将该燃气通过燃气管路15引导到混合单元7，在那儿加压燃气喷入压缩的增压空气中。
备选地，可以通过唯一组合的涡轮增压器实现燃气和增压空气的分开的压缩，该涡轮增压器由涡轮机和两个压气机组成，如图3所示。在此涡轮机3驱动不仅用于增压空气的压气机4而且用于燃气的压气机4’。两个压气机4和4’可以在此与涡轮机3安装在共同的轴上。在该实施方案中，第二压气机替代废气涡轮增压器轴的从动装置，该从动装置在已知的废气涡轮增压器中可以驱动例如发电机。在此因此也可以借助于标准构件。通过各个构件(1或多个涡轮机、2或多个压气机)的尺寸确定可以匹配压缩比并因此匹配不同气体成分的混合比例。
在图2和3中示出的实施例中,在此在压力管路14和15中分别设有用于加压燃气和压缩压缩空气的冷却器12和13。这些冷却器如果可能也可以形成一个结构单元。此外,也可以将冷却器作为混合冷却器设置在燃气混合之后的进气线路中。
结果按照本发明在吸入空气和燃气的分开的压缩的情况下总体以与在燃气空气混合物的共同压缩的情况下类似的压缩比压缩相同气体量。因此产生与在具有在无压力区域中的混合的系统中涡轮增压器的相似的总效率，其中，然而在快到燃烧室之前实现混合物形成并且因此能实现精确和动态进气量调节。燃气的压缩压力在此可以高于空气的压缩压力。同样对于各实施方案可能的是，其中空气的压缩压力在比例上高于燃气的压缩压力。
因此，本发明在改善的发动机效率的同时高度精确地产生混合物调节。这特别是在动态运行和/或在应用液态气体的情况下具有极大的优点。
优选地，混合单元7在此具有控制器，通过该控制器控制和/或调节空气燃料比，特别是通过控制输送给增压空气的加压燃气的量和/或通过控制空气量。空气量或燃气量的调节和/或控制伴随不同气体，亦即空气和一种或多种燃气的各个压缩压力的匹配。
优选地，混合单元在此如此构成，使得吹入另一气体成分，特别是增压空气的一种气体成分特别是燃气的量可以被调节。优选地，燃气发动机在此具有控制器，该控制器如此驱控混合单元，使得输送给燃气发动机的燃烧室的由燃气和增压空气组成的混合物具有预定空气燃料比。特别优选地，控制器在此如此构成，使得空气燃料比在静止或特别是也在动态运行中稳定并且准确地按照化学计量或任意的其它气体(超或低化学计量)值调节。
如果应用两个分开的废气涡轮增压器用于增压空气和燃气的压缩，那么通过相应废气涡轮增压器的驱控实现空气燃料比的控制或调节。特别是废气涡轮增压器的驱控可以通过调节通过废气涡轮增压器的两个涡轮机的排气流实现，特别是通过在相应旁路中控制装置的驱控。必要时，废气涡轮增压器的驱控可以与混合单元的驱控关联。不仅在具有一个涡轮机的实施方案中而且在具有两个或多个涡轮机的方案中借助于一个或多个压气机旁路的控制和/或调节各个气流或气压也是可能的。
优选地，本发明在此用于化学计量或超化学计量运行的发动机中，但是也可以用于低化学计量运行的发动机。特别是混合单元和涡轮增压的各个构件在此如此驱控，使得准确按照寻求的值稳定控制和/或调节由一种或多种燃气和增压空气组成的混合物产生。
在此，燃气发动机可以一方面用于静止运行，例如作为用于发电机或泵的驱动装置。此外也可以用于移动应用，例如作为建筑机械或物料处理机的驱动装置或者用于海运领域中，特别是用于驱动船舶。

Claims (15)

1.燃气发动机(1)，具有用于混合至少两种气体成分的混合单元(7)，该气体成分被提供给燃气发动机(1)的一个或多个燃烧室，该混合单元特别是用于混合燃气(9)和增压空气(8)；并且具有至少两个压气机(4、4’)，通过该压气机将所述两种气体成分在输送给混合单元(7)之前分开压缩，其特征在于，两个压气机(4、4’)由设置在燃气发动机的排气系中的涡轮机(3、3’)驱动。
2.根据权利要求1所述的燃气发动机，其中，两个压气机(4、4’)共同由一个涡轮机(3)驱动，其中优选两个压气机和涡轮机设置在共同的轴(14)上。
3.根据权利要求1所述的燃气发动机，其中，两个压气机(4、4’)相互分开地通过两个设置在排气流中的涡轮机(3、3’)驱动。
4.根据权利要求3所述的燃气发动机，其中，两个涡轮机(3、3’)串联设置在排气流中或者两个涡轮机并联设置在排气流中。
5.根据上述权利要求之一所述的燃气发动机，其中，两个压气机(4、4’)如此设计，使得两种气体成分中将增压空气压缩到1.5巴至6巴超压，而燃气被压缩到高2至4倍的压力。
6.根据上述权利要求之一所述的燃气发动机，具有至少一个设置在压气机(4、4’)之一与混合单元(7)之间或设置在混合单元(7)之后的冷却器(12、13)，特别是具有在压气机(4)与混合单元之间设置在增压空气系中的增压空气冷却器(12)和/或具有在压气机(4’)与混合单元之间设置在燃气系中的燃气冷却器(13)或者在混合单元(7)与燃烧室之间的混合冷却器。
7.根据上述权利要求之一所述的燃气发动机，其中，混合单元(7)设置在用于各个燃烧室的进气线路的分支(10)之前。
8.根据权利要求1至6之一所述的燃气发动机，其中，混合单元具有至少两个混合区域，所述混合区域分别设置在用于各个燃烧室的进气线路的分支之后。
9.根据上述权利要求之一所述的燃气发动机，该燃气发动机如此设计，使得该燃气发动机以化学计量的或超化学计量或低化学计量的混合物工作，其中有利地设有控制器，该控制器如此驱控混合单元和/或涡轮增压机的各个构件，使得产生期望的空气/燃料混合物。
10.根据上述权利要求之一所述的燃气发动机，具有至少一个用于点燃燃烧室中的混合物的火花塞或者至少一个用于点燃燃烧室中的混合物的点火喷油装置和/或至少一个燃烧室中的热线引火塞。
11.用于运行燃气发动机,特别是根据上述权利要求之一所述燃气发动机的方法，其中排气流(5)的能量用于，在相互混合之前分开地压缩两种气体成分，特别是增压空气(8)和燃气(9)。
12.静止装置，具有根据上述权利要求之一所述的燃气发动机，其中燃气发动机优选驱动发电机和/或液压泵。
13.船舶，具有根据上述权利要求之一所述的燃气发动机，其中燃气发动机优选驱动船用螺旋桨。
14.运输车辆，具有根据上述权利要求之一所述的燃气发动机，该运输车辆特别是用于运输人员和/或货物，特别是公共汽车或货车，其中燃气发动机优选驱动运输车辆的行走机构。
15.可移动的工作机械，具有根据上述权利要求之一所述的燃气发动机，其中燃气发动机优选用于驱动行走机构和/或工作设备，和/或燃气发动机驱动液压系统的液压泵。
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