CN106545437A - 供气系统、气缸套、往复活塞式内燃机及其操作方法 - Google Patents

供气系统、气缸套、往复活塞式内燃机及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及供气系统、气缸套、往复活塞式内燃机及其操作方法。供气系统(1)用于往复活塞式内燃机，特别是用于纵向扫气二冲程大型柴油机。供气系统(1)包括具有进气喷嘴(3)的进气阀(2)以及气缸套(41)。根据本发明，进气喷嘴(3)是气缸套(41)的整体部件，并且被设置为气缸套(41)中的孔，其中，进气喷嘴(3)的喷嘴轴线(D)以相对于进气阀(2)的阀轴线(V)成预定角(α)的方式设置，使得能够在供气系统的运转和安装状态下将燃气(5)相对于气缸(4)的径向方向(R)和/或相对于气缸(4)的轴向方向(A)以不同于零的喷射角(β)喷射到气缸(4)的燃烧室(42)中。

Description

供气系统、气缸套、往复活塞式内燃机及其操作方法
技术领域
本发明涉及用于往复活塞式内燃机的气体供应，涉及往复活塞式内燃机以及涉及具有气体供应的气缸，更具体地说，用于纵向扫气(scavenged)二冲程大型柴油机，并且涉及根据相应类别的独立权利要求的前序部分的操作往复活塞式内燃机的方法。
背景技术
大型柴油机被频繁用作船舶的驱动集合体，或者还采用固定运转模式，例如，用于驱动用于产生电能的大型发电机。在这点上，该发动机通常在相当长时段采用连续运转模式运行，这造成有关运转安全和可用性的高要求。为此，在维护之间的特别长的间隔中，对于操作员来说，燃料和运转材料的低磨损与经济处理是针对该机器运转的中心标准。尤其是，这种大缸径低速运行柴油机的活塞运行行为对于维护之间的间隔长度、可用性以及经由润滑剂消耗还直接对于运转成本以及这样对于经济效益的来说都是决定性的因素。
几年时间以来已经越来越重要的另一基本点是排气的质量，特别是排气中的氮氧化合物浓度。在这点上，针对对应排气值的法律规定和边界值正日益变得更严格，而且在不久的将来还会变得更加严格。这(特别考虑到二冲程大型柴油机)具有如下结果：燃烧高度加载有污染物的经典重质原油，而且燃烧柴油或其他燃料将变得越来越有问题，这是因为按切合实际的方式维护排气边界值变得更加困难、技术上更苛刻而且这样更昂贵，或者最后，它们的维护甚至不再可能，致使对应发动机不得不无法继续工作，或者至少必须按有关精力和成本的需求方式加以翻新。
为此，有关所谓“双燃料发动机”的需求在实践中已经存在较长时段，双燃料发动机是指可以用两种不同类型燃料运转的发动机。在这点上，常见的是，一方面，应当燃烧例如采用天然气(例如，所谓的“液化天然气”(LNG))形式的气体或者采用汽车燃气形式的气体或者适于内燃机运转的不同气体，而另一方面，还应当能够在同一发动机中燃烧不同种类的燃料，如汽油、柴油、重质原油或不同的合适液体燃料。在这点上，所述发动机可以是二冲程发动机和四冲程发动机，并且它们在这点上可以是小型发动机、中型发动机，而且还可以是大型发动机，还特别是纵向扫气二冲程大型柴油机，举例来说，如用作船舶中的驱动集合体，或者还用于电厂中的电能生产。
在本申请的框架下，术语“大型柴油机”或类似术语，诸如为除以燃料自点火为特征的柴油运转模式以外还可以按以燃料的外部点火为特征的奥托运转模式或者按这两种运转模式的混合形式来运转的大型发动机。
然而，还有纯气体发动机，纯气体发动机是指仅可以利用气体来运转而非另选地还利用日益更多需求的柴油、重质原油或不同燃料来运转的发动机，特别是在需要有关排气的高标准的时候，该高标准可以仅通过燃烧气体、按经济上切合实际的方式、以可接受的技术要求而坚持。这种纯气体发动机例如在WO 2010 147071 A1中提出。例如在DE 10 2010005814 A1中提出了进一步的现有技术。
与其是双燃料发动机还是燃气发动机无关，将燃气引入到对应往复活塞式内燃机的气缸的燃烧室中的过程对于这种发动机的可靠且安全运转来说是至关重要的。
用于将燃气供应到往复活塞式内燃机的燃烧室中的供气系统在这点上具有此外在一定程度上彼此影响的多个不同功能，使得不同部分功能必须相对于彼此精确调谐。而且，例如，供气系统的精确设计尤其可以取决于预定或优选运转状态，例如，取决于发动机是通常按满载荷运转模式还是按部分载荷运转模式来运转，或者是否必须频繁执行这两种运转模式之间的变化。或者取决于发动机例如是双燃料发动机还是纯气体发动机。或者供气系统的特定设计还可以取决于发动机的构造尺寸、其功率、发动机尺寸、优选转速范围，或者本领域普通技术人员已知的任何不同构造变型，或者取决于往复活塞式内燃机的运转状态。
特别考虑到二冲程大型柴油机，供气系统不仅仅具有计量要引入到燃烧室中的气体的量的功能，如经常是针对四冲程发动机的充分要求。尤其针对二冲程大型柴油机，另一要求是正确并可靠地混合经由供气系统引入的气体和扫气，这是一决定性点。
另一基本点涉及发动机的运转安全。万一供气系统完全或部分发生故障，就可能将太大量的气体引入发动机的燃烧室，在没有采取合适的安全措施来防止其时。发动机燃烧室中的这种过大量的气体例如可以导致大型柴油机的排气系统中或扫气系统中的不可控爆炸，这可以具有如下影响：对应组件过热甚或损坏，使得在最坏情况下，整个机器都可以毁掉，这特别对于公海上的船舶来说可以具有致命的后果，甚至具有失去整艘船的后果。
然而，此外在这种出错功能的结果不是如此惊人时，这种不太严重的失灵也可以具有与其相关联的非希望缺点。
例如，当由于供气系统的缺陷而造成不太多或甚至太少量的气体被引入发动机的燃烧室时，可以显著地负面影响排气值(举例来说，如氮氧化合物含量)或不同的排气值。
然而，另选的是，在利用气体(例如，利用上述LNG)运转时，供气系统的出错功能例如可以导致不完全燃烧，而且这样导致对本领域普通技术人员来说已知的现象，如得到太高的CH4值的CH4滑移(slippage)。当对应发动机仅利用气体运转时，这意味着在气体运转模式下，在供气系统的出错功能期间针对燃烧而产生的排气尤其可以包括不可忽略的甲烷排出量和/或甲醛排出量，其例如可以在燃烧过程期间，由燃烧火焰在气缸壁处的自发冷却(“火焰猝熄”)所产生，或者可以在未开启排气阀同时利用新鲜空气对气缸扫气的阶段释放，或者可以按不同方式释放。
类似影响可以在将气体按不合适方式引入时产生，例如，按不合适的压力或者按不合适的喷射器几何结构、按未限定的不合适角、按燃烧室中的不合适位置，或者按任何其他不合适方式引入发动机的燃烧室。
例如，当排气中的甲烷浓度因这种运转状态而对应地高时，由此同样可以影响发动机的安全运转模式。例如，危险存在于，排气系统中的甲烷例如在排气收集管中和/或在涡轮增压器之前的区域中甚或在涡轮增压器中引燃。在最坏情况下，引燃排气系统中的甲烷可以导致经受引燃甲烷气体的破坏影响的对应组件损坏。而且，甲烷是一种极其活跃的温室气体，其如所公知的，比二氧化碳更有效至少25倍，其可以对计算所谓“能效设计指数”(EEDI)具有显著的负面影响。
而且，频繁使用且非常敏感的氧化催化剂可以受排气系统的出错功能显著影响，并且由其导致的结果和在最坏情况下，已经在短时段之后不可回复地损坏，由此，对发动机的进一步安全且可靠的运转至少产生问题，在最坏情况下，甚至变得不可能。
发明内容
由此，本发明的目的是获得供气系统、用于具有供气系统的纵向扫气二冲程大型柴油机的气缸套，相应地具有供气系统的往复活塞式内燃机(特别是纵向扫气二冲程大型柴油机)，所述供气系统可以按灵活方式适应于不同种类的发动机和/或不同操作状态和要求，使得这些可以在某些情况下还在旧发动机处加以翻新，和/或使得现有发动机可以灵活且简单地加以翻新和/或简单地转化成不同种类的运转或运转状态。在这点上，将燃气安全引入往复活塞式内燃机的燃烧室应当可靠地确保，而且特别是，但不是仅仅针对纵向扫气二冲程大型柴油机的情况，应当确保与燃烧室中的扫气理想混合。
该目的分别通过本发明的供气系统、气缸套、往复活塞式内燃机以及操作往复活塞式内燃机的方法满足。
相应附属权利要求涉及本发明的特别有利的实施方式。
本发明由此涉及一种用于往复活塞式内燃机的供气系统，该供气系统特别是用于纵向扫气二冲程大型柴油机，其中，所述供气系统包括具有进气喷嘴的进气阀以及气缸套，并且所述供气系统被构造为所述供气系统能够设置在所述往复活塞式内燃机的气缸处，使得能用作燃料的燃气能够在所述供气系统的安装状态下借助于所述进气喷嘴供应给所述气缸的燃烧室。在这点上，所述进气阀包括设置在阀壳体中的压力空间，能够借助于供气部在该压力空间中得到所述燃气以用于存储并且在运转状态下供应到所述进气喷嘴中。在所述压力空间中设置了具有设置在阀轴处的阀板的阀体，并且还设置了阀座，该阀座在所述阀体的闭合状态下与所述阀板以密封方式协作，使得防止所述燃气从所述压力空间供应到所述进气喷嘴中，并且所述阀板能够借助于操作性连接至所述阀轴的阀驱动器从所述阀座抬起，使得所述燃气能够在所述阀体的开启状态下从所述压力空间、经过所述阀板供应至所述进气喷嘴。根据本发明，所述进气喷嘴是所述气缸套的整体部件并且被设置为所述气缸套中的孔，其中，所述进气喷嘴的喷嘴轴线相对于所述进气阀的阀轴线成预定角的方式设置，使得在所述供气系统的运转和安装状态下，能够将所述燃气相对于所述气缸的径向方向和/或相对于所述气缸的轴向方向以不同于零的角喷射到所述气缸的所述燃烧室中。
该角由此被称为喷射角，该喷射角是在所述进气喷嘴的所述喷嘴轴线与所述进气阀的所述阀轴线之间的角的补角，这意指所述喷射角和所述喷嘴轴线与所述阀轴线之间的所述角彼此互补成180°。优选的是，所述喷射角等于10度与80度之间，特别优选为10度与35度之间，更具体地说，所述喷射角大约为22.5度。
根据本发明的供气系统由此包括具有作为基本部件的阀轴的阀，该阀轴具有阀板，希望量的气体借助于典型液压控制阀经由在闭合状态下与阀座密封地协作的所述阀板引入所述燃烧室中，并且所述气体可以经由喷嘴和合适的喷嘴通道引入所述燃烧室。
这样，本发明提供一种用于将燃气供应到所述往复活塞式内燃机的所述燃烧室中的供气系统可用，该供气系统借助于其两部分设计而具有迄今为止未知的灵活性，即，所述进气阀和所述进气喷嘴被设置为所述气缸套中的孔。由于所述进气喷嘴是所述气缸套的整体部件的事实，因而，这意味着被设置为所述气缸套中的孔，得到一个特别简单的构造，因为人们可以省略生产分离的进气喷嘴，该分离的进气喷嘴接着还必须频繁地连接至所述进气阀。由此，所述进气喷嘴可以通过所述气缸套中的对应孔按简单方式生成，例如，可以依靠针对所述往复活塞式内燃机的所述燃烧室中的特定燃烧条件的要求来生成，使得用于将所述燃气喷射到所述燃烧室中的不同喷射条件可以按简单方式实现，并且可以理想地调谐至相应要求。
而且，本发明的进气喷嘴的喷嘴轴线以相对于所述进气阀的阀轴线成预定角按的方式设置，即，在所述供气系统的运转和安装状态下，能够将所述燃气按不同于零的可预定喷射角喷射到所述气缸的所述燃烧室中。这因此至关重要，因为所述进气喷嘴的两个主要功能由此同时得以解决：一方面，通过使用适于所述燃烧室中的条件的进气喷嘴，可以针对可变类型的运转条件进行精确计量。而且，另一方面，可以实现扫气和燃气的理想混合，以使确保理想燃烧，使得特别可以保持所需排气标准，而且另一方面，可以借助于对所述喷射角的正确选择和对喷射束和/或多个喷射束的几何形状的正确选择，来最小化燃料消耗。
这意味着此外可以按某种方式彼此影响的多个不同功能可以借助于本发明彼此有关地精确调谐。由此，例如，通过所述供气系统的特定设计，更具体地说，尤其通过形成所述进气喷嘴的所述孔的合适设计，可以理想地针对预定或优选操作状态来设置该中心点(focus)，例如，有关发动机是通常按满载荷运转模式还是按部分载荷运转模式来运转，或者是否必须在这两种运转模式之间进行频繁改变。或者所述进气喷嘴可以理想地依靠有关其例如是双燃料发动机还是纯气体发动机来选择。或者还可以例如针对所述发动机的构造尺寸、其功率、构造尺寸、优选转速范围或者针对本领域普通技术人员已知的往复活塞式内燃机的任何构造变型或操作状态来灵活地设置所述供气系统的具体设计。通过使用根据本发明的供气系统，例如，仅所述进气喷嘴必须合适地加以选择和对应地配置，而所述进气阀可以同样保持。
特别针对二冲程大型柴油机，所述供气系统不仅仅具有计量要引入到所述发动机的燃烧室中的气体的量的功能，如该功能经常是针对四冲程发动机的充分要求。针对二冲程大型柴油机，除完全通过根据本发明的供气系统来解决其他要求以外，尤其是，如已经提到，通过所述供气系统引入的所述气体与扫气的准确且可靠混合是决定性点。
作为另一措施，所述进气喷嘴还可以包括根据本发明的多个喷嘴开口，以改进所述燃气与所述扫气的混合和/或以便进一步最优化将所述燃气引入所述气缸。接着，这些喷嘴开口分别被设置为所述气缸套中的单独孔，其中，优选的是，所述单独孔组合成所述气缸套的壁中的一公共孔，该公共孔的开口在所述气缸套的外侧与所述进气阀协作。
还可以的是，两个喷嘴开口相对于彼此彼此不同地对准，使得所述燃气可以按彼此不同的两个喷射角引入所述燃烧室，由此，例如，可以在所述燃烧室中实现改进分配。
然而，替代地或同时地，两个喷嘴开口可以彼此不同地设置，使得所述燃气可以通过所述两个喷嘴开口以两个不同的喷射量和/或以两个不同的流率和/或以两个不同的射束几何形状引入所述燃烧室。这例如可以通过所述单独孔的相应特定设计(例如，所述单独孔具有不同的直径，具体地，所述直径在进入燃烧室的开口上)来实现。
其中一优选措施在于，所述进气喷嘴在燃烧一侧被构造为大致圆柱形孔，该圆柱形孔的轴线与所述阀轴线(V)成所述预定角。
进一步优选的是，所述进气喷嘴在所述进气喷嘴的远离所述燃烧室的一侧具有锥形区，所述锥形区沿所述径向方向通向所述气缸套的外表面。通过沿径向方向的开口，可以获得所述燃气的特别有利的流动程度，特别是在所述进气喷嘴与所述进气阀协作的区域中，这意指直接在所述阀座下游的区域中。经由所述进气喷嘴的所述锥形区，沿所述燃气的流动方向查看，可以实现将所述燃气尽可能有效引入所述燃烧室中。
特别优选的是，所述锥形区在一侧构造有过渡到所述进气喷嘴的所述圆柱形孔中的内半径。通过这种措施，即，从所述锥形区过渡到所述圆柱形孔可以具体在一侧被构造为圆的，从流动技术观点来看，可以实现所述燃气从径向方向到希望喷射方向的特别有利的偏转。
另一基本点涉及发动机的运转安全。在所述供气系统完全或部分故障的情况下，可能太大量的气体被引入发动机的燃烧室，在没有采取合适的安全措施来防止这发生时。发动机燃烧室中的这种过大量的燃气例如可以导致大型柴油机的排气系统中或扫气系统中的不可控爆炸，这又可以导致对应组件过热甚或变得损坏，使得在最坏情况下，整个机器故障，特别注意到公海的船舶可以具有致命的后果，甚至具有失去整艘船的后果。
然而，此外，在这种出错功能的结果不是那么惊人时，这种不太严重的失灵也可能带来不希望的缺点。
例如，当由于供气系统的缺陷而造成不太大的量甚或太少量的气体被引入发动机的燃烧室时，那么，这可以显著地负面影响排气值，举例来说，如氮氧化合物含量或者不同的其他排气值。
或者，然而，在利用气体(例如，利用上述LNG)运转时，供气系统的出错功能例如可以导致不完全燃烧，而且这样导致本领域普通技术人员已知为具有太高值的CH4滑移的现象。当对应发动机仅利用气体运转时，这意味着在气体运转模式下，在供气系统的出错功能期间在燃烧时而产生的排气尤其可以包括不可忽略的甲烷排出量和/或甲醛排出量，其例如在燃烧过程期间由燃烧火焰(“火焰猝熄”)在气缸壁处的自发冷却所产生，或者可以在未闭合排气阀发生同时利用新鲜空气对气缸进行扫气的阶段释放，或者可以按不同方式释放。
类似影响可以在将气体按不合适方式引入发动机的燃烧室时产生，例如，按不合适的压力或者按不合适的喷射器几何结构、按希望角、按进入燃烧室的不希望位置或者按不同的不合适方式。
当例如甲烷浓度由于这种运转状态而在排气中相应地高时，发动机的安全运转由此可以同样受影响。例如，危险存在于，排气系统中的甲烷引燃，例如，在排气收集管中和/或在涡轮增压器之前的区域中或甚至在涡轮增压器内。在最坏情况下，排气系统中的甲烷的引燃可以导致经受甲烷气体引燃的破坏影响的对应组件损坏。而且，甲烷是一种极其有效的温室气体，已知的是甲烷比二氧化碳至少有效25倍，这可以对计算所谓“能效设计指数”(EEDI)具有显著的负面影响。
而且，频繁使用且非常敏感的氧化催化剂可以受排气系统的出错功能显著影响，并且由其导致的结果和在最坏情况下，已经在短时段之后不可回复地损坏，由此，对发动机的进一步安全且可靠的运转至少存在问题，在最坏情况下，甚至变得不可能。
而且，这些部分非常严重的问题可以通过本发明来可靠避免。
为此，根据本发明的供气系统可以包括用于确定所述阀体的位置的控制系统，以监测进入所述燃烧室的燃气流，其中，所述控制系统是路径传感器，具体为电气或电磁路径传感器，更具体为电感、电容或光学路径传感器，使得所述阀体的相应位置(特别是所述阀体是开启还是闭合)可以在任何时间点可靠检测。
特别优选的是，在这点上，所述控制系统按传送信号的方式连接至监测单元，使得所述阀体的所述位置能够在运转状态下通过所述监测单元检测，并由此，能够根据所述往复活塞式内燃机的曲柄角和/或根据所述往复活塞式内燃机的气体交换阀的位置而防止向所述进气喷嘴供应燃气。这样，通过本发明，其变得不是仅可以检测所述供气系统的出错功能，而相反，可以根据该出错功能开启安全协议，使得例如自动防止对所述供气系统的所述燃气供应，并且所述往复活塞式内燃机优选为自动关闭，特别优选为，自动切换成利用替代燃料(例如，液体燃料，举例来说，如柴油或重质原油)的运转模式。
在这点上，优选地，所述进气系统被构造为使得用于驱动所述阀轴的所述阀驱动器是机械的、电动的或者气动的阀驱动器，具体为液压的阀驱动器，其中，特别有选的是，设置了逆着所述阀驱动器动作的回复单元以关闭所述阀体，所述回复单元具体采用复位弹簧的形式。
在对于实践来说特别重要的一具体实施方式中，所述阀轴在轴套的导引孔中被导引。在这点上，所述导引孔可以面临按用于逆着所述燃烧室中的所述燃气的气体压力密封的密封压力增压的液压油，所述密封压力优选为大于所述压力空间中的所述燃气的燃烧压力，使得能够基本上防止所述燃气渗入所述导引孔中和/或防止所述燃气穿过所述导引孔流通。
必要的是，所述密封压力高于所述压力空间中的所述燃气的燃烧压力，由于不允许燃气按不可控方式沿所述阀轴进入所述供气系统的另一些组件，特别是不允许进入所述阀轴的液压驱动器，因而这意味着不允许在所述阀轴处和/或沿着所述阀轴出现气体泄露，和/或在所述阀轴处和/或沿着所述阀轴仅允许非常小的完全可控的、技术上非本质的气体泄露。为此，所述阀轴必须按对应方式可靠地加以封锁，对于当前系统，例如曾尝试利用对应密封环，密封环毕竟无论从那一点来看都被发现有相当多的缺点，因为密封环未展示相对于增压燃气的足够密封效果，或者在该密封环例如在运转状态期间呈现的摩擦现象而磨损太快从而这样最终变得太昂贵且太不可靠时。
而且，这些问题通过本发明的变型例而可靠避免。
本发明还涉及一种纵向扫气二冲程大型柴油机的气缸套，该气缸套用于前述中详细描述的供气系统。根据本发明的气缸套的具体特征在于，所述气缸套具有作为整体部件的进气喷嘴，该进气喷嘴被设置为所述气缸套的壁中的孔。
所述进气喷嘴特别优选地设置在所述气缸套中，位于所述往复活塞式内燃机的活塞的上止点位置与下止点位置之间的区域中，更具体地，所述进气喷嘴设置在所述气缸套的这样一区域中，即，该区域与所述上止点位置隔开达所述上止点位置与所述下止点位置之间的间距的20％至80％，优选为45％至65％，特别优选为50％至60％。即，示出了由此不仅可以实现所述燃气针对所述扫气的更加理想的混合。由此，还可以避免将燃气喷射到仍存在于所述气缸套中的热排气中，借此，所述燃气可以过早点燃，如可以是当所述供气系统(如现有技术发展水平中的情况)存在于所述气缸套处的上止点位置邻域时的情况。
本发明还涉及一种往复活塞式内燃机，该往复活塞式内燃机具有如上所述的供气系统或者具有前述气缸套，其中，所述往复活塞式内燃机特别优选为双燃料发动机，该双燃料发动机用于燃烧所述燃气并且替代地用于燃烧另一燃料，具体来说，该双燃料发动机用于燃烧柴油或重质原油。
在一不同实施方式中，然而，根据本发明的往复活塞式内燃机自然还可以是纯气体发动机，借助于该纯气体发动机仅可以燃烧燃气，这意味着没有其他燃料。
尤其是，本发明还涉及一种操作具有根据本发明的供气系统的往复活塞式内燃机的方法，其中，如前已经描述，在运转状态下检测所述供气系统的出错功能，中断对所述供气系统的燃气供应，并且所述往复活塞式内燃机关闭，优选为自动关闭，特别优选地，所述往复活塞式内燃机自动转到具有替代燃料的运转模式，诸如，所述替代燃料例如为柴油或重质原油。
附图说明
下面，参照示意图对本发明进行详细描述。
图1以剖视图示出了根据本发明的供气系统的一特别优选的实施方式，该供气系统具有进气阀和进气喷嘴。
具体实施方式
图1以示意性剖视图示出了根据本发明的供气系统的一实施方式的原理装配，以说明不同组件针对往复活塞式内燃机的气缸套41的协作，在这点上，该往复活塞式内燃机被示例性地配置为具有纵向扫气二冲程大型柴油机，并且出于清楚的理由，在这点上未更详细例示，因为本领域普通技术人员充分已知纵向扫气二冲程大型柴油机的原理装配。下面，在这点上，用标号1来总体指代根据本发明的供气系统的实施方式。
按照图1的、根据本发明的供气系统1的该具体实施方式被安装在纵向扫气二冲程大型柴油机中，包括具有进气喷嘴3的进气阀2以及气缸套41，并且配置为供气系统1可以将设置在往复活塞式内燃机的气缸4处，使得可用作燃料的燃气5可以借助于进气喷嘴3供应给处于安装状态下的供气系统1的气缸4(未详细示出)的燃烧室42。在这点上，进气阀2包括设置在阀壳体21中的压力空间22，可以经由供气部23在压力空间22中获得燃气5以用于存储并且在运转状态下供应到进气喷嘴3。
在压力空间22本身中或者在压力空间22的区域中分别设置了具有设置在阀轴61处的阀板62的阀体6以及阀座63，阀座63在阀体6的闭合状态下与阀板62以密封方式协作，使得防止燃气5从压力空间22供应到进气喷嘴3中。
为此，阀板62可以借助于操作性连接至阀轴61的阀驱动器7从阀座63抬起，使得燃气5可以在阀体6的开启状态下从压力空间22、经过阀板62供应至进气喷嘴3。
根据本发明，进气喷嘴3是气缸套41的整体部件，并且被设置为气缸套41中的孔。在燃烧室侧，进气喷嘴3被构造为大致圆柱形孔32，其中，圆柱形孔32的轴线是进气喷嘴3的喷嘴轴线D。喷嘴轴线D相对于进气阀2的阀轴线V以一预定角α设置，使得在供气系统1的运转和安装状态下，可以将燃气5以相对于气缸4的径向方向R和/或相对于气缸4的轴向方向A成不同于零的预定角β喷射到气缸4的燃烧室42中。该轴向方向A根据气缸4的纵轴线来确定。
考虑到径向方向，在这点上，喷射角β指作为进气喷嘴3的喷嘴轴线D与进气阀2的阀轴线V之间的角α的补角的角，这是指喷射角β和角α在喷嘴轴线D与阀轴线V之间彼此互补成180°，这样，β＝180°-α为真。优选的是，喷射角β等于10度与80度之间，特别优选为10度与35度之间，更具体地说，喷射角大约为22.5度。
考虑到轴向方向，角β优选为90°，这是指燃气5优选地垂直于轴向方向A喷射，这意味着在图1的图平面中，或者平行于活塞的表面。
进气喷嘴3在其远离燃烧室42的一侧具有锥形区33，其中，锥形区33沿燃气5的流动方向渐缩。锥形区33在径向方向R上向气缸套41的外表面411开放。这意指锥形区33在气缸套41的外表面411中的开放表面保持垂直于阀轴线V。为了使得燃气5能够尽可能理想地通流过进气喷嘴3，锥形区33在一侧构造有过渡到进气喷嘴的圆柱形孔32的整体半径34。该组成半径用于将燃气5尽可能理想地从径向方向R偏转到喷嘴轴D的方向。
在这点上，相对简单的进气喷嘴3仅具有一个喷嘴开口31。然而，在一不同的具体实施方式中，进气喷嘴3还可以具有多个喷嘴开口31，其中，每一个喷嘴开口因此被分别设置为单独孔。优选的是，这些单独孔在气缸套41的壁内组合成然后与进气阀2协作的公共孔。
例如，两个喷嘴开口31可以彼此不同地对准，使得燃气5可以以两个不同的喷射角引入燃烧室42中；并且/或者其中，两个喷嘴开口31还可以彼此不同地设置，使得燃气5可以通过这两个喷嘴开口31以两个不同的喷射量和/或以两个不同的流率和/或以两个不同的射束几何形状引入燃烧室42。
进气阀2安装在气缸套41的外表面411处，使得阀座63覆盖进入外表面411中的进气喷嘴3的开口。从而，燃气5可以在阀体6的开启状态下从压力空间22穿过进气喷嘴3流入燃烧室42。进气阀2在外表面411处的装配例如可以借助于螺钉来进行。这些在图1中未示出。
而且，在实践中，图1中的未明确示出的控制系统可以被设置用于监测燃气流入燃烧室42和用于确定阀体6的位置，所述控制系统特别优选为路径传感器，具体为电气或电磁路径传感器，更具体为电感、电容或光学路径传感器。该控制系统按信号传导方式连接至监测单元，使得阀体6的位置可以在运转状态下通过监测单元检测，并且向进气喷嘴3供应燃气可以根据往复活塞式内燃机的曲柄角和/或根据往复活塞式内燃机的气体交换阀的位置自动防止。
注意到根据图1的实施方式，用于驱动阀轴61的阀驱动器7是液压阀驱动器7，其功能和运转原理是本领域普通技术人员公知的。为了闭合阀体6，设置了逆着阀驱动器7动作的、采用复位弹簧81的形式的回复单元8。
阀轴61在轴套9的导引孔91中被导引，其中，导引孔91可以面临按密封压力PA增压的液压油10，在这个实施例中，所述密封压力PA大于压力空间22中的燃气5的燃烧压力BG，使得可以基本上防止燃气5渗入导引孔91中。
根据本发明的供气系统优选地被设置为低压供气系统。这意指将燃气5喷射到气缸4的燃烧室42中的喷射压力等于至多100巴(10MPa)。优选的是，该喷射压力为至多50巴(5MPa)，并且特别优选为至多20巴(2MPa)。在该内燃机按该气体压力运转期间，这意味着用以将燃气5喷射到气缸4中的压力通常不恒定，而相反，例如可以根据该内燃机的载荷或转速改变。
关于根据本发明的供气系统1或者根据本发明的气缸套41，在一优选实施方式中，争取尽可能小的气体压力来将燃气5喷射到燃烧室42中。由此，用于燃气5的最大喷射压力例如可以等于仅仅15巴或甚至更小。
燃气5的尽可能小的喷射压力就安全方面而言自然具有很大优点。而且，总体供气系统不仅必须针对这种相当小的运转压力来设计，该小的运转压力具体对于该系统的密封、例如阀座63处的排出力以及对于阀驱动器7的设计并且对于气体导引线路和/或它们的连接部的压力载荷特别有利。而且不需要任何特别高压力的压缩机(借助于压缩机，燃气5(如在高压系统中的情况)必须压缩至例如350巴甚或更高的运转压力)，这还有利的是顾及了经济和成本方面。
精确地讲，针对燃气5的尽可能低的喷射压力，当将进气阀2和/或进气喷嘴3设置在气缸壁41中和/或气缸套中并且与活塞移动的上止点位置具有尽可能大的间距时，这特别优选。据此，换句话说，可以实现气缸中的压缩压力(燃气5必须逆着该压缩压力喷射)仍然相当小。考虑到纵向扫气二冲程大型柴油机，当活塞在向下移动时释放扫气狭缝时，扫气开始流入气缸。这进行达这么长时间，直到活塞在其随后向上移动时再次完全闭合扫气狭缝为止。只有那时(通常在闭合扫气狭缝之后)，气体交换阀(在这个实施例中，排气阀)才闭合并且完全闭合，气缸中的压缩压力因活塞向上移动而开始增加，直到其获得其最大值为止，例如，在活塞处于其上止点位置的那时候。
为此，燃气喷射优选地在气缸中不存在特别大的压缩压力的那时候进行，而且特别优选的是，在闭合排气阀之前开始喷射燃气5。
为此，优选的是，设置在气缸壁41中的进气喷嘴3在轴向方向A与上止点位置具有尽可能大的间距。另一方面，关于可以设置进气喷嘴3的地方，还存在构造限制。在实践中，已经表明，非常好的折衷方案是供气系统1的进气喷嘴3设置在(相对于轴向方向A)如下高度时，即，进气喷嘴3相对于上止点位置的间距特别优选地等于上与下止点位置之间的间距的50％至60％。
关于扫气狭缝的位置，已经发现，特别有利的是，进气喷嘴3(关于轴向方向A)设置在如下高度，即，进气喷嘴3距扫气狭缝的上表面(关于使用内燃机的公共可运转位置的“上表面”)的间距优选为小于扫气狭缝的上边缘与上止点位置的间距的50％并且特别优选为等于该间距的30％至40％。
除了使能实现针对燃气5的低喷射压力以外，进气喷嘴3的优选排布结构还具有进一步的优点：关于轴向方向A，进气喷嘴3与气体交换阀和/或排气阀之间存在较大间距。由此，一方面，避免了被喷射的燃气5的主要成分在非燃烧状态下可以经由排气阀逸出，而且另一方面，具有用于闭合排气阀的更多时间。
而且，进气喷嘴3的优选排布结构还有利的在于尽可能同质的空气-燃烧气体混合物。通过相对于活塞的压缩冲程提前喷射燃气5，扫气狭缝和燃气在混合物燃烧开始之前具有足够时间密切混合。这导致燃烧室42中的尽可能理想的燃烧过程，并且还特别导致燃烧室中的低污染物燃烧过程。
关于扫气和燃气5的理想的完全混合，也有利的是，如已经提到，燃气5相对于径向方向按不同于零的喷射角β喷射到气缸4的燃烧室42中。由此，与扫气的特别强烈的完全混合(即，扫气典型地随着气缸4和/或燃烧室42中的膨胀而加载)出现于活塞的压缩冲程。
自然地，在一气缸处，还可以将两个或更多个这种供气系统1和/或两个或更多个进气喷嘴3与多个进气阀2一起设置。
应当明白，在本申请中描述的本发明的这些实施方式还可以根据该申请按任何合适方式彼此组合，并且特别地，图中所示具体实施方式应仅作为实施例来理解。本领域普通技术人员立即认识到对本发明的所述实施方式的有利的进一步发展，并且明白这种简单的进一步发展也自然被本发明本身所涵盖。

Claims (15)

1.一种用于往复活塞式内燃机的供气系统，该供气系统特别是用于纵向扫气二冲程大型柴油机，其中，所述供气系统包括具有进气喷嘴(3)的进气阀(2)以及气缸套(41)，并且所述供气系统被构造为所述供气系统能够设置在所述往复活塞式内燃机的气缸(4)处，使得能用作燃料的燃气(5)能够在所述供气系统的安装状态下借助于所述进气喷嘴(3)供应到所述气缸(4)的燃烧室(42)，其中，所述进气阀(2)包括设置在阀壳体(21)中的压力空间(22)，能够借助于供气部(23)在该压力空间中得到所述燃气(5)以用于存储并且在运转状态下供应到所述进气喷嘴(3)中；并且其中，提供了具有设置在阀轴(61)处的阀板(62)的阀体(6)，并且还提供了阀座(63)，所述阀座(63)在所述阀体(6)的闭合状态下与所述阀板(62)以密封方式协作，使得防止所述燃气(5)从所述压力空间(22)供应到所述进气喷嘴(3)中；并且其中，所述阀板(62)能够借助于操作性连接至所述阀轴(61)的阀驱动器(7)从所述阀座(63)抬起，使得所述燃气(5)能够在所述阀体(6)的开启状态下从所述压力空间(22)、经过所述阀板(62)供应到所述进气喷嘴(3)，
其特征在于，所述进气喷嘴(3)是所述气缸套(41)的整体部件并且被构造为所述气缸套(41)中的孔；并且所述进气喷嘴(3)的喷嘴轴线(D)以相对于所述进气阀(2)的阀轴线(V)成预定角(α)的方式设置，使得能够在所述供气系统的运转和安装状态下将所述燃气(5)相对于所述气缸(4)的径向方向(R)和/或相对于所述气缸(4)的轴向方向(A)以不同于零的角喷射到所述气缸(4)的所述燃烧室(42)中。
2.根据权利要求1所述的供气系统，其中，所述进气喷嘴(3)在所述燃烧室一侧被构造为大致圆柱形孔(32)，该圆柱形孔的轴线(D)与所述阀轴线(V)成所述预定角(α)。
3.根据权利要求2所述的供气系统，其中，所述进气喷嘴(3)在所述进气喷嘴的远离所述燃烧室(42)的一侧具有锥形区(33)，所述锥形区沿所述径向方向(R)通向所述气缸套(41)的外表面(411)。
4.根据权利要求3所述的供气系统，其中，所述锥形区(33)在一侧构造有过渡到所述进气喷嘴(3)的所述圆柱形孔中的内半径(34)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的供气系统，其中，为监测进入所述燃烧室(42)的燃气流，提供了用于确定所述阀体(6)的位置的控制系统。
6.根据权利要求5所述的供气系统，其中，所述控制系统是路径传感器，所述路径传感器具体为电气或电磁路径传感器，更具体为电感、电容或光学路径传感器。
7.根据权利要求5或6所述的供气系统，其中，所述控制系统按传送信号的方式连接至监测单元，并且所述阀体(6)的所述位置能够在运转状态下通过所述监测单元检测，使得能够根据所述往复活塞式内燃机的曲柄角和/或根据所述往复活塞式内燃机的气体交换阀的位置而防止向所述进气喷嘴(3)供应燃气。
8.根据前述权利要求中任一项所述的供气系统，其中，用于驱动所述阀轴(61)的所述阀驱动器(7)是机械的、电动的或气动的阀驱动器(7)，具体为液压的阀驱动器(7)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的供气系统，其中，设置逆着所述阀驱动器(7)动作的回复单元(8)以关闭所述阀体(6)，所述回复单元(8)具体采用复位弹簧(81)的形式。
10.根据前述权利要求中任一项所述的供气系统，其中，所述阀轴(61)在轴套(9)的导引孔(91)中被导引。
11.根据权利要求10所述的供气系统，其中，所述导引孔(91)能够面临按密封压力(PA)增压的液压油(10)，所述密封压力高于所述压力空间(22)中的所述燃气(5)的燃烧压力(BG)，使得能够基本上防止所述燃气(5)进入所述导引孔(91)中。
12.一种纵向扫气二冲程大型柴油机的气缸套，该气缸套用于根据权利要求1至11中任一项的供气系统(1)。
13.根据权利要求12所述的气缸套，其中，所述进气喷嘴(3)设置在所述气缸套(41)中，位于所述往复活塞式内燃机的活塞的上止点位置与下止点位置之间的区域中，更具体地，所述进气喷嘴(3)设置在所述气缸套(41)的这样一区域中，即，该区域与所述上止点位置隔开达所述上止点位置与所述下止点位置之间的间距的20％至80％，优选为45％至65％，特别优选为50％至60％。
14.一种往复活塞式内燃机，该往复活塞式内燃机具有根据权利要求1至11中任一项的供气系统或者根据权利要求12或13的气缸套，其中，所述往复活塞式内燃机是双燃料发动机，该双燃料发动机用于燃烧所述燃气(5)并且替代地用于燃烧另一燃料，具体来说，该双燃料发动机用于燃烧柴油或重质原油。
15.一种操作根据权利要求14的往复活塞式内燃机的方法，其中，检测所述供气系统(1)的出错功能，中断对所述供气系统(1)的气体供应，并且所述往复活塞式内燃机优选为自动关闭，特别优选地，所述往复活塞式内燃机自动转到具有替代燃料的运转模式，诸如，所述替代燃料例如为柴油或重质原油。
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