CN109139240B

CN109139240B - 内燃机

Info

Publication number: CN109139240B
Application number: CN201810616841.3A
Authority: CN
Inventors: 约翰·斯乔侯姆; 斯蒂芬·迈尔; 尼尔斯·谢姆特鲁普
Original assignee: MAN Diesel and Turbo Filial af MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2017-06-15
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2038-06-14
Also published as: KR20180136913A; JP2019011755A; JP2020060190A; DK179645B1; JP6907158B2; CN109139240A; KR102164426B1; DK201770463A1

Abstract

公开了一种具有多个气缸的二冲程十字头型内燃柴油机，其中该二冲程十字头型内燃柴油机被构造成将一次燃料和二次燃料喷射到多个气缸中的每一个气缸内。一次燃料包括燃料油和水。二次燃料包括燃料油。二冲程十字头型内燃柴油机被构造成通过气缸中的气体在被压缩时所达到的高温来点燃一次燃料和二次燃料的组合物，其中一次燃料中的水的质量百分比为至少30％；并且二次燃料中的燃料油的质量百分比高于一次燃料中的燃料油的质量百分比。

Description

内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机和一种内燃机系统。

背景技术

二冲程内燃机在货柜船、散货船和油轮等船舶中用作推进发动机。减少来自内燃机的不需要的废气变得越来越重要。特别是NOx的减少已引起了很多关注。

国际海事组织(IMO)是联合国的一个机构，已制定了被称作I级，II级和III级限制排放标准，其中I级和II级排放标准在全球范围内有效，III级排放标准仅适用于NOx排放控制区域(ECA)。II级和III级NOx排放标准对新发动机有效，而I级NOx要求适用于2000年以前制造的现有发动机。

减少NOx排放的一种方式是使用选择性催化还原(SCR)系统。SCR系统接收废气并将NOx转化为危害较小的物质。减少NOx排放的另一种方式是使用废气再循环(EGR)系统，其通过将一部分废气再循环回到发动机气缸而工作，因而降低氧浓度和火焰温度，这从而降低发动机中产生的NOx。然而，安装和维护EGR系统和SCR系统是复杂且昂贵的。

减少NOx排放的另一种方式是将水混入内燃机所使用的燃料油内。水降低了燃烧温度，并从而降低了废气中的NOx的量。

然而，将水混入燃料内增加了点火延迟，这可能会容许点火前太多的燃料与周围的空气混合。当最后点火时，在气缸内可能形成类似爆炸的压力波。这能够在压力轨迹上和通过声学(听力)观察到，并通常称为柴油爆震。这会对燃烧室部件造成严重损坏。此外，在非常高的水含量下，点火延迟会被提升到完全不发生点火的程度，导致所喷射的燃料完全或部分不点火。

因此，以简单和有效的方式减少内燃机的NOx排放仍然是一个问题。

发明内容

根据一方面，本发明涉及一种具有多个气缸的两冲程十字头型内燃柴油机，其中内燃机被构造成将一次燃料和二次燃料喷射到多个气缸中的每个气缸内，一次燃料包括燃料油和水，二次燃料包括燃料油；以及，其中内燃机被构造成通过气缸中的气体在被压缩时所达到的高温点燃一次燃料和二次燃料的组合物，其中：

·一次燃料中的水的质量百分比为至少30％；

·二次燃料中的燃料油的质量百分比高于一次燃料中的燃料油的质量百分比。

因此，通过使用二次燃料，该二次燃料具有比一次燃料中的燃料油的质量百分比高的燃料油的质量百分，在不会发生柴油爆震或不点火的情况下，可以将更多的水添加到一次燃料中。这允许以简单和有效的方式大大降低来自废气的NOx，这能够在不使用EGR和/或SCR系统的情况下符合III级的要求。

内燃机优选为用于推进船舶的二冲程十字头型内燃柴油机，该二冲程十字头型内燃柴油机具有每个气缸至少400kW的功率。燃料油的例子有：船用汽油(MGO)、船用柴油(MDO)、中间燃料油(IFO)、船用燃料油(MFO)和重燃料油(HFO)。用于一次燃料和二次燃料的燃料油可以是相同类型的燃料油。可选地，用于一次燃料和二次燃料的燃料油可以是不同的。一次燃料中的水的量可以是较高的，以使得水和燃料油的这种混合物不能自燃。一次燃料和二次燃料可通过单个燃料阀顺序地喷射到气缸内。可选地，一次燃料和二次燃料可以通过两个燃料阀喷射到气缸内。二次燃料中的燃料油的较高浓度使得二次燃料在一次燃料之前点燃，由此二次燃料的燃烧所产生的热量点燃一次燃料。因此，二次燃料充当引燃燃料。内燃机可被构造成通过压缩点火来点燃二次燃料，由此二次燃料火焰点燃一次燃料。

在一些实施例中，一次燃料中的水的质量百分比为至少40％、至少45％或至少50％。

一次燃料中水的质量百分比由下式给出：

式中，m％_{w_pf}是一次燃料中的水的质量百分比；m_{w_pf}是一次燃料中的水的质量；以及m_{t_pf}是一次燃料的总质量。

一次燃料优选主要由水和燃料油组成。

在一些实施例中，二次燃料中的燃料油的质量百分比大于50％、大于75％、大于90％、大于95％或大于99％。

二次燃料中燃料油的质量百分比由下式给出：

式中，mm％_{f_sf}是二次燃料中的燃料油的质量百分比；m_{f_sf}是二次燃料中的燃料油的质量；以及m_{t_sf}是二次燃料的总质量。

在一些实施例中，喷射到多个气缸内的总燃料中的二次燃料的质量百分比小于10％、7％、5％、3％或1％。

通过限制所使用的二次燃料的量，释放的NOx的量可以进一步减少。

喷射到多个气缸内的总燃料中的二次燃料的质量百分比由下式给出：

式中，m％_sf是喷射到多个气缸内的总燃料中的二次燃料的质量百分比；m_sf是喷射到多个气缸内的二次燃料的质量；以及m_tf是喷射到多个气缸内的总燃料的总质量。

在一些实施例中，喷射到多个气缸内的总燃料中的一次燃料的质量百分比为至少90％、93％、95％，97％或99％。

喷射到多个气缸内的总燃料中的一次燃料的质量百分比由下式给出：

式中，m％_pf是喷射到多个气缸内的总燃料中的一次燃料的质量百分比；m_pf是喷射到多个气缸内的一次燃料的质量；以及m_tf是喷射到多个气缸内的总燃料的总质量。

如果发动机仅依靠消耗一次燃料和二次燃料运行，那么一次燃料的质量百分比加二次燃料的质量百分比将始终等于100％。

在一些实施例中，一次燃料中的水和燃料油的混合物在被输送到多个气缸之前被乳化。

因此，通过使用优选由纯燃料油组成的乳化的一次燃料和二次燃料，在气缸中形成水和燃料油的不均匀混合物。因为二次燃料的燃料油将点燃不均匀的混合物，所以这使得一次燃料中的水的量增加。

表面活性剂可以添加到一次燃料或水中以确保一次燃料与水适当乳化。

在一些实施例中，每个气缸包括第一燃料阀和第二燃料阀，其中内燃机被构造成通过第一燃料阀喷射一次燃料，以及通过第二燃料阀喷射二次燃料。

在一些实施例中，内燃机具有第一模式和第二模式，其中内燃机被构造成在第一模式下将一次燃料和二次燃料喷射到多个气缸中的每个气缸内，以及内燃机被构造成在第二模式下将包括燃料油的替代一次燃料喷射到多个气缸中的每个气缸内，其中一次燃料的燃料油是第一类燃料油，替代一次燃料的燃料油是第二类燃料油，第二类燃料油不同于第一类燃料油，以及，其中二次燃料的燃料油是第一类燃料油或第二类燃料油。

因此，通过使用用于已被发动机使用的二次燃料的燃料油的种类，所以不需要为二次燃料提供单独的燃料箱。

内燃机也可以被构造成在第二模式下使用二次燃料。第一类燃料油可以是HFO，以及第二类燃料油可以是轻质燃料油，例如MGO或MDO。这使得发动机能够在无硫排放控制区域内依靠消耗HF0来运行，以及在硫排放控制区域内依靠消耗MGO或MDO来运行。

根据第二方面，本发明涉及一种内燃机系统，其包括用于存储第一类燃料油的第一燃料箱、供水系统和具有多个气缸的二冲程十字头型内燃柴油机，其中，内燃机流体连接到第一燃料箱和供水系统，以及其中内燃机系统被构造成将一次燃料和二次燃料喷射到所述多个气缸中的每一个气缸内，一次燃料包括第一类燃料油和从供水系统提供的水，二次燃料包括燃料油，以及，其中内燃机被构造成通过气缸中的气体在被压缩时所达到的高温来点燃一次燃料和二次燃料的组合物，其特征在于：

·一次燃料中的水的质量百分比为至少30％；

内燃机优选为用于推进船舶的二冲程十字头型内燃柴油机，该二冲程十字头型内燃柴油机具有每个气缸至少400kW的功率。

在一些实施例中，喷射到多个气缸内的总燃料中的一次燃料的质量百分比为至少90％、93％、95％、97％或99％。

在一些实施例中，该系统还包括具有第一入口、第二入口和第一出口的乳化系统，其中第一入口流体连接至第一燃料箱，第二入口流体连接至供水系统，以及第一出口流体连接到内燃机，以及，其中乳化系统被构造成通过生成水和第一类燃料油的乳化混合物来生成一次燃料。

乳化系统可通过添加表面活性剂来生成乳化混合物。

在一些实施例中，二次燃料的燃料油是第一类燃料油，第一燃料箱直接流体连接到内燃机，以向内燃机提供二次燃料并经由乳化系统间接地流体连接到内燃机，以向内燃机提供一次燃料。

因此，单个燃料箱可用于提供一次燃料和二次燃料。

在一些实施例中，每个气缸包括第一燃料阀和第二燃料阀；以及，其中内燃机被构造成通过第一燃料阀喷射一次燃料并通过第二燃料阀喷射二次燃料。

在一些实施例中，该系统还包括用于存储第二类燃料油的第二燃料箱，该第二燃料箱流体连接到内燃机，其中内燃机具有第一模式和第二模式，其中内燃机被构造成在第一模式下将一次燃料和二次燃料喷射到多个气缸中的每一个气缸内，并且内燃机被构造成在第二模式下将包括第二类燃料油的替代一次燃料喷射到多个气缸中的每一个气缸内，以及，其中二次燃料的燃料油是第一类燃料油或第二类燃料油。

本发明的不同方面可以用不同的方式实现，包括如上所述和下文所述的内燃机和内燃机系统，每个方面结合上述的至少一个方面产生一个或多个好处和优点，并且每个方面具有与结合上述和/或从属权利要求中公开的至少一个方面描述的优选实施例相对应的一个或多个优选实施例。此外，应当意识到，结合本文描述的方面中的一个所描述的实施例可同样地应用于其他方面。

附图说明

参考附图，通过以下对本发明实施例的说明性和非限制性的详细描述，将进一步阐明本发明的上述和/或附加的目的、特征和优点，其中：

图1示出了根据本发明实施例的内燃机系统的示意图。

具体实施方式

在以下描述中，参考附图，该附图通过实例示出了如何实施本发明。

图1示出了根据本发明实施例的用于推进船舶的内燃机系统100的示意图。内燃机系统100包括存储第一类燃料油(例如重燃料油或柴油)的第一燃料箱103、供水系统104、乳化系统105和具有四个气缸102的内燃机101。在其它实施例中，内燃机101可包括其它数量的气缸，例如，2个气缸、6个气缸、8个气缸、10个气缸或12个气缸。供水系统104可被构造成供应干净的水。供水系统104可被构造成例如用海水生成干净的水和/或包括含有净化水的水箱。乳化系统105具有流体连接到第一燃料箱104的第一入口108、流体连接到供水系统104的第二入口109以及流体连接到内燃机101的第一出口110。乳化系统105被构造成生成一次燃料，该一次燃料是水和第一类燃料油的乳化混合物，其中水的质量百分比为至少30％。乳化系统105可被构造成向混合物添加表面活性剂以确保水和燃料油适当乳化。第一燃料箱103直接流体连接到内燃机101，以提供由第一类燃料油组成的二次燃料。因此，第一燃料箱103既(经由乳化系统105)间接流体连接到内燃机，又直接流体连接到内燃机。每个气缸102包括第一燃料阀106和第二燃料阀107，其中内燃机被构造成通过第一燃料阀106喷射一次燃料，并通过第二燃料阀107喷射二次燃料。每个气缸可包括两个以上的燃料阀，例如共有四个燃料阀，其中两个燃料阀用于一次燃料，两个燃料阀用于二次燃料。内燃机101被构造成通过气缸102中的气体在被压缩时所达到的高温点燃一次燃料和二次燃料的组合物。喷射到多个气缸内的总燃料中的二次燃料的质量百分比优选是较小的，例如小于10％、7％、5％或3％。因此，喷射到多个气缸内的总燃料中的一次燃料的质量百分比优选为较高的，例如，至少90％、93％、95％或97％。这样，二次燃料充当点燃一次燃料和二次燃料的组合物的引燃燃料。因此，通过使用含有第一类燃料油的乳化一次燃料和仅由第一类燃料油组成的二次燃料，在气缸中形成水和第一类燃料油的不均匀混合物。因为二次燃料的燃料油将点燃不均匀的混合物，这允许在一次燃料中增加水的量。

内燃机系统可选地进一步包括存储第二类燃料油的第二燃料箱111，第二燃料箱111流体连接到内燃机101，其中内燃机101具有第一模式和第二模式，其中内燃机101被构造成在第一模式下将一次燃料和二次燃料喷射到每个气缸102内；以及内燃机101被构造成在第二模式下将替代的一次燃料喷射到每个气缸103内，该替代的一次燃料包括第二类燃料油。第二燃料箱111可经由乳化系统105间接地连接到内燃机101，由此替代的一次燃料是水和第二类燃料油的乳化混合物，例如水的质量百分比至少为30％的乳化混合物。因此，内燃机101也可在第二模式下使用二次燃料。可选地，第二燃料箱111可直接连接到内燃机102，由此在第二模式中不需要二次燃料。在一些实施例中(图中未示出)，第二燃料箱111直接连接到内燃机102，并且在第一模式下将二次燃料提供给第二燃料阀107，以及在第二模式下，将替代的一次燃料提供给第一燃料阀106，即二次燃料和替代的一次燃料都由第二类燃料油组成。第一类燃料油可以是HFO，以及第二类燃料油可以是轻质燃料油，例如MGO或MDO。

尽管已详细描述和示出了一些实施例，但是本发明不限于此，而是还可以在所附权利要求限定的主题的范围内以其它方式来实施。具体而言，应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以使用其它实施例并且可以进行结构和功能性修改。

在枚举几种装置的设备权利要求中，这些装置中的几个可以由同一个硬件项目来体现。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施或在不同的实施例中描述某些措施的这一事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

应该强调的是，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)/包含(comprising)”表示存在所描述的特征、整数、步骤、或组件，但不排除存在或增加一个或多个其它特征、整数、步骤、组件或其组合。

Claims

1.一种具有多个气缸的二冲程十字头型内燃柴油机，其中，内燃机被构造成向所述多个气缸中的每一个气缸中喷射一次燃料和二次燃料，所述一次燃料包括燃料油和水，所述二次燃料包括燃料油，并且，其中，所述内燃机被构造成通过所述气缸中的气体在被压缩时所达到的高温点燃所述一次燃料和所述二次燃料的组合物，其中：

·所述一次燃料中的水的质量百分比为至少30％；

·所述二次燃料中的燃料油的质量百分比高于所述一次燃料中的燃料油的质量百分比。

2.根据权利要求1所述的二冲程十字头型内燃柴油机，其中，所述二次燃料中的燃料油的质量百分比大于50％、大于75％、大于90％、大于95％或大于99％。

3.根据权利要求1或2所述的二冲程十字头型内燃柴油机，其中，所述一次燃料中的水和燃料油的混合物在输送到所述多个气缸之前被乳化。

4.根据权利要求1或2所述的二冲程十字头型内燃柴油机，其中，每个气缸包括第一燃料阀和第二燃料阀，其中所述内燃机被构造成通过所述第一燃料阀喷射所述一次燃料，以及通过所述第二燃料阀喷射所述二次燃料。

5.根据权利要求1或2所述的二冲程十字头型内燃柴油机，其中，所述内燃机具有第一模式和第二模式，所述内燃机被构造成在所述第一模式下向所述多个气缸中的每个气缸内喷射所述一次燃料和所述二次燃料，以及所述内燃机被构造成在所述第二模式下向所述多个气缸中的每个气缸内喷射包括燃料油的替代的一次燃料，其中所述一次燃料的所述燃料油是第一类燃料油，以及所述替代的一次燃料的所述燃料油是第二类燃料油，所述第二类燃料油不同于所述第一类燃料油，以及，其中所述二次燃料的所述燃料油是所述第一类燃料油或所述第二类燃料油。

6.一种内燃机系统，包括用于存储第一类燃料油的第一燃料箱、供水系统和具有多个气缸的二冲程十字头型内燃柴油机，其中，所述二冲程十字头型内燃柴油机流体连接到所述第一燃料箱和所述供水系统；以及，其中所述内燃机系统被构造成向所述多个气缸中的每个气缸内喷射一次燃料和二次燃料，所述一次燃料包括所述第一类燃料油和由所述供水系统提供的水，所述二次燃料包括燃料油；以及，其中所述二冲程十字头型内燃柴油机被构造成通过所述气缸中的气体在被压缩时所达到的高温来点燃所述一次燃料和所述二次燃料的组合物，其特征在于：

·所述一次燃料中的水的质量百分比至少为30％；

7.根据权利要求6所述的一种内燃机系统，其中，所述二次燃料中的燃料油的质量百分比大于50％、大于75％、大于90％、大于95％或大于99％。

8.根据权利要求6或7所述的内燃机系统，其中，所述系统还包括具有第一入口、第二入口和第一出口的乳化系统，其中所述第一入口流体连接到所述第一燃料箱，所述第二入口流体连接到所述供水系统，以及所述第一出口流体连接到所述二冲程十字头型内燃柴油机，以及，其中所述乳化系统被构造成通过生成水和所述第一类燃料油的乳化混合物来生成所述一次燃料。

9.根据权利要求8所述的内燃机系统，其中所述二次燃料的燃料油是所述第一类燃料油，所述第一燃料箱直接流体连接到所述二冲程十字头型内燃柴油机，以向二冲程十字头型内燃柴油机提供所述二次燃料并经由所述乳化系统间接地流体连接到所述二冲程十字头型内燃柴油机，以向所述二冲程十字头型内燃柴油机提供所述一次燃料。

10.根据权利要求6至7和9中任一项所述的内燃机系统，其中，该系统还包括用于存储第二类燃料油的第二燃料箱，所述第二燃料箱流体连接至所述二冲程十字型头内燃柴油机，其中，所述二冲程十字头型内燃柴油机具有第一模式和第二模式，其中所述二冲程十字头型内燃柴油机被构造成在所述第一模式下向所述多个气缸中的每个气缸内喷射所述一次燃料和所述二次燃料，并且所述二冲程十字头型内燃柴油机被构造成在所述第二模式下向所述多个气缸中的每个气缸内喷射包括所述第二类燃料油的替代的一次燃料，并且，其中所述二次燃料的所述燃料油是所述第一类燃料油或所述第二类燃料油。