CN109519305A - 大型二冲程直流扫气式气体燃料发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，其包括：燃烧室，其由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)限定；扫气口(18)，其被布置在气缸套(1)中；至少一个排气阀(4)，其被布置在气缸盖(22)中；至少一个燃料阀(30、31)，其被布置在气缸套(1)中用于将气体燃料喷射到燃烧室中；以及供应部，其将加压气体燃料(40)以及不具有热值的加压气体(44)供应到所述燃料阀(30)，发动机被配置为通过燃料阀(30、31)将所述气体燃料和不具有热值的所述气体喷射到所述燃烧室中。

Description

大型二冲程直流扫气式气体燃料发动机

技术领域

本公开涉及一种大型涡轮增压二冲程内燃发动机，特别是利用气体燃料运行的带有十字头的大型二冲程直流扫气式内燃发动机。

背景技术

具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流增压内燃发动机例如用于推进大型远洋船舶或用作发电厂中的原动机。不仅由于绝对的尺寸，这些二冲程柴油发动机的构造与任何其它内燃发动机不同。它们的排气阀可以重达400kg，活塞具有高达100cm的直径，并且燃烧室内的最大操作压力通常为几百巴。这些高压水平和活塞尺寸所涉及的力是巨大的。

利用由沿气缸套的长度方向平均布置的燃料阀喷射的气体燃料操作的大型二冲程涡轮增压内燃发动机，即大约在排气阀关闭时开始的活塞的向上冲程期间喷射气体燃料的发动机，压缩燃烧室中的气体燃料和扫气的混合物并且通过时间点火手段，诸如例如，先导油喷射来点燃。因此，活塞压缩气体燃料和扫气的混合物，并且因此存在爆震(knock)的风险。在本领域中，这种类型的爆震被称为“柴油机”爆震。

可以通过确保燃烧室中的增压(charge)尽可能均匀来减少柴油机爆震的问题。然而，因为由于以下事实，可用于获得均匀增压的发动机循环的窗口非常短，所以获得均匀的扫气和气体燃料增压是具有挑战性的：与例如四冲程发动机中可用的发动机循环的部分相比，其中气体燃料和增压空气实际上可以在进气系统中或至少在进气阀的大部分打开时段期间，通常在40-160°曲轴角度期间混合，从排气阀关闭到上止点(TDC)的发动机循环中的窗口相对较小，通常为20-40°曲轴角度。

可用于获得均匀增压的发动机循环的相对较小的窗口增加对避免大型二冲程柴油发动机中的柴油机爆震的挑战。

燃烧室内的气体燃料和增压空气的非均匀增压增加柴油机爆震的风险，结果可能对发动机造成严重损坏。

先前已经尝试通过以下方式解决发动机爆震的问题。

DK1779361公开一种大型直流扫气式二冲程发动机，其具有在气缸套内移动的活塞、包括排气阀的气缸盖以及在气缸套中周向布置的扫气口。一些燃料喷射阀在扫气口上方围绕气缸套周向分布。在TDC之前以至少90°的曲柄角度喷射燃料。

DK1766118B1公开另一种大型直流扫气式二冲程发动机，其中气体燃料在扫气口处被喷射到流入燃烧室中的空气中。此外，喷水喷嘴被设置在气缸盖处。在压缩期间，水被喷射到燃烧室中以降低燃料/空气混合物的温度，从而防止爆震。

然而，上述解决方案已经表明它们不能令人满意地用于有效地防止大型二冲程压燃点火内燃发动机中的爆震。

因此，需要改进这种大型发动机中的燃料喷射，以有效地保护发动机免受由爆震导致的损坏。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种可以防止或至少减少爆震的利用气体燃料运转的大型直流扫气式二冲程发动机。

通过独立权利要求的特征实现前述和其它目的。根据从属权利要求、说明书和附图，进一步的实施形式是显而易见的。

根据第一方面，提供一种大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，其包括：燃烧室，其由气缸套、活塞和气缸盖限定；扫气口，其被布置在气缸套中；至少一个排气阀，其被布置在气缸盖中；至少一个燃料阀，其被布置在气缸套中用于将气体燃料喷射到燃烧室中；以及供应部，其将加压气体燃料以及加压空气和/或排气两者供应到燃料阀，发动机被配置为经由所述至少一个燃料阀将所述气体燃料和所述空气和/或排气两者同时喷射到所述燃烧室中，以增加所述至少一个燃料阀喷射到燃烧室中的物质的动量。

喷射空气和/或排气的目的是通过喷射不改变喷射到燃烧室中的物质的热值的反应性物质来增加喷射到燃烧室中的物质的动量。增加动量改善气体燃料与扫气的混合，这反过来产生更均匀的增压并且降低爆震风险。

因此，喷射的空气和/或排气是反应性物质，但它们不改变喷射到燃烧室中的物质(气体燃料和喷射的空气和/或排气)的热值。然而，通过喷射的空气和/或排气产生的附加动量使喷射物质的总动量增加，从而降低爆震或过早燃烧的风险。

动量是质量m(kg)和速度v(m/s)的乘积：m×v。

因此，喷射到燃烧室中的物质的总动量是喷射的燃料的质量乘以喷射的燃料的速度的乘积与喷射的空气和/或排气的质量乘以喷射的空气和/或排气的速度的乘积的组合。

喷射的气体燃料的速度受到音速的限制。在喷射事件/每个发动机循环期间喷射的燃料的质量由发动机负载确定。在气体燃料已经达到音速之后进一步增加动量通常是不可能的。

然而，发明人已经认识到，可以通过喷射除了喷射的气体燃料之外的空气和/或排气来增加动量，从而增加喷射的质量，并且因此增加动量。因此，通过高速喷射额外的气体来增加动量。

发明人还认识到，额外的空气和/或排气在压缩期间降低燃烧室中增压气体的温度，从而进一步降低爆震的风险。

根据第一方面的第一可行实施方式，气体燃料以及空气和/或排气从至少一个燃料阀被同时喷射到燃烧室中作为混合物。

根据第一方面的第二可行实施方式，在至少一个燃料阀内部混合气体燃料以及空气和/或排气。

根据第一方面的第三可行实施方式，在至少一个燃料阀的上游混合气体燃料以及空气和/或排气。

根据第一方面的第四可行实施方式，发动机包括用于将空气和/或排气以及气体燃料供应到至少一个燃料阀的公共供应管线。

根据第一方面的第五可行实施方式，同时从至少一个燃料阀的喷嘴中的喷嘴孔喷射气体燃料以及空气和/或沙岸排气。

根据第一方面的第六可行实施方式，发动机包括用于将空气和/或排气从加压空气源和/或排气的源供应到至少一个燃料阀的分开的供应管线以及用于将气体燃料从加压气体燃料的源供应到至少一个燃料阀的供应管线。

根据第一方面的第七可行实施方式，发动机包括被配置为用于控制与气体燃料同时喷射的空气和/或排气的量的控制单元。

根据第一方面的第八可行实施方式，发动机包括周向地分布在气缸套的外周上方的多个至少一个燃料阀。

根据第一方面的第九可行实施方式，至少一个燃料阀设置有一个或多个喷射喷嘴。

根据第一方面的第十可行实施方式，至少一个燃料阀设置有连接到加压气体燃料的源的第一进口以及连接到空气和/或排气的源的第二进口。

根据第一方面的第十一可行实施方式，至少一个燃料阀包括用于将燃料阀内的气体燃料与空气和/或排气混合的装置。

根据第一方面的第十二可行实施方式，在活塞朝向气缸盖的冲程期间，优选地在活塞已经通过扫气口之后，甚至更优选地在排气阀关闭时刻或恰好在排气阀关闭时刻之前，开始同时喷射气体燃料以及空气和/或排气两者。

根据第一方面的第十三可行实施方式，发动机设置有用于优选地在TDC处或TDC附近启动点火的点火系统。

根据第一方面的第十四可行实施方式，发动机被配置为在活塞朝向气缸盖的冲程期间同时喷射气体燃料以及空气和/或排气两者。

根据第二方面，提供一种通过改善气体燃料与扫气在大型二冲程涡轮增压直流式扫气内燃发动机的燃烧室中的混合来减少爆震的方法，发动机包括由气缸套、活塞和气缸盖限定的燃烧室、布置在气缸套中的扫气口、布置在气缸盖中的排气阀以及布置在气缸套中以用于将气体燃料以及空气和/或排气喷射到燃烧室中的至少一个燃料阀，该方法包括以下步骤：将加压气体燃料以及加压空气和/或排气供应到燃料阀；并且在活塞朝向气缸盖的冲程期间，通过燃料阀将加压气体燃料以及加压空气和/或排气同时喷射到燃烧室中，以增加喷射到燃烧室中的物质的动量。

根据第二方面的第一种可行实施方式，当发动机负载较高时，优选地仅当发动机负载大于发动机的最大连续额定值的60％时，并且甚至更优选地仅当发动机负载大于发动机的最大连续额定值的70％时，仅喷射空气和/或排气。

根据以下描述的实施例，这些和其它方面将是显而易见的。

附图说明

在本公开的以下详细部分中，将参照附图中示出的示例性实施例更详细地解释方面、实施例和实施方式。

图1是根据示例性实施例的大型二冲程柴油发动机的正视图，

图2是图1的大型二冲程发动机的侧视图，

图3是根据图1的大型二冲程发动机的图示，

图4是根据示例性实施例的气缸机架和气缸套的截面图，其中该示例性实施例具有气缸盖和安装在其上的排气阀以及示出处于TDC和BDC两者中的活塞，

图5是图4的气缸套的局部截面图，

图6是根据实施例的具有燃料阀装置的图5的气缸套沿线Ⅵ-Ⅵ'的截面图，在该实施例中，气体燃料以及喷射的空气和/或排气通过同一个燃料阀被输送到燃烧室，

图7是根据实施例的用于燃料供应部和燃料阀装置的布置，在该实施例中，气体燃料以及喷射的空气和/或排气在输送到燃料阀之前被混合，

图8是根据实施例的用于燃料供应部和燃料阀装置的布置，在该实施例中气体燃料以及喷射的空气和/或排气在燃料阀内部被混合，以及

图9是示出气体交换和燃料喷射周期的曲线图。

具体实施方式

在以下的具体实施方式中，将参照示例性实施例中的大型二冲程低速涡轮增压十字头内燃发动机来描述内燃发动机。图1、图2和图3示出具有曲轴8和十字头9的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机。图3示出具有进气系统和排气系统的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机的图示。在该示例性实施例中，发动机具有成一直线的四个气缸。大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机通常具有由发动机机架11承载的成一直线的四个至十四个气缸。例如，发动机可以是用作船舶中的主发动机或用作操作发电站中的发电机的固定发动机。发动机的总输出可以例如在1,000至110,000kW的范围内。

在该示例性实施例中，发动机是二冲程直流型发动机，其具有位于气缸套1的下部区域中的扫气口18以及位于气缸套1的顶部处的中央排气阀4。来自扫气容纳部2的扫气穿过各个气缸1的扫气口18。从气缸套1中的燃料喷射阀30喷射气体燃料以及喷射的空气和/或排气，气缸套1中的活塞10压缩气体燃料、喷射的空气和/或排气以及扫气的进气，发生压缩并且在TDC处或其附近的点火由例如喷射来自先导油燃料阀33的先导油(或任何其它合适的点火液)来触发，随后燃烧并且生成排气。诸如例如激光点火或电热塞的点火系统的可选形式也可用于启动点火。

当排气阀4打开时，排气流经与气缸1相关联的排气管道进入排气容纳部3中并且向前流经第一排气管道19进入涡轮增压器5的涡轮6，排气从涡轮6流走，流经第二排气管道通过节热器20流到出口21并进入大气中。涡轮6通过轴驱动压缩机7，该压缩机7通过进气口12被供应新鲜空气。压缩机7将加压的扫气输送到通向扫气容纳部2的扫气管道13。管道13中的扫气穿过中间冷却器14来冷却扫气。

当涡轮增压器5的压缩机7不为扫气容纳部2输送足够的压力时，即在发动机的低负载或部分负载条件下，冷却的扫气通过由电动马达17驱动的辅助风机16，该辅助鼓机16对扫气气流加压。在发动机负载较高的情况下，涡轮增压器压缩机7输送足够的压缩的扫气，并且然后经由止回阀15绕过辅助鼓风机16。

图9是分别示出扫气口18、排气阀4和燃料阀30的打开时段和关闭时段与曲柄角度的函数的曲线图。该曲线图表明用于喷射气体燃料的窗口非常短，从而允许气体燃料与扫气在燃烧室中混合的时间非常短。气体燃料和喷射的空气和/或排气被喷射到这个非常短的窗口中。

喷射的空气和/或排气的量很大，并且喷射的空气和/或排气的压力较高，以便获得在相对高的速度下喷射的相对较大的质量，从而获得喷射的空气和/或排气的较大动量。

喷射的空气和/或排气的动量与喷射的气体燃料的动量组合以产生显著高于单独的气体燃料的动量的总动量。

喷射的空气和/或排气是反应性物质，但是它们不增加任何热值，并且因此，喷射到燃烧室中的物质的热值与单独喷射到燃烧室中的燃料的热值并无不同。

每个发动机循环喷射的气体燃料的量由发动机负载决定。每个发动机循环待喷射的喷射空气和/或排气的量将取决于喷射的速度以及防止利用特定类型的气体燃料运行的特定发动机的爆震的需求，并且可以通过简单的试错来确定。

优选地，为每个发动机循环喷射空气和/或排气。对于低发动机负载，通常存在较小的爆震风险。因此，在实施例中，对于高发动机负载，例如，发动机的最大连续额定值的60-70％以上，仅空气和/或排气被喷射到燃烧室中。

在实施例中，发动机设置有爆震传感器(未示出)，并且响应于来自爆震传感器的信号控制添加的空气和/或排气的量，即，当检测到爆震时，增加喷射的空气和/或排气的量(质量)(并且在未检测到爆震时的一段时间之后降低喷射的空气和/或排气的量(质量))。

在实施例中，喷射的空气和/或排气与气体燃料作为具有气体燃料的混合物同时喷射，或者从气体燃料单独喷射。

图4和图5以及图6示出用于大型二冲程十字头发动机的通常标记为1的气缸套。根据发动机尺寸，气缸套1可以被制造成不同的尺寸，其中气缸孔通常在250mm至1000mm的范围内，并且相应典型长度在1000mm至4500mm的范围内。

在图4中，示出了气缸套1被安装在气缸机架23中，其中气缸盖22被放置在气缸套1的顶部，气密接合部位于气缸盖22和气缸套1之间。在图4中，虽然下止点(BDC)和上止点(TDC)显然不会同时发生，并且通过曲轴8的180度旋转而分开，但是通过虚线示出处于这两个位置中的活塞10。气缸套1设置有气缸润滑孔25和气缸润滑管线24，当活塞10通过润滑管线24时，该气缸润滑管线24供应气缸润滑油，然后活塞环(未示出)将气缸润滑油分布在气缸套1的运行表面上。

在示出的实施例中，壁29的最薄部分位于气缸套1的底部处，即，位于扫气口18下方的部分处。气缸套1的壁29的最厚部分位于气缸套1的轴向长度的上部中。在围绕气缸套1的轴向长度的中部的气缸套1的厚度的急剧过渡用作允许气缸搁置在气缸机架23上的肩部。气缸盖22在由张紧螺栓施加的较大的力的作用下被压在气缸套1的上表面上。

先导油阀33(通常每个气缸多于一个)被安装在气缸盖22中并且连接到先导油的源(未示出)。在实施例中，先导油喷射的正时由电子控制单元(未示出)控制。

燃料阀30被安装在气缸套1中，其中喷嘴基本上与气缸套1的内表面齐平，并且燃料阀30的后端从气缸套1的外壁伸出。通常，为每个气缸设置围绕气缸周向等距离地分布的三个或四个燃料阀30。在实施例中，沿着气缸套1的长度平均布置燃料阀30。

图5和图6更详细地示出气缸套1和燃料阀30。在该实施例中，气缸套1设置有四个燃料阀30。燃料阀30在图6中径向示出，但是应当理解，燃料阀30可以相对于气缸套1以另一角度布置。

在实施例中，燃料阀30连接到气体燃料以及喷射的空气和/或排气的公共(混合)供应部。图7示出燃料阀30通过单个供应管线42连接到加压燃料40的源和加压的喷射空气和/或排气44的源两者。设置阀(未示出)以确保被输送到燃料阀30的气体燃料与喷射的空气和/或排气之间的期望比。公共管道32将混合物运送到喷嘴39。混合物从喷嘴39中的喷嘴孔被喷射到燃烧室中。燃料阀30设置有用于例如在电子控制单元的控制下将混合物正时喷射到燃烧室的装置。

在图7的实施例的变型中，气体燃料和喷射的空气和/或排气未被混合，而是要么气体燃料首先要么喷射的空气和/或排气首先被顺序地供应到燃料阀30并且顺序地被喷射。

在另一实施例中，如图8所示，气体燃料40的源通过专用供应管线41连接到燃料阀30中的专用口。专用管道31将气体燃料引导到燃料阀30内的混合点33。加压的空气和/或排气44的源通过专用供应管线45连接到燃料阀30中的专用口。专用管道35将空气和/或排气引导到燃料阀30内的混合点33。在混合点33中，气体燃料以及空气和/或排气混合，并且混合物通过公共管道32从混合点33被运送到喷嘴39。喷嘴39设置有喷嘴孔，混合物通过该喷嘴孔被喷射到燃烧室中。燃料阀30设置有用于例如在电子控制单元的控制下将混合物正时喷射到燃烧室的装置。

在实施例中，从扫气容纳部中取出加压空气和/或排气(如果发动机利用排气再循环操作，则扫气容纳部包含空气和再循环排气的混合物)。从扫气容纳部2取出的空气或气体的压力由压缩机(未示出)被加压到合适的喷射压力。与使空气从大气压开始增加到喷射压力相比，由于扫气容纳部中的空气或气体已经被加压，因此使空气或气体达到喷射压力所需的能量较少。

已经结合本文的各个实施例描述各个方面和实施方式。然而，通过研究附图、公开和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的主题时，可以理解和实现公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中陈述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。

权利要求中使用的附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (19)

1.一种大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，其包括：

燃烧室，由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)限定；

扫气口(18)，被布置在所述气缸套(1)中；

至少一个排气阀(4)，被布置在所述气缸盖(22)中；

至少一个燃料阀(30、31)，被布置在所述气缸套(1)中用于将气体燃料喷射到所述燃烧室中；以及

供应部，将加压气体燃料(40)以及加压空气和/或排气(44)两者供应到燃料阀(30、31)，

所述发动机被配置为经由所述至少一个燃料阀(30、31)将所述气体燃料和所述空气和/或排气两者同时喷射到所述燃烧室中，以增加由所述至少一个燃料阀(30、31)喷射到所述燃烧室中的所述物质的动量。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述气体燃料以及所述空气和/或排气从所述至少一个燃料阀(30)被同时喷射到所述燃烧室中作为混合物。

3.根据权利要求2所述的发动机，其中在所述至少一个燃料阀(30)中混合所述气体燃料以及所述空气和/或排气。

4.根据权利要求2所述的发动机，其中在所述至少一个燃料阀(30)的上游混合所述气体燃料以及所述空气和/或排气。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的发动机，包括用于将所述空气和/或排气以及所述气体燃料供应到所述至少一个燃料阀(30)的公共供应管线(42)。

6.根据权利要求1所述的发动机，其中从所述至少一个燃料阀(30)的喷嘴中的喷嘴孔同时喷射所述气体燃料以及所述空气和沙岸排气。

7.根据权利要求1至3或6中的任意一项所述的发动机，包括分开的供应管线，其用于将所述空气和/或排气从所述加压空气和/或排气(44)的源供应到所述至少一个燃料阀(30、31)以及供应管线，其用于将所述气体燃料从所述加压气体燃料(40)的源供应到所述至少一个燃料阀(30、31)。

8.根据前述权利要求中的任意一项所述的发动机，包括控制单元，其被配置为用于控制与所述气体燃料同时喷射的所述空气和/或排气的量。

9.根据前述权利要求中的任意一项所述的发动机，包括周向地分布在所述气缸套(1)的外周上方的多个所述至少一个燃料阀(30、31)。

10.根据前述权利要求中的任意一项所述的发动机，其中所述至少一个燃料阀(30、31)设置有一个或多个喷射喷嘴(39)。

11.根据权利要求10所述的发动机，其中所述至少一个燃料阀(30)设置有连接到所述加压气体燃料(40)的源的第一进口以及连接到所述空气和/或排气(44)的源的第二进口。

12.根据权利要求11所述的发动机，其中所述至少一个燃料阀(30)包括用于将所述燃料阀(30)内的所述气体燃料与所述空气和/或排气混合的装置。

13.根据前述权利要求中的任意一项所述的发动机，其中在所述活塞(10)朝向所述气缸盖(22)的冲程期间，优选地在所述活塞(20)已经通过所述扫气口之后，甚至更优选地在所述排气阀(4)关闭时刻或恰好在所述排气阀(4)关闭时刻之前，开始同时喷射所述气体燃料以及所述空气和/或排气两者。

14.根据前述权利要求中的任意一项所述的发动机，设置有用于优选地在TDC处或TDC附近启动点火的点火系统。

15.根据前述权利要求中的任意一项所述的发动机，其中所述发动机设置有爆震传感器，并且响应于来自所述爆震传感器的信号控制添加的空气和/或排气的量。

16.根据权利要求15所述的发动机，其被配置为当所述爆震传感器检测到爆震时，增加喷射的空气和/或排气的质量。

17.根据权利要求16所述的发动机，其被配置为当在预定时间段或预定数量的发动机转数内，所述爆震传感器尚未检测到爆震时，减小所述喷射的空气和/或排气的质量。

18.一种通过改善气体燃料与扫气在大型二冲程涡轮增压直流扫气内燃发动机的燃烧室中的混合来减少爆震的方法，所述发动机包括：

燃烧室，由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)限定，

扫气口(18)，被布置在所述气缸套(1)中，

排气阀(4)，被布置在所述气缸盖(22)中，以及

至少一个燃料阀(30)，被布置在所述气缸套(1)中用于将气体燃料以及空气和/或排气喷射到所述燃烧室中，

所述方法包括以下步骤：将加压气体燃料以及加压空气和/或排气供应到燃料阀(30、31)；并且在所述活塞(10)朝向所述气缸盖(22)的冲程期间，通过所述燃料阀(30、31)将所述加压气体燃料以及所述加压空气和/或排气同时喷射到所述燃烧室中，以增加喷射到所述燃烧室中的物质的动量。

19.根据权利要求18所述的方法，其中当所述发动机负载较高时，优选地仅当所述发动机负载大于所述发动机的最大连续额定值的60％时，并且甚至更优选地仅当所述发动机负载大于所述发动机的最大连续额定值的70％时，仅喷射所述空气和/或排气。