CN112177762B - 具有气体燃料模式的大型二冲程直流扫气式发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，其具有多个燃烧室，燃烧室由气缸套、活塞和气缸盖限界，包括第一子组的燃烧室和第二子组的燃烧室，发动机以气体燃料作为主要燃料来操作，第一子组燃烧室的气缸设置有燃料进入阀和燃料喷射阀，燃料进入阀在相关活塞的从下止点向上止点的冲程期间允许加压气体燃料进入相关燃烧室，燃料喷射阀在相关活塞在上止点处或上止点附近时将高压气体燃料喷射到相关燃烧室中，第二子组的燃烧室的气缸设置有燃料进入阀或者燃料喷射阀，燃料进入阀在相关活塞的从下止点向上止点的冲程期间允许加压气体燃料进入相关燃烧室，燃料喷射阀在相关活塞在上止点处或上止点附近时将高压气体燃料喷射到相关燃烧室中。

Description

具有气体燃料模式的大型二冲程直流扫气式发动机
技术领域
本公开涉及具有气体燃料模式的大型二冲程内燃发动机，特别是具有气体燃料模式的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扫气内燃气用于例如大型远洋航行船舶的驱动或在发电厂中用作原动机。不仅由于规模庞大，而且这些二冲程柴油发动机的构造不同于任何其他的内燃发动机。
这些大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机越来越多地使用气体燃料而不是常规液体燃料来供给燃料，该气体燃料比方说例如液化天然气(LNG)或液化石油气LPG，常规液体燃料比方说例如船用柴油或重燃油。这种趋向于气体燃料的改变主要受到以下方面的驱动：期望通过减少排放以及期望提供更加环境友好型的原动机。
向气体燃料的发展已经导致了大型二冲程涡轮增压内燃发动机的两种不同类型的发展，该大型二冲程涡轮增压内燃发动机以气体燃料作为主要燃料。
发动机的第一类是直接喷射型，在直接喷射型发动机中，气体燃料在高压下在上止点(TDC)周围被喷射，并且通过压缩(高温引起)引起点火，即，这些发动机按照狄赛尔循环操作。气体燃料在喷射到燃料室中的那一刻被点燃，并且不用担心由于空气过剩率低引起的提前点火或由于空气过剩率高引起的不点火。用于第一类型的气体燃料操作式的大型二冲程涡轮增压内燃发动机的有效压缩比与常规液体燃料操作式的大型二冲程涡轮增压内燃发动机的有效压缩比相比同样高甚至是更高。通常，这种类型的发动机的有效压缩比在大约15和大约17之间，同时几何压缩比大约是30。由于高压缩比，第一类型的发动机的优点是具有非常高的燃料效率。另一个优点是，相对于第二类型的发动机，提前点火和不点火的风险要低得多。
然而，为了能够在上止点处或上止点附近喷射气体燃料，供给至燃料阀的气体燃料的压力需要显著地高于在燃烧室中的压缩压力，其中，该燃料阀将气体燃料喷射到燃烧室中。实际上，气体燃料需要以至少250bar但优选地至少300bar的压力喷射到燃烧室中。泵或泵送站将液化气体燃料的压力增加至例如300bar，并且随后高压液化燃料在高压蒸发单元中蒸发，并且以气体的形态在高压下输送至主发动机的燃料喷射阀。与常规液体燃料的供给系统相比，这个气体燃料的供给系统是昂贵的。
与常规燃料相比，例如天然气之类的气体燃料具有非常低的能量密度。为了用作便利的能量源，密度需要增加。增加能量密度是通过将气体燃料冷却至低温温度来完成的，例如在天然气的示例中产生液化天然气(LNG)。
用于这种气体操作式发动机的气体燃料供给系统包括隔热箱，在隔热箱中储存液化气体，保持液化气体长时间处于液体状态。然而来自周围环境的热流将会增加箱内侧部的温度，从而导致液化气体蒸发。来自该过程的气体被称为蒸发气体(BOG)。从罐中的蒸发气引起的气体燃料的基本稳定流，该气体燃料的基本稳定流需要从罐中移出并且需要处理。在180.0000m3的液化天然气油罐车上，需要处理的蒸发气体的量是每小时几吨，通常大约每小时3000千克，然而，这种类型的液化天然气油罐车的主发动机的气体能量需求是大约每小时4000千克(假设实际上主发动机的所有能量都是天然气)。
使用压缩机将蒸发气体的压力增加至大约300bar的喷射压力在技术上非常有挑战性，因此蒸发气体不能用作第一类型的高压气体喷射大型二冲程涡轮增压内燃发动机的燃料。
使用压缩机，蒸发气体可以增加至例如10bar至20bar的压力，该压力允许蒸发气体用于可以在该压力下通过气体燃料操作的应用中，该应用比方说例如为发电机组，发电机组例如通常与安装在船舶中的大型二冲程涡轮增压内燃发动机相关联(发电机组是四冲程内燃发动机，该四冲程内燃发动机大幅度小于大型二冲程涡轮增压内燃发动机，并且发电机组用于驱动发电机/交流发电机，以产生船舶的电能和热量)。
替代性地，蒸发气体可以在例如低温发电机中再液化。然而，再液化需要昂贵的设备并且消耗大量的能量。
作为最后的紧急方法，可以简单地蒸发掉蒸发气体。
WO2016058611A1公开了一种第一类型的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机。
第二类型的发动机是所谓的低压气体发动机，在该发动机中气体燃料与扫气混合，并且这种第二类型的发动机在燃烧室中对气体燃料和扫气的混合物进行压缩。在第二类型的发动机中，通过沿气缸套的长度方向居中布置的燃料阀而允许气体燃料进入，即在活塞从下止点(BDC)向上止点(TDC)的向上冲程期间，气体燃料在排气门关闭前开始在燃料阀的作用下进入。活塞在燃烧室中对气体燃料和扫气的混合物进行压缩并且该活塞通过定时点火方式在上止点处或上止点附近点燃经压缩的混合物，比方说例如先导油喷射。第二类型的发动机的优点在于，由于当气体燃料进入时，在燃烧室中的压力是相对低的，发动机可以通过气体燃料操作，该气体燃料在例如大约15bar的相对低压下被供给。因此，第二类型的发动机可以通过蒸发气体操作，该蒸发气体通过使用压缩机站而提高压力。因此，用于第二类型的发动机的气体供给系统可以比第一类型发动机所需的气体供给系统便宜，特别是因为第一类型发动机的气体供给系统需要能够处理由油箱生成的蒸发气体的气流，并且锅炉和发电机组仅可以处理这种蒸发气体的气流的一部分，因此在第一类型发动机的气体燃料供给系统中，需要安装和操作相对昂贵的再液化系统。
然而，由于第二类型发动机在燃烧室中压缩混合物，和第一类型发动机相比，第二类型发动机需要通过显著更低的有效压缩比操作。通常，第一类型发动机通过在大约15和大约17之间的有效压缩比操作，而第二类型发动机通过在大约7和大约9之间的有效压缩比操作，其中第二类型发动机的几何压缩比为大约13.5。与第一类型发动机相比，该显著降低的几何学上确定的压缩比导致了第二类型发动机的显著降低的能量效率，并且与具有类似尺寸的第一类型发动机相比，该显著降低的几何学上确定的压缩比也导致了第二类型发动机的更低的最大持续额定值。
另外，第二类型发动机通常需要预燃烧室和定时点火系统以提供可靠的点火。
第二类型发动机的另一个缺点是，在活塞的向上冲程期间，在燃烧室中的空气过剩率和整体温度需要非常精确地控制，以避免由于(局部地)过低的空气过剩率和/或过高的整体温度引起的提前点火，并且以避免由于过高的空气过剩率和/或过低的整体温度引起的不点火。产生均匀混合物的适当的混合是重要的以避免在燃烧室中可以引起提前点火或不点火的局部条件。在瞬态操作中，控制在燃烧室中的这些条件是特别困难的。
DK201770703公开了一种包括第二类型的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机。
WO2014/0971763公开了一种大型二冲程发动机，其中所有的气缸设置有燃料喷射阀和燃料进入阀两者，燃料喷射阀用于将汽化的气体燃料在上止点处或上止点附近进行高压喷射，燃料进入阀用于在活塞从下止点向上止点的冲程期间允许蒸发燃料的进入。该发动机结合了第一类型发动机和第二类型发动机。WO2014/0971763的目的是为了避免柴油机爆震(过早燃烧)，该爆震通过以下方式来避免：通过允许低于爆震阈值的蒸发气体的量进入来获得期望功率水平，并且在上止点处或上止点附近在高压下喷射汽化的气体燃料的情况下，通过喷射、加载期望功率设置所需的能量来获得期望的功率水平。然而，该发动机具有相对复杂和昂贵的燃料输送系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服或至少减少上述问题的发动机和气体燃料供给系统以及方法。
通过本公开的发动机来实现前述目的和其他目的。根据说明书和附图，另外的实施方式是明显的。
根据第一方面，本发明提供了一种大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，该发动机具有多个燃烧室，所述多个燃烧室形成总体一组燃烧室，在所述总体一组中的每个燃烧室由气缸套、活塞和气缸盖限界，所述活塞布置成在下止点与上止点之间往复运动，所述总体一组燃烧室包括第一子组的燃烧室和第二子组的燃烧室，每个燃烧室在所述第一子组中或者在所述第二子组中，所述发动机构造成在至少一个操作模式下以气体燃料作为主要燃料操作，
-第一子组的燃烧室的气缸设置有以下两者：
燃料进入阀，所述燃料进入阀用于在相关活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间允许加压气体燃料进入相关燃烧室，以及
燃料喷射阀，所述燃料喷射阀用于在相关活塞(10)在上止点处或上止点附近将高压气体燃料喷射到相关燃烧室中，
-所述第二子组的燃烧室的气缸设置有：
燃料进入阀，所述燃料进入阀用于在相关活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间允许加压气体燃料进入相关燃烧室，或者
燃料喷射阀，所述燃料喷射阀用于在相关活塞(10)在上止点处或在上止点附近时将高压气体燃料喷射到相关燃烧室中。
通过仅使选定子组的气缸设置有燃料进入阀和燃料喷射阀两者，燃料供给系统的成本可以显著降低，同时仍然提供这样的发动机：该发动机既可以使用用于允许燃料进入的低压气体操作，又可以使用用于燃料喷射的高压气体操作。
在一种发动机中，所有气缸均设置有燃料喷射阀并且少数气缸设置有燃料喷射阀和燃料进入阀两者，这种发动机可以通过燃料进入阀消耗来自液化气体燃料箱的蒸发气体，因此避免提供其他消耗部件的需求，消耗部件确保了蒸发气体以有意义的方式被消耗。
在一种发动机中，所有气缸均设置有燃料进入阀并且少数气缸设置有燃料喷射阀和燃料进入阀两者，这种发动机可以通过燃料进入阀消耗来自液化气体燃料箱的蒸发气体，并且可以通过燃料喷射阀和燃料进入阀两者以较高功率设定来操作气缸，因为供给至这些气缸的气体燃料的总量将不受到爆震或过早燃烧阈值的限制。
根据第一方面的可能的实施方式，发动机构造成在用于第一子组的燃烧室的至少一个操作模式下：
在活塞的从下止点向上止点的冲程期间，通过燃料进入阀允许第一量的加压气体燃料进入到至少一个燃烧室，并且
在所述活塞在上止点处或上止点附近时，通过所述燃料喷射阀将第二量的高压气体燃料喷射至所述至少一个燃烧室。
根据第一方面的可能的实施方式，发动机包括燃料供给系统，该燃料供给系统对用于储存汽化燃料气体的燃料箱进行压缩，该燃料箱产生蒸发气体流，该燃料供给系统构造成将来自该燃料箱的加压蒸发燃料气体供给至燃料进入阀，并且燃料供给系统构造成对来自该燃料箱的高压的液化气体燃料进行汽化，并且燃料供给系统构造成将高压汽化燃料供给至燃料喷射阀。
根据第一方面的可能的实施方式，第二子组的气缸设置有燃料喷射阀，其中，该发动机构造成消耗蒸发气体流中的大部分蒸发气体流或全部的蒸发气体流。
根据第一方面的可能的实施方式，第二子组的气缸设置有燃料进入阀，其中，该燃料系统构造成在高压下对液化气体燃料的小部分进行汽化以用于供给至燃料喷射阀；并且在低压下对液化燃料的小部分进行汽化以用于供给至燃料进入阀。
根据第一方面的可能的实施方式，燃料进入阀布置在气缸套中，并且其中，燃料喷射阀布置在气缸盖中。
根据第一方面的可能的实施方式，发动机还包括活塞控制式的扫气口和/或排气出口，扫气口布置在气缸套中，以用于允许扫气进入燃烧室，该排气出口布置在气缸盖中并且由排气门控制。
根据第一方面的可能的实施方式，发动机构造成在单个发动机循环中允许第一量的加压气体燃料进入，并且喷射第二量的高压气体燃料。
根据第一方面的可能的实施方式，发动机构造成在允许第一量的加压气体燃料进入之后并且在喷射第二量的高压气体燃料之前或在喷射第二量的高压气体燃料的同时，允许第三量的点火液体进入。
根据第一方面的可能的实施方式，第一压力P1是超过150bar的压力，在该第一压力P1下汽化的燃料输送至燃料喷射阀。
根据第一方面的可能的实施方式，第二压力P2是在5bar和40bar之间的压力，优选地是在10bar和20bar之间的压力，在该第二压力P2下蒸发气体输送至燃料进入阀。
根据第一方面的可能的实施方式，第一量的气体燃料形成在给定的发动机循环期间输送至燃烧室的气体燃料的总量的20％至80％，优选地30％至70％，其中，第二量的气体燃料优选地形成在给定的发动机循环期间输送至燃烧室的气体燃料的总量的20％至80％，优选地30％至70％。
根据第一方面的可能的实施方式，第三量的点火液体产生的热值低于在给定的发动机循环期间输送到至少一个燃烧室的所有燃料的热值的5％，优选地低于输送到至少一个燃烧室的所有燃料的热值的3％。
根据第一方面的可能的实施方式，发动机包括至少一个控制器，该控制器连接至燃料进入阀和燃料喷射阀，并且对燃料进入阀和燃料喷射阀进行控制，该控制器配置成操作燃料进入阀和燃料喷射阀，从而：
在活塞的从下止点向上止点的冲程期间，允许第一量的蒸发气体进入至第一子组的燃烧室，以及
当活塞在上止点处或上止点附近时，将第二量的高压汽化的气体燃料喷射至第一子组的燃烧室。
根据第一方面的可能的实施方式，发动机还包括低压操作模式，在该低压操作模式下，发动机构造成在活塞的从下止点向上止点的冲程期间，允许第一量的气体燃料从第二加压气体燃料源进入到至少一个燃烧室，并且发动机构造成当活塞在上止点处或上止点附近时不将第二量的气体燃料从第一加压气体燃料源喷射到至少一个燃烧室中。
根据第一方面的可能的实施方式，发动机还包括高压操作模式，在该高压操作模式下，发动机构造成当活塞在上止点处或上止点附近时，将第二量的气体燃料从第一加压气体燃料源喷射到至少一个燃料室中，并且发动机构造成在活塞的从下止点向上止点的冲程期间，不允许第一量的气体燃料从第二加压气体燃料源进入至少一个燃烧室中。
根据下文描述的实施方式，这些方面和其他方面中将是明显的。
附图说明
在本公开的以下详细部分中，参照在附图中示出的示例实施方式，将更详细地说明方面、实施方式和实施例，其中：
图1是根据示例实施方式的大型二冲程发动机的前视图，
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示意图，
图4是图1的发动机的气缸座和气缸套的截面图，其中，气缸盖和排气门配装至气缸座和气缸套，并且活塞被示出为在上止点和下止点中，
图5是图示了气体交换周期和燃料喷射周期的曲线图，
图6是根据另一个示例实施方式的气缸座和气缸套的截面图，
图7是根据第一实施方式的大型二冲程发动机的示意图，以及
图8是根据第一实施方式的大型二冲程发动机的示意图。
具体实施方式
在以下详细说明中，将参照示例中的大型二冲程低速涡轮增压内燃十字头发动机来描述内燃发动机。图1、图2和图3示出了大型低速涡轮增压二冲程内燃发动机的实施方式，该内燃发动机具有曲轴8和十字头9。图1和图2分别是前视图和侧视图。图3是图1和图2的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机的示意图，其中，该大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机具有进气系统和排气系统。在该示例实施方式中，发动机有排成一线的四个气缸。大型低速涡轮增压二冲程内燃发动机通常有四个到十四个排成一线的气缸，该气缸由发动机机架11承载。发动机可以用作例如在船舶中的主发动机或用作在发电站中使发电机运转的固定式发动机。发动机的总输出可以例如在1,000KW到110,000KW的范围中。
发动机在操作模式下结合气体燃料作为主要燃料以用于使第一子组的气缸进行狄赛尔循环和奥拓循环，因为在活塞的压缩冲程期间，相关气缸被压缩点火，而且对来自进入的第一量的加压气体燃料中的空气燃料混合物进行压缩。当第二量的高压气体燃料被喷射在上止点处或上止点附近时，经压缩的空气燃料混合物被点燃。
在另一操作模式下，发动机可以根据狄赛尔循环操作第一子组的气缸，在狄赛尔循环中，在压缩冲程期间没有燃料被允许进入并且在上止点处或上止点附近所有燃料被喷射，该模式也可以以气体燃料作为主燃料。在另一个操作模式下，发动机可以根据奥拓循环操作第一子组的气缸，在奥拓循环中，压缩机冲程期间所有气体燃料和扫气混合并且空气燃料混合物被压缩，并且在上止点处或上止点附近提供定时点火。
在这个示例实施方式中的发动机是二冲程直流扫气型的发动机，该发动机中，在气缸套1的下部区域中具有扫气口18并且在气缸套1的顶部处具有中央排气门4。因此，燃烧室通过气缸套1、活塞10和气缸盖22限界，该活塞10在气缸套1中布置成在下止点(BDC)与上止点(TDC)之间往复运动。
当活塞10在扫气口18下方时，扫气从扫气容纳部2穿过在各个气缸1的下端部处的扫气口18。当活塞向上运动并且在活塞经过燃料阀30之前，在电子控制器60的控制下，允许气体燃料从气体燃料进入阀30进入。设置有燃料阀30的气缸1将优选地具有多个燃料阀30，多个燃料阀30围绕气缸套的圆周部均匀分布并且安置在位于气缸套1的长度方向的中央区域中。当压缩压力相对低，即当压缩压力远低于在活塞10到达上止点时的压缩压力时，发生气体燃料的进入。
在气缸套1中的活塞10对充入的气体燃料和扫气进行压缩，并且在上止点处或上止点附近，通过燃料喷射阀50喷射高压气体燃料。点火根据狄赛尔原理通过由燃烧室中或上止点附近的高压引起的高温而被触发，该点火可能通过第三少量的先导油(或任何其他适合的点火液体)来辅助，该第三少量的先导油和气体燃料一起由燃料喷射阀50喷射，或者由专用的先导油燃料阀来输送，该先导油燃料阀优选地布置在针对所有气缸1的气缸盖22中。
“在上止点处或上止点附近”是指包括以下的范围：最早活塞在上止点之前大约15度时开始对气体燃料的喷射，并且最迟在上止点之后大约40度时结束。
伴随着燃烧，排气产生。代替先导油燃料阀50或除先导油燃料阀50之外的点火系统的可替代的形式，比方说例如预燃烧室(未示出)、激光点火(未示出)或电热塞(未示出)也可以用于启动点火。
当排气门4打开时，排气流动通过与气缸1相关联的排气管道、流动至排气容纳部3，并且向前流经第一排气管道19进入涡轮增压器5的涡轮机6，排气从涡轮机6流走，流经第二排气管道通过节能器20流到出口21并且进入大气中。涡轮机6通过轴驱动压缩机7，该压缩机7经由进气口12供给新鲜空气。压缩机7将加压的扫气输送至通向扫气容纳部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条件或部分负载条件下，经冷却的扫气流经通过电动马达17驱动的辅助风机16，该辅助风机16对扫气气流进行加压。在发动机负载较高的情况下，涡轮增压器压缩机7输送充分压缩的扫气，然后经由止回阀15绕过辅助风机16。
图3示出了控制器60，比方说例如电子控制单元，该控制器60经由信号线或其他通信通道连接至传感器，该传感器为控制器提供关于发动机的操作状态的信息，并且控制器60连接至由控制器60控制的发动机部件。传感器中的一个传感器以曲柄角传感器的形式示出，该曲柄角传感器向控制器60提供曲轴8的旋转角度。控制器60控制燃料进入阀30、燃料喷射阀50的操作，并且也优选地控制排气门4的操作。
控制器60连接至燃料进入阀30和燃料喷射阀50并且控制燃料进入阀30和燃料喷射阀50，控制器60用于第一子组的气缸，该控制器60配置成操作燃料进入阀30，以在活塞10的从下止点向上止点的冲程期间，允许第一量的气体燃料从第二加压气体燃料源40进入燃烧室处，并且控制器配置成操作燃料喷射阀50，以当活塞10在上止点处或上止点附近时，将第二量的气体燃料从第一加压气体燃料源35喷射到至少一个燃烧室中。
第二子组的气缸中的气缸1设置有燃料进入阀30或者设置有燃料喷射阀50。发动机的气缸1属于第一子组或者属于第二子组。
图4示出了第一子组的气缸套1。根据发动机的尺寸，用于第一子组和第二子组两者的气缸套1可以被制造成具有不同的尺寸，其中，气缸孔通常在250mm至1000mm的范围内，并且相应的气缸孔的典型长度在1000mm至4500mm的范围内。
在图4中，气缸套1被示出为安装在气缸座23中，其中气缸盖22被安置在气缸套1的顶部上，气密接合部位于气缸盖22与气缸套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经过润滑管线24时，该润滑管线24提供对气缸润滑油的供给，然后活塞环(未示出)将气缸润滑油分布到气缸套1的工作表面上。
燃料喷射阀50(通常两个或三个燃料喷射阀50围绕每个气缸的排气门4在周向上分布)安装在气缸盖22中，并且燃料喷射阀50经由第一供给管道36连接至第一高压气体燃料源35，并且燃料喷射阀50经由先导管线28连接至先导油的源27。
在给定的发动机循环期间，第三量的点火液体产生的热值低于输送至燃烧室的所有燃料的热值的5％，优选地低于输送至燃烧室的所有燃料的热值的3％。
燃料喷射阀50可以是在DK178519B1中公开的类型，该燃料喷射阀能够将大量的高压气体燃料和少量的先导油一起喷射至燃烧室中。
由燃料喷射阀50喷射的高压气体燃料和先导油的时间通过电子控制单元60控制，该电子控制单元60通过信号线连接至燃料喷射阀50，该信号线在图3中通过连接至控制器60的虚线示出。
燃料进入阀30安装在气缸套1中，其中燃料进入阀30的喷嘴/吸入开口基本与气缸套1的内部表面齐平，并且其中燃料阀30的后端部从气缸套1的外壁部伸出。通常，在每个气缸套1中设置有一个或两个燃料进入阀30，但可能在每个气缸套1中设置多达三个或四个燃料进入阀30，燃料进入阀30围绕气缸套1周向地分布。在实施方式中的燃料进入阀30基本上沿气缸套1的长度方向布置在中间。
中压气体燃料在燃料进入阀30的作用下进入的时间通过电子控制单元60控制，在实施方式中，该电子控制单元60通过在图3中示意性示出的信号线连接至燃料进入阀30。
发动机构造成对于第一子组的气缸而言允许第一量的加压气体燃料进入，并且在单个发动机循坏内喷射第二量的高压气体燃料，即，在允许第一量的压缩气体燃料进入后，在活塞第一次到达上止点时，第二量的高压气体燃料被喷射。
另外，图4以示意和简化的方式示出了发动机的气体燃料供给系统，其中，第一高压气体燃料源35经由第一供给管道36连接至在气缸盖22中的燃料喷射阀50中的每一个燃料喷射阀50，并且第二中压气体燃料源40经由蒸发气体供给管道41连接至气体燃料阀30中的每一个气体燃料阀30的入口。
在实施方式中，第一高压气体燃料源35的高压P1可以大约在15MPa至45MPa(150bar至450bar)，该高压P1允许气体燃料克服峰值压缩压力并且该高压P1允许气体燃料在上止点处或上止点附近被喷射。
在实施方式中，第二中压气体燃料源40的中压P2可以在大约1MPa至3MPa(10bar至30bar)，该中压P2允许气体燃料在压缩冲程期间进入。
除了以下方面，第二子组的气缸1基本上与上述第一子组的气缸相同：第二子组的气缸1设置有燃料喷射阀50或者设置有燃料进入阀30。
图5是曲线图，其图示了针对第一子组的气缸的根据曲柄角(曲轴8的角度)分别示出了扫气口18、排气门4、燃料进入阀30(GA燃料阀)和燃料喷射阀50(GI燃料阀)的打开和关闭的时间段。该曲线图示出了用于允许气体燃料进入的窗口是相对短的，该窗口允许以非常短的时间使气体燃料和扫气在燃烧室中混合。气体燃料在该非常短的窗口中进入。高压气体燃料在上止点前后的窗口中被喷射。
每个发动机循环输送(进入和喷射)的气体燃料的总量对于第一子组的气缸来说是由发动机载荷规定的。输送的气体燃料的总量是在压力P2下进入气缸的第一量的气体燃料和在压力P1下喷射至气缸中的第二量的高压气体燃料的组合。在实施方式中，输送至第一子组的气缸的热值多达大约70％或80％的气体燃料是在压力P2下从第二加压气体燃料源40进入的气体燃料。在实施方式中，输送至第一子组的气缸的热值的多达大约70％或80％的气体燃料是在压力P1下从第一高压气体燃料源35喷射的气体燃料。
因此，可以调节第一量的气体燃料与第二量的气体燃料之间的比例以匹配从气体燃料的相应源中可获得的燃料的量，即，如果可以从第一高压气体源35中获得相对少的高压燃料，发动机可以使用以下燃料来操作：在压缩冲程期间从第二加压气体燃料源40进入至气缸的相对大量的中压气体燃料、以及在上止点或上止点附近喷射的相对少量的高压气体燃料。另一方面，如果可以从第二加压气体燃料源40中获得相对少的中压气体燃料，发动机可以使用以下燃料来操作：从第一高压气体燃料源35在上止点处或上止点附近喷射至气缸中的相对大量的高压气体燃料、以及在压缩冲程期间从第二加压气体燃料源40进入气缸的相对少量的燃料。
图6示出了第一子组的气缸1的另一实施方式。在图6的实施方式中，为简单起见，与本文先前描述或示出的对应的结构和特征相同或相似的结构和特征通过与先前相同的附图标记来表示。相对于图4的实施方式，在本实施方式中主要的不同在于，气体燃料进入阀30被安置在气缸盖22中。本实施方式允许所有燃料阀30、50均位于气缸盖22中。
发动机具有多个燃烧气缸1，所有的燃烧气缸1一起形成总体一组气缸1。总体一组中只有一个气缸1或选定数量的气缸1设置有燃料喷射阀50和燃料进入阀30两者。这些气缸1形成第一子组。其余的气缸形成第二子组。在本实施方式的第一变形中，在第二子组中的其余的/其他的气缸1仅设置有燃料进入阀30。在本实施方式的第二变形中，在第二子组中的其余的/其他的气缸1仅设置有燃料喷射阀50。
图7是根据第二变形的发动机的示意图。在图7的实施方式中，为简单起见，与本文先前描述或示出的对应的结构和特征相同或相似的结构和特征通过与先前相同的附图标记来表示。在图7的实施方式中，如在上述实施方式中，发动机是大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，在示意形式中示出的发动机主要关注气缸1和燃料供给系统。发动机可以是双燃料发动机，该双燃料发动机具有以常规燃料操作的另外的燃料供给系统(未示出)，该常规燃料比方说例如燃料油，以允许发动机以常规燃料而不是气体燃料来操作。在实施方式中，发动机和燃料系统作为原动机安装在船舶中。
燃料箱26至少部分填充有液化的气体燃料。来自燃料箱26的蒸发气体经由蒸发气体给送管道42输送至压缩机单元46，该压缩机单元46用于将适当的压力提供至蒸发气体，以用于使蒸发气体进入气缸1。第一子组的气缸设置有燃料进入阀30。加压蒸发气体从压缩机单元46经由蒸发气体供给管道41输送至第一子组的气缸的燃料进入阀30。在活塞的从下止点向上止点的冲程期间，蒸发气体通过燃料进入阀30进入至第一子组的气缸1。
在示出的实施方式中，发动机设置有6个气缸1，但是可以理解的是，发动机可以设置有4个至16个气缸之间的任何数量的气缸。在本实施方式中，发动机的六个气缸中的仅两个气缸设置有燃料进入阀30，该燃料进入阀30允许蒸发气体进入至气缸1。因此，全部数量的气缸1中的几个气缸例如少数的气缸1设置有燃料进入阀30。这些少数的气缸1形成第一子组的气缸。在本实施方式中，全部数量的气缸1中的一个气缸与全部数量的大约一半数量的气缸之间的任何数量的气缸设置有燃料进入阀30，即作为第一子组的部分。
根据本实施方式的发动机的所有气缸1都设置有燃料喷射阀50。燃料喷射阀50被供给有源自燃料箱26的呈液态形式的加压汽化的气体燃料。该液化的气体燃料从燃料箱26给送通过给送导管31并且给送至燃料泵37，并且该液化的气体燃料由燃料泵37以液态的形式被加压，并且然后在高压汽化器单元38中汽化。高压汽化的气体燃料从高压汽化器单元38经由第一管道36供给至燃料喷射阀50。当活塞10在上止点处或上止点附近时，该高压汽化的气体燃料通过燃料喷射阀50喷射至气缸1中。
在这个实施方式中，仅设置有燃料喷射阀50的气缸1形成第二子组。在图7中，发动机被示出为使得两个气缸在第一子组中并且四个气缸在第二子组中，但是应当理解的是，在第一子组中的气缸1的数量和相应的第二子组中的气缸的数量可以自由地选择。优选地，第一子组形成少数气缸1，而第二子组形成多数气缸1。
在第一子组中气缸的数量可以被选择，以确保来自燃料箱26的所有的蒸发气体可以通过使燃料进入至第一子组的气缸1而被消耗。
图8示出了根据上文实施方式1的第一变形的发动机的示意图。在图8的实施方式中，为简单起见，与本文先前描述或示出的对应的结构和特征相同或相似的结构和特征通过与先前相同的附图标记来表示。在图8的实施方式中，与上述的实施方式相同，发动机是大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，在示意形式中示出的发动机主要关注气缸1和燃料供给系统。发动机可以是双燃料发动机，双燃料发动机具有以常规燃料操作的另外的燃料供给系统(未示出)，该常规燃料比方说例如燃料油，以允许发动机以常规燃料而不是气体燃料来操作。在实施方式中，发动机和燃料系统作为原动机安装在船舶中。
燃料箱26至少部分填充有液化的气体燃料。来自燃料箱26的蒸发气体经由蒸发气体给送管道42输送至压缩机单元46，该压缩机单元46用于将适当的压力提供给蒸发气体，以用于使蒸发气进入至气缸1。加压蒸发气体从压缩机单元46经由蒸发气体供给管道41输送至第一子组的气缸的燃料进入阀30。由于第一子组的气缸和第二子组的气缸都设置有燃料进入阀30，所以蒸发气体被允许进入至所有的气缸1，该燃料进入阀30构造成在活塞的从下止点向上止点的冲程期间允许气体燃料进入。
在示出的实施方式中，发动机设置有6个气缸1，但是可以理解的是，发动机可以具有4个至16个气缸之间的任何数量的气缸。在本实施方式中，发动机的六个气缸中的仅两个气缸设置有燃料喷射阀50，该燃料喷射阀50将汽化燃料气体喷射至气缸1。因此，全部数量的气缸1中仅几个气缸、例如少数气缸1设置有燃料喷射阀50。该少数气缸1形成第一子组的气缸。在本实施方式中，全部数量的气缸1中的一个气缸与全部数量的气缸中的大约一半数量的气缸之间的任何数量的气缸都设置有燃料喷射气缸50，即作为第一子组的部分。
如上所述，根据本实施方式的发动机的所有气缸1都设置有燃料进入阀30并且接纳加压的蒸发气体。因此，第一子组的气缸有燃料进入阀30和燃料喷射阀50两者。
第一子组的燃料喷射阀50被供给有来自燃料箱26的呈液态形式的加压汽化的气体燃料。该液化的气体燃料从燃料箱26给送通过给送导管31并且供给至燃料泵37，并且该液化的气体燃料被燃料泵37以液态形式被加压，然后该液化的气体燃料在高压汽化器单元38中汽化。高压汽化的气体燃料从高压汽化器单元38经由第一管道36供给至燃料喷射阀50。当活塞10在上止点处或上止点附近时，该高压汽化的气体燃料通过燃料喷射阀50喷射至第一子组的气缸1中。
在这个实施方式中，仅设置有燃料进入阀30的气缸1形成第二子组。
在图8中，发动机被示出为两个气缸1在第一子组中并且四个气缸1在第二子组中，但是应当理解的是，在第一子组中的气缸1的数量和相应的第二子组中的气缸的数量可以自由地选择。优选地，第一子组形成少数的气缸1，第二子组形成多数的气缸1。发动机中，所有气缸1设置有燃料进入阀30并且少数气缸1设置有燃料喷射阀50和燃料进入阀30两者，这种发动机可以通过燃料进入阀30消耗来自液化的气体燃料箱的蒸发气体，并且该发动机可以通过燃料喷射阀50和燃料进入阀30两者在较高的功率设定的情况下操作第一组气缸，因为供给至这些气缸1的气体燃料的总量较少受到爆震或过早燃烧的限制。
已经结合本文的各个实施方式描述了各个方面和实施例。然而，通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员在实施所要求保护的主题时，可以理解和实现所公开的实施方式的其他变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“a(一个)”或“an(一)”不排除多个。单个处理器、控制器、或其他单元可以实现权利要求中提及的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中提及的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 (9)

1.一种大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，所述发动机具有多个燃烧室，所述多个燃烧室形成总体一组燃烧室，所述总体一组燃烧室中的每个燃烧室由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)限界，所述活塞(10)通过十字头(9)连接至曲轴(8)，并且所述活塞(10)布置成在下止点与上止点之间往复运动，
所述发动机包括活塞控制式的扫气口(18)并且包括中央排气出口，所述扫气口(18)布置在所述气缸套(1)中以用于允许扫气进入至所述燃烧室，所述中央排气出口布置在所述气缸盖(22)中并且由中央排气门(4)控制，
所述总体一组燃烧室包括第一子组的燃烧室和第二子组的燃烧室，其中，每个燃烧室在所述第一子组中或者在所述第二子组中，所述发动机构造成在至少一个操作模式下以气体燃料作为主要燃料来操作，
-所述第一子组的燃烧室的所述气缸套(1)设置有以下两者：
两个、三个或四个燃料进入阀(30)，所述第一子组的燃烧室的所述气缸套(1)的所述燃料进入阀(30)布置在相关气缸的所述气缸套(1)中并且围绕所述气缸套(1)周向地分布，并且所述第一子组的燃烧室的所述气缸套(1)的所述燃料进入阀(30)构造成用于在相关活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间允许加压气体燃料进入相关燃烧室，以及
两个或三个燃料喷射阀(50)，所述第一子组的燃烧室的所述气缸套(1)的所述燃料喷射阀(50)围绕所述中央排气门(4)周向地分布并且安装在相关气缸套(1)的所述气缸盖(22)中，所述第一子组的燃烧室的所述气缸套(1)的所述燃料喷射阀(50)用于在相关活塞(10)在上止点处或上止点附近时将高压气体燃料喷射到相关燃烧室中，
-所述第二子组的燃烧室的所述气缸套(1)设置有：
两个、三个或四个燃料进入阀(30)，所述第二子组的燃烧室的所述气缸套(1)的所述燃料进入阀(30)布置在相关气缸套(1)中并且围绕所述气缸套(1)周向地分布，所述第二子组的燃烧室的所述气缸套(1)的所述燃料进入阀(30)用于在相关活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间允许加压气体燃料进入相关燃烧室，或者
两个或三个燃料喷射阀(50)，所述第二子组的燃烧室的所述气缸套(1)的所述燃料喷射阀(50)围绕所述中央排气门(4)周向地分布并且安装在相关气缸套(1)的所述气缸盖(22)中，所述第二子组的燃烧室的所述气缸套(1)的所述燃料喷射阀(50)用于在相关活塞(10)在上止点处或上止点附近时将高压气体燃料喷射到相关燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机构造成在用于所述第一子组的燃烧室的所述至少一个操作模式下：
在所述活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间，通过所述燃料进入阀(30)允许第一量的加压气体燃料进入至相关燃烧室，并且
在所述活塞(10)在上止点处或上止点附近时，通过所述燃料喷射阀(50)将第二量的高压气体燃料喷射到所述至少一个燃烧室。
3.根据权利要求1或2所述的发动机，其中，所述发动机包括燃料供给系统，所述燃料供给系统对用于储存液化燃料气体的燃料箱(26)进行压缩，所述燃料箱(26)构造成产生蒸发气体流，所述燃料供给系统构造成将来自所述燃料箱(26)的加压蒸发燃料气体供给至所述燃料进入阀(30)，并且所述燃料供给系统构造成使来自所述燃料箱(26)的高压的液化气体燃料汽化，并且所述燃料供给系统构造成将高压汽化燃料供给至所述燃料喷射阀(50)。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述第二子组的气缸套(1)设置有燃料喷射阀(50)，其中，所述发动机构造成通过所述第一子组的气缸套(1)的所述燃料进入阀来消耗所述蒸发气体流中的大部分蒸发气体流或全部蒸发气体流。
5.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述第二子组的气缸套(1)设置有燃料进入阀(30)，其中，所述燃料供给系统构造成：在高压力下使所述液化气体燃料的小部分汽化，以用于供给至所述燃料喷射阀(50)；并且在低压力下使所述液化气体燃料的大部分汽化，以用于供给至所述燃料进入阀(30)。
6.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述发动机构造成用于在单个发动机循环中允许所述第一量的加压气体燃料进入所述第一子组的气缸套(1)，以及向所述第一子组的气缸套(1)喷射所述第二量的高压气体燃料。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中，所述第一量的加压气体燃料为在给定的发动机循环期间输送至所述燃烧室的气体燃料的总量的20％至80％。
8.根据权利要求6所述的发动机，其中，所述第二量的高压气体燃料为在给定的发动机循环期间输送至所述燃烧室的气体燃料的总量的20％至80％。
9.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括至少一个控制器(60)，所述控制器(60)连接至所述燃料进入阀(30)和所述燃料喷射阀(50)，并且对所述燃料进入阀(30)和所述燃料喷射阀(50)进行控制，所述控制器(60)配置成操作所述燃料进入阀(30)和所述燃料喷射阀(50)，从而：
在所述活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间，允许第一量的蒸发气体进入至所述第一子组的所述燃烧室，以及
当所述活塞(10)在上止点处或在上止点附近时，将第二量的高压汽化气体燃料喷射至所述第一子组的所述燃烧室中。
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