CN112177763B - 大型二冲程直流扫气式气体燃料发动机 - Google Patents

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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，该发动机具有以气体燃料作为主要燃料的至少一个燃烧室，该至少一个燃烧室由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)限界。该活塞(10)布置成在上止点与下止点之间往复运动以产生高于20的几何压缩比。该发动机构造成在活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间，允许第一量的加压气体燃料进入至少一个燃烧室，从而在燃烧室中形成空燃比高于50的空气燃料混合物。该发动机还构造成当活塞(10)在上止点处或上止点附近时将第二量的高压气体燃料喷射到至少一个燃烧室中。

Description

大型二冲程直流扫气式气体燃料发动机
技术领域
本公开涉及大型二冲程气体燃料内燃发动机，尤其涉及具有十字头的大型二冲程直流扫气式内燃发动机，其主要使用气体燃料在操作模式下运行。
背景技术
具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机例如用于推进大型远洋轮船或用作发电厂中的原动机。这些二冲程柴油发动机不仅由于尺寸庞大，而且其结构也不同于任何其他内燃发动机。
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使用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。泵或泵送站将经液化的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)，该天然气主要包括甲烷。
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)。
使用压缩机将这种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。
DK201670361A1公开了第一类型的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，以及用于输送高压气体燃料以用于高压喷射到燃烧室中的气体燃料供给系统。
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燃料供给系统可以比第一类型发动机所需的气体燃料供给系统便宜，特别是因为第一类型发动机的气体燃料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。
因此，需要一种大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，其能够以气体燃料作为主要燃料来操作，以克服或至少减少上述第一类型和第二类型的发动机的缺点。
此外，需要一种用于向大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机供给气体燃料的气体燃料供给系统，该气体燃料供给系统提供了在压力下的气体燃料，该气体燃料可以用于在大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机中燃烧，该气体燃料供给系统克服了或至少减轻了上述气体燃料供给系统的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服或至少减轻上述问题的发动机和气体燃料供给系统以及方法。
通过本公开的各方面来实现前述和其他目的。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，提供了一种大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，所述发动机具有至少一个燃烧室，所述至少一个燃烧室由气缸套、活塞和气缸盖限界，所述活塞布置成以高于20的几何压缩比在下止点与上止点之间往复运动，并且所述发动机构造成在至少一种操作模式下使用气体燃料作为主要燃料来操作，所述发动机还构造成在至少一种操作模式下：
在所述活塞的从下止点向上止点的冲程期间，允许第一量的加压气体燃料进入所述至少一个燃烧室，以用于与被允许进入所述燃烧室的扫气混合，从而获得空燃比高于50的空气燃料混合物，以及
当所述活塞在上止点处或上止点附近时，将第二量的高压气体燃料喷射到所述至少一个燃烧室中。
通过提供一种发动机，即大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，该发动机构造成：在压缩冲程期间允许中压气体燃料进入，并且在上止点(TDC)处或上止点附近喷射高压气体燃料，该发动机具有以下效果：可以将压缩冲程中燃烧室中的空气过剩率保持较高，即高于50(质量空气/质量燃料(例如，NLG或甲烷))，从而将提前点火的风险降到最低并避免了需要在压缩冲程期间非常精确地控制空气过剩率和整体温度。另外，该发动机具有以下效果：尽管在压缩冲程期间空气过剩率较高，但是在TDC处或TDC附近的高压气体燃料的喷射确保点火并因此避免不点火。另外，与第二类型的发动机的已知发动机相比，抵抗提前点火的稳健性允许更高的有效压缩比，即高于20，从而与第二类型的发动机相比，使根据第一方面的发动机提供了显著更高的高燃料效率。此外，根据第一方面的发动机中，可以避免第二类型的发动机中通常需要的预燃室。另外，优点在于，根据第一方面的发动机具有消耗大量中压气体燃料的能力，这实际上是使用压缩机从蒸发气体中容易获得的，因此与第一类型的发动机相比，减少了对蒸发气体进行昂贵的再液化的需要。
在本领域中，几何压缩比被定义为在活塞位于下止点(BDC)处的情况下的燃烧室的容积与在活塞位于上止点(TDC)处的情况下的燃烧室的容积之比。
在活塞往复式发动机中，几何压缩比仅考虑将气缸内含物压缩到上止点(TDC)处的活塞上方的游隙容积中，并且假定等效的压缩和膨胀。因此，几何压缩比被定义为在活塞位于下止点(BDC)处的情况下燃烧室的容积与在活塞位于上止点(TDC)处的情况下燃烧室的容积之比。
有效压缩比还考虑了排气门事件和进气升压。
根据第一方面的发动机将狄塞尔循环与奥托循环结合在一起以形成全新的循环，这在大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机中是前所未有的。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机还包括活塞控制式的扫气口，该扫气口布置在气缸套中，以用于允许扫气进入燃烧室。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机还包括排气出口，该排气出口布置在气缸盖中并由排气门控制。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机还包括用于将气体燃料输送至燃烧室的至少一个燃料阀。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机还包括连接至第一加压气体燃料源的连接件，第一加压气体燃料源优选地具有第一压力P1。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机还包括连接至第二加压气体燃料源的连接件，第二加压气体燃料源优选地具有第二压力P2，该第二压力P2小于第一压力P1。
在第一方面的可能的实施方式中，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。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机构造成在允许第一量的加压气体燃料之后在活塞到达TDC的第一时刻处喷射第二量的高压气体燃料。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机构造成在允许第一量的气体燃料进入之后并且在喷射第二量的气体燃料之前或在喷射第二量的气体燃料同时允许第三量的点火液体。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机中就每个气缸包括至少一个专用点火液体阀。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机包括一个或更多个气体喷射阀，气体喷射阀布置在气缸盖中以用于将第二量的气体燃料喷射到至少一个燃烧室中，气体喷射阀连接至第一气体燃料源。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机包括一个或更多个燃料进入阀，该燃料进入阀优选地布置在气缸套中，以用于允许第一量的气体燃料进入至少一个燃烧室中，该燃料进入阀连接至第二气体燃料源。
在第一方面的可能的实施方式中，第一压力P1是高压，优选地是高于150巴的压力。
在第一方面的可能的实施方式中，第二压力P2是中压，优选地是10巴与30巴之间的压力。
在第一方面的可能的实施方式中，第一量的气体燃料为在给定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为在给定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％。
在第一方面的可能的实施方式中，第三量的点火液体产生的热值低于在给定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％，优选地低于在给定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3％。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机包括至少一个控制器，该控制器连接到至少一个燃料阀并且对至少一个燃料阀进行控制，并且所述控制器配置成操作至少一个燃料阀，使得：
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所述至少一个燃烧室，并且
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烧室。
在第一方面的可能的实施方式中，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，并且该控制器配置成：
在活塞的从下止点向上止点的冲程期间，操作燃料进入阀以允许第一量的气体燃料从第二加压气体燃料源进入所述至少一个燃烧室，并且
当活塞在上止点处或上止点附近时，操作燃料喷射阀以将第二量的气体燃料从所述第一加压气体燃料源喷射到至少一个燃烧室中。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机还包括低压操作模式，在低压操作模式下，该发动机构造成：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至少一个燃烧室；并且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。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机还包括高压操作模式，在高压操作模式下，该发动机构造成：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烧室；并且在活塞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。
在第一方面的可能的实施方式中，发动机包括多个燃烧室，每个燃烧室由气缸套、活塞和气缸盖限界，并且该发动机构造成在至少一种操作模式下以气体燃料作为主要燃料来操作一个或更多个燃烧室，该发动机还被构造为：在至少一种操作模式下，在活塞(10)从下止点向上止点的冲程期间，允许一定量的加压气体燃料进入剩余的燃烧室，并且当活塞在上止点处或者上止点附近时，不将一定量的高压气体燃料喷射到剩余的燃烧室中。因此，剩余的燃烧室/气缸可以在活塞的向上运动期间在允许相对低压的气体进入的情况下以常规方式进行操作，即，根据第一方面来操作一个或更多个选定的燃烧室/气缸。
根据第二方面，提供了一种操作大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机的方法，该发动机具有至少一个燃烧室，至少一个燃烧室由气缸套、活塞和气缸盖限界，该发动机以气体燃料为主要燃料，该方法包括：
使活塞在上止点(TDC)与下止点(BDC)之间往复运动，在活塞从下止点向上止点的冲程期间，允许第一量的加压气体燃料进入至少一个燃烧室，以及当活塞在上止点处或者上止点附近时，将第二量的高压气体燃料喷射到至少一个燃烧室中。
根据第二方面的方法提供与根据第一方面的发动机相同的优点。
根据第三方面，提供了一种根据第二方面的方法操作的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机。
根据第四方面，提供一种大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，该发动机构造成以气体燃料作为主要燃料在至少一种操作模式下进行操作，该发动机包括：
由气缸套、活塞和气缸盖限界的至少一个燃烧室，
活塞，该活塞被布置成在气缸套内在上止点(TDC)与下止点(BDC)之间往复运动，
活塞控制式的扫气口，该扫气口布置在气缸套中以用于允许扫气进入燃烧室，
排气出口，该排气出口布置在气缸盖中并且由排气门控制，
一个或更多个燃料进入阀，一个或更多个燃料进入阀优选地被布置在气缸套中，以用于允许第一量的气体燃料进入至少一个燃烧室中，以及
一个或更多个燃料喷射阀，一个或更多个燃料喷射阀布置在气缸盖中，以用于将第二量的气体燃料喷射到至少一个燃烧室中。
根据第四方面的发动机提供与根据第一方面的发动机相同的优点。
在第四方面的可能的实施方式中，气体喷射阀连接至具有第一压力P1的第一气体燃料源，该第一压力P1优选地在大约150巴与大约450巴之间。
在第四方面的可能的实施方式中，燃料进入阀连接至第二气体燃料源，该第二气体燃料源具有第二压力，该第二压力低于第一压力P1，第二压力P2优选地在大约10巴与大约30巴之间。
在第四方面的可能的实施方式中，发动机包括：
连接至第一加压气体燃料源的连接件，该第一加压气体燃料源具有第一压力P1，以及
连接至第二加压气体燃料源的连接件，该第二加压气体燃料源具有第二压力P2，该第二压力低于第一压力P1。
在第四方面的可能的实施方式中，发动机在至少一种操作模式下构造成：
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至少一个燃烧室，并且
在同一发动机循环中，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烧室中。
在第四方面的可能的实施方式中，第一量的气体燃料为在给定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为在给定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％，并且其中，第三量的点火液体产生的热值低于给定发动机循环期间输送至所述至少一个燃烧室的所有燃料的热值的5％，优选地低于在给定发动机循环期间输送至所述至少一个燃烧室的所有燃料的热值的3％。
在第四方面的可能的实施方式中，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，并且该控制器60被配置为：
在活塞的从下止点向上止点的冲程期间，操作燃料进入阀以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，并且
当活塞在上止点处或上止点附近时，操作燃料喷射阀以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。
根据下面描述的实施方式，这些和其他方面变得明显。
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第一示意图，
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，
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是根据一个实施方式的气体燃料供给系统的示意图，
图7是根据另一实施方式的气体燃料供给系统的示意图，以及
图8是根据另一实施方式的气缸座和气缸套的截面图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将在示例性实施方式中参照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示出了具有曲轴8和十字头9的大型低速涡轮增压二冲程内燃发动机的实施方式。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，该发动机具有其进气系统和排气系统。在该示例性实施方式中，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内燃发动机通常具有成一直线的四个到十四个气缸，气缸由发动机机架11承载。发动机例如可以用作船舶的主发动机或用作用于操作发电站中的发电机的固定式发动机。发动机的总输出可以例如在1,000kW至110,000kW的范围内。
发动机在操作模式下结合气体燃料作为主要燃料以用于进行狄赛尔循环和奥拓循环，因为在活塞10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，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，该模式也可以使用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，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。发动机具有高于20(二十)的几何压缩比。
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。燃料阀30优选地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。发动机构造成在压缩冲程期间允许一定量的气体燃料进入，从而在燃烧室内形成空燃比高于50(质量空气/质量燃料(例如，LNG(甲烷)或LPG))的空气燃料混合物。在压缩冲程期间，燃烧室中高于50的空燃比显著地降低了提前点火的风险
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。在TDC处或其附近的这种高压燃料喷射根据柴油机原理通过燃烧室中或TDC附近的高压所引起的高温来触发点火，燃烧室内的空燃比的显著降低是由来自高压喷射的额外燃料量，可能通过由燃料喷射阀50喷射的第三少量的先导油(或任何其他合适的点火液体)来辅助点火，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51(未示出)来输送，该先导油燃料阀优选地布置在气缸盖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，并且该控制器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。
图4示出了通常设计成用于大型二冲程十字头发动机的气缸套1。根据发动机的尺寸，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。
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至燃烧室的所有燃料的热值的5％，优选地低于在给定的发动机循环期间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。
发动机构造成在单个发动机循坏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，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。
图5是曲线图，其图示了根据曲柄角(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)的气体燃料的总量由发动机载荷规定。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，输送至气缸的热值多达大约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是气体燃料供给系统的示意图，该气体燃料供给系统可以用于将气体燃料供给至大型二冲程涡轮增压内燃发动机，诸如图1至图4所示的发动机。在一实施方式中，气体燃料供给系统安装在液化气罐，即运输大量液化气体燃料的船舶上，所述液化气体燃料比方说例如液化天然气(LNG)或液化石油气(LPG)，液化天然气主要包括甲烷。
气体燃料供给系统被配置成将加压的气体燃料供给至船舶的主发动机和船舶的气体燃料的其他消耗部件，比方说例如：用于为船舶产生热量和电能的发电机组(发电机组通常是四冲程内燃发动机，其显著小于主发动机，并驱动发电机/交流发电机)，尤其是在主发动机被停止时(例如，当船舶在港口中转运货物时)；或以气体燃料操作的锅炉。
气体燃料供给系统还构造成将高压气体燃料供给至主发动机，以在上止点处或上止点附近喷射气体燃料。
因此，气体燃料供给系统包括第二加压气体燃料源，其由附图标记40表示(在图6中由虚线矩形指示)，以用于在压力P2(例如10巴至30巴)下提供气体燃料。气体燃料供给系统还包括第一高压气体燃料源，其由附图标记35表示(在图6中由另一个虚线矩形指示)，以用于在高压P1(例如，在150巴与450巴之间)下提供气体燃料。
气体燃料供给系统包括用于在低温条件下存储液化气体燃料的一个或更多个(绝缘的)储罐26以及高压低温泵单元37。高压低温泵单元37的入口连接至储罐26，以将液化气体燃料给送至高压泵37。通向高压低温泵的低温液化气体燃料流通常具有略高于零、且在零与10巴之间的压力，例如大约5巴，并且例如大约110K的温度。
第一供给导管36连接至高压低温泵单元37的出口并且输送来自高压泵37的高压液化气体燃料流通过高压蒸发器38，以及从高压蒸发器38，高压(蒸发)气体燃料流经过加热器39，然后被输送至主发动机的高压燃料喷射系统。在加热器39中加热高压气体燃料流的步骤是可选的，并且可能需要确保输送至主发动机的喷射系统的气体燃料足够温暖以由喷射系统处理(这取决于所使用的材料和喷射系统的构造，因为通常这种喷射系统不适合应对低温温度，因此经常需要增加高压气体燃料流的温度)。
离开高压低温泵单元37的高压液化燃料流通常将具有在150巴与450巴之间、例如350巴的压力，和例如大约为119K的温度。离开高压蒸发器38的高压(汽化)气体燃料流通常具有在150巴与450巴、例如350巴的压力，和例如大约154K的温度。在经过加热器39之后，高压气体燃料流具有基本上不变的压力，和例如大约318K的温度。
因此，在一实施方式中，高压液化气体燃料流具有高于150巴的压力，并且流过高压蒸发器38，以将高压液化气体燃料流转化成高压气体燃料流，以用于喷射到主发动机中。
蒸发气体导管42将储罐26的蒸发气体出口连接至压缩机单元48的入口，以将蒸发气体流输送至压缩机单元48。第一热交换器43布置在蒸发气体导管42中，以增加流向压缩机单元48的蒸发气体流的温度。在一示例中，蒸发气体导管42中的蒸发气体的压力为大约1巴，并且具有例如大约140K的温度。在经过热交换器43之后，温度例如被增加到大约230K。
压缩机单元48增加蒸发气体流的压力，以在压缩机单元48出口处以产生压力为例如大约15巴以及温度为例如大约318K的加压气体燃料流。压缩机单元48可以在一实施方式中是单级压缩机或(如图所示)多级压缩机单元，并且在每个级之后包括冷却器45。
第二供给导管41连接至压缩机单元48的出口以将加压气体燃料流的第一部分输送至加压气体燃料的一个或更多个消耗部件，比方说例如输送至用于在压缩冲程期间允许加压气体燃料进入的主发动机，或者经由发电机组供给导管47输送至发电机组或者锅炉。
再液化导管46也连接至压缩机单元48的出口并且将加压气体燃料流的第二部分输送通过热交换器43，以与流过热交换器43的蒸发气体进行热交换，并随后使加压气体燃料流经过高压蒸发单元38，以用于与流过高压蒸发单元38的高压液化或汽化的气体燃料流进行热交换。在使加压气体燃料流经过热交换器43之后，加压气体燃料流具有例如159K的温度和大约15巴的基本不变的压力。使加压气体燃料流经过高压蒸发器38，该加压气体燃料流在高压蒸发器中通过正在被汽化的高压气体燃料流进行冷却，在使加压气体燃料流经过高压蒸发器38之后，加压气体燃料具有例如122K的温度和大约15巴的基本不变的压力，并且再液化导管46中的大部分加压气体燃料流已经被再液化。
再液化导管46在高压蒸发器38的下游连接至分离容器32，该容器用于收集由高压蒸发器38的冷却作用而产生的液化气体燃料。分离容器32将再液化气体燃料与依旧为气体的燃料分离。再液化气体导管33将分离容器32的液体出口连接至储罐26的入口，以用于将再液化气体燃料输送至储罐26。气体再循环导管34将分离容器32的气体出口连接至蒸发气体导管42，使得剩余的气体燃料能够参与另一个液化循环。
图7示出了气体燃料供给系统的另一实施方式，该气体燃料供给系统基本上与根据图6的实施方式的气体燃料供给系统相同。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结构和特征相同或相似的结构和特征由与先前相同的附图标记表示。
在该实施方式中，在蒸发单元38和分离容器32之间的再液化导管46中增加了节流装置29，例如膨胀阀29，以使加压气体流的第二部分经受节流过程。
节流装置29在一实施方式中是膨胀阀29。节流装置29提供附加的冷却效应，即焦耳-汤姆逊效应(也称为焦耳-开尔文效应、开尔文-焦耳效应)。焦耳-汤姆森效应描述了当迫使气体通过阀或多孔塞并同时保持其绝缘使得与环境不交换热量时，真实气体或液体(与理想气体不同)的温度变化。此过程被称为节流过程或焦耳-汤姆森过程。气体燃料比如说例如天然气或石油气当通过孔口节流时会通过焦耳-汤姆森过程膨胀而冷却。气体冷却节流过程通常用于制冷过程中，比如空调、热泵和液化器。
气体燃料供给系统中蒸发气体的液化类似于通常用于气体液化的汉普森-林德循环(Hampson–Linde cycle)。汉普森-林德循环依赖于焦耳-汤姆森效应，并且具有以下步骤：
1)通过在压缩器单元46中压缩气体进行加热，从而将外部能量添到加压气体燃料中，以提供整个循环运行所需的能量，
2)用来自热交换器43的下一(最后一)级的返回气体进行冷却，
3)通过将气体浸入较冷的环境中进行冷却，从而在高压蒸发器38中损失一些热量(和能量)，
4)通过使气体经过焦耳-汤姆森孔口、移除热量来进一步冷却，但是保留的能量现在是势能而不是动能。
大多数气体燃料现在被重新液化，并且在当前循环中处于最冷状态的剩余气体燃料被再循环并送回到压缩机单元46，该剩余气体燃料当作为冷却剂在热交换器43工作时被加热，并且送回第一级，开始下一个循环，并在压缩机单元46中通过压缩而重新加热。
气体燃料供给系统可以相对简单并且具有压缩机和高压蒸发系统，该压缩机提供可以处理储罐产生的所有蒸发气体的大约10巴至20巴的压力，该高压蒸发系统可以在最大发动机负载下提供发动机所需燃料的总量的30％至50％。
气体燃料供给系统具有固有的冗余性，并且通过避免单独的冗余系统来节省成本。
图8示出了大型二冲程涡轮增压内燃发动机的另一实施方式，其基本上与根据图1至图4的实施方式的气体燃料供给系统相同。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结构和特征相同或相似的结构和特征由与先前使用的相同附图标记表示。该实施方式相对于图1至图4的实施方式的主要区别在于：气体燃料进气阀30被放置在气缸盖22中。该实施方式允许所有燃料喷射阀30、50位于气缸盖22中。
在一实施方式中，发动机具有多个燃烧室/气缸，并且发动机的仅一个或选定数量的燃烧室/气缸根据上述操作模式进行操作，其中在活塞的向上冲程期间处于相对低压的气体被喷射，在TDC处或TDC附近，具有较高压力的气体被喷射。在该实施方式中，通过在活塞的向上冲程期间仅以相对较低压力的气体进入来操作剩余的燃烧室/气缸，即，对于这些剩余的气缸，在TDC处或其附近不喷射高压气体。替代性地，仅通过在TDC处或TDC附近喷射液体燃料来使剩余的气缸使用液体燃料操作。
发动机可以具有用于主要使用在TDC处或附近喷射的液体燃料(例如柴油(例如，船用柴油或重质燃料油)进行操作的操作模式，从而使发动机成为双燃料发动机。
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 (15)

1.一种大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃十字头发动机，所述发动机具有至少一个燃烧室，所述至少一个燃烧室由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)限界，所述气缸套(1)安装在气缸座(23)中，所述气缸盖(22)设置有中央排气门(4)，所述活塞(10)被布置成以高于20的几何压缩比在下止点与上止点之间往复运动，并且所述发动机构造成在至少一种操作模式下以气体燃料作为主要燃料来操作，所述发动机还构造成在所述至少一种操作模式下：
在所述活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间，允许第一量的加压气体燃料通过设置在所述气缸套(1)中的两个、三个或四个燃料进入阀(30)进入所述至少一个燃烧室，以用于与被允许进入所述至少一个燃烧室的扫气混合，从而获得空燃比高于50的空气燃料混合物，以及
当所述活塞(10)在上止点处或上止点附近时，将第二量的加压气体燃料通过围绕所述中央排气门(4)周向分布的两个或三个燃料喷射阀(50)喷射到所述至少一个燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的发动机，还包括：活塞控制式扫气口(18)，所述扫气口被布置在所述气缸套(1)中以用于允许扫气进入所述至少一个燃烧室；和/或排气出口，所述排气出口被布置在所述气缸盖(22)中并且由所述中央排气门(4)控制；和/或连接至第一加压气体燃料源(35)的连接件，所述第一加压气体燃料源(35)具有第一压力P1；和/或连接至第二加压气体燃料源(40)的连接件，所述第二加压气体燃料源(40)具有低于所述第一压力P1的第二压力P2。
3.根据权利要求1或2所述的发动机，其中，所述发动机构造成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以及喷射所述第二量的加压气体燃料。
4.根据权利要求1或2所述的发动机，其中，所述发动机构造成：在允许所述第一量的加压气体燃料进入之后并且在喷射所述第二量的加压气体燃料之前或在喷射所述第二量的加压气体燃料的同时，允许第三量的点火液体进入。
5.根据权利要求1或2所述的发动机，其中，所述发动机就每个气缸包括至少一个专用点火液体阀。
6.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述燃料喷射阀(50)连接至所述第一加压气体燃料源(35)。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中，所述燃料进入阀(30)连接至所述第二加压气体燃料源(40)。
8.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述第一压力P1是高于150巴的压力。
9.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述第二压力P2是介于10巴与30巴之间的压力。
10.根据权利要求1或2所述的发动机，其中，所述第一量的加压气体燃料为在给定发动机循环期间输送至所述至少一个燃烧室的气体燃料的总量的20％至80％，其中，所述第二量的加压气体燃料为在给定发动机循环期间输送至所述至少一个燃烧室的气体燃料的总量的20％至80％。
11.根据权利要求4所述的发动机，其中，所述第三量的点火液体产生的热值低于在给定发动机循环期间输送至所述至少一个燃烧室的所有燃料的热值的5％。
12.根据权利要求2所述的发动机，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，并且所述控制器(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，允许第一量的加压气体燃料从所述第二加压气体燃料源(40)进入所述至少一个燃烧室，并且
当所述活塞(10)在上止点处或上止点附近时，将第二量的加压气体燃料从所述第一加压气体燃料源(35)喷射到所述至少一个燃烧室中。
13.根据权利要求7所述的发动机，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，并且所述控制器(60)配置成：
在所述活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间，操作所述燃料进入阀(30)以允许第一量的加压气体燃料从所述第二加压气体燃料源(40)进入所述至少一个燃烧室，并且
当所述活塞(10)在上止点处或上止点附近时，操作所述燃料喷射阀(50)以将第二量的加压气体燃料从所述第一加压气体燃料源(35)喷射到所述至少一个燃烧室中。
14.根据权利要求2所述的发动机，还包括低压操作模式，在所述低压操作模式下，所述发动机构造成：在所述活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间，允许所述第一量的加压气体燃料从所述第二加压气体燃料源(40)进入所述至少一个燃烧室；而当所述活塞(10)在上止点处或上止点附近时，不将所述第二量的加压气体燃料从所述第一加压气体燃料源(35)喷射到所述至少一个燃烧室中。
15.根据权利要求2所述的发动机，还包括高压操作模式，在所述高压操作模式下，所述发动机构造成：在上止点处或上止点附近，将所述第二量的加压气体燃料从所述第一加压气体燃料源(35)喷射到所述至少一个燃烧室；而在所述活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间，不允许所述第一量的加压气体燃料从所述第二加压气体燃料源(40)进入到所述至少一个燃烧室中。
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