CN117449988A - 排气冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种排气冷却装置(1)。本发明还涉及一种内燃发动机。所述排气冷却装置(1)包括：预冷喷管(2)；流出管(3)；以及吸收器单元(4)，所述吸收器单元(4)具有高度(h)、最大宽度(w)和最大长度(l)，其中所述最大长度(l)长于所述最大宽度(w)。所述排气冷却装置(1)还包括：流入偏转器壳体(6)，所述流入偏转器壳体(6)沿着所述吸收器单元(4)的所述长度(l)成锥形并且与所述预冷喷管(2)和所述吸收器单元(4)流体连接；以及流出偏转器壳体(7)，所述流出偏转器壳体(7)沿着所述吸收器单元(4)的所述长度(l)成锥形并且与所述吸收器单元(4)和所述流出管(3)流体连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的排气冷却装置，并且还涉及一种内燃发动机。
本发明优选地涉及如大型船舶发动机或轮船发动机或固定发动机之类的内燃发动机，这种发动机的气缸具有至少200mm的内径。该发动机优选为二冲程发动机或二冲程十字头发动机。该发动机可以是柴油发动机或燃气发动机、双燃料发动机或多燃料发动机。这种发动机中的液体燃料和/或气体燃料可以燃烧，并且是自点火或强制点火的。
背景技术
内燃发动机可以是纵向冲洗式二冲程发动机。
术语“内燃发动机”还指不仅可以以柴油模式(其特征在于燃料的自点火)操作，而且还可以以奥托模式(其特征在于燃料的强制点火)或以两者的混合模式操作的大型发动机。此外，术语“内燃发动机”特别包括双燃料发动机和大型发动机，其中燃料的自点火用于另一种燃料的强制点火。
发动机转速优选低于800RPM(对于四冲程发动机而言尤其如此)，并且更优选低于200RPM(对于二冲程发动机尤其如此)，低于200RPM表示指定为低速发动机。
燃料可以是柴油或船用柴油或重质燃料油或乳液或浆料或甲醇或乙醇以及诸如液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)之类的气体/燃气等。
可根据需要添加的其它可能的燃料是：LBG(液化沼气)、生物燃料(例如由藻类或海草制成的油)、氨、氢、来自CO2的合成燃料(例如通过电力转化为气体或电力转化为液体制成的燃料)。
大型船舰(特别是用于运输货物的船舶)通常由内燃发动机(特别是柴油和/或燃气发动机，主要是二冲程十字头发动机)提供动力。
为了降低燃气/空气混合物的反应性和甲烷逃逸(slip)，已知提供排气再循环(EGR)，特别是低压排气再循环(EGR)，例如EP 3 722 572 A1中所示的排气再循环。排气的一部分被再循环到气缸中，而排气的另一部分被引导至烟囱并释放到环境中。
然而，高压EGR路径差不多直接插设在排气歧管与进气歧管之间，低压EGR路径可以在涡轮增压器的涡轮下游分支，并且再循环排气可以与新鲜空气一起通过涡轮增压器的压缩机来引导。
通常，低压EGR路径设置有低压EGR冷却装置。低压EGR冷却器可能具有太大以至于不能将其装设在发动机附近或发动机上的尺寸。
当EGR冷却器布置在气缸体外部时，会出现干扰其它辅助装置的问题。此外，必须获得重物的支撑强度。
EP2853726B1公开了允许减小低压冷却器尺寸的特定发动机设计。
JP2000248936A2公开了一种具有小安装空间的EGR冷却器的发动机。EGR冷却器靠近发动机主体的后端布置。EGR冷却器由联接到发动机主体的一部分和进气管的一部分的单个装设支架支撑。
然而，当EGR冷却器具有相当大的体积和重量时，发动机本身变得较大并且不能紧凑地安装在小的发动机室内。特别地，由于低压EGR冷却器中的低压和低速，利用水的流注/连续传递提供冷却的冷却吸收器的尺寸太大，不可能装设在发动机的长边。吸收器超过了发动机与发动机室壁之间可用的空间。
US 10,100,787B2和DE 102014115453 A1公开了这样一种EGR冷却器，该EGR冷却器具有平行布置的通道，其作为热交换器操作，EGR气体被引导穿过该热交换器。
发明内容
本发明基于提供避开已知缺点的排气冷却装置以及内燃发动机的任务，特别提出了布置可变性更高的EGR冷却装置，以便提供具有发动机上的EGR冷却装置的发动机。
该目的借助如下所述的排气冷却装置来实现。
根据本发明，用于大型内燃发动机的排气冷却装置包括预冷喷管、流出管和吸收器单元。
预冷喷管提供排气入口，而流出管提供排气出口。吸收器单元流体地布置在预冷喷管与流出管之间。
标准管式冷却吸收器具有1至6m的直径。吸收器单元具有高度、最大宽度和最大长度，其中最大长度长于最大宽度。优选地，最大宽度小于可比标准管式吸收器的直径的50％。优选地，最大宽度小于3m。
流动面积(flow area)是垂直于主流动方向的横截面面积，其中排气沿着该主流动方向流动。吸收器单元或单独的吸收器的流动面积平行于由吸收器单元或单独的吸收器的宽度和长度跨越的平面，而穿过吸收器单元的流动方向平行于高度的方向。
排气冷却装置还包括沿着吸收器单元的长度成锥形(tapering)的流入偏转器壳体。流入偏转器壳体与预冷喷管和吸收器单元流体连接。
流入偏转器壳体的锥形形式可以用于将气体的主流动方向从流入偏转器壳体中的第一主流动方向改变为吸收器单元中的第二主流动方向，其中第二主流动方向优选垂直于第一主流动方向。
流入偏转器壳体的流动面积可以在吸收器单元的长度上在经过流入偏转器壳体的主流动方向的方向上减小。
排气冷却装置还包括沿着吸收器单元的长度成锥形的流出偏转器壳体。流出偏转器壳体与吸收器单元以及流出管流体连接。
流出偏转器壳体的锥形形式可以用于将气体的主流动方向从吸收器单元中的第二主流动方向改变为流出偏转器壳体中的第三主流动方向，其中第二主流动方向优选垂直于第三主流动方向。
流出偏转器壳体的流动面积可以在吸收器单元的长度上在经过流出偏转器壳体的主流动方向的方向上增大。流入偏转器壳体和流出偏转器壳体各自邻近吸收器单元布置。
流入偏转器壳体的锥形形式允许排气均匀地流动至吸收器单元的流动面积，而流出偏转器壳体的锥形形式允许排气从吸收器单元的流动面积均匀地流动。这在排气具有低压时(例如在低压排气再循环系统中)也适用。
因此，对于具有不对称流动面积的吸收器单元，排气的压力可以均匀分布。在此背景下，不对称的流动面积是指不具有圆形或二次对称的流动面积，因为最大宽度小于最大长度。
具有非对称流动面积的吸收器单元使得有更多的方式来定位冷却器。可以用足够小的宽度实现冷却所需的流动面积，所述小宽度可以适于发动机周围和/或发动机与室壁之间可用的空间。
预冷喷管、流出管、吸收器单元、流入偏转器壳体和流出偏转器壳体优选地是分离或单独的构造部件，每个构造部件可以以相对于彼此可选的取向组合，只要排气可以首先流过预冷喷管，然后流过流入偏转器壳体，流过吸收器单元，流过流出偏转器壳体，最后流过流出管即可。因此，排气冷却装置可以适于特定的空间条件。
预冷喷管、流入偏转器壳体、流出偏转器壳体、吸收器单元的壁和流出管可以由不锈钢或涂层钢制成以耐酸性冷却水。壁的厚度可以是3mm至8mm。
另选地，壁也可以由可以承受高达100℃的温度的合成材料制成。
吸收器单元可以包括至少一个单独的吸收器。
优选地，吸收器单元包括沿着吸收器单元的长度平行布置的至少两个单独的吸收器。
吸收器单元的总流动面积由单独的吸收器(或多个吸收器)的流动面积限定。
(多个)单独的吸收器通常具有封闭的壁。
相平行的单独吸收器可以具有相同的功能类型和/或可以各自具有相同的、优选圆柱形的形状，该形状具有相同的流动面积和相同的高度。
高度可以为0.5至5m，长度为2至10m，直径为0.5至3m。
对于平行布置的(多个)单独的吸收器，吸收器单元的宽度通常由(多个)单独吸收器的宽度给定。吸收器单元的长度由单独吸收器的长度的总和以及单独的吸收器之间的距离给定。
单独的吸收器可以包括具有矩形流动面积的柱形形状。
平行布置的单独的吸收器可以各自包括具有圆形或矩形流动面积的柱形形状。
单独的吸收器可以具有任何流动面积轮廓(例如椭圆形)，只要吸收器单元的宽度小于吸收器单元的长度即可。
矩形流动面积提供吸收器单元内的流动面积的较大面积容量。当冷却器中的压力可能上升到0.5巴时，圆形或椭圆形流动面积提供更好的压力阻力，在气缸中的失火事件的情况下可能需要这种圆形或椭圆形流动面积。
吸收器单元(特别是每个单独的吸收器)可以包括冷却层。冷却层可以包括作为散状材料或疏松材料(bulk material)提供的轧制不锈钢片或带。不锈钢通常耐得住排气中可能含有的任何侵蚀性污染物。
排气可以流过散状材料或疏松材料并将其热量放出到轧制钢片。
在预冷喷管中布置有至少一个水喷嘴。优选地，喷嘴布置成向预冷喷管的内壁喷射。因此，流过管道的排气向管道放出热量，管道则被水冷却。
优选地，排气可以沿着预冷喷管从大约230℃至280℃的温度冷却到大约80℃至90℃的温度。长度取决于冷却功率并且优选地等于或大于吸收器单元的高度。
优选地，预冷喷管具有J形形状，以将排气指向冷却水并引导冷却水。预冷喷管以及流出管通常具有圆形横截面。
直径优选等于吸收器单元的宽度。
优选地，锥形流入偏转器壳体的开口直径沿着排气的流动路径减小，使得压力沿着吸收器单元的长度差不多或基本保持恒定，而越来越多的排气离开流入偏转器壳体到达吸收器单元。
类似量的排气可以被引导到平行的单独吸收器中的每一者。
优选地，锥形流出偏转器壳体的开口直径逆着排气的流动路径减小或沿着排气的流动路径增大。因此，压力沿着吸收器单元的长度差不多或基板保持恒定，而越来越多的排气从吸收器单元添加到流出偏转器壳体。
优选地，流入偏转器壳体布置在吸收器单元下方和/或流出偏转器壳体布置在吸收器单元上方。因此，排气从底部到顶部流过吸收器单元。这在吸收器单元中提供用于冷却的水的情况下特别有利。
吸收器单元可以包括至少一个喷水喷嘴。优选地，吸收器单元包括平行布置的(多个)单独的吸收器以及每个单独吸收器所用的至少一个喷水喷嘴。
优选地，喷嘴布置在冷却层上方并且指向冷却层。因此，吸收来自排气的热量的冷却层被水冷却。冷却水的温度提供排气的充分冷却。特别地，喷嘴被布置成不指向吸收器单元的壁，因为在这种情况下冷却水将从壁流失。
排气在吸收器单元中可以从80至90℃的温度冷却到30至35℃的温度。
优选地，喷嘴产生水浴，就像具有直径为1至2mm的液滴的雨水。
多个喷嘴可以借助共轨连接。共轨可以从供水管道分支，供水管道还为预冷喷管提供冷却水。
流出管可以包括除雾器。除雾器减小排气中所含水滴的尺寸，优选地将水滴的尺寸减小到40微米以下的直径。
冷却水返回管线可以优选地在最低点处连接到流入偏转器壳体。由于流入偏转器壳体的锥形形式，水可以被引导到冷却水返回管线。
来自预冷喷管和来自吸收器单元的冷却水可以被收集在流入偏转器壳体中，并且可以被引导到冷却水返回管线。
冷却水返回管线可以流体地连接到循环水箱。可以使循环水达到合乎需要的温度，特别地可以被冷却，和/或可以被清洁，并且可以再次用作预冷喷管和/或吸收器单元中的冷却水。
根据本发明，内燃发动机(即大型船舶发动机或固定发动机)优选为二冲程发动机或二冲程十字头发动机。内燃发动机包括内径至少为200mm的至少一个气缸。
内燃发动机包括如上所述的排气冷却装置。
内燃发动机优选地包括至少一个涡轮增压器，涡轮增压器包括涡轮和压缩机。
内燃发动机还可以包括用于排气再循环的系统，该系统至少具有流体地布置在气缸的排气出口和空气入口之间的低压EGR路径。借助低压EGR路径，排气以可经由涡轮增压器的涡轮引导。排气的至少一部分可通过涡轮增压器的压缩机被引导到气缸的空气入口。排气冷却装置可以布置在涡轮和压缩机之间的低压EGR路径中。
排气冷却装置可以装设到气缸套和/或发动机框架和/或发动机平台。
气缸套是气缸的保持结构。发动机平台连接到气缸套。气缸套、发动机框架和发动机平台通常由铸铁制成以提供稳定性。
因此，排气冷却装置可以装设在“发动机上”，而不是装设到船舰或发动机壳体的一部分。
附图说明
下面借助示例性实施方式和附图解释本发明的其它有利方面。在图中，以示意性的方式：
图1示出了内燃发动机的示意图；
图2以第一侧视图示出了排气冷却装置的第一实施例的示意图；
图3以第二侧视图示出了排气冷却装置的第一实施例的示意图；
图4以立体图示出了排气冷却装置的第一实施例的示意图；
图5以立体图示出了排气冷却装置的第二实施例的示意图；
图6以立体图示出了排气冷却装置的第三实施例的示意图；
图7以立体图示出了排气冷却装置的第四实施例的示意图；
图8以第一立体图示出了内燃发动机的第一实施例的示意图，该内燃发动机具有排气冷却装置的第二实施例；
图9以第二立体图示出了内燃发动机的第一实施例的示意图；
图10以第一立体图示出了内燃发动机的第二实施例的示意图，该内燃发动机具有排气冷却装置的第二实施例；
图11以第二立体图示出了内燃发动机的第二实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了内燃发动机100的示意图。
内燃发动机100包括内径102至少为200mm的至少一个气缸101。
内燃发动机100包括具有涡轮104和压缩机105的涡轮增压器103。内燃发动机100还包括用于排气再循环(EGR)的系统106，该系统具有流体地布置在气缸101的排气出口108与空气入口109之间的低压EGR路径107。排气经由涡轮增压器103的涡轮104引导。排气的一部分通过涡轮增压器103的压缩机105被引导到气缸101的空气入口109，压缩机105还抽吸新鲜空气FA。
新鲜空气或新鲜空气与再循环排气的混合物被引导到扫气接收器110。当往复活塞处于较低位置时，新鲜空气或新鲜空气与再循环排气的混合物可以进入气缸101。
EGR阀112布置在EGR路径107中。EGR路径107中的压力可以由背压阀113调节。
排气冷却装置1布置在低压EGR路径107中，在该实施例中，布置在EGR阀112下游。
图2以第一侧视图示出了排气冷却装置1的第一实施例的示意图。
排气冷却装置1包括具有J形形状的预冷喷管2。在预冷喷管2内布置有两个水喷嘴8。排气冷却装置1包括具有除雾器12的流出管3。排气冷却装置1还包括吸收器单元4。
排气进入排气冷却装置1的预冷喷管2，经过吸收器单元4，并在经过流出管3后离开排气冷却装置1。
吸收器单元4具有高度h、最大宽度w(见图6)和最大长度l，其中最大长度l长于最大宽度w。
排气冷却装置1包括沿吸收器单元4的长度l成锥形的流入偏转器壳体6，流入偏转器壳体6与预冷喷管2和吸收器单元4流体连接。锥形流入偏转器壳体6在竖直方向上的开口直径14沿着排气的流动路径减小。
在该实施例中，预冷喷管2的流出端16变宽以连接到吸收器单元4。系统中的最低位置连接到冷却水返回系统。
排气冷却装置1包括沿着吸收器单元4的长度l成锥形的流出偏转器壳体7。流出偏转器壳体7与吸收器单元4和流出管3流体连接。锥形流出偏转器壳体7在竖直方向上的开口直径15逆着排气的流动路径减小。开口直径15沿着排气的流动路径增大。
流入偏转器壳体6布置在吸收器单元4下方，并且流出偏转器壳体7布置在吸收器单元4上方。
吸收器单元4包括沿着吸收器单元4的长度l平行布置的四个单独的吸收器5。
每个单独的吸收器5均包括冷却层9。对于每个单独的吸收器5，布置有喷水喷嘴10以在冷却层9上喷水。喷水喷嘴10借助共轨11连接。
用于收集吸收器单元4和预冷喷管2的冷却水的冷却水返回管线13在最低点处连接至流入偏转器壳体6。
图3以第二侧视图示出了排气冷却装置1的第一实施例的示意图。排气冷却装置1具有细长设计，该细长设计具有小宽度2的单独的吸收器，使得排气冷却装置1可以布置在内燃发动机100与发动机室的壁(图中未示出)之间。
图4以立体图示出了排气冷却装置1的第一实施例的一部分的示意图。排气冷却装置1包括四个具有圆形流动面积的单独吸收器5。
锥形流入偏转器壳体6和锥形流出偏转器壳体7被取向成使得预冷喷管2和流出管3彼此相邻地布置。
图5以立体图示出了排气冷却装置1的第二实施例的示意图。锥形流入偏转器壳体6和锥形流出偏转器壳体7被取向成使得预冷喷管2和流出管3相对于吸收器单元4彼此相对地布置。
图6以立体图示出了排气冷却装置1的第三实施例的示意图。具有高度h、长度l和宽度w的吸收器单元4仅包括一个具有矩形流动面积的单独吸收器5。
图7以立体图示出了排气冷却装置1的第四实施例的示意图。吸收器单元4包括两个单独的吸收器5，各单独吸收器均具有矩形流动面积并且平行布置。
图8以第一立体图示出了内燃发动机100的第一实施例的一部分的示意图，该内燃发动机具有排气冷却装置1的第二实施例。
图9以第二立体图示出了内燃发动机100的第一实施例的一部分的示意图。排气冷却装置1固定在发动机平台处或借助支撑件沿着吸收器单元4的长度l(见图8)相对于发动机曲轴的方向17横过地定向的方向上在发动机的自由端或驱动端处支撑至发动机壳体。
图10以第一立体图示出了内燃发动机100的第二实施例的一部分的示意图，该内燃发动机具有排气冷却装置1的第二实施例。
图11以第二立体图示出了内燃发动机100的第二实施例的一部分的示意图。排气冷却装置1的第二实施例靠近涡轮增压单元放置在发动机1的长边上，其中吸收器单元4的长度l沿着曲轴的方向17取向(见图10)。排气冷却装置1可以装设在平台111上或借助支撑件装设在发动机壳体上(图中未明确示出)。
Claims (15)
1.一种用于大型内燃发动机(100)的排气冷却装置(1)，所述排气冷却装置(1)包括：
预冷喷管(2)；
流出管(3)；
吸收器单元(4)，所述吸收器单元(4)具有高度(h)、最大宽度(w)和最大长度(l)，所述最大长度(l)比所述最大宽度(w)长；
流入偏转器壳体(6)，所述流入偏转器壳体(6)沿着所述吸收器单元(4)的所述长度(l)成锥形并且与所述预冷喷管(2)和所述吸收器单元(4)流体连接；以及
流出偏转器壳体(7)，所述流出偏转器壳体(7)沿着所述吸收器单元(4)的所述长度(l)成锥形并且与所述吸收器单元(4)和所述流出管(3)流体连接。
2.根据权利要求1所述的排气冷却装置(1)，其中，所述吸收器单元包括至少一个单独的吸收器(5)，优选包括至少两个单独的吸收器(5)，所述至少两个单独的吸收器(5)沿着所述吸收器单元的所述长度(l)平行布置。
3.根据权利要求2所述的排气冷却装置(1)，其中，所述单独的吸收器(5)包括矩形流动面积，或者平行布置的所述至少两个单独的吸收器(5)包括圆形流动面积。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的排气冷却装置(1)，其中，在所述预冷喷管(2)内设置有至少一个水喷嘴(8)。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的排气冷却装置(1)，其中，所述预冷喷管(2)具有J形形状。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的排气冷却装置(1)，其中，成锥形的所述流入偏转器壳体(6)的开口直径(14)沿着排气的流动路径减小。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的排气冷却装置(1)，其中，成锥形的所述流出偏转器壳体(7)的开口直径(15)逆着排气的流动路径减小。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的排气冷却装置(1)，其中，所述流入偏转器壳体(6)布置在所述吸收器单元(4)下方和/或所述流出偏转器壳体(7)布置在所述吸收器单元(4)上方。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的排气冷却装置(1)，其中，所述吸收器单元(4)包括冷却层(9)。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的排气冷却装置(1)，其中，所述吸收器单元(4)包括至少一个喷水喷嘴(10)，所述喷水喷嘴(10)优选地借助共轨(11)连接，优选地，所述吸收器单元(4)包括多个单独的吸收器和每个单独的吸收器所用的至少一个喷水喷嘴。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的排气冷却装置(1)，其中，所述流出管(3)包括除雾器(12)。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的排气冷却装置(1)，其中，冷却水返回管线(13)连接至所述流入偏转器壳体(6)，优选在最低点处连接至所述流入偏转器壳体(6)。
13.一种内燃发动机(100)，即大型船舶发动机或固定发动机，优选二冲程发动机或二冲程十字头发动机，所述内燃发动机(100)包括内径(102)至少为200mm的至少一个气缸(101)，其中，所述内燃发动机(100)包括根据前述权利要求中至少一项所述的排气冷却装置(1)。
14.根据权利要求13所述的内燃发动机(100)，其中，所述内燃发动机(100)包括至少一个涡轮增压器(103)，所述涡轮增压器(103)包括涡轮(104)和压缩机(105)，所述内燃发动机(100)还包括用于排气再循环的系统(106)，所述系统(106)至少具有低压EGR路径(107)，所述低压EGR路径(107)流体地布置在所述气缸(101)的排气出口(108)与空气入口(109)之间；其中排气能经由所述涡轮增压器(103)的所述涡轮(104)引导，并且所述排气的至少一部分能够通过所述涡轮增压器(103)的所述压缩机(105)被引导到所述气缸(101)的所述空气入口(109)，并且其中所述排气冷却装置(1)布置在所述低压EGR路径(107)中。
15.根据权利要求14所述的内燃发动机(100)，其中，所述排气冷却装置(1)装设至气缸套和/或发动机框架和/或发动机平台。
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