CN117988969A - 大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及通过如下方式对其进行操作的方法：向燃烧室供给碳基燃料；使碳基燃料在燃烧室中燃烧从而产生含二氧化碳的排气；将呈具有第一温度T1的初级介质流形式的过剩能量流(Q1、Q2、……Qn)供给至热泵(80)；通过热泵(80)产生呈具有高于第一温度T1的第二温度T2的次级介质流形式的能量流(Qr)；通过将贫二氧化碳溶剂流供给到吸收器(42)来将二氧化碳以化学方式从排气吸收到溶剂中并将富二氧化碳溶剂流从吸收器(42)排放至解吸器(64)和再沸器(62)组件；以及通过向解吸器(66)和再沸器(62)组件供给次级介质流的至少一部分来加热而使解吸器(64)和再沸器(62)组件中的富二氧化碳溶剂再次生成。

Description

大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法

技术领域

本公开涉及大型二冲程内燃发动机，特别地涉及具有十字头、以碳基燃料(气体或液体燃料)运行的大型二冲程单流扫气式内燃发动机，该发动机被构造成减少二氧化碳排放，并且本公开涉及对这种类型的发动机进行操作的方法。

背景技术

具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机例如用于大型远洋船舶的推进或用作发电厂中的原动机。不仅由于其尺寸庞大，这些二冲程柴油发动机也被构建成与任何其他内燃发动机不同。这些发动机的排放门可以重达400kg，活塞可以具有达100cm的直径，燃烧室中的最大操作压力通常为数百巴。这些高压力水平和活塞尺寸所涉及的力是巨大的。

大型二冲程涡轮增压内燃发动机使用液体燃料(例如燃料油、船用柴油、重燃料油、乙醇、二甲醚(DME))或使用气体燃料(例如甲烷、天然气体(LNG)、石油气体(LPG)、甲醇或乙烷)进行操作。

使用气体燃料进行操作的发动机可以根据奥托(Otto)循环进行操作，在奥托循环中，气体燃料通过沿汽缸套的长度居中布置或布置在汽缸盖中的燃料阀而被准许进入，即这些发动机在活塞于排放门关闭之前开始的向上冲程(从BDC至TDC)期间准许气体燃料进入，并且在燃烧室中对气态燃料与扫气空气的混合物进行压缩，并且通过正时点火措施、比如液体燃料喷射而在TDC处或TDC附近点燃经压缩的混合物。

使用液体燃料进行操作的发动机以及使用高压喷射的气体燃料进行操作的发动机在活塞接近或处于TDC时、即在燃烧室中的压缩压力处于或接近其最大值时喷射气体燃料或液体燃料，并且因此根据狄塞尔(Diesel)循环、即通过压缩点火进行操作。

在已知的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机中使用的液体燃料和气体燃料通常包含碳，即这些燃料是碳基燃料，并且这些燃料的燃烧导致二氧化碳的产生，二氧化碳被排放到大气中。普遍认为二氧化碳排放会导致气候变化，因此应尽量减少或避免二氧化碳排放。

已知的碳捕获技术通常分为三类：燃烧后CO2捕获、燃烧前CO2捕获和氧燃料燃烧。燃烧前是指在燃料燃烧之前分离和捕获碳质成分。

在燃烧前二氧化碳捕获中，燃料首先与氧气和/或蒸汽反应，然后在水煤气变换反应器中进一步处理，以产生H2和CO2的混合物。CO2是从含有15％至40％的CO2的高压气体混合物中捕获的。燃烧前的一个优点是处理所需的气体体积大大减少，并且气体中的CO2浓度增加。这将减少分离过程的能耗和设备投资。

在氧燃料燃烧中，碳基燃料在再循环烟道气体(flue gas)和纯O2中而不是空气中燃烧。由于O2分离的成本高昂，这限制了氧燃料燃烧的商业化潜力。氧燃料燃烧技术包括空气分离单元，在该空气分离单元中，氮气被从空气中移除。然后碳基燃料在再循环的烟道气体和纯氧中燃烧。现在主要包括来自燃烧的颗粒物、CO2、燃料中的硫氧化物和水的烟道气体在将水冷凝出来之前被发送至颗粒物移除单元、硫移除单元，从而留下可以进行压缩的CO2流。主要优点在于，氧燃料燃烧技术能够实现近100％的CO2捕获。

在燃烧后技术中，碳基燃料像常规的能量产生一样燃烧，并且从排气中捕获二氧化碳。这种碳分离技术大致分为四个子领域，即吸收、吸附、膜和低温。胺溶剂可用于通过吸收而从排气捕获CO2。在此，CO2被捕获在溶剂中，然后进行胺的再次生成过程。缺点是发电厂的大规模扩建以及二氧化碳捕获过程所需的大量能量。特别地，胺溶剂再次生成需要大量的能量。

US4899544公开了一种热电联产/CO2生产设施，该热电联产/CO2生产设施包括：对发电机进行驱动的原动机(内燃发动机、燃气轮机或者动力锅炉和蒸汽轮机的组合)；废热回收单元，来自发动机的热排气穿过该废热回收单元，从而以可用形式回收热能；以及用于将来自废热回收单元的的排气输送至CO2回收单元的装置，在该CO2回收单元中，CO2被提取并且作为可销售的副产品提供。

JP2010088982公开了一种二氧化碳回收系统，该二氧化碳回收系统包括：吸收塔，该吸收塔将燃烧排气中含有的二氧化碳吸收到吸收液体中；再次生成塔，该再次生成塔供给有具有从吸收塔吸收的二氧化碳的吸收液体，该再次生成塔从具有吸收的二氧化碳的吸收液体中释放二氧化碳气体，以使吸收液体再次生成；再沸器，该再沸器对来自再次生成塔的吸收液体进行加热，以产生蒸汽，从而将蒸汽供给至再次生成塔并且将经加热的吸收液体的一部分供给至吸收塔；以及热泵，该热泵位于吸收塔与再次生成塔之间，该热泵用于对从吸收塔供给至再次生成塔的对二氧化碳进行吸收的吸收液体进行加热。

DK 181014B1公开了一种根据权利要求1的前序部分所述的用于对大型远洋船舶进行推进的具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机。

发明内容

目的在于提供克服或至少减少上述问题的发动机和方法。

上述和其他目的是通过独立权利要求的特征实现的。另外的实现形式通过从属权利要求、说明书和附图会变得明显。

根据第一方面，提供了一种用于对大型远洋船舶进行推进的具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，该发动机包括：

至少一个燃烧室，所述至少一个燃烧室是由汽缸套、活塞和汽缸盖限界的，该活塞被构造成在汽缸套中往复运动，

扫气端口，该扫气端口被布置在汽缸套中，以用于准许扫气气体进入到所述至少一个燃烧室中，

燃料系统，该燃料系统被构造成向所述至少一个燃烧室供给碳基燃料，

所述至少一个燃烧室被构造成用于燃烧碳基燃料，从而产生含有二氧化碳的排气流，

排气出口，该排气出口被布置在汽缸盖中并且是由排放门控制的，

所述至少一个燃烧室经由扫气端口18连接至扫气气体接收器并且经由排气出口连接至排气接收器，

排气系统，该排气系统包括涡轮增压器系统的由排气流驱动的涡轮，

进气系统，该进气系统包括涡轮增压器系统的压缩机，该压缩机被构造成用于向扫气气体接收器供给经加压的扫气空气，

发动机在发动机操作期间产生至少一个过剩能量流Q1、Q2、……Qn，

吸收器，该吸收器优选为吸收塔，该吸收器用于将二氧化碳吸收到溶剂中，

解吸器和再沸器组件，该解吸器和再沸器组件用于从溶剂中解吸二氧化碳，

吸收器具有从解吸器接收贫二氧化碳溶剂的溶剂入口和向解吸器供给富二氧化碳溶剂的溶剂出口，

吸收器被布置成用于排气流穿过该吸收器，从而通过将二氧化碳以化学的方式吸收到溶剂中而从排气流中分离出二氧化碳，

解吸器和再沸器组件具有从吸收器接收富二氧化碳溶剂的入口和向吸收器供给贫二氧化碳溶剂的出口，

解吸器和再沸器组件被构造成用于对溶剂进行加热，以从溶剂中释放二氧化碳，以及

至少一个热泵，该热泵被构造成对呈具有第一温度的初级介质流的形式的所述至少一个过剩能量流Q1、Q2、……Qn的至少一部分进行接收，以及，

至少一个热泵被构造成产生呈具有第二温度T2的次级介质流的形式的能量流Qr，该第二温度T2高于第一温度，其中，次级介质流的至少一部分被供给至解吸器66和再沸器62组件。

使溶剂再次生成所需的能量的量非常大，并且可以达到大型二冲程内燃发动机所提供的发动机轴功率的60％以上。与没有这种二氧化碳捕获系统的发动机相比，这种发动机能量效率的损失将使得具有二氧化碳捕获系统的操作显著更加昂贵。然而，发明人意识到的是，大型二冲程柴油发动机会产生多个过剩能量流，该过剩能量流也称为废热，例如在需要冷却的扫气空气中、在需要冷却的汽缸中以及在含有大量的热力学能量的排气中产生过剩能量流。来自这些过剩能量源的能量流通常呈介质的形式，例如具有不足以用于解吸器和再生器组件的温度的水。然而，发明人已经认识到的是，通过使用热泵来产生具有高到足以用于解吸器和再生器组件的温度的介质，来自这些能量源的过剩能量可以用于使溶剂再次生成。例如，当胺溶液作为溶剂时，再生器的最佳操作温度通常介于120℃至130℃之间，而可以通过使用上述过剩能量源来供给的介质的温度通常介于35℃至80℃之间。

在第一方面的可能实现形式中，所述至少一个过剩能量流Q1、Q2、……Qn由下述各者中的一者或更多者产生的：

-热交换器，该热交换器将热从位于涡轮的下游的排气流传递至向至少一个热泵供给的初级介质，

-热交换器，该热交换器将热从扫气空气传递至向至少一个热泵供给的初级介质，

-热交换器，该热交换器将热从汽缸冷却液体传递至向至少一个热泵供给的初级介质，

-热交换器，该热交换器将热从由解吸器产生的含二氧化碳的气体流传递至向至少一个热泵供给的初级介质，

-热交换器，该热交换器将热从二氧化碳液化单元传递至向至少一个热泵供给的初级介质，

-热交换器，该热交换器将热从解吸器流向吸收器的贫二氧化碳溶剂流传递至向至少一个热泵供给的初级介质，

-热交换器，该热交换器将热从润滑油流传递至向至少一个热泵供给的初级介质。

在第一方面的可能的实现形式中，发动机包括：位于涡轮增压器系统的涡轮6下游的第一热交换器，该第一热交换器优选地是被构造成用于产生蒸汽的锅炉；以及位于第一热交换器的下游的第二热交换器，该第二热交换器被构造成将热从排气流传递至向热泵供给的初级介质。

在第一方面的可能实现形式中，热泵包括用于对热泵介质进行蒸发的蒸发器，该蒸发器被布置成对所述至少一个过剩能量流Q1，Q2，……Qn的至少一部分进行接纳。

在第一方面的可能实现形式中，热泵包括对热泵介质进行冷凝的冷凝器，该冷凝器被布置成提高向解吸器和再沸器组件供给的介质的温度。

在第一方面的可能实现形式中，热泵包括流体回路，该流体回路包括蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀，压缩机被构造成使热泵流体通过回路进行循环。

在第一方面的可能实现形式中，热交换器被构造成用于在从解吸器流向吸收器的贫二氧化碳溶剂流与从吸收器流向解吸器的富二氧化碳溶剂流之间交换热量。

在第一方面的可能实现形式中，溶剂为胺溶液，优选为胺水溶液。

在第一方面的可能实现形式中，发动机包括胺洗涤器，该胺洗涤器位于排气流中、在吸收器下游，以用于从排气中移除胺。

在第一方面的可能实现形式中，选择性催化反应器被布置在排气流中、在吸收器的上游，优选地被布置在涡轮的上游，以用于对氮氧化物进行还原。

在第一方面的可能实现形式中，胺溶液包含伯胺、仲胺和/或叔胺。

在第一方面的可能实现形式中，溶剂是NaOH/KOH溶液，优选为胺NaOH/KOH水溶液。

在第一方面的可能实现形式中，向泵供给的介质的温度介于约35℃与约80℃之间，并且由泵向解吸器和再生器组件供给的介质的温度介于约110℃与约160℃之间，优选地介于约130℃与150℃之间。

根据第二方面，提供了一种对用于推进大型远洋船舶的具有至少一个燃烧室的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机进行操作的方法，该方法包括：

向所述至少一个燃烧室供给碳基燃料，

使碳基燃料在所述至少一个燃烧室中燃烧，从而产生含有二氧化碳的排气流，

发动机产生至少一个过剩能量流Q1、Q2、……Qn，

将呈具有第一温度的初级介质流的形式的所述至少一个过剩能量流Q1、Q2、……Qn的至少一部分供给至热泵，

通过热泵产生呈具有第二温度T2的次级介质流的形式的能量流Qr，该第二温度T2高于第一温度T1，

通过向吸收器供给贫二氧化碳溶剂流来将二氧化碳以化学的方式从排气流吸收到溶剂中，并且将富二氧化碳溶剂流从吸收器排放至解吸器和再沸器组件，以及

通过向解吸器和再沸器组件供给次级介质流的至少一部分来进行加热而使解吸器和再沸器组件中的富二氧化碳溶剂再次生成。

在第二方面的可能实现形式中，通过在位于涡轮增压器系统的涡轮的下游的热交换器中、优选在位于锅炉的下游的热交换器中对初级介质与排气进行热交换来供给所述至少一个过剩能量流Q1、Q2……Qn。

在第二方面的可能实现形式中，该方法包括向分离器供给在解吸器中产生的包含二氧化碳和水的气体流，以将二氧化碳与水分离，从而获得主要包含二氧化碳的气体流和主要包含水的液体流，分离器优选为分离罐(knockout drum)。

在第二方面的可能实现形式中，该方法包括将主要包含二氧化碳的气体流供给至液化单元。

在第二方面的可能实现形式中，该方法包括在液化单元中对主要包含二氧化碳的气体流进行液化，以获得液化的二氧化碳流。

在第二方面的可能实现形式中，该方法包括将液化的二氧化碳流引导到液化二氧化碳储存单元中。

这些和其他方面将通过下文所描述的实施方式而变得明显。

附图说明

在本公开的以下详述部分中，将参考附图中所示的示例性实施方式来更详细地对各个方面、实施方式和实现形式进行说明，在附图中：

图1是根据示例性实施方式的大型二冲程柴油发动机的立视图，

图2是图1的大型二冲程发动机的从另一个角度的立视图，

图3是实施方式中的根据图1和图2的大型二冲程发动机的示意图，

图4a是图1至图3的实施方式中所使用的热泵的第一实施方式的示意图，

图4b是图1至图3的实施方式中所使用的热泵的第二实施方式的示意图，以及

图5是在图1至图4a的实施方式中所使用的热泵的实施方式的更详细的示意图，以及

图6是在另一实施方式中的根据图1和图2的大型二冲程发动机的示意图。

具体实施方式

在以下的详细描述中，将参考示例性实施方式中的大型二冲程低速涡轮增压十字头型内燃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柴油发动机的实施方式。图1和图2是从不同角度的立视图。图3是图1和图2的具有其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实施方式的示意图。在该实施方式中，发动机具有直列式的六个汽缸。然而，大型低速涡轮增压二冲程内燃发动机可以具有直列式的四个到十四个汽缸，其中，汽缸套由发动机框架11承载。该发动机可以例如用作海洋船舶中的主发动机，或者用作用于使发电站中的发电机进行操作的固定发动机。发动机的总输出可以例如在1,000kW至110,000kW的范围内。

在该示例性实施方式中，发动机是二冲程单流扫气式发动机，该发动机具有位于汽缸套1的下部区域中的扫气端口18和位于汽缸套1的顶部处的汽缸盖22中的中央排放门4。当活塞10位于扫气端口18的下方时，扫气气体从扫气气体接收器2穿过各个汽缸套1的扫气端口18。

当发动机作为预混发动机(奥托原理)进行操作时，在活塞10处于该活塞10的向上运动(从BDC到TDC)时并且在活塞10经过燃料阀50'(气体准许进入阀)之前，含碳的气体燃料(例如甲醇、石油气体或LPG、甲烷、天然气体LNG或乙烷)在电子控制器100的控制下被准许从气体燃料准许进入阀50'进入。当活塞10处于TDC或接近TDC时，含有气态或液态碳的燃料(例如燃料油)通过燃料阀50而以高压(优选300巴或更高)被喷射到燃烧室中。燃料气体以低于30巴、优选低于25巴、更优选低于20巴的相对低的压力被准许进入，并且是通过气体燃料供给系统30'供给的。包含用于通过燃料阀50喷射的燃料的流是通过燃料系统30供给的。高压可以通过燃料系统30(共轨)产生或者在燃料阀50中产生。燃料准许进入阀50'是围绕汽缸套的圆周部分布的，优选地，燃料准许进入阀50'是围绕汽缸套的圆周部均匀分布的，并且燃料准许进入阀50'被安置在汽缸套1的长度部的中央区域中。气体燃料的进入发生在压缩压力相对较低时、即远低于活塞到达上止点时的压缩压力时，从而允许在相对较低的压力处进入。

当发动机作为压缩点火式发动机(狄塞尔原理)进行操作时，不存在气体准许进入阀50'，并且当活塞10处于或接近TDC时，含碳燃料(气态或液态)在高压下通过燃料阀50喷射。

汽缸套1中的活塞10对填充的气体燃料和扫气气体进行压缩(或者在通过仅于TDC处喷射燃料进行操作的情况下对扫气气体进行压缩)，并且在TDC处或附近通过将来自优选布置在汽缸盖22中的燃料阀50的燃料在高压下喷射来触发点火，或者在仅于TDC处或附近喷射液体燃料的情况下通过压缩来触发点火。随后燃烧并且产生含有二氧化碳的排气。

当排放门4打开时，燃烧气体流动穿过与汽缸1相关联的燃烧气体管道进入燃烧/排气接收器3，并且继续流动穿过第一排气管道19，该第一排气管道19包括用于对排气中的氧化物(NOx)进行还原的选择性催化反应器33。

涡轮6通过轴对压缩机7进行驱动，压缩机7经由空气入口12而供给有新鲜空气。压缩机7将经加压的扫气空气输送至通向扫气空气接收器2的扫气空气管道13。管道13中的扫气空气穿过中间冷却器14，以对扫气空气进行冷却。

在中间冷却器14的上游(示出)或下游(未示出)，排气再循环管道35连接至扫气空气管道13。在该位置，再循环的排气与扫气空气混合，以形成流动至扫气气体接收器2的扫气气体。控制器100(电子控制单元)被配置成对扫气气体中的扫气空气与排气之间的比率进行调节，如将在下面更详细地描述的。

当涡轮增压器5的压缩机7没有为扫气空气接收器2输送足够的压力时，即在发动机的低负载或部分负载的条件下，经冷却的扫气空气或扫气气体穿过由电动马达17驱动的辅助鼓风机16，该辅助鼓风机16对扫气气流进行加压。在较高的发动机负载下，涡轮增压器压缩机7输送足够的经压缩的扫气空气，并且然后辅助鼓风机16经由止回阀15被绕过。应当指出的是，检查(examination)可以包括不止一个涡轮增压器5，从而形成涡轮增压器系统。

控制器100通常对发动机的操作进行控制并且对例如气体燃料准许进入(数量和正时)、液体燃料喷射(数量和正时)、和排放门4的打开及关闭(正时和升程范围)、再循环的排气比率以及各种冷却器、泵和其他设备的操作施加控制，控制器100自身可以包括多个互连的电子单元，这些电子单元包括处理器和用于执行控制器的功能的其他硬件。为此，控制器100接收来自传感器的各种信号，这些传感器向控制器100通知：发动机的操作状况(发动机负载、发动机速度、鼓风机速度、扫气气体温度、各个位置处的升高(exalt)气体温度、各个位置处的排气温度)，扫气系统中的压力，燃烧室中的压力，排气系统中的压力，以及排气再循环系统中的压力。优选地，发动机包括可变正时排放门致动系统，从而允许单独地对每个燃烧室的排放门正时进行控制。控制器100经由信号线或无线连接器连接至燃料阀50、液体燃料准许进入阀50'、排放门致动器、角位置传感器以及压力传感器，该角位置传感器对曲轴的角度进行检测并且产生表示曲轴的位置的信号，压力传感器优选地位于汽缸盖22中或者替代性地位于汽缸套1中，从而产生表示燃烧室中的压力的信号。

根据发动机尺寸，汽缸套1可以被制造成不同尺寸，其中，汽缸孔通常在250mm至1000mm的范围内，并且相应的典型长度在1000mm至4500mm的范围内。

汽缸套1安装在汽缸框架23中，其中，汽缸盖22被安置在每个汽缸套1的顶部上，并且汽缸盖22与汽缸套1之间具有气密接合部。活塞10被布置成在下止点(BDC)与上止点(TDC)之间往复运动。活塞10的这两个极限位置是由曲轴8的180度旋转分开的。汽缸套1设置有多个周向分布的汽缸润滑孔，该汽缸润滑孔连接至汽缸润滑管线，当活塞10通过汽缸润滑孔25时，该汽缸润滑孔提供气缸润滑油的供给，然后活塞10中的活塞环(未示出)将汽缸润滑油分配到汽缸套1的工作表面(内表面)上。汽缸套设置有护套(未示出)并且护套冷却水在护套与汽缸套之间的空间中循环。

液体燃料阀50(通常每个汽缸不止一个液体燃料阀，优选每个气缸三个或四个液体燃料阀)安装在汽缸盖22中并且连接至经加压的含碳燃料的源30。液体燃料阀50优选布置在排放门4的周围，特别是布置在汽缸盖22中的中央出口(开口)的周围，并且是在周向上均匀分布的。中央轮廓部由排放门4控制。显现(apparition)燃料喷射的正时和数量是由控制器100控制的。如果发动机以预混模式进行操作，则燃料阀50仅用于喷射少量点火液体(先导液体)。如果发动机以压缩点火模式进行操作，则通过液体燃料阀50喷射以实际发动机负载对发动机进行操作所需的液体燃料量。汽缸盖22可以设置有预燃室(未示出)以及液体燃料阀50的梢端部，通常是设置有带有一个或更多个喷嘴孔的喷嘴的梢端部被布置成使得先导油(点火液体)被喷射和雾化到预燃室中，以触发点火。预燃室有助于确保可靠的点火。

燃料准许进入阀50'被安装在汽缸套1(或汽缸盖22)中，其中，燃料准许进入阀50'的喷嘴基本上与汽缸套1的内表面齐平，并且燃料阀50'的后端部从汽缸套1的外部壁突出。通常，在每个汽缸套1中设置有一个或两个、但可能多达三个或四个的燃料阀50'，燃料阀50'是围绕汽缸套1在周向上分布的(优选地在周向上均匀分布)。在实施方式中，燃料准许进入阀50'被布置在沿汽缸套1的长度的大致中间处。燃料准许进入阀50'连接至经加压的气体燃料(例如，甲醇、LPG、LNG、乙烷或氨)源30'，即，当燃料被输送到燃料准许进入阀50'时，该燃料处于气相。由于气体燃料在活塞10的从BDC到TDC的冲程期间被准许进入，因此气体燃料源的压力仅需要高于汽缸套1中存在的压力，并且通常小于20巴的压力对于输送至燃料准许进入阀50'的气体燃料而言就足够了。燃料准许进入阀50'连接至控制器100，该控制器100确定燃料准许进入阀50'的打开及关闭的正时以及燃料准许进入阀50'的打开的持续时间。

在实施方式中，用于点火的液体燃料是燃料油、船用柴油、重燃料油、乙醇或二甲醚(DME)。

气体操作模式可以是发动机的多种操作模式之一。其他模式可以包括液体燃料操作模式，在液体燃料操作模式中，发动机进行操作所需的所有燃料通过液体燃料阀50以液体形式来提供。在气体燃料操作模式中，发动机利用气体燃料进行操作，在活塞的从BDC到TDC的冲程期间，气体燃料作为主要燃料在相对较低的压力处被准许进入，即从而提供向发动机供给的大部分能量，而相比之下，液体燃料构成相对少量的燃料，从而对向发动机供给的能量的量仅做出相对较小的贡献，液体燃料的目的是正时点火，即液体燃料用作点火液体。

因此，本实施方式的发动机可以是双燃料发动机，即发动机具有仅通过液体燃料进行操作的模式和几乎仅通过气体燃料进行操作的模式。

在该实施方式中，发动机被示出为根据奥托原理进行操作的预混式发动机。然而，应当理解的是，发动机也可以是压缩点火式发动机(根据狄塞尔原理进行操作)，其中，当活塞10处于TDC处或在TDC附近时，碳基燃料(气态或液态)在高压下被喷射。

发动机通过如下方式进行操作：向燃烧室供给碳基燃料(液体燃料和/或气体燃料)，使碳基燃料在燃烧室中燃烧，从而产生含有二氧化碳的排气流，优选地使排气流的第一部分(或者在再循环气体直接取自燃烧室的实施方式中的燃烧气体的第一部分)再循环，并且将排气流的另一(第二)部分作为排气排出，将含有排气的经加压的扫气气体供给至燃烧室，在实施方式中，经加压的扫气气体含有按质量计至少40％、优选40％至55％的再循环排气，在二氧化碳吸收过程中从排气中分离出二氧化碳，并且对所分离的二氧化碳进行储存。

在涡轮增压器的涡轮6的下游，排气进入第二排气管道28，该第二排气管道28将排气引导至锅炉20(也称为节能器)，该锅炉20被构造成产生蒸汽。蒸汽例如在安装有发动机的海洋船舶上用于各种目的，或者蒸汽可以直接用于对将在下文进一步更详细描述的解吸器66和再生器62组件进行加热，这是因为该蒸汽具有足以直接供给至再生器66和再沸器62组件的温度。

在锅炉20的下游，第二排气管道28继续至第一热交换器40，在该第一热交换器40中，排气与初级介质交换热量，这将在下面进一步更详细地描述。

在第一热交换器40的下游，第二排出管道28继续并连接至吸收器42的底部处的入口。吸收器42优选是吸收塔，例如填充式吸收塔。排气穿过吸收器42而流动至吸收器42的顶部处的出口。

吸收器42是用于使用溶剂而以化学方式对二氧化碳进行吸收的系统的一部分。合适溶剂的示例是胺溶液。胺溶液可以包含伯胺、仲胺和/或叔胺。合适溶液的另一个示例是NaOH/KOH溶液，优选胺NaOH/KOH水溶液。

二氧化碳是通过填充式吸收塔(吸收器)42从排气中移除的。该反应是放热的并且沿着吸收塔42使溶剂温度增加。作为示例，来自发动机的排气中的二氧化碳浓度介于按体积计4％-5％(无排气再循环)与按体积计9％-10％(有排气再循环)之间并且以与溶剂逆流的方式被引入吸收器42中，该溶剂在吸收塔42的顶部进入并且被称为贫二氧化碳溶剂。该贫二氧化碳溶剂是由解吸器66在约35℃至55℃和环境压力处供给的。在吸收器42的顶部处，包括填充式床的洗涤水部分通过对已经逃逸到排气中的大部分挥发性胺吸收剂进行冷凝和溶解来移除已经逃逸到排气中的大部分挥发性胺吸收剂。吸收塔42的总高度可以达50米。当二氧化碳在吸收器42中被吸收时，来自吸收器42的底部的富二氧化碳溶剂流通过泵44被供给到交叉式热交换器60中，以在富二氧化碳溶剂流被引入到解吸器66和再沸器62组件中之前与贫二氧化碳溶剂流交换热，在解吸器66和再沸器62组件中，富二氧化碳溶剂流在再沸器62中被加热，以从溶剂中释放二氧化碳。汽提(解吸)温度在120℃与150℃之间变化，操作压力达5巴。

水饱和的二氧化碳流从解吸柱状件66的顶部释放，并且在热交换器68中进行冷却，以使大部分水内容物(water content)冷凝，该水内容物然后在分离罐69中被分离并且被返回至解吸柱状件66。来自分离罐69的二氧化碳流随后在液化单元70中被压缩/液化并且被临时储存在储存罐88中，该储存罐88是低温储存罐的实施方式。经液化的二氧化碳可从临时储存罐85被运送至最终储存或公用设施场所(未示出)。如果发动机被安装在海洋船舶中，则临时储存罐88将被布置在该海洋船舶中，并且当海洋船舶位于设置有用于对经液化的二氧化碳进行接纳的设施的港口时，将临时储存罐88清空。

胺溶液的再次生成过程并没有将溶液中的所有二氧化碳移除，并且再次生成的贫二氧化碳溶剂通过泵64的作用被再循环至具有贫二氧化碳负载的吸收塔42。在到达吸收器42之前，富二氧化碳溶剂与贫二氧化碳溶剂在交叉式热交换器60和热交换器67中交换热。

溶剂在通过柱状件吸收二氧化碳之后的二氧化碳负载被称为富二氧化碳溶剂。贫负载与富负载之间的差异是从排气中捕获的二氧化碳的量。

离开吸收器42的排气中的二氧化碳浓度比进入吸收器42的排气的二氧化碳浓度低至10倍。

溶剂的胺中的一些胺可能仍然存在于离开吸收器42的排气中，并且这些胺被设置在位于吸收器42的下游的排气管道49中的胺洗涤器44移除。

发动机从该发动机的各个部件中产生多个过剩能量流Q1、Q2、Qn，这些过剩能量流也被称为废热流。在图3的实施方式中，这些过剩能量流包括：

-Q1，扫气空气冷却器14的初级冷却介质(例如水)。来自扫气空气冷却器14的冷却水通常将具有介于约20℃与240℃之间的温度，

-Q2，发动机润滑油的初级介质，发动机润滑油的初级介质通常将具有介于45℃与55℃之间的温度，

-Q3，汽缸护套冷却器的初级冷却介质(例如水)。来自汽缸护套的冷却水的温度通常将具有介于约70℃与90℃之间的温度，

-Q4，排气再循环管道冷却器32的初级冷却介质(例如水)，该排气再循环管道冷却器32的初级冷却介质通常具有介于约50℃至350℃之间的温度，

-Q5，锅炉20，该锅炉20通常将供给温度介于约160℃与170℃之间的蒸汽，

-Q6，在第一热交换器40中使用的初级介质(例如水)，在第一热交换器40中使用的初级介质通常将具有介于160℃与170℃之间的温度，

-Q7，在第二热交换器67中使用的初级介质(例如水)，在第二热交换器67中使用的初级介质通常将具有介于100℃与170℃之间的温度，

-Q8，在第三热交换器68中使用的初级介质(例如水)，在第三热交换器68中使用的初级介质通常将具有介于95℃与105℃之间的温度，

-Q9，用于对液化单元70进行冷却的初级介质(例如水)，用于对液化单元70进行冷却的初级介质将具有取决于用于液化的技术的类型和用于液化单元70的冷却系统的类型的温度。

应当指出的是，由发动机产生的过剩能量流的这个列表并不是穷举的并且仅用于提供此类源的示例。

上面列出的过剩能量源Q1、Q2……Qn中的至少一者被供给至热泵80，特别地，温度低于对解吸器66和再生器62组件进行加热所需的温度(该解吸器66和再生器62组件需要温度为至少120℃、优选至少110℃的次级介质)的那些过剩能量源被供给至热泵80。热泵80被构造成产生呈温度为至少120℃、优选至少130℃的次级介质流(例如水或蒸汽)的形式的能量流Qr。优选地，供给到解吸器66和再沸器62组件的次级介质的温度介于130℃与140℃之间，最优选地为约136℃。

图4a中示出了泵80的实现形式的第一实施方式。在该实施方式中，多个过剩能量源Q1、Q2……Qn被应用到单个热泵80，并且泵80产生向解吸器66和再生器62组件供给的能量流Qr。

图4b中示出了泵80的实现形式的第二实施方式。在该实施方式中，多个过剩能量源Q1、Q2……Qn中的一者被应用至多个热泵80中的一个热泵，并且向解吸器66和再生器62组件供给的能量流Qr是由多个热泵80产生的并且优选地组合成到解吸器66和再生器62组件的一个能量流Qr。

一个或更多个热泵80用于使再沸器62中的胺溶液的温度升高。热泵80包括至少蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀。在热泵80内，热泵(制冷)流体在包括蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀的循环中进行循环，如图5所示。热泵80通过蒸发器从能量流Q2接收热而起作用。热泵流体在蒸发器中蒸发并且进入压缩机。压缩机被驱动，例如压缩机被接收电力的电动马达驱动，所述电力例如来自由发动机的曲轴的输出功率驱动的交流发电机或发电机。压缩机使热泵流体的压力和温度增加。在压缩机的下游，热泵流体进入冷凝器，热被传递到散热器，并且热泵流体冷凝。随后，热泵流体在重新进入蒸发器之前在节流阀中膨胀，并且该循环重复。次级介质、例如水或蒸汽将热从冷凝器运送至再沸器62，优选地，在由泵驱动的循环中将热从冷凝器运送至再沸器62，次级介质具有至少120℃、优选至少130℃的温度。因此，再沸器62形成热泵80的散热器。

为了提高热泵80的效率，在实施方式中，冷凝器部分被分成三个热交换器(HEX)区域；过热器(super-heater)、冷凝器和过冷器(sub-cooler)。在过热器和冷凝器的区域中提取的热被输送至散热器。在过冷器中提取的热用于对离开蒸发器的热泵流体进行预加热。通过采用这种冷凝器布置方式，压缩机需要更少的工作并且系统效率提高。此外，具有蒸汽HEX和电线圈的水回路被应用在冷凝器、过热器和再沸器62之间。在实施方式中，进入蒸汽HEX的流体是在锅炉20中产生的蒸汽。蒸汽HEX和电线圈确保再沸器62在整个发动机负载范围内接收到足够的能量。

在图5中，使用了多个能量流Q1、Q2……Qn。如果仅一个能量流是所应用的Q1、Q2……Qn，则可以移除蒸发器下方的除气器。

在实施方式中，发动机设置有排气再循环系统，该排气再循环系统包括排气再循环管道35，该排气再循环管道35将第一排气管道19连接至扫气空气管道13。优选地，排气再循环管道35在选择性催化反应器33上游连接至第一排气管道19。优选地，排气再循环管道35在扫气空气冷却器14的上游连接至扫气空气管道13。然而，应当理解的是，排气再循环管道35也可以在扫气空气冷却器14的下游连接至扫气空气管道13。排气再循环管道35包括鼓风机34，以迫使排气从排气管道进入扫气空气管道，这是因为在发动机操作期间扫气空气管道13中的压力通常高于第一排气管道19中的压力。在所示的实施方式中，鼓风机34由电动马达驱动，但应当理解的是，鼓风机可以由任何其他旋转动力源提供动力。在所示的实施方式中，鼓风机34被布置在排气再循环冷却器32与排气再循环洗涤器36之间。然而，应当理解的是，鼓风机35的位置可以在排气再循环回路35中的其他元件的上游或下游。排气再循环冷却器32被布置在排气再循环洗涤器36的上游。排气再循环洗涤器36的主要目的在于移除杂质(烟灰)。控制器100被配置成对排气再循环系统中的鼓风机34的速度进行控制，以对再循环的排气在经加压的扫气气体中的百分比进行调节，优选地调节到至少35％的质量百分比，以增加排气中的二氧化碳的浓度，并且因此提高二氧化碳吸收系统的效率。排气再循环率还可以借助于控制器100所控制的阀(未示出)来控制。因此，控制器100被配置成根据操作条件而以再循环排气在经加压的扫气气体中的百分比为40％或更高、45％或更高、或者50％或更高来操作发动机。通常，控制器100被配置成以再循环排气/燃烧气体的尽可能高的百分比进行操作，这是因为这有利于从排气中移除当前的二氧化碳。“尽可能高”是指不会造成不可接受的有害影响的最高比率，所述不可接受的有害影响比如是燃烧过程的质量下降、燃烧过程的可靠性的降低、发动机上的热负载不可接受地增加等。用于在排气再循环冷却器32中与排气交换热的介质(例如水或蒸汽)离开排气再循环冷却器32的温度为约130℃至170℃，并且因此该介质可直接用于解吸器66和再生器62组件，即不涉及热泵80。再循环的排气以介于约260℃与400℃之间的温度进入排气再循环冷却器32，并且可以通过对介质穿过排气再循环冷却器32的速率进行调节来获得该介质的所需温度。排气再循环增加了向吸收器42供给的排气的二氧化碳浓度，从而使得解吸器66和再生器62组件的能量消耗较低。较高的排气再循环比率还减少了向吸收器42的排气流量的大小，因此，当使用排气再循环或增加该比率时，可以使用具有较小直径的吸收塔。此外，在排气再循环冷却器32中提取的能量是向解吸器66和再生器62组件供给的过剩能量(废热)，从而显着减少了对解吸器66和再生器62组件进行操作所需供给的能量的量。来自排气再循环冷却器32的介质与发动机的其他过剩热流相比具有高温(这因为该介质被尚未穿过涡轮增压器5的涡轮6的排气加热)并且因此可以直接用于解吸器66和再生器62组件中。

图6示出了发动机的另一个实施方式。在该实施方式中，为了简单起见，与本文中先前描述或示出的相应结构和特征相同或类似的结构和特征用与先前所使用的附图标记相同的附图标记来表示。在该实施方式中，发动机及发动机的操作与前述实施方式大致相同，并且因此将仅详细描述与前述实施方式的差异。

该实施方式包括位于扫气空气冷却器14的下游的可选的第二扫气空气冷却器14a。扫气空气冷却器14可以被构造成产生到解吸器66和再生器62组件的热交换介质流，该热交换介质流具有足以直接用于解吸器66和再生器62组件中的温度。第二扫气空气冷却器14a产生呈初级介质流(例如水)的形式的过剩能量流Q10，该初级介质流具有需要使用热泵80的温度，以在能量流可以用于解吸器66和再生器62组件之前产生次级介质流。在第二扫气空气冷却器14a中产生的能量流Q10被输送至热交换器80。

在该实施方式中，可以可选地在第一热交换器40的下游设置附加的第四热交换器41。该附加的第四热交换器41允许产生向热泵80供给的另一过剩能量流Q11。

在该实施方式中，还可以由来自排气再循环洗涤器36的过剩热量形成向热泵80供给的附加的过剩能量流Q12。

已结合本文的各种实施方式描述了各个方面和实施形式。实施方式可以以各种方式来组合。此外，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，通过研究附图、本公开内容和所附权利要求，可以理解并实现所公开的实施方式的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一种”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所列举的多个项目的功能。仅仅在相互不同的从属权利要求中列举某些措施这一事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中所使用的附图标记不应当被解释为对范围进行限制。

Claims (15)

1.一种用于对大型远洋船舶进行推进的具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，所述发动机包括：

至少一个燃烧室，所述至少一个燃烧室是由汽缸套(1)、活塞(10)和汽缸盖(22)限界的，所述活塞(10)被构造成在所述汽缸套(1)中往复运动，

扫气端口(18)，所述扫气端口(18)被布置在所述汽缸套(1)中，所述扫气端口(18)用于准许扫气气体进入到所述至少一个燃烧室中，

燃料系统(30)，所述燃料系统(30)被构造成向所述至少一个燃烧室供给碳基燃料，

所述至少一个燃烧室被构造成用于燃烧所述碳基燃料，从而产生含有二氧化碳的排气流，

排气出口，所述排出出口被布置在所述汽缸盖(22)中并且是由排放门(4)控制的，

所述至少一个燃烧室经由所述扫气端口(18)连接至扫气气体接收器(2)并且经由所述排气出口连接至排气接收器(3)，

排气系统，所述排气系统包括涡轮增压器系统(5)的由所述排气流驱动的涡轮(6)，

进气系统，所述进气系统包括所述涡轮增压器系统(5)的压缩机(7)，所述压缩机(7)被构造成向所述扫气气体接收器(2)供给经加压的扫气空气，

其中，所述发动机在发动机操作期间产生至少一个过剩能量流(Q1、Q2、……Qn)，

所述发动机的特征在于，

吸收器(42)，所述吸收器(42)用于将二氧化碳吸收到溶剂中，优选地，所述吸收器(42)为吸收塔，

解吸器(66)和再沸器(62)组件，所述解吸器(66)和再沸器(62)组件用于从所述溶剂中解吸二氧化碳，

所述吸收器(42)具有溶剂入口和溶剂出口，所述溶剂入口从所述解吸器(66)接收贫二氧化碳溶剂，所述溶剂出口向所述解吸器(66)供给富二氧化碳溶剂，

所述吸收器(42)被布置成用于所述排气流，所述排气流穿过所述吸收器(42)，从而通过将二氧化碳以化学的方式吸收到所述溶剂中而从所述排气流中分离出二氧化碳，

所述解吸器(66)和再沸器(62)组件具有入口和出口，所述入口从所述吸收器(42)接收富二氧化碳溶剂，所述出口向所述吸收器(42)供给贫二氧化碳溶剂，

所述解吸器(66)和再沸器(62)组件被构造成用于对所述溶剂进行加热，以从所述溶剂中释放二氧化碳，以及

至少一个热泵(80)，所述至少一个热泵(80)被构造成对呈具有第一温度的初级介质流的形式的所述至少一个过剩能量流(Q1，Q2，……Qn)的至少一部分进行接收，以及，

所述至少一个热泵(80)被构造成产生呈具有第二温度T2的次级介质流的形式的能量流(Qr)，所述第二温度T2高于所述第一温度，其中，所述次级介质流的至少一部分被供给至所述解吸器(66)和再沸器(62)组件。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述至少一个过剩能量流(Q1，Q2，……Qn)是由以下各者中的一者或更多者产生的：

-热交换器(20、40、41、44)，所述热交换器(20、40、41、44)将热从位于所述涡轮(6)的下游的所述排气流传递至向所述至少一个热泵(80)供给的初级介质，

-热交换器(14、14a)，所述热交换器(14、14a)将热从所述扫气空气传递至向所述至少一个热泵(80)供给的初级介质，

-热交换器，所述热交换器将热从汽缸冷却液体传递至向所述至少一个热泵(80)供给的初级介质，

-热交换器(68)，所述热交换器(68)将热从由所述解吸器(66)产生的含二氧化碳的气体流传递至向所述至少一个热泵(80)供给的初级介质，

-热交换器，所述热交换器将热从二氧化碳液化单元(70)传递至向所述至少一个热泵(80)供给的初级介质，

-热交换器(67)，所述热交换器(67)将热从所述解吸器(66)流向所述吸收器(42)的贫二氧化碳溶剂流传递至向所述至少一个热泵(80)供给的初级介质，

-热交换器，所述热交换器将热从润滑油流传递至向所述至少一个热泵供给的初级介质。

3.根据权利要求1或2所述的发动机，所述发动机包括：第一热交换器(20)，所述第一热交换器(20)位于所述涡轮增压器系统(5)的所述涡轮(6)下游，优选地，所述第一热交换器(20)是构造成用于产生蒸汽的锅炉；以及优选地所述发动机包括第二热交换器(40)，所述第二热交换器(40)位于所述第一热交换器(20)的下游，所述第二热交换器(40)被构造成将热从所述排气流传递至向所述热泵(80)供给的初级介质。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的发动机，其中，所述热泵(80)包括蒸发器，所述蒸发器用于对热泵介质进行蒸发，所述蒸发器被布置成通过初级介质对所述至少一个过剩能量流(Q1，Q2，……Qn)的至少一部分进行接收。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的发动机，其中，所述热泵(80)包括冷凝器，所述冷凝器对热泵介质进行冷凝，所述冷凝器被布置成提高向所述解吸器(66)和再沸器(62)组件供给的次级介质的温度。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的发动机，其中，所述热泵(80)包括流体回路，所述流体回路包括蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀，所述压缩机被构造成使热泵流体通过所述回路循环。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的发动机，所述发动机包括交叉式热交换器(60)，所述交叉式热交换器(60)被构造成用于在从所述解吸器(66)流向所述吸收器(42)的贫二氧化碳溶剂流与从所述吸收器(42)流向所述解吸器(66)的富二氧化碳溶剂流之间交换热量。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的发动机，其中，所述溶剂是胺溶液。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的发动机，所述发动机包括胺洗涤器(44)，所述胺洗涤器(44)位于所述排气流中、在所述吸收器(42)下游，所述胺洗涤器(44)用于从所述排气流中移除胺。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的发动机，其中，选择性催化反应器(33)被布置在所述排气流中、在所述吸收器(42)的上游，所述选择性催化反应器(33)用于对氮氧化物进行还原，优选地，所述选择性催化反应器(33)被布置在所述涡轮(6)的上游。

11.一种对用于推进大型远洋船舶的具有至少一个燃烧室的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机进行操作的方法，所述方法包括：

向所述至少一个燃烧室供给碳基燃料，

使所述碳基燃料在所述至少一个燃烧室中燃烧，从而产生含有二氧化碳的排气流，

所述发动机产生至少一个过剩能量流(Q1、Q2、……Qn)，

所述方法的特征在于，

将呈具有第一温度Tl的初级介质流的形式的所述至少一个过剩能量流(Q1、Q2、……Qn)的至少一部分供给至热泵(80)，

通过所述热泵(80)产生呈具有第二温度T2的次级介质流形式的能量流(Qr)，所述第二温度T2高于所述第一温度T1，

通过向吸收器(42)供给贫二氧化碳溶剂流来将二氧化碳以化学的方式从排气吸收到溶剂中，并且将富二氧化碳溶剂流从所述吸收器(42)排放至解吸器(64)和再沸器(62)组件，以及

通过向所述解吸器(66)和再沸器(62)组件供给所述次级介质流的至少一部分来进行加热而使所述解吸器(64)和再沸器(62)组件中的富二氧化碳溶剂再次生成。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过在位于涡轮增压器系统(5)的涡轮(6)的下游的热交换器(20、40、41)中对所述初级介质与排气进行热交换来供给所述至少一个过剩能量流(Q1、Q2、……Qn)，优选地，通过在位于锅炉(20)的下游的热交换器(40，44)中对所述初级介质与排气进行热交换来供给所述至少一个过剩能量流(Q1、Q2、……Qn)，所述锅炉(20)被布置在所述涡轮增压器系统(5)的所述涡轮(6)的下游。

13.根据权利要求11或12所述的方法，所述方法包括向分离器(69)供给在所述解吸器(66)中产生的包含二氧化碳以及水蒸汽或蒸汽的气体流，以将二氧化碳与水蒸汽或蒸汽分离，从而获得主要包含二氧化碳的气体流和主要包含水的液体流，优选地，所述分离器为分离罐。

14.根据权利要求13所述的方法，所述方法包括将主要包含二氧化碳的所述气体流供给至液化单元(70)并且对主要包含二氧化碳的所述气体流进行液化，以获得液化的二氧化碳流，优选地，所述方法包括将所述液化的二氧化碳流引导到液化二氧化碳储存单元(85)中。

15.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，所述方法包括在液化单元(70)中对通过燃烧所述碳基燃料而产生的二氧化碳进行液化。