CN203847276U

CN203847276U - 燃烧式发动机

Info

Publication number: CN203847276U
Application number: CN201420251777.0U
Authority: CN
Inventors: K·斯特沃; M·布朗
Original assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2024-05-16
Also published as: EP2803836A1; EP2803836B1

Abstract

本实用新型公开了一种燃烧式发动机。燃烧式发动机可包括燃烧单元以及至少一个喷水器，所述喷水器构造为向燃烧单元内或上游喷水。燃烧式发动机可进一步包括流动地连接至燃烧单元的上游的第一冷却器，以及第一集水器，所述第一集水器流动地相互连接在第一冷却器和至少一个喷水器之间。第一集水器（18）可被构造为收集冷凝水且将收集的水供给至少一个喷水器。因此，第一集水器可用作用于喷水的富足水源。本实用新型可以提供用于供给喷水器的富足水源，向喷水器提供蒸馏水，以及提供一多余系统，即包括两个供水系统，用于提供用以喷水的水，其可提供故障保险系统，即使一个供水系统临时不能向喷水器提供所需水量，也能够供水。

Description

燃烧式发动机

技术领域

本实用新型涉及燃烧式发动机，且更特别地，涉及一种用于收集水的装置，用于在涡轮机和往复式发动机中喷水。

背景技术

一种已知的增加燃烧式发动机的动力输出的方法是喷水。在燃烧之前向充入的空气或充入的空气和燃料的混合物中喷水的结果是，在往复式发动机的气缸中或在燃气涡轮的燃气涡轮压缩机中的压缩工作可被降低，这是由于蒸发水滴的冷却效应。特别地，蒸发的热量从充入的空气或充入空气和燃料的混合物中移除，其降低了压缩所需的特定动力消耗。降低的压缩动力消耗带来了燃烧式发动机增加的动力输出。

此外，蒸发水的冷却效应可进一步降低爆震倾向（抗爆）和氮氧化物（NOx）的产生，这是由于在燃烧期间降低了分布的热峰值。

喷水可用于燃气涡轮机和往复式发动机。在燃气涡轮机中，水可被喷入燃气涡轮压缩机（的入口）、燃烧室正上游的扩散器、或直接进入燃烧室，然而在往复式发动机中，水可被喷入空气入口（歧管）或直接进入气缸。

例如，美国US8,371,278B2公开了一种高流量EGR（排气再循环）系统，包括EGR冷却器和水滴冷凝收集器和容器。泵被控制，以在合适的情形中向发动机相邻每个气缸喷水。

本实用新型至少部分涉及改进或克服现有系统的一个或多个缺陷。

发明内容

本实用新型提供了一种燃烧式发动机，通过在燃烧式发动机中设置用于收集水的装置，以用于在涡轮机和往复式发动机中喷水。

第一方面，本实用新型提供了一种燃烧式发动机，包括：燃烧单元，构造为接收充入的空气流和燃料流，以及至少一个喷水器，构造为向燃烧单元内或上游喷水；所述燃烧式发动机还包括，第一冷却器，流动地连接至燃烧单元的上游，以及第一集水器，流动地相互连接在第一冷却器和至少一个喷水器之间；第一集水器可被构造为收集冷凝水且将收集的水提供给至少一个喷水器。

当所述发动机构造为往复式发动机时，包括：多个气缸单元以及空气入口，所述空气入口流动地连接至多个气缸单元的上游；其中，每个气缸单元包括一个构造为向气缸单元内部喷水的喷水器，和/或至少一个构造为向空气入口内部喷水的喷水器。

当所述发动机构造为燃气涡轮机时，至少一个喷水器构造为向压缩机、扩散器入口和/或燃气涡轮机的燃烧室中喷水。

进一步的，所述第一冷却器构造为冷却充入的空气；或者，所述第一冷却器构造为冷却充入的空气和气态燃料的混合物。

其中，所述燃烧式发动机还包括至少一个第一泵，流动地相互连接在第一集水器和至少一个喷水器之间；和/或至少一个压缩机，流动地连接至第一冷却器的上游。

进一步的，所述燃烧式发动机还包括：第二冷却器，流动地连接至燃烧单元的下游；以及第二集水器，流动地相互连接在第二冷却器和至少一个喷水器之间，第二集水器被构造为收集冷凝水且将收集的水提供给至少一个喷水器。

又进一步的，所述燃烧式发动机还包括：第一泵，联动地连接至第二集水器的下游；和/或第二泵，流动地相互连接在第二集水器和至少一个喷水器之间。

优选的，所述燃烧式发动机还包括：净化装置，流动地连接至至少一个喷水器的下游，和/或水冷却器，流动地连接至至少一个喷水器的下游。

再进一步的，所述燃烧式发动机还包括：控制单元，构造为控制第一泵和第二泵，如果第一泵输送的水量低于预设的水量阈值，控制单元驱动第二泵供水。

本实用新型的技术方案可以提供用于供给喷水器的富足水源，向喷水器提供蒸馏水，以及提供一多余系统，包括两个供水系统，用于提供用以喷水的水，其可提供故障保险系统，即使一个供水系统临时不能向喷水器提供所需水量，也能够供水。

本实用新型的其它特征和方面和优点将从下面的描述和附图中变得清晰。

附图说明

附图合并在此且构成了说明书的一部分，示出了本实用新型的具体实施方式，与文字描述一起，用作解释本实用新型。在附图中：

附图1通用地示出了依照本实用新型的发动机的示意性视图；

附图2通用地示出了依照本实用新型的另一发动机的示意性视图；以及

附图3示出了依照本实用新型的发动机的具体实施方式，其中，发动机实施为可使用气态燃料操作的气态燃料发动机。

具体实施方式

下面是本实用新型的具体实施方式的详细描述。在此描述和在附图中示出的具体实施方式意于教导本实用新型的原则，使得本领域技术人员能够在很多不同环境中实施和使用本实用新型且用于很多不同应用。因此，具体实施方式并不意图且并不应被看作是专利保护范围的限制描述。显然，专利保护范围应由所附权利要求确定。

本实用新型部分基于认识到，在发动机中喷水可能消耗相当多的水。因此，需要具有用于供给喷水器的富足水源。在下文中，公开的发动机包括至少一个用于收集水并且将水提供给喷水器的水收集器。

本实用新型进一步部分基于认识到，喷水器可能需要蒸馏水用于适当的操作。在此公开的喷水系统能够向喷水器提供所述蒸馏水。

此外，本实用新型进一步部分基于认识到，提供一个多余系统，即包括两个供水系统，用于提供用以喷水的水，所述多余系统可提供故障保险，即使一个供水系统临时不能向喷水器提供所需水量，也能够供水。

参考附图1，通用地示出了典型发动机10。发动机10包括燃烧单元12，构造为燃烧燃料来产生机械能输出。发动机10可以是往复式发动机或燃气涡轮机，其可能包括未示出的特性，例如进一步的空气系统部件、进一步的冷却系统、外围、驱动链部件，等等。此外，发动机10可被用于驱动任何机械或其它装置，包括但不限于，机车应用、公路卡车或车辆、非公路卡车或机械、土方工程设备、发电机、飞机、航空应用、航海应用、海面应用、泵、静止设备或其它发动机驱动的应用。发动机10可以是任何尺寸的，并且，在发动机10实施为往复式发动机的实施方式中，发动机10可以具有任何数量的气缸，或者具有任何结构（例如，“V”型、同轴型、放射状，等等）。此外，发动机10可使用任何燃料驱动，包括但不限于，柴油、重燃油、汽油和/或气态燃料。发动机10是燃烧式发动机，其可以是内燃机或外燃机。例如，发动机10可以是往复式内燃机，构造为使用气态燃料操作。

因此，燃烧单元12可以包括多个具有在其内往复的活塞的气缸单元，或者燃气涡轮燃烧室流动地连接至多个涡轮叶片的上游。燃烧单元12构造为接收充入空气和燃料流，燃烧它们，并且排出排放气体流。

燃烧单元12的上游、压缩机14流动地连接至第一冷却器16，其流动地相互连接在压缩机14和燃烧单元12之间。另外，可以在压缩机14的上游再提供一个压缩机（未示出）。

第一冷却器16构造为气体冷却器，其能够冷却经过的燃气，使得，可能作为侧面效应，水分从燃气中冷凝。基于发动机类型，第一冷却器16可被构造为充入空气冷却器，或可被构造为混合物冷却器，用于冷却将被供给燃烧单元12的充入空气和气态燃料混合物。

在一些实施方式中，第一冷却器16可以是流动地相互连接在两个压缩机之间的中间冷却器。

在发动机10实施为燃气涡轮机的实施方式中，第一冷却器16可以是燃气涡轮燃烧室上游的任何冷却器，例如，燃气涡轮压缩机上游的预冷却器，流动地相互连接在两个压缩机阶段之间的任何中间冷却器。

第一集水器18流动连接至第一冷却器16，从而收集来自第一冷却器16的冷凝水。第一集水器18可以与第一冷却器16一体形成，或可以独立提供。第一泵20流动地相互连接在第一集水器18的出水口和至少一个喷水器22之间，喷水器22构造为在用于燃烧式发动机的任何喷水应用中喷水（喷雾）。直接喷水器构造为，直接向由往复式发动机的气缸单元确定或者由燃气涡轮机的燃气涡轮燃烧室确定的燃烧单元12内部喷水。相反，间接喷水器构造为向燃烧单元12的上游喷水，例如，进入燃气涡轮压缩机的入口、进入燃气涡轮压缩机的扩散器上游、或进入往复式发动机的入口（歧管）。第一泵20的操作由通过控制连接（附图1中通过虚线指示）连接至它的控制单元24而控制。

转而参考附图2，示出的发动机10'与附图1的发动机10相比具有额外的部件。

发动机10'包括排气涡轮26，流动连接至燃烧单元12的下游；以及第二冷却器28，流动连接至排气涡轮26的下游。自然地，在发动机10'构造为燃气涡轮机的情形中，可以不提供独立的排气涡轮26，因为来自燃气涡轮燃烧室的热排放气体已经在燃气涡轮机的涡轮叶片中扩散了。

类似于第一冷却器16，第二冷却器28构造为气体冷却器，其能够冷却经过的排放气体，使得，可能作为侧面效应，水分从气体中冷凝。冷凝水由流动连接至第二冷却器28下游的第二集水器30收集。第二集水器30可以与第二冷却器28一体形成，或可以独立提供。

在一些实施方式中，排气涡轮26和第二冷却器28可以是排气再循环（EGR）系统的一部分。

例如，基于发动机类型、喷水类型（直接或间接）和来自排放气体的冷凝水的清洁度，净化系统32可提供在第二集水器30的下游来净化冷凝的水。在一些实施方式中，净化装置32还可被流动连接至第一集水器18来由此净化水，例如，在来自第一集水器18的冷凝水由于例如污染的充入空气而未被完全蒸馏的应用中。

第二泵34流动地相互连接在至少一个喷水器22和第二集水器30的出水口之间。替代地，可以提供单一泵，其像第一泵20和第二泵34二者一样作用。两个泵20和34的操作可由通过控制连接（附图2中通过虚线指示）连接的控制单元24控制。

在一些实施方式中，第一水冷却器（未示出）可提供在第一集水器18的下游，和/或第二水冷却器（未示出）可提供在第二集水器30的下游。替代地，可以不提供水冷却器，或者共用的水冷却器（未示出）可提供在第一集水器18的出水口和第二集水器30的出水口二者的下游。

作为在上文结合附图1和2描述的发动机10的一个示例，附图3示出了内燃机（也使用附图标记10来指示），构造为往复式发动机（活塞发动机）且构造为使用气态燃料操作。

往复式气态燃料发动机10的燃烧单元12包括空气入口36、多个气缸单元38和排气歧管40，全部都串联流动连接。空气入口36流动连接至实施为混合物冷却器、用于冷却气态燃料和来自压缩机14的充入空气的混合物的第一冷却器16的下游。每个气缸单元38包括多个喷水器22的一个，构造为直接喷水进入各气缸单元38的燃烧室。排气歧管40流动连接至排气涡轮26的上游。

工业应用

在下文中，结合附图3所示的往复式气态燃料发动机10而典型描述发动机10的操作。本领域技术人员将意识到，一些下面的特征和细节并不应用于其它发动机类型中，反之，其它特征和细节可用于那些在结合往复式气态燃料发动机10的下文中未描述的其它发动机类型中。

在操作中，压缩机14加压充入空气和气态燃料的混合物至预设水平，例如，达到5bar。因而，混合物的温度增加。混合物在第一冷却器16中冷却，例如，下降到50°C的温度，其可导致水冷凝。本领域技术人员将意识到，水的冷凝量特别取决于充入空气的湿度和充气压力。

所述冷凝水由第一集水器18收集，并且通过第一泵20供给喷水器22。在内燃机10的操作期间，喷水器22将水直接喷入气缸单元38的燃烧室。

在燃烧之后，排放气体在排气涡轮26中扩散，而后在第二冷却器28中冷却，并因而冷凝来自排放气体的水。冷凝水由第二冷却器28收集并且通过第二泵34供给喷水器22。基于来自排放气体的冷凝水的净化度，净化装置32可提供在第二集水器30的下游，从而在通过喷水器22喷水之前净化冷凝水。

在示出的实施方式中，通过控制泵20和34的控制单元24控制将水喷入气缸单元38。替代地或额外地，控制单元24可直接控制喷水器22的操作。

通过提供两个集水器18和30，可以提供用于向喷水器22供水的多余供水系统。该多余供水系统可以操作为总是使用两个集水器18和30来向喷水器22供水，或者如果第一泵20输送了低于预设水量阈值的水，则控制单元24驱动第二泵34供水。这可以是这种情形，例如，如果充入空气具有相对低湿度，例如，低于30%，自然地，冷凝水量进一步极大地取决于环境空气温度和充气压力，以及第一冷却器16的冷却能力。

在下文中，如果远离上述发动机10的典型实施方式，描述了依照本实用新型的用于控制发动机10的下面的方法。

构造为提供喷水的用于控制发动机10的所述方法包括冷却充入空气。因而，水冷凝了。除了冷却充入空气，在冷却之前已经与充入空气混合的气态燃料也可被冷却。例如，这可以是这样的情形，用于燃气涡轮机和往复式气态燃料发动机。冷凝水被收集且提供用于发动机10中的喷水。特别地，冷凝水可被供至或供向发动机10的燃烧区域的上游。在燃气涡轮机的情形中，燃烧区域可通过内部或外部燃烧室形成，然而在往复式发动机的情形中，燃烧区域可通过气缸单元38的燃烧室形成。例如，燃烧区域的上游在燃气涡轮机的情形中可表示为压缩机入口，或者在往复式发动机的情形中可表示如空气入口（歧管）。

在冷却充入空气、或充入空气和气态燃料的混合物之前，充入空气以及充入空气和气态燃料的混合物可分别通过压缩机加压。因此，充入空气或充入空气和气态燃料的混合物的温度增加。

在发动机10的操作期间，由于燃料与充入空气一起燃烧，在燃烧区域中产生了排放。在一些实施方式中，排放气体可通过排放气体冷却器而冷却。因此，水可从排放气体中冷凝出。冷凝水可被收集并且供给或供向燃烧区域的上游。

取决于从充入空气、充入空气和气态燃料的混合物和/或排放气体中收集的水的温度，收集的水可在喷射之前被额外冷却，从而增加喷水的冷却效果。例如，来自排放气体的冷凝水温度在冷却前几乎100℃，且在冷却后大约50℃。

取决于收集的水的净化度和使用的喷水方法，收集的水可在被喷射之前被净化。在一些实施方式中，喷水器22可能需要喷射蒸馏水，使得，如果试图保持喷水器22的长服务寿命，收集的水如果还未被净化，可以通过净化装置而净化。

水可以来自充入空气、充入空气和气态燃料的混合物和/或排放气体的冷凝水被供给喷水器22。在一些实施方式中，可以确定来自充入空气或充入空气和气态燃料的混合物的冷凝水量，确定的冷凝水量可与预设水量阈值比较，并且如果确定的来自充入空气或混合物的冷凝水量低于预设水量阈值，从排放气体收集的冷凝水可仅供给燃烧区域。这可以确保，即使在具有非常低湿度的环境中，还有足够的水可用于喷水。

确定冷凝水量可直接通过测量冷凝水量而完成，或间接完成，例如，通过测量构成了充入空气来源的环境的空气湿度。

上述系统可以提供由第一集水器18和可选择的第二集水器30形成的用于喷水的富足水源。喷水不再需要储水的独立水箱。这对于用于例如航海船舶、海面应用和能量站的大型燃烧式发动机是特别好的。

此外，在包括两个集水器18和30的实施方式中，可提供多余系统，即使充入空气的空气湿度对于冷凝喷水所需的足够水量来说可能非常低，其也能够提供水。

虽然已经在此描述了这一实用新型的优选实施方式，可以组合其改进和修改，而不偏离所附权利要求的范围。

Claims

1.一种燃烧式发动机（10），其特征在于，包括：

燃烧单元（12），构造为接收充入的空气和燃料流；

至少一个喷水器（22），构造为向燃烧单元（12）内或上游喷水；

第一冷却器（16），流动地连接在燃烧单元（12）的上游；以及

第一集水器（18），流动地相互连接在第一冷却器（16）和至少一个喷水器（22）之间，第一集水器（18）被构造为收集冷凝水且将收集的水提供给至少一个喷水器 (22)。

2.如权利要求1所述的燃烧式发动机（10），其特征在于，所述发动机（10）构造为往复式发动机，包括：

多个气缸单元（38）；以及

空气入口（36），流动地连接至多个气缸单元（38）的上游；

其中，每个气缸单元（38）包括一个构造为向气缸单元（38）内部喷水的喷水器（22），和/或至少一个构造为向空气入口（36）内部喷水的喷水器（22）。

3.如权利要求1所述的燃烧式发动机（10），其特征在于，所述发动机（10）构造为燃气涡轮机，并且至少一个喷水器（22）构造为向压缩机、扩散器入口和/或燃气涡轮机的燃烧室中喷水。

4.如权利要求1至3中任一项所述的燃烧式发动机（10），其特征在于，

所述第一冷却器（16）构造为冷却充入的空气；或

所述第一冷却器（16）构造为冷却充入的空气和气态燃料的混合物。

5.如权利要求1至3中任一项所述的燃烧式发动机（10），其特征在于，

进一步包括以下两者中的至少一个：

第一泵（20），流动地相互连接在第一集水器（18）和至少一个喷水器（22）之间；和/或

至少一个压缩机（14），流动地连接至第一冷却器（16）的上游。

6.如权利要求1至3中任一项所述的燃烧式发动机（10），其特征在于，还包括：

第二冷却器（28），流动地连接至燃烧单元（12）的下游；以及

第二集水器（30），流动地相互连接在第二冷却器（28）和至少一个喷水器（22）之间，第二集水器（30）被构造为收集冷凝水且将收集的水提供给至少一个喷水器 (22)。

7.如权利要求6所述的燃烧式发动机（10），其特征在于，还包括：

第一泵（20），联动地连接至第二集水器（30）的下游；和/或

第二泵（34），流动地相互连接在第二集水器（30）和至少一个喷水器（22）之间。

8.如权利要求1至3中任一项所述的燃烧式发动机（10），其特征在于，还包括：

净化装置（32），流动地连接至至少一个喷水器（22）的下游，和/或

水冷却器，流动地连接至至少一个喷水器（22）的下游。

9.如权利要求7所述的燃烧式发动机（10），其特征在于，还包括：控制单元（24），构造为控制第一泵（20）和第二泵（34），如果第一泵（20）输送的水量低于预设的水量阈值，控制单元（24）驱动第二泵（34）供水。