CN212958847U - 用于废气再循环的装置和纵向扫气式大型发动机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及用于废气再循环的装置和纵向扫气式大型发动机。用于废气再循环的装置具有排放管(6)和再循环管(7)，废气能从涡轮增压器(3)供应至所述排放管，所述再循环管(7)用于将所述排气再循环至能量回收单元(5)，其中所述再循环管(7)具有中心轴线(M)并且通向所述排放管(6)，其中所述再循环管(7)中布置有第一阀体(8)，所述第一阀体(8)能够绕第一旋转轴线(D1)旋转以便改变所述再循环管(7)中的自由流动横截面，其中所述排放管(6)中布置有第二阀体(9)，所述第二阀体(9)能够绕第二旋转轴线(D2)旋转以便将一部分所述废气转移到所述再循环管(7)中。

Description

用于废气再循环的装置和纵向扫气式大型发动机
技术领域
本实用新型涉及一种纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，并且涉及一种纵向扫气式大型发动机。
背景技术
可以设计为二冲程或四冲程发动机的大型发动机(例如纵向扫气式二冲程大型柴油发动机)常用作船舶的驱动单元，甚至用在例如静止操作中以驱动大型发电机产生电能。发动机通常会连续操作相当长的一段时间，这对操作安全性和可用性提出了高要求。结果，特别长的维护间隔、低磨损和对操作材料的经济处理是操作员的中心标准。大型发动机通常具有气缸，其内径(缸膛)至少为200毫米。如今，使用的是缸膛高达960毫米甚至更大的大型发动机。
几年来，能量效率和废气质量是越来越重要的另一个重要问题，特别是废气中的氮氧化物浓度或硫负荷。在此，对于相应的排放阈值的法律要求和极限值越来越高。结果，特别是在二冲程大型柴油发动机中，经典重燃料油(被污染物高度污染)的燃烧以及柴油或其他燃料的燃烧也变得更加成问题，因为遵守排放阈值变得越来越困难，技术上越来越复杂，因此价格也更高。
关于经济和有效的操作、对废气排放阈值的遵守以及资源的可用性，正在寻求传统上用作大型发动机燃料的重燃料油的替代品。在这方面，既使用液体燃料(即，被以液态引入燃烧室中的燃料)，又使用气体燃料(即，被以气态引入燃烧室中的燃料)。
作为重燃料油的已知替代品的液体燃料的实施例是其他重烃，其尤其是从炼油厂、醇(特别是甲醇或乙醇)、汽油、柴油或乳浊液或悬浊液中残留的。例如，已知使用称为MSAR(多相超细雾化残渣)的乳浊液作为燃料。这些本质上是重烃(例如沥青)、重燃料油或类似品以及水的悬浊液，其是通过特殊工艺生产的。众所周知的悬浊液是煤尘和水的悬浊液，它们也用作大型发动机的燃料。诸如LNG(液化天然气)之类的天然气被称为气体燃料。
使用重燃油进行纯操作的另一种众所周知的替代方法是设计大型发动机，使其可以使用两种或更多种不同的燃料操作，其中，根据操作状况或环境，发动机可以使用一种燃料或使用另一种燃料操作。这样的大型发动机(也称为多燃料大型发动机)可以在操作期间从第一模式(其中燃烧第一燃料)切换到第二模式(其中燃烧第二燃料)，反之亦然。
可以用两种不同的燃料操作的大型发动机的已知设计是当今使用的术语“双燃料发动机”的发动机类型。一方面，这些发动机可以以气体模式操作，在该模式中，气态燃料(例如天然气或甲烷)被引入燃烧室中进行燃烧；另一方面以液体模式操作，在这种模式中，诸如重燃料油之类的液体燃料或另一种液体燃料可以在同一发动机中燃烧。这些大型发动机可以是二冲程和四冲程发动机，特别是纵向扫气式二冲程大型柴油发动机。
还已知这样的大型发动机，其可以使用两种不同的液体燃料来操作，由此通常两种燃料都是可用的，从而发动机在操作期间可以使用第一燃料或第二燃料来操作。
可以使用至少两种或更多种不同的液体或气体燃料操作的大型发动机通常根据当前使用的燃料以不同的操作模式操作。在通常被称为柴油操作的操作模式中，通常根据燃料的压缩点火或自点火原理而发生燃料的燃烧。在通常被称为奥托(Otto)操作的模式中，通过易点火燃料空气混合物的火花点火发生燃烧。该火花点火可以例如通过电火花发生(例如，使用火花塞)，或者通过少量注入的燃料自点火发生，然后引起另一种燃料的火花点火。例如，就上述双燃料发动机而言，对于将气体在气态下与扫气空气混合以在气缸的燃烧室中产生易点火混合物的气体模式是已知的。在这种低压过程中，通常在正确的时刻将少量液体燃料注入气缸的燃烧室或预燃室中，这导致空气-气体混合物的点火，从而发生气缸中的混合物的点火。
此外，还有根据奥托和柴油操作的已知的混合形式。
如今，目的是在大型发动机中实现最高的能效。为此，已知许多不同的措施。例如，目的是从燃烧过程产生的废气中提取尽可能多的能量，以使该能量(例如以热的形式)不会释放到未使用的环境中。例如，在双燃料大型发动机中，进行动态燃烧控制(DCO)是众所周知的。在此，根据当前使用的燃料和发动机操作时的当前载荷，来自涡轮增压器的涡轮的一部分废气供应给能量回收单元(例如热交换器)，以便利用仍含在废气中的热能。
在这方面，例如已知的是，将来自大型柴油机的从涡轮增压器通向排放口或烟囱的排放管的废气的一部分再循环，以便在热交换器中从废气中提取能量，然后可以利用这些能量。然后，在排放管中设置背压阀，该背压阀可以增加来自涡轮增压器的排放管中的压力，并将一部分废气转移到再循环管中，然后再循环管将废气供应给能量回收单元(例如热交换器)。为此，需要两个阀，即再循环管中的第一个阀(通常设计成截止阀，即可以在打开位置和关闭位置之间切换)以及第二阀(其设置在排放管中并且通常称为背压阀(BPV))。可以通过此阀调整从排放管转移到再循环管中的部分废气。
从该现有技术出发，本实用新型的目的是提出一种纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，利用该装置，可以容易地将从涡轮增压器流出的至少一部分废气供应至能量回收系统。此外，本实用新型的目的是提出一种包括这种装置的纵向扫气大型发动机。
实用新型内容
根据本实用新型，提出了一种纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，其具有排放管和再循环管，废气能从涡轮增压器供应至所述排放管，所述再循环管用于将所述排气再循环至能量回收单元，其中所述再循环管具有中心轴线并且通向所述排放管，其中所述再循环管中布置有第一阀体，所述第一阀体能够绕第一旋转轴线旋转以便改变所述再循环管中的自由流动横截面，其中所述排放管中布置有第二阀体，所述第二阀体能够绕第二旋转轴线旋转以便将一部分所述废气转移到所述再循环管中，其中，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线均垂直于所述再循环管的所述中心轴线，并且其中所述第一阀体和所述第二阀体经由铰接连接件彼此连接，从而所述第一阀体的旋转也引起所述第二阀体的旋转。
由于根据本实用新型的装置，能够以特别简单的方式将从涡轮增压器流出的废气的一部分供应到能量回收单元。由于两个阀体之间的铰接连接，只需要一个驱动器即可致动两个阀或改变它们的位置。
根据优选实施方式，所述第一阀体和所述第二阀体均设计成圆盘形的阀瓣，所述阀瓣分别相对于所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线对称地布置。这是设计两个阀体的在结构上特别简单的方式。
优选地，所述第二阀体的直径小于所述排放管的内径，由于该事实并且由于在各种情况下阀位置均垂直于再循环管的中心轴线，第二阀体永远不能完全关闭排放管，特别是在发生事故的情况下。这防止了排放管的损坏。因此，在第二阀体不能完全封闭排放管中的自由流动横截面的情况下，能够利用第二阀体来调整排放管中的动压。
此外，优选地，所述第一阀体的直径基本等于所述再循环管的内径，使得所述第一阀体能够关闭所述再循环管。第二阀体于是优选地用作截止阀，其在打开位置中打开穿过再循环管的流动，并且在关闭位置中阻止穿过再循环管的流动。
根据优选实施方式，设置有驱动器以使所述第一阀体绕所述第一旋转轴线旋转。当第一阀体旋转时，第二阀体也不可避免地经由铰接连接件而旋转。
在优选实施方式中，所述铰接连接件包括：第一刚性元件，其以铰接方式连接至所述第一阀体；第二刚性元件，其以铰接的方式连接至所述第二阀体；以及连接元件，其一方面以铰接的方式连接至所述第一元件，另一方面以铰接的方式连接至所述第二元件。
根据优选实施方式，所述铰接连接件包括调整装置，利用所述调整装置能以所述第一阀体旋转通过的固定的第一旋转角度来改变所述第二阀体旋转通过的第二旋转角度。这意味着只需要一个驱动器即可致动两个阀体，并且同时可以在不改变第一旋转角度的情况下改变第二旋转角度。结果，例如，第一阀体可以设计成开关阀，并且第二阀体可以根据大型发动机的操作条件被调整至不同的旋转角度。
所述调整装置优选包括线性马达。例如可以利用该马达改变连接元件的长度。
此外，本实用新型提出了一种包括涡轮增压器的纵向扫气式大型发动机，其中在所述涡轮增压器的下游设置有根据本实用新型设计的用于废气再循环的装置。
优选地，所述大型发动机设计成纵向扫气式二冲程大型柴油发动机。
特别优选地，所述大型发动机设计成双燃料大型柴油发动机，该双燃料大型柴油发动机能以液体模式操作，其中将液体燃料引入燃烧室中进行燃烧，并且能进一步以气体模式操作，其中气体作为燃料被引入所述燃烧室中。
附图说明
下面，根据实施方式并参照附图更详细地说明本实用新型。附图中示出：
图1：根据本实用新型的用于废气再循环的装置的实施方式的示意图；
图2：两个阀体的图示，其中第一阀体处于打开位置；以及
图3：两个阀体的图示，其中第一阀体处于关闭位置。
具体实施方式
图1以示意图示出了纵向扫气式大型发动机中的根据本实用新型的用于废气再循环的装置的实施方式，该装置总体上用附图标记1表示。
大型发动机包括至少一个(但通常是若干个)气缸，在其中进行燃烧过程。
术语“大型发动机”是指这样的发动机，其通常用作船舶的主驱动单元或还在例如固定操作中驱动大型发电机产生电能。典型地，大型发动机的气缸均具有至少约200mm的内径(缸膛)。
大型发动机可以设计成四冲程或二冲程发动机。特别地，大型发动机可以设计成大型柴油发动机，特别是设计成纵向扫气式二冲程大型柴油发动机。术语“大型柴油发动机”是指可以在柴油操作中操作的此类发动机。在理想化的极限情况下，柴油操作是基于扩散燃烧的恒压过程(恒压燃烧)。在柴油操作中，燃料的燃烧通常根据自燃原理进行。在本申请的框架内，术语“大型柴油发动机”也指除了柴油操作之外，还可以交替地以奥托(Otto)操作的此类发动机。在理想化的极限情况下，奥托操作是一个恒定体积的过程(恒定体积燃烧)，其中通常根据燃料的火花点火原理发生燃烧。大型柴油机也可能以柴油操作和奥托操作的混合形式操作。
此外，术语“火花点火的燃料”是指旨在通过火花点火在气缸中燃烧的燃料，即旨在防止自燃的燃料。相反，“自点火燃料”是指旨在通过自点火在汽缸中燃烧的燃料，例如重燃料油或柴油。
“液体燃料”是指以液态被引入气缸中的燃料。“气体燃料”是指以气态被引入气缸中的燃料。
在本实用新型的以下描述中，以示例性的性质来提及对于实践重要的大型柴油机的情况，该大型柴油机被设计成纵向扫气式二冲程大型柴油机，并且用作船舶的主驱动单元。但是，该大型柴油发动机不一定设计成双燃料大型柴油发动机，因而其可以使用两种不同的燃料进行操作，例如使用液体燃料(例如重燃料油)和气体燃料(例如天然气燃料)进行操作。双燃料大型柴油机可以在操作期间从燃烧第一燃料切换到燃烧第二燃料，反之亦然。
应当理解，本实用新型不限于这种类型的大型柴油发动机，也不限于这种用途，而是总体上涉及大型发动机。因此，大型发动机也可能仅设计用于燃烧单一燃料，例如重燃料油、船用柴油或柴油。大型发动机也可以设计成多燃料大型发动机，其可以使用第一燃料来操作，并且可以使用至少一种不同于第一燃料的第二燃料来操作。当然，大型发动机也可以设计成燃烧两种以上的燃料。
在每种情况下，大型柴油发动机的每个气缸中均设置有活塞，活塞布置成可在上下反转点之间在气缸轴线方向上来回移动，并且其上侧与气缸盖一起界定燃烧室。
活塞经由活塞杆以本身已知的方式连接到十字头，该十字头经由推杆连接到曲轴，从而活塞的运动通经由活塞杆、十字头和推杆传递至曲轴以使曲轴旋转。
燃料可以借助至少一个注入喷嘴注入燃烧室中。当然，也可以在每个气缸上设置若干用于将燃料注入燃烧室中的喷嘴。如果大型发动机可以用不同的燃料操作，那么也可以为不同的燃料提供不同的注入喷嘴或注入装置。
设置有通常在气缸盖中央居中布置的出口阀，在燃烧过程之后，燃烧气体可以借助该出口阀从气缸排放到废气收集管2(图1)中。
对于设计为二冲程发动机和设计为四冲程发动机而言，大型柴油机的进一步结构和各个部件(例如注入系统、气体交换系统、废气系统或用于提供扫气空气或增压空气的涡轮增压器系统以及用于大型柴油发动机的控制和调节系统的系统)对于本领域技术人员而言是众所周知的，因此在此无需进一步说明。
废气以本身已知的方式供应到涡轮增压器3，该涡轮增压器3包括压缩机31和涡轮32。此外，可以在涡轮增压器3的上游或下游设置废气净化系统，例如催化转化器。
热的废气从废气收集管2供应到涡轮增压器3的涡轮32，涡轮32驱动压缩机31，压缩机31将空气压缩到增压空气压力，并将该增压空气提供给进气接收器4，扫气空气或增压空气从进气接收器4被引入到气缸中。可以压缩机31与进气接收器之间可以设置有诸如增压空气冷却器(未示出)之类的附加单元。
在本文所述的纵向扫气式二冲程大型柴油机的实施方式中，通常在每个气缸或气缸套的下部区域中设置有扫气开口(例如设计成扫气狭槽)，以将扫气空气供应到气缸中，其中扫气开口借助气缸中活塞的运动而被周期性地关闭和打开，因此，只要气缸开放，涡轮增压器3提供的扫气空气就在增压压力下在进气接收器4中就可以穿过扫气狭槽流入相应的气缸中。
在现代大型柴油发动机中，控制和调节系统是电子系统，通常可以利用该系统调整、控制和调节所有发动机或气缸的功能，尤其是注入(注入的开始和结束)以及出口阀的致动。
大型柴油发动机还包括根据本实用新型的用于废气再循环的装置1，利用该装置1，来自涡轮增压器3的涡轮32的至少一部分废气可以再循环到能量回收单元5。例如，能量回收单元5是热交换器，利用该热交换器从涡轮增压器3的涡轮32流出的仍然热的废气中提取热形式的能量，然后将其用于其他目的。
用于废气再循环的装置1包括排放管6，其布置在涡轮增压器3的涡轮32的下游。废气从涡轮32流入排放管6中，该排放管6连接至出口15(例如排放口或烟囱)，以将废气排放到环境中。
通向能量回收单元5的再循环管7从排放管6分支出来。再循环管7通常被设计成具有中心轴线M的圆柱形管道(见图2和图3)。再循环管7中设置有可绕第一旋转轴线D1旋转的第一阀体8，利用该第一阀体可以改变再循环管7中的废气的自由流动横截面。
优选地，第一阀体8设计成开关阀，该开关阀具有关闭位置和打开位置，在关闭位置中废气不能流过再循环管7，在打开位置中废气可以从排放管6流向能量回收单元5。
排放管6中设置有可绕第二旋转轴线D2旋转的第二阀体9，以将一部分废气转移到再循环管7中。
根据本实用新型，第一阀体8和第二阀体9经由铰接连接件10彼此连接，使得第一阀体8的旋转引起第二阀体9的旋转。两个阀体8、9布置成使得两个旋转轴线D1、D2都垂直于再循环管7的中心轴线M。
这意味着当第一阀体8从打开位置(图2)移动到关闭位置(图3)时，排放管6中的第二阀体9的位置同时改变。
优选地，铰接连接件10包括：第一刚性元件11(例如杆)，其以铰接的方式连接至第一阀体8；以及第二刚性元件12，其以铰接的方式连接至第二阀体9。在第一元件11和第二元件12之间设置有连接元件13，该连接元件13一方面以铰接的方式连接至第一元件11，另一方面以铰接的方式连接至第二元件12。这意味着，当第一阀体8从打开位置(图2)移动到关闭位置(图3)时，第二阀体8也不可避免地绕着第二旋转轴线D2旋转第二旋转角度。
优选地，两个阀体8、9均设计成圆盘形的阀瓣，阀瓣分别相对于第一旋转轴线D1和第二旋转轴线D2对称地布置，即相应的旋转轴线D1、D2平行于第一阀体或第二阀体的直径轴线。
第一阀体8的尺寸优选使得其直径基本等于再循环管7的内径，从而使处于关闭位置的第一阀体8防止废气流过再循环管7。
第二阀体9的尺寸优选使得其直径小于排放管6的内径，从而使第二阀体9不能完全关闭排放管6。
在图2所示的第一阀体8的打开位置中，第二阀体9相对于气体的流动方向G以不同于0°和90°的角度(在此为约45°)倾斜，而第一阀体8处于打开位置，在该位置中，第一阀体8平行于再循环管7的中心轴线M对准。
在图3所示的第一阀体8的关闭位置中，第一阀体8垂直于再循环管7的中心轴线M对准，使得再循环管7被第一阀体8基本关闭。第二阀体9平行于废气的流动方向G对准，使得经过废气管6的自由流动横截面最大，并且废气基本上完全流动至出口15。
为第一阀体8(未示出)提供驱动器，第一阀体8可以利用该驱动器从打开位置移动到关闭位置，反之亦然。
当第一阀体8从打开位置移动到关闭位置(反之亦然)时，可以经由铰接连接件10(并且特别是经由连接元件13的长度)来调整第二阀体9旋转的第二旋转角度。
优选地，连接元件13设计成使得其长度可以改变。因此，以固定的90°的第一旋转角度(第一阀体8的打开位置和关闭位置之间的变化)，可以改变第二阀体9的最终旋转。例如，连接元件13可以包括线性马达，利用该线性马达可以改变连接元件13的长度。

Claims (11)

1.一种纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，所述纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置具有排放管(6)和再循环管(7)，废气能从涡轮增压器(3)供应至所述排放管，所述再循环管(7)用于将所述废气再循环至能量回收单元(5)，其中所述再循环管(7)具有中心轴线(M)并且通向所述排放管(6)，其中所述再循环管(7)中布置有第一阀体(8)，所述第一阀体(8)能够绕第一旋转轴线(D1)旋转以便改变所述再循环管(7)中的自由流动横截面，其中所述排放管(6)中布置有第二阀体(9)，所述第二阀体(9)能够绕第二旋转轴线(D2)旋转以便将所述废气的一部分转移到所述再循环管(7)中，其特征在于，所述第一旋转轴线(D1)和所述第二旋转轴线(D2)均垂直于所述再循环管(7)的所述中心轴线，并且所述第一阀体(8)和所述第二阀体(9)经由铰接连接件(10)彼此连接，从而所述第一阀体(8)的旋转也引起所述第二阀体(9)的旋转。
2.根据权利要求1所述的纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，其特征在于，所述第一阀体(8)和所述第二阀体(9)均设计成圆盘形的阀瓣，所述阀瓣分别相对于所述第一旋转轴线(D1)和所述第二旋转轴线(D2)对称地布置。
3.根据权利要求2所述的纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，其特征在于，所述第二阀体(9)的直径小于所述排放管(6)的内径，使得所述第二阀体(9)不能完全关闭所述排放管(6)。
4.根据权利要求2或3所述的纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，其特征在于，所述第一阀体(8)的直径基本等于所述再循环管(7)的内径，使得所述第一阀体(8)能够关闭所述再循环管(7)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，其特征在于，设置有驱动器以使所述第一阀体(8)绕所述第一旋转轴线(D1)旋转。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，其特征在于，所述铰接连接件(10)包括：第一刚性元件(11)，所述第一刚性元件以铰接的方式连接至所述第一阀体(8)；第二刚性元件(12)，所述第二刚性元件以铰接的方式连接至所述第二阀体(9)；以及连接元件(13)，所述连接元件一方面以铰接的方式连接至所述第一刚性元件(11)，另一方面以铰接的方式连接至所述第二刚性元件(12)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，其特征在于，所述铰接连接件(10)包括调整装置，利用所述调整装置能够以所述第一阀体(8)旋转通过的固定的第一旋转角度来改变所述第二阀体(9)旋转通过的第二旋转角度。
8.根据权利要求7所述的纵向扫气式大型发动机中的用于废气再循环的装置，其特征在于，所述调整装置包括线性马达。
9.一种纵向扫气式大型发动机，该纵向扫气式大型发动机包括涡轮增压器(3)，其特征在于，所述涡轮增压器(3)的下游设置有根据权利要求1至8中的任一项设计的用于废气再循环的装置(1)。
10.根据权利要求9所述的纵向扫气式大型发动机，其特征在于，所述纵向扫气式大型发动机被设计成纵向扫气式二冲程大型柴油发动机。
11.根据权利要求9或10所述的纵向扫气式大型发动机，其特征在于，所述纵向扫气式大型发动机被设计成双燃料大型柴油发动机，该双燃料大型柴油发动机能以液体模式操作，在所述液体模式中将液体燃料引入燃烧室中进行燃烧，并且所述双燃料大型柴油发动机能进一步以气体模式操作，在所述气体模式中气体作为燃料被引入所述燃烧室中。
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