专利名称：具有能量回收装置的大型涡轮增压柴油发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有一个或者多个排气加热锅炉的大型涡轮增压柴油发动机，特别涉及一种设有动力涡轮的大型涡轮增压柴油发动机，该动力涡轮由从涡轮增压器的涡轮的上游分流出的排气驱动。
背景技术：
EP0434419披露了一种大型双冲程涡轮增压柴油发动机，其中排气中的热能通过位于涡轮增压器低压侧的锅炉和位于涡轮增压器高压侧的锅炉的组合得到回收。在低发动机负荷时，通过将一定比例的排气直接导入绕过上游锅炉的涡轮增压器来减少在将排气导 入涡轮增压器之前对排气中热能的回收。但是，通过在排气接收器和涡轮增压器的涡轮之间放置一台锅炉，导致整体结构变得相对庞大而复杂。另外，排气门和涡轮增压器之间的流动路径长度的增加会降低涡轮增压器对加速的响应。另外，这种发动机仅仅回收热能，而不能将所回收的能量转换成更有用的形式的能量，如旋转能或电能。
发明内容
在这种背景下，本发明的目的是提供一种前面所提类型的涡轮增压柴油发动机，该涡轮增压柴油发动机更加紧凑并且容易构造。该目的通过提供一种所述类型的涡轮增压柴油发动机来实现，该发动机包括多个气缸，每个气缸都通过相应的歧管连接到排气接收器；上游排气管，该上游排气管用于将排气从所述排气接收器引到涡轮增压器的涡轮的入口 ；下游排气管，该下游排气管用于将排气从所述涡轮增压器的涡轮的出口引到大气中；用于从排气中回收热能的一个或多个排气加热锅炉或换热器，其中，将所述锅炉或换热器中的至少一个锅炉或换热器设置在所述排气接收器内。通过将所述锅炉中的一个放置在排气接收器内，有效地使系统的部件在大型涡轮增压柴油发动机顶部的紧凑区域不再需要任何的空间。这种措施产生了更多围绕发动机的空间，同时减少了布管量。另外，节省了锅炉的壳体，因为排气接收器的壳体现在具有两个功能其一是提供用于接收和收集来自各个气缸的排气的空腔；其二是提供用于容纳锅炉的空腔。另一个优点是允许经过锅炉的压降是传统构造中的三倍而不会引起发动机性能的下降。增加的压降则使气体速度增加，从而使得换热面积显著减少(所有其他参数也一样)，从而导致锅炉小得多。所述大型涡轮增压柴油发动机还可包括位于涡轮增压器低压侧的预热/蒸发锅炉。此时置于排气接收器内的锅炉被用于使涡轮增压器低压侧的锅炉所产生的蒸汽过热。所以，蒸汽的品质提高了，特别是考虑到在蒸汽轮机中使用过热蒸汽。大型涡轮增压柴油发动机还可以包括由单个锅炉或者多个锅炉产生的蒸汽驱动的蒸汽轮机。所以，从排气中回收的能量被转换成更有用的能量形式。动力涡轮可以驱动发电机将旋转能转换成电能。排气接收器可以容纳多个锅炉，或者多级单个锅炉。所以，排气中的能量能够被更有效地传递到蒸汽。所述多个锅炉可以形成包括预热/蒸发和过热/蒸发锅炉的多级蒸汽过热蒸汽产生系统。本发明的另一个目的是提供一种改进的排气能量回收的大型涡轮增压柴油发动机。该目的通过提供一种大型涡轮增压柴油发动机而实现，该大型涡轮增压柴油发动机包括涡轮增压器，该涡轮增压器具有连接到增压空气压缩机的排气驱动涡轮；位于涡轮增压器的高压侧的第一排气加热锅炉；位于涡轮增压器的低压侧的第二排气加热锅炉；以及动力涡轮，该动力涡轮由从涡轮增压器的高压侧分流出来的一部分排气驱动。通过使用位于涡轮增压器涡轮的高压侧的锅炉以及从涡轮增压器涡轮的高压侧分流一部分排气，在数量上提高了能够从排气中回收的能量总量，尤其是在工况改变更大的条件下，因为与通过动力涡轮产生更多的旋转能相比，该系统适于通过锅炉产生更多的热能。所以，该系统也能如同在远洋航船的推进系统中一样帮助提高固定发电厂中的总燃料效率。一方面，第一锅炉可以被所有的排气流过，同时用于动力涡轮的排气部分在该第一排气加热锅炉的下游被分流。这样使能够回收的能量的总量最大化。另一方面，第一锅炉可以仅被排气的分流部分流过，这不影响涡轮增压器的热平衡，以这种方式保证了加速期间涡轮增压器涡轮的响应度。离开动力涡轮的排气可以在涡轮增压器的低压侧被重新引入主排气流。这样能确保所有的排气例如在选择性催化反应器和/或消声器中得到后处理。优选地，动力涡轮驱动发电机。所以，被回收的能量能被用于产生一种非常具有吸引力的形式灵活的能量。本发明的另一个目的是提供一种可灵活操作并且能从排气中很好地回收能量的大型双冲程柴油发动机。这个目的通过提供一种大型增压双冲程柴油发动机而实现，该大型增压双冲程柴油发动机包括驱动发电机的排气驱动涡轮，由电驱马达驱动的增压空气压缩机，以及换热器，该换热器位于所述涡轮的高压侧，用于从排气中抽取热能。由于没有连接涡轮和压缩机的轴，所以发动机的工作状况能够以更大的自由度来控制，同时涡轮高压侧的换热器的使用确保了能很好地回收排气中所包含的能量。优选地，该发动机不包括涡轮增压器。换热器能用来产生蒸汽。所述发动机还可以包括蓄积发电机所产生的电能的部分，以及将储存的电能提供给电驱马达的装置。优选地，所述发动机包括控制发电机所产生的电能和所储存的电能的分配的装置。所述发动机还可以包括由在来自换热器的热量帮助下产生的蒸汽所驱动的蒸汽轮机。
优选地，所述换热器被设置成使离开所述换热器的排气的温度降低到使离开位于所述换热器下游的涡轮的排气的温度在环境温度以下的程度。本发明的另一目的是提供一种能够以非常高的燃料效率使用在热电联产电厂中的燃烧发动机。该目的通过提供一种使用在热电联产电厂中的增压内燃式发动机而实现，所述发动机包括用于吸收环境压力和温度下的空气的进气系统，该进气系统包括压缩机，该压缩机用于将压力在环境压力以上的增压空气输送到所述内燃式发动机的气缸；由排气驱动的涡轮；以及换热器，该换热器位于涡轮的高压侧，用于从排气中抽取热量，所述换热器和涡轮被设置成获得低于环境温度的涡轮低压侧排气温度。通过在涡轮高压侧的排气加热锅炉中抽取大量的能量，以及使用有效涡轮面积相对较小的涡轮，已经相对较冷的排气在涡轮中的膨胀会导致在涡轮低压侧的排气的温度显著低于环境温度。所以燃烧发动机自身转变为热泵，从环境中抽取低品位的能量并将其转化成高品位的能量。能获得明显高于100%的总燃料效率，由此表现出良好的经济性和环境 友好性。排气温度能低到至_40°C。离开使用该发动机的发电厂的烟囱的排气中可能含有雪或者类似的冰结晶。优选通过用于增大经过所述换热器的排气的温度降的换热器的大容量以及用于增大排气在所述涡轮中膨胀过程中的温度降的小有效涡轮面积获得低于环境温度的排气温度。优选地，离开气缸的排气的温度在400°C至500°C之间，离开排气加热锅炉的排气的温度在110°c以下，且离开该锅炉的排气的压力在2bar以上。涡轮和压缩机能通过轴连接起来以形成涡轮增压器。此时，所述发动机还可以包括动力涡轮，该动力涡轮由从排气流分流到所述锅炉下游的涡轮增压器涡轮的排气驱动。所述发动机可以包括蒸汽轮机，该蒸汽轮机由所述换热器利用从排气中抽取的热量所产生的蒸汽驱动。优选地，所述发动机还可以包括位于所述压缩机的高压侧的增压空气加湿单元。离开涡轮的排气的压力优选等于或者略高于环境压力。离开涡轮的排气的温度优选地在_5°C至_40°C之间。至少当所述发动机工作在最大连续运转额定值时，离开涡轮的排气的温度低于环境温度。至少当所述发动机工作在最大连续运转额定值时，离开涡轮的排气的温度在_5°C至-40°C范围内。根据本发明的再一方面提供一种增压燃烧发动机，该增压燃烧发动机包括一进气系统用于在环境压力和温度下吸气，所述进气系统包括压缩机，该压缩机用于将压力在环境压力以上的增压空气输送到所述内燃式发动机的气缸；由排气驱动的具有给定有效涡轮面积的第一涡轮；由排气驱动的具有给定有效涡轮面积的第二涡轮；换热器，该换热器位于涡轮的高压侧，用于从排气中抽取热量；以及用于选择性地使用两个涡轮或者两个涡轮中任一个涡轮、以使发动机以不同的涡轮低压侧排气温度运行的装置。根据本发明的另一方面，提供一种增压燃烧发动机，该增压燃烧发动机包括压缩机，该压缩机用于将压力在环境压力以上的增压空气输送到所述内燃式发动机的气缸；由排气驱动的具有给定有效涡轮面积的涡轮；以及换热器，该换热器位于涡轮的高压侧，用于从排气中抽取热量。根据本发明的再一方面，提供一种操作增压燃烧发动机的方法，所述增压燃烧发动机包括用于吸收环境压力和温度下的空气的进入系统，该进气系统包括压缩机，该压缩机用于将压力在环境压力以上的增压空气输送到所述内燃式发动机的气缸；由排气驱动的具有给定有效涡轮面积的第一涡轮；由排气驱动的具有给定有效涡轮面积的第二涡轮；以及换热器，该换热器位于涡轮的高压侧，用于从排气中抽取热量，所述方法包括选择性地使用所述涡轮以获得不同的涡轮低压侧排气温度的步骤。根据本发明的增压燃烧发动机的其他目的、特征、优点和特性通过下面的详细说明将变得显而易见。
在本说明书的下面详细描述中，将参照附图中示出的示例性实施例对本发明进行 更加详细的说明，在附图中图I是本发明第一实施例的大型涡轮增压柴油发动机的局部侧视图，图2是图I中发动机的纵向剖视图，图3示意性示出根据本发明第二实施例的具有热回收设备的大型涡轮增压柴油发动机，图4示意性示出根据本发明第三实施例的具有热回收设备的大型涡轮增压柴油发动机，图4a是示出图4中发动机的运行参数的图表，图5示意性示出根据本发明第四实施例的具有热回收设备的大型涡轮增压柴油发动机，图5a是示出图5中发动机的运行参数的图表，图6示出了本发明的另一个实施例，其中所述发动机用作热泵，图7示出了本发明的又一个实施例，其中没有使用涡轮增压器，最为替代，该实施例设有电连接起来的涡轮和鼓风机，以及图8是本发明的使用了排气再循环的另一个实施例。
具体实施例方式在下面的详细描述中，将通过优选实施例对根据本发明的大型双冲程柴油发动机形式的大型涡轮增压柴油发动机进行描述。大型涡轮增压柴油发动机如十字头型的大型双冲程柴油发动机的构造和运行是公知的，因此无需在本文中进行进一步描述。下文提供关于增压操作和排气系统的详细描述。图I示出了根据本发明的大型双冲程柴油发动机I的上部区域的第一实施例。该发动机设有彼此并排直列布置的多个气缸。每个气缸均设有与气缸盖相关联的排气门(未示出)。排气通道能够由排气门打开或关闭。歧管将相应的排气通道连接到排气接收器3。排气接收器3与气缸列平行地布置。歧管40开口到排气接收器3中，排气管道从排气接收器通到涡轮增压器的涡轮。在气缸数量非常多(例如10个或更多个)的发动机中，可将排气接收器纵向分成两个或更多个部分(未示出)。在该实施例中，排气接收器3具有圆筒形壳体42，如图2所示，圆筒形壳体42在其端部具有可拆除的盖44。圆筒形壳体42包含换热器23，排气能流过该换热器以产生过热蒸汽。因此换热器23用作锅炉。圆筒形壳体42还包含收集管46，歧管40将排气释放到收集管46中。如图2所示，排气接收器的圆筒形壳体42被分成并置在 中央出口腔52两侧的两个换热器段50a和50b以及收集管段46a和46b，排气从中央出口腔52经由所述排气管道离开。所以，排气接收器3的结构是关于中央径向平面对称的。换热器装置的两段50a、50b都由若干顺序布置的公知换热元件构成，这些换热元件被隔离物49分开。各段50a、50b分别包括两个换热器元件57a、58a以及57b、58b，每个换热器元件均包括沿着气流方向延伸的大量的管，所述气流方向用绘制成连续线的箭头表示，平行于圆筒形壳体的纵向轴线。各换热器段50a、50b中的流向是相反的且朝向彼此。偏心布置的换热器元件57a、58a、57b和58b的截面轮廓是邻接圆筒形壳体42的内周的环形片段。该环形片段可以被分成若干子段以增强组装的简易性(未示出)。排气接收器3的圆筒形壳体42设有分隔壁63，分隔壁63将换热器元件与排气接收器3其余的内部截面分开，从而将排气接收器的内部截面分隔成容纳换热器元件的通道和收集排气并将排气朝具有换热器元件57a、58a、57b和58b的所述通道引导的通道。上述后一个通道(歧管40在其中开口的通道)沿中断线所示的箭头方向引导排气。加热元件能够缩到容纳加热元件的通道中。纵向外部的加热元件通过隔离物49与内部的加热元件分开。整个组件通过锁定板66保持在位。收集通道46a、46b具有在径向向外方向上扩口的漏斗形截面形状。歧管40被布置成将排气吹到各收集通道46a、46b中。收集通道46a、46b通过连接到收集通道前端的侧壁69与中央出口腔53隔开。收集通道46a、46b在距可拆卸盖44 一定距离的相反侧上打开。所以，在圆筒形壳体42的端部区域中形成反向腔71a、71b。反向腔71a、71b将收集通道46a、46b连接到容纳换热器段的通道。所以，在出口腔52的两侧形成流动路径，所述流动路径通过容纳换热器元件的通道将收集通道46a、46b与出口腔相连。如图2中的中断线的箭头所示，离开歧管40到达各收集通道46a、46b中的排气流到反向腔71a、71b，然后如连续线的箭头所示，朝着出口腔52流过各换热器57a、58a、57b、58b。因此，排气接收器3的壳体42同时包含了排气接收腔和从排气中回收热能的锅炉。通过在排气接收器中包含所述锅炉，节省了排气锅炉所需要的空间以及排气锅炉的壳体。图3示出了带有进排气系统的十字头型大型双冲程涡轮增压柴油发动机I的第二实施例。发动机I具有增压空气接收器2和排气接收器3。排气接收器3可以是在第一实施例中所述的类型，但这不是必须的。该发动机设有未示出的排气门(每个气缸有一个或多个)。发动机I可以例如被用作远洋航船的主发动机或者用于在发电站中驱动发电机的固定发动机。该发动机的总输出可以在例如5，000至110，OOOkW的范围内，但是本发明也可以用于输出例如是1，OOOkff的四冲程柴油发动机。增压空气从增压空气接收器2被送到各个气缸的扫气口(未示出)。当排气门4打开时，排气经歧管40流入排气接收器3，然后从排气接收器3向前经过第一排气管5到达涡轮增压器的涡轮6，最后排气经第二排气管7离开涡轮6。涡轮6通过轴8驱动经由进气口 10被供应空气的压缩机9。压缩机9将加压的增压空气输送到通到增压空气接收器2的增压空气管11。空气管11中的进气经过中冷器12，以将离开压缩机9时接近200°C的扫气冷却到接近36 °C的温度。冷却后的扫气经过对扫气流进行加压(通常只在低负荷或者局部负荷条件下)的辅助鼓风机16到达扫气接收器2，该辅助压缩机由电马达17驱动。在高负荷时，通过涡轮增压器压缩机9输送的扫气的量足以使发动机运行，并且辅助鼓风机16停机。此时通过管道15绕过辅助鼓风机16。 优选呈例如管式或翅片式换热器形式的第一锅炉23被布置在第一排气管5中，SP涡轮6的上游，以利用排气中的热能产生蒸汽。排气进入排气接收器3时的温度大约455°C，而第一锅炉23入口处的温度仅仅稍微低一点。如前面参照第一实施例所述，第一锅炉23可以排气接收器3整体的一部分。排气管在锅炉23下游分支，排气的大部分继续通过排气管5朝涡轮6流动，小部分排气通过管道30朝动力涡轮31流动。附加的动力涡轮31驱动发电机32。排气流中过剩的能量因此被转换成电能，即具有高放射本能的能量。可以通过管道30中的可变流量调节器(未示出)来调节分流到动力涡轮31的排气量。离开动力涡轮31的排气被导向第二排气管7并在那里被重新引入主排气流。第二排气管7将排气引导到第功率二锅炉20的入口，第二锅炉包括换热器，例如管式或者翅片式换热器。第三排气管21将来自第二锅炉20的增压空气导入大气。在进入大气之前，排气可以在选择性催化反应器(未示出)中被净化以减少例如NOx的排放水平并且经过消声器(未示出)以减少噪音污染。第二锅炉20利用排气流中的热量来产生加压蒸汽。在该阶段，排气温度低于刚离开气缸时的温度，通常涡轮增压器涡轮6出口的温度在250°C至300°C的范围内。管道22将第二锅炉20产生的蒸汽引导到第一锅炉的入口。第一锅炉被温度约为450°C的排气加热，这种排气是使进入第一锅炉23的水/蒸汽被蒸发/过热的非常有效的介质。过热蒸汽通过管道34被引向将蒸汽中的能量转换成旋转机械能的蒸汽轮机37。蒸汽轮机37驱动发电机35以产生电能，这可以用在远洋航船上，例如，用于给冷却设备供电，或者用来为固定发电站增加电力。虽然没有在该实施例或者任何其他实施例中示出，但是应当理解，所述锅炉和蒸汽轮机是包括冷凝器、冷却器和其他蒸汽动力领域公知的设备在内的蒸汽循环的一部分。具有MAN B&W 12K98ME发动机的第二实施例的运行参数的示例提供在下面的表I中。这是一种具有12个缸径为98cm的气缸的发动机。应当注意，涡轮增压器的压缩机加上可能的辅助鼓风机需要大约2500kW的输入功率。该功率从排气中抽取出来的和/或通过其他辅助的鼓风机提供。
基于能量守恒，能够确定从整个系统中抽取的功率的最佳值。这最终视情况而定，如锅炉类型、蒸汽轮机类型和大型双冲程柴油发动机的使用情况。在远洋航船中主要关注提供旋转能，而在固定发电站中则等同地关注热能的生产(用于区域供暖时)和电力的生产。利用第一锅炉23和动力涡轮31从排气中得到的大小可变的功率，该系统能够在各种运行点下运行。从位于涡轮增压器涡轮6上游的第一锅炉23中抽取的功率将使涡轮增压器涡轮6和动力涡轮31可用的功率减少，而从第二锅炉20抽取的功率不会对涡轮增压器和动力涡轮的功率产生影响。在表I的示例中，从第一锅炉23中抽取了 10，OOOkff的功率输送给蒸汽轮机37 (对于本示例，功率值是任意选择的，可以如图3A所示选择其他的值)。 图3A是示出了在第一锅炉23中抽取不同数量值的功率的计算结果的图。图中用对发动机轴功率的百分比表示各种部件的功率，这说明本发明可以用于各种尺寸的发动机。在图上能看到，当在位于涡轮增压器涡轮6上游的第一锅炉23中抽取的能量增加时，能够从动力涡轮中抽取的能量就降低。可以根据所需要的能量类型(热能或旋转能/电能)来决定最佳的运行位置。如果同时需要热能和旋转能，例如在既提供电能又提供热能的固定发电站中，所述最佳运行点最可能倾向于通过第一锅炉23抽取最大的能量。该运行点要求即使在满负荷条件下辅助鼓风机16也要工作。在远洋航船上需要的主要能量是推进动力，即驱动螺旋桨(未示出)的旋转能。整个船只所需要的热量通常相对较低，而所需要的电量则根据船只类型而不同，散装货船所需的电量相对较低。运送冷却或液化天然气的集装箱船需要大量的电能。此时从优势的全面能量效率观点来看以5，000-10，OOOKff的能量被第一锅炉抽取的方式运行。图4示出了本发明的第三实施例。除了扫气冷却器12a的类型不同之外，该实施例基本上对应于第二实施例。所述扫气冷却器是注入并蒸发大量水的涤气器。注入的水优选是温水，例如是利用发动机I的(水)冷却系统(未示出)的废热加热的海水(当发动机安装在远洋航船上时)或者河水(当发动机安装在江河附近的固定发电站时)。涤气器12a运行以使得离开涤气器出口的空气具有大约70°C的温度和基本上100%的相对湿度。所述扫气的绝对湿度大约是第二实施例中离开中冷器12的扫气的大约五倍。所以，扫气和排气中所含的能量显著增加。因此排气中有更多的可用能量供锅炉20、23和动力涡轮31抽取。具有MAN B&W 12K98ME发动机的第三实施例的运行参数的示例示出在表I中。为了产生该扫气条件，涡轮增压器压缩机和可能的辅助鼓风机需要约25，OOOkW的输入功率，还要实现进一步注入约7，5kg/s的水在压缩机出口空气中蒸发。该功率(25000kW)必须从排气中抽取和/或由其他的辅助鼓风机提供。在本实施例中，在第一锅炉23中抽取10，OOOkW输送到蒸汽轮机37 (对本示例，该值是任意选择的，可如图4A所示选择其他值)。
图4A是示出了在第一锅炉中抽取不同数量值的功率的计算结果的图。图中用对发动机轴功率的百分比表示各种部件的功率，这说明本发明可以用于各种尺寸的发动机。在图上能看到，当在位于涡轮增压器涡轮6上游的第一锅炉23中抽取的功率增加时，能够从动力涡轮31中抽取的功率就降低。在该实施例中，在不把功率分给辅助鼓风机16的情况下，能够从第一锅炉23中抽取超过25，OOOkff的功率。在根据第二实施例的发动机中，在不把功率分给辅助鼓风机16的情况下，只能在第一锅炉中抽取约14，OOOkff0由于发动机自身的燃料效率受湿热扫气的作用仅仅是非常轻微地下降，所以结合了根据本发明的排气能量回收系统的发动机I的总体燃料效率明显高于常规的具有排气能量回收系统的发动机(例如第二实施例)。根据第三实施例的发动机的理想的运行点类似于根据第二实施例的发动机的运行点。在第三实施例的一个变型中，发动机利用在出口处温度非常低的排气来工作。该温度可以低到-40°C，这意味着排气中的水将经历两次相变从蒸汽到液体以及从液体到固体，例如离开发动机的排气可能包含雪或者相似形式的冰。因此，所述发动机用作热泵，这在既需要机械能又需要热能的应用中是特别引起关注的，如用于提供电能和区域供暖的 热电联产电厂。通过在第一锅炉23中抽取大量的能量获得所述运行状态，在表I的示例中抽取了 72. OOOkff0另外，涡轮6的有效面积和前述示例/实施例相比减少了约三分之一，产生-25°C的排气温度。涡轮有效面积减少的结果是，压缩机9可用的能量限制减少(当涡轮有效面积减少时，排气在涡轮中的温度降(由于气体膨胀)增加)。所以，辅助鼓风机的容积和功率消耗增加了。在该实施例中，辅助鼓风机16在所有负荷情况下都是运行的，例如也可以在满负荷情况下运行，因为即使在发动机满负荷时涡轮6产生的功率也不能满足压缩机9产生全部所需的扫气。当发动机使用重燃油或者柴油时，位于露点下游的排气零部件采用抗腐蚀材料构成，这样它们能应对燃料中的含硫成分所导致的酸性沉积物(冷凝物中含有硫酸)。当发动机使用天然气或者其他基本上不含硫的燃料时，就不需要这些措施。具有MAN B&W 12K98ME发动机的第三实施例的所述变型的运行参数的示例提供在的表I的“3冷” 一栏中。在第三实施例的该变型中，由于涡轮增压器涡轮后的排气的低温，在低压侧没有第二锅炉。所以，该系统仅包括位于涡轮高压侧的第一锅炉23。在该实施例的另一个变型(未示出)中，发动机设有第二涡轮，用于当对热能的需求较低而对旋转能的需求较高时在涡轮高压侧和低压侧以较高的排气温度运行(例如在低压侧是50°C至200°C，在高压侧是150°C至350°C )，例如热电联产电厂的夏季运行。该系统可以切换到具有较大有效涡轮面积的第二涡轮，以获得低于环境温度的排气温度，或者第二涡轮也可以具有相对较小的涡轮面积，两个有效面积较小的涡轮并联使用，每个都接收一部分排气流。在较高排气温度的运行中，具有较大有效涡轮面积的涡轮或者并联运行的两个具有较小有效涡轮面积的涡轮将给压缩机传递足够的功率，使得辅助鼓风机只需要在低负荷工况时才启动。在锅炉23中抽取的功率相应地降低，以获得适应涡轮6低压侧的理想排气温度的离开锅炉23的排气温度。或者，与使用两个涡轮相反，可以使用一种具有可变有效涡轮面积的单个涡轮(未示出)以获得所需要的有效涡轮面积的柔性。所以，该第二变型能运行在关注热能生产和非常高的总体能量效率的模式下，而另一模式则关注旋转能生产，该系统在这种模式下被优化使其具有最大的从燃料中抽取旋转能的效率。图5示出了本发明的第四实施例。该实施例基本上对应于第二实施例，不同之处在于第一锅炉23布置在从排气管5分出来的排气流中。所以，只有排气的分流部分流过第一锅炉23。管道30将排气从第一锅炉23的出口引到动力涡轮31。该实施例的优点是排气能从排气接收器3直接流到涡轮增压器涡轮6，这意味着发动机对加速情况具有更好的响应。动力涡轮31的出口连接到第二锅炉的20入口或者如断续线所示连接到排气管21的末端部分。连接的选择取决于动力涡轮31的出口温度。如果动力涡轮31的出口温度显著地低于涡轮增压器涡轮6的出口温度，那么将动力涡轮的出口连接到排气管21的末端部分。具有MAN B&W 12K98ME发动机的第四实施例的运行参数的示例提供在的
表I的“4” 一栏中。在该示例中，20%的排气朝动力涡轮分流以产生动力涡轮输出功率(POPT)或者 辅助鼓风机输入功率。能够确定关于从整个系统中抽取的功率的最优值。这最终视情况而定，如锅炉类型、蒸汽轮机类型和大型双冲程柴油发动机的使用情况。在远洋航船中主要关注提供旋转能，而在固定发电站中则等同地关注热能的生产(用于区域供暖时)和电力的生产。排气流(160kg/s, 455°C, 3. 35bar (abs.))中的可用功率可用在四个设备中。I)涡轮增压器涡轮6上游的第一锅炉23 ；2)动力涡轮31;3)涡轮增压器涡轮6下游的第二锅炉20 ;以及4)涡轮增压器涡轮6。利用第一锅炉23和动力涡轮31从排气中得到的大小可变的功率，该系统能够在各种运行点下运行。从位于涡轮增压器涡轮6上游的第一锅炉23中抽取的功率将使涡轮增压器涡轮6和动力涡轮31可用的功率减少，而从第二锅炉20抽取的功率不会对涡轮增压器和动力涡轮的功率产生影响。从第一锅炉23中抽取的其他量的能量的结果显示在图5A的图表中。在第四实施例的一个变型(未示出)中，冷却单元12被冷却加湿单元12a代替，冷却加湿单元12a给增压空气中添加大量的水(蒸汽)。在该实施例中，增压空气并不被冷却到不对增压空气加湿的实施例中那样的低温。该实施例的运行参数如表I的“4湿”一栏所示。图6示出了本发明的第五实施例。该实施例基本上对应于第二实施例，不同之处在于没有第二锅炉20。另外，该发动机通过出口处温度非常低的排气来运行。该温度可以低到-40°C，这意味着排气中的水将经历两次相变从蒸汽到液体以及从液体到固体，例如离开发动机的排气可能包含雪或者相似形式的冰。所以，该发动机用作热泵，这在既需要机械能又需要热能的应用中是特别引起关注的，例如用于提供电能和区域供暖的热电联产电厂。通过在锅炉23中抽取大量的能量获得所述的排气低温，使得离开锅炉23的排气的温度相对较低。排气接下来在涡轮增压器中的膨胀导致排气温度进一步降低。所述温度降低不被限制到环境温度，而是可以降到显著低于环境温度。因此该燃烧式发动机称为所谓的“热泵”，从环境中吸收低品位热能在该“热泵”产生高品位热能。当发动机使用重燃油或者柴油时，位于露点下游的排气零部件采用抗腐蚀材料构成，这样它们能应对燃料中的含硫成分所导致的酸性沉积物(冷凝物中含有S03—硫酸)。当发动机使用天然气(液化天然气)、液化石油气、二甲醚、酒精或者其他基本上不含硫的燃料时，就不需要上述措施。在第五实施例中，由于涡轮增压器涡轮后的排气的低温，在低压侧没有锅炉。所以该系统仅包括涡轮高压侧的第一锅炉23。使用MAN B&W 12K98ME发动机的第五实施例的运行参数的示例示出在的表I的“5&6” 一栏中。排气流(160kg/s,455°C, 3. 30bar (abs.))中的可用功率可使用在三个设备中。 I)涡轮增压器涡轮6上游的第一锅炉23 ；2)动力涡轮31;以及3)涡轮增压器6。利用第一锅炉23和动力涡轮31从排气中得到的可变量的功率，该系统能在各种运行点下运行。从位于涡轮增压器涡轮6上游的第一锅炉23中抽取的功率将使涡轮增压器涡轮6和动力涡轮31的可用功率减少。在第五实施例的一个变型(未示出)中，发动机是前述第三实施例中的具有两个涡轮的发动机，以使发动机能够以较高的排气温度运行，并与总体燃料能量相对关注从燃料中抽取的旋转能的效率(相对发动机所产生的热能和电能计算得出)。图7示出了本发明的第六实施例。该实施例类似于图6中的实施例，不同之处在于省略了涡轮增压器8。电动鼓风机16’(不再被称为“辅助鼓风机”)对扫气进行加压。在排气侧，增大的动力涡轮31’充当涡轮增压器涡轮，并通过发电机32’给驱动鼓风机16’的电驱马达17’提供电能。增大的发电机32’所产生的任何剩余电能都被用于其他的目的。发电机32’所产生的电能的管理可以由控制器单元(未示出)控制，该控制器单元根据功率管理程序或者在操作人员的直接指令下进行操作。省去的涡轮和压缩机之间的固定连接允许该发动机更为灵活地运行，因为相比涡轮和压缩机之间存在固定的轴连接的情况，该动力涡轮产生的功率能更灵活地被分配。蓄能器系统(未示出)如电池组被用作平抑鼓风机16’所需能量的波动，从而提高了发动机对加速的响应，因为鼓风机的输出能随着燃料喷射量的增加而同时增加，而不用必须等待涡轮关于增加排气流流的响应。根据第六实施例的发动机能在从锅炉23内能抽取的功率范围内灵活运行。所以在“冬季”设定或运行状态，为了区域供暖而需要大量热能时，该发动机用作热泵，在出口处排气温度明显低于0°c，在“夏季”设定或运行状态，该发动机不用作热泵，排气温度在50°C至200°C的范围内。对于夏季设定而言，第二涡轮(未示出)与涡轮31’组合使用或者代替涡轮31’，从而增加整个有效涡轮面积。或者，使用具有可变有效涡轮面积的单个涡轮。运行状态的改变也由在锅炉23抽取的能量的量决定。在锅炉23抽取的能量越多，离开涡轮的排气温度就变得越低。在“冬季”设定中，各种温度和压力对应于表I中对第五实施例所给出的示例。
在第六实施例的一个变型(未示出)中，涡轮31’驱动液压泵，鼓风机16由液压马达驱动(分别代替发电机和马达)。为了灵活性，液压泵和马达可以是具有可变冲程的正排量装置。所述液压泵和马达通过由控制器27操作的阀和管道相连，这样由泵输送的液压能被用来供给液压马达。第六实施例的另一个变型(未示出)利用180°C的排气来运行，同时在动力涡轮31’的低压侧具有第二锅炉，以使“夏季”设定中的效率最大化。此时的发动机参数对应于“3冷” 一栏中的第三实施例的参数(参见表I)。该发动机不仅仅能在上述两种极端情况下运行，事实上，通过调节在锅炉23所抽取的能量的量，以及相应地选择合适的有效涡轮面积，该发动机也可以利用以上述两种情况之间的任何期望温度离开涡轮的排气温度来运行。该发动机也可以包括两个具有不同有效涡轮面积的涡轮，一个涡轮的有效涡轮面积较小，一个涡轮的有效涡轮面积较大。在该变型中，发动机能够在其低压侧的排气温度非常低的情况下(热电联产电厂的冬季设定)仅通过具有较小有效涡轮面积的涡轮来运行，且在其低压侧的排气温度处于中等温度的情况 下(热电联产电厂的春季/秋季设定)仅通过具有较大有效涡轮面积的涡轮来运行，以及在其低压侧的排气温度较高的情况下(热电联产电厂的夏季设定)通过并联使用两个涡轮来运行。图8示出了本发明的第七实施例。该实施例类似于第四实施例。但是，在第七实施例中，空气流到涡轮增压器8，同时从涡轮增压器/动力涡轮流出的排气减少20%，因为20%的排气通过第一锅炉23、再循环管道19、鼓风机18以及涤气器18a在中冷器12上游的管道11处再循环回到扫气系统。动力涡轮31的出口连接到第二锅炉20的入口或者如断续线所示连接到排气管21的末端部分。连接的选择取决于动力涡轮31的出口温度。如果动力涡轮31的出口温度显著低于涡轮增压器涡轮6的出口温度，那么将动力涡轮的出口连接到排气管21的末端部分。使用与前述实施例中相同发动机的本实施例的运行参数的示例示出在的表I的“7” 一栏中。 为了产生具有3. 6bar扫气压力的128kg/s的空气量，涡轮增压器压缩机需要大约
20.OOOkff的功率输入。该功率必须由涡轮增压器涡轮从排气中抽取。排气中含有22. 400kW。涡轮增压器涡轮仅需要20000/22400 * 100%= 89%的排气流来产生所需的20. OOOkW。剩余的11%能被动力涡轮31利用。另外，排气再循环流将是总排气流的20%，流动线路中的所有能量都在第一锅炉23中被利用。第二锅炉20的入口温度能够根据在锅炉I中抽取的功率而改变，同时不应低于约300°C，因为低于300°C的低温会导致出口温度低于180°C (如果使用天燃气或其他不含硫的燃料，则利用排气的冷凝和可能的结冰，可以将温度选择的更低，以使总体能量效率最大化)。动力涡轮31的功率仅取决于动力涡轮的入口温度，或者实际上取决于在第一锅炉23的动力涡轮入口串中抽取了多少功率。另外锅炉入口温度当前是涡轮增压器出口温度和动力涡轮出口温度的混合值。该实施例是特别有利的，因为在排气中获得了低的NOx值。
权利要求
1.一种大型十字头型涡轮增压双冲程柴油发动机(1)，包括 具有排气驱动涡轮￠)的涡轮增压器，该涡轮增压器连接到增压空气压缩机(9)， 位于气缸下游并位于涡轮增压器的高压侧的第一排气加热锅炉(23)， 动力涡轮(31)，该动力涡轮由从涡轮增压器的高压侧分流出的一部分排气驱动，并且 所述一部分排气被从所述第一排气加热锅炉(23)的下游分支的管道(30)分流到所述动力涡轮(31), 使得与通过动力涡轮(31)产生较大的旋转能相反，所述发动机(I)能够适于根据期望的操作通过锅炉(23)产生较大的热量。
2.如权利要求I所述的发动机，其中所述管道(30)包括可变流量调节器，所述可变流量调节器用于调节分流到所述动力涡轮(31)的排气量。
3.如权利要求I所述的发动机，还包括位于所述涡轮增压器的低压侧的第二排气加热锅炉。
4.如权利要求3所述的发动机，其中所述第一排气加热锅炉被所有的排气流过，且用于所述动力涡轮的排气部分从所述第一排气加热锅炉的下游分流出。
5.如权利要求3所述的发动机，其中，所述第一排气加热锅炉仅被分流出的排气部分流过。
6.如权利要求I至5中任一项所述的发动机，其中，离开所述动力涡轮的排气在所述涡轮增压器的低压侧被重新引入主排气流。
7.如权利要求I至5中任一项所述的发动机，其中，所述动力涡轮驱动发电机。
8.如权利要求3至5中任一项所述的发动机，其中，所述第二排气加热锅炉用作预热锅炉，且所述第一排气加热锅炉用于使所述第二排气加热锅炉产生的蒸汽过热。
9.如权利要求8所述的发动机，还包括蒸汽轮机，该蒸汽轮机由所述第一排气加热锅炉和第二排气加热锅炉所产生的过热蒸汽驱动。
10.如权利要求9所述的发动机，其中，所述发动机被操作来回收用于获得高度过热蒸汽的所述第一排气加热锅炉中的大量能量，从而提高所述蒸汽轮机的效率。
11.如权利要求3至5中任一项所述的发动机，其中，扫气被加湿并冷却到相对较高的温度，使得进入气缸的扫气具有高的水蒸汽绝对含量，从而增加了排气中用于在所述第一排气加热锅炉和/或第二排气加热锅炉和/或动力涡轮中进行后续回收的能量含量。
12.如权利要求3至5中任一项所述的发动机，所述发动机包括多个气缸，每个气缸都通过相应的歧管连接到排气接收器，其中所述第一排气加热锅炉和/或第二排气加热锅炉设置在所述排气接收器内。
13.如权利要求3至5中任一项所述的发动机，其中，将所述第一排气加热锅炉和/或第二排气加热锅炉的冷却容量选择成使得排气温度在环境温度以下。
14.如权利要求I至5中任一项所述的发动机，其中，一部分排气流被再循环。
15.如权利要求14所述的发动机，其中，将被再循环的排气流部分是从位于所述第一排气加热锅炉下游的排气流中分流出的。
全文摘要
一种设有用于回收排气中的能量的排气锅炉(20，23)和动力涡轮(31)的大型涡轮增压柴油发动机。所述锅炉中的一个是排气接收器(3)的整体的一部分。涡轮增压器涡轮(6)上游的一部分排气流被分流到动力涡轮。所述发动机包括位于涡轮增压器涡轮低压侧的预热锅炉(20)，以及布置在涡轮增压器涡轮高压侧的过热锅炉(23)。所述发动机能够以高度加湿的扫气运行，以增加排气中能够回收的能量。所述发动机也可以用作热泵，也就是使离开发动机的排气具有环境温度以下的温度。
文档编号F01N5/02GK102900484SQ20121024508
公开日2013年1月30日 申请日期2006年4月12日 优先权日2006年4月12日
发明者尼尔斯·谢姆楚普 申请人:曼柴油机和涡轮公司,德国曼柴油机和涡轮欧洲股份公司的联营公司