具有排气再循环的大型涡轮增压二冲程压燃式发动机的制作方法

本发明涉及一种具有排气净化系统的十字头型大型涡轮增压二冲程压燃式内燃机。

背景技术：

十字头型大型二冲程压燃式内燃机通常用于大型船舶的推进系统或作为发电厂的发动机。其已经并将越来越难以达到排放要求，特别是关于氮氧化物(NOx)水平。

排气再循环是已知的协助内燃机减少NOx的措施。

如果不使用排气再循环系统，这些排放要求诸如国际海事组织(IMO)第II级，特别是第III级排放标准是难以满足的。优选地，排气再循环率是可变的。

DK 177388公开了一种根据权利要求1的前序部分的大型二冲程压燃式内燃机。

由发动机汽缸和涡轮增压器组成的能源系统必须在所有运行条件下小心地平衡。如果不平衡，则用于汽缸中的循环过程的边界条件变得不可接受，和/或涡轮增压器的压缩机进入喘振或扼流。压缩机特性决定涡轮增压器是否在接近其最大效率下运行，但是具有足够的喘振裕度以确保压缩机稳定性。喘振裕度是需要的，因为涡轮增压器工作点可能在某一瞬间，例如，发动机负荷快速降低期间，或在异常情况下，接近压缩机特性线图中的喘振线。

当发动机必须提供具备有和没有高压排气再循环的运行模式并且具有固定的涡轮增压器部件时，“平衡”变得显著地更加复杂。原因在于从排气接收器到扫气接收器的排气再循环路线包括一冷却器，其从能量系统中去除非常大量的能量。这种能量“丢失”于容器中央冷却器。在排气再循环不进行的情况下运行时，这种能量去除不存在。因此，当从排气再循环运行切换到非排气再循环运行时，能量系统中的平衡显著地不同，反之亦然。

目前，通过使用从压缩机出气口到涡轮机进气口的汽缸旁路以及涡轮机旁路来建立“平衡”。这些旁路的控制策略被设计成补偿各个运行模式下的能量去除。当在没有排气再循环的情况下运行时，涡轮机旁路减少输送到涡轮机的能量，当在具有排气再循环的情况下运行时，汽缸旁路增加输送到涡轮机的能量。总之，这些措施补偿了排气再循环管线路起作用或不起作用的效果，同时减少了流过汽缸的扫气。

因此，具有一种针对涡轮增压的二冲程压燃式内燃机的需求，其中在使用旁路的需求最小化和排气再循环冷却器中能量损失最小化的情况下，涡轮增压器在有和没有排气再循环的情况下运行都平衡。

技术实现要素：

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种克服或至少减少上述问题的具有十字头的大型二冲程压燃式内燃机。

前述和其他目的通过独立权利要求的特征来实现。进一步的实施形式从从属权利要求，说明书和附图中显而易见。

根据第一方面，提供了一种具有十字头的大型涡轮增压二冲程压燃式内燃机，包括：多个汽缸，每个汽缸设有扫气口和排气阀；通过各个汽缸的排气阀连接到汽缸的排气接收器；一涡轮增压器；将排气接收器的出气口连接到涡轮增压器的涡轮机的排气管道；由涡轮机驱动的涡轮增压器的涡轮增压器压缩机；将涡轮增压器压缩机的出气口连接到扫气接收器的进气口的扫气管道，扫气管道包括一扫气冷却器，扫气接收器经由各个汽缸的扫气口连接到汽缸；用于将一部分排气再循环回到汽缸的排气再循环管道，排气再循环管道包括用于迫使再循环的排气回到汽缸的鼓风机或压缩机，以及用于通过将一部分热扫气从扫气冷却器上游的扫气管道输送到涡轮增压器的涡轮机而绕过汽缸的汽缸旁通管道和锅炉，其特点在于，发动机被配置成将排气的至少第一部分从汽缸输送穿过锅炉(36)，并且发动机具有至少两个运行模式，发动机被配置处于第一运行模式，以将从汽缸输送穿过锅炉(36)的排气的第一部分，从锅炉(36)穿过排气再循环管道输送回到汽缸并且将一部分热扫气通过旁路管道从扫气冷却器上游的扫气管道输送到涡轮机，并且发动机被配置处于第二运行模式，以阻止穿过排气再循环管道的流动，以阻止穿过旁路管道的流动以及将输送穿过锅炉的第一部分排气从锅炉输送到涡轮机。

通过包括一在排气再循环运行和非排气再循环运行中从排气中去除能量的锅炉，能量系统在两种运行模式中均衡，并且不使用涡轮旁路用于非排气再循环运行。相反，它使用一锅炉，即与排气接收器并联的高压锅炉，以便从系统中去除能量。一个显著的优点是气体温度和密度高，导致极其高效的热交换器或高压锅炉，相比于传统锅炉，在涡轮机出气口后，以显著较低的尺寸和成本提供有用蒸汽。当该发动机被用于总是需要蒸汽的船舶上时，这是特别有用的。

在第一方面的第一可能的实施方式中，发动机被配置成将排气的第二部分从汽缸输送到涡轮而不经过锅炉。

在第一方面的第二可能的实施方式中，发动机包括位于扫气管道中的辅助鼓风机，并且发动机被配置为运行辅助鼓风机以便最大化锅炉的蒸汽产量。

在第一方面的第三可能的实施方式中，排气的第一部分和排气的第二部分一起构成来自汽缸的总排气。

在第一方面的第四可能的实施方式中，发动机包括具有锅炉的锅炉管道，锅炉管道的进气口在第一位置连接于排气接收器或排气管道。

在第一方面的第五可能的实施方式中，锅炉管道的出气口在第三位置连接于排气再循环管道，第三位置优选地位于鼓风机或压缩机的上游。

在第一方面的第六可能的实施方式中，锅炉管道的出气口在第一位置下游的第二位置处连接于排气管道。

在第一方面的第七可能的实施方式中，发动机包括位于排气再循环管道中的第一控制阀。

在第一方面的第八可能的实施方式中，发动机包括位于旁路管道中的第二控制阀。

在第一方面的第九可能的实施方式中，发动机包括第三控制阀，该第三控制阀位于第三位置和排气再循环管道连接到排气管道的位置之间。

在第一方面的第十可能的实施方式中，排气再循环管道包括排气再循环冷却器。

在第一方面的第十一可能的实施方式中，根据期望的涡轮增压器平衡来控制锅炉和排气管道之间的排气流的分配。

在第一方面的第十二可能的实施方式中，锅炉被集成到排气接收器中。

在第一方面的第十三可能的实施方式中，排气接收器具有用于均衡来自各个汽缸的排气的压力脉冲的大体积，以在排气接收器的出气口处提供基本恒定的压力。

在第一方面的第十四可能的实施方式中，发动机还包括与扫气管道相关联的辅助鼓风机，用于在相关负载条件下辅助涡轮增压器。

在第一方面的第十五可能的实施方式中，扫气接收器具有用于减小由流入各个汽缸的气流引起的压力波动的大体积。

在第一方面的第十六可能的实施方式中，发动机被配置成在所有发动机负载水平下运行辅助鼓风机，从而最大化锅炉的蒸汽产量。因此，可以减少或避免使用燃油器等来增加主发动机的低负载区域中的蒸汽产量。

在第一方面的第十七可能的实施方式中，发动机在涡轮机的低压侧不设置蒸汽锅炉。

本发明的这些和其它方面将从下面描述的实施例中变得显而易见。

附图说明

在本公开的以下详细部分中，将参考附图中所示的示例性实施例，更详细地解释本发明，其中：

图1是示出根据示例性实施例的大型二冲程压燃式涡轮增压发动机的前端和一个侧面的立体图；

图2是图1的发动机的后端和另一横向侧的立体图；

图3是具有进气和排气系统的根据图1的发动机的示意图；

图4是现有技术的III级发动机，现有技术的进气和排气系统的示意图；

图5是图4中的现有技术的III级发动机在III级模式下即有排气再循环的情况下运行的示意图；

图6是图4中的现有技术的II级发动机在II级模式下即没有排气再循环的情况下运行的示意图；

图7是根据本发明的具有进气和排气系统的III级发动机的示例性实施例的示意图；

图8是图7的III级发动机在III级模式下即有排气再循环的情况下运行的示意图；

图9是图7的III级发动机在II级模式下即没有排气再循环的情况下运行的示意图；和

图10至12是根据本发明的具有进气和排气系统的III级发动机的另一个示例性实施例。

具体实施方式

在下面的详细描述中，将通过示例性实施例来描述大型二冲程压燃式内燃机。图1和图2在立体图中示出了具有的曲轴22和十字头23的大型低速涡轮增压二冲程压燃式内燃机。图3示出了具有进气和排气系统的发动机的示意图。在该示例性实施例中，发动机具有六个排成直线的汽缸1。大型涡轮增压二冲程柴油发动机通常具有五个至十六个排成直线的汽缸，这些汽缸由汽缸支架25支承，汽缸支架25由发动机机架24支撑。发动机例如可用作远洋船舶的主发动机或作为发电站中运行发电机的固定发动机。发动机的总输出功率例如可以在5000-110000kW的范围内。

发动机是二冲程单流类型的柴油(压燃式)发动机，其具有在汽缸1的下部区域处的活塞控制端口的环的形式的扫气口19，以及位于汽缸1的顶部处的排气阀4。因此，燃烧室内的流动总是从底部到顶部，因此发动机是所谓的单流式的。扫气从扫气接收器2传递至各汽缸1的扫气口19。汽缸1内的往复活塞21压缩扫气，燃料经由被设置在汽缸盖26内的2个或3个燃料阀27喷射。随后燃烧并产生排气。当排气阀4打开时，排气通过与对应汽缸1相关联的排气管20流入排气接收器3，并且向前通过排气管道18流至涡轮增压器5的涡轮机6，排气通过排气管7从涡轮增压器5的涡轮机6流走。通过轴8，涡轮机6驱动经由进气口10供气的压缩机9。

压缩机9将加压的扫气输送到通向扫气接收器2的扫气管道11。管道11中的扫气经过用于冷却扫气的中间冷却器12。被冷却的扫气经由电动机17驱动的辅助鼓风机16传递至增压空气接收器2，该辅助鼓风机16在低负载或部分负载状态下给增压空气加压。在较高负载下，涡轮增压器压缩机9输送足够压缩的扫气，然后辅助鼓风机16可以经由止回阀15被旁路。

排气接收器3是大型细长的柱状容器，其平行且极为贴近该排汽缸1的顶部设置。排气接收器3具有大的容积，使得排气接收器能够在排气阀4的开口处均衡来自各个汽缸1的排气的周期性流入引起的压力脉冲。排气接收器3的均衡作用提供排气接收器3的出气口处的基本恒定的压力。排气接收器3的出气口处的恒定压力是有利的，因为被用于大型二冲程柴油发动机中的一个或多个排气驱动涡轮增压器5受益于恒定的供给压力。

排气从排气接收器3通过排气管道18被导向涡轮增压器5的涡轮机6(可以有多个涡轮增压器5并且可以有多个排气接收器3)。排气被配置进入涡轮机6下游的大气中。涡轮增压器5是恒压涡轮增压器，即，涡轮增压器5不被配置用于随排气中的压力脉冲而运行。涡轮增压器5具有轴流式或径流式涡轮机，并被配置成用于高达大约500至550℃的排气温度。

涡轮增压器5还包括由涡轮机6经由轴8驱动的压缩机9。压缩机9连接到进气口10。压缩机9通过包含扫气冷却器12的扫气管道11将高压扫气输送到扫气接收器2。

扫气接收器2是一个大的细长的柱状容器，它平行于且极为贴近该排汽缸1的底部位置。扫气接收器2具有大的容积，使扫气接收器2能够补偿在扫气口19的开口处由扫气向各个汽缸1的周期性外流所引起的压力下降。扫气接收器2的补偿效应在扫气接收器2中提供基本恒定的压力，使得每个汽缸1具有基本相同的扫气压力。扫气接收器2中需要的恒定压力，因为被用于大型二冲程柴油发动机中的一个或多个涡轮增压器5以恒定的供给压力运行并且传递恒定的供给压力，即，没有压力脉冲可用于对各个汽缸1扫气。

现有技术的发动机配备有图4中所示的排气再循环系统。排气再循环系统被配置成将来自汽缸1的排气的一部分输送进入扫气，例如，用于降低燃烧温度并从而减少NOx排放。排气再循环系统可以是活动的或不活动的或者是一种以变化的排气再循环率运行的系统。排气再循环系统包括从排气接收器3或排气管道18延伸到扫气管道11或扫气接收器2的管道30。可替代地，排气可经由阀或端口(未示出)从汽缸1中直接获取。

在图4所示的现有技术中，排气再循环管道30将排气管道18连接到扫气管道11。排气再循环管道30在排气接收器3下游的位置处从排气管道18分支出来，并且在排气冷却器12的下游或上游位置处连接至扫气管道11。

排气再循环管道30包括各种部件。这些部件包括诸如洗涤器或过滤器的清洁设备，(由电动马达或液压马达驱动的)吸入式鼓风机32以及第一控制阀34。

鼓风机32和第一控制阀34，即，排气再循环管道30的部件，连接到一电子控制单元(未示出)。电子控制单元基于操作条件和/或操作人员的输入来控制排气再循环系统的活动。电子控制单元被配置成能够启动和停用排气再循环系统，并且如果需要的话可变地控制排气再循环率，即空气和排气之间的比率。

现有技术的发动机设有汽缸旁路管道40，其将扫气管道11连接到排气管道18。汽缸旁路管道40的一端在压缩机9的下游和扫气冷却器12的上游的位置处连接到扫气管道11。汽缸旁路管道40的另一端在排气再循环管道30连接到排气管道18的位置的下游位置处和涡轮机6的进气口的上游位置处与排气管道18连接。沿排气管道18的其他连接位置也是可行的。

汽缸旁路管道40包括第二控制阀41，该第二控制阀41调节从扫气流路径11到排气管道18的扫气的流动，例如，在电子控制单元或操作人员的指令下。第二控制阀41对通过阀的流量具有可变且可控的限制程度。

可选地，第二控制阀4是由电子控制单元或由操作人员控制的开/关类型。在该实施例中，电子控制单元被配置成当排气再循环系统活动时打开第二控制阀41，并且被配置成在排气再循环系统不活动时关闭第二控制阀41。

排气再循环系统可能由于各种原因是不活动的。其中一个原因可能是排气再循环系统的缺陷或故障。排气再循环系统不活动的另一个原因可能是处于为了优化发动机相对于二级NOx排放水平的燃料消耗的时机。排气再循环率可以，例如，在0％和约45％之间变化。

当涡轮增压器5由于喘振或扼流而与发动机不较好匹配时，其运行不好或完全不运行。在典型的压缩机特性中，压力比被绘制为质量流率和旋转速度的函数，并且效率曲线被叠加。当将涡轮增压器5匹配至发动机时，其目的是将发动机的运行点设置在接近或在最高效率的曲线范围内，但相对于喘振线具有安全裕度。

当排气再循环系统从活动状态变为非活动状态时，涡轮增压器的运行条件基本上改变。在排气再循环系统活动的情况下，涡轮增压器5即是匹配于发动机运行(即，在排气再循环率例如大约为20％和45％之间并且与涡轮增压器5良好匹配的情况下运行)。当排气再循环系统失效时，在没有对策的情况下，涡轮增压器5将不会良好匹配，因为扫气压力和流量将增加大约25％，这在高的发动机负荷下是不可接受的并且可能导致涡轮增压器的扼流、超速和效率低下。

匹配用于满足IMO III级排放法规的排气再循环发动机或者用于在没有排气再循环(或少量排气再循环)的情况下运行的II级发动机的涡轮增压器5是在压缩机稳定性(喘振裕度)与发动机1的压缩机/涡轮增压器效率/燃料消耗之间的一种妥协。如果涡轮增压器的压缩机在没有排气再循环的情况下运行时与最佳规划匹配，则不必在排气再循环降低了通过压缩机9的流量(发动机运行点朝着喘振线移动)时留有大的喘振裕度。当在不妥协扫气压力(增压压力)和发动机效率的情况下在这两种模式之间切换时，传统的涡轮增压器或可变涡轮区域的涡轮增压器不具有处理流动变化所需的流量范围。

在实施例中，涡轮增压器5的压缩机9被匹配用于排气再循环运行和打开汽缸旁路的流动路径40。当切换到非排气再循环模式时，汽缸旁路流动路径40关闭以确保流量和扫气压力的增长被降低以避免涡轮增压器5的压缩机9扼流，并获得压缩机特性(图)中的最佳运行条件。另一个效果是需要较低的绝对排气再循环质量流量来实现预期的NOx下降，因为当汽缸旁路流动路径40打开时，通过汽缸1的空气流量减少。再一个效果是由于需要较少的吸入式鼓风机功率和循环排气量，所以排气再循环系统本身的容量可以被减小。因此，电子控制单元可以被配置为随着排气再循环率的增加而增大第二控制阀41的开度，反之亦然，从而涡轮增压器5在发动机随之运行的所有排气再循环率下均与发动机最佳匹配。

流过旁路管道40的汽缸旁路的负面影响是发动机上的热负荷增加，该热负荷增加是由于通过汽缸1的扫气的量减少而引起的。

涡轮机旁路管道50被提供用于在没有排气再循环的运行期间，从排气管道18中吹除过量的排气。通过涡轮机旁路管道50的流量由第五控制阀51控制。排气管道7中的蒸汽锅炉52将来自涡轮机的出气口和来自涡轮机旁路50的排气中的热量转换成蒸汽。

图5示出了在有排气再循环的运行期间图4中的发动机的运行模式，第一控制阀34和第二控制阀41都打开。为了说明的目的，图5中未示出控制阀。

在没有排气再循环的运行期间，第一控制阀34和第二控制阀41都关闭。该运行模式在图6中示出。为了说明的目的，控制阀在图6中未示出。在没有排气再循环的运行模式中，来自汽缸1的一些排气需要绕过涡轮机6以便平衡涡轮增压器5。为此，第五控制阀51被打开，使得来自汽缸1的排气的一部分经由涡轮机旁路管道50绕过涡轮机6。

图7示出了发动机的第一示例性实施例。除了涡轮机旁路管道50，第五控制阀51和再循环排气冷却器31以外，根据该实施例的发动机包括现有技术发动机的所有特征。在实施例中，发动机不具有或者至少不需要在涡轮机6的低压侧具有蒸汽锅炉52，同时仍然能够产生足够的蒸汽，并且同时仍然能够从燃烧的燃料中充分提取最大能量。

根据该实施例的发动机可替代地设置有高压锅炉36。高压锅炉36产生蒸汽，该蒸汽可被与发动机或其环境相关联的各种消耗者使用，例如，安装该发动机的船舶。高压锅炉36通过锅炉管道35从汽缸1接收排气的总流量的第一部分。锅炉管道35包括第四控制阀38。

在该实施例中，锅炉管道35的进气口连接到排气接收器3，并且锅炉管道35的出气口连接到排气再循环管道30。排气循环管道30设置有第三控制阀37。

该控制阀可以手动操作或连接到电子控制单元(未示出)。

在运行的第一模式中，发动机在有排气再循环的情况下运行。在该模式下，第三控制阀37关闭，第一控制阀34打开，第二控制阀41打开。图8中示出了第一模式，仅示出了活动的管道，并且没有示出控制阀以使得图示更易于理解。在第一模式中，来自汽缸1的排气的第一部分通过锅炉管道35、高压锅炉36、排气再循环管道30和鼓风机32优选地在扫气冷却器12的上游位置处(可选地，再循环的排气可以被直接输送到扫气接收器2)被输送到扫气管道11。

热扫气通过从扫气管道11经由旁路管道40传送到排气管道18而绕过汽缸1。

在运行的第二模式中，发动机在没有排气再循环的情况下运行。在该模式下，第三控制阀37打开，第一控制阀34关闭，第二控制阀41关闭。第二种方式如图9所示，只示了活动管道，没有示出控制阀以使图示易于理解。在第二模式中，来自汽缸1的排气的第一部分通过锅炉管道35、高压锅炉36、打开的第三控制阀37，被输送到排气管道18以与来自汽缸1的排气流的第二(剩余)部分相结合。因此，来自汽缸1的全部排气被输送到涡轮机6。然而，与现有技术相比，由于高压锅炉36去除了能量中的一部分，并将能量的去除部分转化为蒸汽，因此输送的排气的总流量中朝向压缩机6的能量值较低。因此，涡轮增压器5与发动机完美地平衡，尽管涡轮机6接收来自汽缸1的全部的排气流。

来自汽缸的排气的总流量的一部分被输送到涡轮机6的进气口，优选地，无论是在有排气再循环的情况下运行还是在无排气再循环的情况下运行。

图10示出了与第一实施例基本相同的第二实施例，除了排气再循环管道30设置有再循环排气冷却器(洗涤器)39之外。

图11示出了与第一实施例基本相同的第三实施例，除了锅炉管道35的进气口直接连接到汽缸并且锅炉管道的出气口连接到排气管道18之外。

图12示出了与第一实施例基本相同的第四实施例，除了锅炉管道35的进气口连接到排气管道18之外。

在实施例中，发动机被配置成在所有发动机负荷水平(低、中和高发动机水平)下均运行辅助鼓风机16，目的是使锅炉36的蒸汽产量最大化。因此，可以减少或避免使用燃油燃烧器等来增加主发动机的低负载区域中的蒸汽产量。

在实施例(未示出)中，高压锅炉36设置在排气接收器3内。这显著减小了通过排气的压力而施加在锅炉部件上的力。通过将高压锅炉36集成到排气接收器中，使得更少的空间被使用并且发动机将更加紧凑。

已经结合本文的各种实施例描述了本发明。然而，本领域技术人员在实践要求保护的发明时，通过研究附图，公开内容和所附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其他变型。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(a)”或“一种(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载了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。

权利要求中使用的附图标记不应被解释为限制范围。