供气系统、气缸、往复活塞式内燃机及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于往复活塞式内燃机(具体地，用于直流扫气大型二冲程柴油机)的供气系统、往复活塞式内燃机、具有供气系统的气缸以及操作往复活塞式内燃机的方法。
【背景技术】
[0002]大型柴油机时常用作轮船的驱动单元或者还用于固定操作，例如，用于驱动产生电能的大型发电机。在这个方面，发动机通常在相当长的时间段内以持续操作运行，这样使得对操作安全性和可用性的要求高。在特别长的保养间隔中，燃料和工作材料的低耗损和经济操纵因此是操作人员操作机器的中心标准。除了其他的决定因素之外，这种大缸径低速运行柴油机的活塞运行行为是保养间隔长度、可用性、润滑剂消耗的决定因素，也直接是操作成本并因此是操作效率的决定因素。
[0003]多年来愈发重要的其他必要点是排放的质量，特别地，排放中的氮氧化物浓度。对应废气排放标准的法律条文和限值现在已经越来越严格，在不久的将来还将更加严格。特别地，这将为大型二冲程柴油机带来以下后果:受污染物重污染的典型重油的燃烧还有柴油或其他燃料的燃烧将变得愈发更成问题，因为遵守废气排放标准将变得越来越困难、技术上更复杂且因此成本更高，或者因为最终对这些标准的遵守甚至明显不再可能，以致对应的发动机将必须停止操作或者至少以复杂和/或成本高的方式进行改装。
[0004]实际上，因此，长期以来需要所谓的“双燃料”发动机，S卩，可使用两种不同的燃料进行操作的发动机。在这个方面，一方面，例如天然气形式(例如，所谓的“液化天然气”(LNG))的气体、或液化石油气形式的气体或适于驱动内燃机的其他气体应该频繁被燃烧，另一方面，诸如汽油、柴油、重燃油或其他合适液体燃料的另一种燃料可在同一个发动机中被燃烧。在这个方面，发动机可以是二冲程发动机和四冲程发动机，并且在这个方面，它们可以是小型发动机、中型发动机或者还可以是大型发动机，特别地，还可以是诸如用作轮船中的驱动单元但也时常用于在电站中产生电能的直流扫气大型二冲程燃油机。
[0005]然而，对纯气体发动机(即可只用气体进行操作而没有替代地用柴油、重油或另一种燃料进行操作的发动机)的需求也日益增加，特别是当需要高废气排放标准时；可以仅通过气体燃烧用合理的技术努力经济地且切合实际地遵守该高废气排放标准。例如，在WO 2010 147071 Al中阐述了这种纯气体发动机。其他现有技术可例如见于DE 10 2010005814 Al0
[0006]不管是双燃料发动机还是纯气体发动机，将燃料气体引入对应往复活塞式内燃机的气缸的燃烧空间中的过程对于此发动机的可靠的安全操作而言都是起决定性重要作用的。
[0007]在这个方面，将燃料气体供应到往复活塞式内燃机的燃烧空间中的供气系统具有多个不同的功能，这些功能另外以一定方式相互影响，使得不同的部分功能必须相互精确地配合。另外，供气系统的精确构造可(例如，除了别的之外)取决于给定或优选的操作状态，例如，发动机主要在满负荷范围内还是在部分负荷范围内操作或者是否必须在这些操作模式之间进行频繁变化。或者，发动机是例如双燃料发动机还是纯气体发动机。或者，供气系统的【具体实施方式】还可取决于技术人员本身熟悉的往复活塞式内燃机的发动机构造尺寸、发动机功率、排量、优选的转数范围或其他构造变量或操作状态。
[0008]在这个方面，特别地，对于大型二冲程柴油发动机，供气系统不仅具有计量将被引入发动机燃烧空间中的气体的量的功能，如四冲程发动机时常充分要求的。对于大型二冲程柴油发动机，除了其他要求之外，通过供气系统引入的气体与扫气空气的正确且可靠的混合是决定性的一点(除了别的之外)。
[0009]其他主要点涉及发动机的操作安全。如果供气系统全部或部分失效，则例如过大量的气体可以被引入发动机的燃烧空间中，如果没有采取合适的安全措施防止发生的话。发动机的燃烧空间中的这种过大量气体可例如导致排气系统中或大型柴油机的扫气系统中不受控地爆炸，这可带来以下结果:对应的组件过热或甚至受损，以致在最差情况下，整个发动机会失效，这样可特别地对公海产生灾难性后果，甚至可导致损失整艘轮船。
[0010]但是，即使这种故障的后果没有这样巨大，这种不太严重的干扰也会造成有害的缺点。
[0011]如果例如由于缺陷而导致供气系统分别将过大量或过小量的气体引入发动机的燃烧空间中，则这样会对诸如氮氧化物含量的排放值或其他排放值产生相当大的负面影响。
[0012]或者，然而，在用气体(例如，用上述LNG)进行操作时，不完全燃烧并且进而技术人员已知的现象(诸如，值过高的甲烷逃逸)会导致供气系统故障。如果对应的发动机此时用气体(也就是说，以气体模式)进行操作，则源自燃烧时供气系统故障的废气可包括大量的甲烷和/或甲醛排放(以及其他)，这些排放可以是例如由气缸壁上的燃烧过程中的燃烧火焰(“燃烧淬火”)的自发冷却导致的、或者可以是在不关闭排气阀的同时用新鲜空气对气缸进行扫气的阶段中释放的、或者可按不同方式释放的。
[0013]如果气体以不适当方式(例如，以不适当压力或以不适当喷射几何形状、以不适当角度、以不适当位置)被引入燃烧空间中或者以其他方式被不适当引入发动机的燃烧空间中，则会出现类似的效果。
[0014]如果例如排气中的甲烷浓度由于这种操作状态而对应地高，则发动机的安全操作可同样地由此受损。例如，存在甲烷在排气系统中(例如，在排气歧管中或涡轮增压器之前的区域中或甚至涡轮增压器中的区域中)点燃的风险。在最差情况下，甲烷在排气系统中的点燃会导致暴露于甲烷气体点燃这种有害效果的对应组件受损。另外，甲烷是作用极大的温室气体，如已知的，甲烷的作用比二氧化碳大至少25倍，可对所谓的“能量效率设计指数”(EEDI)的计算产生显著不利的影响。
[0015]时常使用并且非常敏感的氧化催化剂还会因排气供应系统的故障和由此带来的后果而显著受损，并且在最差情况下，可仅仅在短时间之后不可挽回地受损，由此，发动机的其他安全可靠的操作至少是存有疑问的，在最差情况下是不可能进行的。
【发明内容】
[0016]因此，本发明的目的是提供用于具有供气系统的直流扫气大型二冲程柴油机的供气系统、气缸(特别地，气缸套)、或往复活塞式内燃机(特别地，具有供气系统的直流扫气大型二冲程柴油机)，它们可灵活地适用于不同的发动机或不同的操作状态和要求，使得还可以在特定情况下在以前的发动机中进行改造，或者使得现有发动机可被改装或灵活简单地适用于其他操作模式或操作状态。在这个方面，应该可靠地确保将气体安全地引入往复活塞式内燃机的燃烧空间中，并且在直流扫气大型二冲程柴油机的情况下应该特别地(但不仅仅)在燃烧空间中确保与扫气空气理想地混合。另外，应该可靠地确保供气系统及其组件不发生泄漏。
[0017]满足这些目的的本发明的主题是通过本发明的用于往复活塞式内燃机的供气系统、直流扫气大型二冲程柴油机的气缸、往复活塞式内燃机以及操作往复活塞式内燃机的方法实现的。
[0018]本发明因此涉及一种用于往复活塞式内燃机的供气系统，特别是用于直流扫气大型二冲程柴油机的供气系统，其中，所述供气系统包括具有进气喷嘴的进气阀，所述进气喷嘴被构造成所述进气喷嘴能够布置在所述往复活塞式内燃机的气缸的气缸壁中，使得被作为燃料提供的燃料气体能够通过在所述供气系统的安装状态下的所述进气喷嘴被供应到所述气缸的燃烧空间。在这个方面，所述进气阀包括压力空间，所述压力空间布置在阀外壳中，所述燃料气体能够经由气体供应件提供在所述压力空间中以在操作状态下存储并且供应到所述进气喷嘴中。在所述压力空间中设置有阀体，所述阀体具有布置在阀轴处的阀盘并且具有阀座，所述阀座在所述阀体的闭合状态下与所述阀盘密封地配合，使得禁止将所述燃料气体从所述压力空间供应到所述进气喷嘴中，并且能够通过与所述阀轴操作连接的阀驱动器将所述阀盘抬离所述阀座，使得所述燃料气体能够在所述阀体的打开状态下从所述压力空间经过所述阀盘供应到所述进气喷嘴。按照本发明，所述进气喷嘴以可拆卸的方式连接到所述进气阀并且以可更换的方式连接到所述气缸壁，所述进气喷嘴的喷嘴轴线布置成相对于所述进气阀的阀轴线成预定角度，使得在所述供气系统的操作状态和安装状态下所述燃料气体能