大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机及其操作方法与流程

本发明涉及大型二冲程内燃发动机，特别地具有十字头、以碳基燃料(气态或液态燃料)操作的大型二冲程单流扫气式内燃发动机，该内燃发动机被配置成减少二氧化碳排放，并且涉及操作这种类型的发动机的方法。

背景技术：

1、在具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机例如用于大型远洋船舶的推进或作为发电厂中的原动机。不仅由于内燃发动机的尺寸庞大，这些二冲程柴油发动机也以与任何其他内燃发动机不同的方式构造。这些发动机的排气门可以重达400kg，活塞可以具有达100cm的直径，并且燃烧室中的最大操作压力通常为数百巴。这些高压力水平和活塞尺寸所涉及的力是巨大的。

2、dk202170181b1公开了一种单流型大型涡轮增压多缸二冲程内燃发动机，该发动机具有用于将排气流从排气系统输送至进气系统的egr系统。egr系统包括egr吹送器和电子可调节egr节流阀。ac电驱动马达被联接到egr吹送器以对egr吹送器进行驱动。交流电驱动马达被配置为以预定的恒定速度操作。传感器提供表示扫气气体接收器中的氧气浓度的信号，并且控制器接收所述信号并联接至电子可调节egr节流阀。控制器配置成通过以下方式通过egr系统对排气流进行调节：根据作为主测量值的第一信号对电子可调egr节流阀的位置进行调节。该发动机将碳燃料的燃烧过程中产生的二氧化碳排放到大气中。使用液态燃料(例如燃料油、船用柴油、重油、乙醇、二甲醚(dme))或气态燃料(例如甲烷、天然气(lng)、石油气(lpg)、甲醇或乙烷)来操作大型二冲程涡轮增压内燃发动机。

3、使用气态燃料来操作的发动机可以根据奥托循环来运行，其中，气态燃料通过沿着汽缸套的长度居中布置的或在汽缸盖中布置的燃料阀被准许进入，即这些发动机在排气阀关闭之前活塞开始向上行进的冲程期间(从bdc向tdc)允许气态燃料进入，并且对燃烧室中的气态燃料和扫气空气的混合物进行压缩，并通过定时点火装置在tdc处或附近将经压缩的混合物点燃，定时点火装置例如为液态燃料喷射装置。

4、使用液态燃料运行的发动机以及使用高压喷射的气态燃料运行的发动机，当活塞靠近tdc或处于tdc时，即当燃烧室中的压缩压力为处于或接近其最大值，发动机喷射气态燃料或液态燃料，并且因此发动机根据柴油循环进行操作，即通过压缩点火来操作。

5、在已知的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机中使用的液态燃料和气态燃料通常含有碳，即这些液态燃料和气态燃料是碳基燃料，并且液态燃料和气态燃料的燃烧导致产生二氧化碳，该二氧化碳被排放到大气中。普遍认为二氧化碳排放会导致气候变化，因此应减少或避免二氧化碳排放。

6、已知的碳捕获技术通常分为三类：燃烧后co2捕获、燃烧前co2捕获和富氧燃料的燃烧。预燃烧是指在燃料的燃烧之前分离和捕获碳质成分。

7、在燃烧前的二氧化碳捕获中，燃料首先与氧气和/或蒸汽反应，然后燃料在水气变换反应器中进一步处理，以产生氢气和二氧化碳的混合物。二氧化碳是从含有15％至40％的二氧化碳的高压气体混合物中捕获的。预燃烧的优点是处理所需的气体体积被大大减少，气体中的co2浓度增加。这将减少分离过程的能量消耗和设备投资。

8、在富氧燃烧(oxy-fuel combustion)中，碳基燃料在再循环烟道气和纯氧气(而不是空气)中燃烧。由于氧气分离成本高昂，这限制了富氧燃烧的商业化潜力。富氧燃烧技术包括空气分离单元，在空气分离单元中，氮气从空气中去除。然后，碳基燃料在再循环烟气和纯氧中被燃烧。现在的烟道气主要包括由燃烧产生的颗粒物、二氧化碳、燃料中的硫氧化物和水，在将水冷凝出来之前，烟道气被输送至颗粒物去除装置和硫去除装置，留下能够被压缩的二氧化碳流。主要优点是富氧燃烧技术可以实现几乎100％的二氧化碳捕获。

9、在燃烧后技术中，碳基燃料如在传统能源发电中一样被燃烧，并从排气中捕获二氧化碳。这种碳分离技术大致分为四个子部分，即吸收、吸附、膜和低温。胺溶剂可以用于通过吸收排气来捕获二氧化碳。在此，二氧化碳被捕获在溶剂中，然后进行胺的再次生成过程。缺点是对于二氧化碳捕获过程而言需要体积扩大的动力设备以及大量能量。特别地，对于胺溶剂再生而言需要显著大量的能量。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种克服或至少减少上述问题的发动机和方法。

2、上述的目的和其他目的通过独立权利要求的特征来实现。根据从属权利要求、说明书和附图，另外的实现形式是明显的。

3、根据第一方面，提供了一种具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机，该发动机包括：

4、至少一个燃烧室，该燃烧室由汽缸套、活塞、以及汽缸盖限界，该活塞构造成在汽缸套中往复运动，

5、布置在汽缸套中的扫气端口，该扫气端口用于准许扫气气体进入至少一个燃烧室中，

6、燃料系统，该燃料系统配置成向至少一个燃烧室供给碳基燃料，

7、至少一个燃烧室被配置成用于使碳基燃料燃烧，由此产生含有二氧化碳的排气流，

8、排气出口，该排气出口布置在汽缸盖内，并且由排气门控制，

9、至少一个燃烧室经由扫气端口连接至扫气气体接收器并且经由排气出口连接至排气接收器，

10、排气系统，该排气系统包括由排气流驱动的涡轮增压器系统的涡轮机，

11、进气系统，该进气系统包括涡轮增压器系统的压缩机，该压缩机构造成将加压扫气空气供给至扫气气体接收器，

12、排气再循环系统，该排气再循环系统构造成用于将源自至少一个燃烧室的排气的一部分再循环至扫气气体接收器，该排气再循环系统包括吹送器，该吹送器用于帮助排气流朝向扫气气体接收器流动，

13、吸收器，该吸收器用于将二氧化碳吸收到溶剂中，优选地，该吸收器是吸收塔，

14、解吸器与再沸器组件，该解吸器与再沸器组件用于从溶剂中解吸二氧化碳，

15、吸收器具有溶剂入口和溶剂出口，该溶剂入口从解吸器接收贫二氧化碳溶剂，该溶剂出口向解吸器供给富二氧化碳溶剂，

16、吸收器被布置成用于排气流，该排气流穿过吸收器，以通过化学的方式将二氧化碳吸收到溶剂中而从排气流中分离二氧化碳，

17、解吸器与再沸器组件具有入口和出口，该入口从吸收器接收富二氧化碳溶剂，该出口向吸收器供给贫二氧化碳溶剂，

18、解吸器与再沸器组件被配置成对溶剂进行加热以从溶剂中释放二氧化碳，以及

19、热交换装置，该热交换装置构造成在排气再循环系统中的经再循环的排气与溶剂之间进行热交换。

20、使溶剂再次生成所需的能量非常大，可以达到由大型二冲程内燃发动机所提供的发动机轴功率的60％以上。与没有这种二氧化碳捕获系统的发动机相比，这种对发动机能量效率的损失将使得具有二氧化碳捕获系统的操作显著更加昂贵。然而，发明人认识到，利用排气再循环进行操作的大型二冲程柴油发动机产生过剩能量流，因为经再循环的排气在被重新引入汽缸之前有利地使用热交换介质来冷却。发明人还认识到，该交换介质(例如水或蒸汽)将被加热至某一温度，该温度是足够的，以使得直接使用热交换介质进行加热并由此在解吸器与再沸器组件中再次生成富含二氧化碳的溶剂。

21、在第一方面的可能的实现形式中，热交换装置包括位于排气再循环系统中的排气再循环热交换器(32)，排气再循环热交换器被配置为在排气再循环系统中的排气与热交换介质之间进行热交换，以对排气再循环系统中的排气进行冷却并且对热交换介质进行加热，并且热交换器被配置为在溶剂与热交换介质之间进行热交换，以对溶剂进行加热并且对热交换介质进行冷却。

22、在第一方面的可能的实现形式中，排气再循环系统包括洗涤器，优选地洗涤器是湿式洗涤器，该洗涤器布置在排气再循环系统中位于排气再循环热交换器的下游。

23、在第一方面的可能的实现形式中，热交换装置被构造成在排气再循环系统中的经再循环的排气与解吸器与再沸器组件中的溶剂之间进行热交换。

24、在第一方面的可能的实现形式中，发动机包括控制器，该控制器被配置为将扫气气体中的经再循环的排气的质量百分比调节到至少40％，优选地将扫气气体中的经再循环的排气的质量百分比调节到40％与55％之间。

25、在第一方面的可能的实现形式中，控制器被配置为对吹送器的速度进行控制以对经再循环的排气在扫气气体中的百分比进行调节。

26、根据第二方面，提供了一种对具有多个燃烧室的大型二冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机进行操作的方法，该方法包括：

27、向燃烧室供给碳基燃料，

28、使燃烧室中的碳基燃料燃烧，由此产生含有二氧化碳的排气流，

29、对排气流的第一部分进行再循环，以及将排气流的第二部分排出，

30、将经加压扫气气体流供给至燃烧室，该经加压扫气气体流包含经再循环的排气，

31、使用热交换介质流对排气系统中的经再循环的排气流进行冷却，由此对热交换介质流进行加热，

32、通过将贫二氧化碳溶剂流供给至吸收器而将来自排气流的第二部分的二氧化碳以化学的方式吸收到溶剂中，以及将富二氧化碳溶剂流从吸收器排放至解吸器与再沸器组件，以及

33、通过将经加热的热交换介质流的至少一部分供给至解吸器与再沸器组件以对溶剂进行加热，通过加热而在解吸器与再沸器组件中重新生成富碳溶剂。

34、在第二方面的可能的实现形式中，该方法包括使排气流的按质量计至少40％进行再循环，优选地使排气流的按质量计至少40％至55％进行再循环。

35、在第二方面的可能的实现形式中，该方法包括对排气再循环系统中的吹送器的速度进行控制，以对经再循环的排气在加压扫气气体中的百分比进行调节。

36、在第二方面的一种可能的实现形式中，该方法包括将解吸器66中产生的含有二氧化碳和水蒸气或蒸汽的气流供给至分离器69，以用于将二氧化碳与水蒸气或蒸汽分离，从而获得主要含有二氧化碳的气体流和主要含有水的液体流，该分离器优选地为分离鼓状部。

37、在第二方面的一种可能的实现形式中，该方法包括将主要含有二氧化碳的气流供给至液化单元，并且对主要含有二氧化碳的气体流进行液化，以获得液化二氧化碳流，该方法优选地包括：将液化二氧化碳流引导至液化二氧化碳存储单元。

38、在第二方面的一种可能的实现形式中，该方法包括使用排气再循环系统中的排气再循环热交换器从排气再循环系统中的经再循环的排气中提取热量，由此在排气再循环系统中的排气与热交换介质之间进行热交换，从而对排气再循环系统中的排气进行冷却并且对热交换介质进行加热，以及在溶剂与被加热的热交换介质之间进行热交换，由此对溶剂进行加热并且对热交换介质进行冷却。这些方面和其他方面将根据下面描述的实施方式而变得明显。