CN101338698B - 湿空气柴油发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种湿空气柴油发动机(1)，包括：涡轮增压机(6)，其具有可变面积的排气驱动的涡轮(7)和由所述涡轮驱动的用于将进气供应至所述发动机气缸的压缩机(9)。所述发动机还装配有进气/扫气空气增湿单元(12)和可控制的废气门(19)。所述可变面积的排气驱动的涡轮(7)和所述可控制的废气门(19)由控制器(50)控制，从而对于全负载和部分负载获得较低的NOX排放，同时基本不会增加燃油消耗率。
Description
技术领域
本发明涉及一种安装有扫气空气增湿器的重质燃料操作的大型柴油发动机，诸如远洋船的主发动机。
背景技术
对环境问题的普遍意识正在迅速地增强。在IMO(国际海事组织)内部，不断存在对海上空气污染形式的排放限制的讨论。世界不同地区的管理机构正在采取类似的措施。一种实例是所提出的当前正在讨论的EPA(美国-环境保护局)规则。
排气中的NOX可通过直接和/或间接减少方法减少。直接方法是直接影响发动机燃烧过程的方法。实际减少的程度取决于发动机类型和减少方法，但是一般从10％至大于50％变化。
间接方法是一种在不改变发动机性能的情况下通过其燃料优化设定减少排放水平的方法，并且其利用的设备并不形成发动机本身的一部分。迄今为止，最成功的间接方法是去除NOX的SCR(选择性催化还原)方法。所述方法通过在排气进入催化转化器(catalytic converter)之前向所述排气添加氨或尿素可以减少超过95％的NOX水平。间接方法可以结合本发明一起使用，本发明涉及一种减少排放水平的直接方法。
其中一种已知的直接方法是对扫气空气进行增湿。所产生的高的绝对含水量降低了最大燃烧温度并使排气中的NOX水平降低。使用扫气空气增湿的缺点是：当使用适合的全负载匹配的涡轮增压机(turbocharger)时，部分负载时的扫气空气压力太低。较低的扫气空气压力会导致较低的压缩率，从而导致部分负载时燃料效率变劣。另外，高的含水量会在排气流中产生过多的能量，并且如果要获得可接受的排气温度水平，所述过多的能量能够/必须绕过涡轮增压机的涡轮。典型地，所述过多的能量经由废气门(waste gate)(旁路)清除，并且如果所述过多的能量不能在动力涡轮或类似设备中回收，则湿空气马达的能量效率相对于非湿空气马达甚至将进一步降低。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种具有扫气空气增湿器的重质燃料操作的大型柴油发动机，所述发动机能够克服或至少减小以上指出的缺点。特别是，本发明的目的是提供一种重质燃料操作的大型柴油发动机，其能够在对燃料消耗率产生最小影响的情况下提供低的NOX排放水平。
所述目的通过提供一种重质燃料操作的大型柴油发动机实现，所述发动机包括：涡轮增压机，其具有排气驱动的可变面积涡轮和由所述可变面积涡轮驱动的用于将扫气空气供应至所述发动机气缸的压缩机；位于所述压缩机下游的扫气空气增湿单元；排气导管，其将所述排气从所述气缸导向所述可变面积涡轮；以及位于所述排气导管中的可控制的废气门。
通过在大型双冲程柴油发动机中结合增湿单元、受控的废气门和可变面积涡轮的涡轮增压机，可以获得基本降低的NOX排放水平而不会对燃油消耗率产生负面影响。
所述发动机可以包括控制器，所述控制器联结至所述可控制的废气门和所述可变面积涡轮，并且所述控制器可以构造为对所述可变面积涡轮的面积和所述废气门的开启进行控制。
所述控制器可以构造为对所述可变面积涡轮和所述可控制的废气门进行控制以使预定的扫气空气压力遵循发动机负载曲线。
所述控制器可以作为直接措施来控制所述可变面积涡轮的面积以遵循所述预定的曲线，并且所述控制器可以构造为仅在所述直接措施不能充分遵循所述预定曲线时打开作为间接措施的所述废气门。
所述控制器可以构造为对所述可变面积涡轮和所述可控制废气门进行控制以最小化所述发动机的燃料消耗率同时使NOX排放或其加权平均值保持低于给定阈值。
所述控制器可以联结至所述增湿单元，并且所述控制器可以构造为控制所述扫气空气的绝对含水量以使NOX排放低于给定阈值。
所述可控制的废气门可以连接至诸如动力涡轮之类的动力消耗器。
本发明的另一目的是提供一种用于降低涡轮增压的重质燃料操作的湿空气大型柴油发动机的燃油消耗率的方法。所述目的通过以下步骤实现：通过减小较低或中等发动机负载条件下的涡轮面积，增大部分负载时所述扫气空气的压力，以及仅在中等至较高发动机负载条件下使一部分排气绕过所述涡轮增压机的涡轮。
根据本发明的大型双冲程柴油发动机的其它目的、特征、优点和性质通过以下详细的描述将更加清楚。
附图说明
在本说明书的以下详细部分中，将参考附图示出的示例性实施方式更加详细地说明本发明，在附图中：
图1是根据本发明第一实施方式的内燃发动机的进气和排气系统的略图，
图2是示出了两种现有技术的发动机的扫气空气压力与发动机负载的图表，
图3是示出了两种现有技术的发动机和根据本发明的发动机的扫气空气压力与发动机负载的图表，
图4是示出了两种现有技术的发动机和根据本发明的两种发动机的扫气空气压力与发动机负载的图表，
图5是示出了两种现有技术的发动机和根据本发明改型的两种发动机的最大燃烧压力与发动机负载的图表，
图6是示出了两种现有技术的发动机和根据本发明改型的两种发动机的扫气空气中的绝对含水量与发动机负载的图表，
图7是示出了两种现有技术的发动机和根据本发明改型的两种发动机的压缩机出口温度与发动机负载的图表，
图8是示出了两种现有技术的发动机和根据本发明改型的两种发动机的相对燃料消耗率与发动机负载的图表，
图9是示出了两种现有技术的发动机和根据本发明改型的两种发动机的相对NOX排放率与发动机负载的图表，以及
图10示出了根据本发明第二实施方式的内燃发动机的进气和排气系统的略图。
具体实施方式
在以下的详细说明中，本发明将通过优选实施方式进行描述。图1的略图示出了十字头(crosshead)型的具有进气系统和排气系统的涡轮增压的大型双冲程柴油发动机1。所述发动机1具有进气接收器2和排气接收器3。隶属于燃烧室的排气阀以4表示。所述发动机1可例如用作远洋船中的主发动机，或电站中用于操作发电机的固定式发动机。所述发动机的总功率例如可在5,000至110,000kW的范围内。所述发动机1以重质燃油进行操作，并且因此所述发动机1设置有重质燃油系统，其中所述重质燃油系统包括加热的重质燃油罐和加热的重质燃油管道系统(未示出)。由于重质燃油在环境温度下非常粘稠，因此燃料喷射系统的这些加热元件在发动机停机期间同样进行加热。而且，重质燃油系统(未示出)设置有再循环系统，所述再循环系统使重质燃油在发动机停机期间保持流过所述重质燃油系统的各部件。再循环保证了重质燃油系统的不具有自身专用加热装置的部件在发动机停机期间保持温暖，并且再循环有利于重质燃油系统的脱气。
进气从进气接收器2传送至各气缸的扫气空气口(未示出)。当排气阀4被打开时，排气通过第一排气导管流动至排气接收器3中，并且向上通过第一排气导管5流动至涡轮增压机6的可变面积涡轮(variablearea turbine)7，排气从所述可变面积涡轮7通过第二排气导管20流走。可变面积涡轮7通过轴8驱动经由空气入口10供给的压缩机9。压缩机9将加压的进气传输至通向进气接收器2的进气导管11。
导管11中的进气通过增湿单元12对以大致200℃离开压缩机的进气/扫气空气进行增湿，并且使扫气空气的温度降低到36至80℃的水平。在所述实施方式中，增湿单元12是一种涤气器(scrubber)，其中大量的水被注入和蒸发。注入的水优选的相对较暖，如利用来自发动机1的(水)冷却系统(未示出)的废热对海水(当所述发动机安装在远洋船中时)或河水(当发动机安装在河流附近的固定发电站中时)加热。可替代地，也可以使用非预暖的水。所产生的绝对含水量水平将稍微低于暖水被输送至增湿单元12时的含水量水平。
在优选实施方式中，增湿单元是涤气器12，所述涤气器12被操作用于使离开增湿单元出口的空气具有大致为100％的相对湿度和大致为70℃的温度。所述进气/扫气空气的绝对湿度大约是离开常规发动机的中间冷却器的扫气空气的五倍。因此，包含在扫气空气中以及同样包含在排气中的能量值明显高于常规发动机(非湿空气发动机)的能量值。由此，在高负载水平时可从排气中提取更多的能量。扫气空气中的高的绝对含水量保证了低的峰值和平均燃烧温度，由此降低了燃烧期间的NOX的产生。
增湿的空气经由电动机17驱动的辅助送风机16输送至进气接收器2，所述辅助送风机16在低的或部分负载条件下对进气流加压。在较高负载时，涡轮增压机的压缩机9传输足够的压缩的扫气空气，接着经由单向阀15绕过辅助送风机16。
可控制的废气门19位于涡轮7上游的排气导管5中。通过所述可控制的废气门，一部分排气(大致10％)绕过可变面积涡轮7。
可控制的废气门19和可变面积涡轮7联结至控制器50。控制器50控制可控制的废气门19和可变面积涡轮7的操作以及控制器接收到的关于诸如实际发动机负载之类的发动机操作状况的信息。控制器还接收多种其它的发动机参数，如扫气空气温度、压力和湿度、排气温度和压力、冷却水压力、发动机速度等等。在实施方式中，控制器50还联结至增湿单元12并例如通过控制注入增湿单元12中的水量和温度控制其操作。
当与常规的非湿空气的大型双冲程柴油发动机(“参照”曲线)比较时，不具有可变面积涡轮增压机和不具有废气门的常规湿空气的大型双冲程柴油发动机(“非控制”曲线)在部分负载时将具有相对较低的扫气空气压力，如图2所示。湿空气的大型双冲程柴油发动机中相对较低的扫气空气压力会产生相对较低的压缩率和相应地相对较低的最大气缸压力，其在部分负载时会产生相对较高的燃料消耗率。
图3示出了在部分负载时通过使用可控制的废气门(“WG控制”曲线)对扫气空气压力的影响。在部分负载为50％时，具有受控废气门的湿空气马达获得与常规的非湿空气马达几乎相同的扫气空气压力，并相对于“非控制”湿空气马达表现出明显的改进。
图4示出了在部分负载时通过结合使用可变面积涡轮和可控制的废气门(“WG+VTA控制”曲线)对扫气空气压力的影响。通过使用这两种措施，在部分负载时扫气空气压力显著高于常规的非湿空气马达的扫气空气压力，并且甚至相对于并不提供有这些措施的湿空气马达有更多改进。
可变面积涡轮7和可控制的废气门19连接至控制器50。控制器接收关于发动机负载的信息，并提供有一种更期望的扫气空气压力与发动机负载关系的曲线。这种曲线/廓线的示例是图4中的上部曲线。图4中的所述上部曲线示出了储存在控制器50中的期望的曲线。
控制器50构造为遵循图4的上部曲线。至此，控制器50构造为用作对可变面积涡轮7进行控制的直接措施。在部分负载时，扫气空气压力通过减小涡轮7的(有效)面积可保持高于没有这种减小时的扫气空气压力。当发动机负载高于扫气空气压力达到其最大值(在本实施方式中，在大致75％的发动机负载处达到3.5巴)的水平时，控制器打开废气门19，从而避免过高的扫气空气压力(该措施在高发动机负载条件下对避免超过最大燃烧压力是必须的)。
所产生的最大燃烧压力在图5中示出。显然，具有可变面积涡轮增压机和受控废气门的发动机在不同水平的部分负载时比不具有这些措施的湿空气马达具有显著更高的最大燃烧压力，在这些部分负载水平，其正面影响了燃料消耗率。
如图6所示，这些措施还使得不同部分负载水平的绝对含水量水平增大，尽管在本实施方式中NOX排放量的降低可通过燃烧压力的增大而抵消，然而不同部分负载水平的绝对含水量水平的增大仍然会降低这些部分负载水平下的NOX的排放。扫气空气中的高的含水量由离开压缩机9的空气的较高出口温度产生。如图7所示，较高的空气温度提供了较大的用于蒸发水的潜能。
图8示出了在用于现有技术的发动机和用于根据本发明的发动机的不同负载条件下的燃油消耗率。不具有废气门控制和不具有可变面积涡轮的湿空气马达(“参照”曲线)明显具有最大的燃料消耗率。然而，应当注意的是通过例如在这种类型发动机中使用的非可控废气门逃逸的能量可用于驱动诸如动力涡轮之类的动力消耗器，由此降低总的燃油消耗率。
在发动机负载为50％及75％时，常规的非湿空气马达具有与带有废气门控制的实施方式基本相同的燃油消耗率。在发动机负载为100％时，常规的非湿空气马达的燃油消耗率略微好于带有废气门控制的实施方式。具有废气门控制和可变面积涡轮的实施方式在发动机负载为50％时具有最佳的燃油消耗率，并且在发动机负载为75％时具有与常规的非湿空气马达相同的燃油消耗率。发动机负载为100％时，具有废气门控制和可变面积涡轮的发动机比常规的非湿空气马达略微不足。总的说来，具有废气门控制和可变面积涡轮的湿空气马达将具有基本等于常规的非湿空气马达燃油消耗率的平均燃油消耗率。
图9示出了现有技术的发动机和根据本发明的发动机的NOX排放。所述图清楚地示出了对于所有使用湿空气的发动机的NOX排放均基本低于常规的非湿空气马达。具有废气门控制和可变面积涡轮的实施方式本质上具有与常规的非湿空气马达基本相同的燃油消耗率。由此，实现了NOX活动的基本减少而不会变劣燃油消耗率。
上图背后的计算均基于特定的发动机型号。然而，这些结果可以转移到任何其它大型双冲程柴油发动机。
图10示出了根据本发明的发动机的另一实施方式。根据所述实施方式的发动机与参考图1描述的发动机大致相同，只是废气门19的出口连接至动力涡轮31。经过废气门19逃逸的能量相对有效地在动力涡轮31中回收，并由此可以获得比以上示例和实施方式中示出的更高的总体燃料效率。如果使用具有可变面积涡轮(未示出)的动力涡轮，则结果将变得更好，因为动力涡轮将像可控制的废气门一样作用(可变面积涡轮不能提供经过(对应于闭合的废气门的)面积的零流量，但可变面积涡轮的动力涡轮可被控制在对应于闭合废气门的40-50％的水平)。
动力涡轮31驱动发电机32。排气流中的多余能量由此转化为电能，即具有高有效能(exergy)的能量。本实施方式的总体燃油消耗率比图1中示出的实施方式更低。
在本发明的实施方式中，作为直接措施的控制器50控制可变面积涡轮7的面积遵循预定的扫气空气压力曲线，并且控制器50构造为只有当直接措施不能充分遵循预定曲线时才打开作为间接措施的废气门19。
在本发明的实施方式中，为了最小化发动机1的燃料消耗率，同时使NOX排放或其加权平均值保持低于给定阈值，控制器50构造为对可变面积涡轮7和可控制废气门19进行控制。
在一种实施方式(未示出)中，为了使NOX排放保持低于给定阈值，控制器50联结至增湿单元12，并构造为控制扫气空气的绝对含水量。
本发明的优点在于其允许大型双冲程柴油发动机具有较低的NOX排放水平同时维持较低的燃油消耗率。
如在权利要求中使用的术语“包括”并不排除其它的元件和步骤。在权利要求中使用的术语“一种”或“一个”并不排除多种或多个。
在权利要求中使用的附图标记不应当理解为是对保护范围的限制。
尽管在以上说明书中试图引起对本发明的那些被认为特别重要的特征的注意，然而应当理解，申请人要求保护任何上文中提到的和/或附图中示出的可授予专利权的特征以及这些特征的结合，无论这些特征是否在此被特别强调。而且，应当理解的是本领域的技术人员在考虑本公开内容之后可对其装置进行改型和改进，而仍然落入以下权利要求所阐述的范围和精神内。
Claims (6)
1.一种重质燃料操作的大型双冲程柴油发动机(1)，包括：
涡轮增压机(6)，其具有排气驱动的可变面积涡轮(7)和由所述可变面积涡轮(7)驱动的用于将进气供应至发动机气缸的压缩机(9)；
位于所述压缩机(9)下游的进气增湿单元(12)；
排气导管(5)，其将所述排气从所述气缸导向所述可变面积涡轮(7)；
位于所述排气导管中的可控制的废气门(19)，以及
控制器(50)，所述控制器(50)联结至所述可控制的废气门(19)和所述可变面积涡轮(7)，并且所述控制器构造为控制所述可变面积涡轮(7)的面积以及所述废气门(19)的开启，
其中所述控制器(50)构造为控制所述可变面积涡轮(7)和所述可控制的废气门(19)以使预定的进气压力遵循发动机负载曲线，并且
其中所述控制器(50)作为直接措施控制所述可变面积涡轮(7)的面积以遵循所述发动机负载曲线，并且所述控制器(50)构造为仅在所述直接措施不能充分遵循所述发动机负载曲线时打开作为间接措施的所述废气门(19)。
2.根据权利要求1所述的大型双冲程柴油发动机，其中所述控制器(50)构造为控制所述可变面积涡轮(7)和所述可控制废气门(19)以最小化所述发动机(1)的燃料消耗率同时保持NOX排放或其加权平均值低于给定阈值。
3.根据权利要求1所述的大型双冲程柴油发动机，其中所述控制器(50)联结至所述增湿单元(12)，并构造为控制所述进气的绝对含水量以保持NOX排放低于给定阈值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的大型双冲程柴油发动机，其中所述可控制的废气门(19)连接至动力消耗器(31)。
5.根据权利要求4所述的大型双冲程柴油发动机，其中所述动力消耗器是动力涡轮(31)。
6.一种用于降低涡轮增压的重质燃料操作的湿空气大型双冲程柴油发动机的燃油消耗率的方法，所述方法包括：
通过在较低或中等发动机负载条件下减小涡轮面积，增大部分负载时的进气压力，以及
仅在中等至较高发动机负载条件下使一部分排气绕过涡轮增压机的涡轮。
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