CN100447385C - 大型增压内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型增压内燃发动机(1)，包括一个涡轮增压器，该涡轮增压器带有一个废气驱动的涡轮和一个由涡轮来驱动并向发动机气缸供应充入空气的压缩机。内燃发动机还带有一个为了增加充入空气的绝对湿度而用水来使所充入空气加湿的加湿单元(12)。一部分废气流从涡轮的上游分流并被导向能源消耗装置。一个或多个加湿单元可以由一个水槽(40，41)形成，通过这个水槽，要加湿的气体形成气泡。

Description

大型增压内燃发动机

技术领域

本发明涉及一种大型增压内燃发动机，例如船只上的主发动机，包括一个带有一个废气驱动涡轮的涡轮增压器和一个由涡轮来驱动并向发动机气缸供应充入空气的压缩机。发动机还包括一个冷却单元，用于通过水的注入来冷却所充入气体。

背景技术

例如世界专利WO-9 429 579，公开了一种大型增压双冲程内燃发动机，它带有一个向发动机气缸传送充入空气和净化空气的压缩机，和一个冷却来自压缩机的空气的冷却器。冷却器通过将空气中的水压力雾化来运转。此冷却器包括多个连续的喷雾器部分，且在至少两个喷雾器部分之间可设置一个液滴收集部分，该液滴收集部分分离来自空气的水滴。温度为环境温度的水注射进空气流中，来将充入空气的温度降到尽可能低。在这篇文献中，压力雾化空气中的水的目的是设计一种用于具有大冷却容量的大型双冲程内燃发动机的吸入***的冷却器，其有效运转、可靠、并且很少需要维修。

世界专利WO-9 429 587公开了一种大型增压双冲程内燃发动机，其中，废气从涡轮的高压侧向发动机的充气***再循环。该发动机需要使用重油作燃料，其产生大量的燃烧物，这些燃烧物对于与废气接触的发动机元件来说是有害的。重污染的废气不能简单地进行再循环，因为敏感的发动机部分会发生损坏。因此，再循环的废气的至少一部分被加湿到大致相对湿度为100％。这减少了有害燃烧物的量，并且减少了由燃烧产生的NOx的量。该篇文献中使用空气加湿单元的目的是使大型增压柴油发动机中的废气以如下方式进行再循环，即，对各发动机元件而言，发动机保持高效和长寿命。

通常，这些现有技术中的发动机在充入空气被冷却下降到大约37℃和绝对湿度为每kg空气中水汽质量为4到12g的环境下运转。

在本领域中，一般说来，涡轮发动机在低温充入空气的环境下运转是有利的，因为这会带来高燃烧效率且在发动机上产生较低的热负载。

在现有技术中使用加湿单元的一般目的是从杂质中净化气体。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型内燃发动机，其整体能效提高。根据本发明，一种增压内燃发动机包括：一个涡轮增压器，其带有一个废气驱动的涡轮和一个由涡轮驱动并向发动机气缸供应充入空气的压缩机；一个废气导管，其将废气从气缸引到涡轮；和一个通过注入的水来冷却充入空气的冷却单元。运转该冷却单元而实现充入空气的高绝对湿度和较高温度，且由从废气导管分流来的废气来驱动一个辅助涡轮。所述大型增压内燃发动机还包括控制离开冷却单元的充入空气的绝对湿度的装置。

该发动机可以在充入空气的温度和绝对湿度相对于传统的发动机增加的情况下运转。因此充入空气的整体的能含量比传统发动机高。因为来自压缩机的空气没有被冷却，也就是说，温度降低一定程度但没有能量从充入空气中损失掉，故，充入空气的温度和绝对湿度增加。代之的是，充入空气中的能量被贮存起来，甚或能量通过将受控温度的水注入到充入空气中而被加到充入空气中。优选的是，注入的水的温度高于周围环境。

废气的质量流量比直接受充入空气的绝对湿度的增加的影响，因此，废气气流的能含量与传统的运转情况相比有所增加。附加的能量可以用作驱动涡轮以外的目的。因此，将部分废气分流出来并用来驱动一辅助涡轮，而同时主涡轮仍接收充足的能量。因此，发动机的整体能量输出增加，同时发动机所使用的燃料量大致相同。因为发动机的部分废能，即具有低的放射能力的能量，被加到注入到充入空气的水中，且这些废能因此转化成可从废气流中分流出来的具有高放射能力的能量，这是可能实现的。

用来加热将要注入的水的能量可以从低质量的能源中得到，例如，具有较低放射能力的能源。具有低放射能力的能源一般可以从发动机周围以废气、(护套)冷却液等形式得到。

用来加热将要注入的水的能量实际上被加入到气流中(以充入空气的增加的温度和湿度的形式下)，并可作为具有高放射能力的能量回收。通过分流涡轮上游的部分废气流来回收能量，即以具有高的放射能力的能量的形式回收。由于废气流中的整体能含量的增加，可以在不降低涡轮的通常可用的能量的量的情况下来实现。

因此，通过免除冷却，同时加湿充入气体并向充入空气中添加“废”能，在废气气流中产生的额外的能含量可以被分流，进而发动机的整体能效增加。具有低放射能力的能量可以通过从废气气流中分流更多的能量来作为具有高放射能力的能量回收，否则其将被看作废能。因此，发动机的整体能效得以增进。

与现有技术相反，在本发明中，使用加湿单元的主要目的是，设计有一种将能量添加到充入空气中的冷却器，而不是设计现有技术中的从充入空气带走能量的冷却器。使用该冷却器将充入空气的温度控制在一个相对较高的水平，使其含有大量的水蒸气，即，获得具有高能含量的充入空气。

因此，本发明克服了一个偏见，即，一般认为，为了减少加在发动机上的热负载，希望涡轮增压器发动机在低温充入空气下运转，因为冷的充入空气有利于提高发动机燃烧过程的效率。还有，在充入空气的高绝对湿度下，因为NO_x的水平，废气质量得以改进。

在废气流中的额外得到的能量被送到一能量消耗装置。该能量消耗装置例如可以是一涡轮，其耦连于：

发电机，

用于供应发动机液压***的液压泵，或

废气再循环送风机，

从能量消耗装置中分流出的废气量可根据发动机的运转状态来调节，如通过一个变流量调节器调节。

加湿单元优选的是一个带有多个喷雾器段的一个冲刷器。空气中的水的压力雾化使空气中的大量的水可进行喷射，从而，空气可以被有效地加湿成饱合状态。在一段很短的气流长度上，冲刷器可以将大量的水雾化到充入空气中，这一点对于得到大致100％的相对湿度的所需有效加湿是很重要的。在湿度-饱合状态的空气中的水量随着温度的升高呈指数增加。可以得到的空气的绝对湿度主要依赖于充入空气的温度，为了使绝对湿度最大，在充入空气通过加湿单元时没有能量被带走。因此使离开加湿单元的充入空气获得高的温度和高的绝对含水量。这样，离开加湿单元的充入空气的温度可以进行测量，并且温度和可能要雾化的水的量可相应地进行调节。因此，可对离开加湿单元的充入空气的温度和同一空气的绝对湿度加以控制。

一个或多个上游段上可以提供以相对污浊的水，如海水和；一个或多个下游段可以提供以相对清洁的水。

在加湿单元的出口处的充入空气的绝对湿度可以控制在10到120g/kg之间。在加湿单元的出口处的充入空气的温度可以控制在37℃到85℃之间。

发动机可以是四冲程的或是双冲程的。

必须使用大量的水来对充入气体进行加湿。发动机水的消耗量可达到燃料的消耗量的四倍。在输出功率为25,000kw的大中型柴油发动机中，每小时消耗的水的量是12-17吨。在船只的甲板上，或是海滨或是近河的发电站中，提供这样数量的水是没问题的。

发动机也可以带有一个废气再循环导管，优选的包括一个第二加湿单元。该第二加湿单元可以是一个水槽，通过它废气变成气泡。通过使用废气再循环，可进一步增加发动机的效率。再循环的废气可以在一个单独的加湿单元中被加湿。

离开加湿单元的空气的绝对湿度可以通过调节添加到充入空气中的水的温度和/或通过调节所述的压缩机的上游的空气的温度来进行控制。

包含在废气分流出的部分的能含量可以达到废气流所包含的总能含量的15％。

发动机的其它的目标，特征，优点和特性将在下面进行详细描述。

附图说明

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细的解释和说明：

图1，2，3和4是根据本发明的一个内燃发动机的吸入和排出***的四种不同的实施例的示意图解；和

图5是对再循环废气进行加湿的装置的一个优选实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明进行详细的解释说明。参照图1，所示的大型增压双冲程内燃发动机，一般由附图标记1表示。发动机1有一个充入空气接收器2和一个废气接收器3，由附图标记4所指的排气阀属于燃烧室。发动机可以例如可是用于船只上的主发动机或是发电站中的运转发电机所用的固定发动机。发动机的总的输出功例如在5,000到70,000KW的范围内，但本发明也可以用在输出功率例如是1,000KW的四冲程发动机中。

充入空气从充入空气接收器2通入到单独气缸的空气净化部分。当排气阀4打开时，废气流穿过一个废气导管到达废气接收器3并且向里穿过一个传统的废气导管5到达一个涡轮增压器的涡轮6，从这里废气流通过一个排气导管7排出。通过一个轴8，涡轮6驱动压缩机9，压缩机9通过一个空气入口10来供应空气。进入的空气可以通过一个进入空气加热器33进行加热，优选的使用诸如冷却液的废热源对进入的空气进行加热。压缩机9将加压的充入空气传送到一个充入空气导管11，该充入空气导管11通入到充入空气接收器2。

导管11中的吸入空气穿过一个加湿单元12，加湿单元12在图示的实施例中带有三个喷雾器段13-15。在第一段13中，经加热的可用的一般质量的水(如海水)穿过一个管子17到达加湿和纯化气体的多个喷雾器喷嘴。供应适当过量的水，使得没有微粒沉淀在气体中，如水中的盐或其它杂质出。在第二段14中，通过一个管子18供给的水在充入空气中被雾化。同样的，在第三段15中，通过一个管子19供给的新鲜水在充入空气中被雾化。供给至每一段的水的温度依据所需的充入空气温度和湿度来进行控制。每一段13，14，15的末端包括一个液滴收集器，所述的液滴收集器分离悬吊在气体中的液滴并且装盛来自充入空气中的污染物。可以在冷却器使用更少的段。其中，段的数量可适应发动机的输出相应改变。

供至喷雾器喷嘴的海水和新鲜水通过一个热转换器34利用“废”热源来冷却或加热。该“废”热源可以例如是发动机冷却水35。另外，供给加湿单元12的水可以通过一个热转换器38利用废气来预热，如图2所示。可选择热交换器的特性以使得废气中的水蒸气冷凝，从而其可以被回收。

离开加湿单元的充入空气的绝对湿度和温度可以通过分别控制供给加湿单元12中的各个段13，14，15中的水的温度和/或通过一个加热器33来控制进入空气的温度而进行控制。

在冲刷器12的出口，空气的温度通过传感器39来测量，并且向控制单元(未画出)发送一个信号。控制单元对测得的温度和所需(预设)的温度进行比较。如果离开冲刷器12的空气的温度与预定的值不相符，为了消除温差，控制单元调节供应给冲刷器12的不同段的水的温度。

供给喷嘴的水的温度是可控的，使得当充入空气离开加湿单元时能得到所需的空气温度和绝对湿度。为了实现所需的发动机运转状态，依据环境来选择所需的值，它可以例如是充入空气的最大的绝对湿度的情况，或是加在发动机上的最小热负载情况，或位于两者之间。

加湿的空气穿过由电动机20驱动的辅助送风机16，对在部分载荷状态下的充入空气流增压，并且穿过发动机的气缸至废气导管5，该废气导管5通向涡轮增压器8的涡轮6。导管24在涡轮6的上游从废气导管5分支出来。所述的导管24与驱动发电机27的辅助涡轮26相连。废气流中过剩的能量因此转变成电能，例如，具有高的放射能力的能量。分流至辅助涡轮26的废气量可能通过位于导管24内的一个可变流量调节器25来调节。

另一种形式，辅助涡轮26可以与一个液压泵相连(未画出)。在其它的形式中(未画出)，辅助涡轮26驱动废气再循环导管28中的送风机30。

辅助涡轮也可以用其它形式的气体驱动的能源消耗装置来代替，例如，任何容积式或非容积式机器或发动机。

根据图3所示的另一个优选实施例，发动机使用再循环废气。一个再循环导管28从废气导管5上分支出来，并且与充入空气导管11相连，因此，再循环导管与位于与导管11相连的导管28的连接部分下游的吸入***的一部分一起形成一个再循环通道。

一个冲刷器29***到再循环导管28中，用于以水来加湿和纯化废气。温水从热交换器34提供给冲刷器29。从冲刷器29出来的气体通向由发动机31驱动的送风机30。即使废气是在涡轮6的高压侧转向，送风机30也必须为这些废气增压，达到比导管11内的充入空气的压力高的一个压力水平。尽管发动机的吸入侧和排出侧之间存在压力比，但送风机30使再循环成为可能，这意味着在任何所需的发动机载荷下再循环都可实现。再循环的废气可以如图所示地被引导到加湿单元12的上游的导管11或可以被引导到加湿单元12(未画出)的下游的导管11。

如果再循环的废气被引导到加湿单元12的上游，通过利用喷射器以及文氏管效果，就可使用来自压缩机的高速充入空气以至少部分地吸收再循环废气。在这种情况下，没有或仅有一个小的废气送风机30就可实现废气的再循环。

代替雾化加湿单元12，29，可以使用一个包括至少一个水槽40，41(如图5所示)的加湿单元，废气通过水槽而成为气泡。其优点在于，水槽中的水也可以起到噪音屏障的作用。在位于相对较冷和相对较热情况之间的温度范围内，热交换器34为该水槽40，41供水。加湿单元12，29可以有一个段或多个段，这取决于废气的纯化和加湿程度，加湿单元12，29可以与多个雾化加湿单元相结合。

实例1

下面的实例描述了一个发动机设备中的冲刷器的运转模式，此处，再循环气体在加湿单元29中被纯化和加湿，所有的充入空气在一个两段式加湿单元12中被加湿。可以选择发动机的运转状态，以使最大量的能量可从废气流中分流出来。为了简单起见，基于满载输入功率为25,000KW且充入空气的额定压强为360Kpa情况下的发动机进行计算。

发动机在100％载荷下运转，周围空气的温度是25℃，相对湿度是30％，这意味着吸入空气的含水量大约为6g水/kg空气。发动机的空气消耗量大约为55kg/s。经过压缩机9后，空气的温度为T1＝190℃，相对湿度为0.25％。

在第一加湿段13中，在大约为70℃的温度下为喷雾器喷嘴13供应l/s的盐水量。优选地，通过使用“废”能(即放射能力低的能量)，如发动机冷却液、发动机废气或其它的“废”能来得到所要的水的温度。空气加湿到相对湿度为90％以上，且空气的干燥温度为85℃，这样产生绝对湿度为110g/kg的空气。在从第一冲刷段排出处，空气的盐分大部分被纯化。

在第二加湿和冲刷段14中，在温度为100到150℃的范围内通过喷雾器喷嘴喷出50l/s的新鲜水(优选的是通过使用废气中的“废”能来得到)。空气的温度保持在大约85℃，因此100％的湿度-饱合的空气的绝对湿度为大约120g水/kg空气。

如果在导管28中使用一个单独冲刷器29来纯化再循环的废气，则比较合适的是，在纯化的同时，将废气加湿到大约100％的相对湿度且温度大约为110℃。

离开冲刷器的空气的温度大约为85℃，绝对湿度为120g/kg。与传统的温度为37℃，绝对湿度为6g/kg的充入空气相比，这会引起包含在废气流中的能量增加30％，对本例来说，所选择的发动机相应地增长16500KW的功率。这附加的16500KW使得16％的废气流从废气导管5中分流出来，而被传送到辅助涡轮26。其它所有的条件相同，与传统的发动机中使用的燃料形式的能量的量相同。因此，仅仅略微增加能量输入即可在辅助涡轮处有1675KW的额外的功，使得耗油率(SFOC)改进4％。

实例2

这个例子显示了在发动机低热载荷的情况下，选择发动机的运转状态的可能性。在与如上相同的环境条件和发动机载荷的条件下，在第一冲刷段12中的喷雾器喷嘴供应有温度为30℃，流量至少为20l/s的海水，因此，通过蒸发来改变充入空气的温度到大约为T1＝75℃，加湿到相对温度大约为90％，绝对湿度达到大约65g/kg的水平。

在第二冲刷段13，供给有温度大约为30℃，流速为60l/s的水。这将充入空气冷却到温度大约为37℃，且在100％饱合气体下的绝对湿度大约为11g/kg。

因此，可以实现发动机的低热载荷设定，例如，用在当出现发动机热超载信号时。

实例3

这个实例显示了在发动机为中热载时选择发动机的运转状态的可能性。在与如上相同的周围环境和发动机载荷的条件下，在第一冲刷器段12中的喷雾器喷嘴供应有温度为50℃，流速大约为13l/s的海水。这将充入空气的温度改变到大约75℃，同时充入空气被加湿到大约80％的相对湿度。绝对湿度因此达到大约59g/kg的水平。

在第二冲刷器段13，供给有温度大约为76℃，流速为50l/s的水。这将充入空气的温度改变到大约为75℃，在100％饱合气体下的空气绝对湿度大约为76g/kg。

因此，可以实现发动机的中热载荷设定，这使得发动机可在NO_x散发减少且从废气流中分流出来的能量的量少于实例1中的量的情况下运转。

参照图4和图5，示出了本发明的另一个具体实施方式。发动机1具有一个充入空气接收器2和一个废气接收器3，且由附图标记4所指代的排气阀属于燃烧室。充入空气经过充入空气接收器2到达单独气缸的净化气口。当排气阀4打开时，废气流经一充气导管而进入废气接收器3，并且向前穿过一个传统的废气导管5而到达一涡轮增压器的涡轮6，从这里废气流过一个废气导管7向外排出。通过一个轴8，涡轮6通过一个进气口10来驱动一个压缩机9。进入的空气可通过一个进气加热器33来加热，优选的，使用废热源，如冷却液，来加热进入空气。压缩机9向通向充入空气接收器2的充入空气导管11传送雾化的充入空气。导管11中的吸入空气穿过带有两个水槽40，41的加湿单元12’。

发动机可以包括一个废气再循环导管。在这种情况下，再循环导管28从废气导管5分支出来，并与充入空气导管11相连，从而该再循环导管与位于导管28与导管11的连接部分下游的吸入***的部分形成一个再循环通道。可将一个由电动机31驱动的废气送风机30安装在导管28内，用以推动再循环气体流向充入空气导管11。再循环气体经过带有两个水槽40，41的加湿单元29’。

加湿单元12’的结构原则上与加湿单元29’的结构相同。因此，加湿单元12’，29’的结构的细节可以一起参照图5。此处示出了一个两段式加湿单元。这两个段由导管50相互连接。加湿单元可以包括更多的段或只有一个段。而且，可以将水槽型的加湿单元和一个喷雾器型的加湿单元组合起来。每一段包括一个带有至少部分充有水的空间42，42’的座44，44’。导管43，43’把要充入的空气传送到座44，44’内，到达低于空间42，42’的点处。空间42，42’位于所述的座内，并至少部分地充有水。水是通过一个入口47，47’供应的，并通过一个出口48，48’来排出。优选的是，水是连续供应的，较少量地连续排出。优选的是，供给空间42，42’的水的温度是受控的。空间42，42’由座、上边界46，46’和下边界45，45’来限定的。边界45，45’，46，46’形成一个产生压力下降的流动限制。边界45，45’，46，46’上有很多孔，通过这些孔，要加湿的气体进出空间42，42’。当气体穿过下边界45，45’，形成大量的气泡，使气体从水中溢出。边界45，45’，46，46’可以例如是由栅板或穿孔金属板形成的。

为了进一步提高加湿的程度，可在管子42中提供一个雾化喷射器49。

在加湿单元的每个段之后提供一个水气分离装置(未画出)，如一个捕雾器。

加湿单元12’中的水槽40，41将气体加湿到100％的相对湿度，气体中的杂质大部分被去除，在传播过程中阻止了由气体携带的噪音通过该***。

虽然为了说明起见，以上对本发明进行了详细描述，可以理解这样的详细描述只是出于说明的目的，本领域的技术人员在不偏离本发明的范围之内的各种变动都是允许的。

因此，对照具体实施例对各种装置和方法所进行的描述只是对本发明的说明，这些装置和方法不是一成不变的。在不偏离本发明的精神和实质的其它的实施方式和结构都在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种大型增压内燃发动机，包括：一个涡轮增压器，其具有一个废气驱动的涡轮(6)和一个由涡轮驱动而用于向发动机气缸供应充入空气的压缩机(9)；一个废气导管(5)，其将废气从气缸引导到涡轮(6)；和一个通过注入的水来冷却充入空气的冷却单元(12)，其中

通过冷却单元(12)的运转得到高绝对湿度和相对高温的充入空气，和

在涡轮(6)的高压侧由从废气导管(5)分流出来的废气驱动一能量消耗装置(26)，

其特征在于，

所述大型增压内燃发动机还包括控制离开冷却单元(12)的充入空气的绝对湿度的装置(33，34)。

2.如权利要求1所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：能量消耗装置是一个辅助涡轮(26)。

3.如权利要求1所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：供应给冷却单元的水的温度高于环境温度。

4.如权利要求3所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：供应给冷却单元的水的温度通过发动机的废能来升高，从而高于环境温度。

5.如权利要求1所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：高湿度和相对高温度的充入空气使得充入空气和废气中包含的能量的增加，增加的包含在废气中的能量用来驱动辅助涡轮。

6.如权利要求2所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：辅助涡轮(26)与一个发电机(27)、一个水压泵或一个废气再循环送风机耦合，或这些装置的组合耦合。

7.如权利要求1所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：还包括一个将部分废气送回发动机气缸的再循环通道(28)。

8.如权利要求7所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：所述的再循环通道(28)包括一个第二加湿单元(29)。

9.如权利要求8所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：所述第二加湿单元包括一个水槽(40，41)，通过水槽(40，41)废气变成气泡。

10.如权利要求7所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：所述的再循环通道(28)包括一个导管，所述的导管从涡轮上游的排气导管(5)分支出来，并且与压缩机(9)下游的充入空气导管(28)相连，所述的导管(28)与所述的第二加湿单元(29)和一个送风机(30)相连；和/或一个位于压缩机出口处的用来增加再循环废气中的压力的喷射器。

11.如权利要求8所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：所述的冷却单元(12)和/或所述的第二加湿单元(29)包括带有多个水喷雾器段的冲刷器和/或水槽(40，41)，通过所述的水槽(40，41)气体形成气泡。

12.如权利要求1所述的大型增压内燃发动机，其特征在于：所述的控制充入空气的绝对湿度的装置包括用以控制通过冷却单元(12)导入充入空气中的水的温度的装置(34)。

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