CN101184915A - 与涡轮增压活塞发动机有关的方法及结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及与一种与活塞发动机(1)有关的方法及结构，活塞发动机(1)上设置有涡轮压缩机(2)。在方法中，来自发动机(1)的燃烧空气由涡轮压缩机(2)的压缩机(3)加压，加压后的燃烧空气被增湿，燃料借助燃烧空气而在发动机(1)的气缸(10)内燃烧，且在燃烧过程中产生的废气利用燃烧空气而被传输至涡轮压缩机(2)的涡轮(4)。部分流量从加压后的燃烧空气流中分离出来，被传输至发动机(1)，并且与进入到涡轮(4)内的废气结合起来。

Description

与涡轮增压活塞发动机有关的方法及结构
本发明涉及与设置有涡轮压缩机的活塞发动机有关的方法。
本发明还涉及与设置有涡轮压缩机的活塞发动机有关的结构。
在高燃烧温度下，氯氧化物(NOX)产生于活塞发动机的气缸内，并且由废气而夹带到空气中。由于氮氧化物排放的危害性环境影响，已努力防止产生氮氧化物(主要的方法)，或者将所产生的氮氧化物从废气中除去(次要的方法)。
将水加入到燃烧过程中，并且与燃烧空气一起减少了氮氧化物的产生。水降低了气缸内的燃烧温度，从而使产生较少的氮氧化物。在实践中，由两种备选的方法将水加入到活塞发动机的燃烧过程中。在其进入气缸之前，水既可被直接地供应至发动机的气缸的燃烧腔室内，也可以与燃烧空气混合起来。
为了增加发动机的动力，活塞发动机上通常设置有涡轮压缩机，其包括压缩机，加压后的燃烧空气借助该涡轮压缩机而供应至发动机。此外，涡轮压缩机包括涡轮，该涡轮驱动压缩机。来自发动机的废气被导向至涡轮，该涡轮将废气内的能量转化为压缩机的驱动动力。
涡轮压缩机的压缩机部分的运行一方面受到与压缩机的最大容量相对应的极限的限制，而另一方面受到所谓的喘振极限的限制。压缩机的喘振对发动机的运行具有危害性，因为供应至发动机的燃烧空气的压力和流量将在发动机喘振时马上减小。为此，为了确保压缩机的优化运行及发动机在变化条件内的优化运行，应当在压缩机的运行点与喘振极限之间具有特定的安全余量。当运行点在自喘振极限的一定距离处时，压缩机的运行效率也在其最高点。因此，用于每个特定应用的压缩机选择成在常规运行条件下，在自喘振极限的所需距离处运行。
如果涡轮增压的活塞发动机上设置有用于减少氮氧化物的***，从而使水与燃烧空气在压缩机之后的一个点混合起来，那么水供应增加了经过涡轮的废气的质量流率。固此，如果发动机运行于恒定的负荷，那么涡轮的转动速度也得以增加，因此抽吸空气的压力将在压缩机之后增加。然而，经过压缩机的燃烧空气的流动将维持恒定，从而使压缩机的运行点与喘振极限之间的安全余量将会减小或者消失。
因为使发动机也运行于在没有使用燃烧空气增湿的情形中将是可能的，压缩机需要能够运行于两种不同的运行条件下：
1.当使用燃烧空气的增湿的时候，从而使燃烧空气的温度在70度-75度之间，而经过涡轮的质量流率已增加至与水已被供应时相同的程度，
2.当没有使用燃烧空气的增湿的时候，从而使燃烧空气的温度在50度-55度之间，并且没有额外的经过涡轮的质量流率。
通过使用压缩机，其尺寸定制为用于较低的流率，确保针对喘振的充分安全余量将是可能的，但另一方面，当用于燃料空气增湿的***在运行时，这涉及到涡轮压缩机超速转动的风险。当用于燃料空气的增湿***没有运行时，压缩机的运行点强烈地向着对应于最大容量的极限值移动，从而使压缩机的运行效率将会减小。而且，在那种情况中，与使用根据标准规格的压缩机的情形比较，涡轮压缩机的转动速度实质更高。
本发明的一个目的是提供一种技术方案，通过该技术方案，设置有燃烧空气增湿的活塞发动机的涡轮压缩机的运行可被优化。
根据本发明的方法基于一种构想：部分流量从燃烧空气流中分离出来，该燃烧空气流从压缩机流动到发动机内，该部分流量被传输经过发动机并与进入涡轮的废气流结合起来。
根据本发明的结构包括旁路通道，通过该旁路通道，待传输到发动机的燃烧空气的一部分，可被分流经过发动机并与进入涡轮的废气流结合起来。
更精确地，根据本发明的方法的特征在于陈述于权利要求1的特征部分的内容。
根据本发明的结构的特征在于陈述于权利要求6的特征部分内容。
本发明提供显著的好处。
利用本发明，防止压缩机的喘振是可能的，当使用燃烧空气增湿的时候，该压缩机被优化以便用于常规燃烧空气流和废气流。通过将经过发动机的气缸的燃烧空气的一部分进行分流，并且通过将部分流量与进入涡轮的废气流结合起来，当燃烧空气增湿运行的时候，压缩机的运行点移动到更加远离喘振极限。此外，根据运行效率与转动速度，压缩机的运行点可维持于优化的水平。如果没有使用燃烧空气的增湿，那么旁路通道被关闭，从而使整体燃烧空气流以常规方式从压缩机传输到发动机。
由本发明导致的能量损失很少。根据已执行的测试，当使用根据本发明的结构时，设置有燃烧空气增湿的涡轮增压活塞发动机的燃料消耗，在85％的发动机负荷水平处增加了大约0.3％。
在本发明的一个实施例中，部分流量从燃烧空气流中分离出来，并且被传输经过发动机，并且仅在以下情形中与废气流混合起来：压缩机的特性曲线接近于喘振极限，即典型地当发动机负荷为50％-85％的时候。当负荷小于50％和大于85％的时候，旁路***没有被使用，从而使所有的燃烧空气从压缩机导向至发动机。然后，考虑到运行效率，涡轮压缩机的转动速度可维持于优化的水平，并且转动速度在高负荷时的过分增加得以避免。
以下通过举例的形式并结合附图对本发明进行更详细地解释。附图为根据本发明的一种结构的示意图。
根据附图的结构包括活塞发动机1，其设置有涡轮压缩机2。涡轮压缩机2包括压缩机3和涡轮4，其利用驱动轴5而互相连接起来。驱动轴5通过轴承***而设置在涡轮压缩机2的壳体上。压缩机3的任务是将加压后的燃烧空气供应至发动机1。压缩机3包括可转动的转子，转子上设置有叶片，以便将待传输的燃烧空气加压到发动机1。流动空间6设置在压缩机3的高压侧上，即设置在压缩机3与发动机气缸的燃烧腔室10之间，用于将加压后的燃烧空气传输至气缸10。流动空间6上设置有热交换器7，用于冷却或加热燃烧空气。此外，流动空间6包括增压空气容器8，其在加压空气的流动方向内定位于热交换器之后。流动空间6还包括设置在每个气缸10与增压空气容器8之间的入口通道9，用于将燃烧空气从增压空气容器8传输到气缸10。
气缸10与涡轮4的高压侧之间设置有废气通道11，用于将发动机的废气传输至涡轮4。而且涡轮4包括转子，该转子上设置有叶片并且可被来自发动机1的废气所转动。而且，发动机1包括用于将燃料供应至气缸10内的燃料进给机构(图未示)。
发动机1上设置有加湿装置，当发动机在运行时，燃烧空气的潮湿含量可借助加湿装置而增加。燃烧空气的增湿减小了燃烧过程中产生的氮氧化物(NOX)的数量。燃烧空气通过将水喷射到燃烧空气上而被加湿化。在燃烧空气传输到热交换器7之前，水与燃烧空气在流动空间6内混合起来。燃烧空气加湿装置包括进给管12，其连接到水处理***上。向流动空间6打开的喷射喷嘴15连接到进给管12上，水以水滴或薄雾的形式在定位于热交换器7之前的点处，并在燃烧空气的流动方向从该喷射喷嘴1 5供应至流动空间6内。此外，进给管12上设置有关闭阀16，通过该关闭阀16，可允许或防止水流到喷射喷嘴15。
当使用燃烧空气加湿装置时，经过涡轮4的废气的质量流率增加至与当水注入其内时相同的程度。因此，涡轮4的转动速度增加，并且流动空间6内的燃烧空气的压力在恒定的发动机负荷处上升。然而，穿过压缩机3的空气的质量流率保持恒定，从而使压缩机3的运行点朝着喘振(surge)极限移动。为了防止压缩机3的喘振，结合发动机1而提供旁路结构，用于在燃烧空气增湿的过程中移动压缩机3的运行点。该结构包括从流动空间6延伸到废气通道11的旁路通道13，燃烧空气的一部分可借助该旁路通道13而从穿过发动机的气缸10的流动空间6传输到废气通道11。旁路通道13第一端部面向流动空间6而打开，而第二端部则面向废气通道11而打开。为了防止注入到流动空间16内的水流入旁路通道13，旁路通道13的第一端部在定位于喷嘴1 5的喷射点之前的点处，并在燃烧空气的流动方向面向流动空间6而打开。旁路通道13的第二端部在定位于涡轮4之前的点处，并在废气的流动方向面向废气通道11而打开。图中的箭头显示了燃烧空气与废气的流动方向。旁路通道13由控制阀14提供，用于调节流经旁路通道13的燃烧空气。
当发动机1运行时，燃烧空气导向至压缩机3内，在那里，燃烧空气的压力借助转子而上升至超过周围压力。加压的空气导向至压缩机3的高压侧上的流动空间6。如果使用了燃烧空气的加湿，那么一部分流量将从燃烧空气流分离出来，并且被导向至旁路通道13。导向至旁路通道13的燃烧空气没有加入到发动机的气缸10内的燃烧过程中。导向至旁路通道13的部分流量为经过压缩机3的全部空气流的5％-10％。部分流量的体积由控制阀14所调节。燃烧空气通过将水经由喷嘴15喷射到燃烧空气上而被增湿。将与燃烧空气混合起来的水的量被调节，从而使传输到气缸10的燃烧空气饱和或基本饱和。根据当前需要，将要进给到燃烧空气的水的数量，通过打开和关闭适当数量的水喷射喷嘴15而被调节，而每个喷嘴的喷射压力大约恒定。因此，这是可能的：同时提供有利的水滴的形成，或薄雾喷溅，并且同时，正确数量的水与燃烧空气混合起来。
加湿后燃烧空气被传输到热交换器7，并且被热交换器7加热或冷却至典型地为70度-85度之间。燃烧空气可被比如发动机1的低温冷却水加热或冷却，该冷却水导向至热交换器7。在加热/冷却之后，燃烧空气被传输至增压空气容器8。燃烧空气借助入口通道9而从增压空气容器8导向至气缸10。燃料比如重燃油被供应至气缸10内，并且借助气缸的燃烧腔室10内的燃烧空气而燃烧。在燃烧过程中产生的废气通过废气通道11而传输至涡轮4。在进入涡轮4之前，废气流与从流动空间6导向至旁路通道13的燃烧空气结合起来。随后，废气流及与该废气流结合起来的燃烧空气流传输至涡轮4。在经过涡轮4的时候，该流动转动涡轮4的转子，该转子的转动被轴5传递至压缩机3的转子上。
部分流量从燃烧空气流分离出来，并且在使用燃烧空气增湿的时候，借助旁路通道13而导向至废气通道11。然后，控制阀14保持打开。备选的方案是：仅仅当发动机的负荷处于特定的水平，并且不考虑燃烧空气增湿的使用的情况下，将部分流量分离出来。一般地，当发动机1的负荷水平超过85％或低于50％的时候，压缩机3的运行点充分地远离喘振极限，从而使旁路***可通过将阀14关闭而被关闭。当发动机的负荷为50％-85％的时候，阀14保持打开，从而使旁路***13处于使用状态。当负荷水平超过85％的时候，旁路***13可被关闭，以便防止涡轮压缩机2的转动速度的过分上升。
如果没有使用燃烧空气增湿***，那么进给管12的关闭阀16被关闭，从而不允许水进入喷射喷嘴15内。此外，旁路通道13的阀14被关闭，从而不允许燃烧空气经由旁路通道13而流动到废气通道11。然后，整体燃烧空气流借助热交换器7而从压缩机3传输到气缸10。燃烧空气被热交换器7冷却至典型地为50度-55度。

Claims (8)

1.一种与活塞发动机(1)有关的方法，所述活塞发动机(1)上设置有涡轮压缩机(2)，在所述方法中：
燃烧空气由所述涡轮压缩机(2)的压缩机(3)加压，
加压后的燃烧空气被增湿，
燃料借助燃烧空气而在所述发动机(1)的气缸(10)内燃烧，及
在燃烧过程中产生的废气被传输至所述涡轮压缩机(2)的涡轮(4)，
其特征在于，部分流量从所述加压后的燃烧空气流中分离出来，被传输经过所述发动机(1)，并且与进入到所述涡轮(4)内的废气结合起来。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部分流量在燃烧空气的增湿之前从所述燃烧空气流中分离出来。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，体积为流经所述压缩机(3)的全部空气流的5％-10％的部分流量从所述燃烧空气流中分离出来。
4.如前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，所述增湿的燃烧空气在其被传输到所述活塞发动机(1)之前被加热。
5.如前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，仅仅在所述发动机(1)的负荷为其最大负荷的50％-85％的情况下，部分流量从所述燃烧空气流中分离出来。
6.一种与活塞发动机(1)有关的结构，所述活塞发动机(1)包括：
涡轮压缩机(2)，其包括压缩机(3)，用于将待导向至所述发动机(1)的燃烧空气进行加压，还包括涡轮(4)，来自所述发动机(1)的废气传输至所述涡轮(4)，
流动空间(6)，用于将加压后的燃烧空气从所述压缩机(3)传输到所述发动机(1)，
废气通道(11)，用于将所述废气从所述发动机(1)传输到所述涡轮(4)，以及
喷射机构(15)，用于将水喷射到所述流动空间(6)内，
其特征在于，所述流动空间(6)与所述废气通道(11)之间配置有旁路通道(13)，用于将燃烧空气从所述流动空间(6)经过所述发动机(1)传输至所述废气通道(11)。
7.如权利要求6所述的结构，其特征在于，所述旁路通道(13)在定位于所述压缩机(3)与水喷射点(15)之间的点处向着所述流动空间(6)打开。
8.如权利要求6或7所述的结构，其特征在于，所述旁路通道(13)内配置有控制装置(14)，用于控制将被传输至所述废气通道(11)的燃烧空气流的体积。
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