CN102341589B - 带有排气或者燃烧气体再循环的大型涡轮增压二冲程柴油发动机和用于减少NOx和碳烟排放的方法 - Google Patents

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Abstract

一种十字头式大型二冲程涡轮增压柴油发动机设置有排气再循环***和燃料喷射***，该燃料喷射***能够在特定运行条件下、例如在高排气再循环率下选择性地向燃料流加水以由此增加通过喷嘴的质量流。增加的、通过喷嘴的质量流改进了新鲜进气到高速燃料射流中的掺入并且由此增加了燃料/空气混合并且使得燃烧朝向稀薄侧并且因此抑制了碳烟形成。

Description

带有排气或者燃烧气体再循环的大型涡轮增压二冲程柴油发动机和用于减少NOx和碳烟排放的方法
技术领域
本发明涉及使用排气再循环以减少NOx形成的大型涡轮增压二冲程柴油发动机和一种用于使用排气或者燃烧气体再循环而减少NOx形成的、操作大型涡轮增压二冲程柴油发动机的方法。
背景技术
目前，存在用于利用被应用于发动机过程的改变而减少在大型二冲程柴油发动机中的NOx形成的多个选项，特别地以下选项：
●排气再循环(EGR)
●水乳化燃料的使用。
●新鲜进气增湿，即扫气空气加湿(SAM)。
最有效的减少方法是EGR。文献DE 19809618公开了一种带有排气再循环的大型二冲程涡轮增压柴油发动机(在这个发动机中，直接地从气缸获取气体并且因此这种形式的EGR还被称作燃烧气体再循环-CGR)。当在本文献中提到“排气再循环”时，这意味着涵盖从排气获取的气体和直接地从气缸获取的气体这两者的再循环。
在排气再循环中，排气被与清洁的扫气空气混合从而在压缩开始时减小扫气空气的氧含量，由此实现了降低在燃烧过程期间形成NOx的机会。
为了满足将来的排放要求所需的高EGR率(即相对于扫气空气流较高的再循环排气流)从未被应用于大型二冲程柴油发动机。高EGR率在小型柴油发动机中已经表现出导致过度的碳烟形成。在小型柴油发动机中，碳烟排放的这个增加已经迫使发动机开发者通过采用更高的燃料喷射压力而确保更好的混合和掺气。然而，更高燃料喷射压力导致NOx形成的某种增加并且因此在某种程度上减弱了起初获得的NOx减少。在这条路线上，小型柴油发动机的设计者已经被迫在相应地增加燃料喷射压力的情况下使用越来越高的EGR率。目前，在小型柴油发动机中的燃料压力经常具有高于2000巴的值并且在这种压力水平下的燃料流控制在技术上是非常高要求的和高成本的并且将经常产生耐久性问题。
由于大型二冲程柴油发动机的庞大的尺寸和规模，为了在小型柴油发动机中在这些高压力下控制燃料而研发的技术不能被直接地应用于大型二冲程柴油发动机。因此，在燃料喷射***中使用这种高压力将要求在用于开发能够应对这些极高压力的、用于大型二冲程柴油发动机的燃料喷射***的新技术中的大量投入。
发明内容
根据该背景，本发明的一个目的在于提供一种大型二冲程涡轮增压柴油发动机，其能够以高EGR率运行、而无需在发动机中以极高燃料压力运行。
通过提供一种十字头式大型涡轮增压二冲程柴油发动机实现了这个目的，该二冲程柴油发动机包括多个气缸、排气再循环气体再循环***、燃料喷射***，该燃料喷射***用于向气缸提供通过喷嘴而被喷射到气缸中的高压燃料，其中排气再循环率是可变的，该燃料喷射***能够选择性地向通过喷嘴的燃料流加水，并且该燃料喷射***被构造成通过根据实际排气再循环率向燃料流加水而增加通过喷嘴的质量流。
通过当排气再循环率是高的时增加通过喷嘴的质量流，所喷射的流体的动量增加并且由此改进了在否则将会导致高度碳烟形成的运行条件下在高速燃料射流中掺入新鲜进气。因此，避免了过度碳烟形成，同时仍然获得了低的NOx值，而无需使用极高的燃料喷射压力。
在燃料中使用水将另外地降低燃烧温度并且因此进一步减少NOx的形成。
根据一个实施例，当排气循环比高于预定阈值时使用预定的燃水比。
根据一个实施例，气缸每一个均具有至少两个独立的喷嘴，带有较小的孔的至少一个喷嘴用于当无水流被添加到燃料流时使用，并且带有较大的孔的至少一个喷嘴用于当水流被添加到燃料流时使用。因此，带有较大的孔的喷嘴能够适应增加的燃料流。
根据进一步的实施例，水和燃料被乳化并且通过喷嘴喷射燃料/水混合物。
根据另一实施例，当水被添加到燃料流时，燃料喷射流量不变。因此，当发动机在水-燃料运行和纯燃料运行之间改变时，发动机将接收相同数量的燃料并且能够继续以相同载荷运行。
根据另一实施例，当水被添加到燃料流时，燃料喷射压力不变。因此，发动机将在水-燃料运行中以与在纯燃料运行中基本相同的燃料压力运行。
根据又一个实施例，该发动机被构造成在不向燃料流加水的情况下在高载荷下以中等EGR率运行。
根据另一实施例，通过排气循环***的质量流与发动机载荷无关地被保持是基本恒定的。
根据进一步的实施例，该排气再循环***设置有气涤器并且所述气涤器的尺寸被确定为对于通过排气再循环***的基本恒定的质量流而言是足够的。
根据一个实施例，该燃料喷射***包括燃料和水乳化***。
根据一个实施例，该燃料喷射***能够选择性地利用纯燃料运行，且选择性地利用水和燃料的混合物运行。
根据一个实施例，该发动机进一步包括控制燃料喷射***的运行的电子控制单元，并且所述电子控制单元被构造成确定何时通过向燃料加水而增加通过喷嘴的质量流。
本发明的另一个目的在于提供一种用于在十字头式大型涡轮增压二冲程柴油发动机中控制燃料喷射的方法，该方法包括在发动机中以具有可变排气再循环率的排气再循环而运行，所述发动机设置有燃料喷射***并且通过向燃料加水而选择性地增加通过喷嘴的质量流以由此增加所喷射的液体的动量。
根据一个实施例，水和燃料被乳化从而向燃料加水并且由此增加通过喷嘴的质量流。
根据另一实施例，当超过给定的排气再循环率时，将水通过喷嘴添加到所述流中。
根据一个实施例，通过排气再循环***的质量流与发动机载荷无关地被保持是基本恒定的。
根据一个实施例，带有较大开口的喷嘴被用于当水被添加到燃料流时的燃料喷射，并且带有较小开口的喷嘴被用于当没有水被添加到燃料流时的燃料喷射。
根据一个实施例，被添加到燃料的水的水量相关于排气再循环率地受到控制。
根据详细说明，根据本发明的大型二冲程柴油发动机和方法的进一步的目的、特征、优点和性质将变得显见。
附图说明
在本说明书的以下详细部分中，将参考在图中所示示例性实施例更加详细地解释本发明，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的十字头式大型二冲程柴油发动机的图解示意；
图2是根据本发明的另一个实施例的十字头式大型二冲程柴油发动机的图解示意；
图3是根据本发明的另一个实施例的十字头式大型二冲程柴油发动机的图解示意；
图4是根据本发明的又一个实施例的十字头式大型二冲程柴油发动机的图解示意。
具体实施方式
以下将通过优选实施例描述根据本发明的十字头式大型涡轮增压二冲程柴油发动机和用于操作十字头式大型涡轮增压二冲程柴油发动机的方法的详细说明。
十字头式大型涡轮增压柴油发动机的构造和运行是同样众所周知的并且在本文中不需要进一步的解释。在下面提供了关于燃料喷射和排气***的运行的进一步的细节。
图1示出根据本发明的大型二冲程柴油发动机1的第一实施例。发动机1可以例如被用作在海洋中行进的船舶中的主发动机或者被用作用于操作电站中的发电机的固定发动机。发动机的总输出可以例如具有从5,000kW到110,000kW的范围。
该发动机设置有并列地成一直线布置的多个气缸2。每一个气缸2均设置有与它们的气缸盖相关联的排气门3。排气通道能够被排气门3打开和关闭。排气弯管4连接到排气接收器5。排气接收器5被置放成平行于一排气缸2。从排气接收器5，排气经由排气管8而被朝向涡轮增压器6的涡轮引导。排气被置于涡轮下游的大气中。
涡轮增压器7还包括被连接到新鲜空气入口的压缩机。压缩机经由扫气空气冷却器10和扫气空气导管11向扫气空气接收器9输送高压扫气空气。扫气空气被从充气接收器9传送到各个气缸2的扫气空气端口12。
经由排气再循环端口13，燃烧气体的一部分被导引至排气接收器14。排气接收器14经由调节通过排气再循环***的质量流的控制阀15、净化被再循环的排气的气涤器16、冷却器17和水雾捕集器18而连接到扫气空气导管11，该水雾捕集器18移除例如被添加到气涤器16中的气流的水滴。
通过排气再循环***的质量流与发动机载荷无关地被保持是基本恒定的。因此，在低发动机载荷(例如低于连续最大额定值的大致75％)下，排气再循环比是较高的，并且在高发动机载荷(例如高于连续最大额定值的75％)下，排气再循环比是比较中等的。排气气涤器16的尺寸被精确地确定为对于在这些高载荷运行条件下处理被再循环的排气流而言是足够的。在不采取对策的情况下，在低发动机载荷和相应地高排气再循环率下的碳烟形成将是不可接受地高的。
然而，该发动机装配有特别地合适的燃料喷射***，该燃料喷射***包括燃料罐20和水燃料乳剂罐21。该发动机还可以包括燃料-水乳化***(未示出)。燃料罐20被连接到向共轨23输送高压燃料的高压燃料泵22。共轨23为多个气缸2提供经由燃料阀24而被喷射到气缸2中的高压燃料。燃料阀24的喷嘴设置有较小的孔隙，燃料通过该孔隙被分散到气缸2内侧的燃烧室中。燃料阀24的运行由电子控制单元(未示出)控制。每一气缸2能够存在多于一个例如两个或者三个燃料阀24并且这些燃料阀24全部被连接到共轨23。
该燃料喷射***还包括高压燃料泵25，其将燃料-水乳剂在高压下从罐21泵送到共轨26中。共轨26为多个气缸2提供经由燃料阀27而被喷射到气缸2中的高压燃料-水乳剂。燃料阀27的喷嘴设置有较大的孔隙，燃料-水乳剂通过该孔隙被分散到气缸2内侧的燃烧室中。燃料阀27的运行由电子控制单元控制。每一气缸2能够存在多于一个例如两个或者三个燃料阀27，并且这些燃料阀27全部被连接到共轨26。
与发动机载荷无关地，该电子控制单元在运行期间经由控制阀15保持通过排气再循环***的质量流是基本恒定的。与在中等和低载荷(例如低于最大连续额定值的75％)下相比，在较高的发动机载荷下，通过空气进入***的质量流是基本上更高的。这意味着与在高载荷(例如高于最大连续额定值的75％)下相比，在中等和低载荷下，排气再循环率是基本上更高的。
在于高载荷下运行期间，该发动机控制单元操作高压燃料泵22和燃料喷射阀24以通过燃料喷射阀24将纯燃料喷射到气缸2内侧的燃烧室中。由于较低的EGR率，在这些运行条件下，碳烟形成并不是太高的。
当发动机在不较高的载荷下运行并且排气再循环率高于预定阈值时，电子控制单元中断燃料喷射阀24和高压燃料泵22的运行并且替代地运行高压泵25和燃料喷射阀27以将燃料-水混合物或者乳剂喷射到气缸2中的燃烧室中。在从利用纯燃料的运行到利用燃料-水混合物或者乳剂的运行和反之的转变期间，喷射的燃料量是基本不变的。喷射燃料和燃料-水乳剂的压力是相同的，即高压燃料泵22和高压燃料泵25在基本相同的压力下运行。这个压力能够在与通常在800到1200巴的范围中的、被用于大型二冲程柴油发动机的、传统的共轨燃料喷射***的压力相同的范围中。
当水被添加到燃料时增加的、通过喷嘴的质量流改进了新鲜进气到高速燃料射流中的掺入并且由此增加了燃料/空气混合并且使得燃烧朝向稀薄侧并且因此抑制了碳烟形成。
当排气再循环率降至低于预定阈值时，发动机控制单元恢复高压燃料泵22和燃料阀24的运行并且中断高压燃料泵25和燃料阀27的运行。
图2示意本发明的第二实施例，除了排气再循环***将再循环的排气直接地返回气缸而不将其混合到扫气空气***中之外，第二实施例与第一实施例大致相同。
图3示意本发明的第三实施例，除了水和燃料在燃料泵22内侧混合之外，第三实施例与第一实施例基本相同。燃料泵在该实施例中具有能够以可变方式混合一定量的水与燃料的类型。被与燃料混合的水量由电子控制单元确定并且泵22根据来自电子控制单元的信号混合该量的水。电子控制单元还确定使用在它们的喷嘴中带有小孔隙的燃料阀24还是在它们的喷嘴中带有大孔隙的燃料阀27。被与燃料混合的水量在该实施例中能够在零和预定最大值(阶梯式的或者逐渐的)之间变化，或者被与燃料混合的水量能够以开/关方式地是固定的量。
图3还包括可选的反馈控制***用于调节被与燃料混合的水量。关于此，发动机1设置有NOx传感器28，该NOx传感器28测量在排气管8中的排气的NOx含量或者如在涡轮增压器7下游所示。来自NOx传感器28的信号被馈送到控制箱29(电子控制单元)。控制箱29将接收关于其它发动机运行参数诸如发动机载荷和排气再循环率的数据，并且基于这些数据，该控制器确定多少水(如果存在任何一些的话)应该被添加到燃料流并且相应地对燃料泵22发出命令。控制器29在一个实施例中还可以被构造成在反馈控制环中调节排气再循环率。
图4示意本发明的第四实施例，除了水和燃料在高压燃料泵22和水泵25下游混合之外，第四实施例与第一实施例基本相同。这些泵22、25的出口汇合并且被连接到将燃料-水混合物输送到喷射阀24的导管23。在该实施例中，水和燃料泵是可变排量类型的，但是通过为泵使用可变速度，该实施例还能够在没有可变排量的情况下实现。
上述实施例已经示意为带有排气再循环***，该排气再循环***从气缸2的底部处的端口获取将被再循环的排气。然而，还能够结合如下的排气再循环***使用本发明，该排气再循环***例如经由被置放在气缸盖中的排气再循环阀而从气缸的顶部获取排气。而且，再循环排气的返回也能够在气缸的顶部处。
参考使用燃料罐和燃料-水乳剂罐的燃料喷射***示意了上述实施例。然而，本发明还能够与以另一种方式引入所要求的水量的***一起使用。能够使用带有水进口且带有燃料进口并且在泵的内侧混合该两种流体的高压燃料泵从而该***将仅仅需要水罐和燃料罐。这种燃料喷射***能够在流入燃料喷射***中的水流的可变大小的情况下运行，并且能够与排气再循环比相关地确定水流大小，即这种***能够以可变燃水比运行并且能够与实际EGR比相关地确定该燃水比。
如在权利要求中使用的术语“包括”并不排除其它元件或者步骤。如在权利要求中使用的术语“a(一个)”或者“an(一个)”并不排除多个。
在权利要求中使用的参考符号不应该被理解成限制范围。
虽然已经为了示意的意图详细描述了本发明，但是应该理解这种细节仅仅是为此目的的，并且在不偏离本发明的范围的情况下，本领域技术人员能够在其中作出变化。

Claims (18)

1.一种十字头式大型涡轮增压二冲程柴油发动机（1），包括：
多个气缸（2），
排气再循环***，
用于为所述气缸（2）提供高压燃料的燃料喷射***，所述高压燃料通过喷嘴而被喷射到所述气缸中，
其特征在于:
排气再循环率是可变的，
所述燃料喷射***能够选择性地将水加至通过所述喷嘴的燃料流，并且所述燃料喷射***被构造成通过根据实际排气再循环率向所述燃料流加水而增加通过所述喷嘴的质量流，当水流被加到所述燃料流时，燃料喷射流量是不变的。
2.根据权利要求1所述的大型涡轮增压二冲程柴油发动机（1），其中当所述排气再循环率高于预定阀值时，使用预定的燃水比。
3.根据权利要求1所述的大型涡轮增压二冲程柴油发动机（1），其中所述气缸（2）每一个均具有至少两个喷嘴，带有较小的孔的至少一个喷嘴用于当没有水流被加到所述燃料流时使用，而带有较大的孔的至少一个喷嘴用于当水流被加到所述燃料流时使用。
4.根据权利要求1所述的大型二冲程柴油发动机（1），其中水和燃料被乳化，并且，通过所述喷嘴喷射燃料/水混合物。
5.根据权利要求1所述的大型二冲程柴油发动机（1），其中当水被加到所述燃料流时，燃料喷射压力是不变的。
6.根据权利要求1所述的大型二冲程柴油发动机（1），其中所述发动机（1）构造成在高载荷下以中等的排气再循环率运行，而不向所述燃料流加水。
7.根据权利要求6所述的大型二冲程柴油发动机（1），其中通过所述排气再循环***的质量流与发动机载荷无关地被保持为基本恒定。
8.根据权利要求7所述的大型二冲程柴油发动机（1），其中所述排气再循环***设置有气涤器（16），并且所述气涤器（16）的尺寸被确定为对于通过所述排气再循环***的所述基本恒定的质量流而言是足够的。
9.根据权利要求1所述的大型二冲程柴油发动机（1），其中所述燃料喷射***包括燃料—水乳化***。
10.根据权利要求1所述的大型二冲程柴油发动机（1），其中所述燃料喷射***能够选择性地利用纯燃料运行，且能够选择性地利用水和燃料的混合物运行。
11.根据权利要求1所述的大型二冲程柴油发动机（1），进一步包括控制所述燃料喷射***的运行的电子控制单元，并且，所述电子控制单元构造成与所述排气再循环率相关地确定何时通过向所述燃料加水而增加通过所述喷嘴的质量流。
12.根据权利要求1所述的大型二冲程柴油发动机（1），进一步包括反馈控制***（28，29），所述反馈控制***（28，29）用于调节将被加到所述燃料流的水量和/或使用测得的排气中的NOx值调节所述排气再循环率。
13.一种用于控制在十字头式大型涡轮增压二冲程柴油发动机（1）中的燃料喷射的方法，包括:在所述发动机（1）中以具有可变排气再循环率的排气再循环而运行，所述发动机设置有燃料喷射***并且选择性地通过将水加至燃料而增加通过喷嘴的质量流以由此增加所喷射的液体的动量，当水流被加到燃料流时，燃料喷射流量是不变的。
14.根据权利要求13所述的方法，其中水和燃料被乳化，以便将水加至所述燃料并且由此增加通过所述喷嘴的质量流。
15.根据权利要求13所述的方法，其中当超过给定的排气再循环率时，将水加到通过所述喷嘴的流动中。
16.根据权利要求13所述的方法，其中通过排气再循环***的质量流与发动机载荷无关地被保持为基本恒定。
17.根据权利要求13所述的方法，其中带有较大开口的喷嘴被用于当水被加到燃料流时的燃料喷射，而带有较小开口的喷嘴被用于当没有水被加到所述燃料流时的燃料喷射。
18.根据权利要求13所述的方法，其中与排气再循环率相关地确定被加到燃料流的水量。
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