[发明专利]大型两冲程单流扫气式气态燃料发动机以及用于减少提前点火/柴油机爆震的方法

说明书

提供了大型两冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机以及其避免或减少提前点火/柴油机爆震的方法。该内燃发动机包括：由气缸套、活塞和气缸盖界定的燃烧室；布置在气缸盖中并由排出阀控制的气体排出出口；多个气态燃料进入开口，允许接收的气态燃料经由气态燃料阀进入燃烧室；由燃烧气体阀控制的燃烧气体出口；燃烧气体流动路径，从燃烧气体阀的出口延伸至气态燃料阀或专用的燃烧气体喷射阀的入口，该发动机被配置为在燃料喷射事件中，利用燃烧气体进入开口将气态燃料喷射到燃烧室中，并且同时地、相继地或重叠地，利用气体进入开口或专用的燃烧气体喷射阀将燃烧气体喷射到燃烧室中，以增加在燃料喷射事件中喷射到燃烧室中的物质的动量。

技术领域

本公开内容涉及大型两冲程气态燃料内燃发动机，特别是大型两冲程单流扫气式内燃发动机，其具有针对从布置在气缸套中的燃料阀喷射的气态燃料运行的十字头(crosshead，联杆器)。

背景技术

具有十字头的大型两冲程涡轮增压单流扫气式内燃发动机例如用于推进大型远洋船舶或用作发电厂的原动机。不仅由于尺寸庞大，这些两冲程柴油发动机也被构造得不同于任何其他内燃发动机。它们的气体排出(exhaust，排气)阀可能重达400kg，活塞具有最多达100cm的直径，并且燃烧室内的最大操作压力通常为几百bar。在这些高压水平和活塞大小下所涉及的力是巨大的。

利用通过沿气缸套的长度居中布置的燃料阀喷射的气态燃料进行操作的大型两冲程涡轮增压内燃发动机，即在活塞的向上冲程期间喷射气态燃料的发动机——大约在排出阀关闭时启动——压缩燃烧室中的气态燃料和扫气空气的混合物，并通过定时点火装置诸如例如先导油喷射来在上止点(TDC)处或附近点燃压缩的混合物。

使用被布置在气缸套中的燃料阀的这种类型的气体喷射具有可以使用低得多的燃料喷射压力的优点，因为与在活塞接近其上止点(TDC)时即在燃烧室内的压缩压力处于或接近其最大值时喷射气态燃料的大型两冲程涡轮增压内燃发动机相比，气态燃料是在压缩压力相对较低时被喷射的。大型两冲程涡轮增压内燃发动机需要的燃油喷射压力明显高于已经很高的最大燃烧压力。能够在这些极高的压力下处理气态压力的燃料系统是昂贵且复杂的，这是因为气态燃料的挥发性质及其在这种高压下的行为，包括扩散进入和通过燃料系统的钢部件。

因此，与在TDC处或附近喷射气态燃料的发动机相比，在压缩冲程期间喷射气态燃料的用于发动机的燃料供应装置和系统明显便宜。

然而，当在压缩冲程期间喷射气态燃料时，活塞压缩气态燃料和扫气空气的混合物，因此存在提前点火和/或柴油机爆震的风险。

通过确保燃烧室中的装填(charge，充气)尽可能均匀，可以减少提前点火/柴油机爆震的问题。然而，获得均匀的扫气空气和气态燃料的装填是有挑战性的，因为仅很短的发动机循环窗口可用于获得均匀的装填，这是由于下述事实：与在例如四冲程发动机——其中气态燃料和装填空气实际上可以在进气(inlet，进样、进口、入口)系统中或至少在进气阀的大多数打开阶段期间通常在40-160°的曲轴角期间进行混合——中可获得的发动机循环的部分相比，从排出阀接近上止点的时间起发动机循环窗口相对较小，通常为70-90°曲轴角。

可用于获得均匀装填的这种相对短的发动机循环窗口增加了在大型两冲程柴油发动机中避免提前点火/柴油机爆震的挑战。

气态燃料和扫气空气在燃烧室内的不均匀装填增加了提前点火/柴油机爆震的风险，结果是可能严重损坏发动机。

现有技术试图以以下方式解决发动机中的提前点火/柴油机爆震的问题。

已知一种大型的单流扫气式两冲程发动机，其具有在气缸套内移动的活塞、包括排出阀的气缸头以及在气缸套中沿周向布置的扫气空气端口。在空气扫气端口上方围绕气缸套周向分布了若干燃料喷射阀。在TDC之前以至少90°的曲柄角喷射燃料。