[发明专利]大型二冲程直流扫气式气体燃料发动机

说明书

本发明涉及一种大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机，该发动机具有以气体燃料作为主要燃料的至少一个燃烧室，该至少一个燃烧室由气缸套(1)、活塞(10)和气缸盖(22)限界。该活塞(10)布置成在上止点与下止点之间往复运动以产生高于20的几何压缩比。该发动机构造成在活塞(10)的从下止点向上止点的冲程期间，允许第一量的加压气体燃料进入至少一个燃烧室，从而在燃烧室中形成空燃比高于50的空气燃料混合物。该发动机还构造成当活塞(10)在上止点处或上止点附近时将第二量的高压气体燃料喷射到至少一个燃烧室中。

技术领域

本公开涉及大型二冲程气体燃料内燃发动机，尤其涉及具有十字头的大型二冲程直流扫气式内燃发动机，其主要使用气体燃料在操作模式下运行。

背景技术

具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机例如用于推进大型远洋轮船或用作发电厂中的原动机。这些二冲程柴油发动机不仅由于尺寸庞大，而且其结构也不同于任何其他内燃发动机。

这些大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃发动机越来越多地使用气体燃料而不是常规液体燃料来供给燃料，该气体燃料比方说例如液化天然气(LNG)或液化石油气LPG，常规液体燃料比方说例如船用柴油或重燃油。这种趋向于气体燃料的改变主要受到以下方面的驱动：期望通过减少排放以及期望提供更加环境友好型的原动机。

向气体燃料的发展已经导致了大型二冲程涡轮增压内燃发动机的两种不同类型的发展，该大型二冲程涡轮增压内燃发动机使用气体燃料作为主要燃料。

发动机的第一类是直接喷射型，在直接喷射型发动机中，气体燃料在高压下在上止点(TDC)周围被喷射，并且通过压缩(高温引起)引起点火，即，这些发动机按照狄赛尔循环操作。气体燃料在喷射到燃料室中的那一刻被点燃，并且不用担心由于空气过剩率低引起的提前点火或由于空气过剩率高引起的不点火。用于第一类型的气体燃料操作式的大型二冲程涡轮增压内燃发动机的有效压缩比与常规液体燃料操作式的大型二冲程涡轮增压内燃发动机的有效压缩比相比同样高甚至是更高。通常，这种类型的发动机的有效压缩比在大约15和大约17之间，同时几何压缩比大约是30。由于高压缩比，第一类型的发动机的优点是具有非常高的燃料效率。另一个优点是，相对于第二类型的发动机，提前点火和不点火的风险要低得多。

然而，为了能够在上止点处或上止点附近喷射气体燃料，供给至燃料阀的气体燃料的压力需要显著地高于在燃烧室中的压缩压力，其中，该燃料阀将气体燃料喷射到燃烧室中。实际上，气体燃料需要以至少250bar但优选地至少300bar的压力喷射到燃烧室中。泵或泵送站将经液化的气体燃料的压力增加至例如300bar，并且随后高压液化燃料在高压蒸发单元中蒸发，并且以气体的形态在高压下输送至主发动机的燃料喷射阀。与常规液体燃料的供给系统相比，这个气体燃料的供给系统是昂贵的。

与常规燃料相比，例如天然气之类的气体燃料具有非常低的能量密度。为了用作便利的能量源，密度需要增加。增加能量密度是通过将气体燃料冷却至低温温度来完成的，例如在天然气的示例中产生液化天然气(LNG)，该天然气主要包括甲烷。

用于这种气体操作式发动机的气体燃料供给系统包括隔热箱，在隔热箱中储存液化气体，保持液化气体长时间处于液体状态。然而来自周围环境的热流将会增加箱内侧部的温度，从而导致液化气体蒸发。来自该过程的气体被称为蒸发气体(BOG)。从罐中的蒸发气引起的气体燃料的基本稳定流，该气体燃料的基本稳定流需要从罐中移出并且需要处理。在180.0000m3的液化天然气油罐车上，需要处理的蒸发气体的量是每小时几吨，通常大约每小时3000千克，然而，这种类型的液化天然气油罐车的主发动机的气体能量需求是大约每小时4000千克(假设实际上主发动机的所有能量都是天然气)。

使用压缩机将这种蒸发气体的压力增加至大约300bar的喷射压力在技术上非常有挑战性，因此蒸发气体不能用作第一类型的高压气体喷射大型二冲程涡轮增压内燃发动机的燃料。