燃料進入噴嘴的製作方法

2024-04-13 14:24:05

1.本發明涉及一種包括燃料進入噴嘴的內燃機、一種燃料進入噴嘴、一種用於將燃料氣體供給到內燃機的燃燒室的方法以及一種製造燃料進入噴嘴的方法。


背景技術：

2.本發明涉及一種內燃機，例如大型船用或輪船發動機或固定發動機，這種發動機的氣缸具有至少200mm的內徑。發動機優選為二衝程發動機或二衝程十字頭發動機。發動機可以是燃料氣體發動機、雙燃料或多燃料發動機。液體和/或氣體燃料在這種發動機中的燃燒以及自燃或強制點火是可能的。
3.術語「內燃機」特別包括雙燃料發動機，即，第一燃料的自燃和燃燒用於第二燃料的強制點火的大型發動機。
4.術語「內燃機」還包括用火花塞點火的純氣體發動機。
5.該發動機具有至少一個氣缸，在該氣缸中具有活塞。活塞連接到曲軸。在發動機運行期間，活塞在上止點(tdc)和下止點(bdc)之間往復運動。氣缸通常具有：至少一個用於進氣的空氣通道開口，特別是布置在氣缸套中的空氣入口；以及至少一個用於排氣的空氣通道開口，特別是布置在氣缸的蓋中的排氣出口。
6.空氣入口可用於吸入新鮮空氣和排氣的混合物作為掃氣。
7.內燃機可以是縱向衝洗的二衝程發動機。
8.發動機速度優選低於800rpm(四衝程)，更優選低於200rpm(二衝程)，這是低速發動機的標誌。
9.燃料氣體可以是如液體天然氣(lng)、液體石油氣(lpg)、甲醇或乙醇等的氣體。可能根據要求添加的其他可能燃料有：lbg(液化沼氣)、生物燃料(例如，藻類燃料或海藻油)、氫氣或氨氣以及合成燃料(例如，由電轉氣或電轉液製成的合成燃料)。
10.替代地，內燃機可由柴油或船用柴油或重質燃料油或乳化液或乳液驅動。
11.大型船舶，特別是用於運輸貨物的船舶，通常由內燃機驅動，特別是氣體發動機和/或雙燃料發動機，主要是二衝程十字頭發動機。在液體燃料(如重質燃料油、船用柴油、柴油或其他液體)被發動機燃燒的情況下以及在氣體燃料(如lng、lpg或其他氣體燃料)被發動機燃燒的情況下，來自該燃燒過程的排氣需要被清潔以滿足現有的汙染物規定，如imo tier iii標準。
12.排氣再循環(egr)是不僅用於減少nox和在柴油發動機中實現tier iii限制而且用於控制氣體或雙燃料發動機中的提前點火和爆震的技術。
13.為了燃燒的穩定性，有利的是冷卻再循環的排氣。如例如在歐洲申請21184689.4中所公開的，內燃機可以包括排氣冷卻器。冷卻器可以是管和翅片類型。排氣可以接觸翅片，並且來自排氣的熱量可以傳遞到可以在管中引導的冷卻介質。用於充分冷卻再循環排氣的適當冷卻器包括可能難以在船上提供的體積。


技術實現要素：

14.本發明的目的是避免現有技術的缺點，特別是提供一種內燃機和一種用於比現有技術的解決方案更經濟地將燃料流體供給到內燃機的燃燒室的方法。
15.該目的通過根據本發明的內燃機和操作內燃機的方法來實現。
16.內燃機包括至少一個內徑為至少200mm的氣缸。內燃機是大型船舶發動機或固定發動機。
17.內燃機可以是低壓燃料氣體發動機或雙燃料發動機。因此，發動機可以包括氣體運行模式和液體燃料運行模式。
18.該至少一個氣缸可以具有至少一個排氣出口。排放閥可以布置在排氣出口中。內燃機可以包括經由用於從氣缸排出排氣的排氣出口連接到氣缸的排氣接收器。排氣接收器可以收集多於一個氣缸的排氣。
19.內燃機還可以包括掃氣接收器。掃氣可以經由氣缸壁中的掃氣口進入氣缸。掃氣口可以布置在氣缸的下部中並且可以提供縱向衝洗。掃氣埠可以集成到氣缸套並且由活塞的運動控制，同時至少一個排氣閥可以放置在氣缸蓋中。
20.該至少一個氣缸具有至少一個燃料進入噴嘴，用於將低壓燃料流體通過氣缸壁直接噴射到氣缸中。優選地，氣缸包括兩個燃料進入噴嘴。該至少一個燃料進入噴嘴例如布置在氣缸套中。
21.燃料進入噴嘴包括流體連接到或能流體連接到燃料供給導管的至少一個燃料流體供給管路和流體連接到或能流體連接到惰性氣體供給導管的至少一個惰性氣體供給管路。
22.燃料流體可以是低溫液體、非低溫液體或非低溫氣體。流體燃料(例如lng)通常作為液體儲存在加壓容器中。
23.流體燃料可以以低溫液體、非低溫液體和/或非低溫氣體的形式引導到燃料進入噴嘴和/或引導到燃料進入噴嘴中。燃料液體可以在到達燃料進入噴嘴的途中和/或在燃料進入噴嘴內和/或在氣缸內蒸發。
24.燃料供給導管特別是液體天然氣供給導管。燃料供給導管還可以是用於引導例如在環境溫度下的非低溫液體和/或非低溫氣體的導管。
25.通常，燃料流體的溫度遠低於環境溫度。惰性氣體的溫度等於或高於環境溫度。燃料進入噴嘴可在燃料進入噴嘴內和/或燃料進入噴嘴前提供燃料流體與惰性氣體之間的熱交換。
26.優選地，所述至少一個燃料進入噴嘴布置在所述氣缸壁中，位於所述空氣入口上方和所述排氣閥下方。
27.這些空氣入口可以布置在一半衝程的高度處或以下。這些空氣入口可以布置在比靠近一半衝程的高度更靠近活塞衝程的下止點的水平。
28.對於縱向衝洗的二衝程發動機，燃料進入噴嘴布置在氣缸壁中(優選地布置在氣缸套中)以使天然氣與排氣一起進入，這允許將較高質量分數的排氣帶到氣缸中燃料質量分數較高的位置。這允許排氣置於最需要使反應過程減慢的氣缸中。
29.所述至少一個惰性氣體供給導管中的至少一個可以是提供排氣的供給導管。在這種情況下，惰性氣體供給導管流體連接到排氣源，通常是egr通路。
30.另外地或替代地，所述至少一個惰性氣體進料導管中的至少一個可以是提供n2、co2或氬氣的供給導管。在這種情況下，惰性氣體供給導管流體連接到n2、co2或氬氣源。
31.燃料供給導管和/或惰性氣體供給導管可以包括可調節閥。該內燃機可以包括控制單元，該控制單元可以被配置成通過經由設定對應的門來設定對應的流速來控制燃料和/或惰性氣體的量。燃料和/或惰性氣體可僅在燃燒循環的預定曲柄角期間提供。燃料量與惰性氣體量之比可取決於發動機的負荷以及其他發動機參數和環境條件。
32.該內燃機可以包括用於排氣再循環的系統，該系統具有egr通路。典型地，排氣再循環系統的egr通路從氣缸的排氣出口通向氣缸的空氣入口，例如經由掃氣接收器通向掃氣入口。
33.該至少一個惰性氣體進給導管可以流體連接到該egr通路，使得再循環的排氣中的一部分能經由該燃料進入噴嘴被引導到該氣缸中。
34.內燃機優選地還包括至少一個渦輪增壓器，其具有渦輪機和壓縮機。
35.用於排氣再循環的系統可以是低壓系統，其中再循環的排氣能被引導通過渦輪增壓器的渦輪機。再循環的排氣能經由渦輪增壓器的壓縮機引導到氣缸的空氣入口。在低壓egr系統中，渦輪增壓器布置在egr通路中，使得再循環的排氣有助於驅動渦輪增壓器。
36.從氣缸的排氣出口通向氣缸的空氣入口的egr通路包括渦輪增壓器的渦輪機並且還可以包括渦輪增壓器的壓縮機。通常，排氣能通過渦輪增壓器與新鮮空氣混合地被引導到氣缸的空氣入口。因此，渦輪增壓器的壓縮機吸入待再循環的排氣和新鮮空氣。
37.典型地，該egr通路包括接頭，優選地在渦輪增壓器的渦輪機下遊，排氣可以從該接頭要麼被引導朝向氣缸的空氣入口(優選地被引導至渦輪增壓器的壓縮機)要麼被引導朝向排氣漏鬥。
38.替代地，用於排氣再循環的系統可以是高壓系統，其中排氣被引導到氣缸的空氣入口而不經過壓縮機，並且優選地不經過渦輪增壓器的渦輪機。排氣鼓風機可以布置在egr通路中。
39.egr通路可以是分叉的，使得惰性氣體供給導管從主egr通路分支出，以將再循環的排氣中的一部分引導到流體燃料進入噴嘴的惰性氣體供給管路。再循環排氣中的另一部分可以被引導到空氣入口。
40.egr通路可以包括排氣冷卻器並且可以包括除霧器。優選地，惰性氣體供給導管在排氣冷卻器的上遊從egr通路分支出。
41.因此，不是再循環的全部排氣都必須被引導通過排氣冷卻器。排氣冷卻器可被配置成用於比待再循環的總量更少量的排氣。
42.惰性氣體供給導管可以包括壓縮機以將惰性氣體加壓到與燃料流體相似的壓力，例如高達10至15巴。
43.惰性氣體供給物可以以比燃料流體的壓力低的壓力供給到流體燃料進入噴嘴。在這種情況下，進料體積必須更大，這可以通過更長的進料時間或更大的進料橫截面來實現。
44.控制單元可被配置成控制再循環到空氣入口的排氣量和引導到流體燃料進入噴嘴的排氣量。可以通過設定布置在惰性氣體供給導管中的閥和/或通過設定布置在惰性氣體供給導管中的壓縮機的功率來控制該量。
45.惰性氣體供給管路可以布置在燃料進入噴嘴中，使得惰性氣體可以在燃料流體供
給管路周圍流動。
46.替代地，燃料流體供給管路可以布置在流體燃料進入噴嘴中，使得燃料流體可以在惰性氣體供給管路周圍流動。
47.中心供給管路可以由多個同心布置的供給管路或由一個環形且同心布置的管路圍繞。
48.燃料流體供給管路和惰性氣體供給管路的布置促進了噴嘴內的燃料和惰性氣體之間的熱交換以及燃料和惰性氣體的混合，混合可以發生在氣缸內，正好在噴嘴外。
49.所述至少一個燃料流體供給管路和所述至少一個惰性氣體供給管路可在所述燃料進入噴嘴內匯合，使得燃料流體和惰性氣體在所述噴嘴內混合。燃料進入噴嘴優選地僅包括一個出口。
50.所述至少一個惰性氣體供給管路的橫截面積可以等於所述至少一個燃料流體供給管路的橫截面積，或者可以相當於所述至少一個燃料流體供給管路的橫截面積的7倍大。
51.在本文中，橫截面積是指垂直於供給管路內的流動方向的橫截面積，優選在燃料進入噴嘴的入口處。
52.假設引入的燃料流體和惰性氣體的壓力相似，則橫截面積的比率確保燃料流體和惰性氣體的量的適當比率，以實現混合物的目標溫度，特別是實現氣缸內的排氣的溫度，該溫度提供燃燒的穩定性。
53.通常，將燃料流體加熱並將惰性氣體冷卻至約40℃的溫度。
54.燃料進入噴嘴可以包括附加的冷卻裝置，所述附加的冷卻裝置優選地為至少一個用於引導冷卻流體的通道。
55.流體燃料進入噴嘴可以是多孔文丘裡噴嘴，例如六孔文丘裡混合器，其中燃料流體通過主入口進入混合器，並且排氣通過位於喉部的進入孔以與通過文丘裡混合器的燃料流體流成90度角進入。這些進入孔可以圍繞喉部的最窄部分均勻地間隔開。
56.內燃機可包括用於冷卻惰性氣體的冷卻裝置，所述用於冷卻惰性氣體的冷卻裝置優選地布置在惰性氣體供給導管的上遊。在冷卻裝置中，惰性氣體(例如排氣)可以在到達燃料進入噴嘴之前和與流體燃料接觸之前被預冷卻。
57.因此，可以減小燃料和惰性氣體之間的溫差，從而可以引導更多的惰性氣體通過燃料進入噴嘴以達到目標溫度。待被引導到空氣入口的排氣量將減少。因此，用於冷卻待被引導到空氣入口的排氣的排氣冷卻器的尺寸也可以選擇得更小。
58.冷卻裝置可以由布置在egr通路中的排氣冷卻器形成或者由排氣冷卻器的一部分形成，使得惰性氣體供給導管在排氣冷卻器的下遊或者在排氣冷卻器的一部分的下遊從egr通路分支出。
59.本發明的目的還通過用於如上所述的內燃機的氣缸的燃料進入噴嘴來實現。
60.燃料進入噴嘴包括：能連接到燃料流體供給導管的至少一個燃料流體供給管路和能連接到惰性氣體供給導管的至少一個惰性氣體供給管路。
61.燃料流體供給管路可以被設計成能夠或有利於液態氣體的蒸發。燃料流體供給管路可以是擴口的。
62.燃料流體供給管路和惰性氣體供給管路可以形成為具有圓形橫截面的孔。燃料流體管路的橫截面至少在燃料進入噴嘴的入口側可以具有10至40mm的直徑，直徑特別是20mm
或38mm。燃料流體供給管路的橫截面與每缸的衝程容積的比率可以在0.3mm2/dm3和1.2mm2/dm3之間，優選在0.4mm2/dm3和0.8mm2/dm3之間。
63.可以有一至七個惰性氣體供給管路，惰性氣體供給管路具有與燃料流體供給管路相同的橫截面。
64.可以有另一個惰性氣體供給管路，其橫截面等於燃料流體供給管路的橫截面，或者其橫截面相當於燃料流體供給管路的橫截面的7倍大。
65.本發明的目的還通過使用如上所述的燃料進入噴嘴將燃料流體供給到如上所述的內燃機的燃燒室的方法來實現。在燃料流體進入期間，將惰性氣體(例如排氣、n2、co2或氬氣)引入氣缸中，並且所述燃料流體冷卻所述惰性氣體。優選地，燃料液體蒸發，更優選地在燃料進入噴嘴內蒸發。
66.燃燒室內容物或所供應的燃料和惰性氣體的混合物的可燃性降低。
67.燃料流體和惰性氣體通過相同的燃料進入噴嘴引入氣缸中。
68.優選地，待冷卻的惰性氣體僅與燃料流體一起流動。因此，在燃料進入噴嘴的關閉期間的停留時間可以增加冷卻效果。
69.惰性氣體可以取自egr通路。
70.再循環的排氣中的第一部分可以被引導到燃料進入噴嘴的至少一個惰性氣體供給管路作為惰性氣體，並且再循環的排氣的第二部分可以被引導到內燃機的空氣入口。
71.為了操作如上所述的內燃機，再循環到氣缸中的排氣總量的第一部分(當被如上所述的燃料進入噴嘴施加時)可以被燃料流體冷卻，並且再循環的排氣的第二部分可以在排氣冷卻器中被冷卻。
72.惰性氣體可以在進入期間冷卻至少150℃至350℃。
73.排氣在離開氣缸時通常具有約240℃至460℃，特別是370℃的溫度。在經過渦輪機之後，取決於負載和渦輪增壓器的效率，排氣仍然具有約200℃至280℃的溫度。
74.燃料流體在進入期間可被加熱120℃至230℃，優選地加熱140℃至190℃。
75.低溫燃料液體可具有約-162℃的溫度或甚至更冷，非低溫燃料氣體可具有-100℃的溫度。混合物的目標溫度通常為20℃至70℃，例如為40℃。
76.當通過非低溫燃料氣體冷卻在渦輪機上遊分支出的再循環排氣時，應將幾乎相等部分的燃料氣體和排氣引導至氣缸以實現例如約40℃的混合溫度。
77.當通過低溫燃料液體冷卻在渦輪機下遊分支出的再循環排氣時，被引導到氣缸的排氣的量應該是低溫燃料液體的量的幾乎七倍，以實現例如約40℃的混合溫度。
78.排氣冷卻器的功率可以減少5％到35％，這取決於有多少排氣分流到燃料進入噴嘴。因此，可以使用更小的排氣冷卻器，這可以節省船的發動機室中的空間。
79.本發明的目的還通過用於製造如上所述的燃料進入噴嘴的方法來實現，其中，燃料進入噴嘴通過加成工藝(additive process)例如3d列印工藝來製造。
80.加成工藝允許有利於燃料流體和惰性氣體的熱傳遞和混合的複雜幾何形狀。
81.替代地或另外地，燃料流體供給管路和至少一個惰性氣體供給管路通過腐蝕技術、通過雷射技術、通過鑽孔或通過銑削形成在噴嘴主體中。
附圖說明
82.在下文中，藉助於附圖在實施例中進一步解釋本發明。相同的附圖標記表示功能上對應的特徵。
83.圖1示出了內燃機的第一示例的示意圖；
84.圖2以截面圖示出了燃料進入噴嘴的第一示例的示意圖；
85.圖3以截面圖示出了燃料進入噴嘴的第二示例的示意圖；
86.圖4以截面圖示出了燃料進入噴嘴的第三示例的示意圖；
87.圖5示出了內燃機的第二示例的示意圖；
88.圖6示出了內燃機的第三示例的示意圖。
具體實施方式
89.圖1示出了大型內燃機100的第一示例的示意圖，內燃機100具有帶有活塞3和排氣閥4的氣缸1。內燃機100包括燃料進入噴嘴10，用於通過氣缸壁2(此處通過氣缸套)將低壓燃料流體直接噴射到氣缸1中。
90.燃料進入噴嘴10包括流體連接到燃料供給導管21的燃料流體供給管路11。燃料供給導管可以流體連接到燃料液體容器37(見圖4、圖5)。
91.燃料進入噴嘴10包括流體連接到惰性氣體供給導管22的惰性氣體供給管路12。
92.圖2以截面圖示出了燃料進入噴嘴10的第一示例的示意圖。燃料流體供給管路11朝向出口13擴口以促進液態流體的蒸發。
93.燃料進入噴嘴10包括布置在噴嘴主體15中的通道14，用於引導冷卻流體並進一步冷卻惰性氣體。
94.圖3以截面圖示出了燃料進入噴嘴10的第二示例的示意圖。
95.燃料流體供給管路11和惰性氣體供給管路12在噴嘴主體15內匯合。惰性氣體和燃料流體在燃料進入噴嘴10內混合。
96.燃料進入噴嘴10僅包括一個出口13。
97.圖4以截面圖示出了燃料進入噴嘴10的第三示例的示意圖。燃料進入噴嘴10是六孔文丘裡混合器。
98.燃料流體可以通過中心管17的主入口16進入混合器。排氣可以通過位於中心管17的喉部19處的六個進入孔15以與通過文丘裡混合器的燃料流體流18成90度角進入。進入孔15圍繞喉部19的最窄部分均勻地間隔開。
99.圖5示出了包括氣缸1的大型內燃機100的第二示例的示意圖。
100.內燃機100包括用於排氣再循環的系統，該系統具有布置在氣缸1的排氣出口24和空氣入口25之間的egr通路23。
101.內燃機100包括具有渦輪機27和壓縮機28的渦輪增壓器26。
102.用於排氣再循環的系統是低壓系統，其中再循環的排氣可經由渦輪增壓器26的壓縮機28被引導到氣缸1的空氣入口25(在壓縮機28處，排氣與新鮮空氣29混合)，並且再循環的排氣的至少一部分可被引導通過渦輪增壓器26的渦輪機27。
103.排氣的另一部分可以繞過渦輪增壓器26並且在廢氣閘閥31打開時被引導穿過渦輪機旁路30。
104.可以通過設定布置在egr通路23和排氣漏鬥33之間的背壓閥32來控制再循環排氣的量。
105.排氣收集在排氣接收器34中。egr通路23包括排氣冷卻器35。再循環的排氣和新鮮空氣被引導到掃氣接收器36。
106.用於將排氣引導至燃料進入噴嘴10的惰性氣體供給導管22在渦輪機27下遊和排氣冷卻器35上遊從egr通路23分支出。通過設定閥39，可以控制從egr通路23分支出的排氣量。
107.惰性氣體供給導管22包括用於對引導到燃料進入噴嘴10的排氣加壓的壓縮機38。
108.燃料流體導管21將燃料液體從容器37引導到燃料進入噴嘴10。
109.控制單元41通過設定惰性氣體供給導管22中的閥39和通過設定燃料流體導管21中的閥40來控制引導到燃料進入噴嘴10的燃料和/或惰性氣體的量以及進入的定時。
110.圖6示出了大型內燃機100的第三示例的示意圖，該第三示例類似於具有低壓排氣再循環的第二示例。
111.在該示例中，用於將排氣引導至燃料進入噴嘴10的惰性氣體供給導管22在渦輪機27上遊從egr通路23分支出。
112.在這種情況下，惰性氣體供給導管22仍然可能需要壓縮機38，因為渦輪增壓器26上遊的排氣的壓力是3.5巴，並且壓力可以升高到10至13巴以達到與燃料進入噴嘴10中的燃料流體相同的壓力。