大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃机及操作方法技术

描述了一种大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机，该内燃发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，该内燃发动机以氨和点火流体、例如燃料油作为在该内燃发动机中燃烧的燃料来操作，该内燃发动机包括：

【技术实现步骤摘要】
大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃机及操作方法


[0001]本专利技术涉及一种大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机，该发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，该发动机使用氨和点火流体(例如燃料油)作为在该发动机中燃烧的燃料来操作，该发动机包括：
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至少一个气缸，所述气缸具有气缸套和在该气缸套中的往复活塞以及覆盖所述气缸的气缸盖，
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燃烧室，所述燃烧室在所述往复活塞和所述气缸盖之间形成在所述气缸内部，
[0004]‑
氨燃料系统，所述氨燃料系统被配置用于将加压的氨供应到至少一个氨燃料阀，所述氨燃料阀布置在所述气缸盖或所述气缸套中，以及
[0005]‑
点火流体系统，所述点火流体系统被配置用于将加压的点火流体供应到至少一个点火液体阀，所述点火液体阀布置在所述气缸盖或所述气缸套中。

技术介绍

[0006]大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机通常用作大型远洋船舶(如集装箱船或发电厂)中的原动机。这些发动机非常经常地使用重质燃料油或燃料油来操作。仅仅是尺寸、重量和功率输出就使它们与普通燃烧发动机完全不同，并将大型二冲程涡轮增压压燃式内燃发动机自身归为一类。
[0007]内燃发动机过去主要使用碳氢化合物燃料、例如燃料油(如柴油)或燃料气(如天然气或石油气)来操作。碳氢化合物燃料的燃烧会释放二氧化碳(CO2)以及其他温室气体，其导致大气污染和气候变化。与导致副产品排放的化石燃料杂质不同，CO2是碳氢化合物燃烧不可避免的结果。燃料的能量密度和CO2足迹取决于碳氢化合物链的长度及其碳氢化合物分子的复杂性。因此，气态碳氢化合物燃料比液态碳氢化合物燃料具有更少的足迹，缺点是气态碳氢化合物燃料在处理和储存方面更具挑战性且成本更高。为了减少CO2足迹，正在对非碳氢化合物燃料进行研究。
[0008]氨是一种从化石燃料、生物质或可再生资源(风、太阳、水力或热)中获得的产品，并且当由可再生资源产生时，氨在燃烧时几乎没有碳足迹或排放任何CO2、SO
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、颗粒物或未燃烧的碳氢化合物。目前，氨因此作为内燃发动机的燃料受到了非常高的关注，主要是因为它可以通过使用可再生能源(如太阳能、风能和波浪能)的电力以气候友好的方式生产，并且因为氨本身的燃烧不会形成含碳的温室气体，如二氧化碳。
[0009]在WO 2020/252518 A1中描述了一种在开头提到的类型的大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机。
[0010]当氨被用作内燃发动机的燃料时，发动机可以根据奥托原理操作，其中在活塞的压缩冲程期间以相对低的压力引入氨燃料，或者发动机可以在柴油原理之后操作，其中在活塞接近上止点(TDC)时氨燃料在高压下喷射到燃烧室中。在活塞循环的氨燃料喷射和燃烧阶段期间，由于燃烧室的压缩/膨胀并且由于燃烧的发生，气缸压力正在经历级别上的急剧变化。
[0011]氨已经在小型的火花点火式内燃发动机中进行了测试和使用，但尚未在更大规模功率的压缩点火式内燃发动机中使用。
[0012]使用氨作为燃料有多个挑战。一个挑战是与典型的碳氢化合物燃料相比功率密度低，导致需要喷射的燃料体积明显更大，从而导致更大的流量。这种较大的流量可能会导致火焰熄灭，即尽管点火发生在喷射事件的一开始，但随后的大流量和由此产生的燃料射流的高速会熄灭(吹灭)火焰。另一个挑战是与液态碳氢化合物燃料相比，氨的点火意愿低(可燃性低)。再一个挑战是氨的高蒸发冷却，这会导致燃料在喷射时冷却，从而增加所需的点火能量。由于高蒸发冷却，燃烧室内的高温是稳定燃烧的先决条件。到目前为止，这些挑战的结合阻止了使用氨作为压燃式发动机中的主要燃料。
[0013]可以两种不同燃料操作的内燃发动机通常被称为双燃料发动机。双燃料发动机的两种不同燃料通常包括可压缩点火的燃料油、例如重质燃料油或柴油，以及另一种燃料、例如气态燃料、如氨、甲醇、液化石油气(LPG)、液化天然气(LNG)、乙烷，它们都需要点火流体，点火流体例如以先导燃料油的形式加入。因此，以氨和燃料油运转的双燃料发动机的现有技术方案的构思是，发动机仅使用油燃料以其最大额定值运转，或者使用氨燃料以最大额定值运转，其中使用最少的用于氨燃料点火的先导燃料油。现有构思涉及对于输送全速率部分燃料油优化的燃料油喷射系统、对于全速率氨运转优化的氨燃料系统和对于氨点火优化的先导燃料油系统，其中先导燃料油部分尽可能低，例如通过将先导燃料油喷射到预燃室中。此外，一些已知的双燃料发动机也对于先导燃料油喷射使用全速率燃料油喷射系统，其中当以气态燃料运转时，先导燃料油部分的尺寸范围在全速率部分的1.5％
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5％之间。
[0014]然而，存在与现有的双燃料构思的发动机、例如以氨和燃料油为燃料的发动机相关联的问题，因为复杂之处在于其包括先导燃料油喷射系统。此外，双燃料构思涉及全速率燃料油喷射系统在氨燃料运转期间不操作。这意味着在氨燃料运转期间全速率燃料油喷射系统的喷射阀的喷嘴孔中形成沉积物的风险，并且当试图从氨操作切换到燃料油操作时，全速率燃料燃料油喷射系统可能因此不正常工作。此外，氨的层流火焰速度比大多数碳氢化合物的层流火焰速度小几乎10倍，因此即使在低湍流水平下也可能发生火焰的淬灭/熄灭，因此可能难以通过使用适用于已知燃料油/气体双燃料发动机的全速率燃料油喷射系统来维持氨的燃烧，因为这将不能确保所有氨燃料的点火和燃烧。先导燃料油喷射系统中燃料油的喷射持续时间通常为约1度曲柄角，这仅确保氨的点火，但不能完全燃烧所有氨燃料。

技术实现思路

[0015]本专利技术的目的是提供一种在开头提到的类型的大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机，其中至少显著减少了上述挑战。
[0016]上述和其他目的通过独立权利要求的特征来实现。进一步的实施形式根据从属权利要求、说明书和附图而明显。
[0017]根据第一方面，提供了一种大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机，该发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，该发动机以氨和点火流体、例如燃料油作为在该发动机中燃烧的燃料来操作，该发动机包括：
[0018]‑
至少一个气缸，所述至少一个气缸具有气缸套和在其中的往复活塞以及覆盖该
气缸的气缸盖，
[0019]‑
燃烧室，所述燃烧室在所述往复活塞和所述气缸盖之间形成在所述气缸内部，
[0020]‑
氨燃料系统，所述氨燃料系统被配置用于将加压的氨供应到至少一个氨燃料阀，所述至少一个氨燃料阀布置在所述气缸盖或所述气缸套中，以及
[0021]‑
点火流体系统，所述点火流体系统被配置用于将加压的点火流体供应到至少一个点火液体阀，所述至少一个点火液体阀布置在所述气缸盖或所述气缸套中，并且其特征在于，所述点火流体系统被配置为以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少20％的喷射持续时间将点火流体供应到所述燃烧室中。
[0022]氨燃料燃烧的持续时间由发动机控制系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机，该内燃发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，该内燃发动机以氨和点火流体、例如燃料油作为在该内燃发动机中燃烧的燃料来操作，该内燃发动机包括：
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至少一个气缸，所述至少一个气缸具有气缸套(1)和在所述气缸套中的往复活塞(10)以及覆盖所述气缸的气缸盖(22)，
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燃烧室，所述燃烧室在所述往复活塞(10)和所述气缸盖(22)之间形成在所述气缸内部，
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氨燃料系统(30)，所述氨燃料系统被配置用于将加压的氨供应到至少一个氨燃料阀(50)，所述至少一个氨燃料阀布置在所述气缸盖(22)或所述气缸套(1)中，和
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点火流体系统(40)，所述点火流体系统被配置用于将加压的点火流体供应到至少一个点火液体阀(50)，所述至少一个点火液体阀布置在所述气缸盖(22)或所述气缸套(1)中，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少20％的喷射持续时间将点火流体供应到所述燃烧室中。2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少50％、优选至少80％和最优选至少95％的喷射持续时间将点火流体供应到所述燃烧室中。3.根据前述权利要求中任一项所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为以如下喷射持续时间将点火流体供应到所述燃烧室中，所述喷射持续时间从低发动机速度下的2度曲轴角增加到全速率发动机速度下的20度曲轴角。4.根据权利要求1、2或3所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为在所述喷射持续时间内将点火流体连续地供应到所述燃烧室中。5.根据权利要求1、2或3所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为在所述喷射持续时间内间歇地将点火流体供应到所述燃烧室中。6.根据权利要求5所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置用于间歇喷射，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：曼能解决方案曼能解决方案德国股份公司分公司，
类型：发明
国别省市：