内燃发动机

技术领域

本发明涉及一种二冲程直流扫气式十字头内燃发动机和气缸的预燃室构件。

背景技术

二冲程内燃发动机在如集装箱船、散装货船以及油轮等船舶中用作推进发动机。减少来自内燃发动机的不想要的排气已经变得越来越重要。

减小不想要的排气的量的有效方式是将例如重燃油(HFO)等燃油换成燃料气体。可以在压缩冲程结束时将燃料气体注入气缸，此时可以通过气缸中的气体被压缩时所达到的高温或通过点燃引燃燃料而将该燃料气体立即点燃。然而，在压缩冲程结束时将燃料气体注入气缸需要大型气体压缩机以便在注入之前对燃料气体进行压缩以克服气缸中的较大压力。

然而，大型气体压缩机的制造和维护是昂贵且复杂的。避免使用大型压缩机的一种方法是将发动机配置为在气缸中的压力明显较低的压缩冲程开始时注入燃料气体。

WO 2013007863披露了此类发动机。为了确保燃料气体的正确点燃，在气缸盖中设置了引燃点燃预燃室。将一定量的引燃燃油注入引燃预燃室中，然后引燃燃油由于引燃预燃室中的温度和压力而自燃。这产生了火焰，该火焰点燃气缸的主室中的燃料气体。

然而，为气缸盖设置预燃室是有问题的，因为由于存在比如排气门、用于双燃料发动机的液体燃料阀以及可能用于三燃料发动机的附加燃料阀等其他发动机部件，气缸盖中的空间资源稀缺。气缸盖中有限的空间也限制了可以布置在气缸盖中的单独预燃室的数量。

此外，将很难控制和优化布置在气缸盖中的预燃室的温度，因为在设计冷却系统以确保所有部件接受足够的冷却时还必须考虑复杂形状的气缸盖中的所有其他部件。

因此，提供一种点燃燃料气体的替代方式仍然是问题。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及一种二冲程直流扫气式十字头内燃发动机，该二冲程直流扫气式十字头内燃发动机包括至少一个气缸、气缸盖、活塞、燃料气体供应系统、以及扫气系统，该气缸具有气缸壁，该气缸盖布置在该气缸的顶部上并且具有排气门，该活塞沿下止点与上止点之间的中心轴线可移动地布置在该气缸内，该扫气系统具有布置在该气缸的底部的扫气入口，该燃料气体供应系统包括燃料气体阀，该燃料气体阀至少部分地布置在该气缸壁中并且被配置为在压缩冲程期间将燃料气体注入该气缸中，使得该燃料气体能够与扫气混合并且允许扫气和燃料气体的混合物在被点燃之前被压缩，其中，该发动机进一步包括至少部分地布置在该气缸壁中的预燃室，该预燃室通过形成在该气缸壁中的第一开口通向该气缸，该预燃室被配置为点燃该气缸中的扫气和燃料气体的混合物。

因此，通过为气缸壁设置预燃室，气缸中的扫气和燃料气体的混合物将被有效地点燃，而无需占用气缸盖中的空间。

通过为气缸壁设置预燃室，还获得了在气缸盖中布置必要的部件的更大灵活性，此外，这些部件(例如排气门)也可以扩大。此外，将可以在气缸壁的圆周上布置若干预燃室。

关于实际的燃烧过程，布置在气缸壁中的预燃室提供了更容易点燃靠近缸套壁的燃料气体的优点。将预燃室布置在气缸壁中还可以使所形成的火焰在更水平的方向上定向，从而使火焰与扫气和燃料气体的混合物的较大部分发生接触。

此外，将预燃室布置在气缸壁中确保了预燃室温度不受气缸盖中温度的影响，使得可以通过例如在发动机的负载范围内区分预燃室的温度而更有效地冷却预燃室。

内燃发动机优选地是用于推进功率为每缸至少400kW的船舶的大型低速带涡轮增压式二冲程直流扫气式十字头内燃发动机。内燃发动机系统可以包括涡轮增压器，该涡轮增压器由内燃发动机产生的废气驱动并且被配置为对扫气进行压缩。内燃发动机可以是双燃料发动机，该双燃料发动机具有在使用燃料气体运行时的奥托循环(Otto Cycle)模式以及在使用替代性燃料(例如重燃油或船用柴油)运行时的狄塞尔循环(Diesel Cycle)模式。这种双燃料发动机具有其自己的用于注入替代性燃料的专用燃料供应系统。

内燃发动机优选地包括多个气缸，例如4至14个气缸。内燃发动机进一步包括用于该多个气缸中的每个气缸的气缸盖、排气门、活塞、燃料气体阀、以及扫气入口。

燃料气体供应系统优选地被配置为在音速条件下(即速度等于声音的速度，即匀速)经由一个或多个燃料气体阀注入燃料气体。当跨喷嘴喉部(最小截面面积)的压降比大于大约二时，可以实现音速条件。

在一些实施例中，一个或多个燃料气体阀被配置为在压缩冲程期间、在与下止点成0度至160度、与下止点成0度至130度或与下止点成0度至90度时将燃料气体注入气缸。

一个或多个燃料气体阀至少部分地布置在上止点与下止点之间的气缸壁中，优选地布置在扫气入口上方的位置。一个或多个燃料气体阀可以包括布置在气缸壁中的用于将燃料气体注入气缸中的喷嘴。燃料气体阀的其他部分(除喷嘴外)可以布置在气缸壁的外部。

燃料气体的实例是液化天然气(LNG)、甲烷、乙烷、氨和液化石油气(LPG)。

在一些实施例中，发动机进一步包括引燃燃料供应系统，该引燃燃料供应系统包括布置在该预燃室中的引燃燃料阀，该引燃燃料阀被配置为将引燃燃料注入该预燃室中。

可以配置预燃室，使得引燃燃料由于预燃室中的温度和压力而自燃。替代性地，可以通过包括火花塞或激光点燃器的装置来点燃预燃室中的引燃燃料。引燃燃料可以是重燃油或船用柴油、或具有适当可燃性的任何其他燃料，它们被准确地测量出，以使其量刚好能够点燃气缸中燃料气体和扫气的混合物。与用于替代性燃料专用燃料供应系统相比，此类引燃燃料系统在尺寸上可以小得多并且更适合于注入精确用量的引燃燃料，该专用燃料供应系统由于部件尺寸大而可能不适合于这种目的。引燃燃料供应系统可以被配置为接近上止点以适合于最佳点燃主充入物的曲柄角注入一定量的引燃油。引燃燃料点燃在引燃油注入之后立即进行，主充入物点燃在引燃油点燃之后立即进行。

在一些实施例中，该至少一个气缸具有基部构件和预燃室构件，该预燃室构件布置在该基部构件的顶部上，并且该气缸盖布置在该预燃室构件的顶部上，并且其中，该预燃室至少部分地布置在该预燃室构件的气缸壁中，该预燃室通过形成在该预燃室构件的气缸壁中的开口通向该气缸。

这允许预燃室构件被特别地设计为例如通过选择合适的材料来应付预燃室中的高温和高压。这可以进一步使得在预燃室上执行维护更加容易。预燃室构件可以是在基部构件与气缸盖之间的插入物，具有或不具有朝向基部构件和气缸盖中任一者的垫圈布置。在安装气缸盖之前，可以将预燃室构件与基部部件预先组装在一起。

在一些实施例中，该气缸的预燃室构件由与该气缸的基部构件不同的材料制成。

气缸的基部构件可以由铸铁制成，而预燃室构件可以由钢制成。

在一些实施例中，发动机进一步包括用于冷却该预燃室的预燃室冷却系统，该预燃室冷却系统包括在该预燃室附近的用于从该预燃室中提取热量的冷却通道，该预燃室冷却系统被配置为使冷却流体循环通过该冷却通道。

将预燃室布置在气缸壁中为预燃室冷却系统提供了更多空间。这可以允许更精确地控制预燃室的温度，并且较少受到比如排气门关闭正时、发动机转速、发动机负荷等其他发动机参数的影响。更精确地控制预燃室的温度可以允许减少引燃燃料的量和/或使其更适合使用比如燃料气体等替代性引燃燃料，从而产生了更少的不想要的废气排放。

在一些实施例中，引燃燃料是燃料气体。

在一些实施例中，引燃燃料和主燃料是相同类型的燃料气体。

在一些实施例中，该预燃室冷却系统进一步包括控制单元，该控制单元被配置为控制该冷却流体的流动和/或该冷却流体的入口温度。

在一些实施例中，该控制单元被配置为根据发动机负荷、发动机转速和/或扫气和燃料气体的混合物的空气燃料当量比λ来控制该冷却流体的流动和/或该冷却流体的入口温度。

在一些实施例中，该预燃室经由沿着第一轴线延伸的通道连接至该第一开口，其中，该第一轴线与垂直于该中心轴线布置的参考平面之间的角度在0度至85度、0度至80度、0度至60度、0度至45度、或0度至30度之间。

因此，从预燃室延伸到气缸内的火焰可以与扫气和燃料气体的混合物的大部分直接发生接触。

在一些实施例中，该发动机进一步包括至少部分地布置在该气缸壁中的第二预燃室，该第二预燃室通过形成在该气缸壁中的第二开口通向该气缸。

第二预燃室可以与上述的预燃室相同，例如第二预燃室可以设置有引燃燃料阀，也可以设置有预燃室冷却系统等。

第二预燃室可以与第一预燃室相对地布置。

发动机可以设置有更多的预燃室，例如每个气缸至少三个或四个预燃室。

根据第二方面，本发明涉及一种用于如关于第一方面所披露的十字头内燃发动机的气缸的预燃室构件，该预燃室构件具有气缸壁，其中，该预燃室构件进一步包括至少部分地布置在该气缸壁中的预燃室，该预燃室通过形成在该气缸壁中的第一开口通向该预燃室构件，该预燃室被配置为点燃扫气和燃料气体的混合物。

本发明的不同方面可以用包括如上下文描述的二冲程直流扫气式十字头内燃发动机和预燃室构件的不同方式来实施，各自均产生结合上文描述的方面中的至少一个方面而描述的益处和优点中的一个或多个、并且均具有与结合上文描述的方面中的至少一个方面而描述的和/或在所附权利要求中披露的优选实施例相对应的一个或多个优选实施例。此外，应理解的是，结合本文所描述的方面之一所描述的实施例可以等同地应用于其他方面。

在两条轴线、两个平面、或轴线与平面之间始终存在两个角：小角V1和大角V2，其中V2＝180度-V1。在本披露中，将始终是指定的小角V1。

附图说明

将通过以下参照附图对本发明的实施例进行的说明性且非限制性的详细说明进一步阐述本发明的上述和/或附加的目的、特征和优点，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的二冲程内燃发动机的截面。

图2示出了根据本发明的实施例的二冲程直流扫气式十字头内燃发动机的一部分的示意性截面。

图3示出了根据本发明的实施例的二冲程直流扫气式十字头内燃发动机的一部分的示意性截面。

图4示出了根据本发明的实施例的预燃室的示意图。

图5示意性地示出了根据本发明的实施例的二冲程内燃发动机的截面。

具体实施方式

在以下描述中参考了附图，这些附图通过展示的方式示出了可以如何实践本发明。

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的用于推进船舶的大型低速涡轮增压式二冲程直流扫气式十字头内燃发动机100的截面。发动机100包括扫气系统111、废气接收器108、燃料气体供应系统、以及涡轮增压器109。发动机具有多个气缸101(在截面中仅示出单个气缸)。每个气缸101具有气缸壁115，并且包括布置在气缸101的底部的扫气入口102。发动机进一步包括用于每个气缸的气缸盖112和活塞103。气缸盖112布置在气缸101的顶部上并且具有排气门104。活塞103沿下止点与上止点之间的中心轴线113可移动地布置在气缸内。燃料气体供应系统包括一个或多个燃料气体阀105(仅示意性地示出)，该一个或多个燃料气体阀被配置为在压缩冲程期间将燃料气体注入气缸101中，使得该燃料气体能够与扫气混合并且允许扫气和燃料气体的混合物在点燃之前被压缩。燃料气体阀105至少部分地布置在气缸盖112与扫气入口102之间的气缸壁中。发动机进一步包括至少部分地布置在气缸壁115中的预燃室114，预燃室114通过形成在气缸壁中的第一开口通向气缸，该预燃室被配置为点燃气缸101中的扫气和燃料气体的混合物。扫气入口102流体地连接至扫气系统。活塞103被示出为位于其最低位置(下止点)。活塞103具有活塞杆，该活塞杆连接至曲轴(未示出)。燃料气体阀105被配置为在压缩冲程期间将燃料气体注入气缸中，使得该燃料气体能够与扫气混合并且允许扫气和燃料气体的混合物在点燃之前被压缩。燃料气体阀105被配置为在压缩冲程开始时在与下止点成0度至130度时(即当曲轴已经从其在下止点处的取向旋转0度至130度时)将燃料气体注入气缸101中。优选地，燃料气体阀105被配置为在曲轴的轴线已经从下止点旋转了几度而使得活塞已经移动经过扫气入口102之后开始注入燃料气体，以防止燃料气体穿过排气门104和扫气入口102离开。扫气系统111包括扫气接收器110和空气冷却器106。

发动机100优选地是双燃料发动机，该双燃料发动机具有在使用燃料气体运行时的奥托循环模式以及在使用替代性燃料(例如重燃油或船用柴油)运行时的狄塞尔循环模式。这种双燃料发动机具有其自己专用的用于注入替代性燃料的替代性燃料供应系统。因此，可选地，发动机100进一步包括布置在气缸盖112中的一个或多个燃料喷射器116，形成替代性燃料供应系统的一部分。当发动机100使用替代性燃料运行时，燃料喷射器116被配置为在高压下在压缩冲程结束时注入替代性燃料(例如重燃油)。

图2示出了根据本发明的实施例的二冲程直流扫气式十字头内燃发动机的一部分的示意性截面。示出了气缸101、气缸盖112、活塞103、以及排气门104。活塞103位于上止点。气缸101具有气缸壁115，该气缸壁设置有第一预燃室114和第二预燃室116。第一预燃室114和第二预燃室116通过形成在气缸壁115中的开口通向气缸101，预燃室114、116被配置为点燃气缸中的扫气和燃料气体的混合物。发动机优选地进一步包括引燃燃料供应系统，该引燃燃料供应系统包括布置在第一预燃室114中的第一引燃燃料阀和布置在第二预燃室116中的第二引燃燃料阀，第一引燃燃料阀和第二引燃燃料阀被配置为将引燃燃料注入预燃室中。引燃燃料供应系统可以被配置为在压缩冲程结束时经由第一引燃燃料阀和第二引燃燃料阀注入一定量的引燃燃料。引燃燃料可以在注入后由于预燃室中的温度和压力而被立即点燃。这可以提供对气缸101中的扫气和燃料气体的混合物的点火正时的精确控制。

图3示出了根据本发明的实施例的二冲程直流扫气式十字头内燃发动机的一部分的示意性截面。该部分对应于图2中所示的部分，不同之处在于，气缸101具有基部构件117和预燃室构件118，预燃室构件118布置在基部构件117的顶部上，并且气缸盖112布置在预燃室构件118的顶部上。第一预燃室114和第二预燃室116布置在预燃室构件118的气缸壁中。这允许预燃室构件被特别地设计为例如通过选择合适的材料来应付预燃室中的高温和高压。

图4示出了根据本发明的实施例的预燃室114的示意图。预燃室114被配置为通过第一开口123和第二开口124通向气缸。预燃室包括点燃元件119和引燃燃料阀120，该引燃燃料阀被配置为在压缩冲程期间将引燃燃料气体注入到预燃室中，使得引燃燃料气体121能够在点燃之前被压缩。点燃元件119被配置为点燃预燃室中引燃燃料气体，从而产生用于点燃气缸中的燃料气体的火焰122。

图5示出了根据本发明的实施例的用于推进船舶的大型低速涡轮增压式二冲程直流扫气式十字头内燃发动机的截面。发动机是双燃料发动机，该双燃料发动机具有在使用燃料气体运行时的奥托循环模式以及在使用替代性燃料(例如重燃油或船用柴油)运行时的狄塞尔循环模式。每个气缸具有气缸壁，并且包括布置在气缸的底部的扫气入口(未示出)。发动机进一步包括用于每个气缸的气缸盖112和活塞103。气缸盖112布置在气缸的顶部上并且具有排气门104。活塞103沿下止点与上止点之间的中心轴线可移动地布置在气缸内。在该图中，活塞103布置在上止点。燃料气体供应系统包括一个或多个燃料气体阀(未示出)，该一个或多个燃料气体阀被配置为(在发动机处于气体模式时)在压缩冲程期间将燃料气体注入气缸中，使得该燃料气体能够与扫气混合并且允许扫气和燃料气体的混合物在点燃之前被压缩。燃料气体阀至少部分地布置在气缸盖112与扫气入口之间的气缸壁中。发动机进一步包括两个引燃预燃室单元131，每个引燃预燃室单元131包括预燃室114、引燃燃料阀壳体130、以及布置在引燃燃料阀壳体130中的引燃燃料阀132。气缸具有基部构件117和预燃室构件118，预燃室构件118布置在基部构件117的顶部上，并且气缸盖112布置在预燃室构件118的顶部上。预燃室114布置在预燃室构件118的气缸壁中。预燃室114通过形成在预燃室构件118的气缸壁中的开口通向气缸。扫气入口流体地连接至扫气系统。活塞103经由活塞杆、十字头和连杆连接至曲轴(未示出)。引燃燃料阀132被配置为(当发动机处于气体模式时)将少量的引燃燃料注入预燃室114中。预燃室114被配置为使得引燃燃料由于预燃室114中的温度和压力而自燃。引燃燃油可以是重燃油、船用柴油、或具有适当自燃性的任何其他燃料。

发动机进一步包括布置在气缸盖112中的一个或多个燃料喷射器116，形成替代性燃料供应系统的一部分。当发动机100使用替代性燃料运行时，燃料喷射器116被配置为在高压下在压缩冲程结束时注入替代性燃料(例如重燃油)。

通过将预燃室114布置在气缸壁中，在气缸盖112中占据较少的空间。这对排气门104的尺寸和替代性燃料喷射器116的数量/尺寸的限制较小。此外，通过为气缸设置预燃室构件118，与气缸的基部构件117相比，预燃室构件118可以由更坚固的材料制成，由此气缸可以需要更少或甚至不需要外部支撑(比如坚固的背部)来应付由点燃产生的力。此外，预燃室构件118允许用于双燃料、甚至三燃料发动机的燃料喷射器116以及若干单独的预燃室114(例如三个或四个)布置在预燃室构件118的气缸壁的圆周中。

此外，通过将预燃室布置在气缸壁中，引燃燃料阀壳体130和引燃燃料阀132的至少一部分可以布置在其他发动机部分的外部，由此可以降低其冷却需求。最后，通过将预燃室114布置在气缸壁中，为比如图中示出的冷却通道135等冷却元件提供了更多的空间。

虽然已经详细描述并示出了一些实施例，但是本发明不局限于此、还可以以落入以下权利要求中所限定的主题范围的其他方式来实施。具体而言，应理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以利用其他实施例并且可以做出结构和功能改变。

在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干装置可以由同一件硬件来实施。在相互不同的从属权利要求中引用的或在不同实施例中描述的某些措施的这种单纯事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

应强调的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”被用于指定所陈述的特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、部件或其群组。

1.一种二冲程直流扫气式十字头内燃发动机，包括至少一个气缸、气缸盖、活塞、燃料气体供应系统、以及扫气系统，该气缸具有气缸壁，该气缸盖布置在该气缸的顶部上并且具有排气门，该活塞沿下止点与上止点之间的中心轴线可移动地布置在该气缸内，该扫气系统具有布置在该气缸的底部的扫气入口，该燃料气体供应系统包括燃料气体阀，该燃料气体阀至少部分地布置在该气缸壁中并且被配置为在压缩冲程期间将燃料气体注入该气缸中，使得该燃料气体能够与扫气混合并且允许扫气和燃料气体的混合物在被点燃之前被压缩，其中，该发动机进一步包括至少部分地布置在该气缸壁中的预燃室，该预燃室通过形成在该气缸壁中的第一开口通向该气缸，该预燃室被配置为点燃该气缸中的扫气和燃料气体的混合物。

2.根据实施例1所述的二冲程十字头内燃发动机，进一步包括引燃燃料供应系统，该引燃燃料供应系统包括布置在该预燃室中的引燃燃料阀，该引燃燃料阀被配置为将引燃燃料注入该预燃室中。

3.根据实施例1或2所述的二冲程十字头内燃发动机，其中，该至少一个气缸具有基部构件和预燃室构件，该预燃室构件布置在该基部构件的顶部上，并且该气缸盖布置在该预燃室构件的顶部上，并且其中，该预燃室至少部分地布置在该预燃室构件的气缸壁中，该预燃室通过形成在该预燃室构件的气缸壁中的开口通向该气缸。

4.根据实施例3所述的二冲程十字头内燃发动机，其中，该气缸的预燃室构件由与该气缸的基部构件不同的材料制成。

5.根据实施例1至4中任一项所述的二冲程十字头内燃发动机，进一步包括用于冷却该预燃室的预燃室冷却系统，该预燃室冷却系统包括在该预燃室附近的用于从该预燃室中提取热量的冷却通道，该预燃室冷却系统被配置为使冷却流体循环通过该冷却通道。

6.根据实施例5所述的二冲程十字头内燃发动机，其中，该预燃室冷却系统进一步包括控制单元，该控制单元被配置为控制该冷却流体的流动和/或该冷却流体的入口温度。

7.根据实施例6所述的二冲程十字头内燃发动机，其中，该控制单元被配置为根据发动机负荷、发动机转速和/或扫气和燃料气体的混合物的空气燃料当量比λ来控制该冷却流体的流动和/或该冷却流体的入口温度。

8.根据实施例1至7中任一项所述的二冲程十字头内燃发动机，其中，该预燃室经由沿着第一轴线延伸的通道连接至该第一开口，其中，该第一轴线与垂直于该中心轴线布置的参考平面之间的角度在0度至80度、0度至60度、0度至45度、或0度至30度之间。

9.根据实施例1至9中任一项所述的二冲程十字头内燃发动机，其中，该发动机进一步包括至少部分地布置在该气缸壁中第二预燃室，该第二预燃室通过形成在该气缸壁上的第二开口通向该气缸。

10.一种用于根据实施例1至9中任一项所述的十字头内燃发动机的气缸的预燃室构件，其中，该预燃室构件具有气缸壁，该预燃室构件进一步包括至少部分地布置在该气缸壁中的预燃室，该预燃室通过形成在该气缸壁中的第一开口通向该预燃室构件，该预燃室被配置为点燃扫气和燃料气体的混合物。