用于减少内燃活塞式发动机中的逃逸至大气中的燃料材料的装置和改善内燃活塞式发动机的方法

摘要

本发明涉及一种用于减少内燃活塞式发动机中的逃逸至大气的燃料材料的装置，该发动机具有至少两个气缸(14)和至少一个涡轮增压单元(28)，并且该发动机具有排气系统(24)，该排气系统被布置成借助排气阀(23)以可控的方式将所述发动机的每个气缸的燃烧室经由所述至少一个涡轮增压单元的涡轮部分(28.2)与大气连通，所装置包括燃料处理单元(34)，该燃料处理单元用于对所述发动机的排气中的燃料材料进行氧化。该装置包括主体(102)，管道(32)穿过该主体被布置成至少部分地经由所述排气系统延伸到所述排气阀的附近，并且燃料处理单元被布置成与该管道(32)相连。本发明还涉及改善内燃活塞式发动机的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于减少内燃活塞式发动机中的逃逸至大气的燃料材料的装置， 该发动机具有至少两个气缸和至少一个涡轮增压单元，并且该发动机具有排气系统， 该排气系统被布置成借助排气阀以可控的方式将发动机的每个气缸的燃烧室经由至 少一个涡轮增压单元的涡轮部分与大气连通，该装置包括用于对发动机的排气中的燃 料材料进行氧化的燃料处理单元。

本发明还涉及一种改善内燃活塞式发动机的方法，该内燃活塞式发动机具有至少 两个气缸和至少一个涡轮增压单元。

背景技术

由于对高效且环保的现场电力生产设备的兴趣的增加，因此由气体供应燃料的内 燃机以发动机作为动力的发电机组正在获得更多的关注。气体操作的内燃机还在诸如 液化天然气轮(LNG-tanker)、巡航船或多用途船舶中获得关注。

气体操作的活塞式发动机可以通过它们的操作原理被分成几类。

首先，气体操作的活塞式发动机可以是气体柴油机。在气体柴油机中，气体根据 柴油过程以高压进行喷射。当发动机以气体模式操作时，喷射少量的液态引燃燃料。 气体柴油机可以借助引燃喷射来操作气体，并且还操作诸如柴油、重燃油或者甚至原 油的液态燃料。在气体模式中，气体柴油机与其他气体发动机原理相比，在甲烷数量 方面更包容。

在气体模式中，气体以高压被喷射并且被来自引燃燃料喷射的火焰点燃。气体柴 油机可以被实时地切换至液态燃料模式操作。液态燃料可以是轻燃油、重燃油或原油。 在这种情况下，该过程与传统的柴油过程相同。

气体柴油机和气体柴油过程的相当大的劣势在于，：体必须被喷射至非常高的压 力中。

其次，气体操作的活塞式发动机可以是双燃料DF发动机，该发动机设置有两种 不同的燃料供给系统。当发动机以气体模式操作时，引燃喷射系统喷射非常少量的液 态燃料来点燃气态燃料。引燃系统通常是共轨类型，其允许喷射非常少量的引燃燃料。 气态燃料在其被引到燃烧室之前继而允许引向进气。

这使得可以满足非常严格的排放规定的要求，而如果使用通常的喷射系统的话这 将是不可能的。当发动机以液态燃料运行来执行柴油过程时，使用传统的燃料喷射系 统。燃料的灵活性和高效性是双燃料技术的主要优点。

当以气体操作时，双燃料发动机还利用“稀薄燃烧”奥托燃烧过程。在气体供应 中断的情况下，发动机可以从气体操作转换至燃料油操作。在燃料油操作过程中， DF发动机利用传统的柴油过程。

第三，发动机可以是外部点燃的气体发动机，其根据奥托过程和“稀薄燃烧”原 理进行工作。当过量的空气随着燃料被引入发动机中时，该燃烧被认为是稀燃。在将 混合物供入燃烧室中之前通过将气体加入到燃烧空气中来引入气体。

气体操作的发动机，特别是外部点燃的气体发动机和双燃料发动机具有关于甲烷 逃逸，即被意外释放至大气中的缺点。甲烷逃逸可以通过优化燃烧过程而被一定程度 地减少，而大部分的逃逸源自气缸中的死区容积(在该死区容积处无燃烧发生)中的 空气/气体混合物中的甲烷。一个示例是在活塞和活塞环上方的衬套之间的体积。

在WO2011002353 A1中，示出了一种操作柴油式双燃料内燃发动机的方法，目 的在于改善在燃烧的最后阶段过程中对燃料的氧化。该发动机包括：至少部分地由活 塞定界的燃烧室；用于第一燃料的第一燃料供应装置，所述第一燃料供应装置位于燃 烧室中或燃烧室处和/或位于燃烧室的入口端口中或入口端口处；以及用于第二燃料 的第二燃料供应装置，并且该方法包括下列步骤：在所述燃烧室中和/或所述入口端 口中对所述第一燃料进行预混合；将包含第一燃料的装载物压缩至允许第二燃料自动 点燃的条件；执行第二燃料至所述燃烧室中的首次喷射，以便引发所述第二燃料的自 动点燃，用于点燃所述第一燃料，由此引发用于第一燃料的预混合的火焰传播燃烧的 条件。该方法还包括执行至少一个后续喷射的步骤，所述后续喷射将附加的动能供应 到燃烧过程中，以由此增强所述火焰的湍流强度和传播速度和/或增强燃烧室中的最 后混合，从而改善在剩余的燃料的燃烧过程中最后的氧化。

未燃烧的甲烷还可以在例如氧化催化单元中被氧化，但是所需的温度相当高，在 700℃至800℃的范围内，这可以在排气刚刚离开燃烧室之后实现。成功地催化氧化 甲烷逃逸的另一个挑战在于排气中的甲烷的低浓度。

本发明的目的还在于提供一种用于减少内燃活塞式发动机中的燃料材料逃逸至 大气的装置，其比现有技术的装置更有效地操作。

本发明的又一目的在于，提供一种减少内燃活塞式发动机中的逃逸至大气的燃料 材料的方法。

发明内容

本发明的目的通过以下装置基本上得以满足，该装置用于减少内燃活塞式发动机 中的逃逸至大气的燃料材料，该发动机具有至少两个气缸和至少一个涡轮增压单元， 并且该发动机具有排气系统，该排气系统被布置成借助排气阀以可控的方式将发动机 的每个气缸的燃烧室经由至少一个涡轮增压单元的涡轮部分与大气连通，所述装置包 括用于氧化发动机的排气中的燃料材料的燃料处理单元。根据本发明的装置的特征在 于：该装置包括主体，管道被设置成穿过该主体而至少部分地经由所述排气系统延伸 到所述排气阀的附近，并且所述燃料处理单元被布置成与所述管道连接。

根据本发明的实施方式，所述管道设置有至少一个入口，每个入口均包括以下面 区域，该面区域限定基本上与排气通道的表面平行地布置的平面。

根据另一实施方式，该管道经由泵送装置与所述至少一个涡轮增压单元的所述涡 轮部分的上游侧相连。

根据另一实施方式，该管道与所述至少一个涡轮增压单元的所述涡轮部分的下游 侧相连。

根据另一实施方式，该管道中的所述燃料处理单元设置有旁路管道。

根据另一实施方式，所述燃料处理单元是氧化催化单元。

根据另一实施方式，所述管道被布置成从所述气缸盖的外部延伸到所述排气系统 中的所述排气阀的附近。

根据本发明的一种实施方式，所述管道包括一个以上的入口，所述管道的每个入 口均包括以下面区域，该面区域限定与所述排气通道的表面平行地布置的平面。

根据本发明的另一实施方式，所述管道设置有泵送装置。

根据本发明的另一实施方式，所述管道设置有阀，并且所述管道被布置成作为所 述涡轮增压单元的废气闸门进行操作。

根据本发明的实施方式，在被安装到发动机时，所述管道的入口被布置成在与排 气通道的出口相比更靠近排气通道的入口的纵向位置处能通到排气通道。

根据本发明的一种实施方式，主体部分是凸缘式元件。

根据本发明的另一实施方式，所述入口包括以下面区域，该面区域限定被布置成 与排气通道的表面成角度的平面。入口的横截面积和形式是互相关联的并且被选择成 使得它们一起形成类似于喷射器的效果。因此，当气缸的排气阀打开时，流入管道中 的排气减少为很微小，并且当排气阀关闭时，流入管道中的排气增加以提供在部分排 气中剩余的未燃烧的燃料材料的所期望的流动，以便通过布置到管道上的氧化单元来 氧化未燃烧的燃料材料。

可以通过简单的试验来为所使用的发动机构造限定合适的角度，即排气通道和排 气阀的机械布局和尺寸，以及与排出燃烧气体有关的流体力学。

根据本发明的实施方式，管道的横截面积或者在存在多个管道的情况下总的横截 面积是排气通道在管道的入口的位置处的横截面积的1％-25％。

根据本发明的另一实施方式，总的横截面积是排气通道在管道的入口的位置处的 横截面积的3％-15％。

根据本发明的又另一实施方式，总的横截面积是排气通道在管道的入口的位置处 的横截面积的5％-10％。

本发明的目的基本上还通过改善内燃活塞式发动机的方法来实现，该发动机包括 至少两个具有气缸盖的气缸和与气缸盖联接的排气系统，在该方法中，管道被插入排 气系统中，其中管道被布置成至少部分地经由排气系统延伸到排气阀的附近以收集一 部分排气流，并被插入就位，并且燃料处理单元与该管道相连。

根据本发明的实施方式，通过调整排气系统将所述管道插入排气系统中，使得管 道的入口位于排气阀的附近，并且管道的出口被置于排气系统的外部。

根据本发明的实施方式，所述气缸盖和所述排气系统之间的联接在每个气缸盖的 一个位置处脱开，并且所述管道被插入该位置。

根据本发明的实施方式，用于收集部分排气流的所述管道被插入每个气缸盖和所 述排气系统中。

发明具有一些优点，其中一些优点如下所述：

-更高的甲烷浓度提高了氧化单元中的温度，并且还改善了减少程度。

-氧化单元将会更小并且由此需要更少的空间。

-氧化单元可以离开发动机来放置。

-氧化单元可以容易地形成旁路。

-如果增强氧化，则与针对整个排气流相比可以以可行的方式来布置后期的燃 烧。

附图说明

下面，将参照附带的示例性的示意图来描述本发明，其中

-图1示出了根据本发明的实施方式的内燃活塞式发动机；

-图1示出了根据本发明的另一实施方式的内燃活塞式发动机；

-图3示出了用于根据本发明的实施方式的内燃活塞式发动机的气缸盖；

-图4示出了用于根据本发明的实施方式的内燃活塞式发动机的气缸盖的操 作；

-图5示出了用于根据本发明的另一实施方式的内燃活塞式发动机的气缸盖；

-图6示出了用于根据本发明的另一实施方式的内燃活塞式发动机的气缸盖；

-图7示出了用于内燃活塞式发动机的气缸盖中的根据本发明的实施方式的装 置；

-图8示出了用于内燃活塞式发动机的气缸盖中的根据本发明的实施方式的装 置，以及

-图9示出了用于内燃活塞式发动机的气缸盖中的根据本发明的实施方式的装 置。

具体实施方式

图1示意性地描述了内燃活塞式发动机10，该内燃活塞式发动机在下文中被简 称为发动机。该发动机包括主体12或者本体，如此已知的发动机的各种部件已经被 组装或者被构建在该主体或者本体中。该发动机设置有至少两个气缸14，这些气缸 可以被布置成例如V构型或者如图1的情况一样被布置成直列式发动机。该发动机 还设置有用于减少逃逸至大气的燃料材料的装置。

该发动机设置有进气系统16，该进气系统具有燃烧空气接收器18，该燃烧空气 接收器经由通道20和入口阀22与气缸相连。该发动机还设置有排气系统24，该排 气系统具有排气歧管26，该排气歧管经由管道21和排气阀23与气缸相连。应该注 意的是，每个气缸中的入口阀和排气阀的数量可以多于1个。入口侧通道20和排气 侧通道21以及阀被布置于气缸盖(未在图1中示出)。还存在被布置成与发动机10 相连的涡轮增压单元28。发动机的每个气缸14的燃烧室通过排气阀23经由排气系 统24中的涡轮增压单元28的涡轮部分28.2以可控的方式连通至大气。

现在，已经发现在发动机中，尤其是在气体发动机中，燃料被预混合至燃烧空气， 大多数的未燃烧的燃料材料，即在与气态燃料一起进行操作的逃逸到发动机中的甲烷 集中于一部分排气中，该一部分排气在当排气阀打开并且排气离开气缸14中的燃烧 室时的排气冲程过程中最后离开气缸。因此，发动机设置有流动路径32，通过该流 动路径，所提到的那一部分排气可以独立于排气的主流被收集并处理。该流动路径包 括管道，借助该管道提供了从排气阀附近的排气系统24经由燃料处理单元34至排气 系统的流动连通。在本说明书的一些情况下，流动路径也通过附图标记32来代表。 管道32至少部分地平行于排气系统24和排气歧管26。附加地，流动路径和管道可 以被整合到发动机10的部件中。

管道设置有入口32’，该入口在与燃烧室相反的一侧处通到每个气缸的排气阀23 附近的空间中，即，入口32’通到气缸盖中的通道21(图3至图8)。在图1的实施方 式中，管道32被布置成在涡轮部分28.2的下游侧经由出口36接合排气系统。为了 提供对较高浓度的未燃烧燃料材料的处理，管道在其入口32’和出口36之间设置有处 理单元34。根据本发明的实施方式，处理单元34包括氧化催化单元。

有利的是，发动机设置有布置到管道32的废气闸门30，借助该废气闸门可以在 发动机的气体操作中控制空气系数。废气闸门30使部分排气绕过排气涡轮机，以便 控制压缩机部分28.1的操作，从而使得期望量的压缩空气被引入发动机中。根据例 如压缩机上游的高度和入口空气温度，废气闸门流通常在整个排气流的5％至15％的 范围内。

根据本发明，被引入处理单元中的部分排气在每个气缸的排气阀的后方的位置处 被从排气的主流中独立出来。

当发动机操作时，逃逸至大气的燃料材料减少，从而来自燃烧气体流的一部分排 气被布置成流经管道32，而流至处理单元，在处理单元中，未燃烧的燃料被氧化。 由于入口32’在与燃烧室相反的一侧处位于每个气缸的排气阀的附近，因此通过排气 阀23的位置来控制或统治排气，使得排气从每个气缸流入管道32中。以上实现为使 得当气缸盖的排气阀打开时，排气的静压力降低，而由于从根本上提高的排气速率， 而使得管道的入口32’附近的动压力增加。静压力的降低补偿了排气系统24中的涡轮 部分28.2上的压差。因此，减少或者停止排气到管道32中的流动。这种现象也受到 入口32’的形状和相对于排气的流动方向的取向的影响。

当排气阀关闭时，在管道的入口附近排气的静压力增加，由此增加排气到管道中 的流动。现在来自燃烧气体的流的一部分排气流经管道32，并且这部分排气中剩余 的燃料材料通过管道32中的氧化单元34被氧化。根据本发明的实施方式，燃料氧化 单元包括氧化催化器。

在图2中，示出了本发明的另一实施方式。除了管道32被布置成在涡轮部分28.2 的上游侧经由出口36接合排气系统，从而形成流动路径之外，其在其他方面与图1 是相对应的。经过燃料处理单元的适当的气体流可以通过诸如压缩机的独立的泵送装 置37来保持，该压缩机使得气体流返回到涡轮增压器的涡轮部分28.2的高压侧。在 该实施方式中，可以非常有效地控制处理单元中的氧化情况，从而控制最佳部分的排 气穿过该单元。根据发动机的实施方式，泵送装置设置有用于准确控制的速度控制系 统。该泵送装置可以通过排气涡轮机(未示出)来操作。

在一实施方式中，其中处理单元是氧化催化单元，其中可以通过在操作过程中在 催化器的上游喷射燃烧气体来执行催化器的再生，并且所生成的热量可以被涡轮部分 28.2有效利用。

而且在干扰情况下，例如在氧化单元发生损坏的风险下，泵送装置甚至可能会停 止工作。附加地，可以省略氧化单元上的旁路。废气闸门30可以正常定位，即，绕 过涡轮机。

在图3中，示出了用于内燃活塞式发动机的气缸盖50。该气缸盖包括主体部分 52，在该主体部分中，排气通道21被布置成在其入口21’和其出口21”之间延伸，并 且其中排气通道的入口适于接收待被组装于其上的排气阀23。并且，在出口的区域 处，该气缸盖包括连接装置，诸如凸缘，用于将排气通道连接至内燃活塞式发动机的 排气系统。气缸盖50设置有通路31，该通路具有入口32’和出口32”。该通路的入 口在排气通道21的入口和出口之间通入该排气通道21中，用于收集并处理一部分排 气。该通路被连接至管道32，从而提供从排气阀的附近至燃料处理单元34的流动路 径。

图3示出了当排气阀23关闭时装置的操作。在涡轮部分28.2的上游在排气系统 24中占主导的压力也影响排气通道21。由于管道32与涡轮部分的下游侧相连(当气 缸盖安装到发动机时)，因此在通路31和涡轮部分的下游侧之间存在压差。这样，包 含可能未燃烧的燃料的排气由管道32收集并且被引导至也布置到管道的诸如氧化催 化器34的燃料处理单元。

为了如所希望的那样来设定管道的操作，入口包括限定一平面的面区域，该平面 被布置成与排气通道21的表面成角度α。横截面积和角度互相关联并被选择成使得 当气缸的排气阀打开时，流入管道中的排气减少为很微少，并且当排气阀门被关闭时， 流入管道中的排气增加以提供部分排气中剩余的未燃烧的燃料材料的所期望的流动， 以便通过布置到管道的催化单元来氧化该未燃烧的燃料材料。

图4中示出了当排气阀23打开时的装置的操作。通过布置管道与排气通道21 的连接所用的角度，由穿过入口32’的高气体速率引起的通道21中的抽吸将补偿涡轮 部分28.2上的压差。以这种方式，在排气阀打开时管道32中的流动可以被较低地保 持或者甚至停止。如果阀门大约80％的时间是关闭的，则气缸中存在的气体可以被有 效地独立收集到废气闸门通道中。

当发动机被安装或者分离发动机时，氧化催化器34可以被放置在废气闸门30 的上游，或者被放置在废气闸门的下游。氧化催化器上的可控旁路38(图1)还可以 容易地利用这种方案来布置。除了管道34中的氧化催化器34之外，排气系统24还 可以设置有其自身的催化系统。

如在图5的实施方式中所示，管道的入口32’包括一个以上的开口。这些开口被 布置到环形元件56的具有环形凹槽58的边缘，这些开口相对环形凹槽被布置成在环 形元件的背面处开口。该环形凹槽继而与管道32相连。因此环形元件形成管道32 的延伸部。这些开口均位于相同的纵向位置处。在这种情况下，横截面积是这些开口 的总的横截面积。这些开口设置有倾斜的凹部以提供类似于喷射器的效果。

在图6的实施方式中，管道的入口32’包括一个狭槽状的开口，在该开口中，一 些管道被布置成是打开的。该狭槽布置在环形元件56的边缘处。该狭槽提供类似于 喷射器的效果。因此在该实施方式中，环形元件也形成管道32的延伸部。

参照图7以更详细的方式对在入口32’附近的本发明的另一实施方式的操作进行 描述，图7示意性地示出了用于内燃活塞式发动机的气缸盖50。该气缸盖包括主体 部分52，辅助设备被布置在该主体部分中。特别是主体部分52包括排气通道21，该 排气通道被布置成在其入口21’和其出口21”之间延伸，并且其中入口21’适于接收待 被组装于其上的排气阀23。由于排气阀不是气缸盖的一体部分，因此它以虚线示出， 以便理解根据本发明的气缸盖50的操作。即使未在此处示出，气缸盖50在出口21” 的区域处包括连接装置，诸如用于连接气缸盖的排气通道21和内燃活塞式发动机的 排气系统24的凸缘。

存在一种用于收集一部分排气流的装置，该装置被布置成与气缸盖相连。其包括 主体102，排气流动通道104被布置在该主体中，用于引导排气通过主体部分。该主 体102设置有诸如凸缘的附接部分106，主体部分通过该附接部分被附接至气缸盖。 图7中的主体是凸缘状元件。如可以从图7中看出的，主体部分与气缸盖的排气通道 21和内燃活塞式发动机的排气系统24相连。

该装置还包括管道32，该管道具有入口32’，该入口通到排气流动通道21中， 用于独立地收集并处理一部分排气。管道32还具有出口32”，经由该出口，入口32’ 与发动机的排气系统24第二次相连。管道32被布置成经由排气系统延伸至排气阀的 附近。也就是说，该管道设置有延伸到主体102之外的排气流动通道21中的延伸部 分。

在图7中，示出了当排气阀23关闭时该装置的操作。因此在涡轮部分28.2的上 游在排气系统24中起主导作用的压力也对气缸盖中的排气通道21产生影响。由于该 管道在该实施方式中也与涡轮部分的下游侧相连，因此入口32’的位置处的压力高于 涡轮部分的下游侧的压力。因此，包含可能未燃烧的燃料的排气由管道32收集并且 还被引导至布置到管道上的氧化单元34。

为了如所希望的那样设定管道的操作，管道32中的入口包括这样的面区域，该 面区域限定被布置成与排气通道21的表面成角度α的平面。横截面积和角度互相关 联，并且被选择成使得当气缸的排气阀打开时，进入管道中的排气流减少为很微小， 并且当排气阀关闭时，进入管道中的排气流增加以提供在部分排气中剩余的未燃烧的 燃料材料的期望的流动，以便通过布置到管道上的氧化单元来氧化该未燃烧的燃料材 料。以上实现为使得当气缸盖的排气阀打开时，排气的静压力降低，而由于从根本上 提高的排气速率，而使得在管道的入口32’的附近的动压力增加。静压力的降低补偿 排气系统24中的涡轮部分28.2上的压差。因此，减少或者停止流入管道32中的排 气。

气缸盖中的管道32的总横截面积是位于管道入口21’的位置处的排气通道21的 1％-25％。该管道可以包括一个以上的入口32”开口。

管道的入口32’借助其延伸部分被布置成在与排气通道的出口21”相比更靠近排 气通道21的入口21’的纵向位置处通到排气通道中。如此可以有效地收集逃逸集中于 最后离开气缸的排气部分中的甲烷。

在图8中示出了当排气阀23打开时与气缸盖相连的装置的操作。通过布置管道 与排气通道21的连接所用的角度，由穿过入口32’的高气体速率引起的通道21中的 抽吸将对补偿涡轮部分28.2上的压差。以这种方式，当排气阀打开时，管道32中的 流动可以被较低地保持或者甚至停止。如果阀门大约80％的时间是关闭的，则最后离 开气缸的气体可以被有效地独立收集到进废气闸门通道中。

当发动机被安装或者分离该发动机时，氧化单元34可以被布置在废气闸门30 的上游，或者被放置在废气闸门的下游。必要时，氧化单元上的可控旁路38(图1) 还可以容易地利用该解决方案来布置。除了对管道32中的氧化单元34之外，排气系 统24还可以设置有其自身的催化系统。

图9中示出了本发明的另一实施方式。用于收集部分排气流的装置被布置成与气 缸盖相连。该装置包括主体102，该主体设置有带螺纹的附接部分106，借助该附接 部分，主体部分被附接至排气系统24的部分105中的孔。图9中的主体102是套筒 元件。

虽然在本文中已经通过示例结合目前被认为是最优选的实施方式对本发明进行 了描述，但应该理解的是，本发明不局限于所公开的实施方式，而是旨在如所附权利 要求中限定的一样涵盖其特征的各种组合或者修改以及包含在本发明的范围内一些 其他应用。当这样的组合在技术上可行时，结合上述任何实施方式所提到的细节可以 结合其他实施方式进行使用。