纵向扫气的大型发动机的制作方法

1.本发明涉及一种纵向扫气的大型发动机。


背景技术：

2.大型发动机，其可以被设计为二冲程或四冲程发动机，例如纵向扫气的二冲程大型柴油发动机，通常用作船舶的驱动单元或者甚至用于固定操作(stationary operation)中，例如用于驱动大型发电机以产生电能。发动机通常在连续工作中运行相当长的时间，这对工作安全性和可用性提出了高要求。因此，对于操作者来说，特别长的维护间隔、低磨损和操作材料的经济处理是中心标准。大型发动机通常具有内径(缸膛)至少为200mm的气缸。现在，使用具有高达960mm或甚至更大缸膛的大型发动机。
3.另一个重要方面是能量效率以及废气的质量，特别是废气中的氮氧化物浓度或硫负荷。另一个问题是未燃烧的烃，例如甲烷逃逸。
4.在此，法律要求和对应的废气极限值的极限值越来越严格。结果，特别是在二冲程大型柴油发动机的情况下，不仅被污染物高度污染的传统重质燃料油的燃烧而且柴油或其它燃料如天然气的燃烧正变得越来越成问题，因为符合废气极限值正变得越来越困难，技术上更加复杂，因此更加昂贵。
5.关于经济和有效的操作、符合废气极限值和资源的可用性，也正在寻求传统上用作大型发动机的燃料的重质燃料油的替代品。在此，既使用液体燃料，即以液态被引入到燃烧室中的燃料，又使用气体燃料，即以气态被引入到燃烧室中的燃料。
6.作为重质燃料油的已知替代物的液体燃料的实例是尤其从炼油厂遗留的其它重质烃、醇(尤其是甲醇或乙醇)、汽油、柴油，或者还有乳液或悬浮液。例如，已知的是，被称为msar(多相超细雾化残渣)的乳液被用作燃料。这些基本上是在特殊工艺中生产的重质烃例如沥青、重质燃料油或类似物和水的乳液。众所周知的悬浮物是煤粉和水的悬浮物，其也用作大型发动机的燃料。例如，天然气如lng(液化天然气)已知为气体燃料。
7.另一种公知的利用重质燃料油的纯操作的替代是以这样的方式设计大型发动机，使得它们可以利用两种或甚至更多种不同的燃料工作，其中根据工作情况或环境，发动机利用一种燃料或利用另一种燃料工作。这种大型发动机，也称为多燃料大型发动机，其可以在工作期间从燃烧第一燃料的第一模式切换到燃烧第二燃料的第二模式，反之亦然。
8.可以用两种不同燃料工作的大型发动机的公知设计是目前使用的术语“双燃料发动机”的发动机类型。一方面，这些发动机可以在气体模式下工作，在气体模式下气体燃料，例如天然气或甲烷，被引入到燃烧室中用于燃烧，另一方面，在液体模式下工作，在液体模式下液体燃料例如重质燃料油或另一种液体燃料可以在同一发动机中燃烧。这些大型发动机可以是二冲程和四冲程发动机，特别是纵向扫气的二冲程大型柴油发动机。
9.还已知这样的大型发动机，其可以用两种不同的液体燃料工作，其中通常两种燃料都被贮存，使得即使在工作期间发动机也可以用第一燃料或第二燃料工作。还存在已知的设计，其中两种燃料在大型发动机的同一工作循环中被引入到燃烧室中。
10.可以用至少两种或甚至更多种不同的液体或气体燃料工作的大型发动机通常根据当前使用的燃料在不同的操作模式下工作。在通常被称为柴油操作的操作模式中，燃料的燃烧通常根据燃料的压缩点火或自点火的原理发生。在通常称为奥托操作的模式中，通过可点燃的燃料空气混合物的火花点火来进行燃烧。这种火花点火例如可以通过电火花例如用火花塞进行，或者也可以通过少喷射量的燃料的自点火进行，然后这引起另一种燃料的火花点火。在上述双燃料发动机的情况下，例如，已知气体模式是将气态气体与扫气空气混合，以便以此方式在气缸的燃烧室中产生可燃混合物。在该低压过程中，通常通过在适当的时刻将少量液体燃料喷射到气缸的燃烧室中或预燃室中来实现气缸中的混合物的点火，这然后导致空气气体混合物的点火。
11.此外，还已知奥托操作和柴油操作的混合形式。
12.此外，已知被设计为气体发动机的大型发动机。这些气体发动机仅被设计用于纯气体操作。例如，气体发动机可以被设计成使得其操作对应于双燃料发动机在气体模式下的操作。气体发动机通常在奥托操作下工作。例如，用于气体发动机的优选燃料是天然气。
13.在本技术的框架内，术语“大型柴油发动机”是指能够至少在柴油操作下工作的那些发动机。特别地，术语“大型柴油发动机”因此还包括这样的双燃料或多燃料大型发动机，所述双燃料或多燃料大型发动机除了柴油操作之外还可以在另一操作下工作，例如奥托操作。
14.在纵向扫气的大型发动机中，典型地，每个气缸具有扫气空气开口和用于排出废气的至少一个出口阀，扫气空气开口设置在气缸或气缸衬套的下端处，至少一个出口阀设置在气缸的上端处，例如设置在气缸盖中。通过扫气空气开口，新鲜的扫气或增压空气被供应到气缸的燃烧室，这是燃烧过程所需要的。通常，气缸的扫气空气开口通过活塞的移动而打开或关闭。当活塞在工作循环期间以及在其向下移动期间接近下止点时，扫气空气开口由活塞释放，使得扫气或增压空气可以流入气缸中。在活塞随后的向上移动期间，活塞关闭扫气空气开口，从而没有另外的扫气空气可以被引入到气缸中。
15.这意味着在气缸的扫气期间，新鲜扫气空气通过扫气空气开口流入气缸中，并且替换来自先前燃烧过程的残留在气缸中的热废气。这些废气通过出口阀排出。这种扫气过程通常不是完美的，即一定量的废气残留在气缸中。残留在气缸中的这种废气的量取决于气缸中的流动模式或流动轮廓。还存在热废气与新鲜扫气空气的部分混合，这加热了气缸中可用于下一个燃烧过程的空气。
16.特别地，如果大型发动机在预混合的空气燃料混合物将在燃烧室中被火花点火的气体模式下工作，则空气的这种加热可能导致气缸中的空气燃料混合物的不期望的自点火，这可能导致非常高的机械负载和极大地增加的排放值。此外，气缸中的空气温度的升高可能具有火花点火燃烧过程运行太快(快速燃烧)的效果，这也导致高机械负载和高排放值。
17.因此，特别是对于预混合的空气燃料混合物的燃烧，基本上能够尽可能地控制残留在气缸中的废气的量和气缸中扫气空气的温度，以便确保大型发动机的最有效和低排放的工作。
18.在纵向扫气的大型发动机中，流动轮廓主要由扫气空气开口和出口阀确定。虽然已经可以在很大程度上优化扫气空气开口的布置和设计，但是仍然明显需要改进废气出口
的面积。现今，纵向扫气的大型发动机的常见设计是提供出口阀，该出口阀居中地布置在气缸盖中。这种居中布置的出口阀显著地降低了气缸中心的废气的流速，导致相当大量的废气积聚在出口阀下方。在气缸的横截面上观察，气缸中心的流速显著低于气缸径向外部区域的流速。


技术实现要素：

19.为了解决这个问题，已经尝试在纵向扫气的气缸中设置多个出口阀，以便产生更有利的流动轮廓，该流动轮廓减少了残留在气缸中的废气的量。但是在此仍然存在改进的空间。
20.从现有技术出发，本发明的目的是提出一种纵向扫气的大型发动机，所述纵向扫气的大型发动机能够实现更可靠的扫气，其中，能够更好地控制并且特别地减少残留在气缸中的废气的量，而不需要显著增加扫气空气的量，使得大型发动机能够尽可能经济地并且以低排放值工作。
21.根据本发明，因此提出了一种纵向扫气的大型发动机，所述纵向扫气的大型发动机具有至少一个气缸，在所述气缸中活塞被布置成可沿着气缸轴线来回移动，所述气缸具有气缸盖，所述气缸盖与所述活塞一起界定用于燃料的燃烧室，所述大型发动机被设计成在气体模式下工作，在所述气体模式下预混合的空气燃料混合物在所述燃烧室中燃烧，其中所述气缸盖中设置有多个出口阀，用于从所述燃烧室排出废气，并且其中，在每种情况下，在所述气缸盖上在两个相邻的出口阀之间设置有突起，所述突起延伸到所述燃烧室中。
22.由于多个出口阀与布置在其间的突起的组合，在气缸中实现了特别有利的流动轮廓，利用该流动轮廓可以非常显著地减少残留在气缸中的废气的量。在气缸的横截面上看，流动轮廓显著地更平坦或更均匀，这意味着在燃烧室中避免或至少明显减少了具有非常低的流速的区域。由于横跨气缸横截面的流速大致均匀，废气从燃烧室的所有区域可靠地排出。此外，新鲜扫气空气和待排放的废气之间的转变区域窄得多或小得多，即，从扫气空气到废气的转变更急剧且模糊得更少。因此，从废气到新鲜扫气空气的热传递也显著减少。由于新鲜扫气空气和废气之间的这种明显更急剧的转变，还可以使关闭出口阀的时间更好地适应这种急剧的转变区域，从而从燃烧室排出总体更多的废气，并且在气缸中保留更多的新鲜扫气空气。
23.由于热废气和相当冷的吹扫空气之间的热传递显著降低，产生了两个另外的优点：一方面，空气燃料混合物的不期望的自点火的风险显著降低，并且另一方面，废气的较高温度改善了下游废气净化系统的效果或效率，所述下游废气净化系统例如是用于甲烷的氧化催化剂或scr装置(scr：选择性催化还原)。
24.根据优选实施方式，气缸具有四个出口阀，所述四个出口阀被布置在气缸盖中。
25.优选地，四个出口阀被布置成矩形结构。
26.为了特别有效地减少燃烧室中的低流速区域，有利的是，每个突起在径向方向上朝向气缸轴线延伸。
27.优选地，每个突起被设计成使得当朝向气缸轴线观察时，突起的垂直于径向方向测量的高度减小。
28.此外，优选地，每个突起被设计成使得当朝向气缸轴线观察时，突起的垂直于径向
方向测量的宽度减小。
29.为此，优选地，每个突起基本上被设计为四面体，其中，在每种情况下，四面体的基部被布置成径向向外，四面体的顶点被布置成径向向内，使得突起被排列成使得它们的顶点朝向气缸轴线。
30.在优选的实施方式中，设置有检查装置，该检查装置致动多个出口阀，使得燃烧室中残留的废气的量被最小化。
31.此外，优选的实施方式是，每个出口阀都具有阀轴线，其中，至少一个出口阀被布置成使得其阀轴线被排列成平行于气缸轴线。
32.在一些实施方式中，每个出口阀都被布置使得其阀轴线被排列成平行于气缸轴线。
33.在其它实施方式中，每个出口阀都可以被布置成使得其阀轴线被排列成倾斜于气缸轴线。这意味着相应的阀轴线与气缸轴线围成大于零度且小于九十度的角度。从空气动力学的观点来看，这种倾斜布置可以是特别有利的。
34.还优选的措施是，多个出口阀被布置成使得出口阀关于气缸轴线是对称地布置的。
35.纵向扫气的大型发动机优选地被设计为纵向扫气的大型柴油发动机。
36.如果根据本发明的纵向扫气的大型发动机被设计为纵向扫气的二冲程大型发动机，则也是优选的。
37.特别地，根据本发明的大型发动机可以被设计为纵向扫气的二冲程大型柴油发动机。
38.特别优选地，大型发动机被设计为双燃料大型柴油发动机，所述双燃料大型柴油发动机可以在液体模式下工作，在液体模式下液体燃料被引入到燃烧室中以用于燃烧，并且所述双燃料大型柴油发动机还可以在气体模式下工作，在气体模式下气体作为燃料被引入到燃烧室中。
附图说明
39.下面，基于实施方式和附图更详细地解释本发明。在附图中示出：
40.图1是根据本发明的纵向扫气的大型发动机的实施方式的示意性截面图，
41.图2是从燃烧室观看的该实施方式的气缸盖的平面图，以及
42.图3是气缸盖的立体截面图。
具体实施方式
43.图1以示意性截面图示出了根据本发明的纵向扫气的大型发动机的实施方式，其整体上用附图标记1表示。
44.大型发动机1包括至少一个但通常是多个的气缸10，在气缸中发生燃烧过程。
45.术语“大型发动机”是指通常用作船舶的主驱动单元或者也用于固定操作例如用于驱动大型发电机以产生电能的这种发动机。通常，大型发动机1的气缸10均具有至少约200mm的内径(缸膛)。
46.大型发动机1可以被设计为四冲程或二冲程发动机。特别地，大型发动机1可以被
设计为大型柴油发动机，特别是纵向扫气的二冲程大型柴油发动机。术语“大型柴油发动机”是指可以在柴油操作下工作的此类大型发动机1。在理想的限制情况下，柴油操作是基于扩散燃烧的等压过程(等压燃烧)。在柴油操作下，燃料的燃烧通常根据自点火原理发生。在本技术的框架内，术语“大型柴油发动机”还指除了柴油操作之外能够替代地在奥托操作下工作的那些大型发动机1。在理想的限制情况下，奥托操作是公共空间过程(公共空间燃烧)，其中燃烧通常根据燃料的火花点火原理发生。大型柴油发动机也可以在柴油操作和奥托操作的混合形式下工作。
47.当然，术语“大型发动机”还包括被设计为气体发动机的这种发动机。这些气体发动机仅被设计用于纯气体操作，即，它们仅利用气体燃料例如天然气工作。例如，气体发动机可以被设计成使得其操作对应于双燃料发动机在气体模式下的操作。
48.此外，术语“火花点火燃料”用于描述在气缸10中通过火花点火如预期地燃烧的燃料，即，其中，如预期地，应当避免自点火。相反，术语“自点火燃料”是指在气缸10中通过自点火而如预期地燃烧的燃料，例如重质燃料油或柴油燃料。
49.术语“液体燃料”指的是以液态被引入到气缸10的燃料。术语“气体燃料”指的是以气态被引入到气缸10中的燃料。
50.在本发明的以下描述中，以示例性的性质提及对于实践而言重要的大型柴油发动机1的情况，大型柴油发动机被设计为纵向扫气的二冲程大型柴油发动机1并且其被用作船舶的主驱动单元。该大型柴油发动机1例如可以但不是必须被设计为双燃料大型柴油发动机，使得其可以利用两种不同的燃料来工作，例如利用诸如重质燃料油的液体燃料和利用诸如天然气的气体燃料。双燃料大型柴油发动机1可以在工作期间从燃烧第一燃料切换到燃烧第二燃料，反之亦然。
51.可以理解，本发明不限于这种类型的大型柴油发动机和这种用途，而是一般涉及纵向扫气的大型发动机1。大型发动机1也可以被设计成仅用于燃烧单一燃料。例如，大型发动机1可以被设计为气体发动机，该气体发动机被设计成仅用于以气体作为燃料来工作。大型发动机1也可以被设计为多燃料大型发动机，该多燃料大型发动机可以用第一燃料工作并且可以用不同于第一燃料的至少第二燃料工作。当然，大型发动机1也可以被设计成用于燃烧多于两种燃料。
52.在每种情况下在大型柴油发动机1的每个气缸10中设有活塞60，在每种情况下该活塞60可在气缸轴线x的方向上在上反向点和下反向点之间来回移动，并且其上侧面与气缸盖20一起界定燃烧室120。
53.活塞60以本身已知的方式经由活塞杆(未示出)连接到十字头(未示出)，十字头经由推杆(未示出)连接到曲轴(未示出)，使得活塞60的移动经由活塞杆、十字头和推杆传递到曲轴以便使曲轴旋转。
54.在气缸盖20中，设置有多个出口阀40，燃烧气体能够在燃烧过程之后通过这些出口阀从气缸10的燃烧室120排放到废气收集管(未示出)中。每个出口阀40在相应阀轴线a的方向上延伸。在这里描述的实施方式中，在每种情况下在每个气缸10中设置四个出口阀40。这尤其可以在图2中看到，该图示出了从燃烧室120观看的气缸盖20的平面图。为了更好地理解，图3仍然示出了气缸盖20的立体截面图。
55.然而，在图2和图3中，为了更好地理解，仅示出了缸膛401，每个缸膛接收出口阀
40，但不是出口阀40它们自己。如果出口阀40布置在相应的缸膛401中，则相应的阀轴线a位于出口阀40布置在其中的缸膛401的相应的中心轴线上。
56.在其它实施方式中，在每个气缸10中可以设置少于或多于四个出口阀40，例如两个或三个出口阀或五个或更多个出口阀。
57.为了实现废气从燃烧室120的最佳可能排放，优选的是，多个出口阀40关于气缸轴线x对称地布置。如图2特别示出的，四个出口阀40布置成矩形结构，特别是正方形结构。阀轴线a或四个缸膛401的中心轴线被布置成使得它们进入燃烧室120的点位于其中心被气缸轴线x穿透的矩形上，这里是正方形上。
58.在这里描述的实施方式中，出口阀40被布置成或者缸膛401被设计成使得每个阀轴线a被排列成平行于气缸轴线x。在其它实施方式中，当然也可以是一个或多个或所有阀轴线倾斜于气缸轴线延伸。于是，相对于气缸轴线倾斜延伸的每个阀轴线优选地与气缸轴线形成大于0
°
且小于90
°
的角度。
59.在纵向扫气的二冲程大型柴油发动机1中，例如被设计为扫气空气狭槽的扫气空气开口30在每种情况下设置在每个气缸10或气缸衬套的下部区域中，用于将扫气空气供应到气缸10中，其中扫气空气开口30通过活塞60在气缸10中的移动而周期性地关闭和打开，使得在增压压力下由进气接收器(未示出)中的涡轮增压器(未示出)提供的扫气空气能够穿过扫气空气开口30流入相应的气缸10中，只要这些扫气空气开口打开。这是当相应的活塞60处于其下反向点的区域中时的情况。
60.此外，至少一个燃料喷射喷嘴50设置在气缸盖20中，在这里描述的实施方式中，该燃料喷射喷嘴居中地布置在气缸盖20中，使得燃料喷射喷嘴50的中心轴线位于气缸轴线x上。当然，在其它实施方式中，对于每个气缸10可设置多于一个的燃料喷射喷嘴50。
61.燃料喷射喷嘴50用于将液体燃料例如重质燃料油或柴油引入到气缸10的燃烧室120中，这意味着在液体模式下液体燃料借助于燃料喷射喷嘴50被喷射到气缸10的燃烧室120中。
62.此外，设置有气体供应系统(未示出)，利用该气体供应系统可以将气体引入气缸10中。该气体供应系统优选被设计成低压系统，该低压系统在至多50巴(5mpa)，优选至多20巴(2mpa)的压力下将用作燃料的气体引入到气缸中。气体供应系统包括至少一个气体入口喷嘴，所述气体入口喷嘴布置在气缸的壁上或气缸的壁中。相对于气缸轴线x的方向，气体入口喷嘴优选地大致布置在活塞60的上反向点和下反向点之间的中间。
63.在气体模式下，气体借助于气体供应系统被引入到气缸10中，在气缸中与扫气空气混合，并通过活塞60的向上移动而被压缩。在这种情况下，在燃烧室120中产生预混合的空气燃料混合物，然后在预定的时间或在预定的曲柄角处火花点火该空气燃料混合物。火花点火优选地通过在适当的时刻将少量液体燃料喷射到气缸10的燃烧室120中或预燃室(未示出)中而发生，使得燃烧室120中或预燃室中的液体燃料自点火，这然后导致燃烧室120中的空气气体混合物的点火。可以以本身已知的方式设置多个预燃室，每个预燃室都与燃烧室120流体连通。如果自点火燃料随后被引入到这些室中的每一个，则燃烧室120中的空气燃料混合物可在不同的点被火花点火。
64.代替通过引入自点火燃料的火花点火，当然也可以借助于电点火例如火花塞实现火花点火。
65.大型柴油发动机的其它结构和各个部件，例如喷射系统、气体交换系统、排气系统或用于提供扫气空气或增压空气的涡轮增压器系统以及用于大型柴油发动机的检查和控制系统的细节，在被设计为二冲程发动机和被设计为四冲程发动机方面对于本领域技术人员来说是公知的，因此这里不需要进一步说明。
66.现代大型柴油发动机中的检查和控制系统是电子系统，利用该电子系统通常可以调节、控制或调整所有发动机或气缸功能，特别是喷射(喷射的开始和结束)、气体燃料的引入和出口阀的致动。在这里描述的实施方式中，检查和控制系统包括检查装置，利用该检查装置，每个出口阀40可被致动以打开或关闭。优选地，检查装置同时即同步地致动所有出口阀40，使得所有出口阀40尽可能同步地移动。
67.也可以是，检查装置可以单独地并且独立于其它出口阀40致动每个出口阀40。
68.根据本发明，在每种情况下在气缸盖20上在两个相邻的出口阀40之间或者在用于出口阀40的两个相邻的缸膛401之间设置有突起7。这些突起7有助于显著改善气缸10中的流动轮廓。多个出口阀40与布置在其间的相应突起7的组合导致，至少显著地减少了具有非常低的流速的区域或者停滞区域。在气缸10的横截面上的流速分布变得更加均匀。这意味着流动轮廓变得更平坦。废气可以可靠地从燃烧室120的所有区域被排出。这也导致气缸中的新鲜扫气空气和废气之间的转变区域变得显著更窄，因此变得更小。从新鲜扫气空气到废气的转变明显更急剧，使得热废气和更冷的扫气空气之间的热交换也减少。与传统的实施方式相比，这意味着废气保持更热，这对于下游废气净化系统的效率是有利的方面，并且意味着气缸10中的扫气空气保持更冷，这对于不期望的自点火或过快的燃烧是积极的效果，特别是在气体模式下。
69.总共四个突起7在每种情况下从气缸盖20延伸到燃烧室120中，所述突起中的每一个在每种情况下被布置在两个相邻的出口阀40之间或者两个相邻的缸膛401之间。根据优选实施方式，每个突起7从气缸盖20在径向方向上朝向气缸轴线x延伸。
70.每个突起7被设计成使得其高度h从气缸盖20在气缸轴线x的方向上减小，即高度h在气缸盖20处、尤其是在气缸盖20的径向外部区域处最大，然后减小，优选地连续减小，其中，高度h表示在气缸轴线x的方向上的延伸。
71.此外，该实施方式优选的是，每个突起7的宽度b在气缸轴线x的方向上减小。宽度b表示突起在既垂直于径向方向又垂直于气缸轴线x的方向上的延伸。该方向大致是周向方向。因此，每个突起7的宽度b在气缸盖20处、尤其是在气缸盖的径向外部区域处最大，然后减小，优选地连续减小。
72.例如，通过每个突起7基本上被设计为四面体即它由四个三角形组成的事实，可以实现两种几何条件，这当然不能在严格的数学意义上理解。四面体的基部在每种情况下径向向外地布置在气缸盖20上，并且四面体的顶点径向向内地布置，从而使得突起7被排列成使得它们的顶点朝向气缸轴线。优选地，相应四面体的一个“边缘”在径向方向上延伸。