[發明專利]帶有排氣或者燃燒氣體再循環的大型渦輪增壓二沖程柴油發動機和用于減少NOx和碳煙排放的方法

有效

• 申請號: 200980157911.2
• 申請日: 2009-03-18
• 公開（公告）號: CN102341589A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發明（設計）人: 斯特凡·馬耶爾
• 申請（專利權）人: 曼恩柴油機渦輪公司;曼恩柴油機渦輪德國公司子公司
• 主分類號: F02M25/03
• 分類號: F02M25/03;F02D21/08;F02D41/00;F02M43/04
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 張建濤;車文

技術領域

本發明涉及使用排氣再循環以減少NOx形成的大型渦輪增壓二沖程柴油發動機和一種用于使用排氣或者燃燒氣體再循環而減少NOx形成的、操作大型渦輪增壓二沖程柴油發動機的方法。

背景技術

目前，存在用于利用被應用于發動機過程的改變而減少在大型二沖程柴油發動機中的NOx形成的多個選項，特別地以下選項：

●排氣再循環(EGR)

●水乳化燃料的使用。

●新鮮進氣增濕，即掃氣空氣加濕(SAM)。

最有效的減少方法是EGR。文獻DE?19809618公開了一種帶有排氣再循環的大型二沖程渦輪增壓柴油發動機(在這個發動機中，直接地從氣缸獲取氣體并且因此這種形式的EGR還被稱作燃燒氣體再循環-CGR)。當在本文獻中提到“排氣再循環”時，這意味著涵蓋從排氣獲取的氣體和直接地從氣缸獲取的氣體這兩者的再循環。

在排氣再循環中，排氣被與清潔的掃氣空氣混合從而在壓縮開始時減小掃氣空氣的氧含量，由此實現了降低在燃燒過程期間形成NOx的機會。

為了滿足將來的排放要求所需的高EGR率(即相對于掃氣空氣流較高的再循環排氣流)從未被應用于大型二沖程柴油發動機。高EGR率在小型柴油發動機中已經表現出導致過度的碳煙形成。在小型柴油發動機中，碳煙排放的這個增加已經迫使發動機開發者通過采用更高的燃料噴射壓力而確保更好的混合和摻氣。然而，更高燃料噴射壓力導致NOx形成的某種增加并且因此在某種程度上減弱了起初獲得的NOx減少。在這條路線上，小型柴油發動機的設計者已經被迫在相應地增加燃料噴射壓力的情況下使用越來越高的EGR率。目前，在小型柴油發動機中的燃料壓力經常具有高于2000巴的值并且在這種壓力水平下的燃料流控制在技術上是非常高要求的和高成本的并且將經常產生耐久性問題。

由于大型二沖程柴油發動機的龐大的尺寸和規模，為了在小型柴油發動機中在這些高壓力下控制燃料而研發的技術不能被直接地應用于大型二沖程柴油發動機。因此，在燃料噴射系統中使用這種高壓力將要求在用于開發能夠應對這些極高壓力的、用于大型二沖程柴油發動機的燃料噴射系統的新技術中的大量投入。

發明內容

根據該背景，本發明的一個目的在于提供一種大型二沖程渦輪增壓柴油發動機，其能夠以高EGR率運行、而無需在發動機中以極高燃料壓力運行。

通過提供一種十字頭式大型渦輪增壓二沖程柴油發動機實現了這個目的，該二沖程柴油發動機包括多個氣缸、排氣再循環氣體再循環系統、燃料噴射系統，該燃料噴射系統用于向氣缸提供通過噴嘴而被噴射到氣缸中的高壓燃料，其中排氣再循環率是可變的，該燃料噴射系統能夠選擇性地向通過噴嘴的燃料流加水，并且該燃料噴射系統被構造成通過根據實際排氣再循環率向燃料流加水而增加通過噴嘴的質量流。

通過當排氣再循環率是高的時增加通過噴嘴的質量流，所噴射的流體的動量增加并且由此改進了在否則將會導致高度碳煙形成的運行條件下在高速燃料射流中摻入新鮮進氣。因此，避免了過度碳煙形成，同時仍然獲得了低的NOx值，而無需使用極高的燃料噴射壓力。

在燃料中使用水將另外地降低燃燒溫度并且因此進一步減少NOx的形成。

根據一個實施例，當排氣循環比高于預定閾值時使用預定的燃水比。

根據一個實施例，氣缸每一個均具有至少兩個獨立的噴嘴，帶有較小的孔的至少一個噴嘴用于當無水流被添加到燃料流時使用，并且帶有較大的孔的至少一個噴嘴用于當水流被添加到燃料流時使用。因此，帶有較大的孔的噴嘴能夠適應增加的燃料流。

根據進一步的實施例，水和燃料被乳化并且通過噴嘴噴射燃料/水混合物。

根據另一實施例，當水被添加到燃料流時，燃料噴射流量不變。因此，當發動機在水-燃料運行和純燃料運行之間改變時，發動機將接收相同數量的燃料并且能夠繼續以相同載荷運行。

根據另一實施例，當水被添加到燃料流時，燃料噴射壓力不變。因此，發動機將在水-燃料運行中以與在純燃料運行中基本相同的燃料壓力運行。

根據又一個實施例，該發動機被構造成在不向燃料流加水的情況下在高載荷下以中等EGR率運行。

根據另一實施例，通過排氣循環系統的質量流與發動機載荷無關地被保持是基本恒定的。

根據進一步的實施例，該排氣再循環系統設置有氣滌器并且所述氣滌器的尺寸被確定為對于通過排氣再循環系統的基本恒定的質量流而言是足夠的。

根據一個實施例，該燃料噴射系統包括燃料和水乳化系統。