СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ БОЛЬШОГО ДВУХТАКТНОГО ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПРОДОЛЬНОЙ ПРОДУВКОЙ ЦИЛИНДРОВ И БОЛЬШОЙ ДВУХТАКТНЫЙ ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПРОДОЛЬНОЙ ПРОДУВКОЙ ЦИЛИНДРОВ
METHOD OF OPERATING LARGE-SIZE TWO-STROKE DIESEL ENGINE WITH CYLINDER LONGITUDINAL BLOW-OUT AND LARGE-SIZE TWO-STROKE DIESEL ENGINE WITH CYLINDER LONGITUDINAL BLOW-OUT

Изобретение относится к способу эксплуатации большого двухтактного дизельного двигателя с продольной продувкой цилиндров и к большому двухтактному дизельному двигателю с продольной продувкой цилиндров в соответствии с ограничительными частями пунктов 1 и 11 формулы изобретения.
Для увеличения мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, например, таких, как большие дизельные двигатели для судов или стационарные агрегаты для выработки электроэнергии, свежий воздух вводят в камеру сгорания цилиндра посредством нагнетающей группы, которая в общем случае выполнена в виде турбонагнетателя газа. В этой связи появляется возможность использования части тепловой энергии выхлопных газов, которые покидают камеру сгорания цилиндра после такта сгорания. С этой целью, горячие газы передаются из камеры сгорания цилиндра в нагнетающую группу с помощью открывания выпускного клапана. Нагнетающая группа, по существу, содержит турбину, привод которой осуществляют выхлопные газы, попадающие в нагнетающую группу под давлением. Со своей стороны, турбина приводит в действие компрессор, через который всасывается и в котором сжимается свежий воздух. Диффузор с турбиной - это конструкция, которую часто называют турбонагнетателем и в которой, в частности - но не только, в случае большого двухтактного дизельного двигателя радиальный компрессор используется в качестве компрессора, за которым следует так называемый диффузор, охладитель воздуха, водоотделитель и впускной ресивер, из которого сжатый свежий воздух, также известный под названием «нагнетаемый воздух» или «продувочный воздух», в конечном счете, подается в отдельные камеры сгорания цилиндров большого дизельного двигателя. Таким образом, посредством использования нагнетающей группы этого типа, можно увеличить подачу свежего воздуха и повысить эффективность процесса сгорания в камере сгорания цилиндра.
В случае больших дизельных двигателей подача воздуха внутрь имеет место в разных местах двигателя, в зависимости от его типа. Так, например, в двухтактных двигателях с продольной продувкой цилиндров воздух вводится в камеру сгорания через продувочные щели, которые выполнены на рабочей поверхности в нижней области цилиндра. В четырехтактных двигателях нагнетаемый воздух обычно вводится через один или более впускных клапанов, которые расположены в крышке цилиндра. В этой связи отметим, что, несомненно, известны двухтактные двигатели, которые оснащены впускными клапанами в крышке цилиндра в месте нахождения продувочных щелей в нижней области цилиндра.
Ключевой проблемой, присущей уже упоминавшемуся выше охладителю нагнетаемого воздуха, является подача свежего воздуха цилиндра. Как хорошо известно специалисту средней квалификации в данной области техники, известные охладители нагнетаемого воздуха представляют собой корпус, по существу, в форме параллелепипеда, в котором заключены пакеты охлаждающих пластин, через которые нагнетаемый воздух протекает от входа охладителя нагнетаемого воздуха к выходу охладителя нагнетаемого воздуха. При этом происходит массовое охлаждение нагнетаемого воздуха, как правило, например, от 250°С до 50°С, так что, помимо охлаждения воздуха в охладителе нагнетаемого воздуха, происходит конденсация воды из нагнетаемого воздуха в охладителе нагнетаемого воздуха.
x
x
x
В этой связи отметим, что при эксплуатации дизельных двигателей внутреннего сгорания возникают значительные количества оксидов азота (NO), которые оказывают негативное влияние на окружающую среду. По этой причине предприняты беспрецедентные усилия для защиты окружающей среды, чтобы разработать дизельные двигатели со значительно сниженными выбросами (NO). Снижение выброса (NO) можно реализовать посредством избирательного каталитического восстановления оксидов азота. В больших дизельных двигателях, в частности, таких, которые, как правило, используются для эксплуатации судов, зачастую весьма трудно - если вообще возможно - обеспечить соответствующие каталитические преобразователи по причинам недостатка пространства. Из-за этого внимание сосредоточилось на разработке так называемых первостепенных мер, уже в процессе принятия которых генерирование оксида азота в камере сгорания снижается.
x
Например, известно добавление газообразных продуктов сгорания в продувочный воздух или свежий воздух снаружи цилиндра (внешняя рециркуляция выхлопных газов) в больших дизельных двигателях с продольной продувкой цилиндров, чтобы таким образом снизить содержание кислорода продувочного воздуха. Это влияет на снижение количества NO, образующегося во время процесса сгорания. Однако недостаток этого решения заключается в том, что либо приходится пропускать, по меньшей мере, часть газов через компрессор нагнетательной группы (турбонагнетателя), что приводит к значительному загрязнению в компрессоре и в последующем охладителе нагнетаемого воздуха, либо приходится предусматривать дополнительный насос для сжатия газообразных продуктов сгорания, если газообразные продукты сгорания сначала подаются в свежий воздух на стороне высокого давления компрессора. При наличии этой компоновки, в последнем случае приходится аналогичным образом учитывать вредное загрязнение охладителя нагнетаемого воздуха.
По этой причине, в документе ЕР-А-653558 предложен способ снижения количества оксида азота в выхлопном газе большого двухтактного дизельного двигателя с воздухонагнетательной группой, включающей в себя турбину и компрессор, что можно назвать внутренней циркуляцией выхлопного газа. В соответствии с этим способом, одна часть газообразных продуктов сгорания, которые возникают в процессе сгорания, сохраняется в цилиндре. Эти сохраняющиеся газообразные продукты сгорания образуют смесь с приточным свежим воздухом на следующем такте сжатия, и тогда в смеси имеется пониженная концентрация кислорода по сравнению со свежим воздухом, так что во время последующего процесса сгорания возникает меньше оксидов азота. Таким образом, продувка получается ухудшенной или со сниженным качеством в том смысле, что продувка газообразных продуктов сгорания из цилиндра оказывается неполной, и в каждом случае значительная часть выхлопных газов остается в цилиндре.
Сохранение части газообразных продуктов сгорания в цилиндре достигается в соответствии с документом ЕР-А-653558 с помощью средств, которые предусмотрены снаружи цилиндра. Таким образом, предложено удалять часть свежего воздуха между выходом компрессора и входом цилиндра, так что в цилиндр попадает меньшее количество свежего воздуха, чем обычно используемое, что подавляет более короткое, чем обычно, сгорание на такте сжатия. В качестве альтернативы, предложено также пропускать газообразные продукты сгорания, выходящие из цилиндра, мимо турбины нагнетающей группы, вследствие чего меньшее количество свежего воздуха передается из компрессора в цилиндр. Таким образом, в этом варианте подача свежего воздуха снижается за счет того, что снижается мощность турбины, осуществляющей привод компрессора.
В частности, в результате больших количеств газообразных продуктов сгорания, сохраняющихся в цилиндре, температура в цилиндре может значительно увеличиваться. Этому можно противодействовать в соответствии с документом ЕР-А-653558, в котором предложено впрыскивание воды в смесь свежего воздуха и выхлопного газа, присутствующую в цилиндре, по меньшей мере, во время одной части такта сжатия.
Однако это, во-первых, очень сложная мера с конструкторской точки зрения, поскольку приходится устанавливать дополнительные устройства для впрыска воды. С другой стороны, вода вызывает новые проблемы в цилиндре, например, такие, как коррозия, в частности газовая коррозия на поверхностях поршней, поршневых кольцах, на стенках цилиндров, выпускных клапанах, и т.д., в частности, из-за происходящими во время коррозии химических реакций воды с газообразными продуктами сгорания, например из-за образования агрессивных кислот.
x
Так, в документе ЕР 0967371 В1 предложено снижение размеров щелей для продувочного воздуха, чтобы таким образом снизить приток свежего воздуха в цилиндр, что приводит к значительному снижению доли NO в газообразных продуктах сгорания, иными словами - в выхлопных газах.
Однако это аналогичным образом приводит к определенному увеличению температуры сгорания, так что даже при этом решении также приходится дополнительно впрыскивать воду в камеру сгорания, потому что в противном случае приходится опасаться повышенной тепловой нагрузки на двигатель и его компоненты, которая снова приводит к меньшим срокам службы, большей вероятности отказа при эксплуатации и, в конечном счете, к большим эксплуатационным затратам.
x
Помимо того, что все эти меры, известные из современного уровня техники, имеют вышеупомянутые недостатки, вообще говоря, все низкоскоростные дизельные двигатели оптимизированы для конкретного потребления горючего и выбросов NO при непрерывной эксплуатации с номинальными значениями, которые можно прогнозировать при условии, что двигатель будет работать при этой нагрузке на протяжении значительной доли срока службы. Однако ввиду коммерческих обстоятельств, таких, как высокие цены на топливо, может потребоваться эксплуатация судов на меньших скоростях с меньшим потреблением мощности от двигателя главной энергетической установки. Тогда двигатели будут эксплуатироваться, например, при нагрузках, составляющих менее 50% максимальных номинальных значений, при непрерывной работе на протяжении значительной доли срока своей службы, при этом качество сгорания ухудшается из-за недостаточной продувки.
Следствием является неоптимальная продувка, по меньшей мере, в диапазоне нагрузок от 30 до 50%, из-за эффективности ниже оптимальной для соответствующих отношений давлений турбин. Неоптимальная продувка приводит к пониженной чистоте в цилиндре и меньшему отношению количества воздуха, содержащегося в герметичной системе, к количеству топлива в топливовоздушной смеси, то есть приводит к значению λ топливовоздушной смеси в цилиндре, которое ниже оптимального. Эффектом этого является увеличенная длительность сгорания, и он проявляется в виде высоких температур выхлопных газов и высокой температуры компонентов в камере сгорания. Вместе с тем, последнее может оказаться более приемлемым для работы в переходных режимах, потому что если требуется непрерывная работа в упомянутом диапазоне нагрузок, то ожидается, что риск отказа компонентов должен возрастать, а межремонтный период (МРП) должен уменьшаться.
Поэтому, исходя из известного уровня техники, задача изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованный способ и усовершенствованный большой двухтактный дизельный двигатель с продольной продувкой цилиндров, при воплощении которых гарантируется оптимальная продувка в диапазоне низких нагрузок, например - но не только, в диапазоне нагрузок от 30 до 50%, что одновременно обеспечивает повышенную эффективность при соответствующих отношениях давлений турбин для повышения чистоты в цилиндре и установления большего отношения количества воздуха, содержащегося в герметичной системе, к количеству топлива в топливовоздушной смеси, то есть оптимального значения λ топливовоздушной смеси в цилиндре в рабочем состоянии дизельного двигателя, соответствующем низким нагрузкам.
Объекты изобретения, соответствующие этой задаче, характеризуются признаками независимых пунктов 1 и 11 формулы изобретения.
Зависимые пункты формулы изобретения относятся к конкретно предпочтительным вариантам осуществления изобретения.
Таким образом, изобретение относится к способу эксплуатации большого двухтактного дизельного двигателя с продольной продувкой цилиндров, имеющего поршень, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в цилиндре по рабочей поверхности между нижней мертвой точкой и верхней мертвой точкой, при этом топливо подается в цилиндр большого дизельного двигателя впрыскивающим соплом, а продувочные щели предусмотрены во впускной области цилиндра для подачи заданного количества продувочного воздуха. В крышке цилиндра, имеющейся в цилиндре, предусмотрен выпускной клапан для выпуска газообразных продуктов сгорания, причем при осуществлении упомянутого способа свежий воздух, поступающий при давлении окружающей среды, всасывается внутрь первым турбонагнетателем выхлопного газа и/или вторым турбонагнетателем выхлопного газа, и упомянутый свежий воздух подается в цилиндр в качества продувочного воздуха при заданном давлении нагнетаемого воздуха через продувочные щели, так что в цилиндре образуется воспламеняемая газовая смесь из продувочного воздуха и топлива. В соответствии с изобретением, предусмотрено, по меньшей мере, одно редукционное средство для снижения расхода выхлопного газа через первый турбонагнетатель выхлопного газа и/или через второй турбонагнетатель выхлопного газа, вследствие чего при осуществлении упомянутого способа расход выхлопного газа через первый турбонагнетатель выхлопного газа и/или через второй турбонагнетатель выхлопного газа снижают в зависимости от заданного значения рабочего параметра большого дизельного двигателя.
Следовательно, существенным для настоящего изобретения является то, что предусмотрено, по меньшей мере, одно редукционное средство для снижения расхода выхлопного газа через первый турбонагнетатель выхлопного газа и/или через второй турбонагнетатель выхлопного газа, а расход выхлопного газа через первый турбонагнетатель выхлопного газа и/или через второй турбонагнетатель выхлопного газа снижают в зависимости от заданного значения рабочего параметра большого дизельного двигателя.
На практике, редукционное средство в соответствии с настоящим изобретением представляет собой управляемый газовый клапан и/или запорный клапан и/или дроссельный клапан и/или любое другое редукционное средство, которое обеспечивает уменьшение выходной площади из выпускного коллектора путем вывода одного или нескольких турбонагнетателей из эксплуатации и/или - для снижения расхода газа, по меньшей мере, через один турбонагнетатель для достижения лучшей частичной нагрузочной характеристики - путем регулирования, например, управляемого газового клапана в соответствии с предписываемым значением расхода газа через турбонагнетатель. С другой стороны, когда нагрузка двигателя увеличивается, расход газа через турбонагнетатель также увеличивается и/или два или более турбонагнетателей включаются последовательно в зависимости от заданного значения оптимального рабочего параметра большого дизельного двигателя.
В связи с конкретным вариантом осуществления изобретения отметим, что для достижения оптимальной продувки и лучшего сгорания для приемлемых температур компонентов и продленных МРП во время непрерывной эксплуатации, например, в диапазоне нагрузок от 30 до 50%, в настоящем изобретении предлагается отключать один или более турбонагнетателей. Отключение турбонагнетателя уменьшает эффективную площадь сопел, увеличивая отношение давлений на работающей турбине турбонагнетателя до значений, соответствующих оптимизированному рабочему состоянию большого дизельного двигателя.
Эффектом этого является сниженная длительность сгорания, которая проявляется в пониженной температуре выхлопного газа и пониженных температурах камер сгорания. В результате, даже если большой дизельный двигатель постоянно работает в упомянутом диапазоне низких нагрузок, риск отказа компонентов и уменьшение межремонтного периода (МРП) не ожидается. При этом снижение выброса оксидов азота достигается без повышения тепловой нагрузки двигателя и без существенных конструктивных изменений, вследствие чего существующие двигатели можно также эксплуатировать, пользуясь способом в соответствии с изобретением, или можно модифицировать посредством простых мер, не оказывая негативное влияние на степень эффективности, т.е. без повышенного расхода топлива и/или без необходимости учета снижения мощности.
То есть в оптимизированной точке можно достичь эффективности турбонагнетателей при частичной нагрузке, как поясняется посредством фиг.3;
в оптимизированной точке можно достичь давления продувки при частичной нагрузке, т.е. лучшей продувки;
большее отношение количества воздуха, содержащегося в герметичной системе, к количеству топлива в топливовоздушной смеси, то есть - оптимизированное значение λ, достигается при более низких температурах компонентов, как показано на фиг.4.
x
Это применимо, например, в связи с изменением других параметров настройки двигателя, таких, как синхронизация выпускного клапана для лучшего компромисса между удельным потреблением горючего (УПГ) и выбросами NO в области частичной нагрузки. В частности, когда нагрузка превышает определенное предписанное значение, в зависимости от установки, все турбонагнетатели будут включены. Для предотвращения избыточного сжатия в цилиндре из-за высокого давления продувочного воздуха или увеличения давления сверх предписанного значения без включения всех турбонагнетателей, можно также предусмотреть систему защиты от отказов. Помимо прочих, одним из важнейших преимуществ способа и дизельного двигателя в соответствии с настоящим изобретением является оптимальная термодинамическая рабочая характеристика двигателя во всем диапазоне нагрузок.
В конкретном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, редукционное средство предусмотрено, например, в коллекторе выхлопного газа большого двухтактного дизельного двигателя. Понятно, что редукционное средство может быть предусмотрено в любом подходящем положении у системы турбонагнетателей выхлопных газов или внутри нее, например в первом газозаборном канале для выхлопного газа и/или первом газовыпускном канале для выхлопного газа первого турбонагнетателя выхлопного газа, и/или редукционное средство может быть предусмотрено во втором газозаборном канале для выхлопного газа и/или втором газовыпускном канале для выхлопного газа второго турбонагнетателя выхлопного газа.
На практике, редукционное средство является, в частности, управляемым газовым клапаном и/или запорным клапаном и/или дроссельным клапаном.
Что касается способа в соответствии с настоящим изобретением, то на практике весьма важно, что рабочий параметр является нагрузкой и/или скоростью вращения и/или температурой выхлопного газа и/или давлением выхлопного газа и/или отношением давлений выхлопного газа и/или другим подходящим рабочим параметром, а в предпочтительном варианте управление редукционным средством осуществляют с помощью блока управления в зависимости от рабочего параметра, в частности, для регулирования эффективности турбонагнетателей до достижения заданного значения эффективности, и/или предусматривают систему защиты от отказов для предотвращения избыточного давления в цилиндре.
В соответствии с настоящим изобретением, большой двухтактный дизельный двигатель эксплуатируют в диапазоне нагрузок от 10% до 90% максимальной нагрузки, в частности, в диапазоне нагрузок от 20% до 70% максимальной нагрузки, предпочтительно - в диапазоне нагрузок от 30% до 50% максимальной нагрузки, в частности - при 45% или при 55% максимальной нагрузки, и/или большой двухтактный дизельный двигатель эксплуатируют в диапазоне скоростей от 10% до 90% максимальной скорости вращения, в частности, в диапазоне скоростей от 20% до 90% максимальной скорости вращения, предпочтительно - в диапазоне скоростей от 70% до 85% максимальной скорости вращения, в частности - при 70% или при 80% максимальной скорости вращения.
x
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, отношение количества воздуха, содержащегося в герметичной системе, к количеству топлива в топливовоздушной смеси, регулируют до достижения заданной температуры сгорания и/или снижают содержание вредного вещества в газообразных продуктах сгорания, в частности снижают содержание NO.
В конечном счете, при осуществлении способа в соответствии с изобретением используется изящная комбинация термодинамических процессов в самых разнообразных частях двигателя во время такта сжатия в цилиндре, при сжатии в нагнетателе выхлопного газа, при охлаждении в нагнетателе выхлопного газа, и т.д., что, в конце концов, приводит к описанным положительным эффектам во время эксплуатации большого дизельного двигателя путем использования способа в соответствии с изобретением.
Изобретение также относится к большому двухтактному дизельному двигателю с продольной продувкой цилиндров, предназначенному для осуществления способа в соответствии с изобретением, в котором поршень выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения по рабочей поверхности цилиндра между нижней мертвой точкой и верхней мертвой точкой, при этом упомянутый большой двухтактный дизельный двигатель содержит впрыскивающее сопло для подачи топлива в цилиндр большого дизельного двигателя, причем во впускной области цилиндра, имеющейся в цилиндре, предусмотрены продувочные щели для подачи заданного количества продувочного воздуха, а в крышке цилиндра, имеющейся в цилиндре, предусмотрен выпускной клапан для выпуска газообразных продуктов сгорания. В рабочем состоянии, свежий воздух, получаемый при давлении окружающей среды, всасывается первым турбонагнетателем выхлопного газа и/или вторым турбонагнетателем выхлопного газа, и упомянутый свежий воздух подается в цилиндр в качестве продувочного воздуха при заданном давлении нагнетаемого воздуха через продувочные щели, так что в цилиндре может образовываться воспламеняющаяся газовая смесь из продувочного воздуха и топлива. В соответствии с изобретением, предусмотрено, по меньшей мере, одно редукционное средство предусмотрено в коллекторе выхлопного газа большого двухтактного дизельного двигателя и/или редукционное средство предусмотрено в первом газозаборном канале для выхлопного газа и/или первом газовыпускном канале для выхлопного газа первого турбонагнетателя выхлопного газа и/или редукционное средство предусмотрено во втором газозаборном канале для выхлопного газа и/или втором газовыпускном канале для выхлопного газа второго турбонагнетателя выхлопного газа.
В связи с конкретным вариантом осуществления, на практике очень важно, что редукционное средство управляется газовым клапаном, и/или запорным клапаном, и/или дроссельным клапаном.
В предпочтительном варианте предусмотрен датчик для измерения рабочего параметра, в частности датчик температуры, и/или датчик давления, и/или датчик скорости, и/или датчик нагрузки для измерения нагрузки, и/или скорости вращения, и/или температуры выхлопного газа, и/или давления выхлопного газа, и/или отношения давлений выхлопного газа, и/или другого подходящего рабочего параметра. Кроме того, управление редукционным средством можно осуществлять с помощью блока управления в зависимости от рабочего параметра, в частности для регулирования эффективности турбонагнетателей до достижения заданного значения эффективности, и/или для предотвращения избыточного давления в цилиндре предусматривают систему защиты от отказов.
Большой двухтактный дизельный двигатель в соответствии с изобретением на практике может быть двигателем с электронным управлением, модифицированным в соответствии с изобретением, в частности двигателем Wärtsilä RT-Flex или двигателем MAN B&W ME, в которых осуществляется независимое электронное регулирование угла открывания и/или угла закрывания выпускного клапана и/или момента времени впрыска и/или длительности впрыска, а в предпочтительном варианте возможно гидравлическое управление этими параметрами.
Более подробное пояснение изобретения будет приведено с помощью прилагаемых чертежей, на которых:
фиг.1 - схематический вид принципиальной конструкции известного большого двухтактного дизельного двигателя с продольной продувкой цилиндров с системой турбонагнетателей выхлопных газов;
фиг.2 - большой двухтактный дизельный двигатель в соответствии с изобретением;
фиг.3 - иллюстрации эффективности турбонагнетателей как функция нагрузки в рабочем состоянии; и
фиг.4 - иллюстрация температуры Т компонентов как функции отношения λ количества воздуха, содержащегося в герметичной системе, к количеству топлива в топливовоздушной смеси.
На фиг.1, в виде схематического изображения для пояснения взаимодействия различных компонентов, показана принципиальная конструкция системы турбонагнетателей выхлопных газов большого дизельного двигателя, известного из уровня техники, причем этот дизельный двигатель выполнен в виде большого двухтактного дизельного двигателя с продольной продувкой цилиндров. В нижеследующем тексте большой дизельный двигатель, соответствующий фиг.1 и известный из уровня техники, обозначается позицией 1.
Чтобы можно было ясно понять отличие настоящего изобретения от вариантов осуществления, присущих известному уровню техники, позиции вариантов осуществления, присущих известному уровню техники, имеют символ кавычки, а позиции, относящиеся к признакам конкретных вариантов осуществления в соответствии с настоящим изобретением, не имеют символа кавычки.
Большой дизельный двигатель 1', известный из уровня техники, обычно включает в себя скомпонованные способом, который сам по себе известен, множество цилиндров 2' с выпускным клапаном 5', расположенным в крышке цилиндра, имеющейся в цилиндре 2', и с поршнем 20', выполненным с возможностью перемещения взад и вперед в цилиндре 2' по рабочей поверхности между нижней мертвой точкой UT' и верхней мертвой точкой OT'. Стенки цилиндра, имеющиеся в цилиндре 2', с крышкой цилиндра и поршнем 20' цилиндра ограничивают пространство сгорания цилиндра 2' известным образом. Во впускной области цилиндра 2' предусмотрено множество отверстий 3' для продувочного воздуха, которые предназначены для того, чтобы служить в качестве продувочных щелей 3'. В зависимости от положения поршня 20', продувочные щели 3' закрыты или раскрыты поршнем. Продувочный воздух 4', называемый также нагнетаемым воздухом 4', может течь в пространство сгорания цилиндра 2' через отверстия 3' для продувочного воздуха. Газообразные продукты 6' сгорания, возникающие во время сгорания, текут через выпускной клапан 5', расположенный в крышке цилиндра, через канал 10' для выхлопного газа, который часто выполнен как коллектор 10' выхлопного газа, примыкающий к выпускному клапану 5', в турбонагнетатель 8' выхлопного газа.
В соответствии с компоновкой, которая сама по себе известна, турбонагнетатель 8' выхлопного газа включает в себя в качестве существенных компонентов компрессор с ротором 802' компрессора для сжатия свежего воздуха 7', а также турбину с ротором 801' турбины для осуществления привода ротора 802' компрессора, неподвижно соединенного с ротором 801' турбины посредством вала. Турбина и компрессор расположены в корпусе и образуют турбонагнетатель 8' выхлопного газа, который в данном случае выполнен как радиальный компрессор на компрессорной стороне. Привод турбины осуществляется горячими газообразными продуктами 6' сгорания, текущими в нее из пространства сгорания цилиндра 2'.
Для нагнетания свежего воздуха 4' в камеру сгорания цилиндра 2', свежий воздух 7' всасывается в нее посредством ротора 802' компрессора через воздухозаборный ниппель и сжимается в турбонагнетателе 8' выхлопного газа до достижения повышенного давления, которое несколько выше, чем давление нагнетаемого воздуха, в конце концов преобладающее в цилиндре 2'. Сжатый свежий воздух 7' выходит из турбонагнетателя 8' выхлопного газа в качестве продувочного воздуха 4' сквозь последующий диффузор 1000' и охладитель 1001' нагнетаемого воздуха через водоотделитель 1002' во впускной ресивер 1003', который предпочтительно выполнен в виде ресиверного пространства 1003' и из которого сжатый свежий воздух 7' в качестве продувочного воздуха, в конечном счете, выходит через продувочные щели 3' при повышенном давлении нагнетаемого воздуха в пространство сгорания цилиндра 2'.
На фиг.2 схематически показан большой дизельный двигатель в соответствии с настоящим изобретением, причем этот дизельный двигатель выполнен в виде большого двухтактного дизельного двигателя, имеющего множество цилиндров и турбонагнетателей выхлопных газов, как описано с помощью фиг.1.
Критическое различие между большим двухтактным дизельным двигателем в соответствии с настоящим изобретением, который показан на фиг.2, и известным двигателем в соответствии с фиг.1, заключается в том, что большой дизельный двигатель, который в нижеследующем тексте обозначен как единое целое позицией 1, включает в себя редукционное средство 9, 91, 92, 93, которое обеспечивает в данном примере снижение расхода выхлопного газа через турбонагнетатель 81 выхлопного газа.
Большой двухтактный дизельный двигатель 1 с продольной продувкой цилиндров в соответствии с данным изобретением, показанный на фиг.2, содержит множество поршней 20, каждый из которых выполнен с возможностью перемещения взад и вперед по рабочей поверхности между нижней мертвой точкой UT и верхней мертвой точкой OT в соответствующем цилиндре 2. Двигатель дополнительно содержит впрыскивающее сопло для подачи топлива в цилиндр 2 большого дизельного двигателя, при этом во впускной области цилиндра 2 предусмотрено множество продувочных щелей 3 для подачи заданного количества продувочного воздуха 4, а в крышке цилиндра, имеющейся в цилиндре 2, предусмотрен впускной клапан 5 для выпуска газообразных продуктов 6 сгорания. В рабочем состоянии, свежий воздух 7, получаемый при давлении окружающей среды, всасывается первым турбонагнетателем 8, 81 выхлопного газа и/или вторым турбонагнетателем 8, 82 выхлопного газа, и упомянутый свежий воздух 7 подается в цилиндр в качестве продувочного воздуха 4 при заданном давлении нагнетаемого воздуха через продувочные щели 3, так что в цилиндре 2 может образовываться воспламеняющаяся газовая смесь из продувочного воздуха 4 и топлива. Понятно, что соответствующие конкретные варианты осуществления настоящего изобретения могут предусматривать наличие более трех цилиндров 2, например - шести, двенадцати, четырнадцати или любого другого количества цилиндров 2, и вследствие этого большой дизельный двигатель 1 может иметь более двух турбонагнетателей 8 выхлопных газов.
В соответствии с изобретением, редукционное средство 9, 91, 92, 93 для снижения расхода выхлопного газа, в данном примере - расхода выхлопного газа через первый турбонагнетатель 81 выхлопного газа, предусмотрено для снижения расхода выхлопного газа через первый турбонагнетатель 81 выхлопного газа, в частности - в зависимости от заданного значения рабочего параметра большого дизельного двигателя 1.
В данном примере согласно фиг.2, редукционное средство 9, 91, 92, 93 предусмотрено в первом газозаборном канале 810 для выхлопного газа первого турбонагнетателя 81 выхлопного газа. Излишне говорить, что в другом варианте осуществления настоящего изобретения редукционное средство 9, 91, 92, 93 также может быть предусмотрено в первом газовыпускном канале 811 для выхлопного газа первого турбонагнетателя 81 выхлопного газа и/или во втором газозаборном канале 820 для выхлопного газа и/или во втором газовыпускном канале 821 для выхлопного газа второго турбонагнетателя 82 выхлопного газа.
Как уже упоминалось, возможен также вариант, в котором редукционное средство 9, 91, 92, 93 предусмотрено в коллекторе 10 выхлопного газа большого двухтактного дизельного двигателя.
В связи с конкретным вариантом осуществления согласно фиг.2 отметим, что редукционным средством 9 является управляемый газовый клапан 91, при этом предусмотрен датчик 900 для измерения рабочего параметра, который в данном примере согласно фиг.2 является датчиком 900 температуры.
Большой дизельный двигатель, соответствующий фиг.2, дополнительно содержит блок управления, предназначенный для управления редуцирующим средством 91 в зависимости от рабочего параметра, которым в данном примере является температура выхлопного газа 6, для регулирования эффективности Е турбонагнетателя до заданного значения эффективности. Также предусмотрена система защиты от отказов, чтобы предотвратить избыточное давление в цилиндре 2. Из соображений ясности изображения, и система защиты от отказов, и блок управления не показаны на фиг.2.
Что касается конкретного варианта осуществления согласно фиг.2, то для достижения оптимальной продувки и лучшего сгорания для приемлемых температур компонентов и более продолжительных МРП во время непрерывной эксплуатации, например, в диапазоне нагрузок от 30 до 50%, можно отключать первый турбонагнетатель 81 выхлопного газа управляемым газовым клапаном 91. Отключение первого турбонагнетателя 81 выхлопного газа уменьшает эффективную площадь сопла, увеличивая отношение давлений на работающей турбине остающегося включенным второго турбонагнетателя 82 выхлопного газа до значений, соответствующих оптимизированному рабочему состоянию большого дизельного двигателя 1. То есть эффективность Е турбонагнетателя, характерную для второго турбонагнетателя 82 выхлопного газа, регулируют до достижения заданного значения эффективности.
Регулировка эффективности Е турбонагнетателей показана на фиг.3. График согласно фиг.3 отображает эффективность Е турбонагнетателей в зависимости от нагрузки L большого дизельного двигателя 1 в рабочем состоянии, при этом на фиг.4 отображена температура Т компонентов как функция отношения λ количества воздуха, содержащегося в герметичной системе, к количеству топлива в топливовоздушной смеси.
Кривая В на фиг.3 и точка В кривой С на фиг.4 соответствуют рабочим состояниям большого дизельного двигателя 1, в которых все турбонагнетатели 8 большого дизельного двигателя 1 находятся в эксплуатации. Можно ясно заметить, что в случае, когда все турбонагнетатели 8 большого дизельного двигателя 1 находятся в эксплуатации, эффективность турбонагнетателей будет уменьшаться, в частности, в диапазоне нагрузок ниже 50%, и поэтому - в соответствии с фиг.4 - отношение λ количества воздуха, содержащегося в герметичной системе, к количеству топлива в топливовоздушной смеси тоже будет уменьшаться, и это приведет к повышенной температуре Т выхлопного газа, а в результате - к повышенным температурам Т компонентов камеры сгорания.
Эффект отключения одного или более турбонагнетателей 8 представлен кривой А согласно фиг.3 и точками А на кривой С согласно фиг.4. Отключение одного или более турбонагнетателей 8 в диапазоне низких нагрузок, например - в диапазоне нагрузок ниже 50%, приведет - в соответствии с фиг.3 - к максимуму эффективности Е турбонагнетателей в диапазоне низких нагрузок, например, на уровне около 50% максимальной нагрузки большого дизельного двигателя 1, и приведет при этом к уменьшению температуры выхлопного газа, соответствующей точке А на кривой С, как показано на фиг.4.
Эффектом этого становится уменьшенная длительность сгорания, которая проявляется как пониженная температура выхлопного газа и пониженные температуры компонентов камеры сгорания. В результате, даже если большой дизельный двигатель постоянно работает в упомянутом диапазоне низких нагрузок, риск отказа компонентов и уменьшение межремонтного периода (МРП) не ожидается. При этом снижение выброса оксидов азота достигается без повышения тепловой нагрузки двигателя и без существенных конструктивных изменений, вследствие чего существующие двигатели можно также эксплуатировать, пользуясь способом в соответствии с изобретением, или можно модифицировать посредством простых мер, не оказывая негативное влияние на степень эффективности, т.е. без повышенного расхода топлива и/или без необходимости учета снижения мощности.
Следует понять, что все варианты осуществления в соответствии с изобретением, описанные в этой заявке, должны восприниматься просто в качестве примера, а в частности, все варианты осуществления, описанные или очевидные в контексте настоящего изобретения, могут быть предусмотрены по отдельности или в любых подходящих комбинациях в конкретных примерах вариантов осуществления в соответствии с изобретением, так что все подходящие комбинации вариантов осуществления, описанные в этом изобретении, включены в настоящее изобретение и охватываются им.
Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение может быть осуществлено во многих других конкретных формах в рамках объема притязаний изобретения. В частности, следует понять, что настоящее изобретение может быть осуществлено в следующих формах.