技术摘要：
本发明涉及具有辅助鼓风机的大型发动机和操作方法。纵向扫气大型发动机(1)具有至少一个气缸(2)，该气缸具有用于燃烧空气‑燃料混合物的燃烧室(20)、用于将增压空气(42)供应到气缸中的扫气空气开口(21)和用于将燃烧气体从气缸排出的出口阀。大型发动机还包括：用于增压  全部
背景技术：
大型发动机可以设计为二冲程或四冲程发动机，例如设计为纵向扫气二冲程大型 柴油发动机。这种大型发动机通常用作船舶的驱动单元或者甚至用于固定操作中，例如用 于驱动大型发电机以产生电能。发动机通常在连续操作中运行相当长的时间，这对操作安 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。 几年来，废气的质量是另一个重要的问题，其重要性日益增加，特别是废气中的氮 氧化物浓度。在此，用于相应的排放阈值的法定要求和极限值越来越加强。结果，特别是在 二冲程大型柴油发动机中，被污染物高度污染的传统重燃料油的燃烧以及柴油或其它燃料 的燃烧变得更有问题，因为符合排放阈值变得越来越困难，技术上更复杂，因此更昂贵，或 者最后，不可能进行有意义的符合。 因此，在实践中，长期以来存在对所谓的“双燃料发动机”的需求，即，能够以两种 不同燃料操作的发动机。在气体模式中，燃烧气体(例如天然气，如LNG(液化天然气))或采 取液化石油气形式的气体或适于驱动内燃发动机的另一种气体，而在液体模式中，可以在 同一发动机中燃烧合适的液体燃料，如汽油、柴油、重燃料油、醇类、油衍生物和它们的水混 合物、生物燃料或其它合适的液体燃料。在这种情况下，发动机可以是二冲程和四冲程发动 机，特别是纵向扫气二冲程大型柴油发动机。 因此，双燃料大型柴油发动机不仅可以在柴油操作中操作(柴油操作的特征在于 燃料的自燃)，而且可以在奥托操作中操作(奥托操作的特征在于燃料的强制点火)。特别 地，燃料的自燃也可用于另一燃料的强制点火。 在液体模式中，通常将燃料直接引入到气缸的燃烧室中，并根据自燃原理或根据 扩散燃烧原理在燃烧室中燃烧。在气体模式中，已知的是根据奥托原理将气态气体与扫气 空气混合，以便在气缸的燃烧室中产生可燃的混合物。在这种低压方法中，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执行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。当然，空气-气体混合物也可以以本身已知的另一种 方法电气地点火或强制点火。双燃料发动机在操作期间可从气体模式切换到液体模式，反 之亦然。 尤其在气体模式中，扫气空气与气体的正确比率，即所谓的空气-气体比或空气- 燃料比的调节至关重要。在液体模式或柴油模式中，空气与燃料的这种比率也很重要，但是 在气体模式中非最佳空气-燃料比的影响通常比在液体模式中更显著。 用于大型发动机中的气缸的扫气空气或增压空气通常由涡轮增压器提供，涡轮增 压器产生扫气空气的质量流，扫气空气的质量流准备在扫气空气压力或增压压力下引入气 4 CN 111550307 A 说　明　书 2/8 页 缸中。涡轮增压器，也称为废气涡轮增压器，通常包括涡轮和由涡轮驱动的压缩机，其中涡 轮由来自大型发动机的废气驱动。压缩机吸入新鲜的环境空气并对环境空气进行压缩以提 供扫气空气。通常，增压空气冷却器仍然位于涡轮增压器的下游，以在扫气空气被供应到气 缸之前冷却扫气空气。 由涡轮增压器供应的扫气空气量或产生的增压压力取决于大型发动机的负载，并 因此取决于大型发动机的功率或扭矩或转速。此外，通常借助于排气阀来调节涡轮增压器 的功率，排气阀也被称为废气门阀。借助于该排气阀可以调节供应到涡轮的废气的质量流。 如果排气阀完全打开或部分打开，则一部分废气被引导而越过涡轮压器的涡轮，使得它不 能提供其最大可能的功率。如果排气阀完全关闭，则废气的全部质量流被供应到涡轮增压 器的涡轮，使得涡轮增压器因而提供其最大可能的功率，即，其产生扫气空气的最大可能的 质量流。 已知的是，根据大型发动机当前操作的负载来改变排气阀的调节，从而改变供应 至涡轮增压器以用于驱动的废气的质量流。其目的在于，对于相应的负载条件，保持由涡轮 增压器产生的增压压力恒定，该增压压力基本上是压缩机出口处的空气压力。通常，期望的 增压压力随着大型发动机的负载的增加而增加。例如，在较低负载范围内比在中间或较高 负载范围内需要更低的增压压力。因此，在用于大型发动机的发动机控制单元或检查装置 中存储数据，该数据将增压压力分配给大型发动机的每个负载或负载范围。然后，根据当前 负载，调节废气阀，使得涡轮增压器为扫气空气提供所希望的增压压力。 特别地，如果根据奥托原理以气体模式操作，则空气-气体比的正确调节对于大型 发动机的优选低排放、高效和经济的操作至关重要。如果气体含量太高，则空气-气体混合 物变得太浓。混合物的燃烧过快或过早，这会导致高机械负载，导致大型发动机发生爆震， 并导致废气中污染物的显著增加。由于燃烧过程因此不再与气缸中的活塞运动正确地匹 配，因此这尤其还导致燃烧部分地克服活塞的运动而做功。 即使在现代大型发动机中在正常操作条件下正确调节空气-气体比不再是主要问 题，也存在特定的操作条件，这会导致相当大的困难。 举例来说，这里可以提及大型发动机的快速负载变化和低负载范围，这导致涡轮 增压器中的增压空气的质量流减少。增压空气的这种减少的质量流尤其在对空气-气体比 非常敏感的气体操作中可能导致这样的事实，即，气体燃烧进入空气不足区域，即，气缸中 的空气-气体比减小，并且可能发生空气-气体混合物变得太浓，使得大型发动机进入太快 且不稳定燃烧的区域，这导致高的机械负载或非常高的污染物排放。 为了解决这些问题，在现有技术中使用具有单一转速的辅助鼓风机以提供足够的 增压空气，该增压空气可以经由进气接收器供应到气缸。然而，这些具有单一转速的辅助鼓 风机对于大型发动机的低负载范围来说会产生过大的质量流，由此空气-燃料混合物包含 太多的空气，这会导致不稳定的燃烧或不点火。 EP3109444因此公开了一种用于操作大型发动机的方法，即所谓的“eEVO程序”(排 气阀提前打开)，该方法使得能够在低负载范围内稳定燃烧。为此，在低负载范围内，以15° 和80°之间的曲柄角打开大型发动机的气缸上的出口阀(排气阀的“提前打开”)，以便调节 空气-燃料比。尽管该方法在实践中已经证明非常成功，以便即使在较低的负载范围内也能 将空气-燃料比保持在期望的限度内，但是从能量的观点来看，这是不太有利的，因为在燃 5 CN 111550307 A 说　明　书 3/8 页 烧过程中产生的能量的一部分通过提前打开而消散到排气系统中，并且因此不再可用于使 活塞向下移动的膨胀功。因此，在较低负载范围内，该方法导致气体消耗增加，并因此导致 大型发动机的能量效率降低。 作为出口阀提前打开的替代，在现有技术中已知使用具有可调节转速的辅助鼓风 机。一方面，这些具有可调节转速的辅助鼓风机非常昂贵，另一方面，它们通常反应太慢， 即，对于快速负载变化仅做出非常缓慢的反应。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提出一种大型发动机，该大型发动机避免了现有技术中已 知的缺点。此外，本发明的目的是提出一种用于操作大型发动机的改进方法，该方法避免了 现有技术中已知的缺点。 满足这些目的的本发明的主题的特征在于如下大型发动机及其操作方法。 本发明涉及一种纵向扫气大型发动机，该大型发动机具有至少一个气缸，该气缸 具有用于燃烧空气-燃料混合物的燃烧室、用于将增压空气供应到气缸中的扫气空气开口 和用于将燃烧气体从气缸排出的出口阀。此外，大型发动机包括：用于增压空气的进气接收 器，该进气接收器流动连接到扫气空气开口；和涡轮增压器，该涡轮增压器可借助于燃烧气 体驱动以在进气接收器中提供增压空气。此外，大型发动机包括至少一个辅助鼓风机，利用 该辅助鼓风机能够将附加扫气空气引入到进气接收器中。在此，在辅助鼓风机上游布置有 节流装置，利用该节流装置能够改变附加扫气空气的质量流。 通过本发明，能够实现适合于大型发动机的负载和操作条件的增压空气的质量 流，使得能够在燃烧室中调节空气和燃料的正确比率，从而避免不稳定的燃烧和不点火。在 此，增压空气的质量流经由节流装置的流动横截面来修改。 利用根据本发明的具有节流装置的辅助鼓风机，还可以以这样的方式在大型发动 机的低负载范围内调节附加扫气空气的质量流，即：防止由于过高比例的空气引起大型发 动机中发生不稳定燃烧。特别地，全负载的35％或更小的负载被认为是大型发动机的低负 载范围或小负载范围。特别地，接近0％，特别是0.5％至15％，特别是5％至35％的负载可以 被认为是大型发动机的低负载范围或小负载范围。此外，低负载范围或小负载范围是这样 的操作范围，在该操作范围中，仅涡轮增压器(即没有辅助鼓风机)不能为增压空气提供足 够的质量流。 在特别优选的实施方式中，节流装置包括节流阀和可由节流阀关闭的开口。这里， 附加扫气空气的质量流可以通过调节节流阀的打开角度来调节。打开角度是节流装置的开 口与节流阀之间的角度。如果打开角度是90°，则节流阀完全打开，并且能够实现从辅助鼓 风机到进气接收器的附加扫气空气的最大质量流。如果打开角度为0°，则节流阀完全关闭， 并且从辅助鼓风机到进气接收器没有附加扫气空气的质量流。 节流阀可以铰接到节流装置的开口的一侧，或者以蝶形阀的形式可旋转地居中地 附接到节流装置的开口。 在大型发动机的低负载范围内，优选地，将打开角度调节在45°和90°之间，特别是 在50°和90°之间，尤其是在60°和90°之间。当然，根据操作条件，可以将打开角度调节到0° 和90°之间的任何值。 6 CN 111550307 A 说　明　书 4/8 页 通常，附加扫气空气的质量流通过减小打开角度而减小，并且通过增大打开角度 而增大。通过减小打开角度使节流装置的流动横截面减小，并且通过增大打开角度使节流 装置的流动横截面增大。 当然，节流装置也可以设计为合适的阀、门阀、球阀或其它截流装置，它们允许调 节流动横截面。 特别优选地，根据本发明的辅助鼓风机仅能以一个转速操作。为此，辅助鼓风机例 如由以固定频率操作的电动马达驱动，例如由以市电频率供电的同步马达驱动。此外，在辅 助鼓风机的下游可以布置有止回装置，使得增压空气仅可以在进气接收器的方向上流动。 在此，在涡轮增压器的剧烈操作(在进气接收器中增压空气压力高)期间，避免增压空气从 进气接收器例如回流到辅助鼓风机。 此外，大型发动机可以包括控制装置，该控制装置用于借助于节流装置对附加扫 气空气的质量流进行依赖于负载的控制。节流装置的流动横截面，尤其是节流阀的打开角 度或滑动件的位置因而由控制装置调节并适应于相应的操作条件。例如，如果涡轮增压器 供应太多的增压空气以致存在过高空气-燃料比的风险，则控制装置至少部分地关闭节流 装置，使得由辅助鼓风机供应到进气接收器的扫气空气的质量流减少，由此气缸中的空气- 燃料比转变到较低值。在由涡轮增压器和辅助鼓风机供应的增压空气的总流量将过高的低 负载范围内，控制装置控制或调节节流装置，并且因此控制或调节由辅助鼓风机供应的附 加增压空气的质量流，使得在气缸中实现正确的空气-燃料比。 对于许多应用，具有节流装置的辅助鼓风机可以用作eEVO(排气阀提前打开)过程 的替代，由此使得大型发动机能够在低负载范围内进行显著更节能的操作，并且同时可以 避免不利的扭转振动。然而，应当理解，还可以将根据本发明的解决方案与eEVO过程相结 合，例如通过不将用于打开出口阀的曲柄角那么多地转变到比通常的eEVO过程中低的值， 而是通过将出口阀的较早打开与根据本发明的辅助鼓风机的节流相结合而将气缸中的空 气-燃料比调节到正确的值。 在优选实施方式中，纵向扫气大型发动机设计为纵向扫气二冲程大型柴油发动 机。 特别地，大型发动机也可以设计为双燃料大型柴油发动机，该发动机可以以液体 模式操作，其中液体燃料被引入燃烧室中用于燃烧，并且该发动机也可以以气体模式操作， 其中气体作为燃料被引入燃烧室中。 本发明还涉及一种用于操作根据本发明的纵向扫气大型发动机的方法。这里，根 据本发明的大型发动机设置有辅助鼓风机和节流装置，并且通过改变辅助鼓风机的上游的 流动横截面来调节附加扫气空气的质量流。辅助鼓风机的上游的流动横截面通过节流装置 改变。如果节流装置包括节流阀，则流动横截面可以如上所述经由节流阀的打开角度改变。 优选地，根据大型发动机的负载借助于节流装置来控制辅助鼓风机的上游的流动 横截面。为此，尤其是，可以随着大型发动机的负载的增加而借助于节流装置连续地增加流 动横截面。这例如可以借助可预先确定的方案来实现，该方案为大型发动机的每个负载分 配特定的流动横截面。 在非常简单的实施方式中，节流装置也可仅具有两个或几个位置。在两个位置上， 例如，一个位置是流动横截面完全打开的位置(未节流状态)，而另一个位置(节流状态)是 7 CN 111550307 A 说　明　书 5/8 页 流动横截面通过节流装置减小的位置。然后，例如可以以可预先确定的负载值发生从未节 流状态到节流状态的切换。 替代地，可以根据大型发动机的负载借助于节流装置调节辅助鼓风机的上游的流 动横截面。为此，尤其是，根据大型发动机的负载借助于节流装置根据可预先确定的空气- 燃料比调节辅助鼓风机的上游的流动横截面。 附图说明 下面，基于实施方式并参考附图，在设备和工艺工程两方面更详细地解释本发明。 附图以示意图示出： 图1是根据本发明的纵向扫气大型发动机的实施方式的示意图； 图2是根据本发明的纵向扫气大型发动机的另一个实施方式；以及 图3是根据本发明的纵向扫气大型发动机的冷却器的横截面图。