技术摘要：
用于大型发动机的气缸装置以及冷却方法。本发明涉及一种用于大型发动机的具有气缸衬套和气缸盖的气缸装置。气缸装置具有冷却回路，该冷却回路以这样的方式连接到第一冷却入口、第二冷却入口、第一冷却出口和第二冷却出口，即，冷却流体能够从第一冷却出口被引导到第一  全部
背景技术：
可以被设计为二冲程或四冲程发动机的大型发动机(例如，纵向扫气二冲程大型 柴油发动机)通常被用作船舶的驱动单元或者甚至用于固定的操作，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，这对操作安全和可用性提 出了高要求。因此，特别长的维护间隔、低磨损和操作材料的经济处理是经营者的中心标 准。大型发动机通常具有内径(孔)至少为200mm的气缸。现在，使用具有高达1000mm或甚至 更大的孔的大型发动机。 已知不同类型的大型发动机，它们中的每一个都可以被设计为二冲程或四冲程发 动机。关于经济和有效的操作、符合废气排放阈值和资源的可用性，还在寻求作为传统上用 作大型发动机的燃料的重质燃料油的替代品。在这方面，既使用液体燃料(即，以液体状态 引入到燃烧室的燃料)，又使用气体燃料(即，以气体状态引入到燃烧室的燃料)。 液体燃料的示例是各种质量等级的重质燃料油、煤油、柴油和汽油、醇(特别是甲 醇或乙醇)、生物产生的燃料(生物燃料)(例如，FAME，其部分地与上述传统燃料混合，或者 还有乳液或悬浮液)。例如，已知的是，被称为MSAR(多相超细雾化残余物)的乳液被用作燃 料。众所周知的悬浮液是煤粉和水的悬浮液，其也被用作大型发动机的燃料。例如LNG(液化 天然气)的天然气、乙烷和丙烷被称为气体燃料，例如在作为LPG的混合物中。 单纯利用重质燃料油或单纯利用另一种基于石油的燃料来操作的另一众所周知 的替代是设计大型发动机，使得所述大型发动机可以用两种或多种不同的燃料来操作，其 中，根据操作情况或环境，这些发动机用一种燃料或另一种燃料来操作。这种大型发动机， 也称为多燃料大型发动机，其在操作期间可以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，或者可以从燃烧第二燃料的第二模式切换到燃烧第一燃料的第一模式。 此外，所述大型发动机同时用两种燃料操作也是可能的。例如，可以将第一燃料和第二燃料 两者喷射到一个或多个气缸中，使得燃烧过程基于第一燃料的燃烧和第二燃料的燃烧两者 (“燃料共享”)。然而，第一数量的气缸仅用第一燃料来操作同时第二数量的气缸仅用第二 燃料来操作也是可能的。 可以用两种不同燃料来操作的大型发动机的已知设计是目前使用术语“双燃料发 动机”的发动机的类型。一方面，这些发动机可以以气体模式操作(其中，气体燃料，例如天 然气、甲烷、乙烷、丙烷或低闪点液体LFL，例如甲醇、乙醇、LPG或DME)被引入到燃烧室中进 行燃烧，另一方面，这些发动机可以以液体模式操作(其中，例如重质燃料油或另一种液体 燃料的液体燃料可以在同一发动机中燃烧)。此外，双燃料发动机按同时使用两种燃料的混 合模式操作也是可能的。这些大型发动机可以是二冲程和四冲程发动机，尤其也可以是纵 向扫气二冲程大型柴油发动机。 4 CN 111550324 A 说　明　书 2/10 页 众所周知，在操作状态下气缸衬套承受的负载在气缸衬套的上部区域中特别高， 即，在操作状态下活塞穿过气缸盖附近的上止点的部分。在活塞的上止点位置附近(即，当 由气缸衬套、气缸盖和活塞包围的燃烧室的容积近似最小时)，空气燃料混合物被点燃，或 者其自身点燃。这导致气缸衬套中的高温和高压，所述高温和高压也承受强烈的动态变化， 这尤其是由于活塞的移动和燃烧室的不断变化的容积。 因此，长期以来已知例如在靠近气缸盖的气缸衬套的上端处设置冷却环，该冷却 环优选地配备有水冷却装置，使得所产生的热负载的至少一部分能够经由冷却环被引导离 开气缸衬套。由于目前为止在气缸中产生的热量的最大部分在气缸衬套的上部区域中出 现，因此也出现在气缸盖上，所以在现有技术中已知的气缸装置中，气缸衬套的上部区域中 的温度明显高于气缸衬套的下部区域中的温度。这意味着在现有技术中已知的气缸衬套 中，在气缸衬套的气缸壁中存在沿着气缸轴线的巨大温度梯度。换句话说，在气缸衬套的壁 的上部中，特别是与气缸盖相邻的部分的温度与期望的平均温度值相比过高，而气缸衬套 的下部的温度相对太低。 这具有本领域技术人员所公知的若干非常不同的负面效应。由于气缸衬套的壁的 不同区域中明显不同的温度，自然存在相应的内部机械畸变。例如，如果不采取额外的措 施，则气缸盖附近的气缸衬套的上部区域比气缸衬套的下部区域径向扩展得更大。这意味 着存在这样的风险，即在大型发动机的操作状态下，气缸衬套的上部区域的内径大于下部 区域的内径。这不仅导致活塞的活塞运行特性本身已知的缺点，并且因此导致活塞和衬套 运行表面之间的摩擦增加，而且当然还在径向方向上在气缸衬套的材料中产生相应的内应 力，并且相对于沿着气缸轴线的轴向方向在气缸衬套的材料中产生相应的内应力。大的温 度梯度自然也导致所涉及的机器部件的气缸衬套内的加速的或更强烈且不均匀的腐蚀过 程。 例如，如果在利用高硫燃料(例如，重质燃料油或柴油)的操作期间，气缸衬套被有 力地冷却以致于即使在发动机满负载的情况下，气缸衬套的上部区域也不会变得过热，这 会导致在部分负载操作期间，气缸衬套的较冷的下部区域中的露点下降到低于现有压力水 平的事实。这导致形成酸，尤其是形成亚硫酸和硫酸。 因此，有害酸的形成以及例如冷腐蚀可能因此受到气缸衬套中的温度分布的有利 或不利影响。列出的上述有害效果仅应被理解为示例，而绝不是穷举的。本领域技术人员非 常清楚许多其它负面结果。 EP2  848  786  A1公开了一种冷却装置，其中，在每种情况下为气缸盖和气缸衬套 提供了自己的单独冷却系统，并且在防止了衬套冷却流体与盖冷却流体之间的流动交换的 情况下，不存在盖冷却系统的冷却介质与衬套冷却系统的冷却介质的混合。 在现有技术中，还已知存在用于气缸衬套和气缸盖的共用冷却回路的冷却回路。 在此，将冷却流体从气缸衬套引导到气缸盖中。泵和止回阀可以用于调节已经使用过的冷 却流体(即，被加热的冷却流体)是否被再循环(即，退出气缸衬套的冷却流体是否部分地返 回到气缸衬套的冷却流体入口)。冷却流体的这种再循环尤其用于发动机的部分负载操作， 其中，泵用于再循环，泵被启动用于冷却流体的再循环。这种结构的缺点是，一旦泵被关闭， 泵就会发生由停机引起的损坏(由于空闲时间引起的损坏)。泵仅用于部分负载操作，而对 于满负载操作则关闭。 5 CN 111550324 A 说　明　书 3/10 页 因此，利用现有技术中已知的气缸装置，不仅可以预料所涉及的部件的使用寿命 大大降低，例如气缸衬套本身或至少气缸衬套的运行表面、活塞环、活塞、气缸盖和设置在 那里的部件，例如喷嘴、出口阀、液压阀、泵和设备等，而且在发动机的操作期间也可以预料 动力损失，从而导致燃料消耗增加，最终导致总成本更高和操作效率恶化。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提出一种避免了现有技术中的已知缺点的气缸装置。此外， 本发明的目的是提出一种避免了现有技术中的已知缺点的改进的大型发动机。本发明的另 一个目的是提出一种用于冷却大型发动机的改进方法，所述方法避免了现有技术中的已知 缺点。 因此，本发明涉及一种用于大型发动机的气缸装置，该大型发动机尤其可以是纵 向扫气二冲程大型柴油发动机。这里，气缸装置包括气缸衬套和气缸盖。活塞可以以公知的 方式安装在气缸衬套中，活塞在操作状态下按照使活塞的上侧连同气缸衬套的运行表面和 布置在气缸衬套上的气缸盖界定燃烧室的方式布置成能够沿着气缸衬套的气缸轴线在上 止点与下止点之间来回移动。气缸衬套具有用于将冷却流体供应到气缸衬套中的第一冷却 入口和用于从气缸衬套排出冷却流体的第一冷却出口。气缸盖具有用于将冷却流体供应到 气缸盖中的第二冷却入口和用于从气缸盖排出冷却流体的第二冷却出口。此外，气缸装置 包括冷却回路，该冷却回路按照使冷却流体能够从第一冷却出口引导到第一冷却入口和第 二冷却入口的方式连接到第一冷却入口、第二冷却入口、第一冷却出口和第二冷却出口。因 此，冷却流体可在操作状态下借助于冷却回路被引导至气缸衬套和气缸盖，以便将它们冷 却至可预先确定的温度或允许冷却水被加热至可预先确定的温度。为此，将可控的混合阀 布置在第一冷却出口与第一冷却入口之间的冷却回路中，由此将循环泵布置在混合阀与第 一冷却入口之间的冷却回路中，用于使冷却流体从第一冷却出口再循环到第一冷却入口。 在这种情况下，混合阀流动连接到循环泵、第一冷却出口和冷却流体供应部，冷却流体供应 部用于供应新鲜冷却流体并且被设计成使得能够调节冷却流体的可再循环量。 因此，对于本发明重要的是，可以以这样的方式调节混合阀，即，根据操作状况，特 别是满负载或部分负载、低硫或无硫或高硫操作，供应到气缸装置的第一冷却入口的冷却 流体可以优选是具有可预先确定的比例的新鲜冷却流体和再循环冷却流体的混合物，优选 具有数量比率的温度受控的适应。 新鲜冷却流体是指不是源自气缸衬套的第一冷却出口的冷的冷却流体，即，不是 之前在气缸衬套中被加热的冷却流体，而是源自冷却流体供应部的冷却流体，并且例如经 由热交换器被冷却或者从储存器被供应。 特别地，通过本发明可以实现尤其是根据操作状态的灵活调节操作温度。在根据 本发明的气缸装置中，操作温度可经由冷却流体或经由从第一冷却出口再循环到第一冷却 入口的冷却流体的量来调节。冷却流体的温度，特别是气缸衬套中的冷却流体的温度可以 容易地借助于可调节的混合阀来调节、调整或控制。这样，在部分负载操作中，特别是对于 含硫燃料，可以避免气缸衬套的过度冷却，这种过度冷却会导致形成腐蚀性物质，例如亚硫 酸或硫酸。 由于根据本发明的装置，可以避免由循环泵的停止引起的损坏(由于空闲时间 6 CN 111550324 A 说　明　书 4/10 页 (idle  time)引起的损坏)，因为循环泵可以在操作状态下(即，在发动机运行的情况下)持 久地使用，而不必由于具有混合阀的装置而被关闭。 在特别优选的实施方式中，混合阀可以设计为三通阀，特别是三通混合器。像切换 阀那样，三通混合器具有三个连接部，并且优选地按照如下方式切换：一个连接部连接到循 环泵；一个连接部连接到冷却流体供应部；一个连接部连接到第一冷却出口，以便能够使从 第一冷却出口离开的冷却流体的至少一部分再循环。三通混合器优选具有两个极端位置： 打开位置，在该打开位置，被引导到第一冷却入口的冷却流体完全源自冷却流体供应部， 即，关闭了从第一冷却出口到第一冷却入口的冷却流体的再循环；以及关闭位置，在该关闭 位置，将流出第一冷却出口的冷却流体完全再循环到第一冷却入口。三通混合器可以根据 需要在这两个极端位置之间调节，使得可以调节从第一冷却出口再循环到第一冷却入口的 冷却流体的量。在本发明的实施方式中，对于新鲜冷却流体和再循环冷却流体的混合物，打 开位置或打开位置与关闭位置之间的中间位置是优选的。具有新鲜冷却流体和再循环冷却 流体的混合物的中间位置可以根据操作状况被调节或调整或控制为新鲜冷却流体和再循 环冷却流体的不同混合比率，例如以在第一冷却出口处实现预定温度。根据本发明提供的 混合阀当然也可以设计为四通混合器或任意多通混合器或任意多通阀。 特别地，将混合阀设计为两个二通阀的组合也是可能的。在这种情况下，二通阀中 的一个用于调节从第一冷却出口再循环到第一冷却入口的冷却流体的量。另一个二通阀用 于调节新鲜冷却流体的量。 在实践中，可控的混合阀可经由控制系统以如下方式控制：冷却流体的可再循环 量可以调节。因此，经由对混合阀的控制，可以根据需要调节供应到第一冷却入口的再循环 冷却流体和新鲜冷却流体的混合物。这里，控制系统可以具体是包括电子单元的控制器或 控制混合阀的计算机实现的装置。如上已经描述的，混合阀也可由控制系统以如下方式控 制：防止或避免冷却流体从第一冷却出口再循环到第一冷却入口的，使得仅向第一冷却入 口供应新鲜冷却流体。 对混合阀的控制不必手动地进行。优选地，根据本发明的气缸装置包括传感器，以 便能够至少在很大程度上实现自动控制。在此，尤其第一温度传感器可以布置在冷却回路 上在流动方向上位于第一冷却出口后面。第一温度传感器优选地布置在第一冷却出口附 近，位于一方面可以将冷却流体供应到第一冷却入口并且另一方面可将冷却流体供应到第 二冷却入口的分支的上游的点处。温度传感器可以按照如下方式连接到控制系统：根据由 第一温度传感器测量到的冷却流体的温度来调节或者可以调节(尤其是可以调整或控制) 冷却流体的可再循环量。 此外，第二温度传感器可布置在冷却回路上在流动方向上位于第二冷却出口后 面，以便检测第二冷却出口处或邻近第二冷却出口的下游的冷却流体的温度。由第二温度 传感器检测到的温度优选地用于将新鲜冷却剂的温度调节到可预先确定的值。如果由第二 温度传感器检测到的温度对再循环的一定量的冷却流体没有直接影响，而是仅用于调节或 调整新鲜冷却剂的温度，这是优选实施方式。在此，在实践中，优选地对于由第二温度传感 器检测到的温度预先确定固定温度范围或固定温度，特别为60-100℃，优选地约为80℃-90 ℃。 在本发明的实施方式中，第二冷却入口可经由冷却回路连接到用于供应新鲜冷却 7 CN 111550324 A 说　明　书 5/10 页 流体的冷却流体供应部。通过这种装置，可以实现穿过气缸装置的均匀的容积流量，因为例 如通过补偿管线，一定量的再循环冷却流体(即，为进一步冷却不直接到达进入气缸盖中的 冷却流体)可以被新鲜冷却流体代替，以便也使得以均匀的容积流量对气缸盖均匀冷却成 为可能。再循环到第一入口的冷却流体的量可由补偿管线补偿的事实意味着再循环的一定 量的冷却流体至少部分地由新鲜冷却流体代替。 优选地，衬套冷却系统可以布置在气缸衬套的气缸壁中，并且盖冷却系统可以布 置在气缸盖中。盖冷却系统主要用于冷却气缸盖和设置或安装在气缸盖上的部件，例如出 口阀。 在此，盖冷却系统优选地可以按照如下方式布置在气缸盖中：冷却流体可以经由 第二冷却入口供应到盖冷却系统，并且可以经由第二冷却出口从盖冷却系统排出。 类似地，衬套冷却系统优选地可以按照如下方式布置在气缸衬套中：冷却流体可 经由第一冷却入口供应到衬套冷却系统或衬套，并且可经由第一冷却出口从衬套冷却系统 或衬套排出。 盖冷却系统和衬套冷却系统两者优选地是气缸装置的冷却回路的一部分。 特别优选的，油和/或水，特别是海水和/或饮用水和/或淡水被用作冷却流体。冷 却流体优选地通过循环泵而移动穿过冷却回路。循环泵可以是例如旋桨泵或离心泵。另外 的支承泵可以布置在气缸装置上，以支承冷却流体的循环或使其它流体循环。 例如，如果冷却回路是闭合回路并且利用再冷却流体(特别是低温冷却水)再冷 却，则这种支承泵可以是有帮助的。在此，例如，热交换器可用于利用再冷却流体来使冷却 流体再冷却，其中，冷却流体和再冷却流体两者被引导穿过回路(冷却回路和再冷却回路) 中的热交换器，其中，冷却流体将热量释放给再冷却流体并因此被冷却。再冷却回路优选地 被供给新鲜的或冷的再冷却流体，特别是海水，并且可以由支承泵驱动。例如，可以使用逆 流原理来冷却热交换器。 除了属于高温系统的冷却回路之外，用于大型发动机的整个冷却系统优选地包括 低温系统和另一系统，利用该低温系统将高温系统(冷却回路)的冷却流体再冷却，并且利 用另一系统将低温系统的再冷却流体再冷却。属于高温系统的冷却回路的冷却流体与大型 发动机的气缸直接热接触。低温系统经由热交换器热联接到高温系统，使得低温系统的再 冷却流体可以从高温系统的冷却流体吸收热量，从而可以将其冷却。该另一系统经由热交 换器热联接到低温系统，使得该另一系统的热载体能够从低温系统的再冷却流体吸收热 量，并因此能够将其冷却。代替热交换器，也可以设置混合系统或一个或多个混合装置，只 要在技术上可以实现回路的联接，例如考虑到压力水平以及冷却介质的相容性。 高温系统的冷却流体优选是可被加入添加剂的淡水。低温系统的再冷却流体优选 是可被加入添加剂的淡水。该另一系统的热载体优选是海水，特别是在大型发动机是船舶 的驱动单元的情况下。 气缸装置可以设计成使得冷却流体可以穿过第一冷却出口直接或间接地输送到 气缸盖中。间接意味着冷却流体经由管线被引导出气缸衬套并接着进入气缸盖。 本发明的另一方面涉及一种用于冷却包括根据本发明的气缸装置的大型发动机 的气缸的方法。在根据本发明的方法中，冷却流体的再循环量是经由混合阀调节的。为此， 混合阀按照如下方式被控制和调节：新鲜冷却流体和再循环冷却流体以可预先确定的比率 8 CN 111550324 A 说　明　书 6/10 页 混合以调节期望的温度。当然，混合阀的控制可以自动进行，并且可以配备例如控制系统形 式的传感器，特别是温度传感器。在此，优选连续地记录在冷却回路的合适点处的温度，并 将该温度与可预先确定的温度参考值进行比较。然后，在调节到温度参考值的意义上影响 混合阀。 这具有如下优点：气缸装置的冷却可以可靠地适应发动机的负载。 本发明的另一方面涉及一种大型发动机，该大型发动机包括根据本发明的气缸装 置，其中，冷却流体的可再循环量是经由可控的混合阀来调节的。 例如，大型发动机可以设计为纵向扫气大型发动机。 在优选实施方式中，大型发动机被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，液体燃料被引入到燃烧室中以用于燃烧，并且该发动机可以另外以气体模 式操作，其中，气体或低闪点液体LFL作为燃料被引入到燃烧室中。可选地，双燃料发动机还 配备同时使用两种燃料的混合模式也是可能的。 对于双燃料发动机，其具有非常大的优点，即气缸装置的冷却可以可靠地适应发 动机的负载和相应的燃料。这是由于在利用通常含硫的重质燃料油或另一种含硫燃料的柴 油操作中，为了避免由于水在气缸衬套的壁上的冷凝而形成酸，需要气缸衬套的高操作温 度。相反，在气体操作中，例如利用天然气作为燃料，需要气缸衬套的最低可能操作温度。 如果在柴油操作中气缸衬套的操作温度太低，则会形成酸，特别是亚硫酸和硫酸， 这会损坏气缸装置。另一方面，酸的形成通常不是气体操作的问题，因为在气体或其它高度 易燃的液体燃料中通常没有硫。然而，在气体操作中，由于空气-气体混合物的自点火，气缸 衬套的过高的操作温度会导致哑火。在气体操作中，也出于热力学原因，目的通常是尽可能 多地冷却衬套。 附图说明 下面，参照实施方式和附图，在设备和工艺工程方面更详细地解释本发明。附图以 示意图的形式示出： 图1是根据本发明的气缸装置的第一实施方式，并且 图2是根据本发明的气缸装置的第二实施方式。