專利名稱：具有能量回收裝置的大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有一個(gè)或者多個(gè)排氣加熱鍋爐的大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，特別涉及一種設(shè)有動(dòng)力渦輪的大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，該動(dòng)力渦輪由從渦輪增壓器的渦輪的上游分流出的排氣驅(qū)動(dòng)。
背景技術(shù)：
EP0434419披露了一種大型雙沖程渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其中排氣中的熱能通過(guò)位于渦輪增壓器低壓側(cè)的鍋爐和位于渦輪增壓器高壓側(cè)的鍋爐的組合得到回收。在低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí)，通過(guò)將一定比例的排氣直接導(dǎo)入繞過(guò)上游鍋爐的渦輪增壓器來(lái)減少在將排氣導(dǎo) 入渦輪增壓器之前對(duì)排氣中熱能的回收。但是，通過(guò)在排氣接收器和渦輪增壓器的渦輪之間放置一臺(tái)鍋爐，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)變得相對(duì)龐大而復(fù)雜。另外，排氣門和渦輪增壓器之間的流動(dòng)路徑長(zhǎng)度的增加會(huì)降低渦輪增壓器對(duì)加速的響應(yīng)。另外，這種發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅回收熱能，而不能將所回收的能量轉(zhuǎn)換成更有用的形式的能量，如旋轉(zhuǎn)能或電能。

發(fā)明內(nèi)容
在這種背景下，本發(fā)明的目的是提供一種前面所提類型的渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，該渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更加緊湊并且容易構(gòu)造。該目的通過(guò)提供一種所述類型的渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括多個(gè)氣缸，每個(gè)氣缸都通過(guò)相應(yīng)的歧管連接到排氣接收器；上游排氣管，該上游排氣管用于將排氣從所述排氣接收器引到渦輪增壓器的渦輪的入口 ；下游排氣管，該下游排氣管用于將排氣從所述渦輪增壓器的渦輪的出口引到大氣中；用于從排氣中回收熱能的一個(gè)或多個(gè)排氣加熱鍋爐或換熱器，其中，將所述鍋爐或換熱器中的至少一個(gè)鍋爐或換熱器設(shè)置在所述排氣接收器內(nèi)。通過(guò)將所述鍋爐中的一個(gè)放置在排氣接收器內(nèi)，有效地使系統(tǒng)的部件在大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)頂部的緊湊區(qū)域不再需要任何的空間。這種措施產(chǎn)生了更多圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)的空間，同時(shí)減少了布管量。另外，節(jié)省了鍋爐的殼體，因?yàn)榕艢饨邮掌鞯臍んw現(xiàn)在具有兩個(gè)功能其一是提供用于接收和收集來(lái)自各個(gè)氣缸的排氣的空腔；其二是提供用于容納鍋爐的空腔。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許經(jīng)過(guò)鍋爐的壓降是傳統(tǒng)構(gòu)造中的三倍而不會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)性能的下降。增加的壓降則使氣體速度增加，從而使得換熱面積顯著減少(所有其他參數(shù)也一樣)，從而導(dǎo)致鍋爐小得多。所述大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)還可包括位于渦輪增壓器低壓側(cè)的預(yù)熱/蒸發(fā)鍋爐。此時(shí)置于排氣接收器內(nèi)的鍋爐被用于使渦輪增壓器低壓側(cè)的鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽過(guò)熱。所以，蒸汽的品質(zhì)提高了，特別是考慮到在蒸汽輪機(jī)中使用過(guò)熱蒸汽。大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)還可以包括由單個(gè)鍋爐或者多個(gè)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)的蒸汽輪機(jī)。所以，從排氣中回收的能量被轉(zhuǎn)換成更有用的能量形式。動(dòng)力渦輪可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換成電能。排氣接收器可以容納多個(gè)鍋爐，或者多級(jí)單個(gè)鍋爐。所以，排氣中的能量能夠被更有效地傳遞到蒸汽。所述多個(gè)鍋爐可以形成包括預(yù)熱/蒸發(fā)和過(guò)熱/蒸發(fā)鍋爐的多級(jí)蒸汽過(guò)熱蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的排氣能量回收的大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。該目的通過(guò)提供一種大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而實(shí)現(xiàn)，該大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)包括渦輪增壓器，該渦輪增壓器具有連接到增壓空氣壓縮機(jī)的排氣驅(qū)動(dòng)渦輪；位于渦輪增壓器的高壓側(cè)的第一排氣加熱鍋爐；位于渦輪增壓器的低壓側(cè)的第二排氣加熱鍋爐；以及動(dòng)力渦輪，該動(dòng)力渦輪由從渦輪增壓器的高壓側(cè)分流出來(lái)的一部分排氣驅(qū)動(dòng)。通過(guò)使用位于渦輪增壓器渦輪的高壓側(cè)的鍋爐以及從渦輪增壓器渦輪的高壓側(cè)分流一部分排氣，在數(shù)量上提高了能夠從排氣中回收的能量總量，尤其是在工況改變更大的條件下，因?yàn)榕c通過(guò)動(dòng)力渦輪產(chǎn)生更多的旋轉(zhuǎn)能相比，該系統(tǒng)適于通過(guò)鍋爐產(chǎn)生更多的熱能。所以，該系統(tǒng)也能如同在遠(yuǎn)洋航船的推進(jìn)系統(tǒng)中一樣幫助提高固定發(fā)電廠中的總?cè)剂闲?。一方面，第一鍋爐可以被所有的排氣流過(guò)，同時(shí)用于動(dòng)力渦輪的排氣部分在該第一排氣加熱鍋爐的下游被分流。這樣使能夠回收的能量的總量最大化。另一方面，第一鍋爐可以僅被排氣的分流部分流過(guò)，這不影響渦輪增壓器的熱平衡，以這種方式保證了加速期間渦輪增壓器渦輪的響應(yīng)度。離開(kāi)動(dòng)力渦輪的排氣可以在渦輪增壓器的低壓側(cè)被重新引入主排氣流。這樣能確保所有的排氣例如在選擇性催化反應(yīng)器和/或消聲器中得到后處理。優(yōu)選地，動(dòng)力渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。所以，被回收的能量能被用于產(chǎn)生一種非常具有吸引力的形式靈活的能量。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種可靈活操作并且能從排氣中很好地回收能量的大型雙沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)目的通過(guò)提供一種大型增壓雙沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而實(shí)現(xiàn)，該大型增壓雙沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)包括驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的排氣驅(qū)動(dòng)渦輪，由電驅(qū)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的增壓空氣壓縮機(jī)，以及換熱器，該換熱器位于所述渦輪的高壓側(cè)，用于從排氣中抽取熱能。由于沒(méi)有連接渦輪和壓縮機(jī)的軸，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況能夠以更大的自由度來(lái)控制，同時(shí)渦輪高壓側(cè)的換熱器的使用確保了能很好地回收排氣中所包含的能量。優(yōu)選地，該發(fā)動(dòng)機(jī)不包括渦輪增壓器。換熱器能用來(lái)產(chǎn)生蒸汽。所述發(fā)動(dòng)機(jī)還可以包括蓄積發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能的部分，以及將儲(chǔ)存的電能提供給電驅(qū)馬達(dá)的裝置。優(yōu)選地，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括控制發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能和所儲(chǔ)存的電能的分配的裝置。所述發(fā)動(dòng)機(jī)還可以包括由在來(lái)自換熱器的熱量幫助下產(chǎn)生的蒸汽所驅(qū)動(dòng)的蒸汽輪機(jī)。
優(yōu)選地，所述換熱器被設(shè)置成使離開(kāi)所述換熱器的排氣的溫度降低到使離開(kāi)位于所述換熱器下游的渦輪的排氣的溫度在環(huán)境溫度以下的程度。本發(fā)明的另一目的是提供一種能夠以非常高的燃料效率使用在熱電聯(lián)產(chǎn)電廠中的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)。該目的通過(guò)提供一種使用在熱電聯(lián)產(chǎn)電廠中的增壓內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)而實(shí)現(xiàn)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于吸收環(huán)境壓力和溫度下的空氣的進(jìn)氣系統(tǒng)，該進(jìn)氣系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)用于將壓力在環(huán)境壓力以上的增壓空氣輸送到所述內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸；由排氣驅(qū)動(dòng)的渦輪；以及換熱器，該換熱器位于渦輪的高壓側(cè)，用于從排氣中抽取熱量，所述換熱器和渦輪被設(shè)置成獲得低于環(huán)境溫度的渦輪低壓側(cè)排氣溫度。通過(guò)在渦輪高壓側(cè)的排氣加熱鍋爐中抽取大量的能量，以及使用有效渦輪面積相對(duì)較小的渦輪，已經(jīng)相對(duì)較冷的排氣在渦輪中的膨脹會(huì)導(dǎo)致在渦輪低壓側(cè)的排氣的溫度顯著低于環(huán)境溫度。所以燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)自身轉(zhuǎn)變?yōu)闊岜茫瑥沫h(huán)境中抽取低品位的能量并將其轉(zhuǎn)化成高品位的能量。能獲得明顯高于100%的總?cè)剂闲剩纱吮憩F(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境 友好性。排氣溫度能低到至_40°C。離開(kāi)使用該發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電廠的煙囪的排氣中可能含有雪或者類似的冰結(jié)晶。優(yōu)選通過(guò)用于增大經(jīng)過(guò)所述換熱器的排氣的溫度降的換熱器的大容量以及用于增大排氣在所述渦輪中膨脹過(guò)程中的溫度降的小有效渦輪面積獲得低于環(huán)境溫度的排氣溫度。優(yōu)選地，離開(kāi)氣缸的排氣的溫度在400°C至500°C之間，離開(kāi)排氣加熱鍋爐的排氣的溫度在110°c以下，且離開(kāi)該鍋爐的排氣的壓力在2bar以上。渦輪和壓縮機(jī)能通過(guò)軸連接起來(lái)以形成渦輪增壓器。此時(shí)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)還可以包括動(dòng)力渦輪，該動(dòng)力渦輪由從排氣流分流到所述鍋爐下游的渦輪增壓器渦輪的排氣驅(qū)動(dòng)。所述發(fā)動(dòng)機(jī)可以包括蒸汽輪機(jī)，該蒸汽輪機(jī)由所述換熱器利用從排氣中抽取的熱量所產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)。優(yōu)選地，所述發(fā)動(dòng)機(jī)還可以包括位于所述壓縮機(jī)的高壓側(cè)的增壓空氣加濕單元。離開(kāi)渦輪的排氣的壓力優(yōu)選等于或者略高于環(huán)境壓力。離開(kāi)渦輪的排氣的溫度優(yōu)選地在_5°C至_40°C之間。至少當(dāng)所述發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)額定值時(shí)，離開(kāi)渦輪的排氣的溫度低于環(huán)境溫度。至少當(dāng)所述發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)額定值時(shí)，離開(kāi)渦輪的排氣的溫度在_5°C至-40°C范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的再一方面提供一種增壓燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，該增壓燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)包括一進(jìn)氣系統(tǒng)用于在環(huán)境壓力和溫度下吸氣，所述進(jìn)氣系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)用于將壓力在環(huán)境壓力以上的增壓空氣輸送到所述內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸；由排氣驅(qū)動(dòng)的具有給定有效渦輪面積的第一渦輪；由排氣驅(qū)動(dòng)的具有給定有效渦輪面積的第二渦輪；換熱器，該換熱器位于渦輪的高壓側(cè)，用于從排氣中抽取熱量；以及用于選擇性地使用兩個(gè)渦輪或者兩個(gè)渦輪中任一個(gè)渦輪、以使發(fā)動(dòng)機(jī)以不同的渦輪低壓側(cè)排氣溫度運(yùn)行的裝置。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種增壓燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，該增壓燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)包括壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)用于將壓力在環(huán)境壓力以上的增壓空氣輸送到所述內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸；由排氣驅(qū)動(dòng)的具有給定有效渦輪面積的渦輪；以及換熱器，該換熱器位于渦輪的高壓側(cè)，用于從排氣中抽取熱量。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種操作增壓燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，所述增壓燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于吸收環(huán)境壓力和溫度下的空氣的進(jìn)入系統(tǒng)，該進(jìn)氣系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)用于將壓力在環(huán)境壓力以上的增壓空氣輸送到所述內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸；由排氣驅(qū)動(dòng)的具有給定有效渦輪面積的第一渦輪；由排氣驅(qū)動(dòng)的具有給定有效渦輪面積的第二渦輪；以及換熱器，該換熱器位于渦輪的高壓側(cè)，用于從排氣中抽取熱量，所述方法包括選擇性地使用所述渦輪以獲得不同的渦輪低壓側(cè)排氣溫度的步驟。根據(jù)本發(fā)明的增壓燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的其他目的、特征、優(yōu)點(diǎn)和特性通過(guò)下面的詳細(xì)說(shuō)明將變得顯而易見(jiàn)。


在本說(shuō)明書(shū)的下面詳細(xì)描述中，將參照附圖中示出的示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行 更加詳細(xì)的說(shuō)明，在附圖中圖I是本發(fā)明第一實(shí)施例的大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的局部側(cè)視圖，圖2是圖I中發(fā)動(dòng)機(jī)的縱向剖視圖，圖3示意性示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的具有熱回收設(shè)備的大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，圖4示意性示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的具有熱回收設(shè)備的大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，圖4a是示出圖4中發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)的圖表，圖5示意性示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的具有熱回收設(shè)備的大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，圖5a是示出圖5中發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)的圖表，圖6示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)用作熱泵，圖7示出了本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，其中沒(méi)有使用渦輪增壓器，最為替代，該實(shí)施例設(shè)有電連接起來(lái)的渦輪和鼓風(fēng)機(jī)，以及圖8是本發(fā)明的使用了排氣再循環(huán)的另一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式在下面的詳細(xì)描述中，將通過(guò)優(yōu)選實(shí)施例對(duì)根據(jù)本發(fā)明的大型雙沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)形式的大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行描述。大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)如十字頭型的大型雙沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和運(yùn)行是公知的，因此無(wú)需在本文中進(jìn)行進(jìn)一步描述。下文提供關(guān)于增壓操作和排氣系統(tǒng)的詳細(xì)描述。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的大型雙沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)I的上部區(qū)域的第一實(shí)施例。該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)有彼此并排直列布置的多個(gè)氣缸。每個(gè)氣缸均設(shè)有與氣缸蓋相關(guān)聯(lián)的排氣門(未示出)。排氣通道能夠由排氣門打開(kāi)或關(guān)閉。歧管將相應(yīng)的排氣通道連接到排氣接收器3。排氣接收器3與氣缸列平行地布置。歧管40開(kāi)口到排氣接收器3中，排氣管道從排氣接收器通到渦輪增壓器的渦輪。在氣缸數(shù)量非常多(例如10個(gè)或更多個(gè))的發(fā)動(dòng)機(jī)中，可將排氣接收器縱向分成兩個(gè)或更多個(gè)部分(未示出)。在該實(shí)施例中，排氣接收器3具有圓筒形殼體42，如圖2所示，圓筒形殼體42在其端部具有可拆除的蓋44。圓筒形殼體42包含換熱器23，排氣能流過(guò)該換熱器以產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽。因此換熱器23用作鍋爐。圓筒形殼體42還包含收集管46，歧管40將排氣釋放到收集管46中。如圖2所示，排氣接收器的圓筒形殼體42被分成并置在 中央出口腔52兩側(cè)的兩個(gè)換熱器段50a和50b以及收集管段46a和46b，排氣從中央出口腔52經(jīng)由所述排氣管道離開(kāi)。所以，排氣接收器3的結(jié)構(gòu)是關(guān)于中央徑向平面對(duì)稱的。換熱器裝置的兩段50a、50b都由若干順序布置的公知換熱元件構(gòu)成，這些換熱元件被隔離物49分開(kāi)。各段50a、50b分別包括兩個(gè)換熱器元件57a、58a以及57b、58b，每個(gè)換熱器元件均包括沿著氣流方向延伸的大量的管，所述氣流方向用繪制成連續(xù)線的箭頭表示，平行于圓筒形殼體的縱向軸線。各換熱器段50a、50b中的流向是相反的且朝向彼此。偏心布置的換熱器元件57a、58a、57b和58b的截面輪廓是鄰接圓筒形殼體42的內(nèi)周的環(huán)形片段。該環(huán)形片段可以被分成若干子段以增強(qiáng)組裝的簡(jiǎn)易性(未示出)。排氣接收器3的圓筒形殼體42設(shè)有分隔壁63，分隔壁63將換熱器元件與排氣接收器3其余的內(nèi)部截面分開(kāi)，從而將排氣接收器的內(nèi)部截面分隔成容納換熱器元件的通道和收集排氣并將排氣朝具有換熱器元件57a、58a、57b和58b的所述通道引導(dǎo)的通道。上述后一個(gè)通道(歧管40在其中開(kāi)口的通道)沿中斷線所示的箭頭方向引導(dǎo)排氣。加熱元件能夠縮到容納加熱元件的通道中?？v向外部的加熱元件通過(guò)隔離物49與內(nèi)部的加熱元件分開(kāi)。整個(gè)組件通過(guò)鎖定板66保持在位。收集通道46a、46b具有在徑向向外方向上擴(kuò)口的漏斗形截面形狀。歧管40被布置成將排氣吹到各收集通道46a、46b中。收集通道46a、46b通過(guò)連接到收集通道前端的側(cè)壁69與中央出口腔53隔開(kāi)。收集通道46a、46b在距可拆卸蓋44 一定距離的相反側(cè)上打開(kāi)。所以，在圓筒形殼體42的端部區(qū)域中形成反向腔71a、71b。反向腔71a、71b將收集通道46a、46b連接到容納換熱器段的通道。所以，在出口腔52的兩側(cè)形成流動(dòng)路徑，所述流動(dòng)路徑通過(guò)容納換熱器元件的通道將收集通道46a、46b與出口腔相連。如圖2中的中斷線的箭頭所示，離開(kāi)歧管40到達(dá)各收集通道46a、46b中的排氣流到反向腔71a、71b，然后如連續(xù)線的箭頭所示，朝著出口腔52流過(guò)各換熱器57a、58a、57b、58b。因此，排氣接收器3的殼體42同時(shí)包含了排氣接收腔和從排氣中回收熱能的鍋爐。通過(guò)在排氣接收器中包含所述鍋爐，節(jié)省了排氣鍋爐所需要的空間以及排氣鍋爐的殼體。圖3示出了帶有進(jìn)排氣系統(tǒng)的十字頭型大型雙沖程渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)I的第二實(shí)施例。發(fā)動(dòng)機(jī)I具有增壓空氣接收器2和排氣接收器3。排氣接收器3可以是在第一實(shí)施例中所述的類型，但這不是必須的。該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)有未示出的排氣門(每個(gè)氣缸有一個(gè)或多個(gè))。發(fā)動(dòng)機(jī)I可以例如被用作遠(yuǎn)洋航船的主發(fā)動(dòng)機(jī)或者用于在發(fā)電站中驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的固定發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的總輸出可以在例如5，000至110，OOOkW的范圍內(nèi)，但是本發(fā)明也可以用于輸出例如是1，OOOkff的四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。增壓空氣從增壓空氣接收器2被送到各個(gè)氣缸的掃氣口(未示出)。當(dāng)排氣門4打開(kāi)時(shí)，排氣經(jīng)歧管40流入排氣接收器3，然后從排氣接收器3向前經(jīng)過(guò)第一排氣管5到達(dá)渦輪增壓器的渦輪6，最后排氣經(jīng)第二排氣管7離開(kāi)渦輪6。渦輪6通過(guò)軸8驅(qū)動(dòng)經(jīng)由進(jìn)氣口 10被供應(yīng)空氣的壓縮機(jī)9。壓縮機(jī)9將加壓的增壓空氣輸送到通到增壓空氣接收器2的增壓空氣管11。空氣管11中的進(jìn)氣經(jīng)過(guò)中冷器12，以將離開(kāi)壓縮機(jī)9時(shí)接近200°C的掃氣冷卻到接近36 °C的溫度。冷卻后的掃氣經(jīng)過(guò)對(duì)掃氣流進(jìn)行加壓(通常只在低負(fù)荷或者局部負(fù)荷條件下)的輔助鼓風(fēng)機(jī)16到達(dá)掃氣接收器2，該輔助壓縮機(jī)由電馬達(dá)17驅(qū)動(dòng)。在高負(fù)荷時(shí)，通過(guò)渦輪增壓器壓縮機(jī)9輸送的掃氣的量足以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并且輔助鼓風(fēng)機(jī)16停機(jī)。此時(shí)通過(guò)管道15繞過(guò)輔助鼓風(fēng)機(jī)16。 優(yōu)選呈例如管式或翅片式換熱器形式的第一鍋爐23被布置在第一排氣管5中，SP渦輪6的上游，以利用排氣中的熱能產(chǎn)生蒸汽。排氣進(jìn)入排氣接收器3時(shí)的溫度大約455°C，而第一鍋爐23入口處的溫度僅僅稍微低一點(diǎn)。如前面參照第一實(shí)施例所述，第一鍋爐23可以排氣接收器3整體的一部分。排氣管在鍋爐23下游分支，排氣的大部分繼續(xù)通過(guò)排氣管5朝渦輪6流動(dòng)，小部分排氣通過(guò)管道30朝動(dòng)力渦輪31流動(dòng)。附加的動(dòng)力渦輪31驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)32。排氣流中過(guò)剩的能量因此被轉(zhuǎn)換成電能，即具有高放射本能的能量?？梢酝ㄟ^(guò)管道30中的可變流量調(diào)節(jié)器(未示出)來(lái)調(diào)節(jié)分流到動(dòng)力渦輪31的排氣量。離開(kāi)動(dòng)力渦輪31的排氣被導(dǎo)向第二排氣管7并在那里被重新引入主排氣流。第二排氣管7將排氣引導(dǎo)到第功率二鍋爐20的入口，第二鍋爐包括換熱器，例如管式或者翅片式換熱器。第三排氣管21將來(lái)自第二鍋爐20的增壓空氣導(dǎo)入大氣。在進(jìn)入大氣之前，排氣可以在選擇性催化反應(yīng)器(未示出)中被凈化以減少例如NOx的排放水平并且經(jīng)過(guò)消聲器(未示出)以減少噪音污染。第二鍋爐20利用排氣流中的熱量來(lái)產(chǎn)生加壓蒸汽。在該階段，排氣溫度低于剛離開(kāi)氣缸時(shí)的溫度，通常渦輪增壓器渦輪6出口的溫度在250°C至300°C的范圍內(nèi)。管道22將第二鍋爐20產(chǎn)生的蒸汽引導(dǎo)到第一鍋爐的入口。第一鍋爐被溫度約為450°C的排氣加熱，這種排氣是使進(jìn)入第一鍋爐23的水/蒸汽被蒸發(fā)/過(guò)熱的非常有效的介質(zhì)。過(guò)熱蒸汽通過(guò)管道34被引向?qū)⒄羝械哪芰哭D(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的蒸汽輪機(jī)37。蒸汽輪機(jī)37驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)35以產(chǎn)生電能，這可以用在遠(yuǎn)洋航船上，例如，用于給冷卻設(shè)備供電，或者用來(lái)為固定發(fā)電站增加電力。雖然沒(méi)有在該實(shí)施例或者任何其他實(shí)施例中示出，但是應(yīng)當(dāng)理解，所述鍋爐和蒸汽輪機(jī)是包括冷凝器、冷卻器和其他蒸汽動(dòng)力領(lǐng)域公知的設(shè)備在內(nèi)的蒸汽循環(huán)的一部分。具有MAN B&W 12K98ME發(fā)動(dòng)機(jī)的第二實(shí)施例的運(yùn)行參數(shù)的示例提供在下面的表I中。這是一種具有12個(gè)缸徑為98cm的氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)。應(yīng)當(dāng)注意，渦輪增壓器的壓縮機(jī)加上可能的輔助鼓風(fēng)機(jī)需要大約2500kW的輸入功率。該功率從排氣中抽取出來(lái)的和/或通過(guò)其他輔助的鼓風(fēng)機(jī)提供。
基于能量守恒，能夠確定從整個(gè)系統(tǒng)中抽取的功率的最佳值。這最終視情況而定，如鍋爐類型、蒸汽輪機(jī)類型和大型雙沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用情況。在遠(yuǎn)洋航船中主要關(guān)注提供旋轉(zhuǎn)能，而在固定發(fā)電站中則等同地關(guān)注熱能的生產(chǎn)(用于區(qū)域供暖時(shí))和電力的生產(chǎn)。利用第一鍋爐23和動(dòng)力渦輪31從排氣中得到的大小可變的功率，該系統(tǒng)能夠在各種運(yùn)行點(diǎn)下運(yùn)行。從位于渦輪增壓器渦輪6上游的第一鍋爐23中抽取的功率將使渦輪增壓器渦輪6和動(dòng)力渦輪31可用的功率減少，而從第二鍋爐20抽取的功率不會(huì)對(duì)渦輪增壓器和動(dòng)力渦輪的功率產(chǎn)生影響。在表I的示例中，從第一鍋爐23中抽取了 10，OOOkff的功率輸送給蒸汽輪機(jī)37 (對(duì)于本示例，功率值是任意選擇的，可以如圖3A所示選擇其他的值)。 圖3A是示出了在第一鍋爐23中抽取不同數(shù)量值的功率的計(jì)算結(jié)果的圖。圖中用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸功率的百分比表示各種部件的功率，這說(shuō)明本發(fā)明可以用于各種尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)。在圖上能看到，當(dāng)在位于渦輪增壓器渦輪6上游的第一鍋爐23中抽取的能量增加時(shí)，能夠從動(dòng)力渦輪中抽取的能量就降低?？梢愿鶕?jù)所需要的能量類型(熱能或旋轉(zhuǎn)能/電能)來(lái)決定最佳的運(yùn)行位置。如果同時(shí)需要熱能和旋轉(zhuǎn)能，例如在既提供電能又提供熱能的固定發(fā)電站中，所述最佳運(yùn)行點(diǎn)最可能傾向于通過(guò)第一鍋爐23抽取最大的能量。該運(yùn)行點(diǎn)要求即使在滿負(fù)荷條件下輔助鼓風(fēng)機(jī)16也要工作。在遠(yuǎn)洋航船上需要的主要能量是推進(jìn)動(dòng)力，即驅(qū)動(dòng)螺旋槳(未示出)的旋轉(zhuǎn)能。整個(gè)船只所需要的熱量通常相對(duì)較低，而所需要的電量則根據(jù)船只類型而不同，散裝貨船所需的電量相對(duì)較低。運(yùn)送冷卻或液化天然氣的集裝箱船需要大量的電能。此時(shí)從優(yōu)勢(shì)的全面能量效率觀點(diǎn)來(lái)看以5，000-10，OOOKff的能量被第一鍋爐抽取的方式運(yùn)行。圖4示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例。除了掃氣冷卻器12a的類型不同之外，該實(shí)施例基本上對(duì)應(yīng)于第二實(shí)施例。所述掃氣冷卻器是注入并蒸發(fā)大量水的滌氣器。注入的水優(yōu)選是溫水，例如是利用發(fā)動(dòng)機(jī)I的(水)冷卻系統(tǒng)(未示出)的廢熱加熱的海水(當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在遠(yuǎn)洋航船上時(shí))或者河水(當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在江河附近的固定發(fā)電站時(shí))。滌氣器12a運(yùn)行以使得離開(kāi)滌氣器出口的空氣具有大約70°C的溫度和基本上100%的相對(duì)濕度。所述掃氣的絕對(duì)濕度大約是第二實(shí)施例中離開(kāi)中冷器12的掃氣的大約五倍。所以，掃氣和排氣中所含的能量顯著增加。因此排氣中有更多的可用能量供鍋爐20、23和動(dòng)力渦輪31抽取。具有MAN B&W 12K98ME發(fā)動(dòng)機(jī)的第三實(shí)施例的運(yùn)行參數(shù)的示例示出在表I中。為了產(chǎn)生該掃氣條件，渦輪增壓器壓縮機(jī)和可能的輔助鼓風(fēng)機(jī)需要約25，OOOkW的輸入功率，還要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步注入約7，5kg/s的水在壓縮機(jī)出口空氣中蒸發(fā)。該功率(25000kW)必須從排氣中抽取和/或由其他的輔助鼓風(fēng)機(jī)提供。在本實(shí)施例中，在第一鍋爐23中抽取10，OOOkW輸送到蒸汽輪機(jī)37 (對(duì)本示例，該值是任意選擇的，可如圖4A所示選擇其他值)。
圖4A是示出了在第一鍋爐中抽取不同數(shù)量值的功率的計(jì)算結(jié)果的圖。圖中用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸功率的百分比表示各種部件的功率，這說(shuō)明本發(fā)明可以用于各種尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)。在圖上能看到，當(dāng)在位于渦輪增壓器渦輪6上游的第一鍋爐23中抽取的功率增加時(shí)，能夠從動(dòng)力渦輪31中抽取的功率就降低。在該實(shí)施例中，在不把功率分給輔助鼓風(fēng)機(jī)16的情況下，能夠從第一鍋爐23中抽取超過(guò)25，OOOkff的功率。在根據(jù)第二實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中，在不把功率分給輔助鼓風(fēng)機(jī)16的情況下，只能在第一鍋爐中抽取約14，OOOkff0由于發(fā)動(dòng)機(jī)自身的燃料效率受濕熱掃氣的作用僅僅是非常輕微地下降，所以結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的排氣能量回收系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)I的總體燃料效率明顯高于常規(guī)的具有排氣能量回收系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)(例如第二實(shí)施例)。根據(jù)第三實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的理想的運(yùn)行點(diǎn)類似于根據(jù)第二實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)。在第三實(shí)施例的一個(gè)變型中，發(fā)動(dòng)機(jī)利用在出口處溫度非常低的排氣來(lái)工作。該溫度可以低到-40°C，這意味著排氣中的水將經(jīng)歷兩次相變從蒸汽到液體以及從液體到固體，例如離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣可能包含雪或者相似形式的冰。因此，所述發(fā)動(dòng)機(jī)用作熱泵，這在既需要機(jī)械能又需要熱能的應(yīng)用中是特別引起關(guān)注的，如用于提供電能和區(qū)域供暖的 熱電聯(lián)產(chǎn)電廠。通過(guò)在第一鍋爐23中抽取大量的能量獲得所述運(yùn)行狀態(tài)，在表I的示例中抽取了 72. OOOkff0另外，渦輪6的有效面積和前述示例/實(shí)施例相比減少了約三分之一，產(chǎn)生-25°C的排氣溫度。渦輪有效面積減少的結(jié)果是，壓縮機(jī)9可用的能量限制減少(當(dāng)渦輪有效面積減少時(shí)，排氣在渦輪中的溫度降(由于氣體膨脹)增加)。所以，輔助鼓風(fēng)機(jī)的容積和功率消耗增加了。在該實(shí)施例中，輔助鼓風(fēng)機(jī)16在所有負(fù)荷情況下都是運(yùn)行的，例如也可以在滿負(fù)荷情況下運(yùn)行，因?yàn)榧词乖诎l(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)渦輪6產(chǎn)生的功率也不能滿足壓縮機(jī)9產(chǎn)生全部所需的掃氣。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用重燃油或者柴油時(shí)，位于露點(diǎn)下游的排氣零部件采用抗腐蝕材料構(gòu)成，這樣它們能應(yīng)對(duì)燃料中的含硫成分所導(dǎo)致的酸性沉積物(冷凝物中含有硫酸)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用天然氣或者其他基本上不含硫的燃料時(shí)，就不需要這些措施。具有MAN B&W 12K98ME發(fā)動(dòng)機(jī)的第三實(shí)施例的所述變型的運(yùn)行參數(shù)的示例提供在的表I的“3冷” 一欄中。在第三實(shí)施例的該變型中，由于渦輪增壓器渦輪后的排氣的低溫，在低壓側(cè)沒(méi)有第二鍋爐。所以，該系統(tǒng)僅包括位于渦輪高壓側(cè)的第一鍋爐23。在該實(shí)施例的另一個(gè)變型(未示出)中，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)有第二渦輪，用于當(dāng)對(duì)熱能的需求較低而對(duì)旋轉(zhuǎn)能的需求較高時(shí)在渦輪高壓側(cè)和低壓側(cè)以較高的排氣溫度運(yùn)行(例如在低壓側(cè)是50°C至200°C，在高壓側(cè)是150°C至350°C )，例如熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的夏季運(yùn)行。該系統(tǒng)可以切換到具有較大有效渦輪面積的第二渦輪，以獲得低于環(huán)境溫度的排氣溫度，或者第二渦輪也可以具有相對(duì)較小的渦輪面積，兩個(gè)有效面積較小的渦輪并聯(lián)使用，每個(gè)都接收一部分排氣流。在較高排氣溫度的運(yùn)行中，具有較大有效渦輪面積的渦輪或者并聯(lián)運(yùn)行的兩個(gè)具有較小有效渦輪面積的渦輪將給壓縮機(jī)傳遞足夠的功率，使得輔助鼓風(fēng)機(jī)只需要在低負(fù)荷工況時(shí)才啟動(dòng)。在鍋爐23中抽取的功率相應(yīng)地降低，以獲得適應(yīng)渦輪6低壓側(cè)的理想排氣溫度的離開(kāi)鍋爐23的排氣溫度。或者，與使用兩個(gè)渦輪相反，可以使用一種具有可變有效渦輪面積的單個(gè)渦輪(未示出)以獲得所需要的有效渦輪面積的柔性。所以，該第二變型能運(yùn)行在關(guān)注熱能生產(chǎn)和非常高的總體能量效率的模式下，而另一模式則關(guān)注旋轉(zhuǎn)能生產(chǎn)，該系統(tǒng)在這種模式下被優(yōu)化使其具有最大的從燃料中抽取旋轉(zhuǎn)能的效率。圖5示出了本發(fā)明的第四實(shí)施例。該實(shí)施例基本上對(duì)應(yīng)于第二實(shí)施例，不同之處在于第一鍋爐23布置在從排氣管5分出來(lái)的排氣流中。所以，只有排氣的分流部分流過(guò)第一鍋爐23。管道30將排氣從第一鍋爐23的出口引到動(dòng)力渦輪31。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是排氣能從排氣接收器3直接流到渦輪增壓器渦輪6，這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)加速情況具有更好的響應(yīng)。動(dòng)力渦輪31的出口連接到第二鍋爐的20入口或者如斷續(xù)線所示連接到排氣管21的末端部分。連接的選擇取決于動(dòng)力渦輪31的出口溫度。如果動(dòng)力渦輪31的出口溫度顯著地低于渦輪增壓器渦輪6的出口溫度，那么將動(dòng)力渦輪的出口連接到排氣管21的末端部分。具有MAN B&W 12K98ME發(fā)動(dòng)機(jī)的第四實(shí)施例的運(yùn)行參數(shù)的示例提供在的
表I的“4” 一欄中。在該示例中，20%的排氣朝動(dòng)力渦輪分流以產(chǎn)生動(dòng)力渦輪輸出功率(POPT)或者 輔助鼓風(fēng)機(jī)輸入功率。能夠確定關(guān)于從整個(gè)系統(tǒng)中抽取的功率的最優(yōu)值。這最終視情況而定，如鍋爐類型、蒸汽輪機(jī)類型和大型雙沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用情況。在遠(yuǎn)洋航船中主要關(guān)注提供旋轉(zhuǎn)能，而在固定發(fā)電站中則等同地關(guān)注熱能的生產(chǎn)(用于區(qū)域供暖時(shí))和電力的生產(chǎn)。排氣流(160kg/s, 455°C, 3. 35bar (abs.))中的可用功率可用在四個(gè)設(shè)備中。I)渦輪增壓器渦輪6上游的第一鍋爐23 ；2)動(dòng)力渦輪31;3)渦輪增壓器渦輪6下游的第二鍋爐20 ;以及4)渦輪增壓器渦輪6。利用第一鍋爐23和動(dòng)力渦輪31從排氣中得到的大小可變的功率，該系統(tǒng)能夠在各種運(yùn)行點(diǎn)下運(yùn)行。從位于渦輪增壓器渦輪6上游的第一鍋爐23中抽取的功率將使渦輪增壓器渦輪6和動(dòng)力渦輪31可用的功率減少，而從第二鍋爐20抽取的功率不會(huì)對(duì)渦輪增壓器和動(dòng)力渦輪的功率產(chǎn)生影響。從第一鍋爐23中抽取的其他量的能量的結(jié)果顯示在圖5A的圖表中。在第四實(shí)施例的一個(gè)變型(未示出)中，冷卻單元12被冷卻加濕單元12a代替，冷卻加濕單元12a給增壓空氣中添加大量的水(蒸汽)。在該實(shí)施例中，增壓空氣并不被冷卻到不對(duì)增壓空氣加濕的實(shí)施例中那樣的低溫。該實(shí)施例的運(yùn)行參數(shù)如表I的“4濕”一欄所示。圖6示出了本發(fā)明的第五實(shí)施例。該實(shí)施例基本上對(duì)應(yīng)于第二實(shí)施例，不同之處在于沒(méi)有第二鍋爐20。另外，該發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)出口處溫度非常低的排氣來(lái)運(yùn)行。該溫度可以低到-40°C，這意味著排氣中的水將經(jīng)歷兩次相變從蒸汽到液體以及從液體到固體，例如離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣可能包含雪或者相似形式的冰。所以，該發(fā)動(dòng)機(jī)用作熱泵，這在既需要機(jī)械能又需要熱能的應(yīng)用中是特別引起關(guān)注的，例如用于提供電能和區(qū)域供暖的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠。通過(guò)在鍋爐23中抽取大量的能量獲得所述的排氣低溫，使得離開(kāi)鍋爐23的排氣的溫度相對(duì)較低。排氣接下來(lái)在渦輪增壓器中的膨脹導(dǎo)致排氣溫度進(jìn)一步降低。所述溫度降低不被限制到環(huán)境溫度，而是可以降到顯著低于環(huán)境溫度。因此該燃燒式發(fā)動(dòng)機(jī)稱為所謂的“熱泵”，從環(huán)境中吸收低品位熱能在該“熱泵”產(chǎn)生高品位熱能。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用重燃油或者柴油時(shí)，位于露點(diǎn)下游的排氣零部件采用抗腐蝕材料構(gòu)成，這樣它們能應(yīng)對(duì)燃料中的含硫成分所導(dǎo)致的酸性沉積物(冷凝物中含有S03—硫酸)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用天然氣(液化天然氣)、液化石油氣、二甲醚、酒精或者其他基本上不含硫的燃料時(shí)，就不需要上述措施。在第五實(shí)施例中，由于渦輪增壓器渦輪后的排氣的低溫，在低壓側(cè)沒(méi)有鍋爐。所以該系統(tǒng)僅包括渦輪高壓側(cè)的第一鍋爐23。使用MAN B&W 12K98ME發(fā)動(dòng)機(jī)的第五實(shí)施例的運(yùn)行參數(shù)的示例示出在的表I的“5&6” 一欄中。排氣流(160kg/s,455°C, 3. 30bar (abs.))中的可用功率可使用在三個(gè)設(shè)備中。 I)渦輪增壓器渦輪6上游的第一鍋爐23 ；2)動(dòng)力渦輪31;以及3)渦輪增壓器6。利用第一鍋爐23和動(dòng)力渦輪31從排氣中得到的可變量的功率，該系統(tǒng)能在各種運(yùn)行點(diǎn)下運(yùn)行。從位于渦輪增壓器渦輪6上游的第一鍋爐23中抽取的功率將使渦輪增壓器渦輪6和動(dòng)力渦輪31的可用功率減少。在第五實(shí)施例的一個(gè)變型(未示出)中，發(fā)動(dòng)機(jī)是前述第三實(shí)施例中的具有兩個(gè)渦輪的發(fā)動(dòng)機(jī)，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠以較高的排氣溫度運(yùn)行，并與總體燃料能量相對(duì)關(guān)注從燃料中抽取的旋轉(zhuǎn)能的效率(相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的熱能和電能計(jì)算得出)。圖7示出了本發(fā)明的第六實(shí)施例。該實(shí)施例類似于圖6中的實(shí)施例，不同之處在于省略了渦輪增壓器8。電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)16’(不再被稱為“輔助鼓風(fēng)機(jī)”)對(duì)掃氣進(jìn)行加壓。在排氣側(cè)，增大的動(dòng)力渦輪31’充當(dāng)渦輪增壓器渦輪，并通過(guò)發(fā)電機(jī)32’給驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)16’的電驅(qū)馬達(dá)17’提供電能。增大的發(fā)電機(jī)32’所產(chǎn)生的任何剩余電能都被用于其他的目的。發(fā)電機(jī)32’所產(chǎn)生的電能的管理可以由控制器單元(未示出)控制，該控制器單元根據(jù)功率管理程序或者在操作人員的直接指令下進(jìn)行操作。省去的渦輪和壓縮機(jī)之間的固定連接允許該發(fā)動(dòng)機(jī)更為靈活地運(yùn)行，因?yàn)橄啾葴u輪和壓縮機(jī)之間存在固定的軸連接的情況，該動(dòng)力渦輪產(chǎn)生的功率能更靈活地被分配。蓄能器系統(tǒng)(未示出)如電池組被用作平抑鼓風(fēng)機(jī)16’所需能量的波動(dòng)，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)加速的響應(yīng)，因?yàn)楣娘L(fēng)機(jī)的輸出能隨著燃料噴射量的增加而同時(shí)增加，而不用必須等待渦輪關(guān)于增加排氣流流的響應(yīng)。根據(jù)第六實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)能在從鍋爐23內(nèi)能抽取的功率范圍內(nèi)靈活運(yùn)行。所以在“冬季”設(shè)定或運(yùn)行狀態(tài)，為了區(qū)域供暖而需要大量熱能時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)用作熱泵，在出口處排氣溫度明顯低于0°c，在“夏季”設(shè)定或運(yùn)行狀態(tài)，該發(fā)動(dòng)機(jī)不用作熱泵，排氣溫度在50°C至200°C的范圍內(nèi)。對(duì)于夏季設(shè)定而言，第二渦輪(未示出)與渦輪31’組合使用或者代替渦輪31’，從而增加整個(gè)有效渦輪面積?；蛘?，使用具有可變有效渦輪面積的單個(gè)渦輪。運(yùn)行狀態(tài)的改變也由在鍋爐23抽取的能量的量決定。在鍋爐23抽取的能量越多，離開(kāi)渦輪的排氣溫度就變得越低。在“冬季”設(shè)定中，各種溫度和壓力對(duì)應(yīng)于表I中對(duì)第五實(shí)施例所給出的示例。
在第六實(shí)施例的一個(gè)變型(未示出)中，渦輪31’驅(qū)動(dòng)液壓泵，鼓風(fēng)機(jī)16由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)(分別代替發(fā)電機(jī)和馬達(dá))。為了靈活性，液壓泵和馬達(dá)可以是具有可變沖程的正排量裝置。所述液壓泵和馬達(dá)通過(guò)由控制器27操作的閥和管道相連，這樣由泵輸送的液壓能被用來(lái)供給液壓馬達(dá)。第六實(shí)施例的另一個(gè)變型(未示出)利用180°C的排氣來(lái)運(yùn)行，同時(shí)在動(dòng)力渦輪31’的低壓側(cè)具有第二鍋爐，以使“夏季”設(shè)定中的效率最大化。此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)應(yīng)于“3冷” 一欄中的第三實(shí)施例的參數(shù)(參見(jiàn)表I)。該發(fā)動(dòng)機(jī)不僅僅能在上述兩種極端情況下運(yùn)行，事實(shí)上，通過(guò)調(diào)節(jié)在鍋爐23所抽取的能量的量，以及相應(yīng)地選擇合適的有效渦輪面積，該發(fā)動(dòng)機(jī)也可以利用以上述兩種情況之間的任何期望溫度離開(kāi)渦輪的排氣溫度來(lái)運(yùn)行。該發(fā)動(dòng)機(jī)也可以包括兩個(gè)具有不同有效渦輪面積的渦輪，一個(gè)渦輪的有效渦輪面積較小，一個(gè)渦輪的有效渦輪面積較大。在該變型中，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在其低壓側(cè)的排氣溫度非常低的情況下(熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的冬季設(shè)定)僅通過(guò)具有較小有效渦輪面積的渦輪來(lái)運(yùn)行，且在其低壓側(cè)的排氣溫度處于中等溫度的情況 下(熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的春季/秋季設(shè)定)僅通過(guò)具有較大有效渦輪面積的渦輪來(lái)運(yùn)行，以及在其低壓側(cè)的排氣溫度較高的情況下(熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的夏季設(shè)定)通過(guò)并聯(lián)使用兩個(gè)渦輪來(lái)運(yùn)行。圖8示出了本發(fā)明的第七實(shí)施例。該實(shí)施例類似于第四實(shí)施例。但是，在第七實(shí)施例中，空氣流到渦輪增壓器8，同時(shí)從渦輪增壓器/動(dòng)力渦輪流出的排氣減少20%，因?yàn)?0%的排氣通過(guò)第一鍋爐23、再循環(huán)管道19、鼓風(fēng)機(jī)18以及滌氣器18a在中冷器12上游的管道11處再循環(huán)回到掃氣系統(tǒng)。動(dòng)力渦輪31的出口連接到第二鍋爐20的入口或者如斷續(xù)線所示連接到排氣管21的末端部分。連接的選擇取決于動(dòng)力渦輪31的出口溫度。如果動(dòng)力渦輪31的出口溫度顯著低于渦輪增壓器渦輪6的出口溫度，那么將動(dòng)力渦輪的出口連接到排氣管21的末端部分。使用與前述實(shí)施例中相同發(fā)動(dòng)機(jī)的本實(shí)施例的運(yùn)行參數(shù)的示例示出在的表I的“7” 一欄中。 為了產(chǎn)生具有3. 6bar掃氣壓力的128kg/s的空氣量，渦輪增壓器壓縮機(jī)需要大約
20.OOOkff的功率輸入。該功率必須由渦輪增壓器渦輪從排氣中抽取。排氣中含有22. 400kW。渦輪增壓器渦輪僅需要20000/22400 * 100%= 89%的排氣流來(lái)產(chǎn)生所需的20. OOOkW。剩余的11%能被動(dòng)力渦輪31利用。另外，排氣再循環(huán)流將是總排氣流的20%，流動(dòng)線路中的所有能量都在第一鍋爐23中被利用。第二鍋爐20的入口溫度能夠根據(jù)在鍋爐I中抽取的功率而改變，同時(shí)不應(yīng)低于約300°C，因?yàn)榈陀?00°C的低溫會(huì)導(dǎo)致出口溫度低于180°C (如果使用天燃?xì)饣蚱渌缓虻娜剂希瑒t利用排氣的冷凝和可能的結(jié)冰，可以將溫度選擇的更低，以使總體能量效率最大化)。動(dòng)力渦輪31的功率僅取決于動(dòng)力渦輪的入口溫度，或者實(shí)際上取決于在第一鍋爐23的動(dòng)力渦輪入口串中抽取了多少功率。另外鍋爐入口溫度當(dāng)前是渦輪增壓器出口溫度和動(dòng)力渦輪出口溫度的混合值。該實(shí)施例是特別有利的，因?yàn)樵谂艢庵蝎@得了低的NOx值。
權(quán)利要求
1.一種大型十字頭型渦輪增壓雙沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，包括 具有排氣驅(qū)動(dòng)渦輪￠)的渦輪增壓器，該渦輪增壓器連接到增壓空氣壓縮機(jī)(9)， 位于氣缸下游并位于渦輪增壓器的高壓側(cè)的第一排氣加熱鍋爐(23)， 動(dòng)力渦輪(31)，該動(dòng)力渦輪由從渦輪增壓器的高壓側(cè)分流出的一部分排氣驅(qū)動(dòng)，并且 所述一部分排氣被從所述第一排氣加熱鍋爐(23)的下游分支的管道(30)分流到所述動(dòng)力渦輪(31), 使得與通過(guò)動(dòng)力渦輪(31)產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)能相反，所述發(fā)動(dòng)機(jī)(I)能夠適于根據(jù)期望的操作通過(guò)鍋爐(23)產(chǎn)生較大的熱量。
2.如權(quán)利要求I所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述管道(30)包括可變流量調(diào)節(jié)器，所述可變流量調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)分流到所述動(dòng)力渦輪(31)的排氣量。
3.如權(quán)利要求I所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括位于所述渦輪增壓器的低壓側(cè)的第二排氣加熱鍋爐。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述第一排氣加熱鍋爐被所有的排氣流過(guò)，且用于所述動(dòng)力渦輪的排氣部分從所述第一排氣加熱鍋爐的下游分流出。
5.如權(quán)利要求3所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述第一排氣加熱鍋爐僅被分流出的排氣部分流過(guò)。
6.如權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，離開(kāi)所述動(dòng)力渦輪的排氣在所述渦輪增壓器的低壓側(cè)被重新引入主排氣流。
7.如權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述動(dòng)力渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。
8.如權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述第二排氣加熱鍋爐用作預(yù)熱鍋爐，且所述第一排氣加熱鍋爐用于使所述第二排氣加熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽過(guò)熱。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括蒸汽輪機(jī)，該蒸汽輪機(jī)由所述第一排氣加熱鍋爐和第二排氣加熱鍋爐所產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)被操作來(lái)回收用于獲得高度過(guò)熱蒸汽的所述第一排氣加熱鍋爐中的大量能量，從而提高所述蒸汽輪機(jī)的效率。
11.如權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，掃氣被加濕并冷卻到相對(duì)較高的溫度，使得進(jìn)入氣缸的掃氣具有高的水蒸汽絕對(duì)含量，從而增加了排氣中用于在所述第一排氣加熱鍋爐和/或第二排氣加熱鍋爐和/或動(dòng)力渦輪中進(jìn)行后續(xù)回收的能量含量。
12.如權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括多個(gè)氣缸，每個(gè)氣缸都通過(guò)相應(yīng)的歧管連接到排氣接收器，其中所述第一排氣加熱鍋爐和/或第二排氣加熱鍋爐設(shè)置在所述排氣接收器內(nèi)。
13.如權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，將所述第一排氣加熱鍋爐和/或第二排氣加熱鍋爐的冷卻容量選擇成使得排氣溫度在環(huán)境溫度以下。
14.如權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，一部分排氣流被再循環(huán)。
15.如權(quán)利要求14所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，將被再循環(huán)的排氣流部分是從位于所述第一排氣加熱鍋爐下游的排氣流中分流出的。
全文摘要
一種設(shè)有用于回收排氣中的能量的排氣鍋爐(20，23)和動(dòng)力渦輪(31)的大型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。所述鍋爐中的一個(gè)是排氣接收器(3)的整體的一部分。渦輪增壓器渦輪(6)上游的一部分排氣流被分流到動(dòng)力渦輪。所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括位于渦輪增壓器渦輪低壓側(cè)的預(yù)熱鍋爐(20)，以及布置在渦輪增壓器渦輪高壓側(cè)的過(guò)熱鍋爐(23)。所述發(fā)動(dòng)機(jī)能夠以高度加濕的掃氣運(yùn)行，以增加排氣中能夠回收的能量。所述發(fā)動(dòng)機(jī)也可以用作熱泵，也就是使離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣具有環(huán)境溫度以下的溫度。
文檔編號(hào)F01N5/02GK102900484SQ20121024508
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月12日
發(fā)明者尼爾斯·謝姆楚普 申請(qǐng)人:曼柴油機(jī)和渦輪公司,德國(guó)曼柴油機(jī)和渦輪歐洲股份公司的聯(lián)營(yíng)公司