发明内容

根据第一方面，本发明涉及一种二冲程单流扫气式十字头型内燃发动机，该二冲程单流扫气式十字头型内燃发动机包括至少一个气缸、气缸盖、活塞、燃料气体供应系统、以及扫气系统，气缸具有气缸壁，气缸盖布置在该气缸的顶部上并且具有排气门(exhaustvalve)，活塞沿着中心轴线可移动地布置在气缸内下止点(bottom dead center)与上止点(top dead center)之间；扫气系统具有布置在气缸的底部的扫气入口；燃料气体供应系统包括燃料气体阀，燃料气体阀至少部分地布置在气缸壁中并且被配置为在压缩冲程期间将燃料气体注入气缸中，使得燃料气体能够与扫气混合并且允许扫气和燃料气体的混合物在被点燃之前被压缩；

其中，发动机进一步包括引燃预燃室单元，该引燃预燃室单元包括至少一个预燃室、引燃燃料阀壳体、以及布置在引燃燃料阀壳体中的引燃燃料阀，其中，该至少一个预燃室具有预燃室壁，引燃预燃室单元被配置为点燃气缸中的扫气和燃料气体的混合物，并且其中，引燃预燃室单元进一步包括用于循环换热流体的第一换热通道，该第一换热通道具有入口和出口，并且其中，入口和出口均布置在引燃燃料阀壳体中。

因此，通过给引燃预燃室单元设置入口和出口均布置在引燃燃料阀壳体中的换热通道(exchange channel)，实现有效温度调节并且易于维护。

内燃发动机优选地是用于功率为每缸至少400kW的推进船舶的大型低速带涡轮增压式二冲程单流扫气式十字头型内燃发动机。内燃发动机系统可以包括涡轮增压器，该涡轮增压器由内燃发动机产生的废气驱动并且被配置为对扫气进行压缩。内燃发动机可以是双燃料发动机，该双燃料发动机具有在使用燃料气体运行时的奥托循环(Otto Cycle)模式以及在使用替代性燃料(例如重燃油或船用柴油)运行时的狄塞尔循环(Diesel Cycle)模式。这种双燃料发动机具有其自己的用于注入替代性燃料的专用燃料供应系统。

内燃发动机优选地包括多个气缸，例如4至14个气缸。内燃发动机进一步包括用于该多个气缸中的每个气缸的气缸盖、排气门、活塞、燃料气体阀、以及扫气入口。

燃料气体供应系统被优选地配置为在音速条件下(即，与声速相等的速度、即恒定速度)经由一个或多个燃料气体阀注入燃料气体。当跨喷嘴喉部(最小截面面积)的压降比大于大约二时，可以实现音速条件。

在一些实施例中，一个或多个燃料气体阀被配置为在压缩冲程期间、在与下止点成0度至160度、与下止点成0度至130度或与下止点成0度至90度时将燃料气体注入气缸。

一个或多个燃料气体阀至少部分地布置在上止点与下止点之间的气缸壁中，优选地布置在扫气入口上方的位置。一个或多个燃料气体阀可以包括布置在气缸壁中的用于将燃料气体注入气缸中的喷嘴。燃料气体阀的其他部分(除喷嘴外)可以布置在气缸壁的外部。

燃料气体的示例为液化天然气(LNG)、甲烷、氨气、乙烷、以及液化石油气(LPG)。

引燃燃料阀可以被配置为将引燃燃料注入到至少一个预燃室中。该至少一个预燃室可以被配置成使得引燃燃料由于该至少一个预燃室中的温度和压力而自燃。替代性地，可以通过包括火花塞或激光点燃器的装置来点燃该至少一个预燃室中的引燃燃料。引燃燃料可以是重燃油或船用柴油、或具有适当可燃性的任何其他燃料，它们被准确地测量出，以使其量刚好能够点燃气缸中燃料气体和扫气的混合物。与替代性燃料的专用燃料供应系统相比，引燃燃料系统在尺寸上可以小得多并且更适合于注入精确用量的引燃燃料，该专用燃料供应系统由于部件尺寸大而可能不适合于这种目的。引燃燃料阀可以被配置为接近上止点成适合于最佳点燃主充入物的曲柄角注入一定量的引燃油。引燃燃料点燃在引燃油注入之后立即进行，主充入物点燃在引燃油点燃之后立即进行。

引燃预燃室单元可以布置在气缸壁或气缸盖中。引燃预燃室单元的至少一部分可以延伸出其插入的发动机部分，例如，引燃预燃室的至少一部分可以延伸出气缸壁或气缸盖。第一换热通道的入口和出口均可以布置在引燃预燃室单元延伸出其插入发动机部分的部分。引燃预燃室单元可拆卸地连接到其插入的发动机部分，允许取出引燃预燃室单元达到维护目的。

第一换热通道可以是被配置为用于冷却至少一个预燃室的预燃室冷却系统的一部分，例如预燃室冷却系统可以被配置为在给第一温度调节通道提供换热流体之前冷却换热流体。

预燃室冷却系统可以包括控制单元，该控制单元被配置为控制换热流体的流动和/或换热流体的流入温度。控制单元可以被配置为根据发动机负荷、发动机转速和/或扫气和燃料气体的混合物的空气燃料当量比λ来控制换热流体的流动和/或换热流体的流入温度。

替代性地，第一换热通道可以是被配置为冷却或加热该至少一个预燃室的加热与冷却组合系统的一部分，例如加热与冷却组合系统可以被配置为在给第一温度调节通道提供换热流体之前冷却或加热换热流体。加热与冷却组合系统可以被配置为从完成发动机停机或者当从重燃油或船用柴油切换到燃料气体时作为气体启动程序的一部分来加热该至少一个预燃室。加热与冷却组合系统可以被配置为在已经完成气体启动程序之后、即在正常气体操作期间冷却该至少一个预燃室，以防止损坏该至少一个预燃室和/或周围的发动机部件。

换热流体的示例是水、空气和系统油。

在一些实施例中，第一换热通道在预燃室壁的一部分和引燃燃料阀壳体的一部分这两者内部延伸。

因此，通过具有直接布置在预燃室壁内部的第一换热通道，该至少一个预燃室的温度可以有效且精确地被调节。

第一换热通道延伸到预燃室壁内部的部分可以在形成该至少一个预燃室的同时例如使用添加制造(additive manufacturing)技术形成。第一换热通道延伸到预燃室壁内部的部分以及延伸到引燃燃料阀壳体内部的部分可以通过两个单独的工艺形成并随后连接。替代性地，第一换热通道延伸到预燃室壁内部的部分以及延伸到引燃燃料阀壳体内部的部分可以在单工艺中、例如使用添加制造而形成。

在一些实施例中，该至少一个预燃室和引燃燃料阀壳体是两个连接在一起的单独的元件。

该至少一个预燃室和引燃燃料阀壳体可以使用任何合适的连接方法连接，例如使用螺栓连接或焊接。该至少一个预燃室和引燃阀壳体可以可拆卸地连接或不可拆卸地连接。

在一些实施例中，该至少一个预燃室和该引燃燃料阀壳体形成为一个在单工艺中创造的元件。

该至少一个预燃室和引燃燃料阀壳体可以通过在单铸造工艺中铸造在一起或使用添加制造而形成为一个元件。

在一些实施例中，该至少一个预燃室包括通入气缸的第一开口，第一换热通道包括第一部分和第二部分，该第一部分用于将换热流体引导朝向该至少一个预燃室的第一开口引导换热流体，该第二部分用于远离该至少一个预燃室的第一开口引导换热流体，其中，第一部分的形状基本上对应于第二部分的形状。

因此，引燃预燃室单元可以实现更均匀的温度调节。这样可以保证更有效的温度调节，并且防止引燃预燃室单元内的张力。

在一些实施例中，引燃预燃室单元进一步包括用于循环换热流体的第二换热通道，该第二换热通道具有入口和出口，并且延伸穿过引燃燃料阀壳体和预燃室壁，并且其中，入口和出口均布置在引燃燃料阀壳体中。

因此，通过具有多个温度调节通道，可以实现更均匀的温度调节。这样可以进一步降低换热流体的所需流动速度，进而可以允许温度调节通道具有较小直径，由此被布置成更靠近预燃室，实现更精确的温度调节。

第二换热通道可以包括第一部分和第二部分，该第一部分用于朝向该至少一个预燃室的第一开口引导换热流体，该第二部分用于远离该至少一个预燃室的第一开口引导换热流体，其中，第一部分的形状基本上对应于与第二部分的形状。

在一些实施例中，引燃预燃室单元进一步包括用于循环换热流体的第三换热通道，该第三换热通道具有入口和出口，并且延伸穿过引燃燃料阀壳体和预燃室壁，并且其中，入口和出口均布置在引燃燃料阀壳体中。

第三换热通道可以包括第一部分和第二部分，该第一部分用于朝向该至少一个预燃室的第一开口引导换热流体，该第二部分用于远离该至少一个预燃室的第一开口引导换热流体，其中，第一部分的形状基本上对应于第二部分的形状。

在一些实施例中，第一换热通道、第二换热通道和第三换热通道旋转地对称布置。

在一些实施例中，发动机进一步包括预燃室壳体，该至少一个预燃室被布置在预燃室壳体中，该至少一个预燃室至少具有第一接触部分和第二接触部分，该第一接触部分和该第二接触部分用于抵接预燃室壳体并且将该至少一个预燃室固定在预燃室壳体中，其中，预燃室壳体具有形成在第一接触部分与第二接触部分之间的第一隔热体积，以限制该至少一个预燃室与发动机之间的热交换。

因此，通过将该至少一个预燃室与其插入的发动机部分隔热，可以更精确地控制该至少一个预燃室的温度。这还可以允许在该至少一个预燃室附近的发动机的部件由具有低耐热性的材料(比如铸铁)制成。

在一些实施例中，该至少一个预燃室进一步具有用于抵接预燃室壳体的第三接触部分，其中，预燃室壳体进一步具有形成在第二接触部分与第三接触部分之间的第二隔热体积。

在一些实施例中，该至少一个预燃室和这些温度调节通道在单添加制造工艺中生产。

在一些实施例中，该至少一个气缸具有基部构件和预燃室构件，该预燃室构件布置在基部构件的顶部上，并且气缸盖布置在预燃室构件的顶部上，并且其中，引燃预燃室单元至少部分地布置在预燃室构件的气缸壁中，第一开口通过形成在预燃室构件的气缸壁中的开口通入气缸。

这允许预燃室构件被特别地设计为例如通过选择合适的材料来应付预燃室中的高温和高压。这可以进一步使得在预燃室上执行维护更加容易。预燃室构件可以是在基部构件与气缸盖之间的插入物(insert)，具有或不具有朝向基部构件和气缸盖中任一者的垫圈布置。在安装气缸盖之前，可以将预燃室构件与基部构件预先组装在一起。

在一些实施例中，气缸的预燃室构件由与气缸的基部构件不同的材料制成。

气缸的基部构件可以由铸铁制成，而预燃室构件可以由钢制成。

在一些实施例中，预燃室经由沿着第一轴线延伸的通道连接至第一开口，其中，第一轴线与垂直于中心轴线布置的参考平面之间的角度在0度至85度、0度至80度、0度至60度、0度至45度、或0度至30度之间。

因此，从预燃室延伸到气缸内的火焰可以与扫气和燃料气体的混合物的大部分直接发生接触。

发动机可以设有更多预燃室构件，例如每个气缸至少两个、三个或四个预燃室。

根据第二方面，本发明涉及一种用于二冲程单流扫气式十字头型内燃发动机的引燃预燃室单元，该二冲单流扫气式十字头型内燃发动机包括至少一个气缸(如与本发明第二方面结合披露的)，其中，引燃预燃室单元包括至少一个预燃室、引燃燃料阀壳体、以及布置在引燃燃料阀壳体中的引燃燃料阀，其中，该至少一个预燃室具有预燃室壁，引燃预燃室单元被配置为点燃该气缸中的扫气和燃料气体的混合物，并且其中，该引燃预燃室单元进一步包括用于循环换热流体的第一换热通道，该第一换热通道具有入口和出口，并且其中，入口和出口均布置在引燃燃料阀壳体中。

本发明的不同方面可以以不同方式实现，包括如上下文描述的二冲程单流扫气式十字头型内燃发动机和引燃预燃室单元，各自均产生结合上文描述的方面中的至少一个方面而描述的益处和优点中的一个或多个、并且均具有与结合上文描述的方面中的至少一个方面而描述的和/或在所附权利要求中披露的优选实施例相对应的一个或多个优选实施例。此外，应理解的是，结合本文所描述的方面之一所描述的实施例可以等同地应用于其他方面。

在两条轴线、两个平面、或轴线与平面之间始终存在两个角：小角V1和大角V2，其中V2＝180度-V1。在本披露中，将始终是指定的小角V1。