CN100347424C - 用于降低燃烧发动机的排放的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于净化一燃烧发动机排出的废气的方法，在该方法中，将湿空气供给该燃烧发动机的燃烧室中。为了有效地降低发动机的氧化氮排放，特别是在柴油机处于部分负荷运行时，并且为了使该方法可以进行精确的调节，从而满足每个特定的发动机应用和使用的要求，根据本发明，利用一喷雾头(3)将一种气体和含水薄雾的混合物供入一通到燃烧室的空间(2)中。该方法可以由一种装置容易地实施，该装置可以安装在一小的空间中，而不需要对该燃烧发动机进行大的改变。本发明也涉及一种用于净化一燃烧发动机排出的废气的装置。

Description

用于降低燃烧发动机的排放的方法和装置

发明的背景

本发明涉及一种使燃烧发动机的废气变清洁的方法，在该方法中，将湿空气供入该发动机的燃烧室中，并利用一喷雾头将气体和水雾的混合物供入一个连接该燃烧室的空间中。

本发明也涉及一个用于将湿空气供入一燃烧发动机中的装置，该装置包括：一个将水雾供入该燃烧发动机中的一空间中的喷雾头，用于将气体供入该喷雾头中的气体供给装置，用于将含水液体供入该喷雾头的液体供给装置，和用于从该喷雾头将气体和水雾的混合物供入所述空间中的混合装置，该空间设置得可以与该燃烧发动机的燃烧室实现流动连接，并将气体和水雾的混合物供入该燃烧室中。公知的是，这种装置用在气轮机中，并且该装置的作用是为了防止，例如在天热的情况下，透平周围温度很高时，发动机的功率和效率降低。

环保的目的之一是为了降低从燃烧发动机中排出的废气。本发明提供了一种这样的技术方案，借助于该技术方案，特别是柴油机中排出的废气将降低，但其他燃烧发动机排出的废气也将降低。

柴油机的废气包含各种有害燃烧产物，其中氧化氮，即NOx对环境是最有害的。氧化氮被认为例如是形成烟雾，温室效应和酸性土壤及延迟植物的生长的重要因素。

船舶柴油机是大的空气污染器。根据几年前美国出版的研究表明，世界上14％的氧化氮排放和16％的硫化物排放都源自于水上交通。柴油机中产生的微粒/碳粒排放(当发动机在较低的部分负荷下运行时，微粒/碳粒排放最容易产生)也会成为一个问题。当发动机以低负荷运行时也会产生大量的氧化氮排放。典型地，当船舶在港口中时，船舶发动机都处于部分负荷下运行，所以当船舶在港口中时，其排放也是一个严重的问题。

在柴油机中，氧化氮的排放可借助于公知的方法，即降低燃烧温度的方法来降低，即排放物在形成的同时就降低。可以利用各种不同的方法来降低燃烧温度。可以借助于将水喷入燃烧室中，或者在燃料中使用含水乳化液，来降低燃烧温度。

根据一些研究表明，将水喷入燃烧室中会增加烟雾排放。如果大量的水被喷入发动机中，则燃料消耗也会上升。然而，其他研究表明，所谓的HAM(湿空气发动机)方法(在该方法中，将湿空气供给发动机)产生良好的排放结果。在该方法中，柴油机的空气充量借助于蒸发器进行加湿，并且燃料在含有湿空气而不是正常空气的发动机气缸中燃烧。这种HAM方法的缺点是，柴油机的动力性降低相当多。该方法的进一步缺点是，水在蒸发器中不能分散成足够小的水滴，其中产生的水滴相当大，因此它们不能快速并容易地蒸发。水滴的快速蒸发是降低排放的先决条件，并且也是使发动机在其他方面稳定运行的先决条件。

在燃料中使用含水乳化剂可以降低氧化氮，而不增加一氧化碳的量。根据一些研究表明，这种方法所获得的结果，没有将水喷入气缸中的方法获得的结果好。然而，“含水乳化剂方法”的问题在于不能使足够量的水与燃料混合。

美国专利US4459943和US4411224公开了将气体和水雾喷入一燃烧发动机的进气空气中的各系统。气体和水雾的量每一种都与该发动机的负荷成正比。

一种替换并且也是辅助的使空气变潮湿的方法，是利用一催化转化器来去除氧化氮。利用催化转化器，并借助于将尿素和水的混合物喷入燃烧气体中，氧化氮可以还原成氮气和水蒸气。各催化转化器可以有效地降低氧化氮排放，但用在海洋航行中时，成本太高：其成本约为发动机价格的30％，并且在大型发动机中，其成本更高。此外，在船舶中，催化转化器占用大量的空间，并且需要相当大的运行维护成本等。

本发明的概述

本发明的目的是为了提供一种经济的且有效的技术方案来净化从各种燃烧发动机，特别是从大型两冲程和四冲程柴油机中排出的废气。因此各种船用柴油机和柴油发电机是很重要的应用情况。

这一点是利用本发明的方法获得的，该方法的特征在于：气体和水雾的混合物随燃烧发动机的负荷的变化而改变。由于气体供给，因此与普通的水供给相比，即，与以(与供给气体/含水薄雾混合物的压力)相同的供给压力供给水但不供给气体相比，供给的水量和水滴大小将降低。相对供给的水量，供给的气体越多，水滴将越小。气体供给可以使水滴非常小，这些水滴将容易且快速地蒸发，并结合大量的能量，从而降低燃烧温度。

当本发明的方法用于一活塞式发动机，特别是一柴油机时，建议包含气体和含水薄雾混合物的混合比如此变化，即，当发动机的负荷增加到一给定值，例如发动机以部分负荷运行时，所述混合物中的含水薄雾量增加，当发动机负荷降低时，气体和含水薄雾的量降低，以致于负荷较高时，水的绝对量随负荷增加。因此，在发动机以部分负荷运行时，可以获得理想的水滴大小，该大小对发动机具有最佳的冷却效果。当发动机负荷超过给定值时，建议基本上停止供给气体，而继续供给液体，因此随发动机的负荷的增加，供给的液体量通常增加。在高负荷时，基本上或完全停止供给气体的原因是发动机充量空气的温度在高负荷时非常高，即使相当大的水滴也能容易地蒸发。

随着小的水滴的蒸发，它们结合大量的能量。在某些应用场合下，冷却效果可能过度，但这方面可以借助于由发动机废气中的热量来加热供给喷雾头的含水液体得到防止，因此液体被预热后供入该发动机中。

如果该方法采用从发动机排出被清洗过的废气作为该气体，则供入该发动机的混合物具有更高的比热，这进一步降低了发动机的最高温度。该含水薄雾以1-30MPa(10-300巴)的压力呈雾状喷出。

本发明的方法的主要优点是：可以有效地降低氧化氮，特别是当用到部分负荷的柴油机中时，更是如此。它可以非常精确地调节，从而满足任何特定的发动机应用和相关使用的要求，并且它可以安装在较小的空间中而不需要对发动机进行大的改变。在实际应用中，由于在港口和靠岸时，船用柴油机典型地都处于部分负荷下运行，因此从船中排出的排放物大大降低。该方法取消了有害并产生爆震的蒸发器的使用。这是因为爆震的危险发生在高温高压同时具有腐蚀性的环境下。因此没有必要安装催化转换器，至少是这种需要大大降低了。另外，该方法的投资和运行成本较低。

本发明的装置的特征在于：该装置包括用于控制从该供给装置供给的含水液体的量的控制装置，和用于控制从该供给装置供给的气体的量的控制装置，以致于使供给的气体和含水液体的混合比根据发动机的负荷的改变而改变。

该气体供给装置最好包括一压缩机。该压缩机供给的气体易于精确地调节，从而满足任何特定的需要。

该液体供给装置最好包括一个泵。该泵设置得便于以由该气体供给装置产生的压力供给含水液体。该泵例如是一活塞式泵，因此该泵的压力自动设置为气体供给压力。

在某些应用中，含水薄雾可能会过分地降低燃烧温度。此时，该装置最好包括一个对供入喷雾喷嘴的含水液体进行加热的加热装置，该加热装置最好是一个设置在该燃烧发动机的排气岐管中的气体流动空间，通过该岐管，含水液体源设置用来如此地供给含水液体，以致于它吸收废气的热量，并且将被加热的含水液体供入该喷雾头中。这种技术方案可利用废气能量，否则该废气能量将浪费。

本发明的装置的主要优点在于它可以有效地降低氧化氮的排放，特别是柴油机在部分负荷运行时，是这样。此外，其结构和安装是简单的。该装置可以精确地调节，从而可以满足任何特殊发动机应用和使用要求，并且在不需要对发动机作大的改变的情况下，可容易地安装在一小的空间中。此外，该装置的投资和运行成本低，并且不存在爆震的危险。

附图的简要说明

下面，借助于各优化实施例，并参照所附的各附图对本发明进行详细说明，其中：

图1表示本发明的第一实施例；

图2表示本发明的第二实施例；

图3示出了本发明的主要零部件；

图4表示一种废气清洗装置，该装置可以应用到图1和2所示的各实施例中。

各优化实施例的详细说明

图1表示一台大型6缸船用柴油机。该发动机设置有一个给进气管2提供带压力的燃烧空气的增压器1。为了降低该发动机的氧化氮的排放，该进气管2设置有一个喷雾头3，该喷雾头3设置得便于将气体和水雾的混合物供入进气岐管中，所述混合物从此流入该发动机的各气缸4。由于气体和水雾的混合物进入各气缸，因此各气缸4中的燃烧温度降低。在发动机以全负荷和部分负荷运行时，燃烧温度都可以有效地降低。在部分负荷时燃烧温度也降低的原因是，喷雾头还将气体供入进气管中。气体供给降低了水滴的大小(这一点是很重要的)，从而当发动机以部分负荷运行并且其温度相对较低，需要降低排放物的水量比全负荷小时，各水滴可以容易并快速地蒸发。由于燃烧温度降低，因此在发动机的整个负荷曲线(即表示负荷与转速关系的曲线)范围内，氧化氮的排放都可以有效地降低。因此，气体供给解决了获得小的水滴这个公知的问题，特别是在发动机以部分负荷运行时，更是如此。

在图3中，放大地示出了喷雾头3安装在进气管2中的情况。该喷雾头3包括：一组可以使气体和水雾混合物均匀地供入进气管2中的喷嘴5。喷嘴5的数量可以变化。原则上讲，一个喷嘴就足够了。该喷雾头3是一种所谓的双液体喷雾头型的，气体和液体分别供入该喷雾头，并且在通过该喷嘴5将最终混合物作为雾状喷出之前，气体和液体在该喷雾头内进行混合。

在图1的情况下，提供给喷雾头3的气体是空气，因此参考标号6表示空气压缩机。空气沿管7供入该喷雾头3，例如压力为3MPa(30巴)。参考标号13表示一空气泵，标号14表示一电动机，标号15表示一过滤器，标号16表示单向阀，该阀用于防止介质从管7流入泵13中。

供给喷雾头3的液体是新鲜的水或具有高的含水量的含水液体。在实际使用中，水含量为95％-100％，在这种情况下，通常选取靠近该范围上限的值。较好的是，该液体应该包含耐腐蚀添加剂或除钙剂。利用一泵单元8将新鲜的水沿一管10从一容器9中供给该喷雾头3。该泵单元8包括一活塞泵11和一电动机12，其运行速度可以由控制装置控制，该控制装置在图中用参考标号50表示。例如，该控制装置50可以连接得对该柴油机的运行速度作出反应。标号17表示防止介质沿管10从该喷雾头流到泵11或容器9中的单向阀。标号18和19分别表示一管和一卸压阀，如果泵11中和管18中的压力超过一给定值，即，给定的极限值，则水可以流过它们。管18和卸压阀19用作安全装置，防止压力上升到很高，从而损坏零部件。参考标号20和21表示阀，参考标号22表示过滤器。该过滤器22用于防止可能堵塞该喷雾头的颗粒物进入该喷雾头3中。

图1的柴油机如此地运行，以致于当该柴油机在低负荷运行时，空气和水供入该喷雾头3中。发动机需要的大部分燃烧空气都是通过增压器1供入进气管中的。从压缩机6来的空气和泵11来的水在喷雾头3中混合，并且该喷雾头的各喷嘴使空气和水的混合物在该进气管2中雾化。水形成粒度微小的水雾，其粒度至多为200微米，较好的是小于100微米，最好是小于50微米。例如所述粒度值表示所有水滴的大小都这样，而不是平均值是这样。柴油机运行速度越高，驱动泵单元8的速度越高，因此供入喷雾头中的水量增加。该泵单元8可由各种方式控制，这取决于采用的控制装置。一种方法是根据该柴油机的运行速度确定泵11的运行速度。对本技术领域的普通技术人员来说，各控制方法是显而易见的，因此本文不需要对它们或泵控制进行详细描述。因此供入喷雾头3中的水量取决于该柴油机的运行速度和其瞬时功率。如果功率高，供给的水就更多。供给的水量大致为供给该柴油机的燃料量的0.5-2.5倍。为了降低氧化氮，在柴油机处于低负荷运行时，供给水是很重要的。供给该喷雾头3的空气量是恒定的，或者是当柴油机以部分负荷运行时，该空气量不随该柴油机的运行速度而显著变化。由于上述原因，从该喷雾头3喷出的混合物的水雾含量降低，水滴大小变得更小，柴油机加载的功率越低，越是这样。

如果柴油机的运行速度超过给定值，例如相当较高的极限值，则该柴油机在高负荷下运行，供入喷雾头3中的空气停止，或大大降低，因为在高负荷下，燃烧温度较高，因此即使是较大的水滴也容易蒸发。

如果理想的话，含水薄雾的水滴大小可以如此地选择，以致于在压缩冲程期间直到水滴进入气缸4中，其才会在气缸内蒸发。在蒸发时，压缩功会降低，并且可以改进该柴油机的运行效率。

当容器9中的水位低于一给定水位时，开关23使阀21开启。当容器9中的水位上升到给定水位时，开关24使阀21关闭。

图2表示安装在柴油机中的本发明的装置的第二实施例。在图2的实施例中，与图1相同的参考标号表示相同的零部件。图2的技术方案与图1的技术方案的区别在于：供入喷雾头3的介质是被加热(预热)的。加热是如此进行的，即，一管710′布置在该柴油机的废气岐管30′中的气体流动空间31′中，在热的情况下，流动废气将热能释放给该管710′中流动的介质，即，空气/水混合物。由于管710′中的介质被预热了，因此从喷雾头3′中喷出的混合物没有过分地冷却供入该发动机中的湿空气。自然，预热的程度根据各运行条件调节。气体流动空间31′可以包括一热水容器，设置该热水容器用于收集该燃烧发动机的废气中的热量。

图2所示实施例与图1所示实施例的区别还在于：供入喷雾头3′中的空气和水在供入喷雾头之前进行混合。因此，图2中喷雾头3′的结构比图1中喷雾头3的结构更简单。混合主要发生在P′点，但在点P′和喷雾头3′之间的管部710′中继续进行混合。

此外图2所示装置作为图1所示装置运行。

图4表示一种利用清洗来净化废气的装置。该装置安装在图1和2所示的发动机的排气管路中。标号61表示高压喷雾头，该喷雾头61由一体件60支撑安装在各特定管90中，并且喷出含水薄雾。该喷雾头以1-30MPa(10-300巴)，最好是2-10MPa(20-100巴)的压力工作。当该喷雾头61的各喷嘴工作时，喷嘴形成抽吸作用，吸入废气。含水薄雾和废气中的氧化氮产生反应，在构成反应腔的管路90中形成硝酸。净化或清洗过的废气从管路70中排出，它们从此通过管路(未示出)导流到喷嘴3和3′(参见图1和2)中。水雾和废气反应形成的产物从一法兰100排出，从此处，该反应产物由一管(未示出)导流出去。图4所示装置意欲利用一法兰80安装在该排气气缸30，30′的一侧。另外，该法兰80可以被省略，此时该装置可以安装在排气气缸之内，从而使废气流过该装置。在法兰80的上游最好设置一个挡板(未示出)，该挡板用于调节导流到该法兰80中和导流到排气岐管30中的废气量的比例。在管70中朝上流的清洗过的废气，可以通过一管(未示出)导引回流到法兰80(和挡板，如果存在挡板的话)的上游的排气岐管30中。由于从废气中净化了氧化氮，图4的清洗装置与图1和2的装置结合形成一个系统，利用该系统，排放物，特别是氧化氮排放物可以降低到非常低。图4的装置还可以大大降低硫化物的排放。

上面只利用两个实施例对本发明进行了说明，但本发明可以利用各种方式实施。因此供入喷雾头中的气体不必一定是空气，可以是任何气体，例如从发动机中排出的清洗过的废气。在后述情况下，由于烟雾气体的比热高于空气的比热，因此从喷雾头供给的气体混合物的比热更高，所以发动机的峰值温度将降低。喷雾头中的喷嘴数和各喷嘴之间的角度和距离可以变化如图3所示。原则上讲，可以具有几个喷雾头，但可以假设在一个喷雾头时本发明将可以最成功地实施。

本发明的方法和装置也可以用在除柴油机之外的其他发动机上，例如该方法可以用在Otto循环发动机和气轮机上。

Claims (22)

1.一种净化活塞发动机的废气的方法，在该方法中，将湿的气体供入该发动机的燃烧室中，并利用一喷雾头(3，3′)将气体和含水薄雾的混合物供入一个连接该燃烧室的空间(2，2′)中，其中，气体和含水薄雾的混合比随燃烧发动机的负荷的变化而改变；其特征在于：该混合物的混合比如此变化，以致于所述混合物中的含水薄雾的量随该发动机的负荷增加到一给定负荷值而增加，发动机以部分功率运转，并且当发动机负荷降低时，该混合物中的含水薄雾的量降低，以致于水的绝对量随负荷而增加。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述混合比根据发动机的瞬时功率而改变。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发动机负荷超过给定负荷值时，气体供给基本上停止，含水液体的供给继续，因此从该喷雾头(3，3′)提供含水薄雾。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：气体和含水液体混合形成一混合物，该混合物供给该喷雾头(3)，从而形成含有气体和含水薄雾的一混合物。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将该气体和含水液体供给该喷雾头(3′)，在该喷雾头(3′)中气体和液体混合从而形成含有气体和含水薄雾的一混合物。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于：该气体为空气。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：该空气由压缩机(6，6′)供给，而该含水液体由一泵(11，11′)供入该喷雾头(3，3′)。

8.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于：将燃烧发动机排出的，在供给该喷雾头(3，3′)之前被清洗过的废气，用作该气体。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：将含水薄雾喷入废气中，用于清洗该废气。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：该含水薄雾以1-30MPa(10-300巴)的压力呈雾状喷出。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将包括含水液体的介质由发动机废气的热量预加热，并供入喷雾头(3，3′)中，并喷入发动机中的所述空间(2，2′)。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述混合物中的含水薄雾的水滴粒度大小至多为200微米。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于：其用于净化一活塞式发动机的废气，所述混合物中的含水薄雾的水滴是如此大以致于一些水滴在压缩冲程期间进入燃烧室并在其中蒸发。

14.一个用于将湿的气体供入一燃烧发动机中的装置，该装置包括：一个将含水薄雾供入该燃烧发动机中的一空间(2，2′)中的喷雾头(3，3′)，用于将气体供入该喷雾头(3，3′)中的气体供给装置(6，6′)，用于将含水液体供入该喷雾头的液体供给装置(8，8′)，和用于将气体和含水液体混合的混合装置(P′)，喷雾头(3，3′)将混合后的气体和含水液体变成气体和含水薄雾的混合物供入所述空间(2，2′)，该空间设置得可以与该燃烧发动机的燃烧室实现流动连接，并将气体和含水薄雾的混合物供入该燃烧室中，该混合装置包括用于控制从该液体供给装置(8，8′)供给的含水液体的量的控制装置(50)，和用于控制从该气体供给装置(6，6′)供给的气体的量的控制装置，以致于使供给的气体和含水薄雾的混合比根据发动机的负荷的改变而改变，其特征在于：用于控制供给的含水液体量的控制装置(50，50′)被设置成以这种方式增加含水液体的供给量，以使所述混合物中的含水薄雾的量随发动机负荷增加到一给定负荷值而增加，发动机以部分功率运转，而当发动机负荷降低时，所述混合物中的含水薄雾的量降低，以致于水的量随发动机的负荷而增加。

15.如权利要求14所述装置，其特征在于：该气体供给装置包括一压缩机(6，6′)。

16.如权利要求14或15所述装置，其特征在于：包括一个用于将含水薄雾呈雾状喷射入燃烧发动机的废气中以便对其进行清洗的高压喷雾头(61)，该气体供给装置包括用于将清洗过的废气导流入喷雾头(3，3′)中的装置(70)。

17.如权利要求13所述装置，其特征在于：所述液体供给装置包括一个液体源(9，9′)，和一个用于从该液体源中将液体供入该喷雾头(3，3′)中的泵(11，11′)。

18.如权利要求17所述装置，其特征在于：该泵(11，11′)包括当燃烧发动机转速增加时用于增加泵的转速并当燃烧发动机转速降低时用于降低泵的转速的控制装置(50，50′)。

19.如权利要求14所述装置，其特征在于：包括一个用于加热供入该喷雾头(3′)中的含水液体的加热装置(31′)。

20.如权利要求19所述装置，其特征在于：该加热装置是一个设置在燃烧发动机的排气歧管(30′)中的气体流体空间(31′)，通过该气体流动空间，含水液体源(9′)设置得能将含水液体供入该喷雾头(3′)中，从而该含水液体在供入该喷雾头(3′)前吸收废气中的热能。

21.如权利要求14所述装置，其特征在于：该混合装置设置在该喷雾头(3)中。

22.如权利要求14所述装置，其特征在于：沿该含水液体的流动方向看，该混合装置(P′)处于该喷雾头(3′)的上游。

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