CN101031705A - 具有水熏蒸的充入空气冷却系统的发动机 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃机的具有水熏蒸的发动机充入空气冷却系统，该系统包括具有壳体，热交换器芯，空气进口和空气出口的充入空气冷却器。充入空气冷却器进口通过冷却器进入集管与压缩空气源的出口，例如涡轮充入器相连。充入空气冷却器出口通过冷却器出口集管与发动机的气缸进气口相连。冷却器进入集管适于接收在冷却器进口下方通道中的水。通过进入集管进入充入空气冷却器的热的，压缩充入空气与集管中形成的水蒸气混合，因此对从充入空气冷却器进入气缸的充入空气加湿。水分子的高能量吸收能力减少了燃烧峰值温度，因而减少了燃烧反应中的NOx的产生。

Description

具有水熏蒸的充入空气冷却系统的发动机

技术领域

本发明涉及一种内燃机，尤其涉及一种包括具有水熏蒸的充入空气冷却系统的发动机。

背景技术

在关于内燃机的领域中，为了减少氮氧化物(NOx)排放将水添加到发动机的燃烧过程中是公知的。水分子很高的能量吸收能力降低了峰值燃烧温度，由此减少了在燃烧反应中NOx的产生。添加水到燃烧过程中通常有两种已知的方法。既可以通过在其进入气缸以前将水和充入进气雾化或也可以直接将水喷射到气缸中，进行添加水。更具体地，可以通过将水喷入到涡轮增压器的压缩机进口或通过将水喷射到进气歧管完成。

满足控制氮氧化物(NOx)排放的法规日益变难。随着对产生较少的排放气体的燃烧发动机的需要的增加，对添加水到燃烧过程中以减少NOx排放的新型和改进的方法的需要也同样在增加。

发明内容

本发明提供了一种改进的装置，该装置用于添加水到燃烧过程中，在汽缸中燃烧之前，通过充入空气冷却器中充入空气的熏蒸来添加水。该改进的熏蒸装置主要为铁路机车使用的涡轮增压柴油机而设计，但也可以用在其它的车辆以及固定设施上。然而，设计的发明概念可以应用到其它发动机结构和应用上。发明概念仅仅需要的是：发动机包括布置在压缩空气源，例如涡轮增压器压缩机和发动机燃烧室之间的充入空气冷却器。

根据本发明的具有水熏蒸的充入空气冷却系统包括在压缩空气源，典型地是涡轮增压器压缩机和发动机气缸内的燃烧室之间连接的充入空气冷却器。充入空气冷却器可以包括内部安装有位于空气进口和空气出口之间的热交换器芯的壳体。沿壳体的底部安装的进入集管把涡轮增压器的空气出口与空气进口连通。壳体空气出口通过作为进气歧管的冷却器出口集管与发动机相关气缸的进气口连接。

进入集管适于通过适合的水供给源接收水。进入充入空气冷却器的热的、压缩充入空气与管状的集管中的水上方形成的水蒸气混合，因此将各从充入空气冷却器进入燃烧室的充入空气加湿。

在优选实施例中，经由空气出口离开充入空气冷却器的充入空气可以是或接近是100％湿度。充入空气冷却系统还可以包括传感器以控制管中的水的位置并且压缩空气源可以是涡轮增压器。

结合附图，从以下本发明的某些具体的实施例的描述中可以更全面的理解本发明的这些和其他的特征和优点。

附图说明

图1是包括根据本发明的具有水熏蒸的充入空气冷却系统的涡轮充入柴油机的透视图；

图2是图1的实施例的横截面视图。

具体实施方式

现在详细参照附图1和2，数字10通常表示为铁路机车应用而设计的涡轮增压柴油机，但也可以用在其它的设计上，例如船上动力和机动车以及固定发电厂。根据本发明的发动机10包括具有水熏蒸的最优化的发动机充入空气冷却系统12。充入空气冷却系统12通过一种新颖的水熏蒸系统将水蒸气添加到发动机的燃烧过程中以减少No_x的产生。

发动机10具有两个气缸组14，每个都具有由气缸盖18封闭的多个气缸16。在气缸内往复运动的活塞20在活塞20和气缸盖18之间限定出了可变容量的燃烧室22。气缸盖18分别包含与发动机燃烧室连通的进气口24和排气口26。

进排气口分别由安装在气缸盖上并且由阀门弹簧32偏置的进排气阀28，30控制。阀28，30分别由凸轮轴38的进排气凸轮34，36机械地开动，驱动关联的阀促动机构，例如进气摇臂40。燃料喷射阀42由凸轮轴驱动喷射泵43压力促动。排气口26连接到排气歧管44，该排气歧管依次连接到涡轮增压器46。

在本发明的优选实施例中，充入空气冷却系统12包括一对侧面安装的充入空气冷却器48(后冷却器)，该充入空气冷却器在十二缸V型发动机10的气缸组14的外侧上。如图1所示，每个充入空气冷却器都沿与其相连接的气缸组14的整个长度延伸。充入空气冷却器48包括壳体50和在壳体内的整个长度延伸的连续的热交换器芯52。芯52最好在一端固定到壳体50上并且在壳体中沿其支撑长度自由浮动。作为四通交叉流热交换器，充入空气冷却器芯52可以布置在冷却剂一侧。

每个充入空气冷却器壳体50包括形成空气进口54的底部开口和形成空气排口56的顶部开口。进入集管58安装到壳体50的底部并且通过空气进口54与其冷却器芯52连通。集管58通过连接导管59与压缩空气源的排气出口60连接，在这种情况下压缩空气源是涡轮增压器46。充入空气冷却器排气出口56与冷却器出口集管连接。作为发动机进气歧管的冷却器出口集管62安装到充入空气冷却器壳体50的顶部并且将冷却器芯52与气缸进气口24连通。进入集管58适于通过合适的水供给源接收水，例如水供给装置64。在使用中，水66沿集管58的底部存储。传感器68可以位于集管中，该传感器68与控制装置70结合控制集管58中的水66的水位。

通常发动机循环包括活塞的进气，压缩，膨胀和排气冲程。在阀关闭的情况下，在进气冲程从气缸进气口24进入燃烧室22的进气被压缩。喷射到燃烧室22的燃料被热的、压缩的空气点燃，随着活塞向下移动，燃烧产物膨胀，产生动力。燃烧室中很高的燃烧温度引起了不希望产生的氮氧化物(NOx)的形成。

燃烧产物通过排气口26和排气歧管44排出到涡轮增压器46，同时提供能量到涡轮增压器以提高进气的压力。在进气冲程发动机活塞将空气引入到各个燃烧室。在较高的发动机负载时，涡轮增压器46将附加的充入空气引入并且压缩空气，从而将其加热。加压(压缩)的充入空气通过涡轮充入器排气口60，连接导管59，如果使用，进入集管58传送到充入空气冷却器壳体空气进口54中。然后充入空气穿过热交换器52并且通过充入空气冷却器壳体出口56排出。最后，在随发动机工作状况变化的压力下，充入空气通过冷却器出口集管62进入气缸进气口34。

工作中，该具有水喷雾的充入空气冷却系统通过在空气进入气缸进气口之前添加水到充入空气中减少NOx的产生。来自涡轮增压器46的热的压缩空气进入充入空气冷却器48的进入集管58。充入空气冷却器芯是热交换器，该热交换器可以设置为在水一侧具有四通交错流动的热交换器，在热交换器中充入空气连续地经过水管的四个通道，每一个在后通道中的水要比其前面一个通道中的冷却水温度更低。

在需要时，水66添加到集管58中并且由于重力，沿进入集管58的底部扩散，如果需要可以通过合适的方式辅助，例如通过挡板以维持水沿集管的底部。集管58的底部中的水66的水平面可以用传感器68和控制装置70控制。水66暴露于涡轮增压器46提供的热的压缩充入空气中。在全发动机负荷降至大约65％负荷时，充入空气的温度在压力补偿水沸点温度之上。这引起了水66沸腾并且在液态水的上方形成水蒸气。

经过进入集管58的充入空气与水蒸汽混合并且通过充入空气冷却器壳体50的空气进口54将水蒸气载持至充入空气冷却器芯52。由于充入空气/水蒸汽混合物通过芯52流动，具有芯的热交换器降低空气/水混合物的温度。在通过热交换器的过程中，充入空气下降的温度大约为压缩机排出温度和冷却剂入口温度之间的温差的95％。

温度降低导致在热交换器的翅片上形成冷凝。冷凝积聚并且滴回到在进入集管58中的水66中。这个过程引起通过空气出口56离开充入空气冷却器芯52的充入空气接近100％湿度，在气缸盖18的进气口24中没有过量的水滴出的情况下完成了将湿度最大化得目标。然后加湿的充入空气经由充入空气冷却器出口集管62通过进气口24进入燃烧室22。这个添加水到发动机充入空气中的充入空气冷却系统的独特的使用减少了由发动机产生的NOx的水平，通过加水到发动机燃烧反应中降低峰值燃烧温度。

总体上，本发明强调了以下特征：将水设置在充入空气冷却器进口；将充入空气冷却系统中的充入空气加湿；利用水沸腾/冷凝处理以将充入空气加湿；以及将发动机充入空气的百分比湿度最大化从而获得由发动机产生的NOx的量的减少。

尽管参照一些优选实施例说明了本发明，但应当理解在发明构思的精神和范围内可以做出很多改变。因此，本发明并不受所公开的实施例的限制，而是具有由以下权利要求的语言所限定的全部范围。

Claims (10)

1、一种内燃机，包括：

至少一个气缸组；

在所述气缸组中的多个气缸；

连接到每个所述气缸的气缸进气口；

连接到所述进气口的压缩空气源；

至少一个包括壳体，热交换器芯，空气进口，以及空气出口的充入空气冷却器；

所述的充入空气冷却器壳体沿所述气缸组的侧面安装；

所述的充入空气冷却器空气入口通过进入集管连接到所述压缩空气源的出口；

所述的充入空气冷却器空气出口连接到所述气缸进气口；以及

所述充入空气冷却器还包括适于在与热交换器芯开放连通时接收集管底部的水的冷却器进入集管。

2、如权利要求1所述的发动机，包括布置在所述进入集管中并且适于监视所述集管中水的量的传感器。

3、如权利要求1所述的发动机，其中所述充入空气冷却器芯是四通交错流动的热交换器。

4、如权利要求1所述的发动机，其中所述压缩空气源是涡轮增压器。

5、一种适于水熏蒸的发动机充入空气冷却系统，所述系统包括：

连接压缩空气源和内燃机的多个气缸进气口的充入空气冷却器；

所述充入空气冷却器包括壳体，热交换器芯，空气进口，空气出口；以及

进入集管，其与壳体进口连接并且在所述空气进口下方具有底部，并且该进入集管适于接收其上面的水，而且该进入集管形成有一个用于使充入空气从空气进口向热交换器芯流动的通道，加湿的热的压缩充入空气通过该通道被传送。

6、如权利要求5所述的发动机充入空气冷却系统，包括布置在所述集管中并且适于监视所述集管中水的量的传感器。

7、如权利要求5所述的发动机充入空气冷却系统，其中所述压缩空气源是涡轮增压器。

8、一种用水熏蒸内燃机的充入空气的方法，所述方法包括以下步骤：

提供充入空气冷却系统，该充入空气冷却系统包括连接在压缩空气源和内燃机的多个气缸进气口之间的充入空气冷却器；

所述充入空气冷却器具有壳体，热交换器芯，空气进口，空气出口，以及适于在所述空气进口下方接收水的进入集管；

在所述压缩空气源和所述进口之间连接所述充入空气冷却器；

供给水到所述集管中；

从所述压缩空气源接收热的压缩空气到所述集管中，从而所述热的压缩空气使得所述水沸腾，形成的水蒸气与空气混合以提供熏蒸的充入空气；以及，

引导熏蒸的充入空气到发动机的进气口以使其进入发动机的气缸。

9、如权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

在引导步骤之前，通过所述充入空气冷却器空气进口接收空气和水蒸气的混合物到所述充入空气冷却器芯中；

在所述充入空气冷却器芯中冷却所述空气和水蒸气的混合物，从而在所述充入空气冷却器中形成冷凝物；以及

允许冷凝物滴回到所述集管中并且允许加湿空气通过所述充入空气冷却器空气出口离开所述充入空气冷却器芯。

10、如权利要求8所述的方法，包括以下步骤：

用控制装置控制所述集管中的水的量。

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