CN101371018B - 用于处理和稀释内燃废气的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种处理发动机废气使其远离居住区的系统包括与壳体(14)流体连通地连接的空气加压系统(40)。该壳体被设置成与排气管(12)的末端部相邻，使得注入到壳体中的加压空气带走废气，并将其从壳体中驱散。

Description

用于处理和稀释内燃废气的方法和装置

相关申请的交叉参考

本发明基于2006年2月17日提交的申请号为11/307,712的美国专利申请并要求其优先权，上述申请基于2005年12月9日提交的申请号为60/751,459的美国临时专利申请并要求其优先权。

背景技术

本公开涉及对内燃机的废气流的处理，和更具体地涉及一种产生大量、高速气流以将发动机废气从特定区域导出和稀释该废气的方法和装置。

在很多企业中，使用内燃机作为能量来源。这些发动机排出的废气通常对人、动物和植物有害或者使其产生不舒适。工人们处在接近内燃机能量来源的环境中，与废气接触造成了不舒适和潜在不健康的工作环境。例如但不限于此，海上建筑，例如油井钻探设备或生产平台，对于内燃机废气造成的对工作和其它居住区的污染似乎格外地敏感。或许由于海上结构上的可用面积(usable square footage)非常宝贵，固定的内燃机是相对靠近居住区的必需品。以最大限度地减少居住区污染的方式处理废气是或者应当是需主要关注的问题。换句话说，低废气速度可能会让风和其它天气条件将废气导回到排气口和/或居住区。

常规的防止废气污染居住区的方法通常包括增加排气管高度、长度和/或位置。然而，增加排气管长度不能增加废气排出的速度或改进废气的稀释。通常，增加长度也增加了发动机的背压(backpressure)，降低了发动机的效率。特别是对于柴油机，柴油机对废气背压极其敏感。在某些环境中，将固定能量来源搬到更加远离居住区的其它位置可能是很必要的。

这里所公开和讲述的发明，目的在于对发动机废气排放处附近产生更高流速的系统和方法进行改进，由此改进发动机废气的驱散和稀释，从而降低或防止居住区的污染。

发明内容

根据本公开发明的某些讲述，本发明一方面包括发动机排气系统，该发动机排气系统包括适合于围绕发动机排气管的末端部的壳体，该壳体具有出口部和连接至该壳体的环境空气加压系统，使得环境空气通过空气加压系统注入到壳体中，注入的空气带走排气管中排出的废气，并且混合流体流以比单独废气更快的速度从出口部排出。

本发明的另一方面包括一种处理发动机废气的方法，该方法包括在一端设置具有收敛喷嘴(converging nozzle)的壳体；将该壳体设置在发动机排气管的末端部附近；以比废气排出管更快的速度将空气注入到环形区域中；利用注入的空气带走废气；并且推动混合气流通过喷嘴。

附图说明

通过参考下文中的详细说明和附图，本发明的其它目标和优点将更加清楚，其中：

图1示出了结合本发明的方面的第一实施例的侧视图。

图2示出了图1所示实施例的俯视图。

图3示出了图2所示实施例的端视图。

图4示出了结合本发明的方面的本发明的第二实施例的侧视图。

图5示出了图4所示实施例的俯视图。

图6示出了图5所示实施例的端视图。

图7示出了本发明的另一个实施例。

图8示出了本发明的具有可导向(directable)排出喷嘴的另一个实施例。

图9示出了本发明的接收来自多个源的废气的另一个实施例。

图10示出了本发明的与计算机控制系统连接的另一个实施例。

虽然本发明可进行各种修改和替代形式，其具体实施例已经以示例的方式在图中示出，并在这里详细说明。然而，应当理解这里具体说明的实施例不将本发明限定于所公开的具体形式，相反，本发明覆盖落入通过所附权利要求限定的本发明实质和范围内的所有修改、等同和替代。

具体实施方式

上面描述的附图和具体结构和下文中对特定结构和过程的文字描述不应当限定申请人发明的范围或者对这些发明寻求保护的范围。提供附图和文字描述以向本领域技术人员公开制造和使用寻求专利保护的本发明。现有技术人员应当理解，为了清楚和理解的目的，没有公开本发明的商业应用的所有特征。现有技术人员还应理解本发明的实际商业实施例的结合方面的开发需要大量的具体实施例决策，从而获得研制者对于商业实施例的最后目标。所述的具体实施例决策可包括但不限于，服从有关系统的，有关业务的，有关政府的和其它的约束，这些约束可以根据具体的实施例、位置、和不同的时间而不同。尽管研制者的努力在某种绝对程度上可能是复杂而且费时的，然而，这些努力对于具有本公开优先权的现有技术人员将是一种日常任务。这里所述公开的发明和讲述允许大量和各种修改和替代形式。

使用单数名词并不希望限制物件的数目。同样，在文字描述中使用的关系词，例如但不限于，“顶”，“底”，“左”，“右”，“上”，“下”，“向下”，“向上”，“侧”等等在这里用来结合附图进行说明，并不作为对本发明或所附权利要求范围内的实施例的限制。

申请人发明了一种处理发动机废气的装置和方法，其中利用环境空气引导和/或稀释废气，使得废气不会在居住区内再循环，例如工作壳体，或者如果再循环，使废气稀释到可接受水平。通常，在常规排气管或系统的末端部会形成通风壳体(plenum)。将环境空气加压进入通风壳体中，以带走废气或者提高废气从壳体中排出的速度，从而加强导向、分散和/或稀释。在壳体的内表面和管的外表面之间可形成环形区域。出口部可包括收敛喷嘴。空气加压系统可包括进气口、加压装置和过渡壳体。其中，空气加压装置可包括轴流式风扇、轴流式鼓风机、导管轴流式鼓风机、离心风扇、离心鼓风机、无过载风扇或鼓风机、或者无失速(non-stalling)风扇或鼓风机。壳体中可以使用导向叶片和导流叶片。也可以使用可调式的加压系统。空气加压系统还可由计算机控制。

驱散发动机废气的方法可包括在发动机排气管末端部附近的一端提供具有收敛喷嘴的壳体；以大于排出排气管的废气的速度将空气注入到环形区；利用注入的空气带走废气；以及推动混合气流穿过喷嘴。可在壳体和排气管之间形成环形区域。壳体可基本圆柱形地设置在管周围。可为空气加压系统设置进气口防护罩。为了充分驱散废气，还要测定所需要的空气增压的增压程度，以及测定发动机的当前转速，和/或测定一个或多个天气条件。此外，需要至少根据发动机转速和一个或多个变化条件调整加压。另外，实现提高发动机的工作效率。

图1、2和3示出了结合本发明的方面的第一实施例10。实施例10可包括排气套筒12和外壳体14，该外壳体被设置成容纳套筒12的至少一部分。图1示出外壳体14可关于套筒12同心地设置，从而在套筒12的外侧和壳体14的内侧之间形成环形通风壳体16。壳体14包括出口部18和背部20，例如图1所示的背板。优选地，外壳体14可密封至背部20上的套筒12，例如通过焊接。可以通过很多种已知的方法将外壳体14关于套筒12同心地支撑，包括背部20和/或导流叶片22。导流叶片22还能够减少通风壳体16中的紊流，以及将环形通风壳体16中的加压空气的动态能量转化为静态能量，该过程通常被称为静压复得(static pressure regain)。外壳体14的出口部18可包括收敛喷嘴24，其被设置成增大流体流过其中的速度。优选地，利用常规技术设计和构造的喷嘴24用来加快流体排出速度，并保持密封的、完全柱形的高速气流以比主风(prevailing wind)速度大得多的速度从出口部18排出。优选地，具有设置在外壳体14底部的排泄口26，从而便于排出例如由于浓缩，天气，或清洁而累积在外壳体的液体。

通过例如轴环28来调整套筒12，从而与现有的排气系统500连接。排气系统500可以是固定发动机上的现有的排气管，或者特别为本系统准备的排气管。应理解轴环28可以是焊接或非焊接连接，可拆除连接或柔性连接。图1中未示出，在本发明的某些实施例中，排气管500可替代套筒12和/或排气管500可以看作套筒12。

与通风壳体16连通的是环境空气加压系统40，其可包括进气口42、加压装置44和过渡部46。如图1所示，过渡部46被设置成与外壳体14连接，从而在系统40和通风壳体16之间建立流体连通。优选地，过渡部46密封至外壳体14，例如通过焊接。外壳体14还可包括一个或多个转动叶片48，从而将加压环境空气的至少一部分导向出口部18。转动叶片48有助于将加压空气更加均匀地分配通过环形通风壳体16。应理解，如图1所示的背部20也有助于将加压环境空气重定向。

空气加压装置44可连接至或整体地形成至过渡部46，且进口42可连接至或整体地形成至加压装置44。对于图1示出的实施例，优选的加压装置是导管轴流式鼓风机，例如可从多种来源得到。也可使用其它加压装置，例如离心鼓风机。如图1所示，优选地，加压系统40，或者至少加压装置44中并不会通过受热的发动机废气流。然而，在某些应用当中，希望或者要求加压装置44中通过废气。

应该理解在这点上加压装置44使环境空气进入进气口42，并通过过渡部46注入通风壳体16。被加压装置44注入到通风壳体16的加压空气在套筒12的排出端12a上的通风壳体16中产生感应效应，且带走或者混合且稀释从套筒12排出的废气，并且通过喷嘴24增加混合流体的量以进行扩散。加压空气的注入可以用以形成排气系统500(和套筒12)中废气的压力降低，从而提高发动机效率。

优选地，加压装置40被设计成克服由过渡部46、内部转动叶片48、通风壳体16、套筒12、导流叶片22和排出喷嘴24产生的内部气流阻力，并且产生排出速度来抵消任何主风速度。优选地，系统10被设计成使得在密封的大致圆柱形的空气模型或圆柱中根据主风速度将发动机废气从喷嘴18的端部推进大约50到100英尺，甚至更多，从而最大限度地处理和稀释到环境空气。

图4、5和6示出了结合本发明的方面的优选实施例110。与图1、2和3示出的实施例10相似，该优选实施例110包括排气套筒112和容纳套筒112的一部分的外壳体114。在套筒112的外侧和壳体114的内侧形成环形通风壳体116。壳体114包括出口喷嘴118和背板120。外壳体114通过焊接密封至背板120上的套筒112，有助于关于套筒112同心地支撑外壳体114。导流叶片122还支撑了外壳体114，并且能够减少通风壳体116中的紊流，以及将环形通风壳体116中的加压空气的动态能量转化为静态能量。出口喷嘴118包括利用常规技术设计和构造的30°收敛喷嘴以加快流体排出速度，并保持密封的、完全柱形的高速流体流，以比主风速度大得多的速度从系统110排出。虽然图4示出了排气套筒112在喷嘴118内部终止，然而可理解当设计规定需要或希望，排气套筒112还可在壳体114内部终止。

环境空气加压系统140包括进气口142、加压装置144、安装卷轴(spool)或叶片部145，和过渡部146。如图4和6所示，过渡部146被设置成在背板120附近与外壳体114连接，使得在系统140和通风壳体116之间形成流体连通。过渡部146密封至外壳体114，例如通过焊接。外壳体114和/或过渡部146还可包括沿套筒112的外表面延伸1 80度的转动叶片148，从而将加压环境空气的至少一半引导向出口喷嘴118。可以理解背板120，主要是部分120a，将加压环境空气的其它部分重定向。

空气加压装置144连接至进口142和过渡部146。当需要时，加压装置144还可包括安装卷轴或叶片部145，从而沿加压装置144的直径提供一致的速度分布图。为了本公开的目的，加压装置144和安装卷轴/叶片部145可作为一个装置或者分开的装置。在优选实施例中，加压装置144可以是从俄亥俄州的Piqua的Hartzell Fan，Inc获得的系列44导管轴流式风扇。如图6所示，进气口142包括具有一个或多个元件152的防护罩150，其被设置成防止水或其它污染物进入或接触空气加压装置144。如图4所示，优选地，喷嘴118与加压装置144的中心线间隔距离“L”，其中L的范围大约是加压装置144的标称直径的1.5倍到2.5倍之间，包含且最优选为标称直径的2倍。此外，优选地，在壳体114和套筒112之间形成的环形区域的面积与加压装置144(或安装卷轴/叶片部145)的出口面积大致相同，且最优选为等于或大于出口面积。

优选地，实施例110由不锈钢制成，例如系列300不锈钢，且最优选为系列316不锈钢。然而，可以理解，这里描述的结合本发明的方面的实施例110和其它实施例可以由很多其它材料和材料的组合制成，包括但不限于，碳钢、电镀钢或其它适合的耐热和/或耐腐蚀材料，包括金属合金和非金属材料，例如玻璃纤维和合成物。所述材料可以涂上耐腐蚀和/或耐热涂层和/或用耐热的热障材料或声学材料进行绝缘。

图4-6示出了基于优选实施例的具体实施例，设计了一种用于具有22英寸排气管(标称OD)的内燃柴油机(EMD 16-645-E9)的系统。根据发动机制造者所说，该特定发动机在满负荷下每分钟产生大约15,400立方英尺(cfm)废气，或者排出速度为大约每分钟6,400英尺(fpm)(大约每小时72英里(mph))。估计所述发动机在空转时排气量大约是满负荷下的25％或者大约3,850fpm(大约44mph)。已经发现，在发动机满负荷条件下很少发生废气的不必要的再循环或再定向，如果曾经发生。因此，根据空气加压装置144来设置所述实施例的设计要求，以在发动机空转时足以推动与满负荷下发动机排气量相等或更大的环境空气的量。换句话说，在发动机空闲时，希望流出系统110的混合流体流至少等于和优选地大于大约19,250cfm。另外，对于该应用，希望加压装置144能够推动与废气的量基本相等的环境空气的量，该环境空气的量为在满负荷下在大于喷嘴118出口的混合满负荷流体流压损失的静态压力下。

对于该具体实施例，选择Hartzell系列44导管轴流式风扇，分别在大约3和大约2英寸水的静态压力下具有大约15,000cfm和17,700cfm的输出。所述风扇的标称直径大约是33英寸，产生大约5.94平方英尺的排出面积。因此，外壳体114的标称直径被设置成约40英寸，以在排气套筒112和壳体114之间形成大约5.94ft²的环形区，并且尺寸“L”被设置成为大约66英寸。使用了入口直径大约40英寸和出口直径大约29英寸的30°喷嘴118，且排气套筒112延伸进喷嘴入口大约2英寸。

在发动机满负荷下，系统110以大约30,000cfm或大约6,800fpm(～77mph)的速度排出稀释的废气。在百分之五十负荷下，发动机产生约7,700cfm的废气，并且由于风扇负荷降低，轴流式风扇144将大约超过15,000cfm的环境空气注入系统110。甚至在发动机空转时，系统110以大约21,500cfm(～55mph)的速度排出稀释的废气。

这里所描述的本发明可以在排气系统中除了排气系统500的端部以外的位置使用。例如，如图7所示，系统200可设置在排气系统500中，使得混合废气/环境空气管230在最后结束前连续通过系统200。空间、设计和路径需求可指导安装类型。例如，这些现有技术可能需要将系统200设置在排气系统中的发动机废气背压成为事关发动机效率的问题的地方。同样，如果需要可将多于一个的系统200串联地设置在排气系统中，并且可以与消音器或其它需要的排气设备结合起来。

图8示出了另一个实施例300。在该系统中，壳体314具有两个环境空气加压系统340a、340b。每个加压系统340包括进口342、加压装置344(具有或没有安装卷轴或叶片部)和过渡部346。如前所述，当发动机在满负荷下运行时，废气出口速度可足够高从而在特定天气条件下充分地影响定向或气体的驱散。在这些情况下，具有两个或更多空气加压系统340允许在需要时运行多个系统，例如空转时或当天气条件，例如风速或风向，发生改变，以及当条件不需要同样多的注入速度时运行较少的系统。虽然图8所示的实施例中用到了两个空气加压系统，但是应该理解，根据希望或需要，可使用多个加压装置。此外，可以理解通过具有在不同加压水平下，例如速度或负荷，运行加压装置的能力而实现等同的控制和功能性。例如，参考图4-6示出和描述的实施例可使用或具有不同速度的空气加压装置。虽然图8中未示出，然而本领域技术人员应理解，使用多个加压装置的应用，其中加压装置中的一个或者多个有时可以不工作，可用到回流限流器，例如节气闸，以防止加压流体经过没启动的加压装置而漏出。

图8还示出了可定向出口喷嘴380。出口喷嘴380可以可旋转地安装在系统喷嘴318上，使得混合废气和空气的方向以最有效地促进废气驱散的方向排出。喷嘴380可手动旋转或通过任意数量的已知装置382自动旋转，例如但不限于，气动的、电子的/电的和机械的。

如下文中更详细的说明，由于很多原因，希望系统能够自动或半自动运行。一种运行方法包括在特定条件下指示空气加压装置340启动的空气加压装置控制信号404。例如，如图8所示，温度传感器402与排气管500或废气输送系统的其它部件热接合。当温度传感器402将温度转换到大于特定水平，例如300F°时，则控制电路406，优选在空气加压装置340附近，使空气加压装置340启动。应理解多种速度的空气加压装置340可基于转换温度进行控制，其中装置340的输出作为转换温度的函数，例如反比关系。

图9示出了说明本发明的宽适用性的局部实施例。图9示出了单驱散系统114、314，可以通过多种来源处理废气。例如但不限于，驱散系统314可接受单发动机的多个排气管500a、500b，或者多发动机的排气管500a、500b和500c。那些受益于本公开的现有技术人员应理解如何设计一种处理这样的排气负荷增大的驱散系统。

这里所公开发明的复杂的应用可与根据一个或多个输入或条件控制系统的计算机或专家系统折衷。例如，图10示出了一种驱散系统800，其中可编程序逻辑控制器、计算机或其它这类系统600可监控或检测，例如，发动机转速602、发动机负荷604、风速606、风向608、废气温度610或排出速度684。发动机处于低速时，适当构造的或编程的计算机600可指示682空气加压装置644以最大或接近最大压力运行。可选地，PLC600可以指示第二或第三空气加压装置(未示出)以启动或增加或降低输出。当天气条件改变和/或当发动机转速或废气温度升高时，由于废气速度增加，专家系统600可指示或允许空气加压装置644慢下来。可选地，计算机600可使一个或多个空气加压装置减速或关闭。在其它实施例中，工作区或居住区，例如钻机上的月池(moon pool)，可具有当发动机废气循环到所述区域时用来检测的一个或多个一氧化碳检测器650或其它传感器。响应这些输入信息，PLC600可通过加快鼓风机的速度或让更多系统运行，和/或可以使定向喷嘴(见图8)转向686至所希望的方向来增加空气加压系统644或系统的输出。

可对其它或此外的实施例进行修改而不偏离其一般公开。例如，结合这里所公开的发明的一个或多个方面的实施例可在任意方向垂直、水平或其它方向上使用而不影响功能和用途。尽管上述说明针对的是单发动机排气，然而可以理解系统可以修改和利用，以容纳组合的多内燃机排气管的布置。此外，改进的完成系统的多种方法和实施例可包括在彼此组合中，以产生公开的方法和实施例的变化。对单个元件的说明可包括多个元件，反之亦然。本发明的一些元件在功能上进行了说明，也可应用为独立组件或组合到具有多种功能的组件中进行具体化。

已经结合优选的和其它实施例对本发明进行了描述，并非对所有实施例都进行了描述。对所述实施例的明显的修改和替代对于现有技术人员是可实现的。公开的和未公开的实施例不希望局限或限定申请人持有的本发明的范围或应用性，且依照专利法规，申请人希望完全保护随后的权利要求中等同物的范围或领域内所有的修改和改进。

Claims (26)

1.一种处理发动机废气的系统，包括：

被设置成围绕排气管的终端部的壳体，所述壳体具有出口部，废气以第一速度排出所述排气管；

与所述壳体连接且流体连通的独立工作的环境空气加压系统；且

由此，环境空气被所述空气加压系统注入所述壳体中，并且注入的空气带走从所述排气管排出的废气，且所述混合流体以大于所述第一速度的第二速度流出所述出口部。

2.如权利要求1所述的系统，其中在所述壳体的内表面和管的外表面之间形成环形区域。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述出口部包括收敛喷嘴。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述环形区域的面积大致等于所述加压系统的排出面积。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述空气加压系统包括空气进口、加压装置和壳体过渡区。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述空气加压装置选自轴流式风扇、轴流鼓风机、离心风扇、离心鼓风机、无过载风扇和无过载鼓风机。

7.如权利要求5所述的系统，还包括所述壳体中的转动和导流叶片。

8.如权利要求7所述的系统，还包括与所述加压装置连接的安装卷轴或叶片部。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述加压系统产生的加压是可调的。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述加压系统包括导管轴流式鼓风机。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述加压系统包括无过载轴流式鼓风机。

12.如权利要求10所述的系统，其中所述加压系统包括无失速轴流式鼓风机。

13.如权利要求9所述的系统，其中所述空气加压系统由计算机控制。

14.一种处理发动机废气的方法，包括：

在一端提供具有收敛喷嘴的壳体；

将所述壳体设置在发动机排气管的末端部附近和周围，废气以第一速度排出所述排气管；

通过独立工作的环境空气加压系统将空气注入所述壳体和管之间；

利用所注入的空气带走废气；及

推动混合流体以大于所述第一速度的第二速度通过喷嘴。

15.如权利要求14所述的方法，还包括在所述壳体和所述管之间形成环形区域。

16.如权利要求15所述的方法，还包括以基本等于或大于废气排出所述管的速度注入空气。

17.如权利要求16所述的方法，还包括将所述壳体设置成大致柱形地围绕所述管。

18.如权利要求17所述的方法，还包括为所述空气加压系统提供空气进口防护罩。

19.如权利要求14所述的方法，还包括确定充分地处理废气所需要的空气加压的加压程度。

20.如权利要求14所述的方法，还包括确定发动机的当前转速。

21.如权利要求14所述的方法，还包括确定一个或多个天气条件。

22.如权利要求20所述的方法，还包括至少根据所述发动机的转速和一个或多个条件调节所述加压。

23.如权利要求14所述的方法，还包括调节所注入的空气的量。

24.如权利要求23所述的方法，还包括根据一个或多个条件调节所注入的空气的量。

25.如权利要求24所述的方法，其中用于调节所注入的空气的量的所述条件选自发动机转速、废气温度、废气的存在、人员的存在和天气条件。

26.如权利要求14所述的方法，还包括提高发动机的运行效率。

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