CN102691571A - 一种内燃机气缸及其气缸内NOx还原并二次做功的方法 - Google Patents
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Abstract
一种内燃机气缸及其气缸内NOx还原并二次做功的方法，该内燃机气缸，在气缸入口内安装有还原剂喷射器，在气缸排气管上装有排气通道选择阀和催化剂装置，催化剂装置和气缸排气管并联安装，其气缸内NOx还原并二次做功的方法：对于单缸六冲程缸，新鲜空气进入气缸后经历“进气-压缩-燃烧做功-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”六个冲程完成一个工作循环，对于双缸八冲程双循环缸，新鲜空气进入气缸后经历“进气-压缩-燃烧做功-排气-进高温气-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”八个冲程完成一个工作循环；本发明解决了SNCR需要较为苛刻的反应温度条件的问题，同时使内燃机缸内NOx得以还原，还可以二次做功，降低发动机油耗。
Description
技术领域
本发明属于内燃机节能减排技术领域，具体涉及一种内燃机气缸及其气缸内NOx还原并二次做功的方法。
背景技术
能源短缺问题一直是全世界的热点问题，内燃机作为石油消耗的主要工业产品之一，发展其节能技术是缓解人类能源短缺问题的重要途径。目前，很多种内燃机节能技术已经公开。汽油机采用稀薄燃烧技术可以降低油耗10％以上，但是由于其NOx排放问题无法有效解决，一直未能得到实际应用。Scuderi发动机和德国META公司的K发动机采用分缸循环提升发动机工作效率。Bruce Crower发明的一种六冲程发动机采用燃烧做功后喷水的方式吸收燃气余热。但是，目前出现的内燃机节能技术都没有将节能与减排结合起来，节能技术的发展受到了排放法规的严格限制。
随着未来排放法规的不断推出，对内燃机排除放的限制越来越严格。柴油发动机与汽油稀燃发动机的NOx排放一直是限制内燃机发展的主要障碍之一。目前，柴油发动机主要通过后处理技术（选择性催化还原SCR）或者EGR技术解决NOx排放问题。但是，SCR技术需要在排气管上增加催化剂和尿素喷射装置，且工作需要预热，冷启动时无法工作；EGR技术会降低缸内燃烧温度，增加碳烟生成量。汽油稀燃发动机由于无法使用三效催化转化器而一直未能得到实际应用。选择性非催化还原技术SNCR作为一种高性价比的NOx清洁技术已经成熟应用于发电厂锅炉排放后处理中，这种技术与SCR相比无需使用催化剂。但是，由于SNCR需要较为苛刻的反应温度条件，一直未能在内燃机上得到应用。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目在于提供一种内燃机气缸及其气缸内NOx还原并二次做功的方法，解决了SNCR需要较为苛刻的反应温度条件的问题，同时使内燃机缸内NOx得以还原，还可以二次做功，降低发动机油耗。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种内燃机气缸，在气缸入口内安装有还原剂喷射器1。
在气缸排气管上装有排气通道选择阀2和催化剂装置3，所述催化剂装置3和气缸排气管并联安装。
所述还原剂喷射器1包括依次通过管道相连接的还原剂喷嘴13、还原剂泵14和还原剂储存罐15。
所述气缸为单缸六冲程缸。
所述气缸为双缸八冲程双循环缸，分别为共用一根曲轴的燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5，所述燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5通过气道6相连通，燃烧做功缸4通过前缸排气阀10和气道6相连通，还原NOx反应缸5通过后缸进气阀11和气道6相连通，气道6上装有温度调节器7。
所述还原NOx反应缸5的工作容积大于燃烧做功缸4。
所述双缸八冲程双循环缸为直列八冲程双循环缸，即燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5平行排列。
所述缸八冲程双循环缸为V型八冲程双循环缸，即燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5呈V型排列。
所述缸八冲程双循环缸为水平对置八冲程双循环缸，即燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5水平对置排列。
一种内燃机气缸其气缸内NOx还原并二次做功的方法，空气进入气缸后经历“进气-压缩-燃烧做功-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”六个冲程完成一个工作循环，气缸排气管上装有排气通道选择阀2和催化剂装置3，发动机低速工作时，排气通道选择阀2关闭，排气不经过催化剂装置3直接排入大气，降低排气阻力；发动机高速工作时，排气通道选择阀2打开催化剂通道，关闭直接排放通道，催化还原剩余的NOx。
一种内燃机气缸其气缸内NOx还原并二次做功的方法，空气在燃烧做功缸4中经历“进气-压缩-燃烧做功-排气”四个冲程后，在换缸过程中首先经过气道6上的温度调节器7，将气体温度控制在设定范围内后，进入还原NOx反应缸5再经历“进高温气-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”四个冲程，整个工作循环由八个冲程两个循环组成。
所述压缩喷还原剂溶液冲程中所用的还原剂为氨溶液、尿素溶液、氰尿酸溶液或含有添加剂脂、酚、羟基、酸、醛、醚和醇氨溶液、尿素溶液、氰尿酸溶液。
一种内燃机，内燃机的气缸采用所述的内燃机气缸。
所述的内燃机用于柴油发动机和汽油稀燃发动机。
下面以尿素溶液为例，说明本发明气缸内NOx还原并二次做功的方法的原理：
尿素溶液在“压缩喷还原剂溶液”冲程喷入气缸，此时活塞处于上行阶段的初期，尿素溶液喷入气缸后蒸发吸热，缸内压力下降，可减小这个冲程的压缩负功。在这一冲程中，尿素溶液发生热分解和水解反应，总包方程式如下：
CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2
在“压缩喷还原剂溶液”冲程后期，还原剂喷射结束，缸内温度迅速升高，很快达到适合SNCR反应的温度窗口，此时生成的NH3与NO发生还原反应，总包反应方程式如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
在“还原NOx膨胀做功”冲程，经过一系列化学反应后，气体总物质的量增加，而这一反应大部分集中在活塞下行阶段，因为反应温度窗口主要出现在活塞行至上止点之后，再加上水蒸汽的膨胀作用，缸内压力将再次升高，可以再次推动活塞做功。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明在传统内燃机燃烧做功之后增加两个冲程进行缸内NOx还原反应，两个冲程分别是“压缩喷还原剂溶液”冲程和“还原NOx膨胀做功”冲程，在“压缩喷还原剂溶液”冲程降低了内燃机的压缩负功，在“还原NOx膨胀做功”冲程实现二次做功，因而本发明不但能够使发动机的获得清洁的排放，还可以获得更高的发动机工作效率。
2、由于SNCR还原NOx反应需要一定反应时间，在发动机高速工作时，部分NOx可能没有充分时间参与还原反应，因此，在气缸排气管上装有排气通道选择阀2和催化剂装置3，能够催化还原剩余的NOx。
3、应用本发明的内燃机具有低排放、高效率的特点。相对于目前已经获得广泛应用的SCR后处理技术，应用本发明的发动机低速时无需使用催化剂，冷启动性能好；高速时还原剂与发动机废气混合更加均匀，催化还原反应更加充分。
4、与常规循环发动机相比，应用本发明的发动机可以更加充分利用燃气余热，提高了发动机的工作效率。
附图说明
图1是内燃机缸内NOx还原方法原理图。
图2是单缸六冲程缸内NOx还原发动机排气通道选择示意图。
图3是单缸六冲程缸内NOx还原发动机工作过程原理图。
图4是多缸八冲程双循环缸内NOx还原发动机工作过程原理图。
图5是直列八冲程双循环缸内NOx还原发动机示意图。
图6是V型八冲程双循环缸内NOx还原发动机示意图。
图7是水平对置八冲程双循环缸内NOx还原发动机示意图。
图8是所述还原剂喷射器1的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种内燃机气缸，在气缸入口内安装有还原剂喷射器1，图中为“压缩喷还原剂溶液”冲程和“还原NOx膨胀做功”冲程。
如图2所示，在气缸排气管上装有排气通道选择阀2和催化剂装置3，催化剂装置3和气缸排气管并联安装，当发动机低速工作时，排气不经过催化剂装置3直接排入大气，降低排气阻力；当发动机高速工作时，排气通道选择阀打开催化剂通道，关闭直接排放通道，催化还原剩余的NOx。
如图3所示，气缸为单缸六冲程缸，对于单缸循环来说，可以采用六冲程发动机工作循环，新鲜空气进入气缸后经历“进气-压缩-燃烧做功-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”六个冲程完成一个工作循环。
如图4所示，气缸为双缸八冲程双循环缸，分别为共用一根曲轴的燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5，所述燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5通过气道6相连通，燃烧做功缸4通过前缸排气阀10和气道6相连通，还原NOx反应缸5通过后缸进气阀11和气道6相连通，气道6上装有温度调节器7；其气缸内NOx还原并二次做功的方法为：空气在燃烧做功缸4中经历“进气-压缩-燃烧做功-排气”四个冲程后，在换缸过程中首先经过气道6上的温度调节器7，将气体温度控制在设定范围内后，进入还原NOx反应缸5再经历“进高温气-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”四个冲程，整个工作循环由八个冲程两个循环组成。高温尾气在还原NOx反应缸5中再膨胀，提高循环工作效率。
如图5所示，为直列八冲程双循环缸内NOx还原发动机示意图，燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5平行排列，共用一根曲轴，燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5通过气道6相连通，燃烧做功缸4通过前缸排气阀10和气道6相连通，还原NOx反应缸5通过后缸进气阀11和气道6相连通，气道6上装有温度调节器7，在还原NOx反应缸5上装有还原剂喷射器1，还原NOx反应缸5的工作容积大于燃烧做功缸4，在气缸排气管上装有排气通道选择阀2和催化剂装置3，所述催化剂装置3和气缸排气管并联安装，冷却水在水泵8的作用下循环进入温度调节器7和散热器9，新鲜空气在燃烧做功缸4中完成“进气-压缩-燃烧做功-排气”四个冲程后，在换缸过程中首先经过气道6上的温度调节器7，将气体温度控制在合适范围内后，再进入还原NOx反应缸5经历“进高温气-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”四个冲程。
如图6所示，为V型八冲程双循环缸内NOx还原发动机示意图，燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5呈V型排列，共用一根曲轴，燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5通过气道6相连通，燃烧做功缸4通过前缸排气阀10和气道6相连通，还原NOx反应缸5通过后缸进气阀11和气道6相连通，气道6上装有温度调节器7，在还原NOx反应缸5上装有还原剂喷射器1，还原NOx反应缸5的工作容积大于燃烧做功缸4，在气缸排气管上装有排气通道选择阀2和催化剂装置3，所述催化剂装置3和气缸排气管并联安装，冷却水在水泵8的作用下循环进入温度调节器7和散热器9，新鲜空气在燃烧做功缸4中完成“进气-压缩-燃烧做功-排气”四个冲程后，在换缸过程中首先经过气道6上的温度调节器7，将气体温度控制在合适范围内后，再进入还原NOx反应缸5经历“进高温气-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”四个冲程。
如图7所示，为水平对置八冲程双循环缸内NOx还原发动机示意图，燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5水平对置排列，共用一根曲轴，燃烧做功缸4和还原NOx反应缸5通过气道6相连通，燃烧做功缸4通过前缸排气阀10和气道6相连通，还原NOx反应缸5通过后缸进气阀11和气道6相连通，气道6上装有温度调节器7，气道6上还可以安装稳压腔12，在还原NOx反应缸5上装有还原剂喷射器1，还原NOx反应缸5的工作容积大于燃烧做功缸4，在气缸排气管上装有排气通道选择阀2和催化剂装置3，所述催化剂装置3和气缸排气管并联安装，如果发动机工作转速不高，气缸排气管上可以不安装排气通道选择阀2和催化剂装置3，冷却水在水泵8的作用下循环进入温度调节器7和散热器9，新鲜空气在燃烧做功缸4中完成“进气-压缩-燃烧做功-排气”四个冲程后，在换缸过程中首先经过气道6上的温度调节器7，将气体温度控制在合适范围内后，再进入还原NOx反应缸5经历“进高温气-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”四个冲程。
如图8所示，所述还原剂喷射器1包括依次通过管道相连接的还原剂喷嘴13、还原剂泵14和还原剂储存罐15。还原剂泵14将还原剂从还原剂储存罐15中泵入还原剂喷嘴13，还原剂喷嘴13将还原剂喷入发动机气缸内。
Claims (14)
1.一种内燃机气缸，其特征在于：在气缸入口内安装有还原剂喷射器（1）。
2.根据权利要求1所述的内燃机气缸，其特征在于：在气缸排气管上装有排气通道选择阀（2）和催化剂装置（3），所述催化剂装置（3）和气缸排气管并联安装。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机气缸，其特征在于：所述还原剂喷射器（1）包括依次通过管道相连接的还原剂喷嘴（13）、还原剂泵（14）和还原剂储存罐（15），还原剂泵14将还原剂从还原剂储存罐15中泵入还原剂喷嘴13，还原剂喷嘴13将还原剂喷入发动机气缸内。
4.根据权利要求1或2所述的内燃机气缸，其特征在于：所述气缸为单缸六冲程缸。
5.根据权利要求1或2所述的内燃机气缸，其特征在于：所述气缸为双缸八冲程双循环缸，分别为共用一根曲轴的燃烧做功缸（4）和还原NOx反应缸（5），所述燃烧做功缸（4）和还原NOx反应缸（5）通过气道（6）相连通，燃烧做功缸（4）通过前缸排气阀（10）和气道（6）相连通，还原NOx反应缸（5）通过后缸进气阀（11）和气道（6）相连通，气道（6）上装有温度调节器（7）。
6.根据权利要求5所述的内燃机气缸，其特征在于：所述还原NOx反应缸（5）的工作容积大于燃烧做功缸（4）。
7.根据权利要求6所述的内燃机气缸，其特征在于：所述双缸八冲程双循环缸为直列八冲程双循环缸，即燃烧做功缸（4）和还原NOx反应缸（5）平行排列。
8.根据权利要求7所述的内燃机气缸，其特征在于：所述缸八冲程双循环缸为V型八冲程双循环缸，即燃烧做功缸（4）和还原NOx反应缸（5）呈V型排列。
9.根据权利要求7所述的内燃机气缸，其特征在于：所述缸八冲程双循环缸为水平对置八冲程双循环缸，即燃烧做功缸（4）和还原NOx反应缸（5）水平对置排列。
10.权利要求4所述的内燃机气缸其气缸内NOx还原并二次做功的方法，空气进入气缸后经历“进气-压缩-燃烧做功-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”六个冲程完成一个工作循环，气缸排气管上装有排气通道选择阀（2）和催化剂装置（3），发动机低速工作时，排气通道选择阀（2）关闭，排气不经过催化剂装置（3）直接排入大气，降低排气阻力；发动机高速工作时，排气通道选择阀打开催化剂通道，关闭直接排放通道，催化还原剩余的NOx。
11.权利要求5所述的内燃机气缸其气缸内NOx还原并二次做功的方法，空气在燃烧做功缸（4）中经历“进气-压缩-燃烧做功-排气”四个冲程后，在换缸过程中首先经过气道（6）上的温度调节器（7），将气体温度控制在合适范围内后，进入还原NOx反应缸（5）再经历“进高温气-压缩喷还原剂溶液-还原NOx膨胀做功-排气”四个冲程，整个工作循环由八个冲程两个循环组成。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于：所述压缩喷还原剂溶液冲程中所用的还原剂为氨溶液、尿素溶液、氰尿酸溶液或含有添加剂脂、酚、羟基、酸、醛、醚和醇氨溶液、尿素溶液、氰尿酸溶液。
13.一种内燃机，其特征在于：内燃机的气缸采用权利要求1至9任一项所述的内燃机气缸。
14.权利要求13所述的内燃机用于柴油发动机和汽油稀燃发动机。
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