CN102808687B - 一种同时实现增加涡轮动力性、减少内燃机尾气NOx排放的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用内燃机排气余热同时实现增加涡轮动力性、减少内燃机尾气NO_X排放的装置。它是集内燃机废气余热回收、NO_X还原和涡轮增压技术于一体，在排气系统上设计一套蒸汽发生装置和相应的控制系统，利用该装置产生的高温高压氨水蒸汽辅助涡轮增压。其工作原理为：加压后的工质氨水在换热器中被高温排气将加热成过热蒸汽，然后在ECU控制下，按照一定的蒸汽喷射策略，通过精确计量系统后实时喷入涡轮，辅助推动涡轮旋转并带动压气机压缩进气。氨气在涡轮中与排气充分混合，有助于促进NO_X还原。该装置主要适用于需要高增压的柴油机上，可同时达到改善增压器动力性、可调控性和瞬态响应性，减少尾气NO_X排放，减小排气系统热应力等多重目的。

Description

一种同时实现增加涡轮动力性、减少内燃机尾气NOx排放的装置

技术领域

本发明涉及一种采用传热方式回收内燃机排气余热能的装置。利用内燃机的高温排气将工质氨水加热成过热蒸汽，喷入涡轮实现蒸汽辅助涡轮增压，在不带来较高排气背压的前提下提高增压比，改善增压器的动力性、提高增压器瞬态响应性和可控性，同时还可以利用氨水蒸汽的氨气还原排气中的NO_x，减少内燃机的NO_x排放。

背景技术

随着全球工业的迅速发展和汽车保有量的持续剧增，世界各国都面临着越来越严峻的能源危机和环境污染两大难题。我国现已成为世界最大的汽车产销国，汽车拥有量的持续快速增长给我国石油供应、环境保护带来了巨大的压力，所面临的节能减排压力尤为艰巨。为了实现内燃机的节能减排，目前国际上出现了多种内燃机“节能”和“减排”的新技术，改善其经济性和排放性。例如，“节能”技术主要有废气能量回收技术、增压技术等；“减排”技术主要有NO_x还原技术(SCR技术)、三效催化转化技术等。但是，这些“节能”或“减排”技术都是比较单一，只能各自实现其单一的功能，没有一种装置能实现多种功能，即没有将这些单项技术集成起来。这就造成了内燃机的系统庞大，加大内燃机的制造成本；并且使整个系统反应不灵敏，不适应内燃机的变工况工作。

此外，目前内燃机普遍采用的增压技术是提高内燃机经济性的一种重要举措，它是回收内燃机排气能量的一种最直接的方法。但是，传统的废气涡轮增压技术面临着许多至今还未解决的关键技术难题，主要如下：

(1)传统废气涡轮增压方式中，涡轮只利用了很少一部分排气能量，而且还会给内燃机带来较大的排气背压。因此，传统的废气涡轮增压并没有充分利用内燃机的排气能量。这是因为内燃机排气的特征是高温(通常有700℃以上)、低压，二次膨胀的潜力有限。因此，废气能量的主要表现形式是余热能，靠采用涡轮等装置进行二次膨胀回收的能量是极其有限的，有时甚至不足以克服额外带来的排气损失功和摩擦损失功。

(2)传统废气涡轮增压难以实现增压器(涡轮和压气机)与内燃机全工况下性能优化匹配。通常涡轮只是被动地接受内燃机的排气，而排气参数是无规律地变化，不可调节；这就造成了排气涡轮的被动性和增压器的不可控性。这对适应内燃机的变工况运行是很不利的。

(3)传统废气涡轮增压方式中，增压器的瞬态响应问题始终没有得到解决。当内燃机从一个工况变到另一个工况时，增压器要经历一段时间才能重新达到稳定，与内燃机重新匹配好。这是由内燃机空气系统的滞后性引起的，目前还很难克服。增压器的瞬态响应性差，将影响汽车的加速性和驾驶性，是内燃机增压急需解决的一个技术难题。

(4)传统的废气涡轮增压无法满足内燃机对日益增长的高增压度的要求。例如，在重型卡车上，为了使内燃机(比如柴油机)发出更高的功率，往往采用高增压方式。此外，为了满足越来越严格的排放法规要求，最近国际上比较流行的是联合采用内燃机高增压和高EGR率的低温燃烧方式。因此，高增压技术是强化内燃机功率、改善内燃机燃烧方式的一个重要发展方向。但是传统的单级废气涡轮增压很难实现高增压，如果采用两级增压的话将会导致系统复杂、排气背压高、效率低、技术难度更大、增压器的瞬态响应差等许多问题。

为改善增压器的动力性，虽然目前有人提出了向涡轮喷注蒸汽的类似方法和技术，但是其方法单一，只能实现如前所述的单一功能：没有给出底循环工质流量的精确计量方法和系统控制策略(包括蒸汽喷射策略、系统运行参数的调节及控制等)；系统不具有自动调节功能，不能适应内燃机变工况运行时性能的优化匹配；特别一提的是，这些类似方法或技术还没有出现一种能同时集废气能量回收、涡轮增压和NO_x还原于一体的技术。

发明内容

要解决的技术问题：

本发明针对目前车用内燃机废气涡轮增压器的增压度不够、瞬态响应性差、调控性差等一系列缺点，以及现有涡轮注气等类似发明功能单一、不能适应内燃机变工况工作、效率低等不足，设计一套蒸汽辅助涡轮增压及控制系统，利用排气余热驱动以氨水(或尿素溶液)为工质的蒸汽动力循环，辅助推动并调节涡轮工作特性，同时还利用氨气还原排气中的NO_x，达到同时增加涡轮动力性、改善瞬态响应性和可控性，减少尾气NO_x的多重目的。

技术方案：

本发明基于内燃机SCR技术、废气余热回收技术、涡轮增压技术，在内燃机排气系统上附加一套以氨水(或尿素溶液)为工质的开式蒸汽动力循环装置，利用内燃机排气余热将工质加热成高温高压的过热蒸汽喷入涡轮，辅助推动涡轮做功，并利用氨气与排气充分混合更好地还原排气中的NO_x。具体工作原理为：循环工质(氨水)在泵中加压到预定压力，然后在换热器中加热成高温高压的过热蒸气；再经过一系列控制与计量系统实时喷入涡轮中，辅助推动涡轮高速旋转；高速旋转的涡轮通过传动轴带动压气机压缩进气，实现进气增压。该装置是通过传热方式回收内燃机废气余热能并使之产生过热氨水蒸汽辅助涡轮增压，在提高进气增压压力的同时不会带来额外的排气背压。

本发明设计了一套控制方案使底循环性能实时与内燃机变工况工作相适应。具体为：底循环系统的氨水流量调节阀、蒸汽流量调节阀和微型电机都是由ECU控制。ECU根据内燃机的不同运行工况，实时调整氨水流量、蒸汽流量和泵的工作压力，使底循环系统与内燃机的工况相适应，使系统性能最优。其中，蒸汽喷射有两种策略：第一，动力性优先原则，在内燃机急加速或满负荷运行时，按照满足增压器的动力需求调节蒸汽喷射量；第二，排放性优先原则，在常用工况下，根据排气流量，按照化学计量比调节蒸汽喷射量，保证最大限度降低排气的NO_x。

本发明的主要特点表现在以下几个方面：1)液态工质氨水的压缩性很低，只需消耗很小的压缩功就可以将压力提升到所需水平(例如10bar)，变成饱和状态氨水溶液；2)高压饱和状态氨水溶液在换热器中通过相变吸热过程吸收大量热量后，变成高温、高压的过热蒸汽。通过传热方式回收内燃机废气余热能几乎不会增加内燃机的排气背压，从而不会给内燃机带来额外的泵气损失功；3)系统以氨水(或尿素溶液)为工质，可以直接基于SCR系统改造，工程实现技术比较成熟，设备简单，成本较低，无工业污染，节能环保；4)系统采用控制系统实现蒸汽的精确计量与喷射，根据涡轮动力需求(动力性优先原则)或者是排气质量流量(排放性优先原则)喷射一定量的蒸汽，实现对内燃机在变工况运行时动力性和排放性的最佳折中和协同优化。

本发明利用内燃机排气余热设计一套产生高温高压过热蒸汽的装置，集SCR技术、废气余热回收技术、增压技术于一体，将工质氨水加热成过热蒸汽实时喷入涡轮，给涡轮补偿额外的动力，改善增压器的动力性和加速性、降低尾气NO_x排放。本发明的优点可以概括如下：

(1)如前所述，本发明可以在不带来较大排气背压的前提下实现进气高增压。通过提高涡轮的动力性实现高增压，甚至可以达到两级增压的效果，可以避免传统两级废气涡轮增压排气背压过高的缺点。这是因为本发明利用传热方式间接回收内燃机余热能，避免了与排气压力发生直接关系。

(2)本发明可以实现涡轮动力性的可调控性。传统废气涡轮增压器的涡轮只能被动的接受内燃机的排气，由于内燃机工况的无规则变化导致排气参数的无规则变化，使得涡轮(增压器)很难适应内燃机的变工况工作。而采用本设计的蒸汽辅助涡轮增压可以实现增压器与内燃机全工况的性能优化匹配。这是因为通过电子控制系统(ECU)可以比较精确的实时控制蒸汽喷射量，通过及时调节涡轮总的进气量(排气和蒸汽)来调节涡轮工作特性，实时满足内燃机对增压度的需求。

(3)本发明可以有效改善传统废气涡轮增压的动力性和瞬态响应性。如前所述，本装置通过采用电子控制系统(ECU)精确控制底循环的蒸汽发生量和蒸汽喷射量，可以实现实时对增压系统的精确控制，及时补偿涡轮的额外动力需求；解决了传统增压器的迟滞性问题，可以有效提高内燃机的瞬态响应特性、汽车的加速性和驾驶特性。

(4)本发明可以有效降低内燃机的排气温度，在提高内燃机整机动力性和经济性的同时，有效降低内燃机的排气噪声，降低排气系统的热应力。

(5)本发明以氨水为工质，实时向涡轮中喷入氨水蒸汽，蒸汽中的氨气可以还原内燃机排气中的NO_X，有效减少排气中的NO_X排放。与传统的SCR技术相比，由于在涡轮前喷射气体，能使氨气与排气混合更加均匀，是一项比较有潜力的装置。

(6)本发明基于SCR系统改造，对设备无特殊要求，并且设备简单，成本不高。整套装置节能环保，易于工程实现，是一种有实用价值的装置。

(7)与现有类似发明相比，本发明单独提出了采用泵调节系统工质(氨水)压力、采用流量调节阀分别实时调节循环工质(氨水)和蒸汽的流量，采用压力传感器实时监测系统蒸汽压力，实现对底循环的精确控制。并且采用氨水(或尿素溶液)为工质，将SCR技术与废气能量回收技术、涡轮增压技术联合起来，实现回收排气能量、改善增压器性能、改善尾气NO_X排放多重功能。此外，在方案1中，设计了蒸汽实时精确喷射系统以及蒸汽储备系统，即蒸汽是按照一定的策略进行喷射的；在方案2中，还加入了能量管理系统，采用高速电机实现增压器的能量流管理。

有益效果：

本发明具有现有类似专利或产品不具备的效果，它可以在不影响内燃机性能(不带来额外排气背压)的前提下同时实现多种功能，改善增压器的动力性、可控性、瞬态响应性，改善内燃机的排放性，降低排气温度和排气系统热应力。并且可以随时改变系统运行参数，与内燃机运行工况相适应。该装置可以容易在内燃机上实现，具有很强的市场推广和应用潜力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为实现蒸汽量精确喷射的蒸汽辅助涡轮增压系统原理图。

图2为带能量回收装置(高速电机)的蒸汽辅助涡轮增压原理图。

具体实施方式

根据本发明的优选实例一为某型车用增压柴油机，如图1所示。该柴油机要实现高增压，常规的单级增压很难达到。但是采用两级废气涡轮增压，会有如前所述的匹配难、排气压力高、瞬态响应差、系统复杂等一系列技术难题。此外，该柴油机要满足排放要求，要在排气系统上单独配备一套SCR装置(氨水或尿素喷射系统)，还原尾气中的NO_x。采用本方案提出的蒸汽辅助涡轮增压可以同时有效解决上述一系列难题。

在该实例中，该套装置的目的是在不给内燃机带来额外排气背压的前提下，改善涡轮动力性和可调性、减少排气中NO_x含量，实现内燃机的节能减排。在该装置中，设计了一套精确计量蒸汽喷射量的方案，可以根据内燃机的工况需求实时调整蒸汽喷射量，有效改善增压器的瞬态响应性和对内燃机变工况的适应性。

该装置是在内燃机排气系统上附加一套开式蒸汽动力循环系统，由于蒸汽喷入涡轮(13)后不返回重复利用，所以是开式循环。其实施过程简述如下：循环工质(氨水)从氨水箱(17)中流出，途经流量调节阀(18)、管道(19)，进入水泵(22)(水泵由微型电机(21)驱动)，通过水泵(22)加压到预定压力(压力可以根据系统需求实时调节)，然后经管路(23)进入换热器(24)，在换热器(24)中加热成过热蒸汽；过热蒸汽从换热器(24)出来后，经管道(25)、单向阀(26)、管道(27)、进入储气箱(28)；然后从储气箱(28)出来经管道(30)、蒸汽流量调节阀(31)由蒸汽喷射器(32)喷入涡轮(13)，辅助推动涡轮(13)旋转做功，并通过传动轴(14)带动压气机(4)旋转，压缩进气，从而达到回收内燃机排气余热能辅助涡轮增压的目的。其中，在蒸汽喷射时，蒸汽流量调节阀(31)会根据电子控制系统——ECU(20)发出的信号，实时调节蒸汽流量调节阀(31)的开度，实现对蒸汽喷射量的实时精确控制。蒸汽喷射量可以有两种控制策略：第一种策略是动力性优先原则，在急加速或者满负荷运行时，可以加大蒸汽喷射量，保证涡轮的动力性；第二种策略是排放性优先原则，在常用工况时可以优先排放性，蒸汽喷射量由废气质量流量来决定，保证喷射的蒸汽中的氨气量足以还原排气中的NO_x量。用户和生产厂商可以自行灵活设计。

需要详细说明的是，该底循环系统由电子控制系统——ECU(20)实现精确监测和控制。根据工况需求实时控制蒸汽喷射量，这通过调节蒸汽流量调节阀(31)的开度来实现；采用压力传感器(29)实时监测储气箱(28)中的压力：若压力过低，将信号反馈给ECU(20)，ECU(20)发出信号调大氨水箱(17)出口流量调节阀(18)的开度，增大系统循环工质流量，产生更多的蒸汽补偿储气箱(28)中的气体；反之，若压力过大，ECU(20)发出信号调小氨水箱(17)出口的流量调节阀(18)的开度，通过减小系统循环工质流量来减少蒸汽发生量，使储气箱(28)中的压力时刻维持在一个恒定值。

蒸汽在涡轮(13)中膨胀后，直接随废气排到大气环境。与传统的闭式蒸汽动力循环相比，减少了冷凝器以及相应的连接设备和控制设备，减少系统成本并使结构相对简单。但唯一的不足之处是工质不能循环利用，必须在汽车行驶一段路程后向氨水箱(17)补偿一定的氨水溶液。这个问题可以通过合理设计计算来解决。具体办法是：通过合理计算，可以使氨水箱(17)中氨水量的“续驶里程”和油箱中燃料的“续驶里程”相一致，使汽车在加油站加油的同时实现加氨水溶液。由此可见，该方法及装置在汽车上是比较容易实现的，无需对现有内燃机做太大的改进，只需在排气系统上耦合这一套底循环系统及装置，就能有效改善传统废气涡轮增压器的动力性和排放性，实现高增压、高瞬态响应性。

根据本发明的优选实例二为某型车用增压柴油机，如图2所示。在该实例中，该套装置的目的是利用底循环系统回收排气余热能，在改善涡轮(增压器)动力性、减少排气中NO_X含量的同时，有效回收排气的富余热能，使之转为其他形式的能量(例如发电)储存起来，实现内燃机的底循环的能量管理和节能。

该方案与实例一的区别在于减少了储气箱和蒸汽流量调节阀，即蒸汽按最大流量喷射。由于蒸汽喷射量加大，所以氨水浓度要重新配比(适当降低氨水浓度，保证氨气量与排气中的NO_x量成化学计量比的对应关系)。同时，在增压器的传动轴(14)上增加了一个高速微型电机(26)，用高速微型电机(26)来实现增压器系统的能量流协调管理。其中，高速微型电机(26)由ECU(20)来控制。即在内燃机起动和低速工况时，高速电机(26)辅助带动压气机(4)实现目标增压比；在内燃机高速高负荷工况时，高速电机(26)作为负载吸收涡轮(13)的富余有效功。在底循环系统中，蒸汽喷射量只与排气流量相对应，而不用储气箱和蒸汽流量调节阀实现精确控制。

Claims (5)

1.一种同时实现增加涡轮动力性、减少内燃机尾气NO_X排放的装置：它由内燃机主循环系统和废气余热能回收底循环系统组成；其中，内燃机主循环系统由进气总管(1、3、5、7)、进气歧管(8)、空滤器(2)、压气机(4)、进气中冷器(6)、内燃机机体(9)、气缸(10)、排气歧管(11)、排气总管(12、15、16)组成；新鲜空气经过空滤器(2)过滤后，在压气机(4)中被压缩；接着，气体增压后在中冷器(6)中被冷却，再经进气总管(7)、进气歧管(8)、进入气缸(10)与燃油混合燃烧；燃烧后的高温排气经排气歧管(11)、排气总管(12、15、16)排到环境中；内燃机废气余热能回收利用底循环系统由氨水箱(17)、氨水流量调节阀(18)、管道(19、23、25、27、30)、泵(22)、换热器(24)、储气箱(28)、蒸汽流量调节阀(31)、蒸汽喷射器(32)、涡轮(13)组成；涡轮(13)与内燃机主循环的进气压气机(4)通过传动轴(14)相连；在蒸汽动力底循环中，首先工质氨水在泵(22)中加压到预定压力，然后经管路(23)进入换热器(24)中加热成高温高压的过热蒸汽；过热蒸汽经管道(25)、单向阀(26)、管道(27)、储气箱(28)、管道(30)、蒸汽流量调节阀(31)，由蒸汽喷射器(32)喷入涡轮(13)中加速涡轮旋转并通过传动轴(14)带动压气机(4)旋转，压缩进气，从而实现回收内燃机排气余热能辅助涡轮增压的目的；涡轮(13)不是由单一的排气直接驱动，同时还由底循环系统(17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32)产生的高温高压蒸汽辅助驱动；底循环系统的泵(22)用来提高循环工质的工作压力(使循环具有更高的效率)，泵(22)由微型电机(21)驱动；由于压缩液态工质几乎不需要消耗容积功，所以微型电机(21)消耗的功率是很小的；底循环系统的控制系统——ECU(20)将根据内燃机的工况和增压器的需求及时调整泵(22)的加压压力；底循环系统的工质流量由流量调节阀(18)控制；压力传感器(29)实时检测储气箱(28)中的压力，并将信号实时反馈给ECU(20)，ECU(20)向流量调节阀(18)发出信号调节其开度，实时调整底循环的工质流量。

2.如权利要求1所述的装置，是基于SCR系统和废气余热回收底循环系统设计而成，循环工质采用氨水或尿素溶液，喷到涡轮(13)中的高温高压过热气体是水蒸气和氨气(NH₃)的混合物，这样可以使氨气与排气充分混合，有效降低内燃机排气中的NO_X含量。

3.如权利要求1所述的装置，底循环系统的蒸汽喷射量由蒸汽流量调节阀(31)控制，蒸汽流量调节阀(31)根据ECU(20)的信号而设置相应的开度，实时调整蒸汽的喷射量；其中，蒸汽喷射有两种策略：第一，动力性优先原则，在内燃机急加速或满负荷运行时，按照满足增压器的增压压力需求喷射蒸汽量；第二，排放性优先原则，在常用工况下，根据排气流量，按照化学计量比喷射蒸汽量，保证最大限度降低排气的NO_X。

4.如权利要求1所述的装置，换热器(24)安装在排气总管(15、16)上、涡轮(13)后，与排气总管耦合在一起，采用逆流传热，直接将工质氨水加热成过热蒸汽；其中，换热器(24)可以允许“干烧”，即可以允许出现底循环系统不工作，即工质流量为0的情况。

5.如权利要求1所述的装置，底循环系统的氨水流量调节阀(18)、蒸汽流量调节阀(31)、微型电机(21)都是由ECU(20)控制；ECU(20)可以根据内燃机的不同运行工况，实时调整氨水流量、蒸汽流量和泵的工作压力，使底循环工作参数与内燃机的工况相匹配，使系统性能最优。