CN102840065A - 一种实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统 - Google Patents

Abstract

富氧燃烧是提高内燃机燃烧效率、减少有害排放的重要手段，然而由于富氧的来源和NO_X的排放问题使得这项技术至今还未在内燃机上实现。本发明提出了联合采用废气涡轮增压和变压吸附制氧技术在内燃机上实现实时制氧的新方法，并设计了相应的复合进气系统，提出了一套实现富氧燃烧的进气方案：根据内燃机工况实时喷射不同量的氧气并引入不同量的废气和新鲜空气，在进气道配成不同氧浓度的进气，实现缸内富氧清洁燃烧，在提高燃烧效率的同时抑制碳烟和NO_X等有害排放物的生成。该发明最大的优点是能够结合废气涡轮增压技术在内燃机上实时制氧，实现氧气“现制现用”，为富氧燃烧技术在内燃机上实现提供基础保障，具有较为广阔的应用前景。

Description

一种实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统

技术领域

本发明专利涉及在内燃机上开发一种实时实现富氧燃烧的复合进气系统。它是联合内燃机废气涡轮增压技术和变压吸附气体分离技术设计一套氧气发生装置，解决内燃机富氧燃烧的氧气来源问题。它将变压吸附制氧系统产生的氧气实时喷入进气管，并引入一定的废气和新鲜空气配成不同氧浓度的进气，为内燃机富氧燃烧组织进气。这种复合进气系统可以在内燃机上实现氧气“现制现用”，为真正意义上实现内燃机富氧燃烧提供基础保障。

背景技术

近年来，随着能源危机和环境污染的日益加重，世界各国对车用内燃机的经济性和排放性提出了越来越高的要求。迫于节能减排的压力，许多科学家和工程师们积极探索一条高效、清洁、环保的内燃机新技术之路。众所周知，内燃机燃烧过程在很大程度上决定了其综合性能。因此，开展高效、清洁的内燃机燃烧技术研究始终是引领内燃机技术进步的一个重要方向。

现有的大量研究表明，富氧燃烧是实现内燃机清洁、高效、低排放燃烧技术的一条重要途径。在常规进气中，氧气体积分数只有21％，氮气体积分数却占了78％。其中，氧气是助燃剂，参与燃烧，研究表明：提高氧浓度能显著加快燃烧速度，提高燃烧效率，减少HC、CO、碳烟等有害排放物的生成；氮气不参与燃烧，却是生成NO_X有害排放物的重要来源。此外，氮气会把很大一部分燃烧释放的热量带到环境大气，造成能量的浪费，降低内燃机的热效率和经济性。因此，从提高内燃机动力性、经济性和排放性的角度来看，富氧、贫氮的进气是最佳的组合方式。

早在20世纪60年代末，国外就已经开始研究内燃机进气富氧(Oxygen-enriched intake air，OEA)燃烧技术。1971年，Wartinbee在其发表的论文中指出，富氧燃烧可以明显减少碳烟排放，但会造成NO_X的增加。使用富氧进气的最初愿望是降低含碳排放物，但研究发现，进气富氧燃烧不但可以改善内燃机的排放特性(明显降低碳烟排放，NOx除外)，而且还能够提高燃烧热效率，增加内燃机的功率密度及燃用低品质燃料。针对富氧进气后柴油机NOx排放显著增加的问题，Kashimir研究了进气微量增氧结合推迟燃料喷射的办法对柴油机NOx排放的控制效果，证实采用氧浓度21.5％-22.5％的进气时，通过优化喷油时刻能够在实现烟度下降15％-30％的基础上不增加NOx排放。日本群马大学的Shiga Seiichi等人通过试验发现，EGR加进气富氧可在一定程度上改善柴油机高负荷时碳烟和NOx的矛盾关系。由此，有关内燃机富氧燃烧的研究越来越得到学术界和企业界的关注。

综上所述，在内燃机上应用进气富氧(提高进气氧浓度)燃烧技术不但可以显著降低碳烟排放，而且还能提高燃烧热效率、增加发动机功率密度，甚至可以取代涡轮增压。因此，富氧燃烧技术是推动内燃机节能减排的又一重要手段，并越来越受到行业重视。目前内燃机富氧燃烧距离实际应用还有一段比较长的距离，其主要原因是富氧的来源问题没有解决，不能在内燃机上实时制氧。国外曾提出了采用膜法富氧技术为内燃机提供富氧进气，但是由于效率和技术问题，使得其很难在内燃机上实现。因此，一种能实时制氧的复合进气系统是实现内燃机富氧燃烧的前提条件。

发明内容

要解决的技术问题：

本发明提出了联合采用废气涡轮增压和变压吸附制氧技术在内燃机上实现实时制氧的新方案，并设计了相应的复合进气系统，解决目前在内燃机上不能实现实时制氧的技术难题，为富氧燃烧技术在内燃机上的工程实现提供重要保障。

技术方案：

本发明是在传统废气涡轮增压内燃机上，对进气系统和排气系统进行适当改造，结合废气涡轮增压技术、变压吸附气体分离技术和EGR技术设计一套复合进气系统。其中，排气系统的涡轮(8、10)负责为变压吸附制氧系统提供动力源；变压吸附制氧系统负责为复合进气系统提供源源不断的氧气来源；EGR系统负责为进气引入一定量的废气，调节进气组分和浓度。

变压吸附制氧系统主要由空滤器(11)、管道系统(12)、压气机(14)、中冷器(15)、气水分离器(16)、空气缓冲器(17)、真空泵(22)、切换阀(18、19、20、21、26、27、28)、吸附器(24、25)、单向阀(29)、氧气平衡罐(30)、过滤器(31)和氧气流量调节阀(32)组成。其中，两个吸附器是完全一样的，当一个吸附器在吸附的同时，另一个吸附器在解吸，二者交替工作，保证氧气持续不断的产生。其工作过程简述如下：原料空气经吸入口的空滤器(11)除尘后，被压气机(14)增压至一定的压力(一般为1.3-1.5bar，可以通过合理匹配涡轮和压气机实现目标增压比)，经中冷器(15)冷却，再经气水分离器(16)脱水后进入空气缓冲罐(17)，接着从空气缓冲罐(17)出来的空气进入其中一只吸附器(例如，通过打开切换阀(18)进入吸附器(24)，此时切换阀(19)处于关闭状态)；吸附器内装填吸附剂，其中水分、二氧化碳等气体在吸附器入口处被装填于底部的活性氧化铝所吸附，随后氮气被装填于活性氧化铝上部的沸石分子筛所吸附；而氧气(包括氩气)为非吸附组分从吸附器(24)顶部出口处作为产品气经切换阀(27)、单向阀(29)排至氧气平衡罐(30)；当吸附器(24)吸附到一定程度，其中的吸附剂将达到饱和状态，此时关闭切换阀(18)并打开切换阀(19)，利用真空泵(22)对之进行抽真空(与吸附方向相反)，真空度一般约为0.65-0.75bar；已吸附的水分、二氧化碳、氮气及少量其它气体组分被抽出并排至大气，吸附剂得到再生；如前所述，当吸附器(24)在吸附制氧时，吸附器(25)在解吸排气，二者交替工作。变压吸附制氧系统的每个吸附器都交替执行步骤：吸附-解吸-冲压。上述三个基本工艺步骤由电子控制系统和切换阀系统来实现自动控制。制得的氧气从氧气平衡罐(30)出来，经过滤器(31)过滤杂质后，经流量调节阀(32)喷入进气总管(1)，成为富氧的来源。

其进气策略为：内燃机的电子控制系统根据不同的内燃机运行工况，通过调节氧气流量调节阀(32)实时喷射不同量的氧气，并通过调节EGR阀(33)和节气门(34)的开度引入不同量的废气和新鲜空气。通过这种方式，在进气总管(1)配成不同氧浓度和不同废气浓度的混合进气，实现内燃机可变气体成分和比例的进气。混合进气经进气歧管(2)进入气缸(4)，实现富氧燃烧。

综上，本发明专利的主要优点可以概括如下：

1)本发明专利为内燃机设计一套实现富氧燃烧的复合进气系统。该复合进气系统可以为内燃机提供富氧来源，实现氧气的“现制现用”，为内燃机富氧燃烧技术的工程实现提供重要的基础保障。

2)本发明专利通过调节氧气流量调节阀、EGR阀和节气门实现进气的精确控制，可以比较灵活地调节内燃机进气组分和浓度，将有效改善富氧燃烧性能，在提高燃烧效率的同时抑制碳烟和NO_X生成。

3)本发明专利可以实现内燃机的多种进气方式，包括普通进气、富氧进气和纯氧进气；同时，通过设计两个支流排气管，通过控制排气切换阀能实现制氧与不制氧工作模式的随时切换；整套系统结构紧凑，功能强大。

4)本发明专利集内燃机废气涡轮增压技术、变压吸附制氧技术和EGR技术于一体，集合了各种技术的优点，有效节省了制氧设备的相关部件，使系统变得相对简单；并且该技术工程化实现比较容易，实用性较强，容易推广应用。

有益效果：

富氧燃烧技术(结合EGR技术)是改善燃烧过程、实现高效低排放燃烧的有力途径，是未来清洁发动机的主要发展方向之一。然而，内燃机富氧燃烧技术尚未在实际产品中实现，这是因为富氧的来源还没有从根本上得到解决，不能在内燃机上实现“实时制氧”。

本发明专利有效解决了这一难题。通过联合废气涡轮增压技术和变压吸附制氧技术，在内燃机上设计了一种能实时制氧、实现富氧进气和可变进气组分及浓度的复合进气系统，使内燃机富氧燃烧技术的产品实现成为可能。因此，本发明能有效促进科技知识转化为实际成果，提升内燃机技术自主创新能力，促进内燃机节能减排的发展，产生较大的社会效益和经济效益。

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。

附图示出了实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统结构原理示意图。

具体实施方式

根据本发明的优选实例为在某型车用柴油机上配备实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统，以期达到能在内燃机上实现富氧燃烧、改善燃烧性能和排放性能的目的。在该实例中，将排气系统的两级废气涡轮增压系统进行改造，第一级排气涡轮(8)作为变压吸附制氧系统的压气机(14)的动力源，第二级排气涡轮(10)作为变压吸附制氧系统真空泵(22)的动力源。内燃机在稳定工作时，进气有三种来源：环境中的空气、变压吸附制氧系统产生的氧气和EGR的废气。可以分别通过调节节气门(34)、氧气流量调节阀(32)和EGR阀(33)的开度来改变三种气体的比例，实现进气成分和比例可调的复合进气。于是，该复合进气系统有三种进气方式：第一种方式，节气门(34)和EGR阀(33)关闭、氧气流量调节阀(32)打开，这是纯氧燃烧的模式；第二种方式，节气门(34)打开，氧气流量调节阀(32)关闭，这是普通燃烧模式；第三种方式，节气门(34)、EGR阀(33)和氧气流量调节阀(32)全部打开，这是富氧燃烧的模式。现有研究表明，第三种方式(富氧燃烧方式)在内燃机上具有较好的应用潜力，也是向纯氧燃烧的一种过渡。在内燃机起动工况时，由于排气涡轮工作的滞后性，此时变压吸附制氧系统还没有进入正常工作，这时可采用普通燃烧方式；当内燃机稳定工作时，可以切换到富氧燃烧模式。当想重新切换到普通燃烧方式时，可以通过切换排气切换阀(7)，使排气走另一条支管(不通往涡轮)，关闭制氧系统。

内燃机在工作时，可以根据工况的需求，通过电子控制系统实时调节节气门(34)、EGR阀(33)和氧气流量调节阀(32)的开度，配成所需的、最适宜的进气组分，实现“氧化剂”可调；同时电子控制系统还实时监测、控制变压吸附制氧系统(通过调节各种切换阀(18、19、20、21、26、27、28)来实现)和增压系统，保证变压吸附制氧系统与废气涡轮的性能匹配，保证变压吸附制氧系统的稳定工作并源源不断地产生氧气供给富氧进气系统，同时可以通过调节排气切换阀(7)和制氧系统切换阀(18、19、20、21、26、27、28)的开度来调节制氧速率。

当氧气产生过多时(检测到氧气平衡罐(30)中的氧气压力过高)，可以通过调小进气切换阀(18、20)的开度，减少气流量；反之，则加大开度。在调节吸附器进气切换阀(18、20)或抽气阀(19、21)开度的同时，也要调节排气切换阀(7)的开度(调节旁通气流的大小)，使第一级涡轮(8)和压气机(14)、第二级涡轮(10)和真空泵(22)具有较好的匹配性能。

Claims (8)

1.一种实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统：该复合进气系统是由内燃机进气系统、排气系统和变压吸附制氧系统组成；其中，内燃机进气系统主要由进气总管(1)、进气歧管(2)、节气门(34)等组成，进气总管(1)与氧气供给系统、废气再循环(EGR)系统相连；内燃机排气系统主要由排气歧管(5)、排气总管(6)、排气涡轮(8、10)、排气切换阀(7)、排气支管(9)等组成；变压吸附制氧系统由空滤器(11)、管道(12)、压气机(14)、真空泵(22)、中冷器(15)、气水分离器(16)、空气缓冲罐(17)、切换阀(18、19、20、21、26、27、28)、吸附器(24、25)、单向阀(29)、氧气缓冲罐(30)、氧气过滤器(31)、氧气流量调节阀(32)组成；排气系统的涡轮(8)与变压吸附制氧系统的压气机(14)通过传动轴(13)连接，排气系统的涡轮(10)与变压吸附制氧系统的真空泵(22)通过传动轴(23)连接。

2.如权利要求1所述的实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统，其特征在于：该复合进气系统有三种进气来源，环境空气、氧气和废气，分别由节气门(34)、氧气流量调节阀(32)、EGR阀(33)控制其流量；当改变这三种阀的开启或关闭状态(或开度)时，能实现不同模式的进气。

3.如权利要求1所述的实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统，其特征在于：变压吸附制氧系统的压气机(14)由内燃机的第一级排气涡轮(8)带动，压气机(14)将空气加压到所需的压力；变压吸附制氧系统的真空泵(22)由内燃机的第二级排气涡轮(10)带动，真空泵(22)通过产生一定的真空度抽走吸附器(24、25)中的吸附性气体；通过合理匹配涡轮和压气机(或真空泵)，达到目标进气增压压力(或真空度)。

4.如权利要求1所述的实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统，其特征在于：进气系统上耦合一套EGR系统，能实现富氧进气和废气再循环(EGR)的结合；其中，引入的废气量(EGR率)由EGR阀(33)控制，EGR阀(33)的开度由内燃机电子控制系统控制；通过将富氧进气与废气再循环技术结合，可以在减少碳烟排放的同时抑制NO_X的生成。

5.如权利要求1所述的实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统，其特征在于：变压吸附制氧系统的切换阀门(18、19、20、21、26、27、28)由内燃机电子控制系统控制。系统根据不同的内燃机工况，实时控制各阀门(或关闭，或打开，或调节其开度)，使变压吸附制氧系统产生的氧气能满足内燃机的需求。

6.如权利要求1所述的实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统，其特征在于：排气总管(6)上有两条支管(9)，其中一条支管上有两个排气涡轮(8、10)，另一条支管直通总管(相当于旁通管)，通过支管端头的排气切换阀(7)控制气流的分配；当制氧系统要停止工作时，通过改变排气切换阀(7)的方向，关闭通往涡轮(8、10)的支管，使气流全部旁通，此时排气涡轮(8、10)不再带动压气机(14)和真空泵(22)。

7.如权利要求1所述的实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统，其特征在于：变压吸附制氧系统能自动切换工作模式，当产生的氧气量(氧气平衡罐(30)中的氧气量)过多时，变压吸附制氧系统将在内燃机电子控制系统的控制下停止工作；同时，电子控制系统改变排气切换阀(7)的方向，使排气全部通往无涡轮(8、10)的排气支管(旁通管)。

8.如权利要求1所述的实时实现内燃机富氧燃烧的复合进气系统，其特征在于：内燃机排气系统的涡轮(8、10)为可变截面涡轮；内燃机电子控制系统将分别根据压气机(14)的增压比和真空泵(22)的抽真空度需求，调节排气切换阀(7)和可变截面涡轮的开度，实现目标增压比(或真空度)。

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