CN103147882A - 水混合型废气再循环系统和利用该系统的发动机 - Google Patents

Abstract

一种水混合型废气再循环系统，包括进气管和尾气排气管，水气混合装置、热交换器、输汽管和设置在所述尾气排气管上的尾气歧管，所述热交换器与所述尾气排气管进行热交换，所述水气混合装置设置有第一出水口和尾气进口，所述热交换器设置有第一进水口、第一出汽口，所述尾气歧管连接所述水气混合装置的尾气进口，所述水气混合装置的第一出水口通过管路连接所述热交换器的第一进水口，所述热交换器的第一出汽口连接所述输汽管的进汽口，所述输汽管的出汽口与所述进气管连接。本发明利用一部分尾气简化了复杂的增压、加压结构。同时没有明显降低液体水洁净度。充分利用了另一部分尾气的高热残值，使得水蒸汽符合后续反应的条件。还包括相应的发动机。

Description

水混合型废气再循环系统和利用该系统的发动机

技术领域

本发明涉及一种废气减排系统，特别是涉及一种用于柴油发动机的废气减排系统。

背景技术

内燃发动机的循环工作原理是在气缸的燃烧室内，使清洁空气和雾化燃油混合形成的可燃混合气燃烧爆炸，推动活塞做功，排出废气。利用电子处理技术和传感器技术进行自动化控制，可以对燃烧室温度、可燃混合气浓度、可燃混合气容量等工况参数进行采集和调整，使燃烧爆炸后产生的尾气废气中有害成分降低，发动机做功效率最大化。

即使利用微电子技术进行实时控制，可燃混合气的燃烧也并不彻底，燃烧的产物包含一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）、烟气微粒（Pm）、碳氢化合物燃料及其未燃烧物质，以及润滑油和部分裂解产物形成的碳氢化合物（HC），他们随尾气排放进入大气，对生态环境和生物健康危害较大。

现有技术中存在一种尾气再利用的技术，将排放的尾气通过管路再次输送回发动机参与燃烧，利用不可燃的废气降低爆燃时的温度，达到减少有害的氮氧化合物产生的目的。该技术在降低有害的氮氧化合物的同时降低了燃烧效率，减排但并不节能。而且尾气废气包含较高的热值，目前未充分利用。

通常燃烧室内可以达到1700～2500℃高温，50～120kg/cm²的压力，根据2004年4月，第28卷第2期的武汉理工大学学报（交通科学与工程版）记载的《利用水降低柴油机Nox排放研究》提出的技术原理，利用燃烧室内的高温高压环境，通过向燃烧室内添加水蒸汽高温可以改变可燃混合气的热化学反应过程，改变形成的尾气废气成分，降低有害成分含量和颗粒排放。

根据2012年6月，第28卷第12期的农业工程学报记载的《空气湿度对柴油机NOx和碳烟排放影响的模拟研究》，给出了一些研究结论：

空气湿度与柴油机NOx和碳烟排放的定量关系。相比原机，当含湿量为20g/kg时，缸内最终NOx排放减少30%以上。在大负荷时，当含湿量为10和20g/kg时，缸内最终碳烟排放分别增加19%和30%。在中小负荷时，湿度对碳烟生成影响较小。

与燃烧干空气相比，含湿量为20g/kg时，最高燃烧温度可降低30K。比热容和比热比的变化规律解释了湿度对燃烧温度的影响作用。

自由基O是影响NOx生成的重要中间物质，而N2、O2浓度的下降及混合气局部富氧的改善在降低NOx过程中也起到了重要的作用。对碳烟来说，在详细化学反应动力学中，可考虑水煤气反应。

可作为降低发电用和船用等柴油机NOx排放的有益借鉴。

根据大连海事大学，2003年徐乐平的博士论文《喷水雾加湿进气减少船用柴油机氮氧化物排放的研究》，给出的研究结果指出汽缸中加水燃烧，通过以水雾形式进入气缸，不会对气缸造成非正常磨损，同时在短时间内将干燥空气与水气充分混合技术上可行。

根据国外内燃机车杂志，2000年第5期《各种变化因素对中速柴油机NOx排放的影响》，给出了在滞燃期产生的NOx排放物浓度和种类，受混合空气湿度影响的定量分析，表明了可以通过技术手段改变混合空气湿度影响不同油品NOx的排放物浓度和种类。

以及武汉理工大学，2004年姚光荣的硕士论文《发动机进气道喷水的研究—降低NOx排放》等各方面的研究成果可以看出，利用改变空气湿度，进而影响发动机内的燃烧反应过程，降低气缸内的温度分布，就可以NOx的生成量，减少碳粒，提高燃油效率。改善尾气废气成分具有技术可行性。

发明内容

本发明的目的是提供一种水混合型废气再循环系统，解决现有发动机尾气废气中有害成分含量高、烟气微粒多，尾气残留热值未能充分利用的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种利用上述水混合型废气再循环系统的发动机，实现尾气环保排放。

本发明的水混合型废气再循环系统，包括发动机的进气管和尾气排气管，其中：还包括水气混合装置、热交换器、输汽管和设置在所述尾气排气管上的尾气歧管，所述热交换器与所述尾气排气管进行热交换，所述水气混合装置设置有第一出水口和尾气进口，所述热交换器设置有第一进水口、第一出汽口，所述尾气歧管连接所述水气混合装置的尾气进口，所述水气混合装置的第一出水口通过管路连接所述热交换器的第一进水口，所述热交换器的第一出汽口连接所述输汽管的进汽口，所述输汽管的出汽口与所述进气管连接。

所述热交换器设置在所述尾气排气管中。

所述水气混合装置中储存液体水，所述尾气进口上还连接有通气管，所述通气管延伸到液面下方。

还包括水箱，所述水气混合装置的腔体上还设置有注水口，所述水箱的出水口通过管路与所述注水口相连接。

所述注水口上还安装有第一单向阀门，用于调节水气混合装置中的液体水容量，保持液面正常位置。

所述尾气歧管中还安装有第二单向阀门，用于调节尾气歧管中高热值尾气的流量，改变或保持水气混合装置中的细小水颗粒的数量。

所述热交换器中的空腔形状为迷宫形、条形、圆形、螺旋形、歧管形之一。

所述输汽管的出汽口连接在发动机的涡轮增压器的叶轮室出气口与发动机之间的进气管上。

所述输汽管的出汽口连接在中冷器的出气口与发动机之间的进气管上。

包括以上任一所述水混合型废气再循环系统的发动机。

本发明的水混合型废气再循环系统中，管路结构充分利用了发动机排出的高热值尾气。一部分尾气用于对液体水进行初步加热并提供单向流动的压力差，保证整个水气混合装置和热交换器管路中介质流动的单向性，逆止混合水气倒流，简化了复杂的增压、加压结构。同时没有明显降低液体水的洁净度。

另一部分尾气用于快速加热混合的水气形成高温水蒸汽，充分利用了尾气的高热残值，使得水蒸汽符合后续反应的条件，同时封闭的热交换方式保证了水蒸汽参与后续反应的洁净度。

燃烧室内过热蒸汽随热化学反应分解，释放氢、氧，触发与燃烧室内物质的二次燃烧，提高了燃油的热效率，使得以碳颗粒为主的颗粒物和有害的氮氧化合物大量参与反应生成无害物质排出，降低了尾气中的有害废气成分，改善了排放清洁度。

采用本发明水混合型废气再循环系统的发动机，可以明显减少尾气中的排放颗粒，降低有害成分。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

附图说明

图1为本发明水混合型废气再循环系统的结构示意图；

图2为本发明水混合型废气再循环系统针对自然吸气式发动机实施例1的结构示意图；

图3为本发明水混合型废气再循环系统针对一种涡轮增压式发动机的实施例的结构示意图；

图4为本发明水混合型废气再循环系统针对另一种涡轮增压式发动机的实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括水气混合装置01、热交换器02、尾气排气管03、尾气歧管04和输汽管05；

水气混合装置01，用于将高热值尾气与液体水充分混合，增加液体水的空气溶解度，快速提高液体水的预热温度；

热交换器02，用于将注入的液体水加热为相应温度的水蒸汽排出；

尾气排气管03，用于发动机高热值尾气的主要排放通道，为热交换器02提供热源；

尾气歧管04，用于发动机高热值尾气的次要排放通道，为水气混合装置01提供热源和压力；

输汽管05，用于作为将水蒸汽输送至发动机09进气管08的通道；

尾气歧管04、水气混合装置01、热交换器02和输汽管05顺序连接，形成两端具有压力差的输送通道，输汽管05的水蒸汽出口与发动机09进气管08连接。

本发明的水混合型废气再循环系统利用尾气歧管04提供的小部分高热值的尾气为水气混合装置01提供热源，使得被搅拌的液体水快速升温，达到第一次加热的温度，使得液体水在进入热交换器前获得一个额外的加热过程和加热时间。同时，利用高热值尾气产生的压力保证水气混合装置01中液体水向热交换器02的单向流动性。

本发明的水混合型废气再循环系统利用尾气排气管03提供的大部分高热值的尾气为热交换器02提供热源，使得液体水可以被热交换器02快速加热气化，形成高温水蒸汽，达到第二次加热的需求温度，使水蒸汽通过输送管道达到发动机进气管时的温度，满足与可燃混合气混合的临界温度。

如图2所示，本实施例的尾气歧管04设置在尾气排气管03上，热交换器02安装于尾气排气管03中；热交换器02设置有第一进水口02a、第一出汽口02b；水气混合装置01设置有用于进行气体和液体混合的腔体，腔体上设置有第一出水口01a和尾气进口01b；尾气歧管04连接水气混合装置01的尾气进口01b，水气混合装置01的第一出水口01a通过管路连接热交换器02的第一进水口02a，热交换器02的第一出汽口02b连接输汽管05的进汽口，输汽管05的出汽口与发动机09进气管08连接。

水气混合装置01中储存有液体水，水气混合装置01的第一出水口01a和尾气进口01b设置在腔体中液体水的液面上方，尾气进口01b上连接有通气管延伸到液面下方的腔体底部。

显然地，实施例1中也可以省略通气管，通过利用高温尾气形成的旋流直接加热液体水，将液体水撕裂为细小的水微粒。

以实施例1为基础的实施例2中，水气混合装置01的腔体上还设置有注水口01c，还包括水箱06，水箱06的出水口通过管路与注水口01c相连接，通过人工或机械联动方式为水气混合装置01补充液体水。液体水采用蒸馏水，尽可能降低水中的溶解物。

以实施例2为基础的实施例3中，在注水口01c上还安装有第一单向阀门07a，防止水气混合装置01中被预热的液体水和高热值的尾气向水箱06中逆流；在水气混合装置01中还安装有若干水位传感器，上位控制系统根据水位传感器采集的水气混合装置01中的液面位置信号，获得液体水消耗量，控制第一单向阀门07a快速启闭，调节水气混合装置01中的液体水容量，保持液面正常位置，避免出现液面过低液体水无法被高热值的尾气预热，液面过高液体水直接进入热交换器02或尾气歧管04中。

以实施例3为基础的实施例4中，尾气歧管04中还安装有第二单向阀门07b，防止水气混合装置01中被预热的液体水向尾气歧管04中逆流；在水气混合装置01中还安装有湿度传感器，上位控制系统根据湿度传感器采集的水气混合装置01中的空气湿度信号，获得细小水颗粒的密度，控制第二单向阀门07b的启闭状态，调节高热值尾气的流量，调节液体水的预热温度和预热时间。进而改变或保持水气混合装置01中的细小水颗粒的数量，避免细小水颗粒的数量过少导致热交换器02无法产生足够的水蒸汽；细小水颗粒的数量过多导致热交换器02无法充分使液体水汽化。

第一单向阀门07a和第二单向阀门07b通常选用单向电磁阀。各单向阀门的启闭状态通过上位控制系统利用成熟的微电子控制模块和传感器反馈协调控制。可以针对不同类型发动机完成液体水和高热值的尾气注入顺序和流量的控制。或者对于第一单向阀门07a和第二单向阀门07b的启闭状态通过简化的开关电路进行控制。

热交换器02中的空腔可以根据尾气排气管03的形状和容积设计成迷宫形、条形、圆形、螺旋形、歧管形等利于与尾气进行热交换的结构，使得能够完成充分的热量交换，使得液体水从第一进水口02a进入，加热气化为水蒸汽后从第一出汽口02b排出。

水气混合装置01的第一出水口01a通过穿过尾气排气管03侧壁的管路与热交换器02的第一进水口02a连接，热交换器02的第一出汽口02b与穿过尾气排气管03侧壁的输汽管05的进汽口连接，输汽管05的出汽口与发动机09进气管08连接。

输汽管05采用不锈钢、聚四氟乙烯等耐腐蚀、耐高温材料。

在实际应用中，尾气歧管04中的高热值尾气经过单向阀门07进入水气混合装置01，水气混合装置01中的通气管将尾气与液体水进行搅拌混合，将液体水进行预热，同时气泡将水撕裂为细小的水颗粒，受尾气压力进入热交换器02与高热值尾气充分进行快速的热交换、汽化达到参与热化学反应的临界温度，形成温度高于374℃高温水蒸汽，经输汽管05输送至发动机09进气管08，随喷入的雾化燃油进一步混合参与到燃烧爆炸的各过程。

根据现有的热化学反应原理，内燃机燃烧产生的颗粒物主要成分碳颗粒可以通过在燃烧室中加入适量的水蒸气，在高温高压下进一步反应形成一氧化碳或二氧化碳和氢气，反应式如下：

C+H2O—高温、高压—>CO+H2  （氧含量不足时）；

C+H2O—高温、高压—>CO2+H2  （氧含量充足时）。

上述反应产生的氢，使得可燃气体燃烧后的各类氮氧化合物发生氧化还原反应，大大降低有害的氮氧化合物浓度，反应式如下：

xH2+2NOx—高温、高压—>N2+xH2O。

上述反应产生的CO在氧气充足的情况下，可以二次燃烧，形成CO2和H2O，并放出热量

综上所述，利用燃烧室内的高温、高压环境，可以将微小的水颗粒参与热化学反应，有效的降低有害物质排放，并提高燃烧释放的热能。

如图3所示，在本实施例中，涡轮增压式发动机09包括涡轮增压器10，涡轮增压器10的涡轮室与尾气排气管03连接，涡轮增压器10的叶轮室的出气口与进气管08连接，根据本发明实施例1，在其他结构不变的基础上，本实施例2的输汽管05的出汽口连接在涡轮增压器10的叶轮室出气口与发动机09之间的进气管08上。

如图4所示，在本实施例中，涡轮增压式发动机09包括涡轮增压器10，涡轮增压器10的涡轮室与尾气排气管03连接，涡轮增压器10的叶轮室与中冷器11连接，中冷器11的出气口与进气管08连接，根据本发明实施例1，在其他结构不变的基础上，本实施例3的输汽管05的出汽口连接在中冷器11的出气口与发动机09之间的进气管08上。

采用本发明水混合型废气再循环系统的发动机的尾气排放更符合环保要求，燃油使用效率更高。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水混合型废气再循环系统，包括发动机的进气管（08）和尾气排气管（03），其特征在于：还包括水气混合装置（01）、热交换器（02）、输汽管（05）和设置在所述尾气排气管（03）上的尾气歧管（04），所述热交换器（02）与所述尾气排气管（03）进行热交换，所述水气混合装置（01）设置有第一出水口（01a）和尾气进口（01b），所述热交换器（02）设置有第一进水口（02a）、第一出汽口（02b），所述尾气歧管（04）连接所述水气混合装置（01）的尾气进口（01b），所述水气混合装置（01）的第一出水口（01a）通过管路连接所述热交换器（02）的第一进水口（02a），所述热交换器（02）的第一出汽口（02b）连接所述输汽管（05）的进汽口，所述输汽管（05）的出汽口与所述进气管（08）连接。

2.根据权利要求1所述的水混合型废气再循环系统，其特征在于：所述热交换器（02）设置在所述尾气排气管（03）中。

3.根据权利要求2所述的水混合型废气再循环系统，其特征在于：所述水气混合装置（01）中储存液体水，所述尾气进口（01b）上还连接有通气管，所述通气管延伸到液面下方。

4.根据权利要求3所述的水混合型废气再循环系统，其特征在于：还包括水箱（06），所述水气混合装置（01）的腔体上还设置有注水口（01c），所述水箱（06）的出水口通过管路与所述注水口（01c）相连接。

5.根据权利要求4所述的水混合型废气再循环系统，其特征在于：所述注水口（01c）上还安装有第一单向阀门（07a），用于调节水气混合装置（01）中的液体水容量，保持液面正常位置。

6.根据权利要求5所述的水混合型废气再循环系统，其特征在于：所述尾气歧管（04）中还安装有第二单向阀门（07b），用于调节尾气歧管（04）中高热值尾气的流量，改变或保持水气混合装置（01）中的细小水颗粒的数量。

7.根据权利要求6所述的水混合型废气再循环系统，其特征在于：所述热交换器（02）中的空腔形状为迷宫形、条形、圆形、螺旋形、歧管形之一。

8.根据权利要求1至7任一所述的水混合型废气再循环系统，其特征在于：所述输汽管（05）的出汽口连接在发动机（09）的涡轮增压器（10）的叶轮室出气口与发动机（09）之间的进气管（08）上。

9.根据权利要求1至7任一所述的水混合型废气再循环系统，其特征在于：所述输汽管（05）的出汽口连接在中冷器（11）的出气口与发动机（09）之间的进气管（08）上。

10.包括权利要求1至9任一所述水混合型废气再循环系统的发动机。

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