CN103861489A

CN103861489A - 内燃机配气系统气体混合系统及气体混合方法

Info

Publication number: CN103861489A
Application number: CN201410118634.7A
Authority: CN
Inventors: 谭亲明; 胡以怀; 曾向明
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN103861489B

Abstract

本发明公开一种内燃机配气系统气体混合系统，包含：动态混合器，其分别连接氧气和二氧化碳或空气输入；输出端连接内燃机；流量调节阀，其连接在动态混合器接入氧气的管路上；二氧化碳或空气流量计，其连接在所述动态混合器接入二氧化碳或空气的管路上；氧气流量控制机构，其输入端连接二氧化碳或空气流量计，根据二氧化碳或空气流量和预设的氧气设定值得到所需氧气流量，输出控制信号至流量调节阀；输出端电路连接流量调节阀。本发明通过流量计算，控制氧气流量，实现在线式氧气浓度的快速调整，不需终止试验，有利于试验的进行，减少劳动强度，有效控制混合气体中氧气的浓度，可实现随用随配，满足内燃机巨大的耗气量需求。

Description

内燃机配气系统气体混合系统及气体混合方法

技术领域

本发明涉及一种动力工程的气体混合技术，具体涉及一种内燃机配气系统试验用气体混合系统及气体混合方法。

背景技术

全国陷入严重的雾霾和污染天气，造成雾霾天的原因包括工业废气排放、汽车尾气排放和工地扬尘，而机动车的尾气是雾霾颗粒组成的最主要的成分，二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物是雾霾的主要组成。燃料燃烧引起的大气环境的污染中，危害最大且最难处理的就是氮氧化物（NO_X）。

目前，国内外对内燃机（包括柴油机和汽油机）氮氧化物排放方法研究很多，有机内净化法（燃烧优化、高压共轨燃油喷射、高增压、可调气门定时）、前处理技术（废气再循环EGR、燃油掺水等）和后处理技术（选择性催化还原SCR）。减少氮氧化物排放的研究，已成为全球的热点。内燃机氮氧化物的排放主要来自空气中的氮气，高温转换成氮氧化物。通过研究减少内燃机进气中的氮气含量，而达到降低内燃机NO_X的排放。

为了满足内燃机的工况要求，研究进气成分的改变对内燃机氮氧化物排放的影响。需配置混合气，把空气，CO₂/空气，高浓度氧气等不同成分气体混合，达到进气成分中少氮，甚至是无氮，供入内燃机内燃烧，从而分析研究内燃机工况及排放情况。当前，市场上的空气混合器，多为静态混合器，而内燃机耗气量大，不能满足其耗气要求。为了通过试验寻找最佳的气体混合比，少数动态混合配比器，不能根据试验需要随时调整氧气含量的设定值。为了满足试验要求，需配置氧气浓度设定，流量配比指挥控制流量调节阀，氧气流量反馈调节，氧气浓度在线监测比例式反馈微调等装置。

发明内容

本发明提供一种内燃机配气系统气体混合系统及气体混合方法，通过气体混合技术，将空气和CO₂/空气气体混合，供给柴油机燃烧，减少柴油机氮氧化物的排放；控制混合气体中氧气浓度，保证柴油机正常运转的同时，找到最佳配比，完善燃烧，减少碳颗粒的排放。

为实现上述目的，本发明提供一种内燃机配气系统气体混合系统，其特点是，该气体混合系统包含：

动态混合器，其输入端分别连接氧气和二氧化碳或空气输入；输出端连接内燃机；

流量调节阀，其连接在所述动态混合器接入氧气的管路上；

二氧化碳或空气流量计，其连接在所述动态混合器接入二氧化碳或空气的管路上；

氧气流量控制机构，其输入端电路连接二氧化碳或空气流量计，接收二氧化碳或空气流量信号，根据预设的氧气设定值进行流量比例计算，得到所需氧气流量，并将其转换成比例积分微分值，输出比例积分微分控制信号至流量调节阀；输出端电路连接流量调节阀。

上述动态混合器与流量调节阀之间气路连接有氧气流量计，氧气流量计输出端电路连接至氧气流量控制机构。

上述动态混合器输出端设有取样装置，取样装置输出端连接氧气分析仪，氧气分析仪输出端连接氧气流量控制机构。

上述动态混合器与内燃机之间设有静态混合稳压装置。

上述气体混合系统接入内燃机的管路上设有自动恒压阀。

一种上述的内燃机配气系统气体混合系统的气体混合方法，其特征在于，该方法包含：

氧气与二氧化碳或空气混合后，通过自动恒压输出及静态混合缓冲，输送至内燃机；

根据探测所得的二氧化碳或空气流量与预设的氧气设定值通过流量比例计算得出所需氧气流量控制信号输送至流量调节阀，通过调节流量调节阀开度控制氧气流量。

上述流量调节阀调节氧气流量后通过氧气流量计探测调节后氧气流量，得出调节后氧气流量与所需氧气流量的差值反馈至流量调节阀，快速调节氧气流量。

上述氧气与二氧化碳或空气混合后取样，由氧气分析仪分析氧气与二氧化碳或空气混合后混合气体内氧气的含量，并与氧气设定值比较，反馈至流量调节阀微调氧气流量。

上述氧气与二氧化碳或空气混合后的混合气体进入内燃机前，采集混合气体的气压与预设的压力设计值比较，通过自动稳压阀稳定内燃机进气口的压力。

上述氧气与二氧化碳或空气混合后的混合气体进入内燃机前，采用静态混合稳压装置稳压。

本发明内燃机配气系统气体混合系统及气体混合方法和现有技术的内燃机配气技术相比，其优点在于，本发明根据不同的氧气设定值，通过流量计算，实现快速控制氧气流量阀门开度控制氧气流量；氧气流量通道流量监控，快速反馈调节氧气流量调节阀门的开度；通过氧气分析仪对混合气体中氧气浓度在线分析反馈，与氧气浓度设定值比较，微调氧气流量调节阀门开度，控制混合气体中氧气浓度精度。在内燃机试验过程中，可实现在线式氧气浓度的快速调整，不需终止试验，有利于试验的进行，减少劳动强度，有效控制混合气体中氧气的浓度，可实现随用随配，满足内燃机巨大的耗气量需求。

附图说明

图1为本发明内燃机配气系统气体混合系统的原理图；

图2为动态混合器的监控界面示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，本发明公开一种内燃机配气系统气体混合系统，该气体混合系统包含有用于内燃气配气混合的动态混合器，该动态混合器输入端分别通过管路接入需进行混合的氧气和二氧化碳或空气（下称：CO₂/空气）；动态混合器的输出端通过管路连接至内燃机的进气口。本实施例中，氧气输入采用无氮的高浓度氧气。

在动态混合器接入氧气的管路上设有流量调节阀，该流量调节阀由氧气流量控制机构控制，通过控制流量调节阀的开度，实时调节输入的氧气流量。

在动态混合器接入CO₂/空气的管路上设有CO₂/空气流量计，该CO₂/空气流量计的输出端电路连接至氧气流量控制机构。CO₂/空气流量计实时监测输入动态混合器的CO₂/空气气体流量，并将CO₂/空气气体流量信号输出至氧气流量控制机构，氧气流量控制机构根据接收的CO₂/空气流量信号值，并与预设的氧含量设定值相结合，通过流量计算，得出所需氧气流量值，将所需氧气流量值转换成PID（比例积分微分）输出信号值，并将PID信号值传输至流量调节阀，控制流量调节阀的开度，从而使调节后氧气的流量符合或接近所需氧气流量值，此为指挥调节。

上述流量计算为通过式（1）或（2）计算所需氧气流量值：

空气与氧气混合：（1）

氧气与CO₂混合：

（2）

上式中： C为氧气含量设定值；Q_氧气为氧气耗气量；Q_CO2为CO2消耗量；Q_空气为空气耗气量。

在动态混合器接入CO₂/空气的管路上还设有自动恒压阀，保证CO₂/空气输入的气压恒定。

在流量调节阀与动态混合器之间的管路上设有氧气流量计，其输出端电路连接至氧气流量控制机构，氧气流量计用于实时监测通过流量调节阀调节的调节后氧气流量信息并输出至氧气流量控制机构，氧气流量控制机构将接收的调节后氧气流量与所需氧气流量值进行比较，并快速反馈至流量调节阀，实现快速调节氧气流量，缩短改变氧气和二氧化氮的混合气体含氧量所需的时间，此为反馈调节。

动态混合器输出端处设有取样装置，该装置输出端连接有氧气分析仪，氧气分析仪输出端则连接至氧气流量控制机构。取样装置用于对经动态混合器处理后的混合气体进行采样，并输送至氧气分析仪，氧气分析仪则分析混合气体中氧气的含量，供用户记录。同时混合气体中氧气的含量输送至氧气流量控制机构，将该混合气体中氧气的含量与预设的氧气设定值进行比较，反馈至流量调节阀，对氧气流量进行微调。

在整个氧气的输送和混合气体的输送管路中都设有氧含量分析装置，实时对各阶段气体中的氧含量进行监控并且记录，便于试验结果的对比，并可随时根据氧含量进行对应操作，调整所需的氧气浓度。

动态混合器与内燃机之间设有静态混合稳压装置，通过静态混合稳压装置对动态混合器输出的混合气体进行稳压，保证混合气体的均匀性。

气体混合系统接入内燃机的管路上设有机械式自动恒压阀，通过手动设定机械式自动恒压阀输出压力值大小，将恒压阀后的气体引至恒压阀，当阀后气体压力小于设定值时，自动恒压阀阀门开度增加，减少压降；当阀后压力高于设定值时，自动恒压阀阀门开度减少，增加压降；从而实时调整气压，保证进入内燃机的混合气体气压的恒定。

优选的，氧气流量控制机构可以设置在动态混合器中，如图2所示，为该种实施例中动态混合器上监控面板的示意图，接通混合器液晶监控面板，通讯状态指示灯亮后，首先在氧含量设定输入框内输入需要的值，再点击混配开始按钮，自动调整（比例计算指挥控制，流量反馈粗调和氧浓度分析反馈微调）氧气的流量调节PID输出值，调节流量调节阀开度，且两个流量消耗值在面板中（氧气流量、CO₂/空气流量）有显示。如果最后在氧含量实时监控的图形输出中，氧气的含量浓度有所偏差，需按下面板中的含量微调按钮，再通过上下手动调节氧气流量调节阀的PID数值大小，从而控制流量调节阀的开度。

根据内燃机耗气量，本试验用随动流量混合器CO₂/空气管路直径为DN65，氧气管路直径为DN50，流量计量程均为0~200立方/小时，用户可根据需要，调整管路直径大小和选择合适的流量计。液晶控制面板中PID输出数值范围为0~30000，0表示流量调节阀门处于关闭状态，30000表示流量调节阀门处于全开状态，PID数值大小与流量调节阀门开度成直线比例关系。

如图1所示，本发明还公开一种内燃机配气系统气体混合系统的气体混合方法，该方法包含：

氧气与CO₂/空气通过动态混合器混合后输送至内燃机。在动态混合器前氧气管路与CO₂/空气管路合并，由于氧气管路压力要高于CO₂/空气管路压力，以压力方式进入CO₂/空气气体内，然后经过动态混合器混合（如目前市场的多次静态切割法等），则完成氧气与CO₂/空气的混合气体。

在进行气体混合的过程中，CO₂/空气流量计实时探测输入的CO₂/空气流量，根据CO₂/空气流量值和预设的氧气设定值进行流量比例计算，得到所需氧气流量，并将其转换成PID值，输出PID控制信号至流量调节阀。通过调节流量调节阀开度，实现控制氧气流量。

在经过流量调节阀调节氧气流量后，还通过氧气流量计实时探测调节后氧气流量，将所得的调节后氧气流量值与所需氧气流量比较并得出差值，迅速反馈至流量调节阀，以实现快速调节氧气流量。

在氧气与CO₂/空气经过动态混合器混合后，由取样装置对混合气体进行取样，由氧气分析仪分析氧气与CO₂/空气混合后混合气体内氧气的含量，供用户记录，并将该混合气体中的氧气含量值与预设的氧气设定值进行比较，得出其差值并反馈至流量调节阀，以实现对氧气流量的微调，从而更稳定的控制混合气体中氧气的浓度。

为了方便试验结果的比对，需保证内燃机的进气压力与正常工作状态一致，氧气与CO₂/空气混合后的混合气体即将进入内燃机前，通过自动稳压阀稳定内燃机进气口输入的气体压力。

在氧气与CO₂/空气混合后的混合气体进入内燃机前，采用静态混合稳压装置对混合气体进行稳压，一方面对混合气进行进一步的静态混合，另一方面缓解内燃机工况发生改变时，耗气量变化对混合器的冲击。

在整个气体混合的过程中，气体混合装置实时监测混合气体中氧含量或者高浓度氧气输入值的信息，供用户实时记录，该氧含量信息可以通过USB接口导出，作为试验参考依据。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种内燃机配气系统气体混合系统，其特征在于，该气体混合系统包含：

流量调节阀，其连接在所述动态混合器接入氧气的管路上；

2.如权利要求1所述的内燃机配气系统气体混合系统，其特征在于，所述动态混合器与流量调节阀之间气路连接有氧气流量计，氧气流量计输出端电路连接至氧气流量控制机构。

3.如权利要求1所述的内燃机配气系统气体混合系统，其特征在于，所述动态混合器输出端设有取样装置，取样装置输出端连接氧气分析仪，氧气分析仪输出端连接氧气流量控制机构。

4.如权利要求1所述的内燃机配气系统气体混合系统，其特征在于，所述动态混合器与内燃机之间设有静态混合稳压装置。

5.如权利要求1所述的内燃机配气系统气体混合系统，其特征在于，所述气体混合系统接入内燃机的管路上设有自动恒压阀。

6.一种如权利要求1至5中任意一项权利要求所述的内燃机配气系统气体混合系统的气体混合方法，其特征在于，该方法包含：

7.如权利要求6所述的气体混合方法，其特征在于，所述流量调节阀调节氧气流量后通过氧气流量计探测调节后氧气流量，得出调节后氧气流量与所需氧气流量的差值反馈至流量调节阀，快速调节氧气流量。

8.如权利要求6所述的气体混合方法，其特征在于，所述氧气与二氧化碳或空气混合后取样，由氧气分析仪分析氧气与二氧化碳或空气混合后混合气体内氧气的含量，并与氧气设定值比较，反馈至流量调节阀微调氧气流量。

9.如权利要求6所述的气体混合方法，其特征在于，所述氧气与二氧化碳或空气混合后的混合气体进入内燃机前，采集混合气体的气压与预设的压力设计值比较，通过自动稳压阀稳定内燃机进气口的压力。

10.如权利要求6所述的气体混合方法，其特征在于，所述氧气与二氧化碳或空气混合后的混合气体进入内燃机前，采用静态混合稳压装置稳压。