CN103867345A

CN103867345A - 一种船用柴油机的进气加湿系统

Info

Publication number: CN103867345A
Application number: CN201410131561.5A
Authority: CN
Inventors: 刘瑞; 平涛; 张文正; 陈志忠
Original assignee: 711th Research Institute of CSIC
Current assignee: 711th Research Institute of CSIC
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明公开了一种船用柴油机的进气加湿系统，包括喷水管路和进气管路；喷水管路沿水路方向依次设置有自动恒温水箱、高压微雾主机和喷嘴组；进气管路沿气流方向依次设有进气加热器、进气加湿塔；喷嘴组伸入进气加湿塔的内部，喷嘴组的水喷射方向与进气气体的流动方向相反；进气加湿塔内设有除雾器；除雾器位于喷嘴组的后方；进气加湿塔设有排水口，排水口通过排水管路将进气加湿塔中的液滴排出进气加湿塔；进气加湿塔的出口与柴油机的进气管道连接。本发明具有喷水雾化效果好、最大加湿量大、喷水量灵活可控、系统稳定可靠、效率高等特点，能够满足工程应用中对进气含湿量的要求。

Description

一种船用柴油机的进气加湿系统

技术领域

本发明涉及进气加湿系统，尤其涉及一种船用柴油机的进气加湿系统。

背景技术

在船舶运输过程中，柴油机会因为燃料的不完全燃烧而产生有害气体及颗粒物排放，如挥发性有机物、氯氟烃、一氧化碳、二氧化碳、硫氧化合物、氮氧化合物、烟尘等。在这些污染物中危害最大的是氮氧化合物、硫氧化合物，氮氧化合物主要由NO和NO₂组成，它们通称为NO_x。NO_x对环境的破坏极大，不仅危害人体的呼吸系统，也是地面附近形成光化学烟雾的主要因素之一。据挪威向国际海事组织提供的资料表明，世界船舶年排放的NO_x达602万吨，占世界NO_x年排放总量的7%。针对越来越严重的船用柴油机尾气污染问题，国际海事组织和世界各国都制定了越来越严格的排放规范，而适应新规范是船舶柴油机当前面临的主要问题。

为降低船用柴油机的NO_x排放量，国际上较为先进的改良方式是提高进气空气的含湿量，即利用水蒸汽增加进气管中进气空气的绝对湿度，湿空气进入柴油机气缸燃烧，使燃烧最高温度降低，抑制了NO_x的产生。

一般来说，要使用进气加湿技术降低船用柴油机的NO_x排放量，进气空气的相对湿度应尽量趋近于100%，这就要求进气加湿系统有较高的效率。另外，不同工况下发动机的进气质量不同，为使进气空气的含湿量达到预先的设定要求，进气加湿系统的喷水量应灵活可控。

现有的进气加湿系统，主要有以下几种：

（1）直接在进气道喷水，针对船用柴油机，若直接在进气道进行喷水，则由于进气道尺寸的约束，允许布置的喷嘴数有限、雾化的液滴易因发生碰壁而凝结、进气空气与雾化液滴的接触面也较小，整个进气加湿系统的效率较低。

（2）水的喷射方式采用气雾喷射形式，该喷射形式水的雾化质量较差，水利用率低，且需通过控制水路及气路的压力实现对喷水量的控制，整个结构较为复杂。

（3）不对进气进行加热，而直接对进气空气进行喷水加湿，该进气加湿系统的水利用率较低；且进气温度直接决定了进气空气的最大吸湿能力，不对进气空气进行加热，难以满足工程应用中对进气含湿量的要求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种船用柴油机的进气加湿系统，与现有同类进气加湿系统相比，具有喷水雾化效果好、最大加湿量大、喷水量灵活可控、系统稳定可靠、效率高等特点，能够满足工程应用中对进气含湿量的要求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种船用柴油机的进气加湿系统，可根据不同工况下进气质量的变化，实现对进气含湿量的准确控制，有效防止过量的水珠进入气缸，提高进气加湿系统的水利用率及最大加湿能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种船用柴油机的进气加湿系统，包括喷水管路和进气管路；喷水管路沿水路方向依次设置有自动恒温水箱、高压微雾主机和喷嘴组；进气管路沿气流方向依次设置有进气加热器和进气加湿塔；喷嘴组伸入进气加湿塔的内部，喷嘴组的水喷射方向与进气气体的气流方向相反；进气加湿塔内设有除雾器；除雾器位于喷嘴组的后方；进气加湿塔设有排水口，排水口通过排水管路将进气加湿塔中的液滴排出进气加湿塔；进气出口与柴油机的进气管道连接进入气缸。

其中，后方为远离进气入口的方向。

进一步地，船用柴油机的进气加湿系统还包括辅助控制箱，辅助控制箱与自动恒温水箱连接，用于控制水箱内储水的温度及液位。

进一步地，船用柴油机的进气加湿系统还包括主控制箱，主控制箱与高压微雾主机连接，高压微雾主机设有电磁阀或高压微雾主机与电磁阀连接，主控制箱通过电磁阀对喷嘴组进行控制，包括控制喷嘴组的开闭和水量。

进一步地，进气加热器可根据NO_x的降低量或最大进气含湿量的要求，进行选择性开闭。

进一步地，除雾器为两级除雾器，经过加湿的进气气体通过两级除雾器除去进气空气中携带的液滴。

进一步地，喷嘴组包括若干个喷水支管；每个喷水支管上设有若干个喷嘴。

进一步地，每个喷水支管上设有喷嘴的数目为1个、2个、3个或4个等等。

由此可见，本发明具有以下技术效果：

1、本发明提供了一种新型的船用柴油机的进气加湿系统，具有喷水雾化效果好、最大加湿量大、喷水量灵活可控、系统稳定可靠、效率高等特点；整个系统结构简单有效、易于实现，具有很好的推广应用价值。

2、本发明采用独立的进气加湿塔，有效避免了直接在进气道或进气总管中喷水加湿时，由于布置空间的限制和进气空气与喷雾的接触面积较小所造成的喷嘴数量有限、喷嘴喷柱容易碰壁、加湿效率低等问题，采用单独的加湿塔后，可根据喷嘴的数量自行设计独立加湿塔的尺寸、结构，为进气气体（空气）与雾化液滴提供较大的接触空间，从而显著提高进气加湿系统的效率。

3、本发明在进气入口的后方设置进气加热器，用于解决涡轮增压器后进气空气热量有限的问题，可实现进气空气的进一步加热。同时，进气加热器可选择性开闭、以及选择性设定进气加热器的工作效率，满足客户对不同NO_x降低量或不同进气含湿量的要求。

4、本发明采用高压微雾喷射，相比于传统的进气加湿系统中广泛采用的气雾喷射加湿、超声波加湿等方式，具有雾化效果好、喷水量大、喷水量灵活可控的优点。

5、本发明采用喷嘴分组管理，主控制箱通过高压微雾主机（或电磁阀）自由控制各喷水支管的开闭，因各支管上安装的喷嘴数目不同，从而通过对不同喷水支管开闭的控制即可达到开启不同数量的喷嘴进行喷水的目的，进而准确控制进气加湿装置的喷水量，满足柴油机在不同工况、不同进气质量流量、不同NO_x降低量下对进气加湿量的要求。

6、本发明的喷嘴组采用逆喷射方式，即水喷射方向与进气气体的气流方向相反，可有效增加进气空气与水雾的接触面积，提高加湿系统的加湿效率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的船用柴油机的进气加湿系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种船用柴油机的进气加湿系统，包括喷水管路1和进气管路2。其中，喷水管路1沿水路方向依次设置有自动恒温水箱3、高压微雾主机4和喷嘴组5。自动恒温水箱3与辅助控制箱6电连接；辅助控制箱6用于控制自动恒温水箱3内的储水的液位及恒温温度。高压微雾主机4与主控制箱7电连接；主控制箱7通过高压微雾主机4（或电磁阀）控制喷嘴组5中各喷水支管的开闭。

进气管路2沿进气空气的气流方向依次设置有进气入口8、进气加热器9、进气加湿塔10和进气出口11，进气空气经过进气出口11后进入柴油机的气缸。

喷嘴组5伸入进气加湿塔10的内部，喷嘴组5包括若干个喷水支管；每个喷水支管上设有若干数量的喷嘴。喷水支管的外壁与进气加湿塔10的塔壁密封焊接，防止进气的泄露。每个喷嘴采用逆喷射方式，即水喷射方向与进气气体的气流方向相反。该设置可有效增加进气空气与水雾的接触面积，提高进气加湿系统的加湿效率。

进气加湿塔10内设有除雾器12；除雾器12位于喷嘴组5的后方。优选地，除雾器12为两级除雾器，通过两级除雾器可有效去除湿空气中携带的小液滴，避免液滴进入柴油机气缸造成的不利影响。进气加湿塔的下方设有排水口13，排水口13通过排水管路14及时将进气加湿塔中的液滴排出进气加湿塔10，避免进气加湿塔10内部的液体残留。

其中，上述后方为远离进气入口的方向。

需要强调的是，传统的进气加湿系统一般直接设置在进气总管内，通过喷嘴对进气空气喷水进行加湿处理即可。而对于船用柴油机，进气体积流量较大，若直接在进气总管进行进气加湿，由于进气总管尺寸的限制，喷嘴的布置数量有限，喷嘴的喷柱容易碰壁；另外进气空气与喷雾的接触面积较小，加湿效率较低。发明人通过独立设置进气加湿塔10，不受船用柴油机进气总管尺寸的限制，其尺寸可根据喷头数量进行自行调整，为进气空气与雾化液滴提供了较大的接触空间，并有效避免雾化液滴碰壁凝结的发生。

对于进气加湿塔10的加湿方式，一般有气雾喷射加湿、超声波加湿等方式。但是对于船用柴油机而言，传统的气雾喷射加湿是利用高压气体的膨胀带动水雾化，其气路的压力必须大于柴油机的进气压力，需配备专门的压缩机，导致结构复杂。而超声波加湿的加湿量较小，难以满足进气加湿系统对喷水量的要求。发明人结合船用柴油机的特殊需要和结构设计，选取高压微雾加湿的加湿方式，该方式有效解决了气雾喷射加湿和超声波加湿的缺陷，具有雾化效果好及喷射贯穿距大，喷射量灵活可控等优点，有利于雾化液滴的蒸发汽化及与进气空气的充分混合。此外，结合自动恒温水箱3使用高压微雾喷射，还可以对水进行预加热，有效防止进气加湿对进气空气的过分冷却。具体地，通过本实施例的高压微雾喷射，能够使水温最高达到60℃。

进一步，与本实施例引入的进气加湿塔10和高压微雾主机4相配套，发明人还针对船用柴油机的进气加湿系统，对各喷嘴实行分组管理。考虑到柴油机各工况的进气质量流量、所需NO_x降低量的不同，各工况所需的喷水量也有所不同，因此进气加湿系统的喷水量应灵活可控。高压微雾喷射通过对喷嘴数量的控制即可实现对喷水量的控制(其控制精度为单喷嘴的喷水量)。对喷嘴分组管理，为高压微雾主机上输出的各喷水支管配置1、2、3或4不等数量的喷嘴数，通过自由组合各喷水支管的开闭（通过电磁阀实现）即可实现任意数量的喷头进行喷水，进而准确控制进气加湿装置的喷水量。优选地，所用喷头的喷水量为2.66kg/h。

另外，发明人在实际设计过程中发现，如果工程应用中对NO_x降低量的需求较小，则可以直接通过进气加湿塔10的设置和喷嘴组5的调控即可实现目的。但是，如果工程应用中对NO_x降低量的需求较大，则需大幅提高进气空气的进气含湿量，这样即使直接对增压后的热空气进行加湿，所得进气含湿量也不一定能满足客户的需求。因为柴油机10%-100%工况，压缩机后的空气温度逐渐升高，100%工况的温度最高，但由于热负荷的限制等原因，其进气温度不能太高，这样其最大进气含湿量就受到了进气温度的限制；而部分工况进气温度的限制虽较小，但压缩机后空气所包含的热量有限，需对进气加湿系统前的进气空气进行进一步加热。由此，发明人在进气入口8和进气加湿塔10之间设置进气加热器9，在实际应用中，可根据客户对柴油机NO_x降低量的要求，选择性开闭进气加热器9。通过对进气空气进行加热，不仅提高了进气加湿系统的水利用率，也使进气空气的最大吸湿能力得以提升，更接近于工程应用中对进气含湿量的要求。

由此可见，本实施例提供了一种进气加湿系统，由辅助控制箱6、自动恒温水箱3、高压微雾主机4、主控制箱7、排水管路14、除雾器12、喷嘴组5、进气加湿塔10、进气加热器9等部件组成。本实施例采用辅助控制箱6并将其集成到进气加湿系统中，能够有效提高进气加湿系统的效率及可靠性。采用独立设计的进气加湿塔10，通过设置更大尺寸的进气加湿塔10，方便大量喷嘴的安装和布置，为进气空气与雾化液滴提供了较大的接触空间，并有效避免雾化液滴碰壁凝结的发生。采用进气加热器9，通过提高进气温度，有效提高进气加湿系统的水利用率。进水的水喷射形式采用高压微雾逆喷射，高压微雾喷射拥有较好的雾化效果及喷射贯穿距，使进气空气与雾化水滴得以充分混合，加速了雾化液滴的蒸发速率；另外，逆喷射可极大地提高进气加湿系统的水利用率。将除雾器12集成到进气加湿塔10内，使进气空气与水蒸气混合物携带的小液滴得以及时去除，有效地避免液滴进入气缸所造成的影响。

结合图1，本实施例的船用柴油机进气加湿系统的使用过程如下：

首先，水依次流经自动恒温水箱3、高压微雾主机4进行加温加压后，由喷嘴组5喷出雾化。进气空气流经进气加热器9后进入进气加湿塔10中，与高度雾化的水滴产生的水蒸气充分混合，再流经除雾器12，除去混合气中携带的水滴，最终流出进气加湿系统进入柴油机的气缸内。另外，实际应用中对喷嘴进行分组安装，每个喷水支管上设有喷嘴的数目为1个、2个、3个或4个不等；主控制箱7通过高压微雾主机4（或电磁阀）对各喷嘴组的喷水支管的开闭进行控制。

在实际的工作过程中，若直接对进气空气进行喷水，其进气含湿量不能达到预先的设定要求，则可开启进气加热器9对进气进行加热，从而提高进气空气的最大吸湿能力及进气加湿系统的水利用率。

当发动机的工况发生变化时，进气质量也随之发生变化，为使进气含湿量达到预先设定要求，通过主控制箱7控制喷嘴的开启个数，即可有效控制喷水量的大小，避免过量喷水。

由此，本实施例的船用柴油机的进气加湿系统，可根据不同工况下进气质量的变化，实现对进气含湿量的准确控制，有效防止过量的水珠进入气缸，提高了进气加湿系统的水利用率及最大加湿能力。整个系统结构简单有效、易于实现，具有很好的推广应用价值。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种船用柴油机的进气加湿系统，其特征在于，包括喷水管路和进气管路；所述喷水管路沿水路方向依次设置有自动恒温水箱、高压微雾主机和喷嘴组；所述进气管路沿气流方向依次设置有进气加热器和进气加湿塔；所述喷嘴组伸入所述进气加湿塔的内部，所述喷嘴组的水喷射方向与进气气体的气流方向相反；所述进气加湿塔内设有除雾器；所述除雾器位于所述喷嘴组的后方；所述进气加湿塔设有排水口，所述排水口通过排水管路将所述进气加湿塔内的液滴排出所述进气加湿塔；所述进气加湿塔出口与柴油机的进气管道连接。

2.如权利要求1所述的船用柴油机的进气加湿系统，其特征在于，还包括辅助控制箱，所述辅助控制箱与自动恒温水箱连接，用于控制水箱内储水的温度及液位。

3.如权利要求1所述的船用柴油机的进气加湿系统，其特征在于，还包括主控制箱，所述主控制箱与所述高压微雾主机连接，所述主控制箱通过电磁阀控制喷嘴组的开闭和水量。

4.如权利要求1所述的船用柴油机的进气加湿系统，其特征在于，所述进气加热器根据NO_x的降低量或最大进气含湿量的要求，进行选择性开闭。

5.如权利要求1所述的船用柴油机的进气加湿系统，其特征在于，所述除雾器为两级除雾器，经过加湿的进气气体通过两级除雾器除去气体中携带的液滴。

6.如权利要求1所述的船用柴油机的进气加湿系统，其特征在于，所述喷嘴组包括若干个喷水支管；每个所述喷水支管上设有若干个喷嘴。

7.如权利要求1所述的船用柴油机的进气加湿系统，其特征在于，每个所述喷水支管上设有喷嘴的数目为1个、2个、3个或4个。