CN103925125B

CN103925125B - 一种内燃机氮氧化物排放控制系统及其控制方法

Info

Publication number: CN103925125B
Application number: CN201410178267.XA
Authority: CN
Inventors: 胡以怀; 谭亲明
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghe (Shanghai) Ocean Engineering Equipment Co., Ltd.
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: CN103925125A

Abstract

本发明公开了一种内燃机氮氧化物排放控制系统及其控制方法，该控制系统包含内燃机、燃油油箱，制氧组件、废气循环组件、进气混合室、备用充气装置及进气组件。制氧组件、废气循环组件、备用充气装置、进气组件分别与进气混合室联通，进气组件与内燃机联通，该内燃机分别与废气循环组件、燃油油箱联通。本发明利用分子膜分离技术，过滤掉内燃机进气中的大量氮气，从而大幅度降低缸内燃烧的氮氧化物生成，最终达到了减少内燃机氮氧化物排放的目的。本发明无需消耗大量的氨水或尿素，以及昂贵的催化剂，运行成本较低。避免了氨水和催化剂的装卸、存储和安全等使用问题。该控制系统体积较小，无需占用大量空间，降低了船舶等交通工具的改造难度。

Description

一种内燃机氮氧化物排放控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机排放技术，具体涉及一种内燃机氮氧化物排放控制系统及其控制方法。

背景技术

随着现代科技的发展，汽车、船舶成为人们生活中不可或缺的交通工具。然而机动交通工具尾气中氮氧化物对人体的影响较大，尤其对心脑血管和呼吸系统疾病高发的老年人群体，长期处于这种环境还会诱发肺癌。燃料燃烧引起的大气环境污染中，危害最大且最难处理的就是氮氧化物。另外，国际海事组织对船舶柴油机的硫化物和氮氧化物排放也提出了严格的限制标准，到2016年船舶氮氧化物的排放需控制在现有排放标准的50%左右。船舶减少氮氧化物排放的研究，已成为全球的热点。

到目前为止，国内外对内燃机（包括柴油机和汽油机）氮氧化物排放控制方法研究很多，有机内净化法（优化燃烧、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，Exhaust Gas Recycling，简称EGR）和后处理技术（选择性催化还原，Selective Catalytic Reduction，简称SCR技术）。机内净化法因其局限性而很难取得满意的综合指标，前处理技术短期内对降低发动机排放物效果较明显，但长期运行会影响发动机的可靠性，后处理的SCR技术减排效果最明显，目前在船上已经得到应用，但反应器尺寸大、需消耗大量的氨水或尿素，初投资和运行费用高，还存在尿素和还原催化剂装卸、贮存和安全问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内燃机氮氧化物排放控制系统及其控制方法，内燃机产生废气中的氮氧化物，主要是发动机进气中的氮气在缸内燃烧时高温氧化的结果。本发明利用分子膜分离技术，过滤掉内燃机进气中的大量氮气，从而大幅度降低缸内燃烧的氮氧化物生成，最终达到了减少内燃机氮氧化物排放的目的。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种内燃机氮氧化物排放控制系统，包含内燃机、燃油油箱，其特点是，该排放系统还包含：制氧组件、废气循环组件、进气混合室、备用充气装置及进气组件；

上述的制氧组件、废气循环组件、备用充气装置、进气组件分别与上述的进气混合室联通，上述的进气组件与上述的内燃机联通，该内燃机分别与上述的废气循环组件、燃油油箱联通。

上述的制氧组件包含：制氧压缩机、膜分离制氧机、氧气阀、氮气阀、送气管I及送气管II。

上述的制氧压缩机、膜分离制氧机、氧气阀依次设置在上述的送气管I上，该送气管I的一端与上述的进气混合室连接，该送气管I的另一端设为进气口。

上述的送气管II的一端设为出气口，该送气管II的另一端与上述的膜分离制氧机连接，上述的氮气阀设置在该送气管II上。

上述的废气循环组件包含：排气管I、排气管II、废气涡轮、废气总管、溢出阀、再循环废气阀及废气冷却器。

上述的排气管I的一端与上述的内燃机连接，该排气管I的另一端与上述的进气混合室连接，上述的废气涡轮、废气总管、再循环废气阀及废气冷却器分别设置在内燃机与进气混合室之间的排气管I上。

上述的排气管II的一端与上述的废气总管连接，该排气管II的另一端设为废气排放口，上述的溢出阀设置在该排气管II上。

上述的备用充气装置包含：液态二氧化碳蒸发器、二氧化碳减压阀、二氧化碳节流阀、送气管及多个液态二氧化碳钢瓶。

上述的多个液态二氧化碳钢瓶分别与上述的液态二氧化碳蒸发器连接，该液态二氧化碳蒸发器与上述的送气管的一端连接，该送气管的另一端与上述的进气混合室连接，上述的二氧化碳减压阀、二氧化碳节流阀分别设置在该液态二氧化碳蒸发器与进气混合室之间的送气管上。

上述的进气组件包含：进气管I、进气管II、废气涡轮压缩机及应急空气阀。

上述的进气管I的两端分别与上述的进气混合室、内燃机连接，上述的废气涡轮压缩机设置在该进气管I上；

上述的进气管II的一端设有进气口，该进气管II的另一端与该进气管I连接，上述的应急空气阀设置在该进气管II上。

一种用于内燃机氮氧化物排放控制系统的控制方法，其特点是，该方法包含如下步骤：

步骤1，将空气通过制氧压缩机打入的膜分离制氧机；空气经膜分离制氧机将分离出的氧气通过氧气阀进入进气混合室；空气经膜分离制氧机将分离出的氮气通过氮气阀排出大气。

步骤2，内燃机排出的废气驱动废气涡轮后存入废气总管内。

步骤3，废气总管内的部分废气通过废气冷却器冷却后进入进气混合室，并与上述的步骤1产生的氧气在进气混合室内混合，产生混合气体。

步骤4，上述的步骤3产生的混合气体通过废气涡轮压缩机进入到内燃机的气缸内，与燃油混合燃烧，并发出功率；内燃机产生的废气再次驱动废气涡轮，确保该控制系统循环工作。

上述的步骤2中，当内燃机刚开始工作时，废气总管内没有充足的二氧化碳气体能够与进气混合室内的氧气混合；多个液态二氧化碳钢瓶内的液态二氧化碳经过液态二氧化碳蒸发器气化后，通过二氧化碳减压阀、二氧化碳节流阀进入进气混合室，并与上述的步骤1中产生的氧气在进气混合室内混合，确保初始工作时内燃机内具有充足的工作压力。

上述的步骤2中，当废气总管内存入的废气总量超过废气总管的承受能力时，打开溢出阀，使得多余的废气通过排气管II 排出大气。

当内燃机遇到应急情况需要大量进气时，打开应急空气阀，使得空气通过废气涡轮压缩机进入至内燃机中，使得内燃机恢复到常规的工作状态。

本发明相比于目前船舶柴油机上使用的SCR技术，具有如下优点：

1.本发明无需消耗大量的氨水或尿素，以及昂贵的催化剂，运行成本较低。

2.本发明避免了氨水和催化剂的装卸、存储和安全等使用问题。

3.本发明的内燃机氮氧化物排放控制系统体积较小，无需占用大量空间，降低了船舶等交通工具的改造难度。

附图说明

图1为本发明一种内燃机氮氧化物排放控制系统的整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种内燃机氮氧化物排放控制系统，包含内燃机10、燃油油箱20，该排放系统还包含：制氧组件30、废气循环组件40、进气混合室50、备用充气装置60及进气组件70。

制氧组件30、废气循环组件40、备用充气装置60、进气组件70分别与进气混合室50联通，进气组件70与内燃机10联通，该内燃机10分别与废气循环组件40、燃油油箱20联通。

制氧组件30包含：制氧压缩机31、膜分离制氧机32、氧气阀33、氮气阀34、送气管I35及送气管II 36。

制氧压缩机31、膜分离制氧机32、氧气阀33依次设置在送气管I 35上，该送气管I35的一端与进气混合室50连接，该送气管I 35的另一端设为进气口。送气管II 36的一端设为出气口，该送气管II 36的另一端与膜分离制氧机32连接，氮气阀34设置在该送气管II36上。

废气循环组件40包含：排气管I 41、排气管II 42、废气涡轮43、废气总管44、溢出阀45、再循环废气阀46及废气冷却器47。

排气管I 41的一端与内燃机10连接，该排气管I 41的另一端与进气混合室50连接，废气涡轮43、废气总管44、再循环废气阀46及废气冷却器47分别设置在内燃机10与进气混合室50之间的排气管I 41上。

排气管II 42的一端与废气总管44连接，该排气管II 42的另一端设为废气排放口，溢出阀45设置在该排气管II 42上。

备用充气装置60包含：液态二氧化碳蒸发器62、二氧化碳减压阀63、二氧化碳节流阀64、送气管65及多个液态二氧化碳钢瓶61。

多个液态二氧化碳钢瓶61分别与液态二氧化碳蒸发器62连接，该液态二氧化碳蒸发器62与送气管65的一端连接，该送气管65的另一端与进气混合室50连接，二氧化碳减压阀63、二氧化碳节流阀64分别设置在该液态二氧化碳蒸发器62与进气混合室50之间的送气管65上。

进气组件70包含：进气管I 71、进气管II 72、废气涡轮压缩机73及应急空气阀74。

进气管I 71的两端分别与进气混合室50、内燃机10连接，废气涡轮压缩机73设置在该进气管I 71上。

进气管II 72的一端设有进气口，进气管II 72的另一端与该进气管I 71连接，应急空气阀74设置在该进气管II 72上。进气管II 72位于在进气混合室50与废气涡轮压缩机73之间的进气管I 71上。

一种用于内燃机氮氧化物排放控制系统的控制方法，该方法包含如下步骤：

步骤1，将空气通过制氧压缩机31打入的膜分离制氧机32；空气经膜分离制氧机32后，将分离出的氧气通过氧气阀33进入进气混合室50；空气经膜分离制氧机32后，将分离出的氮气通过氮气阀34排出大气。进而减少了内燃机10进气中氮气的成分，最终会降低内燃机10排出废气中氮氧化物的生成量。

步骤2，内燃机10排出的废气驱动废气涡轮43后存入废气总管44内。

步骤3，打开再循环废气阀46，使得废气总管44内的部分废气通过废气冷却器47冷却后进入进气混合室50，并与上述的步骤1产生的氧气在进气混合室50内混合，产生混合气体。以保持进气管I 71的工作压力，确保内燃机10正常的工作循环。

步骤4，上述的步骤3产生的混合气体通过废气涡轮压缩机73进入到内燃机10的气缸内，燃油油箱20内的燃油进入内燃机10中，使得混合气体与燃油混合燃烧，并发出功率；内燃机10产生的废气再次驱动废气涡轮43，确保该控制系统循环工作。

上述的步骤2中，当内燃机10刚开始工作时，废气总管44内没有充足的二氧化碳气体能够与氧气混合。此时，多个液态二氧化碳钢瓶61内的液态二氧化碳经过液态二氧化碳蒸发器62气化后，通过二氧化碳减压阀63、二氧化碳节流阀64进入进气混合室50，并与上述的步骤1中产生的氧气在进气混合室50内混合，以保持进气管I 71的工作压力，确保内燃机10正常的工作循环。

上述的步骤2中，当废气总管44内存入的废气总量超过废气总管44的承受能力时，打开溢出阀45，使得多余的废气通过排气管II 42排出大气。

当内燃机10遇到应急情况需要大量进气时，打开应急空气阀74，使得空气通过废气涡轮压缩机73进入至内燃机10中，使得内燃机10恢复到常规的工作状态。

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

1.一种用于内燃机氮氧化物排放控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

步骤1，将空气通过制氧压缩机（31）打入的膜分离制氧机（32）；空气经膜分离制氧机（32）后，分离出的氧气通过氧气阀（33）进入进气混合室（50）与二氧化碳气体混合；空气经膜分离制氧机（32）后，分离出的氮气通过氮气阀（34）排出大气；

步骤2，内燃机（10）排出的废气驱动废气涡轮（43）后存入排气管I（41）内；经过所述废气总管（44）分离出二氧化碳经废气循环至进气混合室（50），经分离后的氮气及其它废气经排气管II（42）排出

步骤3，分离出的二氧化碳通过废气冷却器（47）冷却后进入进气混合室（50），并与所述的步骤1产生的氧气在进气混合室（50）内混合，不断补充因所述膜分离制氧机（32）分离出的氮气含量，产生混合气体；

步骤4，所述的步骤3产生的混合气体通过废气涡轮压缩机（73）进入到内燃机（10）的气缸内，与燃油混合燃烧，发出功率；内燃机（10）产生的废气再次驱动废气涡轮（43），确保该控制系统循环工作。

2.如权利要求1所述的用于内燃机氮氧化物排放控制系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，当内燃机（10）初始工作时，废气总管（44）内没有充足的二氧化碳气体能够与进气混合室（50）内的氧气混合；

多个液态二氧化碳钢瓶（61）内的液态二氧化碳经过液态二氧化碳蒸发器（62）气化后，通过二氧化碳减压阀（63）、二氧化碳节流阀（64）进入进气混合室（50），并与所述的步骤1中产生的氧气在进气混合室（50）内混合，确保初始工作时内燃机（10）内具有充足的工作压力。

3.如权利要求1所述的用于内燃机氮氧化物排放控制系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，利用所述废气总管（44）将废气中的二氧化碳分离出来，不断补充到所述进气混合室（50）中，控制所述内燃机（10）的燃烧室内氮气含量；当废气总管（44）内存入的废气总量超过废气总管（44）的承受能力时，打开溢出阀（45），使得多余的废气通过排气管II（42）排出大气。

4.如权利要求1所述的用于内燃机氮氧化物排放控制系统的控制方法，其特征在于，当内燃机（10）遇到应急情况需要大量进气时，打开应急空气阀（74），使得空气通过废气涡轮压缩机（73）进入至内燃机（10）中，使得内燃机（10）恢复到常规的工作状态。