CN104405476A - 基于半透膜减少增压柴油机NOx排放的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供基于半透膜减少增压柴油机NOx排放的装置，包括柴油机、涡轮增压器、进气道、排气道、水箱、水循环管路，进气道和排气道分别连接柴油机，进气道上安装涡轮增压器的压气机，排气道上安装涡轮增压器的涡轮，进气道和排气道之间安装EGR管路，水循环管路的入口和出口均连通水箱，水循环管路的中部连通进气道，水循环管路与进气道相连通处安装水循环管路侧半透膜，EGR管路与进气道相连通处安装EGR管路侧半透膜，水循环管路里安装水泵和水蒸气发生器。本发明可以直接在进气道管壁上布置半透膜,避免了安装喷嘴，通过调节可变半透膜挡板，可以对半透膜的工作面积进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种柴油机，具体地说是船用柴油机的减排装置。
背景技术
随着环境的恶化和人们环境保护意识的提高，船舶柴油机的污染物已经引起了全世界的广泛关注，如何控制船舶柴油机的有害物排放是亟待解决的问题。其中NOx是主要的有害污染物之一，国际海事组织在2008年颁布了TierⅢ氮氧化物排放限值标准，并且预计将在2016年开始执行，其要求为船舶柴油机的NOx排放值要维持在2-3.8g/Kwh。在船舶柴油机中，NOx的生成主要与氧分子和氮分子浓度、燃烧温度、氮和氧的滞留时间有关。现如今有几种比较常见的降低NOx排放的方法，如进气道加湿技术、废气再循环系统(EGR)、选择性催化还原技术(SCR)等。
进气道加湿技术是通过喷嘴将水雾化后喷入进气道，水雾与新鲜空气混合参与燃烧，达到降低燃烧温度，降低空气与燃油混合物中氧气浓度的作用，进而减少NOx的生成量。当今一般的进气道加湿技术都是通过一个单独的供水系统来完成的，并且该技术需要水雾化成极小的水滴以便和空气良好混合，所以对喷嘴的雾化性能要求较高。通过本发明的水循环系统，将水路与进气道以半透膜相连。根据半透膜的通透性原理，水路中水分子的浓度高，进气道空气中的水分子浓度低，水分子会透过半透膜进入进气道中，避免了安装喷嘴。通过可变半透膜挡板改变半透膜的工作面积，可以实现对半透膜通透性能的控制。废气再循环技术(EGR)是将残余废气引入进气道，增加气缸内混合气的比热容，降低缸内的氧气浓度和最高燃烧温度，从而破坏了NOx的高温富氧的生成条件。当今的EGR技术主要分为内部EGR和外部EGR，而外部EGR可分为高压EGR和低压EGR两种，高压EGR是将涡轮前排气管的废气引入压气机后进气管，此方法由于在涡轮前引出了一定量的废气，导致涡轮做功减少。由于进排气压力不同，对于高压EGR系统一般要用EGR泵将残余废气引入进气道。低压EGR是将涡轮后排气道的废气引进压气机前进气道，此方法会将使废气进入压气机，导致压气机的使用寿命下降。
在2013年上海举行的CIMAC会议上，日本水产大学发表了一篇文章(PAPERNO.:423),其中介绍了基于半透膜减少进气道中氧分子含量的新装置。该装置根据半透膜的通透性质，可以使新鲜空气中氧分子的浓度减少，并且也采用了进气道加湿技术。其缺点是结构复杂，不能对半透膜的通透性能进行控制，并且减少NOx生成的程度有限。
发明内容
本发明的目的在于提供改善船舶柴油机NOx排放量过高的问题的基于半透膜减少增压柴油机NOx排放的装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明基于半透膜减少增压柴油机NOx排放的装置，其特征是：包括柴油机、涡轮增压器、进气道、排气道、水箱、水循环管路，进气道和排气道分别连接柴油机，进气道上安装涡轮增压器的压气机，排气道上安装涡轮增压器的涡轮，进气道和排气道之间安装EGR管路，水循环管路的入口和出口均连通水箱，水循环管路的中部连通进气道，水循环管路与进气道相连通处安装水循环管路侧半透膜，EGR管路与进气道相连通处安装EGR管路侧半透膜，水循环管路里安装水泵和水蒸气发生器。
本发明还可以包括：
1、EGR管路与排气道连通处位于涡轮后的排气道，EGR管路与进气道连通处位于压气机与柴油机之间的进气道。
2、水循环管路侧半透膜处安装调节水循环管路侧半透膜工作面积的水循环管路侧可变半透膜挡板，EGR管路侧半透膜处安装EGR管路侧半透膜工作面积的EGR管路侧可变半透膜挡板。
本发明的优势在于：通过本发明的的EGR系统，可以在涡轮后引出废气，在压气机后引进，由于半透膜的性质，EGR管路中CO2等分子浓度高，进气道内CO2等分子浓度低，所以CO2等分子会渗透进入进气道，避免了安装EGR泵和废气对涡轮增压器工作性能的影响。由于空气在进气道经过压气机压缩，氧分子和氮分子的浓度较高，所以可以通过半透膜流向水循环系统和EGR系统中，这样就可以在实现进气道加湿和EGR技术的同时，进一步降低氧分子和氮分子的含量，使NOx的排放降低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，包括柴油机1、水箱4、水泵7、水蒸气发生器8、水循环管路9、半透膜2、3、EGR管路14、可变半透膜挡板12、13等。水循环系统由水箱4、水泵7、水蒸气发生器8、可变半透膜挡板12构成，通过半透膜3与压气机后进气道相连，EGR系统是由涡轮后排气道引出废气，将其通向压气机后进气道，并通过半透膜2与进气道10相连。当柴油机工作时，由于进气道10中的空气进过压气机压缩，氧分子、氮分子浓度高，而水路9中的水分子浓度高，EGR管路14中的残余废气分子浓度高，基于半透膜的性质，可以实现进气道中的空气氧分子、氮分子浓度降低，水分子和残余废气CO2等分子浓度升高，进而影响参与燃烧的空气中氧和氮的浓度，降低燃烧温度，从而破环NOx的高温富氧的生成条件，有效的减少NOx的生成。安装可变半透膜挡板12、13可以实现对半透膜工作面积的控制，更增加了该装置的灵活性。
本发明包括柴油机1、水箱4、水泵7、水蒸气发生器8、水循环管路9、半透膜2、3、EGR管路14、可变半透膜挡板12、13等。其中进气道10分别与水循环管路和EGR管路通过半透膜2、3相连，半透膜上装有可变挡板12、13。
水循环管路中由水泵7从水箱4中抽水，液态水进入水蒸气发生器8转化为水蒸气，EGR管路14由排气低压级(涡轮后排气道)引出废气，通向进气高压级(压气机后进气道)。在柴油机排气阶段，残余废气经过涡轮15做功，驱动压气机11压缩新鲜空气。从涡轮后排气道引出一部分废气进入EGR系统，由于EGR管路14中的CO2等残余废气分子浓度高于进气道10内残余废气分子浓度，所以CO2等残余废气分子会向进气道10内渗透。对于水循环管路9，由于液态水经过水蒸气发生器8产生水蒸气，使得管路9中的水分子的浓度高于进气道10内水分子浓度，所以水分子会向进气道10内渗透。在柴油机的进气阶段，新鲜空气进过压气机11压缩，在进气道10中的氧分子、氮分子浓度高于水路9和EGR管路14，所以氧分子和氮分子会通过半透膜向两侧的管路中渗透。随着进气门的开启，进入气缸中参与燃烧的空气中氧分子、氮分子的浓度减少，水分子、残余废气分子浓度增加，从而破坏了高温富氧的NOx生成条件，减少了NOx的排放。通过对半透膜挡板12、13的调节，可以实现对半透膜工作面积的控制，增加了装置的适用性、灵活性。
Claims (3)
1.基于半透膜减少增压柴油机NOx排放的装置，其特征是：包括柴油机、涡轮增压器、进气道、排气道、水箱、水循环管路，进气道和排气道分别连接柴油机，进气道上安装涡轮增压器的压气机，排气道上安装涡轮增压器的涡轮，进气道和排气道之间安装EGR管路，水循环管路的入口和出口均连通水箱，水循环管路的中部连通进气道，水循环管路与进气道相连通处安装水循环管路侧半透膜，EGR管路与进气道相连通处安装EGR管路侧半透膜，水循环管路里安装水泵和水蒸气发生器。
2.根据权利要求1所述的基于半透膜减少增压柴油机NOx排放的装置，其特征是：EGR管路与排气道连通处位于涡轮后的排气道，EGR管路与进气道连通处位于压气机与柴油机之间的进气道。
3.根据权利要求1所述的基于半透膜减少增压柴油机NOx排放的装置，其特征是：水循环管路侧半透膜处安装调节水循环管路侧半透膜工作面积的水循环管路侧可变半透膜挡板，EGR管路侧半透膜处安装EGR管路侧半透膜工作面积的EGR管路侧可变半透膜挡板。
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