CN104500218B - 同时改善内燃机低工况性能、高工况燃油效率、NOx排放及瞬态特性的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用尾气余热同时改善内燃机低工况性能、高工况燃油效率、NOx排放及瞬态特性的系统，包括水箱、水泵、蒸发器、过热器、涡轮、压气机、内燃机机体、混合室、膨胀机、压缩机、发电机、阀门、连接轴及连接管路，在低转速工况，过热蒸汽直接喷注到涡轮前增大涡轮功来提高发动机进气量；在高转速工况，多余的涡轮前废气同过热蒸汽一起流经膨胀机膨胀做功并由同轴连接的发电机转化为电能存储；在中低负荷工况，过热蒸汽流经膨胀机，带动同轴连接的压缩机将蒸发器出口废气压缩引入混合室；在瞬态加载过程，向涡轮前喷注过热蒸汽提高涡轮的响应速度。本发明设计合理，结构简单，适用于发动机废气余热系统的设计。

Description

同时改善内燃机低工况性能、高工况燃油效率、NOx排放及瞬态特性的系统
技术领域
本发明涉及一种改善内燃机低工况性能、高工况燃油效率、NOx排放及瞬态特性的系统，具体是一种基于排气能量回收、废气再循环、进气加湿、涡前喷注蒸汽技术的发动机整机综合性能改进系统。
背景技术
随着能源日益短缺以及环境问题日益严峻，内燃机作为主要的动力循环装置，其节能减排技术的发展受到广泛的关注。我国现已成为世界最大的汽车产销国之一，汽车保有量的增大给我国石油供应、环境保护带来了巨大的压力。从目前内燃机的热平衡来看，用于动力输出的功率只占燃油燃烧总热量的30～45％(柴油机)或25～35％(汽油机)，其它热量则经由冷却系统和废气排入到大气环境中。其中节能技术包括余热制冷、采暖、温差发电、燃料催化重整、后接动力涡轮、加装动力循环装置等，减排技术包括废气再循环、三效催化转化、颗粒捕集、氧化催化转化、选择性催化还原等。目前，这些节能减排技术各自实现的效果较为单一，这将使得采用节能减排技术后的发动机结构复杂度大大提高。
目前发动机大多配有涡轮增压器，以柴油机为例，对于按标定工况参数匹配的增压柴油机，在降低柴油机转速时，增压压力的降低将会使得进气量不足以满足气缸燃烧所需的空气量，从而产生冒黑烟、排气温度过高等后果。对于增压柴油机瞬态工况，因存在供气量比供油量滞后的问题，使得增压柴油机不像非增压柴油机那样很快响应负荷和转速的变化，进一步又会造成一系列问题。因此对于增压柴油机其低转速工况性能以及瞬态响应特性也是亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对上述不足，提供一种带有前车胎受力平衡装置的车身系统，可以在事故中主动对车胎进行干预，减小事故损失。
本发明的目的是，提出一种基于废气能量回收、废气再循环、进气加湿、涡轮前喷注蒸汽技术的内燃机综合性能改进系统，包括改进内燃机低工况性能、高工况燃油效率、NOx排放及瞬态特性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括水箱、水泵、蒸发器、过热器、涡轮、压气机、内燃机机体、混合室、膨胀机、压缩机、发电机、连接轴、阀门及连接管 路。其特征在于水箱中的液态水依次流经水泵入口管路、水泵、水泵出口管路和蒸发器变为具有一定压力的饱和蒸汽，饱和蒸汽依次流经过热器入口管路和过热器变为过热蒸汽；发动机排气经排气管路、涡轮、涡后管路、过热器、过热器出口管路、蒸发器和蒸发器出口管路变为低温低压的废气；新鲜空气经压气机入口管路、压气机和进气管路进入内燃机机体，压气机则是通过增压器连接轴连接到涡轮；过热蒸汽流经过热蒸汽出口管路、过热蒸汽调节阀、膨胀机入口管路和废气旁通阀直接喷注到排气管路，或经膨胀机入口管路和膨胀机入口阀单独喷入到膨胀机或者同流经膨胀机入口管路和废气旁通阀的部分废气一同喷注到膨胀机，并由膨胀机出口管路流出；膨胀机可带动膨胀机轴连接的发电机发电或者带动压缩机轴连接的压缩机压缩做功；低温废气经压缩机入口管路、压缩机入口阀、压缩机和压缩机出口管路进入混合室，饱和蒸汽经饱和蒸汽管路和饱和蒸汽阀进入混合室；混合后的湿燃气经混合室出口管路和混合室出口阀流入进气管路实现湿燃气的废气再循环；流经压缩机出口管路的废气可同样由旁路调节阀、旁通管路直接排出。
当发动机处于低转速工况时，过热蒸汽调节阀和废气旁通阀开启，饱和蒸汽阀、混合室出口阀和膨胀机入口阀关闭，过热蒸汽直接喷注到排气管路，增大涡轮的输出功，使得压气机的压缩功增大，解决低转速工况下进气不足、冒黑烟、排温过高的问题。
当发动机处于高转速工况时，过热蒸汽调节阀、压缩机入口阀、膨胀机入口阀和旁路调节阀开启，饱和蒸汽阀和混合室出口阀关闭，过热蒸汽在膨胀机内膨胀做功，带动同轴连接的发电机发电并转化为电能储存，同时带动同轴连接的压缩机惰转。
当发动机处于高转速工况时，还可通过调节废气旁通阀的开度，将多余的废气能量经膨胀机入口管路旁通，与过热蒸汽一起流经膨胀机做功，实现废气能量的回收。
为了降低中低负荷工况下的NOx排放，过热蒸汽调节阀、压缩机入口阀、混合室出口阀和膨胀机入口阀打开，废气旁通阀和旁路调节阀关闭，过热蒸汽在膨胀机内膨胀做功，带动同轴连接的压缩机压缩做功，将由压缩机入口管路旁通的部分低压废气压缩做功，变为高压废气并经压缩机出口管路、混合室、混合室出口管路、混合室出口阀回流至进气管路，实现发动机废气再循环，降低NOx排放量。
为了降低中低负荷工况下的NOx排放，还可通过调节饱和蒸汽阀的开度，旁通部分饱和蒸汽同废气在混合室内混合，因此在实现EGR废气温度降低的同时，也增大了发动机进气的湿度，进一步将EGR废气冷却同进气加湿技术融合起来达到降低NOx排放的效果。
当发动机处于瞬态加载过程中，过热蒸汽调节阀和废气旁通阀开启，饱和蒸汽阀、混合室出口阀和膨胀机入口阀关闭，在瞬态加载过程中通过控制过热蒸汽调节阀和废气旁通阀的开度向排气管路喷注一定量的过热蒸汽，使得排气管路内的压力迅速建立起来，进一步提高涡轮增压器的响应速率，改善发动机的瞬态特性。
上述各阀门为开度可调的电动调节阀，用来精确控制各管路内废气或者过热蒸汽的流量；水泵为变频驱动泵用来控制泵出口水的流量。
本发明的特点和有益效果是，将发动机尾气能量回收技术、废气再循环技术、进气加湿技术、涡轮前喷注蒸汽技术融合在一起，并同时实现了改进发动机的低工况性能、高工况燃油经济性、NOx排放及瞬态特性。本发明同时尽可能缩小了系统尺寸，结构复杂度以及成本，具有现实可行性。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
其中，1为水箱，2为水泵入口管路，3为水泵，4为水泵出口管路，5为蒸发器，6为过热器入口管路，7为过热器，8为过热蒸汽出口管路，9为过热蒸汽调节阀，10为膨胀机入口管路，11为废气旁通阀，12为涡轮，13为增压器连接轴，14为压气机入口管路，15为压气机，16为进气管路，17为内燃机机体，18为排气管路，19为涡后管路，20为过热器出口管路，21为蒸发器出口管路，22为饱和蒸汽管路，23为饱和蒸汽阀，24为膨胀机，25为膨胀机出口管路，26为压缩机轴，27为压缩机入口管路，28为压缩机入口阀，29为压缩机，30为压缩机出口管路，31为混合室，32为混合室出口管路，33为混合室出口阀，34为膨胀机入口阀，35为发电机，36为膨胀机轴，37为旁路调节阀，38为旁通管路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本发明包括水箱1、水泵3、蒸发器5、过热器7、涡轮12、压气机15、内燃机机体17、混合室31、膨胀机24、压缩机2、发电机35、阀门、连接轴及连接管路，其中水箱1中的液态水依次流经水泵入口管路2、水泵3、水泵出口管路4、蒸发器5变为具有一定压力的饱和蒸汽，饱和蒸汽依次流经过热器入口管路6、过热器7变为过热蒸汽；发动机排气经排气管路18、涡轮12、涡后管路19、过热器7、过热器出口 管路20、蒸发器5、蒸发器出口管路21变为低温低压的废气；新鲜空气经压气机入口管路14、压气机15、进气管路16进入内燃机机体17，压气机15则是通过增压器连接轴13连接到涡轮12；过热蒸汽经过热蒸汽出口管路8、过热蒸汽调节阀9、膨胀机入口管路10、废气旁通阀11直接喷注到排气管路18，或经膨胀机入口管路10、膨胀机入口阀34单独喷入到膨胀机24或者同流经膨胀机入口管路10、废气旁通阀11的部分废气一同喷注到膨胀机24，并由膨胀机出口管路25流出；膨胀机24可带动膨胀机轴36连接的发电机35发电或者带动压缩机轴26连接的压缩机29压缩做功；低温废气经压缩机入口管路27、压缩机入口阀28、压缩机29、压缩机出口管路30进入混合室31，饱和蒸汽经饱和蒸汽管路22、饱和蒸汽阀23进入混合室31；混合后的湿燃气经混合室出口管路32、混合室出口阀33流入进气管路16实现湿燃气的废气再循环；流经压缩机出口管路30的废气可同样由旁路调节阀37、旁通管路38直接排出。
当发动机处于低转速工况时，过热蒸汽调节阀9和废气旁通阀11开启，饱和蒸汽阀23、混合室出口阀33和膨胀机入口阀34关闭，过热蒸汽直接喷注到排气管路18，增大涡轮12的输出功，使得压气机15的压缩功增大，解决低转速工况下进气不足、冒黑烟、排温过高的问题。
当发动机处于高转速工况时，过热蒸汽调节阀9、压缩机入口阀28、膨胀机入口阀34和旁路调节阀37开启，饱和蒸汽阀23和混合室出口阀33关闭，过热蒸汽在膨胀机24内膨胀做功，带动同轴连接的发电机35发电并转化为电能储存，同时带动同轴连接的压缩机29惰转。
当发动机处于高转速工况时，还可通过调节废气旁通阀11的开度，将多余的废气能量经膨胀机入口管路10旁通，与过热蒸汽一起流经膨胀机24做功，实现废气能量的回收。
为了降低中低负荷工况下的NOx排放，过热蒸汽调节阀9、压缩机入口阀28、混合室出口阀33和膨胀机入口阀34打开，废气旁通阀11和旁路调节阀37关闭，过热蒸汽在膨胀机24内膨胀做功，带动同轴连接的压缩机29压缩做功，将由压缩机入口管路27旁通的部分低压废气压缩做功，变为高压废气并经压缩机出口管路30、混合室31、混合室出口管路32、混合室出口阀33回流至进气管路16，实现发动机废气再循环，降低NOx排放量。
为了降低中低负荷工况下的NOx排放，还可通过调节饱和蒸汽阀23的开度，旁通部分饱和蒸汽同废气在混合室31内混合，因此在实现EGR废气温度降低的同时，也增大 了发动机进气的湿度，进一步将EGR冷却同进气加湿技术融合起来达到降低NOx排放的效果。
当发动机处于瞬态加载过程中，过热蒸汽调节阀9和废气旁通阀11开启，饱和蒸汽阀23、混合室出口阀33和膨胀机入口阀34关闭，在瞬态加载过程中通过控制过热蒸汽调节阀9和废气旁通阀11的开度向排气管路18喷注一定量的过热蒸汽，使得排气管路18内的压力迅速建立起来，进一步提高涡轮增压器的响应速率，改善发动机的瞬态特性。
上述各阀门为开度可调的电动调节阀，用来精确控制各管路内废气或者过热蒸汽的流量，水泵3为配有变频驱动的泵，用来控制泵出口水的流量。通过阀门与水泵的协同调节作用使得该系统稳定运行在发动机各工况下。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种同时改善内燃机低工况性能、高工况燃油效率、NOx排放及瞬态特性的系统，包括水箱(1)、水泵(3)、蒸发器(5)、过热器(7)、涡轮(12)、压气机(15)、内燃机机体(17)、混合室(31)、膨胀机(24)、压缩机(29)、发电机(35)、阀门、连接轴及连接管路，其特征在于水箱(1)中的液态水依次流经水泵入口管路(2)、水泵(3)、水泵出口管路(4)和蒸发器(5)变为具有一定压力的饱和蒸汽，饱和蒸汽依次流经过热器入口管路(6)和过热器(7)变为过热蒸汽；发动机排气经排气管路(18)、涡轮(12)、涡后管路(19)、过热器(7)、过热器出口管路(20)、蒸发器(5)和蒸发器出口管路(21)变为低温低压的废气；新鲜空气经压气机入口管路(14)、压气机(15)和进气管路(16)进入内燃机机体(17)，压气机(15)则是通过增压器连接轴(13)连接到涡轮(12)；过热蒸汽经过热蒸汽出口管路(8)、过热蒸汽调节阀(9)、膨胀机入口管路(10)和废气旁通阀(11)直接喷注到排气管路(18)，或经膨胀机入口管路(10)和膨胀机入口阀(34)单独喷入到膨胀机(24)或者同流经膨胀机入口管路(10)和废气旁通阀(11)的部分废气一同喷注到膨胀机(24)，并由膨胀机出口管路(25)流出；膨胀机(24)带动膨胀机轴(36)连接的发电机(35)发电或者带动压缩机轴(26)连接的压缩机(29)压缩做功；低温低压废气经压缩机入口管路(27)、压缩机入口阀(28)、压缩机(29)和压缩机出口管路(30)进入混合室(31)，饱和蒸汽经饱和蒸汽管路(22)和饱和蒸汽阀(23)进入混合室(31)；混合后的湿燃气经混合室出口管路(32)和混合室出口阀(33)流入进气管路(16)实现湿燃气的废气再循环；流经压缩机出口管路(30)的废气同样由旁路调节阀(37)和旁通管路(38)直接排出。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当发动机处于低转速工况时，过热蒸汽调节阀(9)和废气旁通阀(11)开启，饱和蒸汽阀(23)、混合室出口阀(33)和膨胀机入口阀(34)关闭，过热蒸汽直接喷注到排气管路(18)，增大涡轮(12)的输出功。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当发动机处于高转速工况时，过热蒸汽调节阀(9)、压缩机入口阀(28)、膨胀机入口阀(34)和旁路调节阀(37)开启，饱和蒸汽阀(23)和混合室出口阀(33)关闭，过热蒸汽在膨胀机(24)内膨胀做功，带动同轴连接的发电机(35)发电并转化为电能储存，同时带动同轴连接的压缩机(29)惰转。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，通过调节废气旁通阀(11)的开度，将多余的废气能量经膨胀机入口管路(10)旁通，与过热蒸汽一起流经膨胀机(24)做功，实现废气能量的回收。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，为了降低中低负荷工况下的NOx排放，过热蒸汽调节阀(9)、压缩机入口阀(28)、混合室出口阀(33)和膨胀机入口阀(34)打开，废气旁通阀(11)和旁路调节阀(37)关闭，过热蒸汽在膨胀机(24)内膨胀做功，带动同轴连接的压缩机(29)压缩做功，将由压缩机入口管路(27)旁通的部分低压废气压缩做功，变为高压废气并经压缩机出口管路(30)、混合室(31)、混合室出口管路(32)、混合室出口阀(33)回流至进气管路(16)，实现发动机废气再循环，降低NOx排放量。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，通过调节饱和蒸汽阀(23)的开度，旁通部分饱和蒸汽同废气在混合室(31)内混合，在实现EGR废气温度降低的同时，也增大了发动机进气的湿度，进一步将EGR冷却同进气加湿技术融合起来达到降低NOx排放的效果。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当发动机处于瞬态加载过程中，过热蒸汽调节阀(9)和废气旁通阀(11)开启，饱和蒸汽阀(23)、混合室出口阀(33)和膨胀机入口阀(34)关闭，在瞬态加载过程中通过控制过热蒸汽调节阀(9)和废气旁通阀(11)的开度向排气管路(18)喷注一定量的过热蒸汽，使得排气管路(18)内的压力迅速建立起来，进一步提高涡轮增压器的响应速率。
8.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述的阀(9、11、23、28、33、34、37)均为开度可调的电动调节阀，用来精确控制各管路内废气或者过热蒸汽的流量；所述水泵(3)为变频驱动泵用来控制泵出口水的流量。
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