CN105888891A - 一种液氧固碳闭式循环柴油机系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液氧固碳闭式循环柴油机系统，主要包括柴油机进气管(1)、压力传感器(2)、温度传感器(3)、柴油机排气管(4)、冷却器(5)、干燥剂存放装置(6)、CO2控制阀(7)、液氧控制阀(8)、液氧输入管(9)、排气控制阀(10)、液氧罐(11)、尾气收集装置(12)、干冰分流管(13)、数据采集系(15)、EGR控制阀(16)、柴油机(17)、EGR管(18)、测功机(19)、氧浓度计(20)。本发明还公开了上述系统的工作方法，在尾气收集装置内尾气中的CO₂气体将与液氧进行相变换热，CO₂气体凝华放热成为干冰；其中柴油机的进气管通入的是尾气收集装置中汽化的氧气与未被固化的CO₂组成的混合气体，并含有EGR管通入的部分尾气。本发明可实现柴油机的闭式循环燃烧，适于在狭小的空间环境下工作，同时尾气中的CO₂可被收集回收利用。

Description

一种液氧固碳闭式循环柴油机系统及其工作方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种液氧固碳闭式循环柴油机及其工作方法。

背景技术

采用富氧进气的柴油机可使燃料燃烧的更加完全，并且降低了CO、HC和PM(颗粒物)等有害物质的生成量，但是高温和高氧的环境会导致NO_X污染物和CO₂的生成量增多。尤其是当柴油机在一些如隧道施工、坑道发电等空气流通性差的场合中工作时，其尾气中的有害气体会大量聚集，从而危害施工人员的健康与生命。

国内吴志军教授研究了兰金循环式柴油机，采用纯氧代替空气进行助燃，避免了NO_X的排放，使尾气中只包含CO₂，并在上止点处向缸内喷入循环水来控制纯氧的燃烧。但其也有不足之处：兰金循环式柴油需要在原本紧凑的气缸盖上在安装一个喷水嘴，这增加了气缸盖的设计难度；此外缸内喷水后会出现缸内湿度大幅度增加，从而导致活塞和汽缸壁的摩擦系数增加，这不但增加了内燃机的机械损失，还会出现气缸内壁腐蚀现象，该现象在内燃机停机后会更加明显，因此还要考虑到如何提高内燃机气缸内壁的疏水性问题。

针对上述问题，本专利提出了更具可行性的液氧固碳闭式循环柴油机工作系统，相比与兰金循环式柴油机，去掉了缸内喷水系统，避免了上述问题的产生。

发明内容

本发明的目的正是为了解决柴油机在一些空气流动性差的环境中其尾气排放问题，实现了一套进排气全封闭系统，同时也能实现CO₂捕集回收。

本发明提供了一种液氧固碳闭式循环柴油机系统，主要包括柴油机进气管、压力传感器、温度传感器、柴油机排气管、冷却器、干燥剂存放装置、CO2控制阀、液氧控制阀、液氧输入管、排气控制阀、液氧罐、尾气收集装置、干冰分流管、数据采集系、EGR控制阀16、柴油机、EGR管、测功机、氧浓度计；

其中，柴油机具有柴油机进气管和柴油机排气管；

柴油机排气管依次连接冷却器和干燥剂存放装置；

干燥剂存放装置连接三通管的一端，三通管另外两条管路上分别设置CO2控制阀和EGR控制阀；

设置有CO2控制阀的管路连接至尾气收集装置的进气端；

液氧罐经液氧输入管和液氧控制阀连接尾气收集装置的液氧入口；

尾气收集装置的排气口经排气控制阀连接柴油机进气管；

尾气收集装置的底部设有干冰分流管；

设置有EGR控制阀的管路经EGR管连接柴油机进气管；

柴油机进气管上设置有氧浓度计。

进一步地，柴油机上连接有压力传感器、温度传感器和测功机，压力传感器、温度传感器和测功机均连接数据采集系统。

作为优选，干冰分流管连接有干冰储存器。

本发明还提供了前述一种液氧固碳闭式循环柴油机系统的工作方法：

柴油机启动时采用空气助燃，燃烧后产生的尾气通过柴油机排气管排出，然后经过冷却器冷却，使尾气温度达到约40℃，然后再经过干燥剂，去除尾气中H₂O，最后冷却干燥的尾气进入尾气收集装置；

油机启动时打开液氧控制阀，液氧从液氧罐中经过液氧输入管进入到尾气收集装置中；

尾气中的CO₂气体在尾气收集装置内将与液氧进行相变换热，CO₂气体凝华放热成为干冰，经过干冰分流管到达尾气收集装置底部的干冰存储器；

液氧在尾气收集装置内汽化吸热变成氧气，与未被液氧固化的剩余CO₂气体从尾气收集装置的排气口排出，沿管路通过柴油机进气管进入柴油机燃烧。

其中，柴油机的进气管通入的是尾气收集装置中汽化的氧气与未被固化的CO₂组成的混合气体，并含有EGR管通入的部分尾气。

其中，在整个系统运行过程中，柴油机的缸内压力可由压力传感器测得，缸内温度可由温度传感器测得，柴油机的转速、负荷及功率可由测功机测得，最后所有数据均记录在数据采集系统中。

本发明的一种液氧固碳闭式循环柴油机系统可实现闭式循环燃烧，不需要有大量助燃空气，因此可以在狭小的空间环境下工作，如隧道施工、坑道发电等场合。

本发明可实现柴油机进排气全封闭运行，同时尾气中的CO₂被固化为干冰加以收集，并可以回收用作其他用途。

附图说明

图1是本发明的总系统图。

图中：1、柴油机进气管；2、压力传感器；3、温度传感器；4、柴油机排气管；5、冷却器；6、干燥剂存放装置；7、CO2控制阀；8、液氧控制阀；9、液氧输入管；10、排气控制阀；11、液氧罐；12、尾气收集装置；13、干冰分流管；14、干冰储存器；15、数据采集系统；16、EGR控制阀；17、柴油机；18、EGR管；19、测功机；20、氧浓度计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明的一种液氧固碳闭式循环柴油机系统，主要包括柴油机进气管1、压力传感器2、温度传感器3、柴油机排气管4、冷却器5、干燥剂存放装置6、CO2控制阀7、液氧控制阀8、液氧输入管9、排气控制阀10、液氧罐11、尾气收集装置12、干冰分流管13、数据采集系15、EGR控制阀16、柴油机17、EGR管18、测功机19、氧浓度计20。

其中，柴油机17具有柴油机进气管1和柴油机排气管4。

柴油机排气管4依次连接冷却器5和干燥剂存放装置6。

干燥剂存放装置6连接三通管的一端，三通管另外两条管路上分别设置CO2控制阀7和EGR控制阀16。

设置有CO2控制阀7的管路连接至尾气收集装置12的进气端。

液氧罐11经液氧输入管9和液氧控制阀8连接尾气收集装置12的液氧入口。

尾气收集装置12的排气口经排气控制阀10连接柴油机进气管1。

尾气收集装置12的底部设有干冰分流管13。干冰分流管13连接有干冰储存器14。

设置有EGR控制阀16的管路经EGR管18连接柴油机进气管1。

柴油机进气管1上设置有氧浓度计20。

柴油机17上连接有压力传感器2、温度传感器3和测功机19，压力传感器2、温度传感器3和测功机19均连接数据采集系统15。

本发明还提供了前述一种液氧固碳闭式循环柴油机系统的工作方法，结合附图1详细描述如下。

柴油机17启动时采用空气助燃，燃烧后产生的尾气通过柴油机排气管4排出，然后经过冷却器5冷却，使尾气温度达到约40℃，然后再经过干燥剂6，去除尾气中H₂O，最后冷却干燥的尾气进入尾气收集装置12；

油机17启动时打开液氧控制阀8，液氧从液氧罐11中经过液氧输入管8进入到尾气收集装置12中；

尾气中的CO₂气体在尾气收集装置12内将与液氧进行相变换热，CO₂气体凝华放热成为干冰，经过干冰分流管13到达尾气收集装置12底部的干冰存储器14；

液氧在尾气收集装置12内汽化吸热变成氧气，与未被液氧固化的剩余CO₂气体从尾气收集装置12的排气口排出，沿管路通过柴油机进气管1进入柴油机17燃烧。

其中，柴油机17的进气管1通入的是尾气收集装置12中汽化的氧气与未被固化的CO₂组成的混合气体，并含有EGR管18通入的部分尾气。

其中，在整个系统运行过程中，柴油机17的缸内压力可由压力传感器2测得，缸内温度可由温度传感器3测得，柴油机17的转速、负荷及功率可由测功机19测得，最后所有数据均记录在数据采集系统15中。

本发明系统的内燃机可以实现闭式循环燃烧，不需要有大量助燃空气，所以它可以在狭小的空间环境下工作，如隧道施工、坑道发电等场合。

本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，比如冷却器、干燥剂的选择设置等，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液氧固碳闭式循环柴油机系统，其特征在于：主要包括柴油机进气管(1)、压力传感器(2)、温度传感器(3)、柴油机排气管(4)、冷却器(5)、干燥剂存放装置(6)、CO2控制阀(7)、液氧控制阀(8)、液氧输入管(9)、排气控制阀(10)、液氧罐(11)、尾气收集装置(12)、干冰分流管(13)、数据采集系(15)、EGR控制阀(16)、柴油机(17)、EGR管(18)、测功机(19)、氧浓度计(20)；其中，柴油机(17)具有柴油机进气管(1)和柴油机排气管(4)；柴油机排气管(4)依次连接冷却器(5)和干燥剂存放装置(6)；干燥剂存放装置(6)连接三通管的一端，三通管另外两条管路上分别设置CO2控制阀(7)和EGR控制阀(16)；设置有CO2控制阀(7)的管路连接至尾气收集装置(12)的进气端；液氧罐(11)经液氧输入管(9)和液氧控制阀(8)连接尾气收集装置(12)的液氧入口；尾气收集装置(12)的排气口经排气控制阀(10)连接柴油机进气管(1)；尾气收集装置(12)的底部设有干冰分流管(13)；设置有EGR控制阀(16)的管路经EGR管(18)连接柴油机进气管(1)；柴油机进气管(1)上设置有氧浓度计(20)。

2.根据权利要求1所述的一种液氧固碳闭式循环柴油机系统，其特征在于：

柴油机(17)上连接有压力传感器(2)、温度传感器(3)和测功机19，压力传感器(2)、温度传感器(3)和测功机(19)均连接数据采集系统(15)。

3.根据权利要求1所述的一种液氧固碳闭式循环柴油机系统，其特征在于：干冰分流管(13)连接有干冰储存器(14)。

4.一种液氧固碳闭式循环柴油机系统的工作方法，基于权利要求1-3任一项所述的一种液氧固碳闭式循环柴油机系统，其特征在于：

柴油机(17)启动时采用空气助燃，燃烧后产生的尾气通过柴油机排气管(4)排出，然后经过冷却器(5)冷却，然后再经过干燥剂(6)，最后冷却干燥的尾气进入尾气收集装置(12)；油机(17)启动时打开液氧控制阀(8)，液氧从液氧罐(11)中经过液氧输入管(8)进入到尾气收集装置(12)中；尾气中的CO₂气体在尾气收集装置(12)内与液氧进行相变换热，CO₂气体凝华放热成为干冰；液氧在尾气收集装置(12)内汽化吸热变成氧气，与未被液氧固化的剩余CO₂气体从尾气收集装置(12)的排气口排出，沿管路通过柴油机进气管(1)进入柴油机(17)燃烧。

5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：

其中，柴油机(17)的进气管(1)通入的是尾气收集装置(12)中汽化的氧气 与未被固化的CO₂组成的混合气体，并含有EGR管(18)通入的部分尾气。

6.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：

在系统运行过程中，柴油机(17)的缸内压力由压力传感器(2)测得，缸内温度由温度传感器(3)测得，柴油机(17)的转速、负荷及功率由测功机(19)测得，压力、温度、转速、负荷及功率数据均记录在数据采集系统(1)5中。

7.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：

尾气经过冷却器(5)后的温度达约为40℃。

8.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：

干冰经过干冰分流管(13)到达尾气收集装置(12)底部的干冰存储器(14)。