CN106194507A - 基于喷射泵实现增压柴油机掺水燃烧并降低nox排放的装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供基于喷射泵实现增压柴油机掺水燃烧并降低NOx排放的装置，包括低压级增压器、高压级增压器，高压级涡轮和低压级涡轮安装在排气管路上，高压级压气机和低压级压气机安装在进气管道上，高压级涡轮和高压级压气机可以根据需要通过旁通阀的开启与关闭切入和切出。进气管路上还设有喷射泵用于制造封闭容器内的真空和抽吸水蒸气进入进气管道，并且喷射泵所在分枝管路还可以根据需要通过两位三通换向阀切入与切出。本发明能够避免进气道喷嘴以及其它相关设备的安置，结构改动较小，可以根据柴油机的工况灵活地改变掺水量，从而降低柴油机燃烧的温度，进而降低NOx的排放。

Description

基于喷射泵实现增压柴油机掺水燃烧并降低NOX排放的装置

技术领域

本发明涉及的是一种增压柴油机，具体地说是掺水燃烧的增压柴油机。

背景技术

随着人类科学技术的迅猛发展，柴油机凭借其在热效率、经济性、可靠性等方面的优势备受关注，并且已经广泛地应用在汽车、船舶、铁路、发电设备等领域。虽然柴油机的使用极大地促进了社会的发展与进步，但是其在使用过程中也会带来环境污染等一系列的问题。其中NOx是主要的有害污染物之一，能够对人体产生极大的危害。国际海事组织在2008年颁布了Tier III氮氧化物排放限值标准，并且预计将在2016年开始执行，其要求为船用柴油机的NOx排放要维持在2-3.8g/KW·h。其中影响NOx生成的主要因素为：燃烧温度高低、氧浓度高低、燃烧产物的滞留时间的长短。目前用在柴油机上，减少NOx生成的措施主要有：废气再循环系统(EGR)、掺水燃烧技术、以及废气的后处理(SCR等)等。

掺水燃烧技术实现的主要方式分为三种，分别为掺水乳化油技术、缸内直接喷水技术、进气道加湿技术。掺水燃烧降低NOx的机理为：柴油机的氮氧化物是在高温条件下氧气和氮气反应得到的，所以降低反应温度以及氮和氧的浓度可以有效地降低NOx的排放，同时由于水有较高的汽化潜热，也可以使燃烧温度降低。掺水乳化油技术是通过燃油系统将配置好的柴油和水的乳化稳定悬浮液喷入气缸来实现的该技术发展至今主要分为静态乳化和动态乳化两种形式，虽然掺水乳化油技术可以降低NOx生成且对柴油机的结构影响较小，但是该方法需要配置乳化剂，价格较高，且静态乳化油保质期较短，长时间放置会导致水油分层。缸内直接喷水技术可以灵活地掌控掺水率，使NOx排放有效降低但是缸内直接喷水需要对柴油机进行较大的结构改动，喷嘴持久度低，这些都会影响缸内直接喷水技术的应用。进气道加湿是这三种技术中最容易实现的，并且对掺水量的控制比较容易实现，掺水量较大时对NOx排放量的降低也比较可观，对柴油机的结构影响较小，安全稳定性高。

发明内容

本发明的目的在于提供可以根据柴油机的工况灵活地改变掺水量，从而降低柴油机燃烧的温度，进而降低NO_x排放的基于喷射泵实现增压柴油机掺水燃烧并降低NOx排放的装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于喷射泵实现增压柴油机掺水燃烧并降低NOx排放的装置，其特征是：包括柴油机、低压级涡轮增压器、高压级涡轮增压器，低压级涡轮增压器包括低压级涡轮、低压级压气机，高压级涡轮增压器包括高压级涡轮、高压级压气机，柴油机通过第一排气管路连接高压级涡轮进口，高压级涡轮出口通过第二排气管路连接低压级涡轮，第一排气管路与第二排气管路之间通过排气旁通管路相通，排气旁通管路上安装高压级涡轮旁通阀，低压级压气机通过第一进气管路连接高压级压气机进口，高压级压气机出口通过第二进气管路连接两位三通换向阀，两位三通换向阀上位通过第三进气管路连接柴油机，两位三通换向阀下位通过第四进气管连接柴油机，第一进气管路与第二进气管路之间通过进气旁通管路相通，进气旁通管路上安装高压级压气机旁通阀，第四进气管路上设置喷射泵，喷射泵通过淡水管连通封闭容器，封闭容器里安装淡水加热管束并充有淡水，柴油机缸套冷却水出水管路以及柴油机缸套冷却水进水管路分别连通淡水加热管束的进口端和出口端，柴油机缸套冷却水出水管路与柴油机缸套冷却水进水管路通过淡水加热管束旁通管路相通，淡水加热管束旁通管路上设置淡水加热管束旁通阀，柴油机缸套冷却水进水管路上安装缸套冷却水冷却器和缸套冷却水循环泵，封闭容器连通淡水水箱。

本发明还可以包括：

1、柴油机运行在排放控制区时，高压级涡轮旁通阀和高压级压气机旁通阀保持关闭状态，两位三通阀的下位工作；柴油机运行在非排放控制区时，高压级涡轮旁通阀和高压级压气机旁通阀均打开，高压级涡轮和高压级压气机退出工作，两位三通阀的上位工作，淡水加热管束旁通阀处于打开状态。

本发明的优势在于：相对传统的进气道加湿实现柴油机的掺水燃烧，本发明能够避免进气道喷嘴以及其它相关设备的安置，结构改动较小，可以根据柴油机的工况灵活地改变掺水量，从而降低柴油机燃烧的温度，进而降低NOx的 排放。本发明还可以根据需要灵活地控制掺水燃烧与否，在排放控制区可以满足排放的要求，在非排放控制区满足经济性要求，符合现代工程需要。

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，本发明基于喷射泵实现增压柴油机掺水燃烧并降低NOx排放的装置包括低压级涡轮1、高压级涡轮3、涡轮旁通阀2、低压级压气机4、压气机旁通阀5、高压级压气机6、两位三通换向阀7、喷射泵8、水蒸气量控制阀9、封闭容器10、水位检测仪11、淡水13、淡水加热管束12、缸套冷却水管路14、缸套冷却水冷却器15、缸套冷却水循环泵16、淡水水箱17、淡水供给泵18、单向阀19以及淡水加热管束旁通阀20。其中高压级涡轮3和低压级涡轮1安装在排气管路上，高压级压气机6和低压级压气机4安装在进气管道上，并且高压级涡轮3和高压级压气机6可以根据需要通过旁通阀的开启与关闭切入和切出。进气管路上还设有喷射泵8用于制造封闭容器10内的真空和抽吸水蒸气进入进气管道，并且喷射泵8所在分枝管路还可以根据需要通过两位三通换向阀7切入与切出。缸套冷却水可以对封闭容器10内的淡水进行加热产生水蒸气。缸套冷却水通过缸套冷却水冷却器15进行冷却，并且整个循环由缸套冷却水循环泵16驱动。封闭容器10内的淡水水位由水位检测仪11监测，并且通过淡水供给泵18和单向阀19使封闭容器10内的水位保持在合理的范围之内。进入柴油机进气道内的水蒸汽量由水蒸气量控制阀9控制。

本发明的创新点主要在于能够通过喷射泵8实现封闭容器内的真空、水蒸气的产生以及水蒸气进入到进气管道内，并且根据需要可以将喷射泵8所在分枝切入和切出，在非控制区，喷射泵8所在分枝管路被切出，柴油机不再掺水燃烧，有效功率得到提高，燃油消耗率相应的降低；在控制区运行时，喷射泵8所在分枝管路被切入，此时柴油机开启掺水燃烧模式，NOx排放量大大降低。其中喷射泵8所需要的较高的工作压力由两级涡轮增压器提供，喷射泵8所在分枝切入与切出通过两位三通换向阀7实现。

当柴油机运行在排放控制区时，涡轮旁通阀2和压气机旁通阀5保持关闭 状态，此时高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器串联运行，高压级压气机6后的空气压力很高，满足喷射泵8工作的要求，此时两位三通阀7的下位工作，增压后的空气进入到喷射泵8，在喷嘴处，压力能转化为动能，之后增压空气和从封闭容器10内抽上来的空气和水蒸气在混合管混合，然后再在扩压管内将混合气的动能转化为压力能。最后将混合后的气体一起输送到柴油机里面参与燃烧，此处喷射泵8相当于真空泵，用于将封闭容积内的空气抽到进气管路里面最终参与燃烧，此时也会造成封闭容器10内产生真空。柴油机中燃油燃烧放出的热量中30％-33％要经过气缸、气缸盖和活塞等部件散向外界，为了能够散发出这些热量并且保证这些受热部件的正常稳定温度，需要缸套缸套冷却水等介质强制流经受热部件。如果缸套冷却水带出的热量直接散向外界环境会造成一定的能量浪费，由于缸套冷却水温度较高并且封闭容器内真空，当用缸套冷却水对封闭容器10内的淡水进行加热时，封闭容器10内的淡水很容易沸腾，产生大量的水蒸气，柴油机根据运行工况控制水蒸气量控制阀的开度，灵活掌控掺水率，使NOx排放有效降低。此外，封闭容器10内还装有水位检测器11用于实时监测封闭容器10内的水位高度，装置中的淡水供给泵18和单向阀19用于向封闭容积补给消耗掉的淡水，水位检测器11、单向阀19以及淡水供给泵18一同工作，使封闭容器10内的淡水水位维持在一定的高度范围。缸套冷却水循环回路中还有缸套冷却水冷却器15和缸套冷却水循环泵16等部件，其中缸套冷却水冷却器15用于将进入柴油机的缸套冷却水降低到较低的温度；缸套冷却水循环泵16用于为缸套冷却水循环回路提供动力支持。当柴油机运行在非排放控制区时，涡轮旁通阀2和压气机旁通阀5同时打开，高压级涡轮增压器被旁通退出工作，只有低压级涡轮增压器参与工作，相当于单级增压。此时两位三通换向阀7上位工作，喷射泵8所在分枝管路被切出，喷射泵8不再参与工作，单级增压后的空气直接进入到柴油机。由于柴油机不再掺水燃烧，柴油机的有效功率得到提升并且燃油消耗率也有所下降，动力性较好。由于高压级涡轮3不参与工作，进气压力不会很高，这样爆压也相应不会很高，避免了柴油机机械负荷和热负荷过大，能够使柴油机安全稳定的运行。由于喷射泵8退出工作，与其相关联的封闭水箱10、淡水加热管束12、单向阀19以及淡水供给泵18也相应的退出工作。淡水加热管束旁通阀20打开，缸套水不再流经 淡水加热管束12对封闭容器10内的淡水进行加热，直接通过淡水加热管束旁通阀20流经缸套冷却水冷却器15，然后通过缸套冷却水循环泵16进入到柴油机里面，往复循环工作。

Claims (2)

1.基于喷射泵实现增压柴油机掺水燃烧并降低NOx排放的装置，其特征是：包括柴油机、低压级涡轮增压器、高压级涡轮增压器，低压级涡轮增压器包括低压级涡轮、低压级压气机，高压级涡轮增压器包括高压级涡轮、高压级压气机，柴油机通过第一排气管路连接高压级涡轮进口，高压级涡轮出口通过第二排气管路连接低压级涡轮，第一排气管路与第二排气管路之间通过排气旁通管路相通，排气旁通管路上安装高压级涡轮旁通阀，低压级压气机通过第一进气管路连接高压级压气机进口，高压级压气机出口通过第二进气管路连接两位三通换向阀，两位三通换向阀上位通过第三进气管路连接柴油机，两位三通换向阀下位通过第四进气管连接柴油机，第一进气管路与第二进气管路之间通过进气旁通管路相通，进气旁通管路上安装高压级压气机旁通阀，第四进气管路上设置喷射泵，喷射泵通过淡水管连通封闭容器，封闭容器里安装淡水加热管束并充有淡水，柴油机缸套冷却水出水管路以及柴油机缸套冷却水进水管路分别连通淡水加热管束的进口端和出口端，柴油机缸套冷却水出水管路与柴油机缸套冷却水进水管路通过淡水加热管束旁通管路相通，淡水加热管束旁通管路上设置淡水加热管束旁通阀，柴油机缸套冷却水进水管路上安装缸套冷却水冷却器和缸套冷却水循环泵，封闭容器连通淡水水箱。

2.根据权利要求1所述的基于喷射泵实现增压柴油机掺水燃烧并降低NOx排放的装置，其特征是：柴油机运行在排放控制区时，高压级涡轮旁通阀和高压级压气机旁通阀保持关闭状态，两位三通阀的下位工作；柴油机运行在非排放控制区时，高压级涡轮旁通阀和高压级压气机旁通阀均打开，高压级涡轮和高压级压气机退出工作，两位三通阀的上位工作，淡水加热管束旁通阀处于打开状态。