CN108533424A - 船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统 - Google Patents

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Abstract

一种船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，与所述柴油机的排气集管和扫气箱连接，其具备高压EGR模式、低压EGR模式和混合EGR模式，包括涡轮增压单元、进气冷却单元、EGR单元和水处理单元；所述EGR单元设置有高低压通路，包括高压EGR阀、低压EGR阀、预洗涤器、EGR冷却器、主洗涤器、滴水分离器、EGR风机和两通阀；当所述柴油机运行在不同的工况时，通过所述高压EGR阀和低压EGR阀控制切换EGR模式，使所述柴油机的低负荷工况对应采用高压EGR模式，中负荷工况对应采用低压EGR模式，以及高负荷工况对应采用低EGR率的混合EGR模式。本发明能够根据柴油机所运行的环境进行废气再循环系统模式的切换，从而减少EGR对于滑油及压气机的影响，提升发动机的动态响应，使发动机具有更好的可控性。

Description

船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统
技术领域
本发明涉及船用柴油机的废气再循环系统，具体涉及一种船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，属于柴油机技术领域。
背景技术
船舶发动机以柴油机为主，近十年来国际远洋航运业迅速壮大，船用柴油机保有量迅速提升，但其运行产生的大量污染物却对人类赖以生存的环境造成了不容忽视的破坏。从IMO Tier I至III排放限值可发现，国际公约和国内法律法规关于硫氧化物、颗粒物和氮氧化物的排放控制程度将变得相当严格，如何在保持良好燃油经济性的同时降低NOx排放，实现柴油机的高效清洁燃烧是当今柴油机燃烧技术面临的重要挑战。
目前减少船舶NOx排放的主要方法有如下几种：一是燃油控制技术，二是燃烧控制技术，三是污染物后处理技术，四是进气控制技术。其中废气再循环(Exhaust GasRecirculation，EGR)技术是进气控制技术中降低NOx排放的有效手段之一，EGR技术通过将一部分废气重新引入气缸参与燃烧，增加进气成分的热容并降低氧气体积分数，以减缓缸内燃烧速率并降低燃烧温度，从而达到降低NOx排放的效果。
根据EGR进气管路所处位置的不同，可分为高压EGR涡轮前到压气机后和低压EGR涡轮后到压气机前，常用的高压EGR系统能够较为准确的控制EGR率，但是需要克服柴油机进排气口的压力差，并且该系统对于换热要求的提高加速了滑油的消耗；低压EGR不会产生排气口压差过大的问题，但由于涉及的排气系统体积较大，因而造成柴油机泵气损失加大，瞬态工况下的响应性较差，同时由于排气中含有部分杂质，在不断冲刷下将腐蚀破坏压气机。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，结合高压EGR系统与低压EGR系统的特点，根据船用两冲程低速机所运行的环境进行废气再循环系统模式的切换，从而减少EGR对于滑油及压气机的影响，提升发动机的动态响应，使得发动机具有更好的可控性。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，与所述柴油机的排气集管和扫气箱连接，其特征在于：所述废气再循环系统具备高压EGR模式、低压EGR模式和混合EGR模式，包括涡轮增压单元、进气冷却单元、EGR单元和水处理单元；所述EGR单元设置有高低压通路，包括高压EGR阀、低压EGR阀、预洗涤器、EGR冷却器、主洗涤器、滴水分离器、EGR风机和两通阀；当所述柴油机运行在不同的工况时，通过所述高压EGR阀和低压EGR阀控制切换EGR模式，使所述柴油机的低负荷工况对应采用高压EGR模式，中负荷工况对应采用低压EGR模式，以及高负荷工况对应采用低EGR率的混合EGR模式。
进一步地，所述的柴油机的低负荷工况对应采用高压EGR模式是指，所述柴油机运行在低负荷工况下，所述低压EGR阀闭合，通过控制所述高压EGR阀的开闭程度，不同EGR率的废气从所述排气集管中流出，通过所述EGR单元进入所述进气冷却单元的后端，流入所述扫气箱，以保证一定的进排气压差，降低泵气损失，提升燃油经济性。
进一步地，所述的柴油机的中负荷工况对应采用低压EGR模式是指，所述柴油机运行在中负荷工况下，所述高压EGR阀闭合，通过控制所述低压EGR阀的开闭程度，不同EGR率的废气从所述排气集管中流出，通过所述EGR单元进入所述涡轮增压单元的前端，同时所述EGR单元的EGR风机处于关闭状态，废气在所述涡轮增压单元的前端与空气充分混合后，经所述进气冷却单元流入所述扫气箱，以最大限度减少压气机腐蚀，提高增压压比，增加空燃当量比，改善燃油经济性。
进一步地，所述的柴油机的高负荷工况对应采用低EGR率的混合EGR模式是指，所述柴油机运行在高负荷工况下，通过控制所述高压EGR阀和低压EGR阀的开闭程度，不同EGR率的废气从所述排气集管中流出，通过所述EGR单元进入所述涡轮增压单元的前端，同时所述EGR单元的EGR风机处于关闭状态，废气在所述涡轮增压单元的前端与空气充分混合后，经所述进气冷却单元流入所述扫气箱，以减轻高压EGR引起的滑油污染以及低压EGR引起的压气机腐蚀，并且提升发动机的动态响应，使得发动机具有更好的可控性。
进一步地，所述的水处理单元包括有水处理器，所述进气冷却单元包括有滴水分离器，该滴水分离器与所述EGR单元中的预洗涤器、主洗涤器和滴水分离器共用同一所述水处理器。
进一步地，所述的涡轮增压单元包括有气缸旁通阀和废气旁通阀。
与现有的高压或低压EGR系统相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明可根据柴油机不同负荷的工况选择最佳的EGR模式；
2、本发明最大程度地避免了单一EGR模式对与滑油或者压气机的影响；
3、本发明的结构并不复杂，很容易通过对传统的高压EGR系统进行改造即可实现。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是水处理单元的结构示意图。
图中：
1-涡轮增压单元，2-进气冷却单元，3-EGR单元，4-水处理单元，5-二冲程低速柴油机燃烧单元，6-排气集管，7-扫气箱，8-压气机，9-涡轮机，10-气缸旁通阀，11-废气旁通阀，12-空冷器，13-滴水分离器，14-高压EGR阀，15-低压EGR阀，16-预洗涤器，17、EGR冷却器，18-主洗涤器，19-滴水分离器，20-EGR风机，21-两通阀，22-水处理器，23-过滤器，24-预洗涤器节流阀，25-主洗涤器节流阀，26-NaOH池，27-进给泵，28-污水池，29-进给泵，30-离心分离器，31-蓄污池，32-清水池，33-过滤器，34-净水池，35-水泵。
具体实施方式
本发明综合了高压EGR和低压EGR的优缺点，合理地布局涡轮增压单元、进气冷却单元、具备高低压通路的EGR单元和水处理单元，具备高、低压EGR两种模式，并且新增加了一种混合EGR模式，对应船用柴油机不同的负荷采用不同的EGR模式：在低负荷时使用高压EGR保证一定的进排气压差，降低泵气损失，提升燃油经济性；在中负荷时，采用低压EGR提高增压压比，增加空燃当量比，改善燃油经济性；在高负荷时，使用低EGR率的混合EGR，可在一定程度上减轻高压EGR引起的滑油污染，以及低压EGR引起的压气机腐蚀，并提升发动机的动态响应，使得发动机具有更好的可控性。
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统做进一步的详细阐述，但不应以此来限制本发明的保护范围。
请参阅图1，本发明所述的船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统与所述柴油机的排气集管6和扫气箱7连接，该排气集管6和扫气箱7分别与二冲程低速柴油机燃烧单元5连接。
所述废气再循环系统具备高压EGR模式、低压EGR模式和混合EGR模式，包括涡轮增压单元1、进气冷却单元2、EGR单元3和水处理单元4。
所述的涡轮增压单元1包括有压气机8、涡轮机9、气缸旁通阀10和废气旁通阀11。
所述进气冷却单元2包括有空冷器12和滴水分离器13。
所述EGR单元3设置有高低压通路，包括高压EGR阀14、低压EGR阀15、预洗涤器16、EGR冷却器17、主洗涤器18、滴水分离器19、EGR风机20和两通阀21。当所述柴油机运行在不同的工况时，通过所述高压EGR阀14和低压EGR阀15控制切换EGR模式，使所述柴油机的低负荷工况对应采用高压EGR模式，中负荷工况对应采用低压EGR模式，以及高负荷工况对应采用低EGR率的混合EGR模式。
所述的水处理单元4包括有水处理器22、过滤器23、预洗涤器节流阀24和主洗涤器节流阀25；所述进气冷却单元2中的滴水分离器13与所述EGR单元3中的预洗涤器16、主洗涤器18和滴水分离器19共用同一所述水处理器22。
本发明的具体工作原理如下：
所述的船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，在柴油机低负荷时，废气从排气集管6流出，在进入涡轮机9之前，由于高压EGR阀14的开启，一部分废气流入预洗涤器16进行预洗涤，脱除一部分有害污染物，经EGR冷却器17冷却后，在主洗涤器18中进行脱硫和除尘，产生的污水及滴水分离器19分离后的水份经过过滤器23过滤后，流入水处理单元4的水处理器22，此时废气中主要包含二氧化碳，随后经过EGR风机20加压后，经过两通阀21与新鲜空气一同进入扫气箱7。采用高压EGR模式可保证低负荷时发动机具有一定的进排气压差，减少泵气损失，降低油耗。
所述的船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，在柴油机中负荷时，废气从排气集管6流出，进入涡轮机9后通过低压EGR阀15流入预洗涤器16，脱除一部分有害污染物，经EGR冷却器17冷却后，在主洗涤器18中进行脱硫和除尘，产生的污水及滴水分离器19分离后的水份经过过滤器23过滤后流入水处理单元4的水处理器22，此时废气中主要包含二氧化碳，此时EGR风机20不开启，这些气体直接进入压气机8的前端，与空气充分混合后进入压气机8，随后经过空冷器12和滴水分离器13进入扫气箱7。采用这种低压EGR模式可以最大程度减少废气对于压气机的腐蚀，并提高增压压比，增加空燃当量比，改善燃油经济性。
所述的船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，在柴油机高负荷时，废气从排气集管6流出，一部分在进入涡轮机9前经由高压EGR阀14进入具备高低压通路的EGR单元3，另一部分废气在进入涡轮机9后经由低压EGR阀15进入具备高低压通路的EGR单元3，经过预洗涤器16脱除一部分有害污染物，再经EGR冷却器17后在主洗涤器18中进行脱硫和除尘，产生的污水及滴水分离器19分离后的水份经过过滤器23过滤后流入水处理单元4的水处理器22，此时废气中主要包含二氧化碳，此时EGR风机20不开启，这些气体直接进入压气机8的前端，与空气充分混合后进入压气机8，随后经过空冷器12和滴水分离器13进入扫气箱7。使用混合EGR模式可在一定程度上减轻高压EGR引起的滑油污染，以及低压EGR引起的压气机腐蚀，并提升发动机的动态响应，使得发动机具有更好的可控性。
请参阅图2，所述的水处理单元4收集来自主洗涤器18、滴水分离器19和滴水分离器13的污水，NaOH池26中的溶液通过进给泵27泵入污水池28进行脱硫反应，反应后的液体通过进给泵29泵入离心分离器30对浑浊液进行离心分离后，淤泥流入蓄污池31，清水进入清水池32，其中一部分溢出的液体流入污水池28，另一部分由过滤器33过滤后流入净水池34，还有一部分由水泵35泵入预洗涤器16。
所述的脱硫主反应如下：
1)SO2+2NaOH→Na2SO3，
2)Na2SO3+SO2+H2O→2NaHSO3，
3)NaHSO3+NaOH→Na2SO3+H2O，
4)2NaSO3+O2→2Na2SO4。
上述仅为本发明的优选实施例，必须指出的是，所属领域的技术人员凡依本发明申请内容所作的各种等效修改、变化与修正，都应成为本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，与所述柴油机的排气集管(6)和扫气箱(7)连接，其特征在于：所述废气再循环系统具备高压EGR模式、低压EGR模式和混合EGR模式，包括涡轮增压单元(1)、进气冷却单元(2)、EGR单元(3)和水处理单元(4)；所述EGR单元(3)设置有高低压通路，包括高压EGR阀(14)、低压EGR阀(15)、预洗涤器(16)、EGR冷却器(17)、主洗涤器(18)、滴水分离器(19)、EGR风机(20)和两通阀(21)；当所述柴油机运行在不同的工况时，通过所述高压EGR阀(14)和低压EGR阀(15)控制切换EGR模式，使所述柴油机的低负荷工况对应采用高压EGR模式，中负荷工况对应采用低压EGR模式，以及高负荷工况对应采用低EGR率的混合EGR模式。
2.根据权利要求1所述的船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，其特征在于：所述的柴油机的低负荷工况对应采用高压EGR模式是指，所述柴油机运行在低负荷工况下，所述低压EGR阀(15)闭合，通过控制所述高压EGR阀(14)的开闭程度，不同EGR率的废气从所述排气集管(6)中流出，通过所述EGR单元(3)进入所述进气冷却单元(2)的后端，流入所述扫气箱(7)，以保证一定的进排气压差，降低泵气损失，提升燃油经济性。
3.根据权利要求1所述的船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，其特征在于：所述的柴油机的中负荷工况对应采用低压EGR模式是指，所述柴油机运行在中负荷工况下，所述高压EGR阀(14)闭合，通过控制所述低压EGR阀(15)的开闭程度，不同EGR率的废气从所述排气集管(6)中流出，通过所述EGR单元(3)进入所述涡轮增压单元(1)的前端，同时所述EGR单元(3)的EGR风机(20)处于关闭状态，废气在所述涡轮增压单元(1)的前端与空气充分混合后，经所述进气冷却单元(2)流入所述扫气箱(7)，以最大限度减少压气机腐蚀，提高增压压比，增加空燃当量比，改善燃油经济性。
4.根据权利要求1所述的船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，其特征在于：所述的柴油机的高负荷工况对应采用低EGR率的混合EGR模式是指，所述柴油机运行在高负荷工况下，通过控制所述高压EGR阀(14)和低压EGR阀(15)的开闭程度，不同EGR率的废气从所述排气集管(6)中流出，通过所述EGR单元(3)进入所述涡轮增压单元(1)的前端，同时所述EGR单元(3)的EGR风机(20)处于关闭状态，废气在所述涡轮增压单元(1)的前端与空气充分混合后，经所述进气冷却单元(2)流入所述扫气箱(7)，以减轻高压EGR引起的滑油污染以及低压EGR引起的压气机腐蚀，并且提升发动机的动态响应，使得发动机具有更好的可控性。
5.根据权利要求1所述的船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，其特征在于：所述的水处理单元(4)包括有水处理器(22)，所述进气冷却单元(2)包括有滴水分离器(13)，该滴水分离器(13)与所述EGR单元(3)中的预洗涤器(16)、主洗涤器(18)和滴水分离器(19)共用同一所述水处理器(22)。
6.根据权利要求1所述的船用两冲程低速柴油机的模式可切换的废气再循环系统，其特征在于：所述的涡轮增压单元(1)包括有气缸旁通阀(10)和废气旁通阀(11)。
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