CN109611242A - 一种高效清洁燃烧柴油机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效清洁燃烧柴油机，包括柴油机本体，柴油机本体连接进气道和排气道，进气道上设置进气增压中间冷却器，柴油机本体设置喷水系统、喷油系统、增压系统、高压EGR系统、低压EGR系统；喷水系统包括喷水器、水供应管路和供水装置；喷油系统包括喷油器、燃油供应管路和供油装置；增压系统的废气进口与排气道连接，废气出口连接废气排放管道，空气进口连接空气滤清器，空气出口与进气道连接；高压EGR系统包括高压废气再循环阀、高压废气再循环冷却器、二号单向阀和进气节流阀；低压EGR系统包括排气背压阀、低压废气再循环阀、微粒捕集器、低压废气再循环冷却器和一号单向阀。本发明能降低气缸壁传热量，提高柴油机热效率。

Description

一种高效清洁燃烧柴油机
技术领域
本发明涉及内燃机领域，更具体的说，是涉及一种高效清洁燃烧柴油机。
背景技术
内燃机经过近百年的发展成为人类使用的主要移动动力装置，并且在未来很长的一段时间内仍然占据重要的位置。内燃机通过燃烧释放燃料的能量，对加热工质进行加热，从而推动活塞做功。参与燃烧的空气中含有N2，在高温氧化性氛围下，N2会参与反应从而产生NOx，经发动机排放到大气中，会导致酸雨、光化学污染等环境问题。同时，柴油机燃烧模式为缸内直喷扩散燃烧，在这种燃烧模式下会产生PM。PM对人体健康有害，并降低大气能见度，给人以不快感，小于10μm的PM容易被人体吸入，对呼吸系统产生危害，引发哮喘等疾病，同时PM中还含有苯并芘等多种致癌物质。
针对内燃机的排放问题，世界各国相继推出了一系列排放法规，这些排放法规的限值都有近零的趋势。为了满足排放法规，发动机制造商通过结合机内净化+机外净化的手段来满足排放法规，但由于机外净化转化效率低，无法单纯依靠后处理解决排放问题，且成本昂贵，所以还需要将原机排放控制在较低水平。现有发动机的NOx排放有效控制手段主要有推迟喷油时刻、后处理、EGR、喷水等方式。推迟喷油时刻会降低燃油经济性，提高发动机的使用成本；通过后处理解决排放问题存在两个难题：一个是后处理成本较高，难以实现商业化；另外一个是后处理的处理效率有限，难以将排放降至近零排放，且用来解决soot排放问题的DPF存在主动再生问题。
通过EGR实现低温燃烧能够同时实现NOx和soot排放低于排放限值，但是低温燃烧导致燃烧效率降低，燃烧持续期延长，发动机的热效率降低。主要原因是废气中的惰性气体，降低了燃烧速率，同时引入气缸内会导致缸内燃烧的氧浓度降低。同时，在多缸机上实现大量废气的引入也是一个难题，常用的高压EGR在低速大负荷无法引入足够的废气，而无法将排放降低至限值；低压EGR在进气管路中引入废气，但是废气中的组分会对压气机产生腐蚀，从而降低发动机的可靠性。
工业界采用发动机喷水燃烧已有先例，德国宝马公司在汽油机的进气道中增加喷水装置，由于水进入气缸并相应降低了进气温度，解决了燃烧过程中汽油机燃烧爆震倾向，使得汽油机能够将压缩比提高到与柴油机同等水平，将汽油机的燃油经济性提高13％左右。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种高效清洁燃烧柴油机，能够降低气缸壁传热量，减小泵气功损失，提高柴油机热效率，在全工况范围实现超低NOx排放。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明高效清洁燃烧柴油机，包括柴油机本体，所述柴油机本体连接有进气道和排气道，所述进气道上设置有进气增压中间冷却器，所述柴油机本体设置有喷水系统、喷油系统、增压系统、高压EGR系统、低压EGR系统；
所述喷水系统包括喷水器、水供应管路和供水装置，所述柴油机本体的每个进气歧管中均设置有喷水器，每个喷水器均通过水供应管路与供水装置连接，每个喷水器均与发动机控制单元电连接；
所述喷油系统包括喷油器、燃油供应管路和供油装置，所述柴油机本体的每个气缸内均设置有一个喷油器，每个喷油器均通过燃油供应管路与供油装置连接，每个喷油器均与发动机控制单元电连接；
所述增压系统的废气进口与排气道连接，所述增压系统的废气出口连接有废气排放管道，所述增压系统的空气进口通过管路连接有空气滤清器，所述增压系统的空气出口与进气道连接；
所述高压EGR系统包括高压废气再循环阀、高压废气再循环冷却器、二号单向阀和进气节流阀，所述高压废气再循环阀、高压废气再循环冷却器、二号单向阀沿气体流动方向依次设置于高压EGR回路上，所述高压EGR回路连接于进气道和排气道之间；所述进气节流阀设置于高压EGR回路与进气道交口且靠近进气增压中间冷却器出气口的进气道上；
所述低压EGR系统包括排气背压阀、低压废气再循环阀、微粒捕集器、低压废气再循环冷却器和一号单向阀，所述排气背压阀设置于废气排放管道上，所述低压废气再循环阀、微粒捕集器、低压废气再循环冷却器、一号单向阀沿气体流动方向依次设置于低压EGR回路上，所述低压EGR回路连接于增压系统的废气出口和空气进口之间。
所述增压系统的形式包括但不局限于单级增压或两级增压或机械增压；所述增压系统包括涡轮和压气机，所述涡轮和压气机之间刚性连接，所述涡轮分别与排气道和废气排放管道连接，所述压气机分别与进气道和空气滤清器连接。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明所采用的进气道喷水系统对柴油机结构改动较小，成本低；喷水实现的低温燃烧能够降低气缸壁传热量，能够提高柴油机热效率。
(2)本发明通过高、低压EGR系统灵活控制EGR率，能够减小减小泵气功损失，具有提高热效率的潜力。
(3)本发明中EGR结合喷水实现更容易实现低温燃烧，能够拓宽清洁燃烧的工作范围，在全工况范围实现超低NOx排放。
(4)在部分柴油机的工作区域，做到仅使用喷水系统工作实现低温燃烧，减少对EGR系统的依赖性，能够提高柴油机的可靠性。
附图说明
图1是本发明高效清洁燃烧柴油机的示意。
附图标记：1排气背压阀，2低压废气再循环阀，3微粒捕集器，4低压废气再循环冷却器，5一号单向阀，6燃油供应管路，7增压系统，701涡轮，702压气机，8供油装置，9空气滤清器，10供水装置，11水供应管路，12高压废气再循环阀，13高压废气再循环冷却器，14二号单向阀，15进气增压中间冷却器，16进气节流阀，17柴油机本体，18进气道，19喷水器，20发动机控制单元，21喷油器，22排气道，A废气进口，B废气出口，C空气出口，D空气进口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述，所描述的具体实施方式仅对本发明进行解释说明，不用以限制发明。
传统柴油机通过引入废气实现低温燃烧的同时，降低发动机的缸内氧含量使得燃烧效率降低，燃烧速率放缓，燃烧持续期延长，导致燃油经济性降低。通过在进气道中增加一个喷水装置，此时喷出的水为雾态，不会导致新鲜空气进气量的减少，能够提高缸内工质的总热容，降低缸内的燃烧温度，降低缸内的传热损失，从而实现高效燃烧；同时，缸内燃烧温度的降低有利于降低NOx的形成，且缸内燃烧的氧浓度保持不变，能够降低PM的排放，从而能够打破NOx和soot排放之间存在的折衷关系。将喷水与EGR结合更容易实现低温燃烧，能够实现超低排放的同时，提高发动机的热效率，且能有效拓宽高效清洁燃烧的工作范围，本发明要提出的就是这样一种能获得以上效果的装置。
如图1所示，本发明高效清洁燃烧柴油机，包括柴油机本体17，所述柴油机本体17连接有进气道18和排气道22，所述进气道18上设置有进气增压中间冷却器15。所述柴油机本体17设置有喷水系统、喷油系统、增压系统7、高压EGR系统、低压EGR系统。
所述喷水系统包括喷水器19、水供应管路11和供水装置10。所述柴油机本体17的每个进气歧管中均设置有喷水器19，喷水器19的数量是对应气缸数量的整数倍，即六缸机采用六个喷水器19。每个喷水器19均通过水供应管路11与供水装置10连接，每个喷水器19均与发动机控制单元20电连接。供水装置10提供高压水，通过水供应管路11送到每个进气歧管中的喷水器19。喷水系统中保持喷水压力与进气道18中压力压差范围在0.5MPa～1Mpa且保持恒定，这样可以保证水以雾态的形式从喷水器19中喷出与进气道18中的空气进行混合同时保证喷水量的控制。喷水量的多少由发动机控制单元20进行控制，发动机控制单元20向喷水器19发送周期脉冲信号，在喷水压力保持恒定时，喷水量的多少由脉冲的持续时间决定。此时，喷水器19的工作应该结合曲轴转角的相位进行控制喷水器19，使之在对应气缸的进气冲程内进行喷水，以防止水在管道上凝结成团。
所述喷油系统包括喷油器21、燃油供应管路6和供油装置8。所述柴油机本体17的每个气缸内均设置有一个喷油器21，每个喷油器21均通过燃油供应管路6与供油装置8连接，每个喷油器21均与发动机控制单元20电连接。油供装置8提高高压油，通过燃油供应管路6送到每个气缸的喷油器21。油路中保持压力在80MPa～300MPa，保证缸内喷油的雾化效果。喷油的控制由发动机控制单元20结合燃油机曲轴转角的相位进行控制。
所述增压系统7的废气进口A与排气道22连接，所述增压系统7的废气出口B连接有废气排放管道，所述增压系统7的空气进口D通过管路连接有空气滤清器9，所述增压系统7的空气出口C与进气道18连接。所述增压系统7的形式包括但不局限于单级增压或两级增压或机械增压等形式(图中所示为两级增压)。其中，所述增压系统7包括涡轮701和压气机702，所述涡轮701和压气机702之间刚性连接，所述涡轮701分别与排气道22和废气排放管道连接，所述压气机702分别与进气道18和空气滤清器9连接。废气从排气道22进入增压系统7的涡轮701，带动涡轮701旋转，涡轮701与压气机702中间为刚性连接，从而推动压气机702，对从空气滤清器9进入压气机702中的新鲜空气进行增压，新鲜空气增压后进入进气增压中间冷却器15，冷却后进入进气道18为柴油机提供增压空气。
所述高压EGR系统包括高压废气再循环阀12、高压废气再循环冷却器13、二号单向阀14和进气节流阀16，所述高压废气再循环阀12、高压废气再循环冷却器13、二号单向阀14沿气体流动方向依次设置于高压EGR回路上，所述高压EGR回路连接于进气道18和排气道22之间。所述进气节流阀16设置于高压EGR回路与进气道18交口且靠近进气增压中间冷却器15出气口的进气道18上。废气经高压EGR回路流经高压废气再循环阀12、高压废气再循环冷却器13、二号单向阀14，其中高压废气再循环阀12通过控制阀的开度来控制废气的引入量；高压废气再循环冷却器13对废气进行冷却，以防止进气温度过高，降低柴油机的充气系数；二号单向阀14用来防止进气道18中的气体回流进入排气道22。当进气道18中压力与增压系统7的涡轮701前的压差无法提供足够的压差来保证EGR率时，关小进气节流阀16的开度来提高涡前与进气道18中的压力差，使得废气能从排气道22中进入进气道18中。
所述低压EGR系统包括排气背压阀1、低压废气再循环阀2、微粒捕集器3、低压废气再循环冷却器4和一号单向阀5，所述排气背压阀1设置于废气排放管道上，所述低压废气再循环阀2、微粒捕集器3、低压废气再循环冷却器4、一号单向阀5沿气体流动方向依次设置于低压EGR回路上，所述低压EGR回路连接于增压系统7的废气出口B和空气进口D之间。废气从增压系统7的涡轮701出来以后，打开低压废气再循环阀2，经过微粒捕集器3去除废气的颗粒物，以防止损坏压气机702，在进入低压废气再循环冷却器4，冷却废气，然后通过一号单向阀5进入空气滤清器9后的管路，与新鲜空气混合进入增压系统7的压气机702中。当提供的低压EGR率不足时，可以减小排气背压阀1的开度，以提高排气背压，提高低压EGR率。
进气道18中的气体组成包括来自于大气环境的空气、来自高压EGR系统的废气、来自低压EGR系统的废气，其中组成至少包括大气环境中的空气，其余二者为备选。
制定对于所用的喷水器19是本技术领域内技术人员采用常规的方法设计选型就能实现的；制定不同工况下的控制策略是本技术领域内的技术人员采用常规手段就能实现；在此不再赘述。
尽管上述结合示意图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，以上表述仅为示意性，并非限制性。本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以进行多种变形(例如发动机采用非增压、单级增压或两级增压、机械增压，气道喷水器采用单个喷水器或喷水器的位置产生变动)，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种高效清洁燃烧柴油机，包括柴油机本体(17)，所述柴油机本体(17)连接有进气道(18)和排气道(22)，所述进气道(18)上设置有进气增压中间冷却器(15)，其特征在于，所述柴油机本体(17)设置有喷水系统、喷油系统、增压系统(7)、高压EGR系统、低压EGR系统；
所述喷水系统包括喷水器(19)、水供应管路(11)和供水装置(10)，所述柴油机本体(17)的每个进气歧管中均设置有喷水器(19)，每个喷水器(19)均通过水供应管路(11)与供水装置(10)连接，每个喷水器(19)均与发动机控制单元(20)电连接；
所述喷油系统包括喷油器(21)、燃油供应管路(6)和供油装置(8)，所述柴油机本体(17)的每个气缸内均设置有一个喷油器(19)，每个喷油器(19)均通过燃油供应管路(6)与供油装置(8)连接，每个喷油器(19)均与发动机控制单元(20)电连接；
所述增压系统(7)的废气进口(A)与排气道(22)连接，所述增压系统(7)的废气出口(B)连接有废气排放管道，所述增压系统(7)的空气进口(D)通过管路连接有空气滤清器(9)，所述增压系统(7)的空气出口(C)与进气道(18)连接；
所述高压EGR系统包括高压废气再循环阀(12)、高压废气再循环冷却器(13)、二号单向阀(14)和进气节流阀(16)，所述高压废气再循环阀(12)、高压废气再循环冷却器(13)、二号单向阀(14)沿气体流动方向依次设置于高压EGR回路上，所述高压EGR回路连接于进气道(18)和排气道(22)之间；所述进气节流阀(16)设置于高压EGR回路与进气道(18)交口且靠近进气增压中间冷却器(15)出气口的进气道(18)上；
所述低压EGR系统包括排气背压阀(1)、低压废气再循环阀(2)、微粒捕集器(3)、低压废气再循环冷却器(4)和一号单向阀(5)，所述排气背压阀(1)设置于废气排放管道上，所述低压废气再循环阀(2)、微粒捕集器(3)、低压废气再循环冷却器(4)、一号单向阀(5)沿气体流动方向依次设置于低压EGR回路上，所述低压EGR回路连接于增压系统(7)的废气出口(B)和空气进口(D)之间。
2.根据权利要求1所述的高效清洁燃烧柴油机，其特征在于，所述增压系统(7)的形式包括但不局限于单级增压或两级增压或机械增压；所述增压系统包括涡轮(701)和压气机(702)，所述涡轮(701)和压气机(702)之间刚性连接，所述涡轮(701)分别与排气道(22)和废气排放管道连接，所述压气机(702)分别与进气道(18)和空气滤清器(9)连接。
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