CN111237099A - 一种配置过滤装置的高egr率单缸机废气再循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，包括气缸单元、背压阀、前置滤器、EGR冷却器、螺杆压气机、油气分离器、EGR率调节阀、EGR二级冷却器以及EGR止回阀，其中：气缸单元采通入压缩空气，压缩空气燃烧后产生的排气一路从排气总管经背压阀排出；另一路经过EGR开关阀依次经过前置滤器、EGR冷却器、螺杆压气机、油气分离器、EGR率调节阀、EGR二级冷却器以及EGR止回阀再进入气缸单元，形成循环回路。本发明能够采用高EGR率有效实现高密度‑低温燃烧的燃烧策略，实现船用柴油机低排放和高效率。
Description
技术领域
本发明涉及废气处理领域，具体地，涉及一种配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统。
背景技术
随着材料学科、制造能力、环保意识以及电子技术等不断的发展，高功率密度、低排放成为当前船用柴油机领域产品创新和新技术研发的主要方向。在高功率密度方面，意味着更高航速、机动性、更大装载能力和更大容量供电能力。而环境保护意识的不断提高，国际相关组织对船用柴油机排放限制也越来越严格，特别是国际海事组织Tier III的实施给船用柴油机的发展带来重大影响。
EGR(Exhaust Gas Recirculation,废气再循环系统)技术是目前实用有效的降低柴油机NOx排放的机内控制措施之一，但它也会给柴油机带来一些不良的影响，如可能导致燃油消耗率和颗粒排放上升，因此在船用柴油机领域实际应用较少。但另一方面，采用高EGR率(>50％)则是实现低温燃烧模式的一个主要方案，柴油机实现低温燃烧一直是低温燃烧研究领域的难点，其中EGR率是指再循环废气量与吸入气缸的进气总量之比。天津大学苏万华教授在十年“973项目”的支持下，提出高密度-低温燃烧理论，结合高EGR率使柴油机在降低NOx排放的同时，不产生更多的Soot排放物，且能维持输出功率。实现上述要求的另一个关键是提高柴油机进气压力来保持燃烧过程所需的空气量，保证缸内平均当量比在一定限值之内。
综上，随着船用柴油机对高功率密度的追求，以及实施严格的排放法规，单级涡轮增压的进气压力(＜0.5MPa)已经不能满足柴油机大范围流量使用需求。提高进气压力和平均有效压力，满足更多的新鲜充量需求，进一步增加EGR率，高密度低温燃烧技术成为发展的主要方向之一。
目前，EGR技术广泛使用在作为满足Tier III排放标准的一种机内净化技术措施。在“高密度-低温燃烧”策略中，进一步需要通过采用更高EGR率来降低缸内温度，实现低温燃烧，控制缸内的温度，抑制碳烟生成，从而允许在混合气较浓的条件下实现低碳烟排放，得到较好的氮氧化物和碳烟排放折中结果。在进气压力超高(0～1Mpa)的单缸柴油机上采用更高EGR率实现“高密度-低温燃烧”策略，必须要解决的技术问题有2个：克服更大的进排气压力逆差和解决碳烟、硫化物对系统部件的堵塞、腐蚀问题。
首先，为满足缸内低温燃烧研究的要求，EGR率需要大幅扩展。EGR率评价方法较多，通过测量进、排气管中的CO2或O2浓度进行计算。EGR率调整范围受排气背压和进气压力之差影响较大，克服进排气压力逆差是EGR系统设计的主要难点。专利CN 102937043 B(一种EGR滤水箱和滤水式废气再循环系统)中特别说明在没有运用特殊手段的情况下，EGR率很难超过25％。增压柴油机，特别是两级高增压柴油机的进气压力在增压加压作用后，在高负荷时进气压力更高，造成排气管内的平均压力相对进气管的平均压力更低。为研制功率密度和热效率更高、更低排放大功率柴油机，开发的新型单缸柴油机采用“高密度-低温燃烧”技术，显著特点是具备超高进气压力，同时要求尽可能实现70％左右的高EGR率，必须首先克服进排气压力逆差问题。
其次，EGR技术是把上一循环的部分燃烧产物引入新鲜可燃混合气中，从而降低NOx有害燃烧产物的排放，由于排气中含有碳烟颗粒、硫氧化物等成分，会对EGR冷却器、EGR压气机等部件产生腐蚀、污染等不利影响。通过制定严格的排放标准，特别是针对船用柴油机的污染物排放，国际和国内法规要求的船用油品燃料的硫含量大幅降低，国际海事组织附则6要求2012年船舶燃料硫含量不高于3.5％，至2020年硫含量不高于0.5％。我国船用燃料油质量按照国际标准IS08217执行：硫含量≤0.1％m/m，通过制定燃料法规大幅减少了二氧化硫排放，但是碳烟仍然存在，在经过EGR冷却后，碳烟与冷凝后水蒸气聚合粒径会长大并粘结，微量的硫元素会析出会生成极少的硫酸等腐蚀产物。
综上，本专利主要解决的问题是：在具备超高进气压力的大功率单缸柴油机上设计一种带过滤装置的废气再循环系统，克服更大的进排气压力逆差和碳烟及腐蚀问题，实现70％左右的高EGR率，结合“高密度-低温燃烧”技术，实现船用柴油机低排放和高效率。
船用柴油机行业发展2013-2014年度研究报告披露，曼恩公司采用EGR增压器方式开发了32/44CR单缸机的的EGR系统。单缸机稳压箱的增压空气最大气压1MPa，克服进排气压力方式为EGR增压器，即将一部分废气进入EGR增压器涡轮中做功，做完功后排入大气环境，另一部分废气则进入EGR冷却器中冷却后通入压气机中压缩，增压后进入进气稳压箱中和新鲜空气混合，再度进行冷却后通入缸内参与燃烧，从而完成废气再循环。文献说明可以控制NOx排放降到Tier III排放限值，但是需要解决碳烟排放过高和耐腐蚀问题，没有开展进一步提高EGR率的研究；
哈尔滨工程大学张超等人在2012年左右设计研究某620型单缸柴油机EGR系统(见论文《船用柴油机EGR与掺水燃烧技术的研究》)，采用了类似曼恩公司单缸机EGR增压器的方式，但是EGR增压器的涡轮动力来源是由高压空气吹动，该高压空气来自于为柴油机提供进气的高压气源，压气机作为从动件由涡轮带动其旋转压缩废气进行升压。由于高压空气焓值明显低于高温燃气，EGR增压器能力受限，试验仅实现了25％工况以下10％EGR率，且存在Soot排放增加问题；
天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室张全长、郑尊清等人在论文《废气再循环对柴油机排气组分影响的试验研究》中说明了由于车用发动机进气压力较低(0.10MPa、0.15MPa、0.19MPa和0.24MPa)，试验时在排气管上安装背压阀，通过采用简单的背压阀开度控制，即可以实现EGR率有效调节，且实现了70％-80％的EGR率。对于超高进气压力的单缸柴油机，如果仅仅采用EGR阀门控制，会由于排气背压的急剧增加，过量空气系数显著减小，排气温度过高，超过单缸机热负荷，因此在高功率密度单缸柴油机上不能采用上述EGR背压阀方式。
专利CN 102937043 B(一种EGR滤水箱和滤水式废气再循环系统)在一台两级增压多缸发动机上的高、低压级管路间设计连接管路及EGR滤水装置、EGR阀门和EGR冷却器，为研究低温燃烧模式，将EGR率扩展至40％左右。专利描述的EGR滤水装置是将EGR气体中的冷凝水、部分凝结在其中的烟尘及碳氢化合物沉积在罐底，浮子所受液态浮力大于重力后，罐内液态排放。该滤水装置可靠性较差，在大功率柴油机的大流量条件下，无法实现工程应用，过滤水会迅速溢出，颗粒去除效率逐渐降低甚至无法实现。
专利US 2012/0137679 A1(INTERNAL COMBUSTION ENGINE EGR APPARATUS)采用电动EGR泵在一台4缸汽油机上实现了约60％的EGR率，EGR流量最大45g/s。汽油机采用尾气后处理装置SCR和颗粒捕集器，EGR气体取自后处理装置后的管路，无颗粒和硫化物的影响，EGR系统设计主要是冷却器和EGR泵。EGR泵采用具有压力适中、长期运行磨损后自补偿的偏心转子泵。但是对于大功率柴油机，由于存在明显的设计尺寸过大和堵塞技术问题，目前缺乏颗粒捕集器的实船应用说明。
现有技术方案不能满足大功率柴油机的高EGR率需求：
如采用EGR增压器模式，无论采用旁通部分柴油机废气还是采用单缸机进气源，均存在功率不足，无法克服较大进排气压差，不能实现高EGR率要求；
由于车用发动机的进气压力远小于当前高功率密度单缸机的要求，无法借鉴背压阀的形式，否则会带来热负荷的问题；
偏心转子泵容积效率较高、流量不随压力变化，长期运行磨损后自补偿，可以克服颗粒对EGR泵的影响，其特征在于压力适中，流体输送压力0.05～0.3Mpa，存在输出压力不足问题；
由于大功率船用柴油机上的颗粒捕集器应用存在很多技术难题没有克服，因此无法借鉴车用发动机技术去采用尾气后处理装置SCR和颗粒捕集器；
专利CN 102937043 B描述的EGR滤水装置可靠性较差，在大功率柴油机的大流量条件下，无法实现工程应用，过滤水会迅速溢出，颗粒去除效率逐渐降低甚至无法实现。
本发明的目的即提供一种配置过滤装置和EGR螺杆泵的废气再循环系统，可以应用在最高进气压力1MPa的大功率、高密度单缸上EGR系统，EGR泵压比可达2.2，最大可实现70％EGR率，实现“高密度-低温燃烧”燃烧策略控制。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统。
根据本发明提供的一种配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，包括气缸单元、背压阀、前置滤器、EGR冷却器、螺杆压气机、油气分离器、EGR率调节阀、EGR二级冷却器以及EGR止回阀，其中：
气缸单元采通入压缩空气，压缩空气燃烧后产生的排气一路从排气总管经背压阀排出；另一路经过EGR开关阀依次经过前置滤器、EGR冷却器、螺杆压气机、油气分离器、EGR率调节阀、EGR二级冷却器以及EGR止回阀再进入气缸单元，形成循环回路。
优选地，所述气缸单元的入口设置有能够产生稳定的进气压力的进气稳压桶；所述气缸单元的出口设置有能够产生稳定的排气压力的排气稳压桶。
优选地，压缩空气燃烧后产生的排气一路从排气总管经背压阀排出后接入SCR尾气处理装置。
优选地，前置滤器采用防腐不锈钢材质。
优选地，所述螺杆压气机通过变频电机控制。
优选地，还包括对螺杆压气机的螺杆进行冷却的闭式润滑冷却系统，所述闭式润滑冷却系统包括润滑油过滤器、润滑油泵以及热交换器，润滑油过滤器、润滑油泵、热交换器、螺杆压气机、油气分离器依次闭合连接。
优选地，还包括EGR模块控制单元，EGR模块控制单元对EGR止回阀、EGR开关阀、EGR率调节阀、背压阀以及螺杆压气机的变频电机进行控制。
优选地，还包括监测单元，所述监测检测单元对EGR冷却器前温度、螺杆压气机前温度和压力、螺旋压气机后压力、EGR调节阀开度、EGR二级冷却器前温度、EGR至进气管道前温度进行监测。
优选地，所述压缩空气的压力为0-1MPa。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过设置前置滤器和油气分离器，可以避免EGR气体的颗粒堵塞和腐蚀问题；
2、本发明拓宽了进气压力和EGR率的范围。通过螺杆压气机大压比和大流量的特点，实现0-1MPa进气压力下的单缸柴油机70％EGR率，避开离心式压比不足和高速电机的设计难点；同样不存在排气热负荷过高引起的材料选型问题；
3、本发明可靠性高，具有工程应用价值。部件拆卸清洗方便，更换周期长。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为废气再循环系统结构示意图；
图2为EGR遥控单元结构示意图；
图3为EGR系统浓度传感器测点示意图；
图中示出：
1、气缸单元，2、EGR开关阀，3、前置滤器，4、EGR冷却器，5、变频电机，6、螺杆压气机，7、油气分离器，8、EGR率调节阀，9、EGR二级冷却器，10、EGR止回阀，11、润滑油过滤器，12、润滑油泵，13、热交换器，14、背压阀。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图3所述，根据本发明提供的一种配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，包括气缸单元、背压阀、前置滤器、EGR冷却器、螺杆压气机、油气分离器、EGR率调节阀、EGR二级冷却器以及EGR止回阀。具体的：
单缸柴油机的气缸单元采用空压机提供的0～1MPa压缩空气，进入气缸单元前首先经过进气稳压桶产生稳定的进气压力，燃烧后产生的排气经过排气稳压桶消除排气压力波动后，在EGR开关阀打开时，分为两路：一路直接从排气总管经背压阀后排出，或后接SCR尾气处理装置；另一路经EGR开关阀进入再循环管路；EGR气体首先经过前置滤器，对碳烟进行过滤。柴油机尾气中含有烟尘、硫化物、氮氧化物，同时考虑烟气成分的腐蚀性和高温状态，前置滤器的筒体采用奥氏体不锈钢，过滤芯采用耐温600℃以上的防腐不锈钢材质，过滤精度20um。该材质由多层过滤精度不同的金属网丝复合而成，压制成圆筒状，可以长期可靠运行并且滤芯便于拆检清洗。能在流量17.8m3/min，碳烟含量0.25g/min下连续运行800小时以上；EGR系统去除颗粒和硫化物也可以采用复杂的脱硫装置(含预洗涤、洗涤器、碱液供给系统)替代。
通过监测压差阻力，定期(约3个月)对过滤网拆下并采用压缩空气清洗。另外，前置滤器还可以有一定的稳压作用，保障下游部件压气机的进气状态；
EGR气体经过滤后，进入EGR冷却器，将气体温度从500℃冷却至80℃，满足螺杆压气机进口温度限制要求。冷却后生成的少量冷凝水通过泄放孔排出，防止对下一部件压气机的润滑油产生乳化；
冷却后的EGR气体，经螺杆压气机增压。螺杆压气机具有压力和流量运行范围宽广，流量均匀连续特点。压缩机结构为双螺杆结构，壳体和阴、阳转子之间互不接触，即使气体中有少量的颗粒也不会引起磨损。螺杆压气机也可以通过罗茨式或其他类似结构的压气机替代，此处不再列举。
螺杆压缩机采用喷油冷却，保证压缩过程中介质的温度在80℃左右，既可以控制排气温度高于水汽露点温度，同时保证压缩机内部工作间隙的稳定性；
设计工况点下的螺杆压气机压比可达2.2，进气流量可达1087Nm3/min(380g/s)，在进气压力0-1MPa的单缸机上实现70％的EGR率，为研究高功率密度单缸机低温燃烧提供条件；而常用离心式EGR泵需要匹配约15r/min的高速电机，工程上是无法实现的；
螺杆压缩机通过变频电机控制，电机调频范围5～100Hz。通过调节螺杆压气机的转速，可以满足不同高、低柴油机工况下不同EGR流量的调节需求；
采用喷油冷却压气机对气体增压后，出口EGR气体进入油气分离器，对油气混合物进行分离和过滤，利用旋转离心作用分离后的油因内压作用重新喷入润滑系统进行闭式循环。油气分离器由气液过滤丝网、丝网格栅支撑组成，不但能滤除悬浮在气流中的较大液滴，而且能过滤较小和微小的颗粒。对油气分离器中的液体进行液位监测，定期进行手动排污处理。这样通过分离后进一步去除了液滴和颗粒悬浮物，生成洁净的气体；
螺杆压气机组为撬装形式，包括压气机螺杆、变频电机、油气分离器、闭式润滑冷却系统，闭式润滑冷却系统是对螺杆压气机的螺杆部件进行润滑冷却，闭式润滑冷却系统包括润滑油过滤器、润滑油泵、热交换器、微电脑控制器；
EGR气体从油气分离器出来后，经过EGR率调节阀，通过阀门开度调节结合压气机转速调节，共同对EGR气体的压力和流量进行控制；
EGR气体在进入气缸单元进气管路前，还需要经过EGR二级冷却器。螺杆压气机增压后的气体温度随压力升高至约150℃，必须冷却至≤45℃,才能进入气缸单元，否则与进气管内空气混合后的进气温度增加，进气量减小，功率密度减小，影响缸内燃烧情况；
EGR气体在进入进气管路前，经过EGR止回阀。EGR止回阀的作用是在EGR气体压力略高于进气管内压力时，EGR气体流入进气管，而不会出现气流方向；
EGR气体和进气管内气体通过进气稳压桶稳压和均匀混合后，进气单缸机的气缸内，实现废气再循环功能。
本技术方案提供的废气再循环系统监测包括系统EGR冷却器前温度T1、螺杆压气机前温度T2和压力P1、压气机后压力P2、EGR调节阀开度D1、EGR二次冷却前温度T3、EGR至进气管道前温度T4等参数，确保系统正常运行，见图1所示。并通过EGR模块控制单元进行遥控，控制输入包括：压气机的变频电机、EGR率调节阀、EGR开关阀、背压阀。通过打开或关闭EGR开关阀和压气机的变频电机，实现EGR功能的打开或关闭；通过控制压气机的变频电机的频率即电机转速和EGR率调节阀开度，实现EGR流量即EGR率的控制。
本技术方案提供的废气再循环系统通过氧传感器(或二氧化碳传感器)检测进气和排气管道中氧气(或二氧化碳)的浓度，进行EGR率的计算，并通过EGR瞬态测量仪进行瞬态监测，如图3所示。由于氧传感器本身存在测量偏差，特别是在高压力和温度下，因此采用两种方式互相校对，减小浓度传感器测量引起的偏差。
本发明的EGR系统的设计参数如下表1所示。
表1 EGR系统设计参数
螺杆压气机的参数如下表2所示。
表2螺杆压气机设计参数
本发明在具备超高进气压力的大功率单缸柴油机上设计一种带过滤装置的废气再循环系统，克服更大的进排气压力逆差和碳烟及腐蚀问题，实现70％左右的高EGR率，结合“高密度-低温燃烧”技术，实现船用柴油机低排放和高效率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，其特征在于，包括气缸单元、背压阀、前置滤器、EGR冷却器、螺杆压气机、油气分离器、EGR率调节阀、EGR二级冷却器以及EGR止回阀，其中：
气缸单元采通入压缩空气，压缩空气燃烧后产生的排气一路从排气总管经背压阀排出；另一路经过EGR开关阀依次经过前置滤器、EGR冷却器、螺杆压气机、油气分离器、EGR率调节阀、EGR二级冷却器以及EGR止回阀再进入气缸单元，形成循环回路。
2.根据权利要求1所述的配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，其特征在于，所述气缸单元的入口设置有能够产生稳定的进气压力的进气稳压桶；所述气缸单元的出口设置有能够产生稳定的排气压力的排气稳压桶。
3.根据权利要求1所述的配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，其特征在于，压缩空气燃烧后产生的排气一路从排气总管经背压阀排出后接入SCR尾气处理装置。
4.根据权利要求1所述的配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，其特征在于，前置滤器采用防腐不锈钢材质。
5.根据权利要求1所述的配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，其特征在于，所述螺杆压气机通过变频电机控制。
6.根据权利要求1所述的配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，其特征在于，还包括对螺杆压气机的螺杆进行冷却的闭式润滑冷却系统，所述闭式润滑冷却系统包括润滑油过滤器、润滑油泵以及热交换器，润滑油过滤器、润滑油泵、热交换器、螺杆压气机、油气分离器依次闭合连接。
7.根据权利要求1所述的配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，其特征在于，还包括EGR模块控制单元，EGR模块控制单元对EGR止回阀、EGR开关阀、EGR率调节阀、背压阀以及螺杆压气机的变频电机进行控制。
8.根据权利要求1所述的配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，其特征在于，还包括监测单元，所述监测检测单元对EGR冷却器前温度、螺杆压气机前温度和压力、螺旋压气机后压力、EGR调节阀开度、EGR二级冷却器前温度、EGR至进气管道前温度进行监测。
9.根据权利要求1所述的配置过滤装置的高EGR率单缸机废气再循环系统，其特征在于，所述压缩空气的压力为0-1MPa。
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