CN112855394A - 一种新型内燃机进气及排气处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型内燃机进气及排气处理系统，涉及内燃机技术领域，解决内燃机尾气中含有大量有害气体及碳烟颗粒污染物的技术问题，系统包括光合作用室、惰性气体储存罐、氧气储存罐、第一氧气发生器、第一混合器、助燃气管、尾气排放管，助燃气管的一端连接进气管，另一端设有第一调节阀，第一混合器设在助燃气管上，尾气排放管的一端连接内燃机的排气管，另一端连接光合作用室，光合作用室通过第四导管连接氧气储存罐，排气管与光合作用室之间的尾气排放管上设有第六调节阀，第六调节阀通过第五导管连接第一混合器的输入端，第六调节阀与光合作用室之间的尾气排放管上设有尾气碳燃烧机构。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，更具体地说，它涉及一种新型内燃机进气及排气处理系统。
背景技术
众所周知，采用柴油、汽油等石化油料作为燃料的内燃机，需要在气缸中吸入空气，燃烧做功后产生二氧化碳、氮氧化合物NOx、碳氢化合物HC、碳烟颗粒、二氧化碳CO2，以及水等物质。同时，空气的组成成分中，氧气O2占比21％，氮气N2占比高达78％，无论是自然吸气式内燃机，还是涡轮增压内燃机，无论是平原地区，还是高原地区，内燃机吸入的空气中，氧气O2与氮气N2的比例是几乎不变的。由此可知，对于燃烧有帮助的氧气O2含量比例始终处于较低水平，且燃烧过程中，因为大量N2的存在，会导致以柴油作为燃料的内燃机将排放出大量的氮氧化合物NOx，而内燃机在重载或急加速过程中，因为大量燃料喷入气缸内燃烧做功，空燃比降低，将导致燃烧过程中氧气O2不足，从而产生较多的碳烟颗粒，严重影响环境。
无论是车用内燃机市场、非道路内燃机市场、还是船舶及发电用内燃机市场，排放法规的日益严苛已经对内燃机本体、进气处理及排气后处理提出了更高的要求。当前内燃机领域，排气后处理主要通过DOC(柴油机氧化催化器)对一氧化碳CO、HC碳氢化合物、氮氧化合物NOx进行氧化反应，生成二氧化碳CO2、水H2O、以及NO2，DPF(碳烟颗粒捕捉器)可以将排气中的颗粒成分被壁流式DPF捕捉拦截，从而实现颗粒的净化。为降低DPF系统阻力，DPF系统必须将拦截下来的颗粒中的碳烟烧掉，即再生。而SCR(喷射尿素溶液NH3的选择性催化还原装置)则对之前氧化反应生成的NO2进行催化反应生成N2和H2O。因DOC(柴油机催化氧化器)使用稀有贵金属作为催化剂，DPF(碳烟颗粒捕捉器)采用工艺复杂且使用寿命有限的陶瓷过滤载体、SCR需要消耗大量的NH3尿素溶液，累积使用成本较高，据统计，内燃机排放后处理装置的购置及维护成本已经占据发动机整机购置及维护成本的30％以上，甚至更高，且因为故障或使用寿命终结将产生大量废弃的后处理装置需要进行回收和处理，长远来看，不利于后处理装置的长期和大范围推广使用。
造成上述问题的主要原因在于，使用了石化油料，特别是燃烧所需的进气取自空气，且空气中含有比例较高的氮气N2，从而导致了内燃机排放的尾气中含有大量氮氧化合物NOx等有害气体及碳烟颗粒等污染物。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种新型内燃机进气及排气处理系统。
本发明的技术方案是：一种新型内燃机进气及排气处理系统，包括光合作用室、惰性气体储存罐、氧气储存罐、第一氧气发生器、第一混合器、助燃气管、尾气排放管，所述助燃气管的一端连接内燃机的进气管，另一端设有第一调节阀，所述第一混合器设在所述助燃气管上，所述惰性气体储存罐通过第一导管连接所述第一混合器与第一调节阀之间的助燃气管，所述第一导管上设有第二调节阀，所述氧气储存罐的输出端通过第二导管连接所述第一混合器与第一调节阀之间的助燃气管，所述第二导管上设有第三调节阀，所述第一氧气发生器的氧气输出端通过第三导管连接所述第一混合器与第一调节阀之间的助燃气管，所述第三导管上设有第四调节阀，所述尾气排放管的一端连接所述内燃机的排气管，另一端连接所述光合作用室，所述光合作用室通过第四导管连接所述氧气储存罐的输入端，所述第四导管上设有第五调节阀、第二氧气发生器、气泵，所述排气管与光合作用室之间的尾气排放管上设有第六调节阀，所述第六调节阀通过第五导管连接所述第一混合器的输入端，所述第六调节阀与光合作用室之间的尾气排放管上设有尾气碳燃烧机构。
作为进一步地改进，所述光合作用室包括顶部为透明的壳体，所述壳体内种植有C4植物，所述壳体内设有人造光源。
进一步地，所述C4植物包括玉米、甘蔗、高粱中的至少一种，所述人造光源为普通日光灯。
进一步地，所述第六调节阀与尾气碳燃烧机构之间的尾气排放管上设有第二混合器，所述第一氧气发生器的氧气输出端通过第六导管连接所述第二混合器的输入端，所述第六导管上设有第七调节阀，所述光合作用室通过第七导管连接所述第二混合器的输入端，所述第七导管上设有第八调节阀。
进一步地，还包括涡轮增压器，所述助燃气管、尾气排放管对应连接所述涡轮增压器的压气机、涡轮机。
进一步地，所述进气管与压气机之间的助燃气管上设有第一中冷器，所述第六调节阀与涡轮机之间的尾气排放管上设有第二中冷器。
进一步地，所述涡轮机与第二中冷器之间的尾气排放管上设有后处理装置。
进一步地，从所述排气管到所述第六调节阀之间的尾气排放管上依次设有后处理装置、第二中冷器。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：
本发明在内燃机启动阶段，通过惰性气体储存罐、氧气储存罐、第一氧气发生器供应惰性气体和氧气的混合气体，在内燃机运行阶段，通过氧气储存罐、第一氧气发生器、第五导管供应尾气和氧气的混合气体，可以极大减少NOx化合物的排放，减少对后处理系统的依赖，降低后处理系统的使用负荷，延长后处理装置的使用寿命，节约运营和维护成本，通过尾气碳燃烧机构进一步将尾气中的碳烟颗粒进行充分灼烧，产生的CO2和H2O，可极大减少碳烟颗粒的排放，其中CO2输送到光合作用室，通过C4植物高效吸收CO2并进行光合作用释放氧气，使得光合作用室内的氧气含量比外界的高，再将光合作用室内的氧气输送到氧气储存罐进行储存，可以在提高系统性能的同时减少CO2的排放量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中光合作用室的结构示意图；
图3为本发明中尾气碳燃烧机构的结构示意图。
其中：1-光合作用室、2-惰性气体储存罐、3-氧气储存罐、4-第一氧气发生器、5-第一混合器、6-助燃气管、7-尾气排放管、8-内燃机、9-进气管、10-第一调节阀、11-第一导管、12-第二调节阀、13-第二导管、14-第三调节阀、15-第三导管、16-第四调节阀、17-排气管、18-第四导管、19-第五调节阀、20-第二氧气发生器、21-第一气泵、22-第六调节阀、23-第五导管、24-尾气碳燃烧机构、25-第一壳体、26-人造光源、27-第二混合器、28-第六导管、29-第七调节阀、30-第七导管、31-第八调节阀、32-涡轮增压器、33-压气机、34-涡轮机、35-第一中冷器、36-第二中冷器、37-后处理装置、38-充气管、39-第二气泵、40-空气进口、41-氮气进口、42-第二壳体、43-电炉丝。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图1-3，一种新型内燃机进气及排气处理系统，包括光合作用室1、惰性气体储存罐2、氧气储存罐3、第一氧气发生器4、第一混合器5、助燃气管6、尾气排放管7。助燃气管6的一端连接内燃机8的进气管9，另一端设有第一调节阀10，第一混合器5设在助燃气管6上。惰性气体储存罐2通过第一导管11连接第一混合器5与第一调节阀10之间的助燃气管6，第一导管11上设有第二调节阀12。氧气储存罐3的输出端通过第二导管13连接第一混合器5与第一调节阀10之间的助燃气管6，第二导管13上设有第三调节阀14。第一氧气发生器4的氧气输出端通过第三导管15连接第一混合器5与第一调节阀10之间的助燃气管6，第三导管15上设有第四调节阀16。尾气排放管7的一端连接内燃机8的排气管17，另一端连接光合作用室1，光合作用室1通过第四导管18连接氧气储存罐3的输入端，第四导管18上设有第五调节阀19、第二氧气发生器20、第一气泵21。排气管17与光合作用室1之间的尾气排放管7上设有第六调节阀22，第六调节阀22通过第五导管23连接第一混合器5的输入端。第六调节阀22与光合作用室1之间的尾气排放管7上设有尾气碳燃烧机构24。
光合作用室1包括顶部为透明的第一壳体25，第一壳体25内种植有C4植物，第一壳体25内设有人造光源26。C4植物包括玉米、甘蔗、高粱中的至少一种，人造光源26为普通日光灯。
尾气碳燃烧机构24包括第二壳体42，第二壳体42的两端分别连接尾气排放管7，第二壳体42的内部设有电炉丝43，电炉丝43与外部电源连接。
工作原理：
当内燃机启动时，可以通过控制第二调节阀12、第三调节阀14、第四调节阀16的开度使氧气和惰性气体按照第一设定比例混合均匀后输入内燃机8的进气管9，以供内燃机运行，惰性气体不参与燃烧，主要用于调节进气管8内氧气的比例，防止氧气的比例过高产生燃烧过热而出现烧缸的问题；第一设定比例为惰性气体:氧气＝3.7:1～1:1，且惰性气体与氧气的比例连续可调；
当内燃机启动成功后，可以通过控制第三调节阀14、第四调节阀16、第六调节阀22的开度使氧气和尾气按照第二设定比例混合均匀后输入进气管9，以供内燃机运行，第二设定比例为尾气:氧气＝1:1～7:1，且尾气与氧气的比例连续可调，可根据内燃机运行工况对氧气的需求量进行实时调节，使得内燃机8始终处于最佳的空燃比状态，满足动力性、经济性、以及减少碳烟颗粒的排放；
当内燃机运行时，外部电源给电炉丝43供电，电炉丝43加热到设定温度将尾气中的碳烟颗粒进行充分灼烧，产生的CO2和H2O，产生的CO2输送到光合作用室1，通过C4植物高效吸收CO2并进行光合作用释放氧气，使得光合作用室1内的氧气含量比外界的高，再将光合作用室1内的氧气输送到氧气储存罐3进行储存，可以在提高系统性能的同时减少CO2的排放量。
惰性气体可以是氦气、氖气、氩气、氪气、氙气中的任意一种，作为优选，本实施例中的惰性气体为氩气。
第六调节阀22与尾气碳燃烧机构24之间的尾气排放管7上设有第二混合器27，第一氧气发生器4的氧气输出端通过第六导管28连接第二混合器27的输入端，第六导管28上设有第七调节阀29，光合作用室1通过第七导管30连接第二混合器27的输入端，第七导管30上设有第八调节阀31，可以保证尾气碳燃烧机构24内氧气充足，从而保证碳烟颗粒进行充分灼烧。
第一氧气发生器4的氧气输出端通过充气管38连接氧气储存罐3，充气管38上设有第二气泵39，可以及时补充氧气到氧气储存罐3内。
第一氧气发生器4、第二氧气发生器20结构相同，均为多孔碳分子筛式制氧机，对空气加压后，空气从空气进口40进入氧气发生器，利用氧气动力学直径小于氮气动力学直径，氧气在碳分子筛中的扩散速度快于氮气的特点，对空气中的氮气和氧气进行分离，氮气从氮气出口41排出。当然，在其他实施例中，氧气发生器也可以采用深冷空气分离式制氧机，利用液氮的沸点高于液氧沸点的原理进行分离制取氧气。
实施例1
从排气管17到第六调节阀22之间的尾气排放管7上依次设有后处理装置37、第二中冷器36。后处理装置37包括柴油机氧化催化器DOC、碳烟颗粒捕捉器DPF、选择性催化还原装置SCR中的至少一种。作为优选，本实施例中的后处理装置37包括依次连接的柴油机氧化催化器DOC、选择性催化还原装置SCR。因为燃油中主要含有碳C、氢H、硫S元素，氮N元素含量极少，进入内燃机气缸中的混合气中也主要含有氧气与氩气，所以氮气或氮元素化合物含量极少。因此在尾气后处理装置中，DOC装置将主要对一氧化碳CO、HC碳氢化合物进行氧化反应，主要生成二氧化碳CO2、水H2O、部分碳烟颗粒，以及将极微量NOx氧化为NO2。而SCR装置则对之前在DOC中氧化反应生成的极微量的NO2进行催化反应生成微量N2和H2O。设置SCR的主要作用是，第一氧气发生器4及氧气储存罐3均全部失效无氧气产生时，以及其他紧急情况需要从大气中取气时，第二调节阀12、第三调节阀14、第四调节阀16将同时关闭，第一调节阀10打开，内燃机7从大气中取气，此时空气中的氮气含量高达78％，所以此时需要SCR对尾气中大量的NOx进行处理，以保证环保法规要求。当第一氧气发生器4及氧气储存罐3均能正常工作时，内燃机的尾气中仅含有极微量的NOx，SCR装置尿素喷淋量也大为减少，从而节省内燃机的使用成本，以及延长SCR装置的使用寿命。
实施例2
本实施例中的系统还包括涡轮增压器32，助燃气管6、尾气排放管7对应连接涡轮增压器32的压气机33、涡轮机34，进气管9与压气机33之间的助燃气管6上设有第一中冷器35，用于冷却增压后的进气，第六调节阀22与涡轮机34之间的尾气排放管7上设有第二中冷器36，可以设定冷却后的尾气温度小于70℃，同时较低的温度可降低排气能量，使得尾气中的碳烟颗粒分子热运动大幅衰减，残留的碳烟颗粒在第二中冷器36中将得到进一步沉降和汇集。涡轮机34与第二中冷器36之间的尾气排放管7上设有后处理装置37，后处理装置37包括柴油机氧化催化器DOC、碳烟颗粒捕捉器DPF、选择性催化还原装置SCR中的至少一种。作为优选，本实施例中的后处理装置37包括依次连接的柴油机氧化催化器DOC、碳烟颗粒捕捉器DPF、选择性催化还原装置SCR。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (8)
1.一种新型内燃机进气及排气处理系统，其特征在于，包括光合作用室(1)、惰性气体储存罐(2)、氧气储存罐(3)、第一氧气发生器(4)、第一混合器(5)、助燃气管(6)、尾气排放管(7)，所述助燃气管(6)的一端连接内燃机(8)的进气管(9)，另一端设有第一调节阀(10)，所述第一混合器(5)设在所述助燃气管(6)上，所述惰性气体储存罐(2)通过第一导管(11)连接所述第一混合器(5)与第一调节阀(10)之间的助燃气管(6)，所述第一导管(11)上设有第二调节阀(12)，所述氧气储存罐(3)的输出端通过第二导管(13)连接所述第一混合器(5)与第一调节阀(10)之间的助燃气管(6)，所述第二导管(13)上设有第三调节阀(14)，所述第一氧气发生器(4)的氧气输出端通过第三导管(15)连接所述第一混合器(5)与第一调节阀(10)之间的助燃气管(6)，所述第三导管(15)上设有第四调节阀(16)，所述尾气排放管(7)的一端连接所述内燃机(8)的排气管(17)，另一端连接所述光合作用室(1)，所述光合作用室(1)通过第四导管(18)连接所述氧气储存罐(3)的输入端，所述第四导管(18)上设有第五调节阀(19)、第二氧气发生器(20)、第一气泵(21)，所述排气管(17)与光合作用室(1)之间的尾气排放管(7)上设有第六调节阀(22)，所述第六调节阀(22)通过第五导管(23)连接所述第一混合器(5)的输入端，所述第六调节阀(22)与光合作用室(1)之间的尾气排放管(7)上设有尾气碳燃烧机构(24)。
2.根据权利要求1所述的一种新型内燃机进气及排气处理系统，其特征在于，所述光合作用室(1)包括顶部为透明的第一壳体(25)，所述第一壳体(25)内种植有C4植物，所述第一壳体(25)内设有人造光源(26)。
3.根据权利要求2所述的一种新型内燃机进气及排气处理系统，其特征在于，所述C4植物包括玉米、甘蔗、高粱中的至少一种，所述人造光源(26)为普通日光灯。
4.根据权利要求1所述的一种新型内燃机进气及排气处理系统，其特征在于，所述第六调节阀(22)与尾气碳燃烧机构(24)之间的尾气排放管(7)上设有第二混合器(27)，所述第一氧气发生器(4)的氧气输出端通过第六导管(28)连接所述第二混合器(27)的输入端，所述第六导管(28)上设有第七调节阀(29)，所述光合作用室(1)通过第七导管(30)连接所述第二混合器(27)的输入端，所述第七导管(30)上设有第八调节阀(31)。
5.根据权利要求1所述的一种新型内燃机进气及排气处理系统，其特征在于，从所述排气管(17)到所述第六调节阀(22)之间的尾气排放管(7)上依次设有后处理装置(37)、第二中冷器(36) 。
6.根据权利要求1所述的一种新型内燃机进气及排气处理系统，其特征在于，还包括涡轮增压器(32)，所述助燃气管(6)、尾气排放管(7)对应连接所述涡轮增压器(32)的压气机(33)、涡轮机(34)。
7.根据权利要求6所述的一种新型内燃机进气及排气处理系统，其特征在于，所述进气管(9)与压气机(33)之间的助燃气管(6)上设有第一中冷器(35)，所述第六调节阀(22)与涡轮机(34)之间的尾气排放管(7)上设有第二中冷器(36)。
8.根据权利要求7所述的一种新型内燃机进气及排气处理系统，其特征在于，所述涡轮机(34)与第二中冷器(36)之间的尾气排放管(7)上设有后处理装置(37)。
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