CN112879189A - 一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统，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、混合器、助燃气管、尾气排放管，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，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，光合作用室通过第一导管连接氧气储存罐的，第一导管上设有第五调节阀、第二氧气发生器、第一气泵，排气管上设有第六调节阀，第六调节阀通过第二导管连接混合器，第一氧气发生器通过第三导管连接氧气储存罐的输入端，第三导管上设有第二气泵。

Description

一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，更具体地说，它涉及一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统。
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可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统。
本发明的技术方案是：一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统，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、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，所述混合器设在所述助燃气管上，所述惰性气体储存罐通过第二调节阀连接所述混合器与第一调节阀之间的助燃气管，所述氧气储存罐的输出端通过第三调节阀连接所述混合器与第一调节阀之间的助燃气管，所述第一氧气发生器的氧气输出端通过第四调节阀连接所述混合器与第一调节阀之间的助燃气管，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一导管连接所述氧气储存罐的输入端，所述第一导管上设有第五调节阀、第二氧气发生器、第一气泵，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二导管连接所述混合器的输入端，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氧气储存罐的输入端，所述第三导管上设有第二气泵。
作为进一步地改进，所述混合器包括混合筒，所述混合筒的两端分别为输入端和输出端，所述混合筒的内壁设有螺旋叶。
进一步地，所述混合器的输入端设有减压阀。
进一步地，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，所述排气管与第六调节阀之间的尾气排放管依次设有柴油机氧化催化器、碳烟颗粒捕捉器、选择性催化还原装置。
进一步地，所述选择性催化还原装置与第六调节阀之间的尾气排放管设有中冷器。
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、第二导管供应尾气和氧气的混合气体，可以极大减少氮气的输入量，从而极大减少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；通过将尾气中的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为本发明中混合器的结构示意图。
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-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-第二调节阀、12-第三调节阀、13-第四调节阀、14-排气管、15-第一导管、16-第五调节阀、17-第二氧气发生器、18-第一气泵、19-第六调节阀、20-第二导管、21-第三导管、22-第二气泵、23-混合筒、24-螺旋叶、26-减压阀、27-壳体、28-人造光源、29-中冷器、30-空气进口、31-氮气进口。
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1-3，一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统，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、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，混合器5设在助燃气管6上。惰性气体储存罐2通过第二调节阀11连接混合器5与第一调节阀10之间的助燃气管6，氧气储存罐3的输出端通过第三调节阀12连接混合器5与第一调节阀10之间的助燃气管6，第一氧气发生器4的氧气输出端通过第四调节阀13连接混合器5与第一调节阀10之间的助燃气管6。尾气排放管7的一端连接内燃机8的排气管14，另一端连接光合作用室1，光合作用室1通过第一导管15连接氧气储存罐3的输入端，第一导管15上设有第五调节阀16、第二氧气发生器17、第一气泵18，可以向氧气储存罐3补充氧气。排气管14与光合作用室1之间的尾气排放管7上设有第六调节阀19，第六调节阀19通过第二导管20连接混合器5的输入端。第一氧气发生器4的氧气输出端通过第三导管21连接氧气储存罐3的输入端，第三导管21上设有第二气泵22，可以向氧气储存罐3补充氧气。
在本实施例中，混合器5包括混合筒23，混合筒23的两端分别为输入端和输出端，混合筒23的内壁设有螺旋叶24，可以提高气体混合的均匀性。混合器5的输入端设有减压阀26，防止进气压力过大而影响内燃机8的工作性能。
光合作用室1包括顶部为透明的壳体27，壳体27内种植有C4植物，壳体27内设有人造光源28，C4植物包括玉米、甘蔗、高粱中的至少一种，光合作用吸收CO2的效率高，人造光源28为普通日光灯，可以使C4植物在天气不好或晚上也能进行光合作用。
排气管14与第六调节阀19之间的尾气排放管7依次设有柴油机氧化催化器DOC、碳烟颗粒捕捉器DPF、选择性催化还原装置SCR。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11、第三调节阀12、第四调节阀13将同时关闭，第一调节阀10打开，内燃机8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。
选择性催化还原装置SCR与第六调节阀19之间的尾气排放管7设有中冷器29。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，残留的碳烟颗粒在中冷器29中将得到进一步沉降和汇集。
第一氧气发生器4、第二氧气发生器17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30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31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。
工作原理：
当内燃机启动时，可以通过控制第二调节阀11、第三调节阀12、第四调节阀13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12、第四调节阀13、第六调节阀19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，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。
本发明适用于大型船只的发电系统或陆地上的发电系统。
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、第二导管供应尾气和氧气的混合气体，可以极大减少氮气的输入量，从而极大减少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；通过将尾气中的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。
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 (7)

1.一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统，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)、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)通过第二调节阀(11)连接所述混合器(5)与第一调节阀(10)之间的助燃气管(6)，所述氧气储存罐(3)的输出端通过第三调节阀(12)连接所述混合器(5)与第一调节阀(10)之间的助燃气管(6)，所述第一氧气发生器(4)的氧气输出端通过第四调节阀(13)连接所述混合器(5)与第一调节阀(10)之间的助燃气管(6)，所述尾气排放管(7)的一端连接所述内燃机(8)的排气管(14)，另一端连接所述光合作用室(1)，所述光合作用室(1)通过第一导管(15)连接所述氧气储存罐(3)的输入端，所述第一导管(15)上设有第五调节阀(16)、第二氧气发生器(17)、第一气泵(18)，所述排气管(14)与光合作用室(1)之间的尾气排放管(7)上设有第六调节阀(19)，所述第六调节阀(19)通过第二导管(20)连接所述混合器(5)的输入端，所述第一氧气发生器(4)的氧气输出端通过第三导管(21)连接所述氧气储存罐(3)的输入端，所述第三导管(21)上设有第二气泵(22)。
2.根据权利要求1所述的一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统，其特征在于，所述混合器(5)包括混合筒(23)，所述混合筒(23)的两端分别为输入端和输出端，所述混合筒(23)的内壁设有螺旋叶(24)。
3.根据权利要求1所述的一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统，其特征在于，所述混合器(5)的输入端设有减压阀(26)。
4.根据权利要求1所述的一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统，其特征在于，所述光合作用室(1)包括顶部为透明的壳体(27)，所述壳体(27)内种植有C4植物，所述壳体(27)内设有人造光源(28)。
5.根据权利要求4所述的一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统，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(28)为普通日光灯。
6.根据权利要求1所述的一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统，其特征在于，所述排气管(14)与第六调节阀(19)之间的尾气排放管(7)依次设有柴油机氧化催化器(DOC)、碳烟颗粒捕捉器(DPF)、选择性催化还原装置(SCR)。
7.根据权利要求6所述的一种可实现低排放的新型内燃机进气及排气系统，其特征在于，所述选择性催化还原装置(SCR)与第六调节阀(19)之间的尾气排放管(7)设有中冷器(29)。
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