CN114718775A - 矿用防爆电喷柴油机egr系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种矿用防爆电喷柴油机EGR系统，包括与空气滤清器通气连接的文丘里管，与文丘里管通气连接的捕雾器，与发动机排气口通气连接的水冷排气歧管，与捕雾器通气连接且与水冷排气歧管通气并通液连接的增压器，一端与增压器通气通液连接的水冷排气总管，与水冷排气总管的另一端通气连接用于废气进行水洗的废气水洗组件，两端分别与废气水洗组件和文丘里管通气连接的废气循环通道组件，两端分别与增压器和发动机进气口通气连接的混合气通道组件，以及两端分别与水冷排气歧管和水冷排气总管通液连接的冷却循环水组件。本发明取消现有的EGR冷却器和蒸气发生装置，能在取用废气再循环量较少的情况下，实现防爆柴油机减少NOx排放目的。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机尾气净化装置技术领域，具体涉及一种矿用防爆电喷柴油机EGR系统。
背景技术
EGR（Exhaust Gas Re-circulation，废气再循环）是指把发动机排出的部分废气与新鲜空气混合后一起再次进入气缸，废气的加入稀释了空气中的氧浓度，从而使气缸内燃烧速度变缓，燃烧过程中的最高温度和平均温度均有所下降，破坏NOx生成的有利环境，从而大大降低氮氧化物（NOx）排放。EGR技术有外部EGR和内部EGR两种实现方式，内部EGR由于效果不佳，因此目前主要采用的是外部EGR技术，外部EGR是在发动机排气系统上接入废气再循环管路，将废气引出再导入到进气系统中，让废气在进入气缸之前与新鲜空气充分混合。外部EGR通常带有EGR阀、EGR阀控制器、EGR冷却器、蒸气发生装置以及相应的特殊管路，外部EGR可以实现对废气的诸多参数的精确控制，从而最大程度的实现EGR的作用。
防爆柴油机是煤矿井下主要的动力源之一。防爆柴油机由于其在煤矿井下使用环境的特殊性，限制了新技术的应用，导致其排放水平较落后。在矿井下，受巷道通风条件的限制，防爆柴油机排出的有害气体不能及时扩散，会使得巷道空气质量持续下降，严重危害矿下工作人员的身体健康，为此，在煤矿防爆柴油机上设置EGR系统以减少氮氧化物（NOx）等有害气体的排放十分必要。申请公布号为CN105156235A的中国专利文献即公开了一种矿用防爆电控EGR系统，该系统虽然能有效减少煤矿防爆柴油机的NOx排放，但是该系统再循环用废气为直接从增压器前排气管路引入的高温高压废气，因此必需配置EGR冷却器来满足防爆要求，并且其EGR阀工作时旁通掉了部分废气能量，影响增压器的性能进而影响发动机效率。因此，研制更为适用的矿用防爆柴油机EGR系统，显得必要。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中存在的问题，提供一种废气水洗式的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其通过结构改进设计，能够取消现有技术中常用的EGR冷却器，使用时不影响增压器的性能，并且可在废气再循环率尽可能小的情况下，抑制氮氧化物（NOx）等有害气体在发动机气缸内的生成。
本发明的技术方案是：本发明的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其结构特点是：包括使用时与矿用防爆电喷柴油机具有的空气滤清器通气连接的文丘里管，与上述文丘里管通气连接用于捕集再循环废气中析出水分的捕雾器，使用时与矿用防爆电喷柴油机具有的发动机排气口通气连接的水冷排气歧管，与上述捕雾器通气连接且与上述水冷排气歧管通气并通液连接的增压器，一端与上述增压器通气并通液连接的水冷排气总管，与上述水冷排气总管的另一端通气连接用于对发动机排出的废气进行水洗并排放的废气水洗组件，两端分别与上述废气水洗组件和文丘里管通气连接的废气循环通道组件，两端分别与上述增压器和发动机进气口通气连接的混合气通道组件，以及两端分别与上述水冷排气歧管和水冷排气总管通液连接的冷却循环水组件。
进一步的方案是：上述水冷排气歧管为设有废气通道和冷却水通道的异形管体件；水冷排气歧管设有进气口、出气口、进水口和出水口；水冷排气歧管由其进气口与上述发动机排气口通气连接；水冷排气歧管由其进水口与上述冷却循环水组件通液连接。
进一步的方案是：上述增压器包括压气机和涡轮机；上述压气机具有进气口和出气口，涡轮机具有废气进口、废气出口、冷却水进口以及冷却水出口；上述增压器由其压气机的进气口与捕雾器通气连接，增压器由其压气机的出气口与上述增压器混合气通道组件的一端通气连接，增压器由其涡轮机的进气口和冷却水进口分别与上述水冷排气歧管的出气口和出水口对应通气通液连接。
进一步的方案是：上述水冷排气总管包括设有气道和水道的双通道的管体，分设于上述管体两端的第一接口和第二接口，以及设于管体上与上述水道相通且靠近第二接口处的通水接口；水冷排气总管由其第一接口与上述涡轮机固定连接，并使得管体的气道和水道分别与上述涡轮机的废气出口和冷却水出口对应相通。
进一步的方案是：上述水冷排气总管的管体的中间还密封连接有一段用于增强废气冷却效果的波纹管。
进一步的方案是：上述冷却循环水组件包括水管、防爆冷却循环水散热器和防爆水泵；上述防爆冷却循环水散热器具有上水室和下水室，防爆冷却循环水散热器的上水室通过水管与上述水冷排气总管的通水接口通液连接，防爆冷却循环水散热器的下水室通过水管与防爆水泵通液连接，防爆水泵通过水管与上述水冷排气歧管的进水口通液连接。
进一步的方案是：上述废气水洗组件包括水洗箱、排气阻火器、水洗废气排气管和补水箱；上述水洗箱设有废气进口、废气出口以及补水接口，水洗废气排气管设有主排气口和循环废气出口；水洗箱由其废气进口与上述水冷排气总管的第二接口固定连接且水冷排气总管的管体的气道与水洗箱通气，水洗箱的废气出口经排气阻火器后与水洗废气排气管通气连接，水洗箱的补水接口与补水箱通液连接。
进一步的方案是：上述废气循环通道组件包括循环废气管，可通气地设于上述循环废气管上的电控EGR阀，与上述电控EGR阀电连接用于控制电控EGR阀的启闭以及工作时的开度以满足柴油机各个运行工况点的最佳EGR率的防爆EGR阀控制器；废气循环通道组件由其循环废气管的一端与上述废气水洗组件的水洗废气排气管的循环废气出口通气连接，循环废气管的另一端与文丘里管通气连接。
进一步的方案是：上述废气循环通道组件还包括可通气地设于上述循环废气管上用于过滤掉流入循环废气管内的再循环废气中的颗粒状水分的水过滤器，以及用于过滤掉流入循环废气管内的再循环废气中的颗粒物的颗粒过滤器。
进一步的方案还有：上述捕雾器包括壳体，在上述壳体内分上下各固定设置一块的压板，固定设于两块压板之间的捕雾丝网，以及固定设于壳体上且与壳体内相通的出水嘴；上述捕雾丝网为由多股金属丝和非金属丝捻制而成的网状结构件。
本发明具有积极的效果：（1）本发明通过包括废气水洗组件和废气循环通道组件在内的整体结构设计，通过将防爆柴油机排出的高温废气进行水洗，高温废气经过水洗箱气化水洗箱内的水分，形成加湿的再循环废气，同时实现EGR功能和进气加湿功能，能够在取用废气再循环量较少对柴油机的性能影响较小的情况下，实现防爆柴油机减少NOx排放的目的。（2）本发明通过包括废气循环通道组件在内防爆柴油机进排气通道的整体结构设计，其再循环废气的取气位置处于增压器的后端，EGR阀工作时不会旁通掉推动增压器工作的排气能量，对增压器的性能没有影响，从而有效解决了现有技术中因EGR阀工作时旁通掉了部分废气能量而影响增压器的性能进而影响发动机效率的技术问题。（3）本发明利用废气水洗组件将高温废气进行水洗冷却并通过水洗箱内的水的气化对再循环废气加湿，从而取消了现有技术中必设的蒸气发生装置；同时，通过冷却循环水组件与水冷排气歧管、水冷排气总管、废气水洗组件配合的结构设计，使得废气在运动过程中一路同步进行冷却，从而取消了现有技术中必设的EGR冷却器。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1中捕雾器的纵向剖视结构示意图；
图3为图2的A-A向剖视图；
图4为图1中水冷排气总管的结构示意图；
图5为图1中水过滤器的纵向剖视结构示意图；
图6为图1中水过滤器的俯视结构示意图；
图7为图1中颗粒过滤器的结构示意图；
图8为图7中滤网的结构示意图。
上述附图中的附图标记如下：
文丘里管1；
捕雾器2，壳体21，压板22，捕雾丝网23，出水嘴24；
增压器3，压气机31，涡轮机32；
水冷排气歧管4；
水冷排气总管5，管体51，气道51-1，水道51-2，第一接口52，第二接口53，通水接口54，波纹管55；
废气水洗组件6，水洗箱61，排气阻火器62，水洗废气排气管63，主排气口63-1，循环废气出口63-2，补水箱64；
废气循环通道组件7，循环废气管71，水过滤器72，外壳72-1，端头压板72-2，滤芯72-3，颗粒过滤器73，罩壳73-1，滤网架73-2，滤网73-3，电控EGR阀74，防爆EGR阀控制器75；
混合气通道组件8，混合气管81，中冷器82；
冷却循环水组件9，水管91，防爆冷却循环水散热器92，防爆水泵93；
空气滤清器100，发动机气缸101，气缸进气歧管102，进气关断阀103，进气阻火器104。
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的说明。
（实施例1）
见图1，本实施例的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其主要由文丘里管1、捕雾器2、增压器3、水冷排气歧管4、水冷排气总管5、废气水洗组件6、废气循环通道组件7、混合气通道组件8和冷却循环水组件9组成。
文丘里管1为市购件；文丘里管1具有新鲜空气进气口、循环废气进气口以及混合气体出气口。使用时，文丘里管1的新鲜空气进气口与矿用防爆电喷柴油机具有的空气滤清器100通气连接。
见图1并参见图2和图3，捕雾器2主要由壳体21、在壳体21内分上下各固定设置一块的压板22、固定设于两块压板22之间的捕雾丝网23以及固定设于壳体21上且与壳体21内相通的出水嘴24组成。捕雾丝网23为由多股金属丝和非金属丝捻制而成的网状结构件。捕雾器2在使用时用于捕集再循环废气中析出的水分，捕集的水通过出水嘴24经相应管路排出，防止明显水份进入发动机的进气系统，对柴油机进气管路和气缸内部造成腐蚀。
仍见图1，增压器3采用申请公布号为CN108317004A所公开的防爆水冷增压器，增压器3具有压气机31和涡轮机32；压气机31具有进气口和出气口，涡轮机32具有废气进口、废气出口、冷却水进口以及冷却水出口。压气机31的进气口通过捕雾器2与文丘里管1的混合气体出气口通气连接。
水冷排气歧管4为设有废气通道和冷却水通道的异形管体件；水冷排气歧管4设有进气口、出气口、进水口和出水口，水冷排气歧管4的出水口与涡轮机32的冷却水进口通液连接，水冷排气歧管4的出气口与涡轮机32的废气进口通气连接；使用时，水冷排气歧管4的进气口与发动机气缸101具有的排气口通气连接。
参见图4，水冷排气总管5主要由设有气道51-1和水道51-2的双通道的管体51、分设于管体51两端的第一接口52和第二接口53以及设于管体51上与水道51-2相通且靠近第二接口53处的通水接口54组成。水冷排气总管5由其第一接口52与涡轮机32固定连接并且使得水冷排气总管5的管体51的气道51-1和水道51-2分别与涡轮机32的废气出口和冷却水出口对应相通。优选地，管体51的中间还密封连接有一段波纹管55，以增强废气冷却效果。
仍见图1，废气水洗组件6包括水洗箱61、排气阻火器62、水洗废气排气管63和补水箱64，水洗箱61设有废气进口、废气出口以及补水接口，水洗废气排气管63设有主排气口63-1和循环废气出口63-2；水洗箱61由其废气进口与水冷排气总管5的第二接口53固定连接且水冷排气总管5的管体51的气道51-1与水洗箱61通气，水洗箱61的废气出口经排气阻火器62后与水洗废气排气管63通气连接，水洗箱61的补水接口与补水箱64通液连接。排气阻火器62为市购件，其结构和作用为现有技术，不作详述。
废气循环通道组件7包括循环废气管71、水过滤器72、颗粒过滤器73、电控EGR阀74和防爆EGR阀控制器75。循环废气管71的一端与水洗废气排气管63的循环废气出口63-2通气连接，循环废气管71的另一端与文丘里管1的循环废气进气口通气连接；水过滤器72、颗粒过滤器73和电控EGR阀74可通气地设于循环废气管71上；防爆EGR阀控制器75与电控EGR阀74电连接，防爆EGR阀控制器75用于控制电控EGR阀74的启闭以及工作时的开度以满足柴油机各个运行工况点的最佳EGR率，使柴油机在较大的运行工况范围内，都能达到最佳的NOx减排效果，电控EGR阀74和防爆EGR阀控制器75均为现有技术，不做详述。
水过滤器72用于过滤掉流入循环废气管71内的再循环废气中的颗粒状水分。水过滤器72作为优选方式设置，以减轻工作时捕雾器2的过滤负担。参见图5和图6，作为一种具体实现方式，水过滤器72包括圆筒状的外壳72-1、分上下固定设于外壳72-1内的两块端头压板72-2以及固定设于两块端头压板72-2之间的滤芯72-3组成。滤芯72-3为弯曲钢丝紧密缠绕结构件。
颗粒过滤器73用于过滤掉流入循环废气管71内的再循环废气中的颗粒物，避免其污染或打坏增压器3的压气机31的叶轮。颗粒过滤器73作为优选方式设置。参见图7和图8，作为一种具体实现方式，颗粒过滤器73主要由罩壳73-1、固定设于罩壳73-1内的滤网架73-2以及固定设于滤网架73-2上的滤网73-3组成，滤网73-3为细密网状结构件。
混合气通道组件8包括混合气管81和中冷器82；中冷器82用于对进入气缸的压缩混合气进行冷却，中冷器82为市购件，其结构和工作原理不作详述。混合气管81的一端与压气机31的出气口通气连接，混合气管81的另一端与中冷器82具有的进气端通气连接；使用时，中冷器82具有的出气端依次经矿用防爆电喷柴油机具有的进气关断阀103、进气阻火器104、气缸进气歧管102后与发动机气缸101通气。
冷却循环水组件9包括水管91、防爆冷却循环水散热器92和防爆水泵93；防爆冷却循环水散热器92和防爆水泵93均为市购件，防爆冷却循环水散热器92用于对循环水进行冷却，防爆冷却循环水散热器92具有上水室和下水室，上水室的水经冷却后进入下水室。前述水冷排气总管5的通水接口54经水管91与防爆冷却循环水散热器92的上水室通液连接，防爆冷却循环水散热器92的下水室经水管91与防爆水泵93通液连接，防爆水泵93经水管91与前述的水冷排气歧管4的进水口通液连接。
本实施例的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其在使用时的工作过程和原理简述如下：
采用本实施例的EGR系统的矿用防爆电喷柴油机在工作时，从矿用防爆电喷柴油机发动机气缸101的进排气气流（如图1中单箭头所示）、废气再循环气流（如图1中空心箭头所示）和防爆冷却循环水流（如图1中线上箭头）的角度依次进行说明。
依矿用防爆电喷柴油机发动机气缸101的进排气气流运动顺序说明如下：发动机气缸101启动时，新鲜进气经空气滤清器100过滤后，先后通过文丘里管1和捕雾器2后进入增压器3的压气机31，增压后的高温进气通过混合气通道组件8的混合气管81进入中冷器82进行冷却以降低进气温度，进而降低发动机气缸101内最高燃烧温度；冷却后的进气先后通过进气关断阀103、进气阻火器104、气缸进气歧管102后进入发动机气缸101内与柴油混合后燃烧做功，燃烧产生的废气先后通过水冷排气歧管4、增压器3的涡轮机32、水冷排气总管5进入水洗箱61，水洗后的排气再经过排气阻火器62消除火花后，水洗后的废气大部通过水洗废气排气管63的主排气口63-1排入周围环境中。
依废气再循环气流的运动顺序说明如下：发动机气缸101运行过程中，水洗后的排气经过排气阻火器62后，一部分通过水洗废气排气管63的循环废气出口63-2进入废气再循环通道，先经水过滤器72过滤掉其中的颗粒状水分，再经颗粒过滤器73过滤掉其中的颗粒物，然后经由防爆EGR阀控制器75控制的电控EGR阀74和循环废气管71，进入文丘里管1与经空气滤清器100进入的新鲜进气混合，混合气再经由发动机进气通道进入发动机气缸101内与柴油混合后燃烧做功，从而抑制氮氧化物（NOx）等有害气体在发动机气缸内的生成，实现EGR目的。
依防爆冷却循环水流的运动顺序说明如下：发动机气缸101运行过程中，防爆水泵93从防爆冷却循环水散热器92的下水室抽取冷却水，抽出的冷却水依次经水冷排气歧管4的冷却水通道、增压器3的涡轮机32具有的水道和水冷排气总管5内的水道51-2及水管91后回到防爆冷却循环水散热器92的上水室，经防爆冷却循环水散热器92冷却后的水再进入下水室，如此循环。发动机气缸101运行过程中排出的高温废气在运行过程中，先后经过水冷排气歧管4、涡轮机32、水冷排气总管5的水冷却初步降温，再进入水洗箱61通过水洗进一步降温至防爆要求以下，使得最终经过过滤的，温湿度适中的再循环废气依前述运动顺序进入发动机气缸101内参与燃烧，降低缸内的最高燃烧温度，降低NOx有害排放。废气再循环通道位于水洗箱61和排气阻火器62之后，废气无引燃瓦斯的风险，且水洗箱61内的水在高温废气冲击后大部分会转变为水蒸气(水洗箱61内的水由补水箱64自动补充)，经水洗箱61释出的再循环废气与水蒸气混合具有一定的湿度，引入发动机气缸101内后通过水汽化潜热大的特性能够进一步降低发动机气缸101内的最高燃烧温度，进一步减少NOx有害排放，增强EGR效果。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其特征在于：包括使用时与矿用防爆电喷柴油机具有的空气滤清器通气连接的文丘里管，与所述文丘里管通气连接用于捕集再循环废气中析出水分的捕雾器，使用时与矿用防爆电喷柴油机具有的发动机排气口通气连接的水冷排气歧管，与所述捕雾器通气连接且与所述水冷排气歧管通气并通液连接的增压器，一端与所述增压器通气并通液连接的水冷排气总管，与所述水冷排气总管的另一端通气连接用于对发动机排出的废气进行水洗并排放的废气水洗组件，两端分别与所述废气水洗组件和文丘里管通气连接的废气循环通道组件，两端分别与所述增压器和发动机进气口通气连接的混合气通道组件，以及两端分别与所述水冷排气歧管和水冷排气总管通液连接的冷却循环水组件。
2.根据权利要求1所述的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其特征在于：所述水冷排气歧管为设有废气通道和冷却水通道的异形管体件；水冷排气歧管设有进气口、出气口、进水口和出水口；水冷排气歧管由其进气口与所述发动机排气口通气连接；水冷排气歧管由其进水口与所述冷却循环水组件通液连接。
3.根据权利要求2所述的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其特征在于：所述增压器包括压气机和涡轮机；所述压气机具有进气口和出气口，涡轮机具有废气进口、废气出口、冷却水进口以及冷却水出口；所述增压器由其压气机的进气口与捕雾器通气连接，增压器由其压气机的出气口与所述增压器混合气通道组件的一端通气连接，增压器由其涡轮机的进气口和冷却水进口分别与所述水冷排气歧管的出气口和出水口对应通气通液连接。
4.根据权利要求3所述的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其特征在于：所述水冷排气总管包括设有气道和水道的双通道的管体，分设于所述管体两端的第一接口和第二接口，以及设于管体上与所述水道相通且靠近第二接口处的通水接口；水冷排气总管由其第一接口与所述涡轮机固定连接，并使得管体的气道和水道分别与所述涡轮机的废气出口和冷却水出口对应相通。
5.根据权利要求4所述的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其特征在于：所述水冷排气总管的管体的中间还密封连接有一段用于增强废气冷却效果的波纹管。
6.根据权利要求4所述的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其特征在于：所述冷却循环水组件包括水管、防爆冷却循环水散热器和防爆水泵；所述防爆冷却循环水散热器具有上水室和下水室，防爆冷却循环水散热器的上水室通过水管与所述水冷排气总管的通水接口通液连接，防爆冷却循环水散热器的下水室通过水管与防爆水泵通液连接，防爆水泵通过水管与所述水冷排气歧管的进水口通液连接。
7.根据权利要求4所述的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其特征在于：所述废气水洗组件包括水洗箱、排气阻火器、水洗废气排气管和补水箱；所述水洗箱设有废气进口、废气出口以及补水接口，水洗废气排气管设有主排气口和循环废气出口；水洗箱由其废气进口与所述水冷排气总管的第二接口固定连接且水冷排气总管的管体的气道与水洗箱通气，水洗箱的废气出口经排气阻火器后与水洗废气排气管通气连接，水洗箱的补水接口与补水箱通液连接。
8.根据权利要求7所述的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其特征在于：所述废气循环通道组件包括循环废气管，可通气地设于所述循环废气管上的电控EGR阀，与所述电控EGR阀电连接用于控制电控EGR阀的启闭以及工作时的开度以满足柴油机各个运行工况点的最佳EGR率的防爆EGR阀控制器；废气循环通道组件由其循环废气管的一端与所述废气水洗组件的水洗废气排气管的循环废气出口通气连接，循环废气管的另一端与文丘里管通气连接。
9.根据权利要求8所述的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其特征在于：所述废气循环通道组件还包括可通气地设于所述循环废气管上用于过滤掉流入循环废气管内的再循环废气中的颗粒状水分的水过滤器，以及用于过滤掉流入循环废气管内的再循环废气中的颗粒物的颗粒过滤器。
10.根据权利要求1～9任一所述的矿用防爆电喷柴油机EGR系统，其特征在于：所述捕雾器包括壳体，在所述壳体内分上下各固定设置一块的压板，固定设于两块压板之间的捕雾丝网，以及固定设于壳体上且与壳体内相通的出水嘴；所述捕雾丝网为由多股金属丝和非金属丝捻制而成的网状结构件。
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