CN115388039B - 一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置，包括发动机、涡轮、压气机、喷嘴环、压力水罐，压气机和涡轮同轴，发动机通过进气侧管道连接压气机，压气机进口连接压气机进气道，压气机进气道上安装喷嘴环，压气机出气道分别支出出口旁通道和压气机排气分支管路，压气机排气分支管路上安装压力水罐，喷嘴环分别连接出口旁通道和压力水罐。本发明改变了水滴的入射方向。通过利用高压排气驱动轴承旋转，轴承带动齿轮转动进而改变喷嘴的方向，使得在压气机不同转速下，水滴的入射角总是等于压气机叶轮的入口角，防止水滴撞击叶片造成能量损失以及水滴对叶片的冲蚀，提高压气机效率，延长叶片使用寿命。

Description

一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置

技术领域

本发明涉及的是一种增压发动机，具体地说是增压发动机的进气装置。

背景技术

随着科技的发展，增压技术的应用大幅提高了发动机的有效压力、比功率和效率等，也被称为内燃机发展史上的第二个里程碑。

现有增压器绝大部分都是在压气机进口上方安装一个喷嘴，日常只起到清洗压气机的作用，并且喷嘴位于压气机进气通道上，会对压气机进气产生一定的阻力影响，不利于提高增压器压气机的热效率。

因此，现有增压器压气机的喷嘴安装方式存在阻碍压气机进气，不利于提高增压器压气机的热效率的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供能解决现有增压器压气机的喷嘴安装方式存在阻碍压气机进气，不利于提高增压器压气机的热效率等问题的一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置，其特征是：包括发动机、涡轮、压气机、喷嘴环、压力水罐，压气机和涡轮同轴，发动机通过进气侧管道连接压气机，压气机进口连接压气机进气道，压气机进气道上安装喷嘴环，压气机出气道分别支出出口旁通道和压气机排气分支管路，压气机排气分支管路上安装压力水罐，喷嘴环分别连接出口旁通道和压力水罐。

本发明还可以包括：

1、所述喷嘴环包括环体，环体上设置空腔凹槽，空腔凹槽里安装轴承，轴承的外圈上套有雾化喷嘴，轴承的内圈安装转轴，转轴上端安装扇形齿，扇形齿与安装在齿轮轴上的大齿轮相啮合；对应的轴承、转轴、扇形齿、齿轮轴、大齿轮组成一组转动组件。

2、所述空腔凹槽设置两个开口，第一开口朝向环体的上端面，第二开口朝向环体的内圈圆心。

3、所述空腔凹槽以环形阵列的形式布置在环体上，相邻的两个空腔凹槽之间至少设置一个法兰孔。

4、压气机排气压力的变化随压气机工况的改变而该改变，喷嘴环里的雾化喷嘴的旋转角度随之发生变化，自动使水滴的入射角与压气机叶轮的入口角保持一致。

5、压气机进气道上安装进口温度传感器和流量传感器。

6、进气侧管道上安装出口温度传感器和出口压力传感器。

7、压气机排气分支管路上安装压力调节阀和旁路压力传感器。

本发明的优势在于：

1、本发明的增压器压气机含水进气可以降低工质温度，使整个压缩过程向等温压缩偏移，提高压气机效率。以某船用涡轮增压器为例，当进气中含水浓度0.1％时，温度降低2.8K，效率提高1.5％。

2、本发明通过压气机排气管路的压力驱动雾化喷嘴21喷水，无需额外水泵，在不同流量、转速下压气机排气压力发生改变，进而能够自动调节喷水量。同时，也可以通过主控芯片控制阀门开度调节压力改变雾化喷嘴21的喷水量，同时，多个雾化喷嘴21的布置能够更均匀的向压气机内部射入小水滴而不会对压气机进气产生影响。

3、本发明改变了水滴的入射方向。通过利用高压排气驱动轴承旋转，轴承带动齿轮转动进而改变喷嘴的方向，使得在压气机不同转速下，水滴的入射角总是等于压气机叶轮的入口角，防止水滴撞击叶片造成能量损失以及水滴对叶片的冲蚀，提高压气机效率，延长叶片使用寿命。

4、本发明对压气机的性能也提出了更高的要求，含水进气不仅可以通过压气机内水的蒸发减温降低压缩功，再次增加发动机的功率输出，而且还可以提高热效率，对内燃机而言，还可以起到抑制燃烧室内氮氧化物生成的作用，减少污染物的排放。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为喷水装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

具体实施方式一：结合图1～图2说明本实施方式，本实施方式包括喷嘴环5、多个雾化喷嘴21和转动组件，喷嘴环5的上端面上以环形阵列的形式开设有多个空腔凹槽19，且多个空腔凹槽19上设有两个开口，第一个开口朝向喷嘴环5的上端面上，第二个开口朝向喷嘴环5内圈圆心，每个雾化喷嘴21通过一个转动组件转动安装在喷嘴环5的空腔凹槽19内，压气机排气管路的高压排气驱动多个雾化喷嘴21在任意角度进行转动。

本实施方式的喷水装置在实际使用时是要用在具体的发动机增压系统中，通过压气机排气管路的部分气体推动活塞移动，通过曲柄连杆机构带动齿轮轴A-5旋转，同时也驱动雾化喷嘴21喷水或者通过芯片控制阀门开度调节压力改变喷水量以便达到提高压气机效率的目的。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的喷嘴环5上相邻两个空腔凹槽19之间设有至少一个法兰孔18。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式的空腔凹槽19为沿短轴切割掉一半后的椭圆形凹槽。如此设置，喷嘴(指雾化喷嘴21)全部位于喷嘴环5的圆筒形机匣内部，不会影响空气流动，并能使水滴与空气均匀充分混合。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的转动组件包括轴承A-1、转轴A-2、扇形齿A-3、大齿轮A-4和齿轮轴A-5，轴承A-1安装在空腔凹槽19内，雾化喷嘴21套装在轴承A-1的外圈上，并在轴承A-1的转动下带动雾化喷嘴21转动，转轴A-2的下部插装在轴承A-1的内圈内，扇形齿A-3安装在转轴A-2的上，大齿轮A-4安装在齿轮轴A-5上，大齿轮A-4与扇形齿A-3啮合。如此设置，轴承的转动主要通过高压排气驱动，喷嘴可以在垂直流向平面内任意转动，使得水滴的入射方向与叶片进口角相同，减少损失和腐蚀。同时喷嘴全部位于圆筒形机匣内部，不会影响空气流动，并能使水滴与空气均匀充分混合。雾化粒径在20微米以下。其它组成及连接关系与具体实施方式一至三中任意一项相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括压气机排气分支管路9、压力调节阀11和压力水罐13，压力水罐13的一端与多个雾化喷嘴21连接，压力水罐13的另一端连接有压气机排气分支管路9，压力调节阀11安装在压气机排气分支管路9上。其它组成及连接关系与具体实施方式一至四中任意一项相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种使用喷水装置的可控喷水减温装置，它包括进气消声器1、压气机进气道2、喷水装置、增压器压气机6、发动机14、涡轮15、主控芯片16和出口旁通道17，进气消声器1与喷水装置之间通过压气机进气道2连接，进入喷水装置后的外界空气进入到增压器压气机6中，增压器压气机6的一部分高压排气通过出口旁通道17驱动喷水装置的雾化喷嘴21转动，增压器压气机6的一部分高压排气通过旁路进入喷水装置内加压雾化水，增压器压气机6剩余的高压排气气体进入发动机14内，发动机14的排气进入涡轮15做功，主控芯片16通过线束分别与安装在压气机进气道2、出口旁通道17和压气机排气分支管路9上的多个传感器电连接。如此设置，保证管道为减缩管道且具有一定的使气流加速的效果即可。其它组成及连接关系与具体实施方式一至五中任意一项相同。

本实施方式的进气消声器也可替换成空气滤清器，外界空气经过进气消声器(或空气滤清器)，进入压气机进气道2，依次经过进口温度传感器3、流量传感器4和喷水装置5进入压气机，在压气机中被做功加压后经过出口温度传感器7、出口压力传感器8，一部分压气机的高压排气通过旁路17用以驱动喷嘴转动，一部分通过旁路和压力调节阀进入喷水装置用以加压雾化水，剩余高压气体进入内燃机用以燃烧做功。压气机进口处喷水电控子系统中的主控芯片16通过线束分别连接压气机排气分支管路中的压力调节阀、进出口温度传感器、流量传感器、压力传感器等。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括进口温度传感器3和流量传感器4，进口温度传感器3和流量传感器4安装在压气机进气道2上。如此设置，便于测量压气机进口的温度和流量。其它组成及连接关系与具体实施方式一至六中任意一项相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括出口温度传感器7和出口压力传感器8，出口温度传感器7和出口压力传感器8安装在发动机14的进气侧管道上。如此设置，便于测量压气机出口的温度和流量。其它组成及连接关系与具体实施方式一至七中任意一项相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括压力调节阀11和旁路压力传感器12，压力调节阀11和旁路压力传感器12安装在压气机排气分支管路9上。如此设置，便于测量压气机进口的温度和流量。其它组成及连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。

工作原理：

如图1和图2所示，外界空气经过进气消声器(或空气滤清器)1，进入压气机进气道2，依次经过进口温度传感器3、流量传感器4和布置雾化喷嘴的喷嘴环5进入压气机6，压气机出口管道中依次设有出口温度传感器7、出口压力传感器8，压气机排气分支管路9和出口旁通道17，其中压气机增压后的空气进入发动机14，发动机排气进入涡轮15带动压气机做功。

出口旁通道17连接喷嘴环，用于驱动轴承旋转带动喷嘴转动，另一个出口管道旁路连接压力水罐13和布置雾化喷嘴的喷嘴环5，同时在出口管道旁路上设有压力调节阀11和旁路压力传感器12，压气机进口处喷水电控子系统中的主控芯片16通过线束分别连接压气机排气分支管路中的压力调节阀、旁路压力传感器、进出口温度传感器、流量传感器、压力传感器。

控制系统可以根据进出口压力、温度、流量对压气机效率进行初步判断，并根据旁路压力调节压力调节阀开度，在不需喷水时关闭阀门，节省发动机功率。喷嘴环为圆筒形机匣，内径与压气机进气道内径相同，与压气机和压气机进气道可以通过法兰孔18固定连接，机匣内有多个均匀分布(也可非均匀分布)的空腔凹槽19用于安装轴承和雾化喷嘴21。轴承的转动主要通过高压排气驱动，喷嘴可以在垂直流向平面内任意转动，使得水滴的入射方向与叶片进口角相同，减少损失和腐蚀。同时喷嘴全部位于圆筒形机匣内部，不会影响空气流动，并能使水滴与空气均匀充分混合。雾化粒径在20微米以下。

安装喷嘴的个数不固定，可以均匀布置也可非均匀布置，喷嘴的转动不局限于垂直于流向的平面，也可沿流向的平面转动或者在三维空间上转动，可以通过一个轴承带动全部喷嘴转动，也可由多个轴承分别控制每个喷嘴转动。同时喷嘴的转动方式也不局限于通过轴承带动这一种方式，凡是通过改变水滴入射方向的各种改动或变形均在本发明的意图内。

Claims (6)

1.一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置，其特征是：包括发动机、涡轮、压气机、喷嘴环、压力水罐，压气机和涡轮同轴，发动机通过进气侧管道连接压气机，压气机进口连接压气机进气道，压气机进气道上安装喷嘴环，压气机出气道分别支出出口旁通道和压气机排气分支管路，压气机排气分支管路上安装压力水罐，喷嘴环分别连接出口旁通道和压力水罐；

所述喷嘴环包括环体，环体上设置空腔凹槽，空腔凹槽里安装轴承，轴承的外圈上套有雾化喷嘴，轴承的内圈安装转轴，转轴上端安装扇形齿，扇形齿与安装在齿轮轴上的大齿轮相啮合；对应的轴承、转轴、扇形齿、齿轮轴、大齿轮组成一组转动组件；

增压器压气机的一部分高压排气通过出口旁通道驱动喷水装置的雾化喷嘴转动，通过利用高压排气驱动轴承旋转，轴承带动齿轮转动进而改变喷嘴的方向，使得在压气机不同转速下，水滴的入射角总是等于压气机叶轮的入口角；

压气机排气压力的变化随压气机工况的改变而该改变，喷嘴环里的雾化喷嘴的旋转角度随之发生变化，自动使水滴的入射角与压气机叶轮的入口角保持一致。

2.根据权利要求1所述的一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置，其特征是：所述空腔凹槽设置两个开口，第一开口朝向环体的上端面，第二开口朝向环体的内圈圆心。

3.根据权利要求1所述的一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置，其特征是：所述空腔凹槽以环形阵列的形式布置在环体上，相邻的两个空腔凹槽之间至少设置一个法兰孔。

4.根据权利要求1所述的一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置，其特征是：压气机进气道上安装进口温度传感器和流量传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置，其特征是：进气侧管道上安装出口温度传感器和出口压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于压气机高压排气驱动的可控喷水减温装置，其特征是：压气机排气分支管路上安装压力调节阀和旁路压力传感器。

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