CN116608030A - 一种发动机尾气排放循环系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机尾气排放循环系统及其使用方法，属于节能减排技术领域，能够提高柴油发电机燃烧时的能量利用率，降低排气污染和问题。本发明的发动机尾气排放循环系统包括发动机、油箱、补燃燃烧器、涡轮、第一压气机、气阀和中冷器，发动机排出的废气在补燃燃烧器内进行二次燃烧后推动涡轮做功，涡轮带动压气机旋转为发动机及补燃燃烧器提供所需新鲜空气，同时涡轮带动发电机进行发电回收剩余能量。发动机尾气排放中的HC、CO以及颗粒物的在本发明的补燃燃烧器中通过补燃技术进行二次燃烧转化成无害物质，同时为抑制NO_X的生成提供了条件，能解决发动机排放的问题，同时HC、CO、颗粒物等物质的二次燃烧释放能量进一步提高了能源的利用效率。

Description

一种发动机尾气排放循环系统及使用方法

技术领域

本发明属于节能减排技术领域，涉及一种发动机尾气排放循环系统及使用方法。

背景技术

近年来，柴油机应用越来越广泛，它在汽车、柴油发电机组、通航飞机以及中小型无人机动力装置中扮演的角色越来越重要，但柴油机排气污染、排气温度高、余热利用效率低等问题也日益突出。

柴油机排气污染物主要包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO_X)、硫化物以及颗粒物(PM)等，这些物质都会对大气环境造成污染。

现有技术中，柴油发动机抑制气缸中燃烧过程生成CO和HC的措施主要有：提高燃烧过程的过量空气系数、增加燃烧反应时间，提高气缸进气温度等；柴油发动机抑制气缸中燃烧过程生成NO_X的措施主要有：降低燃烧过程的过量空气系数、降低燃烧反应温度、缩短反应时间等；而对于PM的控制，柴油发动机通常通过提高气缸中燃烧过程的过量空气系数，增加反应时间来减少PM的产生。

因此从柴油发动机本身出发解决排放问题存在矛盾，难以实现。而目前解决上述排放问题的措施是增加复杂的尾气处理系统，该系统结构重量大、使用经济性差。

在发动机排气能量回收方面，目前最常用的方式是废气涡轮增压技术，它利用气缸排气中的动能和内能驱动涡轮和压气机，进一步增加发动机的进气压力、温度和流量，最终提高发动机的输出功率。该方式可以回收气缸高温排气中包含的部分能量，但仍有部分能量浪费。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种柴油发动机尾气排放循环系统及使用方法，能够提高柴油发电机燃烧时的能量利用率，降低排气污染和问题。

一方面，本发明提供的一种发动机尾气排放循环系统，包括发动机、油箱、补燃增压装置、涡轮、第一压气机、气阀和中冷器；

发动机包括进气门、排气门和燃油喷头；

所述第一压气机分别与气阀和中冷器连接；气阀与补燃增压装置的空气进口连接；进气门与中冷器连接，燃油喷头与油箱连接；排气门与补燃增压装置的排气接口连接；补燃增压装置的出口管路与涡轮连接；油箱与补燃增压装置的燃油入口连接。

可选地，还包括燃油喷射器，油箱通过燃油喷射器与补燃增压装置的燃油入口连接。

可选地，还包括第二压气机，第一压气机与二级压气机连接，经过第一压气机与二级压气机压缩的高压气体由第二压气机进入气阀和中冷器。

可选地，还包括发电机，发电机与第一压气机或第二压气机或涡轮连接。

可选地，还包括电动机，电动机与第一压气机连接，发电机与涡轮连接。

可选地，补燃增压装置包括发动机排气管、补燃燃烧器、涡轮增压器和起发一体电机。

另一方面，本发明公开的一种发动机尾气排放循环系统的使用方法，基于前述的发动机尾气排放循环系统，具体包括以下步骤：

第一压气机产生高压气体，部分高压气体通过气阀流入补燃增压装置，另一部分高压气体通过中冷器流入发动机的气缸，构成循环系统的低温高压气体流流路；

油箱内的燃油进入发动机的燃油泵加压后经燃油喷头喷射进入柴油发动机的气缸内，与从中冷器来的低温高压气体混合燃烧，膨胀做功后产生废气，废气由发动机的排气门排出进入补燃增压装置的二次燃烧区；

油箱内的燃油加压后进入补燃增压装置与从气阀来的高压气体进行充分掺混后进入补燃增压装置的二次燃烧区；

经过燃烧器二次燃烧区产生的高温燃气流入涡轮膨胀做功产生能源。

可选地，第一压气机的空气进入第二压气机进一步压缩，经过两级压缩之后的高压气体分别通过气阀和中冷器进入补燃增压装置和发动机的气缸。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

(1)本发明的循环系统通过对气缸的尾气排气进行二次燃烧和利用废气能量进行发电，有效降低发动机排气中的污染物，并提高了联合循环系统的能量利用效率。

(2)本发明的循环系统的排气成分清洁，与普通的柴油发动机相比，发动机排气中包含的CO、HC、PM等不完全燃烧产物含量明显降低。

(3)本发明的循环系统能够实现多种动力方式的输出。与传统柴油机相比，循环系统不仅可以通过涡轮-压气机来增加发动机进气量和发动机功率，还可以在涡轮端通过发电机回收废气中的多余能量，发电机产生的电能可为汽车、通航飞机、无人机等的附件系统充电，也可以直接储存在蓄电池储中。

(4)本发明的循环系统的能量利用率高，总体循环热效率高。自然吸气柴油机的典型热效率为35％，带废气涡轮增压系统的柴油机的典型热效率为39～42％，联合循环系统的热效率最高可达45％。

(5)本发明的循环系统的结构重量低，开发成本和加工成本低。与现有的废气处理系统相比，更满足当下各领域动力机械对动力系统的轻量化设计要求，可进一步推广在汽车、柴油发电机组、通航飞机以及中小型无人机等领域。

(6)本发明的补燃燃烧器中补燃燃烧器与发动机排气管集成一体，在补燃燃烧器中能够将发动机尾气中的HC、CO和颗粒物等有害物质在增压器涡轮前进行二次燃烧转化成无害物质，通过增压器涡轮作功后排向大气环境。同时，增压器与起发一体电机转轴通过联轴器连接，通过控制起发一体电机的发电量实现增压器的调节与控制。与传统的增压器涡轮前放气式调节方式相比，本发明摒弃了传统的涡轮前放气调节机构，增压器结构上更简单，涡轮前过量的高温气体能量通过起发一体电机发电吸收，提高了发动机排气能量的利用效率。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的发动机尾气排放循环系统的涡轮带动发电机和单级压气机的示意图。

图2为本发明的发动机尾气排放循环系统的涡轮带动发电机和两级压气机的示意图。

图3为本发明的发动机尾气排放循环系统的涡轮带动发电机和电动机带动两级压气机的示意图。

图4是本发明的燃烧器总体结构示意图。

图5是本发明的燃烧器射流燃烧室以及部分附件结构示意图。

图6是本发明的燃油喷嘴结构示意图。

图7是本发明的燃油喷嘴芯的示意图。

图8是本发明的燃油喷嘴的剖视图。

图9是本发明的气体旋流器的俯视局部剖视图。

图10是本发明补燃增压装置中悬臂转子的剖视图。

图11是本发明的补燃增压装置。

附图标记：

1.发动机排气管，2.补燃燃烧器，3.涡轮增压器，4.起发一体电机，5.隔热封严装置，6.旋流燃烧室，7.射流燃烧室，8.发动机排气管进口，9.补燃燃烧器出口，10.增压器出口，11.电机支架，12.联轴器，13.燃油入口，14.空气导入部，15.加热件，16.燃油喷嘴芯，17.气体旋流器，18.雾化圆柱腔，19.二级旋流区，20.射流区，21.出口管路，22.第一排气接口，23.第二排气接口，24.旋流孔，25.气体导入孔，26.出油孔，27.螺旋油道，28.气体导入部，29.斜槽，30.燃油导流管，31.注油空间，32.安装配合孔，33.转轴，34.径流式涡轮，35.轴承，36.离心式压气机叶轮，37.轴向径向阻尼器，38.发动机，39.油箱，40.气缸，41.曲轴，42.进气门，43.排气门，44.燃油泵，45.燃油喷头，46.燃油喷射器，47.涡轮，48.发电机，49.第一压气机，50.第二压气机，51.气阀，52.中冷器，53.电动机。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的一个具体实施例，参见图1-3，公开了一种发动机尾气排放循环系统，尤其涉及一种柴油发动机尾气排放循环系统，包括发动机38、油箱39、补燃增压装置、燃油喷射器46、涡轮47、第一压气机49、气阀51和中冷器52；

发动机包括进气门42、排气门43和燃油喷头45；

所述第一压气机的出口通过管路分别与气阀的入口和中冷器的入口连接；气阀的出口通过管路与补燃增压装置的空气进口连接；进气门通过管路与中冷器的出口连接，燃油喷头的入口通过管路与油箱的出口连接；排气门通过管路与补燃增压装置的排气接口连接；补燃增压装置的出口管路与涡轮的入口连接；油箱的出口还通过管路与燃油喷射器的入口连接；燃油喷射器的出口与补燃增压装置的燃油入口连接。

可选地，发动机38还包括气缸40、曲轴41和燃油泵44；油箱的出口通过燃油泵44与燃油喷头45连接。

可选地，发动机38为柴油发动机；气阀为流量调节阀。

可选地，第一压气机输出的高压气体为高压空气。

可选地，还包括第二压气机50，第一压气机49与第二压气机50连接，经过二级压缩的高压气体由第二压气机进入气阀和中冷器。

可选地，还包括发电机48，用于给第一压气机和第二压气机提供能源。

可选地，油箱包括第一出口和第二出口，第一出口与燃油泵或燃油喷头连接；第二出口与燃油喷射器46连接。

可选地，参见图4-11，补燃增压装置包括发动机排气管1、补燃燃烧器2、涡轮增压器3和起发一体电机4。

发动机排气管1与补燃燃烧器2连接；发动机排气管进口8与发动机排气口连接，增压器出口10与发动机空气盒连接，补燃燃烧器2的空气导入部14与发动机空气盒接通。

起发一体电机4通过电机支架11固定在增压器3上，起发一体电机4的轴与涡轮增压器3的轴通过联轴器12传输扭矩，在发动机起动时起发一体电机4拖动涡轮增压器3转动，涡轮增压器3提供的压缩空气通过增压器出口10进入发动机空气盒，为发动机起动提供扫气压力，能够使发动机在高原起动时更容易。

发动机起动后发动机排气由排气管进口8经发动机排气管1进入补燃燃烧器2的旋流燃烧室6，与此同时涡轮增压器3提供的压缩空气经发动机空气盒由补燃燃烧器的空气导入部14进入补燃燃烧器2的射流燃烧室7，燃油经补燃燃烧器的燃油入口13进入补燃燃烧器2的射流燃烧室7内在氮化硅加热棒15的作用下与补燃燃烧器空气导入部14进来的空气接触完成补燃燃烧器2的点火过程，点燃的高温燃气由补燃燃烧器2的射流燃烧室7进入补燃燃烧器2的旋流燃烧室6与发动机排气管1进入的发动机排气进行掺混进行二次燃烧，在二次燃烧的过程中发动机排气中的HC、CO转化成无害的水和二氧化碳，而颗粒物质量相对较大在旋流燃烧室6内，在气体旋流作用下滞留时间较长，能够进行充分燃烧，最终也会转化成无害物质通过补燃燃烧器出口9排出；涡轮增压器3与补燃燃烧器2在补燃燃烧器出口9处通过法兰连接并用螺母压紧法兰面。

可选地，发动机排气管1设置2个，分别与第一排气接口和第二排气法兰连接。

由补燃燃烧器2排出的高温燃气进入涡轮增压器3驱动涡轮增压器3的涡轮作功，涡轮增压器3获得更大的能量，此时起发一体电机4工作模式转为发电模式，通过控制发电量的大小实现涡轮增压器3的控制，而控制补燃燃烧器2的燃油入口13进入的油量大小可以实现进入涡轮增压器3的高温燃气温度控制，使涡轮增压器3始终工作在高效率区间，两种控制方式联合调节，在涡轮增压器3涡轮前不放掉多余高温燃气的情况下能够实现涡轮增压器3的精准控制，把原本需要放掉的高温燃气能量转化成电能输出。通过两种调节方式的使用能够实现废气能量的回收效率的最大化。

本发明的一个具体工作过程案例是：某款重型柴油发动机工作在1500rad/min的转速时，它的增压器压比为1.5，增压器转速为45000rad/min，涡轮旁通阀开度为20％。原机排放数据为碳烟浓度为2.9FSN，CO浓度为900×10^-6，THC浓度为93×10^-6，NOX浓度为1450×10^-6，颗粒物总数量为1.75×10⁸#/mL，颗粒物总质量为3.5×10^-4μg/mL，颗粒物几何平均直径为102.5nm，油耗为180kg/h，排气温度为853K。

此时采用本发明的补燃燃烧器，在补燃器内采用0.0125kg/s的送气量和0.000625kg/s的喷油量,设计点燃烧室燃油与空气的油气比为0.0613，在射流燃烧器中燃烧温度最高达到1200K，主燃区温度1600K。经过本发明的补燃燃烧器之后，碳烟浓度从2.9FSN降低到1.7FSN，降低了41.3％；CO浓度从900×10^-6降低到430×10^-6，降低了38.6％；THC浓度从93×10^-6降低到56×10^-6，降低了39.8％；NO_X浓度从1450×10^-6降低到980×10^-6，降低了32.4％；颗粒物总数量从1.75×10⁸#/mL降低到0.82×10⁸#/mL，降低了53.1％；颗粒物总质量为3.5×10^-4μg/mL降低到2.71×10^-4μg/mL，降低了22.6％；颗粒物几何平均直径从102.5nm降低到85.6nm，降低了16.5％。

由于涡轮旁通阀的关以及补燃燃烧器中二次燃烧的能量，导致进入涡轮的能量增加。此时增压器转速从45000rad/min升高到了53000rad/min，压比从1.5增加的1.8。此时，位于发动机进气总管的压力传感器检测到进气的压比超过柴油机发动机的需求，涡轮增压系统控制单元将起发一体电机4工作模式转为发电模式，并提高发电功率至0.8kW，此时发电量为0.6kW/h。通过提高起发一体电机的发电功率，将增压器转速从53000rad/min降低为45000rad/min，压比降低至1.5，回到了柴油机工作所需的压比。与通过废气旁通阀将多余废气排出的传统增压器和柴油发动机的匹配方式相比，本发明提出的提高能量回收效率的补燃燃烧器，实现了对废气能量的更多利用。

可选地，补燃燃烧器包括加热件15、喷嘴、射流燃烧室7和旋流燃烧室6；

喷嘴包括燃油喷嘴芯16和气体旋流器17；气体旋流器3包括雾化圆柱腔18；雾化圆柱腔构成射流燃烧室5的一级旋流区；射流燃烧室7还包括二级旋流区19和射流区20；燃油喷嘴芯用于将燃油导入一级旋流区一级旋流区与二级旋流区连通，二级旋流区与射流区连通；加热件设置于二级旋流区，用于点燃二级旋流区内的气体掺混雾化燃油；射流区与旋流燃烧室连通。

可选地，加热件为氮化硅加热棒；通入的气体为空气；一级旋流区、二级旋流区和射流区均为圆柱腔体。

可选地，旋流燃烧室包括多个壳体面，在第一壳体面上设置有出口管路21，出口管路从该壳体外向旋流燃烧室内延伸至旋流燃烧室腔室内部的中心位置，射流区与二级旋流区的直径的比为3:5至2:5；在与第一壳体面和第二壳体面均相邻的第三壳体面和/或第四壳体面分别设置第一排气接口22和/或第二排气接口23；空气导入部14的截面积：第一排气接口的截面积：第二排气接口的截面积之比为1：1：1。进一步地，发动机排量与掺混燃烧室的体积之比为50:1至65:1。

进一步地，旋流燃烧室的横截面为圆角矩形腔体或原形。

可选地，第一排气接口和第二排气接口分别与发动机排气管1相接，发动机燃烧后产生的尾气通过第一排气接口和第二排气接口沿切向进入旋流燃烧室，在旋流燃烧室内形成旋流充分掺混，发动机尾气中的HC、CO以及碳核颗粒在旋流燃烧室内进一步燃烧转化成CO2和H2O，同时释放化学能。

可选地，第一排气接口和第二排气法兰以出口管路21为分界相对设置于旋流燃烧室的两侧，发动机尾气从两侧分别沿切向进入旋流燃烧室中，此时对向气流便于在燃烧室中形成旋流，与通过射流区进入燃烧室的高温燃气进行充分混合，实现更好的二次燃烧效果。

可选地，气体导入部14靠近二级旋流区的一侧设置气体导入孔25，气体导入孔为向心孔，连通空气导入部和二级旋流区；气体导入孔的轴线与二级旋流区的轴线成角度设置；气体流过时可以产生切向速度，方便旋流的产生；气体导入部与旋流孔24的横截面面积相等。

可选地，燃油喷嘴芯16为可拆卸喷嘴，通过密封垫片进行燃油喷嘴的端面密封，加热件1通过螺栓预紧力紧密贴合，进行锥面密封。

可选地，射流区与旋流燃烧室连接；一级旋流区、射流区、二级旋流区和旋流燃烧室的腔室体积依次增大。

使用时，当燃烧器先于发动机工作时：加热棒1先行预热，燃油经进燃油入口13进入喷嘴后，通过燃油导流管，经出油孔26喷出，流过燃油喷嘴芯上的螺旋油道27，在螺旋油道的末端进入斜槽29喷入一级旋流区；气体从空气导入部进入气体导入部28，一部分通过一级旋流区的旋流孔流入一级旋流区，另一部分从二级旋流区的气体导入孔直接进入二级旋流区；燃油在一级旋流区中，与一级旋流器旋流孔进入的气体对向充分掺混后，进入二级旋流区后，被伸入二级旋流区的加热棒点燃之后，开始混合燃烧，与二级旋流区的气体导入孔来的气体掺混，继续燃烧；随后进入射流区，同时火焰反向传播至一级旋流区，加热棒断电，完成点火过程。

当发动机先于燃烧器工作时：发动机起动后，发动机的废气排气温度达到阈值温度(通常300℃)后，加热棒1预热，燃油经进燃油入口进入喷嘴后通过燃油导流管30从出油孔26进入螺旋油道末端的斜槽喷射进一级旋流区，在一级旋流区内与空气导入部来的气体掺混后进入二级旋流区开始混合燃烧，后经射流区进入旋流燃烧室进行二次燃烧，在旋流掺混燃烧室内被高温尾气点燃，火焰往回传播至一级旋流区，随后关加热棒1，完成点火过程。

一级旋流区内的高温燃气进入二级旋流区继续与气体掺混燃烧，随后进入射流区膨胀加速，进入旋流燃烧室，与第一排气接口进入旋流燃烧室的活塞发动机尾气掺混进行二次燃烧，在二次燃烧的过程中HC、CO和碳核颗粒物继续燃烧，转化成CO₂和H₂O，释放出能量，完全燃烧的气体经旋流燃烧室出口管路排出。

本发明中的一级旋流区通过与斜槽对向的旋流孔实现气体与燃油的充分掺混，同时由于一级旋流区内部气体与燃油流速比二级旋流区慢，混合气流能够在一级旋流区充分燃烧，是稳定燃烧后的主燃区。二级旋流区实现启动时点火，同时作为副燃区进行燃烧反应。首先气体沿切向进入燃烧器内，在空气导入部的腔体内形成预旋效果，一部分通过一级旋流区腔体的侧壁面旋流孔，沿切向进入一级旋流区内形成一级旋流；另一部分通过气体导入部侧壁的气体导入孔沿燃烧器切向进入二级旋流区内，产生二级旋流；射流区使高温燃气膨胀加速，进入旋流燃烧室。

一级旋流区进入二级旋流区时为一级旋流；气体从空气导入部进入二级旋流区的时候通过气体导入孔(形状为旋流孔)，自然产生旋流，由于气体导入孔沿截面均匀圆形分布，与一级旋流在二级旋流区汇合时形成二级旋流，对一级旋流加强。

射流通过射流区实现，射流区联通二级旋流区和旋流燃烧室，二级旋流区内部空间小于旋流燃烧室，使射流区两侧产生压力差，旋流通过射流区时加速，在进入旋流燃烧室后，脱离射流区管壁约束，形成射流。

可选地，喷嘴为燃油雾化喷嘴；燃油喷嘴芯16包括第一固定端和燃油传导柱；气体旋流器17包括燃油导入部、空气导入部14和雾化圆柱腔18；第一固定端设置燃油入口13；燃油传导柱依次设置第一柱段、旋流槽31和第二柱段，第一柱段靠近第一固定端，第二柱段远离第一固定端；第一柱段内部设置出油孔26，外周设置螺旋油道27，出油孔靠近第一固定端；螺旋油道螺旋设置于出油孔和旋流槽之间的第一柱段的外周；螺旋油道用于将从出油孔输出的燃油螺旋传输至旋流槽；旋流槽为沿燃油传导柱的径向圆环槽；旋流槽用于将燃油在此处旋转后喷射入斜槽；第二柱段的外周设置斜槽，斜槽连通旋流槽与雾化圆柱腔；斜槽的轴线与第二柱段的轴线和/或雾化圆柱腔的轴线的角度为α；斜槽用于将燃油喷射入雾化圆柱腔；燃油入口与出油孔连通；燃油导入部与雾化圆柱腔相连，包括容纳腔和第二固定端；容纳腔用于容纳燃油传导柱，第二固定端用于连接第一固定端；容纳腔依次设置第一容纳段和第二容纳段；第一容纳段接近第一固定端，第一容纳段的直径大于第一柱段，第一容纳段与第一柱段之间形成注油空间31，出油孔设置于第一柱段位于注油空间的区域；燃油由出油孔流出后通过注油空间流入螺旋油道；雾化圆柱腔与气体导入部28通过旋流孔24连通；通过旋流孔使气体导入部中的压缩空气产生旋转后导入雾化圆柱腔18。

可选地，出油孔26设置m个，m>＝1，m个出油孔沿第一柱段的径向设置。

可选地，第一柱段的轴向长度a为6.5-7.5mm，优选为7.25mm，旋流槽的轴向长度c为4.5-5.5mm，优选为5.25mm，第二柱段的轴向长度为e为0.5-1mm，优选为1mm，第一柱段与第二柱段的直径相等，为d₀为3-6mm，直径d₀选择时可根据所需的斜槽的数量选择，斜槽数量少于4个时为3-4mm，优选为3.5mm，斜槽数量多于4个时为4-6mm；旋流槽的径向深度d₁为0.15-0.45mm，优选为0.3mm；斜槽的横截面面积s₁为0.01mm² -0.03mm²，优选为0.015mm²，径向深度d₂为0.05-0.15mm，优选为0.1mm；螺旋油道的横截面面积s₂为2ns₁-3ns₁，优选地s₂为2.5ns₁，优选为0.098mm²，其中，n为斜槽的个数，螺旋油道径向深度d₃为0.125-0.375mm，优选为0.25mm；多个出油孔的总横截面面积s₃为4ms₂-5ms₂，优选为0.40mm²，直径d₄为0.25-0.75mm，优选为0.5mm；雾化圆柱腔的轴向长度h为12-14mm，优选为12mm，直径d₅为2d₀-5d₀，优选为13mm；旋流孔与第二柱段远离第一固定端的端面的轴向距离b为b＝L/d₅＝1/2，优选为6.5mm；旋流孔的横截面面积s₄为8mm²-12mm²，优选为10mm²，旋流孔的轴线中点位置与雾化圆柱腔的对应径向平面的轴心距离L为5-7mm，优选为5.25mm；斜槽的轴线与第二柱段的轴线和/或雾化圆柱腔的轴线的角度α满足α＝arctanα＝L/(b-1/2d₀)，优选为30度。

可选地，a：b：c：e＝7.25：6.5：5.25：1；d₁：d₂：d₃：d₄：d₅＝0.3：0.1：0.25：0.5：13。斜槽的数量和横截面积与燃油总量值相关；本实施例使用的燃油流量约为20mg/s，对应地，采用2个斜槽；斜槽出口的朝向与旋流孔出口的朝向相对设置，能够使燃油与空气进行充分掺混，提升燃烧质量；燃油导入部与雾化圆柱腔连通；第一固定端与第二固定端螺纹连接；第一固定端为柱状结构，第二固定端为柱状容纳腔；在第一固定端和燃油传导柱的过渡接触面设置密封垫片33，通过第一固定端与第二固定端的螺纹紧固将密封垫片压紧于第一固定端与第二固定端的轴向接触面以实现燃油密封不泄露；燃油入口为多段阶梯柱状腔，接近第一柱段的一端的末端阶梯柱状腔段与出油孔连通；末端阶梯柱状腔段为燃油导流管，直径大于等于出油孔的直径；出油孔与末端阶梯柱状腔段的轴线垂直；旋流孔设置多个，多个旋流孔沿雾化圆柱腔的周向均匀设置；气体导入部28为环形腔室，气体导入部设置于雾化圆柱腔外圈；气体导入部和雾化圆柱腔之间的壁厚为旋流孔的横截面面积s₄的0.5-1倍；还包括外壳，外壳设置于气体导入部的外侧，用于进一步地密封气体导入部；空气导入部与气体导入部连通，用于输入压缩空气；空气导入部的空气入口方向平行于气体导入部的切向设置，用于使压缩空气沿气体导入部的切向输入气体导入部内；雾化圆柱腔远离第二固定端的一侧为敞口，用于释放雾化燃油；气体导入部为密闭腔室；气体旋流器还包括安装配合孔32，安装配合孔设置于气体旋流器的燃油导入部的内壁上，燃油喷嘴芯与安装配合孔的配合间隙小于等于2倍燃油流动时的附面层厚度，与旋流槽和斜槽共同组成燃油通道，小间隙配合防止燃油通过时泄露；燃油传导柱与雾化圆柱腔的轴线同线；旋流孔24为向心孔；旋流孔与气体导入部的交界面与旋流孔的轴线成角度设置；旋流孔为螺旋向心孔或径向平面向心孔。

使用时，燃油喷嘴芯16与气体旋流器17通过螺纹紧固连接，并将密封垫片33压紧实现燃油密封不泄露；气体旋流器与外壳连接为一体，实现外壳与气体旋流器的气密性；空气导入部的空气接管连接在外壳上，在使用时燃油喷嘴芯上的燃油入口处通过螺纹连接与外部燃油接头接通，空气导入部处的空气接管与外部气源接通，至此实现了完整的燃油喷嘴结构功能；燃油通过燃油入口经过出油孔进入到注油空间内，通过燃油喷嘴芯上的螺旋油道进入旋流槽内进行旋转，此时燃油获得了旋转速度后，经过螺旋油道平衡进入斜槽的流量分配，进入斜槽后呈锥状喷射进雾化圆柱腔内，与此同时，压缩空气通过空气导入部沿切向进入到气体导入部内，并进行旋转，后通过旋流孔沿切向进入雾化圆柱腔。由于在结构上斜槽11角度α满足α＝arctanα＝L/(b-1/2d₀)，优选为30度，因此在雾化圆柱腔内，通过斜槽喷射出的高速燃油与通过旋流孔24进来的高速空气直接冲击掺混，通过气液两相直接碰撞实现燃油与空气掺混更加均匀。

可选地，还包括悬臂式转子装置，悬臂式转子装置用于涡轮增压器3中，补燃燃烧器出口9连接涡轮增压器且能够驱动涡轮增压器3的涡轮作功，涡轮增压器的增压器出口33与发动机空气盒连接，发动机空气盒连接补燃燃烧器2的空气导入部14，起发一体电机4与涡轮增压器轴通过联轴器连接并传输扭矩。

悬臂式转子装置包括转轴33和径流式涡轮34，转轴33上从前往后依次排列设置轴承35、离心式压气机叶轮36、轴向径向阻尼器37和径流式涡轮34。

隔热封严装置5位于离心式压气机叶轮和径流式涡轮之间，离心压气机叶轮的一侧以端面配合的方式与轴承连接，离心压气机叶轮的另一侧端面与轴向径向阻尼器相连接，采用前端螺母将轴承、离心压气机叶轮、轴向径向阻尼器压紧在转轴轴肩，实现转子系统的装配。

离心压气机叶轮和径流式涡轮采用背靠背形式，中间由轴向径向阻尼器和隔热封严装置隔开。轴承位于转轴最前端，对整个转子系统进行支撑，转子悬臂支撑。转子系统高速旋转时，离心压气机叶轮前端进入的空气。部分经过轴承对其进行冷却。

同时，轴向径向阻尼器可在转子系统运转时，产生轴向和径向的阻尼，耗散转子振动能量；轴向径向阻尼器的轴向端面与静止部件之间形成第一小间隙，轴向径向阻尼器的径向外圆柱面与静止部件之间形成第二小间隙；随着转轴高速旋转，第一小间隙和第二小间隙内气流高速旋转挤压，并耗散转子振动能量的作用，保证悬臂式转子装置稳定运转。

隔热封严装置固定在静止部件上，内部通气，可将燃气辐射和传递过来的热量带走，实现热隔离。隔热封严装置内圆柱面与转轴之间的配合对动静交界面泄露的高压气体进行封严。进一步的，隔热封严装置的内圆柱面和转轴外圆柱面配合，形成第三小间隙，转轴1高速转动带动第三小间隙内的气流高速旋转，起到旋转密封作用，对高压气体进行封严。

间隙宽度与转速、盘腔内压力值相关，在工作转速为120000-16000rpm，盘腔压力为1.1个标准大气压的工况下，第一小间隙和第二小间隙的宽度为0.4mm-0.5mm，能达到较好的减振效果。

隔热封严装置内圆柱面和转轴外圆柱面间的间隙宽度与设计转速、压力相关，在工作转速为120000-16000rpm，压力为1.1大气压的工况下，第三小间隙的宽度为0.4mm-0.5mm，能达到较好的维持转子稳定的效果。

本发明另一方面，提供了一种发动机尾气排放循环系统的使用方法，使用前述发动机尾气排放循环系统，具体包括以下步骤：

第一压气机(13)产生高压气体，部分通过气阀(15)流入补燃燃烧器的燃烧器，另一部分通过中冷器(16)流入发动机(1)的气缸(4)，构成循环系统的低温高压气体流流路；提高气缸的工作安全性、可靠性和部件寿命，提升发动机的进气的质量和流量，提升发动机的功率。

油箱(2)内的燃油经第一出口进入发动机(1)的燃油泵(8)加压后经燃油喷头(9)喷射进入柴油发动机(1)的气缸(4)内，与从中冷器(16)来的低温高压气体混合燃烧，膨胀做功后产生废气，废气由发动机(1)的排气门(7)排出进入补燃燃烧器的射流补燃室的二次燃烧区；在这个过程中通过中冷器(16)降低进入发动机(1)的气体温度，延迟燃油喷头(9)向气缸(4)内的喷射时刻，以及提高燃油喷射速度来抑制NO_X的生成；同时，发动机(1)的排出的废气通过排气门(7)流出，并与由燃烧器产生的高温燃气在补燃燃烧器的二次燃烧区进行充分混合和二次燃烧，该过程将发动机(1)排气中的HC、CO和PM等未完全燃烧产物在二次燃烧过程中转化成CO₂和H₂O等无害气体。

油箱(2)内的燃油经第二出口进入燃油喷射器(10)加压后进入补燃燃烧器的燃烧器与从气阀(15)来的高压气体进行充分掺混后进入补燃燃烧器的射流补燃室的二次燃烧区；

经过补燃燃烧器的射流补燃室的二次燃烧区产生的高温燃气由管路流入涡轮(11)膨胀做功产生能源，推动压气机压缩产生新的高压气体，能够提高发动机(1)的气体流量，同时涡轮(11)驱动发电机(12)进行发电，回收剩余的涡轮能量。

当设置第二压气机14时，参见图2，第一压气机(13)的空气进入第二压气机(14)进一步压缩，经过两级压缩之后的高压气体分别通过气阀(15)和中冷器(16)进入补燃燃烧器和柴油发动机(1)的气缸(4)。

当设置电动机17时，参见图3，循环系统的涡轮和压气机工作时相互独立，涡轮(11)驱动发电机(12)发电以供其他设备使用，电动机(17)驱动两级压气机13、14产生压缩高压；循环过程中第一压气机(13)提供的部分高压气体通过气阀(15)为燃烧器提供燃烧所需高压气体，剩余气体流入第二压气机(14)进行二次压缩，并流经中冷器(16)进入发动机(1)的气缸(4)。使得发动机气缸排出的废气中包含的大量未燃物和有害中间产物进一步燃烧，使其转化为非有害气体，改善发动机的排放；使涡轮的进口条件可调可控，有利于增加增压器性能(转速、增压器和流量)的调节灵活度；缓解压气机出口的气流堵塞情况，有利于提高压气机的喘振裕度；同时还能回收废气能量，通过调节发电量的大小实现增压器压气机压力的控制，摒弃传统放气阀调节的方式，提高废气能量回收效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种发动机尾气排放循环系统，包括发动机、油箱、补燃增压装置、涡轮、第一压气机、气阀和中冷器，其特征在于，

发动机包括进气门、排气门和燃油喷头；

所述第一压气机分别与气阀和中冷器连接；气阀与补燃增压装置的空气进口连接；进气门与中冷器连接，燃油喷头与油箱连接；排气门与补燃增压装置的排气接口连接；补燃增压装置的出口管路与涡轮连接；油箱与补燃增压装置的燃油入口连接。

2.根据权利要求1所述的发动机尾气排放循环系统，其特征在于，还包括燃油喷射器，油箱通过燃油喷射器与补燃增压装置的燃油入口连接。

3.根据权利要求1所述的发动机尾气排放循环系统，其特征在于，还包括第二压气机，第一压气机与二级压气机连接，经过第一压气机与二级压气机压缩的高压气体由第二压气机进入气阀和中冷器。

4.根据权利要求1所述的发动机尾气排放循环系统，其特征在于，还包括发电机，发电机与第一压气机或第二压气机或涡轮连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的发动机尾气排放循环系统，其特征在于，还包括电动机，电动机与第一压气机连接，发电机与涡轮连接。

6.根据权利要求1所述的发动机尾气排放循环系统，其特征在于，补燃增压装置包括发动机排气管、补燃燃烧器、涡轮增压器和起发一体电机。

7.一种发动机尾气排放循环系统的使用方法，根据权利要求1-6任一项所述的发动机尾气排放循环系统，其特征在于，具体包括以下步骤：

第一压气机产生高压气体，部分高压气体通过气阀流入补燃增压装置，另一部分高压气体通过中冷器流入发动机的气缸，构成循环系统的低温高压气体流流路；

油箱内的燃油进入发动机的燃油泵加压后经燃油喷头喷射进入柴油发动机的气缸内，与从中冷器来的低温高压气体混合燃烧，膨胀做功后产生废气，废气由发动机的排气门排出进入补燃增压装置的二次燃烧区；

油箱内的燃油加压后进入补燃增压装置与从气阀来的高压气体进行充分掺混后进入补燃增压装置的二次燃烧区；

经过燃烧器二次燃烧区产生的高温燃气流入涡轮膨胀做功产生能源。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，第一压气机的空气进入第二压气机进一步压缩，经过两级压缩之后的高压气体分别通过气阀和中冷器进入补燃增压装置和发动机的气缸。