CN1258642C - 内燃机注汽涡轮增压系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种注蒸汽的涡轮增压内燃机系统。工质空气经压气机1增压进入内燃机气缸2，压缩燃烧作功后排气进入涡轮3，在涡轮3前连接有注汽系统，注汽系统上连接节流阀5和吹扫系统7。本发明是在涡轮增压器的基础上，利用涡轮增压器的排气余热，设置一个朗肯回热循环，构成一种新颖的注汽涡轮增压系统。藉余热所产生的蒸汽注入涡轮中将大幅度地提高涡轮功率，使由其驱动的压气机的压比及流量增加，从而达到提高涡轮增压内燃机的功率，降低其耗油率，明显改善低工况性能的目的。

Description

内燃机注汽涡轮增压系统

(一)、所属领域

本发明涉及一种涡轮增压内燃机系统，尤其是涡轮增压柴油机系统。

(二)、背景技术

由于涡轮增压技术的进展，使内燃机尤其是柴油机的功率、经济性、重量和体积等各项性能指标都获得了明显的改善。现代大功率柴油机几乎全部采用了涡轮增压装置，而其中应用最广泛的是废气涡轮增压装置。涡轮增压内燃机是内燃机与涡轮增压器所组成的复合式发动机，在各种工况下，涡轮增压装置应该向内燃机提供足够的空气量，如果涡轮增压器的供气量不足，就会引起工作过程的恶化。然而，当内燃机工况变化时，废气流量和参数也都发生变化，往复式的内燃机与回转式的涡轮增压器两者特性匹配的结果通常是涡轮增压柴油机在低工况运行时会出现增压压力不足，燃烧过量空气系数小和废气排温较高等固有特性，其直接表现就是涡轮增压器不能提供运行条件所要求的压比，满足对空气量的要求。

图1表示涡轮增压柴油机在不同运行条件下的涡轮增压器的运行特性(一个特定的涡轮增压器的运行特性)，即在不同的涡轮进口折合流量下所能提供的压比。由图可见，在标定工况，即设计点，增压器提供的压比与柴油要求的相符。在低工况时，运行特性不同，提供与要求的压比差别不同。按车用特性、Ne＝cn²、Ne＝cn³(Ne-功率，n-转速)特性运行时增压器所能提供的压比均不能满足要求。

为了改善涡轮增压柴油机的低工况性能，当前在涡轮增压系统上采用了多种措施，如放废气增压系统，放增压空气的增压系统、涡轮前(或后)节流增压系统、旁通增压系统和回热旁通增压系统等。各种改进方案均有其各自的优缺点。

本发明的目的是提供一种能大幅度提高涡轮增压器的压比，尤其是低工况下的压比，从而改善低工况的性能，提高涡轮增压内燃机的功率，降低涡轮增压内燃机的耗油率的内燃机注汽涡轮增压系统。

本发明的目的是这样实现的：工质空气经压气机1增压进入内燃机气缸2，压缩燃烧作功后排气进入涡轮3，在涡轮3前连接有注汽系统，注汽系统上连接节流阀5和吹扫系统7。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、它包括余热锅炉4，涡轮3的排气进入余热锅炉4，与作为第二种工质进入余热锅炉4的水进行热交换后排入大气，出余热锅炉4的过热蒸汽通过注汽系统注入到涡轮3前。

2、出余热锅炉4的过热蒸汽与注汽系统间连接的管道上设置排出或引作他用的多余水蒸汽的旁路系统6。

3.现场已有的蒸汽经减压或减温减压装置10，再通过注汽系统注入涡轮3，由燃气、蒸汽组成的混合工质在涡轮3中膨胀作功，驱动压气机，最后排入大气。

4、在涡轮3的排气管道上设置有废气旁路系统8。

本发明是在涡轮增压器的基础上，利用涡轮增压器的排气余热，设置一个朗肯回热循环，构成一种新颖的注汽涡轮增压系统。藉余热所产生的蒸汽注入涡轮中将大幅度地提高涡轮功率，使由其驱动的压气机的压比及流量增加，从而达到提高涡轮增压内燃机的功率，降低其耗油率，明显改善低工况性能的目的。

本发明提出的注汽涡轮增压内燃机系统具有如下特点：

(1)显著提高内燃机功率

由于第二工质为水，在等压下的蒸汽比热至少要比空气——燃料燃烧产物的比热高一倍。换言之，蒸汽作为主工质能比内燃机排气(空气——燃料燃烧产物)做更大的机械功。随着汽/气比的增加，增压涡轮的功率随之增大，从而使压气机的流量、压比增加，最终使内燃机的功率大幅度增加。

(2)提高内燃机效率

相对于原增压系统而言，本发明的新系统增加了余热锅炉以产生蒸汽，这增加了泵水的功耗。其实，泵水加压的功耗不大，但将水变为蒸汽则需大量的能，而这在本系统中是利用排气余热，这就改善了注汽涡轮增压系统的效率，从而提高了内燃机的效率。(如果将内燃机的气缸冷却水、进气间冷水与余热锅炉给水相连则能进一步提高总能利用率)。

(3)独特的参数匹配和调节方式

通常的涡轮增压器设计中有两个独立变量：涡轮进口温度和压比。本发明的注汽涡轮增压系统设计中有三个独立变量：涡轮进口温度、压力和汽/气比。对于一个已与内燃机配装的涡轮增压器而言，涡轮的进口参数即是由柴油机的排气参数所确定了的，而对于一个与内燃机配装的注汽涡轮增压器而言，其涡轮进口参数仍可通过汽/气比的变化来加以调节。采用注汽涡轮增压器后，增压器出口的空气压力、流量在各工况下都有大幅度提高，加之有注汽调节系统和涡轮排气旁路调节系统，综合运用，可以获得一个与运行规律所要求的涡轮增压器特性相逼近的特性。

(4)部分负荷性能良好

通常的涡轮增压器在部分负荷时因涡轮驱动功率不足而使增压器的压比和流量未能达到内燃机在此工况下的期望值。本发明的注汽涡轮增压系统中，涡轮的质量流量可用改变蒸汽流量的简单方法来增加涡轮的输出，提高增压器的空气流量和压比，因而使部分负荷性能良好。

(5)现实可行性

本发明的注汽涡轮增压系统可以在原有的涡轮增压器上改装实施，主要是附加了一些设备、系统，而对原涡轮增压器的改动较小，所获得的内燃机功率和耗油率的改善又很明显，是一个现实可行的方案。

实际上，注汽后增压涡轮进口的混合工质的工作温度明显低于原来未注汽的工作温度，因此这也使增压涡轮的工作寿命延长。

(6)瞬态特性

本发明的注汽涡轮增压内燃机系统较之原涡轮增压内燃机系统多了一个热惯量相对较大的余热锅炉部件，这就会使本发明系统相对于原系统产生瞬态响应滞后。为了改善瞬态特性，余热锅炉采用小惯量设计，更可取的方法是在部分负荷时采用适度的汽/气比，这样，响应速度仅取决于注汽调节阀的速度。

此外也应看到，涡轮增压柴油机瞬态响应滞后的原因之一是增压器在低速区的增压效果差，限制了发动机的瞬态响应。本发明系统能明显改善低速区的增压效果，在这点上改善了增压柴油机的瞬态响应。

(四)、附图说明

图1为涡轮增压柴油机在不同运行条件下的涡轮增压器的运行特性；

图2为一种注汽涡轮增压系统原理图；

图3为简化注汽涡轮增压系统原理图；

图4为增压器注汽后特性变化图；

图5为带动力涡轮的注汽增压系统示意图；

图6为增压器注汽后所获的压比增益图；

图7为注汽涡轮增压柴油机在不同运行条件下的注汽涡轮增压器的运行特性。

(五)、具体实施方案

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图2，工质空气经压气机1增压进入内燃机气缸2，压缩燃烧作功后排气进入涡轮3，在涡轮3前连接有注汽系统，注汽系统上连接节流阀5和吹扫系统7。它包括余热锅炉4，涡轮3的排气进入余热锅炉4，与作为第二种工质进入余热锅炉4的水进行热交换后排入大气，出余热锅炉4的过热蒸汽通过注汽系统注入到涡轮3前。

其主要流程是：

工质空气经压气机1增压进入内燃机气缸2，压缩燃烧作功后排气进入涡轮3。水作为第二种工质进入余热锅炉4，在余热锅炉4内从涡轮排气余热中吸收热量变为过热蒸汽，通过专门的注汽系统注入到涡轮前。在涡轮3中由两种工质(燃气、蒸汽)组成的混合工质膨胀作功驱动压气机，最后经余热锅炉4排入大气。回注的蒸汽量可由调节阀5控制，来满足涡轮增压内燃机的需要。多余蒸汽可由旁路系统6引作它用或排放。

图3是本发明的另一种系统原理图。其主要流程是：

工质空气经压气机1增压进入内燃机气缸2，压缩燃烧作功后排气进入涡轮3。现场已有的蒸汽经减压或减温减压装置10和调节阀5注入涡轮3。由燃气、蒸汽组成的混合工质在涡轮3中膨胀作功，驱动压气机，最后排入大气。

显然，图3所示系统是在一种特定场合下采用的，即现场已有现存的合适的蒸汽源。此时，虽然没有废热利用，但整个系统变得非常简单，仍能有效实现本发明的目标。

结合图5，它是在图2的基础上的改进，出余热锅炉4的过热蒸汽和出内燃机气缸2的燃气分成两路，一路进入涡轮3，另一路进入动力涡轮，动力涡轮11再驱动发电机12，在进入动力涡轮11的过热蒸汽和燃气通道上设置有控制阀13、14。

对于本发明中的主要设备及系统描述如下：

1.注汽涡轮增压器

涡轮增压器中有两个独立变量：涡轮进口(内燃机废气出口)的燃气温度和压力。但是在注汽涡轮增压器中还有一个独立变量：蒸汽质量流量与燃气质量流量之比，即汽/气比。汽/气比的大小对涡轮增压器的压比、转速的变化影响较大，因为在等压下蒸汽比热至少要比空气——燃料燃烧产物的比热高一倍，因此蒸汽的做功能力更大。注汽温度对压比、转速的影响则相对较小。图4示出一特定增压器注汽后特性的变化，随着汽/气比增大，涡轮增压器的压比增加。

当选择汽/气比时应综合考虑如下因素作出最佳选择：

(1)内燃机对增压器压比、流量的要求；

(2)压气机的喘振裕度；

(3)涡轮增压器的转速极限；

(4)涡轮的通流能力；

(5)余热锅炉的紧凑性(尺寸、重量)；

(6)兼顾全回注与零回注。

通常，注汽位置应尽可能向涡轮的上游移动，以使蒸汽与燃气尽可能掺混均匀，因此，注汽部位设在内燃机的排气管上为宜，仅在极端情况下设在涡轮的进气管上。

当选择大的汽/气比时，涡轮导向器面积可能要据此作出相应调整，以保证最大汽/气比条件下的通流能力。

注汽涡轮增压器的背压因为涡轮出口装有余热锅炉而升高，但是注汽后获得的功率增益远大于背压升高而带来的损失。

2.余热锅炉

余热锅炉吸收涡轮增压器排气的热量产生蒸汽。在涡轮增压器以非回注方式运行时，排气的成分是燃气；在以回注方式运行时，排气的成分是燃气加蒸汽。

涡轮增压内燃机系统要求余热锅炉结构高度紧凑、重量轻、热惯量小。其设计思想不是最大限度地利用排气余热多产蒸汽，而是根据涡轮增压器的要求，在蒸汽产量和余热锅炉尺寸、重量间作折衷。余热锅炉结构宜选择直流锅炉或强制循环型式，采用强化传热元件，或高度紧凑的特种结构。余热锅炉应设计成允许“干烧”，当余热锅炉某些部件发生故障或要求作“零”注汽运行时，余热锅炉可以作干式运行。

3.注汽系统

为了将过热蒸汽从余热锅炉导入涡轮增压器，需设置回注系统。

对图2系统，主要应包括注汽流量调节阀、注汽喷咀、吹扫系统、蒸汽旁路系统。吹扫系统7(图2、3)是为注汽管系在工作前预热，防止有凝水进入增压涡轮。旁路系统是为排放可能的多余蒸汽以及在柴油机停机，而余热锅炉因热惯量较大，继续产生蒸汽的排放之用。

对图3系统，还应包括一个减温减压器。

4.涡轮排气旁路系统

废气旁路系统8(图2、3)是在一些特定条件下可能需设置的系统。

内燃机在装设涡轮增压器后已增加了其废气排出的阻力，当采用注汽涡轮增压器时还有余热锅炉附加的烟气阻力，对某些对此敏感的内燃机，为改善其起动性能可以采用废气旁路系统。

此外，通过废气旁路系统的调节也能有效调节蒸汽产量，在一些特定条件下可采用这种方法。

现今，涡轮增压系统已发展了多种形式，注蒸汽系统完全可以应用于各种类型的涡轮增压系统。

为了进一步说明本发明注汽涡轮增压系统的优越性，引入一个示例。

某柴油机用涡轮增压器，其标定参数见表一。

图1已示出涡轮增压柴油机在不同运行条件下的涡轮增压器配合性能。并已指出，在中、低工况时，增压器所能提供的压比并不能满足按车用特性、Ne＝cn²、Ne＝cn³特性运行对压比的要求。现采用注汽涡轮增压柴油系统作为改善措施。

图6表示采用注汽涡轮增压系统后，该增压器在不同的汽/气比下所能获得的压比增加值。

图7表示采用注汽涡轮增压系统后涡轮增压器的运行特性。该特性是在汽气比为0.06下获得的。由图7可见，注蒸汽后的涡轮增压器已能满足Ne＝cn²、Ne＝cn³对压比的要求，即使按车用特性运行时，其性能也大为改善。并且，在标定工况和高工况时，在涡轮增压器许用转速内，也可使压比有较大升高。

表二则最终反映了注汽涡轮增压柴油机系统的效果，柴油机的功率平均增加约16％，耗油率平均下降约1.8％。

表一

        某涡轮增压器标定参数

名称	单位	参数
			涡轮进口温度	℃	580
空气流量	Kg/s	5.5
			增压比		2.88
增压器效率		0.72

表二

                             采用注汽涡轮增压系统后的获益

汽气比＝0.06
						原压比	1.502	1.877	2.275	2.499	2.88
功率增加(％)	16.21	16.11	16.46	16.43	14.74
						油耗率下降(％)	2.3	1.95	1.73	1.61	1.32

Claims (5)

1.一种注蒸汽的涡轮增压内燃机系统，工质空气经压气机(1)增压进入内燃机气缸(2)，压缩燃烧作功后排气进入涡轮(3)，其特征是：在涡轮(3)前连接有注汽系统，注汽系统上连接节流阀(5)和吹扫系统(7)。

2、根据权利要求1所述的注蒸汽的涡轮增压内燃机系统，其特征是：它包括余热锅炉(4)，涡轮(3)的排气进入余热锅炉(4)，与作为第二种工质进入余热锅炉(4)的水进行热交换后排入大气，出余热锅炉(4)的过热蒸汽通过注汽系统注入到涡轮(3)前。

3、根据权利要求2所述的注蒸汽的涡轮增压内燃机系统，其特征是：出余热锅炉(4)的过热蒸汽与注汽系统间连接的管道上设置排出或引作他用的多余水蒸汽的旁路系统(6)。

4.根据权利要求1所述的注汽涡轮增压内燃机系统，其特征是：现场已有的蒸汽经减压或减温减压装置(10)，再通过注汽系统注入涡轮(3)，由燃气、蒸汽组成的混合工质在涡轮(3)中膨胀作功，驱动压气机，最后排入大气。

5.根据权利要求2或3所述的注汽涡轮增压内燃机系统，其特征是：在涡轮(3)的排气管道上设置有废气旁路系统(8)。

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