CN1902394A - 降低增压活塞发动机氮氧化物排放物(NOx)的方法和活塞发动机装置 - Google Patents
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Abstract
一种减少增压活塞发动机(1)的氮氧化物排放物(NOX)的方法，在这种方法中，燃烧空气的压力通过压缩机装置(2)提高到一个比环境压力高的水平，而且湿度的水平提高了(4，4’)，同时从发动机废气得到的热在送到发动机燃烧室之前被引入(5，5’，5.1)燃烧空气。本发明还涉及一种活塞发动机装置(1)，包括一些气缸，涡轮增压器(2)，后者包含设置成通过燃烧空气通道(3)与每个气缸流体连接的压缩机部分和设置成通过废气通道(7)与每个气缸流体连接的涡轮部分，该装置包括用来将水引入燃烧空气通道(3)的喷嘴装置(4，4’)和设置成与燃烧空气通道传热连接的热交换器(5)，此热交换器(5)与废气传热连接。
Description
本发明涉及一种如权利要求1所述的方法和一种按权利要求9的活塞发动机装置。
氮氧化物是在高燃烧温度下形成于活塞发动机气缸的燃烧室内，它被释放到大气中。因为氮氧化物排放物对环境有害，因此趋势是扼制这种排放物。
众所周知，将水连同燃烧空气一起加到燃烧室可减少氮氧化物排放物的形成。这种现象主要是基于水的冷却效应。在实践中，将水引入活塞发动机燃烧室是按三种可互相替换的方式进行的，即水直接引入发动机燃烧室，水和燃料作为燃料乳液引入，或水沿进气管道与燃烧空气一起引入。
美国公开专利文献US 5,758,505叙述了一种将水引入在增压器后面的燃烧空气的方法。首先用发动机冷却水把水加热并送到一个分离的润湿筒，水在那儿被喷射成雾状并被蒸发。这种装置由于润湿筒需要占用很大的空间等原因而变得不太实际，同时它也会引起一定的安全隐患，因为大的润湿筒是工作在高压之下。
将水连同燃烧空气一起引入燃烧室较为可取，因为它不会降低发动机的轴效率。但是，燃烧室的温度在某些条件下必须提高到比较高的水平，以便保持空气具有对于减少氮氧化物来说足够高的湿度。因此以蒸气形式引入燃烧室的最大水量可以是在燃烧空气的压力和温度条件下保持气体形式的量，所以需要一种从整体来看比较好的增加和维持燃烧空气温度的解决方案。
本发明的目的是提供一种减少增压活塞发动机的氮氧化物排放物的改进方法和装置，它能基本上消除先有技术的不足。更具体地说，本发明的目的是提供一种将入口空气温度提高并维持在一个高于环境温度的合适的水平上的方法和装置。
本发明的这些目的主要是按后面权利要求1和9所述来实现，并在其它各权利要求中作了更详细的说明。
在按本发明的为减少增压活塞发动机氮氧化物排放物的一种方法中，在发动机工作期间燃烧空气的压力通过一个压缩机装置提高到一个高于环境压力的水平，同时燃烧空气的湿度增加，而且是在将燃烧空气送到发动机燃烧室之前将它加热。引入燃烧空气的热是从发动机的废气获得，即热是被传给燃烧空气的。
传给燃烧空气的热的温度最好是相当于废气在送入压缩机装置涡轮部分之前的温度，因而，温度应尽可能高，同时燃烧空气是通过面积较小的热交换器来加热。
按照本发明的一个实施例，发动机的废气流被分成两部分，使得一个部分流在废气进入压缩机装置涡轮部分之前从其中分开，因而传给燃烧空气的热是从被分开的部分流取得的。被分开的部分流与接在压缩机装置涡轮部分后面的废气流相混合。传热效率可通过调节部分流的体积来控制，后者是通过对调节部分流的节流来控制。部分流的体积可根据发动机的负荷来控制，故部分流的体积与发动机的负荷成正比。例如，对于很轻的负荷，部分流的体积很小。
燃烧空气的湿度优选地分几步增加，但优选地其中至少一部分是在热从废气传给燃烧空气之后进行。
按照另一个实施例，热是通过安置在排气通道内的热交换器从发动机废气传走的，首先是传给一种媒质，再通过安置在燃烧空气通道内的热交换器传给燃烧空气。
按本发明的一种活塞发动机装置包括一些气缸，涡轮增压器，涡轮增压器包括通过燃烧空气通道与每个气缸流体连接的压缩机部分和通过废气通道与每个气缸流体连接的涡轮部分，设有用来将水引入燃烧空气通道的喷嘴装置和设置成与燃烧空气通道传热连接的热交换器。该热交换器与废气传热相连。所以，在此装置中，热源处在同一个装置内，靠得非常近，因而是一个很紧凑的解决方案。
在此装置中，热交换器设置成在涡轮增压器涡轮部分之前和之后与废气通道流体相连，因此由涡轮部分引起的压力差还可以通过热交换器用于废气流。在热交换器和废气通道之间的流体相连是利用一个通道和与之相连的控制阀来安置的，因而流的体积可以通过节流和打开该控制阀来调整。
根据另一个实施例，是将热交换器连接到一个分离的热交换器媒质管路，有热交换器媒质在该管路中流动，而且包含安置在废气通道内的第二热交换器。
利用本发明可以实现许多优点，例如从废气产生的氮氧化物大大减少。另外，本发明提供一种节省空间的解决办法，以实现有效地利用发动机热耗散。
下面将以附图为例对本发明加以说明，其中
图1是按本发明一种实施例的示意图，
图2是按本发明另一种实施例的示意图，
图3是按本发明第三种实施例的示意图。
各图中标号1表示活塞发动机，它按图示方式与涡轮增压器2相连接。燃料喷嘴7安置成与每个气缸相连，用来将燃料引入发动机内。将水引入燃烧空气的喷嘴装置4安置在连接涡轮增压器2的空气通道3中，以将空气送到发动机。还将一个相应的喷嘴装置4’安置在涡轮增压器的压缩机前面。喷嘴装置4，4’与供水系统(图中用标号10表示)相连接。根据应用情况还将包括水源，同时还可能包含水预热装置，其热源最好是发动机产生的热。还在空气通道3内安置了热交换器装置5，用以增加热交换器空气的温度。通道还可包含另外的热交换器。通道3与发动机1的空气室8相连，空气从那儿经过通道3引入发动机每个气缸中。图中还显示了用于该装置的水滴分离器6(如果需要的话)。喷嘴装置4，4’用来增加在燃烧空气引入发动机燃烧室之前燃烧空气的水含量。引入空气中的水量最好选成使空气基本饱和。引入燃烧空气中的典型水含量约为燃料量的0.5至5倍。按照本发明，水是作为液体引入空气通道3内。因此，空气通道3内的水利用空气的热蒸发，并避免空气的温度降得太低，同时为把足量的水蒸发到空气中，通过热交换器装置5把热引入在空气通道内流动的发动机燃烧空气。
图1的实施例中，在发动机的废气通道7内，在废气进入压缩机装置2的涡轮部分那点之前，安置了一个分支通道8，废气流的部分流经由热交换器装置5流过分支通道8。因此，从发动机燃烧室来的一部分废气热能可以传给燃烧空气，所以可以维持这样的燃烧空气温度，使得足够的水量可以在其中蒸发，而且足够的水量保持在气相状态。因而，废气的能量是用来使燃烧空气中的水蒸发。分支通道8与传热装置5相连接，热废气通过该装置进行流动。该分支通道被安置成连回到接在压缩机装置涡轮部分之后的废气通道7上，而且提供了阀装置11用以控制部分流的体积。流过分支通道8的流是被压缩机装置涡轮部分造成的压力差而激发的，而且流的体积可以通过控制阀装置11的位置来调节。优选地根据发动机的当前负荷及燃烧空气温度的测量值和设定值间的比较来进行控制。
图2所示的实施例基本和图1相似，但其中热交换器5是与分开的传热媒质管路5’相连接，后者包含安置在废气通道内的第二热交换器5.1。在这种装置中，废气首先将热传给在传热媒质管路5内流动的传热媒质。然后被加热的传热媒质传给燃烧空气，并由此随着水的蒸发传给包含在燃烧空气内的水。
图3所示实施例的装置包括处于废气通道内的用来直接从废气传导热的热交换器5和与分离传热媒质管路5’相连的第二热交换器5，该管路还包含安置在废气通道内的第二热交换器5.1。因此，图3的实施例综合了图1和2的方案。
优选地根据发动机的负荷来调节引入燃烧空气中的水量，燃烧空气的压力可以作为此负载的一个适当指示。引入燃烧空气中的水量可按需要通过开、关适当数量的水喷嘴来调节，与此同时保持每个喷嘴处的喷射压力基本不变。这样就能同时实现所希望的燃烧空气内水的雾化和正确的水量。
本发明不局限于这里所述的实施例，对它可以作一些更改而仍属于下面权利要求书的范围。
Claims (13)
1.一种减少增压活塞发动机(1)的氮氧化物排放物(NOX)的方法，在这种方法中，燃烧空气的压力通过压缩机装置(2)提高到比环境压力高的水平，而且湿度的水平被提高(4，4’)，热量在送到发动机燃烧室之前被引到(5，5’，5.1)燃烧空气内，其特征在于：从发动机废气得到的热量(5，5’，5.1)被传送到燃烧空气内。
2.如权利要求1的方法，其特征在于：热量是在大约相当于废气被引入压缩机装置(2)的涡轮部分之前的温度下传送到燃烧空气内。
3.如权利要求2的方法，其特征在于：在废气进入压缩机装置(2)之前从废气流中分离出部分流(8)，且将要传给燃烧空气的热量是从该被分离的部分流取得的。
4.如权利要求1的方法，其特征在于：在废气进入压缩机装置(2)之前从废气流中分离出部分流(8)，且将要传给燃烧空气的热量是从该被分离的部分流(8)取得的。
5.如权利要求2的方法，其特征在于：在热交换之后分离的部分流与接在压缩机装置(2)的涡轮部分之后的废气流相混合，而且部分流的体积通过调节部分流的节流来调整。
6.如权利要求3的方法，其特征在于：部分流的体积是相对于发动机的负载来调节，使得部分流的体积与发动机的负荷成正比。
7.如上述任一权利要求的方法，其特征在于：燃烧空气的湿度至少在热量从废气传至燃烧空气之后是增加的。
8.如权利要求1的方法，其特征在于：热量是通过安置在废气通道内的热交换器从发动机废气传至一种媒质，并从后者进而通过安置在燃烧空气通道内的热交换器(5.1)传至燃烧空气(5)。
9.一种活塞发动机装置(1)包括一些气缸，涡轮增压器(2)，该涡轮增压器(2)包括通过燃烧空气通道(3)与每个气缸流体连接的压缩机部分和通过废气通道(7)与每个气缸流体连接的涡轮部分，该装置包括用来将水引入燃烧空气通道(3)的喷嘴装置(4，4’)，和设置成与燃烧空气通道热传导连接的热交换器(5)，其特征在于：热交换器(5)与废气热传导连接。
10.如权利要求9的活塞发动机装置，其特征在于：热交换器(5)与废气通道(7)流通连接。
11.如权利要求9的活塞发动机装置，其特征在于：热交换器(5)在涡轮增压器(2)的涡轮部分之前和之后与废气通道(7)流通连接。
12.如权利要求10的活塞发动机装置，其特征在于：与废气通道的流通连接是通过通道(9)和装有的调节伐(11)来设置的。
13.如权利要求9的活塞发动机装置，其特征在于：热交换器(5)与分离的热传导媒质管路(5’)相连接，后者包含安置在废气通道内的第二热交换器(5.1)。
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