CN202789098U

CN202789098U - 重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置

Info

Publication number: CN202789098U
Application number: CN2012204984400U
Authority: CN
Inventors: 刘海峰; 尧命发; 郑尊清
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2022-09-26

Abstract

本实用新型公开了重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置，它包括进气总管和排气总管，在进气总管上沿进气流动方向依次安装有低压级压气机、第一级中冷器、高压级压气机以及第二级中冷器，进气总管的出气口与气缸的可变进气门机构相连通，在排气总管上沿排气方向依次安装有高压级涡轮机、低压级涡轮机以及第一颗粒捕集器和废能回收系统。本实用新型通过使用带复合废气再循环的两级布雷顿循环过程，可以改善柴油机的瞬态响应特性，并且在柴油机结构强度允许的范围内，大幅度提高重型柴油机升功率和低速扭矩。

Description

重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置

技术领域

本实用新型装置属于复合热力循环联合运行装置，特别涉及重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置。

背景技术

重型柴油机以其很好的动力性广泛应用于城市公共交通、物流运输、工程机械等领域。近年来，日益严格的排放法规促进了重型柴油机技术的不断进步，例如高压共轨喷射系统、涡轮增压系统、废气再循环（EGR）系统、先进的后处理器等技术已广泛应用于重型柴油机上。

然而，在重型柴油机动力性、排放性不断优化的同时，其燃油经济性较低排放标准时期（如国2排放标准）变差。这就意味着顾客的使用成本提高，同时在相同的行驶里程下发动机将消耗更多的石化燃料、排出更高的二氧化碳。在全球能源危机、环境污染和温室气体减排的背景下，要求重型柴油机应当具备可靠的动力性、超低的排放性和良好燃油经济性。

为了实现上述目标，国内外科研人员把研究重点放在两个方面：一是通过组织先进的燃烧模式，例如均质压燃、低温燃烧等实现高效清洁燃烧过程、减少对后处理器依赖，但是目前先进的燃烧模式运行工况范围局限在中低负荷，面临着如何向大负荷拓展的问题；二是通过回收发动机因排气、冷却水循环等浪费的能量来改善燃油经济性，例如通过废气余热回收发电带动车内空调等需要供电装置，目前废气余热回收利用技术已经得到很大发展，但其与发动机耦合应用时，面临着如何优化使用排气能量的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术不足之处，提供一种有效利用发动机排气能量，从而减小排气热损失、提高发动机热效率、降低污染物排放的重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置。

为实现上述目的本实用新型所采用的技术方案是：

重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置，它包括进气总管和排气总管，在所述的进气总管上沿进气流动方向依次安装有低压级压气机、第一级中冷器、高压级压气机以及第二级中冷器，所述的进气总管的出气口与气缸的可变进气门机构相连通，在所述的排气总管上沿排气方向依次安装有高压级涡轮机、低压级涡轮机以及第一颗粒捕集器和废能回收系统，所述的排气总管的进气口与气缸的可变排气门机构相连通，所述的低压级压气机与低压级涡轮机通过转轴相连，所述的高压级压气机与高压级涡轮机通过转轴相连，第一级废气再循环回路的进气端与位于排气总管的进气口端和高压级涡轮机之间的排气总管相连通并且第一级废气再循环回路的排气端与位于高压级压气机和第二级中冷器之间的进气总管相连通，在所述的第一级废气再循环回路上沿进气端依次装有高压级废气再循环冷却器、第一单向阀和高压级废气再循环阀，第二级废气再循环回路的进气端与位于高压级涡轮机和低压级涡轮机之间的排气总管相连通并且第二级废气再循环回路的排气端与位于第一级中冷器和低压级压气机之间的进气总管相连通，在所述的第二级废气再循环回路上沿进气端依次装有第二颗粒捕集器、中压级废气再循环冷却器、第二单向阀、中压级废气再循环阀，第三级废气再循环回路的进气端与位于换热器以及第二颗粒捕集器之间的排气管路相连通并且第三级废气再循环回路的出气端与所述的进气总管的进气端相连通，在所述的第三级废气再循环回路上沿进气端依次装有低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀，安装有电控旁通阀的旁接管一端与排气管路进口端相连通并且旁接管另一端与位于高压级涡轮机和低压级涡轮机之间的排气管路相连通。

与现有技术相比，本实用新型具有如下三方面优势：

第一，通过使用带复合废气再循环的两级布雷顿循环过程，可以改善柴油机的瞬态响应特性，并且在柴油机结构强度允许的范围内，大幅度提高重型柴油机升功率和低速扭矩。三级复合废气再循环的使用可以满足大比例废气再循环的需求，有效降低NOx排放，两级增压可以大幅度提高进气量，提高废气再循环承受能力，改善燃空当量比，降低碳烟排放。

第二，通过使用可变进气机构和可变排气机构组成的米勒循环过程，可以调节进气压缩终了温度和压力，控制随后的燃烧放热过程：使燃烧压力提高，增大有效功面积、降低燃烧传热损失；调节排气终了温度和压力，控制排气能量、内部废气再循环率和膨胀做功能力。而且，通过调节可变进气机构，改变柴油机有效压缩比，形成压缩比小于膨胀比的米勒循环过程，提高发动机热效率。

第三，通过针对发动机排气能量利用率的最大化优化过程，使排气能量在内外部废气再循环、驱动涡轮的废气能量、朗肯循环等方面合理分布，有效利用废气能量，降低发动机排气热损失。

附图说明

附图为本实用新型的重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。

如附图所示的本实用新型的重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置，它包括进气总管和排气总管，在所述的进气总管上沿进行方向依次安装有低压级压气机7、第一级中冷器9、高压级压气机5以及第二级中冷器10，所述的进气总管的出气口与气缸1的可变进气门机构2相连通，在所述的排气总管上沿排气方向依次安装有高压级涡轮机4、低压级涡轮机6以及第一颗粒捕集器11和废能回收系统，优选的废能回收系统包括依次安装在位于第一颗粒捕集器之后的排气总管上的换热器21、膨胀机22，所述的膨胀机排气出口通过其上装有冷凝器23和回流泵24的连接管路与所述的换热器相连，当然也可以采用现有的其它废能回收系统结构。所述的排气总管的进气口与气缸的可变排气门机构3相连通，所述的低压级压气机7与低压级涡轮机6通过转轴相连，所述的高压级压气机5与高压级涡轮机4通过转轴相连，第一级废气再循环回路的进气端与位于排气总管的进气口端和高压级涡轮机之间的排气总管相连通，并且第一级废气再循环回路的排气端与位于高压级压气机5和第二级中冷器10之间的进气总管相连通，在所述的第一级废气再循环回路上沿进气端依次装有高压级废气再循环冷却器12、第一单向阀13和高压级废气再循环阀14，第二级废气再循环回路的进气端与位于高压级涡轮机4和低压级涡轮机6之间的排气总管相连通并且第二级废气再循环回路的排气端与位于第一级中冷器9和低压级压气机7之间的进气总管相连通，在所述的第二级废气再循环回路上沿进气端依次装有第二颗粒捕集器15、中压级废气再循环冷却器16、第二单向阀17、中压级废气再循环阀18，第三级废气再循环回路的进气端与位于换热器21以及第一颗粒捕集器11之间的排气管路相连通，并且第三级废气再循环回路的出气端与所述的进气总管的进气端相连通，在所述的第三级废气再循环回路上沿进气端依次装有低压级废气再循环冷却器19和低压级废气再循环阀20。

安装有电控旁通阀8的旁接管一端与排气管路进口端相连通并且旁接管另一端与位于高压级涡轮机和低压级涡轮机之间的排气管路相连通。其作用如下：（1）控制排气是否经过高压级涡轮机4，从而限制进气压比低于设定的最高极限；（2）电控旁通阀8实现进气压比连续无级调节，获得所需进气压力；（3）旁通阀8可以合理分配废气能量给高低压级涡轮机，从而使高低压级增压器都能够工作在效率较高的区域，提高能量利用率。

从进气来看，空气首先经低压级压气机7被压缩，然后经过第一级中冷器9被冷却以增加空气密度、增大进气量；经第一级中冷器9后，空气进入高压级压气机5被进一步压缩，然后经第二级中冷器10被进一步冷却，最后经进气总管进入气缸，而可变进气门机构2可调节进入缸内的气体质量。此外，在进气过程中，根据不同转速和负荷，分别开启高压级废气再循环阀14、中压级废气再循环阀18、低压级废气再循环阀20，或是不同级废气再循环阀门的组合，使得进气中掺混发动机在该工况下所需的再循环废气量。每级废气再循环回路都装有废气再循环冷却器12、16、19对废气进行冷却，装有第一单向阀13、第二单向阀17有效地防止当排气管压力低于进气管压力时所产生的进气回流现象，装有第一颗粒捕集器11和第二颗粒捕集器15避免对压气机造成污染。

从排气来看，排气经可变排气机构3、排气总管出来以后，如果发动机处在低速时，则电控旁通阀8关闭，所有的排气先经高压级涡轮机4膨胀，再经低压级涡轮机6膨胀；如果发动机处在高速大负荷工况，则电控旁通阀8打开，部分排气不经高压级涡轮机，直接经低压级涡轮机膨胀后排出，以降低高压级的涡轮功和进气压比，使进气压比不至于达到设定的最高极限，而且电控旁通阀8可满足对进气压比进行连续的无级调节，获取所需的进气压力。排气经第一颗粒捕集器11后进入换热器21，在换热器21内吸收排气热量，使液态水变为蒸汽进入膨胀机22做功，获取的能量传递回发动机驱动空调等附件装置，蒸汽进一步经冷凝器23变为液态，经回流泵24泵回到换热器21中循环使用。

本装置的工作过程为：

在进气冲程中，（1）当发动机处于中低转速时，空气首先经低压级压气机7被压缩，然后经过第一级中冷器9被冷却以增加空气密度、增大进气量；经第一级中冷器9后，空气进入高压级压气机5被进一步压缩，然后经第二级中冷器10被进一步冷却，最后经进气总管进入气缸。在重型柴油机的中低转速，排气能量较低，排气背压与进气压力之间压差较小，中压级废气再循环阀18和低压级废气再循环阀20打开，废气流经颗粒捕集器15、中压级废气再循环冷却器16、单向阀17和中压级废气再循环阀18进入低压级压气机7的出口，形成中压级废气再循环回路；另外废气流经颗粒捕集器11、低压级废气再循环冷却器19和低压级废气再循环阀20进入低压级压气机7的进气口，形成低压级废气再循环回路，从而满足中低转速下对大比例废气再循环的需求。（2）当发动机处于中高转速时，电控旁通阀8打开，部分排气不经高压级涡轮机4，直接经低压级涡轮机6膨胀后排出，以降低高压级的涡轮功和进气压比，使进气压比不至于达到设定的最高极限，同时电控旁通阀8对进气压比进行连续的无级调节，获取所需的进气压力。在重型柴油机的中高转速，排气能量较大，排气背压与进气压力之间压差较大，高压级废气再循环阀14和低压级废气再循环阀20打开，高压级废气再循环冷却器12、第一单向阀13和进入高压级压气机5的出口，形成高压级废气再循环回路；另外废气流经第一颗粒捕集器11、低压级废气再循环冷却器19和低压级废气再循环阀20进入低压级压气机7的进气口，形成低压级废气再循环回路，从而满足中高转速下对大比例废气再循环的需求。（3）通过对高压、中压、低压废气再循环回路诱捕缸外废气流量的合理分配，结合两级增压系统对进气压力的灵活调节，针对发动机不同转速和负荷，获取最优的带复合废气再循环的两级布雷顿循环过程；（4）在压缩和膨胀冲程中，调节可变进气机构2，进一步优化发动机不同转速和工况所需的压缩终了温度和压力，控制随后的燃烧放热过程：使燃烧压力提高，增大有效功面积、降低燃烧传热损失；同时可变进气机构2的调节，改变柴油机有效压缩比，形成压缩比小于膨胀比的米勒循环过程，提高发动机热效率。在膨胀冲程，调节可变排气机构，在小负荷工况形成内部废气再循环，保证低温燃烧在小负荷稳定着火，同时通过可变排气机构为后续排气能量的合理分配进行控制；（5）在膨胀和排气冲程，利用可变排气机构3，把排气能量在内部废气再循环、驱动涡轮做功和后续的换热器21、膨胀机22、冷凝器23、回流泵24组成朗肯循环之间根据发动机工况需求进行合理分配：在小负荷工况下，排气能量较低，主要供给内部废气再循环和驱动涡轮使用；在大负荷工况下，排气能量较高，主要驱动涡轮做功和朗肯循环回收废能驱动空调等附件做功使用。

本发明重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置，可以改善柴油机的瞬态响应特性，并且在柴油机结构强度允许的范围内，大幅度提高重型柴油机升功率和低速扭矩。复合废气再循环的使用可以满足大比例废气再循环的需求，有效降低NOx排放，两级增压可以大幅度提高进气量，提高废气再循环承受能力，改善燃空当量比，降低碳烟排放。可变进气机构和可变排气机构使燃烧压力提高，增大有效功面积、降低燃烧传热损失；发动机排气能量利用率分配获得优化，使排气能量在内外部废气再循环、驱动涡轮的废气能量、朗肯循环等方面合理分布，有效降低发动机排气热损失。最终可以实现发动机有效热效率提高10%-15%，有害污染物缸内原始排放可满足欧5排放法规，并在加装后处理器后满足欧6排放法规。

Claims

1.重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置，其特征在于：它包括进气总管和排气总管，在所述的进气总管上沿进气方向依次安装有低压级压气机、第一级中冷器、高压级压气机以及第二级中冷器，所述的进气总管的出气口与气缸的可变进气门机构相连通，在所述的排气总管上沿排气方向依次安装有高压级涡轮机、低压级涡轮机以及第一颗粒捕集器和废能回收系统，所述的排气总管的进气口与气缸的可变排气门机构相连通，所述的低压级压气机与低压级涡轮机通过转轴相连，所述的高压级压气机与高压级涡轮机通过转轴相连，第一级废气再循环回路的进气端与位于排气总管的进气口端和高压级涡轮机之间的排气总管相连通并且第一级废气再循环回路的排气端与位于高压级压气机和第二级中冷器之间的进气总管相连通，在所述的第一级废气再循环回路上沿进气端依次装有高压级废气再循环冷却器、第一单向阀和高压级废气再循环阀，第二级废气再循环回路的进气端与位于高压级涡轮机和低压级涡轮机之间的排气总管相连通并且第二级废气再循环回路的排气端与位于第一级中冷器和低压级压气机之间的进气总管相连通，在所述的第二级废气再循环回路上沿进气端依次装有第二颗粒捕集器、中压级废气再循环冷却器、第二单向阀、中压级废气再循环阀，第三级废气再循环回路的进气端与位于换热器与第一颗粒捕集器之间的排气管路相连通并且第三级废气再循环回路的出气端与所述的进气总管的进气端相连通，在所述的第三级废气再循环回路上沿进气端依次装有低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀，安装有电控旁通阀的旁接管一端与排气管路进口端相连通并且旁接管另一端与位于高压级涡轮机和低压级涡轮机之间的排气管路相连通。

2.根据权利要求1所述的重型柴油机新型复合热力循环联合运行装置，其特征在于：所述的废能回收系统包括依次安装在位于第一颗粒捕集器之后的排气总管上的换热器、膨胀机，所述的膨胀机排气出口通过其上装有冷凝器和回流泵的连接管路与所述的换热器相连。