CN207905952U - 一种具有进气道喷水功能的压燃发动机低温燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有进气道喷水功能的压燃发动机低温燃烧系统，包括发动机、两级增压系统、可变截面涡轮机、可自动控制的进气道喷水系统、废气颗粒捕集器、高低压EGR系统。两级增压系统通过增压为发动机提供足够的空气量，高低压EGR系统对缸内氧浓度进行充分稀释，从而降低缸内反应速率，形成缸内低温燃烧。而带加热格栅的喷水器通过喷水大幅增加进气的比热容，同时对进气进行冷却，达到降低缸内燃烧温度，大幅降低NOx排放的效果。ECU通过控制线连接气道喷水器、高压废气再循环阀、低压废气再循环阀、可变截面涡轮机、发动机，通过探测发动机工况，对各系统进行动态控制，从而实现在全工况内实现大幅降低NOx排放的目标。

Description

一种具有进气道喷水功能的压燃发动机低温燃烧系统

技术领域

本实用新型涉及一种具有气道喷水功能的压燃发动机机低温燃烧系统，特别是一种在增压器后进气管喷水，结合废气再循环与两级增压的压燃发动机燃烧系统。

背景技术

内燃机发展至今依旧是热效率最高、单位体积和单位质量功率最大的原动机，被广泛应用于汽车、农机、国防、工业机械等各个领域。其中汽车产业发展迅速，2016年全国机动车保有量达到2.95亿辆。然而巨大的汽车保有量也带来不可忽视的环境问题，《中国机动车管理年报(2017)》指出，全国机动车排放污染物中，氮氧化物(NOx)排放约为577.8万吨，颗粒物(PM)排放约为53.4万吨。为解决机动车排放问题，世界各国相继颁布了严格的排放法规，我国的排放法规沿用了欧洲体系，各阶段法规与欧洲的限值保持一致，但实施日期有所推迟。2020年，我国将会实行更加严格的国六法规，届时NOx限值为0.4g/kWh，PM为0.01g/kWh。涡轮增压技术是内燃机实现高效节能和降低有害排放的关键技术，增压系统已成为现代先进内燃机空气系统的关键组成部分。采用涡轮增压技术利用废气能量实现空气的外部压缩，提高了进气充量密度，一方面可以提高发动机的升功率，另一方面为燃烧提供了更充足的空气，能够有效改善发动机的燃油经济性，降低CO₂排放及其他有害排放物。目前，涡轮增压系统已基本成为现代先进柴油机的标准配置，同时汽油机涡轮增压技术也在迅速普及。而接近于零的苛刻排放限值不仅需要高效的后处理技术，还需要严格控制发动机的原始排放，废气再循环(EGR)作为控制燃烧过程和NOx排放的有效手段得到了较广泛的研究和应用，是柴油机满足欧VI及其后排放法规必不可少的技术措施，也是实现以“均质压燃、低温燃烧”为代表的新型燃烧方式最为关键和有效的控制技术。一些国内外的研究表明，将水引入柴油机进行燃烧，可以增大进气比热容，稀释缸内氧含量，降低燃烧温度，从而降低NOx排放，达到与EGR类似的效果。然而，上述技术都面临着一些问题。对涡轮增压技术而言，在采用高EGR率低温燃烧时，由于大量废气的引入，需要增压系统提供更强的增压能力以满足对新鲜进气量的需求，传统的单级增压在实现高增压压力时增压器效率低，发动机泵气损失大，燃油经济性差，而固定截面的增压器难以满足全工况内发动机对增压能力的需求。废气再循环技术也会带来诸多问题：废气中的颗粒物造成空气系统脏污；在一些排气背压小于进气压力的工况下废气引入困难；EGR阀的可靠性与耐久性问题；泵气功损失造成油耗增加。而柴油机进气道喷水结合低温燃烧方面的研究鲜有报道，且控制策略也有待优化。

发明内容

本实用新型的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可以实现压燃发动机低温燃烧、大幅度降低发动机排放物，尤其是氮氧化物排放，满足国六排放法规的具有进气道喷水功能的压燃发动机低温燃烧系统。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型涉及的一种具有气道喷水的压燃发动机机低温燃烧系统，包括两级增压系统、废气再循环系统和控制系统，还包括气道喷水系统；

所述的两级增压系统包括在发动机进气管路上沿空气流动方向依次安装的空气滤清器、低压级压缩机、中冷器和高压级压缩机，所述空气滤器进口连通大气，在发动机排气管路上沿废气流动方向依次安装的高压级涡轮机、低压级涡轮机、颗粒捕集器，所述的高压级涡轮机进口与发动机排气管直接相连；所述的低压级涡轮机和低压级压缩机同轴相连，所述的高压级涡轮机和高压级压缩机同轴相连，所述高压级涡轮机为可变截面涡轮机；

所述的废气再循环系统包括高压废气再循环回路和低压废气再循环回路，发动机排气管分为两条支路，一条支路连接高压级涡轮机入口，另一条支路上安装有废气再循环冷却器和高压废气再循环阀，高压废气再循环阀出口连接在高压级压缩机和气道喷水器之间的进气管路上，所述的高压废气再循环阀和废气再循环冷却器所在管路构成高压废气再循环回路，颗粒捕集器出口分为第一支路和第二支路，第一支路连通大气，在第二支路上安装有低压废气再循环阀，所述的低压废气再循环阀的出口接在空气滤清器和低压级压缩机之间的进气管路上，所述的低压废气再循环阀所在第二支路构成低压废气再循环回路；

所述的喷水系统包括水箱，在所述水箱内安装有高低液位报警器、液位监控系统以及加热装置，所述的水箱出口连接质量流量计入口，所述的质量流量计出口连接进气道喷水器进水口，所述的进气道喷水器安装在发动机进气管路上，在所述的发动机进气管路的管腔内且垂直于空气的流动方向安装有加热格栅，所述的进气道喷水器穿过发动机进气管路的管壁并且喷水器的喷水口对准加热格栅设置，所述的加热格栅与加热装置相连；

所述的控制系统包括控制单元，所述的控制单元通过控制线与进气道喷水器、高压废气再循环阀、低压废气再循环阀、涡轮机和发动机连接，所述控制单元采集发动机工况信号以及排放物浓度信号和发动机运转状况信号，生成进气道喷水器的喷水脉宽和喷水时刻信号，高压废气再循环阀和低压废气再循环阀的开度信号，可变截面涡轮机的开度信号。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

第一，采用发动机低温燃烧结合气道喷水，在大幅降低NOx的同时还可以得到较低的油耗。第二，气道直喷水相比水蒸气喷射省去蒸汽制备装置，同时能得到较好的雾化。

第三，本实用新型通过串联两级增压器与高低压EGR结合，实现压燃发动机低温燃烧，同时在进气道增压器后设置喷水装置，将气道喷水与低温燃烧结合，并通过ECU对各系统进行实时调控，可以实现大幅度降低发动机排放物，尤其是氮氧化物排放，从而在不采用昂贵后处理装置的情况下满足国六排放法规的目的。

附图说明

图1是本实用新型一种具有气道喷水的压燃发动机机低温燃烧系统的示意简图。

图2是气道喷水器所在位置的管路截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细地描述。

如图1所示本实用新型一种具有气道喷水的压燃发动机机低温燃烧系统，包括两级增压系统、废气再循环系统和控制系统，还包括气道喷水系统。

所述的两级增压系统的空气流动方向在图中以箭头标出。所述的两级增压系统包括在发动机进气管路上沿空气流动方向依次安装的空气滤清器1、低压级压缩机3、中冷器4和高压级压缩机5，所述空气滤器进口连通大气。即：所述空气滤器出口连接低压级压缩机3的进口，低压级压缩机3出口与中冷器4进口连接，中冷器4出口连接在高压级压缩机5的进气口。在发动机排气管路上沿废气流动方向依次安装的高压级涡轮机13、低压级涡轮机14、颗粒捕集器(DPF)15，所述的高压级涡轮机13进口与发动机12排气管直接相连；即：高压级涡轮机13的出口连接低压级涡轮机14进口，低压级涡轮机14出口连接颗粒捕集器15。

所述的低压级涡轮机14和低压级压缩机3同轴相连，所述的高压级涡轮机13和高压级压缩机5同轴相连。所述高压级涡轮机13为可变截面涡轮机。

所述的废气再循环系统包括高压废气再循环回路和低压废气再循环回路。发动机排气管分为两条支路，一条支路连接高压级涡轮机13入口，另一条支路上安装有废气再循环冷却器11和高压废气再循环阀10，高压废气再循环阀10出口连接在高压级压缩机5和气道喷水器9之间的进气管路上。高压废气再循环阀10和废气再循环冷却器11所在管路构成高压废气再循环回路。颗粒捕集器15出口分为第一支路和第二支路，第一支路连通大气，在第二支路上安装有低压废气再循环阀2，所述的低压废气再循环阀的出口接在空气滤清器1和低压级压缩机3之间的进气管路上。低压废气再循环阀2所在第二支路构成低压废气再循环回路。

所述的喷水系统包括水箱，在所述水箱6内安装有高低液位报警器、液位监控系统以及加热装置，所述的水箱可选开式或闭式，由额外的加压装置提供喷水压力。所述的水箱6出口连接质量流量计7入口，所述的质量流量计出口连接进气道喷水器9进水口。所述的进气道喷水器安装在发动机进气管路上，在所述的发动机进气管路的管腔内且垂直于空气的流动方向安装有加热格栅16，所述的进气道喷水器穿过发动机进气管路的管壁并且喷水器的喷水口对准加热格栅16设置。所述的加热格栅16与加热装置相连。

优选的所述进气道喷水器结构如图2所示，进气道喷水器9可有多个，多个进气道喷水器在发动机进气管路的截面圆周上等距分布，水雾喷射于加热格栅上，促进液滴蒸发。加热格栅可采用电加热，加热温度可手动设置。

所述的控制系统包括控制单元(ECU)8，控制单元通过控制线与进气道喷水器9、高压废气再循环阀10、低压废气再循环阀2、涡轮机13和发动机12连接。所述控制单元8采集发动机12工况信号以及排放物浓度信号和发动机运转状况信号，生成进气道喷水器9的喷水脉宽和喷水时刻信号，高压废气再循环阀10和低压废气再循环阀2的开度信号，可变截面涡轮机13的开度信号。

本系统运行时，新鲜空气首先经过空气滤器1过滤杂质，之后与来自低压废气再循环阀2的低压废气充分混合后进入低压级压缩机3进行压缩，再经中冷器4充分冷却后进入高压级压缩机5再次被压缩，之后与来自高压废气再循环阀10的高压废气进行混合，再与进气道喷水器9喷出的水雾混合后进入发动机12进行燃烧。其中均匀分布在进气管路管壁17上的多个进气道喷水器9喷出的水雾直接喷在放置在管路中央的加热格栅16上，水雾在被打碎的同时也被加热，保证充分雾化。在发动机内燃烧完毕后的高压废气分为两路，一路为高压废气再循环回路提供废气，另一路依次连接高压级涡轮机13、低压级涡轮机14进行两次做功，之后连接颗粒捕集器15过滤掉废气中的碳烟颗粒。颗粒捕集器出口分为两路，一路直接排大气，另一路为低压废气再循环回路提供低压废气。

控制单元8识别发动机12工况信号，并实时检测的排放物浓度与发动机运转状况。小负荷时，燃烧的主要问题是滞燃期较长，压升率过高导致发动机工作粗暴，较大的喷水量和较高的EGR率会进一步延长燃油滞燃期，导致工作更加粗暴以及较高的碳氢和一氧化碳排放。此时控制单元8会向进气道喷水器9发送减少喷水量的信号，同时关闭高压废气再循环阀10和低压废气再循环阀2的开度；大负荷时，缸内燃烧温度高，碳烟和氮氧化物排放都较高，此时需要较大的EGR率和喷水量降低缸内燃烧温度，达到大幅降低氮氧化物排放的目的，同时也需要减小可变截面的高压级涡轮机13的流通面积来保证足够的新鲜进气量维持燃烧。此时控制单元8会向进气道喷水器9发送增加喷水量的信号，向高压废气再循环阀10和低压废气再循环阀2发送增加开度的信号，同时向涡轮机13发送减小开度信号。如上所述，该系统通过喷水结合高、低压EGR来实现发动机全工况内的低温燃烧，大幅度降低NOx排放，达到满足国六排放限值的要求。

尽管上述结合示意图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，以上表述仅为示意性，并非限制性。本领域的技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以进行多种变形(如采用不同于串联两级增压的增压方式，采用不同方式的废气再循环系统，采用多个进气道喷水器等)，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (2)

1.一种具有进气道喷水功能的压燃发动机低温燃烧系统，包括两级增压系统、废气再循环系统和控制系统，其特征在于：还包括气道喷水系统；

所述的两级增压系统包括在发动机进气管路上沿空气流动方向依次安装的空气滤清器、低压级压缩机、中冷器和高压级压缩机，所述空气滤器进口连通大气，在发动机排气管路上沿废气流动方向依次安装的高压级涡轮机、低压级涡轮机、颗粒捕集器，所述的高压级涡轮机进口与发动机排气管直接相连；所述的低压级涡轮机和低压级压缩机同轴相连，所述的高压级涡轮机和高压级压缩机同轴相连，所述高压级涡轮机为可变截面涡轮机；

所述的废气再循环系统包括高压废气再循环回路和低压废气再循环回路，发动机排气管分为两条支路，一条支路连接高压级涡轮机入口，另一条支路上安装有废气再循环冷却器和高压废气再循环阀，高压废气再循环阀出口连接在高压级压缩机和气道喷水器之间的进气管路上，所述的高压废气再循环阀和废气再循环冷却器所在管路构成高压废气再循环回路，颗粒捕集器出口分为第一支路和第二支路，第一支路连通大气，在第二支路上安装有低压废气再循环阀，所述的低压废气再循环阀的出口接在空气滤清器和低压级压缩机之间的进气管路上，所述的低压废气再循环阀所在第二支路构成低压废气再循环回路；

所述的喷水系统包括水箱，在所述水箱内安装有高低液位报警器、液位监控系统以及加热装置，所述的水箱出口连接质量流量计入口，所述的质量流量计出口连接进气道喷水器进水口，所述的进气道喷水器安装在发动机进气管路上，在所述的发动机进气管路的管腔内且垂直于空气的流动方向安装有加热格栅，所述的进气道喷水器穿过发动机进气管路的管壁并且喷水器的喷水口对准加热格栅设置，所述的加热格栅与加热装置相连；

所述的控制系统包括控制单元，所述的控制单元通过控制线与进气道喷水器、高压废气再循环阀、低压废气再循环阀、涡轮机和发动机连接，所述控制单元采集发动机工况信号以及排放物浓度信号和发动机运转状况信号，生成进气道喷水器的喷水脉宽和喷水时刻信号，高压废气再循环阀和低压废气再循环阀的开度信号，可变截面涡轮机的开度信号。

2.根据权利要求1所述的具有进气道喷水功能的压燃发动机低温燃烧系统，其特征在于：所述进气道喷水器有多个，多个进气道喷水器在发动机进气管路的截面圆周上等距分布。