CN214403820U - 一种低排放内燃机的进气及排气处理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，涉及内燃机技术领域，解决内燃机尾气中含有大量有害气体及碳烟颗粒污染物的技术问题，系统包括惰性气体储存罐、氧气储存罐、氧气发生器、黑碳燃烧装置、燃料罐、混合器，惰性气体储存罐、氧气储存罐、氧气发生器连接于同一供气管，供气管连接进气管，混合器位于供气管上，黑碳燃烧装置通过第一尾气管连接排气管，第一尾气管上设有第五控制阀，第五控制阀通过第二尾气管连接混合器的，氧气发生器通过第一补气管连接黑碳燃烧装置，第一补气管上设有第六控制阀，燃料罐通过燃料管连接黑碳燃烧装置，自燃料罐到黑碳燃烧装置的燃料管上依次设有燃料泵、第七控制阀。
Description
技术领域
本实用新型涉及内燃机技术领域，更具体地说，它涉及一种低排放内燃机的进气及排气处理系统及装置。
背景技术
众所周知，采用柴油、汽油等石化油料作为燃料的内燃机，需要在气缸中吸入空气，燃烧做功后产生二氧化碳、氮氧化合物NOx、碳氢化合物HC、碳烟颗粒、二氧化碳CO2，以及水等物质。同时，空气的组成成分中，氧气O2占比21％，氮气N2占比高达78％，无论是自然吸气式内燃机，还是涡轮增压内燃机，无论是平原地区，还是高原地区，内燃机吸入的空气中，氧气O2与氮气N2的比例是几乎不变的。由此可知，对于燃烧有帮助的氧气O2含量比例始终处于较低水平，且燃烧过程中，因为大量N2的存在，会导致以柴油作为燃料的内燃机将排放出大量的氮氧化合物NOx，而内燃机在重载或急加速过程中，因为大量燃料喷入气缸内燃烧做功，空燃比降低，将导致燃烧过程中氧气O2不足，从而产生较多的碳烟颗粒，严重影响环境。
无论是车用内燃机市场、非道路内燃机市场、还是船舶及发电用内燃机市场，排放法规的日益严苛已经对内燃机本体、进气处理及排气后处理提出了更高的要求。当前内燃机领域，排气后处理主要通过DOC(柴油机氧化催化器)对一氧化碳CO、HC碳氢化合物、氮氧化合物NOx进行氧化反应，生成二氧化碳CO2、水H2O、以及NO2，DPF(碳烟颗粒捕捉器)可以将排气中的颗粒成分被壁流式DPF捕捉拦截，从而实现颗粒的净化。为降低DPF系统阻力，DPF系统必须将拦截下来的颗粒中的碳烟烧掉，即再生。而SCR(喷射尿素溶液NH3的选择性催化还原装置)则对之前氧化反应生成的NO2进行催化反应生成N2和H2O。因DOC(柴油机催化氧化器)使用稀有贵金属作为催化剂，DPF(碳烟颗粒捕捉器)采用工艺复杂且使用寿命有限的陶瓷过滤载体、SCR需要消耗大量的NH3尿素溶液，累积使用成本较高，据统计，内燃机排放后处理装置的购置及维护成本已经占据发动机整机购置及维护成本的30％以上，甚至更高，且因为故障或使用寿命终结将产生大量废弃的后处理装置需要进行回收和处理，长远来看，不利于后处理装置的长期和大范围推广使用。
造成上述问题的主要原因在于，使用了石化油料，特别是燃烧所需的进气取自空气，且空气中含有比例较高的氮气N2，从而导致了内燃机排放的尾气中含有大量氮氧化合物NOx等有害气体及碳烟颗粒等污染物。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本实用新型的目的是提供一种可以提高测量精度的低排放内燃机的进气及排气处理系统。
本实用新型的技术方案是：一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，包括惰性气体储存罐、氧气储存罐、氧气发生器、黑碳燃烧装置、燃料罐、混合器，所述惰性气体储存罐的输出端、氧气储存罐的输出端、氧气发生器的氧气输出端连接于同一供气管，所述供气管连接内燃机的进气管，所述混合器位于所述供气管上，所述供气管远离所述进气管的一端设有第一控制阀，所述惰性气体储存罐的输出端设有第二控制阀，所述氧气储存罐的输出端设有第三控制阀，所述氧气发生器的氧气输出端设有第四控制阀，所述黑碳燃烧装置通过第一尾气管连接所述内燃机的排气管，所述黑碳燃烧装置与排气管之间的第一尾气管上设有第五控制阀，所述第五控制阀通过第二尾气管连接所述混合器的输入端，所述氧气发生器的氧气输出端通过第一补气管连接所述黑碳燃烧装置的输入端，所述第一补气管上设有第六控制阀，所述燃料罐通过燃料管连接所述黑碳燃烧装置，自所述燃料罐到所述黑碳燃烧装置的燃料管上依次设有燃料泵、第七控制阀。
作为进一步地改进，所述黑碳燃烧装置包括壳体，所述壳体的两端分别连接所述第一尾气管，所述壳体的内部设有电炉丝。
进一步地，所述壳体内设有连接所述燃料管的喷嘴。
进一步地，所述燃料罐内存储有低污染燃料。
进一步地，所述排气管与第五控制阀之间的第一尾气管上设有中冷器。
进一步地，所述排气管与中冷器之间的第一尾气管上设有后处理机构。
进一步地，所述喷嘴机构包括连接所述燃料管的环形管，所述环形管的圆周上设有多个均匀布置并指向所述电炉丝的喷嘴。
进一步地，所述后处理机构包括依次连接的柴油机氧化催化器、选择性催化还原装置。
进一步地，所述后处理机构包括依次连接的柴油机氧化催化器、碳烟颗粒捕捉器、选择性催化还原装置。
有益效果
本实用新型与现有技术相比，具有的优点为：
本实用新型在内燃机启动阶段通过惰性气体储存罐、氧气储存罐、氧气发生器供应惰性气体和氧气的混合气体，在内燃机运行阶段通过氧气储存罐、氧气发生器、第二尾气管供应尾气和氧气的混合气体，可以极大减少NOx化合物及碳烟颗粒的排放，减少对后处理系统的依赖，降低后处理系统的使用负荷，延长后处理装置的使用寿命，节约运营和维护成本；通过黑碳燃烧装置进一步将尾气中的碳烟颗粒进行充分灼烧，产生的CO2和H2O排出至大气中，可极大减少碳烟颗粒的排放；燃料罐通过燃料泵向黑碳燃烧装置补充燃料，在燃料助燃下可以保证碳烟颗粒进行充分灼烧，进一步减少碳烟颗粒的排放。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型中黑碳燃烧装置的结构示意图。
其中：1-惰性气体储存罐、2-氧气储存罐、3-氧气发生器、4-黑碳燃烧装置、5-燃料罐、6-混合器、7-供气管、8-内燃机、9-进气管、10-第一控制阀、11-第二控制阀、12-第三控制阀、13-第四控制阀、14-第一尾气管、15-排气管、16-第五控制阀、17-第二尾气管、18-第一补气管、19-第六控制阀、20-燃料管、21-燃料泵、22-第七控制阀、23-壳体、24-电炉丝、25-环形管、26-中冷器、27-后处理机构、28-充气管、29-气泵、30-空气进口、31-氮气出口、32-喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本实用新型做进一步的说明。
参阅图1、2，一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，包括惰性气体储存罐1、氧气储存罐2、氧气发生器3、黑碳燃烧装置4、燃料罐5、混合器6。惰性气体储存罐1的输出端、氧气储存罐2的输出端、氧气发生器3的氧气输出端连接于同一供气管7，供气管7连接内燃机8的进气管9。混合器6位于供气管7上，供气管7远离进气管9的一端设有第一控制阀10，惰性气体储存罐1的输出端设有第二控制阀11，氧气储存罐2的输出端设有第三控制阀12，氧气发生器3的氧气输出端设有第四控制阀13。黑碳燃烧装置4通过第一尾气管14连接内燃机8的排气管15，黑碳燃烧装置4与排气管15之间的第一尾气管14上设有第五控制阀16，第五控制阀16通过第二尾气管17连接混合器6的输入端。氧气发生器3的氧气输出端通过第一补气管18连接黑碳燃烧装置4的输入端，第一补气管18上设有第六控制阀19。燃料罐5通过燃料管20连接黑碳燃烧装置4，自燃料罐5到黑碳燃烧装置4的燃料管20上依次设有燃料泵21、第七控制阀22。
黑碳燃烧装置4包括壳体23，壳体23的两端分别连接第一尾气管14，壳体23的内部设有电炉丝24，电炉丝24连接外部电源。壳体23内设有连接燃料管20的喷嘴机构，喷嘴机构包括连接燃料管20的环形管25，环形管25的圆周上设有多个均匀布置并指向电炉丝24的喷嘴32，可以使燃料与尾气混合得更均匀，燃料泵21为计量泵。燃料罐5内存储有低污染燃料，如甲醇或二甲醚燃料。
排气管15与第五控制阀16之间的第一尾气管14上设有中冷器26，中冷器26可采用海水冷却、可以采用淡水冷却、也可以采用空气冷却。中冷器26优选采用冷却管加异形冷却翅片结构，使其对尾气进行有效冷却降温，本实用新型中设定冷却后的尾气温度小于70℃，同时较低的温度可降低排气能量，使得尾气中的碳烟颗粒分子热运动大幅衰减，残留的碳烟颗粒在中冷器26中将得到进一步沉降和汇集。
排气管15与中冷器26之间的第一尾气管14上设有后处理机构27。在一个实施例中，后处理机构27包括依次连接的柴油机氧化催化器DOC、选择性催化还原装置SCR。
在另一个实施例中，后处理机构27包括依次连接的柴油机氧化催化器DOC、碳烟颗粒捕捉器DPF、选择性催化还原装置SCR。因为燃油中主要含有碳C、氢H、硫S元素，氮N元素含量极少，进入内燃机气缸中的混合气中也主要含有氧气与氩气，所以氮气或氮元素化合物含量极少。因此在尾气后处理装置中，DOC装置将主要对一氧化碳CO、HC碳氢化合物进行氧化反应，主要生成二氧化碳CO2、水H2O、部分碳烟颗粒，以及将极微量NOx氧化为NO2。DPF对碳烟颗粒进行捕捉，并进行主动或被动再生循环。而SCR装置则对之前在DOC中氧化反应生成的极微量的NO2进行催化反应生成微量N2和H2O。设置SCR的主要作用是，当氧气发生器3及氧气储存罐2均全部失效无氧气产生时，以及其他紧急情况需要从大气中取气时，第二控制阀11、第三控制阀12、第四控制阀13将同时关闭，第一控制阀10打开，内燃机8从大气中取气，此时空气中的氮气含量高达78％，所以此时需要SCR对尾气中大量的NOx进行处理，以保证环保法规要求。当氧气发生器3及氧气储存罐2均能正常工作时，内燃机的尾气中仅含有极微量的NOx，SCR装置尿素喷淋量也大为减少，从而节省内燃机的使用成本，以及延长SCR装置的使用寿命。
氧气发生器3的氧气输出端通过充气管28连接氧气储存罐2，充气管28上设有气泵29，可以及时补充氧气到氧气储存罐2内。
氧气发生器3为多孔碳分子筛式制氧机，对空气加压后，空气从空气进口30进入氧气发生器3，利用氧气动力学直径小于氮气动力学直径，氧气在碳分子筛中的扩散速度快于氮气的特点，对空气中的氮气和氧气进行分离，氮气从氮气出口31排出。当然，在其他实施例中，氧气发生器3也可以采用深冷空气分离式制氧机，利用液氮的沸点高于液氧沸点的原理进行分离制取氧气。
工作原理：
当内燃机启动时，可以通过控制第二控制阀11、第三控制阀12、第四控制阀13的开度使氧气和惰性气体按照第一设定比例混合均匀后输入内燃机8的进气管9，以供内燃机运行，惰性气体不参与燃烧，主要用于调节进气管9内氧气的比例，防止氧气的比例过高产生燃烧过热而出现烧缸的问题；第一设定比例为惰性气体:氧气＝3.7:1～1:1，且惰性气体与氧气的比例连续可调；
当内燃机启动成功后，可以通过控制第三控制阀12、第四控制阀13、第五控制阀16的开度使氧气和尾气按照第二设定比例混合均匀后输入进气管9，以供内燃机运行，第二设定比例为尾气:氧气＝1:1～7:1，且尾气与氧气的比例连续可调，可根据内燃机运行工况对氧气的需求量进行实时调节，使得内燃机8始终处于最佳的空燃比状态，满足动力性、经济性、以及减少碳烟颗粒的排放；
当内燃机运行时，外部电源给电炉丝24供电，电炉丝24加热到设定温度将尾气中的碳烟颗粒进行充分灼烧，产生的CO2和H2O排出至大气中；燃料罐5出黑碳燃烧装置4补充额外的燃料，在燃料助燃下可以保证碳烟颗粒进行充分灼烧；第一补气管18将氧气发生器3的氧气输送到黑碳燃烧装置4内，可以保证黑碳燃烧装置4内氧气充足，从而保证碳烟颗粒进行充分灼烧。
惰性气体可以是氦气、氖气、氩气、氪气、氙气中的任意一种，作为优选，本实施例中的惰性气体为氩气。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。
Claims (9)
1.一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，其特征在于，包括惰性气体储存罐(1)、氧气储存罐(2)、氧气发生器(3)、黑碳燃烧装置(4)、燃料罐(5)、混合器(6)，所述惰性气体储存罐(1)的输出端、氧气储存罐(2)的输出端、氧气发生器(3)的氧气输出端连接于同一供气管(7)，所述供气管(7)连接内燃机(8)的进气管(9)，所述混合器(6)位于所述供气管(7)上，所述供气管(7)远离所述进气管(9)的一端设有第一控制阀(10)，所述惰性气体储存罐(1)的输出端设有第二控制阀(11)，所述氧气储存罐(2)的输出端设有第三控制阀(12)，所述氧气发生器(3)的氧气输出端设有第四控制阀(13)，所述黑碳燃烧装置(4)通过第一尾气管(14)连接所述内燃机(8)的排气管(15)，所述黑碳燃烧装置(4)与排气管(15)之间的第一尾气管(14)上设有第五控制阀(16)，所述第五控制阀(16)通过第二尾气管(17)连接所述混合器(6)的输入端，所述氧气发生器(3)的氧气输出端通过第一补气管(18)连接所述黑碳燃烧装置(4)的输入端，所述第一补气管(18)上设有第六控制阀(19)，所述燃料罐(5)通过燃料管(20)连接所述黑碳燃烧装置(4)，自所述燃料罐(5)到所述黑碳燃烧装置(4)的燃料管(20)上依次设有燃料泵(21)、第七控制阀(22)。
2.根据权利要求1所述的一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，其特征在于，所述黑碳燃烧装置(4)包括壳体(23)，所述壳体(23)的两端分别连接所述第一尾气管(14)，所述壳体(23)的内部设有电炉丝(24)。
3.根据权利要求2所述的一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，其特征在于，所述壳体(23)内设有连接所述燃料管(20)的喷嘴机构。
4.根据权利要求3所述的一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，其特征在于，所述喷嘴机构包括连接所述燃料管(20)的环形管(25)，所述环形管(25)的圆周上设有多个均匀布置并指向所述电炉丝(24)的喷嘴(32)。
5.根据权利要求1所述的一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，其特征在于，所述燃料罐(5)内存储有低污染燃料。
6.根据权利要求1所述的一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，其特征在于，所述排气管(15)与第五控制阀(16)之间的第一尾气管(14)上设有中冷器(26)。
7.根据权利要求6所述的一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，其特征在于，所述排气管(15)与中冷器(26)之间的第一尾气管(14)上设有后处理机构(27)。
8.根据权利要求7所述的一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，其特征在于，所述后处理机构(27)包括依次连接的柴油机氧化催化器(DOC)、选择性催化还原装置(SCR)。
9.根据权利要求7所述的一种低排放内燃机的进气及排气处理系统，其特征在于，所述后处理机构(27)包括依次连接的柴油机氧化催化器(DOC)、碳烟颗粒捕捉器(DPF)、选择性催化还原装置(SCR)。
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