CN218760164U - 基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，包括制氧机、氧气储存舱、气体混合装置等，制氧机连接氧气储存舱，氧气储存舱和二氧化碳储存装置连接气体混合装置，用于氧气与二氧化碳的混合，形成一定压力浓度的混合气，气体混合装置连接柴油机，用于柴油机吸气过程能排除氮气的进入，使得整个燃烧过程中隔离氮元素，减少或杜绝NOx的产生，从而使得柴油机在充分燃烧的同时极大程度降低NOx的排放。该系统用二氧化碳和氧气的组合气代替普通空气进入柴油机参与燃烧，以性质稳定且容易获得的二氧化碳代替了氮气，使得在柴油机循环过程中隔绝了氮元素，避免了氮与氧反应生成NOx，实现柴油机氮氧化物的极低排放甚至是零排放。

Description

基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，属于内燃机性能领域。

背景技术

船用柴油机凭借其良好的经济性和可靠性，占据了船舶动力系统市场近95％的份额，但其在工作过程中经常出现燃烧不充分和排放有害气体的现象。柴油机的不充分燃烧，会大大影响柴油机的动力性能，造成缸内积碳，增加燃油消耗，降低柴油机使用寿命，同时也会生成一氧化碳等不完全燃烧有害物。此外在柴油机正常工作过程中会排放NOx(氮氧化物)，NOx具有较强的腐蚀性，是酸雨和光化学烟雾的重要成因，同时具有生理刺激作用，会刺激人的呼吸系统，引起人的急性呼吸道疾病。为了限制船用柴油机NOx的排放，国际海事组织(IMO)相继出台了一系列的法律法规，1997年IMO第39次海洋环境保护委员会会议通过“MARPOL 73/78公约”附则VI，即“防止船舶造成大气污染规则”，还通过“船用柴油发动机氮氧化物释放控制技术规则”。2016年后所实施的TierIII对NOx的排放限值达到了十分苛刻的地步。

为了解决柴油机燃烧不充分并同时降低NOx排放，各柴油机厂家和科研院所都做了大量的研究工作，目前改善燃烧的方法主要有：加装涡轮增压器，提高燃油品质，改进燃烧技术，优化燃烧室结构，调整喷油参数；降低NOx排放的方法有：米勒循环、EGR、喷水燃烧技术、SCR后处理技术等。这些方法的使用可以改善柴油机燃烧表现或者是降低NOx排放，但无法同时满足改善燃烧和降低NOx，这是因为传统的柴油机工作方式中，改善燃烧和降低NOx排放所需要的条件不一致，目前基本上都是以牺牲热效率和经济性能甚至是使用寿命为代价，来满足NOx排放要求，并且无法实现NOx超低排放的目标。所以本技术领域亟需一种可以从NOx产生原理出发，实现柴油机充分燃烧和NOx超低排放甚至是零排放的柴油机工作方法。

柴油机的动力性能和排放性能受到普遍关注，动力性能的好坏取决于缸内燃烧是否及时、充分，燃烧温度是否达标，这些和柴油机进气过程中的氧气浓度息息相关。而柴油机NOx的生成则刚好依赖于较高的氧气浓度和较高的燃烧温度下氧气与氮气的反应。

所以传统柴油机工作过程中动力性能的提升往往会导致NOx排放的增加，而在环保和经济发展的双重压力下，柴油机既需要充分的缸内燃烧提高动力性能，同时也要控制污染物的排放。

发明内容

本实用新型目的是为了解决如何在柴油机工作过程中实现充分燃烧和NOx极低排放的问题，而提供一种基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：一种基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，包括制氧机、氧气储存舱、气体混合装置、二氧化碳储存装置，所述制氧机连接氧气储存舱，所述氧气储存舱和二氧化碳储存装置连接气体混合装置，用于氧气与二氧化碳的混合，形成一定压力浓度的混合气，所述气体混合装置连接柴油机，用于柴油机吸气过程能排除氮气的进入，使得整个燃烧过程中隔离氮元素，减少或杜绝NOx的产生，从而使得柴油机燃烧更加充分。

进一步，所述制氧机与氧气储存舱连接的管路上设置遥控阀门。

进一步，所述氧气储存舱与气体混合装置连接管路上设置遥控气泵和遥控阀门。

进一步，所述氧气储存舱内设置压力传感器。

进一步，所述二氧化碳储存装置与气体混合装置连接管路上设置遥控气泵和遥控阀门。

进一步，所述气体混合装置内部设置气体浓度传感器和压力传感器，气体混合装置设置三个气体进口分别与二氧化碳储存装置、氧气储存舱和柴油机排气管连接，设置一个气体出口与柴油机进气管连接，管路上设置遥控阀和流量计。

进一步，所述柴油机进气管路与大气连接部分设置遥控阀。

进一步，所述柴油机的排气管路上设置排气缓冲罐，罐中设置气体浓度传感器，所述柴油机的排气管路在缓冲罐前与气体混合装置连接，管路上设置遥控气泵和遥控阀。

进一步，所述遥控气泵、遥控阀门、气体浓度传感器、压力传感器和流量计与ECU连接。

进一步，所述ECU采集各控制阀、控制气泵、压力传感器、气体浓度传感器及流量计的信号，经处理后输出控制信号给各控制阀、控制气泵，用于发出动作指令。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型通过压力传感器和气体浓度传感器将采集信号传输至ECU，ECU根据预先设置的数据控制遥控阀门和遥控气泵动作，在气体混合装置中形成适宜柴油机燃烧工作的一定压力浓度的二氧化碳、氧气混合气，使得柴油机拥有良好的燃烧状态，燃油充分燃烧，降低燃油消耗，提高热效率和动力输出能力，降低不完全燃烧产物排放。

(2)本实用新型用二氧化碳和氧气的组合气代替普通空气进入柴油机参与燃烧，以性质稳定且容易获得的二氧化碳代替了氮气，使得在柴油机循环过程中隔绝了氮元素，避免了氮与氧反应生成NOx，实现柴油机氮氧化物的极低排放甚至是零排放。

附图说明

图1为本实用新型的基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统示意图；

附图标记：1.制氧机(除氮器)；2.氧气储存舱；3.气体混合装置；4.二氧化碳储存装置；5.柴油机；6.排气管路；7.进气管路；8.微处理器(ECU)；9.第一遥控阀；10.第二遥控阀；11.第三遥控阀；12.第四遥控阀；13.第五遥控阀；14.第一遥控气泵；15.第二遥控气泵,16.第一压力传感器；17.第二压力传感器；18.第一气体浓度传感器；19.流量计；20.排气缓冲罐；21.第二气体浓度传感器；22.第六遥控阀；23.第三遥控气泵。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参见图1，本申请实施例提供一种基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，包括作为氧气来源的制氧机(除氮器)1，储存氧气的氧气储存舱2，氧气与二氧化碳进行混合的气体混合装置3，储存二氧化碳的二氧化碳储存装置4，柴油机5，ECU 8。

柴油机5包括进气管路7和排气管路6。制氧机(除氮器)1通过第一遥控阀9与氧气储存舱2连接。氧气储存舱2内设置第一压力传感器16，通过第二遥控阀10和第一遥控气泵14与气体混合装置3连接。二氧化碳储存装置4通过第三遥控阀11和第二遥控气泵15与气体混合装置3连接。柴油机排气管路6上设置排气缓冲罐20，并在排气缓冲罐中设置第二气体浓度传感器21，在排气缓冲罐20前，排气管6通过第六遥控阀22和第三遥控气泵23与气体混合装置3相连。气体混合装置3中设置第二压力传感器17和第一气体浓度传感器18，气体混合装置3通过第四遥控阀12和流量计19与柴油机进气管7相连。柴油机进气管7上设置第五遥控阀门13与大气相连。微处理器8负责采集系统中各控制阀、控制气泵、压力传感器、气体浓度传感器及流量计的信号，并对各控制阀和控制气泵发出动作指令。

实施例：请参见图1，本申请实施例具体工作过程为：当船舶即将驶入限制排放区时，制氧机(除氮器)1启动，ECU 8通过第一压力传感器16检测氧气储存舱中的氧气压力值，并控制第一遥控阀门9的开关，当氧气储存舱2中的氧气压力达到设定值时，ECU 8关闭第一遥控阀9。

ECU 8打开第二遥控阀10和第三遥控阀11，第二压力传感器17和第一气体浓度传感器18将气体混合装置3中的气体压力和浓度数据传递给ECU 8，ECU8根据预设的柴油机最优进气数据控制第一遥控气泵14和第二遥控气泵15分别向气体混合装置3中泵入氧气和二氧化碳，当气体混合装置3中的气体浓度和压力达到预设值，第一遥控气泵14和第三遥控气泵15停止工作，第二遥控阀10和第三遥控阀11关闭。

ECU 8关闭第五遥控阀门13，打开第四遥控阀门12，氧气和二氧化碳的混合气进入柴油机进气管7，流量计19监测进气流量，当达到预设流量时，ECU 8关闭第四遥控阀门12。

混合气在柴油机5中完成工作循环，排气经排气管6进入排气缓冲罐20中，第二气体浓度传感器21将废气中的氮含量传递至ECU 8，当氮含量低至预设值时，ECU 8开启第六遥控阀门22，第三遥控气泵23将废气输送至气体混合装置3中，实现废气再循环。ECU 8控制第二遥控气泵15的功率和第三遥控阀门11的开度，以节省二氧化碳储存装置4中的二氧化碳消耗量。

本实用新型的技术关键点：

(1)本实用新型所解决的问题是以往技术无法同时满足柴油机充分燃烧和低NOx排放。本实用新型可同时满足充分燃烧和极低NOx排放。

(2)本实用新型解决NOx排放问题的原理和以往方式不同，创造性的使用氧气和二氧化碳混合气，在进气过程中隔绝了氮元素的参与，从源头解决NOx排放问题。

(3)本实用新型中气体混合装置中所形成的混合气的压力、浓度均可进行调节，可以根据柴油机的工作状态为柴油机提供适宜的混合气，使得柴油机的燃烧更加充分，降低不完全燃烧产物排放，降低燃油消耗率，动力性能更加优异。

(4)本实用新型的排气在含氮量低于一定数值后，可重复参与到混合气的制取过程，节约二氧化碳的消耗。

以上所述实施例仅表达了本申请的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，其特征在于：包括制氧机、氧气储存舱、气体混合装置、二氧化碳储存装置，所述制氧机连接氧气储存舱，所述氧气储存舱和二氧化碳储存装置连接气体混合装置，用于氧气与二氧化碳的混合，形成一定压力浓度的混合气，所述气体混合装置连接柴油机，用于柴油机吸气过程能排除氮气的进入。

2.根据权利要求1所述的基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，其特征在于：所述制氧机与氧气储存舱连接的管路上设置遥控阀门。

3.根据权利要求1所述的基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，其特征在于：所述氧气储存舱与气体混合装置连接管路上设置遥控气泵和遥控阀门。

4.根据权利要求1所述的基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，其特征在于：所述氧气储存舱内设置压力传感器。

5.根据权利要求1所述的基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，其特征在于：所述二氧化碳储存装置与气体混合装置连接管路上设置遥控气泵和遥控阀门。

6.根据权利要求1所述的基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，其特征在于：所述气体混合装置内部设置气体浓度传感器和压力传感器，气体混合装置设置三个气体进口分别与二氧化碳储存装置、氧气储存舱和柴油机排气管连接，设置一个气体出口与柴油机进气管连接，管路上设置遥控阀和流量计。

7.根据权利要求1所述的基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，其特征在于：所述柴油机进气管路与大气连接部分设置遥控阀。

8.根据权利要求1所述的基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，其特征在于：所述柴油机的排气管路上设置排气缓冲罐，罐中设置气体浓度传感器，所述柴油机的排气管路在缓冲罐前与气体混合装置连接，管路上设置遥控气泵和遥控阀。

9.根据权利要求8所述的基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，其特征在于：所述遥控气泵、遥控阀门、气体浓度传感器、压力传感器和流量计与ECU连接。

10.根据权利要求9所述的基于改变进气组分改善柴油机燃烧及排放系统，其特征在于：所述ECU采集各控制阀、控制气泵、压力传感器、气体浓度传感器及流量计的信号，经处理后输出控制信号给各控制阀、控制气泵，用于发出动作指令。

Images