内燃机清洁燃烧的分层喷射再循环废气系统装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了内燃机清洁燃烧的分层喷射再循环废气、和高比热容或惰性气体的两种系统装置，前者整体装置由三部分组成，即再循环废气系统；喷射系统；以及动力系统组成。后者由四部分组成，添加了高比热容气体或惰性气体通路。喷射器的位置可在气缸中活塞上、下止点间任意一处，喷射器可设置1～3层，每层2

【技术实现步骤摘要】
内燃机清洁燃烧的分层喷射再循环废气系统装置


[0001]本专利技术属于内燃机结构技术，具体涉及一种利用喷射再循环废气实现船用内燃机缸内清洁燃烧的装置。

技术介绍

[0002]船用低速机作为船舶的核心设备，其可靠性、经济性、环境友好性等关键指标直接决定了船舶运输的运行成本和全球污染的排放水平。2016年1月1日起实施的Tier III排放标准，较Tier II标准更为严格，NOx排放量须降低75％，故船用低速机的首要发展方向是在满足Tier III排放限值的基础上提高燃油经济性。目前，满足Tier III排放限值的主要技术是均质废气再循环技术(EGR)，EGR是降低废气排放对环境污染的有效途径，其原理是将发动机燃烧产生的一部分高温废气经过冷却后引入进气管与新鲜空气混合后进入气缸参与后续燃烧，降低气缸内混合气的含氧量，降低燃烧最高温度，从而达到降低废气中NOx污染物、改善排放的目的。所以均质再循环废气的引入也同时会降低缸内整体的燃烧化学反应速率，使内燃机的热效率下降，油耗升高。以一艘一万箱级别的集装箱船为例，油耗每升高1g/KW
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h意味着每年需要多花费150万元人民币的燃油费用。针对该问题，本专利技术开发一种可直接向缸内喷射再循环废气(IEGR)实现缸内分层控制燃烧的装置，在满足Tier III排放限值的基础上，还能同时减少燃油的消耗。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种内燃机清洁燃烧的分层喷射再循环废气系统装置，实现内燃机高效清洁燃烧，可以大幅度改善内燃机的燃烧与排放性能。本专利技术可涉及到四冲程、二冲程以及双燃料内燃机的充量调节技术及喷射系统。
[0004]本专利技术包括内燃机清洁燃烧的分层喷射再循环废气系统、和分层喷射高比热容和惰性气体的系统两种装置，在第二种装置中还包括分层喷射新鲜空气系统。
[0005]在本专利技术中，为实现分层喷射模式，在目前船用内燃机的气缸上部(应处于排气门接近关闭或已关闭时刻活塞对应位置之上)改装添加喷射器，此时气缸具有两个进气口：一个位于气缸上部的喷射器；另一个位于气缸下部的扫气口。
[0006]以下对喷射再循环废气的原理与技术方案进行说明，文中IEGR的中文释义是：喷射再循环废气。
[0007](1)首先对内燃机清洁燃烧的分层喷射再循环废气系统装置的技术方案进行说明。装置包括：涡轮机、压气机、控制阀、排气集管、扫气集管、中冷器、废气过滤器、水汽捕捉器、增压泵、稳压管、压力传感器、喷射器、旁通阀、冷凝器、以及内燃机等，内燃机包括气缸、喷射器、扫气口。其技术方案为：整体装置由三部分组成，其中第一旁通阀、第一控制阀、中冷器、废气过滤器、以及水汽捕捉器依次连接、第二旁通阀出口并联接于第一旁通阀和第一控制阀之间，由此构成再循环废气系统通路。再循环废气喷射系统通路由增压泵、稳压管、压力传感器、第二控制阀、以及内燃机中的喷射器依次连接组成。动力系统的结构是排气集
管出口接至涡轮机的进口，涡轮机与压气机同轴连接，压气机出口接至冷凝器，冷凝器与扫气集管相接，扫气集管出口接至内燃机中的扫气口。内燃机排出的废气接至排气集管，涡轮机的后端部分废气排入大气，部分废气接至第一旁通阀；排气集管出口与涡轮机进口并联后通过管路接至第二旁通阀的进口。
[0008]分层喷射再循环废气系统装置的原理是，再循环废气首先通过第一控制阀控制IEGR率上限；随后通过中冷器，将再循环废气冷却至进气温度；随后进入废气过滤器，过滤掉废气中对再循环废气系统及增压泵会造成腐蚀的杂质；随后进入水汽捕捉器，吸收废气中的过饱和水滴。IEGR喷射系统为：对应进气温度下含有饱和水蒸汽的废气通过增压泵，对再循环废气加压提高废气流量，使再循环废气在设定喷射持续期内喷射进入气缸；经过增压的再循环废气进入稳压管(同时具备冷却功能)，经稳压及冷却至进气温度后的气体通过第二控制阀进入气缸中的喷射器。增压泵协同压力传感器及喷射器精确控制IEGR率，操作处理后的废气最终通过喷射器进入气缸，与扫气口进入的新鲜空气在缸内形成IEGR分层，参与后续燃烧。
[0009]再循环废气来源具备二条路线，1)路线一，第一旁通阀打开，第二旁通阀关闭，涡轮机出口部分废气直接排入大气，部分废气通过第一旁通阀引入IEGR通路；路线二，第一旁通阀关闭，第二旁通阀打开，部分废气进入涡轮驱动动力系统，部分废气通过第二旁通阀引入IEGR通路。2)再循环废气依次通过第一控制阀、中冷器、废气过滤器、水汽捕捉器进入增压泵，经加压后进入稳压管，随后通过第二控制阀进入喷射器，最终直接喷射进入气缸形成IEGR分层，参与后续燃烧。
[0010]分层喷射再循环废气的优点在于：1)缸内燃烧后废气通过IEGR系统通路及IEGR喷射系统通路直接喷射进入气缸，在气缸壁面的引导下，其自身携带的动能会显著提升缸内涡流比，促进油气混合并加快了燃烧速率。2)通过该装置可实现气缸内新鲜进气与再循环废气的分层，包括浓度分层及温度分层(浓度分层：由扫气口进入的新鲜空气主要分布在气缸中心，再循环废气主要分布在气缸壁面，温度分层：再循环废气经冷却后温度相对较低，以及再循环废气比热容较高，导致压缩过程末期缸壁侧区域温度低于中心区域，缸壁侧区域温度低于中心区域)。一方面，再循环废气分布在气缸壁面的形态可以有效的形成气体隔热层，减小气缸壁面的传热损失；另一方面，氮氧化物的主要生成区域位于气缸壁面附近，通过再循环废气在气缸壁面的分布形态可以有效抑制氮氧化物的生成。
[0011]除再循环废气外，本专利技术装置也可以喷射其他气体，由此引出分层喷射高比热容和惰性气体的系统(其中包括分层喷射新鲜空气系统)。
[0012](2)以下对内燃机清洁燃烧的分层喷射高比热容和惰性气体系统装置的技术方案进行说明。系统装置包括：储气装置、控制阀、水汽捕捉器、增压泵、稳压管、压力传感器、排气集管、涡轮机、压气机、冷凝器、扫气集管、排气集管、以及内燃机，内燃机包括气缸、喷射器、扫气口。其技术方案是，整体装置由四部分组成：其中储气装置与第三控制阀连接构成高比热容气体或惰性气体通路；由第四控制阀与水汽捕捉器连接构成新鲜空气进气通路；喷射系统通路由增压泵、稳压管、压力传感器、第二控制阀、以及内燃机中的喷射器依次连接组成；动力系统的结构是排气集管出口接至涡轮机的进口，涡轮机与压气机同轴连接，压气机出口接至冷凝器，冷凝器与扫气集管相接，扫气集管出口接至内燃机中的扫气口，内燃机排出的废气接至排气集管，涡轮机的后端排气接至大气。
[0013]作为本专利技术主要创新性之一：为实现不同的IEGR率、或者是高比热容和惰性气体喷射，喷射器的位置可选择在内燃机气缸中活塞上止点与下止点之间的任意一处，喷射器的层数可设为1至3层，每层喷射器的数量按可设为2
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6个，按圆周向均匀分布。喷射器位置越靠近缸盖，再循环废气与新鲜进气的混合时间越短，分层越明显，同时涡流比衰减越小。
[0014]喷射高比热容气体的原理是，储气装置中的CO2、H2O等高比热容气体通过第三控制阀进入增压泵，对高比热容气体加压提高气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.内燃机清洁燃烧的分层喷射再循环废气系统装置，包括：涡轮机、压气机、控制阀、排气集管、扫气集管、中冷器、废气过滤器、水汽捕捉器、增压泵、稳压管、压力传感器、喷射器、旁通阀、冷凝器、以及内燃机，内燃机包括气缸、喷射器、扫气口，其特征在于：整体装置由三部分组成，其中第一旁通阀(1
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1)、第一控制阀(1
‑
3)、中冷器(1
‑
4)、废气过滤器(1
‑
5)、以及水汽捕捉器(1
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6)依次连接、第二旁通阀(1
‑
2)出口并联接于第一旁通阀和第一控制阀之间，由此构成再循环废气系统通路(1)；再循环废气喷射系统通路(2)由增压泵(2
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1)、稳压管(2
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2)、压力传感器(2
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3)、第二控制阀(2
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4)、以及内燃机(3)中的喷射器(2
‑
5)依次连接组成，动力系统(4)的结构是排气集管(5)出口接至涡轮机(4
‑
1)的进口，涡轮机与压气机(4
‑
2)同轴连接，压气机出口接至冷凝器(4
‑
3)，冷凝器与扫气集管(4
‑
4)相接，扫气集管出口接至内燃机中的扫气口(3
‑
1)，内燃机排出的废气接至排气集管，涡轮机的后端部分废气排入大气，部分废气接至第一旁通阀；排气集管出口与涡轮机进口并联后通过管路接至第二旁通阀的进口。2.按照权利要求1所述内燃机清洁燃烧的分层喷射再循环废气系统装置，其特征在于：再循环废气可从所述涡轮机的后端引出，也可从涡轮的前端通过旁通阀引出。3.按照权利要求1所述内燃机清洁燃烧的分层喷射再循环废气系统装置，其特征在于：所述喷射器喷射的再循环废气分层射入气缸的上部；来自扫气集管的新鲜空气从气缸下部扫气口进入。4.按照权利要求1所述内燃机清洁燃烧的分层喷射再循环废气系统装置，其特征在于：在来自所述内燃机喷射器的再循环废气与所述扫气口进入的新鲜进气进行浓度分层；也可以进行两种进气的温度分层。5.一种内燃机清洁燃烧的分层喷射高比热容和惰性气体的系统装置，包括：储气装置、控制阀、水汽捕捉器、增压泵、稳压管、压力传感器、排气集管、涡轮机、压气机、冷凝器、扫气集管、排气集管、以及内燃机，内燃机包括气缸、喷射器、扫气口，其特征在于：整体装置由四部分组成，其中储气装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁祯，高玉川，王天友，刘梦雨，卢天龙，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：