排放及瞬態特性的系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種利用尾氣余熱同時改善內燃機低工況性能、高工況燃油效率、NOx排放及瞬態特性的系統，包括水箱、水泵、蒸發器、過熱器、渦輪、壓氣機、內燃機機體、混合室、膨脹機、壓縮機、發電機、閥門、連接軸及連接管路，在低轉速工況，過熱蒸汽直接噴注到渦輪前增大渦輪功來提高發動機進氣量；在高轉速工況，多余的渦輪前廢氣同過熱蒸汽一起流經膨脹機膨脹做功并由同軸連接的發電機轉化為電能存儲；在中低負荷工況，過熱蒸汽流經膨脹機，帶動同軸連接的壓縮機將蒸發器出口廢氣壓縮引入混合室；在瞬態加載過程，向渦輪前噴注過熱蒸汽提高渦輪的響應速度。本發明設計合理，結構簡單，適用于發動機廢氣余熱系統的設計。
【專利說明】同時改善內燃機低工況性能、高工況燃油效率、NOx排放及瞬態特性的系統
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種改善內燃機低工況性能、高工況燃油效率、放及瞬態特性的系統，具體是一種基于排氣能量回收、廢氣再循環、進氣加濕、渦前噴注蒸汽技術的發動機整機綜合性能改進系統。
【背景技術】
[0002]隨著能源日益短缺以及環境問題日益嚴峻，內燃機作為主要的動力循環裝置，其節能減排技術的發展受到廣泛的關注。我國現已成為世界最大的汽車產銷國之一，汽車保有量的增大給我國石油供應、環境保護帶來了巨大的壓力。從目前內燃機的熱平衡來看，用于動力輸出的功率只占燃油燃燒總熱量的30?45% (柴油機)或25?35% (汽油機)，其它熱量則經由冷卻系統和廢氣排入到大氣環境中。其中節能技術包括余熱制冷、采暖、溫差發電、燃料催化重整、后接動力渦輪、加裝動力循環裝置等，減排技術包括廢氣再循環、三效催化轉化、顆粒捕集、氧化催化轉化、選擇性催化還原等。目前，這些節能減排技術各自實現的效果較為單一，這將使得采用節能減排技術后的發動機結構復雜度大大提高。
[0003]目前發動機大多配有渦輪增壓器，以柴油機為例，對于按標定工況參數匹配的增壓柴油機，在降低柴油機轉速時，增壓壓力的降低將會使得進氣量不足以滿足氣缸燃燒所需的空氣量，從而產生冒黑煙、排氣溫度過高等后果。對于增壓柴油機瞬態工況，因存在供氣量比供油量滯后的問題，使得增壓柴油機不像非增壓柴油機那樣很快響應負荷和轉速的變化，進一步又會造成一系列問題。因此對于增壓柴油機其低轉速工況性能以及瞬態響應特性也是亟待解決的問題。
【發明內容】
[0004]本發明針對上述不足，提供一種帶有前車胎受力平衡裝置的車身系統，可以在事故中主動對車胎進行干預，減小事故損失。
[0005]本發明的目的是，提出一種基于廢氣能量回收、廢氣再循環、進氣加濕、渦輪前噴注蒸汽技術的內燃機綜合性能改進系統，包括改進內燃機低工況性能、高工況燃油效率、NOx排放及瞬態特性。
[0006]本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括水箱、水泵、蒸發器、過熱器、渦輪、壓氣機、內燃機機體、混合室、膨脹機、壓縮機、發電機、連接軸、閥門及連接管路。其特征在于水箱中的液態水依次流經水泵入口管路、水泵、水泵出口管路和蒸發器變為具有一定壓力的飽和蒸汽，飽和蒸汽依次流經過熱器入口管路和過熱器變為過熱蒸汽；發動機排氣經排氣管路、渦輪、渦后管路、過熱器、過熱器出口管路、蒸發器和蒸發器出口管路變為低溫低壓的廢氣；新鮮空氣經壓氣機入口管路、壓氣機和進氣管路進入內燃機機體，壓氣機則是通過增壓器連接軸連接到渦輪；過熱蒸汽流經過熱蒸汽出口管路、過熱蒸汽調節閥、膨脹機入口管路和廢氣旁通閥直接噴注到排氣管路，或經膨脹機入口管路和膨脹機入口閥單獨噴入到膨脹機或者同流經膨脹機入口管路和廢氣旁通閥的部分廢氣一同噴注到膨脹機，并由膨脹機出口管路流出；膨脹機可帶動膨脹機軸連接的發電機發電或者帶動壓縮機軸連接的壓縮機壓縮做功；低溫廢氣經壓縮機入口管路、壓縮機入口閥、壓縮機和壓縮機出口管路進入混合室，飽和蒸汽經飽和蒸汽管路和飽和蒸汽閥進入混合室；混合后的濕燃氣經混合室出口管路和混合室出口閥流入進氣管路實現濕燃氣的廢氣再循環；流經壓縮機出口管路的廢氣可同樣由旁路調節閥、旁通管路直接排出。
[0007]當發動機處于低轉速工況時，過熱蒸汽調節閥和廢氣旁通閥開啟，飽和蒸汽閥、混合室出口閥和膨脹機入口閥關閉，過熱蒸汽直接噴注到排氣管路，增大渦輪的輸出功，使得壓氣機的壓縮功增大，解決低轉速工況下進氣不足、冒黑煙、排溫過高的問題。
[0008]當發動機處于高轉速工況時，過熱蒸汽調節閥、壓縮機入口閥、膨脹機入口閥和旁路調節閥開啟，飽和蒸汽閥和混合室出口閥關閉，過熱蒸汽在膨脹機內膨脹做功，帶動同軸連接的發電機發電并轉化為電能儲存，同時帶動同軸連接的壓縮機惰轉。
[0009]當發動機處于高轉速工況時，還可通過調節廢氣旁通閥的開度，將多余的廢氣能量經膨脹機入口管路旁通，與過熱蒸汽一起流經膨脹機做功，實現廢氣能量的回收。
[0010]為了降低中低負荷工況下的NOx排放，過熱蒸汽調節閥、壓縮機入口閥、混合室出口閥和膨脹機入口閥打開，廢氣旁通閥和旁路調節閥關閉，過熱蒸汽在膨脹機內膨脹做功，帶動同軸連接的壓縮機壓縮做功，將由壓縮機入口管路旁通的部分低壓廢氣壓縮做功，變為高壓廢氣并經壓縮機出口管路、混合室、混合室出口管路、混合室出口閥回流至進氣管路，實現發動機廢氣再循環，降低放量。
[0011]為了降低中低負荷工況下的NOx排放，還可通過調節飽和蒸汽閥的開度，旁通部分飽和蒸汽同廢氣在混合室內混合，因此在實現EGR廢氣溫度降低的同時，也增大了發動機進氣的濕度，進一步將EGR廢氣冷卻同進氣加濕技術融合起來達到降低NOx排放的效果。
[0012]當發動機處于瞬態加載過程中，過熱蒸汽調節閥和廢氣旁通閥開啟，飽和蒸汽閥、混合室出口閥和膨脹機入口閥關閉，在瞬態加載過程中通過控制過熱蒸汽調節閥和廢氣旁通閥的開度向排氣管路噴注一定量的過熱蒸汽，使得排氣管路內的壓力迅速建立起來，進一步提高渦輪增壓器的響應速率，改善發動機的瞬態特性。
[0013]上述各閥門為開度可調的電動調節閥，用來精確控制各管路內廢氣或者過熱蒸汽的流量；水泵為變頻驅動泵用來控制泵出口水的流量。
[0014]本發明的特點和有益效果是，將發動機尾氣能量回收技術、廢氣再循環技術、進氣加濕技術、渦輪前噴注蒸汽技術融合在一起，并同時實現了改進發動機的低工況性能、高工況燃油經濟性、NOx排放及瞬態特性。本發明同時盡可能縮小了系統尺寸，結構復雜度以及成本，具有現實可行性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明系統結構示意圖；
[0016]其中，I為水箱，2為水泵入口管路，3為水泵，4為水泵出口管路，5為蒸發器，6為過熱器入口管路，7為過熱器，8為過熱蒸汽出口管路，9為過熱蒸汽調節閥，10為膨脹機入口管路，11為廢氣旁通閥，12為渦輪，13為增壓器連接軸，14為壓氣機入口管路，15為壓氣機，16為進氣管路，17為內燃機機體，18為排氣管路，19為渦后管路，20為過熱器出口管路，21為蒸發器出口管路，22為飽和蒸汽管路，23為飽和蒸汽閥，24為膨脹機，25為膨脹機出口管路，26為壓縮機軸，27為壓縮機入口管路，28為壓縮機入口閥，29為壓縮機，30為壓縮機出口管路，31為混合室，32為混合室出口管路，33為混合室出口閥，34為膨脹機入口閥，35為發電機，36為膨脹機軸，37為旁路調節閥，38為旁通管路。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0018]實施例
[0019]如圖1所示，本發明包括水箱1、水泵3、蒸發器5、過熱器7、渦輪12、壓氣機15、內燃機機體17、混合室31、膨脹機24、壓縮機2、發電機35、閥門、連接軸及連接管路，其中水箱I中的液態水依次流經水泵入口管路2、水泵3、水泵出口管路4、蒸發器5變為具有一定壓力的飽和蒸汽，飽和蒸汽依次流經過熱器入口管路6、過熱器7變為過熱蒸汽；發動機排氣經排氣管路18、渦輪12、渦后管路19、過熱器7、過熱器出口管路20、蒸發器5、蒸發器出口管路21變為低溫低壓的廢氣；新鮮空氣經壓氣機入口管路14、壓氣機15、進氣管路16進入內燃機機體17，壓氣機15則是通過增壓器連接軸13連接到渦輪12 ;過熱蒸汽經過熱蒸汽出口管路8、過熱蒸汽調節閥9、膨脹機入口管路10、廢氣旁通閥11直接噴注到排氣管路18，或經膨脹機入口管路10、膨脹機入口閥34單獨噴入到膨脹機24或者同流經膨脹機入口管路10、廢氣旁通閥11的部分廢氣一同噴注到膨脹機24，并由膨脹機出口管路25流出；膨脹機24可帶動膨脹機軸36連接的發電機35發電或者帶動壓縮機軸26連接的壓縮機29壓縮做功；低溫廢氣經壓縮機入口管路27、壓縮機入口閥28、壓縮機29、壓縮機出口管路30進入混合室31，飽和蒸汽經飽和蒸汽管路22、飽和蒸汽閥23進入混合室31 ;混合后的濕燃氣經混合室出口管路32、混合室出口閥33流入進氣管路16實現濕燃氣的廢氣再循環；流經壓縮機出口管路30的廢氣可同樣由旁路調節閥37、旁通管路38直接排出。
[0020]當發動機處于低轉速工況時，過熱蒸汽調節閥9和廢氣旁通閥11開啟，飽和蒸汽閥23、混合室出口閥33和膨脹機入口閥34關閉，過熱蒸汽直接噴注到排氣管路18，增大渦輪12的輸出功，使得壓氣機15的壓縮功增大，解決低轉速工況下進氣不足、冒黑煙、排溫過高的問題。
[0021]當發動機處于高轉速工況時，過熱蒸汽調節閥9、壓縮機入口閥28、膨脹機入口閥34和旁路調節閥37開啟，飽和蒸汽閥23和混合室出口閥33關閉，過熱蒸汽在膨脹機24內膨脹做功，帶動同軸連接的發電機35發電并轉化為電能儲存，同時帶動同軸連接的壓縮機29惰轉。
[0022]當發動機處于高轉速工況時，還可通過調節廢氣旁通閥11的開度，將多余的廢氣能量經膨脹機入口管路10旁通，與過熱蒸汽一起流經膨脹機24做功，實現廢氣能量的回收。
[0023]為了降低中低負荷工況下的NOx排放，過熱蒸汽調節閥9、壓縮機入口閥28、混合室出口閥33和膨脹機入口閥34打開，廢氣旁通閥11和旁路調節閥37關閉，過熱蒸汽在膨脹機24內膨脹做功，帶動同軸連接的壓縮機29壓縮做功，將由壓縮機入口管路27旁通的部分低壓廢氣壓縮做功，變為高壓廢氣并經壓縮機出口管路30、混合室31、混合室出口管路32、混合室出口閥33回流至進氣管路16，實現發動機廢氣再循環，降低放量。
[0024]為了降低中低負荷工況下的NOx排放，還可通過調節飽和蒸汽閥23的開度，旁通部分飽和蒸汽同廢氣在混合室31內混合，因此在實現EGR廢氣溫度降低的同時，也增大了發動機進氣的濕度，進一步將EGR冷卻同進氣加濕技術融合起來達到降低NOx排放的效果。
[0025]當發動機處于瞬態加載過程中，過熱蒸汽調節閥9和廢氣旁通閥11開啟，飽和蒸汽閥23、混合室出口閥33和膨脹機入口閥34關閉，在瞬態加載過程中通過控制過熱蒸汽調節閥9和廢氣旁通閥11的開度向排氣管路18噴注一定量的過熱蒸汽，使得排氣管路18內的壓力迅速建立起來，進一步提高渦輪增壓器的響應速率，改善發動機的瞬態特性。
[0026]上述各閥門為開度可調的電動調節閥，用來精確控制各管路內廢氣或者過熱蒸汽的流量，水泵3為配有變頻驅動的泵，用來控制泵出口水的流量。通過閥門與水泵的協同調節作用使得該系統穩定運行在發動機各工況下。
[0027]以上結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的范圍，本發明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種同時改善內燃機低工況性能、高工況燃油效率、NO x排放及瞬態特性的系統，包括水箱(I)、水泵(3)、蒸發器(5)、過熱器(7)、渦輪(12)、壓氣機(15)、內燃機機體(17)、混合室(31)、膨脹機(24)、壓縮機(2)、發電機(35)、閥門、連接軸及連接管路，其特征在于水箱(I)中的液態水依次流經水泵入口管路(2)、水泵(3)、水泵出口管路(4)和蒸發器(5)變為具有一定壓力的飽和蒸汽，飽和蒸汽依次流經過熱器入口管路(6)和過熱器(7)變為過熱蒸汽；發動機排氣經排氣管路(18)、渦輪(12)、渦后管路(19)、過熱器(7)、過熱器出口管路(20)、蒸發器(5)和蒸發器出口管路(21)變為低溫低壓的廢氣；新鮮空氣經壓氣機入口管路(14)、壓氣機(15)和進氣管路(16)進入內燃機機體(17)，壓氣機(15)則是通過增壓器連接軸(13)連接到渦輪(12);過熱蒸汽經過熱蒸汽出口管路(8)、過熱蒸汽調節閥(9)、膨脹機入口管路(10)和廢氣旁通閥(11)直接噴注到排氣管路(18)，或經膨脹機入口管路(10)和膨脹機入口閥(34)單獨噴入到膨脹機(24)或者同流經膨脹機入口管路(10)和廢氣旁通閥(11)的部分廢氣一同噴注到膨脹機(24)，并由膨脹機出口管路(25)流出；膨脹機(24)可帶動膨脹機軸(36)連接的發電機(35)發電或者帶動壓縮機軸(26)連接的壓縮機(29)壓縮做功；低溫低壓廢氣經壓縮機入口管路(27)、壓縮機入口閥(28)、壓縮機(29)和壓縮機出口管路(30)進入混合室(31)，飽和蒸汽經飽和蒸汽管路(22)和飽和蒸汽閥(23)進入混合室(31);混合后的濕燃氣經混合室出口管路(32)和混合室出口閥(33)流入進氣管路(16)實現濕燃氣的廢氣再循環；流經壓縮機出口管路(30)的廢氣可同樣由旁路調節閥(37)和旁通管路(38)直接排出。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，當發動機處于低轉速工況時，過熱蒸汽調節閥(9)和廢氣旁通閥(11)開啟，飽和蒸汽閥(23)、混合室出口閥(33)和膨脹機入口閥(34)關閉，過熱蒸汽直接噴注到排氣管路(18)，增大渦輪(12)的輸出功。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，當發動機處于高轉速工況時，過熱蒸汽調節閥(9)、壓縮機入口閥(28)、膨脹機入口閥(34)和旁路調節閥(37)開啟，飽和蒸汽閥(23)和混合室出口閥(33)關閉，過熱蒸汽在膨脹機(24)內膨脹做功，帶動同軸連接的發電機(35)發電并轉化為電能儲存，同時帶動同軸連接的壓縮機(29)惰轉。
4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，可通過調節廢氣旁通閥(11)的開度，將多余的廢氣能量經膨脹機入口管路(10)旁通，與過熱蒸汽一起流經膨脹機(24)做功，實現廢氣能量的回收。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，為了降低中低負荷工況下的NOx排放，過熱蒸汽調節閥(9)、壓縮機入口閥(28)、混合室出口閥(33)和膨脹機入口閥(34)打開，廢氣旁通閥(11)和旁路調節閥(37)關閉，過熱蒸汽在膨脹機(24)內膨脹做功，帶動同軸連接的壓縮機(29)壓縮做功，將由壓縮機入口管路(27)旁通的部分低壓廢氣壓縮做功，變為高壓廢氣并經壓縮機出口管路(30)、混合室(31)、混合室出口管路(32)、混合室出口閥(33)回流至進氣管路(16)，實現發動機廢氣再循環，降低放量。
6.根據權利要求5所述的系統，其特征在于，可通過調節飽和蒸汽閥(23)的開度，旁通部分飽和蒸汽同廢氣在混合室(31)內混合，在實現EGR廢氣溫度降低的同時，也增大了發動機進氣的濕度，進一步將EGR冷卻同進氣加濕技術融合起來達到降低NOx排放的效果。
7.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，當發動機處于瞬態加載過程中，過熱蒸汽調節閥(9)和廢氣旁通閥(11)開啟，飽和蒸汽閥(23)、混合室出口閥(33)和膨脹機入口閥(34)關閉，在瞬態加載過程中通過控制過熱蒸汽調節閥(9)和廢氣旁通閥(11)的開度向排氣管路(18)噴注一定量的過熱蒸汽，使得排氣管路(18)內的壓力迅速建立起來，進一步提高渦輪增壓器的響應速率。
8.根據權利要求1所述系統，其特征在于，所述的閥(9、11、23、28、33、34、37)均為開度可調的電動調節閥，用來精確控制各管路內廢氣或者過熱蒸汽的流量；所述水泵(3)為變頻驅動泵用來控制泵出口水的流量。
【文檔編號】F02B37/18GK104500218SQ201410697271
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】朱思鵬, 鄧康耀 申請人:上海交通大學