船舶柴油機廢氣再循環系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種船舶柴油機廢氣再循環系統，該廢氣再循環系統包括依次連接形成循環回路的柴油機、渦輪增壓器和中冷器，還包括EGR電子閥、EGR冷卻器和文丘里管，所述柴油機的廢氣出口經由排氣管分為第一支路和第二支路，所述第一支路與渦輪增壓器的輸入端相連，所述渦輪增壓器的輸出端與中冷器的進口相連；所述第二支路與EGR電子閥的入口相連，所述EGR電子閥的出口與EGR冷卻器進氣口相連；所述中冷器出口和EGR冷卻器的出氣口均通過文丘里管與柴油機的進氣口連接。本實用新型能根據船舶航行狀態、以及柴油機不同工況等因素實現對EGR電子閥的控制，自動設置出最優EGR率，從而盡可能的減少NOX的排放，保證船舶柴油機在節能與減排上取得一個最佳平衡點。
【專利說明】
船舶柴油機廢氣再循環系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及柴油機的廢氣循環技術領域，具體地指一種船舶柴油機廢氣再循環系統。
【背景技術】
[0002]隨著全球環境的惡化和人們環保意識的加強，船舶防污染的相關法規日益嚴苛，控制發動機有害氣體排放的要求強烈。其中，以船舶柴油機的污染物排放為主的環境污染尤為引人關注，世界海事組織對船舶主動力即柴油機污染的控制也越來越嚴格。柴油機及其能源向綠色環保方向發展已經成為一種必然的趨勢。
[0003]2008年10月10日，頂O的海洋環境保護委員會(MPEC)會議上通過MARP0L73/78附則的VI的修正案，定義了包括三個級別在內的MO船用柴油機排放標準體系，增加了更為嚴格的TierIII標準，同意實現減排目標:2016年在排放控制區域(ECAs)達到更嚴格的TierIII。頂O排放標準日趨嚴格，滿足Tierm階段法規的技術措施主要有以下三種:在滿足Tierm排放法規的柴油機機型上加裝選擇性催化還原(SCR)技術、廢氣再循環(EGR)技術、以及雙燃料的柴油機天然氣模式。目前SCR技術相比于其他技術，更加靈活，技術也相對更加成熟，所以眾多大的柴油機廠商選擇了SCR技術來應對TierIII排放法規。但是SCR技術也有著其弊端，這項技術設備投資和運行成本都相對高昂，因此各個船用柴油機廠商都沒有放棄對成本相對低廉的EGR技術進行探索與研究。
[0004]國外針對廢氣再循環(EGR)系統的研究，已經在車用上有了很大的進展，并且也對船用的EGR系統進行了初步的研究。對于EGR系統的初步研究發現，EGR的確可以有效減低NOx的排放，但是對于柴油機的動力性能卻有所影響，并且不是在所有的工況下，EGR系統都可以運行。隨著不同的工況，EGR率要有改變，甚至要關閉EGR系統，實驗數據證明中小負荷時宜采用較大EGR率，在大負荷時宜采用較小EGR率，在全負荷或接近全負荷時，不宜引入廢氣，因此單純的EGR系統不能最有效的滿足國際嚴格的排放標準。
[0005]我國對柴油機尾氣排放控制起步較晚，標準也相對寬松，因此相應的凈化水平與發達國家的相比存在一定差距。目前國內在降低柴油機尾氣排放方面的重點基本在車用燃油系統和尾氣系統的研究，而船舶EGR的研究仍處于初級階段。在遠洋船舶航行的時候，由于環境的變化，船舶的實際負荷變化很大，會對重油燃燒過程中NOx產生影響，同時排氣中的循環廢氣中的成分也對柴油機的工作循環變動有很大的影響，但是現有的EGR只是對廢氣循環的流量和溫度進行了控制，而沒有考慮到結合船舶的實際運行負荷實時調整EGR，不能有效的構造出最佳的EGR率ο此外，現有的EGR也沒有考慮到EGR循環中廢氣中的污染物質和顆粒物對柴油機性能的影響，不能更好的滿足節能減排的要求，因而需要對現有的EGR及其控制系統進行優化。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的就是要提供一種船舶柴油機廢氣再循環系統。該廢氣再循環系統能根據船舶航行狀態、以及柴油機不同工況等因素實現對EGR電子閥的控制，自動設置出最優EGR率，從而盡可能的減少NOx的排放，優化了船舶柴油機節能減排的性能。
[0007]為實現上述目的，本實用新型所設計的船舶柴油機廢氣再循環系統，包括依次連接形成循環回路的柴油機、渦輪增壓器和中冷器，還包括EGR電子閥、EGR冷卻器和文丘里管，所述柴油機的廢氣出口經由排氣管分為第一支路和第二支路，所述第一支路與渦輪增壓器的輸入端相連，所述渦輪增壓器的輸出端與中冷器的進口相連;所述第二支路與EGR電子閥的入口相連，所述EGR電子閥的出口與EGR冷卻器進氣口相連;所述中冷器出口和EGR7令卻器的出氣口均通過文丘里管與柴油機的進氣口連接。這樣，通過控制EGR電子閥，柴油機產生的廢氣一部分進行再循環，再循環廢氣由于具有惰性將會延緩燃燒過程，從而減緩燃燒室中壓力的形成，進而減少氮氧化合物的生成。另外，提高廢氣再循環率會使總的廢氣流量減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將會相對減少。EGR系統的任務就是使廢氣的再循環量在每一個工作點都達到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排放物中的污染成份最低。
[0008]進一步地，還包括用于監測柴油機的動力輸出軸轉動速度的速度傳感器、用于監測柴油機的動力輸出軸扭矩的扭矩傳感器、以及用于控制EGR電子閥閉合狀態的控制器，所述控制器的信號輸入端分別與速度傳感器、扭矩傳感器的信號輸出端連接，所述控制器的信號輸出端與EGR電子閥的信號輸入端連接。這樣，通過速度傳感器和扭矩傳感器監測柴油機動力輸出軸的速度和扭矩信號，從而能夠根據船舶航行狀態、以及柴油機不同工況等因素實現對EGR電子閥的控制，自動設置出最優EGR率，盡可能的減少NOx的排放，從而保證船舶柴油機在節能與減排上取得一個最佳平衡點。
[0009]進一步地，所述控制器為模糊PID控制器。這是因為模糊PID控制器結合了模糊控制器以及PID控制器的優點，具有良好的校正性能，改善了二次調節加載系統的動態響應，提高了控制效果。
[0010]再進一步地，所述EGR電子閥與EGR冷卻器之間的管路內設有用于對廢氣凈化的廢氣凈化裝置。這樣，既降低了廢氣中污染物含量，同時防止廢氣中的顆粒物對柴油機造成損傷。
[0011]更進一步地，所述廢氣凈化裝置由靜電補集器和三元催化轉換器組成。這樣，靜電補集器能把廢氣里的顆粒物過濾掉，不僅降低了 EGR廢氣中顆粒對柴油機活塞環、氣缸套等零部件磨損加劇，還減小了對機油的污染，進而提高了柴油機的可靠性和壽命。三元催化轉換器能把廢氣里的可燃物轉化成0)2和出0，保證了 EGR廢氣再循環系統運行的穩定性和安全性，擴大了 EGR廢氣再循環系統的使用范圍。
[0012]與現有技術相比，本實用新型具有如下優點:
[0013]其一，本實用新型通過速度傳感器和扭矩傳感器監測柴油機動力輸出軸的速度和扭矩信號，從而能夠根據船舶航行狀態、以及柴油機不同工況等因素實現對EGR電子閥的控制，自動設置出最優EGR率，盡可能的減少NOx的排放，從而保證船舶柴油機在節能與減排上取得一個最佳平衡點。
[0014]其二，本實用新型通過控制器控制EGR電子閥的閉合狀態，而不是傳統的依靠廢氣的壓力來控制其開啟，因此控制更為精確，更能保證EGR率的最優化。
[0015]其三，本實用新型采用廢氣凈化裝置處理流經第二支路的廢氣，不僅能過濾廢氣里的顆粒物，還能把廢氣里的可燃物轉化成0)2和出0，保證了 EGR廢氣再循環系統運行的穩定性和安全性，擴大了 EGR廢氣再循環系統的使用范圍。
[0016]其四，本實用新型采用文丘里管來解決高壓回路在部分工況排氣壓力低于進氣壓力的問題，從而保證了廢氣能順利進入柴油機，并且減小了對進氣流動的影響。
【附圖說明】
[0017]圖1為一種船舶柴油機廢氣再循環系統的結構示意圖；
[0018]其中:柴油機1、渦輪增壓器2、中冷器3、EGR電子閥4、EGR冷卻器5、文丘里管6、排氣管7、第一支路8、第二支路9、動力輸出軸10、速度傳感器11、扭矩傳感器12、控制器13、廢氣凈化裝置14。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0020]圖中所示的船舶柴油機廢氣再循環系統，包括依次連接形成循環回路的柴油機1、渦輪增壓器2和中冷器3，還包括EGR電子閥4、EGR冷卻器5和文丘里管6，柴油機I的廢氣出口經由排氣管7分為第一支路8和第二支路9，第一支路8與渦輪增壓器2的輸入端相連，渦輪增壓器2的輸出端與中冷器3的進口相連;第二支路9與EGR電子閥4的入口相連，EGR電子閥4的出口與EGR冷卻器5進氣口相連；中冷器3出口和EGR冷卻器5的出氣口均通過文丘里管6與柴油機I的進氣口連接。通過控制EGR電子閥，柴油機I產生的廢氣一部分進行再循環，再循環廢氣由于具有惰性將會延緩燃燒過程，從而減緩燃燒室中壓力的形成，進而減少氮氧化合物的生成。另外，提高廢氣再循環率會使總的廢氣流量減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將會相對減少。EGR系統的任務就是使廢氣的再循環量在每一個工作點都達到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排放物中的污染成份最低。
[0021]上述技術方案中，還包括用于監測柴油機I的動力輸出軸10轉動速度的速度傳感器11、用于監測柴油機I的動力輸出軸10扭矩的扭矩傳感器12、以及用于控ffjijEGR電子閥4閉合狀態的控制器13，控制器13的信號輸入端分別與速度傳感器11、扭矩傳感器12的信號輸出端連接，控制器13的信號輸出端與EGR電子閥4的信號輸入端連接。通過速度傳感器11和扭矩傳感器12監測柴油機I的動力輸出軸的速度和扭矩信號，從而能夠根據船舶航行狀態、以及柴油機不同工況等因素實現對EGR電子閥的控制，自動設置出最優EGR率，盡可能的減少NOx的排放，保證柴油機穩定運行。該系統可對柴油機的扭矩、柴油機轉速、柴油機負荷等數據進行顯示與記錄，以便管理人員進行進一步的研究和分析。同時也可對報警進行顯示和記錄，并給予相關報警的支持信息，便于管理人員進行維護和管理。
[0022]上述技術方案中，控制器13為模糊PID控制器，傳統的控制方法滿足不了控制精度的要求，而且抗干擾的能力較差。采用模糊PID調節，模糊PID自整定控制具有模糊控制和PID控制的優點，克服了二次調節系統的非線性和時變性。模糊PID自整定控制使得二次元件輸出動態響應性能大大改善，具有良好校正性能。速度傳感器11和扭矩傳感器12的信號輸出端與模糊PID控制器信號輸入端相連接，用來測出柴油機動力輸出軸的速度值以及扭矩值，從而將測得的數值傳送模糊PID控制系統，該系統會根據速度值和扭矩值得出柴油機的負荷，從而根據不同負荷下對應的EGR率來調節EGR電子閥。當柴油機低負荷時，增加EGR電子閥的開啟時間，適當增大E G R率；當柴油機中負荷時，選取適中E G R電子閥的開啟時間；當柴油機高負荷時，減少EGR率或者停止EGR，適當減小EGR率。
[0023]上述技術方案中，EGR電子閥4與EGR冷卻器5之間的管路內設有用于對廢氣凈化的廢氣凈化裝置14。廢氣凈化裝置14由靜電補集器和三元催化轉換器組成，通過靜電補集器可以減少廢氣中顆粒物含量，不僅降低了柴油機活塞環、氣缸套等零部件磨損，還減小了顆粒物對機油的污染，進而提高了柴油機的可靠性和壽命。該靜電補集器能夠在發動機廣闊的轉速和負荷范圍內有效地控制微粒的排放，大部分工況下凈化效率達80%左右。柴油機廢氣凈化裝置通過三元催化轉換器把廢氣中的可燃物轉化成CO2和水H2O，保證了 EGR廢氣再循環系統運行的穩定性和安全性，同時擴大EGR的使用范圍，具有較大的經濟性、實用性和社會價值。
[0024]以上所述，僅為本實用新型的【具體實施方式】，應當指出，任何熟悉本領域的技術人員在本實用新型所揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種船舶柴油機廢氣再循環系統，包括依次連接形成循環回路的柴油機(I)、渦輪增壓器(2)和中冷器(3)，其特征在于:還包括EGR電子閥(4)、EGR冷卻器(5)和文丘里管(6)，所述柴油機(I)的廢氣出口經由排氣管(7)分為第一支路(8)和第二支路(9)，所述第一支路(8)與渦輪增壓器(2)的輸入端相連，所述渦輪增壓器(2)的輸出端與中冷器(3)的進口相連;所述第二支路(9)與EGR電子閥(4)的入口相連，所述EGR電子閥(4)的出口與EGR冷卻器(5)進氣口相連;所述中冷器(3)的出口和EGR冷卻器(5)的出氣口均通過文丘里管(6)與柴油機(I)的進氣口連接。2.根據權利要求1所述的船舶柴油機廢氣再循環系統，其特征在于:還包括用于監測柴油機(I)的動力輸出軸(10)轉動速度的速度傳感器(11)、用于監測柴油機(I)的動力輸出軸(10)扭矩的扭矩傳感器(12)、以及用于控制EGR電子閥(4)閉合狀態的控制器(13)，所述控制器(13)的信號輸入端分別與速度傳感器(11)、扭矩傳感器(12)的信號輸出端連接，所述控制器(13)的信號輸出端與EGR電子閥(4)的信號輸入端連接。3.根據權利要求2所述的船舶柴油機廢氣再循環系統，其特征在于:所述控制器(13)為模糊PID控制器。4.根據權利要求1或2所述的船舶柴油機廢氣再循環系統，其特征在于:所述EGR電子閥(4)與EGR冷卻器(5)之間的管路內設有用于對廢氣凈化的廢氣凈化裝置(14)。5.根據權利要求3所述的船舶柴油機廢氣再循環系統，其特征在于:所述EGR電子閥(4)與EGR冷卻器(5)之間的管路內設有用于對廢氣凈化的廢氣凈化裝置(14)。6.根據權利要求4所述的船舶柴油機廢氣再循環系統，其特征在于:所述廢氣凈化裝置(14)由靜電補集器和三元催化轉換器組成。7.根據權利要求5所述的船舶柴油機廢氣再循環系統，其特征在于:所述廢氣凈化裝置(14)由靜電補集器和三元催化轉換器組成。
【文檔編號】F02M26/35GK205477991SQ201620238834
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月25日
【發明人】尚前明, 余秋媛
【申請人】武漢理工大學