一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统及方法

阅读：评论：0

1.本发明涉及内燃机技术领域，特别涉及一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统及方法。

背景技术：

2.内燃机作为重要动力装置，是化石燃料主要消耗源。改进内燃机燃油效率和排放水平具有重要的节能环保和经济意义。以柴油机为例，喷入缸内的燃油总能量部分转化为曲轴对外输出功，剩余燃油总能量则经由排气、扫气空气和冷却水散失到环境中去，同时还排放了较多的氮氧化物。
3.余热回收底循环因具有较高的运行效率，可实现内燃机梯级余热的高效回收。但同时续指出，余热回收底循环的运行通常需引入新的做功工质，诸如蒸汽朗肯循环、有机朗肯循环、卡琳娜循环等，使得整个底循环尺寸和成本显著增大。
4.另外，内燃机氮氧化物排放主要取决于缸内燃烧温度水平，加湿燃烧借助工质水较高的汽化潜热和比热容，可有效降低缸内燃烧温度、抑制氮氧化物的生成。但是相关的装置均单独布置，未能和余热回收底循环联合运行，造成排气中的工质水浪费。

技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统及方法，以解决现有余热回收底循环的运行需引入新的做功工质以及减排装置未能与其联合运行的问题。为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来解决：
6.第一方面，本发明提供了一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，包括：
7.内燃机机体，配置有用于进气的压气机和用于排气的涡轮且两者同轴旋转；
8.换热器，与所述涡轮之间设有两个通路，其中一路设有膨胀机，另一路为膨胀机旁通管路；
9.加湿减排装置，包括收集装置、喷水装置和泵送装置，所述收集装置和所述喷水装置通过设置喷水管路连通，所述泵送装置设置在所述喷水管路上，所述收集装置用于收集排气经所述换热器换热形成的冷凝工质水，并通过所述泵送装置经所述喷水装置喷入所述内燃机机体气缸内。
10.作为进一步的技术方案，所述压气机和所述内燃机机体通过设置压气机出口管路连通，所述喷水管路与所述压气机出口管路通过设置喷水旁通管路连通，所述喷水旁通管路设有压气机喷水控制阀。
11.作为进一步的技术方案，所述涡轮和所述内燃机机体通过设置涡轮入口管路连通，所述喷水管路与涡轮入口管路连通且连通管路中冷凝工质水经过所述换热器换热形成过热蒸汽。
12.作为进一步的技术方案，所述压气机出口管路和所述涡轮入口管路通过设置废气再循环管路连通，所述废气再循环管路设有废气再循环阀。
13.作为进一步的技术方案，所述喷水管路与所述换热器之间的连通管路上设有预热装置。
14.作为进一步的技术方案，所述收集装置与所述换热器之间设有汽水分离器，所述汽水分离器连通大气环境。
15.作为进一步的技术方案，所述汽水分离器经两路连通大气环境，其中一路设有压缩机，经所述压缩机压缩后排入大气环境中，另一路直排大气环境。
16.作为进一步的技术方案，所述膨胀机的膨胀功驱动所述压缩机运转。
17.作为进一步的技术方案，与所述膨胀机和所述压缩机同轴设置发电机。
18.第二方面，本发明提供了根据如第一方面所述循环系统的工作方法，包括以下步骤：
19.燃烧后废气进入涡轮膨胀做功，膨胀后的废气进入膨胀机进行二次膨胀做功，流经膨胀机的废气或流经膨胀机旁通管路的废气经换热器放热；
20.冷却后的废气分离出冷凝工质水并通过收集装置收集，冷凝工质水经泵送装置变为具有压力的冷凝工质水，经喷水装置喷入到内燃机机体的气缸内。
21.上述本发明的有益效果如下：
22.(1)本发明将逆向布雷顿循环排气能量回收技术、加湿燃烧技术、工质水过冷凝结回收技术有机组合在内燃机动力装置上，同时实现内燃机氮氧化物减排和排气能量的高效回收利用，并通过排气过冷凝结实现排气中工质水的冷凝回收。本技术方案有利于减小系统尺寸、结构复杂度以及成本，具有现实可行性。
23.(2)本发明可根据内燃机实际运行负荷以及排放法规要求的不同，实现逆向布雷顿循环排气能量回收技术和加湿燃烧技术的耦合运行或单独运行，在满足内燃机排放法规的基础上实现系统效率的最优。
24.(3)本发明通过将涡轮入口端部分废气引入到压气机出口可有效提高压气机出口温度来进一步提高压气机喷水控制阀支路的最大喷水量。同时，采用废气旁通策略可增大引入缸内的二氧化碳量，进一步使得缸内工质的比热容增大，实现更低的燃烧温度，降低燃烧过程氮氧化物的产生。
附图说明
25.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
26.图1示出了本发明实施例中系统结构示意图。
27.图中：1、压气机入口管路；2、压气机；3、压气机出口管路；4、内燃机机体；5、涡轮入口管路；6、涡轮；7、增压器连接轴；8、涡轮出口管路；9、膨胀机开关阀；10、膨胀机入口管路；11、膨胀机旁通管路；12、膨胀机旁通阀；13、膨胀机；14、膨胀机出口管路；15、换热器入口管路；16、换热器；17、换热器出口管路；18、汽水分离器；19、压缩机入口管路；20、压缩机；21、膨胀机压缩机连接轴；22、压缩机发电机连接轴；23、发电机；24、压缩机出口管路；25、压缩机开关阀；26、压缩机旁通管路；27、压缩机旁通阀；28、汽水分离器回水管路；29、水箱；30、
水泵入口管路；31、水泵；32、水泵出口管路；33、换热器蒸汽出口管路；34、喷水管路；35、蒸汽喷注管路；36、蒸汽喷注控制阀；37、喷水装置；38、喷水旁通管路；39、压气机喷水控制阀；40、废气再循环阀；41、废气再循环管路。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
29.实施例1
30.如图1所示，本实施例提供了一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，包括：
31.内燃机机体4，配置有用于进气的压气机2和用于排气的涡轮6且两者同轴旋转。具体的，新鲜空气经压气机入口管路1、压气机2、压气机出口管路3进入内燃机机体4，压气机2则是通过增压器连接轴7连接到涡轮6；燃烧后废气经涡轮入口管路5进入涡轮6膨胀做功。
32.换热器16，与涡轮6之间设有两个通路，其中一路设有膨胀机13，另一路为膨胀机旁通管路11。具体的，膨胀后的废气经涡轮出口管路8、膨胀机开关阀9和膨胀机入口管路10进入膨胀机13进行二次膨胀，或经膨胀机旁通管路11和膨胀机旁通阀12进入换热器入口管路15；流经膨胀机13的废气或流经膨胀机旁通阀12的废气经换热器16放热。
33.加湿减排装置，包括收集装置、喷水装置和泵送装置，收集装置和喷水装置通过设置喷水管路34连通，泵送装置设置在喷水管路34上，收集装置用于收集排气经换热器16换热形成的冷凝工质水，并通过泵送装置经喷水装置喷入内燃机机体4气缸内。具体的，收集装置为水箱29，泵送装置为水泵31，喷水装置采用现有技术中装置即可，其结构此处不再详细赘述。水箱29中的冷凝工质水经水泵入口管路30、水泵31、水泵出口管路32变为具有一定压力的冷凝工质水；冷凝工质水则经喷水管路34和喷水装置37喷入到气缸内。
34.收集装置与换热器16之间设有汽水分离器18，汽水分离器18连通大气环境。冷却后的废气经汽水分离器18分离出冷凝工质水，冷凝工质水则经汽水分离器回水管28回流至水箱29。
35.汽水分离器18经两路连通大气环境，其中一路设有压缩机20，经压缩机20压缩后排入大气环境中，另一路直排大气环境。流经汽水分离器18的废气则经压缩机入口管路19和压缩机20升压后流经压缩机出口管路24和压缩机开关阀25后排入到大气环境中，或经压缩机旁通管路26和压缩机旁通阀27后进入大气环境中。
36.本技术方案将逆向布雷顿循环排气能量回收技术、加湿燃烧技术、工质水过冷凝结回收技术有机组合在内燃机动力装置上，同时实现内燃机氮氧化物减排和排气能量的高效回收利用，并通过排气过冷凝结实现排气中工质水的冷凝回收。本技术方案有利于减小系统尺寸、结构复杂度以及成本，具有现实可行性。
37.压气机2和内燃机机体4通过设置压气机出口管路3连通，喷水管路34与压气机出口管路3通过设置喷水旁通管路38连通，喷水旁通管路38设有压气机喷水控制阀39。为实现缸内氮氧化物的最大减排，可通过调节喷水装置37和压气机喷水控制阀39来实现，喷注冷凝工质水质量流量越高、温度越低，则所能实现的氮氧化物减排潜力越大。为实现缸内氮氧化物的减排，喷水装置37和压气机喷水控制阀39可单独工作也可配合工作。喷水装置37的最大喷水量受限于缸内燃烧效率及燃烧稳定性；压气机喷水控制阀39的最大喷水量受限于
压气机出口工质的最大含湿量，最大含湿量主要由压气机出口温度决定。缸内碳氧化物的最大减排量取决于引入发动机的喷水量多少。根据发动机的运行负荷不同，可单独选用任一喷水装置工作或二者同时配合工作。
38.压气机出口管路3和涡轮入口管路5通过设置废气再循环管路41连通，废气再循环管路41设有废气再循环阀40。可通过调节废气再循环阀40的开度将涡轮前部分废气引流到压气机出口管路3内。通过将涡轮入口端部分废气引入到压气机出口可有效提高压气机出口温度来进一步提高压气机喷水控制阀39支路的最大喷水量。同时，采用废气旁通策略可增大引入缸内的二氧化碳量，进一步使得缸内工质的比热容增大，实现更低的燃烧温度，降低燃烧过程氮氧化物的产生。
39.涡轮6和内燃机机体4通过设置涡轮入口管路5连通，喷水管路34与涡轮入口管路5连通且连通管路中冷凝工质水经过换热器16换热形成过热蒸汽。为实现内燃机排气能量的最大回收潜力，可通过开启蒸汽喷注控制阀36，将经由换热器16产生的过热蒸汽全部喷注到涡轮入口管路5内。进一步可通过控制膨胀机开关阀9、膨胀机旁通阀12、压缩机开关阀25和压缩机旁通阀27的开度，实现内燃机排气背压损失、膨胀机净功输出、换热器最高运行效率之间的平衡。为最大程度降低内燃机排气背压损失，应开启膨胀机旁通阀12和压缩机旁通阀27，关闭控制膨胀机开关阀9和压缩机开关阀25。为最大程度提高膨胀机净功输出则应开启控制膨胀机开关阀9和压缩机开关阀25，关闭膨胀机旁通阀12和压缩机旁通阀27。发动机实际运行过程中应根据运行负荷的不同来合理设定各类阀门的开启和关闭以实现发动机及其余热回收底循环净功输出的最大化。
40.为提高换热器16出口过热蒸汽温度，喷水管路34与换热器16之间的连通管路上设有预热装置，可采用内燃机冷却水或增压空气余热对水泵31出口冷凝工质水进行预热。
41.膨胀机13的膨胀功驱动压缩机20运转，与膨胀机13和压缩机20同轴设置发电机23。可以理解的是，膨胀机13的膨胀功除用于驱动压缩机20运转外，剩余膨胀功则带动发电机23发电。
42.换热器16和汽水分离器18的高效配合运行可尽可能回收废气中的工质水。同时，可根据运转需求向水箱29内进行工质水补给。
43.上述各阀门为开度可调的电动调节阀，用来控制各管路的通断和工质流量，水泵31为配有变频驱动的泵，用来控制泵出口水的流量。通过阀门与水泵的协同调节作用使得该系统稳定运行在发动机各工况下。喷入内燃机机体4的冷凝工质水质量流量则是由喷水装置37控制。
44.实施例2
45.本实施例提供了一种根据实施例1中循环系统的工作方法，包括以下步骤：
46.新鲜空气经压气机入口管路1、压气机2、压气机出口管路3进入内燃机机体4，压气机2则是通过增压器连接轴7连接到涡轮6；燃烧后废气经涡轮入口管路5进入涡轮6膨胀做功；膨胀后的废气经涡轮出口管路8、膨胀机开关阀9和膨胀机入口管路10进入膨胀机13进行二次膨胀，或经膨胀机旁通管路11和膨胀机旁通阀12进入换热器入口管路15；流经膨胀机13的废气或流经膨胀机旁通阀12的废气经换热器16放热；冷却后的废气经汽水分离器18分离出冷凝工质水，冷凝工质水则经汽水分离器回水管28回流至水箱29；流经汽水分离器18的废气则经压缩机入口管路19和压缩机20升压后流经压缩机出口管路24和压缩机开关
阀25后排入到大气环境中，或经压缩机旁通管路26和压缩机旁通阀27后进入大气环境中；水箱29中的冷凝工质水经水泵入口管路30、水泵31、水泵出口管路32变为具有一定压力的冷凝工质水；冷凝工质水则经喷水管路34和喷水装置37喷入到气缸内，或经喷水旁通管路38、压气机喷水控制阀39喷注到压气机出口管路3内；部分冷凝工质水则经换热器16变为具有一定压力的过热蒸汽，随后经换热器蒸汽出口管路33、蒸汽喷注管路35、蒸汽喷注控制阀36喷注到涡轮入口管路5内。
47.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：

1.一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，其特征在于，包括：内燃机机体，配置有用于进气的压气机和用于排气的涡轮且两者同轴旋转；换热器，与所述涡轮之间设有两个通路，其中一路设有膨胀机，另一路为膨胀机旁通管路；加湿减排装置，包括收集装置、喷水装置和泵送装置，所述收集装置和所述喷水装置通过设置喷水管路连通，所述泵送装置设置在所述喷水管路上，所述收集装置用于收集排气经所述换热器换热形成的冷凝工质水，并通过所述泵送装置经所述喷水装置喷入所述内燃机机体气缸内。2.如权利要求1所述的一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，其特征在于，所述压气机和所述内燃机机体通过设置压气机出口管路连通，所述喷水管路与所述压气机出口管路通过设置喷水旁通管路连通，所述喷水旁通管路设有压气机喷水控制阀。3.如权利要求2所述的一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，其特征在于，所述涡轮和所述内燃机机体通过设置涡轮入口管路连通，所述喷水管路与涡轮入口管路连通且连通管路中冷凝工质水经过所述换热器换热形成过热蒸汽。4.如权利要求3所述的一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，其特征在于，所述压气机出口管路和所述涡轮入口管路通过设置废气再循环管路连通，所述废气再循环管路设有废气再循环阀。5.如权利要求3所述的一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，其特征在于，所述喷水管路与所述换热器之间的连通管路上设有预热装置。6.如权利要求1所述的一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，其特征在于，所述收集装置与所述换热器之间设有汽水分离器，所述汽水分离器连通大气环境。7.如权利要求6所述的一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，其特征在于，所述汽水分离器经两路连通大气环境，其中一路设有压缩机，经所述压缩机压缩后排入大气环境中，另一路直排大气环境。8.如权利要求7所述的一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，其特征在于，所述膨胀机的膨胀功驱动所述压缩机运转。9.如权利要求8所述的一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统，其特征在于，与所述膨胀机和所述压缩机同轴设置发电机。10.根据如权利要求1-9任一项所述循环系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：燃烧后废气进入涡轮膨胀做功，膨胀后的废气进入膨胀机进行二次膨胀做功，流经膨胀机的废气或流经膨胀机旁通管路的废气经换热器放热；冷却后的废气分离出冷凝工质水并通过收集装置收集，冷凝工质水经泵送装置变为具有压力的冷凝工质水，经喷水装置喷入到内燃机机体的气缸内。

技术总结

本发明涉及内燃机技术领域，特别涉及一种实现内燃机减排和余热回收的循环系统及方法，包括内燃机机体，配置有用于进气的压气机和用于排气的涡轮且两者同轴旋转；换热器，与所述涡轮之间设有两个通路，其中一路设有膨胀机，另一路为膨胀机旁通管路；加湿减排装置，包括收集装置、喷水装置和泵送装置，所述收集装置和所述喷水装置通过设置喷水管路连通，所述泵送装置设置在所述喷水管路上，所述收集装置用于收集排气经所述换热器换热形成的冷凝工质水，并通过所述泵送装置经所述喷水装置喷入所述内燃机机体气缸内；本发明能同时实现内燃机氮氧化物减排和排气能量的高效回收利用。氮氧化物减排和排气能量的高效回收利用。氮氧化物减排和排气能量的高效回收利用。