CN105179119A - 一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环*** - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环***，包括排气总管、扫气箱、主涡轮增压器、辅涡轮增压器，排气总管连接船舶二冲程低速柴油机，扫气箱连接船舶二冲程低速柴油机，主涡轮增压器的涡轮连接排气总管，主涡轮增压器的压气机连接扫气箱，主涡轮增压器的压气机连接排气总管，辅涡轮增压器的涡轮连接排气总管，辅涡轮增压器的压气机连接扫气箱，辅压气机出口管路与排气总管之间通过EGR预洗通路相连，柴油机主增压通路与辅压气机出口管路之间通过EGR增压通路相连。本发明能够有效改善发动机燃烧状况，降低缸内燃烧温度，减少柴油机的NOx生成和排放，满足IMO法规对船舶二冲程低速柴油机废气中NOx排放的Tier？III要求。

Description

一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环***

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机，具体地说是船舶柴油机的废气循环***。

背景技术

随着国际航运业的发展，船舶发动机产生的废气排放己成为海洋大气尤其是港口大气的主要污染源。船舶二冲程低速柴油机产生的气态排放物中，NOx占有很大比重，容易形成酸雨、酸雾和光化学烟雾，是造成海洋大气和港口环境污染的主要酸性气体之一。

IMO和各国主管机构已对船舶柴油机废气中的NOx排放进行了严格的限制，减少NOx排放已成为全球船用主机制造商面临的严峻挑战。2016年1月1日起将实行IMONOx排放新标准，届时，在NOx排放控制区内，船舶废气中NOx的排放限值相比于现在将减少75％。

目前，常用的NOx减排措施主要包括机内减排措施和机外减排措施。机内减排措施是通过一定的方法，例如延迟燃油喷射、增加进气湿度、优化燃烧室形状和喷油规律等，改善缸内燃烧组织形式，减少缸内NOx的生成，减少发动机最终的NOx排放；机外减排NOx措施，主要是SCR后处理技术(SelectedCatalyticReduction，选择性催化还原)，利用还原剂还原柴油机排气管中的NOx，使之变为无害的N2，最终减少发动机的NOx排放。相对而言，上述机内减排措施比较容易实现，但单项技术减排效果有限。机外减排SCR技术，减排效果好，能满足IMO的NOx排放要求，但后处理装置体积庞大，减少了船舶的有效空间，同时SCR***的运行和维护成本也较高。

作为一种有效的柴油机NOx减排措施，废气再循环***通过将一部分废气从排气管中引出，经过降温、洗涤等处理，重新进入发动机扫气箱，再分配给发动机各气缸。由于再循环的废气中含有一定量的CO2和H2O，降低了发动机缸内工质的比热，进而降低了缸内燃烧温度，同时废气再循环降低了发动机进气中氧的浓度，最终降低了发动机的NOx生成和排放量。

由于EGR能满足IMO控制区有关NOx的TierIII排放标准，且其体积和成本均远小于SCR***，是一种很有前途的船舶二冲程低速柴油机NOx排放控制技术。

现有EGR技术，都是针对车用、船用中速柴油机或EGR部件的：

1.中国专利申请号为201310435575.1，名称为“一种用于船用中速柴油机的EGR***”，提出了选择柴油机的个别气缸作再循环使用，为了配合个别气缸，相应地规划了排气管路。这种结构通过调节EGR旁通阀的开度，控制EGR废气流量，并使某些气缸的排气压力高于进气压力，使排气重新进入气缸，从而实现在不增加过多辅助装置的情况下，克服船用中速柴油机较大的进排气压力逆差，达到引入EGR降低NOx排放的目的。

2.中国专利申请号为200580046815.2，名称为“EGR装置”，提出了一套针对车用柴油机的EGR方案，从发动机排气管引出废气，经中间冷却器冷却后，与新鲜空气混合，直接进入发动机参与燃烧，此EGR***通过EGR阀调整EGR废气量。

上述两个专利中EGR***都装载在燃用轻质低硫蒸馏柴油的发动机上，其颗粒和SOx排放均较少。船舶二冲程低速柴油机，为节省成本，使用高硫渣油或重油，发动机废气中颗粒和SOx排放量很大，减少再循环废气中的颗粒和SOx，避免对发动机部件的磨损和腐蚀，是低速二冲程柴油机EGR***的核心。此外，由于二冲程柴油机功率和废气量远比四冲程中速柴油机大，EGR阀无法胜任调整大功率柴油机EGR废气量的任务。

3.中国专利申请号为200810196308.2，名称为“一种低压EGR***”，该EGR***从颗粒捕集器后引出废气，然后流经一级冷却器和二级冷却器进行强制冷却，经EGR阀控制调节流量后在增压器压缩机前与流出空气滤清器的增压空气汇合，然后导入中冷器，沿进气***流入发动机燃烧室燃烧，其冷却器分流整车空调***的一部分冷媒来对EGR废气冷却。该EGR***针对车用四冲程柴油机，对于船舶二冲程柴油机，由于燃用低质重油，废气中颗粒远比燃用轻质油的四冲程柴油机多，不适合使用颗粒捕集器，另外，低压EGR***增大了对压气机的磨损，且船舶采用中央冷却，与车辆空调***完全不同。

发明内容

本发明的目的在于提供有效改善发动机燃烧状况，降低缸内燃烧温度，减少柴油机的NOx生成和排放的一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环***。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环***，其特征是：包括排气总管、扫气箱、主涡轮增压器、辅涡轮增压器，排气总管通过排气歧管连接船舶二冲程低速柴油机，扫气箱通过进气通路连接船舶二冲程低速柴油机，主涡轮增压器的涡轮连接排气总管，主涡轮增压器的压气机通过柴油机主增压通路连接扫气箱，主涡轮增压器的压气机通过压缩空气补气通路连接排气总管，辅涡轮增压器的涡轮通过辅涡轮增压通路连接排气总管，辅涡轮增压器的压气机通过辅压气机出口管路连接扫气箱，辅压气机出口管路与排气总管之间通过EGR预洗通路相连，EGR预洗通路上安装EGR预洗器，柴油机主增压通路与辅压气机出口管路之间通过EGR增压通路相连，柴油机主增压通路上安装中冷器和第一水滴捕集器，辅压气机出口管路上安装EGR冷却器、EGR洗涤器、第二水滴捕集器。

本发明还可以包括：

1、压缩空气补气通路上安装流量调节阀，EGR预洗器上安装单向阀，辅涡轮增压通路上安装第一单向截止阀，辅涡轮增压器与EGR预洗通路之间的辅压气机出口管路上安装第二单向截止阀，EGR增压通路上安装EGR增压器和第三单向截止阀，EGR增压通路与扫气箱之间的辅压气机出口管路上安装第四单向截止阀。

2、非EGR模式时，单向阀和第三单向截止阀处于关闭状态，若船舶二冲程低速柴油机处于高负荷，第一单向截止阀、第二单向截止阀、第四单向截止阀处于开启状态，若船舶二冲程低速柴油机处于低负荷，第一单向截止阀、第二单向截止阀、第四单向截止阀处于关闭状态。

3、EGR模式时，单向阀和第三单向截止阀处于开启状态，第一单向截止阀、第二单向截止阀、第四单向截止阀处于关闭状态。

本发明的优势在于：

1.本发明采用的一种船舶二冲程低速柴油机废气再循环***满足即将开始实施的有关NOx的排放标准，在排放控制区和非排放控制区均能满足IMO的NOx排放要求。

2.与SCR***相比，本发明采用的一种船舶二冲程柴油机废气再循环***体积小，投资成本低，节省船舶空间。

3.本发明的一种船舶二冲程柴油机废气再循环***只洗涤循环废气，仅消耗少量的碱性物质，与SCR***相比，节省了大量的还原剂，节省了设备运行成本。

4.本发明的一种船舶二冲程柴油机废气再循环***，在EGR模式下，主涡轮增压器向排气总管补充部分压缩空气，提高主涡轮增压器的输出功率和发动机扫气箱压力。

5.本发明的一种船舶二冲程柴油机废气再循环***使用两个或多个废气涡轮增压器，保证了柴油机在全工况下都有充足的进气量，确保了柴油机的动力性和经济性。

6.本发明的一种船舶二冲程柴油机废气再循环***采用一级或多级文丘里预洗器和鼓泡塔(或其他洗涤结构形式)去除再循环废气中的颗粒和SOx，提高了颗粒和SOx的去除效果，并大幅减少了EGR装置的体积和重量。

7.本发明的一种船舶二冲程柴油机废气再循环***在非排放控制区，使用EGR冷却器作为空气中间冷却器，并共用EGR水滴捕集器，减少了整个***设备数，降低了成本。

8.由于现代增压技术的发展，采用本发明的EGR***，通过调整发动机参数，柴油机的经济性和效率不会降低。

9.本发明的EGR***，降低了柴油机最高爆发压力，在一定程度上增加了发动机的寿命，并有利于发动机设计。

10.作为柴油机的附属装置，EGR***相对集中，减少了泵、阀和管路的阻力损失。

11.本发明的EGR***，作为船舶二冲程低速柴油机的附件，易于与船舶柴油机其他废气后处理设备匹配配合。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明的目的在于提供一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环***，其工作模式分为非EGR模式和EGR模式。当船舶航行在非排放控制区时，柴油机在非EGR模式下工作，柴油机在中高负荷下工作时，柴油机主增压通路和辅涡轮增压通路开启，柴油机大部分废气驱动主涡轮增压器涡轮做功，带动压气机压缩空气，加压新鲜空气经冷却和除湿，通过扫气箱进入发动机参与燃烧，柴油机其余废气，驱动辅涡轮增压器涡轮做功，带动压气机压缩空气，加压新鲜空气经冷却和除湿，联入柴油机扫气箱；当柴油机在低负荷工况下工作时，辅涡轮增压器切出***，发动机全部废气用于主涡轮增压器。当船舶在排放控制区航行时，柴油机在EGR模式下工作，辅涡轮增压器切出***，发动机大部分废气驱动主涡轮增压器工作，其余废气从排气总管中引出，流过单向截止阀，经过冷却和洗涤，降低其温度并除去其中颗粒和SOx，再经EGR增压器增压和水滴捕集器除湿，与从主涡轮增压器压气机来的新鲜空气混合，进入气缸参与燃烧，降低发动机的NOx生成和排放量，满足IMO有关NOx排放的TierIII标准。

结合图1，本发明的EGR***适合于船舶二冲程低速柴油机***，该柴油机***具有：船舶二冲程低速柴油机1；通过排气歧管2连接到柴油机1上的排气总管3；连通排气总管3和扫气箱21的柴油机主增压通路A，柴油机主增压通路A由主涡轮增压器(由涡轮4和压气机5组成)、空气中间冷却器6和水滴捕集器7构成，主涡轮增压器连通排气总管3和空气中间冷却器6，水滴捕集器7连通空气中间冷却器6和扫气箱21；主涡轮增压器压气机5和压缩空气流量调节阀8构成压缩空气补气通路，从压气机5引气，经流量调节阀8，连通排气总管3。

EGR装置包括：连通排气总管3和柴油机主增压通路A出口的EGR预洗通路C、EGR通路D和EGR增压通路E；EGR预洗通路C连通排气总管3和EGR通路D，由单向截止阀9和用于预洗颗粒并初步冷却废气的EGR预洗器10依次构成；EGR通路D连接EGR预洗通路C的EGR预洗器10和EGR增压通路的EGR增压器14，由用于冷却EGR废气的EGR冷却器11、用于洗涤EGR废气中颗粒和SOx的EGR洗涤器12和用于捕集洗涤后EGR废气中水滴的水滴捕集器13通过管路依次连接构成；EGR增压通路E连接EGR通路D中的水滴捕集器13和柴油机主增压通路A出口，由EGR增压器14和单向截止阀15依次构成。

辅涡轮增压通路F连接排气总管3和EGR通路D中的EGR冷却器11，由单向截止阀16、辅涡轮增压器(由涡轮17和压气机18构成)和单向截止阀19依次组成。

辅进气通路G连通EGR通路D中水滴捕集器和扫气箱21，由单向截止阀20构成。

本发明的EGR***分两种工作模式，非EGR模式和EGR模式。

非EGR模式：船舶在非排放控制区航行时，发动机运行在非EGR模式，即EGR预洗通路C中单向截止阀9和和EGR增压通路中单向截止阀15关闭，EGR装置不投入运行；当发动机在中高负荷下工作时，发动机废气量充足，辅涡轮增压通路F中单向截止阀16、19和辅助进气通路中的单向截止阀20打开，此时柴油机大部分废气通入主涡轮增压器涡轮4，在涡轮4中膨胀做功，驱动主涡轮增压器压气机5工作，压气机5压缩新鲜空气，压缩空气经过空气中间冷却器6降温，进入水滴捕集器7，去除其中所含水滴，进入扫气箱21，通过进气通路22，进入发动机1；与此同时，发动机其余废气，通入辅涡轮增压器涡轮17，在涡轮17中膨胀做功，驱动辅涡轮增压器压气机18工作，压气机18压缩新鲜空气，压缩空气经过EGR冷却器11降温，进入EGR洗涤器12，再进入水滴捕集器13，去除其中所含水滴，最后通过单向截止阀20，进入扫气箱21，通过进气通路22，进入发动机1，在非EGR模式下，EGR冷却器充作空气中间冷却器，而EGR洗涤器中没有洗涤液，只起通路的作用；当柴油机在低负荷下工作时，柴油机废气量不足，此时，关闭辅涡轮增压通路F中单向截止阀16、19和辅助进气通路G中的单向截止阀20，辅涡轮增压通路关闭，柴油机所有的废气通过主涡轮增压器，保证主涡轮增压器有足够的废气量，以降低柴油机的油耗。

EGR模式：船舶在排放控制区航行时，发动机运行在EGR模式，即EGR预洗通路C中单向截止阀9和和EGR增压通路中单向截止阀15开启，EGR装置投入运行，同时辅涡轮增压通路F中单向截止阀16、19和辅助进气通路G中的单向截止阀20关闭，辅涡轮增压器切出***；此时发动机1排出的大部分废气通入主涡轮增压器涡轮4；其余废气通过单向截止阀9流入EGR预洗通路C，经EGR预洗器10，除去部分颗粒并降低废气温度，再经EGR冷却器11，进一步降低废气温度，进入EGR洗涤器12，除去废气中颗粒和SOx，再由水滴捕集器13，去除废气中的水滴，通过EGR增压通路E中EGR增压器14加压，经单向截止阀15，与从柴油机主增压通路A过来的新鲜压缩空气混合，进入扫气箱21，通过进气通路22，进入船舶二冲程柴油机1参与燃烧，降低发动机NOx的生成和排放量；EGR模式下，当发动机负荷低于75％时，从排气总管3流到主涡轮增压器涡轮4的废气流量不足，此时打开压缩空气补给通路B中流量调节阀8，根据发动机工况，控制流量调节阀8开度，由主涡轮增压器压气机5向排气总管3适当补充部分压缩空气，提高主涡轮增压器涡轮4的输出功率和柴油机扫气压力。EGR模式下，通过EGR增压器14调整再循环的废气流量，控制缸内NOx的生成和排放量，实现在发动机全工况下，NOx排放都能满足IMOTierIII的要求。

压缩空气补气通路B中流量调节阀8在非EGR模式下关闭，在EGR模式75％负荷以下时开启，气流方向从主涡轮增压器压气机5出口到排气总管3。

EGR预洗通路C中单向截止阀9和EGR增压通路E中单向截止阀15在非EGR模式下关闭，在EGR模式下开启，气流方向分别为从排气总管3流向EGR预洗器10和从EGR增压器14流向柴油机主增压通路A与EGR增压通路E的连接口。

本发明一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环***，它包含柴油机主增压通路A，压缩空气补气通路B，EGR预洗通路C，EGR通路D，EGR增压通路E，辅涡轮增压通路F和辅助进气通路G。它是由船舶二冲程柴油机1，排气歧管2，排气总管3，主涡轮增压器涡轮4，主涡轮增压器压气机5，空气中间冷却器6，水滴捕集器7、13，流量调节阀8，单向截止阀9、15、16、19、20，EGR预洗器10，EGR冷却器11，EGR洗涤器12，EGR增压器14，辅涡轮增压器涡轮17，辅涡轮增压器压气机18，扫气箱21和进气通路22组成；双涡轮船舶二冲程柴油机废气再循环***有两种运行模式：EGR模式和非EGR模式。

船舶在排放控制区航行时，发动机运行在EGR模式，即EGR预洗通路C中单向截止阀9和EGR增压通路E中单向截止阀15打开，EGR装置投入运行；此时通过关闭单向截止阀16、19和20，辅涡轮增压器切出***；发动机1的大部分废气通入主涡轮增压器涡轮4；其余废气通过单向截止阀9流入EGR预洗通路C，经EGR预洗器10，除去部分颗粒并初步降低废气温度，经EGR冷却器11，进一步降低废气温度，进入EGR洗涤器12，彻底除去废气中颗粒和SOx，再由水滴捕集器13，消除废气中的水滴，然后通过EGR增压通路E中EGR增压器14加压，经单向截止阀15，与从柴油机主增压通路过来的新鲜压缩空气在扫气箱21前混合。

来自主涡轮增压器的新鲜压缩空气和EGR再循环废气在柴油机主增压通路A中水滴捕集器7后汇集混合，再通入扫气箱21，以提高新鲜空气和废气的混合均匀度，保证发动机性能和控制NOx排放的效果。

压缩空气补气通路直接连接主涡轮增压器压气机5出口和排气总管3，在EGR模式下，当发动机负荷低于75％时，开启压缩空气补给通路B中流量调节阀8，根据发动机工况，控制流量调节阀8开度，由主涡轮增压器压气机5向排气总管3适当补充部分压缩空气，提高主涡轮增压器涡轮4的输出功率和柴油机扫气压力。EGR模式下，通过EGR增压器14调整再循环的废气流量，控制缸内NOx的生成和排放，实现在不同发动机工况下，发动机NOx排放都能满足IMOTierIII的要求。

船舶在非排放控制区航行时，发动机运行在非EGR模式，关闭单向截止阀9、15，EGR装置切出***。

在非EGR模式下运行时，当柴油机在中高负荷下工作时，发动机废气量充足，开启单向截止阀16、19和20，辅涡轮增压器投入运行，此时大部分废气通入柴油机主增压通路A，流经主涡轮增压器涡轮4，在涡轮4中膨胀做功，驱动主涡轮增压器压气机5工作，压气机5压缩新鲜空气，压缩空气经过空气中间冷却器6降温，进入水滴捕集器7，去除其中所含水滴，进入扫气箱21，通过进气通路22，进入发动机1；与此同时，柴油机其余废气，通入辅涡轮增压通路F，经过辅涡轮增压器涡轮17，在其中膨胀做功，驱动辅涡轮增压器压气机18工作，压缩新鲜空气，压缩空气经过EGR冷却器11降温，进入EGR洗涤器12，再进入水滴捕集器13，去除其中所含水滴，最后通过单向截止阀20，汇入扫气箱21，在非EGR模式下，EGR冷却器充作空气中间冷却器，而EGR洗涤器中没有洗涤液，只起通路的作用。

在非EGR模式下运行时，当柴油机工作在低负荷时，柴油机排气量不足，此时，关闭单向截止阀16、19和20，辅涡轮增压通路关闭，柴油机所有的废气通过主增压通路，保证主涡轮增压器有足够的废气量，以降低柴油机的油耗。

EGR预洗通路最多通过40％的柴油机废气量。

柴油机主增压通路最多通过相当于70％发动机最大排气量的废气量。

柴油机辅涡轮增压通路最多通过40％的柴油机废气量。

采用主辅涡轮增压器形式，实现非EGR模式下柴油机全工况性能优化，在中高负荷时，两个涡轮增压器同时运行，提高了废气能量利用率，在低负荷时，只运行主涡轮增压器，保证柴油机有足够的新鲜空气和燃油经济性，保证柴油机在非EGR模式全工况下都有充足的新鲜进气冲量。

EGR预洗器采用一级或多级文丘里预洗器结构或其他洗涤塔结构。

EGR洗涤器采用鼓泡塔、湍球塔、筛板塔、填料塔和喷淋塔等结构形式或其他洗涤塔结构形式。

辅涡轮增压器气体通道和EGR气体通道共用EGR冷却器和水滴捕集器，在辅涡轮增压器工作时，作为空气中间冷却器和增压空气水滴捕集器，减少了整个柴油机***部件数，减少了***体积和成本。

EGR预洗器10采用碱性物质水溶液洗涤废气，所述碱性物质水溶液为氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液、氧化镁颗粒溶液、氢氧化镁颗粒溶液、氧化钙颗粒溶液、氢氧化钙颗粒溶液或者其他碱性物质溶液等，采用闭式循环模式。

EGR洗涤器13采用碱性物质水溶液洗涤废气，所述碱性物质水溶液为氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液、氧化镁颗粒溶液、氢氧化镁颗粒溶液、氧化钙颗粒溶液、氢氧化钙颗粒溶液或者其他碱性物质溶液等，采用闭式循环模式。

Claims (4)

1.一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环***，其特征是：包括排气总管、扫气箱、主涡轮增压器、辅涡轮增压器，排气总管通过排气歧管连接船舶二冲程低速柴油机，扫气箱通过进气通路连接船舶二冲程低速柴油机，主涡轮增压器的涡轮连接排气总管，主涡轮增压器的压气机通过柴油机主增压通路连接扫气箱，主涡轮增压器的压气机通过压缩空气补气通路连接排气总管，辅涡轮增压器的涡轮通过辅涡轮增压通路连接排气总管，辅涡轮增压器的压气机通过辅压气机出口管路连接扫气箱，辅压气机出口管路与排气总管之间通过EGR预洗通路相连，EGR预洗通路上安装EGR预洗器，柴油机主增压通路与辅压气机出口管路之间通过EGR增压通路相连，柴油机主增压通路上安装中冷器和第一水滴捕集器，辅压气机出口管路上安装EGR冷却器、EGR洗涤器、第二水滴捕集器。

2.根据权利要求1所述的一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环***，其特征是：压缩空气补气通路上安装流量调节阀，EGR预洗器上安装单向阀，辅涡轮增压通路上安装第一单向截止阀，辅涡轮增压器与EGR预洗通路之间的辅压气机出口管路上安装第二单向截止阀，EGR增压通路上安装EGR增压器和第三单向截止阀，EGR增压通路与扫气箱之间的辅压气机出口管路上安装第四单向截止阀。

3.根据权利要求2所述的一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环***，其特征是：非EGR模式时，单向阀和第三单向截止阀处于关闭状态，若船舶二冲程低速柴油机处于高负荷，第一单向截止阀、第二单向截止阀、第四单向截止阀处于开启状态，若船舶二冲程低速柴油机处于低负荷，第一单向截止阀、第二单向截止阀、第四单向截止阀处于关闭状态。

4.根据权利要求2所述的一种双涡轮船舶二冲程低速柴油机废气再循环***，其特征是：EGR模式时，单向阀和第三单向截止阀处于开启状态，第一单向截止阀、第二单向截止阀、第四单向截止阀处于关闭状态。