CN112879169A - 一种内燃机进排气处理控制方法及*** - Google Patents

一种内燃机进排气处理控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内燃机进排气处理控制方法，涉及内燃机技术领域，解决内燃机尾气中含有大量有害气体及碳烟颗粒污染物的技术问题，方法包括：当内燃机启动时，将氧气和惰性气体按照第一设定比例混合均匀后输入内燃机的进气管，以供内燃机运行；当内燃机启动成功后，关闭惰性气体，并获取内燃机的部分尾气，将氧气和尾气按照第二设定比例混合均匀后输入进气管，以供内燃机运行。本发明还公开了一种内燃机进排气处理***。本发明在内燃机启动阶段，采用惰性与氧气混合的方式作为内燃机的进气，可以让内燃机容易启动，减少启动过程中的碳氢化合物HC的产生，在内燃机启动后连续运行时，进行废气再循环，可以进一步减少有害气体及碳烟颗粒污染物。

Description

一种内燃机进排气处理控制方法及***
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，更具体地说，它涉及一种内燃机进排气处理控制方法及***。
背景技术
众所周知，采用柴油、汽油等石化油料作为燃料的内燃机，需要在气缸中吸入空气，燃烧做功后产生二氧化碳、氮氧化合物NOx、碳氢化合物HC、碳烟颗粒、二氧化碳CO2，以及水等物质。同时，空气的组成成分中，氧气O2占比21％，氮气N2占比高达78％，无论是自然吸气式内燃机，还是涡轮增压内燃机，无论是平原地区，还是高原地区，内燃机吸入的空气中，氧气O2与氮气N2的比例是几乎不变的。由此可知，对于燃烧有帮助的氧气O2含量比例始终处于较低水平，且燃烧过程中，因为大量N2的存在，会导致以柴油作为燃料的内燃机将排放出大量的氮氧化合物NOx，而内燃机在重载或急加速过程中，因为大量燃料喷入气缸内燃烧做功，空燃比降低，将导致燃烧过程中氧气O2不足，从而产生较多的碳烟颗粒，严重影响环境。
无论是车用内燃机市场、非道路内燃机市场、还是船舶及发电用内燃机市场，排放法规的日益严苛已经对内燃机本体、进气处理及排气后处理提出了更高的要求。当前内燃机领域，排气后处理主要通过DOC(柴油机氧化催化器)对一氧化碳CO、HC碳氢化合物、氮氧化合物NOx进行氧化反应，生成二氧化碳CO2、水H2O、以及NO2，DPF(碳烟颗粒捕捉器)可以将排气中的颗粒成分被壁流式DPF捕捉拦截，从而实现颗粒的净化。为降低DPF***阻力，DPF***必须将拦截下来的颗粒中的碳烟烧掉，即再生。而SCR(喷射尿素溶液NH3的选择性催化还原装置)则对之前氧化反应生成的NO2进行催化反应生成N2和H2O。因DOC(柴油机催化氧化器)使用稀有贵金属作为催化剂，DPF(碳烟颗粒捕捉器)采用工艺复杂且使用寿命有限的陶瓷过滤载体、SCR需要消耗大量的NH3尿素溶液，累积使用成本较高，据统计，内燃机排放后处理装置的购置及维护成本已经占据发动机整机购置及维护成本的30％以上，甚至更高，且因为故障或使用寿命终结将产生大量废弃的后处理装置需要进行回收和处理，长远来看，不利于后处理装置的长期和大范围推广使用。
造成上述问题的主要原因在于，使用了石化油料，特别是燃烧所需的进气取自空气，且空气中含有比例较高的氮气N2，从而导致了内燃机排放的尾气中含有大量氮氧化合物NOx等有害气体及碳烟颗粒等污染物。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的一是提供一种可以减少有害气体及碳烟颗粒污染物排放的内燃机进排气处理控制方法。
本发明的目的二是提供一种可以减少有害气体及碳烟颗粒污染物排放的内燃机进排气处理***。
为了实现上述目的一，本发明提供一种内燃机进排气处理控制方法，包括：
当内燃机启动时，将氧气和惰性气体按照第一设定比例混合均匀后输入内燃机的进气管，以供所述内燃机运行；
当所述内燃机启动成功后，关闭所述惰性气体，并获取所述内燃机的部分尾气，将所述氧气和尾气按照第二设定比例混合均匀后输入所述进气管，以供所述内燃机运行。
作为进一步地改进，所述获取的尾气为经过后处理的尾气。
进一步地，所述后处理具体为尾气依次经过柴油机氧化催化器、碳烟颗粒捕捉器、选择性催化还原装置处理。
进一步地，所述第一设定比例为惰性气体:氧气＝3.7:1～1:1。
进一步地，所述第二设定比例为尾气:氧气＝1:1～7:1。
为了实现上述目的二，本发明提供一种内燃机进排气处理***，包括氧气发生器、氧气储存罐、惰性气体储存罐、混合器、连接内燃机中进气管的进气导管、连接所述内燃机中排气管的排气导管，所述混合器设于所述进气导管靠近所述进气管的一端，所述进气导管远离所述进气管的一端设有第一控制阀，所述惰性气体储存罐通过第二控制阀连接所述进气导管，所述氧气储存罐通过第三控制阀连接所述进气导管，所述氧气发生器的氧气输出端通过第四控制阀连接所述进气导管，所述排气导管上设有第五控制阀，所述第五控制阀通过尾气管连接所述混合器的输入端；
当内燃机启动时，根据上述的方法控制第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀的开度向所述内燃机提供适量的气体；
当所述内燃机启动成功后，根据上述的方法控制第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀的开度向所述内燃机提供适量的气体。
作为进一步地改进，所述氧气发生器的氧气输出端通过补气管连接所述氧气储存罐，所述补气管上设有气泵。
进一步地，所述排气管与第五控制阀之间的排气导管上设有后处理机构。
进一步地，所述后处理机构包括柴油机氧化催化器、碳烟颗粒捕捉器、选择性催化还原装置中的至少一种。
进一步地，所述排气管与第五控制阀之间的排气导管上设有第一中冷器，所述进气管与混合器之间的进气导管上设有增压器，所述进气管与增压器之间的进气导管上设有第二中冷器。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：
本发明在内燃机启动阶段，采用惰性气体与氧气混合的方式作为内燃机的进气，当气温较低，内燃机冷启动时，氧气的占比可以适当提高，一方面让内燃机容易启动，另一方面让内燃机的气缸内燃烧温度尽快升高，缩短暖机时间，减少低温暖机过程中的碳氢化合物HC的产生；在内燃机启动后连续运行时，内燃机的进气采用氧气与回流至内燃机进气***经过冷却的尾气混合的方式，实现废气再循环，可以进一步减少有害气体及碳烟颗粒污染物。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中：1-内燃机、2-进气管、3-氧气发生器、4-氧气储存罐、5-惰性气体储存罐、6-混合器、7-进气导管、8-排气管、9-排气导管、10-第一控制阀、11-第二控制阀、12-第三控制阀、13-第四控制阀、14-第五控制阀、15-尾气管、16-补气管、17-气泵、18-第一中冷器、19-增压器、20-第二中冷器、21-后处理机构、22-空气进口、23-氮气出口。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图1，一种内燃机进排气处理控制方法，包括：
当内燃机启动时，将氧气和惰性气体按照第一设定比例混合均匀后输入内燃机1的进气管2，以供内燃机运行，惰性气体不参与燃烧，用于调节进气管2内氧气的比例，防止氧气的比例过高产生燃烧过热而出现烧缸的问题；第一设定比例为惰性气体:氧气＝3.7:1～1:1，惰性气体与氧气的比例连续可调，惰性气体与氧气的混合气体由进气管2进入内燃机1的气缸中，与燃料进行充分混合，根据燃料特点，可采用火花塞电子点火方式，也可以采用压燃方式进行点火，雾化后的燃料与进气管2的混合气被点燃，内燃机1启动点火成功；
当内燃机启动成功后，关闭惰性气体，并获取内燃机的部分尾气，将氧气和尾气按照第二设定比例混合均匀后输入进气管2，以供内燃机运行，第二设定比例为尾气:氧气＝1:1～7:1，尾气与氧气的比例连续可调，可根据内燃机运行工况对氧气的需求量进行实时调节，使得内燃机1始终处于最佳的空燃比状态，满足动力性、经济性、以及减少碳烟颗粒的排放。
惰性气体可以是氦气、氖气、氩气、氪气、氙气中的任意一种，作为优选，本实施例中的惰性气体为氩气。
获取的尾气为经过后处理的尾气，后处理具体为尾气依次经过柴油机氧化催化器DOC、碳烟颗粒捕捉器DPF、选择性催化还原装置SCR处理。因为燃油中主要含有碳C、氢H、硫S元素，氮N元素含量极少，进入内燃机气缸中的混合气中也主要含有氧气与氩气，所以氮气或氮元素化合物含量极少。因此在尾气后处理装置中，DOC装置将主要对一氧化碳CO、HC碳氢化合物进行氧化反应，主要生成二氧化碳CO2、水H2O、部分碳烟颗粒，以及将极微量NOx氧化为NO2。DPF对碳烟颗粒进行捕捉，并进行主动或被动再生循环。而SCR装置则对之前在DOC中氧化反应生成的极微量的NO2进行催化反应生成微量N2和H2O。
一种内燃机进排气处理***，包括氧气发生器3、氧气储存罐4、惰性气体储存罐5、混合器6、连接内燃机1中进气管2的进气导管7、连接内燃机1中排气管8的排气导管9，混合器6设于进气导管7靠近进气管2的一端，进气导管7远离进气管2的一端设有第一控制阀10，惰性气体储存罐5通过第二控制阀11连接进气导管7，氧气储存罐4通过第三控制阀12连接进气导管7，氧气发生器3的氧气输出端通过第四控制阀13连接进气导管7，排气导管9上设有第五控制阀14，第五控制阀14通过尾气管15连接混合器6的输入端；
当内燃机启动时，根据上述的方法控制第二控制阀11、第三控制阀12、第四控制阀13的开度向内燃机提供适量的气体；
当内燃机启动成功后，根据上述的方法控制第三控制阀12、第四控制阀13、第五控制阀14的开度向内燃机提供适量的气体。
氧气发生器3的氧气输出端通过补气管16连接氧气储存罐4，补气管16上设有气泵17，可以及时补充氧气到氧气储存罐4内。
排气管8与第五控制阀14之间的排气导管9上设有后处理机构21，后处理机构21包括柴油机氧化催化器DOC、碳烟颗粒捕捉器DPF、选择性催化还原装置SCR中的至少一种。作为优选，本实施例中的后处理机构21包括依次连接的柴油机氧化催化器DOC、碳烟颗粒捕捉器DPF、选择性催化还原装置SCR，设置SCR的主要作用是，当氧气发生器3及氧气储存罐4均全部失效无氧气产生时，以及其他紧急情况需要从大气中取气时，第二控制阀11、第三控制阀12、第四控制阀13将同时关闭，第一控制阀10打开，内燃机1从大气中取气，此时空气中的氮气含量高达78％，所以此时需要SCR对尾气中大量的NOx进行处理，以保证环保法规要求。当氧气发生器3及氧气储存罐4均能正常工作时，内燃机的尾气中仅含有极微量的NOx，SCR装置尿素喷淋量也大为减少，从而节省内燃机的使用成本，以及延长SCR装置的使用寿命。
排气管8与第五控制阀14之间的排气导管9上设有第一中冷器18，净化后的尾气将通过第一中冷器18进行冷却降温，第一中冷器18可采用海水冷却，可以采用淡水冷却，也可以采用空气冷却。第一中冷器18优选采用冷却管加异形冷却翅片结构，使其对尾气进行有效冷却降温，本发明中设定冷却后的尾气温度小于70℃，同时较低的温度可降低排气能量，使得尾气中的碳烟颗粒分子热运动大幅衰减，残留的碳烟颗粒在第一中冷器18中将得到进一步沉降和汇集。进气管2与混合器6之间的进气导管7上设有增压器19，进气管2与增压器19之间的进气导管7上设有第二中冷器20，用于冷却增压后进气的温度。增压器19可以机械式增压器，也可以是涡轮式增压器。
氧气发生器3可以采用多孔碳分子筛氧气发生器，对空气加压后，空气从空气进口22进入氧气发生器3，利用氧气动力学直径小于氮气动力学直径，氧气在碳分子筛中的扩散速度快于氮气的特点，对空气中的氮气和氧气进行分离，氮气从氮气出口23排出。当然氧气发生器3也可以采用深冷空气分离式氧气发生器，利用液氮的沸点高于液氧沸点的原理进行分离制取氧气。考虑设备的复杂程度以及安全性，本发明优选多孔碳分子筛氧气发生器对空气中的氮气和氧气进行分离。其中，分离出的氮气可排出到大气中，分离出的氧气则可以通过第三控制阀13进入混合器6中，多余的氧气可以进入氧气储存罐4中存储。
本发明在内燃机启动阶段，采用惰性气体与氧气混合的方式作为内燃机的进气，当气温较低，内燃机冷启动时，氧气的占比可以适当提高，一方面让内燃机容易启动，另一方面让内燃机的气缸内燃烧温度尽快升高，缩短暖机时间，减少低温暖机过程中的碳氢化合物HC的产生；在内燃机启动后连续运行时，内燃机的进气采用氧气与回流至内燃机进气***经过冷却的尾气混合的方式，实现废气再循环，可以进一步减少有害气体及碳烟颗粒污染物。本发明可极大减少NOx化合物及碳烟颗粒的排放，减少对后处理***的依赖，降低后处理***的使用负荷，延长后处理装置的使用寿命，节约运营和维护成本。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (10)

1.一种内燃机进排气处理控制方法，其特征在于，包括：
当内燃机启动时，将氧气和惰性气体按照第一设定比例混合均匀后输入内燃机(1)的进气管(2)，以供所述内燃机运行；
当所述内燃机启动成功后，关闭所述惰性气体，并获取所述内燃机的部分尾气，将所述氧气和尾气按照第二设定比例混合均匀后输入所述进气管(2)，以供所述内燃机运行。
2.根据权利要求1所述的一种内燃机进排气处理控制方法，其特征在于，所述获取的尾气为经过后处理的尾气。
3.根据权利要求2所述的一种内燃机进排气处理控制方法，其特征在于，所述后处理具体为尾气依次经过柴油机氧化催化器(DOC)、碳烟颗粒捕捉器(DPF)、选择性催化还原装置(SCR)处理。
4.根据权利要求1所述的一种内燃机进排气处理控制方法，其特征在于，所述第一设定比例为惰性气体:氧气＝3.7:1～1:1。
5.根据权利要求1所述的一种内燃机进排气处理控制方法，其特征在于，所述第二设定比例为尾气:氧气＝1:1～7:1。
6.一种内燃机进排气处理***，其特征在于，包括氧气发生器(3)、氧气储存罐(4)、惰性气体储存罐(5)、混合器(6)、连接内燃机(1)中进气管(2)的进气导管(7)、连接所述内燃机(1)中排气管(8)的排气导管(9)，所述混合器(6)设于所述进气导管(7)靠近所述进气管(2)的一端，所述进气导管(7)远离所述进气管(2)的一端设有第一控制阀(10)，所述惰性气体储存罐(5)通过第二控制阀(11)连接所述进气导管(7)，所述氧气储存罐(4)通过第三控制阀(12)连接所述进气导管(7)，所述氧气发生器(3)的氧气输出端通过第四控制阀(13)连接所述进气导管(7)，所述排气导管(9)上设有第五控制阀(14)，所述第五控制阀(14)通过尾气管(15)连接所述混合器(6)的输入端；
当内燃机启动时，根据权利要求1-5任意一项所述的方法控制第二控制阀(11)、第三控制阀(12)、第四控制阀(13)的开度向所述内燃机提供适量的气体；
当所述内燃机启动成功后，根据权利要求1-5任意一项所述的方法控制第三控制阀(12)、第四控制阀(13)、第五控制阀(14)的开度向所述内燃机提供适量的气体。
7.根据权利要求6所述的一种内燃机进排气处理***，其特征在于，所述氧气发生器(3)的氧气输出端通过补气管(16)连接所述氧气储存罐(4)，所述补气管(16)上设有气泵(17)。
8.根据权利要求6所述的一种内燃机进排气处理***，其特征在于，所述排气管(8)与第五控制阀(14)之间的排气导管(9)上设有后处理机构(21)。
9.根据权利要求8所述的一种内燃机进排气处理***，其特征在于，所述后处理机构(21)包括柴油机氧化催化器(DOC)、碳烟颗粒捕捉器(DPF)、选择性催化还原装置(SCR)中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的一种内燃机进排气处理***，其特征在于，所述排气管(8)与第五控制阀(14)之间的排气导管(9)上设有第一中冷器(18)，所述进气管(2)与混合器(6)之间的进气导管(7)上设有增压器(19)，所述进气管(2)与增压器(19)之间的进气导管(7)上设有第二中冷器(20)。
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