CN1472434A - 零氮氧化合物排放的压燃氧气发动机 - Google Patents

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Abstract

零氮氧化合物排放的压燃氧气发动机，主要包括发动机，废气旁通阀，废气冷却器，废气压力调节阀，氧气源，氧气压力调节阀，气体混合器，氧气压力传感器，废气压力传感器，发动机电子控制***等。发动机进气中不包含氮气，从源头上消除了产生氮氧化合物排放的环境；同时将主要成分为二氧化碳及水蒸汽的废气中的一部分再循环进入发动机，以降低进气中的氧气浓度，增大可燃混合气的比热容，从而控制发动机中可燃混合气的燃烧速度，实现压燃发动机的高效、清洁燃烧。该发明保证了压燃发动机的燃烧放热率不至于太快、对压燃发动机整机机械强度与热强度的要求不至于过高，从而从整体上提高了压燃发动机的各项性能。

Description

零氮氧化合物排放的压燃氧气发动机
技术领域
该发明涉及的是一种压燃发动机，特别是一种进气中不含有氮气的零氮氧化合物排放的压燃氧气发动机，属于汽车发动机和环境保护领域。
背景技术
随着汽车保有量的增加，汽车发动机有害排放对人类生存环境带来的影响日趋严重，降低汽车尾气污染已成为能源与环境技术领域的一个世界性重大课题。
作为广泛使用的汽车动力，压燃发动机的燃烧与排放技术得到了有效的推广与应用。自上个世纪七十年代以来，增压中冷、新型燃烧***、润滑油及燃油净化、电控喷射、高压共轨、废气再循环(EGR)、催化后处理等技术得到了快速发展，使得压燃发动机的性能与尾气排放得到了大幅度改善，特别是以电控共轨式燃油***为特征的新一代柴油机取得了高可靠性、低燃油消耗率的成就。
但是到目前为止，大中城市中汽车尾气排放仍然是大气污染的最主要来源，而且其比例有逐步升高的趋势。众所周知，在常规压燃发动机中，最主要的有害排放是氮氧化物(NOx)和碳烟微粒，其生成条件各不相同，净化方法相互抵触。电控高压喷射是降低碳烟微粒排放的有效技术，但受材料与成本限值，最高喷射压力提高有限；延迟喷油能有效降低NOx排放，但对碳烟微粒排放及燃烧效率有负面影响。针对压燃发动机富氧燃烧的特点，近年来在降低NOx排放方面主要在稀NOx技术、催化还原技术、NOx吸附技术以及等离子体技术等方面进行了探索。碳烟微粒的后处理研究主要集中在微粒捕捉器技术(DPF)，碳氢(HC)、一氧化碳(CO)排放后处理则采用催化氧化器技术，前者面临DPF再生技术的挑战，而后者则对燃料含硫量及排温要求较高。实际应用中，压燃发动机后处理由于技术、成本等各方面的原因，目前还没能大规模实用。
目前，降低压燃发动机排气污染的一个重要方向是重新进行燃料设计及燃烧***优化，但新型燃料(如DME等含氧燃料)来源、新型燃烧方式(如均质充量压缩点燃，简称HCCI)等距离大规模实用化还有较长一段距离。
在已有的改变进气***性能技术中，增压中冷是应用最为广泛的技术，可变气门相位技术(VVT)也是优化压燃发动机进气***、提高发动机燃烧与排放性能的有效途径，但采用这两项技术后，压燃发动机的NOx排放仍然没有得到最终解决。因此，如何有效提高发动机燃烧效率，降低其尾气排放，仍然是国际上发动机研究者关注的难题。
在已有技术文献中，美国University of Michigan大学的D.N.Assanis在Study of using oxygen-enriched combustion air for locomotive dieselengines一文中(Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，v123n 1，January，2001)提出了提高氧气浓度以改善压燃发动机性能的方法。该文中，利用空气过滤膜技术将进气空气的氧气浓度由大气状态的约21％提高到35％，压燃发动机的动力性提高90％，油耗降低率达到15％，但是，由于提高氧浓度，进气中仍然有较高浓度的氮气，发动机尾气排放中的NOx排放率比普通压燃发动机的成倍增高，不能同时达到压燃发动机高效、清洁燃烧的目的，更不能实现零NOx排放。
发明内容：
为克服已有技术的不足和缺陷，本发明以进气空气中不含有氮气的纯氧燃料发动机为基本思路，实现压燃发动机高效、清洁燃烧。本发动机***与普通废气再循环压燃发动机的类似，不同之处在于进气中不含有氮气，从根本上消除了产生NOx的环境；由于氧气浓度高，CO、HC排放量将大幅度降低，而且发动机的燃烧效率也会得到较大程度提高，从而达到节约能源与保护环境的目的。
由于用纯净氧气作为进气时，发动机中可燃混合气的燃烧速度过快，放热率过大，对普通发动机的机械强度、热强度要求增加；为了节省氧气消耗，发动机进气***中燃料与氧气混合的均匀性要求也增加。因此，本发明提出了将燃烧废气(主要成分为二氧化碳与水蒸气)重新吸入燃烧室中，以降低对进气***的要求，并同时达到降低可燃混合气中的氧浓度，控制发动机的燃烧速度及燃烧放热率，从而降低对发动机机械强度与热强度的要求。
本发明主要包括发动机机体、发动机排气总管、废气旁通阀、废气冷却器、废气压力调节阀、氧气源、氧气压力调节阀、气体混合器、发动机进气总管、发动机电子控制***、发动机转速传感器以及发动机油门位置传感器等。
发动机控制***将根据发动机的转速、负荷(油门位置)调节进入发动机的氧气压力以及废气压力，从而调节进入发动机的氧气量、废气量以及它们之间的比例，保证发动机在最佳的氧气—燃料比例下工作，实现压燃发动机高效、清洁、无氮氧化合物排放燃烧。
本发明由于氧气—燃料的比例可以最优化供给，发动机的CO、HC排放以及燃烧效率可以实现最优化，因此，该***不仅能大幅度降低压燃发动机对环境大气的有害排放，提高压燃发动机的热效率，实现零NOx排放，而且将二氧化碳、水蒸气等废气成分部分再循环进入燃烧室，控制了发动机的燃烧放热率。
由于进气中不含有氮气，燃烧过程中没有氮元素参加反应，从而从源头上消除了压燃发动机中的氮氧化合物排放，再循环废气(主要成分是二氧化碳与水蒸气)控制了燃烧反应的速度，保证了发动机的燃烧放热率不至于太快、对发动机整机机械强度与热强度的要求不至于过高，从而从整体上提高了压燃发动机的综合性能。
附图说明
图1为零氮氧化合物排放的压燃氧气发动机***示意图。图中，
1是压燃发动机，2是排气总管，3是废气旁通阀，4是废气冷却器，5是废气压力调节阀，6是氧气源，7是氧气压力调节阀，8是气体混合器，9氧气压力传感器，10是废气压力传感器，11是发动机电子控制***，12是发动机进气总管，13是发动机转速传感器，14是发动机油门位置传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。如图1所示，本发明主要包括发动机1，排气总管2，废气旁通阀3，废气冷却器4，废气压力调节阀5，氧气源6，氧气压力调节阀7，气体混合器8，氧气压力传感器9，废气压力传感器10，发动机电子控制***11，发动机进气总管12，发动机转速传感器13，发动机油门位置传感器14。
发动机进气总管12、排气总管2分别与发动机1的进排气口相连，排气总管2的出口接废气旁通阀3的进口，废气旁通阀3的一个出口通环境大气，另一个出口接废气冷却器4的进口，废气冷却器4的出口接废气压力调节阀5的进口，氧气压力调节阀7的进口接氧气源6的出口，氧气压力调节阀7及废气压力调节阀5的出口连接到一起后接气体混合器8的进口，气体混合器8的出口接发动机进气总管12的进口，氧气压力传感器9、废气压力传感器10分别安装在氧气压力调节阀7及废气压力调节阀5的出口处，发动机转速传感器13及油门位置传感器14分别安装在发动机1的飞轮及油门上，各传感器与发动机电子控制***11电连接。
零氮氧化合物排放的压燃氧气发动机中，废气冷却器4用于冷却再循环进入发动机进气管中的废气(二氧化碳、水蒸气)，废气冷却器4一方面要冷却废气，另一方面也要保证水蒸气不凝结成液态水；氧气源6用于提供发动机纯净氧气；废气压力调节阀5、氧气压力调节阀7用于调节进入发动机中的废气及氧气量的大小；混合器8用于将参加再循环的废气与新鲜氧气充分混合，以保证进气的均匀性，降低氧气消耗率；发动机转速传感器13、油门位置传感器14、氧气压力传感器9、废气压力传感器10等将采集到的信号输入发动机电子控制***11中，经过运算后输出发动机控制信号，分别控制发动机油门开度、氧气压力调节阀7以及废气压力调节阀5的开度大小，从而保证最佳的氧气—燃料比例，达到压燃发动机的最佳燃烧与排放，实现最佳运行的目标。

Claims (1)

1.一种零氮氧化合物排放的压燃氧气发动机，主要包括发动机机体(1)，排气总管(2)，发动机电子控制***(11)，发动机进气总管(12)，发动机转速传感器(13)，发动机油门位置传感器(14)，其特征在于发动机进气中不包括氮气，并利用再循环废气中的水蒸气、二氧化碳比热容大的特点，控制压燃氧气发动机的燃烧速度，结构中还包括废气旁通阀(3)，废气冷却器(4)，废气压力传感器(10)，废气压力调节阀(5)，氧气源(6)，氧气压力调节阀(7)，气体混合器(8)，氧气压力传感器(9)，发动机进气总管(12)、排气总管(2)分别与发动机(1)的进排气口相连，排气总管(2)的出口接废气旁通阀(3)的进口，废气旁通阀(3)的一个出口通环境大气，另一个出口接废气冷却器(4)的进口，废气冷却器(4)的出口接废气压力调节阀(5)的进口，氧气压力调节阀(7)的进口接氧气源(6)的出口，氧气压力调节阀(7)及废气压力调节阀(5)的出口连接到一起后接气体混合器(8)的进口，气体混合器(8)的出口接发动机进气总管(12)的进口，氧气压力传感器(9)、废气压力传感器(10)分别安装在氧气压力调节阀(7)及废气压力调节阀(5)的出口处，发动机转速传感器(13)及油门位置传感器(14)分别安装在发动机(1)的飞轮及油门上，各传感器与发动机电子控制***(11)电连接，由发动机电子控制***(11)综合控制发动机的油门开度、氧气压力调节阀(7)的开度及废气压力调节阀(5)的开度。
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