RU69925U1 - DEVICE FOR RECIRCULATION OF EXHAUST GASES OF SHIP DIESEL - Google Patents

Abstract

Предлагаемое устройство относится к области машиностроения и может быть использовано судовыми дизелями для повышения технико-экономических и экологических показателей. Поставленная задача решается путем использования на месте соединения рециркуляционного канала с впускным трубопроводом поворотной заслонки, которая в зависимости от нагрузки дизеля позволяет направить требуемую порцию отработавших газов (ОГ) во впускной трубопровод. Поворотная заслонка подключена к электрическому исполнительному механизму, который управляется от электронного блока управления. Рециркуляционный канал содержит термоэлектрический холодильник, выхлопной трубопровод - термоэлектрический генератор. Электрическая энергия, полученная в термоэлектрическом генераторе, поступает на зарядку аккумуляторной батареи и расходуется на работу термоэлектрического холодильника. При работе термоэлектрического холодильника происходит охлаждение отработавших газов, что позволяет получить «охлажденную» рециркуляцию ОГ. Таким образом, предлагаемое устройство для рециркуляции ОГ судового дизеля позволяет повысить температуру рабочего заряда на режимах холостого хода и частичных нагрузок, что приводит быстрому испарению и образованию смеси необходимого воспламенения, снизить максимальную температуру рабочего цикла, эмиссию оксидов азота NO_x и очистить цилиндры от токсичных компонентов. Это позволяет повысить технико-экономические и экологические показатели судового дизеля.The proposed device relates to the field of engineering and can be used by marine diesels to improve technical, economic and environmental indicators. The problem is solved by using at the junction of the recirculation channel with the inlet pipe of the rotary damper, which, depending on the load of the diesel engine, allows you to direct the required portion of exhaust gases (exhaust) to the inlet pipe. The rotary damper is connected to an electric actuator, which is controlled by an electronic control unit. The recirculation channel contains a thermoelectric cooler, and the exhaust pipe contains a thermoelectric generator. The electric energy received in the thermoelectric generator is supplied to charge the battery and is spent on the operation of the thermoelectric refrigerator. During operation of the thermoelectric cooler, the exhaust gas is cooled, which allows to obtain “cooled” exhaust gas recirculation. Thus, the proposed device for recycling exhaust gas of a marine diesel engine allows to increase the temperature of the working charge at idle and partial loads, which leads to rapid evaporation and the formation of a mixture of the necessary ignition, to reduce the maximum temperature of the working cycle, the emission of nitrogen oxides NO _x and to clean the cylinders of toxic components . This allows you to improve the technical, economic and environmental indicators of marine diesel.

Description

Устройство относится к области машиностроения и может быть использовано судовыми дизелями для повышения технико-экономических и экологических показателей.The device relates to the field of mechanical engineering and can be used by marine diesels to improve technical, economic and environmental indicators.

Известно устройство для рециркуляции отработавших газов (ОГ) ДВС (1). Устройство содержит клапаны рециркуляции и сажесборник. Между стаканом сажесборника и торцевой частью впускного патрубка помещена асбестовая уплотнительная прокладка. Во впускном патрубке клапана выполнено сквозное отверстие, сообщающее впускной и выпускной трубопроводы.A device for recirculating exhaust gas (exhaust gas) ICE (1). The device comprises recirculation valves and a carbon black. An asbestos sealing gasket is placed between the glass of the carbon black and the end part of the inlet pipe. A through hole is made in the inlet pipe of the valve, communicating the inlet and outlet pipelines.

Недостатком данного устройства является невозможность точной рециркуляции отработавших газов на разных режимах и в связи с этим нарушаются экономические и экологические показатели работы дизеля.The disadvantage of this device is the impossibility of accurate exhaust gas recirculation in different modes and in this regard, the economic and environmental performance of the diesel engine is violated.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство для рециркуляции ОГ (2). Устройство содержит впускной и выпускной трубопроводы, которые сообщены рециркуляционным каналом. Впускной трубопровод в месте соединения его с рециркуляционным каналом имеет участок с выполненным внутри него технологическими выступами и установленным внутри него между выступами запорным органом. Запорный орган представляет втулку, установленную зазором с возможностью перекрытия рециркуляционного канала за счет ее перемещения между выступами под действием силы тяжести и разницы давления воздуха во впускном трубопроводе.A prototype of the invention is an exhaust gas recirculation device (2). The device contains inlet and outlet pipelines, which are communicated by a recirculation channel. The inlet pipe at the junction of it with the recirculation channel has a section with technological protrusions made inside it and a locking member installed inside it between the protrusions. The locking element is a sleeve installed with a gap with the possibility of overlapping the recirculation channel due to its movement between the protrusions under the action of gravity and the difference in air pressure in the inlet pipe.

Недостатком этого устройства является то, что в процессе эксплуатации запорный клапан засоряется, перемещение втулки по заданному закону и рециркуляция ОГ нарушается. Кроме того, устройство является «горячим», т.е. отработавшие газы поступают во впускной The disadvantage of this device is that during operation, the shutoff valve is clogged, the movement of the sleeve according to a given law and exhaust gas recirculation is violated. In addition, the device is “hot”, i.e. exhaust gas flows into the intake

трубопровод без охлаждения, что негативно сказывается на организации рабочего процесса.the pipeline without cooling, which negatively affects the organization of the work process.

Предлагаемая полезная модель направлена на повышение точности перепуска на всех режимах и использование «холодной» рециркуляции отработавших газов.The proposed utility model is aimed at improving the accuracy of the bypass in all modes and the use of "cold" exhaust gas recirculation.

Техническим результатом при этом является повышение температуры заряда для быстрого испарения и образования смеси необходимого воспламенения, снижение максимальной температуры рабочего цикла, снижение эмиссии оксидов азота NO_x и очистка цилиндров от токсичных компонентов.The technical result in this case is to increase the temperature of the charge for rapid evaporation and the formation of a mixture of the necessary ignition, lowering the maximum temperature of the working cycle, reducing the emission of nitrogen oxides NO _x and cleaning the cylinders of toxic components.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем впускной, выхлопной трубопроводы и рециркуляционный канал, впускной трубопровод на месте соединения с рециркуляционным каналом дополнительно содержит заслонку, установленной с возможностью перепуска требуемой порции отработавших газов в зависимости от нагрузки во впускной трубопровод и связанной с электрическим исполнительным механизмом, подключенный к электронному блоку управления; аккумуляторную батарею; датчики расхода воздуха и нагрузки дизеля, связанные с электронным блоком управления; термоэлектрический холодильник, установленный на рециркуляционном канале, холодные спаи которого присоединены к горячей стенке рециркуляционного канала, горячие спаи через теплообменник подключены к забортной воде системы охлаждения; термоэлектрический генератор, установленный на выхлопном трубопроводе, горячие спаи которого сопрягаются с выхлопным трубопроводом, а холодные спаи через теплообменник связаны с системой охлаждения забортной воды, выход которого через аккумуляторную батарею и блок управления подключен к термоэлектрическому холодильникуThe technical result is achieved by the fact that in the known device containing the inlet, exhaust pipes and recirculation channel, the inlet pipe at the junction with the recirculation channel further comprises a damper installed with the possibility of bypassing the required portion of exhaust gases depending on the load in the inlet pipe and connected with the electric an actuator connected to an electronic control unit; rechargeable battery; air flow and diesel load sensors associated with the electronic control unit; thermoelectric refrigerator mounted on the recirculation channel, the cold junctions of which are connected to the hot wall of the recirculation channel, the hot junctions are connected through the heat exchanger to the seawater of the cooling system; a thermoelectric generator mounted on the exhaust pipe, the hot junctions of which are interfaced with the exhaust pipe, and the cold junctions through the heat exchanger are connected to the seawater cooling system, the output of which is connected to the thermoelectric refrigerator through the battery and the control unit

На приведенном чертеже (фиг.1) представлено заявляемое устройство для рециркуляции отработавших газов, которое содержит впускной трубопровод 1; выхлопной трубопровод 2; рециркуляционный канал 3; The drawing (Fig. 1) shows the inventive device for exhaust gas recirculation, which contains an inlet pipe 1; exhaust pipe 2; recirculation channel 3;

электродвигатель 4; редуктор 5; механическую связь 6; заслонку 7; термоэлектрический генератор 8; термоэлектрический холодильник 9; теплообменники 10, 11; датчик 12 расхода воздуха через дизель, датчик нагрузки 13; электронный блок управления 14, аккумуляторную батарею 15, насос забортной воды 16; каналы забортной воды 17, 18, 19; каналы подачи сигналов 20, 21, 22; каналы подачи электроэнергии 23, 24.electric motor 4; gearbox 5; mechanical connection 6; shutter 7; thermoelectric generator 8; thermoelectric refrigerator 9; heat exchangers 10, 11; a sensor 12 of the air flow through the diesel, a load sensor 13; electronic control unit 14, battery 15, seawater pump 16; seawater canals 17, 18, 19; signal feed channels 20, 21, 22; power supply channels 23, 24.

Электрический исполнительный механизм при помощи электродвигателя 4, механической связи 6, редуктора 5 устанавливается на стыке рециркуляционного канала с впускным трубопроводом 1, вал редуктора 5 связан с заслонкой 7. При монтаже этого механизма должна быть выполнена герметичность впускного трубопровода 1. Электрический исполнительный механизм имеет ручное управление, заслонка 7 может быть установлена на любой требуемый угол γ, с помощью которого устанавливается величина перепускаемого ОГ во впускной трубопровод 1, его величина определяется для каждого двигателя опытным путем. Например, при γ=0° заслонка 7 полностью закрывает рециркуляционный канал 2, а при γ=мах величина количества перепускаемого количества ОГ во впускной трубопровод максимальна, что может быть использована на средних нагрузках работы дизеля. Следует учитывать, что при организации рециркуляции ОГ наблюдается снижение концентрации кислорода в ОГ, что может привести к ухудшению топливной экономичности и заметному росту концентрации в ОГ продуктов неполного сгорания топлива. Поэтому перепуск ОГ следует осуществлять на режимах с нагрузкой, не превышающей 75% от номинальной.The electric actuator using an electric motor 4, mechanical connection 6, gear 5 is installed at the junction of the recirculation channel with the inlet pipe 1, the shaft of the gear 5 is connected to the shutter 7. When installing this mechanism, the tightness of the intake pipe must be performed 1. The electric actuator has manual control , the shutter 7 can be installed at any desired angle γ, with the help of which the bypass exhaust gas is set to the inlet pipe 1, its value is determined etsya for each engine empirically. For example, at γ = 0 °, the shutter 7 completely closes the recirculation channel 2, and at γ = max the amount of bypassed amount of exhaust gas in the intake pipe is maximum, which can be used at average diesel operation loads. It should be noted that when organizing exhaust gas recirculation, a decrease in the oxygen concentration in the exhaust gas is observed, which can lead to a deterioration in fuel economy and a noticeable increase in the concentration in the exhaust gas of products of incomplete combustion of fuel. Therefore, the exhaust gas bypass should be carried out in modes with a load not exceeding 75% of the nominal.

Термоэлектрический генератор 8 состоит из термобатарей теплоприемников «холодных» и «горячих» спаев. Для достижения наибольшего температурного интервала теплообменник «горячих» спаев включен в трубопровод 2 выпуска отработавших газов, а теплообменник холодных» спаев - во внутренний контур системы охлаждения дизеля каналами 18, 19.Thermoelectric generator 8 consists of thermopiles of heat receivers "cold" and "hot" junctions. To achieve the largest temperature range, the hot junctions heat exchanger is included in the exhaust gas exhaust pipe 2, and the cold junctions heat exchanger is included in the internal circuit of the diesel cooling system with channels 18, 19.

Термоэлектрический холодильник 9 наоборот своими холодными спаями установлен к рециркуляционному каналу 3, а горячие спаи термоэлементов через теплообменник 11 подключены к забортной воде каналами 17, 18 системы охлаждения дизеля.The thermoelectric refrigerator 9, by contrast, is mounted with its cold junctions to the recirculation channel 3, and the hot junctions of the thermocouples through the heat exchanger 11 are connected to the seawater by channels 17, 18 of the diesel cooling system.

Расход воздуха через дизель определяется датчиком 12 расхода воздуха, сигнал нагрузки определяется датчиком 13, который может быть установлен на рейке топливного насоса высокого давления или на форсунке.The air flow through the diesel is determined by the air flow sensor 12, the load signal is determined by the sensor 13, which can be installed on the rail of the high pressure fuel pump or on the nozzle.

В электронном блоке 14 в запоминающем устройстве закладывается в зависимости от нагрузки дизеля воздуха и соответственно требуемое количество ОГ. Кроме того, электронный блок управления 14 служит для подачи электроэнергии на термоэлектрический холодильник 9 и в соответствии полученных сигналов от датчиков 12, 13 формирует сигнал управления работой электродвигателя 4. Аккумуляторная батарея 15 служит для накопления электроэнергии, полученной от термоэлектрического генератора 8 и для питания термоэлектрического холодильника 9 и других потребителей.In the electronic unit 14 in the storage device is laid depending on the load of the diesel engine air and, accordingly, the required amount of exhaust gas. In addition, the electronic control unit 14 serves to supply electricity to the thermoelectric refrigerator 9 and, in accordance with the received signals from the sensors 12, 13, generates a control signal for the operation of the electric motor 4. The battery 15 serves to accumulate electricity received from the thermoelectric generator 8 and to power the thermoelectric refrigerator 9 and other consumers.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

После запуска дизеля устройство для рециркуляции ОГ начинает работать. Одновременно начинает работать термоэлектрический холодильник 9 холодные спаи, которого через рециркуляционный канал поглощают теплоту ОГ, а горячие спаи охлаждаются в теплообменнике 11, куда насосом 17 по каналу 18 подается забортная вода системы охлаждения.After starting the diesel, the exhaust gas recirculation device starts to work. At the same time, the cold junctions thermoelectric refrigerator 9 begins to work, which is absorbed by the heat of the exhaust gas through the recirculation channel, and the hot junctions are cooled in the heat exchanger 11, where the outboard water of the cooling system is fed through the channel 17 through the channel 18.

От датчиков 12, 13 сигналы по каналам 20, 21 поступают в блок управления 14. В соответствии с сигналами от указанных датчиков и заложенными в запоминающем устройстве электронного блока 14 оптимизированными характеристиками перепуска ОГ в электронном блоке 14 определяется требуемый расход воздуха и перепускаемых ОГ в зависимости от нагрузки дизеля. Величина требуемого расхода воздуха сравнивается с сигналом действительного расхода, поступающим в электронный блок 14 от датчиков 12, 13, и при наличии рассогласования From the sensors 12, 13, the signals are transmitted through the channels 20, 21 to the control unit 14. In accordance with the signals from these sensors and the optimized exhaust gas bypass characteristics stored in the memory of the electronic unit 14, the required air flow rate and bypassed exhaust gas are determined depending on the diesel load. The value of the required air flow is compared with the actual flow signal supplied to the electronic unit 14 from the sensors 12, 13, and if there is a mismatch

выдаются командные сигналы на электродвигатель 4, который приводится в действие и происходит перемещение заслонки, т.е. закрытие или открытие рециркуляционного канала 2. При этом требуемая охлажденная порция ОГ направляется во впускной трубопровод 1.command signals are issued to the electric motor 4, which is driven and the shutter moves, i.e. closing or opening the recirculation channel 2. In this case, the required cooled portion of the exhaust gas is sent to the inlet pipe 1.

В то же время начинает работать термоэлектрический генератор 5. При работе дизеля на номинальных нагрузках поглощается теплота от ОГ, а с холодной стороны отводится теплота охлаждающей забортной водой за вычетом электроэнергии, полученной на внешней нагрузке. На внешней нагрузке термоэлектрический генератор создает напряжение, равное э.д.с., за вычетом падения напряжения и внутреннего сопротивления, электроэнергия подается в аккумуляторные батареи 15 и происходит накопление электроэнергии. Одновременно через электронный блок управления 14 электроэнергия поступает на термоэлектрический холодильник 6, где с помощью эффекта Пельтье происходит охлаждение перепускаемых ОГ.At the same time, the thermoelectric generator 5 starts to work. When the diesel engine is operating at rated loads, the heat from the exhaust gas is absorbed, and heat is removed from the cold side with cooling seawater minus the electricity received at the external load. At the external load, the thermoelectric generator generates a voltage equal to the emf, minus the voltage drop and internal resistance, the electric power is supplied to the storage batteries 15 and electric energy is accumulated. At the same time, through the electronic control unit 14, electricity is supplied to the thermoelectric refrigerator 6, where the bypassed exhaust gas is cooled using the Peltier effect.

При работе на режиме холостого хода угол γ между осью рециркуляционного канала и заслонкой наибольший и может перепускать до 70% отработанных газов во впускной трубопровод 1. При увеличении нагрузки дизеля расход воздуха, в результате чего заслонка уменьшает перепуск ОГ согласно расчетным данным, причем перекрытие рециркуляционного канала происходит пропорционально количеству поступаемого воздуха и при нагрузке свыше 75% от номинальной, заслонка полностью перекрывает рециркуляционный канал 2 и поступление ОГ во впускной трубопровод 1 практически прекращается.When idling, the angle γ between the axis of the recirculation channel and the damper is largest and can bypass up to 70% of the exhaust gases into the intake pipe 1. When the diesel load increases, the air flow, resulting in a damper reduces exhaust gas bypass according to the calculated data, moreover, the recirculation duct is blocked occurs proportionally to the amount of incoming air and at a load of more than 75% of the nominal, the damper completely blocks the recirculation channel 2 and the exhaust gas enters the inlet pipe 1 Actually ceases.

При создании устройства для рециркуляции ОГ следует учитывать, что в форсированных дизелях с высоким наддувом давление воздуха на впуске превышает давление ОГ в выпускной системе, что затрудняет создание устройства рециркуляции ОГ. Поэтому в этом случае ОГ могут подаваться на вход компрессора.When creating a device for exhaust gas recirculation, it should be borne in mind that in forced diesel engines with high boost, the air pressure at the inlet exceeds the exhaust gas pressure in the exhaust system, which makes it difficult to create an exhaust gas recirculation device. Therefore, in this case, the exhaust gas can be supplied to the compressor input.

Таким образом, предлагаемое устройство для рециркуляции ОГ позволяет повысить температуру рабочего заряда на режимах холостого хода Thus, the proposed device for exhaust gas recirculation can increase the temperature of the working charge at idle

и частичных нагрузок, что приводит быстрому испарению и образованию смеси необходимого воспламенения, снизить максимальную температуру рабочего цикла, эмиссию оксидов азота NO_x и очистить цилиндры от токсичных компонентов. Это позволяет повысить технико-экономические и экологические показатели судового дизеля.and partial loads, which leads to rapid evaporation and the formation of a mixture of the necessary ignition, reduce the maximum temperature of the working cycle, the emission of nitrogen oxides NO _x and clean the cylinders of toxic components. This allows you to improve the technical, economic and environmental indicators of marine diesel.

Источник информацииThe source of information

1. Патент РФ 2251616, МПК F02М 25/06, опубл. в бюл. №12 27.04.2005. Устройство для рециркуляции отработавших газов.1. RF patent 2251616, IPC F02M 25/06, publ. in bull. No. 12 April 27, 2005. Exhaust gas recirculation device.

2. Патент РФ 2190774, F02М 25/07, опубл. в бюл. 10.10.2002. Устройство для рециркуляции отработавших газов.2. RF patent 2190774, F02M 25/07, publ. in bull. 10/10/2002. Exhaust gas recirculation device.

Claims (1)

Устройство для рециркуляции отработавших газов судового дизеля, содержащее всасывающий, выхлопной трубопроводы и рециркуляционный канал, связывающий трубопроводы, отличающееся тем, что в известном устройстве, содержащем впускной, выхлопной трубопроводы и рециркуляционный канал, впускной трубопровод на месте соединения с рециркуляционным каналом дополнительно содержит заслонку, установленную с возможностью перепуска требуемой порции отработавших газов в зависимости от нагрузки во впускной трубопровод и связанную с электрическим исполнительным механизмом, подключенным к электронному блоку управления; аккумуляторную батарею; датчики расхода воздуха и нагрузки дизеля, связанные с электронным блоком управления; термоэлектрический холодильник, установленный на рециркуляционном канале, холодные спаи которого присоединены к горячей стенке рециркуляционного канала, горячие спаи через теплообменник подключены к забортной воде системы охлаждения; термоэлектрический генератор, установленный на выхлопном трубопроводе, горячие спаи которого сопрягаются с выхлопным трубопроводом, а холодные спаи через теплообменник связаны с системой охлаждения забортной воды, выход которого через аккумуляторную батарею и блок управления подключен к термоэлектрическому холодильнику.

A device for exhaust gas recirculation of a marine diesel engine comprising an intake, exhaust pipe and a recirculation channel connecting pipelines, characterized in that in the known device comprising an intake pipe, exhaust pipe and a recirculation channel, the intake pipe at the junction with the recirculation channel further comprises a shutter installed with the possibility of bypassing the required portion of the exhaust gas depending on the load in the inlet pipe and connected with the electric and a filling mechanism connected to the electronic control unit; rechargeable battery; air flow and diesel load sensors associated with the electronic control unit; thermoelectric refrigerator mounted on the recirculation channel, the cold junctions of which are connected to the hot wall of the recirculation channel, the hot junctions are connected through the heat exchanger to the seawater of the cooling system; a thermoelectric generator mounted on the exhaust pipe, the hot junctions of which are interfaced with the exhaust pipe, and the cold junctions through the heat exchanger are connected to the seawater cooling system, the output of which is connected to the thermoelectric refrigerator through the battery and the control unit.