一种LNG发动机再循环废气冷却的方法

一种lng发动机再循环废气冷却的方法
技术领域
1.本发明涉及发动机有害排放物的净化技术，更具体地说，涉及一种为有效降低发动机no
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排放所采用的废气再循环技术时，能将lng公交车所用燃料lng的冷能用于再循环废气冷却的一种装置及方法。


背景技术：

2.随着国六排放标准的实施，汽车有害气体排放面临更严格的限制，其中no
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排放限值相对国五标准也有大幅下降。废气再循环(egr)技术是目前汽车发动机降低no
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有害排放物的一种公认有效方法，引入部分再循环的废气进入气缸，能有效降低燃烧最高温度，减少no
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的生成量。但由于一定量再循环废气引入容易导致新鲜空气量减少，燃烧速度降低，hc和co生成量增加；如李兴虎编著“汽车环境污染与防治对策”(化学工业出版社，2019.8)中所分析的，现代汽车的egr系统常安装冷却系统，目的是使从排气管进入egr系统的排气在egr管路中逐渐得到冷却，增加缸内新鲜空气量，有利于混合气的完全燃烧。但这种冷却系统一般采用空冷方法，存在系统结构较复杂、气-气换热方法的换热效率不高的问题。作为一种适合城市运行的低污染环保汽车，以lng为燃料的公交汽车已得到较多应用。因低温液态燃料lng需升温气化才能供发动机使用，如将其升温过程所释放冷量予以回收，既可用作夏季公交汽车车厢内的制冷空调，也可作为lng冷藏车的冷媒使用，具有良好的节能效果，该技术已得到一定应用。目前lng升温换热所用方法都是采用冷媒回收冷量后再用于制冷空调，如金树峰的“lng汽车燃料系统与空调冷能利用”，利用冷媒与lng换热回收冷量后，通过空气换热器和制冷风机向车厢供冷。又如专利申请号201310462726.2“一种lng冷藏车的制冷方法及其冷藏车”，也是利用lng在复温、气化阶段释放出大量冷能，供给冷藏车冷气，在不需要另外消耗能源的情况下解决了冷藏车制冷问题，这些方法本质上都是回收利用lng汽车发动机所用lng燃料在升温、气化时释放冷能用于车厢内制冷的用途，未考虑冷能的其他回收途径。


技术实现要素：

3.针对现有技术不足，本发明提出了一种对lng冷能进行回收利用及对再循环废气进行冷却的装置，旨在利用lng冷能，对现有为降低no
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排放所设置的egr系统结构进行改进，解决发动机因废气再循环进入气缸所带来的进气温度偏高，新鲜充量减少、充气效率降低的问题，以此提高发动机的动力性，有利于发动机达到关于no
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的更高的排放限值标准。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
5.1.一种lng发动机再循环废气冷却的方法，基于一种lng发动机再循环废气冷却的装置，包括lng储气罐、废气冷却换热器、egr电控阀、冷能回收换热器、水冷却换热器、空气换热器、储罐出口三通阀、废冷器前三通阀、发动机、再循环废气引入管；所述的冷能回收换热器的吸热侧流体进口通过储罐出口三通阀与lng储气罐相连，其出口通过废冷器前三通阀与废气冷却换热器吸热侧流体进口相连；所述废气冷却换热器吸热侧为lng流体，放热侧
流体为再循环废气；再循环废气来自发动机排气管，经egr电控阀与废气冷却换热器相连，放热侧流体出口经再循环废气引入管与进气管的前段相连；废气冷却换热器吸热侧流体出口也与进气管的后段(靠近进气门处)相连；egr出口与egr电控阀相连，egr电控阀又与废气冷却换热器相连，所述egr电控阀受发动机ecu控制。
6.进一步地，所述废气冷却换热器内部采用管壳式换热器结构，均匀等间距排列的圆形换热管固定在位于换热器壳体两端的固定管板上，圆形换热管的管内为lng流动通道，换热管的外壁与废气冷却换热器壳体之间组成空间为再循环废气流动通道，换热器外壳为圆柱形，换热器外壳的中部设置一膨胀节。吸热侧的lng流体从废气冷却换热器的左侧下部的入口流入，从废气冷却换热器的右侧上部出口流出；放热侧的再循环废气从废气冷却换热器的右侧上部入口进入，经废气流动通道，从废气冷却换热器的左侧下部出口流出。
7.进一步地，所述水冷却换热器的进水口经冷却水控制阀、冷却水进水管与发动机冷却水的出口相连，水冷却换热器的出水口经冷却水出水管与发动机冷却水的进口相连。
8.进一步地，冷量回收换热器的放热侧流体进口与循环水泵相连，其出口与空气换热器相连。
9.2.本发明的一种lng发动机再循环废气冷却的方法及装置，是将lng从极低温贮藏状态升温、气化过程中释放出的大量冷能进行回收利用及对再循环废气进行冷却，其方法为：
10.(1)夏季公交车车厢内需要提供制冷空调时，储气罐内的lng经储罐出口三通阀进入冷能回收换热器，因吸热升温、气化释放出的冷能被放热侧冷媒流体回收；放热侧冷媒流体循环流过空气换热器，利用吹风机向车厢内送入低温风，将前述过程回收冷能进行释放，维持公交车内夏季制冷所需的低温空调环境；
11.(2)lng从冷能回收换热器流出后，经废冷器前三通阀进入废气冷却换热器，与来自发动机排气出口管的再循环废气进行热量交换，lng进一步升温，再循环废气被冷却，温度有所降低，以达到增加发动机的充气效率，提高发动机动力性，减少no
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生成量的目的；
12.(3)通过发动机ecu控制egr电控阀，ecu能根据节气门开度和发动机转速等传感器信号，对egr电控阀发出开、闭或任意开度指令，实现对再循环废气量的精确控制，结合对再循环废气进行冷却，可获得降低no
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生成量的最佳效果。
13.(4)当冬季或公交车厢内不需要提供制冷能量的季节时，储气罐流出的lng流动路径被切换，经储罐出口三通阀进入水冷却换热器，与来自发动机的冷却水进行热交换，并升温、气化，从水冷却换热器流出后，也经废冷器前三通阀进入废气冷却换热器，使来自排气管的再循环废气被冷却、温度降低，仍具有降低再循环废气温度的功能。
14.3.有益效果是：
15.采用本发明提供的技术方案，与已有公知技术相比，具有如下显著效果：
16.(1)本发明配置的废气冷却换热器，通过lng与来自发动机排气管再循环废气的热量交换，废气被冷却后温度降低，既可降低循环废气与新鲜空气混合温度，提高充气效率及发动机功率，又可降低燃烧最高温度和no
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的生成量。经测试，再循环废气温度每降低40℃，与再循环废气不冷却相比，发动机功率可提高3％～4％，no
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排放量可减少5％左右，在环境温度高的夏季效果更佳，可保证发动机达到no
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的国六排放限值标准；
17.(2)废气冷却换热器采用管壳式换热器，具有结构紧凑、运行可靠的特点；由于冷
热两种流体温差大，且因采用逆流换热，换热效率和对废气的降温效果远远高于采用空气冷却的换热方式；换热器外壳壳体上设置膨胀节有效解决了lng流体与废气两种流体温差大带来的热膨胀问题；
18.(3)本发明将lng从极低温贮藏状态升温、气化过程中释放出的大量冷能进行回收并综合利用，有效解决了公交汽车车厢内制冷空调用能需求，显著提高了能源综合利用率，降低了lng公交车运行成本；
19.(4)本发明适应不同季节的能量利用需求，且调节方便。根据公交车是否有供冷需求，通过系统配置的三通调节阀，可对lng的流程进行切换；当夏季公交车厢内需供冷时，lng流经冷能回收换热器，回收冷能供给空调制冷；车厢不需供冷时，lng则流经水冷却换热器。
附图说明
20.图1为本发明的一种lng发动机再循环废气冷却的方法及装置的结构示意图。
21.图2为本发明中的废气冷却换热器的内部结构示意图。
22.图中各标号表示：
23.1 lng储气罐 2风机控制器 3吹风机 4空气换热器 5循环水泵
24.6冷能回收换热器 7水冷却换热器 8废冷器前三通阀 9 egr出口
25.10 egr电控阀 11废气冷却换热器 12新鲜空气 13进气管 14发动机
26.15排气管 16冷却水控制阀 17冷却水进水管 18冷却水出水管
27.19储罐出口三通阀 20再循环废气引入管 21废气流动通道 22膨胀节
28.23圆形换热管 24换热器外壳
具体实施方式
29.下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
30.本发明的一种lng发动机再循环废气冷却的方法，是对lng从极低温贮藏状态升温、气化过程中释放出的大量冷能进行回收利用，并解决了再循环废气需要冷却的问题。该方法基于一种lng发动机再循环废气冷却的装置，包括lng储气罐1、废气冷却换热器11、egr电控阀10、冷能回收换热器6、水冷却换热器7、空气换热器4、储罐出口三通阀19、废冷器前三通阀8、发动机14、再循环废气引入管20；所述的冷能回收换热器6的吸热侧流体进口通过储罐出口三通阀19与lng储气罐1相连，其出口通过废冷器前三通阀8与废气冷却换热器11吸热侧流体进口相连；所述废气冷却换热器吸热侧为lng流体，与之换热的放热侧流体为再循环废气；再循环废气来自发动机排气管，egr出口9与egr电控阀10相连，egr电控阀10又与废气冷却换热器11相连，放热侧流体出口经再循环废气引入管20与进气管13的前段相连；egr出口9与egr电控阀10相连，egr电控阀又与废气冷却换热器11相连，所述egr电控阀受发动机ecu控制；再循环废气流经废气冷却换热器11与另一侧的lng流体进行热交换，在此过程中废气被冷却，降温后的废气经再循环废气引入管20流入发动机进气管后与新鲜空气12混合；废气冷却换热器吸热侧流体出口与进气管13的后段(靠近进气门处)相连，供给发动机工作需要的lng燃料。
31.从lng储气罐1流出的lng，具有两条流动路径，由储罐出口三通阀19调节，可分别流入冷能回收换热器6或水冷却换热器7；如lng流入冷能回收换热器6，回收冷能后再经废冷器前三通阀8进入废气冷却换热器11。
32.进一步地，冷能回收换热器6的放热侧流体(本实施例采用乙二醇作为吸收lng冷能的冷媒流体)进口与循环水泵5相连，其出口与空气换热器4相连；当夏季公交车车厢内需供给冷负荷时，lng储气罐1流出的lng经储罐出口三通阀19进入冷能回收换热器6，吸热升温、气化过程中释放的冷能被放热侧冷媒流体回收；放热侧冷媒流体循环流过空气换热器4，利用吹风机3向车厢内送入低温风，将通过冷能回收换热器6回收的lng冷能予以释放，以此维持夏季公交车厢内所需的舒适空调环境；风机控制器2控制吹风机3的运转与风速，以此保持车厢内合适的空调温度。
33.进一步地，废气冷却换热器11内部采用管壳式换热器结构，均匀等间距排列的圆形换热管23固定在位于换热器壳体两端的固定管板上，圆形换热管23的管内为lng流动通道，换热管的外壁与废气冷却换热器壳体之间组成空间为废气流动通道21，换热器外壳24为圆柱形，换热器外壳的中部设置一膨胀节22。吸热侧的lng流体从废气冷却换热器的左侧下部的入口流入，在各圆形换热管内边流动边吸收热量，并在废气冷却换热器的右端汇集后从右侧上部出口流出；放热侧的再循环废气从废气冷却换热器的右侧上部入口进入，流经废气流动通道时，与换热管内的lng流体换热并冷却，降低温度后从废气冷却换热器的左侧下部出口流出。两种流体在废气冷却换热器内部的换热过程为逆流换热，提高了换热效率。
34.进一步地，水冷却换热器的进水口经冷却水控制阀16、冷却水进水管17与发动机冷却水的出口相连，水冷却换热器的出水口经冷却水出水管18与发动机冷却水的进口相连。当冬季或公交车厢内不需要提供制冷能量的季节时，lng储气罐1内流出的lng流动路径被切换，经储罐出口三通阀19进入水冷却换热器7，与来自发动机的冷却水进行热交换，在其内部不断升温、气化，然后从水冷却换热器7流出后，也经废冷器前三通阀8进入废气冷却换热器11，使来自排气管15的再循环废气得到冷却、温度降低，同样保持降低再循环废气温度的功效。
35.进一步地，冷能回收换热器6的放热侧流体进口与循环水泵5相连，其出口与空气换热器4相连。
36.以上实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。