专利名称：一种优化内燃机排气背压的方法、装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明属于内燃机增效技术领域，涉及一种优化内燃机排气背压的方法 。本发明还涉及优化内燃机排气背压的装置和系统。
背景技术：
本世纪以来，世界石油资源不足和环境污染问题日益突出，内燃机的经济性和排气清洁性需要进一步改善。内燃机的能效，也就是燃料利用率需要进一步提高，这是所有以内燃机为动力的设施和设备提升能效的基础和如提。目前，增加内燃机能效的主要途径是改善内燃机的换气效果即进气、排气过程。进气的改善方式是“增压”，即增加进气压力；排气的改善方式是“降压”，即降低排气背压，也就是减小排气的阻力。“增压”和“降压”，二者相辅相成。于上世纪初提出的增压技术，使内燃机的动力、经济和排放性能大幅提升，增压技术的应用成为内燃机发展的重要标志。增压机型已经成为内燃机的基本机型，特别是利用内燃机排出废气驱动涡轮，再由涡轮带动压气机对内燃机进气“增压”的涡轮增压技术，以及结合增压进气中间冷却的技术，现已发展得几近完美并应用广泛。但缺点是由于内燃机对排气背压敏感，内燃机的加速性能受到限制。所谓“降压”是指降低排气背压，而排气背压与内燃机排气的阻力有关。内燃机运转时随着负荷的增加，排气的质量和排气温度也随之上升。受质量与温度的双重影响，排气的体积流量和流速上升幅度更大，使排气通道的阻力，包括排气通道中其他装置(如消音器)的阻力，由于正压力与流速的平方成正比的规律而上升很快。因此，内燃机背压随内燃机负荷的上升也很快。而高背压意味着排气气流受到很大的阻力，使气缸内废气难以排净，从而影响后续的燃烧质量。因此，排气背压影响内燃机性能。背压升高将导致内燃机燃料的燃烧效率下降，经济性和排放性能变差，同时动力性能下降，油耗上升。有资料显示，这将使内燃机至少有10%以上的能效损失。特别是依靠排气驱动涡轮高速旋转的涡轮增压内燃机，排气背压升高导致驱动涡轮的废气压差减小，引起涡轮增压的效果下降，这又使得进气压力减小，从而导致内燃机能效的进一步降低。更为严重的是，随着各国以致国际环保法规日趋严格，对于内燃机排出尾气处理的要求也越来越高。由于系统的背压是气流依次流过系统中每一元件所形成的压降值之和，且经过每一元件所形成的压降与通过的气流的流速的平方成正比。因此，在加装了消音、净化甚至余热回收等内燃机排气处理装置和设备后，大大增加了内燃机排气的背压，降低了内燃机的能效，增加了能耗。而内燃机能耗的上升意味着需要消耗更多的化石燃料，从而造成更多的污染，这又使前面采取的环保和节能措施的效果大打折扣。因此人们在不断发展各种“增压”技术的同时，也在不断探求“降压”技术，例如多气门技术可通过采用多个排气门来增大排气流通面积，从而减小排气背压。对于某些特殊的竞技场合，例如赛车，要求内燃机功率尽可能发挥，甚至采用了不安装消音器的方式，目的就是尽可能降低背压。
不过在内燃机低负荷的情况下，如果排气背压很低，由于排气门的提前开启，在活塞达到下止点前，仍具有一定压力的燃气就会通过过于通畅的排气门排掉，因而损失一部分功，减小了扭矩。可见在内燃机低负荷时保持一定的排气背压反而可以提高扭矩。综上所述，对于内燃机的排气背压而言，在内燃机低负荷时，希望排气背压不要太低，然而，在内燃机中、高负荷时，则希望能尽量抑制内燃机的排气背压的过快上升。这样才能在内燃机的全工况条件下，实现内燃机的增效。
发明内容
鉴于现有的对内燃机排气背压的期望，本发明提供一种新的优化内燃机排气背压的方法、装置和系统。本发明基于的原理是如果能使内燃机排放的尾气迅速冷却，可以极大地降低排气背压。这样，在内燃机低负荷时，可以设置一定的排气阻力使得背压不至于太低；在内燃机高负荷时，将尾气迅速冷却使得排气背压不至于升高过快。
本发明的第一个目的是提供一种优化内燃机排气背压的方法，所述方法包括I)在内燃机排气通道中设置一阻尼部件，并使内燃机排出的尾气通过所述阻尼部件；2)使尾气在通过所述阻尼部件之前被冷却，或者使尾气在通过所述阻尼部件的同时被冷却。利用本发明的所提供的方法可以实现在内燃机低负荷时具有相对较高的排气背压，而在内燃机高负荷时排气背压不至于升高过快。具体地说，使内燃机排出的尾气通过一阻尼部件，该阻尼部件能够提供一定的排气阻力，使得在内燃机低负荷时具有相对较高的所期望的排气背压，从而在内燃机低负荷时提高内燃机扭矩。尾气在通过所述阻尼部件之前或尾气在通过所述阻尼部件的同时被迅速冷却可以实现加大尾气密度，降低尾气流速的目的，在内燃机中、高负荷阶段抑制了背压的过快上升，从而提高内燃机能效。本发明还提供一种优化内燃机排气背压的装置，所述装置包括I)壳体；2)设置于壳体上的能使尾气进入壳体内部的尾气进气口、能使尾气排出壳体的尾气出气口 ；3)设置于壳体内部的或壳体上的阻尼部件；4)设置于壳体内部的能将尾气冷却的冷却部件。基于上述原理，将本发明所提供的装置安装在排气通道中，既可以在内燃机低负荷时提供一定的排气阻力，又可以在内燃机高负荷时使得排气背压不至于升高过快。特别是在本发明的装置取代排气通道中现有的如消音装置等具有阻力的部件时，可以更好地改善排气系统的整体性能。本发明还提供另一种优化内燃机排气背压的装置，所述装置包括I)壳体；2)设置于壳体上的能使尾气进入壳体内部的尾气进气口、能使尾气排出壳体的尾气出气口 ；3)设置于壳体内部的或壳体上的阻尼部件；4)设置于壳体上的能使冷却水进入壳体的冷却水进水口、能使冷却水排出壳体的冷却水出水口；所述冷却水进水口、冷却水出水口、尾气进气口、尾气出气口被配置使得冷却水和尾气在壳体内部能相互接触。同样的，将该装置安装在排气通道中，也可以实现优化内燃机排气背压的目的。本发明还提供一种优化内燃机排气背压的系统，所述系统包括内燃机排气通道，所述系统还包括本发明所提供的优化内燃机排气背压的装置，该装置安装于内燃机排气通道中。基于同样的原理，本发明所提供的系统可以实现优化内燃机排气背压的目的。利用本发明所提供的方法、装置和系统可以简单有效地提升内燃机的动力、降低油耗，而且提高内燃机的比功率，可以应用于各种采用内燃机作为动力的设备。本发明的第一个原理是设置一定的排气阻力，使得内燃机在低负荷时，具有相对较高的所期望的排气背压。 实现其目的的方案是在内燃机排气通道中设置一阻尼部件，并使内燃机排出的尾气通过所述阻尼部件。这里所说的阻尼部件是能够提供一定排气阻力的部件，也就是，使内燃机在低负荷时，尾气通过该阻尼部件前后所产生的压降是所期望的压降。阻尼部件的形式可能包括
(I)使内燃机排气通道的截面缩小；或者(2)将尾气分割成小支流；或者(3)改变尾气流动方向；或者(4)其它能提供一定排气阻力的形式；或者(5)以上形式的结合。阻尼部件可以是能够使排气通道的截面缩小的部件，比如截面突然缩小的排气管道，或者设置于排气管道中的具有小孔的部件。可以设置为使内燃机排气通道的截面突然缩小，从而提供一定的排气阻力。比如，在内燃机排气管道中设置具有小孔的挡板，使得尾气只能从小孔通过。也可以设置为使得内燃机排气管道突然变细。另外，截面缩小的程度越大，排气阻力则越大。阻尼部件也可以是能够将尾气分割成多个小支流的部件。这里所说的“将尾气分割成多个小支流”所采用的方式可以是使尾气通过分布有多个小孔的结构，尾气因此被小孔分散。所采用的方式也可以是使尾气通过具有多个空隙的结构，尾气因此被空隙分散。通过将尾气分割成小支流的方法，也可以提供一定的排气阻力。在该方法中，可以根据想要的排气背压来调节尾气被分割的程度尾气被分割的小支流越多，分割的小支流越细，排气阻力越大；反之亦然。阻尼部件也可以是能够改变尾气流动方向的排气管道。如果改变尾气流动方向，也可以提供一定的排气阻力，比如具有多个弯曲的排气管道。本发明所说的阻尼部件也可以设置于一壳体的内部，并在壳体内部将内燃机排出的尾气进行冷却。这样，本发明所提供的方法还可以包括使内燃机排出的尾气通过壳体上的尾气进气口进入壳体内部，然后将冷却后的尾气通过壳体上的尾气出气口排出壳体。阻尼部件可以位于壳体内部，比如在壳体内部设置孔板或具有大量空隙的填料。另外，阻尼部件也可以位于壳体上，比如壳体内部到壳体上的尾气出气口存在截面的突然缩小。本发明的另一个原理是内燃机的高温尾气被迅速冷却可以大幅降低尾气流速，使得内燃机在高负荷时的排气背压就不会升高得过快。在现有技术中已知的是内燃机排气通道具有一定排气阻力的现有结构(如排气管、消音器等)，随着内燃机负荷增加，排气量和排气温度也随之上升，从而使流速上升，而由于正压力也就是阻力与流速的平方成正比，因此会使排气背压迅速上升。申请人:发现，在尾气遇到一定排气阻力之前或尾气遇到一定排气阻力的同时，如能够迅速降低尾气温度，则可减小排气背压，从而提高内燃机的能效。能够迅速降低尾气温度的方案可以是(I)将尾气与冷却液体相互接触；或者(2)将尾气分割成多个小支流，然后将分散的小支流与冷却介质发生热交换；或者(3)两种方案的结合。如果将高温尾气在壳体中与冷却液体，如冷却水直接接触，便可以实现快速降温的目的。更优选的方式是让冷却水保持流动，比如采用喷淋的方式，将吸收了热量的冷却水排出，尾气不断与新的冷却水接触，这样降温的效果会更好。在这里，所采用的冷却水的来源可以根据具体情况而定。 作为冷却流体的冷却水，可以来自所处自然环境的外部的独立水系，例如取自海水或内陆的淡水等自然存在的自然水体。对于在海洋或淡水上使用内燃机作为动力的设备(比如船舶)，冷却水可以直接取自所处自然环境的海水或淡水，或者，也可以首先将海水或淡水储存在水箱、水塔等储水装置中，冷却水从储水装置中获得。吸收了热量的冷却水可以直接排放到所处自然环境；也可以将吸收了热量的冷却水进行处理后再排放到所处自然环境。这样，本发明所提供的方法还包括从自然水体中抽取冷却水并将其输送至壳体。本发明所提供的系统还可以包括能够抽取自然水体中的冷却水并将其输送至壳体的装置，t匕如安装有水泵的冷却水进水管，冷却水进水管与壳体的冷却水进水口连通。作为冷却流体的冷却水，还可以复用内燃机的冷却水。大多数使用内燃机作为动力的设备如汽车、船舶等等，本身都具有一套内燃机冷却水系统。在这种情况下，冷却水可以取自动力设备本身的冷却水系统。因此，本发明所提供的方法还可包括将内燃机冷却水输送至壳体。本发明所提供的系统还可包括能将内燃机冷却水输送至壳体的装置。作为冷却流体的冷却水，可以将以上两种方式结合使用，既采用自然水体中的冷却水，也采用内燃机冷却水。作为冷却流体的冷却水，还可以循环使用。从壳体排出的吸收了高温尾气热量的冷却水可以直接或经过处理后外排，也可循环使用。例如，冷却高温尾气后吸收了热量的冷却水可以流经换热器，冷却后作为冷却水重新进入壳体。可以使冷却液体与内燃机尾气在一壳体内部相互接触，从而达到迅速降低尾气温度的目的。因此，本发明提供的方法还可包括使冷却液体通过壳体的冷却水进水口进入壳体内部，并将吸收了尾气热量的冷却液体通过壳体的冷却水出水口排出壳体。可以使内燃机的尾气从一壳体上的尾气进气口进入，从尾气出气口排出，形成尾气流动路径。另外，可以使冷却水从该壳体的冷却水进水口进入，从冷却水出水口排出，形成冷却水流动路径。以上所说的尾气进气口是指任何能使流体进入壳体内部的开口，尾气进气口可以是壳体壁上的直接开口，然后通过连接部件与用于输送流体的管道连通。壳体也可以与输送管道一体成型。输送管道还可以伸入壳体内部，这样，尾气进气口指的就是伸入壳体内部的管道口。冷却水进水口、冷却水出水口、尾气出气口也可以采用上面所说的各种形式。本发明所采用的壳体可以是封闭壳体，也就是说，除了上述尾气进气口、尾气出气口、冷却水进水口、冷却水出水口的位置，其它部分都是密封的，进入壳体的气体或液体只能通过上述进出口出入。为了实现使尾气快速冷却的目的，在本发明所提供的方法和装置中，需要内燃机尾气与冷却水相互接触，也就是使内燃机尾气的流动路径和冷却水的流动路径相互重叠。如果想要实现更优化的冷却效果，一个较好的实施方式是使内燃机尾气和冷却水发生逆向或/和横向接触，也就是说，尾气的流动方向和冷却水的流动方向相反或相对，或近似相反或相对。如果使冷却水进水口位于尾气气流的下游，而冷却水的出水口位于尾气气流的上游，这样冷却水和尾气便可以逆向接触，从而接触得更加充分。因此，在一个优选的具体实施方式
中，内燃机尾气与冷却水逆向接触。在一个更优选的具体实施方式
中，内燃机尾气从下至上通过壳体内部，冷却水从上至下通过壳体内部，使它们逆向接触。这样做的好处是，内燃机尾气可以更充分地在壳体内部扩散，而冷却水可以完全利用重力的作用流动，而不用施加额外的压力来维持其流动。这样，可以设置使得冷却水进水口在重力方向上 高于冷却水出水口，以便通过冷却水进水口进入壳体的冷却水自上而下通过壳体内部；尾气进气口在重力方向上低于尾气出气口，以便通过尾气进气口进入壳体的尾气自下而上通过壳体内部。这样，冷却水和尾气便可以逆向接触，从而接触得更加充分。为了更进一步增强冷却水和尾气的充分接触，可以想办法改善进入壳体的冷却水在壳体中的分散程度。比如，可以设置一个或多个多孔的喷淋部件组成的布水器，均匀布置于壳体内部的上面，将冷却水尽量喷洒到整个壳体内部，使得在壳体的横截面上能均勻布水。因此，本发明所提供的方法还包括使进入壳体的内部的冷却水分散。本发明所提供的装置的壳体中还设置有使进入壳体的内部的冷却水分散的部件，例如布水器。在一个更优选的具体实施方式
中，为了让冷却水不从尾气进气口流入内燃机排气管，可以设置使得冷却水出水口在重力方向上低于尾气进气口。这样，流到或落到壳体底部的冷却水的液面在到达尾气进气口的位置之前,冷却水已经从冷却水出水口排出。另外，壳体底部还可设置水封，即使得冷却水的液面高于冷却水出水口，并低于尾气进气口。这样，尾气便不会从冷却水出水口流出。更进一步，设置水封使得水封液面向各方向倾斜的角度即使达到22. 5°时，冷却水也不会进入尾气进气口。在一个更优选的具体实施方式
中，尾气进气口位于壳体的侧面下部，尾气出气口位于壳体顶部，尾气出气口可以与烟 相连直接将尾气排入大气。冷却水进水口位于壳体侧面上部，冷却水出水口位于侧面下部。而且，在重力方向上，冷却水出水口低于尾气进气口。在一个最优选的具体实施方式
中，尾气进气口位于壳体的底部，尾气出气口位于壳体顶部，这样尾气进气口可以直接与内燃机排气管相连，尾气出气口与烟 相连直接将尾气排入大气。如果将尾气分割成小支流，然后将分散的小支流与冷却介质发生热交换，这样，便能使尾气和冷却介质之间的热交换效率大大地提高，从而达到迅速降低排气温度的目的，使得在内燃机高负荷时排气背压不会上升得太快。通过这种方式冷却尾气的另一个作用是可以使得内燃机在低负荷时排气背压不会太低，从而实现全工况下优化排气背压的效
果O这里所说的“将尾气分割成小支流”所采用的方式可以是使尾气通过分布有小孔的结构，尾气因此被小孔分散。所采用的方式也可以是使尾气通过具有空隙的结构，如散热片等，尾气因此被空隙分散。
这里所说的冷却介质可以是具有吸热性能的气体，如空气、氢气等。这时可以使冷却介质通过冷却部件与被分割成小支流的尾气接触，从而使尾气被冷却。冷却部件可以是由具有良好的传热性能的材料，比如金属材料，制成的各种形状的散热片或散热器。该冷却部件的一部分位于壳体中，一部分位于壳体外，可以将壳体中尾气的热量迅速地传递到壳体外，并释放掉。在这种情况下，尾气与冷却部件发生的热交换的过程同时也是将尾气分割成小支流的过程。这里所说的冷却介质也可以是冷却部件与流体相结合的方式，比如在金属管道中封装流动的冷却水，也可以实现快速降温的目的。这样做的好处是，管道中的冷却水可以形成蒸汽，蒸汽的热量可以很方便的直接利用。例如，通过壳体内的管式、板式、管壁式或鳍片式等热交换器与尾气发生热交换。同样地，高温尾气在通过该热交换器时，同样被分割成小支流后与之发生热交换。如上所述，内燃机高负荷时的背压越低越好。而在现有技术中，现有的设置于内燃机排气通道的结构(如消音器)的排气阻力相对较小，因此，在内燃机低负荷的情况下，想要的排气背压便无法实现。在该方式中，将尾气分割成小支流的过程也就是提供一定排气阻力的过程。可以根据想要的排气背压来调节尾气被分割的程度。尾气被分割的小支流越 多，分割的小支流越细，排气阻力越大；反之亦然。因此，利用这种方式，可以实现在内燃机全工况下优化排气背压的目的。对于尾气的冷却，最优选的方式是将尾气分割成小支流，同时采用与冷却液体(如冷却水)相互接触的方式冷却。比如，使尾气通过具有大量空隙的部件而被分割成多个小支流，在所述空隙中小支流与冷却液体相互接触。在本发明的一个优选的实施方式中，在壳体中填充有相互之间能形成空隙的填料，从而形成具有大量空隙的填料层，该填料层就是能够将尾气分割成多个小支流的部件，也就是阻尼部件。壳体内可包括含有空隙从而具有大的比表面积的填料，其目的是至少在壳体内的一部分空间形成液体和气体能通过的大量孔隙。这样，冷却流体必须分散通过填料之间的孔隙，在这些孔隙中，冷却流体和尾气可以充分接触。当冷却流体为冷却水时，填料的形式可以采用常见的鲍尔环、拉西环或矩鞍环等各种散装填料，也可以采用常见的规整填料。填料的材质优选为金属、陶瓷等耐候材料，也可以采用高分子材料，如聚丙烯、聚乙烯或ABS工程塑料等，或者将这几种材料混合使用。高温尾气在通过该具有大的比表面积的填料时，被分割为小支流，优选使冷却流体如冷却水在所述填料中与高温尾气直接接触，使高温尾气迅速冷却。因此，在本发明所提供的方法和装置中，壳体中填充有相互之间能形成空隙的填料，形成具有大量空隙的填料层。本发明所提供的方法还包括使尾气通过具有大量空隙的填料层。另外，冷却流体如果采用冷却气体，如空气时，也可以实现快速降温的目的。这时，填料优选为陶瓷、搪瓷及金属材料，也可将这几种材料混合使用。本发明所提供的方法或装置尤其适用于涡轮增压内燃机，内燃机排出的尾气流过涡轮增压器叶轮做功后再由壳体的进气口进入壳体。因此，本发明所提供的方法还可包括内燃机排出的尾气在进入壳体之前流过涡轮增压器叶轮做功。本发明所提供的系统的内燃机排气通道，可以是与涡轮增压器废气侧排气口相连接的高温尾气排气通道。另外，由于目前内燃机的排气通道上一般还设置有消音器、尾气净化和余热回收等装置或设备中的一种或多种。如果在内燃机排气通道中设置这些装置，会产生一定的排气阻力，使得尾气排放路径中产生压降，这些装置就是能使尾气排放产生压降的装置。压降越大，说明排气阻力越大，则会导致排气背压越高。根据内燃机尾气在最终排入大气前流过的装置或设备，以及流经这些装置或设备的次序的不同，本发明方法至少有如下几种可能的应用即在尾气流经上述装置或设备之前或之后应用本方法，又或者使根据本发明的背压优化装置在优化背压的同时实现上述装置或设备的功能，从而可以取代上述的装置或设备。这样，本发明所提供的系统就可能有如下描述的几种方式。其中，为了方便说明，在下面的内容中，设定Ptl为外界的大气压。而且，在此忽略排气管道的阻力所造成的压力降，并将一个或多个其他尾气处理装置和设备的局部压力降用一个压力降ΛΡ来表示。由于气流在本发明装置中通过阻尼部件，因此冷却装置自身会带入一个压力降APi。在此需要说明的是，当内燃机负荷上升时，本会使流速迅速上升，却由于高温尾气被迅速冷却、密度增加、体积下降，从而使流速迅速下降。因此，相对高温排气的情况，八？1在内燃机负荷增 加时的上升幅度很小。这时即使考虑到尾气密度上升对正压力的增加因素，但由于流速与正压力的指数关系，所以流速下降引起的正压力或阻力仍然是下降的。当排气管道中没有其他的尾气处理装置和设备时，此时内燃机的排气背压P近似为外界大气压Po与该冷却装置自身的压降值APi之和，SP P = P0+ Δ Pi这样，当内燃机处于低负荷时，由于APi的存在，可提高内燃机的扭矩。而当内燃机负荷上升时，如前所述，APi上升的幅度不大，因此对背压P影响有限。如果在排气通道中还安装有另外的导致排气背压上升的装置，比如消音器，并位于本发明所提供的装置的下游。那么，内燃机排出的尾气首先通过本发明提供的装置，再通过其他尾气处理装置或设备，随后通过管道排入大气，排气背压P可近似为外界大气压Ptl与本发明的装置自身的压降值APi以及其他尾气处理装置或设备的压降值ΛΡ三者之和，即P = P0+Λ P+Λ Pi虽然与未使用本发明的装置的情况相比，新引入了本发明的装置产生的压降APi，但由于此时内燃机在中、高负荷下的高温尾气在通过本发明的装置时已被迅速冷却，使得流速大幅下降。由于压降与流速的平方成正比，因此冷却后尾气气流在通过上述的其他尾气处理装置或设备时的压降值ΛΡ相比原来高温尾气通过时有了大幅的下降，且下降的幅度远大于该冷却装置引入的△&，最终使总体的排气背压相对地大幅下降，从而增加了该内燃机的能效。另外，在这种情况下，如上所述，在内燃机低负荷下，同样也具有提高内燃机的转矩的作用。根据上面所述，如果在排气通道中还安装有另外的尾气处理装置，对于排气背压会有不利的影响。但是，对于某些场合，为了环保或其它的目的，在排气通道中安装另外的尾气处理装置是必不可少的，例如消音器。因此，如果能使本发明所提供的装置能够集成多个功能，比如，使得该装置同时具有消音的功能，这样便可以更加优化排气背压。当其他尾气处理装置或设备的功能与本发明的装置集成从而可以取消时，这种情况与单独安装本发明的装置的情况相似。此时，内燃机的排气背压近似为外界大气压Ptl与本发明装置自身的压降值APi之和，SP P = P0+ Δ Pi
这就意味着可以去除其他尾气处理装置或设备带来的压降值ΛΡ，排气背压相对原来得到大幅下降，从而增加了内燃机的能效。同样地，由于APi的存在，提高了内燃机在低负荷工况下的扭矩。由此可见，一个更为优选的方案是本发明的装置可以对其他尾气处理装置或设备的功能进行集成，进而可以取代这些尾气处理装置或设备。这种取代对于空间资源十分宝贵，如配备了消音器和余热锅炉的船舶等水上平台显得极为重要。需要指出的是，从以上说明可以看出，冷却装置集成余热锅炉的余热回收，其原理在于对冷却流体与高温尾气换热后吸收的热量回收。而集成消音器的消音功能，其原理在于通过冷却使通过本发明装置的尾气经过截面扩张和气流被变动分割的效果可以被强化，两者在原理和实现上并不矛盾，因此本发明的冷却装置也可以同时集成余热回收和消音的功能。为了防止噪音污染，目前内燃机排气通道上一般都安装有消音器，消音器也是导致内燃机排气背压上升的主要部件。申请人发现，如果能将进入壳体的尾气迅速冷却，便可 以起到增强消音效果的作用。根据消音原理，消音器可以有阻性消音器、抗性消音器以及阻抗复合式消音器等不同类型。阻性消音器主要是利用多孔吸声材料来降低噪声。当声波进入阻性消音器时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消音器的声波减弱。阻性消音器对中高频消音效果好，对低频消音性能较差。抗性消音器是由突变界面的管和室组合而成，借助于管道截面的突然扩张或收缩，使沿管道传播的某些频率的声波在突变处向声源方向反射回去，从而达到消音目的。抗性消音器比较适用于消除低中频噪声，而对高频噪声的消音作用较差。把阻性结构和抗性结构按照一定的方式组合起来，就构成了阻抗复合式消音器，它兼有两者的消音特性。为实现良好的消音效果，已发现以下方案都有助于增强消音效果1)多次地变动气流方向，2)重复地使气流通过先收缩而后又扩大的截面，3)将气流分割为许多小的支流并沿着许多不平滑的平面流动，4)将气流冷却。对于内燃机来说，一方面，基于环保要求，消音器必不可少，另一方面，消音效果又要受到背压升高后果的制约。因此，现有内燃机的消音器的技术往往不能很好满足上述期望。对于阻性消音，消音器内要设置许多孔隙来变动、分割气流，孔隙越多、越长、越不规则，阻性消音效果越好，但因此消音器造成的排气背压也越大，内燃机可以承受的动力损失有限。对于抗性消音，排气通道截面扩张的倍率越大，也就是消音器容积越大，越有利于消音。但对于大多数场合，特别是船舶等可以容纳的空间有限，截面扩张的方式难于应用。至于说将气流“冷却”，现有消音技术更是难以实现，特别是在船舶等致密空间中的消音器，不但不能冷却，还须要为防止几百V高温对周围设施和人员灼伤而不得不用隔热材料严密包裹起来进行“保温”。本发明所提供的方法或装置可以利用抗性消音的原理来起到消音的作用。因此，本发明所提供的方法或装置中，尾气进气口到壳体内部形成截面的突然扩张。在这里，本发明所提供的方法和装置至少利用了抗性消音原理。抗性消音器是由突变界面的管和室组合而成，借助于管道截面的突然扩张或收缩，使沿管道传播的某些频率的声波在突变处向声源方向反射回去，从而达到消声目的。在本发明所提供的方法和装置中，尾气进气口到壳体内部形成截面的突然扩张。这里所说的截面的突然扩张指的就是利用抗性消音的原理使尾气噪音减小。如果将壳体制作成规则的形状，例如圆筒形或其它规则形状，经过申请人的试验，当尾气进气口的横截面积为壳体的横截面积的O. 05 O. 5倍时，消音效果非常显著。因此，在一个优选的实施方式中，尾气进气口的横截面积为壳体的横截面积的O. 05 O. 5倍。申请人还证明，当壳体的容积是内燃机排量的3 30倍时，该装置的消音效果更加显著，因此，在一个更优选的实施方式中，壳体的容积是内燃机排量的3 30倍。本发明所提供的消音方法还可进一步利用阻性消音的原理来增强消音效果。可以将尾气分割成小支流。根据消音原理，将尾气分割成小支流可以增强消音效果。如果在壳体中填充相互之间能形成空隙的填料，还可进一步加强消音的效果。填料的存在使得该装置成为一个阻性消音器，当尾气进入填料时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消音器的声波减弱。申请人还发现，液体与尾气气流的大面积接触，本身就可以吸收声波的能量从而有助于消音。
这样，本发明属于阻抗复合式消音，兼有阻性和抗性两者的消声特性。进一步地，本发明将数百摄氏度的高温尾气冷却到数十摄氏度流经消音器，产生了同时增强阻性和抗性消音效果的冷却扩容效应。本发明的阻性消音主要是利用例如填料等材料形成的大量孔隙，由于尾气被冷却，体积收缩、流速下降，流经大量孔隙所产生的阻力下降的幅度更大。因此，可以使用更多的填料构成更多、更长、更不规则的孔隙，使得本发明的变动气流方向的次数、气流通过收缩而又扩大截面的重复次数、将气流分割为小支流的数量，以及形成不平滑通道的面积等，都比现有消音器的技术高出若干量级。另一方面，本发明的抗性消音是由尾气进气口到壳体内部形成截面扩张实现的，由于本发明的技术方案大幅缩小了尾气体积，等效为加大了排气通道截面的扩张倍率，进一步增强了抗性消音效果。换一个角度来看，在需要很大的扩张倍率而现有技术受到空间限制难以实现的场合，本发明所提供的方法或装置可以很好地加以实现。本发明所提供的内燃机尾气的消音方法可同时具有以上所说的优化内燃机排气背压的效果。这样，利用本发明所提供的方法，可以用通一个装置既实现消音的作用，又实现优化内燃机排气背压的作用。这样，把本发明所提供的装置安装到内燃机排气通道中，便无须安装另外的消音器，这对于目前在船舶上的应用格外有利。由于现有法规对消音和节能的相关规定，在现有的船舶结构中，内燃机排气通道中安装有余热锅炉和消音器。而且，在内燃机尾气排放通路所处的位置，已经没有多余的空间再安装优化内燃机排气背压的装置。而利用本发明所提供的方法便可以很好地解决这个问题，即将本发明所提供的装置安装在现有的消音器位置，并取代现有的消音器。另外，由于将尾气冷却本身即可以实现消音的效果，本发明还提供一种用于内燃机尾气消音的方法，包括使内燃机排出的尾气通过一壳体的尾气进气口进入壳体内部，另外，所述方法还包括使进入壳体内部的尾气与冷却液体直接接触。本发明还提供一种用于内燃机尾气消音的装置，包括壳体，壳体上设置有能使尾气进入壳体内部的尾气进气口、能使尾气排出壳体的尾气出气口、能使冷却液体进入壳体内部的冷却水进水口、能使冷却液体排出壳体的冷却水出水口 ；所述冷却水进水口、冷却水出水口、尾气进气口、尾气出气口被配置使得冷却液体和尾气在壳体内能相互接触。本发明还提供一种用于内燃机尾气消音的系统，所述系统包括内燃机排气通道，所述系统还包括本发明所提供的用于内燃机尾气消音的装置，该装置安装于内燃机排气通道中。利用本发明所提供的用于内燃机尾气消音的方法、装置和系统，可以替换现有的消音器，而不需要再安装其它的消音设备。对于可以很方便地利用冷却水的设备，比如行使在自然水体中的船舶，可以通过本发明所提供的用于内燃机尾气消音的方法、装置和系统进行消音。对于在陆地上用内燃机作为动力的设备，比如汽车，也可以使用内燃机冷却水作为冷却液体，从而通过本发明所提供的用于内燃机尾气消音的方法、装置和系统进行消音。本发明所提供的用于内燃机尾气消音的方法、装置和系统还可以与现有的消音器进行功能上的组合。例如，尾气进气口到壳体内部形成截面的突然扩张，这样，使高温尾气迅速冷却会进一步增强抗性消音效果。在本发明所提供的用于内燃机尾气消音的方法、装置和系统中，所采用的冷却水、 冷却水和高温尾气接触的方式以及进出口的配置可以与上面所描述的优化内燃机排气背压的方法、装置和系统相同或相似。有资料显示，柴油机的废气和冷却介质带走了燃料总发热量中50%左右的热量，其中大部分以高温尾气的形式排放到大气。现有船舶制造的法规，除了对消音有环保规定夕卜，还要求在内燃机排气通道中安装余热锅炉。余热锅炉也称废气锅炉，其作用是将发动机尾气中的热量回收利用，以达到节能的目的。现有的余热锅炉的结构是封装冷却水的管道，位于内燃机排气通道中。这样便存在一个矛盾如果想要更充分地回收余热，需要将封装冷却水的管道与内燃机尾气充分接触，这便需要封装冷却水的管道更密集的分布于内燃机排气管道中，这势必增加排气阻力和排气背压，从而对内燃机的功效产生不利影响。也正是因为如此，现有的船舶中的余热锅炉的热量回收效率并不高。在本发明所提供的方法和装置的各种实施方式中，如果采用冷却液体(如冷却水)与尾气直接接触的方式冷却尾气，吸收了高温尾气热量的冷却水(即热水)便可以排出并利用其中的热量。这样，本发明所提供的方法和装置便可以同时也起到余热回收的功能。因此，本发明所提供的方法还包括将吸收了高温尾气热量的冷却液体输送至热量利用装置或换热器。本发明所提供的系统还包括热量利用装置或换热器，已经能将流体输送至热量利用装置或换热器的管道。一些货物运输如重油、浙青等运输时需要热源保温，可以将热水直接应用，利用热水进行保温的装置就是一种热量利用装置。另一些货物运输如冷冻冷藏运输船舶也需要热源用以制冷(具体方案属于常规设计的范畴)时，本发明方案回收的余热可以满足其全部或部分的热量需求。由于本发明的方法和装置在通过对内燃机的尾气进行降温以降低排气背压，从而提高内燃机能效的同时，将原本排放到大气的高温尾气带走的大量热能以冷却流体，如冷却水，而加以吸收。吸收了尾气热量的冷却水成为中间热水，可以直接利用，也可以再通过液液热交换的方式以很高的热交换效率转化为清洁热水再利用。例如一艘万吨级轮船的尾气排放量约为1220kg/h，在MCR工况(额定功率的80% )下排到大气的尾气温度超过300 V，其热量被全部废弃。通过本发明的装置可使该船舶在MCR工况下排到大气的尾气温度可以稳定在50°C甚至30°C左右，使原本被废弃的每小时上百万大卡的热量可以被回收。因此，原有的内燃机尾气管道上的余热锅炉完全可被本装置所取代。同时根据需要，可将回收的余热用于产生热水和/或蒸汽。为此，本发明装置的冷却水泵还可设计为可调节流量大小，通过改变冷却水量实现对产出的热水的温度调节，这样可以更好地适应余热利用的需要，进一步提高余热利用效率。
图I是本发明第一个实施例中的优化内燃机排气背压的装置的示意图。图2是本发明第一个实施例中的优化内燃机排气背压的系统的示意图。图3是本发明第一个实施例中的排气背压与发动机负荷率关系示意图。
图4是本发明第一个实施例中的排气温度与发动机负荷率关系示意图。图5是本发明第二个实施例的优化内燃机排气背压的装置的示意图。图6是本发明第三个实施例的优化内燃机排气背压的系统的示意图。图7是本发明第四个实施例的优化内燃机排气背压的系统的示意图。图8是本发明第五个实施例的优化内燃机排气背压的装置的示意图。图9是本发明第六个实施例的优化内燃机排气背压的装置的示意图。图10是本发明第七个实施例的优化内燃机排气背压的装置的示意图。
具体实施例方式图I至图4示出了本发明的第一个实施例的优化内燃机排气背压的装置和系统。如图I所示，在这个实施例中，优化内燃机排气的装置包括壳体6，壳体6上设置有冷却水进水口 10和冷却水出水口 11。其中，冷却水进水口 10位于壳体的侧面上部，冷却水出水口 11位于壳体的侧面下部。在重力的作用下，从冷却水进水口 10进入壳体的冷却水自上而下通过，并通过冷却水出水口 11排出。壳体6还设置有尾气进气管8和尾气出气口 9。其中，尾气进气管8伸入壳体的内部，伸入壳体内部的管口即尾气进气口 7。尾气进气口 7位于壳体的底部，尾气出气口 9位于壳体的顶部。从尾气进气口 7进入壳体6的尾气在壳体内部自下而上通过，并通过尾气出气口 9排出。其中，冷却水出水口 11在重力方向上位于尾气进气口 7的下方，以便流到或落到壳体底部的冷却水在重力作用下不会通过尾气进气口 7进入尾气进气管8。壳体6内还填充有相互之间能形成空隙的填料，形成填料层12。填料层12的上方设置有布水器14。另外，为了防止冷却水从尾气进气口 7进入尾气进气管8，在尾气进气口 7和填料层12之间还设置有挡水板13。挡水板13位于尾气进气口 7的正上方，在竖直方向上完全挡住从上而下的液体而不使液体进入尾气进气口 7。挡水板13的上表面的边缘部分低于中央部分，以便流到或落到挡水板13的洗涤水进一步流到或落到壳体底部，这也进一步防止洗涤水进入尾气进气口 7。为使内燃机排出的高温高速尾气在到达尾气进气口 7处前不会因为挡水板13的阻碍突然转向而造成较大的排气阻力，此处配置尾气进气管8和尾气进气口 7使尾气平滑地到达进气口 7处，并避开挡水板13，然后进入壳体内。
如图I和图2所示，使用时，将优化内燃机排气背压的装置5安装于船舶内燃机的排气通道中，该装置与内燃机的排气通道一起构成优化内燃机排气背压的系统。该船舶内燃机上装有涡轮增压器2。由于现有法规对消音和节能的相关规定，在现有的船舶结构中，内燃机排气通道中安装有余热锅炉和消音器；而且，在内燃机尾气排放通路所处的位置，已经没有多余的空间再安装具有较大尺寸的设备。在本实施例中，将优化内燃机排气背压的装置5安装在现有船舶的消音器位置，并取代原来的消音器和余热锅炉。尾气进气管8与内燃机排气管3连通，烟囱4与尾气出气口 9连通。另外，本实施中的优化内燃机排气背压的系统还可包括冷却水进水管16、冷却水排水管17、水泵18、调节阀门19、换热器20、热量利用装置21。其中，冷却水进水管16、优化内燃机排气背压的装置5、冷却水排水管17构成冷却水的流动路径。换热器20安装于冷却水排水管17中，用于将吸收了热量的冷却水中的热量传递给另一种流体，再输送至热量利用装置21加以利用。通过如下方法使用本实施例的装置和系统当船舶行驶在海洋中时，内燃机做功产生高温尾气(约500°C左右)，通过内燃机排气管排出，然后通过尾气进气管进入优化内燃机排气背压的装置的壳体；冷却水进水管从所在的自然环境中直接抽取海水，经过水泵 输送进入优化内燃机排气背压的装置的壳体。尾气在排放压力和自然扩散的作用下，在壳体的内部从下至上流过；海水在重力的作用下，在壳体的内部从上至下流过。高温尾气在填料层被分割成小支流，并与海水相互接触而被迅速冷却。冷却后的尾气(通过填料层后约为30°C 80°C)通过烟囱排出大气。吸收了热量的海水从冷却水出水口排出，然后通过冷却水排水管流经换热器将热量传递给另一种流体，然后排入海洋。在换热器中吸收了热量的另一种液体被输送至热量利用装置加以利用。以上的实施例利用具有大量空隙的填料层将高温尾气分割成许多小支流，从而提供一定的排气阻力，并在填料层中将高温尾气迅速冷却。被冷却的高温尾气体积骤然收缩，其流量和流速下降，所引起的阻力以更大的幅度减小，内燃机排气背压相对下降，从而不仅改善内燃机换气工况，而且有助提升涡轮增压器的增压效能。本实施例的排气背压随负荷升高而相对降低，因而完全消除了对排气背压的敏感因素。此外，由于在内燃机低负荷时，本实施例还提供了一定的背压，以提高内燃机扭矩。本实施例中的优化内燃机排气背压的装置5还起到消音的作用。消音的原理属于阻抗复合式消音，兼有阻性和抗性两者的消音特性。由于本实施例将数百摄氏度的高温尾气冷却到数十摄氏度，产生了同时增强阻性和抗性消音效果的冷却扩容效应，因而比现有技术的消音器有更好的消音效果。一艘万吨级轮船加装该实施例所提供的优化内燃机排气背压系统。其主推柴油内燃机排量P = 336升，燃用含硫2 3% mm的重油。根据内燃机排气通道沿程空间条件，在内燃机排量3 30倍的范围内选取内燃机尾气净化装置的壳体的容积。根据尾气进气管3的尺寸，尾气进气管横截面积为O. 3m2，按O. 05 O. 5倍选择壳体横截面积，则壳体的容积选取为5. 3m3，横截面积选取为I. Sm2。优化内燃机排气背压的装置安装于主推柴油内燃机排气通道上，该船主推内燃机不再另行配置消音器和余热锅炉。 向优化内燃机排气背压的装置输送的冷却水由水泵取自海水，冷却水量控制为20 IOOmVh。经申请人测试，在上述轮船上实施该实施例后，船舶排出的噪音减少了 23db。
图3为第一实施例中申请人实际测得的船舶的排气背压与内燃机负荷率之间的关系示意图。其中，现有技术的数据通过测量现有的安装有消音器和余热锅炉的船舶(其它配置与本实施例的船舶的配置相同)获得。排气背压的数据采集自尾气进气口，单位是Pa。从图中的结果可以看出，安装本实施例中的装置后，在内燃机低负荷时，本实施例中的排气背压比现有装置(消音器)的排气背压稍大。随着内燃机负荷的上升，现有装置的排气背压迅速上升，而本实施例中的排气背压上升的速度和幅度远远小于现有的排气背压。图4为第一实施例中申请人实际测得的船舶的排气温度与内燃机负荷率之间的关系示意图。其中，现有技术的数据通过测量现有的安装有消音器和余热锅炉的船舶(其它配置与本实施例的船舶的配置相同)获得。温度的数据采集自烟囱的排放口。从图中的结果可以看出，在现有的船舶中，随着内燃机负荷的上升，排放的尾气温度也随之上升，最高可达到350°C左右，很显然，尾气中还有大量的余热没有得到利用。而安装本实施例中的装置后，排气温度一直稳定在30°C左右。图5示出了本发明的第二个实施例的优化内燃机排气背压的装置。与第一个实施例中的优化内燃机排气背压的装置所不同的是，该实施例的优化内 燃机排气背压的装置的尾气进气口 7位于壳体6侧面下部，在重力方向上，尾气进气口 7的位置比洗涤水出水口 11的位置高。在这种情况下，内燃机排气通道通过尾气进气管8与壳体的侧面相连通。由于尾气从壳体的侧面进入，所以不需要挡水板。内燃机的排气通道与优化内燃机排气背压的装置的壳体的侧面相连通。在本实施例中，内燃机排量P = 33升，壳体容积为O. 2m3，横截面积为O. 3m2，尾气进气管的横截面积为 O. 06m2。图6示出了本发明的第三个实施例的优化内燃机排气背压的系统。与第一个实施例中的优化内燃机排气背压的系统所不同的是，该实施例的优化内燃机排气背压的系统中的冷却水取自内燃机的冷却水，吸收了热量的冷却水可以和内燃机冷却水一样直接排放。图7示出了本发明的第四个实施例的优化内燃机排气背压的系统。与第一个实施例中的优化内燃机排气背压的系统所不同的是，该实施例的优化内燃机排气背压的系统除了包括将壳体的流体输送至换热器20的管道，还包括将换热器20的流体输送至壳体的管道。在这种优化内燃机排气背压的系统中，吸收了高温尾气热量的冷却水流经热交换器20后，又输送至壳体重新作为冷却水，从而实现循环利用。另外，该实施例的优化内燃机排气背压的系统还包括有杂质分离器22，安装于冷却水排水管中，用于过滤冷却水中的杂质，将杂质通过杂质排出管24排出，以防止冷却水带入的颗粒物积聚太多。杂质分离器22同时具有添加冷却水的功能，通过冷却水补充管23补充因蒸发而减少的冷却水。图8示出了本发明的第五个实施例的优化内燃机排气背压的的装置。该实施例的优化内燃机排气背压的装置的壳体中设置有散热部件25，即冷却部件。散热部件25由热管26、吸热片27和散热片28构成。吸热片27位于壳体的内部，由热良导体制成，用于将尾气分割成小支流，并吸收尾气中的热量。散热片28位于壳体的外部，由热良导体制成，用于将热量释放到环境中。热管26连接吸热片27和散热片28，由热良导体制成，用于将吸热片吸收的热量传递至散热片。内燃机排出的高温尾气通过该实施例中的装置时，被吸热片27分割成小支流，同时与散热部件25发生热交换而被冷却。该实施例的优化内燃机排气背压的装置也可以直接安装于在陆地上用内燃机作为动力的设备中，比如汽车中。图9示出了本发明的第六个实施例的优化内燃机排气背压的装置。该实施例的优化内燃机排气背压的装置的壳体内设置有能让冷却水在其中流动的冷却管道29，即冷却部件。冷却管道29在壳体内密集分布，因此可以起到将尾气分割成小支流的作用。使用时，使冷却水在冷却管道中保持流动，尾气在被分割成小支流的过程中同时被迅速冷却。冷却水吸收高温尾气中的热量后形成蒸汽，形成的蒸汽可以输送至热量利用 装置直接利用。该实施例的装置可以安装于船舶中，冷却水取自自然水体的海水、河水或湖水，冷却水也可以采用内燃机的冷却水。该装置也可以安装于汽车，冷却水也可以采用内燃机的冷却水。图10示出了本发明的第七个实施例的优化内燃机排气背压的装置。该实施例的优化内燃机排气背压的装置包括壳体6，壳体6上设置有尾气进气口 7和尾气出气口 9。与以上所不同的是，尾气进气口 7到壳体内部没有形成截面的突然扩张。其中，尾气出气口 9的存在使排气通道的截面缩小，从而提供一定的排气阻力。该实施例的装置还包括喷淋器15，用于向壳体内部喷淋冷却水，从而迅速降低高温尾气的温度。吸收了热量的冷却水从冷却水出水口 11排出。
权利要求
1.一种优化内燃机排气背压的方法，其特征在于，所述方法包括 1)在内燃机排气通道中设置一阻尼部件，并使内燃机排出的尾气通过所述阻尼部件； 2)使尾气在通过所述阻尼部件之前被冷却，或者使尾气在通过所述阻尼部件的同时被冷却。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述阻尼部件是能够使排气通道的截面缩小的部件。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的能够使排气通道的截面缩小的部件是截面突然缩小的排气管道。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的能够使排气通道的截面缩小的部件是设置于排气管道中的具有小孔的部件。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述阻尼部件是能够将尾气分割成多个小支流的部件。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述阻尼部件是能够改变尾气流动方向的排气管道。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，将尾气进行冷却的方法是将尾气分割成多个小支流，然后将分散的小支流与冷却介质发生热交换。
8.如权利要求I所述的方法，其特征在于，将尾气进行冷却的方法是使尾气与冷却液体相互接触。
9.如权利要求I所述的方法，其特征在于，将尾气进行冷却的方法是使尾气通过具有大量空隙的部件而被分割成多个小支流，在所述空隙中使所述小支流与冷却液体相互接触。
10.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述阻尼部件位于一壳体内部，并在壳体内部将内燃机排出的尾气进行冷却，所述方法还包括使内燃机排出的尾气通过所述壳体的尾气进气口进入壳体内部，然后将冷却后的尾气通过所述壳体的尾气出气口排出壳体。
全文摘要
本发明提供一种优化内燃机排气背压的方法，所述方法包括1)在内燃机排气通道中设置一阻尼部件，并使内燃机排出的尾气通过所述阻尼部件；2)使尾气在通过所述阻尼部件之前被冷却，或者使尾气在通过所述阻尼部件的同时被冷却。利用本发明所提供的方法可以实现在内燃机低负荷时具有相对较高的排气背压，而在内燃机高负荷时排气背压不至于升高过快。本发明还提供优化内燃机排气背压的装置和系统。
文档编号F01N13/08GK102852596SQ201110289629
公开日2013年1月2日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年7月1日
发明者彭斯干 申请人:彭斯干