一种可实现内燃机低排放的进气及排气处理系统的制作方法

本发明涉及内燃机技术领域，更具体地说，它涉及一种可实现内燃机低排放的进气及排气处理系统。

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系统阻力，dpf系统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。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种可实现内燃机低排放的进气及排气处理系统。

本发明的技术方案是：一种可实现内燃机低排放的进气及排气处理系统，包括惰性气体储存罐、氧气储存罐、氧气发生器、黑碳燃烧装置、混合器，所述惰性气体储存罐的输出端、氧气储存罐的输出端、氧气发生器的氧气输出端连接于同一供气管，所述供气管连接内燃机的进气管，所述供气管上设有混合器，所述供气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的输出端设有第二控制阀，所述氧气储存罐的输出端设有第三控制阀，所述氧气发生器的氧气输出端设有第四控制阀，所述黑碳燃烧装置通过第一尾气管连接所述内燃机的排气管，所述黑碳燃烧装置与排气管之间的第一尾气管上设有第五控制阀，所述第五控制阀通过第二尾气管连接所述混合器的输入端，所述氧气发生器的氧气输出端通过第一补气管连接所述黑碳燃烧装置的输入端，所述第一补气管上设有第六控制阀。

作为进一步地改进，所述黑碳燃烧装置包括壳体，所述壳体的两端分别连接所述第一尾气管，所述壳体的内部设有电炉丝。

进一步地，所述氧气发生器为多孔碳分子筛式制氧机。

进一步地，还包括涡轮增压器，所述供气管、第一尾气管对应连接所述涡轮增压器的压气机、涡轮机。

进一步地，所述进气管与压气机之间的供气管上设有第一中冷器，所述第五控制阀与涡轮机之间的第一尾气管上设有第二中冷器。

进一步地，所述涡轮机与第二中冷器之间的第一尾气管上设有后处理装置。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有的优点为：

在内燃机启动阶段，本发明通过惰性气体储存罐、氧气储存罐、氧气发生器供应惰性气体和氧气的混合气体，在内燃机运行阶段，通过氧气储存罐、氧气发生器、第二尾气管供应尾气和氧气的混合气体，可以极大减少nox化合物及碳烟颗粒的排放，减少对后处理系统的依赖，降低后处理系统的使用负荷，延长后处理装置的使用寿命，节约运营和维护成本，通过黑碳燃烧装置进一步将尾气中的碳烟颗粒进行充分灼烧，产生的co2和h2o排出至大气中，可极大减少碳烟颗粒的排放。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中黑碳燃烧装置的结构示意图。

其中：1-惰性气体储存罐、2-氧气储存罐、3-氧气发生器、4-黑碳燃烧装置、5-混合器、6-供气管、7-内燃机、8-进气管、9-第一控制阀、10-第二控制阀、11-第三控制阀、12-第四控制阀、13-第一尾气管、14-排气管、15-第五控制阀、16-第二尾气管、17-第一补气管、18-第六控制阀、19-壳体、20-电炉丝、21-涡轮增压器、22-压气机、23-涡轮机、24-第一中冷器、25-第二中冷器、26-后处理装置。

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、2，一种可实现内燃机低排放的进气及排气处理系统，包括惰性气体储存罐1、氧气储存罐2、氧气发生器3、黑碳燃烧装置4、混合器5。惰性气体储存罐1的输出端、氧气储存罐2的输出端、氧气发生器3的氧气输出端连接于同一供气管6，供气管6连接内燃机7的进气管8，供气管6上设有混合器5，供气管6远离进气管8的一端设有第一控制阀9，惰性气体储存罐1的输出端设有第二控制阀10，氧气储存罐2的输出端设有第三控制阀11，氧气发生器3的氧气输出端设有第四控制阀12，黑碳燃烧装置4通过第一尾气管13连接内燃机7的排气管14，黑碳燃烧装置4与排气管14之间的第一尾气管13上设有第五控制阀15，第五控制阀15通过第二尾气管16连接混合器5的输入端，氧气发生器3的氧气输出端通过第一补气管17连接黑碳燃烧装置4的输入端，第一补气管17上设有第六控制阀18。

黑碳燃烧装置4包括壳体19，壳体19的两端分别连接第一尾气管13，壳体19的内部设有电炉丝20，电炉丝20与外部电源连接。

工作原理：

当内燃机启动时，可以通过控制第二控制阀10、第三控制阀11、第四控制阀12的开度使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7的进气管8，以供内燃机运行，惰性气体不参与燃烧，主要用于调节进气管8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，且惰性气体与氧气的比例连续可调；

当内燃机启动成功后，可以通过控制第三控制阀11、第四控制阀12、第五控制阀15的开度使氧气和尾气按照第二设定比例混合均匀后输入进气管8，以供内燃机运行，第二设定比例为尾气:氧气＝1:1～7:1，且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7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；

当内燃机运行时，外部电源给电炉丝20供电，电炉丝20加热到设定温度将尾气中的碳烟颗粒进行充分灼烧，产生的co2和h2o排出至大气中，第一补气管17将氧气发生器3的氧气输送到黑碳燃烧装置4内，可以保证黑碳燃烧装置4内氧气充足，从而保证碳烟颗粒进行充分灼烧。

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。

在本实施例中，氧气发生器3为多孔碳分子筛式制氧机，对空气加压后，空气从空气进口29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30排出。当然，在其他实施例中，氧气发生器3也可以采用深冷空气分离式制氧机，利用液氮的沸点高于液氧沸点的原理进行分离制取氧气。

本系统还包括涡轮增压器21，供气管6、第一尾气管13对应连接涡轮增压器21的压气机22、涡轮机23。进气管8与压气机22之间的供气管6上设有第一中冷器24，用于冷却增压后进气的温度。第五控制阀15与涡轮机23之间的第一尾气管13上设有第二中冷器25，第二中冷器25可采用海水冷却、可以采用淡水冷却、也可以采用空气冷却。第二中冷器25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二中冷器25中将得到进一步沉降和汇集。

涡轮机23与第二中冷器25之间的第一尾气管13上设有后处理装置26，后处理装置26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装置26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。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。设置scr的主要作用是，当氧气发生器3及氧气储存罐2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10、第三控制阀11、第四控制阀12将同时关闭，第一控制阀9打开，内燃机7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2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。

氧气发生器3的氧气输出端通过充气管27连接氧气储存罐2，充气管27上设有气泵28，可以及时补充氧气到氧气储存罐2内。

在内燃机启动阶段，本发明通过惰性气体储存罐、氧气储存罐、氧气发生器供应惰性气体和氧气的混合气体，在内燃机运行阶段，通过氧气储存罐、氧气发生器、第二尾气管供应尾气和氧气的混合气体，可以极大减少nox化合物及碳烟颗粒的排放，减少对后处理系统的依赖，降低后处理系统的使用负荷，延长后处理装置的使用寿命，节约运营和维护成本，通过黑碳燃烧装置进一步将尾气中的碳烟颗粒进行充分灼烧，产生的co2和h2o排出至大气中，可极大减少碳烟颗粒的排放。

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。