一种船舶二冲程柴油机废气再循环系统及控制方法
【专利摘要】本发明提供的是一种船舶二冲程柴油机废气再循环系统及控制方法。工作模式为非EGR模式和EGR模式；当船舶航行在非排放控制区，柴油机工作在非EGR模式，从排气歧管来的废气驱动涡轮做功，带动压气机压缩空气，加压新鲜空气经冷却和除湿，通过扫气箱进入发动机参与燃烧；当船舶在排放控制区航行时，柴油机工作在EGR模式，部分废气从排气歧管中引出，流过单向截止阀，通过冷却和洗涤，降低其温度并除去其中颗粒和SOx，再经EGR风机增压和水滴捕集器除湿，在扫气箱中与从压气机来的新鲜空气混合，进入气缸参与燃烧，降低发动机的NOx生成和排放量，满足IMO有关NOx排放的Tier III标准。
【专利说明】一种船舶二冲程柴油机废气再循环系统及控制方法
【技术领域】
本发明涉及的是一种船舶废气污染物排放控制装置，本发明也涉及的是一种船舶废气污染物排放控制装置的控制方法。具体地说是一种为满足国际海事组织(MO)船舶废气污染物排放法规的船舶二冲程柴油机NOx排放控制技术。
【背景技术】
随着国际航运业的发展，船舶所产生的废气排放己成为沿海地区尤其是港口大气的主要污染源。船舶二冲程柴油机产生的气态排放物中，NOx占有很大比重，很容易形成酸雨、酸雾和光化学烟雾，是造成大气污染的主要酸性气体之一。
IMO已对船舶柴油机废气中的NOx排放进行了严格的限制。
目前，常用的NOx减排措施主要包括机内减排措施和机外减排措施。机内减排措施是通过一定的方法,例如缸内延迟喷油、改进喷油规律、降低进气温度、增加进气湿度等,改变缸内燃烧，减少缸内NOx生成，最终减少发动机NOx排放；机外减排NOx措施，主要是SCR后处理技术(选择性催化还原)，利用还原剂还原柴油机排气管中的NOx，使之变为无害的N2,最终减少发动机NOx排放。相对而言，上述机内减排措施比较容易实现，但减排效果有限。机外减排SCR技术，减排效果好，能满足MO的NOx排放要求，但后处理装置体积庞大，减少了船舶的有效空间，同时SCR的运行和维护成本也较高。
作为一种有效的柴油机NOx减排措施，废气再循环(EGR)系统通过将一部分废气从排气歧管中弓I出，经过降温、洗涤等处理，进入发动机扫气箱，再分配给发动机各缸进行燃烧，由于再循环的废气中含有一定量的CO2和H2O,降低了发动机缸内工质的比热，进而降低发动机燃烧温度，同时废气再循环降低了缸内工质中氧气浓度，从而降低了发动机的NOx生成和排放量。
由于EGR能满足MO控制区有关NOx的Tier III排放标准，且其体积和成本均远小于选择性催化还原(SCR)系统，是一种有前途的船舶二冲程柴油机NOx排放控制技术。
现有EGR技术，都是针对车用发动机NOx排放控制技术和EGR部件的，例如:
1.中国专利申请号为200580046815.2、名称为“EGR装置”的专利文件中，提出了一套EGR方案，从发动机排气歧管引出废气，经中间冷却器冷却后，与新鲜空气混合，进入发动机参与燃烧，此EGR系统通过EGR阀调整EGR废气量。该EGR系统针对燃用轻质油的车用柴油机，对于燃用低质重油的船用二冲程柴油机，废气再循环必须预先去除废气中颗粒和SOx，以避免发动机磨损；此外，由于二冲程柴油机功率和废气量远比车用四冲程柴油机大，EGR阀无法胜任调整大功率柴油机EGR废气量的任务。
2.中国专利申请号为200810196308.2的专利文件中，提出了名称为“一种低压EGR系统”，该EGR系统从颗粒捕集器后引出废气，然后流经一级冷却器和二级冷却器进行强制冷却，经EGR阀控制调节流量后在增压器压缩机前与流出空气滤清器的增压空气汇合，然后导入中冷器，沿进气系统流入发动机燃烧室燃烧，其冷却器分流整车空调系统的一部分冷媒来对EGR废气冷却。该EGR系统针对车用四冲程柴油机，对于船舶二冲程柴油机，由于燃用低质重油，废气中颗粒远比燃用轻质油的四冲程柴油机多，不适合使用颗粒捕集器，另外，低压EGR系统增大了对压气机的磨损，且船舶采用中央冷却，与车辆空调系统完全不同。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能有效地去除废气中颗粒物，改善发动机燃烧状况，降低缸内燃烧温度，减少柴油机的NOx生成和排放的船舶二冲程柴油机废气再循环系统。本发明的目的还在于提供一种船舶二冲程柴油机废气再循环系统的控制方法。
本发明的船舶二冲程柴油机废气再循环系统为:包括在与柴油机的排气管相连的排气歧管和柴油机的进气管相连的扫气箱之间连接的进气系统，所述进气系统包括连通到排气歧管的涡轮、由涡轮驱动的压气机、连接于压气机出口与扫气箱之间的空气中间冷却器、连接于压气机出口和涡轮入口之间的包含第一单向截止阀的压缩空气旁通通路，在与柴油机的排气管相连的排气歧管和柴油机的进气管相连的扫气箱之间还连接EGR系统，所述EGR系统包括通过第二单向截止阀与排气歧管连接的预洗涤器、连接在预洗涤器后的EGR冷却器、连接在EGR冷却器后的EGR洗涤器、连接在EGR洗涤器后的EGR水滴捕集器，EGR水滴捕集器的出口连接风机，风机的出口通过第三单向截止阀与扫气箱相连。
本发明的船舶二冲程柴油机废气再循环系统还可以包括:
1、在空气中间冷却器与扫气箱之间空气水滴捕集器。
2、在涡轮进出口之间设置废气旁通管路，废气旁通管路上设置第四单向截止阀。
3、所述预洗涤器和EGR洗涤器采用一级或多级喷淋塔结构，或采用填料塔结构。
本发明的船舶二冲程柴油机废气再循环系统的控制方法为:
包括非EGR模式和EGR模式；
船舶在非排放控制区运行时，运行在非EGR模式，即关闭EGR系统中第二和第三单向截止阀，发动机的废气通过排气歧管全部通入涡轮，驱动压气机工作，压缩新鲜空气，压缩空气经过空气中间冷却器降温，进入空气水滴捕集器，再进入扫气箱，通过进气管，进入发动机参与燃烧，关闭压缩空气旁通通路中的第一单向截止阀，当发动机高负荷工作时，打开废气旁通通路中第四单向截止阀，旁通多余废气；
船舶在排放控制区运行时，发动机运行在EGR模式，即打开EGR系统路中的第二和第三单向截止阀，发动机大部分废气仍通入涡轮，其余废气通过第二单向截止阀流入EGR系统，经预洗涤器降低废气温度并除去部分颗粒，再经EGR冷却器降低废气温度，进入EGR洗涤器除去废气中颗粒和SOx，再由EGR水滴捕集器消除废气中的水滴，通过风机加压后，经第三单向截止阀，进入扫气箱和由进系统过来的压缩新鲜空气混合，混合气通过进气管，进入船舶二冲程柴油机参与燃烧，关闭废气旁通通路中第四单向截止阀，打开压缩空气旁通通路中第一单向截止阀，由压气机向涡轮补充部分压缩空气。
本发明提出了一种用于船舶二冲程柴油机的废气再循环系统及控制方法，能有效地去除废气中颗粒物，改善发动机燃烧状况，降低缸内燃烧温度，减少柴油机的NOx生成和排放，满足頂O法规对船舶二冲程柴油机废气中NOx排放的Tier III要求。
本发明的船舶二冲程柴油机废气再循环系统，包含柴油机系统和附属与柴油机系统的EGR装置。所述EGR装置连接到排气歧管和扫气箱，其中设有单向截止阀、预洗涤器、EGR冷却器、EGR洗涤器和EGR风机。
在上述柴油机系统中，空气中间冷却器后增设水滴捕集器。
在上述柴油机系统中，在涡轮进出口之间增设废气旁通管路。
在上述EGR装置中，所述预洗涤器和EGR洗涤器采用一级或多级喷淋塔结构，或采用填料塔结构。
本发明的船舶二冲程柴油机废气再循环降低NOx排放的方法，将具有EGR系统的船舶柴油机分为两种工作模式，非EGR模式和EGR模式。
非EGR模式:船舶在非排放控制区运行时，发动机运行在非EGR模式，即关闭EGR通路中单向截止阀，EGR装置不投入运行；此时发动机的废气通过排气歧管全部通入涡轮，驱动压气机工作，压缩新鲜空气，压缩空气经过空气中间冷却器降温，进入水滴捕集器，去除其中所含水滴，进入扫气箱，通过进气管，进入发动机参与燃烧；非EGR模式下，关闭压缩空气旁通通路中单向截止阀，当发动机高负荷工作时，打开废气旁通通路中单向截止阀，旁通多余废气。
EGR模式:船舶在排放控制区运行时，发动机运行在EGR模式，即打开EGR路中单向截止阀，EGR装置投入运行；此时发动机大部分废气仍通入涡轮；其余废气通过单向截止阀流入EGR通路，经预洗涤器降低废气温度并除去部分颗粒，再经EGR冷却器降低废气温度，进入EGR洗涤器除去废气中颗粒和SOx，再由水滴捕集器消除废气中的水滴，通过EGR风机加压后，经单向截止阀，进入扫气箱，和由进气通道过来的压缩新鲜空气混合，混合气通过进气管，进入船舶二冲程柴油机参与燃烧，降低发动机NOx的生成和排放量；EGR模式下，关闭废气旁通通路中单向截止阀，打开压缩空气旁通通路中单向截止阀，由压气机向涡轮补充部分压缩空气。
EGR模式下，通过EGR风机调整再循环的废气流量(即EGR率)，实现在不同发动机负荷下，发动机NOx排放都能满足MO Tier III的要求。
废气旁通通路C中单向截止阀在非EGR模式下开启，用于旁通柴油机多余废气，提高发动机效率。
压缩空气旁通通路D中单向截止阀在EGR模式下开启，用于向涡轮补充部分压缩空气，提高涡轮的输出功率。
与现有技术相比，本发明的优势在于:
1.与SCR系统相比，本发明采用的一种船舶二冲程柴油机废气再循环系统体积小，投资成本低，节省船舶空间。
2.由于本发明的一种船舶二冲程柴油机废气再循环系统只洗涤循环废气，仅消耗少量的碱性物质，与SCR系统相比，节省了大量的还原剂，节省了设备运行成本。
3.由于现代增压技术的发展，采用本发明的EGR系统，通过调整发动机参数，柴油机的经济性和效率不会降低。
4.本发明的EGR系统，降低了柴油机最高爆发压力，在一定程度上增加了发动机的寿命，并有利于发动机设计。
5.作为柴油机的附属装置，EGR系统相对集中，减少了泵、阀和管路的阻力损失。
6.本发明的EGR系统，作为船舶二冲程柴油机的附件，易于与船舶柴油机其他废气后处理设备匹配配合。
【专利附图】
【附图说明】
图1为本发明的一种船舶二冲程柴油机废气再循环系统示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
本发明的EGR系统适合于船舶二冲程柴油机系统，该柴油机系统具有:发动机1，通过排气管2连接到发动机I上的排气歧管3，设置在进气通道B上的空气中间冷却器8和水滴捕集器9，连通到排气歧管3的涡轮4和设置在进气通道B上的压气机6 ;进气通道B连通压气机6出口和扫气箱17，包含空气中间冷却器8和水滴捕集器9 ;含有单向截止阀5的废气旁通通路C直接连接涡轮4入口和环境大气；包含单向截止阀7的压缩空气旁通通路D直接连接压气机6出口和涡轮4入口。
EGR装置包括:连通排气歧管3和扫气箱17的EGR通路A，设置在EGR通路A上的用于控制EGR开启和废气流向的单向截止阀10，设置在EGR通路A上，用于初步冷却废气并预洗颗粒的预洗涤器11，设置在EGR通路A上，在预洗涤器11后，用于冷却EGR废气的EGR冷却器12，在EGR冷却器12后，用于洗涤EGR废气中颗粒和SOx的洗涤器13，在洗涤器13后，用于捕集洗涤后EGR废气中水滴的水滴捕集器14，设置在EGR通路A中，用于对EGR废气增压的EGR风机15，设置在EGR通路A中，用于控制EGR通路开闭和废气流向的单向截止阀16。
本发明的EGR系统分两种工作模式，非EGR模式和EGR模式。
非EGR模式:船舶在非排放控制区运行时，发动机运行在非EGR模式，即EGR通路A中单向截止阀10和16关闭，EGR装置不投入运行；此时发动机I的废气通过排气歧管3全部通入涡轮4，在涡轮4中膨胀做功，驱动压气机6工作，压气机6压缩新鲜空气，压缩空气经过空气中间冷却器8降温，进入水滴捕集器9，去除其中所含水滴，进入扫气箱17，通过进气管18，进入发动机1，参与燃烧；非EGR模式下，压缩空气旁通通路D中单向截止阀7关闭，当发动机高负荷工作时，发动机废气量过多，打开废气旁通通路C中单向截止阀5，旁通多余废气，提高发动机效率。
EGR模式:船舶在排放控制区运行时，发动机运行在EGR模式，即EGR通路中单向截止阀10和16打开，EGR装置投入运行；此时发动机I的大部分废气仍通入涡轮4 ;其余废气通过单向截止阀10流入EGR通路A，经预洗涤器11，降低废气温度并除去部分颗粒，经EGR冷却器12，降低废气温度，进入EGR洗涤器13，除去废气中颗粒和SOx，再由水滴捕集器14，消除废气中的水滴，通过EGR风机15加压，经单向截止阀16，进入扫气箱17，和由进气通道B过来的压缩新鲜空气混合，混合气通过进气管18，进入船舶二冲程柴油机I参与燃烧，降低发动机NOx的生成和排放量；EGR模式下，由于EGR通路A开启，流到涡轮4的废气流量不足，此时关闭废气旁通通路C中单向截止阀5，同时打开压缩空气旁通通路D中单向截止阀7,由压气机6向涡轮4补充部分压缩空气，提高涡轮4的输出功率。EGR模式下，通过EGR风机15调整再循环的废气流量(即EGR率)，实现在不同发动机工况下，发动机NOx排放都能满足頂O Tier III的要求。
废气旁通通路C中单向截止阀5在非EGR模式下开启，在非EGR模式下关闭，气流方向从排气歧管3到环境大气。
[0039]压缩空气旁通通路D中单向截止阀7在非EGR模式下关闭，在EGR模式下开启，气流方向从压气机6出口到涡轮4入口。
EGR通路A中单向截止阀10和16在非EGR模式下关闭，在EGR模式下开启，气流方向分别为从排气歧管3流向预洗涤器11和从EGR风机15流向扫气箱17。
【权利要求】
1.一种船舶二冲程柴油机废气再循环系统，包括在与柴油机的排气管相连的排气歧管和柴油机的进气管相连的扫气箱之间连接的进气系统，所述进气系统包括连通到排气歧管的涡轮、由涡轮驱动的压气机、连接于压气机出口与扫气箱之间的空气中间冷却器、连接于压气机出口和涡轮入口之间的包含第一单向截止阀的压缩空气旁通通路，其特征是:在与柴油机的排气管相连的排气歧管和柴油机的进气管相连的扫气箱之间还连接EGR系统，所述EGR系统包括通过第二单向截止阀与排气歧管连接的预洗涤器、连接在预洗涤器后的EGR冷却器、连接在EGR冷却器后的EGR洗涤器、连接在EGR洗涤器后的EGR水滴捕集器，EGR水滴捕集器的出口连接风机，风机的出口通过第三单向截止阀与扫气箱相连。
2.根据权利要求1所述的船舶二冲程柴油机废气再循环系统，其特征是:在空气中间冷却器与扫气箱之间空气水滴捕集器。
3.根据权利要求1或2所述的船舶二冲程柴油机废气再循环系统，其特征是:在涡轮进出口之间设置废气旁通管路，废气旁通管路上设置第四单向截止阀。
4.根据权利要求1或2所述的船舶二冲程柴油机废气再循环系统，其特征是:所述预洗涤器和EGR洗涤器采用一级或多级喷淋塔结构，或采用填料塔结构。
5.根据权利要求3所述的船舶二冲程柴油机废气再循环系统，其特征是:所述预洗涤器和EGR洗涤器采用一级或多级喷淋塔结构，或采用填料塔结构。
6.一种权利要求1所述的本发明的船舶二冲程柴油机废气再循环系统的控制方法，其特征是: 包括非EGR模式和EGR模式； 船舶在非排放控制区运行时，运行在非EGR模式，即关闭EGR系统中第二和第三单向截止阀，发动机的废气通过排气歧管全部通入涡轮，驱动压气机工作，压缩新鲜空气，压缩空气经过空气中间冷却器降温，进入空气水滴捕集器，再进入扫气箱，通过进气管，进入发动机参与燃烧，关闭压缩空气旁通通路中的第一单向截止阀，当发动机高负荷工作时，打开废气旁通通路中第四单向截止阀，旁通多余废气； 船舶在排放控制区运行时，发动机运行在EGR模式，即打开EGR系统路中的第二和第三单向截止阀，发动机大部分废气仍通入涡轮，其余废气通过第二单向截止阀流入EGR系统，经预洗涤器降低废气温度并除去部分颗粒，再经EGR冷却器降低废气温度，进入EGR洗涤器除去废气中颗粒和SOx，再由EGR水滴捕集器消除废气中的水滴，通过风机加压后，经第三单向截止阀，进入扫气箱和由进系统过来的压缩新鲜空气混合，混合气通过进气管，进入船舶二冲程柴油机参与燃烧，关闭废气旁通通路中第四单向截止阀，打开压缩空气旁通通路中第一单向截止阀，由压气机向涡轮补充部分压缩空气。
【文档编号】F02D21/08GK104405542SQ201410612365
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】周松, 周金喜, 张贺付, 杨军, 刘佃涛 申请人:哈尔滨工程大学