[發明專利]內燃機注汽渦輪增壓系統

有效

• 申請號: 01101560.8
• 申請日: 2001-01-02
• 公開（公告）號: CN1363764A
• 公開（公告）日: 2002-08-14
• 發明（設計）人: 聞雪友;陸犇
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七研究院第七○三研究所
• 主分類號: F02B41/00
• 分類號: F02B41/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種渦輪增壓內燃機系統，尤其是渦輪增壓柴油機系統。

由于渦輪增壓技術的進展，使內燃機尤其是柴油機的功率、經濟性、重量和體積等各項性能指標都獲得了明顯的改善。現代大功率柴油機幾乎全部采用了渦輪增壓裝置，而其中應用最廣泛的是廢氣渦輪增壓裝置。渦輪增壓內燃機是內燃機與渦輪增壓器所組成的復合式發動機，在各種工況下，渦輪增壓裝置應該向內燃機提供足夠的空氣量，如果渦輪增壓器的供氣量不足，就會引起工作過程的惡化。然而，當內燃機工況變化時，廢氣流量和參數也都發生變化，往復式的內燃機與回轉式的渦輪增壓器兩者特性匹配的結果通常是渦輪增壓柴油機在低工況運行時會出現增壓壓力不足，燃燒過量空氣系數小和廢氣排溫較高等固有特性，其直接表現就是渦輪增壓器不能提供運行條件所要求的壓比，滿足對空氣量的要求。

圖一表示渦輪增壓柴油機在不同運行條件下的渦輪增壓器的運行特性(一個特定的渦輪增壓器的運行特性)，即在不同的渦輪進口折合流量下所能提供的壓比。由圖可見，在標定工況，即設計點，增壓器提供的壓比與柴油要求的相符。在低工況時，運行特性不同，提供與要求的壓比差別不同。按車用特性、Ne＝cn²、Ne＝cn³(Ne-功率，n-轉速)特性運行時增壓器所能提供的壓比均不能滿足要求。

為了改善渦輪增壓柴油機的低工況性能，當前在渦輪增壓系統上采用了多利措施，如放廢氣增壓系統，放增壓空氣的增壓系統、渦輪前(或后)節流增壓系統、旁通增壓系統和回熱旁通增壓系統等。各種改進方案均有其各自的優缺點。

本發明的目的是提供一種新型渦輪增壓器系統，它能大幅度提高渦輪增壓器的壓比，尤其是低工況下的壓比，從而改善低工況的性能，提高渦輪增壓內燃機的功率，降低渦輪增壓內燃機的耗油率。

本發明是在渦輪增壓器的基礎上，利用渦輪增壓器的排氣余熱，設置一個朗肯回熱循環，構成一種新穎的注汽渦輪增壓系統。藉余熱所產生的蒸汽注入渦輪中將大幅度地提高渦輪功率，使由其驅動的壓氣機的壓比及流量增加，從而達到提高渦輪增壓內燃機的功率，降低其耗油率，明顯改善低工況性能的目的。

本發明的系統原理圖見圖2。其主要流程是：

工質空氣經壓氣機1增壓進入內燃機氣缸2，壓縮燃燒作功后排氣進入渦輪3。水作為第二種工質進入余熱鍋爐4，在余熱鍋爐4內從渦輪排氣余熱中吸收熱量變為過熱蒸汽，通過專門的注汽系統注入到渦輪前。在渦輪3中由兩種工質(燃氣、蒸汽)組成的混合工質膨脹作功驅動壓氣機，最后經余熱鍋爐4排入大氣。回注的蒸汽量可由調節閥5控制，來滿足渦輪增壓內燃機的需要。多余蒸汽可由旁路系統6引作它用或排放。

圖3是本發明的另一種系統原理圖。其主要流程是：

工質空氣經壓氣機1增壓進入內燃機氣缸2，壓縮燃燒作功后排氣進入渦輪3。現場已有的蒸汽經減壓或減溫減壓裝置10和調節閥5注入渦輪3。由燃氣、蒸汽組成的混合工質在渦輪3中膨脹作功，驅動壓氣機，最后排入大氣。

顯然，圖3所示系統是在一種特定場合下采用的，即現場已有現存的合適的蒸汽源。此時，雖然沒有廢熱利用，但整個系統變得非常簡單，仍能有效實現本發明的目標。

對于本發明中的主要設備及系統描述如下：

1.注汽渦輪增壓器

渦輪增壓器中有兩個獨立變量：渦輪進口(內燃機廢氣出口)的燃氣溫度和壓力。但是在注汽渦輪增壓器中還有一個獨立變量：蒸汽質量流量與燃氣質量流量之比，即汽/氣比。汽/氣比的大小對渦輪增壓器的壓比、轉速的變化影響較大，因為在等壓下蒸汽比熱至少要比空氣——燃料燃燒產物的比熱高一倍，因此蒸汽的做功能力更大。注汽溫度對壓比、轉速的影響則相對較小。圖4示出一特定增壓器注汽后特性的變化，隨著汽/氣比增大，渦輪增壓器的壓比增加。

當選擇汽/氣比時應綜合考慮如下因素作出最佳選擇：

(1)內燃機對增壓器壓比、流量的要求；

(2)壓氣機的喘振裕度；

(3)渦輪增壓器的轉速極限；

(4)渦輪的通流能力；

(5)余熱鍋爐的緊湊性(尺寸、重量)；

(6)兼顧全回注與零回注。

通常，注汽位置應盡可能向渦輪的上游移動，以使蒸汽與燃氣盡可能摻混均勻，因此，注汽部位設在內燃機的排氣管上為宜，僅在極端情況下設在渦輪的進氣管上。

當選擇大的汽/氣比時，渦輪導向器面積可能要據此作出相應調整，以保證最大汽/氣比條件下的通流能力。