一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，沿廢氣的流向依次設(shè)置有加濕裝置、旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管；旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管的內(nèi)部設(shè)有中心體，旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管的管壁與中心體之間的空間區(qū)域形成廢氣的流動通道。旋流分離器內(nèi)通過中心體的半橢球體段設(shè)有螺旋葉片，螺旋葉片按螺旋線采用不等螺距法設(shè)計。拉伐爾噴管的喉口處設(shè)有第一顆粒物出口，用于廢氣中分離中的硫化物及顆粒物的排出。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用成本低，不需要增加過多的設(shè)備即可為柴油機提供凈化后的廢氣，并降低硫化物的排放，使其能夠滿足更為嚴格的排放要求。
【專利說明】一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及柴油機廢氣預(yù)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]廢氣再循環(huán)技術(shù)(簡稱EGR)是目前柴油機降低尾氣排放的一項主要技術(shù)。為實現(xiàn)廢氣再循環(huán)技術(shù)，需將柴油機排出的廢氣引入進氣管，以達到降低氮氧化物排放的目的。由于柴油機(特別是船用柴油機)所用燃料中含硫量過高(一般在IOOOppm以上)，造成柴油機廢氣中顆粒物及硫化物含量過高，因此在采用廢氣再循環(huán)技術(shù)時，會帶來廢氣再循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件(EGR泵、EGR閥及EGR冷卻器等)及柴油機本體關(guān)鍵零部件(進氣閥組件、缸套等)的腐蝕及堵塞問題。因而對廢氣再循環(huán)中廢氣的預(yù)處理非常關(guān)鍵。
[0003]現(xiàn)有的廢氣預(yù)處理主要采用柴油機微粒捕捉器等技術(shù)來解決該問題，具體分析如下:
[0004]1、采用以壁流式蜂窩陶瓷塊為濾芯的微粒濾清器(DPF)，可有效降低柴油機顆粒物排放(降低顆粒物約80%以上)。但其目前面臨的突出問題是DPF顆粒濾清器需要消耗大量貴金屬(如Pt等)來實現(xiàn)DPF的連續(xù)再生，大大增加柴油機的成本(據(jù)不完全統(tǒng)計，美國每年大約54%的貴金屬都用在了汽車工業(yè)上)。
[0005]2、為降低排氣后處理系統(tǒng)的成本，采用柴油機氧化催化器(DOC)結(jié)合顆粒氧化催化器(POC)實現(xiàn)柴油機顆粒物排放的降低(降低顆粒物約505以上)。但其中DOC必須使用低硫柴油，POC同樣需要采用貴金屬催化劑來實現(xiàn)較好的除顆粒效果。
[0006]此外，采用DOC結(jié)合POC會帶來排氣后預(yù)處理系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大增加，不利于其在船用柴油機產(chǎn)品上的應(yīng)用推廣。
[0007]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種對柴油機廢氣進行預(yù)處理的除硫除顆粒裝置，在滿足降低尾氣排放的同時，有效減少系統(tǒng)使用成本及系統(tǒng)復(fù)雜程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，使用成本低，能夠有效針對柴油機廢氣進行除硫除顆粒的預(yù)處理。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，在本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，沿廢氣的流向依次設(shè)置有加濕裝置、旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管；所述旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管同軸；所述旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管的內(nèi)部設(shè)有中心體；所述中心體包括半橢球體段、收縮段、直段、第一擴張段和第二擴張段。所述旋流分離器包括旋流分離器外殼、中心體的半橢球體段和螺旋葉片；所述中心體的半橢球體段上設(shè)有所述螺旋葉片，所述螺旋葉片位于所述旋流分離器外殼和所述中心體的半橢球體段之間。所述拉伐爾噴管包括順次軸向連接的拉伐爾收縮管、喉口和拉伐爾擴張管；所述拉伐爾收縮管的內(nèi)部對應(yīng)中心體的收縮段，所述喉口的內(nèi)部對應(yīng)中心體的直段，所述拉伐爾擴張管的內(nèi)部對應(yīng)中心體的第一擴張段。所述擴壓管包括擴壓管外殼和中心體的第二擴張段。所述喉口的下端設(shè)有第一顆粒物出口 ；所述第一顆粒物出口與所述喉口一體成型，并垂直于喉口向下延伸一端距離。
[0010]可選地，所述旋流分離器外殼、所述拉伐爾噴管和所述擴壓管外殼一體成型。
[0011]可選地，所述旋流分離器外殼、所述拉伐爾噴管和所述擴壓管外殼通過拼裝焊接進行固定連接。
[0012]進一步地，所述螺旋葉片按螺旋線采用等螺距法或不等螺距法設(shè)計，周向均勻布置。
[0013]進一步地，所述加濕裝置采用微霧加濕或超聲波加濕。
[0014]進一步地，所述拉伐爾收縮管的入口直徑為喉口直徑的3?4倍，入口夾角為30?40。，出口夾角為20?30。。
[0015]進一步地，所述加濕裝置與所述旋流分離器通過管道連通，所述加濕裝置位于旋流分離器的上方。
[0016]進一步地，所述管道的一部分與所述螺旋葉片同軸，所述管道被設(shè)置為:廢氣通過管道以垂直角度進入旋流分離器；所述廢氣通過所述管道后正對所述螺旋葉片。
[0017]進一步地，所述旋流分離器外殼的下端設(shè)有第二顆粒物出口，所述第二顆粒物出口與所述旋流分離器外殼一體成型，并垂直于所述旋流分離器外殼向下延伸一端距離；所述第二顆粒物出口位于所述旋流分離器外殼的末端。
[0018]其中，所述旋流分離器外殼的末端是指靠近拉伐爾噴管的一端。
[0019]在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)的使用方法，包括以下步驟:
[0020]a)柴油機的排氣管中排出的廢氣進入加濕裝置進行加濕處理；
[0021 ] b )經(jīng)過步驟a)加濕處理后的廢氣進入旋流分離器，對所述廢氣中的硫化物及顆粒物進行初步分尚;
[0022]c )經(jīng)過步驟b )初步分離的廢氣進入拉伐爾噴管，對廢氣中的硫化物及顆粒物進行進一步分離，在喉口將硫化物及顆粒物從第一顆粒物出口排出；
[0023]d)經(jīng)過步驟c)處理的廢氣經(jīng)過擴壓管進行減速和增壓，排出廢氣預(yù)處理系統(tǒng)。
[0024]在本發(fā)明的一個較佳實施例中，一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，沿廢氣的流向依次設(shè)置有加濕裝置、旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管；所述加濕裝置與所述旋流分離器通過管道連通，所述加濕裝置位于旋流分離器的上方；所述旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管同軸。所述旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管的內(nèi)部設(shè)有中心體，所述旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管的管壁與中心體之間的空間區(qū)域形成廢氣的流動通道。所述旋流分離器內(nèi)通過中心體的半橢球體段設(shè)有螺旋葉片，所述螺旋葉片按螺旋線采用不等螺距法設(shè)計。所述拉伐爾噴管包括順次軸向連接的拉伐爾收縮管、喉口和拉伐爾擴張管；所述喉口處設(shè)有第一顆粒物出口，用于廢氣中分離中的硫化物及顆粒物的排出。
[0025]在本發(fā)明的另一個較佳實施例中，一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)的使用方法，首先，將柴油機的排氣管中排出的廢氣進入加濕裝置進行加濕處理；然后，加濕處理后的廢氣進入旋流分離器，對所述廢氣中的硫化物及顆粒物進行初步分離；接著，經(jīng)過初步分離的廢氣進入拉伐爾噴管，對廢氣中的硫化物及顆粒物進行進一步分離，在喉口將硫化物及顆粒物從第一顆粒物出口排出；最后，除硫除顆粒后的廢氣經(jīng)過擴壓管進行減速和增壓，排出廢氣預(yù)處理系統(tǒng)。
[0026]由此可見，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0027]1、本發(fā)明的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用成本低，不需要增加過多的設(shè)備即可為柴油機提供凈化后的廢氣，并降低硫化物的排放，使其能夠滿足更為嚴格的排放要求。
[0028]2、本發(fā)明的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)的加濕裝置，能夠形成吸收硫化物及顆粒物后的廢氣，通過加濕使得硫化物及顆粒物形成凝聚，增大顆粒的尺寸，形成氣-液兩相流，明顯有利于后續(xù)顆粒物的分離。
[0029]3、本發(fā)明的旋流分離器的螺旋葉片(螺旋型旋流葉片)，與傳統(tǒng)的弧形或直葉片相t匕，具有更強的旋流能力，旋流分離效果更好。進一步，螺旋葉片和管道的位置的設(shè)定使得廢氣以垂直角度進入旋流分離器，可以有效提高廢氣的旋流分離效果。
[0030]4、本發(fā)明的旋流分離器的末端下方設(shè)有顆粒物出口，可以將經(jīng)過旋流分離器初步分離的硫化物及顆粒物通過該顆粒物出口排出廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)硫化物及顆粒物的及時排出，減少對系統(tǒng)，特別是拉伐爾噴管的腐蝕和磨損。
[0031]5、本發(fā)明的拉伐爾噴管采用特殊的計算設(shè)計，包括拉法爾收縮管的入口直徑與喉口直徑的比值、喉口的位置、入口夾角和出口夾角等參數(shù)的設(shè)計，有利于形成強烈的旋流場，進而加速分離氣-液兩相流，并在喉口處的第一顆粒物出口將硫化物及顆粒物進行分離和排出。此外，中心體的存在，一方面能夠有效解決旋轉(zhuǎn)氣體的渦耗散問題，提高旋流分離的效率；另一方面能夠減小旋轉(zhuǎn)氣體的徑向速度梯度，降低能量損失。
[0032]6、本發(fā)明的擴壓管能夠?qū)Τ虺w粒后的廢氣進行減速和增壓，一方面能夠降低廢氣進入后續(xù)廢氣處理裝置的速度，避免對后續(xù)廢氣處理裝置的磨損；另一方面通過增壓設(shè)置，降低系統(tǒng)壓力損失。
[0033]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明的一個較佳實施例的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)的原理示意圖?！揪唧w實施方式】
[0035]如圖1所示，在一個實施例中，一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，沿廢氣的流向依次設(shè)置有加濕裝置1、旋流分離器2、拉伐爾噴管3和擴壓管4。旋流分離器2、拉伐爾噴管3和擴壓管4同軸；旋流分離器2、拉伐爾噴管3和擴壓管4的內(nèi)部設(shè)有中心體5。中心體5沿廢氣的流向依次包括半橢球體段、收縮段、直段、第一擴張段和第二擴張段。
[0036]其中，圖中的箭頭方向表示了本實施例的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)中廢氣的流向。
[0037]加濕裝置I與旋流分離器2通過管道6連通。加濕裝置I采用微霧加濕或超聲波加濕。當(dāng)柴油機的排氣管排出的廢氣進入加濕裝置I后，首先通過加濕處理，廢氣中的硫化物及顆粒物等與濕空氣形成含硫酸鹽等有機可溶成分的氣-液兩相流；此外，加濕處理后硫化物及顆粒物形成凝聚，增大顆粒的尺寸。
[0038]旋流分離器2包括旋流分離器外殼、中心體的半橢球體段和螺旋葉片7。中心體的半橢球體段上設(shè)有螺旋葉片7，螺旋葉片7位于旋流分離器外殼和中心體的半橢球體段之間。螺旋葉片7按螺旋線采用等螺距法或不等螺距法設(shè)計，周向均勻布置。當(dāng)旋流分離器2采用螺旋葉片7 (又稱為螺旋型旋流葉片)時，與傳統(tǒng)的弧形或直葉片相比，具有更強的旋流能力，旋流分離效果更好。此外，旋流分離器2采用不等螺距法設(shè)計的螺旋葉片7，可減小進氣阻力，形成初始的旋流氣流。
[0039]當(dāng)然，在本發(fā)明的一個較差實施例中，旋流分離器2仍可選用弧形或直葉片等方式，實現(xiàn)氣-液兩相的初步分離。
[0040]可選地，加濕裝置I設(shè)在旋流分離器2的前方，并與旋流分離器2同軸。廢氣經(jīng)過加濕裝置I的加濕處理后，直接進入旋流分流器2中進行氣-液兩相的分離。
[0041]其中，旋流分離器2的前方是指沿軸向遠離拉伐爾噴3管的一端。
[0042]優(yōu)選地，加濕裝置I位于旋流分離器2的上方，加濕裝置I與旋流分離器2通過管道6連通。此外，管道6被設(shè)置為:廢氣通過管道6后以垂直角度進入旋流分離器2，廢氣通過管道6后正對螺旋葉片7。當(dāng)采用該方式時，可被理解的是，經(jīng)過加濕處理的廢氣以垂直角度進入旋流分離器2，可以進一步提交廢氣的旋流分離效果。
[0043]拉伐爾噴管3包括順次軸向連接的拉伐爾收縮管、喉口和拉伐爾擴張管。拉伐爾收縮管的內(nèi)部對應(yīng)中心體的收縮段，喉口的內(nèi)部對應(yīng)中心體的直段，拉伐爾擴張管的內(nèi)部對應(yīng)中心體的第一擴 張段。
[0044]對于船用柴油機，其排氣系統(tǒng)馬赫數(shù)不超過0.6，為亞音速流動。從流體力學(xué)和工程熱力學(xué)原理可知，在亞音速范圍內(nèi)，氣體在收縮形通道內(nèi)流動，氣流會加速，馬赫數(shù)增大，氣體壓力會有所下降，這個過程為膨脹過程。反之，如果亞音速氣流在擴張形通道內(nèi)流動，則氣體必然會減速，馬赫數(shù)減小，氣體壓力有所升高，這個過程稱為壓縮過程。
[0045]發(fā)明人結(jié)合如下氣體動力學(xué)公式，進行拉伐爾噴管的收縮段和第一擴張段的結(jié)構(gòu)設(shè)計:
[0046]( I)理想氣體狀態(tài)方程
【權(quán)利要求】
1.一種用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于，沿廢氣的流向依次設(shè)置有加濕裝置、旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管；所述旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管同軸；所述旋流分離器、拉伐爾噴管和擴壓管的內(nèi)部設(shè)有中心體；所述中心體包括半橢球體段、收縮段、直段、第一擴張段和第二擴張段； 所述旋流分離器包括旋流分離器外殼、中心體的半橢球體段和螺旋葉片；所述中心體的半橢球體段上設(shè)有所述螺旋葉片，所述螺旋葉片位于所述旋流分離器外殼和所述中心體的半橢球體段之間； 所述拉伐爾噴管包括順次軸向連接的拉伐爾收縮管、喉口和拉伐爾擴張管；所述拉伐爾收縮管的內(nèi)部對應(yīng)中心體的收縮段，所述喉口的內(nèi)部對應(yīng)中心體的直段，所述拉伐爾擴張管的內(nèi)部對應(yīng)中心體的第一擴張段； 所述擴壓管包括擴壓管外殼和中心體的第二擴張段； 所述喉口的下端設(shè)有第一顆粒物出口 ；所述第一顆粒物出口與所述喉口一體成型，并垂直于所述喉口向下延伸一端距離。
2.如權(quán)利要求1所述的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述旋流分離器外殼、所述拉伐爾噴管和所述擴壓管外殼一體成型。
3.如權(quán)利要求1所述的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述旋流分離器外殼、所述拉伐爾噴管和所述擴壓管外殼通過拼裝焊接進行固定連接。
4.如權(quán)利要求1所述的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述螺旋葉片按螺旋線采用等螺距法或不等螺距法設(shè)計，周向均勻布置。
5.如權(quán)利要求1所述的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述加濕裝置采用微霧加濕或超聲波加濕`。
6.如權(quán)利要求1所述的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述拉伐爾收縮管的入口直徑為喉口直徑的3~4倍，入口夾角為30~40°，出口夾角為20~30°。
7.如權(quán)利要求1所述的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述加濕裝置與所述旋流分離器通過管道連通，所述加濕裝置位于旋流分離器的上方。
8.如權(quán)利要求1所述的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述管道的一部分與所述螺旋葉片同軸，所述管道被設(shè)置為:廢氣通過管道以垂直角度進入旋流分離器；所述廢氣通過所述管道后正對所述螺旋葉片。
9.如權(quán)利要求1所述的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述旋流分離器外殼的下端設(shè)有第二顆粒物出口，所述第二顆粒物出口與所述旋流分離器外殼一體成型，并垂直于所述旋流分離器外殼向下延伸一端距離；所述第二顆粒物出口位于所述旋流分離器外殼的末端。
10.如權(quán)利要求1所述的用于柴油機的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)的使用方法，其特征在于，包括以下步驟: a)柴油機的排氣管中排出的廢氣進入加濕裝置進行加濕處理； b)經(jīng)過步驟a)加濕處理后的廢氣進入旋流分離器，對所述廢氣中的硫化物及顆粒物進行初步分離； c )經(jīng)過步驟b)初步分離的廢氣進入拉伐爾噴管，對廢氣中的硫化物及顆粒物進行進一步分離，在喉口將硫化物及顆粒物從第一顆粒物出口排出；d)經(jīng)過步驟c)處理 的廢氣經(jīng)過擴壓管進行減速和增壓，排出廢氣預(yù)處理系統(tǒng)。
【文檔編號】F02M25/07GK103775253SQ201410049024
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月12日
【發(fā)明者】張文正, 何郭靖, 陳志忠 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所