一種降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適于在內(nèi)燃機(jī)分類中不同形式分類的各種內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用的降低排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置。其核心技術(shù)是在內(nèi)燃機(jī)排氣管的出口(或渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的增壓器中的渦輪葉輪燃?xì)饬鞒隹?后面串接一個(gè)由噴射器、水環(huán)真空泵和水冷箱三者單獨(dú)或聯(lián)合組成的降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置，可大幅降低與調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)排氣背壓壓力值，有效改善內(nèi)燃機(jī)裝置的動力、經(jīng)濟(jì)與排放的性能指標(biāo)。本發(fā)明具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、使用安全可靠、調(diào)控力度大、效果好的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)分類中不同形式分類的各種內(nèi)燃機(jī)用的降低排氣背壓壓力的 調(diào)節(jié)裝置；內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)或復(fù)合增壓系統(tǒng)中的渦輪級前燃?xì)鈮毫?渦輪級后燃?xì)鈮?力的調(diào)節(jié)裝置;模擬高原環(huán)境工作的內(nèi)燃機(jī)性能測試臺架用的制取高原低氣壓環(huán)境壓力的 一種調(diào)節(jié)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 內(nèi)燃機(jī)排氣背壓（內(nèi)燃機(jī)排氣管中的燃?xì)鈮毫?PT，是內(nèi)燃機(jī)排氣工作過程中的一 個(gè)重要技術(shù)參數(shù)。以四沖程內(nèi)燃機(jī)為例，其量值大小直接與內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的膨脹比、輸出 功率、活塞排氣推出功(栗氣功）、掃氣壓差(缸內(nèi)殘余廢氣量、充氣系數(shù)、燃燒效率）、燃料耗 率、熱效率、排氣再循環(huán)(EGR)率……的量值大小相關(guān)，因此，它是一個(gè)能對內(nèi)燃機(jī)的動力性 (功率、扭矩）、經(jīng)濟(jì)性(熱效率、燃料耗率)和有害排放(N0 X，S0X，CO，HC，C02，PM……）性能指 標(biāo)都有巨大影響的重要技術(shù)參數(shù)。
[0003] 關(guān)于渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)排氣背壓PT(也即渦輪增壓系統(tǒng)的渦輪級前的排氣燃?xì)鈮?力）對內(nèi)燃機(jī)性能的影響，可參見梁辰、崔毅、鄧康耀、趙同賓、周曉潔、李靜芬?《排氣背壓 對增壓柴油機(jī)功率的影響分析及其改進(jìn)方法》?柴油機(jī)? 2013(5) ?第16-20頁及表1。一般 而言，背壓降低會對內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)的提高與改善產(chǎn)生有利影響;反之，背壓增升則會產(chǎn)生 不利影響而使性能指標(biāo)惡化變差。
[0004] 根據(jù)內(nèi)燃機(jī)排氣背壓變化對內(nèi)燃機(jī)特性的上述影響，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)在工作環(huán)境條件 (譬如高海拔地區(qū)、排放控制海域、深水潛渡……）以及工況(轉(zhuǎn)速、負(fù)荷)變化顯著的情況下 運(yùn)行時(shí)，為獲得優(yōu)佳的內(nèi)燃機(jī)特性，宜對內(nèi)燃機(jī)的排氣背壓進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。
[0005] 內(nèi)燃機(jī)排氣背壓調(diào)節(jié)裝置的現(xiàn)有技術(shù)狀況如下：
[0006] ①利用阻風(fēng)門節(jié)流增阻原理調(diào)節(jié)，使內(nèi)燃機(jī)排氣背壓增升的調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器增 升背壓幅度大(可使排氣阻風(fēng)門完全關(guān)閉），結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，應(yīng)用普遍。其典型構(gòu)造可 參見江厚美、潘慶祐、蔡文興編著?《汽車發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)》?北京?人民交通出版社? 1984 ?第177-179頁中圖6-11和6-12的冷起動裝置中排氣壓力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)/排氣制動閥結(jié) 構(gòu)。
[0007] ②渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)用的排氣旁通調(diào)節(jié)閥。它是一個(gè)在高（轉(zhuǎn)速、負(fù)荷）工況通過泄 放部分高溫高壓排氣燃?xì)鈱?shí)施降低渦輪箱進(jìn)口燃?xì)鈮毫t(也即內(nèi)燃機(jī)排氣背壓）的調(diào)節(jié) 閥。該閥結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、可靠、安全，是目前應(yīng)用最廣泛、最普遍的一種能使排氣背壓 降低的調(diào)節(jié)器。其最顯著的缺陷為：它是一個(gè)以浪費(fèi)旁通泄放部分的排氣所攜帶的有用能 量為代價(jià)獲得背壓降低功能的調(diào)節(jié)器，且背壓降幅越大，耗能浪費(fèi)越大。由此導(dǎo)致的燃料耗 率增大和降壓幅度的減少，限制了它的應(yīng)用。
[0008] 由本專利發(fā)明人2014年1月申請的名稱為《一種渦輪增壓系統(tǒng)用的排氣旁通閥》 (申請公布號CN103726928A)的發(fā)明專利，對上述現(xiàn)有技術(shù)的排氣旁通閥傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)作了改 進(jìn)，通過利用旁通泄放排氣對渦輪葉輪出口流出燃?xì)獾纳淞鞒槲斐蓛?nèi)燃機(jī)排氣背壓的 顯著下降，從而使旁通泄放排氣浪費(fèi)的能量得到部分回收，改善了內(nèi)燃機(jī)性能，但其改善幅 度仍受限于旁通泄放排氣數(shù)量有限的制約，不能實(shí)施按需調(diào)節(jié)。
[0009] ③渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)用的渦輪可變噴嘴截面調(diào)節(jié)。
[0010] 渦輪可變噴嘴截面調(diào)節(jié)，系根據(jù)"通過噴嘴出口截面積減小，會使渦前壓力（即內(nèi) 燃機(jī)排氣背壓)Pt增加;反之，增大出口截面積，則可使PT下降"的原理，對內(nèi)燃機(jī)的排氣背壓 實(shí)施調(diào)節(jié)。現(xiàn)有技術(shù)渦輪可變噴嘴截面調(diào)節(jié)和傳統(tǒng)排氣旁通閥的結(jié)構(gòu)、作用等相關(guān)內(nèi)容可 參見陸家祥主編?《柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)》?北京?機(jī)械工業(yè)出版社? 1999 ?第141-145頁 和156頁中的介紹。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)排氣旁通閥的現(xiàn)有技術(shù)相比，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：
[0011] ?因不存在旁通泄放排氣攜帶的能量浪費(fèi)，高(轉(zhuǎn)速，負(fù)荷)工況的燃料耗率較低；
[0012] ?低(轉(zhuǎn)速，負(fù)荷)工況，通過減小噴嘴出口截面積，可獲得較高的增壓壓力，從而 提高低速扭矩，提高EGR率，改善燃燒和加速性。
[0013] 但該技術(shù)也存在明顯的缺點(diǎn)：
[0014] 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噴嘴葉片轉(zhuǎn)動易被卡住(安全可靠性差），尤其不宜在葉片轉(zhuǎn)動間隙 會因熱脹冷縮發(fā)生較大變化的排氣溫度最高可達(dá)l〇〇〇°C的汽油機(jī)和氣體燃料內(nèi)燃機(jī)中應(yīng) 用，一般只允許在排溫相對約低200~300°C的柴油機(jī)中使用。
[0015] 該技術(shù)的調(diào)節(jié)控壓幅度的范圍同樣也受限于運(yùn)行工況排氣所具有的能量數(shù)量， 在較低(轉(zhuǎn)速，負(fù)荷)工況，由于排氣能量低，雖然噴嘴的出口截面積已調(diào)節(jié)至很小，但升壓 幅度仍不大。
[0016] 綜上所述，現(xiàn)有控調(diào)降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓的技術(shù)全都與渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)有關(guān)(復(fù) 合增壓中因含有渦輪增壓，故復(fù)合增壓內(nèi)燃機(jī)在控調(diào)降低排氣背壓的技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用方面 與渦輪增壓完全相同）。也即，在現(xiàn)有技術(shù)中，尚不存在一件可通過對自然吸氣(非增壓）內(nèi) 燃機(jī)和非渦輪增壓(含復(fù)合增壓）內(nèi)燃機(jī)的排氣背壓實(shí)施有效調(diào)降以大幅改善其動力性、經(jīng) 濟(jì)性和排放性能指標(biāo)的技術(shù)。即使對于采用了渦輪增壓(含復(fù)合增壓）系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，也因 現(xiàn)有技術(shù)囿于調(diào)降背壓的動力都源于內(nèi)燃機(jī)自身在該實(shí)施工況下所產(chǎn)排氣流量攜帶能量 (壓力、溫度)數(shù)量的限制，不能按變工況性能的需求獨(dú)立配制所需的大幅度背壓降值，從而 無法發(fā)揮背壓調(diào)降產(chǎn)生的性能獲益潛力。
[0017] 鑒于現(xiàn)今世界只在幾乎全部的大功率柴油機(jī)、半數(shù)以上的車用柴油機(jī)、以及相當(dāng) 小比例（約占總量20%)數(shù)量的高性能車用汽油機(jī)中采用了渦輪增壓（參見周龍保主編? 《內(nèi)燃機(jī)學(xué)》?北京?機(jī)械工業(yè)出版社? 2013 ?第65頁及81頁的相關(guān)內(nèi)容），而未采用渦輪 增壓、因而不能實(shí)施調(diào)降背壓技術(shù)改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)性能的內(nèi)燃機(jī)數(shù)量至今仍然占了絕大多數(shù)。 因此，推廣普及"調(diào)控降低背壓技術(shù)"在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用，對全球內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行的節(jié)能減排的 貢獻(xiàn)與意義非常重大。
[0018] 為了改進(jìn)現(xiàn)有"調(diào)控降低背壓技術(shù)"降壓幅度小和不能普適于除渦輪增壓(含復(fù)合 增壓)之外的其它不同分類形式的各種內(nèi)燃機(jī)(參照周龍保主編?《內(nèi)燃機(jī)學(xué)》?北京?機(jī) 械工業(yè)出版社? 2013 ?第5~6頁的內(nèi)燃機(jī)分類表)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明公開了一種新的 技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明的目的在于為內(nèi)燃機(jī)分類中不同方式分類的各種內(nèi)燃機(jī)用的降低排氣背 壓壓力的調(diào)節(jié)裝置，提供一個(gè)可普適通用，性能改進(jìn)效果明顯，實(shí)用性很強(qiáng)，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu) 簡單，使用安全、可靠、方便，技改成本低的技術(shù)方案。
[0020]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用的核心技術(shù)，是在內(nèi)燃機(jī)排氣管的出口（對于渦輪增 壓或復(fù)合增壓內(nèi)燃機(jī)而言，則是在其渦輪箱內(nèi)渦輪葉輪的燃?xì)馀艢獾牧鞒隹冢┖竺娲右?個(gè)由噴射器、水環(huán)式真空栗和"水冷箱系統(tǒng)"三種器械形成的僅單獨(dú)使用其中一種(譬如噴 射器或水環(huán)式真空栗)/二者聯(lián)合使用(譬如水冷箱系統(tǒng)和噴射器的串聯(lián)或水冷箱系統(tǒng)與水 環(huán)式真空栗的串聯(lián)組合)/三者組合齊用的降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置。
[0021 ]本發(fā)明采用的核心技術(shù)依據(jù)的原理如下：
[0022] -、"水冷箱系統(tǒng)"的結(jié)構(gòu)及對排氣降溫、降壓、洗滌清除污染物的功能
[0023] ?結(jié)構(gòu)（由一個(gè)水冷箱、冷卻水栗和風(fēng)冷/水冷散熱器組成）
[0024] 本發(fā)明中的水冷箱，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)以水為冷卻介質(zhì)對內(nèi)燃機(jī)排氣燃?xì)鈱?shí)施冷卻降 溫的熱交換器。與通常采用的熱交換器實(shí)用結(jié)構(gòu)一樣，可以采用混合式冷卻器，也可采用表 面式冷卻器。其中，混合式冷卻器為水淋箱；表面式冷卻器則可采用螺旋板式或如同水冷 EGR冷卻器那樣使用板翅式/管翅式換熱器結(jié)構(gòu)。
[0025] 附圖la和lb示出了兩種"水淋箱系統(tǒng)"實(shí)用結(jié)構(gòu)的示意圖。圖la為順流式(氣、水同 向流動）結(jié)構(gòu)；圖lb為逆流式(氣、水逆向流動）。"水淋箱系統(tǒng)"實(shí)質(zhì)上為一"混合式冷卻系 統(tǒng)"。它通過一個(gè)冷卻水噴淋結(jié)構(gòu)，對進(jìn)入箱內(nèi)的熱排氣進(jìn)行噴淋降溫。對比它們與附圖2所 示的船舶廢氣洗滌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖（摘自周松，李諍，沈飛翔?《船舶廢氣洗滌脫硫技術(shù) 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》?柴油機(jī)? 2014(9) ?第1~6頁及圖11)可知，"水淋箱系統(tǒng)"與"船舶廢氣 洗滌系統(tǒng)"二者在功能結(jié)構(gòu)上非常相近，它們的冷卻水栗與冷卻水散熱器既可以獨(dú)立配置 也可以與內(nèi)燃機(jī)已有的冷卻系統(tǒng)共用，從而在結(jié)構(gòu)布置存在有將內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)、水淋箱 系統(tǒng)和廢氣洗滌系統(tǒng)這三個(gè)系統(tǒng)整合為一的可能。
[0026] 附圖lc示出的是適于本發(fā)明采用的螺旋板型換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。圖la、圖lb和圖 lc的結(jié)構(gòu)示意圖，摘自天津大學(xué)熱工教研室編?《地下熱水發(fā)電》?北京?科學(xué)出版社? 1975 ?第105頁圖3.14和第126頁圖3.21的相關(guān)內(nèi)容。
[0027] ?功能原理
[0028] 對于附圖3表示的自排氣閥后的排氣管和水淋/水冷箱組成的系統(tǒng)容積空間V內(nèi)的 排氣質(zhì)量G及狀態(tài)參數(shù)壓力P、溫度T的變化，遵循PV = GRT氣體狀態(tài)變化方程(式中R為排氣 的氣體常數(shù)）。其微分形式為
，考慮到R =常數(shù)V =常數(shù)后，知
，因此，若要降低排氣背壓P，可通過對系統(tǒng)內(nèi)的排氣質(zhì)量實(shí)施抽吸排出（使G 減少)和/或?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)排氣降溫(使T下降)來實(shí)現(xiàn)。
[0029] 在"水淋箱系統(tǒng)"中，噴淋冷卻水的水溫應(yīng)低于箱內(nèi)氣壓下對應(yīng)的飽和水蒸汽的溫 度，否則水淋箱會變成一個(gè)蒸發(fā)器，冷卻水沸騰汽化。另外，所產(chǎn)生的噴淋水滴的直徑應(yīng)較 大(或由"水滴"集合組成"水幕"），且淋水流量的質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)較排氣廢氣質(zhì)量大(一般超出十 倍及數(shù)十倍），再考慮到水的等壓比熱約為排氣燃?xì)獗葻岬乃谋?，水的汽化熱更是高達(dá)539 千卡/千克（即在沸點(diǎn)蒸發(fā)1千克水成水汽約需539千卡的熱量），因此，在排氣流經(jīng)水淋箱的 短暫時(shí)間的換熱過程中，冷卻水吸收排氣廢氣熱后的增溫不大，并始終保持液體水的集態(tài) (只有極少量霧狀的小直徑水滴會氣化成氣態(tài)水蒸汽后混合在排氣中）。于是，在控制水淋 箱內(nèi)留存排氣質(zhì)量近似不變，即留存質(zhì)量dG= (G+Gd-W+Gs) iGi-Gs~0的條件下，在水淋 箱空間容積內(nèi)排氣的狀態(tài)變化近似遵循"等容變化"過程規(guī)律，也即排氣壓力的變化與溫度 的變化成正比（排氣背壓的降低正比于排氣溫度的冷卻降溫。如果，在水淋箱內(nèi)出現(xiàn)冷卻水 氣態(tài)化的沸騰蒸發(fā)現(xiàn)象，則汽化部分的水蒸汽質(zhì)量會因使系統(tǒng)排氣質(zhì)量增加而部分抵消了 排氣降溫產(chǎn)生的背壓降低的效果）。鑒于內(nèi)燃機(jī)排氣溫度一般為300°C~850°C，故在水淋箱 中通過降溫可獲得相當(dāng)高的降壓比。
[0030] 在噴水淋洗的過程中，排氣污染物S0x、PM、N0x等可被冷卻水洗滌清除掉相當(dāng)大的 數(shù)量，因此它也是一種降低排氣有害排放的一種非常有效措施。
[0031] 對表面式冷卻器構(gòu)成的水冷箱系統(tǒng)，其通過降低排氣溫度造成降低排氣壓力的機(jī) 理與水淋箱冷卻器完全相同，二者之間的區(qū)別僅在于冷卻換熱方式方面存在差異。
[0032] 二、噴射器和/或水環(huán)式真空栗進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓壓力的功能原理
[0033] 噴射器和/或水環(huán)式真空栗都是廣泛應(yīng)用于動力工業(yè)、工業(yè)熱工、冶金、輕工紡織、 食品、制藥、建筑、制冷、農(nóng)業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域中獲取"粗真空度"的一種流體器械。在本發(fā)明中， 利用它們對排氣管/水冷箱流出的內(nèi)燃機(jī)排氣實(shí)施抽吸，使流經(jīng)排氣管/水冷箱體容積空間 的排氣燃?xì)赓|(zhì)量留存減少，從而可達(dá)到使管/箱內(nèi)排氣壓力降低的目的與效果。
[0034]①噴射器的結(jié)構(gòu)與工作原理
[0035] 噴射器的結(jié)構(gòu)與工作原理詳見[蘇]E.索科洛夫，H.M.津格爾著(黃秋云譯）? 《噴射器》?北京?科技出版社? 1977 ?-書的相關(guān)內(nèi)容。其典型結(jié)構(gòu)如附圖4a所示:一個(gè) 單級噴射器主要由噴嘴、接受室、混合室和擴(kuò)壓室組成。在噴射器中，不同壓力的兩股流體 相互混合并發(fā)生能量和動量交換后，以形成一股壓力居中的混合流體。在本發(fā)明中，壓力較 高的工作流體(排氣燃?xì)?高壓冷卻水/旁通增壓空氣/大氣）以高速從噴嘴出口流出來后進(jìn) 入接受室。在工作流體射流的紊動擴(kuò)散作用下，接受室中的工作流體卷吸其周圍在噴射器 前以較低壓力流入的引射流體(排氣燃?xì)猓?，將其吸走并共同流入混合室。在混合中，工作?體與引射流體的混合物(混合流體)的速度場漸趨均勻，壓力升高。之后，進(jìn)入擴(kuò)壓室，混合 流體的流速因通流面積擴(kuò)大而降低，使混合流體的壓力能進(jìn)一步升高至超過大氣壓力后， 而排出至周圍的環(huán)境大氣中。
[0036] 噴射器按噴嘴類型可以分為：中心引射式噴射器、環(huán)形引射式噴射器、和多孔引射 式噴射器如附圖4b所示。中心引射式噴射器工作時(shí)，高壓工作流體射流沿管道中心，而被引 射流體沿管道四周進(jìn)入混合室，它具有尺寸大、效率低等缺點(diǎn);環(huán)形引射式噴射器則與之相 反，二者都是被廣泛應(yīng)用的基本型式。多孔引射式噴射器通過多個(gè)噴孔將一次流分成若干 股流體進(jìn)入混合室，是中心引射式噴射器的改進(jìn)和強(qiáng)化，在實(shí)際中應(yīng)用漸趨廣泛。
[0037] 在本發(fā)明技術(shù)的噴射器中可使用的工作流體有下述四種：
[0038] ?渦輪增壓(含復(fù)合增壓）內(nèi)燃機(jī)中，排氣旁通閥（在渦輪級進(jìn)口部位)旁通泄放的 部分排氣燃?xì)猓?br>[0039] ?具有旁通空氣回路/增壓空氣引流回路渦輪增壓系統(tǒng)中，由該旁通/引流回路在 渦輪級進(jìn)口泄放的部分增壓空氣；
[0040] ?環(huán)境大氣(空氣）；
[0041] ?冷卻系統(tǒng)中的高壓冷卻水。
[0042] 但引射流體只有一種：與工作流體相比處于相對低壓狀態(tài)的內(nèi)燃機(jī)/渦輪級出口 流出的排氣燃?xì)狻?br>[0043]②水環(huán)式真空栗(簡稱水環(huán)栗)的結(jié)構(gòu)與工作原理
[0044]水環(huán)栗的構(gòu)造與工作原理簡介可參見楊惠宗、茅福謙編?《栗與風(fēng)機(jī)》?北京?國 防工業(yè)出版社? 1980 ?第246~247頁的內(nèi)容。如附圖5所示，水環(huán)栗主要由葉輪、栗體、前后 端蓋(吸、排盤）、水在栗體內(nèi)壁形成的水環(huán)、吸氣口、排氣口等組成。在栗體中裝有適量的水 作為工作流體，葉輪被偏心地安置在栗腔中。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，水環(huán)栗腔內(nèi)的水被拋向四周， 由于離心力的作用，水形成了一個(gè)與栗腔壁面形狀近似的等厚度的封閉圓環(huán)。水環(huán)的下部 分內(nèi)表面恰好與葉輪輪轂(葉片根部)相切;水環(huán)的上部分內(nèi)表面則剛好與葉片輪緣(葉片 頂端)接觸(實(shí)際上葉片在水環(huán)內(nèi)有不大的插入深度）。此時(shí)，葉輪輪轂與水環(huán)之間形成一個(gè) 月牙形空間，而這一空間又被葉片分成和葉片數(shù)目相等的若干個(gè)小腔。如果以葉輪的低端 作為起點(diǎn)0°，那么葉輪在向葉輪頂端（180°)旋轉(zhuǎn)的0°~180°的過程中，小腔的容積由小變 大，且與端蓋面上的吸氣口相通，此時(shí)排氣被吸入，當(dāng)吸氣終了時(shí)，小腔則與吸氣口隔絕；當(dāng) 葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，由頂端180°向低端0°運(yùn)動的過程中，小腔容積由大變小，使氣體被壓縮，當(dāng) 小腔與排氣口相通時(shí)，排氣燃?xì)獗闩懦隼跬?。由上述工作原理可知，水環(huán)栗是靠栗腔容積的 變化來實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的。葉輪每轉(zhuǎn)動一周，葉片間的空間就吸、排氣一次。許多葉片 空間不停地工作，栗就轉(zhuǎn)一周一個(gè)循環(huán)連續(xù)不斷地抽吸與壓送排氣。因此，水環(huán)栗屬于變?nèi)?積真空栗。
[0045] 在本發(fā)明中，本發(fā)明技術(shù)采用的是現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品系列中的常規(guī)結(jié)構(gòu)水環(huán)式真空 栗。對大中型船舶或固定式內(nèi)燃機(jī)用的水環(huán)式真空栗一般都用電動機(jī)拖動水環(huán)栗抽真空裝 置但對中小型內(nèi)燃機(jī)用的水環(huán)栗宜像離心式冷卻水栗般直接由內(nèi)燃機(jī)的主軸通過齒輪、皮 帶或鏈條傳動驅(qū)動栗輪轉(zhuǎn)動，這樣可使內(nèi)燃機(jī)主軸承受較大的扭矩以及節(jié)省布置所占的空 間。
[0046] 鑒于噴射器和水環(huán)栗都具有各自在單獨(dú)獨(dú)立使用狀態(tài)下，就能通過抽吸減少排氣 燃?xì)庠谂艢夤?水冷箱中的質(zhì)量留存數(shù)量而使排氣背壓降低，然后經(jīng)擴(kuò)壓/壓縮再將排氣燃 氣升壓至超過環(huán)境大氣壓力、排入大氣的功能，因此，噴射器或水環(huán)栗的單獨(dú)使用方案（附 圖6)為本專利技術(shù)的最簡實(shí)施方案。實(shí)用上，噴射器或水環(huán)栗既可單獨(dú)單只使用，也可單獨(dú) 多只串聯(lián)/并聯(lián)組合使用。
[0047] 由于噴射器的各組成部分一一噴嘴、接受室、收斂室、混合室和擴(kuò)壓室彼此間都是 無相對運(yùn)動的固定件，因此噴射器是一種器件而非機(jī)械;而水環(huán)栗則由于存在葉輪、軸承、 驅(qū)動電機(jī)等運(yùn)動部件，因此它是一種流體機(jī)械。據(jù)此可知:噴射器較水環(huán)栗構(gòu)造簡單、使用 安全可靠、易于制造、價(jià)廉和布置方便。另外，在本發(fā)明中，噴射器還兼加擁有更多品種的工 作流體資源可資利用，大大拓廣了它的使用范圍。除大中型船舶和固定式內(nèi)燃機(jī)裝置的應(yīng) 用中水環(huán)栗可與噴射器一競高低外，中小型內(nèi)燃機(jī)和車用內(nèi)燃機(jī)一般應(yīng)以選用噴射器為 宜。
[0048] 本發(fā)明專利技術(shù)降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓最具實(shí)效的調(diào)節(jié)實(shí)施方案是:在內(nèi)燃機(jī)排氣 管的出口（對于渦輪增壓或復(fù)合增壓內(nèi)燃機(jī)而言，則是在其渦輪箱內(nèi)渦輪葉輪的燃?xì)馀艢?的流出口）后面，串接一個(gè)由水冷箱系統(tǒng)和噴射器二者串聯(lián)一起聯(lián)合使用(或由水冷箱系統(tǒng) 和水環(huán)式真空栗二者串聯(lián)一起聯(lián)合使用）的裝置(附圖7)。
[0049] 由于水冷箱能直接降低排氣溫度和壓力，使噴射器和/或水環(huán)栗抽吸箱內(nèi)排氣質(zhì) 量的能力大幅增加，從而令水冷箱系統(tǒng)串接噴射器/水環(huán)栗裝置降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓的效 果較單獨(dú)使用噴射器/水環(huán)栗裝置更為顯著有效，是本發(fā)明值得推廣薦用的實(shí)施方案。特別 在有水冷資源可資利用和有布置安裝空間條件的使用場合，宜優(yōu)先采用水淋箱的水冷箱方 案，并建議與降低SO x、PM、NOx等有害排放物的濕式洗滌裝置整合一起使用。
[0050]鑒于現(xiàn)有技術(shù)水環(huán)式真空栗裝置中為提高裝置獲得高真空的能力，早已普遍與采 用環(huán)境大氣作為工作流體工質(zhì)的噴射器一一大氣噴射器串聯(lián)使用，因此本發(fā)明技術(shù)實(shí)施過 程中宜照常采納，以實(shí)現(xiàn)水冷箱系統(tǒng)、噴射器(含大氣噴射器)和水環(huán)栗三者聯(lián)合串接使用 降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓裝置的組合。
[0051 ]根據(jù)水淋箱具有洗滌廢氣減少內(nèi)燃機(jī)排氣有害排放S0x、PM、N0x等的功能，因此由 水淋箱、噴射器(射水抽氣器）和氣水旋風(fēng)分離器組成的本發(fā)明降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓裝置 (附圖8)，可以作為廢氣再循環(huán)(EGR)的輔助裝置(氣水分離器后部分凈化氣體再進(jìn)入氣缸 參與燃燒以進(jìn)一步降低N0 X)。因此，它除了是背壓調(diào)節(jié)裝置外，同時(shí)也是一種內(nèi)燃機(jī)排氣污 染物的濕式洗滌清除裝置，兼?zhèn)鋬煞N功能。
[0052]此外，本發(fā)明公開的降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓壓力的這一調(diào)節(jié)裝置，也是一種為在低 海拔地區(qū)工作的內(nèi)燃機(jī)性能測試臺架模擬高原工作環(huán)境狀態(tài)制取所需低氣壓環(huán)境壓力的 調(diào)節(jié)裝置。與現(xiàn)有技術(shù)獲取真空度的模擬裝置相比，本發(fā)明裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu) 點(diǎn)，值得推廣。
[0053] 根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的構(gòu)成，可知本發(fā)明是一項(xiàng)技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單，使用安全、 可靠、方便，實(shí)用性很強(qiáng)，節(jié)能效果顯著，技改成本低，值得大力推廣的技術(shù)。
【附圖說明】
[0054] 圖1示出的是本發(fā)明采用的水冷箱結(jié)構(gòu)示意圖型式。其中，圖la為順流式水淋箱； 圖lb為逆流式水淋箱;圖1 c為螺旋板型表面式冷卻器水冷箱。
[0055]圖2示出的是現(xiàn)有技術(shù)降低船舶內(nèi)燃機(jī)動力裝置排氣有害污染物的廢氣洗滌系統(tǒng) 中的一種結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0056]圖3示出的是水冷箱系統(tǒng)中水淋箱內(nèi)計(jì)算排氣壓力變化的系統(tǒng)示意圖。、
[0057]圖4示出的是一種單級同軸引射噴射器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖4a示出的是噴射器 結(jié)構(gòu)的縱剖圖，圖中各組成部分號標(biāo)記的是:4a_l，缸體;4a_2，噴管;4a_3，收斂管;4a_4，混 合段;4a-5擴(kuò)壓器。圖4b示出的是噴射器的橫剖面結(jié)構(gòu)；其中，（4b-a)中心引射式；（4b-b)環(huán) 形引射式；（4b-c)多孔引射式。
[0058]圖5示出的是水環(huán)式真空栗的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各組成部分編號標(biāo)記的是:5_1，水 環(huán);5-2,栗蓋;5-3,葉輪;5-4,吸氣口； 5-5,排氣口。
[0059]圖6示出的是本發(fā)明單獨(dú)使用一只噴射器/水環(huán)栗降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓的裝置。
[0060] 圖7示出的是本發(fā)明采用水冷箱(表面式冷卻器)系統(tǒng)串聯(lián)噴射器(圖7a)或水冷箱 (表面式冷卻器)系統(tǒng)串聯(lián)水環(huán)栗(圖7b)聯(lián)合使用降低內(nèi)燃機(jī)排氣背壓裝置的示意圖。
[0061] 圖8示出的是薦用的一種本發(fā)明方案示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0062] 以下，通過實(shí)施例與結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容作進(jìn)一步的描述。
[0063] 如上所述，本發(fā)明的技術(shù)核心是利用噴射器中高壓工作流體對內(nèi)燃機(jī)排氣低壓流 體的射流引射抽吸，或用水環(huán)真空栗內(nèi)容積變化造成的壓力變化抽吸與壓排內(nèi)燃機(jī)排氣至 環(huán)境大氣來實(shí)現(xiàn)降低內(nèi)燃機(jī)排氣壓力的。為了加大噴射器/水環(huán)栗的降壓效果，在內(nèi)燃機(jī)排 氣管出口（或渦輪箱內(nèi)的葉輪燃?xì)饬鞒隹冢┡c噴射器/水環(huán)栗的排氣吸入口之間，本發(fā)明又 采用了水冷箱系統(tǒng)，利用水淋/表面式水冷/風(fēng)冷冷卻器對排氣降溫的作用，實(shí)現(xiàn)對排氣背 壓降低的有效調(diào)節(jié)，大幅度改善內(nèi)燃機(jī)性能，
[0064] 圖7和圖8示出的是本發(fā)明薦用的一種技術(shù)方案，其中，圖7a和圖7b都適用于水資 源缺少與布置空間受限的內(nèi)燃機(jī)動力裝置(譬如轎車）；圖8則適用于用水和布置空間均不 受限的場合(譬如中、大型船舶或固定式內(nèi)燃機(jī)裝置），同時(shí)它也是一種減少排氣污染的濕 式廢氣洗滌裝置，以及用于低海拔地區(qū)工作的內(nèi)燃機(jī)性能試驗(yàn)臺架在模擬內(nèi)燃機(jī)在高原環(huán) 境的低氣壓壓力狀態(tài)下工作時(shí)所必需的降低大氣壓力的真空制取調(diào)節(jié)裝置。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種內(nèi)燃機(jī)用的降低排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于：它是一個(gè)串接安裝在 內(nèi)燃機(jī)排氣管/渦輪增壓器中渦輪葉輪的燃?xì)馀艢饬鞒隹诤?，由噴射器、水環(huán)式真空栗和水 冷箱系統(tǒng)三種器械中的單獨(dú)一種/二種聯(lián)合/三種共同組合使用的調(diào)節(jié)裝置。2. 按權(quán)利要求1所述的降低排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:可單獨(dú)一種使用的 器械為噴射器或水環(huán)式真空栗;二種可聯(lián)合使用的器械為水冷箱系統(tǒng)與噴射器的組合/水 冷箱系統(tǒng)與水環(huán)式真空栗的組合/噴射器與水環(huán)式真空栗的組合;三種器械齊用的組合為 水冷箱系統(tǒng)、噴射器(含大氣噴射器)與水環(huán)式真空栗的組合。3. 按權(quán)利要求1所述的降低排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:裝置中的水冷箱系 統(tǒng)由一個(gè)水冷箱、冷卻水栗和風(fēng)冷/水冷散熱器及相應(yīng)管路組成。其中，水冷箱系為一個(gè)水 淋箱混合式冷卻器或板翅/管翅/螺旋板型表面式水冷卻器。4. 按權(quán)利要求1所述的降低排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:噴射器是一個(gè)單級 射水抽氣器或氣體引射抽氣器，其工作流體采用的是下述四種來源中的一種或幾種的組 合:①由渦輪級進(jìn)口部位處的旁通閥泄放的部分高溫、高壓排氣燃?xì)?②由渦輪增壓系統(tǒng)中 的旁通空氣回路/增壓空氣引流回路中渦輪級進(jìn)口部位泄放的部分增壓空氣;③環(huán)境大氣； ④高壓冷卻水。5. 按權(quán)利要求1所述的降低排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于：由水淋箱、噴射器 和氣水旋風(fēng)分離器組合而成的排氣背壓壓力調(diào)節(jié)裝置，它同時(shí)也是一種減少內(nèi)燃機(jī)排氣污 染的濕式廢氣洗滌裝置。6. 按權(quán)利要求1所述的降低排氣背壓壓力的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:它也是一種為在低 海拔地區(qū)工作的內(nèi)燃機(jī)性能測試試驗(yàn)臺架模擬高原工作環(huán)境狀態(tài)制取所需低氣壓環(huán)境壓 力的調(diào)節(jié)裝置。
【文檔編號】G01M15/02GK106053084SQ201610100958
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年2月24日 公開號201610100958.7, CN 106053084 A, CN 106053084A, CN 201610100958, CN-A-106053084, CN106053084 A, CN106053084A, CN201610100958, CN201610100958.7
【發(fā)明人】烏榴君, 孫正柱
【申請人】烏榴君, 孫正柱