一种二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置
技术领域
本发明船用发动机技术领域，尤其涉及一种二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置。
背景技术
随着排放限制越来越严苛以及《国际气体动力船舶规则》(IGF Code)的日趋成熟，以天然气为燃料的主机逐渐成为船舶动力的热点。对于大型远洋船舶，出于风险考虑，单一燃料的气体机在可靠性及适用性方面还不能满足使用需求，因此二冲程低速双燃料发动机成为最优的选择。在WingGD公司开发的二冲程低速双燃料发动机采用低压缸内直喷的进气方式，即在扫气行程中将压力低于16bar的天然气直接喷入气缸内，在压缩行程终点附近由微量引燃油点燃天然气，实现奥托循环。由于这一过程中，天然气与空气的混合气体会参与整个缸内压缩过程，燃烧室内的高温高压可能会引起气体燃料的不受控燃烧，产生高压冲击波作用在缸盖，缸套和活塞上，即爆燃现象。爆燃不仅使发动机工作状态恶化，还会缩短发动机零件寿命。
通常为了避免爆燃，会在使用燃气模式下使用较低几何压缩比，但是对于低速双燃料发动机，较低的几何压缩比会大大降低燃油模式下的效率。虽然可调压比技术可以作为解决这一问题的方案，但对于大功率低速发动机，该方案会大大降低整机的可靠性，另外燃气模式下几何压缩比范围约为11～18，而燃油模式下几何压缩比范围则在18～30，一般可调压缩比技术难以适应如此大范围的调整。因此，在不改变发动机压缩比的前提下避免爆燃现象的产生成为现有领域亟待解决的问题。
发明内容
基于以上所述，本发明的目的在于提供一种二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置，以解决现有技术下二冲程双燃料发动机容易出现爆燃现象的技术问题。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置，包括：
发动机；
排气系统，所述排气系统与所述发动机连通，用于排出发动机废气；
扫气系统，所述扫气系统与所述发动机连通，用于向所述发动机供给空气或空气燃料混合气；
扫气氧浓度控制系统，所述扫气氧浓度控制系统分别与所述排气系统和所述扫气系统连通，用于将从所述排气系统排出的部分发动机废气导入所述扫气系统中。
作为优选，所述扫气氧浓度控制系统包括通过管路依次连接的节流阀和风机，所述节流阀连通于所述排气系统，所述节流阀和所述风机用于控制从所述排气系统流入所述扫气氧浓度控制系统的发动机废气流量。
作为优选，所述扫气氧浓度控制系统还包括冷却除雾装置，所述冷却除雾装置的两端通过管路分别连通于所述风机和所述扫气系统，用于冷却及干燥发动机废气。
作为优选，所述冷却除雾装置包括相互连通的预洗涤部和主洗涤部两部分，所述预洗涤部与所述风机连通，所述主洗涤部与所述扫气系统连通。
作为优选，流入所述扫气氧浓度控制系统的发动机废气流量占所述排气系统排出的总的发动机废气流量的0～50％。
作为优选，所述排气系统包括总排气管，所述总排气管一端与所述发动机连通，另一端与所述扫气氧浓度控制系统或外界大气连通。
作为优选，所述总排气管远离所述发动机的一端分为第一排气支管和第二排气支管，所述第一排气支管与外界大气连通，所述第二排气支管与所述扫气氧浓度控制系统连通。
作为优选，所述排气系统还包括废气经济器，所述废气经济器设置在所述总排气管或所述第一排气支管上。
作为优选，所述扫气系统包括总进气管，所述总进气管一端与所述发动机连通，另一端与所述扫气氧浓度控制系统或外界大气连通。
作为优选，所述总进气管远离所述发动机的一端分为第一进气支管和第二进气支管，所述第一进气支管与外界大气连通，所述第二进气支管与所述扫气氧浓度控制系统连通。
本发明的有益效果为：
本发明提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置通过在扫气空气中混入发动机废气，以降低扫气氧浓度，进而实现降低气体燃料反应活性，以实现燃气模式下高几何压缩比并避免爆燃，避免了对发动机零部件的冲击和损坏。对于二冲程双燃料低速发动机，高压缩比也保证了发动机燃油模式下的效率，节省了运行成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置的原理图一；
图2是本发明实施例一提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置的原理图二；
图3是本发明实施例二提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置的冷却除雾装置的正视图；
图4是本发明实施例二提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置的冷却除雾装置的俯视图；
图5是本发明实施例二提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置的冷却除雾装置与发动机的安装示意图。
图中：1、发动机；100、A型机架；2、排气系统；21、涡轮机；22、废气缓存腔；23、总排气管；24、第一排气支管；25、第二排气支管；26、废气经济器；3、扫气系统；31、压缩机；32、总进气管；33、第一进气支管；34、第二进气支管；4、扫气氧浓度控制系统；41、节流阀；42、风机；43、冷却除雾装置；431、冷却装置；432、除雾装置；433、预洗涤部；434、主洗涤部；44、冷却水循环系统；441、水泵；442、水箱；443、缓存水箱；444、循环水冷却器；
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1-2所示，本实施例提供一种二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置，该装置包括发动机1、排气系统2、扫气系统3以及扫气氧浓度控制系统 4。其中，发动机1为动力装置，其运行产生发动机废气。排气系统2与发动机 1的排气口连通，用于排出发动机废气。扫气系统3与发动机1的进气口连通，用于向发动机1供给空气或空气燃料的混合气。扫气氧浓度控制系统4的进气端与排气系统2连通，其出气端与扫气系统3连通，用于将从排气系统2排出的一部分发动机废气经处理后再导入到扫气系统3中，以降低空气或空气燃料混合气的氧浓度，进而降低气体燃料反应活性，实现防止爆燃现象产生的目的。
具体地，如图1或2所示，排气系统2包括涡轮机21，涡轮机21的进气口连通于发动机1的排气口。从发动机1的排气口排出的发动机废气具有排气背压，其流经涡轮机21并推动涡轮机21转动，之后发动机废气流入与涡轮机21 出气口相连的总排气管23，总排气管23用于将发动机废气全部排入外界大气，或者将一部分发动机废气排入外界大气，将剩余部分的发动机废气导入扫气氧浓度控制系统4中。在本实施例中，总排气管23远离发动机1和涡轮机21的一端分为两个支管，分别为第一排气支管24和第二排气支管25，其中第一排气支管24连通于外界大气，用于将全部或部分发动机废气导入到外界大气中，第二排气支管25连通于扫气氧浓度控制系统4，用于将剩余的部分发动机废气导入到扫气氧浓度控制系统4中。
在本实施例中，排气系统2还包括废气缓存腔22，废气缓存腔22设置在发动机1的排气口和涡轮机21之间，用于收集及暂存发动机废气。废气缓存腔22 的容积大于发动机1的各燃烧室的容积之和，以平抑收集的各燃烧室排气的压力波动，将发动机废气以稳定的压力送入涡轮机21。
进一步地，本实施例中，排气系统2还包括废气经济器26，废气经济器26 设置在总排气管23或第一排气支管24上。废气经济器26为换热装置，其目的是将发动机废气中的废热再利用，将发动机废气中的残余热量引入到船舶上的其他区域，以提高能量利用效率。可选地，废气经济器26为管式换热器或板式换热器。优选地，废气经济器26为板式换热器，板式换热器具有安装空间小及换热效率高的优点，可充分利用发动机废气的残余热量，提高能量利用效率。废气经济器26的安装位置可根据船舶的使用需求具体选择，图1示出了废气经济器26安装在总排气管23上的情形，图2示出了废气经济器26安装在第一排气支管24上的情形。
扫气系统3包括压缩机31，压缩机31的出气口直接连通于发动机1的进气口，用于将空气压缩后导入发动机1中。压缩机31与涡轮机21为同轴固定连接，压缩机31由涡轮机21带动转动，从而将发动机废气中的动能通过涡轮机 21传递到压缩机31，以提高空气压缩比和进气压力，并实现发动机废气能量的二次利用。在本实施例中，涡轮机21和压缩机31为分开式布置，当然在本发明的其他实施例中，也可以将涡轮机21和压缩机31做成一体式的涡轮增压器，上述两种布置方式均落在本发明的保护范围内。
压缩机31的进气口与总进气管32连通，总进气管32用于给发动机1供给空气。在本实施例中，总进气管32远离压缩机31和发动机1的一端分为两个支管，分别为第一进气支管33和第二进气支管34。其中，第一进气支管33与外界大气连通，用于导入新鲜空气，第二进气支管34与扫气氧浓度控制系统4 连通，用于将经扫气氧浓度控制系统4处理的发动机废气再导入到发动机1中。
如图1或2所示，扫气氧浓度控制系统4包括通过管路依次连接的节流阀 41、风机42和冷却除雾装置43，其中节流阀41连接于第二排气支管25，冷却除雾装置43连接于第二进气支管34，发动机废气在风机42的驱动下由第二排气支管25依次经过节流阀41、风机42、冷却除雾装置43，之后通过第二进气支管34进入到总进气管32内。节流阀41用于控制流入扫气氧浓度控制系统4 的发动机废气的流量，风机42用于提供发动机废气流动的动力，冷却除雾装置 43用于对流入扫气氧浓度控制系统4的发动机废气进行冷却和干燥，以满足扫气一侧的需求。
具体地，节流阀41通过阀芯开度调节流入扫气氧浓度控制系统4的发动机废气的流量。在本实施例中，通过节流阀41的调节，可以将流入扫气氧浓度控制系统4的发动机废气的流量占总的发动机废气流量的比值控制在0～50％范围内。风机42的额定功率与所流入的发动机废气的最大流量相适应，以满足扫气一侧对发动机废气的需求。
冷却除雾装置43包括通过管路连通的冷却装置431和除雾装置432，分别用于对发动机废气进行冷却洗涤和除雾干燥。其中冷却装置431通过与其并联的冷却水循环系统44实现冷却，冷却水循环系统44包括依次连通的水泵441、水箱442、缓存水箱443和循环水冷却器444。冷却水循环系统44的工作原理为：水泵441驱动水箱442中的水流入冷却装置431中，在冷却装置431中冷却水与发动机废气进行热交换，发动机废气温度下降，冷却水温度升高，温度升高的冷却水流入循环水冷却器444并被冷却后流入水泵441，水泵441驱动冷却水进入下一冷却循环。在上述过程中，缓存水箱443用作水箱442的备用及补充冷却水的泄漏量。除雾装置432包括干燥剂和过滤器，以除去冷却洗涤后发动机废气中的水分并对发动机废气进行过滤清洁。
进一步地，本发明提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置还包括控制器(未示出)，控制器与发动机1和扫气氧浓度控制系统4电气连接，用于根据发动机1的运行参数调节流入扫气氧浓度控制系统4的发动机废气流量。控制器为PLC或单片机，其为本领域内的现有技术，在此不再赘述。具体地，在发动机1端，控制器与发动机1上的各种传感器电气连接，用以收集发动机1的各种运行参数，如负荷、转速、扫气压力、扫气温度和压缩机进气温度等，在扫气氧浓度控制系统4端，控制器与节流阀41和风机42电气连通，控制器根据发动机1的各种运行参数控制节流阀41的阀芯开度和风机42的转速，从而精确控制流入扫气氧浓度控制系统4的发动机废气的流量。
下面结合图1-2说明本发明实施例一提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置的工作过程：
发动机1运转产生发动机废气，发动机废气经发动机1排气口流入废气缓存腔22，在废气缓存腔22内发动机废气被平抑压力波动后流入涡轮机21并推动涡轮机21转动。发动机废气从涡轮机21流出并流入总排气管23，在总排气管23的末端发动机废气分为两路，一路经第一排气支管24流入外界大气，另一路经第二排气支管25流入扫气氧浓度控制系统4。在上述过程中，发动机废气还流经设置在总排气管23或第一排气支管24上的废气经济器26，将发动机废气中的一部分残余热量通过废气经济器26引入船舶上的其他区域，以实现能量的高效循环利用。
流入扫气氧浓度控制系统4的发动机废气的流量由控制器控制，控制器根据发动机1的各种运行参数控制节流阀41的阀芯的开度和风机42的转速，以将流入扫气氧浓度控制系统4的发动机废气的流量占总的发动机废气量的比值控制在0～50％范围内的某一精确的数值。发动机废气之后流入扫气氧浓度控制系统4中的冷却除雾装置43，经冷却除雾装置43冷却洗涤后经第二进气支管 34流入扫气系统3。
从第一进气支管33流入的新鲜空气和从第二进气支管34流入的发动机废气在总进气管32内混合，形成具有较低氧浓度的混合气体，混合气体经压缩机 31增压后流入发动机1内，压缩机31由固定连接的涡轮机21带动转动。由于混合气体的氧浓度较低，其在发动机1扫气过程中与燃料气体混合形成的空气燃料混合气反应活性也较低，从而可实现在活塞压缩过程中避免空气燃料混合气产生爆燃现象的目的。
实施例二
本实施例提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置的结构跟实施例一所提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置的结构基本相同，不同仅在于：本实施例中的冷却除雾装置43为一体式结构，一体式的冷却除雾装置43可对发动机废气进行二级冷却洗涤。
冷却除雾装置43的具体结构如图3-4所示，在本实施例中，冷却除雾装置 43包括固定连接的两部分，分别为预洗涤部433和主洗涤部434，预洗涤部433 和主洗涤部434均为圆筒状结构，二者在底部相互连通。预洗涤部431与风机 42通过管路连通，主洗涤部432与第二进气支管34连通，风机42排出的发动机废气依次流经预洗涤部431和主洗涤部432并被二级冷却洗涤后流入第二进气支管34。主洗涤部434的高度范围为3.5～5m，以满足发动机废气的洗涤冷却需求，预洗涤部433的高度略高于主洗涤部434，且预洗涤部433与主洗涤部434的直径之比在1/3～1/2范围内，冷却除雾装置43的该种结构设置可以在保证对发动机废气的冷却洗涤效果的同时便于安装。
预洗涤部433的内部充填有冷却水，主洗涤部434的内部除充填有冷却水之外，其内部由下至上依次还设置有填料层、喷淋层和除雾层，填料层内填充有干燥剂。发动机废气首先流入预洗涤部433，经冷却水洗涤后温度从数百摄氏度降低到一百摄氏度以下，且发动机废气中的固体颗粒物溶解于水中，清洁度提高。经预洗涤部433洗涤冷却后的发动机废气流入主洗涤部434中，被主洗涤部434进一步冷却洗涤，温度从一百摄氏度以下降低到室温，且发动机废气中的固定颗粒物进一步减少，清洁度可满足扫气系统3对进气的要求。经冷却洗涤后的发动机废气之后流经主洗涤部434中的填料层和除雾层，被干燥和除去大部分水分后流入第二进气支管34，进而流入扫气系统3中。
在本实施例中，冷却除雾装置43固定安装在发动机1上并称之为机上系统，冷却除雾装置43的该种安装方式可以节省船上的空间，无需为冷却除雾装置43 在船舱内另外提供单独的安装平台。具体地，在本实施例中，冷却除雾装置43 竖直安装在发动机1的A型支架100上。如图5所示，冷却除雾装置43的主洗涤部434的底部呈倒圆锥形，倒圆锥形的圆锥顶角为β，发动机1的A型支架 100呈圆锥形，圆锥形的顶角为α，且β＝α±5°。将冷却除雾装置43的主洗涤部434与发动机1的A型机架100紧固，便可将冷却除雾装置43固定于发动机1，由于主洗涤部434的底部的圆锥形顶角与发动机1的A型机架100的圆锥形顶角基本相等，防止了主洗涤部434与A型机架100之间的干涉，保证了冷却除雾装置43的紧固效果。
当然在本发明的其他实施例中，冷却除雾装置43也可以设置为其他结构并且可以布置在船舱内的其他区域，其具体结构和布置方式可根据工作需求和船舱空间合理设计和选择。凡是符合上文所述工作原理的冷却除雾装置43均落在本发明的保护范围之内。
本实施例提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置的其他结构与实施例一所提供的二冲程双燃料发动机的扫气氧浓度控制装置的结构相同，在此不再重复赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
