[发明专利]内燃机氨冷余热利用节油装置

说明书

本发明涉及内燃机节能装置。

现有的内燃机中，汽油机的热效率一般低于30％，柴油机的热效率一般低于40％，这就意味着燃料中60％-70％的热量是未被有效利用的。按照热机理论，燃料中的热量完全被利用做功是不可能的，其中一部分热量必须要排出，但是目前内燃机的热效率离理论上可达到的热效率还有相当大的差距。造成这种差距的原因是多方面的，如机械损耗、燃料燃烧不充分等，但其中一个重要原因就是排出的热量中有相当一部分可以利用而未被利用。

本发明目的是通过内燃机的余热利用提高内燃机整机的热效率，进而达到节省燃料的目的。

内燃机氨冷余热利用节油装置的原理是：用内燃机余热加热一种液体工质，使之成为高压气体，推动活塞做功。内燃机热量的排放有两个主要途径：一是通过尾气，二是通过气缸冷却水，因此利用余热，这两个方面的热量都要充分利用。为使这两部分的热量得到充分利用，需要选择合适的液体工质，首先要求这种液体要能在90～120℃、高压状态下由液相向气相发生相变，这是因为目前内燃机冷却水温度一般在95～110℃，为使气缸能够在正常的温度范围工作，因此要求这种工质也要在冷却水相近的温度范围发生相变，相变时工质吸收大量的热从而使气缸冷却，气缸释放的热量被工质吸收而得以利用；之所以要在高压状态下相变，是因为在高压状态下相变产生的气体是高压气体，便于推动活塞做功。目前广泛使用的冷却水虽然在95～110℃能发生相变，但生成的气体压力较低。如果提高压力，水的温度又上升太快，超过了气缸正常工作的温度，因此选水做工质不合适，通过选择发现：氨的临界压力为111.3atm，临界温度为132.4℃，加之氨容易获取，冷凝压力不算太大(如30℃时冷凝压力小于15atm)，对钢无腐蚀性，非易燃易爆，价格便宜等优点，因此氨是较为理想的工质。

根据前述的余热利用原理和选取氨作为工质之后，设计出的内燃机氨冷余热利用节油装置主要由高压泵、预热交换器、冷却腔、过热交换器、电控阀门、氨工作气缸、冷凝器、水泵、散热器、控制器、温度传感器、压力传感器、导管等组成。本发明主要涉及对现有的内燃机冷却系统和尾气排放系统进行改造，其它系统均采用现有技术。其工作过程是：液态氨经高压泵压缩至50-90atm进入预热交换器预热，再经导管进入冷却腔，冷却腔即相当于目前内燃机的冷却水套，氨在冷却腔吸热后，氨的温度达到90℃-120℃，冷却腔中氨吸收气缸的热量后发生相变，由液态变为气态，相变的过程中吸收热量可对气缸起到冷却作用。气态氨或气液态混合物再经导管进入过热交换器，被过热交换器中的高温尾气进一步加热成过热氨气，然后经导管和电控阀门进入氨工作气缸推动活塞做功，做功完毕后氨气温度降低，压力减小，变成饱和氨气，再经排气管进入冷凝器，气态氨冷凝成液态，然后重新开始下一个工作循环。

控制器的作用是使内燃机氨冷余热利用节油装置协调运转，主要功能包括：1、根据由温度传感器测量出冷却水的温度以及压力传感器测量出的过热氨气的压力，计算出过热交换器中氨气过热的最佳温度。所谓最佳过热温度是指在此温度下氨气在气缸中膨胀做功完毕后刚好处于饱和气体状态，便于排出后在冷凝器中进行冷凝。2、由曲轴角相位信号确定电控阀门的开启时机3、将由温度传感器测得的氨气实际温度与计算出的最佳过热温度进行比较，从而确定电控阀门的关闭时机以及高压泵的压缩量，即控制氨的循环速率。

在冷凝器中起冷却作用的冷却液选用以水为主要成份的防冻液，便于在低温下工作。冷却液在水泵的作用下在冷凝器与散热器之间循环，使氨气冷凝过程中放出的热量散发出去。由于船舶用内燃机可用海水或河水直接冷却，因此不需要散热器。

应当指出：氨工作的温度和压力等参数值将依据设计的实际情况而定；燃料工作气缸数量与氨工作气缸的数量依据内燃机的功率和两种气缸的工作压力和尺寸具体确定；冷却腔要能承受高压，为使起动迅速和出于安全考虑，冷却腔的容积不宜过大；氨工作气缸要求有较好的密封性，以减少氨泄漏，为了补充氨在工作中泄漏，可考虑在高压泵与冷凝器之间加装一氨贮存罐；为减少余热损耗，除冷凝器与散热器之外的部件外表均应涂上绝热层。

本发明的内燃机氨冷余热利用节油装置用氨代替目前广泛使用的水作为冷却剂并利用其作为工质进行余热利用，结构较为简单，节油效果明显。由于冷凝温度越低，氨的过热温度就越高，余热利用效率就越高，因此本发明尤其适用于船舶以及寒冷气候条件下工作，最高节油可达40％以上。

图1是结构示意图