零排放涡轮柴油机：实现环保的未来动力

按照最快示范的次序，首先选择的是作为美国经济主要动力设备的柴油发动机，因为它具有非常严重的污染排放。与燃料电池支持者流行口号相比，“新型柴油机动车将会弥补与燃料电池机动车的差距”（Ashley，2007），柴油机需要昂贵的脱硫燃料，在零排放膜发动机中硫的氧化物会溶解在液态的CO₂中并被一起储存在地下，因此不需要带有尿素与氨水吸收罐的大型脱硫与排气处理系统，更为关键的是这些庞大的系统还能够吸收排出的CO₂，它们只能制止有毒气体与颗粒物的排放，而ZEMPES能够制止所有燃烧产物的排放。

流程图与之前的ZEMPES相似，只是新增加了后燃室。在涡轮柴油机中，有三处可以转化为功的热源：

（1）汽缸中燃料的燃烧；

（2）后燃室中燃料的燃烧；

（3）高温烟道气体。

柴油涡轮机的一个重要特征是其效率，它等于有效机械功率（活塞发动机＋透平）与两股燃料流携带热能的比值，烟道气体的热量来源于同种燃料，这股热量被透平利用以增加效率。

在这一章中，只考虑稳定状态，任何瞬态情况仍在讨论中，对这个问题，应该知道的是ITM反应器的热惯性。在起始时，起动柴油机并将排放物排至大气（只是很短时间），然后是涡轮压缩机和膜反应器，膜反应器应该被加热到900℃（见图7-8）。(www.xing528.com)

图7-8 涡轮柴油机流程（ShokotovandYantovsky，2007）

a）R2、R3分别为水和油散热器，VM是活塞发动机，VK是后燃室，由一个燃烧室AK及换热器H1组成b）MR是氧分离膜反应器，H2是多用途换热器，Mi为混合器，AB为气体分离器，WS为水分离器，R4为冷却器，N_mm为涡轮压缩机机械损失产生的热流，KU为离合器，T为汽轮机，C为压缩机

工作过程有两个有名的循环：闭路式柴油机循环1—2—4—5—6—7和敞开式布雷顿循环18—19—20—21—22—23—24。从柴油机循环开始可以看见，氧气与二氧化碳的混合物（人造空气，用二氧化碳替代了氮气）被抽进压缩器，经过压缩后注入柴油机，膨胀做功，然后富含氧气的气体转移进入后燃室VK，在这里燃烧室的氧气几乎全部用来燃烧补充的燃料（汽油）并加热进入汽轮机的空气。

从AK出来的气体中氧气含量基本为零，进入节点3、4、5的流量相等，经过冷却后，水蒸气变成液态水，二氧化碳仍是气态，在WS中分离，水被排除并且可能用于其他地方或者去增加涡轮机的功率。几乎干燥的二氧化碳在AB中分离，其中的一小部分几乎等于燃烧产生的二氧化碳，通过冷却压缩变成液态，再冷却并在100bar压力下排进加油站的中央储箱，剩余的大部分二氧化碳继续与氧气混合形成人造空气作为氧化剂进入柴油机循环。

开式布雷顿循环从空气18开始，经过过滤和压缩，在H2中加热后进入膜反应器MR，将近60％的氧气通过膜壁渗透进二氧化碳流，剩余的空气在后燃室加热并在透平T中膨胀做功，在离合器之前通过减压器提供额外的功。减压器是至关重要的，因为活塞发动机转轴转速达到4000r/min，而涡轮压缩机转轴频率高达60000r/min，涡轮机后排出贫氧的空气，不包含任何燃烧产物。