CN102140978B

CN102140978B - 具有排气再循环系统的大型二冲程柴油发动机

Info

Publication number: CN102140978B
Application number: CN2011100294849A
Authority: CN
Inventors: 彼得·施约尔达格
Original assignee: MAN Diesel and Turbo Filial af MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2031-01-24
Also published as: CN102140978A; KR101132379B1; JP4997336B2; KR20110089073A; JP2011157959A

Abstract

本发明涉及具有排气再循环系统的大型二冲程柴油发动机。具体地，本发明涉及一种十字头式的大型涡轮增压二冲程柴油发动机，其包括多个气缸，其中每一个连接至排气接收器，用于将一部分排气供应到扫气空气流中的排气再循环流动通道，并且包括湿式洗涤器、冷却器、用于除去凝结水的装置和在所述排气再循环流动通道中的鼓风机。本发明还涉及一种从十字头式的大型涡轮增压二冲程柴油发动机再循环排气的方法，所述发动机包括多个气缸，其中每一个连接至排气接收器。

Description

具有排气再循环系统的大型二冲程柴油发动机

技术领域

本发明涉及一种十字头式的大型涡轮增压二冲程内燃活塞发动机，优选地是具有排气净化系统的柴油发动机，具体地涉及一种具有排气再循环系统的十字头式大型二冲程柴油发动机。

背景技术

十字头式的大型二冲程发动机被典型地用在大型船舶的推进系统中，或者用作发电站中的原动机。排放要求已经并且将会逐渐地难以满足，特别是关于一氮氧化物(NO_x)的水平。

排气再循环(EGR)是已知的帮助柴油发动机减少NO_x排放的一种措施。然而，至今还没有在商业上运行的使用排气再循环的大型二冲程柴油发动机。原因是已经证实在大型二冲程柴油发动机中实施排气再循环是极大的难题。已经证实难以在大型二冲程柴油发动机中实施排气再循环的一个原因是事实上通常使用具有大量硫的重油来运行这些发动机。因此，排气中的硫含量远高于使用不具有硫含量或者具有低硫含量的燃油运行的较小的柴油发动机。硫的高浓度大大减少了清洁方法和装置的选择，由于大部分的清洁方法和装置将不能耐受在大型二冲程柴油发动机的排气中存在的硫和硫酸水平。

一种已经能够抵抗这些高硫水平的用于清洁大型二冲程柴油发动机的排气的技术是湿式洗涤。在该技术中，排气经过将水用作洗涤溶液的所谓的湿式洗涤器。

然而，由于与被洗涤的气体一起向下游牵引的蒸发的水，所以具有用于清洁再循环排气的基于水的排气洗涤器的大型涡轮增压二冲程柴油发动机的排气再循环系统将会消耗相当大量的水用于洗涤。例如对于MAN B&W型7S50MC发动机20%EGR添加（即，20%的扫气气体由来自排气的再循环气体组成）：水可能是被洗涤气体质量流量的13%，或者说是2.1m³/h。这表示着淡水的大量使用，而淡水是远洋航行船舶上的稀缺资源。

另一个难题是需要大量的功率以将再循环的排气从排气接收器传送到扫气空气或气体流（用于扫气的压缩空气可能被添加除了再循环排气以外的其它气体成分；因此在下文中，除非明确地指出，没有进一步区别地使用术语“扫气空气”和“扫气气体”）中。在大型二冲程柴油发动机中，扫气空气压力典型地大约为0.3bar，高于排气接收器中的压力。因此，需要鼓风机或其它装置用于将再循环的排气从排气接收器推动到扫气空气系统中。在大型孔12或14气缸二冲程柴油发动机中，例如MAN 12K98MC-C发动机，驱动这样的鼓风机所需的功率将会接近5MW。这是用在排气净化系统上的相当大量的能量。此外，用于驱动具有这样大功率需求的鼓风机的电动机非常昂贵。

因此，在洗涤器出口处的质量流量将会对应于蒸发的水的质量流量而增加，并且将会增加位于洗涤器下游和加压扫气气体冷却器上游的EGR鼓风机上的负荷。

文献DE19809618 Al公开了一种具有排气再循环系统的大型二冲程柴油发动机。发动机的每个气缸具有三个用于排气的出口。将来自三个出口中的一个出口的排气收集并再循环到扫气空气中。在二冲程发动机的实施例中，在将再循环排气引导经过冷却器和鼓风机之前，在干式过滤器中清洁其中的烟灰微粒，从而将冷却的再循环排气推进到扫气空气中以用于再利用。

尽管公开的二冲程柴油发动机提供了有害物质排放的减少，但是仍然存在对于涡轮增压二冲程柴油发动机的需要，其能够提供有害物质排放的改进的减少。

发明内容

基于该背景技术，本发明的目的是提供一种大型涡轮增压二冲程柴油发动机，其具有有效的并且在商业上可行的排气再循环系统。

通过提供一种十字头式的大型二冲程燃烧发动机而实现该目的，其包括多个气缸，其中的每一个连接至排气接收器；用于将至少一部分排气供应到扫气空气流中的排气再循环流动通道；在所述排气再循环流动通道中的用于清洁再循环排气的湿式洗涤器，所述湿式洗涤器将水基液体用作洗涤溶液，从而将水蒸发到再循环排气中并增加排气的含水量；在所述排气再循环流动通道中的所述湿式洗涤器下游的冷却器，所述冷却器用于将所述排气冷却至使得再循环排气中的至少一部分水汽凝结的温度；用于使由再循环排气冷却器产生的凝结水从排气再循环流动通道偏离的装置；在所述排气再循环流动通道中的所述冷却器下游和用于使凝结水偏离的所述装置下游的鼓风机。

包捂湿式洗涤器、冷却器、用于去除凝结水的装置和鼓风机的组合的排气再循环流动通道提供了用于改进排气再循环系统的独特解决方案。该结构允许无能量（燃料）消耗代价而净化排气。

将水基液体用作洗涤溶液的湿式洗涤器能够去除再循环排气中存在的很大部分的烟灰微粒和有害气体。然而，在高温排气的洗涤过程中，洗涤溶液中存在的一部分水将会不可避免地蒸发到排气中，从而增加气体的质量流量。

将在湿式洗涤器中处理的高温排气引导到湿式洗涤器下游的冷却器，并冷却至使得相当一部分蒸发水凝结的温度。接下来，由分离或偏离装置将凝结水从排气分离，从而使气体的质量流量减少偏离的凝结水的质量流量。

凝结水可能包含在洗涤过程中没有被完全去除的进一步的有害物质，例如烟灰微粒和溶解气体。这些有害物质随着凝结水而被去除。因此，包含水的凝结的冷却步骤促使再循环排气的进一步清洁。

在冷却器中除去有害物质还具有这样的优点，位于冷却器下游的部件不会经受有害物质，例如鼓风机和扫气气体接收器，并且因此，在这些部件中不需要对于有害物质的专门措施。由于首先湿式洗涤器和冷却器以及连接它们的部件将会需要更加耐久的材料或者更短间隔的替换，因此能够获得改进的使用寿命和材料成本的减少。

将清洁的和冷却的再循环排气引导经过鼓风机，以获得期望的压力。由于在洗涤过程中蒸发到排气中的水的主要部分随后在冷却器中被除去，所以鼓风机需要推进减少的气体质量流量，从而减少鼓风机的能量消耗。最后，将再循环排气引导到例如扫气空气接收器，并且在燃烧过程中再利用。

因此，本发明提供了一种解决方案，其减少了污染而不会使大型二冲程燃烧发动机的能量效率恶化。

尽管在冷却器中可能使用几种类型的冷却介质，例如气体或油，但是优选地，冷却器使用从水、淡水、脱盐水、海水、以及它们的混合物中选择的冷却介质。基于水的冷却介质是有效的且便宜的。

为了避免排气与冷却介质的不期望的混合，在冷却器中的冷却介质在实体上与流经冷却器的排气分隔。可以通过例如钛板的金属板或者另一种基于陶瓷或聚合物材料的实体隔离物进行分隔。然而，材料必须具有良好的导热性并且能够在腐蚀性环境中起作用。

在使用的实施例中，其中使用在商业上可得到的标准设备，冷却器可以例如是紧密逆流热交换器单元，其具有用于引导优选地为液体的冷却介质的带散热片的管道，并且散热片增加了从洗涤的排气传热以将其冷却的能力。

在冷却器中凝结并且从排气中被除去的水可以被丢弃即可。然而，在水是稀缺资源的地方，可以将从排气再循环流动通道除去的凝结水再利用为洗涤溶液。优选地，在凝结水再利用为洗涤溶液之前，将其净化，例如从水中除去诸如烟灰微粒的有害物质。这提供了水的有成本效益的使用，这对于环境也是友好的。

尽管可以通过任何已知的方法收集并偏离在冷却器中凝结之后的水，但是优选地，使用同样收集液滴以及甚至更小的漂移的水微粒的捕雾器，其通过利用惯性效果而起作用.由于这样的装置提供凝结水的非常有效的收集，因此例如作为离心式分离机或具有成角度的流动。当然，用于凝结水的分流的偏离的通道设置有所需的阀和/或泵。

水雾捕获器可以是冷却器的集成部分，或者可以作为冷却器下游的分离装置。

为了使根据本发明的燃烧发动机的维修成本最少，冷却器优选地自动清洗。

在再循环排气到达鼓风机之前，蒸发的水量已经减少，这减少了鼓风机上的负荷并且减少了功率消耗。鼓风机可以是例如商业上可得到的离心式压缩机或风扇。

而且，由于冷却，再循环排气已经获得了较高的密度，这将会促进鼓风机起作用。

在将再循环排气再利用为扫气气体之前，将排气供应到扫气空气接收器。然后将再循环排气沿着气缸分布并引导到发动机中作为扫气空气。

本发明还涉及一种再循环来自十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机的排气的方法，所述发动机包括多个气缸，其中的每一个连接至排气接收器。该方法包括将至少一部分排气从排气接收器经由排气再循环流动通道传导至扫气空气接收器，其中排气经历下列步骤：湿式洗涤步骤，其中使用水基液体作为洗涤溶液将排气湿式洗涤，用于清洁排气再循环流功通道中的再循环排气，所述湿式洗涤步骤增加排气的含水量；冷却步骤，其中排气在湿式洗涤步骤之后被冷却，用于将所述排气冷却至使得再循环排气中的至少一部分水汽凝结的温度；使再循环排气中的凝结水从排气再循环流动通道中的排气偏离的步骤；鼓风步骤，其中使再循环流动通道中的排气传导经过增加再循环排气中的压力的鼓风机。

根据本发明的方法提供选择以具有高效率和有害物质的较低排放地运行二冲程涡轮增压燃烧发动机。这通过在排气再循环流动通道中执行的单元操作的独特组合而实现。洗涤步骤、冷却/凝结步骤、凝结水的去除和鼓风步骤的组合比期望的增加了更多的有效性，从而在燃烧发动机的总体效率上提供了积极的影响。通过使蒸发的水至少部分地凝结而减少气体的质量流量，引起了该积极效果。

为了减少供应至扫气空气接收器的气体质量流量并且减少鼓风机上的负荷，优选地，冷却步骤使得在湿式洗涤步骤过程中蒸发到排气中的水的至少30%凝结，并且优选地使得在湿式洗涤步骤过程中蒸发到排气中的水的至少70%凝结。更优选地，冷却步骤使得在湿式洗涤步骤过程中蒸发到排气中的水的至少990%凝结，甚至更优选地使得在湿式洗涤步骤过程中蒸发到排气中的或者由燃烧产生的水的至少95%凝结。

为了使排气中的尽可能多的水凝结，优选地，冷却步骤将排气的温度降低至少50摄氏度，优选地降低为仅比冷却介质的温度高几度，例如5摄氏度。

通常期望将扫气空气的温度保持为尽可能低，因此，在根据本发明的方法中，再循环排气在进入扫气空气接收器之前，经历一个或多个进一步的冷却步骤而到达更高程度。由此，再循环排气有助于扫气气体的温度控制。

再循环排气应该能够进入扫气气体系统，这通过对再循环排气加压的鼓风装置而实现。优选地，在鼓风步骤中将排气中的压力增加至少1bar，更优选地，在鼓风步骤中将排气中的压力增加至少2bar。因此，再循环排气中的压力应该比扫气空气接收器中的总体压力高，并且形成了排气到扫气空气接收器中的压力驱动流。

从详细的描述，根据本发明的大型二冲程内燃发动机的进一步的目的、特征、优点和性能将变得明显。

附图说明

在本说明书的下面的详细部分中，将参照在附图中示出的示例性实施例更详细地解释本发明，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的发动机的示意图，以及

图2显示了本发明的第二实施例的示意图。

具体实施方式

在下文中，将通过示例性实施例描述根据本发明的十字头式的大型涡轮增压二冲程柴油发动机，以及用于操作十字头式的大型涡轮增压二冲程柴油发动机的方法的详细说明。

十字头式的大型涡轮增压柴油发动机的结构和操作同样是已知的，并且在本文中不应要求进一步的解释。在下文中提供了关于排气系统的运行的进一步细节。

图1显示了根据本发明的大型二冲程柴油发动机l的第一示例性实施例。发动机l例如可以被用作远洋航行船舶中的主发动机，或者被用作用于操作发电站中的发电机的固定式发动机。发动机的总输出量可以例如是从5,000至110,000kW的范围。

发动机设置有沿直线相互并排布置的多个气缸2。每个气缸2设置有与它们的气缸盖相关联的排气门3。可以通过排气门3而打开和闭合排气通道。还示出了发动机的十字头4，其将活塞杆连接至曲柄轴的较大末端。排气弯管5连接至排气接收器6。排气接收器6平行于气缸2的排布置。从排气接收器6，大部分排气流经由排气导管8被朝向泯轮增压器7的涡轮引导。排气流的其它小部分被再循环，并进入将在下文中更详细地描述的排气再循环流动通道。将排气处理到涡轮增压器7的涡轮的下游的大气中。

涡轮增压器7还包括连接至进气口的压缩机。压缩机经由扫气气体冷却器10和扫气气体导管11而将加压的扫气空气传递到扫气空气接收器9。扫气气体从填充空气接收器9通过而到达单个气缸2的扫气空气口12。

排气导管8设置有分支14，其将一部分排气引导到排气再循环流动通道13中。可以设置一种用于调整再循环排气与扫气气体的总流量的比率的装置，这可以通过控制鼓风机的动作而实现。排气再循环流动通道13将一部分排气引导到扫气空气流中。排气再循环流动通道13包括湿式洗涤器15，其使用水基洗涤溶液而运行，用于清洁排气。将洗涤溶液从洗涤溶液存储器或来源23引导至洗涤器。洗涤器15使洗涤溶液雾化，从而将洗涤溶液分散为洗涤器内部中的微小液滴。可以在一个或多个步骤中执行洗涤溶液的雾化，并且洗涤溶液优选地是具有通常可用质量的水，例如海水。使洗涤溶液适当超量地经过雾化器喷嘴，从而避免气体中的沉淀，例如盐或其它杂质。在本实施例中根据排气的温度而控制洗涤溶液的温度。水滴与再循环排气混合，并且提供适于从排气吸收烟灰微粒以及硫和包含NO_x的气体的大的表面积。液滴在洗涤器15的底部处在液滴收集器/水雾捕获器中收集，并且丢弃至出口，并进一步到达再生器24。除了清洁再循环排气以外，洗涤器15还提供再循环排气的初始冷却。在洗涤过程中，在洗涤溶液中存在的一部分水蒸发到再循环排气中，并且随着再循环排气被带走。而且，分散在洗涤器15中的许多微小液滴也随着再循环排气被带走。

将排气从湿式洗涤器15经由导管20而引导至冷却器16。冷却器16设置有内置的集成的水雾捕获器。再循环排气具有由燃烧初始产生的然后通过湿式洗涤过程而增加的相对高的水汽含量。在冷却器16中将再循环排气冷却，并且冷却导致再循环排气中的水汽凝结。由控制单元（未示出）控制冷却介质的流动速度和/或温度，用于控制凝结速度。典型地，冷却介质是水，并且具有在15℃至35℃范围内的温度。在水雾捕获器中捕获凝结水，并使其从排气分离。捕雾器还可以捕获可能存在的由再循环排气从洗涤器15带走的液滴。将在水雾捕获器中收集的液体偏离至导管18，在此处将其丢弃，经过导管19再循环至再生器24，或者以另一种方式处理。在再生器24中，将液体清洁并重新引导到洗涤器15中作为洗涤溶液。再生器24还从洗涤器15接收使用过的洗涤溶液，用于清洁并且在洗涤器15中再利用。来自水雾捕获器的凝结水和使用过的洗涤溶液可能包含例如烟灰微粒，未燃烧的燃料残渣，以及例如NO_x和硫化合物的溶解气体，并且在再利用为洗涤器15中的洗涤溶液之前，期望的是减少或除去凝结水和使用过的洗涤溶液中的这些物质。

冷却器16中的冷却介质通常是水，其在冷却器16中的分离的隔室中运行，并且与排气没有实体接触，从而避免了交叉污染。

导管21将冷却器16的出口连接至鼓风机17的入口。在冷却和凝结之后，将排气引导至鼓风机17，其增加再循环排气的压力。从鼓风机17，将处理过的排气引导至扫气空气导管11，在该导管11中使排气与其它扫气气体流混合，从而在所示实施例中，在进入填充空气接收器9之前，在冷却器10中进一步冷却。

在柴油发动机l运行时，排气导管8中的排气的温度在200-450摄氏度范围内，这也是进入洗涤器15的排气的温度。在洗涤器15中，发生初始冷却，并且经由导管20离开洗涤器15的排气具有在60-100摄氏度范围内的温度。排气在冷却器16中进一步冷却，并且导管21中的排气的温度在20-50摄氏度范围内。在鼓风机之后的导管22中的排气的温度优选地为大约20摄氏度，并且不高于40-60摄氏度。导管22中的排气与导管11中的新鲜扫气空气混合。

图2描绘了另一个实施例。相同的附图标记表示与图l中相同的部件。在该实施例中，鼓风机17的出口与冷却器10下游的扫气空气导管11连接，从而绕过冷却器10。因此，通过不具有受到来自线路22的再循环排气中可能的育害（主要是腐蚀）成分影响的相对大的冷却器10，该实施例产生有益的优点，因此允许冷却器10由具有较低的耐蚀性并且因此更便宜的材料制成。

由于具有20-60摄氏度范围内的温度的来自导管22的再循环排气与离开冷却器10的主要扫气气体流在然后能够简单地调整为恰好稳定在所需水平上的温度下混合，所以本实施例提供了控制气缸2中的扫气气体的温度的进一步选择。

尽管为了说明的目的已经详细描述了本申请的学说，但是应该理解这样的细节仅用于该目的，并且本领域技术人员可以在其中进行变化而不会背离本申请的学说的范围。

排气再循环流动通道可以包括多于一个洗涤器或冷却器，并且也可能增加其它的鼓风机以改善发动机的功能。还可能应用其它的设备，例如过滤器和加热器。

还应该注意到，有多种实施本发明的学说的设备的可替换方式。

如在权利要求中使用的术语“包括”不排除其它元件或步骤。如在权利要求中使用的术语“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。单个处理器或其它单元可以满足权利要求中陈述的几个装置的功能。

Claims

1.一种十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)，包括：

多个气缸(2)，所述多个气缸(2)每一个连接至排气接收器(6)，

排气再循环流动通道(13)，所述排气再循环流动通道(13)用于将排气的一部分供给到扫气空气流中，

冷却器(16)，所述冷却器(16)位于所述排气再循环流动通道(13)中，

鼓风机(17)，所述鼓风机(17)位于所述排气再循环流动通道(13)中，

其特征在于

在所述排气再循环流动通道(13)中的用于清洁再循环排气的湿式洗涤器(15)，所述湿式洗涤器(15)使用水基液体作为洗涤溶液，从而将水蒸发到再循环排气中并且增加再循环排气的含水量，

所述冷却器(16)位于所述湿式洗涤器(15)的下游，用于将所述排气冷却至使得再循环排气中的水汽的至少一部分凝结的温度，

用于使由所述冷却器(16)产生的凝结水从所述排气再循环流动通道(13)离开的装置，

所述排气再循环流动通道(13)中的所述鼓风机(17)位于所述冷却器(16)的下游和用于使凝结水离开的所述装置的下游。

2.根据权利要求l所述的十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)，其中所述冷却器(16)使用从水、淡水、脱盐水、海水及其混合物中选出的冷却介质。

3.根据权利要求l所述的十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(2)，其中所述冷却介质与流过所述冷却器(16)的再循环排气在物理上分离。

4.根据权利要求l所述的十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)，其中所述冷却器(16)是逆流冷却器。

5.根据权利要求l所述的十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)，其中所述冷却器(16)是顺流冷却器。

6.根据权利要求3所述的十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)，其中所述冷却器(16)具有在带散热片的管道中被引导的冷却介质。

7.根据权利要求l所述的十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)，其中从所述排气再循环流动通道离开的凝结水被作为洗涤溶液进行再利用。

8.根据权利要求7所述的十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)，其中在凝结水作为洗涤溶液进行再利用之前，将所述凝结水净化。

9.根据权利要求l所述的十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)，其中通过水雾捕获器使凝结水离开。

10.根据权利要求9所述的十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)，其中所述水雾捕获器是所述冷却器(16)的一体部分，或者位于所述冷却器的下游。

11.根据权利要求l所述的十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)，其中所述冷却器(16)自动清洗。

12.一种再循环来自十字头式的大型涡轮增压二冲程燃烧发动机(1)的排气的方法，

该发动机(1)包括多个气缸(2)，所述多个气缸(2)每一个连接至排气接收器(6)，所述方法包括：

将排气的至少一部分从所述排气接收器(6)经由排气再循环流动通道(13)传导至扫气空气接收器(9)，其中所述排气经历下列步骤：

冷却步骤，

鼓风步骤，其中使所述再循环流动通道(13)中的排气传导通过增加排气中的压力的鼓风机(17)，

其特征在于

湿式洗涤步骤，其中使用水基液体作为洗涤溶液将所述排气湿式洗涤，用于清洁所述排气再循环流动通道中的再循环排气，所述湿式洗涤步骤增加所述排气的含水量，

所述冷却步骤，其中在所述湿式洗涤步骤之后将所述排气冷却，用于将所述排气冷却至使得再循环排气中的水汽的至少一部分凝结的温度，以及

使再循环排气中的凝结水从所述排气再循环流动通道中的排气离开的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述冷却步骤使排气中存在的水的至少50%凝结。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述冷却步骤使排气中存在的水的至少70%凝结。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述冷却步骤使排气中的水的至少80%凝结。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述冷却步骤使排气中的水的至少90%凝结。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述冷却步骤将被洗涤的排气的温度降低至少50摄氏度。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述冷却步骤将被洗涤的排气的温度降低为仅比冷却介质的温度高几度的温度。

19.根据权利要求12所述的方法，其中所述排气在进入所述扫气空气接收器(9)之前经历一个或多个进一步的冷却步骤。

20.根据权利要求l2所述的方法，其中在所述鼓风步骤中将排气中的压力增加至少l巴。

21.根据权利要求l2所述的方法，其中在所述鼓风步骤中将排气中的压力增加至少2巴。