CN102482988A - 内燃发动机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃发动机装置，该内燃发动机装置布置在具有发动机室(2)和直接与发动机室(2)连接的发动机壳(21)的船舶(1)上。内燃发动机装置包括内燃发动机(3)、与内燃发动机连接以从内燃发动机接收废气流的排气管(4)、包括发电机(7)并沿废气流的方向布置在排气管(4)之后的涡轮机单元(6)，以及设置有电马达(12)并与内燃发动机(3)直接连接的压缩机单元(10)。为了提供具有改进的排放控制的能量有效装置，内燃发动机装置进一步包括选择性催化还原单元(5)，该选择性催化还原单元被布置在发动机壳(21)中，在废气流的方向上正好布置在包括发电机(7)的涡轮机单元(6)之前。

Description

内燃发动机装置
技术领域
本发明涉及一种内燃发动机装置，如在权利要求1的前序部分中进一步限定的，该内燃发动机装置布置在具有发动机室和直接与发动机室连接的发动机壳的船舶上。
背景技术
船舶上通常布置有内燃发动机，例如柴油机，以提供推进功率并为用电装置提供电能。来自这种发动机(特别是柴油机)的废气包含可被分类为废能的多余能量。
在传统装置中，废能被回收在为发动机供应燃烧空气的涡轮增压机中。从WO2008/135059A1中可得知这种装置，该专利公开了具有涡轮增压机和选择性催化还原(SCR)单元的大型增压柴油机。通常，一方面，在高负载时，可获得比所需要的能量多的能量，另一方面，在低负载时，涡轮增压机无法供应充足的空气。
由于环境条例的原因，已应用并将应用更严格的排放标准。典型地，已使用选择性催化还原(SCR)来减小NOx排放。为了达到适当的有效程度，选择性催化还原需要相当高的温度。在使用涡轮增压机时，温度通常降至并不足够的水平，特别是二冲程发动机，其中的温度水平比四冲程发动机中的温度水平低。因此，必须将SCR单元布置在温度足够高的废气流的点处。这导致空间问题，特别是船舶上的空间问题。
如上所述，在二冲程船舶发动机装置中，SCR单元的位置特别麻烦，因为与四冲程发动机相比，涡轮增压机之后的废气温度更低。在已知的解决方案中，SCR单元通常位于涡轮增压机之前。SCR反应器包括大型容器和管道，当位于空间有限的船舶的发动机室中时其会导致设计问题。
发明内容
本发明的一个目的是实现一种能避免上述问题并在提供排放控制的同时允许增加工作效率的内燃发动机装置。通过根据权利要求1所述的内燃发动机装置来达到此目的。
本发明的基本思路是为内燃发动机装置提供传统涡轮增压机的替换系统，以提高发动机效率，同时允许装置进行有效的排放控制。这可通过使内燃发动机装置进一步包括选择性催化还原单元来提供，该选择性催化还原单元被布置在发动机壳中，在废气流的方向上正好布置在包括发电机的涡轮机单元之前。
发动机壳是从发动机室向上延伸至船舶外部的位于船舶的发动机室上方的结构。发动机壳为内燃发动机的废气管提供壳体。
有利地，并为了进一步控制废气流，沿废气流的方向，正好在包括发电机的涡轮机单元之后布置有废气节能器。还可沿废气流的方向，正好在废气节能器之后布置有消音器。
优选地，废气节能器也被布置在发动机壳中。
优选地，消音器也被布置在发动机壳中。
在内燃发动机是典型地用于船舶的二冲程低速发动机的情况中，本发明是特别有利的。没有传统的涡轮增压机，废气可在其通向涡轮机单元前直接通向选择性催化还原单元，从而为还原过程提供足够高的温度。
在内燃发动机是典型地用于船舶的四冲程中速发动机的情况中，本发明是特别有利的。没有传统的涡轮增压机，相对更高的废气温度允许选择性催化还原过程在发动机启动过程中更早地开始并在极低的负载下运行。
在内燃发动机是典型地用于船舶的双燃料发动机的情况中，本发明是特别有利的。这是由于由电马达驱动的压缩机单元使得可以独立控制气流。
优选地，涡轮机单元的发电机借助于船舶上的电开关板与电马达连接，由此，船上的其他用电装置也可通过电开关板来使用发电机产生的电能。
优选地，在涡轮机单元的发电机和电开关板之间布置有第一控制装置，以便调节电流以适应船舶上的电网。
优选地，在电开关板和电马达之间布置有第二控制装置，以便调节电马达的速度。
有利地，内燃发动机装置设置有一个或更多个与开关板连接的辅助发电机单元。这提供了冗余度并保证了压缩机在船舶的所有工作模式中的操作。
权利要求2至12限定了本发明的有利特征。
附图说明
下面将参考所附示意图仅通过实例来描述本发明，示意图示出了本发明的一个实施方式。
具体实施方式
在图中所示的本发明的实施方式中，布置有本发明的装置的船舶通常用附图标记1表示。船舶1设置有至少一个位于船舶1上的发动机室2中的内燃发动机3。内燃发动机3与主轴S连接，主轴S与例如船舶1上的推进单元或发电机(未示出)连接。
内燃发动机3设置有用于从内燃发动机3接收废气流的排气管4。在此实施方式中，排气管4被布置为通向选择性催化还原单元5。沿废气流的流动方向，在选择性催化还原单元5之后，设置有包括发电机7的涡轮机单元6，即，所谓的废气涡轮机。在包括发电机7的涡轮机单元6之后，废气流布置为被引向废气节能器8，并进一步穿过消音器9而通至大气中。因此，该装置不包括传统使用的涡轮增压机。
内燃发动机3进一步设置有用于为内燃发动机3提供燃烧空气的压缩机单元10。为压缩机单元10供应的空气用块箭头11表示。压缩机单元10设置有电马达12形式的驱动装置。涡轮机单元6的发电机7与电马达12连接，以供应用于驱动电马达12的电能。
在所示实施方式中，发动机壳21布置为与发动机室2连接。因此，发动机壳21与发动机室2直接连接。发动机壳21是位于船舶1的发动机室2上方的结构，从发动机室2向上延伸至船舶1的外部。发动机壳21为内燃发动机的排气管4提供壳体。
排气管4(如图所示，如在实施方式中至少部分地示出的)、选择性催化还原单元5、包括发电机7的涡轮机单元6、废气节能器8、消音器9以及电马达12可被布置在船舶1的发动机壳21内。然而，如下面更详细地讨论的，可通过另一装置来实现本发明的优点。取决于主要需求，废气节能器8和消音器9是本发明的可选特征。该装置还可在包括发电机7的涡轮机单元6之后的废气流中设置有涤气器单元(未示出——也在下面讨论)。
涡轮机单元的发电机7被布置为优选地通过第一控制装置13将电能供应至船舶1上的电开关板14。电能被布置为优选地通过第二控制装置15借助于电开关板14供应至空气压缩机单元10的电马达12，以驱动所述空气压缩机单元10。与第二控制装置15和内燃发动机3连接的自动系统由附图标记A示意性地表示。
附图所示的本发明的实施方式还示出了三个由附图标记16表示的额外的所谓的辅助发电机单元(发电机组)，其与电开关板14连接以对其供应电能。来自辅助发电机单元16的电能也可被引至压缩机单元10的电马达12。辅助发电机单元16的数量可以是一个或更多个。
如上所述，本发明的装置被有利地布置在设置有发动机室2和与其连接的发动机壳21的船舶1中。用包括发电机7的涡轮机单元6(所谓的废气涡轮机)代替传统使用的涡轮增压机(也在下面讨论)。由涡轮机单元6的发电机7产生的电能被供应至船舶1上的电开关板14。发电机7通过第一控制装置13与电开关板14连接，第一控制装置13布置为关于例如频率、电压等来调节电流，以适应船舶上的电网。压缩机单元10由电马达12驱动，电马达12通过第二控制装置15与电开关板14连接，以根据内燃发动机的控制输入来调节电马达的速度。压缩机单元10为内燃发动机3供应燃烧空气。涡轮机单元6的发电机7还可布置为直接为电马达12(未示出)供应电能，而不是通过电开关板14来供应。
通常，还有一个或更多个其他发电机装置，例如，上述与船舶1上的电开关板14连接以提供电能的辅助发电机单元16。
在高负载时，压缩机单元10回收的能量比消耗的能量多。借助于涡轮机单元6的发电机7，可将其供应至电开关板14，以用于船舶1上的其他消耗。
还可将来自涡轮机单元6的发电机7的电能供应至船上的其他用电装置。
此外，上述装置允许独立于涡轮机单元6的发电机7的输出来控制压缩机单元10的输出。这意味着，在所有负载下，可由独立工作的压缩机单元10为内燃发动机3供应足够的燃烧空气。与传统的涡轮增压机相比，将存在更少的所谓的涡轮迟滞，这是因为当由电马达12驱动时压缩机单元10可快速增加输出。这意味着，发电机负载的增加会更快。可实现精确地控制供应的空气的量。
通过增加诸如SCR单元和例如涤气器(以上讨论的)的元件，可增加废气背压，这可能需要由更高的进气压力来补偿。然而，在此方面，本发明的一个附加优点是，与使用传统的涡轮增压机的情况(以上讨论的)相比，内燃发动机周围的排气管道没那么复杂。此有利结构能导致背压的减小。
可通过考虑空气温度、湿度等，并通过确保内燃发动机3接收正确温度的空气，来控制由压缩机单元10供应的空气的量。与传统的涡轮增压机相比，不需要排废门(waste gate)或旁通装置，这是因为可独立于内燃发动机负载和废气流来控制压缩机单元10。此外，在更低的温度下，可减小气流，从而允许在更低的入口温度下操作并允许减小对加热进入空气的需求。因此，为与自动系统A连接的装置增加温度控制T是有利的。
对于双燃料发动机来说，可由压缩机单元10实现的气流的独立控制是特别有利的。与柴油燃料操作相比，对气体燃料操作的空气需求是完全不同的。
在根据本发明的内燃发动机装置中，包括发电机7的涡轮机单元6和压缩机单元10可被相互独立地定位，由此，这些单元并非必须直接位于内燃发动机3上。因此，包括发电机7的涡轮机单元6可位于发动机壳21中。
如果内燃发动机3是具有传统的涡轮增压机的二冲程低速发动机，那么废气流通常是从发动机到选择性催化还原单元，然后到涡轮增压机(进一步到废气节能器)，以提供具有足够高的温度的废气，以进行还原过程。当涡轮增压机通常构造在发动机中时，选择性催化还原单元也必须靠近发动机，这需要在发动机室中具有足够的空间。由于SCR单元是大型元件，所以这将在船舶中产生困难。
根据本发明，由于包括发电机7的涡轮机单元6和压缩机单元10的独立位置，所以可将选择性催化还原单元5布置在发动机壳21中，直接从内燃发动机3的废气管4接收废气流。而且，不需要为低发动机负载提供辅助鼓风机。因此，在发动机室本身中需要更少的空间，这也允许实现更灵活的装置。
此装置的另一重要优点是，当没有诸如涡轮增压机的中间元件时，离开内燃发动机3并进入选择性催化还原单元5的废气流将具有足够高的温度，以便也能为典型地布置在船舶中的二冲程低速发动机提供有效的选择性催化还原过程。
如果内燃发动机3是具有传统的涡轮增压机的四冲程中速发动机，那么废气流通常是从发动机到涡轮增压机，然后到选择性催化还原单元(进一步到废气节能器)。然而，根据本发明，没有诸如涡轮增压机的中间元件，选择性催化还原单元5在发动机启动过程中，以及由于选择性催化还原单元5之前的更高的废气流温度而在非常低的负载下，将更快地开始工作。这使排放控制增强。
本描述和相关附图仅旨在阐明本发明的基本构思。本发明可在随附的权利要求的范围内改变。

Claims (12)

1.一种内燃发动机装置，该内燃发动机装置布置在具有发动机室(2)和直接与所述发动机室(2)连接的发动机壳(21)的船舶(1)上，
所述内燃发动机装置包括：内燃发动机(3)；排气管(4)，该排气管与所述内燃发动机连接以从该内燃发动机接收废气流；以及涡轮机单元(6)，该涡轮机单元包括发电机(7)并沿所述废气流的方向布置在所述排气管(4)之后，其中，所述排气管(4)、所述涡轮机单元(6)和所述发电机(7)被布置在所述发动机壳(21)中，所述内燃发动机装置还包括压缩机单元(10)，该压缩机单元设置有电马达(12)并与所述内燃发动机(3)直接连接，其中，所述压缩机单元(10)被布置为向所述内燃发动机(3)供应燃烧空气，并且所述发电机(7)与所述电马达(12)连接，所述内燃发动机的特征在于，所述内燃发动机装置还包括选择性催化还原单元(5)，所述选择性催化还原单元布置在所述发动机壳(21)中，在所述废气流的方向上正好布置在包括所述发电机(7)的所述涡轮机单元(6)之前。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机装置，其特征在于，沿所述废气流的方向，正好在包括发电机(7)的所述涡轮机单元(6)之后布置有废气节能器(8)。
3.根据权利要求2所述的内燃发动机装置，其特征在于，沿所述废气流的方向，正好在所述废气节能器(8)之后布置有消音器(9)。
4.根据权利要求2所述的内燃发动机装置，其特征在于，所述废气节能器(8)布置在所述发动机壳(21)中。
5.根据权利要求3所述的内燃发动机装置，其特征在于，所述消音器(9)布置在所述发动机壳(21)中。
6.根据权利要求1所述的内燃发动机装置，其特征在于，所述内燃发动机(3)是二冲程低速发动机。
7.根据权利要求1所述的内燃发动机装置，其特征在于，所述内燃发动机(3)是四冲程中速发动机。
8.根据权利要求1所述的内燃发动机装置，其特征在于，所述内燃发动机(3)是双燃料发动机。
9.根据权利要求1所述的内燃发动机装置，其特征在于，所述涡轮机单元(6)的所述发电机(7)借助于电开关板(14)与所述电马达(12)连接。
10.根据权利要求9所述的内燃发动机装置，其特征在于，在所述涡轮机单元(6)的所述发电机(7)和所述电开关板(14)之间布置有第一控制装置(13)。
11.根据权利要求9所述的内燃发动机装置，其特征在于，在所述电开关板(14)和所述电马达(12)之间布置有第二控制装置(15)。
12.根据权利要求9所述的内燃发动机装置，其特征在于，所述内燃发动机装置设置有与所述电开关板(14)连接的一个或更多个辅助发电机单元(16)。
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