CN107035518B - 具有位于排气接收器的下游的scr反应器的二冲程内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二冲程内燃机(1)，其具有位于排气接收器(6)的下游的SCR反应器(11)。再生流路(17)连接到用于将在SCR反应器中的催化剂材料再生的SCR反应器。将多个发动机气缸中的至少一个气缸调适为向再生流路(17)递送温度比在排气接收器(6)中的排气的温度更高的排气的第一流。

Description

具有位于排气接收器的下游的SCR反应器的二冲程内燃机

技术领域

本发明涉及一种二冲程内燃机，所述二冲程内燃机包括多个具有燃烧室的气缸，和排气系统，所述排气系统包括用于接收来自所述多个气缸的排气的排气接收器，至少一个涡轮增压器和位于所述排气接收器的下游的至少一个SCR反应器，其中各个气缸具有带有清扫空气端口的气缸壁和带有排气阀的气缸盖，所述排气阀在延伸到在所述排气系统中的所述排气接收器的排风管处，并且其中再生流路可连接到所述SCR反应器，以将在所述SCR反应器中的催化剂材料再生。

背景技术

二冲程内燃机在船舶如货柜船、散装货轮、油轮和气体运输船中用作推进发动机。二冲程内燃机也用作固定发电站中的原动机，在那里内燃机驱动向电网供应电力的发电机。与推进发动机和固定原动机有关的是环境问题。本发明的二冲程内燃机典型地是具有至少400kW/气缸的功率的大型的直列式发动机。这些二冲程发动机典型地是十字头型的，并且它们可以基于不良品质的燃料油(如重燃料油和含有硫的重燃料油)或者基于燃料气和操纵油(pilot oil)(在此，操纵油是含有硫的燃料油)以高效率(低的机油-燃油比耗量)运行。

SCR反应器(SCR是选择催化还原(Selective Catalytic Reduction))是用于排气处理的标准部件，通过它，可以在排气离开烟囱并被释放到环境之前将在气缸中在燃烧过程中生成的NO_x还原到低水平。在SCR反应器中，通过加入氨作为还原剂，将NO_x催化还原成氮和水。对此的进一步的细节描述于论文“排放项目指南(Emission Project Guide)”中，第2版，2014年3月，MAN Diesel&Turbo，丹麦。

SCR反应器的运行温度受到流动到SCR反应器以进行清洁的排气的温度、以及在SCR反应器中的排气的压力、以及燃料硫含量的影响。如果排气温度过低(如在2.5巴(bara)和3％的硫含量时低于320℃)，则硫酸被氨中和并且形成粘性产物，即称为ABS的硫酸氢铵，其可能沉积在SCR反应器的催化剂材料上。如果排气温度高于最大温度，如550℃，则催化剂材料可能开始烧结。如果温度高于350℃，则沉积的ABS可能溶解并且催化剂材料因此再生。

EP 2 216 523 A1公开了一种当排气的温度等于或低于300℃时清洁来自大型船舶柴油发动机的排气的SCR反应器。为了将催化剂材料再生，使用产生动力的辅助柴油发动机(其是不同于内燃机的四冲程发动机)，以产生在约350℃的更高温度的排气，并且将此排气引导到SCR反应器的选定区段，以将此区段中的催化剂材料再生。

JP H5-285343公开了一种二冲程内燃机，其具有在230℃至280℃的范围内的排气温度，并且基于含有2％至5％硫的燃料运行，并且硫含量增加了ABS的形成。SCR反应器位于涡轮增压器的下游。该SCR反应器被分成隔间，并且在每个隔间中具有闸门阀(其可以阻挡排气从涡轮增压器流入)和控制阀，打开所述控制阀用于从排气接收器和涡轮增压器之间的排气通道(即涡轮增压器的上游，在那里排气温度比涡轮增压器的下游温度)取出热气体。

发明内容

本发明的一个目的是改进在SCR反应器中的催化剂材料的再生的可能性，如当二冲程内燃机在少于满发动机负荷运行时。

考虑到这一点，最初提到的根据本发明的二冲程内燃机的特征在于，将所述多个气缸中的至少一个气缸调适为向所述再生流路递送处于比在所述排气接收器中的排气的温度更高的温度的排气的第一流。

整个二冲程内燃机在由发动机调速器设置的发动机负荷下运行，并且在该发动机负荷下递送的发动机动力是由各个气缸发展的动力的加和的结果。如果在发动机上的所有气缸向再生流路递送，例如通过将排气的初始的、最热的部分转向到再生流路，则发动机调速器自动对此补偿。当多个气缸中的至少一个气缸向再生流路递送处于更高温度的排气时，则这可能影响由此气缸或这些气缸递送的动力，然而当发动机调速器保持所设置的发动机负荷时，所述多个气缸中的其他气缸对此补偿。当至少一个气缸递送处于比来自其他气缸的排气更高的温度的排气时，可以向再生路径供应处于比排气接收器中的排气的平均温度更高的温度的排气。处于高温的排气的递送也可以发生在当二冲程内燃机以部分负荷如50％发动机负荷(MCR(最大持续功率，其是100％发动机负荷)的50％)运行时。从至少一个气缸获得足够热的排气的这一可能性在当二冲程内燃机是在船舶中的推进发动机时是非常有利的，因为当船舶在港口附近时，船舶典型地在降低的速度下——并且因此在低发动机负荷下——航行，并且在这些水域排放要求是严格的，并且SCR反应器应当处于运行。二冲程内燃机也可以在部分负荷如MCR的75％下运行以延长服役周期，因为SCR反应器的再生能够由于通过单缸递送的高温排气所引起。

在二冲程内燃机的通常的现有技术运行中，所有气缸都具有相同的运行循环。这对于根据本发明的二冲程内燃机也是可能的，并且随后仅仅将来自单缸的排气的最热部分引导到再生流路。然而，在本发明的一个实施方案中，将多个气缸划分成包含所述至少一个气缸的第一组和包含其余一个或多个气缸的第二组，并且这允许在第一组中的所述至少一个气缸的运行循环与在第二组中的一个或多个气缸的运行循环不同。当需要再生时，将在第一组中的所述至少一个气缸设置为导致更高排气温度的修改的运行循环。当完成再生时，所述至少一个气缸回到正常运行循环，并且随后所有气缸都具有相同的运行循环，直到下一个再生过程。当然，所述至少一个气缸永久地具有与其他气缸不同的运行循环也是可以的，但这不是优选的，因为当所有气缸具有相同的运行循环时，二冲程内燃机的机油-燃油比耗量(SFOC)典型地将更低。

排气接收器是细长的压力容器，其直径比来自气缸的各个排气管的直径更大，例如其直径至少两倍于各个排气管的直径，或其直径至少三倍于各个排气管的直径。排气接收器对由来自气缸的各个排气脉冲导致的压力变化具有平衡效果。排气接收器允许来自排气脉冲的脉冲能量大大耗散，使得排气将稳定而不是间歇地流动到涡轮增压器，并且在涡轮增压器的涡轮入口处处于恒定压力。这样，用处于平衡化压力的排气供应涡轮增压器。因此，归因于排气接收器的存在，根据本发明的二冲程内燃机设置有所谓的恒压系统涡轮增压。这与在例如道路车辆中的涡轮增压器形成对比，在道路车辆中，来自气缸的排气被引导通过几乎均匀直径的管的歧管系统，并且作为结果，涡轮增压器是脉冲负荷的，并且具有比在涡轮入口处接收恒定压力的涡轮增压器低的效率。

在一个实施方案中，通过喷射附加的燃料调适所述至少一个气缸的运行循环。附加的燃料将增加在所述至少一个气缸中的燃烧气体温度，并且因此来自所述至少一个气缸的排气将具有升高的温度。如果所述至少一个气缸递送更多的动力，那么因此发动机调速器将调整其他气缸，以通过减少在其他气缸中喷射的燃料量来递送较少的动力。

在进一步的发展中，通过与在所述第二组中的气缸中的排气阀的打开相比更早地打开在发动机循环中的排气阀，调适所述至少一个气缸的运行循环。通常，在接近工作冲程的结束打开排气阀，并且在工作冲程的靠后部分，减少燃烧室中的压力和温度这两者。在所述至少一个气缸中的排气阀的早打开因此导致来自所述至少一个气缸的排气具有更高的压力和更高的温度。另一个效果是所述至少一个气缸将递送较少的动力，并且因此发动机调速器调整其他气缸以递送更多的动力。

在另一个进一步的发展中，其中通过与在所述第二组中的气缸中的排气阀的关闭相比更早地关闭在发动机循环中的排气阀，调适所述至少一个气缸的运行循环。早些关闭可以引起不完全的清扫并且因此更高的温度，因为不是所有燃烧气体都已经被冷的清扫空气替换。

在一个实施方案中，将在所述至少一个气缸处的控制装置调适为将排气分隔成纯燃烧气体的第一部分和燃烧气体和清扫空气的第二部分，所述第一部分是被向所述再生流路递送的所述排气的第一流。当排气阀打开时从气缸流出的纯燃烧气体具有高温。当清扫空气到达排气阀时，排气具有较低的温度，并且恰在清扫结束之前，排气是燃烧气体和清扫空气的混合物，其具有大比例的清扫空气，因此具有比较低的排气温度。在排气接收器中，将所有排气混合，并且在排气接收器中的排气的平均温度低于在排气的第一流中的纯燃烧气体的温度。作为实例，当在25％发动机负荷下运行时，在排气接收器中的排气的温度可以是280℃，而在排气的第一流中的纯燃烧气体可以具有700℃的温度。单缸可以具有与其他气缸相同的运行循环或如上文中所述不同的运行循环。

在一个实施方案中，所述控制装置控制在单缸的排风管中的可调节闸门，所述闸门具有打开位置(在所述打开位置将排气引导到所述再生流路)，和关闭位置(在所述关闭位置，将排气引导到所述排气接收器)。此方案的优点是，可调节闸门可以被布置在排气阀的下游的排气道中，并且在第一组中的至少一个气缸上的气缸盖可以与在第二组中的其他气缸的气缸盖具有相同的设计。在一个备选实施方案中，所述控制装置控制在所述至少一个气缸中的附加的排气阀，所述附加的排气阀被布置在所述再生流路的端部。不过，此备选的实施方案必须对气缸盖进行修改。

在另一个实施方案中，所述至少一个气缸位于所述二冲程内燃机的端部，并且开始自所述至少一个气缸的排风管延伸到所述排气接收器的端部区域，并且所述再生流路连接到所述排气接收器的所述端部区域。从所述至少一个气缸经由排气接收器的端部区域向再生流路供应排气。排气接收器可以设置有内板，所述内板位于用于开始自所述至少一个气缸的排风管的出口开口和用于开始自与所述至少一个气缸相邻的气缸的排风管的出口开口之间。内板造成在来自相邻的气缸的排气和来自所述至少一个气缸的排气之间的阻挡物，使得向再生流路供应来自所述至少一个气缸的排气。

在一个实施方案中，所述至少一个气缸是单缸。在此实施方案中，第一组包括一个气缸，并且第二组包括剩余的气缸，它们的数量是所述多个气缸中的气缸数减去单缸。

在一个实施方案中，SCR反应器位于涡轮增压器的上游，这带来较高温度水平的益处，因为排气尚未在涡轮增压器的涡轮中膨胀。

在一个实施方案中，SCR反应器具有与控制阀连接的出口，所述控制阀是压力控制阀。在发动机的正常运行中，控制阀处在完全打开位置。当要进行再生时，可以将控制阀设置在部分打开位置，其具有使得跨过控制阀发生压降的小的敞开面积，并且同时在SCR反应器中压力增加，并且这导致在SCR反应器中较高的温度，因为当排气膨胀到较低的压力时排气中的温度降低。

附图说明

以下，参照高度示意性的附图，更详细地描述本发明的实施方案的实例，其中

图1示出了根据本发明的第一实施方案，

图2示出了根据本发明的第二实施方案，

图3示出了根据本发明的第三实施方案，且

图4示出了排气温度如何随发动机负荷变化的图。

具体实施方式

二冲程内燃机1具有多个气缸2，如4至15个气缸。在图示的实施方案中，发动机具有六个气缸2。发动机可以例如是MAN Diesel&Turbo生产的且型号为ME或MC，或是生产的，或是Mitsubishi生产的。气缸可以具有在例如25至120cm、优选35至98cm范围内的气缸筒。用作主推进发动机的二冲程内燃机是十字头型的，并且典型地具有以rpm表示的、在20至260rpm、典型地55至195rpm范围内的速度。这些发动机被称为低速发动机。对于经由推进器以高效率向尾随船舶的水中传送推力来说，需要低速。

每个气缸2具有在气缸内的往复式活塞。气缸典型地是单流扫气型的，具有位于气缸的下端部区域处的清扫空气端口，和位于气缸的顶部处安装在气缸盖4中的排气阀3。排气阀打开和关闭排风管5，所述排风管5延伸到排气接收器6。涡轮增压器7具有向清扫空气接收器8递送加压入口空气的压缩机部。清扫空气接收器8连接到位于每个气缸的下端部处的入口空气室，使得向气缸壁中的清扫空气端口供应清扫和入口空气。向涡轮增压器的涡轮部供应排气，并且当在涡轮部中使排气膨胀后，排气在排气系统中向前流动并终止在烟囱中，在那里将排气释放，如由箭头10所示。

当二冲程内燃机基于重燃料油运行时，并且尤其是当基于含有硫的重燃料油，或基于燃料气和燃料油如操纵油，或基于任何其他含有硫的燃料运行时，在SCR反应器11清洁排气可以是理想的。

在不同的实施方案中，对相同的类型和功能的细节使用相同的附图标记。在图1和3的实施方案中，SCR反应器安装在涡轮增压器的下游的排气系统中，并且在图2的实施方案中，SCR反应器安装在涡轮增压器的上游的排气系统中。排气在涡轮增压器的上游比在涡轮增压器的下游具有更高的温度，因为在涡轮部使排气膨胀。

第一控制阀13可以打开，用于当排气待清洁时使排气流动到SCR反应器，并且脲供应14向SCR反应器的上游的排气添加脲。可以关闭第一控制阀，并且可以打开在旁路管线12中的第二控制阀15，并且随后不使排气通过SCR反应器。第三控制阀16位于SCR反应器的下游侧，该下游侧介于SCR反应器和旁路管线12之间。

图4示出了排气接收器中的平均排气温度如何随发动机负荷变化。在满发动机负荷(MCR的100％)时，排气温度高，但是当二冲程内燃机以部分负荷(如在MCR的25％至80％的范围内的负荷)运行时，排气温度较低。图4中的曲线a、b和c示出了二冲程内燃机的不同的设计，并且看起来趋势是相同的，即当发动机负荷越低时，排气温度越低。当SCR反应器正在清洁温度低于320℃的排气时，硫酸氢铵沉积在SCR反应器的催化剂材料上，并且对反应器来说降低了催化清洁效果。当ABS累积在催化剂材料的表面上时，在SCR反应器两端的压降增加。因此，可以测量此压降，并且当超过预定极限值时，开始再生过程。也可以以一定的间隔进行再生过程而不监视压降。

可以在整个SCR反应器上进行再生过程，或者在其区段上进行再生过程，条件是SCR反应器具有将SCR反应器划分成两个以上区段的内部分隔使得可以当再生一个区段时其他区段在运行清洁排气。当SCR反应器具有多个区段时，每个区段具有像第一控制阀13的阀以用于封锁排气的供应，并且具有控制阀，该控制阀打开是为了实现连接到再生流路17的流动。也可以具有若干个并联安装的SCR反应器，并且随后当将SCR反应器中的一个再生时其他的在运行。

再生流路17具有第四控制阀18，其可以为在再生流路中的流动而打开和关闭。在图1的实施方案中，再生流路连接到在排气阀的下游和排气接收器的上游的排风管5。此实施方案可以补充具有控制装置，用于递送处于高温的排气的第一流的单缸。在图1中，单缸是在发动机的左手端的气缸，但是再生流路可以安装在任意气缸处。控制装置将排气分隔成纯燃烧气体的第一部分(所述第一部分被引导到再生流路17)，以及燃烧气体和清扫空气的第二部分，所述第二部分被引导到排气接收器6。这可以通过操作在排风管中的可调节闸门来完成。备选地，单缸可以具有附加的排气阀，可以首先将其打开，并随后在排气阀3打开之前或之时关闭。附加的阀连接到再生流路。

在图3的实施方案中，再生流路17连接到排气接收器的端部区域，并且内板19位于排气接收器的内部。内板19确保了来自发动机的端部处的单缸的排气主要被供应到再生流路17。

处于较高温度的排气的第一流也可以通过修改单缸的运行循环来获得。这可以包括向单缸喷射附加的燃料(优选在燃料喷射过程结束时进行)，或者修改排气阀的时机以使得单缸的排气阀在其他气缸中的排气阀之前打开或在其他气缸中的排气阀之前关闭。燃料喷射和排气阀的操作优选是电控的，这样针对发动机循环的不同时机简单地调节对排气阀致动器的打开或关闭信号。当要喷射附加的燃料时，发动机调速器控制单缸的喷射系统，以喷射附加量的燃料。

作为实例，处于更高温度的排气的第一流在进入再生流路17处可以具有在680℃至750℃的范围内的温度，并且当使排气的压力膨胀至约1巴的绝对压力时，温度在450℃至470℃的范围内，这对于进行再生来说是足够热的。

在上述实施方案中，所述至少一个气缸具体化为单缸，但是可以像单缸一样设计多于一个气缸，并且形成第一组气缸部，并且在这种情况下，剩余的气缸(如果有的话)形成第二组部，其中气缸不用被设计成具有用于向再生流路递送处于更高温度的排气的可能性。

可以将所述的各种实施方案的细节组合成在专利权利要求的范围内的进一步的实施方案。

Claims (14)

1.一种二冲程内燃机，所述二冲程内燃机包括多个具有燃烧室的气缸，和排气系统，所述排气系统包括用于接收来自所述多个气缸的排气的排气接收器，至少一个涡轮增压器和至少一个位于所述排气接收器的下游的SCR反应器，其中各个气缸具有带有清扫空气端口的气缸壁和带有排气阀的气缸盖，所述排气阀在延伸到在所述排气系统中的所述排气接收器的排风管处，并且其中再生流路可连接到用于将在所述SCR反应器中的催化剂材料再生的所述SCR反应器，其特征在于，将所述多个气缸中的至少一个气缸调适为向所述再生流路递送温度比在所述排气接收器中的排气的温度更高的排气的第一流。

2.根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其中将所述多个气缸划分成包括所述至少一个气缸的第一组和包括剩余一个或多个气缸的第二组。

3.根据权利要求2所述的二冲程内燃机，其中将所述至少一个气缸的运行循环调适为与在所述第二组中的气缸的运行循环不同。

4.根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其中通过喷射附加的燃料来调适所述至少一个气缸的运行循环。

5.根据权利要求2所述的二冲程内燃机，其中通过与在所述第二组中的气缸中的排气阀的打开相比更早地在发动机循环中打开排气阀，来调适所述至少一个气缸的运行循环。

6.根据权利要求2所述的二冲程内燃机，其中通过与在所述第二组中的气缸中的排气阀的关闭相比更早地在发动机循环中关闭排气阀，来调适所述至少一个气缸的运行循环。

7.根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其中所述至少一个气缸是单缸。

8.根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其中至少一个SCR反应器位于所述涡轮增压器的上游。

9.根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其中所述SCR反应器具有与第三控制阀连接的出口，所述第三控制阀是压力控制阀。

10.根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其中将在所述至少一个气缸处的控制装置调适为将排气分隔成纯燃烧气体的第一部分以及燃烧气体和清扫空气的第二部分，所述第一部分是被递送给所述再生流路的所述排气的第一流。

11.根据权利要求10所述的二冲程内燃机，其中所述控制装置控制在所述至少一个气缸的排风管中的可调节闸门，所述闸门具有：打开位置，在所述打开位置，排气被引导到所述再生流路，以及关闭位置，在所述关闭位置，排气被引导到所述排气接收器。

12.根据权利要求11所述的二冲程内燃机，其中所述控制装置控制在所述至少一个气缸中的附加的排气阀，所述附加的排气阀被布置在所述再生流路的端部。

13.根据权利要求2至9中任一项所述的二冲程内燃机，其中所述至少一个气缸位于所述二冲程内燃机的端部，并且所述排风管从所述至少一个气缸延伸到所述排气接收器的端部区域，并且所述再生流路连接到所述排气接收器的所述端部区域。

14.根据权利要求13所述的二冲程内燃机，其中所述排气接收器设置有内板，所述内板位于用于从所述至少一个气缸开始的排风管的出口开口和用于从与所述至少一个气缸相邻的气缸开始的排风管的出口开口之间。