CN107269351B - 带有排气后处理系统的内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机(1)，带有排气后处理系统(3)，即，带有SCR排气后处理系统，其中内燃机(1)包括多个气缸(7)，其中排气后处理系统(3)包括配置在反应室(10)中的至少一个SCR催化转化器(9)、通向对应的反应室(10)和对应的SCR催化转化器(9)的排气供给线路(8)、离开对应的反应室(10)和对应的SCR催化转化器(9)的排气排放线路(11)、分配至对应的排气供给线路(8)以用于将特别是氨或氨前体物质的还原剂引入排气中的引入装置(16)，以及配置在对应的引入装置(16)的下游以用于在对应的SCR催化转化器(9)的上游将排气与还原剂混合的混合区段(18)。

Description

带有排气后处理系统的内燃机
技术领域
本发明涉及带有排气后处理系统的内燃机。
背景技术
在例如用于发电厂中的固定内燃机的燃烧过程中以及在例如用在船上的非固定内燃机的燃烧过程中产生氮氧化物，其中这些氮氧化物通常在含硫化石燃料(诸如煤、沥青煤、原油、重燃烧油或柴油燃料)的燃烧期间产生。为此，这种内燃机分配了排气后处理系统，排气后处理系统用于离开内燃机的排气的清洁，特别是脱氮。
为了还原排气中的氮氧化物，主要将所谓的SCR催化转化器用于从实践已知的排气后处理系统中。在SCR催化转化器中，发生氮氧化物的选择性催化还原，其中为了氮氧化物的还原，需要氨(NH3)作为还原剂。氨或氨前体物质(诸如，例如尿素)在液体形式下在SCR催化转化器的上游引入排气中，其中氨或氨前体物质在SCR催化转化器的上游与排气混合。为此，实践中在氨或氨前体物质的引入与SCR催化转化器之间提供混合区段。
尽管利用包括SCR催化转化器的从实践已知的排气后处理系统已可成功地进行排气后处理，特别是氮氧化物还原，但仍需要进一步改进排气后处理系统。特别需要使带有紧凑设计的包括排气后处理系统的内燃机的有效操作和有效排气后处理成为可能。
发明内容
从此开始，本发明基于创造新型内燃机的目的，特别是带有排气后处理系统的两冲程内燃机，其带有紧凑设计且确保有效排气后处理可有效地操作。
此目的通过根据本发明的内燃机来解决。根据本发明，内燃机包括共用于一组气缸的至少一个排气歧管，其中从对应的排气歧管发出的排气可经由排气后处理系统(即，对应的反应室和对应的SCR催化转化器)引导，且经由排气增压系统的至少一个排气涡轮增压器在排气后处理系统的下游引导。本发明使带有紧凑设计的内燃机(特别是两冲程内燃机)的有效操作和有效排气后处理成为可能。
根据有利的进一步发展，对应的混合区段和对应的排气歧管且优选地还有对应的排气供给线路组合成公共组件。这在内燃机的特别紧凑设计的情况下使内燃机(特别是两冲程内燃机)的有效操作和有效排气后处理成为可能。
优选地，对应的公共组件以一种方式设计，使得从对应的排气歧管发出的排气可带有最多三次偏转、优选地带有最多两次偏转、特别优选地带有最多单次偏转、最优选地无偏转地供给至对应的混合区段。这在内燃机的紧凑设计的情况下使内燃机(优选地体现为两冲程内燃机)的有效操作和有效排气后处理成为可能。
根据有利的进一步发展，对应的排气供给线路和对应的排气排放线路从对应的反应室的相同侧通入对应的反应室的相同侧中，或连接在对应的反应室的相同侧上。这在内燃机的特别紧凑设计的情况下使内燃机(优选地体现为两冲程内燃机)的有效操作和有效排气后处理成为可能。
根据进一步有利的进一步发展，对应的公共组件以一种方式设计，使得到位于最远离对应的催化转化器或对应的反应室的气缸侧上的对应的排气歧管中的排气开放点与对应的催化转化器或对应的反应室之间的距离对应于到位于最远离对应的催化转化器或对应的反应室的气缸侧上的对应的排气歧管中的排气开放点与到位于最接近对应的催化转化器或对应的反应室的气缸侧上的对应的排气歧管中的排气开放点之间的距离的最大四倍、优选地最大三倍、特别优选地最大两倍。这在内燃机的特别紧凑设计的情况下使内燃机(优选地体现为两冲程内燃机)的有效操作和有效排气后处理成为可能。
优选地，内燃机包括旁路，经由该旁路，排气可从对应的排气歧管发出供给越过对应的反应室或对应的混合区段或对应的排气排放线路至对应的排气供给线路，且从对应的排气排放线路发出至定位在排气后处理系统的下游的排气增压系统的涡轮。这在内燃机的紧凑设计的情况下使内燃机(优选地体现为两冲程内燃机)的有效操作和有效排气后处理成为可能。
内燃机优选为两冲程内燃机。
附图说明
可从以下描述和从属权利要求获得本发明的优选进一步发展。借助于附图而不受其约束，更详细地说明了本发明的示例性实施例。其中附图示出：
图1：根据本发明的带有排气后处理系统的内燃机的示意性透视图；
图2：图1的排气后处理系统的细节；
图3：图2的细节；
图4：根据本发明的带有排气后处理系统的第二内燃机的示意性透视图；以及
图5：根据本发明的带有排气后处理系统的第三内燃机的示意性透视图。
参考标号列表
1 内燃机
2 排气增压系统
3 排气后处理系统
4 排气歧管
5 排气涡轮增压器
6 涡轮
7 气缸
8 排气供给线路
9 SCR催化转化器
10 反应室
11 排气排放线路
12 旁路
13 阻断元件
14 排气通道
15 端部
16 引入装置
17 喷射锥体
18 混合区段
19 挡板元件
20 侧面
21 排气开放点
22 侧面
23 侧面。
具体实施方式
本发明涉及带有排气后处理系统的内燃机，例如涉及用于发电厂中的固定内燃机或用在船上的非静止内燃机。特别地，本发明涉及利用重燃料油操作的两冲程船用柴油发动机。
图1示出了包括带有排气涡轮增压器系统2和排气后处理系统3的内燃机1的配置。内燃机1可为非固定或固定的内燃机，特别是船的非固定地操作的内燃机。离开内燃机1的气缸7的排气用在排气增压系统2中，以便从排气的热能获得机械能以用于压缩待供给至内燃机1的增压空气。
因此，图1示出了带有排气涡轮增压器系统2(其包括至少一个排气涡轮增压器5)的内燃机1。离开内燃机1的气缸7的排气经由排气涡轮增压器5的涡轮6流动且在其中膨胀，其中，在该过程中获得的能量用在排气涡轮增压器5的压缩机中以便压缩增压空气。优选地，内燃机1包括带有高压涡轮增压器和低压涡轮增压器的两级排气涡轮增压器系统2。
除了排气增压系统2之外，内燃机1包括排气后处理系统3，排气后处理系统3是SCR排气后处理系统。SCR排气后处理系统3连接在内燃机1的气缸7和排气增压系统2之间，使得因此离开内燃机1的气缸7的排气初始地经由SCR排气后处理系统3且随后仅经由排气增压系统2引导。
图1示出了排气供给线路8，从内燃机1的气缸7发出的排气可经由排气供给线路8在配置在反应室10中的SCR催化转化器9的方向上引导。此外，图1示出了排气排放线路11，其用于将来自SCR催化转化器9的排气在排气涡轮增压器5的涡轮6的方向上排放。
图1的内燃机1包括所有气缸7公共的排气歧管4。离开内燃机1的气缸7的排气可从排气歧管4发出经由排气供给线路8在排气后处理系统3(即，对应的反应室10和对应的SCR催化转化器9)的方向上引导，且经由排气增压系统2的排气涡轮增压器5在排气后处理系统3的下游引导。
引导至反应室10且因此至定位在反应室10中的SCR催化转化器9的排气供给线路8以及离开反应室10且因此离开SCR催化转化器9的排气排放线路11或排气歧管4和排气排放线路11经由旁路12(见图2)联接，阻断元件13整体结合在旁路12中。在阻断元件13关闭的情况下，旁路12关闭使得没有排气可经由其流动。特别当阻断元件13打开时，排气可经由旁路12流动，即，越过反应室10且因此越过定位在反应室10中的SCR催化转化器9。图2利用箭头14示出了在旁路12经由阻断元件13关闭的情况下排气通过排气后处理系统3的流动，其中从图2显而易见的是，排气供给线路8利用下游端部15通入反应室10中，其中在排气供给线路8的此端部15的区域中的排气经历大约180°的流动偏转，其中该流动偏转之后的排气经由SCR催化转化器9引导。
排气后处理系统3的排气供给线路8分配了引入装置16(见图2)，经由该引入装置16，还原剂可被引入排气流中，该还原剂特别是氨或氨前体物质，需要其以便以限定的方式转化在SCR催化转化器9的区域中的排气的氮氧化物。排气后处理系统3的此引入装置16优选为喷射喷嘴，经由其，氨或氨前体物质(诸如，例如尿素)被喷射到排气供给线路8内的排气流中。图2利用锥体17示出了还原剂到排气供给线路8的区域中的排气流中的喷射。
排气后处理系统3的区段(其在排气的流动方向上看位于引入装置16的下游和SCR催化转化器9的上游)被描述为混合区段18。特别地，排气供给线路8提供引入装置16下游的混合区段18，在该混合区段18中，排气可在SCR催化转化器9的上游与还原剂混合。
内燃机1的混合区段8和排气歧管4优选地与排气供给线路8组合在一起以形成公共组件。这里，根据图2的优选实施例，在排气的流动方向上看，至少区段地形成混合区段18的排气供给线路8同轴地定位在排气歧管4后面，其中增加计量然后发生在图1中的位置中。为了延伸混合区段，也可能在将从独立气缸排放的排气供给到排气歧管中的供给之前或之间在排气歧管中增加计量。这里，将混合区段18扩展到排气歧管4中且在那里增加计量是实用的。
根据图2，形成排气歧管4、混合区段18和排气供给线路8的内燃机1的对应组件以一种方式设计，使得从对应的排气歧管4发出的排气可无偏转地供给至对应的混合区段18。
因此，图1中的排气仅在进入气缸侧上的排气开放点21的区域中的排气歧管4中以及在进入SCR催化转化器9的上游的排气供给线路8的下游端部15的区域中的反应室10中时经历偏转。这是有利的以便确保带有紧凑设计和有效排气后处理的内燃机的有效操作。
形成排气歧管4、混合区段18和排气供给线路8的公共组件优选地一种方式设计，使得到位于最远离催化转化器9或反应室10的气缸侧上的对应的排气歧管4中的排气开放点21与催化转化器9或反应室10之间的距离对应于到位于最远离催化转化器9或反应室10的气缸侧上的排气歧管4中的排气开放点21与到位于最接近催化转化器9或反应室10的气缸侧上的排气歧管4中的排气开放点之间的距离的最大四倍、优选地最大三倍、特别优选地最大两倍。这也是有利的以便确保带有紧凑设计和有效排气后处理的内燃机的有效操作。
排气供给线路8利用下游端部15通入反应室10中。排气供给线路8的此下游端部15分配了挡板元件19(见图2、图3)，其可相对于排气供给线路8的下游端部15移位。在示出的示例性实施例中，挡板元件19相对于排气供给线路8的端部15(其打开到反应室10中)可线性地移位。定位在反应室10中且位于排气供给线路8的下游端部15对面的挡板元件19相对于排气供给线路8的下游端部15可移位，以便在下游端部15处将排气供给线路8关闭或在下游端部15处将其打开。
特别当挡板元件19在下游端部15处将排气线路8关闭时，旁路12的阻断元件13优选地打开以便然后将排气完全地引导越过SCR催化转化器9或越过容纳SCR催化转化器9的反应室10。特别当挡板元件19将排气供给线路8的下游端部15打开时，旁路12的阻断元件13可完全关闭或至少部分地打开。特别当挡板元件19将排气供给线路8的下游端部15打开时，挡板元件19相对于排气供给线路8的下游端部15的相对位置特别地取决于穿过排气供给线路8的排气质量流且/或取决于排气供给线路8中的排气的排气温度且/或取决于经由引入装置16引入到排气流中的还原剂的量。排气供给线路8的下游端部15打开的情况下的挡板元件19的另一个功能在于，排气流中存在的液体还原剂的任何液滴都到达挡板元件19，在那里它们被截取且雾化以便避免液体还原剂的此类液滴到达SCR催化转化器9的区域。通过在下游端部15打开的情况下挡板元件19相对于排气供给线路8的下游端部15的相对位置，特别地可确定挡板元件19的区域中的排气供给线路8的下游端部15的区域中偏转的排气是在SCR催化转化器9的位于径向内侧的区段的方向还是位于径向外侧的区段的方向上更多地导向或导引。
根据优选实施例，排气供给线路8在其下游端部15的区域中漏斗状地扩张，从而形成扩散器。因此，排气供给线路8的流动截面在下游端部15的区域中增大，其中，如特别地从图2中显而易见的是，可设为从排气流动截面的流动方向看，其排气供给线路8的下游端部15的上游初始地减小。
因此，图2示出了沿排气的流动方向在用于还原剂的引入装置16的下游看的排气供给线路8的流动截面初始地近似不变但然后初始地逐渐渐缩且最终在下游端部15的区域中扩张。在此情况下，排气供给线路8的下游端部15处的流动截面的此扩张相比于排气供给线路8在下游端部15之前经由其初始渐缩的区段经由排气供给线路8的较短区段实现。挡板元件19优选地在面向排气供给线路8的侧面20上钟状曲形地弯曲，从而形成用于排气的流引导件。挡板元件19的面向排气供给线路8的下游端部15的侧面20在挡板元件19的径向内区段相比于在其径向外区段具有离排气供给线路8的下游端部15较小的距离。挡板元件19在侧面20的中央相对于排气的流动方向在排气供给线路8的下游端部15的方向上弯曲。
排气供给线路8和排气排放线路11连接至反应室10的公共的第一侧面22，或通向或延伸到从此公共侧面22开始的反应室10中。这里，排气供给线路8以一种方式延伸到反应室10中，使得排气供给线路8的下游端部15位于反应室10的第二侧面23附近，第二侧面23与反应室10第一侧面22相对地定位，而排气排放线路11在第一侧面22通向反应室10中。经由排气供给线路8供给的排气在反应室10的第二侧面23的区域(其与排气供给线路8的下游端部15相对地定位)中偏转大约180°，然后经由SCR催化转化器9流动且随后经由第一侧面22流到排气排放线路11的区域中。排气排放线路11邻近反应室10的第一侧面22在外侧以区段(优选同心地)环绕排气供给线路8。
在图1的示例性实施例中，提供排气歧管4、混合区段18和排气供给线路8的公共组件以一种方式体现，使得从对应的混合区段18的排气歧管4发出的排气可无偏转地供给。这如上文已经论述的那样是优选的。
与此相比，图4和图5示出了内燃机1的示例性实施例，其中排气在其流从排气歧管4发出到混合区段18的区域中且因此到排气供给线路8的区域期间经历单次偏转，即，其偏转一次，即，在各种情况下偏转90°，即，当从排气歧管4传送到排气供给线路8中且因此到混合区段18的区域中。为了安装空间的原因，在内燃机上需要排气的多次偏转，就本发明而言设为提供排气歧管4、排气供给线路8和混合区段18的组件以一种方式设计，使得从排气歧管4发出的排气利用最多三次偏转供给至混合区段18、优选地利用最多两次偏转至混合区段18。
而在图1的示例性实施例中，从排气歧管4发出的排气可无偏转地供给至对应的混合区段18，图4和图5的示例性实施例中的排气经历大约90°的偏转。在多个偏转点的情况下，排气歧管4和混合区段18之间的排气的偏转等于最大270°、优选地最大180°。然而，排气歧管4和混合区段18之间排气的偏转优选最大90°，最优选的是从排气歧管4发出的排气在混合区段18的方向上无偏转地供给。
在图1和图4的示例性实施例中，选择了排气后处理系统3的水平配置。排气歧管4和混合区段18以及排气供给线路8因此在水平方向上延伸。与容纳在反应室10中的SCR催化转化器9一起，反应室10水平地定位在内燃机1的一侧上。在此情况下，内燃机1的所有气缸7然后可自由地接近以用于维护工作。不需要拆卸排气后处理系统3以用于执行内燃机1上的维护工作。
与此相比，图5示出了根据本发明的内燃机1的实施例，其中排气后处理系统3竖直定位，其中反应室10与容纳在反应室10中的SCR催化转化器9因此配置在内燃机1的气缸7的上方。因此，虽然在图1和图4的示例性实施例中，容纳在反应室10中的SCR催化转化器9由排气在水平方向上流过，但SCR催化转化器9在图5的示例性实施例中在垂直方向上流过。
在图1、图4和图5中示出的示例性实施例中，内燃机1的所有气缸7分配了公共的排气歧管4。所有排气流到此排气歧管4中，且从排气歧管4发出到混合区段18、排气供给线路8的区域中，且随后到容纳在反应室10的SCR催化转化器9的区域中。
与此相比，还可能的是，内燃机1的气缸7例如分成两个气缸组，其中在此情况下，气缸组独立排气歧管4然后分配至每个气缸组。在此情况下，每个气缸组然后还分配了带有容纳在反应室10中的SCR催化转化器9的气缸组独立反应室10。
在此情况下，图1中示出的组件(即，排气歧管4、混合区段18、排气供给线路8、反应室10、SCR催化转化器9和排气排放线路11)然后出现两次，其中在排气后处理系统3的水平定向的情况下，第一反应室10定位在内燃机1的第一侧上，且在内燃机1的第二侧上的第二反应室10相对地定位，以便以此方式最优地利用可用的安装空间。
上述细节特别适合于在两冲程内燃机(利用残油或利用重燃料油操作)的情况下应用。然而，本发明还可在四冲程内燃机的情况下使用。
关于其壁厚，反应室10设计成使得其承受至少3巴(bar)、优选地至少4巴、特别优选地至少6巴的压力。
本发明不仅延伸至SCR排气后处理系统，而且至CH4和HCHO氧化催化转化器。

Claims (20)

1.一种带有排气后处理系统的内燃机，其中所述内燃机包括多个气缸，且其中所述排气后处理系统包括配置在至少一个反应室中的至少一个SCR催化转化器、通向对应的反应室和对应的SCR催化转化器的排气供给线路、离开对应的反应室和对应的SCR催化转化器的排气排放线路，所述内燃机包括共用于一组气缸的至少一个排气歧管，其中从对应的排气歧管发出的排气可经由所述排气后处理系统引导，即，经由对应的反应室和对应的SCR催化转化器引导，且经由所述内燃机的排气增压系统的至少一个排气涡轮增压器在所述排气后处理系统的下游引导；
其中所述排气供给线路利用下游端部通入所述反应室中，所述排气供给线路的所述下游端部分配了挡板元件，所述挡板元件可线性地相对于所述排气供给线路的所述下游端部移位，以便在所述下游端部处将所述排气供给线路关闭或在所述下游端部处将其打开，其中所述排气后处理系统是SCR排气后处理系统，包括分配至对应的排气供给线路以用于将还原剂引入所述排气中的引入装置，以及配置在对应的引入装置的下游以用于在对应的SCR催化转化器的上游将所述排气与所述还原剂混合的混合区段。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述还原剂是氨或氨前体物质。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，SCR催化转化器的对应的混合区段与对应的排气歧管组合以形成公共组件。
4.根据权利要求3所述的内燃机，其特征在于，对应的排气供给线路也由所述公共组件提供。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的内燃机，其特征在于，所述公共组件以一种方式设计，使得从对应的排气歧管发出的排气可带有最多三次偏转供给至对应的混合区段。
6.根据权利要求5所述的内燃机，其特征在于，从对应的排气歧管发出的排气带有最多两次偏转。
7.根据权利要求5所述的内燃机，其特征在于，从对应的排气歧管发出的排气带有最多单次偏转。
8.根据权利要求3或权利要求4所述的内燃机，其特征在于，所述公共组件以一种方式设计，使得从对应的排气歧管发出的排气可带有最大270°偏转供给至对应的混合区段。
9.根据权利要求8所述的内燃机，其特征在于，从对应的排气歧管发出的排气带有最大180°偏转。
10.根据权利要求8所述的内燃机，其特征在于，从对应的排气歧管发出的排气带有最大90°偏转。
11.根据权利要求3或权利要求4所述的内燃机，其特征在于，所述公共组件以一种方式设计，使得从对应的排气歧管发出的排气可无偏转地供给至对应的混合区段。
12.根据权利要求3所述的内燃机，其特征在于旁路，经由所述旁路，排气可从对应的排气歧管发出引导越过对应的反应室或对应的混合区段或对应的排气供给线路至对应的排气排放线路。
13.根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于，从对应的排气排放线路发出的排气可供给至所述排气增压系统的排气涡轮增压器的定位在所述排气后处理系统下游的涡轮。
14.根据权利要求4所述的内燃机，其特征在于，对应的排气供给线路和对应的排气排放线路从对应的反应室的相同侧面通入对应的反应室中或连接至对应的反应室。
15.根据权利要求3所述的内燃机，其特征在于，所述公共组件以一种方式设计，使得到位于最远离对应的SCR催化转化器或对应的反应室的气缸侧上的对应的排气歧管中的排气开放点与对应的SCR催化转化器或对应的反应室之间的距离对应于到位于最远离对应的SCR催化转化器或对应的反应室的气缸侧上的对应的排气歧管中的排气开放点与到位于最接近对应的SCR催化转化器或对应的反应室的气缸侧上的对应的排气歧管中的排气开放点之间的距离的最大四倍。
16.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，对于所有气缸存在单个排气歧管和单个混合区段和单个反应室。
17.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，对于第一组气缸存在第一公共排气歧管和第一公共混合区段和第一公共反应室，且对于第二组气缸存在第二公共排气歧管和第二公共混合区段和第二公共反应室，它们相对于彼此以一种方式偏置180°，使得在所述内燃机的两侧上分别存在反应室。
18.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机是两冲程内燃机。
19.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述还原剂的供给在将气缸的排气供给到所述排气歧管中之前局部地实现。
20.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述混合区段整体结合在所述排气歧管中。
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