CN107269356A - 排气后处理系统和内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机的排气后处理系统，即，SCR排气后处理系统，带有容纳在反应室(10)中的SCR催化转化器(9)，带有通向反应室(10)且因此通向SCR催化转化器(9)的排气供给线路(8)，且带有离开反应室(10)且因此离开SCR催化转化器(9)的排气排放线路(11)，带有被分配到排气供给线路(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)，且带有在引入装置(16)下游由排气供给线路(8)提供以用于在反应室(10)或SCR催化转化器(9)上游将排气与还原剂混合的混合区段(18)，其中，至少一个喷吹装置(24)定位在反应室(10)内，其用于吹扫SCR催化转化器(9)。

Description

排气后处理系统和内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机的排气后处理系统。本发明还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中的燃烧过程中形成氮氧化物，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、重燃料油或柴油燃料)的燃烧期间形成。为此，此类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)为此在液体形式下在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，根据实践，提供在氨或氨前体物质的引入与SCR催化转化器之间的混合区段。
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此类排气后处理系统的有效排气后处理变成可能。
发明内容
从此开始，本发明的目的基于创造内燃机的新型排气后处理系统和带有此类排气后处理系统的内燃机。
该目的通过根据权利要求1的内燃机的排气后处理系统来解决。根据本发明，至少一个喷吹装置定位在反应室内，其用于吹扫SCR催化转化器。因此，可避免SCR催化转化器由于烟煤颗粒沉积在该处而阻塞。可确保带有紧凑设计的排气后处理系统的特别有效的排气后处理。
根据本发明的有利的进一步发展方案，该喷吹装置或各个喷吹装置以一种方式定向，使得其带来SCR催化转化器的表面上的横向于流动方向行进的涡流或旋流，特别是在SCR催化转化器的蜂窝体的上游表面上横向于(优选垂直于)流动方向延伸。因此可特别有效地避免SCR催化转化器由于沉积在其上的烟煤颗粒的阻塞。可确保带有紧凑设计的排气后处理系统的有效排气清洁。
根据本发明的有利的进一步发展方案，反应室具有截面上圆化的壁，特别是圆形壁。这对于形成涡流或旋流是优选的。这使得带有紧凑设计的特别有效的排气后处理。
根据本发明的进一步有利的发展方案，各个喷吹装置定位在截面上圆化的反应室的壁附近，且从壁发出向内侧吹入反应室，即，利用喷吹锥体，其与至少一个另外的喷吹装置的喷吹锥体相交。这对于形成涡流或旋流和烟煤颗粒的全部区域吹扫是优选的。这使得带有紧凑设计的特别有效的排气后处理变成可能。
根据进一步有利的进一步发展方案，排气供给线路利用下游端通入容纳SCR催化转化器的反应室中，其中在排气供给线路的下游端与SCR催化转化器之间的反应室内，用于提高排气背压的装置定位在SCR催化转化器上游。借助于用于提高SCR催化转化器上游的排气背压的装置，SCR催化转化器上游的排出气流受阻，其结果在于，可实现SCR催化转化器均匀地供有排出气流，即，沿周向方向且也沿径向方向所见。由此，可确保带有紧凑设计的排气后处理系统的有效排气清洁。此外，烟煤颗粒可沉积在用于提高排气背压的装置上，其然后可能不再进入SCR催化转化器的区域从而阻塞其。这还用于确保带有紧凑设计的排气后处理系统的有效排气清洁。
优选地，该喷吹装置或各个喷吹装置在用于提高排气背压的装置与SCR催化转化器之间定位在反应室内。该喷吹装置或各个喷吹装置然后至少用于吹扫SCR催化转化器，且优选额外用于提高排气背压的装置的吹扫。该进一步的发展方案使得带有紧凑设计的特别有效的排气后处理变成可能。
根据本发明的内燃机在权利要求11中限定。
附图说明
可从从属权利要求和以下描述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：带有根据本发明的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；且
图3：图2中的细节；且
图4：穿过图3的细节的截面。
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排气涡轮增压器
5 排气涡轮增压器
6 高压涡轮
7 低压涡轮
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 排气引导件
15 端部
16 引入装置
17 喷射锥体
18 混合区段
19 壁
20 挡板元件
21 线路
22 侧面
23 侧面
24 喷吹装置
25 装置
26 喷吹锥体
27 蜂窝体。
具体实施方式
本发明涉及内燃机的排气后处理系统，例如在发电厂中使用的固定内燃机或在船上使用的非固定内燃机的排气后处理系统。特别地，排气后处理系统用在利用重燃料油操作的船上的柴油发动机上。
图1示出了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的布置。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的内燃机1，排气涡轮增压器系统2包括多个排气涡轮增压器，即，高压侧的第一排气涡轮增压器4和低压侧的第二排气涡轮增压器5。离开内燃机1的气缸的排气初始地经由第一排气涡轮增压器1的高压涡轮6流动且在其中膨胀，其中，在该过程中获得的能量用在第一排气涡轮增压器4的高压压缩机中以便压缩增压空气。沿排气的流动方向看，在第一涡轮增压器4的下游布置了第二排气涡轮增压器5，已流过第一排气涡轮增压器4的高压涡轮6的排气经由第二排气涡轮增压器5引导，即，经由第二排气涡轮增压器5的低压涡轮7。在第二排气涡轮增压器5的低压涡轮7中，排气进一步膨胀且在该过程中获得的能量在第二排气涡轮增压器5的低压压缩机中得到利用，以便类似地压缩待供给至内燃机1的气缸的增压空气。
除了包括排气涡轮增压器4和5的排气增压系统2之外，内燃机1包括为SCR排气后处理系统的排气后处理系统3。SCR排气后处理系统3连接在第一压缩机5的高压涡轮6与低压涡轮7之间，使得离开第一排气涡轮增压器4的高压涡轮6的排气可在其到达第二排气涡轮增压器5的低压涡轮7的区域之前初始地经由SCR排气后处理系统3引导。
图1示出了排气供给线路8，经由其，从第一排气涡轮增压器4的高压涡轮6流出的排气可沿布置在反应室10中的SCR催化转化器9的方向引导。图1还示出了排气排放线路11，其用于沿第二排气涡轮增压器5的低压涡轮7的方向排放来自SCR催化转化器9的排气。排气从低压涡轮7流出，特别地经由线路21流到户外。通向反应室10且因此通向位于反应室10中的SCR催化转化器9的排气供给线路8和离开反应室10且因此离开SCR催化转化器9的排气排放线路11经由旁路12联接，阻断元件13集成在该旁路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。相反，特别是当阻断元件13打开时，排气可经由旁路12流动，即，越过反应室10且因此越过位于反应室10中的SCR催化转化器9。图2利用箭头14示出了穿过排气后处理系统3的排气流，其中旁路12经由阻断元件13关闭，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通向反应室10中，其中，排气供给线路8的该端部15的区域中的排气经历近似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，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。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。
排气供给线路8利用下游端部15通向反应室10中。排气供给线路8的此下游端部15分配了挡板元件20，该挡板元件20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20可相对于排气供给线路8的通向反应室10中的端部15线性地移位。挡板元件20可相对于排气供给线路9的下游端部15移位，以便在下游端部15处阻断排气供给线路8或者在下游端部15处打开其。特别地，当挡板元件20在下游端部15处阻断排气供给线路8时，旁路12的阻断元件13优选为打开的，以便因而完全地引导排气越过SCR催化转化器9或容纳SCR催化转化器9的反应室10。特别地，当挡板元件20打开排气供给线路8的下游端部15时，旁路12的阻断元件13可以完全关闭或者至少部分地打开。
特别地，当挡板元件20打开排气供给线路8的下游端部15时，挡板元件20相对于排气供给线路8的下游端部5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20的另一功能在于，排气流中存在的液体还原剂的任何液滴都到达挡板元件，在该处，它们被截取且被雾化，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20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20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沿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更多地引导或导引。
根据优选实施例，排气供给线路18在下游端部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的区段中增大，其中，如特别从图2显而易见的是，可设为沿排气的流动方向在排气供给线路8的下游端部15的上游看，下游端部15的流动截面初始地减小。因此，图2示出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排气供给线路8在下游端部15前经由其初始地渐缩的区段优选地经由排气供给线路8的较短区段实现。
优选地，挡板元件20在面向排气供给线路8的侧面22上钟状曲形地弯曲，从而形成用于排气的流引导件。因此，挡板元件20的面向排气供给线路8的下游端部15的侧面在挡板元件20的径向内区段上相比在其径向外区段上具有离排气供给线路8的下游端部15更短的距离。因此，挡板元件20相对于排气的流动方向在排气供给线路8的下游端15的方向上在中心引入或弯曲。
如已经阐释的那样，排气供给线路8利用其下游端15通入反应室10中，反应室10容纳SCR催化转化器9。这里，根据图2，排气供给线路8穿透反应室10的下侧，且在其下游端15在反应室10的上侧23附近的情况下终止，其中如已经阐释的那样，在下游端15处离开排气供给线路的排气在其随后经由SCR催化转化器9流动之前偏转180°。
如从图3特别地清楚的那样，用于提高排气背压的装置25在排气供给线路8的下游端15与SCR催化转化器9之间定位在SCR催化转化器9上游。用于提高排气背压的该装置25例如可为网格、穿孔板等。
借助于用于提高SCR催化转化器9上游的排气背压的装置25，SCR催化转化器9上游的排出气流受阻，其结果在于，可实现SCR催化转化器9均匀地供有排出气流，即，沿周向方向且也沿径向方向所见。
用于提高排气背压的装置25具有的优点在于，包含在排气中的烟煤颗粒可沉积在其上。沉积在用于提高排气背压的装置25上的那些烟煤颗粒不再能到达SCR催化转化器9的区域来阻塞其，即，其蜂窝体27。图3和图4示出了截面上圆化的SCR催化转化器9的多个蜂窝体27。
用于提高排气背压的装置25具有自由流动截面，其对应于SCR催化转化器9或SCR催化转化器9的蜂窝体27的自由流动截面的最大2倍，优选最大1倍，特别优选最大0.5倍。以此方式，一方面可确保SCR催化转化器9上的排出气流的均匀，而另一方面可确保烟煤颗粒已经沉积在用于提高排气背压的装置25的区域中，且不再到达SCR催化转化器9的区域。
优选地，用于提高排气背压的装置25在流动方向或排气流动方向上所见的厚度或长度与SCR催化转化器9或SCR催化转化器9的蜂窝体27在流动方向或排气流动方向上所见的厚度或长度之间的比率等于至少1:50，优选至少1:100，特别优选至少1:200。
优选地，对应于用于提高排气背压的装置25与SCR催化转化器9之间在流动方向或排气流动方向上所见的距离的距离与SCR催化转化器9或SCR催化转化器9的蜂窝体27在流动方向上所见的厚度或长度之间的比率等于最大2:1，优选最大1:1，特别优选最大1:2。
通过定位在反应室10中的用于提高排气背压的装置25，可确保SCR催化转化器9均匀供应排气。通过提高排气背压，排出气流受阻，且由此，确保了SCR催化转化器9上的排气的均匀分布。用于提高排气背压的装置25的另一个优点在于，其同样采取了预分离器的作用，排气中含有的烟煤颗粒可沉积在预分离器上。由此，可防止烟煤颗粒无阻碍地到达SCR催化转化器9来阻塞其。
至少一个喷吹装置24定位在反应室10内，喷吹装置24用于吹扫SCR催化转化器9。在所示的优选示例性实施例中，该喷吹装置24或各个喷吹装置24定位在反应室10内，SCR催化转化器9和另外的用于提高排气背压的装置25容纳在反应室10中，其中在排气的流动方向上所见，该喷吹装置24或各个喷吹装置24布置在用于提高排气背压的装置25与SCR催化转化器9之间。该喷吹装置25或各个喷吹装置25优选为空气喷嘴。该喷吹装置24或各个喷吹装置24至少用于关于沉积在其上的烟煤颗粒吹扫SCR催化转化器9，且优选还用于吹扫用于提高排气背压的装置25，以便避免SCR催化转化器9且优选还有用于提高排气背压的装置25的阻塞。该喷吹装置24或各个喷吹装置24优选以一种方式定向，使得其带来SCR催化转化器9的表面上横向于流动方向行进的涡流或旋流，即，在SCR催化转化器9的蜂窝体27的上游表面上垂直于流动方向行进。
这里，图4示出了该喷吹装置24或各个喷吹装置24的优选定向，其优选以一种方式定向，使得涡流或旋流在反应室10内生成，即，在SCR催化转化器9的上游表面上垂直于流动方向或排气流动方向行进，且还优选在用于提高排气背压的装置25的下游表面上垂直于流动方向或排气流动方向行进，其中各种情况下的表面面向该喷吹装置24或各个喷吹装置24。通过涡流或旋流，来自SCR催化转化器9(即，其蜂窝体27)且优选还来自用于提高排气背压的装置25的烟煤颗粒的吹扫可特别有效地发生。
SCR催化转化器9且优选还有用于提高排气背压的装置25容纳在其中的反应室10优选具有壁19，其优选为截面上圆化的，特别是圆的，该截面在反应室10的下侧22与上侧23之间延伸。至少壁19在内侧上在截面上是圆化或圆的，其限定容纳至少催化转化器9的反应室10的内部空间。通过与该喷吹装置24或各个喷吹装置24的定向组合的此壁19，用于吹扫SCR催化转化器9且优选还吹扫用于提高排气背压的装置25的反应室10内的涡流或旋流可关于沉积在其上的烟煤颗粒特别有利地设计。
优选地，多个喷吹装置24定位在反应室10中，优选至少在该处，特别优选至少四个喷吹装置24。
这里，喷吹装置24定位在反应室10附近，反应室10为截面上圆化的，且将从该壁19发出的空气或压缩空气向内侧吹入反应室10，即，利用喷吹锥体26，其与至少一个另外的喷吹装置24的喷吹锥体26相交因此与其部分地重叠。由此，可实现或确保SCR催化转化器9且还优选用于提高排气背压的装置25在前述表面上的全部区域的吹扫。
本发明使得带有紧凑设计的有效排气后处理变成可能。
在图1的内燃机1的情况下，排气后处理系统3定位在排气增压系统2的竖直上游。到内燃机1的气缸的通路是自由的，但涡轮增压器4和5的可接近性受到限制。然而，当维护工作在排气涡轮增压器4、6上变得必需时，可简单地拆卸反应室10。
与图1中示出的排气后处理系统3在排气增压系统2上游的竖直布置不同，排气后处理系统3的邻近排气增压系统2倾斜90°的水平布置也是可能的，其中，尽管在此类水平布置的情况下，布置的长度增长。然而，内燃机1和排气增压系统2能够在不限制维护操作的情况下可用，而不需要拆卸反应室10。

Claims (12)

1.一种内燃机的排气后处理系统(3)，即，内燃机的SCR排气后处理系统，带有容纳在反应室(10)中的SCR催化转化器(9)，带有通向所述反应室(10)且因此通向所述SCR催化转化器(9)的排气供给线路(8)，且带有离开所述反应室(10)且因此离开所述SCR催化转化器(9)的排气排放线路(11)，带有被分配到所述排气供给线路(8)以用于将特别是氨或氨前体物质的还原剂引入所述排气中的引入装置(16)，且带有在所述引入装置(16)下游由所述排气供给线路(8)提供以用于在所述反应室(10)或SCR催化转化器(9)上游将所述排气与所述还原剂混合的混合区段(18)，其特征在于，至少一个喷吹装置(24)定位在所述反应室(10)内，其用于吹扫所述SCR催化转化器(9)。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于，所述喷吹装置(24)或各个喷吹装置(24)以一种方式定向，使得其带来在所述SCR催化转化器(9)的表面上横向于、特别是垂直于所述流动方向行进的涡流或旋流。
3.根据权利要求2所述的排气后处理系统，其特征在于，所述喷吹装置(24)或各个喷吹装置(24)以一种方式定向，使得其带来在所述SCR催化转化器(9)的蜂窝体(27)的上游表面上横向于、特别是垂直于所述流动方向行进的涡流或旋流。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于，所述反应室(10)具有截面上圆化的壁(19)，特别是圆形壁。
5.根据权利要求4所述的排气后处理系统，其特征在于，各个喷吹装置(24)定位在截面上圆化的所述反应室(10)的壁(19)附近，且从所述壁(19)发出向内侧吹入所述反应室(10)中，即，利用喷吹锥体(26)，其与至少一个另外的喷吹装置(24)的喷吹锥体(26)相交。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于，所述排气供给线路(8)利用下游端(15)通入所述反应室(10)中，且其中用于提高所述SCR催化转化器(9)上游的排气背压的装置(25)在所述排气供给线路(8)的下游端(15)与所述SCR催化转化器(9)之间定位在所述反应室(10)内。
7.根据权利要求6所述的排气后处理系统，其特征在于，所述喷吹装置(24)或各个喷吹装置(24)在用于提高排气背压的所述装置(25)与所述SCR催化转化器(9)之间定位在所述反应室(10)内。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的排气后处理系统，其特征在于，用于提高所述排气背压的所述装置(25)具有自由流动截面，其对应于所述SCR催化转化器(9)的自由流动截面的最大两倍，优选最大一倍，特别优选0.5倍。
9.根据权利要求6至权利要求8中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于，用于提高所述排气背压的所述装置(25)在流动方向上所见的厚度或长度与所述催化转化器(9)在流动方向上所见的厚度或长度之间的比率等于至少1:50，优选至少1:100，特别优选至少1:200。
10.根据权利要求6至权利要求9中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于，对应于用于提高所述排气背压的所述装置(25)与所述SCR催化转化器(9)之间在流动方向上所见的距离的距离与所述SCR催化转化器(9)在流动方向上所见的厚度或长度之间的比率等于最大2:1，优选最大1:1，更优选最大1:2。
11.一种内燃机(1)，特别是利用柴油燃料或利用重燃料油燃料操作的内燃机，带有根据权利要求1至10中任一项所述的排气后处理系统(3)。
12.根据权利要求11所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机包括多级排气增压系统(2)，所述多级排气增压系统(2)带有包括高压涡轮(6)的第一排气涡轮增压器(4)和包括低压涡轮(7)的第二排气涡轮增压器(5)，其中，所述排气后处理系统(3)连接在所述高压涡轮(6)与所述低压涡轮(7)之间。
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