CN107269365B - 废气后处理系统与内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机的废气后处理系统，即SCR废气后处理系统，带有SCR催化转化器(9)；带有通往SCR催化转化器(9)的废气供给管路(8)和带有引导离开SCR催化转化器(9)的废气排出管路(11)，带有配备给废气供给管路(8)的引入装置，其用于将还原剂，特别是将氨或氨前体物质引入到废气中；并且带有由废气供给管路(8)提供的在引入装置的下游的混合段，其用于将废气与在分别的SCR催化转化器(9)的上游的还原剂混合，其中，带有下游端部(15)的废气供给管路(8)通向接纳SCR催化转化器(9)的反应器室(10)，并且其中，于反应器室(10)内，在废气供给管路(8)的下游端部(15)与SCR催化转化器(9)之间，用于增加废气背压的装置(25)安置在SCR催化转化器(9)的上游。

Description

废气后处理系统与内燃机
技术领域
本发明涉及一种内燃机的废气后处理系统。此外，本发明涉及带有废气后处理系统的内燃机。
背景技术
在例如发电厂中采用的静止式内燃机中的燃烧过程中，以及在例如在船上采用的非静止式内燃机中的燃烧过程中产生了氧化氮，其中，这些氧化氮通常在含硫的化石燃料，如煤、沥青煤、原油、重质燃油或柴油燃料的燃烧期间产生。由于该原因，这种内燃机配备有废气后处理系统，其用于清洁，特别是用于离开内燃机的废气的脱氮。
为了将废气中的氧化氮还原，在从实践中已知的废气后处理系统中主要采用所谓的SCR催化转化器。在SCR催化转化器中，发生氧化氮的选择性的催化还原，其中，为了还原氧化氮，需要氨(NH3)作为还原剂。为了该目的，将氨或氨前体物质，例如尿素，以液体形式在SCR催化转化器的上游引入到废气中，其中，氨或氨前体物质与废气在SCR催化转化器的上游混合。为此，根据实践在氨或氨前体物质的引入与SCR催化转化器之间提供了混合段。
尽管利用从实践中已知的包含SCR催化转化器的废气后处理系统，已经可以成功地进行废气还原，特别是氧化氮还原，但存在进一步改进该废气后处理系统的需求。尤其存在的需求是在这种废气后处理系统的紧凑设计的情况下可进行有效的废气后处理。
发明内容
由此出发，本发明的目的是创造一种内燃机的新型的废气后处理系统以及带有这种废气后处理系统的内燃机。
该目的通过根据本发明的内燃机的废气后处理系统来实现。
根据本发明，带有下游端部的废气供给管路通向接纳SCR催化转化器的反应器室中，其中，于反应器室内，在废气供给管路的下游端与SCR催化转化器之间，将用于增加废气背压的装置安置在SCR催化转化器的上游。借助于用于增加SCR催化转化器的上游的废气背压的装置，阻止了SCR催化转化器的上游的废气流，由此可实现，即在圆周方向也即在径向方向上看，SCR催化转化器均匀地供有废气流。因此，可在废气后处理系统的紧凑设计的情况下确保有效的废气清洁。此外，煤烟颗粒可以沉积在用于增加废气背压的装置上，其于是不可再进入SCR催化转化器的区域中且不可再堵塞该区域。这还用于在废气后处理系统的紧凑设计的情况下确保有效的废气清洁。
根据有利的进一步的改进方案，用于增加废气背压的装置包括净流动横截面，其最大对应于SCR催化转化器的净流动横截面的两倍，优选最大为一倍，特别优选最大为0.5倍。这种进一步的改进方案使得可在紧凑设计的情况下实现特别有效的废气后处理。
根据有利的进一步的改进方案，用于增加废气背压的装置的在流动方向上看的厚度或长度与SCR催化转化器的在流动方向上看的厚度或长度之间的比率至少为1:50，优选至少为1:100，特别优选至少为1:200。该进一步的改进方案使得可在紧凑设计的情况下实现特别有效的废气后处理。
根据另一有利的进一步的改进方案，距离，其对应于用于增加废气背压的装置与在流动方向上看的SCR催化转化器之间的距离，与SCR催化转化器的在流动方向上看的厚度或长度之间的比率最大为2:1，优选最大为1:1，特别优选最大为1:2。这种进一步的改进方案使得可在紧凑设计的的情况下实现特别有效的废气后处理。
根据另一有利的进一步的改进方案，于反应器室内，在用于增加废气背压的装置与SCR催化转化器之间安置有至少一个吹扫装置，该吹扫装置用来吹扫用于增加废气背压的装置和/或用来吹扫SCR催化转化器。这种进一步的改进方案使得可在紧凑设计的情况下实现特别有效的废气后处理。
限定了根据本发明的内燃机。
附图说明
本发明优选的进一步的改进方案由说明书中获得。本发明的示例性实施方案通过附图更详细地说明，但不限于此。其中：
图1显示了带有根据本发明的废气后处理系统的内燃机的示意性透视图；
图2显示了图1的废气后处理系统的细节；
图3显示了图2的细节；
图4显示了穿过图3的细节的横截面。
附图标记清单
1 内燃机
2 废气增压系统
3 废气后处理系统
4 废气涡轮增压器
5 废气涡轮增压器
6 高压涡轮
7 低压涡轮
8 废气供给管路
9 SCR催化转化器
10 反应器室
11 废气排出管路
12 旁路
13 关闭元件
14 废气引导件
15 端部
16 引入装置
17 喷射锥体
18 混合段
19 壁
20 挡板元件
21 管路
22 侧部
23 侧部
24 吹扫装置
25 装置。
具体实施方式
本发明涉及内燃机、例如在发电厂中的静止式内燃机或在船上采用的非静止式内燃机的废气后处理系统。特别地，废气后处理系统用在利用重质燃油运行的船用柴油发动机上。
图1示出了带有废气涡轮增压器系统2和废气后处理系统3的内燃机1的布置方案。内燃机1可以是非静止式或静止式的内燃机，特别是船舶的非静止地运行的内燃机。离开内燃机1的汽缸的废气被利用在废气增压系统2中，以便从废气的热能中提取机械能用于压缩待供给到内燃机1的增压空气。
相应地，图1示出了带有废气涡轮增压器系统2的内燃机1，其包含多个废气涡轮增压器，即在高压侧的第一废气涡轮增压器4和在低压侧的第二废气涡轮增压器5。离开内燃机1的汽缸的废气最初经由第一废气涡轮增压器1的高压涡轮6流动，并且在其中膨胀，其中，在该过程中提取的能量被利用在第一废气涡轮增压器4的高压压缩机中，以便压缩增压空气。在第一涡轮增压器4的下游的废气流动方向上看，布置有第二废气涡轮增压器5，经由其传导已经流过第一废气涡轮增压器4的高压涡轮6的废气，即经由第二废气涡轮增压器5的低压涡轮7。在第二废气涡轮增压器5的低压涡轮7中，废气进一步膨胀，并且在该过程中提取的能量被利用在第二废气涡轮增压器5的低压压缩机中，以便同样地压缩待供给到内燃机1的汽缸的增压空气。
除了包括废气涡轮增压器4和5的废气增压系统2之外，内燃机1包括为SCR废气后处理系统的废气后处理系统3。SCR废气后处理系统3连接在第一压缩机5的高压涡轮6与第二废气涡轮增压器5的低压涡轮7之间，使得离开了第一废气涡轮增压器4的高压涡轮6的废气在其到达第二废气涡轮增压器5的低压涡轮7的区域之前可相应地最初经由SCR废气后处理系统3被传导。
图1示出了废气供给管路8，经由其，从第一废气涡轮增压器4的高压涡轮6发出的废气可以在布置于反应器室10中的SCR催化转化器9的方向上传导。
此外，图1示出了废气排出管路11，其用于将废气在第二废气涡轮增压器5的低压涡轮7的方向上从SCR催化转化器9排出。废气从低压涡轮7发出经由管路21特别是流入开口中。
未示出的是带有单级增压发动机的有利应用，在该情况下，定位设置在涡轮的上游。
通向反应器室10并因此通向位于反应器室10中的SCR催化转化器9的废气供给管路8，以及引导离开反应器室10并因此离开SCR催化转化器9的废气排出管路11，经由在其中集成有关闭元件13的旁路12而联接。在关闭元件13关闭的情况中，旁路12关闭，使得没有废气可以流经该旁路。相反，特别是当关闭元件13打开时，废气可流经旁路12，即绕过反应器室10，并且相应地绕过位于反应器室10中的SCR催化转化器9。图2用箭头14显示了在经由关闭元件13关闭旁路12的情况下，通过废气后处理系统3的废气流，其中，从图2可以明显看到，废气供给管路8通向带有下游端15的反应器室10，其中，在废气供给管路8的该端15的区域中的废气经受大约180°的流动偏转，其中，流动偏转之后的废气经由SCR催化转化器9传导。
废气后处理系统3的废气供给管路8配备有引入装置16，经由其，在废气流中可以引入还原剂，特别是氨或氨前体物质，需要其以便在SCR催化转化器9的区域中以定义的方式转化废气的氧化氮。废气后处理系统3的该引入装置16优选为喷嘴，经由其，氨或氨前体物质喷射入在废气供给管路8内的废气流中。图2以锥体17显示了还原剂到废气供给管路8的区域中的废气中的喷射。
在废气的流动方向上看，废气后处理系统3的位于引入装置16的下游和SCR催化转化器9的上游的区段，描述为混合段。特别地，废气供给管路8在引入装置16的下游提供混合段18，在其中废气可以在SCR催化转化器9的上游与还原剂混合。
废气供给管路8利用下游端15通往反应器室10中。废气供给管路8的该下游端15配备有挡板元件20，其可以相对于废气供给管路8的下游端15移位。在所示的示例性实施方案中，挡板元件20可以相对于通往反应器室10中的废气供给管路8的端部15而线性移位。该挡板元件20可相对于废气供给管路8的下游端15移位，以便在下游端15处关闭废气供给管路8或在下游端15处打开废气供给管路8。特别当挡板元件20在下游端15处关闭了废气供给管路8时，旁路12的关闭元件13优选地打开，以便然后将废气完全传导绕过SCR催化转化器9或接纳SCR催化转化器9的反应器室10。特别当挡板元件20打开废气供给管路8的下游端15时，旁路12的关闭元件13可以完全关闭或至少部分地打开。
特别当挡板元件20打开废气供给管路8的下游端15时，挡板元件20相对于废气供给管路8的下游端15的相对位置尤其取决于流经废气供给管路8的废气质量和/或取决于在废气供给管路8中的废气的废气温度和/或取决于经由引入装置16引入到废气流中的还原剂的量。
在废气供给管路8的下游端15打开的情况中，挡板元件20的另一功能在于，存在于废气流中的液体还原剂的任何液滴到达挡板元件，在那里它们被拦截且雾化，以便避免液体还原剂的这种液滴到达SCR催化转化器9的区域。在下游端15打开的情况中，通过挡板元件20相对于废气供给管路8的下游端15的相对位置，尤其可以确定，在挡板元件20的区域中的废气供给管路8的下游端15的区域中的偏转的废气，是更多在位于SCR催化转化器9径向内侧的区段的方向上，还是更多在位于SCR催化转化器9径向外侧的区段的方向上传导或转向。
根据优选的实施方案，废气供给管路8在下游端15的区域中扩张成漏斗状，形成扩散器。因此，废气供给管路8的流动横截面在下游端15的区域中增加，其中，如尤其从图2中明显可见，可提供成，在废气的流动方向上看在废气供给管路8的下游端15的上游，其流动横截面首先减少。图2相应地示出了，在废气的流动方向上看在用于还原剂的引入装置16的下游，废气供给管路8的流动横截面首先近似恒定，但是然后首先逐渐变细并且最终在下游端15的区域中扩张。
在这种情况下，流动横截面在废气供给管路8的下游端15处的这种扩张优选经由废气供给管路8的(比废气供给管路8经由其首先在下游端15前面变细的区段)更短的区段实现。
优选地，挡板元件是弯曲的，优选在面向废气供给管路8的侧部22上呈钟形弯曲，形成用于废气的流动引导件。相应地，挡板元件20的面向废气供给管路8的下游端15的侧部22具有在挡板元件20的径向内区段上的比在径向外区段上更小的到废气供给管路8的下游端15的距离。相应地，在废气供给管路8的下游端15的方向上，相对废气的流动方向，挡板元件20在侧部24的中心被拉入或弯曲。
如已阐述，废气供给管路8以其下游端15通向接纳SCR催化转化器9的反应器室10。在此，根据图2，废气供给管路8穿透反应器室10的下侧并且以其下游端15邻近反应器室10的上侧23结束，其中，如已阐述，离开在下游端15处的废气供给管路的废气在其随后流经SCR催化转化器9之前被偏转180°。
如特别从图3中明显看出，用于增加废气背压的装置25安置在SCR催化转化器9的上游，在废气供给管路8的下游端15与SCR催化转化器9之间。用于增加废气背压的该装置25例如可以是网格、穿孔板等。借助于用于增加SCR催化转化器9的上游的废气背压的装置25，阻止了SCR催化转化器9的上游的废气流，由此可以实现使SCR催化转化器9均匀地供有废气流，即在圆周方向也即在径向方向上看。因此，可在废气后处理系统的紧凑设计的情况中确保有效的废气清洁。
此外，用于增加废气背压的装置25具有的优点是，包含在废气中的煤烟颗粒可以沉积在其上。沉积在用于增加废气背压的装置25上的那些煤烟颗粒不可再到达SCR催化转化器9的区域且不再堵塞该区域。由此也可以在紧凑设计的的情况下确保有效的废气后处理。
此外，用于增加废气背压的装置25具有净流动横截面，其最大对应于SCR催化转化器9的净流动横截面的两倍，优选为最大一倍，特别优选为最大0.5倍。以这种方式，一方面可以确保废气流在SCR催化转化器9上的均匀化，而另一方面可以确保煤烟颗粒已经沉积在用于增加废气背压的装置25的区域中，并且不再到达SCR催化转化器9的区域。
优选地，在流动方向上或在废气流动方向上看，用于增加废气背压的装置25的厚度或长度与在流动方向上或废气流动方向上看的SCR催化转化器9的厚度或长度之间的比率最少为1:50，优选至少为1:100，特别优选至少为1:200。这还用于在废气后处理系统3的紧凑设计的情况中提供有效的废气后处理。
优选地，在流动方向上或废气流动方向上看，对应于用于增加废气背压的装置25与SCR催化转化器9之间的距离的距离，与在流动方向上或废气流动方向上看的SCR催化转化器9的厚度或长度之间的比率，最大为1:6，优选最大为1:5，特别优选最大为1:4。由此，也可在紧凑设计的情况下确保有效的废气后处理。
如已阐述，用于增加废气背压的装置15特别是穿孔板或网格，优选地网格宽度特别地最大为6mm，优选最大为4mm，特别优选最大为1.5mm的相对地细筛网格。
通过安置在废气供给管路8的下游端15与SCR催化转化器9之间的用于增加废气背压的装置25，可确保均匀的供应废气给SCR催化转化器9。通过增加废气背压，废气流被阻止，从而确保废气在SCR催化转化器9上的均匀的分布。因此，可在紧凑设计的的情况下实现有效的废气后处理。
用于增加废气背压的装置25的另一优点在于，同样承担预分离器的功能，在其上可以沉积包含在废气中的煤烟颗粒。因此，可以防止煤烟颗粒无障碍地到达SCR催化转化器9从而防止将其阻塞。因此，也可在紧凑设计的情况下实现有效的废气后处理。
根据本发明的有利的进一步发展，提供成，于反应器室10内(在其中接纳SCR催化转化器9，以及此外在其中接纳用于增加废气背压的装置25，并且废气供给管路8的下游端15打开)，安置至少一个吹扫装置24，例如空气喷嘴，其中，该或每个吹扫装置24布置在用于增加废气背压的装置25与SCR催化转化器9之间。
在此，该或每个吹扫装置24用作吹扫用于增加废气背压的装置25和/或用于吹扫SCR催化转化器9关于沉积在其上的烟灰颗粒，以便因此避免阻塞SCR催化转化器9和/或用于增加废气背压的装置25。通过在装置25与催化转化器之间的吹扫装置的布置，可以相对于废气流动方向吹净该装置。
在此，图4示出了该或每个吹扫装置24的优选定向，(这些)吹扫装置以这样的方式优选定向，即在反应器室10内产生涡流或漩涡流，也就是说在用于增加废气背压的装置25的横向于流动方向或废气流动方向行进的表面上和/或在SCR催化转化器9的相应的表面上。
通过这种涡流或漩涡流，可特别有效地发生对来自于SCR催化转化器9和来自于用于增加废气背压的装置25的煤烟颗粒的吹扫。在此，图4示出了反应器室10，在其中接纳SCR催化转化器9和用于增加废气背压的装置25，优选具有横截面为环形的壁19，其在反应器室10的下侧22与上侧23之间延伸。通过这种壁27结合该或每个吹扫装置24的定向，可以特别有利地形成涡流或漩涡流。
本发明使得在紧凑设计的情况下的有效废气后处理成为可能。为此，至少将用于增加废气背压的装置25设置在反应器室10中的SCR催化转化器9的上游，在其中SCR催化转化器9并且废气供给管路8的下游端15通向该反应器室。废气后处理的进一步有效性增加可由此实现，即在用于增加废气背压的装置25与SCR催化转化器9之间布置有至少一个吹扫装置25，以便吹扫用于增加废气背压的装置25和/或用于关于沉积在SCR催化转化器上的煤烟颗粒来吹扫SCR催化转化器9。
在图1的内燃机1的情况中，废气后处理系统3安置在废气增压系统2的上游。到内燃机1的汽缸的入口打开，但废气涡轮增压器4和5的可接近性受到限制。然而，当需要对废气涡轮增压器4,6进行维修工作时，反应器室10可以容易地拆卸。
与图1中所示的废气增压系统2的上游的废气后处理系统3的竖立布置方案相反，在废气增压系统2之后倾斜90°的废气系统3的水平布置方案也是可能的，其中，然而在这种水平布置方案的情况中，布置方案的长度增加。然而，内燃机1和废气增压系统2于是在没有对维修操作的限制的情况下是可用的，而不需要拆卸反应器室10。
本发明显然不仅可与SCR催化转化器，还可与CH4和HCHO氧化催化转化器一同使用。

Claims (19)

1.一种内燃机的废气后处理系统(3)，带有催化转化器(9)以及通往所述催化转化器(9)的废气供给管路(8)，其特征在于：带有下游端部(15)的所述废气供给管路(8)通向接纳所述催化转化器(9)的反应器室(10)，并且于所述反应器室(10)内，在所述废气供给管路(8)的下游端部(15)与所述催化转化器(9)之间，用于增加废气背压的装置(25)安置在所述催化转化器(9)的上游，所述废气供给管路(8)的下游端部(15)配备有挡板元件(20)，其可以相对于所述废气供给管路(8)的下游端部(15)移位，所述废气在流经所述催化转化器(9)之前在所述废气供给管路(8)的下游端部(15)的区域中经受大约180°的流动偏转。
2.根据权利要求1所述的废气后处理系统，其特征在于：所述废气后处理系统实施成SCR催化转化器(9)，带有引导离开所述SCR催化转化器(9)的废气排出管路(11)；带有配备给所述废气供给管路(8)的引入装置(16)，其用于将还原剂引入到所述废气中；并且带有由所述废气供给管路(8)在所述引入装置(16)的下游提供的混合段(18)，其用于将所述废气与所述SCR催化转化器(9)上游的所述还原剂混合。
3.根据权利要求2所述的废气后处理系统，其特征在于：所述还原剂是将氨或氨前体物质。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的废气后处理系统，其特征在于：用于增加所述废气背压的所述装置(25)具有净流动横截面，其最大对应于所述催化转化器(9)的净流动横截面的两倍。
5.根据权利要求4所述的废气后处理系统，其特征在于：用于增加所述废气背压的所述装置(25)的净流动横截面最大对应于所述催化转化器(9)的净横截面的一倍。
6.根据权利要求5所述的废气后处理系统，其特征在于：用于增加所述废气背压的所述装置(25)的净流动横截面最大对应于所述催化转化器(9)的净流动横截面的0.5倍。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理系统，其特征在于：用于增加所述废气背压的所述装置(25)的在流动方向上看的厚度与所述催化转化器(9)的在流动方向上看的厚度之间的比率至少为1:50。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理系统，其特征在于：用于增加所述废气背压的所述装置(25)的厚度与所述催化转化器(9)的厚度之间的比率至少为1:100。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理系统，其特征在于：用于增加所述废气背压的所述装置(25)的厚度与所述催化转化器(9)的厚度之间的比率至少为1:200。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的废气后处理系统，其特征在于：在与用于增加所述废气背压的所述装置(25)与所述催化转化器(9)之间的在流动方向上看的距离对应的距离和在流动方向上看的所述催化转化器(9)的厚度之间的比率最大为2:1。
11.根据权利要求10所述的废气后处理系统，其特征在于：在所述对应的距离与所述催化转化器(9)的厚度之间的所述比率最大为1:1。
12.根据权利要求10所述的废气后处理系统，其特征在于：在所述对应的距离与所述催化转化器(9)的厚度之间的所述比率最大为1:2。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理系统，其特征在于：用于增加废气背压的所述装置(25)设计成网格结构。
14.根据权利要求1至3中的任一项所述的废气后处理系统，其特征在于：于所述反应器室(10)内，在用于增加废气背压的所述装置(25)与所述催化转化器(9)之间，安置有至少一个吹扫装置(24)，其用于吹扫用于增加废气背压的所述装置(25)和/或用于吹扫所述催化转化器(9)。
15.根据权利要求14所述的废气后处理系统，其特征在于：所述吹扫装置(24)以这样的方式定向，即使得其在用于增加所述废气背压的所述装置(25)和/或所述催化转化器(9)的横向于流动方向伸延的表面上产生涡流。
16.一种内燃机(1)，带有根据权利要求1至15中任一项所述的废气后处理系统(3)。
17.根据权利要求16所述的内燃机，其特征在于：所述内燃机(1)是用柴油燃料或重质燃油燃料运行的内燃机。
18.根据权利要求16或17所述的内燃机，其特征在于：其包括多级废气增压系统(2)，所述多级废气增压系统带有包含高压涡轮(6)的第一废气涡轮增压器(4)和包含低压涡轮(7)的第二废气涡轮增压器(5)，其中，所述废气后处理系统(3)连接在所述高压涡轮(6)与所述低压涡轮(7)之间。
19.根据权利要求16或17所述的内燃机，其特征在于：在单级增压内燃机的情况下，所述废气后处理系统布置在涡轮机的上游。
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