CN107269374A - 排气后处理系统和内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及排气后处理系统和内燃机。具体而言，本发明涉及一种内燃机的排气后处理系统(3)，即，SCR排气后处理系统，带有SCR催化转化器(9)，带有通向SCR催化转化器(9)的排气供给线路(8)且带有离开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，排气供给线路(8)和/或容纳SCR催化转化器(9)的反应室(10)和/或排气排放线路(11)设计为至少双壁的。

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。特别需要使包括带有紧凑设计的此类排气后处理系统的内燃机的有效排气后处理和有效操作变成可能。
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，排气供给线路和/或容纳SCR催化转化器的反应室和/或排气排放线路被设计为至少双壁的。因此，其可防止在温度热沉的意义上由排气供给线路和/或反应室和/或排气排放线路吸收排气的过多的热能。热能保留在排气中。这对于提供包括该排气后处理系统的内燃机的有效的排气后处理和有效操作而言是有利的。
根据有利的进一步发展，排气供给线路的第一壁和/或反应室的第一壁和/或排气排放线路的第一壁具有针对排气供给线路中和/或反应室中和/或排气排放线路中存在的压力以使相应的壁耐受相应的压力的方式设计的厚度。在相应的第一壁的面向排气流的侧面上，优选地布置第二壁(形成空气间隙)，其厚度小于相应的第一壁的厚度。在相应的第一壁的背离排气流的侧面上，优选地额外布置第三壁，其厚度大于相应的第一壁。可确保包括该排气后处理系统的内燃机的有效的排气后处理和有效操作。
根据有利的进一步发展，相应的第一壁的质量和热容量的乘积大于相应的第二壁的对应乘积。而且，相应的第一壁的质量和热容量的乘积优选地小于相应的第三壁的对应乘积。这对于确保包括该排气后处理系统的内燃机的有效的排气后处理和有效操作而言是有利的。
根据另一有利的进一步发展，相应的第一壁的厚度与相应的第二壁的厚度之间的比率等于至少10：3，优选为至少10：2，特别优选为至少10：1。这对于确保包括该排气后处理系统的内燃机的有效的排气后处理和有效操作而言是有利的。
根据另一有利的进一步发展，相应的第一壁的厚度与相应的第三壁的厚度之间的比率等于至少1：5，优选为至少1：7，特别优选为至少1：10。这对于确保包括该排气后处理系统的内燃机的有效的排气后处理和有效操作而言是有利的。
根据另一有利的进一步发展，第一壁和第二壁之间的空气间隙的厚度和/或第一壁和第三壁之间的空气间隙的厚度等于至少2mm，优选为至少4mm，特别优选为至少6mm。这对于确保包括该排气后处理系统的内燃机的有效的排气后处理和有效操作而言是有利的。
根据本发明的内燃机在权利要求13中限定。
特别优选地，该内燃机包括多级排气增压系统，该多级排气增压系统带有包括高压涡轮的第一排气涡轮增压器和包括低压涡轮的第二排气涡轮增压器，其中，该排气后处理系统连接在高压涡轮与低压涡轮之间。
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III；且
图4：图2的作为细节III的备选的细节IV。
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　　挡板元件
20　　侧面
21　　线路
22　　侧面
23　　侧面
24　　第一壁
25　　第一壁
26　　第一壁
27　　空气间隙
28　　空气间隙
29　　空气间隙
30　　第二壁
31　　第二壁
32　　第二壁
33　　第三壁
34　　第三壁
35　　第三壁
36　　空气间隙
37　　空气间隙
38　　空气间隙。
具体实施方式
本发明涉及内燃机的排气后处理系统，例如涉及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。特别地，排气后处理系统用在利用重燃料油操作的船的柴油发动机上。
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。
除了包括这两个排气涡轮增压器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与第二排气涡轮增压器5的低压涡轮7之间，使得因此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19，该挡板元件19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19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19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19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19打开排气供给线路8的下游端部15时，挡板元件19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19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19，在该处，它们被捕集且被雾化，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19相对于排气供给线路8的下游端部15的位置，特别地还可确定挡板元件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强地导向或导引。
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在下游端部15的区段中的流动截面扩大，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的上游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。
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的径向内区段处相比在其径向外区段处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19在侧面20的中央沿排气供给线路8的下游端15的方向相对于排气的流动方向缩进或弯曲。
如特别从图2显而易见的是，排气供应线路8和排气排放线路11在反应室10的公共的第一侧面22连接，或者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以如下方式延伸到反应室10中，使得排气供应线路8的下游端部15位于反应室10的第二侧面23附近，该第二侧面23与反应室10的第一侧面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。因此，经由排气供给线路8供应的排气在反应室10的第二侧面23的区域(其与排气供应线路8的下游端部15相对地定位)中偏转近似180°，然后经由SCR催化转化器9流动，此后经由下侧面22流到排气排放线路11的区域中。这里，从图2显而易见的是，邻近反应室10的侧面22的排气排放线路11在外侧在某些区段中(优选为同心地)包围排气供给线路8。
为了使包括排气后处理系统3的内燃机1的特别有效的排气后处理和特别有效的操作变成可能，排气供应线路8和/或容纳SCR催化转化器9的反应室10和/或排气排放线路11形成为至少双壁的。因此，确保了排气的热能保留在排气中且不过度地释放到反应室10的壁。高排气温度一方面对于SCR催化转化器9的区域中的有效的排气后处理有利，另一方面对于位于排气后处理装置3下游的排气涡轮增压器的有效操作有利。
因此，SCR催化转化器9的区域中的高排气温度是有利的，以便避免还原剂的非期望的副反应，特别是硫酸铵和/或硫酸氢铵的形成。可在过低的排气温度下形成的这些非期望的副产品可破坏排气供给线路8、SCR催化转化器9和排气排放线路11，且因此影响排气后处理的有效性。
而且，如已说明的，排气后处理装置3下游的高排气温度是有利的，以便有效地操作沿流动方向看定位在排气后处理装置3下游的排气涡轮增压器，特别是其低压涡轮。
如已说明的，排气供给线路8和/或反应室10和/或排气排放线路10设计为至少双壁的，类似地，旁路12可实现为至少双壁的。特别优选的是本发明的如下构造，在该构造中，排气供给线路8以及反应室10且还有排气排放线路11各自实现为至少双壁的。然而，还可能的是，这些组件中的仅一个(特别是反应室)或者这些组件中的仅两个(特别是排气供给线路8和反应室10)实现为至少双壁的。
下面参照图3和图4的细节III和细节IV描述了另外的细节，其中图3和图4各自示出了排气供给线路8和/或反应室10和/或排气排放线路11的备选的优选实施例，即，图3示出其双壁实施例且图4示出其三壁实施例。
根据本发明的第一有利构造，排气供给线路8的第一壁24和/或反应室10的第一壁25和/或排气排放线路10的第一壁26以如下方式实现，使得其具有针对在排气供给线路8中或反应室10中或排气排放线路11中存在的压力设计的厚度，该厚度以使壁24或25或26耐受相应的压力的方式设计。这里，相应的压力达到7巴，优选为至少2巴。
在相应的第一壁24或25或26的面向排气流(未示出)的侧面上，优选地布置第二壁30或31或32(形成空气间隙27或28或29)，其厚度小于相应的第一壁24或25或26的厚度。相应的第一壁24或25或26的厚度在图3中标为d1，且相应的第二壁30或31或32的厚度标为d2，其中，在相应的第一壁24或25或26和相应的第二壁30或31或32之间形成的空气间隙27或28或29的尺寸标为l12。
根据本发明的另一有利发展，相应的第一壁24或25或26的厚度d1与相应的第二壁30或31或32的厚度d2之间的比率等于至少10：3，优选为至少10：2，特别优选为至少10：1。相应的第一壁24或25或26与相应的第二壁30或31或32之间的空气间隙112的尺寸等于至少2mm，优选为至少4mm，特别优选为至少6mm。在该情况下的相应的第一壁24或25或26的质量和热容量的乘积优选大于相应的第二壁30或31或32的质量和热容量的对应乘积。
相应的第一壁24或25或26和相应的第二壁30或31或32可均由金属材料(诸如，例如由钢)制造。优选的是如下构造，其中，相应的第一壁24或25或26是由金属材料制造的，且相应的第二壁30或31或32是由陶瓷材料制造的。类似可能的是，相应的第一壁24、25、26和相应的第二壁30、31、32各自由金属材料制造，其中，在面向排气流的侧面上，相应的第二壁30、31、32因而可优选带有陶瓷涂层。
利用细节IV，图4示出了图3的细节III的另一发展，其中在图4中额外存在第三壁33或34或35，其定位在相应的第一壁24或25或26的背离排气流的侧面上，从而形成另一空气间隙36或37或38。利用定位在相应的第一壁24、25、26的面向排气流的侧面上的相应的第二壁30、31、32，可确保尽可能少的热能从排气转移至相应的第一壁24或25或26。利用定位在相应的第一壁24、25、26的背离排气流的侧面上的相应的第三壁33、34、35，可确保尽可能少的热能转移至环境。在图4中，相应的第三壁33或34或35的厚度标为d3，且在相应的第三壁33、34、35与相应的第一壁24、25、26之间的空气间隙36、37、38的对应尺寸标为l13。
特别地，相应的第一壁24或25或26和相应的第三壁33或34或35的厚度之间的比率等于至少1：5，优选为至少1：7，特别优选为至少1：10。这里，空间间隙l13的尺寸优选地对应于空气间隙l12的尺寸，特别地为2mm，优选为至少4mm，特别优选为至少6mm。在该情况下，相应的第一壁24、25、26的质量和热容量的乘积优选小于相应的第三壁33、34、35的质量和热容量的对应乘积。此外，优选地，第二壁和第三壁之间的热导率的比率等于至少10：1，优选为至少80：1，最优选为至少150：1。
相应的第一壁24、25、26和相应的第三壁33、34、35之间的空气间隙也可省略。在该情况下，相应的第三壁33或34或35直接安装在相应的第一壁24、25、26的背离排气流的侧面上。在该情况下，l13等于0mm。
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的气缸的通路是开放的，但涡轮增压器4和5的可接近性受到限制。然而，当在排气涡轮增压器4、6上需要维护操作时，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因而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。
根据本发明的方法可关于单级且还有两级增压发动机二者利用。在单级增压发动机的情况下，排气后处理系统的布置优选地设在涡轮的上游，在两级增压发动机的情况下，优选地在两个涡轮之间。

Claims (17)

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SCR催化转化器(9)，带有通向所述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，所述排气供给线路(8)和/或容纳所述SCR催化转化器(9)的反应室(10)和/或所述排气排放线路(11)形成为至少双壁的。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于，所述排气供给线路(8)的第一壁(24)和/或所述反应室(10)的第一壁(25)和/或所述排气排放线路(11)的第一壁(26)具有针对所述排气供给线路(8)中和/或所述反应室(10)中和/或所述排气排放线路(11)中存在的压力以使相应的第一壁耐受相应的压力的方式设计的厚度，且其中，在相应的第一壁(24,25,26)的面向所述排气流的侧面上定位了第二壁(30,31,32)，其厚度小于相应的第一壁(24,25,26)的厚度。
3.根据权利要求2所述的排气后处理系统，其特征在于，在相应的第一壁(24,25,26)和相应的第二壁(30,31,32)之间形成了空气间隙(27,28,29)。
4.根据权利要求2或3所述的排气后处理系统，其特征在于，相应的第一壁的厚度和相应的第二壁的厚度之间的比率等于至少10：3。
5.根据权利要求4所述的排气后处理系统，其特征在于，相应的第一壁(24,25,26)的厚度和相应的第二壁(30,31,32)的厚度之间的比率等于至少10：2。
6.根据权利要求5所述的排气后处理系统，其特征在于，相应的第一壁(24,25,26)的厚度和相应的第二壁(30,31,32)的厚度之间的比率等于至少10：1。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的排气后处理系统，其特征在于，相应的第一壁(24,25,26)的质量和热容量的乘积大于相应的第二壁(30,31,32)的对应乘积。
8.根据权利要求2至7中的任一项所述的排气后处理系统，其特征在于，在相应的第一壁(24,25,26)的背离所述排气流的侧面上定位了第三壁(33,34,35)，其厚度大于相应的第一壁(24,25,26)的厚度。
9.根据权利要求8所述的排气后处理系统，其特征在于，相应的第一壁(24,25,26)的厚度和相应的第三壁(33,34,35)的厚度之间的比率等于至少1：5。
10.根据权利要求9所述的排气后处理系统，其特征在于，相应的第一壁(24,25,26)的厚度和相应的第三壁(33,34,35)的厚度之间的比率等于至少1：7。
11.根据权利要求10所述的排气后处理系统，其特征在于，相应的第一壁(24,25,26)的厚度和相应的第三壁(33,34,35)的厚度之间的比率等于至少1：10。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的排气后处理系统，其特征在于，相应的第一壁(24,25,26)的质量和热容量的乘积小于相应的第三壁(33,34,35)的对应乘积。
13.根据权利要求3至12中的任一项所述的排气后处理系统，其特征在于，所述第一壁(24,25,26)和所述第二壁(30,31,32)之间的空气间隙(27,28,29)的厚度和/或所述第一壁(24,25,26)和所述第三壁(33,34,35)之间的空气间隙(36,37,38)的厚度等于至少2mm，优选为至少4mm，特别优选为至少6mm。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的排气后处理系统，其特征在于，第二(30,31,32)和第三(33,34,35)壁之间的热导率的比率等于至少10：1，优选为至少80：1，最优选为至少150：1。
15.一种内燃机(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13中的任一项所述的排气后处理系统(3)。
16.根据权利要求15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。
17.根据权利要求15或16中的任一项所述的内燃机，其特征在于，所述排气后处理系统(3)安装在排气涡轮的上游。
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