CN107587923A - 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，一种用于内燃机(1)的排气后处理系统(3)具有配置在反应室(10)中的至少一个SCR催化转化器(9)，具有通向反应室(10)的排气供应线路(8)，具有离开反应室(10)的排气排放线路(11)，具有分配至排气供应线路(8)以用于将还原剂引入排气中的引入装置(12)，且具有配置在对应的引入装置(12)的下游以用于在反应室(10)的上游将排气与还原剂混合的混合区段(14)，其中用于补偿热膨胀且用于振动去耦的补偿元件(21)在混合区段(14)的区域中整体结合到排气供应线路(8)中。

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以及带有此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、褐煤、原油、重燃烧油或柴油燃料)的燃烧中产生。因此，排气后处理系统分配至此类型的内燃机，该排气后处理系统用于离开内燃机的排气的清洁，特别是氮移除。
为了还原排气中的氮氧化物，主要将通常所说的SCR催化转化器用于排气后处理系统中。在SCR催化转化器中，发生氮氧化物的选择性催化还原，其中需要氨(NH3)以用于氮氧化物的还原。氨(NH3)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，在实践中，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，排气后处理(特别是氮氧化物还原)已可发生，但需要进一步改进排气后处理系统。特别地，需要允许在紧凑设计的情况下的有效排气后处理。
发明内容
在此基础上，本发明的目的是创造新颖的排气后处理系统以及带有排气后处理系统的内燃机，其允许在紧凑设计的情况下的有效排气后处理。
此目的借助于根据权利要求1的排气后处理系统来解决。根据本发明，用于补偿热膨胀且用于振动去耦的补偿元件在混合区段的区域中整体结合到排气供应线路中。这允许在排气后处理系统的紧凑设计的情况下的有效排气后处理。
补偿元件优选构造为波纹管形的补偿器。波纹管形的补偿器允许排气后处理系统的特别紧凑设计。
根据有利的发展，补偿元件与还原剂的引入装置的距离对应于排气供应线路在引入装置的区域中的直径的至多七倍、优选地至多五倍、特别优选地至多三倍。此发展还允许在排气后处理系统的紧凑设计的情况下的有效排气后处理。
根据进一步有利的发展，防护元件在流侧上遮蔽补偿元件。优选地，为此，补偿元件在混合区段的区域中整体结合到排气供应线路中，使得补偿元件的上游端部连接至通向补偿元件的排气供应线路的区段的下游端部，且补偿元件的下游端部连接至离开补偿元件的排气供应线路的区段的上游端部，其中防护元件作用于通向补偿元件的排气供应线路的区段的下游端部。此发展还允许在排气后处理系统的紧凑设计的情况下的有效排气后处理。特别地，其防止损害补偿元件的功能的尿素分解产物(诸如，例如三聚氰胺或氰尿酸)沉积在补偿元件的区域中。
根据本发明的内燃机在权利要求8中限定。
附图说明
本发明的优选发展从从属权利要求和以下描述出现。基于附图更详细地论述了本发明的示例性实施例，而不限于其。在附图中：
图1示出了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示出了图1的排气后处理系统的细节。
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 气缸
5 排气涡轮增压器
6 涡轮
7 排气歧管
8 排气供应线路
8a 区段
8b 区段
9 SCR催化转化器
10 反应室
11 排气排放线路
12 引入装置
13 喷射锥体
14 混合区段
15 端部
16 排气孔口
17 流
18 扩散器
19 侧面
20 侧面
21 补偿元件
21a 端部
21b 端部
22 端部
23 端部
24 防护元件。
具体实施方式
本发明涉及内燃机的排气后处理系统，如此例如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，本发明涉及使用重燃料油操作的船用柴油内燃机，其优选地实现为两冲程船用柴油内燃机。
图1示出了由带有排气涡轮增压系统2和排气后处理系统3的内燃机1组成的配置。内燃机1可为非固定或固定的内燃机，特别是以非固定方式操作的船用内燃机。离开内燃机1的气缸4的排气在排气增压系统2中使用，以便从排气的热能获得机械能以压缩将由内燃机1供应的增压空气。
因此，图1示出了带有排气涡轮增压系统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4的排气经由排气涡轮增压器5的涡轮6流动且在其中缓和，其中，这里获得的能量用在排气涡轮增压器5的压缩机(未示出)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优选地连接在内燃机1的气缸4和排气后处理系统2之间，使得因此离开内燃机1的气缸4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示出了排气供应线路8，从内燃机1的气缸4开始的排气可经由排气供应线路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具有用于所有气缸4的公共排气歧管7。离开内燃机1的气缸4的排气可从排气歧管7开始经由排气供应线路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，且经由排气涡轮增压系统2的排气涡轮增压器5在排气后处理系统3的下游引导。
通向反应室10且因此通向定位在反应室10中的SCR催化转化器9的排气供应线路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优选地经由旁路(未示出)联接，阻断装置整体结合到旁路中。当阻断装置关闭时，旁路关闭使得没有排气可经由旁路流动。相反，如果阻断装置打开，则排气可经由旁路流动，特别地从排气供应线路8直接到排气排放线路11中而旁通反应室10和定位在反应室中的SCR催化转化器9。
引入装置12分配至排气后处理系统3的排气供应线路8，借助于该引入装置，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在SCR催化转化器9的区域中转化排气的氮氧化物。
排气后处理系统3的此引入装置12优选为喷射喷嘴，借助于其，氨或氨前体物质(诸如，例如尿素或尿素水溶液)被喷射到排气供应线路8内的排气流中。图2使用锥体13阐明了还原剂到排气供应线路8的区域中的排气流中的喷射。
排气后处理系统3的区段(其在流动方向上看位于引入装置12的下游和SCR催化转化器9的上游)被称为混合区段14。特别地，排气供应线路8提供引入装置12下游的混合区段14，在该混合区段中，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14和排气歧管7优选地与排气供应线路8组合在一起以形成公共组件。在此情况下，根据优选的实施例，在排气的流动方向上看，至少在某些区段中形成混合区段14的排气供应线路8同轴地定位在排气歧管7后面。
根据图1，形成排气歧管7、混合区段14和排气供应线路8的内燃机1的对应组件构造成使得从对应的排气歧管7发出的排气可以以无偏转的方式供应至对应的混合区段14。在图1中，排气因此仅在气缸侧排气孔口16的区域中进入排气歧管7时以及在SCR催化转化器9的上游的排气供应线路8的下游端部15的区域中进入反应室10中时经历偏转。这是有利的，以便确保在紧凑设计的情况下的有效排气后处理。
图1、图2利用箭头17阐明了排气的流。从图1可见的是，排气在气缸侧排气孔口16的区域中偏转大约90°或接近90°且流到排气歧管7中。从排气歧管7开始，排气以无偏转的方式流过排气供应线路8直到排气供应线路8的下游端部15(其在反应室10的区域中打开)。在排气供应线路8的此端部15的区域中，排气经历大约180°或接近180°的流动偏转，其中排气在此流动偏转之后经由SCR催化转化器9引导。
排气供应线路8利用下游端部15通向反应室10中。根据优选的实施例，排气供应线路8在其下游端部15的区域中以漏斗形的方式变宽，从而形成扩散器18。结果，排气供应线路8的流动截面在下游端部15的区域中扩大，其中可设置为在排气的流动方向上看，在排气供应线路8的下游端部15的扩散器18的上游，其流动截面初始地减小。
排气供应线路8和排气排放线路11作用于反应室10的公共的第一侧面19上。在此情况下，从此第一侧面19开始的排气供应线路8延伸到反应室10中，使得排气供应线路8的下游端部15位于与反应室10的第一侧面19相对的反应室10的第二侧面20附近。排气排放线路11在第一侧面19处通向反应室10中。经由排气供应线路8供应的排气在反应室10的第二侧面20的区域(其与排气供应线路8的下游端部15相对)中偏转，然后经由SCR催化转化器9流动且随后经由第一侧面19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19在外侧在某些区段中(优选同心地)环绕排气供应线路8。
补偿元件21在混合区段14的区域中(即，用于还原剂的引入装置12的下游和反应室10的上游，且因此SCR催化转化器9的上游)整体结合到排气供应线路8中，该补偿元件用于补偿热膨胀和振动去耦。
可补偿排气供应线路8的区域中的热膨胀以及排气供应线路8的区域中的振动(其可在与运行的内燃机1一起的排气后处理系统3以及内燃机1的运行的排气增压系统2的操作期间形成)。
借助于将此补偿元件21在混合区段14的区域中整体结合到排气供应线路8中，在排气后处理系统且因此最终内燃机的紧凑设计的情况下可确保有效的排气后处理。
补偿元件21优选为波纹管形的补偿器。
补偿元件21在混合区段14的区域中整体结合到排气供应线路8中，使得补偿元件21的上游端部21a作用于通向补偿元件21的排气供应线路8的区段8a的下游端部22a，而补偿元件21的下游端部21b作用于离开补偿元件21的排气供应线路8的区段8b的上游端部23。
补偿元件21与用于还原剂的引入装置12的距离对应于排气供应线路8在引入装置12的区域中的直径(即，在用于还原剂的引入装置12的区域中通向补偿元件21的排气供应线路8的区段8a的直径)的至多七倍、优选地至多五倍、特别优选地至多三倍。这在紧凑设计而确保有效的排气后处理的情况下对于热膨胀的最优补偿且对于最优振动去耦是特别优选的。
在这一点处可指出的是，特别是如果反应室10且因此SCR催化转化器9配置在排气涡轮增压器5的上游，如示例性实施例中所示的那样，补偿元件21另外地补偿剪切力，特别用于补偿由于增加的压力而产生的气体力。
根据发展设置为，整体结合到排气供应线路8中的补偿元件21借助于防护元件24从排气流遮盖。在此情况下，防护元件24作用于通向补偿元件21的排气供应线路8的区段8a，且在通流方向上看从排气供应线路8的此区段8a开始(即，从排气供应线路8的区段8a的下游端部22开始)在离开补偿元件21的排气供应线路8的区段8b的方向上延伸，且在这里从排气流遮盖补偿元件21。在补偿元件21的入流侧上，其由在那里封闭的防护元件24完全遮盖。在补偿元件21的出流侧上，其借助于在那里开放的防护元件24可接近。用于补偿热膨胀且用于振动去耦的补偿元件21的不受限制的功能可借助于防护元件24确保，另一方面，防止了还原剂分解产物沉积在补偿元件21上且损害其功能。
如之前所述的那样，离开内燃机1的气缸4的排气的有效排气后处理可借助于特别紧凑设计的补偿元件21确保。
在图1的示例性实施例中，提供排气歧管7、混合区段14、排气供应线路8以及另外还有整体结合到排气供应线路8中的补偿元件21的公共组件实现为使得发出的排气可以以无偏转的方式供应至对应的混合区段14的排气歧管7。这是优选的，如之前在上文所述的那样。相反，这样的示例性实施例也是可能的，其中排气在其从排气歧管7开始流到混合区段14的区域中且因此到排气供应线路8的区域中经历单次偏转，即，偏转一次，特别地至多90°，特别地从排气歧管7到排气供应线路8中且随后到混合区段14的区域中的传输期间。如果，为了内燃机处的安装空间的原因，排气的多次偏转会是必需的，则就本发明而言设置为提供排气歧管7、排气供应线路8和混合区段14和补偿元件21的组件构造成使得从排气歧管7发出的排气带有至多三次偏转供应至混合区段14或排气在排气歧管7和混合区段14之间偏转至多270°、优选地带有至多两次偏转供应至混合区段14或排气在排气歧管7和混合区段14之间偏转至多180°。然而，排气在排气歧管7和混合区段14之间偏转至多90°是优选的，排气从排气歧管7开始在混合区段14的方向上的无偏转供应是最优选的。这些细节还允许在紧凑设计的情况下的有效排气后处理。
形成排气歧管7、混合区段14、补偿元件21和排气供应线路8的公共组件优选地构造成使得位于最远离SCR催化转化器9或对应的反应器10的到对应的排气歧管7中的气缸侧排气孔口16与SCR催化转化器9或反应室10之间的距离对应于位于最远离SCR催化转化器9或反应室10的到排气歧管7中的气缸侧排气孔口16与位于最接SCR催化转化器9或反应室10的到排气歧管7中的气缸侧排气孔口16之间的距离的至多六倍、优选地至多四倍、特别优选地至多两倍。这也是有利的，以便在紧凑设计且有效的排气后处理的情况下确保内燃机的有效操作且将补偿元件的长度保持得尽可能小。
在示出的示例性实施例中，反应室10且因此SCR催化转化器9配置在排气涡轮增压器5的排气侧上游。还可能的是，反应室10且因此SCR催化转化器9配置在排气涡轮增压器的排气侧下游。此外可能的是，反应室10且因此SCR催化转化器9连接在高压排气涡轮增压器和低压排气涡轮增压器之间的排气侧上。
以上细节特别适合于在两冲程内燃机(其使用残油或利用重燃料油或另外利用天然气操作)中使用。然而，本发明还可在四冲程内燃机中使用。

Claims (12)

1.一种用于内燃机(1)的排气后处理系统(3)，具有配置在反应室(10)中的至少一个SCR催化转化器(9)，具有通向所述反应室(10)的排气供应线路(8)，具有离开所述反应室(10)的排气排放线路(11)，具有分配至所述排气供应线路(8)以用于将还原剂引入排气中的引入装置(12)，且具有配置在对应的引入装置(12)的下游以用于在所述反应室(10)的上游将所述排气与所述还原剂混合的混合区段(14)，其特征在于，用于补偿热膨胀且用于振动去耦的补偿元件(21)在所述混合区段(14)的区域中整体结合到所述排气供应线路(8)中。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于，所述补偿元件(21)构造为波纹管形的补偿器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的排气后处理系统，其特征在于，所述补偿元件(21)与所述引入装置(12)的距离对应于所述排气供应线路(8)在所述引入装置(12)的区域中的直径的至多七倍。
4.根据权利要求3所述的排气后处理系统，其特征在于，所述补偿元件(21)与所述引入装置(12)的距离对应于所述排气供应线路(8)在所述引入装置(12)的区域中的直径的至多五倍。
5.根据权利要求4所述的排气后处理系统，其特征在于，所述补偿元件(21)与所述引入装置(12)的距离对应于所述排气供应线路(8)在所述引入装置(12)的区域中的直径的至多三倍。
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，防护元件(24)在流侧上遮蔽所述补偿元件(21)。
7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于，所述补偿元件(21)在所述混合区段(14)的区域中整体结合到所述排气供应线路(8)中，使得所述补偿元件(21)的上游端部(21a)连接至通向所述补偿元件(21)的所述排气供应线路(8)的区段(8a)的下游端部(22)，且所述补偿元件(21)的下游端部(21b)连接至离开所述补偿元件(21)的所述排气供应线路(8)的区段(8b)的上游端部(23)，其中所述防护元件(24)作用于通向所述补偿元件(21)的所述排气供应线路(8)的区段(8a)的下游端部(22)，所述防护元件(24)在流侧上遮蔽所述补偿元件(21)。
8.一种内燃机(1)，具有多个气缸(4)，具有共用于一组气缸(4)的至少一个排气歧管(7)，且具有根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的排气后处理系统(3)，其中从对应的排气歧管(7)发出的排气可经由所述排气后处理系统(3)引导，且经由所述内燃机(1)的排气增压系统(2)的至少一个排气涡轮增压器(5)在所述排气后处理系统(3)的下游引导。
9.根据权利要求8所述的内燃机，其特征在于，对应的排气歧管(7)、对应的混合区段(14)和对应的补偿元件(21)组合以形成公共组件。
10.根据权利要求9所述的内燃机，其特征在于，对应的公共组件构造成使得位于最远离对应的SCR催化转化器(9)或对应的反应室(10)的到所述排气歧管(7)中的气缸侧排气孔口(16)与对应的SCR催化转化器(9)或对应的反应室(10)之间的距离对应于到位于最远离对应的SCR催化转化器(9)或对应的反应室(10)的到所述排气歧管(7)中的气缸侧排气孔口(16)与位于最接近对应的SCR催化转化器(9)或对应的反应室(10)的到对应的排气歧管(4)中的气缸侧排气孔口(16)之间的距离的至多六倍、优选地至多四倍、特别优选地至多两倍。
11.根据权利要求8至权利要求10中任一项所述的内燃机，其特征在于，从对应的排气歧管(7)发出的排气可带有至多三次偏转、优选地带有至多两次偏转、特别优选地带有至多一次偏转供应至对应的混合区段(14)。
12.根据权利要求8至权利要求11中任一项所述的内燃机，其特征在于，从对应的排气歧管(7)发出的排气可带有至多270°偏转、优选地带有至多180°偏转、特别优选地带有至多90°偏转供应至对应的混合区段(17)。
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