CN107642396B - 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，一种内燃机的排气后处理系统，即，SCR排气后处理系统，具有SCR催化转化器，具有通向SCR催化转化器的排气供应线路，且具有离开SCR催化转化器的排气排放线路，具有分配至排气供应线路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，且具有在引入装置的下游由排气供应线路提供以用于在SCR催化转化器的上游将排气与还原剂混合的混合区段。排气供应线路的下游端通向容纳SCR催化转化器的反应室，其中排气供应线路在下游端附近具有开口，开口允许排气在排气供应线路的下游端的上游进入反应室。

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。此外，本发明涉及具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、褐煤、石油、重燃烧油或柴油燃料)的燃烧中出现。因此，排气后处理系统分配给该类型的内燃机，该排气后处理系统用于离开内燃机的排气的清洁，特别是除氮。
为了减少排气中的氮氧化物，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，其中需要氨(NH3)作为还原剂以用于氮氧化物的还原。氨(NH3)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，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。
尽管利用从实践已知的排气后处理系统，排气后处理已可成功地发生，但仍需要进一步改进排气后处理系统。特别地需要此类排气后处理系统的紧凑设计。
发明内容
在此基础上，本发明基于产生新颖的排气后处理系统的目标。此目的借助于根据权利要求1的排气后处理系统来达到。根据本发明，排气供应线路的下游端通向容纳SCR催化转化器的反应室，其中排气供应线路在下游端附近具有开口，其允许排气在排气供应线路的下游端的上游进入反应室。在紧凑设计中，可确保有效的排气后处理系统。
根据有利的发展，经由排气供应线路的下游端流入反应室的排气流以及经由开口流入反应室的排气流可在反应室中混合且经由SCR催化转化器引导。在紧凑设计中，可确保有效的排气后处理系统。
根据有利的发展，排气供应线路和排气排放线路作用在反应室的共同侧面上，其中排气排放线路在反应室的关于排气流在SCR催化转化器下游的该共同侧面上通向反应室，且其中排气供应线路的下游端在反应室的关于排气流在SCR催化转化器上游与反应室的该共同侧面相对的侧面上通向反应室，且其中带有混合区段的排气供应线路延伸穿过SCR催化转化器。在紧凑设计中，可确保有效的排气后处理系统。
排气供应线路优选地在定位在SCR催化转化器和排气供应线路的下游端之间的区段中具有开口，使得排气关于排气流在SCR催化转化器的上游经由开口流入反应室。在紧凑设计中，可确保有效的排气后处理系统。
根据进一步有利的实施例，挡板元件与排气供应线路的下游端相互作用，挡板元件使经由下游端从排气供应线路出现的排气流转向。在紧凑设计中，可确保有效的排气后处理系统。
根据本发明的内燃机在权利要求9中限定。
附图说明
本发明的优选发展从以下描述和从属权利要求出现。基于附图而不受其限制，更详细地论述了本发明的示例性实施例。在图中：
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；
图3：示出了来自图2的细节；且
图4：示出了根据本发明的排气后处理系统的进一步细节。
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 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 排气供应线路
9 SCR催化转化器
10 反应室
11 排气排放线路
12 旁路线路
13 阻断装置
14 排气管
15 端
16 引入装置
17 喷射锥体
18 混合区段
19 挡板元件
20 气动气缸
21 活塞杆
22 壁
23 密封件
24 侧面
25 移位方向
26 线路
27 开口
28 侧面
29 侧面。
具体实施方式
本发明在这里涉及内燃机的排气后处理系统，因此例如涉及发电厂中的固定内燃机或用在船上的非固定内燃机。特别地，排气后处理系统用在利用重燃料油操作的船用柴油内燃机上。
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构成的配置。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来压缩将由内燃机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(其包括多个排气涡轮增压器，即，第一高压侧排气涡轮增压器4和第二低压侧排气涡轮增压器5)的内燃机1。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流动且在其中缓和，其中，在这里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。
如在排气的流动方向上看，第二排气涡轮增压器5配置在第一排气涡轮增压器4下游，已经流过第一排气涡轮增压器4的高压涡轮6的第二排气涡轮增压器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引导。在第二排气涡轮增压器5的低压涡轮7中，排气进一步缓和，且获得的能量从而用在第二排气涡轮增压器5的低压压缩机中，以便同样压缩将供应至内燃机1的气缸的增压空气。
除具有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包括排气后处理系统3，其为SCR排气后处理系统。在所示的示例性实施例中，SCR排气后处理系统3连接在第一压缩机5的高压涡轮6和第二排气涡轮增压器5的低压涡轮7之间，使得离开第一排气涡轮增压器4的高压涡轮6的排气可因此在排气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示出了排气供应线路8，从第一排气涡轮增压器4的高压涡轮6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的排气在第二排气涡轮增压器5的低压涡轮7的方向上排放。从低压涡轮7开始，排气经由线路26流动，特别地至外侧。本发明不限于带有这样的两级排气涡轮增压系统的内燃机。本发明还可用在带有单级排气涡轮增压系统的内燃机中，其中SCR催化转化器9可在排气涡轮增压器的涡轮的上游或下游连接到排气流中。
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优选地经由旁路线路12联接，阻断装置13整体结合在旁路线路12中。当阻断装置13关闭时，旁路线路12关闭，使得没有排气可经由旁路线路流动。相反，当阻断装置13打开时，排气可经由旁路线路12流动，特别地，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。
如论述的那样，排气供应线路8和排气排放线路11可借助于旁路12联接，以便当旁路12打开时，使排气越过反应室10且因此越过SCR催化转化器9传送。在该情况下，设为排气供应线路8和排气排放线路11作用在容纳SCR催化转化器9的反应室10的共同侧面28上。结果，可能在排气供应线路8和排气排放线路11之间省却旁路12的长旁路线路，其在容纳SCR催化转化器9的反应室10周围延伸。旁路12可因此以短和紧凑的方式实现，使得在紧凑设计的情况下，有效排气后处理是可能的。
排气供应线路8和排气排放线路11以某种方式作用在容纳SCR催化转化器9的反应室10的共同侧面28上，使得排气排放线路11在反应室10的关于排气流在SCR催化转化器9下游的该共同侧面28上通向反应室10，且使得排气供应线路8的下游端15在反应室10的关于排气流在SCR催化转化器9上游与反应室10的该共同侧面28相对的侧面29上通向反应室10。排气供应线路8延伸穿过SCR催化转化器9。排气排放线路11在某些区段(特别地在反应室10的侧面28附近在反应室10外延伸的区域中)沿径向在外侧同心地包围排气供应线路8。在所示的示例性实施例中，旁路12构造在定位在排气排放线路11同心地包围排气供应线路8的区域附近的区域中。因此，在紧凑设计的情况下有效排气后处理是可能的。
相反，还可能的是，旁路12构造在排气排放线路11在外侧同心地环绕排气供应线路8的区域中。
引入装置16分配给排气后处理系统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(NH3)或氨前体物质，需要其以便在SCR催化转化器9的区域中以限定的方式转化排气的氮氧化物。排气后处理系统3的该引入装置16优选为喷射喷嘴，借助于其，氨或氨前体物质被喷射到排气供应线路8内的排气流中。图2使用锥体17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16的下游和SCR催化转化器9的上游)被称为混合区段18或分解区段。特别地，排气供应线路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。混合区段18且因此排气供应线路8在某些区段由SCR催化转化器9在外侧包围，在这里为独立催化转化器模块的形式。在该区段中，SCR催化转化器9将混合区段18加热。排气在混合区段18和SCR催化转化器9的区域中的流动方向是相反的。
排气供应线路8以下游端15通向反应室10。排气供应线路8在下游端15附近具有开口27，其允许排气在排气供应线路8的下游端15上游进入反应室10。经由排气供应线路8的下游端15流入反应室10的排气流以及经由开口27流入反应室10的排气流可在SCR催化转化器9的上游在反应室10中混合且可经由SCR催化转化器9引导。图2和图4使用箭头14阐明了排气的流动。因此，在异常紧凑设计的情况下有效排气后处理是可能的。
排气供应线路8在定位在SCR催化转化器9和排气供应线路8的下游端16之间的区段中具有开口27。经由开口27流动的排气关于排气流在SCR催化转化器9的上游流入反应室10。因此，在异常紧凑设计的情况下有效排气后处理是可能的。排气供应线路8在混合区段18或分解区段的在排气供应线路8的下游端15上游的区段(优选地在混合区段18或分解区段的末或后三分之一，特别优选地在混合区段18或分解区段的末或后四分之一)中具有开口27。因此，在异常紧凑设计的情况下有效排气后处理是可能的。
SCR催化转化器9且至少一定程度上混合区段18或分解区段均容纳在反应室10中，且因此在共同的壳(其由反应室10的壁形成)中。
挡板元件19分配给排气供应线路8的下游端15，该挡板元件19优选地可相对于排气供应线路8的下游端15移位。在示出的优选示例性实施例中，挡板元件19相对于排气供应线路8的下游端15(其通向反应室10)可在双箭头25的方向上线性地移位，特别是在气动调节气缸20的辅助下，气动调节气缸20经由活塞杆21作用在挡板元件19上且在反应室10的侧面29的区域中延伸穿过反应室10的壁22。密封件23在活塞杆穿透反应室10的壁22的位置密封气动气缸20的活塞杆21。借助于挡板元件19相对于排气供应线路8的下游端15的相对位置，特别地可能确定在排气供应线路8的下游端15的区域中在挡板元件19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强地偏转，以及相比于排气线路8的下游端15有多少排气流过开口27。
挡板元件19可至少在面向排气供应线路8的下游端15的侧面处凸出，优选地以钟状方式凸出，从而形成用于排气的流引导件。因此，从图3和图4可见，挡板元件19的面向排气供应线路8的下游端15的侧面24在挡板元件19的径向内区段处相比于在其径向外区段处具有与排气供应线路8的下游端15较小的间距。
挡板元件19在侧面24的中央相对于排气的流动方向在排气供应线路8的下游端15的方向上引入或凸出。排气流中存在的液体还原剂的液滴不流过开口27，而是撞击到挡板元件19的面向排气供应线路8的下游端15的侧面24上，且在那里被截取且雾化，以便防止液体还原剂的此类液滴到达SCR催化转化器9的区域。
在小压力损耗的情况下，挡板元件19防止排气供应线路8的下游端15的下游的排气流中的失速。挡板元件19和排气供应线路8的下游端15之间的间距特别地至少100mm，以便在尽可能低的压力损耗的情况下(特别地在压力损耗小于10mbar的情况下)确保排气流在挡板元件19的区域中的偏转。在挡板元件19且因此反应室10的侧面29的区域中，排气经历180°或近似180°的流动转向。
挡板元件19在面向排气供应线路8的下游端15的侧面24的区域中可具有催化涂层，以便改进排气后处理。
根据本发明的实施例，排气供应线路8在其下游端15的区域中以漏斗状的方式变宽，从而形成扩散器。结果，排气供应线路8的流动截面在下游端15的区域中增大，其中，如特别地从图2中可见，可设为在排气的流动方向上看，在排气供应线路8的下游端15的上游，其流动截面初始地减小。因此，图2示出了在排气的流动方向上看的排气供应线路8的流动截面在用于还原剂的引入装置16的下游初始地近似不变，然后逐渐渐缩且最终在下游端15的区域中变宽。在此情况下，排气供应线路8的下游端15处的流动截面的此变宽相比于排气供应线路8在下游端15之前在其上初始地渐缩的区段优选地在排气供应线路8的较短区段上发生。如从图4最佳可见，排气供应线路8的下游端15的变宽以及挡板元件19的侧面24的钟状轮廓优选连续地或稳定地形成，即，没有不连续。
在图1的内燃机1中，排气后处理系统3定位成直立在排气增压系统2上。接近内燃机1的气缸是自由的，燃气涡轮增压器4和5的接近性受限制。然而，在排气涡轮增压器4、6上的必要维护操作的情况下，反应室10可容易地拆卸。相比于图1中所示的排气后处理系统3在排气增压系统2上的直立配置，排气后处理系统3在排气增压系统2附近翻转90°的躺式配置也是可能的，然而其中，在此躺式配置的情况下配置的长度增加。在不需要拆卸反应室10的情况下，内燃机1和排气增压系统2然后在不限制维护操作的情况下可用。
本发明特别地用在利用过量空气操作的内燃机中，优选地在利用重燃料油或残油操作的船用柴油内燃机上。

Claims (13)

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，具有SCR催化转化器(9)，具有通向所述SCR催化转化器(9)的排气供应线路(8)，且具有离开所述SCR催化转化器(9)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所述排气中的引入装置(16)，且具有在所述引入装置(16)的下游由所述排气供应线路(8)提供以用于在所述SCR催化转化器(9)的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，所述排气供应线路(8)的下游端(15)通向容纳所述SCR催化转化器(9)的反应室(10)，且其中所述排气供应线路(8)在所述下游端(15)附近具有开口(27)，所述开口(27)允许排气在所述排气供应线路(8)的下游端(15)的上游进入所述反应室(10)；
其中，挡板元件(19)与所述排气供应线路(8)的下游端(15)相互作用，所述挡板元件(19)使经由所述下游端(15)从所述排气供应线路(8)出现的排气流转向，所述挡板元件(19)可相对于所述排气供应线路(8)的下游端(15)移位。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于，经由所述排气供应线路(8)的下游端(15)流入所述反应室(10)的排气流以及经由所述开口(27)流入所述反应室(10)的排气流可在所述SCR催化转化器(9)的上游在所述反应室(10)中混合且可经由所述SCR催化转化器(9)引导。
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，所述还原剂是氨或氨前体物质。
4.根据权利要求1至权利要求2中的任 一项所述的排气后处理系统，其特征在于，所述排气供应线路(8)和所述排气排放线路(11)作用在容纳所述SCR催化转化器(9)的所述反应室(10)的共同侧面(28)上，其中所述排气排放线路(11)在所述反应室(10)的关于所述排气流在所述SCR催化转化器(9)下游的该共同侧面(28)上通向所述反应室(10)，且其中所述排气供应线路(8)的下游端(15)在所述反应室(10)的关于所述排气流在所述SCR催化转化器(9)上游与所述反应室(10)的该共同侧面(28)相对的侧面(29)上通向所述反应室(10)，其中所述排气供应线路(8)的混合区段(18)延伸穿过所述SCR催化转化器，或在多个SCR催化转化器的情况下延伸穿过所述SCR催化转化器(9)的区域。
5.根据权利要求4所述的排气后处理系统，其特征在于，所述排气供应线路(8)在定位在所述SCR催化转化器(9)和所述排气供应线路(8)的下游端(15 )之间的区段中具有开口(27)。
6.根据权利要求5所述的排气后处理系统，其特征在于，经由所述开口(27)流动的排气关于所述排气流在所述SCR催化转化器(9)的上游流入所述反应室(10)。
7.根据权利要求4所述的排气后处理系统，其特征在于，排气流在所述混合区段(18)的区域中和在所述SCR催化转化器(9)的区域中是相反的。
8.根据权利要求4所述的排气后处理系统，其特征在于，所述反应室(10)的壁对于所述SCR催化转化器(9)和所述混合区段(18)的至少一些区段形成共同的壳。
9.根据权利要求1至权利要求2中的任 一项所述的排气后处理系统，其特征在于，用于所述SCR催化转化器(9)或反应室(10)的旁路(12)构造在所述排气供应线路(8)和所述排气排放线路(11)之间，其中阻断装置(13)连接在所述旁路(12)中。
10.一种内燃机(1)，其具有根据权利要求1至权利要求9中的任 一项所述的排气后处理系统(3)。
11.根据权利要求10所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机是利用柴油燃料或利用重燃料油燃料操作的。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的内燃机，其特征在于，所述排气后处理系统(3)附接在至少一个排气涡轮增压器(5)的上游。
13.根据权利要求10或权利要求11所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机具有多级排气增压系统(2)，其带有包括高压涡轮(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)和所述低压涡轮(7)之间。
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