CN109424403B

CN109424403B - 燃烧发动机系统

Info

Publication number: CN109424403B
Application number: CN201811042907.9A
Authority: CN
Inventors: S·迈尔
Original assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-24
Anticipated expiration: 2038-09-04
Also published as: CN109424403A; JP2019044773A; DK179734B1; DK201770667A1; KR101939674B1; JP7030660B2

Abstract

本发明涉及一种燃烧发动机系统，包括产生包含烟尘的废气的内燃机、涡轮增压器和NO_x还原单元，烟尘沉积在该NO_x还原单元中，该NO_x还原单元包括具有腔室、入口管和出口管的催化反应器壳体以及一个或多个催化元件，燃烧发动机系统还包括烟尘去除单元，其包括与催化反应器壳体的开口流体连通的阀、具有接收器横截面面积和接收器入口以及排气端口的接收器和导管，该阀具有打开位置从而允许催化反应器壳体中的至少一部分废气逸出到烟尘去除单元中，导管使接收器入口与阀流体连接，并且具有比接收器横截面面积更小的导管横截面面积。本发明还涉及一种用于减少根据本发明的燃烧发动机系统中的NO_x还原单元的腔室中的烟尘的烟尘减少方法。

Description

燃烧发动机系统

技术领域

本发明涉及一种燃烧发动机系统和一种用于减少根据本发明的燃烧发动机系统中的NO_x还原单元的腔室中的烟尘的烟尘减少方法。

背景技术

来自内燃机的废气被净化，以减少催化反应器中的NO_x排放。在净化过程中，烟尘沉积在反应器壳体中和SCR反应器中催化元件的表面上。为了清除表面上的烟尘，以预定的间隔注入高压空气以使烟尘松散，气体将松散的烟尘带出反应器壳体。然而，高压空气在使烟尘松散方面不是非常有效，并且需要大量设备，即高压管和喷嘴，这些设备很昂贵，并且可能难以修理或更换。

WO2006/091136公开了一种用于去除气流中的微粒的装置，所述气流被应用于净化来自内燃机的废气。

发明内容

因此，本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术的上述不利条件和缺点。更具体地，本发明的目的是提供一种改进的燃烧发动机系统，该燃烧发动机系统去除烟尘更有效和/或需要的设备更少。

通过根据本发明的方案，由一种燃烧发动机系统实现上述目的以及多个其他目的、优点和特征，这些目的、优点和特征将从以下描述中变得明显，该燃烧发动机系统包括：

-产生包含烟尘的废气的内燃机，

-由废气驱动的涡轮增压器，和

-NO_x还原单元，其布置在涡轮增压器上游，并且与内燃机流体连通，以净化来自内燃机的废气，烟尘沉积在该NO_x还原单元中，该NO_x还原单元包括：

-催化反应器壳体，其具有腔室、入口管和出口管，以及

-布置在介于入口管和出口管之间的催化反应器壳体的腔室中的一个或多个催化元件，

其中，燃烧发动机系统还包括烟尘去除单元，其包括：

-与催化反应器壳体的开口流体连通的阀，该阀具有打开位置从而允许催化反应器壳体中的至少一部分废气逸出到烟尘去除单元中，

-具有接收器横截面面积和接收器入口以及排气端口的接收器，和

-导管，其使接收器入口与阀流体连接，并且具有比接收器横截面面积更小的导管横截面面积。

通过设有使接收器入口与阀流体连接并且具有比接收器横截面面积更小的导管横截面面积的导管，在催化反应器壳体中提供声波，以使至少部分烟尘松散。

开口可以布置在一个或多个催化元件上游的腔室中。

另外，开口可以布置在比腔室的中间部分更靠近入口管的腔室中。通过使开口比腔室的中间部分更靠近入口管，在腔室中产生反向流动，以使烟尘松散。

另外，开口可以布置在比腔室的中间部分更靠近出口管的腔室中。

另外，开口可以布置在入口管中。

另外，开口可以布置在催化元件之间的腔室的中间部分中。

另外，排气端口可以与流体连接在涡轮增压器下游的排气管流体连接。

烟尘去除单元可以具有多个开口，每个开口具有流体连接到导管的阀。

另外，所有导管可以使开口与接收器流体连接。

另外，烟尘去除单元可以具有多个接收器，每个接收器连接到一个导管。

导管横截面面积也可以小于接收器横截面面积的50％，优选小于30％。

另外，导管可以具有大于导管横截面面积的直径的导管长度。

另外，导管可以具有比导管横截面面积的直径大10％、优选地比导管横截面面积的直径大25％、更优选地比导管横截面面积的直径大50％的导管长度。

另外，腔室可以具有腔室容积，接收器可以具有小于腔室容积的20％、优选地小于腔室容积的10％的接收器容积。

另外，隔音单元可以至少部分地包围烟尘去除单元和/或NO_x还原单元。

烟尘去除单元可以具有用于控制阀打开的阀控制器。

另外，NO_x还原单元可以布置在涡轮增压器的高压侧。

另外，阀控制器可以包括计时器。

另外，烟尘去除单元可以具有烟尘传感器。

所述烟尘传感器可以是压力传感器。

根据本发明的燃烧发动机系统还可以包括布置在NO_x还原单元上游的第二涡轮增压器。

另外，燃烧发动机系统的内燃机可以是二冲程或四冲程内燃机。

燃烧发动机系统还可以包括废气接收器。

另外，燃烧发动机系统还可以包括扫气气体接收器。

另外，燃烧发动机系统还可以包括热交换器，例如锅炉。

止回阀可以布置在排气管中。

内燃机可以由硫含量至少为0.05％的燃料提供动力。

所述内燃机可以是大型二冲程内燃机。

另外，燃烧发动机系统可以包括一个或多个具有至少200升的体积的催化反应器壳体。

NO_x还原单元还可以包括还原剂供应单元，该还原剂供应单元包括用于在向进入NO_x还原单元之前的废气或在NO_x还原单元中的废气定量供给一定量的还原剂的定量单元。

另外，NO_x还原单元还可以包括控制单元，其适于减少供应到NO_x还原单元的还原剂的量。

另外，还原剂可以包括氨。

本发明还涉及一种用于减少根据本发明的燃烧发动机系统中的NO_x还原单元的腔室中的烟尘的烟尘减少方法，该方法包括以下步骤：

-打开阀，以允许部分废气逸出到导管中并进一步进入接收器中，产生声波，该声波传送到腔室中，使腔室中的部分烟尘松散，

-关闭阀，和

-排空接收器。

附图说明

下面将参考附图更详细地描述本发明及其多个优点，为了说明的目的，该附图示出一些非限制性实施例，图中

图1示出在涡轮增压器的高压侧具有NOx还原单元的燃烧发动机系统的示意图，

图2示出NOx还原单元和烟尘去除单元，

图3以透视图示出烟尘去除单元，

图4示出具有两个开口的另一NOx还原单元和具有连接到该开口的两个导管的另一烟尘去除单元，

图5示出另一NOx还原单元，其具有催化元件上游的开口和催化元件下游的开口，各开口连接到烟尘去除单元，和

图6示出另一燃烧发动机系统的示意图，该燃烧发动机系统在涡轮增压器的高压侧具有NOx还原单元。

所有附图都是高度示意性的，不一定按比例绘制，并且它们仅示出为了阐明本发明而必需的那些部分，其他部分被省略或仅仅提及。

具体实施方式

图1示出燃烧发动机系统1，其包括产生废气的内燃机2。燃烧发动机系统1包括涡轮增压器3，其由该涡轮增压器3的高压侧的废气驱动。燃烧发动机系统1还包括布置在涡轮增压器上游(即涡轮增压器3的高压侧)的NO_x还原单元4，其与内燃机2流体连通，以通过选择性催化还原(SCR)净化来自内燃机2的废气。NO_x还原单元4包括催化反应器壳体5，其具有腔室6、入口管7、出口管8和一个或多个催化元件9，该催化元件9布置在入口管7和出口管8之间的催化反应器壳体5的腔室6中。在NO_x还原单元4中，在废气净化期间，烟尘沉积在催化元件9上和催化反应器壳体5内的所有表面上。因此，燃烧发动机系统1还包括烟尘去除单元10，其用于以一定的间隔去除烟尘。烟尘去除单元10与催化反应器壳体5的开口12中的阀11流体连接，阀11具有关闭位置和打开位置，在该关闭位置，开口12被阻塞，在该打开位置，允许催化反应器壳体5中的至少部分废气逸出到烟尘去除单元10中。

如图3所示，烟尘去除单元10包括具有接收器横截面面积A_R以及接收器入口15和排气端口16的接收器14，还包括使接收器入口15与阀11流体连接的导管17。导管17具有小于接收器横截面面积A_R的导管横截面面积A_C，其用于首先在接收器14中提供声波，由此在波行进时也在催化反应器壳体5中提供声波，以使催化反应器壳体5中和催化元件9上的至少部分烟尘松散。逸出到烟尘去除单元10中的废气产生行进到NO_x还原单元4中的驻波，以使其中的烟尘松散。当阀11打开时，具有非常高压力的废气逸出到导管17中，进一步进入具有大体上较低压力的接收器14中，由于导管横截面面积A_C小于接收器横截面面积A_R，因此产生类似于亥姆霍兹谐振器的声波。声波导致局部气流的快速瞬态变化，使在催化元件9中的所有壁部上的沉积烟尘层上的剪切应力快速变化，从而使烟尘从壁部上松散。

接收器具有排气端口16，如图2所示，接收器14中的高压废气通过排气端口16排出，这使得其中的压力减小，并且接收器14准备在阀11再次打开时接收新的一部分废气。接收器14中的压力经由排气管18排入涡轮增压器3下游的气流中。开口12布置在一个或多个催化元件9上游的腔室6中，并且在阀11打开并产生声波时，同时在催化反应器壳体5中产生反向流动流。反向流动流进一步增强烟尘的去除。

在图2中，开口12在腔室6中布置成比腔室6的中间部分36更靠近入口管7。通过使开口12比腔室6的中间部分36更靠近入口管7，或者通过使开口12位于入口管7中，在腔室6中产生反向流动以使烟尘松散。在图4中，烟尘去除单元10具有多个开口12，每个开口12具有流体连接到导管17的阀11，该导管17流体连接到接收器14。开口12布置在腔室6的中间部分36中的催化元件9之间，在开口12下游的腔室6中至少部分地产生反向流动，以使烟尘松散。也通过烟尘去除单元10中产生的声波使烟尘松动。

在图5中，烟尘去除单元10可以具有多个接收器14，每个接收器14连接到导管17中的一个，并且开口12中的一个在腔室6中布置成比腔室6的中间部分36更靠近出口管8，开口12中的另一个布置在入口管7中。

在图3中，导管17的导管横截面面积A_C小于接收器横截面面积A_R的50％，优选地小于30％。当导管17的导管横截面面积A_C小于接收器14的接收器横截面面积A_R的50％时，与更小的横截面积差相比将产生更大的声波。腔室6具有腔室容积V_C，接收器14具有接收器容积V_R，并且接收器容积V_R小于腔室容积V_C的20％，优选地小于腔室容积V_C的10％，这取决于腔室容积V_C以及在净化废气期间随着时间的推移沉积多少烟尘。如图所示，导管17具有大于导管横截面面积A_C的直径的导管长度L，导管17是设计成亥姆霍兹谐振器的烟尘去除单元10的“颈部”。更长的导管/颈部将在打开阀11时导致产生更低的声波频率。在一个实施例中，导管17具有比导管横截面面积A_C的直径大10％的导管长度L。在另一实施例中，导管17具有比导管横截面面积A_C的直径大25％的导管长度L，在又一实施例中，导管17具有比导管横截面面积A_C的直径大50％的导管长度L。由逸出到设计成亥姆霍兹谐振器的烟尘去除单元10中的高压废气产生的声波产生非常大的声音，并且声波的频率取决于导管横截面面积A_C，其中，较大的导管横截面面积A_C产生较高的声波频率。频率还取决于腔室容积V_C，其中，较大的腔室容积V_C使频率降低。

由逸出到烟尘去除单元10中的高压废气产生的声波产生非常大的声音，因此，燃烧发动机系统1包括隔音单元19，其至少部分地包围如图所示4的烟尘去除单元10和/或NO_x还原单元4。

在图6中，烟尘去除单元10可以具有用于控制阀11的开启的阀控制器37。阀控制器37可以包括用于以预定的时间间隔启动阀11的计时器(未示出)。烟尘去除单元10可以具有烟尘传感器38，其用于测量烟尘是否沉积在催化反应器壳体5中。烟尘传感器38可以是用于测量NO_x还原单元4中的背压的压力传感器，或者烟尘传感器可以是也用于测量催化反应器壳体5中烟尘层的厚度的声传感器。因此，烟尘传感器38可以与阀控制器37相连。燃烧发动机系统1还包括布置在NO_x还原单元4上游和另一个涡轮增压器3上游的第二涡轮增压器21。NO_x还原单元4流体连接在涡轮增压器之间，由此流体连接在第二涡轮增压器21的高压侧。

燃烧发动机系统1的内燃机2可以是二冲程或四冲程内燃机2。如图1所示，燃烧发动机系统1还可以包括废气接收器31、扫气接收器32和热交换器(未示出)，例如锅炉。涡轮增压器3包括由废气驱动的涡轮33，涡轮33驱动压缩机34。

在图5中，烟尘去除单元10具有两个接收器14，其中，一个接收器14经由导管17流体连接到入口管7中的开口12，另一接收器14流体连接到比催化元件9更靠近出口管8的催化反应器壳体5的底部。止回阀35布置在排气管18中，以允许废气从接收器14流出，但是防止其再流回去。

内燃机2可以是大型二冲程内燃机，并且由硫含量至少为0.05％的燃料提供动力。催化反应器壳体5具有至少200升的体积。二冲程内燃机2可以是大型二冲程直流涡轮增压压燃十字头内燃机2，其用作大型船舶的推进系统或在发电厂中用作固定式发动机。巨大的高度、宽度、重量和功率输出使得它们与普通内燃机完全不同，并且将大型二冲程单流涡轮增压压缩点火十字头内燃机2归入其自己的种类中。单个发动机2的总输出可超过100.000BHP。

NO_x还原单元4还包括还原剂供应单元(未示出)，其包括用于向在进入NO_x还原单元4之前的废气或在NO_x还原单元4中的废气定量供给一定量的还原剂的定量单元(未示出)，该还原剂包括氨。

本发明提供了一种减少燃烧发动机系统1中的NO_x还原单元4的腔室6中的烟尘的烟尘减少方法，该方法通过打开阀11以允许部分废气逸出到导管17中并进一步进入接收器14中，产生传送到腔室6中的声波，使腔室6中的部分烟尘松散燃烧发动机系统。然后阀11关闭。接收器14同时排空。

尽管上文已经结合本发明的优选实施例描述了本发明，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离由下面的权利要求限定的本发明的情况下，可设想多种修改。

Claims

1.一种燃烧发动机系统(1)，包括：

-产生包含烟尘的废气的内燃机(2)，

-由所述废气驱动的涡轮增压器(3)，和

-NO_x还原单元(4)，其布置在所述涡轮增压器上游，并且与所述内燃机(2)流体连通，以净化来自所述内燃机(2)的所述废气，所述烟尘沉积在所述NO_x还原单元(4)中，所述NO_x还原单元(4)包括：

-催化反应器壳体(5)，其具有腔室(6)、入口管(7)和出口管(8)，以及

-一个或多个催化元件(9)，布置在介于所述入口管(7)和所述出口管(8)之间的所述催化反应器壳体(5)的所述腔室(6)中，

其中，所述燃烧发动机系统(1)还包括烟尘去除单元(10)，其包括：

-与所述催化反应器壳体(5)的开口(12)流体连通的阀(11)，所述阀(11)具有打开位置从而允许所述催化反应器壳体(5)中的至少一部分废气逸出到所述烟尘去除单元(10)中，

-接收器(14)，具有接收器横截面面积(A_R)和接收器入口(15)以及排气端口(16)，和

-导管(17)，其使所述接收器入口(15)与所述阀(11)流体连接，并且具有比所述接收器横截面面积(A_R)更小的导管横截面面积(A_C)。

2.根据权利要求1所述的燃烧发动机系统(1)，其中，所述开口(12)布置在所述一个或多个催化元件(9)上游的所述腔室(6)中。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧发动机系统(1)，其中，所述排气端口(16)与排气管(18)流体连接，所述排气管(18)流体连接在所述涡轮增压器(3)下游。

4.根据权利要求1或2所述的燃烧发动机系统(1)，其中，所述导管横截面面积(A_C)小于所述接收器横截面面积(A_R)的50％。

5.根据权利要求4所述的燃烧发动机系统(1)，其中，所述导管(17)具有大于所述导管横截面面积(A_C)的直径的导管长度(L)。

6.根据权利要求4所述的燃烧发动机系统(1)，其中，所述导管(17)具有比所述导管横截面面积(A_C)的直径大10％的导管长度(L)。

7.根据权利要求1或2所述的燃烧发动机系统(1)，其中，所述腔室(6)具有腔室容积(V_C)，所述接收器(14)具有接收器容积(V_R)，所述接收器容积(V_R)小于所述腔室容积(V_C)的20％。

8.根据权利要求1或2所述的燃烧发动机系统(1)，其中，隔音单元(19)至少部分地包围所述烟尘去除单元(10)和/或所述NO_x还原单元(4)。

9.根据权利要求1或2所述的燃烧发动机系统(1)，还包括布置在所述NO_x还原单元(4)上游的第二涡轮增压器(21)。

10.根据权利要求4所述的燃烧发动机系统(1)，其中，所述导管横截面面积(A_C)小于所述接收器横截面面积(A_R)的30％。

11.根据权利要求6所述的燃烧发动机系统(1)，其中，所述导管(17)具有比所述导管横截面面积(A_C)的直径大25％的导管长度(L)。

12.根据权利要求11所述的燃烧发动机系统(1)，其中，所述导管(17)具有比所述导管横截面面积(A_C)的直径大50％的导管长度(L)。

13.根据权利要求7所述的燃烧发动机系统(1)，其中，所述接收器容积(V_R)小于所述腔室容积(V_C)的10％。

14.一种用于减少根据权利要求1-13中任一项所述的燃烧发动机系统(1)中的NO_x还原单元(4)的腔室(6)中的烟尘的烟尘减少方法，所述方法包括以下步骤：

-打开所述阀(11)，以允许部分废气逸出到所述导管(17)中并进一步进入所述接收器(14)中，从而产生传送到所述腔室(6)中的声波，使所述腔室(6)中的部分烟尘松散，

-关闭所述阀(11)，和

-排空所述接收器(14)。