CN110573706B - 噪声衰减器和将还原剂引入到废气流中的方法 - Google Patents

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Abstract

用于内燃发动机(20)的排气系统的噪声衰减器(1)包括：壳体(2)；内壁(3)，该内壁在所述壳体(2)内限定柱形空间；内管(4)，该内管与所述内壁(3)同轴布置，使得在所述内壁(3)和所述内管(4)之间形成具有环形横截面的用于废气流的第一流动路径(6)；以及具有圆形横截面的流动屏障(5)，该流动屏障(5)与所述内管(4)同轴布置，使得在所述内管(4)和所述流动屏障(5)之间形成具有环形横截面的用于废气流的第二流动路径(7)。所述噪声衰减器(1)设置有用于将还原剂引入到废气流中的至少一个喷嘴(8、9)，所述至少一个喷嘴(8、9)在废气的流动方向上布置在所述内管(4)和/或所述流动屏障(5)的下游。

Description

噪声衰减器和将还原剂引入到废气流中的方法
技术领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的排气系统的噪声衰减器。本发明还涉及一种将还原剂引入到内燃发动机的废气流中以进行选择性催化还原的方法。本发明还涉及一种用于内燃发动机的排气系统。
背景技术
船舶和发电厂中内燃发动机的氮氧化物排放日益受到关注，并受到国际海事组织(IMO)和其他立法机构制定的不断严格的法规的约束。在一定程度上，可以通过与发动机的运行直接相关的方法来满足不同法规设定的要求，例如废气再循环、柴油发动机中的高燃料喷射压力、向进气管道中注水等。但是，许多与发动机相关的减少NOx排放的措施会对燃油效率产生负面影响，并且不足以满足最严格的排放限值。为了最终还原NOx，需要选择性催化还原(SCR)。使用SCR，可以实现高达90％甚至更高的NOx减少量。
在SCR系统中，催化剂材料和还原剂用于分解燃烧过程中形成的NOx。在典型的SCR系统中，催化剂布置在支撑陶瓷材料的表面上，该支撑陶瓷材料在反应器内部形成蜂窝结构。在催化剂的表面上，NOx与用作还原剂的氨反应，并形成氮和水。实际上，出于安全原因，经常使用尿素代替氨。这特别适用于泄漏氨是严重危害的海洋应用。将尿素以水溶液的形式注入到废气流中。由于废气的高温，水蒸发，尿素分子分解成氨和二氧化碳。
为了实现有效的NOx还原和最小化尿素的使用，以及最小化通过SCR系统的氨漏失，尿素与废气流的有效混合至关重要。可以通过许多不同方式实现充分混合。例如，在一种现有技术的解决方案中，通过在尿素喷射点和催化剂元件之间布置相对较长的排气管道部分来改善还原剂和废气的混合。另一种已知的解决方案是将一部分废气流引导到布置在催化转化器上游的旁路管道中，并且在旁路管道中将还原剂与废气混合。在上述两种类型的结构中，在催化转化器之前需要有足够的空间来容纳还原剂与废气混合的管道。特别是在可用空间有限的船舶中，这可能是个问题。另一个问题是现代中速和低速发动机的热效率提高导致排气温度低。如果将催化转化器放置在远离发动机的位置，废气的低温可能会对催化转化器的功能产生负面影响。用于促进还原剂混合的构造也可能具有其他负面影响。例如，它们会导致排气系统中的压力损失。
确保排气和还原剂良好混合的另一种解决方案是在涡轮增压器的涡轮上游注入还原剂，并将催化转化器置于涡轮增压器的下游。同样，该解决方案具有一些缺点。废气的高压和高温会导致喷射器堵塞和尿素结晶的风险。此外，如果涡轮机受到液滴撞击，则涡轮机会受到侵蚀。
发明内容
本发明的目的是解决或减少上述问题。因此，本发明的目的是提供一种用于内燃发动机的排气系统的噪声衰减器，该噪声衰减器包括用于将还原剂引入到废气流中的装置。本发明的另一个目的是提供一种将还原剂引入到内燃发动机的废气流中以进行选择性催化还原的方法。
根据本发明的噪声衰减器包括：包括：壳体；内壁，该内壁在所述壳体内限定柱形空间，该柱形空间的轴向方向对应于废气在所述噪声衰减器中的主要流动方向；内管，该内管与所述内壁同轴布置，使得在所述内壁和所述内管之间形成具有环形横截面的用于废气流的第一流动路径；以及具有圆形横截面的流动屏障，该流动屏障与所述内管同轴布置，使得在所述内管和所述流动屏障之间形成具有环形横截面的用于废气流的第二流动路径。所述噪声衰减器设置有用于将还原剂引入到废气流中的至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴在废气的流动方向上布置在所述内管和/或所述流动屏障的下游。
根据本发明的方法包括步骤：将废气流引入到噪声衰减器中，该噪声衰减器被构造成将废气流分成至少两个同轴环形的分流并进一步将该分流合并回到单个废气流中。所述还原剂在对所述分流进行合并的区域中注入到所述废气流中。
利用根据本发明的噪声衰减器和方法，还原剂被有效地蒸发并与废气混合。
根据本发明的实施方式，所述噪声衰减器包括用于将还原剂引入到废气流中的至少一个中央喷嘴，所述中央喷嘴布置在所述流动屏障的沿废气的流动方向的假想延伸范围的区域中。还原剂因此可以被注入到由离开第二流动路径的废气流包围的区域中。废气在该区域中的流速非常低。周围的流动有效地防止了还原剂喷射的不期望的分散。
根据本发明的实施方式，所述噪声衰减器包括用于将还原剂引入到废气流中的多个外部喷嘴，所述外部喷嘴布置在所述内管的沿废气的流动方向的假想延伸范围的区域中。该区域位于离开第一流动路径和第二流动路径的废气流之间。废气在该区域中的流速非常低。外部废气流有效地防止了还原剂与噪声衰减器的壁接触。
根据本发明的实施方式，所述外部喷嘴被构造成从所述噪声衰减器的纵向轴线向外喷射还原剂。优选地，所述纵向轴线与喷射方向之间的角度至少为45度。通过将还原剂朝向噪声衰减器的壁喷射，可以实现还原剂与废气的更好混合。
所述流动屏障可以是细长的元件，诸如杆或封闭的管。
根据本发明的排气系统包括用于选择性催化还原的催化转化器和布置在所述催化转化器的上游侧的上述噪声衰减器。
根据本发明的实施方式，在将还原剂引入到废气流中的方法中，还原剂在以下位置注入到废气流中，所述位置在所述噪声衰减器的径向方向上位于所述废气流的中间。因此，还原剂在废气的流速低并且内部分流形成围绕注入点的屏蔽流动的位置处注入。
根据本发明的实施方式，还原剂在以下多个位置注入到废气流中，所述多个位置在所述噪声衰减器的径向方向上位于所述分流之间。因此，还原剂在废气的流速低并且分流引导还原剂流动的位置注入。
附图说明
下面将参考附图更详细地描述本发明的实施方式，其中
图1示意性地示出了内燃发动机的排气系统，
图2示出了根据本发明的实施方式的噪声衰减器的剖视图，并且
图3示出了图2的噪声衰减器沿线A-A截取的剖视图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了具有选择性催化还原(SCR)系统的大型活塞发动机20。发动机20可以是例如船舶的主发动机或辅助发动机，或用于在发电厂发电的发动机。图1中示出了四个气缸21，但是发动机20可包括任意合理数量的气缸21，这些气缸21例如成一直线或以V形构造布置。发动机20设置有排气系统，该排气系统包括串联连接的高压涡轮增压器24和低压涡轮增压器25。高压涡轮增压器24的涡轮24a布置成接收来自发动机20的废气。废气从高压涡轮增压器24被引导到低压涡轮增压器25的涡轮25a。排气系统进一步包括排气管道26，用于将废气从发动机20的汽缸21中引导出来。排气管道26包括：排气歧管27，该排气歧管27将发动机20的汽缸21连接至高压涡轮增压器24的涡轮24a；中间排气管道28，该中间排气管道28用于将高压涡轮增压器24的涡轮24a连接至低压涡轮增压器25的涡轮25a；以及低压排气管道29，该低压排气管道29用于将来自低压涡轮增压器25的涡轮25a的废气从发动机室引导出来。
发动机20的进气首先被低压涡轮增压器25的压缩机25b加压。进气从低压涡轮增压器25被引导至高压涡轮增压器24的压缩机24b，以进一步增加进气的压力。第一增压空气冷却器30布置在低压涡轮增压器25的压缩机25b与高压涡轮增压器24的压缩机24b之间。第二增压空气冷却器31布置在高压涡轮增压器24的压缩机24b的下游。进气在进气管道32中被引入到发动机20的气缸21中。进气管道32包括：低压进气管道33，该低压进气管道33用于将进气引入到低压涡轮增压器25的压缩机25b中；中间进气管道34，该中间进气管道34用于将来自低压涡轮增压器25的压缩机25b的进气引导到高压涡轮增压器24的压缩机24b；以及进气歧管35，该进气歧管35将高压涡轮增压器24的压缩机24b连接至发动机20的气缸21。
发动机20设置有用于选择性催化还原(SCR)的催化转化器36。在图1的示例中，催化转化器36布置在高压涡轮增压器24的涡轮24a与低压涡轮增压器25的涡轮25a之间。在涡轮增压器24、25的涡轮24a、25a之间，排气温度对于SCR来说通常足够高。然而，取决于发动机20，催化转化器36也可以在排气系统中位于不同的位置，例如位于低压涡轮增压器25的下游侧。
选择性催化还原需要还原剂在废气经过催化转化器36中的催化剂材料之前与废气混合。通常，还原剂是水溶液形式的尿素。尿素存储在还原剂罐37中。还原剂通过泵38引入到废气流中。泵38将还原剂输送到一个或多个喷嘴8、9，这些喷嘴8、9将还原剂注入到废气流中，使得还原剂在废气被引入到催化转化器36之前与废气混合。
排气系统还包括噪声衰减器1。排气被布置成流过噪声衰减器1。噪声衰减器1布置在催化转化器36的上游。在图1的示例中，噪声衰减器1布置在涡轮增压器24、25的涡轮24a、25a之间。但是，取决于催化器转换器36的位置，噪声衰减器1也可以在排气系统中位于不同的位置。
图2示出了根据本发明的实施方式的噪声衰减器1的剖视图。图3示出了沿图2的线A-A截取的剖视图。从高压涡轮增压器25排出的废气流是非均匀的。噪声衰减器1将非均匀流转换成更均匀的流。噪声衰减器1将废气流分成至少两个同轴的环形分流，并且进一步将这些分流合并回到具有相对均匀的流动轮廓的单个废气流中。噪声衰减器1包括壳体2。壳体2可以由钢或某种其他合适的材料制成。噪声衰减器1还包括内壁3，该内壁3在壳体2内限定柱形空间。内壁3可以由壳体2形成。然而，在附图的实施方式中，内壁3由布置在壳体2内的单独的管形成。
柱形空间的轴向方向对应于废气在噪声衰减器1中的主要流动方向。在实践中，排气在噪声衰减器1中的流动轮廓不是完全均匀的，并且流动方向并不完全平行于噪声衰减器1的轴向方向。噪声衰减器1包括与内壁3同轴布置的内管4，使得在内壁3和内管4之间形成外部的第一流动路径6。内管4的直径小于内壁3的直径。第一流动路径6在废气的流动方向上具有环形或圈形的横截面。内管4借助于支撑杆12支撑在内壁3上。然而，内管4也可以借助于其他种类的支撑装置来支撑。噪声衰减器1还包括流动屏障5。流动屏障5具有圆形横截面，并且与内管4同轴布置。其直径小于内管4的内径。在内管4与流动屏障5之间形成内部的第二流动路径7。第二流动路径7在废气的流动方向上也具有环形或圈形的横截面。流动屏障5借助于支撑杆13支撑在内管4上。流动屏障5也可以由其他类型的支撑装置支撑。代替内管4或除了内管4之外，它还可以支撑在噪声衰减器1的内壁3上或支撑在壳体2上。
内管4和流动屏障5中的每一者都被构造成在其下游侧形成减小的废气流速的区域。因此，内管4具有一定的壁厚，以将内部分流与外部分流清楚地分开。内管4可以是双壁管。类似地，流动屏障5具有一定的直径，以使内部分流呈环形。
根据本发明的噪声衰减器1包括至少一个喷嘴8、9，用于将还原剂引入到废气流中。喷嘴8、9布置在内管4和/或流动屏障5的下游侧。进入噪声衰减器1的废气流是非均匀的。随着废气流过噪声衰减器1的第一流动路径6和第二流动路径7，实现了更均匀的流动轮廓。通过在噪声衰减器1的下游端将还原剂注入到均匀流中，实现了还原剂的有效混合和蒸发。
在附图的实施方式中，噪声衰减器1包括布置在流动屏障5的假想延伸范围的区域中的中央喷嘴8。因此，当从废气的流动方向看时，中央喷嘴8位于由流动屏障5覆盖的区域中。噪声衰减器1还包括多个外部喷嘴9，这些外部喷嘴9布置在内管4的假想延伸范围的区域中。因此，当从废气的流动方向看时，外部喷嘴9布置在由内管4覆盖的区域中。在废气流过第一流动路径6和第二流动路径7时，流速几乎是均匀的。在内管4和流动屏障5的紧下游，在由流动屏障5覆盖的区域10中形成内部尾流区，并且在由内管4覆盖的区域11中形成外部尾流区。在这些尾流区，废气的流速要低得多。还原剂被喷射到这些尾流区中。由第二流动路径7产生的环形流形成围绕内部尾流区域的屏蔽流。环形流防止了经由中央喷嘴8喷射的还原剂流的分散。同样在外部尾流区中，部分废气流引导还原剂喷雾。
外部喷嘴9被构造成从噪声衰减器1的纵向中心轴线径向向外喷射还原剂。优选地，纵向中心轴线与喷射方向之间的角度至少为45度。由第一流动路径6产生的流在外部喷嘴9周围形成屏蔽流。由于避免了壁与还原剂之间的接触，这允许朝向噪声衰减器1的壁喷射还原剂。
噪声衰减器1的尺寸取决于例如可用空间、针对衰减和流动稳定效果设置的要求以及可接受的压力损失。通过噪声衰减器1的合适的径向尺寸，可以实现有效的噪声降低。待衰减的噪声的最大频率可以用作确定内壁3与内管4之间以及内管4与流动屏障5之间的距离的起点。当这些距离中的每一个距离大约是待衰减的最大频率处的声音的波长的一半时，可以实现有效的衰减。然而，在选择尺寸时，还必须确保实现废气和还原剂的有效混合，并且避免还原剂与噪声衰减器1的内壁3接触。根据本发明的实施方式，噪声衰减器1的长度大约是待衰减的最大频率处的声音的波长的五倍。
本领域技术人员将认识到，本发明不限于上述实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (9)

1.一种用于内燃发动机(20)的排气系统的噪声衰减器(1)，该噪声衰减器(1)包括：
壳体(2)，
内壁(3)，该内壁在所述壳体(2)内限定柱形空间，该柱形空间的轴向方向对应于废气在所述噪声衰减器(1)中的流动方向，
内管(4)，该内管与所述内壁(3)同轴布置，使得在所述内壁(3)和所述内管(4)之间形成具有环形横截面的用于废气流的第一流动路径(6)，
具有圆形横截面的流动屏障(5)，该流动屏障(5)与所述内管(4)同轴布置，使得在所述内管(4)和所述流动屏障(5)之间形成具有环形横截面的用于废气流的第二流动路径(7)，以及
用于将还原剂引入到废气流中的至少一个喷嘴(8、9)，所述至少一个喷嘴(8、9)在废气的流动方向上布置在所述内管(4)和/或所述流动屏障(5)的下游，
其中，所述噪声衰减器(1)被构造成借助于所述内管(4)和所述流动屏障(5)将废气流分成至少两个同轴环形的分流，
其特征在于，所述至少一个喷嘴(8、9)是至少一个中央喷嘴(8)和/或多个外部喷嘴(9)，所述至少一个中央喷嘴(8)布置在所述流动屏障(5)的沿废气的流动方向的假想延伸范围的区域中，所述多个外部喷嘴(9)布置在所述内管(4)的沿废气的流动方向的假想延伸范围的区域中。
2.根据权利要求1所述的噪声衰减器(1)，其中，所述外部喷嘴(9)被构造成从所述噪声衰减器(1)的纵向轴线向外喷射还原剂。
3.根据权利要求2所述的噪声衰减器(1)，其中，所述噪声衰减器(1)的所述纵向轴线与喷射方向之间的角度为至少45度。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的噪声衰减器(1)，其中，所述流动屏障(5)是细长的元件。
5.根据权利要求4所述的噪声衰减器(1)，其中，所述细长的元件是杆或封闭的管。
6.一种用于内燃发动机(20)的排气系统，该排气系统包括用于选择性催化还原的催化转化器(36)和布置在所述催化转化器(36)的上游侧的根据前述权利要求中的任一项所述的噪声衰减器(1)。
7.一种将还原剂引入到内燃发动机(20)的废气流中以进行选择性催化还原的方法，该方法包括步骤：将废气流引入到噪声衰减器(1)中，该噪声衰减器(1)包括：
壳体(2)，
内壁(3)，该内壁在所述壳体(2)内限定柱形空间，该柱形空间的轴向方向对应于废气在所述噪声衰减器(1)中的流动方向，
内管(4)，该内管与所述内壁(3)同轴布置，使得在所述内壁(3)和所述内管(4)之间形成具有环形横截面的用于废气流的第一流动路径(6)，以及
具有圆形横截面的流动屏障(5)，该流动屏障(5)与所述内管(4)同轴布置，使得在所述内管(4)和所述流动屏障(5)之间形成具有环形横截面的用于废气流的第二流动路径(7)，
其中，所述噪声衰减器(1)被构造成借助于所述内管(4)和所述流动屏障(5)将废气流分成至少两个同轴环形的分流并进一步将该分流合并回到单个废气流中，其中，所述还原剂在所述内管(4)和/或所述流动屏障(5)的下游在对所述分流进行合并的区域中注入到所述废气流中，
其特征在于，所述还原剂借助于至少一个中央喷嘴(8)和/或借助于多个外部喷嘴(9)进行喷射，所述至少一个中央喷嘴(8)布置在所述流动屏障(5)的沿废气的流动方向的假想延伸范围的区域中，所述多个外部喷嘴(9)布置在所述内管(4)的沿废气的流动方向的假想延伸范围的区域中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，还原剂在以下位置注入到废气流中，所述位置在所述噪声衰减器(1)的径向方向上位于所述废气流的中间。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，还原剂在以下多个位置注入到废气流中，所述多个位置在所述噪声衰减器(1)的径向方向上位于所述分流之间。
CN201780090037.XA 2017-04-28 2017-04-28 噪声衰减器和将还原剂引入到废气流中的方法 Active CN110573706B (zh)

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