CN117803468A - 被配置成减少氨泄漏的大型二冲程单向流扫气涡轮增压内燃发动机以及用于减少这种发动机的氨泄漏的方法 - Google Patents

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Abstract

一种被配置用于减少氨泄漏的大型二冲程单向流扫气涡轮增压内燃发动机以及通过以下方式用于减少这种发动机的氨泄漏的方法：a)以氨作为主要燃料运行辅助发动机，从而产生含有NOx和NH3的排放气体流，‑b)通过在排放气体中添加受控制的NOx流，调整所述排放气体流中氨和NOx之间的比率，以及‑c)随后，将排放气体流送入SCR。

Description

被配置成减少氨泄漏的大型二冲程单向流扫气涡轮增压内燃 发动机以及用于减少这种发动机的氨泄漏的方法
技术领域
本公开涉及一种大型二冲程内燃发动机，特别地涉及一种大型二冲程单向流扫气涡轮增压内燃发动机，该大型二冲程内燃发动机在至少一种运行模式下以氨(NH3)作为用于在发动机中燃烧的主要燃料。
背景技术
大型二冲程单向流扫气涡轮增压压燃内燃横置发动机通常用于大型船舶的推进系统或者用作发电厂中的原动机。庞大的尺寸、重量和功率输出使其与普通内燃发动机完全不同，并使大型二冲程涡轮增压压燃内燃发动机自成一类。
过去，内燃发动机主要使用碳氢化合物燃料，诸如燃料油例如柴油，或者燃气例如天然气或石油气。碳氢化合物燃料的燃烧会释放二氧化碳(CO2)以及其他温室气体，造成大气污染和气候变化。与化石燃料杂质造成的副产品排放不同，CO2是碳氢化合物燃烧造成的不可避免的结果。特定燃料的能量密度和CO2足迹取决于碳氢化合物链的长度及其碳氢化合物分子的复杂性。因此，与液态碳氢化合物燃料相比，气态碳氢化合物燃料具有较少的足迹，但缺点是气态碳氢化合物燃料的处理和储存更具挑战性且成本更高。为了减少CO2足迹，正在开发非碳氢化合物燃料。
氨(NH3)是一种合成产品，来自化石燃料、生物质或者可再生或可持续源(风能、太阳能、水能、核能或热能)，并且在由可再生/可持续源生成时，NH3几乎没有碳足迹，燃烧时也不会排放任何CO2、SOX、颗粒物或未燃烧的碳氢化合物。
NH3已在小型内燃发动机——例如在汽车中使用的内燃发动机——中进行了小规模测试和使用，但尚未用于驱动大型二冲程内燃发动机。
在大型二冲程内燃发动机中通过燃烧氨(NH3)而生成的燃烧气体可能含有NOx和NH3两者。NOx受到国际法规的限制，例如IMO Tier II和III，而用于NH3的实际可接受水平相当低，尽管目前没有正式的法规限制。特别地，在发动机的排放系统中没有NH3消减系统(后处理系统)的情况下，就很难达到排放气体中可容忍的NH3泄漏，也就是说，如果不采取应对措施，含有不可接受量的NH3的排放气体最终会进入大气。
用于从排放气体中去除NH3的已知系统使用氨泄漏催化剂(ASC或AMOX)。使用选择性催化还原(SCR)催化剂还原NOx。使用氨泄漏催化剂(ASC)来控制排放气体中的NH3泄漏。ASC催化剂位于SCR催化剂的下游，NOx和NH3已在该处发生反应，从而去除NOx。如果由于一些原因，在SCR催化剂之后还存在NH3，则会通过ASC进行氧化来去除NH3。ASC像与SCR那样处理整个气体量。因此，如果在大型二冲程内燃发动机上安装ASC，由于需要处理所有排放气体，ASC的尺寸将与SCR催化剂相似。由于SCR催化剂是体积很大的物质，因此增加另一体积很大的设备是存在问题的。另一缺点是，一氧化二氮(N2O)可以是ASC上NH3氧化的副产品。用于一氧化二氮的已知消减系统已经存在，但需要400摄氏度以上的温度才能有效，而高效船用发动机很难达到这样的排放气体温度。
另一已知技术是使用湿式洗涤器从排放气体中洗涤出NH3，这种方法会在船上引入非常大且笨重的部件，并且船上的废水也不容易处理。
DK202170273公开了一种根据权利要求1的前序部分所述的大型二冲程内燃发动机。
发明内容
目的是提供一种克服或至少减少上述问题的大型二冲程内燃发动机。另一目的是提供一种用于从大型二冲程内燃发动机减少氨泄漏的方法。
通过独立权利要求的特征实现了上述目的和其他目的。另外的实现方式在从属权利要求、说明书和附图中很明显。
根据第一方面，提供了一种大型二冲程单向流扫气涡轮增压内燃发动机，该发动机具有至少一种操作模式，在该操作模式中，主要燃料是氨，该发动机包括：
-至少一个气缸，该气缸具有覆盖该气缸的气缸盖以及位于气缸中的气缸衬套和往复活塞，
-燃烧室，该燃烧室形成在气缸的内部且位于往复活塞与气缸盖之间，
-进气系统，该进气系统用于向燃烧室供应扫气空气，
-排放系统，该排放系统用于排放在燃烧室中通过氨的燃烧而生成的排放气体流，
-涡轮增压系统，该涡轮增压系统包括在进气系统中用于对扫气空气进行压缩的至少一个压缩机和在排放系统中用于对压缩机进行驱动的至少一个排放气体驱动涡轮，
-在排放系统中的SCR催化剂，优选地位于排放气体驱动涡轮的上游，
-将含有NOx的气体流添加到SCR催化剂内或上游的排放气体流中的装置。
发明者意识到，如果能确保氨在SCR催化剂中被还原，就可以避免氨泄漏。然而，当存在于SCR催化剂中的NOx不足时，即氨和NOx之间的摩尔比高于1时，氨不会被还原。在离开燃烧室的排放气体中，氨和NOx之间的比率并不总是可以(准确地)控制或(准确地)预测。通过向排放气体中提供含有NOx的气体流，可以确保SCR催化剂中始终存在用于完全还原氨的NOx的所需量，以确保存在于排放气体中的全部或至少几乎全部氨在SCR催化剂中被还原。仅需要相对较少的气态NOx流就可以获得所需的结果。
在第一方面的可能实现形式中，通过在氧化催化剂上处理氨和空气的流以将氨转化为NO来产生含有NOx的气体流。尽管在此过程中需要施加一些热，但与之前提到的已知解决方案相比而言量较少，而且与已知的氨泄漏催化剂装置相比，氧化催化剂的尺寸较小。因此，根据第一方面所述的发动机体积较小，并且建造和维护成本较低。
在第一方面的可能实现形式中，发动机包括控制器，该控制器被配置为对添加到排放气体流中的含有NOx的气体流的大小进行控制。
在第一方面的可能实现形式中，发动机包括对排放气体流中氨和NOx之间的摩尔比进行测量和/或估算的装置。
在第一方面的可能实现形式中，控制器被配置为根据排放气体流中氨和NOx之间的经测量和/或经估算的摩尔比来调整含有NOx的气体流的大小。
在第一方面的可能实现形式中，控制器被配置为将NOx流的大小调整到一定程度，使得进入SCR催化剂的排放气体流中的氨和NOx之间的摩尔比等于或低于1，优选地略低于1。
在第一方面的可能实现形式中，含有NOx的气体流包括NO和NO2，以及其中，发动机包括用于对含有NOx的气体流中的NO和NO2之间的比率进行调整的装置。
在第一方面的可能实现形式中，发动机包括传感器系统，该传感器系统提供一个或更多个信号，允许控制器确定排放气体流中氨和NOx之间的摩尔比。
在第一方面的可能实现形式中，发动机包括用于生成含有NOx的气体流的NOx生成系统，该NOx生成系统优选地包括用于提供氨流的源，该氨流优选地在催化作用下被氧化成NO和H2O，以获得含有NOx的气体流。
在第一方面的可能实现形式中，发动机包括氧化催化剂，该氧化催化剂优选地是铂铑催化剂，该发动机优选地包括向氧化催化剂供应加压气态氨和供应加压空气，该加压空气的源优选地是来自进气系统的扫气空气。
在第一方面的可能实现形式中，NOx生成系统被配置为对含有NOx的气体中的NO和NO2之间的比率进行控制。
在第一方面的一种可能实现形式中，控制器被配置为确定含有NOx的气体中的NO和NO2之间的最佳比率，并被配置为相应地调整含有NOx的气体中的NO和NO2之间的比率。
在第一方面的可能实现形式中，发动机在NOx生成系统的下游包括催化N2O消减系统，优选地包括铁沸石催化剂，用于去除NOx生成单元内副反应可能产生的N2O。
在第一方面的可能实现形式中，发动机包括用于对含有NOx的气体进行储存的容器，优选地用于在高压下对含有NOx的气体进行储存的容器，该容器优选地通过控制阀连接至排放气体系统，从而允许受控制的含有NOx的气体流从容器进入排放气体流。
在第一方面的可能实现形式中，发动机包括：至少一个NOx传感器，该NOx传感器被配置用于提供代表排放系统中排放气体流的NOx浓度的信号；以及至少一个氨传感器，该氨传感器被配置用于提供代表排放系统中排放气体流的氨浓度的信号。
在第一方面的可能实现形式中，至少一个NOx传感器被配置为提供代表排放系统中在添加含有NOx的气体流的位置上游处的排放气体流的NOx浓度的信号，和/或
其中，至少一个NOx传感器被配置为提供代表排放系统中在添加含有NOx的气体流的位置下游处和SCR催化剂上游处的排放气体流的NOx浓度的信号，和/或
其中，至少一个NOx传感器被配置为提供代表排放系统中在SCR催化剂下游处的排放气体流的NOx浓度的信号，和/或
其中，至少一个氨传感器被配置为提供代表排放系统中在添加含有NOx的气体流的位置上游处的排放气体流的氨浓度的信号，和/或
其中，至少一个氨传感器被配置为提供代表排放系统中在添加含有NOx的气体流的位置下游处和SCR催化剂上游处的排放气体流的氨浓度的信号，和/或
其中，至少一个氨传感器被配置为提供代表排放系统中在SCR催化剂下游处的排放气体流的氨浓度的信号。
在第一方面的可能实现形式中，发动机包括氨燃料系统30，该氨燃料系统被配置用于向燃料阀50、50'供应加压氨，该燃料阀50、50’被配置用于向燃烧室喷射或吸入氨。
根据第二方面，提供了一种用于减少大型二冲程单向流扫气涡轮增压内燃发动机中氨泄漏的方法，该方法包括：
-a)以氨作为主要燃料运行发动机，从而产生含有NOx和NH3的排放气体流，
-b)通过在排放气体中添加受控制的NOx流，调整排放气体流中氨和NOx之间的比率，以及
-c)随后，将排放气体流送入SCR。
在第二方面的可能实现形式中，该方法包括：在向排放气体中添加受控制的NOx流之前，确定排放气体流中氨和NOx之间的摩尔比，并在摩尔比等于或大于1时，优选地仅在摩尔比等于或大于1时，向排放气体流中添加受控制的NOx流。
在第二方面的可能实现形式中，该方法包括：确定将所确定的摩尔比降至1以下——优选地降至略低于1——所需的NOx气体流的大小，并将含有NOx的气体流的大小调整至所确定的大小。
在第二方面的可能实现形式中，该方法包括：确定含有NOx的气体流中的NO与NO2之间的期望比率，并调整含有NOx的气体流中的NO与NO2之间的比率。
在第二方面的可能实现形式中，该方法包括：向氧化催化剂的进口供应加压气态氨流和加压空气流，以产生从氧化催化剂的出口离开的含有NOx的气体流，该加压空气流优选地源自进气系统，优选地源自压缩机的下游位置处的进气系统，以及优选地源自中间冷却器的上游位置处的进气系统。
这些方面和其他方面将在附图和下文描述的实施方式中变得明显。
附图说明
在本公开的以下详细部分中，将参照附图中所示的示例性实施方式较详细地解释各方面、各实施方式和各实现方式，其中：
图1是根据示例性实施方式的大型二冲程内燃发动机的正面立视图，
图2是图1的大型二冲程发动机的侧面立视图，以及
图3是具有氨燃料系统和氨泄漏消减系统的图1的大型二冲程发动机的实施方式的示意图，
图4是用于减少大型二冲程内燃发动机的氨泄漏的过程的实施方式的流程图，
图5是用于减少大型二冲程内燃发动机的氨泄漏的过程的另一实施方式的流程图，以及
图6是用于减少大型二冲程内燃发动机的氨泄漏的过程的又一实施方式的流程图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将参照示例性实施方式中具有十字头的大型二冲程低速单向流扫气涡轮增压内燃发动机来描述内燃发动机，但可以理解的是，内燃发动机可以是其他类型的。大型二冲程低速单向流扫气涡轮增压内燃发动机可以是(高压)类型，其中在活塞的上止点(TDC)或接近上止点(TDC)处喷射燃料，然后进行压缩点火；或者可以是(低压)类型，其中，在压缩前或压缩期间，将燃料与扫气空气混合(预混发动机)，然后用火花或类似物点燃空气和燃料的混合物。在预混发动机中，通常会使用点火液例如燃料油来进行“先导”点火，以确保可靠的点火。
图1、图2和图3示出了一种具有曲轴8和十字头9的大型低速涡轮增压二冲程发动机，该发动机被配置为根据柴油机原理运行，即该发动机是压燃式发动机。图3示出了具有进气和排放系统的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机的示意图。在本实施方式中，发动机具有六个直列气缸。大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机通常具有四个至十四个直列气缸，该气缸由气缸框架23承载，该气缸框架23由发动机框架11承载。发动机可以例如用作船舶中的主发动机或者用作发电站中用于运行发电机的固定发动机。例如，发动机的总输出可以是从1,000kW到110,000kW的范围。
发动机可以被配置为双燃料发动机。发动机可以是压燃式发动机，或者是预混式发动机。根据本实施方式的发动机为二冲程单向流式，该发动机在气缸衬套1的下部区域中具有扫气端口18并且在每个气缸衬套1的顶部处具有中央排放阀4。该发动机具有至少一种氨模式和至少一种常规燃料模式，在氨模式中，发动机是使用氨燃料或氨基燃料来运行的，在常规燃料模式中，发动机是使用常规燃料例如燃料油(船用柴油)或重燃料油来运行的。
扫气空气从扫气空气接收器2进入各个气缸1的扫气端口18。在气缸衬套1中于下死点(BDC)与上止点(TDC)之间往复运动的活塞10对扫气空气进行压缩。当活塞位于TDC处或接近TDC时(柴油机原理)，燃料(在氨模式下为氨)通过布置在气缸盖22中的燃料阀50以高压被喷射到燃烧室中。当发动机被配置为预混发动机时，在活塞朝向TDC的途中时(奥托原理)，燃料油从燃料进入阀50'以相对较低的压力进入(每个气缸通常将存在2个或更多个燃料进入阀50')。燃料进入阀50'可以布置在气缸衬套中位于扫气端口18上方的位置处，或者可以布置在气缸盖22中。随后进行燃烧并生成排放气体。如果发动机被配置为压燃式，则每个气缸盖22设置有两个或更多个燃料阀50。燃料阀50要么被配置成仅喷射一种特定类型的燃料，例如氨，并且在这种情况下，还将有两个或更多个燃料阀(图3中未示出)以用于向燃烧室喷射常规燃料。燃料阀50被布置在中央排放阀4周围的气缸盖22中。此外，在实施方式中，额外的、通常较小的燃料阀(未示出)设置在气缸盖中，以用于喷射点火液，从而确保氨燃料的可靠点火。点火液是例如二甲醚(DME)或燃料油，但也可以是其他形式的点火增强剂诸如氢。由于发动机可以是双燃料发动机，因此还可以设置有常规的燃料供应系统(未示出)，以用于向燃料阀50供应常规燃料。在实施方式中，燃料阀50'沿着气缸衬套布置(以间断线示出)，并在活塞10从BDC到TDC途中经过燃料阀50'之前将燃料吸入气缸中。因此，当发动机被配置为预混运行时，活塞10对扫气空气和燃料的混合物进行压缩。通过火花、激光、点火液喷射等方式触发处于或接近TDC时的定时点火。在具有燃料阀50'的实施方式中，燃料进入时的压力显著低于在气缸盖22中具有燃料阀50的实施方式中喷射燃料时的压力，在气缸盖22中具有燃料阀50的实施方式中，在活塞处于或接近上止点(TDC)时喷射燃料，并且喷射燃料的压力需要显著高于压缩压力。因此，在实施方式中，发动机根据柴油机原理(压缩-点火)运行，并且仅压缩扫气空气(如果使用排放气体再循环，则压缩扫气气体)，以及在其他实施方式中，发动机根据奥托循环(定时点火)运行，并且对燃料和扫气气体的混合物机械能压缩。根据奥托原理运行时，燃料供应系统30需要输送燃料的压力可以显著降低，因此可以避免压燃式发动机燃料阀50中经常使用的增压器。
当排放阀4打开时，排放气体通过与气缸相关联的排放管道流入排放气体接收器3，并通过选择性催化反应(SCR)催化剂40经第一排放管道19流向涡轮增压器5的涡轮6，排放气体从涡轮6经第二排放管道28流向大气。
涡轮增压器5的涡轮6通过轴来驱动压缩机7，该压缩机7通过空气进口12被供应有新鲜空气。压缩机7将经加压的扫气空气输送到通向扫气空气接收器2的扫气空气管道13。扫气空气管道13中的扫气空气经过用于对扫气空气进行冷却的中间冷却器14。
经冷却的扫气空气经过由电动马达17驱动的辅助鼓风机16，该辅助鼓风机在涡轮增压器5的压缩机7无法为扫气空气接收器2提供足够的压力时，即在发动机处于低负荷或部分负荷的情况下，对扫气空气流进行加压。在发动机负荷较高时，涡轮增压器压缩机7输送足够的经压缩的扫气空气，然后通过止回阀15使辅助鼓风机16旁通，并停用电动马达17。涡轮增压系统可以包括不止一个涡轮增压器5。
在氨模式下，发动机以氨作为主要燃料来运行，该氨由氨燃料系统30以基本稳定的压力和温度供应给燃料阀50或50'。氨可以以液相或气相来供应给氨阀50。氨液相可以是氨水(氨-水混合物)。
常规的燃料系统是众所周知的，并且在此不再详细示出和描述。氨燃料系统30以中等供应压力(例如30巴至80巴的压力)向燃料阀50或燃料进入阀50'供应液相氨。替代性地，以相对较低的供应压力(例如30巴至80巴的压力)向氨阀50供应气相氨燃料。如果发动机是压缩点火型，则燃料阀50包括增压器，该增压器可以将氨燃料的压力从中压显著提升至高压，从而允许氨燃料喷射时的压力远高于发动机的压缩压力。通常，点火压缩式发动机的喷射压力高于300巴。
在实施方式中，发动机设置有排放气体再循环系统，以用于将部分排放气体与扫气空气一起重新引入燃烧室，例如用于减少NOx的生成。
在氨燃料系统30中，氨以液相形式储存在压力约为17巴的加压储存罐中。氨可以以压力高于8.6巴且环境温度为20℃的液相被储存在氨储存罐中。然而，氨优选地储存在约17巴或更高的压力下，以便在环境温度升高时保持处于液相。
低压氨供应管路将氨储存罐(未示出)的出口连接到中压供给泵(未示出)的进口。低压供给泵将液相氨从氨储存罐输送到中压供给泵的进口。中压供给泵将液相氨通过中压氨供应管路(未示出)输送到燃料阀50、50'。
电子控制单元(控制器)60通过信号线或无线的方式连接到发动机的各个部件和传感器。
在NH3燃烧中，发动机的排放物可以包括NOx和NH3两者(与化石燃料燃烧相反，化石燃料燃烧不会产生含有NH3的排放气体)。在排放气体中这两种物质之间的比率并不能总是得到准确的控制或预测。然而，SCR催化剂40不仅具有NOx去除催化剂的功能，还具有NH3去除催化剂的功能。排放气体中的NH3和NOx之间的摩尔比——称为α——将决定可以去除多少NOx和NH3，因为这两种物质的反应是一对一的。如果α低于1，则NOx过量，并且所有NH3都能与NOx发生反应，使得从SCR催化剂40的出口离开的NH3基本上为零并产生一些NOx，这是IMO Tier III所允许的。如果α超过1，则NH3过量，并且所有NOx都将与存在的NH3发生反应，以及过量的NH3将以NH3泄漏的形式离开SCR催化剂。排放物中可容忍的NH3泄漏很低(举例来说，限制可能为10ppm)，并且因此期望将α保持在1以下。
SCR催化剂40用作从排放气体去除NOx成分——NO和NO2。SCR催化剂40在实施方式中以钒为基础。在本实施方式中，SCR催化剂40布置在涡轮6的高压侧上，但在其他实施方式中，SCR催化剂40可以放置在涡轮6的低压侧上，尽管这会增加SCR催化剂40的体积。在本实施方式中，SCR催化剂40的进口连接至排放气体接收器3的出口。
基于由控制器60测量或计算的、来自排放气体接收器3的或排放气体接收器3中的气体流中的NOx和NH3的浓度，计算出需要添加到流向SCR催化剂40的排放气体流中的NOx量(流的大小)，以达到所需的α。
这种额外的NOx流在实施方式中是由含有NH3的侧流产生的，例如来自氨燃料系统30的侧流。该NH3在高温(优选地高于500℃)下与供应的空气流一起被催化氧化，从而在氧化催化剂43中获得NO和H2O(水)。加压空气流的源优选地是从进气系统获取并由控制阀27控制的扫气空气，因为这是获得高温加压空气的有效方法，尤其是当扫气空气是从处于中间冷却器14的上游(以及压缩机7的下游)的进气系统获取时。这种侧流可以是单独的NH3供给，如图3中的实施方式，或者这种侧流可以从总排放物中获取。在这两种情况下，侧流的大小都例如由控制阀42控制，该控制阀42由控制器60根据上述计算来进行调整。用于NH3氧化的催化剂可以与硝酸生产(HNO3)中使用的催化剂类型相似，其中NH3在氧化催化剂43的铂铑催化剂丝网上进行催化氧化，并发生以下反应：
4NH3+5O2→4NO+6H2O
除了NOx和水之外，根据以下反应，氧化作用还会产生不需要的一氧化二氮(N2O)：
4NH3+4O2→2N2O+6H2O
如果产生了任何N2O，可以使用用于N2O的分解催化剂来处理这种相对较小的含有NOx的气体流。现在主要含有空气并附带NO和水的侧流然后与来自排放气体接收器3的排放气体流混合。以这样的方式，排放气体流中的NO的摩尔浓度高于NH3的摩尔浓度，优选地略高于NH3的摩尔浓度。该混合后的排放气体流被导向SCR催化剂40，在该处，NO和NH3将按照以下反应进行反应，其中按照标准的SCR工艺，1摩尔的NO与1摩尔的NH3进行反应：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
当气体流从SCR催化剂40离开时，基本上所有NH3都已去除，并且NOx也已减少，达到了IMO Tier III水平。
传感器系统44、45、46、47、48、49提供了一个或更多个信号，该信号允许控制器60来确定排放气体流中氨和NOx之间的摩尔比(α)。优选地，传感器包括至少一个氨传感器45、47、49和至少一个NOx传感器44、46、48，该氨传感器被配置成提供代表排放气体流中氨浓度的信号，该NOx传感器被配置成提供代表排放气体流中的NOx浓度的信号。图3中示出了三个氨传感器45、47、49和三个NOx传感器44、46和48。然而，可以理解的是，仅需要一对传感器就可以为控制器60提供足够的信息来确定α。在实施方式中，该对氨传感器和NOx传感器被配置为测量排放气体接收器3中的浓度。
在实施方式中，控制器60被配置为：通过将含有NOx的气体流添加到排放气体流时的位置下游处的确定的α与所需α进行比较，并相应地控制含有NOx的气体流的大小，例如通过调整控制阀42的位置，从而以闭环的方式控制含有NOx的气体流的大小。替代性地，控制器60被配置为对含有NOx的气体流的大小进行前馈控制。
发动机可选地被配置为通过添加NH3来控制α，该NH3例如呈尿素的形式，或者如图所示呈气态NH3的形式，该NH3是通过由氨控制阀41控制的管路添加到SCR催化剂40的进口上游处的第一排放管道19中。因此，如果α基本上低于1，则可以通过打开控制阀41向排放气体中添加氨来控制NOx的排放。至此，电子控制单元60被配置为根据已经由控制器60确定的α来调整添加的氨的量，即调整进入第一排放管路19的氨流的管道。因此，无论来自排放气体接收器3的排放气体是氨过量还是NOx过量，当α为1或高于1时，通过向排放流添加受控大小的含有NOx的气体流，或者当α远低于1时，通过向排放气体流中添加受控大小的氨或尿素(还原剂)流，都可以显著减少氨泄漏和NOx排放。
控制器60被配置为将NOx流的大小调整到以下大小：该大小使得进入SCR催化剂40的排放气体流具有的氨和NOx之间的摩尔比等于或低于1，优选地略低于1，即氨的摩尔浓度等于或低于NOx的摩尔浓度，优选地略低于1。
含有NOx的气体流包括NO和NO2两者。在不同的运行条件下，排放气体流中的NO和NO2之间的比率可能不同。在实施方式(未示出)中，发动机包括用于对含有NOx的气体流中的NO和NO2之间的比率进行调整的装置。在实施方式中，NOx生成系统被配置为对含有NOx的气体中的NO和NO2之间的比率进行控制，以及控制器60被配置为对含有NOx的气体中的NO和NO2之间的最佳比率进行确定，并被配置为对含有NOx的气体中的NO和NO2之间的比率进行相应地调整。例如，如果对氧化催化剂之后的含有NOx的气体流进行冷却，则可以控制NO2与NO之间的比率。这样做是为了控制NO2和NO之间的比率，并且这对SCR反应器40的效率很重要。如果含有NOx的气体流中存在NO2，但仍少于NO的量，则可以进行所谓的快速SCR反应：
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
然而，这需要加以控制，因为与NO相比，气体中存在过多的NO2将降低SCR催化剂40的效率，从而发生所谓的慢速SCR反应：
8NH3+6NO2→7N2+12H2O
在实施方式(未示出)中，发动机包括用于对含有NOx的气体进行储存的容器，优选地用于在高压下对含有NOx的气体进行储存的容器，例如含有NOx的高压气瓶。容器优选地通过控制阀连接至排放气体系统，从而允许受控制的含有NOx的气体流从容器进入排放气体流。
至少一个NOx传感器44被配置为提供代表排放系统中位于添加含有NOx的气体流的位置的上游处的排放气体流的NOx浓度的信号。NOx传感器46被配置为提供代表排放系统中位于添加含有NOx的气体流的位置的下游处以及SCR催化剂40的上游处的排放气体流的NOx浓度的信号。至少一个NOx传感器48被配置为提供代表排放系统中的位于SCR催化剂40的下游处的排放气体流的NOx浓度的信号。至少一个氨传感器45被配置为提供代表排放系统中的位于添加含有NOx的气体流的位置的上游处的排放气体流的氨浓度的信号。至少一个氨传感器47被配置为提供代表排放系统中的位于添加含有NOx的气体流的位置的下游处以及位于SCR催化剂40的上游处的排放气体的氨浓度的信号。至少一个氨传感器49被配置为提供代表排放系统中的位于SCR催化剂40的下游处的排放气体流的氨浓度的信号。
图4是流程图，示出了用于使来自具有涡轮增压器5的大型二冲程单向流扫气涡轮增压内燃发动机——诸如根据上述实施方式的内燃发动机——的排放气体中氨泄漏减少的方法的实施方式。该方法包括：以氨作为主要燃料运行发动机，从而产生含有NOx和NH3的排放气体流，确定来自气缸的排放气体中的α，通过向排放气体添加受控制的NOx流来调整排放气体流的α，随后将排放气体流送入例如SCR催化剂40中的SCR(选择性催化还原)。
确定来自气缸或进入SCR催化剂40的排放气体的α，并且如果α等于或大于1，则将NOx流添加到位于SCR催化剂40的上游处的排放气体流中。
该方法还包括：在向排放气体流中添加受控制的NOx流之前，确定氨和NOx之间的摩尔比，并在摩尔比等于或大于1时，优选地仅在摩尔比等于或大于1时，向排放气体流中添加受控制的NOx流。
在根据图5的方法的实施方式中，该方法包括：确定将所确定的摩尔比降至1以下的水平——优选地降至略低于1的水平——所需的NOx流的大小，并将含有NOx的气体流的大小调整至所确定的大小。
为达到期望的α而需要添加到排放气体流中的NO的量(含有NOx的气体流的大小)将决定氧化催化剂43上的氨流的大小。应氧化的NH3量至少与发动机排放气体中的NO相比过量的NH3的摩尔量相同，也就是说：
发动机排出的NH3摩尔数-发动机排出的NO摩尔数＝
需要额外的NO摩尔数＝
应氧化的NH3摩尔数(如果转化率为100％的话)
并且这是为了达到α为1。通常，SCR催化剂40被定尺寸为α在0.8至0.95之间，并且控制器被配置为调整工艺以获得相应的α值。在将NH3作为侧流添加到氧化催化剂43的情况下，气流中的NH3的浓度通常在9.5％-11.5％左右，其中NO的产出在90％-98％之间。流向氧化催化剂43的气流量将取决于浓度和需求，但可以在0.06kg/kWh至0.3kg/kWh的空气的范围内，对应于4g/kWh-20g/kWh的NH3。
在根据图6的方法的实施方式中，该方法包括：确定含有NOx的气体流中的NO与NO2之间的期望比率，并调整含有NOx的气体流中的NO与NO2之间的比率。
已结合本文的各种实施方式对各个方面和实现方式进行了描述。然而，本领域的技术人员在实践所要求的保护的主题时，通过对附图、公开和所附权利要求进行研究，可以理解并实现所公开的实施方式的其他变型。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”或“一个”也不排除多个。
权利要求中使用的附图标记不应被解释为对范围的限制。除非另有说明，附图意在与说明书一起阅读(例如，剖面线、零件布置、比例、程度等)，并应被视为本公开的整个书面描述的一部分。

Claims (21)

1.一种大型二冲程单向流扫气涡轮增压内燃发动机，所述发动机具有主要燃料为氨的至少一种运行模式，所述发动机包括：
-至少一个气缸，所述气缸具有覆盖所述气缸的气缸盖(22)以及位于所述气缸中的气缸衬套(1)和往复活塞(10)，
-燃烧室，所述燃烧室形成在所述气缸(1)的内部且位于所述往复活塞(10)与所述气缸盖(22)之间，
-进气系统，所述进气系统用于向所述燃烧室供应扫气空气，
-排放系统，所述排放系统用于排放在所述燃烧室中通过氨的燃烧生成的排放气体流，
-涡轮增压系统(5)，所述涡轮增压系统包括在所述进气系统中用于对扫气空气进行压缩的至少一个压缩机(7)和在所述排放系统中用于对所述压缩机(7)进行驱动的至少一个排放气体驱动涡轮(6)，
-在所述排放系统中的选择性催化还原催化剂(40)，所述选择性催化还原催化剂优选地位于所述排放气体驱动涡轮(6)的上游，其特征在于，
-将含有NOx的气体流添加到在所述选择性催化还原催化剂(40)内或在所述选择性催化还原催化剂(40)上游处的所述排放气体流的装置。
2.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括控制器(60)，所述控制器(60)被配置为对添加到所述排放气体流中的所述含有NOx的气体流的大小进行控制。
3.根据权利要求2所述的发动机，所述发动机包括对所述排放气体流中的氨和NOx之间的摩尔比进行测量和/或估算的装置。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述控制器(60)被配置为根据所述排放气体流中的氨和NOx之间的经测量和/或经估算的摩尔比来对所述含有NOx的气体流的大小进行调整。
5.根据权利要求4所述的发动机，其中，所述控制器(60)被配置为将所述NOx流的大小调整到以下大小：所述NOx流的经调整的大小使得进入所述选择性催化还原催化剂(40)的所述排放气体流具有的氨和NOx之间的摩尔比等于或低于1，优选地略低于1，即氨的摩尔浓度等于或低于NOx的摩尔浓度，优选地略低于NOx的摩尔浓度。
6.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述含有NOx的气体流包括NOx成分，即NO和NO2，以及其中，所述发动机包括用于对所述含有NOx的气体流中的NO和NO2之间的比率进行调整的装置。
7.根据权利要求2所述的发动机，所述发动机包括传感器系统(44、45、46、47、48、49)，所述传感器系统提供一个或更多个信号，所述信号允许所述控制器(60)来确定所述排放气体流中的氨和NOx之间的摩尔比。
8.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括用于生成所述含有NOx的气体流的NOx生成系统，所述NOx生成系统优选地包括用于提供NH3流的源，所述NH3流优选地在催化作用下被氧化成NO、NO2和H2O，以获得所述含有NOx的气体流。
9.根据权利要求8所述的发动机，所述发动机包括氧化催化剂(43)，所述氧化催化剂优选地是铂铑催化剂，所述发动机优选地包括向所述氧化催化剂(43)供应加压气态氨的供应件和向所述氧化催化剂(43)供应加压空气的供应件，所述加压空气的源优选地是来自所述进气系统的扫气空气。
10.根据权利要求8所述的发动机，其中，所述NOx生成系统被配置为对所述含有NOx的气体中的NO和NO2之间的比率进行控制。
11.根据权利要求8所述的发动机，其中，控制器(60)被配置为确定所述含有NOx的气体中的NO和NO2之间的最佳比率，并被配置为相应地调整所述含有NOx的气体中的NO和NO2之间的比率。
12.根据权利要求8所述的发动机，所述发动机在所述NOx生成系统的下游处包括催化NO2消减系统，优选地包括铁沸石催化剂，用于去除能够因NOx生成单元内的副反应而产生的N2O。
13.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括用于对所述含有NOx的气体进行储存的容器，优选地包括用于在高压下对所述含有NOx的气体进行储存的容器，优选地，所述容器通过控制阀连接至所述排放气体系统，从而允许受控制的所述含有NOx的气体流从所述容器进入所述排放气体流。
14.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括：至少一个NOx传感器(44、46、48)，所述NOx传感器被配置用于提供代表所述排放系统中的所述排放气体流的NOx浓度的信号；以及至少一个氨传感器(45、47、49)，所述氨传感器被配置用于提供代表所述排放系统中的所述排放气体流中的氨浓度的信号。
15.根据权利要求1所述的发动机，
其中，所述至少一个NOx传感器(44)被配置为提供代表所述排放系统中位于添加所述含有NOx的气体流的位置的上游处的所述排放气体流的NOx浓度的信号，和/或
其中，所述至少一个NOx传感器(46)被配置为提供代表所述排放系统中位于添加所述含有NOx的气体流的位置的下游处且位于所述选择性催化还原催化剂(40)的上游处的所述排放气体流的NOx浓度的信号，和/或
其中，所述至少一个NOx传感器(48)被配置为提供代表所述排放系统中位于所述选择性催化还原催化剂(40)的下游处的所述排放气体流的NOx浓度的信号，和/或
其中，所述至少一个氨传感器(45)被配置为提供代表所述排放系统中位于添加所述含有NOx的气体流的位置的上游处的所述排放气体流的氨浓度的信号，和/或
其中，所述至少一个氨传感器(47)被配置为提供代表所述排放系统中位于添加所述含有NOx的气体流的位置的下游处且位于所述选择性催化还原催化剂(40)的上游处的所述排放气体的氨浓度的信号，和/或
其中，所述至少一个氨传感器(49)被配置为提供代表所述排放系统中位于所述选择性催化还原催化剂(40)的下游处的所述排放气体流的氨浓度的信号。
16.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括氨燃料系统(30)，所述氨燃料系统被配置用于向燃料阀(50、50')供应加压氨，所述燃料阀被配置用于向所述燃烧室喷射氨或将氨吸入所述燃烧室。
17.一种用于减少大型二冲程单向流扫气涡轮增压内燃发动机中氨泄漏的方法，所述方法包括：
-a)以氨作为主要燃料运行所述发动机，从而产生含有NOx和NH3的排放气体流，
-b)通过向排放气体添加受控制的NOx流，调整所述排放气体流中的氨和NOx之间的比率，以及
-c)随后，将所述排放气体流送入选择性催化还原。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括：在向所述排放气体流添加所述受控制的NOx流之前，确定氨和NOx之间的摩尔比，并在所述摩尔比等于或大于1时，以及优选地仅在所述摩尔比等于或大于1时，向所述排放气体流添加所述受控制的NOx流。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法包括：确定将所确定的摩尔比降至1以下所需的NOx流的大小，优选地确定将所确定的摩尔比降至略低于1所需的NOx流的大小；以及将所述含有NOx的气体流的大小调整至所确定的大小。
20.根据权利要求19所述的方法，所述方法包括：确定所述含有NOx的气体流中的NO与NO2之间的期望比率，并调整所述含有NOx的气体流中的NO与NO2之间的比率。
21.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括：向氧化催化剂(43)的进口供应加压气态氨流和加压空气流，以产生从所述氧化催化剂(43)的出口离开的含有NOx的气体流，所述加压空气流优选地源自进气系统，优选地所述加压空气流源自位于所述涡轮增压器(5)的压缩机(7)下游的位置处的进气系统，优选地所述加压空气流源自所述进气系统中的位于中间冷却器(14)的上游的位置处的进气系统。
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