CN1444502A - 内燃机排气净化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于净化内燃机，特别是柴油机的排气的方法，该方法包括将水雾喷入排气。为了使该方法可简便、低成本而有效地进行，该方法的特征在于利用喷嘴喷射水雾，从而在紧邻喷嘴处引起负压，以便将排气吸入喷射的水雾中。本发明还涉及一种实施该方法的设备。该设备的特征在于设有至少一个喷头(4)，该喷头用于产生抽吸作用而在紧邻喷头处形成负压。

Description

内燃机排气净化系统
发明背景
本发明涉及内燃机、最好是柴油机排气的净化方法，该方法包括利用至少一个喷嘴将水雾喷入排气。
本发明还涉及净化内燃机、最好是柴油机排气的设备，该设备包括一个用于固定至少一个喷嘴的支承结构，所述喷嘴被设置成向排气中喷射水雾。
环境保护的一个目的是减少内燃机的排气污染。本发明的方法提供一种减少内燃机排气污染的方案。
柴油机排气污染物含有各种有害的燃烧产物，包括气态的一氧化碳，一氧化碳迅速氧化，形成二氧化碳促进温室效应，还包括挥发性的有机化合物，固态化合物及颗粒。重油燃烧时产生硫的氧化物SOx，一般是SO2和SO3，它们促进土壤的酸化及雾的产生。在燃烧过程中，空气中的一些氮气被氧化成氮的氧化物NOx，特别是NO和NO2，例如，它们大大地促成雾的形成、温室效应、土壤的酸化，以及森林生长的减速。另外，含氮的燃料也可引起氮的氧化物的形成。
从柴油机的硫排放量可通过使用低硫燃料而被减少：燃料含硫越少，硫排放量越低。低硫燃料可通过精炼生产，但是成本高。硫的氧化物量不能通过改变燃烧过程来改变。
船舶柴油机是主要的空气污染源。按照美国几年前的一项研究，世界氮污染物的14％及石油废气的硫污染物的16％来自货物运输。来自柴油机的氮污染物大多是当发动机低功率运转时产生的。在船舶中这一般是在船舶在港口中时发生的，这自然是令人遗憾的事。
柴油机氮污染物量可以通过降低燃烧温度而被减少。降温可以通过在燃料中加水及向燃烧室中喷射含水浮状液进行。通过降低燃烧温度，氮的氧化物的排放量可以降低大约10％。燃烧温度的降低减少了发动机的效率。
使用催化转换器可有效地从排气中除去氮污染物，在催化转换器中，尿素和水的混合物喷入燃料气体中以便将氮的氧化物还原成氮气和水蒸汽。但是，在船舶应用中，催化转换器成本很高；它们占发动机成本的约30％，在大型船舶中甚至更高。另外，催化转换器需要保养，在船舶上需要为其提供空间。
美国专利第5,464,458号公开了一种系统，其中柴油机排气使用雾状水净化。该系统采用喷嘴，将水喷入含有排气流的室中，以便从排气中分离所含的产物。该系统可从排气中除去特别是碳，但是，也除去一氧化碳、烃和氮的氧化物。
本发明简述
本发明的目的是提供一种净化内燃机。特别是两冲程和四冲程大型柴油机，特别是船用柴油机的排气的新颖、经济的技术方案，实行这种技术方案，并不使排气从发动机的排放复杂化。
为了实现该目的，本发明的方法的特征在于，利用至少一个喷嘴，使喷嘴附近产生负压，以便将排气吸入喷雾中。
水雾最好在10至300巴的压力下产生，在发动机的排气歧管中喷射。
本发明方法的推荐实施例在权利要求2至6中描述，
为了实现上述目的，本发明的设备的特征在于，喷头的操作形成抽吸，在喷头附近引起负压。该负压将排气抽向喷头，将排气引入来自喷头水雾。这样在排气和水之间可发生有效的反应。
喷头最好布置在一个反应室中，该反应室包括一个进口，用于将排气流引入反应室内喷头的抽吸范围。
本发明的设备的推荐实施例在权利要求8至26中描述。
本发明净化内燃机排气的主要优点在于，它相当简单，操作成本低；本发明可应用于现有的内燃机如船用柴油机，因而只需要作微小的变化；这种设备使排气流可按照需要引导；这种设备可使排气从发动机有效地除去，甚至是使排出得到改善。另外，这种设备包括保养成本在内的操作成本很低。
附图说明
下面对照以下附图详述本发明。
图1表示本发明的第一实施例；
图2表示本发明的第二实施例；
图3表示本发明的第三实施例。
具体实施方式
图1表示本发明的一个推荐实施例。图中表示一个装置安装在船舶柴油机的排气管(未画出)中，用于净化排气。如果柴油机包括多根排气管，一般可设置多个净化装置。
图1所示装置安装在排气管的一个位置上，该位置从排气温度及装置的安装的观点来看是有利的。装置的总高度相对较小，因而易于找到安装空间。当排气是从进口的主排气流向侧向分出时，小高度是可能的。
该装置包括一个进口凸缘1，用于从发动机接受未净化的排气；以及一个排放凸缘2，通过它排放排气。在图中局部剖视的进口凸缘1包括多个孔，利用插入这些孔的螺栓(未画出)将装置固定在发动机的排气管上。排放凸缘2包括相应的穿孔，一个排气管部分装在穿孔上，净化的排气通过该排气管部分从船舶排放。
在凸缘1和2之间设有一个连接部，该连接部使排气可从进口凸缘1引向排放凸缘2。
该设备包括一个总体标号为3的支承结构，该支承结构具有连接于其上的多个喷头4。喷头4的数目根据应用场合变化；在图示的技术方案中有10个，但是，也可能只设置一个就够了(在这种情形中，铺开的导管可以设置得产生一个较大的抽吸区域)，而有些场合则包括数十个喷头。喷头4的类型可在高压下使用，在其附近可引起强大的抽吸作用。压力在10至300巴范围内，一般在20至100巴范围内。每个喷头最好包括至少两个彼此岔开布置的喷嘴，喷头的结构例如可以象WO 92/20453中公开的那种结构。由于阻塞的危险，喷头4最好有简单的结构。喷头彼此间隔一个距离，布置成一个圆形，它们的指向可产生基本平行的喷射。标号5代表向喷头4供水的管路系统。将水送入管路系统5的布置未画出，这是由于本专业技术人员易于完成这种布置。为了避免使用来自新鲜水箱的宝贵的水的需要，在这个方法中最好使用在船舶中称为灰水(grey water)的水。这种布置包括一个压力源(未画出)，该压力源能够通过管路系统5向喷头提供至少10巴的压力。该压力源最好是高压源，能够提供至少20巴，直至100至300巴的压力。
喷头4固定在棒6的端部，棒6则固定在支承结构上，喷头从凸缘悬挂，使其产生向下的喷射。喷头4能够容易地从凸缘7拆下以便清洗。这是通过打开紧固装置(图1中未画出，但是，在图2中可以看到，在图2中棒6’是用螺钉60’)固定的)进行的。
该设备包括一个圆筒形壳体8，该壳体具有布置在其内的同心的第一筒壁9。在筒壁9内布置一个同心的第二筒壁10。
在壳体8和第一筒壁9之间设有未净化排气的流动空间11。
在第一和第二筒壁间设有一个容纳导板12的空间，导板12将空间分成多个由管130构成的反应室13，每个反应室设有一个喷头4。导板12固定在第二筒壁10上。在导板12的自由侧缘和第一筒壁9之间留有一通道18。导板12的顶缘离开凸缘7一个距离，其底缘延伸至设在壁10内的排放开口17的顶缘。排放开口17的动能是将净化的排气引入由壁10围住的空间，从那里再引向排放凸缘2。净化的排气在壁10内流动的方向与未净化的排气进入进口凸缘1的方向相同。所述方向可以称为主排气流道方向。沿排气流动方向看去，排放开口17位于喷头4后面沿排气流动方向看去，喷头4位于导板12顶缘下面，或与其在同一高度。导板12与喷头4成一个角度，因此使喷头喷向导板。
未净化排气通过进口14进入反应室13。进口是由第二壁10的顶缘和凸缘7之间的孔道或间隙构成的。
反应室13的第一壁9的底端是圆锥形的，因而在反应室中形成的反应产物通过底部的排放管道15引出反应室。排放管道15通过凸缘8内的孔16将反应产物引出设备。
反应室13的第二壁10也将反应室13中形成的反应产物引入排放管道15。反应产物从排放管道15引至其不会引起任何害处的地方。
下面描述图1设备的工作。
未净化排气通过进口凸缘1流入设备。如果喷头4尚未启动，排气通过进口14流入排放开口17，从那里未净化的气体流过排放凸缘2。从图中可以看出，当从进口凸缘向排放凸缘2流动时，排气被偏离主排气流道。如果喷头4已被启动，喷头的抽吸作用通过进口14抽吸未净化的排气。所述排气被导入喷头4的雾状喷水中，因此，喷头4的抽吸及设备的几何开状使排气偏离主排气流道。喷水中的水滴尺寸很小，因而在排气和水间可有效地反应。水量的90％(Dv90)是在一般是小于200μm，较好是小于100μm，最好是小于50μm的水滴中。在排气中的氮的氧化物NO和NO2经过几个反应阶段形成硝酸(nitrogen acid)。下述反应式近似表示开始的产物和各终端产物。
                (1)
                      (2)
                (3)
反应(1)是在室温下进行的，但是，在100-150℃的温度下能更为有效地进行。由于排气是热的，因而该反应可有效地进行。
反应(2)在室温下可很好地进行。由于在排气中不希望有二氧化氮，因而它在反应(3)中变为硝酸。按照反应式(3)，硝酸是唯一的不可挥发的最终产物。反应式(3)在50℃下即可有效地产生硝酸。
由于硝酸的生成，因而设备的零件必须用耐硝酸的材料制成。例如，适用于壁9和10、导板12和排放管道15的材料为奥氏体不锈钢。
当正在应用本发明时，反应室13的温度选择得能生成硝酸，但要避免同时生成引出设备的氮的氧化物。50-150℃范围的温度可能是适当的。这是排气管中固有的温度，或者该温度易于在那里形成(喷水用作冷却剂)。由于反应室内有多种化合物，反应很复杂，在理论上是不能计算的。因此，尽可能低的有害物排放最适宜的温度必须通过实验来发现。
水雾不仅减少氮的氧化物的数量，而且也净化了其它不希望有的化合物排放气体。
图1(及图2)的设备设有用于测量氮的氧化物含量的传感器(未画出)。该传感器用于控制向喷头4的供水，这是通过调节水压进行的。当排放物低时，或当船舶处于排放物不会造成很严重后果的区域时，水的流量被减小。
图2表示本发明的第二实施例。在该图中，与图1相同的标号用于相应的零件。
图2的实施例与图1实施例的区别在于，一部分排气通过设置在壁910’中的旁路开口100’未经净化流向排放凸缘2’，与图的配置相比较，该配置提供的设备具有对排气流的不同阻力，这对某些种类的柴油机(二冲程柴油机)是有利的。旁路开口100’的数目和尺寸可以与上面的描述不同。
该设备包括七个反应室13’，这些反应室由管130’构成，设有进口14’，借助喷头4’的效果(抽吸效果)使排气吸入反应室。管130’是弯曲的，即，它们包括一个弯曲部分，因而来自喷头2’的喷水冲击管壁。管130’连接至壁910’围住的空间，其底部呈圆锥形，以便将反应产物引入排放管道15’。管130’和反应室13’的数目与图1的实施例一样当然也是可以改变的。
从图2可以看出，喷头4’可以容易地从固定喷头的凸缘7’拆除(拧开螺钉60’，将棒6’连同喷头4’一起抬起)。用于向喷头4’供水的管道组件未画出，这是由于本专业技术人员能够对其进行设计。
图3表示本发明设备的第三实施例。在图3中，与图1和2相同的标号表示相应的零件。图3的设备与图1和2的设备的不同之处在于，设备是准备固定在柴油机的排气歧管500”那侧，该设备包括为该目的的进口凸缘1”。设备的排放凸缘2”和反应产物的排放管道15”构制得与排气歧管500”分开。图3的设备的安装很简单。设备包括一个布置在一个壳体8”内的管道910”，一个开口100”设置在管道的一端(底端)，以便将排气引至管道的第二端，第二端设有排气的排放开口2”。排放凸缘2”可以连接于歧管500”。
在上面的说明中，本发明是针对三个实例描述的，显然在此基础可以按照多种方式对本发明的细节进行修改，而不超出权利要求书的范围。例如，图1的排放开口17的位置和图2的旁路开口100’的位置可以改变；排放开口和旁路开口的数目可以改变；设备的形状可以不同于图示的形状，不过，从流动和制造，以及设备的清洗的观点来看，圆筒形的形状是优选的。可以有多种排放管道15、15’、15”，不过，反应产物最好以集中的方式从反应室引至第一的排放管道，从而不必在壳体上制几个开口，反应产物可以从同一地点清除。喷头4、4’、4”的方向可以改变，不过，它们最好朝下，这样喷射有助于从设备清除反应产物。当然，这并不是说，喷头需要正指下方。另外，朝下的喷头可减小设备尺寸并易于安装。所述设备和方法也可用于净化除船舶柴油机以外的其它设备的排气：可用于通用的柴油机，更一般来说，可用于通用的内燃机。

Claims (26)

1.一种用于净化内燃机，最好是柴油机的排气的方法，该方法包括利用至少一个喷嘴将水雾喷入排气，其特征在于：利用所述至少一个喷嘴喷射水雾，从而在紧邻喷射处引起负压，以便将排气吸入喷射的水雾中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：借助10-300巴的压力进行所述喷射水雾。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在内燃机的排气管内喷射水雾。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：沿着与排气流大致平行的方向喷射水雾。
5.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：借助喷头提供的抽吸使至少一部分待净化的排气偏离主排气流道。
6.如前述任一项权利要求所述的用于净化船舶柴油机的排气的方法，其特征在于：向喷嘴供应船舶的灰水以产生水雾。
7.一种用于净化内燃机，最好是柴油机的排气的设备，该设备包括一个用于固定至少一个喷嘴(4、4’、4”)的支承结构(3、3’、3”)，所述喷嘴布置成将水雾喷入排气中，其特征在于：喷头(4、4’、4”)的操作形成的抽吸在喷头的紧邻处产生负压。(图1、2、3)
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于：喷头(4、4’、4”)布置在反应室(13、13’、13”)中，所述反应室包括一个进口(14、14’、14”)，以便将排气流引至反应室内喷头的抽吸中。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于：喷头(4、4’、4”)布置成沿一个可加速排气从发动机排放的方向上喷射水雾。(图1、2、3)
10.如权利要求8所述的设备，其特征在于：一根排放管道(15、15’、15”)连接于反应室(13、13’、13”)，以便从反应室接受水和排气形成的反应产物，并将其引出设备。(图1、2、3)
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于：反应室(13、13’)被一个套筒结构(8、8’)包围，在套筒结构和反应室之间设有一个将排气送至反应室的进口(14、14’)的流动空间(11、11’)。(图1、2)
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于：流动空间(11)的一部分是由离开套筒结构(8、8’)一个距离的第一壁(9)限定的，所述第一壁又进一步部分地限定所述反应室(13)。(图1)
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于：第一壁(9)布置得将反应产物送入排放管道(15)。(图1)
14.如权利要求12或13所述的设备，其特征在于：反应室(13)的一部分是由一个第二壁(10)限定的，第二壁布置得将反应产物送入排放管道(15)。(图1)。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于：第一壁(9)和第二壁(10)是至少大致同心的圆筒形壁。(图1)。
16.如权利要求14所述的设备，其特征在于：它包括多个喷头(4)，它们在第一壁(9)和第二壁(10)之间且彼此离开一个距离地以圆形的形式安装在支承结构(3)上，在所述壁间设有导板(12)，喷头布置得喷向导板。(图1)
17.如权利要求10所述的设备，其特征在于：它包括一个套筒结构(8”)和一根具有第一端和第二端的管道(910”)，所述管道布置在套筒结构内，喷头(4”)布置在一个在套筒结构和管道之间的空间(11”)内，所述管道的第一端包括一个开口(100”)，以便将净化的排气流引至设有排气的排放开口的管道第二端。(图3)
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于：它包括多个喷头(4”)，它们在套筒结构(8”)和管道(910”)之间且彼此相隔一个距离地以圆形的形式安装在支承结构(3”)上，喷头布置在它们各自的构成反应室的管(130”)内。
19.如权利要求11所述的设备，其特征在于：所述流动空间(11’)包括一个旁路开口(100’)，以便通过该旁路开口将一部分未净化的排气引出设备。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于：所述旁路开口(100’)在一个壁(910’)内，所述壁布置得将反应产物从反应室(13’)引入排放管道(15’)。(图2)
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于：它包括多个喷头(4’)，它们在套筒结构(8’)和壁(910’)之间且彼此相隔一个距离地以圆形的形式安装在支承结构(3’)上，喷头安装在它们各自构成反应室(13’)的管(130’)内。(图2)
22.如权利要求18或21所述的设备，其特征在于：所述管(130’、130”)包括一个弯曲部分，它们通至一个在壁(910’)内限定的空间，所述排放管道(15)与所述空间连通。(图2)
23.如权利要求16、17或21所述的设备，其特征在于：喷头(4、4’、4”)可卸式固定在支承结构(3、3’、3”)的凸缘(7、7’、7”)上，喷头悬挂于支承结构，可通过抬升而被拆下。(图1、2、3)
24.如权利要求7所述的设备，其特征在于：它包括紧固装置(1、2、1’、2’、1”)，以便将设备安装在内燃机的歧管上。(图1、2、3)
25.如权利要求24所述的设备，其特征在于：所述紧固装置包括设有一开口的出口凸缘(1、1’、1”)，以便将内燃机的排气送入设备，以及一个设有一开口的排放凸缘(2、2’、2”)，以便排气送出设备。(图1、2、3)
26.如权利要求25所述的设备，其特征在于：所述进口凸缘(1”)被形成得紧固在内燃机排气歧管一侧。(图3)
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