CN1975145A - 用于减少内燃机中的NOx排出物的方法和适用的内燃机 - Google Patents

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Abstract

在具有至少一个通过一与曲轴共同作用的活塞(3)限定的、可输入燃料和空气的工作腔(2)的内燃机中，该工作腔具有至少一个尤其是可通过活塞(3)控制的进气口(4)和多个可通过可相互独立地操纵的阀(9、10)控制的、用于在工作腔内燃烧时形成的燃烧产物的出口，其中至少一个出口(8)与一再循环管(18)连接，后者直接或间接地引回到工作腔(2)，在此可以通过这样的方法达到特别少的NOx排放，即每个配设于一个与再循环管(18)连接的出口即再循环气体出口(8)的阀(10)的开启时间位于一个在所设置的进气口(4)的开启之前开始和终止的曲轴转角范围内。

Description

用于减少内燃机中的NOx排出物的方法和适用的内燃机
技术领域
本发明按照第一个发明构思涉及一种用来减少在一内燃机特别是两冲程大型柴油机中的NOx排出物的方法，该内燃机具有至少一个通过活塞限定的、在每个工作循环中可通入燃料和空气并排出燃烧产物的工作腔，其中使在每个工作循环中形成的燃烧产物的一部分再循环，它们再次输送给工作腔以用于以后的燃烧过程；本发明按照第二个发明构思涉及一种内燃机特别是两冲程大型柴油机，该内燃机具有至少一个通过和曲轴共同作用的活塞限定的、可通入燃料和空气的工作腔，工作腔具有至少一个尤其是可通过活塞控制的进气口和多个可通过可相互独立地操作的阀控制的、用于在燃烧时在工作腔内形成的燃料产物的出口，其中至少一个出口与再循环管连接。
背景技术
由DE 101 16643 C2已知一种开头所述类型的方法。其中在燃烧结束后通过排气出口排出的废气的一部分再循环。但是将通过排气出口排出的废气用空气稀释，因为在工作循环的部分区域内进气槽和排气出口同时打开，使得新鲜空气也到达排气出口。由于废气用新鲜空气稀释，所以提高了必须再循环的气体量，因此需要体积比较大的再循环装置。此外由此也提高了废气中O2的浓度，这导致对所希望的NOx减少的妨碍。
由DE 198 09 618 C2已知一种上述类型的两冲程大型柴油机，其中设置许多带有可相互独立地操纵的阀的出口，其中一个出口用于再循环气体。但是这个出口的开启时间至少部分或完全落入进气槽关闭后的时间内因此也落入工作腔恰好充入新鲜空气的时间内。因此这时再循环气体特别强烈地用新鲜空气稀释，因此造成特别严重的上述缺点。
发明内容
因此由此出发本发明的目的是，用简单和经济的方式这样地改善开头所述类型的方法，使得再循环的气体在NOx减少方面的效果最大化，并减少对于再循环所需要的气体量。本发明的另一个目的在于，提供一种适合于此方法的内燃机。
涉及这类方法的改进的目的结合权利要求1的前序部分如下解决，即在工作腔为了下一个燃烧过程而输入新的空气之前，按周期地从工作腔中取出用于再循环的燃烧产物。
另一个涉及内燃机的目的结合权利要求7的前序部分如下解决，即配设于一个与再循环管连接的出口的阀的开启时间在一个在每个设置的进气口开启之前已经开始和结束的曲柄转角范围内。
通过上述措施确保，不是用空气稀释的排出物而是仅仅燃烧废气被再循环。排除了用新鲜空气的稀释。因此再循环气体的氧气含量比较低。因此为了达到NOx的可靠减少，只需较少的气体量再循环。小的再循环气体量还以有利的方式对保持比较低的燃烧温度起积极作用，这对于NOx减少同样是有利的。
优良的结构和主要措施适宜的改进在从属权利要求中给出。
为了使由于再循环产生的工作腔内的压力损失尽可能小，可以设定，再循环气体的抽取在废气排放开始之前开始，并在废气排放开始和输入新空气开始之间结束。这时可以将再循环气体和燃烧用空气一起输入工作腔。但是也可以考虑，为了实现所谓的升压效应(Booster-Effekt)附加地压缩再循环气体，用这种方法可以实现气缸内的压力升高，而不附加地提高温度，这有利于NOx减少。在这种情况下再循环气体可以直接输送给工作腔。
另一种优良的实施形式是，在废气排放开始之前，再循环气体从工作腔中完全取出。这时达到再循环气体特别高的压力，使得再循环气体可以不用附加地提高压力在废气排放结束后直接重新输入工作腔。
可以有利地设置一横贯在所有气缸上方的再循环气体收集室，每个气缸的再循环气体出口通过一联络管连接在再循环气体收集室上面，并且从再循环气体收集室引出再循环管。由此确保给再循环管可靠地供给再循环气体。
在再循环气体直接供给工作腔的结构时，工作腔适宜地设有一可借助于阀控制的再循环气体入口。用这种方法对每个工作腔形成两个用于再循环目的的阀。因此有利地存在这样的可能性，即两个阀交替地作为出口阀和入口阀进行工作，由此可以降低阀的热负荷。
在上述类型的情况下再循环气体入口的开启时间的开始适宜地安排在废气出口的开启时间的结束之后。由此避免再循环气体通过开启的废气开口逸出。
另一个适宜的措施可以是，每个气缸的再循环气体入口借助于一联络管与横贯在所有气缸上方的再循环气体分配室连接，再循环管通入此再循环气体分配室内。由此保证所有工作腔均匀地输入再循环气体。
另一些优良的结构和主要措施适宜的改进在其余的从属权利要求中给出，并可以由以下借助于附图对实施例的说明中详细地看到。
附图说明
在下述附图中表示：
图1具有本发明再循环装置的两冲程大型柴油机，
图2一对应于按图1的结构的入口和出口开启时间的图表，
图3具有本发明的另一种结构的再循环装置的两冲程大型柴油机，
图4对应于图3的结构的入口和出口开启时间的图表，
图5具有按本发明的又一种结构的再循环装置的两冲程大型柴油机，
图6对应于图5的结构的入口和出口开启时间的图表，
图7一配备本发明的再循环装置的两冲程大型柴油机的气缸的气缸盖的剖视图。
具体实施方式
本发明的主要应用领域是两冲程大型柴油机，它们例如用作船舶驱动装置。这种装置的基本结构和工作原理是公知的。
在图1、3和5中表示这种发动机的一个气缸1，它可以具有许多排成列的气缸。每个气缸1包含一个工作腔2，它向下通过一以未详细画出方式通过一活塞杆、十字头和一连杆与曲轴共同作用的、可上下运动的活塞3限定。进气槽4设置在气缸1的下部区域内，各进气槽被活塞3越过，并且用这种方法打开和关闭进气槽。每个气缸1的进气槽4与一配设的供给通道5连通，它连接在一横贯在所有气缸上方的、可以输入增压空气的分配管6上。因此进气槽4起空气入口的作用，通过空气入口可以给工作腔2输入燃烧用空气。
在向上限定工作腔2的气缸盖的区域内设置一未详细画出的燃料喷入装置以及一废气出口7和一再循环气体出口8，它们分别配设一用于打开和关闭的阀9或10。阀9和10可相互独立，亦即可以时间不同地操纵。再循环气体出口的净横截面小于废气出口的净横截面。因此阀10也小于阀9。
废气出口7与一排气通道11连接。所有气缸的排气通道11都连接在一个横贯在所有气缸上方的废气收集管12上。从它引出一排气管13，该排气管给一废气涡轮增压器的涡轮机14供给废气。涡轮机14带动压缩机15，压缩机通过一增压空气管16将压缩的增压空气输入增压空气分配管6，在增压空气管16内可以安装一增压空气冷却器17。
离开涡轮机14的废气排入大气中，为了使这些废气的NOx含量尽可能小，将在工作腔2内燃烧时形成的气体的一部分直接或间接地又输入工作腔2(再循环)。为此所设置的再循环装置包含一再循环管18，它从一横贯所有气缸1上方的再循环气体收集室19引出，所有气缸1的再循环气体出口8分别通过一联络管20连接在该收集室上面。再循环管18经过一处理机组21，以便冷却和/或净化和/或过滤从工作腔2中取出的再循环气体。
在以图1为基础的结构时再循环气体掺入增压空气，并和增压空气一起，亦即间接地输送给工作腔。为此增压空气管16配备一在这里设置在增压空气冷却器17后面的用于再循环气体管18的入口22。入口22也可以设置在增压空气冷却器17之前，如图1中通过虚线所示。在这种情况下可以取消再循环气体本身的冷却。
从工作腔2中取出并输入增压空气管16的再循环气体的压力高于增压空气的压力，因此存在自动流动，而不需要用来提高再循环管10内的压力的附加机组。为了可靠地防止在增压空气内瞬时的高峰压力的情况下回传到再循环管18内，在再循环管18的设置于入口22前面的区域内可以设置一单向阀23，它朝入口22方向开启，或反之。
按图3和5的装置的基本结构相应于上述按图1的装置的结构。区别在于在按图3和5的装置中再循环气体直接回输给工作腔2。为此每个气缸1的工作腔2设有一可借助于配备的阀24控制的再循环气体入口25，再循环气体可通过它输入工作腔2。这里再循环管18通入一横贯在所有气缸上方的再循环气体分配室26，所有气缸1的再循环气体入口25分别通过一配设的联络管27连接在它上面。
在按图5的装置中作为另一个特点设置一配设于再循环管18的增压机组。这里牵涉到一集成于再循环管18内的压缩机28，在这里它借助于一废气涡轮机29驱动。因此增压机组做成一种废气涡轮增压器。废气涡轮机29供气所需要的废气从排气管13上分叉出来。在图3中不设置这种增压机组。
由图2、4和6得到配设于每个工作腔2的入口和出口的开启过程的开始和结束，其中图2对应于图1，图4对应于图3，图6对应于图5。在所述图2、4和6中标注关于时间(这里表示为以度为单位的曲轴转角)的所形成的入口和出口横截面，其中曲线30对应于进气槽4，曲线31对应于废气出口7，曲线32对应于再循环气体出口8，曲线33对应于再循环气体入口25。在任何情况下进气槽4从UT(下死点)前约40°的曲轴转角至UT后40°曲轴转角开启。与此不同废气出口7提前开启和拖后关闭，如曲线31所示。因此得到废气出口7和进气槽4同时开启的长的时间。这时一部分通过进气槽4输入的空气必然到达废气出口7内，由此使废气用空气稀释。为了避免在再循环气体中产生这种情况，在进气槽4开启之前，再循环气体出口8在任何情况下便已经重新关闭，如曲线32所示。在任何情况下曲线32都不会完全或部分和曲线30重叠，而是始终整个位于曲线30之前，亦即在所示的例子中在UT前的40°之前。
在按图1和2的结构中废气出口8按曲线31从UT前约70°至UT后55°时打开。这里再循环气体出口8按曲线32从UT前约95°至UT前约45°时打开。因此得到与废气出口7的开启时间的交错，但是不与进气槽4的开启时间交错。而且所述的交错造成从工作腔2中取出的再循环气体较小的压力。但它始终还是这么高，使得输入增压空气管16的再循环气体自动流入。另一方面较晚地开启再循环气体出口8造成比较小的压力损失，从而工作腔2内的能量损失较小。
在按图3和4的结构时，如上所述，再循环气体直接输入工作腔2。为了避免附加的增压机组这里需要比较高的再循环气体压力。因此这里再循环气体出口8的开启时间，如图4中曲线32所示，完全位于通过曲线31表示的排气出口7的开启时间之前。在这里排气出口大约在UT前70°打开，在UT后约85°关闭、再循环气体出口在UT前约102°打开，并在UT前约70°关闭，亦即在排气出口7开始打开时，再循环气体出口已经关闭。因此再循环气体入口25的开启时间完全位于排气出口7的开启时间之外。在按图3，4的结构中排气出口7在UT后约85°时关闭。这时再循环气体入口25才打开。这里再循环气体入口25的开启时间从UT后约85°延续到UT后约115°，如由图4中曲线33的位置可见。
由图4可见的排气出口7、再循环气体出口8和再循环气体入口25的阀9、10和25的控制绝不会导致再循环气体出口8和再循环气体入口25的开启时间与排气出口7的开启时间当然还有进气槽4的开启时间交错。因此由此不仅避免再循环气体受空气稀释，而且避免再循环气体通过排气出口7受到损失。此外再循环气体出口8的早期开启确保达到高的再循环气体压力，这对于得到在再循环管18内的自动流动是足够了。
在以图5和6为基础的装置中在再循环管18中设置一附加的压缩机28形式的增压机组。因此这里再循环气体出口8的开启时间可以拖后，使得像在按图1和2的装置时那样在进气槽4即将开启之前不仅得到与排气出口7的开启时间的交错，如借助于图6中曲线30、31和32的位置可以看到的那样。这里排气出口7的开启在UT前约70°时开始，在UT后约85°时终止。进气槽4，和在所有的结构时一样，从UT前40°至UT后40°时开启。因此这里再循环气体出口8可以直到UT前40°前不久时开启。这里开启时间从UT前约85°延伸到UT前40°前不久，例如UT前42°。
借助于压缩机28造成的再循环气体的增压有利地促使工作腔2内压力的升高，而温度不升高，这对NOx排出物的减少起有利影响。在压缩机28后面设置一冷却器21a可能是适宜的。如果在一些运行阶段不需要借助于压缩机28增压，可以将它关掉。在这种情况下可以设置一在图5中通过虚线表示的短接管18a，它对于用压缩机28正常运行的情况可以阻断。
在以图3和5为基础的带有再循环气体出口8和再循环气体入口25的结构中，再循环气体出口连同所属的阀10和再循环气体入口25连同所属的阀24做得相同。因此也可以这样地进行控制，使得输出功能和输入功能周期地交替进行，或反之。用这种方法几乎完全平衡和降低阀10和24的热负荷。为了能够进行所述的转换，每个配设于再循环出口25的联络管27分别经由一旁路管34与一配设的从所属的气缸1的再循环气体出口8引出的联络管20连接。在旁路管34在联络管27和20的接头处分别设置一设计成二通阀的控制阀35。为了输入和输出功能的转换控制阀35这样地控制，使得再循环气体收集室19和再循环气体分配室26交替地与出口8或入口25连接。在阀35的在图3和5中所示的位置得到从再循环气体出口8向再循环气体入口25的再循环气流。
上面已经提到，阀10和24是相同的。由图7得到适宜于这种阀的结构。图7表示一带有设置在中央的排气出口7和设置在它旁边的再循环气体出口8的气缸盖36。在图3和图5的情况下在排气出口7相对的一侧上。设置一再循环气体入口25。配设于再循环气体出口8的阀10在结构方面相当于公知的启动空气进气阀(Startluft-Einlassventil)。当然这同样适用于再循环气体入口阀24。所述的结构使得可以有利地采用已经得到验证的构件。
阀10包含一可装入气缸盖36的配设于再循环气体出口或入口的孔内的套筒形阀壳体37，它可借助于阀盘38封闭，阀盘安装在一杆39上，此杆在壳体37内移动，并且其后端封闭一可通入压力介质的压力腔40。通过给压力腔40输入液压或气动介质使阀盘38可以从壳体37的对应的阀座上抬起，或反之。壳体37的被杆39穿过的内腔在杆导向部的下方配备侧向开口41，所希望的联络管20或27可分别连接在它上面。由图7可见，在阀盘38从阀座上抬起时工作腔2和开口41之间产生流通连接，使得可以从工作腔2中取出再循环气体或向工作腔输入再循环气体。

Claims (23)

1.用于减少在一内燃机特别是两冲程大型柴油机中的NOx排出物的方法，该内燃机具有至少一个由活塞(3)限定的、在每个工作循环中可输入燃料和空气的并排出燃烧产物的工作腔(2)，其中使在每个工作循环中产生的燃烧产物的一部分再循环，将燃烧产物再次输入到工作腔(2)内以用于较后面的燃烧过程，其特征在于，在工作腔为了下一个燃烧过程而输入新的空气之前，从工作腔(2)中周期地取出用于再循环的燃烧产物。
2.按权利要求1的方法，其特征为：至少一部分再循环的燃烧产物和用于下一次燃烧的增压空气一起输送给工作腔(2)。
3.按上述权利要求之一的方法，其特征为：至少一部分再循环的燃烧产物在废气排放结束之后周期地直接输送给工作腔(2)。
4.按上述权利要求之任一项的方法，其特征为：再循环的燃烧产物在从工作腔(2)中取出后进行冷却和/或净化和/或过滤。
5.按上述权利要求之任一项的方法，其特征为：再循环燃烧产物的取出在废气排放开始之前开始，并在废气排放开始和新空气输入开始之间终止。
6.按权利要求1至4之任一项的方法，其特征为：在废气排放开始前从工作腔取出再循环燃烧产物。
7.内燃机，特别是两冲程大型柴油机，具有至少一个通过一个与曲轴共同作用的活塞(3)限定的可输入燃料和空气的工作腔(2)，该工作腔具有至少一个尤其是可通过活塞(3)控制的进气口(4)和多个可通过可相互独立地操纵的阀(9、10)控制的用于在工作腔内燃烧时形成的燃烧产物的出口，其中至少一个出口(8)与再循环管(18)连接，该再循环管引回到工作腔(2)，其特征为：每个配设于与再循环管(18)连接的出口(再循环气体出口8)的阀(10)的开启时间在一开始和终止于所设置的每个进气口(4)的开启之前的曲轴转角范围内。
8.按权利要求7的装置，其特征为：设置两个不同大小的出口，其中较大的一个出口设计成与排气通道连接的排气出口(7)，较小的一个出口设计成与再循环管(18)连接的再循环气体出口(8)。
9.按权利要求7或8的内燃机，其特征为：再循环气体出口(8)开启时间的开始位于排气出口(7)开启时间的开始之前。
10.按权利要求7至9之任一项的内燃机，其特征为：再循环气体出口(8)开启时间的结束位于排气出口(7)开启时间的开始和每个进气口(4)开启时间的开始之间。
11.按权利要求7至9之任一项的内燃机，其特征为：再循环气体出口(8)开启时间的开始和结束位于排气出口(7)开启时间开始之前。
12.按权利要求7至11之任一项的内燃机，其特征为：设置一横贯所有气缸(1)之上的再循环气体收集室(19)，每个气缸(1)的再循环气体出口(8)通过一联络管(20)连接在该再循环气体收集室上面，并从该再循环气体收集室引出再循环管(18)。
13.按权利要求7至12之任一项的内燃机，其特征为：在再循环管(18)内设置至少一个用来冷却和/或净化和/或过滤再循环气体的处理机组(21)。
14.按权利要求7至13之任一项的内燃机，其特征为：再循环管(18)通入一个配设于进气口(4)的增压空气制备装置内。
15.按权利要求14的内燃机，其特征为：在入口(22)前设置一止回阀(23)。
16.按权利要求7至13之任一项的内燃机，其特征为：每个气缸(1)的工作腔(2)配备一可通过阀(24)控制的再循环气体入口(25)。
17.按权利要求16的内燃机，其特征为：再循环气体入口(25)的开启时间的开始位于排气出口(7)的开启时间的结束之后。
18.按权利要求16或17的内燃机，其特征为：再循环管(18)经过至少一个可被驱动的增压机组(28)。
19.按权利要求18的内燃机，其特征为：增压机组(28)可借助于废气涡轮机(29)驱动。
20.按权利要求16至19之任一项的内燃机，其特征为：每个气缸(1)的再循环气体入口(25)借助于联络管(27)与一横贯在所有气缸(1)之上的再循环气体分配室(26)连接，再循环管(18)通入此再循环气体分配室内。
21.按权利要求16至20之任一项的内燃机，其特征为：设置一用来将再循环气体出口(8)和再循环气体入口(25)分别周期地转换到另一功能的装置。
22.按权利要求21的内燃机，其特征为：转换装置具有配设于再循环气体出口(8)和再循环气体入口(25)之间的旁路管(34)的联络管(20、27)，并在旁路管(34)的连接部位设置控制阀(35)。
23.按权利要求7至22之任一项的内燃机，其特征为：配设于再循环气体出口(8)和再循环气体入口(25)的阀(10，24)分别具有一可装入气缸盖(36)的一个孔内的壳体(37)，该壳体包含侧向开口(41)，相配的联络管(20或27)可连接在此侧向开口上。
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