排出氣體後處理系統、內燃機及用於操作其的方法與流程

2023-05-23 11:01:31 3

本發明涉及內燃機的排出氣體後處理系統。本發明還涉及一種具有排出氣體後處理系統的內燃機，以及用於操作此內燃機的方法。

背景技術：

在例如用於發電站中的靜止內燃機中的燃燒過程期間，以及在例如用於船舶上的非靜止內燃機中的燃燒過程中，產生了氮氧化物，其中這些氮氧化物通常在含硫化石燃料(諸如煤、礦煤、礦物油、重燃料油或柴油)的燃燒期間產生。出於此原因，此內燃機配備排出氣體後處理系統，其用於離開內燃機的排出氣體的清潔，特別是脫氮。

為了減少排出氣體中的氮氧化物，從實踐中了解到在排出氣體後處理系統中主要採用所謂的scr催化轉化器。在scr催化轉化器中，氮氧化物的選擇性催化還原發生，其中為了還原氮氧化物，需要氨(nh3)作為還原劑。氨或氨前體物質(諸如，例如尿素)以液體形式在scr催化轉換器上遊引入到排出氣體中，其中氨或氨前體物質在scr催化轉化器上遊與排出氣體相互混合。為此，根據實踐，混合區段設在氨或氨前體物質的引入處與scr催化轉化器之間。

儘管利用從實踐中獲知的包括scr催化轉化器的排出氣體後處理系統，排出氣體後處理，具體是氮氧化物還原，可能已經成功地進行，但需要進一步改進排出氣體後處理系統。具體而言，所需的是使具有此排出氣體後處理系統的緊湊設計的有效排出氣體後處理和包括排出氣體後處理系統的內燃機的有效操作成為可能。

技術實現要素：

從此出發，本發明基於創造出內燃機的新型排出氣體後處理、具有排出氣體後處理系統的內燃機以及用於操作此內燃機的方法的目的。

該目的通過根據權利要求1的內燃機的排出氣體後處理系統來解決。根據本發明，收納scr催化轉化器的反應器室設計為至少雙壁，具有第一壁，以及定位在面對排出氣流的第一壁的一側上的第二壁，其中形成在第一壁與第二壁之間的間隙可由熱傳遞介質流過或由熱傳遞介質流過。排出氣體後處理系統的該實施例使得具有緊湊設計的有效排出氣體後處理成為可能。

根據有利的進一步發展方案，一種用於熱傳遞介質的迴路包括熱傳遞介質可經由其引入到間隙中的入口、熱傳遞介質可經由其從間隙除去的出口、用於熱傳遞介質的輸送裝置，以及用於熱傳遞介質的溫度控制裝置。該進一步發展方案使得具有緊湊設計的有效排出氣體後處理成為可能。

根據有利的進一步發展方案，反應器室的第一壁的厚度與反應器室第二壁的厚度之間的比合計為至少10:3，優選地至少10:2，特別優選地至少10:1。該進一步發展方案使得具有緊湊設計的有效排出氣體後處理成為可能。

根據另一個有利的進一步發展方案，反應器室的第一壁與反應器室的第二壁之間的間隙的厚度合計為至少2mm，優選地至少4mm，特別優選地至少6mm。該進一步發展方案使得具有緊湊設計的有效排出氣體後處理成為可能。

根據本發明的內燃機在權利要求7中限定。根據本發明的用於操作燃機的方法在權利要求9中限定。

特別優選的是，內燃機包括多級排出氣體增壓系統，其具有包括高壓渦輪的第一排出氣體渦輪增壓器，以及包括低壓渦輪的第二排出氣體渦輪增壓器，其中排出氣體後處理系統連接在高壓渦輪與低壓渦輪之間。

附圖說明

本發明的優選的其它發展方案從從屬權利要求和以下描述獲得。本發明的示例性實施例通過附圖更詳細闡釋，而不限於此。這裡附圖示出：

圖1是根據本發明的具有排出氣體後來處理系統的內燃機的示意性透視圖；

圖2是圖1的排出氣體後處理系統的細節；以及

圖3是圖2的細節。

參考標號列表

1內燃機

2排出氣體增壓系統

3排出氣體後處理系統

4排出氣體渦輪增壓器

5排出氣體渦輪增壓器

6高壓渦輪

7低壓渦輪

8排出氣體供應管線

9scr催化轉化器

10反應器室

11排出氣體排放管線

12旁路

13關閉元件

14排出氣體路線

15端

16引入裝置

17噴射圓錐

18混合區段

19擋板元件

20側部

21管線

22側部

23側部

24第一壁

25第二壁

26間隙

27迴路

28入口

29出口

30輸送裝置

31溫度控制裝置

32壁。

具體實施方式

本發明涉及內燃機的排出氣體後處理系統，例如，發電站中的靜止內燃機，或用在船舶上的非靜止內燃機，具體而言，排出氣體後處理系統用在以重燃料油操作的船舶上的柴油機上。此外，本發明涉及具有此排出氣體後處理系統的內燃機，以及用於操作內燃機的方法。圖1示出了具有排出氣體增壓系統2和排出氣體後處理系統3的內燃機1的布置。內燃機可為非靜止或靜止內燃機，具體是非靜止操作的船舶的內燃機。離開內燃機1的缸的排出氣體用於排出氣體增壓系統2，以便從排出氣體的熱能獲得機械能，來用於壓縮將供應至內燃機1的填充空氣。因此，圖1示出了具有排出氣體增壓系統或排出氣體渦輪增壓器系統2的內燃機1，排出氣體渦輪增壓器系統2包括多個排出氣體渦輪增壓器，即，高壓側上的第一排出氣體渦輪增壓器4，以及低壓側上的第二排出氣體渦輪增壓器5。離開內燃機1的缸的排出氣體首先經由第一排出氣體渦輪增壓器1的高壓渦輪6流動，且在其中膨脹，其中在該過程中獲得的能量用於第一排出氣體渦輪增壓器4的高壓壓縮機中，以便壓縮填充空氣。在排出氣體的流動方向上所見，第二渦輪增壓器5布置在第一排出氣體渦輪增壓器4下遊，已經流過第一排出氣體渦輪增壓器4的高壓渦輪6的排出氣體經由第二渦輪增壓器5傳導，即，經由第二排出氣體渦輪增壓器5的低壓渦輪7。在第二排出氣體渦輪增壓器5的低壓渦輪7中，排出氣體進一步膨脹，且在該過程中獲得的能量用於第二排出氣體渦輪增壓器5的低壓壓縮機中，以便同樣壓縮將供應至內燃機1的缸中的填充空氣。

在單級增壓發動機的情況下，在一個排出氣體渦輪上遊的布置是類似地適合的，以便使用存在於該處的較高壓力和溫度水平來有利於反應。

除包括兩個排出氣體渦輪增壓器4和5的排出氣體增壓系統2之外，內燃機1包括排出氣體後處理系統3，其例如為scr、ch4、hcho或氧化排出氣體後處理系統。排出氣體後處理系統3連接在第一壓縮機5的高壓渦輪6與第二排出氣體渦輪增壓器5的低壓渦輪之間，使得離開第一排出氣體渦輪增壓器4的高壓渦輪6的排出氣體因此首先在其到達第二排出氣體渦輪增壓器5的低壓渦輪7的區域之前經由排出氣體後處理系統3傳導。

圖1示出了排出氣體供應管線8，經由其，從第一排出氣體渦輪增壓器4的高壓渦輪6出發的排出氣體可沿布置在反應器室10中的scr催化轉化器9的方向傳導。

此外，圖1示出了排出氣體排放管線11，其用於沿第二排出氣體渦輪增壓器5的低壓渦輪7的方向從scr催化轉化器9排放排出氣體。

從低壓渦輪7出發，排出氣體經由管線21流動，具體是流入開口中。

通向反應器室10且因此通向定位在反應器室10中的scr催化轉化器9的排出氣體供應管線8，以及導引遠離反應器室10且因此遠離scr催化轉化器9的排出氣體排放管線11經由旁路12聯接，關閉元件13整體結合在旁路12中。在關閉元件13閉合的情況下，旁路12閉合，使得沒有排出氣體可經由其流動。相比之下，具體是在關閉元件13開啟時，排出氣體可經由旁路12流動，即，經過反應器室10，且因此經過定位在反應器室10中的scr催化轉化器9。

圖2以箭頭14示出了穿過排出氣體後處理系統3的排出氣體的流，其中旁路12經由關閉元件13閉合，其中從圖2清楚的是，排出氣體供應管線8以下遊端15通入反應器室10中，其中排出氣體供應管線8的該端15的區域中的排出氣體經歷大約180°的流動偏轉，其中流動偏轉之後的排出氣體經由scr催化轉化器9傳導。

排出氣體後處理系統3的排出氣體供應管線8配備引入裝置16，經由其，還原劑可引入排氣流中，具體是氨或氨前體物質，需要其以便以限定方式轉化scr催化轉化器9的區域中的排出氣體的氮氧化物。排出氣體後處理系統3的該引入裝置16優選為噴射噴嘴，經由其，氨或氨前體物質噴射到排出氣體供應管線8內的排出氣流中。圖2以圓錐17示出了還原劑噴射到排出氣體供應管線8的區域中的排出氣流中。在排出氣體的流動方向上所見的位於引入裝置16下遊且在scr催化轉化器上遊的排出氣體後處理系統3的區段稱為混合區段。具體而言，排出氣體供應管線8在引入裝置16上遊提供混合區段18，其中排出氣體可在scr催化轉化器9上遊與還原劑混合。

排出氣體供應管線8以下遊端15通入反應器室10中。排出氣體供應管線8的該下遊端15配備有擋板元件19，其可關於排出氣體供應管線8的下遊端15轉移。在所示示例性實施例中，擋板元件19關於通入反應器室10中的排出氣體供應管線8的端15線性地轉移。

擋板元件19關於排出氣體供應管線8的下遊端15是可轉移的，以便關閉下遊端15處的排出氣體供應管線8或打開下遊端15處的排出氣體供應管線8。具體是在擋板元件19關閉下遊端15處的排出氣體供應管線8時，旁路12的關閉元件13優選地打開，以便然後將排出氣體完全傳導經過scr催化轉化器9或經過收納scr催化轉化器9的反應器室10。

具體是在擋板元件19打開排出氣體供應管線8的下遊端15時，旁路12的關閉元件13可完全閉合或至少部分地打開。具體是在擋板元件19打開排出氣體供應管線8的下遊端15時，擋板元件19關於排出氣體供應管線8的下遊端15的相對位置具體取決於穿過排出氣體供應管線8的排出氣體質量流，和/或排出氣體供應管線8中的排出氣體的排出氣體溫度，和/或經由引入裝置16引入排出氣流中的還原劑的量。

具有排出氣體供應管線8的閉合的下遊端15的擋板元件19的另一個功能在於存在於排出氣流中的液體還原劑的任何微滴都到達擋板元件19，在該處，它們被截住且霧化，以便避免液體還原劑的此微滴到達scr催化轉化器9的區域。通過擋板元件19關於具有打開的下遊端15的排出氣體供應管線8的下遊端15的位置，具體也可確定在擋板元件19的區域中的排出氣體供應管線8的下遊端15的區域中偏轉的排出氣體是沿位於徑向內側的區段的方向上傳導或操縱更強，或是沿位於徑向外側的scr催化轉化器9的區段的方向上傳導或操縱更強。

根據優選實施例，在下遊端15的區域中的排出氣體供應管線8是擴張的漏鬥狀物體來形成擴散器。由於此，在下遊端15的區域中的排出氣體供應管線8的流動截面增大，其中如具體從圖2中清楚那樣，可提供的是，在排出氣體的流動方向上所見，在排出氣體供應管線8的下遊端15上遊，排出氣體供應管線8的流動截面開始減小。因此，圖2示出了排出氣體的流動方向所見的在引入裝置16下遊用於還原劑的排出氣體供應管線8的流動截面最初是大致恆定的，但然後開始逐漸成錐形，且最終在下遊端15的區域中擴張。在此情況下，排出氣體供應管線8的下遊端15處的流動截面的這樣擴張優選經由比排出氣體供應管線8最初經由其在下遊端15的上遊成錐形的區段更短的排出氣體供應管線8的區段來實現。

擋板元件19優選在經歷形成用於排出氣體的流動引導件的面對排出氣體供應管線8的一側20上成鍾狀彎曲。因此，從圖3清楚的是，在擋板元件19的徑向內區段處的面對排出氣體供應管線8的下遊端15的擋板元件19的一側20具有比其徑向外區段上更短的到排出氣體供應管線8的下遊端15的距離。擋板元件19在排出氣體供應管線8的下遊端15的方向上相對於側20的中心中的排出氣體的流動方向拉進或彎曲。

如具體從圖2清楚那樣，排出氣體供應管線8和排出氣體排放管線11連接在反應器室10的公共第一側22上，或者通入或延伸入從該公共側22出發的反應器室10中。

這裡，排出氣體供應管線8以一種方式延伸到反應器室10中，使得排出氣體供應管線8的下遊端15定位在反應器室10的第二側23附近，反應器室10的第二側23位於與反應器室10的第一側22的對面，而排出氣體排放管線11通入第一側22上的反應器室10中。因此，經由排出氣體供應管線8供應的排出氣體在位於與排出氣體供應管線8的下遊端15相對的反應器室10的第二側23的區域中偏轉大約180°，然後經由scr催化轉化器9流動，在此之後經由第一側22流入排出氣體排放管線11的區域中。從圖2清楚的是，這裡在反應器室10的一側22附近的排出氣體排放管線11優選同心地包繞外側上的某些區段中的排出氣體供應管線8。

為了使得特別有效的排出氣體後處理和包括排出氣體後處理系統3的內燃機1的特別有效的操作成為可能，至少收納scr催化轉化器9的反應器室10形成為雙壁的，即，至少在布置於兩側22,23之間的反應器室10的壁32的區域中的某些區段中。

由於此，確保了排出氣體的熱能保持在排出氣體中，且不會過量地發散至反應器室10的壁。高排出氣體溫度一方面對於scr催化轉化器9的區域中的有效排出氣體後處理，另一方面對於位於排出氣體後處理裝置3下遊的排出氣體渦輪增壓器的有效操作都是有利的。

有可能的是，排出氣體供應管線8和/或排出氣體排放管線11也形成為至少雙壁的。

scr催化轉化器9的區域中的高排出氣體溫度是有利的，以便避免還原劑的非期望的二次反應，特別是硫酸氨和/或重硫酸氨的形成。在過低的排出氣體溫度下可產生的這些非期望的副產物可破壞scr催化轉化器9，且因此削弱排出氣體後處理的有效性。

此外，如已經闡釋那樣，排出氣體後處理裝置3的高排出氣體溫度是有利的，以便有效地操作流動中看到的定位在排出氣體後處理裝置3下遊的排出氣體渦輪增壓器，特別是其低壓渦輪。

收納scr催化轉化器9的反應器室10包括至少在壁32的區域中的第一壁24，以及在面對排出氣流(未示出)的第一壁24的一側上的第二壁25。在收納scr催化轉化器9的反應器室10的第一壁24與第二壁25之間形成間隙26，其由熱傳遞介質流過或可由熱傳遞介質流過。

反應器室10的第一壁24以一種方式設計成使得其具有一定厚度，該厚度以一種方式設計成最大壓力，使得第一壁經歷最大壓力。最大壓力達到4bar。

第二壁25具有小於第一壁24的厚度的厚度。第一壁的厚度在圖3中以d1標記，且第二壁25的厚度以d2標記，其中形成在第一壁與第二壁25之間的間隙26的大小以l12標記。

根據另一個有利發展方案，反應器室10的第一壁24的厚度d1與反應器室10的第二壁25的厚度d2之間的比合計為至少10:3，優選地至少10:2，特別優選地至少10:1。

反應器室10的第一壁24與反應器室10的第二壁25之間的空隙l12的大小合計至少2mm，優選地至少4mm，特別優選地至少6mm。

反應器室10的第一壁24的質量和熱容的積優選大於反應器室10的第二壁27的質量和熱容的對應的積。

反應器室10的第一壁24和反應器室10的第二壁25可都由金屬材料(例如，由鋼)製成。其中第一壁24由金屬材料製成且第二壁25由陶瓷材料製成的構造是優選的。同樣可能的是，第一壁24和第二壁25各自由金屬材料製成，其中在面對排出氣流的一側上的第二壁25然後可優選具有陶瓷塗層。

按照本發明，在反應器室10的第一壁24與反應器室10的第二壁25之間形成的間隙26由熱傳遞介質流過或可由熱傳遞介質流過。由於此，故反應器室10可達到限定溫度，以便確保最佳排出氣體後處理，具體而言，其中scr催化轉化器9在最佳操作溫度下連續地操作。

因此，排出氣體後處理系統3包括用於熱傳遞介質的迴路27，其中在用於熱傳遞介質的各種情況中，迴路27包括熱傳遞介質可經由其引入間隙26中的入口28、熱傳遞介質可經由其從間隙26除去的出口29、輸送裝置30，以及溫度控制裝置31。

通過入口28，達到在溫度控制裝置31中限定的設置點溫度的熱傳遞介質因此可引入形成在反應器室10的壁24與壁25之間的間隙26中，使得熱傳遞介質可流過間隙26，且因此具體經由壁25溫度控制反應器室10。已流過間隙26的熱傳遞介質可藉助於輸送裝置30經由出口29從間隙26取得，且隨後又經由溫度控制裝置31輸送，以便按照閉合迴路傳導熱傳遞介質。

熱傳遞介質可為氣體，具體是空氣或流體，例如，如水。如已經闡釋那樣，通過熱傳遞介質，反應器室10可達到限定的溫度，以便使得以定位在反應器室10中的scr催化轉化器9的區域中的最佳操作溫度的最佳排出氣體後處理成為可能。

熱傳遞介質不與排出氣體接觸。輸送裝置30和溫度控制裝置31因此不與腐蝕性氣體接觸。輸送裝置30具體是泵或風機。溫度控制裝置31優選換熱器或另一加熱裝置。

本發明還涉及用於操作具有此排出氣體後處理系統3的內燃機的方法。就根據本發明的方法而言，提供了取決於內燃機1的操作情形，反應器室10經由流過反應器室10的第一壁24與第二壁25之間的間隙26的熱傳遞介質自動地控制溫度。

就此而論，例如，有可能的是，具體在內燃機在冷啟動操作模式中操作時，反應器室10在內燃機的實際啟動之前經由流過間隙26的熱傳遞介質加熱至設置點溫度。

同樣可能的是藉助於溫度傳感器檢測反應器室10內的溫度，且具體是在反應器室10內的溫度低於極限值時，以經由流過間隙26的熱傳遞介質將反應器室10加熱至設置點溫度。

如上文已經闡釋那樣，不但反應器室10可體現為雙壁的，而且排出氣體後處理系統3的排出氣體供應管線8和/或排出氣體排放管線11也是。

即使在排出氣體供應管線8和/或排出氣體排放管線11的區域中，間隙也可形成在對應的壁之間，熱傳遞介質可穿過其以上文所述的方式傳導，以便影響排出氣體供應管線8和/或排出氣體排放管線11中的排出氣體後處理溫度。旁路12同樣可體現為雙壁的。

就圖1的內燃機1而言，排出氣體後處理系統3定位成豎立在排出氣體增壓系統2上方。至內燃機1的缸的通路是開放的，但排出氣體渦輪增壓器4和5的可及性是有限的。然而，反應器室10可在排出氣體渦輪增壓器4,5上需要維護操作時簡單地拆卸。

相比於圖1中所示的排出氣體增壓系統2上方的排出氣體後處理系統3的布置，傾斜90°的在排出氣體增壓系統2旁邊的排出氣體後處理系統3的水平布置也是可能的，然而其中在此水平布置中，布置的長度增大。然而，內燃機1和排出氣體增壓系統2然後可用，而無對於不需要拆卸反應器室10的維護操作的限制。

本發明的示例性實施例優選針對scr技術，但本發明不限於此，而是還可具體用於燃氣輪機或結合ch4和hcho氧化催化轉化器。在單級增壓發動機的情況中，有利的是將排出氣體後處理系統布置在渦輪上遊。