CN102242670B - 具有废气净化***的大型二冲程柴油发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机，包括多个汽缸，每个汽缸连接至废气接收器。选择性催化还原反应器安置在废气接收器的下游。排气管将该选择性催化还原反应器的出口连接至涡轮增压器的涡轮机。该涡轮机驱动涡轮增压器的压缩机，该压缩机将扫气经由扫气路径传送至扫气接收器。该扫气接收器连接至多个气缸。扫气路径中的辅助鼓风机在低负载条件下辅助该压缩机。可控旁路管线从扫气接收器延伸至排气管。在低发动机负载下，将受控的扫气流从扫气接收器引导至排气管一个位于选择性催化还原反应器下游和涡轮增压器的涡轮机的上游的位置处。此措施使进入选择性催化还原反应器的废气的温度增加。

Description

具有废气净化***的大型二冲程柴油发动机
技术领域
本发明涉及一种十字头型的大型涡轮增压二冲程内燃活塞式发动机，优选涉及一种具有废气净化***的柴油发动机，尤其涉及一种具有选择性催化还原反应器的十字头型大型二冲程柴油发动机。 
背景技术
十字头型的大型二冲程发动机通常用于大型船只的推进***或者用作电厂中的原动机。排放需求已经并且将更加难以满足，尤其是关于单氮氧化物(NOx)的水平。 
使用选择性催化还原(SCR)反应器是已知的用于辅助柴油发动机减少NOx排放的措施。要求进入SCR转化器的废气的最低温度为大约300至350℃，以使SCR反应器正常运行。 
但是，由于二冲程涡轮增压发动机的特性，低发动机负载(例如低于与发动机相关的最大连续功率的40％)下的废气温度相对较低，即，对于废气来说太低而无法在SCR反应器中被转化。 
在上述低负载条件下，难以在大型涡轮增压二冲程柴油发动机中保持足够的扫气压力。因此，在这样的低负载条件下使用辅助鼓风机来保持扫气压力。从而，为了增加SCR反应器进气口处废气温度所采取的任何方法都不应对扫气压力造成负面影响。 
因此，需要一种克服上述缺陷或至少减少上述缺陷的涡轮增压二冲程柴油发动机。 
发明内容
在此背景下，本发明的一个目的是提供一种能够在大范围的发动机负载条件下与SCR反应器一起操作的大型涡轮增压二冲程柴油发动机。 
通过提供一种十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机来实现上述目 的，该内燃机包括：多个汽缸，每个汽缸连接至废气接收器；选择性催化还原反应器，其入口连接至废气接收器的出口；排气管，其将选择性催化还原反应器的出口连接至涡轮增压器的涡轮机；涡轮增压器的压缩机由该涡轮机驱动，该压缩机将扫气经由包括扫气冷却器的扫气路径传送至扫气接收器；辅助鼓风机，其在该扫气路径中，用于在低负载条件下辅助该压缩机；该扫气接收器连接至多个气缸中的每个汽缸；可控旁路管线，其从扫气路径中该辅助鼓风机下游的一个位置处或者从该扫气接收器处延伸至该排气管中位于该选择性催化还原反应器的出口与该涡轮机的入口之间的一个位置；电控单元，其可操作地连接至该旁路管线，该电控单元配置为在发动机负载低于预设阈值时或在进入该选择性催化还原反应器的废气的温度低于给定阈值时，允许扫气流从扫气接收器通过可控旁路管线流向排气管。 
在低负载下，将受控扫气流从扫气接收器引导至位于选择性催化还原反应器的下游和涡轮增压器中的涡轮机的上游的位置处的排气管。此措施使进入选择性催化还原反应器的废气的温度增加，而不负面地影响扫气压力。 
该排气管可包括用于将旁路的扫气与废气混合的三端口混合点。 
该旁路管线可包括阀，其用于控制扫气通过该旁路管线的流动。 
该阀可以是开环回路中由电控单元33控制的开-关型电控阀。 
可替换地，该阀可以是闭环回路中由电控单元控制的比例型电控阀。 
发动机还可包括临近于选择性催化还原反应器的入口的温度传感器。 
可配置该发动机，使得可以通过该电控单元停用扫气冷却器。 
该电控单元可以配置为将打开该旁路管线作为第一措施，将停用该扫气冷却器作为第二措施。 
可以配置该发动机，使得可以通过该电控单元将该扫气冷却器转变为加热器。 
可以配置该发动机，使得该电控单元配置为将使该扫气冷却器转变为加热器作为第三措施。 
本发明的目的还可以通过提供一种十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机来实现，该内燃机包括：多个汽缸，每个汽缸连接至废气接收器；选择性催化还原反应器，其入口连接至废气接收器的出口；排气管，其将选择性催化还原反应器的出口连接至涡轮增压器中的涡轮机；该涡轮增压器的压缩机由该涡轮机驱动，该压缩机将扫气经由包括扫气冷却器的扫气路径传送至扫气接收器；辅助鼓风机，其在该扫气路径中，用于在低负载条件下辅助该压缩机；该扫气接收器连接至多个汽缸中的每个汽缸；电控单元，配置为在发动机负载小于给定阈值时或在进入该选择性催化还原反应器的废气的温度低于给定阈值时，降低或停用该扫气冷却器的冷却功能。 
该发动机还可以包括用于绕过扫气冷却器的扫气旁路管。 
该发动机还可以包括受电控单元的指令控制的一个或多个电控阀，用于控制扫气通过该扫气旁路管的流动。 
该发动机还可以包括具有电控分离阀的冷却介质供给管、冷却介质回流管和包括电控旁路阀的冷却介质旁路电路。该发动机还可以包括再循环管和再循环泵。该发动机还可以包括在该再循环管中的热交换器，用于加热流动通过该再循环管的介质。 
该发动机还可以包括第二扫气冷却器，其中该电控单元配置为控制扫气冷却器中至少一个的冷却能力。 
该发动机还可以包括连接至扫气路径的蒸汽注入管，该蒸汽注入管包括受电控单元的指令控制的电控蒸汽注入控制阀。 
该发动机还可以包括连接至扫气路径的废气注入管，该废气注入管包括受电控单元的指令控制的电控废气注入控制阀。 
该发动机还可以包括在扫气路径中的加热器单元。可以以热空气作为加热介质操作该加热器单元。 
该发动机还可以包括在冷却介质供给管中的热交换器，用于将热量供应给流动通过该冷却介质供给管的介质。 
根据本发明的大型二冲程内燃发动机的进一步的目的、特征、优点和性质将通过具体描述变得明显。 
附图说明
在本说明书的以下具体部分中，将参照附图中所示的示例性实施例更详细地解释本发明，其中： 
图1是根据本发明第一实施例的发动机的图解示图； 
图2示出了本发明第二实施例的图解示图； 
图3至图7示出了利用了扫气的减少冷却的更多实施例；以及 
图8至图12示出了利用了扫气的主动加热的更多实施例。 
具体实施方式
在下面的详细描述中，将通过示例性实施例描述根据本发明的十字头型大型涡轮增压二冲程柴油发动机和用于操作十字头型大型涡轮增压二冲程柴油发动机的方法。 
十字头型大型涡轮增压二冲程柴油发动机的结构和操作是众所周知的，因此不需要在本文中进一步解释。下面提供关于废气净化***的操作的详细说明。 
图1示出了根据本发明的大型二冲程柴油发动机1的第一示例性实施例。发动机1可以例如用作远洋船舶中的主发动机或者用作运行发电站中发电机的固定发动机。发动机的总输出可以例如在5000至110000kW的范围内。 
发动机1设置有多个汽缸，所述多个汽缸一个挨一个排成一行。每个汽缸设置有与其汽缸盖相关联的排气阀。可以通过该排气阀打开和关闭排气路径。发动机的十字头将活塞杆连接至曲轴的大头。排气弯管连接至废气接收器6。废气接收器6设置为与一行汽缸平行。废气接收器6是大容器，其尺寸特别适于发动机特性，用于最佳气流、反压以及声学的考虑。通常，废气接收器6是由钢板制成的大的中空圆柱体。由于其尺寸和体积较大，出于振动处理方面的目的，使废气 接收器悬挂在发动机结构上。 
将废气流从废气接收器6的出口经由选择性催化反应器8(SCR反应器)和排气管10向涡轮增压器的涡轮机12引导。因此，废气接收器6的出口连接至SCR反应器8的入口。废气流经SCR反应器8，移除废气中的NOx或者至少大体上减少了废气中的NOx量，将NOx转化为氮和氧。SCR反应器的出口连接至排气管10，该排气管10将热且加压的废气引至涡轮机12。废气被排入涡轮机12的大气下游。 
涡轮增压器还包括由涡轮机12驱动的压缩机14。压缩机14连接至空气入口。压缩机14将加压的扫气经由扫气流动路径16传送到扫气接收器22，该扫气流动路径16包括扫气冷却器18和辅助鼓风机20。 
以水作为冷却介质运行扫气冷却器18。扫气冷却器18可以是各种类型。一种可能是平板冷却器，其中冷却介质不直接与扫气物理接触。另一种可能是洗涤器(scrubber)，其中冷却介质直接与扫气接触。 
辅助鼓风机20通常由电动马达驱动(也可以由液压马达驱动)并且在低负载条件(通常低于最大连续功率的40％)下开始工作，以使压缩机14保持足够的扫气压力。当不使用辅助鼓风机时，其通过未示出的旁路绕过。 
扫气接收器22是沿发动机的汽缸延伸的细长中空圆柱体。扫气流从扫气接收器22到达各汽缸的扫气口。 
可控旁路管线26从扫气接收器22开始分支。可控旁路管线26的另一端在三端口混合点30处与排气管10连接。混合点30位于SCR反应器8出口的下游和涡轮机12入口的上游。 
可替换地，可控旁路管线26的起点可以位于扫气管16中辅助鼓风机20下游的位置处。 
在电控单元33的指令下，电控阀28调节从扫气流动路径16到排气管10的扫气的流动。在一个实施例中，阀28是开环回路中由电控单元33控制的开/关型阀。在此实施例中，电控单元33配置为在发动 机负载下降到预定阈值以下时打开阀28并且在发动机负载升高到预定阈值以上时关闭阀28。这两个阈值不必相同并且可以定义为占发动机的最大连续功率的百分比。 
在另一实施例中，电控阀28是闭环回路中由电控单元33控制的比例阀。这里，控制器从温度传感器35接收关于SCR反应器8入口处的废气温度的信息，并且电控单元33配置为响应测得的进入SCR反应器8的废气温度来控制阀28的打开程度。因此，当测得的温度低于最小期望温度时，电控单元33将增大电控阀28的打开程度以增加废气温度。 
该阈值也可以由涡轮机入口处的混合温度来控制，即，在温度比SCR反应器8所需的温度高时，旁路管线26关闭，在温度比SCR反应器8所需的温度几乎低得多时，旁路管线26打开。 
在预设涡轮机入口处的混合温度之后，以与所描述的负载控制相似的方式控制开/关旁路。 
图2示出了根据本发明的大型二冲程柴油发动机1的第二示例性实施例。与图1相同的附图标记指的是相同的部件。除了扫气路径16中的扫气冷却器18的以下方面之外，根据图2的实施例与图1的实施例大部分都相同。 
供给管40将冷水传送至扫气冷却器18并且回流管42将温水从扫气冷却器18输送走。在第二实施例中，冷却介质旁路电路43中的电控旁路阀44和作用于控制器33的指令下的电控分离阀46使供给管40中的冷水能够不通过扫气冷却器18而偏离供应到回流管42中。包括泵50和加热器(或热交换器)52的再循环管48确保水流动通过扫气冷却器18，此时扫气冷却器18变为加热器并且有效地用作热交换器。加热器52设置有温的加热介质，例如构成发动机冷却***的温水，并且对循环通过扫气冷却器18的介质进行加热。 
在第二实施例中，电控单元33可以通过经由阀44和46使冷却介 质旁路绕过而使冷却器18不工作。同时，控制器33将激活泵50以确保介质在扫气冷却器18中循环。此外，控制单元33可以通过将加热介质传送至加热器52来激活加热器52，从而将扫气冷却器18变为加热器。电控单元33配置为根据增加进入SCR反应器8的废气温度的需求而采取各种措施以增加扫气温度。 
因此，如果使一些扫气通过可控旁路管线26进入排气管10就足够，电控单元33将不采取任何进一步措施。但是，如果此第一措施不够，那么电控单元33将停用扫气冷却器18的冷却功能。如果此第二措施不够，作为第三措施，电控单元33将把扫气冷却器18转变为加热器以主动加热扫气。 
图2示出了***中多个位置处的扫气和废气的温度的例子。这些例子用于低发动机负载情况，例如低于与发达机相关的最大连续功率的40％。不带括号的数字是通过旁路管线26且在扫气冷却器18处被加热的扫气的温度。括号中的数字是在常规地操作发动机而不使扫气通过旁路管线26且使扫气冷却器18冷却扫气时的温度。采用新措施时，进入SCR反应器8的废气温度是325℃，废气足够热而能够在SCR反应器8中被转化。不采用新措施时，进入SCR反应器8的废气温度是220℃，废气不够热而不能在SCR反应器8中被转化。 
图3示出了冷却介质经由冷却介质供给管40供给至扫气冷却器18和经由冷却介质回流管42回流至扫气冷却器18。 
图4至图7示出了扫气冷却器18的冷却能力的受控减少的多种实施例。 
在图4中，发动机设置有用于绕过扫气冷却器18的扫气旁路管17。扫气旁路管17包括用于在电控单元33的指令下打开和关闭扫气旁路管17的电控阀23。扫气路径16包括用于在电控单元33的指令下打开和关闭扫气路径16的另一电控阀21。因此，电控单元33可以根据增加扫气温度的需要来控制通过所述扫气旁路管17的扫气的流 动，从而增加进入SCR反应器8的废气温度。 
在图5中，冷却介质供给管40设置有电控分离阀46和冷却介质旁路电路43，该冷却介质旁路电路43包括电控旁路阀44并且将冷却介质供给管40直接连接至冷却介质回流管42。电控单元33对电子阀44和46发出指令，从而可以控制冷却介质通过扫气冷却器18的程度(可以是开/关或者比例控制)。 
在图6中，包括再循环泵(受电控单元33的控制)的再循环管48被加入图5所示的实施例中，用于使冷却介质能够在扫气冷却器18中循环。 
在图7中，发动机设置有附加(第二)扫气冷却器19。电控单元33配置为控制如上所述的扫气冷却器18、19中的至少一个的冷却能力。 
图8至图12示出了受控地将热量加入扫气中的多种实施例。 
在图8中，发动机设置有连接至扫气路径16的蒸汽注入管50。蒸汽注入管90包括受电控单元33指令控制的电控蒸汽注入控制阀92。因此，通过可控地注入蒸汽，可以如期望地增加扫气温度，从而增加进入SCR反应器8的废气的温度而不降低扫气压力。 
在图9中，发动机设置有连接至扫气路径16的废气注入管60。所述废气注入管60包括受电控单元33指令控制的电控废气注入控制阀62。因此，通过可控地注入废气，可以如期望地增加扫气温度，从而增加进入SCR反应器8的废气的温度而不降低扫气压力。 
在图10中，发动机在扫气路径16中设置有加热器单元27。将加热介质(例如热水或热空气)经由加热介质供给管70供应至加热器单元27，并且通过加热介质回流管72将回流的加热介质传输走。加热介质供给管70和加热介质回流管72设置有受电控单元33指令控制的电控阀。因此，可以如期望地增加扫气温度的温度，从而增加进入SCR反应器8的废气的温度而不降低扫气压力。 
图11的实施例与图6的实施例基本相同，但还包括用于将热量加入循环通过扫气冷却器18的介质的热交换器。 
在图12的实施例中，发动机在冷却介质供给管40中设置有热交换器80，用于将热量供应给流经冷却介质供给管40的介质。 
虽然已经为了例示的目的具体描述了本申请的教导，但是应理解，这些细节仅用于例示的目的，本领域技术人员可以在不脱离本申请的教导的范围内对其做出各种变化。 
上述实施例可以以任何可能的方式组合以改进发动机的功能。 

Claims (10)

1.一种十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机（1），包括： 
多个汽缸，每一汽缸连接至废气接收器（6）； 
选择性催化还原反应器（8），其入口连接至所述废气接收器（6）的出口； 
排气管（10），其将所述选择性催化还原反应器（8）的出口连接至涡轮增压器的涡轮机（12）； 
所述涡轮增压器的压缩机（14）由所述涡轮机（12）驱动，所述压缩机（14）将扫气经由包括扫气冷却器（18）的扫气路径（16）传送至扫气接收器（22）； 
辅助鼓风机（20），其在所述扫气路径（16）中，用于在低负载条件下辅助所述压缩机（14）； 
所述扫气接收器（22）连接至所述多个汽缸中的每一个； 
可控旁路管线（26），其从所述扫气路径（16）中所述辅助鼓风机下游的一个位置或者从所述扫气接收器（22）延伸至所述排气管（10）中位于所述选择性催化还原反应器（8）的出口与所述涡轮机（12）的入口之间的一个位置； 
电控单元（33），其可操作地连接至所述旁路管线（26），所述电控单元（33）配置为在发动机负载低于预定阈值时或在进入所述选择性催化还原反应器（8）的废气的温度低于给定阈值时，允许扫气流从所述扫气接收器（22）通过所述可控旁路管线（26）流向所述排气管（10）。 
2.如权利要求1所述的十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机，其中，所述排气管（10）包括用于将旁路的扫气与废气混合的三端口混合点（30）。 
3.如权利要求1所述的十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机，其中，所述旁路管线（26）包括阀（28），其用于控制扫气通过所述旁路管线（26）的流动。 
4.如权利要求3所述的十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机，其中，所述阀（28）为开环回路中由所述电控单元（33）控制的开-关型电控阀。 
5.如权利要求3所述的十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机，其中，所述阀（28）为闭环回路中由所述电控单元（33）控制的比例型电控阀。 
6.如权利要求1所述的十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机，还包括临近于所述选择性催化还原反应器（8）的入口的温度传感器（35）。 
7.如权利要求1所述的十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机，其中，所述电控单元（33）能够停用所述扫气冷却器（18）。 
8.如权利要求7所述的十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机，其中，所述电控单元（33）配置为将打开所述旁路管线（26）作为第一措施，并将停用所述扫气冷却器（18）作为第二措施。 
9.如权利要求7所述的十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机，其中，能够通过所述电控单元（33）使所述扫气冷却器（18）转变为加热器。 
10.如权利要求8所述的十字头型大型涡轮增压二冲程内燃机，其中，所述电控单元（33）配置为将使所述扫气冷却器（18）转变为加热器作为第三措施。 
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