CN103370509A - 排气接收器、内燃发动机和用于选择性催化还原的方法 - Google Patents

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Abstract

一种排气接收器（1），所述排气接收器能连接至内燃发动机（14）以接收来自该发动机（14）的排气，所述排气接收器（1）包括接收器室（2）、至少一个排气进口（3）、至少一个排气出口（4，4a，4b）以及还原剂管道（5），所述还原剂管道（5）的至少一部分布置在所述接收器室（2）内以在还原剂与所述排气混合之前加热该还原剂。本发明还涉及一种内燃发动机（14）和一种用于选择性催化还原的方法。

Description

排气接收器、内燃发动机和用于选择性催化还原的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的排气接收器。本发明还涉及如其它独立权利要求的前序部分中所限定的内燃发动机和用于选择性催化还原内燃发动机的排气的方法。
背景技术
船舶和发电厂中的内燃发动机的氮氧化物（NOX）排放日益受到关注并且受到由国际海事组织（IMO）和其他立法机构设定的不断收紧的规定。在一定程度上，由不同规定设定的要求能借助直接涉及发动机的操作（诸如排气再循环、柴油机中的高燃料注入压力、喷水到进气管道中等）的手段来满足。然而，许多用于减少NOx排放的发动机相关措施对燃料效率具有不利影响，并且它们不适于满足最严格的排放限度。对于最终的NOx减少，需要选择性催化还原（SCR），通过SCR，能实现NOX高达90%以上的减少。
在SCR***中，催化剂材料和还原剂被用来将在燃烧期间形成的NOX分解回到基本元素。在典型的SCR***中，催化剂布置在形成反应器内的蜂窝状结构的支承陶瓷材料的表面上。在催化剂的表面上，NOX与用作还原剂的氨反应并且生成氮和水。实际上，为了安全原因常常使用尿素代替氨。这尤其是应用到航海应用中，其中泄漏的氨是特别危险的。尿素被注入水溶液中的排气流中。由于排气的高温，因此水蒸发并且尿素分子分解为氨和二氧化碳。典型的SCR***包括尿素容器，尿素溶液借助于泵送单元从尿素容器被输送。定量给料单元用来供给注入恰当的尿素溶液流量。尿素溶液借助注入单元被注入排气管道中。常常使用的注入单元类型包括两个同轴管，这两个同轴管中的内部同轴管用于尿素溶液，与此同时外部同轴管用于压缩空气，该压缩空气在喷嘴中与尿素溶液混合以形成与排气流混合的细喷雾。另选方案是使用高压尿素注入而没有空气辅助。
为了有效减少NOX并且使尿素使用量最小化，以及为了使通过SCR***的氨泄漏最小化，尿素必须与排气流有效混合。在许多现有技术方案中，通过在尿素注入点和催化元件之间布置相对长的排气管段已确保其充分混合。然而，这为排气***的构造设置了限制。尤其是在船舶中，其中可用空间是有限的，希望的是排气***需要尽可能小的空间。另外，如果催化转化器远离发动机放置，则排气的低温可能对催化转化器的功能带来不利影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的排气接收器，其有利于还原剂与内燃发动机的排气混合。根据本发明的所述排气接收器的表征特征在权利要求1的特征部分中给出。本发明的另一个目的在于提供一种改进的内燃发动机和用于选择性催化还原内燃发动机的排气的方法。根据本发明的所述内燃发动机和所述方法的表征特征在其它独立权利要求的特征部分中给出。
根据本发明，所述排气接收器能连接至内燃发动机以接收来自该发动机的排气，所述排气接收器包括接收器室、至少一个排气进口、至少一个排气出口以及还原剂管道，所述还原剂管道的至少一部分布置在所述接收器室内以在所述还原剂与所述排气混合之前加热所述还原剂。
根据本发明，在用于选择性催化还原内燃发动机的排气的方法中，还原剂与所述发动机的排气混合，并且所述还原剂和所述排气的混合物被引导通过催化元件。在与所述排气混合之前，所述还原剂在排气接收器的接收器室中被加热。
本发明具有若干优点。当还原剂在与排气混合之前在排气接收器中被加热时，即使当混合距离短时也能实现良好混合。SCR***的尺寸和重量因此能被充分地减小。由于该有效混合，因此用于选择性催化还原的催化元件也能布置在涡轮增压器之前。
根据本发明的实施方式，所述排气接收器包括用于将还原剂注入该排气接收器中的装置。如果注入喷嘴与排气接收器成一体，则能实现模块结构。
根据本发明的实施方式，用于注入还原剂的装置布置成将还原剂注入接收器室中。
根据本发明的实施方式，用于注入还原剂的装置布置成将还原剂注入排气进口中。如果用于注入还原剂的装置布置在排气进口中，则混合距离能被最大化。
根据本发明的实施方式，用于注入还原剂的装置借助布置在排气接收器内的第一连接管道连接至还原剂管道。当第一连接管道布置在排气接收器内时，从排气传递到还原剂的热能够被增加。
根据本发明的实施方式，排气接收器包括压力介质管道，所述压力介质管道供应压力介质以有利于还原剂的注入，并且该压力介质管道的至少一部分布置在接收器室内以加热该压力介质。通过使还原剂与例如加压空气混合，则还原剂甚至更好地与排气混合。加压空气的加热有助于蒸发还原剂溶液中的水并且有助于破坏尿素分子。
根据本发明的实施方式，压力介质管道借助布置在排气接收器内的第二连接管道连接至用于注入还原剂的装置。当第二连接管道布置在排气接收器内时，从排气传递到压力介质的热能够被增加。
根据本发明的实施方式，在接收器室内布置有混合室。在该混合室内，还原剂能在被引入接收器室之前与较少量的排气混合。
根据本发明的实施方式，混合室包括通到接收器室中的孔。根据本发明的另一实施方式，排气接收器包括用于将排气引入混合室中的风扇或压缩机。根据本发明的另一实施方式，排气接收器包括用于将还原剂注入混合室中的装置。还原剂和排气能借助混合室和接收器室之间的压差而从混合室通过那些孔被引入接收器室中。风扇或压缩机有利于排气流入混合室中并且也有利于其流出混合室。
根据本发明的实施方式，在接收器室内布置有催化元件。当催化元件布置在接收器室内时，不需要用于催化元件的单独的反应器，并且能获得紧凑的SCR装置。选择性催化还原也能在任何涡轮增压器之前在发动机之后立即发生。
根据本发明的实施方式，排气接收器的排气出口能连接至涡轮增压器。
根据本发明的内燃发动机包括以上限定的排气接收器，该排气接收器被连接至发动机以用于接收来自该发动机的排气。
根据本发明的实施方式，在用于选择性催化还原的方法中，通过将还原剂引导通过还原剂管道来加热该还原剂，该还原剂管道至少部分地布置在排气接收器的接收器室内。
根据本发明的实施方式，还原剂被注入排气接收器的排气进口中。
根据本发明的实施方式，还原剂与排气在布置于接收器室内的混合室中混合。
根据本发明的实施方式，通过压力介质有利于还原剂的注入，并且压力介质在与还原剂混合之前在接收器室中被加热。
根据本发明的实施方式，排气和还原剂的混合物被引导通过布置在接收器室内的催化元件。
附图说明
图1示出了具有排气接收器的内燃发动机。
图2示出了根据本发明的实施方式的排气接收器。
图3示出了根据本发明的另一实施方式的排气接收器的局部剖视图。
图4示出了根据本发明的第三实施方式的排气接收器的局部剖视图。
图5示出了根据本发明的第四实施方式的排气接收器的局部剖视图。
图6示出了根据本发明的第五实施方式的排气接收器的局部剖视图。
图7示出了根据本发明的第六实施方式的排气接收器的局部剖视图。
图8示出了根据本发明的第七实施方式的排气接收器的剖视图。
图9示出了根据本发明的第八实施方式的排气接收器的剖视图。
图10示出了根据本发明的第九实施方式的排气接收器的剖视图。
具体实施方式
现在参照附图更详细地描述本发明的实施方式。
图1中示出了内燃发动机14，该发动机14设置有用于接收来自该发动机的排气的排气接收器1。该排气接收器1布置在发动机14的顶部上，使得排气接收器1的纵向轴线平行于发动机14的纵向轴线。图1的发动机14是大型二冲程内燃发动机，其包括直列布置的七个汽缸。然而，本发明不限于二冲程发动机或者不限于具有某一汽缸构造或数量的发动机，而是也能应用于四冲程发动机并且例如应用于其中汽缸布置成V形构造的发动机。尽管本发明在与船舶发动机一起使用时特别有利，但是它也可以例如应用于在发电厂使用的发动机。发动机14设置有两个涡轮增压器15a、15b，这两个涡轮增压器连接至排气接收器1的排气出口4a、4b。排气出口4和涡轮增压器15的数量例如能基于发动机14中的汽缸的数量而变化。图1中示出了两个涡轮增压器15a、15b，这两个涡轮增压器并联地布置，但是发动机14也可以设置有二级涡轮增压，其中两个涡轮增压器串联地布置。
在图2至图10中示出了根据本发明的不同实施方式的排气接收器1。排气接收器1包括长形筒状接收器室2、排气进口3和排气出口4。在附图的实施方式中，排气进口3的数量等于发动机14的汽缸的数量。然而，其它布置也是可行的。代替针对发动机14的每个汽缸具有一个排气进口3，发动机14的汽缸可以连接至共用管道，该共用管道连接到排气接收器1的一个或多个排气进口3。另选地，例如在V形发动机中，该发动机可以针对发动机的每个缸排设置有一个排气接收器1，并且两个排气接收器1将针对发动机的相应缸排的每个汽缸包括一个排气进口3。
为了有利于在选择性催化还原之前还原剂与发动机14的排气的混合，还原剂在与排气混合之前在排气接收器1中被加热。还原剂例如能是氨，该氨以尿素-水溶液的形式被输送。为了加热还原剂，还原剂管道5的一部分布置在排气接收器1的接收器室2内。当还原剂在接收器室2内的还原剂管道5中流动时，热的排气加热还原剂。还原剂管道5的位于接收器室2内的部分的长度被选择成使得获得还原剂的足够温度。所需的温度例如取决于还原剂的类型以及还原剂注入点和催化元件之间的距离。所获得的温度例如取决于还原剂的流速和接收器室2中的排气温度。
还原剂通过喷嘴8被注入排气接收器1中。在图2至图8的实施方式中，还原剂被注入排气接收器1的排气入口3中。在图9的实施方式中，还原剂被注入排气接收器1的接收器室2中。在图10的实施方式中，还原剂被注入混合室9中。混合室9布置在接收器室2内并且与接收器室2通过壁10分开。混合室9也可以是位于排气接收器1外的单独腔室。混合室9的壁10设置有孔11，与排气混合的还原剂通过这些孔能被引入接收器室2中。排气接收器1能设置有风扇或压缩机，该风扇或压缩机用来将排气引入混合室9中。当发动机14的排气的一部分与被预热的还原剂一起被引入混合室9中时，还原剂的温度进一步升高。
为了进一步有利于还原剂与排气的混合，还原剂与加压空气能在喷嘴8中混合。加压空气通过压力介质管道6被引入喷嘴8中。而且压力介质管道6能部分地布置在排气接收器1的接收器室2内，如图3、图5以及图7至图10所示。喷嘴8借助第一连接管道12连接至还原剂管道5并且借助第二连接管道13连接到压力介质管道6。在图7至图10的实施方式中，每个喷嘴8均借助它们自身的连接管道12、13连接至还原剂管道5和压力介质管道6。在图2以及图4至图6的实施方式中，喷嘴8连接至还原剂分布管道16并且连接至压力介质分布管道17。连接管道12、13能布置在排气接收器1内，如图8至图10所示，或者至少部分地布置在排气接收器1外，如图7所示。如果连接管道12、13布置在排气接收器1内，则还原剂和加压空气的温度能比其中连接管道12、13位于接收器室2外的布置升高得多。分布管道16、17和连接管道12、13在它们布置在排气接收器1外的情况下能被隔离。
在图3的实施方式中，还原剂管道5和压力介质管道6连接到位于排气接收器1外的气体发生器18。在气体发生器18中，还原剂和压力介质混合。压力介质可以是空气或一些其它气体，诸如来自发动机14的排气。还原剂和压力介质从气体发生器18被引入供给管道19中，混合物在供给管道中蒸发。供给管道19位于排气接收器1外并且容纳喷嘴8，这些喷嘴用来将还原剂注入排气接收器1的排气进口3中。在该实施方式中，绕供给管道19布置有绝缘层。供给管道19也可以布置在接收器室2内。
根据本发明的实施方式，在接收器室2内布置催化元件7，如图3至图10中能看到的。通过该布置，对于催化元件7不需单独的反应器，并且整个SCR过程在排气接收器1内发生。另选地，催化元件7可以布置在单独的反应器中，该单独的反应器靠近排气接收器1定位。
在图4和图5的实施方式中，SCR装置设置有泵送单元20，该泵送单元使接收器室2内的还原剂循环，从而将还原剂保持在最佳温度。图5中还示出了控制空气管道21，该控制空气管道用来供应加压空气以打开定量给料阀，该定量给料阀控制还原剂的注入。
本领域技术人员将理解的是，本发明不限于上述实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内变化。例如，不同实施方式的特征可以被结合。

Claims (20)

1.一种排气接收器（1），所述排气接收器能连接至内燃发动机（14）以接收来自该发动机（14）的排气，所述排气接收器（1）包括接收器室（2）、至少一个排气进口（3）以及至少一个排气出口（4，4a，4b），所述排气接收器的特征在于，所述排气接收器（1）包括还原剂管道（5），并且所述还原剂管道（5）的至少一部分布置在所述接收器室（2）内以在还原剂与所述排气混合之前加热该还原剂。
2.根据权利要求1所述的排气接收器（1），其特征在于，所述排气接收器（1）包括用于将还原剂注入所述排气接收器（1）中的装置（8）。
3.根据权利要求2所述的排气接收器（1），其特征在于，用于注入还原剂的所述装置（8）布置成将所述还原剂注入所述接收器室（2）中。
4.根据权利要求2所述的排气接收器（1），其特征在于，用于注入还原剂的所述装置（8）布置成将所述还原剂注入所述排气进口（3）中。
5.根据权利要求3或4所述的排气接收器（1），其特征在于，用于注入还原剂的所述装置（8）借助布置在所述排气接收器（1）内的第一连接管道（12）连接至所述还原剂管道（5）。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的排气接收器（1），其特征在于，所述排气接收器（1）包括压力介质管道（6），所述压力介质管道供应压力介质以有利于所述还原剂的注入，并且所述压力介质管道（6）的至少一部分布置在所述接收器室（2）内以加热所述压力介质。
7.根据权利要求6所述的排气接收器（1），其特征在于，所述压力介质管道（6）借助布置在所述排气接收器（1）内的第二连接管道（13）连接至用于注入还原剂的所述装置（8）。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的排气接收器（1），其特征在于，在所述接收器室（2）内布置有混合室（9）。
9.根据权利要求8所述的排气接收器（1），其特征在于，所述混合室（9）包括通到所述接收器室（2）中的孔（11）。
10.根据权利要求8或9所述的排气接收器（1），其特征在于，所述排气接收器（1）包括用于将排气引入所述混合室（9）中的风扇或压缩机。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的排气接收器（1），其特征在于，所述排气接收器（1）包括用于将还原剂注入所述混合室（9）中的装置（8）。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的排气接收器（1），其特征在于，在所述接收器室（2）内布置有催化元件（7）。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的排气接收器（1），其特征在于，所述排气接收器（1）的所述排气出口（4，4a，4b）能连接至涡轮增压器（15a，15b）。
14.一种内燃发动机（14），所述发动机的特征在于，所述发动机（14）包括根据权利要求1至13中的任一项所述的排气接收器（1），所述排气接收器（1）连接到所述发动机（14）以接收来自该发动机（14）的排气。
15.一种用于选择性催化还原内燃发动机（14）的排气的方法，在该方法中，还原剂与所述发动机（14）的排气混合，并且所述还原剂和所述排气的混合物被引导通过催化元件（7），所述方法的特征在于，所述还原剂在与所述排气混合之前在排气接收器（12）的接收器室（2）中被加热。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，通过将所述还原剂引导通过还原剂管道（5）来加热该还原剂，所述还原剂管道至少部分地布置在所述排气接收器（2）的所述接收器室（2）内。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述还原剂被注入所述排气接收器（2）的所述排气进口（3）中。
18.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述还原剂在混合室（9）中与所述排气混合，所述混合室布置在所述接收器室（2）内。
19.根据权利要求15至18中的任一项所述的方法，其特征在于，所述还原剂的注入借助压力介质而变得方便，并且所述压力介质在与所述还原剂混合之前在所述接收器室（2）中被加热。
20.根据权利要求15至19中的任一项所述的方法，其特征在于，所述排气与所述还原剂的混合物被引导通过布置在所述接收器室（2）内的催化元件（7）。
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