CN105756759B - 用于固定式内燃机的催化装置和包括催化装置的配置*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于固定式内燃机的催化装置和包括催化装置的配置***。所述用于固定式内燃机的催化装置包括：至少一个用于在支座上立式安装催化装置的托架，至少一个能够可拆式设置在催化装置的壳体中的催化剂基底，其中，所述催化剂基底具有以cpsi为单位至少50cpsi、优选大于100cpsi且小于350cpsi、优选小于300cpsi的蜂窝密度.借此，在保持现有结构空间的情况下加装带有该催化装置的废气后处理设备简单易行.另外，本发明提出的至少一个固定式内燃机与至少一个催化装置的配置***是特别紧凑的。

Description

用于固定式内燃机的催化装置和包括催化装置的配置***
技术领域
本发明涉及一种用于固定式内燃机的催化装置。此外，本发明还涉及一种包括至少一个固定式内燃机和至少一个催化装置的配置***。
背景技术
为了遵守排放限值，内燃机通常配备有废气后处理设备，该废气后处理设备通过化学-物理过程将含在废气中的有害物质减少至允许的数值标准。
尤其是固定式内燃机(如其通常例如应用于分散式产生流体)往往具有昂贵的废气后处理设备，用以减少炭黑/尘垢(英文是particulate matter，PM)、未燃尽的碳氢化合物(英文是unburned hydrocarbons， HC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的排放。为了分离炭黑/尘垢，大多情况是使用过滤器，为了减少HC、CO、NOx以及可能存在的其它可化学转换物质，而使用催化装置。
出于经济原因，用于固定式内燃机的废气后处理设备总是设计为针对眼前需遵守的限值。由现有技术已知的解决方案的缺点是：在日后例如法规制定者提出严格强化限值的情况下，通常必须要从根本上更改这种设备。
US 2014/0178263 A1示出了一种仅可应用于柴油发动机的所示紧凑构造型式的催化装置。其中提出了用于还原剂的喷射装置(BZ：152)，该喷射装置设置在催化装置内部。
由文献DE 199 21 263 A1和EP 1 367 233 A2披露了具有极高蜂窝密度的催化装置，这种形式的催化装置仅能应用在移动式使用场合中，而不能应用于固定式内燃机，因为在固定式内燃机中压降会过大。
由文献DE 10 2008 043 726 A1披露了一种同类型的配置***，其中示出了例如大致在废气管/排气管中心具有相对轴线方向斜置定向的喷嘴的喷射装置。该选型仅在选择氨作为还原剂时才起作用，而不能应用于选择双料/二元还原剂的情形，例如混合有空气的尿素溶液，因为二元还原剂会撞击到排气管壁上。
US 2015/0247438 A1示出了一种催化装置，其中，上下堆叠着大量的板式催化器。如果出现压力脉动或压力峰值，则会发生单个或多个板式催化器沿废气流方向移动的情形。
发明内容
本发明的一个任务在于，提出一种用于固定式内燃机的催化装置，所述催化装置使得在保持现有结构空间的情况下加装带有该催化装置的废气后处理设备简单易行。
本发明的另一任务在于，提出至少一个固定式内燃机与至少一个催化装置的一种配置***，该配置***是特别紧凑的，亦即节省位置空间。
上述任务通过根据本发明的催化装置及根据本发明的配置***得以解决。
具体而言，本发明提供一种用于固定式内燃机的催化装置，包括：至少一个用于在支座上立式安装催化装置的托架，至少一个能够可拆式设置在催化装置的壳体中的催化剂基底，其特征在于，所述催化剂基底具有以cpsi为单位至少50cpsi、优选大于100cpsi且小于350cpsi、优选小于300cpsi的蜂窝密度。
本发明还提供一种配置***，包括：至少一个设计为燃气发动机的固定式内燃机，至少一个用于对所述至少一个内燃机的废气流的未预处理废气进行废气后处理的催化装置(尤其是如上所述的催化装置)，至少一个在所述内燃机下游设置在该内燃机的废气流中的废气涡轮机，至少一个用于喷射所述至少一个催化装置所用的还原剂的喷射装置，其特征在于，所述至少一个喷射装置设置在所述至少一个废气涡轮机的下游并且在所述至少一个催化装置的上游。
由于催化剂基底具有以cpsi为单位至少50cpsi、优选大于100 cpsi的蜂窝密度(Zellendichte，单元密度)，故而可以实现特别紧凑的结构形式。由于蜂窝密度的值小于350cpsi、优选小于300cpsi，故而杜绝了在固定式内燃机中出现过大的压降。
上述单位cpsi(cells per square inch(每平方英寸单元数))通常用于就其蜂窝密度来表示催化剂基底的特征。同样，通过每英寸单元数 (cells per inch，cpi)进行描述也是适宜的。专业人员熟知在了解了蜂窝 /单元横截面形状时便可进行单位换算。
对于固定式使用场合的异乎寻常地高的蜂窝密度选择允许实现一种与现有技术相比得以缩短的结构形式。
这种高的蜂窝密度促成了大的表面，附加带有提高的涡流作用，这样同时有助于导致减小的必要结构空间。
优选可以规定：催化剂基底至少主要、优选地完全是金属的。使用金属催化剂基底的特别优点在于：在框架和基底之间不出现热应力，因为两部件在其热膨胀系数方面是匹配的。
尤其优选可以规定：催化剂基底以多个基底组块的形式设置在壳体中。
已证实尤其有利的是：各基底组块在其装入位置中彼此相叠地可拆式相互连接并且彼此间气密地密封，优选通过形状锁合式连接机构。
优选可以规定：所述形状锁合式连接机构构造为连接轨条的形式，该连接轨条可以挂装于设置在催化装置壳体内的框架中。
在连接轨条中设置基底组块的特殊优点在于：在不用附加密封剂的情况下，仅仅通过基底组块的自重和适当的公差选择便保证了各基底组块侧面的密封。
上述框架(基底组块挂装于其中)的特殊优点在于：对于不同深度的基底组块，可以使用相同的框架。例如，可以提供要求较大长度催化器的使用情形。于是，所述框架也提供了挂装各不同尺寸的基底组块的可能性。
在根据本发明的实施例中，可以规定：使各基底组块支承在一个框架上，该框架本身与催化装置的壳体固定连接。这就避免了压力脉动或压力峰值对基底组块的负面影响。例如，如果有压力冲击，并且各基底组块只是上下堆叠在一个共同的壳体内，则可能会发生单个或多个基底组块沿废气流方向移动的情形。
优选可以规定：基底组块为直角平行六面体形。
可以规定：基底组块设计为具有至少各一个用于联接提升装置的耦接位置，优选为凹口。所述耦接位置使得可以通过联接一提升装置来提升和放置基底组块。这样便允许安全地进行搬运操作并且避免损伤基底组块。
尤其有利的是，所述催化装置用于选择性催化还原，亦即作为SCR 催化器。开头所述及的加装废气后处理设备之情况尤其可能由于严格强化氮氧化物限值而引起。本发明通过催化装置以及配置***的紧凑结构形式，使得加装带有SCR催化器的废气后处理设备简便易行。
所述催化装置可以设计为SCR催化器、氧化催化器或氨逃逸催化器。
所述催化装置并不局限于用于选择性催化还原(英文为selective catalyticreduction，SCR)的催化器，而是也可用于氧化催化器。
SCR催化器在有还原剂、通常是尿素溶液参与的情况下将氮氧化物转化为氮气。
氧化催化器典型地用于减少一氧化碳(CO)和未燃尽的碳氢化合物 (unburnedhydrocarbons，HC)。
当然，针对于相应的任务，要对催化剂基底加以选择。因此，用于上述任务的催化剂基底例如在其涂覆方面有所不同。
在氧化催化器的情况下，蜂窝密度可以采取更大的数值，例如400 cpsi。
根据本发明，所述配置***的内燃机设计为固定式燃气发动机。
关于所述配置***，优选规定：所述至少一个喷射装置设置在所述至少一个废气涡轮机的下游并且在所述至少一个催化装置的上游。
尤其可以优选规定：所述至少一个喷射装置设置在至少一个***的上游。
这样可以实现一种特别紧凑的配置***(设置结构)，因为在下游连接的管道和可能存在的***用作为还原剂的混合路段。
可以规定：喷射装置优选设计为双料喷射装置(双料喷嘴，双料喷枪)，其包括形式上为液态还原剂溶液、优选尿素溶液的第一种物料和形式上为空气的第二种物料。
可以规定：设有至少两个在流动技术上平行布置的废气涡轮机，并且所述至少一个喷射装置在所述至少两个废气涡轮机的下游设置在集流管的废气流中。这种变型方案描述了下述情况，即喷射装置位于废气流中从各废气涡轮引出的各废气管的合并处的后面。
可以规定：设有至少两个在流动技术上平行布置的废气涡轮机，并且，或是仅在其中一个废气涡轮机的废气流中设置一个喷射装置或是在所述至少两个废气涡轮机的每一废气涡轮机的废气流中分别设置至少一个喷射装置。这种变型方案描述了下述情况，即喷射装置设置在一个单独的废气涡轮机的废气流中，或者设置在多个单独的废气涡轮机的各相应废气流中。换而言之，喷射装置在这里是位于一个将各相应废气流合并起来的集流管的上游。
优选可以规定：废气流在废气管中引导，该废气管至少具有一个弯曲区段，其中，所述至少一个喷射装置设置在该废气管的所述至少一个弯曲区段的上游。
优选可以规定：在所述至少一个弯曲区段中，在喷射装置的喷射方向上设置一个偏转装置，优选为折流板。
还原剂在废气管的弯曲区段上游喷射(在该弯曲区段中设有一个偏转装置，优选为折流板)已被证实是特别有利的，因为还原剂在偏转装置上会比它正常情况下在废气管的弯曲区段中蒸发得更加迅速。另外有利的是：偏转装置减少或者避免了由于相对较冷的还原剂碰到被废气加热的废气管上而引起的热冲击/温度突变。
优选可以规定：废气流在废气管中引导，该废气管具有至少一个向下游扩宽的锥形区段，其中，在所述锥形区段中设置所述至少一个喷射装置，并且优选所述锥形区段紧接所述至少一个废气涡轮机的下游设置。
还原剂在废气管的锥形区域的扩宽区段内喷射已被证明对于还原剂与废气的充分混合尤其有利。
独立于此或者作为辅助支持措施，对于充分混合有益的是，优选规定：喷射装置的设置位置这样地靠近于至少一个涡轮增压器，使得通过该涡轮增压器给予废气流的残余涡旋帮助所喷射的还原剂和该废气流的混合。
此外，上述残余涡旋还有这样的优点，即阻止所喷射的还原剂碰撞到废气管壁上-如同一个防护层那样。
优选规定：喷射装置在废气管中是沿轴向定向的并且优选至少近似居于中心设置。这样可以防止所喷射的还原剂撞击到废气管壁上。如果设定这项措施，结合将喷射装置设置得靠近于涡轮增压器而使上述残余涡旋仍存在，则该残余涡旋还起到了用于所喷射还原剂的聚焦机构的作用。为了防止由于喷射装置靠近涡轮增压器设置而导致形成回流，在涡轮增压器和喷射装置之间设置一个流体导向装置(例如形式上为板或管) 会是有利的。
在催化装置前面，可以设置一个流体均分装置，例如形式上为孔板。
附图说明
下文将通过附图详细阐释本发明。
其中图示的是：
图1催化装置透视图，
图2a至图2d 催化装置的结构细部，
图3包括催化装置的配置***透视图，
图4根据第一个实施例的配置***，
图5根据第二个实施例的配置***，以及
图6a至图6c 催化装置通流的变型方案
图7a和图7b 催化装置通流的其它变型方案
图8a至图8c 催化装置气流示意图
图9废气管的细部
具体实施方式
图1示出了催化装置5透视图。壳体52在这里是直角平行六面体形的板材结构，其中，催化剂基底51被设置为自体催化反应的载体。从圆形开口(通过该圆形开口，废气能流入催化单元5或流出催化单元 5的)可以观察到构造结构。
催化剂基底51以基底组块的形式制备而成。各基底组块53通过形状锁合式连接机构54相互连接。所述形状锁合式连接机构54在此设计为连接轨条的形式。基底组块53由连接轨条保持就位并且相互间密封。尤其有利的是这种变型方案，在该变型方案中，基底组块侧面的密封在无需附加密封剂的情况下仅仅通过基底组块的自重和适当的公差选择得到保证。此外，催化装置5还具有一个托架55，通过该托架能安装催化装置5。在固定式应用场合中，催化装置5的安装通常以立位进行。
图2a以纵剖视图示出图1的细部A。可以看出能够接纳基底组块 53的形状锁合式连接机构54。
图2b示出了基底组块53、形状锁合式连接机构54(这里是连接轨条的形式)以及框架56的分解视图。可以看出：基底组块53如何能够通过形状锁合式连接机构得以固定保持，以及接着，基底组块53的组合装配结构如何能够借助形状锁合式连接机构54得以挂装于框架 56中。
图2c示出了基底组块53的透视图。可以看出在基底组块53侧面的耦接位置57(细部B)。
图2d相应于图2c中的细部B示出了耦接位置57。该耦接位置 57允许安全可靠地提升和定位基底组块53。
在图3中可以看到根据发明的配置***的实施例的透视图。内燃机 1与两个并联的废气涡轮机2、2’相连，在废气涡轮机后面设置着废气管10的锥形区段13。喷射装置3将还原剂喷入锥形区段13。在此之后，废气管10具有一个带有集成的偏转装置12(在这个视图中不可见) 的弯曲区段11。在其上连接着通入***4的集流管14。在***4 后面可以看到催化装置5的壳体52。废气流动方向通过加粗的黑色箭头标识。这个实施例中的催化装置5使废气180度转向。在下游后接着两个废气热交换器和用于导出经处理的废气的烟囱8。
图4示出了按第一个实施例的带有催化装置5的配置***。在这种情况下，在内燃机1的废气流中设有两个平行布置的废气涡轮机2、 2’。废气通过废气管10进行引导。喷射装置3在此设置在一个单独的废气涡轮机2的废气流中。喷射装置3通过控制(即开环控制)/调节 (即闭环控制)装置9进行操控。
在废气涡轮机2、2’的下游，后接着第一个***4和催化装置5。在催化装置5后面设有一个废气热交换器6，废气从该废气热交换器继续通过终端***7导向烟囱8。在一种变型方案中，可以在每个废气涡轮机2、2’后面设置一个单独的喷射装置3。
图5示出了根据第二个实施例的内燃机1连同催化装置5的配置***。正如在前一实施例中那样，这里也设有两个平行布置的废气涡轮机2、2’。然而，喷射装置3在这里是位于废气涡轮机2、2’后面各个单独废气管合并处后面的一个集流管14中。在其它方面，图5的配置***的构造结构与图4的实施例相似。
图6a至图6c示出了催化装置5的气流变型方案的俯视图。废气的流动方向通过黑色箭头标识。
在根据图6a的变型方案中，废气经由端面流入壳体52中，流过第一个基底组块53，被转向，并通过另一基底组块53再在进入侧流出。这种设置方式尤其适合于不能实现直线型流动路径的结构条件。根据这种变型方案的带有催化装置5的排气设备的外尺寸可以特别紧凑。
在根据图6b的变型方案中，废气通过前端面流入壳体52中，并且在后侧再流出。基底组块53呈对角斜式安装，由此，与直角正交的气流(迎流)相比获得了基底组块53的增大的气流(迎流)面积。虚线箭头表明：以相同的壳体52可以实现通流的其它变型方案。这样，可以按该变型方案的一种变化实现废气流转向90度。
根据图6c的变型方案示出了两个前后串联的基底组块53的情况。正如像已经说明的那样，壳体52与框架56(在这里未示出)一起，可以实现催化装置5的一种模块化结构。
正如通过虚线表示的那样，各个单独的基底组块53也可以在气流方向上构造得更深，因为在壳体52中始终还保留有足够的结构空间。
视应用情况所需，于是可以串联设置例如多个基底组块53，而对壳体52不必有所改变。
图7a和图7b示出了催化装置5的气流的另一变型方案，在此，图7a示出侧视图，图7b示出同一实施例的前视图。正如在图7a中看到的那样，废气流入在这里竖放配置的壳体52中，向下并转向90 度，然后再离开壳体52。图7a中的虚线圆圈示出了从壳体离开的排出口。在此，排出口是在背面，亦即无法看到，因此表示为虚线。
图7b示出了该变型方案的前视图。
在此，也可以设想一种变化，即废气转向180度并且在气流流入(迎流)的同一层面流出。
图8a至图8c示出了上文讨论的催化装置5气流的变型方案示意图。
根据图7a的说明，废气通过催化装置5的前侧流入并经后侧流出。
根据图8b的变型方案示出下述情况：废气经由催化装置5的侧面流入，并经由该催化装置5的处于下游的端面再流出。
图8c示出了下述变型方案：在这种变型方案中，废气经由催化装置5的一个侧面流入，并且也经由该催化装置5的一个侧面再流出。
图9以剖视示出了废气管10的细部。可以看出废气管10的弯曲区段11，在该弯曲区段中设置了一个偏转装置，其在这里设计为折流板。在废气从废气涡轮机(2、2’)的出口之后的废气管10锥形区段13中设置了一个用于喷射还原剂的喷射装置3。
偏转装置12促使通过喷射装置3喷入的还原剂特别迅速地蒸发。另外有利的是，偏转装置12减少或者避免了由于相对较冷的还原剂碰到被废气加热的废气管10上而引起的热冲击/温度突变。
在图示的配置***中还有利的是：通过废气涡轮机2、2’给予废气流的残余涡旋帮助所喷射的还原剂和废气流的混合。
附图标记列表
1 内燃机
2、2’ 废气涡轮机
3 喷射装置
4 ***
5 催化装置
6 废气热交换器
7 终端***
8 烟囱
9 控制/调节装置
10 废气管
11 废气管的弯曲区段
12 偏转装置，折流板
13 废气管的锥形区段
14 集流管
51 催化剂基底
52 壳体
53 基底组块
54 形状锁合式连接机构
55 托架
56 框架
57 耦接位置

Claims (26)

1.配置***，包括：
至少一个设计为燃气发动机的固定式内燃机(1)，
至少一个用于对所述至少一个固定式内燃机(1)的废气流的未预处理废气进行废气后处理的催化装置(5)，
至少一个在所述至少一个固定式内燃机(1)下游且设置在所述至少一个固定式内燃机(1)的废气流中的废气涡轮机(2，2’)，
至少一个用于喷射所述至少一个催化装置(5)所用的还原剂的喷射装置(3)，
至少一个消音器(4)，
至少一个废气管(10)，所述至少一个废气管(10)设置为引导废气流，并且所述废气管(10)具有至少一个向下游扩宽的锥形区段(13)，
所述至少一个喷射装置(3)设置在所述至少一个废气涡轮机(2，2’)的下游并且在所述至少一个催化装置(5)的上游，
所述至少一个喷射装置(3)设置在至少一个所述消音器(4)的上游，
所述至少一个喷射装置(3)设置在所述锥形区段(13)中，所述喷射装置(3)的设置位置靠近于所述至少一个废气涡轮机(2，2’)，使得通过所述至少一个废气涡轮机(2，2’)给予废气流的残余涡旋帮助所喷射的还原剂和该废气流的混合，
所述催化装置(5)包括：
至少一个用于在支座上立式安装催化装置(5)的托架(55)，
至少一个能够可拆式设置在催化装置(5)的壳体(52)中的催化剂基底(51)，
所述催化剂基底(51)具有以cpsi为单位至少50cpsi且小于350cpsi的蜂窝密度。
2.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，所述催化剂基底(51)至少主要是金属的。
3.根据权利要求1或2所述的配置***其特征在于，所述催化剂基底(51)以多个基底组块(53)的形式设置在所述壳体(52)中。
4.根据权利要求3所述的配置***，其特征在于，各基底组块(53)彼此相叠地可拆式相互连接并且彼此间气密地密封。
5.根据权利要求4所述的配置***，其特征在于，各基底组块(53)通过形状锁合式连接机构(54)彼此相叠地可拆式相互连接并且彼此间气密地密封。
6.根据权利要求5所述的配置***，其特征在于，所述形状锁合式连接机构(54)构造为连接轨条的形式，该连接轨条能挂装于设置在所述催化装置(5)的壳体(52)内的框架(56)中。
7.根据权利要求3项所述的配置***，其特征在于，所述基底组块(53)为直角平行六面体形。
8.根据权利要求3所述的配置***，其特征在于，所述基底组块(53)具有至少各一个用于联接提升装置的耦接位置(57)。
9.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，所述催化装置(5)设计为SCR催化器、氧化催化器或氨逃逸催化器。
10.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，其中，所述喷射装置(3)包括形式上为液体还原剂溶液的第一种物料和形式上为空气的第二种物料。
11.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，设有至少两个在流动技术上平行布置的废气涡轮机(2，2’)，并且所述至少一个喷射装置(3)在所述至少两个废气涡轮机(2，2’)的下游设置在集流管(14)的废气流中。
12.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，设有至少两个在流动技术上平行布置的废气涡轮机(2，2’)，并且，或是仅在其中一个废气涡轮机(2，2’)的废气流中设置一个喷射装置(3)或是在所述至少两个废气涡轮机(2，2’)的每一废气涡轮机的废气流中分别设置至少一个喷射装置(3)。
13.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，所述废气管具有至少一个弯曲区段(11)，其中，所述至少一个喷射装置(3)设置在该废气管(10)的所述至少一个弯曲区段(11)的上游。
14.根据权利要求13所述的配置***，其特征在于，在所述至少一个弯曲区段(11)中，在所述喷射装置(3)的喷射方向上设置有偏转装置(12)。
15.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，所述锥形区段(13)紧接所述至少一个废气涡轮机(2，2’)的下游设置。
16.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，废气流能够在所述壳体(52)内部转向。
17.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，所述喷射装置在废气管中是沿轴向定向的并且至少近似居于中心设置。
18.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，所述催化剂基底(51)具有以cpsi为单位至少50cpsi且小于300cpsi的蜂窝密度。
19.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，所述催化剂基底(51)具有以cpsi为单位大于100cpsi且小于350cpsi的蜂窝密度。
20.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，所述催化剂基底(51)具有以cpsi为单位大于100cpsi且小于300cpsi的蜂窝密度。
21.根据权利要求1所述的配置***，其特征在于，所述催化剂基底(51)完全是金属的。
22.根据权利要求8所述的配置***，其特征在于，所述耦接位置(57)为凹口。
23.根据权利要求10所述的配置***，其特征在于，所述喷射装置构造为双料喷射装置。
24.根据权利要求10所述的配置***，其特征在于，所述液体还原剂溶液为尿素溶液。
25.根据权利要求14所述的配置***，其特征在于，所述偏转装置(12)为折流板。
26.根据权利要求16所述的配置***，其特征在于，废气流能够在所述壳体(52)内部转向180度。
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