专利名称：具有选择性催化还原反应器的大型增压柴油发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大型增压柴油发动机，比如船的主发动机，其装
配有用于去除NOx (氮氧化物)净化排气的SCR (选择性催化还原) 反应器。
背景技术：
公众对环境问题的意识快速增加。IMO(国际海事组织)内部目 前在讨论关于在海上采用空气污染形式的排放限制。世界各地的权威 人士也在采取类似措施。 一个例子是当前正在讨论的EPA (美国环保 署)章程。
排气中的NOx能够以主和/或次还原方法还原。主方法为直接影响 发动机燃烧过程的方法。实际还原程度取决于发动机类型和还原方法， 但是从10%变化至超过50%。次方法为使用没有形成发动机本身的 部件的装置，在没有从其燃料优化设定改变发动机性能的前提下降低排 放级别的手段。迄今为止最成功的次方法是去除NOx的SCR (选择性 催化还原)方法。此方法使得有可能通过在排气ii^催化转换器之前将 氨或尿素添加到排气，以将NOx级别降低超过950/。。
SCR反应器包含若干层催化剂。催化剂体积以及因此的反应器的尺 寸取决于催化剂的活性、所需的期望NOx还原程度。催化剂通常具有整 体结构，这意味着其由具有大量的平行通道的多块催化剂组成，其壁具 有催化活性。
排气在SCR反应器的入口处的温度必须至少为280-350'C——取决 于燃料含硫量，即，高含硫量需要高的温度而低含硫量需要低的温度 ——以有效地将NOx转化为N2 (氮气)和H20 (水)。
在涡轮增压器的涡轮的高压侧的排气的温度为大约350-450。C,而
4在涡轮增压器的涡轮的低压侧的排气的温度通常为大约250-350。C。
因此，利用HFO (重燃料油)运转的已知大型两冲程柴油发动机已 在涡轮增压器的涡轮的高压侧装配有SCR反应器。然而,在涡轮的高 压侧的SCR反应器的结构由于这样的事实而非常复杂:这些反应器包 括非常大的管子和容器，所述管子和容器必须能够抵抗大约4巴(bar) 的压力，并暴露于大约20。C至400'C之间的温度变化。热膨胀和固定已 造成大的设计问题。
为了避免这些问题，已建议将SCR反应器移至涡轮增压器的涡轮 的低压侧。
与传统发动机中的250。C相比，现有技术水平的具有为组合循环运 转准备的总燃料效率高的发动机系统——即所谓的"热"发动机——在 涡轮增压器的涡轮的低压侧的排气温度大约为2卯-300'C的温度情况下 运转。"热"发动机中的排气温度增加是通过改变排气门的打开正时和涡 轮增压器的匹配来实现。此变化造成发动机本身的效率从大约50%下降 到大约48.7%。为了补偿发动机效率下降，已知采用在涡轮增压器涡轮 下游或在SCR反应器下游驱动蒸汽涡轮的排气加热式蒸气锅炉来回收 排气中的部分能量。由排气锅炉提供的蒸汽来驱动的蒸汽发生器产生的 能量的量大约U动机在曲轴处的输出的7.7%。此外，涡轮增压器的 涡轮从较热的排气接W目当多的能量。然而，涡轮增压器不需要额外的 能量。在"热"发动机中，高压侧的排气的额外能量也被加以使用。这是 通过如下方式来完成的经由传动装置将涡轮增压器的轴与发电机连 接，或者在涡轮增压器涡轮的高压侧分支一部分排气并使用排气的分支 部分来驱动与发电机连接的动力涡轮(燃气轮机)。由动力涡轮驱动的 发电机所产生的能量的量大约是发动机在曲轴处的输出的4.4%。因此， "热"发动机的总体燃料效率为
48.7+ ((7.7+4.4) *0.487) =54.6%。
然而，即使是在"热，，发动机中，排气的温度也不足以将SCR反应 器设置在涡轮的低压侧。为了能够将SCR反应器设置在涡轮增压器的 涡轮的低压侧，离开涡轮的排气的温度必须从2卯-300'C增加到大约 330'C。这可通过诸如燃烧器之类的燃烧单元来完成。然而，借助于燃 烧器使温度升高40。C将引起发动机的总体燃料消耗增加4.6% (额外的4.6%的燃料在燃烧单元中燃烧)。部分这种额外能量可由SCR反应器下 游的排气加热式锅炉和蒸汽涡轮中大约25。/。的效率来弥补。由于在涡轮 增压器涡轮的低压侧的排气温度增加，蒸汽涡轮的输出将M动机输出 的7.7%上升至10.8% (在蒸汽涡轮的效率为27.9%的情况下)。具有下 游SCR反应器的系统的总体效率为
(48. 7+ ((10. 8 + 4. 4) * 0. 487) /1.046=53.60/0。
因此，与SCR反应器在涡轮增压器涡轮的高压侧相比，整体燃料 效率将从54.5%下降至53.5%。此类燃料效率的降低是极不符合要求的， 并且将湮灭近年来燃料效率的大部分进步。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种具有高燃料效率的大型两冲程柴 油发动机，其具有在涡轮增压器的涡轮的低压侧的SCR反应器。此 目的根据权利要求1通过一种大型增压柴油发动机实现，该发动机包 括涡轮增压器，其具有排气驱动的涡轮和由涡轮驱动以将增压空气 供应到发动机的气缸的压缩机；第一排气导管，其将排气从气缸引导 到涡轮的入口； SCR转换器，其需要进入SCR转换器的排气具有最 低温度，以便有效地将排气中的NOx还原为]\2和1120;第二排气导 管，其将排气从涡轮的出口引导到SCR转换器的入口；第三排气导 管，其将排气从SCR转换器的出口进一步在其路线上引导到大气； 加热单元，其加热涡轮上游的排气以便在SCR转换器的入口处获得 至少所述最低温度的排气；以及动力涡轮，其由在加热单元下游但在 涡轮上游的位置点处从第一排气导管分支的排气、或来自涡轮增压器 的轴(8)的机械功率输出所驱动。
与当将加热单元设置在涡轮增压器的涡轮的低压侧时仅增加 4.6%的燃料消耗相比，当将加热单元设置在涡轮增压器的涡轮的高 压侧时，需要增加5.9%的燃料消耗以在SCR反应器的入口处达到所 需的排气温度。然而，发明人已发现，与将加热单元设置在直觉上符 合逻辑的靠近SCR转换器的入口的下游位置相比，通过将加热单元 设置在涡轮上游，由于用来增加排气温度的能量能够在由在涡轮的高 压侧从排气导管分支的排气驱动的动力涡轮中以100%效率得以弥 补，所以能够增加整体燃料效率，而不论燃烧单元所需的增加的燃料量如何。
优选地，发动机包括设置在SCR反应器下游的排气导管中的排 气锅炉，且发动机可进一步包括由所述排气锅炉产生的蒸汽驱动的蒸 汽涡轮，从而进一步增加整体燃料效率。
优选地，动力涡轮或机械动力输出用来驱动发电机。
发动机可进一步包括发电机，其由动力涡轮驱动或由来自涡轮增 压器的轴的动力输出驱动。
加热单元可以是燃烧器。
在涡轮的高压侧的排气的大约20%的潜在膨胀能可从涡轮转换 或获取。
优选地，燃烧器的活性和/或强度由响应于SCR反应器的入口处 的或SCR反应器的入口上游的温度传感器的控制器控制。
所述大型涡轮增压柴油发动机的进一步的目的、特征、优点和特 性将从详细描述而变得显而易见。
在本说明书的以下详细部分中，将参照在附图中示出的示例实施 方式更详细地说明本发明，其中
图l示出根据本发明的第一实施方式的内燃发动机的进气和排气 系统的图；以及
图2示出根据本发明的第二实施方式的内燃发动机的进气和排气 系统的图。
具体实施例方式
在以下详细说明中，将通过优选实施方式描述本发明。图l示出 具有进气和排气系统的十字头型大型涡轮增压两冲程柴油发动机1。 发动机1具有增压空气接收器2和排气接收器3。属于燃烧室的排气门由4指示。发动机1例如可用来作为海洋航行船只中的主发动机或 作为用于运转发电站中的发电机的静止发动机。发动机的总输出例如 可以在5000至110000kW的范围，但是本发明也可用于具有例如 1000kW的输出的四冲程柴油发动机。
增压空气从增压空气接收器2移动到各气缸的扫气口 (未示出)。 当排气门4打开时，排气经第一排气导管流入排气接收器3中并向前 经第一排气导管5流至涡轮增压器的涡轮6，排气从涡轮6经第二排 气导管7流走。涡轮6通过轴8驱动经由空气入口 IO进行供给的压 缩机9。压缩机9将加压后的增压空气传送至通向增压空气接收器2 的增压空气导管11。
导管11中的进气移动经过中冷器12，中冷器12用于将增压空气 ——其在大约200'C离开压缩机——冷却至36。C到80。C之间的温度。
在低负荷或局部负荷条件下，冷却的进气经由电动机17驱动的 对增压空气气流进行加压的辅助鼓风机16移动到进气接收器2。在 较高的负荷下，涡轮增压器的压缩机9传送充分压缩的扫气且因此经 由单向阀15为辅助鼓风机16i殳置旁通。
优选呈诸如燃烧器之类的燃烧单元形式的加热单元19布置在第 一排气导管5中——即涡轮6上游——以增加第一排气导管5中的排 气的温度。第一排气导管5中的排气必须被加热到致使离开涡轮增压 器的涡轮6的排气的温度至少为330'C的程度。
对于大型两冲程柴油"热"发动机，其中排气在离开涡轮6时温度 大约是290-300。C,待应用于第一排气导管5中的排气的温度增加大 约是50°C。在大型两冲程柴油发动机中由加热单元19用于加热涡轮 增压器的涡轮的高压侧的排气而使用的额外燃料的量约为发动机本 身的燃料消耗的5.8%。
对于传统大型两冲程柴油发动机，其中排气在离开涡轮增压器的 涡轮时温度约为250。C,第一排气导管5中的气体的温度增加必须为 大约IOO'C。
导管30在燃烧单元19下游但在涡轮6上游从排气导管5分支。 导管30将排气中的一部分(在大型两冲程柴油发动机中大约为20% )引导到另外的动力涡轮31。另外的动力涡轮31驱动发电机32。动力 涡轮31的输出大约等于大型两冲程柴油发动机l的输出的7.0%。
排气气流中的剩余能量因此转换为电力，即具有高有效能的能 量。分支到动力涡轮31的排气的量可由导管30中的变流量调节器(未 示出)调节。离开动力涡轮31的排气在SCR反应器上游的涡轮6的 低压侧被重新引导到主排气气流中。
第二排气导管7将排气从涡轮6的出口引导到SCR反应器20的 入口。如果在SCR反应器20的入口处的排气的温度足够高，即通常 在大约330。C以上，则排气中的NOx转化为]\2和H20。
第三排气导管22将增压空气从SCR反应器20的出口引导到锅 炉25的入口 。第四排气导管27将排气从锅炉25的出口引导到消声 器28的入口 。第五导管29将排气从消声器28的出口引导到大气。
锅炉25使用排气气流中的热量在压力下产生(过热)蒸汽。导 管34将锅炉25产生的蒸汽引导到蒸汽涡轮37。蒸汽涡轮37驱动发 电机35。蒸汽涡轮的输出功率大约等于大型两冲程柴油发动机的输 出的10.8%。
图2示出本发明的替代实施方式。除了以来自涡轮增压器的功率 输出代替动力涡轮之外，该实施方式大致对应于第一实施方式。于此， 传动装置36将涡轮增压器的轴8与发电机33连接。
大型两冲程柴油发动机l的燃料效率为48.7%。两个实施方式中的 整体燃料效率为
(48.7+ ((10.8+7.0) *0.487)) /1.058=54.2%。
根据本发明具有在涡轮6的高压侧的加热单元19的发动机的燃料 效率为54.2%，明显高于背景技术所描述的具有在涡轮6的低压侧的加 热单元且燃料效率为53.6%的发动机。
示例
1.具有在高压侧的SCR的热发动机(现有技术)
2.在涡轮增压器涡轮的低压侧的燃烧器3.在涡轮增压器涡轮的高压侧的燃烧器
示例燃料输入发动机输动力涡轮蒸汽涡轮总燃料效
序号出(kW)输出(kW)输出(kW)率
192400450001968347054.6%
296600450001968487053.6%
397800450003160487054.2%
因此，与具有许多实践的构造问题的、SCR反应器在涡轮增压器 的涡轮的高压侧的"热发动机，，相比，仅以较小的燃料效率下降就能获 得位于涡轮增压器的涡轮6的低压侧的SCR反应器的构造优点。
在本发明的两个实施方式中，由锅炉25产生的蒸汽可用于除驱动 蒸汽涡轮之外的其它目的，比如用于加热目的。
各实施方式可设置有置于SCR反应器20的入口附近的温度传感 器(未示出)以测量第二排气导管7中的排气的温度。温度传感器的 信号传递至控制器(未示出)。控制器控制加热单元19。控制器在第 二排气导管7中的排气的温度不够高时增加加热单元19的活性，并在 第二排气导管7中的排气的温度高于用于SCR反应器的有效运转的最 低温度时降低燃烧单元19的活性。
可将两个实施方式都设计成所谓湿空气发动机(未示出)，例如由 具有很高的绝对含水(汽)量的增压空^扫气运转的发动机。在本发 明的此变型中，增压空气大约为60至90°C (与传统发动机中的37。C 相比)且绝对湿度约为40至80g/kg (克/千克)，即大约是"非湿空气" 发动机的含水(汽)量的4到8倍。增湿作用(通it^"洗涤器"(未 示出)中喷射相对较温热的水而获得)致使增压空^/扫气的能量含量 并因此致使排气的能量含量大体上增加。增压空气中的额外能量采取 两种方式获得
通过减小由中冷器从增压空^l/扫气回收的能量的量，即减小中冷 器产生的"损耗"能量的量；以及通过喷射由来自发动机的冷却系统的热7K加温的水，即喷射含"损 耗能量"的水。
排气中的额外能量能够在动力涡轮中得到比较有效的弥补，因此 可获得甚至比示例中所示更高的整体燃料效率。
权利要求中所用的词语"包括"不排除其它元件或步骤。权利要求 中所用的词语"一"或"一个，，不排除复数。权利要求中所用的参考标记 不应被解释为限制范围。
因此，虽然已参照其开发环境描述了i殳备和方法的优选实施方式，
但是它们仅仅是对本发明的原理的说明。在不背离本发明的精神和所 附权利要求的范围的前提下，可设计其它实施方式和结构。
权利要求
1.一种大型增压柴油发动机(1)，包括涡轮增压器(6)，其具有排气驱动的涡轮(7)和由所述涡轮驱动以将增压空气供应至发动机的气缸的压缩机(8)；第一排气导管(5)，其将排气从所述气缸引导到所述涡轮(7)的入口；选择性催化还原转换器(20)，其需要进入所述选择性催化还原转换器的排气具有最低温度，以便有效地将所述排气中的NOx还原为N2和H2O；第二排气导管(7)，其将所述排气从所述涡轮(6)的出口引导到所述选择性催化还原转换器(20)的入口；第三排气导管(22)，其将所述排气从所述选择性催化还原转换器(20)的出口进一步引导到大气，其特征在于包括加热单元(19)，其加热所述涡轮(6)上游的排气以在所述选择性催化还原转换器(20)的入口处获得至少所述最低温度的排气；以及动力涡轮(31)，其由在所述加热单元(19)下游但在所述涡轮(6)上游的位置点处从所述第一排气导管(5)分支的排气驱动，或者由来自所述涡轮增压器的轴(8)的机械动力输出驱动。
2. 如权利要求1所述的发动机，进一步包括设置在所述选择性催 化还原>^应器(20)下游的排气导管中的排气锅炉(25)。
3. 如权利要求2所述的发动机，进一步包括由所述排气锅炉(25) 产生的蒸汽驱动的蒸汽涡轮(37)。
4. 如权利要求1所述的发动机，进一步包括由所述动力涡轮(31) 驱动或者由来自所述涡轮增压器的轴(8)的所述动力输出驱动的发电 机(32)。
5.如权利要求l所述的发动机，其中，所述加热单元(19)是燃 烧器。
6. 如权利要求1所述的发动机，其中，所述涡轮(6)的高压侧的 排气的大约20%的潜在膨胀能是从所述涡轮转换或获取的。
7. 如权利要求5所述的发动机，其中，所述燃烧器的活性和/或强 度由响应于位于所述选择性催化还原反应器(20)的入口处或者所述选 择性催化还原反应器(20)的入口上游的温度传感器的控制器控制。
全文摘要
本发明涉及一种大型增压柴油发动机(1)，包括具有排气驱动的涡轮(6)和由所述涡轮驱动并将增压空气供应至发动机气缸的压缩机(9)的涡轮增压器。发动机(1)设置有在涡轮(6)下游的SCR(选择性催化还原)反应器(20)以将排气中的NO<sub>x</sub>还原为N<sub>2</sub>和H<sub>2</sub>O。加热单元(19)增加涡轮增压器涡轮(6)的高压侧的排气的温度，使得进入SCR反应器(20)的排气的温度至少为330℃。排气气流的一部分从涡轮增压器涡轮(6)上游分支并被引导到动力涡轮(31)。所述发动机的整体燃料效率相对于加热单元(19)和SCR反应器(20)都被设置在涡轮增压器涡轮(6)的低压侧的发动机得以提高。
文档编号F02B37/00GK101553648SQ200780044945
公开日2009年10月7日 申请日期2007年5月3日 优先权日2007年5月3日
发明者尼尔斯·谢姆楚普 申请人:曼狄赛尔公司，德国曼柴油机欧洲股份公司的联营公司