用于船只的废气排放控制装置和用于操作废气排放控制装置的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于水上交通工具（15）的废气排放控制装置（1），至少包括颗粒过滤器（2）和/或SCR催化转化器（3）和位于其上游的热交换器（4），所述热交换器（4）操作海水（16）作为冷却介质（17）。热交换器（4）具有废气入口端（5）和废气出口端（6），并适合于在所述废气入口端（5）处废气（7）的某一温度范围下将所述废气入口端（5）和废气出口端（6）之间的废气（7）的体积流率（8）减小某一值。本发明还涉及一种操作用于水上交通工具（15）的废气排放控制装置的方法。
【专利说明】用于船只的废气排放控制装置和用于操作废气排放控制装置的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于船只的废气排放控制装置和一种用于操作废气排放控制装置的方法。
【背景技术】
[0002]通常，船只具有大体积的内燃机和相应设计的排气系统。由于涉及船只上的内燃机或驱动机组的日益严格的许可排放量，许多情况下需要复杂的废气排放控制装置，即使对船只。由于高废气生产量(体积流量/质量流量)，同样地不得不提供相应庞大体积的废气排放控制装置，这样相应地增加了成本。合适的废气排放控制装置，例如氧化催化转化器、存储单元、颗粒过滤器和SCR系统(水解催化转化器和SCR催化转化器)，一方面不得不具有大体积，另一方面不得不提供大量的涂层以使废气中的污染物能以合适的方式转化。在这种情况下，现在所必需的这些废气处理装置的整体尺寸也被认为是至关重要的，因为他们占据了船只中的相当大的安装空间，因此不得不做适当的考虑，即使在设计阶段也是如此，要不然之后必须要进行集成，而这可能是困难的。同时，对安装空间的额外需求导致了相当大的成本，这在船只的生产中也不得不考虑。
【发明内容】
[0003]由此出发，本发明的目的是至少部分地解决在现有技术中描述的技术问题。特别地，所述目的是提供一种废气排放控制装置，其一方面允许紧凑式结构，另一方面允许有效的废气排放控制。而且，它应适合于低成本的生产和改装。所述目的还包括提供一种相应的操作用于船只废气排放控制装置的方法。
[0004]依靠根据权利要求1的特征的废气排放控制装置以及通过根据权利要求4的特征的操作废气排放控制装置的方法得以实现该目的。在从属权利要求中详细说明了根据本发明的排放控制装置、根据本发明的方法的以及在船只中的相应设置或相应使用的优选实施例。应当注意的是，在从属权利要求中提及的单独特征能以任何技术上有意义的方式结合，且预示了本发明的进一步的实施方案。说明书特别是结合附图而进一步地解释了本发明，且给出了本发明的补充说明实施方案。
[0005]根据本发明的用于船只的废气排放控制装置包括至少一个颗粒过滤器或SCR催化转化器和热交换器，热交换器设置在上游，其具有废气入口端和废气出口端，且使用海水作为冷却介质来操作。热交换器适于在废气入口端处为300?550°C、特别是400?550°C的废气温度范围下将废气入口端和废气出口端之间的废气的体积流量减小至少30%。
[0006]特别地，废气排放控制装置适合于至少1500kg/h的最大废气质量流量。
[0007]特别地，在热交换器的上游，排放管具有75mm?400mm的内直径，尤其是75mm?200mm。特别地，热交换器具有50kW?IOOOkW的冷却能力，尤其是可高达大约750kW。优选地，热交换器具有0.05m3?1.0m3的体积(安装空间)，特别优选是0.05m3?0.5m3。优选地，热交换器可实施为管状热交换器或板状热交换器。
[0008]由于热交换器布置于颗粒过滤器和/或SCR催化转化器的上游，通过对废气的冷却实现了废气的体积流量的减少。因此，下游的颗粒过滤器和/或SCR催化转化器可针对较低的体积流量而设计。因此，这里可以使用小体积的颗粒过滤器和/或SCR催化转化器，其特别是需要相应更少的涂层原料量。结果是，用于颗粒过滤器和/或SCR催化转化器的生产成本较低，且需要更小的安装空间以在船只中布置所述部件。
[0009]本发明的另一个重大的优势是，能以这种方式(根据需求如果适当的话)调整或降低经过颗粒过滤器和/或SCR催化转化器的压力降。当废气流过颗粒过滤器和/或SCR催化转化器时，在朝向内燃机的方向上积累了背压，这会削弱那里的燃烧过程，并因此也能引起功率损耗。因此，冷却和压力降的减少避免了这些影响。
[0010]根据废气排放控制装置的一个特别有利的改进方案，在热交换器入口的废气温度为400°C到550°C的情况下，热交换器使得在热交换器的废气入口端和废气出口端之间的废气温度在热交换器的废气出口端处降低到最大200°C，优选是最大150°C，特别优选地是最大100°C。因此，特别地，热交换器设计成使得废气温度的减少可达200°C到大约350°C。这样能实现关于废气体积流量的超过45%的减少，优选的是超过60%的减少。颗粒过滤器和/或SCR催化转化器的废气入口端和废气出口端之间的背压或压差能相应地减少大约40?90%。
[0011]根据一个有利的改进方案，热交换器能被调整和/或包括支路。特别地，依靠电子式和/或液压式控制的阀来实现热交换器的调整，因此允许相应地调整经过热交换器的海水的体积流量。作为附加或替代，可提供支路(即热交换器的冷却部分的支路)，因此可以适当的方式适应于仅通过热交换器或通过支路的体积流量，但是相同量的海水能连续不断地传送到热交换器回路。
[0012]特别地，热交换器的调整确保了在颗粒过滤器和/或SCR催化转化器中不会低于用于催化反应或其它反应所需的温度。特别地，通过适当地减少热交换器的冷却能力，可以确定颗粒过滤器和/或SCR催化转化器的再生时间。在这种情况下优选地是，不会超过最大温度，因此能够使适当的高效涂层以用于颗粒过滤器和/或SCR催化转化器。在这里优选地使用钒氧化物涂层，其能够在高达450°C的废气温度下使用。它特别是可以在SCR催化转化器中作为涂层具有高的效率，因此保证了于SCR催化转化器中通过减少SCR催化转化器的尺寸而得到的体积流量的降低和相应的有效表面的降低能够继续允许SCR催化转化器中的污染物的适当转化。
[0013]根据另一个废气排放控制装置的改进方案，至少颗粒过滤器或SCR催化转化器具有用于废气的最大第一通流横截面，其至少比在热交换器的废气入口端处的用于废气的第二通流横截面小30%。
[0014]本发明首次提出了选择性地和控制性地减少颗粒过滤器和/或SCR催化转化器上游的体积流量，因此可以显著地减少设置在热交换器下游的用于废气排放控制装置的通流横截面。通流横截面的显著减小也使所需的安装空间减小，同时大大减低了这些废气排放控制装置的生产成本。特别地，能以明显更有利的方式提供SCR催化转化器的昂贵的涂层，允许降低投资成本的同时高效地净化来自船只的废气。特别地，由于体积流量在热交换器中优选地连续降低，热交换器本身在废气出口端处具有比在废气入口端处更小的通流横截面。
[0015]本发明还涉及一种用于操作船只的废气排放控制装置的方法，其中，废气排放控制装置包括至少一个具有至少一个颗粒过滤器或至少一个SCR催化转化器以及设置在其上游的热交换器的排放管。热交换器以海水作为冷却介质来操作。该方法至少具有以下步骤:
[0016]a)测定颗粒过滤器和/或SCR催化转化器的至少一个废气温度和/或至少一个废气压力差，以及
[0017]b)如果废气温度和/或废气压力差高于限定值，则
[0018]c)依靠热交换器来降低废气温度，以便减小体积流量。
[0019]应明确注意的是，针对根据本发明的废气排放控制装置的描述也可同样地适用于根据本发明的方法，反之同理。除了一个或更多的颗粒过滤器和/或SCR催化转化器，这里是否还具有其它的废气排放控制装置是不重要的。
[0020]通过计算和/或依靠合适的传感器可测定排放管上的一点或更多点处的废气温度。优选于热交换器的上游测定废气温度。然而，其它的位置或可替代的位置，例如在热交换器与颗粒过滤器和/或SCR催化转化器之间的位置也是可能的。同样地，可通过计算和/或依靠在排放管本身中的传感器来测定颗粒过滤器和/或SCR催化转化器的废气压力差。通过计算颗粒过滤器和/或SCR催化转化器的废气入口端和废气出口端的各自的废气压力差之间的不同，可以获得废气压力差。这尤其可通过测量在SCR催化转化器或颗粒过滤器的入口之前的压力来实现，因为可以通过计算来确定SCR催化转化器或颗粒过滤器的下游的压力。
[0021]规定的限定值例如表明了最大废气温度，其指示对废气排放控制装置的可能的损坏和/或对排放系统和/或内燃机的效力/效率的有害的影响。特别地，限定值表明了废气压力差，该废气压力差表征了用于设计颗粒过滤器或SCR催化转化器的最大可能的体积流量。依靠热交换器来降低废气的温度，使得废气管中的体积流量相应地减少，因此使废气温度和/或废气压力差降低到所指出的限定值之下。
[0022]根据该方法的一项特别有利的改进，如果步骤b)不满足，则热交换器的冷却介质通过热交换器的支路，从而确保废气温度和体积流量不会进一步减少。特别地，这阻止了不允许的废气温度减少，因此可继续确保废气排放控制装置中的污染物转化(这可能不会发生)，这是因为维持了所需的最小反应温度。
[0023]特别地，本发明涉及包括根据本发明的至少一个废气排放控制系统和控制器的船只，其中该控制器适合实施根据本发明的方法。
[0024]作为一个非常优选的实施例，热交换器是位于驱动器附近的排放管的一部分。例如，这样的排放管的一部分称为歧管。作为一个非常优选的实施例，排放管的这一部分被冷却，因而通过这种方式来形成热交换器。因此，特别是有冷却介质流围绕着排气管的这一部分，这例如通过围绕排放管形成冷却套来实现。
[0025]虽然本申请的主题主要涉及到船只，然而本发明也能(独立地)应用于其它交通工具。作为例子可提及机动车(汽车、卡车)。
[0026]因此，此该案也可用于交通工具的废气排放控制装置，其至少包括颗粒过滤器或SCR催化转化器和热交换器，热交换器设置在上游，且用冷却介质来操作，其中，热交换器适于在废气入口端处为300?550°C的废气温度范围下将废气入口端和废气出口端之间的废气的体积流量减小至少30%。
[0027]因此，以下的方法也优于现有技术:一种用于操作交通工具的废气排放控制装置的方法，其中废气排放控制装置包括至少一个具有至少一个颗粒过滤器或至少一个SCR催化转化器的排放管以及设置在其上游的热交换器，其中热交换器用冷却介质来操作，该方法至少具有下述步骤:
[0028]a)测定颗粒过滤器和/或SCR催化转化器的至少一个废气温度和/或至少一个废气压力差，以及
[0029]b)如果废气温度和/或废气压力差高于限定值，然后
[0030]c)依靠热交换器来降低废气温度，以便减小体积流量。
[0031]在使用于交通工具上的情况下，例如可以使用单独的冷却介质流，和/或也使用用于驱动器的冷却介质流。因此，特别是水可被认为是冷却介质。
[0032]关于本发明的优选实施例，如这里描述的针对热交换器和/或废气排放控制系统的技术变化(尤其是也在权利要求书中作为从属权利表达的)关于能容易地结合到上述车辆上的布置和方法，除非这能被明确地排除或本领域技术人员能很容易看到这是不可能的。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]下面参照附图对本发明和其【技术领域】做更详尽的解释。附图详尽显示了优选实施例，但本发明并不限于此。通过本发明的非限定性例子给出了示例性实施例。在示意性的图中:
[0034]图1显示了具有废气排放控制装置的船只；
[0035]图2显示了根据第一个实施例的废气排放控制装置；
[0036]图3显示了根据第二个实施例的废气排放控制装置；
[0037]图4显示了方法的例子；和
[0038]图5显示了根据第三个实施例的废气排放控制装置。
【具体实施方式】
[0039]图1示意性地显示了具有驱动器22和与驱动器22相连接的排放管12的船只15。排放管12向废气排放控制装置I运送废气7，废气排放控制装置I具有热交换器4，以及处于热交换器下游的颗粒过滤器2和SCR催化转化器3。热交换器4包括冷却回路，其利用海水16作为冷却介质17来操作。特别是，使用海水热交换器是有利的，因为所述的热交换器实施为“开放式”回路，其中新鲜的(冷的)海水不断地供给且被加热的海水可排放回海水中(通过排放管线)。此外，这些海水也可以被用来冷却船只的其它部件，例如内燃机。废气排放控制装置I还包括控制器14，其与排放管线中的对应的传感器和热交换器4相连接。
[0040]图2显示了废气排放控制装置I的第一个实施例。其包括排放管12，在其中设置具有废气入口端5和废气出口端6的热交换器4。SCR催化转化器3或颗粒过滤器2设置在热交换器4的下游。废气7沿热交换器4的方向流过排放管12。废气7具有热交换器4上游的体积流量8和废气温度19，在这种情况中，其依靠嵌入排放管12中的(示意性示出的)传感器来检测。热交换器4包括用于调整热交换器4的冷却能力的调整器13，热交换器4利用海水16作为冷却介质17来操作，而且额外地具有支路9。由于流过热交换器4，因此废气7的体积流量8减小。为此原因，经过设置在热交换器4的下游的SCR催化转化器3或颗粒过滤器2的体积流量8比进入热交换器4的废气入口端5的体积流量8更少。在SCR催化转化器3或颗粒过滤器2处决定了废气的压力差20。
[0041]图3显示了废气排放控制装置I的第二个实施例，这里也显示了排放管12，其中设置了热交换器4以及位于热交换器4的下游的颗粒过滤器2和/或SCR催化转化器3。于热交换器4的下游处，排放管线12缩小，其结果是排放管12在热交换器4的下游具有缩小的通流横截面。因此，颗粒过滤器2或SCR催化转化器3的第一横截面10比热交换器4的废气入口端5的第二横截面11小。如上已示，热交换器4包括用于调整冷却能力的调整器
13。这里海水作为冷却介质17使用。调整器13还包括支路9，这样允许相应地调整废气7的冷却。通过相应的调整器13减少了经过热交换器4的废气7的体积流量8，其结果是仅有减小的体积流量8撞击在位于热交换器4下游的颗粒过滤器2或SCR催化转化器3。这里，用于测量废气温度19的传感器设置在热交换器4和SCR催化转化器3或颗粒过滤器2之间。废气的压力差20通过颗粒过滤器2或SCR催化转化器3决定。
[0042]图4示意性地显示了方法的说明。在上面的图中，废气压力差20标绘在纵轴，时间18标绘在横轴。此图显示了经过SCR催化转化器3或颗粒过滤器2的废气压力差20的曲线23 (方法的步骤a)。如果这个废气压力差20的曲线超过限定值21 (方法的步骤b)，则相应地增加热交换器的冷却能力(方法的步骤C)。在下面的图中，体积流量8相对于标绘在横轴的时间18而以相应的方式标绘在纵轴。下面的图说明了体积流量8的曲线23。这里示出了位于热交换器4下游的体积流量8。当废气压力差20超过限定值21的时候，由于热交换器4的冷却能力的增加，体积流量8相应地减小，其结果是，废气压力差20也以相应的方式下降。
[0043]图5显示了例如交通工具的驱动器22上的废气排放控制装置1，其中热交换器4设置在排放管12的靠近驱动器22的一部分(“歧管”)上。这里，热交换器4形成了一种围绕排放管的冷却套。
[0044]附图标记列表
[0045]I废气排放控制装置
[0046]2颗粒过滤器
[0047]3 SCR催化转化器
[0048]4热交换器
[0049]5废气入口端
[0050]6废气出口端
[0051]7 废气
[0052]8体积流量
[0053]9 支路
[0054]10第一横截面
[0055]11第二横截面
[0056]12排放管[0057]13调整器
[0058]14控制器
[0059]15船只
[0060]16海水
[0061]17冷却介质
[0062]18时间
[0063]19废气温度
[0064]20废气压力差
[0065]21限定值
[0066]22驱动器
[0067] 23 曲线
【权利要求】
1.一种用于船只(15)的废气排放控制装置(1)，至少包括颗粒过滤器(2)或SCR催化转化器(3)和设置在其上游的热交换器(4)，所述热交换器(4)用海水(16)作为冷却介质(17)来操作，其中，所述热交换器(4)具有废气入口端(5)和废气出口端(6)，并适合于在所述废气入口端(5)处为300?550°C的废气(7)的温度范围下将所述废气入口端(5)和废气出口端(6)之间的废气(7)的体积流量(8)减小至少30%。
2.根据权利要求1所述的废气排放控制装置(1)，其特征在于，所述热交换器(4)能被调整和/或包括支路(9)。
3.根据上述权利要求任一项所述的废气排放控制装置(I)，其特征在于，至少所述颗粒过滤器(2)或所述SCR催化转化器(3)具有用于所述废气(7)的最大第一通流横截面(10 )，其至少比所述热交换器(4 )的废气入口端(5 )处的用于所述废气(7 )的第二通流横截面(11)小 30%。
4.一种操作用于船只(15)的废气排放控制装置(I)的方法，其中所述废气排放控制装置(I)包括至少一个具有至少一个颗粒过滤器(2)或一个SCR催化转化器(3)和设置在其上游的热交换器(4)的排放管(12)，其中所述热交换器(4)用海水(16)作为冷却介质(17)来操作，所述方法至少具有以下步骤: a)确定所述颗粒过滤器(2)和/或所述SCR催化转化器(3)的至少一个废气温度(19)和/或至少一个废气压力差(20)，以及 b)如果所述废气温度(19)和/或所述废气压力差(20)比限定值(21)高，则 c )依靠所述热交换器(4 )来降低所述废气温度(19 )，从而减小体积流量(8 )。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如果不满足b)，则所述热交换器(4)的冷却介质(17)流过所述热交换器(4)的支路(9)。
6.一种至少具有如上述权利要求1到3中任一项所述的废气排放控制装置(I)和控制器(14)的船只(15)，其特征在于，所述控制器(14)适合于执行如权利要求4和5中任一项所述的方法。
【文档编号】F01N3/033GK103547773SQ201280016961
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年3月30日 优先权日:2011年3月30日
【发明者】贝恩德·丹克特, 塞缪尔·沃格尔, 塞巴斯蒂安·拜尔 申请人:依米泰克排放技术有限公司