内燃机、排气再循环系统及其监测方法及改装方法与流程

本发明涉及一种内燃机的排气再循环系统、一种内燃机、一种监测内燃机排气再循环过程的方法、一种改装排气再循环系统的方法、以及一种改装内燃机的套件。

背景技术：

由于限制NO_x值的更严厉规定，例如排气再循环系统被更广泛地使用，尤其是在航海工程的大型发动机领域中。排气再循环系统将排气的一部分再循环回到发动机的空气入口，其中，由于所使用燃料的成分和燃烧期间所产生的颗粒物，排气通常在排气再循环系统中被净化。净化借助排气净化器执行。

在之前的系统中，它的缺点是会出现未净化排气被送回到内燃机中的情况。这会导致对内燃机的持续损伤。

技术实现要素：

所以本发明的目标是避免现有技术的该缺点，并提供一种内燃机的排气再循环系统、一种监测内燃机排气再循环过程的方法、一种改装排气再循环系统的方法、以及一种改装内燃机的套件，它们防止不受控制的排气被引入内燃机的空气入口。

根据主要方面，本发明的目标通过一种内燃机的排气再循环系统、一种监测内燃机排气再循环过程的方法、一种改装排气再循环系统的方法、以及一种改装内燃机的套件实现。

具体地，所述目标通过一种用于内燃机的排气再循环系统实现，所述内燃机尤其是一种两冲程内燃机，优选是一种航海发动机，其中所述内燃机具有排气出口和空气入口。排气再循环系统包括用于将排气再循环系统连接到排气出口的装置，以及用于将排气再循环系统连接到空气入口的装置。排气能沿着排气流动方向从用于将排气再循环系统连接到排气出口的装置被引导到用于将排气再循环系统连接到空气入口的装置。排气再循环系统还包括用于控制排气进入排气再循环系统的排气入口阀、排气净化器、以及用于控制经过排气再循环系统的排气流的控制单元。另外，设置有用于检测停机指标的装置，控制信号由该装置发送给控制单元。

控制单元控制排气入口阀。

用于将排气再循环系统连接到排气出口的装置和用于将排气再循环系统连接到空气入口的装置构成了例如能被焊接或能通过法兰被安装的管线。

如在本文中所述，内燃机通常具有涡轮增压器。因此，排气流在排气出口的下游分成直接位于排气出口下游的高压区和排气优选地通过涡轮增压器已经被至少部分地膨胀的低压区。排气再循环系统可以被布置在上述两个区域内，或者在低压区或者在高压区。来自低压区或高压区的排气的再循环要求针对不同的情况使用不同的部件，比如在再循环来自低压区的情况下压力增加/压力变动。所述手段是本领域技术人员已知的，所以将不被详细讨论。本发明可应用于两种区域。

排气净化器可以是干式净化器(干式洗涤器)或湿式净化器(湿式洗涤器)。

所述类型的排气再循环系统只要出现停机指标就能被停机。因此发动机被保护不受损坏性影响。

用于检测停机指标的装置由沿排气流动方向观看时布置在排气净化器下游的气体传感器形成，尤其是连接到控制单元的气体传感器。

通过气体传感器，排气净化器下游的气体能就其成分中的特定物质被检查，因此能检测排气净化器功能是否正常。这里，就杂质所谓的PM(颗粒物)对气体进行检查也是可以预想到的。PM通常也是排气的组分。于是气体传感器是PM传感器的形式。

排气再循环系统包括沿排气流动方向在排气净化器下游的冷却器，优选地沿排气流动方向在气体传感器的下游。

因此，洗涤后的排气能被冷却，从而获得被提高的燃烧效率。

气体传感器优选被布置在排气净化器和排气冷却器之间，从而防止气体传感器的测量值由于被冷凝的硫酸而失真。如果系统具有排气净化器和排气预洗涤器，因此优选地气体传感器仅沿排气流动方向直接形成在预洗涤器的下游或者沿排气流动方向直接形成在排气净化器的下游。另选地，也可形成有两个气体传感器，一个沿排气流动方向直接位于预洗涤器的下游，一个沿排气流动方向位于排气净化器的下游。对于只有一个排气净化器的系统而言，气体传感器优选地被布置在排气净化器和冷却器之间。

排气再循环系统可以包括沿排气流动方向位于冷却器下游的水分离器。

通过水分离器，被净化的且优选被冷却的排气被脱水，从而使更少的水分被引入燃烧室，从而产生更少的腐蚀，燃烧能被最好地完成，在气缸壁上的润滑油膜不被破坏。

排气再循环系统可以包括增压装置，尤其是一种涡轮增压器或鼓风机，从而使净化后的排气的压力能被增大到或高于装料压力水平。因此，压力损失得到补偿，排气能流入空气入口。排气再循环系统包括沿排气流动方向被布置在用于将排气再循环系统连接到空气入口的装置的上游的排气再循环阀。因此，排气再循环系统也能在空气入口的上游被直接截断。所以排气再循环系统的更快速停机成为可能。

气体传感器可以是硫传感器，尤其是硫氧化物传感器，从而使排气中的硫氧化物能被测量。在本发明中，硫氧化物是指SO或SO₂或SO₃，或者所述硫氧化物的组合。SO₂优选地被测量。硫传感器尤其是硫氧化物传感器(SO₂传感器)。

硫导致严重的腐蚀，因此再循环排气中的硫氧化物必须被防止。

能导致排气再循环系统停机的被测二氧化硫阈值根据所使用的燃料和传感器灵敏度优选地在3-100ppm的范围内。对于0.1％硫含量的燃料而言，二氧化硫阈值优选地是2-5ppm，尤其是3ppm。对于0.5％硫含量的燃料而言，二氧化硫阈值优选地是3-20ppm，尤其是15ppm。对于更高硫含量的燃料而言，停机值的范围更大，因为硫含量可能大幅变化。所以，二氧化硫阈值可以达到100ppm。对于高硫含量的燃料而言，例如含硫3.5％，停机值是例如20-100ppm二氧化硫。

因为排气净化器不能100％地从排气中过滤出硫或硫化合物，所以所述阈值必须依据燃料的硫含量和排气净化器的效率来选择。

一般，二氧化硫阈值也依赖于排气净化器的效率值。排气净化效率通常在95％-99％的范围内，其中90％被认为是正常运行的下限。对于高硫含量的燃料而言，90％应当被认为是最低允许值。针对高硫含量的燃料，95％的效率最小值是推荐的。对于低硫含量的燃料而言(尤其是在0.1％到0.5％之间)，最低效率值可以被设置为85％，因为如此低的值不容易被高精度地测量。另外，排气中的二氧化硫含量很低，所以短时间内较低的排气净化效率是可接受的。但是，在低硫含量燃料的情况下排气净化效率推荐是90％。

排气入口阀以及优选地还有排气再循环阀通过控制单元被控制。具体地，相应的阀门可由控制单元的信号控制，其中所述信号通过在控制单元中将气体传感器的被测值与阈值比较而被触发。所以，控制单元可以独立地形成或者形成为气体传感器的一部分。

因此，排气再循环系统在超出阈值的情况下被停机是可能的，因此防止损坏发动机。

在值接近停机指标的情况下，排气再循环系统可以输出警告信号。警告信号可以通过光学或声学装置被输出。具体地，在值被测量的情况下，一旦所述值落入预定阈值的80％到90％的范围内，优选是85％，就可以输出警告信号。

所述目标还通过一种内燃机来实现，尤其是两冲程内燃机，其包括排气出口和空气入口、优选地扫气接收器、以及如之前所述的排气再循环系统。用于将排气再循环系统连接到空气入口的装置被直接连接到空气入口，或者通过扫气接收器间接地连接到空气入口，用于将排气再循环系统连接到排气出口的装置被连接到排气出口。

所述类型的内燃机可被保护而不发生排气再循环系统的故障。

所述目标还通过一种用于监测内燃机的排气再循环过程的方法来实现，所述内燃机尤其是具有之前所述的排气再循环系统。一旦满足停机指标，尤其是一旦气体传感器指示超出阈值，控制单元就使排气再循环系统停机。

通过所述类型的方法，排气再循环系统能被及时地停机，并且通过这种方法，能防止损坏内燃机。

气体传感器能测量排气的硫含量，尤其是硫氧化物的含量，尤其是SO和/或SO₂和/或SO₃，在超出硫氧化物阈值的情况下，给控制单元发送信号，控制单元依据该信号使排气再循环系统停机。排气再循环系统具体地通过关闭排气入口阀并且优选地通过额外地关闭排气再循环阀被停机。

因此，内燃机可由于含硫排气的再循环而被保护不受到硫化合物的腐蚀。

在本发明中，硫氧化物是指SO或SO₂或SO₃，或者所述硫氧化物的任意组合。SO₂优选被测量。

会引起排气再循环系统停机的被测二氧化硫(SO₂)阈值优选地落入3-100ppm的范围内，根据所使用的燃料和传感器灵敏度。对于0.1％硫含量的燃料而言，二氧化硫阈值优选地是2-5ppm，尤其是3ppm。对于0.5％硫含量的燃料而言，二氧化硫阈值优选地是3-20ppm，尤其是15ppm。对于更高硫含量的燃料而言，停机值的范围更大，因为硫含量可能大幅变化。因此，二氧化硫阈值可以达到100ppm。对于高硫含量的燃料而言，例如含硫3.5％，停机值是20-100ppm二氧化硫。

停机指标可以是过高或过低的温度。

被测温度例如可以是排气冷却器下游的排气的过高温度，或者排气再循环的冷却水的过高温度，或者只要NaOH容器中的温度低于12℃。

NaOH容器含有氢氧化钠(NaOH)，用于处理被提供给排气净化器的水。NaOH中和在排气净化器的水中所形成的酸。

过高或过低温度能防止排气再循环系统正确地功能，因此同样导致对内燃机的损坏。

停机指标可以是排气再循环系统净化器和/或排气预洗涤器的供应系统的失效。

用于排气净化器尤其是湿式净化器的供应系统例如是确保给排气净化器的供水的水处理单元。这里，可能出现这些情况：排气净化器的供水装置自身失效、从排气净化器收集废水的收集罐满了、收集罐异常地快速装满、NaOH的供应失效或不足、NaOH罐空了或低于最小值、缓冲罐接收的流体多于释放的流体、残留水容器满了、供水单元的泵之一故障、罐之一泄漏、排气净化器不能排水、净化水的品质不够、或者用于分离净水与废水的分离器不能工作。

因此，一旦它的供应装置不能正确地工作，排气再循环系统自身可受到保护。

停机指标可以是排气再循环系统的一种装置的失效，如之前所述。

因此所述失效可以是排气净化器的失效、冷却器的失效、可能设置的预洗涤器的水分离器的失效、或者气体传感器自身的失效。

因此，如果排气再循环系统的部件不工作，排气再循环系统也被停机。

所述目标还通过一种用于将如之前所述的排气再循环系统改装到内燃机中的方法来实现，尤其是两冲程航海发动机。

所述类型的方法允许排气再循环系统在已有内燃机中的简单的改装。

所述目标还通过一种用于在内燃机上改装排气再循环系统的套件来实现，尤其是两冲程航海发动机，其具有如之前所述的排气再循环系统，或者如果排气再循环系统已经被设置，其具有之前所述的方法可借以监测排气再循环的气体传感器和/或控制单元。

因此，已有内燃机可以被改装，从而同样被保护不受损伤。

附图说明

本发明以下基于示例性实施例被更详细地描述，其中：

图1是带有排气再循环系统的内燃机的第一实施例的示意图；

图2是带有排气再循环系统的内燃机的第二实施例的示意图；

图3是带有排气再循环系统的内燃机的第三实施例的示意图；

图4是带有供应装置的排气再循环系统的示意图；

图5是带有干式净化器的排气再循环系统的示意图；

图6是根据图1的替代实施例。

附图标记列表

1 排气再循环系统

2 内燃机

3 排气出口

4 空气入口

5 排气入口阀

6 排气净化器

7 控制单元

8 气体传感器

9 冷却器

10 水分离器

11 增压装置

12 排气再循环阀

13 扫气接收器

14 排气预洗涤器

15 水收集罐

16 收集罐泵

17 脏水缓冲罐

18 泄水泵

19 水分离器

20 缓冲罐

21 供水装置

22 出水泵

23 分离器

24 残渣罐

25 NaOH供应罐

26 收集罐单元

27 水处理单元

28 压缩机

29 涡轮机

30 新鲜空气冷却器

31 新鲜空气水分离器

具体实施方式

图1示出了排气再循环系统1，其被安装在船舶的内燃机2的排气出口3和空气入口4之间。排气再循环系统1通过用于将排气再循环系统1连接到排气出口3的装置被连接到排气出口3。所述装置例如可以是被焊接或被法兰安装的管道。排气再循环系统1通过用于将排气再循环系统1连接到空气入口4的装置被连接到空气入口4。所述装置也可以是被焊接或被法兰安装的管道。排气再循环系统1包括排气入口阀5、排气净化器6、控制单元7、气体传感器8、冷却器9、水分离器10以及增压装置11。排气预洗涤器14和排气再循环阀12被任选地设置。排气从内燃机2的排气出口3被引入排气再循环系统1。因此，排气流动方向是从排气出口3到空气入口4。控制单元7接收来自气体传感器8的关于排气净化器6下游的排气的被测气体值的信息，比如硫氧化物含量。如果所述值超出预定阈值，例如在燃料具有0.1％的硫含量的情况下硫含量范围是2-5ppm的阈值，排气入口阀5被关闭，从而使没有排气被再循环。排气再循环阀12也被额外地关闭。因此，确保了没有含过高硫值的排气被再循环到内燃机中，通过这种方式，内燃机2中过分的硫基腐蚀被基本上避免。

内燃机2还具有用于内燃机2的涡轮增压的在排气出口3和空气入口4之间的主气道。为此，如现有技术已知那样，排气从排气出口3被引到涡轮机29。涡轮机29驱动压缩机28，压缩机吸入新鲜空气，也即是说环境空气尤其是不含排气，并增加被吸入的空气的压力。所述空气然后被引导通过新鲜空气冷却器30和新鲜空气水分离器31，然后通过空气入口4被引入内燃机2。在大型发动机的情况下，比如航海发动机，扫气接收器13被定位在空气入口4的上游。

在正常的排气再循环操作期间，大约30到40％的排气被再循环。在排气再循环系统1停机时，排气被全部被涡轮增压器29引导。排气再循环系统1的供应系统在下图4中示出。

图2示出了排气再循环系统1的替代实施例，它被安装在船舶的内燃机2的排气出口3和空气入口4之间。排气再循环系统1通过用于将排气再循环系统1连接到排气出口3的装置被连接到排气出口3。所述装置例如可以是被焊接或被法兰安装的管道。排气再循环系统1通过用于将排气再循环系统1连接到空气入口4的装置被连接到空气入口4。所述装置也可以是被焊接或被法兰安装的管道。排气再循环系统1包括排气入口阀5、排气净化器6、控制单元7、气体传感器8、冷却器9、水分离器10以及增压装置11。排气再循环阀12被任选地设置。气体传感器8被布置在排气净化器6的下游且在冷却器9的上游。排气净化器6是湿式净化器。排气从内燃机2的排气出口3被引入排气再循环系统1。因此，排气流动方向是从排气出口3到空气入口4。控制单元7接收来自气体传感器8的关于排气净化器6下游的排气的被测气体值的信息，比如硫氧化物含量，尤其是SO₂。如果所述值超出预定阈值，例如在燃料具有0.1％的硫含量的情况下是硫含量在2-5ppm的阈值范围，排气入口阀5被关闭，从而使没有排气被再循环。排气再循环阀12也被额外地关闭。因此，确保了没有带过高硫值的排气被再循环到内燃机中，通过这种方式，内燃机2中过分的硫基腐蚀被基本上避免。

图3示出了排气再循环系统1的替代实施例，它被安装在船舶的内燃机2的排气出口3和空气入口4之间。排气再循环系统1通过用于将排气再循环系统连接到排气出口3的装置被连接到排气出口3。所述装置例如可以是被焊接或被法兰安装的管道。排气再循环系统1通过用于将排气再循环系统1连接到空气入口4的装置被连接到空气入口4。所述装置也可以是被焊接或被法兰安装的管道。排气再循环系统1包括排气入口阀5、排气净化器6、控制单元7、气体传感器8、冷却器9、水分离器10以及增压装置11。排气预洗涤器14也被设置，它被布置在排气净化器6的上游。排气再循环阀12任选地被提供。气体传感器8被布置在排气净化器6的下游且在冷却器9的上游。另一个任选的气体传感器8已经被设置在排气预洗涤器14的下游，从而使排气预洗涤器14的功能被气体传感器8监测。排气净化器6的排气预洗涤器14是湿式净化器。排气从内燃机2的排气出口3被引入排气再循环系统1。所以，排气流动方向是从排气出口3到空气入口4。控制单元7接收来自气体传感器8的关于排气净化器6下游的排气的被测气体值的信息，比如硫氧化物尤其是SO₂含量。如果所述值超出预定阈值，例如在燃料具有0.1％的硫含量的情况下是2-5ppm硫含量范围的阈值，排气入口阀5被关闭，从而使得再没有排气被再循环。排气再循环阀12也被额外地关闭。因此，确保了没有含过高硫值的排气被再循环到内燃机中，通过这种方式，内燃机2中过分的硫基腐蚀被基本上避免。

图4示出了如图1到图3的排气再循环系统1的供应系统。供应系统由收集罐单元26的主要部件和水处理单元27构成。排气再循环系统1在图4中以简化的形式被示出，并且如图示，包括排气净化器6和排气预洗涤器14。所述两个部件被操作地连接到水处理单元27和收集罐26。其他部件在图1中被示出。被用于排气净化的水首先被引入收集罐单元26的水收集罐15。然后，水通过收集罐泵16被引入脏水缓冲罐17。脏水缓冲罐17是水处理单元27的一部分。水处理单元27还包括泄水泵18，它将水从脏水缓冲罐17引入水分离器19。水分离器19将残渣与干净水分开。残渣被引入残渣罐24。净水被引入缓冲罐20，然后通过供水装置21被引入排气净化器6或排气预洗涤器14，或者通过输出水泵22被引入分离器23，分离器再次将残渣从干净的输出水中分离出来。残渣被收集在残渣罐24中且被恰当地处置。给来自脏水缓冲罐17的脏水中提供NaOH的NaOH罐25也被设置在水分离器19的上游。原则上，水处理单元27的设计独立于排气再循环系统1的设计，但是尺寸必须符合排气再循环系统1。

图5示出了带有干式净化器的实施例。带有干式净化器的排气再循环系统1类似于图1至图3中带有湿式净化器的系统也包括排气入口阀5、控制单元7、气体传感器8、冷却器9、水分离器10和增压装置11。净化装置还包括用于喷射碳酸钠粉末的粉末喷射装置32，以及颗粒分离器33。碳酸钠吸附排气中存在的硫化合物，从而使硫化合物能在颗粒分离器33中被分离出来。气体传感器8优选被布置在颗粒分离器的下游。替代地或附加地，气体传感器8可以被布置在粉末喷射装置32和颗粒分离器33之间。该装置的其余设计对应于图1至图3中所示。

图6示出了如图1的排气再循环系统1的替代实施例。与图1至图5中所描述的排气再循环系统1相比，图6的排气再循环系统被设置在低压区。在涡轮机29的出口处设置了一条被连接到排气入口阀5的支路。排气入口阀5调节排气再循环系统1的进气。关于其他部件，参考图1的描述。

图6中所提供的方案也能应用于图2至图5的排气再循环系统。