[发明专利]具有废气净化的大型涡轮增压二冲程柴油发动机

说明书

技术领域

本发明涉及一种十字头型的大型涡轮增压二冲程内燃活塞式发动机，其优选是具有废气（exhaust gas）净化系统的柴油发动机，特别涉及一种具有用于净化废气除去NO_x的SCR（选择性催化还原）反应器的十字头型大型二冲程柴油发动机。

背景技术

十字头型的大型二冲程发动机通常在大型船舶的推进系统中使用或作为发电站的原动机使用。达到排放要求已经并且将要日益困难，尤其是就单氮氧化合物(NO_X)等级而言。

环境问题的整体意识正在迅速增强。目前在IMO（国际海事组织）内部存在海上的空气污染形式的排放限制的讨论。世界不同部分的权威人士正在采取相似的措施。一个例子是目前正在讨论的已提议的EPA(美国环保署)条例。

能够利用初级和/或次级还原方法来还原废气中的NO_x。初级方法是直接影响发动机燃烧过程的方法。还原的实际程度取决于发动机类型和还原方法，但在10%至大于80%之间变化。次级方法是通过使用不构成发动机本身的部分的设备，在不从燃料优化设定方面改变发动机性能的情况下，降低排放水平的方法。迄今为止最成功的次级方法是除去NO_x的SCR（选择性催化还原）方法。该方法可以通过在废气进入催化转化器之前通过将氨或尿素添加到废气，而将NO_x级别降低超过95%。

SCR反应器包含数层催化剂。催化剂的体积以及因此反应器的尺寸取决于催化剂的活性和所需的期望NO_x还原程度。催化剂通常具有整体式结构，这意味着其由具有大量平行通道的多块催化剂组成，其壁具有催化活性。

废气必须具有至少280°C-350°C的温度，这取决于燃料的含硫量，即高含硫量需要高温度而低硫量需要低温度，以在SCR反应器的入口处用于将NO_x有效转化成N₂和H₂0。

涡轮增压器的涡轮的高压侧的废气具有大约350°C-450°C的温度，而涡轮增压器的涡轮的低压侧的废气通常具有大约250°C-300°C的温度。

因此，在涡轮增压器的涡轮的高压侧安装SCR反应器是有利的。然而，由于这些反应器包括必须能够抵抗大约4bar的压力并暴露于在大约20°C与400°C之间变化的温度的非常大的管道和容器，因此存在与在涡轮的高压侧的SCR反应器的结构相关联的大量的复杂问题。热膨胀和固定已造成极大的设计问题。

正确地添加例如氨或尿素的还原剂是重要的，因为过量加入会造成氨流失，而加入量不足会导致不能使所有NOx还原，从而使NOx发动机外排放过高。另外，相对于在废气中出现的NOx正确地添加尿素不仅对平均水平是重要的，而且适用于局部水平，这意味着必须避免尿素的局部波动，因为局部添加过量/添加不足也将导致上述不希望的影响，即还原剂和废气必须适当地混合。另外，发动机在其最大持续额定值的10%与100%之间的载荷范围内运行，并且需要输送的还原剂的量的范围也相应地在较大的范围内。

在这种背景下，现有的SCR系统通常使用复杂的并因此昂贵的喷雾系统，以用于将氨或尿素均匀地分布在废气流中，并且为了确保在下游充分混合，使用通常相当庞大的专用的所谓混合单元。另外混合单元促成了排放系统的总体的压头损失（head loss）（压力损失），相当于降低了涡轮增压器效率。尤其是涡轮增压器的这种效率损失从燃料效率角度来讲是不能接受的。另外，这种压力损失限制了通过废气旁路流（废热回收—WHR）驱动的动力涡轮的适用性。

发明内容

在这种背景下，本申请的目的是提供具有SCR反应器的发动机，其克服或至少减少上文提出的问题。

该目的通过提供一种具有十字头的大型单流式涡轮增压二冲程柴油发动机来实现，发动机包括：多个直列气缸；具有废气驱动的涡轮和由涡轮驱动的压缩机的涡轮增压器，涡轮增压器用于向发动机气缸供给增压空气；长形的废气接收器，废气接收器沿着气缸延伸并且经由排气管连接至气缸，排气管构造为将高速废气射流引导到废气接收器的中空内部中，废气接收器具有出口；位于废气接收器的外部的选择性催化还原反应器，选择性催化还原反应器的入口连接至废气接收器的出口，并且选择性催化还原反应器的出口连接至涡轮增压器的涡轮的入口；还原剂的来源，还原剂在还原剂引入点处添加到废气，还原剂引入点位于出口的上游的废气接收器中，使得来自各排气管的高速废气射流提供还原剂与废气的有效混合。