专利名称：废气再循环方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够用于内燃机、例如通过诸如重质燃料油的燃料操作的具有空气入口和废气出口的大型内燃机中的废气再循环系统，并且本发明涉及包括空气入口、废气出口和废气再循环系统的大型内燃机。此外，本发明涉及用于使具有空气入口和废气出口的内燃机的废气流再循环的方法
背景技术：
一般地，这里所使用的术语“大型内燃机”表示可以用作诸如巡洋舰、货船、集装箱运货船、油轮的轮船/船舶的主引擎或辅助引擎或者用于发电厂中发热和/或发电的内燃机。特别地，大型内燃机可以被构造成燃烧从包括柴油和重质燃料油(HFO)的组中选择的至少一种燃料。
重质燃料油可能包含“浙青质(asphaltene) ”。浙青质可以定义为与树脂、芳香烃和链烷(即饱和烃)一起在原油中找到的分子物质。浙青质可以主要包含碳、氢、氮、氧和硫以及微量的钒和镍。根据浙青质的来源，C H比可以为约I : 1.2。浙青质可以操作地定义为诸如原油、浙青或煤的含碳材料的正庚烷(C7H16)不可溶组分、甲苯(C6H5CH3)可溶组分。已经表明浙青质具有分子质量范围在400原子质量单位到1500U且在750u左右最大的分子质量分布。目前所有技术大致一致，包括多种不同的质量谱方法(ESI FT-ICR MS、APPI、APCI FIMS.LDI)和多种不同的扩散技术(时间分辨荧光去极化(TRFD)、荧光相关谱(FCS)、泰勒分散)。浙青质在非常低浓度下(甲苯)的聚集导致聚集重量被诸如VPO或GPC的技术误解读为分子量。由于浙青质的复杂本质，化学结构难以确定，但是已经通过包括X射线、元素和热解GC-FID-GC-MS在内的所有可用的技术进行研究。但是，毫无争论的是，浙青质主要由芳香烃即聚缩芳香苯单元和与出现在卟啉结构中的少量的一系列重金属、特别是钒和镍相结合的氧、氮和硫(NS0化合物)构成。此外，浙青质转动扩散的测量结果显示小的PAH发色团(蓝色荧光)在小的浙青质分子中而大的PAH发色团(红色荧光)在大的浙青质分子中。这意味着每个分子只有一个融合的多环芳烃(PAH)环系统。FT ICR-MS最近的分裂研究强烈支持该“岛型”分子结构而反驳“群岛型”分子结构。目前浙青质可以被广泛认为是在石油退化过程中从油源岩移出的油母岩质的可溶的、化学成分改变的碎片。浙青质被认为通过树脂(结构和化学性质类似，但是更小)保持溶解在石油中，但是最近的数据显示这是不正确的。事实上最近提出浙青质毫微胶体地(nanocolloidally)悬浮在原油和足够浓度的甲苯溶液中。在诸如链烧和甲苯的低表面张 力液体的任何情况下，不需要表面活性剂来保持浙青质的毫微悬浮。重质油和生物降解油(因为细菌不能吸收浙青质，但是能够酶控制地容易地消耗饱和烃和某些芳烃异构体)可以比API中质油或轻质原油包含比例高得多的浙青质。冷凝物基本不含浙青质。重质燃料油的水含量可能变化很大。水可能来自几个不同的来源，可能是淡水或盐水。它也可能来自例如装置工厂存储罐中的冷凝。如果水是淡水并且在重质燃料油中充分乳化，燃料的有效能量含量随着水含量的增加而递减，导致燃料消耗的增加。如果重质燃料油被海水污染，盐中的氯可能导致包括燃料喷射设备的燃料处理系统的腐蚀。燃料中的硫可能导致冷腐蚀和腐蚀磨损，特别是在低负载操作中。硫也可能促成废气系统中形成沉积物，通常与以硫酸盐的形式的钒和/或钠一起。沉积物也可能导致高温腐蚀。硫作为一种燃料物最近成为很多讨论的对象。例如国际海事组织(MO)正提案，且欧盟(EU)已经对燃料硫含量设置限制以减少氧化硫的排放。高灰分含量可能以多种方式有害。不同的灰分组分，例如钒、镍、钠、铝和硅会造成种类不同的问题。铝和硅的氧化物来自精炼过程，可能导致主要对喷射泵和喷嘴、也对缸衬和活塞环造成严重的磨损。有效的燃料分离对于减少部件磨损来说是必须的。钥;和钠的氧化物,主要是氧钥;酸钠(sodium vanadyl vanadate),在燃烧中形成，并且将与诸如镍、钙、硅和硫的其他灰分组分的氧化物和钒酸盐混合或反应。混合物的黏着温度可能导致在废气阀上、在废气系统中或在涡轮增压器中形成沉积物。沉积物的熔融盐可能是高度腐蚀性的。它会损坏例如废气阀上的保护性氧化层，并且导致热腐蚀和阀烧坏。·涡轮增压器中，特别是喷嘴环和涡轮叶片上的沉积物和热腐蚀会降低涡轮增压器的效率。气体交换也可能被扰乱，更少的空气流过发动机，并由此增加发动机上的热负载。在升高的温度和发动机输出时沉积物的形成可能会增加。在以高灰分重质燃料油运行时需要若干措施以避免这些问题。例如具有高效的燃料分离系统、定期清理涡轮增压器、确保对料仓燃料的严格质量控制，即确保灰分和危险的灰分组分的量较低是很重要的。通过基于压降监控来定期清洁从而确保空气过滤器和增压空气冷却器的清洁也是关键的。特别是在低发动机负载时，高的碳残留含量可能导致燃烧室和废气系统中形成沉积物。特别是在低负载时，高的浙青质含量可能导致燃烧室和废气系统中形成沉积物。浙青质是复杂的、高度芳香的化合物，其具有高分子量并且通常含有硫、氮和氧以及诸如钒、镍和铁的金属。高的浙青质含量表示燃料可能难以点燃，而且燃烧缓慢。如果重质燃料油不稳定，浙青质会从燃料析出并阻塞过滤器，并且/或导致燃料系统中的沉积物，以及导致燃料分离器中形成过量的沉淀物。此外，当以浙青质含量高的重质燃料油操作时，应当强调良好性能的润滑油。重要的是润滑油能够束缚来自进入曲轴箱的漏气气体的含浙青质的燃烧残余物，从而防止在发动机组件表面形成沉积物。所有重质燃料油含有一定量的沉淀物。沉淀物可以是有机的和无机的。总沉淀物含量(TSP分析)描述燃料的清洁度(存在沙子、锈、污垢、催化剂微粒和其他固体/无机污染物)、稳定性(抗分解和沉淀浙青质的能力)和与其他燃料质量的兼容性。内燃机可包括一个或多个涡轮增压器，以压缩被供给至内燃机内的相应燃烧缸的一个或多个燃烧室中的流体。压缩机压缩的流体可以是吸入空气或新鲜空气。每个涡轮增压器通常可以包括由发动机的废气流驱动的涡轮和由涡轮驱动的压缩机。压缩机可以接收要被压缩的流体，并且可以将被压缩的流体供给给燃烧室。废气再循环系统(EGR系统)可用于控制内燃机操作过程中不希望的污染气体和微粒物质的产生。这样的系统已被证实对于用于例如轮船和发电机组中的内燃机特别有用。EGR系统主要将一部分废气再循环进入内燃机的吸入空气供给中。重新引入到发动机气缸中的废气可以降低氧气浓度，这又降低气缸中的最高燃烧温度，并且减缓燃烧过程的化学反应，从而减少氮氧化合物(NOx)的形成。此外，废气通常会包含未燃烧的碳氢化合物，其在重新引入发动机气缸时燃烧，这能够进一步减少将作为不希望的污染物从内燃机排放的废气副产物的排放。如上所述的EGR系统可以用于控制在被引入进气集管之前与燃烧空气混合的废气的量。WO 96/18030公开了一种在具有串联涡轮的涡轮增压或增压发动机中进行废气再循环的装置。该现有装置包括由内燃机的废气出口处排出的废气所驱动的EGR涡轮。EGR涡轮驱动EGR压缩机，其压缩部分废气流。废气冷却器设置在EGR压缩机的下游并位于EGR压缩机和内燃机的入口集管之间。废气冷却器可以用于补偿由EGR压缩机引入到再循环废气中的增加的温度。替代地，废气冷却器可以布置在EGR压缩机的上游。EP 0707142 Al (对应于US 5564275 A)公开了一种用于增压内燃机上的高压和废气再循环的方法和设备。这里，内燃机的第三废气流可以与第一废气流分离地扩展，并且可以提供压缩第二废气流的动力。涡轮设置为废气压缩机的驱动器。废气导管系统具有连接到涡轮的第三废气导管。废气冷却器设置在废气压缩机下游的第二废气导管中。WO 2008/062254 Al示出了一种类似的用于乘用车或卡车的内燃机的废气再循环系统。这里，EGR涡轮位于EGR冷却器的上游。由此，流自废气集管的EGR气体在进入EGR冷却器之前经过EGR涡轮。由于涡轮中出现的压降，在吸入集管入口，EGR气体温度可以被降低，并且可以需要更少的发动机冷却系统的冷却力以在EGR冷却器中冷却EGR气体。如果常用于操作大型燃烧发动机的燃烧燃料可能产生包含在再循环废气中的硫酸(sulphur acid)等，在废气再循环系统的管道或管线系统中可能会出现问题。废气的硫酸和/或其他组分(例如硫本身、硫钒和/或硫酸盐形式的钠、诸如钒、镍、钠、铝和硅的灰分)(例如H2SO3或H2SO4)可能对废气管线系统产生负面影响。腐蚀会是废气流的一种或多种组分所产生的负面影响之一，例如硫酸等可能导致废气管线系统的严重腐蚀。本发明至少部分地旨在改进或克服现有系统的一个或多个方面。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种能够用于例如具有空气入口和废气出口的大型内燃机中的废气再循环系统可以包括废气再循环管线，其能够将第一部分废气流再循环到所述大型内燃机的空气入口。此外,废气排出管线可以流体连接至废气再循环管线并且能够排出至少第二部分废气流。可以设置废气涡轮，其能够由所述第二部分废气流驱动。可以设置废气压缩机，其能够由所述废气涡轮驱动并且压缩所述第一部分废气流的废气。此外，第一废气冷却器可以设置在所述废气压缩机的上游并且能够将所述第一部分废气流的废气冷却到第一温度。第二废气冷却器可以布置在所述废气压缩机的下游并且能够将所述第一部分废气流的被压缩废气冷却到第二温度。第一温度和第二温度可以相等或不同。在本发明的另一个方面，一种诸如大型内燃机的内燃机可以包括发动机空气入口、废气出口和这里所描述的废气再循环系统。 根据本发明的又一个方面，可以提供一种用于使具有空气入口和废气出口的大型内燃机的废气流再循环的方法。该方法可以包括下述步骤将第一部分废气流转向；将所述第一部分废气流的废气冷却；以及压缩被冷却的所述第一部分废气流。此外，所述第一部分废气流的被压缩废气可以被再次冷却并且接着被供给至所述大型内燃机的空气入口。根据下述说明、附图和权利要求书将清楚本发明的其他特征和方面。
图I是本发明的一种示例性实施方式的示意框图，以及图2是本发明的另一种示例性实施方式的内燃机冷却回路的示意图。
具体实施例方式下面将参照图I描述能够用于具有空气入口 15和废气出口 20的大型内燃机10中的废气再循环系统5的第一示例性实施方式。
内燃机10可以包括一个或多个气缸以及相关联的燃烧室25。燃烧室25可以连接至空气入口 15(例如入口空气集管)和废气出口 20。废气出口 20可以连接至废气管线130。废气管线130可以包括第一阀135和/或第二阀136。两个阀135和136可以连接至控制单元181。可以在第二阀136的上游和第一阀135的下游分出废气再循环管线140。废气涡轮155可以位于第二阀136的下游。废气涡轮155可以是废气增压系统150的一个部件。废气压缩机160可以由废气涡轮155通过轴165驱动。废气再循环管线140可以连接至第一废气冷却器170。废气冷却器170的出口可以连接至另外的废气再循环管线175，此管线175可以将冷却的废气供给至废气压缩机160。废气再循环管线175的另一部分可以将废气压缩机160和第二废气冷却器180彼此连接。第三阀185可以设置在第二废气冷却器180的下游。第一、第二和第三阀185可以各自包括简单的节流装置，允许阻挡或不阻挡废气经过管线140、175的废气流动和再循环。废气再循环管线的末端部分可以将阀185的下游通往集管15。下面将描述内燃机10的多重增压系统布置。第一增压系统30可以包括第一涡轮35以及可以由第一涡轮35通过轴45驱动的第一压缩机40。第二增压系统90可以包括第二涡轮95以及可以由第二涡轮95通过轴105驱动的第二压缩机100。第一吸入空气冷却器50可以布置在第一吸入空气压缩机40和第二吸入空气压缩机100的下游。吸入空气管线55和60可以将第一吸入空气冷却器50与第一吸入空气压缩机40和第二空气压缩机100互相连接。第二吸入空气压缩机100可以连接至第二空气冷却器115。吸入空气冷却器115又可以连接至内燃机10的吸入集管15。内燃机10的废气出口 20可以连接至第二增压系统90的第二涡轮95。增压系统90的第二涡轮95又可以连接至第一增压系统30的第一涡轮35。废气管线85可以从废气出口 20分支以将部分废气流引导至第二涡轮95。分支管线80可以设置在废气出口 20的下游和第二涡轮95的上游并且连接至阀75。阀75又可以连接至通往位于第一涡轮35和第二涡轮90之间的连接管线65的废气管线70。图2示出用于例如图I所示的内燃机的示意冷却回路。内燃机10的冷却回路可以包括低温(LT)冷却回路400、高温(HT)冷却回路500和超高温(SHT)冷却回路600。LT冷却回路400可以包括例如通过海水泵405供给海水的LT冷却器410。冷却介质，例如由LT泵425泵送在LT冷却回路400中循环的水(与海水分离)的温度可以为例如32°C。在LT冷却回路400中循环而不流经冷却器410的冷却介质的部分可以由阀420调节并且依赖于由温度传感器440检测的温度。因此，循环冷却介质的温度可以被调节为希望的值，例如32°C。因此，温度传感器440和阀420可以连接至控制单元181。LT冷却回路400的冷却介质可以在经过LT冷却器410之后流过第二废气冷却器180并且并行地流入第一吸入冷却器50。温度显示器440可以布置在吸入空气冷却器50的下游。另外的温度显示器445可以 布置在废气冷却器180的下游。离开第二废气冷却器180的冷却介质的温度可以为约47. 6°C。离开吸入空气冷却器50的冷却介质的温度可以为约 44. 90。。。高温(HT)冷却回路500可以包括HT冷却器505、HT泵510、第二吸入空气冷却器115和内燃机10。温度传感器530可以位于发动机10的下游。温度显示器515可以位于HT泵510的上游且另一温度显示器可以位于发动机10的上游。HT冷却回路500的冷却介质可以由HT泵510泵送经过第二吸入空气冷却器115和发动机10。显示器515上所显示的温度可以为约69°C。离开吸入空气冷却器115的冷却介质的温度可以为约80°C，这可以由显示器520显示。在诸如水的冷却介质再循环经过内燃机10时其温度可以为约90°C。温度可以由传感器530确定。另外，在HT冷却回路500中再循环而不经过HT冷却器505的冷却介质部分可以通过阀540调节。最后解释超高温(SHT)冷却回路600。SHT冷却回路600可以包括连接至HT冷却器505的SHT冷却器605。SHT冷却回路600的冷却介质通过泵615泵送经过第一废气冷却器170。冷却介质的温度可以在150°C左右,这可以由传感器610确定。第一废气冷却器170下游的冷却介质温度可以在162°C左右。该温度可以显示在温度显示器620上。另外，在回路600中再循环而不经过SHT冷却器605的冷却介质部分可以通过阀630调节。为第一废气冷却器170提供非常高温度的水的优点是可以保证至少第一废气冷却器170的表面具有不低于要由第一废气冷却器170冷却的废气的诸如硫酸等特定组分的露点的温度。由此可以减少或甚至防止第一废气冷却器170中的不利的腐蚀。此外，也可以减少或甚至避免废气压缩机160中和低温冷却器180入口处的腐蚀。也可以将各个冷却回路400、500和600彼此分开。图2以虚线示出冷却系统的这种包括三个分开的冷却回路，即LT冷却回路400、HT冷却回路500和SHT冷却回路600的替代的、示例性的实施方式。在该情况下，每个冷却回路400、500和600可以具有自己的海水泵405’和自己的返回管线。因此，在冷却系统400、500、600的该示例性的实施方式中，LT冷却器410和HT 505之间或在HT冷却器505和SHT冷却器605之间没有流体连接。工业实用性下面参照图I和图2解释废气再循环系统5的上述示例性的实施方式的基本操作。在内燃机10的正常操作过程中，连续的废气流在废气出口 20处离开内燃机10。部分废气流通过管线85进入增压系统90的第二涡轮95。可以通过阀75调节在管线85中流动的绕过第二涡轮95的废气部分。进入第二涡轮95的废气可以导致第二涡轮95的转动，并因此可以驱动第二压缩机100。第二涡轮95排出的废气可以进入第一增压系统30的第一涡轮35。此外，第一涡轮35会由于废气进入而转动。在离开第一涡轮35之后，废气流210可以被引入大气或任何其他地方。第一涡轮35的转动可以经轴45导致压缩机40的转动。由于第一压缩机40的转动，吸入空气200可以被压缩并且经过第一吸入空气冷却器50被引导到第二吸入空气压缩机100。因此，吸入空气200可以被压缩、冷却并再次压缩。与图I所示的示例性的实施方式相反，可以仅有一个增压系统，或者多于两个增压系统。至少压缩一次的吸入空气可以在吸入空气管线110中流至第二吸入空气冷却器115。此处，被压缩的吸入空气可以被再次冷却并且可以经吸入空气管线120流入集管15，在集管15中，被压缩和冷却的吸入空气可以与再循环的废气流190混合。如图I所示，要进行再循环的废气流190可以进入第一废气冷却器170并且然后可以被废气压缩机160压缩。离开压缩机160的废气流190由于压缩步骤可以如所期望地具有更高的温度，并且因此可以在第二废气冷却器180中冷却，然后被冷却和压缩的废气流190可以进入集管15。如果废气的特定部分可以被引导经过管线130，且剩余的废气可以经过管线140和175再循环，阀135和185均从控制单元181接收控制信号，导致阀135和185不阻挡流动通路。同时，阀136可以接收适当的控制信号，导致废气通道仅部分被阻挡，使得废气的特定部分可以流经涡轮155且剩余废气可以再循环。在本发明的示例性的实施方式中，第一废气冷却器170可以布置在废气压缩机160下游尽可能远。在第一废气冷却器170被控制使得离开废气冷却器170的废气温度低于废气流的诸如硫酸或亚硫酸的组分的露点的情况下，可以减少或防止到废气压缩机160或甚至是到第二废气冷却器180的管路系统中的腐蚀或其他负面影响。第二废气冷却器180可以由控制单元181控制使得离开废气冷却器180的废气温度相对低，例如低于上述废气组分的露点。废气冷却的一个优点在于能够改进空气入口 15处冷却且压缩的废气190与冷却且压缩的吸入空气120的混合物的燃烧效率。虽然已经描述了本发明的优选的实施方式，在不脱离权利要求书的范围的情况下本发明可以包含多种改进和变型。权利要求
1.一种废气再循环系统(5)，其能够用于具有空气入口(15)和废气出口(20)的大型内燃机(10)中，所述废气再循环系统包括 废气再循环管线(140，175，190)，其能够将第一部分废气流(190)再循环到所述大型内燃机(10)的空气入口(15)； 废气排出管线(130)，其流体连接至所述废气再循环管线(140，175，190)并且能够排出至少第二部分废气流(220)； 废气涡轮(155)，其能够由所述第二部分废气流(220)驱动； 废气压缩机(160)，其能够由所述废气涡轮(155)驱动并且压缩所述第一部分废气流(190)的废气； 第一废气冷却器(170)，其设置在所述废气压缩机(160)的上游并且能够冷却所述第一部分废气流(190)的废气；以及 第二废气冷却器(180)，其布置在所述废气压缩机(160)的下游并且能够冷却所述第一部分废气流(190)的被压缩废气。
2.根据权利要求I所述的废气再循环系统，其中 所述第一废气冷却器(170)能够将所述第一部分废气流(190)的废气冷却到高于废气的预定组分的露点的温度，且/或 所述第二废气冷却器(180)能够将所述第一部分废气流(190)的被压缩废气冷却到低于废气的预定组分的露点的温度。
3.根据前述权利要求中的任意一项所述的废气再循环系统，还包括 第一增压系统(30)，其包括能够被第三部分废气流(210)驱动的第一涡轮(35)和能够被所述第一涡轮(35)驱动的第一压缩机(40)； 第二增压系统(90)，其包括能够被第四部分废气流(85)驱动的第二涡轮(95)和能够被所述第二涡轮(95)驱动的第二压缩机(100)； 第一增压空气冷却器(50)，其互相连接在所述第一压缩机(40)和所述第二压缩机(100)之间；以及 第二增压空气冷却器(115)，其互相连接在所述第二压缩机(100)和所述大型内燃机(10)的空气入口(15)之间。
4.根据权利要求3所述的废气再循环系统，还包括 吸入集管(15)，其能够接收被压缩和冷却的吸入空气以及被压缩和冷却的废气，所述吸入集管(15)连接至所述第二废气冷却器(180)和所述第二增压空气冷却器(115)。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的废气再循环系统，还包括 控制单元(181)，其能够控制所述第一废气冷却器(170)的冷却介质的温度使得离开所述第一废气冷却器(170)的废气具有高于废气的预定组分的露点的温度。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的废气再循环系统，还包括 控制单元(181)，其能够控制所述第二废气冷却器(180)的冷却介质的温度使得离开所述第二废气冷却器(180)的被压缩废气具有低于废气的预定组分的露点的温度。
7.根据前述权利要求中的任意一项所述的废气再循环系统，其中 所述第一废气冷却器(170)位于比所述废气压缩机(160)更加靠近所述废气出口(20);且/或所述第二废气冷却器(180)位于比所述废气压缩机(160)更加靠近所述吸入空气入口(15)。
8.一种大型内燃机(10)，包括 空气入口(15)、废气出口(20)以及根据权利要求1-7中的任意一项所述的废气再循环系统(5)。
9.一种用于使得具有空气入口(15)和废气出口(20)的大型内燃机(10)的废气流再循环的方法，所述方法包括下述步骤 将源自所述大型内燃机(10)的废气出口(20)的第一部分废气流(190)转向； 将所述第一部分废气流(190)的废气冷却； 压缩被冷却的所述第一部分废气流(190)； 将所述第一部分废气流(190)的被压缩废气冷却；以及 将被冷却和压缩的所述第一部分废气流(190)供给至所述大型内燃机(190)的空气入口(15)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中 在进行压缩步骤之前冷却所述第一部分废气流(190)的废气的方法步骤包括将所述第一部分废气流(190)的废气冷却至高于废气的预定组分的露点的温度；以及/或 在进行压缩步骤之后冷却所述第一部分废气流(190)的废气的方法步骤包括将所述第一部分废气流(190)的废气冷却至低于废气的预定组分的露点的温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述露点是包括硫酸、亚硫酸、HFO的固态/无机污染物、浙青质和残余碳的组中的至少一种成分的露点。
12.根据权利要求9或10所述的方法，还包括将被冷却和压缩的再循环的第一部分废气流(190)与被压缩和冷却的新鲜空气在内燃机(10)的空气入口(15)处混合。
全文摘要
本发明涉及一种用于使具有空气入口(15)和废气出口(20)的大型内燃机(10)的废气流再循环的方法和设备。该方法可包括下述步骤将所述大型内燃机(10)的废气出口(20)处的第一部分废气流转向；将所述第一部分废气流(190)的废气冷却；压缩被冷却的所述第一部分废气流(190)；将所述第一部分废气流(190)的被压缩废气冷却；以及将被冷却和压缩的所述第一部分废气流(190)供给至所述大型内燃机(190)的空气入口(15)。
文档编号F02M25/07GK102713225SQ201080061142
公开日2012年10月3日 申请日期2010年6月22日 优先权日2009年12月4日
发明者A·诺曼, U·施莱默-克林 申请人:卡特彼勒发动机有限责任两合公司