專利名稱：用于選擇性催化還原的排氣系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及如權(quán)利要求1的前序部分中所限定的用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及根據(jù)權(quán)利要求7的前序部分的選擇性催化還原方法。
背景技術(shù)：
船舶和發(fā)電廠中的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的氮氧化物(NOx)排放引發(fā)日趨增長的焦慮，并且受到國際海事組織(MO)及其他立法機(jī)構(gòu)制定的不斷加強(qiáng)的規(guī)則的限制。在一定程度上，可以通過直接涉及發(fā)動機(jī)運(yùn)行的手段(例如排氣再循環(huán)，柴油機(jī)高壓燃油噴射壓力，進(jìn)氣管道內(nèi)噴水，等等)來滿足不同規(guī)則制定的要求。然而，用于減少NOx排放的許多發(fā)動機(jī)相關(guān)措施對燃料效率產(chǎn)生負(fù)面影響，并且它們不足以滿足最嚴(yán)格的排放限制。為了根本上減少NOx，需要選擇性催化還原(SCR)。采用SCR，可以實(shí)現(xiàn)NOx減少至90%或者甚至更多。在SCR系統(tǒng)中，催化劑材料和還原劑被用于將在燃燒期間形成的NOx分解成基本元素。催化劑設(shè)置在支撐陶瓷材料的表面上，該支撐陶瓷材料在反應(yīng)器內(nèi)部形成蜂窩結(jié)構(gòu)。在催化劑的表面上，NOx與用作還原劑的氨起反應(yīng)并生成氮和水。在實(shí)踐中，出于安全的原因，尿素經(jīng)常代替氨而使用。這尤其應(yīng)用于海上應(yīng)用，因?yàn)楹Ｉ闲孤┌笔且环N嚴(yán)重的危害。尿素以水溶液形式被注入到排氣流中。由于排氣的高溫，水分蒸發(fā)并且尿素分子分解為氨和二氧化碳。為了有效減少NOx和使尿素的使用最小化，以及為了最小化從SCR系統(tǒng)逃逸的氨，將尿素和排氣流有效混合是必需的。在現(xiàn)有技術(shù)的方案中，典型地通過在尿素噴射點(diǎn)和催化轉(zhuǎn)化器之間設(shè)置充分長的排氣管段來確保充分的混合。如果在噴射點(diǎn)和催化轉(zhuǎn)化器之間的距離足夠長，則可以實(shí)現(xiàn)良好的混合效果。然而，這對排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置了限制。此外，如果催化轉(zhuǎn)化器遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)放置，則排氣的低溫會對催化轉(zhuǎn)化器的功能產(chǎn)生負(fù)面影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供有利于還原劑和排氣的良好混合的改進(jìn)的排氣系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供改進(jìn)的選擇性催化還原方法。所述系統(tǒng)和方法的特征化的特征分別在權(quán)利要求1和7的特征部分給出。根據(jù)本發(fā)明，用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)包括:高壓渦輪增壓器，其包括渦輪機(jī)；低壓渦輪增壓器，其包括相對于排氣流方向設(shè)置在高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)下游的渦輪機(jī)；用于將高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)入口連接到發(fā)動機(jī)的一組氣缸的裝置；用于選擇性催化還原的催化轉(zhuǎn)化器；以及用于將還原劑引入到排氣系統(tǒng)中的裝置。排氣系統(tǒng)還包括用于將高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)出口連接到催化轉(zhuǎn)化器的入口的裝置，和用于將催化轉(zhuǎn)化器的出口連接到低壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)入口的裝置。所述用于將還原劑引入到排氣系統(tǒng)中的裝置設(shè)置在高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)上游。根據(jù)本發(fā)明，在用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)中的選擇性催化還原的方法中，所述排氣系統(tǒng)包括:高壓渦輪增壓器，其包括渦輪機(jī)；和低壓渦輪增壓器，其包括相對于排氣流方向設(shè)置在高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)下游的渦輪機(jī)，還原劑從高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)上游引入到所述系統(tǒng)中，以及所述選擇性催化還原發(fā)生在高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)的下游和低壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)的上游。由于用于將還原劑引入到排氣系統(tǒng)中的裝置被設(shè)置在高壓渦輪增壓器的上游，且催化轉(zhuǎn)化器設(shè)置在高壓渦輪增壓器的下游，因此還原劑在進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器之前流過高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)。由此，還原劑與排氣非常有效地混合，而在催化轉(zhuǎn)化器前不需要長的排氣管段。這允許構(gòu)造緊湊的排氣系統(tǒng)。催化轉(zhuǎn)化器設(shè)置在渦輪增壓器之間確保排氣溫度高得足以進(jìn)行選擇性催化還原。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，排氣系統(tǒng)包括:第二高壓渦輪增壓器，其包括渦輪機(jī)；第二低壓渦輪增壓器，其包括相對于排氣流方向設(shè)置在第二高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)下游的渦輪機(jī)；用于將第二高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)入口連接到發(fā)動機(jī)的第二組氣缸的裝置；用于將第二高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)出口連接到催化轉(zhuǎn)化器的入口的裝置；用于將催化轉(zhuǎn)化器的出口連接到第二低壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)入口的裝置；以及用于將還原劑從第二高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)上游引入到排氣系統(tǒng)中的第二裝置。本發(fā)明的該實(shí)施方式適用于V型發(fā)動機(jī)，其中，所述發(fā)動機(jī)的兩排氣缸都設(shè)置有各自的排氣歧管和渦輪增壓器。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述系統(tǒng)包括排氣模塊，該排氣模塊包括:高壓排氣管，其用于將發(fā)動機(jī)的排氣歧管連接到高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)入口 ；混合管，其用于將高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)出口連接到催化轉(zhuǎn)化器的入口 ；以及低壓排氣管，其用于將催化轉(zhuǎn)化器的出口連接到低壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)入口，所述排氣模塊的管道為彼此一體的。所述排氣模塊因?yàn)槭古艢庀到y(tǒng)尺寸緊湊并減少了裝配時(shí)間而具有優(yōu)點(diǎn)。采用排氣模塊，排氣系統(tǒng)的傳熱特性也可以得到優(yōu)化。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，排氣模塊包括:第二高壓排氣管，其用于將發(fā)動機(jī)的第二排氣歧管連接到第二高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)入口 ；第二混合管道，其用于將第二高壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)出口連接到催化轉(zhuǎn)化器的入口 ；以及第二低壓排氣管，其用于將催化轉(zhuǎn)化器的出口連接到第二低壓渦輪增壓器的渦輪機(jī)入口。這類排氣模塊適用于V型發(fā)動機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，排氣模塊是單個(gè)鑄件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，用于將還原劑引入到所述排氣系統(tǒng)中的裝置設(shè)置在排氣模塊中。


圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的實(shí)施方式。圖2示意地示出排氣系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方式。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的排氣模塊。圖4從另一個(gè)角度示出圖3的排氣模塊。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。在圖1中示出了具有兩級渦輪增壓的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)I。高壓渦輪增壓器2與低壓渦輪增壓器3串聯(lián)連接。兩個(gè)渦輪增壓器2、3包括壓縮機(jī)2a,3a和渦輪機(jī)2b、3b。排氣歧管7a將發(fā)動機(jī)I的氣缸15連接至高壓排氣管7b，高壓排氣管7b連接到高壓渦輪增壓器2的渦輪機(jī)入口 2c。來自發(fā)動機(jī)I的排氣從發(fā)動機(jī)I流入排氣歧管7a和高壓排氣管7b，流到高壓渦輪增壓器2的渦輪機(jī)2b。用于選擇性催化還原的催化轉(zhuǎn)化器4位于高壓渦輪增壓器2的渦輪機(jī)2b和低壓渦輪增壓器3的渦輪機(jī)3b之間。催化轉(zhuǎn)化器4包括一個(gè)或更多個(gè)SCR元件。SCR元件是涂覆有催化劑材料的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)。在SCR元件的表面上，還原劑與NOx反應(yīng)并形成氮和水。催化轉(zhuǎn)化器4還可以包括用于氧化一氧化碳和未燃燒的碳?xì)浠衔锏难趸呋瘎?。在氨逃逸的情況下，過量氨的至少一部分也被氧化催化劑氧化?；旌瞎?c將高壓渦輪增壓器2的渦輪機(jī)出口 2d連接到催化轉(zhuǎn)化器4的入口 4b。低壓排氣管7d將催化轉(zhuǎn)化器4的出口 4c連接到低壓渦輪增壓器3的渦輪機(jī)入口 3c。進(jìn)氣管6被設(shè)置為將進(jìn)氣引導(dǎo)到發(fā)動機(jī)I的氣缸15中。在圖1中示出了四個(gè)氣缸15，但是發(fā)動機(jī)I可以包括任意數(shù)量的氣缸15。進(jìn)氣首先通過低壓渦輪增壓器3的壓縮機(jī)3a，然后通過高壓渦輪增壓器2的壓縮機(jī)2a。低壓增壓空氣冷卻器8設(shè)置在低壓渦輪增壓器3的壓縮機(jī)3a和高壓渦輪增壓器2的壓縮機(jī)2a之間。高壓增壓空氣冷卻器9設(shè)置在高壓渦輪增壓器2的壓縮機(jī)2a和發(fā)動機(jī)I之間。在進(jìn)氣管6和高壓排氣管7b之間存在旁通管16，旁通管16設(shè)置有用于調(diào)節(jié)通過旁通管16的進(jìn)氣流的旁通閥17。排氣系統(tǒng)還包括廢氣通道10，其將高壓排氣管7b連接到混合管7c。廢氣通道10設(shè)置有用于調(diào)節(jié)廢氣通道10中的排氣流的廢氣通道閥11。尿素溶液存儲在箱12中，通過泵送單元13從箱12輸送尿素溶液。定量加料單元14用于為噴射提供正確的尿素溶液流速。噴射器5用于將尿素溶液引入到排氣系統(tǒng)。噴射器5可以是任一常規(guī)的噴射器類型。適合于本目的的典型的噴射器單元包括兩個(gè)同軸的導(dǎo)管，其中內(nèi)部導(dǎo)管用于尿素溶液，而外部導(dǎo)管用于壓縮空氣，該壓縮空氣和尿素溶液在噴嘴中混合以形成與排氣流混合的精細(xì)噴射。因?yàn)檫€原劑被噴射到高壓渦輪增壓器2上游的高壓排氣管7b，所以混合管7c可以很短。高壓渦輪增壓器2的渦輪機(jī)將還原劑和排氣有效地混合，由此在催化轉(zhuǎn)化器4之前不需要長的排氣管。圖2的實(shí)施方式與圖1的實(shí)施方式的不同之處在于，發(fā)動機(jī)I是V型發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)I的另一排氣缸設(shè)置有第二排氣歧管7a’，第二排氣歧管7a’將氣缸15’連接到第二高壓排氣管7b’。排氣系統(tǒng)包括具有壓縮機(jī)2a’和渦輪機(jī)2b’的第二高壓渦輪增壓器2’。第二高壓排氣管7b’將第二排氣歧管7a’連接到第二高壓渦輪增壓器2’的渦輪機(jī)入口 2c’。在圖2的實(shí)施方式中，催化轉(zhuǎn)化器4被分成第一隔室4a和第二隔室4a’。兩個(gè)隔室4a、4a’都設(shè)置有入口 4b、4b’和出口 4c、4c’。第一高壓渦輪增壓器2的渦輪機(jī)出口 2c通過第一混合管7c連接到催化轉(zhuǎn)化器4的第一隔室4a的入口 4b。第二高壓渦輪增壓器2’的渦輪機(jī)出口 2c，通過第二混合管7c，連接到催化轉(zhuǎn)化器4的第二隔室4a’的入口 4b’。催化轉(zhuǎn)化器4的第一隔室4a的出口 4b通過第一低壓排氣管7d連接到第一低壓渦輪增壓器3的渦輪機(jī)入口 3c。催化轉(zhuǎn)化器4的第二隔室4a’的出口 4c’通過第二低壓排氣管7d，連接到第二低壓渦輪增壓器3’的渦輪機(jī)入口 3c’。圖2的實(shí)施方式中的發(fā)動機(jī)I同樣設(shè)置有第二低壓增壓空氣冷卻器8，和第二低壓增壓空氣冷卻器9，。第一排氣歧管7a和第二排氣歧管7a’通過共用的廢氣通道10連接到第一混合管道7c和第二混合管道7c’。第二排氣歧管7a’設(shè)置有用于將還原劑引入到排氣系統(tǒng)中的第二噴射器5’。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，排氣系統(tǒng)的一部分可以設(shè)置在排氣模塊18內(nèi)，如圖3和圖4所示。排氣模塊18包括第一排氣管7b、第二高壓排氣管7b，，第一混合管7c、第二混合管7c’、第一低壓排氣管7d和第二低壓排氣管7d，。所有的管道7b、6b’、7c，7c’、7d、7d’合并到單個(gè)模塊中。排氣模塊還設(shè)置有催化轉(zhuǎn)化器4的基座19。排氣模塊18可以作為單個(gè)鑄件制造，或者其可以由例如焊接在一起的幾個(gè)部件制成。法蘭21、21’設(shè)置在高壓排氣管7b，7b’的第一端，用于將高壓排氣管7b、7b’連接到發(fā)動機(jī)I的排氣歧管7a、7a’。高壓渦輪增壓器2、2’的渦輪機(jī)入口 2c、2c’連接到高壓排氣管7b、7b’的第二端處的法蘭22、22’。高壓渦輪增壓器2、2’的渦輪機(jī)出口 2d、2d’連接到混合管7c、7c’的第一端處的法蘭23、23’。催化轉(zhuǎn)化器4的入口 4b、4b’連接到混合管7c、7c’的第二端處的法蘭24、24’。催化轉(zhuǎn)化器4的出口 4c、4c’連接到低壓排氣管7d、7d，的第一端處的法蘭24、24’。低壓渦輪增壓器3、3’的渦輪機(jī)入口 3c、3c’連接到低壓排氣管7d、7d’的第二端處的法蘭25、25’。排氣模塊18還包括來自高壓排氣管7b、7b’的廢氣通道出口 10a。還設(shè)置有進(jìn)入到低壓排氣管7d、7d’的廢氣通道入口 10b。廢氣通道10可以設(shè)置在廢氣通道出口 IOa和廢氣通道入口 IOb之間，用于引導(dǎo)部分排氣通過高壓渦輪增壓器2、2’。第二廢氣通道出口20設(shè)置在排氣模塊18的上表面上。第二廢氣通道可以連接到第二廢氣通道出口 20，使得可以引導(dǎo)排氣通過低壓渦輪增壓器3、3 ’。本發(fā)明的許多變型在所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)都是可行的。例如，對V型發(fā)動機(jī)也可以使用單個(gè)隔室的催化轉(zhuǎn)化器。對雙排發(fā)動機(jī)也可以設(shè)置分離的催化轉(zhuǎn)化器。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)(I)的排氣系統(tǒng)，該排氣系統(tǒng)包括: 高壓渦輪增壓器(2)，其包括渦輪機(jī)(2b)； 低壓渦輪增壓器(3)，其包括相對于排氣流方向設(shè)置在所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)(2b)下游的渦輪機(jī)(3b)； 用于將所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)入口(2c)連接到發(fā)動機(jī)(I)的一組氣缸(15)的裝置(7a，7b)； 用于選擇性催化還原的催化轉(zhuǎn)化器(4);以及 用于將還原劑引入到所述排氣系統(tǒng)中的裝置(5)， 其特征在于， 所述排氣系統(tǒng)還包括: 用于將所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)出口(2c)連接到所述催化轉(zhuǎn)化器(4)的入口 (4b)的裝置(7c);和 用于將所述催化轉(zhuǎn)化器(4)的出口(4c)連接到所述低壓渦輪增壓器(3)的渦輪機(jī)入口 (3c)的裝置(7d)， 并且，所述用于將還原劑引入到所述排氣系統(tǒng)中的裝置(5)設(shè)置在所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)(2b)的上游。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括: 第二高壓渦輪增壓器(2’)，其包括渦輪機(jī)(2b’ )； 第二低壓渦輪增壓器(3’)，其包括相對于所述排氣流方向設(shè)置在所述第二高壓渦輪增壓器(2’ )的渦輪機(jī)(2b’ )下游的渦輪機(jī)(3b’ )； 用于將所述第二高壓渦輪增壓器(2’ )的渦輪機(jī)入口(2c’ )連接到到所述發(fā)動機(jī)(I)的第二組氣缸(15’ )的裝置(7a’，7b’ )； 用于將所述第二高壓渦輪增壓器(2’ )的渦輪機(jī)出口(2d’ )連接到所述催化轉(zhuǎn)化器(4)的入口(4b’ )的裝置(7c’)； 用于將所述催化轉(zhuǎn)化器(4)的出口(4c’)連接到所述第二低壓渦輪增壓器(3’)的渦輪機(jī)入口(3c’ )的裝置(7d’ );以及 用于從所述第二高壓渦輪增壓器(2’)的渦輪機(jī)(2b’)上游將還原劑引入到所述排氣系統(tǒng)中的第二裝置(5’)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括排氣模塊(18)，該排氣模塊(18)包括: 高壓排氣管(7b)，其用于將所述發(fā)動機(jī)(I)的排氣歧管(7a)連接到所述高壓渦輪增壓器⑵的渦輪機(jī)入口(2c)； 混合管(7c)，其用于將所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)出口(2d)連接到所述催化轉(zhuǎn)化器⑷的入口(4b);以及 低壓排氣管(7d)，其用于將所述催化轉(zhuǎn)化器(4)的出口(4c)連接到所述低壓渦輪增壓器⑶的渦輪機(jī)入口(3c)， 所述排氣模塊(18)的管道(7b，7c，7d)為彼此一體的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述排氣模塊(18)包括: 第二高壓排氣管(7b’)， 其用于將所述發(fā)動機(jī)(I)的第二排氣歧管(7a’ )連接到第二高壓渦輪增壓器(2’ )的渦輪機(jī)入口(2c’ )； 第二混合管(7c’)，其用于將第二高壓渦輪增壓器(2’ )的渦輪機(jī)出口(2d’ )連接到催化轉(zhuǎn)化器⑷的入口(4b’ );以及 第二低壓排氣管(7d’)，其用于將所述催化轉(zhuǎn)化器(4)的出口(4c’ )連接到第二低壓渦輪增壓器(3’ )的渦輪機(jī)入口(3c’)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述排氣模塊(18)是單個(gè)鑄件。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任一項(xiàng)所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述用于將還原劑引入到所述排氣系統(tǒng)中的裝置(5，5’ )設(shè)置在所述排氣模塊(18)中。
7.一種用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)(I)的排氣系統(tǒng)中的選擇性催化還原的方法，該排氣系統(tǒng)包括: 高壓渦輪增壓器(2)，其包括渦輪機(jī)(2b)，和 低壓渦輪增壓器(3)，其包括相對于排氣流方向設(shè)置在所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)(2b)下游的渦輪機(jī)(3b)； 其特征在于， 還原劑從所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)(2b)上游被引入到所述系統(tǒng)中，以及所述選擇性催化還原發(fā)生在所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)(2b)的下游以及所述低壓渦輪增壓器(3)的渦 輪機(jī)(3b)的上游。
全文摘要
一種用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)(1)的排氣系統(tǒng)，包括高壓渦輪增壓器(2)；低壓渦輪增壓器(3)，其包括設(shè)置在高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)(2b)下游的渦輪機(jī)(3b)；用于將高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)入口(2c)連接到發(fā)動機(jī)(1)的一組氣缸(15)的裝置(7a，7b)；催化轉(zhuǎn)化器(4)；以及用于將還原劑引入到排氣系統(tǒng)中的裝置(5)。排氣系統(tǒng)還包括用于將高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)出口(2c)連接到催化轉(zhuǎn)化器(4)的入口(4b)的裝置(7c)，和用于將催化轉(zhuǎn)化器(4)的出口(4c)連接到低壓渦輪增壓器(3)的渦輪機(jī)入口(3c)的裝置(7d)。所述用于將還原劑引入到排氣系統(tǒng)中的裝置(5)設(shè)置在高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(jī)(2b)上游。本發(fā)明還涉及用于選擇性催化還原的方法。
文檔編號F02B37/007GK103097688SQ201180041820
公開日2013年5月8日 申請日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者J·海沃恩, T·萊克, K·維耶斯克 申請人:瓦錫蘭芬蘭有限公司