CN103097688A - 用于选择性催化还原的排气系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃发动机(1)的排气系统，包括：高压涡轮增压器(2)；低压涡轮增压器(3)，其包括设置在高压涡轮增压器(2)的涡轮机(2b)下游的涡轮机(3b)；用于将高压涡轮增压器(2)的涡轮机入口(2c)连接到发动机(1)的一组气缸(15)的装置(7a，7b)；催化转化器(4)；以及用于将还原剂引入到排气系统中的装置(5)。排气系统还包括用于将高压涡轮增压器(2)的涡轮机出口(2c)连接到催化转化器(4)的入口(4b)的装置(7c)，和用于将催化转化器(4)的出口(4c)连接到低压涡轮增压器(3)的涡轮机入口(3c)的装置(7d)。所述用于将还原剂引入到排气系统中的装置(5)设置在高压涡轮增压器(2)的涡轮机(2b)上游。本发明还涉及用于选择性催化还原的方法。

Description

用于选择性催化还原的排气系统及方法
技术领域
本发明涉及如权利要求1的前序部分中所限定的用于内燃发动机的排气系统，本发明还涉及根据权利要求7的前序部分的选择性催化还原方法。
背景技术
船舶和发电厂中的内燃发动机的氮氧化物(NOx)排放引发日趋增长的焦虑，并且受到国际海事组织(IMO)及其他立法机构制定的不断加强的规则的限制。在一定程度上，可以通过直接涉及发动机运行的手段(例如排气再循环，柴油机高压燃油喷射压力，进气管道内喷水，等等)来满足不同规则制定的要求。然而，用于减少NOx排放的许多发动机相关措施对燃料效率产生负面影响，并且它们不足以满足最严格的排放限制。为了根本上减少NOx，需要选择性催化还原(SCR)。采用SCR，可以实现NOx减少至90％或者甚至更多。
在SCR系统中，催化剂材料和还原剂被用于将在燃烧期间形成的NOx分解成基本元素。催化剂设置在支撑陶瓷材料的表面上，该支撑陶瓷材料在反应器内部形成蜂窝结构。在催化剂的表面上，NOx与用作还原剂的氨起反应并生成氮和水。在实践中，出于安全的原因，尿素经常代替氨而使用。这尤其应用于海上应用，因为海上泄漏氨是一种严重的危害。尿素以水溶液形式被注入到排气流中。由于排气的高温，水分蒸发并且尿素分子分解为氨和二氧化碳。
为了有效减少NOx和使尿素的使用最小化，以及为了最小化从SCR系统逃逸的氨，将尿素和排气流有效混合是必需的。在现有技术的方案中，典型地通过在尿素喷射点和催化转化器之间设置充分长的排气管段来确保充分的混合。如果在喷射点和催化转化器之间的距离足够长，则可以实现良好的混合效果。然而，这对排气系统的结构设置了限制。此外，如果催化转化器远离发动机放置，则排气的低温会对催化转化器的功能产生负面影响。
发明内容
本发明的目的在于提供有利于还原剂和排气的良好混合的改进的排气系统。本发明的另一目的在于提供改进的选择性催化还原方法。所述系统和方法的特征化的特征分别在权利要求1和7的特征部分给出。
根据本发明，用于内燃发动机的排气系统包括：高压涡轮增压器，其包括涡轮机；低压涡轮增压器，其包括相对于排气流方向设置在高压涡轮增压器的涡轮机下游的涡轮机；用于将高压涡轮增压器的涡轮机入口连接到发动机的一组气缸的装置；用于选择性催化还原的催化转化器；以及用于将还原剂引入到排气系统中的装置。排气系统还包括用于将高压涡轮增压器的涡轮机出口连接到催化转化器的入口的装置，和用于将催化转化器的出口连接到低压涡轮增压器的涡轮机入口的装置。所述用于将还原剂引入到排气系统中的装置设置在高压涡轮增压器的涡轮机上游。
根据本发明，在用于内燃发动机的排气系统中的选择性催化还原的方法中，所述排气系统包括：高压涡轮增压器，其包括涡轮机；和低压涡轮增压器，其包括相对于排气流方向设置在高压涡轮增压器的涡轮机下游的涡轮机，还原剂从高压涡轮增压器的涡轮机上游引入到所述系统中，以及所述选择性催化还原发生在高压涡轮增压器的涡轮机的下游和低压涡轮增压器的涡轮机的上游。
由于用于将还原剂引入到排气系统中的装置被设置在高压涡轮增压器的上游，且催化转化器设置在高压涡轮增压器的下游，因此还原剂在进入催化转化器之前流过高压涡轮增压器的涡轮机。由此，还原剂与排气非常有效地混合，而在催化转化器前不需要长的排气管段。这允许构造紧凑的排气系统。催化转化器设置在涡轮增压器之间确保排气温度高得足以进行选择性催化还原。
根据本发明的实施方式，排气系统包括：第二高压涡轮增压器，其包括涡轮机；第二低压涡轮增压器，其包括相对于排气流方向设置在第二高压涡轮增压器的涡轮机下游的涡轮机；用于将第二高压涡轮增压器的涡轮机入口连接到发动机的第二组气缸的装置；用于将第二高压涡轮增压器的涡轮机出口连接到催化转化器的入口的装置；用于将催化转化器的出口连接到第二低压涡轮增压器的涡轮机入口的装置；以及用于将还原剂从第二高压涡轮增压器的涡轮机上游引入到排气系统中的第二装置。本发明的该实施方式适用于V型发动机，其中，所述发动机的两排气缸都设置有各自的排气歧管和涡轮增压器。
根据本发明的另一实施方式，所述系统包括排气模块，该排气模块包括：高压排气管，其用于将发动机的排气歧管连接到高压涡轮增压器的涡轮机入口；混合管，其用于将高压涡轮增压器的涡轮机出口连接到催化转化器的入口；以及低压排气管，其用于将催化转化器的出口连接到低压涡轮增压器的涡轮机入口，所述排气模块的管道为彼此一体的。所述排气模块因为使排气系统尺寸紧凑并减少了装配时间而具有优点。采用排气模块，排气系统的传热特性也可以得到优化。
根据本发明的另一个实施方式，排气模块包括：第二高压排气管，其用于将发动机的第二排气歧管连接到第二高压涡轮增压器的涡轮机入口；第二混合管道，其用于将第二高压涡轮增压器的涡轮机出口连接到催化转化器的入口；以及第二低压排气管，其用于将催化转化器的出口连接到第二低压涡轮增压器的涡轮机入口。这类排气模块适用于V型发动机。
根据本发明的另一个实施方式，排气模块是单个铸件。
根据本发明的实施方式，用于将还原剂引入到所述排气系统中的装置设置在排气模块中。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明的排气系统的实施方式。
图2示意地示出排气系统的另一个实施方式。
图3示出根据本发明的实施方式的排气模块。
图4从另一个角度示出图3的排气模块。
具体实施方式
现参考附图更详细地描述本发明。在图1中示出了具有两级涡轮增压的内燃发动机1。高压涡轮增压器2与低压涡轮增压器3串联连接。两个涡轮增压器2、3包括压缩机2a、3a和涡轮机2b、3b。
排气歧管7a将发动机1的气缸15连接至高压排气管7b，高压排气管7b连接到高压涡轮增压器2的涡轮机入口2c。来自发动机1的排气从发动机1流入排气歧管7a和高压排气管7b，流到高压涡轮增压器2的涡轮机2b。用于选择性催化还原的催化转化器4位于高压涡轮增压器2的涡轮机2b和低压涡轮增压器3的涡轮机3b之间。催化转化器4包括一个或更多个SCR元件。SCR元件是涂覆有催化剂材料的陶瓷蜂窝结构。在SCR元件的表面上，还原剂与NOx反应并形成氮和水。催化转化器4还可以包括用于氧化一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物的氧化催化剂。在氨逃逸的情况下，过量氨的至少一部分也被氧化催化剂氧化。
混合管7c将高压涡轮增压器2的涡轮机出口2d连接到催化转化器4的入口4b。低压排气管7d将催化转化器4的出口4c连接到低压涡轮增压器3的涡轮机入口3c。
进气管6被设置为将进气引导到发动机1的气缸15中。在图1中示出了四个气缸15，但是发动机1可以包括任意数量的气缸15。进气首先通过低压涡轮增压器3的压缩机3a，然后通过高压涡轮增压器2的压缩机2a。低压增压空气冷却器8设置在低压涡轮增压器3的压缩机3a和高压涡轮增压器2的压缩机2a之间。高压增压空气冷却器9设置在高压涡轮增压器2的压缩机2a和发动机1之间。在进气管6和高压排气管7b之间存在旁通管16，旁通管16设置有用于调节通过旁通管16的进气流的旁通阀17。
排气系统还包括废气通道10，其将高压排气管7b连接到混合管7c。废气通道10设置有用于调节废气通道10中的排气流的废气通道阀11。
尿素溶液存储在箱12中，通过泵送单元13从箱12输送尿素溶液。定量加料单元14用于为喷射提供正确的尿素溶液流速。喷射器5用于将尿素溶液引入到排气系统。喷射器5可以是任一常规的喷射器类型。适合于本目的的典型的喷射器单元包括两个同轴的导管，其中内部导管用于尿素溶液，而外部导管用于压缩空气，该压缩空气和尿素溶液在喷嘴中混合以形成与排气流混合的精细喷射。
因为还原剂被喷射到高压涡轮增压器2上游的高压排气管7b，所以混合管7c可以很短。高压涡轮增压器2的涡轮机将还原剂和排气有效地混合，由此在催化转化器4之前不需要长的排气管。
图2的实施方式与图1的实施方式的不同之处在于，发动机1是V型发动机。发动机1的另一排气缸设置有第二排气歧管7a’，第二排气歧管7a’将气缸15’连接到第二高压排气管7b’。排气系统包括具有压缩机2a’和涡轮机2b’的第二高压涡轮增压器2’。第二高压排气管7b’将第二排气歧管7a’连接到第二高压涡轮增压器2’的涡轮机入口2c’。在图2的实施方式中，催化转化器4被分成第一隔室4a和第二隔室4a’。两个隔室4a、4a’都设置有入口4b、4b’和出口4c、4c’。第一高压涡轮增压器2的涡轮机出口2c通过第一混合管7c连接到催化转化器4的第一隔室4a的入口4b。第二高压涡轮增压器2’的涡轮机出口2c’通过第二混合管7c’连接到催化转化器4的第二隔室4a’的入口4b’。催化转化器4的第一隔室4a的出口4b通过第一低压排气管7d连接到第一低压涡轮增压器3的涡轮机入口3c。催化转化器4的第二隔室4a’的出口4c’通过第二低压排气管7d’连接到第二低压涡轮增压器3’的涡轮机入口3c’。
图2的实施方式中的发动机1同样设置有第二低压增压空气冷却器8’和第二低压增压空气冷却器9’。第一排气歧管7a和第二排气歧管7a’通过共用的废气通道10连接到第一混合管道7c和第二混合管道7c’。第二排气歧管7a’设置有用于将还原剂引入到排气系统中的第二喷射器5’。
根据本发明的实施方式，排气系统的一部分可以设置在排气模块18内，如图3和图4所示。排气模块18包括第一排气管7b、第二高压排气管7b’，第一混合管7c、第二混合管7c’、第一低压排气管7d和第二低压排气管7d’。所有的管道7b、6b’、7c，7c’、7d、7d’合并到单个模块中。排气模块还设置有催化转化器4的基座19。排气模块18可以作为单个铸件制造，或者其可以由例如焊接在一起的几个部件制成。
法兰21、21’设置在高压排气管7b，7b’的第一端，用于将高压排气管7b、7b’连接到发动机1的排气歧管7a、7a’。高压涡轮增压器2、2’的涡轮机入口2c、2c’连接到高压排气管7b、7b’的第二端处的法兰22、22’。高压涡轮增压器2、2’的涡轮机出口2d、2d’连接到混合管7c、7c’的第一端处的法兰23、23’。催化转化器4的入口4b、4b’连接到混合管7c、7c’的第二端处的法兰24、24’。催化转化器4的出口4c、4c’连接到低压排气管7d、7d’的第一端处的法兰24、24’。低压涡轮增压器3、3’的涡轮机入口3c、3c’连接到低压排气管7d、7d’的第二端处的法兰25、25’。
排气模块18还包括来自高压排气管7b、7b’的废气通道出口10a。还设置有进入到低压排气管7d、7d’的废气通道入口10b。废气通道10可以设置在废气通道出口10a和废气通道入口10b之间，用于引导部分排气通过高压涡轮增压器2、2’。第二废气通道出口20设置在排气模块18的上表面上。第二废气通道可以连接到第二废气通道出口20，使得可以引导排气通过低压涡轮增压器3、3’。
本发明的许多变型在所附的权利要求书的范围内都是可行的。例如，对V型发动机也可以使用单个隔室的催化转化器。对双排发动机也可以设置分离的催化转化器。

Claims (7)

1.一种用于内燃发动机(1)的排气系统，该排气系统包括：
高压涡轮增压器(2)，其包括涡轮机(2b)；
低压涡轮增压器(3)，其包括相对于排气流方向设置在所述高压涡轮增压器(2)的涡轮机(2b)下游的涡轮机(3b)；
用于将所述高压涡轮增压器(2)的涡轮机入口(2c)连接到发动机(1)的一组气缸(15)的装置(7a，7b)；
用于选择性催化还原的催化转化器(4)；以及
用于将还原剂引入到所述排气系统中的装置(5)，
其特征在于，
所述排气系统还包括：
用于将所述高压涡轮增压器(2)的涡轮机出口(2c)连接到所述催化转化器(4)的入口(4b)的装置(7c)；和
用于将所述催化转化器(4)的出口(4c)连接到所述低压涡轮增压器(3)的涡轮机入口(3c)的装置(7d)，
并且，所述用于将还原剂引入到所述排气系统中的装置(5)设置在所述高压涡轮增压器(2)的涡轮机(2b)的上游。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述系统包括：
第二高压涡轮增压器(2’)，其包括涡轮机(2b’)；
第二低压涡轮增压器(3’)，其包括相对于所述排气流方向设置在所述第二高压涡轮增压器(2’)的涡轮机(2b’)下游的涡轮机(3b’)；
用于将所述第二高压涡轮增压器(2’)的涡轮机入口(2c’)连接到到所述发动机(1)的第二组气缸(15’)的装置(7a’，7b’)；
用于将所述第二高压涡轮增压器(2’)的涡轮机出口(2d’)连接到所述催化转化器(4)的入口(4b’)的装置(7c’)；
用于将所述催化转化器(4)的出口(4c’)连接到所述第二低压涡轮增压器(3’)的涡轮机入口(3c’)的装置(7d’)；以及
用于从所述第二高压涡轮增压器(2’)的涡轮机(2b’)上游将还原剂引入到所述排气系统中的第二装置(5’)。
3.根据权利要求1或2所述的排气系统，其特征在于，所述系统包括排气模块(18)，该排气模块(18)包括：
高压排气管(7b)，其用于将所述发动机(1)的排气歧管(7a)连接到所述高压涡轮增压器(2)的涡轮机入口(2c)；
混合管(7c)，其用于将所述高压涡轮增压器(2)的涡轮机出口(2d)连接到所述催化转化器(4)的入口(4b)；以及
低压排气管(7d)，其用于将所述催化转化器(4)的出口(4c)连接到所述低压涡轮增压器(3)的涡轮机入口(3c)，
所述排气模块(18)的管道(7b，7c，7d)为彼此一体的。
4.根据权利要求3所述的排气系统，其特征在于，所述排气模块(18)包括：
第二高压排气管(7b’)，其用于将所述发动机(1)的第二排气歧管(7a’)连接到第二高压涡轮增压器(2’)的涡轮机入口(2c’)；
第二混合管(7c’)，其用于将第二高压涡轮增压器(2’)的涡轮机出口(2d’)连接到催化转化器(4)的入口(4b’)；以及
第二低压排气管(7d’)，其用于将所述催化转化器(4)的出口(4c’)连接到第二低压涡轮增压器(3’)的涡轮机入口(3c’)。
5.根据权利要求3或4所述的排气系统，其特征在于，所述排气模块(18)是单个铸件。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的排气系统，其特征在于，所述用于将还原剂引入到所述排气系统中的装置(5，5’)设置在所述排气模块(18)中。
7.一种用于内燃发动机(1)的排气系统中的选择性催化还原的方法，该排气系统包括：
高压涡轮增压器(2)，其包括涡轮机(2b)，和
低压涡轮增压器(3)，其包括相对于排气流方向设置在所述高压涡轮增压器(2)的涡轮机(2b)下游的涡轮机(3b)；
其特征在于，
还原剂从所述高压涡轮增压器(2)的涡轮机(2b)上游被引入到所述系统中，以及
所述选择性催化还原发生在所述高压涡轮增压器(2)的涡轮机(2b)的下游以及所述低压涡轮增压器(3)的涡轮机(3b)的上游。
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