CN103109057A

CN103109057A - 排气模块和内燃机

Info

Publication number: CN103109057A
Application number: CN2011800417264A
Authority: CN
Inventors: T·莱克; K·维耶斯克
Original assignee: Wartsila Finland Oy
Current assignee: Wartsila Finland Oy
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: FI20105894A0; WO2012028767A1; CN103109057B; EP2612005A1; FI20105894A; EP2612005B1

Abstract

一种用于具有二级涡轮增压的内燃机（13）的排气模块（10），所述模块（10）包括用于将所述内燃机（13）的排气歧管（15）连接至高压涡轮增压器（11）的涡轮入口（11a）的高压管道（1）和用于将所述高压涡轮增压器（11）的涡轮出口（11b）连接至低压涡轮增压器（12）的涡轮入口（12a）的低压管道（2）。所述高压管道（1）与所述低压管道（2）成一体。本发明还涉及一种内燃机（13）。

Description

排气模块和内燃机

技术领域

本发明涉及如权利要求1的前序部分所限定的用于具有二级涡轮增压的内燃机的排气模块。本发明还涉及根据其他独立权利要求的前序部分的内燃机。

背景技术

二级涡轮增压在大型内燃机中的使用变得越来越普遍。表述大型内燃机这里是指这样的发动机，即，其例如用在发电厂或用作船上的主发动机或辅助发动机。往往，这种发动机是压燃式发动机，但是有时也使用火花点火式发动机，尤其是气体发动机。高充电压力对于提高发动机效率是所需要的，并且高压难以仅通过一个涡轮增压器来实现。具有二级涡轮增压的发动机包括串联连接的高压涡轮增压器和低压涡轮增压器。来自发动机的排气流过两个涡轮增压器的涡轮。类似地，入口空气首先由低压涡轮增压器的压缩机来压缩，然后由高压涡轮增压器的压缩机来压缩。涉及二级涡轮增压的问题在于涡轮增压器以及发动机和涡轮增压器之间的排气道和进气道需要大量空间。该问题在V形发动机的情况下最突出，需要双倍数量的涡轮增压器和管道。尤其是在航海应用中，希望能够将发动机以及所有的辅助设备装配在尽可能小的空间中。

在具有二级涡轮增压的当前大型内燃机中，排气系统通常由数个单独的管道制成，每个管道均具有围绕它的它自己的隔绝层。管道还被独立地支承。结果，系统重且占地面积大。管道还难以隔绝和支承，并且常常引起噪音和振动问题。除此之外，在工厂组装系统是耗时的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于内燃机的改进的排气模块。本发明的另一目的是提供一种改进的内燃机。根据本发明的排气模块的表征特征在权利要求1的特征部分中给出。根据本发明的内燃机的表征特征在另一独立权利要求的表征部分中给出。

根据本发明，用于内燃机的排气模块包括：第一高压管道，其用于将所述内燃机的第一排气歧管连接至第一高压涡轮增压器的涡轮入口；和第一低压管道，其用于将所述第一高压涡轮增压器的涡轮出口连接至第一低压涡轮增压器的涡轮入口，所述第一高压管道与所述第一低压管道成一体。所述排气模块中还结合有用于将所述内燃机的第二排气歧管连接至第二高压涡轮增压器的涡轮入口的第二高压管道以及用于将所述第二高压涡轮增压器的涡轮出口连接至第二低压涡轮增压器的涡轮入口的第二低压管道。

根据本发明的内燃机包括第一排气歧管、第二排气歧管、第一高压涡轮增压器、第二高压涡轮增压器、第一低压涡轮增压器和第二低压涡轮增压器以及如上所限定的排气模块；其中每个涡轮增压器均包括涡轮入口和涡轮出口。

本发明具有数个优点。因为高压管道与低压管道成一体，因此排气模块的结构是紧凑且轻的。重量减少可例如通过减小所选择的区域中的壁厚来实现。例如，由于较小的压差，高压管道和低压管道之间的壁可比单独管道的情况下更薄。还易于布置用于模块中的排气管道、旁路管道和废气门管道的刚性支承。管道可被最优化，使得它们的长度和流阻被最小化，这将产生更好的发动机性能、低燃料消耗量和减少的排放。整个排气模块可被布置在公共隔绝层内并且因此可利用较少的隔绝材料使模块隔绝，并且仍能实现非常良好的贮热容量和有效的噪声降低。这将产生涡轮增压器之后较高的排气温度，并且使得能够使用选择催化还原。由于排气模块的整体结构，从高压管道到低压管道的有效传热提高了低压涡轮增压器的效率。排气模块制造便宜，并且在发动机工厂或在现场的组装时间也被显著减少。

本发明适于与V形发动机结合使用，其中发动机的两侧设置有高压涡轮增压器和低压涡轮增压器。在该种内燃机中，在使用常规装置时，最成问题的是布置排气和涡轮增压系统所需的所有管道。与常规装置相比，根据本发明的排气模块可提供40%的重量节省。

根据本发明的实施方式，排气模块包括高压管道或低压管道的废气门出口。还存在与所述出口相连的用于废气门管道的支承件。

根据本发明的另一实施方式，排气模块中结合有至少一个用于涡轮增压器的支承件。

根据本发明的另一实施方式，排气模块是一体式铸件。

根据本发明的实施方式，排气模块被布置成至少部分地位于公共隔绝层内。

本发明的其它实施方式的特征在从属权利要求中给出。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施方式的排气模块。

图2示出了根据本发明的另一实施方式的排气模块。

图3示出了图2的排气模块沿线A-B的剖面图。

图4示出了根据本发明的实施方式的内燃机的一部分。

图5从另一角度示出了图3的内燃机。

图6示出了包括具有隔绝层的排气模块的内燃机的一部分。

图7示出了用于包括根据本发明的排气模块的内燃机的废气门装置。

具体实施方式

现在参照附图更详细地描述本发明。图1中示出了根据本发明的实施方式的排气模块10。图2和图3中示出了类似的排气模块10。图1至图3的排气模块10可与大型V形发动机结合使用。排气模块10包括第一高压管道1和第二高压管道1’。在第一高压管道1和第二高压管道1’的第一端处，设置有用于将排气模块10附接至发动机13的第一排气歧管15和第二排气歧管15’的凸缘1a和1a’，这些凸缘的一部分可在图4至图6中看到。在高压管道1、1’的第二端处，设置有用于将高压管道1、1’附接至第一高压涡轮增压器11和第二高压涡轮增压器11’的涡轮入口11a、11a’的凸缘1b、1b’。高压管道1、1’将发动机13的排气歧管15、15’附接至高压涡轮增压器11、11’的涡轮入口11a、11a’并且允许排气从发动机13流到高压涡轮增压器11、11’的涡轮。

排气模块10还包括第一低压管道2和第二低压管道2’。低压管道2、2’的第一端设置有用于将低压管道2、2’附接至高压涡轮增压器11、11’的涡轮出口11b、11b’的凸缘2a、2a’。低压管道2、2’的第二端处的凸缘2b、2b’用于将低压管道2、2’附接至低压涡轮增压器12、12’的涡轮入口12a、12a’。通过低压管道2、2’，排气可从高压涡轮增压器11、11’的涡轮流到低压涡轮增压器12、12’的涡轮。高压管道1、1’与低压管道2、2’成一体。

低压管道2、2’布置在高压管道1、1’上方，使得低压管道2、2’的第二端接近高压管道1、1’的第一端。低压管道2、2’的一部分平行于高压管道1、1’。因为低压管道2、2’和高压管道1、1’两者为同一排气模块10的一部分，因此从高压管道1、1’到低压管道2、2’的传热是有效的并且提高了低压涡轮增压器12、12’的效率。高压管道1、1’的壁的一部分还能制造得比单独的管道的情况下更薄。这是可能的，因为高压管道1、1’和低压管道2、2’之间的压差显著小于高压管道1、1’和大气之间的压差。

图1的排气模块10设置有支承件6、6’，第一高压涡轮增压器11和第二高压涡轮增压器11’可被紧固至该支承件6、6’。在图1的实施方式中，支承件6、6’附接至高压管道1、1’。支承件6、6’定位成使得高压涡轮增压器11、11’的涡轮入口11a、11a’可连接至高压管道1、1’的第二端处的凸缘1b、1b’，并且低压管道2、2’的第一端处的凸缘2a、2a’可连接至高压涡轮增压器11、11’的涡轮出口11b、11b’。而且支承件6、6’为排气模块10的组成部分。支承件6、6’可包括用于高压涡轮增压器11、11’的进油口和放油口。本领域技术人员将理解的是，对于低压涡轮增压器12、12’，也可设置类似的支承件。

在图2和图3的实施方式中，不存在用于涡轮增压器的单独的支承件，但是高压管道1、1’的第二端处的凸缘1b、1b’和/或低压管道2、2’的第一端处的凸缘2a、2a’作为用于高压涡轮增压器11、11’的支承件工作。类似地，低压管道2、2’的第二端处的凸缘2b、2b’作为用于低压涡轮增压器12、12’的支承件工作。凸缘1b、1b’、2a和/或2a’因此形成用于高压涡轮增压器11、11’的涡轮侧的刚性支承，并且凸缘2b、2b’形成用于低压涡轮增压器12、12’的涡轮侧的刚性支承。高压涡轮增压器11、11’的压缩机侧通过柔性足16、16’被支承到涡轮增压器托架18。低压涡轮增压器12、12’的压缩机侧通过第二柔性足17、17’被支承到涡轮增压器托架18。

第一低压管道2和第二低压管道2’设置有公共废气门出口3。与废气门出口3结合，存在作为用于废气门管道（未示出）的支承件工作的凸缘3a。通过废气门出口3，排气可流入废气门管道并且绕过低压涡轮增压器12、12’。当然，单独的废气门出口和废气门管道可设置用于第一低压管道2和第二低压管道2’。

在图2的实施方式中，第二废气门出口23布置在高压管道1、1’的上表面上。与第二废气门出口23结合，存在作为用于第二废气门管道22（可在图7中看到）的支承件工作的凸缘23a。低压管道2、2’设置有废气门入口24并且凸缘24a与废气门入口24结合布置。废气门管道22布置在与高压管道1、1’结合的凸缘23a和与低压管道2、2’结合的凸缘24a之间。排气可因此从高压管道1、1’通过第二废气门管道22流入低压管道2、2’，并且经过高压涡轮增压器11、11’。而且，凸缘24作为用于废气门管道22的支承件工作。

排气模块10还可包括旁路管道4，如图1所示。旁路管道4布置在低压管道2、2’下面，并且位于高压管道1、1’之间。旁路管道4的第一端位于排气模块10的与高压管道1、1’的第二端相同的一端处。在旁路管道4的第一端处，存在作为用于旁通阀的支承件工作的凸缘4a。在旁路管道4的另一端处，存在进入低压管道2、2’的入口。旁通阀和旁通管可紧固至凸缘4a。发动机13的入口空气可从发动机13的进气歧管通过旁通管被引导到旁路管道4中并且进一步被引导到低压管道2、2’中。旁路管道4和用于旁通阀的支承件4a与排气模块10的其余部分成一体。

排气模块10可设置有许多不同的辅助设备。例如，用于涡轮清洁喷嘴的壳体20、20’可布置在低压管道2、2’中，如图1至图3所示。自然地，类似的壳体可布置在高压管道1、1’中。通过涡轮清洁喷嘴，例如，蒸汽可被注入管道1、1’、2、2’，用于清洁涡轮增压器11、11’、12、12’的涡轮。低压管道2、2’也可设置有用于还原剂喷嘴的壳体。通过还原剂喷嘴，还原剂（诸如尿素）可被注入低压管道2、2’，以允许选择催化还原来自低压涡轮增压器12、12’的下游流。

还可以布置与低压管道2、2’结合的热源19。热源19可以是例如燃烧器或电加热器。在图2的实施方式中，热源19布置成加热低压管道2、2’的外表面。然而，还可以将易燃流体与空气和/或氧气一起注入低压管道2、2’。热源19的目的是提高低压涡轮增压器12、12’后的排气的温度以允许有效的选择催化还原。

可被结合到排气模块10中的其他部件包括用于向发动机供应增压空气以供起动的起动空气管道，以及用于排气管道的不同支承件。还可以向排气模块10提供用于涡轮增压器11、11’、12、12’的涡轮的进气壳。进气壳的目的在于以旋转的方式改变用于涡轮增压器11、11’、12、12’的涡轮的排气流。进气壳可以是排气模块10的组装部分，或它们可以作为单独部件插入模块10。具有进气壳的实施方式尤其适于这样的排气模块10，其中位于高压管道1、1’的第二端处的凸缘1b、1b’以及位于低压管道2、2’的第二端处的凸缘2b、2b’作为用于高压涡轮增压器11、11’和低压涡轮增压器12、12’的支承件工作。排气模块10还可包括用于高压涡轮增压器11、11’的涡轮的出口壳。

图6中示出了本发明的其中整个排气模块10布置在公共隔绝层14内的实施方式。隔绝层14有效地减少了来自排气模块10的热流并且有助于保持低压涡轮增压器12、12’后的排气温度也高。选择催化还原系统可因此定位在低压涡轮增压器12、12’的下游，并且对于选择催化还原，可保持排气温度足够高。而且，能使从发动机的排气到入口空气的传热最小化。在图2和图3的实施方式中，隔绝层21绕低压管道2、2’布置。

排气模块10可制造为一体式铸件。另选地，也可以将模块10的不同的管道部件和支承件铸造为单独部件并且例如将它们焊接在一起以使得形成一体的模块10。

本领域技术人员将理解的是，本发明不限于上述实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims

1.一种用于具有二级涡轮增压的内燃机（13）的排气模块（10），所述排气模块（10）包括：

第一高压管道（1），该第一高压管道用于将所述内燃机（13）的第一排气歧管（15）连接至第一高压涡轮增压器（11）的涡轮入口（11a）；以及

第一低压管道（2），该第一低压管道用于将所述第一高压涡轮增压器（11）的涡轮出口（11b）连接至第一低压涡轮增压器（12）的涡轮入口（12a），所述第一高压管道（1）与所述第一低压管道（2）成一体，

所述排气模块的特征在于，所述排气模块（10）中还结合有：

第二高压管道（1’），该第二高压管道用于将所述内燃机（3）的第二排气歧管（15’）连接至第二高压涡轮增压器（11’）的涡轮入口（11a’）；以及

第二低压管道（2’），该第二低压管道用于将所述第二高压涡轮增压器（11’）的涡轮出口（11b’）连接至第二低压涡轮增压器（12’）的涡轮入口（12a’）。

2.根据权利要求1所述的排气模块（10），其特征在于，所述排气模块（10）包括所述高压管道（1、1’）或所述低压管道（2、2’）的废气门出口（3、23）。

3.根据权利要求2所述的排气模块（10），其特征在于，用于废气门管道的支承件（3a、23a）布置成与所述废气门出口（3、23）相连。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的排气模块（10），其特征在于，所述排气模块（10）中结合有旁路管道（4）和用于旁通阀的支承件（4a）。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的排气模块（10），其特征在于，所述排气模块（10）中结合有用于涡轮增压器（11、11’、12、12’）的至少一个支承件（1a、1a’、2a、2a’、2b、2b’、6、6’）。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的排气模块（10），其特征在于，所述排气模块（10）包括用于涡轮清洁喷嘴的壳体（20、20’）。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的排气模块（10），其特征在于，所述排气模块（10）是一体式铸件。

8.一种内燃机（13），所述内燃机包括第一排气歧管（15）、第二排气歧管（15’）、第一高压涡轮增压器（11）、第二高压涡轮增压器（11’）、第一低压涡轮增压器（12）和第二低压涡轮增压器（12’），所述涡轮增压器（11、11’、12、12’）中的每个均包括涡轮入口（11a、11a’、12a、12a’）和涡轮出口（11b、11b’、12b、12b’），所述内燃机的特征在于，所述内燃机（13）包括根据权利要求1至7中的任一项所述的排气模块（10）。

9.根据权利要求8所述的内燃机（13），其特征在于，所述排气模块（10）被布置成至少部分地位于公共隔绝层（14、21）内。

10.根据权利要求8或9所述的内燃机（13），其特征在于，所述内燃机（13）设置有用于加热所述低压管道（12、12’）中的排气的外热源（19）。