CN103221652A - 将还原剂注入内燃机的排气管线中的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将还原剂注入内燃机（1）的排气管线中的设备。所述设备包括：将废气从发动机（1）引出的排气管线（3）；位于排气管线（3）中的第一涡轮（4）；第二涡轮（20），其在排气管线中相对于排气管线中的预期流动方向位于第一涡轮（4）下游；喷射装置（19），其适用于将尿素溶液注入排气管线（3），以使得所述尿素溶液被排气管线（3）中的热废气加热和蒸发；以及SCR催化剂（29）。喷射装置（19）在排气管线中相对于排气管线（3）中的预期流动方向位于第一涡轮（4）下游和第二涡轮（20）上游位置处。

Description

将还原剂注入内燃机的排气管线中的设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分、将还原剂注入内燃机的排气管线中的设备。
背景技术
如今，许多内燃机和大部分燃油发动机都设有涡轮增压单元。涡轮增压单元包括驱动压缩机的废气推动式涡轮，所述压缩机将进气管线中的空气压缩以用于发动机。空气因此以正压力被供应至发动机的燃烧室。大量的空气和燃料因此能被供应至发动机和在所述发动机中被燃烧。具有涡轮增压机的发动机因此能比不具有涡轮增压机的类似发动机产生明显更高的功率输出。涡轮能从废气中提取出来以驱动压缩机的能量的值基本上与废气穿过涡轮时的压降有关。
一种能将来自燃油发动机的氮氧化物的排放量降低的方式是使用一种叫做SCR（选择性催化还原）的技术。这包含形式为尿素溶液的还原剂，其以特定的剂量被供应给柴油发动机的排气管线中的废气。当尿素溶液被喷洒到排气管线中时，所产生的极细分散溶液通过与热废气相接触而被蒸发，从而形成氨。然后，氨和废气的混合物被引导着经过SCR催化剂，在所述SCR催化剂中，废气中的氮氧化物中的氮与氨中的氮反应，以形成氮气。氮氧化物中的氧与氨中的氢反应，以形成水。废气中的氮氧化物因此在催化剂中被还原成氮气和水蒸汽。在尿素的剂量正确的条件下，可以显著降低发动机中氮氧化物的排放量。
由所谓的涡轮增压组合式发动机来提供动力的车辆具有附加涡轮，所述附加涡轮在排气管线中位于涡轮增压单元的涡轮的下游。所述附加涡轮同样也从废气中提取能量。这些能量被用于为车辆提供附加动力。涡轮经由可能包括粘性离合器的传动装置将所提取的能量传递至发动机的驱动轴。因此，涡轮增压组合式发动机具有比类似的涡轮增压式发动机或多或少更高的效率。涡轮增压组合式发动机的排气管线因此包括两个涡轮。因此，在排气管线中，废气的温度和压力在两个阶段中被降低。在某些操作情况下，第二涡轮下游的废气温度并没有足够高到使被注入排气管线的尿素溶液蒸发。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内燃机中的设备，其具有设有两个涡轮的排气管线，在此还原剂的蒸发在基本上所有操作状态下都可以实现。
本目的通过技术领域部分所述类型的设备来实现，所述设备以在权利要求1的特征部分中所指出的特征为特点。因此，根据本发明，还原剂在第一涡轮下游和第二涡轮上游位置处被注入排气管线。当废气在涡轮中膨胀时，所述废气将经历压降和温降。因此，在这种情况下，在还原剂被注入排气管线之前，废气将在第一涡轮中经历仅一次温度的降低。因此在基本上所有操作状态下，废气的温度都将高到足够使被注入排气管线的还原剂蒸发。还原剂通过喷射装置以极细分散状态被有利地注入排气管线，使得所述还原剂被排气管线中的热废气快速加热和蒸发。还原剂的蒸发有利地导致氨的形成，所述氨将在下游SCR催化剂中除去氮氧化物。
在第二涡轮的上游处注入还原剂还有另外的优势。废气的能量成分与所述废气的压力和温度有关。可以通过一个涡轮来利用废气压力中的能量成分。蒸发使还原剂变成气态。由于物质在气态下比在液态下占据更大的容积，蒸发过程导致排气管线中的压力在第二涡轮的上游增加。因此能够利用更大的压降来驱动排气管线中的第二涡轮。在第二涡轮的上游添加还原剂的另一个优点在于，旋转的涡轮可被用于混合氨和废气。因此，在没有任何附加构件的条件下，可以以有效的方式形成例如氨和废气的基本上均匀的混合物。在多数情况下，可以以相对较小的成本完成在第二涡轮的上游而不是下游供应还原剂。
根据本发明的一个优选实施例，所述设备包括在排气管线中位于喷射装置下游位置处的水解催化剂（hydrocatalyst）。商品名为AdBlue（添蓝）的尿素溶液包括32.5%的尿素和剩余比例的水。AdBlue的蒸发导致氨、异氰酸和水蒸汽的形成。在水解催化剂中，异氰酸与水反应，从而形成氨。所述水解催化剂可以在排气管线中位于第二涡轮上游位置处。异氰酸因此在排气管线中的第二涡轮上游被转变成氨。因此，在第二涡轮中的氨和废气可能已经形成基本上均匀的混合物。SCR催化剂可以在排气管线中位于相对靠近第二涡轮的位置处。
根据本发明的另一个实施例，所述设备包括控制单元，所述控制单元适用于控制被注入排气管线的尿素溶液量。控制单元可以使用有关特定发动机参数的信息来计算出下述还原剂量，所述还原剂量需要被添加以实现废气的氮氧化物成分的最优还原。控制单元可以是为此设有合适软件的计算机或类似物。所述设备包括第一温度传感器，所述第一温度传感器适用于在第一涡轮下游和第二涡轮上游位置处检测排气管线中的废气温度。因此，该温度传感器将在靠近尿素溶液被喷射的位置处检测废气温度。基于这些信息，控制单元能确定废气的温度是否足够高到使被计算出的还原剂量蒸发。
根据本发明的另一个实施例，排气管线包括具有第一阀的第一旁通管线，可以经由所述第一旁通管线来引导废气绕过第一涡轮。在许多情况下，在靠近涡轮处已经有现存的这种具有排气阀门的旁通管线。为了确保涡轮不会变得超载，当涡轮的负载变得过重时，传统的这种阀允许一部分废气经过旁通管线。在这种情况下，控制单元可适用于从第一温度传感器接收有关废气温度的信息，并可在废气的温度太低而不能使尿素溶液蒸发时，打开第一阀以使得废气被引导着绕过第一涡轮。阀可被打开以使得特定的一部分废气被引导着绕过第一涡轮。因此，可以在尿素溶液被喷射的区域使排气管线中的废气温度更高。这种阀使得废气可以基本上连续地达到使被注入排气管线的尿素溶液蒸发的温度。
根据本发明的另一个优选实施例，所述设备包括适用于在第二涡轮下游监测排气管线中的废气温度的第二温度传感器，以及具有第二阀的第二旁通管线，可以经由所述第二阀引导废气绕过第二涡轮，其中，控制单元适用于从第二温度传感器接收信息，并在废气温度太低而不能在SCR催化剂中使氮氧化物有利地还原时，打开第二阀以使得废气被引导着绕过第二涡轮。为了实现SCR催化剂的最佳作用，废气的温度必须在最低可接受值之上。当废气贯穿第一涡轮时，到达SCR催化剂的废气经历第一次温降，当废气被用于使尿素溶液蒸发时经历第二次温降，以及当废气贯穿第二涡轮时经历第三次温降。到达SCR催化剂的废气始终有可能被冷却至最低可接受温度之下的风险。如果控制单元从第二温度传感器接收到这种情况即将发生的信息，控制单元将打开第二阀以使得至少一部分废气被引导着经过第二旁通管线，且因此绕过第二涡轮。这使得废气温度可以被升高到这种程度，以至于在SCR催化剂中可以将氮氧化物按需要除去。
根据另一个优选实施例，第一涡轮被连接至压缩机，所述压缩机使被引至内燃机的空气压缩。如今，重型车辆的燃油发动机基本上都设有涡轮增压单元。废气压力因此能被利用以压缩被引至发动机的空气。大量的空气和燃料因此能被供应至发动机并在发动机中被燃烧。第二涡轮可经由传动装置被连接至发动机的轴，在该情况下，废气压力将通过被第二涡轮吸收而被利用来为车辆提供附加动力。这种类型的发动机通常被称作涡轮增压组合式发动机。
附图说明
下面将通过参考附图的示例来描述本发明的一个优选实施例，其中：
图1描述了一种根据本发明的一个实施例的用于将尿素溶液注入内燃机的排气管线中的设备。
具体实施方式
图1描述了一种形式为柴油发动机1的内燃机。发动机1可被用于为重型车辆提供动力。来自发动机1汽缸的废气经由排气歧管2被引至排气管线3。排气管线3上设有包括涡轮4和压缩机5在内的涡轮增压单元。涡轮4被用于将排气管线3中的废气的能量转变成用于驱动压缩机5的机械功。旁通管线6绕着涡轮延伸。废气能借由阀7而被引导着经过旁通管线6，并因此绕过涡轮。压缩机5被用于使被引入进气管线8空气压缩，以用于柴油发动机1。增压空气冷却器9被设置在进气管线8中，以冷却被压缩的空气。发动机1包括用于废气再循环的回流管线11。废气再循环阀（EGRvalve）12适用于调整从排气管线3经过回流管线11而被引至进气管线8的废气的量，在所述进气管线8中，再循环的废气通过例如混合装置13与空气相混合。再循环的废气在与空气管线8中的空气相混合之前，将在回流管线11中的至少一个废气再循环冷却器（EGR cooler）14中被冷却。空气和废气的混合物经由歧管14被引至发动机1的各个燃烧室。
在这里，排气管线3设有被称为SCR（选择性催化还原）方法的催化废气净化方式。这包含将形式为尿素溶液的还原剂供应给发动机的排气管线3中的废气。尿素溶液被储存在罐体15中，并经由管线16被引至排气管线3。控制单元17可以是具有合适软件的计算机单元，所述控制单元17通过泵18的启动来控制尿素溶液的供应。泵18将尿素溶液传送至喷射装置19，所述喷射装置19将所述尿素溶液注入排气管线3中。未展现的压缩空气源可以被连接至喷射装置19，以促进喷射过程。控制单元17可以使用有关特定的发动机参数的信息来计算出下述尿素溶液量，所述尿素溶液量需要被添加以实现废气的氮氧化物成分的最优还原。所供应的溶液将会被排气管线3中的废气加热，使得所述溶液被蒸发。
尿素溶液在排气管线3中的涡轮增压单元的涡轮4下游和附加涡轮20上游位置处被供应。附加涡轮20通过示意性描述的包括粘性离合器23的传动装置22被连接至发动机1的输出轴21。排气管线3中的废气经过附加涡轮20而膨胀，导致来自所述废气的能量被提取，所述能量经由传动装置22被传递以用作输出轴21的附加驱动动力。旁通管线24绕着附加涡轮20延伸。废气可以借由阀25被引导着经过旁通管线24，并因此绕过附加涡轮20。温度传感器26在涡轮4下游和附加涡轮20上游位置处检测排气管线3中的废气温度。水解催化剂27在排气管线3中位于下述位置处，所述位置相对靠近于喷射尿素溶液的喷射装置19。所述水解催化剂在排气管线3中位于附加涡轮20上游位置处。SCR催化剂29在排气管线中位于附加涡轮20下游位置处。温度传感器28被设置在排气管线3中，以在第二涡轮20下游和SCR催化剂29上游位置处监测废气的温度。因此，温度传感器28监测废气被引入SCR催化剂29之前的温度。
在发动机1的操作过程中，控制单元17基本上持续地接收有关发动机参数的信息，诸如燃料、废气流量等。控制单元17能基于这些信息计算出下述尿素溶液量，所述尿素溶液量需要被添加以基本上实现废气的氮氧化物成分的最优还原。控制单元17借由泵18供应所计算出的尿素溶液量，所述泵18经由管线16将所计算出的尿素溶液量从罐体15传送至喷射装置19。喷射装置19在附加涡轮20上游的合适混合距离处将所计算出的溶液量以极细分散的形式注入排气管线。所述混合距离的长度使得所供应的溶液在到达附加涡轮20之前能全部被蒸发。极细分散的溶液通常被排气管线3中的热废气快速加热和蒸发。被蒸发的溶液初步形成氨、异氰酸和水蒸汽。在水解催化剂27中，异氰酸与水蒸汽反应，从而形成另外的氨。因此，基本上是废气、氨和水蒸汽的混合物被引至附加涡轮20。
当尿素溶液被蒸发时，所述尿素溶液将占据比在液体形式下更大的容积。这导致排气管线3中的压力在附加涡轮20上游增加。所述附加涡轮20上游的压力增加使得利用更大的压降来驱动附加涡轮20成为可能。从附加涡轮20传递至输出轴21的驱动动力因此相应地增加。氨和废气在附加涡轮20中被有效地搅拌。这使得在排气管线3中于基本紧邻附加涡轮20的下游形成了氨和废气的基本均匀的混合物。因此，SCR催化剂29可以在排气管线3中位于相对靠近于附加涡轮20处。氨和废气的混合物被引导着经过SCR催化剂29，在所述SCR催化剂29中，废气中的氮氧化物中的氮与氨中的氮反应，从而导致氮气的形成。氮氧化物的氧与氨中的氢反应，从而导致水的形成。因此，废气中的氮氧化物在SCR催化剂29中被还原成氮气和水蒸汽。在尿素溶液的剂量正确的条件下，从发动机1排出的氮氧化物可以被大量地降低。
在发动机1的操作过程中，控制单元17接收来自温度传感器26的信息。如果传感器26指示出废气的温度太低而不能使排气管线中的尿素溶液蒸发，那么控制单元17将打开阀7，以使得至少排气管线3中的部分废气被引导着绕过涡轮4。因此，这些废气不会在涡轮4中经历温度的降低。因此，基本上所有操作状态下的废气温度都足够高到使被注入排气管线3的尿素溶液蒸发。在发动机1的操作过程中，控制单元17还接收来自温度传感器28的信息。如果传感器28指示被引至SCR催化剂29的废气的温度太低，那么控制单元7将打开阀25，以使得至少排气管线3中的部分废气被引导着经过旁通管线24并因此绕过附加涡轮20。因此，这些废气不会在附加涡轮20中经历温度的降低。因此，基本上所有操作状态下的废气的温度都足够高到使在SCR催化剂中的化学反应能够以所需方式进行。当废气的温度非常低时，控制单元17可以将两个阀7、25都打开。这使得在排气管线3中的涡轮7和20之间的位置处可以维持使尿素溶液蒸发的废气温度，并且使得在附加涡轮20下游的SCR催化剂可以实现所需功能。
本发明并不受限于上述实施例，但可能在权利要求的范围内进行自由的改变。

Claims (10)

1.一种用于将还原剂注入内燃发动机（1）的排气管线中的设备，所述设备包括：将废气从发动机（1）引出的排气管线（3）；位于排气管线（3）中的第一涡轮（4）；第二涡轮（20），其在排气管线中相对于排气管线中的预期流动方向位于第一涡轮（4）下游；喷射装置（19），其适用于将尿素溶液注入排气管线（3），以使得所述尿素溶液被排气管线（3）中的热废气加热和蒸发；以及SCR催化剂（29），其特征在于，喷射装置（19）在排气管线中相对于排气管线（3）中的预期流动方向位于第一涡轮（4）下游和第二涡轮（20）上游位置处。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括水解催化剂（27），所述水解催化剂（27）在排气管线（3）中位于喷射装置（19）下游和第二涡轮（20）上游位置处。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，还原剂是尿素溶液。
4.根据前述权利要求任一所述的设备，其特征在于，所述设备包括控制单元（17），所述控制单元（17）适用于控制被注入排气管线（3）的还原剂量。
5.根据前述权利要求任一所述的设备，其特征在于，所述设备包括第一温度传感器（26），所述第一温度传感器（26）适用于在第一涡轮（4）下游和第二涡轮（20）上游位置处监测排气管线中的废气温度。
6.根据前述权利要求任一所述的设备，其特征在于，排气管线（3）包括设有第一阀（7）的第一旁通管线（6），可以经由所述第一旁通管线（6）引导废气绕过第一涡轮（4）。
7.根据权利要求4-6所述的设备，其特征在于，控制单元（17）适用于从第一温度传感器（26）接收有关废气温度的信息，并适用于在排气管线（3）中的废气温度太低而不能使还原剂蒸发时，打开第一阀（6）以使得废气被引导着绕过第一涡轮（4）。
8.根据前述权利要求任一所述的设备，其特征在于，所述设备包括：第二温度传感器（28），其适用于在第二涡轮（20）下游位置处监测排气管线（3）中的废气温度；设有第二阀（25）的第二旁通管线（24），可以经由所述第二旁通管线（24）引导废气绕过第二涡轮（20），其中，控制单元（17）适用于从第二温度传感器（28）接收信息，并适用于在废气温度太低而不能在SCR催化剂（29）中进行氮氧化物的有利还原时，打开第二阀（25）以使得废气被引导绕过第二涡轮（20）。
9.根据前述权利要求任一所述的设备，其特征在于，第一涡轮（4）被连接至压缩机（5），所述压缩机（5）压缩被引至发动机（1）的空气。
10.根据前述权利要求任一所述的设备，其特征在于，第二涡轮（20）经由传动装置（22）被连接至发动机的轴（21）。
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