CN106837487B - 内燃发动机和用于优化内燃发动机的排气后处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃发动机和用于优化内燃发动机的排气后处理的方法。内燃发动机(1)包括：至少一个连接到排气接收器(2)的气缸；SCR反应器(3)，其入口(3a)连接到排气接收器的出口(2b)；以及带有涡轮机(5)和压缩机(6)的涡轮增压器(4)。涡轮机入口(5a)经由涡轮机路径(7)连接到SCR反应器的出口(3b)，涡轮增压器(4)的涡轮机(5)驱动压缩机，并且涡轮增压器的压缩机出口(6b)经由增压空气路径(8)连接到增压空气接收器(9)。增压空气接收器连接到内燃发动机(1)的气缸的空气入口(10)，增压空气路径包括增压空气冷却器(11)。在增压空气冷却器的上游布置有将增压空气路径连接到涡轮机路径的旁通管路(12)。

Description

内燃发动机和用于优化内燃发动机的排气后处理的方法
技术领域
本发明涉及内燃发动机以及用于优化内燃发动机的排气后处理的方法。
背景技术
在内燃发动机中使用选择性催化还原反应器(以下称为SCR反应器)执行选择性催化还原(SCR)是已知的。在过低的排气温度下，选择性催化还原不能充分地发挥作用的问题也是已知的。
所述过低的排气温度尤其是会在低发动机功率水平的情况下遇到，例如低于最大连续功率的百分之四十。
具体地，在大型船舶的船用发动机中，排放规定变得越来越严格，尤其是关于NOx排放。所以，选择性催化还原的可靠工作在低发动机负载下是非常必要的。
DK177631已经公开了一种解决方案，其中旁通通道从辅助风机或增压空气接收器的下游位置直接连接到SCR催化转化器与涡轮机入口之间的管路上的某个位置。通过这种措施，进入SCR设备的排气的排气温度被升高。所述方案的缺点在于，由于增压空气接收器和涡轮机的直接连接，增压空气的压力和温度必须同时针对发动机和SCR催化转化器的运行被优化。另外，相对冷的空气的再循环导致不稳定的涡轮增压器转速。另外，尤其是在低发动机功率水平下，因为过低的涡轮增压器功率的原因，在增压空气接收器的上游使用辅助风机对于发动机的运行而言是必要的。所以，在辅助风机下游的空气的抽取导致高压力水平下的空气抽取，尤其是在低负载的情况下，也即是说具备高能量，并且导致所述富含能量的空气被导回涡轮机。通过这种方式，涡轮增压器效率被提高，这又导致涡轮增压器下游的更高的压力，进而提高了燃烧效率。所述被提高的燃烧效率导致更低的排气温度，这是尤其不希望的。
发明内容
因此，本发明的目标是避免现有技术的缺点并提供一种内燃发动机，它能被最佳地设置到选择性催化还原所需的排气温度，同时能针对发动机的理想燃烧过程被最佳地设置。
上述目标可以通过一种内燃发动机以及一种用于优化排气后处理的方法来实现。
具体地，该目标通过一种内燃发动机来实现，尤其是一种两冲程船用发动机，优选是十字头内燃发动机，该发动机包括至少一个优选多个连接到排气接收器的气缸。该内燃发动机还包括SCR反应器，该SCR反应器的入口连接到所述排气接收器的出口。此外，该内燃发动机包括带有涡轮机和压缩机的涡轮增压器，其中，涡轮机入口经由涡轮机路径连接到所述SCR反应器的出口。所述涡轮增压器的所述涡轮机驱动所述压缩机，并且所述涡轮增压器的压缩机出口经由增压空气路径连接到增压空气接收器。所述增压空气接收器连接到所述内燃发动机的所述气缸的空气入口，并且，所述增压空气路径包括增压空气冷却器。在所述增压空气冷却器的上游布置有将所述增压空气路径连接到所述涡轮机路径的旁通管路。
作为抽取和再循环涡轮增压器的压缩机的正下游的温暖压缩空气的结果，一方面使SCR反应器上游的排气温度被升高，从而使SCR反应器可靠地工作。另一方面，涡轮增压器的转速保持相对稳定，而不用考虑空气的再循环，从而使总过程保持稳定并能最佳地运行。
在增压空气冷却器的下游，可以布置温度控制装置和/或水分离器。
温度控制装置可以是冷却器或加热装置的形式，或者是冷却与加热装置的组合。
所述类型的装置使得旁通路径中的空气的温度独立于增压空气的温度控制被控制成为可能，因此允许精确地设置涡轮增压器功率。
水分离器从增压空气中去除水分，空气以最干燥的可能状态流入燃烧室。因此产生更少的腐蚀。
旁通管路可以包括旁通管路入口阀，旁通管路能借助于该旁通管路入口阀而被完全地或局部地打开和关闭。
因此，旁通管路可以只在它被实际需要时才被使用，也即是说，只在排气温度对于选择性催化还原的最佳运行而言过低的情况下才使用旁通管路。
旁通管路可以包括温度控制装置和/或水分离器。
因此，只有处于最干燥的可能状态的空气和/或受到最佳温度调控的空气才能回流到涡轮机，从而使涡轮机中发生最少的腐蚀。
旁通管路可以包括压力增加装置，该压力增加装置优选地被布置在温度控制装置的上游。
借助于旁通管路中的压力增加装置，所述压力能独立于增压空气接收器中的压力而被调节。另外，所述压力能被优化到涡轮机上游的涡轮机路径中的压力或者稍高于该压力，从而使从旁通管路进入涡轮机路径的可靠入流成为可能。
旁通管路可以包括旁通管路关闭装置。
旁通管路关闭装置例如可以是阀门、翻板、逆止阀或者它们的组合。
旁通管路关闭装置使旁通管路与涡轮机路径的隔离成为可能，因此能够防止排气在未使用的情况下从涡轮机路径直接进入旁通管路。
所述内燃发动机可以包括开环控制单元，所述旁通管路入口阀，并且优选地，旁通管路出口阀，能够借助于所述开环控制单元而被打开和关闭，尤其是局部打开。
另外，开环控制单元可以以开环的方式控制温度控制装置，从而使空气能够按照需要被冷却或加热。另外，开环控制单元可以以开环的方式控制旁通管路中的压力增加装置和水分离器。另外，新鲜空气供给阀也可以以开环的方式被开环控制单元控制。
根据本发明的开环控制单元可以是纯开环控制单元的形式或者是闭环控制单元的形式。对于单个装置而言，例如阀门，以开环的方式被控制也是可能的，而对于其它装置而言，例如温度控制装置或压力增加装置，具有闭合控制环也是可能的。
尿素喷射器可以被形成在内燃发动机的排气出口和SCR反应器之间，其中温度传感器优选地被布置在排气出口与尿素喷射器之间的区域内，尤其优选地，位于尿素喷射器的上游的短距离处。
通过使用尿素，NOx的还原被优化。
可以在发动机的排气出口与涡轮增压器的涡轮机之间的区域内布置用于测量排气温度的温度传感器。温度传感器可以优选地形成在SCR反应器内或者形成在SCR反应器的入口处。具体地，温度传感器可以被直接地布置在最终催化剂层的下游。温度传感器可以替代地或额外地被布置在内燃发动机的排气出口与选择性催化反应器之间的排气管路中，尤其是在发动机排气出口与SCR反应器上游的尿素喷射点之间的区域内，优选是在排气管中，尤其优选是在尿素喷射点的上游的短距离处。
所述类型的温度传感器允许精确地确定排气的温度，尤其是在催化反应器中或非常靠近催化反应器的位置，由此基于测量值来引导排气温度的闭环控制。另外，排气温度可以在尿素喷射点的区域内被确定，从而使排气能保持在对尿素喷射而言最佳的范围内。
来自温度传感器的数据被发送给开环控制单元也是优选的，其中，在开环控制单元中，阀门和/或旁通管路中空气的压力和/或温度可以根据已存储的设定值或设定范围以闭环的方式受到控制。
旁通管路可以包括新鲜空气供给阀，新鲜空气能穿过该阀而被引入旁通管路。新鲜空气供给阀优选地被布置在温度控制装置的上游，尤其优选地在压力增加装置的上游。
通过使用额外的新鲜空气供给阀，新鲜空气能被额外地引入旁通管路，从而使来自压缩机的空气与新鲜空气混合，或者只有新鲜空气经旁通管路而被引入涡轮机路径。这种方案提高了内燃发动机的灵活性和开环控制能力，并通过额外的冷却降低了涡轮增压器效率。新鲜空气供给阀在温度控制装置上游的布置使得新鲜空气的温度受到控制成为可能，另外新鲜空气供给阀在压力增加装置上游的布置允许将压力调节到涡轮机路径中的压力。
因此，排气温度是独立于增压空气的温度和增压空气的压力以开环的方式可控制的。
增压空气接收器可以包括排放阀。
增压空气接收器中的排放阀增大了使增压空气接收器中的压力降低的可能性，因此进一步提高了用于最佳燃烧和催化转化过程的过程变量的开环控制的独立性。排放阀还可以以开环的方式由开环控制单元控制。
旁通管路中的压力增加装置和/或任何其它的压力增加装置可以包括变频器。
通过使用变频器，压力增加装置能以开环的方式被控制，优选地通过开环控制单元。
在排气接收器和涡轮机路径之间可以形成包括SCR旁通阀的SCR旁通管路，从而使选择性催化反应器能被旁通。
SCR旁通管路允许发动机在SCR反应器出现故障的情况下连续运行，因此对发动机的运行稳定性起到了作用。另外，在SCR旁通管路的帮助下，SCR能被停止，如果不被需要的话。
所述目标还通过一种用于优化排气后处理的方法来实现，尤其是之前所描述的内燃发动机的排气的排气后处理，该方法包括以下步骤：
借助于温度传感器测量排气温度，或者确定所述内燃发动机的负载范围，尤其是，在SCR反应器中或其附近和/或在所述发动机的排气出口与所述SCR反应器的上游的尿素喷射点之间的区域内，优选在排气管中，尤其优选在所述尿素喷射点的上游的短距离处，测量SCR排气温度，
优选在开环控制单元中，将测得的排气温度尤其是SCR排气温度与设定范围或设定值进行比较，或者将所述内燃发动机的所述负载范围与低负载范围或低负载值进行比较，以及
在偏离所述设定范围或设定值的情况下，尤其是在低于所述设定范围或设定值的情况下，或者在达到所述低负载范围或所述低负载值的情况下，打开旁通管路入口阀，并且优选地打开所述旁通管路出口阀，从而将来自涡轮增压器的压缩机的下游和增压空气冷却器的上游的位置的空气至少部分地穿过旁通管路而引入到选择性催化反应器和所述涡轮增压器的涡轮机之间的涡轮机路径，其中，对所述旁通管路中的空气进行计量，优选地，以温度受控的方式进行计量，使得SCR排气温度被设置在所述设定范围内或被设置为所述设定值。
利用所述类型的方法，SCR反应器的可靠运行被保证，同时，内燃发动机的运行被保持在最佳范围内。
例如，低负载范围对应0-50％的发动机负载，具体地，在ISO标准条件下是0-40％，并且低负载值对应40％的发动机负载。SCR反应器中或其附近的排气的设定温度范围例如对应250℃至500℃范围内的温度，并且尿素喷射点的排气的设定温度例如位于至少310℃的区域内。
旁通管路中的空气的压力借助于压力增加装置而被升高。
因此，将旁通管路中的压力调节到用于再循环给涡轮机的最佳压力水平是可能的。
新鲜空气可以通过新鲜空气供给阀而被引入旁通管路，和/或空气能从增压空气接收器被排出，从而使增压空气压力以闭环的方式受到控制。
因此，新鲜空气到涡轮机路径内的供给是独立于增压空气压力或温度的，增压空气压力和增压空气温度能针对内燃发动机的运行而被优化。
开环控制单元可以以开环的方式控制旁通管路入口阀，使得排气温度借助于穿过所述旁通管路而被引入的空气的量而升高。
附图说明
将结合附图在下面的示范实施方式中更详细地讨论本发明。
图1是根据本发明第一实施方式的内燃发动机的示意图，
图2是根据本发明第二实施方式的内燃发动机的示意图，以及
图3是根据本发明第三实施方式的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明的内燃发动机1的示意图，它包括排气接收器2。排气从内燃发动机1的排气出口1b被引入排气接收器2。排气接收器2收集来自内燃发动机1的气缸的排气。离开排气接收器2的出口2b，排气被引导通过SCR反应器3，然后到达涡轮增压器4的涡轮机5。选择性催化反应器3具有入口3a和出口3b。出口3b通过涡轮机路径7被连接到涡轮机入口5a。离开SCR反应器3的出口3b，排气通过涡轮机路径7而被引导到涡轮机5。排气接收器出口阀25和尿素喷射器26被额外地布置在排气接收器2和SCR反应器3的入口3a之间。通过排气接收器出口阀25，选择性催化反应器3可以在故障或不需要SCR反应器3运行的情况下被停止。
在所有的实施方式中，温度传感器28被任选地布置在尿素喷射器26的上游的短距离处，借助于该温度传感器，可以测量尿素喷射器的直接上游的排气温度。温度传感器28被连接到开环控制单元19，从而使排气的温度偏差能被检测，并且升高温度的措施能被执行。
另外，涡轮机路径阀27被布置在SCR反应器3的出口3b的下游，涡轮机路径阀使得SCR反应器3的出口3b在未使用或者出现故障的情况下也被关闭成为可能。涡轮增压器4的涡轮机5驱动压缩新鲜空气的压缩机6。所述新鲜空气从压缩机出口6b经增压空气路径8被引导进入增压空气接收器9。增压空气路径8还包括增压空气冷却器11和水分离器14。
在增压空气冷却器11的下游，即，在压缩机6和增压空气冷却器11之间，布置了使部分来自压缩机6的压缩空气转向并被引导回涡轮机路径6的旁通管路12。旁通管路12包括旁通管路入口阀15、温度控制装置13、水分离器16、以及旁通管路出口阀18。
所述类型的旁通管路12使新鲜的压缩空气(为了最好地控制温度)被引入涡轮机路径7成为可能，尤其是在SCR反应器3中的温度对于SCR反应器3的最佳运行而言过低的情况下。SCR反应器3中的排气的温度可以通过被布置在SCR反应器3内或SCR反应器3的入口3a处的温度传感器20来确定。替代地，机器负载可以被用作温度范围的近似物。尤其是在内燃发动机1的机器负载低于ISO标准条件下的最大负载的40％的情况下，根据经验，此时排气温度是过低的，并且为了SCR反应器3的正确运行必须被升高。
温度控制装置13在旁通管路12中的布置允许有选择地控制被反馈回到涡轮机路径7内的空气的温度。通过这种方式，再循环空气能够被最佳地设置，从而使SCR反应器3中的温度可靠地到达它的最佳范围。通过旁通管路入口阀15和旁通管路出口阀18，旁通管路12能被关闭，从而在SCR反应器3中具备充足的温度时，内燃发动机1在没有旁通管路12的情况下被操作。旁通管路入口阀15以及优选地旁通管路出口阀18都以开环的方式被开环控制单元19控制。开环控制单元19优选地还以开环的方式控制温度控制装置13，并且以关于内燃发动机1的负载状态的信息和/或SCR反应器3中排气的温度为基础。因此，开环控制单元19能从温度传感器20接收开环控制信号。
增压空气路径8包括增压空气冷却器11和水分离器14。增压空气冷却器11控制新鲜压缩空气的温度，从而使内燃发动机1中的燃烧过程能针对所需的目标最佳地进行。增压空气接收器9收集从增压空气接收器9被引导到内燃发动机1的空气入口10的增压空气。增压空气接收器9还包括排放阀22，增压空气接收器9中的压力能借助于该排放阀而被调节。通过增压空气接收器9中压力的调节，内燃发动机1中燃烧过程的效率被降低，由此排气温度被升高。这可以通过降低增压空气接收器9中的压力被非常快速地实现，且不要求干涉涡轮增压器。在排气接收器2和涡轮机路径7之间还被布置了包括SCR旁通阀24的SCR旁通管路23。来自排气接收器2的排气能经所述SCR旁通管路23而被引导到涡轮增压器4的涡轮机5，如果选择性催化反应器3不被需要或者不能被操作的话。
图2中所示出的实施方式对应于图1中所示出的实施方式，区别在于压力增加装置17被布置在温度控制装置13的上游的旁通管路12中。压力增加装置17允许，除了借助于温度控制装置13进行温度调节之外，调节涡轮增压器4的压缩机6的下游的空气的压力。压力增加装置17优选地也以开环的方式被开环控制装置19控制。
图3的实施方式对应于图2的实施方式，区别在于空气能通过新鲜空气供给阀21而被引入压力增加装置17的上游的旁通管路12。借助于所述通过新鲜空气供给阀21的新鲜空气的供给，来自压缩机6的热空气与来自新鲜空气供给阀21的冷空气的混合成为可能，因此经旁通管路12被再循环的已经被冷却的空气能以一种简单的方式被引导到涡轮机5。因此，涡轮增压效率被降低，所以，燃烧过程的效率也被降低。所以，排气温度增加，选择性催化反应器3最优地工作。新鲜空气供给阀21优选地也以开环的方式被开环控制单元19控制。

Claims (22)

1.一种内燃发动机(1)，该内燃发动机包括：
连接到排气接收器(2)的至少一个气缸；
选择性催化还原SCR反应器(3)，该SCR反应器的入口(3a)连接到所述排气接收器(2)的出口(2b)；以及
带有涡轮机(5)和压缩机(6)的涡轮增压器(4)，其中，涡轮机入口(5a)经由涡轮机路径(7)连接到所述SCR反应器(3)的出口(3b)，其中，所述涡轮增压器(4)的所述涡轮机(5)驱动所述压缩机(6)，并且所述涡轮增压器的压缩机出口(6b)经由增压空气路径(8)连接到增压空气接收器(9)，其中，所述增压空气接收器(9)连接到所述内燃发动机(1)的所述气缸的空气入口(10)，并且其中，所述增压空气路径(8)包括增压空气冷却器(11)，
其特征在于，在所述增压空气冷却器(11)的上游布置有将所述增压空气路径(8)连接到所述涡轮机路径(7)的旁通管路(12)，
其中，所述旁通管路(12)包括压力增加装置(17)，并且所述旁通管路(12)包括新鲜空气供给阀(21)，新鲜空气能穿过该新鲜空气供给阀而被引入到所述旁通管路(12)中。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机(1)，其特征在于，所述内燃发动机(1)是两冲程船用发动机。
3.根据权利要求1所述的内燃发动机(1)，其特征在于，所述内燃发动机(1)是十字头内燃发动机。
4.根据权利要求1所述的内燃发动机(1)，其特征在于，所述内燃发动机(1)包括连接到排气接收器(2)的多个气缸。
5.根据权利要求1所述的内燃发动机(1)，其特征在于，在所述增压空气冷却器(11)的下游布置有水分离器(14)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃发动机(1)，其特征在于，所述旁通管路(12)包括旁通管路入口阀(15)，所述旁通管路(12)能借助于该旁通管路入口阀(15)而被完全地或局部地打开和关闭。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃发动机(1)，其特征在于，所述旁通管路(12)包括温度控制装置(13)和/或水分离器(16)。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃发动机(1)，其特征在于，该压力增加装置布置在温度控制装置(13)的上游。
9.根据权利要求6所述的内燃发动机(1)，其特征在于，所述旁通管路(12)包括旁通管路关闭装置(18)。
10.根据权利要求9所述的内燃发动机(1)，其特征在于，所述内燃发动机(1)包括开环控制单元(19)，所述旁通管路入口阀(15)能够借助于该开环控制单元而被打开和关闭。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃发动机(1)，其特征在于，所述内燃发动机(1)包括开环控制单元(19)，所述旁通管路出口阀(18)能够借助于该开环控制单元(19)而被打开和关闭。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃发动机(1)，其特征在于，在所述发动机(1)的排气出口与所述涡轮增压器(4)的涡轮机(5)之间的区域内布置有用于测量排气温度的温度传感器(20)。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃发动机(1)，其特征在于，所述增压空气接收器(9)包括排放阀(22)。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃发动机(1)，其特征在于，在所述内燃发动机(1)的排气出口和所述SCR反应器之间形成有尿素喷射器。
15.根据权利要求14所述的内燃发动机(1)，其特征在于，在排气出口(1b)与尿素喷射器之间的区域内布置有温度传感器(28)。
16.一种用于优化根据权利要求1至15中任一项所述的内燃发动机(1)的排气的排气后处理的方法，该方法包括以下步骤：
借助于一个或多个温度传感器(20)测量排气温度，或者确定所述内燃发动机的负载范围，
在开环控制单元(19)中，将测得的排气温度与设定范围或设定值进行比较，或者将所述内燃发动机的所述负载范围与低负载范围或低负载值进行比较，以及
在偏离所述设定范围或设定值的情况下，或者在达到所述低负载范围或所述低负载值的情况下，打开旁通管路入口阀(15)，从而将来自涡轮增压器(4)的压缩机(6)的下游和增压空气冷却器(11)的上游的位置的空气至少部分地穿过旁通管路(12)而引入到选择性催化反应器(3)和所述涡轮增压器(4)的涡轮机(5)之间的涡轮机路径(7)，其中，对所述旁通管路(12)中的空气进行计量，使得排气温度被设置在所述设定范围内或被设置为所述设定值，
其中，所述旁通管路(12)中的空气的压力借助于压力增加装置(17)而被升高，并且新鲜空气能够穿过新鲜空气供给阀(21)而被引入到所述旁通管路(12)中。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述测得的排气温度是选择性催化还原SCR排气温度。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在SCR反应器(3)中或其附近和/或在所述发动机的排气出口与所述SCR反应器的上游的尿素喷射点之间的区域内测量排气温度。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在偏离所述设定范围或设定值的情况下，或者在达到所述低负载范围或所述低负载值的情况下，打开旁通管路出口阀(18)。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，对所述旁通管路(12)中的空气进行温度控制，使得排气温度被设置在所述设定范围内或被设置为所述设定值。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的方法，其特征在于，新鲜空气穿过新鲜空气供给阀(21)而被引入到所述旁通管路(12)中，和/或空气从增压空气接收器(9)被排出，从而使增压空气压力以闭环的方式受到控制。
22.根据权利要求16至20中任一项所述的方法，其特征在于，开环控制单元(19)以开环的方式控制旁通管路入口阀(15)，使得排气温度借助于穿过所述旁通管路(12)而被引入的空气的量而升高。
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