CN1707075A - 具有废气涡轮增压器和scr催化器工作的发动机设备 - Google Patents

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Abstract

一种发动机设备，其包括将燃料自行点火或火花点火的一个往复活塞内燃发动机、一个废气涡轮增压器和废气装置中的至少一个SCR催化器。为了使增压压力可高于现在的增压压力，而且可有效地将米勒法用于发动机内部的NOx还原，根据本发明，废气涡轮增压器由多级增压装置(6，7，8，9)构成，并具有至少一个高压级(6，7)和至少一个低压级(8，9)，其中至少一个高压涡轮(6)和一个低压涡轮(8)以排气管顺序相连，并且一个低压压缩机(9)和一个高压压缩机(7)以增压空气管顺序相连，而SCR催化器(5)设在高压级涡轮(6)与低压级涡轮(8)之间的排气管中。

Description

具有废气涡轮增压器和SCR催化器工作的发动机设备
技术领域
本发明涉及一种发动机设备，该装置包括将燃料自行点火或火花点火的往复活塞内燃发动机、废气涡轮增压器和废气装置(Abgastrakt)中的至少一个SCR催化器。
背景技术
这种发动机设备特别用于大型中等转速的柴油机和燃气发动机，如用于通常的船只或固定的发电厂。
如果要保持低的极限值，为减少NOX的排放量现有技术已在发动机的排气系统后接有SCR催化器。
为减少一个使用空气过量工作的发动机设备的废气中NOX的含量，已知所谓的选择性催化还原法。在催化器前的一处位置上将还原剂喷到废气中，从而使包含在废气中的NOX的在一个所谓的SCR催化器中还原为N2和O2。氨(Ammoniak)可用作还原剂，由于可操作性原因通常使用含水的尿素溶液。
例如由DE 199 44 009 A1公知了对于发动机设备的控制器的SCR系统连续地计算还原剂计量的理论量。为此控制器需要由发动机设备的工作参数所确定的瞬间还原剂需要量。
SCR法仅在一个确定的温度范围中以较高的还原率进行工作。还要注意附加限制，即当使用含硫燃料、特别是重油(HFO，重燃料油)的发动机工作时，在不超过与催化剂层和燃料含硫量有关的温度值时发生催化器污染。
对于现在实际上完全通过单级的增压器实施的中等转速的四冲程发动机来说，催化器在排气系统中布置在废气涡轮增压器的涡轮之后。通过相应设计的发动机，在大多数情况下可以保持对于良好的工作所必需的最低温度。对于涡轮前方的结构来说，废气温度太高了，超过温度范围的上界限。
为实现更大功率并为了能够使用米勒(Miller)法在发动机内还原NOX，将来提高所需的增压压力。这也导致更高的涡轮压缩比。因为涡轮前方的温度不允许高于今天通常的温度，以避免污染涡轮，所以涡轮机后方的温度低于今天通常的温度。由此导致低于对于催化器完好工作所需的最低温度。
发明内容
由此本发明的目的在于，提供一种发动机设备，其中增压压力可高于现在的增压压力，而且可有效地将米勒法用于发动机内部的NOX还原。
根据本发明所述发动机设备可如下实现，废气增压器由多级增压装置构成，该增压装置具有至少一个高压级和一个低压级，其中至少一个高压涡轮和一个低压涡轮以排气管顺序相连，并且一个低压压缩机和一个高压压缩机以增压空气管顺序相连，而SCR催化器设在所述高压级涡轮与低压级涡轮之间的排气管中。
此外对于本发明的一个优选实施方案，将一个增压空气冷却器设在所述高压压缩机和往复活塞内燃发动机之间，此外在高压压缩机和低压压缩机之间的增压空气管中设有一个中间冷却器。
有利的是，设有一个绕过SCR催化器的旁通管，并且在旁通管中以及在旁通管的分支与SCR催化器之间的排气管中分别设有一个开关。在负载改变时类似于低速运行的两冲程发动机中公知的问题(下面详细描述)，所述催化器导致废气能量延迟供应给低压涡轮。所以在这种情况下，类似于由两冲程发动机公知的结构，旁通管绕过催化器。通过相应地操作调整机构可以使废气经过催化器(静态工作)或绕过催化器(负载改变)。
此外，通过旁通管中的开关和排气管中的开关为了一起调整而彼此耦合，就可实现一系列单个作用的可能性或者组合的作用的可能性，这些作用的可能性可以对于应用情况和工作状况进行发动机设备的动态特性与废气NOX还原之间的优化。
附图说明
附图示出，
图1和2描述了现有技术的两个实施例；
图3具有SCR催化器和多级增压器的根据本发明的发动机设备的示意图。
具体实施方式
根据图1发动机1将废气输送到废气涡轮增压器的涡轮2上。该涡轮驱动压缩机3，该压缩机吸入并压缩空气，然后通过一个增压空气冷却器4输给到发动机。催化器5加载有涡轮排出的废气。
低速运行的两冲程发动机具有明显低的废气温度，该两冲程发动机普遍被单级增压。对于这些发动机，排气系统中的催化器必须布置在废气涡轮增压器的涡轮之前，以在正确的温度范围中使增压器工作。图2为上述结构。发动机1排出的废气首先输入催化器5然后才输入涡轮2。涡轮再驱动压缩机3，压缩机吸入并压缩空气然后通过增压空气冷却器4将空气输送到发动机中。
该结构产生不稳定运转中的调节问题，因为催化器用作热存储器，并且来自发动机的废气能量延迟地输送到涡轮。该困难如此避免：在载荷改变时用一个旁通管11绕开催化器。通过对调节机构12和13相应的操作，可使废气通过催化器(静态工作)或绕过催化器(负载改变)。
用于给发动机增压的废气涡轮增压器仅在一个限定的工作区内实现高效率。为使增压发动机在其它的功率范围内以改善的效率进行工作，已知废气涡轮增压器的多个级与工况有关地接在一起。
为将来要实现的较高的增压压力，有利的是应用两级增压。对于该方法将两个压缩机和通常两个涡轮顺序相连。通常使用两个商业上通用的单级涡轮增压器，使高压压缩机和高压涡轮机及低压压缩机和低压涡轮机分别设在一个轴上。然而也可想象和实施其它结构。
图3中使一个两级增压装置接在其后的往复活塞内燃发动机仍用1表示。排气管的用20表示的一个第一区段从内燃机1延伸到一个涡轮6，该涡轮通过一根轴来驱动一个压缩机7。涡轮6和压缩机7构成增压装置的高压级。排气管的另一区段21从涡轮6导向一个同样用5标记的SCR催化器。通过SCR催化器5引导的废气接着通过排气管的一个区段22到达一个涡轮8，该涡轮8通过一根轴与一个压缩机9耦合。涡轮8和压缩机9形成所述增压装置的低压级。
发动机1因此将其废气送给高压涡轮6。废气从该高压涡轮经过SCR催化器5导送到低压涡轮8。低压涡轮驱动低压压缩机9，低压压缩机吸入并压缩空气，然后将空气经过一个中间冷却器10输送到高压压缩机7中。该高压压缩机由高压涡轮6驱动、压缩所述空气并将压缩的空气通过一个增压空气冷却器4输送给发动机1。
温度降的分配与这两个涡轮上的压力降的分配类似。高压涡轮与低压涡轮之间的温度处在高压涡轮前的对于催化器过高的温度与低压涡轮之后的过低的温度之间。对于根据本发明的实施方案来说，所述温度位于使催化器正常工作所需的温度范围之中。
催化器的尺寸由所流过的体积流量决定。因为高压涡轮和低压涡轮之间的废气还未被完全减压，所以该体积流量小于低压涡轮之后的体积流量。这导致催化器的尺寸变得更小。
当往复活塞内燃发动机1的载荷变化时，产生以下问题：位于涡轮6和8之间的SCR催化器5用作热量存储器。这会导致废气能量向涡轮8的提供滞后于载荷变化。为了避免发生这种情况，用旁通管11绕开SCR催化器。该旁通管11由区段21出发接入到区段22中。旁通管11安装一个最好可调节到不同流量的开关12。在区段21中在旁通管11的分支与废气催化器5之间设有另一个开关13。如果开关12为调节流量而设计，那么开关13以同样方式构成。这两个开关12和13可以合适的方式耦合(图中未示出)，使得在打开开关12时将开关13关闭。通过相应地操作开关12和13，使废气可在静态工作中经过催化器5或者在负载变化时绕过催化器。

Claims (5)

1.一种发动机设备，其包括将燃料自行点火或火花点火的一个往复活塞内燃发动机、一个废气涡轮增压器和废气装置中的至少一个SCR催化器，其特征在于，废气涡轮增压器由多级增压装置(6，7，8，9)构成，并具有至少一个高压级(6，7)和至少一个低压级(8，9)，其中至少一个高压涡轮(6)和一个低压涡轮(8)以排气管顺序相连，并且一个低压压缩机(9)和一个高压压缩机(7)以增压空气管顺序相连，而SCR催化器(5)设在高压级涡轮(6)与低压级涡轮(8)之间的排气管中。
2.根据权利要求1所述的发动机设备，其特征在于，一个增压空气冷却器(4)设在高压压缩机(7)与往复活塞内燃发动机(1)之间。
3.根据权利要求1或2所述的发动机设备，其特征在于，在低压压缩机(9)和高压压缩机(7)之间的排气管中设有一个中间冷却器(10)。
4.根据权利要求1所述的发动机设备，其特征在于，设有一个绕过SCR催化器(5)的旁通管(11)，而在旁通管(11)中以及在旁通管(11)的分支与SCR催化器(5)之间的排气管中分别设有一个开关(12，13)。
5.根据权利要求4所述的发动机设备，其特征在于，旁通管(11)中的开关(12)与排气管中的开关(13)彼此耦合用以共同调节。
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