用於選擇性催化還原的排氣系統及方法

2023-05-27 18:45:36

專利名稱：用於選擇性催化還原的排氣系統及方法
技術領域：
本發明涉及如權利要求1的前序部分中所限定的用於內燃發動機的排氣系統，本發明還涉及根據權利要求7的前序部分的選擇性催化還原方法。
背景技術：
船舶和發電廠中的內燃發動機的氮氧化物(NOx)排放引發日趨增長的焦慮，並且受到國際海事組織(MO)及其他立法機構制定的不斷加強的規則的限制。在一定程度上，可以通過直接涉及發動機運行的手段(例如排氣再循環，柴油機高壓燃油噴射壓力，進氣管道內噴水，等等)來滿足不同規則制定的要求。然而，用於減少NOx排放的許多發動機相關措施對燃料效率產生負面影響，並且它們不足以滿足最嚴格的排放限制。為了根本上減少NOx，需要選擇性催化還原(SCR)。採用SCR，可以實現NOx減少至90%或者甚至更多。在SCR系統中，催化劑材料和還原劑被用於將在燃燒期間形成的NOx分解成基本元素。催化劑設置在支撐陶瓷材料的表面上，該支撐陶瓷材料在反應器內部形成蜂窩結構。在催化劑的表面上，NOx與用作還原劑的氨起反應並生成氮和水。在實踐中，出於安全的原因，尿素經常代替氨而使用。這尤其應用於海上應用，因為海上洩漏氨是一種嚴重的危害。尿素以水溶液形式被注入到排氣流中。由於排氣的高溫，水分蒸發並且尿素分子分解為氨和二氧化碳。為了有效減少NOx和使尿素的使用最小化，以及為了最小化從SCR系統逃逸的氨，將尿素和排氣流有效混合是必需的。在現有技術的方案中，典型地通過在尿素噴射點和催化轉化器之間設置充分長的排氣管段來確保充分的混合。如果在噴射點和催化轉化器之間的距離足夠長，則可以實現良好的混合效果。然而，這對排氣系統的結構設置了限制。此外，如果催化轉化器遠離發動機放置，則排氣的低溫會對催化轉化器的功能產生負面影響。

發明內容
本發明的目的在於提供有利於還原劑和排氣的良好混合的改進的排氣系統。本發明的另一目的在於提供改進的選擇性催化還原方法。所述系統和方法的特徵化的特徵分別在權利要求1和7的特徵部分給出。根據本發明，用於內燃發動機的排氣系統包括:高壓渦輪增壓器，其包括渦輪機；低壓渦輪增壓器，其包括相對於排氣流方向設置在高壓渦輪增壓器的渦輪機下遊的渦輪機；用於將高壓渦輪增壓器的渦輪機入口連接到發動機的一組氣缸的裝置；用於選擇性催化還原的催化轉化器；以及用於將還原劑引入到排氣系統中的裝置。排氣系統還包括用於將高壓渦輪增壓器的渦輪機出口連接到催化轉化器的入口的裝置，和用於將催化轉化器的出口連接到低壓渦輪增壓器的渦輪機入口的裝置。所述用於將還原劑引入到排氣系統中的裝置設置在高壓渦輪增壓器的渦輪機上遊。根據本發明，在用於內燃發動機的排氣系統中的選擇性催化還原的方法中，所述排氣系統包括:高壓渦輪增壓器，其包括渦輪機；和低壓渦輪增壓器，其包括相對於排氣流方向設置在高壓渦輪增壓器的渦輪機下遊的渦輪機，還原劑從高壓渦輪增壓器的渦輪機上遊引入到所述系統中，以及所述選擇性催化還原發生在高壓渦輪增壓器的渦輪機的下遊和低壓渦輪增壓器的渦輪機的上遊。由於用於將還原劑引入到排氣系統中的裝置被設置在高壓渦輪增壓器的上遊，且催化轉化器設置在高壓渦輪增壓器的下遊，因此還原劑在進入催化轉化器之前流過高壓渦輪增壓器的渦輪機。由此，還原劑與排氣非常有效地混合，而在催化轉化器前不需要長的排氣管段。這允許構造緊湊的排氣系統。催化轉化器設置在渦輪增壓器之間確保排氣溫度高得足以進行選擇性催化還原。根據本發明的實施方式，排氣系統包括:第二高壓渦輪增壓器，其包括渦輪機；第二低壓渦輪增壓器，其包括相對於排氣流方向設置在第二高壓渦輪增壓器的渦輪機下遊的渦輪機；用於將第二高壓渦輪增壓器的渦輪機入口連接到發動機的第二組氣缸的裝置；用於將第二高壓渦輪增壓器的渦輪機出口連接到催化轉化器的入口的裝置；用於將催化轉化器的出口連接到第二低壓渦輪增壓器的渦輪機入口的裝置；以及用於將還原劑從第二高壓渦輪增壓器的渦輪機上遊引入到排氣系統中的第二裝置。本發明的該實施方式適用於V型發動機，其中，所述發動機的兩排氣缸都設置有各自的排氣歧管和渦輪增壓器。根據本發明的另一實施方式，所述系統包括排氣模塊，該排氣模塊包括:高壓排氣管，其用於將發動機的排氣歧管連接到高壓渦輪增壓器的渦輪機入口 ；混合管，其用於將高壓渦輪增壓器的渦輪機出口連接到催化轉化器的入口 ；以及低壓排氣管，其用於將催化轉化器的出口連接到低壓渦輪增壓器的渦輪機入口，所述排氣模塊的管道為彼此一體的。所述排氣模塊因為使排氣系統尺寸緊湊並減少了裝配時間而具有優點。採用排氣模塊，排氣系統的傳熱特性也可以得到優化。根據本發明的另一個實施方式，排氣模塊包括:第二高壓排氣管，其用於將發動機的第二排氣歧管連接到第二高壓渦輪增壓器的渦輪機入口 ；第二混合管道，其用於將第二高壓渦輪增壓器的渦輪機出口連接到催化轉化器的入口 ；以及第二低壓排氣管，其用於將催化轉化器的出口連接到第二低壓渦輪增壓器的渦輪機入口。這類排氣模塊適用於V型發動機。根據本發明的另一個實施方式，排氣模塊是單個鑄件。根據本發明的實施方式，用於將還原劑引入到所述排氣系統中的裝置設置在排氣模塊中。


圖1示意性地示出根據本發明的排氣系統的實施方式。圖2示意地示出排氣系統的另一個實施方式。圖3示出根據本發明的實施方式的排氣模塊。圖4從另一個角度示出圖3的排氣模塊。
具體實施例方式現參考附圖更詳細地描述本發明。在圖1中示出了具有兩級渦輪增壓的內燃發動機I。高壓渦輪增壓器2與低壓渦輪增壓器3串聯連接。兩個渦輪增壓器2、3包括壓縮機2a,3a和渦輪機2b、3b。排氣歧管7a將發動機I的氣缸15連接至高壓排氣管7b，高壓排氣管7b連接到高壓渦輪增壓器2的渦輪機入口 2c。來自發動機I的排氣從發動機I流入排氣歧管7a和高壓排氣管7b，流到高壓渦輪增壓器2的渦輪機2b。用於選擇性催化還原的催化轉化器4位於高壓渦輪增壓器2的渦輪機2b和低壓渦輪增壓器3的渦輪機3b之間。催化轉化器4包括一個或更多個SCR元件。SCR元件是塗覆有催化劑材料的陶瓷蜂窩結構。在SCR元件的表面上，還原劑與NOx反應並形成氮和水。催化轉化器4還可以包括用於氧化一氧化碳和未燃燒的碳氫化合物的氧化催化劑。在氨逃逸的情況下，過量氨的至少一部分也被氧化催化劑氧化。混合管7c將高壓渦輪增壓器2的渦輪機出口 2d連接到催化轉化器4的入口 4b。低壓排氣管7d將催化轉化器4的出口 4c連接到低壓渦輪增壓器3的渦輪機入口 3c。進氣管6被設置為將進氣引導到發動機I的氣缸15中。在圖1中示出了四個氣缸15，但是發動機I可以包括任意數量的氣缸15。進氣首先通過低壓渦輪增壓器3的壓縮機3a，然後通過高壓渦輪增壓器2的壓縮機2a。低壓增壓空氣冷卻器8設置在低壓渦輪增壓器3的壓縮機3a和高壓渦輪增壓器2的壓縮機2a之間。高壓增壓空氣冷卻器9設置在高壓渦輪增壓器2的壓縮機2a和發動機I之間。在進氣管6和高壓排氣管7b之間存在旁通管16，旁通管16設置有用於調節通過旁通管16的進氣流的旁通閥17。排氣系統還包括廢氣通道10，其將高壓排氣管7b連接到混合管7c。廢氣通道10設置有用於調節廢氣通道10中的排氣流的廢氣通道閥11。尿素溶液存儲在箱12中，通過泵送單元13從箱12輸送尿素溶液。定量加料單元14用於為噴射提供正確的尿素溶液流速。噴射器5用於將尿素溶液引入到排氣系統。噴射器5可以是任一常規的噴射器類型。適合於本目的的典型的噴射器單元包括兩個同軸的導管，其中內部導管用於尿素溶液，而外部導管用於壓縮空氣，該壓縮空氣和尿素溶液在噴嘴中混合以形成與排氣流混合的精細噴射。因為還原劑被噴射到高壓渦輪增壓器2上遊的高壓排氣管7b，所以混合管7c可以很短。高壓渦輪增壓器2的渦輪機將還原劑和排氣有效地混合，由此在催化轉化器4之前不需要長的排氣管。圖2的實施方式與圖1的實施方式的不同之處在於，發動機I是V型發動機。發動機I的另一排氣缸設置有第二排氣歧管7a』，第二排氣歧管7a』將氣缸15』連接到第二高壓排氣管7b』。排氣系統包括具有壓縮機2a』和渦輪機2b』的第二高壓渦輪增壓器2』。第二高壓排氣管7b』將第二排氣歧管7a』連接到第二高壓渦輪增壓器2』的渦輪機入口 2c』。在圖2的實施方式中，催化轉化器4被分成第一隔室4a和第二隔室4a』。兩個隔室4a、4a』都設置有入口 4b、4b』和出口 4c、4c』。第一高壓渦輪增壓器2的渦輪機出口 2c通過第一混合管7c連接到催化轉化器4的第一隔室4a的入口 4b。第二高壓渦輪增壓器2』的渦輪機出口 2c，通過第二混合管7c，連接到催化轉化器4的第二隔室4a』的入口 4b』。催化轉化器4的第一隔室4a的出口 4b通過第一低壓排氣管7d連接到第一低壓渦輪增壓器3的渦輪機入口 3c。催化轉化器4的第二隔室4a』的出口 4c』通過第二低壓排氣管7d，連接到第二低壓渦輪增壓器3』的渦輪機入口 3c』。圖2的實施方式中的發動機I同樣設置有第二低壓增壓空氣冷卻器8，和第二低壓增壓空氣冷卻器9，。第一排氣歧管7a和第二排氣歧管7a』通過共用的廢氣通道10連接到第一混合管道7c和第二混合管道7c』。第二排氣歧管7a』設置有用於將還原劑引入到排氣系統中的第二噴射器5』。根據本發明的實施方式，排氣系統的一部分可以設置在排氣模塊18內，如圖3和圖4所示。排氣模塊18包括第一排氣管7b、第二高壓排氣管7b，，第一混合管7c、第二混合管7c』、第一低壓排氣管7d和第二低壓排氣管7d，。所有的管道7b、6b』、7c，7c』、7d、7d』合併到單個模塊中。排氣模塊還設置有催化轉化器4的基座19。排氣模塊18可以作為單個鑄件製造，或者其可以由例如焊接在一起的幾個部件製成。法蘭21、21』設置在高壓排氣管7b，7b』的第一端，用於將高壓排氣管7b、7b』連接到發動機I的排氣歧管7a、7a』。高壓渦輪增壓器2、2』的渦輪機入口 2c、2c』連接到高壓排氣管7b、7b』的第二端處的法蘭22、22』。高壓渦輪增壓器2、2』的渦輪機出口 2d、2d』連接到混合管7c、7c』的第一端處的法蘭23、23』。催化轉化器4的入口 4b、4b』連接到混合管7c、7c』的第二端處的法蘭24、24』。催化轉化器4的出口 4c、4c』連接到低壓排氣管7d、7d，的第一端處的法蘭24、24』。低壓渦輪增壓器3、3』的渦輪機入口 3c、3c』連接到低壓排氣管7d、7d』的第二端處的法蘭25、25』。排氣模塊18還包括來自高壓排氣管7b、7b』的廢氣通道出口 10a。還設置有進入到低壓排氣管7d、7d』的廢氣通道入口 10b。廢氣通道10可以設置在廢氣通道出口 IOa和廢氣通道入口 IOb之間，用於引導部分排氣通過高壓渦輪增壓器2、2』。第二廢氣通道出口20設置在排氣模塊18的上表面上。第二廢氣通道可以連接到第二廢氣通道出口 20，使得可以引導排氣通過低壓渦輪增壓器3、3 』。本發明的許多變型在所附的權利要求書的範圍內都是可行的。例如，對V型發動機也可以使用單個隔室的催化轉化器。對雙排發動機也可以設置分離的催化轉化器。
權利要求
1.一種用於內燃發動機(I)的排氣系統，該排氣系統包括: 高壓渦輪增壓器(2)，其包括渦輪機(2b)； 低壓渦輪增壓器(3)，其包括相對於排氣流方向設置在所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(2b)下遊的渦輪機(3b)； 用於將所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機入口(2c)連接到發動機(I)的一組氣缸(15)的裝置(7a，7b)； 用於選擇性催化還原的催化轉化器(4);以及 用於將還原劑引入到所述排氣系統中的裝置(5)， 其特徵在於， 所述排氣系統還包括: 用於將所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機出口(2c)連接到所述催化轉化器(4)的入口 (4b)的裝置(7c);和 用於將所述催化轉化器(4)的出口(4c)連接到所述低壓渦輪增壓器(3)的渦輪機入口 (3c)的裝置(7d)， 並且，所述用於將還原劑引入到所述排氣系統中的裝置(5)設置在所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(2b)的上遊。
2.根據權利要求1所述的排氣系統，其特徵在於，所述系統包括: 第二高壓渦輪增壓器(2』)，其包括渦輪機(2b』 )； 第二低壓渦輪增壓器(3』)，其包括相對於所述排氣流方向設置在所述第二高壓渦輪增壓器(2』 )的渦輪機(2b』 )下遊的渦輪機(3b』 )； 用於將所述第二高壓渦輪增壓器(2』 )的渦輪機入口(2c』 )連接到到所述發動機(I)的第二組氣缸(15』 )的裝置(7a』，7b』 )； 用於將所述第二高壓渦輪增壓器(2』 )的渦輪機出口(2d』 )連接到所述催化轉化器(4)的入口(4b』 )的裝置(7c』)； 用於將所述催化轉化器(4)的出口(4c』)連接到所述第二低壓渦輪增壓器(3』)的渦輪機入口(3c』 )的裝置(7d』 );以及 用於從所述第二高壓渦輪增壓器(2』)的渦輪機(2b』)上遊將還原劑引入到所述排氣系統中的第二裝置(5』)。
3.根據權利要求1或2所述的排氣系統，其特徵在於，所述系統包括排氣模塊(18)，該排氣模塊(18)包括: 高壓排氣管(7b)，其用於將所述發動機(I)的排氣歧管(7a)連接到所述高壓渦輪增壓器⑵的渦輪機入口(2c)； 混合管(7c)，其用於將所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機出口(2d)連接到所述催化轉化器⑷的入口(4b);以及 低壓排氣管(7d)，其用於將所述催化轉化器(4)的出口(4c)連接到所述低壓渦輪增壓器⑶的渦輪機入口(3c)， 所述排氣模塊(18)的管道(7b，7c，7d)為彼此一體的。
4.根據權利要求3所述的排氣系統，其特徵在於，所述排氣模塊(18)包括: 第二高壓排氣管(7b』)， 其用於將所述發動機(I)的第二排氣歧管(7a』 )連接到第二高壓渦輪增壓器(2』 )的渦輪機入口(2c』 )； 第二混合管(7c』)，其用於將第二高壓渦輪增壓器(2』 )的渦輪機出口(2d』 )連接到催化轉化器⑷的入口(4b』 );以及 第二低壓排氣管(7d』)，其用於將所述催化轉化器(4)的出口(4c』 )連接到第二低壓渦輪增壓器(3』 )的渦輪機入口(3c』)。
5.根據權利要求3或4所述的排氣系統，其特徵在於，所述排氣模塊(18)是單個鑄件。
6.根據權利要求3-5中任一項所述的排氣系統，其特徵在於，所述用於將還原劑引入到所述排氣系統中的裝置(5，5』 )設置在所述排氣模塊(18)中。
7.一種用於內燃發動機(I)的排氣系統中的選擇性催化還原的方法，該排氣系統包括: 高壓渦輪增壓器(2)，其包括渦輪機(2b)，和 低壓渦輪增壓器(3)，其包括相對於排氣流方向設置在所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(2b)下遊的渦輪機(3b)； 其特徵在於， 還原劑從所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(2b)上遊被引入到所述系統中，以及所述選擇性催化還原發生在所述高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(2b)的下遊以及所述低壓渦輪增壓器(3)的渦 輪機(3b)的上遊。
全文摘要
一種用於內燃發動機(1)的排氣系統，包括高壓渦輪增壓器(2)；低壓渦輪增壓器(3)，其包括設置在高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(2b)下遊的渦輪機(3b)；用於將高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機入口(2c)連接到發動機(1)的一組氣缸(15)的裝置(7a，7b)；催化轉化器(4)；以及用於將還原劑引入到排氣系統中的裝置(5)。排氣系統還包括用於將高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機出口(2c)連接到催化轉化器(4)的入口(4b)的裝置(7c)，和用於將催化轉化器(4)的出口(4c)連接到低壓渦輪增壓器(3)的渦輪機入口(3c)的裝置(7d)。所述用於將還原劑引入到排氣系統中的裝置(5)設置在高壓渦輪增壓器(2)的渦輪機(2b)上遊。本發明還涉及用於選擇性催化還原的方法。
文檔編號F02B37/007GK103097688SQ201180041820
公開日2013年5月8日 申請日期2011年7月19日 優先權日2010年8月30日
發明者J·海沃恩, T·萊克, K·維耶斯克 申請人:瓦錫蘭芬蘭有限公司