專利名稱：具有廢氣渦輪增壓器和scr催化器工作的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，該裝置包括將燃料自行點(diǎn)火或火花點(diǎn)火的往復(fù)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、廢氣渦輪增壓器和廢氣裝置(Abgastrakt)中的至少一個(gè)SCR催化器。
背景技術(shù)：
這種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備特別用于大型中等轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，如用于通常的船只或固定的發(fā)電廠。
如果要保持低的極限值，為減少NOX的排放量現(xiàn)有技術(shù)已在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)后接有SCR催化器。
為減少一個(gè)使用空氣過量工作的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的廢氣中NOX的含量，已知所謂的選擇性催化還原法。在催化器前的一處位置上將還原劑噴到廢氣中，從而使包含在廢氣中的NOX的在一個(gè)所謂的SCR催化器中還原為N2和O2。氨(Ammoniak)可用作還原劑，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公知了對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的控制器的SCR系統(tǒng)連續(xù)地計(jì)算還原劑計(jì)量的理論量。為此控制器需要由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的工作參數(shù)所確定的瞬間還原劑需要量。
SCR法僅在一個(gè)確定的溫度范圍中以較高的還原率進(jìn)行工作。還要注意附加限制，即當(dāng)使用含硫燃料、特別是重油(HFO，重燃料油)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在不超過與催化劑層和燃料含硫量有關(guān)的溫度值時(shí)發(fā)生催化器污染。
對(duì)于現(xiàn)在實(shí)際上完全通過單級(jí)的增壓器實(shí)施的中等轉(zhuǎn)速的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，催化器在排氣系統(tǒng)中布置在廢氣渦輪增壓器的渦輪之后。通過相應(yīng)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在大多數(shù)情況下可以保持對(duì)于良好的工作所必需的最低溫度。對(duì)于渦輪前方的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，廢氣溫度太高了，超過溫度范圍的上界限。
為實(shí)現(xiàn)更大功率并為了能夠使用米勒(Miller)法在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)還原NOX，將來(lái)提高所需的增壓壓力。這也導(dǎo)致更高的渦輪壓縮比。因?yàn)闇u輪前方的溫度不允許高于今天通常的溫度，以避免污染渦輪，所以渦輪機(jī)后方的溫度低于今天通常的溫度。由此導(dǎo)致低于對(duì)于催化器完好工作所需的最低溫度。

發(fā)明內(nèi)容
由此本發(fā)明的目的在于，提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其中增壓壓力可高于現(xiàn)在的增壓壓力，而且可有效地將米勒法用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的NOX還原。
根據(jù)本發(fā)明所述發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備可如下實(shí)現(xiàn)，廢氣增壓器由多級(jí)增壓裝置構(gòu)成，該增壓裝置具有至少一個(gè)高壓級(jí)和一個(gè)低壓級(jí)，其中至少一個(gè)高壓渦輪和一個(gè)低壓渦輪以排氣管順序相連，并且一個(gè)低壓壓縮機(jī)和一個(gè)高壓壓縮機(jī)以增壓空氣管順序相連，而SCR催化器設(shè)在所述高壓級(jí)渦輪與低壓級(jí)渦輪之間的排氣管中。
此外對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，將一個(gè)增壓空氣冷卻器設(shè)在所述高壓壓縮機(jī)和往復(fù)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)之間，此外在高壓壓縮機(jī)和低壓壓縮機(jī)之間的增壓空氣管中設(shè)有一個(gè)中間冷卻器。
有利的是，設(shè)有一個(gè)繞過SCR催化器的旁通管，并且在旁通管中以及在旁通管的分支與SCR催化器之間的排氣管中分別設(shè)有一個(gè)開關(guān)。在負(fù)載改變時(shí)類似于低速運(yùn)行的兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中公知的問題(下面詳細(xì)描述)，所述催化器導(dǎo)致廢氣能量延遲供應(yīng)給低壓渦輪。所以在這種情況下，類似于由兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)公知的結(jié)構(gòu)，旁通管繞過催化器。通過相應(yīng)地操作調(diào)整機(jī)構(gòu)可以使廢氣經(jīng)過催化器(靜態(tài)工作)或繞過催化器(負(fù)載改變)。
此外，通過旁通管中的開關(guān)和排氣管中的開關(guān)為了一起調(diào)整而彼此耦合，就可實(shí)現(xiàn)一系列單個(gè)作用的可能性或者組合的作用的可能性，這些作用的可能性可以對(duì)于應(yīng)用情況和工作狀況進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性與廢氣NOX還原之間的優(yōu)化。


附圖示出，圖1和2描述了現(xiàn)有技術(shù)的兩個(gè)實(shí)施例；圖3具有SCR催化器和多級(jí)增壓器的根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1發(fā)動(dòng)機(jī)1將廢氣輸送到廢氣渦輪增壓器的渦輪2上。該渦輪驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)3，該壓縮機(jī)吸入并壓縮空氣，然后通過一個(gè)增壓空氣冷卻器4輸給到發(fā)動(dòng)機(jī)。催化器5加載有渦輪排出的廢氣。
低速運(yùn)行的兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有明顯低的廢氣溫度，該兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)普遍被單級(jí)增壓。對(duì)于這些發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣系統(tǒng)中的催化器必須布置在廢氣渦輪增壓器的渦輪之前，以在正確的溫度范圍中使增壓器工作。圖2為上述結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)1排出的廢氣首先輸入催化器5然后才輸入渦輪2。渦輪再驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)3，壓縮機(jī)吸入并壓縮空氣然后通過增壓空氣冷卻器4將空氣輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)中。
該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)中的調(diào)節(jié)問題，因?yàn)榇呋饔米鳠岽鎯?chǔ)器，并且來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣能量延遲地輸送到渦輪。該困難如此避免在載荷改變時(shí)用一個(gè)旁通管11繞開催化器。通過對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)12和13相應(yīng)的操作，可使廢氣通過催化器(靜態(tài)工作)或繞過催化器(負(fù)載改變)。
用于給發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的廢氣渦輪增壓器僅在一個(gè)限定的工作區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。為使增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在其它的功率范圍內(nèi)以改善的效率進(jìn)行工作，已知廢氣渦輪增壓器的多個(gè)級(jí)與工況有關(guān)地接在一起。
為將來(lái)要實(shí)現(xiàn)的較高的增壓壓力，有利的是應(yīng)用兩級(jí)增壓。對(duì)于該方法將兩個(gè)壓縮機(jī)和通常兩個(gè)渦輪順序相連。通常使用兩個(gè)商業(yè)上通用的單級(jí)渦輪增壓器，使高壓壓縮機(jī)和高壓渦輪機(jī)及低壓壓縮機(jī)和低壓渦輪機(jī)分別設(shè)在一個(gè)軸上。然而也可想象和實(shí)施其它結(jié)構(gòu)。
圖3中使一個(gè)兩級(jí)增壓裝置接在其后的往復(fù)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)仍用1表示。排氣管的用20表示的一個(gè)第一區(qū)段從內(nèi)燃機(jī)1延伸到一個(gè)渦輪6，該渦輪通過一根軸來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)壓縮機(jī)7。渦輪6和壓縮機(jī)7構(gòu)成增壓裝置的高壓級(jí)。排氣管的另一區(qū)段21從渦輪6導(dǎo)向一個(gè)同樣用5標(biāo)記的SCR催化器。通過SCR催化器5引導(dǎo)的廢氣接著通過排氣管的一個(gè)區(qū)段22到達(dá)一個(gè)渦輪8，該渦輪8通過一根軸與一個(gè)壓縮機(jī)9耦合。渦輪8和壓縮機(jī)9形成所述增壓裝置的低壓級(jí)。
發(fā)動(dòng)機(jī)1因此將其廢氣送給高壓渦輪6。廢氣從該高壓渦輪經(jīng)過SCR催化器5導(dǎo)送到低壓渦輪8。低壓渦輪驅(qū)動(dòng)低壓壓縮機(jī)9，低壓壓縮機(jī)吸入并壓縮空氣，然后將空氣經(jīng)過一個(gè)中間冷卻器10輸送到高壓壓縮機(jī)7中。該高壓壓縮機(jī)由高壓渦輪6驅(qū)動(dòng)、壓縮所述空氣并將壓縮的空氣通過一個(gè)增壓空氣冷卻器4輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)1。
溫度降的分配與這兩個(gè)渦輪上的壓力降的分配類似。高壓渦輪與低壓渦輪之間的溫度處在高壓渦輪前的對(duì)于催化器過高的溫度與低壓渦輪之后的過低的溫度之間。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案來(lái)說(shuō)，所述溫度位于使催化器正常工作所需的溫度范圍之中。
催化器的尺寸由所流過的體積流量決定。因?yàn)楦邏簻u輪和低壓渦輪之間的廢氣還未被完全減壓，所以該體積流量小于低壓渦輪之后的體積流量。這導(dǎo)致催化器的尺寸變得更小。
當(dāng)往復(fù)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)1的載荷變化時(shí)，產(chǎn)生以下問題位于渦輪6和8之間的SCR催化器5用作熱量存儲(chǔ)器。這會(huì)導(dǎo)致廢氣能量向渦輪8的提供滯后于載荷變化。為了避免發(fā)生這種情況，用旁通管11繞開SCR催化器。該旁通管11由區(qū)段21出發(fā)接入到區(qū)段22中。旁通管11安裝一個(gè)最好可調(diào)節(jié)到不同流量的開關(guān)12。在區(qū)段21中在旁通管11的分支與廢氣催化器5之間設(shè)有另一個(gè)開關(guān)13。如果開關(guān)12為調(diào)節(jié)流量而設(shè)計(jì)，那么開關(guān)13以同樣方式構(gòu)成。這兩個(gè)開關(guān)12和13可以合適的方式耦合(圖中未示出)，使得在打開開關(guān)12時(shí)將開關(guān)13關(guān)閉。通過相應(yīng)地操作開關(guān)12和13，使廢氣可在靜態(tài)工作中經(jīng)過催化器5或者在負(fù)載變化時(shí)繞過催化器。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其包括將燃料自行點(diǎn)火或火花點(diǎn)火的一個(gè)往復(fù)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、一個(gè)廢氣渦輪增壓器和廢氣裝置中的至少一個(gè)SCR催化器，其特征在于，廢氣渦輪增壓器由多級(jí)增壓裝置(6，7，8，9)構(gòu)成，并具有至少一個(gè)高壓級(jí)(6，7)和至少一個(gè)低壓級(jí)(8，9)，其中至少一個(gè)高壓渦輪(6)和一個(gè)低壓渦輪(8)以排氣管順序相連，并且一個(gè)低壓壓縮機(jī)(9)和一個(gè)高壓壓縮機(jī)(7)以增壓空氣管順序相連，而SCR催化器(5)設(shè)在高壓級(jí)渦輪(6)與低壓級(jí)渦輪(8)之間的排氣管中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，一個(gè)增壓空氣冷卻器(4)設(shè)在高壓壓縮機(jī)(7)與往復(fù)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，在低壓壓縮機(jī)(9)和高壓壓縮機(jī)(7)之間的排氣管中設(shè)有一個(gè)中間冷卻器(10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，設(shè)有一個(gè)繞過SCR催化器(5)的旁通管(11)，而在旁通管(11)中以及在旁通管(11)的分支與SCR催化器(5)之間的排氣管中分別設(shè)有一個(gè)開關(guān)(12，13)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，旁通管(11)中的開關(guān)(12)與排氣管中的開關(guān)(13)彼此耦合用以共同調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其包括將燃料自行點(diǎn)火或火花點(diǎn)火的一個(gè)往復(fù)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、一個(gè)廢氣渦輪增壓器和廢氣裝置中的至少一個(gè)SCR催化器。為了使增壓壓力可高于現(xiàn)在的增壓壓力，而且可有效地將米勒法用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的NO
文檔編號(hào)F01N3/28GK1707075SQ200510076520
公開日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2005年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月5日
發(fā)明者P·埃爾茨 申請(qǐng)人:曼·B及W柴油機(jī)公開股份有限公司