用于处理内燃活塞发动机的废气的装置、内燃活塞发动机和处理内燃活塞发动机的废气的方法

摘要

本发明涉及一种用于处理内燃活塞发动机(10)的废气的装置(50)，该装置包括布置在第一机壳(54)中并包括进气口(56)和出气口(58)的第一气体处理部(52，例如氧化催化剂)以及布置在第二机壳(64)中并包括进气口(66)和出气口(68)的第二气体处理部(62，例如SCR单元)。所述第一机壳(54)被所述第二机壳(64)所包围，并且所述第一机壳(54)的所述进气口(56)和所述出气口(58)在所述第二机壳(64)外部敞开。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于减少内燃活塞发动机的废气排放的装置，该装置包括：第一 气体处理部，该第一气体处理部被布置在第一机壳内并包括进气口和出气口；和第二 气体处理部，该第二气体处理部被布置在第二机壳中并包括进气口和出气口。

本发明还涉及一种设置有用于处理废气的装置的内燃活塞发动机和处理内燃活 塞发动机的废气的方法。

背景技术

内燃发动机的废气排放要求越来越严格。为了应对这种要求，有各种可用技术可 供在发动机运转时对气体排放进行控制。另一方面，不希望发动机的总体性能由于旨 在减少排放的举措而受到损坏。

特别地，普遍使用催化剂来加速内燃活塞发动机的废气含有的某些物质的反应。 这些物质例如是氧化氮、诸如甲烷之类的碳氢化合物、二氧化碳等。

另外，当努力追求内燃活塞发动机的相当低的排放时，两级增压是减少NOx排 放的有效方式。

在使用与内燃活塞发动机有关的催化剂减排系统时，需要考虑若干问题。首先， 系统在废气流中的位置或多或少限定了催化剂操作的可用温度范围。典型地，这种催 化剂应该紧挨着发动机的涡轮部件定位，即非常接近发动机。其次，污垢和堵塞的风 险一直是考虑的问题，特别是对于利用重燃油运行的发动机，不过对于利用燃气运行 的发动机来说也可能发生积碳。再次，通常需要考虑催化减排系统设定的空间需求。 总体的目标是占用尽可能小的空间。

本发明的目的是提供一种用于处理内燃活塞发动机的废气的装置和一种内燃活 塞发动机，其能够解决现有技术的上述问题中的至少一个问题。

发明内容

本发明的目的通过一种用于减少内燃活塞发动机的废气排放的装置来基本满足， 该装置包括：第一气体处理部，该第一气体处理部被布置在第一机壳内并包括进气口 和出气口；和第二气体处理部，该第二气体处理部被布置在第二机壳中并包括进气口 和出气口。本发明的特征在于，所述第一机壳被所述第二机壳包围，并且所述第一机 壳的进气口和所述出气口在所述第二机壳的外部敞开。

该装置在被适当地联接至内燃涡轮增压活塞发动机的排放系统时提供这样的效 果，即在所述第一机壳的壁上的压力差和温度差可以被布置成相当低，从而增强气体 处理部的操作，并减少组件的建构要求。

根据本发明的一个实施方式，所述第一机壳的进气口和所述第二机壳的出气口被 布置在所述装置的第一端部处，并且所述第一机壳的出气口和所述第二机壳的进气口 被布置在所述装置的第二端部处。

根据本发明的一个实施方式，所述第二气体处理部围绕所述第一气体处理部布 置。

根据本发明的一个实施方式，所述第一气体处理部包括氧化催化剂，并且第二气 体处理部包括SCR单元。

根据本发明的一个实施方式，所述第一机壳和所述第二机壳被第三机壳所包围。

根据本发明的一个实施方式，所述装置包括第一内部阀，该第一内部阀控制所述 第一机壳的进气口和所述第二机壳的出气口之间的直接流动路径。

根据本发明的一个实施方式，所述装置包括第二内部阀，该第二内部阀控制所述 第一机壳的出气口和所述第二机壳的进气口之间的直接流动路径。

根据本发明的一个实施方式，所述装置包括第三内部阀，该第三内部阀控制所述 第二机壳的出气口和第三机壳的进气口之间的直接流动路径。

本发明的目的通过一种内燃活塞发动机来基本满足，该内燃活塞发动机包括具有 第一压缩机部件和第一涡轮部件的第一涡轮增压器单元以及具有第二压缩机部件和 第二涡轮部件的第二涡轮增压器单元，所述单元分别在第一位置和第二位置处布置在 所述内燃活塞发动机内。本发明的特征在于，所述内燃活塞发动机设置有根据第一至 第八方面中任一项所述的用于减少废气排放的装置，并且所述内燃活塞发动机的废气 出口连接至所述第一气体处理部的进气口，所述第一气体处理部的出气口连接至所述 第一涡轮部件，所述第一涡轮部件连接至第二气体处理部的进气口，并且第二气体处 理部的出气口连接至所述第二涡轮部件。

在上下文中，术语“连接至”应该广义地理解为“与……流体连通”。

本发明的目的通过一种处理内燃发动机的废气的方法来基本满足，该方法包括如 下步骤：将废气从所述内燃活塞发动机排出；将废气引导到第一气体处理部并使废气 经受第一处理过程；将废气从所述第一气体处理部引导到所述发动机的第一涡轮部 件；使所述废气在所述发动机的第一涡轮部件中做功，从而操作所述发动机的第一压 缩机部件；将废气从所述第一涡轮部件引导到第二气体处理部，并使废气经受第二处 理过程。本发明的特征在于，安排所述第一废气处理部中的废气的流动，使得其被所 述第二气体处理部中的废气流包围。

根据本发明的一个实施方式，控制所述废气的一部分绕过所述第一涡轮部件而进 入第二机壳。

因而，所述废气的一部分或全部可以被从第一气体处理部的入口引导至第二气体 处理部的出口。

根据本发明的一个实施方式，所述废气的一部分被控制成在所述入口之后绕过所 述第一气体处理部和所述第一涡轮部件并被布置成流动。

因而，所述废气的一部分或全部可以被从所述第一气体处理部的出口引导至所述 第二气体处理部的入口。

根据本发明的一个实施方式，所述废气的一部分被控制成绕过所述第二涡轮部 件。

根据本发明的一个实施方式，在所述第一气体处理过程中从废气传热并在所述第 二气体处理过程中将所述热返回给所述废气。

本发明提供了若干优点。例如，根据本发明的装置确保在第一和第二气体处理部 处具有足够高的废气温度以能够进行适当的污染物还原。另外，第一涡轮部件上的废 物门较短，因而使高压的第一涡轮部件过热的风险较小。通过本发明，可以以紧凑有 效的排放控制模块获得综合起来较高的总碳氢化合物还原(例如甲烷还原)和高NOx 还原)。

附图说明

在下文中，将参照所附的示例性示意图描述本发明，其中：

图1图示了根据本发明的一个实施方式的内燃活塞发动机；

图2图示了根据本发明的另一个实施方式的内燃活塞发动机；

图3图示了根据本发明的另一个实施方式的内燃活塞发动机；

图4图示了根据本发明的另一个实施方式的内燃活塞发动机；以及

图5图示了根据本发明的另一个实施方式的内燃活塞发动机。

具体实施方式

图1示意性地描绘了内燃活塞发动机10。发动机10包括气缸12，当发动机运转 时在气缸12中发生燃烧。每个气缸12与用作废气出口的废气歧管14相关，通过废 气出口将废气从发动机移除。

发动机10设置有具有第一压缩机部件18.1和第一涡轮部件20.1的第一涡轮增压 器单元16.1。该发动机还设置有具有第二压缩机部件18.2和第二涡轮部件20.2的第 二涡轮增压器单元16.2。在图4的实施方式中，压缩机部件被串联连接以向发动机供 应加压燃烧空气。第一涡轮增压器16.1在第一位置布置于内燃发动机，第二涡轮增 压器单元16.2在不同的第二位置布置于内燃发动机。第一涡轮增压器单元16.1布置 于内燃发动机的第一端部，而第二涡轮增压器单元16.2布置于内燃发动机的第二端 部。这些涡轮增压器单元可以另选地定位于发动机的一个端部或发动机的一侧或作为 单独设施距离发动机一定距离。

该活塞发动机设置有用于处理废气的装置50。可以根据本发明的实施方式来使 用第一和第二位置之间的距离，以将用于处理废气的装置放置在发动机旁边或顶上。

用于处理废气的装置50包括被布置在第一机壳54中的第一气体处理部52。第 一气体处理部还有第一机壳54在装置的相对两端部处设置有具有凸缘或类似物的进 气口56和出气口58。第一气体处理部52是气密单元，可以通过经由进气口56将废 气馈送到机壳内并经由出气口58将废气排出而安排废气流过该气密单元。在机壳中， 布置有第一气体处理单元60，废气被布置成在流过该第一气体处理单元60的同时经 受处理，如稍后将描述的。

另外，用于处理废气的装置50包括被布置在第二机壳64中的第二气体处理部 60。第二气体处理部62以及相应的第二机壳64设置有具有凸缘或类似物的进气口 66和出气口68。第二气体处理部是气密单元，可以通过经由进气口66将废气馈送到 机壳内并经由出气口68将废气排出而安排废气流过该气密单元。在机壳中，布置有 第二气体处理单元70，废气被布置成在流过该第二气体处理单元70的同时经受处理， 如稍后将描述的。现在，第一气体处理部52和第一机壳54分别布置在第二气体处理 部62内，从而仅其进气口56和出气口58在第二机壳64外部敞开。

活塞发动机的废气出口14连接至第一气体处理部52的进气口56。因而，废气 处于相当高的温度，即处于其退出温度。根据本发明的一个实施方式，第一气体处理 部包括执行废气处理的氧化催化剂，即oxicat。氧化催化剂流过废气设备，该废气设 备例如含有覆盖有化学催化剂层的蜂窝状结构。该层含有与废气发生催化反应的物 质，催化反应将废气流中的污染物氧化，由此减少有害排放。废气的退出温度对于这 种反应和处理比较有利。第一机壳中的压力在发动机运转时为例如大约6巴。

第一气体处理部52的出气口58连接至第一涡轮部件20.1，该第一涡轮部件20.1 对第一压缩机部件18.1做功。第一涡轮部件20.1又连接至第二气体处理部62的进气 口66，该第二气体处理部62如上所述将第一气体处理部52包围。废气的压力和温 度通过第一涡轮部件20.1的做功已经从退出温度和压力降低至较低的第二温度和压 力。第二机壳中的压力在发动机运转时例如为3巴。根据本发明的一个实施方式，第 二气体处理部62包括用于减少氮化物(NOx)排放的选择性催化还原(SCR)单元。 离开第一涡轮部件20.1的废气的温度有利于这种反应和处理。该装置还设置有用于 在第二气体处理部62中运行的SCR过程中使用的还原剂的入口72。

第二气体处理部62的出气口68连接至第二涡轮部件20.2，该第二涡轮部件20.2 又对第二压缩机部件18.2做功。

根据本发明的一个实施方式，第二气体处理部62的纵向横截面为环状，并且SCR 单元围绕第一气体处理部52布置。

根据本发明的另一个实施方式，第二气体处理部62的纵向横截面为矩形或其它 形状，并且SCR单元围绕该第一气体处理部52布置。

这样，在操作时在第二机壳64中盛行的大于环境压力的压力降低了第一机壳抵 抗由第一机壳内的压力引起的应力的要求，这是因为机壳之间的压力差相当小。另外， 第二机壳64中的升高温度降低了第一机壳的热损失，便于维持用于在第一机壳中布 置的氧化催化剂中发生反应的有利环境。

实际的涡轮增压器的数量可以改变，从而有高压阶段，即第一涡轮增压器单元 16.1可以包括不止一个涡轮增压器，并且有低压阶段，即第二涡轮增压器单元16.2 也可以包括不止一个涡轮增压器。在附图中，这两个涡轮增压器单元放置在发动机的 相对两端，但是其它位置也是可行的。

根据本发明的一个实施方式，第一机壳54的进气口56和第二机壳64的出气口 68布置在装置50的第一端部处，第一机壳54的出气口58和第二机壳64的进气口 66布置在装置50的第二端部处。因而，该装置一定程度上作为逆流热交换器进行热 操作。

如从图1中可以看出，在第一机壳54的进气口56处布置有第一控制阀74，并 且存在旁路通道76，该旁路通道76中布置有第二控制阀78。该旁路通道将废气歧管 14直接连接至第一涡轮部件20.1的入口，这在需要时允许废气绕过第一气体处理部 52。

图2描绘了本发明的一个实施方式，该实施方式除了装置50与发动机10的废气 口14的连接之外，在其它方面类似于图1的实施方式，并且操作也类似于图1的实 施方式。在图2中，旁路通道76设置有选择阀78’，通过该选择阀78’，可以将废气 送到其中一个另选方向，即穿过第一气体处理部52或直接送到第一涡轮部件20.1。 在所有其它方面，图2的装置与图1的相同。

图3描绘了本发明的一个实施方式，该实施方式除了装置50与发动机10的废气 口14的连接以及装置50的长度之外，在其它方面类似于图1的实施方式，并且操作 也类似于图1的实施方式。在图3中，旁路通道76连接至发动机的每个气缸12，并 且每个气缸设置有专用选择阀78’，通过该专用选择阀78’可以将废气送到其中一个 另选路径，即穿过第一气体处理部52或直接送到第一涡轮部件20.1。装置50的长度 是这样的，即其从发动机的一个端部延伸到发动机的另一个端部。即使没有示出，该 装置也可以包括第一气体处理单元60和第二气体处理单元70的若干阶段。在所有其 它方面，图3的装置与图1的装置相同。

在图4中，示出了本发明的另一个实施方式。示出了内燃活塞发动机10。发动 机的每个气缸(没有示出)与用作废气出口的废气岐管14相连，废气通过废气出口 从发动机移除。

此外，在该实施方式中，发动机10设置有具有第一压缩机部件18.1和第一涡轮 部件20.1的第一涡轮增压器单元16.1。该发动机还设置有具有第二压缩机部件18.2 和第二涡轮部件20.2的第二涡轮增压器单元16.2。在图1的实施方式中，压缩机部 件被串联连接，以向发动机供应加压燃烧空气。第一涡轮增压器单元16.1在第一位 置布置于内燃发动机，并且第二涡轮增压器单元16.2在不同的第二位置布置于内燃 发动机。这里，第一涡轮增压器单元16.1被布置于内燃发动机的第一端部，而第二 涡轮增压器单元16.2被布置于内燃发动机的第二端部。

活塞发动机设置有用于处理废气的装置50。根据本发明的实施方式，可以使用 第一和第二位置之间的距离将用于处理废气的装置放置在发动机旁边或其顶上。

用于处理废气的装置50包括布置在第一机壳54中的第一气体处理部52。第一 气体处理部还有第一机壳54设置有具有凸缘等的进气口56和出气口58。第一气体 处理部是气密单元，可以通过经由进气口56将废气馈送到机壳内并经由出气口58 将废气排出而安排废气流过该气密单元。在机壳内，布置有第一气体处理单元60， 废气被安排成在流过该第一气体处理单元69的同时经受稍后将描述的处理。

另外，用于处理废气的装置50包括被布置在第二机壳64中的第二气体处理部 60。第二气体处理部62以及相应的第二机壳64同样在装置的相对两端部处设置有具 有凸缘或类似物的进气口66和出气口68。第二气体处理部是气密单元，可以通过经 由进气口66将废气馈送到机壳内并经由出气口68将废气排出而安排废气流过该气密 单元。在第二机壳64中，布置有第二气体处理单元70，废气被布置成在流过该第二 气体处理单元70的同时经受处理，如稍后将描述的。现在，第一气体处理部52和第 一机壳54分别布置在第二气体处理部62内，从而仅其进气口56和出气口58在第二 机壳64外部敞开。

用于处理废气的装置50进一步包括第三机壳80，该第三机壳80也是在装置50 的相对两端部处设置有带有凸缘等的进气口82和出气口84。现在，第一气体处理部 52和相应的第一机壳54以及第二气体处理部62和相应的第二机壳64布置在第三机 壳80内，只有进气口56、66和出气口58、68在第三机壳80外部敞开。尽管在图4 中没有示出，但是第三机壳可以用于其它处理设备。第三机壳可以设置有第三处理部， 该第三处理部可以包括如下中的一个或多个：加热交换器和CO₂还原装置、消音器 和颗粒物质过滤器。

活塞发动机的废气出口14连接至第一气体处理部52的进气口56。因而，废气 处于相当高的温度，即处于其退出温度。根据本发明的一个实施方式，第一气体处理 部包括执行废气处理的氧化催化剂，即oxicat。氧化催化剂流过废气设备，该废气设 备例如含有覆盖有化学催化剂层的蜂窝状结构。该层含有与废气发生催化反应的物 质，催化反应将废气流中的污染物氧化，由此减少有害排放。废气的退出温度对于这 种反应和处理比较有利。第一机壳中的压力在发动机运转时为例如大约6巴。

第一气体处理部52的出气口58连接至第一涡轮部件20.1，该第一涡轮部件20.1 对第一压缩机部件18.1做功。第一涡轮部件20.1又连接至第二气体处理部62的进气 口66，该第二气体处理部62如上所述将第一气体处理部52包围。废气的压力和温 度通过第一涡轮部件20.1的做功已经从退出温度和压力降低至较低的第二温度和压 力。根据本发明的一个实施方式，第二气体处理部62包括用于减少氮化物(NOx) 排放的选择性催化还原(SCR)单元。离开第一涡轮部件20.1的废气的温度有利于 这种反应和处理。该装置还设置有用于在SCR过程中使用的还原剂的入口72。

第二气体处理部62的出气口68连接至第二涡轮部件20.2，该第二涡轮部件20.2 又对第二压缩机部件18.2做功。第二涡轮部件20.2又连接至第三机壳80的进气口 82，第三机壳80如上所述将第一和第二机壳包围。废气的压力和温度已经通过第二 涡轮部件20.1的工作而进一步降低。第三机壳中的压力在发动机运行时例如为大约 0.2～0.5巴。第三机壳80的出气口84可以连接(没有示出)至废气管道或进一步的 处理设备。

第二气体处理部62的纵向横截面为环状，并且SCR单元围绕第一气体处理部 52和氧化催化剂布置。第三机壳也具有纵向环状横截面。

这样，在操作时在第三机壳80和第二机壳64中盛行的大于环境压力的压力降低 了第一机壳和第二机壳64各自抵抗分别由第一机壳和第二机壳64内的压力引起的应 力的要求，这是因为机壳之间的压力差相当小。另外，第三机壳和第二机壳64中的 升高温度降低了第一机壳的热损失，便于维持用于在第一机壳中布置的氧化催化剂中 发生反应的有利环境。

根据本发明的一个实施方式，第一机壳54的进气口56、第二机壳64的出气口 68和第三机壳的进气口布置在装置50的第一端部处，第一机壳54的出气口58、第 二机壳64的进气口66和第三机壳的出气口布置在装置50的第二端部处。因而，该 装置一定程度上作为逆流热交换器进行热操作。

实际的涡轮增压器的数量可以改变，从而有高压阶段，即第一涡轮增压器单元 16.1可以包括不止一个涡轮增压器，并且有低压阶段，即第二涡轮增压器单元16.2 也可以包括不止一个涡轮增压器。有利的是，这两个涡轮增压器单元放置在发动机的 相对两端。

在图5中，示出了本发明的一个实施方式，该实施方式在其它方面类似于图4 的实施方式，并且操作也类似于图4的实施方式，只不过如下特征在图1中没有示出 以外但是仍然可以与这样的实施方式结合。

在图5中，第一机壳54包括第一内部阀90，该第一内部阀90控制第一机壳的 进气口56和第二机壳的出气口68之间的直接流动路径。第一内部阀90作为用于第 一涡轮增压器单元16.1的废物门来操作，该废物门可以通过将第一气体处理部52和 第二气体处理部62都旁路而将废气从发动机出口14直接传送到第二涡轮增压器单元 16.2的入口。换言之，废气可以绕过第一涡轮部件而到达第二机壳64内。除了第一 内部阀90之外或替换该第一内部阀90，该装置可以包括位于第一机壳内的第二内部 阀92。第二内部阀92控制第一机壳的出气口58和第二机壳的进气口66之间的直接 流动路径。第二内部阀也作为用于第一涡轮增压器单元16.1的废物门来操作，该废 物门可以将在第一气体处理部52中处理的废气传送到第一涡轮增压器单元16.1的出 气口以便也在第二气体处理部62中进行处理。换言之，废气可以绕过第一气体处理 部52和第一涡轮部件而到达第二机壳64内。

此外，第二机壳64包括第三内部阀96，该第三内部阀96控制第二机壳的出气 口68和第三机壳的进气口82之间的直接流动路径。第三内部阀作为用于第二涡轮增 压器单元16.2的废物门来操作。除了第三内部阀96之外或替换该第三内部阀96，该 装置包括位于第二机壳中的第四内部阀98。第四内部阀98还通过将第二气体处理部 62旁路而控制第二机壳的进气口66和第三机壳的出气口84之间的直接流动路径。

在图5中，还示出了一特征，该特征也可以与其它公开的实施方式一起使用，该 特征包括用于在第二气体处理部62中的SCR过程中使用的还原剂的入口72’。在该 实施方式中，该还原剂入口是布置在第一涡轮增压器单元16.1上游的液体入口。将 还原剂入口定位在该位置使得能喷射液基还原剂，这同时提供了用于控制进入涡轮部 件的气体温度的手段。这降低涡轮增压器由于氧化催化剂中的碳氢化合物的残余氧化 引起的过热。

尽管已经通过与目前被认为是最优选实施方式的那些示例相关的示例描述了本 发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在覆盖包括在如所附 权利要求中限定的本发明的范围内的其特征的各种组合或修改以及若干其它应用。与 以上任一实施方式相关地提及的细节可以与另一个实施方式相关地使用，只有这种组 合在技术上是可行的话。