專利名稱：將還原劑注入內(nèi)燃機的排氣管線中的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分、將還原劑注入內(nèi)燃機的排氣管線中的設(shè)備。
背景技術(shù)：
如今，許多內(nèi)燃機和大部分燃油發(fā)動機都設(shè)有渦輪增壓單元。渦輪增壓單元包括驅(qū)動壓縮機的廢氣推動式渦輪，所述壓縮機將進氣管線中的空氣壓縮以用于發(fā)動機。空氣因此以正壓力被供應(yīng)至發(fā)動機的燃燒室。大量的空氣和燃料因此能被供應(yīng)至發(fā)動機和在所述發(fā)動機中被燃燒。具有渦輪增壓機的發(fā)動機因此能比不具有渦輪增壓機的類似發(fā)動機產(chǎn)生明顯更高的功率輸出。渦輪能從廢氣中提取出來以驅(qū)動壓縮機的能量的值基本上與廢氣穿過渦輪時的壓降有關(guān)。一種能將來自燃油發(fā)動機的氮氧化物的排放量降低的方式是使用一種叫做SCR(選擇性催化還原)的技術(shù)。這包含形式為尿素溶液的還原劑，其以特定的劑量被供應(yīng)給柴油發(fā)動機的排氣管線中的廢氣。當尿素溶液被噴灑到排氣管線中時，所產(chǎn)生的極細分散溶液通過與熱廢氣相接觸而被蒸發(fā)，從而形成氨。然后，氨和廢氣的混合物被引導(dǎo)著經(jīng)過SCR催化劑，在所述SCR催化劑中，廢氣中的氮氧化物中的氮與氨中的氮反應(yīng)，以形成氮氣。氮氧化物中的氧與氨中的氫反應(yīng)，以形成水。廢氣中的氮氧化物因此在催化劑中被還原成氮氣和水蒸汽。在尿素的劑量正確的條件下，可以顯著降低發(fā)動機中氮氧化物的排放量。由所謂的渦輪增壓組合式發(fā)動機來提供動力的車輛具有附加渦輪，所述附加渦輪在排氣管線中位于渦輪增壓單元的渦輪的下游。所述附加渦輪同樣也從廢氣中提取能量。這些能量被用于為車輛提供附加動力。渦輪經(jīng)由可能包括粘性離合器的傳動裝置將所提取的能量傳遞至發(fā)動機的驅(qū)動軸。因此，渦輪增壓組合式發(fā)動機具有比類似的渦輪增壓式發(fā)動機或多或少更高的效率。渦輪增壓組合式發(fā)動機的排氣管線因此包括兩個渦輪。因此，在排氣管線中，廢氣的溫度和壓力在兩個階段中被降低。在某些操作情況下，第二渦輪下游的廢氣溫度并沒有足夠高到使被注入排氣管線的尿素溶液蒸發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)燃機中的設(shè)備，其具有設(shè)有兩個渦輪的排氣管線，在此還原劑的蒸發(fā)在基本上所有操作狀態(tài)下都可以實現(xiàn)。本目的通過技術(shù)領(lǐng)域部分所述類型的設(shè)備來實現(xiàn)，所述設(shè)備以在權(quán)利要求1的特征部分中所指出的特征為特點。因此，根據(jù)本發(fā)明，還原劑在第一渦輪下游和第二渦輪上游位置處被注入排氣管線。當廢氣在渦輪中膨脹時，所述廢氣將經(jīng)歷壓降和溫降。因此，在這種情況下，在還原劑被注入排氣管線之前，廢氣將在第一渦輪中經(jīng)歷僅一次溫度的降低。因此在基本上所有操作狀態(tài)下，廢氣的溫度都將高到足夠使被注入排氣管線的還原劑蒸發(fā)。還原劑通過噴射裝置以極細分散狀態(tài)被有利地注入排氣管線，使得所述還原劑被排氣管線中的熱廢氣快速加熱和蒸發(fā)。還原劑的蒸發(fā)有利地導(dǎo)致氨的形成，所述氨將在下游SCR催化劑中除去氮氧化物。在第二渦輪的上游處注入還原劑還有另外的優(yōu)勢。廢氣的能量成分與所述廢氣的壓力和溫度有關(guān)。可以通過一個渦輪來利用廢氣壓力中的能量成分。蒸發(fā)使還原劑變成氣態(tài)。由于物質(zhì)在氣態(tài)下比在液態(tài)下占據(jù)更大的容積，蒸發(fā)過程導(dǎo)致排氣管線中的壓力在第二渦輪的上游增加。因此能夠利用更大的壓降來驅(qū)動排氣管線中的第二渦輪。在第二渦輪的上游添加還原劑的另一個優(yōu)點在于，旋轉(zhuǎn)的渦輪可被用于混合氨和廢氣。因此，在沒有任何附加構(gòu)件的條件下，可以以有效的方式形成例如氨和廢氣的基本上均勻的混合物。在多數(shù)情況下，可以以相對較小的成本完成在第二渦輪的上游而不是下游供應(yīng)還原劑。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述設(shè)備包括在排氣管線中位于噴射裝置下游位置處的水解催化劑(hydrocatalyst)。商品名為AdBlue (添藍)的尿素溶液包括32.5%的尿素和剩余比例的水。AdBlue的蒸發(fā)導(dǎo)致氨、異氰酸和水蒸汽的形成。在水解催化劑中，異氰酸與水反應(yīng)，從而形成氨。所述水解催化劑可以在排氣管線中位于第二渦輪上游位置處。異氰酸因此在排氣管線中的第二渦輪上游被轉(zhuǎn)變成氨。因此，在第二渦輪中的氨和廢氣可能已經(jīng)形成基本上均勻的混合物。SCR催化劑可以在排氣管線中位于相對靠近第二渦輪的位置處。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，所述設(shè)備包括控制單元，所述控制單元適用于控制被注入排氣管線的尿素溶液量。控制單元可以使用有關(guān)特定發(fā)動機參數(shù)的信息來計算出下述還原劑量，所述還原劑量需要被添加以實現(xiàn)廢氣的氮氧化物成分的最優(yōu)還原?？刂茊卧梢允菫榇嗽O(shè)有合適軟件的計算機或類似物。所述設(shè)備包括第一溫度傳感器，所述第一溫度傳感器適用于在第一渦輪下游和第二渦輪上游位置處檢測排氣管線中的廢氣溫度。因此，該溫度傳感器將在靠近尿素溶液被噴射的位置處檢測廢氣溫度?；谶@些信息，控制單元能確定廢氣的溫度是否足夠高到使被計算出的還原劑量蒸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，排氣管線包括具有第一閥的第一旁通管線，可以經(jīng)由所述第一旁通管線來引導(dǎo)廢氣繞過第一渦輪。在許多情況下，在靠近渦輪處已經(jīng)有現(xiàn)存的這種具有排氣閥門的旁通管線。為了確保渦輪不會變得超載，當渦輪的負載變得過重時，傳統(tǒng)的這種閥允許一部分廢氣經(jīng)過旁通管線。在這種情況下，控制單元可適用于從第一溫度傳感器接收有關(guān)廢氣溫度的信息，并可在廢氣的溫度太低而不能使尿素溶液蒸發(fā)時，打開第一閥以使得廢氣被引導(dǎo)著繞過第一渦輪。閥可被打開以使得特定的一部分廢氣被引導(dǎo)著繞過第一渦輪。因此，可以在尿素溶液被噴射的區(qū)域使排氣管線中的廢氣溫度更高。這種閥使得廢氣可以基本上連續(xù)地達到使被注入排氣管線的尿素溶液蒸發(fā)的溫度。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，所述設(shè)備包括適用于在第二渦輪下游監(jiān)測排氣管線中的廢氣溫度的第二溫度傳感器，以及具有第二閥的第二旁通管線，可以經(jīng)由所述第二閥引導(dǎo)廢氣繞過第二渦輪，其中，控制單元適用于從第二溫度傳感器接收信息，并在廢氣溫度太低而不能在SCR催化劑中使氮氧化物有利地還原時，打開第二閥以使得廢氣被引導(dǎo)著繞過第二渦輪。為了實現(xiàn)SCR催化劑的最佳作用，廢氣的溫度必須在最低可接受值之上。當廢氣貫穿第一渦輪時，到達SCR催化劑的廢氣經(jīng)歷第一次溫降，當廢氣被用于使尿素溶液蒸發(fā)時經(jīng)歷第二次溫降，以及當廢氣貫穿第二渦輪時經(jīng)歷第三次溫降。到達SCR催化劑的廢氣始終有可能被冷卻至最低可接受溫度之下的風險。如果控制單元從第二溫度傳感器接收到這種情況即將發(fā)生的信息，控制單元將打開第二閥以使得至少一部分廢氣被引導(dǎo)著經(jīng)過第二旁通管線，且因此繞過第二渦輪。這使得廢氣溫度可以被升高到這種程度，以至于在SCR催化劑中可以將氮氧化物按需要除去。根據(jù)另一個優(yōu)選實施例，第一渦輪被連接至壓縮機，所述壓縮機使被引至內(nèi)燃機的空氣壓縮。如今，重型車輛的燃油發(fā)動機基本上都設(shè)有渦輪增壓單元。廢氣壓力因此能被利用以壓縮被引至發(fā)動機的空氣。大量的空氣和燃料因此能被供應(yīng)至發(fā)動機并在發(fā)動機中被燃燒。第二渦輪可經(jīng)由傳動裝置被連接至發(fā)動機的軸，在該情況下，廢氣壓力將通過被第二渦輪吸收而被利用來為車輛提供附加動力。這種類型的發(fā)動機通常被稱作渦輪增壓組合式發(fā)動機。


下面將通過參考附圖的示例來描述本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，其中:圖1描述了一種根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于將尿素溶液注入內(nèi)燃機的排氣管線中的設(shè)備。
具體實施例方式圖1描述了一種形式為柴油發(fā)動機I的內(nèi)燃機。發(fā)動機I可被用于為重型車輛提供動力。來自發(fā)動機I汽缸的廢氣經(jīng)由排氣歧管2被引至排氣管線3。排氣管線3上設(shè)有包括渦輪4和壓縮機5在內(nèi)的渦輪增壓單元。渦輪4被用于將排氣管線3中的廢氣的能量轉(zhuǎn)變成用于驅(qū)動壓縮機5的機械功。旁通管線6繞著渦輪延伸。廢氣能借由閥7而被引導(dǎo)著經(jīng)過旁通管線6，并因此繞過渦輪。壓縮機5被用于使被引入進氣管線8空氣壓縮，以用于柴油發(fā)動機I。增壓空氣冷卻器9被設(shè)置在進氣管線8中，以冷卻被壓縮的空氣。發(fā)動機I包括用于廢氣再循環(huán)的回流管線11。廢氣再循環(huán)閥(EGRvalve) 12適用于調(diào)整從排氣管線3經(jīng)過回流管線11而被引至進氣管線8的廢氣的量，在所述進氣管線8中，再循環(huán)的廢氣通過例如混合裝置13與空氣相混合。再循環(huán)的廢氣在與空氣管線8中的空氣相混合之前,將在回流管線11中的至少一個廢氣再循環(huán)冷卻器(EGR cooler) 14中被冷卻。空氣和廢氣的混合物經(jīng)由歧管14被引至發(fā)動機I的各個燃燒室。在這里，排氣管線3設(shè)有被稱為SCR (選擇性催化還原)方法的催化廢氣凈化方式。這包含將形式為尿素溶液的還原劑供應(yīng)給發(fā)動機的排氣管線3中的廢氣。尿素溶液被儲存在罐體15中，并經(jīng)由管線16被引至排氣管線3?？刂茊卧?7可以是具有合適軟件的計算機單元，所述控制單元17通過泵18的啟動來控制尿素溶液的供應(yīng)。泵18將尿素溶液傳送至噴射裝置19，所述噴射裝置19將所述尿素溶液注入排氣管線3中。未展現(xiàn)的壓縮空氣源可以被連接至噴射裝置19，以促進噴射過程?？刂茊卧?7可以使用有關(guān)特定的發(fā)動機參數(shù)的信息來計算出下述尿素溶液量，所述尿素溶液量需要被添加以實現(xiàn)廢氣的氮氧化物成分的最優(yōu)還原。所供應(yīng)的溶液將會被排氣管線3中的廢氣加熱，使得所述溶液被蒸發(fā)。尿素溶液在排氣管線3中的渦輪增壓單元的渦輪4下游和附加渦輪20上游位置處被供應(yīng)。附加渦輪20通過示意性描述的包括粘性離合器23的傳動裝置22被連接至發(fā)動機I的輸出軸21。排氣管線3中的廢氣經(jīng)過附加渦輪20而膨脹，導(dǎo)致來自所述廢氣的能量被提取，所述能量經(jīng)由傳動裝置22被傳遞以用作輸出軸21的附加驅(qū)動動力。旁通管線24繞著附加渦輪20延伸。廢氣可以借由閥25被引導(dǎo)著經(jīng)過旁通管線24，并因此繞過附加渦輪20。溫度傳感器26在渦輪4下游和附加渦輪20上游位置處檢測排氣管線3中的廢氣溫度。水解催化劑27在排氣管線3中位于下述位置處，所述位置相對靠近于噴射尿素溶液的噴射裝置19。所述水解催化劑在排氣管線3中位于附加渦輪20上游位置處。SCR催化劑29在排氣管線中位于附加渦輪20下游位置處。溫度傳感器28被設(shè)置在排氣管線3中，以在第二渦輪20下游和SCR催化劑29上游位置處監(jiān)測廢氣的溫度。因此，溫度傳感器28監(jiān)測廢氣被引入SCR催化劑29之前的溫度。在發(fā)動機I的操作過程中，控制單元17基本上持續(xù)地接收有關(guān)發(fā)動機參數(shù)的信息，諸如燃料、廢氣流量等?？刂茊卧?7能基于這些信息計算出下述尿素溶液量，所述尿素溶液量需要被添加以基本上實現(xiàn)廢氣的氮氧化物成分的最優(yōu)還原?？刂茊卧?7借由泵18供應(yīng)所計算出的尿素溶液量，所述泵18經(jīng)由管線16將所計算出的尿素溶液量從罐體15傳送至噴射裝置19。噴射裝置19在附加渦輪20上游的合適混合距離處將所計算出的溶液量以極細分散的形式注入排氣管線。所述混合距離的長度使得所供應(yīng)的溶液在到達附加渦輪20之前能全部被蒸發(fā)。極細分散的溶液通常被排氣管線3中的熱廢氣快速加熱和蒸發(fā)。被蒸發(fā)的溶液初步形成氨、異氰酸和水蒸汽。在水解催化劑27中，異氰酸與水蒸汽反應(yīng)，從而形成另外的氨。因此，基本上是廢氣、氨和水蒸汽的混合物被引至附加渦輪20。當尿素溶液被蒸發(fā)時，所述尿素溶液將占據(jù)比在液體形式下更大的容積。這導(dǎo)致排氣管線3中的壓力在附加渦輪20上游增加。所述附加渦輪20上游的壓力增加使得利用更大的壓降來驅(qū)動附加渦輪20成為可能。從附加渦輪20傳遞至輸出軸21的驅(qū)動動力因此相應(yīng)地增加。氨和廢氣在附加渦輪20中被有效地攪拌。這使得在排氣管線3中于基本緊鄰附加渦輪20的下游形成了氨和廢氣的基本均勻的混合物。因此，SCR催化劑29可以在排氣管線3中位于相對靠近于附加渦輪20處。氨和廢氣的混合物被引導(dǎo)著經(jīng)過SCR催化劑29，在所述SCR催化劑29中，廢氣中的氮氧化物中的氮與氨中的氮反應(yīng),從而導(dǎo)致氮氣的形成。氮氧化物的氧與氨中的氫反應(yīng)，從而導(dǎo)致水的形成。因此，廢氣中的氮氧化物在SCR催化劑29中被還原成氮氣和水蒸汽。在尿素溶液的劑量正確的條件下，從發(fā)動機I排出的氮氧化物可以被大量地降低。在發(fā)動機I的操作過程中，控制單元17接收來自溫度傳感器26的信息。如果傳感器26指示出廢氣的溫度太低而不能使排氣管線中的尿素溶液蒸發(fā)，那么控制單元17將打開閥7，以使得至少排氣管線3中的部分廢氣被引導(dǎo)著繞過渦輪4。因此，這些廢氣不會在渦輪4中經(jīng)歷溫度的降低。因此，基本上所有操作狀態(tài)下的廢氣溫度都足夠高到使被注入排氣管線3的尿素溶液蒸發(fā)。在發(fā)動機I的操作過程中，控制單元17還接收來自溫度傳感器28的信息。如果傳感器28指示被引至SCR催化劑29的廢氣的溫度太低，那么控制單元7將打開閥25，以使得至少排氣管線3中的部分廢氣被引導(dǎo)著經(jīng)過旁通管線24并因此繞過附加渦輪20。因此，這些廢氣不會在附加渦輪20中經(jīng)歷溫度的降低。因此，基本上所有操作狀態(tài)下的廢氣的溫度都足夠高到使在SCR催化劑中的化學(xué)反應(yīng)能夠以所需方式進行。當廢氣的溫度非常低時，控制單元17可以將兩個閥7、25都打開。這使得在排氣管線3中的渦輪7和20之間的位置處可以維持使尿素溶液蒸發(fā)的廢氣溫度，并且使得在附加渦輪20下游的SCR催化劑可以實現(xiàn)所需功能。本發(fā)明并不受限于上述實施例，但可能在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進行自由的改變。
權(quán)利要求
1.一種用于將還原劑注入內(nèi)燃發(fā)動機(I)的排氣管線中的設(shè)備，所述設(shè)備包括:將廢氣從發(fā)動機(I)引出的排氣管線(3);位于排氣管線(3)中的第一渦輪(4);第二渦輪(20)，其在排氣管線中相對于排氣管線中的預(yù)期流動方向位于第一渦輪(4)下游；噴射裝置(19)，其適用于將尿素溶液注入排氣管線(3)，以使得所述尿素溶液被排氣管線(3)中的熱廢氣加熱和蒸發(fā)；以及SCR催化劑(29)，其特征在于，噴射裝置(19)在排氣管線中相對于排氣管線(3)中的預(yù)期流動方向位于第一渦輪(4)下游和第二渦輪(20)上游位置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括水解催化劑(27)，所述水解催化劑(27)在排氣管線(3)中位于噴射裝置(19)下游和第二渦輪(20)上游位置處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，還原劑是尿素溶液。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括控制單元(17)，所述控制單元(17)適用于控制被注入排氣管線(3)的還原劑量。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括第一溫度傳感器(26)，所述第一溫度傳感器(26)適用于在第一渦輪(4)下游和第二渦輪(20)上游位置處監(jiān)測排氣管線中的廢氣溫度。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的設(shè)備，其特征在于，排氣管線(3)包括設(shè)有第一閥(7)的第一旁通管線(6)，可以經(jīng)由所述第一旁通管線(6)引導(dǎo)廢氣繞過第一渦輪(4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6所述的設(shè)備，其特征在于，控制單元(17)適用于從第一溫度傳感器(26)接收有關(guān)廢氣溫度的信息，并適用于在排氣管線(3)中的廢氣溫度太低而不能使還原劑蒸發(fā)時，打開第一閥(6)以使得廢氣被引導(dǎo)著繞過第一渦輪(4)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括:第二溫度傳感器(28)，其適用于在第二渦輪(20)下游位置處監(jiān)測排氣管線(3)中的廢氣溫度；設(shè)有第二閥(25)的第二旁通管線(24)，可以經(jīng)由所述第二旁通管線(24)引導(dǎo)廢氣繞過第二渦輪(20)，其中，控制單元(17 )適用于從第二溫度傳感器(28 )接收信息，并適用于在廢氣溫度太低而不能在SCR催化劑(29)中進行氮氧化物的有利還原時，打開第二閥(25)以使得廢氣被引導(dǎo)繞過第二渦輪(20)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的設(shè)備，其特征在于，第一渦輪(4)被連接至壓縮機(5),所述壓縮機(5)壓縮被弓I至發(fā)動機(I)的空氣。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的設(shè)備，其特征在于，第二渦輪(20)經(jīng)由傳動裝置(22 )被連接至發(fā)動機的軸(21)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將還原劑注入內(nèi)燃機(1)的排氣管線中的設(shè)備。所述設(shè)備包括將廢氣從發(fā)動機(1)引出的排氣管線(3)；位于排氣管線(3)中的第一渦輪(4)；第二渦輪(20)，其在排氣管線中相對于排氣管線中的預(yù)期流動方向位于第一渦輪(4)下游；噴射裝置(19)，其適用于將尿素溶液注入排氣管線(3)，以使得所述尿素溶液被排氣管線(3)中的熱廢氣加熱和蒸發(fā)；以及SCR催化劑(29)。噴射裝置(19)在排氣管線中相對于排氣管線(3)中的預(yù)期流動方向位于第一渦輪(4)下游和第二渦輪(20)上游位置處。
文檔編號F01N3/20GK103221652SQ201180039064
公開日2013年7月24日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者H·薩爾比 申請人:斯堪尼亞商用車有限公司