降低排氣溫度的排氣系統(tǒng)和方法
【專利摘要】用于內(nèi)燃發(fā)動機(1)的排氣系統(tǒng)包括高壓渦輪增壓器(3)、用于在發(fā)動機(1)和高壓渦輪增壓器(3)之間建立流通連接的裝置(2，7)、低壓渦輪增壓器(4)、用于在渦輪增壓器(3，4)的渦輪機(3a，4a)之間建立流通連接的裝置(6)以及被布置在高壓渦輪增壓器(3)的渦輪機(3a)的上游并包括冷卻介質(zhì)管(17)的熱交換器(5)。所述系統(tǒng)還包括用于將排氣從高壓渦輪增壓器(3)的下游側(cè)引導進入熱交換器(5)的冷卻介質(zhì)管(17)以便降低熱交換器(5)中的高壓排氣的溫度的裝置(6，11)。本發(fā)明還涉及一種降低排氣溫度的方法。
【專利說明】降低排氣溫度的排氣系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的內(nèi)燃發(fā)動機的排氣系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種在兩級渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動機的高壓渦輪增壓器的渦輪機之前降低排氣溫度的方法，如另一個獨立權(quán)利要求的前序部分定義的。
【背景技術(shù)】
[0002]很多大型渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動機都具有的問題是渦輪增壓器的渦輪機之前的排氣溫度太高。該溫度通常需要被限制在大約600°C，以避免渦輪增壓器的損壞。如果通過調(diào)節(jié)發(fā)動機運行參數(shù)來限制排氣溫度，則發(fā)動機效率受損。在渦輪增壓器的渦輪機之前降低排氣溫度的典型方案是在渦輪機上游的排氣流中引入空氣。但是，該方案浪費了排氣的熱能。另一個問題，尤其是在兩級渦輪增壓的發(fā)動機中，是渦輪增壓器之后的排氣溫度對于選擇催化還原或者熱量回收的過熱蒸汽來說太低了。低排氣溫度還降低了低壓渦輪增壓器的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的一個目標是提供一種改進的內(nèi)燃發(fā)動機排氣系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的特征結(jié)構(gòu)在權(quán)利要求1的特征部分中給出。本發(fā)明的另一個目標是提供一種在兩級渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動機的高壓渦輪增壓器的渦輪機之前降低排氣溫度的方法。
[0004]根據(jù)本發(fā)明，所述排氣系統(tǒng)包括高壓渦輪增壓器、用于在發(fā)動機的汽缸和高壓渦輪增壓器的渦輪機之間建立流通連接以便將高壓排氣引入渦輪機的裝置、低壓渦輪增壓器、用于在高壓渦 輪增壓器的渦輪機和低壓渦輪增壓器的渦輪機之間建立流通連接的裝置、被布置在高壓渦輪增壓器的渦輪機的上游并包括冷卻介質(zhì)管的熱交換器，以及用于引導排氣離開低壓渦輪增壓器的渦輪機的裝置。該排氣系統(tǒng)還包括用于將排氣從高壓渦輪增壓器的下游側(cè)引導進入熱交換器的冷卻介質(zhì)管以便降低熱交換器中的高壓排氣的溫度的
>J-U ρ?α裝直。
[0005]在根據(jù)本發(fā)明的在兩級渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動機的高壓渦輪增壓器之前降低排氣溫度的方法中，來自發(fā)動機的高壓排氣被引導經(jīng)過熱交換器而到達高壓渦輪增壓器的渦輪機，并且高壓排氣的溫度在熱交換器中通過將來自高壓渦輪增壓器的下游側(cè)的排氣用作冷卻介質(zhì)而被降低。
[0006]利用根本本發(fā)明的排氣系統(tǒng)和方法，在高壓渦輪增壓器之前的排氣溫度可以被降低，這有助于避免渦輪增壓器的損壞。在高壓渦輪增壓器之前的排氣冷卻允許離開發(fā)動機的排氣具有更高的溫度。這賦予不同發(fā)動機運行參數(shù)更大的調(diào)整空間，比如進氣閥正時和進氣溫度。因為低壓排氣被用作冷卻介質(zhì)，所以所述排氣的熱能不被浪費。低壓排氣的溫度增加，這使渦輪增壓器下游進行有效的選擇催化還原?？蛇x擇的，排氣可作為排氣熱量回收工藝的一部分，被用于例如過熱蒸汽。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的實施方式，用于在高壓渦輪增壓器的渦輪機和低壓渦輪增壓器的渦輪機之間建立流通連接的裝置被連接到熱交換器的冷卻介質(zhì)管。在該實施方式中，來自高壓渦輪增壓器的渦輪機的下游但來自低壓渦輪增壓器的渦輪機的上游的排氣被用作冷卻介質(zhì)。因為低壓排氣的溫度在排氣被引入低壓渦輪增壓器之前增加，所以低壓渦輪增壓器的效率被提高。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，用于引導排氣離開低壓渦輪增壓器的渦輪機的裝置被連接到熱交換器的冷卻介質(zhì)管。在該實施方式中，低壓渦輪增壓器的渦輪機的下游的排氣被用作冷卻介質(zhì)。該實施方式的優(yōu)點是:由于高壓排氣和被用作冷卻介質(zhì)的低壓排氣之間的較大的溫度差，排氣流之間的熱傳遞更有效率。
[0009]根據(jù)本發(fā)的另一個實施方式，在熱交換器的冷卻介質(zhì)管的下游布置有用于選擇催化還原的催化劑裝置。當被用于帶選擇催化還原的發(fā)動機中時，本發(fā)明尤其有利。通過在熱交換器的冷卻介質(zhì)管的下游布置催化裝置，從高壓排氣到低壓排氣的熱傳遞以一種有效選擇催化還原的形式被利用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的內(nèi)燃發(fā)動機。
[0011]圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施方式的內(nèi)燃發(fā)動機。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明的實施方式現(xiàn)在參考附圖被詳細描述。
[0013]圖1不出根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的內(nèi)燃發(fā)動機I。發(fā)動機I包括多個汽缸10。在圖1和圖2的實施方式中，發(fā)動機I是直列式發(fā)動機，但是發(fā)動機的汽缸10也可以例如被布置為V型。發(fā)動機I能包括任意合理數(shù)量的汽缸10。發(fā)動機I是大型內(nèi)燃發(fā)動機，比如被用作船舶主要或輔助發(fā)動機或用于電廠發(fā)電的發(fā)動機。
[0014]發(fā)動機I設置有兩級渦輪增壓，因此還包括串聯(lián)連接的高壓渦輪增壓器3和低壓渦輪增壓器4。每個渦輪增壓器3、4包括渦輪機3a、4a和壓縮機3b、4b。來自發(fā)動機I的汽缸10的排氣被收集到排氣歧管2中，并且在高壓排氣管7中被引導到高壓渦輪增壓器3的渦輪機3a。排氣從高壓渦輪增壓器3的渦輪機3a在中間排氣管6中被引導到低壓渦輪增壓器4的渦輪機4a。被布置在低壓渦輪增壓器4的渦輪機4a的下游以用于選擇催化還原的催化劑裝置8通過低壓排氣管11被連接到渦輪機4a。
[0015]發(fā)動機I的進氣通過先在低壓進氣管12中將其引入低壓渦輪增壓器4的渦輪機4b，然后在中間進氣管13中引入高壓渦輪增壓器3的渦輪機3b而被增壓。增壓進氣從高壓渦輪增壓器3在高壓進氣管14中被引入進氣歧管9，然后進入發(fā)動機I的汽缸10。為了降低進氣的溫度，發(fā)動機I設置有被布置在低壓渦輪增壓器4的壓縮機4b和高壓渦輪增壓器3的壓縮機3b之間的第一增壓空氣冷卻器15，以及被布置在高壓渦輪增壓器3的壓縮機3b的下游的第二增壓空氣冷卻器16。
[0016]為了在高壓渦輪增壓器3的渦輪機3a之前降低排氣的溫度，發(fā)動機I設置有被布置在發(fā)動機I和高壓渦輪增壓器3之間的熱交換器5，并且還設置有冷卻介質(zhì)管17。來自發(fā)動機I的高壓排氣在被引入高壓渦輪增壓器3的渦輪機3a之前在高壓排氣管7中被引導穿過熱交換器5。發(fā)動機I的低壓排氣被用作熱交換器5中的冷卻介質(zhì)。當排氣流過高壓渦輪增壓器3的渦輪機3a時，其溫度被降低。中間排氣管6被連接到熱交換器5的冷卻介質(zhì)管17，以使低壓排氣循環(huán)通過熱交換器5。在熱交換器5中，高壓排氣中的部分熱量被傳遞給低壓排氣。因此高壓排氣的溫度被降低而低壓排氣的溫度被增加。從熱交換器5，低壓排氣在中間排氣管6中被引導到低壓渦輪增壓器4的渦輪機4a。
[0017]通過在高壓渦輪增壓器3的渦輪機3a之前降低高壓排氣的溫度，避免了過高的排氣溫度引起的高壓渦輪增壓器3的損壞。因為不需要通過調(diào)節(jié)不同的發(fā)動機運行參數(shù)(比如進氣閥正時或進氣溫度)來限制發(fā)動機之后的排氣溫度，所以發(fā)動機效率不需要被折衷。因為低壓排氣的溫度在低壓渦輪增壓器4的渦輪機4a之前被提高，所以低壓渦輪增壓器4的效率被提高。低壓渦輪增壓器4的下游的排氣溫度也被增加，這使得催化劑裝置8中能進行有效率的選擇催化還原。
[0018]在圖2中被示出的是本發(fā)明的第二實施方式。發(fā)動機I和發(fā)動機I的進氣系統(tǒng)與圖1的發(fā)動機I和進氣系統(tǒng)相同。發(fā)動機I也設備有類似圖1實施方式中的熱交換器5。在圖2的實施方式中，低壓渦輪增壓器4的渦輪機4a經(jīng)中間排氣管6被直接連接到高壓渦輪增壓器3的渦輪機3a。在該實施方式中，高壓排氣也通過將低壓排氣用作冷卻介質(zhì)來冷卻。連接到低壓渦輪機4的渦輪機4a的低壓排氣管11被連接到熱交換器5的冷卻介質(zhì)管
17。從熱交換器5，低壓排氣管11將排氣引導到用于選擇催化還原的催化劑裝置8。因為被用作冷卻介質(zhì)的低壓排氣取自低壓渦輪增壓器4的下游，所以低壓排氣和高壓排氣之間的溫度差比圖1實施方式中的大。實現(xiàn)了更有效率的排氣冷卻。
[0019]取代催化劑裝置8，或者除了催化劑裝置8以外，在本發(fā)明的兩個實施方式中，所述排氣系統(tǒng)可以設置有其他的熱回收裝置。例如，低壓渦輪增壓器4的渦輪機4a的下游的排氣可以被用在動力渦輪機中，或者用于熱回收系統(tǒng)中使用的過熱蒸汽。
[0020]本領(lǐng)域技術(shù)人員能明白本發(fā)明不限于上述實施方式，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化。
【權(quán)利要求】
1.一種用于內(nèi)燃發(fā)動機(I)的排氣系統(tǒng)，所述排氣系統(tǒng)包括: -高壓渦輪增壓器(3)， -用于在所述發(fā)動機(I)的汽缸(10)和所述高壓渦輪增壓器(3)的渦輪機(3a)之間建立流通連接以便將高壓排氣引入所述渦輪機(3a)的裝置(2，7)， -低壓渦輪增壓器(4)， -用于在所述高壓渦輪增壓器(3)的所述渦輪機(3a)和所述低壓渦輪增壓器(4)的渦輪機(4a)之間建立流通連接的裝置(6)， -被布置在所述高壓渦輪增壓器(3)的所述渦輪機(3a)的上游并包括冷卻介質(zhì)管(17)的熱交換器(5)，以及 -用于引導排氣離開所述低壓渦輪增壓器(4)的所述渦輪機(4a)的裝置(11)， 其特征在于，該排氣系統(tǒng)還包括用于將排氣從所述高壓渦輪增壓器(3)的下游側(cè)引導進入所述熱交換器(5)的所述冷卻介質(zhì)管(17)以便降低所述熱交換器(5)中的高壓排氣的溫度的裝置(6，11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述用于在所述高壓渦輪增壓器(3)的所述渦輪機(3a)和所述低壓渦輪增壓器(4)的渦輪機(4a)之間建立流通連接的裝置(6)被連接到所述熱交換器(5)的所述冷卻介質(zhì)管(17)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述用于引導排氣離開所述低壓渦輪增壓器(4)的所述渦輪機(4a)的裝置(11)被連接到所述熱交換器(5)的所述冷卻介質(zhì)管(17)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，在所述熱交換器(5)的所述冷卻介質(zhì)管(17)的下游布置有用于進行選擇催化還原的催化劑裝置(8)。
5.一種在兩級渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動機(I)的高壓渦輪增壓器(3)之前降低排氣溫度的方法，在該方法中，來自所述發(fā)動機(I)的高壓排氣被引導經(jīng)過熱交換器(5)而到達所述高壓渦輪增壓器(3)的渦輪機(3a)，其特征在于，在所述熱交換器(5)中通過將來自所述高壓渦輪增壓器(3)的下游側(cè)的排氣用作冷卻介質(zhì)而降低高壓排氣的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于，被用作所述冷卻介質(zhì)的排氣取自所述高壓渦輪增壓器(3)的所述渦輪機(3a)的下游和低壓渦輪增壓器⑷的渦輪機(4a)的上游。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于，被用作所述冷卻介質(zhì)的排氣取自低壓渦輪增壓器⑷的下游側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，被用作所述冷卻介質(zhì)的排氣被從所述熱交換器(5)引導到用于進行選擇催化還原的催化劑裝置(8)。
【文檔編號】F02B39/00GK103620168SQ201280026974
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月3日
【發(fā)明者】A·約爾特, 阿爾托·耶爾維, E·林德, F·朗倫德, H·薩爾米寧, J·海沃恩, J·拉薩寧, T·勞尼奧 申請人:瓦錫蘭芬蘭有限公司