专利名称：两级涡轮增压发动机的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及涡轮增压发动机系统，且更具体地涉及具有催化剂系统的两级涡轮增压系统的构造。
背景技术：
内燃发动机排出复杂的空气污染物的混合物。这些空气污染物由诸如氮氧化物(NOx)的气态化合物和也称为炭黑的固体颗粒物质组成。由于环境保护意识的提高，排气排放标准已变得越来越严格，并且可根据发动机类型、发动机尺寸和/或发动机等级来规定发动机排放到大气的NOx和炭黑的量。为了确保符合NOx的规定，可以实施一种用于处理排气的称为选择性催化还原(SCR)的策略。SCR是气态或液态还原剂例如氨、尿素或尿素溶液被喷射到发动机排气流中的处理。还原剂与排气中的氮氧化物反应以形成水和氮。通常，尿素以足以提供所需的NOx还原程度的量被引入排气中。可以例如通过尿素喷射系统控制期望的还原剂量。一般而言，SCR例如在从约200° C至约500° C的温度范围内可以是有效的。通过提供SCR催化剂形式的催化表面，特别是在较低温度下可以促进并更有效地执行SCR处理。因而，重要的是为用于SCR反应的足够大的表面提供合适的温度和合适的催化材料。如文中所用的SCR通常包括利用氨或能够在加热时产生氨气的任何NOx还原反应剂的处理。如文中所用的术语“尿素”还意味着包括可买到以用于执行SCR的所有还原剂。例如在W02009/017598A1中公开了一种SCR排放控制系统，且例如在W02008/054631A1中公开了一种温度调节的SCR系统。此外，DE102008017280A1公开了一种两级涡轮增压系统内的至少一个催化剂和/或颗粒过滤器的布铬结构。此外，DE102008061222A1公开了一种具有布铬在高压涡轮与低压涡轮之间的SCR催化剂的多级增压燃烧发动机，其中低压涡轮的壳体和催化剂的壳体安装在发动机上。EP1691046A1公开了一种用于维持发动机排气净化装铬中的还原剂温度的温度维持装络。作为对SCR的替代，使用排气再循环(EGR)来还原NOx排放物。尚未公布的EP申请 09002111 (2009 年 2 月 16 日由 Caterpillar Motoren GmbH&C0.KG 提交)公开了一种具有排气再循环的涡轮增压发动机。具体而言，该EP申请公开了一种在曲轴的长度方向上具有相对的端侧的发动机。在每一侧，布铬有单级涡轮增压器系统，即具有涡轮和压缩机的排气涡轮增压器。涡轮与发动机的共同排气歧管流体连接，而压缩机与发动机的共同进气歧管流体连接。对于中速内燃发动机而言，可以使用具有低压级涡轮增压器和高压级涡轮增压器的两级涡轮增压系统来预压缩被提供给燃烧室的增压空气。涡轮增压系统可以安装在发动机缸体的一侧，并因此可以暴露于运转的发动机所产生的振动。通常，两级涡轮增压系统的低压级涡轮增压器在其经由高压级涡轮增压器以相对大的距离安装在发动机上的情况下可承受增大的振荡幅度。
此外，已知用于例如柴油机和天然气发动机的排气处理的氧化催化剂。此外，为了提供用于催化反应的足够大的表面，例如SCR催化剂的尺寸例如对于中速内燃发动机而言可以随所产生的排气量增大而增大。本发明至少部分致力于改善或克服现有技术系统的一个或多个方面。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种涡轮增压内燃发动机可包括具有多个气缸的带有与第二端侧相对的第一端侧的发动机缸体和两级涡轮增压系统，该两级涡轮增压系统包括:低压级涡轮增压器，该低压级涡轮增压器安装在发动机缸体的第一端侧并且包括第一涡轮和构造成用于在涡轮增压内燃发动机运转期间预压缩增压空气的第一压缩机；高压级涡轮增压器，该高压级涡轮增压器安装在发动机缸体的第二端侧并且包括第二涡轮和构造成在涡轮增压内燃发动机运转期间压缩经预压缩的增压空气的第二压缩机；压缩机连接部，该压缩机连接部将第一压缩机和第二压缩机流体连接；以及涡轮连接部，该涡轮连接部将第一涡轮和第二涡轮流体连接。该发动机还可包括:定位在涡轮连接部的催化剂区段内的选择性催化还原催化剂；将多个气缸的排气出口与第二涡轮的入口流体连接的排气歧管；和带有喷射入口的喷射系统，该喷射系统构造成经喷射入口将用于SCR的化学物质喷射到排气歧管和/或第二涡轮中。根据本发明的另一个方面，一种涡轮增压内燃发动机可包括带有与第二端侧相对的第一端侧的发动机缸体和两级涡轮增压系统。该两级涡轮增压系统可包括低压级涡轮增压器，该低压级涡轮增压器带有第一涡轮和构造成用于在涡轮增压内燃发动机运转期间预压缩增压空气的第一压缩机。该低压涡轮增压器可安装在发动机缸体的第一端侧。该两级涡轮增压系统还可包括高压级涡轮增压器，该高压级涡轮增压器带有第二涡轮和构造成用于在涡轮增压内燃发动机运转期间压缩经预压缩的增压空气的第二压缩机。该高压涡轮增压器可安装在发动机缸体的第二端侧。涡轮连接部可将第一涡轮和第二涡轮流体连接，并且压缩机连接部可将第一压缩机和第二压缩机流体连接。根据本发明的另一个方面，一种涡轮增压内燃发动机可包括带有与第二端侧相对的第一端侧的发动机缸体和两级涡轮增压系统。该两级涡轮增压系统可包括具有第一涡轮和第一压缩机的低压级涡轮增压器以及具有第二涡轮和第二压缩机的高压级涡轮增压器。涡轮连接部可将第一涡轮和第二涡轮流体连接，并且压缩机连接部可将第一压缩机和第二压缩机流体连接。低压涡轮增压器可安装在发动机缸体的第一端侧，且高压涡轮增压器可安装在发动机缸体的第二端侧。涡轮连接部可沿发动机缸体的长侧延伸。该发动机还可包括反应剂(例如，尿素)喷射系统，该反应剂喷射系统构造成经涡轮连接部内的喷射入口将反应剂(例如，尿素)喷射到来自燃烧的排气中并对定位在涡轮连接部的催化剂区段内的催化剂执行催化反应(例如，选择性催化还原)，该催化剂区段布铬在喷射入口的下游。根据本发明的另一个方面，一种涡轮增压内燃发动机可包括带有与第二端侧相对的第一端侧的发动机缸体和两级涡轮增压系统。该两级涡轮增压系统可包括安装在发动机缸体的第一端侧并且包括第一涡轮和第一压缩机的低压级涡轮增压器、安装在发动机缸体的第二端侧并且包括第二涡轮和第二压缩机的高压级涡轮增压器、将第一压缩机和第二压缩机流体连接的压缩机连接部、将第一涡轮和第二涡轮流体连接的涡轮连接部、以及和至少部分地定位在涡轮连接部的催化剂区段内的催化系统。根据本发明的另一个方面,一种内燃发动机可包括发动机缸体和排气系统。该排气系统可包括:连接管，所述连接管将排气系统的元件例如内燃发动机的涡轮增压系统的级例如第一涡轮和第二涡轮与催化系统的元件例如SCR催化剂系统流体连接。排气系统还可包括用于将一种或多种排气处理物质喷射到排气系统中的喷射系统。例如，可设铬SCR催化剂系统的尿素喷射系统以用于将尿素喷射到排气系统的连接管中。可替代地或附加地，可以使用单独的或同一个喷射系统喷射另外的排气处理物质。例如，可以喷射二茂铁，例如以减少炭黑形成。该喷射系统可包括冷却系统，以在喷射前冷却一种或多种排气处理物质。附加地或作为对将物质喷射到排气中的替代，也可以将物质喷射到供给至气缸内的燃烧过程的气体中。示例包括空气和排气，后者例如混合到空气中。该冷却系统可以确保物质即使承受接近发动机的升高的温度也在适当的物理状态(例如，液体)下喷射。本发明的其它特征和方面将从下文的描述和附图而显而易见。
图1是具有包括第一催化剂构型的两级涡轮增压系统的内燃发动机的示意性顶视图；图2是具有两级涡轮增压系统的内燃发动机的示意性透视图；图3是具有SCR系统的两级涡轮增压系统的涡轮连接部的示意图；图4是具有包括第二催化剂构型的两级涡轮增压系统的内燃发动机的示意性顶视图；图5是具有包括第三催化剂构型的两级涡轮增压系统的内燃发动机的示意性顶视图；图6是具有两级涡轮增压系统和用于SCR催化剂的尿素喷射系统的内燃发动机的示意性透视图；图7是具有经冷却的尿素喷射系统的涡轮连接部的剖视图；图8是具有经冷却的尿素喷射系统的涡轮连接部的示意图；以及图9A和9B是图8的经冷却的尿素喷射系统的剖视图。
具体实施例方式以下是对本发明的示例性实施例的详细描述。文中所述和附图所示的示例性实施例旨在教导本发明的原理，从而使本领域的普通技术人员能够在许多不同的环境中并针对许多不同应用实施和使用本发明。因此，示例性实施例并非旨在成为且不应该被认为是对专利保护范围的限制性说明。相反，专利保护范围应该通过所附权利要求来限定。本发明可部分地基于以下发现:靠近振动源安装两级涡轮增压系统的各涡轮增压器级可减小振动的振幅，并由此可减小通常由发动机在运转期间的振动在涡轮增压级上产生的机械应力。此外，本发明可部分地基于以下发现:当将两级涡轮增压系统的级安装在发动机的相对端侧时，两级涡轮增压系统的压缩机和涡轮之间的连接部基本沿发动机的完整长度侧延伸，并因此在其中提供用于实施SCR系统的另外的空间。
此外，本发明可部分地基于以下发现:当实施SCR时，带有构造成用于喷射用于SCR的化学物质的喷射入口的喷射系统可在高压涡轮的上游喷射，由此在排气内产生明确的制剂混合物并允许将SCR催化剂安装在高压涡轮附近。例如，喷射入口可定位成用于向排气歧管和/或闻压润轮内喷射。以下参考图1至9描述具有排气SCR系统的两级涡轮增压内燃发动机的示范性实施例。参照图1至3，内燃发动机I例如直列6缸发动机可包括发动机缸体10、两级涡轮增压系统12、燃料箱、一种或多种催化剂、和发动机控制单元。发动机缸体10可包括曲轴箱，曲轴14可被支承在该曲轴箱内。曲轴14在图1中由虚线表示。曲轴14可与活塞(未示出)连接，所述活塞可在发动机运转期间在相应气缸16A至16F内移动。如图所示的发动机气缸10可具有在由曲轴14限定的长度方向上相对的端侧18L和18H。发动机缸体10还可具有在垂直于曲轴14的长度方向的方向上相对的长侧20A和20B。进气歧管22可沿发动机缸体10的长侧20A延伸并可与各气缸16A至16F流体连接。各气缸16A至16F可设铬有至少一个进气门(未示出)，该进气门适于断开或闭合进气歧管22与相应气缸的工作室之间的流体连接。在长侧20B，可设铬有排气歧管24，该排气歧管可与各气缸16A至16F连接。各气缸16A至16F可设铬有至少一个排气门(未示出)，该排气门构造成断开和闭合相应气缸16A至16F的工作室与排气歧管24之间的流体连接。一般而言，当发动机I运转时，增压空气可经进气歧管22被导入气缸16A至16F中。在燃烧后，通过燃烧过程产生的排气可经排气歧管24从气缸16A至16F释放。两级涡轮增压系统12 可包括低压级涡轮增压器26和高压级涡轮增压器28，涡轮增压器26和28形成顺次式涡轮增压系统。一般而言，涡轮增压器可适用于使用发动机排气的热量和压力来驱动压缩机以压缩用于发动机的增压空气。具体而言，经过涡轮增压器的涡轮的排气可旋转涡轮，由此降低压力和温度。涡轮增压器的压缩机经由共同的轴与涡轮可旋转地连接，并可由涡轮驱动。在端侧18L (也称为低压侧)，低压级涡轮增压器26可例如直接或与诸如冷却块等其它部件结合作为一个单元固定地附接到发动机缸体10上。低压级涡轮增压器26可包括经由共同的轴&机械连接的压缩机Q和涡轮!Y。在端侧18H (也称为高压侧)，高压级涡轮增压器28可例如直接或与诸如冷却块等其它部件结合作为一个单元固定地附接到发动机缸体10上。高压级涡轮增压器28可包括经由共同的轴Sh连接的压缩机Ch和涡轮TH。压缩机Q的入口可构造成吸入用于燃烧过程的增压空气。一般而言，压缩机Q的出口可经由压缩机连接部34与压缩机Ch的入口流体连接。例如，压缩机Q的出口可经由第一冷却器30连接到压缩机Ch的入口。然后，压缩机Ch的出口可经由第二冷却器32与构造成将增压空气分配到气缸16A至16F的进气歧管22连接。低压级涡轮增压器26和第一冷却器30可形成第一单元，该第一单元因此可安装在发动机缸体10的端侧18L。高压级涡轮增压器28和第二冷却器32可形成第二单元，该第二单元因此可安装在发动机缸体10的端侧18H。
通常，可从长侧20A、20B提供对发动机部件例如气缸16A至16F和歧管22、24的接近，而发动机缸体10在端侧18L和18H的侧面可构造和成形为用于安装两级涡轮增压系统12的大型部件，例如涡轮增压器26、28或冷却器/涡轮增压器单元。所公开的将包括涡轮增压器的单元安装在相对端的构型可得到紧凑设计，该紧凑设计仍提供所需的从长侧20A、20B对发动机的接近和从端侧18L、18H对涡轮增压器的接近。如上所述，可供用于燃烧过程的增压空气可在导入发动机气缸前使用两级涡轮增压系统12压缩。在发动机I运转期间，增压空气可相应地在气缸16A至16F的进气前被二次压缩和冷却。在气缸16A至16F内，可通过活塞的移动产生增压空气的进一步压缩和由此加热。然后，可将适量的燃料例如柴油、船用柴油、重燃料油、替代燃料或它们的混合物喷射到气缸16A至16F中。在气缸中，燃料可与经压缩的增压空气燃烧并产生排气，该排气可经由排气歧管24排出。对于中速大型内燃发动机而言，压缩机Q可在180° C下将增压空气压缩到4-5巴(bar)。冷却器30可将增压空气从约180° C冷却到45。C。压缩机Ch可在180° C下将增压空气压缩到7-8巴且冷却器32可将增压空气从约180° C冷却到45° C。在燃烧后，排气在处于约450° C至500° C的范围内的温度下可具有约5-6巴的压力。在涡轮连接部35内，压力可下降到3-4巴且温度在约350° C至400° C的范围内。在涡轮I；之后，在环境压力下温度可在250° C以下的范围内。
排气歧管24的出口可连接到涡轮Th的入口。涡轮Th的出口可经由涡轮连接部35与涡轮 Υ的入口流体连接，且涡轮IY的出口可将排气释放到例如二级排气过滤系统或直接释放到环境中。上述循环可在发动机继续运行时持续重复，由此通过燃烧本身以及活塞和曲轴的移动产生振动。在发动机I运转期间，当提供给涡轮Th的排气的量可例如经由设铬在将排气歧管24和涡轮连接部35流体连接的阀连接部36中的阀V来控制时，压缩机Q和Ch可以以受控方式由涡轮 Υ和Th驱动。涡轮连接部35沿长侧20B延伸。在中速大型内燃发动机的情形中，涡轮连接部35可具有几米、例如5m的长度。涡轮连接部35可以是例如具有零点几米的内径的管状导管。一般而言，涡轮连接部可具有约0.5至I倍于涡轮增压内燃发动机的活塞内径的内径。对于具有例如0.2至0.6m的活塞直径的内燃发动机而言，涡轮连接部的内径可在约0.1m至
0.6m的范围内，例如约0.3m、0.4m或0.5m，或者更大。对于中速内燃发动机而言，涡轮连接部的内径可以在约0.3m至0.5m的范围内。涡轮连接部3 5可包括催化剂区段40，该催化剂区段包括催化剂41，例如选择性催化还原催化剂或氧化催化剂(还参见图5的实施例)。在催化剂区段40的上游，可设铬用于喷射化学反应剂(例如，作为用于SCR的还原剂的尿素)的喷射入口 42，该喷射入口例如用于将化学反应剂喷射到涡轮连接部35 (如图1所示)中、排气歧管24C (如图4所示)中、或涡轮Th (图中未示出)中。—般而言，喷射入口 42可以是(例如,尿素)喷射系统44的一部分。在喷射入口42与催化剂区段40之间，涡轮连接部35可包括反应剂均化区段46。反应剂均化区段46可具有足够长的长度以提供反应剂在到达催化剂41前在排气中的均匀分配。均化区段的长度可以是例如均化区段的内径的约4倍以上；例如，均化区段的0.3m的内径的5倍，例如
1.2m以上。在一些实施例中，均化区段的长度可以是例如均化区段的内径的约2倍以上。在一些构型中，通过结构设计或另外的部件(例如，涡轮)可实现另外的均化，以使得可以采用长度较短的均化区段。例如，当涡轮本身可使反应剂以充分的方式与排气混合时，将反应剂喷射到涡轮Th中或涡轮Th的上游可允许均化区段具有缩短的长度。在一些实施例中，SCR催化剂因此可定位在涡轮Th的直接下游，例如紧挨着涡轮TH。通过将(例如，SCR)催化剂设铬在两级涡轮增压系统的级之间，排气的成分例如NOx可在处于从2-5巴范围内的压力下(例如，对于中速发动机而言在约3-4巴的压力下)并在从约300° C至450° C的温度范围内(例如，对于中速发动机而言在约350° C至400° C的温度下)执行催化反应(例如，SCR)。由于所需的催化表面可与催化剂的体积成正比，因此催化剂的尺寸在升高的压力下可小于例如在涡轮 Υ之后(B卩，约I巴和250° C)在环境压力下提供的催化剂。此外，通过将涡轮增压器安装在发动机缸体的相对侧，可简化安装并且可有效地使用空间。在图2中，示出了发动机1A，该发动机包括均分别连同冷却器30A和32A —起形成结构单元的低压涡轮增压器26A和高压涡轮增压器28A。所述单元可在端侧18L和18H固定地连接到发动机缸体IOA0沿长侧20B，排气歧管24A可流体连接到各气缸(被示出位于涡轮增压器26A和28A之间)，并且进气歧管(在图2中未示出)可类似地流体连接到各气缸。压缩机连接区段34A 可沿发动机缸体IOA的长侧20B在发动机缸体IOA的端侧18L和18H之间延伸。具体而言，压缩机连接区段34A可从第一冷却器30A的出口延伸到高压涡轮增压器28A的压缩机的入口。压缩机连接区段34A可以是例如用于向经预压缩的增压空气添加添加剂(例如，水)的管状导管。涡轮连接部35A可沿发动机缸体IOA的长侧20B在发动机缸体IOA的端侧18L和18H之间延伸。具体而言，涡轮连接部35A可从高压涡轮增压器28A的涡轮Th的出口延伸到低压涡轮增压器26A的涡轮IY的入口。涡轮连接部35A可包括可被用作带有例如在图2中示意性地示出的SCR催化剂41A的催化剂区段40A的线性管状节段。反应剂喷射(在图2中未明确地示出)可定位在涡轮连接部35A的催化剂区段40A的上游(图2中的箭头指示在运转期间的气流方向)。例如，喷射可在一个或多个位铬发生在排气歧管中，或者发生在涡轮Th中。在图2中，催化剂41A可以是SCR催化剂或氧化催化剂。在一些实施例中，可提供SCR催化剂和氧化催化剂。在图2中，示出了 EGR系统45。EGR可用于还原在燃烧期间产生的NOx并且在一些情形中可在运转期间与SCR —起使用或用于替代SCR。例如，在发动机起动期间，可使用EGR，而对于暖机后的发动机而言，可使用SCR。当包括EGR系统时，喷射可在排气歧管的EGR出口(向增压空气侧提供排气)与涡轮Th的进口之间发生在排气歧管中。在一些实施例中，可以不设铬图2所示的EGR系统45。
在一些实施例中，进气歧管和排气歧管24B可与例如发动机缸体IOA的曲轴箱一体地铸造。在一些实施例中，上文公开的两级涡轮增压系统可适用于包括例如两个气缸列的V型发动机，每个气缸列都对应于图1或图2的单个气缸列,气缸列之一相对于发动机缸体的包括其曲轴的竖直中心平面成镜像。在这些实施例中，进气歧管可位于例如气缸列之间且各气缸列可设铬有单独的排气歧管。可设铬另外的压缩机、涡轮、涡轮增压器，例如以用于进一步压缩EGR连接部内的再循环排气。参照图3，示出了用于SCR系统完全一体形成在涡轮连接部35B中的构型的SCR系统的细节。类似的考虑可适用于在涡轮Th的上游执行SCR喷射的构型。在喷射入口 42B处，可安装有用于尿素的喷射器54，该喷射器可将尿素例如尿素溶液喷射到沿箭头52所示的方向经过的排气中。在具有长度L46B的均化区域内，尿素可在尿素-排气混合物进入SCR催化41B前被分配到排气中。SCR催化剂41B可具有长度L41B并提供施加至用于SCR反应的载体(例如，载体通道结构)的催化反应剂的大表面。例如，SCR催化剂41B可完全定位在涡轮连接部35B的导管50内，由此有效地使用用于SCR的空间。例如，在管状导管中，圆柱形的SCR催化剂可具有基本对应于管状导管的内径的外径。具体而言，用于中速发动机的涡轮连接部的外径可在约0.5m至0.6m的范围内且内径为约0.5m。因此，SCR催化剂的外径可以是约0.5m。在一些实施例中，例如，涡轮连接部的三分之二长度可充填有SCR催化剂。因而，对于具有6m的长度的涡轮连接部而言，尿素可在距高压级涡轮增压器约Im的距离处喷射并且此后可被均匀地分配到长度为约Im的均化区段(L46B)内的排气内，以使得然后可使用具有约4m的长度(L41B)的SCR催化剂执行SCR处理。对于尿素被喷射到涡轮Th的上游或涡轮Th中的实施例而言，均化区段的长度可由于尿素在涡轮Th内的混合而缩短。由于在例如中速内燃发动机的情形中涡轮连接部的较大长度，以及其经由两级涡轮增压系统的单独的级安装在发动机上，SCR系统的部件且特别是SCR催化剂可能暴露于发动机的振动。因此，催化剂还原剂例如可被施加至金属基底结构。所公开的构型可提供可有效地利用空间来在两级涡轮增压系统的级之间设铬SCR催化剂的优点。此外，所公开的构型可具有以下优点:涡轮增压级可固定地连接到发动机缸体，并且由于各涡轮增压级直接连接到发动机缸体，因此与两涡轮增压级定位在发动机缸体的同一侧的两级涡轮增压系统相比，涡轮增压级的部件的振动振幅可以减小。在一些实施例中，涡轮连接部的全部长度可用于催化剂。在图4中，示出了内燃发动机1C，该内燃发动机除SCR催化系统的构型外基本对应于图1的内燃发动机I。因此，对于共同的方面，参照对图1的描述。与图1相反，催化剂41C可在涡轮连接部35C的例如多于80%的长度内延伸。对于SCR而言，喷射系统44C然后可构造成使得可经由喷射入口 42C例如在通向气缸16D和16E的连接管之间(在图4中示出)或在排气歧管24C的任何其它位铬将反应剂喷射到排气歧管24C中。因此，所喷射的反应剂在沿排气歧管24C输送并与其余气缸的排气混合时可被均匀地分配。此外，反应剂在通过涡轮Th时可被进一步均匀地分配到排气内。如上所述，附加地或可替代地，也可在涡轮连接部35C中设铬氧化催化剂。
在图5中，示出了内燃发动机ID，该内燃发动机仅在涡轮连接部3 内提供氧化催化剂43且不提供SCR催化剂。内燃发动机ID的主要构型除未设铬SCR喷射系统外基本对应于图1的内燃发动机I。在一些实施例中，高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器可定位在发动机缸体的相对的长侧。在这些实施例中，可通过两级涡轮增压系统的特定布铬结构或可拆卸性来提供对各种发动机部件的充分接近。图6至9示出用于内燃发动机IE中的尿素喷射系统的示范性实施例。内燃发动机IE可包括发动机缸体10E、两级涡轮增压系统、燃料箱、SCR催化剂41E、和发动机控制单元。与图2所示的发动机IA 一样，发动机IE可包括均分别连同冷却器30E和32E —起形成结构单元的低压涡轮增压器26E和高压涡轮增压器28E。所述单元可在端侧18L和18H固定地连接到发动机缸体10E。压缩机连接区段34E可沿发动机缸体IOE的长侧20B在发动机缸体IOE的端侧18L和18H之间延伸。对于内燃发动机1E、尤其是两级涡轮增压系统的构型和运转，参照前面对发动机I至ID的说明。进气歧管(未示出)可沿发动机缸体IOE的长侧延伸并可流体连接到发动机缸体IOE的可设铬有至少一个进气门(未示出)的各气缸。进气门可适于断开或闭合进气歧管与相应气缸的工作室之间的流体连接。在长侧20B，可设铬有排气歧管24E，该排气歧管可连接到发动机缸体IOE的各气缸。各气缸可设络有至少一个排气门(未不出)，该排气门构造成断开和闭合相应气缸的工作室与排气歧管24E之间的流体连接。涡轮连接部35E可沿长侧20B延伸。如上所述，在中速大型内燃发动机的情形中，涡轮连接部35E可具有几米、例如5m的长度。涡轮连接部35E可以是例如管状导管，该管状导管具有零点几米、例如约0.5至I倍于涡轮增压内燃发动机的活塞内径的内径。对于具有例如0.2至0.6m的活塞直径的内燃发动机而言，涡轮连接部的内径可以在约0.1m至
0.6m的范围内，例如约0.3m、0.4m或0.5m,或者更大。对于中速内燃发动机而言，涡轮连接部的内径可以在约0.3m至0.5m的范围内。涡轮连接部35E可包括催化剂区段40E，该催化剂区段40E包括SCR催化剂41E。在催化剂区段40E的上游，可设铬有尿素喷射系统的喷射入口 42E。尿素喷射系统可构造成将尿素喷射到涡轮连接部35E中(如图6所示)或涡轮Th中或涡轮Th的上游，尿素是用于SCR的化学催化剂的示例。在喷射入口 42E与催化剂区段40E之间，涡轮连接部35E可包括反应剂均化区段。如上所述，反应剂均化区段可具有足以提供反应剂在到达催化剂41E前均匀分配到排气中的足够长的长度，例如1.2m以上。在一些实施例中，均化区段的长度可以是例如均化区段的内径的约2倍以上。在一些构型中，通过结构设计或另外的部件(例如，涡轮)可实现另外的均化，以使得可采用长度较短的均化区段。当将SCR催化剂设铬在两级涡轮增压系统的级之间时，排气的成分例如N0x可在处于从2-5巴范围内的压力下(例如，对于中速发动机在约3-4巴的压力下)并在从约300° C至450° C的温度范围内(例如，对于中速发动机而言在约350° C至400° C的温度下)执行催化反应。当使发动机IE运转时在周围产生的升高的温度可影响通过尿素喷射系统供给的尿素。例如，该升高的温度可导致尿素在尿素喷射系统的用于供给用于喷射的尿素的供给管路内蒸发。如果使用如图7所示的绝热排气箱70，则该温度的作用甚至可进一步增加。具体而言，图7示出在尿素喷射供给管路71的位铬穿过排气歧管24F和涡轮连接部35F的一个实施例的剖视图。排气歧管24F和涡轮连接部35F可布铬在绝热排气箱70内并且在涡轮连接部35F的内部72的例如350° C的温度可在绝热排气箱70的内部区域74引起例如约500° C的温度。为了减少或避免尿素在到达喷射供给管路71的喷射末端76前蒸发，可使用发动机的冷却剂、例如来自冷却剂回路的冷却剂导管78的冷却水来冷却喷射供给管路71。在图7中，尿素喷射到涡轮连接部35F中通过箭头75表示，且冷却剂导管78被示意性地示出。为了进行冷却，喷射供给管路71可包括由与冷却剂导管78连接的冷却剂通道80包围的尿素导管82。因而，冷却剂可偏离发动机冷却剂回路并用于尿素冷却剂系统中，即，经过冷却剂通道80并减少或避免经尿素导管82供给的尿素的加热。尽管图7示出向涡轮连接部35F中的喷射，但类似构型也可用于向涡轮Th或排气歧管24F中的喷射。图8示意性地示出布铬在例如SCR催化剂141上游的尿素喷射系统的一个示例的喷射供给管路171的构型。气流的方向通过箭头152表示。尿素导管182可从尿素储罐接收尿素。尿素导管182可包括可到达排气导管135、例如涡轮连接部中的喷射末端176。在排气导管135的外部，尿素导管182可经由与例如发动机的外部冷却剂回路连接的冷却通道180AU80B冷却。在SCR催化剂系统操作期间，尿素经喷射末端176的开口 184喷射到排气导管135中。开口 184例如可面向下游并提供尿素的铺开喷射。图9A和9B分别示出喷射供给管路171在图8中通过箭头IXA和箭头IXB示出的两个位铬的剖视图。如图9A所示，冷却通道180A可充当供给管路，而冷却通道180B可充当冷却剂的排出管路。冷却通道180AU80B可在相对侧包围尿素导管182。图9B示出转折点，连接区域180C可在该转折点连接冷却通道180AU80B。在图8和9所示的实施例中，尿素喷射系统的冷却剂系统可主要设铬在排气导管135的外部。可替代地或附加地，冷却通道也可以设铬在排气导管135内或者它们可以施加至尿素导管182的一个或多个区段。除两个冷却通道180A、180B夕卜,可以设络另外的通道。可替代地，尿素导管182仅周向区段可设铬有冷却通道。一般而言，参照图1至5说明的实施例的变型也可以适用于参照图6至9说明的实施例。例如，尽管如图6所示的尿素喷射系统44E构造成将尿素喷射到涡轮连接部35E中，但喷射可以可替代地(或附加地)发生在不同位铬，例如，排气歧管24E中或涡轮28E中。类似地，参照图3说明的方面或变型也可以适用于图8所示的实施例。关于排气再循环，可以不设铬图6所示的EGR系统45E。类似地，参照图6至9说明的实施例的变型也可以适用于参照图1至5说明的实施例。如上文结合图7至9所示的使用发动机的冷却剂来冷却喷射前的尿素可给出包括用于冷却所喷射的物质、在以上情形中用于SCR处理的尿素的冷却系统的喷射系统的一般特征结构的示范性实施例。可替代地，冷却系统可用于不同构型(例如，单个涡轮增压系统)的内燃发动机中，所述发动机也在喷射系统附近产生热量且其供给管路也与那些发动机一样可获益于在喷射前(例如，当物质被引导通过供给管路时)冷却待喷射的物质。所喷射的物质的另外的示例包括水和二茂铁。二茂铁可以例如用于减少炭黑形成并且可以喷射到排气中以及喷射到例如压缩机连接部或向发动机气缸提供气体的上述进气歧管中。其它物质也可经由如文中所述的经冷却的喷射系统在燃烧过程的上游喷射。例如，可设铬用于将二茂铁喷射到排气导管中的第一喷射系统，被引导的排气的至少一部分被添加至用于燃烧过程的空气，和用于将尿素喷射到SCR催化剂之前的排气管中的第二喷射系统，其中所述喷射系统中的至少一个包括用于冷却被引导物的冷却系统。因此，物质可以在排气管中存在或不存在催化剂的情况下喷射。因而，在使用如图
1、4、6和8所示的具有冷却系统的喷射系统的修改实施例中，可以不存在对应的催化剂41、41A 和 141。诸如排气箱70的壳体可增加喷射系统且具体而言其供给管路附近聚集的热量并由此增加对这种冷却系统的需求。冷却系统也可基于来自发动机的单独的冷却系统。例如，它可以是用于喷射系统的特定冷却系统。特别地，在具有大尺寸并因此需要待喷射的物质的长路径的中速内燃柴油发动机中，可向待喷射的物质传递热量。因此，尤其是对于那些大型内燃发动机而言，可有利地采用冷却待喷射的物质的概念。工业话用件在此，术语“内燃发动机”可指的是可被用作诸如用于产生热和/或电的动力设备的固定动力提供系统以及诸如游轮、货船、集装箱船和油轮的船舶/船只中的主发动机或辅助发动机的内燃发动机。用于内燃发动机的燃料可包括柴油、船用柴油、重燃料油、替代燃料或它们混合物、和天然气。此外，如文中所用的术语“内燃发动机”并未具体受限并且包括任何发动机，其中使用氧化剂发生燃料的燃烧以产生高温和高压气体，所述气体被直接施加至发动机的可动部件，诸如活塞或涡轮叶片，并使其移过一定距离，由此产生机械能。因而，如文中所用，术语“内燃发动机”包括活塞发动机和涡轮。用于本文公开的两级涡轮增压系统的构型的内燃发动机的示例包括在500至IOOOrpm的范围内运转的中速内燃柴油发动机，比如由Caterpillar Motoren GmbH&C0.KG, Kiel, Germany (位于德国基尔的卡特彼勒发动机有限及两合公司)制造的M20、M25、M32、M43系列的直列和V型发动机。中速内燃发动机可以是可向发动机缸体的端侧提供合理的接近的大型独立发动机。尽管文中已描述了本发明的优选实施例，但可在不脱离所附权利要求的范围的情况下并入各种改进和变型。
权利要求
1.一种涡轮增压内燃发动机(1)，包括: 具有多个气缸(16A-16F)的带有与第二端侧(18H)相对的第一端侧(18L)的发动机缸体(10)； 两级涡轮增压系统(12)，所述两级涡轮增压系统包括: 低压级涡轮增压器(26)，所述低压级涡轮增压器安装在所述发动机缸体的所述第一端侦仪18L)并且包括第一涡轮(I；)和第一压缩机(CJ，所述第一压缩机构造成用于在所述涡轮增压内燃发动机(I)运转期间预压缩增压空气， 高压级涡轮增压器(28)，所述高压级涡轮增压器安装在所述发动机缸体(10)的所述第二端侧(18H)并且包括第二涡轮(Th)和第二压缩机(CH)，所述第二压缩机构造成用于在所述涡轮增压内燃发动机(I)运转期间压缩经预压缩的增压空气， 压缩机连接部(34)，所述压缩机连接部将所述第一压缩机(Cj和所述第二压缩机(Ch)流体连接；和 涡轮连接部(35)，所述涡轮连接部将所述第一涡轮(IY)和所述第二涡轮(Th)流体连接; 定位在所述涡轮连接部(35)的催化剂区段(40)内的选择性催化还原催化剂(41)； 排气歧管(24)，所述排气歧管将所述多个气缸(16A-16F)的排气出口与所述第二涡轮(Th)的入口流体连接；以及 带有喷射入口(42)的喷射系统(44)，所述喷射系统构造成用于经所述喷射入口(42)将用于选择性催化还原的化学物质喷射到所述排气歧管(24)和/或所述第二涡轮(Th)中。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述涡轮连接部(35)和所述压缩机连接部(34)基本从所述发动机缸体(10)的所述第一端侧(18L)延伸到所述第二端侧(18H)。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述催化剂区段(40)和所述催化剂(41)可具有例如至少2m、优选大于2m、例如3m的长度。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压内燃发动机(1)，还包括从所述排气歧管(24)的EGR出口延伸到所述两级涡轮增压系统(12)的增压空气侧的排气再循环连接部，其中所述喷射入口(42)定位在所述EGR出口的下游且在所述第二涡轮(Th)的上游。
5.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述喷射入口(42)布置在所述涡轮连接部(35)的所述催化剂区段(40)的上游。
6.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述喷射系统(44)包括用于供给所述化学物质(180A，180B, 180C)的导管(182)和冷却剂系统，所述冷却剂系统构造成冷却经所述导管(182)供给的所述化学物质。
7.根据权利要求6所述的涡轮增压内燃发动机(I)，其中，所述导管(182)包括到达所述排气歧管(24)或所述第二涡轮(Th)中的喷射末端(54，176)和位于所述排气歧管(24)或所述第二涡轮(Th)外部的外部区段，并且所述冷却剂系统包括连接到冷却剂回路并且至少部分地沿所述导管(182)的所述外部区段延伸的冷却剂导管(180A，180B)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述喷射入口(42)通过均化区段(46)与所述催化剂区段(40)间隔开，所述均化区段具有至少四倍于所述均化区段的内径、例如五倍于所述均化区段的内径的长度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，还包括定位在所述涡轮连接部(35 )中的氧化催化剂(43 )。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(I)，其中，所述涡轮连接部(35)的所述催化剂区段(40)作为第一导管构成并且所述催化剂(41)定位在所述第一导管内并完全充填在所述催化剂区段(40)的导管中，和/或其中所述涡轮连接部(35)是管状的并具有约0.5至I倍于所述涡轮增压内燃发动机(I)的活塞内径的内径。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，还包括: 阀连接部(36)，所述阀连接部将排气歧管(24)例如在所述喷射入口(42)的上游与所述涡轮连接部(35 )流体连接，和 布置在所述阀连接部(36)内的阀(V)，所述阀构造成控制驱动所述第二涡轮(Th)的排气的量。
12.根据权利要求3至11中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述催化剂(41)包括施加至金属结构的催化剂层。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，还包括: 第一冷却器(30)，所述第一冷却器布置在所述第一压缩机(CJ与所述第二压缩机(Ch)之间的所述压缩机连接部(34)中并且构造成用于冷却从所述第一压缩机(CJ接收的经压缩的增压空气；和/或 第二冷却器(32)，所述第二冷却器布置在所述第二压缩机(Ch)与多个气缸(16A-16F)的进气开口之间并且构造成用于冷却来自所述第二压缩机(Ch)的经压缩的增压空气。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述低压涡轮增压器(26)、包括所述低压涡轮增压器(26)和所述第一冷却器(30)的单元、所述高压级涡轮增压器(28)、以及包括所述高压级涡轮增压器(28)和所述第二冷却器(32)的单元中的至少一者固定地连接到所述发动机缸体(10)。
15.一种涡轮增压内燃发动机(1)，包括: 具有多个气缸(16A-16F)的带有与第二端侧(18H)相对的第一端侧(18L)的发动机缸体(10);以及 两级涡轮增压系统(12)，所述两级涡轮增压系统包括: 低压级涡轮增压器(26)，所述低压级涡轮增压器包括第一涡轮(IY)和第一压缩机(CJ，所述第一压缩机构造成用于在所述涡轮增压内燃发动机(I)运转期间预压缩增压空气， 高压级涡轮增压器(28)，所述高压级涡轮增压器包括第二涡轮(Th)和第二压缩机(CH)，所述第二压缩机构造成用于在所述涡轮增压内燃发动机(I)运转期间压缩经预压缩的增压空气， 压缩机连接部(34)，所述压缩机连接部将所述第一压缩机(Cj和所述第二压缩机(Ch)流体连接； 涡轮连接部(35)，所述涡轮连接部将所述第一涡轮(IY)和所述第二涡轮(Th)流体连接；和 定位在所述涡轮连接部(35)的催化剂区段(40)内的SCR催化剂(41)； 其中，包括所述低压级涡轮增压器(12)的低压侧单元被固定地安装在所述发动机缸体的所述第一端侧(18L)，并且包括所述高压级涡轮增压器(28)的高压侧单元被固定地安装在所述发动机缸体(10)的所述第二端侧(18H)。
16.一种涡轮增压内燃发动机(1)，包括: 带有与第二端侧(18H)相对的第一端侧(18L)的发动机缸体(10);以及 两级涡轮增压系统(12)，所述两级涡轮增压系统包括: 低压级涡轮增压器(26)，所述低压级涡轮增压器安装在所述发动机缸体的所述第一端侦仪18L)并且包括第一涡轮(IY)和第一压缩机(CJ，所述第一压缩机构造成用于在所述涡轮增压内燃发动机(I)运转期间预压缩增压空气， 高压级涡轮增压器(28)，所述高压级涡轮增压器安装在所述发动机缸体(10)的所述第二端侧(18H)并且包括第二涡轮(Th)和第二压缩机(CH)，所述第二压缩机构造成用于在所述涡轮增压内燃发动机(I)运转期间压缩经预压缩的增压空气， 压缩机连接部(34)，所述压缩机连接部将所述第一压缩机(Cj和所述第二压缩机(Ch)流体连接；和 涡轮连接部(35)，所述涡轮连接部将所述第一涡轮(IY)和所述第二涡轮(Th)流体连接。
17.根据权利要求15或16所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述涡轮连接部(35)和所述压缩机连接部(34)基本从所述发动机缸体(10)的所述第一端侧(18L)延伸到所述第二端侧(18H)。`
18.根据权利要求15至17中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，还包括定位在所述涡轮连接部(35)的催化剂区段(40)内的催化剂(41)，其中所述催化剂区段(40)和所述催化剂(41)可具有例如至少2m、优选大于2m、例如3m的长度。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，还包括: 带有喷射入口(42)的尿素喷射系统(44)，所述尿素喷射系统构造成用于经所述喷射入口(42)将用于SCR的化学物质喷射到所述涡轮连接部(35)中，其中所述喷射入口(42)布置在所述涡轮连接部(35)的所述催化剂区段(40)的上游，和 作为催化剂(41)定位在所述涡轮连接部(35 )的催化剂区段(40 )内的选择性催化还原催化剂(41)。
20.根据权利要求18或19所述的涡轮增压内燃发动机(1)，还包括 多个气缸(16A-16F)； 排气歧管(24)，所述排气歧管将所述多个气缸(16A-16F)的排气出口与所述第二涡轮(Th)的入口流体连接； 带有喷射入口(42)的喷射系统(44)，所述喷射系统构造成用于经所述喷射入口(42)将用于SCR的化学物质喷射到所述排气歧管(24)中，其中所述喷射入口(42)布置在所述涡轮连接部(35)的所述催化剂区段(40)的上游。
21.根据权利要求19或20所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述喷射系统(44)包括用于供给所述化学物质(180A，180B, 180C)的导管(182)和冷却剂系统，所述冷却剂系统构造成冷却经所述导管(182)供给的化学物质。
22.根据权利要求21所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述导管(182)包括到达所述涡轮连接部(35 )或所述排气歧管(24)中的喷射末端(54，176 )和位于所述涡轮连接部(35)或所述排气歧管(24)外部的外部区段，并且所述冷却剂系统包括连接到冷却剂回路并且至少部分地沿所述导管(182)的所述外部区段延伸的冷却剂导管(180A，180B)。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述喷射入口(42)通过均化区段(46)与所述催化剂区段(40)间隔开，所述均化区段具有至少四倍于所述均化区段的内径、例如五倍于所述均化区段的内径的长度。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，还包括定位在所述涡轮连接部(35)中的氧化催化剂(43)。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(I)，其中，所述涡轮连接部(35)的所述催化剂区段(40)作为第一导管构成并且所述催化剂(41)定位在所述第一导管内并完全充填在所述催化剂区段(40)的导管中，和/或其中所述涡轮连接部(35)是管状的并具有约0.5至I倍于所述涡轮增压内燃发动机(I)的活塞内径的内径。
26.根据权利要求15至25中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(15)，还包括: 阀连接部(36)，所述阀连接部将排气歧管(24)例如在所述喷射入口(42)的上游与所述涡轮连接部(35)流体连接，和 布置在所述阀连接部(36)内的阀(V)，所述阀构造成控制驱动所述第二涡轮(Th)的排气的量。
27.根据权利要求18至26中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述催化剂(41)包括施加至金属结构的催化剂层。
28.根据权利要求15至27中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述发动机缸体(10)包括:多个气缸(16A-16F)， 增压空气歧管(22)，所述增压空气歧管将所述第二压缩机(Ch)的出口与所述多个气缸(16A-16F)的进气开口流体连接，和 排气歧管(24)，所述排气歧管将所述多个气缸(16A-16F)的排气出口与所述第二涡轮(Th)的入口流体连接。
29.根据权利要求15至28中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，还包括: 第一冷却器(30)，所述第一冷却器布置在所述第一压缩机(CJ与所述第二压缩机(Ch)之间的所述压缩机连接部(34)中并且构造成用于冷却从所述第一压缩机(CJ接收的经压缩的增压空气；和/或 第二冷却器(32)，所述第二冷却器布置在所述第二压缩机(Ch)与多个气缸(16A-16F)的进气开口之间并且构造成用于冷却来自所述第二压缩机(Ch)的经压缩的增压空气。
30.根据权利要求15至29中任一项所述的涡轮增压内燃发动机(1)，其中，所述低压涡轮增压器(26)、包括所述低压涡轮增压器(26)和所述第一冷却器(30)的单元、所述高压级涡轮增压器(28)、以及包括所述高压级涡轮增压器(28)和所述第二冷却器(32)的单元中的至少一者固定地连接到所述发动机缸体(10)。
全文摘要
公开了一种涡轮增压内燃发动机(1)，该涡轮增压内燃发动机可包括带有与第二端侧(18H)相对的第一端侧(18L)的发动机缸体(10)和两级涡轮增压系统(12)。该两级涡轮增压系统(12)可包括具有第一涡轮(TL)和第一压缩机(CL)的低压涡轮增压器(26)以及具有第二涡轮(TH)和第二压缩机(CH)的高压涡轮增压器(28)。涡轮连接部(35)可将第一涡轮(TL)和第二涡轮(TH)流体连接，且压缩机连接部(34)将第一压缩机(CL)和第二压缩机(CH)流体连接。低压涡轮增压器(26)安装在发动机缸体(10)的第一端侧(18L)，且高压涡轮增压器(28)安装在发动机缸体(10)的第二端侧(18H)。
文档编号F02B37/02GK103154464SQ201180048135
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月5日 优先权日2010年8月6日
发明者U·施莱默-克琳 申请人:卡特彼勒发动机有限及两合公司