涡轮增压内燃发动机的排气系统的旁通装置和包括旁通装置的系统的制作方法

文档序号:11111117阅读:630来源:国知局
涡轮增压内燃发动机的排气系统的旁通装置和包括旁通装置的系统的制造方法

在专利申请EP2721266 A2中公开了一种用于内燃发动机的排气系统的旁通阀门装置,该旁通阀门装置包括:具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口的导管;具有第一位置和第二位置的阀门,在第一位置中,流体从第一进口到第一出口的流动以及流体从第二进口到第二出口的流动是被允许的,而流体从第一进口到第二出口的流动以及流体从第二进口到第一出口的流动是被堵塞的,在第二位置中,流体从第一进口到第二出口的流动以及流体从第二进口到第二出口的流动是被允许的,而流体从第一进口到第一出口的流动以及流体从第二进口到第二出口的流动是被堵塞的,导管包括连接第一进口和第一出口的第一导管元件以及连接第二进口和第二出口的第二导管元件,其中第一导管元件和第二导管元件中的每一者均包括用于在第一导管元件和第二导管元件之间布置阀门的法兰。

在专利申请EP0953738A2中公开了一种内燃发动机的废气排放控制系统,该废气排放控制系统包括:排气净化装置,该排气净化装置设置在所述内燃发动机的排气通道中;流向转换装置,该流向转换装置包括四个端口且被设置在比所述排气净化装置布置在更上游的排气通道处;第一排气通道,该第一排气通道连接到所述内燃发动机且进一步连接到所述流向转换装置的第一部分;第二排气通道,该第二排气通道与大气连通且进一步与所述流向转换装置的第二端口连通;第三排气通道,该第三排气通道连接到所述排气净化装置的一侧且进一步连接到所述流向转换装置的第三端口;以及第四排气通道,该第四排气通道连接到所述排气净化装置的另一侧且进一步连接到所述流向转换装置的第四端口,其中所述流向转换装置可被转换到第一位置和第二位置,在所述第一位置,通过将第一端口连接到第三端口并将第二端口连接到第四端口而允许排气穿过所述排气净化装置沿第一方向流动,在所述第二位置,通过将第一端口连接到第四端口并将第二端口连接到第三端口而允许排气穿过所述排气净化装置沿与第一方向相反的第二方向流动。

在专利申请US2001013223A1中公开了一种排气清洁系统,该排气清洁系统包括:至少一个SOX捕集器;在排气系统中与至少一个SOX捕集器串联布置的至少一个NOX吸收收集器;以及用于控制排气流的方向的装置,该装置使得排气流首先通过SOX捕集器而后通过NOX吸收收集器或者首先通过NOX吸收收集器而后通过SOX捕集器。在该系统中,用于控制排气流的方向的装置包括活板、阀门或滑板。

在专利申请DE10120592A1中公开了一种排气净化器,该排气净化器包括:布置在发动机的排气系统中的催化NOX吸收/还原装置;用于引导还原物质的给料装置;以及用于交换催化NOX吸收/还原装置的上游侧和下游侧的交换装置。

在专利公开US6148613A中公开了一种供排气的反向流催化转换器用的阀门结构,转换器具有容器,该容器具有带有彼此流体连通的第一端口和第二端口的顶端,使得被引导到第一端口和第二端口中的排气流动通过容器中的固定不动的催化材料,转换器包括阀门壳和阀门组件,阀门壳包括进口腔和出口腔并且适合被安装在容器的顶端上,进口腔适于连接排气管,且出口腔适于连接尾管,阀门组件操作地安装在阀门壳中,用于使通过固定不动的催化剂的气流反向,阀门组件适于在第一位置和第二位置之间移动,在第一位置,进口腔与第一端口连通且出口腔与第二端口连通,使得能够形成沿第一方向通过固定不动的催化剂的气流通道,在第二位置,进口腔与第二端口连通且出口腔与第一端口连通,使得能够形成沿与第一方向相反的第二方向通过固定不动的催化剂的气流通道。

作为涡轮增压内燃发动机的排气系统的催化装置,使用了基于不同类型的催化工艺的装置。选择性催化还原(SCR)是借助于催化剂将氮氧化物转换为二原子氮和水的工艺。在选择性催化还原系统中,气体形式的还原剂被添加到排气流中且被吸附到催化剂上。一种典型的还原剂是尿素。选择性催化还原系统被用于例如大型公用锅炉、工业锅炉、固体废弃物锅炉和大型船用发动机、机车和汽轮机。由于严格的排放标准,SCR系统在船上变得更加常用。这样,很多类型的发动机都设置有催化装置,例如供选择性催化还原(SCR)用的氧化催化剂和/或催化转换器以满足排放限制。在发动机的一些运行条件下,有可能需要绕过催化装置。发动机由此通常包括旁通装置,用于引导排气通过供SCR用的氧化催化剂或催化转换器。对于涡轮增压内燃发动机来说,ITSCR(涡轮间选择性催化还原)是排气处理中减少氮氧化物的最有希望的解决方案之一,尤其是对于两级涡轮增压内燃发动机来说更是如此。

在涡轮增压内燃发动机催化装置例如SCR装置中,尤其是ITSCR装置被用于发动机,因为用于整合到涡轮增压内燃发动机中的SCR的合适的解决方案已被证明是难以找到的。在发动机中,例如ITSCR被布置在两涡轮增加级之间,但有时,其需要“被断开连接”,也就是需要被绕过,以在不具有这种选项的情况下运行发动机。这方面的问题是需要在TSCR工作或不工作的情况下具有好的且有效的排气流。

本发明的目的是提供一种涡轮增压内燃发动机的排气系统的旁通装置以及包括旁通装置的系统,在这些旁通装置和系统中,前述问题且尤其是关于旁通的问题已被消除或至少被最小化。

本发明的一个具体的目的是创造一种涡轮增压内燃发动机的排气系统的旁通装置以及包括旁通装置的系统,这些旁通装置和系统可以在TSCR工作或不工作的情况下具有好的且有效的排气流。

为实现上述目的以及随后将变得明显的那些目的,根据本发明的旁通装置以关于系统的独立权利要求的特征部分的特征为特征。根据本发明的系统继而以关于系统的独立权利要求的特征部分的特征为特征。有利的实施方式和特征被限定在从属权利要求中。

根据本发明,涡轮增压内燃发动机的排气系统的旁通装置包括:壳体,该壳体具有第一排气进口和第一排气出口以及第二排气进口和第二排气出口;筒形可旋转部分,该筒形可旋转部分形成为具有第一排气流通道、第二排气流通道和旁通排气通道,其中所述第一排气流通道和第二排气流通道在所述筒形可旋转部分中形成为通过将所述筒形可旋转部分旋转到第一位置而在所述第一排气进口和第二排气出口之间以及所述第二排气进口和第一排气出口之间提供流动连接,并且所述旁通排气通道在所述筒形可旋转部分中形成为U形,以在所述第一排气进口和所述第二排气出口之间提供流动连接。

根据本发明,系统包括内燃发动机、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器以及位于第一涡轮增压器和第二涡轮增压器之间的催化装置,其中旁通装置是根据本发明的旁通装置。

根据有利的特征,所述第一排气进口和第一排气出口以及所述第二排气进口和第二排气出口被定位成关于所述筒形可旋转部分的纵向轴线偏离中心。

根据有利的特征,所述旁通装置进一步包括使所述筒形可旋转部分在所述壳体中转动的手动转动装置或驱动器。

根据有利的特征,所述可旋转部分能在两个位置之间旋转;当处在第一位置时,将排气流引导到催化装置,并且当处在第二位置时,将排气流引导成绕过所述催化装置。

根据有利的特征,所述可旋转部分能旋转到所述第一位置和所述第二位置之间的增量位置,在该增量位置,排气流被引导成穿过所述排气流通道且穿过所述旁通通道。这提供了在发动机在该状态下运行的情况下当不会发生完全阻止排气流时使可旋转部分转动的可能性,而且,这还提供了划分排气流且由此控制被引导到催化装置中的排气流的可能性。

根据有利的特征,所述筒形可旋转部分具有两个纵向部分,有利地,所述筒形可旋转部分具有沿筒形形状的纵向方向划分的两个不同的纵向半筒形部分。

根据有利的特征,呈直通流动管路的形式的两个所述排气流通道被定位在所述纵向部分中的一个纵向部分中,并且呈U形流动管路的形式的所述旁通排气通道被定位在所述纵向部分中的另一个纵向部分中。

根据本发明的有利方面,旁通装置包括壳体、可旋转部分(有利的是筒形可旋转部分,例如筒体或转子)以及用于可旋转部分的手动转动装置或驱动器(有利的是马达)。壳体的功能是支撑可旋转部分和驱动器以及形成涡轮增压内燃发动机的涡轮增压器和催化装置之间的连接装置。可旋转部分的功能是有效地偏离排气流。可旋转部分成形为具有两个纵向部分,且在一个纵向部分中具有两个呈直通流动管路的排气流通道,而在另一个纵向部分中具有呈U形流动管路的旁通排气通道。有利地,两个纵向部分被构造为彼此连接以形成筒形可旋转部分的两个不同的半筒形部分。手动转动装置或驱动器的功能是使可旋转部分在两个位置之间旋转,使得:当处在第一位置时,排气从第一级涡轮增压器通过壳体的连接装置并且通过两个排气流通道(即,可旋转部分中的直通流动管路)中的一个而流到达催化装置并且通过两个直通流动管路中的另一个回到第二级涡轮增压器。当处在第二极端位置时,排气从第一级涡轮增压器通过壳体的连接装置而流到旁通排气通道(即,可旋转部分中的U形流动管路)且从旁通排气通道(即,U形流动通道)出来而流到第二级涡轮增压器,跳过催化装置。

下文中,将通过参照附图来更详细地描述本发明,其中

图1A至图1D示意性地示出了根据本发明的旁通装置的可旋转部分的简化示例,

图2A至图2B示意性地示出了根据本发明的旁通装置的示例,以及

图3示意性地示出了具有旁通装置的排气系统的简化示例。

在随后的描述以及图1A至图3中,除非另有说明,对应的附图标记被用来指示相似的元件、部分和部分组件。应被注意到的是,在附图中,一些附图标记可能由于为了清楚的原因而被省略。在随后的示例中,为了简化公开的目的,将主要通过参照涡轮增压内燃发动机的排气系统的旁通装置来进行描述,但应注意的是,不仅是这个示例,特别是用于大型船舶或离岸装备或发电站的发动机的排气系统的任何类型的旁通装置都可具有根据本发明的类似的特征和特性。

图1A至图1D示出了根据本发明的旁通装置10的简化示例。图1A中示出的旁通装置10的可旋转部分11不具有其壳体17(图2A至图2B)。可旋转部分11是筒形的且具有两个纵向部分11、12,在该示例中,可旋转部分被形成为由筒形形状的纵向方向的平面划分的两个不同的纵向半筒形部分12、13,这两个纵向部分中的其中一个纵向部分12包括两个排气流通道,这两个排气流通道是直通流动管路14、15且用于将气流19引导到催化装置中,有利地,引导到ITSCR中,且两个纵向部分中的另一个纵向部分13包括旁通排气通道,也就是U形流动管路16,用于使气流19(图1D)回到可旋转部分11中且用于绕过催化装置。可旋转部分11在其可旋转方向上具有至少两个位置:第一位置用于使排气流经过催化装置且第二位置用于使排气流跳过催化装置。两个位置之间的角度根据排气流通道14、15以及旁通流通道的直径从40°到50°变化,有利地,从43°到47°变化。可旋转部分11还可以旋转到第一位置和第二位置之间的增量位置,在该增量位置,排气流被引导成穿过排气流通道14、15且穿过旁通通道16。这样,旁通装置可以以开关模式和增量模式来使用。在开关模式中,旁通装置相应地启用或停用催化装置。在增量模式中,旁通装置甚至可以调节催化装置的使用。

图1B中表示气流19的方向的箭头也可以关于由该箭头表示的方向反过来,且因此气流进出可旋转部分的进出方向也可以反过来。两个排气流通道(也就是两个直通流动管路)14、15被定位在一个纵向部分12中且大体上垂直于筒形形状的纵向方向贯穿半筒形形状且在筒形形状的侧壁中具有进口开口和出口开口。U形流动管路16被定位在另一个纵向部分13中且在半筒形形状内形成沿纵向方向从纵向部分的一端到纵向部分的另一端的弯曲管路,且在筒形形状的侧壁中具有进口开口和出口开口。

图2A至图2B中示出的旁通装置10包括可旋转部分11和壳体17。壳体17包括第一排气进口31A和第二排气进口31B以及第一排气出口31B和第二排气出口32B,也就是说,能够在旁通装置10的排气流通道(即,直通流动管路14、15)的相应的排气进口21A、22A和排气出口21B、22B处定位在可旋转部分11的第一位置且能够在可旋转部分11的旁通排气通道(即,U形流动管路16)的相应的排气进口21A和排气出口21B处定位在可旋转部分11的第二位置中的用于排气流19(图1B、图1D以及图3A至图3B)的进口开口和出口开口31A、31B、32A和32B;在第一位置中,将旁通装置10连接到催化装置侧和涡轮增压器侧,而在第二位置中,将旁通装置10连接到涡轮增压器侧并且绕过催化装置。旁通装置10包括壳体17,该壳体具有可释放地连接至彼此的上部部分17A和下部部分17B,可旋转部分11有利地是筒体或转子,且驱动器18有利地是马达。壳体17支撑可旋转部分11和驱动器18,并且包括开口31A、31B、32A、32B,用于可旋转部分11的流动管路14、15、16的进口和出口21A、21B、22A、22B。可旋转部分11成形为具有两个不同的纵向部分12、13且在一个纵向部分12上具有排气流通道(即,直通流动管路14、15),且在另一个纵向部分13上具有旁通排气通道(即,U形流动管路16)。驱动器18使可旋转部分11在壳体17中在两个位置之间旋转。当可旋转部分11处在其第一位置时,排气流从第一级涡轮增压器经过壳体17的相应的开口31A且经过可旋转部分11中的两个直通流动管路14、15中的一个管路14而进入催化装置,且经过两个直通流动管路14、15中的另一个管路15而返回到第二级涡轮增压器。当处在第二位置时,排气流19从第一级涡轮增压器经过壳体17的相应的开口31A且经过可旋转部分11中的U形流动管路16而进入第二级涡轮增压器,且由此忽略了催化装置。

图2A至图2B的示例还示出了旁通装置10的部分和组件的细节的一些可能性。附图标记51指示波纹管,附图标记52指示安装法兰,附图标记53指示固定孔,附图标记54指示密封件,附图标记55指示销,附图标记56指示轴承衬,附图标记57指示垫圈,附图标记58指示用于连接可旋转部分11的区段,附图标记59指示驱动器18的固定元件,附图标记61指示可旋转部分11的齿轮,附图标记62指示护罩,附图标记63指示轴承,附图标记64指示耦接头,附图标记65指示驱动轴,附图标记66指示齿轮,附图标记67指示驱动器18的安装基座,附图标记68指示固定元件且附图标记69指示用于可旋转部分11的轴。

图3示出了排气系统,其包括第一涡轮增压器47和第二涡轮增压器48。第一涡轮增压器47与第二涡轮增压器48串联连接。排气系统还设置有催化装置49,例如SCR(选择性催化还原装置)或有利的是ITSCR(涡轮间选择性催化还原装置)。第一涡轮增压器47的涡轮进口被连接到发动机42的排气歧管46,且第一涡轮增压器47的涡轮出口被连接到旁通装置10的第一进口21A、31A。旁通装置10的第一出口21B、31B被连接到催化装置49的进口。催化装置49的出口被连接到旁通装置10的第二进口22A、32A,且旁通装置10的第二出口22B、32B被连接到第二涡轮增压器48的涡轮进口。当旁通装置10的可旋转部分11处在第一位置时,如图3A所示,排气可从第一涡轮增压器47流到旁通装置10的第一进口21A且经由排气流通道14(即,经过流动管路14)而经过旁通装置10,且从第一出口21B流到催化装置49。排气从催化装置49流经旁通装置10的第二进口22A、32A以及排气流通道15(即,经过流动管路15)且从第二出口22B、32B流到第二涡轮增压器48。当需要绕过催化装置49的时候,旁通装置10的可旋转部分11被旋转到第二位置,如图3B所示,且排气流动通过旁通装置10的第一进口22B、32B以及旁通排气通道(即,U形流动管路16)而流到旁通装置10的第二出口22B、32B且流到第二涡轮增压器48,从而防止排气流到催化装置49。

以上描述的只是本发明的一个有利示例,本发明并不被狭窄地限定于此。对本领域技术人员清晰的是,对于所附权利要求中所限定的本发明来说,多种修改和变形都是可能的。

附图中使用的附图标记

10 旁通装置

11 可旋转部分

12 第一纵向部分

13 第二纵向部分

14 排气流通道,或直通流动管路

15 排气流通道,或直通流动管路

16 旁通排气通道,或U形流动管路

17 壳体

18 驱动器

19 气体流动方向

21A 旁通装置的第一进口

21B 旁通装置的第一出口

22A 旁通装置的第二进口

22B 旁通装置的第二出口

31A 壳体的第一进口

31B 壳体的第一出口

32A 壳体的第二进口

32B 壳体的第二出口

42 发动机

46 排气歧管

47 第一涡轮增压器

48 第二涡轮增压器

49 催化装置

51 波纹管

52 安装法兰

53 固定孔

54 密封件

55 销

56 轴承衬

57 垫圈

58 用于连接可旋转部分的区段

59 用于驱动器的固定元件

61 可旋转部分的齿轮

62 护罩

63 轴承

64 耦接头

65 驱动轴

66 齿轮

67 用于驱动器的安装基座

68 固定元件

69 用于可旋转部分的轴

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