內燃發動機和用于優化內燃發動機的排氣后處理的方法與流程

本發明涉及內燃發動機以及用于優化內燃發動機的排氣后處理的方法。

背景技術：

在內燃發動機中使用選擇性催化還原反應器(以下稱為SCR反應器)執行選擇性催化還原(SCR)是已知的。在過低的排氣溫度下，選擇性催化還原不能充分地發揮作用的問題也是已知的。

所述過低的排氣溫度尤其是會在低發動機功率水平的情況下遇到，例如低于最大連續功率的百分之四十。

具體地，在大型船舶的船用發動機中，排放規定變得越來越嚴格，尤其是關于NOx排放。所以，選擇性催化還原的可靠工作在低發動機負載下是非常必要的。

DK177631已經公開了一種解決方案，其中旁通通道從輔助風機或增壓空氣接收器的下游位置直接連接到SCR催化轉化器與渦輪機入口之間的管路上的某個位置。通過這種措施，進入SCR設備的排氣的排氣溫度被升高。所述方案的缺點在于，由于增壓空氣接收器和渦輪機的直接連接，增壓空氣的壓力和溫度必須同時針對發動機和SCR催化轉化器的運行被優化。另外，相對冷的空氣的再循環導致不穩定的渦輪增壓器轉速。另外，尤其是在低發動機功率水平下，因為過低的渦輪增壓器功率的原因，在增壓空氣接收器的上游使用輔助風機對于發動機的運行而言是必要的。所以，在輔助風機下游的空氣的抽取導致高壓力水平下的空氣抽取，尤其是在低負載的情況下，也即是說具備高能量，并且導致所述富含能量的空氣被導回渦輪機。通過這種方式，渦輪增壓器效率被提高，這又導致渦輪增壓器下游的更高的壓力，進而提高了燃燒效率。所述被提高的燃燒效率導致更低的排氣溫度，這是尤其不希望的。

技術實現要素：

因此，本發明的目標是避免現有技術的缺點并提供一種內燃發動機，它能被最佳地設置到選擇性催化還原所需的排氣溫度，同時能針對發動機的理想燃燒過程被最佳地設置。

上述目標可以通過一種內燃發動機以及一種用于優化排氣后處理的方法來實現。

具體地，該目標通過一種內燃發動機來實現，尤其是一種兩沖程船用發動機，優選是十字頭內燃發動機，該發動機包括至少一個優選多個連接到排氣接收器的氣缸。該內燃發動機還包括SCR反應器，該SCR反應器的入口連接到所述排氣接收器的出口。此外，該內燃發動機包括帶有渦輪機和壓縮機的渦輪增壓器，其中，渦輪機入口經由渦輪機路徑連接到所述SCR反應器的出口。所述渦輪增壓器的所述渦輪機驅動所述壓縮機，并且所述渦輪增壓器的壓縮機出口經由增壓空氣路徑連接到增壓空氣接收器。所述增壓空氣接收器連接到所述內燃發動機的所述氣缸的空氣入口，并且，所述增壓空氣路徑包括增壓空氣冷卻器。在所述增壓空氣冷卻器的上游布置有將所述增壓空氣路徑連接到所述渦輪機路徑的旁通管路。

作為抽取和再循環渦輪增壓器的壓縮機的正下游的溫暖壓縮空氣的結果，一方面使SCR反應器上游的排氣溫度被升高，從而使SCR反應器可靠地工作。另一方面，渦輪增壓器的轉速保持相對穩定，而不用考慮空氣的再循環，從而使總過程保持穩定并能最佳地運行。

在增壓空氣冷卻器的下游，可以布置溫度控制裝置和/或水分離器。

溫度控制裝置可以是冷卻器或加熱裝置的形式，或者是冷卻與加熱裝置的組合。

所述類型的裝置使得旁通路徑中的空氣的溫度獨立于增壓空氣的溫度控制被控制成為可能，因此允許精確地設置渦輪增壓器功率。

水分離器從增壓空氣中去除水分，空氣以最干燥的可能狀態流入燃燒室。因此產生更少的腐蝕。

旁通管路可以包括旁通管路入口閥，旁通管路能借助于該旁通管路入口閥而被完全地或局部地打開和關閉。

因此，旁通管路可以只在它被實際需要時才被使用，也即是說，只在排氣溫度對于選擇性催化還原的最佳運行而言過低的情況下才使用旁通管路。

旁通管路可以包括溫度控制裝置和/或水分離器。

因此，只有處于最干燥的可能狀態的空氣和/或受到最佳溫度調控的空氣才能回流到渦輪機，從而使渦輪機中發生最少的腐蝕。

旁通管路可以包括壓力增加裝置，該壓力增加裝置優選地被布置在溫度控制裝置的上游。

借助于旁通管路中的壓力增加裝置，所述壓力能獨立于增壓空氣接收器中的壓力而被調節。另外，所述壓力能被優化到渦輪機上游的渦輪機路徑中的壓力或者稍高于該壓力，從而使從旁通管路進入渦輪機路徑的可靠入流成為可能。

旁通管路可以包括旁通管路關閉裝置。

旁通管路關閉裝置例如可以是閥門、翻板、逆止閥或者它們的組合。

旁通管路關閉裝置使旁通管路與渦輪機路徑的隔離成為可能，因此能夠防止排氣在未使用的情況下從渦輪機路徑直接進入旁通管路。

所述內燃發動機可以包括開環控制單元，所述旁通管路入口閥，并且優選地，旁通管路出口閥，能夠借助于所述開環控制單元而被打開和關閉，尤其是局部打開。

另外，開環控制單元可以以開環的方式控制溫度控制裝置，從而使空氣能夠按照需要被冷卻或加熱。另外，開環控制單元可以以開環的方式控制旁通管路中的壓力增加裝置和水分離器。另外，新鮮空氣供給閥也可以以開環的方式被開環控制單元控制。

根據本發明的開環控制單元可以是純開環控制單元的形式或者是閉環控制單元的形式。對于單個裝置而言，例如閥門，以開環的方式被控制也是可能的，而對于其它裝置而言，例如溫度控制裝置或壓力增加裝置，具有閉合控制環也是可能的。

尿素噴射器可以被形成在內燃發動機的排氣出口和SCR反應器之間，其中溫度傳感器優選地被布置在排氣出口與尿素噴射器之間的區域內，尤其優選地，位于尿素噴射器的上游的短距離處。

通過使用尿素，NOx的還原被優化。

可以在發動機的排氣出口與渦輪增壓器的渦輪機之間的區域內布置用于測量排氣溫度的溫度傳感器。溫度傳感器可以優選地形成在SCR反應器內或者形成在SCR反應器的入口處。具體地，溫度傳感器可以被直接地布置在最終催化劑層的下游。溫度傳感器可以替代地或額外地被布置在內燃發動機的排氣出口與選擇性催化反應器之間的排氣管路中，尤其是在發動機排氣出口與SCR反應器上游的尿素噴射點之間的區域內，優選是在排氣管中，尤其優選是在尿素噴射點的上游的短距離處。

所述類型的溫度傳感器允許精確地確定排氣的溫度，尤其是在催化反應器中或非常靠近催化反應器的位置，由此基于測量值來引導排氣溫度的閉環控制。另外，排氣溫度可以在尿素噴射點的區域內被確定，從而使排氣能保持在對尿素噴射而言最佳的范圍內。

來自溫度傳感器的數據被發送給開環控制單元也是優選的，其中，在開環控制單元中，閥門和/或旁通管路中空氣的壓力和/或溫度可以根據已存儲的設定值或設定范圍以閉環的方式受到控制。

旁通管路可以包括新鮮空氣供給閥，新鮮空氣能穿過該閥而被引入旁通管路。新鮮空氣供給閥優選地被布置在溫度控制裝置的上游，尤其優選地在壓力增加裝置的上游。

通過使用額外的新鮮空氣供給閥，新鮮空氣能被額外地引入旁通管路，從而使來自壓縮機的空氣與新鮮空氣混合，或者只有新鮮空氣經旁通管路而被引入渦輪機路徑。這種方案提高了內燃發動機的靈活性和開環控制能力，并通過額外的冷卻降低了渦輪增壓器效率。新鮮空氣供給閥在溫度控制裝置上游的布置使得新鮮空氣的溫度受到控制成為可能，另外新鮮空氣供給閥在壓力增加裝置上游的布置允許將壓力調節到渦輪機路徑中的壓力。

因此，排氣溫度是獨立于增壓空氣的溫度和增壓空氣的壓力以開環的方式可控制的。

增壓空氣接收器可以包括排放閥。

增壓空氣接收器中的排放閥增大了使增壓空氣接收器中的壓力降低的可能性，因此進一步提高了用于最佳燃燒和催化轉化過程的過程變量的開環控制的獨立性。排放閥還可以以開環的方式由開環控制單元控制。

旁通管路中的壓力增加裝置和/或任何其它的壓力增加裝置可以包括變頻器。

通過使用變頻器，壓力增加裝置能以開環的方式被控制，優選地通過開環控制單元。

在排氣接收器和渦輪機路徑之間可以形成包括SCR旁通閥的SCR旁通管路，從而使選擇性催化反應器能被旁通。

SCR旁通管路允許發動機在SCR反應器出現故障的情況下連續運行，因此對發動機的運行穩定性起到了作用。另外，在SCR旁通管路的幫助下，SCR能被停止，如果不被需要的話。

所述目標還通過一種用于優化排氣后處理的方法來實現，尤其是之前所描述的內燃發動機的排氣的排氣后處理，該方法包括以下步驟：

借助于溫度傳感器測量排氣溫度，或者確定所述內燃發動機的負載范圍，尤其是，在SCR反應器中或其附近和/或在所述發動機的排氣出口與所述SCR反應器的上游的尿素噴射點之間的區域內，優選在排氣管中，尤其優選在所述尿素噴射點的上游的短距離處，測量SCR排氣溫度，

優選在開環控制單元中，將測得的排氣溫度尤其是SCR排氣溫度與設定范圍或設定值進行比較，或者將所述內燃發動機的所述負載范圍與低負載范圍或低負載值進行比較，以及

在偏離所述設定范圍或設定值的情況下，尤其是在低于所述設定范圍或設定值的情況下，或者在達到所述低負載范圍或所述低負載值的情況下，打開旁通管路入口閥，并且優選地打開所述旁通管路出口閥，從而將來自渦輪增壓器的壓縮機的下游和增壓空氣冷卻器的上游的位置的空氣至少部分地穿過旁通管路而引入到選擇性催化反應器和所述渦輪增壓器的渦輪機之間的渦輪機路徑，其中，對所述旁通管路中的空氣進行計量，優選地，以溫度受控的方式進行計量，使得SCR排氣溫度被設置在所述設定范圍內或被設置為所述設定值。

利用所述類型的方法，SCR反應器的可靠運行被保證，同時，內燃發動機的運行被保持在最佳范圍內。

例如，低負載范圍對應0-50％的發動機負載，具體地，在ISO標準條件下是0-40％，并且低負載值對應40％的發動機負載。SCR反應器中或其附近的排氣的設定溫度范圍例如對應250℃至500℃范圍內的溫度，并且尿素噴射點的排氣的設定溫度例如位于至少310℃的區域內。

旁通管路中的空氣的壓力借助于壓力增加裝置而被升高。

因此，將旁通管路中的壓力調節到用于再循環給渦輪機的最佳壓力水平是可能的。

新鮮空氣可以通過新鮮空氣供給閥而被引入旁通管路，和/或空氣能從增壓空氣接收器被排出，從而使增壓空氣壓力以閉環的方式受到控制。

因此，新鮮空氣到渦輪機路徑內的供給是獨立于增壓空氣壓力或溫度的，增壓空氣壓力和增壓空氣溫度能針對內燃發動機的運行而被優化。

開環控制單元可以以開環的方式控制旁通管路入口閥，使得排氣溫度借助于穿過所述旁通管路而被引入的空氣的量而升高。

附圖說明

將結合附圖在下面的示范實施方式中更詳細地討論本發明。

圖1是根據本發明第一實施方式的內燃發動機的示意圖，

圖2是根據本發明第二實施方式的內燃發動機的示意圖，以及

圖3是根據本發明第三實施方式的示意圖。

具體實施方式

圖1是根據本發明的內燃發動機1的示意圖，它包括排氣接收器2。排氣從內燃發動機1的排氣出口1b被引入排氣接收器2。排氣接收器2收集來自內燃發動機1的氣缸的排氣。離開排氣接收器2的出口2b，排氣被引導通過SCR反應器3，然后到達渦輪增壓器4的渦輪機5。選擇性催化反應器3具有入口3a和出口3b。出口3b通過渦輪機路徑7被連接到渦輪機入口5a。離開SCR反應器3的出口3b，排氣通過渦輪機路徑7而被引導到渦輪機5。排氣接收器出口閥25和尿素噴射器26被額外地布置在排氣接收器2和SCR反應器3的入口3a之間。通過排氣接收器出口閥25，選擇性催化反應器3可以在故障或不需要SCR反應器3運行的情況下被停止。

在所有的實施方式中，溫度傳感器28被任選地布置在尿素噴射器26的上游的短距離處，借助于該溫度傳感器，可以測量尿素噴射器的直接上游的排氣溫度。溫度傳感器28被連接到開環控制單元19，從而使排氣的溫度偏差能被檢測，并且升高溫度的措施能被執行。

另外，渦輪機路徑閥27被布置在SCR反應器3的出口3b的下游，渦輪機路徑閥使得SCR反應器3的出口3b在未使用或者出現故障的情況下也被關閉成為可能。渦輪增壓器4的渦輪機5驅動壓縮新鮮空氣的壓縮機6。所述新鮮空氣從壓縮機出口6b經增壓空氣路徑8被引導進入增壓空氣接收器9。增壓空氣路徑8還包括增壓空氣冷卻器11和水分離器14。

在增壓空氣冷卻器11的下游，即，在壓縮機6和增壓空氣冷卻器11之間，布置了使部分來自壓縮機6的壓縮空氣轉向并被引導回渦輪機路徑6的旁通管路12。旁通管路12包括旁通管路入口閥15、溫度控制裝置13、水分離器16、以及旁通管路出口閥18。

所述類型的旁通管路12使新鮮的壓縮空氣(為了最好地控制溫度)被引入渦輪機路徑7成為可能，尤其是在SCR反應器3中的溫度對于SCR反應器3的最佳運行而言過低的情況下。SCR反應器3中的排氣的溫度可以通過被布置在SCR反應器3內或SCR反應器3的入口3a處的溫度傳感器20來確定。替代地，機器負載可以被用作溫度范圍的近似物。尤其是在內燃發動機1的機器負載低于ISO標準條件下的最大負載的40％的情況下，根據經驗，此時排氣溫度是過低的，并且為了SCR反應器3的正確運行必須被升高。

溫度控制裝置13在旁通管路12中的布置允許有選擇地控制被反饋回到渦輪機路徑7內的空氣的溫度。通過這種方式，再循環空氣能夠被最佳地設置，從而使SCR反應器3中的溫度可靠地到達它的最佳范圍。通過旁通管路入口閥15和旁通管路出口閥18，旁通管路12能被關閉，從而在SCR反應器3中具備充足的溫度時，內燃發動機1在沒有旁通管路12的情況下被操作。旁通管路入口閥15以及優選地旁通管路出口閥18都以開環的方式被開環控制單元19控制。開環控制單元19優選地還以開環的方式控制溫度控制裝置13，并且以關于內燃發動機1的負載狀態的信息和/或SCR反應器3中排氣的溫度為基礎。因此，開環控制單元19能從溫度傳感器20接收開環控制信號。

增壓空氣路徑8包括增壓空氣冷卻器11和水分離器14。增壓空氣冷卻器11控制新鮮壓縮空氣的溫度，從而使內燃發動機1中的燃燒過程能針對所需的目標最佳地進行。增壓空氣接收器9收集從增壓空氣接收器9被引導到內燃發動機1的空氣入口10的增壓空氣。增壓空氣接收器9還包括排放閥22，增壓空氣接收器9中的壓力能借助于該排放閥而被調節。通過增壓空氣接收器9中壓力的調節，內燃發動機1中燃燒過程的效率被降低，由此排氣溫度被升高。這可以通過降低增壓空氣接收器9中的壓力被非常快速地實現，且不要求干涉渦輪增壓器。在排氣接收器2和渦輪機路徑7之間還被布置了包括SCR旁通閥24的SCR旁通管路23。來自排氣接收器2的排氣能經所述SCR旁通管路23而被引導到渦輪增壓器4的渦輪機5，如果選擇性催化反應器3不被需要或者不能被操作的話。

圖2中所示出的實施方式對應于圖1中所示出的實施方式，區別在于壓力增加裝置17被布置在溫度控制裝置13的上游的旁通管路12中。壓力增加裝置17允許，除了借助于溫度控制裝置13進行溫度調節之外，調節渦輪增壓器4的壓縮機6的下游的空氣的壓力。壓力增加裝置17優選地也以開環的方式被開環控制裝置19控制。

圖3的實施方式對應于圖2的實施方式，區別在于空氣能通過新鮮空氣供給閥21而被引入壓力增加裝置17的上游的旁通管路12。借助于所述通過新鮮空氣供給閥21的新鮮空氣的供給，來自壓縮機6的熱空氣與來自新鮮空氣供給閥21的冷空氣的混合成為可能，因此經旁通管路12被再循環的已經被冷卻的空氣能以一種簡單的方式被引導到渦輪機5。因此，渦輪增壓效率被降低，所以，燃燒過程的效率也被降低。所以，排氣溫度增加，選擇性催化反應器3最優地工作。新鮮空氣供給閥21優選地也以開環的方式被開環控制單元19控制。