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CN103620168A - 降低排气温度的排气系统和方法 - Google Patents

降低排气温度的排气系统和方法 Download PDF

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CN103620168A CN201280026974.6A CN201280026974A CN103620168A CN 103620168 A CN103620168 A CN 103620168A CN 201280026974 A CN201280026974 A CN 201280026974A CN 103620168 A CN103620168 A CN 103620168A
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Abstract

用于内燃发动机(1)的排气系统包括高压涡轮增压器(3)、用于在发动机(1)和高压涡轮增压器(3)之间建立流通连接的装置(2，7)、低压涡轮增压器(4)、用于在涡轮增压器(3，4)的涡轮机(3a，4a)之间建立流通连接的装置(6)以及被布置在高压涡轮增压器(3)的涡轮机(3a)的上游并包括冷却介质管(17)的热交换器(5)。所述系统还包括用于将排气从高压涡轮增压器(3)的下游侧引导进入热交换器(5)的冷却介质管(17)以便降低热交换器(5)中的高压排气的温度的装置(6，11)。本发明还涉及一种降低排气温度的方法。

Description

降低排气温度的排气系统和方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的内燃发动机的排气系统。本发明还涉及一种在两级涡轮增压内燃发动机的高压涡轮增压器的涡轮机之前降低排气温度的方法，如另一个独立权利要求的前序部分定义的。
背景技术
很多大型涡轮增压内燃发动机都具有的问题是涡轮增压器的涡轮机之前的排气温度太高。该温度通常需要被限制在大约600℃，以避免涡轮增压器的损坏。如果通过调节发动机运行参数来限制排气温度，则发动机效率受损。在涡轮增压器的涡轮机之前降低排气温度的典型方案是在涡轮机上游的排气流中引入空气。但是，该方案浪费了排气的热能。另一个问题，尤其是在两级涡轮增压的发动机中，是涡轮增压器之后的排气温度对于选择催化还原或者热量回收的过热蒸汽来说太低了。低排气温度还降低了低压涡轮增压器的效率。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种改进的内燃发动机排气系统。根据本发明的排气系统的特征结构在权利要求1的特征部分中给出。本发明的另一个目标是提供一种在两级涡轮增压内燃发动机的高压涡轮增压器的涡轮机之前降低排气温度的方法。
根据本发明，所述排气系统包括高压涡轮增压器、用于在发动机的汽缸和高压涡轮增压器的涡轮机之间建立流通连接以便将高压排气引入涡轮机的装置、低压涡轮增压器、用于在高压涡轮增压器的涡轮机和低压涡轮增压器的涡轮机之间建立流通连接的装置、被布置在高压涡轮增压器的涡轮机的上游并包括冷却介质管的热交换器，以及用于引导排气离开低压涡轮增压器的涡轮机的装置。该排气系统还包括用于将排气从高压涡轮增压器的下游侧引导进入热交换器的冷却介质管以便降低热交换器中的高压排气的温度的装置。
在根据本发明的在两级涡轮增压内燃发动机的高压涡轮增压器之前降低排气温度的方法中，来自发动机的高压排气被引导经过热交换器而到达高压涡轮增压器的涡轮机，并且高压排气的温度在热交换器中通过将来自高压涡轮增压器的下游侧的排气用作冷却介质而被降低。
利用根本本发明的排气系统和方法，在高压涡轮增压器之前的排气温度可以被降低，这有助于避免涡轮增压器的损坏。在高压涡轮增压器之前的排气冷却允许离开发动机的排气具有更高的温度。这赋予不同发动机运行参数更大的调整空间，比如进气阀正时和进气温度。因为低压排气被用作冷却介质，所以所述排气的热能不被浪费。低压排气的温度增加，这使涡轮增压器下游进行有效的选择催化还原。可选择的，排气可作为排气热量回收工艺的一部分，被用于例如过热蒸汽。
根据本发明的实施方式，用于在高压涡轮增压器的涡轮机和低压涡轮增压器的涡轮机之间建立流通连接的装置被连接到热交换器的冷却介质管。在该实施方式中，来自高压涡轮增压器的涡轮机的下游但来自低压涡轮增压器的涡轮机的上游的排气被用作冷却介质。因为低压排气的温度在排气被引入低压涡轮增压器之前增加，所以低压涡轮增压器的效率被提高。
根据本发明的另一个实施方式，用于引导排气离开低压涡轮增压器的涡轮机的装置被连接到热交换器的冷却介质管。在该实施方式中，低压涡轮增压器的涡轮机的下游的排气被用作冷却介质。该实施方式的优点是：由于高压排气和被用作冷却介质的低压排气之间的较大的温度差，排气流之间的热传递更有效率。
根据本发的另一个实施方式，在热交换器的冷却介质管的下游布置有用于选择催化还原的催化剂装置。当被用于带选择催化还原的发动机中时，本发明尤其有利。通过在热交换器的冷却介质管的下游布置催化装置，从高压排气到低压排气的热传递以一种有效选择催化还原的形式被利用。
附图说明
图1示意性示出根据本发明实施方式的内燃发动机。
图2示意性示出根据本发明另一个实施方式的内燃发动机。
具体实施方式
本发明的实施方式现在参考附图被详细描述。
图1示出根据本发明第一实施方式的内燃发动机1。发动机1包括多个汽缸10。在图1和图2的实施方式中，发动机1是直列式发动机，但是发动机的汽缸10也可以例如被布置为V型。发动机1能包括任意合理数量的汽缸10。发动机1是大型内燃发动机，比如被用作船舶主要或辅助发动机或用于电厂发电的发动机。
发动机1设置有两级涡轮增压，因此还包括串联连接的高压涡轮增压器3和低压涡轮增压器4。每个涡轮增压器3、4包括涡轮机3a、4a和压缩机3b、4b。来自发动机1的汽缸10的排气被收集到排气歧管2中，并且在高压排气管7中被引导到高压涡轮增压器3的涡轮机3a。排气从高压涡轮增压器3的涡轮机3a在中间排气管6中被引导到低压涡轮增压器4的涡轮机4a。被布置在低压涡轮增压器4的涡轮机4a的下游以用于选择催化还原的催化剂装置8通过低压排气管11被连接到涡轮机4a。
发动机1的进气通过先在低压进气管12中将其引入低压涡轮增压器4的涡轮机4b，然后在中间进气管13中引入高压涡轮增压器3的涡轮机3b而被增压。增压进气从高压涡轮增压器3在高压进气管14中被引入进气歧管9，然后进入发动机1的汽缸10。为了降低进气的温度，发动机1设置有被布置在低压涡轮增压器4的压缩机4b和高压涡轮增压器3的压缩机3b之间的第一增压空气冷却器15，以及被布置在高压涡轮增压器3的压缩机3b的下游的第二增压空气冷却器16。
为了在高压涡轮增压器3的涡轮机3a之前降低排气的温度，发动机1设置有被布置在发动机1和高压涡轮增压器3之间的热交换器5，并且还设置有冷却介质管17。来自发动机1的高压排气在被引入高压涡轮增压器3的涡轮机3a之前在高压排气管7中被引导穿过热交换器5。发动机1的低压排气被用作热交换器5中的冷却介质。当排气流过高压涡轮增压器3的涡轮机3a时，其温度被降低。中间排气管6被连接到热交换器5的冷却介质管17，以使低压排气循环通过热交换器5。在热交换器5中，高压排气中的部分热量被传递给低压排气。因此高压排气的温度被降低而低压排气的温度被增加。从热交换器5，低压排气在中间排气管6中被引导到低压涡轮增压器4的涡轮机4a。
通过在高压涡轮增压器3的涡轮机3a之前降低高压排气的温度，避免了过高的排气温度引起的高压涡轮增压器3的损坏。因为不需要通过调节不同的发动机运行参数(比如进气阀正时或进气温度)来限制发动机之后的排气温度，所以发动机效率不需要被折衷。因为低压排气的温度在低压涡轮增压器4的涡轮机4a之前被提高，所以低压涡轮增压器4的效率被提高。低压涡轮增压器4的下游的排气温度也被增加，这使得催化剂装置8中能进行有效率的选择催化还原。
在图2中被示出的是本发明的第二实施方式。发动机1和发动机1的进气系统与图1的发动机1和进气系统相同。发动机1也设备有类似图1实施方式中的热交换器5。在图2的实施方式中，低压涡轮增压器4的涡轮机4a经中间排气管6被直接连接到高压涡轮增压器3的涡轮机3a。在该实施方式中，高压排气也通过将低压排气用作冷却介质来冷却。连接到低压涡轮机4的涡轮机4a的低压排气管11被连接到热交换器5的冷却介质管17。从热交换器5，低压排气管11将排气引导到用于选择催化还原的催化剂装置8。因为被用作冷却介质的低压排气取自低压涡轮增压器4的下游，所以低压排气和高压排气之间的温度差比图1实施方式中的大。实现了更有效率的排气冷却。
取代催化剂装置8，或者除了催化剂装置8以外，在本发明的两个实施方式中，所述排气系统可以设置有其他的热回收装置。例如，低压涡轮增压器4的涡轮机4a的下游的排气可以被用在动力涡轮机中，或者用于热回收系统中使用的过热蒸汽。
本领域技术人员能明白本发明不限于上述实施方式，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (8)

1.一种用于内燃发动机(1)的排气系统，所述排气系统包括：
-高压涡轮增压器(3)，
-用于在所述发动机(1)的汽缸(10)和所述高压涡轮增压器(3)的涡轮机(3a)之间建立流通连接以便将高压排气引入所述涡轮机(3a)的装置(2，7)，
-低压涡轮增压器(4)，
-用于在所述高压涡轮增压器(3)的所述涡轮机(3a)和所述低压涡轮增压器(4)的涡轮机(4a)之间建立流通连接的装置(6)，
-被布置在所述高压涡轮增压器(3)的所述涡轮机(3a)的上游并包括冷却介质管(17)的热交换器(5)，以及
-用于引导排气离开所述低压涡轮增压器(4)的所述涡轮机(4a)的装置(11)，
其特征在于，该排气系统还包括用于将排气从所述高压涡轮增压器(3)的下游侧引导进入所述热交换器(5)的所述冷却介质管(17)以便降低所述热交换器(5)中的高压排气的温度的装置(6，11)。
2.根据权利要求1的排气系统，其特征在于，所述用于在所述高压涡轮增压器(3)的所述涡轮机(3a)和所述低压涡轮增压器(4)的涡轮机(4a)之间建立流通连接的装置(6)被连接到所述热交换器(5)的所述冷却介质管(17)。
3.根据权利要求1的排气系统，其特征在于，所述用于引导排气离开所述低压涡轮增压器(4)的所述涡轮机(4a)的装置(11)被连接到所述热交换器(5)的所述冷却介质管(17)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的排气系统，其特征在于，在所述热交换器(5)的所述冷却介质管(17)的下游布置有用于进行选择催化还原的催化剂装置(8)。
5.一种在两级涡轮增压内燃发动机(1)的高压涡轮增压器(3)之前降低排气温度的方法，在该方法中，来自所述发动机(1)的高压排气被引导经过热交换器(5)而到达所述高压涡轮增压器(3)的涡轮机(3a)，其特征在于，在所述热交换器(5)中通过将来自所述高压涡轮增压器(3)的下游侧的排气用作冷却介质而降低高压排气的温度。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，被用作所述冷却介质的排气取自所述高压涡轮增压器(3)的所述涡轮机(3a)的下游和低压涡轮增压器(4)的涡轮机(4a)的上游。
7.根据权利要求5的方法，其特征在于，被用作所述冷却介质的排气取自低压涡轮增压器(4)的下游侧。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，被用作所述冷却介质的排气被从所述热交换器(5)引导到用于进行选择催化还原的催化剂装置(8)。
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