CN1936286A - 具有带scr催化器的排气***的废气涡轮增压内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种借助于废气涡轮增压器增压的内燃机，尤其是汽车的柴油发动机，在这种内燃机的排气***中设置了一个具有至少一个SCR催化器的废气后处理装置，可以向该催化器输送氨作为还原剂以用于减少氧化氮，这种还原剂可在氨反应器中由尿素－水－溶液或固态尿素产生。在此，本发明在于，将该氨反应器(11)在外部设置在废气涡轮增压器的涡轮机体上，并将涡轮机体的热辐射用于氨的生成。

Description

具有带SCR催化器的排气***的废气涡轮增压内燃机
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分所述特征的、借助于废气涡轮增压器增压的内燃机。
背景技术
为了对柴油发动机废气中的NOx进行选择性催化还原(SCR)，使用氨(NH3)作为还原剂。可以通过对尿素-水-溶液或固态尿素进行热分解作用来生成这种还原剂。为此有不同的方案及不同种类的氨反应器。在最简单的情况下，将一种尿素-水-溶液直接用喷入SCR催化器前面热的废气中。这里的缺点是，汽化的水的份额很少，并且即使在400℃的温度下也只有很少的尿素分解成氨(NH3)和异氰酸(HNCO)，这就降低了SCR催化器的效率。借助于一个在分流(Nebenstrom)中的水解催化器对尿素-水-溶液进行催化热分解或者在一个作为水蒸汽载体的废气辅流(Abgashilfsstrom)中的氨反应器中对固态尿素进行催化热分解，就可以高质量地生成无异氰酸的氨。尿素是一种盐类固体物质，它在大约133℃时就熔化，并且在350到400℃之间的温度下通过快速或闪电式热分解而汽化，并且在此过程中根据下列化学式形成氨(NH3)和异氰酸(HNCO)：
(NH2)2CO→NH3+HNCO。
由于在氨反应器中存在水蒸汽，所以在第二个步骤中根据下列化学式将异氰酸同样转化成氨和二氧化碳：
HNCO+H2O→NH3+CO2。
这种反应通过消除有聚合倾向的异氰酸而避免了固态分解产物如氰尿酸的形成，并且最后实现了一种含氨的气体混合物的制备，这种气体混合物不包含任何在排气管上有沉积倾向的成分。
水解催化器要么使用在设置在排气管外面的外部加热的氨反应器中，要么使用在作为后来废气加热的氨反应器的排气管的内部。这样的水解催化器与那些没有这种水解催化器也能足够敷用的***相比使得废气后处理***明显变得昂贵。此外，向设置在排气管中的废气涡轮增压器后面的水解催化器加载废气，这种废气的温度水平已经相对大为降低，根据内燃机的负载状况甚至也低于一个特定的温度，利用此温度再也不能进行有利的尿素水解。
发明内容
因此，本发明的任务是，展示一种如何能够放弃生成氨的水解催化器、且尽管如此但可以避免形成有害的固态分解产物的方法。
按本发明，该任务根据权利要求1的特征得到解决，方法是将氨反应器在外面设置在废气涡轮增压器的涡轮机体上，涡轮机体的热辐射用于氨的生成。
在此本发明基于以下构思：
如果要在使用外部氨反应器的情况下放弃对汽化/水解室进行的电加热，那就必须寻找一种其它可供使用的热源。提供必要的在400℃范围内的温度或更高温度的热源只在内燃机上非常靠近发动机的地方才有，并且这种热源必须参与燃烧过程或者设置的位置紧靠在燃烧过程后面。在这方面，本发明考虑废气涡轮增压器作为热源，废气涡轮增压器的很烫的涡轮机体外壁会根据负载状况或多或少地产生高热辐射。这种高热辐射通常未加利用就消失了，或者为了避免在环境中的热损伤通过冷却空气流予以降低。
本发明利用涡轮机体外壁的这种高热辐射，方法是将涡轮机体外壁用作生成氨的热源。为此，直接为涡轮机体外壁配设了一个氨反应器。相应地，该反应器的汽化/水解室通过涡轮机体外壁的热辐射得到加热。对汽化/水解室的进一步加热则通过那种通过一个分流向其输送的废气进行，这种废气-因为在废气涡轮机前面通过一个通道分支进入废气涡轮机的入口区或者通过一个通道从排气管中或者排气弯管中分支而出-还具有非常高的大约700-750℃高的温度水平。这种废气也起到将在尿素的热分解中产生的异氰酸转化为NH3和CO2所需要的水蒸汽的提供者的作用，并且这种水蒸汽也有助于不产生有腐蚀作用的尿素分解产物，如氰尿酸。
氨反应器通过一根输送管与一个定量配送装置相连接，而该定量配送装置则再次与一个或者用于尿素-水-溶液、或者用于固态尿素、最好预先调制大小的球状尿素颗粒的储备容器相连接。借助于定量配送装置，将相关的固体或液体生产原料以规定的量通过合适位置上的输送管喷入或射入氨反应器的汽化/水解室。
有多种方案用于在废气涡轮增压器的涡轮机体上设置或实现氨反应器。
一种方案在于，将氨反应器在结构上与废气涡轮增压器的涡轮机体统一为一个单元，如此构造其结构，使汽化/水解室在内部受到涡轮机体外壁的限界、且在外部受到一个浇注在涡轮机体外壁上的反应器外壁的限界。
另一种方案其合适性差一些的方案在于，将氨反应器与一个封闭的、包括汽化/水解室的壳体作为结构单元进行制造，且随后将其在外面固定在废气涡轮增压器的涡轮机体上。在此，至少反应器壳体的内壁由耐高温的、导热性能高的及耐腐蚀的金属材料制成。反应器壳体的这种内壁精确地与涡轮机体外壁的外形相匹配，结果这种内壁在氨反应器的安装位置中在内部紧靠着涡轮机体外壁，并且吸收涡轮机体外壁的热辐射。
按本发明，将氨反应器在外部设置在废气涡轮增压器的涡轮机体上还产生一个额外的效果，即氨反应器实际上也形成一个热屏蔽，以此可以简化隔热措施并降低冷却风扇的功率。
在从属权利要求中表明了本发明解决方案的其它细节及改进方案。
附图说明
下面借助于多个在附图中示出的实施例对本发明作更为详细的说明。
附图示出：
图1是一个涡轮增压器的剖面图，该涡轮增压器具有一个与涡轮机体在结构上统一的氨反应器；
图2是一个涡轮增压器的剖面图，该涡轮增压器具有一个与涡轮机体在结构上统一的氨反应器的另一种实施方式；
图3是一个涡轮增压器的涡轮机体的横截面示意图，该涡轮增压器具有在结构上与其本身相统一的氨反应器；
图4是一个喷嘴或者一个通道终端件的示例；并且
图5是一个所属的喷嘴支架或通道终端件支架。
具体实施方式
在附图中用1表示废气涡轮增压器，用2表示废气涡轮增压器的废气涡轮机，并用3表示废气涡轮增压器的压缩机。根据本发明，只有废气涡轮机2是令人感兴趣的。这里用4表示废气涡轮机的涡轮，并用5表示废气涡轮机的涡轮机体。用6表示涡轮机体的外壁，用7表示涡轮机进口，并且用8表示涡轮机出口。
废气涡轮机2的涡轮机进口7连接到一个排气管区段上，如弯管或排气总管上，通过该排气管区段，废气涡轮机得到从一个同样未绘出的内燃机、尤其是从汽车的柴油发动机中排出的按箭头9输送的废气。在废气涡轮机2的出口8上连接着一根排气管10，在这根排气管10中在废气涡轮增压器的下游设置了一个具有至少一个SCR催化器的废气后处理装置以及至少一个***。
废气涡轮增压器的压缩机3吸入经过过滤的空气，对其进行压缩并且而后通过一根增压空气管将其输送给内燃机。
按本发明，氨反应器11在外面设置在涡轮机体5上，涡轮机体5的热辐射用于氨的生成。该氨反应器具有一个汽化/水解室12，在合适的位置13上以定量配送量向该汽化/水解室中要么供给一种尿素-水-溶液，要么供给固态尿素，比如以预调制的球形尿素颗粒的形式。
如在图2中所示，这种生产原料-尿素颗粒或者尿素-水-溶液-储存于一个储备容器14中，并且借助于一个定量配送装置15以根据氨的需求而调定的量通过一根输入管16以及一个喷嘴17输进汽化/水解室12中。
在所示出的实施例中，按本发明的氨反应器11与废气涡轮增压器1的涡轮机体5一起形成一个结构单元，其中汽化/水解室12在内部受到涡轮机体外壁6的限界、且在外部受到一个浇注在涡轮机体外壁6上的反应器外壁18的限界。
在一种未示出的作为替代方案的结构形式中，可以将氨反应器11作为一个独立的单元进行预制，而后将其固定在涡轮机体5上。在这种情况下，氨反应器11具有一个封闭的、包围汽化/水解室的壳体。在此，至少反应器壳体的内壁由耐高温的、导热性能高的及耐腐蚀的金属材料制成。该反应器壳体的内壁精确地与涡轮机体外壁6的外形相匹配，结果该内壁在氨反应器的安装位置中在内部紧靠着涡轮机体外壁6，并且最好与涡轮机体外壁6保持接触。
与氨反应器11的实现方式无关，氨反应器的汽化/水解室12通过一个通道19(参见图3)与在废气涡轮增压器1的涡轮机2前面或入口处的排气通道相连接。通过该通道19，可以向汽化/水解室12供给一个废气分流，这个废气分流不仅用于在汽化/水解室12中增加温度，而且用作水蒸汽的来源，这里的水蒸汽用于将在氨的生成过程中首先产生的异氰酸完全转化为氨和二氧化碳。
在按照图1到3的实施例的情况下，通道19通过在涡轮机体的进口区7中的一个穿孔得以实现，该穿孔通入汽化/水解室12中。在前面提到的氨反应器11的替代方案中，通过一个管道来实现该通道19。
通道19可以作为对一个特定的废气分量来说永久畅通的连接来实现，但是作为替代方案也可以作为在必要时借助于一个分配阀和/或节流阀可切换到畅通状态的、或者在流量方面也可调节的连接来实现。
在出口侧，氨反应器11的汽化/水解室12通过至少一个通道20与一根连接在涡轮机出8上的排气管10、10a相连接。通过这个通道或这些通道20，可以将在氨反应器11中所生成的氨或包含氨的气体混合物输进排气管10、10a中。
在按照图2的实施例中，在涡轮机体5的出口8上连接了排气管10的一个区段10a，在这个区段-靠近废气涡轮增压器1-中安装了一个用于NO→NO2转换的氧化催化器21。
这个安装了氧化催化器21的排气管区段10a在外面被一根管子22隔开一个距离地包围，管子22同样连接在涡轮机体5的出口8上，在那里连接在出口8的端面23上。至少一个、这里是多个通道20通入这个由此产生的环形通道24中。在这种情况下，相应地在氨反应器11中生成的氨或者包含氨的气体混合物被输进环形通道24中，而后在此环形通道24中作为平行流从氧化催化器21的旁边导引而过，并且按照流动方向在氧化催化器之后输进废气流中，并且而后从那里-与富含NO2的废气混合后-输送给SCR催化器。通道20是穿孔，这些穿孔从涡轮机出口8的外端面23开始穿过包围涡轮机出口8的涡轮机体壁区段一直引入到汽化/水解室12中。
通道20的横截面积或所有通道20的总横截面积根据用于氨的生成的原材料-尿素-水-溶液或固态尿素-的转化速度而定，即使得这种转化成氨的转化过程可以完全地且无残留物地完成。
限界汽化/水解室12的壁体可以在内部涂上一层有利于尿素转化的催化涂层，比如二氧化钛(TiO2)。
此外，在按照图1到3的实施例的情况下，涡轮机体外壁6的外侧-为了增加热辐射的面积且由此增加进入汽化/水解室12的导热量-具有筋条或其它凸起的结构。
为了固定一个用于供给尿素-水-溶液的喷嘴或一个用于射入固态尿素颗粒的管子的终端件(见图4)可以设置一个支架26(见图5)，该支架旋入一个在外面位于氨反应器11上的固定吸口27中，并且固定着喷嘴或形成喷射通道的管子16的终端件25。
如从图5可以看到，支架26在其处于反应器里面的端部上具有一块板28。这块在各个侧面被热废气包围着的板28可以作为加热板构成用于出现的尿素-水-射流的第一转化元件。在使用固态尿素的情况下，板28可以用作反射板，射入的尿素颗粒击中此板28时可以***为许多极细颗粒，这种极细颗粒有利于转化为氨的转化过程。
利用按本发明围绕着涡轮机体而设置的氨反应器，可以放弃使用昂贵且需要位置空间的水解催化器。氨反应器本身仅需要很小的空间，这种空间通常在废气涡轮增压器的涡轮机周围本来就已存在或者未被占用。此外，与水解催化器相比，按本发明的氨反应器可以在最终效果上以更加低廉的成本得到实现。

Claims (14)

1.借助于废气涡轮增压器增压的内燃机，尤其是汽车的柴油发动机，在这种内燃机的排气***中设置了一个具有至少一个SCR催化器的废气后处理装置，可以向该催化器输送氨作为还原剂以用于减少氧化氮，这种还原剂可在氨反应器中由尿素-水-溶液或固体尿素生成，其特征在于，该氨反应器(11)在外面设置在废气涡轮增压器(1)的涡轮机体(5)上，将涡轮机体的热辐射用于氨的生成。
2.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述氨反应器(11)具有一个汽化/水解室(12)，可以在合适位置(13)上或者将一种尿素-水-溶液或者将固态尿素、尤其预调制的球形尿素颗粒形式的固态尿素以通过一个定量配送装置(15)所准备的量输入该汽化/水解室(12)中。
3.按权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述氨反应器(11)与废气涡轮增压器(1)的涡轮机体(5)一起形成一个结构单元，其中所述汽化/水解室(12)在内部受到涡轮机体外壁(6)的限界，且在外部受到一个浇注在涡轮机体外壁(6)上的反应器外壁(18)的限界。
4.按权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述氨反应器(11)由一个独立制造的结构单元构成，该结构单元在外部固定在废气涡轮增压器(1)的涡轮机体(5)上，其中该氨反应器(11)以封闭的壳体包围所述汽化/水解室(12)，其中此外至少该壳体的内壁由耐高温的、导热性能高的及优选同样耐腐蚀的材料制成，并且其中这个氨反应器(11)在安装位置中以其壳体的内壁形状配合地紧贴在涡轮机体外壁(6)的外侧面上，并且间接地在外面固定在涡轮机体(5)上。
5.按前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述氨反应器(11)的汽化/水解室(12)通过一个通道(19)与在废气涡轮增压器(1)的涡轮机(2)前面或入口处的排气通道相连接，并且通过该通道(19)可以向汽化/水解室(12)供给一个废气分流，这个废气分流不仅用于在汽化/水解室(12)中增加温度，而且用作水蒸汽的来源，这里的水蒸汽使得在氨的生成过程中产生的异氰酸转化为氨(NH3)和二氧化碳(CO2)。
6.按前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述氨反应器(11)的汽化/水解室(12)在出口侧通过至少一个通道(20)与连接在涡轮机出口(8)上的排气管(10)相连接，通过该通道(20)可以将所生成的氨或包含氨的气体混合物导入排气管(10)中。
7.按权利要求1到5中任一项所述的内燃机，其特征在于，在所述涡轮机体(5)的出口(8)上连接了排气管(10)的一个区段(10a)，在这一区段-靠近废气涡轮增压器(1)-中安装了一个用于NO→NO2转化的氧化催化器(21)；这个具有氧化催化器(21)的排气管区段(10a)在外面被一根管子(22)间隔一个距离地包围，至少一个通道(20)通入这个如此产生的环形通道(24)中，该通道(20)与汽化/水解室(12)保持连接，并且可以通过该通道(20)将在汽化/水解室(12)中生成的氨或包含氨的气体混合物导入该环形通道(23)中，并且从那里按流动方向导入氧化催化器(21)后面的排气***中，并且而后可以与富含NO2的废气进行混合后输送给SCR催化器。
8.按权利要求5所述的内燃机，其特征在于，所述通道(19)作为对一个特定的废气分量来说永久畅通的连接实现。
9.按权利要求5所述的内燃机，其特征在于，所述通道(19)作为借助于一个分配阀和/或节流阀在必要时可切换到畅通状态的连接和/或者也作为在废气分流的流量方面可调节的连接来实现。
10.按权利要求6和7中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述通道(20)的横截面积或所有通道(20)的总横截面积根据用于氨的生成的原材料-尿素-水-溶液或固态尿素-的转化速度而定，即使得这种转化成氨的转化过程可以完全地且无残留物地完成。
11.按权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述限界汽化/水解室(12)的壁体可以在内部涂上一层有利于尿素转化的催化涂层，比如二氧化钛(TiO2)。
12.按权利要求3所述的内燃机，其特征在于，所述涡轮机体外壁(6)的外侧为了增加热辐射面积且由此增加进入汽化/水解室(12)的导热量具有筋条或其它凸起的结构。
13.按前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，为了固定用于尿素-水-溶液的喷嘴(25)或者固定用于射入尿素颗粒的管子(16)的终端件而设置一个支架(26)，读支架旋入一个在外部位于氨反应器(11)上的固定吸口(27)中，并且固定着喷嘴或形成喷射通道的管子(16)的终端件(25)。
14.按权利要求13所述的内燃机，其特征在于，所述支架(26)在其处于反应器里面的端部上具有一块板(28)，射入的尿素颗粒在击中此板(28)时可以***为许多极细颗粒，或者这块在各个侧面被废气包围着的加热板构成用于出现的尿素-水-射流的第一转化元件。
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