專利名稱：兩級(jí)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，且更具體地涉及具有催化劑系統(tǒng)的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的構(gòu)造。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)排出復(fù)雜的空氣污染物的混合物。這些空氣污染物由諸如氮氧化物(NOx)的氣態(tài)化合物和也稱為炭黑的固體顆粒物質(zhì)組成。由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，排氣排放標(biāo)準(zhǔn)已變得越來越嚴(yán)格，并且可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)類型、發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和/或發(fā)動(dòng)機(jī)等級(jí)來規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)排放到大氣的NOx和炭黑的量。為了確保符合NOx的規(guī)定，可以實(shí)施一種用于處理排氣的稱為選擇性催化還原(SCR)的策略。SCR是氣態(tài)或液態(tài)還原劑例如氨、尿素或尿素溶液被噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流中的處理。還原劑與排氣中的氮氧化物反應(yīng)以形成水和氮。通常，尿素以足以提供所需的NOx還原程度的量被引入排氣中?？梢岳缤ㄟ^尿素噴射系統(tǒng)控制期望的還原劑量。一般而言，SCR例如在從約200° C至約500° C的溫度范圍內(nèi)可以是有效的。通過提供SCR催化劑形式的催化表面，特別是在較低溫度下可以促進(jìn)并更有效地執(zhí)行SCR處理。因而，重要的是為用于SCR反應(yīng)的足夠大的表面提供合適的溫度和合適的催化材料。如文中所用的SCR通常包括利用氨或能夠在加熱時(shí)產(chǎn)生氨氣的任何NOx還原反應(yīng)劑的處理。如文中所用的術(shù)語“尿素”還意味著包括可買到以用于執(zhí)行SCR的所有還原劑。例如在W02009/017598A1中公開了一種SCR排放控制系統(tǒng)，且例如在W02008/054631A1中公開了一種溫度調(diào)節(jié)的SCR系統(tǒng)。此外，DE102008017280A1公開了一種兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)內(nèi)的至少一個(gè)催化劑和/或顆粒過濾器的布鉻結(jié)構(gòu)。此外，DE102008061222A1公開了一種具有布鉻在高壓渦輪與低壓渦輪之間的SCR催化劑的多級(jí)增壓燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，其中低壓渦輪的殼體和催化劑的殼體安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上。EP1691046A1公開了一種用于維持發(fā)動(dòng)機(jī)排氣凈化裝鉻中的還原劑溫度的溫度維持裝絡(luò)。作為對(duì)SCR的替代，使用排氣再循環(huán)(EGR)來還原NOx排放物。尚未公布的EP申請(qǐng) 09002111 (2009 年 2 月 16 日由 Caterpillar Motoren GmbH&C0.KG 提交)公開了一種具有排氣再循環(huán)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。具體而言，該EP申請(qǐng)公開了一種在曲軸的長度方向上具有相對(duì)的端側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)。在每一側(cè)，布鉻有單級(jí)渦輪增壓器系統(tǒng)，即具有渦輪和壓縮機(jī)的排氣渦輪增壓器。渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的共同排氣歧管流體連接，而壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的共同進(jìn)氣歧管流體連接。對(duì)于中速內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言，可以使用具有低壓級(jí)渦輪增壓器和高壓級(jí)渦輪增壓器的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)來預(yù)壓縮被提供給燃燒室的增壓空氣。渦輪增壓系統(tǒng)可以安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的一側(cè)，并因此可以暴露于運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的振動(dòng)。通常，兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的低壓級(jí)渦輪增壓器在其經(jīng)由高壓級(jí)渦輪增壓器以相對(duì)大的距離安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的情況下可承受增大的振蕩幅度。
此外，已知用于例如柴油機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣處理的氧化催化劑。此外，為了提供用于催化反應(yīng)的足夠大的表面，例如SCR催化劑的尺寸例如對(duì)于中速內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言可以隨所產(chǎn)生的排氣量增大而增大。本發(fā)明至少部分致力于改善或克服現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)方面。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)可包括具有多個(gè)氣缸的帶有與第二端側(cè)相對(duì)的第一端側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)，該兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)包括:低壓級(jí)渦輪增壓器，該低壓級(jí)渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的第一端側(cè)并且包括第一渦輪和構(gòu)造成用于在渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間預(yù)壓縮增壓空氣的第一壓縮機(jī)；高壓級(jí)渦輪增壓器，該高壓級(jí)渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的第二端側(cè)并且包括第二渦輪和構(gòu)造成在渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間壓縮經(jīng)預(yù)壓縮的增壓空氣的第二壓縮機(jī)；壓縮機(jī)連接部，該壓縮機(jī)連接部將第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)流體連接；以及渦輪連接部，該渦輪連接部將第一渦輪和第二渦輪流體連接。該發(fā)動(dòng)機(jī)還可包括:定位在渦輪連接部的催化劑區(qū)段內(nèi)的選擇性催化還原催化劑；將多個(gè)氣缸的排氣出口與第二渦輪的入口流體連接的排氣歧管；和帶有噴射入口的噴射系統(tǒng)，該噴射系統(tǒng)構(gòu)造成經(jīng)噴射入口將用于SCR的化學(xué)物質(zhì)噴射到排氣歧管和/或第二渦輪中。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)可包括帶有與第二端側(cè)相對(duì)的第一端側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。該兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)可包括低壓級(jí)渦輪增壓器，該低壓級(jí)渦輪增壓器帶有第一渦輪和構(gòu)造成用于在渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間預(yù)壓縮增壓空氣的第一壓縮機(jī)。該低壓渦輪增壓器可安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的第一端側(cè)。該兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)還可包括高壓級(jí)渦輪增壓器，該高壓級(jí)渦輪增壓器帶有第二渦輪和構(gòu)造成用于在渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間壓縮經(jīng)預(yù)壓縮的增壓空氣的第二壓縮機(jī)。該高壓渦輪增壓器可安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的第二端側(cè)。渦輪連接部可將第一渦輪和第二渦輪流體連接，并且壓縮機(jī)連接部可將第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)流體連接。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)可包括帶有與第二端側(cè)相對(duì)的第一端側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。該兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)可包括具有第一渦輪和第一壓縮機(jī)的低壓級(jí)渦輪增壓器以及具有第二渦輪和第二壓縮機(jī)的高壓級(jí)渦輪增壓器。渦輪連接部可將第一渦輪和第二渦輪流體連接，并且壓縮機(jī)連接部可將第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)流體連接。低壓渦輪增壓器可安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的第一端側(cè)，且高壓渦輪增壓器可安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的第二端側(cè)。渦輪連接部可沿發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的長側(cè)延伸。該發(fā)動(dòng)機(jī)還可包括反應(yīng)劑(例如，尿素)噴射系統(tǒng)，該反應(yīng)劑噴射系統(tǒng)構(gòu)造成經(jīng)渦輪連接部?jī)?nèi)的噴射入口將反應(yīng)劑(例如，尿素)噴射到來自燃燒的排氣中并對(duì)定位在渦輪連接部的催化劑區(qū)段內(nèi)的催化劑執(zhí)行催化反應(yīng)(例如，選擇性催化還原)，該催化劑區(qū)段布鉻在噴射入口的下游。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)可包括帶有與第二端側(cè)相對(duì)的第一端側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。該兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)可包括安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的第一端側(cè)并且包括第一渦輪和第一壓縮機(jī)的低壓級(jí)渦輪增壓器、安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的第二端側(cè)并且包括第二渦輪和第二壓縮機(jī)的高壓級(jí)渦輪增壓器、將第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)流體連接的壓縮機(jī)連接部、將第一渦輪和第二渦輪流體連接的渦輪連接部、以及和至少部分地定位在渦輪連接部的催化劑區(qū)段內(nèi)的催化系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面,一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)可包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和排氣系統(tǒng)。該排氣系統(tǒng)可包括:連接管，所述連接管將排氣系統(tǒng)的元件例如內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓系統(tǒng)的級(jí)例如第一渦輪和第二渦輪與催化系統(tǒng)的元件例如SCR催化劑系統(tǒng)流體連接。排氣系統(tǒng)還可包括用于將一種或多種排氣處理物質(zhì)噴射到排氣系統(tǒng)中的噴射系統(tǒng)。例如，可設(shè)鉻SCR催化劑系統(tǒng)的尿素噴射系統(tǒng)以用于將尿素噴射到排氣系統(tǒng)的連接管中。可替代地或附加地，可以使用單獨(dú)的或同一個(gè)噴射系統(tǒng)噴射另外的排氣處理物質(zhì)。例如，可以噴射二茂鐵，例如以減少炭黑形成。該噴射系統(tǒng)可包括冷卻系統(tǒng)，以在噴射前冷卻一種或多種排氣處理物質(zhì)。附加地或作為對(duì)將物質(zhì)噴射到排氣中的替代，也可以將物質(zhì)噴射到供給至氣缸內(nèi)的燃燒過程的氣體中。示例包括空氣和排氣，后者例如混合到空氣中。該冷卻系統(tǒng)可以確保物質(zhì)即使承受接近發(fā)動(dòng)機(jī)的升高的溫度也在適當(dāng)?shù)奈锢頎顟B(tài)(例如，液體)下噴射。本發(fā)明的其它特征和方面將從下文的描述和附圖而顯而易見。


圖1是具有包括第一催化劑構(gòu)型的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性頂視圖；圖2是具有兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性透視圖；圖3是具有SCR系統(tǒng)的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的渦輪連接部的示意圖；圖4是具有包括第二催化劑構(gòu)型的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性頂視圖；圖5是具有包括第三催化劑構(gòu)型的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性頂視圖；圖6是具有兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)和用于SCR催化劑的尿素噴射系統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性透視圖；圖7是具有經(jīng)冷卻的尿素噴射系統(tǒng)的渦輪連接部的剖視圖；圖8是具有經(jīng)冷卻的尿素噴射系統(tǒng)的渦輪連接部的示意圖；以及圖9A和9B是圖8的經(jīng)冷卻的尿素噴射系統(tǒng)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式以下是對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述。文中所述和附圖所示的示例性實(shí)施例旨在教導(dǎo)本發(fā)明的原理，從而使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠在許多不同的環(huán)境中并針對(duì)許多不同應(yīng)用實(shí)施和使用本發(fā)明。因此，示例性實(shí)施例并非旨在成為且不應(yīng)該被認(rèn)為是對(duì)專利保護(hù)范圍的限制性說明。相反，專利保護(hù)范圍應(yīng)該通過所附權(quán)利要求來限定。本發(fā)明可部分地基于以下發(fā)現(xiàn):靠近振動(dòng)源安裝兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的各渦輪增壓器級(jí)可減小振動(dòng)的振幅，并由此可減小通常由發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)期間的振動(dòng)在渦輪增壓級(jí)上產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。此外，本發(fā)明可部分地基于以下發(fā)現(xiàn):當(dāng)將兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的級(jí)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的相對(duì)端側(cè)時(shí)，兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮機(jī)和渦輪之間的連接部基本沿發(fā)動(dòng)機(jī)的完整長度側(cè)延伸，并因此在其中提供用于實(shí)施SCR系統(tǒng)的另外的空間。
此外，本發(fā)明可部分地基于以下發(fā)現(xiàn):當(dāng)實(shí)施SCR時(shí)，帶有構(gòu)造成用于噴射用于SCR的化學(xué)物質(zhì)的噴射入口的噴射系統(tǒng)可在高壓渦輪的上游噴射，由此在排氣內(nèi)產(chǎn)生明確的制劑混合物并允許將SCR催化劑安裝在高壓渦輪附近。例如，噴射入口可定位成用于向排氣歧管和/或聞壓潤輪內(nèi)噴射。以下參考圖1至9描述具有排氣SCR系統(tǒng)的兩級(jí)渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示范性實(shí)施例。參照?qǐng)D1至3，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I例如直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)可包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10、兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)12、燃料箱、一種或多種催化劑、和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10可包括曲軸箱，曲軸14可被支承在該曲軸箱內(nèi)。曲軸14在圖1中由虛線表示。曲軸14可與活塞(未示出)連接，所述活塞可在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間在相應(yīng)氣缸16A至16F內(nèi)移動(dòng)。如圖所示的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸10可具有在由曲軸14限定的長度方向上相對(duì)的端側(cè)18L和18H。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10還可具有在垂直于曲軸14的長度方向的方向上相對(duì)的長側(cè)20A和20B。進(jìn)氣歧管22可沿發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10的長側(cè)20A延伸并可與各氣缸16A至16F流體連接。各氣缸16A至16F可設(shè)鉻有至少一個(gè)進(jìn)氣門(未示出)，該進(jìn)氣門適于斷開或閉合進(jìn)氣歧管22與相應(yīng)氣缸的工作室之間的流體連接。在長側(cè)20B，可設(shè)鉻有排氣歧管24，該排氣歧管可與各氣缸16A至16F連接。各氣缸16A至16F可設(shè)鉻有至少一個(gè)排氣門(未示出)，該排氣門構(gòu)造成斷開和閉合相應(yīng)氣缸16A至16F的工作室與排氣歧管24之間的流體連接。一般而言，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)I運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，增壓空氣可經(jīng)進(jìn)氣歧管22被導(dǎo)入氣缸16A至16F中。在燃燒后，通過燃燒過程產(chǎn)生的排氣可經(jīng)排氣歧管24從氣缸16A至16F釋放。兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)12 可包括低壓級(jí)渦輪增壓器26和高壓級(jí)渦輪增壓器28，渦輪增壓器26和28形成順次式渦輪增壓系統(tǒng)。一般而言，渦輪增壓器可適用于使用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的熱量和壓力來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)以壓縮用于發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓空氣。具體而言，經(jīng)過渦輪增壓器的渦輪的排氣可旋轉(zhuǎn)渦輪，由此降低壓力和溫度。渦輪增壓器的壓縮機(jī)經(jīng)由共同的軸與渦輪可旋轉(zhuǎn)地連接，并可由渦輪驅(qū)動(dòng)。在端側(cè)18L (也稱為低壓側(cè))，低壓級(jí)渦輪增壓器26可例如直接或與諸如冷卻塊等其它部件結(jié)合作為一個(gè)單元固定地附接到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10上。低壓級(jí)渦輪增壓器26可包括經(jīng)由共同的軸&機(jī)械連接的壓縮機(jī)Q和渦輪!Y。在端側(cè)18H (也稱為高壓側(cè))，高壓級(jí)渦輪增壓器28可例如直接或與諸如冷卻塊等其它部件結(jié)合作為一個(gè)單元固定地附接到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10上。高壓級(jí)渦輪增壓器28可包括經(jīng)由共同的軸Sh連接的壓縮機(jī)Ch和渦輪TH。壓縮機(jī)Q的入口可構(gòu)造成吸入用于燃燒過程的增壓空氣。一般而言，壓縮機(jī)Q的出口可經(jīng)由壓縮機(jī)連接部34與壓縮機(jī)Ch的入口流體連接。例如，壓縮機(jī)Q的出口可經(jīng)由第一冷卻器30連接到壓縮機(jī)Ch的入口。然后，壓縮機(jī)Ch的出口可經(jīng)由第二冷卻器32與構(gòu)造成將增壓空氣分配到氣缸16A至16F的進(jìn)氣歧管22連接。低壓級(jí)渦輪增壓器26和第一冷卻器30可形成第一單元，該第一單元因此可安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10的端側(cè)18L。高壓級(jí)渦輪增壓器28和第二冷卻器32可形成第二單元，該第二單元因此可安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10的端側(cè)18H。
通常，可從長側(cè)20A、20B提供對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件例如氣缸16A至16F和歧管22、24的接近，而發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10在端側(cè)18L和18H的側(cè)面可構(gòu)造和成形為用于安裝兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)12的大型部件，例如渦輪增壓器26、28或冷卻器/渦輪增壓器單元。所公開的將包括渦輪增壓器的單元安裝在相對(duì)端的構(gòu)型可得到緊湊設(shè)計(jì)，該緊湊設(shè)計(jì)仍提供所需的從長側(cè)20A、20B對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的接近和從端側(cè)18L、18H對(duì)渦輪增壓器的接近。如上所述，可供用于燃燒過程的增壓空氣可在導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸前使用兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)12壓縮。在發(fā)動(dòng)機(jī)I運(yùn)轉(zhuǎn)期間，增壓空氣可相應(yīng)地在氣缸16A至16F的進(jìn)氣前被二次壓縮和冷卻。在氣缸16A至16F內(nèi)，可通過活塞的移動(dòng)產(chǎn)生增壓空氣的進(jìn)一步壓縮和由此加熱。然后，可將適量的燃料例如柴油、船用柴油、重燃料油、替代燃料或它們的混合物噴射到氣缸16A至16F中。在氣缸中，燃料可與經(jīng)壓縮的增壓空氣燃燒并產(chǎn)生排氣，該排氣可經(jīng)由排氣歧管24排出。對(duì)于中速大型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言，壓縮機(jī)Q可在180° C下將增壓空氣壓縮到4-5巴(bar)。冷卻器30可將增壓空氣從約180° C冷卻到45。C。壓縮機(jī)Ch可在180° C下將增壓空氣壓縮到7-8巴且冷卻器32可將增壓空氣從約180° C冷卻到45° C。在燃燒后，排氣在處于約450° C至500° C的范圍內(nèi)的溫度下可具有約5-6巴的壓力。在渦輪連接部35內(nèi)，壓力可下降到3-4巴且溫度在約350° C至400° C的范圍內(nèi)。在渦輪I；之后，在環(huán)境壓力下溫度可在250° C以下的范圍內(nèi)。

排氣歧管24的出口可連接到渦輪Th的入口。渦輪Th的出口可經(jīng)由渦輪連接部35與渦輪 Υ的入口流體連接，且渦輪IY的出口可將排氣釋放到例如二級(jí)排氣過濾系統(tǒng)或直接釋放到環(huán)境中。上述循環(huán)可在發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行時(shí)持續(xù)重復(fù)，由此通過燃燒本身以及活塞和曲軸的移動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)I運(yùn)轉(zhuǎn)期間，當(dāng)提供給渦輪Th的排氣的量可例如經(jīng)由設(shè)鉻在將排氣歧管24和渦輪連接部35流體連接的閥連接部36中的閥V來控制時(shí)，壓縮機(jī)Q和Ch可以以受控方式由渦輪 Υ和Th驅(qū)動(dòng)。渦輪連接部35沿長側(cè)20B延伸。在中速大型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的情形中，渦輪連接部35可具有幾米、例如5m的長度。渦輪連接部35可以是例如具有零點(diǎn)幾米的內(nèi)徑的管狀導(dǎo)管。一般而言，渦輪連接部可具有約0.5至I倍于渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞內(nèi)徑的內(nèi)徑。對(duì)于具有例如0.2至0.6m的活塞直徑的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言，渦輪連接部的內(nèi)徑可在約0.1m至
0.6m的范圍內(nèi)，例如約0.3m、0.4m或0.5m，或者更大。對(duì)于中速內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言，渦輪連接部的內(nèi)徑可以在約0.3m至0.5m的范圍內(nèi)。渦輪連接部3 5可包括催化劑區(qū)段40，該催化劑區(qū)段包括催化劑41，例如選擇性催化還原催化劑或氧化催化劑(還參見圖5的實(shí)施例)。在催化劑區(qū)段40的上游，可設(shè)鉻用于噴射化學(xué)反應(yīng)劑(例如，作為用于SCR的還原劑的尿素)的噴射入口 42，該噴射入口例如用于將化學(xué)反應(yīng)劑噴射到渦輪連接部35 (如圖1所示)中、排氣歧管24C (如圖4所示)中、或渦輪Th (圖中未示出)中?！愣裕瑖娚淙肟?42可以是(例如,尿素)噴射系統(tǒng)44的一部分。在噴射入口42與催化劑區(qū)段40之間，渦輪連接部35可包括反應(yīng)劑均化區(qū)段46。反應(yīng)劑均化區(qū)段46可具有足夠長的長度以提供反應(yīng)劑在到達(dá)催化劑41前在排氣中的均勻分配。均化區(qū)段的長度可以是例如均化區(qū)段的內(nèi)徑的約4倍以上；例如，均化區(qū)段的0.3m的內(nèi)徑的5倍，例如
1.2m以上。在一些實(shí)施例中，均化區(qū)段的長度可以是例如均化區(qū)段的內(nèi)徑的約2倍以上。在一些構(gòu)型中，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或另外的部件(例如，渦輪)可實(shí)現(xiàn)另外的均化，以使得可以采用長度較短的均化區(qū)段。例如，當(dāng)渦輪本身可使反應(yīng)劑以充分的方式與排氣混合時(shí)，將反應(yīng)劑噴射到渦輪Th中或渦輪Th的上游可允許均化區(qū)段具有縮短的長度。在一些實(shí)施例中，SCR催化劑因此可定位在渦輪Th的直接下游，例如緊挨著渦輪TH。通過將(例如，SCR)催化劑設(shè)鉻在兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的級(jí)之間，排氣的成分例如NOx可在處于從2-5巴范圍內(nèi)的壓力下(例如，對(duì)于中速發(fā)動(dòng)機(jī)而言在約3-4巴的壓力下)并在從約300° C至450° C的溫度范圍內(nèi)(例如，對(duì)于中速發(fā)動(dòng)機(jī)而言在約350° C至400° C的溫度下)執(zhí)行催化反應(yīng)(例如，SCR)。由于所需的催化表面可與催化劑的體積成正比，因此催化劑的尺寸在升高的壓力下可小于例如在渦輪 Υ之后(B卩，約I巴和250° C)在環(huán)境壓力下提供的催化劑。此外，通過將渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的相對(duì)側(cè)，可簡(jiǎn)化安裝并且可有效地使用空間。在圖2中，示出了發(fā)動(dòng)機(jī)1A，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括均分別連同冷卻器30A和32A —起形成結(jié)構(gòu)單元的低壓渦輪增壓器26A和高壓渦輪增壓器28A。所述單元可在端側(cè)18L和18H固定地連接到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOA0沿長側(cè)20B，排氣歧管24A可流體連接到各氣缸(被示出位于渦輪增壓器26A和28A之間)，并且進(jìn)氣歧管(在圖2中未示出)可類似地流體連接到各氣缸。壓縮機(jī)連接區(qū)段34A 可沿發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOA的長側(cè)20B在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOA的端側(cè)18L和18H之間延伸。具體而言，壓縮機(jī)連接區(qū)段34A可從第一冷卻器30A的出口延伸到高壓渦輪增壓器28A的壓縮機(jī)的入口。壓縮機(jī)連接區(qū)段34A可以是例如用于向經(jīng)預(yù)壓縮的增壓空氣添加添加劑(例如，水)的管狀導(dǎo)管。渦輪連接部35A可沿發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOA的長側(cè)20B在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOA的端側(cè)18L和18H之間延伸。具體而言，渦輪連接部35A可從高壓渦輪增壓器28A的渦輪Th的出口延伸到低壓渦輪增壓器26A的渦輪IY的入口。渦輪連接部35A可包括可被用作帶有例如在圖2中示意性地示出的SCR催化劑41A的催化劑區(qū)段40A的線性管狀節(jié)段。反應(yīng)劑噴射(在圖2中未明確地示出)可定位在渦輪連接部35A的催化劑區(qū)段40A的上游(圖2中的箭頭指示在運(yùn)轉(zhuǎn)期間的氣流方向)。例如，噴射可在一個(gè)或多個(gè)位鉻發(fā)生在排氣歧管中，或者發(fā)生在渦輪Th中。在圖2中，催化劑41A可以是SCR催化劑或氧化催化劑。在一些實(shí)施例中，可提供SCR催化劑和氧化催化劑。在圖2中，示出了 EGR系統(tǒng)45。EGR可用于還原在燃燒期間產(chǎn)生的NOx并且在一些情形中可在運(yùn)轉(zhuǎn)期間與SCR —起使用或用于替代SCR。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)期間，可使用EGR，而對(duì)于暖機(jī)后的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，可使用SCR。當(dāng)包括EGR系統(tǒng)時(shí)，噴射可在排氣歧管的EGR出口(向增壓空氣側(cè)提供排氣)與渦輪Th的進(jìn)口之間發(fā)生在排氣歧管中。在一些實(shí)施例中，可以不設(shè)鉻圖2所示的EGR系統(tǒng)45。
在一些實(shí)施例中，進(jìn)氣歧管和排氣歧管24B可與例如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOA的曲軸箱一體地鑄造。在一些實(shí)施例中，上文公開的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)可適用于包括例如兩個(gè)氣缸列的V型發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)氣缸列都對(duì)應(yīng)于圖1或圖2的單個(gè)氣缸列,氣缸列之一相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的包括其曲軸的豎直中心平面成鏡像。在這些實(shí)施例中，進(jìn)氣歧管可位于例如氣缸列之間且各氣缸列可設(shè)鉻有單獨(dú)的排氣歧管?？稍O(shè)鉻另外的壓縮機(jī)、渦輪、渦輪增壓器，例如以用于進(jìn)一步壓縮EGR連接部?jī)?nèi)的再循環(huán)排氣。參照?qǐng)D3，示出了用于SCR系統(tǒng)完全一體形成在渦輪連接部35B中的構(gòu)型的SCR系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。類似的考慮可適用于在渦輪Th的上游執(zhí)行SCR噴射的構(gòu)型。在噴射入口 42B處，可安裝有用于尿素的噴射器54，該噴射器可將尿素例如尿素溶液噴射到沿箭頭52所示的方向經(jīng)過的排氣中。在具有長度L46B的均化區(qū)域內(nèi)，尿素可在尿素-排氣混合物進(jìn)入SCR催化41B前被分配到排氣中。SCR催化劑41B可具有長度L41B并提供施加至用于SCR反應(yīng)的載體(例如，載體通道結(jié)構(gòu))的催化反應(yīng)劑的大表面。例如，SCR催化劑41B可完全定位在渦輪連接部35B的導(dǎo)管50內(nèi)，由此有效地使用用于SCR的空間。例如，在管狀導(dǎo)管中，圓柱形的SCR催化劑可具有基本對(duì)應(yīng)于管狀導(dǎo)管的內(nèi)徑的外徑。具體而言，用于中速發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪連接部的外徑可在約0.5m至0.6m的范圍內(nèi)且內(nèi)徑為約0.5m。因此，SCR催化劑的外徑可以是約0.5m。在一些實(shí)施例中，例如，渦輪連接部的三分之二長度可充填有SCR催化劑。因而，對(duì)于具有6m的長度的渦輪連接部而言，尿素可在距高壓級(jí)渦輪增壓器約Im的距離處噴射并且此后可被均勻地分配到長度為約Im的均化區(qū)段(L46B)內(nèi)的排氣內(nèi)，以使得然后可使用具有約4m的長度(L41B)的SCR催化劑執(zhí)行SCR處理。對(duì)于尿素被噴射到渦輪Th的上游或渦輪Th中的實(shí)施例而言，均化區(qū)段的長度可由于尿素在渦輪Th內(nèi)的混合而縮短。由于在例如中速內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的情形中渦輪連接部的較大長度，以及其經(jīng)由兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的單獨(dú)的級(jí)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，SCR系統(tǒng)的部件且特別是SCR催化劑可能暴露于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。因此，催化劑還原劑例如可被施加至金屬基底結(jié)構(gòu)。所公開的構(gòu)型可提供可有效地利用空間來在兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的級(jí)之間設(shè)鉻SCR催化劑的優(yōu)點(diǎn)。此外，所公開的構(gòu)型可具有以下優(yōu)點(diǎn):渦輪增壓級(jí)可固定地連接到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，并且由于各渦輪增壓級(jí)直接連接到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，因此與兩渦輪增壓級(jí)定位在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的同一側(cè)的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)相比，渦輪增壓級(jí)的部件的振動(dòng)振幅可以減小。在一些實(shí)施例中，渦輪連接部的全部長度可用于催化劑。在圖4中，示出了內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)1C，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)除SCR催化系統(tǒng)的構(gòu)型外基本對(duì)應(yīng)于圖1的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I。因此，對(duì)于共同的方面，參照對(duì)圖1的描述。與圖1相反，催化劑41C可在渦輪連接部35C的例如多于80%的長度內(nèi)延伸。對(duì)于SCR而言，噴射系統(tǒng)44C然后可構(gòu)造成使得可經(jīng)由噴射入口 42C例如在通向氣缸16D和16E的連接管之間(在圖4中示出)或在排氣歧管24C的任何其它位鉻將反應(yīng)劑噴射到排氣歧管24C中。因此，所噴射的反應(yīng)劑在沿排氣歧管24C輸送并與其余氣缸的排氣混合時(shí)可被均勻地分配。此外，反應(yīng)劑在通過渦輪Th時(shí)可被進(jìn)一步均勻地分配到排氣內(nèi)。如上所述，附加地或可替代地，也可在渦輪連接部35C中設(shè)鉻氧化催化劑。
在圖5中，示出了內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)ID，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)僅在渦輪連接部3 內(nèi)提供氧化催化劑43且不提供SCR催化劑。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)ID的主要構(gòu)型除未設(shè)鉻SCR噴射系統(tǒng)外基本對(duì)應(yīng)于圖1的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I。在一些實(shí)施例中，高壓級(jí)渦輪增壓器和低壓級(jí)渦輪增壓器可定位在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的相對(duì)的長側(cè)。在這些實(shí)施例中，可通過兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的特定布鉻結(jié)構(gòu)或可拆卸性來提供對(duì)各種發(fā)動(dòng)機(jī)部件的充分接近。圖6至9示出用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)IE中的尿素噴射系統(tǒng)的示范性實(shí)施例。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)IE可包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10E、兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)、燃料箱、SCR催化劑41E、和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。與圖2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)IA 一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)IE可包括均分別連同冷卻器30E和32E —起形成結(jié)構(gòu)單元的低壓渦輪增壓器26E和高壓渦輪增壓器28E。所述單元可在端側(cè)18L和18H固定地連接到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10E。壓縮機(jī)連接區(qū)段34E可沿發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOE的長側(cè)20B在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOE的端側(cè)18L和18H之間延伸。對(duì)于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)1E、尤其是兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的構(gòu)型和運(yùn)轉(zhuǎn)，參照前面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)I至ID的說明。進(jìn)氣歧管(未示出)可沿發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOE的長側(cè)延伸并可流體連接到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOE的可設(shè)鉻有至少一個(gè)進(jìn)氣門(未示出)的各氣缸。進(jìn)氣門可適于斷開或閉合進(jìn)氣歧管與相應(yīng)氣缸的工作室之間的流體連接。在長側(cè)20B，可設(shè)鉻有排氣歧管24E，該排氣歧管可連接到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體IOE的各氣缸。各氣缸可設(shè)絡(luò)有至少一個(gè)排氣門(未不出)，該排氣門構(gòu)造成斷開和閉合相應(yīng)氣缸的工作室與排氣歧管24E之間的流體連接。渦輪連接部35E可沿長側(cè)20B延伸。如上所述，在中速大型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的情形中，渦輪連接部35E可具有幾米、例如5m的長度。渦輪連接部35E可以是例如管狀導(dǎo)管，該管狀導(dǎo)管具有零點(diǎn)幾米、例如約0.5至I倍于渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞內(nèi)徑的內(nèi)徑。對(duì)于具有例如0.2至0.6m的活塞直徑的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言，渦輪連接部的內(nèi)徑可以在約0.1m至
0.6m的范圍內(nèi)，例如約0.3m、0.4m或0.5m,或者更大。對(duì)于中速內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言，渦輪連接部的內(nèi)徑可以在約0.3m至0.5m的范圍內(nèi)。渦輪連接部35E可包括催化劑區(qū)段40E，該催化劑區(qū)段40E包括SCR催化劑41E。在催化劑區(qū)段40E的上游，可設(shè)鉻有尿素噴射系統(tǒng)的噴射入口 42E。尿素噴射系統(tǒng)可構(gòu)造成將尿素噴射到渦輪連接部35E中(如圖6所示)或渦輪Th中或渦輪Th的上游，尿素是用于SCR的化學(xué)催化劑的示例。在噴射入口 42E與催化劑區(qū)段40E之間，渦輪連接部35E可包括反應(yīng)劑均化區(qū)段。如上所述，反應(yīng)劑均化區(qū)段可具有足以提供反應(yīng)劑在到達(dá)催化劑41E前均勻分配到排氣中的足夠長的長度，例如1.2m以上。在一些實(shí)施例中，均化區(qū)段的長度可以是例如均化區(qū)段的內(nèi)徑的約2倍以上。在一些構(gòu)型中，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或另外的部件(例如，渦輪)可實(shí)現(xiàn)另外的均化，以使得可采用長度較短的均化區(qū)段。當(dāng)將SCR催化劑設(shè)鉻在兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的級(jí)之間時(shí)，排氣的成分例如N0x可在處于從2-5巴范圍內(nèi)的壓力下(例如，對(duì)于中速發(fā)動(dòng)機(jī)在約3-4巴的壓力下)并在從約300° C至450° C的溫度范圍內(nèi)(例如，對(duì)于中速發(fā)動(dòng)機(jī)而言在約350° C至400° C的溫度下)執(zhí)行催化反應(yīng)。當(dāng)使發(fā)動(dòng)機(jī)IE運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在周圍產(chǎn)生的升高的溫度可影響通過尿素噴射系統(tǒng)供給的尿素。例如，該升高的溫度可導(dǎo)致尿素在尿素噴射系統(tǒng)的用于供給用于噴射的尿素的供給管路內(nèi)蒸發(fā)。如果使用如圖7所示的絕熱排氣箱70，則該溫度的作用甚至可進(jìn)一步增加。具體而言，圖7示出在尿素噴射供給管路71的位鉻穿過排氣歧管24F和渦輪連接部35F的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。排氣歧管24F和渦輪連接部35F可布鉻在絕熱排氣箱70內(nèi)并且在渦輪連接部35F的內(nèi)部72的例如350° C的溫度可在絕熱排氣箱70的內(nèi)部區(qū)域74引起例如約500° C的溫度。為了減少或避免尿素在到達(dá)噴射供給管路71的噴射末端76前蒸發(fā)，可使用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻劑、例如來自冷卻劑回路的冷卻劑導(dǎo)管78的冷卻水來冷卻噴射供給管路71。在圖7中，尿素噴射到渦輪連接部35F中通過箭頭75表示，且冷卻劑導(dǎo)管78被示意性地示出。為了進(jìn)行冷卻，噴射供給管路71可包括由與冷卻劑導(dǎo)管78連接的冷卻劑通道80包圍的尿素導(dǎo)管82。因而，冷卻劑可偏離發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑回路并用于尿素冷卻劑系統(tǒng)中，即，經(jīng)過冷卻劑通道80并減少或避免經(jīng)尿素導(dǎo)管82供給的尿素的加熱。盡管圖7示出向渦輪連接部35F中的噴射，但類似構(gòu)型也可用于向渦輪Th或排氣歧管24F中的噴射。圖8示意性地示出布鉻在例如SCR催化劑141上游的尿素噴射系統(tǒng)的一個(gè)示例的噴射供給管路171的構(gòu)型。氣流的方向通過箭頭152表示。尿素導(dǎo)管182可從尿素儲(chǔ)罐接收尿素。尿素導(dǎo)管182可包括可到達(dá)排氣導(dǎo)管135、例如渦輪連接部中的噴射末端176。在排氣導(dǎo)管135的外部，尿素導(dǎo)管182可經(jīng)由與例如發(fā)動(dòng)機(jī)的外部冷卻劑回路連接的冷卻通道180AU80B冷卻。在SCR催化劑系統(tǒng)操作期間，尿素經(jīng)噴射末端176的開口 184噴射到排氣導(dǎo)管135中。開口 184例如可面向下游并提供尿素的鋪開噴射。圖9A和9B分別示出噴射供給管路171在圖8中通過箭頭IXA和箭頭IXB示出的兩個(gè)位鉻的剖視圖。如圖9A所示，冷卻通道180A可充當(dāng)供給管路，而冷卻通道180B可充當(dāng)冷卻劑的排出管路。冷卻通道180AU80B可在相對(duì)側(cè)包圍尿素導(dǎo)管182。圖9B示出轉(zhuǎn)折點(diǎn)，連接區(qū)域180C可在該轉(zhuǎn)折點(diǎn)連接冷卻通道180AU80B。在圖8和9所示的實(shí)施例中，尿素噴射系統(tǒng)的冷卻劑系統(tǒng)可主要設(shè)鉻在排氣導(dǎo)管135的外部?？商娲鼗蚋郊拥兀鋮s通道也可以設(shè)鉻在排氣導(dǎo)管135內(nèi)或者它們可以施加至尿素導(dǎo)管182的一個(gè)或多個(gè)區(qū)段。除兩個(gè)冷卻通道180A、180B夕卜,可以設(shè)絡(luò)另外的通道?？商娲兀蛩貙?dǎo)管182僅周向區(qū)段可設(shè)鉻有冷卻通道。一般而言，參照?qǐng)D1至5說明的實(shí)施例的變型也可以適用于參照?qǐng)D6至9說明的實(shí)施例。例如，盡管如圖6所示的尿素噴射系統(tǒng)44E構(gòu)造成將尿素噴射到渦輪連接部35E中，但噴射可以可替代地(或附加地)發(fā)生在不同位鉻，例如，排氣歧管24E中或渦輪28E中。類似地，參照?qǐng)D3說明的方面或變型也可以適用于圖8所示的實(shí)施例。關(guān)于排氣再循環(huán)，可以不設(shè)鉻圖6所示的EGR系統(tǒng)45E。類似地，參照?qǐng)D6至9說明的實(shí)施例的變型也可以適用于參照?qǐng)D1至5說明的實(shí)施例。如上文結(jié)合圖7至9所示的使用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻劑來冷卻噴射前的尿素可給出包括用于冷卻所噴射的物質(zhì)、在以上情形中用于SCR處理的尿素的冷卻系統(tǒng)的噴射系統(tǒng)的一般特征結(jié)構(gòu)的示范性實(shí)施例?？商娲?，冷卻系統(tǒng)可用于不同構(gòu)型(例如，單個(gè)渦輪增壓系統(tǒng))的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)也在噴射系統(tǒng)附近產(chǎn)生熱量且其供給管路也與那些發(fā)動(dòng)機(jī)一樣可獲益于在噴射前(例如，當(dāng)物質(zhì)被引導(dǎo)通過供給管路時(shí))冷卻待噴射的物質(zhì)。所噴射的物質(zhì)的另外的示例包括水和二茂鐵。二茂鐵可以例如用于減少炭黑形成并且可以噴射到排氣中以及噴射到例如壓縮機(jī)連接部或向發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸提供氣體的上述進(jìn)氣歧管中。其它物質(zhì)也可經(jīng)由如文中所述的經(jīng)冷卻的噴射系統(tǒng)在燃燒過程的上游噴射。例如，可設(shè)鉻用于將二茂鐵噴射到排氣導(dǎo)管中的第一噴射系統(tǒng)，被引導(dǎo)的排氣的至少一部分被添加至用于燃燒過程的空氣，和用于將尿素噴射到SCR催化劑之前的排氣管中的第二噴射系統(tǒng)，其中所述噴射系統(tǒng)中的至少一個(gè)包括用于冷卻被引導(dǎo)物的冷卻系統(tǒng)。因此，物質(zhì)可以在排氣管中存在或不存在催化劑的情況下噴射。因而，在使用如圖
1、4、6和8所示的具有冷卻系統(tǒng)的噴射系統(tǒng)的修改實(shí)施例中，可以不存在對(duì)應(yīng)的催化劑41、41A 和 141。諸如排氣箱70的殼體可增加噴射系統(tǒng)且具體而言其供給管路附近聚集的熱量并由此增加對(duì)這種冷卻系統(tǒng)的需求。冷卻系統(tǒng)也可基于來自發(fā)動(dòng)機(jī)的單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)。例如，它可以是用于噴射系統(tǒng)的特定冷卻系統(tǒng)。特別地，在具有大尺寸并因此需要待噴射的物質(zhì)的長路徑的中速內(nèi)燃柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，可向待噴射的物質(zhì)傳遞熱量。因此，尤其是對(duì)于那些大型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言，可有利地采用冷卻待噴射的物質(zhì)的概念。工業(yè)話用件在此，術(shù)語“內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)”可指的是可被用作諸如用于產(chǎn)生熱和/或電的動(dòng)力設(shè)備的固定動(dòng)力提供系統(tǒng)以及諸如游輪、貨船、集裝箱船和油輪的船舶/船只中的主發(fā)動(dòng)機(jī)或輔助發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料可包括柴油、船用柴油、重燃料油、替代燃料或它們混合物、和天然氣。此外，如文中所用的術(shù)語“內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)”并未具體受限并且包括任何發(fā)動(dòng)機(jī)，其中使用氧化劑發(fā)生燃料的燃燒以產(chǎn)生高溫和高壓氣體，所述氣體被直接施加至發(fā)動(dòng)機(jī)的可動(dòng)部件，諸如活塞或渦輪葉片，并使其移過一定距離，由此產(chǎn)生機(jī)械能。因而，如文中所用，術(shù)語“內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)”包括活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪。用于本文公開的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的構(gòu)型的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示例包括在500至IOOOrpm的范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的中速內(nèi)燃柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，比如由Caterpillar Motoren GmbH&C0.KG, Kiel, Germany (位于德國基爾的卡特彼勒發(fā)動(dòng)機(jī)有限及兩合公司)制造的M20、M25、M32、M43系列的直列和V型發(fā)動(dòng)機(jī)。中速內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)可以是可向發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的端側(cè)提供合理的接近的大型獨(dú)立發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管文中已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但可在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下并入各種改進(jìn)和變型。
權(quán)利要求
1.一種渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，包括: 具有多個(gè)氣缸(16A-16F)的帶有與第二端側(cè)(18H)相對(duì)的第一端側(cè)(18L)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)； 兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)(12)，所述兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)包括: 低壓級(jí)渦輪增壓器(26)，所述低壓級(jí)渦輪增壓器安裝在所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的所述第一端偵儀18L)并且包括第一渦輪(I；)和第一壓縮機(jī)(CJ，所述第一壓縮機(jī)構(gòu)造成用于在所述渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)運(yùn)轉(zhuǎn)期間預(yù)壓縮增壓空氣， 高壓級(jí)渦輪增壓器(28)，所述高壓級(jí)渦輪增壓器安裝在所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)的所述第二端側(cè)(18H)并且包括第二渦輪(Th)和第二壓縮機(jī)(CH)，所述第二壓縮機(jī)構(gòu)造成用于在所述渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)運(yùn)轉(zhuǎn)期間壓縮經(jīng)預(yù)壓縮的增壓空氣， 壓縮機(jī)連接部(34)，所述壓縮機(jī)連接部將所述第一壓縮機(jī)(Cj和所述第二壓縮機(jī)(Ch)流體連接；和 渦輪連接部(35)，所述渦輪連接部將所述第一渦輪(IY)和所述第二渦輪(Th)流體連接; 定位在所述渦輪連接部(35)的催化劑區(qū)段(40)內(nèi)的選擇性催化還原催化劑(41)； 排氣歧管(24)，所述排氣歧管將所述多個(gè)氣缸(16A-16F)的排氣出口與所述第二渦輪(Th)的入口流體連接；以及 帶有噴射入口(42)的噴射系統(tǒng)(44)，所述噴射系統(tǒng)構(gòu)造成用于經(jīng)所述噴射入口(42)將用于選擇性催化還原的化學(xué)物質(zhì)噴射到所述排氣歧管(24)和/或所述第二渦輪(Th)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述渦輪連接部(35)和所述壓縮機(jī)連接部(34)基本從所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)的所述第一端側(cè)(18L)延伸到所述第二端側(cè)(18H)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述催化劑區(qū)段(40)和所述催化劑(41)可具有例如至少2m、優(yōu)選大于2m、例如3m的長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，還包括從所述排氣歧管(24)的EGR出口延伸到所述兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)(12)的增壓空氣側(cè)的排氣再循環(huán)連接部，其中所述噴射入口(42)定位在所述EGR出口的下游且在所述第二渦輪(Th)的上游。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述噴射入口(42)布置在所述渦輪連接部(35)的所述催化劑區(qū)段(40)的上游。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述噴射系統(tǒng)(44)包括用于供給所述化學(xué)物質(zhì)(180A，180B, 180C)的導(dǎo)管(182)和冷卻劑系統(tǒng)，所述冷卻劑系統(tǒng)構(gòu)造成冷卻經(jīng)所述導(dǎo)管(182)供給的所述化學(xué)物質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)，其中，所述導(dǎo)管(182)包括到達(dá)所述排氣歧管(24)或所述第二渦輪(Th)中的噴射末端(54，176)和位于所述排氣歧管(24)或所述第二渦輪(Th)外部的外部區(qū)段，并且所述冷卻劑系統(tǒng)包括連接到冷卻劑回路并且至少部分地沿所述導(dǎo)管(182)的所述外部區(qū)段延伸的冷卻劑導(dǎo)管(180A，180B)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述噴射入口(42)通過均化區(qū)段(46)與所述催化劑區(qū)段(40)間隔開，所述均化區(qū)段具有至少四倍于所述均化區(qū)段的內(nèi)徑、例如五倍于所述均化區(qū)段的內(nèi)徑的長度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，還包括定位在所述渦輪連接部(35 )中的氧化催化劑(43 )。
10.根據(jù)權(quán)利要求3至9中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)，其中，所述渦輪連接部(35)的所述催化劑區(qū)段(40)作為第一導(dǎo)管構(gòu)成并且所述催化劑(41)定位在所述第一導(dǎo)管內(nèi)并完全充填在所述催化劑區(qū)段(40)的導(dǎo)管中，和/或其中所述渦輪連接部(35)是管狀的并具有約0.5至I倍于所述渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)的活塞內(nèi)徑的內(nèi)徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，還包括: 閥連接部(36)，所述閥連接部將排氣歧管(24)例如在所述噴射入口(42)的上游與所述渦輪連接部(35 )流體連接，和 布置在所述閥連接部(36)內(nèi)的閥(V)，所述閥構(gòu)造成控制驅(qū)動(dòng)所述第二渦輪(Th)的排氣的量。
12.根據(jù)權(quán)利要求3至11中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述催化劑(41)包括施加至金屬結(jié)構(gòu)的催化劑層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，還包括: 第一冷卻器(30)，所述第一冷卻器布置在所述第一壓縮機(jī)(CJ與所述第二壓縮機(jī)(Ch)之間的所述壓縮機(jī)連接部(34)中并且構(gòu)造成用于冷卻從所述第一壓縮機(jī)(CJ接收的經(jīng)壓縮的增壓空氣；和/或 第二冷卻器(32)，所述第二冷卻器布置在所述第二壓縮機(jī)(Ch)與多個(gè)氣缸(16A-16F)的進(jìn)氣開口之間并且構(gòu)造成用于冷卻來自所述第二壓縮機(jī)(Ch)的經(jīng)壓縮的增壓空氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述低壓渦輪增壓器(26)、包括所述低壓渦輪增壓器(26)和所述第一冷卻器(30)的單元、所述高壓級(jí)渦輪增壓器(28)、以及包括所述高壓級(jí)渦輪增壓器(28)和所述第二冷卻器(32)的單元中的至少一者固定地連接到所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)。
15.一種渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，包括: 具有多個(gè)氣缸(16A-16F)的帶有與第二端側(cè)(18H)相對(duì)的第一端側(cè)(18L)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10);以及 兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)(12)，所述兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)包括: 低壓級(jí)渦輪增壓器(26)，所述低壓級(jí)渦輪增壓器包括第一渦輪(IY)和第一壓縮機(jī)(CJ，所述第一壓縮機(jī)構(gòu)造成用于在所述渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)運(yùn)轉(zhuǎn)期間預(yù)壓縮增壓空氣， 高壓級(jí)渦輪增壓器(28)，所述高壓級(jí)渦輪增壓器包括第二渦輪(Th)和第二壓縮機(jī)(CH)，所述第二壓縮機(jī)構(gòu)造成用于在所述渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)運(yùn)轉(zhuǎn)期間壓縮經(jīng)預(yù)壓縮的增壓空氣， 壓縮機(jī)連接部(34)，所述壓縮機(jī)連接部將所述第一壓縮機(jī)(Cj和所述第二壓縮機(jī)(Ch)流體連接； 渦輪連接部(35)，所述渦輪連接部將所述第一渦輪(IY)和所述第二渦輪(Th)流體連接；和 定位在所述渦輪連接部(35)的催化劑區(qū)段(40)內(nèi)的SCR催化劑(41)； 其中，包括所述低壓級(jí)渦輪增壓器(12)的低壓側(cè)單元被固定地安裝在所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的所述第一端側(cè)(18L)，并且包括所述高壓級(jí)渦輪增壓器(28)的高壓側(cè)單元被固定地安裝在所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)的所述第二端側(cè)(18H)。
16.一種渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，包括: 帶有與第二端側(cè)(18H)相對(duì)的第一端側(cè)(18L)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10);以及 兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)(12)，所述兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)包括: 低壓級(jí)渦輪增壓器(26)，所述低壓級(jí)渦輪增壓器安裝在所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的所述第一端偵儀18L)并且包括第一渦輪(IY)和第一壓縮機(jī)(CJ，所述第一壓縮機(jī)構(gòu)造成用于在所述渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)運(yùn)轉(zhuǎn)期間預(yù)壓縮增壓空氣， 高壓級(jí)渦輪增壓器(28)，所述高壓級(jí)渦輪增壓器安裝在所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)的所述第二端側(cè)(18H)并且包括第二渦輪(Th)和第二壓縮機(jī)(CH)，所述第二壓縮機(jī)構(gòu)造成用于在所述渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)運(yùn)轉(zhuǎn)期間壓縮經(jīng)預(yù)壓縮的增壓空氣， 壓縮機(jī)連接部(34)，所述壓縮機(jī)連接部將所述第一壓縮機(jī)(Cj和所述第二壓縮機(jī)(Ch)流體連接；和 渦輪連接部(35)，所述渦輪連接部將所述第一渦輪(IY)和所述第二渦輪(Th)流體連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述渦輪連接部(35)和所述壓縮機(jī)連接部(34)基本從所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)的所述第一端側(cè)(18L)延伸到所述第二端側(cè)(18H)。`
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，還包括定位在所述渦輪連接部(35)的催化劑區(qū)段(40)內(nèi)的催化劑(41)，其中所述催化劑區(qū)段(40)和所述催化劑(41)可具有例如至少2m、優(yōu)選大于2m、例如3m的長度。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，還包括: 帶有噴射入口(42)的尿素噴射系統(tǒng)(44)，所述尿素噴射系統(tǒng)構(gòu)造成用于經(jīng)所述噴射入口(42)將用于SCR的化學(xué)物質(zhì)噴射到所述渦輪連接部(35)中，其中所述噴射入口(42)布置在所述渦輪連接部(35)的所述催化劑區(qū)段(40)的上游，和 作為催化劑(41)定位在所述渦輪連接部(35 )的催化劑區(qū)段(40 )內(nèi)的選擇性催化還原催化劑(41)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，還包括 多個(gè)氣缸(16A-16F)； 排氣歧管(24)，所述排氣歧管將所述多個(gè)氣缸(16A-16F)的排氣出口與所述第二渦輪(Th)的入口流體連接； 帶有噴射入口(42)的噴射系統(tǒng)(44)，所述噴射系統(tǒng)構(gòu)造成用于經(jīng)所述噴射入口(42)將用于SCR的化學(xué)物質(zhì)噴射到所述排氣歧管(24)中，其中所述噴射入口(42)布置在所述渦輪連接部(35)的所述催化劑區(qū)段(40)的上游。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述噴射系統(tǒng)(44)包括用于供給所述化學(xué)物質(zhì)(180A，180B, 180C)的導(dǎo)管(182)和冷卻劑系統(tǒng)，所述冷卻劑系統(tǒng)構(gòu)造成冷卻經(jīng)所述導(dǎo)管(182)供給的化學(xué)物質(zhì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述導(dǎo)管(182)包括到達(dá)所述渦輪連接部(35 )或所述排氣歧管(24)中的噴射末端(54，176 )和位于所述渦輪連接部(35)或所述排氣歧管(24)外部的外部區(qū)段，并且所述冷卻劑系統(tǒng)包括連接到冷卻劑回路并且至少部分地沿所述導(dǎo)管(182)的所述外部區(qū)段延伸的冷卻劑導(dǎo)管(180A，180B)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20至22中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述噴射入口(42)通過均化區(qū)段(46)與所述催化劑區(qū)段(40)間隔開，所述均化區(qū)段具有至少四倍于所述均化區(qū)段的內(nèi)徑、例如五倍于所述均化區(qū)段的內(nèi)徑的長度。
24.根據(jù)權(quán)利要求15至23中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，還包括定位在所述渦輪連接部(35)中的氧化催化劑(43)。
25.根據(jù)權(quán)利要求18至24中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)，其中，所述渦輪連接部(35)的所述催化劑區(qū)段(40)作為第一導(dǎo)管構(gòu)成并且所述催化劑(41)定位在所述第一導(dǎo)管內(nèi)并完全充填在所述催化劑區(qū)段(40)的導(dǎo)管中，和/或其中所述渦輪連接部(35)是管狀的并具有約0.5至I倍于所述渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)的活塞內(nèi)徑的內(nèi)徑。
26.根據(jù)權(quán)利要求15至25中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(15)，還包括: 閥連接部(36)，所述閥連接部將排氣歧管(24)例如在所述噴射入口(42)的上游與所述渦輪連接部(35)流體連接，和 布置在所述閥連接部(36)內(nèi)的閥(V)，所述閥構(gòu)造成控制驅(qū)動(dòng)所述第二渦輪(Th)的排氣的量。
27.根據(jù)權(quán)利要求18至26中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述催化劑(41)包括施加至金屬結(jié)構(gòu)的催化劑層。
28.根據(jù)權(quán)利要求15至27中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)包括:多個(gè)氣缸(16A-16F)， 增壓空氣歧管(22)，所述增壓空氣歧管將所述第二壓縮機(jī)(Ch)的出口與所述多個(gè)氣缸(16A-16F)的進(jìn)氣開口流體連接，和 排氣歧管(24)，所述排氣歧管將所述多個(gè)氣缸(16A-16F)的排氣出口與所述第二渦輪(Th)的入口流體連接。
29.根據(jù)權(quán)利要求15至28中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，還包括: 第一冷卻器(30)，所述第一冷卻器布置在所述第一壓縮機(jī)(CJ與所述第二壓縮機(jī)(Ch)之間的所述壓縮機(jī)連接部(34)中并且構(gòu)造成用于冷卻從所述第一壓縮機(jī)(CJ接收的經(jīng)壓縮的增壓空氣；和/或 第二冷卻器(32)，所述第二冷卻器布置在所述第二壓縮機(jī)(Ch)與多個(gè)氣缸(16A-16F)的進(jìn)氣開口之間并且構(gòu)造成用于冷卻來自所述第二壓縮機(jī)(Ch)的經(jīng)壓縮的增壓空氣。
30.根據(jù)權(quán)利要求15至29中任一項(xiàng)所述的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述低壓渦輪增壓器(26)、包括所述低壓渦輪增壓器(26)和所述第一冷卻器(30)的單元、所述高壓級(jí)渦輪增壓器(28)、以及包括所述高壓級(jí)渦輪增壓器(28)和所述第二冷卻器(32)的單元中的至少一者固定地連接到所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)。
全文摘要
公開了一種渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，該渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)可包括帶有與第二端側(cè)(18H)相對(duì)的第一端側(cè)(18L)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)和兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)(12)。該兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)(12)可包括具有第一渦輪(TL)和第一壓縮機(jī)(CL)的低壓渦輪增壓器(26)以及具有第二渦輪(TH)和第二壓縮機(jī)(CH)的高壓渦輪增壓器(28)。渦輪連接部(35)可將第一渦輪(TL)和第二渦輪(TH)流體連接，且壓縮機(jī)連接部(34)將第一壓縮機(jī)(CL)和第二壓縮機(jī)(CH)流體連接。低壓渦輪增壓器(26)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)的第一端側(cè)(18L)，且高壓渦輪增壓器(28)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(10)的第二端側(cè)(18H)。
文檔編號(hào)F02B37/02GK103154464SQ201180048135
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者U·施萊默-克琳 申請(qǐng)人:卡特彼勒發(fā)動(dòng)機(jī)有限及兩合公司