提高涡轮增压式内燃机的排气系统中废气温度的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于提高具有后串接的废气净化装置（8）的涡轮增压式内燃机（1）、特别是机动车用涡轮增压式内燃机的排气系统中的废气温度的方法和设备，其中提供有在需要时能够接通的加热装置（10），在规定量的和/或足够量的增压空气能够溢流进该加热装置（10）的阶段，由内燃机（1）的增压压力管（2）向该加热装置供给空气，在此将在加热装置（10）中经加热的空气在废气净化装置（8）的上游送入排气系统，按本发明，至少在规定量的和/或足够量的增压空气能够溢流进该加热装置（10）的该内燃机的运行状态下，将来自内燃机（1）的排气系统的规定量的废气流供入该加热装置（10），特别是废气流由排气涡轮机（5）的上游的排气管（13）分流。
【专利说明】提高涡轮增压式内燃机的排气系统中废气温度的方法和设备
发明领域
[0001]本发明涉及权利要求1前述部分的用于提高涡轮增压式内燃机，特别是机动车的涡轮增压式内燃机的排气系统中的废气温度的方法，本发明还涉及权利要求11前述部分的实施这种方法的设备和内燃机。
【背景技术】
[0002]为尽可能降低含碳细颗粒，在机动车中通常使用所谓的颗粒分离器或颗粒过滤器。例如由EP 1072765 A2已知一种典型的机动车中的颗粒分离器-装置。这种颗粒分离器与颗粒过滤器的差别在于，该废气流沿分离器结构导流，而在颗粒过滤器情况下，该废气需流过过滤介质。由于这种不同，颗粒过滤器易于堵塞，这提高了废气背压，即引起内燃机废气出口处的不希望的压力升高，这进而降低了发动机效率和造成内燃机的高的燃料消耗。由EP 0341832 A2中已知这类颗粒过滤器-装置的实例。
[0003]在该两前述的装置中，在颗粒分离器或颗粒过滤器上游配置的氧化催化器各借助于同时含有的残余氧(O2)将废气中的一氧化氮(NO)氧化成二氧化氮(NO2),其反应方程式为:
2N0 + O2 <- 2N02。
[0004]要注意的是，在高温下上述反应的平衡趋向NO侧。其结果是，由于这种热力学的限制使在高温下可达到的NO2-含量受限。
[0005]另一方面，该NO2在颗粒过滤器中与含碳的细颗粒反应生成CO、CO2, N2和NO。因此，借助于强氧化剂NO2以连续去除淀积的细颗粒，以致可不采用如在其它装置中需昂贵实施的再生循环。这方面所涉及的非能动再生按下列反应进行:
2N02 +C — 2N0 + CO2
NO2 +C — NO + CO
2C + 2N02 — N2 + 2C02。
[0006]除NO2外，在含钼的NO-氧化催化器上由燃油和/或发动机油中所含的硫还形成SO3O该SO3和NO2在排气系统的冷的部位冷凝成高腐蚀性的硫酸或硝酸，以致直至颗粒过滤器的该废气装置必需用不锈钢制造，以避免腐蚀。
[0007]如果借助于NO2未将渗入颗粒过滤器中的碳完全氧化，则碳含量和由此废气背压增加。为避免这点，目前越来越多地提供配有用于氧化NO的催化涂层的颗粒过滤器(EP0341832 A2)。具体而言是涉及含钼的催化器。但此方法的缺点在于，在颗粒过滤器上形成的NO2仅可用于氧化在NO-氧化的催化活性层下游所淀积的颗粒，即在过滤介质中的颗粒。相反，如果在过滤器表面和由此在催化活性层上形成淀积颗粒层即所谓滤饼，则该颗粒过滤器侧的NO-氧化催化器位于滤饼的下游，以致在滤饼中淀积的炭黑颗粒不能借助于来自施加在颗粒过滤器上的NO-氧化催化器的NO2所氧化。再加上，严格而言，仅在未经处理的气体侧所施加的催化器层有助于该系统的效能，因为在净化的气体侧催化形成的NO2不再能与淀积在未经处理的气体侧的和过滤材料中的炭黑相接触。
[0008]该颗粒过滤器的涂层的另一问题在于，该过滤器的几何表面明显小于通常使用的催化器基材的表面。其原因在于，该过滤器在未经处理的气体侧需较大的自由横截面和由此较大的自由体积，以渗入炭黑灰和发动机油灰。如果使用陶瓷的过滤器基材，则通过50-200 cpsi的小的微孔密度(Zelldichte)实现。与此相反，纯的催化器通常为400-900cpsi的微孔密度。通过从50 cpsi提高到900 cpsi使几何表面从I m2/l提高到4 m2/l,由此在该催化器上可大大增加处理量。
[0009]由于此原因，尽管存在该过滤器的催化层，也可不弃用颗粒过滤器前的NO-氧化催化器，以至于产生较大的结构体积。就算是这种情况，即如果该NO-氧化催化器与颗粒过滤器形成一个结构部件，其中该颗粒过滤器的入口区设计为NO-氧化催化器，其也会产生较大的结构体积，如在DE 10327030 Al中所述。
[0010]虽然通过这些措施仍在至多250°C可发生炭黑氧化，但也有这些使用情况，其中废气温度本身达不到，并且由此不能确保该颗粒过滤器的功能。这通常在低负荷的和机动车(例如轿车、公交车或垃圾车)用发动机中出现，这些发动机另外还具有高的空转比例。因此，特别在这些情况下，可应用第二种该颗粒过滤器再生的方法，其中能动地提高该废气温度。这通常通过在催化器上游加烃(HC)，特别是HC-氧化催化器进行。通过该烃在催化器上的放热反应或氧化达到明显的温度升高。
[0011]如果由此可将温度升高到高于60(TC，则导致借助于氧氧化或烧去淀积在颗粒过滤器上的碳，其反应如下:
C + O2 — CO2 ο
[0012]但在这种所谓的能动过滤器再生情况下存在危险，即通过含碳的炭黑的放热燃烧导致达1000°c的剧烈温度升高，由此大多会导致颗粒过滤器和/或后串接的催化器的受损。此外，因为该温度升高需保持几分钟以确保炭黑颗粒的定量氧化，所以对烃的需求量不是微不足道的，并且降低了该内燃机的效率，因为通常使用燃料作为烃源。
[0013]在NO-氧化催化器前加烃的该两类再生的简单组合不是目标所向。
[0014]通过温度升高到高于600°C，由于热力学限制，在NO-氧化催化器上不再形成N02。此外，由于大量的烃阻碍了 NO的氧化，由此导致大大减少NO2-形成。这导致该颗粒需仅借助于氧氧化，因为在该阶段无NO2可利用，这就拉长了再生时间。
[0015]同时，该NO-氧化催化器的耐热损害性远不如用于烃氧化的催化器，因为在高于550°C时会导致其活性成分的不可逆烧结，并由此导致NO-氧化活性的降低。
[0016]除这类催化燃烧器外，还可使用通常的有明火焰的燃烧器或多孔燃烧器，其中其缺点在于，其运行需有外部的空气供应，因为不同于催化燃烧器，仅在有足够高的过量空气下才可运行。通常借助于压缩机或鼓风机确保该空气供应。
[0017]例如EP 1253300 Al描述了这类中的一种方法，该方法中，在需要时可施加燃料和空气的燃烧器使在排气系统中所提供的如带颗粒过滤器和/或催化器的废气净化装置的上游的废气温度升高到高于其起动温度的温度。如果出现该内燃机的如空转或低负荷的运行状态，即在该废气温度对有效转化不希望有的废气成分是太低时，则特别是启动该燃烧器。这例如对常处于空转运行或特别短程运行的机动车是很重要的。
[0018]向该燃烧器供入的空气可按现有技术借助于鼓风机或由供内燃机用的燃烧用空气管或对于涡轮增压式内燃机从增压压力管取得。但要确保供入燃烧器的空气的压力高于排气管中的废气压力；但在内燃机的某些运行状态下，至少在经增压压力管供空气时可能不是该情况。
【发明内容】
[0019]本发明的目的在于，提供该类型的一种方法，该方法以结构上简单的装置，可在内燃机的所有运行状态下，实现废气净化装置的可靠再生或有效地转化不希望有的废气成分。此外，本发明还提供实施该方法的有利的设备和内燃机。
[0020]该目的由独立权利要求的特征部分来实现。各从属权利要求的目的是提供有利的各种扩展和方案。
[0021]按权利要求1，提供用于提高具有后串接的废气净化装置的涡轮增压式内燃机，特别是机动车的涡轮增压式内燃机的排气系统中的废气温度的方法，该方法中，提供有需要时可接通的加热装置，在增压压力如此之高，以致规定量的和/或足够量的增压空气可溢流进该加热装置阶段，由内燃机的增压压力管对该加热装置供给空气，在此将在加热装置中经加热的空气在废气净化装置的上游送入排气系统。按本发明，在其它运行状态或至少在内燃机的增压压力不是如此之高，以致规定量的和/或足够量的增压空气可溢流进该加热装置的运行状态下，将来自内燃机的排气系统的规定量的废气流供入该加热装置。特别优选是，废气流可由排气涡轮机上游的排气管分流。
[0022]因此，按本发明，在具有明显较小的增压压力的内燃机的运行状态下，该加热装置连接在该内燃机的排气管上，优选在排气涡轮机的上游，以在具有不足够的增压压力的运行状态下，也可随时使空气供入该加热装置中。为此不需单独的鼓风机。
[0023]特别是在具有直接喷射(柴油发动机机或还有快燃发动机)的以过量空气运行的内燃机情况下，例如在空转、部分负荷等运行状态下，含有足够的氧(λ > 1)，以达到废气中所希望的温度升高，例如可进行颗粒过滤器的最佳再生或保持对不希望的废气成分有改进的转化。
[0024]在有利的扩展方案中，在多气缸的内燃机情况下，至少一个气缸或其单线管经执行元件与加热装置相连接。该执行元件可优选简单的截止阀例如节流活门，其在需要时将排气管接通到加热装置上。需要时同样适用于空气-供料管，该空气-加入管是连接在内燃机的增压压力管上。
[0025]此外，在该内燃机的规定的运行状态下，在接通的执行元件情况下，部分或完全中断向该内燃机的至少一个气缸供燃料也可能是有利的。这对内燃机的功率是不重要的，因为在如空转或部分负荷的运行状态下，反正无需正常的运行功率；由此可有针对性地调节对加热装置的氧供入。
[0026]作为加热装置可优选以本已知的方式使用供以燃料的燃烧器，例如具有明火焰的燃烧器、多孔燃烧器或催化燃烧器，其动力燃料供入特别是燃料供入依据该内燃机的运行参数和/或该燃烧器下游的λ传感器和/或该内燃机下游的λ传感器和/或该燃烧器上游的空气量计量器的λ传感器来调节。但需要时该加热装置还可用电运行，并加热该供入的和导入排气系统的空气。
[0027]在一个特别有利的方案中，在该内燃机的多个气缸的废气-集流管中可使用一个调节该至少一个气缸的排气管的流量的节流阀。该节流阀(如节流活门)可或多或少控制至少一个气缸的废气流直至完全截流，以致该气缸似乎作为压缩机呈压力控制地将废气直接送入加热装置。由此，以结构上简单的方式实现对该加热装置的空气量控制的加载、流量控制的加载或压力控制的加载。
[0028]此外，也可在增压压力管和加热装置之间的连接管中提供调节阀特别是节流阀，以实现用于以空气加载该加热装置的附加调节参数。
[0029]作为为控制用于给加热装置供空气或用于控制废气净化装置的转化率的执行元件和节流阀的调节量，可至少使用增压压力和/或废气压力和/或该两者的压差和/或该内燃机的燃烧室下游的废气的λ值。此外，发动机转数和/或燃料喷射量和/或空气料流可通过发动机和/或加热装置检测并用于控制对加热装置的空气供入时在调节技术上予
以考虑。
[0030]此外，如果内燃机的排气涡轮增压机具有可变的涡轮机几何结构，并且它的调整用作控制对加热装置的空气供入的调节量时，对此也可能是有利的。因为该排气涡轮机的调节组件的位置用信号结出其输送效率和排气涡轮机之前的压力，所以其可有利地作为调节参数用于控制对加热装置的空气供入。
[0031]按权利要求11提供设备，用于实施优选按快燃机或柴油机原理以燃料直接喷入燃烧室来提高特别是用于机动车的涡轮增压式内燃机或废气增压式内燃机的排气系统中的废气温度的方法，该设备具有至少一个排气涡轮增压机，其排气涡轮机连接在废气净化装置，特别是氧化催化器和/或柴油颗粒过滤器和/或选择性催化器上游的内燃机的排气系统上。该排气涡轮增压机的压缩机经增压压力管将增压空气送入燃烧室。此外，在废气净化装置的上游提供加热装置，用于在需要时通过来自增压压力管的空气供入升高废气温度，该加热装置还经可控的执行元件和排气管连接在排气系统上，特别是连接在排气涡轮机上游的排气系统上。
[0032]在此，在用于加热装置的排气管中和需要时在用于加热装置的增压空气的供料管中可提供控制物料流量的节流阀，借助于该阀以结构上和控制技术上特别简单的方式可调节对加热装置的空气供入。
[0033]此外，在该内燃机的至少一个气缸的单线管的下游的废气-集流管中可配置废气侧的节流阀，由此可针对性地以任意量控制废气流量或废气料流。该至少一个排气涡轮增压机可具有带有可变涡轮机几何结构的排气涡轮机。
[0034]最后，该执行元件和/或节流阀可连接在发动机电子控制仪上，借助于该控制仪按发动机特有的参数(发动机转数、温度、增压压力等)和需要时的行驶特有的参数(如负荷状态、空转运行、滑行等)的标准控制执行元件和/或节流阀。该发动机控制仪可优选是在机动车中已存在的发动机控制仪，基于已存在的控制参数，仅需例如针对燃料计量该控制仪作相应的改进。
[0035]下面按附图详述本发明的【具体实施方式】。该附图示出一种多气缸内燃机，其具有排气涡轮增压机、增压压力管、带废气净化装置的排气系统和用于升高废气净化装置上游的废气温度的燃烧器。
[0036]在唯一的附图中具体示出用于机动车或载货车的废气涡轮增压式四气缸-内燃机1，例如其可以是柴油内燃机，并且其是大体上无需另述的已知的结构类型。[0037]该内燃机I经增压压力管2用燃烧空气供给，其中该增压压力管2连接在废然涡轮增压机4的压缩机3上。该压缩机3按己知方式经空气过滤器吸取环境空气，并将该空气压入该内燃机I的未示出的燃烧室中。
[0038]该压缩机3借助于排气涡轮机5驱动，该排气涡轮机按已知方式构成，例如提供有可变的涡轮机几何结构(可调节的导向叶栅)，并且其接通到内燃机I的排气系统。
[0039]该排气系统由在出口侧连接在内燃机的燃烧室上的废气弯管6和大体显示的从排气涡轮机5引出的排气管7组成。
[0040]在该【具体实施方式】中，在排气管7中整合有废气净化装置8，该净化装置具有(按废气流方向)氧化催化器D0C、柴油颗粒过滤器DPF和SCR-催化器以用于NOx-降低。该继续有的排气系统未示出。
[0041]在废气净化装置8的上游，加热管9连接在排气管7上，经该加热管可供入由加热装置或这里是经燃烧器10加热的空气，用于按规定升高该内燃机I的废气温度。
[0042]依所供入的空气量，将例如燃料喷入燃烧器10中。为供入空气，该燃烧器10经供料管11连接在增压压力管2上。此外，在供料管11中提供可控制的节流阀12 (例如节流活门)，借助于该节流阀可控制流量。
[0043]此外，排气管13连接在该燃烧器10上，该排气管从废气弯管6的集流管6a分出。在集流管6a中例如在最后两条由内燃机I的气缸引出的单线管6b之间使用节流阀14(例如节流活门)，借助于该节流阀，该内燃机I最后的气缸或其废气或多或少可与其余的导向排气涡轮机5的排气系统分开。
[0044]此外，在通向燃烧器10的排气管13中提供执行元件15，用该执行元件可阻断该排气管。
[0045]在具有较高功率输出的内燃机I的常规运行中，该废气净化装置8上游的废气温度高于其起始温度(例如450°C)，由此其是足够高的，以发生对废气成分所希望的转化。在空气供料管11中的节流阀12和在排气管13中的执行元件15是关闭的，并且中断对燃烧器10的燃料供入。
[0046]如果在增压压力管2中的足够高到增压压力下(例如在非工作温度的内燃机I情况下)要升高该废气温度，则打开该节流阀12，在燃烧器10中按供入的空气量喷入燃料，并将由此所加热的空气经废气净化装置8上游的加热管9引入排气管7中。可控制来自增压压力管2的空气的供入，直到该增压压力高于排气管7中的废气压力。
[0047]但如果在内燃机I的低负荷区如空转中、较低的部分负荷中或滑行运行中，在增压压力管2中的增压压力小于排气管7中的废气压力，则可不经供料管11向燃烧器10供入空气，以使废气温度保持或升高到所需水平。
[0048]在该情况下，在供料管11中关闭节流阀12的情况下，打开排气管13中的截止阀15，并再控制该节流阀14，以使该内燃机I的最后(附图中右方)气缸的废气量供入燃烧器10，在该燃烧器中燃烧燃料，并将经如此加热的气体引入排气管7中。
[0049]此外，在这种运行状态下，可降低或完全中断经该内燃机I的燃料喷射装置(未示出)向该最后的气缸的燃料供入，以由此有针对性地调节该废气的氧含量(λ值)或需要时也可向燃烧器10供入纯空气(这时该气缸作为压缩机运行)。
[0050]排气管13中的执行元件15和供料管11中的节流阀12、14和废气弯管6的集流管6a的控制可通过发动机电子控制仪16 (仅示意)进行，其按发动机特有的参数如转数η、温度T (发动机的、废气的等)、增压压力管2和排气系统6、7中的压力比P的标准，和/或按行驶特有的参数如经加速踏板或滑行运行S等的负荷需求α的标准，和/或废气后处理特有的参数如催化器温度、NOx-量、废气背压等的标准来实施其控制(用箭头示意)。
[0051]此外，该经相应改进的控制仪16以己知的方式控制对内燃机I和对燃烧器10的燃料计量，这时可在压缩机3上游的供料管中和在供料管I或排气管13中提供相应的空气量计量器和/或在加热管9中提供附加的λ传感器(未示出)。
[0052]本发明不受限于所示的【具体实施方式】。因此对本专业人员而言，关于该废气净化装置8以及内燃机在气缸、增压系统(如双涡轮增压)的数目等的通常的变更是可能的。
[0053]附图标号
1内燃机
2增压压力管
3压缩机
4排气涡轮增压机
5排气润轮机
6废气弯管 6a 集流管 6b 单线管
7排气管
8废气净化装置
9加热管
10燃烧器
11供料管
12节流阀
13排气管
14节流阀
15执行元件
16发动机控制仪 DOC氧化催化器
DPF 柴油颗粒过滤器 SCR SCR-催化器
【权利要求】
1.用于提高具有后串接的废气净化装置(8)的涡轮增压式内燃机(I)、特别是机动车用涡轮增压式内燃机的排气系统中的废气温度的方法，其中提供有在需要时能够接通的加热装置(10)，在增压压力如此之高，以致规定量的和/或足够量的增压空气能够溢流进该加热装置(10)的阶段，由内燃机(I)的增压压力管(2)向该加热装置供给空气，在此将在加热装置(10)中经加热的空气在废气净化装置(8)的上游送入排气系统，其特征在于，至少在该增压压力不是如此之高，以致规定量的和/或足够量的增压空气能够溢流进该加热装置(10)的该内燃机的运行状态下，将来自内燃机(I)的排气系统的规定量的废气流供入该加热装置(10)，特别是排气管(13)的废气流在排气涡轮机(5)的上游分流。
2.权利要求1的方法，其特征在于，增压压力不是如此之高，以致规定量的和/或足够量的增压空气能够溢流进加热装置(10)的内燃机(I)的运行状态是该内燃机(I)的低负荷阶段和/或空转阶段和/或滑行阶段。
3.权利要求1或2的方法,其特征在于,在多气缸的内燃机(I)情况下,至少一个气缸和/或其单线管(6b)经执行元件(15)与加热器(10)相连接。
4.权利要求3的方法，其特征在于，在接通的执行元件(15)情况下，部分或完全中断向该内燃机(I)的至少一个气缸供燃料。
5.前述权利要求之一的方法，其特征在于，作为加热装置使用供以燃料的燃烧器(10)，其燃料供入依据内燃机的运行参数和/或燃烧器(10)下游的λ传感器和/或燃烧器(10)上游的空气量计量器的λ传感器和/或废气后处理系统的运行参数来调节。
6.前述权利要求之一的方法，其特征在于，在多气缸的内燃机(I)的废气-集流管(6a)中使用控制至少一个气缸的排气管(13)的流量的节流阀(14)。
7.前述权利要求之一的方`法，其特征在于，在增压压力管(2)和加热装置(10)之间的供料管中提供调节阀、特别是节流阀(12 )。
8.前述权利要求之一的方法，其特征在于，作为用于控制给加热装置(10)供空气的至少一个执行元件(15)和/或至少一个节流阀(12、14)的调节量，至少使用增压压力和/或废气压力和/或该两者的压差和/或内燃机(I)的燃烧室下游的废气的λ值和/或内燃机(I)的加热装置(10)下游的λ值。
9.权利要求8的方法，其特征在于，此外发动机转数(η)和/或燃料喷射量和/或空气料流通过发动机和/或加热装置(10)检测并用于控制对加热装置(10)的空气供入时予以考虑。
10.前述权利要求之一的方法，其特征在于，内燃机(I)的至少一个排气涡轮增压机(4)具有可变的涡轮机几何结构，并且它的调整用作控制对加热装置(10)的空气供入的调节量。
11.用于实施提高涡轮增压式内燃机的排气系统中的废气温度的方法的设备，特别是用于实施前述权利要求之一的方法的设备，该设备具有至少一个排气涡轮增压机(4)，其排气涡轮机(5 )连接在废气净化装置(8 )上游的内燃机(I)的排气系统(6、7 )上，并且其压缩机(3 )经增压压力管(2 )将增压空气送入燃烧室，以及具有在废气净化装置(8 )的上游提供的加热装置(10)，用于在需要时通过来自增压压力管(2)的空气供入升高废气温度，其特征在于，该加热装置(10)还经可控的执行元件(15)和排气管(13)连接在该内燃机(I)的排气系统(6)上，特别是连接在排气涡轮机(5)上游的内燃机(I)的排气系统上。
12.权利要求11的设备，其特征在于，在用于加热装置(10)的排气管(13)中和任选在用于加热器(10)的增压空气的供料管(11)中提供控制物料流量的节流阀(12、14)。
13.权利要求12的设备，其特征在于，在内燃机(I)的至少一个气缸的单线管(6b)的下游的废气-集流管(6a)中配置废气侧的节流阀(14)。
14.前述权利要求11-13之一的设备，其特征在于，至少一个排气涡轮增压机(4)具有带有可变的涡轮机几何结构的排气涡轮机(5)，和/或执行元件(15)和/或节流阀(12、14)连接在发动机电子控制仪(16)上，借助于该控制仪按发动机特有的参数和/或废气后处理特有的参数和/或行驶特有的参数的标准控制执行元件(15)和/或节流阀(12、14)。
15.实施前述权利要 求之一的方法的内燃机(I)，特别是机动车用内燃机。
【文档编号】F02D43/00GK103867323SQ201310672723
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2012年12月12日
【发明者】A.德林 申请人:曼卡车和巴士股份公司