内燃发动机和操作内燃发动机的方法
【专利摘要】本发明涉及一种内燃发动机(10)，该内燃发动机(10)包括：涡轮增压器单元，该涡轮增压器单元具有至少一个压缩件部件和至少一个涡轮机部件(16)，所述至少一个压缩机部件(14)连接至所述发动机(10)的入口侧，而所述至少一个涡轮机部件连接至所述发动机的出口侧，催化剂单元(28)布置在所述发动机的出口侧和所述至少一个涡轮机部件(16)的入口侧之间；以及控制系统(40)，其中所述至少一个涡轮机部件设置有具有第一流动控制装置(26)的第一旁路管道(24)，所述催化剂单元(28)设置有具有第二流动控制装置(32)的第二旁路管道(30)。所述控制系统(40)设置有操作模式，该操作模式同时开始所述第一流动控制装置的关闭动作和所述第二流动控制装置的关闭动作。
【专利说明】内燃发动机和操作内燃发动机的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种内燃发动机，该内燃发动机包括:涡轮增压器单元，该涡轮增压器单元具有至少一个压缩件部件和至少一个涡轮机部件，所述至少一个压缩机部件连接至所述发动机的入口侧，而所述至少一个涡轮机部件连接至所述发动机的出口侧，催化剂单元布置在所述发动机的出口侧和所述至少一个涡轮机部件的入口侧之间；以及控制系统，该控制系统被布置成用来控制所述内燃发动机的操作，其中所述至少一个涡轮机部件设置有具有第一流动控制装置的第一旁路管道，该第一旁路管道在所述涡轮机部件的入口侧和所述涡轮机部件的出口侧之间延伸，所述催化剂单元设置有具有第二流动控制装置的第二旁路管道，该第二旁路管道在所述催化剂单元的入口侧和所述催化剂单元的出口侧之间延伸。
[0002]本发明还涉及一种操作内燃发动机的方法。
【背景技术】
[0003]US 2010139269 Al公开了一种可增压内燃发动机，该发动机包含:马达，该马达具有位于排气侧的排气歧管；涡轮增压器，该涡轮增压器具有至少两个涡轮增压器阶段并且在排气侧具有排气入口和排气出口。该发动机还具有初级催化转换器，该催化转换器在发动机缸体的排气歧管和涡轮增压器的排气入口之间布置在排气侧。在该文献的一个优选实施方式中，针对第一旁路装置进行了设置，该设置用来通过第一旁路装置桥接初级催化转换器，该第一旁路装置被构造成在打开状态下将由发动机缸体产生的排气引导经过初级催化转换器。如果初级催化转换器被设计成小于主催化转换器并且因此仅构造成用于少量排气，则这种第一旁路装置的设置是有利的。这种较小的初级催化转换器因而仅仅是针对发动机的冷运转阶段(即紧接着发动机启动之后的时间段)构造的。在该时间段之后，当存在温度更高、产出量更大的排气时，其被第一旁路装置桥接。结果，防止了辅助催化转换器受到过度排气产出量的影响并因此过快老化。
[0004]WO 9404804公开了一种大型二冲程拖轮增压内燃发动机，该发动机具有连接在涡轮增压器上游的用于将排气中的NOx含量降低的反应器。布置有至少一个传感器和控制单元，所述至少一个传感器测量至少一个发动机参数，而在该控制单元中确定反应器是否被排气加热。加热可能导致供应给涡轮增压器的能量减少。当是这样情况时，控制单元打开以将补充空气或气体供应给发动机，这可以通过启动辅助送风机和/或通过致动涡轮增压器涡轮旁路管道中的控制装置来实现，从而向涡轮增压器输送功率对应增加的大量排气。
[0005]如在WO 9404804中公开的，排气在其被供应给反应器时必须具有至少300摄氏度的温度，因而反应器必须在涡轮增压器之前连接至排气系统。当发动机负荷增加时，排气温度上升，这导致反应器变热。由于反应器具有较大热容量，将反应器加热到较高温度可能需要较长时间，而在该时段期间，反应器之后的排气温度将稍微低于反应器之前的温度，这意味着反应器之后的排气的能量含量就其本身来说并没有大到足够涡轮增压器的压缩机接收与瞬时发动机负荷对应的功率。换言之，反应器的大热容量以及其连接在涡轮增压器的上游具有如下影响，即从增加发动机负荷开始到对涡轮增压器造成影响具有一定时间滞后，并且这种滞后随着负荷的变化而增加。
[0006]为了解决该问题，WO 9404804建议，当反应器被同时冷却的排气加热时以及在将补充空气或气体供应给涡轮增压器这些时段期间，可以确保还在紧随发动机负荷变化的时段中发动机接收到与发动机负荷正确匹配的量的净化增压空气。馈送补充空气可以通过辅助送风机来完成，从而该辅助送风机具有足够容量来补偿反应器的加热。
[0007]WO 9404804中所示的辅助送风机的附加或另选选项是:旁路管道，该旁路管道可以将反应器和涡轮增压器的涡轮机之间的排气通路与所述涡轮机下游的排气通路连接起来；完全或部分切断该旁路管道的控制装置；用于测量发动机参数的至少一个传感器；和控制单元，该控制单元用于根据从传感器接收的信号控制所述控制装置。由于涡轮增压器不需要所有排气，因此为了将所需量的净化增压空气输送给发动机，将控制装置调节到部分打开位置，使得涡轮增压器的压缩机精确地输送期望量的空气。优选地，该控制在辅助送风机启动之前将旁路管道关闭。
[0008]WO 9404804中所示的另一个实施方式是布置从反应器的上游延伸到下游侧而不是从涡轮增压器的涡轮机的上游延伸到下游的旁路管道。该实施方式这样工作，即针对旁路中的控制装置打开控制单元，使得部分排气绕过反应器并直接传送到涡轮增压器的涡轮机。在该实施方式中，发动机在其输出侧连接有:用于减少排气的NOx含量的反应器；具有涡轮机的涡轮增压器，该涡轮机的气体入口连接至反应器的气体出口 ；反应器旁路管道，该反应器旁路管道可以将排气接收器与涡轮增压器的涡轮机相连接；位于旁路管道中的切断装置；辅助送风机，该辅助送风机用于供应净化增压空气；用于测量发动机参数的至少一个传感器；和控制单元，该控制单元能够根据从传感器接收的信号将切断装置控制到至少部分打开位置。用于测量发动机参数的传感器优选包括用于测量反应器上游的排气温度的传感器和用于测量涡轮增压器入口的排气温度的传感器。
[0009]本发明的目的是提供一种上述所解决的问题的另选解决方案。
【发明内容】
[0010]本发明的目的通过一种内燃发动机来基本满足，该内燃发动机包括:涡轮增压器单元，该涡轮增压器单元具有至少一个压缩件部件和至少一个涡轮机部件，所述至少一个压缩机部件连接至所述发动机的入口侧，而所述至少一个涡轮机部件连接至所述发动机的出口侧，催化剂单元布置在所述发动机的出口侧和所述至少一个涡轮机部件的入口侧之间；以及控制系统，该控制系统被布置成用来控制所述内燃发动机的操作，其中所述至少一个涡轮机部件设置有具有第一流动控制装置的第一旁路管道，该第一旁路管道在所述涡轮机部件的入口侧和所述涡轮机部件的出口侧之间延伸，所述催化剂单元设置有具有第二流动控制装置的第二旁路管道，该第二旁路管道在所述催化剂单元的入口侧和所述催化剂单元的出口侧之间延伸，并且其中所述控制系统设置有操作模式，该操作模式同时开始所述第一流动控制装置的关闭动作和所述第二流动控制装置的关闭动作。该内燃发动机的特征在于，所述控制系统设置有所述第一流动控制装置的位置指示器，所述控制系统被布置成监测所述第一流动控制装置的位置状态，并且仅在所述第一流动控制装置的关闭余量大于预先设定的余量的情况下才允许所述第二流动控制装置的所述关闭动作。
[0011]根据本发明的一个实施方式，所述第二流动控制装置被布置成通过所述关闭动作将更多空气路由到所述催化剂单元内。
[0012]根据本发明的另一个实施方式，所述控制系统被布置成确定用于所述第一流动控制装置的控制值，并且仅在用于所述第一流动控制装置的所述控制值具有比预先设定的余量大的关闭余量的情况下才允许所述第二流动控制装置的所述关闭动作。
[0013]本发明的目的还通过一种操作内燃发动机的方法来满足，在该方法中，所述发动机以如下方式操作:提供温度低于催化剂单元的目标操作温度的排气，将旁路管道阀打开，将更大量的排气引导通过第二旁路管道而绕过催化剂单元，控制第一旁路管道中的阀，以补偿由于将更大量的排气引导通过第二旁路管道的之前步骤引起的到达涡轮机部件的进入排气的状态变化，开始过渡阶段，在该过渡阶段期限，通过第二旁路管道引导的那部分排气减少，而通过催化剂单元引导的那部分排气增加，同时控制第一旁路管道中的阀，以补偿到达涡轮机部件的进入排气的状态变化。
[0014]这样，可以避免由催化剂单元引起的热和压力损失，并提供在发动机的低负荷阶段期间给涡轮机部件提供更好的环境。
[0015]根据本发明的一个实施方式，在发动机的启动期间在该发动机的排气温度低于催化剂单元的目标操作温度的同时实施所述方法。
[0016]这样，可以避免由催化剂单元引起的热和压力损失，并且特别在发动机的启动阶段期限给涡轮机部件提供更好的环境。
[0017]根据本发明的一个实施方式，将旁路管道阀完全打开，并将排气通道阀完全关闭，从而将所有排气都引导通过所述第二旁路管道，并完全绕过所述催化剂单元。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]在下文中，将参照所附的示例性示意图描述本发明，其中图1图示了根据本发明的实施方式的内燃发动机。
【具体实施方式】
[0019]图1描绘了设置有涡轮增压器单元12的内燃发动机10。该涡轮增压器单元包括至少一个压缩机部件14和至少一个涡轮机部件16。将理解的是，在本发明的范围内，该涡轮增压器单元也可以包括若干个涡轮机部件和压缩机部件。压缩机部件14通过入口通道系统20连接至发动机的入口侧和发动机的气缸18，以向发动机内供应加压燃烧空气。相应地，涡轮机部件16通过排气通道系统22连接至发动机的出口侧和发动机的气缸以接收发动机的排气，排气的发动机能量将用来以同样已知的方式操作压缩机部件。为了控制器压缩机部件14的操作，涡轮机部件设置有其中布置有第一流动控制装置26的第一旁路管道24。第一旁路管道和流动控制装置构成了所谓的废气门。第一旁路管道24在涡轮机部件16的入口侧(较高压力)和涡轮机部件16的出口侧(较低压力)之间延伸。由于压缩机部件14由涡轮机部件16驱动，因此可以通过利用第一流动控制装置26来控制通过涡轮机部件引导和绕过涡轮机部件的排气的份额控制压缩机部件14的操作。
[0020]在发动机的出口侧和至少一个涡轮机部件16的入口侧之间，排气通道系统22布置有催化剂单元28。催化剂单元设置有具有第二流动控制装置32的第二旁路管道30。第二旁路管道30在催化剂单元34的入口侧和催化剂单元36的入口侧之间延伸。在图1的实施方式中，第二流动控制装置32包括用于第二旁路管道30的专用阀32’和用于排气通道31 (催化剂单元联接到该排气通道31内)的阀32”。代替分开的阀，还可以实用三通阀。根据一个实施方式，仅将阀32’布置于第二旁路装置30。因而，由发动机10的气缸18中的燃烧产生的排气可以通过操作第二流动控制装置23而另选地通过催化剂单元28或直接地路由到涡轮机部件16。
[0021]该内燃发动机进一步包括控制系统40，该控制系统40被布置成用来控制内燃发动机的操作。控制系统40被布置成控制至少第一流动控制装置26和第二流动控制装置32的操作。该控制系统设置有计算机程序，该计算机程序被布置成操作发动机和阀26、32’、32”，特别是发动机的启动阶段，从而当发动机启动时，旁路管道阀32’打开，优选完全打开，而排气通道阀32”关闭，优选完全关闭，而排气流过第二旁路管道30而不流过催化剂单元28。这样，避免或者至少最小化在催化剂单元28的温度在目标操作温度以下时低负荷和/或启动情形下的任何不受控制的催化反应。当通过将催化剂单元暖化到其操作温度内而逐渐满足催化剂单元28的操作条件时，控制系统40通过计算机程序的操作开始过渡阶段以通过第二旁路管道30路由较小部分的排气并通过催化剂单元28路由较多的气体流动。该过渡尤其当催化剂单元28没有处于其操作温度时是有益的。如果排气直接通过催化剂单元路由，则排气将部分被消耗用来暖化催化剂单元28，从而将排气冷却，结果致使可供涡轮机部件16操作的能量较少。结果，如果过渡太快，涡轮机部件16将无法给压缩机部件14提供足够工作，因而其无法输送满足发动机空燃比限制所需的压力。
[0022]为了避免这一点，控制系统40被布置成特别在启动阶段期间基于第一流动控制装置26的操作状态来控制第二流动控制装置32。
[0023]根据本发明的一个实施方式，控制系统40和/或在该控制系统中运行的计算机程序被布置成通过布置在控制系统内优选布置于第二流动控制装置26的位置指示器42确定第一流动控制装置26的位置状态。如果一部分排气仍然流过第二旁路管道30并且位置状态指示第一流动控制装置26具有比预先设定余量大的关闭余量，控制系统40和/或在该控制系统中运行的计算机程序控制第二流动控制装置32开始关闭动作，因而将更大部分的排气通过催化剂单元28路由。
[0024]换言之，第一流动控制装置26的关闭余量用作用于控制在催化剂单元28和第二旁路管道30之间路由的排气流的输入。
[0025]根据本发明的另一个实施方式，控制系统40和/或在该控制系统中运行的计算机程序被布置成通过产生用于系统中的第一流动控制装置26的控制值来确定第一流动控制装置26的位置状态。控制值被认为是第一流动控制装置26的位置状态，即假定第一流动控制装置实际上跟随该控制值，通常就是这种情况。如果一部分排气仍然流过第二旁路管道30并且控制值致使第二流动控制装置26具有大于预先设定的余量的关闭余量，则控制系统40和/或在该控制系统中运行的计算机程序控制第二流动控制装置32开始关闭动作，因而将更大部分的排气通过催化剂单元28路由。
[0026]当通过处于比进入催化剂单元28的排气低的温度的催化剂单元路由排气时，控制系统40控制第一流动控制装置26开始关闭动作。这样，涡轮机部件16执行的工作得以增加，以补偿排气温度的降低，并且将燃烧空气的压力水平泡池在期望水平。
[0027]因而，控制系统设置有操作模式，该操作模式同时开始第一流动控制装置的关闭动作和第二流动控制装置的关闭动作，这导致流过第一旁路管道和第二旁路管道的排气流降低。
[0028]在本发明的其中第二流动控制装置32仅包括旁路管道阀32’的实施方式中，第二流动控制装置被布置成通过阀32’的关闭动作将更多空气路由到催化剂单元内。
[0029]尽管这里通过示例连同目前被认为是最优选实施方式的示例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所供开的实施方式，而是指在覆盖包含在如所附权利要求中限定的本发明的范围内的其特征的各种组合或修改以及若干其他应用。以上针对任何实施方式提到的细节都可以与其他实施方式一起使用，如果这种组合在技术上是可行的话。
【权利要求】
1.一种内燃发动机(10)，该内燃发动机(10)包括:涡轮增压器单元，该涡轮增压器单元具有至少一个压缩件部件和至少一个涡轮机部件(14)，所述至少一个压缩机部件(16)连接至所述发动机(10)的入口侧，而所述至少一个涡轮机部件连接至所述发动机的出口侦牝催化剂单元(28)布置在所述发动机的出口侧和所述至少一个涡轮机部件(16)的入口侧之间；以及控制系统(40)，该控制系统(40)被布置成用来控制所述内燃发动机的操作，其中所述至少一个涡轮机部件设置有具有第一流动控制装置(26)的第一旁路管道(24)，该第一旁路管道(24)在所述涡轮机部件的入口侧和所述涡轮机部件的出口侧之间延伸，所述催化剂单元(28)设置有具有第二流动控制装置(32)的第二旁路管道(30)，该第二旁路管道(30)在所述催化剂单元的入口侧和所述催化剂单元的出口侧之间延伸，并且其中所述控制系统(40)设置有操作模式，该操作模式同时开始所述第一流动控制装置(26)的关闭动作和所述第二流动控制装置(32)的关闭动作，其特征在于，所述控制系统(40)设置有所述第一流动控制装置的位置指示器(42)，所述控制系统被布置成监测所述第一流动控制装置的位置状态，并且仅在所述第一流动控制装置的关闭余量大于预先设定的余量的情况下才允许所述第二流动控制装置(32)的所述关闭动作。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，所述第二流动控制装置被布置成通过所述关闭动作将更多空气路由到所述催化剂单元内。
3.根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，所述控制系统(40)被布置成确定用于所述第一流动控制装置的控制值，并且仅在用于所述第一流动控制装置的所述控制值具有比预先设定的余量大的关闭余量的情况下才允许所述第二流动控制装置的所述关闭动作。
4.一种操作内燃发动机(10)的方法，在该方法中，所述发动机以如下方式操作:提供温度低于催化剂单元的目标操作温度的排气，将旁路管道阀(32’ )打开，将更大量的排气引导通过第二旁路管道而绕过催化剂单元，控制第一旁路管道中的阀(26)，以补偿由于将更大量的排气引导通过第二旁路管道的之前步骤引起的到达涡轮机部件(14)的进入排气的状态变化，开始过渡阶段，在该过渡阶段期限，通过第二旁路管道(30)引导的那部分排气减少，而通过催化剂单元(28)引导的那部分排气增加，同时控制第一旁路管道中的阀(26)，以补偿到达涡轮机部件(14)的进入排气的状态变化。
5.根据权利要求4所述的操作内燃发动机(10)的方法，其特征在于，在发动机的启动期间在该发动机的排气温度低于催化剂单元的目标操作温度的同时实施所述方法。
6.根据权利要求4所述的操作内燃发动机(10)的方法，其特征在于，将旁路管道阀(32’)完全打开，并将排气通道阀(32”)完全关闭，从而将所有排气都引导通过所述第二旁路管道，并完全绕过所述催化剂单元。
【文档编号】F01N3/20GK104508267SQ201380039714
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年6月19日 优先权日:2012年7月30日
【发明者】G·蒙内特 申请人:瓦锡兰芬兰有限公司