本发明涉及一种内燃发动机系统和用于这种系统的排气处理单元。
本发明可应用于重型车辆，例如卡车、公交车和建筑设备(例如工程机械)。本发明也可适用于轿车。虽然将针对卡车来描述本发明，但本发明不限于这种特定的车辆类型。
背景技术：
已知的是，带有例如通过压缩机、燃烧室和膨胀器进行的两级压缩和两级膨胀的内燃发动机可允许达到非常高的压力并从燃料提取更多的能量。US8371256中公开了这种发动机的一个示例。其中提出了：在离开膨胀器气缸时，发动机排气可被引导到排气后处理系统。然而，高效的车辆发动机可能具有非常冷的尾管排气，这可能防止或降低由诸如各种类型的催化转换器的排气处理装置所提供的排气处理过程的效率。对于某些过程，例如选择性催化还原(SCR)，可通过提供大的排气处理装置来补偿低温度；然而，这将增加发动机系统的重量和体积，这可能是一个问题，尤其在通常存在苛刻的空间要求的车辆中。
技术实现要素：
本发明的一个目的是减少来自高效的内燃发动机的排放。本发明的目的也是提供一种高效的内燃发动机系统，该内燃发动机系统提供了对排气的有效处理，同时避免了内燃发动机系统的体积和/或重量的大幅增加。
上述目的通过如下一种内燃发动机系统来实现，该内燃发动机系统包括：
–压缩机，该压缩机被布置成压缩空气，
–至少一个燃烧室，所述至少一个燃烧室中的至少一个被布置成接收所述压缩空气，以及
–排气处理装置，该排气处理装置被布置成处理由所述至少一个燃烧室中的至少一个产生的排气，
–其特征在于，所述系统包括热交换器，该热交换器被布置成在来自压缩机的压缩空气到达所述至少一个燃烧室中的至少一个之前接收所述压缩空气，且所述热交换器被布置成将热量从所述压缩空气传递到排气处理装置。
通过将热交换器布置成将热量传递到排气处理装置，提供了针对排气温度对于有效的排气处理过程过低的问题的解决方案。通过从压缩空气获取热量并将此热量传递到排气处理装置，排气处理装置的温度可以升高，以改善排气处理装置内的所述过程。而且，本发明使得能够避免如下的需求：通过增加排气处理装置的尺寸且因此增加发动机系统的重量和体积来补偿低温度。
应当注意，该发动机系统可包括多个压缩机、燃烧室和热交换器以及排气处理装置。因此，分开的多组燃烧室中的每一个均可布置成从相应的压缩机接收压缩空气。尤其应当注意，被布置成从特定的压缩机接收压缩空气的燃烧室可以是或可以不是产生特定的排气处理装置所处理的排气的燃烧室。
本发明在如下情况下是特别有利的：所述发动机系统包括膨胀器，该膨胀器被布置成从所述至少一个燃烧室中的至少一个接收排气，并且使排气膨胀并从排气提取能量，该排气处理装置被布置成从膨胀器接收排气。通过膨胀器提供的高效率将使排气温度处于相对低的水平。然而，通过将热交换器布置成将热量从压缩空气传递到排气处理装置，可使排气温度处于有益于所述排气处理装置过程的水平。例如，对于高效发动机有贡献的膨胀器可导致在50℃-250℃的范围内的排气。然而，在排气处理装置是用于NOx还原的典型催化剂的情况下，此装置在低于150℃时可能不工作，且可能在温度达到250℃之前不变得完全有效。如果压缩机将空气压缩到例如约260℃的温度，那么，从所述压缩空气的热传递可以使排气处理装置温度升高，以便该装置变得完全有效。应当注意，在优选实施例中，热交换器被布置成从膨胀器接收排气。
可使用任何适当的热交换器类型。该热交换器优选是逆流热交换器。然而，在一些实施例中，该热交换器可以是平行流热交换器。
本发明在如下情况下是特别有利的：所述系统包括曲轴，且膨胀器包括活塞，且该活塞被布置成驱动曲轴，因为可由此提供排气的非常有效的膨胀，从而提供非常低的排气温度。如上所述，尽管如此低的排气温度，本发明也允许使排气处理装置有效地运行。
所述系统可包括机油分离器，该机油分离器被布置成从膨胀器接收排气并在排气到达排气处理装置之前从排气中分离出机油。因此，例如通过膨胀器引入到排气中的机油将被从排气中去除，从而避免或减少机油可能对热交换器和/或膨胀器后排气处理装置的有害影响。
在一些实施例中，热交换器被布置成经由所述排气将热量传递到排气处理装置。由此，在热交换器被布置成接收排气且排气处理装置被布置成从热交换器接收排气的情况下，来自所述压缩空气的热量可有效地传递到排气处理装置。该排气处理装置可位于热交换器下游的排气路径内。
在一些实施例中，通过热交换器提供了从压缩空气到排气处理装置的直接热传递。该热交换器和排气处理装置可以成一体。由此，该热交换器可包括将空气和排气分离的壁，且排气处理装置可包括在所述壁的排气侧的排气处理层。因此，该热交换器的排气部分可涂覆有排气处理层。该排气处理层可以是催化剂。
这种一体化减小了热交换器和排气处理装置的组合的总体积。而且，这种一体化也增强了热传递，且因此可用于减少在发动机系统的冷起动过程期间达到“工作的催化剂”的时间。应当注意，虽然排气处理装置被布置成接收排气，但热交换器本身可以或可以不布置成接收排气。
优选地，热交换器的所述壁具有在所述壁的空气侧的多个突出凸缘。这种凸缘将增强所述壁从压缩空气的热量吸收，以将热量传递到排气处理层。
应当注意，在一些实施例中，排气处理装置可包括与热交换器成一体的第一部分和被布置成经由从热交换器接收的排气而从压缩空气接收热量的第二部分。由此，可提供热交换器的有效使用和排气处理装置的有益分布。该第一部分可包括在热交换器的将空气和排气分离的所述壁的排气侧的排气处理层，且第二部分可包括位于热交换器下游的排气路径中的另外的排气处理元件。
排气处理装置的所述第一部分可以是氧化催化剂，该氧化催化剂被布置成将一氧化氮(NO)的至少一部分转化为二氧化氮(NO2)，并且将机油和碳氢化合物(HC)氧化。所述第二部分可以是SCR催化剂。喷射器可布置成将用于SCR催化剂的还原剂喷射在所述第一部分和第二部分之间。在其他实施例中，所述第一部分可以是SCR催化剂，且所述第二部分可以是另外的SCR催化剂。由此，喷射器可布置成在第一部分上游喷射还原剂，优选喷射在膨胀器附近或喷射到膨胀器内。无论所述第一部分和第二部分分别是氧化催化剂和SCR催化剂还是两个部分都是SCR催化剂，优选在第二部分的端部中提供氨泄露催化剂(ASC)的涂层。
本发明在如下情况下是特别有益的：即，排气处理装置包括氧化催化剂和/或选择性催化还原(SCR)催化剂。这种催化剂可能需要最低排气温度以有效地工作，且这通过被布置成从压缩空气向排气处理装置传递热量的热交换器来提供。
在排气处理装置包括SCR催化剂的情况下，所述系统优选包括喷射器，该喷射器被布置成在热交换器的上游喷射用于SCR催化剂的还原剂。由此，在SCR催化剂位于其下游的情况下，喷射器的这种布置可以提供还原剂与排气在到达SCR催化剂之前的良好混合。
优选地，在所述系统包括被布置成从所述至少一个燃烧室中的至少一个接收排气并且使排气膨胀并从排气提取能量的膨胀器的情况下，排气处理装置被布置成从该膨胀器接收排气，且所述系统包括喷射器，该喷射器被布置成将用于SCR催化剂的还原剂喷射在膨胀器的上游或喷射到膨胀器内。
由此，可提供还原剂与排气的特别良好的混合。优选地，所述喷射器可由发动机系统的控制单元控制，以控制还原剂喷射的正时、流量和持续时间。具体地，还原剂喷射的正时和持续时间可以与对一个或多个膨胀器入口阀的致动相协调，以实现还原剂与排气在膨胀器内的良好混合。
优选地，所述系统被布置成使得：在所述系统的运行期间，排气处理装置具有高于150℃的温度，优选高于250℃。如上文所提出的，这可以确保排气处理装置内的有效的过程，例如在该排气处理装置包括SCR催化剂的情况下。
在一些实施例中，所述热交换器是第一热交换器，且所述系统还包括第二热交换器，该第二热交换器被布置成在来自第一热交换器的空气到达所述至少一个燃烧室中的至少一个之前接收该空气，并从排气处理装置接收已处理的排气，第二热交换器被布置成允许空气和排气之间进行热交换。因此，在所述系统的运行期间，所述系统可允许在第二热交换器内将热量从排气传递到空气。因此，通过在进气已经经由第一热交换器向排气处理装置提供热量之后加热该进气，排气中的能量能够被回收。
第二热交换器优选是逆流热交换器。然而，在一些实施例中，第二热交换器可以是平行流热交换器。
有利地，所述热交换器形成用于空气的缓冲空间。该空气缓冲空间降低或消除了对于压缩机出口阀和燃烧室入口阀403的致动正时的关联性的任何要求，以避免由于脉动流动导致的损失。由于该空气缓冲空间，可以放松这种阀致动正时关联性要求，而不会增加脉动流动的风险。由此，可采用更简单且更廉价的阀控制系统。
优选地，在所述系统包括被布置成从所述至少一个燃烧室中的至少一个接收排气并且使排气膨胀并从排气提取能量的膨胀器的情况下，所述系统除了所述排气处理装置以外还包括膨胀器前排气处理装置，该膨胀器前排气处理装置被布置成从所述至少一个燃烧室中的至少一个接收排气以，向排气提供排气处理过程并将已处理的排气输送到膨胀器。该膨胀器前排气处理装置可包括氧化催化剂和/或微粒过滤器。在提供了氧化催化剂和微粒过滤器的情况下，微粒过滤器可位于氧化催化剂的下游。所述系统可进一步布置成使得：在所述系统的运行期间，与热交换器被布置成从压缩空气向其传递热量的排气处理装置的温度相比，该膨胀器前排气处理装置具有明显更高的温度。因此，可以提供排气处理装置沿排气路径的有利分布，从而给出不同的温度，每个温度针对相应的排气处理装置被优化。
应当理解，取决于膨胀器前排气处理装置的提供，膨胀器被布置成从燃烧室接收已处理的或未处理的排气。如果排气被从排气处理装置接收，则所述排气在此应理解为已被处理。
本发明在如下情况下是特别有利的：即，所述系统包括曲轴，且燃烧室包括被布置成在气缸内往复运动并驱动曲轴的活塞。应当理解，所述系统可包括多个燃烧室，每个燃烧室包括被布置成在相应的气缸内往复运动的活塞，由此，所述活塞全部被布置成驱动曲轴。
在其中膨胀器被如上所述地提供的情况下，所述膨胀器优选是被布置成利用所提取的能量驱动曲轴的活塞膨胀器。类似地，所述压缩机可以是被布置成由曲轴驱动的活塞压缩机。因此，本发明可有利地实施在多级压缩和膨胀式发动机中，其中所述压缩机和膨胀器连接到曲轴。如下文所例示的，这种连接可以是直接或间接的。典型地，所述膨胀器可提供发动机的总功率的30％-50％，例如40％，且所述压缩机可取用发动机的总功率的10％至20％。
本发明可有利地实施为发动机系统，其中燃烧室包括燃料喷射器且被布置成在迪塞尔循环中燃烧燃料和所接收的空气的至少一部分。
上述目的也通过根据权利要求26至31中的任一项所述的排气处理单元或根据权利要求32所述的车辆来实现。
在以下描述和从属权利要求中，公开了本发明的进一步的优点和有利特征。
附图说明
参考附图，下面是作为示例给出的本发明的实施例的更详细描述。在这些图中：
图1是卡车形式的车辆的局部剖面侧视图。
图2是图1中的车辆内的发动机系统的示意性透视图。
图3是图2中的发动机系统的示意性截面图。
图4是根据本发明的一个备选实施例的发动机系统的示意性截面图。
图5示出了根据本发明的另一备选实施例的发动机系统的一部分的截面图。
具体实施方式
图1示出了呈卡车或用于半挂车的牵引车形式的车辆。然而，应当注意，本发明适用于各种备选类型的车辆，例如轿车、公交车或诸如轮式装载机的工程机械。该车辆包括内燃发动机系统1。
图2是示意图，并且，为了这种表示的简单起见，没有示出某些部分，例如用于致动发动机系统的气缸中的入口阀和出口阀的装置。发动机系统1包括多级压缩和膨胀式内燃发动机。该发动机包括三个燃烧室4和三个活塞压缩机3，该燃烧室4呈带有活塞的气缸的形式。
所述系统还包括被布置成将压缩空气从压缩机3引导到燃烧室4的空气引导件34。空气引导件34被布置成使得空气引导件34内的空气穿过下文稍后描述的热交换器6。
所述系统还包括三个活塞膨胀器5，所述活塞膨胀器5被布置成使来自燃烧室4的排气膨胀并从膨胀的排气提取能量。排气引导件9被布置成将排气从燃烧室4引导到膨胀器5。排气引导件9包括下文稍后描述的膨胀器前排气处理装置91。排气引导件9进一步被布置成将排气从膨胀器5引导到热交换器6。排气引导件9也被布置成将排气从热交换器6引导到下文稍后描述的膨胀器后排气处理装置8。
应当理解，所述发动机系统可包括任何数量的燃烧室4、压缩机3和膨胀器5。在本示例中，燃烧室4、压缩机3和膨胀器5共享单个热交换器6、单个膨胀器前排气处理装置91和单个膨胀器后排气处理装置8。然而，空气引导件34、热交换器6、排气引导件9、膨胀器前排气处理装置91和膨胀器后排气处理装置8的数量也可以变化。例如，可构思出通向或来自气缸的子组的、多对空气引导件34和排气引导件9，其带有各自的热交换器6。
参考图3，其中仅一个燃烧室4、仅一个压缩机3和仅一个膨胀器5被示出。每个燃烧室4的活塞401被布置成在相应的气缸402内往复运动，由此，这些活塞都被布置成驱动发动机的曲轴2。为简单起见，燃烧室4、压缩机3和膨胀器5被示出为都位于同一截平面内；在本实施例的实际实施中，燃烧室4、压缩机3和膨胀器5优选相对于彼此沿曲轴2偏移。
燃烧室4设置有各自的一组入口阀403和出口阀404，所述入口阀403和出口阀404被布置成以我们已知的方式被致动，例如，利用安装在凸轮轴(未示出)上的凸轮。也如我们已知的，阀403、404的正时和最大移动也可以是可变的。
另外，燃烧室4设置有各自的燃料喷射器405，用于将燃料喷射到气缸402内。在本示例中，燃烧室4被布置成提供迪塞尔循环，以从所提供的空气和燃料提取功。然而，本发明同样适用于其中燃烧室被布置成提供奥托循环的发动机，其中，该发动机系统可设置有用于空气质量流量控制的装置，例如下文中进一步描述的压缩机3的可变入口阀303和可变出口阀304，用于控制向燃烧室4的空气供给。备选地或另外，所述用于空气质量流量控制的装置可包括一个或多个节气门，用于控制向燃烧室4的空气供给。该发动机系统可在燃烧室内设置有火花塞。
膨胀器5的活塞501被布置成利用从来自燃烧室4的排气提取的能量来驱动曲轴2。膨胀器5各自设置有一组入口阀503和出口阀504，所述入口阀503和出口阀504布置成通过安装在凸轮轴(未示出)上的凸轮被致动。如我们已知的，阀503和504的正时和最大移动也可以是可变的。
此外，压缩机3的活塞301全部被布置成由曲轴2驱动。压缩机3各自设置有一组所述入口阀303和出口阀304，所述入口阀303和出口阀304布置成通过安装在凸轮轴(未示出)上的凸轮被致动。如我们已知的，阀303和304的正时和最大移动也可以是可变的。
膨胀器前排气处理装置91被布置成向来自燃烧室4的排气提供排气处理过程。膨胀器前排气处理装置91包括氧化催化剂11和位于氧化催化剂11下游的微粒过滤器12。在本示例中，膨胀器前排气处理装置91具有圆形横截面。
在本示例中，膨胀器后排气处理装置8被提供为选择性催化还原(SCR)催化剂的形式。SCR催化剂8被布置成从膨胀器5接收排气并向所接收的排气提供排气处理过程，如我们已知的，该过程减少了氮氧化物(NOx)。应当注意该膨胀器后排气处理装置8。备选地，膨胀器后排气处理装置8包括氧化催化剂。
所述系统还包括三个喷射器10，所述喷射器10被布置成喷射用于SCR催化剂8的还原剂。每个喷射器10被布置成将还原剂直接喷射到各个膨胀器5内。喷射器10可由控制单元(未示出)控制，以控制还原剂喷射的正时、流量和持续时间。具体地，还原剂喷射的正时和持续时间与对膨胀器入口阀503的致动相协调，以实现还原剂与排气在膨胀器内的良好混合。在备选实施例中，如下文所例示的，喷射器10被布置成将还原剂在膨胀器5的上游且在膨胀器前排气处理装置91的下游喷射到排气引导件9内。
在备选实施例中，可提供单个还原剂喷射器，例如在发动机系统设置有被布置成接收来自多个燃烧室4的排气的单个膨胀器5的情况下。因此，该单个还原剂喷射器可布置成将还原剂喷射在所述单个膨胀器的上游或喷射到所述单个膨胀器内。
应当理解，图2和图3中的系统的多级压缩和膨胀式内燃发动机提供了通过压缩机3对空气的压缩以及通过燃烧室4对空气的进一步压缩。通过燃烧室4提供膨胀，且通过膨胀器5提供进一步的膨胀。这种多级膨胀提供了对发动机的燃烧中的能量的高度利用。结果，膨胀器5下游的排气温度将相对低，例如在50℃-250℃的范围内。这意味着该温度对于SCR催化剂8内的有效的NOx还原过程而言可能过低了。此过程在低于150℃的温度下可能根本无法进行，而且，对于完全有效的该过程而言，温度通常必须达到250℃。
热交换器6提供了针对此问题的解决方案。热交换器6被布置成接收由燃烧室4产生且通过膨胀器5输送的排气。热交换器6进一步被布置成在来自压缩机3的压缩空气到达燃烧室4之前接收该压缩空气。到达热交换器6的压缩空气可具有200℃-450℃的温度，优选为260℃-350℃。
热交换器6被布置成用于所述压缩空气和排气之间的热交换。因此，热交换器6被布置成经由排气将热量传递到膨胀器后排气处理装置8。因此，在排气到达膨胀器后排气处理装置8之前，排气的温度可以升高，以改善膨胀器后排气处理装置8内的过程。热交换器6和膨胀器后排气处理装置8的组合在此也被称为排气处理单元。
除了升高用于所述排气处理过程的温度之外，热交换器6也形成用于空气的缓冲空间。该空气缓冲空间降低或消除了对于压缩机出口阀304和燃烧室入口阀403的致动正时的关联性的任何要求，以避免由于脉动流动导致的损失。由于该空气缓冲空间，可以放松这种阀致动正时关联性要求，而不会增加脉动流动的风险。因此，可采用更简单且更廉价的阀控制系统。
应当理解，热交换器6的空气缓冲空间合适地具有如下的横截面：该横截面大于与热交换器6上游和下游的空气引导件34的部分的局部预期空气流动方向垂直的任何横截面。
所述系统包括机油分离器14，该机油分离器14被布置成从膨胀器5接收排气并在排气到达热交换器6和膨胀器后排气处理装置8之前从排气中分离出机油。由此，例如通过膨胀器5引入到排气中的机油将被从排气中去除，从而避免或减少了机油可能对膨胀器后排气处理装置8的有害影响。
图3中的膨胀器5在此也被称为第一膨胀器5。另外，所述系统可包括一个或多个第二膨胀器15，该第二膨胀器15被布置成接收来自膨胀器后排气处理装置8的排气，并且使排气膨胀并从膨胀的排气提取能量。在图3中示意性地示出的第二膨胀器15可如图3中以虚线153所示地机械连接到另外的压缩机31。所述另外的压缩机31可布置成在进气到达活塞压缩机3之前压缩该进气。
参考图4，其示出了根据本发明的备选实施例的发动机系统。本实施例与参考图2至图3描述的实施例共享一些基本特征。然而，也提供了一些进一步的有利特征。
图4中的发动机系统包括第一热交换器6，该第一热交换器6被与图3中的发动机系统内的热交换器类似地布置。另外，图4中的系统包括第二热交换器7。第二热交换器7在第一热交换器6和燃烧室4之间设置在空气引导件34的路径内。因此，第二热交换器7被布置成在来自第一热交换器6的空气到达燃烧室4之前接收该空气。
此外，第二热交换器7在膨胀器后排气处理装置8的下游设置在排气引导件9的路径内，因此被布置成从排气处理装置8接收已处理的排气。因此，第二热交换器7被布置成允许在空气和排气之间进行热交换。特别地，在第二热交换器7中，热量可从排气传递给空气。由此，通过在进气已经经由第一热交换器6向用于膨胀器后排气处理装置8的排气提供热量之后加热该进气，排气中的能量能够被回收。
图4中的系统还包括三个喷射器10，所述喷射器10被布置成将用于SCR催化剂8的还原剂在膨胀器5的上游且在膨胀器前排气处理装置91的下游喷射到排气引导件9内。更具体地，每个喷射器10被布置成将还原剂喷射到排气引导件9的一个相应分支901内，参见图2。每个分支901被布置成将排气从该排气引导件的非分支部分引导到相应的一个膨胀器5。喷射器10可由控制单元(未示出)控制，以控制还原剂喷射的正时、流量和持续时间。具体地，每个喷射器10的还原剂喷射的正时和持续时间与对相应的膨胀器入口阀503的致动相协调，以实现还原剂与排气在各个膨胀器5内的良好混合。
参考图5，其给出了本发明的另一实施例的细节。在图3和图5的实施例中，(第一)热交换器6被布置成经由所述排气将热量传递到膨胀器后排气处理装置8。作为备选方案，热量可以以更直接的方式被传递。在图5的示例中，热交换器6和膨胀器后排气处理装置8成一体。
热交换器6包括将空气和排气分离的壁601。应当理解，该热交换器优选包括多个这种壁，例如彼此平行地布置的壁。这样的多个壁可限定交替的、用于空气的腔和用于排气的腔。
膨胀器后排气处理装置8包括在壁601的排气侧(即，在所述壁的面向被布置成容纳排气的腔的一侧)的排气处理层801。排气处理层801优选是催化剂。因此，热交换器6的排气部分在本示例中被涂覆有催化剂。这种一体化减小了热交换器6和膨胀器后排气处理装置8的组合的总体积。而且，这种一体化增强了热传递，因此用于缩短在发动机系统的冷起动过程期间达到“工作的催化剂”的时间。
应当注意，除成成一体的催化剂801之外，膨胀器后排气处理装置8也可具有被布置成经由排气从热交换器6接收热量的部分，例如如图3所示地通过位于该热交换器的下游。
如图5中可见，热交换器6的所述壁601具有在壁601的空气侧(即，所述壁的面向被布置成容纳空气的腔的一侧)的多个突出凸缘602。这种凸缘602将增强壁601从压缩空气的热量吸收，以用于将热量传递到排气处理层801。
在参考图2至图4描述的实施例中，压缩机3的活塞和膨胀器5的活塞通过各自的连杆直接连接到曲轴2。在备选实施例中，压缩机3的活塞和膨胀器5的活塞可例如经由另外的曲轴以及所述曲轴之间的链条、皮带或齿轮连接件而间接连接到曲轴2。
应当理解，本发明不限于上文描述和附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将意识到，在所附权利要求书的范围内，可以做出许多修改和变型。