具有需要还原剂的排气后处理系统的内燃发动机和利用还原剂富集排气的方法与流程

本发明涉及具有用于从至少一个汽缸排放排气的排气排放系统的内燃发动机，其中：

在至少部分时间内需要供应还原剂的至少一个排气后处理系统被布置在排气排放系统中，

提供设备，用于在至少一个排气后处理系统上游将还原剂引入排气排放系统中，以及

带有涡轮机壳的涡轮机在排气排放系统中被布置在至少一个排气后处理系统上游，该涡轮机壳容纳安装在可旋转轴上的至少一个叶轮并且包括用于供应排气的入口区域和用于排放排气的出口区域，其中该入口区域位于至少一个叶轮上游，并且属于排气排放系统的出口区域位于至少一个叶轮下游，并且提供至少一个流道，所述至少一个流道运送排气并且将入口区域经由叶轮连接到出口区域。

本发明还涉及用于操作此类内燃发动机的方法。

背景技术：

内燃发动机被用作例如机动车辆驱动装置。在本发明的背景中，术语“内燃发动机”涉及柴油发动机和汽油发动机，但是也涉及混合动力内燃发动机(即通过混合燃烧过程来操作的内燃发动机)以及混合动力驱动装置，该驱动装置以及内燃发动机包括用于驱动机动车辆的至少一个额外扭矩源，例如电动马达，其被连接到或能够连接到内燃发动机以用于驱动目的，并且其替代内燃发动机或除内燃发动机之外产生动力。

根据现有技术，内燃发动机被装配有各种排气后处理系统以便减少污染物排放。

在汽油发动机中，使用催化转化器，其通过使用提高某些反应的速度的催化材料即使在低温下也能确保hc和co的氧化。如果还要减少氮氧化物nox，则可以通过使用三元催化转化器来实现，然而为此需要汽油发动机在非常窄的范围内的化学计量操作(λ≈1)。这里，氮氧化物nox通过存在的未氧化的排气组分即一氧化碳co和未燃烧的碳氢化合物hc来还原，其中这些排气组分同时被氧化。

通常并且在本发明的上下文中，空气比λ被定义为实际供应到内燃发动机的至少一个汽缸的空气质量与完全氧化供应到至少一个汽缸的燃料质量所需要的化学计量(stoichiometric)空气质量的比率(λstoich＝1)。

在以过剩的空气运行的内燃发动机(例如，直喷式柴油发动机或直喷式汽油发动机)中，排气中存在的氮氧化物nox由于其工作原理(即由于没有还原剂)而不能减少。

因此，必须提供用于减少氮氧化物的排气后处理系统，例如存储型催化剂，也被称为lnt。这里，氮氧化物最初在内燃发动机的稀燃操作(λ>1)期间被吸附(即收集和储存)在催化剂中，以便随后在再生阶段期间被还原，例如通过氧气短缺的内燃发动机的亚化学计量操作(λ<1)的方式，其中排气中存在的未燃烧的碳氢化合物hc和一氧化碳co被用作还原剂。

用还原剂(特别是未燃烧的碳氢化合物)富集排气的进一步发动机内部可能性是排气再循环(egr)和阻塞进气系统中的增压空气。这两种措施都减少了通过内燃发动机传导的增压空气质量或新鲜空气质量，从而降低了空气比λ。由于所提供的空气质量减少而发生富集。

关于内燃发动机的亚化学计量操作(λ<1)，即富集，必须考虑到引入和维持亚化学计量操作并不总是可能的，或者仅在一些限制条件下是可能的。造成这种情况的原因有很多，这根据内燃发动机运行时的瞬时负载而变化。

在低负荷下，不能通过富集操作来确保稳定的燃烧，特别是在使用压缩点火时。可能发生点火失火或混合物的不完全燃烧。结果是不希望的高污染物排放，特别是未燃烧的碳氢化合物hc的排放。在中等负载范围内，经常发生负载变化。瞬态操作条件使得难以保持恒定的空气比并且在某些情况下使富集成为不可能。在高负荷、相对高负荷和非常高负荷的区域中，亚化学计量操作通常由最大允许排气温度控制，其中排气温度通常受排气排放系统中存在的组分或其热负荷容量的限制，例如，排气涡轮增压器的涡轮机、排气后处理系统或排气再循环。在这种情况下，应该记得排气温度通常在富集时升高。

用未燃烧的碳氢化合物富集排气(也被称为hc富集)也可以通过将额外的燃料后喷射到内燃发动机的至少一个汽缸中来实现。喷射的燃料不会被仍在进行的主燃烧或者即使在主燃烧结束后仍然存在的高燃烧气体温度在燃烧室中点燃，而是在负载变化期间以未燃烧状态被引导到催化转化器上游的排气排放系统中。

使用后喷射的内燃发动机本质上易于被未燃烧的碳氢化合物稀释或污染油。取决于后喷射的燃料的量和喷射时间，不同比例的后喷射燃料到达汽缸内壁，在那里它与粘附的油膜混合，从而有助于油稀释。

如果将还原剂直接引入排气排放系统中，例如通过在至少部分时间内需要供应还原剂的排气后处理系统的上游的喷射来引入，则可以省略发动机内部措施。

在作为本发明的主题的内燃发动机和方法中，为了排气富集，还原剂在至少一个排气后处理系统的上游被引入排气排放系统中。但是也可以提供进一步的排气富集措施，特别是发动机内部的措施。

存储型催化剂仅是在至少部分时间内需要供应还原剂的排气后处理系统的一个示例。作为存储型催化剂的替代或补充，可以提供选择性催化剂(也被称为scr催化剂)以减少氮氧化物。关于还原剂的供应，针对存储型催化剂所做的陈述同样适用。合适的还原剂也可以是未燃烧的碳氢化合物以及氨nh3和尿素，它们用于选择性地还原氮氧化物。后一种还原剂以目标方式引入排气中，即直接引入排气排放系统中。

为了使碳烟微粒的排放最小化，可以使用所谓的再生微粒过滤器，其将碳烟微粒从排气中过滤出来并储存它们，其中这些碳烟微粒可以在过滤器再生期间被间歇地燃烧。为此，需要排气中的氧气或过量的空气来氧化过滤器中的碳烟，这可以例如通过内燃发动机的超化学计量操作(λ>1)来实现。

在没有催化载体的情况下再生微粒过滤器所需的约550℃的高温仅在高负荷和高转速下的操作中实现。因此，必须使用额外的措施来保证在所有操作条件下再生过滤器。

可以通过向排气排放系统中喷射额外的燃料来加热微粒过滤器，其中喷射的薄膜在排气排放系统中被氧化或燃烧，使得在微粒过滤器的上游或内部增加排气温度。

就此而言，微粒过滤器是在至少部分时间内需要供应还原剂(即燃料)的排气后处理系统的另一个示例。

通过将还原剂直接引入排气排放系统中确实可以消除通过发动机内部措施或后喷射进行富集所产生的问题。但是这种用还原剂富集排气的概念也需要特别的预防措施，因为希望并且必须确保引入的还原剂与热排气的充分混合，即最大化的均质化。根据现有技术，还原剂因此在排气后处理系统的上游很远的距离处被引入排气排放系统中，由此实现足够长的混合管线。然而，该措施与驱动单元的致密封装相抵触。

此外，尽管原则上排气路线应尽可能短，以便排气几乎没有时间冷却并且排气后处理系统尽可能快地达到其工作温度或起燃温度(特别是在内燃发动机冷起动之后)，但是热排气到排气后处理系统的路径延长了。排气排放系统在汽缸出口与排气后处理系统之间的部分的热惯性不利地增加了。

技术实现要素：

在上述背景中，本发明的一个目的是提供一种根据优选实施例所述的内燃发动机，其在排气后处理方面被改进。

本发明的进一步部分目的是提供一种用于操作这种内燃发动机的方法。

第一部分目的通过一种内燃发动机来实现，其具有用于排放来自至少一个汽缸的排气的排气排放系统，其中：

在至少部分时间内需要供应还原剂的至少一个排气后处理系统被布置在排气排放系统中，

提供用于在至少一个排气后处理系统上游将还原剂引入排气排放系统中的设备，以及

带有涡轮机壳的涡轮机在排气排放系统中被布置在至少一个排气后处理系统上游，该涡轮机壳容纳安装在可旋转轴上的至少一个叶轮并且包括用于供应排气的入口区域和用于排放排气的出口区域，其中该入口区域位于至少一个叶轮上游，并且属于排气排放系统的出口区域位于至少一个叶轮下游，并且提供至少一个流道，该至少一个流道运送排气并且将入口区域经由叶轮连接到出口区域，

并且其中：

涡轮机壳包括至少一个混合室，该至少一个混合室在出口区域上游经由至少一个排气供应管线连接到运送排气的至少一个流道，并且在至少一个叶轮下游经由至少一个计量管线连接到排气排放系统，其中还原剂能够借助于所述设备被引入至少一个混合室中。

根据本发明，内燃发动机的至少一个涡轮机被装配有至少一个混合室，其中热排气和还原剂两者被引入并混合。

为此，至少一个混合室被集成到涡轮机壳中，排气从涡轮机的叶轮区域(即从通过叶轮的流道)被引导到混合室中。借助于用于引入还原剂的设备，还原剂被引入存在于混合室中的热排气中。排气和还原剂进行混合，其中排气和还原剂的混合物在至少一个叶轮的下游被引入排气排放系统中。以此方式，在至少一个排气后处理系统的上游用还原剂富集排气。

优选地，排气被从排气排放系统传送到混合室中，并且与还原剂一起在压力下返回到排气排放系统。

首先，由于排气在经过涡轮机或叶轮的通道时膨胀，因此在叶轮区域中的排气提取点与排气和还原剂的混合物被引入排气排放系统中的位置之间存在正驱动压力梯度。

其次，将还原剂引入热排气中所导致的效果发挥作用。如果使用液体还原剂，则引入的还原剂将蒸发。蒸发热是从热排气中汲取的。这与温度下降相关联。由于引入的还原剂的蒸发，混合室中的压力和排气/还原剂混合物的压力以及因此混合室与排气排放系统之间的压力差在至少一个叶轮的下游处增加，其中该压力差作为驱动压力梯度将排气/还原剂混合物传送到排气排放系统中。在个别情况下，即在使用液体还原剂时，产生额外的自输送效果，这是由于或基于气态排气/还原剂混合物中增加的压力趋于降低的事实。

上述效果和过程也促进了排气与还原剂的混合，从而显著地改善混合物的均质化。

为了充分均质化所必需的混合管线显著缩短，从而可以在排气后处理系统的上游较短距离处将还原剂引入排气排放系统中。以此方式，驱动单元的更致密封装是有可能的。

热排气直至排气后处理系统的路径被缩短，由此排气具有较少的时间来冷却下来。排气排放系统在汽缸出口与排气后处理系统之间的部分的热惯量有利地减小，由此排气后处理系统更快地达到其工作温度或起燃温度，特别是在内燃发动机的冷起动之后。

可以忽视在排气排放系统中提供混合设备，该混合设备定期向排气提供可变的流动阻力和相关的压降。

通过根据本发明的内燃发动机，实现了本发明所基于的第一部分目的，即提供了根据优选实施例所述的内燃发动机，其在排气后处理方面得以改善。

根据本发明的内燃发动机的进一步有利实施例结合可选示例进行解释。

内燃发动机的一些实施例的有利之处在于喷射喷嘴被布置在每个计量管线中。

喷射喷嘴支持排气/还原剂混合物在排气排放系统中或在涡轮机壳的出口区域中的宽域分布，这进一步促进排气与还原剂的混合并因此促进均质化。

因此，喷射喷嘴可以被布置在计量管线中，或者计量管线本身可以在多个部分中(优选在口区中，即在出口开口处)被配置或形成为喷嘴(即呈现为喷嘴形式)。

内燃发动机的一些实施例的有利之处在于至少一个混合室经由至少一个计量管线连接到出口区域。

在当前情况下，计量管线不在涡轮机叶轮与排气后处理系统之间的任意随机点处通入排气排放系统中，而是在涡轮机壳的出口区域中并且因此在叶轮的正下游通入排气排放系统中。

以此方式，用于均质化所必需的混合管线被尽可能地缩短，其中额外地利用了流过涡轮机的排气流在离开涡轮机叶轮后特别紊乱的有利效果。后者促进了排气与还原剂的混合或者均质化。

内燃发动机的一些实施例的有利之处在于涡轮机壳具有混合室，该混合室在出口区域上游经由排气供应管线连接到运送排气的流道。

在当前情况下，涡轮机壳具有单个混合室，其中仅提供一个排气供应管线来供给该混合室。必须考虑到为涡轮机壳装配混合室和供应管线与去除壳体材料相关联，这将弱化涡轮机的强度。此外，涡轮机壳通常是铸造件，其中管线和腔室是在铸造期间通过砂芯生产的。提供的腔室和管线越多，通过铸造生产的铸造件越复杂且成本越高。

内燃发动机的一些实施例的有利之处在于至少一个混合室形成为环形道，该环形道在至少一个叶轮下游至少部分包围排气排放系统，其中若干计量管线离开环形道并且每个都在排气侧上经由出口开口通入排气排放系统。

内燃发动机的一些实施例的有利之处在于至少一个环形道完全围绕排气排放系统。

通过每个混合室作为环形道的这种设计，有可能在涡轮机叶轮与排气后处理系统之间的几个点处将排气/还原剂混合物引入排气排放系统中。该程序支持或简化了排气/还原剂混合物在排气排放系统中或涡轮机壳的出口区域中的宽域分布，其中同样促进了排气与还原剂的混合，并因此促进了均质化。

在该背景下，内燃发动机的一些实施例的有利之处在于至少一个混合室形成为环形道，该环形道在至少一个叶轮的下游至少部分包围出口区域，其中若干计量管线离开环形道并且每个都在排气侧上经由出口开口通入出口区域。

在当前情况下，计量管线通入涡轮机壳的出口区域并且因此在叶轮的正下游通入排气排放系统，由此有利地进一步改善均质性并进一步缩短混合管线。在此参考上文做出的解释和评论。

内燃发动机的一些实施例的有利之处在于涡轮机是排气涡轮增压器的涡轮机，该排气涡轮增压器包括涡轮机和布置在同一轴上的压缩机。

充气是用于在不改变容量的情况下增加内燃发动机的功率的合适手段，或者用于针对相同的功率减小容量。在任何情况下，充气都导致功率-体积比增加或更有利的功率-质量比。如果容量减小，则负载总集朝向较高的负载转移，此时比燃料消耗较低。充气与合适的齿轮比组合也可以允许所谓的自动降速(downspeeding)，其中也可以实现较低的比燃料消耗。

因此，在内燃发动机的发展过程中，充气支持最小化燃料消耗的恒定目标，即改善内燃发动机的效率。

在排气涡轮增压器中，压缩机和涡轮机被布置在同一轴上。热排气流被供应给涡轮机并膨胀，从而释放能量给涡轮机，由此将轴设置为转动。从排气流释放给涡轮机并最终释放给轴的能量被用于驱动也布置在该轴上的压缩机。压缩机传送并压缩供应给它的充气空气，从而对汽缸进行充气。有利地，在进气系统中压缩机的下游提供充气冷却器，其在被压缩的充气空气进入至少一个汽缸之前将其冷却。冷却器降低充气空气的温度并因此增加充气空气的密度，从而冷却器也有助于更好地填充汽缸，即更大的空气质量。压缩通过冷却来实现。

内燃发动机的一些实施例的有利之处在于在至少部分时间内需要供应还原剂的至少一个排气后处理系统是用于减少氮氧化物的选择性催化转化器。

特别地，选择性催化转化器需要排气与还原剂的良好混合。

由于氨(nh3)的毒性，单纯形式的氨通常不被存储在机动车辆中并被提供作为还原剂。相反，经常使用尿素作为生产氨的起点，或者使用燃料作为还原剂。

内燃发动机的一些实施例的有利之处在于在至少部分时间内需要供应还原剂的至少一个排气后处理系统是用于减少氮氧化物的存储型催化剂。

在再生阶段期间，氮氧化物(nox)被释放并且基本上被转化为氮气(n2)、二氧化碳(co2)和水(h2o)。存储型催化剂的温度应该优选处于200℃至450℃的温度窗口内，使得首先确保快速减少，并且其次不会在没有转化重新释放的氮氧化物nox的情况下发生解吸，这可能由过高的温度触发。

使用存储型催化剂的一个困难源自于排气中所包含的硫，其也可能被吸收并且必须通过所谓的脱硫工艺定时地去除。为此，存储型催化剂必须被加热到高温，一般在600℃至700℃之间，并且被供应还原剂，例如未燃烧的碳氢化合物。

内燃发动机的一些实施例的有利之处还在于在至少部分时间内需要供应还原剂的至少一个排气后处理系统是用于减少碳烟排放的微粒过滤器。

内燃发动机的一些实施例的有利之处在于还原剂是燃料。

由于氨的毒性，以及在scr催化剂出故障的情况下不仅氮氧化物而且氨都能达到环境的事实，可能有利的是使用燃料作为还原剂。如果燃料被用于还原，则不需要额外的容器来存储还原剂。

内燃发动机的一些实施例的有利之处还在于还原剂是尿素。

可以以液体形式(即作为水溶液)来存储并提供尿素。但是也有可能以固体形式提供尿素。一种优势在于固体形式的尿素是较小体积的，并且固体尿素以较高的氨含量区别于水溶液。因此存储容器可以具有较小的存储体积，这构成一种实质的优势，特别是涉及在机动车辆中的用途，其中目标是使封装尽可能致密且有效。其次，相比于将尿素提供为水溶液的变体，假定有相同体积的存储容器，则容器必须被再填料的时间间隔被延长。而且，必须考虑到尿素水溶液具有相当高的冰点，并且即使在13℃附近溶液也会从液态转变到凝结态(即固态)。这需要复杂且价格昂贵的措施或设备来用于防冻或融化。

尽管如此，内燃发动机的一些实施例的有利之处可以在于还原剂是氨。

本发明所基于的第二部分目的，即提供一种用于操作上述类型的内燃发动机的方法，通过如下用于操作内燃发动机的方法来实现，其中用于减少氮氧化物的选择性催化转化器被布置在排气排放系统中，其中液态尿素借助于所述设备被引入至少一个混合室中以便用还原剂富集排气。

上文做出的关于根据本发明的内燃发动机的陈述也适用于根据本发明的方法，为此参考对应的陈述。

附图说明

现在参考图1中所示的示例性实施例在下面更详细地解释本发明。附图中示出：

图1以沿着涡轮机叶轮的轴的部分截面示出布置在排气排放系统中的涡轮机的第一实施例。

具体实施方式

图1示以沿着涡轮机叶轮4的轴4a的部分截面示出布置在排气排放系统1中的涡轮机2的第一实施例。

涡轮机2是径向涡轮机，其包括涡轮机壳2a和叶轮4，叶轮4被布置在该涡轮机壳2a并且安装在可旋转轴4a上。

涡轮机壳2a具有用于供应排气的入口区域6以及用于排放排气的出口区域7。入口区域6位于叶轮4的上游。为了使排气能够在径向上流到叶轮4的旋转叶片上，在入口区域6中涡轮机壳2a被形成为围绕叶轮4排布并围绕叶轮4以螺旋形延伸的螺旋形壳体。属于排气排放系统1的出口区域7被布置在叶轮4的下游并且也直接毗邻叶轮4。出口区域7同轴排布到叶轮4的轴4a。

在当前情况下，涡轮机2是单流涡轮机，其中运送排气的流道5经由叶轮4将入口区域6连接到出口区域7。

涡轮机壳2a具有混合室3a，混合室3a经由排气供应管线3b连接到在叶轮4的区域中运送排气的流道5，并且经由若干计量管线3c在叶轮4下游连接到排气排放系统1。

计量管线3c通入涡轮机壳2a的出口区域7并且因此在叶轮4的正下游通入排气排放系统1。因此，为了均质化而必需的混合管线被尽可能地缩短。

利用设备3，可以将还原剂(例如液态尿素)引入到混合室3a中，设备3的喷射器3'被致动以用于此目的。存在于混合室3a中的热排气与引入的还原剂混合。排气/还原剂混合物经由若干计量管线3c在叶轮4的下游被引入排气排放系统1中，由此在排气后处理系统(未示出)上游用还原剂富集排气。

排气被传送出排气排放系统1并进入混合室3a，并且与所引入的还原剂一起在压力下返回到排气排放系统1中，这是因为在叶轮区域中的排气提取点处(即在排气供应管线3b的入口开口3b'处)的排气压力高于排气与还原剂的混合物被引入排气排放系统1中的位置处(即计量管线3c的出口开口3c'处)的压力。

而且，液体还原剂在引入热排气中时至少部分蒸发。所引入的还原剂的蒸发增加了混合室3a中的压力和排气/还原剂混合物的压力。产生了自传送效应，其中排气/还原剂混合物逸入排气排放系统1中并因此被传送。

在当前情况下，混合室3a被形成为环形道3a'，其完全围绕排气排放系统1或涡轮机壳2a的出口区域7。以此方式，有可能在若干点处将排气/还原剂混合物引入排气排放系统1中并且实现排气/还原剂混合物在排气排放系统1中的宽域分布。排气与还原剂的混合并且因此均质化被提高。

另外，计量管线3c在其开口区域中(即在出口开口3c'处)形成为喷嘴3d。

附图标记列表

1排气排放系统

2涡轮机，径向涡轮机

2a涡轮机壳

3用于引入还原剂的设备

3′用于引入还原剂的设备的喷射器

3a混合室

3a′环形道

3b排气供应管线

3b′入口开口

3c计量管线

3c′出口开口

3d喷射喷嘴

4叶轮

4a可旋转轴，旋转轴线

5运送排气的流道

6入口区域

7出口区域