用于给连接至内燃发动机的具有SCR催化器的废气净化设备调温的方法与流程

用于给连接至内燃发动机的具有scr催化器的废气净化设备调温的方法
技术领域
1.本发明涉及一种用于给连接至内燃发动机的具有scr催化器的废气净化设备调温的方法。


背景技术：

2.为了减少内燃发动机废气所含的氮氧化物(nox)，为此所用的scr催化器需要约200℃的最低温度。但在尤其较长持续时间的低负荷运行中，若没有相应的应对措施，废气温度和进而还有催化器温度则降低到低于该值，故随后无法实现从废气中去除nox或无法再充分实现nox去除。为了消除该缺点，在de 10 2004 026 797 a1中提出，通过废气涡轮增压器的压缩机所压缩的燃烧空气与未经冷却的回输废气混合。这提高燃烧空气的温度并同时降低燃烧空气比，这又导致废气温度升高和进而scr催化器温度升高。为了进一步提高温度水平，燃烧空气可被引导经过增压空气冷却器的旁路。


技术实现要素：

3.但事实表明所述措施并非总是导致充分提高催化器温度。本发明的任务因此是指明一种方法，其允许有效调节连接至内燃发动机的具有scr催化器的废气净化设备的温度，尤其是内燃发动机低负荷运行时有效升高催化器温度。
4.该任务利用具有权利要求1的特征的方法来完成。在从属权利要求中说明本发明方法的有利设计。
5.在根据本发明的用于给连接至内燃发动机的具有scr催化器的废气净化设备调温的方法中，通过增压空气冷却器和/或通过未被加热的第一增压空气冷却器旁路和/或通过可随发动机冷却剂被加热的第二增压空气冷却器旁路给内燃发动机供应压缩后的燃烧空气，其中，在内燃发动机的低负荷运行期间至少依据发动机冷却剂温度，至少主要通过未被加热的第一增压空气冷却器旁路或是至少主要通过可随发动机冷却剂加热的第二增压空气冷却器旁路给内燃发动机供应压缩后的燃烧空气。第二增压空气冷却器旁路的加热通过安置在其中的集成到内燃发动机的冷却剂循环中的换热器进行。增压空气冷却器、第一增压空气冷却器旁路和第二增压空气冷却器旁路就流动而言并行布置，其中，各自燃烧空气路径的流经可以优选通过可受控驱动的关闭阀被调节。内燃发动机可以是用于轿车或卡车的内燃发动机。虽然内燃发动机可设计为外源点燃式发动机，但该方法因为较低的废气温度而特别适合用在柴油机中。如果涉及的是内燃发动机的低负荷运行范围，则它可以在最简单情况下被限制到低于发动机负荷的60％或低于其约50％的负荷范围。低负荷运行范围的准确确定可以在燃料供应的情况下针对约3巴的平均压力也通过以下用于发动机转速上限公式来设定：
6.dz＝uldz+f*(dznl
–
uldz)
7.在此，dz表示转速上限，uldz表示空载转速下限，dznl表示额定负荷下的转速，f表
示约0.6的倍增系数。
8.对于具有约为800转/分钟的下限空载转速假定值和在额定负荷下的约3000转/分钟的转速假定值的轿车，因此按照用于低负荷范围的0.6的系数f得到2720转/分钟的转速上限。
9.对于具有约为500转/分钟的下限空载转速假定值和在额定负荷下的约1700转/分钟的转速假定值的重型卡车，按照0.6的系数f对于低负荷范围得到1220转/分钟的转速上限。
10.通过提供可通过发动机冷却剂被加热的第二增压空气冷却器旁路，可以与未被加热的第一增压空气冷却器旁路一起灵活地尤其对在低负荷下存在的工作条件作出反应，并且视发动机冷却剂的当前温度而根据需要获得特别有效的燃烧空气温度升高。作为用于经由第一增压空气冷却器旁路或是经由第二增压空气冷却器旁路的针对内燃发动机的燃烧空气供应的调设标准，可以除了发动机冷却剂温度外还考虑废气净化设备的温度。
11.在本发明方法的一个有利设计中规定，在内燃发动机的低负荷范围内，当低于用于发动机冷却剂温度的阈值时至少主要通过未被加热的第一增压空气冷却器旁路给内燃发动机供应压缩后的燃烧空气。在此，“至少主要”是指被供入内燃发动机的压缩后的燃烧空气的至少大部分、优选超过75％、超过80％、特别优选至少近似100％。或许存在的少量余量通过可被加热的第二增压空气冷却器旁路被供入内燃发动机。
12.相反，在该方法的其它设计中规定，在内燃发动机的低负荷范围内，当高于用于发动机冷却剂温度的阈值时，至少主要经由可被加热的第二增压空气冷却器旁路给内燃发动机供应压缩后的燃烧空气。在此，以上所做说明可变通地适用于经由第二增压空气冷却器旁路所输送的燃烧空气部分。或许存在的少量剩余燃烧空气在此情况下经由未被加热的第一增压空气冷却器旁路被供入内燃发动机。该工作方式尤其出现在废气净化设备的温度达到或低于可预定的下限值或者确定即将面临低于下限值时。下限值在此优选约为250℃。如果高于下限值，则并非总是必然需要升高废气净化设备的温度，并且燃烧空气也可以至少大部分、优选至少近似完全经由第一增压空气冷却器旁路被供入内燃发动机。
13.在本发明方法的其它设计中，用于发动机冷却剂温度的阈值通过判断压缩后的燃烧空气在低负荷下是否至少主要经由未被加热的第一增压空气冷却器旁路或是至少主要经由可用发动机冷却剂加热的第二增压空气冷却器旁路被供入内燃发动机而处于45℃至70℃的范围内。在此，可以针对阈温度设定1℃至20℃的滞后。由此避免在发动机冷却剂温度接近阈值时的频繁切换。虽然可以在发动机单元内的冷却剂路径中确定重要的发动机冷却剂温度，但在本发明的其它设计中规定冷却剂输出温度是决定性的。在此，优选在内燃发动机的冷却剂出口处或在设于第二增压空气冷却器旁路中的换热器的冷却剂入口处或在位于其间的管路区域内测量冷却剂输出温度。
14.在本发明方法的其它设计中规定，在内燃发动机的低负荷范围内未经冷却地将压缩后的燃烧空气与回输废气混合。从废气管线回输入供风道的废气可能源自低压废气回输，但优选源自高压废气回输，即，废气在供应至废气管线的废气涡轮增压器涡轮机之前就已被取出。在此，最好在增压空气冷却器的下游进行回输废气与燃烧空气的混合。为了增加回输的废气质量流，还可以对内燃发动机被供以的燃烧空气进行节流。为此，可以相应操作优选在增压空气冷却器下游设于进气道内的进风节流阀。
15.在该方法的其它设计中，当高于用于内燃发动机运行的预定负荷点时且在高于用于废气净化设备的预定温度下限时，至少主要通过增压空气冷却器给内燃发动机供应压缩后的燃烧空气。优选在此情况下至少近似完全经由增压空气冷却器给内燃发动机供应压缩后的燃烧空气，即，在未被加热的第一增压空气冷却器旁路的和可被加热的第二增压空气冷却器旁路的流动路径中关闭各自设置的关闭阀。还优选规定，压缩后的燃烧空气与经由agr冷却器输送的冷却后废气混合，即，经过agr冷却器旁路的废气输送路径被关闭。在此，在增压空气冷却器下游进行回输废气与压缩后的燃烧空气的混合。
16.在该方法的其它设计中，当高于用于内燃发动机运行的预定负荷点时且在低于用于废气净化设备的预定温度下限时，至少主要通过增压空气冷却器以及未被加热的第一增压空气冷却器旁路两者给内燃发动机供应压缩后的燃烧空气。优选地，压缩后的燃烧空气至少接近100％地通过增压空气冷却器以及未被加热的第一增压空气冷却器旁路二者而被供入内燃发动机。在此情况下，设于可加热的第二增压空气冷却器旁路的空气流动路径中的关闭阀被关闭，在未被加热的第一增压空气冷却器旁路的空气流动路径中或经过增压空气冷却器的空气路径中的相应的关闭阀至少近似全开。内燃发动机被供以的压缩后的燃烧空气的分配因此来自最后提到的两个燃烧空气路径的流动阻力。也在此工作方式中优选规定，压缩后的燃烧空气在增压空气冷却器下游与输送经过agr冷却器的冷却后废气混合。
17.针对上述两种工作方式所设定的负荷点优选为大于内燃发动机额定负荷的60％、尤其是大于70％、特别优选大于80％。针对上述两种工作方式所设定的废气净化设备温度下限优选在160℃至250℃的范围内，尤其在180℃至210℃的范围内。通过这种方式，可以将安置在废气净化设备中的scr催化器很可靠地保持在优选的工作温度范围内。对于内燃发动机的负荷点以及对于废气净化设备的温度下限都可以规定在额定负荷的约10％至20％或在5℃至50℃的范围内的切换滞后。
18.在该方法的其它设计中规定，在高于在内燃发动机的进风弯头内的预定的第一温度阈值的情况下至少主要通过增压空气冷却器给内燃发动机供应压缩后的燃烧空气。优选地，压缩后的燃烧空气至少近似完全经由增压空气冷却器被供入内燃发动机。第一温度阈值在此优选在90℃至170℃的范围内，尤其优选在110℃至150℃的范围内。
19.在本发明的其它设计中，当高于内燃发动机的进风弯头内的第二可预定的温度阈值时，压缩后的燃烧空气在增压空气冷却器下游与输送经过agr冷却器的冷却后的回输废气混合，其中，第二温度阈值高于第一温度阈值。废气回输在此优选通过高压agr段进行。第二温度阈值优选在100℃至180℃的范围内，尤其优选在120℃至160℃的范围内。
附图说明
20.以下，结合唯一的图和所属例子来详细解释本发明。
21.图1在此示出由内燃发动机和与之连接的废气净化设备以及对应的空气供应系统组成的总系统。
具体实施方式
22.在图1中仅举例示意性示出的总系统包括内燃发动机1，其具有相连的废气净化设备2和连接于进气侧的空气供应系统3以及高压agr系统4，其中，未绘制出并非优先与本发
明相关的组成部分。
23.内燃发动机1(以下简称为发动机)在此设计成机动车的四缸柴油发动机，但未限制一般性。发动机1通过通入进风弯头18中以便给各个发动机气缸供应燃烧空气的供风管线8获得其用于燃料燃烧的燃烧空气。吸入的燃烧空气可以通过废气涡轮增压器的设于供风管线8中的压缩机6被压缩。压缩后的燃烧空气可以被引导经过设置在供风管线8中的增压空气冷却器10且同时被冷却。在压缩机6的下游且在增压空气冷却器10的上游，第一增压空气冷却器旁路11和第二增压空气冷却器旁路12从供风管线8分支出并且在增压空气冷却器10的下游又通入供风管线8。
24.借助设置在第二增压空气冷却器旁路12中的且可被发动机冷却剂流过的换热器13，压缩后的燃烧空气可按需在被供应给发动机1之前被加热。换热器13为此被集成到未被详细示出的发动机冷却剂循环中，使得从发动机1流出的发动机冷却剂进入换热器13。而第一增压空气冷却器旁路11设计成没有换热器元件。流过第一增压空气冷却器旁路11的压缩后的燃烧空气因此以近似未变的温度再次进入供风管线8。为了将燃烧空气流分配至流过增压空气冷却器10、第一增压空气冷却器旁路11和第二增压空气冷却器旁路12的空气路径，设有可控的关闭阀14、15、16。在此，第一关闭阀14经过增压空气冷却器10的空气路径内设于增压空气冷却器10的下游。或者，关闭阀14也可以位于增压空气冷却器10的上游。设置在第一增压空气冷却器旁路11中的第二关闭阀15允许控制流过该空气路径的燃烧空气流。在第二增压空气冷却器旁路12中设于换热器13上游的第三关闭阀16允许控制流过第二增压空气冷却器旁路12的燃烧空气流。或者，关闭阀16也可以位于换热器13的下游。但显然也可以设置其它的阀组，其允许燃烧空气分配至三个并连的空气路径。另外，在供风管线8内在第一增压空气冷却器旁路11和第二增压空气冷却器旁路12的入口下游设置进风节流阀17，借此能以可调设的方式对供入发动机1的燃烧空气量进行节流。
25.在燃料燃烧时出现的废气通过废气弯头19和自此伸出的废气管线9从发动机1被排出。其中，废气能够驱动废气涡轮增压器的布置在废气管线9中的涡轮机5，其中，它又通过轴7驱动布置在供风管线8中的压缩机6。在涡轮机5的上游，废气可以通过hd-agr系统4从废气管线9分流出并且在进风节流阀17下游被引导入供风管线8并且与燃烧空气混合。在此，通过agr管线23分流出的废气可以经由agr冷却器20被输送且同时被冷却，或者通过agr冷却器旁路21绕过agr冷却器20，并且未经冷却地供入供风管线8。设于agr冷却器20上游的三通阀22在此一方面允许调节整个agr量，另一方面允许将agr量分配至流过agr冷却器20和agr冷却器旁路21的流动路径。
26.为了净化废气中不希望的有害物质，在设于涡轮机5下游的废气净化设备2中设置第一废气转换器24以及设于其后的第二废气转换器25。在此，两个废气转换器24、25中的至少一个被设计为所谓的scr催化器，其能在含氧废气中也借助还原剂还原nox。在这里，两个废气转换器24、25都被设计成scr催化器。作为选择性作用的还原剂，在此优选设置尿素溶液，其在第一废气转换器24的输入侧和/或第二废气转换器25的输入侧根据需要被喷入废气管线9。为此所需的构件出于概览考虑未被单独示出。显然，废气净化设备2还可以包括附加的、尤其起催化作用和/或在过滤器技术上起效的部件例如像氧化催化器或颗粒过滤器。
27.为了采集总系统内的工作参数如温度、压力、气体浓度等，设有各式各样的配属于发动机1、废气净化设备2、空气供应系统3和hd-agr系统的传感器，在这里仅示出其中的温
度传感器26、27、28、29、30。在此，温度传感器26用于检测进风弯头18内的燃烧空气温度。另一个温度传感器30用于在换热器13入口侧测量发动机冷却剂温度。温度传感器27、28、29用于在涡轮机5与第一废气转换器27之间、在第一废气转换器24和第二废气转换器25以及在第二废气转换器24的出口侧测量温度。未示出的控制单元对用传感器测得的温度以及其它传感器的信号进行处理并依据信号值尤其促使三通阀22的关闭阀14、15、16以及进风节流阀17被操作。
28.以下，进一步参照图1来介绍用于调节废气净化设备2温度且尤其是用于提高在发动机1低负荷运行中的废气温度以便达到或获得催化作用所需的第一和/或第二废气转换器24、25的温度的优选方法。
29.如果在发动机1运行中确定低负荷工作状态，则第一关闭阀14在增压空气冷却器10的下游至少主要被驱控到关闭位置、优选完全关闭。另外，依据通过温度传感器30在换热器13的发动机冷却剂入口区域处测量的发动机冷却剂温度如此操作第二和第三关闭阀15、16，即，至少主要通过第一增压空气冷却器旁路11或是至少主要通过第二增压空气冷却器旁路12给发动机1供应由压缩机6压缩的燃烧空气。对于所测知的温度低于在约45℃至约70℃的范围内、例如像约为60℃的预定阈值的情况，第二关闭阀15至少主要、优选完全打开，第三关闭阀16至少主要、优选完全关闭。由此做到了压缩后的燃烧空气至少主要、优选至少近似完全通过第一增压空气冷却器旁路11被供入发动机1。由此避免燃烧空气借助增压空气冷却器10或换热器13被冷却，或者达成加热。还规定如此操作三通阀22，即，废气至少主要、优选至少近似完全通过agr冷却器旁路21且因此未经冷却地被输送至进风弯头18。通过这种方式，即便在发动机冷却剂变热不太明显的情况下也给发动机1供应强烈变热的燃烧空气。这造成相应升高的废气温度并且避免废气净化设备2变冷。此外，在此工作状态下可以作动进风节流阀17，因此发动机1被供以的燃烧空气量被节流。在比较冷的废气净化设备2情况下，例如在发动机冷起动之后或为了废气净化设备2的再加热，所述关闭阀14、15、16以及三通阀22也优选被置入上述位置。
30.针对在发动机低负荷下由温度传感器30测知的温度高于在约45℃至约70℃的范围内例如像60℃的预定阈值的情况，在也关闭的第一关闭阀14的情况下该第二关闭阀15至少主要关闭、优选全闭，第三关闭阀16至少主要打开、优选全开。由此做到将压缩后的燃烧空气至少主要、优选至少近似完全经由第二增压空气冷却器旁路12供给发动机1，并且因为变热的发动机冷却剂被相应加热。在此也可借助进风节流阀17对发动机1被供以的燃烧空气量进行节流，并且有助于废气升温。三通阀22又被如此操作，即，废气至少主要、优选至少近似完全通过agr冷却器旁路21、进而未经冷却地被输送至进风弯头18。工作状态已被证明对于维持第一或第二废气转换器24、25的催化作用所需要的温度(尤其在持续较长时间的低负荷运行或空载运行时)是特别有效的。如果从灼热的废气净化设备2起从发动机1的高负荷运行过渡至低负荷运行，则只要未达到用废气净化设备2的约250℃的温度下限，就可放弃通过换热器13内的灼热发动机冷却剂加热压缩后的燃烧空气。在这种情况下，压缩后的燃烧空气可以完全或绝大部分被引导经过第一增压空气冷却器旁路11。
31.如果在发动机1运行中确定了高于低负荷范围、尤其是位于较高的部分负荷范围或高负荷范围中的负荷状态，则与第二增压空气冷却器旁路12相关的第三关闭阀16至少近似关闭、优选全闭。压缩后的燃烧空气因此至少近似完全通过第一增压空气冷却器旁路11
和/或增压空气冷却器10被供入发动机1。具体说，在高于用于废气净化设备2的预定阈温度时，至少主要、优选完全通过增压空气冷却器10给发动机1供应压缩后的燃烧空气。对于“流过第一增压空气冷却器旁路11”重要的第二关闭阀15为此被至少近似完全关闭，对“流过增压空气冷却器10”重要的第一关闭阀14被至少近似完全打开。而如果低于用于废气净化设备2的预定的阈温度，则第一关闭阀14和第二关闭阀15都被至少近似完全打开。因此经由增压空气冷却器10以及第一增压空气冷却器旁路11二者给发动机1供应燃烧空气。在两种情况下如此控制与高压agr相关的三通阀，即，回输至发动机1入口侧的废气至少近似完全通过agr冷却器20被输送。如果涉及的是与上述工作点相关的用于废气净化设备2的预设阈温度，则它优选在160℃至250℃的范围内、特别优选在180℃至210℃的范围内。优选地，当针对两个废气转换器24、25中的至少一个确定低于阈温度或者说至少其中一个温度传感器27、28、29报告较低温度时，足以识别低于阈温度。相应的情况可以适用于识别高于阈温度。如果其中一个温度传感器27、28、29报告较低温度，但另一个报告较高温度，则较低温度可以优先。此外，优选为了识别低于或高于阈温度而规定在5℃至50℃、尤其在15℃至30℃的范围内的滞后。
32.用于调节废气净化设备2温度的上述措施的作用可以通过借助温度传感器26测知进风弯头18内的温度而被追踪和评估。根据本发明，为此可以将测知温度与温度阈值相比较。当高于在约90℃至170℃的范围内、优选在110℃至150℃的范围内的第一温度阈值时可以规定，至少主要、优选至少近似完全经由增压空气冷却器10给发动机1供应燃烧空气。如果高于比第一温度阈值更高的第二温度阈值，则可以规定，将燃烧空气与只通过agr冷却器20所输送的废气混合。第二温度阈值优选在100℃至180℃的范围内，特别优选在120℃至160℃的范围内。
33.附图标记列表
[0034]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
内燃发动机
[0035]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
废气净化设备
[0036]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
空气供应系统
[0037]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
hd-agr系统
[0038]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
涡轮机
[0039]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
压缩机
[0040]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轴
[0041]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
供风管线
[0042]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
废气管线
[0043]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀ
增压空气冷却器
[0044]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一增压空气冷却器旁路
[0045]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二增压空气冷却器旁路
[0046]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀ
换热器
[0047]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一关闭阀
[0048]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二关闭阀
[0049]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第三关闭阀
[0050]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀ
进风节流阀
[0051]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀ
进风弯头
[0052]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀ
废气弯头
[0053]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀ
agr冷却器
[0054]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀ
agr冷却器旁路
[0055]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀ
三通阀
[0056]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀ
agr管线
[0057]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一废气转换器
[0058]
25
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二废气转换器
[0059]
26-30
ꢀꢀ
温度传感器