CN102365433A - 用于使废气后处理部件运行的方法以及废气后处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使用于废气后处理的部件运行的方法，该后处理部件布置在废气增压的内燃机的排气管中，其中，在至少一个废气涡轮(14)上游从废气主流(10)中提取废气部分流(11)。废气部分流(11)在至少一个废气涡轮(14)下游再次被引导回到所述废气主流(10)中，其中，在输送部(7)的下游布置有至少一个废气后处理部件(6)。根据本发明，取决于在废气管中、尤其地在废气部分流(11)中的至少一个限定的部位处的和/或在至少一个废气后处理部件(6)处的至少一个理论温度控制或调节作为废气部分流(11)分支的废气量。

Description

用于使废气后处理部件运行的方法以及废气后处理装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于使用于废气后处理(Abgasnachbehandlung)的部件运行的方法以及一种根据权利要求11的前序部分的用于废气后处理的装置。
背景技术
由于不再可仅仅通过发动机方面的(motorisch)措施而实现的日益严格的废气极限值，现在大多数内燃机配备有用于减小有害物质排放的后处理系统。除了固体颗粒之外，尤其地氮氧化物也属于受限制的废气成分，该废气成分在燃烧过程期间产生并且其允许的排放不断地降低。为了使在机动车中运行的内燃机中该废气成分最小化，当今应用不同的方法。通常借助于催化器(Katalysator)减少氮氧化物，其中，附加地将还原剂(尤其为碳氢化合物、氨或尿素)配量(zudosieren)到富含氧气的废气中，以用于提高选择性和NOx转化(Umsatz)。这种应用的方法称为SCR方法，利用该方法进行选择性催化还原(SCR)。相反地，三元催化器(Drei-Wege-Katalysator)用于在Lambda-1发动机之后减小氮氧化物。氧化催化器(Oxidationskatalysator)负责氧化未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳。
为了使细物质颗粒(Feinstoffpartikel)最小化，在车辆中应用颗粒分离器或颗粒过滤器(Partikelfilter)。例如，从文件EP 1 022 765 A1中已知用于应用在车辆中的带有颗粒分离器的典型的布置方案。相反地，从文件EP 0 341 832 A2中已知带有颗粒过滤器的布置方案和方法。在两个提及的出版物中，分别相对于颗粒分离器或颗粒过滤器在上游布置氧化催化器，其借助于同样含有的剩余氧气将在废气中的一氧化氮氧化成二氧化氮：
Figure BPA00001406342200021
在此应注意的是，在高温时，以上反应的平衡位于NO侧。这继而导致，由于该热动态的限制，限制了在高温时可得到的NO2份额。在颗粒分离器或在颗粒过滤器中该NO2再次与碳颗粒一起转化成CO、CO2、N2以及NO。由此，以通常已知的方式借助于强氧化剂NO2实现连续地除去积聚的细物质颗粒。由此可取消如在其它布置方案中必须以高成本的方式实施的再生循环(Regenerationszyklen)。因此，在这种情况中称为被动再生。反应方程内容如下：
2NO2+C→2NO+CO2
2NO2+2C→2NO+2CO
2C+2NO2→N2+2CO2
如果在颗粒过滤器中沉积(eingelagert)的碳借助于NO2未发生完全氧化，则碳份额增加并且由此废气背压持续增加。为了避免这种情况，实际上颗粒过滤器以增加的方式(vermehrt)设有用于氧化NO的催化的覆层。在此，其大多为含铂的催化剂。然而，该方法的缺点在于，在颗粒过滤器处形成的NO2仅仅可用于氧化这样的颗粒，即，在用于NO氧化的催化性的主动层(katalytisch aktiven Schicht)的下游分离该颗粒，即，在过滤器介质之内。相反地，如果在过滤器表面上并且由此在催化性主动层上形成由分离的颗粒组成的层(所谓的滤饼(Filterkuchen))，则NO氧化催化剂位于滤饼的下游，从而不借助于来自施加在颗粒过滤器上的NO氧化催化剂的NO2氧化在该处分离的炭黑颗粒。此外，准确地说，仅仅施加在未经处理的气体侧上的催化剂层对于系统的性能有贡献，因为在净化气体侧上的催化地形成的NO2不再可与在未经处理的气体侧上且在过滤器材料之内分离的炭黑接触。出于这一原因，尽管过滤器的催化的覆层，也不可取消在颗粒过滤器之前的NO氧化催化器，从而出现相对大的结构体积。
虽然通过以上描述的措施直至250℃的温度的炭黑氧化是可能的，然而存在这样的应用情况，即，在其中甚至常常不能充分地实现该废气温度，并且由此不可保证颗粒过滤器的可靠的功能。这通常在较弱加载且安装(verbauen)在车辆中的发动机中出现，该发动机(例如在轿车、专线公共汽车(Linienbus)或垃圾车中)还具有附加的高的空转份额。
因此，在这种情况中特殊地应用颗粒过滤器再生的第二可能性。该可能性在于，主动地提高废气温度。通常通过在氧化催化器上游添加碳氢化合物(HC)实现。可通过安装在排气管中的独立的喷射喷嘴实现该碳氢化合物的添加。另一可能性在于，通过稍后将燃料再喷射(Nacheinspritzung)到燃烧室中产生高的碳氢化合物排放。之后，通过碳氢化合物在催化器处放热的氧化，出现明显的温度升高。由此温度升高到超过600℃，出现根据以下反应式的借助于氧气的碳的氧化：
C+O2→CO2
在约为230℃的温度时发生在催化器处的碳氢化合物的对于废气温度升高所必须的氧化。然而尤其地在废气增压且较弱加载的发动机中存在这样的问题，即甚至常常不再在废气涡轮的下游实现该温度。其原因在于，从废气中抽取了大量的废气焓，以使得在新鲜空气侧的压缩成为可能。在应用二级的增压和/或非常高的废气再循环率时还使该问题更加严重。
不仅用于减少颗粒的方法而且以上描述的用于减少气态的有害物质的方法依赖于充分高的温度，如以上描述的那样，在正常运行中常常未实现该温度。
此外，在应用催化剂时常常出现这样的问题：通过废气组成部分(例如由燃料硫或发动机油硫形成的氧化硫)毒化(vergiften)催化剂。虽然该毒化常常是可逆的并且可通过高的废气温度使其逆转
Figure BPA00001406342200031
但是在此也再次提出了问题，即，未达到该特别地在废气涡轮增压器下游的高的废气温度。因此对于NO氧化催化器的再生来说至少500℃的温度是必须的，对于NOx储存催化器(Nox-Speicherkatalysator)来说超过600℃的温度是必须的。
另外，从文件DE 199 13 462 A1中已知一种用于在反应器中的热的水解以及尿素或含水的尿素溶液的配量的方法。为了提高在反应器中的尿素的停留时间，从排气管路中提取部分流(Teilstrom)，并且该部分流用于形成在反应器中的氨。通过在部分流中较小的废气量，在反应器中的流动速度小并且用于尿素转化的停留时间应地长。在反应器之后部分流再次混合到排气管路中，并且形成的氨可在下级的SCR催化器中用于还原NOx。
此外，从文件DE 10 2006 038 291 A1中已经已知一种在废气涡轮上游的废气部分流分支，其中，该废气部分流在废气涡轮下游再次与废气主流结合在一起，并且紧接着该废气部分流作为热的废气流流动通过至少一个废气后处理部件。在文件DE 10 2006 038 290 A1和文件DE 10 2006 038 289 A1中描述了在基本原理上相似的结构。
发明内容
相反地，本发明的目的为，提出一种用于使用于废气后处理的部件运行的方法以及一种废气后处理装置，借助于该方法或借助于该装置结合废气涡轮增压机构使在废气涡轮下级的废气后处理部件的高效且有效的加热成为可能。
在方法方面该目的利用权利要求1的特征实现。在装置方面该目的利用权利要求11的特征实现。其它优选的设计方案为分别回引权利要求1和11的从属权利要求的对象。
根据本发明，在至少一个废气涡轮的上游从废气主流中提取废气部分流，该废气部分流在至少一个废气涡轮的下游再次被引导回到废气主流中。在输送部(Zuführung)下游布置有至少一个废气后处理部件，其中，取决于在排气管、尤其地在废气部分流中的至少一个限定的部位处的和/或在至少一个废气后处理部件处的至少一个理论温度控制或调节作为废气部分流分支的废气量。
由此，根据本发明的基本想法在于，在至少一个废气涡轮上游提取废气部分流并且在至少废气涡轮下游再次将该废气部分流输送到废气主流，由此保证，废气部分流位于比流动通过废气涡轮的废气主流明显更高的温度水平上，从而，在两个流相汇部的下游得到比这样的情况中更高的废气温度，即，整个的废气流被引导穿过废气涡轮。然而，由于通过提取废气部分流，通常减小废气涡轮的效率或待由其给出的功，根据本发明进一步提出，取决于在废气部分流中和/或至少一个废气后处理部件处的至少一个理论温度控制或调节作为废气部分流而分支的废气量，从而可优化废气涡轮的效率损失。
为此，提出的是，在废气部分流中和/或废气主流中设置有至少一个可变的节流和/或阻断装置，其允许，不仅以构件技术上而且控制或调解技术上简单的方式分支被导引在废气涡轮旁经过的废气部分流。此外，在废气涡轮下游废气温度充分高时，可利用节流和/或阻断装置最简单地节流或者但是也完全阻断废气部分流。如果需要用于保护涡轮增压器和/或发动机的废气门(Waste-Gate)，则提出，结合作为废气门的节流和/或阻断装置使用用于废气部分流的旁路管路。合适的节流和/或阻断装置例如为阀、闸门(Schieber)、活门(Klappe)或类似者。
但是，对此附加地或但是同样备选地，也可借助于可变涡轮几何结构(VTG)控制或调节作为废气部分流被提取的废气量，通过可变涡轮几何结构可通过主废气流的节流使通过废气涡轮的通量(Fluss)变化。
优选地，取决于内燃机或废气后处理装置的限定的构件参数和/或运行参数，尤其地取决于至少一个所使用的废气后处理部件的类型和/或理论有害物质转化率和/或在一个或多个后处理部件之前和/或之后的有害物质排放的浓
Figure BPA00001406342200051
和/或总的废气量和/或添加到排气管中的还原剂、尤其地燃料和/或尿素的量、和/或废气部分流量和/或废气氧含量和/或内燃机或单个废气后处理部件的运行时间和/或实际有害物质转化率和/或内燃机的运行方式、尤其地取决于内燃机的正常运行或再生运行来预设理论温度。因此，例如在再生运行中所需的废气温度明显位于在正常运行中(例如在催化器的去硫化(Desulfatisierung)时或颗粒过滤器的自由燃烧(Freibrennen)时)所需的废气温度之上。通过由控制和/或调节机构形成的电子的控制单元、尤其地通过发动机控制机构与运行点相关地分别进行所需的废气温度或理论温度的预设。
为了针对相应运行点预设相应所需的废气温度或理论温度，可由电子的控制单元、例如发动机控制机构探测不同的输入参数，例如，当前废气温度和/或废气后处理部件的当前温度和/或吸入的空气质量和/或理论有害物质转化率和/或实际有害物质转化率和/或添加到排气管中的还原剂、尤其地燃料和/或尿素的量、和/或在一个或多个后处理部件之前和/或之后的有害物质排放的浓度和/或颗粒过滤器/分离器的负载状态和/或废气背压和/或充气压力(Ladedruck)和/或如有可能引导回到吸入空气管路的废气量和/或作为废气部分流分支的废气量和/或增压压力和/或增压空气温度和/或涡轮增压器转速。例如，可借助于布置在合适的部位处的温度传感器探测当前废气温度。但是，备选地或附加地，也可通过合适的模型以与运行点相关的方式确定当前废气温度。这种模型可例如具有储存在电子的控制单元中的特征线或特征区域(Kennfelder)。
如果例如在基本设定(Grundeinstellung)中作为废气部分流分支的废气量不足以达到期望的理论温度，则可尤其地借助于VTG增压组如此节流在部分流提取部的下游的和在引回部位(Rückführstelle)上游的主废气流，即，使更大的废气量作为废气部分流被导引在涡轮旁经过。如果该节流措施尤其地在再生运行中仍然不充分，则附加地还可能的是，影响内燃机的限定的运行参数以用于实现理论温度。例如，这种类型的限定的运行参数可为空燃比和/或喷射开始和/或喷射数量和/或喷射压力和/或被引导回吸入空气管路的废气的量(废气再循环率)，如此使这些参数变化，即，废气温度进一步升高。显然，原则上在内燃机的一定的运行方式中(例如在再生运行中)也可立即(vonvorneherein)设置这种类型的措施。
不必一定地总是在流体技术
Figure BPA00001406342200071
上最接近废气涡轮的废气后处理部件上游进行废气部分流的引回。因此，也可在两个邻近的废气后处理部件之间引回废气部分流，由此可能的是，平衡或甚至过补偿(überkompensieren)沿着排气管路的温度损失。这使以下成为可能，即，进一步使远离内燃机的废气后处理部件在比流体技术上布置成距内燃机更近的废气后处理部件更高的废气温度水平上运行。此外，通过在NO氧化催化器和颗粒过滤器之间进行废气部分流的引回，在被动的过滤器再生时提出这种类型的方法指导。由此有利地实现，将颗粒过滤器保持在高的废气温度水平上，而NO2份额不由于在NO氧化催化器处的高的温度而下降(zurückgehen)，和/或加速炭黑烧尽(Ruβabbrand)，当充分的NO2量供使用时，但是在颗粒过滤器处的温度过低。
基本上，废气部分流可在排气管之外被引导或布置在排气管之外。然而这导致严重的冷却。因此，更有意义的是，废气部分流如此布置在排气管中，即，由主废气流的废气围绕废气部分流流动。由此，有利地可减小热损失。
附加地，可在分支的废气部分流中和/或在引导主废气流的在废气涡轮和废气部分流的引回部之间废气部分区段(Abgasteilstück)中布置至少一个催化器，由此有利地可节省结构空间。
根据本发明的用于废气后处理的装置包括至少一个从内燃机引导到废气涡轮的废气管路以及从废气涡轮引导出来的涡轮导出管路。在废气涡轮上游从废气管路的至少一个中分支出旁路管路，其在废气涡轮的下游在输送部处通入涡轮导出管路中。在该输送部下游布置有至少一个废气后处理部件。如以上所描述的那样，显然地也可在输送部之前或在旁路管路中布置废气后处理部件。此外，根据本发明的装置包括作为控制和/或调节机构的电子的控制单元、尤其地发动机控制机构，借助于该控制和/或调节机构可取决于在废气部分流中和/或在至少一个废气后处理部件处的至少一个理论温度控制或调节通过旁路管路引导的废气量。优选地，废气后处理部件为催化器和/或颗粒过滤器和/或颗粒分离器。例如，优选地作为催化器考虑三元催化器和/或SCR催化器和/或柴油氧化催化器和/或NOx储存催化器和/或NO氧化催化器。
附图说明
下面根据图纸进一步解释本发明。
其中：
图1显示了第一发明方案的示意性的图示，以及
图2显示了第二发明方案的示意性的图示。
具体实施方式
在图1中示出了废气后处理装置，在其中来自未示出的内燃机的废气流在废气涡轮增压器13的废气涡轮14的上游分岔(aufzweigen)成主废气流10(该主废气流10被引导通过废气涡轮14且通过该废气涡轮14驱动空气压缩机15)以及废气部分流11。该废气部分流11在废气涡轮14的下游借助于旁路管路2(其在废气涡轮14下游在输送部7处通入从废气涡轮14中引导出来的涡轮导出管路5中)再次与主废气流10结合在一起。
在此，在图1的图示中，示例性地不仅在旁路管路2中而且在涡轮导出管路5中分别布置可变的节流和/或阻断装置12和16，其通过在此仅仅示意性地且以点划线示出的控制线路17，18与电子控制单元、尤其地发动机控制单元19相连接。
在此，在旁路管路2中可选地布置有例如氧化碳氢化合物的氧化催化器3，而在输送部7的下游设置有NO氧化催化器4，在该NO氧化催化器4之后联结有颗粒过滤器6。
仅仅示例性地且示意性地为了原则上说明本发明的想法，在此不仅在废气部分流11中而且也在颗粒过滤器6处分别布置有温度传感器22，23，其分别探测在废气部分流11中和在颗粒过滤器6处的当前温度，并且该温度通过控制线路8，9作为输入参数输送到电子的控制单元19。
如果现在在周期性的再生运行中由发动机控制机构19识别出或探测颗粒过滤器6的自由燃烧的需求，则发动机控制机构19如此操控在此示例性地两个节流和/或阻断装置12，16，即，从引导到废气涡轮14的废气流中分支出作为废气部分流11限定的废气量，并且在废气部分流11中和/或在颗粒过滤器6处的用于颗粒过滤器再生所必须的理论温度调整成理论温度。由此，以允许的且优化的且在控制和调节技术上简单的方式调整在内燃机的排气管中的这种始终优化的废气温度，即，可以优化的方式实施在此示例性地选择的颗粒过滤器的再生。
在此，氧化催化器3尤其地用于，在废气部分流11中在减少有害物质的情况下进行另一放热反应。但是如有可能，也可取消氧化催化器3，如在根据图2的备选的设计方案中即为这种情况，在其中，与根据图1的设计方案不同地在NO氧化催化器4的下游输送废气部分流11，由此可保证，与根据图1的实施形式相反，可使颗粒过滤器6在比NO氧化催化器4更高的温度水平上运行。由此实现，将颗粒过滤器6保持在高的废气温度水平上，而在NO氧化催化器4处形成的NO2量不由于在NO氧化催化器4处的过高的温度而下降，具体而言实现，加速炭黑烧尽，当充足的NO2量供使用时，但是在颗粒过滤器6处的温度应过低。
结构和功能在其它方面相应于根据图1的废气后处理装置的结构和功能。

Claims (12)

1.一种用于使用于废气后处理的部件运行的方法，所述部件布置在废气增压的内燃机的排气管中，其中，
-在至少一个废气涡轮上游从废气主流中提取废气部分流，
-所述废气部分流在至少一个废气涡轮下游再次被引导回到所述废气主流中，
-在输送部的下游布置有至少一个废气后处理部件，
其特征在于，
取决于在所述排气管中、尤其地在所述废气部分流(11)中的至少一个限定的部位处的和/或在所述至少一个废气后处理部件(6)处的至少一个理论温度控制或调节作为所述废气部分流(11)分支的废气量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于至少一个可变的节流和/或阻断装置(12，16)和/或借助于可变涡轮几何结构(VTG)控制或调节作为废气部分流(11)分支的废气量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个可变的节流和/或阻断装置(12，16)布置在所述废气主流(10)中和/或所述废气部分流(11)中。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，借助于电子的控制单元(19)、尤其地发动机控制机构操控所述至少一个可变的节流和/或阻断装置(12，16)和/或所述可变涡轮几何结构以用于取决于限定的构件参数和/或运行参数调整为限定的运行点所预设的理论温度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对于内燃机的和/或废气后处理装置的限定的运行参数，电子的控制单元(19)、尤其地发动机控制机构取决于所述至少一个废气后处理部件(6)的类型和/或理论有害物质转化率和/或实际有害物质转化率和/或在一个或多个后处理部件(6)之前和/或之后的有害物质排放的浓度和/或添加到排气管中的还原剂、尤其地燃料和/或尿素的量、和/或全部的废气量和/或废气部分流量和/或废气氧含量和/或内燃机的运行时间和/或至少一个废气后处理部件(6)的运行时间和/或内燃机的运行方式、尤其地取决于内燃机的正常运行或再生运行来预设所述理论温度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，将当前的废气温度和/或当前探测的至少一个废气后处理部件(6)的温度和/或理论有害物质转化率和/或实际有害物质转化率和/或在一个或多个后处理部件之前和/或之后的有害物质排放的浓度和/或颗粒过滤器/分离器的负载状态和/或废气背压和/或充气压力和/或吸入的空气质量和/或添加到所述排气管中的还原剂、尤其地燃料和/或尿素的量和/或引导回到吸入空气管路的废气量和/或作为废气部分流分支的废气量和/或增压压力和/或增压空气温度和/或涡轮增压器转速作为输入参数输送到所述电子的控制单元(19)、尤其地发动机控制机构，以用于以与运行点相关的方式预设理论温度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，为了达到理论温度，改变内燃机的至少一个限定的运行参数、尤其地空燃比和/或喷射开始和/或喷射数量和/或喷射压力和/或被引导回吸入空气管路的废气的量。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在流体技术上在两个邻近的废气后处理元件(4，6)之间、尤其地在NO氧化催化器(4)和颗粒过滤器(6)之间引导回所述废气部分流(11)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述废气部分流(11)至少部分地由所述废气主流(10)围绕流动，或者所述废气部分流(11)以间隔开的方式在所述废气主流(10)之外被引导。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的方法，其特征在于，作为废气门可借助于发动机控制机构操控布置在所述废气部分流(11)中的节流和/或阻断装置(12)。
11.一种用于对内燃机的废气流进行废气后处理的、尤其地用于执行根据前述方法权利要求中任一项所述的方法的装置，所述装置带有：
-至少一个从内燃机引导到废气涡轮(14)的废气管路，
-从所述废气涡轮(14)引导出来的涡轮导出管路(5)，
-在所述废气涡轮(14)上游从至少一个废气管路中分支出的旁路管路(2)，所述旁路管路(2)在所述废气涡轮(14)的下游在输送部(7)处通入所述涡轮导出管路(5)中，
-至少一个布置在所述输送部(7)下游的废气后处理部件(6)，以及
-作为控制和/或调节机构的电子的控制单元(19)、尤其地发动机控制机构，借助于所述控制和/或调节机构可取决于在排气管中、尤其地在废气部分流(11)中的至少一个限定的部位处和/或在至少一个废气后处理部件(6)处的至少一个理论温度控制或调节作为所述废气部分流(11)的通过所述旁路管路(2)引导的废气量。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，通过至少一个颗粒过滤器和/或通过至少一个颗粒分离器和/或通过至少一个催化器、尤其地至少一个三元催化器和/或至少一个SCR催化器和/或至少一个柴油氧化催化器和/或至少一个NOx储存催化器和/或至少一个NO氧化催化器形成所述至少一个废气后处理部件(6)。
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