CN102439269A - 用于改善车辆系统中的后处理装置的起燃或再生行为的方法 - Google Patents

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Abstract

主动DPF再生的方法要求使DPF达到超过550℃至600℃的再生温度而持续一段足以完成DPF中的碳烟烧除的时间。类似地，在冷启动的过程中令人希望的是尽快使催化器达到起燃温度。一个或多个涡轮增压器的大的热惯性延缓了在DPF处的排气使其不能快速达到临界温度。引入一个低热惯性的、绝热的涡轮增压器旁路管道避免了从排气到涡轮机壳体上的热能损失并且缩短了令DPF达到主动DPF再生的临界温度的时间、或者在催化转化器的情况下缩短了令催化器达到起燃温度的时间。

Description

用于改善车辆系统中的后处理装置的起燃或再生行为的方法
技术领域
本发明是针对一种包括后处理装置的车辆发动机系统，并且特别地针对具有大热惯性的部件的旁路，以便辅助例如催化器的早期起燃以及这些后处理装置的再生。
背景技术
涡轮增压器是一类强制性进气系统。它们将压缩空气传送到发动机进气端从而允许燃烧更多的燃料，因此增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。这可以允许使用一台较小的涡轮增压的发动机来替代一台较大物理尺寸的自然吸气的发动机，因此减少了车辆的质量以及空气动力学的前端面积。涡轮增压器利用了来自发动机的排气流动来驱动一台涡轮机，该涡轮机进而驱动空气压缩机。为了在一种简单系统的容量之外供应空气，该涡轮增压器系统可以采取不同的构型。
涡轮增压器由五个主要部件组构成。图1示出了一种典型的涡轮增压器的一个区段。这个涡轮增压器由一个涡轮机壳体1组成，该壳体连接到一个轴承壳体5上。在该轴承壳体的相反末端上有一个压缩机盖2。该轴承壳体支撑了一个转子组件，该转子组件由一个涡轮机叶轮3和一个压缩机叶轮4组成。该涡轮机壳体通常是以一种来自高韧性铸铁家族的材料铸造而成，该轴承壳体通常是以灰口铁铸造而成并且该压缩机盖通常是以一种铝合金铸造而成。一种典型的、商品化柴油机尺寸的涡轮机壳体的质量是大约17kg。这些涡轮机壳体具有的典型壁厚为5至6mm。这是该涡轮增压器总质量的约65％。该轴承壳体是构成该涡轮机壳体的质量的另外4kg，加上轴承壳体，是总质量的85％。
为了实现更多增压，使用串联的或多级涡轮增压器，其中一个第一级(低压)压缩机排放进入下一个(高压)下游压缩机的进口，该下游压缩机接着进一步将已经压缩的空气增压至甚至更高的水平。串联的涡轮增压器可以具有多个级，但是为清楚起见，本讨论将仅仅讨论两级构型，因为这是在客车和商品化柴油发动机的通常生产中使用数量最高的。对于多个涡轮增压器而言“涡轮机壳体加轴承壳体的质量”比“总涡轮增压器重量”的比率将是与单一涡轮增压器类似的比率，因此例如当两个涡轮增压器的涡轮机壳体加轴承壳体的质量为大约34kg时，它将仍是这些涡轮增压器的总质量的85％。
一个物体的热惯性是与材料的热传导率、密度和体积热容量相关的一种本体材料特性。使用热惯性来描述一个几何体在经受其热环境的变化时达到热平衡的能力。在发动机系统的背景下，得到的是一个在几何上受限定的物体用来改变温度所花费的时间。质量相等时，具有高的热惯性的材料将比具有低热惯性的材料花费更多时间来改变温度。在具有相同材料但不同质量的两个物体的情况下，具有较大质量的物体将比具有较小质量的物体具有更大的热惯性(正如一立方米的铸铁将比一立方毫米的铸铁花费更长时间来达到温度平衡)。在本发明的背景下，术语“热惯性”用来描述固有的动态温度过滤(dynamic temperature filtration)，即从在排气与发动机中和排气系统中的材料之间存在的初始温度差相对较慢地达到平衡。这个热惯性进而是由于气体与壁材料之间的热传递、该材料的体积热容量(涉及该材料的热传导率)、该材料的比热和密度以及周围介质(例如空气、水和材料)的热效应造成的。
一个物体的热惯性由下式计算：
热惯性＝κ.ρ.C
其中κ＝该材料的本体热传导率，单位Wm-1.K-1
并且ρ＝该材料的密度，单位Kg m-3
并且C＝比热容，单位J.kg-1.K-1
这些单位是tiu。
在热惯性的计算中，对于给定的材料，例如铸铁，比热和密度将保持为常数。因此热惯性与该材料的本体热传导率是成比例的。
因为热传导率是对于在一个时间段Δt内、在温度变化ΔT内以热能变化ΔQ经过具有厚度Y和面积A的材料传输的热量的度量，该热传导率κ可以通过下式计算：
κ = ΔQ · Y Δt · A · ΔT
如果在这个讨论中将供应的热能的量和温度变化ΔT视为常数，则这些变量是被排气“润湿”的材料的面积、在与材料的面积“A”的平面垂直的方向上的厚度“Y”、以及该物体达到热平衡的时间“t”。在涡轮机壳体和其他类似铸造物中，最薄区段的实际厚度通常由铸造规范所决定。在涡轮机壳体中，对材料厚度的技术要求是小于该铸造规范的最小值，该最小值是6mm至8mm的范围之内。这意味着在一个涡轮机壳体的众多特征中，表面积“A”是决定热惯性变化的主导变量。
如果将厚度视为10mm的恒定平均厚度，则表面积变为是与材料体积直接成正比。在一种给定材料的密度对于该材料为恒定时，表面积变得与质量直接成正比(因为质量＝体积×密度)。
因为典型的涡轮增压器重量在2至35kg的范围内，所以铸造物中材料的体积在发动机条件下的瞬态过程中将造成在该系统改变温度所用时间上的一种滞后。涡轮增压器组件中的材料体积从排气中抽出热量，这产生了在该涡轮增压器组件下游的较低温度的排气。
不同涡轮增压器材料的特性为：
Figure BDA0000097823890000031
美国申请2005/0019158(Claus)传授了具有双重壁设计的金属板涡轮机壳体的益处，以便在离开峰值周期而运行的涡轮增压器的情况下从车辆角度来节省重量、并且更重要的是通过防止发动机的排气的过度冷却来减小该系统的热惯性。这些金属板涡轮机壳体总体上用于使催化器能快速达到工作温度、而不是辅助柴油机微粒过滤器(DPF)的再生。金属板涡轮机壳体减小了质量并因此减小了热惯性，但其工具加工是非常昂贵的，因为必须对该涡轮机壳体的每个元件都制造一个单独的冲压或成形工具。为制造一个完整涡轮机壳体，将这些单独的元件进行组装和焊接也是劳动力密集的并且高成本的。
欧洲申请1,541,826B1(Bjornsson)传授了一种焊接的、轻重量的、带封套的排气歧管的制造。此外，据传授有利的是显著减小了“有效质量”，即在催化器起燃之前必须加热的质量，因为待加热的质量越小就允许催化器越快起燃。这个专利确实包括废气门的选项，但仅仅是在以下意义上：到达废气门开口的管道被包封并且被制造为该焊接的、带封套的排气歧管的一部分。该专利提到了在任何情况下可以将废气门阀安装在该废气门中但优选是在所有的焊接都进行之后。这种设计的低热惯性的特征有利于缩短催化器起燃期，但这个帮助缩短催化器起燃期的特征仍对用于DPF再生过程的系统呈现出了合理地高水平的热惯性。
正在使用的是用熔模铸造工艺得到的薄壁涡轮机壳体铸造物，并且它们实质性地减小了质量并因此减小了热惯性，但是在工具加工和零件成本上有显著增大。相比之下，一个焊接的金属板涡轮机壳体的成本是一个铸造的韧性铁壳体的成本的约170％，并且重量节省为大约20％，所以热惯性是一个铸造的韧性铁涡轮机壳体的约80％、但成本费用为70％。
在过去20年里，柴油发动机制造商已经将NOx降低了85％并且将微粒物质(PM)降低了95％。对于2010的排放，法规要求必须将排放物进一步降低83％。2007年后，EPA预期对重型排放物进行“强制后处理”。对于轻型物tier2bin 5，今天的排放要求是强制后处理。这将要求某些新的途径来满足所有这些目标。
一种现代的汽油发动机的典型排气组合物包括：
-未燃烧的烃-HC
-二氧化碳和一氧化碳-CO2和CO
-划分于N2和NOx名称下的氮气和氮的氧化物
-未反应的氧气-O2
因为现代柴油发动机是在化学计量比非常偏向的范围内运行、具有的空/燃比(A/F)＞22，所以它们产生了二氧化碳(CO2)、和一氧化碳(CO)、划分于NOx名称下的氮的气态氧化物、以及烃类(HC)。
排放物的NOx部分主要用两种方法之一来处理：排气再循环(EGR)或选择性催化还原(SCR)。在任一情况下，HC组分是在柴油机微粒过滤器(DPF)中进行处理的。
为了还原柴油机中的THC、CO和TPM，常使用一个柴油机氧化催化器(DOC)。该DOC必须处于一个特征性的高温下以便使它有效地工作。在该催化器以高于25％的效率起作用之前该催化器必须处于210℃，并且它在220℃以90％的效率起作用。已经对催化器起燃进行了多个周期的测试，证实起燃时低至175℃。已认同的是，为了具有将催化器温度升高至工作状况的一种系统，它必须能够在冷启动后的第一个60至120秒内达到175℃与210℃之间。
当该催化器处于工作温度下，它在排气从尾管被排入大气中之前将排气中的一些杂质(如任何未燃烧的燃料或燃烧副产物)转化。在汽油发动机中，对于仍处于环境温度时的发动机运行的前几分钟，该催化器的效力是几乎不存在的。在该催化器达到其300℃左右的工作温度之前的这几分钟(有些是快至20秒)内产生了在60％与80％之间的气态排放物。在一个行程结束时，汽油发动机催化器在600℃左右运行。之后它们一般在30分钟内冷却回到300℃。柴油机催化剂是针对更低的温度(200℃至300℃)配制的。大部分的HC的产生是在发动机启动后约20秒左右开始并且以渐增的高速率持续直至启动后120秒。
CO通过一种催化剂的转化是温度敏感的。图15示出了一种典型的CO催化器的转化效率。X轴(143)描绘了在催化器处的催化剂温度，以摄氏度计。Y轴(144)描绘了转化效率。从该图表中可以看出转化效率(141)直到它在220℃的温度下开启(142)之前并未真正开始。
对于这个“催化器起燃时间”问题存在几种现有解决方案，其中之一是在催化剂本体中使用相改变材料以保持该催化剂基体的温度接近为使该催化器起作用所要求的温度。另一个是将该催化器与发动机紧密联接以将热惯性最小化。另一个发展是在涡轮机壳体之前放置一个预催化器。存在多种方法来应对这个启动时非热主动的催化器问题。它们全都是复杂的、空间侵入性的、并且昂贵的。
US 6,389,806(Glugla)传授了，为了缩短达到工作温度的时间，一种发动机具有可变的排量以及延缓的点火定时和被偏移的空/燃比，以便促成在启动过程中以及之后不久的活化的气缸组，从而进一步减小催化器起燃所要求的时间。
US 7,117,668(Nashburn)传授了使用一种烃类重整器来将燃料缺乏的重整燃料混合物供应给发动机，从而确保所有燃料都被燃烧而排气转化器在热意义上是非功能性的。
US 5,878,567(Adamczyk)传授了一种催化转化器，该催化转化器具有一种高度负载的第一钯或三金属催化元件，该元件包含较大粒径的钯，该元件紧密地连接到该发动机排气歧管上；接着是一个或多个第二催化元件，这些催化元件具有高的氧储存容量以提供保护免于升温发动机的排放物穿透(warmed up engine emissions break through)，这种催化转换器通过早期催化器起燃而有效地减少了冷启动的排放物。
US 5,410,872(Adamczyk)使用一个排气氧传感器来测定进入催化器中的排气中所含的氧，并且一个与空气源和该氧传感器相连的发动机控制计算机监测了排气中所含的氧的量值并且控制了由该空气源供应至排气流的空气量值，使得可用的氧略微超过化学计量要求。以此方式，催化器的起燃时间被最小化。
有多种装置对后处理供应热量用于PM再生它们或清洁它们的目的。这些装置并非旨在辅助更快的催化器起燃，并且对用于PM再生的车辆成本而言是一个额外的开销。它们以700℃至800℃范围内的温度运行。
US 3,908,371(Tadashi)传授了用于净化排气的一种方法以及一种系统。该发动机成比例地供应排气以提供约1.0至1.15的过量空气比，使得在从发动机中排出的排气中基本上没有一氧化碳和氢气存在。将一种还原剂(如烃类)混入该进入还原催化器中的排气中用于去除过量的氧化物并且还原排气中的氮的氧化物，同时二次空气被供应至该进入氧化催化器中的排气中用于辅助对穿过该氧化催化器的排气中剩余的一氧化碳和烃类的氧化。接着可以在高温下清洁该催化器。
柴油燃烧还产生了固体和液体。这些固体和液体通常被划分为并且被称为微粒物质(PM)。柴油排放物的PM组分包括：
1.来自润滑剂的可溶性有机分量(SOF)
2.干碳(称为碳烟)
3.来自燃料的SOF
4.SO3和H2O
根据美国环保局的40CFR第9和86部分“重型发动机和轻型车辆和卡车的测试程序以及气态燃料的车辆和发动机的排放标准规定”，PM是作为联邦贸易程序(Federal Trade Procedure(FTP))的一部分测量的，其中一种发动机通过代表不同驱动周期的一系列预设周期来运行、并且对整个周期来收集PM，因此捕获了在发动机瞬态过程中产生的PM。这些排放物的PM部分通常是使用柴油机微粒收集器(DPT)来处理的。
大多数2007年后的美国重型柴油发动机开始装配有柴油机微粒过滤器(DPF)。基于催化器的DPF当与超低硫燃料一起使用时可以实现90％范围内的PM减少。
该DPF是容纳在位于排气流中的一个金属壳体内的一种多孔陶瓷材料。在许多可商购的DPF中，过滤介质是堇青石或碳化硅材料。典型地该基质具有几百个通道；相邻通道的相反末端被阻断，因此迫使排气流穿过管的侧壁，这捕获了PM。PM中的固体分量在这些通道的壁中累积，从而造成该过滤器的阻塞。DPF中的固体分量的累积通常称为“加载”。这个固体分量必须被烧除以使DPF返回至其适当地起作用的模式，并且燃烧该固体分量的过程称为再生。烧除的碳烟被转化为CO2和CO，随后它们穿过该过滤器。
柴油燃烧的碳烟还由不可燃的元素组成，这些元素在DPF中沉积灰烬。从DPF中清洁这种灰烬被称为“清洁”并且必须在车辆外进行。清洁的频率是每200,000至400,000英里一次。
发动机的排气温度和工作周期表明了DPF的作用是被动的还是主动的。被动再生要求这种持续的排气温度是在325℃至420℃的范围内，这足以在碳烟累积时使其自燃。当DPF以被动模式运行时，来自PM(被截留在这些通道壁中)与氧化剂(O2和NO2)之间的反应中的放热反应将维持DPF中的适当压力差。在此情况下，DPF的内部温度一般低于700℃。
主动再生要求一个人或系统的输入来启动并且完成再生。当稳态的排气温度并未实现足够的温度时，当发动机的工作周期不允许足够高的温度来烧除碳烟时，或者当因为再生期在20至30分钟的范围内、再生的时间太短时，就要求主动再生。在此情况下，PM累积或加载在通道壁中，跨过DPF的压力差增大，这通常进而触发了要求车辆排放系统进入主动再生模式的一个命令。
在典型的长期在公路上的卡车中，DPF再生大多数是被动的，因为发动机的工作周期足以产生足够的排气温度用于持续烧除PM的碳烟组分。
在市内的柴油车辆用途中，通常发动机工作周期受到频繁的启动和停止的指挥，所以主动再生的温度和时间要求都未满足。在典型的主动再生系统中，在一段时间内对排气系统“投加”燃料以升高DPF中的温度用于再生期。这个再生期伴随着多个问题。例如，如果车辆速度降低至低于一个设定速度，例如20mph，则再生必须停止。如果启动了压缩制动，则在再生过程中，额外的燃料投加必须停止，所以再生期被中断。因为再生过程在基质中产生了超过800℃的温度、并且消耗了约一加仑的燃料，所以该过程必须以安全的方式执行。这些高温还可能对基体有害，它可能发生翘曲并受损或甚至在极端情况下被熔化。如果该基体被涂覆(通常正是这种情况)，这些极端温度可能损伤该催化剂或者催化剂到基体上的附着作用。如果再生温度不足够高到支持碳烟烧除，则将再生期延长至20到30分钟范围内的时段。
一种现代柴油发动机的排气系统通常在该系统中具有若干后处理装置。除了DPF之外，可以有柴油机氧化催化器(DOC)；用于SCR系统的氨产生器；SCR催化器；以及氨产生系统中的额外催化器，所有这些都增大了该系统的热惯性。
图2描绘了一种典型的单一涡轮增压器的安装布局，其中新鲜空气通过一个空气清洁器25、接着通过一个进气管24被抽入，该进气管将空气清洁器25流体地联接到该涡轮增压器的压缩级2的进口上。该压缩级2由涡轮级1驱动。来自发动机100的排气从发动机的燃烧室通向排气歧管7到达涡轮级1并且接着经一个排气管11通向这些后处理装置。该后处理由一个DPF 12和一个催化器13组成、但也可以包括用于SCR系统的、产生氨所要求的装置或用于其他后处理的装置。对于一个EGR系统，排气歧管中的排气被送入到该EGR冷却器15并且因此被送入到进气歧管22，在此它与来自该涡轮增压器的压缩机级的压缩空气(在该压缩空气在中冷器20中被冷却之后)混合。来自中冷器20的、冷却的压缩空气与来自EGR冷却器15的、冷却的EGR气体的混合物通过进气阀门21来控制。
为了DPF再生，或者对燃烧投加过量燃料以产生更高温度的排气流，或者在某些情况下恰在DPF的上游提供一个另外的注射器以“投加”进入的排气流动用于再生该DPF。在升高燃烧温度的情况下，燃料“投加”将排气歧管中的典型的发动机外温度升高至大于600℃，使得恰在DPF上游的排气的温度超过550℃而持续至少10分钟以用于再生期。由于这个升高的温度，该排气系统、涡轮增压器、下行管、以及排气管的所有这些元件的热惯性都有效地且快速地对抗该DPF而起作用，从而造成更长的再生期。
图6显示了配备有一个经调整的两级(R2S)涡轮增压器系统的一种发动机，其中可以调制该排气流动使其流经这两个涡轮级之一或二者、或其组合。这种布局(通常用来产生所要求的、EGR系统(在压缩级中)的高的压力比)的结果是热惯性增大多于两倍，因为现在有两个涡轮级以及管道来协助这种构型。这意味着从排气流动中抽出的、DPF再生所要求的热能的散热片要大得多并且再生期将更长，要求更多的燃料用于这个再生过程。
有多种装置对后处理供应热量，用于PM再生的目的。它们以700℃至800℃范围内的温度运行。US 3,908,371(Tadashi)传授了用于净化排气的一种方法以及一种系统。该发动机成比例地供应排气以提供约1.0至1.15的过量空气比，使得在从发动机中排出的排气中基本上没有一氧化碳和氢气存在。将一种还原剂(如烃类)混入该进入还原催化器中的排气中用于去除过量的氧化物并且还原排气中的氮的氧化物，同时二次空气被供应至该进入氧化催化器中的排气中用于辅助对穿过该氧化催化器的排气中剩余的一氧化碳和烃类的氧化。接着可以在高温下清洁该催化器。
必须的是，在DPF的条件所要求时进行再生，从而使得车辆继续满足排放规定。在多数情况下，这些条件要求该过程在尽可能短的时间内、在对于车辆和DPF环境安全的温度下进行。
因此，对于一种简单的、低成本的解决方案存在需要，该方案降低了该排气系统在DPF再生期以及发动机启动时这两者之一中、并且优选在这二者中的热惯性。
发明内容
主动DPF再生的方法要求使DPF达到超过550℃至600℃的再生温度并持续一段足以完成DPF中的碳烟烧除的时间。单一涡轮增压器的热惯性、并且更关键的是多个涡轮增压器的热惯性(包括但不限于发动机启动)延缓了到达DPF的排气使其不能快速达到临界温度。根据本发明，引入一个低热惯性的、绝热的涡轮增压器旁路管道减少了DPF达到用于主动DPF再生的临界温度的时间。
附图说明
在附图中通过举例而非限制的方式展示了本发明，在附图中类似的参考号表示相似的部件，并且在附图中：
图1描绘了一种典型的涡轮增压器的一个截面；
图2是描绘一种带有后处理的典型单一涡轮增压器发动机的示意图；
图3是描绘一种带有后处理的典型单一涡轮增压器发动机的示意图，该发动机使用了一个长的、低热惯性的旁路，其中该后处理处于典型的车辆安装位置中；
图4是描绘一种带有后处理的典型单一涡轮增压器发动机的示意图，该后处理处于一个紧密联接的位置上；
图5是描绘一种典型的单一涡轮增压器发动机的示意图，该发动机带有处于紧密联接的位置上的后处理、以及一个双重目的的EGR/DPF流动阀门；
图6是描绘一种带有后处理的、典型的、经调整的两级涡轮增压器发动机的示意图，该后处理处于典型的车辆安装位置；
图7是描绘一种典型的经调整的两级涡轮增压器发动机的示意图，该发动机使用了一个长的、低热惯性的旁路，其中该后处理处于典型的车辆安装位置中；
图8是描绘一种典型的、经调整的两级涡轮增压器发动机的示意图，该发动机使用了紧密联接的、低热惯性的旁路，其中该后处理处于紧密联接的位置中；
图9是描绘一种典型DPF的示意图，该DPF具有以一个角度进入DPF中的低热惯性的旁路管道；
图10是描绘一种典型DPF的示意图，该DPF具有直接在DPF基质处喷出旁路气体的、低热惯性的旁路管道；
图11是描绘一种典型DPF的示意图，该DPF具有在离开DPF基质的上游直接喷出旁路气体的、低热惯性的旁路管道；
图12是描绘一种典型DPF的示意图，该DPF具有将旁路气体引导至一个扩散喷嘴中的、低热惯性的旁路管道；
图13是描绘一种典型DPF的示意图，该DPF具有将旁路气体切向地引导至该DPF中的、低热惯性的旁路管道；
图14是一个图表，示出了该低热惯性的旁路的益处；
图15是一个图表，示出了催化器的效率与气体温度之间的关系；
图16是一个图表，描绘了一个涡轮增压器系统中的多个部件的相对质量；
图17是在DPF处带有一个任选阀门的排气系统的示意图。
具体实施方式
在热力学方面，涡轮机壳体像一个大块散热片一样起作用。一个铸铁涡轮机壳体当比排气温度更冷时将从排气中提取热能。因为一个涡轮增压器的热惯性是显著的，必须认同的是多个涡轮增压器的热惯性成比例地显著增大。类似地，因为VTG涡轮增压器包含许多部件并且具有更高的质量，所有其热惯性特性成比例地显著增大。在多级涡轮增压器的情况下，热惯性随着这多个涡轮增压器的数目、加上体积、以及连接这些涡轮增压器的材料的性质而增大。
为了将DPF再生所要求的时间最小化，关键的是最大地利用来自发动机的、在排气流中出现的热能。为了有助于在所希望的再生时刻使最多的热能到达DPF的这种希望，提供了具有低的热惯性的一个绝热良好的(为了使从该旁路到外部空气中的辐射最小化)旁路。
因为热惯性由所讨论的材料的表面积、厚度、密度、比热、以及热传导率所决定，所以在下面提供了本发明中这些部件的相对质量的一个表格以提供一些比较。
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一个涡轮机壳体具有约0.15m2的内表面积。具有25mm内径和457mm长度的铸铁旁路管道具有0.036m2的内表面积，是该涡轮机壳体的表面积的0.036/0.15＝24％。
铸铁的热传导系数“κ”是33.5W/m-K。不锈钢309的“κ”是15.7，因此薄壁SS 309旁路管道(例如0.6mm-0.25mm)的热传导率占一个类似尺寸(25mm ID，457mm长度)的铸铁管道的比率将是15.7/33.5＝0.468倍。所以可以看出一个薄壁不锈钢旁路管道具有的热惯性将是0.094×0.24×0.468＝0.0106、或者是它绕过的涡轮机壳体的热惯性的1％。
图16描绘了一系列涡轮机壳体的质量(或相同材料中对于恒定的平均壁厚而言的表面积)之比，通过以mm标注在“X”轴上的涡轮机叶轮大小以及以Kg标注在“Y”轴上的质量进行分级。趋势线160在诸位发明人注意到的涡轮机壳体的质量范围160上是平滑的。其上方的线162代表生产中的一系列VTG的质量，并且其上方的线163代表某些生产的R2S涡轮增压器系统的质量。该图表的下端是代表涡轮增压器旁路的质量的两条线。较大的虚线代表铸铁旁路管道的质量。旁路的直径随着涡轮增压器变大而改变。其下的较窄的虚线166代表低热惯性的不锈钢旁路管道的质量。这些管道的内部直径随着涡轮变大而改变。
从图16的图表可以看出，对于小型涡轮增压器，铸铁旁路的质量与最大涡轮机壳体构型的质量之比是在从6％至30％的范围内。对于更大的涡轮增压器(接近91mm)，比率范围是从2.5％至15％。对于所有涡轮增压器，SS薄壁旁路的质量与涡轮机壳体的质量之比的范围是从0.11％至0.45％。SS旁路的质量与铸铁旁路的质量之比的范围是从1.57％至2.53％。所以可以看出，当与涡轮机壳体的热惯性相比时，一个绝热的薄壁旁路的热惯性大大减小。
用于一个91mm的涡轮机叶轮的典型涡轮机壳体具有的质量是25Kg，用于一个70mm的涡轮机叶轮的典型涡轮机壳体具有的质量是15Kg。一个类似尺寸的VTG涡轮机壳体具有的质量是26Kg。用于与以上具有70mm叶轮的涡轮增压器的发动机类似的发动机的一种两级具有的质量是30Kg。对于相同的涡轮增压器实例，一个铸铁旁路将具有从0.27kg到2.17kg的质量，并且一个不锈钢薄壁旁路管道的质量的范围将是从0.007kg至0.034kg。
如果该旁路管道的壁厚“Y”从6.4mm的铸铁厚度减小到0.6mm的不锈钢厚度，则热传导路径将减小为原始的0.6/6.4＝0.094，因此这种改变将产生相同倍数的热惯性变化。
在图3中，来自排气歧管7的排气通过一个低热惯性的、绝热良好的旁路管道18借助一个控制阀19被输送到达恰在DPF 12上游的递送点。接着该被加热的排气被传递至在图9至图13中更详细示出的陶瓷DPF基质121。使用这种新颖的系统，被加热的排气温度仅仅被冷却后的大部分排气流极小地稀释，这种冷却是通过与高热惯性、高质量的涡轮增压器和排气系统相接触而进行的。
在图4中示出了这种构型的一个更极端的实施方案。修改DPF以及可能地另外一种或多种后处理装置的位置以使得DPF更接近该排气歧管。尽管这在纸上看起来容易，但在实际生活中，因为DPF在可能超过800℃的温度下运行，在车辆中这样一种布局的包装是非常困难的。
在图5中可见这种构型的另一个实施方案，其中该EGR阀门和DPF再生阀门被配置为一个组合阀门9，从而使得组合的(EGR和低热惯性的旁路管道)阀门9可以在再生期过程中控制气体经该低热惯性的绝热的旁路管道19到达DPF 12的流动，因此节约了一个单独的DPF再生流动阀门的成本。
在图7中使用了一种经调整的两级涡轮增压器系统。这典型地在一种商业上的柴油机应用中具有约34Kg的铸铁质量。对于客车应用，这将更小，但在该系统的质量百分比的基础上它仍然是大约相同的，所以它将包括占整个系统的热惯性的一个巨大的百分比。根据本发明，来自排气歧管7的排气通过一个低热惯性的、绝热良好的旁路管道18借助一个控制阀19被输送到达恰在DPF 12上游的递送点。
在图8中示出了该经调整的两级设计的另一个实施方案。如以上解释的，DPF 12是位于可能的、最接近该排气歧管7的位置以便使该旁路的热惯性最小化。这个实施方案可以具有或不具有一个双重目的的EGR/DPF再生阀门9来替换一个分离的EGR阀门加上一个分离的DPF再生阀门。
当使用该低热惯性的、绝热良好的涡轮增压器旁路管道18时，通过将该未热稀释的排气直接引导到DPF陶瓷基质处可以实现最大益处。图9描绘了一种方法，其中在该低热惯性的、绝热良好的管道18中流动的“热的”排气40在方向42上在位置122处从管道18中出现，使得它撞击在该陶瓷基质的中心上。以此方式，用已经沿标准排气管向下行进的“更冷的”排气41进行的稀释受到了限制。
在另一个实施方案中，为了最小化热惯性，使得最大的热能被传递至该后处理装置，使用一个可能由超耐热合金或不锈钢制成的、薄的柔性管道来传输这种绕过的气体。该超耐热合金、优选为一种铁基的超耐热合金，包含Ti、Nb、B、Hf和Zr中的一种或多种，并且适当的例子包括SUH660、Inconel713C以及Incoloy 800H。用于此管道的一种典型的不锈钢是SS309。通过用一个低热惯性的管道将排气歧管连接到车辆下行管34上，与该导管是一个厚壁铸造物的情况下相比，该管道吸收了较少的排气热，因此有更多的排气能量可用于加热该催化器或DPF。
在一个优选实施方案中，使用该低热惯性的、绝热良好的涡轮增压器旁路管道18来将该未热稀释的排气直接引导到DPF陶瓷基质处。图10描绘了一种方法，其中在该低热惯性的、绝热良好的管道18中流动的“热的”排气40在方向42上在位置123处从管道18中出现，使得与在图9的实施方案中可能的情况相比，该排气更直接地撞击在该陶瓷的DPF基质的面的中心上。这个实施方案可能要求对该陶瓷基质的某些几何形状改变以实现甚至更高水平的加热。
在这种设计的另一个实施方案中，使用该低热惯性的、绝热良好的涡轮增压器旁路管道18来直接在上游引导该未热稀释的排气离开DPF陶瓷基质。图11描绘了一种方法，其中在该低热惯性的、绝热良好的管道18中流动的“热的”排气40在与进入的“更冷的”排气流动(41)的总体流动相反的方向43上在位置124处从管道18中出现，使得与在图9或图10的实施方案中可能的情况相比，这种设计提供了排气温度的优异的局部混合来更均匀地携带该“部分加热的”气体流动跨过该陶瓷的DPF基质的面。这个实施方案可能要求向来自旁路管道18的、进入的流动40中增加某个额外速度以便实现最佳混合。
在又一个实施方案中，使用该低热惯性的、绝热良好的涡轮增压器旁路管道18来将该未热稀释的排气引导进入该DPF陶瓷基质上游的一个喷嘴中。图12描绘了一种方法，其中在该低热惯性的、绝热良好的管道18中流动的“热的”排气40在方向44上在位置125处从管道18中出现。在该喷嘴中的、可能具有不同长度的多个管道也可以处于并非垂直于进入的流动41的角度，以便在进入的流动41的方向上是倾斜的。在这个实施方案中，混合作用是通过尾随这些注射器管道的涡流扩散而产生的。
在这种设计的又一个实施方案中，使用该低热惯性的、绝热良好的涡轮增压器旁路管道18来将该未热稀释的排气引导进入该DPF陶瓷基质上游的一个喷嘴中。图13描绘了一种方法，其中在该低热惯性的、绝热良好的管道18中流动的“热的”排气40在与DPF壳体的中心线相切的方向45上在位置126处从管道18中出现。在这个实施方案中，该混合作用是通过该DPF陶瓷基质上游的管道中的切向漩涡45而产生的。
图14中的图表示出了在一个试验中可用于再生的时间段。X轴是以秒计的可用时间段；Y轴是在DPF基质前方一点处以摄氏度计的温度。550℃至600℃是用于在所研究的DPF中进行再生的临界温度。
·标记“M”是涡轮机叶轮上游的排气的温度。
·标记“S”是在正常构型中在紧挨DPF前方处可见的温度。
·标记“I”是使用低热惯性的旁路管道时在紧挨DPF前方处可见的排气温度。
·线“R”是用于碳烟燃烧的阈值温度。
·标记为“D”的持续时间是整个所要求的再生周期的持续时间(100％)。
·标记为“B”的持续时间是一种典型的(以及测试的)标准DPF构型的持续时间，其中DPF前方的温度是＞600℃，为用于碳烟燃烧的阈值温度。
·标记为“N”的持续时间是DPF基质前方的温度＞600℃时的持续时间，其中图3中的本发明的简单情况安排就位。(将该后处理构型假定为标准的车辆构型并且一个低热惯性的、绝热的旁路管道将再生排气从排气歧管输送至DPF基质前方的DPF扩散锥(diffusion cone)中)。
·时间段“I”是对可用于再生的时间的改进。“I”是标准构型“B”与新构型“N”之间的差。所以有效地，时间段“I”是由本发明造成的时间改进。
从这个图表中可见，标准构型的可用再生期“B”为555秒、或可用时间段的62.5％，而使用该低热惯性的、绝热的旁路的构型的可用再生期为675秒、或该可用时间段的76.7％，并且增大了21.6％。这与涡轮增压器的热惯性的21.6％的减小粗略相同，是一个巨大的减小。
使用与用于以上DPF再生的相同的逻辑，诸位发明人意识到可用使用与用于快速DPF再生相同的、低热惯性的旁路系统来解决冷启动过程中催化器起燃的问题。如图17中所示，使用该低热惯性的、绝热良好的涡轮增压器旁路管道18来将该未热稀释的(热守恒的)排气引导进入该DPF 12或催化器13之一或二者之中。加热的、未稀释的气体的流动通过该控制阀19来进行控制，该控制阀允许热的排气流动进入该低热惯性的、绝热良好的涡轮增压器旁路管道18中。在DPF入口处的控制阀51可以被配置为允许到达DPF的流动以用于再生、或者允许到达该催化器的流动以用于早期起燃。因为冷启动条件不是很可能与一个DPF再生周期冲突，所以对于来自该低热惯性的、绝热良好的管道以便为DPF和催化器二者提供热的排气的这种流动应该没有要求。在车辆行业中，通常在许多不同的车辆中使用相同的发动机。在翻斗卡车中使用的基本发动机可以同样用于巡航游艇或挖掘机中。在汽车行业中，在4座轿车中使用的发动机可以同样用于货车或SUV中。由于这种宽广的用途，不可能限定一个发动机排气管(在此情况下是从涡轮增压器到DPF)的长度，或者在本发明的情况下，不可能限定用于所有车辆的该低热惯性的、绝热的涡轮增压器旁路管道的长度。
本发明的基本观念是对排气系统提供一个穿过该涡轮增压器的第一流动路径、以及穿过一个管道的一个第二“旁路”流动路径，该管道被特别地设计为在热惯性方面尽可能低。按照经验法则，在一个限定长度的旁路的重量与涡轮机壳体的重量之比的意义上可以定义一个“低热惯性的旁路管道”，其中所限定的长度与涡轮机叶轮的直径是成比例的。
可替代地，该低热惯性的旁路管道可以在第一支路的重量对第二支路的重量(从拆分点到合并点)的意义上来定义。第一支路包括从拆分处到涡轮机壳体的排气管道、包括该涡轮机壳体的重量以及到达汇合点的下行管和排气管道的重量。在这种测量方法下，该旁路管道的重量是涡轮增压器支路的重量的从1％至10％。
作为一种更科学的测量形式，该旁路管道可以在该低热惯性[为什么包括绝热部分的重量？]的涡轮增压器旁路管道的长度的意义上进行定义，该长度如从该涡轮增压器上游的排气的来源起、从如图3中所示的歧管[包括阀门的重量？]或者从如图5中所示的涡轮增压器的恰好上游处起，并且该旁路管道的终端距离该涡轮机叶轮的突出部的距离是与排气管18的界面至下游涡轮机壳体1的距离相同的。
使用这个定义来覆盖所有涡轮增压器(从固定的涡轮增压器到经调整的两级涡轮增压器)：
具有以上定义的长度的、铸铁的、低热惯性的、绝热的涡轮增压器旁路管道的重量与涡轮机叶轮的直径之比是从0.005至0.020(真实地是0.006至0.017)；并且
低热惯性的、绝热的薄壁SS涡轮增压器旁路管道与涡轮机叶轮的直径之比是从0.0001至0.00025(真实地是0.0001至0.00021)。
虽然在此就适合用于汽车或卡车行业的一个实施方案对车辆发动机系统进行了非常详细的说明，但容易看清楚的是，这种包括低热能的、绝热的涡轮机旁路管道的涡轮增压器系统适合用于多种其他的应用中。尽管已经就柴油机微粒过滤器以及催化转化器在一定的具体程度下以优选形式对本发明进行了说明，但应该理解，这种优选形式的当前披露仅是以举例形式做出的，并且在不背离本发明的精神及范围的情况下可以寻求结构的细节以及组合的构成方面的众多改变。
现在已经说明了本发明，我们的权利要求如下。

Claims (12)

1.一种车辆发动机系统，包括：
一台内燃发动机(100)，该内燃发动机包括一个进气歧管(22)和一个排气歧管(7)，
包括一个涡轮机壳体的至少一个涡轮增压器，所述涡轮机壳体具有一个进口和一个出口，所述进口与所述排气歧管(7)的排气流是连通的并且位于其下游，
位于所述涡轮增压器下游的所述排气流中的至少一个后处理装置(12，13)，所述后处理装置具有一个进口和一个出口，
旁路管路(18)，该旁路管路将所述涡轮增压器上游的排气流与在所述涡轮增压器下游并且在所述后处理装置上游的排气流相连接，
旁路阀门(9，19)，用于选择性地控制所述涡轮机壳体周围的排气的至少一部分的流动，
其中该旁路管路的内表面积是该涡轮机壳体的内表面积的1％至25％，
其中该旁路管路的长度是200cm或更小，并且
其中该旁路管路的金属重量是该涡轮机壳体的重量的0.1％至3％。
2.如权利要求1所述的车辆发动机系统，其中所述后处理装置包括一个壳体，该壳体具有一个进口和一个出口，并且其中所述旁路管路(19)将排气的流动引入在该后处理装置壳体进口的5cm之内的排气流之中。
3.如权利要求1所述的车辆发动机系统，其中所述后处理装置包括一个壳体，该壳体具有一个进口和一个出口，并且其中所述旁路管路(19)将排气的流动引入在该后处理装置壳体进口下游的后处理装置之中。
4.如权利要求1所述的车辆发动机系统，其中该旁路管路的内表面积是该涡轮机壳体的内表面积的5％至50％，该旁路管路的长度是100cm或更小，并且该旁路管路的金属重量是该涡轮机壳体的重量的0.1％至1.5％。
5.如权利要求1所述的车辆发动机系统，其中该旁路管路的内表面积是该涡轮机壳体的内表面积的5％至25％，该旁路管路的长度是50cm或更小，并且该旁路管路的金属重量是该涡轮机壳体的重量的0.1％至0.5％。
6.如权利要求1所述的车辆发动机系统，其中所述旁路管路是绝热的。
7.如权利要求1所述的车辆发动机系统，其中所述后处理装置是以下至少一项：柴油机微粒过滤器(DPF)(12)、柴油氧化催化器、微粒过滤器再生装置(这是与DPF分开的？)、挡风玻璃除霜器。
8.如权利要求7所述的车辆发动机系统，其中所述旁路管路(18)被安排为将排气引导至该DPF(12)和该催化转化器(53)之一或二者。
9.如权利要求1所述的车辆发动机系统，其中所述旁路管路是包含Ti、Nb、B、Hf和Zr中一种或多种的一种铁基超耐热合金材料、或是不锈钢。
10.如权利要求9所述的车辆，其中所述旁路管路是选自SUH660、Inconel713C、以及Incoloy 800H中的一种超耐热合金材料的一个柔性的波纹管。
11.如权利要求1所述的车辆发动机系统，其中所述后处理装置是一种柴油机微粒过滤器(DPF)(12)，其中所述系统进一步包括一个排气再循环(EGR)系统，并且其中所述旁路阀门(10)被适配为在再生期间中控制用于EGR的排气流动并且控制经过该旁路管道(19)到达该DPF(12)的排气流动。
12.如权利要求1所述的车辆发动机系统，包括串联安排的第一和第二涡轮增压器，其中所述旁路管路绕过所述两个涡轮增压器。
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