CN103184916B

CN103184916B - 具有排气后处理设备的内燃机和用于运行所述类型内燃机的方法

Info

Publication number: CN103184916B
Application number: CN201310000841.8A
Authority: CN
Inventors: J·哈姆森; F·林森
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-01-02
Filing date: 2013-01-04
Publication date: 2018-01-16
Anticipated expiration: 2033-01-04
Also published as: US20130167510A1; US9016046B2; CN103184916A

Abstract

本发明公开一种具有至少一个汽缸的内燃机，该汽缸具有用于经由排气排放系统排放排气的至少一个出口孔，其包括：连接每个出口孔的排气管道，和用于还原排气中的氮氧化物的储存催化转化器，其设置在所述排气排放系统中；其中，设置用于旁通该储存催化转化器的旁通管路，该旁通管路从储存催化转化器上游的排气排放系统分支，以便形成第一接合处，并在储存催化转化器的下游再开口到排气排放系统中，以便形成第二接合处；用于将还原剂引入排气排放系统中的装置设置在第一接合处和储存催化转化器之间，并且提供用于控制被引进通过储存催化转化器的排气质量流的关闭元件。该储存催化转化器的旁通减少通过该储存催化转化器的可得到的氧和空气流，为还原该储存催化转化器中的NO_x提供更有利的环境。

Description

具有排气后处理设备的内燃机和用于运行所述类型内燃机的方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2012年1月2日提交的德国申请102012200000.3的优先权，为了全部目的其整个内容通过参考结合于此。

技术领域

本发明涉及内燃机的排气后处理。

背景技术

来自内燃机的排气包含显著地大于法律允许水平的氮氧化物NO_x水平。为了减少氮氧化物NO_x排放，需要一些类型的氮氧化物NO_x后处理。两种最可行的技术是氮氧化物储存催化转化器（LNT—稀NO_x捕集器）和选择性催化转化器，所谓的SCR（选择性催化还原），这两种都在下面比较详细地描述。利用LNT的缺点是需要局部浓（λ<1）（例如燃料被添加至空气-燃料混合物）状态，以提供用于还原氮氧化物NO_x的贫氧环境。SCR另外使用添加剂以产生适合于还原氮氧化物NO_x的环境条件。在SCR的情况下，通常添加氨NH₃化合物以产生还原环境。本发明描述用于氮氧化物NO_x后处理的系统和方法，这种系统和方法既避免发动机汽缸的浓运行又避免添加氨NH₃化合物。

发明内容

本发明涉及具有至少一个汽缸的内燃机，其具有至少一个出口孔，用于经由排气排放系统排放排气，其中：

-每个出口孔由排气管道连接，并且

-用于还原排气中的氮氧化物的储存催化转化器设置在排气排放系统中。

本发明还涉及用于运行所述类型内燃机的方法。

上述类型的内燃机例如被用作机动车辆的驱动装置。在本发明的范围内，表述“内燃机”特别是包括柴油发动机，但是也包括火花点火发动机，并且还包括以混合燃烧过程运行的混合内燃机。

根据已知的减少污染物排放的方法，内燃机配备有各种排气后处理系统。即使没有附加的措施，在汽缸充气的膨胀和排放期间，在足够高的温度水平并且在有足够大量的氧气存在的情况下，发生未燃烧的碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的氧化。然而，专用的反应器和/或过滤器通常必需设置在排气道中，以便在所有的运行条件下减少污染物排放。

在火花点火发动机中，使用催化反应器，通过使用催化材料，催化反应器增加某些反应的速率，即使在低温下也确保HC和CO的氧化。如果也要还原氮氧化物NO_x，这可以通过利用三元催化转化器实现。然而，利用三元催化转化器需要火花点火发动机的化学计量运转（λ≈1）在很窄的限值内。此处，氮氧化物NO_x借助于未氧化的排气组分还原，具体为一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物，其中所述的排气组分同时被氧化。

在以过量的空气运行的内燃机中，例如，柴油发动机，但是还有以稀燃烧模式运行的火花点火内燃机，或直接喷射火花点火发动机，由于缺少还原剂排气中的氮氧化物NO_x不能被还原。

为了还原氮氧化物，因此利用选择性催化转化器，所谓的SCR（选择性催化还原）催化转化器，其中特意将还原剂引入到排气中以便选择性地还原氮氧化物。SCR催化转化器利用氨和尿素作为还原剂。然而，SCR催化转化器也可以利用未燃烧的碳氢化合物作为还原剂。后者也被称做HC浓混合气（enrichment），其中未燃烧的碳氢化合物可以被直接引入排气排放系统中。此外，未燃烧的碳氢化合物也可以通过发动机内部措施供给，例如在实际燃烧之后通过附加燃料的后喷射供给到燃烧室中。在本发明中，后喷射的燃料在燃烧室中将不被主燃烧点火，而是在充气交换期间将被引入排气排放系统中。

氮氧化物排放物也可以通过氮氧化物储存催化转化器（LNT-稀NOx捕集器）被还原。在利用LNT过程中，氮氧化物在内燃机的稀燃模式期间开始被吸收。也就是说，氮氧化物在再生阶段期间被还原之前被收集并且储存在催化转化器中。在再生阶段，氮氧化物通过内燃机的亚化学计量运转（例如，λ<0.95）被还原。在缺氧的情况下，排气中未燃烧的碳氢化合物用作还原剂。而且，用于排气特别是未燃烧的碳氢化合物的还原剂浓混合气的发动机内部的可能性是排气再循环（EGR），并且在柴油发动机的情况下，是进气道中的节流。如上所述，关于SCR催化转化器，具有未燃烧的碳氢化合物的排气的浓混合气也可以通过燃料的后喷射实现，这也可以被认为是发动机内部措施。所述方法的缺点是机油变稀。如果还原剂例如通过在LNT上游的附加燃料喷射被直接引入排气排放系统中，通过在发动机内部措施分配（dispense）是可能的，LNT上游的附加燃料喷射是本发明的目的。

在再生阶段期间，氮氧化物NO_x被释放并且基本转化成氮气N₂、二氧化碳CO₂和水H₂O。储存催化转化器的温度优选应当在200°C和450°C之间的温度窗口中，因此确保快速还原并且没有解吸附作用，不发生再释放的氮氧化物NO_x的转化。这些效果可以被非常高的温度激发。

利用LNT的一个困难产生于包含在排气中的硫。硫被吸收在LNT中并且必需通过脱硫定期除去。为此，LNT必需被加热到高温，通常在600°C和700°C之间，并且被供给还原剂。由于脱硫所需要的高温，对于储存催化转化器有利的是以尽可能紧密连接的方式放置，也就是说尽可能靠近内燃机的出口，使得给予排气短的距离和时间冷却。

如上详细所述，排气后处理系统，SCR催化转化器和储存催化转化器（LNT）都需要用于氮氧化物NO_x的还原的还原剂。

作为被喷射到燃烧室中的还原剂的燃料的使用，即未燃烧的碳氢化合物的使用，与减少燃料消耗并且提高内燃机的效率的基本目的不符。而且，在增加燃料消耗的情况下二氧化碳CO₂排放物也增加。

利用氨作为还原剂需要提供额外的容器用于储存氨或尿素，在发热反应过程期间氨NH₃由尿素形成。

两种类型的还原剂策略，即富燃和喷射氨NH₃，构成工作液体，其被消耗，需要成本并且或多或少对环境有害。

为了上述理由，有利的是利用尽可能少的还原剂，这也可以通过使用的还原剂的最可能的利用实现。本发明详述具有至少一个汽缸的内燃机，该汽缸具有用于经由排气排放系统排出排气的至少一个出口孔，其包括：连接每个出口孔的排气管；和设置在该排气排放系统中的用于还原排气中的氮氧化物的储存催化转化器；其中设置用于旁通该储存催化转化器的旁通管路，该旁通管路从该储存催化转化器上游的排气排放系统分支，以便形成第一接合处（junction）并且在储存催化转化器的下游再开口到排气排放系统中，以便形成第二接合处；用于将还原剂引入排气排放系统中的装置，其被设置在第一接合处和储存催化转化器之间，以及提供用于控制引导通过储存催化转化器的排气质量流的关闭元件。

本发明提供旁通储存催化转化器的排气旁通管路。引导排气流离开该储存催化转化器减少了在清洁期间到该转化器的空气流。在清洁期间减少储存催化转化器中的空气流将减少该储存催化转化器可用的氧。在添加还原剂的情况下，在这种情况下是来自用于将还原剂引入该储存催化转化器上游的排气管中的装置的燃料，除了减少可用的氧之外，条件被改善用于还原氮氧化物NO_x。而且，在清洁期间限制排气流将限制通过该储存催化转化器的空气速度，进一步改善用于还原氮氧化物NO_x的条件。当本发明的方法能够在任何发动机速度或负载下进行时，直接喷射燃料到排气排放系统中相对于发动机的浓运行是有利的。而且，在清洁期间通过储存催化转化器的未燃烧的碳氢化合物HC可以用作该催化转化器下游的SCR的还原剂。

本发明的上述优点和其他优点以及特征从下面单独或结合附图的具体实施方式将变得明显。

应当明白，提供上面的概述是为了以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。这并不意味着区分要求保护的主题的关键的或基本的特征，要求保护的主题的范围由所附权利要求唯一地限定。而且，要求保护的主题不限于解决在上面或本发明的任何部分指出的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示出内燃机的示意图。

图2示意性地示出与排气排放系统一起的内燃机的实施例。

图3图示出本发明的方法。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种内燃机，该内燃机在用于还原排气中的氮氧化物的还原剂的燃烧方面被优化。

本发明的另一个子目的是提出一种用于运行所述类型的内燃机的方法。

第一子目的通过具有至少一个汽缸的内燃机实现，该汽缸具有用于经由排气排放系统排放排气的至少一个出口孔，其中：

-每个出口孔由排气管道连接，并且

-用于还原排气中的氮氧化物的储存催化转化器设置在该排气排放系统中，

并且其中

-设置用于旁通该储存催化转化器的旁通管路，该旁通管路从该储存催化转化器上游的排气排放系统分支，以便形成第一接合处，并在储存催化转化器的下游再开口到排气排放系统中，以便形成第二接合处；

-用于将还原剂引入排气排放系统中的装置设置在第一接合处和储存催化转化器之间，以及

-提供用于控制引导通过该储存催化转化器的排气质量流的关闭元件。

这样的内燃机实施例是有利的，其中用于引进还原剂的装置是用于引进燃料的装置，也就是说，燃料被用作还原剂。然而，氢也可以被用作还原剂。在本发明的说明书的下文中将假定燃料被用作还原剂。

根据本发明，储存催化转化器被用来还原氮氧化物，其中用作还原剂的燃料被直接引入该储存催化转化器上游的排气排放系统中。

根据本发明，储存催化转化器配备有用来旁通该储存催化转化器的旁通管路，该旁通管路从该储存催化转化器上游的排气排放系统分支，并且在该储存催化转化器的下游再开口到该排气排放系统中。

该旁通管路与关闭元件相互作用，使得从该至少一个汽缸排放的未处理的排气的一部分能够被引导通过该储存催化转化器。剩余的排气分流通过该储存催化转化器并且用作燃料的载体（carier）流，该燃料作为还原剂通过该装置被引入排气排放系统中，以便在储存催化转化器中还原在清洁期间释放的氮氧化物。

排气排放系统的结构布局，即具有旁路的储存催化转化器的配备，和仅仅一部分排气的HC浓混合气，具有这样的效果，即根据本发明的内燃机需要相对少的燃料用来清洁该催化转化器。下面将简要地讨论这种技术的相互作用或理由。

如果引导通过储存催化转化器的排气流被还原，则引导通过该催化转化器的氧质量也减少。首先由于在释放的氮氧化物能够通过引入的燃料还原之前，排气中的游离氧O₂必须被消耗，用于清洁该催化转化器所需要的燃料质量也随着还原的氧质量而减少。

在清洁过程期间还原引导通过储存催化转化器的排气流的根据本发明的措施的另一个技术效果显示在还原的空间速度方面。由于引导通过催化转化器的排气流被还原，引导通过催化转化器的排气流在催化转化器中具有较长的残留时间，使得排气中的燃料可以得到或被提供较长的时间以与氮氧化物反应，即还原氮氧化物。

本发明所基于的第一子目的通过根据本发明的内燃机实现。下面描述内燃机，其在用于还原排气中的氮氧化物的还原剂的消耗方面被优化。

现在参考图1，图1示出内燃机10的燃烧室或汽缸的示例性实施例。发动机10可以接收来自包括控制器12的控制系统的控制参数和经由输入装置132来自车辆操作者130的输入。在这个示例中，输入装置132包括加速器踏板和用于产生比例踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的汽缸（本文中也叫做“燃烧室”）14可以包括活塞138设置在其中的燃烧室壁136。活塞138可以被连接至曲轴140使得活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。曲轴140可以经由传动系统连接至客车的至少一个驱动轮。而且，起动机可以经由飞轮连接至曲轴140以能够进行发动机10的起动运行。

汽缸14能够经由一系列进气通道142、144和1接收进气。除了汽缸14之外，进气通道146可以与发动机10的其他汽缸连通。在一些实施例中，一个或多个进气通道可以包括诸如涡轮增压器或机械增压器的增压装置。例如，图1示出配置有涡轮增压器的发动机10，该涡轮增压器包括设置在进气通道142与144之间的压缩机174和沿着排气通道148设置的排气涡轮176。在增压装置构造成涡轮增压器的情况下，压缩机174可以至少部分地经由轴180由排气涡轮176供给动力。然而，在其他示例中，例如在发动机10配备有机械增压器的情况下，在压缩机174可以由来自电机或发动机的机械输入供给动力的情况下，排气涡轮176可以可选地省去。包括节流板164的节气门20可以沿着发动机的进气通道设置，用于改变提供给发动机汽缸的进气的流量和/或压力。例如，节气门20可以如图1所示设置在压缩机174的下游，或者可替换地可以设置在压缩机174的上游。

这样的内燃机的实施例是有利的，其中为了增压的目的设置至少一个排气涡轮增压器，其中该至少一个排气涡轮增压器的涡轮设置在排气排放系统中的第一接合处的上游。

增压是在保持不变的工作容积的同时用于增加内燃机的功率的合适手段，或是在保持相同功率的同时用于减小工作容积的合适手段。对于相同的车辆边界条件，因此能够共同朝着较高的负载改变负载，在此负载下具体的燃料消耗比较低。因此增压有助于将燃料消耗最小化，即提高内燃机的效率。在合适的增压配置的情况下，也可能在排气排放物方面获得优点。

为了增压，经常利用排气涡轮增压器，其中压缩机和涡轮设置在同一个轴上。热排气流经由排气排放系统供给涡轮并且在所述涡轮中膨胀并释放能量，结果轴开始旋转。由排气流供给至涡轮并且最终供给至该轴的能量被用来驱动同样设置在该轴上的压缩机。该压缩机传递并压缩供给至它的进气，结果得到汽缸的增压。

例如相对于常规的机械增压器而言排气涡轮增压器的优点是在增压器和内燃机之间不存在或不需要机械连接。

关于排气涡轮增压器的设置，应当将涡轮设置得尽可能靠近内燃机的出口，即以紧密连接的布局设置，以便因而能够最佳利用由排气压力和排气温度明确地确定的热排气的排气焓（enthalpy），并且确保涡轮增压器的快速响应行为。基本地寻求使汽缸及涡轮上的出口孔之间的管路系统的热惯性和体积最小化，这可以通过减少部件的质量和长度实现。在本发明的情况下，有利的是至少一个排气涡轮增压器的涡轮设置在该排气排放系统中的第一接合处的上游。

而且，在本发明的范围内可以没有涡轮增压器。但是，在具有涡轮增压器的情况下，诸如发动机10，涡轮将设置在排气排放系统2（在下面参考图2进一步描述）的第一接合点上游。

除了汽缸14之外，排气通道148还可以接收来自发动机10的其他汽缸的排气。排气传感器128被示出连接至排气排放系统2的上游的排气通道148。传感器128可以从用于提供排气空气/燃料比的指示的各种合适的传感器中选择，例如线性氧传感器或UEGO（通用或宽域排气氧传感器）、两级氧传感器或EGO（如所示）、HEGO（加热的EGO）、NOx、HC或CO传感器。在本发明的范围内排气排放系统2包括储存催化转化器、涂层微粒过滤器和SCR转化器（在图2中更详细地描述）。

排气温度可以通过位于排气通道148中的一个或多个温度传感器（未示出）测量。可替换地，排气温度可以基于诸如速度、负荷、空气-燃料比（AFR）、火花延迟等发动机工况推断。而且，排气温度可以通过一个或多个排气传感器128计算。应当明白，排气温度可以可替换地通过这里列出的温度估算方法的任何组合来估算。

发动机10的每个汽缸可以包括一个或多个进气阀和一个或多个排气阀。例如汽缸14被示出包括位于汽缸14的上部区域的至少一个进气提升阀150和至少一个排气提升阀156。在一些实施例中，发动机10的每个汽缸，包括汽缸14，可以包括设置在汽缸的上部区域的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。

进气阀150可以经由凸轮致动系统151通过凸轮致动由控制器12控制。同样，排气阀156可以经由凸轮致动系统153由控制器12控制。凸轮致动系统151和153每个可以包括一个或多个凸轮并且可以利用由控制器12操作的凸轮廓线变换（CPS）、可变凸轮正时（VCT）、可变气门正时（VVT）和/或可变气门提升（VVL）系统中的一个或多个，以改变阀运行。进气阀150和排气阀156的运行可以分别由阀位置传感器（未示出）和/或凸轮位置传感器155和157确定。在可替换实施例中，进气阀和/或排气阀可以由电子阀致动控制。例如，汽缸14可以可替换地包括经由电子阀致动控制的进气阀和经由包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动控制的排气阀。在又一些其他实施例中，进气阀和排气阀可以由共同的阀致动器或致动系统、或可变阀正时致动器或制动系统控制。

汽缸14可以具有压缩比，该压缩比是当活塞138在下止点和上止点时的容积比。通常，压缩比在9:1到10:1的范围内。然而，在使用不同燃料的一些例子中，压缩比可以增加。例如，当使用较高的辛烷燃料或具有较高的汽化潜焓的燃料时，这可以发生。如果利用直接喷射，由于其对发动机爆燃的影响，压缩比也可以增加。

燃料喷射器166被示出直接连接至汽缸14，用于与经由电子驱动器168从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地直接将燃料喷射到其中。以这种方式，燃料喷射器166提供通常所说的燃料直接喷射（下文称作“DI”）到燃烧汽缸14中。虽然图1示出燃料喷射器为侧面喷射器，但是它也可以设置在活塞的顶上。当以醇基燃料运行发动机时，由于一些醇基燃料的较低的挥发性，这种位置可以增加混合和燃烧。可替换地，喷射器可以位于顶部并靠近进气阀以增加混合。燃料可以从包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨的高压燃料系统8传递至喷射器166。可替换地，燃料可以由单级燃料泵以低压输送。而且，燃料箱可以具有提供信号至控制器12的压力传感器。

应当明白，虽然在一个实施例中，该发动机可以经由单个直接喷射器通过喷射燃料而运行；在可替换实施例中，发动机可以通过利用两个喷射器（直接喷射器166和端口喷射器）并且改变来自每个喷射器的喷射的相对量而运行。

在汽缸的单个循环期间，燃料可以通过喷射器传输至汽缸。而且，正如本文下面所述，从喷射器传输的燃料的分配和/或相对量可以随着诸如发动机温度、周围温度等的工况而变化。还有，对于单个燃烧事件，每个循环可以进行所传输的燃料的多次喷射。多次喷射可以在压缩行程、进气行程或其任何合适的组合期间进行。

如上所述，图1仅仅示出多汽缸发动机的一个汽缸。每个汽缸可以类似地包括其自己的一组进气/排气阀、燃料喷射器等。还有，汽缸可以具有火花塞并且可以被构造成燃烧汽油或其他燃料。

发动机10可以进一步包括EGR系统194，该EGR系统194包括用于将来自发动机排气的一部分排气再循环到发动机进口的一个或多个排气再循环通道。从而，通过再循环一些排气，发动机稀释可以被影响，这可以通过减少发动机爆燃、峰值汽缸燃烧温度和压力、截流损失以及NO_x排放而提高发动机性能。在所示的实施例中，排气可以经由EGR通道141从排气通道148再循环到进气通道144。提供给进气通道144的EGR的量可以经由EGR阀143通过控制器12改变。而且，EGR传感器145可以设置在EGR通道内并且可以提供排气的压力、温度和浓度中的一个或多个的指示。

应当明白，虽然图1的实施例示出低压（LP-EGR）通过LP-EGR通道提供，其中LP-EGR通道连接在涡轮增压器压缩机上游的发动机进气与该涡轮下游的发动机排气之间，但是在可替换实施例中，发动机可以被构造成经由高压EGR（HP-EGR）通道也提供高压EGR，其中HP-EGR通道连接在压缩机下游的发动机进气与该涡轮上游的发动机排气之间。在一个示例中，HP-EGR流可以在诸如没有由涡轮增压器提供的增压的条件下提供，而LP-EGR流可以在诸如存在涡轮增压器增压的条件下和/或排气温度高于阈值时提供。当包括不同的HP-EGR和LP-EGR通道时，各自的EGR流可以通过调节各自的EGR阀控制。

在图1中控制器12被示出为微型计算机，其包括：微处理单元（CPU）106、输入/输出端口（I/O）108、用于执行程序和校准值的电子储存介质、随机存取存储器（RAM）112、保活存储器（KAM）114和数据总线，电子储存介质在这个具体的示例中被示为只读存储器芯片（ROM）110。例如，ROM110、RAM112或KAM114可以单独或组合表示计算机可读的介质，该介质可编程以保存由处理器106可执行以控制发动机10的运行的指令。控制器12可以接收来自连接至发动机10的各种信号，除了上面提到的那些信号之外，还包括：来自质量空气流量传感器122的引入的质量空气流（MAF）的测量值；来自连接至曲轴140的霍尔效应传感器120（或其他类型）的表面点火感测信号（PIP）；来自节气门位置传感器的节气门位置（TP）；来自传感器124的歧管绝对压力信号（MAP）。发动机速度信号RPM可以通过控制器从信号PIP产生。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以被用来提供进气歧管中的真空或压力的指示。其他的传感器可以包括连接至燃料系统的油箱的燃料水平传感器和燃料成分传感器。

此外，控制器12可以接收可表示与发动机10相关的各种温度的信号。例如，来自连接至冷却套筒118的温度传感器116的发动机冷却剂温度（ECT）可以发送给控制器12。在一些实施例中，传感器128可以提供排气温度的指示至控制器12。传感器181可以提供机油温度或机油粘度的指示至控制器12。传感器182可以提供环境温度的指示至控制器12。这些传感器中的一个或多个可以提供发动机温度的指示，发动机温度的指示可以被控制器12用来控制发动机的运行。例如，在一些条件下，发动机温度和/或环境温度可以被用来与EGR阀143一起控制燃料喷射器166，以提供增加的EGR，同时保持稳定的燃烧，这将在下面进一步详细描述。

在一个示例中，控制器12包括处理器和计算机可读介质，该计算机可读介质具有指令，当由该处理器执行时，这些指令：在第一发动机温度和第一发动机转速和负载下经由EGR系统194向汽缸14提供第一EGR量。而且，在第一发动机转速和负载下，随着发动机温度从第一发动机温度升高到第二发动机温度，在排气阀关闭之后并且在进气阀打开之前经由喷射器166喷射第一燃料量，同时在进气阀打开之后经由EGR系统194向该汽缸提供大于第一EGR量的第二EGR量。

图2示意地示出本发明的排气排放系统的实施例。该排气排放系统2被构造成排放由内燃机10产生的排气，该内燃机10基本上类似于图1所示的内燃机10。

在排气排放系统2的排气管道2a中，设置有各种排气后处理系统，具体为，用于还原氮氧化物的储存催化转化器4和SCR催化转化器5以及用于减少颗粒排放物的涂层微粒过滤器6。

从内燃机10的汽缸排放的排气首先经由排气管道2a供给至储存催化转化器4。设置用于旁通储存催化转化器4的旁通管道4a，该旁通管道从该储存催化转化器4上游的排气管道2a分支，以便形成第一接合处7a并在该储存催化转化器4的下游再开口到排气管道2a中，以便形成第二接合处7b。

当使用旁通管道时，从储存催化转化器（TNT）引导离开的该管道中的任何NO_x排放物将被SCR转化器转化并且不释放到环境中。

为了将还原剂引入排气管道2a中，装置4c设置在第一接合处7a与储存催化转化器4之间。关闭元件4b设置在第一接合处7a，用于调节引导通过该储存催化转化器4的排气质量流。

在可替换实施例中，关闭元件可以设置在旁通管路中。

装置4c被构造成将还原剂引入排气管道2a中。该装置可以是燃料喷射器、喷雾器或能够将还原剂引入排气管道2a中的其他现有装置。

在关闭元件4b的第一工作位置，旁通管路4a被挡住，并且全部排气被引导通过储存催化转化器4。如果关闭元件4b移动到第二工作位置，则排气主要被引导通过旁通管路4a，并且储存催化转化器4可以被清洁。关闭元件可以在旁通管路完全被挡住的第一工作位置和排气主要被引导通过该旁通管路的第二工作位置之间调节。在第二工作位置，四分之三以上的排气可以被引导通过旁通管路。

在第二接合处7b的下游设置SCR催化转化器5，通过该催化转化器5，在储存催化转化器4的清洁期间，引导通过该储存催化转化器4的排气中的氮氧化物被还原。SCR催化转化器5配备有用于引入还原剂的装置5a，该装置设置在SCR催化转化器5的上游。

在本发明中可以排除用于在SCR的上游引入还原剂的第二装置。可能的是，通过储存催化转化器4的未燃烧的碳氢化合物HC可以充分地用作SCR中的还原剂。然而，提供用于引入还原剂的第二装置是有利的。该第二装置在储存催化转化器（LNT）的下游并且在SCR的最接近的上游，并且被构造成提供包含液体（例如，尿素或AdBlue）的NH₃至排气管道2a。这些化合物还原包含在SCR中的NO_x。

涂层微粒过滤器6设置在第二接合处7b和SCR催化转化器5之间。该微粒过滤器可以是催化涂层的，用于氧化未燃烧的碳氢化合物HC和一氧化碳CO。

在具体的柴油发动机的实施例中，在内燃机的标称过化学计量运转期间，该关闭元件处在第一工作位置，在该工作位置全部排气被引导通过储存催化转化器。此处，内燃机的氮氧化物被吸收并且储存在该催化转化器中。为了清洁催化转化器，于是关闭元件被移动到第二工作位置，以便减少被引导通过该催化转化器的排气流并且节约还原剂。

在上述实施例中，在第二工作位置，排气主要被引导通过旁通管路，即一半以上的排气被引导通过该旁通管路。

该关闭元件可以是阀，特别是3/2换向阀，或别的可枢转或可旋转的挡板。这样的实施例是有利的，其中关闭元件可以是电、液力、气动、机械或磁力控制的，优选通过发动机控制器控制，例如图1所示的控制器12。所述关闭元件能够两级或多级转换或可以连续调节。

这样的内燃机的实施例是有利的，其中关闭元件设置在旁通管路中。当在第一工作位置时，关闭的关闭元件完全挡住该旁通管路。在第二工作位置，通过至少部分地打开该关闭元件该旁通管路被或多或少地打开。

排气流的分配受关闭元件打开程度和排气所受的催化转化器的流动阻力的影响。

然而，这样的内燃机的实施例也是有利的，其中关闭元件设置在排气排放系统中的第一接合处。所述实施例确保两部分排气流的量主要由关闭元件的位置或转换状态确定。

在清洁储存催化转化器期间引导通过该催化转化器的排气需要在下游提供另一个排气后处理系统用于还原氮氧化物。第二个储存催化转化器能够设置在该排气排放系统中，该第二个催化转化器吸收并储存在清洁过程期间引导通过该旁路的排气中的氮氧化物。

在图2所示的实施例中，提供SCR催化转化器用于还原排气中的氮氧化物，该SCR催化转化器设置在第二接合处下游的排气排放系统中。关于氮氧化物的转化，该SCR催化转化器基于不同的原理。没有排气组分被吸收或储存，并且特别是没有硫被积聚，从第二储存催化转化器除去硫将需要高温，这难以在紧密连接的第一储存催化转化器的下游很难产生。因此，SCR催化转化器可以非常适合设置在第二接合处的下游。

在SCR催化转化器设置在排气排放系统中的内燃机中，这样的实施例是有利的，其中用于将还原剂引入该排气排放系统中的装置设置在该SCR催化转化器的上游并且优选在第二接合处的下游，即，在第二接合处与该SCR催化转化器之间。

如上所述，在SCR催化转化器的情况下，氨或尿素或别的未燃烧的碳氢化合物可以被用作还原剂，其中特别是氨被证明是合适的还原剂。

因此这样的内燃机的实施例是有利的，其中用于引入还原剂的装置用来引入氨作为还原剂。

基本上能够将氨NH₃直接引入排气排放系统中。在清洁LNT期间也可以产生用作还原剂的氨，因此不需要单独的装置，如将与根据本发明的方法一起说明。

由于其毒性，氨优选不储存在机动车辆中，并且不以纯氨的形式提供作为还原剂。而是，尿素经常被用作用于产生氨的原产品。

在提供尿素用来产生氨的情况下，在已知的方法中在功能相互不同的两种方法之间能够进行区别。一方面，尿素可以储存并且以液体的形式提供作为水溶液。其次，尿素能够以固体形式提供，其中固体形式的尿素体积较小。

这样的内燃机的实施例是有利的，其中用于减少微粒排放物的微粒过滤器设置在第二接合处下游的排气排放系统中。

在SCR催化转化器也设置在第二接合处下游的排气排放系统中的内燃机的情况下，这样的实施例是有利的，其中微粒过滤器设置在第二接合处和SCR催化转化器之间。

这样的内燃机的实施例是有利的，其中微粒过滤器是催化涂层的，用于未燃烧的碳氢化合物HC和一氧化碳CO的氧化。

第二子目的，特别是指定用于运行上面所述类型的内燃机的方法的目的，通过用于清洁该储存催化转化器的目的方法实现，其中：

-关闭元件从第一工作位置运动到第二工作位置，在第一工作位置旁通管路被挡住，在第二工作位置，排气主要被引导通过该旁通管路，和

-引导通过该储存催化转化器的排气通过该装置的致动用还原剂富化。

参考图3，图3示出根据本发明的方法的示意图。方法300开始于发动机启动，并进行到方框302，在方框302中评估氮氧化物NO_x的水平是否大于阈值水平。如果有NO_x传感器，则可以通过NO_x传感器进行该判断，或者根据来自其他传感器的输入由控制器12通过估算进行该判断，其中其他传感器是例如线性氧传感器或UEGO（通用或宽域排气氧传感器）、两级氧传感器或EGO（如所示）、HEGO（加热的EGO）、HC或CO传感器。此外，NO_x水平的估算可以根据包括发动机转速、负载、空气-燃料比、从上一次清洁以来的运行时间等的工况进行。

如果在302处确定NO_x水平低于阈值（在302处为否），则方法进行到304处，在304处关闭元件4b保持在其第一工作位置，在该第一工作位置旁通管路4a被全部挡住，直到如大于阈值水平的NO_x水平所指示的，储存催化转化系统需要清洁时。一旦在304处NO_x水平大于阈值水平，或者在302处NO_x水平被确定大于阈值水平（是），则方法进行到306处。在306处，关闭元件4b移动到第二工作位置。在308处，由于关闭元件在第二工作位置，排气流能够主要被引导通过旁通管路4a。在310处，用于引入还原剂的装置被致动，以将还原剂喷射到储存催化转化器的上游。步骤306、308和310用来通过仅仅使一部分到来的排气流转向催化装置周围同时增加到该装置的还原剂喷射，来净化储存NO_x的储存催化转化器。

在由关闭元件处于第二工作位置引起的减少的空气流和减少的氧气含量的情况下，喷射还原剂可以在用于还原储存催化转化器内的NO_x方面具有较大的功效。这可以使得较少的还原剂被喷射到排气管道中。在本发明的实施例中，还原剂可以是来自发动机的燃料。限制用于清除NO_x所需要的还原剂可以得到较高的燃料效率和较少的排放物。喷射的还原剂的量可以通过控制器12根据直接测量的或者根据工况或来自另外的传感器的输入估算的该储存催化转化器中的NO_x的程度确定。此外，还原剂喷射可以根据转移部分的量，其中排气流的转移部分在该储存催化转化器的下游重新结合。较少部分的排气流经由旁通管路4a围绕该储存催化转化器转移可以导致在该储存催化转化器中较高的空气流速度和较高的氧含量，其中较大的还原剂量可以用来净化NO_x的储存催化转化器。相反，如果较大部分的排气流围绕储存催化转化器转移，空气流速度和可得到的氧含量可以较低并且较少的还原剂被使用。围绕储存催化转化器转移的这部分排气流可以随着发动机状况变化。发动机负载、速度和空气-燃料比可以改变排气流量、温度和产生不同催化需要的组分，这可以导致在一个实施例中发动机控制器12改变关闭元件4b以调节排气的转移，在该实施例中关闭元件4b具有允许不同的流量通过旁通管路4a的第二工作位置的变化。

方法300进行到311处。在311处，响应该转移，调节到SCR催化转化器上游的再结合的排气流中的含氨流体的喷射。调节含氨流体的喷射包括在第一净化条件期间增加喷射，和在不同于第一净化条件的第二净化条件期间减少喷射。在第一净化条件中由用于引入还原剂的第二装置5a进行的含氨流体的喷射增加。当例如流到SCR催化转化器5的NO_x排放物超过其催化容量时，增加的含氨流体的喷射有利于在第一净化条件允许SCR催化转化器还原NO_x。在第一净化条件下，NO_x的这种增加可以归因于由于许多空气流围绕储存催化转化器转移而上游还原的减少。在第二净化条件下，含氨流体的喷射减少。在第二净化条件下，由于在储存催化转化器上游，由通过用于引入还原剂的装置4c喷射还原剂引起的通过储存催化转化器4的未燃烧的碳氢化合物，可以需要较少的含氨流体。这些未燃烧的碳氢化合物可以用作SCR催化转化器5中的还原剂，允许含氨流体的量减少。

第一和第二净化条件可以在经由旁通管路4a从储存催化转换器转移离开的部分流方面不同。第一和第二净化条件也可以由诸如负载、速度、空气-燃料比等的不同发动机状态引起。发动机控制器12可以根据第一或第二净化条件的估算确定如何调节含氨流体的喷射。这种估算可以基于发动机状态、旁通阀4b的定位和来自诸如NO_x传感器、UEGO的传感器或其他传感器的输入。含氨流体可以是例如尿素。

在312处，方法再一次评估储存催化转化器中的NO_x水平是否高于阈值水平。如果在312处NO_x水平高于阈值，则方法进行到314处，在314处关闭元件保持在第二工作位置，在第二工作位置排气流主要被引导通过旁通管路4a，直到储存催化转化器中的NO_x水平低于阈值水平。如果在312处NO_x水平被确定不高于阈值，或者在314处NO_x水平已经降到阈值以下，则方法进行到316处。在316处，关闭元件移动返回第一工作位置。结果，在318处旁通管路4a关闭，并且在320处排气流被引导通过排气管道2a。于是方法返回。

这样的方法实施例是有利的，其中：

-燃料被用作还原剂并且通过该装置被引入，使得被引导通过储存催化转化器的排气通过该装置的致动用燃料富化。

提供这样的装置确保内燃机自身能够独立于储存催化转化器的清洁过程而运行，使得清洁过程可以在任何发动机转速或负载下进行，其中还原剂或用作还原剂的燃料通过所述装置被直接引入排气排放系统或排气中。通过发动机内部措施的排气的HC浓混合气可以实现为支持措施，但不是必需的。具体地，内燃机不需要转换成亚化学计量运转。燃料后喷射到汽缸中可以在量方面减少，或者通过根据本发明的方法完全取消。排气再循环，并且在柴油发动机的情况下节流进气管道中的新鲜空气，构成用于可替换地使排气变浓的可替换的发动机内部措施。

在这方面，当由于高排气温度通过发动机内部措施的排气的HC浓混合物通常是不可能时，在根据本发明的内燃机中，甚至在高负荷下，局部排气可以用未燃烧的碳氢化合物富化。通过本发明，也可以实现低负荷下清洁时机的更大的灵活性。在低负荷下，用于HC浓混合物的发动机内部措施可以对燃烧的稳定性造成危险或不利地影响燃烧的稳定性。这些危险可以通过将局部HC浓混合气直接喷射到排气管道中而避免。

通过储存催化转化器的排气分流用作被引入作为还原剂的燃料的载体流。选择的排气分流越小，能够越有效地利用引进的燃料，并且消耗的燃料越少，因为载体流的减少也导致载体流中绝对氧质量的减少。

这样的方法的实施例是有利的，其中在清洁储存催化转化器期间，从过化学计量运转（λ＞1）开始，通过减小空气比λ，内燃机被富化。

常规地，并且在本发明的范围内，空气比λ被定义为实际上供给至少一个汽缸的空气质量m_air,act与完全氧化供给到至少一个汽缸的燃料质量m_fuel所需要的化学计量空气质量m_air,stoich之比（内燃机的化学计量运转λ＝1）。应用下面的关系式：

λ=m_air,act/_mair,stoich

化学计量空气需求L_stoich=m_air,stoich/m_fuel,对于空气比λ应用下面的关系式：

λ=m_air/m_fuel*(1/L_stoich)

正如已经所述，虽然对于排气的HC浓混合气的目的不需要发动机内部措施，但是如果合适作为辅助措施，它们是可能的。

因此这样的方法实施例也是有利的，其中，在清洁储存催化转化器期间，通过至少一个发动机内部措施内燃机的排气用未燃烧的碳氢化合物附加地变浓。

用于用未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳使排气变浓的发动机内部措施是少氧的亚化学计量运转、排气再循环、燃料后喷射，以及在柴油机的情况下还有进气管道中的新鲜空气的节流。

在内燃机的情况下，其中SCR催化转化器设置在第二接合处下游的排气排放系统中，并且用于将还原剂引入排气中的装置设置在该SCR催化转化器上游，方法变体是有利的，其中，为了还原排气中的氮氧化物，在储存催化转化器的清洁期间，还原剂通过装置被引入排气中，以便还原被引导通过该储存催化转化器的排气中的氮氧化物。在这里，用于引入还原剂的装置优选设置在第二接合处和SCR催化转化器之间。

排气中的氮氧化物在排气排放到大气之前经受下游的排气后处理，该氮氧化物在储存催化转化器的清洁期间经由旁通管路被引导通过该排气排放系统。在这种情况下，出于这个目的提供SCR催化转化器，其可以被供给还原剂用于转化氮氧化物。

如上面所述，还原剂可以被直接引入排气流中。然而，在LNT的清洁期间，还原剂也可以以氨的形式产生，因此不需要单独的装置。此外，通过LNT的碳氢化合物也可以用作还原剂。

在SCR催化转化器设置在第二接合处下游的排气排放系统中的内燃机的情况下，方法变体也是有利的，其中，SCR催化转化器用于还原储存催化转化器中的氮氧化物所需要的还原剂在储存催化转化器的清洁期间产生。

本发明详细描述了具有至少一个汽缸的内燃机，该汽缸具有用于经由排气排放系统排放排气的至少一个出口孔，其包括：连接每个出口孔的排气管道；和用于还原排气中的氮氧化物的储存催化转化器设置在该排气排放系统中；其中设置用于旁通该储存催化转化器的旁通管路，该旁通管路从该储存催化转化器上游的排气排放系统分支，以便形成第一接合处，并在该储存催化转化器的下游再开口到排气排放系统中，以便形成第二接合处；用于将还原剂引入排气排放系统中的装置设置在第一接合处和储存催化转化器之间，以及提供用于控制被引导通过该储存催化转化器的排气质量流的关闭元件。

除了描述以旁通管路和关闭元件为特征的排气排放系统之外，其中该关闭元件用来限制通过储存催化转化器的空气流，以便使从该储存催化转化器清除NO_x所需要的还原剂最少，还提供了一种详细描述清除过程的方法。本发明利用已知的催化转化器并且利用燃料作为还原剂。旁通管路和用来引入还原剂的装置的设置允许用较少的燃料再生该储存催化转化器。此外，还原剂，即燃料被直接引入排气管道中，而不是被引入内燃机的燃烧室中，这允许在根据需要清洁储存催化转化器，而与诸如负载、发动机转速的发动机工况无关。

应当明白，本文所公开的构造和方法在性质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。例如，上述技术可以应用于V-6、L-4、L-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。本发明的主题包括本文所公开的各种系统和构造以及其他特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

下面的权利要求具体指出被认为是新颖并且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应当理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或以上的这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合或子组合可以通过修改本权利要求或通过在这个或相关申请中提出新的权利要求来要求保护。无论这些权利要求在原权利要求的范围上更宽、更窄、相等或不同，都被认为包含在本发明的主题内。

Claims

1.一种具有至少一个汽缸的内燃机，该汽缸具有用于经由排气排放系统排放排气的至少一个出口孔，其包括：

连接每个出口孔的排气管道；

用于还原排气中的氮氧化物的储存催化转化器，其设置在所述排气排放系统中；

提供用于旁通所述储存催化转化器的旁通管路，所述旁通管路从所述储存催化转化器上游的所述排气排放系统分支，以便形成第一接合处，并且在所述储存催化转化器的下游再开口到所述排气排放系统中，以便形成第二接合处；

用于将还原剂引入所述第一接合处和所述储存催化转化器之间的所述排气排放系统中的第一装置；

用于控制被引导通过所述储存催化转化器的排气的关闭元件；

用于还原排气中的所述氮氧化物的SCR催化转化器，其设置在所述第二接合处下游的所述排气排放系统中；和

用于将氨量引入所述SCR催化转化器上游和所述第二接合处下游的所述排气排放系统中的第二装置；

其中引入的氨量基于所述储存催化转化器中的NO_x水平并且进一步基于围绕所述储存催化转化器转移的排气流的一部分而被调节。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其中用于引入还原剂的所述第一装置是用于引入燃料的装置。

3.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述关闭元件在第一工作位置和第二工作位置之间是可调节的，在所述第一工作位置，所述旁通管路被完全挡住，在所述第二工作位置，排气主要被引导通过所述旁通管路。

4.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述关闭元件设置在所述旁通管路中。

5.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述关闭元件设置在所述排气排放系统中的所述第一接合处。

6.根据权利要求1所述的内燃机，其中用于减少颗粒排放物的微粒物过滤器设置在所述第二接合处下游的所述排气排放系统中。

7.根据权利要求6所述的内燃机，其中所述微粒物过滤器是催化涂层的，用于氧化未燃烧的碳氢化合物HC和一氧化碳CO。

8.根据权利要求1所述的内燃机，其还包括至少一个排气涡轮增压器，其中所述至少一个排气涡轮增压器的涡轮设置在所述排气排放系统中的所述第一接合处的上游。

9.一种用于清洁内燃机系统的排气排放的储存催化转化器的方法，其包括：

响应于所述储存催化转化器中的NO_x量大于阈值量，将关闭元件从第一工作位置移动到第二工作位置，在所述第一工作位置，旁通管路被挡住，在所述第二工作位置，排气主要被引导通过所述旁通管路；

通过用于引入还原剂的装置的致动，使被引导通过所述储存催化转化器的排气用还原剂富化；

在第二接合处在所述储存催化转化器的下游再结合被引导通过所述旁通管路的排气和被引导通过所述储存催化转化器的排气；和

将含氨流体喷射到位于所述第二接合处下游的SCR催化转化器上游的再结合的排气流中，其中喷射的所述含氨流体的量基于所述储存催化转化器中的NO_x水平并且进一步基于围绕所述储存催化转化器转移的排气流的一部分而被调节。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述第二工作位置，四分之三以上的排气被引导通过所述旁通管路。

11.根据权利要求9所述的方法，其中在清洁所述储存催化转化器期间，通过减少空气-燃料比λ，从过化学计量运转(λ>1)开始，所述内燃机被富化。

12.根据权利要求9所述的方法，其中在清洁所述储存催化转化器期间，所述内燃机的排气通过至少一个发动机内部措施用未燃烧的碳氢化合物附加地富化。

13.根据权利要求9所述的方法，其中为了在所述储存催化转化器的清洁期间还原排气中的氮氧化物，所述还原剂通过用于引入所述还原剂的所述装置被引入排气中。

14.根据权利要求9所述的方法，其中由所述SCR催化转化器所用的用于还原所述储存催化转化器中的氮氧化物的还原剂在所述储存催化转化器的清洁期间产生。

15.一种方法，其包括：

通过经由旁路仅仅使一部分到来的排气流转向绕过储存催化转化器同时增加到催化转化器装置的还原剂喷射，净化储存NO_x的所述储存催化转化器；

在所述储存催化转化器的下游再结合来自所述旁路的未反应排气和来自所述储存催化转化器的排气；和

响应于所述转向，调节喷射到SCR催化转化器上游的再结合的排气流中的含氨流体的喷射。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述还原剂喷射基于转向部分的量。

17.根据权利要求16所述的方法，其中调节所述含氨流体的喷射响应于所述催化装置中的NO_x水平大于阈值水平，所述调节包括在第一净化条件期间增加氨的喷射，和在不同于所述第一净化条件的第二净化条件期间减少氨的喷射。