CN104508284B - 处理排气的方法及在内燃机上的排气系统的机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理内燃机(14)的排气的方法，其中，为所述内燃机(14)的至少一个第一气缸(18，20，22)送入比所述内燃机(14)的至少一个第二气缸(34，36，38)少的燃料。将从所述至少一个第一气缸(18，20，22)流出的排气至少部分再循环至所述内燃机(14)的进气系统(32)，其中，至少将所述至少一个第二气缸(34，36，38)的排气输入排气后处理装置(52)。将用于将所述至少一个第一气缸(18，20，22)的排气输入所述排气后处理装置(52)的排气管路(24)至少局部封锁。本发明还涉及一种在汽车的内燃机(14)上的排气系统(12)的机构(10)。

Description

处理排气的方法及在内燃机上的排气系统的机构
技术领域
本发明涉及一种处理内燃机的排气的方法，其中，为所述内燃机的至少一个第一气缸送入比所述内燃机的至少一个第二气缸少的燃料。将从所述至少一个第一气缸排出的排气至少部分再循环至所述内燃机的进气系统。将所述至少一个第二气缸的排气输入排气后处理装置。本发明还涉及一种在车辆内燃机上的排气系统的机构（装置/布置结构）。
背景技术
EP 2 206 898 A1提出了对车辆的多气缸内燃机的排气进行后处理的方法，其中，在内燃机的低负载模式中为第一组气缸施加燃料，而为第二组气缸施加较少的燃料，甚或不为其施加燃料。从两个气缸组中的每一个出发，各有一排气管路通向排气涡轮增压器的双流式涡轮的相应流路。从这两个排气管路分支出各一排气再循环管路，其中，流动经过这些排气再循环管路的排气量均可单独设置。通过独立的进气管路，将经排气涡轮增压器的压缩机压缩的、用于内燃机的进气输入相应的气缸组，其中，在两个进气管路的每一个中均布置有节流阀。在热运行模式中，对喷入了较少燃料或未喷入燃料的气缸组施加经过节流的进气流，并且分配给该气缸组的排气再循环管路的排气再循环阀是打开的。与之相对的，其他气缸组的气缸排气并不被再循环，而是被输入排气涡轮增压器的涡轮。因此，相对较热的排气流动经过涡轮，并进一步流向催化转化器。
在该机构中，需要大量带有各自节流元件的管路，以便将排气的温度提高至所期望的程度。该方案的花费极高。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供本文开篇所述类型的一种方法及一种机构，所述方法或机构允许以特别简单的方式提高排气温度。
该目的通过一种具有如下所述特征的方法以及一种具有如下所述特征的机构得以实现。
在本发明的方法方面，将一排气管路至少局部封锁（阻塞），该排气管路用于将所述至少一个第一气缸的排气输入所述排气后处理装置。这样便能确保：在燃料量较小或减小为零的情况下运行的、所述至少一个第一气缸的排气充其量有一小部分到达所述排气后处理装置。与之相反，源于所述至少一个第二气缸的排气对输入所述排气后处理装置的排气所具有的温度的影响程度有所增强。这一点通过特别简单的方式——即通过对分配给所述至少一个第一气缸的排气管路进行封锁——来实现。因此不必为所述至少一个第一气缸和所述至少一个第二气缸设置独立的进气管路和用于节流的节流单元。而喷射量有所减小（特别是减小为零）的所述至少一个第一气缸几乎不对排气的温度产生影响。
减小送入所述内燃机的至少一个第一气缸的燃料量会造成有效排气再循环率减小。这是因为，为所述至少一个第一气缸输入的进气所提供的能转换成排气的燃料减少。排气再循环率的减小使得所述内燃机的碳烟排放量也大幅降低。此外形成了相对较大量的氮氧化物，其在将NO氧化成NO2后用于对例如留在颗粒过滤器中的碳烟颗粒进行氧化。这样便能以简单的方式实现对所述颗粒过滤器的被动再生。亦即，针对所述颗粒过滤器的再生，不必设置除所述内燃机以外的用于将燃料送入排气的定量装置。
采用该方式便能特别有效地提高输入所述排气后处理装置的排气的温度。这样便不必对所述内燃机的气缸进行燃料后喷射。这一点较为有利，因为这种燃料后喷射的实施时间靠后，因而气缸壁可能会被燃料润湿，这又会由于相伴随的机油稀释而导致机械问题。也不必在所述内燃机的进气系统中设置节流阀，从而能够避免与这种节流阀相关联的成本，以及这种节流阀在可靠性方面可能存在的问题。亦即，所述方法的特征在于具备极高的可靠性和成本优势。
通过实施不对称喷射，其中为所述内燃机的至少一个第一气缸送入比所述内燃机的至少一个第二气缸少的燃料，不仅能以特别简单的方式提高排气的温度，还能在期望时实现相对较高的排气再循环率。为此，对排气受到再循环的所述至少一个气缸喷射比排气不被再循环的所述至少一个气缸更多的燃料。
根据本发明的一种有利技术方案，借助用于至少局部封锁或释放所述排气管路的调节装置，对再循环至所述内燃机的进气系统的排气量进行调节，就能够实现所述排气系统的特别简单的结构。换言之，所述调节装置不仅用于封锁所述排气管路，还同时用作排气再循环阀。这样便能特别简单地以预设的方式，将所述在燃料量较少或者甚至无燃料情况下运行的至少一个第一气缸的排气流分配至排气再循环管路和通向所述排气后处理装置的排气管路。这大幅简化了所述方法的实施。
进一步有利的方案是，在较低至中等的负载范围内运行所述内燃机，并在这种情况下将所述排气管路完全封锁，并将从所述至少一个第一气缸流出的排气完全再循环至所述内燃机的进气系统。在此情形下，从所述至少一个第一气缸流出的排气不会像对排气后处理装置上游的排气的温度那样对排气温度产生影响。
特别是能够在例如不超过800Nm的中等及以下负载范围内，将排气完全再循环至所述进气系统，这是因为离开所述至少一个第一气缸的排气量的减小造成排气再循环率减小。与之相反，在为所有气缸施加大小相同的燃料量的内燃机中，仅在相对较低的负载范围内，例如在不超过400Nm的负载范围内，才能在不对所述内燃机的运行造成负面影响的情况下实现对排气的完全再循环。
进一步有利的方案是，为所述至少一个第二气缸多送入的燃料等同于为所述至少一个第一气缸少送入的燃料。在此情形下，使得所述内燃机的转矩至少大致保持不变，该转矩是将用于实现该转矩的燃料量均匀分配至所述内燃机的气缸时所能达到的转矩。因此，尽管采用不对称喷射，所述内燃机的转矩仍不会减小。
另一种有利方案是，通过同一进气系统分别给所述至少一个第一气缸和所述至少一个第二气缸输入进气。这样便不必设置高成本的、独立进气管路，从而大幅简化所述进气系统的结构。
在本发明的另一有利技术方案中，将进气以未经节流的方式输入所述内燃机的气缸。这样便不必在进气管中设置节流装置，并简化了对所述内燃机的进气控制。
在排气管路至少局部封锁的情况下，优选对用作排气后处理装置的颗粒过滤器进行再生。在此情形下，既可以采用对所述颗粒过滤器的主动再生，亦即，借助额外送入所述排气的、未在内燃机中经过燃烧的燃料来进行再生，也可以实施被动再生，其中，利用二氧化氮对留在所述颗粒过滤器中的碳烟进行氧化。
最后，一种有利方案是，可以通过所述可封锁的排气管路将排气输入排气涡轮增压器的涡轮的第一流路，而通过第二排气管路将所述至少一个第二气缸的排气输入所述涡轮的第二流路。这样便确保，源于所述至少一个第一气缸的排气与源于所述至少一个第二气缸的排气充其量在所述涡轮的下游混合。此时，可以将排气尤其输入不对称涡轮的所述两个流路，以便在所述内燃机的特别大的工作范围内为内燃机提供经过压缩的进气。
在本发明的在车辆内燃机上的排气系统的机构方面，所述内燃机具有至少一个第一气缸和至少一个第二气缸。利用控制装置能为所述第一和第二气缸施加不同于彼此的燃料量。利用排气再循环管路能将从所述至少一个第一气缸流出的排气至少部分再循环至所述内燃机的进气系统。所述排气再循环管路从第一排气管路分支出来，该第一排气管路用于将所述至少一个第一气缸的排气输入排气后处理装置。通过第二排气管路能将所述至少一个第二气缸的排气输入所述排气后处理装置。其中，在所述第一排气管路中布置有调节装置，其用于至少局部封锁或释放所述第一排气管路。利用所述控制装置能实现对所述第一气缸和所述第二气缸的不对称喷射，且通过封锁所述第一排气管路能主要将源于所述至少一个第二气缸的排气输入所述排气后处理装置。这样即便是在较低的负载下，也能利用特别简单的构件，即利用所述调节装置来将相对较热的排气输入所述排气后处理装置。因此，即使是在所述内燃机负载较低的情形下，所述排气后处理装置依然能达到其起燃温度，并在该温度条件下对排气中包含的有害物质进行特别充分的转换或处理。如果所述排气后处理装置是颗粒过滤器，可以通过提高排气温度对该颗粒过滤器进行再生。
优选可以借助所述调节装置来调节可通过所述第一排气管路再循环至所述内燃机的进气系统的排气量。在此情形下，仅需设置一个这种用于封锁所述第一排气管路并同时用于调节排气再循环率的调节系统。
就本发明的方法所描述的优点和优选实施方式也适用于本发明的机构，反之亦然。
在本发明范围内，前述的特征和特征组合以及下文将在附图描述中提及和/或附图中单独示出的特征和特征组合既可以本申请所给出的方式进行组合，也可按其它方式组合应用或单独应用。
本发明的更多优点、特征和技术细节参阅以下说明，下面参照附图结合优选实施方式对本发明进行说明。
附图说明
图1为机动车的内燃机的示意图，其中，通过相应排气管路将两个气缸组的排气输入排气涡轮增压器的涡轮，其中，借助排气再循环阀能够对两个排气管路中的一个被燃料施加量有所减小的气缸组的排气流过的排气管路进行封锁；
图2为两个排气管路以及布置在其中一个排气管路中的排气再循环阀的局部剖视详图；以及
图3为曲线图，其显示了排气温度的升高、氮氧化物含量的升高及内燃机的碳烟排放量的降低与对两个气缸组的不对称喷射的关联性。
具体实施方式
图1为在机动车的内燃机14上的排气系统12的机构10的示意图，其中，该机动车尤其可以是商用车。内燃机14包括在此包含三个第一气缸18、20、22的第一气缸组16。
通过第一排气管路24将这三个第一气缸18、20、22的排气输入排气涡轮增压器的不对称涡轮28的较小的第一流路26。从第一排气管路24分支出排气再循环管路30，通过该排气再循环管路30将再循环的排气送入内燃机14的进气系统32。
在内燃机14负载较低的情形下，为第一气缸组16的三个气缸18、20、22施加比内燃机14的第二气缸组40的其他三个气缸34、36、38小的燃料量。通过第二排气管路42将从该包含第二气缸34、36、38的气缸组40流出的排气输入涡轮28的较大的第二流路44。从该第二排气管路42不分支出通向进气系统32的排气再循环管路。
以未经节流的方式，既为第一气缸18、20、22，又为第二气缸34、36、38输入经排气涡轮增压器的压缩机46压缩的过量空气系数λ>1的进气。
对两个气缸组16、40的气缸的不对称喷射以这种方式进行，使得对第一气缸18、20、22少喷射的燃料等同于对第二气缸34、36、38多喷射的燃料，从而保持内燃机14在喷射的总燃料量方面所能够达到的转矩。
在此情形下，所述不对称喷射用于提高离开涡轮28的排气的温度。为了即使是在内燃机14负载较低的情况下也能实现这一点，借助形式为排气再循环阀48的调节装置将第一排气管路24完全封锁，从而将从第一气缸18、20、22流出的排气完全再循环至进气系统32。亦即，离开涡轮28的排气的温度仅受喷射至第二气缸34、36、38——即第二气缸组40的气缸——的燃料量影响。离开第一气缸组16的气缸18、20、22的排气不对涡轮28下游的排气温度造成影响，因而借助不对称喷射能极高效且大幅地提高排气的温度。
通过减小喷射至第一气缸18、20、22的燃料量，特别是通过将该燃料量减小为零，还会降低排气再循环率。这使得内燃机14的碳烟排放量大幅降低，同时导致排气中的氮氧化物含量升高。
通过将排气再循环阀48完全打开——该排气再循环阀同时朝涡轮28的较小流路26将第一排气管路24完全封锁，不会向涡轮28的该较小的第一流路26送入排气。这使得从涡轮28流出的排气的温度升高，因为仅将燃料施加量有所增加的第二气缸组40的排气输入涡轮28。亦即，如图3借助曲线50所示的，从第一气缸18、20、22流出的排气的温度不会对涡轮28下游的排气温度产生影响。
送入第一气缸18、20、22的燃料量的减小量等于送入第二气缸34、36、38的燃料量的增加量，从而引起所期望的升温。在此情形下，热排气流向形式为颗粒过滤器52的排气后处理装置。这样便能对颗粒过滤器52进行主动再生，具体方式是，在排气温度有所提高的情形下对留在该颗粒过滤器中的碳烟颗粒进行控制式的燃烧。也可以借助用（未示出的）氧化催化转换器形成的NO2对颗粒过滤器进行被动再生。这种氧化催化转换器通常布置于颗粒过滤器52的上游。
通过减小喷射至第一气缸18、20、22的燃料量来减小排气再循环率，便能在内燃机14的中等及以下负载范围内，例如在不超过800Nm的负载下，通过将排气再循环阀48本身完全打开对排气进行再循环。
使用机构10的控制装置54对排气再循环阀48及将燃料喷射至气缸18、20、22、34、36、38的各喷射阀进行控制。
特别是从图2可以清楚地看出，如何用排气再循环阀48封锁第一排气管路24从而能够将源于第一气缸18、20、22排气流完全再循环，其中，该被再循环的排气流用流向箭头56表示。流向箭头58以相似的方式示出源于第二气缸34、36、38排气经由第二排气管路42向排气涡轮增压器的涡轮28的流动。
用作3/2换向控制阀的排气再循环阀48能够以预设的方式将用较少燃料量运行的气缸组16的排气流分配至排气再循环管路30，以及输送至涡轮48的第一流路26。如图2所示，该控制阀优选布置在排气歧管中。在热运行模式中，即需要在内燃机14负载较小时将特别热的排气输入颗粒过滤器52的情况下，优选将送入较少燃料量甚或未送入燃料的气缸组16的全部排气流引入排气再循环管路30，并对朝涡轮28的较小流路26的输送进行封锁。
图3所示视图示出了以上述方式对气缸组16、40进行不对称喷射所造成的影响。横坐标60给出的是所喷射的燃料量的以%为单位的不对称度，其中，该不对称度是喷射至第一气缸18、20、22的总燃料量相对喷射至第二气缸34、36、38的总燃料量的比值。第一纵坐标62给出的是以℃为单位的温度，其中，曲线50反映了在涡轮28的输出端的温度与不对称喷射的关联。随着不对称度增大，所述温度大体呈线性地急剧升高。
第二纵坐标64给出的是排气的氮氧化物含量，该图中为内燃机14的以g/kWh为单位的效率。曲线66示出排气中的随喷射不对称度的增大不成比例地急剧提高的氮氧化物量。另一曲线68示出内燃机14的碳烟排放量。结合同曲线50一样大体呈线性的该曲线68可以看出，随着喷射不对称度增大，排气的碳烟含量降低。
在图3的视图中示出的曲线50、66、68是基于内燃机14在460Nm和1300转/分钟的工况。
附图标记表
10 机构
12 排气系统
14 内燃机
16 气缸组
18 气缸
20 气缸
22 气缸
24 排气管路
26 流路
28 涡轮
30 排气再循环管路
32 进气系统
34 气缸
36 气缸
38 气缸
40 气缸组
42 排气管路
44 流路
46 压缩机
48 排气再循环阀
50 曲线
52 颗粒过滤器
54 控制装置
56 流向箭头
58 流向箭头
60 横坐标
62 纵坐标
64 纵坐标
66 曲线
68 曲线

Claims (7)

1.一种用于处理内燃机(14)的排气的方法，所述内燃机具有至少一个第一气缸(18，20，22)和至少一个第二气缸(34，36，38)，所述至少一个第一气缸的排气能通过第一排气管路(24)输入排气涡轮增压器的不对称涡轮(28)的较小的第一流路(26)并能进一步输入颗粒过滤器(52)，所述至少一个第二气缸的排气能通过第二排气管路(42)输入所述涡轮(28)的较大的第二流路(44)并能进一步输入所述颗粒过滤器(52)，其中，为进行所述颗粒过滤器(52)的再生
为所述至少一个第一气缸(18，20，22)送入比所述至少一个第二气缸(34，36，38)少的燃料，
将从所述至少一个第一气缸(18，20，22)流出的排气至少部分再循环至所述内燃机(14)的进气系统(32)中，且将所述至少一个第二气缸(34，36，38)的排气完全输入所述颗粒过滤器(52)，
将用于将所述至少一个第一气缸(18，20，22)的排气输入所述颗粒过滤器(52)的所述排气管路(24)至少局部封锁，
其特征在于，
在不对所述气缸(18，20，22，34，36，38)进行后喷射的情况下，为所述至少一个第二气缸(34，36，38)多送入的燃料等同于为所述至少一个第一气缸(18，20，22)少送入的燃料，其中，使得所述内燃机(14)的转矩至少大致保持不变，所述转矩是将用于实现所述转矩的燃料量均匀分配至所述内燃机(14)的气缸(18，20，22，34，36，38)时所能达到的转矩。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
借助设计用于至少局部封锁或释放所述排气管路(24)的调节装置(48)，对再循环至所述内燃机(14)的进气系统(32)的排气量进行调节。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
在较低至中等的负载范围内运行所述内燃机(14)，且在此情形下将所述排气管路(24)完全封锁，并将从所述至少一个第一气缸(18，20，22)流出的排气完全再循环至所述内燃机(14)的进气系统(32)。
4.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
在400Nm至800Nm的负载范围内运行所述内燃机(14)。
5.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
通过同一进气系统(32)分别给所述至少一个第一气缸(18，20，22)和所述至少一个第二气缸(34，36，38)输入进气。
6.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
将进气以未经节流的方式输入所述内燃机(14)的气缸(18，20，22，34，36，38)。
7.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述至少一个第一气缸(18，20，22)的排气充其量在所述涡轮(28)的下游与所述至少一个第二气缸(34，36，38)的排气混合。
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