CN105863792A - 具有外源点火内燃发动机的能增压的内燃机及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能增压的内燃机(10)，其具有外源点火的内燃发动机(12)、具有带至少一个压缩器(18)的新鲜气体管路(16)、具有带至少一个涡轮机(28)和至少一个颗粒过滤器(30)的排气装置(26)、并且具有二次空气管路(38)，所述颗粒过滤器(30)布置在所述涡轮机(28)的下游，二次空气管路(38)在所述压缩器(18)的下游从新鲜气体管路(16)分支。所述二次空气管路(38)在所述涡轮机(28)上游接入所述排气装置(26)。这种能增压的内燃机借助压缩器(18)增压。二次空气在涡轮机(28)上游导入排气装置(26)。

Description

具有外源点火内燃发动机的能增压的内燃机及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种具有外源点火的内燃发动机的能增压的内燃机，所述能增压的内燃机具有外源点火的内燃发动机、具有带至少一个压缩器的新鲜气体管路、具有带至少一个涡轮机和至少一个颗粒过滤器的排气装置、二次空气管路，所述颗粒过滤器布置在所述涡轮机的下游，所述二次空气管路在所述压缩器的下游从所述新鲜气体管路分支。此外，本发明还涉及用于运行具有外源点火的内燃发动机的能增压的内燃机的具有上述特征的方法。
背景技术
在内燃机燃烧过程中，尤其在外源点火的内燃机燃烧过程中产生碳黑颗粒，该碳黑颗粒由布置在内燃机排气装置中的颗粒过滤器、尤其汽油发动机颗粒过滤器在行驶运行中从废气中去除。为了使在颗粒过滤器前的排气背压不要升得太高，颗粒过滤器要持续地或者周期性地再生，就是说，减少颗粒过滤器的碳黑积聚，方法是实现碳黑与氧气热学氧化的反应条件。为了实现这个目的要在废气中提供氧气的同时还需要在颗粒过滤器中有足够高的温度。
因为现代的外源点火的内燃机通常是在氧气不过剩的情况下运行的、即化学计量的空燃比等于1或者说具有良好的效率，所以对于再生需要单独的方法、即特殊的行驶循环。为了再生需要在颗粒过滤器中超过500摄氏度的温度，该温度的形成尤其对于颗粒过滤器布置在底板中的情况下是很大的挑战。
由专利文献DE 10 2012 022 153 A1中已知，为了使汽油发动机的积聚了碳黑颗粒的颗粒过滤器再生，将在排气装置中、尤其在颗粒过滤器中的温度提升到预先确定的最低温度，方法是推迟汽油发动机的点火角或在降低一个气缸的空气系数值的同时关断另外一个气缸的燃料进入。
为了使氧气进入能借助废气涡轮机增压器增压的外源点火的内燃机的带有颗粒过滤器的排气装置，例如由专利文献DE 10 2011 118 337 A1和DE10 2009 046 559 A1中已知，在颗粒过滤器近前引入一部分增压空气。为了实现这个目的，设置从增压空气管路在压缩器下游分支的可开关的空气管路，其在涡轮机的下游并且必要时在催化器元件下游接入排气设备，以便在增压空气管路内增压压力足够的情况下一部分增压空气直接到达排气装置中。通过空气管路的流动能借助阀门变化地控制、尤其可以关闭。
此外，专利文献DE 103 50 485 A1出发点在于一种能借助电增压器增压的内燃机，该内燃机具有在排气装置中的清洁装置、尤其颗粒过滤器，其中，被压缩的增压空气的一部分通过从压缩空气管路分支的空气管路引导至在排气装置中的待再生的清洁装置前。通过电增压器的控制性和开关性能在再生阶段以简便的方式设置额外的空气需求。
已表明，已知的解决方案不能确保在带有少量负载的行驶循环中在颗粒过滤器中也有大于500摄氏度的温度，尤其是在颗粒过滤器布置在底板中时。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，实现在带有少量负载的行驶循环时的颗粒过滤器的再生。
所述技术问题通过按照本发明的具有外源点火的内燃发动机的能增压的内燃机解决，其具有外源点火的内燃发动机、具有带至少一个压缩器的新鲜气体管路、具有带至少一个涡轮机和至少一个颗粒过滤器的排气装置、二次空气管路，所述颗粒过滤器布置在所述涡轮机的下游，所述二次空气管路在所述压缩器的下游从所述新鲜气体管路分支，其中，所述二次空气管路在所述涡轮机上游接入所述排气装置。本发明还包括有利的改进设计。
按照本发明的能增压的内燃机包括外源点燃的内燃发动机、具有至少一个压缩器的新鲜气体管路、具有至少一个涡轮机和至少一个颗粒过滤器的排气装置、二次空气管路，所述颗粒过滤器布置在涡轮机的下游，所述二次空气管路在压缩器的下游从新鲜气体管路分支。按照本发明所述二次空气管路在涡轮机上游接入排气装置。
被压缩的新鲜气体或者增压空气能通过二次空气管路尤其为了清洁颗粒过滤器而导入排气装置中。
涡轮机和压缩器能构成废气涡轮增压器的增压组件(优选的实施形式)。压缩器能是电动压缩器或者机械压缩器，而涡轮机或者属于带有其他压缩器的增压组件或者配属于在排气装置中的其他的组件、例如用于能量再利用。
外源点火的内燃发动机可以是汽油发动机。尤其优选的是，具有向燃烧室直喷的外源点火的内燃发动机。
按照本发明的设计以有利的方式实现能增压的内燃机：通过二次空气管路将一部分增压空气导入在排气装置中的涡轮机前，能提高压缩器的驱动功率，以便借助压缩器为内燃发动机和排气装置提供更多的空气。在排气装置中的额外的氧气能用于释放额外的热能(放热)。按照本发明的设计没有出现额外的泵用于引导新鲜气体或者增压空气通过二次空气管路。
优选地，按照本发明的能增压的内燃机具有控制单元，所述控制单元设计为通过该控制单元能控制或调节外源点火的内燃发动机的空燃比和/或一个或多个点火角和/或一个或多个喷射时间。优选地，这种控制或调节这样地进行，使得在排气装置中在增压空气通过二次空气管路混入后达到化学计量的空燃比。
按照本发明能实现在排气装置中的温度提升，方法是外源点火的内燃发动机的废气、尤其含有燃料的废气与通过二次空气管路提供的氧气在排气设备中发生放热反应。
此外，在能增压的内燃机中二次空气管路在一个或多个接入位置上接入排气装置的排气弯管或终止在排气装置的排气弯管上。在优选的实施形式中排气弯管集成在气缸盖中。若是排气弯管在确定的运行时间被冷却，结合本发明有利的是，在增压空气导入排气装置时减少废气的冷却或者干脆省略。此外，在排气装置中尽可能远的上游的放热反应的优点在于，为涡轮机提供额外的废气热焓，并且减小、优选阻止尤其含有燃料的废气在排气装置的易受影响的部件、例如催化器中的不受控制的燃烧的危险。
为了以正的扫气压力降扩展能利用的运行范围，在二次空气管路中能布置止回阀。以这种方式防止由于高动力性引起的废气回流。
在有利的改进设计中，按照本发明的能增压的内燃机的排气装置至少部分地、优选几乎完全地热隔离，例如以隔热绒(隔热面板或隔热织物)或以气隙隔热。以这种方式减小或避免从排气装置的热损耗。
为了提高增压压力，按照本发明地在具有可变截面涡轮机(VTG)的情况下，用于部分负荷废气质量流的横截面可以被控制。为了提高增压压力，按照本发明地在具有能开关或能控制的旁通管(废气门)的情况下通过旁通管减小或完全中断质量流，方法是部分关闭或完全关闭废气门阀门。这里，通常在与旁通放气涡轮机(Wastegate-Turbine)的比较中可变截面增压涡轮机的有利之处在于明显更高的涡轮机功率和因此能形成通过二次空气管路的质量流。
能增压的内燃机可以集成在交通工具、尤其陆地交通工具中：按照本发明的交通工具具有带按照本说明的特征和特征组合的能增压的内燃机，其中，颗粒过滤器布置在交通工具的底板中。换句话说，颗粒过滤器远离发动机地布置在排气装置中。交通工具尤其可以是客车或者载货车。优选地，能增压的内燃机是交通工具的驱动装置的一部分。其尤其可以是唯一的驱动源或混合动力驱动的一部分，例如可以组合一个或多个电动机。
颗粒过滤器布置在底板中的有利之处在于，能实现对于外源点火的内燃发动机的尽可能小的排气背压：对颗粒过滤器有更多的安装空间，以便颗粒过滤器在相比于靠近发动机的安装、尤其在发动机舱中的安装能具有更大的壳体和/或更小的体积流。按照本发明能产生足够的热量，甚至能使远离发动机布置的颗粒过滤器再生。
本发明还涉及一种用于运行能增压的内燃机、尤其按照本发明的内燃机的方法。在按照本发明的方法中运行的能增压的内燃机具有外源点燃的内燃发动机、具有至少一个压缩器的新鲜气体管路、具有至少一个涡轮机和至少一个颗粒过滤器的排气装置、二次空气管路，所述颗粒过滤器布置在涡轮机的下游，所述二次空气管路从新鲜气体管路在压缩器的下游分支，其中，能增压的内燃机借助压缩器增压。按照本发明，尤其为再生颗粒过滤器，二次空气、新鲜气体的一部分或增压气体在涡轮机上游接入排气装置中。
有别于自燃式内燃机、尤其柴油发动机，尤其为了补偿在再生情况下的不良效率，提高在吸气管道中的吸气管压力/增压压力和/或空气质量流。额外地，通过由二次空气管路引导的增压空气的一部分提高废气质量流。在自燃式内燃机的情况下，增压压力和空气质量流在再生阶段降低。
在按照本发明的方法的有利的实施形式中，内燃机尤其在颗粒过滤器再生期间在具有部分负荷和/或具有低化学计量的空燃比的工作点运行。
在按照本发明的方法中尤其适当的是，在排气装置中颗粒过滤器上的温度提高到大于500摄氏度、尤其560摄氏度并且小于1100摄氏度的值，优选大于580摄氏度和小于1000摄氏度。排气装置的温度可以被控制、可选地被调节。该控制或调节可以由已经提过的控制单元进行。其可以基于在排气装置中的温度的模型。
额外地或者可选地，在按照本发明的方法中有利的是相较于没有二次空气引入的相同的工作点的运行推迟一个或多个点火角和/或一个或多个喷射时间。换句话说，一个或多个点火角和/或一个或多个喷射时间与没有二次空气引入的相同的工作点比较是被推迟的。
在按照本发明的方法中，相较于没有二次空气引入的相同的工作点的运行，涡轮机和/或压缩器的功率输出被提高。借助按照本发明的方法以有利的方式实现在工作点上(尤其在行驶点，前提是内燃机是交通工具驱动装置的一部分)进行颗粒过滤器的再生，该工作点在能增压的内燃机的持续的运行中在部分负荷中就已经常规地到达。市内车速尤其是这样的行驶点，其可以由正常驾驶员在没有市外行驶或高速路行驶时常规地达到。
尤其有利和有效的是，在按照本发明的方法中提高用于能增压的内燃机外源点火的内燃发动机的增压压力和/或空气质量流。以这种方式可以使压缩器的效率最优化。
附图说明
根据下述说明并参照附图对本发明的其他优点和有利的实施方式和改进设计进行阐述。附图中：
图1示出按照本发明的能增压的内燃机的优选的实施方式的布局的示意图，和
图2示出按照本发明的方法的优选的实施方式的流程图。
具体实施方式
图1示出按照本发明的能增压的内燃机10的优选的实施方式的布局的示意图。能增压的内燃机10是交通工具60的驱动机组。其包括外源点火的内燃发动机12、尤其活塞式发动机，例如在此活塞式发动机具有四个燃烧室，具体而言即气缸。新鲜气体14在通过空气过滤器15之后通过新鲜气体管路16引导至外源点火的内燃发动机12。在新鲜气体管路16中布置有压缩器18用于压缩新鲜气体14。增压空气冷却器20位于压缩器18的下游。经压缩的冷却的新鲜气体14到达吸气管24中，其在吸气管24中分成单独的气流到达此处例举的外源点火的内燃发动机12的四个燃烧室。
能增压的内燃机10在燃烧室的下游具有排气装置26：废气32在排气弯管46中汇集并被导至涡轮机28。在本实施方式中，压缩器18和涡轮机28构成涡轮机增压组件19。这就是说，涡轮机28驱动压缩器18运转，方法是使废气32膨胀。颗粒过滤器30、尤其汽油发动机颗粒过滤器位于排气装置26中在涡轮机28的下游。在排气装置26中未示出其它废气处理组件，尤其催化器、例如三元催化器、存储催化器、氧化催化器、还原催化器等，这些组件通常存在于这种能增压的内燃机10中并且也存在于本实施方式中。颗粒过滤器30本身也能具有一个或多个催化性涂层。颗粒过滤器30布置在交通工具60的底板中。清洁后的废气32最后从排气装置26中排入周围环境中。
在该实施方式中涡轮机28是废气门涡轮机或者叫作旁通放气涡轮机(Wastegate-Turbine)。其中存在旁通管34，废气32的质量流能通过旁通管34绕过涡轮机。该质量流的量可以借助旁通阀门36控制。
按照本发明地，能增压的内燃机10具有二次空气管路38用于将二次空气42向排气装置26中引导。二次空气管路38在压缩器18的下游在分支位置从新鲜空气管路16分支。二次空气管路38在多个接入位置44向排气弯管46中接入。接入位置的数量与在外源点火的内燃发动机12中的燃烧室的数量相同，在此例如为四个接入位置44。以这种方式，二次空气42直接与在燃烧室的排气管路中的废气32汇集在排气弯管46中并能很好的混合。通过二次空气管路38的二次空气40的质量流能借助阀门48控制。在该有利的实施方式中阀门48额外具有止回功能，以便使得质量流不会以相反的流动方向通过二次空气管路38。
能增压的内燃机10具有控制单元58、例如发动机控制装置。所述控制单元58设计为能控制或调节能增压的内燃机10的单个运行参数。为了这个目的，所述控制单元58与不同的为调整参数的调节元件有效连接用于改变运行参数和/或与不同的传感器有效连接用于测量运行参数。在图1中示出本发明涉及到的有效连接。二次空气42的量能由控制单元58借助阀门48控制。按照本发明，控制单元58在所示实施方式尤其设计为，通过其能控制或调节外源点火的内燃发动机的在燃烧室中的空燃比和/或一个或多个点火角和/或一个或多个喷射时间。
图2示出按照本发明的方法的优选的实施方式的流程图，尤其在按照图1的能增压的内燃机中。按照本发明的方法实现了颗粒过滤器30的再生。
在步骤50中按照本发明的能增压的内燃机10在具有部分负荷的工作点上工作。在此，能增压的内燃机10借助压缩器18增压。在该步骤50中没有进行二次空气导入。
在步骤52中在此工作点上推迟一个或多个点火角和/或一个或多个喷射时间。在步骤54中二次空气在涡轮机28的上游导入排气装置26中。步骤52和步骤54也能以互换的顺序使用或进行。其也能至少部分地在时间上平行地进行。
在步骤54中在排气装置26中在颗粒过滤器30上的温度能提高至大于500摄氏度并且小于1100摄氏度的数值，方法是控制二次空气输入和/或点火角和/或喷射时间和/或燃料喷入量。
以这种有利的方式在颗粒过滤器上实现了为其热学的再生所需的条件。
附图标记列表
10 能增压的内燃机
12 外源点火的内燃发动机
14 新鲜气体
15 空气过滤器
16 新鲜气体管路
18 压缩器
20 增压空气冷却器
22 节气门
24 吸气管
26 排气装置
28 涡轮机
29 涡轮机增压组件
30 颗粒过滤器
32 废气
34 旁通管
36 旁通阀门
38 二次空气管路
40 分支位置
42 二次空气
44 接入位置
46 排气弯管
48 具有止回功能的阀门
50 在部分负荷中运行
52 推迟外源点火的内燃发动机
54 引入二次空气
56 提高颗粒过滤器中的温度
58 控制单元
60 交通工具

Claims (10)

1.一种能增压的内燃机(10)，所述能增压的内燃机(10)具有外源点火的内燃发动机(12)、具有带至少一个压缩器(18)的新鲜气体管路(16)、具有带至少一个涡轮机(28)和至少一个颗粒过滤器(30)的排气装置(26)、并且具有二次空气管路(38)，其中所述颗粒过滤器(30)布置在所述涡轮机(28)的下游，所述二次空气管路(38)在所述压缩器(18)的下游从所述新鲜气体管路(16)分支，
其特征在于，
所述二次空气管路(38)在所述涡轮机(28)上游接入所述排气装置(26)。
2.按照权利要求1所述的能增压的内燃机(10)，
其特征在于控制单元(58)，所述控制单元(58)设计用于控制或调节所述外源点火的内燃发动机(12)的空燃比和/或一个或多个点火角和/或一个或多个喷射时间。
3.按照权利要求1或2所述的能增压的内燃机(10)，
其特征在于，
所述二次空气管路(38)在一个或多个接入位置(44)接入所述排气装置(26)的排气弯管(46)。
4.一种交通工具(60)，
其特征在于按照上述权利要求之一所述的能增压的内燃机(10)，其中，所述颗粒过滤器(30)布置在所述交通工具的底板中。
5.一种用于运行能增压的内燃机(10)的方法，所述能增压的内燃机(10)具有外源点火的内燃发动机(12)、具有带至少一个压缩器(18)的新鲜气体管路(16)、具有带至少一个涡轮机(28)和至少一个颗粒过滤器(30)的排气装置(26)、并且具有二次空气管路(38)，所述颗粒过滤器(30)布置在所述涡轮机(28)的下游，所述二次空气管路(38)在所述压缩器(18)的下游从所述新鲜气体管路(16)分支，
其特征在于，
二次空气在所述涡轮机(28)上游被导入所述排气装置(26)。
6.按照权利要求5所述用于运行能增压的内燃机(10)的方法，
其特征在于，
所述能增压的内燃机(10)在具有部分负荷和/或具有低化学计量的空燃比的工作点运行。
7.按照权利要求5或6所述用于运行能增压的内燃机(10)的方法，
其特征在于，
在所述排气装置(26)中在所述颗粒过滤器(30)上的温度能提高至大于500摄氏度并且小于1100摄氏度的数值。
8.按照权利要求5至7之一所述用于运行能增压的内燃机(10)的方法，
其特征在于，
相较于没有二次空气引入的相同的工作点的运行推迟一个或多个点火角和/或一个或多个喷射时间。
9.按照权利要求5至8之一所述用于运行能增压的内燃机(10)的方法，
其特征在于，
相较于没有二次空气引入的相同的工作点的运行所述涡轮机(28)和/或所述压缩器(18)的功率输出被提高。
10.按照权利要求5至9之一所述用于运行能增压的内燃机(10)的方法，
其特征在于，
提高用于所述外源点火的内燃发动机(12)的增压压力和/或空气质量流。
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