CN107131034A - 带有外部点火的燃烧发动机的内燃机和运行内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机和一种用于运行内燃机的方法。该内燃机包括外部点火的燃烧发动机、新鲜气体线路、带有至少一个第一废气后处理装置和至少一个布置在第一废气后处理装置下游的第二废气后处理装置的废气设施。此外，该内燃机包括由新鲜气体线路分出的带有二次空气泵的二次空气管道，其中，二次空气管道具有在第一废气后处理装置上游通到废气设施中的第一分支，且具有在第一废气后处理装置下游且在颗粒过滤器上游通到废气设施中的第二分支。经由二次空气管道，二次空气可被供应给第一和/或第二废气后处理装置。

Description

带有外部点火的燃烧发动机的内燃机和运行内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种带有根据专利权利要求1的前序部分的特征的带有外部点火的燃烧发动机的内燃机、优选可增压的内燃机。此外，本发明涉及一种带有根据专利权利要求9的前序部分的特征的用于运行带有外部点火的燃烧发动机的内燃机、优选可增压的内燃机的方法。
背景技术
在内燃机、尤其外部点火的内燃机(优选用作车辆的牵引机器)中的燃烧过程的情形中形成煤烟颗粒，其由布置在内燃机的废气设施中的颗粒过滤器、尤其汽油颗粒过滤器在行驶运行中从废气中被分离。为了在颗粒过滤器之前的废气背压不太高地上升，颗粒过滤器被连续地或周期性地再生，这也就是说颗粒过滤器的煤烟负荷以如下方式降低，即，利用氧气实现用于煤烟的热氧化的反应条件。为了该目的，在颗粒过滤器中的足够高的温度在同时在废气中提供氧气的情形中是必要的。
因为现代的外部点火的内燃机经常无氧气过量地运行(在化学计量上Lambda等于1)或者具有良好的效率，所以用于再生的特别的操作方式是必要的。如果内燃机是车辆的牵引机器，其借助于特定的行驶循环来实现。为了再生，在颗粒过滤器中需要大于500摄氏度的温度，尤其在将颗粒过滤器布置在车辆底部中的废气设施的区段中、即以相对内燃机的燃烧发动机的相对较大的距离来布置的情形中，该温度的呈现是较大的挑战。
为了将氧气带到带有3元催化器和辅助催化器的内燃机的废气设施中，例如为废气净化的目的而由文件US 4,192,141所已知的是，以如下方式控制还原条件和氧化条件，即，二次空气相应地在催化器上游在内燃机的运行条件的功能中被供应给在废气设施中的废气。
为了将氧气带入到带有借助于废气涡轮增压器可增压的外部点火的内燃机的颗粒过滤器的废气设施中，例如在文件DE 10 2011 118 337 A1中所描述的是，紧邻在颗粒过滤器之前带入增压空气的部分。为了该目的设置有从在压缩机下游的压缩空气管道分出的可开关的空气管道，其在涡轮机下游且必要时在催化器元件下游通入到废气设施中，从而在压缩空气管道中的足够的增压压力的情形中压缩空气的部分直接到达到废气设施中。通过空气管道的气流可被可变地控制、尤其可截止(借助于阀)。
由文件DE 10 2013 001 319 A1得悉，运行带有废气存储器、第一二次空气管道和第二二次空气管道的内燃机，其中，交替地由相同的压缩空气源出发通过废气设施的第一二次空气管道或通过第二二次空气管道供应二次空气。第一二次空气管道在多个位置处通入到排气歧管中，其中，各一个位置在单废气管道中处在内燃机的燃烧室的下游和排气歧管的废气收集室的上游。在此，第二二次空气管道在第一二次空气管道下游同样通入到排气歧管中，必要时到在排气歧管中的废气收集室中。另一二次空气管道的提供此处用于提高二次空气与未燃烧的燃料在催化器中的反应效率。
发明内容
本发明的目的是，在多个期望的位置处给带有外部点火的燃烧发动机的内燃机的废气设施供以二次空气。
该目的根据本发明通过一种带有根据专利权利要求1的特征的内燃机和/或通过带有根据专利权利要求9的特征的方法来实现。
根据本发明的内燃机具有外部点火的燃烧发动机、尤其以点火火花外部点火的燃烧发动机、新鲜气体线路、带有至少一个第一废气后处理装置和至少一个布置在第一废气后处理装置下游的第二废气后处理装置、尤其颗粒过滤器的废气设施。此外，内燃机包括由新鲜气体线路分出的带有二次空气泵的二次空气管道，其中，二次空气管道具有在第一废气后处理装置上游通入到废气设施中的第一分支和在第一废气后处理装置下游且在颗粒过滤器上游通入到废气设施中的第二分支。
二次空气泵可以是转速可变地控制和/或调节地可运行的二次空气泵。二次空气泵可例如借助于电动机被转速可变地驱动。电动机优选通过微控制器被控制，该微控制器相对根据本发明的内燃机的发动机控制器处在有效连接和/或信号连接中。
根据第一设计方案，废气设施紧邻地在燃烧发动机的多个燃烧室下游具有多个部分废气管道，其进一步在下游至少部分被聚集成至少一个废气收集管道，其中，二次空气管道的第一分支划分成多个子分支且每个子分支在子分支的第一出口处通入到部分废气管道中。
优选地，至少一个废气处理装置布置在部分废气管道中的第一出口下游。
根据第二设计方案，废气设施紧邻在燃烧发动机的多个燃烧室下游具有多个部分废气管道，其进一步在下游被聚集成废气收集管道，其中，二次空气管道的第一分支在第一分支的第一出口处通入到废气收集管道中。
根据另一设计方案，二次空气管道具有至少一个用于将通过二次空气管道输送的体积流传输通过第一分支和/或通过第二分支的阀。
优选地，各一个阀布置在第一分支中和在第二分支中。
尤其地，二次空气管道在布置在新鲜气体线路中的压缩机上游由新鲜气体线路分出。备选地，二次空气线路在压缩机下游由新鲜气体线路分出。
尤其地，至少颗粒过滤器在废气设施中布置在布置在废气设施中的涡轮机的下游。
优选地，该内燃机是带有在新鲜气体线路中的至少一个压缩机和在废气设施中的至少一个涡轮机的可增压的内燃机。优选地，二次空气管道在压缩机之前(在压缩机上游)分出。优选地，第一分支在涡轮机上游(向上)通入到废气设施中且第二分支在涡轮机下游(向下)通入到废气设施中。备选地或此外，内燃机在确定的实施形式中还可借助于机械的或电气的压缩机被增压。此外，废气设施可具有另一部件的涡轮机，例如用于能量回收。
在本发明的上下文中还存在一种用于运行带有外部点火的燃烧发动机、尤其以点火火花外部点火的燃烧发动机、新鲜气体线路、带有至少一个第一废气后处理装置和至少一个布置在第一废气后处理装置下游(向下)的第二废气后处理装置、尤其颗粒过滤器的废气设施和由新鲜气体线路分出的带有二次空气泵的二次空气管道的内燃机的方法。在根据本发明的方法中，二次空气在第一废气后处理装置上游(向上)被引入到废气设施中且二次空气在第一废气后处理装置下游(向下)且在颗粒过滤器上游(向上)被引入到废气设施中。
根据该方法的一改进方案，二次空气管道具有在废气后处理装置上游在第一分支的第一出口处通入到废气设施中第一分支，和在废气后处理装置下游且在颗粒过滤器上游在第二分支的第二出口处通入到废气设施中的第二分支，其中，二次空气管道具有至少一个阀，其用于传输通过二次空气管道被输送的体积流
a) 仅通过第一分支或仅通过第二分支可开关或
b) 通过第一分支且通过第二分支可以可调整的份额来调节。
尤其地，该方法适合用于运行此处所建议的内燃机。
对于内燃机的实施方案可被用于该方法的进一步的表征且反之亦然。
在尤其带有上述结构特征的可增压的内燃机的情况中，可增压的内燃机借助于压缩机被增压。
尤其地，二次空气管道在分叉点处叉分成第一分支和第二分支。二次空气泵处在新鲜气体线路的支路与分叉点之间的二次空气管道中。第一和第二分支优选可被液密地封闭。在第一组实施形式中，在分叉点处存在3通阀，从而使得二次空气取决于阀位置可由通过第一分支的支路到达至废气设施或由通过第二分支的支路到达至废气设施。在第二组实施形式中，在第一和第二分支中相应地存在2通阀，利用其可封闭二次空气管道的相应的分支。
优选地，阀中的每个还可在中间状态中被运行，从而使得通过二次空气管道被输送的体积流的可调整的份额可通过第一分支和通过第二分支(也即同时地)被输送。
内燃机优选以奥托方法或奥托米勒方法尤其以点火火花外部点火地来运行。点火火花可通过激光光线或优选地通过电气放电来产生。内燃机优选在化学计量上运行。该内燃机优选是往复活塞式内燃机。该内燃机可具有燃料到燃烧发动机的燃烧室中的直喷或具有燃料到进气管中优选在多个位置处的进气管喷射(MPI)。
利用本发明可有利地实现的是，按照需求将二次空气带入到废气设施中的多个、尤其两个期望的位置中。有利地，尤其鉴于必要的结构空间和/或成本，仅一个二次空气泵被共同地使用，其于是被用于二次空气管道的两个分支。
如果在第一通口(第一出口)下游存在第一废气处理装置(废气后处理装置)，被带入的二次空气可被用于与废气成分的放热反应，从而使得第一废气处理装置可被加热。例如可以该方式在具体的设计方案中加热第一催化器级、尤其3元催化器。如果在第一通口下游存在第二废气处理装置(颗粒过滤器)，其具有用于确定的废气成分的存储功能，被带入的二次空气可被用于与确定的废气成分的放热反应，从而使得第二废气处理装置可被卸载或被再生。例如可以该方式在具体的设计方案中再生汽油颗粒过滤器。
根据本发明的内燃机优选具有如此构造的控制单元，即，通过该控制单元可控制或可调节外部点火的燃烧发动机的燃料空气比例和/或一个或多个点火角度和/或一个或多个喷射时刻。优选地如此进行控制或调节，即，在废气设施中在压缩空气经由二次空气管道的混合之后达到在化学计量上的燃料空气比例。
区别于自燃式的燃烧发动机、尤其柴油发动机，在根据本发明的可增压的内燃机的情形中进气管压力/增压压力尤其为了平衡在再生的情形中的较差的效率且/或在进气管中的空气质量流被提高。额外地，废气质量流还通过压缩空气的经由二次空气管道被引入的部分被提高。在自燃式燃烧发动机的情形中，增压压力和空气质量流在再生阶段中被降低。
在根据本发明的方法的一种优选的实施形式中，内燃机、尤其在颗粒过滤器的再生期间在带有部分负荷和/或带有低于化学计量的燃料空气比例的运行点中被运行。
在根据本发明的方法中特别适宜的是，将在颗粒过滤器处在废气设施中的温度提高到大于500摄氏度(尤其560摄氏度)且小于1100摄氏度、优选大于580摄氏度且小于1000摄氏度的值上。废气设施的温度可被控制、可选地调节。控制或者调节可由发动机控制器实施。其可基于在废气设施中的温度模型和/或在废气设施中的不同位置处的一次或多次测量。
在本发明的方法中，此外或对此备选地优选的是，相比不带有二次空气供应的在相同运行点处的运行向后调节一个或多个点火角度和/或一个或多个喷射时刻。换而言之，一个或多个点火角度和/或一个或多个喷射时刻相比不带有二次空气供应的在相同运行点处的运行可被向后调节。
在根据本发明的增压内燃机的情形中特别有利且目标导向的是，在根据本发明的方法中提高增压压力和/或至外部点火燃烧发动机的空气质量流。以该方式可优化压缩机的效率。
根据本发明的内燃机可以是以汽油作为燃料运行的内燃机。对此备选地，根据本发明的内燃机可以是利用气体、优选甲烷或CNG作为燃料运行的内燃机。在一组实施形式中其是二元的、尤其交替地可利用燃料(汽油和气体)运行的内燃机。在一种二元的内燃机的情形中，优选汽油被直接喷射到燃烧室中且气体在多个位置处被吹入到进气管中(MPI吹入)。
优选地，根据本发明的内燃机是车辆、尤其无轨陆上交通工具的驱动动力总成的部分。尤其地，其可以是唯一的驱动源或是混合驱动部的部分，例如与一个或多个电动机组合。优选地，该车辆是轿车或是商用车，其中，颗粒过滤器布置在车辆的底部中。颗粒过滤器换而言之优选远离发动机，也就是说不布置在发动机舱中、尤其不在发动机处，而是例如在相对燃烧机(Verbrennungskraftmaschine)的燃烧室的至少75cm[厘米]的距离中。在颗粒过滤器在底部中的布置的情形中的优点中的其中一个是用于燃烧发动机的尽可能小的废气背压的达到。此外，原则上更多的结构空间可供用于颗粒过滤器。相比在底部与燃烧发动机的燃烧室之间的安装、即靠近发动机的安装，该结构空间可被用于更大的包装。通过匹配于更大的结构空间还可实现在颗粒过滤器中有利的更小的体积流。对于远离发动机的颗粒过滤器而言本发明实现了提供用于其再生的氧气浓度。
附图说明
接下来根据附图进一步阐述本发明以及技术范围。附图显示了特别优选的实施例，然而本发明不局限于此。尤其地应指出，附图且尤其地示出的尺寸比例仅是示意性的。相同的附图标记表示相同的对象。其中：
图1：显示了内燃机的第一实施形式的图示；
图2：显示了内燃机的第二实施形式的图示。
附图标记清单
1 内燃机
2 燃烧发动机
3 新鲜气体线路
4 废气设施
5 废气后处理装置
6 颗粒过滤器
7 二次空气管道
8 二次空气泵
9 第一分支
10 第二分支
11 燃烧室
12 部分废气管道
13 废气收集管道
14 子分支
15 第一出口
16 阀
17 体积流
18 压缩机
19 涡轮机
20 二次空气
21 第二出口
22 发动机控制器
23 第一传感器
24 节流阀
25 第二传感器
26 第三传感器
27 第一Lambda传感器
28 第二Lambda传感器
29 第一温度传感器
30 第三Lambda传感器
31 第二温度传感器
32 第四传感器
33 第五传感器
34 空气过滤器。
具体实施方式
图1显示了内燃机1的第一实施形式，其可借助于由废气涡轮机19和压缩机18构成的增压组(废气涡轮增压机)被增压。不可增压的内燃机1、吸气式内燃机除了于是缺少的增压组之外可具有与在图1中所显示的相同的拓扑结构。内燃机1在该实施形式中是无轨陆上交通工具的牵引机器且因此被集成到陆上交通工具中。
在图1中示出的实施形式具有利用由电气放电的点火火花外部点火的内燃机1，其以奥托燃烧方法或者奥托米勒燃烧方法工作。燃烧发动机2是带有此处示例性地四个柱形的燃烧室11的往复活塞式机器。空气通过新鲜气体线路3被供应给外部点火燃烧发动机2。从空气中首先在空气过滤器34(Lufi)中分出非气态的污染物。空气借助于增压组(废气涡轮增压器)的压缩机18被压缩。空气经过节流阀24且到达到进气管中。此处在图1中未绘图示出，此类实施形式可具有压缩空气冷却器、尤其进气管集成的压缩空气冷却器。
废气由燃烧室11被排放到废气设施4中、首先到排气歧管中。排气歧管具有单独的(部分)废气管道12，其由四个燃烧室11的各个废气阀延伸直至(废气)收集管道13。换而言之，排气歧管将经由各个槽流出的废气汇总成总的废气流。废气在废气设施4中首先经由增压组(废气涡轮增压器)的驱动压缩机18的涡轮机19被引导。降低压力的废气在涡轮机19下游到达到第一废气后处理装置5、催化器、尤其三元催化器KAT中。第一废气后处理装置5可靠近发动机、尤其地在发动机处或在发动机舱中布置，因此来自在燃烧室11中的燃烧的热量可被用于加热第一废气后处理装置5。
在第一废气后处理装置5下游存在带有具体地优选用于煤烟颗粒的存储功能的第二废气后处理装置6、尤其汽油颗粒过滤器6OPF。在该实施形式中，第二废气后处理装置布置在陆上交通工具的底部中。在经过汽油颗粒过滤器6之后，废气到达到内燃机1的周围环境中。
根据本发明，在图1中所显示的实施形式具有二次空气管道7，其在压缩机18上游且在空气过滤器34下游由新鲜气体线路3分出。二次空气管道7具有二次空气泵8，其泵轮将空气通过二次空气管道7输送至废气设施4。在二次空气泵8下游，二次空气管道7分出到第一分支9中和到第二分支10中。第一分支9在涡轮机19上游通入到废气设施4中，而第二分支10在第一废气后处理装置5下游且在第二废气后处理装置6上游通入到废气设施4中。
在可增压的内燃机1中，二次空气管道7的第一分支9可通入到废气设施4在一个或多个通入位置(第一出口15)处的排气歧管中或截止。特别优选地，排气歧管被集成在气缸盖中。如果是在内燃机1的确定的运行点中被冷却的排气歧管，则在本发明的上下文中是有利的是，在二次空气到废气设施4中的引入的情形中减少或完全停止废气的冷却。在废气设施4中尽可能远在上游的放热反应的优点尤其在于，尤其富油的废气在废气设施4的敏感构件(例如催化器)中不受控制的燃烧的危险被降低、优选被避免。与在废气设施4中的涡轮机19相关联可以有利的方式提供用于涡轮机19的额外的废气焓。
在该第一实施形式中，废气设施4紧邻在燃烧发动机2的多个燃烧室11下游具有多个部分废气管道12，其进一步在下游被汇聚成废气收集管道13，其中，二次空气管道7的第一分支9划分成多个子分支14且每个子分支14在子分支14的第一出口15处通入到部分废气管道12中。
不仅在二次空气管道7的第一分支9中而且在第二分支10中相应地存在二次空气阀(阀16)。相应的二次空气阀16可被打开或被关闭，从而使得到废气设施4中的流体连接可被中断或被建立。
在图1中显示了一系列沿着新鲜气体线路3和废气设施4布置的测量传感器，更确切地说在二次空气管道7中。其处在与发动机控制器22的信号连接和/或操控连接和/或有效连接(未绘图示出)中。基于选择或所有借助于测量传感器测得的量，内燃机1的运行状态、运行状态参数或运行条件可被诊断。此外，测得的量中的所有或选择可被用于内燃机1或内燃机1的部件/部分的控制和/或调节。尤其地，测得的量可被用于第二废气后处理设备6、尤其汽油颗粒过滤器6的再生的控制和/或调节。
在新鲜气体线路3中，在压缩机18下游且在节流阀24上游存在组合的第一压力和温度传感器23。在节流阀24下游且在燃烧室11上游存在在新鲜气体线路3中的组合的第二压力和温度传感器25。在废气设施4中在二次空气管道7的第一分支9的通口(第一出口15)下游且在涡轮机19上游存在压力传感器(第三传感器26)，所谓的p3传感器。在涡轮机19下游且在第一废气后处理装置5上游存在在废气设施4中的线性的第一Lambda传感器27。在二次空气管道7的第二分支10的通口(第二出口21)下游且在第二废气后处理装置6、尤其汽油颗粒过滤器6上游存在线性的第二Lambda传感器28以及(第一)温度传感器29(Tv OPF)。在第二废气后处理装置6、尤其汽油颗粒过滤器6下游存在在废气设施4中的跃变式Lambda传感器(第三Lambda传感器30)以及(第二)温度传感器31(Tn OPF)。
对于如下具体的情况而言，即，第二废气后处理装置6是(汽油)颗粒过滤器6，压差/压降prel在OPF之后在汽油颗粒过滤器6上游的点与在汽油颗粒过滤器6下游的另一点之间被测量。为此压差传感器ΔpOPF传感器(第四传感器32)得到使用。在经由颗粒过滤器6测得的压差的基础上可尤其决定汽油颗粒过滤器6的再生且引入再生是否是必要的。
在二次空气管道7中，在二次空气泵8下游且在第一和第二分支9,10中的分叉点上游存在压力传感器(第五传感器33)。
图2显示了内燃机1的第二实施形式的图示。参照图1的实施方案。此处，二次空气管道7也具有两个用于传输通过二次空气管道7被输送的体积流17通过第一分支9和/或通过第二分支10的阀16。此处，二次空气管道7在压缩机18下游由新鲜气体线路3分出。第一分支9此处在唯一的第一出口15处通入到废气收集管道13中。部分废气管道12在第一出口15上游被汇聚成废气收集管道13。经由第二分支10，二次空气20在颗粒过滤器6上游且在废气处理单元5下游被输送到废气设施4中。

Claims (10)

1.一种内燃机，其带有外部点火的燃烧发动机(2)、新鲜气体线路(3)、带有至少一个废气后处理装置(5)和至少一个布置在所述废气后处理装置(5)下游的颗粒过滤器(6)的废气设施(4)和由所述新鲜气体线路(3)分出的带有二次空气泵(8)的二次空气管道(7)，其中，所述二次空气管道(7)具有在所述废气后处理装置(5)上游通入到所述废气设施(4)中的第一分支(9)，且具有在所述废气后处理装置(5)下游和在所述颗粒过滤器(6)上游通入到所述废气设施(4)中的第二分支(10)。
2.根据专利权利要求1所述的内燃机(1)，其特征在于，所述废气设施(4)紧邻地在所述燃烧发动机(2)的多个燃烧室(11)下游具有多个部分废气管道(12)，其进一步在下游至少部分被聚集成至少一个废气收集管道(13)，其中，所述二次空气管道(7)的第一分支(9)划分成多个子分支(14)且每个子分支(14)在所述子分支(14)的第一出口(15)处通入到部分废气管道(12)中。
3.根据专利权利要求2所述的内燃机(1)，其中，所述至少一个废气后处理装置(5)在所述第一出口(15)下游布置在所述部分废气管道(12)中。
4.根据专利权利要求1所述的内燃机(1)，其特征在于，所述废气设施(4)紧邻地在所述燃烧发动机(2)的多个燃烧室(11)下游具有多个部分废气管道(12)，其进一步在下游被聚集成废气收集管道(13)，其中，所述二次空气管道(7)的第一分支(9)在所述第一分支(9)的第一出口(15)处通入到所述废气收集管道(13)中。
5.根据前述专利权利要求中任一项所述的内燃机(1)，其特征在于，所述二次空气管道(7)具有至少一个用于将通过所述二次空气管道(7)输送的体积流(17)传导通过所述第一分支(9)和/或通过所述第二分支(10)的阀(16)。
6.根据专利权利要求5所述的内燃机(1)，其特征在于，各一个阀(16)布置在所述第一分支(9)中和在所述第二分支(10)中。
7.根据前述专利权利要求中任一项所述的内燃机(1)，其特征在于，所述二次空气管道(7)在布置在所述新鲜气体线路(3)中的压缩机(18)上游由所述新鲜气体线路(3)分出。
8.根据前述专利权利要求中任一项所述的内燃机(1)，其特征在于，至少所述颗粒过滤器(6)在布置在所述废气设施(4)中的涡轮机(19)下游布置在所述废气设施(4)中。
9.一种用于运行内燃机(1)的方法，所述内燃机(1)带有外部点火的燃烧发动机(2)、新鲜气体线路(3)、带有至少一个废气后处理装置(5)和至少一个布置在所述废气后处理装置(5)下游的颗粒过滤器(6)和由所述新鲜气体线路(3)分出的带有二次空气泵(8)的二次空气管道(7)，在其中二次空气(20)在所述废气后处理装置(5)上游被引入到所述废气设施(4)中且二次空气(20)在所述废气后处理装置(5)下游和所述颗粒过滤器(6)上游被引入到所述废气设施(4)中。
10. 根据专利权利要求9所述的方法，其特征在于，所述二次空气管道(7)具有第一分支(9)，其在所述废气后处理装置(5)上游在所述第一分支(9)的第一出口(15)处通入到所述废气设施(4)中且具有在所述废气后处理装置(5)下游且在所述颗粒过滤器(6)上游在所述第二分支(10)的第二出口(21)处通入到所述废气设施(4)中的第二分支(10)，
其中，所述二次空气管道(7)具有至少一个阀(16)，其为了传递通过所述二次空气管道(7)输送的体积流
a) 能仅通过所述第一分支(9)或仅通过所述第二分支(10)被开关，或
b) 通过所述第一分支(9)和通过所述第二分支(10)能以能调整的份额来调节。
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