CN109891068A - 包括布置在涡轮上游的还原剂供应系统的多管排气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机(2)的排气系统，排气系统包括：‑第一排气管(4)，其从内燃机的第一排气组引导至在第一排气流的行进方向上布置在第一排气组下游的第一涡轮增压器涡轮入口(17，117)；‑第二排气管(6)，其从内燃机的第二排气组引导至在第二排气流的行进方向上布置在第二排气组下游的第二涡轮增压器涡轮入口(17，217)；‑SCR催化器(10)，其布置在第一涡轮增压器涡轮入口(15，115)和/或第二涡轮增压器涡轮入口(17，217)下游；‑还原剂供应系统，其包括分配管路(12)和还原剂喷射器(14)。分配管路(12)构造成在第一涡轮增压器涡轮入口(15，115)和第二涡轮增压器涡轮入口(17，117)上游将第一排气管(4)流体地连接至第二排气管(6)，并且还原剂喷射器(14)构造成将还原剂供应至分配管路(12)。本公开还涉及向这种排气系统供应还原剂的方法和包括这种排气系统的车辆(1)。

Description

包括布置在涡轮上游的还原剂供应系统的多管排气系统
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的排气系统。本发明还涉及一种具有这种排气系统的车辆，以及一种将还原剂添加至这种排气系统的排气流中的方法。
背景技术
汽车的排放标准正变得越来越严格。这些标准通常规定了用于许多尾气管污染物的最大排放水平，该尾气污染物包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)。为了满足目前和可能的未来标准的要求，车辆需要配备有减排技术。适用于柴油车辆的这种减排技术包括废气再循环(EGR)、微粒过滤器、柴油氧化催化器(DOC)和选择性催化还原(SCR)。每种技术都有其独特的优点和缺点，可能在降低一种污染物的发生率的同时增加另一种污染物的发生率。例如，EGR可以降低NOx排放，但是降低燃料效率并增加颗粒物。因此，许多技术通常一起应用以满足排放标准。
选择性催化还原(SCR)是降低尾气管氮氧化物(NOx)排放的有效技术。其涉及向车辆排气流中添加还原剂，诸如氨。还原剂借助于催化器将排气流中的NOx还原成氮气(N2)和水。在机动车辆的实际实施中，尿素水溶液用作还原剂，并且该尿素溶液在热排气流中分解成氨和二氧化碳。
由于SCR作为排气后处理在发动机下游实施，因此其不会以与例如EGR相同的方式影响发动机的燃烧性能。因此，希望能够仅使用SCR从排气流中去除基本上所有的NOx，而不需要EGR。但是，这并非没有困难。为了产生还原基本上所有NOx所需的氨量，必须将大量尿素溶液喷射至排气流中。如果排气流足够热，则溶液将蒸发并分解成氨。这种情况发生的确切温度取决于所喷射的尿素质量流量：质量流量越大，所需的温度越高。在次优温度下，尿素溶液可以替代地在排气管的表面上形成沉积物。这种沉积物可以包括结晶尿素，以及尿素分解副产物(诸如氰尿酸)。这些沉积物可以通过在接近400℃的温度下加热排气系统来除去，但是在车辆的正常操作期间很少达到这样的温度，因此必须采用特殊手段来除去排气沉积物。
SCR的另一个困难是需要有效混合，以便在多个SCR催化器基材的整个表面区域上实现还原剂的均匀分布。可用于混合的空间非常有限，并且还原剂通常在SCR催化器基质上游的较短距离处被喷射至排气流中。为了改善混合，通常类似于涡轮叶片的混合装置布置在排气管路中。然而，即使使用混合装置，也难以实现充分均匀的混合。此外，排气管路中混合装置的存在起到阻碍流动的作用，在混合器上游产生较高的压力(背压)并降低发动机效率。
这些问题可以通过在排气系统的进一步上游、优选地在排气歧管出口附近、在排气流中放置的任何增压涡轮上游喷射还原剂来解决。与典型的SCR喷射器放置相比，歧管出口处的排气温度明显更高。温差可高达30-150℃。此外，排气歧管处的热惯性较低，这意味着启动后可以更快地实现最佳操作温度。这意味着可以添加更高质量流量的还原剂，并且与在下游喷射还原剂相比，最佳操作窗口更大。
在排气歧管出口附近喷射还原剂允许到达SCR催化器床的更长的排气流动路径，从而提供改进的混合。在发动机配备有涡轮的情况下尤其如此。增压涡轮提供废气和还原剂的高效混合。这意味着不需要特定于SCR的混合器，因此可以避免使用这种混合器引起的背压。
DE3821832C1描述了一种包括排气组合装置的排气系统。排气组合装置位于涡轮增压器上游，排气歧管的单独管道在该涡轮增压器上游处会聚。排气组合装置包括喷射室和喷射构件，该喷射室具有与会聚的排气流接触的喷嘴头，该喷射构件用于将氨和载气喷射至喷射室中。
US2010/0313550A1描述了一种用于内燃机的排气系统。排气系统包括用于在排气歧管会聚之后并且在两级涡轮增压器的涡轮上游将还原剂引入排气系统的装置。在一个实施方式中，发动机可以具有V形构造，在这种情况下，为每个排气组提供用于引入还原剂的单独装置。
仍然需要一种将还原剂添加至排气流中的改进方法。
发明内容
本发明的发明人已经发现了关于用于向排气流提供还原剂的现有技术解决方案的许多缺点。将一个或多个喷射器放置在涡轮上游是一项重大的工程挑战。喷射器所暴露的高温可能导致材料失效。此外，必须采取措施以确保喷射器中的还原剂溶液不会过早地暴露于高温，否则可能导致在喷射器喷嘴中形成降解和沉积物。此外，在具有多个涡轮入口的系统(诸如双涡旋涡轮增压器系统)中，通常每个涡轮入口需要一个喷射器。如果将单一喷射器用于多个涡轮入口，则需要用于分配还原剂的复杂解决方案，并且即使这样也不能调节分配。
因此，本发明的目的是提供一种将还原剂添加至具有多个涡轮入口的排气系统的排气流中的改进的装置。本发明的另一个目的是提供一种比现有技术的解决方案更简单、更稳固并且需要更少的喷射器的添加还原剂的装置。
本发明的另一个目的是提供一种控制还原剂分布至多个涡轮入口的改进的装置。
这些目的通过根据所附权利要求的用于内燃机的排气系统实现。排气系统包括：
-第一排气管，其从内燃机的第一排气组引导至在第一排气流的行进方向上布置在第一排气组下游的第一涡轮增压器涡轮入口；
-第二排气管，其从内燃机的第二排气组引导至在第二排气流的行进方向上布置在第二排气组下游的第二涡轮增压器涡轮入口；
-SCR催化器，其布置在第一涡轮增压器涡轮入口和/或第二涡轮增压器涡轮入口下游；以及
-还原剂供应系统，其包括分配管路和还原剂喷射器。
分配管路构造成将第一排气管流体地连接至第一涡轮增压器涡轮入口和第二涡轮增压器涡轮入口上游的第二排气管，并且还原剂喷射器构造成将还原剂供应至分配管路。
使用这种系统，还原剂可以通过还原剂喷射器供应至分配管路中。然后，通过打开发动机组气阀产生的压力脉冲将会用于将所供应的还原剂吹入至其中一个排气管中。通过对还原剂至分配管路的供应进行定时，还原剂可以以任何期望的方式分布在两个排气管之间。只需要单一还原剂喷射器。因为还原剂喷射器将还原剂供应至分配管路而不是直接供应至排气管，所以其不会暴露于排气管中的条件的完全严重性，使得系统更加稳固。同时，该解决方案结构简单，只需要很少的额外部件，并且无需喷射部位下游的混合器。
隔热材料可以布置在分配管路的第一端与第一排气管之间以及分配管路的第二端与第二排气管之间。这进一步降低分配管路中主导的温度，从而减少还原剂副产物的形成并保护还原剂喷射器。
分配管路可以配备有冷却套管，该冷却套管构造成使流体循环通过冷却套管。冷却套管可以流体地连接至用于内燃机的冷却系统。替代地，冷却套管可以流体地连接至还原剂储罐。通过主动地冷却分配管路，在分配管路与排气管之间获得急剧的温度梯度。这意味着供应至分配管路的任何还原剂最初都要经受过低而不会导致副产物形成的温度。在被吹入至排气管中时，还原剂迅速经受排气流的高温并蒸发而没有副产物形成。因此，大大降低排气系统中的副产物形成和沉积。
第一涡轮增压器涡轮入口和第二涡轮增压器涡轮入口可以与单一涡轮增压器涡轮相关联。因此，该系统适用于双涡流涡轮系统。
第一涡轮增压器涡轮入口可以与第一涡轮增压器涡轮相关联，并且第二涡轮增压器涡轮入口可以与第二涡轮增压器涡轮相关联。因此，该系统适用于双涡轮系统。
废气门可以与第一涡轮增压器涡轮入口和/或第二涡轮增压器涡轮入口相关联地布置。因为还原剂的分布是可控的，所以每当废气门打开时，可以避免将还原剂供应至具有废气门的入口。这避免了还原剂绕过增压涡轮，从而确保还原剂在排气流中的良好混合。
第一涡轮增压器涡轮入口可以具有与第二涡轮增压器涡轮入口不同的几何形状。因为本发明的系统可以控制还原剂在各排气管之间的分布，所以无论几何形状是否对称，都可以为每个导管获得最佳的还原剂配量。
构造成输送第一排气流和第二排气流的共用排气管可以布置在第一涡轮增压器涡轮入口和第二涡轮增压器涡轮入口下游。这可能允许使用单一SCR催化器向第一和第二排气流两者提供服务。
根据本发明的另一方面，本发明的目的通过一种将还原剂供应至如本文所公开的排气系统的排气流的方法来实现。该方法包括以下步骤：
-确定供应至第一排气管的还原剂的第一量和供应至第二排气管的还原剂的第二量；
-对通过还原剂喷射器进行的该还原剂的第一量的喷射进行定时，以便与第一预定的发动机曲柄角一致；以及
-对通过还原剂喷射器进行的该还原剂的第二量的喷射进行定时，以便与第二预定的发动机曲柄角一致。
通过对还原剂的供应进行定时以与预定的曲柄角一致，还原剂可以仅使用单一还原剂喷射器以任何所需比例可控地分布在各排气管之间。
第一预定的曲柄角可以与第二排气管具有比第一排气管中的第一瞬态压力高的第二瞬态压力一致，并且第二预定的曲柄角可以与第一排气管具有比第二排气管中的第二瞬态压力高的第一瞬态压力一致；其中第一和第二瞬态压力分别在第一和第二涡轮增压器涡轮入口上游的位置处确定。通过利用各排气管之间的压力差，在分配管路中建立能够将还原剂从分配管路输送至排气管的排气流动。输送排气流动的方向作为曲柄角的函数周期性地交替，这意味着易于通过对还原剂的喷射进行定时来在两个排气管之间分配还原剂。
还原剂的第一量或还原剂的第二量可以是零，即还原剂的100％可以供应至第一排气管或第二排气管。替代地，如果需要，可以实现还原剂的按比例分配(诸如50/50)。供应至每个导管的比例可以根据需要在整个操作中连续变化。
可以在关闭内燃机之前的至少一个发动机曲柄半循环处进行还原剂的最终喷射。这允许排气流体最终流动通过分配管路以从还原剂喷射器喷嘴和分配管路清理任何剩余的还原剂。因此，还原剂供应系统可以保持无沉积物而不需要加压空气源或用于清理喷射器喷嘴的类似设备。
根据本发明的另一方面，本发明的目的通过一种包括如本文所公开的排气系统的车辆来实现。
从以下详细描述中，本发明的其他目的、优点和新颖特征对于本领域技术人员而言将变得明显。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其进一步的目的和优点，下面给出的具体实施方式应与附图一起阅读，其中相同的附图标记表示各个图中的类似项，并且其中：
图1示意性地示出包括根据本发明的实施方式的排气系统的车辆。
图2示意性地示出根据本发明的实施方式的排气系统。
图3a示意性地示出将还原剂供应至排气系统的第二排气管。
图3b示意性地示出将还原剂供应至排气系统的第一排气管。
图4示意性地示出排气系统中的主动冷却的分配管路。
图5示意性地示出根据本发明的另一实施方式的排气系统。
图6是表示在行驶循环期间在排气系统中的两个单独点处的温度随时间的变化的曲线图。
图7是表示排气系统的每个排气管中的压力随曲柄角的变化的曲线图。
图8是说明将还原剂供应至根据本发明的排气系统的排气流的方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
本发明基于发明人的以下认识，即可以使用在发动机汽缸的阀打开时产生的压力脉冲(所谓的排污脉冲)将还原剂输送至内燃机(此后称为“发动机”)的排气流中。为了利用这些排污脉冲，来自发动机的排气流必须在至少两个单独的排气管之间分配。然后，在至少两个排气管之间延伸的还原剂分配管路可以通过第一排气管中的过压从一侧加压，并且通过第二排气管中的过压从另一侧加压。如果还原剂存在于分配管路中，则第一排气管中的过压将还原剂吹入至第二排气管中，反之亦然，第二排气管中的过压将还原剂吹入至第一排气管中。布置成将还原剂沉积至还原剂分配管路中的单一还原剂喷射器然后可以用于通过对还原剂的供应进行定时以与在所需方向上工作的过压一致来将还原剂可控地提供至两个排气口。因此，还原剂喷射器本身远离主排气流动并且不完全暴露于由高排气温度引起的苛刻条件。
内燃机可以是任何内燃机，但优选是四冲程燃式发动机，甚至更优选是压缩点火四冲程燃式发动机。发动机可用于通常已知用于内燃机的任何应用中。例如，其可以作为独立式发动机进行销售，例如用于发电或工业设置。然而，优选在车辆中应用。车辆是指利用内燃机直接或间接地(如串联混合动力车辆的情况)提供动力的任何机器。这包括但不限于机动车辆(诸如轿车、卡车和公共汽车)；轨道车辆(诸如火车和有轨电车)；船只(诸如舰船和艇)；和飞机。
现在将更详细地描述本发明的排气系统。
排气系统用于至少两个单独的排气组。排气组是指来自多个发动机汽缸组气阀的排气输出会聚成单一排气流。排气组可以对应于发动机汽缸组。例如，在双排发动机(诸如具有V形配置的那些)中，每个排气组可以对应于单独的汽缸组。然而，单一发动机组也可以对应于多个排气组。例如，仅具有单一汽缸组的直列式发动机可以具有两个或更多个相应的排气组，每个排气组从总汽缸数的一部分接收排气。
从每个排气组排出的排气被收集在单独的排气管中。与排气组相关联的排气管的端部通常包括排气歧管，该歧管具有布置成分别从每个汽缸收集排气并会聚在收集管路中的歧管管路。每个排气管可以单独制造。然而，多个排气管可以制造为单一件，或者由彼此固定附接的单独件制造。
每个排气管通向用于涡轮增压器涡轮的单独入口。涡轮增压器涡轮的存在提供对每个排气管中的压力均衡的阻力，这意味着与缺少涡轮增压器的系统相比，由排气口释放的流体产生的每个压力峰值具有更长的持续时间和/或幅度。使用单独的入口防止第一与第二排气管之间在收敛点处的压力均衡。重要的是，两个排气管可以在至少有限的持续时间内保持不同的压力，以便利用该压力差将还原剂输送至任一个排气管。
该系统可以包括具有两个入口的单一涡轮增压器，即双涡旋或脉冲涡轮增压器。在这种情况下，每个排气管通向共用涡轮增压器的分立入口。该系统可以包括两个并联布置的涡轮增压器，即双涡轮或双联涡轮设计。在这种情况下，每个排气组通向分立涡轮增压器的单一入口。对于具有两个以上排气组的系统，双涡旋和并联双涡轮设计的组合是可能的。
如果利用具有两个入口的单一涡轮增压器，则涡轮入口可具有不同的几何形状，以便优化涡轮的性能。例如，一个入口的直径可以小于另一个。较小直径的入口可以将排气流引导至涡轮叶片的内表面，以便改善涡轮增压器响应，即降低“涡轮迟滞”。较大直径的入口可将排气流引导至涡轮叶片的外边缘，从而提高涡轮效率。使用不同几何形状的入口通道可能导致每个入口需要不同的还原剂配量。
涡轮增压器可以配备有一个或多个废气门。废气门可以是结合至涡轮入口中的内部废气门，或者其可以是布置在涡轮入口上游的排气管中的外部废气门。排气系统可以配备有与其中一个涡轮入口相关联地布置的单一废气门，或者其可以为每个涡轮入口配备有一个废气门。
双涡旋涡轮增压器具有单一排气出口，即第一和第二排气流已在涡轮中合并，而并联双涡轮构造通常具有用于每个涡轮的单独出口。引导排气流远离双涡轮的排气管可以布置成在涡轮下游合并，或者它们可以保持为单独的排气管，每个排气管通向单独的SCR催化器装置。
至少一个SCR催化器装置在每个排气管中布置涡轮增压器下游。SCR催化器装置包括至少一个催化器载体，但可具有并联布置的多个载体或“砖”。用于SCR催化器的合适材料在本领域中是已知的。
排气系统可以包括本领域已知的其他部件。例如，该系统可以配备有串联布置在排气管中的另外的涡轮增压器，即两级涡轮增压。该系统可以配备有多个传感器，包括但不限于温度传感器、NOx传感器、HC传感器、CO传感器及其组合。该系统可以配备有其他催化器，例如柴油氧化催化器和氨逃逸催化器。该系统甚至可以配备有其他SCR部件，诸如还原剂喷射器、混合器和SCR催化器。
排气系统配备有还原剂供应系统，用于将还原剂供应至涡轮入口上游的排气流。还原剂供应系统包括分配管路和喷射器系统。
喷射器系统布置成将还原剂集中供应至分配管路。喷射器系统包括还原剂喷射器，该还原剂喷射器布置成将已计量量的还原剂供应至分配管路。还原剂喷射器可以经由加压装置(诸如泵)流体地连接至还原剂储罐。喷射器系统还可以包括控制单元，用于控制向分配管路供应还原剂的定时和配量。控制单元可以与车辆中的传感器和/或其他控制单元通信。这种喷射器系统在本领域中是已知的。
分配管路布置成在第一排气管与第二排气管之间延伸。分配管路的每个端部适当地布置成在歧管已经会聚处下游的位置处(例如在收集管处、在涡轮入口处或在任何中间位置处)与排气管相遇。分配管路具有合适的直径，以允许任何所供应的还原剂通过作用在两个排气管上的压力差被吹入至排气流中。如果分配管路的直径太窄，则其可能包括太小而不能容纳所供应的还原剂的体积，可能导致不希望的溢出至两个排气管中或者过大的背压被施加至喷射器。如果分配管路的直径太大，则其将起到平衡两个排气管之间的压力差的作用，而不必以期望的方式输送还原剂。在分配管路与第一排气管相遇的点处，分配管路的横截面积与第一排气管的横截面积之比可以是例如约0.1％至约30％，诸如约1％至约20％，或约5％至约15％。分配管路可以是流体地连接两个排气管的直管段。然而，其也可以在中间形成U形倾角，以便阻止还原剂不期望地溢出至“错误的”排气管中。
可以采取措施保护还原剂喷射器免受过热影响并确保还原剂尽可能不降解。隔热材料可以布置在分配管路的每个端部处、在分配管路与排气管的壁之间，以便降低分配管路中主导的温度。分配管路还可以配备有冷却套管，该冷却套管覆盖分配管路的圆周并且构造成使冷却流体源循环通过冷却套管。冷却流体可以是空气。冷却套管可以连接至标准发动机冷却系统，在这种情况下，冷却流体是发动机冷却系统的冷却流体。替代地，来自还原剂储罐的还原剂可以被循环通过冷却套管。这填补了两个功能。首先，分配管路被冷却，从而保护还原剂和还原剂供应系统免受过高的排气温度的影响。另一方面，还原剂储罐中的还原剂被稍微加热，降低冻结的风险，并且可能排除对布置在还原剂供应罐中的单独加热器的需要。
这些措施结合起来保护还原剂供应系统免受高排气温度的影响，并提供适合避免副产物的条件。这是因为当供应至分配管路时还原剂暴露于远低于形成副产物所需温度的温度。在被吹入至排气流中时，还原剂所暴露的高温和急剧的温度梯度将会降低副产物形成的发生率。根据ISO 22241的标准AUS 32，还原剂优选是柴油排气流体，其包含尿素在水中的溶液。
尽管这里将本发明描述为应用于具有两个排气管的系统，但是其也可以应用于具有更多排气管(诸如三个或四个排气管)的系统。在这种情况下，每个排气管应通过分配管路与至少一个其他排气管连接。每个分配管路应配备有还原剂喷射器。
上述排气系统可用于将还原剂可控地供应至两个排气管，并因此供应至SCR催化器。忽略由可变气门正时引起的潜在变化，四冲程内燃机的每个汽缸的排气阀以720°曲柄角(即两个整个曲柄旋转)的周期性打开。随着排气阀的每次打开，瞬态压力最大值由压缩的排气从汽缸释放至排气管中引起。例如，在具有两个排气组每组三个汽缸的六缸发动机中，每个排气管每两个完整的曲柄旋转(720°曲柄角)经历三个瞬态压力峰值。因为汽缸正时相对于彼此偏移，所以两个排气管中的瞬态压力峰值也便宜，因为没有两个汽缸同时排气。两个排气管之间的这种偏移是由于排气组通常被布置成使得汽缸点火顺序导致排气以排1-排2-排1-排2-排1-排2-依此类推的顺序被交替地排放至每个排气组中。这种偏移的结果是，当一个排气罐正在经历瞬态峰值压力时，另一个排气组处于各瞬态峰值之间的低谷中。因此，在两个排气管之间产生压力差，并且该压力差作为曲柄角的函数在第一排气管中的过压与第二排气管中的过压之间依次交替。
上述排气系统配备有还原剂供应系统，该还原剂供应系统包括分配管路和将还原剂可控地供应至分配管路的喷射器。分配管路将第一排气管流体地连接至第二排气管。因此，在第一排气管中的瞬态过压期间，排气将会从第一排气管通过分配管路流动至第二排气管。同样，在第二排气管中的瞬态过压期间，排气将会从第二排气管通过分配管路流动至第一排气管。因此，分配管路中的流体流动方向作为曲柄角的函数周期性地交替。如果还原剂被供应至分配管路，则该还原剂将会通过流体流动朝向具有最低压力的排气管输送。因此，通过控制还原剂喷射器相对于曲柄角的定时，可以将还原剂可控地供应至第一排气管、第二排气管或两者。
优选地，还原剂的喷射被定时以与作用在两个排气管上的最大压力差一致。例如，第一次喷射可以在最大压力差之前立即发生，第二次喷射可以与最大压力差同时发生，并且第三次喷射可以在最大压力差之后立即发生。这允许利用排气管之间的最大输送力，降低在分配管路中形成沉积物的风险，并起到防止还原剂意外溢流至“错误”排气管中的作用。每次喷射供应的体积取决于还原剂至每个排气管的期望质量流量，并且可能需要与最大压力差不相关的高质量流量喷射。
涡轮入口上游的排气流通常达到超过400℃的温度，这意味着所供应的还原剂快速蒸发，可实现还原剂的高质量流量，并且在排气管的壁上基本上不形成尿素沉积物。使排气和还原剂的混合物通过增压涡轮确保还原剂的高效混合，而不需要涡轮下游的其他混合器。
还原剂可以分布在排气管之间或可控地供应至仅一个管中。例如，如果入口几何形状在第一涡轮入口与第二涡轮入口之间不同，如双涡旋涡轮增压器的情况那样，则可能期望两个管之间的不均匀的还原剂分布。这可以通过控制每个相应管的喷射定时和喷射量来实现。在另一个实施例中，仅一个排气管可以配备有废气门。在这种情况下，为了避免还原剂绕过涡轮，可能期望避免在废气门打开的同时将还原剂供应至装配有废气门的排气管。
常规还原剂喷射系统的已知缺点是喷射器的喷嘴可能被尿素沉积物堵塞。为了避免这种沉积物，在关闭之前的最后一次喷射之后，通常使用压缩空气吹扫喷嘴。然而，这需要压缩空气源，这在一些应用(诸如船用发动机)中不容易获得。根据本发明，还原剂喷射器的喷嘴和分配管路可以使用在分配管路中产生的周期性交替的气流来清理。因此，为了清理喷嘴和管道，最终还原剂喷射在排气管之间的最终压力差最大值之前以足够的余量执行，以便允许压力差清理喷嘴。确切地说，在发动机关闭之前多长时间必须执行最终喷射以确保最终压力差取决于汽缸的数量和排气组的数量。例如，具有两个排气组的四缸发动机每半个曲柄循环(180°)经历最大压力差。因此，可以在发动机关闭之前的至少一个曲柄半循环处执行最终喷射。为了允许几个压力差最大值来清理喷射器喷嘴和分配管路，可以在发动机关闭之前以更大的余量执行最终喷射，诸如在发动机关闭之前的一个、两个或三个曲柄循环。
现在将参考附图进一步说明本发明。
图1示意性地示出根据本发明的实施方式的车辆1的侧视图。车辆1包括燃式发动机2、向第一组发动机汽缸提供服务的第一排气管4、向第二组发动机汽缸提供服务的第二排气管6、双入口涡轮增压器8和SCR催化器10。配备有还原剂喷射器14的分配管路12布置在第一排气管4与第二排气管6之间。车辆1可以是重型车辆，例如卡车或公共汽车。替代地，车辆1可以是乘用车。除了燃式发动机2之外，车辆可以是包括电机(未示出)的混合动力车辆。
图2示意性地示出根据本发明的实施方式的用于内燃机的排气系统。内燃机2具有两个排气组，第一排气组包括汽缸A，A’和A”，第二排气组包括汽缸B，B’和B”。第一排气组由第一排气管4提供服务，第二排气组由第二排气管6提供服务。发动机排气流由实心箭头表示。第一排气管4将发动机排气流从第一排气组引导至涡轮增压器涡轮16的第一入口15，并且第二排气管6将排气流从第二排气组引导至涡轮增压器涡轮16的第二入口17。在通过涡轮16之后，现在已结合的排气流离开涡轮增压器涡轮16的出口并在排放到大气之前流动通过SCR催化器10。涡轮增压器涡轮经由轴杆20驱动涡轮增压器压缩机18。进气由开口箭头表示。压缩机18经由进气入口从大气中吸入空气，并将压缩的空气提供至发动机进气歧管22，压缩空气在那里供应至汽缸A，A’，A”，B，B’，B”。本发明的排气系统配备有还原剂供应系统，该还原剂供应系统包括分配管路12和还原剂喷射器14。分配管路12将第一排气管4流体地连接至第二排气管6。还原剂喷射器14将还原剂供应至分配管路12。
图3a和3b示意性地示出图2的排气系统中还原剂供应系统的功能。实心箭头示出排气流体的流动，空心箭头示出还原剂的流动。
在图3a中，属于第一排气组的汽缸A，A’或A”的汽缸中的一个向第一排气管4排气。这导致第一排气管4相对于第二排气管6的过压。分配管路12将第一排气管4流体地连接至第二排气管6。由于两个管之间产生的压力差，排气从较高压力的第一排气管4通过分配管路12流动至较低压力的第二排气管6。由还原剂喷射器14供应至分配管路12的还原剂(空心箭头)由流动通过分配管路12的排气流体输送并且输送至第二排气管6中，该还原剂在那里被蒸发。这样，还原剂可以选择性地供应至第二排气管6。
在图3b中，属于第二排气组的汽缸B，B’或B”的汽缸中的一个向第二排气管6排气。这导致第二排气管6相对于第一排气管4的过压。分配管路12将第一排气管4流体地连接至第二排气管6。由于两个管之间产生的压力差，排气从较高压力的第二排气管6通过分配管路12流动至较低压力的第一排气管4。由还原剂喷射器14供应至分配管路12的还原剂(空心箭头)由流动通过分配管路12的排气流体输送并且输送至第一排气管4中，该还原剂在那里被蒸发。这样，还原剂可以选择性地供应至第一排气管4。
应该注意的是，还原剂喷射器位于远离大量排气流动的位置，因此不会经受直接向排气管供应还原剂的喷射器将面对的严苛条件的影响。仅需要单一喷射器来将还原剂选择性地供应至两个排气管。因为在排气温度极高的地方供应还原剂，所以减少来自还原剂的副产物形成，并且可以实现还原剂的高质量流量。到达SCR催化器10的较长路径与通过涡轮增压器涡轮16的还原剂/排气混合物相结合，导致排气流中还原剂的高效分布。这意味着SCR催化器10在其整个表面上得到有效利用，并且不需要排气管4，6中的混合器。
还原剂供应系统的温度曲线可以进一步改善。图4示意性地示出流体地连接排气管4，6的分配管路12。热绝缘材料24将分配管路12的壁的端部与排气管4，6的壁分开。分配管路12配备有围绕分配管路12的冷却套管26。图中箭头所示的流体循环通过冷却套管，从而冷却分配管路12和还原剂喷射器14。该流体可以是来自发动机冷却系统的冷却流体，或者其可以是从还原剂储罐循环的还原剂溶液。通过使分配管路12与热排气管4，6绝热并通过冷却分配管路12，还原剂喷射器14的分配管路和喷嘴中的温度被保持在用于从还原剂溶液中形成副产物的下边界温度以下。每当还原剂被供应至分配管路12时，其首先受到分配管路12的较冷温度的影响，然后被输送至排气管4，6中的一个中。在冷却的分配管路12和排气管4，6的边界处存在急剧的温度梯度，因此在进入排气管4，6时，还原剂被迅速加热至高于形成副产物的上边界温度的温度。
图5示意性地示出根据本发明的排气系统的另一个实施方式。在该实施方式中，内燃机2配备有两个单独的涡轮增压器108，208。第一排气管通向第一涡轮增压器108的涡轮116，并且第二排气管通向第二涡轮增压器208的涡轮216。排气管4，6分别离开相应的涡轮116，216并将排气流体运送至SCR催化器10。在SCR催化器10中，排气管合并，并且单一出口离开SCR催化器10以将排气流体排放至大气。
图6示出对于正常行驶循环，当在涡轮增压器涡轮上游供应还原剂时可获得的较高温度。线601示出涡轮增压器涡轮下游的现有技术配量点处的温度。线602表示最小配量温度为200℃。线603示出涡轮增压器涡轮上游的点处的温度。可以看出，与涡轮下游相比，涡轮上游的配量点达到超过200℃的最小配量温度的温度要快得多。而且，在涡轮上游获得的温度通常远高于涡轮下游的温度。这意味着就降低副产物形成和允许将高质量流量的还原剂添加至排气流而言，优选在涡轮上游进行配量。
图7示出压力如何在具有两个排气组的六缸发动机的排气管中波动。曲线图的x轴表示累积曲柄角，y轴表示以Bar计的压力。线701示出第一排气组中的压力，线702示出第二排气组中的压力，并且线703示出第一与第二排气组之间的压力差。可以看出，每个排气组中的压力在单一组中每个压力最大值之间周期性地变化240°。第二组中的压力最大值(线702)相对于第一组中的压力最大值(线701)偏移120℃。这意味着每隔120°，以交替顺序bl-b2-bl-b2-bl-b2依此类推在其中一个排气组中出现压力最大值。这种顺序的结果可以在线703中看到，其示出第一组与第二组之间的压力差。可以看出，压力差在第一排气组中的最大过压与第二排气组中的最大过压之间周期性地交替，每个压力最大值分开120°。
如果分配管路布置在两个排气组之间，则在两个组之间获得的压力差足以将沉积在分配管路中的任何还原剂吹入至沉积时具有最低压力的组中。图7示出两个系列的三次喷射(点704和705)。第一系列的三次喷射(点704)在第二排气组中的最大压力附近发生，因此在这些喷射期间供应至分配管路的任何还原剂将会被输送至第一排气组。第二系列的三次喷射(点705)在第一排气组中的最大压力附近发生，因此在这些喷射期间供应至分配管路的任何还原剂将会被输送至第二排气组。通过控制每次喷射供应的还原剂的量，还原剂在排气管之间的分配可以在第一排气管中的100％至第二排气管中的100％之间调节，或者在它们之间的任何分布。
图8示出根据本发明的将还原剂供应至用于内燃机的排气系统的排气流的方法的流程图。
在该方法的步骤i中，确定供给至第一排气管的还原剂的第一量和供给至第二排气管的还原剂的第二量。在某些情况下，可能期望不向排气管中的一个或另一个添加任何还原剂，即零还原剂。例如，每当废气门在其中一个排气管中打开时就是这种情况。
在步骤ii中，对通过还原剂喷射器进行的该还原剂的第一量的喷射进行定时，以便与第一预定的发动机曲柄角一致。该第一预定的曲柄角与第二排气管具有比第一排气管中的第一瞬态压力高的第二瞬态压力一致。例如，参考图7的曲线图，对于图7所例示的系统，第一预定的曲柄角可以例如是180°，420°或660°。喷射可以与两个排气管之间的压力差的最大负量度一致。
在步骤iii中，对通过还原剂喷射器进行的该还原剂的第二量的喷射进行定时，以便与第二预定的发动机曲柄角一致。该第二预定的曲柄角与第一排气管具有比第二排气管中的第二瞬态压力高的第一瞬态压力一致。例如，参考图7的曲线图，对于图7所例示的系统，第二预定的曲柄角可以例如是60°，300°或540°。喷射可以与两个排气管之间的压力差的最大正量度一致。
在可选步骤iv中，在关闭内燃机之前的至少一个发动机曲柄半循环处进行还原剂的最终喷射。这确保至少一个最终压力差最大值可以在最终喷射之后可以将还原剂从还原剂喷射器的分配管路和喷嘴中清理出去，从而确保分配管路和喷嘴不会堵塞。

Claims (15)

1.一种用于内燃机(2)的排气系统，排气系统包括：
-第一排气管(4)，其从内燃机的第一排气组引导至在第一排气流的行进方向上布置在第一排气组下游的第一涡轮增压器涡轮入口(15，115)；
-第二排气管(6)，其从内燃机的第二排气组引导至在第二排气流的行进方向上布置在第二排气组下游的第二涡轮增压器涡轮入口(17，217)；
-SCR催化器(10)，其布置在第一涡轮增压器涡轮入口和/或第二涡轮增压器涡轮入口下游；其特征在于，排气系统还包括还原剂供应系统，所述还原剂供应系统包括分配管路(12)和还原剂喷射器(14)；其中分配管路(12)构造成在第一涡轮增压器涡轮入口(15，115)和第二涡轮增压器涡轮入口(17，217)上游将第一排气管(4)流体地连接至第二排气管(6)，还原剂喷射器(14)构造成将还原剂供应至分配管路(12)。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其中，隔热材料(24)布置在分配管路(12)的第一端与第一排气管(4)之间以及分配管路(12)的第二端与第二排气管(6)之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的排气系统，其中，分配管路(12)配备有冷却套管(26)，所述冷却套管构造成使流体循环通过冷却套管(26)。
4.根据权利要求3所述的排气系统，其中冷却套管(26)流体地连接至用于内燃机(2)的冷却系统。
5.根据权利要求3所述的排气系统，其中冷却套管(26)流体地连接至还原剂储罐。
6.根据前述权利要求中任一项所述的排气系统，其中，第一涡轮增压器涡轮入口(15)和第二涡轮增压器涡轮入口(17)与单一涡轮增压器涡轮(16)相关联。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的排气系统，其中，第一涡轮增压器涡轮入口(115)与第一涡轮增压器涡轮(116)相关联，并且第二涡轮增压器涡轮入口(217)与第二涡轮增压器涡轮相关联。(216)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的排气系统，其中废气门与第一涡轮增压器涡轮入口(15，115)和/或第二涡轮增压器涡轮入口(17，217)相关联地布置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的排气系统，其中，第一涡轮增压器涡轮入口(15，115)具有与第二涡轮增压器涡轮入口(17，217)不同的几何形状。
10.根据前述权利要求中任一项所述的排气系统，其中构造成运送第一排气流和第二排气流的共用排气管布置在第一涡轮增压器涡轮入口(15，115)和第二涡轮增压器涡轮入口(17，117)下游。
11.一种向用于内燃机(2)的排气系统的排气流供应还原剂的方法，排气系统包括：
-第一排气管(4)，其从内燃机(2)的第一排气组引导至在第一排气流的行进方向上布置在第一排气组下游的第一涡轮增压器涡轮入口(15，115)；
-第二排气管(6)，其从内燃机(2)的第二排气组引导至在第二排气流的行进方向上布置在第二排气组下游的第二涡轮增压器涡轮入口(17，217)；
-SCR催化器(10)，其布置在第一涡轮增压器涡轮入口(15，115)和/或第二涡轮增压器涡轮入口(17，217)下游；以及
-还原剂供应系统，其包括分配管路(12)和还原剂喷射器(14)；其中分配管路(12)构造成在第一涡轮增压器涡轮入口(15，115)和第二涡轮增压器涡轮入口(17，217)上游将第一排气管(4)流体地连接至第二排气管(6)，并且还原剂喷射器(14)构造成将还原剂供应至分配管路(12)；
其中所述方法包括以下步骤：
-确定供应至第一排气管(4)的还原剂的第一量和供应至第二排气管(6)的还原剂的第二量；
-对通过还原剂喷射器(14)进行的所述还原剂的第一量的喷射进行定时，以便与第一预定的发动机曲柄角一致；
-对通过还原剂喷射器(14)进行的所述还原剂的第二量的喷射进行定时，以便与第二预定的发动机曲柄角一致。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，第一预定的曲柄角与第二排气管(6)具有比第一排气管(4)中的第一瞬态压力高的第二瞬态压力一致，并且其中第二预定的曲柄角与第一排气管(4)具有比第二排气管中的第二瞬态压力高的第一瞬态压力一致；其中第一和第二瞬态压力分别在第一和第二涡轮增压器涡轮入口(15，115，17，217)上游的位置处确定。
13.根据权利要求11-12中任一项的方法，其中还原剂的第一量或还原剂的第二量为零。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其中在关闭内燃机之前的至少一个发动机曲柄半循环处进行还原剂的最终喷射。
15.一种车辆(1)，其包括根据权利要求1-10中任一项所述的排气系统。
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