CN113202604A - 具有在涡轮增压器上游的排气后处理装置的发动机组件 - Google Patents

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W·埃曼克
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Abstract

本发明涉及具有在涡轮增压器上游的排气后处理装置的发动机组件。本描述给出了一种用于机动车辆(30)的发动机组件(20)，该发动机组件(20)包括具有排气歧管(4)的至少一个内燃发动机(1)、具有压缩机(6)和涡轮(7)的涡轮增压器(5)、在所述涡轮(7)上游的至少一个第一排气后处理单元(15)和在所述涡轮(7)下游的至少一个第二排气后处理单元(16)。所述排气歧管(4)包括第一出口(21)和第二出口(22)。所述第一出口(21)流体连接到布置在所述涡轮(7)上游的所述至少一个第一排气后处理单元(15)，并且所述第二出口(22)流体连接到所述涡轮(7)的入口(27)。

Description

具有在涡轮增压器上游的排气后处理装置的发动机组件
技术领域
本发明涉及一种用于具有内燃发动机的机动车辆的发动机组件。此外，本发明涉及一种机动车辆和一种用于操作发动机组件的方法。
背景技术
在包括用于净化排气的排气后处理系统的内燃发动机的背景下，整个系统的暖机阶段通常是一种挑战。在此阶段中，排气后处理系统经常以低效的方式操作，因为它需要一定的最低温度，即“起燃温度”，以启动排气的转化。
在暖机阶段期间，排气后处理系统不是在此阶段中仍然很冷的发动机组件中的唯一部件。布置在排气后处理系统上游的所有其他部件也从排气除去热能。结果是在暖机阶段期间，甚至更少的热能到达排气后处理系统。特别地，涡轮增压器具有高的热质量，其必须首先暖机并且通常位于排气后处理系统上游。
因此，有时单独的排气后处理系统布置在涡轮增压器上游。在文件DE 10 2012200 012 A1和DE 10 2015 205 465 A1中描述了这种示例。在这种情况下，布置在涡轮增压器上游的排气后处理部件具有旁通流动通道，特别是为了避免在暖机阶段之后对涡轮的效率产生负面影响。
发明内容
鉴于所描述的背景，本发明的目的是提供一种用于机动车辆的甚至进一步改进的发动机组件，该发动机组件一方面允许在暖机阶段期间的有效排气后处理，并且同时允许涡轮增压器在暖机阶段之后和/在该阶段期间的有效操作。
该目的通过以下方式来实现：根据本发明的优选示例的用于机动车辆的发动机组件，根据本发明的优选示例的机动车辆，以及通过本发明的优选示例的用于操作发动机组件的方法。本发明的可选示例包含本发明的进一步有利实施例。
用于机动车辆的根据本发明的发动机组件包括具有排气歧管的至少一个内燃发动机、具有压缩机和涡轮的涡轮增压器、至少一个第一排气后处理单元和至少一个第二排气后处理单元。第一排气后处理单元被布置在涡轮增压器的涡轮上游。第二排气后处理单元被布置在压缩机的涡轮下游。排气歧管包括第一出口和第二出口。第一出口流体连接到布置在涡轮上游的至少一个第一排气后处理单元。第二出口流体连接到涡轮的入口，优选地直接地连接到入口。
根据本发明的实施例具有的优点是，在暖机阶段期间，排气可以通过排气歧管的第一出口引入到布置在涡轮上游并在那里进行后处理的排气后处理单元中。在所述暖机阶段之后或甚至在此阶段期间，排气可以通过排气歧管的第二出口穿过直接进入涡轮的入口中。以这种方式，可以实现非常短的流动路径，并且可以最小化在排气歧管和涡轮之间的相应热损失和压力损失。因此，此外不需要附加的旁通流动通道来旁通布置在涡轮上游的排气后处理单元。因此，也可以节省材料、成本和所需的安装空间。同时，即使在低流速下，最佳的排气后处理也是可行的。布置在涡轮上游的排气后处理单元可以具有相对较小的配置，这具有的优点是，它非常快速地暖机并且因此确保了有效的排气后处理。
涡轮增压器优选地包括具有一个或多个入口的涡轮。在这种情况下，涡轮优选地具有第一入口和第二入口。第一入口优选地流体连接到布置在涡轮上游的排气后处理单元，并且第二入口优选地流体连接到排气歧管的第二出口。一种有利的可能性是在流动方面将阀布置在排气歧管的第二出口和涡轮的第二入口之间。这具有的优点是，根据操作状态，特别是根据操作温度，排气可以部分地或全部地通过第一排气后处理单元引入，或者仅仅或主要地直接地引入到涡轮中。该阀可以例如是连续可变的阀。这允许操作灵活地适应于相应的操作状态。
在另一个变体中，根据本发明的发动机组件可以包括旁通流动通道，旁通流动通道包括入口和出口。入口布置在至少一个第一排气后处理单元上游。出口布置在至少一个排气后处理单元下游。旁通流动通道可以包括旁通阀，例如，连续可变的阀。这种附加的旁通流动通道具有的优点是，尤其在涡轮增压器的情况下，该涡轮增压器的涡轮具有一个或多个入口，排气可以在暖机阶段之后通过涡轮的第一入口和第二入口均匀地引入到涡轮增压器中。因此，可以通过排气歧管的第二出口和经由旁通流动通道将排气引入到涡轮中。特别地，通过所述阀，可行的是对经由所述流动通道引入到涡轮中的排气的相应量和压力进行开环控制并且特别地进行闭环控制。
在排气歧管的第二出口下游的阀和/或旁通阀可以有利地经配置以可变的方式，例如连续地从百分之零到百分之一百，来控制开度。
在另一个有利的变体中，至少一个第一排气后处理单元和至少一个第二排气后处理单元以在结构上集成到一个部件中这种方式配置。一方面，此类配置具有的优点是，可以以这种方式提供一种在安装空间方面非常紧凑和有效的解决方案。另一个优点是，使得在第一排气后处理单元和至少第二排气后处理单元之间的热传递成为可能。
在另一个变体中，至少一个第一排气后处理单元和至少一个第二排气后处理单元可以彼此连接以便热可以在它们之间交换。例如，这可以通过在结构上集成到一个部件中的上述配置来实现。然而，第一排气后处理单元和第二排气后处理单元也可以仅直接地彼此相邻布置，特别是具有最大可能的接触面积。
第一排气后处理单元和/或第二排气后处理单元可以包括柴油氧化催化转化器和/或SCR催化转化器(SCR＝选择性催化还原)，即用于选择性催化还原的催化转化器，和/或颗粒过滤器，特别是具有SCR涂层的颗粒过滤器、和/或NOX存储催化转化器(稀NOX存储催化剂)和/或用于喷射还原剂的装置，例如尿素，和/或混合装置。喷射装置可以设计成将还原剂喷射到排气流中并且将还原剂与排气混合。所提及的变体具有的优点是，高等级的排气后处理可以在最小可能的空间内实现。
在另一个变体中，内燃发动机包括发动机缸体，发动机缸体具有许多气缸和布置在发动机缸体的至少一侧上的至少一个气缸盖。在这种情况下，排气歧管集成到气缸盖或发动机缸体中。通过该集成实施例，使热损失最小化，特别是可以经由排气歧管的第二出口以最佳方式将排气的热能传递到涡轮增压器。由此可行的是可以快速加热涡轮增压器和布置在涡轮增压器下游的部件，特别是排气后处理单元。以这种方式，大大缩短了暖机阶段。
例如，气缸可以从发动机缸体的第一端朝向第二端一个接一个地布置。排气歧管的第二出口和/或涡轮增压器可以有利地布置在第一端或第二端处。该变体具有的优点是，涡轮增压器可以布置在相应的端部处，从而实现短的流动路径，并且同时产生了一种在安装空间方面最优化的布置。在该变体中，例如布置在涡轮增压器下游的排气后处理单元可以布置在发动机缸体的纵向侧面上，从而允许紧凑的结构。
在一个特别有利的变体中，涡轮增压器布置在发动机缸体的端部之一处，并且第一排气后处理单元和第二排气后处理单元布置在发动机缸体的纵向侧面中的一个上。因此，发动机组件占用了特别小的体积，并且因此与现有技术相比需要最小的安装空间。
根据本发明的机动车辆包括根据本发明的上述发动机组件。机动车辆可以是乘用车、重型货车、厢式货车、公共汽车、小巴或摩托车。机动车辆可以配置为混合动力车辆，即可以包括混合动力驱动器。根据本发明的机动车辆具有在根据本发明的发动机组件的上下文中已经提到的特征和优点。
用于操作根据本发明的上述发动机组件的根据本发明的方法包括以下步骤：接通内燃发动机。然后确定涡轮下游的至少一个第二排气后处理单元的温度，例如测量涡轮下游的至少一个第二排气后处理单元的温度。如果所确定的温度下降到限定的阈值以下，则离开内燃发动机的排气通过排气歧管的第一出口引入到涡轮上游的至少一个第一排气后处理单元。如果所确定的温度未下降到限定的阈值以下，则离开内燃发动机的排气通过排气歧管的第二出口紧接地或直接地引入到涡轮中。
如果在上所述作为一个变体实施例提供了旁通流动通道以旁通第一排气后处理单元，然后，如果所确定的温度未下降到限定的阈值以下，则离开内燃发动机的排气可以另外地经由旁通流动通道引入到涡轮中。
根据本发明的方法具有已经在根据本发明的发动机组件的上下文中描述的优点。特别地，它允许改进的排气后处理作为暖机阶段的一部分，并且同时允许在暖机阶段期间和在暖机阶段之后的改进的效率，尤其是在发动机组件的部件之间的热能和/或动能的传递。
特别地，本发明具有的优点是，通过排气歧管的第二出口最小化排气歧管和涡轮增压器之间的排气的压力下降，而即使在冷启动条件下，也可以通过布置在涡轮增压器上游的排气后处理单元进行排气后处理。此外，可选地附加的旁通流动通道允许最大程度地利用排气压力，以在正常的操作条件下操作涡轮增压器。此外，排气歧管的第二出口及其与涡轮增压器的直接连接允许在排气歧管和涡轮之间的最小可能的距离，与现有技术中使用的旁通流动通道相比，特别是在传递到涡轮的能量方面是特别有利的。同时，由此优化了热排气到涡轮增压器的热传递。此外，在涡轮增压器布置在端部处并且排气后处理单元布置在相对于发动机缸体的纵向侧面上的情况下，在发动机缸体和排气后处理单元之间的特别有利的热传递是可能的。由此特别地减少了暖机时间。总体上，本发明因此允许在暖机阶段期间的改进的排气后处理和暖机阶段的缩短。
本发明通过说明性实施例并参照附图在下面更详细地解释。虽然本发明通过优选的说明性实施例更详细具体地示出和描述，但是本发明不受所公开的示例限制，并且其他变化可以由本领域技术人员从中得出而不超出本发明的保护范围。
附图说明
附图不一定是真实地详细描述，也不一定是真实地按比例描绘，并且可以以放大或缩小的比例示出，以便提供更好的概览。因此，此处公开的功能细节不应解释为限制性的，而是应该仅用作意在以许多不同方式为本领域技术人员在应用本发明时提供指导的明确依据。
在此使用的表述“和/或”当在一系列的两个或更多个元件中使用时是指可以单独使用所呈现的元件中的每个元件，或者可以使用所呈现的元件中的两个或更多个元件的任何组合。例如，如果所描述的组件包含部件A、B和/或C，则该组件可以包含单独A；单独B；单独C；组合的A和B；组合的A和C；组合的B和C；或组合的A、B和C。
图1以俯视图示意性地示出了根据本发明的发动机组件的第一变体实施例。
图2以俯视图示意性地示出了根据本发明的发动机组件的第二变体实施例。
图3以俯视图示意性地示出了根据本发明的发动机组件的第三变体实施例。
图4以侧视图示意性地示出了根据本发明的发动机组件的第一变体实施例。
图5示意性地示出了根据本发明的机动车辆。
图6以流程图的形式示意性地示出了根据本发明的方法。
参考标记列表
1 内燃发动机
2 气缸盖
3 气缸
4 排气歧管
5 增压器
6 压缩机
7 涡轮
8 增压空气的流动方向
9 排气的流动方向
10 发动机缸体
11 第一端或前侧面
12 第二端或后侧面
13 第一纵向侧面
14 第二纵向侧面
15 第一排气后处理单元
16 第二排气后处理单元
17 柴油氧化催化转化器
18 喷射装置
19 具有SCR涂层的颗粒过滤器
20 发动机组件
21 排气歧管的第一出口
22 排气歧管的第二出口
23 流动通道
24 阀
25 旁通流动通道
26 到涡轮的第一入口
27 到涡轮的第二入口
28 阀
29 阀
30 机动车辆
31 旁通流动通道的入口
32 旁通流动通道的出口
33 出口
41 内燃发动机的接通
42 第二排气后处理单元的温度的确定
43 所确定的温度是否超过限定的阈值？
44 使排气仅通过第一出口穿过
45 使排气至少部分地通过第二出口穿过
J 是
N 否
具体实施方式
图1以俯视图示意性地示出了根据本发明的发动机组件20的第一变体实施例。内燃发动机1包括气缸盖2和布置在其下面的发动机缸体10(未示出)。发动机缸体10包括上侧面，气缸盖2布置在上侧面上。许多气缸3(在本变体中为四个气缸3)在发动机缸体10和气缸盖2的第二端12或后侧面的方向上从发动机缸体10和气缸盖2的第一端11或前侧面彼此相邻布置，或者一个接一个地布置。同时示出的端部11和端部12表示发动机缸体10的端部和气缸盖2的端部，尽管这些可以位于不同平面中。
此外，发动机缸体10和气缸盖2包括第一纵向侧面13和第二纵向侧面14。纵向侧面13和纵向侧面14将第一端11和第二端12连接到彼此。在所考虑的变体中，排气歧管4沿第一纵向侧面13布置。涡轮增压器5布置在第一端11处。涡轮增压器5包括压缩机6和涡轮7。通过压缩机6的增压空气的流动方向由带有参考标号8的箭头指示。从排气歧管4流出、穿过涡轮增压器5的涡轮7的排气的流动方向由带有参考标号9的箭头指示。与已知发动机组件相比涡轮增压器的重新定位沿纵向侧面13和纵向侧面14产生附加安装空间用于进一步的部件。
在所示的变体中，排气歧管4集成到气缸盖2中。一方面，这节省了空间，并且还允许在气缸盖2中可用的冷却系统的使用，以冷却流过排气歧管4的排气。
排气歧管4包括第一出口21和第二出口22。第一出口21流体连接到布置在涡轮7上游的第一排气后处理单元15。阀29布置在第一出口21下游和第一排气后处理单元15上游。第二出口22直接地或紧接地流体连接到涡轮7。第二出口22优选地布置在内燃发动机1的第一端11处。
在所示的变体中，涡轮7具有第一入口26和第二入口27。到涡轮7中的第一入口26流体连接到第一排气后处理单元15。涡轮7的第二入口27流体连接到排气歧管4的第二出口22。阀24布置在第二出口22和涡轮7的与其连接的第二入口27之间。
第二排气后处理单元16布置在涡轮增压器5下游。例如，第二排气后处理单元16包括柴油氧化催化转化器17、例如用于喷射和混合尿素的布置在其下游的喷射装置18和/或例如布置在其下游的带有SCR涂层19的颗粒过滤器。在这里，各个部件也可以以不同的顺序布置。
在所示的变体中，第二排气后处理单元16布置在第一纵向侧面13上。借助所示的布置，实现了从涡轮增压器5到第二排气后处理单元16的短的流动路径和整体上节省空间的布置。该布置也引起直接地串联布置排气后处理单元的若干子部件的可能性，这可以进一步提高效率。此外，短的流动路径减少了压力损失，并且提高了整个布置的整体效率。同时，流动通道尽可能地保持短，并且因此节省了材料。另一个优点是由于短的流动路径，最佳使用可以由排气的温度形成，以加热第二排气后处理单元16并实现例如柴油氧化催化转化器17的起燃温度。因此，效果是在发动机的暖机阶段期间污染物排放的减少。此外，部件的复杂性通过紧凑的布置而被降低。
在图2中所示的变体中，另外地提供了具有旁通阀28的旁通流动通道25，旁通阀28流体连接到排气歧管4的第一出口21，并且在流动方面旁通第一排气后处理单元15。旁通流动通道25具有入口31和出口32，入口31布置在第一排气后处理单元15上游，出口32布置在第一排气后处理单元15下游。
图3示出其中与图1中所示的变体相比涡轮7具有一个入口26的变体实施例。入口26流体连接到排气歧管4的第二出口22，并且连接到流动通道23的出口33。在这种情况下，阀24布置在流动通道23的出口33上游和排气歧管4的第二出口22下游。该变体将具有两个出口的排气歧管4的上述优点与具有仅包括一个入口26的涡轮7的涡轮增压器5的上述优点组合。
图4在第一纵向侧面13的视图中示意性地示出了图1中所示的变体。第一排气后处理单元15和第二排气后处理单元16布置在第一纵向侧面13上。在可选的变体中，第一排气后处理单元15和第二排气后处理单元16集成到一个部件中。这由虚线指示。
图5示意性地示出了根据本发明的机动车辆30，机动车辆30包括根据本发明的发动机组件20，特别是如与图1至图4结合描述的发动机组件。
图6示意性示出了用于操作例如与图1和图4结合解释的发动机组件的根据本发明的方法的变体。在步骤41中，接通内燃发动机1。在步骤42中，确定第二排气后处理单元16的温度，例如测量第二排气后处理单元16的温度。在步骤43中，进行检查以确定所确定的温度是否下降到限定的阈值以下。如果是这种情况，则在步骤44中，阀24关闭，并且已经离开内燃发动机1的排气仅通过排气歧管4的第一出口21引入到在涡轮7上游的第一排气后处理单元15中。出于该目的，打开阀29。
如果在步骤43中所确定的温度未下降到限定的阈值以下，则在步骤45中，离开内燃发动机1的排气至少部分地通过排气歧管4的第二出口22直接地引入到涡轮7中。出于此目的，打开阀24。另外地或可替代地，如果发动机组件如图2中所示构造成通过第二出口22并且经由第一出口21通过旁通流动通道25这两种方式将排气引入到涡轮7中，则在步骤45中是可能的。出于此目的，打开阀28，并且关闭阀29。在图2中所示的变体中，在步骤44中关闭阀28，并且打开阀29。

Claims (12)

1.用于机动车辆(30)的发动机组件(20)，所述发动机组件包括具有排气歧管(4)的至少一个内燃发动机(1)、具有压缩机(6)和涡轮(7)的涡轮增压器(5)、在所述涡轮(7)上游的至少一个第一排气后处理单元(15)和在所述涡轮(7)下游的至少一个第二排气后处理单元(16)，
其特征在于
所述排气歧管(4)包括第一出口(21)和第二出口(22)，并且所述第一出口(21)流体连接到布置在所述涡轮(7)上游的所述至少一个第一排气后处理单元(15)，并且所述第二出口(22)流体连接到所述涡轮(7)的入口(27)。
2.根据权利要求1所述的发动机组件(20)，
其特征在于
所述涡轮增压器(5)包括具有一个或多个入口的涡轮(7)，其中所述涡轮(7)包括第一入口(26)和第二入口(27)，所述第一入口(26)流体连接到布置在所述涡轮(7)上游的所述排气后处理单元(15)，所述第二入口(27)流体连接到所述排气歧管(4)的所述第二出口(22)。
3.根据权利要求2所述的发动机组件(20)，
其特征在于
在流动方面，阀(24)布置在所述排气歧管(4)的所述第二出口(22)和所述涡轮(7)的所述第二入口(27)之间。
4.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的发动机组件(20)，
其特征在于
其包括旁通流动通道(25)，所述旁通流动通道(25)包括布置在所述至少一个第一排气后处理单元(15)上游的入口(31)和布置在所述至少一个第一排气后处理单元(15)下游的出口(32)。
5.根据权利要求1至权利要求4中的任一项所述的发动机组件(20)，
其特征在于
所述至少一个第一排气后处理单元(15)和所述至少一个第二排气后处理单元(16)被配置成在结构上集成到一个部件中。
6.根据权利要求1至权利要求5中的任一项所述的发动机组件(20)，
其特征在于
所述至少一个第一排气后处理单元(15)和所述至少一个第二排气后处理单元(16)彼此连接以便可以在它们之间热交换。
7.根据权利要求1至权利要求6中的任一项所述的发动机组件(20)，
其特征在于
所述第一排气后处理单元(15)和/或所述第二排气后处理单元(16)包括/包含柴油氧化催化转化器(17)和/或SCR催化转化器(19)和/或颗粒过滤器(19)和/或NOX存储催化转化器和/或用于喷射还原剂的装置(18)和/或混合装置(18)。
8.根据权利要求1至权利要求7中的任一项所述的发动机组件(20)，
其特征在于
所述内燃发动机包括发动机缸体(10)，所述发动机缸体(10)具有许多气缸(3)和布置在所述发动机缸体(10)的至少一侧上的至少一个气缸盖(2)，并且所述排气歧管(4)集成到所述气缸盖(2)或所述发动机缸体(10)中。
9.根据权利要求8所述的发动机组件(20)，
其特征在于
所述气缸(3)从所述发动机缸体(10)的第一端(11)朝向第二端(12)一个接一个地布置，并且所述排气歧管(4)的所述第二出口(22)和/或所述涡轮增压器(5)布置在所述第一端(11)处或者布置在所述第二端(12)处。
10.一种机动车辆(30)，所述机动车辆(30)包括根据权利要求1至权利要求9中的任一项所述的发动机组件(20)。
11.根据权利要求10所述的机动车辆(30)，
其特征在于
所述机动车辆(30)被配置为混合动力机动车辆。
12.用于操作根据权利要求1至权利要求9中的任一项所述的发动机组件(20)的方法，
其特征在于
所述方法包括以下步骤：
接通所述内燃发动机(41)，
确定在所述涡轮下游的所述至少一个第二排气后处理单元的温度(42)，
如果所确定的温度下降到限定的阈值以下(43)，则通过所述排气歧管的所述第一出口将离开所述内燃发动机的排气引入到在所述涡轮上游的所述至少一个第一排气后处理单元(44)，
如果所确定的温度未下降到限定的阈值以下(43)，则通过所述排气歧管的所述第二出口将离开所述内燃发动机的排气直接地引入到所述涡轮中(45)。
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