CN115667688A - 气动式内燃机及其废气净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气动式内燃机，在其运行中在内燃机工作周期内分别规定至少两次喷入过程，在所述过程中将气态燃料喷入内燃机的燃烧室，其中，所述至少两次喷入过程包括产生转矩的主喷入和在时间上在主喷入之后进行的燃料二次喷入。根据本发明，作为二次喷入按下述方式规定补充喷入，即，被补充喷入的燃料按照在化学上至少基本不变的方式作为废气组成部分从燃烧室被排出到内燃机废气道，并且至少部分与废气所含的氮氧化物在设于废气道内的催化器处反应生成氮气。

Description

气动式内燃机及其废气净化装置

技术领域

本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分特征的气体驱动式内燃机以及一种具有权利要求9的前序部分特征的用于这种内燃机的运行方法。

背景技术

DE 103 21 794 A1公开了一种同类型的内燃机。在此，氢作为燃料以两次喷入过程被送入燃烧室中。在此，针对通过初次喷入所形成的且已点燃的燃料-空气混合物进行二次喷入。由此使得燃烧室内最高压力降低且压力分布更均匀。三元催化器或氮氧化物存储催化器可设置用于废气净化。

发明内容

与此相比，本发明的任务是指明一种用气体驱动的内燃机，在此以很简单的方式实现废气净化。

该任务通过一种具有权利要求1的特征的内燃机和一种具有权利要求9的特征的运行方法来完成。

具体实施方式

本发明的内燃机在此被设计成按照四冲程原理工作的最好具有多个气缸或燃烧室的活塞式内燃机并且主要被用在机动车中。在其运行中，规定将气态的尤其是无碳燃料至少两次喷入这个或这些燃烧室的过程。因此这是具有内部混合物形成的内燃机。至少两次喷入过程包括产生转矩的主喷入和在时间上在主喷入之后进行的相同燃料的补充喷入。主喷入在上点火死点区域进行。通过外源点燃，利用主喷入被加入燃烧室中的燃料被点燃，因此驱动活塞运动且进而产生用于驱动机动车的转矩。根据本发明，作为二次喷入如此规定补充喷入，即，补充喷入的燃料在化学上至少基本不变地作为废气组成部分从燃烧室被排出到内燃机废气道，接着至少部分与废气所含的氮氧化物在设于废气道内的催化器处反应形成氮气。

因此，补充喷入被设计成以未参与燃烧且因此也未形成转矩的方式将燃料喷入。在此，补充喷入的燃料在化学上至少大部分、甚至最好完全保持不变。借助排出冲程，通过补充喷入被喷入燃烧室中的燃料作为废气组成部分被排出到废气道中。内燃机废气因此还是在发动机内部处于富油状态且经过废气道地流至设于其中的催化器。催化器是如此设计的，即，它在总体氧化性条件下也能对借助所用燃料的氮氧化物还原进行催化。还要注意，除了主喷入和补充喷入外还可以规定另外一次或多次的燃料喷入。尤其优选规定在主喷入之前的先导喷入。这优选在上点火死点前和在开始外源点火前进行。也就是说，将补充喷入细分为两次或更多次的补充喷入也是可行的。

根据本发明的内燃机实施方式具有如下优点，即，可以放弃在发动机下游供应用于氮氧化物还原的还原剂。因此，针对本发明的内燃机，省掉为此所需的部件例如像单独的还原剂储罐。用于加入还原剂至废气道的机构如泵、管线、废气道内的计量阀也省掉。另外，省掉通常在使用液态还原剂如尿素溶液时所用的混合器。因此，根据本发明的内燃机的废气净化设备可以表现得很简单、紧凑且廉价。如果在发动机内处于富油状态的废气在供应至催化器之前流过优选已有的涡轮增压器透平，则还允许以很有效且均匀的方式将用作还原剂的且也用于驱动内燃机的燃料混合到废气中。

为了可以使被用于氮氧化物还原的补充喷入的燃料在化学上不变地从燃烧室到达催化器，在本发明的设计中规定在上点火死点之后至少约120°的曲轴角度下的补充喷入。由此确保补充喷入的燃料不再参与燃烧。用于补充喷入的曲轴角度范围优选位于在上点火死点之后的120°至180°之间，尤其最好在上点火死点之后的150°至180°之间。但也可以规定在排出冲程中的补充喷入。如果在较早时刻例如像在上点火死点之后的约120°补充喷入燃料，则可能也可行的是，一部分补充喷入的燃料部分与燃烧室内的氮氧化物在均匀一致的气体反应中部分反应并且同时将其部分还原成氮气。这或许可以有利地降低内燃机的氮氧化物原排放。

在本发明的其它设计中规定，补充喷入的燃料量至少近似完全进入内燃机的废气道。补充喷入的燃料的损耗因此得以避免。在下死点前不久的较晚的补充喷入对此有利。

在本发明的其它设计中规定，内燃机废气具有过量空气。为此将内燃机设计成以过量空气运行的所谓贫油发动机。尤其规定，内燃机关于在燃烧室中燃烧的燃料量至少主要以表示燃料-空气比的等于或大于1.5的λ值来运行。因为利用补充喷入所加入的燃料量比主喷入量少，故由此该废气λ值仅略微降低并且一般为λ>1.2。还要注意的是，在内燃机的一定的工作范围内，例如像在高负荷或高功率下，可以转换至λ＝1的内燃机化学计量运行。在这些情况下，优选放弃执行燃料补充喷入。为了在这种工作状态下也允许废气中的氮氧化物减少而可以规定给优选设计成贫油脱氮催化器的催化器配备附加的三元功能。在这种催化器设计的情况下，尤其当催化器具有高于其工作温度范围的温度且无法再实现选择性氮氧化物还原时，能够规定内燃机按化学计量方式运行。因为催化器的三元功能在高于300℃的温度下也存在，故在这些条件下也保证有效的氮氧化物还原。此外尤其可以在具有比较高的催化器温度的这种情况下规定以过剩空气运行内燃机并且借助燃料补充喷入降低废气λ值至λ＝1。

在本发明的其它设计中，规定氢作为燃料。由此避免危害气候的二氧化碳排放。也避免排放碳黑颗粒、碳氢化合物和一氧化碳。在设计为氢发动机的内燃机的运行中，在燃料燃烧时作为有害物仅出现氮氧化物，但其通过催化器借助通过补充喷入而加入废气中的氢可从废气中被除去。该催化器在此情况下被设计成富氧脱氮催化器。一般，为此设置涂层，其含有尤其铂族贵金属如铂、钯、铱和/或铑。为了实现附加的三元功能而可以设置涂层，其含有能够积聚氧的材料如氧化铈。可以有利地设置在富氧脱氮催化器之后的所谓的下游三元催化器。

在本发明的另一个设计中，规定氨作为燃料。因此也避免上述的有害的含碳排放。作为催化器，在此情况下优选设置典型的SCR催化器。它例如可以采用含铜或含铁的沸石催化器或者钒基SCR催化器。

在本发明的其它设计中，为了执行主喷入和补充喷入而设置同一个喷射器。在此尤其规定该喷射器具有不同的开口，用于通过主喷入和补充喷入来喷入的燃料。具有用于主喷入和补充喷入的不同的喷射器开口的一个实施方式考虑如下事实，即，补充喷入量明显小于主喷入量。如果用于补充喷入的开口被设计成小于用于主喷入的开口，则在补充喷入时的燃料添加精度可被改善。

在本发明的其它设计中，内燃机具有喷射器的第一和第二部分，其中，仅针对喷射器的第一部分规定进行多次补充喷入。燃料的补充喷入因此仅在气缸或燃烧室的预定部分中进行，而在余部中不进行补充喷入。通过该实施方式也改善用于相对小的补充喷入量的计量精度，因为燃料补充喷入分散到更少的气缸或喷射器。喷射器的第一部分也可以仅通过唯一的喷射器构成。

根据本发明的用于气燃式内燃机的运行方法规定，在内燃机的工作周期中分别进行至少两次喷入过程，在此，将气态燃料喷入内燃机的燃烧室中，其中，所述至少两次喷入过程包括产生转矩的主喷入和在时间上在主喷入之后进行的燃料二次喷入。根据本发明，作为二次喷入在下述的晚些时刻进行补充喷入，即，补充喷入的燃料在化学上至少基本不变地作为废气组成部分从燃烧室被排出到内燃机废气道并被送入设置在废气道中的催化器，在催化器处，废气所含的氮氧化物与通过补充喷入而进入废气中的燃料至少部分反应形成氮气。

如果涉及到的是补充喷入的晚些时刻，则关于达到上点火死点来理解它，其中，在本发明的运行方法的设计中在上点火死点后的超过约120°的曲轴角度下完成补充喷入。

如果涉及的是确定为了最佳氮氧化物减少而要求的补充喷入量，则它依据工作状态参数如废气的氮氧化物含量、催化器温度、废气质量流、或许因用氧气直接氧化而造成的燃料损耗或者在催化器中的燃料积聚量或其它参数优选在先凭借经验来确定，并且例如作为以毫克/工作循环或克/秒为单位的燃料参数被储存在特征曲线族中。在真实运行中动用特性曲线族，并且如此驱控这个或这些喷射器，即，针对各自工作状态所确定的燃料量被补充喷入。显然，为了确定当前工作状态而设置实体的或虚拟的传感器用于相关的工作状态参数。尤其在催化器的输入侧和输出侧可以设置氮氧化物传感器。由此可以直接确定氮氧化物原排放和催化器效率并可靠确定燃料补充喷入目标量。

在运行方法的其它设计中规定，补充喷入使废气如此处于富油状态，关于废气所含氮氧化物还原成氮气而形成超化学计量比。这在以氢或氨为燃料的情况下意味着，通过补充喷入来调节在催化器上游的废气中的氢浓度或氨浓度，该浓度超过作为一氧化氮所计算的氮氧化物的浓度。燃料按化学计量的过量尤其可以根据工作点来确定并且例如在20％至200％的范围内。

在运行方法的其它设计中，内燃机至少主要贫油运行，即，以过量空气运行。优选出现λ_V＝1.5或更高的用于燃烧空气与燃烧燃料量之比的λ值(燃烧λ)。因未参与燃烧的燃料补充喷入造成废气富油状态，废气的λ值和进而废气中的过量氧气(废气λ)在一定程度上、优选仅略微低于燃烧λ。但在本发明的其它设计中规定，因补充喷入，废气λ值λ_A比燃烧λ值小了不到约0.2，但废气λ值大于1.0。因此，内燃机废气尽管进行了燃料补充喷入仍具有过量空气。

在运行方法的其它设计中规定，该补充喷入只在内燃机燃烧室的预定部分内进行。对于现有燃烧室的余部，持续不进行燃料的补充喷入。通过这种方式，可以准确地出现所要求的补充喷入量，并且较小补充喷入量的计量在技术上更易实现。也可以规定仅在唯一的燃烧室中完成补充喷入。

在运行方法的其它设计中规定，补充喷入在多个前后紧接的工作周期中执行。这些具有补充喷入的前后紧接的工作周期在此可以与用于补充喷入的暂歇期交替，即，与基本上少量的不进行补充喷入的接连工作周期交替。具有和不具补充喷入的工作周期之比在此优选依据各自要求的补充喷入量、即在催化器上游的废气中的所力求的燃料含量来调节。

综上可以确定，在根据本发明的运行方法中，被用于内燃机运行的燃料、尤其是氢也可以被用作用于在氮氧化物还原催化器处还原内燃机废气所含的氮氧化物的还原剂。在此，还原剂只在发动机内通过以未参与燃烧的方式将燃料补充喷入内燃机的一个燃烧室或多个燃烧室来提供。不进行在发动机下游提供还原剂以还原废气中的氮氧化物。故省掉为了在发动机下游提供氮氧化物还原剂所需要的部件，并且可以更简单廉价地制造具有尤其设计成氢发动机的内燃机的机动车。

本发明的内燃机有利地用在机动车和/或船舶应用以及固定式应用中。

Claims (15)

1.一种气动式内燃机，在其运行中在内燃机工作周期内分别规定至少两次喷入过程，在所述过程中将气态燃料喷入内燃机燃烧室，其中，所述至少两次喷入过程包括产生转矩的主喷入和在时间上在主喷入之后进行的燃料二次喷入，

其特征是，

作为二次喷入按下述方式规定补充喷入，即，被补充喷入的燃料按照在化学上至少基本不变的方式作为废气组成部分从燃烧室被排出到内燃机废气道，并且至少部分与废气所含的氮氧化物在设于废气道内的催化器处反应生成氮气。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征是，规定在上点火死点后的至少约120°的曲轴角度处进行补充喷入。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征是，补充喷入的燃料量至少近似完全进入该内燃机的废气道。

4.根据权利要求1至3之一所述的内燃机，其特征是，该内燃机的废气具有过量空气。

5.根据权利要求1至4之一所述的内燃机，其特征是，该燃料是氢。

6.根据权利要求1至4之一所述的内燃机，其特征是，该燃料是氨。

7.根据权利要求1至6之一所述的内燃机，其特征是，为了执行主喷入和补充喷入而设有共同的喷射器，其中，针对该喷射器设有彼此不同的开口，用于通过所述主喷入和补充喷入而喷入的燃料。

8.根据权利要求1至7之一所述的内燃机，其特征是，该内燃机具有所述喷射器的第一部分和第二部分，其中，仅针对这些喷射器的第一部分规定进行该补充喷入。

9.一种用于气动式内燃机的运行方法，其中，在该内燃机的工作循环内分别执行至少两次喷入过程，在所述过程中将气态燃料喷入内燃机的燃烧室，其中，所述至少两次喷入过程包括产生转矩的主喷入和在时间上在主喷入之后进行的燃料二次喷入，其特征是，作为二次喷入在下述的晚些时刻执行补充喷入，即，被补充喷入的燃料按照在化学上至少基本不变的方式作为废气组成部分从燃烧室被排出到内燃机废气道并被送入设于废气道内的催化器，在该催化器处，借助于经由补充喷入而进入废气中的燃料，废气所含的氮氧化物被至少部分还原成氮气。

10.根据权利要求9所述的运行方法，其特征是，在上点火死点后的超过120°的曲轴角度下完成补充喷入。

11.根据权利要求9或10所述的运行方法，其特征是，该废气通过补充喷入而按下述方式处于富燃料状态，即，就废气所含的氮氧化物还原成氮气，形成超化学计量比。

12.根据权利要求9至11之一所述的运行方法，其特征是，该内燃机至少主要贫油运行。

13.根据权利要求9至12之一所述的运行方法，其特征是，通过该补充喷入，比之燃烧λ值，废气λ值减小不到约0.2，但废气λ值大于1.0。

14.根据权利要求9至13之一所述的运行方法，其特征是，该补充喷入只在内燃机燃烧室的预定部分中进行。

15.根据权利要求9至14之一所述的运行方法，其特征是，补充喷入在多个前后紧接的工作周期中进行。