CN1849443A - 活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞式内燃机(10)，该内燃机(10)具有用于给发动机燃烧室输送空气的进气管(20)和用于从所述燃烧室中排出废气的排气系统。该排气系统包括用于减少从发动机排出的对环境有害的废气排放的设备(29，30)，为了驱动机动车，所述发动机能在可变负荷下工作。排气系统(15，22)包括被阀(24)控制的支管(26)，该支管(26)旁路绕过所述设备(29，30)的至少一部分，用于减少对环境有害的废气排放。对阀(24)进行控制，在发动机整个负荷范围的一部分范围内，使得阀(24)引导排气气流流过支管(26)。在发动机整个负荷范围的所述一部分范围内，发动机的运行被优化，从而使其废气排放处于可接受的水平。

Description

活塞式内燃机

技术领域

本发明涉及一种活塞式内燃机，该活塞式内燃机具有用于给燃烧室输送空气的进气管和从所述燃烧室排出废气的排气系统，该排气系统包括用于减少从发动机排出的对环境有害的废气排放的设备，为了驱动机动车，所述发动机能在可变负荷下工作。

背景技术

与柴油机有关的法规要求非常严格，并且会变得越来越严格，尤其是与氮氧化物污染物的排放和颗粒物的排放有关的法规更是如此。

发动机汽缸内燃料燃烧形成的氮氧化物的量取决于燃烧温度。较高的温度会导致大气中氮气转化为氮氧化物的比例变得较高。一种基于发动机的减少氮氧化物形成量的公知方法是所谓的排气再循环(EGR)，特别地，还包括冷却EGR，这使得降低燃烧温度成为可能。但是，当发动机在高负荷下运行时，这种方法通常不足以满足法规要求。冷却排气再循环(EGR)的方法会增大发动机和车辆冷却系统的负荷，尤其是在发动机高负荷时。这样就对获得高输出功率的同时也满足较低排放形成了限制。

另一个减少氮氧化物量的公知方法是基于排气后处理的，该方法是这样的，发动机在过量氧气下运行时，采用所谓的NO_X收集器(稀NO_X吸收器，LNA)来储存NO_X。通过允许发动机在缺氧状态下运行使得NO_X收集器获得再生，也就是说，使混合物中的燃料过量和/或使空气流量减少，例如如US5,473,887中描述的那样。这种方法会导致在一定程度上发动机负荷的增加，所述发动机负荷增加的形式是形成煤烟和发动机润滑油污染，或者润滑油与燃料的稀释，以及高的排气温度，这些对排气系统都是有害的。另外，当低负荷和部分负荷时，这种方法对LNA系统的有效运行还会产生某些问题，这是因为LNA系统通常在排气温度超过大约300℃时才具有最好的作用，而这通常意味着此时发动机正运行在高负荷或中等负荷。

另一个减少氮氧化物的公知系统是LNC(稀NO_X催化剂)，该系统在稀薄燃烧工况下能持续地减少氮氧化物量。尿素SCR(选择性催化剂还原)也用于减少NO_X，例如可以参见US5,540,047。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种内燃机，该内燃机使得排气后处理系统的功能得到改进并具有经济性，所述排气后处理系统例如是LNA，LNC和煤灰颗粒过滤器系统。

通过按照权利要求1特征部分的发动机来实现上述目的。

附图说明

现在参照如附图所示示例性的实施例对本发明进行详细描述，其中：

图1所示是按照本发明第一示例性实施例的内燃机框图，以及

图2和3相应地表示本发明第二和第三示例性的实施例。

具体实施例

内燃机10包括发动机组11，该发动机组11具有六个活塞汽缸12以及进气歧管13和排气歧管14。发动机的排出气体通过排气管15输送给涡轮增压器单元16的涡轮机转子17。涡轮机轴18驱动涡轮增压器单元的压缩机叶轮19，该压缩机叶轮19通过进气管20对进入的空气进行压缩并通过空气中冷器21将其输送到进气歧管13。通过喷射装置(未示出)把燃料供应给各个汽缸12。尽管附图所示是六缸发动机，但是本发明也可以应用于其他的汽缸类型。

流过涡轮增压器单元16的排气被排气管22向前引导至氧化过滤器装置23，从而把颗粒物从排气气流中分离出来。在过滤器装置的下游具有三通阀24，按照现有技术，三通阀24可以通过支管25或者通过支管26引导排出气体，这两个支管互相平行并且在下游处的点27重新接合在一起。此后，通过所谓的净化单元28把排气气流引导进大气中，净化单元28可以包括用于氧化(燃烧)排放残余物(HC，CO，等)的氧化催化转化器。该净化单元可以根据对它(系统设计)的需要而采取各种形式。

按照本发明的第一示例性实施例，支管25包括装置29和位于下游的NO_X收集器，所述装置29用于把柴油燃料混入排气气流，所述NO_X收集器是LNA反应器30的形式。LNA反应器30包括在稀薄燃烧工况下的发动机正常温度范围内吸附和固结NO_X的材料。在比发生吸附作用更高的温度时会发生再生，当三通阀24把大部分排气气流导入支管26(旁路)并且把一小部分可变第二气流导入支管25时，装置29把气化的柴油燃料混入排气气流中形成再生气体，根据现有技术，这会把固结的氮氧化物转化为N₂排出。

根据现有技术，为了减少发动机的氮氧化物排放，发动机10具有用于把排出气体通过管道31返回发动机进气侧的系统，上述返回的排出气体就是所谓的EGR气体。该管道包括阀32，该阀32同时作为截止阀和调节EGR气流的调节阀。还有用于冷却EGR气体的冷却器33。该EGR系统可以按照例如30-60％的方式使排气气流进行再循环(进气壳体20中的气体包括30-60％的再循环排气，其余的40-70％是新鲜空气)。当发动机在低负荷下运行时，这种方式是切实可行的，不会使冷却系统超负荷工作。另一方面，在发动机高负荷时，有效平均压力是pme＝10-15巴和更高，这些高速EGR气流会导致车辆冷却系统的负荷增大，而这通常在设计上是没有做到的。发动机内部结构也没有被设计为具有如此高的汽缸压力和如此高的EGR含量。

当发动机在低负荷下运行以及进气壳体20中的气体包含30-60％的EGR时，可以通过例如所谓的均匀充气压缩点火(HCCI)燃烧来获得非常低的废气排放，包括NO_X和煤烟的排放。例如，可以达到小于0.5g/kwh的NO_X排放水平和理论上的无煤烟燃烧。当发动机在高负荷下运行时，其中，EGR系统受到限制，由NO_X收集器来减少必要的NO_X。

阀24和32都与发动机控制单元连接，该发动机控制单元包含根据输入数据对发动机进行控制的控制程序和控制数据。例如，发动机控制单元与检测发动机转速和加速器踏板位置的传感器相连。发动机控制单元对阀24进行控制，使得在低负荷时排气气流被导入支管26。在这种负荷范围内，不需要另外的后处理就能使废气排放处于可接受的水平。在其它的负荷范围内，排气气流被导入支管25，根据现有技术，通过周期性的再生作用使NO_X储存在NO_X收集器中。

按照本发明对内燃机进行设计意味着排气后处理系统对发动机的运行具有最小的影响。NO_X收集器可以在有利的温度范围(中等负荷和满负荷)内工作，再生气体(烃类，H₂和CO)被点燃，同时形成的副产品被最小化(在较低温度也就是小于300℃时对NO_X进行转化会形成NH₃和N₂O)。当发动机在低负荷下运行时，例如pme＝2巴时，涡轮增压器下游的排气温度为200℃。只有当发动机运行在有效平均压力为大约pme＝5巴时，涡轮增压器下游的排气温度才会达到300℃的水平。由于在低负荷时发生再生不成问题，燃料消耗得以减少。NO_X收集器也受到较少老化的影响，因此可以被设计为具有较小的容积(小于30升，按照USA EPA重型发动机2007家庭排放水平(US07)的法规，为了发动机40％的NO_X转化时是大约20升，该发动机的排量水平为12升，其最大输出功率为大约300-350kw)，相应地对贵金属的需求也减少了(少于100g/ft³)。此外，发动机不需要为了发生LNA再生而运行在富油状态下，从而减少了由于润滑油被燃料稀释或者燃烧室内形成大量煤烟引起的负荷。大量煤烟会形成煤烟废气，也会导致润滑油的污染/老化。在较高负荷时NO_X收集器能减少NO_X的事实给发动机冷却和增压系统的设计提供了较大的自由度，这对于降低成本和较好地解决发动机的安装问题都是十分有利的。

通常认为，在为NO_X收集器(LNA)设计催化转化器的容量时，催化转化器的容量越小，燃料消耗就越大，这是因为此时需要更频繁地进行再生。本发明的技术方案意味着不需要以增大的燃料消耗为代价就可以获得NO_X收集器容量的降低，并且通常与增大的燃料消耗相关的NO_X收集器的老化作用可以被最小化。

排气管22可以具有脱硫装置34，例如所谓的SO_X收集器。该装置位于过滤器装置23和三通阀24之间。该脱硫装置包括在稀薄燃烧工况下的发动机正常温度范围内吸附和固结SO_X的材料。如果需要，在增大的温度时使装置34再生，此时三通阀24把排气气流引入支管26。因此，可以防止NO_X收集器发生硫氧化物污染，因此在NO_X收集器内不需要发生硫氧化物再生。众所周知，硫氧化物污染和硫氧化物再生是LNA反应器老化的两个关键因素，并且对它们的性能也会产生负面影响。

根据如图2所示本发明第二示例性的实施例，支管25包括装置29和下游的SCR催化转化器30，所述装置29用于把还原剂、尿素或氨混入排气气流中。由于三通阀24把排气气流引入支管25，装置29带来的尿素或氨与SCR催化转化器中的NO_X发生反应而产生N₂，因此会连续发生再生反应。

阀24和32都与发动机控制单元连接，该发动机控制单元包含根据输入数据对发动机进行控制的控制程序和控制数据。例如，发动机控制单元与检测发动机转速和加速器踏板位置的传感器相连。发动机控制单元对阀24进行控制，使得在低负荷时排气气流被导入支管26。在这种负荷范围内，不需要另外的后处理就能使废气排放处于可接受的水平。在其它的负荷范围内，排气气流被导入支管25，根据现有技术，导入SCR催化转化器的气流被持续还原。

按照本发明对内燃机进行设计意味着排气后处理系统对发动机的运行具有的影响最小。SCR催化转化器可以在有利的温度范围(中等负荷和满负荷)内工作。当发动机在低负荷下运行时，例如pme＝2巴时，涡轮增压器下游的排气温度为200℃。只有当发动机运行在有效平均压力为大约pme＝5巴时，涡轮增压器下游的排气温度才会达到300℃的水平。由于在低负荷时发生NO_X还原不成问题，SCR催化转化器可以在能产生高NO_X还原的最佳温度范围内工作。另外，在低温时，可以防止SCR催化转化器储存氨，否则在负荷瞬时变换时会把氨引入排气系统中。在较高负荷时SCR催化转化器能减少NO_X的事实给发动机冷却和增压系统的设计提供了较大的自由度，这对于降低成本和较好地解决发动机的安装问题都是十分有利的。另一个有利之处在于，即使SCR催化转化器的的还原剂被用完，具有这种后处理系统的车辆也能在满足法规要求的条件下行驶，这是因为发动机的输出功率被降低，使其暂时不能在高负荷下运行。

如果过滤器装置23以这样的方式再生，即，产生的排气温度对SCR催化转化器(或者LNA，或者LNC)有害，三通阀24和支管26引导这些排出气体流过NO_X还原催化转化器，从而保护这种不利的老化。

根据如图3所示本发明第三示例性的实施例，SCR系统被LNC系统所代替。在这种情况下，过滤器装置23既可以位于三通阀24上游(如图2所示)，也可以位于三通阀24下游。通过使LNC系统位于过滤器装置23的上游，通过把用于过滤器再生的排气引导流过LNC催化转化器，三通阀可以用于保护NO_X后处理系统。在过滤器再生作用中，会发生温度超过700℃的情况，这种温度对于NO_X后处理系统是有害的，这种温度产生在过滤器装置23的下游。在这种情况下，热的排出气流通过支管26旁路通过NO_X后处理系统。脱硫装置位于阀24的上游。

本发明并不限于上述示例性的实施例，在不脱离如下权利要求的范围内，对发明的各种变型和改进都是切实可行的。

Claims (9)

1.一种活塞式内燃机(10)，该内燃机(10)具有用于向发动机燃烧室输送空气的进气管(20)和用于从所述燃烧室中排出废气的排气系统(15，22)，该排气系统包括用于减少从发动机排出的对环境有害的废气排放的设备(29，30)，为了驱动机动车，所述发动机能在可变负荷下工作，其特征在于，排气系统(15，22)包括由阀(24)控制的支管(26)，该支管(26)旁路绕过所述设备(29，30)的至少一部分，用于减少对环境有害的废气排放，对阀(24)进行控制，使得阀(24)在发动机整个负荷范围的一部分范围内引导排气气流流过支管(26)，并使得在发动机整个负荷范围的所述一部分范围内，发动机的运行被优化，从而使其废气排放处于可接受的水平。

2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述发动机整个负荷范围的所述一部分范围主要包括发动机低负荷范围。

3.如权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，支管(26)与用于降低发动机的氮氧化物排放的所谓NO_X收集器(稀NO_X吸附器)(30)平行连接，在阀(24)和NO_X收集器(30)之间设有用于向排出气体加入可燃物的喷射器(29)，可燃物使所述收集器发生再生。

4.如权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，支管(26)与包括SCR催化转化器(30)的排气后处理系统平行连接。

5.如权利要求4所述的内燃机，其特征在于，可再生颗粒过滤器(23)位于阀(24)上游，当排气气流被引导流过支管(26)时，可以发生再生。

6.如权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，支管(26)与包括LNC催化转化器(30)的排气后处理系统平行连接。

7.如权利要求6所述的内燃机，其特征在于，可再生颗粒过滤器(23)位于支管(26)和LNC催化转化器(30)的会聚点(27)的下游，该LNC催化转化器(30)包含排气管，当排气气流被引导流过支管(26)时，颗粒过滤器可以发生再生。

8.如权利要求6或7所述的内燃机，其特征在于，脱硫装置(34)位于阀(24)上游。

9.如权利要求1-8中任一个所述的内燃机，其特征在于，系统(31-33)被设计为将冷却的排气返回到发动机进气侧，从而降低燃烧温度。

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