專利名稱：活塞式內(nèi)燃機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種活塞式內(nèi)燃機，該活塞式內(nèi)燃機具有用于給燃燒室輸送空氣的進氣管和從所述燃燒室排出廢氣的排氣系統(tǒng)，該排氣系統(tǒng)包括用于減少從發(fā)動機排出的對環(huán)境有害的廢氣排放的設(shè)備，為了驅(qū)動機動車，所述發(fā)動機能在可變負荷下工作。
背景技術(shù)：
與柴油機有關(guān)的法規(guī)要求非常嚴格，并且會變得越來越嚴格，尤其是與氮氧化物污染物的排放和顆粒物的排放有關(guān)的法規(guī)更是如此。
發(fā)動機汽缸內(nèi)燃料燃燒形成的氮氧化物的量取決于燃燒溫度。較高的溫度會導致大氣中氮氣轉(zhuǎn)化為氮氧化物的比例變得較高。一種基于發(fā)動機的減少氮氧化物形成量的公知方法是所謂的排氣再循環(huán)(EGR)，特別地，還包括冷卻EGR，這使得降低燃燒溫度成為可能。但是，當發(fā)動機在高負荷下運行時，這種方法通常不足以滿足法規(guī)要求。冷卻排氣再循環(huán)(EGR)的方法會增大發(fā)動機和車輛冷卻系統(tǒng)的負荷，尤其是在發(fā)動機高負荷時。這樣就對獲得高輸出功率的同時也滿足較低排放形成了限制。
另一個減少氮氧化物量的公知方法是基于排氣后處理的，該方法是這樣的，發(fā)動機在過量氧氣下運行時，采用所謂的NOX收集器(稀NOX吸收器，LNA)來儲存NOX。通過允許發(fā)動機在缺氧狀態(tài)下運行使得NOX收集器獲得再生，也就是說，使混合物中的燃料過量和/或使空氣流量減少，例如如US5,473,887中描述的那樣。這種方法會導致在一定程度上發(fā)動機負荷的增加，所述發(fā)動機負荷增加的形式是形成煤煙和發(fā)動機潤滑油污染，或者潤滑油與燃料的稀釋，以及高的排氣溫度，這些對排氣系統(tǒng)都是有害的。另外，當?shù)拓摵珊筒糠重摵蓵r，這種方法對LNA系統(tǒng)的有效運行還會產(chǎn)生某些問題，這是因為LNA系統(tǒng)通常在排氣溫度超過大約300℃時才具有最好的作用，而這通常意味著此時發(fā)動機正運行在高負荷或中等負荷。
另一個減少氮氧化物的公知系統(tǒng)是LNC(稀NOX催化劑)，該系統(tǒng)在稀薄燃燒工況下能持續(xù)地減少氮氧化物量。尿素SCR(選擇性催化劑還原)也用于減少NOX，例如可以參見US5,540,047。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機使得排氣后處理系統(tǒng)的功能得到改進并具有經(jīng)濟性，所述排氣后處理系統(tǒng)例如是LNA，LNC和煤灰顆粒過濾器系統(tǒng)。
通過按照權(quán)利要求1特征部分的發(fā)動機來實現(xiàn)上述目的。


現(xiàn)在參照如附圖所示示例性的實施例對本發(fā)明進行詳細描述，其中圖1所示是按照本發(fā)明第一示例性實施例的內(nèi)燃機框圖，以及圖2和3相應(yīng)地表示本發(fā)明第二和第三示例性的實施例。
具體實施例內(nèi)燃機10包括發(fā)動機組11，該發(fā)動機組11具有六個活塞汽缸12以及進氣歧管13和排氣歧管14。發(fā)動機的排出氣體通過排氣管15輸送給渦輪增壓器單元16的渦輪機轉(zhuǎn)子17。渦輪機軸18驅(qū)動渦輪增壓器單元的壓縮機葉輪19，該壓縮機葉輪19通過進氣管20對進入的空氣進行壓縮并通過空氣中冷器21將其輸送到進氣歧管13。通過噴射裝置(未示出)把燃料供應(yīng)給各個汽缸12。盡管附圖所示是六缸發(fā)動機，但是本發(fā)明也可以應(yīng)用于其他的汽缸類型。
流過渦輪增壓器單元16的排氣被排氣管22向前引導至氧化過濾器裝置23，從而把顆粒物從排氣氣流中分離出來。在過濾器裝置的下游具有三通閥24，按照現(xiàn)有技術(shù)，三通閥24可以通過支管25或者通過支管26引導排出氣體，這兩個支管互相平行并且在下游處的點27重新接合在一起。此后，通過所謂的凈化單元28把排氣氣流引導進大氣中，凈化單元28可以包括用于氧化(燃燒)排放殘余物(HC，CO，等)的氧化催化轉(zhuǎn)化器。該凈化單元可以根據(jù)對它(系統(tǒng)設(shè)計)的需要而采取各種形式。
按照本發(fā)明的第一示例性實施例，支管25包括裝置29和位于下游的NOX收集器，所述裝置29用于把柴油燃料混入排氣氣流，所述NOX收集器是LNA反應(yīng)器30的形式。LNA反應(yīng)器30包括在稀薄燃燒工況下的發(fā)動機正常溫度范圍內(nèi)吸附和固結(jié)NOX的材料。在比發(fā)生吸附作用更高的溫度時會發(fā)生再生，當三通閥24把大部分排氣氣流導入支管26(旁路)并且把一小部分可變第二氣流導入支管25時，裝置29把氣化的柴油燃料混入排氣氣流中形成再生氣體，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，這會把固結(jié)的氮氧化物轉(zhuǎn)化為N2排出。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，為了減少發(fā)動機的氮氧化物排放，發(fā)動機10具有用于把排出氣體通過管道31返回發(fā)動機進氣側(cè)的系統(tǒng)，上述返回的排出氣體就是所謂的EGR氣體。該管道包括閥32，該閥32同時作為截止閥和調(diào)節(jié)EGR氣流的調(diào)節(jié)閥。還有用于冷卻EGR氣體的冷卻器33。該EGR系統(tǒng)可以按照例如30-60％的方式使排氣氣流進行再循環(huán)(進氣殼體20中的氣體包括30-60％的再循環(huán)排氣，其余的40-70％是新鮮空氣)。當發(fā)動機在低負荷下運行時，這種方式是切實可行的，不會使冷卻系統(tǒng)超負荷工作。另一方面，在發(fā)動機高負荷時，有效平均壓力是pme＝10-15巴和更高，這些高速EGR氣流會導致車輛冷卻系統(tǒng)的負荷增大，而這通常在設(shè)計上是沒有做到的。發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)也沒有被設(shè)計為具有如此高的汽缸壓力和如此高的EGR含量。
當發(fā)動機在低負荷下運行以及進氣殼體20中的氣體包含30-60％的EGR時，可以通過例如所謂的均勻充氣壓縮點火(HCCI)燃燒來獲得非常低的廢氣排放，包括NOX和煤煙的排放。例如，可以達到小于0.5g/kwh的NOX排放水平和理論上的無煤煙燃燒。當發(fā)動機在高負荷下運行時，其中，EGR系統(tǒng)受到限制，由NOX收集器來減少必要的NOX。
閥24和32都與發(fā)動機控制單元連接，該發(fā)動機控制單元包含根據(jù)輸入數(shù)據(jù)對發(fā)動機進行控制的控制程序和控制數(shù)據(jù)。例如，發(fā)動機控制單元與檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速和加速器踏板位置的傳感器相連。發(fā)動機控制單元對閥24進行控制，使得在低負荷時排氣氣流被導入支管26。在這種負荷范圍內(nèi)，不需要另外的后處理就能使廢氣排放處于可接受的水平。在其它的負荷范圍內(nèi)，排氣氣流被導入支管25，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，通過周期性的再生作用使NOX儲存在NOX收集器中。
按照本發(fā)明對內(nèi)燃機進行設(shè)計意味著排氣后處理系統(tǒng)對發(fā)動機的運行具有最小的影響。NOX收集器可以在有利的溫度范圍(中等負荷和滿負荷)內(nèi)工作，再生氣體(烴類，H2和CO)被點燃，同時形成的副產(chǎn)品被最小化(在較低溫度也就是小于300℃時對NOX進行轉(zhuǎn)化會形成NH3和N2O)。當發(fā)動機在低負荷下運行時，例如pme＝2巴時，渦輪增壓器下游的排氣溫度為200℃。只有當發(fā)動機運行在有效平均壓力為大約pme＝5巴時，渦輪增壓器下游的排氣溫度才會達到300℃的水平。由于在低負荷時發(fā)生再生不成問題，燃料消耗得以減少。NOX收集器也受到較少老化的影響，因此可以被設(shè)計為具有較小的容積(小于30升，按照USA EPA重型發(fā)動機2007家庭排放水平(US07)的法規(guī)，為了發(fā)動機40％的NOX轉(zhuǎn)化時是大約20升，該發(fā)動機的排量水平為12升，其最大輸出功率為大約300-350kw)，相應(yīng)地對貴金屬的需求也減少了(少于100g/ft3)。此外，發(fā)動機不需要為了發(fā)生LNA再生而運行在富油狀態(tài)下，從而減少了由于潤滑油被燃料稀釋或者燃燒室內(nèi)形成大量煤煙引起的負荷。大量煤煙會形成煤煙廢氣，也會導致潤滑油的污染/老化。在較高負荷時NOX收集器能減少NOX的事實給發(fā)動機冷卻和增壓系統(tǒng)的設(shè)計提供了較大的自由度，這對于降低成本和較好地解決發(fā)動機的安裝問題都是十分有利的。
通常認為，在為NOX收集器(LNA)設(shè)計催化轉(zhuǎn)化器的容量時，催化轉(zhuǎn)化器的容量越小，燃料消耗就越大，這是因為此時需要更頻繁地進行再生。本發(fā)明的技術(shù)方案意味著不需要以增大的燃料消耗為代價就可以獲得NOX收集器容量的降低，并且通常與增大的燃料消耗相關(guān)的NOX收集器的老化作用可以被最小化。
排氣管22可以具有脫硫裝置34，例如所謂的SOX收集器。該裝置位于過濾器裝置23和三通閥24之間。該脫硫裝置包括在稀薄燃燒工況下的發(fā)動機正常溫度范圍內(nèi)吸附和固結(jié)SOX的材料。如果需要，在增大的溫度時使裝置34再生，此時三通閥24把排氣氣流引入支管26。因此，可以防止NOX收集器發(fā)生硫氧化物污染，因此在NOX收集器內(nèi)不需要發(fā)生硫氧化物再生。眾所周知，硫氧化物污染和硫氧化物再生是LNA反應(yīng)器老化的兩個關(guān)鍵因素，并且對它們的性能也會產(chǎn)生負面影響。
根據(jù)如圖2所示本發(fā)明第二示例性的實施例，支管25包括裝置29和下游的SCR催化轉(zhuǎn)化器30，所述裝置29用于把還原劑、尿素或氨混入排氣氣流中。由于三通閥24把排氣氣流引入支管25，裝置29帶來的尿素或氨與SCR催化轉(zhuǎn)化器中的NOX發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生N2，因此會連續(xù)發(fā)生再生反應(yīng)。
閥24和32都與發(fā)動機控制單元連接，該發(fā)動機控制單元包含根據(jù)輸入數(shù)據(jù)對發(fā)動機進行控制的控制程序和控制數(shù)據(jù)。例如，發(fā)動機控制單元與檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速和加速器踏板位置的傳感器相連。發(fā)動機控制單元對閥24進行控制，使得在低負荷時排氣氣流被導入支管26。在這種負荷范圍內(nèi)，不需要另外的后處理就能使廢氣排放處于可接受的水平。在其它的負荷范圍內(nèi)，排氣氣流被導入支管25，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，導入SCR催化轉(zhuǎn)化器的氣流被持續(xù)還原。
按照本發(fā)明對內(nèi)燃機進行設(shè)計意味著排氣后處理系統(tǒng)對發(fā)動機的運行具有的影響最小。SCR催化轉(zhuǎn)化器可以在有利的溫度范圍(中等負荷和滿負荷)內(nèi)工作。當發(fā)動機在低負荷下運行時，例如pme＝2巴時，渦輪增壓器下游的排氣溫度為200℃。只有當發(fā)動機運行在有效平均壓力為大約pme＝5巴時，渦輪增壓器下游的排氣溫度才會達到300℃的水平。由于在低負荷時發(fā)生NOX還原不成問題，SCR催化轉(zhuǎn)化器可以在能產(chǎn)生高NOX還原的最佳溫度范圍內(nèi)工作。另外，在低溫時，可以防止SCR催化轉(zhuǎn)化器儲存氨，否則在負荷瞬時變換時會把氨引入排氣系統(tǒng)中。在較高負荷時SCR催化轉(zhuǎn)化器能減少NOX的事實給發(fā)動機冷卻和增壓系統(tǒng)的設(shè)計提供了較大的自由度，這對于降低成本和較好地解決發(fā)動機的安裝問題都是十分有利的。另一個有利之處在于，即使SCR催化轉(zhuǎn)化器的的還原劑被用完，具有這種后處理系統(tǒng)的車輛也能在滿足法規(guī)要求的條件下行駛，這是因為發(fā)動機的輸出功率被降低，使其暫時不能在高負荷下運行。
如果過濾器裝置23以這樣的方式再生，即，產(chǎn)生的排氣溫度對SCR催化轉(zhuǎn)化器(或者LNA，或者LNC)有害，三通閥24和支管26引導這些排出氣體流過NOX還原催化轉(zhuǎn)化器，從而保護這種不利的老化。
根據(jù)如圖3所示本發(fā)明第三示例性的實施例，SCR系統(tǒng)被LNC系統(tǒng)所代替。在這種情況下，過濾器裝置23既可以位于三通閥24上游(如圖2所示)，也可以位于三通閥24下游。通過使LNC系統(tǒng)位于過濾器裝置23的上游，通過把用于過濾器再生的排氣引導流過LNC催化轉(zhuǎn)化器，三通閥可以用于保護NOX后處理系統(tǒng)。在過濾器再生作用中，會發(fā)生溫度超過700℃的情況，這種溫度對于NOX后處理系統(tǒng)是有害的，這種溫度產(chǎn)生在過濾器裝置23的下游。在這種情況下，熱的排出氣流通過支管26旁路通過NOX后處理系統(tǒng)。脫硫裝置位于閥24的上游。
本發(fā)明并不限于上述示例性的實施例，在不脫離如下權(quán)利要求的范圍內(nèi)，對發(fā)明的各種變型和改進都是切實可行的。
權(quán)利要求
1.一種活塞式內(nèi)燃機(10)，該內(nèi)燃機(10)具有用于向發(fā)動機燃燒室輸送空氣的進氣管(20)和用于從所述燃燒室中排出廢氣的排氣系統(tǒng)(15，22)，該排氣系統(tǒng)包括用于減少從發(fā)動機排出的對環(huán)境有害的廢氣排放的設(shè)備(29，30)，為了驅(qū)動機動車，所述發(fā)動機能在可變負荷下工作，其特征在于，排氣系統(tǒng)(15，22)包括由閥(24)控制的支管(26)，該支管(26)旁路繞過所述設(shè)備(29，30)的至少一部分，用于減少對環(huán)境有害的廢氣排放，對閥(24)進行控制，使得閥(24)在發(fā)動機整個負荷范圍的一部分范圍內(nèi)引導排氣氣流流過支管(26)，并使得在發(fā)動機整個負荷范圍的所述一部分范圍內(nèi)，發(fā)動機的運行被優(yōu)化，從而使其廢氣排放處于可接受的水平。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征在于，所述發(fā)動機整個負荷范圍的所述一部分范圍主要包括發(fā)動機低負荷范圍。
3.如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)燃機，其特征在于，支管(26)與用于降低發(fā)動機的氮氧化物排放的所謂NOX收集器(稀NOX吸附器)(30)平行連接，在閥(24)和NOX收集器(30)之間設(shè)有用于向排出氣體加入可燃物的噴射器(29)，可燃物使所述收集器發(fā)生再生。
4.如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)燃機，其特征在于，支管(26)與包括SCR催化轉(zhuǎn)化器(30)的排氣后處理系統(tǒng)平行連接。
5.如權(quán)利要求4所述的內(nèi)燃機，其特征在于，可再生顆粒過濾器(23)位于閥(24)上游，當排氣氣流被引導流過支管(26)時，可以發(fā)生再生。
6.如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)燃機，其特征在于，支管(26)與包括LNC催化轉(zhuǎn)化器(30)的排氣后處理系統(tǒng)平行連接。
7.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機，其特征在于，可再生顆粒過濾器(23)位于支管(26)和LNC催化轉(zhuǎn)化器(30)的會聚點(27)的下游，該LNC催化轉(zhuǎn)化器(30)包含排氣管，當排氣氣流被引導流過支管(26)時，顆粒過濾器可以發(fā)生再生。
8.如權(quán)利要求6或7所述的內(nèi)燃機，其特征在于，脫硫裝置(34)位于閥(24)上游。
9.如權(quán)利要求1-8中任一個所述的內(nèi)燃機，其特征在于，系統(tǒng)(31-33)被設(shè)計為將冷卻的排氣返回到發(fā)動機進氣側(cè)，從而降低燃燒溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種活塞式內(nèi)燃機(10)，該內(nèi)燃機(10)具有用于給發(fā)動機燃燒室輸送空氣的進氣管(20)和用于從所述燃燒室中排出廢氣的排氣系統(tǒng)。該排氣系統(tǒng)包括用于減少從發(fā)動機排出的對環(huán)境有害的廢氣排放的設(shè)備(29，30)，為了驅(qū)動機動車，所述發(fā)動機能在可變負荷下工作。排氣系統(tǒng)(15，22)包括被閥(24)控制的支管(26)，該支管(26)旁路繞過所述設(shè)備(29，30)的至少一部分，用于減少對環(huán)境有害的廢氣排放。對閥(24)進行控制，在發(fā)動機整個負荷范圍的一部分范圍內(nèi)，使得閥(24)引導排氣氣流流過支管(26)。在發(fā)動機整個負荷范圍的所述一部分范圍內(nèi)，發(fā)動機的運行被優(yōu)化，從而使其廢氣排放處于可接受的水平。
文檔編號F02BGK1849443SQ200480025942
公開日2006年10月18日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月9日
發(fā)明者安德烈亞什·欣茨, 佩爾·薩洛蒙松, 倫納特·安德森, 佩爾·佩爾松 申請人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司