内燃机和用于对内燃机进行废气再处理的方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机以及一种用于对内燃机进行废气再处理的方法。所述内燃机具有进气管和排气装置，其中，所述内燃机借助废气涡轮增压器增压，并且其中，在排气装置中布置有至少一个三元催化器。
背景技术
不断加强的废气立法对交通工具制造商提出了较高的要求，这些要求通过用于降低发动机的原始排放的相应措施并且通过相应的废气再处理系统解决。随着立法级别EU6的引入，针对汽油发动机规定了颗粒数的极限值，所述极限值使得在很多情况下需要使用汽油颗粒过滤器。在行驶运行中，这种汽油颗粒过滤器被装载碳烟(Ruβ)。为了使废气背压不会过强地升高，这种汽油颗粒过滤器必须连续地或者周期性地再生。废气背压的升高可能导致内燃机的更多消耗、功率损失和对平稳运行的影响直至点火中断。为了通过氧气对留在汽油颗粒过滤器中的碳烟进行热学氧化，需要将足够高的温度水平与同时存在于汽油发动机的排气装置中的氧气相结合。因为现代的汽油发动机通常在没有氧气过剩的情况下以按化学计量的燃烧空气比(λ＝1)运行，所以为此需要附加的措施。为此作为措施例如考虑通过点火角调节提高温度、汽油发动机的暂时的稀燃调节、向排气装置中吹入二级空气或者所述措施的组合。迄今优选朝着延迟地与汽油发动机的稀燃调节相结合的方向使用点火角调节，因为所述方法可以在没有附加构件的情况下实现并且在汽油发动机的大多数工作点中可以提供足够的氧气量。
然而在汽油颗粒过滤器中也出现这样的装载状态，在所述装载状态中不期望氧气不受控地流过汽油颗粒过滤器。如果汽油颗粒过滤器的装载水平达到临界程度，则例如内燃机的惯性阶段与汽油颗粒过滤器的较高温度可能共同导致汽油颗粒过滤器上的碳烟不受控地燃烧。在此，由于碳烟颗粒的放热氧化，可能在汽油颗粒过滤器的构件表面上形成这样高的温度，从而可能导致汽油颗粒过滤器的热损坏。因此必要的是，在特定的运行状态中降低或者完全禁止向汽油颗粒过滤器的氧气输入。
此外，在排气装置中布置有至少一个催化器。一个或者多个催化器具有储氧器，其在内燃机的惯性运行或者说推力运行(Schubbetrieb)中或者在高于化学计量的燃烧空气比中被填充氧气。然而，在催化器的储氧器的装载度较高时存在这样的风险，即氮氧化物不能被转化或者只能不充分地被转化，这可能导致氮氧化物的排放升高。对此，内燃机的惯性运行可能导致新鲜空气被输送通过燃烧室并且通过废气通道被排出。由此废气再处理部件可能冷却并且温度降至其起燃温度以下，从而在惯性运行结束之后只能对废气中的有限的有害物质进行不完全的转化。
由DE 10 2015 108 223 A1已知一种具有进气管和废气再处理系统的内燃机。在此设置有废气再循环管路，其将处于废气涡轮增压器的涡轮下游和催化器上游的内燃机排气装置与处于废气涡轮增压器的压缩机下游的进气管连接。在此规定，在内燃机的惯性运行中引入排气装置中的新鲜空气用于使颗粒过滤器再生。
DE 10 2015 220 039 A1公开了一种具有进气管和排气装置的内燃机，其中，排气装置在氮氧化物吸收器和其它的废气再处理部件的下游与处于废气涡轮增压器的压缩机上游的进气管连接。在此，在进气管中设置有具有旁路的增压空气冷却器，进气空气能够通过所述旁路从增压空气冷却器旁导入内燃机的燃烧室中，以便影响氮氧化物排放。在此规定，在内燃机的惯性运行中，将燃料喷入到排气装置或者燃烧室中，以便通过低于化学计量的废气使氮氧化物吸收器再生。
此外，由DE 10 2016 120 432 A1已知一种用于内燃机的废气再处理系统，其中，在内燃机的排气装置中布置有颗粒过滤器。为了在内燃机的惯性运行中避免碳烟在颗粒过滤器上不受控地燃烧，设置有用于颗粒过滤器的旁路，废气在内燃机的惯性运行中可以导引通过所述旁路，以避免碳烟不受控地燃烧并且因此避免颗粒过滤器的热损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，降低内燃机的消耗并且减少排放、尤其是氮氧化物排放并且将废气再处理部件尽可能长时间地保持在其运行温度。
该技术问题按本发明通过具有进气管和排气装置的内燃机解决，其中，所述内燃机借助废气涡轮增压器增压，并且其中，在排气装置中布置有至少一个三元催化器。在此规定，设置有低压废气再循环装置，所述低压废气再循环装置将处于废气涡轮增压器的涡轮机下游并且处于至少一个三元催化器上游的排气装置与处于废气涡轮增压器的压缩机上游的进气管相连。内燃机优选设计为按照汽油机原理借助火花塞进行外源式点火的内燃机。通过低压废气再循环装置可以在内燃机的未点火的惯性运行中进行废气的循环，由此减少废气再处理部件的冷却并且同时防止三元催化器的储氧器在惯性运行中被填充。附加地可以防止贮藏在存储催化器中的氮氧化物热解吸，由此可以减少氮氧化物排放。
在本发明的优选设计方案中规定，所述低压废气再循环装置具有废气再循环管路，所述废气再循环管路在直接处于涡轮机下游以及处于所有的废气再处理部件上游的分支点(Abzweigung)处从排气装置的废气通道分支出来并且在处于空气过滤器下游以及处于压缩机上游的汇入点(Einmündung)处汇入进气管的进气通道中。通过废气再循环管路在所有的废气再处理部件上游的分支，可以确保在废气循环运行中不会有新鲜空气流过废气再循环管路，由此减慢了三元催化器的冷却并且同时防止氧气贮藏在三元催化器的储氧器中。因此，即使在点火的发动机重新运行时，催化器也可以立即投入使用并且可以转化有害的废气成分，而不会导致打滑(Schlupf)。储氧器的填充尤其关于氮氧化物排放是重要的，因为在被填充的储氧器和高于化学计量的发动机运行的情况下，不能将内燃机的废气中包含的氮氧化物转化为分子形式的氮。
在内燃机的一种有利的实施形式中规定，在进气管中在压缩机的下游设置有节气门。通过节气门可以控制输入内燃机的燃烧室中的新鲜空气量。此外，在内燃机的惯性运行中可以通过节气门调节废气质量流，因为在惯性运行中未燃烧的新鲜空气经由燃烧室被推出到排气装置中。
在此特别优选的是，在进气管中在废气再循环管路的汇入点的上游布置有节流阀。通过处于汇入点的上游的进气管中的节流阀可以降低进气通道中的压力，由此在进气通道中在节流阀的下游形成负压。由此可以增加废气通道与进气管之间的扫气压差，从而有利于废气通过废气再循环管路的循环。
在内燃机的一种优选的实施形式中规定，在低压废气再循环装置中布置有废气冷却器。通过废气再循环管路中的废气冷却器可以降低循环的废气的温度。由此可以降低内燃机的原始排放、尤其是氮氧化物的原始排放。
此外有利地规定，在低压废气再循环装置中布置有其它的三元催化器。在此，未燃烧的烃和一氧化碳可以通过所述其它的三元催化器转化为二氧化碳和水蒸汽，以避免由于在低压废气再循环装置或者进气管中的冷凝而形成酸。此外，一氧化氮可以被氧化为二氧化氮，以减少内燃机的爆震倾向。由此可以扩展内燃机的运行范围并且降低燃料消耗，因为不需要用于避免爆震的在发电机内部的措施。
在本发明的一种备选的实施形式中规定，第一三元催化器在排气装置中布置在分支点的上游并且第二三元催化器布置在分支点的下游。由此在布置废气再处理部件时形成了进一步的自由度。因此尤其是第一三元催化器可以作为具有三元催化作用的涂层的靠近发动机的颗粒过滤器与处于机动车底板层中的第二三元催化器相结合。由此提供了附加的催化器容积，因此在催化器老化和与之相关的转化功率下降时也还总是能够实现对内燃机废气的高效的废气再处理。
在此优选的是，第一三元催化器是颗粒过滤器，所述颗粒过滤器具有三元催化活性的涂层，并且废气阀布置在分支点的下游和第二三元催化器的上游。在此，循环的废气流过颗粒过滤器并且颗粒过滤器被保持在一个温度，以便在惯性运行之后在内燃机的点火运行中实现颗粒过滤器的再生并且防止剧烈地冷却至再生温度以下。
备选地有利规定，在所述至少一个三元催化器的下游布置有颗粒过滤器。备选地，颗粒过滤器也可以布置在分支点的下游。在此，废气同样被清除了固体，所述固体在颗粒过滤器中沉积，并且因此降低了内燃机的碳烟排放。
在对内燃机的进一步改进中有利地规定，在低压废气再循环装置的废气再循环管路从内燃机的废气通道分支出的分支点的下游设置有废气阀，通过所述废气阀能够封闭废气通道。
按照本发明建议一种用于对这种内燃机进行废气再处理的方法，所述方法具有以下步骤：
-识别内燃机的惯性运行，
-关闭处于低压废气再循环装置的废气再循环管路的汇入点上游的进气管中的节流阀，
-关闭废气通道中的废气阀，
-打开废气再循环阀和处于废气涡轮增压器的压缩机下游的进气管中的节气门，
-关闭点火装置并且停止向内燃机的燃烧室中引入燃料，
-使废气循环通过低压废气再循环装置、处于汇入点下游的进气管、内燃机的燃烧室和处于分支点上游的排气装置，其中，防止新鲜空气进入至少沿废气流动通过排气装置的方向的最后的三元催化器中。
通过按照本发明的方法可以相对于点火的惯性运行降低内燃机的燃料消耗。此外，可以降低内燃机的碳烟排放并且同时防止三元催化器或者其它的废气再处理部件冷却至其能够实现对有害物质的高效转化或者存储的相应运行温度以下。
按照所述方法的一种有利的实施形式规定，循环的废气基本上具有按化学计量的燃烧空气比。在所述方法的优选实施形式中规定，在内燃机的惯性阶段中，在废气阀关闭时将燃料引入内燃机的燃烧室中。为了在较长的惯性阶段中也确保不会在循环通过废气再循环管路的废气中出现氧含量的升高而规定，附加地将少量的燃料引入内燃机的燃烧室中。这优选通过将燃料喷射到内燃机的燃烧室中实现，但备选地也可以通过喷射到进气管中或者内燃机的排气装置中实现。通过按化学计量的废气可以防止三元催化器的储氧器被填充，从而在重新进行(或称为恢复)发动机的燃烧时可以高效地转化有害物质。
在所述方法的一种优选的实施形式中规定，所述内燃机在惯性阶段被制动并且停止，其中，在重新启动内燃机之前，打开节流阀并且关闭节气门以及废气再循环阀。由此可以在按照计划地重新进行发动机的燃烧时使得内燃机更容易发动。
在对所述方法的有利改进中规定，一直以按化学计量的燃烧空气比(λ＝1)运行发动机，直至废气阀完全关闭。通过直至废气阀完全关闭的按化学计量的发动机运行，可以确保在第一惯性阶段中没有将富含氧的废气导入三元催化器中并且因此三元催化器的储氧器没有被装载或者至少没有完全被装载。
在所述方法的一种有利的扩展设计中规定，在低压废气再循环装置中布置有另外的三元催化器，其中，未燃烧的烃和一氧化碳通过所述另外的三元催化器转化为二氧化碳和水蒸汽，以避免由于在低压废气再循环装置或者进气管中的冷凝而形成酸，并且其中，将一氧化氮氧化为二氧化氮，以降低内燃机的爆震倾向。由此可以防止在内燃机的进气管或者低压废气再循环装置中出现腐蚀。此外，通过降低爆震倾向，可以扩展内燃机的运行范围，这实现了减少的燃料消耗和/或减少的原始排放。
在本申请中所述的本发明的不同实施形式在没有单独另作说明的情况下可以有利地相互组合。
附图说明
以下根据附图在实施例中阐述本发明。在此，相同的构件或者具有相同功能的构件在附图中分别用相同的附图标记表示。在附图中：
图1示出按照本发明的内燃机的第一实施例；
图2示出按照本发明的内燃机的另一实施例，其中，在低压废气再循环装置中附加地布置有催化器；
图3示出按照本发明的内燃机的另一实施例，其中，低压废气再循环装置在第一催化器下游和第二催化器上游从废气通道中分支出来；并且
图4示出执行按照本发明的用于对内燃机进行废气再处理的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出用于机动车的内燃机10，所述内燃机设计为按照汽油机原理的通过火花塞14进行外源式点火的内燃机10。内燃机10以其出口18与排气装置40相连。出口18包括排气岐管，所述排气岐管将内燃机10的不同燃烧室12的废气输入到或供应到排气装置40的废气通道42中。内燃机10以其入口16与进气管20相连。进气管20沿着新鲜空气流过进气管20的进气通道22的流动方向具有空气过滤器24并且在空气过滤器24的下游具有节流阀26。在节流阀26的下游，低压废气再循环装置60的废气再循环管路62在汇入点28处汇入进气管20的进气通道22中。节流阀26用于对进气空气进行预节流并且用于在节流阀26下游在进气管20中产生负压。在汇入点28的下游布置有废气涡轮增压器30的压缩机32。在压缩机32的下游和内燃机10的入口16的上游设置有增压空气冷却器34和节气门36，所述节气门用于控制输入到内燃机10的燃烧室12中的空气量。此外，可以在进气管20中设置空气量测量计38，以便测量被吸入的新鲜空气的量。
排气装置40具有废气通道42，在所述废气通道中，沿着内燃机10的废气流过排气装置40的流动方向设置有废气涡轮增压器30的涡轮机44并且在涡轮机44的下游设置有第一三元催化器46并且在第一三元催化器46的下游设置有第二三元催化器48。在涡轮机44的下游和第一三元催化器46的上游，低压废气再循环装置的废气再循环管路62在分支点54处从内燃机10的废气通道42中分支出来。在涡轮机44的下游和分支点54的上游，在废气通道42上设置有第一λ传感器或者说氧传感器50、尤其是宽带氧传感器，通过所述第一λ传感器可以测量废气中的氧含量。在第一三元催化器46的下游和第二三元催化器48的上游设置有第二λ传感器56、优选是阶跃式传感器，通过所述第二λ传感器可以评价第一三元催化器46下游和第二三元催化器48上游的燃烧空气比。备选地，第一λ传感器50也可以布置在内燃机10的出口18的下游和废气涡轮增压器30的涡轮机44的上游。所述三元催化器46、48中的至少一个可以设计为颗粒过滤器52，所述颗粒过滤器具有三元催化活性的涂层，以便附加地阻挡包含在内燃机10的废气中的碳烟颗粒。在分支点54的下游、优选在两个三元催化器46、48的下游设置有废气阀，以便减小或者封闭废气通道42的横截面并且因此支持废气通过低压废气再循环装置的循环。此外，内燃机10具有发动机控制器70，通过所述发动机控制器来调节将燃料喷入内燃机10的燃烧室12中的喷入量和喷入时间点。
低压废气再循环装置60包括废气再循环管路62，在所述废气再循环管路中布置有过滤器64、废气再循环冷却器66和用于控制再循环的废气量的废气再循环阀68。废气再循环管路62在汇入点28处汇入进气管20的进气通道22中。
在如图1所示的内燃机10的正常运行中，废气阀打开并且废气再循环阀68关闭，因此内燃机10的废气流动经过两个三元催化器46、48并且有害的废气成分被转化。在此，内燃机10以按化学计量的燃烧空气比(λ＝1)运行并且包含在废气中的有限的有害物质、尤其是一氧化碳(CO)、未燃烧的烃(HC)和氮氧化物(NOx)在三元催化器46、48的催化活性的表面上被转化。通过在驾驶员侧降低对内燃机10的功率要求，内燃机10可以转换至惯性运行。在此，在内燃机10的惯性运行中向排气装置引入较多氧气可能导致三元催化器46、48的储氧器完全被氧气装载。为了避免这种装载，在惯性运行中首先继续使燃料在内燃机10的燃烧室中燃烧，直至废气阀完全关闭并且三元催化器46、48从内燃机10的废气流脱耦。惯性运行与之相关地理解为机动车的这种行驶运行，其中内燃机10被正在滚动行驶的机动车拖曳。在惯性运行中，不将燃料喷入内燃机10的燃烧室12中，这称为所谓的推力切断。这在废气阀打开时可能导致内燃机10将具有较高氧含量的新鲜空气通过燃烧室12输送到排气装置40中。这之所以也是需要避免的，是因为较高的氧输入在颗粒过滤器52的较高温度中可能导致碳烟在颗粒过滤器52上不受控地燃烧并且因此导致颗粒过滤器52热损坏。一旦废气阀完全关闭并且废气再循环阀68打开，则内燃机10的废气通过废气再循环管路62循环回内燃机10的进气管20中，并且内燃机10在未点火的惯性运行中运行，其中不将燃料输入燃烧室12。因此，过剩的氧气不会进入排气装置40中并且可以有效地防止三元催化器46、48的储氧器被不期望地装载以及碳烟不受控地转化。通过关闭节流阀26，将进气侧的新鲜空气溢流
在图2中示出按照本发明的内燃机10的另一实施例。在基本上与图1相同地设计的结构中，在低压废气再循环装置60的废气再循环管路62中，在分支点54的下游和过滤器64的上游设置有另一个三元催化器58。通过所述另一个三元催化器58，可以将未燃烧的烃和一氧化碳转化为二氧化碳和水蒸汽。这防止了在废气再循环管路62或者进气管20中冷凝出酸性液体并且在该处导致腐蚀。此外，一氧化氮可以与未燃烧的烃还原为氮元素或者氧化为二氧化氮，以降低内燃机10的爆震倾向。
在图3中示出按照本发明的内燃机10的另一实施例。在本实施例中，在基本上与图1相同地设计的结构中，在第二催化器48的下游布置有颗粒过滤器52、尤其是汽油颗粒过滤器。低压废气再循环装置60的废气再循环管路62在本实施例中在第一三元催化器46的下游和第二三元催化器48的上游从内燃机10的废气通道42中分支出来。这导致了在循环运行中第一三元催化器46被循环的、按化学计量的废气穿流或者说流过并且第二三元催化器48基本上与废气流脱耦。这本身对于新鲜空气从进气管20中溢流并且循环的废气变为高于化学计量的情况来说导致第二三元催化器48中的储氧器没有被填充。由此在内燃机10重新进行点火运行之后，至少第二催化器48可以直接用于有效地转化废气中的有害物质。
在图4中示出按照本发明的用于对内燃机10进行废气再处理的方法的流程图。在第一方法步骤<100>中，内燃机10在正常运行中以按化学计量的燃烧空气比运行，其中，当在内燃机10的燃烧室12中进行的发动机燃烧时形成的有限的有害物质通过废气再处理部件46、48、52从内燃机10的废气流中被移除或者在无限制的废气部件中被转化。在方法步骤<110>中，检测到内燃机的惯性运行或者期望的发动机停机并且引入推力切断程序。为此，在方法步骤<120>中根据内燃机10的运行状态、尤其根据内燃机10的转速有序地关闭废气阀和节流阀26，打开废气再循环阀68并且打开节气门36。因此，将按化学计量的废气从排气装置40中抽出并且输入进气管20中。一旦运行通过进气段的废气物料到达内燃机10的燃烧室12，则在方法步骤<130>中停止将燃料喷入内燃机10的燃烧室12中并且将内燃机10的点火装置去激活。为此需要针对废气流过低压废气再循环装置60的运行时间模型，所述运行时间模型存储在内燃机10的发动机控制器70中。作为辅助，可以通过第一λ传感器50确定废气中的氧浓度或者通过其它的λ传感器确定进气管中的氧浓度。
根据施加在内燃机10上的拖曳扭矩，内燃机执行惯性阶段或者减速直至停止。在此，按化学计量的废气在循环中被输送通过低压废气再循环装置60、进气管20、燃烧室12和废气通道42，而在处于分支点下游的废气通道42中的废气流除了少量的泄漏之外处于静止。
如果在方法步骤<140>中请求内燃机10重新启动，则在方法步骤<150>中打开节流阀26并且关闭节气门36以及废气再循环阀68，从而再将新鲜空气输入内燃机10的燃烧室12中。随即在方法步骤<160>中，将燃料喷入内燃机10的燃烧室12中并且再次激活点火装置。在接下来的发动机加速中，重新使用来自发动机控制器70的运行时间模型并且这样控制节流阀26和节气门36以及废气再循环阀68，使得废气再处理部件46、48、52中的按化学计量的状态不变。所述调节或控制可通过λ传感器50以及进气管20中的附加的λ传感器辅助。此外可行的是，在此直接地运行到内燃机10的使用低压废气再循环装置60以将内燃机10的原始排放减至最少的发动机工作点。为了完全地获得废气再循环装置的热动力学效果并且为了避免在废气再循环管路62中产生酸性冷凝物，废气再循环管路可选地配有自身的三元催化器58。
通过按照本发明的方法实现以下的优点。因为在废气再处理部件46、48、52中、尤其是在两个三元催化器46、48中的按化学计量的运行状态在所有的运行状态下都保持不变，所以在任何工作时间点均不会产生氮氧化物解吸的风险。所形成的氮氧化物可以在任何时间通过三元催化器46、48转化。因此，在内燃机10的发动机启动中，不需要低于化学计量的运行状态以腾出或清空三元催化器46、48的储氧器。由此实现了更低的排放和消耗优势。防止了排气装置40的冷却，因为通过将用于废气再循环管路62的分支点54定位在第一三元催化器46之前，没有通过新鲜空气冲刷三元催化器46、48并且防止了通过节流阀26输入新鲜空气。原则上循环运行也可以用于将烟灰残余和冷凝水冲刷出低压废气再循环装置60。在此通过适当的结构设计上的措施可以防止烟灰残余或者冷凝水以较高的速度到达废气涡轮增压器30的压缩机32，以避免损坏。
附图标记清单
10 内燃机
12 燃烧室
14 火花塞
16 入口
18 出口
20 进气管
22 进气通道
24 空气过滤器
26 节流阀
28 汇入点
30 废气涡轮增压器
32 压缩机
34 增压空气冷却器
36 节气门
38 空气量测量计
40 排气装置
42 废气通道
44 涡轮机
46 第一三元催化器
48 第二三元催化器
50 λ传感器
52 颗粒过滤器
54 分支点
56 第二λ传感器
58 第三三元催化器
60 低压废气再循环装置
62 废气再循环管路
64 过滤器
66 废气再循环冷却器
68 废气再循环阀
70 发动机控制器
