用于內燃機廢氣再處理的方法和裝置與流程

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本發明涉及一種用于內燃機廢氣再處理的方法和裝置。

背景技術：

隨著廢氣排放法規的日益嚴苛，發動機排放和內燃機的廢氣再處理需要滿足更高的要求。汽車和發動機生產商一直致力于減小內燃機的燃油消耗以及由此產生的co2排放。這也推動開發更節能的內燃機燃燒方法。一種改善汽油發動機的燃燒效率的方法是稀混合氣運轉，即內燃機以超過化學當量的空燃比進行工作。由于稀混合氣運轉中所排出的nox無法完全通過傳統的三元催化劑對廢氣轉化，因此需要額外的催化器、例如nox存儲催化器。在此nox排放物作為硝酸鹽存儲在nox存儲催化器中。nox存儲催化器必須定期通過發動機的濃混合氣運轉模式進行還原。發動機的濃混合氣運轉需要在特定的邊界條件下開始，因此無法隨時機進行發動機的濃混合氣運轉，盡管對于廢棄再處理是有益的或者說是必須的。

此外為了減小油耗進行所謂的“縮小尺寸”，即在輸出相同功率的前提下使用更小的發動機，它具有更小的容量和/或更小的氣缸，從而可以減小燃燒室中的磨損以及內燃機的重量。由此直接導致的功率下降通常通過廢氣渦輪機為發動機增壓進行補償。在小型增壓發動機上實現低轉速下的高扭矩(即所謂的“低端扭矩”)是個很大的挑戰。一種用于提高扭矩的方法是所謂的掃氣。在此進氣閥門和廢氣閥門的打開時間有一定重疊，部分新鮮空氣將殘留在氣缸中的廢氣掃至廢氣通道中，從而與沒有氣門重疊的傳統方法相比顯著提高燃燒室的進氣量。通過提高廢氣通道中的氣流量還可以改善渦輪壓縮機尤其是在低轉速下的響應性能。但是在掃氣效率很高時空氣與廢氣的比例會超過化學當量，即廢氣通道中的氧氣富余，從而損害三元催化劑的作用并導致氮氧化物排放提高。在這種情況下可以利用nox存儲催化器顯著降低氮氧化物排放。

從de19644407c2中可知一種用于廢氣再處理的裝置，其中在內燃機廢氣的氣流方向上首先布置nox存儲催化器，并且在下游布置一個或多個三元催化器。在nox存儲催化器上設有旁路，從而保護nox存儲催化器免受高溫影響，由此避免nox存儲催化器的提前老化。為此建議一種方法，其中內燃機以超過化學當量的空燃比運行并且以補噴射的方式向內燃機的氣缸噴入燃料從而產生化學當量比的廢氣使三元催化器更快的達到工作溫度。

從us8776498b2中可知一種裝置和方法，其中在內燃機的廢氣通道中在廢氣氣流方向上首先布置預催化器，同時在預催化器的下游設計用于選擇性還原氮氧化物的催化器。在此設計用于接通該催化器的旁路，從而選擇性還原氮氧化物，在其中布置三元催化器。在預催化器和用于選擇性還原氮氧化物的催化器之間設計用于加入含水尿素溶液的閥門，從而為用于選擇性還原氮氧化物的催化器提供還原介質。但是us8776498b2不具有nox存儲催化器，因此需要加入含水的尿素溶液減少nox排放。

當具有nox存儲催化器的內燃機在nox存儲催化器進行儲存之后以化學當量的空燃比運行時，可能導致以硝酸鹽保持在nox存儲催化器中的氮氧化物發生解吸反應。這個解吸反應可能由熱引起，也可能在發動機以化學當量的空燃比運行時由氧氣的平衡反應導致。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種用于廢氣再處理的有效方法，它可以不受內燃機運行狀態的影響實現高效的內燃機的廢氣再處理，并且避免儲存在nox存儲催化器中的硝酸鹽的解吸反應。

所述技術問題按照本發明一種用于內燃機廢氣再處理的方法解決，所述內燃機具有廢氣通道和布置在廢氣通道內的第一三元催化器，其中，所述廢氣通道沿著內燃機的廢氣穿過廢氣通道的流動方向在第一三元催化器的下游具有分叉處，并且所述廢氣通道被分為主通道和旁路，其中，在所述廢氣通道中布置有調節元件，借助所述調節元件使廢氣流在主通道和旁路之間進行切換，其中，在所述主通道中布置有nox存儲催化器，并且其中，在所述旁路中布置有第二三元催化器，所述方法包括以下步驟：

-所述內燃機以超過化學當量的空燃比運行，此時所述內燃機的廢氣導引穿過所述廢氣通道的主通道，并且所述內燃機的nox排放物存儲在nox存儲催化器中；

-所述內燃機以化學當量的空燃比運行，此時所述內燃機的廢氣導引穿過所述旁路，并且所述內燃機的廢氣除了通過第一三元催化器進行清潔以外，還通過布置在旁路中的第二三元催化器進行清潔；

-還原所述nox存儲催化器，此時所述內燃機以不足化學當量的空燃比運行，并且所述內燃機的廢氣導引穿過所述廢氣通道的主通道。

由此，內燃機可以在部分負荷狀態下以超過化學當量的空燃比運行，這可以降低內燃機的燃油消耗。在此產生的并且無法被不足的還原介質轉化的nox排放物可以儲存在nox存儲催化器中。當需要控制內燃機的負荷點時(在該負荷點上無法進行超過化學當量的空燃比運行)、例如較高的部分負荷或者滿負荷時，內燃機可以以化學當量的空燃比運行，同時將廢氣導入旁路，從而避免存儲在nox存儲催化器中的硝酸鹽的解吸反應。由于當內燃機以化學當量的空燃比運行時廢氣中存在足夠的還原介質，則在燃燒時產生的氮氧化物排放物(nox排放物)可以通過第一和第二三元催化器轉化為無害的廢氣成分。

在本發明的優選實施例中規定，當所述內燃機以超過化學當量的空燃比運行時，所述內燃機以稀混合氣模式或者掃氣模式運轉。掃氣運轉應理解為內燃機的一種運行方式，其中，進氣閥和排氣閥的打開時間部分重疊。由此吸入的部分新鮮冷空氣將殘留在氣缸中的熱廢氣掃入廢氣通道，從而與傳統的無氣門重疊的運行方式相比可以增大燃燒室中的進氣量。掃氣運轉優選地使用在具有渦輪增壓的內燃機上，從而在低負荷運行狀態下提高渦輪的轉矩并且減小所謂的“渦輪遲滯(turboloch)”。通過稀混合氣運轉方法可以節省燃油消耗并且提高內燃機的效率。稀混合氣運轉和掃氣運轉都會導致廢氣中的氧氣過量(超過化學當量的空氣廢氣比)，從而無法提供足夠的用于nox排放物的還原介質。這些排放物可以存儲在nox存儲催化器中而不會排入大氣中。當nox存儲催化器達到最大儲存能力時，nox存儲催化器可以定期進行還原。

根據一種優選的實施例規定，當所述內燃機不希望或者無法進行稀混合氣運轉時，所述內燃機以化學當量的空燃比運行。這例如可以在具有較高的部分負荷范圍內的運行點中進行。由此，發動機可以在該工作點上相對于稀混合氣運轉輸出更高的功率。

在本發明的另外的優選設計方案中規定，當超過溫度上限值時，中斷nox存儲催化器的還原并且廢氣被導引穿過所述旁路。通過旁路使廢氣繞道可以避免nox存儲催化器上的硝酸鹽發生不希望的熱學解吸反應和/或nox存儲催化器的提前熱學老化。在此，廢氣尤其在高于500℃的溫度、尤其高于550℃的溫度時被導引穿過旁路，從而避免硝酸鹽的熱學解吸反應。當溫度超過800℃、尤其超過900℃時，即便nox存儲催化器未加載，也很必要將廢氣導入旁路中，從而避免nox存儲催化器的熱學老化或損傷。

根據本方法的有利的改進方案中規定，當廢氣流量超過極值時，中斷nox存儲催化器的還原。根據內燃機的負荷和廢氣的氧含量可以推導出內燃機的廢氣流量。由此可以識別內燃機的較高的部分負荷范圍和滿負荷范圍，并且在該范圍內將廢氣導引穿過旁路。

此外有利地規定，當nox存儲催化器的溫度低于溫度下限值并且nox存儲催化器被加載時，所述內燃機以與化學當量的空燃比不同的空燃比運行。備選地，當nox存儲催化器未被加載時，化學當量的廢氣也導引通過nox存儲催化器。在此，化學當量的廢氣應理解為一種廢氣，其處于λe＝1附近很小的λ范圍內，類似三元催化器的一般控制時的情況。與之不同的廢氣應理解為具有λe＜0.95的濃稠廢氣或者具有λe＞1.2的稀薄廢氣。由此可以加熱nox存儲催化器，從而使nox存儲催化器達到溫度范圍，在該范圍內可以特別有效地存儲nox排放物。

在所述方法的有利的改進方案中規定，確定nox存儲催化器的加載狀態，并且在nox存儲催化器未被加載時將化學當量的廢氣導引穿過主通道，以便使nox存儲催化器保持高于溫度下限值的溫度。當nox存儲催化器中還沒有氮氧化物以硝酸鹽的形式存儲時，則不存在硝酸鹽的熱解吸的風險。在這種情況下，nox存儲催化器的溫度可以通過導入化學當量的廢氣達到，在此可以通過第一三元催化器實現有效的廢氣處理。

優選地，所述nox存儲催化器的還原在內燃機的較低的部分負荷范圍內實現。由此相對于更高的負荷狀態，nox存儲催化器中的空速較低，這可以提高轉化效率并由此改善nox存儲催化器的還原效果。當需要在一個時間點進行還原時(在該時間點上發動機轉變為更高的負荷點)，則可以如上所述地將廢氣導引穿過旁路。當重新調節至較低的負荷點時，可以開始或者繼續進行還原。

在上下文中，較低的部分負荷范圍應理解為轉速最多為最大轉速的50％、優選最多40％的范圍和/或負荷最多為最大負荷的40％、優選最多30％的范圍。

根據所述方法的另外有利的實施例規定，所述nox存儲催化器的還原在0.85＜λe＜0.95的不足化學當量的空燃比下實現。當λe在0.85以下時，燃燒產生的碳黑增加，當λe在0.96以上時，廢氣中的還原介質份額較少，因此無法對nox存儲催化器進行還原，在此內燃機不能在油耗經濟的稀混合氣運轉下運行。

所述技術問題按照本發明還通過一種用于內燃機的廢氣再處理的裝置解決，所述用于內燃機的廢氣再處理的裝置具有廢氣通道和布置在廢氣通道內的第一三元催化器，其中，所述廢氣通道沿著內燃機的廢氣穿過廢氣通道的流動方向在第一三元催化器的下游具有分叉處，并且所述廢氣通道被分為主通道和旁路，其中，在所述廢氣通道中布置有調節元件，借助所述調節元件使廢氣流在主通道和旁路之間進行切換。在所述主通道內布置有nox存儲催化器，并且在所述旁路內布置有第二三元催化器。所述裝置還具有用于調節內燃機的控制器，所述控制器設計用于執行前述類型的方法。

通過這種裝置可以盡可能與內燃機的運行狀態無關地實現高效的廢氣再處理。

本發明的各種不同的實施方式如果未進行其他說明，則可以有利地互相組合。

附圖說明

以下結合附圖在實施例中進一步闡釋本發明。在附圖中：

圖1示出具有按照本發明的用于廢氣再處理的裝置的內燃機。

圖2示出在加載nox存儲催化器時或者在還原nox存儲催化器時，內燃機的廢氣流經過按照本發明的裝置，

圖3示出在內燃機以化學當量的空燃比運行時內燃機的廢氣流，

圖4示出按照本發明的用于內燃機廢氣再處理的裝置的備選的實施例，

圖5示出按照本發明的用于內燃機廢氣再處理的裝置的另外的備選的實施例，

圖6示出按照本發明的用于內燃機廢氣再處理的方法的說明。

具體實施方式

圖1示出具有廢氣通道12的內燃機10。在廢氣通道12中優選地在發動機附近布置有第一三元催化器22。在此，布置在發動機附近應理解為，在內燃機10的排氣口之后的平均廢氣行程大約是最多50cm、尤其最多30cm。通過靠近內燃機10可以在內燃機10冷啟動之后特別快速地對第一三元催化器22進行加熱，從而使它也用于啟動催化器。廢氣通道12在第一三元催化器22的下游在分叉處18分為主通道14和旁路16。在分叉處18布置有調節元件28、優選是廢氣閥門(所謂的雙瓣閥)，借助它可以可選地使內燃機10的廢氣流導入主通道14或旁路16中。可選地，調節元件28也可以被設計成滑塊或二位三通閥的形式。在調節元件28上設有驅動單元42、尤其是驅動電機，用于對調節元件28進行控制。可選地，也可以在主通道14和旁路16中各自設計單獨的閥。在主通道14中優選地在車輛的底板位置布置nox存儲催化器24。在旁路16中布置第二三元催化器26，它同樣優選地布置在車輛的底板位置。在nox存儲催化器24的下游在主通道14中設有nox傳感器36。除了nox傳感器36之外或可選地可以在主通道14中在nox存儲催化器24的下游布置λ傳感器(氧含量傳感器)34。主通道14和旁路16在nox存儲催化器24的下游在匯合處20又重新合并為整體的廢氣通道12。

此外設有控制器38，它通過信號線路40與內燃機和廢氣通道12中的傳感器34、36相連。控制器38通過電氣線路附加地與驅動單元42相連。除了圖1所示的傳感器還可以設有其他用于探測廢氣通道12中的氣流量和/或用于探測廢氣通道12中的廢氣溫度的傳感器，它們同樣可以通過其他信號線路與控制器38相連。

圖2示出在按照本發明的用于內燃機10的廢氣再處理的方法中內燃機的廢氣導引。在第一階段(以下稱為存儲階段)，內燃機10以超過化學當量的空燃比λe＞1運行。在該存儲階段中調節元件28被如此調節，從而使全部廢氣導入廢氣通道12的主通道14中。在存儲階段中通過布置在發動機附近的第一三元催化器22實現廢氣處理。但是由于內燃機10以超過化學當量的空燃比運行，在存儲階段中不能將內燃機10的廢氣中的氮氧化物在第一三元催化器22內轉化為無害的廢氣成分，因此需要將存儲階段的氮氧化物以硝酸鹽的形式儲存在nox存儲催化器24中。當內燃機10以掃氣模式運行時，由于閥門重疊，即由于進氣閥門和廢氣閥門同時開啟可以將額外的新鮮空氣排入廢氣通道中，這同樣會導致超過化學當量的廢氣，即便在內燃機10的氣缸中原本以化學當量的空燃比進行燃燒。在這種情況下，燃燒時產生的nox排放物不能通過第一三元催化器22轉化而必須儲存在nox存儲催化器24中。

當還原nox存儲催化器24時，內燃機10以不足化學當量的空燃比λe＜1、優選0.85＜λe＜0.95運行。當內燃機以不足化學當量的空燃比運行時，廢氣中的還原劑、例如一氧化碳(co)或者未燃燒的碳氫化合物(hc)作為還原劑用于處理儲存在nox存儲催化器24中的硝酸鹽。在此對廢氣通道12中的調節元件進行控制，使所有廢氣導入主通道14。優選地在內燃機10處于部分負荷時對nox存儲催化器24進行還原，以便與更高負荷情況相比在穿流nox存儲催化器24時達到較低的空速。

圖3示出在內燃機10的一種運行狀態下的廢氣導引，其中，nox存儲催化器24的還原沒有意義或者沒有必要。這種運行狀態例如是全負荷運行狀態或較高的部分負荷運行狀態，這時通過廢氣通道12的廢氣流量很大、廢氣通道12中的溫度很高和/或內燃機10以化學當量λe＝1的空燃比運行。為此，通過驅動單元42對調節元件28進行控制，使主通道14關閉，同時內燃機10的廢氣導向穿過旁路16。由此避免儲存在nox存儲催化器24中的硝酸鹽的解吸反應。

圖4示出按照本發明的用于內燃機10的廢氣再處理的可選的實施例。在此不再介紹與圖1相同的結構，而僅僅闡述其不同點。圖3所示的實施例中附加地在主通道14中，在分叉處18的下游和nox存儲催化器24的上游設有用于選擇性地催化還原氮氧化物的催化器30(scr催化器)。通過scr催化器30提供了另一種可行性，用于轉化內燃機10的廢氣中的氮氧化物。為此需要還原劑、優選氨，借助它可以將氮氧化物還原為氮氣分子。氨(nh3)在用于還原nox存儲催化器24的濃混合氣運轉階段(fettphase)中在第一三元催化器22上形成并且儲存在scr催化器30中。

圖5示出按照本發明的用于內燃機10的廢氣再處理的另一種可選實施例。在這種實施例中，取代scr催化器30而使用具有scr有效涂層的顆粒過濾器32，其布置在分叉處18和nox存儲催化器24之間。由此可以額外捕獲燃燒時產生的碳黑顆粒。通過內燃機10以不足化學當量的空燃比運行，可以對nox存儲催化器24進行還原。顆粒過濾器32在內燃機10的稀混合氣運轉階段(magerphase)，即在超過化學當量的空燃比下進行還原，但是在此需要注意的是，需要避免廢氣通道12中的氧氣過量超過極值，從而避免不受控制的碳黑燃燒。在此可以利用調節元件28在內燃機10怠速運行時將富氧的廢氣流引導繞過顆粒過濾器32，從而避免在還原顆粒過濾器32的時候發生不受控制的碳黑燃燒。

但是由于附加的scr催化器30或具有scr有效涂層的顆粒過濾器32的影響，廢氣通道12中的廢氣背壓升高，這會提高內燃機10的油耗。

圖6示出按照本發明的用于內燃機10的廢氣再處理的方法。在內燃機10的第一運行狀態下內燃機10以超過化學當量的空燃比(稀混合氣運轉)運行。這時產生的nox排放物不能通過任何三元催化器22、26被還原。因此在這種運行狀態下nox排放物作為硝酸鹽的形式儲存在nox存儲催化器24中。為此調節元件28關閉旁路16并將內燃機10的所有廢氣引入主通道14從而經過nox存儲催化器24。因為nox存儲催化器24的儲存能力有限，因此需要定期還原nox存儲催化器24。

但是在一些特定的運行狀態下不可能或者不需要對nox存儲催化器24進行還原，例如當內燃機10全負荷運行時。如果已經儲存有硝酸鹽形式的氮氧化物的nox存儲催化器24接觸到化學當量的廢氣，則所儲存的氮氧化物將發生解吸反應并且未轉化地離開nox存儲催化器24，因為這時不存在還原劑。這可能導致廢氣排放的增大，因此需要避免這種情況。如果內燃機10以化學當量的空燃比運行時，驅動單元42對調節元件28進行控制，使內燃機10的廢氣流通過旁路16并且經過布置在旁路內的第二三元催化器26。由此可以避免儲存在nox存儲催化器24中的硝酸鹽的解吸反應。這種第二運行狀態ii在圖6中緊接在第一運行狀態i之后示出。當在nox存儲催化器24部分加載的情況下，內燃機10以化學當量的空燃比運行的第二運行狀態ii持續如此長的時間，使得nox存儲催化器24的溫度低于溫度下限值tu(滅燈溫度)，則內燃機10將短暫地以不足化學當量的空燃比運行，這時廢氣引入主通道14，從而將nox存儲催化器24的溫度提高至溫度下限值以上。當nox存儲催化器24未加載時，可以通過內燃機10暫時以化學當量的空燃比運行避免nox存儲催化器24的冷卻。因為nox存儲催化器24未加載，因此不會發生硝酸鹽的解吸反應。

在第三運行狀態下實現nox存儲催化器24的還原。當nox存儲催化器24達到存儲極限時，需要對nox存儲催化器24進行還原，這可以通過布置在nox存儲催化器24下游的nox傳感器36測量nox濃度或者通過存儲在控制器38中的計算模型得到。為此內燃機10將以不足化學當量的空燃比運行，優選0.85＜λe＜0.95、尤其優選λe＝0.92。在內燃機10以不足化學當量的空燃比運行時，儲存在nox存儲催化器24中的硝酸鹽將重新分解為氮氧化物。這可以利用廢氣中存在的還原劑、尤其未燃燒的碳氫化合物、氫和一氧化碳。調節元件如此被調節，使得所有廢氣引入主通道14。nox存儲催化器24的還原優選地在較低的部分負載的范圍實現，從而在較小的氣流流量和較小的空速下進行nox存儲催化器24的還原。這可以提高轉化效率。如果在發動機較高負荷下運行時或切換至更高負荷時需要進行還原，則可以如上所述通過調節元件28將廢氣流導入旁路16。當內燃機10又切換至低負荷運行狀態時開始或繼續進行還原。當nox存儲催化器24的還原結束時，nox存儲催化器24可以重新進行存儲，這例如可以通過布置在nox存儲催化器24的下游的λ傳感器34探測到大量流動沖擊或通過存儲在控制器38中的計算模型確定。

在另外的本質上與運行狀態i相同的運行狀態iv下，在nox存儲催化器24完成還原之后，當內燃機10處于稀混合氣運轉時，nox存儲催化器24重新進行加載，或者在更高負荷時又切換至旁路16并通過兩個三元催化器22、26轉化有害的廢氣成分。

附圖標記列表

10內燃機

12廢氣通道

14主通道

16旁路

18分叉處

20匯合處

22(發動機附近的)第一三元催化器

24nox存儲催化器

26第二三元催化器

28調節元件