用於降低車輛內燃機的排氣中的NO_X含量的方法和設備的製作方法

2023-12-06 08:31:21 1

專利名稱：用於降低車輛內燃機的排氣中的NOX含量的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及根據獨立權利要求的前序部分所述的、用於降低車輛內燃機的排氣中的NOx含量的方法以及用於降低內燃機的排氣中的NOx含量的設備。
背景技術：
近年來，關於車輛的排放水平，已經呈現出一種更嚴格立法的趨勢。對於以汽油為動力的車輛來說，三元催化劑已經能夠使發動機在實際上沒有不期望排放的情況下運轉。然而，對於以柴油為動力的車輛或壓燃(Cl)式發動機來說，排放問題遠未得到解決。在氮氧化物NOx (例如NO和NO2)和微粒物質(例如碳煙)方面，CI式發動機存在固有的高排放水平，而一氧化碳(CO)和碳氫化合物(HC)的排放水平較低。此外，降低CI式發動機的、已經較低的HC和CO排放是相當容易的。CI式發動機的另一個固有特徵是燃料消耗低。然而，在燃料消耗和排放之間存在著眾所周知的折衷針對最大燃料經濟性進行調節的發動機將排放大量的NOx和少量的微粒物，而針對低的NOx排放進行調節的發動機將導致高的燃料消耗和高的微粒物排放。另一個眾所周知的現象是發動機轉速與微粒物排放之間的關聯。發動機轉速的降低通常會導致微粒物排放的減少，這只是因為以下事實即，微粒物將有更多的時間在燃燒室中燃燒。如今，為發動機排氣系統提供某種排氣後處理系統已經或多或少地成為一種工業標準，例如提供微粒捕集器、三元催化劑(用於汽油發動機)>Ν0χ捕集器的SCR(SCR =選擇性催化還原)。用於改善CI式發動機的性能和燃料消耗的一種常見方法是為該發動機提供渦輪增壓器。渦輪增壓器的功能是在與壓縮機相連的渦輪中，對排氣中含有的一部分能量進行回收，該壓縮機用於壓縮待進入發動機氣缸中的空氣。這使得在進氣衝程期間有更多空氣被引入氣缸中，這又使發動機能夠以每發動機工作容積提供更多的功率。回收排氣能量的另一種方法是使用所謂的渦輪複合機(turbo compound)。渦輪複合機類似於渦輪增壓器，但渦輪複合機的渦輪機連接到發動機的曲軸，而不是如渦輪增壓器的情形中那樣為對發動機進行增壓的壓縮機提供能量。從該渦輪機至曲軸的這種能量傳遞能夠以任何適當的方式實現，但兩種最常見的方式是在渦輪機和曲軸之間提供機械連接，或者為該渦輪機提供與電動機連接的發電機，該電動機連接到曲軸。此外，微粒物排放嚴重取決於噴射壓力，S卩柴油燃料噴射到燃燒室時的壓力。該噴射壓力越高，微粒物排放就越低。EP 1 036 270描述了能夠減少內燃機排放的NOx量的排氣後處理系統(EGR)以及與渦輪複合機串聯的渦輪增壓器。該渦輪複合機有利於提高排氣背壓，這能夠用於改善排氣再循環
發明內容
本發明的一個目的在於提供一種改進的、用於降低車輛內燃機的排氣中的NOx含量的方法，該方法允許實現發動機的低尾氣排放、非常低的HC、CO、NOx和微粒物排放、以及良好的燃料經濟性。另一目的在於提供一種改進的、用於降低車輛內燃機的排氣中的NOx 含量的設備。通過獨立權利要求的特徵實現了上述目的。其它權利要求和書面描述公開了本發明的有利實施例。根據本發明的第一方面，提出了一種用於降低車輛內燃機的排氣中的NOx含量的方法，該內燃機包括至少一個氣缸；進氣口，該進氣口用於供給空氣；排氣出口，該排氣出口用於將排氣排出到排氣後處理系統中，該排氣後處理系統用於減少所述內燃機的排放， 其中，排氣再循環裝置將排氣從內燃機的排氣出口供給到進氣口，並且，在該排氣出口下遊的排氣流中串聯的至少兩個能量吸收器吸收所述排氣的能量。通過在一定的轉速範圍內驅動內燃機以在所述排氣出口處產生熱的排氣，來實現使排氣過熱到第一溫度，其中該第一溫度足以驅動所述至少兩個能量吸收器，其中在所述至少兩個能量吸收器的下遊，排氣的溫度被確立為足以在所述排氣後處理系統中以大於80%的效率從排氣中去除NOx。在所述內燃機以良好的燃料消耗狀態運轉的同時，能夠使後處理系統(尤其是該後處理系統中的催化劑)在有利的溫度下運行。優選地，該發動機在可能的最低轉速下但又在較高負荷下運轉，以保持功率恆定。有利地，發動機效率在此區域中很高，尤其對於渦輪複合式發動機來說。較高的負荷升高了排氣溫度。優選地，通過用於提供給定的恆定功率和/或較低空氣剩餘量的較低發動機轉速以及較高負荷，能夠實現排氣的過熱。特別地，與在較高發動機轉速下的相同發動機功率相比，低的發動機轉速用於實現高的(「過熱的」)排氣溫度。優選地，至少在發動機的高負荷階段使用該方法。也能夠在內燃機的中等負荷階段應用該方法。所期望的轉速優選處於在排氣中產生高溫的低轉速值。優選地，能夠通過使用帶有動力換檔的機械式自動變速器來確立低的轉速，該機械式自動變速器是雙離合器變速器，其中在該雙離合器變速器中，當在該變速器的多個檔位之間換檔時，實際上不會發生任何的輸出功率損耗。有利地，能夠根據後處理系統下遊的NOx含量來改變該內燃機的轉速。能夠將該轉速調節為處於所述後處理系統的高效率範圍內。特別地，尤其能夠在較低負荷下降低發動機轉速以升高排氣溫度，這有利於SCR催化劑或SCR系統並且有利於微粒過濾器。較低的發動機轉速所引起的較高排氣溫度提高了驅動所述渦輪複合機的排氣能量。此外，能夠通過降低發動機轉速來減小發動機摩擦功。在高負荷下，通過具有兩級渦輪機膨脹(turbine expansion)，排氣溫度降低到處於後處理系統的高效率溫度範圍內。這有利地產生了用於排氣後處理系統的非常窄的溫度帶。特別地，在SCR失活的冷起動時，發動機能夠有利地在較高溫度下運轉，以便更好地驅動排氣再循環裝置來使發動機出口處的NOx排放保持較低。此問題的另一種解決辦法可以是使用傳統的排氣壓力調節器，以在冷起動時產生額外的排氣再循環裝置驅動壓力。可選地，能夠根據所述後處理系統的、預計的NOx轉換率來改變內燃機的轉速。有利地，對NOx含量進行測量和/或計算，以可靠地適當控制所述內燃機。特別地， 如果能夠使用帶有動力換檔的機械式自動變速器，則能夠使轉速保持足夠低。通過使該轉速保持較低，發動機將產生其溫度均勻、足夠高而處於特定溫度窗口內的排氣，並且，由於轉速低(即進氣量較低)，空速將較低。通過根據內燃機的轉速和所述至少兩個能量吸收器上遊的所需推進力和/或所需溫度來調節所述傳動單元的速度，能夠將內燃機的轉速選擇得足夠低，從而排氣溫度能夠保持足夠高的值。因此，能夠降低NOx含量。能夠通過調節該傳動單元的傳動檔位來改變該速度。有利地，通過使內燃機的轉速保持在SOOrpm至1500rpm之間的範圍內，優選保持在850rpm至1300rpm之間的範圍內，產生了足夠高的排氣溫度。優選地，該內燃機的轉速的變動能夠保持低於200rpm。優選地，通過將渦輪增壓器的排氣渦輪機和渦輪複合機的渦輪機串聯地使用來冷卻排氣，能夠將排氣溫度降低至有利於催化劑中的NOx轉換的期望溫度範圍。儘管當內燃機以非常低的速度運轉時排氣的溫度會升高，但所述至少兩個能量吸收器將排氣溫度降低至尤其有利於從排氣中去除NOx的有利溫度區間。該催化劑例如可以是SCR催化劑或NOx 吸收催化劑。優選地，排氣的溫度能夠被確立為至少330°C但不大於450°C的值。特別地， 排氣的溫度能夠被確立為至少350°C但不大於400°C的值。在這個溫度範圍內，SCR催化劑尤其能夠以非常高的NOx轉換效率、在最佳操作狀態下工作。特別地，通過將內燃機的低轉速、適當選擇的傳動比、以及在所述至少兩個能量吸收器中吸收排氣能量進行良好匹配地組合，該溫度範圍能夠被確立為處在用於排氣中的 NOx的選擇性催化還原(SCR)的最佳範圍內。優選地，與內燃機聯接的傳動單元具有非連續的檔位，當在這些檔位之間換檔時，能夠在這些檔位之間以推進力無損失或僅有微小損失的方式進行切換。有利地，供給到所述內燃機的燃料/空氣混合物的拉姆達值(lambda value)能夠確立為不大於1.4。優選地，能夠確立在1.2至1.4之間的拉姆達值。特別地，能夠通過使用渦輪複合機作為能量吸收單元來實現低的拉姆達值。具有渦輪增壓器單元的、用於內燃機的系統通常被稱為「渦輪複合機」系統，該渦輪增壓器單元布置成用於從排氣中提取一定量的能量並將該能量饋送回發動機，例如饋送到發動機曲軸。被饋送回發動機的能量也能夠饋送到與發動機聯接的發電機，或者在分體式設備中，該能量能夠饋送回發動機曲軸以及發電機。在內燃機的運轉期間，通過使用串聯布置的兩個渦輪機(渦輪增壓器和渦輪複合機)，在內燃機的排氣側實現了比其進氣側的壓力高的壓力。因此，在內燃機的效率未降低的情況下，獲得了足夠的推進壓力來將EGR氣體再循環到進氣歧管。由此，排氣中含有的能量的一部分被用作提供給曲軸的額外動力，而不是被引出到大氣中並因此損失掉。由於該渦輪複合機，減少了提供給內燃機的過量空氣的量，因此拉姆達值從通常較高的值(例如約1. 7)降低至1. 4或更低。該渦輪複合機有利地提高了內燃機的排氣背壓，這有利於EGR(排氣再循環)並允許在內燃機的空氣進氣口處使用高效率的渦輪增壓器。有利地，對於非常有效率的渦輪增壓器，排氣歧管與進氣歧管之間的壓力差並不驅動排氣再循環裝置。這通常能夠通過選擇具有較低效率的渦輪增壓器來解決。低效率意味著更大的壓降在排氣歧管中形成更高壓力，並且意味著進一步在進氣歧管中產生較低的壓力。 然而，在由於渦輪複合機引起的額外壓降下，排氣歧管中的壓力將會增加，並且利用高效率的渦輪增壓器，排氣再循環裝置也將更順暢。根據本發明的另一個方面，提供了一種用於執行上述方法的、用於降低內燃機的NOx排放的設備，該設備包括內燃機，該內燃機具有至少一個氣缸；進氣口，該進氣口用於供給空氣；排氣出口，該排氣出口用於將排氣排出到排氣後處理系統中，該排氣後處理系統用於降低內燃機的排放；排氣再循環裝置，該排氣再循環裝置將排氣從內燃機的排氣出口供給到進氣口 ；以及至少兩個能量吸收器，所述至少兩個能量吸收器在排氣出口下遊的排氣流中串聯。還設置有在內燃機與車輛的驅動軸之間聯接的傳動單元，該傳動單元允許內燃機的用於使排氣過熱的預定轉速；並且，在所述至少兩個能量吸收器中能夠吸收排氣能量，以根據內燃機的轉速來確立處於後處理系統中的NOx轉換的期望溫度範圍內的排氣溫度。特別地，與較高發動機轉速下的相同發動機功率相比，低的發動機轉速用於實現高的 (「過熱的」)排氣溫度。所述傳動單元的傳動是可變的，以允許內燃機轉速的預定的較窄速度範圍。優選地，能夠以850rpm至1500rpm之間的低轉速來驅動該內燃機。根據本發明的設備旨在用於內燃機，優選用於柴油發動機，尤其是重型車輛的柴油發動機，該內燃機具有至少一個氣缸；進氣口，該進氣口用於提供空氣；排氣出口，該排氣出口用於排出排氣；用於將排氣從所述出口再循環到所述進氣口以降低從發動機的有害排放(形式為C0、N0x及HC化合物)的另外的管線；可控閥，該可控閥布置在所述另外的管線中；以及渦輪增壓器單元，該渦輪增壓器單元包括第一能量吸收器和壓縮機，該第一能量吸收器用於從排氣中吸收能量，該壓縮機用於對空氣進行壓縮並將其送到所述進氣口中。 該設備海包括第二能量吸收器，該第二能量吸收器從排氣中吸收能量，布置在所述第一能量吸收器的下遊，用於在所述出口中形成比所述進氣口中的壓力高的壓力。對於排氣再循環裝置，在發動機的普通排氣出口與靠近發動機的新鮮空氣進氣口的點之間設置有獨立管線。在該管線中，布置有可控閥，該閥進一步連接到控制單元。根據現有的發動機運行狀況，尤其是針對其轉速及其負荷，該控制單元將確定所述閥的開度，即確定被再循環到發動機進氣口中的EGR氣體的量。然後，由於排氣口側壓力通常高於進氣口側壓力，所以一定量的EGR氣體將從發動機排氣口側進給到發動機進氣口側，由此為EGR 氣體產生自然的「推進壓力」。在具有EGR系統的柴油發動機與渦輪增壓器單元一起使用的情形中，對於大多數操作點而言，由於在渦輪增壓器的壓縮機之後(即在發動機進氣歧管的如下點處流入的新鮮空氣在該點被進給到發動機)存在比發動機排氣出口處更高的壓力，所以將產生一定問題。這反過來意味著將不可能進行EGR氣體的再循環，因為從發動機排氣口到發動機進氣口側將不存在任何自然的推進壓力。這樣，無EGR氣流能夠被噴射到發動機中。根據本發明的優選實施例，所述發動機能夠配備有EGR系統和用於從排氣中進一步提取能量並將該能量饋送到發動機曲軸和/或發電機的系統。這樣，保證了能夠在發動機排氣出口側形成所需的推進壓力，而不會降低發動機效率，因為通過從排氣中提取額外的能量並將該能量饋送回發動機，補償了被消弱的氣體交換。優選地，該傳動單元能夠包括帶有動力換檔的機械式自動變速器(AMT-PS)。還能夠採用雙離合器變速器，該雙離合器變速器被視為帶有動力換檔的自動變速器的子類。優選地，所述至少兩個能量吸收器中的一個能量吸收器能夠聯接到渦輪增壓器的壓縮機。有利地，所述至少兩個能量吸收器中的一個能量吸收器聯接到曲軸或電機中的一個。有利地，一個能量吸收器可以包含渦輪增壓器的渦輪機，另一個能量吸收器可以包含渦輪複合機的渦輪機。有利地，該後處理系統能夠包括用於降低排氣中的微粒(例如碳煙)含量的裝置。 該後處理系統能夠包括用於去除排氣中的NOx的裝置。有利地，這兩個裝置在排氣流中串聯布置。用於降低微粒含量的裝置能夠布置在用於去除NOx的裝置的上遊或下遊。在布置於上遊的情形中，排氣中的NOx能夠使用於降低微粒含量的裝置中的微粒物(例如碳煙) 和未燃燒的碳氫化合物氧化。此外，還能夠提供用於氧化排氣中的一種或多種成分的裝置， 特別是提供氧化催化劑。優選地，該設備能夠包括具有極低速換擋策略的、帶有動力換檔的機械式自動變速器(AMT-PQ，利用所述策略，車輛被換檔為在低於最大功率的發動機轉速下巡航。除了所提及的其它優點，由於足夠高的溫度，微粒過濾器能夠有利地被連續催化再生，並且因為尿素需要最低溫度來適當地發揮作用，所以能夠改進尿素基SCR催化劑或系統的操作。


從實施例的以下詳細描述中，可以最好地理解本發明以及上述及其它目的和優點，但本發明不限於這些實施例，其中圖1概略地示出了根據本發明的、包括排氣後處理系統的內燃機設備的第一實施例；圖2概略地示出了 NOx轉換效率相對於排氣溫度的特性曲線；並且圖3概略地示出了根據本發明的NOx轉換效率的、計算出的溫度相關特性與測量到的溫度相關特性之間的比較。在這些附圖中，相同或相似的元件由相同的附圖標記表示。這些附圖僅是概略性示意，並非旨在描繪本發明的具體參數。此外，這些附圖僅旨在描繪本發明的典型實施例， 因此不應視為限制本發明的範圍。
具體實施例方式圖1概略地示出了根據本發明的設備，該設備尤其能夠用於柴油機式內燃機。根據一個優選實施例，柴油發動機10旨在用於載重車輛中，並且例如包括六個氣缸11 (僅一個氣缸標有附圖標記)。然而，本發明不局限於氣缸的任何具體數目或任何具體的氣缸構造。以先前公知的方式，發動機10配備有進氣歧管12，空氣經由進氣管道90而被從大氣中進給到該進氣歧管12。所輸入的空氣然後分流到各個氣缸11。此外，燃料由相應數目的燃料噴射裝置(未示出)供給到氣缸11中，每個所述燃料噴射裝置均經由電連接件(未示出)而連接到中央控制單元(未示出)。該控制單元優選是基於計算機的，該控制單元能以公知的方式操作來控制每一個燃料噴射裝置，以便在每一次(each instant)都將適當的燃料/空氣混合物供給到發動機10。在發動機10的運行期間，該控制單元能操作成以如下方式來控制各個噴射裝置 即，使得供給到發動機10中的燃料/空氣混合物每一次都將適合於當前的運行狀況。由此，以基本上公知的方式來獲得燃料供給，即根據表示發動機10和相關車輛的運行狀態的大量參數來獲得燃料供給。例如，可以根據目前的節氣門位置以及發動機10的轉速和負荷來執行該控制。每個氣缸11均設置有排氣出口。這些排氣出口一起會聚成排氣歧管14，並延續到排氣管道42中。此排氣管道42經由渦輪增壓器單元50延伸，這樣的渦輪增壓器單元50基本是常規的。因此，該渦輪增壓器單元50包括壓縮機52和能量吸收單元M，該能量吸收單元M為渦輪機的形式，用於從排氣中吸收能量，該能量吸收單元M布置在排氣管道42中， 利用流經排氣管道42的排氣而旋轉並且驅動壓縮機52。該圖所示的實施例被設計成如下方式即，這些排氣出口結合到單個排氣管道42(稱為「單入口」)，作為該實施例的一種替代方案，這些排氣出口可以分組為兩組，從而使排氣導管由通向渦輪機M的兩個管道組成 (稱為「雙入口」)。渦輪機M布置在軸56上，壓縮機52同樣布置在該軸56上。渦輪機M從排氣流中吸收的能量被以此方式傳遞到壓縮機52，該壓縮機52的功能在於對空氣管道100中的流入空氣進行壓縮而送到發動機10的進氣管道12。以此方式，可以將更多量的燃料進給到發動機10中，由此能夠增加該發動機10的功率輸出。發動機10還配備有用於將一定量的排氣再循環到發動機10的進氣口側的設備。 根據本文開始部分所討論的內容，EGR系統80 ( 「排氣再循環裝置」)同樣也是先前公知的。 因此，根據該實施例，EGR管線82形式的、另外的管線在渦輪機M上遊的點處連接到排氣管道42。EGR管線82在發動機10的進氣歧管12上遊的點處匯合到進氣管道90中。沿著 EGR管線82，布置有可控閥(未示出)，該可控閥經由另外的連接件(未示出)連接到所述控制單元。在可替代的另一實施例中，能夠提供一種長路線EGR系統，其中排氣並非在渦輪機M的上遊和壓縮機52的下遊被再循環，而是在壓縮機52的上遊和渦輪機M的下遊被再循環。所述控制單元能夠根據當前的運行狀況而操作，以將上述閥調節到閉合位置、打開位置或部分打開位置。因此，根據該閥的位置，相應量的排氣將經由EGR管線82而再循環到進氣歧管12。通過使這些EGR氣體再循環到進氣歧管12，在各個氣缸11中實現了燃燒期間的溫度降低，由此減少了氣缸11中的NOx的產生。各個氣缸11中的NOx的產生是與溫度相關的，因此，希望儘可能地降低進入發動機10中的氣體(即包括空氣和再循環的EGR氣體)的溫度。為此，EGR管線82設置有冷卻器84，該冷卻器84的功能在於冷卻被再循環到進氣歧管12的EGR氣體。為此，冷卻器84 包括環路86，適當的冷卻劑循環通過該環路86。優選地，該冷卻劑是用於發動機10的普通冷卻劑，但空氣也可以用於這種冷卻。藉助於該冷卻器84，EGR氣體能夠冷卻，這進一步有助於減少NOx化合物的產生量。進氣管道90配備有另一個冷卻器(未示出)(也稱為「中冷器」)，該冷卻器用於冷卻由壓縮機52供給的壓縮空氣。這也有助於減少發動機10中產生的NOx化合物的量。 該第二冷卻器優選布置成利用空氣來進行冷卻。第二渦輪機60用於從排氣中吸收能量。第二渦輪機60是渦輪複合機的一部分。 因此，離開發動機10並從第一渦輪機M中經過的排氣還被進給通過第二渦輪機60，然後使該第二渦輪機60旋轉。為此，第二渦輪機60以可旋轉方式布置在另外的軸72上。在已經將排氣能量的一部分傳遞到第二渦輪機60之後，優選在該排氣經過後處理系統40之後利用消音器(未示出)將排氣引出到大氣中。在一個示例性實施例中，軸72驅動發電機70，該發電機70經由電壓轉換器74向電機20提供電能。通過將離合器18致動或停用，該電機20能夠連接到內燃機10的輸出軸16或與輸出軸16斷開。此外，第二渦輪機60能夠經由未示出的動力傳動裝置而連接到發動機10的輸出曲軸(未示出)。該動力傳動裝置優選是機械式的，其包括將軸72與曲軸(未示出)連接的齒輪傳動裝置。此外，該動力傳動裝置還設置有齒輪減速器，以將第二渦輪機60的轉速轉換成適合於曲軸的轉速。以此方式，在第二渦輪機60和曲軸之間傳遞動力，S卩，能夠從排氣流中重新獲得一定量的燃燒氣體能量，並且該能量用作給曲軸的額外動力。還能夠在曲軸和電機20之間分配由排氣提供給渦輪機60的動力。有利地，後處理系統40包括如下單元中的至少一個用於減少排氣中的微粒物質的單元44 ；或用於轉換NOx的單元46 (尤其是SCR催化劑)。該NOx轉換單元46能夠布置在單元44的上遊或下遊。該單元44可以是抑制碳煙微粒的微粒過濾器，和/或是用於使未燃燒的碳氧化的氧化催化劑。優選地，內燃機10的轉速低於1500rpm，尤其在850rpm至1500rpm之間。特別地， 內燃機10以實際上恆定的轉速運轉。通過將內燃機10與撓性傳動裝置一起使用，允許與排氣溫度和/或NOx轉換效率相關地優化該發動機的轉速。該內燃機的轉速越低，則排氣歧管14中的排氣溫度越高。低的轉速不僅導致高的排氣溫度，而且導致低的碳煙形成，並且還導致提供給進氣歧管12的空氣流減少。由於空氣較少，該低拉姆達燃燒還使得經過單元44和單元46時的空速低，這能夠提高上述催化系統的效率。在所述渦輪複合機的下遊但在NOx轉換單元46的上遊，排氣溫度能夠被確立在 200°C至400°C的範圍內，優選在250°至380°C的範圍內，該NOx轉換單元46尤其可以是 SCR催化劑。在300°C至400°C的溫度範圍內，該SCR催化劑產生了 SCR催化劑的η >80% 的效率。這個範圍對於新鮮的SCR催化劑和老化的SCR催化劑來說是有利的。圖2描繪了多種稀燃NOx後處理系統的、作為溫度的函數的轉換效率的一般特性。 在低溫以及高溫下，轉換效率都低，這由在低溫和高溫區域處以虛線繪出的圓LO來表示。 在大約200°C至400°C之間的中等溫度範圍內，能夠實現最佳效率，這由在中等溫度區域處以虛線繪出的圓HI來表示。通過在低轉速下驅動該內燃機10，兩個能量吸收器M、60下遊的排氣溫度能夠保持遠高於250°C，其中，渦輪複合機的渦輪機60以及渦輪增壓器50的兩級膨脹使得第二能量吸收器60的輸出溫度很好地保持在由圖2所示的圓HI表示的溫度窗口內，該溫度低於排氣歧管14處的排氣溫度。該渦輪複合機的能量回收由於更高的排氣溫度而顯著增加。 內燃機10的較低轉速使得離開該內燃機的排氣中的碳煙含量較低，這意味著對於該內燃機中的燃燒來說，較低的拉姆達λ是可能的，從而利用該渦輪複合機產生了更高的排氣溫度和更好的發動機效率。該λ的範圍可以在1.2至1.4之間，而不是傳統上更高的最高達 1. 7的值。通過在SCR催化劑處提供更高的效率η，內燃機10能夠針對離開該內燃機的排氣中的更高NOx含量來進行優化，由此提供微粒過濾器(DPF)的更好再生以及更好的效率。 該微粒過濾器中的微粒物質能夠被排氣中的NOx氧化。在此情形中，所述單元44優選布置在所述單元46的上遊。
對於該微粒過濾器的被動再生來說，溫度T > 300°C是有利的。對於所述SCR催化劑，該溫度應優選低於380°C，即T < 380°C。內燃機10的具有非常低轉速的低速策略改善了排氣的空速，尤其是降低了該空速，並且潛在地減少了 NOx通過催化劑單元46的逸出。圖3示出了作為該排氣後處理系統(EATS)的溫度的函數的、用作後處理系統40 中的單元46的SCR催化劑中的NOx還原效率的、如點A所示的測量值以及如曲線C所示的模擬曲線。該測量值能夠被範化，以產生點B所示的規範值。模擬曲線C良好地擬合這些規範值B。通過與作為傳動單元30的、帶有動力換檔的機械式自動變速器相結合地使用內燃機10的低轉速以提高排氣歧管14處的排氣溫度，以及與渦輪複合機相結合地使用渦輪增壓器50來降低排氣溫度，能夠在期望的溫度範圍內確立高達80%的NOx還原效率。對於新的系統來說，即使在適當更高的溫度下，該效率也很高。如果該系統已老化，則高溫下的效率可能降低。
權利要求
1.一種用於降低車輛內燃機(10)的排氣中的NOx含量的方法，所述內燃機(10)包括 至少一個氣缸(11)；進氣口(12)，所述進氣口(12)用於供給空氣；排氣出口(14)，所述排氣出口(14)用於將排氣排出到排氣後處理系統GO)中，所述排氣後處理系統GO)用於減少所述內燃機(10)的排放，其中，排氣再循環裝置(80)將排氣從內燃機(10)的所述排氣出口(14)供給到所述進氣口(14)，並且，在所述排氣出口(14)下遊的排氣流中串聯的至少兩個能量吸收器(54、60)吸收所述排氣的能量，其特徵在於，通過在一定的轉速範圍內驅動所述內燃機(10)以在所述排氣出口(14)處產生熱的排氣，來使所述排氣過熱到第一溫度，其中所述第一溫度足以驅動所述至少兩個能量吸收器(54、60)，其中在所述至少兩個能量吸收器64、60)的下遊，所述排氣的溫度被確立為足以在所述排氣後處理系統GO)中以大於80%的效率從所述排氣中去除NOx。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，根據所述後處理系統GO)下遊的NOx含量來改變所述內燃機(10)的轉速。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，根據所述後處理系統00)的預計的 NOx轉換率來改變所述內燃機(10)的轉速。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特徵在於，根據所述內燃機(10)的轉速和/或根據所述至少兩個能量吸收器( ，60)上遊的所需溫度來調節傳動單元(30)的傳動檔位。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，使所述內燃機(10)的轉速保持在800rpm至1500rpm之間的範圍內，優選保持在850rpm至1300rpm之間的範圍內。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，使所述內燃機(10)的轉速的變動保持低於200rpm。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述兩個能量吸收器(54， 60)下遊的排氣溫度被確立在一定的溫度範圍內，所述溫度範圍處於在所述排氣後處理系統G0)的NOx還原催化劑06)中還原NOx的最佳範圍內。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述排氣的溫度被確立為至少330°C但不大於450°C的值，優選被確立為至少350°C但不大於400°C的值。
9.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，供給到所述內燃機(10)中的燃料/空氣混合物的拉姆達比(λ )被確立為不大於1. 4。
10.一種執行根據前述權利要求中的任一項所述的方法的、用於降低內燃機(10)的 NOx排放的設備，所述設備包括內燃機(10)，所述內燃機(10)具有至少一個氣缸(11)；進氣口(12)，所述進氣口(12)用於供給空氣；排氣出口(14)，所述排氣出口(14)用於將排氣排出到排氣後處理系統G0)中，所述排氣後處理系統G0)用於減少所述內燃機(10)的排放；排氣再循環裝置(80)，所述排氣再循環裝置(80)將排氣從內燃機(10)的所述排氣出口(14)供給到所述進氣口(14)；以及至少兩個能量吸收器(54，60)，所述至少兩個能量吸收器( ，60)在所述排氣出口(14)下遊的排氣流中串聯，其特徵在於，(a)傳動單元(30)，所述傳動單元(30)聯接在所述內燃機(10)和車輛的驅動軸(16) 之間，所述傳動單元(30)允許所述內燃機(10)的用於使排氣過熱的預定轉速；和(b)在所述至少兩個能量吸收器(54，60)中能夠吸收排氣能量，以根據所述內燃機 (10)的轉速來確立處於所述後處理系統G0)中的NOx轉換的期望溫度範圍內的排氣溫度。
11.根據權利要求10所述的設備，其特徵在於，所述內燃機(10)的轉速能夠被確立在850rpm 至 1500rpm 之間。
12.根據權利要求10或11所述的設備，其特徵在於，所述至少兩個能量吸收器中的一個能量吸收器(54)聯接到渦輪增壓器(50)。
13.根據權利要求10至12中的任一項所述的設備，其特徵在於，所述至少兩個能量吸收器中的一個能量吸收器(60)聯接到曲軸或電機(70)中的一個。
14.根據權利要求10至13中的任一項所述的設備，其特徵在於，所述傳動單元(30)是帶有動力換檔的自動變速器。
15.根據權利要求14所述的設備，其特徵在於，所述傳動單元(30)是無級變速傳動單兀。
16.根據權利要求10至15中的任一項所述的設備，其特徵在於，所述後處理系統GO) 包括用於降低排氣中的微粒含量的裝置G4)。
17.根據權利要求10至16中的任一項所述的設備，其特徵在於，所述後處理系統GO) 包括用於降低排氣中的氮氧化物(NOx)含量的裝置06)。
18.根據權利要求10至17中的任一項所述的設備，其特徵在於，所述內燃機(10)是柴油發動機。
19.一種用於降低車輛內燃機的排氣中的NOx含量的方法，所述內燃機包括至少一個氣缸；進氣口，所述進氣口用於供給空氣；排氣出口，所述排氣出口用於將排氣排出到排氣後處理系統中，所述排氣後處理系統用於減少所述內燃機的排放，其中，排氣再循環裝置將排氣從內燃機的所述排氣出口供給到所述進氣口，並且，在所述排氣出口下遊的排氣流中串聯的至少兩個能量吸收器吸收所述排氣的能量，其中，通過在一定的轉速範圍內驅動所述內燃機以在所述排氣出口處產生熱的排氣，來使所述排氣過熱到第一溫度，其中所述第一溫度足以驅動所述至少兩個能量吸收器，其中在所述至少兩個能量吸收器的下遊，所述排氣的溫度被確立為足以在所述排氣後處理系統中以大於80%的效率從所述排氣中去除 NOx。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，根據所述後處理系統的預計的NOx轉換率來改變所述內燃機的轉速。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，根據所述內燃機的轉速和/或根據所述至少兩個能量吸收器上遊的所需溫度來調節傳動單元的傳動檔位。
22.根據權利要求19所述的方法，其中，使所述內燃機的轉速保持在SOOrpm至 1500rpm之間的範圍內，優選保持在850rpm至1300rpm之間的範圍內。
23.根據權利要求19所述的方法，其中，使所述內燃機的轉速的變動保持低於200rpm。
24.根據權利要求19所述的方法，其中，所述兩個能量吸收器下遊的排氣溫度被確立在一定的溫度範圍內，所述溫度範圍處於在所述排氣後處理系統的NOx還原催化劑中還原 NOx的最佳範圍內。
25.根據權利要求19所述的方法，其中，所述排氣的溫度被確立為至少330°C但不大於 450°C的值，優選被確立為至少350°C但不大於400°C的值。
26.根據權利要求19所述的方法，其中，供給到所述內燃機中的燃料/空氣混合物的拉姆達比被確立為不大於1.4。
27.一種執行根據前述權利要求中的任一項所述的方法的、用於降低內燃機(10)的NOx排放的設備，所述設備包括內燃機，所述內燃機具有至少一個氣缸；進氣口，所述進氣口用於供給空氣；排氣出口，所述排氣出口用於將排氣排出到排氣後處理系統中，所述排氣後處理系統用於減少所述內燃機的排放；排氣再循環裝置，所述排氣再循環裝置將排氣從內燃機的所述排氣出口供給到所述進氣口 ；以及至少兩個能量吸收器，所述至少兩個能量吸收器在所述排氣出口(14)下遊的排氣流中串聯，其中，(a)傳動單元設置成聯接在所述內燃機和車輛的驅動軸之間，所述傳動單元允許所述內燃機的用於使排氣過熱的預定轉速；並且(b)在所述至少兩個能量吸收器中能夠吸收排氣能量，以根據所述內燃機的轉速來確立處於所述後處理系統中的NOx轉換的期望溫度範圍內的排氣溫度。
28.根據權利要求27所述的設備，其中，所述內燃機的轉速能夠被確立在850rpm至 1500rpm 之間。
29.根據權利要求27所述的設備，其中，所述至少兩個能量吸收器中的一個能量吸收器聯接到渦輪增壓器。
30.根據權利要求27所述的設備，其中，所述至少兩個能量吸收器中的一個能量吸收器聯接到曲軸或電機中的一個。
31.根據權利要求27所述的設備，其中，所述傳動單元是帶有動力換檔的自動變速器。
32.根據權利要求31所述的設備，其中，所述傳動單元是無級變速傳動單元。
33.根據權利要求27所述的設備，其中，所述後處理系統包括用於降低排氣中的微粒含量的裝置。
34.根據權利要求27所述的設備，其中，所述後處理系統包括用於降低排氣中的氮氧化物含量的裝置。
35.根據權利要求27所述的設備，其中，所述內燃機是柴油發動機。
全文摘要
本發明涉及一種用於降低車輛內燃機(10)的排氣中的NOx含量的方法和設備，該內燃機(10)包括至少一個氣缸(11)；用於供給空氣的進氣口(12)；排氣出口(14)，該排氣出口(14)用於將排氣排出到用於減少內燃機(10)的排放的排氣後處理系統(40)中，其中，排氣再循環裝置(80)將排氣從內燃機(10)的排氣出口(14)供給到進氣口(14)，並且在排氣出口(14)下遊的排氣流中串聯的至少兩個能量吸收器(54、60)吸收排氣的能量。通過在一定的轉速範圍內驅動內燃機(10)以在排氣出口(14)處產生熱排氣，來使排氣過熱到第一溫度，其中該第一溫度足以驅動所述至少兩個能量吸收器(54、60)，其中在所述至少兩個能量吸收器(54、60)的下遊，排氣的溫度被確立為足以在排氣後處理系統(40)中以大於80％的效率從排氣中去除NOx。
文檔編號F01N5/02GK102216593SQ200880132013
公開日2011年10月12日 申請日期2008年11月19日 優先權日2008年11月19日
發明者彼得·約饒, 阿爾內·安德松 申請人:沃爾沃拉斯特華格納公司