用于尾气后处理的方法和用于清洁内燃机的尾气的设备

摘要

本发明公开一种用于内燃机(10)的尾气后处理的方法和设备，所述内燃机包括尾气通道(12)、布置在所述尾气通道(12)中的第一三元催化器(14)、沿尾气的流动方向后接的颗粒过滤器(18、18′)和沿尾气的流动方向布置在颗粒过滤器(18、18′)之前的用于向尾气通道(12)二次空气进气的器件(20)，其中，沿尾气的流动方向在用于二次空气进气的器件(20)与颗粒过滤器(18、18′)之间在尾气通道(12)中布置第二三元催化器(16)或者颗粒过滤器(18′)具有三元催化涂层，所述方法包括以下步骤：内燃机(10)以化学计量的燃烧空气比运行；检测布置在内燃机(10)的尾气通道(12)中的颗粒过滤器(18)的负载状态；根据需要，通过将用于内燃机(10)的可燃混合物调节为浓的并且通过向尾气通道(12)中通入二次空气来将尾气温度提高至颗粒过滤器(18)的再生温度，从而在颗粒过滤器(18、18′)的加热阶段在第二三元催化器(16)中或者在经催化涂层处理的颗粒过滤器(18′)中使浓的燃烧尾气通过二次空气放热地氧化；和内燃机(10)在颗粒过滤器(18、18′)的再生阶段过程中利用浓的或化学计量的混合物运行。

权利要求

1.一种用于内燃机(10)的尾气后处理的方法，所述内燃机包括尾气通道(12)、布置在所述尾气通道(12)中的第一三元催化器(14)、沿尾气的流动方向后接的颗粒过滤器(18、

18′)和沿尾气的流动方向布置在颗粒过滤器(18、18′)之前并且布置在第一三元催化器(14)之后的、用于向尾气通道(12)二次空气进气的器件(20)，其中，沿尾气的流动方向在用于二次空气进气的器件(20)与颗粒过滤器(18、18′)之间在尾气通道(12)中布置第二三元催化器(16)或者所述颗粒过滤器(18′)具有三元催化涂层，所述方法包括以下步骤：-内燃机(10)以化学计量的燃烧空气比运行；

-检测布置在内燃机(10)的尾气通道(12)中的颗粒过滤器(18、18′)的负载状态；

-当所述负载状态需要对颗粒过滤器(18、18′)进行再生时，通过至少短时地将用于内燃机(10)的可燃混合物调节为浓的并且通过至少短时地向尾气通道(12)中通入二次空气来将尾气温度提高至颗粒过滤器(18、18′)的再生温度，从而在颗粒过滤器(18、18′)的加热阶段在第二三元催化器(16)中或者在经催化涂层处理的颗粒过滤器(18′)中使浓的燃烧尾气通过二次空气被放热地氧化，和-内燃机(10)在颗粒过滤器(18、18′)的再生阶段过程中利用浓的或化学计量的混合物运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，内燃机(10)在颗粒过滤器(18、18′)的加热阶段的过程中以浓的混合物运行，并且在颗粒过滤器(18、18′)的再生阶段的过程中以化学计量的混合物运行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在加热阶段中，通过二次空气进气在尾气通道(12)中在第二三元催化器(16)或经催化涂层处理的颗粒过滤器(18′)的入口之前设置化学计量的混合空气比，并且在再生阶段中，设置超化学计量的混合空气比。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，为了颗粒过滤器(18、18′)的再生，在加热阶段与再生阶段之间交替地多次切换。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在加热阶段的过程中以及在再生阶段的过程中，第一或第二三元催化器(14、16)或者说第一三元催化器(14)或经催化涂层处理的颗粒过滤器(18′)分别以化学计量的燃烧空气比或混合空气比运行。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，内燃机在颗粒过滤器(18、18′)的加热阶段的过程中并且在再生阶段的过程中以浓的混合物运行，其中，在这两个阶段中输入这样数量的二次空气，使得在颗粒过滤器(18、18′)的入口处的混合空气比具有足够大的过量氧气，并且使颗粒过滤器(18、18′)中的烟尘被氧化。

7.一种用于净化内燃机(10)的尾气的设备，所述内燃机带有尾气通道(12)、布置在所述尾气通道(12)中的第一三元催化器(14)、沿尾气的流动方向后接的颗粒过滤器(18、

18′)、和沿尾气的流动方向布置在所述颗粒过滤器(18、18′)之前并且布置在第一三元催化器(14)之后的用于向尾气通道(12)二次空气进气的器件(20)，其特征在于，沿尾气的流动方向在用于二次空气进气的器件(20)与颗粒过滤器(18、18′)之间在尾气通道(12)中布置有第二三元催化器(16)或者所述颗粒过滤器(18′)具有三元催化涂层，并且所述设备设计用于实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，用于二次空气进气的器件(20)包括二次空气阀(22)。

9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，用于二次空气进气的器件(20)包括二次空气管路(24)，所述二次空气管路使压缩机(28)与内燃机(10)之间的空气管路区段(26)与尾气通道(12)相连。

10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，在尾气通道(12)中，沿尾气穿过尾气通道(12)的流动方向在第二三元催化器(16)与颗粒过滤器(18、18′)之间或沿流动方向在颗粒过滤器(18、18′)之后布置λ传感器(32)。

说明书

用于尾气后处理的方法和用于清洁内燃机的尾气的设备

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于内燃机的尾气后处理的设备以及一种用于尾气后处理设备的再生的方法。

背景技术

[0002] 不断严格化的尾气规定对车辆制造商提出了更高的要求，所述要求通过相应的用于还原发动机的原始排放的措施并且通过相应的尾气后处理解决。随着下一个立法阶段EU6标准的引入，针对汽油机规定了颗粒数的极限值。可以通过使用汽油机颗粒过滤器来确保遵守该极限值。在行驶运行过程中，这种汽油机颗粒过滤器受到烟尘的加载。为了不使尾气被压明显上升，该汽油机颗粒过滤器必须持续地或者周期性地再生。为了使被汽油机颗粒过滤器回收的烟尘与氧气发生热力学氧化，必须使足够高的温度水平与同时现存于汽油机的尾气设备中的氧气相结合。因为现代的柴油发动机通常在没有过剩氧量的情况下以化学计量(或称为当量)燃烧空气比(λ＝1；λ亦称“过量空气系数”)运行，对此需要附加措施。对此的措施例如考虑柴油发动机的短时的稀薄调整(Magerverstellung)或向尾气设备输入二次空气。迄今优选使用汽油机的稀薄调整，因为该方法不需要使用额外的部件并且在汽油发动机的大多数工作点上可以输送充足的氧气量。然而所述稀薄调整的弊端在于，在发动机的稀薄调整的过程中一氧化氮不能通过三元催化剂被充分地转化。

[0003] 由文献DE 103 61 791 A1已知一种用于尾气后处理的设备，所述设备具有氮氧化合物存储催化器和颗粒过滤器，其中，为了使氮氧化合物存储催化器再生而使内燃机混合比浓地运行，并且在氮氧化合物存储催化剂与颗粒过滤器之间向尾气通道吹入二次空气。通过这种方式，同时实现了颗粒过滤器的再生。

[0004] 由文献DE 10 2010 046 747 A1已知一种尾气后处理设备和尾气后处理方法，其中，为了颗粒过滤器的再生，流入颗粒过滤器中的空气比可选地在浓的与稀薄之间摆动。

[0005] 已知的设备和方法具有的弊端在于，在再生时至少阶段性地不实施完全的尾气净化，并且由此使得排放的尾气在经过颗粒过滤器的过程中升高。

发明内容

[0006] 本发明当前所要解决的技术问题在于，提供一种方法和设备，利用所述方法和设备不仅能实现用于颗粒过滤器再生的足够高的温度水平，而且还能够在颗粒过滤器的再生过程中使有害物质排放保持得尽可能低。

[0007] 所述技术问题通过一种用于内燃机、尤其汽油发动机的尾气后处理的方法解决，并且通过一种用于实施所述方法的设备解决。

[0008] 根据本发明提供了一种用于内燃机、尤其汽油发动机的尾气后处理的方法，所述内燃机包括尾气通道、布置在所述尾气通道中的第一三元催化器、沿尾气的流动方向后接的颗粒过滤器和沿尾气的流动方向布置在颗粒过滤器之前的用于向尾气通道二次空气进气的器件，其中，沿尾气的流动方向在用于二次空气进气的器件与颗粒过滤器之间在尾气通道中布置第二三元催化器或者颗粒过滤器具有三元催化涂层，所述方法包括以下步骤：

[0009] - 内 燃 机 以 化 学 计 量 ( 或 称 为 化 学 当 量 ) 的 燃 烧 空 气 比 (；亦称混合空气比)运行；

[0010] -检测布置在内燃机的尾气通道中的颗粒过滤器的负载状态；

[0011] -当所述负载状态需要对颗粒过滤器进行再生时，通过至少短时地将用于内燃机的可燃混合物调节至浓的(fett)并且通过至少短时向尾气通道中通入二次空气来将尾气温度提高至颗粒过滤器的再生温度，从而在颗粒过滤器的加热阶段在第二三元催化器中或者在经催化涂层处理的颗粒过滤器中使浓的燃烧尾气被放热氧化，和

[0012] -内燃机在颗粒过滤器的再生阶段的过程中利用浓的或化学计量的混合物运行。

[0013] 通过根据本发明的方法，颗粒过滤器可以加热到再生温度，并且随后再生，而不会在颗粒过滤器的加热阶段或在颗粒过滤器的再生阶段使至少一个三元催化部件的净化作用受到不利影响。

[0014] 针对被设计为汽油发动机的内燃机，颗粒过滤器可以设计为汽油机颗粒过滤器并且被称为汽油机颗粒过滤器。

[0015] 通过在从属权利要求中所实施的措施，可以实现在独立权利要求中所给出的方法的扩展和改进。

[0016] 应该理解的是，概念“加热阶段”和“再生阶段”所指的状态不一定非得在时间上依次先后发生，而是也可以同时存在。

[0017] 此外应该理解的是，颗粒过滤器的触发再生的负载状态可以不同参数的方式被确定，只要所述参数提供了关于负载的直接或间接的报告。例如负载状态可以通过颗粒过滤器的上游和下游的压差测量测得。作为备选，根据内燃机的适当的运行参数、例如当前载荷和转速模拟负载状态。当负载状态超过预定的阈值时，就有必要进行再生。

[0018] 根据所述方法的优选扩展方式规定，内燃机在颗粒过滤器的加热阶段的过程中利用浓的混合物运行，并且在颗粒过滤器的再生阶段的过程中以化学计量的燃烧空气比(λ＝1)运行。因为内燃机仅在加热阶段的过程中偏离化学计量燃烧空气比，而且利用浓的混合物运行(λ＜1)，可以将原始排放保持得较低。此外，存在于尾气中的还原剂(碳水化合物HC、一氧化碳CO、氢气H2)的份额通过第二三元催化器或催化式颗粒过滤器之前的二次空气发生放热氧化，由此得到所期望的尾气温度上升，并且另一方面还在第二三元催化器的入口具有最大限度符合化学计量的混合空气比例，从而使第二三元催化器/催化式颗粒过滤器能够有效地限制尾气中的有害物质。

[0019] 在根据本发明的方法中规定为有利的是，在加热阶段中，通过二次空气进气在尾气通道中在第二催化器或经催化涂层处理的颗粒过滤器的入口之前设置化学计量的混合空气比，并且在再生阶段中设置超化学计量 的混合空气比(稀薄，λ＞1)。由此可以提高尾气中的氧气含量，从而通过相应的对在颗粒过滤器中回收的烟尘的氧化可靠且受控地实现颗粒过滤器的再生。

[0020] 根据另一种优选的改进方式规定，为了进行颗粒过滤器的再生，在加热阶段与再生阶段之间多次交替转换。由此可以确保的是，一方面在颗粒过滤器的再生过程中不会导致颗粒过滤器的过热和烧穿，并且另一方面避免温度下降到再生温度以下。这优选地通过恒定的二次空气进气和内燃机化学计量和浓的交替运行实现。由此，在内燃机的化学计量的时间间隔中通过二次空气实现稀薄的混合空气比，并且在浓的(低化学计量)时间间隔中实现化学计量的混合空气比。加热阶段和再生阶段的相对长度可以选择为等长或不等长的，优选在时间上是等长的。

[0021] 此外有利地规定，在加热阶段过程中以及再生阶段过程中，分别以化学计量的燃烧空气比或混合空气比加载第一和第二三元催化器或第一三元催化器或经催化涂层处理的颗粒过滤器。由此能够在内燃机的每个运行状态下始终确保有效的尾气净化。

[0022] 根据所述方法的备选改进方式规定，内燃机在颗粒过滤器的加热阶段过程中并且在再生阶段过程中利用浓的混合物运行，其中，在这两个阶段中通入这样数量的二次空气，使得颗粒过滤器的入口处的混合空气比足够稀薄，也就是说具有足够多的过剩氧气，并且氧化颗粒过滤器中的烟尘。在该实施例中，加热阶段和再生阶段同时发生。通过内燃机的浓混合比可以实现较低的一氧化氮的原始排放。然而由于这两个三元催化器中的每一个和经催化涂层处理的颗粒过滤器都没有以化学计量的燃烧空气比或化学计量的混合空气比运行，可能会出现一氧化氮滑脱(Stickoxid-Schlupf)，而一氧化氮滑脱同样也可以通过其他尾气后处理设备、尤其氮氧化物存储催化器被消除。

[0023] 根据本发明还规定了一种用于内燃机、尤其汽油发动机的尾气净化的设备，所述内燃机带有尾气通道、布置在所述尾气通道中的第一三元催化器、沿尾气的流动方向后接的颗粒过滤器和沿尾气的流动方向布置在该颗粒过滤器之前的用于向尾气通道进行二次空气进气的器件，其中，沿尾气的流动方向在用于二次空气进气的器件与颗粒过滤器之间具布置了第二三元催化器，或者颗粒过滤器具有三元催化涂层，并且所述设备设计用于实施根据本发明的方法。由此在内燃机的运行状态下(在该运行状态下，进行在内燃机中的混合物的浓稠化用于通过在第二催化器上的二次空气进气加热尾气)而设置化学计量的混合空气比并且由此通过第二三元催化部件实现有效的尾气净化。在内燃机的运行状态下(在所述运行状态下，内燃机已经以化学计量的燃烧空气比运行并且以已经通过第一三元催化器实现有效的尾气净化)可以在第二三元催化部件之前输入二次空气，以便为在颗粒过滤器中回收的烟尘的氧化提供氧气，并且由此实现颗粒过滤器的再生。由此确保了，这两个三元催化部件中至少始终有一个以化学计量的混合空气比运行，并且通过这两个三元催化部件中的一个对尾气进行有效的净化。还可行的是，在内燃机的另一种运行状态下，内燃机以化学计量的混合空气比运行，并且不置入二次空气。在该运行状态下，两个三元催化部件以化学计量混合空气比运行。

[0024] 根据一种有利的改进方式规定，用于二次空气进气的器件包括二次空气阀。通过二次空气阀可以调节第一三元催化器与第二三元催化部件之间的空气输入。由此能够以简单且舒适的方式，调整在尾气通道中二次空气阀下游、尤其在第二三元催化器和/或颗粒过滤器上的混合空气比。由此可以通过第二三元催化部件实现尾气净化或控制颗粒过滤器的再生。尤其可以通过关闭二次空气阀抑制过高的氧气浓度并且由此抑制在颗粒过滤器中烟尘不受控的燃烧，否则不受控的燃烧会导致颗粒过滤器的损毁。

[0025] 另一种优选的改进方式在于，用于二次空气进气的器件包括二层空气管路，所述二次空气管路将压缩机与内燃机之间的空气管路区段与尾气通道相连。通过压缩机可以将空气压缩至高于在尾气通道中第一三元催化器下游的压力。由此可以不必为了二次空气进气而需要额外的用于压缩空气的压缩机。

[0026] 根据优选的实施方式规定，沿尾气穿过尾气通道的流动方向在第二三元催化器与颗粒过滤器之间或沿所述流动方向在颗粒过滤器之后，在尾气通道中布置有λ传感器。通过λ传感器检测尾气中的氧含量，并且将二次空气进气调节至混合空气比，以便调节颗粒过滤器的加热和/或颗粒过滤器的再生。

[0027] 本发明其他的优选设计方式由其余在从属权利要求中规定的技术特征给出。

[0028] 只要未在个别情况中另作说明，那么本发明在该申请中所提到的多种实施方式都可以有利地相互结合。

[0029] 内燃机优选为机动车、尤其轿车的驱动装置的部件。所述驱动装置可以是混合驱动装置，其具有多个带有彼此不同的驱动能量源的部件。

附图说明

[0030] 以下借助附图根据实施例对本发明进行更详尽的阐述。在附图中：

[0031] 图1示出内燃机的一种实施方式，其带有根据本发明的用于净化内燃机的尾气的设备；

[0032] 图2示出内燃机的备选实施方式，其带有根据本发明的用于净化内燃机的尾气的设备；

[0033] 图3示出根据本发明的用于颗粒过滤器的再生的实施方式的视图；

[0034] 图4示出根据本发明的用于颗粒过滤器的再生的备选实施方式的视图。

具体实施方式

[0035] 图1示出内燃机10，其呈通过涡轮增压器30加载的汽油发动机的形式，所述内燃机带有供气系统50并带有尾气通道12。供气系统50包括空气过滤器42、吸气管道36、压缩机28、节气门38和增压空气冷却器40。在尾气通道12中沿内燃机10的尾气的流动方向布置有涡轮增压器30的涡轮机34，所述涡轮机通过驱动轴44驱动涡轮增压器30的压缩机28。

[0036] 沿内燃机10的尾气穿过尾气通道12的流动方向，在涡轮机34下游在尾气通道12中布置有第一三元催化器14。在第一三元催化器14的下游设置有用于向尾气通道12二次空气进气的器件20。用于二次空气进气的器件20包括二次空气阀22和二次空气管路24，所述二次空气管路将吸气管路36在压缩机28与内燃机10之间的空气管路区段26与尾气通道12相连。在用于二次空气进气的器件20的下游，在尾气通道12中布置有第二三元催化器16。沿内燃机10的尾气穿过尾气通道12的流动方向，在第二三元催化器16的下游布置有λ传感器32和颗粒过滤器18、尤其汽油机颗粒过滤器。

[0037] 图2示出另一种内燃机10，其带有供气系统50和尾气通道12。在构造基本上相同的情况下，在尾气通道12中未布置第二三元催化器16。事实上，取代了图1中非催化的颗粒过滤器18，布置设计有三元催化涂层的颗粒过滤器18′，其由此获得了三元催化器和颗粒过滤器的功能。

[0038] 在本申请的范畴内，图1中的第二三元催化器16和图2中的经催化涂层处理的颗粒过滤器18′都被称为第二三元催化部件。

[0039] 在内燃机运行时所形成的烟尘通过颗粒过滤器18、18′被回收，其中，颗粒过滤器18、18′被烟尘加载。如果探测到颗粒过滤器18、18′的烟尘加载的确定的阈值(这例如可以通过对颗粒过滤器18、18′的压力差测量或通过基于模型的计算完成)，则开始采取对颗粒过滤器18、18′的再生方法。为此，首先在颗粒过滤器18、18′的入口前将内燃机10的尾气温度提高到约为600℃的再生温度。这通过根据本发明的方法实现。首先，检查第二三元催化部件16、18′是否具有所谓的“起燃温度”，其例如约为350℃。由此可以确保，内燃机10的尾气中的燃料的未燃烧组分在第二三元催化部件16、18′中能够放热氧化。如果第二三元催化部件16、18′处于起燃温度，则颗粒过滤器18、18′被继续加热至再生温度。为此，内燃机10利用浓混合气运行，所述浓混合气优选具有λ约为0.9的燃烧空气比。混合气的未燃烧的组分、尤其一氧化碳、碳水化合物和氢气连同燃烧产物一起导入尾气通道12中。由于空气进入压缩机28之后的吸气管路36并且该空气通过二次空气管路24和二次空气阀22导入尾气通道
12，燃料的未燃烧的组分能够在位于下游的第二三元催化部件16、18′处放热转化。内燃机
10的燃烧空气比λE可以先导式调整，从而设置为所期望的目标温度。同时，通过第二三元催化器16下游的λ传感器32测量由内燃机10的燃烧空气比和通入的二次空气所得到的混合后的燃烧空气比λm。在颗粒过滤器18、18′的加热阶段的过程中该混合后的燃烧空气比λm被调节至λm＝1，从而使第二三元催化部件16、18′能够实现理想的尾气净化作用，并且有效地转化尾气中的有害物质。

[0040] 如果达到颗粒过滤器18、18′的再生温度，则切换至再生阶段。为此，内燃机10重新以化学计量的燃烧空气比λE＝1运行。由此能够在第一三元催化器14的再生阶段的过程中充分转化内燃机10的尾气的有害物质。为了给颗粒过滤器18、18′的再生提供氧气，进一步向尾气通道12中鼓入二次空气。所期望的混合后的燃烧空气比(例如λm＝1.1)可以通过穿过二次空气阀22的二次空气的相应配量被调节。由此能够确保在颗粒过滤器18、18′中回收的烟尘的转化率不会过高，否则将会导致颗粒过滤器18、18′的热损伤。如果在再生阶段的过程中颗粒过滤器18、18′入口处的温度下降至再生温度以下，则重新切换至加热阶段。如图3所示，在颗粒过滤器18、18′的加热阶段与再生阶段之间的切换可以例如可选地分别在100秒的时间间隔内完成。这一过程一直重复，直至颗粒过滤器18、18′充分再生，这例如同样通过颗粒过滤器18、18′前后的压力差测量实现。

[0041] 作为备选，颗粒过滤器18、18′还可以如图4所描绘的那样再生。在此情况下，加热阶段和再生阶段同时进行。为此，内燃机10以浓的混合物运行，优选以λE＝0.9至0.95的燃烧空气比运行。与此同时，优选持续将二次空气鼓入尾气通道12中，从而使稀薄地混合的燃烧空气比(其也被称为混合空气比)被调整为λm＞1，优选λm＝1.1。由此燃料的未燃烧的组分同时放热氧化并且具有足够的氧气辅助使用，以便转化在颗粒过滤器18、18′中回收的烟尘。

[0042] 两个在图3和图4中所述的方法能够以所示出的尾气通道12的设计方式转化。优选地实施根据图3的方法，从而使在该方法中至少一个三元催化器14、16(或者说18′)始终以化学计量混合空气比运行。

[0043] 附图标记清单

[0044] 10          内燃机

[0045] 12          尾气通道

[0046] 14          第一三元催化器

[0047] 16          第二三元催化器

[0048] 18          颗粒过滤器

[0049] 18′         经催化涂层处理的颗粒过滤器

[0050] 20          用于二次空气进气的器件

[0051] 22          二次空气阀

[0052] 24          二次空气管路

[0053] 26          空气管路区段

[0054] 28          压缩机

[0055] 30          涡轮增压器

[0056] 32          λ传感器

[0057] 34          涡轮机

[0058] 36          吸气管路

[0059] 38          节气门

[0060] 40          增压空气冷却器

[0061] 42          空气过滤器

[0062] 44          驱动轴

[0063] 50          供气系统

[0064] λE          燃烧空气比

[0065] λm          混合空气比