技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于运行内燃机的方法以及一种带有用于执行根据独立
专利权利要求的前序部分所述的这样的方法的废气后处理系统的内燃机。
背景技术
[0002] 由文件DE 43 10 145 A1已知一种用于运行内燃机的方法，在其中第一组
燃烧室以低于化学计量比的
空燃比且第二组燃烧室以高于化学计量比的空燃比来运行，其中，未燃烧的
燃料组分与剩余
氧气在三元催化器的催化作用表面上被转化，以便于在空转的情形中或在低负荷情形中将三元催化器保持在其中通过三元催化器可实现有害物质的高效转化的
温度上。
[0003] 由文件US 2011/0265 762 A1已知一种用于运行内燃机的方法，在其中第一
气缸以低于化学计量比的空燃比且第二气缸同时以高于化学计量比的空燃比来运行，从而出现大致化学计量比的废气。
发明内容
[0004] 本发明此时基于如下任务，即，在一种内燃机的情形中在其中有害物质的高效转化被确保且同时内燃机的效率被改善的温度范围中运行催化器。
[0005] 该任务通过一种用于运行带有至少两个其出口与排气设施相连接的燃烧室的内燃机的方法来解决，其中，该排气设施包括排气通道，在其中在内燃机的废气穿过排气通道的流动方向上布置有至少一个三元催化器而在该至少一个三元催化器下游布置有废气热回收设备。作如下设置，即，内燃机的第一燃烧室或第一组燃烧室以低于化学计量比的空燃比(λ<1)且第二燃烧室或第二组燃烧室以高于化学计量比的空燃比(λ>1)来运行，其中，来自内燃机的第一燃烧室或第一组燃烧室的未燃烧的燃料组分与来自第二燃烧室或第二组燃烧室的剩余氧气在三元催化器上被放热转化，其中，废气温度TEG被升高，以便于由废气通过废气热回收设备在三元催化器下游回收废气
焓(Abgasenthalpie)的部分量。通过根据本发明的方法可实现如下，即，在内燃机的任意运行状态中将废气后处理的部件、尤其三元催化器保持在使得未燃烧的燃料组分和废气组分的有效且高效的转
化成为可能的温度上。同时，对于加热所需要的
能量的一部分可经由废气热回收设备被回收。废热回收系统将热量转换成机械功或电气功且使其可供车辆的
驱动器或车载网络使用且因此降低内燃机的总燃料消耗。此外，当在排气设施中安装有颗粒
过滤器以便于使得颗粒过滤器的再生成为可能时可使用根据本发明的方法。为此需要600℃和更高的较高废气温度，以便于氧化在颗粒过滤器中的
炭黑。刚好在如此高废气温度的情形中，大量能量经由废气流被发出到周围环境处。因此，如下刚好同样在颗粒过滤器的再生的情形中是有用的，即，将内燃机的废气流导引穿过废气热回收设备且因此回收这些否则未经使用被发出到周围环境中的能量的至少一部分。
[0006] 通过在
从属权利要求中所列出的特征可实现在
独立权利要求中所提及的方法的有利的改善和改进。
[0007] 在本发明的一种优选的设计方案中作如下设置，即，确定废气温度TEG，其中，当废气温度TEG处在
阈值温度TS之下时，该方法被引入。如果废气温度处在该阈值温度之下，仅可实现内燃机的有害物质的不完全转化。因此，废气温度刚好在该运行状态中、尤其在内燃机的空转或弱负荷运行的情形中应被升高，以便于避免三元催化器的冷却。由此可确保如下，即，始终可实现在内燃机废气中的有害物质的高效转化。
[0008] 在该方法的进一步优选的设计方案中作如下设置，即，内燃机实施成燃气
发动机且以气体燃料来运行。尤其在以可燃气体来运行的内燃机的情形中，较高的催化器温度是必要的，以便于实现对于在内燃机的废气中的未燃烧的甲烷而言的相应较高的转化能
力。该挑战随着老化的催化剂而提高且因此在燃气发动机的寿命上加剧。因为在燃气发动机的情形中相比在转化柴油或
汽油运行的发动机的废气的情形中更高的废气温度是必要的，以便于实现有害的废气组分的完全转化，此处废气热回收设备的使用是特别有用的。
[0009] 在此如下是特别优选的，当内燃机以压缩
天然气(CNG)、
液化天然气(LNG)或沼气来运行时。天然气和沼气作为能量载体变得越来越重要且通常相比汽油或柴油燃料“更清洁地”燃烧。因此，这样的燃料尤其鉴于商用车辆、船用发动机或建筑机械而言越来越重要。为了在内燃机以这些燃料运行的情形中执行带有提到的优点的相应的废气后处理，所提出的方法是特别有利的。
[0010] 在该方法的一种优选的实施变型方案中作如下设置，即，废气热回收设备根据克劳修斯-朗肯过程(Clausius-Rankine-Prozess)来工作。在此，废气热回收设备包括带有用于能量转换的后置系统的换热器，在其中经由
蒸汽循环将内燃机的废热转换成
电能或机械能。
[0011] 在该方法的一种有利的实施变型方案中作如下设置，即，经由废气回收设备所回收的能量被转化成机械能。在此，机械能例如可被用于驱动内燃机的附属机组(Nebenaggregate)或其它负载，由此可获得效率改善。
[0012] 备选地有利地作如下设置，即，经由废气回收设备所回收的能量被转化成电能。电能可以以相对简单的形式和方式被暂存在
电池中，从而该电能在当当前没有另外的能量通过废气热回收设备产生时的运行时刻同样可被利用。此外，成批发
电机(serienmäßige Lichtmaschine)被减负荷，这又引起内燃机的效率提高。在相应地有利地实施的能量回收的情形中，当车载网络需求通过由废气所回收的能量
覆盖时，由内燃机来运行的发电机可完全取消。
[0013] 在该方法的一种优选的实施方式中作如下设置，即，第一燃烧室或一组第一燃烧室以低于化学计量比的空燃比(λ<1)且第二燃烧室或第二组燃烧室以高于化学计量比的空燃比(λ>1)来运行，其中，在内燃机的出口下游出现化学计量比的废气。通过化学计量比的废气可获得特别高效的废气
净化。这尤其当对于第一个三元催化器而言后置有第二个三元催化器时适用，其然后以大致均匀的化学计量比的废气流入，在未燃烧的燃料组分与剩余氧气在第一个三元催化器的催化作用表面上被放热转化之后。
[0014] 根据本发明提出了一种带有至少一个第一燃烧室和至少一个第二燃烧室的内燃机，其中，内燃机的出口与排气设施相连接，其中，排气设施具有排气通道，在其中在内燃机的废气穿过排气通道的流动方向上布置有至少一个三元催化器且在三元催化器下游布置有废气热回收设备，以及带有发动机
控制器，其被设立用于实施根据本发明的方法，当可机读的程序代码通过发动机控制器实施时。通过这样的内燃机可实现根据本发明的方法的简单实现，由此内燃机的效率被提高且同时废气后处理的效率可通过提高的转化能力改善。
[0015] 在内燃机的一种优选的实施方式中作如下设置，即，在三元催化器下游且在废气热回收设备上游布置有颗粒过滤器。即使当燃料在燃气发动机的情形中相比在汽油或
柴油发动机的情形中在燃烧室中原则上更清洁地燃烧且因此在燃烧的情形中形成基本上明显更少的炭黑颗粒时，因此通过颗粒过滤器可进一步降低该颗粒排放。这尤其当内燃机可选地可以以气体或汽油来运行且即使在汽油运行中应使得相应的废气后处理成为可能时适用。
[0016] 在内燃机的一种有利的实施变型方案中作如下设置，即，设置有用于跨接废气热回收设备的旁路，以其内燃机的废气可导引经过废气热回收设备。通过旁路，废气可被导引经过废气热回收设备。当发动机运行点例如在满负荷运行中持久超过废气热回收设备的最大功率消耗时，设置有废气热回收设备的旁路。由此，
流动阻力且与此相联系地在排气设施中的排气背压可被降低且因此内燃机的效率可被改善。经由该旁路，到废气热回收设备中的功率输入可被调节，在由车辆的车载网络或者电池不再可接纳进一步的能量或然而不再允许经由AWN系统的
冷凝器到车辆冷却系统中的进一步的热量输入的情况中。
[0017] 在内燃机的另一改善方案中作如下设置，即，在旁路中设置有排气
阀片。通过在旁路中的排气阀片，旁路可以以简单的形式和方式被封闭。由此确保如下，即，除了较小的
泄漏量之外，整个废气流流动穿过废气热回收设备。此外，通过排气阀片可实现用于在旁路运行与废热回收运行之间的切换的简单的可行性方案。
[0018] 在内燃机的一种有利的实施方式中作如下设置，即，在该三元催化器下游且在废气热回收设备上游布置有第二个三元催化器。在此，第一个三元催化器以异质的废气流入，其不仅包含未燃烧的燃料组分而且包含剩余氧气。通过后置的第二个三元催化器，其在未燃烧的燃料组分与剩余氧气在第一个三元催化器的催化作用表面上被放热转化之后则以大致均匀的化学计量比的废气流入，实现关于在内燃机的废气中的有限的有害物质的明显改善的转化能力。
[0019] 在此如下是特别优选的，旁路在第二个三元催化器下游在分岔处从排气通道中分出且在废气热回收设备下游在通入口处又通入到排气通道中。由此确保如下，即，所有用于内燃机的废气后处理的部件始终由废气流穿流，且废气热回收单元可相应地简单地经由旁路被关闭和接通。
[0020] 在本发明的另一实施方式中作如下设置，即，第一个三元催化器以异质的废气的流入经由额外的废气混合器被均匀化。废气已经在第一个三元催化器上游的均匀化进一步改善了整个排气设施的转化性能。
[0021] 在内燃机的另一优选的实施方式中作如下设置，即，内燃机作为借助于废气
涡轮增压器被增压的且以气体来运行的内燃机。因为燃气发动机的废气后处理相对其它内燃机要求相应较高的温度，如下刚好在这样的燃气发动机的情形中是有利的，即，将相应的废气热回收设备集成在排气设施中。
[0022] 只要在个别情况中未另外说明，本发明的不同的在该
申请文件中所提到的实施方式有利地可彼此组合。
附图说明
[0023] 随后在
实施例中借助附图对本发明进行阐释。在此，相同的构件或带有相同功能的构件在不同的图中以相同的附图标记来标明。其中：图1显示了对于带有废气后处理系统的根据本发明的内燃机而言的第一实施例；
图2显示了对于带有废气后处理系统的根据本发明的内燃机而言的一个优选的实施例；
图3显示了对于带有额外的颗粒过滤器的根据本发明的内燃机的废气后处理系统而言的另一实施例；
图4显示了带有两个三元催化器和颗粒过滤器的根据本发明的内燃机的废气后处理系统的另一备选方案；
图5显示了对于带有两个三元催化器和后置的颗粒过滤器的根据本发明的内燃机的废气后处理系统而言的另一优选的实施变型方案；
图6显示了对于带有仅一个三元催化器和带有用于废气热回收设备的旁路的后置的废气热回收设备的根据本发明的内燃机的废气后处理系统而言的另一实施例；且图7显示了对于用于运行带有废气后处理系统的内燃机的根据本发明的方法而言的
流程图。
[0024] 附图标记列表10 内燃机
12 第一燃烧室
14 第二燃烧室
16 第三燃烧室
18 第四燃烧室
19 出口
20 废气后处理系统
22 排气通道
24 废气
涡轮增压器26 涡轮
28 第一个三元催化器
30 第二个三元催化器
32 颗粒过滤器
34 第一个λ
传感器(Lambdasonde)/宽带传感器(Breitbandsonde)
36 第二个λ传感器/跃变式传感器(Sprungsonde)
38 分岔(Verzweigung)
40 废气热回收设备
42 旁路
44 通入口
46 排气阀片
48 温度传感器
50 发动机控制器。
具体实施方式
[0025] 图1显示了带有多个燃烧室12,14,16,18的内燃机10。在图1中示例性地示出了带有四个燃烧室12,14,16,18的内燃机10。原则上，带有两个或更多个燃烧室12,14,16,18的内燃机10是可能的。内燃机10优选地被实施成燃气发动机且以气态燃料、尤其
压缩天然气(CNG)、液化气(LNG)或沼气来运行。内燃机10以其出口19与包括排气通道22的排气设施20相连接。在内燃机10的废气穿过排气通道22的流动方向上，作为废气后处理的第一部件布置有三元催化器28。在三元催化器28下游布置有废气热回收设备40。内燃机10优选地实施成借助于至少一个废气
涡轮增压器24来增压的内燃机10。为此，在内燃机10的出口19下游且在三元催化器28上游，布置有废气涡轮增压器24的涡轮26，其驱动在内燃机10的进气道中的
压缩机，以便于提高供应给燃烧室12,14,16,18的新鲜空气量。在三元催化器28上游布置有第一个λ传感器34、优选地宽带传感器。在第一个三元催化器28下游且在废气热回收设备40上游设置有第二个λ传感器36。λ传感器34,36以已知的方式经由未示出的
信号线路与内燃机50的发动机控制器50相连接，经由其内燃机50的空燃比λ可优选地以燃烧室独立的方式被调节。
[0026] 在气体在内燃机中燃烧的情形中需要三元催化器28的较高的催化器温度，以便于使得未燃烧的甲烷通过三元催化器28的高效转化成为可能。在老化的三元催化器28的情形中该问题加剧。废气涡轮增压器24虽然原则上有助于提高内燃机10的效率，然而对于废气流而言经由涡轮26同样抽走被用于驱动废气涡轮增压器24的压缩机的焓。因此，在以气体运行的内燃机10的情形中内燃机10的增压额外地加强了关于三元催化器28的充分转化能力的挑战。为了升高废气温度TEG，内燃机10的第一组燃烧室12,14以低于化学计量比的空燃比λ<1且第二组燃烧室16,18以高于化学计量比的空燃比λ>1来运行，从而在内燃机10的出口下游出现大致化学计量比的废气。来自以低于化学计量比的空燃比λ<1来运行的燃烧室12,14的未燃烧的燃料组分、尤其未燃烧的
碳氢化合物HC、特别是甲烷、氢气和/或
一氧化碳CO在三元催化器28的催化作用表面上与来自以高于化学计量比的空燃比λ>1来运行的燃烧室16,18的剩余氧气被放热转化，由此三元催化器28和在三元催化器28下游的废气流加热。
为了将该热量不未经使用地发出到周围环境中，在三元催化器28下游设置有废气热回收设备40，以其将废气焓的部分量回收成机械能或电能。废气热回收设备40尤其可包括带有用于能量转换的后置系统的废气换热器，其中，针对用于能量转换的系统的载体介质通过内燃机10的废气流被加热且可供蒸汽循环使用。备选地，废热回收的其它可行性方案同样是可能的，例如热电式发电机(TEG)。
[0027] 为了确保对于三元催化器28而言的高温，通过根据本发明的方法可实现对于三元催化器28而言的加热功能和保暖功能。λ分割法(Lambda-Split-Verfahren)、即内燃机10的在其中第一组燃烧室12,14以低于化学计量比的空燃比且第二组燃烧室16,18以高于化学计量比的空燃比来运行的运行形式的优点在于如下，即，通过加热措施引起的更多消耗通过在以高于化学计量比的空燃比λ>1运行的燃烧室16,18中的效率改善被部分补偿。如果该方法以根据本发明的方式与布置在三元催化器28下游的废气热回收设备40组合，废气的余热可被利用，从而效率可被提高且消耗可被进一步降低。此外，废气热回收设备40在带有内燃机10的较高负荷状态的行驶特征曲线(Fahrprofil)的情形中同样可在不带有发动机加热措施的情形中被利用，以便于利用废气的废热的部分且因此进一步改善整个系统的效率。这样的行驶特征曲线尤其在将根据本发明的内燃机10用于驱动商用车的情形中出现，当车辆的内燃机基于负载或道路特征(Streckenprofil)以相应的功率被运行时。
[0028] 在图2中示出了根据本发明的内燃机10的一个优选的实施例。内燃机10具有多个燃烧室12,14,16,18、尤其四个或更多个燃烧室12,14,16,18。内燃机10以其出口19与排气设施20相连接。排气设施20包括排气通道22，在其中在内燃机10的废气的流动方向上在出口下游布置有第一个三元催化器28，在第一个三元催化器28下游布置有第二个三元催化器30且进一步在下游布置有废气热回收设备40。在第二个三元催化器30下游在分岔38处旁路
42从排气通道22分出，其在废气热回收设备40下游在通入口44处又通入到排气通道22中。
在旁路42中布置有排气阀片46，旁路42可以以其被关闭，从而旁路42被实施成可
开关的旁路42且废气流可选地可被导引通过布置在排气通道22中的废气热回收设备40或通过旁路
42。此外，在排气通道22中可布置有温度传感器48，以便于确定废气温度或废气后处理部件
28,30或废气热回收设备40中的其中一个的温度。
[0029] 内燃机10优选地被实施成借助于至少一个废气涡轮增压器24被增压的内燃机10。为此，在内燃机10的出口19下游且在三元催化器28上游布置有废气涡轮增压器24的涡轮
26，其驱动在内燃机10的进气道中的压缩机，以便于提高供应给燃烧室12,14,16,18的新鲜空气量。在涡轮26下游且在三元催化器28上游布置有第一λ传感器34、优选地宽带传感器。
在第一个三元催化器28下游且在第二个三元催化器30上游设置有第二λ传感器36，其同样可实施成宽带传感器或备选地可实施成跃变式传感器。
[0030] 第一个三元催化器28优选地布置在排气通道22中的靠近发动机的
位置中。就此而言，靠近发动机的位置应理解为自内燃机10的出口19带有小于80cm、尤其小于50cm的排气行程长度(Abgaslauflänge)的位置。第二个三元催化器30优选地布置在远离发动机的位置中。在此，远离发动机的位置应理解为在排气设施20中自内燃机10的出口带有大于150cm的排气行程长度的位置。
[0031] 在图3中示出了对于根据本发明的内燃机的排气设施20而言的另一实施例。在与图2大致相同的构造的情形中，在该实施例中第二个三元催化器30通过颗粒过滤器32代替。备选地，作为颗粒过滤器32的替代同样可使用四元催化器，其将颗粒过滤器32的功能性与三元催化器30的功能性相结合，在其中催化作用涂层被涂覆到颗粒过滤器32的过滤体上。
[0032] 在图4中示出了对于根据本发明的内燃机10的排气设施20而言的另一实施例。在与图2大致相同的构造的情形中，在该实施变型方案中额外地在第一个三元催化器28下游且在第二个三元催化器30上游布置有颗粒过滤器32。备选地，这样的颗粒过滤器32如在图5中示出的那样也可布置在第二个三元催化器30下游且在废气热回收设备40上游。在此，优选地颗粒过滤器32布置在第二个三元催化器30下游且在分岔38上游，在其处旁路42从排气通道22中分出。
[0033] 在图6中示出了对于根据本发明的内燃机10的排气设施而言的另一实施例。在与图2大致相同的构造的情形中，在该实施例中取消了第二个三元催化器30。
[0034] 备选地，在相对在图2至图5中所示出的实施例被简化的实施方式中同样可取消用于废气热回收设备40的旁路42，从而其在任意运行状态中由内燃机10的废气穿流。
[0035] 在图7中示出了用于执行根据本发明的用于运行内燃机10的方法的流程图。在此，在第一方法步骤<100>中内燃机10以在其中所有燃烧室12,14,16,18以化学计量比的空燃比λ＝1来运行的正常运行(Normalbetrieb)来运行。在方法步骤<110>中，废气温度TEG或在排气设施20中的废气后处理部件28,30,32的构件温度被确定。在方法步骤<120>中，如此确定的废气温度TEG或构件温度与阈值温度TS相比较。如果废气温度TEG或构件温度处于该阈值温度TS下方，内燃机10在方法步骤<130>中以λ分割法来运行，在其中内燃机10的第一组燃烧室12,14以低于化学计量比的空燃比λ<1且第二组燃烧室16,18以高于化学计量比的空燃比λ>1来运行。在此，未燃烧的燃料组分在三元催化器28的催化作用表面处与剩余氧气被放热转化，由此三元催化器28和在三元催化器28下游的废气流被加热。在方法步骤<140>中，该
热能的一部分通过废气热回收设备40对于废气流而言被抽出且被转换成电能或机械能。在方法步骤<150>中，内燃机10然后在超过第二阈值温度TS2的情形中又以正常运行来运行。
在此，在相应较高负荷和较高废气温度的情形中，废气流可被继续导引穿过废气热回收设备40，以便于在该运行状态中同样对于废气而言抽走热量的一部分且转换成机械能或电能。
