[发明专利]具有至少一个排气后处理系统的直接喷射式内燃发动机的运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有至少一个排气后处理系统的直接喷射式内燃发动机的运行方法，所述内燃发动机既适合在低温燃烧模式下的运行也适合在能耗或燃料消耗优化了的稀燃模式下的运行。

在本发明的范围内，术语内燃发动机不仅包括汽油发动机和柴油发动机，同样也包括混合燃料发动机。

背景技术

在减少内燃发动机氮氧化合物的排放上，需区分两种根本不同的解决方案。

根据第一种解决方案，人们试图以这样一种方式影响燃烧过程，即，使燃料在燃烧时就产生或者形成尽可能少的氮氧化合物。

由于氮氧化合物的形成不仅需要过量的空气，而且需要高温，所以低燃烧温度的燃烧过程(LTC-Low Temperature Combustion，低温燃烧)以及其他方式能够达到减少氮氧化合物排放的目的。

低的燃烧温度可以通过增大点火滞后程度以及降低燃烧速度来实现。两种方法都可通过将燃烧后的气体混入气缸新鲜充料中或者说提高气缸新鲜充料中的排气成分来实现，因此排气再循环(AGR)被认为是一种降低燃烧温度的适合的手段，排气再循环不仅包括外部排气循环，就是说将燃烧后的气体由内燃发动机的排气端再循环至进气端，排气再循环也包括内部排气循环，就是说在换气过程中将排气保留在汽缸中。提高排气再循环率可以显著降低氮氧化合物的排放。

为实现充分降低氮氧化合物排放的目的，需要高的排气再循环率，其大小x_AGR大约可为60％至70％。这样，炽热的排气将有利地在循环的范围之内被冷却。再循环排气的降温使得实现较高的再循环率变得容易，或者说成为可能。冷却的过程中排气温度的降低，在排气质量不变的情况下将导致排气密度的增加，排气体积的减小。此外，再循环后排气的冷却有助于降低燃烧温度，因为整个汽缸新鲜充料的温度也被冷却的再循环排气降低了。

由于上述措施，氮氧化合物的排放和炭黑的排放都得以降低。

尽管低温燃烧过程在有害物质排放方面有显著的改善，但该过程(由于燃烧过程)也有了热力学上的不足，因此其效率要低于在下文中被称为稀燃过程的燃烧过程，所述稀燃过程不考虑所产生的有害物质，而只在燃料消耗方面，也就是说在效率上进行优化，尽管内燃发动机在此过程中不必完全在稀薄混合气的情况下，即在过化学计量的情况下(λ＞1)运行，但事实上为了节省燃料，在发动机综合特性曲线的大部分工作点上却都是在稀薄混合气的情况下，也就是说在过化学计量(λ＞1)的情况之下运行的。

第二种减少氮氧化合物排放的解决方法是对燃烧中产生的排气及其所含有害物质进行后处理。在现有技术状况下，可以通过对内燃发动机装备不同的排气后处理系统来减少有害物质排放。

因此根据上述内容，可以通过如下方法实现有害物质的低排放，即，或者使内燃发动机在低温燃烧过程中运行，这样，在化学转换时，就是说在燃料燃烧时，本来就只会产生少量的氮氧化合物。或者使内燃发动机在一个更加节能的，就是说效率优化的稀燃过程中运行，这样内燃发动机需要同时配置有后处理装置，以对富含有害物质，特别是富含氮氧化合物的排气进行后处理。如果将为了达到有效系数而所需燃料的消耗作为唯一的标准，那么可优先选择后一种内燃发动机运行方式，使内燃发动机在结合有排气后处理的能耗优化的燃烧过程下运行。

在判断上述两种方式中哪一种更为优先时，却不能只根据用于燃烧所需要的燃料量，因为采用排气后处理系统同样也有缺点，特别是其本身也有燃料需求，在整体考虑时需注意到这一点。

一方面，排气的后处理成本很高，特别是由于需用贵金属作催化转换器的涂层。此外，必须考虑到，针对不同的有害物质需采用不同的后处理系统，就是说需要大量的系统，这些系统只有有限的寿命，并且有可能由于损毁而必须提前更换。排气后处理系统的安装也可能导致封装问题。

另一方面，排气后处理系统本身的运行有不利之处，例如需使用燃料以维持排气后处理系统的可靠性，并且为此需要对油进行稀释。

为了解释由于运行造成的不利之处，接下来将对用于减少氮氧化合物排放以及炭黑排放的系统进行详细说明。

选择性催化转换器，即所谓的选择性催化还原催化转换器以及其他装置被用于减少氮氧化合物，在这些装置中，人们有针对性地将还原剂加入到排气中，从而有选择地减少氮氧化合物。在现有技术状态下，主要使用氨作为还原剂，然而，由于氨的存在而形成的排气成分有可能是有毒的。当然，燃料也可作为还原剂使用。在这种情况下，未燃烧的碳氢化合物(HC)也被称为排气的烃富集(HC-Anreicherung)。