用于加热外源点火式内燃发动机的废气设备中的废气后处理部件的方法与流程

本发明涉及一种用于加热外源点火式内燃发动机的废气设备中的废气后处理部件的方法以及一种用于执行这样的方法的控制器和内燃发动机。

背景技术：

1、鉴于废气标准的进一步收紧，例如随着eu7标准的推行，需要尤其是显著降低构成总排放的大部分的冷起动排放。在冷起动运行中，即直接在内燃发动机的起动之后，废气后处理部件通常尚未充分加热以实现转化在燃料燃烧时产生的原始排放。这尤其是导致在冷起动阶段中增加的废气排放，即使在冷起动阶段之后完全转化原始排放时，该废气排放也导致不再遵守针对在测试循环期间合计的排放的极限值。为了避免这种情况，在从现有技术中已知的具有废气后处理系统的内燃发动机中，必要时客户限制(如直接在起动内燃发动机之后的行驶禁止或功率限制)会是必要的，以便确保在要求的所有边界条件下都遵守eu7排放极限值。

2、为了在奥托发动机中满足eu7废气标准，已经普遍使用包括一个或多个三元催化器以及颗粒过滤器的废气后处理系统。三元催化器是用于内燃发动机的废气后处理的车辆催化器，在其中，使一氧化碳(co)、氮氧化物(nox)和未燃烧的碳氢化合物(hc)转化成二氧化碳(co2)、分子氮(n2)和水蒸气(h2o)。这种催化器的命名来源于这三种空气污染物的同时转化。为了加热内燃发动机的废气后处理部件，已知发动机内的加热措施，该加热措施包括将点火角度向“延迟”的方向调整，即，显著在点火循环中活塞的上止点之后。在此，降低了内燃发动机的热效率，并且增加了废气焓。在此可实现的效率降低受到由于发动机的平稳运行所需的最大延迟点火角度限制，因为燃烧的延迟进行与更差的点火和燃烧边界条件相联系。因此就此而言，已知的方法并不令人满意，因为由于点火时刻延迟，该方法伴随着点火条件的恶化。此外已知的是，通过外部加热器件(例如电气加热元件或废气燃烧器)加热三元催化器，以便催化器更快地达到其起燃温度，并且在冷起动之后更快地可供用于有效地转化受限制的排放。

3、然而，在从现有技术中已知的废气后处理系统中的缺点是，已知的发动机内的加热措施很可能不足以在所有运行条件下满足废气标准eu7的要求。利用发动机外的加热器件，也存在如下较短的时间段，其中废气后处理部件尚未达到其起燃温度，并且原始排放未经转化地被排放到环境中。此外，发动机外的加热器件导致废气后处理系统显著的成本增加并且导致结构上的额外耗费，尤其是在发动机舱紧凑的情况下，这可能导致空间问题或在封装时的挑战。

4、从de 100 02 483a1中已知一种用于借助于阀控制装置快速加热燃烧动力机处的废气后处理部件的方法。在此，燃烧动力机的燃烧室具有至少一个排气阀。在该方法中，在燃烧动力机的压缩阶段中，使排气阀短暂地打开以控制二次空气或燃料-空气混合物进入用于再次燃烧。此外，de 100 02 483a1公开了一种具有完全可变的液压的、气动的和/或电气的阀控制装置的用于执行该方法的燃烧动力机，其中，阀控制装置的相应的操控经由电子控制器实现。

5、从de 103 48 774a1中已知一种用于吹入空气以用于热学后处理燃烧动力机的废气道中的废气的方法。空气吹入以较低的耗费由此实现，即，在热运转阶段期间以如下方式控制单个气缸，使得气缸承担用于将空气吹入到废气道中的空气泵的功能。

6、us10 954 869 b1公开了一种具有可变的阀控制装置的内燃发动机以及一种用于打开和关闭在这样的内燃发动机中的排气阀的方法。在一个实施例中设置成，在充量交换时通过凸轮轴的两个不同的凸轮两次打开排气阀，使得未燃烧的碳氢化合物中的至少一部分留在气缸中并且不被推出到废气设备中。

技术实现思路

1、现在，本发明的任务是，在外源点火式内燃发动机中改善废气设备中的废气后处理部件、尤其是三元催化器的加热。

2、该任务通过一种用于加热内燃发动机的废气设备中的废气后处理部件的方法来解决，内燃发动机具有至少一个燃烧室、优选地多个燃烧室。在此，燃烧室通过可移动的活塞限制并具有进气开口，该进气开口与内燃发动机的吸气道连接并可通过进气阀封闭。此外，燃烧室具有排气开口，该排气开口与废气设备连接并可通过排气阀封闭。在燃烧室处和/或在吸气道处布置有用于喷入燃料的燃料喷射器。此外，在燃烧室处布置有火花塞，该火花塞设立成，点燃燃烧室中的能燃烧的燃料-空气混合物。内燃发动机具有阀升程曲线切换机构，该阀升程曲线切换机构实现移动和/或改变排气阀的打开时间，以及移动和/或改变进气阀的打开时间。

3、该方法包括以下步骤：

4、-打开进气阀，其中，新鲜空气流入到燃烧室中以产生能点燃的燃料-空气混合物，

5、-关闭进气阀，其中，在燃烧室中产生能点燃的燃料-空气混合物，

6、-在燃烧室的工作冲程中点燃能点燃的燃料-空气混合物，由此活塞从上止点向下止点的方向运动，

7、-打开排气阀，其中，在燃烧时产生的废气至少部分地流出到废气设备中，

8、-当活塞在点燃能点燃的燃料-空气混合物之后处于下行运动中时，关闭排气阀并重新打开进气阀，由此将附加的新鲜空气吸入到燃烧室中，以及

9、-关闭进气阀并重新打开排气阀，其中，将在重新打开进气阀时吸入到燃烧室中的新鲜空气作为二次空气引入到废气设备中。

10、因此，设置有各两个用于进气阀和排气阀的阀提升曲线(可以在这两个阀提升曲线之间进行切换)-各一个阀提升曲线用于正常运行，并且各一个阀提升曲线用于催化器加热运行。在此，催化剂加热运行是在这里描述的方法的核心。

11、根据本发明的方法实现通过引入二次空气以及必要时附加的燃料显著增加外源点火式内燃发动机的废气焓。在此，不仅增加废气质量流而且提高废气温度。为了使废气焓最大化，改变阀的打开时间，尤其是使排气打开与常规的催化器加热方法相比提早进行。由此，实现降低内燃发动机的效率，使得燃料的放热转换至少部分地在废气设备中进行，并且由此使到废气后处理部件中的热输入最大化。因为将内燃发动机用作用于二次空气输送的活塞泵，所以内燃发动机具有与常用的二次空气鼓风机根本上不同的输送特性。该二次空气鼓风机常常构造为根据离心鼓风机的类型的流动机械，并且由此由原理决定地具有所输送的空气流的较高的废气背压敏感性。在活塞泵中，该缺点显著减少地存在，并且由此构成在这里描述的方法在其稳定协调方面的决定性优点。

12、根据本发明的方法将排气阀的打开时刻的显著提早进行用于缩短可有效地用于产生扭矩的膨胀阶段。在根据本发明的方法中，此外缩短排气阶段，从而在排气阀关闭之后还有膨胀阶段的一部分可用。通过关闭排气阀并重新打开进气阀，将膨胀阶段的这部分用于将另外的新鲜空气吸入到燃烧室中，并且在随后的压缩阶段中将该新鲜空气作为二次空气推出到废气设备中，其中，使还留在燃烧室中的未燃烧的废气组分以及必要时附加地喷入到燃烧室中的燃料与二次空气一起在废气设备中进行放热转换，并且由此加热废气后处理部件、尤其是三元催化器。

13、在方法的一种有利的设计方案中设置成，在进气阀重新打开期间或在其之后，将附加的燃料引入到燃烧室中，在关闭进气阀并重新打开排气阀之后，使该附加的燃料与二次空气一起在废气设备中进行放热转换。通过由二次空气使附加燃料进行放热转换，可以进一步提高废气焓。由此可以更有效地将废气后处理部件加热至其起燃温度。

14、根据该方法的一种优选的设计方案设置成，能点燃的燃料-空气混合物的点燃在zot之前20°kw至在zot之后10°kw的范围内进行。曲轴角度(kw)描述了曲轴相对于活塞的上止点(ot)的角度。由于活塞在燃烧循环中经过720°的曲轴角度并由此两次到达上止点，因此在点火的上止点(zot)和充量交换时的上止点之间进行区分。通过在zot之前20°kw至在zot之后10°kw的范围内点火，与点火角度的从现有技术中已知的延迟调整相比，点火时刻位于压力和温度提高的范围内，从而存在相对更有利于点火的热力学状态，由此改善点火和平稳运行，并且可以使用否则由于其关于热力学的边界条件的要求提高而不可在内燃发动机的这种运行状态下使用的点火系统，例如预燃室火花塞。一方面，到废气设备中热输入的增大通过与已知的加热措施相比提早打开排气阀(这导致效率的降低)实现，并且通过由于二次空气和附加的燃料的附加转换而增加的废气热焓实现，废气热焓对内燃发动机的扭矩产生基本上没有贡献。由此，将更多的废热输入到废气设备中，由此更快地加热废气后处理部件。

15、在该方法的一种有利的设计方案中设置成，排气阀的打开在zot之后30°kw至在zot之后50°kw的范围内进行。通过提早打开排气阀，将否则在膨胀冲程中作用到活塞上的能量部分地输入到废气设备中，其中，未燃烧的废气组分的至少一部分量留在内燃发动机的燃烧室中。然后，该部分量随后可以与二次空气进行放热转换，由此进一步加热废气后处理部件。

16、此外，在该方法的一种有利的设计方案中设置成，排气阀的关闭在zot之后80°kw至在zot之后100°kw的范围内进行，并且进气阀的重新打开在从zot之后90°kw至在zot之后110°kw的范围内进行。通过提早关闭排气阀并重新打开进气阀，可以将活塞在膨胀冲程中的进一步的下行运动用于重新吸入新鲜空气，并且随后在压缩阶段中将该新鲜空气作为二次空气推出到废气设备中。

17、在该方法的一种有利的设计方案中设置成，进气阀在重新打开之后在zot之后170°kw至190°kw的范围内再次关闭。由此，可以尽可能好地将活塞下行运动用于使吸入的空气质量最大化。合理的是，在下止点的范围内关闭进气阀，以便避免在随后的压缩阶段中将新鲜空气和留在燃烧室中的废气推出到吸气道中。此外，在下止点之后不久，另外的新鲜空气不再流入到燃烧室中，从而还更久地打开进气阀将适得其反。如此，可以尽可能好地将活塞运动用于使吸入的空气质量最大化。

18、此外，在该方法的一种有利的设计方案中设置成，排气阀的重新打开在zot之后180°kw至在zot之后220°kw的范围内进行。通过在下止点之后打开排气阀，将二次空气和还留在燃烧室中的废气以及必要时附加地喷入到燃烧室中的燃料输入到废气设备中，在那里二次空气与未燃烧的废气或燃料组份进行放热转换。由此，可以特别有效地加热废气后处理部件。

19、在该方法的一种有利的设计方案中设置成，排气阀在zot之后340°kw至380°kw的范围内关闭。在充量交换的上止点(即在zot之后360°kw)的范围内，结束燃烧室中的气体到废气设备中的几乎完全推出。因此，适宜的是，在该时刻关闭排气阀，以便实现燃烧室中尽可能完全的充量交换。

20、在该方法的一种有利的实施方式中设置成，进气阀在zot之后约360°kw(即约在充量交换的上止点处)打开。就此而言，“约”应理解成最大15°kw、优选地最大10°kw、特别优选地最大5°kw的偏差。由此，可以将充量交换区段中的整个膨胀行程用于将新的新鲜空气吸入到燃烧室中。

21、在该方法的一种有利的设计方案中，进气阀在zot之后约540°kw时关闭。从该曲轴角度起，不实现燃烧室利用新鲜空气的显著的进一步填充。而是，将打开时间显著延长超过540°kw会导致新鲜空气再次被推回到吸气道中。缩短吸气阶段会导致米勒效应，这与容积效率的降低相联系，并且由此会导致空气流量和废气焓的最小化。

22、在该方法的另一种有利的设计方案中设置成，内燃发动机实施为直喷式内燃发动机，并且在进气阀关闭之后将第一燃料量喷入到燃烧室中，并且在重新打开进气阀之后将第二燃料量喷入到燃烧室中。由此，可以特别精确地控制引入到燃烧室中和到废气设备中的燃料量。尤其是，可以精确地控制第二燃料量(其与二次空气一起基本上在废气设备中进行放热转换以加热废气后处理部件)，从而特别有效地加热废气。

23、然而，本发明不限于直喷式奥托发动机，而是也可以实现在其中燃料被喷入到吸气道中的外源点火式发动机中。

24、在该方法的一种有利的设计方案中设置成，确定废气后处理部件的温度，并且当所确定的废气后处理部件的温度低于第一阈值温度时，开始该方法。在此，优选地，第一阈值温度相应于废气后处理部件的起燃温度。废气后处理部件的温度的确定尤其是可以通过废气后处理部件处的温度传感器实现，或者通过内燃发动机的控制器中的计算模型实现。通过确定废气后处理部件的温度，可以以简单的方式确定在内燃发动机的起动过程中是否需要附加地加热废气后处理部件。这是有利的，因为由此可以避免与燃料额外消耗相联系的不必要的加热阶段。

25、本发明的另一个子方面涉及一种内燃发动机，其具有至少一个燃烧室，优选地具有至少三个燃烧室。在此，每个燃烧室都通过可移动的活塞限制。在每个燃烧室处设置有至少一个进气开口和至少一个排气开口，所述进气开口和排气开口将燃烧室与内燃发动机的吸气道和废气设备连接。每个进气开口可通过进气阀封闭，并且每个排气开口可通过排气阀封闭。在每个燃烧室处或在吸气道中布置有用于喷入燃料的燃料喷射器和用于点燃能点燃的燃料-空气混合物的火花塞。此外，内燃发动机具有阀升程曲线切换机构，该阀升程曲线切换机构实现移动和/或改变排气阀的打开时间。在废气设备中布置有废气后处理部件。内燃发动机与控制器有效连接，该控制器设立成，当储存在控制器的存储单元中的可机读的程序代码通过控制器的计算单元实施时，执行根据本发明的用于加热废气后处理部件的方法。

26、这样的内燃发动机实现在没有外部加热措施(如废气燃烧器或可电气加热的催化器)的情况下也在较短时间间隔内将废气后处理部件的温度提升到可以有效转化内燃发动机的废气流中的有害物质的温度。

27、在本发明的一种优选的设计方案中，内燃发动机实施为借助于废气涡轮增压器增压的直喷式奥托发动机。当涉及到废气后处理部件的快速加热时，直喷式奥托发动机由于其高热效率而特别紧要。在借助于废气涡轮增压器增压的直喷式奥托发动机中，该挑战还增大，因为在加热废气后处理部件之前还必须首先加热废气涡轮增压器的涡轮。在此，尤其是在借助于废气涡轮增压器增压的直喷式奥托发动机中，所提出的用于加热废气后处理部件的方法特别有利，以便在这里在时间上受限地造成热效率的强烈降低并且可以在尽可能短的时间内将相应的热量引入到废气设备中。

28、根据内燃发动机的一种有利的设计方案，火花塞实施为钩形火花塞。与预燃室火花塞相比，钩形火花塞在结构上更简单且在制造方面成本更低。然而，预燃室火花塞在限定较小的点火空间以及火焰前端在燃烧室中的传播方面都具有优点。根据本发明的方法如此设计，使得可以利用简单的钩形火花塞运行可靠地点燃燃烧室中的燃料-空气混合物，并且保证到废气设备中的尽可能多的热输入以加热废气后处理部件。由于与常规的催化器加热措施相比在点火时刻更高的压力和温度水平而产生实现使用被动式预燃室火花塞的改善的点火条件。

29、在一种有利的设计方案中，废气后处理部件是三元催化器或四元催化器。在直喷式奥托发动机中的有害物质转化通常通过一个或多个三元催化器和后置于三元催化器的颗粒过滤器实现。为了遵守排放极限值，需要尽可能迅速地将至少一个三元催化器加热到其起燃温度。

30、只要未在个别情况中另外说明，在本技术中描述的本发明的不同实施方式有利地可以相互组合。