CN107575299A - 用于两级涡轮增压器的方法和*** - Google Patents

用于两级涡轮增压器的方法和*** Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于两级涡轮增压器的方法和***。本公开涉及一种增压直喷式内燃发动机，所述增压直喷式内燃发动机具有用于供应增压空气的进气***和具有用于排放排气的排气排放***，并且具有至少两个串联连接的排气涡轮增压器，每个排气涡轮增压器均包括设置在排气排放***中的涡轮和设置在进气***中的压缩机，其中第一排气涡轮增压器用作低压级，且第二排气涡轮增压器用作高压级，提供第一旁通管路，其在第一涡轮和第二涡轮之间从排气排放***分支以形成第一结合点。

Description

用于两级涡轮增压器的方法和***
相关申请
本申请要求于2016年7月5日提交的德国专利申请No.102016212249.5的优先权。上述参考申请的全部内容通过引用以其全文并入本文用于所有目的。
技术领域
本说明书大体涉及两级涡轮增压器和一种用于操作两级涡轮增压器的方法。
背景技术
本公开涉及一种增压直喷式内燃发动机，所述增压直喷式内燃发动机具有用于供应增压空气的进气***，且具有用于排放排气的排气排放***，并且具有至少两个串联连接的排气涡轮增压器，每个排气涡轮增压器各自包括设置在排气排放***中的涡轮和设置在进气***中的压缩机，并且其中第一排气涡轮增压器用作低压级(stage)，并且第二排气涡轮增压器用作高压级。第二排气涡轮增压器的包括涡轮壳体的第二涡轮设置在第一排气涡轮增压器的包括涡轮壳体的第一涡轮的上游，并且第二排气涡轮增压器的第二压缩机设置在第一排气涡轮增压器的第一压缩机的下游。可以提供第一旁通管路，其在第一涡轮和第二涡轮之间从排气排放***分支以形成第一结合点(junction point)。阀被设置在排气排放***中的第一结合点处，提供第二旁通管路，其在第二涡轮的上游从排气排放***分支，并且在第一涡轮和第二涡轮之间再次通向排气排放***，并且在第二旁通管路中设置有截止(shut-off)元件，在涡轮下游的排气排放***中提供至少一个排气后处理***。
本公开还涉及一种用于操作上述类型的增压内燃发动机的方法。
引言中所述类型的内燃发动机被用作例如机动车辆驱动单元。在本公开的上下文下，表述“内燃发动机”包括奥托循环发动机、柴油发动机和利用混合动力燃烧过程的混合动力内燃发动机，以及混合动力驱动，其不仅包括内燃发动机，并且还包括能够以驱动的形式连接到内燃发动机并从内燃发动机接收功率的电机，或作为可切换的辅助驱动装置另外输出功率的电动机。
内燃发动机的增压主要用于增加功率。燃烧过程所需的空气被压缩，由此能够在每个工作循环中向每个气缸供应更大的空气质量。以这种方式，能够增加燃料质量且因此增加平均压力。
增压是用于增加内燃发动机的功率同时保持不变的抽气量或者用于减小抽气量同时保持相同的功率的一个合适的方法。在任何情况下，增压导致容积功率输出的增加和更有利的功率重量比。如果抽气量减小，则可以将负载集体转移到较高的负载，在该负载下比燃料消耗率较低。通过与适当的传动结构相结合的增压，还可以实现所谓的自动降速，利用其同样可以获得较低的比燃料消耗率。
因此，增压在不断努力开发内燃发动机中有助于使燃料消耗最小化，也就是提高内燃发动机的效率。
对于增压，通常使用排气涡轮增压器，其中压缩机和涡轮设置在同一轴上。热排气流被供应到涡轮并且在释放能量的情况下在所述涡轮中膨胀，结果轴被置于旋转。由排气流供应到涡轮并最终供应到轴的能量被用于驱动同样设置在轴上的压缩机。压缩机输送并压缩供给到其的增压空气，由此获得气缸的增压。可以另外提供增压空气冷却装置，被压缩的增压空气通过该装置在其进入气缸之前被冷却。
例如与机械式增压器相比，排气涡轮增压器的优点在于，在增压器和内燃发动机之间不存在或者不需要用于传递动力的机械连接；这种机械连接在发动机舱中占用额外的结构空间，并且对组件的布置具有极大的影响。而机械式增压器完全从内燃发动机中提取驱动其所需的能量，从而降低输出功率并因此不利地影响效率，排气涡轮增压器利用热排气的排气能量。
在排气涡轮增压的配置中遇到问题，其中从基本上寻求在所有发动机转速范围内获得显著的性能提高。在通过排气涡轮增压器增压的内燃发动机的情况下，当某一发动机转速下冲时，观察到明显的扭矩降。这种效果是不期望的，并且是排气涡轮增压的最严重的缺点之一。
如果考虑到充气压力比取决于涡轮压力比，则所述扭矩降是可以理解的。例如，如果发动机转速降低，则这导致较小的排气流并因此导致较低的涡轮压力比。这具有的效果是，趋于低发动机转速，充气压力比同样降低，这等同于扭矩降。
在其他实施例中，使用各种措施试图改进排气涡轮增压的内燃发动机的扭矩特性。
例如，一种这样的措施是小涡轮横截面的设计(small design)且同时提供排气放气设备。这种涡轮也被称为废气门涡轮。如果排气质量流量超过临界值，则排气流的一部分在所谓的排气放气的过程中被引导经由旁通管路绕过涡轮。然而，所述方法的缺点是在相对较高的发动机转速下增压行为不足。
增压内燃发动机的扭矩特性还可以通过并联设置的多个涡轮增压器来改善，即通过并联设置具有相对小的涡轮横截面的多个涡轮，涡轮随着排气流速的增加而相继地被激活，类似于顺序增压。
扭矩特性也可以通过串联连接的多个排气涡轮增压器被有利地影响。通过串联连接两个排气涡轮增压器(其中一个排气涡轮增压器用作高压级，且一个排气涡轮增压器用作低压级)，压缩机特性图能够被有利地扩大，特别是在压缩机流量较小和压缩机流量较大二者的方向上。
特别地，利用作为高压级的排气涡轮增压器，喘振极限可以在压缩机流量较小的方向上移动，由此即使压缩机流量较小也能够获得高的充气压力比，并且较低发动机转速范围内的扭矩特性得到了显著改善。这通过设计用于小排气流量的高压涡轮和通过提供旁通管路来实现，随着排气流的增加，越来越多量的排气借助于所述旁通管路被引导绕过高压涡轮。为此，旁通管路在高压涡轮的上游从排气排放***分支，并在低压涡轮的上游再次通向排气排放***。在旁通管路中设置有用于控制被引导绕过高压涡轮的排气流的截止元件。例如在欧洲专利申请EP 1 640 596 A1中描述了能够以上述类型的两级方式增压的内燃发动机。德国公开说明书DE 10 2013 215 574 A1同样涉及所述类型的内燃发动机。
本公开的内燃发动机也具有串联设置的至少两个涡轮增压器。
两个串联连接的排气涡轮增压器还具有比上面刚刚讨论的那些更多的优点。内燃发动机的功率能够通过两级增压被进一步提高。此外，相对于具有单级增压的类似的内燃发动机，以这种方式增压的内燃发动机的响应特性被显著地改善，特别是在部分负载范围内。其原因在于，相对小的高压级的惰性(inert)低于在单级增压情况下使用的相对大的排气涡轮增压器。较小尺寸的排气涡轮增压器的转子或叶轮能够更快地加速和减速。
这在微粒排放方面也具有优势。在内燃发动机的加速期间，待供应到气缸的空气质量跟随增加的燃料量增加而仅带有由于叶轮的惯性延迟。相反，在相对小的高压涡轮增压器的情况下，供应到发动机的增压空气实际上是没有延迟的，从而避免了具有增加的微粒排放的操作状态。
然而，使用多个排气涡轮增压器也具有缺点。关于排气涡轮增压的配置，试图将一个涡轮或多个涡轮尽可能靠近内燃发动机的出口(即，靠近气缸的出气口)设置，从而能够最佳地使用由排气压力和排气温度有效确定的热排气的排气焓，并确保涡轮增压器的快速响应行为。紧密联接的布局不仅缩短了热排气到涡轮的路径，而且减小了在涡轮上游的排气排放***的体积。排气排放***的热惯性同样降低，具体是由于通向涡轮的排气排放***的部分的质量和长度减小。由于上述原因，涡轮通常在出口侧处设置在气缸盖上。根据其他尝试，排气歧管通常集成在气缸盖中。排气歧管的集成还允许驱动单元的密集封装。此外，排气歧管能够受益于可以设置在气缸盖中的液体型冷却装置，使得歧管不需要由能经受高热负荷的昂贵的材料制造。然而，在两级增压装置的情况下，低压级的涡轮的紧密联接造成问题。
已经证明排气涡轮增压与排气后处理相结合是有问题的。例如在欧洲专利申请EP1 396 619 A1中描述了能够以两级方式增压且具有排气后处理装置的内燃发动机。EP 1396 619 A1涉及同时使用排气涡轮增压和排气后处理，其中寻求排气后处理***尽可能靠近内燃发动机的出口设置。提出了许多概念。
在根据EP 1 396 619 A1的一个实施例中，排气流通过合适的转换装置和旁通管路被转向，以便被引导绕过两个涡轮。这提供了设置在涡轮下游的排气排放***中的催化转化器的优点，特别是在内燃发动机的冷启动之后或在预热阶段中，因为热排气被直接供应到催化转化器并且没有首先带着释放的热量被引导通过被认为是温度热沉(temperature sink)的涡轮。以这种方式，催化转化器在冷启动或预热阶段之后更快地达到其起燃温度。另一实施例提供绕开两个涡轮的旁通管路中的第二催化转化器的设置。
在EP 1 396 619 A1中描述的概念的缺点是，在内燃发动机的预热阶段，所有排气都被供应到催化转化器用于加热目的，并且没有排气被引导通过涡轮。因此，在预热阶段，由于不能使用排气能量产生充气压力，所以不能发生或不执行内燃发动机的增压。在排气涡轮增压和排气后处理之间产生冲突。
DE 10 2013 215 574 A1描述了一种概念，其中低压涡轮配备有旁通管路。在内燃发动机的冷启动之后或预热阶段中，经由旁通管路使热排气绕过低压涡轮被直接供应到设置在排气排放***下游的排气后处理***。以这种方式，消除了被认为是温度热沉的低压涡轮。以这种方式，排气后处理***在冷启动之后或在预热阶段中更快地达到所需温度。同时，高压涡轮用于提供所需的充气压力。
为了遵守污染物排放的未来极限值，必须采取进一步措施。除了未燃烧的碳氢化合物之外，氮氧化物排放特别重要。
发明内容
在此背景下，本公开的一个目的是提供一种根据权利要求1的前序部分的增压直喷式内燃发动机，其中上述问题得到解决，并且特别是在冷启动之后可以同时产生高的充气压力并实现排气后处理装置的快速加热，使得能够以令人满意的方式减少污染物排放。
本公开的另一个子目的是提出一种用于操作上述类型的增压直喷式内燃发动机的方法。
上述问题至少部分地通过增压直喷式内燃发动机被解决，所述增压直喷式内燃发动机具有用于供应增压空气的进气***且具有用于排放排气的排气排放***，并且具有至少两个串联连接的排气涡轮增压器，每个排气涡轮增压器各自包括设置在排气排放***中的涡轮和设置在进气***中的压缩机，并且其中第一排气涡轮增压器用作低压级，并且第二排气涡轮增压器用作高压级，第二排气涡轮增压器的包括涡轮壳体的第二涡轮被设置在第一排气涡轮增压器的包括涡轮壳体的第一涡轮的上游，并且第二排气涡轮增压器的第二压缩机被设置在第一排气涡轮增压器的第一压缩机的下游，提供第一旁通管路，其在第一涡轮和第二涡轮之间从排气排放***分支以形成第一结合点，阀被设置在排气排放***中的第一结合点处，提供第二旁通管路，其在第二涡轮的上游从排气排放***分支，并且在第一涡轮和第二涡轮之间再次通向排气排放***，并且在第二旁通管路中设置有截止元件，在涡轮下游的排气排放***中设置至少一个排气后处理***，并且第一旁通管路中设置有氮氧化物存储催化转化器。
根据本公开的内燃发动机配备有串联设置在排气排放***中的两个可串联连接的涡轮和串联设置在进气***中的两个可串联连接的压缩机。
这里，提供这样的实施例，其中第一压缩机经设计大于第二压缩机，因为第一压缩机在两级压缩的情况下形成低压级，而第二压缩机压缩已经预压缩的空气，并且因此构成高压级。
因此，提供这样的实施例，其中第一涡轮经配置大于第二涡轮。这是因为在两级增压的情况下，第二涡轮用作高压涡轮，而第一涡轮用于使排气流膨胀，所述排气流由于已经通过了高压级而已经处于相对较低的压力并且具有相对较低的密度。
根据本公开，高压级的涡轮和低压级的涡轮二者都具有旁通管路，排气能够通过该旁通管路被引导绕过相应的涡轮。
在预热阶段期间，排气流被引导通过第二涡轮，即通过高压级的涡轮，并且在第二涡轮的下游经由在第一涡轮上游从排气排放***分支出以形成第一结合点的第一旁通管路被引导绕过第一涡轮，并且在第一涡轮的下游优选地返回到排气排放***中。
如果排气流在预热阶段被引导通过相对小的第二涡轮，则能够产生足够高的充气压力。同时，由于第一涡轮被绕开，消除了被认为是温度热沉的较大涡轮，并且热排气被供应到设置在涡轮下游的至少一个排气后处理***，因此所述***在冷启动之后或预热阶段中更快地达到其起燃温度。
在根据本公开的内燃发动机中，在第一旁通管路中另外设置用于还原氮氧化物的氮氧化物存储催化转化器。所述类型的储存催化转化器被证明是期望的，特别是在利用过量空气操作的直喷式内燃发动机中，因为在直喷式内燃发动机的情况下，由于操作原理(即，因为缺乏还原剂)，排气中含有的氮氧化物不能被减少。
在存储催化转化器中，氮氧化物最初被吸收(即，被收集和存储)在催化转化器中，然后在再生阶段中被还原，例如通过内燃发动机的缺乏氧气的化学计量操作(λ<1)，其中排气中的未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳用作还原剂。用于利用还原剂(特别是利用未燃烧的碳氢化合物)使排气富化(enrichment)的进一步的发动机内部措施是排气再循环，和(在柴油发动机的情况下)在进气道中节流。还可以通过将燃料后喷射到内燃发动机的至少一个气缸中来实现利用未燃烧的碳氢化合物使排气富化。这里的缺点会是油稀化。如果将还原剂直接引入到排气排放***中，例如通过在存储催化转化器上游喷射附加的燃料，则可以省去发动机内部措施。
在再生阶段，氮氧化物被释放并基本上被转化为二氧化氮、二氧化碳和水。存储催化转化器的温度应优选地在200℃至450℃之间的温度范围内，以便首先确保快速还原，其次不发生在不转化再释放的氮氧化物的情况下进行解吸，例如可以通过过高的温度触发。在这方面，根据本公开的在第二涡轮下游的存储催化转化器的布置是特别有利的。以这种方式，确保了冷启动后存储催化转化器的快速加热，而也不会产生过热的风险。过高的温度能够损坏存储催化转化器，能够导致催化转化器的热老化，并能够显著降低转化率。
由于根据本公开的存储催化转化器用于在冷启动之后或在预热阶段中还原氮氧化物，因此催化转化器相应地有利地被配置，即催化转化器根据所述任务被配置。因此，针对相对低的排气流速和低温，存储催化转化器关于其体积和涂层进行配置。
借助于根据本公开的内燃发动机，实现了基于本公开的第一个目的，即提供了一种增压直喷式内燃发动机，同时包括一种方法，所述方法包括在冷启动之后能够产生高的充气压力，并且同时能够实现排气后处理***的快速加热，以便能够以令人满意的方式减少污染物排放。
使用存储催化转化器的一个特定方面起因于排气中所含的硫，该硫同样地被吸收并且必须通过所谓的脱硫被定期地除去。为此，存储催化转化器必须被加热至高温，通常在600℃至700℃之间，并供应有还原剂。根据本公开的在第二涡轮下游的存储催化转化器的布置允许通过发动机内部措施来对催化转化器进行这种剧烈的加热而不使用其它附加措施。
由立法者预限定的氮氧化物排放的极限值会在未来需要车载诊断，以用于监测或检测功能的限制，即，转换的减少，这是随着逐步的运行时间而预期的到的。因此，提供这样的内燃发动机的实施例，其中提供车载诊断用于监视存储催化转化器的功能性并且避免由于功能受限或转换不足而导致的不期望的高污染物排放。
涡轮下游的至少一个排气后处理***可以是氧化催化转化器、三元催化转化器、存储催化转化器、选择性催化转化器和/或微粒过滤器。也可以使用上述两种或更多种排气后处理***的组合。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中在涡轮下游的至少一个排气后处理***是包括选择性催化转化器和微粒过滤器的组合的排气后处理***。
在选择性催化转化器中，为了选择性地还原氮氧化物，还原剂以目标方式(targeted fashion)被引入到排气中。作为还原剂，除了氨和尿素之外，还可以使用未燃烧的碳氢化合物。
为了减少碳烟微粒的排放，可以使用再生式微粒过滤器，其将碳烟微粒从排气中过滤并储存所述碳烟微粒，其中在过滤器的再生过程期间碳烟微粒被间歇地燃烧。对于微粒过滤器的再生，需要只有在运行期间处于高负载和高发动机转速时才能达到的高温(约550℃，无需催化辅助)。为确保在所有工况下过滤器的再生，会需要采取附加的措施。
根据本公开，在第一旁通管路从排气排放***分支的第一结合点处，设置有一个阀，其在预热阶段处于第一工作位置，阻止排气排放***朝向第一涡轮并且打开第一旁通管路，使得排气流被引导绕过相对大的第一涡轮。这对于其中所述阀被设置在旁通管路本身中和其中当阀打开时排气能够继续流入到低压级的涡轮的实施例是关键的优点。然后，低压级的涡轮的确也对气流造成一定的阻力。然而，排气流的一部分通过相对大的第一涡轮。然而，在这里考虑的操作模式中，所述部分流量(按百分比计算)构成总体排气流的重要的部分(例如，小于5％)，然后其不能直接用于存储催化转化器或至少一个用于在冷启动之后加热目的的排气后处理***。
提供这样的实施例，其中设置在第一结合点处的阀处于第二工作位置，朝向第一涡轮打开排气排放***并阻塞第一旁通管路。
内燃发动机根据第一操作模式以使用第二排气涡轮增压器的单级方式进行增压，或者根据第二操作模式以使用第一排气涡轮增压器和第二排气涡轮增压器的两级方式进行增压。
在第一操作模式中，设置在第一结合点处的阀则位于第一工作位置，然而在第二操作模式中，阀位于第二工作位置。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中处于第一结合点处的阀是3-2通阀，即阀具有三个端口和两个切换位置。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第一结合点处的阀是可枢转的翻板(flap)。
在这一点上，提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中当从第一旁通管路被截止的状态来打开第一旁通管路时，翻板可与排气流方向相反地枢转。那么，如果翻板产生缺陷，则其通过排气流被枢转到阻塞第一旁通管路的位置，并且排气流过两个涡轮。
提供这样的增压的直喷式内燃发动机的实施例，其中阀能够是通过发动机控制器电气地、液压地、气动地、机械地或磁力地控制的。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第一旁通管路在第一涡轮的下游再次通向排气排放***。
第一旁通管路再次通向排气排放***的这一事实的适应性在于，然后能够将全部排气供应到设置在排气排放***中的至少一个排气后处理***。
因此，提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第一旁通管路在至少一个排气后处理***的上游再次通向排气排放***，所述至少一个排气后处理***设置在涡轮下游的排气排放***中。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中设置在第一旁通管路中的氮氧化物存储催化转化器经设计用于在低温情况下的内燃发动机的预热阶段期间的排气后处理。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第二旁通管路在第一结合点的上游再次通向排气排放***。
如果设置在第一结合点处的阀位于其第一工作位置，其中第一旁通管路被打开，并且阻塞排气排放***朝向第一涡轮，则内燃发动机根据第一操作模式以使用第二排气涡轮增压器的单级模式增压，其中所有排气都通过第一旁通管路，并且没有排气被引导到第一涡轮，特别地，即使第二旁通管路由于截止元件被打开而为排气打开也不行。
然而，也提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第二旁通管路在第一结合点的下游再次通向排气排放***。
与上述实施例相反，即使当设置在第一结合点处的阀(处于其第一工作位置)阻塞排气排放***朝向第一涡轮时，特别地，由于截止元件的打开而使第二旁通管路被打开，那么可以将排气供应到第一涡轮。以这种方式，第一涡轮能够保持在预定的最小旋转速度，从而提高增压装置的响应行为。此外，在设置在第一结合点处的阀被切换到其第二工作位置之前，可以通过来自第二旁通管路的排气来加速第一涡轮。因此，内燃发动机从单级增压到二级增压的切换能够被显着地提高。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中提供第三旁通管路，其在第一压缩机和第二压缩机之间通向进气***，以形成第二结合点，并且其中设置有另外的截止元件。
第三旁通管路可以用于在第一压缩机中压缩的增压空气的放气。特别地，然而第三旁通管路可用于增压空气的引导(induction)，特别是在绕开第一压缩机的情况下，其仅在通过高压级单级增压的情况下构成流动阻力。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中增压空气冷却器被设置在进气***中的第一压缩机和第二压缩机之间。
在这种情况下，在进气***中的两个压缩机之间设置有增压空气冷却器。在两级压缩的情况下，增压空气冷却器降低在低压级中压缩的增压空气的温度，从而增加增压空气的密度，因此在增压组件的总体压力比相同的情况下，高压级的压缩得到改善，并且能够降低高压级的出口温度。这也降低了热过载的可能性。然而，借助于增压空气冷却器，也可以使压缩机组的整体压力比增加，并因此可以进一步提高功率，即可以进一步提高功率的增加。
设置在压缩机之间的增压空气冷却器也可以省略，即消除在其他试图中必须在高压压缩机上设置的旁通管路。在这种情况下，不必须需要所述类型的旁通管路。高压压缩机在单级压缩的情况下压缩较小量的增压空气，或者在两级压缩的情况下压缩相对大量的增压空气，其中相对大量的增压空气在低压级中被预压缩，并且在以这种方式被预处理的增压空气进入第二压缩机级(即，第二压缩机)之前，在增压空气冷却器中被中冷。在所述两种操作模式中的任何一种中，不需要绕开第二压缩机。增压装置和驱动单元作为一整体的密集封装成为可能。
在其中低压级的单级压缩的情况下，增压空气被压缩并且随后被引导经由旁通管路绕过高压压缩机的操作模式是基本可能但不优选的。在这方面，也省略了内燃发动机或增压装置的到所述操作模式的转换。不期望的扭矩降与(例如，在这种转换的情况下基本上会出现的)转换过程一起被省略。
内燃发动机具有改进的扭矩特性，并且从根本上改善了操作性能。在一些情况下，在存在相对高的负载的情况下，内燃发动机可以在整个发动机转速范围内根据第二操作模式以两级方式进行增压和操作。
在当前情况下，这样的增压直喷式内燃发动机的实施例是有利的，其中第三旁通管路在增压空气冷却器和第二压缩机之间通向进气***以形成第二结合点。
然后，在单级压缩的情况下，增压空气在进入高压压缩机之前不被冷却，所述增压空气仅在两级压缩的情况下被冷却。还必须考虑到特别是当内燃发动机在预热阶段期间还没有处于工作温度时实现单级压缩，其中特别有利的是待供应到高压压缩机的增压空气未被冷却以使内燃发动机的预热过程不会被过度延迟。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第三旁通管路在第一压缩机上游从进气***分支。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第一压缩机经设计大于第二压缩机。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第一涡轮经设计大于第二涡轮。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第二排气涡轮增压器的第二涡轮具有可变涡轮几何形状。
可变涡轮几何形状增加增压的灵活性。它允许使涡轮几何形状连续地适应内燃发动机的相应工作点和当前排气质量流量。与具有固定几何形状的涡轮相反，可以在宽泛的发动机转速和负载范围内实现或多或少令人满意的增压。
特别地，具有可变涡轮几何形状的涡轮和绕过所述涡轮的第二旁通管路的组合使得高压涡轮也可以被设计用于非常小的排气流量，并且因此用于较低的部分负载范围。因此，即使在低发动机转速下甚至在非常低的排气流速的情况下也可以获得高的涡轮压力比。
在内燃发动机具有至少两个气缸，其中每个气缸具有用于经由排气排放***排放排气的至少一个出气口，并且每个出气口与排气管路相邻接(adjoin)的情况下，这样的实施例是有利的，其中至少两个气缸的排气管路合并形成排气歧管。排气管路的合并产生了排气排放***的紧凑结构，其中排气管路的总长度缩短并且体积减小。就高压涡轮而言，这降低了排气排放***的热惯性，使得能够在进入高压涡轮的入口处获得能量更丰富的排气。内燃发动机的总体效率在这里同样增加。
在这种情况下，提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中排气歧管至少在一些区域中配备有热绝缘物(thermal insulation)。因为作为屏障的所述绝缘物阻碍或妨碍经由歧管的热量的提取，所以热绝缘物阻碍排气流经歧管时对排气的冷却。
在这种情况下，提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中所述热绝缘物包括位于腔室中的至少一个气垫。所述至少一个气垫用作热屏障，其中所述腔室可以(例如以底切(undercut)或凹切(recess)的方式)被封闭或打开。
歧管优选地不是这样的铸造部件：所述至少一个腔室在铸造过程中在所述铸造部件内形成作为不可分割的组成部分。相反，歧管优选地是组装的歧管(例如由金属薄板构成)，在这种情况下，在使用彼此间隔设置的壳元件的组装过程期间形成至少一个腔室。铸造部件可以附接到所述歧管，例如用于将歧管紧固到气缸盖或类似物上的铸造凸缘。
在这种情况下，提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第二涡轮的涡轮壳体至少部分地与排气歧管一体成形。与歧管一体成形的涡轮壳体的该部分可以用作第二排气涡轮增压器的安装部或紧固部，其中包括高压压缩机、轴承壳体和涡轮转子的预组装单元能够***到涡轮壳体与歧管一体成形的那部分。在这方面，第二涡轮的涡轮壳体也可以是部分与排气歧管一体成形并且部分铸造的壳体，其中壳体的所述部分在组装过程中彼此连接。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第一涡轮的涡轮壳体紧固到内燃发动机。该实施例确保了大的低压级不会将不相称的负载(即，负担)置于歧管上。这对于由金属薄板构成的歧管是特别有利的，该歧管相对于铸造歧管表现出有限的强度和尺寸稳定性。
在内燃发动机具有气缸体和至少一个气缸盖的情况下，在这种情况下提供这样的实施例，其中在第一涡轮的涡轮壳体紧固到内燃发动机的气缸体上。这确保了内燃发动机的紧凑结构。第一涡轮的涡轮壳体可以是铸造部件。
这里，提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中，使用减振元件形成第一涡轮的涡轮壳体与排气引导管路之间的至少一个连接。该实施例允许将振动从气缸体和/或气缸盖引入到第一涡轮的涡轮壳体中，这种振动能够传播或传递到连接到涡轮壳体的部件中。试图通过减振元件来阻止或阻碍它。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中在压缩机下游的进气***中设置另外的增压空气冷却器。所述另外的增压空气冷却器降低空气温度，从而增加最终压缩空气的密度，因此另外的冷却器有助于改善利用空气对气缸的充气(即，更大的空气质量)。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中不设置绕过第二压缩机的旁通管路。请参阅上述这方面的陈述。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第一涡轮具有固定不变的涡轮几何形状。该实施例(特别地)节省成本。首先，利用这种类型的涡轮结构，省去了复杂且昂贵的调节机构。其次，由于操作原理，不期望控制涡轮。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中第一压缩机具有固定不变的压缩机几何形状。具有固定几何形状的压缩机具有与具有固定几何形状的涡轮相同的原因的成本优点，具体为由于更简单的结构。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中设置排气再循环装置。
为了遵守未来的氮氧化物排放极限值，可以期望是设置排气再循环(即，排气从排气排放***再循环到进气***中)，其中氮氧化物排放能够随着排气再循环率的增加而降低。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中用于排气再循环的管路通向在增压空气冷却装置下游的进气***。以这种方式，排气流不被引导通过增压空气冷却器，因此，所述冷却器不会被包含在排气流中的污染物的沉积物(特别是碳烟微粒和油)所污染。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中在用于排气再循环的管路中设置有附加的冷却器。所述附加的冷却器降低热排气流中的温度，从而增加排气的密度。因此，由于附加的冷却器还有助于改善利用新鲜混合物对燃烧室的充气，由增压空气和再循环排气混合产生的气缸新鲜充气的温度以这种方式被进一步降低。
提供这样的增压直喷式内燃发动机的实施例，其中在用于排气再循环的管路中设置截止元件。所述截止元件用于控制排气再循环速率。
基于本公开的第二子目的通过一种方法实现，其中内燃发动机根据第一操作模式以使用第二排气涡轮增压器的单级方式增压，或者是根据第二操作模式以使用第一排气涡轮增压器和第二排气涡轮增压器的两级方式增压。
已经结合根据本公开的内燃发动机所述的那些同样适用于根据本公开的方法。
提供这样的方法变型，其中在预热阶段，通过致动设置在第一结合点处的阀，第一旁通管路被打开，并且阻止排气流经由第二涡轮到第一涡轮，内燃发动机根据第一操作模式以使用第二排气涡轮增压器的单级方式增压。
提供这样的方法变型，其中在预热阶段之后，第一旁通管路被打开以便执行设置在第一旁通管路中的氮氧化物存储催化转化器的再生。
应当理解，提供上面的发明内容是为以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的所选概念。并非旨在识别所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围由随附权利要求唯一限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上面或在本公开的任何部分提到的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示意性地示出了增压内燃发动机的第一实施例。
图2A示出了具有双壁隔热物(insulation)的集成排气歧管的实施例。
图2B示出了设置在发动机盖中的集成排气歧管的双壁隔热物的详细描绘。
图3示出了用于调节通过高压(HP)涡轮和低压(LP)涡轮的排气流的方法。
图4示出描绘各种发动机操作参数的发动机操作顺序。
具体实施方式
以下描述涉及用于两级涡轮增压器和集成的排气歧管的***和方法。图1中示出了图释说明联接到发动机的两级涡轮增压器的发动机示意图。发动机***示出了第一旁通管路被配置为在某些发动机工况期间使排气旁通绕过LP涡轮。此外，发动机***还包括第二旁通管路，其被配置为在某些发动机工况期间使排气旁通绕过HP涡轮。最后，在不脱离本公开的范围的情况下，第三旁通管路可以被包括在发动机***中。第三旁通管路可以被配置为在不期望升压的发动机条件期间使排气旁通绕过LP和HP涡轮二者。
在图2A和图2B中更详细地示出相对于发动机的缸盖和缸体的HP涡轮和LP涡轮。在一个示例中，HP涡轮设置在具有排气歧管的缸盖中。排气歧管和HP涡轮壳体可以是双壁的以提供隔热物，从而减少通过其的排气热惯性。LP涡轮设置在HP涡轮的下方并且联接到发动机缸体的外表面。LP涡轮和从排气歧管通向LP涡轮的管道可以是非隔热的。
在图3中示出一种基于一个或更多个发动机条件操作HP涡轮和LP涡轮的方法。该方法包括在冷启动条件期间使排气旁通绕过LP涡轮以防止热损失。因此，热排气可以从HP涡轮直接流到设置在第一旁通通道中的稀NOx捕集器(LNT)。该方法还包括在冷启动之外的某些发动机条件期间使至少一部分排气旁通绕过HP涡轮。这可以是由于HP涡轮相对于LP涡轮的有限的升压功率。具体地，HP涡轮可以小于LP涡轮，因此相比于LP涡轮，其可以相对快速地接近喘振极限。
图4示出了图示说明从冷启动到预热期间的各种发动机条件下发动机操作参数的发动机操作顺序。发动机操作顺序进一步图示说明了基于HP涡轮转速相对于喘振极限来调节在第二旁通管路中的阀的位置。
图1-图2B示出了具有各种部件的相对定位的示例配置。如果经示出直接彼此接触或直接联接，则至少在一个示例中此类元件可以分别被称为直接接触或直接联接。类似地，至少在一个示例中，经示出彼此连续或相邻的元件可以分别是彼此连续或相邻。作为示例，彼此共面接触放置的部件可以被称为共面接触。作为另一示例，彼此分开定位且其间仅具有一空间无其他部件的元件在至少一个示例中可以被如此称谓。作为另一示例，经示出在彼此上方/下方、在彼此相对的侧面或到彼此的左面/右面的元件相对于彼此可以如此称谓。此外，如图中所示，在至少一个示例中，最顶部元件或元件的最顶部点可以被称为部件的“顶部”并且最底部元件或元件的最底部点可以被称为部件的“底部”。如本文所用，顶部/底部、上部/下部、在上方/在下方可以相对于附图的竖直轴线并且用于描述附图的元件相对于彼此的定位。因此，在一个示例中，经示出在其他元件上面的元件竖直地定位在其他元件上方。作为另一示例，在附图中所示的元件的形状可以指具有那些形状(例如，诸如圆形、直线形、平面、弯曲、圆角形、倒角形、成角度形或类似形状)。此外，在至少一个示例中，经示出彼此相交的元件可以指相交元件或彼此相交。此外，经示出在另一元件内或经示出在另一元件外部的元件可以在一个示例中如此称谓。
下面将基于根据图1的示例性实施例来更详细地描述本公开。
图1示出了基于四缸直列式发动机的增压内燃发动机1的第一实施例。内燃发动机1的四个气缸3被设置在沿着气缸盖的纵向轴线的直线上。气缸3的排气管路合并形成共同的排气排放***4，由此所有的排气管路彼此连接，并且在所有的排气管路中都是相同的排气压力。此外，内燃发动机1具有用于向气缸3供给增压空气的进气***2。
内燃发动机1配备有设置在排气排放***4中的两个可串联连接的涡轮6a、7a和设置在进气***2中的两个可串联连接的压缩机6b、7b，其中在每种情况下一个涡轮6a、7a和相应的一个压缩机6b、7b组合形成排气涡轮增压器6、7。因此，供给到内燃发动机1的增压空气能够在两级中被压缩，其中，第一排气涡轮增压器6用作低压级6，第二排气涡轮增压器7用作高压级7。第二排气涡轮增压器7的第二涡轮7a设置在第一排气涡轮增压器6的第一涡轮6a的上游，并且第二排气涡轮增压器7的第二压缩机7b设置在第一排气涡轮增压器6的第一压缩机6b的下游。
第一压缩机6b经设计大于第二压缩机7b，因为第一压缩机6b在两级压缩的情况下形成低压级6，而第二压缩机7b压缩已经预压缩的空气，从而构成高压级7。
由于相同的原因，第一涡轮6a经设计大于第二涡轮7a。这是因为第二涡轮7a用作高压涡轮7a，而第一涡轮6a用于扩大因为其已经通过高压级7而已经处于相对低压力并且具有相对低密度的排气流。
在进气***2的第一压缩机6b和第二压缩机7b之间设置有增压空气冷却器5a。在压缩机6b、7b的下游设置另外的增压空气冷却器5b。空气温度降低，并且因此增压空气的密度增加，从而实现利用空气对气缸3的充气。
在涡轮6a、7a下游的总排气管线4中设置排气后处理***15。
在图1所示的实施例中，第一涡轮6a具有固定不变的涡轮几何形状和第一旁通管路14，第一旁通管路14在第一涡轮6a和第二涡轮7a之间从排气排放***4分支以形成第一结合点8a。第一旁通管路4在第一涡轮6a的下游和设置在排气排放***4中的排气后处理***15的上游再次通向排气排放***4。在本情况下为3-2通阀9的阀9被设置在第一结合点8a处。
第二排气涡轮增压器7的第二涡轮7a具有可变的涡轮几何形状和第二旁通管路12，第二旁通管路从在第二涡轮7a上游的排气排放***4分支，并且在第一涡轮6a和第二涡轮7a之间的第一结合点8a的下游再次通向排气排放***4。截止元件13被设置在第二旁通管路12中。
第一压缩机6b配备有第三旁通管路10，第三旁通管路10从在第一压缩机6b上游的进气***2分支，并在第一压缩机6b和第二压缩机7b之间通向进气***2以便形成第二结合点8b。第三旁通管路10具有另外的截止元件11，并且在增压空气冷却器5a和第二压缩机7b之间通向进气***2。
在第一旁通管路14中设置有用于还原氮氧化物的氮氧化物存储催化转化器14a，氮氧化物存储催化转化器减少特别是在预热阶段期间的氮氧化物，为此目的，第一旁通管路14被打开。
控制器100可以是包括以下的微处理器单元：微处理器单元、输入/输出端口、用于可执行程序和校准值的电子存储介质(例如，只读存储器芯片)、随机存取存储器、保活存储器和数据总线。存储介质只读存储器可以编程有表示可由微处理器执行的用于执行本文所描述的程序以及预期但未具体列出的其它变型的非瞬态指令的计算机可读数据。控制器100可以被配置为接收来自多个传感器165的信息并将控制信号发送到多个致动器175(其各种示例在此描述)。诸如各种附加阀和节气门的其它致动器可以联接到发动机***中的各个位置。控制器100可以接收来自各种传感器的输入数据，处理输入数据，并响应于经处理的输入数据，基于与一个或多个程序对应的经编程的指令或代码来触发致动器。这里关于图3描述示例控制程序。
控制器100从图1的各种传感器接收信号，并且基于接收的信号和存储在控制器的存储器上的指令采用图1的各种致动器来调整发动机操作。例如，控制器100可以从温度传感器接收指示发动机温度低于阈值和/或环境温度的信号，从而指示冷启动。响应于冷启动，控制器100可以向第一旁通管路14中的阀的致动器发信号以使其打开，从而将排气从HP涡轮7a直接引导到氮氧化物存储催化转化器，并且不使排气流到LP涡轮6a。
现在转到图2A，其示出了其车轮在地面上的车辆的实施例200。在一个示例中，实施例200可以类似于图1所示的实施例使用。实施例200示出了缸盖202和缸体204。缸盖202相对于箭头299竖直地在缸体204之上，该箭头指示重力的方向(此处，重力299)。
缸体204包括气缸和相关联的结构，例如冷却剂通道、进气和排气通道以及端口，和曲轴箱。缸盖202可以经由螺栓、焊接等中的一个或多个连接到缸体204。在缸盖202内，可以安装阀、燃料喷射器和火花塞。无火花发动机(柴油发动机)可以省略火花塞。进气经由缸盖中的开口和/或通道被供给到缸体中的进气通道。类似地，排气从缸体204中的排气通道排出到排气歧管(例如，排气歧管206)。
在实施例200中，排气歧管206是集成的排气歧管并且完全位于缸盖202内部。在一个示例中，排气歧管206是双壁的，包括在排气歧管的两个壁之间的隔热物208。外壁和内壁可以由不同的材料组成。例如，外壁可以包括适用于在车辆运动期间产生的较高机械载荷和应力的材料。替代地，内壁可以比外壁薄。壁可以彼此气密密封，使得位于其间的隔热物208不会泄露。隔热物208可以是空气、液体等。替代地，如果隔热物208是空气，则外壁可以包括小的开口，使得空气可以在某些条件下逸出。
隔热物208围绕HP涡轮壳体210(此处，HP涡轮210)延伸。如所示出的，HP涡轮210完全设置在缸盖202内，邻接排气歧管206。这连同隔热物208可以减轻热惯性，从而减小通过排气歧管206和HP涡轮210的热损失。在一个示例中，HP涡轮210类似于图1的第二涡轮7a使用。虚线212将HP涡轮210的区域与排气歧管206区分开。
现在转到图2B，其示出了缸盖202的详细视图280。如所示出的，排气歧管206对应于直列式四缸发动机，其中每个气缸均包括单一的排气端口。应当理解，排气歧管206可以被修改以适应不同的发动机(例如，V-6)和/或不同数量的排气端口(例如，每个气缸两个)。如所示出的，排气歧管206和HP涡轮210完全设置在缸盖202内。隔热物208包围HP涡轮210和排气歧管206。排气歧管206和LP涡轮220之间的联接在当前视图中被挡住。
返回到图2A，如上所述，HP涡轮210是还包括LP涡轮220的两级涡轮增压器的一部分。在一个示例中，LP涡轮220用螺栓连接到缸体204。然而，可以使用其它联接元件将LP涡轮220固定到缸体，例如焊接、熔接、粘合剂等。如所示出的，LP涡轮220竖直地在HP涡轮210之下。在一个示例中，LP涡轮220不是隔热的。如上所述，LP涡轮220可以大于HP涡轮210。
当HP涡轮210和排气歧管206的壳体由隔热结构构成时，LP涡轮220可以包括类似于缸体204和/或缸盖202的铸铁结构。
HP涡轮210直接联接到排气歧管206。从排气歧管206流到HP涡轮210的排气可以仅流过隔热通道和/或壳体。在一个示例中，LP涡轮220不直接联接到排气歧管206。LP涡轮220可以经由HP涡轮旁通通道240接收来自排气歧管206的排气。在一个示例中，HP涡轮旁通通道240可以类似于图1的第二旁通管路12使用。HP涡轮旁通通道240还包括阀242，阀242可以调节流经HP涡轮旁通通道240的排气量。例如，阀242可以致动到完全打开的位置、完全关闭的位置和它们之间的位置中的一个或更多个。完全打开的位置可以允许最大量的排气通过HP涡轮旁通通道240。完全关闭的位置可以防止排气流到HP涡轮旁通通道240。在一个示例中，当阀242处于完全关闭的位置时，排气被迫从排气歧管206流到HP涡轮210。在完全关闭和完全打开之间的位置可以被描述为更加打开和更加关闭，其中更加打开的位置比更加关闭的位置允许更多的排气进入到HP涡轮旁通通道240中。以这种方式，流经HP涡轮旁通通道240的排气不会流经HP涡轮210。
HP涡轮旁通通道240可以由钢管制成。通道240可以从排气歧管206的在HP涡轮210下方且在缸盖202的外部的部分延伸。在一个示例中，通道240不是隔热的。因此，通道240可以允许流过其中的排气与位于通道240外部的环境空气相连通。
LP涡轮220还可以经由连接通道230从HP涡轮210的下游接收排气。当阀232处于至少部分地打开的位置时，连接通道230可以从HP涡轮210接收排气。在一个示例中，阀232是仅具有完全关闭和完全打开位置的二元阀。阀232设置在HP涡轮出口214、连接通道230和LP涡轮旁通通道250之间的交叉处。替代地，阀232类似于阀242，并且可以包括在完全打开和完全关闭之间的多个位置。这里，阀232可以被称为第一阀232，并且阀242可以被称为第二阀242。
如果第一阀232关闭，则排气可以从HP涡轮出口214流到LP涡轮旁通通道250，而不流到连接通道230。LP涡轮旁通通道250将排气引导到稀NOx捕集器252。稀NOx捕集器252可以在某些排气温度(例如，低于第一阈值的温度)下捕集排气流中的NOx，并且当排气温度大于第二阈值时释放NOx。在一个示例中，第一阈值小于第二阈值。第一阈值可以对应于排气温度，所述排气温度对应于低于期望的操作温度(例如，发动机预热和除冷启动之外)的发动机操作。第二阈值可对应于发动机已经预热后的排气温度。因此，在发动机冷启动期间，稀NOx捕集器252可以存储NOx，并且一旦发动机已经预热，在排气被引导到稀NOx捕集器252时释放NOx。
在一个示例中，稀NOx捕集器是冷启动稀NOx捕集器，其中NOx捕集器被配置成在冷启动期间捕集排气中的NOx。这可以包括增加冷启动稀NOx捕集器的氧化铈(CeO)负载，使得催化剂可以在低温(例如，与冷启动一致的温度)下储存NOx。在期望的发动机操作温度(例如，200℃)下，冷启动稀NOx捕集器可不再有效地捕集NOx。
以这种方式，第一阀232可以在冷启动期间关闭。另外地，为增加稀NOx捕集器的加热，第二阀242被调节到完全关闭的位置，以迫使来自排气歧管206的所有排气到HP涡轮210，其中排气然后流过HP涡轮出口214、流过LP涡轮旁通通道250、并进入稀NOx捕集器252。来自稀NOx捕集器252的排气可以流经LP涡轮旁通通道250的其余部分，并在LP涡轮220下游的位置进入排气通道260的一部分。排气通道260内的排气在流经排气通道260的其余部分或流到环境大气之前可以流过后处理装置262。
一旦冷启动完成并且发动机已经预热，则可以调节通过上述通道的排气流。例如，打开第一阀232，使得来自HP涡轮出口214的排气流过连接通道230并进入LP涡轮220。另外地，随着HP涡轮210接近喘振极限，涡轮的操作会变得不稳定。为了降低在HP涡轮210中发生喘振的可能性，可以逐步地打开第二阀242，使得HP涡轮旁通通道240接收来自排气歧管206的排气。逐步打开第二阀242可以包括基于驾驶员需求打开第二阀，其中第二阀242打开到对应于由HP涡轮210提供的驾驶员需求量与总驾驶员需求之间的差的位置。以这种方式，LP涡轮220可以满足在发动机被预热(例如，除冷启动之外)的发动机条件期间HP涡轮210不能满足的驾驶员需求的剩余部分。LP涡轮220中的排气可以朝向后处理装置262流入到排气通道260中。后处理装置262可以是选择性催化还原装置、微粒过滤器、三元催化剂、柴油氧化催化剂、稀NOx捕集器及其组合中的一种或多种。
现在转到图3，其示出了一种用于响应于至少发动机温度调节第一阀和第二阀的方法。用于实施方法300的指令可以由控制器基于存储在控制器的存储器上的指令并结合从发动机***的传感器(诸如上面参照图1描述的传感器)接收的信号来执行。根据以下描述的方法，控制器可以使用发动机***的发动机执行器来调节发动机操作。
可以参考上述一个或多个部件描述方法300。具体地，可以参考图2的HP涡轮210、LP涡轮220、HP涡轮旁通通道240、连接通道230、HP涡轮出口214、LP涡轮旁通通道250、稀NOx捕集器252、第一阀232、第二阀242和排气通道260描述该方法。
方法300从302处开始，在302处，该方法包括确定发动机工况。发动机工况可以包括但不限于发动机转速、发动机温度、车速、歧管真空度、排气再循环流速、排气质量流速、升压压力和空/燃比中的一种或更多种。
该方法可以前进到304，在304处，该方法包括确定发动机温度是否小于阈值温度。在一个示例中，阈值温度实质上(substantially)等于期望的发动机操作温度(例如，预热温度)。因此，阈值温度可以等于一温度范围，所述温度范围等于180-210℃。发动机温度可以经由被配置为感测发动机油、发动机冷却剂等中的一种或更多种的温度的温度传感器来确定。如果发动机温度低于阈值温度，则方法可以前进到306。
在306处，该方法可以包括关闭第一阀并将第二阀关闭到完全关闭的位置。在308处，该方法可以包括使排气流经HP涡轮和冷启动稀NOx捕集器。在310处，该方法可以包括不使排气流到LP涡轮。以这种方式，冷启动可以包括使排气歧管中的所有排气流到HP涡轮，其中排气从排气歧管到HP涡轮的路径是完全隔热的。来自HP涡轮的排气流经HP涡轮出口，其中排气流经第一阀并进入冷启动稀NOx捕集器(例如，图2A的稀NOx捕集器252)。通过这样做，在冷启动期间零排气流到LP涡轮。因此，由于阀的关闭位置，HP涡轮旁通通道和连接通道被气密密封。冷启动稀NOx捕集器中的排气可流到LP涡轮下游的排气通道的一部分中。
返回到304，如果发动机温度不低于阈值温度并且没有发生冷启动，则该方法可以前进到312以打开第一阀并打开第二阀。在314处，该方法可以包括使排气流经HP涡轮和LP涡轮。在一个示例中，第二阀可不打开，直到HP涡轮不能再提供足够的升压量来满足驾驶员需求。在316处，该方法可以包括不使排气流经稀NOx捕集器。因此，一旦发动机预热，冷启动稀NOx捕集器接收零排气。
在一些示例中，一旦发动机已经预热，冷启动稀NOx捕集器可以接收一些排气以从稀NOx捕集器清除存储在所述稀NOx捕集器上的NOx。这可以使捕集器恢复到较少负载的状态，其中所述较少负载的状态被配置为捕获和存储比见多负载的状态更多的NOx。这可以在较低的驾驶员需求工况期间发生，其中HP涡轮和LP涡轮的组合满足驾驶员需求，同时允许排气的一部分流经LP旁通通道流到冷启动稀NOx捕集器。捕集器可以释放存储在其上的NOx，其中可以在排气通道中的后处理装置处减少NOx。
现在转到图4，其示出了图示说明在发动机冷启动和发动机预热条件期间的发动机条件的发动机操作顺序400。曲线410示出发动机温度，且虚线412示出阈值发动机温度，曲线420示出第一阀位置，曲线430示出第二阀位置，曲线440示出HP涡轮转速，且虚线442示出阈值HP涡轮转速，曲线450示出LP涡轮转速，且曲线460示出冷启动稀NOx捕集器温度，且虚线462示出冷启动稀NOx捕集器起燃温度。阈值发动机温度基于期望的发动机操作温度和对应于冷启动的低于该温度的温度。阈值HP涡轮转速基于其中HP涡轮的操作可能不再稳定的涡轮转速。例如，涡轮劣化、功率损耗，且在大于阈值HP涡轮转速的涡轮转速下，功率效率会降低。冷启动稀NOx捕集器起燃温度是基于其中冷启动稀NOx捕集器足够热到存储排气流中的NOx的温度。时间从图的左侧到右侧增加。
在t1时刻之前，发动机温度(曲线410)从相对低的温度向阈值发动机温度增加。因此，发动机可经历冷启动。在一个示例中，由于在一定量时间保持不活动(例如，关闭)之后的发动机温度降低，可发生冷启动。响应于冷启动，第一阀(曲线420)被移动到完全关闭的位置。另外地，第二阀(曲线430)被移动到完全关闭的位置。以这种方式，来自隔热的排气歧管的所有排气流到隔热的HP涡轮，其中排气流经HP涡轮出口并且朝向冷启动稀NOx捕集器进入到LP涡轮旁通通道中。因此，HP涡轮转速(曲线440)朝向阈值HP涡轮转速增加，同时LP涡轮转速(曲线450)保持相对低(例如，零)。冷启动稀NOx捕集器温度(曲线460)相对快地增加到高于冷启动稀NOx捕集器起燃温度(曲线462)的温度，并且能够为大多数的冷启动从排气流中捕集NOx。如所示出的，冷启动稀NOx捕集器温度在冷启动完成之前达到冷启动稀NOx捕集器起燃温度。
在t1时刻，发动机温度大于发动机温度阈值，并且冷启动完成。因此，第一阀被移动到完全打开的位置并且第二阀被移动到更加打开的位置。当第一阀处于完全打开的位置时，从HP涡轮出口流出的排气朝向LP涡轮流入连接通道。因此，HP涡轮出口不再将排气送入LP涡轮旁通通道。因此，冷启动稀NOx捕集器不再接收排气并且其温度开始降低。第二阀允许排气从排气歧管朝向LP涡轮流入HP涡轮旁通通道而不流经HP涡轮。以这种方式，一旦冷启动完成，一些排气可绕开HP涡轮。在一些示例中，另外地或替代地，如果HP涡轮在没有来自LP涡轮的辅助下不能满足驾驶员需求，排气在冷启动之后可以只绕开HP涡轮。如所示出的，HP涡轮转速实质上等于阈值HP涡轮转速，且因此，HP涡轮会不能再满足目前的驱动器需求。因此，第二阀被移动到更加打开的位置，以允许一些排气绕开HP涡轮并流到LP涡轮。
发动机操作顺序上所示的关闭和打开位置分别对应于完全关闭和完全打开位置。因此，根据阀的方向性，它们之间的位置对应于更加打开或更加关闭的位置。例如，将阀从完全关闭的位置调节到完全关闭和完全打开之间的位置(例如，阀20％打开)可被描述为更加打开的位置。替代地，将阀从完全打开的位置调节到完全打开和完全关闭之间的位置(例如，阀80％打开)可以被描述为更加关闭的位置。然而，应当理解，80％打开的阀比20％打开的阀更加打开。
在t1时刻之后且t2时刻之前，发动机温度保持高于阈值发动机温度。第一阀保持在完全打开的位置。因此，冷启动稀NOx捕集器温度降低到低于冷启动稀NOx捕集器起燃温度的温度。由于第二阀处于更加打开的位置，HP涡轮转速降低到低于阈值涡轮转速。这也导致LP涡轮转速朝向相对高的速度增加。驾驶员需求在t1时刻和t2时刻之间增加，导致HP涡轮转速朝向阈值HP涡轮转速增加。在t2时刻，HP涡轮转速实质上等于阈值HP涡轮转速。因此，第二阀被调节到更加打开的位置，以使来自排气歧管的更多排气流经HP涡轮旁通通道并流到LP涡轮。
在t2时刻之后且t3时刻之前，随着越来越多的排气远离HP涡轮绕开到LP涡轮，LP涡轮转速增加且HP涡轮转速降低。第一阀保持关闭并且冷启动稀NOx捕集器温度保持相对低。在t3时刻，HP涡轮转速保持低于阈值HP涡轮转速。发动机温度保持大于阈值发动机温度。LP涡轮转速在相对高速和低速之间。
在一些示例中，第一阀可以在t3时刻之后(例如，在冷启动之后)被调节到更加关闭的位置，以允许一部分排气流到冷启动稀NOx捕集器。这可将冷启动稀NOx捕集器的温度升高到相对高的温度，其中捕集器可以释放储存在其上的NOx。这可以基于计时器，其中稍微打开第一阀，以便不会扰乱发动机操作参数(例如，仍然满足驾驶员需求)，同时还使足够量的排气流到冷启动稀NOx捕集器以除去储存在其上的NOx。可以在设置在联接到LP涡轮旁通通道的排气通道中的后处理装置处减少释放的NOx。
在一个示例中，为了再生冷启动稀NOx捕集器，在轻发动机负载和/或低速操作期间，排气可以被引导到LP涡轮旁通通道。具体地，当排气温度等于或高于期望的发动机温度(例如200℃)并且通过HP涡轮可以满足发动机负载和/或驾驶员需求时，冷启动稀NOx捕集器可以再生。另外地或替代地，在其中可以满足起燃(light-out)条件的轻负载期间，可以使用冷启动稀NOx捕集器。起燃条件可以被限定为其中流到后处理装置(例如，后处理装置262)的排气不足以维持后处理装置起燃(lit-off)的较低/较轻的发动机负载。如果是这种情况，并且HP涡轮能够维持较低的负载，则排气可以流到冷启动稀NOx捕集器。因此，可以在发生冷启动的第一模式和不发生冷启动的第二模式期间使用冷启动稀NOx捕集器。
作为在实质上等于期望的发动机温度的温度下操作的车辆的示例，如果流到后处理装置的排气很少，则可以满足起燃条件。这可以发生在其中会发生频繁停车的城市驾驶或其他类似的驾驶环境中。如果满足起燃条件，则排气可以流到冷启动稀NOx捕集器以确保捕集排放物。
以这种方式，两级涡轮增压器可以包括设置在发动机缸盖中且紧密联接到集成的排气歧管的HP涡轮和联接到发动机缸体的外部的LP涡轮。HP涡轮壳体和集成的排气歧管经由空气间隙(air-gap)或其它隔热元件隔热，以减少当排气流经缸盖并进入到各种排气通道时的热损失。使排气歧管和HP涡轮隔热的技术效果是减少热损失，使得排气可以快速地加热设置在HP涡轮下游的冷启动稀NOx捕集器。冷启动还包括在冷启动完成之前不使排气流到LP涡轮。冷启动完成后，排气可流到HP和LP涡轮二者，而不流入冷启动稀NOx捕集器。
一种方法的实施例，所述方法包括响应于发动机温度小于阈值温度，使排气仅流经设置在气缸盖中的排气歧管和高压涡轮的隔热部分，所述排气流到催化剂而不流到低压涡轮，并且当发动机温度大于阈值温度时，使排气经过排气歧管的隔热部分和非隔热部分流到高压涡轮和低压涡轮。所述方法的第一示例还包括：其中催化剂是冷启动稀NOx捕集器，并且其中仅当发动机温度低于阈值温度时，冷启动稀NOx捕集器才接收排气。可选地包括第一示例的所述方法的第二示例还包括：其中催化剂设置在低压涡轮旁通通道中，并且其中流出催化剂的排气不流到低压涡轮旁通通道。可选地包括第一和/或第二示例的所述方法的第三示例进一步包括：其中低压涡轮用螺栓连接到气缸体，并且其中从排气歧管通向低压涡轮的通道不是隔热的，并且所述通道竖直地低于从排气歧管通向高压涡轮的隔热通道。
一种***的实施例，所述***包括：发动机，所述发动机具有气缸盖和气缸体；涡轮增压器，所述涡轮增压器具有高压涡轮和低压涡轮；排气歧管，其和高压涡轮设置在气缸盖中，并且其中排气歧管和高压涡轮在气缸盖内是隔热的，并且其中所述排气歧管经由高压涡轮旁通通道流体地连接到所述低压涡轮，所述高压涡轮旁通通道是非隔热的；具有计算机可读指令的控制器，当执行所述计算机可读指令时，使得所述控制器能够在第一模式期间，致动第一阀以防止排气从所述高压涡轮流到所述低压涡轮，并且致动第二阀以防止排气从所述排气歧管流到所述高压涡轮旁通通道，以及在第二模式期间，致动所述第一阀以使排气从所述高压涡轮流到所述低压涡轮，并且致动所述第二阀以使排气从所述排气歧管流到所述高压涡轮旁通通道。所述***的第一示例还包括：其中第一模式还包括使排气流到设置在所述第一阀下游的低压涡轮旁通通道中的冷启动稀NOx捕集器。可选地包括第一示例的所述***的第二示例还包括：其中所述第二模式还包括当满足后处理装置的起燃条件时使排气旁通绕过所述低压涡轮，并使排气流到所述冷启动稀NOx捕集器。
注意，包括在本文中的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆***配置一起使用。本文公开的控制方法和程序可作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可由包括控制器的控制***与各种传感器、致动器以及其他发动机硬件组合实施。本文描述的特定程序可表示任何数量的处理策略中的一种或多种，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。由此，所示的各种动作、操作和/或功能可以按所示的顺序执行、并行执行或在一些情况下省略。同样地，处理的次序并非是实现本文所描述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为易于说明和描述提供。根据所使用的具体策略，可重复执行所示的动作、操作和/或功能中的一个或多个。进一步地，所描述的动作、操作和/或功能可图形化地表示待编程到发动机控制***中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，其中可以通过执行包括与电子控制器结合的各种发动机硬件部件的***中的指令来实施所描述的动作。
应该理解，本文公开的配置和程序在本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应被视为具有限制性意义，因为许多变体是可能的。例如，以上技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他的发动机类型。本公开的主题包括本文所公开的各种***和配置，以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
随附权利要求特别指出被视为新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可指“一个”元件或“第一”元件或其等同物。此类权利要求应当被理解为包括一个或多个此类元件的结合，既不要求也不排除两个或多个此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可通过本权利要求的修正或通过在本申请或相关申请中呈现的新权利要求加以要求保护。此类权利要求，无论是更宽于、更窄于、等于或不同于原始的权利要求的范围，仍被视为包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种增压直喷式内燃发动机，所述增压直喷式内燃发动机具有用于供应增压空气的进气***，且具有用于排放排气的排气排放***，并且具有至少两个串联连接的排气涡轮增压器，每个所述排气涡轮增压器均包括设置在所述排气排放***中的涡轮和设置在所述进气***中的压缩机，其中第一排气涡轮增压器用作低压级，且第二排气涡轮增压器用作高压级，所述第二排气涡轮增压器的包括第二涡轮壳体的第二涡轮设置在所述第一排气涡轮增压器的包括第一涡轮壳体的第一涡轮的上游，并且所述第二排气涡轮增压器的第二压缩机设置在所述第一排气涡轮增压器的第一压缩机的下游；
提供第一旁通管路，所述第一旁通管路在所述第一涡轮和所述第二涡轮之间从所述排气排放***分支以形成第一结合点；
阀，其被设置在所述排气排放***中的所述第一结合点处；
提供第二旁通管路，所述第二旁通管路在所述第二涡轮的上游从所述排气排放***分支，并且在所述第一涡轮和所述第二涡轮之间再次通向所述排气排放***，并且在所述第二旁通管路中设置有截止元件；
至少一个排气后处理***，其被设置在所述涡轮下游的所述排气排放***中；以及
氮氧化物存储催化转化器，其设置在所述第一旁通管路中。
2.根据权利要求1所述的增压直喷式内燃发动机，其中，处于所述第一结合点处的所述阀是三通阀。
3.根据权利要求1所述的增压直喷式内燃发动机，其中，处于所述第一结合点处的所述阀是可枢转的翻板。
4.根据权利要求1所述的增压直喷式内燃发动机，其中，所述第一旁通管路在设置在所述排气排放***中的所述第一涡轮的下游且所述排气后处理***的上游再次通向所述排气排放***。
5.根据权利要求1所述的增压直喷式内燃发动机，其中，当发动机温度低于阈值温度时，设置在所述第一旁通管路中的所述氮氧化物存储催化转化器接收排气。
6.根据权利要求1所述的增压直喷式内燃发动机，其中，所述第二旁通管路使排气旁通绕过所述第二涡轮。
7.根据权利要求1所述的增压直喷式内燃发动机，还包括设置在所述进气***中的所述第一压缩机和所述第二压缩机之间的增压空气冷却器。
8.根据权利要求1所述的增压直喷式内燃发动机，所述发动机具有至少两个气缸，其中每个气缸均包括至少一个出气口以用于经由所述排气排放***排放排气，并且每个出气口与排气管路相邻接，其中，所述至少两个气缸的排气管路合并形成排气歧管。
9.根据权利要求8所述的增压直喷式内燃发动机，其中，所述排气歧管至少在一些区域中配备有热绝缘物，其中所述热绝缘物包括位于腔室中的至少一个气垫。
10.根据权利要求9所述的增压直喷式内燃发动机，其中，所述第二涡轮的所述涡轮壳体至少部分地与所述排气歧管一体成形。
11.根据权利要求1所述的增压直喷式内燃发动机，其中，所述第一涡轮的所述涡轮壳体被紧固到所述内燃发动机的气缸体，并且其中，使用减振元件形成所述第一涡轮的所述涡轮壳体与排气引导管路之间的至少一个连接。
12.根据权利要求1所述的增压直喷式内燃发动机，还包括具有存储在其上的计算机可读指令的控制器，当执行所述计算机可读指令时，使得所述控制器能够在发动机温度低于阈值温度时启动第一模式，在所述第一模式中，所述内燃发动机仅使用所述第二排气涡轮增压器增压，并且在所述发动机温度高于所述阈值温度时启动第二模式，在所述第二模式中，所述内燃发动机经由所述第一排气涡轮增压器和所述第二排气涡轮增压器增压，其中所述阈值温度等于期望的发动机操作温度。
13.根据权利要求12所述的增压直喷式内燃发动机，其中所述第一模式还包括致动设置在所述第一结合点处的所述阀，以打开所述第一旁通管路并防止排气从所述第二涡轮流到所述第一涡轮。
14.一种方法，其包括：
响应于发动机温度低于阈值温度，仅使排气流经设置在气缸盖中的排气歧管和高压涡轮的隔热部分，所述排气流到催化剂而不流到低压涡轮；以及
当所述发动机温度高于所述阈值温度时，使排气通过所述排气歧管的隔热部分和非隔热部分流到所述高压涡轮和低压涡轮。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述催化剂是冷启动稀NOx捕集器，并且其中仅当所述发动机温度低于所述阈值温度时，所述冷启动稀NOx捕集器才接收排气。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述催化剂设置在低压涡轮旁通通道中，并且其中从所述催化剂流出的排气不流到所述低压涡轮旁通通道。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述低压涡轮用螺栓连接到气缸体，并且其中从所述排气歧管通向所述低压涡轮的通道不是隔热的并且竖直地低于从所述排气歧管通向所述高压涡轮的隔热通道。
18.一种***，其包括：
发动机，所述发动机具有气缸盖和气缸体；
涡轮增压器，所述涡轮增压器具有高压涡轮和低压涡轮；
排气歧管，所述排气歧管和所述高压涡轮设置在所述气缸盖中，并且其中所述排气歧管和所述高压涡轮在所述气缸盖内是隔热的，并且其中所述排气歧管经由高压涡轮旁通通道流体地连接到所述低压涡轮，所述高压涡轮旁通通道是非隔热的；以及
具有计算机可读指令的控制器，当执行所述计算机可读指令时，使得所述控制器能够：
在第一模式期间，致动第一阀以防止排气从所述高压涡轮流到所述低压涡轮，并且致动第二阀以防止排气从所述排气歧管流到所述高压涡轮旁通通道，以及在第二模式期间，致动所述第一阀以使排气从所述高压涡轮流到所述低压涡轮，并且致动所述第二阀以使排气从所述排气歧管流到所述高压涡轮旁通通道。
19.根据权利要求18所述的***，其中所述第一模式还包括使排气流到设置在所述第一阀的下游的低压涡轮旁通通道中的冷启动稀NOx捕集器。
20.根据权利要求18所述的***，其中所述第二模式还包括当满足后处理装置的起燃条件时使排气旁通绕过所述低压涡轮，并使排气流到所述冷启动稀NOx捕集器。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10107180B2 (en) * 2015-04-24 2018-10-23 Ford Global Technologies, Llc Two-stage supercharging internal combustion engine having an exhaust-gas aftertreatment arrangement, and method for operating a two-stage supercharged internal combustion engine
US20180058340A1 (en) * 2016-08-24 2018-03-01 Ford Global Technologies, Llc Supercharged internal combustion engine with compressor, exhaust-gas recirculation arrangement and flap
WO2021101837A1 (en) 2019-11-21 2021-05-27 Cummins Inc. Systems and methods for operating passive nitrogen oxide adsorbers in exhaust aftertreatment systems
CN111663994A (zh) * 2020-06-17 2020-09-15 中车大连机车研究所有限公司 一种可调喷嘴控制方法
US20220235725A1 (en) * 2021-01-26 2022-07-28 Jeff Brand Cylinder head with integrated catalyst
US11585301B1 (en) * 2021-12-14 2023-02-21 Ford Global Technologies, Llc Two-stage boost system for engines

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19923557A1 (de) * 1999-05-21 2000-11-30 Daimler Chrysler Ag Gebauter luftspaltisolierter Abgaskrümmer einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges
EP1396619A1 (de) * 2002-09-05 2004-03-10 BorgWarner Inc. Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine
US20140109553A1 (en) * 2012-10-18 2014-04-24 Southwest Research Institute Diesel Engine Exhaust Aftertreatment System and Method of Operation
DE202014102710U1 (de) * 2014-06-11 2014-06-24 Ford Global Technologies, Llc Aufgeladene Brennkraftmaschine mit in Reihe angeordneten Abgasturboladern
DE202015102241U1 (de) * 2015-04-24 2015-06-01 Ford Global Technologies, Llc Zweistufig aufladbare Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4404804A (en) * 1980-01-10 1983-09-20 Toyo Kogyo Co., Ltd. Internal combustion engine having a turbo-supercharger and a catalytic exhaust gas purifying device
EP1426557B1 (de) * 2002-12-03 2013-07-17 BorgWarner, Inc. Gehäuse für Turbolader
EP1640596B2 (de) 2004-09-22 2016-09-07 Ford Global Technologies, LLC, A subsidary of Ford Motor Company Aufgeladene Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
JP2006097684A (ja) 2004-09-27 2006-04-13 Borgwarner Inc Ｖｔｇタービン段を利用する多段ターボ過給装置
DE102005043060B4 (de) 2005-09-07 2012-10-04 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine
US7360362B2 (en) * 2006-01-20 2008-04-22 Honeywell International, Inc. Two-stage turbocharger system with integrated exhaust manifold and bypass assembly
DE102006011889A1 (de) 2006-03-15 2007-09-20 Robert Bosch Gmbh Aufladeeinrichtung mit Abgastemperiervorrichtung
JP4906924B2 (ja) * 2006-10-17 2012-03-28 ボーグワーナー インコーポレーテッド ガス封止および振動減衰用のリングシール
DE102007062661A1 (de) * 2007-12-24 2009-06-25 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Abgassammler
US20090178406A1 (en) 2008-01-14 2009-07-16 Jeffrey Matthews Apparatus, system, and method for utilizing a diesel aftertreatment device between the high pressure and low pressure turbine stages of a two-stage turbocharging system
CN101925725B (zh) 2008-02-29 2016-03-16 博格华纳公司 具有热旁路的多级涡轮增压***
DE102009014361A1 (de) 2009-03-21 2010-09-23 Daimler Ag Abgasbehandlungseinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Abgasbehandlungseinrichtung
EP2418363A1 (en) * 2009-04-10 2012-02-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Control device for internal combustion engine
DE112010002761T5 (de) 2009-06-29 2012-08-02 Borgwarner Inc. Mehrstufige Turboladeranordnung
DE102009052167A1 (de) * 2009-11-06 2011-05-12 Mtu Friedrichshafen Gmbh Rohranordnung
US20130255230A1 (en) * 2010-12-17 2013-10-03 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust heating device for internal combustion engine and control method therefor
DE102011078282A1 (de) * 2011-06-29 2013-01-03 Ford Global Technologies, Llc Verfahren zur Steuerung einer Turboladeranordnung eines Verbrennungsmotors sowie Steuerungseinrichtung
GB2492995B (en) * 2011-07-19 2014-12-17 Jaguar Land Rover Ltd Reducing the catalyst light-off time for an engine with a multi-stage turbocharger
DE102013211390B4 (de) * 2013-06-18 2015-08-06 Eberspächer Exhaust Technology GmbH & Co. KG Luftspaltisolierter Abgaskrümmer und damit ausgestattete aufgeladene Brennkraftmaschine
DE102013215574A1 (de) 2013-08-07 2015-02-12 Ford Global Technologies, Llc Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
WO2015140210A1 (de) * 2014-03-20 2015-09-24 Tenneco Gmbh Krümmer
US9512762B2 (en) * 2014-08-13 2016-12-06 Southwest Research Institute Internal combustion engine having dedicated cylinder(s) for generation of both EGR and exhaust aftertreatment reductant for NOx-reducing catalyst
DE202015103037U1 (de) * 2015-05-06 2015-06-26 Ford Global Technologies, Llc R2S Aufladesystem mit Zwischenabgasnachbehandlung
DE102015108896B4 (de) * 2015-06-05 2020-12-10 Denso Corporation Abgasnachbehandlungssystem und zugehöriges Betriebsverfahren

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19923557A1 (de) * 1999-05-21 2000-11-30 Daimler Chrysler Ag Gebauter luftspaltisolierter Abgaskrümmer einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges
EP1396619A1 (de) * 2002-09-05 2004-03-10 BorgWarner Inc. Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine
US20140109553A1 (en) * 2012-10-18 2014-04-24 Southwest Research Institute Diesel Engine Exhaust Aftertreatment System and Method of Operation
DE202014102710U1 (de) * 2014-06-11 2014-06-24 Ford Global Technologies, Llc Aufgeladene Brennkraftmaschine mit in Reihe angeordneten Abgasturboladern
DE202015102241U1 (de) * 2015-04-24 2015-06-01 Ford Global Technologies, Llc Zweistufig aufladbare Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung

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