用于排氣催化劑溫度控制的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于改進(jìn)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的排氣催化劑溫度控制的系統(tǒng)和方法，所述發(fā)動機(jī)系統(tǒng)配置有用于對其他發(fā)動機(jī)汽缸提供外部EGR的單獨(dú)汽缸。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動機(jī)可配置成帶有排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，以將至少一些排氣從發(fā)動機(jī)排氣歧管轉(zhuǎn)移至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管。通過提供期望的發(fā)動機(jī)稀釋，這樣的系統(tǒng)減少了發(fā)動機(jī)爆震、節(jié)流損失、汽缸內(nèi)熱損失以及氮氧化物(NOx)的排放。因此，改進(jìn)了燃料經(jīng)濟(jì)性，尤其是在更高水平的發(fā)動機(jī)增壓的情況下。發(fā)動機(jī)已配置成帶有專門用于對其他發(fā)動機(jī)汽缸提供外部EGR的單獨(dú)汽缸(或汽缸組)。其中，來自專用汽缸組的全部排氣再循環(huán)至進(jìn)氣歧管。像這樣的，這允許在大多數(shù)操作條件下對發(fā)動機(jī)汽缸提供大致固定量的EGR。通過調(diào)節(jié)專用EGR汽缸組的燃料供給(例如，以較濃水平運(yùn)行)，EGR的成分可改變?yōu)榘ㄖT如氫之類的多種種類，這提高了發(fā)動機(jī)的EGR容限以及產(chǎn)生了燃料經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]帶有專用EGR汽缸組的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)可配置成帶有分流氣門，該分流氣門允許來自專用EGR汽缸組的所有排氣要么被引導(dǎo)返回至進(jìn)氣歧管要么被轉(zhuǎn)移至排氣催化劑。在Hayman等人的專利號為8，539，768的美國專利中示出了帶有分流氣門的這樣的系統(tǒng)的實(shí)例。通過使來自專用EGR汽缸的排氣轉(zhuǎn)移至排氣催化劑，可增加朝向催化劑的熱流，諸如在發(fā)動機(jī)冷啟動以及催化劑加熱情況過程中。此外，在高負(fù)載下可降低EGR速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]然而，本文的發(fā)明人已確定這種方法的潛在問題。例如，分流氣門可提供的選擇是有限的。尤其地，控制器可被限制于將所有的排氣引導(dǎo)至進(jìn)氣歧管(這會提高燃料經(jīng)濟(jì)性但會降低排氣催化劑溫度)或者將所有的排氣引導(dǎo)至催化劑(這會提高催化劑溫度但會降低燃料經(jīng)濟(jì)性)之間。因此，在用于催化劑升溫的排氣再定向過程中，EGR被暫時(shí)停用，SP使可能需要發(fā)動機(jī)稀釋。像這樣，這導(dǎo)致發(fā)動機(jī)性能和燃料經(jīng)濟(jì)性的下降。再例如，可能存在除了發(fā)動機(jī)冷啟動過程之外需要催化劑溫度控制的情況。例如，排氣催化劑能夠在延長的輕負(fù)載操作過程中冷卻至低于其最優(yōu)轉(zhuǎn)化溫度，因?yàn)樵谳^輕負(fù)載下，預(yù)催化劑排氣溫度通常較低?？赏ㄟ^向燃燒室添加高水平的EGR而使得排氣溫度進(jìn)一步冷卻。像這樣，如果排氣催化劑溫度在發(fā)動機(jī)操作過程中下降至低于閾值溫度以下，則排放轉(zhuǎn)換率降級，從而對發(fā)動機(jī)排氣排放造成不利影響。
[0005]發(fā)明人已認(rèn)識到這些問題并且已開發(fā)出至少部分地克服一些問題的用于排氣催化劑溫度控制的方法。一個(gè)實(shí)例方法包括使來自專用EGR汽缸的排氣流動至排氣催化劑通道(經(jīng)由旁通通道)以及發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口(經(jīng)由EGR通道)中的每一者；以及通過旁通氣門來調(diào)節(jié)穿過所述通道的相對流量，該調(diào)節(jié)響應(yīng)于催化劑溫度。通過這種方式，排氣可從專用EGR汽缸同時(shí)地流動至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口和排氣催化劑中的每一者，調(diào)節(jié)它們的相對比以提供期望的排氣催化劑溫度。
[0006]例如，將專用EGR汽缸連接至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的EGR通道可包括連續(xù)地可變的旁通氣門，其允許排氣的一部分被調(diào)節(jié)以通過旁通通道到達(dá)排氣歧管中的排氣催化劑。這樣，排氣的其余部分可繼續(xù)通過EGR通道再循環(huán)至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口?；谂艢獯呋瘎┑臏囟?，可調(diào)節(jié)旁通氣門以改變穿過旁通通道的排氣流與穿過EGR通道的排氣流的比。例如，在催化劑溫度低于閾值的情況期間，諸如在冷啟動情況期間或者在輕負(fù)載的延長的操作之后，可調(diào)節(jié)旁通氣門以增加穿過旁通通道的排氣流而同時(shí)相應(yīng)地減少通過EGR通道的排氣流。此夕卜，可使專用EGR汽缸加濃以在排氣催化劑處提供氫、0)2和富含碳?xì)浠衔锏呐艢饬?。可基于使得排氣催化劑達(dá)到或高于閾值溫度所需的熱通量來調(diào)節(jié)加濃程度。例如，對于給定的穿過旁通通道的流率，當(dāng)排氣催化劑與閾值溫度之間的差異增大時(shí)，專用EGR汽缸的燃料供應(yīng)可變得更濃。同時(shí)，其余發(fā)動機(jī)汽缸的燃料供應(yīng)可變稀，基于專用EGR汽缸的加濃程度來調(diào)節(jié)稀化程度，以將總體排氣管排氣空燃比維持在理想配比或附近。來自專用EGR汽缸的濃排氣可然后與來自其余汽缸的稀排氣結(jié)合，以在催化劑處產(chǎn)生顯著的放熱反應(yīng)，從而進(jìn)一步促進(jìn)催化劑加熱。當(dāng)催化劑溫度超過閾值時(shí)，可調(diào)節(jié)旁通氣門以減少通過旁通的排氣流而同時(shí)增加再循環(huán)至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的排氣流。
[0007]這樣，可致動與專用EGR系統(tǒng)連接的旁通氣門，以維持排氣催化劑溫度。通過持續(xù)將至少一些排氣轉(zhuǎn)移至排氣催化劑而同時(shí)將排氣的其余部分再循環(huán)至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口，使催化劑溫度控制啟用而無需停用EGR。通過基于通過旁通氣門的流量來加濃專用EGR汽缸組，可促進(jìn)催化劑加熱。通過在排氣催化劑處將來自專用EGR汽缸組的濃排氣(其為富含碳?xì)浠衔锏?與來自其余發(fā)動機(jī)汽缸的稀排氣(其為富氧的)結(jié)合，可產(chǎn)生顯著的放熱反應(yīng)以使排氣催化劑維持在活化溫度以上。此外，通過使得放熱反應(yīng)能夠直接在排氣催化劑處發(fā)生，提高了熱傳遞，并且降低了至其他發(fā)動機(jī)部件(諸如汽缸蓋、渦輪機(jī)、排氣管道裝置等)的熱損失。通過允許在不停用EGR輸送的情況下控制催化劑溫度，可提高排氣排放而不會導(dǎo)致燃料經(jīng)濟(jì)性損失。
[0008]應(yīng)當(dāng)理解的是，提供以上內(nèi)容以便以簡化的形式引入一部分概念，這些概念將在詳細(xì)的說明書中進(jìn)一步描述。這并不意味著確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或必要特征，其范圍唯一地由跟隨詳細(xì)的說明書的權(quán)利要求限定。此外，所要求保護(hù)的主題并不局限于解決在上文或本公開任意部分記載的任何缺點(diǎn)的實(shí)施方式。
【附圖說明】
[0009]圖1為包括供應(yīng)專用EGR的汽缸組的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的示意圖。
[0010]圖2為發(fā)動機(jī)燃燒室的示意圖。
[0011 ] 圖3示出了用于調(diào)節(jié)旁通氣門以基于排氣催化劑溫度來改變從專用EGR汽缸到排氣催化劑和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口中每一者的相對排氣流量的實(shí)例方法。
[0012]圖4示出了以響應(yīng)于排氣催化劑溫度的方式進(jìn)行的排氣流從專用EGR汽缸通過旁通通道到排氣催化劑以及通過EGR通道到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的調(diào)節(jié)實(shí)例。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本說明書涉及對利用高度稀釋的汽缸混合物進(jìn)行操作的發(fā)動機(jī)的排氣催化劑溫度控制，諸如圖1至圖2的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其中來自專用汽缸組的排氣被用于對發(fā)動機(jī)提供外部EGR?？刂破骺膳渲贸蓤?zhí)行控制程序，諸如圖3的程序，以基于催化劑溫度連續(xù)地改變從專用汽缸組轉(zhuǎn)移到排氣催化劑且同時(shí)繞過其余的發(fā)動機(jī)汽缸的排氣相對于再循環(huán)至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的排氣的比例。這樣，排氣催化劑可被保持在操作溫度以上而同時(shí)EGR被輸送。參照圖4示出了發(fā)動機(jī)操作過程中(包括發(fā)動機(jī)冷啟動過程和之后)用于排氣催化劑溫度控制的調(diào)節(jié)實(shí)例。
[0014]圖1示意性地示出了發(fā)動機(jī)系統(tǒng)100的實(shí)例的各方面，所述發(fā)動機(jī)系統(tǒng)100包括帶有四個(gè)汽缸(I至4)的發(fā)動機(jī)10。如在本文中詳細(xì)描述的，這四個(gè)汽缸布置成由專用EGR汽缸4組成的第一汽缸組18以及由非專用EGR汽缸I至3組成的第二汽缸組17。參照圖2給出了發(fā)動機(jī)10的每個(gè)燃燒室的詳細(xì)描述。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)100可被連接在車輛中，所述車輛諸如為配置成用于道路行駛的載客車輛。
[0015]在所示實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)10為連接至渦輪增壓器13的增壓發(fā)動機(jī)，該渦輪增壓器13包括由渦輪機(jī)76驅(qū)動的壓縮機(jī)74。具體地，新鮮空氣通過空氣清潔器33沿著進(jìn)氣通道42被引入到發(fā)動機(jī)10中并且流動至壓縮機(jī)74?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)進(jìn)氣節(jié)氣門20至少部分地控制通過進(jìn)氣通道42進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)的環(huán)境空氣的流率。壓縮機(jī)74可為任何合適的進(jìn)氣壓縮機(jī)，諸如電機(jī)驅(qū)動或驅(qū)動軸驅(qū)動的機(jī)械增壓器壓縮機(jī)。然而，在發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10中，壓縮機(jī)為通過軸19機(jī)械連接至渦輪機(jī)76的渦輪增壓器壓縮機(jī)，通過使發(fā)動機(jī)排氣膨脹來驅(qū)動渦輪機(jī)76。在一個(gè)實(shí)施例中，壓縮機(jī)和渦輪機(jī)可被連接在雙渦流渦輪增壓器內(nèi)。在另一實(shí)施例中，渦輪增壓器可為可變截面渦輪增壓器(VGT)，其中渦輪機(jī)截面作為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)主動地變化。在其他實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)10可為不帶有增壓裝置的自然吸氣式發(fā)動機(jī)。
[0016]如在圖1中所示，壓縮機(jī)74通過增壓空氣冷卻器78連接至進(jìn)氣節(jié)氣門20。進(jìn)氣節(jié)氣門20連接至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管25。從壓縮機(jī)開始，壓縮空氣流動穿過增壓空氣冷卻器和節(jié)氣門到達(dá)進(jìn)氣歧管。增壓空氣冷卻器可為例如空氣-空氣換熱器或空氣-水換熱器。在圖1所示實(shí)施例中，進(jìn)氣歧管內(nèi)的充氣的壓力由歧管空氣壓力(MAP)傳感器24檢測。壓縮機(jī)旁通氣門(未示出)可被串聯(lián)連接在壓縮機(jī)74的入口與出口之間。壓縮機(jī)旁通氣門可為常閉氣門，其配置成在選定的操作條件下打開，以釋放過量的增壓壓力。例如，壓縮機(jī)旁通氣門可在降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的情況期間打開以避免壓縮機(jī)喘振。
[0017]進(jìn)氣歧管25通過一系列進(jìn)氣氣門(參見圖2)連接至一系列燃燒室30。燃燒室進(jìn)一步通過一系列排氣氣門(參見圖2)連接至排氣歧管36。在所示實(shí)施例中，排氣歧管36包括多個(gè)排氣歧管區(qū)段，以使得來自不同燃燒室的廢氣能夠被引導(dǎo)至發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的不同位置。特別地，來自第二、非專用EGR汽缸組17(汽缸I至3)的排氣在被排放控制裝置170的排氣催化劑處理之前被引導(dǎo)穿過排氣歧管36的渦輪機(jī)76。
[0018]燃燒室30可被供應(yīng)一種或多種燃料，諸如汽油、酒精燃料混合物、柴油、生物柴油、壓縮天然氣等。燃料可通過噴射器66供應(yīng)至燃燒室。燃料噴射器66可從燃料箱(未示出)抽取燃料。在所示實(shí)例中，燃料噴射器66配置成用于直接噴射，而在其他實(shí)施例中，燃料噴射器66可配置成進(jìn)氣道噴射或節(jié)氣門氣門體噴射。此外，每個(gè)燃燒室可包括具有不同配置的一個(gè)或多個(gè)燃料噴射器，以使每個(gè)汽缸能夠通過直接噴射、進(jìn)氣道噴射、節(jié)氣門氣門體噴射或其組合來接收燃料。在燃燒室中，可通過火花點(diǎn)火和/或壓縮點(diǎn)火來開始燃燒。
[0019]來自排氣歧管36的排氣被引導(dǎo)至渦輪機(jī)76以驅(qū)動該渦輪機(jī)。當(dāng)期望渦輪機(jī)轉(zhuǎn)矩降低時(shí)，一些排氣可替代地被引導(dǎo)穿過廢氣門(未示出)，從而繞過渦輪機(jī)。來自渦輪機(jī)和廢氣門的組合流然后流動穿過排放控制裝置170。通常，一個(gè)或多個(gè)排放控制裝置170可包括配置成催化處理排氣流的一個(gè)或多個(gè)排氣后處理催化劑，諸如排氣催化劑72。處理排氣流可包括降低排氣流中的一種或多種物質(zhì)的量。例如，一個(gè)排氣后處理催化劑可配置成當(dāng)排氣流稀時(shí)捕集來自排氣流的NOx，并且當(dāng)排氣流濃時(shí)還原所捕集的NOx。在其他實(shí)例中，排氣后處理催化劑可配