CN101451476A - 用于混合车辆的冷启动排放策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于混合车辆的冷启动排放策略，并且涉及包括发动机启动模块的发动机控制模块。发动机启动模块与电动机通信以操作包括M个燃料喷射器的内燃机，并确定歧管压力是否低于歧管压力阈值。加温模块与M个燃料喷射器通信，以在歧管压力小于歧管压力阈值时将燃料喷射到M个燃料喷射器中的N个中。N和M是整数，并且N小于M。

Description

用于混合车辆的冷启动排放策略
技术领域
本发明涉及用于混合车辆的控制系统，尤其涉及用于在混合车辆中启动内燃机的系统和方法。
背景技术
本部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景资料，并且可不构成现有技术。
在内燃机最初启动时，发动机和排气系统是冷的。此外，因为发动机最初以非常低的速度旋转，所以进气歧管的绝对压力(MAP)接近大气压力。低温和高压使燃料很难在气缸内蒸发。不完全蒸发的燃料不能完全燃烧。不完全燃烧的燃料部分在启动时以及启动后不久的期间内产生富含燃料的排气混合物。富含燃料的混合物提高了排气中的碳氢化合物和一氧化碳的水平。
包括内燃机的车辆还可包括处理排气的催化转化器。催化转化器催化碳氢化合物分子和一氧化碳分子的氧化以及车辆排气中所排放的氮氧化物的还原。催化转化器在启动时不能有效地控制排放，这是因为：1)较高比例的燃料仍然未燃烧并且随后被排出；2)催化剂未达到合适的操作温度。
催化转化器必须达到被称为点火温度的操作温度以有效地操作。在发动机和排气系统已从发动机的操作中充分地加热之后，催化转化器达到点火温度。加热催化剂所需的发动机操作时段提供足够的发动机的每分钟转数(RPM)，从而提供低MAP。低MAP和增加的操作温度的结合允许燃料充分地蒸发，从而导致燃料更完全的燃烧。
已经应用策略来减少排气排放和提高催化转化器在启动时的性能。这些策略包括提高怠速时的发动机速度，延迟点火正时，减少供应的燃料，以及在排气流中增加将氧气供应给催化剂以实施氧化反应的二级气泵。
发明内容
发动机控制模块包括发动机启动模块。该发动机启动模块与电动机通信以操作包括M个燃料喷射器的内燃机，并确定歧管压力是否低于歧管压力阈值。加温模块与M个燃料喷射器通信，以在歧管压力小于歧管压力阈值时将燃料喷射到M个燃料喷射器中的N个中。N和M是整数，并且N小于M。
附图说明
此处描述的附图仅以示例为目的，绝不意图为限制本公开的范围。
图1是根据本公开的混合车辆系统的功能框图。
图2是根据本公开的发动机控制模块的功能框图。
图3是表示根据本公开的混合冷启动方法的步骤的流程图。
图4是根据本公开的四缸发动机操作的气缸压力与曲柄角的曲线图，其中气缸2的燃料喷射器是不促动的。
具体实施方式
下列描述本质上仅是示例性的，并且不意图为限制本公开、应用或使用。应当理解的是，在附图中，相应的参考数字表示相似或相应的部件和特征。如此处所用，术语模块表示专用集成电路(ASIC)、电路、处理器(共享的、专用的或成组的)以及执行一个或多个软件程序或固件程序的存储器、组合逻辑电路、和/或其它的提供上述功能的合适的元件。
典型地，在内燃机最初启动时，碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的排气排放较高。根据本公开的混合冷启动系统可降低在启动时的排放水平。该系统可涉及在启动期间利用电动机操作内燃机以降低歧管压力。降低的歧管压力与改进的燃料喷射和火花正时一起用于减少排放，并且使催化转化器在没有二级气泵的情况下达到有效的操作温度。
现在参考图1，混合车辆系统20包括有选择地驱动变速器26的内燃机22和电动机/发电机24(此后为“电动机”)。驱动扭矩可通过联接装置(未示出)从发动机22和/或电动机24传递到变速器26。在第一模式中，电动机24使用来自能量储存装置(ESD)28的能量驱动发动机22。在第二模式中，发动机22驱动电动机24，以产生用于为ESD28充电的功率。ESD 28可包括但不限于电池或超级电容器。发动机控制模块30可控制在第一模式和第二模式中的发动机22、电动机24和变速器26的操作。
发动机22和电动机24可通过皮带传动起动/发动机(belt-alternator-starter)(BAS)系统(未示出)联接。在BAS系统中，电动机24通过皮带和滑轮系统联接到发动机22上。可选地，BAS系统可由包括可操作地布置在发动机22和变速器26之间的电动机(未示出)的飞轮传动起动/发动机(flywheel-alternator-starter)(FAS)系统(未示出)替换。
空气通过节流阀34吸入进气歧管32。节流阀34调节进入进气歧管32的气流。进气歧管32内的空气分配到气缸36中。发动机控制模块30可使一个或多个所选气缸36’在发动机操作期间不促动。当发动机控制模块30不发信号给相应的燃料喷射器38以将燃料喷射到所选气缸36’内时，所选气缸36’是不促动的。当发动机控制模块30发信号给相应的燃料喷射器38以将燃料喷射到气缸36内时，气缸是促动的。各气缸36包括用于点燃空气/燃料混合物的火花塞40。尽管图1描述四个气缸36，应当理解的是，发动机22可包括额外的或更少的气缸36。例如，预期存在具有5，6，8，10，12和16个气缸的发动机。发动机22还可提供工作的燃料管理系统(未示出)。
发动机控制模块30与车辆系统20的构件通信，该构件诸如此处讨论的发动机22和相关的传感器和控制器。发动机控制模块30可实施本公开的混合冷启动系统。
空气从进口42通过诸如质量气流计的质量气流传感器44。传感器44产生指示流经传感器44的空气比率的质量气流(MAF)信号。计量通过节流阀34至发动机22的进口空气。仅仅举例说明，节流阀34可以是在进口空气路径42内旋转的传统蝶形阀。节流阀34基于操作者和/或控制者命令的发动机操作点而调整。节流阀34的位置由产生节流阀位置(TPS)信号的节流阀传感器46检测。节流阀位置传感器46可以是旋转电位计。
歧管压力传感器48位于节流阀34和发动机22之间的发动机进气歧管32内。歧管压力传感器48产生歧管绝对空气压力(MAP)信号。产生基于进口空气温度的歧管空气温度(MAT)信号的歧管空气温度传感器50也可位于发动机进气歧管32内。
发动机曲轴(未示出)以发动机的速度或与发动机速度成比例的比率旋转。曲轴传感器52检测曲轴的位置，并产生曲轴位置(CSP)信号。CSP信号可与曲轴转速和气缸冲程(event)相关联。曲轴传感器52可以是传统的可变磁阻传感器。技术人员将要理解的是，存在检测发动机速度和气缸冲程的其它合适的方法。
进气阀54有选择地开启和关闭，以使空气进入气缸36。凸轮轴(未示出)调节进气阀位置。活塞(未示出)在气缸36内压缩空气/燃料混合物。发动机控制模块30控制火花塞40，以开始燃料/空气混合物的燃烧，从而驱动气缸36内的活塞。活塞驱动曲轴(未示出)以产生驱动扭矩。当排气阀58处于开启位置时，气缸36内的燃烧排气被迫使通过排气歧管56而离开。凸轮轴(未示出)调节排气阀位置。尽管示出了单个的进气阀54和排气阀58，但是应当理解的是，发动机22可包括在每个气缸36中的多个进气阀54和排气阀58。
催化转化器60处理排气以降低排放水平。催化转化器60通过增加HC和CO的氧化比率和增加氮氧化合物(NOx)的还原比率来控制排放。催化转化器60需要空气或氧气以能够进行氧化。将空气添加至催化转化器60的排气流将提高HC和CO的氧化比率。增加的氧化比率迅速加热催化转化器60，从而非常有利于HC，CO和NOx的转化。进口氧气传感器62和出口氧气传感器64可产生由发动机控制模块30使用的氧气信号，以确定催化转化器60的效率。
参考图2，发动机控制模块30包括发动机启动模块72、加温模块73和催化剂加热模块74。发动机控制模块30从混合车辆系统20接收输入信号，该信号包括但不限于MAF，TPS，MAP，MAT，CSP，氧气和电动机信号(此后为“车辆系统信号”)。发动机控制模块30处理车辆系统信号，并产生输出到车辆系统20的定时的发动机控制命令。例如，发动机控制命令可控制电动机24，节流阀34，燃料喷射器38，火花塞40以及混合车辆系统20的操作模式。
发动机启动模块72命令电动机24使发动机22旋转到预定的RPM范围内，从而降低歧管压力。仅仅举例而言，合适的范围可以是从600RPM至900PRM，但是可预期其它的范围。当发动机22旋转到预定的PRM时，发动机启动模块72发信号给节流阀34，以使其保持关闭，从而确保尽快实现低歧管压力。
发动机启动模块72可基于预定的时间段等待低歧管压力。可选地，发动机启动模块72可基于车辆系统信号(例如，MAP信号)确定达到低歧管压力。仅仅举例而言，低歧管压力可大约为40kPa，但是可预期其它的压力。当发动机22以预定的RPM旋转时，发动机启动模块72控制节流阀以维持恒定的低歧管压力。低歧管压力可在短时间段内实现(例如，少于1秒)。
加温模块73电气式控制燃料喷射器38以将燃料喷射到促动气缸36内。加温模块73选择不促动的气缸36’以帮助排气歧管56内的排气的空间混合。例如，在四缸发动机中气缸2或气缸3可以是不促动的。加温模块73发信号给燃料喷射器38，以立即实现(target)稍微稀的空气/燃料混合物，这在混合系统中是可行的，因为车辆不仅仅依靠发动机22来产生扭矩。低歧管压力协助空气和燃料的混合，并因此减少确保气缸36内的稳定燃烧所需的燃料量。
加温模块73电气式控制促动气缸36的火花塞40，以点燃空气/燃料混合物84。火花可维持在上死点以产生较热的排气。加温模块73加热促动的气缸36直到气缸壁和排气系统(例如，排气歧管、催化转化器)较热。加温模块73可继续加热促动气缸36达预定的时间段，以使排气系统变温热。可选地，加温模块73可基于车辆系统信号(例如氧气信号)确定排气系统是温热的，该信号表示催化转化器60的性能。气缸壁和排气系统可以在短时间段(例如，大约1秒)内变温热。
催化剂加热模块74电气式控制燃料喷射器38，以使空气/燃料混合物变浓。变浓的空气/燃料混合物提供包含CO的更多的排气。催化剂加热模块74延迟点火正时，以确保排气系统中的高气体温度。处于升高的气体温度的CO和来自于不促动气缸36’的氧气的存在通过发生在排气系统中的CO的氧化过程而产生热能。催化剂加热模块74维持变浓的燃料供应和火花延迟，直到催化剂体积完全为活性的。催化剂加热模块74可基于预定的时间段或基于来自车辆系统信号(例如，氧气信号)的反馈确定催化剂体积完全为活性的。催化剂可在短时间内(例如，大约2秒)变为完全活性的。催化剂加热模块74通过使能相应的燃料喷射器38而促动不促动的气缸36’。
参考图3，混合冷启动方法76从步骤78开始。在步骤80，发动机启动模块72命令电动机24将发动机22旋转到预定的RPM范围内。在步骤82，发动机启动模块72确定是否达到低歧管压力。如果是否定的，则方法重复步骤82。如果是肯定的，则方法继续到步骤83。在步骤83，加温模块73控制燃料喷射器38将燃料喷射到促动的气缸36内。在步骤84，加温模块73控制火花塞40在上死点点火。在步骤86，加温模块73确定排气系统是否是温热的。如果是否定的，则方法重复步骤86。如果是肯定的，则方法继续到步骤88。在步骤88，催化剂加热模块74使燃料喷射变浓并延迟火花塞正时。在步骤90，催化剂加热模块74确定催化剂体积是否为完全活性的。如果是否定的，则方法重复步骤90。如果是肯定的，则方法继续到步骤91。在步骤91，催化剂加热模块74促动不促动的气缸36’。混合冷启动方法76在步骤92结束。由于催化剂在加热方法之后已经较热，故启动不促动的气缸36’的HC排放影响将会非常小。
参考图4，示出在四缸发动机操作中的混合冷启动系统，其中气缸2的燃料喷射器是不促动的。峰值压缩压力在气缸2中较高，因为它仅仅压缩空气而不是空气/燃料混合物。与空气/燃料混合物相比较，纯净空气具有较高的比热比，从而导致较高的峰值压缩压力。气缸2中的压力脉冲也比其它气缸窄，因为气缸2中没有燃烧。在其它气缸中燃烧发生在上死点附近，这增加膨胀冲程期间的气缸压力，并使得压力轨迹(trace)在较长时间内保持较高。尽管该概念在四缸发动机中阐述，但是混合冷启动系统可应用于除仅有四个气缸的发动机之外的其它发动机。仅仅举例而言，该过程可应用于V-6和V-8发动机。在V-6或V-8发动机中，每组列的至少一个气缸不被供应燃料，或者可被提供非常稀的空气/燃料混合物，以氧化来自于相邻气缸的浓的排气产物。
本领域的技术人员现在从前文所述可以理解的是，本公开的宽泛的教导可以以许多形式实施。因此，虽然本公开在其特定实例中进行描述，但是本公开的真正范围不应该受限于此，这是因为在研究附图、说明书以及权利要求之后，其它改进对技术人员显而易见。

Claims (18)

1.一种发动机控制模块，其包括：
发动机启动模块，其与电动机通信以操作包括M个燃料喷射器的内燃机，并且确定歧管压力是否低于歧管压力阈值；和
加温模块，其与所述M个燃料喷射器通信，以在所述歧管压力小于所述歧管压力阈值时将燃料喷射到M个所述燃料喷射器中的N个中；
其中，N和M是整数，并且N小于M。
2.根据权利要求1所述的发动机控制模块，其特征在于，所述加温模块与多个火花塞通信，并且确定排气系统和所述内燃机的温度是否大于或者等于温度阈值。
3.根据权利要求1所述的发动机控制模块，其特征在于，所述电动机使所述内燃机在600至900RPM之间操作。
4.根据权利要求1所述的发动机控制模块，其特征在于，当所述电动机操作所述内燃机时，所述发动机启动模块发信号给节流阀以保持关闭。
5.根据权利要求1所述的发动机控制模块，其特征在于，所述发动机启动模块基于时间段和歧管空气压力信号中的至少一个确定所述歧管压力是否小于或者等于所述歧管压力阈值。
6.根据权利要求2所述的发动机控制模块，其特征在于，所述加温模块基于时间段和氧气信号中的至少一个确定所述温度是否超过所述温度阈值。
7.根据权利要求2所述的发动机控制模块，其特征在于，所述加温模块与所述多个火花塞通信以在上死点点火，并且与所述N个燃料喷射器通信以实现稀的空气/燃料混合物。
8.根据权利要求2所述的发动机控制模块，其特征在于，所述发动机控制模块还包括催化剂加热模块，其与所述N个燃料喷射器通信以使燃料供应变浓，与所述多个火花塞通信以延迟火花正时，在所述排气系统和所述发动机的温度超过所述温度阈值之后确定催化剂是活性的，并在所述催化剂为活性的之后命令所述M个燃料喷射器喷射燃料。
9.根据权利要求8所述的发动机控制模块，其特征在于，所述催化剂加热模块基于时间段和氧气信号中的至少一个确定所述催化剂是活性的。
10.一种方法，其包括：
与电动机通信，以操作包括M个燃料喷射器的内燃机；
确定歧管压力是否低于歧管压力阈值；以及
与所述M个燃料喷射器通信，以当所述歧管压力小于所述歧管压力阈值时将燃料喷射到M个所述燃料喷射器的N个中，
其中，N和M是整数，并且N小于M。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
与多个火花塞通信；以及
确定排气系统和所述内燃机的温度是否大于或者等于温度阈值。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述电动机使所述内燃机在600至900RPM之间操作。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当所述电动机操作所述内燃机时发信号给节流阀以保持关闭。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于时间段和歧管空气压力信号中的至少一个确定所述歧管压力是否小于或者等于所述歧管压力阈值。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于时间段和氧气信号中的至少一个确定所述温度是否超过所述温度阈值。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
与所述多个火花塞通信，以在上死点点火；以及
与所述N个燃料喷射器通信，以实现稀的空气/燃料混合物。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
与所述N个燃料喷射器通信，以使燃料供应变浓；
与所述多个火花塞通信，以延迟火花正时；
在所述排气系统和所述发动机的温度超过所述温度阈值之后确定催化剂是活性的；以及
在所述催化剂为活性的之后命令所述M个燃料喷射器喷射燃料。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于时间段和氧气信号中的至少一个确定所述催化剂是活性的。
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