CN101922340B - 用于加热催化剂的燃料控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于加热催化剂的燃料控制策略。具体地，提供了一种用于发动机的控制系统，所述控制系统包括催化剂加热模块和燃料控制模块，其中发动机具有位于第一排和第二排中的N个汽缸。N是大于2的整数。催化剂加热模块选择性地以催化剂加热模式来操作发动机以便加热催化剂。燃料控制模块在用于N个汽缸中每一个的整个燃料喷射序列中将用于第一排的第一空气/燃料比调节到富燃值，并将用于第二排的第二空气/燃料比调节到贫燃值。

Description

用于加热催化剂的燃料控制策略
技术领域
本发明涉及用于对排气系统中的催化剂进行加热的燃料控制系统和方法。
背景技术
本文所提供的背景技术描述，目的在于从总体上呈现本发明的背景。发明人的一部分工作在背景技术部分中被加以描述，这部分内容以及提交申请时该描述中不另作为现有技术的方面，既不明确也不暗示地被认为是破坏本发明的现有技术。
发动机燃烧空气/燃料混合物以产生用于车辆的驱动扭矩。空气通过节气门和进气歧管被吸入发动机。燃料则通过一个或多个燃料喷射器提供。空气/燃料混合物在发动机的一个或多个汽缸内燃烧。可通过例如活塞提供的压缩和/或火花塞提供的火花来引发空气/燃料混合物的燃烧。空气/燃料混合物的燃烧产生排气。排气从汽缸排到排气系统。
排气系统包括与排气反应以减少排放物的催化剂，例如三效催化剂。“三效”指的是催化剂转换器所减少的三种排放物，包括：一氧化碳(CO)、未燃的碳氢化合物(HCs)、和氮氧化物(NOX)。然而，当催化剂的温度低于起燃温度时，催化剂不能反应。因此，在发动机起动时(例如，钥匙起动)如果催化剂温度低于起燃温度，则催化剂的反应能力可能受限。
发动机控制模块(ECM)控制发动机的扭矩输出。仅作为示例，ECM基于驾驶员输入和/或其它输入来控制发动机的扭矩输出。当催化剂温度低于起燃温度时，ECM还控制各种发动机参数来使催化剂变暖。仅作为示例，ECM可延迟火花正时以便在排气中提供碳氢化合物。碳氢化合物在排气系统中的氧化产生热，该热使催化剂变暖。
通过碳氢化合物的氧化所产生的热量受到排气系统中的氧气量的限制。因此，副空气泵可机械耦接到汽缸盖，以直接向汽缸盖提供空气。由副空气泵输送的空气增加了排气系统中的氧气量，因此副空气泵增加了进行碳氢化合物氧化的能力。ECM可控制副空气泵的操作，以便控制碳氢化合物在排气系统中的氧化并使催化剂变暖。
发明内容
一种用于发动机的控制系统包括催化剂加热模块和燃料控制模块，其中发动机具有位于第一排和第二排中的N个汽缸。N是大于2的整数。催化剂加热模块选择性地以催化剂加热模式来操作发动机以便加热催化剂。燃料控制模块在用于N个汽缸中每一个的整个燃料喷射序列中将用于第一排的第一空气/燃料(A/F)比调节到富燃值，并将用于第二排的第二A/F比调节到贫燃值。
一种用于发动机的方法，其中发动机具有位于第一排和第二排中的N个汽缸，该方法包括选择性地以催化剂加热模式来操作所述发动机以便加热催化剂，以及在用于所述N个汽缸中每一个的整个燃料喷射序列中，将用于所述第一排的第一空气/燃料(A/F)比调节到富燃值，并将用于所述第二排的第二A/F比调节到贫燃值。
本发明还提供了以下方案：
方案1.一种用于发动机的控制系统，所述发动机具有位于第一排和第二排中的N个汽缸，其中N是大于2的整数，所述控制系统包括：
催化剂加热模块，其选择性地以催化剂加热模式来操作所述发动机以便加热催化剂；以及
燃料控制模块，其在用于所述N个汽缸中每一个的整个燃料喷射序列中将用于所述第一排的第一空气/燃料比调节到富燃值，并且将用于所述第二排的第二空气/燃料比调节到贫燃值。
方案2.如方案1所述的控制系统，其中，所述第一排和所述催化剂之间的第一距离大于所述第二排和所述催化剂之间的第二距离。
方案3.如方案1所述的控制系统，其中，所述燃料控制模块基于来自所述第一排的排气中的第一氧含量来确定所述第一空气/燃料比，并且基于来自所述第二排的排气中的第二氧含量来确定所述第二空气/燃料比。
方案4.如方案1所述的控制系统，其中，所述燃料控制模块通过对喷入所述第一排的第一燃料量进行控制来调节所述第一空气/燃料比，并且通过对喷入所述第二排的第二燃料量进行控制来调节所述第二空气/燃料比。
方案5.如方案1所述的控制系统，其中，所述催化剂加热模块在所述发动机的冷起动期间开始所述催化剂加热模式。
方案6.如方案5所述的控制系统，其中，当发动机被起动且发动机冷却剂温度低于操作温度时，发生了所述冷起动。
方案7.如方案5所述的控制系统，其中，当催化剂温度等于或高于起燃温度时，所述催化剂加热模块终止所述催化剂加热模式。
方案8.如方案1所述的控制系统，其中，所述催化剂是电加热催化剂和三效催化剂中的至少一种。
方案9.如方案1所述的控制系统，其中，所述贫燃值等于大约11.5，并且所述富燃值等于大约16。
方案10.如方案1所述的控制系统，其中，所述贫燃值等于大约13，并且所述富燃值等于大约16。
方案11.一种用于发动机的方法，所述发动机具有位于第一排和第二排中的N个汽缸，其中N是大于2的整数，所述方法包括：
选择性地以催化剂加热模式来操作所述发动机以便加热催化剂；以及
在用于所述N个汽缸中每一个的整个燃料喷射序列中，将用于所述第一排的第一空气/燃料比调节到富燃值，并且将用于所述第二排的第二空气/燃料比调节到贫燃值。
方案12.如方案11所述的方法，其中，所述第一排和所述催化剂之间的第一距离大于所述第二排和所述催化剂之间的第二距离。
方案13.如方案11所述的方法，进一步包括，基于来自所述第一排的排气中的第一氧含量来确定所述第一空气/燃料比，并且基于来自所述第二排的排气中的第二氧含量来确定所述第二空气/燃料比。
方案14.如方案11所述的方法，进一步包括，通过对喷入所述第一排的第一燃料量进行控制来调节所述第一空气/燃料比，并且通过对喷入所述第二排的第二燃料量进行控制来调节所述第二空气/燃料比。
方案15.如方案11所述的方法，进一步包括，在所述发动机的冷起动期间开始所述催化剂加热模式。
方案16.如方案15所述的方法，其中，当发动机被起动且发动机冷却剂温度低于操作温度时，发生了所述冷起动。
方案17.如方案15所述的方法，进一步包括，当催化剂温度等于或高于起燃温度时，终止所述催化剂加热模式。
方案18.如方案11所述的方法，其中，所述催化剂是电加热催化剂和三效催化剂中的至少一种。
方案19.如方案11所述的方法，其中，所述贫燃值等于大约11.5，并且所述富燃值等于大约16。
方案20.如方案11所述的方法，其中，所述贫燃值等于大约13，并且所述富燃值等于大约16。
通过本文后面提供的详细描述，本发明更多的应用领域将变得明显。应当理解的是，这些详细描述和特定示例仅仅用于说明之目的，而并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，本发明将得到更加全面的理解，附图中：
图1是根据本发明原理的示例性发动机系统的功能框图；
图2是根据本发明原理的示例性发动机控制模块的功能框图；和
图3是对根据本发明原理的控制方法的示例性步骤进行描述的流程图。
具体实施方式
下面的描述本质上仅仅是示例性的，并不试图以任何方式限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同的附图标记来指示相似的部件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当解释为是指使用了非排他性逻辑“或”的逻辑“A或者B或者C”。应当理解的是，在不改变本发明原理的情况下，方法内的步骤可按照不同顺序执行。
如本文所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的、或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他适合部件。
本发明的燃料控制系统和方法可以催化剂加热模式来操作发动机以便加热催化剂。在催化剂加热模式中，将一个汽缸排(或汽缸组)的空气/燃料(A/F)比调节成贫燃(lean)，同时将另一个汽缸排的空气/燃料比调节成富燃(rich)。来自富燃的汽缸排的过量一氧化碳(CO)与来自贫燃的汽缸排的过量氧气(O2)在进入催化剂之前反应，以便产生催化剂中的放热反应。
本发明的燃料控制系统和方法可在发动机的冷起动期间开始催化剂加热模式。并且可以在催化剂温度等于或高于起燃温度时终止催化剂加热模式。以这种方式，可在冷起动期间在催化剂内产生放热反应，以在不使用副空气泵的情况下将催化剂温度升高到起燃温度。
现在参考图1，发动机系统10包括发动机12，其可以是进气口喷射式发动机或直接喷射式发动机。发动机12可包括多个汽缸13，例如2、4、6、8、10和12个汽缸。排气歧管14连接到发动机12，并引导来自发动机12的排气通过排气管16到达可被电加热的三效催化剂(TWC)18。
发动机12中的汽缸13可分布在第一排20和第二排22中。TWC18可包括上游催化剂24和下游催化剂26。上游催化剂24包括适用于还原NOx的催化剂材料。下游催化剂26包括促进HC和CO分子的氧化的催化剂材料。
在排气歧管14出口处的氧传感器30测量排气中的氧含量。发动机12处的发动机冷却剂温度(ECT)传感器32测量发动机冷却剂温度。在TWC 18处的催化剂温度传感器34测量催化剂温度。点火输入装置36(例如，点火钥匙或按钮)产生起动信号。
发动机控制模块(ECM)40基于起动信号来起动发动机12。ECM40接收氧含量、发动机冷却剂温度、和催化剂温度。ECM 40基于氧含量来确定用于第一排20和第二排22的空气/燃料(A/F)比。ECM40基于A/F比来致动燃料喷射器42，以便向汽缸13内喷射燃料。空气通过进气门44进入汽缸13。燃料和空气混合以形成空气/燃料混合物，该混合物在汽缸13内燃烧。排气通过排气门48离开汽缸13。
ECM 40在发动机12的冷起动期间以催化剂加热模式来操作发动机系统10。在催化剂加热模式中，ECM 40将第一排20的A/F比调节到富燃，并且同时将第二排22的A/F比调节到贫燃。富燃的A/F比大于化学当量比，而贫燃的A/F比小于化学当量比。
现在参考图2，ECM 40可包括催化剂加热模块200和燃料控制模块202。催化剂加热模块200接收来自ECT传感器32的发动机冷却剂温度、来自催化剂温度传感器34的催化剂温度、和来自点火输入装置的起动信号。催化剂加热模块200可生成催化剂加热信号，从而以催化剂加热模式来操作发动机，由此加热催化剂。
催化剂加热模块200可在发动机冷起动期间开始催化剂加热模式。当发动机起动且发动机冷却剂温度低于操作温度时，催化剂加热模块200可确定发生了冷起动。当起动信号提供了起动发动机的指示时，催化剂加热模块200可确定发动机被起动。
当催化剂温度等于或高于起燃温度时，催化剂加热模块200可终止催化剂加热模式。当发动机冷却剂温度等于或高于操作温度时，催化剂加热模块200可终止催化剂加热模式。仅作为示例，操作温度可为大约95℃。
燃料控制模块202基于从催化剂加热模块200接收的催化剂加热信号来控制燃料喷射器42，以便调节汽缸的A/F比。当催化剂加热信号提供了以催化剂加热模式来操作发动机的指示时，燃料控制模块202将第一空气/燃料(A/F)比调节到富燃，并且将第二A/F比调节到贫燃。
第一A/F比和第二A/F比可分别与第一汽缸和第二汽缸关联。替代性地，第一A/F比和第二A/F比可分别与第一汽缸排和第二汽缸排关联。第二汽缸排可以比第一汽缸排更接近催化剂。
富燃A/F比和贫燃A/F比可基于燃料喷射系统的类型而变化。对于进气口喷射式系统，贫燃A/F比可为11.5，而富燃A/F比可为大约16。对于直接喷射式系统，贫燃A/F比可以为大约13，而富燃A/F比可为大约16。
现在参考图3，在步骤300中，控制方法监测发动机控制温度。在步骤302中，控制方法确定是否已经发生发动机的冷起动。当发动机被起动且发动机冷却剂温度低于操作温度时，控制方法可确定发生了冷起动。
当未发生冷起动时，控制方法返回到步骤300。当已经发生了冷起动时，在步骤304中，控制方法对离开汽缸的排气中的氧含量进行监测。在步骤306中，控制方法基于氧含量来确定汽缸的第一空气/燃料(A/F)比和第二空气/燃料(A/F)比。
在步骤308中，控制方法将第一A/F比调节到富燃，并同时将第二A/F比调节到贫燃。这就产生了对催化剂进行加热的放热反应。控制方法可分别对喷入第一汽缸和第二汽缸中的燃料量进行调节，以便调节第一A/F比和第二A/F比。替代性地，控制方法可分别对喷入第一排汽缸和第二排汽缸中的燃料量进行调节，以便调节第一A/F比和第二A/F比。
在步骤310中，控制方法监测催化剂温度。在步骤312中，控制方法确定催化剂温度是否等于或高于起燃温度。当催化剂温度低于起燃温度时，控制方法返回到步骤304。当催化剂温度等于或高于起燃温度时，在步骤314中，控制方法停止将第一A/F比调节到富燃，以及将第二A/F比调节到贫燃。
本发明的广泛教导可按照多种形式实施。因此，虽然本发明包括特定示例，但本发明的真实范围并不限于此，因为本领域技术人员在研究了附图、说明书和所附权利要求后将会明白其他的修改。

Claims (20)

1.一种用于发动机的控制系统，所述发动机具有位于第一排和第二排中的N个汽缸，其中N是大于2的整数，所述控制系统包括：
催化剂加热模块，其基于发动机冷却剂温度选择性地以催化剂加热模式来操作所述发动机以便加热催化剂；以及
燃料控制模块，其在用于所述N个汽缸中每一个的整个燃料喷射序列中将用于所述第一排的第一空气/燃料比调节到富燃值，并且将用于所述第二排的第二空气/燃料比调节到贫燃值。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述第一排和所述催化剂之间的第一距离大于所述第二排和所述催化剂之间的第二距离。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述燃料控制模块基于来自所述第一排的排气中的第一氧含量来确定所述第一空气/燃料比，并且基于来自所述第二排的排气中的第二氧含量来确定所述第二空气/燃料比。
4.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述燃料控制模块通过对喷入所述第一排的第一燃料量进行控制来调节所述第一空气/燃料比，并且通过对喷入所述第二排的第二燃料量进行控制来调节所述第二空气/燃料比。
5.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述催化剂加热模块在所述发动机的冷起动期间开始所述催化剂加热模式。
6.如权利要求5所述的控制系统，其中，当所述发动机被起动且所述发动机冷却剂温度低于操作温度时，发生了所述冷起动。
7.如权利要求5所述的控制系统，其中，当催化剂温度等于或高于起燃温度时，所述催化剂加热模块终止所述催化剂加热模式。
8.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述催化剂是电加热催化剂和三效催化剂中的至少一种。
9.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述贫燃值等于大约11.5，并且所述富燃值等于大约16。
10.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述贫燃值等于大约13，并且所述富燃值等于大约16。
11.一种用于发动机的方法，所述发动机具有位于第一排和第二排中的N个汽缸，其中N是大于2的整数，所述方法包括：
基于发动机冷却剂温度选择性地以催化剂加热模式来操作所述发动机以便加热催化剂；以及
在用于所述N个汽缸中每一个的整个燃料喷射序列中，将用于所述第一排的第一空气/燃料比调节到富燃值，并且将用于所述第二排的第二空气/燃料比调节到贫燃值。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一排和所述催化剂之间的第一距离大于所述第二排和所述催化剂之间的第二距离。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括，基于来自所述第一排的排气中的第一氧含量来确定所述第一空气/燃料比，并且基于来自所述第二排的排气中的第二氧含量来确定所述第二空气/燃料比。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括，通过对喷入所述第一排的第一燃料量进行控制来调节所述第一空气/燃料比，并且通过对喷入所述第二排的第二燃料量进行控制来调节所述第二空气/燃料比。
15.如权利要求11所述的方法，进一步包括，在所述发动机的冷起动期间开始所述催化剂加热模式。
16.如权利要求15所述的方法，其中，当所述发动机被起动且所述发动机冷却剂温度低于操作温度时，发生了所述冷起动。
17.如权利要求15所述的方法，进一步包括，当催化剂温度等于或高于起燃温度时，终止所述催化剂加热模式。
18.如权利要求11所述的方法，其中，所述催化剂是电加热催化剂和三效催化剂中的至少一种。
19.如权利要求11所述的方法，其中，所述贫燃值等于大约11.5，并且所述富燃值等于大约16。
20.如权利要求11所述的方法，其中，所述贫燃值等于大约13，并且所述富燃值等于大约16。
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