CN101988447B - 内燃发动机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制发动机的方法，当运转在冷却器垢化/堵塞状况(例如在怠速、起动、排气系统加热和DPF再生或在EGR气体温度低于相应阈值或者在EGR低温冷却剂温度低于相应阈值时的其它后期喷射运转)控制EGR冷却器旁通阀以转移至少部分EGR流绕过EGR冷却器。当EGR系统内的温度低于燃料冷凝温度时，本发明的方法减少了穿过EGR冷却器的包含高浓度的未燃烧或部分燃烧燃料的排气。本发明的优点在于能够维持EGR冷却器的性能而不用在EGR管道内提供氧化催化剂和/或柴油微粒过滤器。

Description

内燃发动机的控制方法
技术领域
本发明涉及内燃发动机的控制方法，尤其是对具有排气再循环(EGR)系统并通过将排气流绕该冷却器旁通而防止EGR冷却器结垢的内燃发动机的控制方法。
背景技术
在内燃发动机的燃烧期间减少产生的NOx一个已知方法是将排气与新鲜空气混合，通常称为排气再循环(EGR)。在柴油发动机中，能够忍受非常高水平的EGR。当在EGR循环内的EGR气体被冷却时进一步减少NOx，因为NOx的形成对温度高度敏感。EGR冷却也减小了所需的增压，因为EGR气体密度更高。因此，EGR冷却器(或热交换器)通常设置在EGR管道内。
形成在EGR冷却器内表面上的沉积首先导致EGR冷却器效率较低并且最终导致EGR冷却器堵塞。为了解决该问题，已经在EGR冷却器的EGR管道上游提供了EGR催化剂/过滤器。在一些现有技术系统中，采用催化剂以氧化未燃烧的燃料和排气中的一些微粒物质。在其它现有技术系统中，采用微粒过滤器以从排气中去除微粒物质。EGR管道中的催化剂和/或过滤器的要求带来了额外的成本和额外的系统复杂性。此外，EGR催化剂/过滤器提供了流量限制，其会不利地影响可用EGR流速。
现有技术发动机控制策略也可控制EGR冷却器旁通阀以当排气温度低于阈值时部分地或完全地限制EGR冷却器周围的EGR流以减少或消除凝结水的形成或将进气歧管内的充气温度维持至在低速度和负载下的所需水平。然而，现有技术未能识别造成加速EGR冷却器结垢或堵塞的其它状况，特别是与燃料冷凝相关的那些。
发明内容
已经发现某些工况是主要导致EGR冷却器垢化的原因。因此，依照本发明的实施例，提供EGR冷却器的旁通并且当遇到导致EGR冷却器垢化的发动机状况时部分地或完全地引导EGR气体穿过旁通。
依照本发明一个方面，提供一种控制具有EGR系统的内燃发动机的方法，EGR系统包括冷却器和EGR冷却器旁通阀，EGR冷却器旁通阀控制EGR流穿过或绕过EGR冷却器，该方法包括：基于至少一个燃料喷射器被指令提供后期喷射，指令EGR冷却器旁通阀至旁通位置。
依照本发明另一个方面，提供一种控制具有EGR系统的内燃发动机的方法，EGR系统包括冷却器和EGR冷却器旁通阀，EGR冷却器旁通阀设置在EGR冷却器旁通管道内，该方法包括：在微粒过滤器再生期间基于至少一个燃料喷射器被指令提供后期喷射指令EGR旁通阀至旁通位置，其中旁通位置将至少一部分气流重新引导穿过EGR旁通管道并且绕过EGR冷却器。
依照本发明又一个方面，提供一种内燃发动机系统，包括：具有进气和排气的发动机；EGR系统，包括：连接在进气和排气之间的EGR管道；设置在EGR管道内的EGR阀；设置在EGR管道内的EGR冷却器；与EGR冷却器平行设置的EGR旁通管道，其中EGR旁通管道在EGR冷却器的上游端和EGR冷却器的下游端连接至EGR管道；及在EGR旁通管道与EGR冷却器的上游连接和EGR旁通管道与EGR冷却器的下游连接处中一个处设置在EGR旁通管道内的EGR旁通阀；及电连接至发动机、EGR阀和EGR旁通阀的电子控制单元，其中EGR旁通阀具有两个位置：EGR旁通阀基本上切断所有穿过EGR冷却器气流的旁通位置和EGR旁通阀基本上切断所有穿过EGR旁通管道的气流的冷却器位置，其中当发动机工况为怠速、起动和后期喷射中一个时电子控制单元指示EGR旁通阀至旁通位置，否则指示EGR旁通阀至冷却器位置。
依照本发明的一个优点在于能够维持EGR冷却器的性能而不用在EGR管道内提供氧化催化剂和/或柴油微粒过滤器。
导致在EGR冷却器内快速沉积的发动机状况为：怠速、起动、排气系统加热、DPF再生和在使用后期喷射并且EGR气体温度低于温度阈值的其它发动机工况。本发明认识到这些状况总体上与EGR气体低于燃料冷凝阈值和EGR气体内未氧化或部分氧化的燃料浓度较高相关。已经发现未燃烧的燃料在EGR冷却器表面形成被覆层。在后续运转期间，被覆层吸收碳烟。这些过程连续重复，一层一层地堆积。当EGR气体温度低于燃料冷凝温度时，通过避免较多的未燃烧燃料进入EGR冷却器来防止堆积。
附图说明
图1为依照本发明一个实施例的内燃发动机的示意图，包括进气系统、排气系统和EGR系统。
图2为发动机的侧视图，其显示了发动机汽缸内的活塞。
图3为燃料喷射事件的时间线。
图4为依照本发明一个实施例的EGR旁通控制阀策略的流程图。
具体实施方式
如本领域技术人员可理解的，参考任一附图说明并描述的实施例的多个特征可与一个或多个其它附图中所说明的特征相结合以得到未明确说明或描述的替代实施例。所说明的特征组合为典型应用提供了说明性实施例。然而，对于特定应用或实施方案，可能需要与本发明的教导相一致的特征的多种组合和修改。说明书中使用的代表性实施例总体上涉及用于涡轮增压柴油发动机的后处理和EGR系统的配置。本领域技术人员应该认识到与本发明一致的类似的应用和实施，即部件以稍微不同于图示中实施例所示的顺序设置的那些。本领域技术人员应该认识到本发明的教导可应用至其它应用或实施。
在图1中，内燃发动机10显示为具有进气歧管20和排气歧管22。发动机汽缸24具有将燃料直接喷雾进发动机汽缸24内的燃料喷射器26。节气门28设在涡轮增压器31的压缩器30上游的发动机进气道内，涡轮增压器31具有也连接至发动机排气道内的涡轮33的轴32。压缩器30、涡轮33和轴32通常收容在一起，但是出于说明的方便这里显示为分离。通过轴32传送从涡轮33抽取的功以驱动压缩器30。
在发动机10的排气侧，在EGR系统中抽取排气。EGR管道50引导排气至EGR阀51。排气被提供至EGR冷却器52并且随后穿过EGR管道53的其它部分至发动机进气。通过EGR阀51控制流量大小。EGR冷却器52具有高温冷却剂回路54，液体(例如发动机冷却剂)在冷却剂回路54内循环穿过EGR冷却器52内的路径。在一些实施例中，也可为EGR冷却剂提供低温冷却剂回路55。同时也提供EGR旁通管道56(如所示其可相对于冷却器52定位在外面，或集成在冷却器壳体内以旁通冷却器芯子)。EGR旁通阀58位于EGR管道56和EGR冷却器52的结合处。在图1中，EGR旁通阀5856显示为切断流至EGR冷却器52的气流的挡板阀。可替代地，EGR旁通阀58可采用比例控制阀以改道，控制引导穿过旁通管道56和EGR冷却器52的排气的量或相对比例。在另一实施例中，EGR旁通阀58能够旋转以切断穿过EGR旁通管道56的气流。在可替代实施例中，EGR旁通阀设置于EGR旁通管道56中。当其打开时，气流优先地流穿过EGR旁通管道56，因为EGR冷却器52具有较高的压力降。在另一个可替代实施例中，EGR旁通阀靠近EGR冷却器52的出口设置，阀门关闭EGR冷却器52的出口或关闭EGR旁通管道56。在一些可替代实施例中，仅提供一个热交换液至EGR冷却器52。在另一可替代实施例中，可从EGR冷却器完全去除EGR旁通管道并包含类似于51的分离EGR测量阀。在图1中，说明了直列四缸发动机。然而，本发明还用于一种发动机：V型配置的多汽缸组合、不同数目的汽缸、多个涡轮增压器等。
排气后处理组件总体上设置在涡轮33的下游。其可包括柴油氧化催化剂(DOC)60、选择性还原催化剂(SCR)62和柴油微粒过滤器(DPF)64。图1中所示的排气后处理组件的顺序显示为一个示例，并且不意味着限制。
EGR冷却器52的性能取决于相对没有沉积的剩余表面。如果内部表面沉积污垢，热交换器的效率受到影响。如果沉积的形成继续不受抑制，EGR冷却器52变得堵塞。
如本发明所认识，某些工况不成比例地导致EGR冷却器52结垢和/或堵塞。在这些工况下减小或消除穿过EGR冷却器52的气流应该减少结垢和/或堵塞以延长寿命并且维持EGR冷却器52有效率地运转。本发明认识到这可通过关闭EGR阀门51实现。然而，这会不利地影响NOx进气排放。根据本发明的实施例，在可导致EGR冷却器52结垢或堵塞的状况期间，指令EGR旁通阀58处于一位置以重新引导至少一部分EGR绕过EGR冷却器52以穿过旁通管道56流至发动机进气。同样，行进穿过旁通管道56的EGR部分由于旁通过冷却器52没有被冷却。当发动机的工况从这种结垢/堵塞状况改变时，指令EGR旁通阀58减少或消除流至EGR旁通管道56的气流，从而允许更多的气流或所有气流穿过EGR冷却器52。
如本领域技术人员总体上理解，DPF64以收集模式运转，其中从排气中过滤微粒物质(碳烟)。在收集到特定数量的微粒物质之后，通过将进入DPF64的排气温度提高至高于微粒物质的起燃温度之上来再生DPF64。通过喷射器26后期喷射燃料进汽缸24内以向DOC60提供未燃烧燃料/排气混合物以被氧化以便提高至DPF64的排气温度可开始再生。
在图2中，发动机缸体82显示为具有形成于其内的四个汽缸84。活塞86在汽缸84内往复运动。将关于图3所讨论，以常规方式根据曲轴角度描述了喷射正时，涉及当燃料喷射进特定汽缸内时特定汽缸内的活塞位置。
图3中显示了样本喷射正时。除了引导喷射90和主喷射92之外，可提供一个或多个后期喷射。通常，可提供后喷射94和次后喷射96以开始并维持DPF64的再生。后喷射94在上止点之后早达20度时开始，但更通常地在上止点之后30度开始。次后喷射96通常在上止点之后的90度之后开始。在次后喷射96期间喷射的燃料大部分未氧化并且进入排气系统。燃料在DOC中氧化以使排气温度提高至氧化含碳微粒所需的水平。
当EGR系统内的温度低于温度阈值时，在后期喷射期间供应至排气系统的燃料或部分氧化的燃料可在EGR冷却器52内冷凝。在一个实施例中，当EGR阀51处的排气温度高于进口温度阈值(例如在EGR阀51处确定的)，并且在EGR冷却器的出口处的排气温度高于出口温度阈值，随后燃料不会冷凝。能够对于不同于EGR阀51的位置估算EGR冷却器52的上游EGR温度。可替代地使用在EGR冷却器52上游任何地方的温度。
即使通过后期喷射和流穿过EGR冷却器52的EGR，不会在EGR冷却器52内形成沉积。然而，在后期喷射和EGR阀51处的温度低于进口温度阈值并且在EGR冷却器52的出口处的温度低于出口温度阈值的状况下，EGR冷却器52会变得垢化。在这样的情况下，指令旁通阀58至旁通位置，其中至少部分气体被短循环绕过EGR冷却器52，以使得含有后期喷射的燃料的EGR气体不会进入EGR冷却器。如本文所使用，后期喷射指的是在主喷射之后发生的燃料喷射，其在压缩冲程和膨胀冲程之间接近上止点发生。
本发明也认识到EGR冷却器52也会在发动机怠速、起动、DPF再生以及排气系统加热工况(其中出现高浓度的未燃烧燃料并且排气温度较低)时会垢化或堵塞。发动机怠速和起动为带有非常低的制动平均有效压力(BMEP)和接近最小值的发动机转速的状况。BMEP(本领域技术人员所知的发动机参数)与发动机扭矩成比例，但由发动机排量决定。起动状况为那些带有低于1200RPM和高于发动机怠速约1帕的BMEP(约1.2帕的BMEP)。在发动机冷起动之后排气系统加热。后期喷射的燃料在柴油氧化催化剂中氧化以导致在排气后处理系统中放热。当EGR系统内的温度低于阈值温度时，响应怠速状况和在排气系统加热期间时，指示EGR旁通阀58限制或缩减穿过EGR冷却器52的气流。下面的表格说明了对于每个运转范围可选择阈值温度。应认识到在DPF再生运转模式中，后期喷射的燃料量是较大的，其可导致EGR流中更高的碳氢化合物冷凝。同时，碳氢化合物物质的分布受到后期喷射的正时影响。EGR气体内的碳氢化合物的浓度和物质分布影响EGR冷却器52内的燃料冷凝的量。因此，指示旁通的温度阈值取决于工况。下面的表格为一个如何设置阈值简单的示例并且提供用于说明性目的而不意味着限制。例如，在下面的表格中，执行测试以确定EGR冷却器52是否应该旁通的状况为：怠速和起动、排气系统加热、和通过后喷射和次后喷射的DPF再生。
在上面的表格中，存在列出的三个阈值温度。第2栏显示了EGR气体进口温度阈值。这由在EGR冷却器52的EGR管道上游内的EGR气体温度测量或估算出。这能够在EGR阀51处或其它地方确定。另一个温度阈值为EGR气体出口温度阈值，其由离开EGR冷却器52的出口的EGR气体温度确定。另一个温度阈值为EGR低温冷却剂出口温度。在一个实施例中，EGR冷却器52设有用于高温冷却剂的回路和用于低温冷却剂的回路。低温冷却剂与EGR气体出口温度充分关联。因此，可替代或除了EGR气体出口温度阈值之外，可使用该阈值(EGR低温冷却剂出口)。如上面所述，EGR低温冷却剂出口阈值在低温冷却剂出口处估算，但可替代地在进口处确定，因为低温冷却剂的温度不会在冷却器中发生实质改变(由于其高热容量)。
在上面表格中的阈值温度为示例温度。取决于特定应用、发动机/EGR冷却器布置等，实际的阈值温度可不同于这些值。
同样，表格内的阈值温度对应于未燃烧碳氢化合物水平大约为1000ppm(基于C1碳氢化合物)的情况。如果碳氢化合物的水平显著地低于1000ppm，温度阈值可从表格中的温度降低。通过建模、测量或两者的组合估算排气系统内碳氢化合物的量。可替代地，能够从查值表确定碳氢化合物。另一个影响阈值温度的因素是排气流中的碳氢化合物类型。较高的分子量的碳氢化合物相对于较低的分子量的碳氢化合物在较高的温度下冷凝。后期喷射的燃料具有较少的时间反应。因此，来自这种后期喷射的燃料的未燃烧碳氢化合物倾向于分子量比来自早期喷射的那些高。
图4说明了依照本发明实施例的用于控制EGR流的系统和方法的运转。如本领域技术人员所明白，在ECU80(图1)的直接或间接控制下由软件和/或硬件执行图4中的框代表的多种功能。总体上，指令存储在ECU80内的计算机可读介质内并且由微处理顺口执行以执行所说明的方法以运转该系统。取决于特定处理策略(例如事件驱动、中断驱动等)，可以不同于附图中说明的顺序或次序执行多种功能。类似地，尽管没有明确地说明，一个或多个步骤或功能可单独地执行，或省略。在一个实施例中，说明的功能主要由存储在计算机可读存储介质内并由基于微处理器的计算机或控制器(例如由ECU80所代表的)执行的软件、指令或代码执行以控制依照本发明的内燃发动机的EGR系统。
系统或方法从图4中的100处开始确定EGR气体是否应该流穿过EGR冷却器52。首先，其在102处确定是否存在后期喷射。如果是，控制前进至104以确定EGR冷却器52的进口和出口处的EGR气体温度TEGR，in和TEGR，out。通过测量、建模或其组合确定温度。如这里所述，在EGR阀处确定EGR进口温度。然而，EGR进口温度能够在其它位置确定。如果EGR温度在EGR系统内的其它位置处确定，则适当地调节温度阈值(在该温度下燃料冷凝确定会导致问题)。如上所述，确定会导致问题的阈值温度TEGR，in和TEGR，out可取决于工况。因此，在106处，基于工况选择当前工况适合的阈值。
继续参考图4，控制随后前进至108处以确定EGR冷却器处的EGR进口温度、EGR出口温度或冷却剂温度(Tcoolant)的任一种是否分别低于它们相应的阈值Tthr，in、Tthr，in、和Tthr，clnt。108处的运转为逻辑或，这样如果任何一个返回为正值则控制前进至110，在该处指示旁通阀58至旁通位置。然而，如果在108处所有测试返回均为负值，随后控制前进至114以指令旁通阀58至冷却器位置，以使得EGR流一定穿过EGR冷却器52。108处显示了三个测试。可替代地，将三个实际温度与它们各自的阈值温度相比较的任何组合(例如使用仅一个或两个测试)能够在106处使用以确定EGR冷却器52内的燃料冷凝是否可能发生并且从而应该旁通。
在图4的102处，如果不存在后期喷射，控制前进至112处，在112处确定当前工况是否处于BMEP/速度范围(其指示怠速或启动状况)内。如果是，控制前进至104以确定进口和出口温度是否比燃料冷凝能够导致沉积的温度低。如果在114处为负值，控制前进至步骤114，在114处指令旁通阀58至冷却器位置，意味着引导气流穿过EGR冷却器52。控制从110和114前进至102以确定是否发生后期喷射。可以不同于图4所示的顺序执行102处是否发生后期喷射的确定和104处发动机是否处于怠速状况的确定。
同样，通过监视工况并且认识导致加速EGR冷却器的垢化和/或堵塞的状况，本发明的实施例在这些状况下选择性地重新引导至少一部分EGR流绕过EGR冷却器(或冷却器芯子)以避免垢化/堵塞。本发明的实施例维持EGR冷却器性能而不用在EGR管道内提供氧化催化剂和/或柴油微粒过滤器。
尽管已经详细描述了最佳实施例，本领域技术人员可以发现本发明的权利要求范围内的多种可选设计和实施例。例如，图4中描绘的程序为实现本发明的实施例的一个示例。同样，本发明描述了导致EGR冷却器垢化的数个发动机状况。对于任何导致在EGR冷却器内沉积成形的发动机状况(其可包括这里描述的那些之外的另外的状况)可关闭旁通阀。尽管已经描述了关于一个或多个期望特性的多种实施例可能具有优点或相较于其他实施例更为优选，本领域技术人员应该意识到，取决于具体应用和执行，为了达到期望系统属性可对一个或多个特性妥协。这些属性包括，但不限于成本、强度、耐用性、寿命周期成本、可销售性、外观、装配、尺寸、适用性、重量、可制造性、易于组装等。这里论述的实施例在一个或多个属性上相对于其他实施例或现有技术应用不令人满意也未超出本发明范围之外。

Claims (8)

1.一种控制具有EGR系统的内燃发动机的方法，所述EGR系统包括EGR冷却器和EGR冷却器旁通阀，所述EGR冷却器旁通阀控制EGR流穿过或绕过所述EGR冷却器，所述方法包含：
当至少一个燃料喷射器被指令提供后期喷射以及EGR气体进口温度低于相应的EGR气体进口温度阈值时，指令所述EGR冷却器旁通阀至旁通位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述EGR冷却器旁通阀具有两个位置：
基本上切断流至EGR旁通管道并且允许流穿过所述EGR冷却器的冷却器位置；及
基本上切断流至所述EGR冷却器并且允许流穿过EGR旁通管道的所述旁通位置。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：
确定EGR气体出口温度，其中所述指令所述EGR冷却器旁通阀至所述旁通位置进一步基于所述EGR气体出口温度低于相应的EGR气体出口温度阈值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：
确定EGR低温冷却剂温度，其中所述指令所述EGR冷却器旁通阀至所述旁通位置进一步基于所述EGR低温冷却剂温度低于相应的EGR低温冷却剂阈值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：
确定EGR气体出口温度；
当所述EGR气体进口温度大于所述相应的EGR气体进口温度阈值并且所述EGR气体出口温度大于相应的EGR气体出口温度阈值时指令所述EGR冷却器旁通阀至所述冷却器位置，所述EGR气体进口温度阈值和所述EGR气体出口温度阈值基于发动机工况。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发动机具有在发动机汽缸内往复运动的活塞并且后期喷射为在所述活塞的膨胀冲程的20度之后开始的喷射。
7.一种控制具有EGR系统的内燃发动机的方法，所述EGR系统包括EGR冷却器和EGR冷却器旁通阀，所述EGR冷却器旁通阀设置在所述EGR冷却器旁通管道内，所述发动机也包括微粒过滤器，所述方法包含：
在所述微粒过滤器再生期间指令所述EGR旁通阀至旁通位置，其中所述旁通位置将至少一部分气流重新引导穿过所述EGR旁通管道并且绕过所述EGR冷却器，其中所述指令进一步基于EGR气体进口温度低于EGR气体进口温度阈值，其中所述EGR气体进口温度在所述EGR冷却器上游的所述EGR系统内的位置处确定。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述发动机具有连接到发动机汽缸的燃料喷射器和在微粒过滤器再生期间，所述燃料喷射器提供后期喷射，以使指令基于具有后期喷射。
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