CN103362668B - 用于在发动机内喷射氧气的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机系统，包括加速器设备，其可操作增加输送至发动机用于燃烧的燃料量；排气再循环系统，用于从发动机移除排气和再循环一部分排气至发动机；和氧气输送装置，其适于响应加速器设备的操作输送氧气至发动机。使用该系统，通过引入补偿氧气可以减小源自EGR的性能损失。

Description

用于在发动机内喷射氧气的方法和装置

相关申请

本申请要求2012年3月26日提交的英国专利申请号1205223.9的优先权，其全部内容通过参考合并于此。

技术领域

本发明涉及在发动机内喷射氧气的方法和装置。具体地，但不排他地，本发明涉及在车辆的发动机内喷射氧气以允许更有效率地利用发动机内排气再循环。

背景技术

排气再循环（EGR）通过将一部分排气再循环至发动机汽缸内用于燃烧，可以减小汽油或柴油燃烧产生的氮氧化物（NOx）排放量。氮气和氧气的混合物在高温环境下会主要产生NOx。通过经由EGR置换汽缸中氧气和可燃物的量，可以降低燃烧温度，进而减小排放。

如今，大多数现代发动机需要通过排气再循环来满足排放标准。在典型汽车发动机中，5%至15%的排气通常再循环至进气口（the air intake）。然而，在该水平，EGR会降低发动机性能。比如，EGR可测量地减缓燃烧并且过度EGR可能引起高烟排放和失火。

在特定工况下，EGR损失最明显。比如，在稳态条件下，当驾驶员操作加速器踏板时，EGR流速被限制以允许足够空气用于燃烧。因此，尽管在稳态更大量的EGR可以维持稳定操作，但是无法允许足够的燃烧效率来实现加速。而且，在高负载下，EGR可以减小峰值功率输出。EGR通常不用于空转速度/怠速，因为这样会导致不稳定燃烧。

发明内容

本发明人发现，将氧气引入EGR系统以响应于加速器装置的致动，EGR可以被保持在更高水平和燃烧所缺的氧气可以被补偿。因此可以减小或消除加速时EGR的效率损失。

应当理解，下面将进一步详细说明上述内容中介绍的简化形式的概念。其并不旨在确认所要求对象的关键或本质特征，其保护范围仅由权利要求所定义。而且，要求保护的主题不受解决上述或本公开中任一部分的任何缺点的实施例所限制。

附图说明

图1示出了发动机系统实施例的示意图。

图2示出了图1发动机系统的一部分的平面图。

图3A示出了各种发动机参数随时间的变化图。

图3B示出了使用氧气喷射的发动机的相同信息。

图4示出了示例操作方法。

具体实施方式

在发动机中，比如可包括在车辆推进系统的发动机中，排气再循环（EGR）用于减小汽油和柴油燃烧排放的氮氧化物（NOx）的量。在EGR系统中，发动机排气的一部分再循环回发动机汽缸。对于汽油发动机，惰性排气置换汽缸中的可燃物。对于柴油发动机，排气替代预燃烧混合物中的一些过量氧气。

氮气和氧气的混合物在高温环境主要形成NOx。因此，EGR引起的低燃烧室温度减小燃烧所产生的NOx量。

在典型车辆发动机中，5%至15%的排气通常再循环回进气口/进气（the airintake）。然而，EGR可测量地减缓燃烧并且过度EGR可能引起高烟排放和失火。因此使用EGR通常包括在效率和NOx排放之间的折衷。

在一些工况下，EGR的使用会受到其效率损失的限制。在稳态条件下，当驾驶员操作加速器踏板时，EGR流速被限制以允许足够空气用于燃烧。EGR通常不用于高负荷，因为这会减小峰值功率输出。EGR通常不用于空转速度/怠速，因为其可能导致不稳定燃烧。在这些条件下，AFR可以是富含燃料，直到EGR流速可以被关闭并且排气从进气歧管中抽出。

然而，如果太快使用太多燃料，燃料不能完全燃烧，则不能输送理想功率，并且将产生高烟排放。柴油发动机的满载限制被称为冒烟限制。这既限制车辆的加速也限制EGR流动量，并且必须在NOx排放和启动加速之间权衡。对于更先进的EGR策略，比如低压EGR，该问题更加严重，因为在涡轮增压器压缩机之前施加排气。理想的是提供允许更有效率地使用EGR来降低排放的发动机系统。

通过将氧气引入EGR系统以响应于加速器装置的致动，EGR可以被保持更高水平并且燃烧所缺的氧气可以被补偿。

这可以通过包括氧气输送装置以将氧气输送至汽缸以响应于加速器设备致动被实现。加速器设备可操作以增加输送至发动机用于燃烧的燃料量。输送至汽缸的氧气量可以是PP传感器指示的比例加速器踏板位置（PP）信号的函数。它还可以是汽缸内EGR水平的函数。

氧气输送装置可以适于将氧气输送至各个发动机汽缸或流体地耦合到发动机汽缸的进气歧管。氧气输送装置可以包括存储氧气的储存器并且可以以高于大气压力或高于涡轮机增压压力的压力存储氧气。

发动机系统可以包括用于控制氧气输送装置操作的控制系统。控制系统可以控制再循环排气到发动机以减小或终止再循环排气到发动机以响应于加速器设备的操作和PP信号，该PP信号响应加速器设备压下（depression）。术语“压下”可以理解为驾驶员大体上完全踩压加速器设备，而不是部分踩压。踏板可以被致动到距完全致动位置一定距离的第一位置并且大体上完全踩压指致动踏板超过该第一距离的25%。控制系统还可以输送氧气至发动机以响应于加速器设备的压下，以便在发动机内引起超增压状况。

控制系统还可以缓降或终止再循环排气到发动机，以响应于加速器设备的致动。控制系统可以包括用于感测发动机内排气水平的排气传感器。排气传感器适于感测发动机进气口的排气水平并且可以减小或终止输送氧气到发动机，以响应于感测的排气水平达到预定的最小阈值。可替换地或另外地，控制系统可以包括用于感测发动机进气口氧气水平的氧气传感器和可以减小或终止输送氧气到发动机，以响应于感测的氧气水平达到预定的最大阈值。

氧气输送装置可以包括转化器设备/重整器设备（reformer device）。转化器设备可以将汽缸或进气口的空气燃料混合物转化成包括氧气和氢气的多种产物。

在包括涡轮增压器的实施例中，发动机系统可以包括用于引导空气朝向/进入（toward）发动机的压缩机和用于给压缩机提供动力的涡轮机，该涡轮机由移除的排气所驱动。一些实施例可以包括将氢气输送至移除的排气的氢气输送装置，这样氢气可以燃烧和膨胀，从而增加涡轮机的速度。它可以单独操作或结合氧气输送装置操作。氢气输送装置可以将氢气输送至某一位置上的排气，在所述位置上排气温度等于或高于氢气的自燃温度。控制系统可以控制氢气输送装置的操作并且可以启动或增加输送氢气到发动机，以响应于加速器设备的操作或响应加速器设备的压下和PP信号。

图1示出了与所公开系统的一个实施例兼容的发动机系统的示意图。图2示出了图1发动机系统一部分的平面图。图3A示出了使用EGR的发动机的各种发动机参数随时间变化的示意图和图3B示出了使用氧气喷射的发动机的相同信息。图4示出了具有氧气输送装置的发动机的示例操作方法。

图1示出了包括在车辆推进系统中的多汽缸发动机系统10中的一个汽缸12。尽管未示出，但是汽缸12可以是具有任意汽缸数的直列的、V型的或任何配置的发动机。环境空气可以通过进气口18进入发动机系统。通过控制系统80经由致动器84可以致动低压节气门76。通过控制系统80经由车辆驾驶员致动的输入设备可以控制节气门76。输入设备可以包括加速踏板和产生比例踏板位置（PP）信号以控制节气门76的加速踏板位置传感器。节气门76还可以响应进气系统中的EGR或排气系统中的EGR特性，比如燃料含量。其他决定节气门76位置的条件可以经由传感器82通信至控制系统80。

进气口18可以耦合至空气过滤器19。空气充气在经过涡轮增压器的压缩机32之前通过空气过滤器19，在压缩机32中，空气可以被压缩并引导朝向发动机汽缸12。压缩机32可以是从机械耦合的涡轮机34接收动力的离心式或径向式压缩机，以便压缩机32可以被致动并且压缩空气以响应于涡轮机34叶片的旋转。压缩机32可以具有围绕进气系统轴旋转的叶片，以便经过压缩机的空气充气绕旋转的叶片轴径向地加速。通过增加进气充气的总速度分量，动能增加。因此，在封闭容积系统中，进气充气压力的势能增加。

然后压缩的进气在到达进气歧管16之前通过可选中间冷却器40以降低空气的温度和体积。高压进气节气门78可以位于中间冷却器40的上游或下游。节气门78可以通过传感器82致动，以响应于经由通信地耦合控制系统80的致动器84。节气门78可以计量输送至进气歧管的压缩的空气充气量。节气门（未示出）可以在EGR系统的下游并且可以计量输送至发动机的压缩的空气充气量和排气量。汽缸12可以从流体地连接至进气歧管16的进气道14接收空气。进气系统可以包括空气流量计和歧管压力传感器以分别通信MAF和MAP信号至控制系统80。

在汽缸填充期间，进气门74可以通过控制系统80致动以允许空气充气进入燃烧室以便燃烧。燃料经由称作直接喷射系统的燃料喷射器60喷射到燃烧室。燃料喷射器60可以安装在汽缸12中燃烧室的顶部附近。在可替换实施例中，燃料可以被喷射入燃烧室上游进气系统中的空气充气中。公开的发动机系统10的实施例可以包括经驾驶员操作增加输送至发动机用于燃烧的燃料量的加速器设备（未示出）。

汽缸内空气充气可以经由火花或压缩点燃并燃烧。燃烧的能量可以经由机械耦合的活塞70传输至曲轴（未示出）。活塞的往复运动可以转换成曲轴内的旋转运动以驱动车轮。在火花或压缩点燃的燃烧之后，汽缸12可以将燃烧时产生的排气经由排气门72驱散至排气通道22。从汽缸12中移除的排气经由排气通道22传输至排气歧管24。在多汽缸系统中，汽缸12的排气可以与其他汽缸的排气和排气歧管24中的燃烧结合。

排气的一部分经由EGR系统41再循环至进气歧管16。EGR系统中可以具有一个或多于一个EGR冷却器，比如冷却器43。EGR流可以通过EGR系统中EGR节气门（未示出）节流，以响应于发动机条件或排气特性。所说明的EGR系统耦合涡轮机34上游的排气系统至压缩机32下游的进气系统；这被称为高压EGR系统。其他低压EGR系统可以耦合涡轮机34下游的排气系统至压缩机32上游或下游的进气系统。其他实施例可以同时包括高压和低压EGR系统。

EGR系统可以包括多个通信地耦合至控制系统80的阀门和旁通管路，并且可以响应于发动机工况，进气系统条件、排气系统条件、排气温度或燃料浓度。剩余排气可以流经并驱动涡轮增压器的涡轮机34。

由排气驱动的涡轮机34可以向压缩机32提供动力。然后排气经由排气后处理设备42流入大气中。包括涡轮机34和压缩机32的涡轮增压器可以被实施为双涡轮增压器、蜗壳涡轮增压器、或可变几何涡轮增压器。

发动机系统10还可以包括转化器设备50形式的氧气输送装置。该设备50可以产生氧气并且经由导管56将其输送至汽缸12，以响应于加速器的致动。转化器设备50可以包括用于存储氧气的储存器。氧气可以以高于涡轮增压压力的压力存储。控制系统80可以经由致动器84控制转化器设备50和EGR系统41的操作。用于控制输送至汽缸12的氧气量的控制阀门78和用于控制再循环至进气歧管16的排气量的控制阀门47可以通信地耦合至控制系统80。响应于加速器踏板62的压下，控制系统80可以致动阀门47，以便缓降排气的再循环。控制系统80还可以致动阀门57以输送氧气至汽缸12。

在一些实施例中，转化器设备可以是通过吸热转化的蒸汽转化器/蒸汽重整器（steam reformer），允许燃料在空气充气或排气中与催化剂相互作用。在高温下，这种相互作用可以形成氧气以及其他双向产物/副产物（bi-product），比如一氧化碳和/或氢气。然后氧气和燃料重整的其他双向产物被输送至汽缸12。

转化器设备可以由曲轴、电动机提供的电能或转换自车辆减速所存储的摩擦能提供电力/动力（power）。发动机系统可以提供在混合动力车辆中并且氢气输送装置可以由车辆减速时产生的电能提供电力/动力。

从转化器设备流入汽缸的氧气可以由阀门54计量，其由控制系统致动，以响应于发动机工况，包括发动机负载、PP信号、发动机进气口中的EGR浓度、或EGR中氧气浓度。发动机系统中的多个传感器可以用于确定发动机工况，比如PP传感器、MAF传感器或湿度传感器。如果感测到加速器设备显著压下或致动超过阈值，则输送至发动机系统的氧气增加。

转化器设备50还可以适于产生经由导管52输送至排气歧管24的氢气。因此氢气可以输送至涡轮机34上游的排气系统20。在该位置上，排气含有相对充足的氧气。然而，应当注意，转化器设备50可以输送至少部分产生的氧气至排气歧管24。而且，该位置上的排气温度通常高于氢气的自燃温度。

因此，随着氢气通过涡轮机34，输送的氢气可以燃烧并且因而膨胀，其使得涡轮机34的速度增加。因此，压缩机32被更快驱动，使得输送至发动机的空气增加，减小涡轮延迟。

控制系统可以包括选择性允许氢气被输送至排气歧管24的控制阀门54。控制系统可以适于输送氢气至排气歧管24，以响应于加速器设备的操作。因此，在加速事件期间，氢气可以用于引导更多空气朝向/进入发动机。

发动机系统10可以包括用于测量涡轮增压器速度的传感器（未示出）。当涡轮增压器速度低时，控制系统可以输送氢气至排气歧管24，并且因此发动机速度在空转速度或接近空转速度。

发动机系统10可以提供在混合动力车辆中并且转化器设备50可以由车辆减速时产生的电能提供动力/电力。这确保压缩机速度被增加而不额外增加发动机的负载。

图3A示出了配备EGR的发动机的各种发动机参数随时间的变化图。在驾驶员操作加速器踏板62的事件302中，EGR流速可以被限制以允许足够的可利用氧气300。在附图中，事件302发生在时间t1。响应于事件302，EGR阀门47被关闭，以便当排气从进气歧管16中净化时，EGR流速减小至零。发动机内实际使用的氧气量304几乎匹配，但是稍微延迟可利用的氧气300。在加速器踏板62的操作之后，产生的扭矩306逐渐增加至最大值。

图3B示出了使用EGR和氧气喷射的实施例的相同发动机参数随时间的变化图。为了比较，常规可用氧气300、使用的氧气304和产生的扭矩306也用虚线示出。

在一些实施例中，EGR流速被配置成大于常规情况。在驾驶员操作加速器踏板62的事件302中，EGR阀门47可以被关闭，以便EGR流速渐降/缓降（ramp down）。而且，氧气控制阀门57可以被打开，以便氧气输送至汽缸12。因此时间t1之后，可利用的氧气量迅速增加。作为响应，使用的氧气量304也增加，以显著大于常规情况的速率增加。因此，产生的扭矩306以大体上更快的速度增加至最大值。

传感器（未示出），比如氧气传感器，可以提供在发动机系统中。当其感测到使用的氧气304逐渐平稳在接近大气中含氧量的值时，氧气控制阀门57可以关闭。在附图中，这发生在时间t2。

图4示出了包括氢气输送装置和氧气输送装置的实施例的示例操作例程。在401，控制系统可以经由传感器和/或PP信号确定加速器踏板是否大体上/显著压下。如果大体上未压下，则系统在412返回400。如果经由大体上压下的加速器指示大体上加速，则经由氧气输送装置输送至汽缸的氧气量在404增加。在406，输送至进气口的EGR量可以被减小。一些实施例可以增加氧气，同时保持EGR输送至进气口/进气（intake）恒定。其他实施例可以减小EGR输送，同时保持氧气输送恒定。

在其内配备可选氢气输送装置或氧气输送装置与其分离的实施例中，输送至排气系统的氢气量在408增加。这样涡轮机上游排气系统中氢气的燃烧和膨胀减小涡轮机延迟。其他实施例可以不包括涡轮增压器或氢气输送装置。另一些实施例可以在相同的装置和/或相同的转化器设备中产生氢气和氧气。

在410，其可以确定进入进气系统的EGR量是否低于阈值。如果否，则方法返回404。如果已经低于阈值，则方法在412返回开始。

注意，这里包括的示例控制和估计例程可以与各种发动机和/或各种车辆系统配置一起使用。此外，该技术可以应用于任何类型动力传动系统，包括但不限于，与纯电力、混合动力、插电式混合动力、燃料电池电力和柴油发动机提供动力车辆相关的动力传动系统。这里说明的特别例程可以代表一个或多于一个任意数量的处理策略，比如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等等。同样地，可以按照说明的次序并行地或在一些情况下省略地实施所说明的各种行为、操作或功能。类似地，处理的顺序不是实现这里示例实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和解释。根据所使用的特定策略，可以重复实现一个或多于一个说明的行为或功能。而且，所说明的行为可以图示代表编码入发动机控制系统中计算机可读存储介质中的代码。

应当理解，这里公开的配置和例程是示例性质的，并且这些特定的实施例并不具有限制意义，因为可能有许多种变体。比如，上述技术可以使用V-6、I-4、I-6、V-12、对置4和其他发动机类型。本公开的主题包括这里公开的各种系统和配置，以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖和不明显的组合和子组合。

本文的权利要求特别指出新颖的和显而易见的一些组合及子组合。这些权利要求可以涉及的“一个”元件或“第一”元件或其等价物。应当理解，即不需要也不排除两个或更多个这种元件，这种权利要求也被理解为包括一个或多于一个这种元件结合。通过本权利要求的修改或通过本申请或相关申请中新的权利要求可以要求公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合及子组合

不管比原权利范围的保护范围宽泛、狭窄、等价或不同，这种权利要求都包括在包公开的主题中。

Claims (17)

1.一种发动机系统，其包括：

加速器设备；

排气再循环系统，其具有耦合到排气系统的进气口和耦合到进气系统的排气口；

氧气输送装置，所述氧气输送装置具有进气口和排气口，所述排气口被耦合到发动机内一个或多个发动机汽缸；

具有指令的控制系统，该指令响应于工况控制所述氧气输送装置的操作和到所述发动机的排气再循环，其中所述控制系统适于响应于所述加速器设备的致动减小或终止到所述发动机的所述排气再循环。

2.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述氧气输送装置适于将氧气输送至所述进气系统或一个或多个发动机汽缸。

3.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述氧气输送装置包括用于存储氧气的储存器。

4.根据权利要求3所述的发动机系统，其中所述氧气输送装置以高于涡轮增压压力的压力存储氧气。

5.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述控制系统通信地耦合至所述发动机内的排气传感器。

6.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述控制系统通信地耦合至所述发动机内的氧气传感器。

7.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述控制系统具有指令以响应于所述加速器设备的致动输送氧气至所述发动机，以便在所述发动机内引起超增压状况。

8.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述氧气输送装置包括转化器设备。

9.根据权利要求8所述的发动机系统，其中所述转化器设备包括在排气温度等于或高于氢气的自燃温度的位置处耦合至排气系统的氢气输送装置。

10.根据权利要求9所述的发动机系统，包括涡轮增压器，所述涡轮增压器包括机械地耦合至涡轮机的压缩机，所述涡轮机由移除的排气驱动，并且所述氢气输送装置被配置成通过在排气系统中燃烧和膨胀氢气增加涡轮机的速度。

11.根据权利要求9所述的发动机系统，其中控制系统具有指令以响应于所述加速器设备的操作启动或增加输送氢气到发动机。

12.一种操作发动机系统的方法，其包括：

从发动机中移除排气和再循环所述排气的一部分至所述发动机；

输送氧气至一个或多个发动机汽缸或至进气口，以响应于可操作增加输送至所述发动机用于燃烧的燃料量的加速器设备的致动；以及

响应于所述加速器设备的致动,减少到所述发动机的排气再循环。

13.根据权利要求12所述的方法，包括以高于涡轮增压压力的压力存储氧气。

14.根据权利要求12所述的方法，包括通过响应于所述加速器设备的致动,输送氧气至所述发动机在所述发动机内引起超增压状况。

15.根据权利要求12所述的方法，包括感测所述发动机中的排气水平和响应于排气水平达到预定的最小值,减少或终止到所述发动机的氧气输送。

16.根据权利要求12所述的方法，包括感测所述发动机进气口处的氧气水平和响应于所述氧气水平达到预定的最大值,减少到所述发动机的氧气输送。

17.一种发动机系统，其包括：

加速器设备，其可操作增加输送至发动机用于燃烧的燃料量；

排气再循环系统，其用于从所述发动机移除排气并且再循环所述排气的一部分至所述发动机；

涡轮增压器，其包括用于引导空气朝向所述发动机的压缩机和用于对所述压缩机提供动力的涡轮机，所述涡轮机由移除的排气驱动；

氧气输送装置，其适于响应于所述加速器设备的操作输送氧气至所述发动机；和

氢气输送装置，其适于响应于所述加速器设备的操作输送氢气至到所述发动机中的所述移除的排气中，以及

其中所述氢气输送装置响应于所述氧气输送装置的操作并且所述氧气输送装置响应于所述氢气输送装置的操作。