CN103775251B

CN103775251B - 在富条件下改进燃料经济性的排气再循环

Info

Publication number: CN103775251B
Application number: CN201310511332.1A
Authority: CN
Inventors: G·苏尼拉; D·J·斯黛奥兹
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: US20140121940A1; DE102013221318A1; US9014947B2; RU2569397C2; RU2013147689A; CN103775251A

Abstract

本发明提供了一种运行增压汽油发动机的方法。本方法包括当发动机运行在化学计量下的空燃比时将发动机的进气空气充气稀释为第一稀释水平。本方法还包括，响应发动机下游过排气温度的情况，当运行在富空燃比时，将发动机进气空气充气稀释到第二、更高的稀释水平。

Description

在富条件下改进燃料经济性的排气再循环

技术领域

本发明涉及机动车辆工程，更具体地，涉及排气再循环（EGR）。

背景技术

车辆中的内燃发动机可以在宽范围的速度和负载下运行。在化学计量下的空燃比运行的增压式汽油发动机中，高发动机负载会导致不期望地高排气温度。这样的温度会加速发动机系统中材料的老化，尤其是涡轮和排气后处理部件。

一个降低汽油发动机在高负载瞬态中的排气温度的策略是增加空燃混合物。当高于化学计量比时，注入发动机气缸的液体燃料并不会进行燃烧，而是通过蒸发冷却其中的燃烧气体。此外，多余的燃料可以在汽缸中吸热地变相，从而提供更多的冷却。然而由于多余的燃料不提供能量，这种策略会不利于燃料经济性。

为了解决这个问题，在此发明人提供一系列解决办法，其中在高负载的情况下主动施加排气再循环，同时空气燃料混合物被富化。一个具体的实施例提供了运行增压汽油发动机的方法。这种方法包括在化学计量下的空燃比运行时，将发动机进气空气稀释为第一级稀释水平。这种方法还包括，当发动机在增加空气燃料比运行时，响应发动机下游过高排气温度的问题，其将发动机进气空气进一步稀释为第二更高水平。

EGR在汽油发动机中高负载时的一些优势之前已经被发现。例如：美国专利号8,001,779，提供了一种高低压排气再循环混合系统，从而将EGR的使用扩大到大范围内的速度和负载。该参考文献说明了在高负载下排气再循环能够减少富化的需要来保护排气系统部件。然而，它并没有认识到在高负荷瞬态富化和排气再循环导致的协作。

发明内容

相比之下，本公开展示了能够使用EGR一些可用的形式，与富化一起，作为由于富化引起的燃料经济性降低的补救。以这种方式，可以在高负载下保护排气系统，而不会产生过多的燃料经济性损失。

在另一实施例中，汽油发动机包括：流体联接进歧管的进气压缩机；流体联接至排气歧管并机械联接压缩机的排气涡轮；导管，其具有在涡轮下游联接的入口，在压缩机上游联接的出口，以及为了调整进气歧管中进气稀释水平而调节排气流动的阀；和控制器，使得当发动机运行在化学计量空气燃料比时将阀开至能提供第一稀释水平，而当发动机运行在富空气燃料比的情况下，将阀开至能提供第二稀释水平。

在另一个实施例中，发动机进一步地包括热联接至导管并且被配置为冷却其中排气的热交换器。

在另一个实施例中，发动机还包含设置在导管内并与控制器可操作地联接的空气燃料比传感器。

在另一个实施例中，发动机还包含排气温度传感器。

在另一些实施例中，排气温度传感器热联接至排气后处理催化剂。

在另一个实施例中，控制器还被配置为仅当排气温度传感器的输出指示过温状况时以高空燃比运行发动机。

在另一些实施例中，提供了运行增压式汽油发动机的方法。该方法包括：提供稀空气燃料比或化学计量下的空气燃料比；将发动机进气空气稀释到第一稀释水平；检测过排气温度；并且响应于过排气温度的条件，提供富空气燃料比并且稀释进气空气至第二较高稀释水平。

在另一个实施例中，该方法还包括当以第二稀释水平运转时增强进气充气的压缩以保持转矩。

在另一个实施例中，富空气燃料比在踩下加速器踏板状态下提供。

以上的发明内容用来以简化的形式介绍本公开的选择部分，而非指明关键或必要的特征。由权利要求限定的要求保护的主题，既不受该发明内容限定也不受解决本文提出的问题和缺点的实施方式限定。

附图说明

图1示意性图示依据本公开的实施例的示例机动车辆系统的方面。

图2图示说明了依据本公开的实施例的运行增压式汽油发动机的示例方法。

图3是在执行图2的方法期间若干发动机参数的示例绘图比较。

具体实施方式

图1示意性示出机动车辆的示例发动机系统10的方面。在发动机系统10中，新鲜空气先进入空气净化器12，并且流至压缩机14。压缩机可以是任意合适的进气压缩机，例如电机驱动或驱动轴驱动的机械增压压缩机。然而在发动机系统10中，压缩机在涡轮增压器18中被机械地联接至涡轮16，涡轮被扩张来自排气歧管20的发动机排气驱动。在一个实施例中，压缩机和涡轮被联接在双涡管涡轮增压器中。在另一些实施例中，涡轮增压器可以是可变几何形状的涡轮增压器（VGT），其中涡轮的几何形状随着发动机转速的变化而主动变化。

压缩机14经由增压空气冷却（CAC）24和节气门阀26流体联接至进气歧管22。自压缩机的增压空气流动穿过CAC并且节气门阀被引至进气歧管。在图示的实施例中，压缩机旁通阀28被联接在压缩机进口和出口之间。压缩机旁通阀可以是常闭阀，它被配置为在选择的工况下打开从而释放过多的增压压力。

排气歧管20和进气歧管22分别通过一系列排气门32和进气门34与一系列气缸30联接。在一个实施例中，排气和/或进气门可以是电力致动的。在另一个实施例中，排气/进气门可以是凸轮致动的。无论是电力致动或是凸轮致动，排气门和进气门的正时都可以为了期望的燃烧和排放控制性能按需做出调整。

气缸30根据实施例，可以使用不同的燃料，例如：汽油、醇类或其混合物。在图示的实施例中，燃料泵36里的燃料通过燃料喷射器38的直接喷射而被供给至气缸。在本文考虑的多种实施例中，燃料可以通过直接喷射、进气道喷射、节气门体喷射或关于其的任意组合来供应。在发动机系统10中，燃烧经由在火花塞40进行火花点火启动。火花塞由电子点火单元（在附图中未示出）发出的时控高压脉冲驱动。

发动机系统10包括高压（HP）排气再循环（EGR）42和高压EGR冷却器44。当HPEGR阀打开时，排气歧管20中的一些高压排气被抽出通过HPEGR冷却器至进气歧管22。在进气歧管中，高压排气为更低的燃烧温度、减少的排放和其他好处稀释了进气空气。剩余排气流到涡轮16来驱动涡轮。当期望降低的涡轮转矩时，部分或全部排气会替代地直接通过废气门46从而旁通涡轮。然后自涡轮和废气门的组合流流动通过发动机系统的各种排气后处理设备，如下所述。

在发动机系统10，稀NO_x捕集器（LNT）48被联接在涡轮16的下游。LNT包括应用催化剂涂层的内部催化剂支持结构。涂层被配置为当排气流为稀时捕获排气中的NO_x，并且当排气流为富时减少捕集的NO_x。三元催化剂（TWC）级50被联接在LNT的下游。TWC被配置为用来氧化剩余的CO、氢气和碳氢化合物，并且减少发动机排气中的氮氧化物（NO_x）。

需要注意的是在发动机系统中排气后处理级的性质、数量和安排都可以和本公开的不同实施例不同。例如，一些配置可包括碳烟过滤器或组合碳烟过滤和其他排放控制功能，例如NO_x捕集的多目的排气后处理级。

继续图1，全部或部分经过处理的排气会通过消音器52被释放到环境中。然而，根据工况，一些经过处理的排气会通过低压（LP）EGR冷却器54转移。通过打开与LPEGR冷却器串联连接的LPEGR阀56转移排气。LPEGR冷却器可包括任意合适形式的热交换器——气体-空气，气体-水等等。冷却后的排气从LPEGR冷却器54流入压缩机14。通过部分关闭排气背压阀58，在经过选择的运行环境后可以增加LPEGR的流动势能。其他的配置可包括在空气净化器12上游的替代排气背压阀的节气门阀。

发动机系统10包括配置为控制各种发动机系统功能的电子控制系统（ECS）60。ECS包括存储器和一个或更多个处理器，其被配置为响应传感器的输入信号做出合适的选择并且引导发动机系统元件部分的智能控制。根据各种策略，例如事件驱动、中断驱动、多种测试、多线程及其他来制定决定。以这种方式，ECS会配置为制定下文公开的方法的任一或所有方面。因此，各种方法的步骤-运行、功能和/或动作可被实施为编程到ECS中的机器可读存储媒介中的代码。

ECS60包括传感器界面62、发动机控制界面64和车载诊断（OBD）单元66。为了评估发动机系统10的工况和安装发动机系统的车辆的工况，传感器界面62接收设置在车辆中的各种传感器——流量传感器、温度传感器、踏板位置传感器、压力传感器等等的输入信号。一些示例传感器在图1中示出——歧管气压（MAP）传感器68、歧管气温（MAT）传感器70、质量空气流量（MAF）传感器72、NO_x传感器74、排气空燃比传感器76和排气系统温度传感器78。在一个实施例中，排气温度传感器热联接至排气后处理催化剂。各种其他的传感器也可被提供。

发动机控制界面64配置为电子致动可控阀、执行器和其他汽车组件——例如节气门阀26、压缩机旁通阀28、废气门46和EGR阀42和56。发动机控制界面运行地联接至每个电子控制阀和执行器，且被配置为根据其制定的控制方案来按需地命令其打开、闭合，和/或调整。OBD单元66是ECS的一部分，其被配置为诊断发动机系统10中各组件功能是否退化。这部件例如包括氧气传感器、燃料喷射器和排气控制部件。

以上描述的配置能够使多种运行增压汽油发动机的方法运行。一些这种方法现在以示例方式通过继续参考上述配置被描述。然而，需要理解的是，本发明描述的方法，和本公开范围内其他方法，也可以通过不同配置实现。自然，每个方法的执行会改变下一个执行的输入条件并且从而形成复杂的做出决定的逻辑。在本公开中这种逻辑已经完全考虑进去了。

图2图示说明了用于运行增压汽油发动机的示例方法80。在方法80的82，稀或化学计量的空燃比λ由通过相对于节气门调整燃料喷射量提供，或者反之亦然。在84，发动机的进气充气通过EGR的一个或更多个形式被稀释为第一稀释水平，如下所述。

EGR通过用排气稀释进气空气运转，由此减少其中氧气含量。当结果空气-排气混合物用于代替普通的空气来支持发动机内的燃烧时，会产生更少的燃烧和更低的排气温度。EGR还可以改进汽油发动机的燃料经济性。在中等和高负载，由于爆震缓解所以提高了燃料经济性，允许更高效的燃烧阶段，减少的至发动机冷却剂的热量损失，和降低的排气温度——这进一步减少了富化以冷却排气零件的需要。在低负载，EGR提供减少节流损失的附加益处。

如以上在图1的背景下提到的，排气可以通过高压（HP）EGR环路和/或低压（LP）EGR环路被再循环。在HPEGR环路中，排气取自涡轮上游并在压缩机下游与进气空气混合。在LPEGR环路中，排气取自涡轮下游并在压缩机上游与进气空气混合。此外，一些发动机系统提供所谓的“内部EGR”，其中当之前燃烧产生的排气仍在气缸中时一个或更多个发动机气缸的燃烧被启动。内部EGR的量可以使用可变进气和/或排气门正时被控制。

HP和LPEGR策略在发动机负载-时间图谱中的不同区域实现最佳效率。而且，每种策略呈现出各自的控制系统的挑战。例如，HPEGR在低负载最为高效，其中进气真空提供了足够的流动势能；在更高负载时，由于降低了流动势能使得可能无法达到期望的EGR流动速率。本质上根据涡轮增压器废气门和节气门情况，HPEGR可需要复杂的流量控制策略。此外，HPEGR会面临不良的EGR/空气-充气混合且由于HPEGR出发点和发动机进气流道之间的短距离会需要高速率的主动冷却。

与HPEGR相比，LPEGR从中等发动机负载到高等发动机负载区域在HPEGR流量受限、易被冷却并且能够与节气门和废气门更大程度不相关地受到控制的区域提供足够的流量。而且，冷却的LPEGR在期望排气温度降低的情境下提供重要的其他优点。在重新进入气缸前，LPEGR在涡轮中、在EGR冷却器中、在回到进气的长管道中，和再次在CAC中被冷却。因此，稀释剂的温度比HP和内部EGR变体要低。更低温度的稀释剂能更有效地降低燃烧温度以及相应的降低排气温度。因此在这方法中，进气充会被冷却的LPEGR稀释-即，通过在排气涡轮下游捕集和在热交换器中冷却的排气来稀释进气压缩机上游的进气空气。然而，其他实施例被设想，其中HP和/或内部EGR由冷却的LPEGR替代使用，或者除冷却的EGR之外可使用HP和/或内部EGR。

继续图2，在86，确定是否检测到踩下加速器踏板状况。如果检测到踩下加速器踏板状况，那么方法进行到88。然而，如果没有检测到踩下加速器踏板状况，那么方法返回。在88确定是否检测到过排气温度的情况。过排气温度会退化各种排气系统部件，例如涡轮或排气控制催化器。因此，过排气温度状况根据联接至涡轮、至排放控制零件或排气系统其他位置的温度传感器检测。

如果检测到过温度的状况，那么方法进行到90，其中排气的燃料含量被估计。燃料含量可以根据联接至例如EGR管道的空燃比传感器被估计。方法从90进行到92，其中提供给发动机富化的空燃比。更具体地，通过提高燃料喷射道汽缸，节气阀体，或发动机的进气歧管中的速率来提供预定的富化量。为了校准可能出现在EGR的燃料喷射量，发动机系统的ECS会影响排气中的燃料含量，如之前所估计的。

富化已知通过蒸发冷却和吸热转化反应冷却发动机气缸内燃烧气体。此外，本发明人在此提出富化可以增加汽油发动机在高负载下运行时的EGR容限。本方法不被限制于任何具体的理论，可以相信，经过富化运行期间从发动机排出的包括氢、一氧化碳和/或转换的碳氢化合物能够在重新引入到进气时，即使在低氧气含量时也可以提高燃烧稳定性。因此，根据上述原因，为了增加燃料经济性，在富化过程中更高水平的稀释都能被承受。例如，如果发动机EGR容限极限是化学计量运行下的15%，那么它在富化过程中可达到25%。除在高发动机负载由长期使用EGR导致的燃料经济性好处以外，本方法还可仅通过回收一部分未用燃料改进燃料经济性，否则这部分燃料将会被排放到环境或者在排放控制催化剂处损毁。这样，本方法可以显著地抵消发生在富化过程中的燃料经济性损失。它还可以在富化期间减少碳氢化合物和一氧化碳排放并且减少对TWC的需求。

因此，在方法80的94，预期到进气充气被进一步稀释，来自发动机的排气在热交换器中被冷却，并且在96，进气空气充气被稀释为第二稀释水平，比在84提供的第一稀释水平更高。更具体地，ECS被配置为当发动机运行在化学计量下空燃比时打开发动机中的EGR阀来提供第一稀释水平，在发动机运行在富空燃比时提供第二更大的稀释水平。在一些实施例中，如果化学计量比下使用第二稀释水平的空燃比，则可导致例如燃烧不稳定。

在图示说明的方法中，当响应于发动机下游排气温度过高的情况而以富空气空燃比运行发动机时，发动机进气空气会被稀释为更高稀释水平。具体地，富空燃比在踩加速器踏板期间被提供——即，高负载的瞬态。更一般性地，化学计量下的空燃比应在第一工况下提供，而富空燃比应在第二工况下提供。在这样的情况下，稀释中同时发生的增加能提高燃料经济性。在其他实施例中，只有当这种稀释被认识到或被预测到能提高燃料经济性，进气空气充气被稀释到第二稀释水平。

在图2中继续，在98当运行在第二稀释水平——例如，在踩加速器踏板情况期间增加对进气空气的压缩以保存转矩。可采用这个动作补偿增加的稀释比率以及由此可用的氧气的减少。如以上所提到，在方法80的88，ECS被配置为仅当排气温度传感器的输出表明过温度情况时将发动机运行在富空燃比下。然而如果没有探测到过排气温度，方法替代地进行到100，其中进气空气充气被稀释到第三稀释水平。在这种情况中，不提供富化。因此，第三稀释水平可比第二稀释水平低。然而在一些情况下，由于检测的踩下加速器踏板的情况期间更高发动机负载，仍有可能高于第一稀释水平。

图3提供了在方法80的执行期间某些发动机参数在绘图上比较。图3的上图表示了在高负载瞬态排放控制催化剂温度随时间的示例变化。由于催化剂温度方法被允许上限，富化被起动从而防止催化剂温度超过上限。通过增加图3的中间绘图中所示的虚线示出的燃料注入量来完成期望的富化。在图示说明的实施例中，在燃料喷射增加的高初始阶段由更低的平原跟随，所述平原在整个富化阶段保持。在高原上，富化由增加的燃料喷射和未燃燃料经由EGR环路返回至进气导致。然而在初始阶段，很少或没有未燃燃料出现在EGR环路，所以要提供更高级别的燃料喷射。该策略可以用来在富化期间提供相对恒定的缸内空燃比，如在中间绘图中用实线表示的。在图3中继续，下图用实线示出了EGR阀打开量而虚线示出导致的缸内EGR稀释程度。

本公开的方面以示例参考以上描述的图示说明的实施例被展示。在一个或更多个实施例中大致相同的部件、过程步骤和其他元件被协调地指明并用最少的重复来描述。然而需要指出的是，这些协调地确定的元件在一些程度上也是会不同的。需要进一步指出的是本公开中包括的附图是示意性的并且一般不按比例绘制。而且，附图中示出的各种绘制比例、长宽比和部件的数目可被特意改变以使得一定特征或关系更容易看到。

在本文图示说明和/或描述的方法中，一些指出的示的过程步骤可以在不离开本公开范围的情况下被省略。同样地，指出的操作步骤的结果也不是为了获得预期的结果必须的，其被提供仅易于图示说明和描述。根据所使用的具体策略，一个或更多图示说明的动作、功能、或操作可以重复进行。

需要理解的是上文中描述的物品、系统和方法是本公开的实施例——大量变体和扩展也被考虑的非限制性的示例。本发明还包括所有以上物品系统和方法的所有新颖和非显而易见的组合和子组合，以及关于其的任何和所有等效物。

Claims

1.一种运行增压汽油发动机的方法，所述方法包括：

当在化学计量的空燃比下运行时，经由排气再循环将所述发动机的进气空气充气稀释到第一稀释容限极限内的第一稀释水平；以及

当在富化的空燃比下运行时，响应所述发动机下游的过排气温度的状况，经由排气再循环将所述发动机的所述进气空气充气稀释到第二、更高稀释容限极限内的第二、更高稀释水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其中只有当这种稀释提高燃料经济性时才将所述进气空气充气稀释至所述第二稀释水平。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在踩加速器踏板的状况期间提供所述富化的空燃比。

4.根据权利要求3所述的方法，还包含在所述踩加速器踏板的状况期间，增大对所述进气空气充气的压缩从而保持转矩。

5.根据权利要求1所述的方法，其中稀释所述进气空气充气包括在进气空气压缩机上游用在排气涡轮下游捕集的排气稀释，所述涡轮机械联接至压缩机。

6.根据权利要求5所述的方法，还包含在稀释所述进气空气充气前在热交换器中冷却所述排气。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二稀释水平是如果在所述化学计量的空燃比下使用则引起燃烧不稳定。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在第一工况期间提供所述化学计量的空燃比，并且其中在第二工况期间提供所述富化的空燃比，所述第二工况包括比所述第一工况高的发动机负载。

9.根据权利要求8所述的方法，还包含在第三工况期间将所述进气空气充气稀释到比所述第二稀释水平低的第三稀释水平，其中所述发动机下游的催化剂温度在所述第三工况下比在所述第二工况下低，但发动机负载基本相同。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述进气空气充气被排气稀释，所述方法还包括估计所述排气中的燃料含量。

11.根据权利要求10所述的方法，还包含基于所估计的所述排气中的燃料含量调整喷射到所述发动机中的燃料量。

12.一种汽油发动机，其包含：

流体联接至进气歧管的进气空气压缩机；

流体联接至排气歧管并机械联接至所述压缩机的排气涡轮；

导管，所述导管具有在所述涡轮下游联接的入口、在所述压缩机上游联接的出口以及调节通过所述导管的排气流以调整所述进气歧管中的进气空气稀释水平的阀；和

控制器，所述控制器被配置为：当所述发动机运行在化学计量的空燃比时，将所述阀打开以提供第一稀释容限极限内的第一稀释水平，而当所述发动机运行在富化的空燃比时，将所述阀打开以提供第二、更高稀释容限极限内的第二、更高稀释水平。

13.根据权利要求12所述的发动机，还包含热联接至所述导管并且被配置为冷却其中的所述排气的热交换器。

14.根据权利要求12所述的发动机，还包含设置在所述导管内并与所述控制器可操作地联接的空燃比传感器。

15.根据权利要求12所述的发动机，还包含排气温度传感器。

16.根据权利要求15所述的发动机，其中所述排气温度传感器热联接至排气后处理催化剂。

17.根据权利要求15所述的发动机，其中所述控制器进一步被配置为仅当所述排气温度传感器的输出指示过温状况时在所述富化的空燃比下运行所述发动机。

18.一种用于运行增压汽油发动机的方法，所述方法包含：

提供稀的空燃比或者化学计量的空燃比；

经由排气再循环将所述发动机的进气空气充气稀释到第一稀释容限极限内的第一稀释水平；

检测过排气温度的状况；以及

响应于所述过排气温度的状况，提供富化的空燃比并且经由排气再循环将所述发动机的所述进气空气充气稀释到第二、更高稀释容限极限内的第二、更高稀释水平。

19.根据权利要求18所述的方法，还包含当在所述第二稀释水平下运行时，增大所述进气空气充气的压缩从而保持转矩。

20.根据权利要求19所述的方法，其中在踩加速器踏板的状况期间提供所述富化的空燃比。