CN104005830B - 用于减少发动机冷启动排放的策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行具有汽缸盖的发动机的方法，包括：在排气催化剂从冷启动条件起燃之后，使液体冷却剂循环穿过该汽缸盖的冷却套，并且在随后的发动机停机条件下，将至少一些液体冷却剂从该冷却套中排出。以此方式，在冷启动状况下，该汽缸盖的冷却套可以填充空气，因此减少了排气催化剂达到起燃温度所需要的时间量。

Description

用于减少发动机冷启动排放的策略

技术领域

本发明涉及一种用于减少发动机冷启动排放的策略。

背景技术

对内燃发动机进行涡轮增压既可以减少外部排放又可以增大发动机的比功率输出，因为来自发动机汽缸的排气可以被引导穿过涡轮机并且所得的动能被用于向压缩机提供动力。一种示例性的构型将从发动机汽缸通向涡轮机的这些排气歧管集成在汽缸盖本身之中，被称为集成式排气歧管。

这种集成式排气歧管构型可以保存来自排气的热能，该热能可以被传递至汽缸盖的周围材料上。这进而可能要求在正常的发动机工况的过程中对汽缸盖进行冷却。在一个示例中，液体冷却剂可以循环穿过汽缸盖中的多个室，从而降低汽缸盖材料和/或离开该排气歧管的排气的温度。

然而，排气排放物控制装置，例如催化转化器，在达到预定的操作温度后实现了更高的减排。诸位发明人在此已经认识到，用循环的液体冷却剂冷却该排气歧管可能将排气冷却并且将该排放物控制装置在一个冷启动条件之后达到预定的操作温度所必须的时间量延长。这进而可能增加在该排放物控制装置达到预定的操作温度之前的该时间段内在冷启动下的发动机排放量。

发明内容

在一个示例中，一种用于运行具有汽缸盖的发动机的方法包括：在排气催化剂从冷启动条件起燃之后，使液体冷却剂循环穿过该汽缸盖的冷却套，并且在随后的发动机停机条件下，将至少一部分液体冷却剂从该冷却套中引出。以此方式，在冷启动条件下，该汽缸盖的冷却套可以完全或部分地填充有空气，因此减少了排气催化剂达到起燃温度所需要的时间量。在另一个示例中，一种发动机系统包括：包括冷却套的汽缸盖、联接于该冷却套上的冷却剂箱以及联接于该冷却剂箱和冷却套上的冷却剂泵，该冷却剂泵被配置成用于在第一条件的过程中使冷却剂循环、并且在第二条件的过程中将冷却剂从该冷却套中引出。以此方式，该冷却套可以在第一条件的过程中填充有冷却剂，并且在第二条件的过程中填充有空气，从而允许对汽缸盖的温度的控制被改善。

在另一个示例中，一种发动机方法包括：在发动机停机之后当发动机静止并且冷却剂泵失活时排空液体冷却路径、在该路径被排空并且该泵仍失活时从静止状态冷启动该发动机并且在外部催化剂达到起动条件之后激活该泵。以此方式，仅在该外部催化剂达到该起燃条件之后，液体冷却剂才循环穿过该冷却剂路径。

本说明的以上优点和其他的优点与特征将从单独进行的或结合附图进行的以下详细说明中容易明白。

应当理解的是，以上的概述是提供用于以简化形式介绍一系列概念，这些概念在详细说明中将进一步进行说明。并非意图指明要求保护的主题的关键的或必不可少的特征，要求保护的主题的范围只有随该详细说明所附的权利要求来限定。此外，要求保护的主题不局限于解决了在上文中或在本披露的其他部分中提出的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示出了一台发动机的示意图。

图2示出了用于涡轮增压发动机的发动机排气系统的示意图。

图3是一个流程图，展示了根据本披露用于在冷启动条件下运行一台发动机的一种示例性方法。

具体实施方式

本说明涉及用于在冷启动条件下运行内燃发动机的多种系统和方法。在一个非限制性示例中，该发动机可以如图1所示进行配置。进一步，如图2展示的发动机排气系统的另外的部件可以是图1的发动机的一部分。冷启动程序可以由图2展示的系统和图3展示的方法来提供，后一个图示出了用于在冷启动条件下运行一台发动机的示例性方法。

图1是一个示意图，示出了多缸发动机10的一个汽缸，该汽缸可以被包括在汽车的推进系统中。发动机10可以至少部分地由一个包括控制器12的控制系统并且由来自车辆操作员132经由一个输入装置130进行的输入来控制。在这个示例中，输入装置130包括一个加速器踏板以及一个用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室（即，汽缸）30可以包括燃烧室壁32，活塞36位于这些燃烧室壁中。活塞36可以联接于曲轴40，这样使得该活塞的往复运动被转换成该曲轴的旋转运动。曲轴40可以通过一个中间传动系统被联接于车辆的至少一个驱动车轮。进一步，一个起动电动机可以经由一个飞轮被联接于曲轴40，以能够起动发动机10的运行。

燃烧室30可以经由进气通道42接收来自进气歧管44的进气并且可以经由排气通道48引出燃烧气体。进气歧管44和排气通道48可以选择性地经由对应的进气门52和排气门54而与燃烧室30相连通。在一些实施例中，燃烧室30可以包括两个或更多进气门和/或两个或更多排气门。

在这个示例中，进气门52和排气门54可以通过凸轮致动作用由对应的凸轮致动系统51和53来控制。凸轮致动系统51和53各自可以包括一个或多个凸轮并且可以利用以下一项或多项：凸轮廓线变换（CPS）、可变凸轮正时（VCT）、可变气门正时（VVT）和/或可变气门升程（VVL）系统，这些系统可以由控制器12操作以改变气门的操作。进气门52和排气门54的位置可以分别由位置传感器55和57来确定。在替代性实施例中，进气门52和/或排气门54可以由电动气门致动来控制。例如，汽缸30可以替代地包括一个通过电动气门致动来控制的进气门以及一个通过凸轮致动（包括CPS和/或VCT系统）来控制的排气门。

燃料喷射器66被显示为直接联接于燃烧室30上以便与经由电子驱动器68从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地来将燃料直接喷入其中。以这种方式，燃料喷射器66提供了所谓的燃料到燃烧室30中的直接喷射。例如，该燃料喷射器可以安装在燃烧室的侧部中或者燃烧室的顶部中。燃料可以通过一个燃料系统（未示出）被输送至燃料喷射器66，该燃料系统包括燃料箱、燃料泵和燃料管路。在一些实施例中，燃烧室30可以替代地或另外地包括被安排在进气通道44中的一个燃料喷射器，该燃料喷射器的构型提供了所谓的燃料到燃烧室30上游的进气道中的进气道喷射。

进气通道42可以包括一个具有节流板64的节气门62。在这个具体示例中，节流板64的位置可以由控制器12通过被提供给与节气门62一起包括的一个电动机或致动器的一个信号而改变，这是一种常称为电子节气门控制（ETC）的构型。以这种方式，节气门62可以工作以改变被提供给除了其他发动机汽缸之外的燃烧室30的进气。节流板64的位置可以通过节气门位置信号TP被提供给控制器12。进气通道42可以包括一个质量空气流量传感器120和一个歧管空气压力传感器122，用于提供相应的信号MAF和MAP给控制器12。

在选定的运行模式下，点火系统88可以响应于一个来自控制器12的点火提前信号SA经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。尽管示出了多个火花点火部件，但在一些实施例中，发动机10的燃烧室30或一个或多个其他燃烧室可以按压缩点火模式运行，具有或不具有点火火花。

排气传感器126显示为联接于排放物控制装置70上游的排气通道48上。传感器126可以是用于提供排气空燃比的任何合适的传感器，例如线性氧传感器或UEGO（通用或宽域排气氧）、双态氧传感器或EGO、HEGO（加热EGO），NOx、HC或CO传感器。排放物控制装置70显示为沿着排气通道48安排在排气传感器126的下游。装置70可以是三元催化剂（TWC）、NOx捕集器、不同的其他排放物控制装置或它们的组合。在一些实施例中，在发动机10的运行过程中，可以通过以具体的空燃比运行该发动机的至少一个汽缸来周期性地重新设定排放物控制装置70。

发动机10可以进一步包括一个压缩装置，例如涡轮增压器或机械增压器，包括沿着进气歧管44安排的至少一个压缩机162。对于涡轮增压器而言，压缩机162可以至少部分地由沿着排气通道48安排的一个涡轮机164（例如，经由一个轴）驱动。也可以包括废气门和压缩机旁路阀中的一者或多者以控制穿过涡轮机和压缩机的流动。对于机械增压器而言，压缩机162可以至少部分地由该发动机和/或一个电动机器来驱动并且可以不包括涡轮机。因此，通过涡轮增压器或机械增压器被提供给该发动机的一个或多个汽缸的压缩量可以被控制器12改变。进一步，可以在进气歧管44中布置一个传感器123以提供BOOST信号给控制器12。

控制器12在图1中被显示为一个微机计算机，包括微处理器单元102、输入/输出端口104、用于可执行程序和校准值的电子储存介质（在这个具体示例中被显示为只读存储器芯片106）、随机存取存储器108、保持作用存储器110和数据总线。除了之前讨论的信号之外，控制器12还可以从联接于发动机10上的多个传感器接收不同的信号，包括来自质量空气流量传感器120的引入质量空气流量（MAF）的测量值、来自联接于冷却套筒114上的温度传感器112的发动机冷却剂温度（ECT）、来自联接于曲轴40上的霍尔效应传感器118（或其他类型）的表面点火感测信号（PIP）、来自节气门位置传感器的节气门位置（TP）以及来自传感器122的歧管绝对压力信号MAP。控制器12可以从信号PIP产生发动机速度信号RPM。来自一个歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以用于提供对该进气歧管中的真空或压力的指示。注意，可以使用以上传感器的不同组合，例如使用MAF传感器而不使用MAP传感器，反之亦然。在化学计量运行的过程中，该MAP传感器可以给出对发动机转矩的指示。进一步，这个传感器与所检测的发动机速度一起可以提供被引入汽缸中的装料（包括空气在内）的估计值。在一个示例中，传感器118（也被用作发动机速度传感器）可以产生对于曲轴的每转而言预定数目的等间距脉冲。

存储介质只读存储器106可以编程有代表了处理器102可执行的指令的计算机可读数据，以便实施下文描述的这些方法以及预期的但未明确列出的其他变体。

如上文所述，图1示出了多缸发动机的仅一个汽缸，并且每个汽缸可以类似地包括其自身的一组进气/排气门、燃料喷嘴、火花塞等等。

图2是根据本披露的涡轮增压发动机10的示意图。如所描绘的，汽缸盖250包括处于直线构型中的四个汽缸30、但是也可以包括较少或较大数目的汽缸，例如六个汽缸。这些汽缸可以被安排成如图所示的共线构型或其他构型，例如对置构型或V形构型，例如V-6发动机。每个汽缸30显示为具有一个燃料喷射器66。燃料喷射器66可以被配置为直接燃料喷射器或进气道燃料喷射器。在一个示例中，该发动机可以被配置成以多种燃料源来运行，例如液体燃料源如汽油以及气态燃料如CNG。在这个示例中，每个汽缸可以针对每种燃料源具有一个单独的燃料喷射器。

如图1所示，这些汽缸30可以经由进气通道42接收来自进气歧管44的进气。进气通道42可以进一步包括节气门62、节流板64、MAF传感器120和MAP传感器122。一个增压空气冷却器220可以被布置在压缩机162下游的进气通道42内。

来自汽缸30的排气可以经由排气通道48离开汽缸盖250。排气通道48可以经由排气歧管205联接于汽缸30。如图2所示，排气歧管250可以完全或部分地被包含在汽缸盖250之内。将会了解的是，这种构型可以成为“集成式排气歧管”。排气歧管205可以包括经由排气门联接于汽缸排气端口的排气流道。

排气通道48可以包括涡轮机164。涡轮机164可以被配置为径流式涡轮机或轴流式涡轮机。涡轮机164可以包括单个卷轴或多个卷轴。涡轮机164可以通过公共轴260联接于压缩机162。排气通道可以进一步包括废气门通道275。废气门阀270可以被布置在废气门通道275的入口处。废气门阀270可以被配置成响应于从控制器12接收的信号而打开或关闭。以此方式，可以响应于发动机工况来控制绕过了涡轮机164的排气的量。排气通道48可以进一步包括温度传感器277、回流阀280和排放物控制装置70。

发动机10可以进一步包括一个端口式电动热反应器空气（PETA）系统230、空气喷射反应器系统或类似物。PETA系统230可以允许来自进气通道42的富氧空气被输送至该排放物控制装置70上游的排气通道48中。以此方式，排气中的未燃烧的烃类可以在到达该排放物控制装置70之前进一步被燃烧，这可以减少车辆排放物。

PETA系统230可以包括PETA管线232。PETA管线232可以具有联接于进气通道42的一个入口和联接于排气通道48的一个出口。该入口可以包括一个过滤器或被配置成对进入PETA管线232的空气进行净化的其他装置。在一些示例中，PETA管线32可以具有联接于该排放物控制装置70的另外的出口。沿着PETA管线232可以布置一个PETA阀235。PETA阀235可以防止排气的回流并且进一步调节来自该进气通道的空气流动。在一些示例中，一个轮叶泵或其他空气引入装置可以联接于PETA管线232以从进气通道42抽取空气。该空气引入装置可以进一步用驱动皮带或电动机或其他用于以发动机10产生的能量来驱动该引入装置的此类装置而被联接于发动机10。

如图2所示，发动机10可以包括一个冷却系统201。冷却系统201可以包括联接于汽缸盖250的冷却套218。冷却套218可以被配置成用于冷却集成式排气歧管，例如排气歧管205。冷却套218可以经由供应管线212和返回管线214而联接于箱210。一个冷却剂泵215可以联接于供应管线212。以此方式，冷却剂可以从箱210中抽出而穿过供应管线212、被泵入冷却套218中并且经由返回管线214而返回到箱210。箱210可以位于比汽缸盖250低的一个点处，这样使得冷却剂可以被动地通过返回管线214而返回到箱210。在这个示例中，冷却套218中的冷却剂也可以在冷却剂泵215不活动的情况下通过供应管线212而返回到箱210。一个恒温器219可以联接于返回管线214。恒温器219可以被配置成用于当冷却剂低于一个阈值温度时限制冷却剂的流动并且当冷却剂高于该阈值温度时准许冷却剂的流动。恒温器219可以经由控制器12而与冷却剂泵215处于流体连通，以便调节该冷却剂泵的激活状态。例如，如果冷却剂套218填充有低于该阈值温度的冷却剂，则冷却剂泵215可以响应于来自恒温器219的信号而失活，直到冷却剂套中的冷却剂达到该阈值温度为止。

如以上说明的，PETA系统230可以用于通过刺激在排气管线48内的排气燃烧而减少发动机排放物。冷却系统201也可以用于减少发动机排放物。在一个示例中，该水泵可以在冷启动条件下是不活动的。以此方式，冷却套218将填充有空气，从而在钥匙关断情况下使引出的冷却剂进入箱210。因此，来自汽缸30的排气可以在穿过该排放物控制装置70时保持是受热的。与排气在离开汽缸30时被冷却的系统相比，这进而可以减少将该排放物控制装置70内的催化剂激活所需的时间量。

图3示出了根据本披露用于发动机冷启动程序的一种示例性方法300。方法300可以由如图1所绘的控制器12来实施。方法300可以在接通（可以包括远程起动或按钮起动）时或者在发动机启动之后的另一个合适的时间点运行。在310，方法300可以包括测量和/或确定发动机工况。所评估的条件可以包括大气压、驾驶员要求的转矩、歧管压力、歧管空气流量、发动机温度、空气温度以及其他工况。在315，方法300可以包括维持一个冷却剂泵（例如图2中所绘的冷却剂泵215）的失活状态。如果该冷却剂泵已经被激活，则方法300可以包括使该冷却剂泵失活。

在320，方法300可以包括基于在310所评估的这些工况来确定是否已检测到冷启动条件。例如，控制器12可以确定上次发动机停机条件与当前启动条件之间的持续时间是否大于一个阈值持续时间，例如2小时。在一些示例中，可以通过将发动机温度与一个阈值比较来确定一个冷启动条件。如果没有检测到冷启动条件，则程序300可以前进至335。如果检测到了冷启动条件，则程序300可以前进至325。在325，方法300可以包括确定催化剂是否已达到了起燃温度。该催化剂可以被包含在该排放物控制装置70或用于从位于排气通道48中的排气中吸附化合物的其他适当装置之中。在一个示例中，一个控制器可以从一个位于催化剂衬底内部或之间的传感器获取一个热电偶读数。起燃温度可以为例如200℃，或者可以根据该催化剂的性质而是较高或较低的温度。在一些示例中，控制器12可以用温度传感器277或另一个适当的温度传感器来评估排气通道48内的排气的温度。在一些示例中，该排气温度可以根据发动机工况以及从该冷启动程序开始起所逝去的时间量来估算。在一些示例中，可以允许从该冷启动程序开始起逝去一个预定的时间量，例如20秒。允许逝去的时间对于处于310中评估的工况下的具体发动机而言可以根据经验来确定。点火正时也可以被延迟以便提高在该冷启动程序的过程中离开汽缸30的排气的温度。在一些示例中，控制器12可以激活PETA系统230以便提高排气通道48中的排气的温度。当该催化剂达到起燃温度时，方法300可以前进至330。

在330，方法300可以包括确定一个恒温器（例如，图2中描绘的恒温器219）是否已达到一个阈值温度，例如40℃。如果该恒温器没有达到该阈值温度，则方法300可以返回至315。如果该恒温器已达到该阈值温度，则方法300可以前进至335。

在335，方法300可以包括激活一个冷却剂泵，例如图2中所绘的冷却剂泵215。如图2中所示，冷却剂泵215可以通过供应管线212从箱210中吸取冷却剂，并且将冷却剂泵送至冷却套218中。在340，方法300可以包括使冷却剂循环穿过一个冷却剂路径。在一些示例中，激活该冷却剂泵可能足以使冷却剂循环穿过该冷却剂路径。在其他示例中，激活该泵可以用冷却剂填充该冷却剂路径，但冷却剂可能不会自由地循环穿过该冷却剂路径，直到已经移除了阻碍。例如，在催化剂达到起燃温度时，冷却剂泵215可以被激活，从而用冷却剂填充冷却套218。如果该冷却剂低于阈值温度，则恒温器219可以阻碍冷却剂穿过返回管线214的流动。冷却剂泵215可以响应于来自控制器12的信号而失活。当冷却剂达到该阈值温度时，恒温器219可以准许冷却剂流动穿过返回管线214，并且冷却剂泵215可以响应于来自控制器12的信号而被激活。以此方式，冷却剂可以在催化剂起燃之后进入冷却套218，但可能不会循环穿过冷却套218，直到冷却剂已达到阈值温度为止。

在345，方法300可以包括确定是否检测到发动机停机条件。如果没有检测到发动机停机条件，则方法300可以返回至320。如果已经检测到发动机停机条件，则方法300可以前进至350。在350，方法300可以包括使一个冷却剂泵（例如冷却剂泵215）失活，并且从一个汽缸盖中引出冷却剂。使冷却剂泵215失活可以允许冷却套218中的冷却剂经由返回管线214和/或供应管线212返回至箱210，前提是箱210在发动机腔体中位于比汽缸体250低的一个点处。在一些示例中，通过冷却剂泵215或另一个联接于该冷却剂路径的泵可以主动地将冷却剂从该冷却剂路径中泵出。

以此方式，方法300可以允许冷却套218在冷启动条件的过程中被填充空气。由于空气具有比液体冷却剂（例如水）显著更低的热导率和热容，如果冷却套218填充有空气而不是液体冷却剂的话，离开汽缸30的排气将保存更多的热量。这进而可以允许催化剂快速地达到起燃温度，因此减少了冷启动程序过程中的排放物。一旦催化剂达到起燃温度，该水泵可以被激活，从而用冷却剂填充冷却套218并且降低离开汽缸30的排气的温度。通过将箱210在发动机腔体中置于比汽缸体250更低的点处，当冷却剂泵215被关掉时，冷却剂可以从冷却套218中被引出。因此，方法300提供了用于提供一个在冷启动条件下填充有空气并且在其他发动机工况的过程中填充有液体冷却剂的冷却套的方法的一个示例。

将会了解的是，在此披露的这些构型和方法在性质上是示例性的，并且这些具体实施例不得在限制意义上进行考虑，因为众多的变体是可能的。例如，以上技术可以应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4以及其他发动机类型。本披露的主题包括在此披露的这些不同的系统和构型以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖的且非显而易见的组合和子组合。

以下权利要求具体地指出了某些被认为是有新颖的并且非显而易见的组合和子组合。这些权利要求可能提及了“一个”要素或“第一”要素或其等效物。这样的权利要求应被理解为包括了结合有一个或多个此类要素，既不要求也不排除两个或更多此类要素。对于所披露的这些特征、功能、要素和/或特性的其他组合和子组合可以通过对当前权利要求的修改或通过在本申请或一份相关申请中提出新的权利要求来进行保护。这样的权利要求无论在范围上与原权利要求相比更宽、更窄、相等还是不同，也被认为是包含在本披露的主题之内。

Claims (12)

1.一种用于运行具有汽缸盖的发动机的方法，包括：

在汽缸盖的冷却套被空气填充时冷启动所述发动机，以及在排气催化剂从冷启动状况起燃和联接于冷却路径的恒温器达到阈值激活温度两者之后，使液体冷却剂循环穿过所述汽缸盖的所述冷却套；

在随后的发动机停机状况下，将所述液体冷却剂从所述冷却套中引出。

2.如权利要求1所述的方法，其中，使液体冷却剂循环穿过所述冷却套包括将联接于冷却剂箱的冷却剂泵从失活状况激活。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述随后的发动机停机状况下，使联接于冷却剂箱的冷却剂泵从激活状况失活。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述冷却剂箱在发动机腔体中比所述汽缸盖定位得低。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述冷却套通过冷却剂供应管线和冷却剂返回管线被联接于所述冷却剂箱。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述汽缸盖进一步包括在所述汽缸盖内的排气歧管。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述发动机是涡轮增压发动机。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：在所述排气催化剂起燃之前，在所述排气催化剂的上游喷射进气空气。

9.一种发动机方法，包括：

在发动机停机之后所述发动机静止且冷却剂泵失活时排空液体冷却路径；

在所述路径被排空并且所述泵仍失活时从静止状态冷启动所述发动机；以及

在排气催化剂达到起燃条件之后激活所述泵，其中所述起燃条件包括催化剂温度高于阈值温度，其中所述冷却路径位于发动机汽缸盖中的集成式排气歧管内，并且其中激活所述冷却剂泵包括用冷却剂填充所排空的路径，其中恒温器联接于所述冷却路径，并且其中当所述冷却剂低于阈值温度时所述恒温器限制冷却剂流动，而且其中当所述恒温器限制冷却剂流动时用冷却剂填充所排空的路径之后所述冷却剂泵失活，并且当所述恒温器准许冷却剂流动时所述冷却剂泵被重新激活以允许冷却剂循环。

10.一种发动机方法，包括：

在冷却剂泵失活时：

在发动机停机之后，排空汽缸盖中的液体冷却套，在所述套被排空时从静止状态冷启动所述发动机；

在排气催化剂达到起燃条件之后激活所述泵；以及

当恒温器限制冷却剂流动时在填充所排空的套之后使所述冷却剂泵失活，并且当所述恒温器准许冷却剂流动时重新激活所述冷却剂泵以循环冷却剂。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述起燃条件包括催化剂温度高于阈值温度，其中所述冷却套是位于发动机汽缸盖中的集成式排气歧管内，并且其中激活所述冷却剂泵包括用冷却剂填充所述套。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述恒温器联接于所述套，并且其中当所述冷却剂低于阈值温度时所述恒温器限制冷却剂流动。