CN104185732B - 用于再生排气再循环冷却器的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开用于排气再循环冷却器的再生的各种方法和系统。一种示例性方法包括在发动机怠速状态期间调节排气再循环冷却器对排气实施的冷却，以维持歧管空气温度。所述方法进一步包括当所述排气再循环冷却器的有效性在怠速状态之前或期间降低到阈值有效性以下时，在所述怠速状态期间开始所述排气再循环冷却器的再生。

Description

用于再生排气再循环冷却器的方法和系统
技术领域
本发明所公开主题的实施例涉及内燃机。其他实施例涉及使连接至内燃机的排气再循环系统中的排气再循环冷却器的再生。
背景技术
发动机可利用排气从发动机排气系统到发动机进气系统(进气通道(intake passage))的再循环来减少常规排放，这一过程也称为排气再循环(Exhaust Gas Recirculation；EGR)。此外，一些EGR系统可包括在再循环排气进入进气通道之前降低再循环排气温度的EGR冷却器。在这一实例中，当排气中的微粒物质和其他化合物(例如，烟灰、烃类、油、燃料、锈、灰分、矿物质沉积物等)积累在EGR冷却器内时可发生EGR冷却器结垢，从而降低EGR冷却器的效率并增加EGR冷却器上的压降和排出冷却器的气体的温度，进而导致排放增加并且燃料效率减小。
发明内容
在一个实施例中，一种方法包括在发动机怠速状态期间(during anidle condition)调节由排气再循环冷却器对排气进行的冷却以维持歧管空气温度(MAT)。所述方法进一步包括当EGR冷却器的有效性在怠速状态之前或期间降低到阈值有效性以下时，在怠速状态期间开始EGR冷却器的再生。所述方法进一步包括在所述怠速状态期间调节围绕着所述排气再循环冷却器的旁路的旁路控制元件，以减少穿过所述排气再循环冷却器的排气流。
所述方法进一步包括完全打开围绕着所述排气再循环冷却器的旁路的旁路控制元件，以减少穿过所述排气再循环冷却器的排气流，从而开始所述排气再循环冷却器的所述再生。
所述方法进一步包括减少穿过所述排气再循环冷却器的冷却流体流，以开始所述排气再循环冷却器的所述再生。
所述方法进一步包括降低流过所述排气再循环冷却器的冷却流体的温度，以开始所述排气再循环冷却器的所述再生。
所述方法进一步包括执行所述排气再循环冷却器的再生连续持续一至两个小时。
所述方法进一步包括在所述怠速状态期间调节排气再循环控制元件以减少排气再循环量。
其中，所述阈值有效性在85％与95％之间。
所述方法进一步包括在非怠速状态期间，当发动机冷却流体的温度大于阈值温度时，引导排气流穿过所述排气再循环冷却器。
所述方法进一步包括在所述怠速状态期间调节充入空气冷却器对充入空气实施的冷却以维持所述歧管空气温度。
在另一个实施例中，一种用于排气再循环系统的方法包括：在非怠速状态期间：基于运行参数引导第一量的排气穿过所述排气再循环系统；以及通过调节充入空气冷却器对充入空气实施的冷却来维持歧管空气温度。所述方法还包括：在怠速状态期间：调节围绕着排气再循环冷却器的旁路的旁路控制元件，以减少流过所述排气再循环冷却器的第二量的排气；以及当所述排气再循环冷却器的有效性降低到阈值有效性以下时，开始所述排气再循环冷却器的再生。
所述方法进一步包括调节所述充入空气冷却器的风扇速率，以调节所述充入空气冷却器实施的冷却。
所述方法进一步包括打开所述旁路控制元件，以减少穿过所述排气再循环冷却器的排气流，从而开始所述排气再循环冷却器的所述再生。
所述方法进一步包括减少穿过所述排气再循环冷却器的冷却流体流，同时切断穿过所述排气再循环冷却器的排气流，以降低所述排气再循环冷却器的温度。
所述方法进一步包括提高发动机散热器的风扇速度，以降低所述排气再循环冷却器的温度，所述发动机散热器通过冷却流体系统流体连接至所述排气再循环冷却器。
所述方法进一步包括在所述排气再循环冷却器再生期间调节所述充入空气冷却器对所述充入空气实施的冷却，以维持所述歧管空气温度。
所述方法进一步包括当所述排气再循环冷却器的所述有效性在所述非怠速状态期间降低到所述阈值有效性以下时，在后一个怠速状态期间开始所述排气再循环冷却器的再生。
在再一实施例中，一种用于发动机的系统包括设置在所述发动机的进气通道中的充入空气冷却器以及排气再循环系统。所述排气再循环系统包括排气再循环冷却器和具有排气再循环冷却器旁路控制元件的排气再循环冷却器旁路。所述用于发动机的系统还包括控制单元，所述控制单元配置用于识别所述发动机的怠速状态和所述排气再循环冷却器的有效性，以响应于所述怠速状态而调节所述排气再循环冷却器旁路控制元件来减少流过所述排气再循环冷却器的第一量的排气，从而当所述有效性在所述怠速状态之前或期间降低到阈值有效性以下时，在所述怠速状态期间开始所述排气再循环冷却器的再生，并且在所述怠速状态期间和在所述排气再循环冷却器的再生期间调节所述充入空气冷却器对充入空气实施的冷却。
其中，所述控制单元进一步配置用于在绕过所述排气再循环冷却器的第二量的排气增加时增强由所述充入空气冷却器对所述充入空气实施的冷却。
所述系统进一步包括与所述排气再循环冷却器流体连通的散热器，并且其中所述控制单元进一步配置用于提高所述散热器的风扇速度，以降低流过所述排气再循环冷却器的冷却流体温度，从而开始所述排气再循环冷却器的再生。
所述系统进一步包括用于控制到达所述排气再循环冷却器的冷却流体流的流控制元件，并且其中所述控制单元进一步配置用于关闭所述流控制元件，以减少到达所述排气再循环冷却器的冷却流体流，从而开始所述排气再循环冷却器的再生。
在一个实施例中，EGR冷却器的有效性可定义为热传递比率。低于阈值有效性的有效性可表明EGR冷却器结垢，因为热传递比率相对较低。例如，在怠速状态期间，穿过排气再循环冷却器的排气流可减少，从而降低排气再循环冷却器的温度。当排气再循环冷却器的温度降至足够低时，微粒物质在EGR冷却器中的堆积可暂停，以使得EGR冷却器得到清理。此外，在绕过排气再循环冷却器的构造中，将排气输送到发动机的进气通道而不进行冷却。这样，可增强由充入空气冷却器对充入空气进行的冷却，以使得充入空气与排气的混合物温度维持在所需歧管空气温度下，即便在EGR冷却器再生操作期间也一样。以这种方式，可使EGR冷却器再生，同时在怠速发动机运行条件期间维持EGR量，并且同时还维持充入温度。
应了解，提供以上简述以便以简化形式介绍在具体实施方式中进一步描述的精选概念。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，所要求保护的主题的范围唯一由具体实施方式之后的权利要求书来限定。此外，所要求保护的主题并不限于解决以上或本公开的任何部分中指出的任何缺点的实现方式。
附图说明
参考附图阅读以下对非限制性实施例的描述将会更好地理解本发明，在附图中：
图1示出具有排气再循环系统的车辆的示意图，所述排气再循环系统包括排气再循环冷却器和排气再循环冷却器旁路。
图2示出冷却系统的示意图。
图3示出说明一种用于在非怠速发动机运行条件期间控制穿过排气再循环冷却器的排气流的方法的流程图。
图4示出说明一种用于在怠速发动机运行模式期间控制冷却系统的排气再循环冷却器和充入空气冷却器的方法的流程图。
图5示出说明一种用于在怠速发动机运行条件期间使排气再循环冷却器再生的方法的流程图。
图6示出说明一种用于在怠速发动机运行条件期间使排气再循环冷却器再生的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述涉及用于使排气再循环(EGR)冷却器再生的方法和系统的各种实施例。在一个实施例中，一种方法包括在发动机怠速状态期间调节由EGR冷却器对排气和由充入空气冷却器对充入空气进行的冷却以维持歧管空气温度(manifold air temperature；MAT)。如本发明所使用的“维持”包括来自歧管空气温度的可能偏差或波动和作用来重新建立歧管空气温度的方法(或系统)。所述方法进一步包括当EGR冷却器的有效性在怠速状态之前或期间降低到阈值有效性以下时，在怠速状态期间开始EGR冷却器的再生。在一些实施例中，EGR系统可包括具有EGR冷却器旁路阀(或其他控制元件)的EGR冷却器旁路。在这一构造中，可绕过EGR冷却器，同时维持EGR量。由于进入发动机进气通道的未冷却排气，可增强由充入空气冷却器对充入空气进行的冷却以使得将排气与充入空气的混合物温度维持在所需歧管空气温度下。如本发明将描述，EGR冷却器的再生可不仅通过减少穿过EGR冷却器的排气流，而且通过减少穿过EGR冷却器的冷却流体流，同时切断穿过EGR冷却器的排气流和/或通过发动机散热器降低冷却流体的温度来开始。
在一个实施例中，EGR冷却器可以是连接至车辆中的发动机的EGR系统的一部分。使用机车系统来举例说明具有可附接有冷却系统的发动机的车辆类型中的一种。其他类型的车辆可包括公路车辆和除机动车辆或其他轨道车辆之外的非公路车辆，如采矿设备和海洋船只。本发明的其他实施例可用于连接至固定发动机的冷却系统。发动机可以是柴油机，或可燃烧另一种燃料或燃料组合。这些替代燃料可包括汽油、煤油、生物柴油、天然气以及乙醇。合适的发动机可使用压缩点火和/或火花点火。
图1示出车辆系统100的示例性实施例的框图，所述车辆系统100在本发明中描绘为配置用于通过多个车轮112运行于轨道102上如所描绘的机车车辆或其他轨道车辆106，轨道车辆106包括具有发动机104(如内燃机)的发动机系统。
发动机104接收来自进气管(如进气歧管115)的用于燃烧的进入空气。进气管可以是气体流动进入发动机所穿过的任何一个或多个合适的管道。例如，进气管可包括进气歧管115、进气通道114等。进气通道114接收来自空气过滤器(未示出)的环境空气，所述空气过滤器过滤来自轨道车辆106外部的空气。由发动机104中的燃烧产生的排气被供应到排气道，如排气通道116。排气道可以是气体从发动机中流出所穿过的任何合适的管道。例如，排气道可包括排气歧管117、排气通道116等。排气流过排气通道116并且流出轨道车辆106的排气管(未示出)。
在图1所描绘的示例性实施例中，发动机104为具有十二个气缸的V-12发动机。在其他实例中，发动机可以是V-6、V-8、V-10、V-16、I-4、I-6、I-8、对置式4或另一种发动机类型。如所描绘，发动机104包括一组非供体气缸105，包括将排气专门供应到非供体气缸排气歧管117的六个气缸；以及一组供体气缸107，包括将排气专门供应到供体气缸排气歧管119的六个气缸。在其他实施例中，发动机可包括至少一个供体气缸和至少一个非供体气缸。例如，发动机可具有四个供体气缸和八个非供体气缸或者三个供体气缸和九个非供体气缸。应理解，发动机可具有任何所需数量的供体气缸和非供体气缸，其中供体气缸的数量通常低于非供体气缸的数量。
如图1所描绘，非供体气缸105连接至排气通道116以将排气从发动机输送到大气中(在排气穿过排气处理系统130与第一涡轮增压器120和第二涡轮增压器124之后)。提供发动机排气再循环(EGR)的供体气缸107专门连接至EGR系统160的EGR通道162，所述EGR通道162将排气从供体气缸107输送到发动机104的进气通道114而不是输送到大气中。通过将排气引入至发动机104，减少了可供用于燃烧的氧气量，从而降低燃烧火焰的温度并且减少氮氧化物(例如，NOx)的形成。
在图1所示的示例性实施例中，从供体气缸107流向进气通道114的排气在返回进气通道之前穿过热交换器(如EGR冷却器166)以降低排气温度(例如，冷却)。EGR冷却器166可以是(例如)空气液体热交换器。EGR系统160进一步包括具有旁路控制元件170的EGR冷却器旁路168。例如，EGR旁路控制元件170可以是阀，如由控制单元180控制的开/关阀，或者它可控制可变的EGR量。可启动EGR旁路控制元件170以使得穿过EGR冷却器166的EGR量减少，并且较高温度的排气进入进气通道114。在这一实例中，可调节设置于进气通道114中(例如再循环排气所进入处的上游)的一个或多个充入空气冷却器132和134以增强充入空气的冷却，以使得充入空气与排气的混合物温度维持在所需温度下，如以下将进一步描述。在其他实例中，EGR系统160可不包括EGR冷却器旁路。替代地，EGR系统可包括EGR冷却器控制元件。可启动EGR冷却器控制元件以使得穿过EGR冷却器的排气流减少；然而，在这一构造中，未流过EGR冷却器的排气被引导到排气通道116而不是进气通道114。
此外，EGR系统160包括设置在排气通道116与EGR通道162之间的EGR控制元件164。例如，EGR控制元件164可以是由控制单元180控制的开/关阀(用于打开或关闭EGR流)，或者它可控制可变的EGR量。在一些实例中，可启动EGR控制元件164以使得EGR量减少(排气从EGR通道162流到排气通道116)。在其他实例中，可启动EGR控制元件164以使得EGR量增加(例如，排气从排气通道116流到EGR通道162)。在一些实施例中，EGR系统160可包括多个EGR阀或其他用于控制EGR量的流控制元件。
在其他实施例中，发动机可不具有指定用于EGR的任何气缸，例如，发动机可不包括供体气缸。在这一构造中，可将EGR从排气通道中的一个位置输送到进气通道。在一些实例中，EGR量可由设置在进气通道与排气通道之间的EGR通道中的一个或多个EGR阀(或其他流控制元件)控制。
如图1所示，车辆系统100进一步包括EGR混合器172，所述EGR混合器172将再循环排气与充入空气混合以使得排气可均匀分布于充入空气与排气混合物中。在图1所描绘的示例性实施例中，EGR系统160为将排气从排气通道116中的涡轮增压器120和124上游位置输送至进气通道114中的涡轮增压器120和124下游位置处的高压EGR系统。在其他实施例中，车辆系统100可另外或替代地包括将排气从排气通道116中的涡轮增压器120和124下游发送到进气通道114中的涡轮增压器120和124上游位置的低压EGR系统。
如图1所描绘，车辆系统100进一步包括具有串联布置的第一涡轮增压器120和第二涡轮增压器124的二级涡轮增压器，所述涡轮增压器120和124中的每一个都布置在进气通道114与排气通道116之间。二级涡轮增压器增加了被抽入进气通道114中的环境空气的空气充入，以便在燃烧期间提供更大的充入密度，以增加功率输出和/或发动机运行效率。第一涡轮增压器120在相对较低压力下运行并且包括驱动第一压缩机122的第一涡轮机121。第一涡轮机121和第一压缩机122通过第一轴123机械连接。第二涡轮增压器124在相对较高压力下运行并且包括驱动第二压缩机126的第二涡轮机125。第二涡轮机和第二压缩机通过第二轴127机械连接。在图1所示的示例性实施例中，第二涡轮增压器124设有允许排气绕过第二涡轮增压器124的排气门128。例如，可打开排气门128以使排气流转移离开第二涡轮机125。以这种方式，可在稳态条件期间调节压缩机126的旋转速度和因此由涡轮增压器120、124提供的对发动机104的增压。在其他实施例中，涡轮增压器120和124中的每一个均可设有排气门或者仅第二涡轮增压器124可设有排气门。
车辆系统100进一步包括连接在排气通道中以便减少常规排放的排气处理系统130。如图1所描绘，排气处理系统130设置在第一(低压)涡轮增压器120的涡轮机121下游。在其他实施例中，排气处理系统可另外或替代地设置在第一涡轮增压器120上游。排气处理系统130可包括一个或多个部件。例如，排气处理系统130可包括以下各项中的一个或多个：柴油微粒过滤器(DPF)、柴油氧化催化剂(DOC)、选择性催化还原(SCR)催化剂、三效催化剂、NOx捕集器和/或各种其他排放控制装置或其组合。
轨道车辆106进一步包括控制单元180，所述控制单元180提供并配置用于控制与车辆系统100有关的各种部件。在一个实例中，控制单元180包括计算机控制系统。控制单元180进一步包括非临时性计算机可读存储介质(未示出)，该存储介质包括用于使得能够进行车载监测和对轨道车辆操作的控制的代码。控制单元180在监督对车辆系统100的控制与管理时，可配置用于接收来自多个发动机传感器的信号(如本发明进一步详细说明)，以便确定运行参数和运行条件，并且相应地调节各个发动机致动器以控制轨道车辆106的运行。例如，控制单元180可接收来自各个发动机传感器的信号，包括(但不限于)发动机速度、发动机负荷、增压压力、环境压力、排气温度、排气压力等。相应地，控制单元180可通过向各个部件(如牵引电动机、交流发电机、气缸阀、节流阀、热交换器、排气门或其他阀或流控制元件等)发送指令来控制车辆系统100。
作为另一个实例，控制单元可接收来自设置于整个车辆系统中的不同位置处的各个温度传感器的信号。例如，控制单元可接收来自定位于EGR冷却器166上游的第一排气温度传感器182、定位于EGR系统160中的EGR冷却器下游的第二排气温度传感器183以及定位于进气歧管115中的歧管空气温度(MAT)传感器181的信号。例如，基于所接收的表示EGR温度和歧管空气温度的信号，可调节充入空气冷却器132和134中之一或二者以使得所需歧管空气温度得以实现。在其他实例中，可调节EGR冷却器旁路控制元件170和/或EGR控制元件164以调节流过EGR冷却器的排气量，从而控制歧管空气温度。
在一些实施例中，可安装在轨道车辆中的升级套件包括非临时性计算机可读介质，该计算机可读介质包括用于通过控制穿过EGR冷却器的排气流来使EGR冷却器再生并且在再生期间调节充入空气冷却器以维持歧管空气温度的指令。升级套件可进一步包括一个或多个传感器或其他机械元件，如温度传感器、压力传感器、阀等。此外，升级套件可进一步包括具有用于安装另外的传感器、机械元件和/或软件升级的人类可读指令的介质。
图1所描绘的车辆系统100可进一步包括冷却系统，如图2所示的示例性冷却系统200。冷却系统200使冷却流体(在图2中由虚线表示)循环通过发动机104的气缸的气缸套202以吸收发动机废热并将加热的冷却流体分布到热交换器，如散热器204。冷却系统进一步使冷却流体循环通过其他热交换器以使经过这些热交换器的空气冷却，所述热交换器如排气再循环冷却器166和充入空气冷却器132和134(在图2中仅示出134)。如本发明所使用的“冷却流体”是指热传递液体或半液体材料。合适冷却流体的实例包括水、二醇类(glycols)、盐溶液、醇以及前述两种或更多种的混合物。在一些实施例中，涵盖影响添加剂的更多特殊材料和/或性能，以包括腐蚀电阻、消泡剂、抗渣剂、去垢剂、抗胶凝剂、杀生物剂、防漏剂(如硅酸盐)或定位剂(如染料)、防冻剂(如以上提到的二醇类和醇类)等。
如图2所描绘，冷却流体储存在冷却流体储罐206中。冷却流体通过泵208从冷却流体储罐206泵送到发动机104的气缸套202并且泵送到EGR冷却器166。如所示，冷却系统200具有分流回路，在所述分流回路中，冷却流体的一部分210(第一部分)经过发动机104并且冷却流体的不同部分212(第二部分)经过EGR冷却器。作为一个实例，冷却流体的40％可流过EGR冷却器166并且60％可流过发动机104。作为另一个实例，冷却流体的35％可流过EGR冷却器166并且冷却流体的65％可流过发动机104。应理解，冷却流体可以任何合适的比例划分。冷却流体的温度由发动机冷却流体内温度传感器214确定。此外，冷却系统200包括控制元件216，如阀或其他用于控制进入EGR冷却器166中的冷却流体流的合适控制元件。例如，如以下将参考图5进行更详细描述，可控制控制元件216在怠速发动机运行期间关闭，以便开始EGR冷却器166的再生。
离开发动机104的气缸套202的冷却流体218在进入散热器204之前与离开EGR冷却器166的冷却流体220结合。发动机冷却流体外温度由温度传感器222确定。散热器204可以是通过空气流使流过散热器204的冷却流体冷却的空气液体热交换器。这样，散热器204可具有风扇(未示出)，所述风扇可具有可调节的速度以控制散热器204的冷却水平。冷却流体的一部分224排出散热器204并流回冷却流体储罐206。冷却流体的剩余部分226流到子冷却器228，在所述子冷却器228中，冷却流体冷却至低于由散热器204冷却的冷却流体的温度。与散热器204一样，子冷却器228可为具有可调速风扇的空气液体热交换器。
冷却流体从子冷却器228流到油冷却器230，所述油冷却器230是冷却系统200的发动机油系统的一部分。油冷却器230可以是通过冷却流体使发动机油冷却的液体至液体热交换器。冷却流体排出油冷却器230并流到设置在涡轮增压器120和124(在图1中示出)下游的充入空气冷却器134。在一些实施例中，冷却流体可另外或替代地流到设置于涡轮增压器120与124之间的充入空气冷却器132。充入空气冷却器134可以是使环境发动机进入空气(例如，充入空气)冷却的液体空气热交换器。在其他实例中，充入空气冷却器134可以是包括改变排热速率的可调节风扇的空气至空气热交换器。冷却流体排出充入空气冷却器134并返回到冷却流体储罐206。
如上文所提到，冷却系统200进一步包括使发动机油(在图2中由点划线表示)或另一种合适的润滑剂循环通过发动机的发动机油系统。由发动机废热进行加热的发动机油通过泵232从发动机中泵送到油冷却器230。发动机油外温度由温度传感器234确定。
发动机油从发动机油冷却器230流到油过滤系统236，其中在冷却的发动机油流回到发动机之前从发动机油中过滤微粒。发动机油内温度由温度传感器238确定。如图2所描绘，发动机油系统进一步包括具有恒温器242的固定发动机油旁路240。例如，恒温器242可打开以使得当环境温度大于阈值温度时，发动机油可流过发动机油旁路240。以这种方式，到达发动机的发动机油流可增加，因为油过滤系统236不限制所有的发动机油流。
因此，车辆系统包括EGR系统，所述EGR系统具有EGR冷却器和带有EGR冷却器旁路控制元件的EGR冷却器旁路。可控制旁路控制元件以减少穿过EGR冷却器的排气流。因为排气可流过EGR冷却器旁路，所以即使穿过EGR冷却器的排气流减少，也可维持EGR总量。此外，可控制冷却系统以使得穿过EGR冷却器的冷却流体流减少。以这种方式，可降低EGR冷却器的温度，以使得EGR冷却器可再生，如以下将更详细描述。
图3至图6示出说明用于包括具有EGR冷却器的EGR系统的车辆系统的控制方法的流程图。图3示出一种用于在非怠速运行模式期间控制穿过EGR冷却器的排气流的方法。图4示出一种用于在怠速发动机运行模式期间控制包括EGR冷却器和充入空气冷却器的冷却系统的方法。在车辆(如轨道车辆)中，多达50％或更多的发动机运行可以是怠速发动机运行。在一个具体的非限制性实例中，怠速发动机运行可长达连续168个小时。例如，在此期间，EGR可以是减少常规所需的，并且这样可通过EGR冷却器进行输送。由于怠速运行期间的较低排气温度和速度，EGR冷却器结垢的机会可能会增加。因此，在怠速运行模式期间，EGR冷却器的再生可基于EGR冷却器的有效性开始。在图5和图6中示出用于使EGR冷却器再生的方法。参考图3至图6所描述的方法可由同一控制单元执行。例如，这些方法可基于发动机的运行条件来依次执行。
图3示出一种用于在包括EGR冷却器旁路的EGR系统中在非怠速发动机运行模式期间控制穿过EGR冷却器的排气流的方法300，所述EGR系统如以上参考图1所描述的EGR系统160。确切地说，方法300包括确定发动机冷却流体温度以及基于所述发动机冷却流体温度调节穿过EGR冷却器的排气流。
在步骤302中，确定发动机运行条件。发动机运行条件可包括环境温度和/或压力、排气温度、发动机冷却流体温度、发动机负荷、发动机速度等。
一旦确定了运行条件，则在步骤304中确定发动机冷却流体温度。例如，在一些实例中，发动机冷却流体温度可通过发动机冷却流体温度传感器来测量。
在步骤306中，判定发动机冷却流体温度是否大于阈值温度。阈值发动机冷却流体温度可基于发动机温度和/或与排气的热交换。例如，如果发动机温度相对低并且冷却流体温度相对低，则可减少或暂停在EGR冷却器中与排气的热交换，以使得再循环排气的温度不会降低太多。在一个非限制性实例中，阈值温度可为140°F(60℃)。
因此，当发动机冷却流体温度小于阈值温度时，所述方法进行到步骤308，其中打开EGR冷却器旁路阀以减少穿过EGR冷却器的排气流。在一些实例中，旁路阀可完全打开以切断到达EGR冷却器的排气流，以使得流过EGR系统的所有排气均通过EGR冷却器旁路进行输送。在其他实例中，旁路阀可部分打开以使得流过EGR系统的排气的一部分通过EGR冷却器旁路进行输送并且剩余部分继续流过EGR冷却器。在一些实施例中，EGR系统可不包括EGR冷却器旁路，但相反可包括EGR冷却器阀。在这一实施例中，在步骤308中可调节EGR冷却器阀和EGR阀。以这种方式，可减少穿过EGR冷却器的排气流；然而，排气被输送到排气通道而不是进气通道，从而减少EGR量。
在步骤310中，调节由充入空气冷却器进行的冷却以维持所需歧管空气温度。例如，因为再循环排气的温度较高，这是由于排气未经过冷却器，因此排气与充入空气的混合物温度增加，从而提高歧管空气温度。这样，由充入空气冷却器进行的冷却可得到调节。所需歧管空气温度可基于发动机运行条件，如发动机负荷、空气燃料比等。在一个实例中，可通过提高充入空气冷却器的风扇速度来增强冷却。在另一个实例中，可通过提高发动机散热器的风扇速度来增强由充入空气冷却器进行的冷却，以增强对经过充入空气冷却器的冷却流体的冷却。在又一个实例中，可通过调节冷却系统中的恒温器来增强由充入空气冷却器进行的冷却。应理解，由充入空气冷却器对充入空气进行的增强的冷却可以任何合适的方式执行。
在另一方面，如果确定发动机冷却流体温度大于阈值温度，则所述方法进展到步骤312，其中关闭EGR冷却器旁路阀以增加穿过EGR冷却器的排气流。在一些实例中，EGR冷却器旁路阀可完全关闭以使得基本上所有流过EGR系统的排气流过EGR冷却器。在其他实例中，EGR冷却器旁路阀可部分关闭以使得排气的一部分流过EGR冷却器旁路并且剩余部分流过EGR冷却器。如上所述，在一些实施例中，EGR系统可不包括EGR冷却器旁路。在这一实施例中，可调节EGR冷却器阀和EGR阀以使得穿过EGR冷却器的排气流减少并且EGR量减小。
在步骤314中，调节EGR冷却器旁路阀和/或充入空气冷却器以维持所需歧管空气温度。例如，当穿过EGR冷却器的排气流减少时，由充入空气冷却器进行的冷却可增强。当穿过EGR冷却器的排气流增加时，由充入空气冷却器进行的冷却可减弱。如上所述，所需歧管空气温度可基于各种发动机运行参数，如发动机负荷、空气燃料比等。
因此，可基于发动机冷却流体温度调节穿过EGR冷却器的排气流。当发动机冷却流体温度较低时，如在发动机启动不久之后，排气可通过EGR冷却器旁路而不是通过EGR冷却器输送到排气通道。一旦发动机冷却流体温度达到阈值温度，则排气可通过EGR冷却器输送到发动机的进气通道。
在一些实施例中，车辆系统可具有自动发动机启动停止(AESS)系统。AESS系统监控运行参数，如环境温度、电池充电状态、制动系统空气压力、冷却流体温度等。基于所监控的运行参数，AESS系统在怠速发动机运行被检测到时关闭发动机，同时使轨道车辆保持处于准备启动的状态。这样，可增加车辆系统的效率。例如，在怠速运行期间节省燃料并减少排放。然而，在一些实例中，AESS可能未能关闭发动机。例如，AESS可能在环境温度太低的条件下失效。因此，当AESS在怠速运行期间未能关闭发动机时，可执行用于在怠速发动机运行期间减少EGR冷却器结垢并使EGR冷却器再生的控制方法，如以下参考图4至图6所描述。
在下文描述用于控制冷却系统以使EGR冷却器再生的各种方法。在一个实施例中，一种方法包括在发动机怠速状态期间调节由排气再循环冷却器对排气进行的冷却以维持歧管空气温度。所述方法进一步包括当排气再循环冷却器的有效性在怠速状态之前或期间降低到阈值有效性以下时，在怠速状态期间开始排气再循环冷却器的再生。
在另一个实施例中，一种用于排气再循环系统的方法包括在非怠速状态期间，将第一量的排气基于运行参数引导穿过排气再循环系统并且通过调节由充入空气冷却器对充入空气的冷却来维持歧管空气温度。所述方法进一步包括在怠速状态期间，调节围绕着排气再循环冷却器的旁路的旁路控制元件以减少流过排气再循环冷却器的第二量的排气并且当排气再循环冷却器的有效性降低到阈值有效性以下时，开始排气再循环冷却器的再生。
图4示出一种用于在怠速发动机运行模式期间控制包括EGR冷却器的冷却系统的方法400。确切地说，所述方法确定发动机是否处于怠速运行下并且调节EGR旁路阀(或其他控制元件)以控制穿过EGR冷却器的排气流，并且调节充入空气冷却器中的冷却以使得所需歧管空气温度得以维持。
在步骤402中，确定运行条件。运行条件可包括发动机速度、发动机负荷、排气温度等。
一旦确定了运行条件，则在步骤404中判定发动机是否处于怠速运行条件下。例如，可判定如果发动机速度小于阈值速度或者发动机负荷小于阈值负荷，则发动机处于怠速运行条件下。
如果确定发动机处于怠速运行条件下，则所述方法继续到步骤406，其中调节EGR冷却器旁路阀和由充入空气冷却器(“CAC”)对充入空气进行的冷却以维持所需歧管空气温度。例如，所需歧管空气温度可基于发动机速度、发动机负荷和/或空气燃料比。与在非怠速运行条件期间相比，所需歧管空气温度在怠速运行条件期间可更高或更低。这样，在一个实例中，可调节EGR冷却器旁路阀以使得穿过EGR冷却器的排气流减少，以提高再循环排气的温度。在另一个实例中，可调节EGR冷却器旁路阀以增加穿过EGR冷却器的排气流并降低再循环排气的温度。当需要降低的歧管空气温度时，可提高充入空气冷却器的风扇速度以进一步降低再循环排气/充入空气混合物的温度。
在步骤408中，确定EGR冷却器的有效性。例如，EGR冷却器的有效性是可使用以下各项中的三个温度值计算的热传递比：排气内(T气体内)、排气外(T气体外)、冷却流体内(T冷却流体内)以及冷却流体外(T冷却流体外)，根据诸如以下的公式：
或其变体。因此，设置在EGR通道中的EGR冷却器入口和出口处的两个或更多个传感器可测量流入和流出EGR冷却器的排气的排气温度以及流入和流出EGR冷却器的冷却流体的冷却流体温度。
一旦有效性确定，则在步骤410中确定所述有效性是否小于阈值有效性。阈值有效性可基于EGR冷却器在给定有效性下的效率。例如，随着EGR冷却器有效性的减小，EGR冷却器的效率减小。作为一个非限制性实例，阈值有效性可在85百分比(％)与95百分比之间，并且更确切地说为90％。例如，因来自排气的微粒堆积而结垢的EGR冷却器可具有较低有效性，因为排气可能没有有效地冷却。因此，在步骤412中，当EGR冷却器的有效性小于阈值有效性时，开始EGR冷却器的再生以清理EGR冷却器。再生可不仅仅通过减少穿过冷却器的排气流，而且通过减少穿过冷却器的冷却流体流(如以下参考图5所描述)或者降低流过冷却器的冷却流体的温度(如以下参考图6所描述)或者通过同时减少穿过冷却器的排气流、减少穿过冷却器的冷却流体流以及降低流过冷却器的冷却流体的温度来执行。
在另一方面，如果所述有效性大于阈值有效性，则所述方法进展到418并且冷却系统的当前运行继续进行。
返回到步骤404，如果确定发动机不处于怠速运行条件下，则所述方法进展到步骤414，其中确定有效性是否小于阈值有效性。如果确定所述有效性小于阈值有效性，则所述方法进展到上述步骤412。在一些实例中，非怠速状态期间的阈值有效性可与怠速状态期间的阈值有效性相同。在其他实例中，非怠速状态期间的阈值有效性可小于或大于怠速状态期间的阈值有效性。在另一方面，如果确定所述有效性大于阈值有效性，则所述方法继续到416，其中所述方法返回到图3的方法300，在所述方法300中基于发动机冷却流体温度控制穿过EGR冷却器的排气流。
以这种方式，可在怠速发动机运行条件期间减少穿过EGR冷却器的排气流。因为EGR冷却器的结垢在怠速运行期间可由于低冷却流体温度和热迁移、低排气温度、高携带油等而增加，因此减少穿过冷却器的排气流可减少EGR冷却器的结垢。当穿过EGR冷却器的排气流通过EGR冷却器旁路减少时，EGR的总量仍得以维持。由于更多的排气围绕着EGR冷却器流动而不是流过EGR冷却器，因此再循环排气具有较高的温度。这样，可增强由充入空气冷却器对充入空气的冷却以使得歧管空气温度得以维持。
图5示出一种用于使具有分冷却流体回路的冷却系统中的EGR冷却器再生的方法500，其中冷却流体的不同部分流过EGR冷却器和发动机，如以上参考图2所描述。确切地说，所述方法减少穿过EGR冷却器的流并切断到达EGR冷却器的冷却流体流。这样，可显著降低冷却器的温度，以使得已堆积在EGR冷却器内部的微粒物质可凝固并从EGR冷却器上脱落。
从方法400的步骤412继续，在步骤502中，减少穿过EGR冷却器的排气流。例如，可调节EGR冷却器旁路阀以减少穿过EGR冷却器的一些或所有排气流同时维持所需的EGR量。在EGR系统不具有EGR冷却器旁路的实施例中，可调节EGR冷却器阀和EGR阀以使得穿过EGR冷却器的排气流至少部分减少。然而，在这一实施例中，当穿过EGR冷却器的排气流减少时，EGR量也减少。
一旦穿过EGR冷却器的排气流减少，则所述方法进行到步骤504，其中切断穿过EGR冷却器的冷却流体流。作为一个实例，冷却系统可包括可启动来减少穿过EGR冷却器的一些或所有冷却流体流的阀。通过减少穿过EGR冷却器的排气流和冷却流体流，EGR冷却器的温度可降低至可发生EGR冷却器再生的环境温度。因此，在步骤506中，确定EGR冷却器温度(例如，EGR冷却器的核心温度)是否小于阈值温度。阈值温度可以是已积累在EGR冷却器中的微粒物质(如烟灰)可冷却并脱落的温度。作为一个非限制性实例，阈值温度可在40℃与50℃之间。
如果确定EGR冷却器温度大于阈值温度，则所述方法返回到步骤506并等待EGR冷却器温度达到阈值温度。在另一方面，如果确定EGR冷却器温度小于阈值温度，则所述方法继续到步骤508并且继续运行(例如，减少穿过EGR冷却器的排气流和冷却流体流)预定持续时间。作为非限制性实例，预定持续时间可以是4至5个小时(例如，每次继续运行4至5个小时)。作为更具体的实例，预定持续时间可以是1至2个小时(例如，每次继续运行1至2个小时)。在EGR冷却器的再生期间，可调节充入空气冷却器对充入空气的冷却。例如，当排气流绕过EGR冷却器时，进入进气通道的排气可以是相对热的。这样，可提高充入空气冷却器的风扇速度以使得排气/充入空气混合物维持所需歧管空气温度。
一旦预定持续时间已过去，则所述方法返回到方法400的步骤402，其中执行冷却系统的怠速模式，如以上参考图4所描述。
因此，可减少穿过EGR冷却器的冷却流体流，同时减少穿过EGR冷却器的排气流以开始EGR冷却器的再生。通过减少穿过EGR冷却器的冷却流体流，可降低EGR冷却器的核心温度以使得所积累的微粒物质可从EGR冷却器中脱落，从而清理EGR冷却器。
图6示出一种用于使冷却系统中的EGR冷却器再生的方法600。确切地说，所述方法减少了穿过EGR冷却器的排气流并降低了流过EGR冷却器的冷却流体的温度。以这种方式，可降低EGR冷却器的温度以使得可发生EGR冷却器的再生以从EGR冷却器中清理积累的微粒物质。
从方法400的步骤412继续，在步骤602中，减少穿过EGR冷却器的排气流。例如，如上所述，可调节EGR冷却器旁路阀以减少穿过EGR冷却器的一些或所有排气流同时维持所需的EGR量。在EGR系统不具有EGR冷却器旁路的实施例中，可调节EGR冷却器阀和EGR阀以使得穿过EGR冷却器的排气流至少部分减少。然而在这一实施例中，当穿过EGR冷却器的排气流减少时，EGR量也减少。
一旦穿过EGR冷却器的排气流减少，则所述方法进行到步骤604，其中使散热器的温度下降以降低流过EGR冷却器的冷却流体的温度。在一个实例中，可提高散热器风扇的速度以便增强由散热器对冷却流体进行的冷却。在另一个实例中，可提高冷却流体穿过散热器的速度以便增强由散热器对冷却流体进行的冷却。通过降低流过EGR冷却器的冷却流体的温度，EGR冷却器的温度(例如，EGR冷却器的核心温度)可降低至可发生再生的温度。因此，在步骤606中，判定EGR冷却器温度是否小于阈值温度。阈值温度可以是已积累在EGR冷却器中的微粒物质(如烟灰)可冷却并脱落的温度。作为一个非限制性实例，阈值温度可在40℃与50℃之间。
如果确定EGR冷却器温度大于阈值温度，则所述方法返回到步骤606并等待EGR冷却器温度达到阈值温度。在另一方面，如果确定EGR冷却器温度小于阈值温度，则所述方法进行到步骤608并且继续运行(例如，减少排气流并降低EGR冷却器的冷却流体温度)预定持续时间。作为非限制性实例，预定持续时间可以是4至5个小时。作为更具体的实例，预定持续时间可以是1至2个小时。在EGR冷却器的再生期间，可调节由充入空气冷却器对充入空气的冷却，如上所述。例如，当排气流绕过EGR冷却器时，进入进气通道的排气可以是相对热的。这样，可提高充入空气冷却器的风扇速度以使得排气/充入空气混合物维持所需歧管空气温度。在一些实例中，提高充入空气冷却器的风扇速度可能不是必要的，因为来自散热器的冷却流体已经处于使EGR冷却器再生的较低温度下。
一旦预定持续时间已过去，则所述方法返回到方法400的步骤402，其中执行冷却系统的怠速模式，如以上参考图4所描述。
因此，可通过增强对冷却液体的冷却来开始EGR冷却器的再生，同时穿过EGR冷却器的排气流减少。通过降低冷却流体的温度，可降低EGR冷却器的核心温度以使得所积累的微粒物质可脱落，从而清理EGR冷却器。
尽管本发明中已关于在发动机怠速状态期间调节EGR冷却器对排气的冷却来维持歧管空气温度以及在某些运行条件下开始EGR冷却器的再生描述了各种实施例，但其他实施例更一般来说也涉及EGR冷却器旁路控制。例如，在一个实施例中，一种发动机系统控制方法包括在发动机系统的发动机怠速状态期间启动EGR冷却器旁路的一个或多个旁路控制元件以完全绕过EGR冷却器。也就是说，通过通道(passageway)输送到EGR冷却器的所有EGR均绕过(bypassaround)EGR冷却器，其中没有EGR经过所述冷却器。在另一个实施例中，一种发动机系统控制方法包括启动发动机，以及如果所测量的温度(例如，外部环境温度、进气歧管内温度、发动机油罐温度、与发动机相关联的其他内部温度)小于指示发动机冷启动的阈值温度，则围绕着EGR冷却器输送所有EGR。也就是说，经过通道到达EGR冷却器的所有EGR均绕过所述冷却器周围，其中没有EGR经过所述冷却器。可通过启动EGR冷却器旁路的一个或多个旁路控制元件完全绕过EGR冷却器来完成旁路。在任一个实施例中，存在至少两种可能的运行模式：(i)EGR从发动机排气道(例如，供体气缸的排气道)输送到EGR冷却器并穿过它以便冷却；或者(ii)在怠速或冷启动期间，EGR从发动机排气道进行输送，并且取代经过EGR冷却器，所有EGR均绕过EGR冷却器以用于提供到发动机空气进气管。
如本发明使用的术语“之间”当指代由两个端点定义的值的范围时，如在值“X”与值“Y”之间，意指包括所说明的端点的范围。
如本发明中所使用，以单数形式列举并通过字词“一”或“一个”引出的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确指出此类排除情况。此外，对本发明的“一个实施例”的参考并不旨在解释为排除同样包含所述特征的其他实施例的存在。另外，除非与明确指出情况相反，否则“包括(comprising)”、“包含(including)”或“具有”拥有具体性质的某个元件或多个元件的实施例可以包括不具有所述性质的其他的此类元件。术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作对应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明语言等效物。另外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并且并不旨在对它们的对象强加数字要求或特定位置顺序。
本发明使用实例来揭示本发明(包括最佳模式)，并且还使得所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (21)

1.一种用于再生排气再循环冷却器的方法，所述方法包括：
在发动机怠速状态期间调节排气再循环冷却器对排气实施的冷却，以维持歧管空气温度；以及
响应于所述排气再循环冷却器有效性在所述怠速状态之前或期间降低到阈值有效性以下，在所述怠速状态期间开始所述排气再循环冷却器的再生，所述排气再循环冷却器的再生包括通过减小穿过排气再循环冷却器的排气流来降低排气再循环冷却器的温度至少到一阈值温度，所述阈值温度包括在其中积累在排气再循环冷却器中的微粒物质冷却并脱落的温度。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括在所述怠速状态期间调节围绕着所述排气再循环冷却器的旁路的旁路控制元件，以减少穿过所述排气再循环冷却器的排气流。
3.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括响应于所述排气再循环冷却器有效性降低到阈值有效性以下，完全打开围绕着所述排气再循环冷却器的旁路的旁路控制元件，以减少穿过所述排气再循环冷却器的排气流，从而开始所述排气再循环冷却器的所述再生。
4.如权利要求3所述的方法，所述方法进一步包括减少穿过所述排气再循环冷却器的冷却流体流，以开始所述排气再循环冷却器的所述再生。
5.如权利要求3所述的方法，所述方法进一步包括响应于所述排气再循环冷却器有效性降低到阈值有效性以下，降低流过所述排气再循环冷却器的冷却流体的温度，以开始所述排气再循环冷却器的所述再生。
6.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括执行所述排气再循环冷却器的再生连续持续一至两个小时。
7.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括在所述怠速状态期间调节排气再循环控制元件以减少排气再循环量。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述排气再循环冷却器有效性包括所述排气再循环冷却器的热传递比，所述阈值有效性在85％与95％之间，并且其中在发动机怠速状态期间调节排气再循环冷却器对排气实施的冷却以维持歧管空气温度包括，在发动机怠速状态期间所述排气再循环冷却器的所述有效性高于所述阈值有效性时，调节围绕着排气再循环冷却器的旁路的旁路控制元件，以增加流过所述排气再循环冷却器的排气。
9.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括在非怠速状态期间，当发动机冷却流体的温度大于阈值温度时，引导排气流穿过所述排气再循环冷却器。
10.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括在所述怠速状态期间调节充入空气冷却器对充入空气实施的冷却以维持所述歧管空气温度。
11.一种用于排气再循环系统的方法，所述方法包括：
在非怠速状态期间：
基于运行参数引导第一量的排气穿过所述排气再循环系统；以及
通过调节充入空气冷却器对充入空气实施的冷却来维持歧管空气温度；以及
在怠速状态期间：
调节围绕着排气再循环冷却器的旁路的旁路控制元件，以减少流过所述排气再循环冷却器的第二量的排气；
响应于流过所述排气再循环冷却器的第二量的排气的减少，调节充入空气冷却器对充入空气实施的冷却以维持歧管空气温度；
确定所述排气再循环冷却器的有效性，所述有效性包括所述排气再循环冷却器的热传递比；以及
当所述排气再循环冷却器的所述有效性降低到阈值有效性以下时，开始所述排气再循环冷却器的再生。
12.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括调节所述充入空气冷却器的风扇速率，以调节所述充入空气冷却器实施的冷却。
13.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括打开所述旁路控制元件，以减少穿过所述排气再循环冷却器的排气流来减少所述排气再循环冷却器的温度，从而开始所述排气再循环冷却器的所述再生。
14.如权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括减少穿过所述排气再循环冷却器的冷却流体流，同时切断穿过所述排气再循环冷却器的排气流，以降低所述排气再循环冷却器的所述温度。
15.如权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括提高发动机散热器的风扇速度，以降低所述排气再循环冷却器的所述温度，所述发动机散热器通过冷却流体系统流体连接至所述排气再循环冷却器。
16.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括在所述排气再循环冷却器再生期间调节所述充入空气冷却器对所述充入空气实施的冷却，以维持所述歧管空气温度。
17.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括当所述排气再循环冷却器的所述有效性在所述非怠速状态期间降低到所述阈值有效性以下时，在后一个怠速状态期间开始所述排气再循环冷却器的再生。
18.一种用于发动机的系统，所述系统包括：
设置在所述发动机的进气通道中的充入空气冷却器；
排气再循环系统，所述排气再循环系统包括排气再循环冷却器和具有排气再循环冷却器旁路控制元件的排气再循环冷却器旁路；以及
控制单元，所述控制单元配置用于识别所述发动机的怠速状态和基于在所述排气再循环冷却器中排气对冷却流体的热传递比确定所述排气再循环冷却器的有效性，以响应于所述怠速状态而调节所述排气再循环冷却器旁路控制元件来减少流过所述排气再循环冷却器的第一量的排气，从而响应于所确定的有效性在所述怠速状态之前或期间降低到阈值有效性以下，在所述怠速状态期间通过减少所述排气再循环冷却器的温度而开始所述排气再循环冷却器的再生，并且在所述怠速状态期间和在所述排气再循环冷却器的再生期间调节所述充入空气冷却器对充入空气实施的冷却。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述控制单元进一步配置用于在绕过所述排气再循环冷却器的第二量的排气增加时增强由所述充入空气冷却器对所述充入空气实施的冷却。
20.如权利要求18所述的系统，所述系统进一步包括与所述排气再循环冷却器流体连通的散热器，并且其中所述控制单元进一步配置用于提高所述散热器的风扇速度，以降低流过所述排气再循环冷却器的冷却流体温度，从而开始所述排气再循环冷却器的再生。
21.如权利要求18所述的系统，所述系统进一步包括用于控制到达所述排气再循环冷却器的冷却流体流的流控制元件，并且其中所述控制单元进一步配置用于关闭所述流控制元件，以减少到达所述排气再循环冷却器的冷却流体流，从而开始所述排气再循环冷却器的再生。
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