CN104334861A - 用于控制内燃发动机的启动的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

鉴于发动机(10)的操作条件，启动内燃发动机(10)可能是困难的。即使在发动机(10)启动之后，发动机(10)可能也要花很长时间才能达到操作温度。在本公开中，预计具有排气再循环系统的发动机(10)有启动困难，在启动发动机(10)之前，排气后处理装置(60)被加热以温热排气系统内的残留空气。

Description

用于控制内燃发动机的启动的方法和设备
技术领域
本公开涉及用于控制内燃发动机的启动的方法和设备。
背景技术
在不使用启动辅助物，诸如，电热塞的情况下，在低环境空气温度下，例如，在0℃以下启动内燃发动机常常很困难。当冷空气被吸入冷发动机的气缸中时，活塞速度需要很高，以升高活塞循环的上止点处的温度，并且帮助气缸中的燃料点燃。对于柴油发动机而言，尤其如此。然而，启动发动机时的活塞速度仅取决于启动电动机，而启动电动机又是由电池供电的。因此，启动电动机通常不会产生足够高的活塞速度来启动发动机且电池可能会在发动机能点火之前耗尽。
因此，在低环境空气温度下，有时不能启动内燃发动机，甚至当发动机将启动时，可能需要相当长的时间将发动机预热到操作温度。
类似的问题可能发生在空气中的氧气的浓度低于海平面处的高海拔，以及环境空气温度也低的地方，在此，问题可能更为严重。
如果发动机上有任何寄生负载，则问题可能会更加恶化。例如，如果将柴油发动机装配在一台机器，诸如，建筑或农业型机器中，则机器可利用使用液压装置起作用的工具或吊杆。液压装置需要液压泵运行，这增加了发动机启动时发动机上的寄生负载。
美国专利号7426922描述了一种具有排气再循环系统(EGR)的发动机排气净化器。有两个EGR通道，从柴油机氧化催化剂(DOC)下游以及柴油机微粒过滤器(DPF)到发动机的进气通道上游的一点的第一再循环排气，以及从DOC以及DPF的上游到进气通道上游的点的第二再循环排气。每个通道具有可控制穿过通道的气体的体积的节流阀。还在第一EGR通道的中途设置EGR冷却器。
发动机的进气口处的空气的温度通过控制第一EGR通道和第二EGR通道中的节流阀来调节流经第二EGR通道中的冷却器的EGR气体的量来控制。节流阀受控，以使进气温度保持在特定的目标范围内，特定的目标范围是预定的，用于使DOC和DPF保持在有效的操作温度。目标温度往往随着发动机负载的增加而降低。
因为这个系统试图仅通过使一部分EGR气体在进入发动机的进气流之前穿过冷却器来控制DOC和DPF的温度，所以，与使100％的EGR气体穿过第二EGR通道相比，不能更快地加热DOC和DPF，在第二EGR通道中，气体将不会被冷却。因此，与具有不会被冷却的单个EGR通道的发动机相比，这不能改进发动机的冷启动，或者使发动机更快速地达到操作温度。
发明内容
本公开提供：一种用于启动具有排气系统的内燃发动机的方法，该排气系统包含排气路径、在该排气路径中的排气后处理装置，以及排气再循环路径，该排气再循环路径是这样的，当该发动机被接通时，排气可离开该发动机进入该排气路径且穿过该后处理装置的排气的至少一部分可经由该排气再循环路径再循环到发动机进气口，该方法包含以下步骤：当需要发动机启动时，由一或多个测得参数确定是否预计发动机启动困难；若预计发动机启动困难，则在启动发动机之前加热排气后处理装置，使得该排气系统中的残留空气被该排气后处理装置温热；以及启动该发动机。
本公开还提供：一种用于控制具有排气系统的内燃发动机的启动的控制器，该排气系统包含排气路径、在该排气路径中的排气后处理装置，以及排气再循环路径，该排气再循环路径是这样的，当该发动机被接通时，排气可离开该发动机进入该排气路径且穿过该后处理装置的排气的至少一部分可经由该排气再循环路径再循环到发动机进气口，该控制器被配置成：当需要发动机启动时，由一个或多个测得参数确定是否预计发动机启动困难；若预计发动机启动困难，则在启动该发动机之前开启该排气后处理装置的加热，使得该排气系统中的残留空气被该排气后处理装置温热；以及启动该发动机。
附图说明
图1示出具有微粒过滤器以及排气再循环路径的内燃发动机的示意图；
图2示出用于启动图1所示类型的发动机配置的方法步骤；
图3示出具有电动辅助涡轮增压器和微粒过滤器以及排气再循环路径的涡轮增压内燃发动机的示意图；
图4示出用于启动图3所示类型的发动机配置的方法步骤；
图5示出可使用图1或3的发动机组的示例车辆。
具体实施方式
图1示出内燃发动机10的配置，其可以是柴油发动机或汽油(petrol)/汽油(gasoline)发动机。排气后处理装置60，诸如，微粒过滤器60，可定位在排气路径中，发动机10的排气歧管的下游，使得当发动机启动时，排气路径中的排气可穿过微粒过滤器60。微粒过滤器60可包括，但并不限于，柴油机氧化催化剂、柴油机微粒过滤器或选择性催化还原(SCR)系统中的至少一个。微粒过滤器的选择可取决于，例如，在排气被释放到大气中之前需要将哪些废气排放物还原和/或发动机10的类型。
微粒过滤器60下游的排气可继续通过排气路径到达下游部件30，例如，其他的微粒过滤器，或直接排放到大气中，或经由排气再循环路径至少部分地再循环到发动机10的进气歧管中。再循环阀70可位于再循环路径中，且当其打开时，该再循环路径可以是开放的，以允许排气再循环。当再循环阀70关闭时，该再循环路径可被关闭，且排气可能不进行再循环。
微粒过滤器60可被配置成使其可在发动机10运行之前和/或发动机10运行过程中被加热。可通过许多不同的方法对微粒过滤器60进行加热，所述方法可包括，但不限于，电加热和燃烧加热。
当电线被布置在微粒过滤器60内和/或周围时，可进行电加热。例如，细导线可被嵌入到微粒过滤器60中的催化剂的蜂窝结构中，且当电流经过导线时，催化剂可被加热。
可通过直接将燃料注入过滤器60，并用火花塞点燃它来进行燃烧加热。可选地，燃料可在过滤器60上游的一点处注入到排气流中并通过过滤器60内或上游的火花塞点燃。此外，如果在启动发动机10后仍然需要加热过滤器60，则因为发动机10中的燃料-空气比较高，未燃烧的发动机燃料可直接从发动机排气口进入排气流中，并通过过滤器60内或上游的火花塞点燃。
再循环阀70的控制以及微粒过滤器60的加热可通过控制器40来执行。控制器40还可控制启动电动机50的运行，该启动电动机50可运行以启动发动机10。
图2示出一种控制根据本公开的模式的发动机10的启动的方法的流程图。
该启动发动机10的方法通过发动机启动需求信号45来触发。该发动机启动需求信号45可被触发，例如，由操作者转动车辆的点火钥匙，由操作者按下启动按钮，或者由本领域技术人员显而易见的一些其他手段来触发。
在检测到发动机启动需求信号45时，控制器40开始图2所示的发动机启动控制方法。如果预计(多个)测得参数指示发动机启动困难，则应考虑该方法的第一个步骤S210。
所述(多个)测得参数可包括，但并不限于，环境空气温度TA、发动机冷却液温度41、海拔42，以及燃料温度44中的至少一个。
上述(多个)测得参数可通过直接或间接测量技术来确定。例如，海拔42的测量值可直接使用海拔计，或一些其它合适的直接测量装置获得，或者可使用，例如，数学模型，由其他传感器测量值推导出来。
同样，有多种不同的方式可获得环境空气温度TA、发动机冷却液温度41以及燃料温度44的量度。例如，一种用于获得环境空气温度TA的量度的技术可以是使用温度传感器对空气温度采取直接测量。该温度传感器可位于存在环境空气或接近环境空气的发动机10上或其附近的任何位置上，例如，在发动机的进气歧管上，或者在发动机10内或外部的一些其他合适的位置上。除了对环境空气温度TA进行直接测量之外或者作为另一种选择，可对环境空气温度TA进行间接测量。环境空气温度TA的间接测量可包括，但不限于，发动机冷却液温度41或燃料温度44的直接测量，由此可推导出环境空气温度TA的近似值。发动机冷却液温度41和燃料温度44可以以对本领域技术人员显而易见的类似的直接或间接的方式获得。
(多个)测得参数可用作控制图或表的输入，其确定接下来应该采取启动发动机10的哪个方法步骤。
如图2中所示，如果(多个)测得参数是这样的，根据控制图，预计发动机启动困难，则发动机启动方法将进行到步骤S215。另一方面，如果(多个)测得参数是这样的，根据控制图，预计不会发生发动机启动困难，则发动机启动方法将直接进行到步骤S230。
例如，控制图可将环境空气温度TA与阈值温度TTH进行比较。如果环境空气温度TA大于阈值温度TTH，则发动机应该正常启动，没有任何问题，且因此，该方法可直接进行至步骤S230。然而，如果环境空气温度TA低于阈值温度TTH，则应当预计发动机启动困难，而该方法可进行到步骤S215。
阈值温度TTH可以是预定的固定值，例如，0℃或5℃，或者其可取决于一个或多个其它测得参数。例如，在较高的海拔下，阈值温度TTH可能降低。
除了一个或多个测得参数输入之外，控制图/表还可考虑一些其他的因素，包括但不限于，发动机上的寄生负载、发动机尺寸以及发动机燃料类型中的至少一个。
在步骤S215中，开启微粒过滤器60的加热，且打开再循环阀70。再循环阀70可在微粒过滤器60的加热被开启之前、同时或之后被打开。通过在接通发动机10之前加热微粒过滤器60并打开再循环阀70，微粒过滤器60、排气路径和排气再循环路径中的残留空气可被微粒过滤器60加热。
当微粒过滤器60已达到合理的温度，且已经维持在该温度足够长的时间段以待残留空气达到所需温度时，可通过，例如，接通启动电动机50，或通过本领域技术人员将公知的任何其他手段来启动该发动机(步骤S320)。在任何情况下，发动机10可在预定的时间延长期之后启动，即使过滤器60还没有达到合理的温度，或者残留的空气还没有达到所需温度也是如此，以实现对配置的自我保护。预定的时间延长期可能取决于发动机的实体配置，以及测得的发动机参数，但其可能是，例如，启动过滤器60的加热之后600秒。
微粒过滤器60应被加热到的最低温度可由系统的部件相对于彼此的实体配置和/或测得的发动机参数中的至少一个来确定。例如，在海平面上，且在环境温度为5℃时，最低目标微粒过滤器温度可被设定为在350℃和500℃之间的某个温度，诸如，400℃。
较低的环境空气温度TA和/或较低的发动机温度和/或较高的海拔42可能要求将微粒过滤器60加热到较高的温度。目标微粒过滤器温度和环境空气温度TA的图或表可能，例如，用于此目的。
已达到最低温度后，微粒过滤器60应保持在该温度，直到残留空气达到所需温度为止。所需温度可能取决于发动机组件本身的实体配置，以及，例如，环境空气温度TA和海拔。残留空气的温度可使用本领域技术人员公知的技术通过直接或间接测量来确定。可选地，残留空气可被视为在微粒过滤器保持高于目标温度一段时间后已达到所需温度。该段时间可能取决于发动机组件本身的实体配置，以及，例如，环境空气温度TA和海拔，或可以是固定值，例如，至少100秒。
在微粒过滤器60通过导线加热的情况下，微粒过滤器60被加热到的温度可通过使电流仅在某段时间流过导线进行控制。例如，控制图可由被输入到图中的测得参数中的至少一个来确定电加热时间。除此之外，或者作为另一种选择，微粒过滤器60的温度可被监测，且一旦过滤器60已达到所需温度，就关闭过滤器60的加热。
在微粒过滤器60通过燃料的燃烧被加热的情况下，微粒过滤器60被加热到的温度可通过调节注入到微粒过滤器60中，或微粒过滤器60上游的燃料的体积来控制，或者在接通发动机10之后仍需要加热过滤器60时，通过调节注入发动机10的燃料的量来控制，调节注入发动机10的燃料的量可改变从发动机排气歧管进入排气流的未燃烧的燃料的量。对于燃料注入过滤器60中或者过滤器60的上游，燃料可被注入，然后在单个注入和燃烧事件中燃烧，或者可在多个较小的注入和燃烧事件中注入。在后一种情况下，微粒过滤器60的温度可通过调节注入和燃烧事件的数量进行控制。与单个大型注入和燃烧事件相比，多个注入和燃烧事件可能会降低燃料会在过滤器60的下游残留未燃烧或点燃的机会。注入燃料的体积和/或注入和燃烧事件的数量可由测得参数来确定。例如，控制图也可由被输入到图中的测得参数中的至少一个确定燃料注入体积和/或注入和燃烧事件的数量。除此之外，或者作为另一种选择，微粒过滤器60的温度可被监测，且在过滤器60已经达到所需温度后，燃料停止在过滤器60内或者过滤器60上游燃烧。
在发动机接通时，再循环到发动机10的进气歧管的空气的温度已经高于仅环境空气被吸入发动机10的进气歧管的情况。
在启动发动机10一段时间之后，再循环阀70可被关闭，以防止温热的排气再循环和微粒过滤器60的加热被关闭，使得发动机10返回到正常运行。再循环阀70的关闭和微粒过滤器60的加热的关闭可在发动机10被认为是在可接受的操作范围内操作时发生。例如，当发动机超过性能阈值，例如，发动机温度超过阈值，诸如，40℃或45℃，或发动机速度超过阈值，诸如，300rev/min时，发动机10可被认为是在可接受的操作范围内运行。在任何情况下，发动机10可在预定的时间延长期期满时返回到正常操作状态(上文已说明)，即使发动机温度或速度还没有达到阈值也是如此，以实现对配置的自我保护。
关闭过滤器60的加热和关闭再循环阀70可在同一时间，或不同时间发生，并且可通过不同的发动机温度和/或速度的阈值来触发。
发动机温度可使用本领域技术人员公知的许多直接或间接测量技术之一来测量。例如，发动机冷却液温度41可被视为给出发动机温度的测量值。
图3示出图1中所示的发动机配置的改造。在图3中，发动机配置是涡轮增压内燃发动机。
在标准的涡轮增压器配置中，涡轮增压器中的压缩机可运行以使进入发动机的进气歧管的空气的压力增至高于大气压一定量，该量通常被描述为“增压压力”。涡轮机和压缩机可附接到涡轮增压器轴的不同的端部，使得当排气经过涡轮机时，轴可以转动，进而可使压缩机转动，这增加了进入发动机的进气歧管中的空气的压力。
具有电涡轮辅助(ETA)装置的涡轮增压器的操作原理与标准涡轮增压器相同，但是被改造为包括可具有能量存储装置，例如，飞轮或电池且可耦合到涡轮增压器轴的ETA。
当轴转动时，能量可被输入到所述能量存储装置中。当轴不转动，或者转的速度太慢无法实现所需进气压力时，能量可从能量存储装置输出并用于使轴转动，进而使压缩机转动。例如，如果能量存储装置是电池，则ETA发电机/电动机可包括围绕轴的螺旋绕组。当轴转动时，绕组中产生的电磁力可产生电力，其将被存储在电池中。当轴没有使涡轮机转动时(例如，当发动机未接通时)，或者当所述轴转动太慢时，电能可由电池供给绕组，使绕组可充当电动机且使轴转动。
在图1中所示的配置中，涡轮增压器20具有电涡轮辅助(ETA)装置24。涡轮增压器20的涡轮机22的进气口可位于发动机10的排气歧管的下游，使得当发动机10运行时，排气可穿过涡轮增压器20的涡轮机22。涡轮增压器20的压缩机26的进气口可位于发动机的进气歧管的上游，使得进气可在进入发动机10的进气歧管之前被压缩。
微粒过滤器60可位于涡轮增压器20的涡轮机22上游或下游的某个点，例如，涡轮机22的下游，如图3中所示，使得当发动机10运行时，涡轮增压器涡轮机22下游的排气可传到微粒过滤器60。
吸入到涡轮增压器压缩机26的进气口中的空气可能直接来自大气，或经由排气再循环路径，或者是两者的组合，如图3中所示。发动机10运行时再循环到涡轮增压器压缩机26中的排气可能来自微粒过滤器60下游的一点，且排气可直接再循环到发动机10的进气歧管，或经由涡轮增压器压缩机26，如图3中所示，或两者的组合再循环到发动机10的进气歧管。
对ETA装置24运行的控制可由控制器40执行。
图4示出一种控制图3中所示的发动机配置的启动的方法的流程图。图4所示的方法步骤类似于图2所示的方法步骤，且唯一变化在于提供一个额外的步骤，S220。
当测得参数是这样的，确定在开启微粒过滤器60的加热且打开再循环阀70(步骤S215)之后可能有发动机10启动困难，在步骤S220中，ETA装置24可接通，以使涡轮增益器20的压缩机26转动。
可选地，在步骤S220中ETA装置24被接通之后且在步骤S230中发动机被接通之前，微粒过滤器60可被加热且再循环阀70打开。
通过使压缩机26转动到允许校准气流进入发动机10的进气歧管的速度，可使进气歧管内的空气压力增大。温热的再循环的残留空气可再循环到压缩机26的进气口中(如图3中所示)，使得发动机10的进气歧管处的空气可被温热且处于较高压力下。
当ETA装置24已经接通足够长的时间，以使进气歧管中的空气压力增大到高于环境空气压力的足够水平，(例如，在海平面上，进气歧管中1.2巴的空气压力可被视为是足够的，这可能需要在接通ETA装置24之后占用约10秒来实现)，且微粒过滤器60已被加热到所需温度足够的时间以将残留空气温热到所需温度(如上文所说明的)时，发动机10可启动(步骤S230)。在任何情况下，发动机10可在预定的时间延长期之后启动(如上文所说明的)，即使是进气歧管中的空气压力未达到足够水平也是如此，以实现对配置的自我保护。
通过在接通发动机10之前增加发动机10的进气歧管中的空气的温度和压力，在发动机10启动(S230)时注入发动机10的燃料的燃烧可变得更加容易。
在启动发动机10后，当发动机10被认为是在可接受的操作范围内运行时，ETA装置24将停止驱动涡轮机轴并切换到正常操作。当发动机超过性能阈值，例如，当发动机温度超过阈值，诸如，40℃或45℃时，或当发动机速度超过阈值，诸如，300rev/min时，发动机10可被认为是在可接受的操作范围内运行。在任何情况下，发动机10可在预定的时间延长期期满时返回到正常操作状态(上文已说明)。
图1示出了根据本公开的一个方面的控制器40。
控制器40可具有多个输入，包括但不只限于：测得参数、空气温度TA、发动机冷却液温度41、海拔42以及燃料温度44；发动机速度43；以及发动机启动请求信号45。该控制器也可具有多个输出，包括但不只限于，再循环阀控制信号46以及过滤器加热信号47。
图3示出了根据本公开的另一方面的控制器40。图3所示的控制器40与图1中所示的相同，但包括另外的输出：ETA控制信号48。
控制器40被配置为在接收到发动机启动请求信号45时执行上述方法。控制器40可利用发动机图或表，或一些其它合适的装置，以确定发动机10是否应直接正常启动，或者是否应采取方法步骤来使发动机启动变得容易。控制器40也可利用其他的发动机图或表，以确定有关使发动机启动变得容易的方法步骤在上文描述的其他阈值。
控制器40可在发动机控制单元中实现，例如，A4:E4或A5:E2，或作为单独的独立的控制单元来实现。
图5示出了可使用图1中示出的发动机组，或者图3中示出的发动机组的车辆。
本领域技术人员将理解的是，可使用上述实施方式的各方面的各种替代物。例如，可替换地使用任何其他类型的强制性进气内燃发动机，例如，增压内燃发动机，其中强制性进气压缩机被配置成增加进入发动机的进气歧管的空气的压力，例如，增压器，强制性进气压缩机耦合到压缩机辅助装置(ETA装置是一个例子)，压缩机辅助装置被配置成驱动强制性进气压缩机，从而压缩进气，这与发动机的操作无关，而不是使用具有涡轮增压器20与ETA装置24的涡轮增压内燃发动机。
工业实用性
本公开可应用于启动内燃发动机。在某些条件下，例如，在低环境空气温度和/或高海拔下，启动内燃发动机可能是困难的。在本公开中，加热与内燃发动机相关联的排气后处理装置可使在启动发动机前再循环到发动机的进气歧管的空气的温度上升，这可使得在发动机启动时注入发动机的燃料更容易燃烧，且因此，使得发动机启动更容易。此外，通过在启动发动机之前加热排气后处理装置，发动机温度也可在启动后更快地到达操作温度，因为从发动机接通的时刻开始，所有排气的温度可能会在再循环到发动机进气口之前上升，这可能会使被吸入发动机10的空气的温度上升，从而使发动机的温度上升。

Claims (14)

1.一种用于启动具有排气系统的内燃发动机的方法，该排气系统包含排气路径、在该排气路径中的排气后处理装置、以及排气再循环路径，当该发动机被接通时，排气离开该发动机进入该排气路径且穿过该后处理装置的排气的至少一部分经由该排气再循环路径再循环到发动机进气口，该方法包含以下步骤：
当需要发动机启动时，由一或多个测得参数确定是否预计发动机启动困难；
若预计发动机启动困难，则在启动发动机之前加热排气后处理装置，使得该排气系统中的残留空气被该排气后处理装置温热；以及
启动该发动机。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，该排气系统进一步包含该排气再循环路径中的再循环阀，该方法进一步包含以下步骤：
在启动该发动机之前打开该再循环阀；以及
当该发动机超过第一预定性能阈值时，或当该排气后处理装置的加热时间段超过第一预定时间段时，关闭该再循环阀，以防止温热的排气再循环到发动机进气口。
3.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述发动机是具有压缩机辅助装置的强制性进气内燃发动机，该方法进一步包含以下步骤：
若预计发动机启动困难，则在启动该发动机之前接通该压缩机辅助装置，以驱动强制性进气压缩机，从而增大发动机进气压强。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述温热的残留空气再循环到该强制性进气压缩机上游的位置，使得该温热的残留空气在进入该发动机进气口之前被该强制性进气压缩机压缩。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的方法，进一步包含以下步骤：当该发动机超过第二预定性能阈值时，或当该强制性进气装置的接通时间段超过第二预定时间段时，使该压缩机辅助装置返回到正常操作。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述一个或多个测得参数包含环境空气温度、发动机海拔、发动机冷却液温度、以及燃料温度中的至少一个。
7.一种用于控制具有排气系统的内燃发动机的启动的控制器，该排气系统包含排气路径、在该排气路径中的排气后处理装置、以及排气再循环路径，当该发动机被接通时，排气离开该发动机进入该排气路径且穿过该后处理装置的排气的至少一部分经由该排气再循环路径再循环到发动机进气口，该控制器被配置成：
当需要发动机启动时，由一或多个测得参数确定是否预计发动机启动困难；
若预计发动机启动困难，则在启动发动机之前开启排气后处理装置的加热，使得该排气系统中的残留空气被该排气后处理装置温热；以及
启动该发动机。
8.根据权利要求7所述的控制器，其中，所述排气系统进一步包含该排气再循环路径中的再循环阀，该控制器被进一步配置成：
在启动该发动机之前打开该再循环阀；以及
当该发动机超过第一预定性能阈值时，或当该排气后处理装置的加热时间段超过第一预定时间段时，关闭该再循环阀，以防止温热的排气再循环到发动机进气口。
9.根据权利要求7或8所述的控制器，其中，该发动机是具有压缩机辅助装置的强制性进气内燃发动机，该控制器被进一步配置成：
若预计发动机启动困难，则在启动该发动机之前接通该压缩机辅助装置，以驱动强制性进气压缩机，从而增大发动机进气压强。
10.根据权利要求9所述的控制器，其中，该控制器被进一步配置成：当该发动机超过第二预定性能阈值时，或当该压缩机辅助装置的接通时间段超过第二预定时间段时，使该压缩机辅助装置返回到正常操作。
11.根据权利要求7到10中任一项所述的控制器，其中，所述一个或多个测得参数包含环境空气温度、发动机海拔、发动机冷却液温度、以及燃料温度中的至少一个。
12.根据权利要求7到11中任一项所述的控制器，其中，该控制器是发动机控制单元的一部分，或是单独的控制单元。
13.一种内燃发动机，包含根据权利要求7到12中任一项所述的控制器。
14.一种车辆，包含根据权利要求13所述的内燃发动机。
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