CN106438061A - 一种操作内燃发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于操作配备有后处理装置的内燃发动机的方法。该内燃发动机配备有气缸，气缸具有通过排气阀截止的排气端口，该排气阀通过可变阀促动(VVA)系统促动。在后处理装置再生期间，后处理装置的再生被检测到，并且使用可变阀促动(VVA)系统提前排气阀的关闭，以提供排气阀促动曲线，其相对于基准的排气阀促动曲线具有提前的排气阀关闭。

Description

一种操作内燃发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种操作内燃发动机的方法。
背景技术
由于不断的更严格的排放要求，内燃发动机配备有后处理排气系统，如柴油氧化催化剂(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)、稀燃NOx吸附技术(LNT)和/或选择性催化还原(SCR)系统或SCRF(在过滤器上的SCR)等，其转换效率与排气气体温度严格相关。未来立法强制要求的二氧化碳水平将向排气管内的更低温度驱进，生成关键的(critical)工作条件，该工作条件可能影响后处理系统在最佳效率运行的能力。
几种阀门控制技术已经得到发展；其中一个是可变阀促动(VVA)，在阀门正时或升程方面，允许采用优化的凸轮曲线用于进气和/或排气阀。已知的VVA的柴油应用主要旨在加强新鲜进气的涡流，例如通过一个进气阀的促动，或通过排气阀的重新打开产生内部排气再循环(EGR)，提高满足排放认证要求的能力。
在客户相关的实际驾驶条件下，后处理系统需要频繁地再生以保证所需的转换效率，并且再生过程对燃料消耗的影响不可以忽略不计。为了有效，再生过程(无论是用于LNT的脱硫或用于DPF的碳烟氧化还是其它再生过程)通常需要后处理系统上游足够高和稳定的排气气体温度。
排气气体温度与发动机速度和负载值严格相关，因此在目前的内燃发动机中，通过后或后期喷射(即安排在打开排气阀处的晚喷射)，或通过设置在排气管的专门的燃料喷射器的额外燃料的使用被利用来确保在后处理再生期间中所需要的温度水平。
另一个问题可能是由于当进行后期喷射时部分燃料到达油底壳和随之而来的油的寿命恶化导致的油稀释，由于更频繁的服务需要对客户造成影响。
在认证循环(homologation cycle)期间，还要计算排放和二氧化碳的恶化。
另一个问题是后处理过程(如DPF再生或LNT脱硫)的效率降低，由于在客户实际驾驶条件下温度不稳定，导致再生过程结束时高未燃的碳烟残留或较低的硫去除。这意味着由于在部件的寿命内更多的再生经历，增加再生持续时间或频率，对燃油经济不利，由于暴露在再生过程期间达到的高温的时间增加所造成的热应力或老化，系统性能恶化(氧化能力)，对排放存在潜在的弊端。另外，可能需要后期喷射控制的高度校准工作以使得在每个驾驶条件下能够有足够稳定的上游后处理系统温度。
最后，在实际客户驾驶的条件下，城市循环是再生过程有效性的最关键的情况之一：在较低的发动机速度和负载下具有加速、减速和发动机怠速的频繁操作，导致在发动机出口的高度可变的和不稳定的温度和随之而来的后期喷射的非常复杂的控制以保证达到所需温度。
发明内容
按照本发明，提供了一种方法用于操作内燃发动机，其在后处理系统上游具有增加的气体温度，同时没有进一步对燃料消耗不利。本公开的实施例提供了一种操作配备有后处理装置的内燃发动机的方法，内燃发动机配备有气缸，该气缸具有通过排气阀截止的排气端口，该排气阀通过可变阀促动(VVA)系统促动。在后处理装置再生期间，后处理装置的再生被检测到，并且使用可变阀促动(VVA)系统提前排气阀的关闭，以提供相对于基准排气阀促动曲线具有提前的排气阀关闭的排气阀促动曲线。本实施例的优点是，通过提前排气阀的关闭，可以得到在后处理系统上游的增加的排气气体温度，限制达到有效再生的目标温度所需要的额外燃料。此外，由于在后处理再生循环上CO2代价的轻微影响，认证期间可以取得排放达标的益处。另外，因为减少通过后期喷射的额外燃料的使用，由于油稀释的减少，可以提高油的寿命。
根据另一实施例，排气阀促动曲线提供了相对于基准关闭曲柄角的提前关闭曲柄角。本实施例的优点是，由于增加的平均排气温度，可能取得当再生发生时在实际的驾驶条件期间的改进的温度控制。
根据另一实施例，提前关闭曲柄角和基准关闭曲柄角之间的差值不超过55°。本实施例的优点是，它设置了用于控制排气阀提前关闭的最佳范围。根据另一实施例，提前关闭曲柄角和基准关闭曲柄角之间的差值不超过40°。
根据另一个实施例，在低发动机速度和负载下，执行提供排气阀促动曲线的步骤，该排气阀促动曲线相对于基准排气阀促动曲线具有提前的排气阀关闭。本曲线的优点是，在用于后处理再生过程的排气温度方面，提前的排气阀关闭发生在关键的发动机操作的区域中，即低发动机速度和负载的区域，但由于低的排气流量，CO2排放的局部增加不显著影响累积循环量。
本发明还包括用于操作配备有后处理装置的内燃发动机的器件，该内燃发动机配备有气缸，该气缸具有通过排气阀截止的排气端口，该排气阀通过可变阀促动(VVA)系统促动。设备包括用于检测后处理装置再生的器件，以及，使用可变阀促动(VVA)系统以提供排气阀促动曲线，用于在后处理装置再生期间提前排气阀关闭的器件，该排气阀促动曲线相对于基准排气阀促动曲线具有提前的排气阀关闭。这方面的优点类似于根据本发明各个实施例的方法的优点，即通过提前排气阀的关闭，可以得到在后处理系统上游的增加的排气气体温度，限制达到有效再生的目标温度所需要的额外燃料。
根据另一方面，用于在后处理装置再生期间、通过相对于基准关闭曲柄角的预确定的曲柄角来提前排气阀关闭的器件包括滑动凸轮机械化系统。这方面的优点是，它以负载阶跃的方式控制排气阀的关闭。
根据另一方面，用于在后处理装置再生期间通过相对于基准关闭曲柄角的预确定的曲柄角来提前排气阀关闭的器件包括连续可变阀促动系统。这方面的优点是，由于这样的系统可以借助凸轮相位器的使用而机械化的事实，其以连续的方式控制排气阀的关闭。
根据其一个方面的方法可以借助包括程序代码的计算机程序的帮助实现。计算机程序产品可以实施为用于内燃发动机的控制设备，该控制设备包括电子控制单元(ECU)、与ECU关联的数据载体和存储在该数据载体中的计算机程序，使得该控制设备以和该方法相同的方式来限定所描述的实施例。在该情况下，当控制设备执行计算机程序时，执行上述方法的所有步骤。
附图说明
下面结合以下附图说明本发明，其中相同的标记表示相同的元件。
图1示出了汽车系统；
图2是属于图1所示汽车系统的内燃发动机的剖面图；
图3示出了表示作为曲柄角的函数的各个气缸排气阀升程曲线的图；
图4示出了作为曲柄角的函数的、温度差和制动燃料消耗率(BSFC)差的曲线；
图5示出了结合作为图4的不同曲柄角的函数的温度差和制动燃料消耗率(BSFC)差的图；
图6示出了现有技术策略和根据本发明的实施例的策略之间的、作为排气气体温度增加的函数的BSFC增加的对比图；以及
图7是表示本发明的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
下面的详细说明仅是示例性的，并不试图限制本发明或本申请和本发明的使用。此外，没有任何意图通过本发明前述的背景或以下的详细说明中提出的任何理论进行限制。
一些实施例可以包括如图1和2所示的汽车系统100，该汽车系统包括内燃发动机(ICE)110，内燃发动机具有发动机缸体120，该发动机缸体限定至少一个气缸125，气缸具有联接以旋转曲轴145的活塞140。气缸盖130与活塞140配合以限定燃烧室150。燃料和空气混合物(未示出)置于燃烧室150中并被点燃，导致引起活塞140的往复运动的热膨胀排气气体。燃料由至少一个燃料喷射器160提供，并且空气通过至少一个进气端口210。在高压下将燃料从与高压燃料泵180流体连通的燃料轨170提供至燃料喷射器160，该高压燃料泵180增加从燃料源190接收的燃料的压力。
在图2中还示出了每个气缸125至少具有进气阀215和排气阀217，二者都通过与曲轴145正时旋转的凸轮轴135促动。进气阀215选择性地允许空气从端口210进入燃烧室150内，并且排气阀217交替地允许排气气体通过端口220排出。在一些示例中，凸轮相位器155可以可选择性地改变在凸轮轴135和曲轴145之间的正时。更特别地，几个公知的VVA技术可以用于实施本发明的各个实施例。
通过示例的方式，不为限制的目的，可以使用的第一技术是滑动凸轮机械化系统470，在该系统中两个或更多个凸轮曲线与促动器(用于在曲线之间交换)结合使用，取决于各个条件(诸如发动机转速或发动机负载。凸轮转换提供了阀升程曲线的离散或阶跃负载变化。替代技术是连续可变阀促动系统的使用。这样的系统可以借助如下部件的使用而机械化：凸轮相位器480(配备有两个同心轴的装置)，支撑凸轮的外轴和用于改变凸轮的位置的偏心内轴，凸轮相位器480能够提供阀升程曲线的连续变化。在任何情况下，可以使用的每个VVA系统通过发动机110的电子控制单元450控制。
空气可以通过进气歧管200分配到(多个)进气端口210。空气进气导管205可从周围环境向进气歧管200提供空气。在其它实施例中，可设置节流阀体330以调节进入歧管200的空气流量。仍在其它实施例中，可设置强制空气系统，如涡轮增压器230，该涡轮增压器具有旋转地联接至涡轮机250的压气机240。压气机240的旋转增加了在导管205和歧管200中的空气的压力和温度。置于导管205中的吸入空气冷却器260可降低空气的温度。涡轮机250通过接收来自排气歧管225的排气气体而旋转，该排气歧管从排气端口220引导排气气体并且引导其在通过涡轮机250膨胀之前通过一系列叶片。排气气体离开涡轮机250并且被引入排气系统270中。本示例示出了可变几何涡轮机(VGT)，该可变几何涡轮机具有VGT促动器290，其被布置以在不同位置移动叶片295的架，即从完全关闭位置到完全打开位置，以改变通过涡轮机250的排气气体的流量。在其它实施例中，涡轮增压器230可以是固定几何的和/或包括废气门。
发动机的排气气体被引入排气系统270中。排气系统270可包括具有一个或多个排气后处理装置280的排气管275。后处理装置可以是任何配置为改变排气气体组成的装置。后处理装置280的一些示例包括但不限于催化转化器(两元或三元)、氧化催化剂、稀燃氮氧化物捕集器、碳氢化合物吸收器、选择性催化还原(SCR)系统、和微粒过滤器。其它实施例可包括联接在排气歧管225和进气歧管200之间的排气再循环(EGR)系统300。EGR系统300可包括EGR冷却器310以降低EGR系统300中的排气气体的温度。EGR阀320调节在EGR系统300中排气气体的流量。
汽车系统100还可以包括电子控制单元(ECU)450和接口总线，电子控制单元与一个或多个的传感器和/或装置(其与ICE 110关联)并且与存储器系统通信。ECU 450可从各个传感器接收输入信号，各个传感器配置为产生和与ICE 110关联的各个物理参数成比例的信号。传感器包括但不限于空气质量流量和温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、可集成在电热塞(glow plug)内的燃烧压力传感器360、冷却液和油温度和水平传感器380、燃料轨压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲轴位置传感器420、排气压力和温度传感器430、EGR温度传感器440以及加速踏板447位置传感器445。此外，ECU 450可产生输出信号至各个控制装置，所述控制装置布置为控制ICE 110的操作，包括但不限于燃料喷射器160、节流阀体330、EGR阀320、可变几何涡轮机(VGT)促动器290以及凸轮相位器155。注意，虚线用于表示ECU 450与各个传感器和装置之间的通信，但为了清楚起见省略了一些。
图7是表示本发明的方法的实施例的流程图。该方法的第一个步骤是确定后处理装置280再生是否是激活的(active)(框600)。肯定的话，相对于基准排气阀关闭曲柄角的预确定的曲柄角，提前每个气缸125的排气阀217关闭。如果没有后处理装置280再生是激活的，方法连续检查后处理装置280再生的发生。
通常情况下该方法提供在后处理装置再生期间提前排气阀217的关闭，其使用可变阀促动(VVA)系统，以提供排气阀217促动曲线，该排气阀促动曲线相对于基准排气阀217促动曲线具有提前的排气阀217关闭。排气阀217促动曲线提供了相对于基准关闭曲柄角的提前关闭曲柄角。可以选择提前关闭排气阀关闭曲柄角的不同值、以限定相对于基准关闭曲柄角的预确定的曲柄角。
通常情况下，提前关闭曲柄角和基准关闭曲柄角之间的差值不超过55°。根据优选的实施例，提前关闭曲柄角和基准关闭曲柄角之间的差值不超过40°。通过提前排气阀217关闭，得到了在后处理系统上游的增加的排气气体温度，限制达到有效再生的目标温度所需要的额外燃料。此外，由于后处理再生循环的CO2代价的轻微影响，可以取得认证期间排放达标的益处。
图3-5为证实本发明的各个实施例的有效性而执行的模拟行为。特别地，图3示出了表示作为曲柄角的函数的各个气缸排气阀升程曲线的图。在模拟行为中，从阀曲线基准配置(线条A)开始，在DPF再生边界条件内的一个发动机点中模拟一系列排气阀关闭(EVC)事件以研究排气温度影响与燃料消耗增加的关系。被测曲线(如曲线B)特点在于，相比于基准排气阀升程减小最大排气阀升程，且在于早于基准条件高达55°曲柄角(CA)的排气阀关闭的提前。
图4示出了作为曲柄角的函数的温度差(线条C)和制动燃料消耗率(BSFC)差(线条D)的曲线。图5示出了结合作为从图4的数据得到的不同曲柄角的函数的温度差和制动燃料消耗率(BSFC)差的图(线条E)。
早期排气阀关闭对排气气体温度增加的影响可以归纳如下。更高的泵损失(PMEP)需要通过更高的IMEP(标示平均有效压力(Indicated Mean Effective Pressure))补偿以保持相同的BMEP(突破平均有效压力(Break Mean Effective Pressure))，其表示在发动机轴处的净功；因此必须喷射更多的燃料，从而排气气体温度提高，如以下方程(1)所表述的：
BMEP＝IMEP–PMEP (1)
根据本发明的各个实施例的方法优选地用于低发动机速度和负载。低发动机速度和负载区域的示例通过低于2000rpm的发动机速度和低于5bar的发动机BMEP给出。这样的区域是在用于后处理再生过程的排气温度方面的关键的发动机操作的区域。
图6示出了作为排气气体温度增加的函数的、现有技术策略(线条F)和根据本发明的实施例的策略(线条G)之间的制动燃料消耗率(BSFC)增加的对比图。从图6可以看到，对比于用于最佳再生的当前后处理策略，在发动机稳态点中，示出了在相等的温度增加下BSFC减小的发展趋势。在低发动机速度和负载下专门的排气阀正时的使用增加了发动机向外排气气体温度，因此减少了为在后处理系统上游达到所要求的温度的额外燃料的需求，简化后喷射控制的校准工作。
虽然前面详细描述中展示出了至少一个示例实施例，但是应当意识到存在大量的变化。还应意识到的是，一个或多个示例实施例仅为示例，并且非意图以任何方式限制范围、应用或配置。然而，前述的详细描述将为本领域技术人员提供用于实施示例实施例的便捷路线图，应理解是在所描述的实施例中的功能和布置可做出各种变化而不背离本发明的附属权利要求及其法律等价物所陈述的范围。
本申请要求于2015年8月13日递交的、申请号为1514401.7的英国专利申请的优先权，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文。

Claims (11)

1.一种操作配备有后处理装置(280)的内燃发动机(110)的方法，所述内燃发动机(110)配备有气缸(125)，所述气缸具有通过排气阀(217)截止的排气端口(220)，所述排气阀(217)通过可变阀促动(VVA)系统促动，所述方法包括以下步骤：
-检测后处理装置(280)再生，和
-在后处理装置再生期间使用所述可变阀促动(VVA)系统提前所述排气阀(217)关闭以提供排气阀(217)促动曲线，所述排气阀促动曲线相对于基准排气阀(217)促动曲线具有提前的排气阀(217)关闭。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述排气阀(217)促动曲线提供了相对于基准关闭曲柄角的提前关闭曲柄角。
3.根据权利要求2所述的方法，其中提前关闭曲柄角和基准关闭曲柄角之间的差值不超过55°。
4.根据权利要求3所述的方法，其中提前关闭曲柄角和基准关闭曲柄角之间的差值不超过40°。
5.根据权利要求1所述的方法，其中提供相对于基准排气阀(217)促动曲线具有提前的排气阀(217)关闭的排气阀促动曲线的步骤是在低发动机速度和负载下执行的。
6.一种用于操作配备有后处理装置(280)的内燃发动机(110)的设备，所述内燃发动机(110)配备有气缸(125)，所述气缸具有通过排气阀(217)截止的排气端口(220)，所述排气阀(217)通过可变阀促动(VVA)系统促动，所述设备包括：
-用于检测后处理装置(280)再生的器件，和
-用于在后处理装置再生期间使用所述可变阀促动(VVA)系统提前所述排气阀(217)关闭以提供排气阀(217)促动曲线的器件，所述排气阀促动曲线相对于基准排气阀(217)促动曲线具有提前的排气阀(217)关闭。
7.根据权利要求6所述的设备，其中用于在后处理装置再生期间提前排气阀(217)关闭的器件包括滑动凸轮机械化系统(470)。
8.根据权利要求6所述的设备，其中用于在后处理装置再生期间提前排气阀(217)关闭的器件包括连续可变阀促动(VVA)系统。
9.一种包括计算机代码的计算机程序，所述计算机代码适用于促动电子控制单元(450)以操作根据权利要求1-5中任一项所述的排气阀(217)。
10.一种计算机程序产品，在所述计算机程序产品上存储有根据权利要求9所述的计算机程序。
11.一种用于内燃发动机(110)的控制设备，包括电子控制单元(450)、与所述电子控制单元(450)相关联的数据载体(460)和存储在所述数据载体(460)中的根据权利要求9所述的计算机程序。
CN201610670027.0A 2015-08-13 2016-08-15 一种操作内燃发动机的方法 Active CN106438061B (zh)

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