CN112824668B - 排气热管理 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制内燃机中再循环废气温度的方法，包括：在基线模式下运行内燃机，接收指示发动机运行温度的信号，其中发动机运行温度是冷却剂温度、排气温度和机油温度中的一个，将发动机运行温度与预定的IEGR阈值进行比较，当发动机运行温度小于预定的IEGR阈值时，启动IEGR模式并启动EEVO模式，当发动机运行温度大于第一预定的IEGR阈值时，停用IEGR模式并停用EEVO模式。

Description

排气热管理
技术领域
本公开涉及一种控制内燃机中再循环废气的温度的方法。
背景技术
内燃机中使用再循环废气(“EGR”)来帮助减少低负荷下的节流损失，提高耐爆震性，并降低排气中氮氧化物(“NOx”)的水平。在化学计量比较稀的情况下运行的内燃机易于排放更高水平的NOx，因此EGR作为内燃机中的排放减少剂尤其重要。
具有废气再循环系统的内燃机可以使用内部再循环废气(IEGR)、外部再循环废气(EEGR)或两者的组合。EEGR包括在EGR从排气系统经过外部导管后，通过进气门将EGR引入发动机燃烧室。IEGR包括在不使用外部导管的情况下，通过排气门或进气门将EGR引入发动机燃烧室。当使用EEGR时，为了向燃烧室提供排气流，发动机的排气流路与进气系统中重新引入排气的位置之间需要压力差。对于IEGR，进气事件(即燃烧室内体积的膨胀，例如在内燃机活塞的进气冲程期间)通常能提供合适的压差。
IEGR系统可以通过在气门相关气缸的进气事件期间打开一个或多个排气门来利用这种压差。凸轮轴可以配置成有助于气门正时方案的选择性启动和停用，使得能够选择性地启动和/或停用IEGR。持续时间、正时和气门升程(即流量)受凸轮轴几何形状和气门机构组件的共同影响。可切换的摇臂有助于在改进的凸轮轴上的多组凸角之间切换，以实现EGR模式之间的切换。例如，可变的摇臂总成可以基于油压来致动或切换，该油压可以由油控制阀进行调节。当启动不同的模式时，不同的凸轮凸角被启动，从而对气门致动正时进行控制，进而对IEGR进行控制。
在冷启动后发动机运行的初始阶段(即大约200秒内)，在发动机达到正常运行温度(例如冷却剂温度超过大约90摄氏度)之前，废气排放可能会超过期望或允许的水平。在相对较低的排气温度下，例如在发动机预热期间，EEGR可能会对燃烧稳定性产生负面影响，并且还可能导致碳氢化合物(HC)排放增加。IEGR在DOC(柴油机氧化催化器)加热策略中很有用。
因此，虽然当前的内燃机废气再循环模式实现了其提高废气温度的预期目的，但是仍需要一种新的和改进的方法来控制内燃机中再循环废气温度，与仅使用IEGR相比，该方法提供了更好的再循环废气加热。
发明内容
根据本公开的几个方面，一种用于控制内燃机中再循环废气温度的方法包括：在基线模式下运行内燃机，接收指示发动机运行温度的信号，将发动机运行温度与预定的IEGR阈值进行比较，当发动机运行温度小于预定的IEGR阈值时，启动IEGR模式并启动EEVO模式，并且当发动机运行温度大于第一预定的IEGR阈值时，停用IEGR模式并停用EEVO模式。
根据另一方面，发动机运行温度是冷却剂温度。
根据另一方面，发动机运行温度是排气温度。
根据另一方面，发动机运行温度是机油温度。
根据另一方面，基线模式包括在排气门的相关气缸的排气事件期间启动主排气门打开。
根据另一方面，IEGR模式包括在排气门的相关气缸的进气事件期间启动辅助排气门打开，并且在主排气门打开和辅助排气门打开之间保持排气门部分地打开。
根据另一方面，在主排气门打开期间，排气门完全打开，并且在辅助排气门打开期间，排气门的开度小于40％。
根据另一方面，EEVO模式包括在基线主排气门打开之前启动主排气门打开，保持排气门完全打开，以及根据基线模式关闭排气门。
根据本公开的几个方面，一种用于控制内燃机中再循环废气温度的方法，包括：在基线模式下运行内燃机，接收指示发动机运行温度的信号，其中发动机运行温度是冷却剂温度、排气温度和机油温度中的一个，将发动机运行温度与预定的IEGR阈值进行比较，当发动机运行温度小于预定的IEGR阈值时启动IEGR模式并启动EEVO模式，当发动机运行温度大于第一预定的IEGR阈值时停用IEGR模式并停用EEVO模式。
根据另一方面，基线模式包括在排气门的相关气缸的排气事件期间启动主排气门打开，排气门在主排气门打开期间完全打开。
根据另一方面，IEGR模式包括在排气门的相关气缸的进气事件期间启动辅助排气门打开，排气门在辅助排气门打开期间开度小于40％，并且在主排气门打开和辅助排气门打开之间保持排气门部分地打开。
根据另一方面，EEVO模式包括在基线主排气门打开之前启动主排气门打开，保持排气门完全打开，以及根据基线模式关闭排气门。
根据本公开的几个方面，内燃机包括至少一个燃烧气缸、至少一个适于允许燃烧气体从燃烧气缸排出的排气门、以及具有适于控制至少一个排气门的凸轮凸角的凸轮轴，该凸轮轴还适于以基线模式、IEGR模式和EEVO模式中的至少一种模式选择性地操作至少一个排气门。
根据另一方面，内燃机还包括控制模块，该控制模块适于接收指示发动机运行温度的信号，当发动机温度超过预定的IEGR阈值时，以基线模式运行内燃机，而当发动机温度低于预定的IEGR阈值时，以IEGR模式和EEVO模式运行内燃机。
根据另一方面，发动机运行温度是冷却剂温度。
根据另一方面，发动机运行温度是排气温度。
根据另一方面，发动机运行温度是机油温度。
根据另一方面，当在基线模式下运行时，凸轮轴适于在排气门的相关气缸的排气事件期间通过完全打开排气门来使主排气门打开。
根据另一方面，当在IEGR模式下运行时，凸轮轴适于在排气门的相关气缸的进气事件期间，通过使排气门打开至开度小于40％来致动辅助排气门打开，并且保持排气门在主排气门打开和辅助排气门打开之间部分地打开。
根据另一方面，当在EEVO模式下运行时，凸轮轴适于在基线主排气门打开之前使主排气门打开，保持排气门完全打开，并根据基线模式关闭排气门。
根据本文提供的描述，在其他领域的应用将变得显而易见。应该理解的是，本文的描述和具体示例仅仅是为了说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据本公开的示例性实施例的内燃机的示意图；
图2是图1所示内燃机气缸的侧剖视图；
图3是根据示例性实施例的方法的示意性流程图；
图4是根据示例性实施例的基线操作模式的图形表示；以及
图5是根据示例性实施例的EEVO和IEGR运行模式的图形表示。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。
参照图1和图2，在示例性实施例中，内燃机总成10包括发动机结构12、进气系统14、排气系统16、气门机构总成18和废气再循环(EGR)总成20。发动机结构12包括发动机缸体24，发动机缸体24连接至汽缸盖26以限定形成燃烧室的汽缸22。气缸盖26限定了与燃烧室连通的进气口28和排气口30。
如图1中示意性所示，发动机总成10限定了四个气缸22-1、22-2、22-3和22-4。为简单起见，在图2所示的剖视图中仅示出了单个代表性气缸22；然而，针对图2所示的气缸22所讨论的特征和方面同样适用于其余的气缸22。此外，应当理解，本教导适用于任何数量的活塞-气缸布置和各种往复式发动机构造，包括但不限于V型发动机、直列式发动机和水平对置发动机，以及顶置凸轮和整体式凸轮配置。
在示例性实施例中，进气系统14包括进气道32、联接到气缸盖26并与进气道32流体连通的进气歧管36、以及设置在进气道32中的进气节流阀38。进气节流阀38可以配置成用于一个或多个用途，包括：(a)气流控制、(b)短程EGR冷却器两端的压差、(c)发动机平稳关闭、(d)EGR流量管理，和/或(e)控制通过进气歧管36进入进气口28的进气流量。进气系统14还包括涡轮增压器40，该涡轮增压器40具有位于进气道32中的进气侧42(压缩机)和位于进气道32中的空气滤清器44。进气道32可限定进气系统14的进气口，涡轮增压器40可通过进气歧管36与进气口28连通。虽然示出了单个涡轮增压器40，但是应当理解，本公开同样适用于具有多个涡轮增压器的布置。
排气系统16可包括排气导管48、连接到气缸盖26并与排气导管48连通的排气歧管52、柴油颗粒过滤器(DPF)54和位于排气导管48中的选择性催化还原(SCR)催化剂56。虽然示出的布置包括单独的DPF 54和单独的SCR催化剂56，但是应当理解，本公开不限于这种布置。DPF 54可以可替代地包括在组合的DPF/SCR催化剂中。此外，SCR催化剂56可替代地位于DPF 54的上游，或者可以在DPF 54的上游包括另外的SCR催化剂(未示出)。涡轮增压器40的排气侧58(涡轮)可位于排气导管48中，并可包括与流经排气导管48的排气连通并由其驱动的涡轮。涡轮增压器40的排气侧58可以包括可变排气出口60，该可变排气出口60控制通过涡轮增压器40的排气流量限制。可变排气出口60可以是可变喷嘴的形式。
如图2所示，气门机构总成18可以包括位于进气口28中的进气门62、位于排气口30中的排气门64、支撑在气缸盖26上并与进气门62接合的进气门升程机构66、支撑在气缸盖26上并与排气门64接合的排气门升程机构68、受支撑以在气缸盖26上旋转并与进气门升程机构66接合的进气凸轮轴70、以及受支撑以在气缸盖26上旋转并与排气门升程机构68接合的排气凸轮轴72。进气凸轮轴70可包括与每个进气门升程机构66接合的进气凸轮凸角74。进气凸轮轴70可以包括进气凸轮相位器(未示出)，并且进气门升程机构66可以采取多种形式，包括但不限于传统的或可变的气门升程机构。
排气门升程机构68可形成液压致动的停用气门升程机构，该停用气门升程机构可在多种模式下运行，例如基线模式、IEGR模式和EEVO模式。在本非限制性示例中，排气门升程机构68可以是摇臂的形式，该摇臂包括一对外臂78、包括滚子82的内臂和选择性地将外臂78联接到内臂的锁定机构。锁定机构可以通过供应加压流体在锁定位置和解锁位置之间切换。锁定机构可以固定外臂78，以便在特定模式期间与内臂一起移位，并且可以允许外臂78和内臂在不同模式下相对移位。
排气凸轮轴72可包括与每个外臂78接合的EGR凸轮凸角88和位于成对的EGR凸轮凸角88之间并与内臂接合的排气凸轮凸角90。每个EGR凸轮凸角88可以限定EGR升程区域92，该升程区域92至少部分地与由相应的一个进气凸轮凸角74限定的进气升程区域94周向对齐。排气凸轮凸角90可以限定旋转地偏离EGR升程区域92和进气升程区域94的排气升程区域96。
EGR总成20可包括EGR管线98、位于EGR管线98中的EGR冷却器100和冷却器旁路102、EGR控制阀104和背压控制阀106。EGR管线98可在涡轮增压器40和排气导管48的出口之间的位置从排气导管48延伸至进气系统14，以在进气系统14和排气系统16之间进行连通。
在图1所示的非限制性示例中，EGR控制阀104可以位于EGR管线98的出口处，并且可以控制从EGR管线98到进气系统14的废气再循环流。背压控制阀106可位于排气导管48中，处于EGR管线98和排气导管48的出口之间的位置。在图1所示的非限制性示例中，背压控制阀106位于排气导管48的出口处。DPF 54可位于排气导管48中，处于涡轮增压器40的排气侧58和背压控制阀106之间的位置。上面讨论的布置提供了与低压EGR系统相结合的IEGR系统。
发动机总成10可另外包括与EGR控制阀104和背压控制阀106连通的控制模块108。排气门升程机构68的加压流体供应可包括与控制模块108连通并由控制模块108控制的机油控制阀。应当注意，进气节流阀38也可以与控制模块108连通。
背压控制阀106可用于控制用于IEGR系统和低压EGR系统两者的进气系统14与排气系统16之间的压差，以调节废气在发动机总成10中的再循环。排气门升程机构68和EGR控制阀104可由控制模块108调节，以在发动机运行期间提供期望的废气再循环量。涡轮增压器40的进气节流阀38和可变排气出口60也可用于控制进气系统14和排气系统16之间的压差，以进一步调节发动机总成10中再循环的废气量。在一些布置中，EGR总成20可另外包括旁通通道112和旁通阀114，旁通阀114位于旁通通道112中并与控制模块108连通。旁路通道112可以从排气歧管52延伸到进气道32的位于进气节流阀38和进气歧管36之间的区域，以提供对废气再循环的进一步控制。
EGR凸轮凸角88的EGR升程区域92提供内部废气再循环。IEGR系统可用作高压EGR系统，以消除典型的高压EGR管线和冷却器以及高压EGR冷却器结垢的可能性。
如图2所示，升程区域92、94、96通常可定义为凸轮凸角74、88、90的区域，包括从基圆区域延伸以提供气门升程的凸角顶点。当排气凸轮凸角90的顶点接合排气门升程机构68时，排气门64可以移位到打开位置。当EGR凸轮凸角88的顶点在IEGR模式期间接合排气门升程机构68时，排气门64可以移位到打开位置。当排气门升程机构68以IEGR模式运行时，EGR凸轮凸角88可以提供内部废气再循环。
发动机总成包括与每个气缸22-1、22-2、22-3、22-4的主排气门升程机构68接合的第一EGR凸轮凸角88和第一排气凸轮凸角90。
在本公开的示例性实施例中，用于控制内燃机10中再循环废气温度的方法200在图3中图示。该方法200从框202开始，包括在基线模式下运行内燃机10。参照图4，在非限制性的示例性实施例中，以图形方式示出了气缸22的进气门62和排气门64的打开轮廓。图4中的X轴代表曲轴角度，Y轴代表气门升程。
基线模式包括主排气门打开，如120所示。主排气门打开120包括逐渐打开，随后在排气门的相关气缸22的排气事件期间逐渐关闭。在主排气门打开120期间，排气门64完全打开。如图3所示，排气门64的主气门升程122在完全打开时大约在9mm至10mm之间。在排气之后，进气门62在相关气缸的进气事件期间打开，如124所示。
再次参照图3，并转到框204，控制模块108接收指示发动机运行温度的信号。发动机运行温度可基于发动机冷却液温度、排气温度或发动机机油温度。转到框206，将发动机运行温度与预定的IEGR阈值进行比较。转到框208，如果发动机运行温度大于预定的IEGR阈值，则不采取行动，并且基线控制模式继续。转到框210，如果发动机运行温度低于预定的IEGR阈值，则启动IEGR模式并启动EEVO模式。
参照图5，IEGR模式包括在主排气门打开120之后，在排气门64的相关气缸22的进气事件期间，启动辅助排气门打开126。在辅助排气门打开126期间，当排气门64完全打开时，排气门64的辅助气门升程128开度小于主气门升程122开度的40％。在图5所示的非限制性的示例性实施例中，在辅助排气门打开126期间，排气门64的辅助气门升程128大约在2mm和3mm之间。IEGR增加充电点火能量，以减少碳氢化合物和一氧化碳的排放，并提高排气温度。如进气门升程事件124所示，当相应的进气门62(即同一气缸的进气门)打开时，在IEGR模式期间可能出现完全的辅助排气门打开126。
此外，排气门64在主排气门打开120和辅助排气门打开126之间保持部分地打开，如图5中的127所示。在主排气门打开120和辅助排气门打开126之间不设置排气门64可以减少升程事件的持续时间。这增加了发动机在模式切换时的运行速度范围，并改善了所有转速下的发动机噪声、振动和不平顺性(NVH)特性。
再次参照图5，EEVO模式包括在基线主排气门打开120之前启动主排气门打开120A。与基线模式相比，排气门64提前打开，并保持在完全打开位置，直到关闭。在EEVO模式下的主排气门打开120A期间，排气门64根据与基线模式相同的曲线关闭。在图5所示的非限制性的示例性实施例中，在EEVO模式下，主排气门打开120A比基线模式的主排气门打开120提前大约40-70度，如图5中的130所示。
再次转到框212，控制模块108接收指示发动机运行温度的信号。转到框214，将发动机运行温度与预定的IEGR阈值进行比较。转到框216，如果发动机运行温度大于预定的IEGR阈值，则停用IEGR模式和EEVO模式，并启动基线模式。转到框218，如果发动机运行温度低于预定的IEGR阈值，则发动机继续运行，同时启动IEGR模式和EEVO模式。
通过使用发动机气门机构硬件来实现对基线模式、IEGR模式和EEVO模式的控制，使排气门64在发动机10的进气冲程期间打开。持续时间、正时和流量都可以由气门机构控制。可变几何气门机构能够在基线模式、IEGR模式和EEVO模式之间切换。例如，可变摇臂总成可以基于油压来致动，而油压可以通过机油控制阀来调节。当启动不同的模式时，不同的凸轮凸角将起作用，从而导致不同的气门正时。在示例性实施例中，上述硬件可用于提供IEGR/EEVO控制模式策略，该策略包括在气门曲线、进气流的可变节流、对施加在排气流中背压的控制以及定时喷射系统事件之间进行切换。总而言之，可以设计一种策略来提高排气流温度达到期望的运行温度的速率以及后处理转化效率。
仅在IEGR模式或EEVO模式下运行可改善冷启动排放、后处理效能和冷发动机驾驶性能。其他益处可能包括改善燃油经济性，这是因为减少了将原燃料喷射到排气中以加热NOx后处理系统。IEGR大大提高了预热模式的效能，从而大大改善了预热排放。因此，对于预热，可以单独使用IEGR，从而减少柴油发动机排放。但是，在高负载下可停用IEGR，从而有助于通过EEGR减少烟雾。
与单独使用IEGR或EEVO相比，IEGR和EEVO的结合使用提高了排气温度，并提供了HC和NOx控制，从而提高了发动机/后处理系统的性能。同时使用EEVO和IEGR的协同效果包括：1)提供更高的排气温度，2)通过提高由EEVO引起的再循环气体的温度来改进IEGR，以及3)通过提高由IEGR引起的进气门关闭时的缸内温度来提高EEVO能力。
将EEVO和IEGR结合使用的好处是使柴油发动机能够达到超低排放，而无需使用非常昂贵的后处理配置(例如LNT、PNA催化剂等)，以及快速预热的替代方法(例如eDOC、废气燃烧器等)。
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开主旨的变型均落入本公开的范围内。这种变型不应视为脱离本公开的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于控制内燃机中再循环废气温度的方法，包括：在基线模式下运行内燃机，所述基线模式包括在排气门的相关气缸的排气事件期间启动主排气门打开；
接收指示发动机运行温度的信号；
将所述发动机运行温度与预定的IEGR阈值进行比较；
当所述发动机运行温度低于所述预定的IEGR阈值时，启动IEGR模式，所述IEGR模式包括在所述排气门的相关气缸的进气事件期间启动辅助排气门打开，并且在所述主排气门打开和所述辅助排气门打开之间保持所述排气门部分地打开，并启动EEVO模式；
以及
当所述发动机运行温度大于预定的IEGR阈值时，停用所述IEGR模式并停用所述EEVO模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机运行温度是冷却剂温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机运行温度是排气温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机运行温度是机油温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述排气门在所述主排气门打开期间完全打开，并且在所述辅助排气门打开期间，所述排气门的开度小于40％。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述EEVO模式包括：在所述基线模式的主排气门打开之前启动所述主排气门打开；
保持所述排气门完全打开；以及
根据所述基线模式关闭所述排气门。
7.一种用于控制内燃机中再循环废气温度的方法，包括：在基线模式下运行内燃机，所述基线模式包括在排气门的相关气缸的排气事件期间启动主排气门打开；
接收指示发动机运行温度的信号，其中所述发动机运行温度是冷却剂温度、排气温度和机油温度中的一个；
将所述发动机运行温度与预定的IEGR阈值进行比较；
当所述发动机运行温度低于所述预定的IEGR阈值时，启动IEGR模式，所述IEGR模式包括在所述排气门的相关气缸的进气事件期间启动辅助排气门打开，并且在所述主排气门打开和所述辅助排气门打开之间保持所述排气门部分地打开，并启动EEVO模式；
以及
当所述发动机运行温度大于所述预定的IEGR阈值时，停用所述IEGR模式并停用所述EEVO模式。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述基线模式包括在所述排气门的相关气缸的排气事件期间启动主排气门打开，所述排气门在所述主排气门打开期间完全打开。
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