CN114623002A - 用于预览车辆排放的系统和方法 - Google Patents

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迈克尔·霍普考
米希尔·J·范尼乌斯塔特
布莱恩·劳埃德·富尔顿
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Abstract

本公开提供了“用于预览车辆排放的系统和方法”。描述了用于操作包括后处理系统的发动机的方法和系统。在一个示例中，交通数据和导航系统数据是决定是否增加发动机的热量输出以确保所述后处理系统的操作的基础。具体地，可以调整一个或多个致动器以使燃料消耗最小化和/或减少进给气体排放，同时产生足够的热量以维持后处理系统操作。

Description

用于预览车辆排放的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及车辆发动机，并且更具体地涉及用于操作包括 后处理系统的发动机的方法和系统。
背景技术
排气后处理系统可以包括催化器(例如，氧化催化器或三元催化 器)、选择性催化还原(SCR)催化器和/或用于捕获NOx的稀NOx捕集 器(LNT)。这些后处理系统部件可以在高于环境温度的温度时最高效 地操作。因此，可能希望将这些装置保持在较高温度。然而，车辆可 能在交通中停止较长时间量，使得车辆的发动机空转。空转发动机可 能产生非常少的热量，特别是发动机是柴油发动机的情况。因此，发 动机的后处理系统温度可能降低，从而导致排气尾管排放增加。因此， 可能希望提供一种在发动机空转和低负载状况期间维持或升高发动 机排气温度的方式，使得可以减少发动机排放。
发明内容
本发明人已经认识到上述缺点并且已经开发了一种用于操作发 动机的方法，所述方法包括：根据沿着行驶路线的导航数据和交通数 据来预测包括排气温度曲线的车辆工况；以及调整一个或多个致动器 以提供所请求的排气热量来维持或升高排气温度，并且提供实现目标 排放水平所需的发动机进给气体排放，同时基于预期的车辆速度和发 动机负荷曲线使燃料消耗最小化，所述预期的车辆速度和发动机负荷 曲线基于行驶路线。
通过调整一个或多个发动机致动器以升高发动机排气温度并提 供实现目标排放水平所需的发动机进给气体排放，同时使燃料消耗最 小化，即使在发动机可能空转超过期望时间的状况期间，也可以满足 车辆排放要求。例如，可以经由导航系统确定车辆的地理位置，并且 可以使用车辆的位置来确定道路速度限制、停车要求、道路坡度和车 辆交通状况。可以针对预览视界(例如，沿着车辆的行驶路线的道路 的区段或距离，诸如500米的道路区段)确定这些工况，并且这些工 况可以是用于估计发动机进给气体(例如，离开气缸并且尚未经由后 处理系统处理的发动机排气)排放和发动机排气温度的基础。如果由 于车辆驾驶条件而预期车辆排气尾管排放高于法定排放水平，则可以 在车辆到达发动机具有较小容量来将发动机排气维持在较高温度的 位置之前调整发动机操作，从而当发动机到达发动机具有较小容量来 维持较高进给气体温度的位置时延长后处理装置的高效操作。此外， 可以降低发动机进给气体排放，同时在可能导致较低发动机转速和负 荷的车辆工况期间努力维持发动机燃料效率。例如，可以采取措施来 降低进给气体HC和NOx。
本说明书可以提供若干优点。具体地，所述方法可以减少排气尾 管的排放水平。另外，所述方法可以在维持后处理系统温度的同时使 车辆燃料效率最大化。此外，所述方法可以应用先验数据来估计未来 的发动机工况，使得可以在发动机排放可能增加之前应用缓解动作。
当单独地或结合附图来理解时，根据以下具体实施方式，将容易 明白本说明书的以上优点和其他优点以及特征。
应理解，提供以上发明内容是为了以简化的形式介绍在具体实施 方式中进一步描述的一系列概念。这并不意味着识别所要求保护的主 题的关键或本质特征，所要求保护的主题的范围由具体实施方式之后 的权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或 本公开的任何部分中提及的任何缺点的实现方式。
附图说明
图1示出了示例性发动机的详细示意图；
图2示出了根据图3和图4的方法的示例性发动机操作序列；
图3示出了用于以可以减少排气尾管排放的方式操作发动机的 示例性方法；以及
图4示出了包括本文所述的系统的车辆的示例性操作环境。
具体实施方式
本说明书涉及在高效操作发动机的同时改善车辆排放。在一个示 例中，应用GPS数据和交通数据来对沿着车辆的行驶路线的未来时 间和未来位置处的发动机操作进行建模。建模的发动机操作是用于确 定是否可以在不采取缓解动作的情况下在整个行驶路线中维持排气 后处理系统的效率的基础。如果预期车辆排放在法定限制内，则发动 机可以在没有车辆路线控制调整的情况下继续操作。然而，如果预期 车辆排放超出法定限制，则可以进行发动机控制调整。车辆可以包括 图1所示的发动机系统。所述发动机系统可以根据图2的序列和图3 的方法来操作。可以将所述发动机系统包括在如图4所示在路线上行驶并接收GPS数据和交通数据的车辆中。
参考图1，内燃发动机10(包括多个气缸，图1中示出了其中一 个气缸)由电子发动机控制器12控制。控制器12从图1的各种传感 器接收信号，并采用图1的各种致动器以基于所接收的信号和存储在 控制器的存储器上的指令来调整发动机操作。
发动机10包括燃烧室30和气缸壁32，其中活塞36定位在所述 气缸壁中并连接到曲轴40。气缸盖13紧固到发动机缸体14。燃烧室 30被示出为经由相应的进气门52和排气门54与进气歧管44和排气 歧管48连通。每个进气门和排气门可以通过进气凸轮51和排气凸轮53操作。但是在其他示例中，发动机可以经由单个凸轮轴或推杆操 作气门。进气凸轮51的位置可以由进气凸轮传感器55确定。排气凸 轮53的位置可以由排气凸轮传感器57确定。进气提升阀52可以由 可变气门启用/停用致动器59操作，所述可变气门启用/停用致动器可 以是凸轮驱动的阀操作器(例如，如美国专利第9,605,603号；第 7,404,383号和第7,159,551号中所示，全部所述美国专利出于所有目 的据此以引用的方式完全并入)。同样地，排气提升阀54可以由可变 气门启用/停用致动器58操作，所述可变气门启用/停用致动器可以是 凸轮驱动的阀操作器(例如，如美国专利第9,605,603号；第7,404,383 号和第7,159,551号中所示，全部所述美国专利出于所有目的据此以 引用的方式完全并入)。此外，可以相对于曲轴40调整进气门52和 排气门54的相位，从而相对于曲轴40调整进气门和排气门打开和关 闭位置。对于一个或多个完整的发动机循环(例如，发动机的两转)， 可以将进气提升阀52和排气提升阀54停用并保持在关闭位置，从而 防止流入和流出气缸30，由此停用气缸30。当气缸30被停用时，向 气缸30供应的燃料流也可以停止。
燃料喷射器68被示出为定位在气缸盖13中以将燃料直接喷射到 燃烧室30中，这被本领域技术人员称为直接喷射。燃料由包括燃料 箱26、燃料泵21、燃料泵控制阀25和燃料轨(未示出)的燃料系统输 送到燃料喷射器68。可以通过改变位置阀来调整由燃料系统输送的 燃料压力，所述位置阀调节到燃料泵(未示出)的流量。另外，计量阀 可以位于燃料轨中或附近以用于闭环燃料控制。泵计量阀还可以调节 到燃料泵的燃料流量，从而减少泵送到高压燃料泵的燃料。
发动机进气系统9包括进气歧管44、节气门62、格栅加热器16、 增压空气冷却器163、涡轮增压器压缩机162和进气增压室42。进气 歧管44被示出为与任选的电子节气门62连通，所述电子节气门调整 节流板64的位置以控制来自进气增压室46的气流。压缩机162从进 气增压室42抽吸空气以供应增压室46。压缩机叶片致动器84调整 压缩机叶片19的位置。排气使涡轮164旋转，所述涡轮经由轴161 联接到涡轮增压器压缩机162。在一些示例中，可以提供增压空气冷 却器163。此外，可提供任选的格栅加热器16，以在发动机10冷起动时对进入气缸30的空气进行加温。
可以经由调整涡轮可变叶片控制致动器78或压缩机再循环阀 158的位置来调整压缩机转速。在替代性示例中，废气门79可以替 换涡轮可变叶片控制致动器78，或者除了涡轮可变叶片控制致动器 78之外，还可以使用废气门79。涡轮可变叶片控制致动器78调整可 变几何形状涡轮叶片166的位置。当叶片处于打开位置时，排气可以 穿过涡轮164，供应很少的能量来使涡轮164旋转。当叶片处于关闭 位置时，排气可以穿过涡轮164并在涡轮164上施加增大的力。替代 地，废气门79或旁通阀可以允许排气围绕涡轮164流动，以便减少 供应到涡轮的能量的量。压缩机再循环阀158允许压缩机162的出口 15处的压缩空气返回到压缩机162的入口17。替代地，可以调整压 缩机可变叶片致动器78的位置，以改变压缩机162的效率。通过这 种方式，压缩机162的效率可以降低，以便影响压缩机162的流量并降低压缩机喘振的可能性。此外，通过使空气返回到压缩机162的入 口，可以增加对空气执行的功，从而升高空气的温度。空气在箭头5 的方向上流到发动机10中。
在该示例中，发动机10是柴油发动机。然而，在其他示例中， 发动机10可以包括火花塞(未示出)，并且它可以燃烧汽油而不是柴 油。
飞轮97和环形齿轮99联接到曲轴40。起动机96(例如，低电压 (以小于30伏操作)电机)包括小齿轮轴98和小齿轮95。小齿轮轴98 可以选择性地使小齿轮95前进以接合环形齿轮99，使得起动机96 可以在发动机转动起动期间使曲轴40旋转。起动机96可以直接安装到发动机的前部或发动机的后部。在一些示例中，起动机96可以经 由皮带或链条选择性地向曲轴40供应扭矩。在一个示例中，当未接 合到发动机曲轴时，起动机96处于基本状态。可以经由人机界面(例 如，钥匙开关、按钮、远程射频发射装置等)69或响应于车辆工况(例如，制动踏板位置、推进工作踏板位置、电池SOC等等)请求发动机 起动。导航系统8可以向控制器12提供车辆位置信息数据、道路坡 度数据和车辆海拔数据。导航系统8可以从卫星接收全球定位数据， 如图1所示。交通信息系统3可以提供交通数据，包括但不限于在与 当前车辆的位置不同的位置处的其他车辆的速度、交通量、危险、延 误、施工等。
当燃料经由燃烧室温度达到被喷射到气缸30的燃料的自动点火 温度而自动点燃时，在燃烧室30中引发燃烧。气缸中的温度随着活 塞36接近上止点压缩冲程而升高。可以经由后处理系统89处理排气， 所述后处理系统可以包括如本文所述的传感器和排放控制装置。在一 些示例中，通用排气氧(UEGO)传感器126可以在排放装置71的上游 联接到排气歧管48。在其他示例中，UEGO传感器可以位于一个或 多个排气后处理装置的下游。此外，在一些示例中，UEGO传感器可 以由具有NOx感测元件和氧感测元件两者的NOx传感器替换。
在较低的发动机温度下，任选的电热塞66可以将电能转换成热 能，以便在燃烧室30中的喷射器的一个燃料喷雾锥形体旁边产生热 点。通过在燃烧室30中燃料喷雾旁边产生热点，可以更容易点燃气 缸中的燃料喷雾羽流，释放在整个气缸中传播的热量，升高燃烧室中 的温度，并改善燃烧。可以经由任选的压力传感器67测量气缸压力， 替代地或另外，传感器67也可以感测气缸温度。
排放装置71可以包括氧化催化器，并且其后可以是选择性催化 还原(SCR)催化器或其他排气后处理装置。后处理系统89还可以包括 柴油排气催化器(DEC)73和柴油微粒过滤器(DPF)86。DEC 73可以 定位在DPF 86的上游，使得在DPF再生(例如，DPF内的烟粒的氧化)期间可以将来自DEC 73的热量传递到DPF 86。在其他示例中， LNT可以放置在73或86处。排气在箭头7所示的方向上流动。
后处理系统89还包括根据排气流的方向定位在喷射器142的上 游的温度传感器140和氧传感器141。后处理系统89还包括下游氧 传感器143、第一下游温度传感器144和第二下游温度传感器145。 喷射器可以喷射来自箱26的还原剂(例如，柴油燃料)。喷射器142两端的排气空燃比差可以通过从由氧传感器143感测的空燃比减去 经由氧传感器141感测的空燃比来确定。在一些示例中，氧传感器 143可以定位在DPF 86的下游。替代地，喷射器142两端的排气氧 浓度差可以通过从由氧传感器143感测的氧浓度减去经由氧传感器 141感测的氧浓度来确定。DEC 73两端的温度差可以通过从温度传 感器140观察到的温度减去温度传感器144观察到的温度来确定。另 外，DEC 73和DPF 86两端的温度差可以通过从温度传感器140观察 到的温度减去温度传感器145观察到的温度来确定。
可以经由高压排气再循环(EGR)系统83向发动机提供EGR。高 压EGR系统83包括阀门80、EGR通道81和EGR冷却器85。EGR 阀80是阻止或允许排气从排放装置71的上游流动到压缩机162下游 的发动机进气系统中的位置的阀。EGR可以经由穿过EGR冷却器85 进行冷却。EGR还可以经由低压EGR系统75来提供。低压EGR系 统75包括EGR通道77和EGR阀76。低压EGR可以从DPF 86的 下游流到压缩机162上游的位置。低压EGR系统75可以包括EGR 冷却器74。另外，可以经由排气门54和进气门52的打开时间的重 叠来提供EGR。
控制器12在图1中被示出为常规的微计算机，包括：微处理器 单元102、输入/输出端口104、只读存储器(例如，非暂时性存储 器)106、随机存取存储器108、保活存储器110和常规的数据总线。 只读存储器106可以包括执行特定发动机控制功能(例如，燃料喷射 控制、EGR控制、排放控制)的多个软件模块106a。控制器12被示 出为除了接收先前讨论的那些信号之外还从联接到发动机10的传感 器接收各种信号，包括：来自联接到冷却套筒114的温度传感器112 的发动机冷却剂温度(ECT)；联接到推进工作踏板130的用于感测由 人脚132调整的踏板位置的位置传感器134；来自联接到进气歧管44 的压力传感器121的发动机歧管压力(MAP)的测量值(替代地或另外， 传感器121可以感测进气歧管温度)；来自压力传感器122的增压压 力；来自氧传感器126的排气氧浓度；来自感测曲轴40位置的霍尔 效应传感器118的发动机位置传感器；来自传感器120(例如，热线式 空气流量计)的进入发动机的空气质量的测量值；以及来自传感器58 的节气门位置的测量值。也可以感测大气压力(传感器未示出)以供控 制器12处理。在本说明书的优选方面中，曲轴每旋转一圈，发动机位置传感器118产生预定数量的等距脉冲，据此可以确定发动机转速 (RPM)。
在操作期间，发动机10内的每个气缸通常经历四冲程循环：所 述循环包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。在进气冲程 期间，一般来说，排气气门54关闭并且进气气门52打开。空气经由 进气歧管44被引入到燃烧室30中，并且活塞36移动到气缸的底部， 以便增大燃烧室30内的容积。活塞36靠近气缸的底部并且处于其冲 程末端(例如，当燃烧室30处于其最大体积时)的位置通常被本领域技 术人员称为下止点(BDC)。在压缩冲程期间，进气门52和排气门54 关闭。活塞36朝向气缸盖移动，以便压缩燃烧室30内的空气。活塞 36处于其冲程的结束并最靠近气缸盖时(例如，当燃烧室30处于其最 小容积时)的点典型地被本领域的技术人员称为上止点(TDC)。在下文 称为喷射的过程中，燃料被引入到燃烧室中。在一些示例中，可以在 单个气缸循环期间向气缸喷射燃料多次。
在下文称为点火的过程中，喷射的燃料通过压缩点火而点燃，从 而导致燃烧。在膨胀冲程期间，膨胀的气体将活塞36推回到BDC。 曲轴40将活塞移动转换成旋转轴的旋转扭矩。最后，在排气冲程期 间，排气门54打开以将燃烧的空气-燃料混合物释放到排气歧管48， 并且活塞返回到TDC。注意，以上仅作为示例进行描述，并且进气 门和排气门打开和/或关闭正时可以变化，诸如以提供正或负气门重 叠、迟进气门关闭或各种其他示例。此外，在一些示例中，可以使用 二冲程循环而不是四冲程循环。
因此，图1的系统提供了一种发动机系统，所述发动机系统包括： 导航系统；交通信息系统；内燃发动机，所述内燃发动机包括致动器； 后处理系统，所述后处理系统联接到所述内燃发动机；和控制器，所 述控制器包括：存储在非暂时性存储器中的可执行指令，所述可执行 指令使所述控制器从所述交通监测系统接收数据、从所述导航系统接 收数据、对后处理系统的温度进行建模并且根据来自所述导航系统的 所述数据和来自所述交通监测系统的所述数据对排气尾管排气排放 进行建模；以及用于以下操作的可执行指令：根据来自所述导航系统 的所述数据、来自所述交通监测系统的数据以及响应于所建模的排气尾管排气排放不小于阈值排放的所建模的最大排气加热动作，对排气 尾管排气排放进行建模。
另外，所述发动机系统还包括用于以下操作的附加指令：响应于 所述建模的排气尾管排气排放不小于阈值排放水平，经由执行最大排 气加热动作来升高所述内燃发动机的排气温度。增加排气加热可以减 少进给气体和/或排气尾管排放。所述发动机系统包括：其中执行最 大排气加热动作包括延迟燃料喷射正时、提前排气门打开正时以及增 加喷射到内燃发动机的燃料量。另外，所述发动机系统还包括用于以 下操作的附加指令：响应于所述建模的排气尾管排气排放小于阈值排 放水平，使排气加热动作和内燃发动机的燃料消耗最小化。所述发动 机系统包括：其中经由延迟燃料喷射正时来升高排气温度。所述发动 机系统包括：其中经由调整排气门正时来升高排气温度。所述发动机 系统包括：其中调整排气门正时包括提前排气门打开正时。所述发动 机系统包括：其中所建模的排气尾管排气排放物包括NOx。所述发 动机系统还包括：其中所建模的排气尾管排气排放包括HC。
现在转向图2，示出了用于响应于所建模的预期发动机行为而调 整发动机操作的示例性预示序列。图2的序列可以经由图1的系统和 图3的方法来提供。图2的操作序列可以经由图1的系统执行根据图3的方法的存储在非暂时性存储器中的指令来提供。竖直标记t0-t6 表示序列期间的感兴趣时间。图2中的所有曲线图在时间上对准并且 同时发生。
自图2顶部起的第一曲线图是发动机进给气体排气温度对时间 的曲线图。竖直轴线表示发动机进给气体排气温度，并且发动机进给 气体排气温度在竖直轴线箭头的方向上增加。水平轴线表示时间，并 且时间从曲线图的左侧向曲线图的右侧增加。曲线202表示所建模的 标称发动机进给气体排气温度，并且所建模的标称发动机进给气体排 气温度是在图2所示的正时之前确定的。曲线203表示当前发动机进 给气体排气温度或当基于所建模的发动机进给气体排气温度和排放 调整发动机操作时的进给气体排气温度。水平线250表示发动机排气 后处理系统中的氧化催化剂的起燃温度(例如，后处理系统中的装置 可以实现阈值效率水平时的温度)。
自图2的顶部起的第二曲线图是排气尾管NOx流率对时间的曲 线图。竖直轴线指示排气尾管NOx流率(例如，离开车辆的NOx流 率)，并且排气尾管NOx流率沿竖直轴线箭头的方向增加。水平轴线 表示时间，并且时间从曲线图的左侧向曲线图的右侧增加。曲线204表示所建模的标称排气尾管NOx流率，并且所建模的标称排气尾管 NOx是在图2所示的正时之前确定的。曲线205表示当前排气尾管 NOx或基于所建模的发动机进给气体排气温度和排放来调整发动机 操作时的排气尾管NOx。线252表示NOx流率阈值。当NOx流率高 于阈值252时，发动机NOx排放可能不满足法定水平。
自图2的顶部起的第三曲线图是所建模的排气尾管HC流率对时 间的曲线图。竖直轴线指示排气尾管HC流率(例如，离开车辆的HC 流率)，并且排气尾管HC流率沿竖直轴线箭头的方向增加。水平轴 线表示时间，并且时间从曲线图的左侧向曲线图的右侧增加。曲线206表示所建模的标称排气尾管HC流率，并且所建模的标称排气尾 管HC流率是在图2所示的正时之前确定的。曲线207表示当前排气 尾管HC或基于所建模的发动机进给气体排气温度和排放来调整发动 机操作时的排气尾管HC。线254表示HC流率阈值。当HC流率高 于阈值254时，发动机HC排放可能不满足法定水平。
自图2顶部起的第四曲线图是发动机燃料喷射正时对时间的曲 线图。竖直轴线表示发动机燃料喷射正时，并且燃料喷射正时沿竖直 轴线箭头的方向提前。水平轴线表示时间，并且时间从曲线图的左侧 向曲线图的右侧增加。线208指示发动机燃料喷射正时。
自图2的顶部起的第五曲线图是发动机EGR量对时间的曲线图。 竖直轴线表示发动机EGR量，并且发动机EGR量沿竖直轴线箭头的 方向增加。水平轴线表示时间，并且时间从曲线图的左侧向曲线图的 右侧增加。线210表示发动机EGR量。
在时间t0，所建模的标称排气温度处于较高水平，并且所建模的 标称排气尾管NOx处于较低水平。燃料喷射正时提前并且发动机 EGR量处于中间水平。当前发动机排气温度遵循所建模的排气温度。 当前排气尾管NOx遵循所建模的标称排气尾管NOx。当前排气尾管 HC遵循所建模的标称排气尾管HC。当车辆处于巡航速度时，可能 存在此类状况。
在时间t1，响应于在较早时间确定的所建模的标称发动机进给气 体温度，调整发动机致动器以升高发动机进给气体温度。通过升高进 给气体温度，可以在发动机达到预期降低发动机负荷的状况之前升高 后处理部件的温度，使得后处理部件可以保持高于起燃温度。在该示 例中，燃料喷射正时延迟并且EGR量增加。在汽油发动机中，火花 正时也可能延迟。排气尾管NOx和HC保持在较低水平，并且由于 延迟的燃料喷射正时，发动机进给气体温度开始升高。
在时间t2，发动机负荷减小(未示出)并且所建模的标称发动机进 给气体温度开始下降。当前发动机进给气体温度开始下降，但其处于 比所建模的标称发动机进给气体温度更高的水平。所建模的标称排气 尾管NOx和当前排气尾管NOx处于较低水平。所建模的标称排气尾 管HC和当前排气尾管HC处于较低水平。燃料喷射正时延迟并且 EGR量增加以保持提高当前发动机排气温度。
在时间t2与时间t3之间，所建模的和当前的发动机进给气体温 度下降，但是当前进给气体温度保持高于阈值250。通过维持发动机 进给气体温度高于阈值250，当前排气尾管NOx和HC水平保持较低。 燃料喷射正时延迟并且EGR量处于较高水平。所建模的标称排气尾 管NOx高于阈值252，并且所建模的标称排气尾管HC高于阈值254。 由于当前发动机进给气体温度高于阈值250，因此当前排气尾管NOx 低于阈值252并且当前排气尾管HC低于阈值254。
在时间t3，发动机负荷增加(未示出)并且所建模的标称发动机进 给气体温度开始升高。当前发动机进给气体温度开始升高并且其保持 高于阈值250。由于所建模的发动机进给气体温度已经处于可以使后 处理系统部件冷却的较低水平，因此所建模的标称排气尾管NOx处 于较高水平。由于当前发动机进给气体温度高于阈值250，因此当前 排气尾管NOx处于较低水平。由于所建模的进给气体温度已经处于 可以使后处理系统冷却的较低水平，因此所建模的标称排气尾管HC 处于较高水平。由于当前进给气体排气温度保持高于阈值250，因此 当前排气尾管HC较低。由于升高的进给气体温度保持当前发动机排 气温度提高到阈值250以上，因此燃料喷射正时开始提前并且EGR 量开始减小。因此，使发动机进给气体温度升高的发动机致动器返回 到它们的基础位置。
在时间t3与时间t4之间，所建模的和当前的发动机进给气体温 度升高到高于阈值250的水平。当前的排气尾管NOx和HC水平保 持较低，并且所建模的排气尾管NOx和HC减少。燃料喷射正时延 提前并且EGR量减小。
在时间t4，响应于在较早时间确定的所建模的标称发动机进给气 体温度，第二次调整发动机致动器以升高发动机进给气体温度。具体 地，燃料喷射正时延迟并且EGR量增加。响应于在时间t4与时间t5 之间发生的所建模的标称发动机进给气体温度，其中所建模的发动机 进给气体温度下降到低于阈值250，而调整燃料喷射正时和EGR量。 当前排气尾管NOx和HC保持在较低水平，并且由于延迟的燃料喷 射正时，因此发动机进给气体温度开始升高。
在时间t4与时间t5之间，由于发动机在较低负荷(未示出)下操 作，所建模的标称发动机进给气体温度下降并且当前发动机进给气体 温度升高。当前发动机进给气体温度保持高于阈值250。燃料喷射正 时延迟并且EGR量处于较高水平。所建模的标称排气尾管NOx升高 到阈值252以上的水平，并且所建模的标称排气尾管HC升高到阈值 254以上的水平。由于当前发动机进给气体温度高于阈值250，因此 当前排气尾管NOx保持处于阈值252以下并且当前排气尾管HC保 持处于阈值254以下。
在时间t5，发动机负荷增加(未示出)并且所建模的标称发动机进 给气体温度开始上升。当前发动机进给气体温度也开始上升。所建模 的标称排气尾管NOx处于较高水平，并且当前NOx处于较低水平。 由于当前发动机进给气体温度较高，因此当前NOx处于较低水平。 所建模的标称排气尾管HC也处于较高水平，并且当前排气尾管HC 处于较低水平。由于当前发动机进给气体温度较高，因此当前HC处 于较低水平。燃料喷射正时开始提前以改善燃料经济性并且EGR量 开始减少。
在时间t5与时间t6之间，所建模的和当前的发动机进给气体温 度升高，并且它们处于阈值250以上的水平。燃料喷射正时延提前并 且EGR量减少。所建模的标称排气尾管NOx减少到阈值252以下的 水平，并且所建模的标称排气尾管HC减少到阈值254以下的水平。 由于当前发动机进给气体温度高于阈值250，因此当前排气尾管NOx 低于阈值252并且当前排气尾管HC低于阈值254。
在时间t6，发动机负荷再次减小(未示出)并且所建模的标称发动 机进给气体温度在时间t6之后不久开始降低。燃料喷射正时开始延 迟并且EGR量开始增加。当前发动机进给气体温度开始升高并且其 保持高于阈值250。所建模的标称排气尾管NOx处于低于阈值252 的水平。同样地，当前排气尾管NOx处于低于阈值252的水平。所 建模的标称排气尾管HC处于小于阈值254的较低水平。类似地，当 前排气尾管HC小于阈值254。
因此，在发动机达到可能导致车辆排放恶化的状况之前，可以基 于所建模的发动机行为(例如，排气进给气体温度、排气尾管NOx和 排气尾管HC)来对发动机致动器进行调整，使得车辆排放可以满足法 定水平。例如，在发动机达到发动机负荷较低的状况之前，可以调整 发动机致动器以提高发动机排气进给气体温度，使得后处理装置温度 可以升高，从而延长后处理系统可以更高效的时段。
现在参考图3，示出了用于操作车辆和发动机的方法。图3的方 法可以作为可执行指令存储在诸如图1所示的系统中的控制器的非 暂时性存储器中。图3的方法可以并入到图1的系统中并且可以与所 述系统协作。此外，图3的方法的部分可以经由控制器将物理世界中 的装置和致动器的操作状态进行变换来执行。控制器可以根据下面描 述的方法采用发动机系统的发动机致动器来调整发动机操作。此外， 方法300可以如下所述根据传感器输入来确定选定的控制参数。
在302处，方法300获得车辆的行驶路线数据。车辆的驾驶员可 以将目的地地址输入到导航系统8中，所述导航系统从一个或多个卫 星接收全球定位数据。导航系统8可以将行驶路线分成多个路段或预 览从车辆的当前位置到车辆的目的地的视界。行驶路线数据可以包括 沿着行驶路线的道路的特定区段的道路坡度值、沿着行驶路线的道路 的特定区段的海拔数据、交通标志/信号位置以及沿着行驶路线的道 路的特定区段的速度限制。确定了路线数据的路段可以在车辆的当前 位置的前面或前方。方法300前进到304。
在304处，方法300将行驶路线数据转换成预期或建模的发动机 转速和负荷值。在一个示例中，方法300基于行驶路线数据和已知的 车辆操作特性来估计沿着车辆的行驶路线的发动机转速和负荷值。例 如，方法300可以经由对模型的函数调用来预测或估计沿着车辆行驶 路线的位置处的发动机转速和负荷。所述模型可以包括将发动机操作 描述为车辆速度和力的函数的函数和/或表，以供车辆实现的标示速 度限制。函数和表中的数据可以以经验确定。例如，方法300可以将 车辆速度、道路坡度和换挡计划(例如，根据车辆速度和推进踏板位 置限定接合哪个变速器挡位)输入到返回变速器挡位的函数中。然后 可以根据变速器挡位、车辆速度和道路坡度来确定发动机转速和负 荷。在一个示例中，方法经由以下方程式确定特定路段的发动机转速 和负荷：
gear＝f1(road_grade，speed_limit，vehicle_mass，shift_schedule)
(Eng_speed，Eng_load)＝f2(road_grade，speed_limit，vehicle_mass，altitude，gear)
其中gear是被预报或预测要在行驶路线的特定路段或预览视界 处接合的变速器挡位，road_grade是行驶路线的特定路段处的道路坡 度，speed_limit是车辆可以在特定路段上行驶的最大速度， vehicle_mass是车辆的质量，shift_schedule是定义针对特定路段预报 哪个变速器挡位换挡计划，f1是返回变速器挡位号的函数，Eng_speed 是发动机转速，Eng_load是发动机负荷，f2是返回发动机转速和负荷 的函数，并且altitude是车辆在行驶路线的特定路段处的海拔。可以 以经验确定函数f1和f2中存储的值并将其存储在控制器存储器中的 表或函数中。方法300在构成车辆的行驶路线的多个路段的发动机转 速和负荷之后前进到306。
在306处，方法300针对标称发动机操作(例如，尚未根据从导 航系统接收的车辆的行驶路线数据修改的发动机操作)对车辆的行驶 路线中的多个路段的发动机进给气体温度、排气尾管NOx和排气尾 管HC进行估计或建模。在一个示例中，方法300经由以下函数确定 发动机进给气体温度：
Engine_fg_temp_n
＝f3(Eng_speed，Eng_load，Eng_T，afr_n，inj_t_n，Ev_t_n，In_t_n，spk_t_n，EGR，boost)
其中Engine_fg_temp_n是特定车辆行驶路线段的标称发动机进 给气体温度，f3是返回标称发动机进给气体温度值的函数，Eng_speed 是特定车辆行驶路线段处的发动机转速，Eng_load是特定车辆行驶路 线段处的发动机负荷，Eng_T是特定车辆行驶路线段处的发动机温 度，并且afr_n是汽油发动机的发动机的标称空燃比(例如，14.7)， inj_t_n是发动机的标称燃料喷射正时(例如，未针对路况进行调整时 的喷射开始正时和喷射结束正时)；Ev_t_n是发动机的标称排气门正 时(例如，未针对路况进行调整时的打开正时和关闭正时)，In_t_n是 发动机的标称进气门正时(例如，未针对路况进行调整时的打开正时 和关闭正时)，spark_t_n是汽油发动机的发动机的标称火花正时(例 如，未针对路况进行调整时的火花正时)，EGR是排气再循环量，并 且增压是增压压力量。
在一个示例中，方法300经由以下函数来确定后处理系统温度：
After_T_temp_n＝f4(Eng_speed，Eng_load，Engine_fg_temp_n，vspd，Tenv)
其中After_T_temp_n是针对特定车辆行驶路线段的后处理系统 的标称温度，f4是返回标称后处理温度值的函数，vspd是车辆速度， 并且Tenv是环境温度，并且其他变量如前所述。包括车辆速度和环 境温度以补偿可能由于车辆速度引起的热量损失。
在一个示例中，方法300经由以下函数确定排气尾管NOx：
Tail_NOx_n
＝f5(Eng_speed，Eng_load，After_T_temp_n，Eng_T，afr-n，inj_t_n，Ev_t_n，In_t_n，spark_t_n)
其中Tail_NOx_n是排气尾管NOx(例如，离开排气系统的NOx) 的标称量，f5是返回标称排气尾管NOx量的函数，并且其他变量如 前所述。
在一个示例中，方法300经由以下函数确定排气尾管HC：
Tail_HC_n
＝f6(Eng_speed，Eng_load，After_T_temp_n，Eng_T，afr-n，inj_t_n，Ev_t_n，In_t_n，spark_t_n)
其中Tail_HC_n是排气尾管HC(例如，离开排气系统的HC)的标 称量，f6是返回标称排气尾管HC量的函数，并且其他变量如前所述。 方法300前进到308。
在308处，方法300判断预定值SF乘以标称排气尾管HC排放 值和标称排气尾管NOx排放值是否小于NTE排放值(例如，X HC和 Y NOx，其中X和Y取决于排放管辖区的法定排放水平)。如果是这 样，则答案为是，并且方法300前进到退出，使得不根据来自车辆的 所建模的NOx和HC排放来改变针对行驶路线的特定路段的发动机 操作。如果不是这样，则答案为否并且方法300前进到310。
在310处，方法300模拟最大进给气体排气热量增加和进给气体 排放减少。方法300可以经由调整一个或多个致动器来模拟最大进给 气体排气热量增加，使得为行驶路线的特定路段提供最大进给气体排 气热量。例如，方法300可以通过调整燃料喷射正时延迟、汽油发动 机的火花正时延迟和排气门打开正时延迟来模拟最大进给气体排气 热量。
方法300还可以经由调整一个或多个致动器来模拟发动机进给 气体排放减少措施以减少发动机进给气体排放。最大排放减少可以经 由以下方程式来确定：
Engine_fg_temp_m
＝f7(Eng_speed，Eng_load，Eng_T，afr_m，inj_t_m，Ev_t_m，In_t_m，spk_t_m)
其中Engine_fg_temp_m是特定车辆行驶路线段的最大发动机进 给气体温度，f7是返回最大发动机进气温度值的函数，Eng_speed是 特定车辆行驶路线段处的发动机转速，Eng_load是特定车辆行驶路线 段处的发动机负荷，Eng_T是特定车辆行驶路线段处的发动机温度， 并且afr_m针对最大排气温度的发动机空燃比，inj_t_m是针对最大 进给气体排气温度的发动机燃料喷射正时(例如，针对最大排气温度 的喷射开始正时和喷射结束正时)；Ev_t_m是针对最大排气温度的发 动机排气门正时，In_t_m是针对最大排气温度的发动机进气门正时， spark_t_m是针对汽油发动机的最大排气温度的发动机火花正时(例如，未针对路况进行调整时的火花正时)。
在一个示例中，方法300经由以下函数来确定最大后处理系统温 度：
After_T_temp_m＝
f8(Eng_speed，Eng_load，Engine_fg_temp_m，afr_m，inj_t_m，spk_t_m，Eng_T，Ev_t_m，In_t_m)
其中After_T_temp_m是针对特定车辆行驶路线段的后处理系统 的最大温度轨迹，f8是返回特定车辆路线段的最大后处理温度值的函 数，并且其他变量如前所述。
在一个示例中，方法300经由以下函数确定最小排气尾管NOx：
Tail_NOx_m
＝f9(Eng_speed，Eng_load，After_T_temp_m，afr_m，spk_t_m，Eng_T，Ev_t_m，In_t_m)
其中Tail_NOx_m是排气尾管NOx(例如，离开排气系统的NOx) 的最小量，f9是返回最小排气尾管NOx量的函数，并且其他变量如 前所述。
在一个示例中，方法300经由以下函数确定最小排气尾管HC：
Tail_HC_m
＝f10(Eng_speed，Eng_load，After_T_temp_m，afr_m，spk_t_m，Eng_T，Ev_t_m，In_t_m)
其中Tail_HC_m是排气尾管HC(例如，离开排气系统的HC)的最 小量，f10是返回最大排气尾管HC量的函数，并且其他变量如前所 述。
在312处，方法300判断预定值SF乘以最小排气尾管HC排放 值和最小排气尾管NOx排放值是否小于NTE排放值(例如，X HC和 Y NOx，其中X和Y取决于排放管辖区的法定排放水平)。如果是这 样，则答案为是，并且方法300前进到314。如果不是这样，则答案 为否，并且方法300前进到313。因此，如果有机会优化排气热量增 加以满足NTE排放，则方法300前进到314。如果不是这样，则方 法300前进到313以强调排放减少。
在313处，方法300产生发动机进给气体排气温度的最大排气热 量增加，并且经由升高发动机进给气体排气温度和后处理装置温度来 减少进给气体排放。具体地，方法300可以延迟燃料喷射正时、延迟 排气门正时、调整发动机空燃比、调整汽油发动机的发动机火花正时 以及调整进气门正时。方法300前进到退出。
在314处，方法300对优化过程进行求解，所述优化过程受制于 预定数量SF乘以HC的所估计的排气尾管排放，以及所述预定数量 SF乘以NOx的所估计的排气尾管排放。在一个示例中，优化过程可 以通过以下优化方程式来描述：
最小化(U(t))J＝m_fuel
条件为：NOx约束≤NTE*s.f.
条件为：HC约束≤NTE*s.f.
(Eng_T，afr_m，inj_t_m，Ev_t_m，In_t_m，spk_t_m)＝f11(Eng_speed，Eng_load)
方法300前进到315。
在315处，方法300根据314处的优化结果来调整发动机致动器 以操作发动机。方法300前进到退出。
以这种方式，可以根据车辆被预期沿着行驶路线操作的方式来调 整发动机的操作以满足法定排放水平。可以在车辆到达沿着行驶路线 的实际进行致动器调整的位置之前确定用于实现期望的排放水平和 燃料经济性的发动机致动器调整，使得可以在车辆到达发动机输出减 小的位置之前使后处理系统升温，使得车辆排放可以保持在较低水 平。
因此，方法300提供了一种用于操作发动机的方法，所述方法包 括：根据沿着行驶路线的导航数据和交通数据来预测包括排气温度曲 线的车辆工况；以及根据实现目标排放水平所需的发动机进给气体排 放，调整致动器以提供所请求的排气热量来维持或升高排气温度，同 时基于根据行驶路线的预期的车辆速度和发动机负荷曲线使燃料消 耗最小化。所述发动机方法包括：其中所述致动器是燃料喷射器。所 述发动机方法包括：其中所述致动器是EGR阀。所述发动机方法包 括：其中所述致动器是凸轮。所述发动机方法包括：其中所述致动器 是涡轮增压器。所述发动机方法包括：其中在车辆工况是其中后处理 装置温度降低的车辆工况之前增加所请求的排气热量。所述发动机方 法包括：其中所述后处理装置温度降低的车辆工况包括发动机空转状 况或车辆速度减小的情况。
另外，图3的方法提供了一种用于操作发动机的方法，所述方法 包括：根据沿着行驶路线的导航数据和交通数据来预测包括排气温度 曲线的标称车辆工况；根据所述预测的标称车辆工况来预测车辆排 放；响应于所述预测的车辆排放不小于阈值排放，预测最大热管理轨 迹；以及响应于根据所述最大热管理轨迹确定的车辆排放水平而经由 发动机产生最大排气热量增加。所述方法包括：其中经由延迟燃料喷 射正时来产生所述最大排气热量增加。所述方法包括：其中经由提前 排气门打开正时来产生所述最大排气热量增加。所述方法还包括：在 所述车辆排放水平小于阈值水平的条件下使燃料消耗最小化。所述方法包括：其中为预定行驶路线提供所述导航数据。
现在转向图4，示出了其中可以应用图3的方法和图1的系统的 示例性环境。车辆402可以沿着经由图1所示的导航系统8确定的预 定行驶路线452行驶。预定行驶路线452可以包括目的地450和车辆 的当前位置。车辆的当前位置可以通过经由卫星404和408提供的全 球定位数据来确定。车辆402还可以经由固定交通数据天线406接收 交通数据。车辆402可以包括图1所示的可以包括图4的方法的发动 机和后处理系统。
应当注意，本文所包括的示例性控制和估计程序可以与各种发动 机和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和程序可以作 为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可以由包括控制器的控 制系统结合各种传感器、致动器和其他发动机硬件来执行。此外，所 述方法的部分可以是在现实世界中采取的用于改变装置状态的物理 措施。本文所述的具体程序可以表示任何数目的处理策略(诸如事件 驱动的、中断驱动的、多任务的、多线程的等)中的一种或多种。因 此，所示的各种措施、操作和/或功能可以按所示的顺序执行、并行 执行，或者在一些情况下被省略。同样，处理顺序不一定是实现本文 所述的示例性示例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述 而提供的。所示的措施、操作和/或功能中的一者或多者可以根据所 使用的特定策略而重复地执行。此外，所述措施、操作和/或功能可 以图形表示被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非 暂时性存储器中的代码，其中所述措施通过在包括各种发动机硬件部 件的系统中结合电子控制器执行指令来执行。如果需要，可以省略本 文中所描述的方法步骤中的一者或多者。
应理解，本文所公开的配置和程序本质上是示例性的，并且这些 具体示例不应被视为具有限制含义，因为众多变型是可能的。例如， 上述技术可以应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类 型。本公开的主题包括本文中公开的各种系统和配置以及其他特征、 功能和/或性质的所有新颖的且非明显的组合和子组合。
所附权利要求特别地指出被视为新颖且非显而易见的某些组合 和子组合。这些权利要求可以指代“一个”要素或“第一”要素或其等同 物。这些权利要求应理解为包括一个或多个此类要素的结合，既不要 求也不排除两个或更多个此类要素。所公开特征、功能、元件和/或 性质的其他组合和子组合可以通过修正本权利要求或通过在此申请 或相关申请中呈现新的权利要求来要求保护。此类权利要求与原始权 利要求相比无论在范围上更宽、更窄、等同或不同，都被视为包括在 本公开的主题内。

Claims (15)

1.一种用于操作发动机的方法，其包括：
根据沿着行驶路线的导航数据和交通数据来预测包括排气温度曲线的车辆工况；以及
根据实现目标排放水平所需的发动机进给气体排放，调整致动器以提供所请求的排气热量来维持或升高排气温度，同时基于根据行驶路线的预期的车辆速度和发动机负荷曲线使燃料消耗最小化。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述致动器是燃料喷射器。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述致动器是排气再循环(EGR)阀。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述致动器是凸轮。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述致动器是涡轮增压器。
6.如权利要求1所述的方法，其中在车辆工况是其中后处理装置温度降低的车辆工况之前增加所述请求的排气热量。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述后处理装置温度降低的车辆工况包括发动机空转状况或车辆速度减小的情况。
8.一种发动机系统，其包括：
导航系统；
交通信息系统；
内燃发动机，所述内燃发动机包括致动器；
后处理系统，所述后处理系统联接到所述内燃发动机；以及
控制器，所述控制器包括：存储在非暂时性存储器中的可执行指令，所述可执行指令使所述控制器从所述交通监测系统接收数据、从所述导航系统接收数据、对后处理系统的温度进行建模并且根据来自所述导航系统的所述数据和来自所述交通监测系统的所述数据对排气尾管排气排放进行建模；以及用于以下操作的可执行指令：根据来自所述导航系统的所述数据、来自所述交通监测系统的数据以及响应于所建模的排气尾管排气排放不小于阈值排放的所建模的最大排气加热动作，对排气尾管排气排放进行建模。
9.如权利要求8所述的发动机系统，其还包括用于以下操作的附加指令：响应于所述建模的排气尾管排气排放不小于阈值排放水平，经由执行最大排气加热动作来升高所述内燃发动机的排气温度。
10.如权利要求9所述的发动机系统，其中执行最大排气加热动作包括延迟燃料喷射正时、提前排气门打开正时以及增加喷射到所述内燃发动机的燃料量。
11.如权利要求9所述的发动机系统，其还包括用于以下操作的附加指令：响应于所述建模的排气尾管排气排放小于阈值排放水平，使排气加热动作和所述内燃发动机的燃料消耗最小化。
12.如权利要求11所述的发动机系统，其中经由延迟燃料喷射正时来升高所述排气温度。
13.如权利要求11所述的发动机系统，其中经由调整排气门正时来升高所述排气温度。
14.如权利要求13所述的发动机系统，其中调整排气门正时包括提前排气门打开正时。
15.如权利要求9所述的发动机系统，其中所建模的排气尾管排气排放物包括NOx。
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