CN117108383A - 用于控制电子压缩机和电子催化器以减少来自内燃机的排放的方法 - Google Patents

用于控制电子压缩机和电子催化器以减少来自内燃机的排放的方法 Download PDF

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Abstract

在具有包括电加热催化器(E‑cat)和电子压缩机(独立的或电子涡轮增压器的一部分)的排放控制系统的内燃机系统中，一种用于操作排放控制系统的方法包括预测发动机的冷启动即将发生，响应于预测激活E‑cat和电子压缩机，以及在变化时监视E‑cat的特征参数Pe。在E‑cat被激活的同时，调节电子压缩机速度Nc以与变化的Pe成比例地变化。如果没有发动机启动发生，则E‑cat被解激活，并且速度Nc被调节以跟踪变化的Pe。

Description

用于控制电子压缩机和电子催化器以减少来自内燃机的排放 的方法
技术领域
本申请总体上涉及内燃机(ICE)系统，并且更具体讲，涉及具有催化处理设备的发动机系统，该催化处理设备用于减少释放到大气中的发动机排气中的不期望组分的排放。
背景技术
当催化处理设备在足够高的温度下操作以活化或“点燃”催化器时，它们对于减少排放是有效的。然而，在发动机的冷启动之后，最初催化器远低于其起燃温度，因此在减少排放方面是无效的。为此，已知在系统中采用电子催化器或“E-cat”，通常作为在主催化处理设备上游的附加组件。E-cat包括紧邻电加热器布置的催化器。加热器可以被开启以快速加热催化器，目的是足够快速地达到起燃温度以有效地减少冷启动后立即产生的排气的排放。在一些情况下，E-cat可以在发动机启动后保持活动一段短时间，以便帮助主催化器更快地达到其操作温度。
还已知的是，给这种发动机系统配备附加的或辅助空气泵(SAP)，该空气泵将空气吹过E-cat以将由电加热器产生的热量通过催化器分布。理想的是，当驾驶员准备启动发动机时，SAP和E-cat应甚至在ICE点火发生之前就被激活，使得到发动机实际启动时，E-cat(和/或主催化器)将接近或处于其起燃温度。为此，可以采用各种传感器和控制逻辑方案来预测发动机将被立刻启动。
SAP和E-cat的这种使用对于帮助控制冷启动后的排放是有效的。然而，在本领域中仍然需要用于调节SAP和E-cat的运行以优化系统的排放减少效果的改进策略。
发明内容
根据本发明的一个实施例，描述了一种用于操作内燃机(ICE)的废气系统中的辅助排放控制系统的方法。该辅助排放控制系统包括E-cat，该E-cat包括设置在基板上的催化器和邻近该催化器的电加热设备，并且还包括电子压缩机，该电子压缩机包括与用于可转动地驱动压缩机的电动机可操作地耦合的压缩机。该方法包括以下步骤：
接收命令以激活所述辅助排放控制系统；
在接收到所述命令时，激活所述E-cat的电加热设备并且激活所述电子压缩机以向所述E-cat供应空气；
当电加热设备加热催化器时，监视作为时间的函数的E-cat的特征参数Pe；以及
在所述电加热设备被激活的同时，以响应于Pe的变化而改变Nc的方式调节所述电子压缩机的速度Nc。
在一些实施例中，该方法还可包括接收命令以解激活(deactivate)辅助排放控制系统并相应地解激活E-cat的步骤。当E-cat的电加热设备被解激活的同时，以响应于Pe的变化而改变Nc的方式调节电子压缩机的速度Nc。
在检测到Pe已经达到预定下阈值时，该方法可以包括使电子压缩机的速度Nc斜降(ramp)到零的步骤。
可以以各种方式导出E-cat参数Pe。在一些实施例中，参数可以是至少部分地基于E-cat的输入功率与从激活E-cat开始经过的时间之间的预定关系而计算的E-cat温度Te。预定关系也可以是环境温度的因素，并且通常取决于E-cat的特性。替代地，参数可以是E-cat电阻(电压除以电流)。
作为使用电子压缩机速度Nc的替选方案，该方法可以采用电子压缩机扭矩Q作为控制变量。
附图说明
已经概括地描述了本公开，现在请参考附图，附图不一定按比例绘制，并且其中：
图1是具有电子涡轮增压器和E-cat的一个发动机系统的图解描绘，示出了根据本发明的实施例的配置成用于辅助排放控制系统的启动前激活的系统；
图2是大致类似于图1的发动机系统的图解描绘，但具有常规涡轮增压器加上用于将空气供应至E-cat的电子压缩机，示出了根据本发明的实施例的配置成用于辅助排放控制系统的启动前激活的系统；
图3是描绘根据本发明的一个实施例的E-cat温度和电子压缩机速度特性的曲线图；以及
图4是示出了根据本发明的一个实施例的用于操作排放控制系统的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考上述附图更详细地描述本公开，附图描绘了本公开所属的(一个或多个)发明的一些但不是全部实施例。这些发明可以以各种形式实施，包括这里没有明确描述的形式，并且不应被解释为局限于这里描述的特定示例性实施例。在以下描述中，相同的标号始终表示相同的要素。
图1示出了本发明的方法可以应用于其中的一个示例性发动机系统。该系统包括内燃机ICE和电子涡轮增压器ET，该电子涡轮增压器ET包括通过公共轴彼此连接的电子压缩机EC和涡轮T，使得当发动机运转时涡轮驱动压缩机并将排气供给到涡轮。电子涡轮增压器还包括可操作地耦合到相同的公共轴的电动机M，使得在一些操作条件下，可以激活马达以驱动压缩机C，或者在发动机运行的情况下帮助驱动压缩机，使得涡轮供应驱动压缩机的一些动力。因此，压缩机C和马达M被统称为电子压缩机EC。压缩机接收环境空气，压缩环境空气，并将其供应到发动机的进气歧管IM，以供应到发动机的气缸中。可选地，压缩空气可以在进入歧管之前通过增压空气冷却器CAC。当发动机运行时，来自气缸的排气被收集在排气歧管EM中，排气从排气歧管EM被馈送到涡轮T。该系统还可以包括废气门WG，其可操作以用于当废气门打开时使来自发动机的一些排气绕过涡轮。在通过(和/或绕过)涡轮之后，排气通过具有催化器的主后处理设备AT，该催化器用于将排气的不期望的成分转化成诸如二氧化碳和水的产物。
图1的系统还包括包含E-cat的辅助排放控制系统，即，包括设置在大表面面积基板(例如，蜂窝结构)上的催化器20以及紧邻催化器的电加热设备30的设备。加热设备的激活使E-cat的催化器被加热。当催化器达到其起燃温度时，然后它对于处理排气是有效的。典型地，E-cat与主后处理设备AT串联，正好位于主设备的上游。辅助排放控制系统还包括电子压缩机EC和设置在连接在来自压缩机的主空气管和发动机排气系统之间的管线40中的辅助空气喷射(SAI)阀SV。打开SAI阀可以使来自电子压缩机的压缩空气被注入到发动机的排气系统中，诸如注入到图1所示的排气歧管中，或者替代地注入到涡轮机上游或下游的排气系统(未示出)中。在发动机启动之前，SAI阀和废气门WG(如果存在)可以打开，并且电子压缩机可以被激活，使得电子压缩机对空气加压并供应其通过SAI管线40和排气歧管EM，然后如图1中的箭头所示通过废气门进入排气管线，其馈送到E-cat中。在一些系统中，特别是具有电子涡轮的那些系统中，可以没有任何废气门。涡轮机的操作可以通过调节电子涡轮来完成。也可以采用具有用于涡轮调节的可变涡轮喷嘴的涡轮。
图1的系统还包括连接到E-cat的加热器30、马达M、SAI阀SV和废气门WG的控制器CNTR。控制器被编程有机器可读指令，用于通过发送到E-cat加热器、马达、SAI阀和废气门(或可变涡轮喷嘴)中的每一个的控制信号来执行本发明的方法的步骤，以控制这些设备的操作。
当发动机从冷态启动时(称为发动机的“冷启动”)，因为主后处理设备的催化器低于催化器变得有效的温度(所谓的“起燃温度”)，所以发动机的排放是有问题的。在发动机启动之后需要相当长的时间以使来自发动机的排气将主催化器加热到其起燃温度。在这个时间段期间，从尾管排出的排放物可能会远高于期望的。辅助排放控制系统是有利的，因为它可以比主后处理设备更快地达到其起燃温度。
本申请涉及用于操作辅助排放控制系统以实现现有技术控制方法所未知的益处的方法。在具有E-cat的现有技术发动机系统中，空气通常是由独立的辅助空气泵(SAP)供应给E-cat的，该辅助空气泵以恒定速度(因此恒定体积流率)运行，或者在一些情况下以恒定功率(因此可变体积流率，因为压力变化)运行。流向E-cat的空气流通过可变阀来调节。对于典型的阀来说，阀的开度和通过阀的空气流率之间的关系是高度非线性的。因此，使用用于空气流率调节的阀难以精确地实现。
根据本发明的方法采用了一种电子压缩机，该电子压缩机可控制以通过调节电子压缩机的电动机而在可变速度下运行。由于空气的体积流率与压缩机速度成比例，因此可以相当精确地实现速度控制，并且因此空气流率控制可以非常精确。另外，本发明的方法采用了压缩机速度简档，其以有利的方式促进了E-cat的催化器的快速加热。
参考图3，示出了根据本发明的一个实施例的压缩机速度简档。上面的图显示了作为时间的函数的催化器温度，并且下面的图显示了电子压缩机速度。上方的虚线表示催化器对处理排气变得有效的目标高温。当E-cat开启时，催化器温度首先迅速升高。跟踪该温度升高，控制电子压缩机，使得其速度与催化器温度的升高成比例地升高。在一段短时间之后，催化器温度的增加速率就降低，并且作为响应，压缩机速度的增加速率也成比例地减小。在图3所示的情况下，发动机从未启动(例如，驾驶员用钥匙离开车辆，而不启动发动机)；一旦E-cat达到目标高温，E-cat就关闭，并且催化器的温度开始下降。相应地，调节电子压缩机速度以与温度降低成比例地降低。上图中的下虚线表示目标低温。当催化器达到低温目标时，电子压缩机速度随后迅速斜降至零，并且SAI阀和废气门关闭。
当然，如果驾驶员实际启动了发动机而E-cat被激活，则一旦E-cat温度达到高温目标，E-cat和电子压缩机可以被解激活，SAI阀可以被关闭，并且根据用于涡轮增压发动机系统的常规控制方案，电子涡轮增压器或电子压缩机的控制可被返回到主发动机控制单元。在一些情况下，E-cat可以在发动机启动后保持活性一段短时间以帮助主催化器的加热。
本发明不限于使用图1所示的电子涡轮增压器。图2示出了其中可以实施本发明的一种替代的发动机系统。在发动机系统的第二实施例中，采用了独立的电子压缩机EC，并且涡轮增压器TC是仅由排气驱动的常规涡轮增压器。电子压缩机包括与电动机M耦合的第二压缩机。与第一实施例类似，来自电子压缩机的加压空气可以通过打开SAI阀SV而注入到发动机排气系统中，然后通过打开废气门WG而馈送到E-cat。控制器连接到SAI阀、电子压缩机的马达、废气门阀和E-cat加热器。根据图2的系统的操作在其它方面是与第一实施例的操作基本相同的。
图4是示出根据本发明的一个实施例的方法的步骤的流程图。在步骤100中，用于辅助排放控制系统的控制器从主ECU接收命令以激活辅助空气喷射。作为响应，控制器在步骤102中激活E-cat和电子压缩机。如前面结合图3所述，E-cat将开始加热。在步骤104中，连续监视E-cat的温度，如下面进一步所述。在步骤106，调节电子压缩机的速度以跟踪E-cat的升高的温度。换句话说，电子压缩机速度的增加是与E-cat温度的增加成比例的。在步骤108中，询问当前E-cat温度是否等于目标高温，在该目标高温下E-cat变得对处理排气有效。目标高温存储在控制器的存储器中。如果温度还没有达到目标，则例程返回到步骤104。周期性地重复监视和检查步骤104和108，直到E-cat温度达到高目标值，于是在步骤110，控制器解激活E-cat。然后E-cat温度降低(假定发动机在过渡期间尚未启动)，并且步骤112指示控制器监视E-cat的降低的温度。在步骤114，控制器调节电子压缩机速度以跟踪E-cat的降低的温度。步骤116指示控制器查询E-cat温度是否已经达到较低的目标值，该目标值是存储在控制器的存储器中的预定值。如果温度还没有降低到较低的目标值，则控制返回到步骤112，并且重复步骤112-114。一旦E-cat温度达到较低目标，在步骤118，根据存储在存储器中的斜降调度(schedule)，电子压缩机的速度斜降至零。
用于指示根据本发明实施例的方法的步骤的控制器CNTR可以是任何装置，诸如以硬件、软件或硬件和软件的组合体现的设备或电路，其被配置成执行如这里描述的控制器的对应功能。在一些实施例中，控制器可以被配置成通过识别发动机状况来增强关于涡轮增压器和辅助空气喷射操作的ECU能力，在所述发动机状况下，要采取行动以经由涡轮增压器和辅助排放控制系统的组合行动来激活辅助排放控制系统和/或增强发动机增压。这样，在一个示例性实施例中，控制器可以仅向ECU提供附加功能。然而，在一些实施例中，控制器可以是与ECU分离的单元(即，图中所示的控制单元CNTRL可以不包括ECU，但可以与ECU通信)。
控制器包括存储器设备。该存储器设备可以包括例如易失性和/或非易失性存储器。存储器设备可以被配置成存储用于使装置能够根据本发明的示例性实施例执行各种功能的信息、数据、应用、模块、指令等。例如，存储器设备可被配置成缓存用于由控制器的处理器处理的输入数据。附加地或替代地，存储器设备可被配置成存储对应于应用的指令以供由控制器的处理器执行。
如上所述，控制器的处理器可以是ECU的处理器或协处理器或单独控制器的处理器。处理器可以以多种不同的方式来体现。例如，处理器可以被体现为处理元件、协处理器、控制器或各种其他处理装置或设备，包括集成电路，诸如例如ASIC(专用集成电路)、FPGA(现场可编程门阵列)、硬件加速器等。在一个示例性实施例中，处理器可被配置成执行存储在存储器设备中或者以其他方式处理器可访问的指令。这样，无论是通过硬件或软件方法配置的，还是通过其组合配置的，处理器可以表示能够在被相应地配置时执行根据本发明的实施例的操作的实体。因此，例如，当处理器被体现为ASIC、FPGA等时，处理器可以是用于执行这里描述的操作的专门配置的硬件。替代地，作为另一示例，当处理器被体现为软件指令的执行器时，指令可以具体地配置处理器以执行本文描述的算法和/或操作，如果不是针对由指令提供的具体配置，则处理器可以另外是通用处理元件。然而，在一些情况下，处理器可以是特定设备(例如，ECU)的处理器，其适于通过由用于执行本文所述的算法和/或操作的指令(例如，通过添加控制器)进一步配置处理器来采用本发明的实施例。
无论以何种方式配置和实现控制器，都可以用机器可读指令来对其进行编程，以供处理器使用来执行本发明的方法的步骤。
根据本发明的方法需要监视变化的E-cat温度。可以采用各种技术来评估E-cat温度。可以对E-cat进行数学建模，以便基于到加热器的输入功率、环境温度、时间以及E-cat的物理和热传递特性，经由计算技术来计算E-cat温度。替代地，可以经验地导出E-cat温度和加热器的输入功率之间的时间相关关系，该关系考虑了环境温度和可能的其它因素，并基于所述关系计算E-cat温度。本发明不局限于用于确定E-cat温度的任何特定的技术。
本领域技术人员基于本公开应当可以认识到，在不脱离本文描述的发明概念的情况下，可以对本文描述的发明进行修改和做出其他实施例。这里使用的特定术语是用于解释的目的而不是限制的目的。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，并且修改和其它实施例意图被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种用于操作内燃机(ICE)的排气系统中的辅助排放控制系统的方法，所述辅助排放控制系统包括电子催化器，所述电子催化器包括催化器和邻近所述催化器的电加热设备，并且所述辅助排放控制系统还包括电子压缩机，所述电子压缩机包括压缩机，所述压缩机与用于可转动地驱动所述压缩机的电动机可操作地耦合，所述电子压缩机布置成将空气供应至所述电子催化器，所述方法包括以下步骤：
接收命令以激活所述辅助排放控制系统；
在接收到所述命令时，激活所述电子催化器的所述电加热设备并且激活所述电子压缩机；
当电加热设备加热催化器时，监视作为时间的函数的电子催化器的特征参数Pe；
在所述电加热设备被激活的同时，以响应于Pe的变化而改变Nc的方式调节所述电子压缩机的速度Nc。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
接收第二命令以解激活所述辅助排放控制系统；
在接收到所述第二命令时，解激活所述电加热设备；
在所述电子催化器冷却时监视作为时间的函数的所述E-cat的特征参数Pe；以及
在所述电加热设备被解激活的同时，以响应于Pe的变化而改变Nc的方式调节所述电子压缩机的速度Nc。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在检测到Pe已达到预定下阈值时使所述电子压缩机的速度Nc斜降至零的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述监视步骤包括至少部分地基于到所述电子催化器的输入功率与从激活所述电子催化器起经过的时间之间的预定关系来计算Pe。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特征参数Pe包括所述电子催化器的温度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特性参数Pe包括电压除以到所述电子催化器的输入电流。
7.一种用于操作内燃机(ICE)的排气系统中的辅助排放控制系统的方法，所述辅助排放控制系统包括电子催化器，所述电子催化器包括催化器和邻近所述催化器的电加热设备，并且所述辅助排放控制系统还包括电子压缩机，所述电子压缩机包括压缩机，所述压缩机与用于可转动地驱动所述压缩机的电动机可操作地耦合，所述电子压缩机布置成将空气供应至所述电子催化器，所述方法包括以下步骤：
接收命令以激活所述辅助排放控制系统；
在接收到所述命令时，激活所述电子催化器的所述电加热设备并且激活所述电子压缩机；
当电加热设备加热催化器时，监视作为时间的函数的电子催化器的特征参数Pe；
在所述电加热设备被激活的同时，以响应于Pe的变化而改变Q的方式调节所述电子压缩机的扭矩Q。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：
接收第二命令以解激活所述辅助排放控制系统；
在接收到所述第二命令时，解激活所述电加热设备；
在所述电子催化器冷却时监视作为时间的函数的所述电子催化器的特征参数Pe；以及
在所述电加热设备被停用的同时，以响应于Pe的变化而改变Q的方式调节所述电子压缩机的扭矩Q。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括在检测到Pe已经达到预定下阈值时使所述电子压缩机的扭矩Q斜降至零的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述监视步骤包括至少部分地基于到所述电子催化器的输入功率与从激活所述电子催化器起经过的时间之间的预定关系来计算Pe。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述特征参数Pe包括所述电子催化器的温度。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述特性参数Pe包括电压除以到所述电子催化器的输入电流。
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