本发明总体涉及用于通过在发动机起动期间将水喷射到发动机进气装置内来控制排气催化剂温度的方法和系统。
背景技术：
发动机排放控制系统可以包括一种或更多种排气催化剂，诸如三元催化剂、NOx存储催化剂、起燃催化剂和SCR催化剂。在催化剂起燃温度(例如，工作温度)下，排气催化剂可以氧化和还原排气中的成分，由此将排气中的有毒气体和污染物转换为较低毒性的污染物或惰性成分，然后该较低毒性的污染物或惰性成分被释放到大气内。作为一个示例，当在400℃与600℃之间进行工作时，三元催化剂将活性氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物(HC)转换成诸如双原子氮(N2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)的惰性成分。然而，在发动机的冷起动期间，当排气催化剂的温度在起燃温度以下时(例如，三元催化剂温度降至400℃之下时)，排气催化剂可能不能有效地处理排气的活性成分，并且因此，冷起动排放物会增加，并且排气中的有毒成分会被直接释放到大气内。
一种减少冷起动排放物的方法是减少排气催化剂达到起燃温度所花费的时间。因此，为了加快获得催化剂起燃温度，发动机系统可以包括加热器泵和/或催化剂加热器以预热主排气催化剂。Parise在美国专利第5,968,456号中提供了这种发动机系统的一个示例。在其中，在车辆冷起动期间，热电式发电机被用作热泵来加热排气催化剂基底，以减少排气催化剂起燃的时间。以此方式，排气催化剂更快地达到工作温度，由此减少车辆起动时的污染排放物的量。
然而，发明人在此已经认识到这种系统的潜在问题。作为一个示例，为了在车辆冷起动期间加热排气催化剂的唯一目的而添加热电式发电机会增加制造成本。此外，此类系统可能增加发动机系统的封装要求和复杂性。在一些情况下，这些额外的加热器可能增加排气背压。增加的排气背压可能导致增加的泵送功、降低的进气歧管升压压力，引起汽缸扫气和燃烧效果，并且进一步导致涡轮增压器问题。
技术实现要素：
在一个示例中，上述问题可以通过一种方法来解决，该方法包含：在冷起动期间，基于排气催化剂的温度将水喷射到发动机的进气装置内。就此而言，水喷射系统可能已经存在于发动机系统中，以冷却进气歧管中的空气充气，减少爆震，控制排气温度，并且用于发动机稀释。发明人已经认识到，在冷起动期间使用现有的水喷射系统将水喷射到进气歧管内以增加排气内的水浓度是可能的。通过增加被喷射到进气歧管内的水量，水可以被积聚在排气催化剂的多孔材料内。因此，排气催化剂内部的水可以被用来在排气催化剂内产生热。以此方式，可以减少催化剂起燃时间，并且可以满足排放顺应性要求而无需任何额外的成本。
作为一个示例，当排气催化剂温度在阈值温度以下时，少量的水(例如，薄雾)可以被喷射到进气歧管内。随着发动机转速增加并且达到阈值转速(例如，起动转动转速)，更多水可以被喷射到进气歧管内，并且因此排气中的水浓度会开始增加。在此，排气中的水分子会开始被积聚并且被存储在排气催化剂的多孔材料中。被存储在排气催化剂中的水分子的动量会开始增加。将水存储在排气催化剂中的技术效果是被存储在排气催化剂中的水分子的动量可以被转换为排气催化剂内的热能。因此，排气催化剂会开始升温。另外，被存储在排气催化剂的多孔材料中的水可以提供额外的容量以存储排气热。增加的动量和增加的容量可以配合在一起，导致迅速地加热排气催化剂。因此，可以减少排气催化剂达到起燃温度所花费的时间(或催化剂起燃时间)。通过减少催化剂起燃时间，可以减少冷起动排气排放物。总体来说，水喷射的益处可以在更宽范围的发动机工况内延伸，由此改善发动机效率。
应当理解，提供以上发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围由随附的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1描绘了被配置用于水喷射的发动机系统的示意图。
图2描绘了用于使用发动机系统的水喷射系统来实现爆震控制、稀释要求和排气温度控制中的一个或更多个的示例方法的流程图。
图3描绘了根据本公开的用于在当排气催化剂温度低于阈值温度时的发动机冷起动期间将水喷射到发动机系统的进气装置内的示例方法的流程图。
图4示出了根据本公开的在发动机冷起动期间被应用以减少催化剂起燃时间的水喷射调整的预测示例。
具体实施方式
以下描述涉及用于在发动机冷起动期间使用被耦接到如参考图1的车辆系统所描述的车辆发动机的水喷射系统将排气催化剂加热到起燃温度的系统和方法。控制器可以被配置为执行控制程序(诸如图2的示例程序)，以在正常的发动机操作期间激活水喷射系统来控制爆震、用于发动机稀释以及控制排气温度。此外，在排气催化剂温度在阈值以下时的发动机冷起动期间，控制器可以被配置为执行控制程序(诸如图3的示例程序)，以使用水喷射系统喷射水来加热排气催化剂。在本文中，控制器可以基于发动机转速、排气催化剂温度和被存储在排气催化剂的多孔材料中的水的水平中的一个或更多个来调整被喷射到进气装置内的水量，如图4所示。以此方式，排气催化剂温度可以在发动机冷起动期间被迅速地增加到催化剂起燃温度，因此减少冷起动排放物。
图1示出了配置有水喷射系统60的发动机系统100的示例实施例。发动机系统100耦接在示意性示出的机动车辆102中。发动机系统100包括发动机10，所述发动机10在本文中被描绘为耦接到涡轮增压器13的升压发动机，所述涡轮增压器13包括由涡轮116驱动的压缩机14。具体地，新鲜空气经由空气净化器31沿进气通道142被引入发动机10并且流到压缩机14。该压缩机可以是合适的进气压缩机，诸如马达驱动的或驱动轴驱动的机械增压器压缩机。在发动机系统100中，该压缩机被显示为经由轴19机械地耦接到涡轮116的涡轮增压器压缩机，所述涡轮116由膨胀的发动机排气驱动。在一个实施例中，压缩机和涡轮可以耦接在双涡流式涡轮增压器内。在另一实施例中，涡轮增压器可以是可变几何涡轮增压器(VGT)，其中涡轮几何形状根据发动机转速和其它工况主动地改变。
如图1所示，压缩机14通过增压空气冷却器(CAC)118耦接到节流阀(例如，进气节气门)20。CAC可以是例如空气-空气或空气-冷却剂热交换器。节流阀20耦接到发动机进气歧管122。热压缩空气充气从压缩机14进入CAC 118的入口，当其行进通过CAC时冷却，然后穿过节流阀20退出到进气歧管122。在图1所示的实施例中，进气歧管内的空气充气的压力由歧管绝对压力(MAP)传感器124感测，并且升压压力由升压压力传感器24感测。压缩机旁通阀(未示出)可以串联耦接在压缩机14的入口和出口之间。压缩机旁通阀可以是常闭阀，其被配置为在选择的工况下打开以减轻过量的升压压力。例如，响应于压缩机喘振，可以打开压缩机旁通阀。
进气歧管122通过一系列的进气门(未示出)和进气流道(例如，进气道)185耦接到一系列的燃烧室或汽缸180。如图1所示，进气歧管122被布置在发动机10的所有燃烧室180的上游。可以包括诸如歧管充气温度(MCT)传感器33和空气充气温度(ACT)传感器25的附加传感器，以确定进气通道中相应位置处的进气空气的温度。例如，空气温度可以进一步与发动机冷却剂温度结合使用以计算输送到发动机的燃料量。
每个燃烧室还可以包括用于识别和区分异常燃烧事件(诸如爆震和提前点火)的爆震传感器183。在替代实施例中，一个或更多个爆震传感器183可以耦接到发动机缸体的所选择的位置。
燃烧室经由一系列排气门(未示出)进一步耦接到排气歧管136。燃烧室180被汽缸盖182盖住并且耦接到燃料喷射器179(虽然图1中仅示出一个燃料喷射器，但是每个燃烧室包括与其耦接的燃料喷射器)。可以由包括燃料箱、燃料泵以及燃料轨的燃料系统(未示出)将燃料输送到燃料喷射器179。燃料喷射器179可以被配置为用于将燃料直接喷射到燃烧室180中的直接喷射器，或者被配置为将燃料喷射到燃烧室180的进气门上游的进气道中的进气道喷射器。
在所描绘的实施例中，示出了单个排气歧管136。但是，在其它实施例中，排气歧管可以包括多个排气歧管节段。具有多个排气歧管节段的配置可以使来自不同燃烧室的流出物能够被引导到发动机系统中的不同位置。通用排气氧(UEGO)传感器126被显示为耦接到涡轮116上游的排气歧管136。可替代地，双态排气氧传感器可以代替UEGO传感器126。
如图1所示，来自一个或更多个排气歧管节段的排气被引导到涡轮116以驱动涡轮。当期望减小的涡轮扭矩时，一些排气可以代替地被引导通过废气门(未示出)，从而绕过涡轮。来自涡轮和废气门的组合流然后流动通过排放控制装置170。根据工况，一些排气可以代替地被转向到排气再循环(EGR)通道151、通过EGR冷却器50和EGR阀152到压缩机14的入口。以此方式，压缩机被配置成允许从涡轮116的下游捕集排气。可以打开EGR阀152以允许受控量的冷却的排气到压缩机入口，用于期望的燃烧和排放控制性能。以此方式，发动机系统100适于提供外部低压(LP)EGR。除了发动机系统100中的相对较长的LP EGR流动路径之外，压缩机的旋转也提供了进入进气充气中的排气的极好的均匀化。此外，EGR起始(take-off)点和混合点的置位(disposition)提供有效的排气冷却，以用于增加的可用EGR质量和增加的性能。在其它实施例中，EGR系统可以是具有EGR通道151的高压EGR系统，EGR通道151从涡轮116的上游连接到压缩机14的下游。在一些实施例中，MCT传感器33可以被定位成用于确定歧管充气温度，其中所述充气可以包括空气和通过EGR通道151再循环的排气。
进气歧管122可以进一步包括进气氧传感器34。在一个示例中，该氧传感器是UEGO传感器。进气氧传感器可以被配置为提供关于在进气歧管中接收的新鲜空气的氧含量的估计。此外，当EGR正在流动时，该传感器处的氧浓度变化可以被用来推测EGR量，并且被用于准确的EGR流量控制。在所描绘的示例中，氧传感器34被定位在节气门20的下游并且在增压空气冷却器118的下游。然而，在替代实施例中，氧传感器可以被定位在节气门的上游。进气氧传感器34可以被用于估计进气氧气浓度，并且基于EGR阀152打开后的进气氧浓度的变化来推测通过发动机的EGR流量。同样地，进气氧传感器34可以被用于估计进气氧浓度，并且基于进气歧管水喷射后进气氧浓度的变化来推测发动机稀释或进气湿度的变化。
燃烧室180还经由水喷射系统60接收水和/或水蒸汽。来自水喷射系统60的水可以由水喷射器45-48中的一个或更多个喷射到发动机进气装置中，或直接喷射到燃烧室180中。作为一个示例，水可以经由水喷射器45喷射到节气门20上游的进气歧管122中。作为另一示例，可以经由水喷射器46在节气门下游的一个或更多个位置处将水喷射到进气歧管122中。作为另一示例，可以经由水喷射器48将水喷射到一个或更多个进气流道(例如，进气道)185中(在本文中也被称为进气道(port)水喷射)，以及/或者经由水喷射器47将水直接喷射到燃烧室180中(在本文中也被称为直接水喷射)。
尽管图1中仅示出了一个代表性的喷射器47和喷射器48，但是每个燃烧室180和进气流道185可以包括其自己的喷射器。在替代实施例中，水喷射系统60可以包括定位在这些位置中的一个或更多个位置处的水喷射器。例如，在一个实施例中，发动机可以仅包括水喷射器46。在另一实施例中，发动机可以包括水喷射器46、水喷射器48(每个进气流道有一个)和水喷射器47(每个燃烧室有一个)中的每一个。如参考图2和图3描述的那样，可以基于发动机工况(例如，爆震、稀释要求、排气温度控制和排气催化剂温度)为每个水喷射器选择不同的水喷射参数(诸如水喷射量、正时、脉冲速率等)。
水喷射系统60可以包括贮水箱63、水提升泵62、收集系统72和充水通道69。储存在水箱63中的水经由水通道61和管道或管路161被输送到水喷射器45-48。在包括多个喷射器的实施例中，水通道61可以包含阀162(例如，分流阀、多通阀、比例阀等)，以经由对应的管道将水引导到不同的水喷射器。可替代地，每个管道(或水管路)161可以包括在水喷射器45-48内的相应的阀，用于调整从其中通过的水流量。除了水提升泵62之外，还可以在管道161中提供一个或更多个附加的泵，用于对被引导到喷射器的水进行加压(诸如在耦接到直接水喷射器47的管道中)。
贮水箱63可以包括水位传感器65和水温传感器67，这些传感器可以将关于水状况的信息转送到控制器12。例如，在冷冻状况下，水温传感器67检测箱63中的水是冷冻的还是可用于喷射。在一些实施例中，发动机冷却剂通道(未示出)可以与贮存箱63热耦接以解冻冷冻的水。由水位传感器65识别的储存在水箱63中的水的水位可以被传达给车辆操作者和/或用来调整发动机操作。例如，可以使用车辆仪表板(未示出)上的水位表或指示器来传达水位。如果水箱63中的水位高于阈值水位，则可以推断有足够的水可用于喷射，因此控制器可以启用水喷射。否则，如果水箱63中的水位低于阈值水位，则可以推测出可用于喷射的水不足，因此控制器可以禁用水喷射。
在所描绘的实施例中，贮水箱63可以经由充水通道69手动地重新填充，和/或经由水箱填充通道76由收集系统72自动地重新填充。收集系统72可以耦接到一个或更多个车辆部件74，使得贮水箱能够用从各种发动机或车辆系统收集的冷凝物在车辆上重新填充。在一个示例中，收集系统72可以与EGR系统和/或排气系统耦接以收集从该系统通过的排气冷凝的水。在另一个示例中，收集系统72可以与用于从通过蒸发器的空气冷凝的收集水的空调系统(未示出)耦接。在又一示例中，收集系统72可以与外部车辆表面耦接，以收集雨水或大气冷凝物。手动填充通道69可以流体耦接到过滤器68，该过滤器可以去除包含在水中的一些杂质。诸如当水的质量被认为低于阈值并且不适合于喷射到发动机内时(例如，由于高电导率、高微粒物质含量)，包括排水阀91的排水管92可以被用来将水从贮水箱63排放到车辆外部的位置(例如，道路上)。在一个示例中，可以基于在水管路61中耦接到水喷射系统60的传感器的输出来评价水的质量。例如，可以基于电导率传感器、电容传感器、光学传感器、混浊度传感器、密度传感器或一些其他类型的水质量传感器的输出来评价水质量。
如之前描述的，来自涡轮116和废气门(未在图1中示出)的排气流过排放控制装置170。一般来说，一个或更多个排放控制装置170可以包括一种或更多种排气后处理催化剂，所述排气后处理催化剂被配置为催化地处理排气流，并且由此减少排气流中的一种或更多种物质的量。
来自排放控制装置170的所有或一部分经处理的排气可以经由排气管道35被释放到大气内。排放控制装置170可以是柴油微粒过滤器(DPF)、三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、NOx催化剂、各种其他排放控制装置或其组合。作为一个示例，装置170可以是选择性催化还原(SCR)系统，其进行操作以通过将还原剂(诸如尿素)引入到排气流内来还原NOx排放物。排放控制装置170也可以被称为排气催化剂，并且可以进一步包括可被用于确定排气催化剂的温度的温度传感器171。
在发动机冷起动期间，(例如由温度传感器171确定的)排气催化剂的温度可能在阈值温度以下。在一个示例中，阈值温度可以是催化剂起燃温度。阈值温度也可以被称为期望温度。如之前描述的，当排气催化剂温度在起燃温度以下时，排气催化剂会不能有效地处理排气的成分。因此，未处理的排气可能被释放到大气中。发明人已经认识到，通过激活水喷射系统60将水喷射到进气歧管122内来迅速地将排气催化剂的温度增加到起燃温度会是可能的。
作为一个示例，当排气催化剂温度低于催化剂起燃温度时，水喷射器45-48中的一个或更多个可以被激活以将水喷射到进气装置内。初始时，所喷射的水量可以是很少的(例如，薄雾)，使得发动机不为水淹没。此后，当发动机转速增加时，经由水喷射器喷射的水量可以被增加。
增加被喷射到进气装置内的水量的效果是双重的。首先，增加所喷射的水量可以增加排气中的水浓度，并且可以使得水被存储在排气催化剂的多孔材料内。因此，排气催化剂可以包括陶瓷单体制作的芯体以及具有多孔蜂巢状结构的基底，并且水可以积聚在多孔蜂巢状结构中。随着水被积聚在排气催化剂内，排气催化剂内的水分子的动量可以被转换为热能。结果，排气催化剂可以被迅速地加热。下面示出的数学等式解释了水分子的动量如何被转换为热能。
例如，被喷射到发动机内的水蒸气的总能量由动能和内能组成，并且可以在数学上表示为如下所示的等式(1)：
(1)总能量＝动能+内能
其中排气内的水分子的动能源于系统的平动能(translational energy)。另外，排气内的水分子的内能归因于导致平动能、转动能和振动能的其所有个体分子的运动。
作为存储内能的手段，水是具有所有三种类型的运动(平动、转动和振动)的三原子元素。系统的平动能(例如，来自一起移动的水分子的整个系统的能量)可以在数学上表示为如下所示的等式(2)：
(2)
其中m是水的总质量(m＝M*n，其中M是水的分子量并且n是水的摩尔数)，并且vrms是分子速度的均方根。然后随着水被吸收在催化剂内，所喷射的水蒸气的总能量被转移到催化剂。水的碰撞和吸收导致催化剂更快地加热。因此，水蒸气的总能量被转换成被应用于排气催化剂的热能。
内平动能是来自系统内的个体分子移动的能量，并且可以在数学上表示为如下所示的等式(3)：
(3)
其中m是分子的质量，v是分子的速度，k是玻尔兹曼常数，并且T以开尔文为单位的温度。应注意，系统可以具有内平动能但不具有系统平动能，例如，如果气体没有在流动。气体仍然将具有在0K之上的温度，因此它仍然将具有内平动能，其中内平动能通过等式(3)与该温度相关。
内转动能是由于特定分子的转动所产生的能量。多原子分子可以围绕x、y或z轴或三者的某种组合转动。对应于这些轴线的转动惯量是：Ix、Iy、Iz或Ia、Ib、Ic。因此，转动惯量的一般等式可以被表示为如下所示的等式(4)：
(4)
其中求和遍历分子中的原子(例如，H2O具有3个原子，因此i是3)，原子i的质量是mi，并且相距转动轴线的距离是ri。转动能的一般等式在下面的等式(5)中示出：
(5)
其中ω是转动的角频率。
振动能(内能)是由于分子中的原子的振动所产生的能量。多原子分子可以以六种不同的方式振动，即对称伸缩、不对称伸缩、剪切(弯曲)、摇动、摆动和扭转。大致上，分子振动能够被近似为简单的谐振子，其中相关联的振动能如下面的等式(6)所示：
(6)
其中V是振动量子数，h是普朗克常数，并且v是振动频率。
以此方式，排气催化剂内的水分子的动量可以被转换为热能。此外，被添加到排气催化剂的水可以增加排气催化剂的容量，这进而导致排气催化剂存储增加量的排气热。因此，水具有高热容，并且是用于吸收热的极好材料。这部分地是说明了为什么它在许多热管理系统中被用作冷却液。存储在催化剂内的水可以像导体一样作用于在排气中经过的热，允许它具有到催化剂的更好转移速率，并且允许催化剂更好地存储排气热。应认识到，水具有高热容。因此，分子吸收热能的能力被称为热容。水的高热容是由水分子之间的氢键产生的性质。当吸热时，氢键被破坏并且水分子能够自由移动。当水的温度降低时，形成氢键并且释放大量的能量。水具有任何液体的最高比热容。比热被定义为一克物质为使其温度改变1摄氏度而必须吸收或损失的热量。对于水，该量是1卡路里或4.184焦耳。
如图3所示，这两种效果(增加的热能和增加的存储热的容量)一起减少了达到排气催化剂的起燃温度的时间。因此，如在图4中示出并且在下面进一步描述的，可以基于发动机转速、排气催化剂温度和排气催化剂的水存储能力中的一个或更多个来调整被喷射到进气装置内的水量。
图1进一步示出了控制系统28。控制系统28可以通信地耦接到发动机系统100的各种部件，以实行本文所述的控制程序和动作。控制系统28可以包括电子数字控制器12。控制器12可以是微型计算机，其包括微处理器单元、输入/输出端口、用于可执行程序和校准值的电子存储介质、随机存取存储器、不失效存储器和数据总线。控制器12可以接收来自多个传感器30(诸如图1中的各种传感器)的输入，以接收包括变速器挡位位置、加速器踏板位置、制动需求、车辆速度、发动机转速、通过发动机的质量空气流量、升压压力、环境条件(温度、压力、湿度等)等的输入。其他传感器包括UEGO传感器(在催化剂之前和/或之后)、HEGO传感器、CAC 118传感器(诸如CAC入口空气温度、ACT传感器25、排气压力和温度传感器80、82、排气催化剂温度传感器171和压力传感器124、CAC出口空气温度传感器)、来自耦接到曲轴的霍尔效应传感器181(或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)，以及MCT传感器33、进气氧传感器(IAO2)34、用于确定尾气的点火和/或汽缸之间的水分布的爆震传感器183、湿度传感器等等。控制器12从图1的各种传感器接收信号，并基于接收到的信号和存储在控制器的存储器上的指令采用图1的各种致动器来调整发动机操作。
作为一个示例，控制器可以基于发动机工况来激活水喷射系统。例如，在排气催化剂温度在阈值温度(例如，起燃温度)以下时的发动机起动期间，控制器12可以激活水喷射器45-48。在发动机起动期间，控制器12可以额外地控制经由水喷射器喷射的水量。因此，向发动机喷射水可以包括调整喷射器45-48的脉冲宽度以改变喷射的水量，同时还调整水喷射的正时和喷射脉冲的数量。
作为另一示例，在排气催化剂温度在阈值以下时的发动机冷起动期间，控制器12可以基于发动机转速调整经由水喷射器45-48喷射到进气装置内的水量。例如，控制器12可以基于来自霍尔效应传感器181的PIP信号确定发动机转速。在发动机冷起动期间，当发动机转速在阈值转速以下时，控制器可以经由水喷射器45-48将较少量的水(例如，薄雾)喷射到进气装置内。随着发动机转速增加并且达到阈值转速，控制器可以增加被喷射到进气装置内的水量。在一个示例中，控制器可以基于发动机转速的增加率调整所喷射的水量。
在其他示例中，控制器12可以基于被存储在排气催化剂中的水量调整经由水喷射器45-48喷射到进气装置内的水量。例如，控制器12可以基于排气催化剂温度(例如，基于温度传感器171的输出)和被喷射到进气装置内的水量(例如，使用水喷射器45-48中的每一个喷射的水的总和)估计被存储在排气催化剂中的水量。在一些示例中，控制器12可以基于耦接到排气催化剂的湿度传感器的输出估计被存储在排气催化剂中的水量。在此，控制器12可以与被存储在排气催化剂中的水的估计水平的增加量成比例地增加被喷射到进气装置内的水量。
在一些更多示例中，当排气催化剂达到起燃温度时，控制器12可以停用水喷射器。基于温度传感器171的输出，控制器可以确定排气催化剂是否已经达到起燃温度(例如，400℃-600℃)。一旦达到起燃温度，控制器就可以禁用一个或更多个水喷射器45-48并且维持喷射器被禁用。在发动机循环期间的任何时候，控制器都可以重新激活水喷射器以用于爆震控制、稀释和排气温度控制，如图2所示。
在一些示例中，存储介质可以用表示指令的计算机可读数据进行编程，所述指令可由处理器执行以执行下面(例如，在图2和图3处)描述的方法以及被预期但未具体列出的其他变体。
以此方式，图1的系统实现了一种用于车辆的系统，其包含：发动机，其包括汽缸；水喷射系统，其包括被耦接到进气歧管的水喷射器；排气催化剂，其被耦接到排气通道；温度传感器，其被配置为测量排气催化剂的温度；传感器，其被配置为测量发动机转速；以及控制器，其包括用于以下操作的计算机可读指令：在发动机起动期间，当发动机转速在阈值转速以下时，激活水喷射器以将水雾喷射到进气歧管内；以及响应于发动机转速上升至所述阈值转速之上，基于排气催化剂的温度的增加率来增加被喷射到进气歧管内的水量。
现在转向图2，其示出了用于响应于各种发动机工况而调整从水喷射系统进入发动机系统的进气装置的水喷射的示例方法200。水喷射系统可以是图1所示的水喷射系统60的一个非限制性示例，并且发动机系统可以是图1所示的发动机系统100的一个非限制性示例。具体地，方法200包括选择性地激活水喷射系统以控制发动机的性能。
用于执行方法200和本文中包括的其余方法的指令可以由控制器基于存储在控制器的存储器上的指令并且配合从发动机系统的传感器(诸如在上面参考图1描述的传感器)接收的信号来执行。控制器可以根据在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。
方法200在202处以估计和/或测量发动机工况开始。所估计的发动机工况可以包括进气歧管压力(MAP)、空燃比(A/F)、火花正时、燃料喷射量或正时、排气再循环(EGR)率、质量空气流量(MAF)、歧管充气温度(MCT)、发动机转速、冷却液温度、汽缸温度、排气催化剂温度、被存储在排气催化剂中的水的水平和/或负荷等。
在202处，可以确定发动机是否正在从静止被起动。在一个示例中，可以响应于点火接通(key-on)事件或替代的车辆开启(vehicle-on)事件来确认发动机起动。作为另一示例，在配置有起动-停止按钮的发动机中，可以响应于驾驶员按压该起动按钮来确认发动机起动。
如果发动机已经超过发动机起动转动转速或已经在运行并且额定发动机操作正在继续，则不会确认发动机起动。如果确认了发动机起动(例如，在204处为“是”)，则方法200前进到206，在此处如图3所示基于排气催化剂温度来调整水喷射。在一些示例中，方法200可以结束，并且控制器可以前进到执行在下面参考图3描述的方法。
继续图2，如果在204处未确认发动机起动(例如，在204处为“否”)，表明发动机已经在运行，则方法200前进到208，在此处可以确定水喷射是否被请求。通常当发动机正在被操作时，可以请求水喷射以执行控制任务(诸如爆震控制、排气温度控制)，并且满足发动机稀释要求。
在第一示例中，当爆震传感器输出(例如，图1所示的爆震传感器183的输出)朝向爆震阈值移动时，可以请求水喷射。例如，当爆震传感器的输出移动得更靠近爆震阈值时，激活水喷射系统可以增加增压空气冷却并且避免爆震状况。在第二示例中，水喷射可以响应于升高的排气温度而被请求，其中来自水的充气冷却实现了排气温度控制。例如，响应于排气温度上升至阈值温度之上，可以请求水喷射。在本文中，阈值温度可以是在其之上汽缸下游的发动机部件的退化会发生的温度。在第三示例中，可以请求水喷射以满足发动机稀释要求。以此方式，水喷射可以被用于增加发动机稀释以减少泵气损失，从而提供增加的增压空气冷却来减少发动机爆震并增加发动机效率。
在一些示例中，可以响应于歧管温度大于阈值水平而请求水喷射。此外，当达到阈值发动机转速或负荷时，可以请求水喷射。此外，当推测的所用燃料的辛烷数在阈值之下时，可以喷射水。
如果还未请求水喷射(例如，在208处为“否”)，则在210处继续进行发动机操作而不喷射水。然而，如果已经请求水喷射(例如，在208处为“是”)，则该方法在212处继续，在此处水喷射系统被激活。激活水喷射系统包括激活(例如，发送电信号到)水喷射系统的一个或更多个水喷射器(例如，图1的水喷射器45-48)。
接下来，在214处，方法200包括基于发动机工况调整所喷射的水量。控制器可以基于来自多个传感器的反馈调整所喷射的水量和水喷射的持续时间，所述传感器提供关于各种发动机操作参数的信息。这些参数可以包括发动机转速与负荷、火花正时、环境状况(例如，环境温度和湿度)、排气温度、燃料喷射量和/或爆震历史(基于耦接到发动机汽缸或在其附近的爆震传感器的输出)。
在一些示例实施例中，在将水喷射到发动机系统中之前，控制器可以检查用于喷射的水可用性。因此，可以基于被设置在发动机的水喷射系统的贮水箱中的多个传感器(诸如水位传感器和/或水温传感器(诸如图1所示的水位传感器65和水温传感器67))的输出来确定水可用性。如果水不可用于喷射，则控制器可以调整发动机操作参数而不喷射水。
接下来，在216处，方法200包括在控制任务完成后停用或禁用水喷射系统。例如，当爆震传感器输出移动远离爆震阈值时，水喷射可以被停止。在另一示例中，可以响应于排气温度降至阈值温度之下而停止水喷射。在又一示例中，当已经满足了发动机稀释要求时，可以停止水喷射。
在其他示例中，可以响应于歧管温度低于阈值水平、当发动机转速低于阈值转速时和当发动机负荷较轻时(例如，当负荷低于阈值负荷时)中的一个或更多个而停止水喷射。方法200结束。
如图2所示，控制器可以针对爆震控制、稀释要求和排气温度控制中的一个或更多个来调整水喷射。应认识到，当发动机已经在被操作或正在运行时，迄今为止所描述的水喷射被执行。在发动机起动期间如在下面参考图3描述的那样操作水喷射系统来减少催化剂起燃时间也是可能的。
发动机排气催化剂(诸如图1所示的排气催化剂170)存在于发动机系统中以氧化和还原排气成分。已知排气催化剂在被加热到催化剂起燃或工作温度(例如，400℃至600℃)之后是高度有效的。然而，在发动机冷起动期间，当排气催化剂处于起燃温度以下的温度时，催化剂在氧化排气中的充裕碳氢化合物方面是无效或低效的。发明人已经认识到，干排气催化剂(比如冷起动中的排气催化剂)比湿催化剂花费更长时间来从环境温度加热到起燃温度。这是因为湿催化剂中的水能够以比干催化剂以更快的速率吸收更多热。因此，在排气催化剂温度在起燃温度以下时的冷起动期间，水被喷射到进气装置内，以使催化剂变湿并且实现催化剂的迅速加热，如下面在图3中所示。
现在转向图3，其示出了用于在发动机起动期间将水喷射到发动机系统的进气装置内的示例方法300。具体地，方法300包括在排气催化剂温度在阈值温度以下时的发动机起动期间喷射水。在一个示例中，图3的方法可以作为图2的方法的一部分(诸如在206处)来执行。在另一示例中，在排气催化剂温度在阈值温度以下时的发动机起动期间，图3的方法可以独立于图2的方法来执行。
方法300在302处开始，在此处该方法包括估计和/或测量排气催化剂温度Tc。在此，排放控制装置或排气催化剂(例如，图1的排气催化剂170)的温度可以被估计。排气催化剂的温度可以基于催化剂模型、发动机事件数量和发动机操作的持续时间中的一个或更多个来估计。在一个示例中，排气催化剂温度可以经由催化剂温度传感器(例如，耦接到排气催化剂170的温度传感器171)来直接测量。在第二示例中，控制器可以基于上一次发动机关闭时排气催化剂的温度、当前环境温度、历史天气数据和自上一次发动机关闭以后的持续时间中的一个或更多个来估计排气催化剂温度。
在一个示例中，控制器可以从控制器的存储器中检索上一次发动机关闭时的排气催化剂的温度。就此而言，在发动机关闭期间，控制器可以例如根据排气催化剂温度传感器的输出来估计排气催化剂温度，并且进一步将排气催化剂温度存储在存储器中。在随后的起动期间(两者之间没有发动机起动)，控制器可以从存储器检索之前关闭时的排气催化剂温度。例如，控制器可以额外地基于环境温度传感器的输出来确定当前环境温度。另外，控制器可以基于历史天气数据查找平均温度读数。此外，控制器可以(例如，根据发动机起动信号之间的时间)确定发动机已经被关闭多久。使用上一次关闭时的排气催化剂温度作为初始值，控制器可以能够使用当前环境温度、天气数据和自上一次发动机关闭以后的持续时间来确定当前发动机起动期间的排气催化剂温度。控制器可以替代地基于使用查找表的计算来确定当前发动机起动期间的排气催化剂温度，该查找表的输入是上一次关闭时的排气催化剂温度、当前环境温度、天气数据和自上一次发动机关闭以后的持续时间。
作为另一示例，控制器可以基于逻辑规则进行逻辑确定/判断(例如，关于当前排气催化剂温度的判断)，所述逻辑规则是诸如上一次关闭时的排气催化剂温度、当前环境温度、天气数据和自上一次发动机关闭以后的持续时间的参数的函数。
在发动机起动期间独立于方法200来执行方法300的示例实施例中，除了排气催化剂温度外，方法300也可以包括估计和/或测量如在方法200的202处图示的额外的发动机操作参数。简言之，在302处，方法300可以包括估计和/或测量发动机工况，诸如歧管压力(MAP)、空燃比(A/F)、火花正时、燃料喷射量或正时、排气再循环(EGR)率、质量空气流量(MAF)、歧管充气温度(MCT)、发动机转速、冷却液温度、汽缸温度、被存储在排气催化剂中的水的水平，和/或负荷等。
接下来，在304处，可以确定估计的或测量的排气催化剂温度是否在阈值温度Tc以下。在一些示例中，在排气催化剂温度在Tc以下时的发动机起动期间，控制器(诸如图1的控制器12)可以推断发动机起动是冷起动。在一个示例中，阈值温度Tc可以是催化剂起燃温度，在该温度以下时排气催化剂不被激活。因此，可能会希望使排气催化剂温度升温至阈值温度以确保最佳的催化剂操作和排气成分的催化转化。如本文中描述的，控制器可以被配置为将水喷射到发动机进气装置内，并且基于发动机转速、排气催化剂温度和被存储在排气催化剂内的水的水平中的一个或更多个来调整经由一个或更多个水喷射器喷射的水量。这样一来，如下面描述的，在发动机冷起动期间，排气催化剂温度可以被迅速地增加到阈值温度。
如果排气催化剂温度高于阈值温度Tc(例如，在304处为“否”)，表明发动机起动是热起动，则方法300前进到306，在此处发动机以正常的发动机起动模式被起动。因此，正常的发动机起动模式可以包括基于预定的发动机操作参数激活燃料喷射器并调整燃料供给。在一个示例中，控制器可以基于诸如发动机转速、负荷、扭矩要求等的参数来激活燃料喷射器并开始燃料供给。应注意，在排气催化剂温度高于阈值温度Tc时的发动机热起动期间，控制器可以不激活水喷射器。方法300结束。
然而，如果排气催化剂温度低于阈值温度Tc(例如，在304处为“是”)，表明发动机起动是冷起动，则方法300前进到308，在此处基于发动机转速将水喷射到进气歧管内。在发动机被起动之前，排气催化剂可以是干的(例如，被存储在排气催化剂的多孔材料内的水处于或接近零)。然而，当水被喷射到进气歧管内时，排气中的水浓度可以被增加，并且因此存在于排气中的水分子可以开始积聚在排气催化剂的多孔材料内。因此，排气催化剂可以变湿(例如，被存储在排气催化剂的多孔材料中的水的水平大于0)。在发动机冷起动期间使排气催化剂变湿的技术效果是排气催化剂的容量可以被增加。增加的容量可以导致增加的存储排气热的能力。此外，被存储在排气催化剂内的水分子的动量可以被转换为热能。增加的容量和动量到热的转换一起导致加热排气催化剂。因此，通过在发动机冷起动期间将水喷射到进气歧管内，排气催化剂可以被迅速地加热。
将水喷射到进气装置内可以包括激活(例如，经由从控制器发送的信号致动)水喷射系统(诸如图1的水喷射系统60)的一个或更多个水喷射器(例如，图1的水喷射器45-48)。此外，控制器可以基于发动机转速来确定将要发送给水喷射器致动器的控制信号(诸如脉冲宽度)。就此而言，控制器可以基于来自耦接到曲轴的传感器(例如，图1的霍尔效应传感器181)的PIP信号来确定发动机转速。控制器可以通过直接考虑经确定的发动机转速的判断来确定脉冲宽度，诸如随着发动机转速增加而增加脉冲宽度。控制器可以替代地基于使用查找表的计算来确定脉冲宽度，该查找表的输入是发动机转速并且其输出是脉冲宽度。
将水喷射到进气歧管内可以包括：在310处，当发动机转速在阈值转速以下时，将初始量的水喷射到进气歧管内。在一个示例中，该阈值转速可以是发动机起动转动转速。在发动机起动期间，当发动机转速在阈值转速以下时，控制器可以经由水喷射器将较少量的水(例如，薄雾)喷射到进气装置内。通过在发动机转速低于阈值转速时喷射薄雾量的水，发动机淹没(engine flooding)可以被减少。
接下来，在312处，方法300包括确定发动机转速是否大于阈值转速。如果发动机转速仍然低于阈值转速(例如，在312处为“否”)，则方法300前进到316，在此处控制器可以继续将初始量的水(例如，薄雾)喷射到进气歧管内，并且方法返回到312。
然而，如果发动机转速高于阈值转速(例如，在312处为“是”)，则方法300前进到318，在此处控制器调整被喷射到进气歧管内的水量。在一些示例中，一旦发动机达到起动转动转速，控制器就可以开始发动机燃料供给。就此而言，控制器可以基于诸如发动机负荷、发动机转速、扭矩要求等的发动机工况调整所喷射的燃料量。
当继续燃料喷射时，控制器可以基于发动机转速调整被喷射到进气歧管内的水量。例如，在320处，控制器可以基于发动机转速的增加速率增加所喷射的水量。例如，随着发动机转速增加，控制器可以估计发动机转速在一时段内的增加速率。基于估计的发动机转速的增加速率，控制器可以增加水量。在此处，可以与发动机转速的增加速率成比例地增加被喷射到进气歧管内的水量。以此方式，在发动机冷起动期间，该方法可以包括：当发动机转速在阈值转速以下时，激活水喷射器将水雾喷射到进气歧管内，并且响应于发动机转速上升至阈值转速之上，基于排气催化剂的温度的增加速率增加被喷射到进气歧管内的水量。
额外地或可替代地，在322处，调整被喷射到进气歧管内的水量可以包括基于排气催化剂温度Tc的增加速率来增加所喷射的水量。如之前描述的，当水被喷射到进气歧管内时，与在排气催化剂内产生的增加量的热能耦合的排气催化剂的增加的容量引起排气催化剂温度增加。随着排气催化剂温度增加，控制器可以估计排气催化剂温度的增加速率。在一个示例中，控制器可以基于被喷射到进气装置内的水量、排气催化剂的热容和排气催化剂的容量中的一个或更多个来估计排气催化剂温度的增加速率。在估计排气催化剂温度的增加速率后，控制器随后可以与排气催化剂温度的增加速率成比例地增加被喷射到进气装置内的水量。
额外地或可替代地，在324处，控制器可以基于被存储在排气催化剂中的水的水平来调整被喷射到进气歧管中的水量。控制器可以基于排气温度、排气催化剂温度、被喷射到进气装置内的水量、湿度传感器的输出和排气催化剂的热容中的一个或更多个来估计被存储在排气催化剂中的水的水平。
诸如HEGO稀释和UEGO稀释的额外参数可以被用来如在下面图示说明的那样估计催化剂内的水存储。
在一个示例中，控制器可以通过从被喷射到进气装置内的水量减去HEGO所感知的水稀释来估计被存储在排气催化剂内的水。如果没有水被催化剂吸收，那么对于其O2读数，HEGO会将经过的所有水都看作稀释。然而，如果催化剂吸收所有水，那么例如在水被喷射到进气装置内之后，对于O2读数，HEGO不会看到任何稀释。
在另一示例中，控制器可以根据UEGO稀释和HEGO稀释中的每一个来估计被存储在排气催化剂内的水。例如，控制器可以将被存储在催化剂内的水估计为催化剂之前的UEGO所感知的稀释量与催化剂之后的HEGO所感知的水稀释之间的差值。因此，如果没有水被催化剂吸收，则HEGO会感知与UEGO感知的相同的由于水导致的稀释量。如果催化剂吸收所有的水，则对于O2读数，UEGO会感知到稀释，但是HEGO会感知来自水的更少稀释，因为催化剂已经吸收水。
在又一示例中，可以基于催化剂之后的UEGO稀释而非HEGO来估计被存储在排气催化剂内的水量。例如，可以通过从被喷射到进气装置内的水量减去UEGO所感知的水稀释来估计被存储在催化剂内的水量。例如，如果没有水被催化剂吸收，那么对于其O2读数，UEGO会将经过的所有水都看作稀释。然而，如果催化剂吸收所有水，则例如在水被喷射到进气装置内之后，对于O2读数，UEGO不会感知任何稀释。
在其他示例中，可以基于UEGO所感知的稀释来估计被存储在排气催化剂内的水量。例如，可以通过从催化剂之前的UEGO所感知的稀释量减去催化剂之后的UEGO所感知的水稀释来估计被催化剂吸收的水量。例如，如果没有水被催化剂吸收，则催化剂之后的UEGO将会感知与催化剂之前的UEGO感知的相同的由于水导致的稀释量。如果催化剂吸收所有的水，则对于O2读数，催化剂之前的UEGO会感知到稀释，但是催化剂之后的UEGO会感知来自水的更少稀释，因为催化剂已经吸收水。
在更多示例中，被催化剂吸收的水量可以基于一个或更多个UEGO和UEGO可变电压(VVs)测量值来确定。例如，被催化剂吸收的水量可以通过从催化剂之前的UEGO所感知的从H2O分解看到的O2贡献量中减去催化剂之后的UEGO所感知的从H2O分解看到的O2贡献量来确定。因此，VVs可以被用来估计催化剂前和催化剂后的排气中的水的水平。
在一个示例中，控制器可以基于被存储在排气催化剂内的水的水平来调整水喷射量。例如，控制器可以确定向水喷射器致动器发送的控制信号，诸如基于被存储在排气催化剂内的水的判断而确定的信号的脉冲宽度。被存储在排气催化剂内的水可以基于测量的湿度，或者基于(例如，根据耦接到排气通道的温度传感器确定的)排气温度、(例如，根据排气催化剂温度的输出确定的)排气催化剂温度、(例如，基于水箱中的水位确定的)被喷射到进气装置内的水量、(基于耦接到排气歧管的湿度传感器的输出确定的)湿度和排气催化剂的热容中的一个或更多个来确定。控制器可以通过直接考虑所确定的被存储在催化剂中的水的水平的判断来确定脉冲宽度，诸如随着水的水平增加而增加脉冲宽度。控制器可以可替代地基于使用查找表的计算来确定脉冲宽度，该查找表的输入是被存储在排气催化剂中的水的水平并且其输出是脉冲宽度。
作为另一示例，控制器可以基于逻辑规则进行逻辑判断(例如，关于水喷射器的致动器的位置的判断)，这些逻辑规则是以被存储在排气催化剂中的水的水平为参数的函数。然后控制器可以产生被发送到水喷射器的致动器的控制信号。
在一个示例中，要经由进气道喷射器和直接喷射器输送的水量被凭经验确定，并且被存储在预定的查找表或函数中。例如，一个表可以对应于确定进气道喷射量，并且一个表可以对应于确定直接喷射量。两个表可以被索引到发动机工况，诸如被存储在排气催化剂中的水的水平以及其他发动机工况。
例如，随着水被喷射到进气装置内，被存储在多孔材料内的水量增加。控制器可以估计被存储在排气催化剂内的水的水平，并且因此增加被喷射到进气装置内的水量。在此处，可以与被存储在排气催化剂内的水的水平的增加速率成比例地增加被喷射到进气歧管内的水量。
如到此为止所描述的，基于发动机转速、排气催化剂温度和被存储在排气催化剂内的水的水平中的一个或更多个来调整被喷射到进气装置内的水量。在数学上，所喷射的水量Winj可以通过如下所示的等式(7)来表示：
(7)Winj＝F1(w，dw/dt，Tc，dTc/dt，Wstored，dWstored/dt)
其中F1是函数，w是发动机转速，dw/dt是发动机转速的变化率，Tc是排气催化剂温度，dTc/dt是排气催化剂温度的变化率，Wstored是被存储在排气催化剂中的水的水平或量，并且dWstored/dt是被存储在排气催化剂中的水的水平的变化率。以此方式，通过基于排气催化剂温度、发动机转速和被存储在催化剂中的水的水平中的一个或更多个来调整所喷射的水量，排气催化剂的温度可以迅速地增加。应认识到，控制器执行水喷射的调整，同时继续为发动机系统供给燃料。
接下来，在326处，方法300包括确定排气催化剂温度Tc是否已经达到阈值温度。该阈值温度可以是排气催化剂的起燃温度。如果排气催化剂温度还未达到阈值温度(例如，在326处为“否”)，则方法300前进到328，在此处控制器可以继续如在方法300的318处描述的那样增加被喷射到进气歧管内的水量。因此，被喷射到进气装置内的水量可以被继续，直至排气催化剂温度达到阈值温度，因此，方法300返回到326。
然而，如果排气催化剂温度已经达到阈值温度(例如，在326处为“是”)，则方法300前进到330，在此处控制器停止水喷射。在一些示例中，当发动机转速达到最佳转速时，控制器可以停止水喷射。可以基于排气催化剂起燃温度和被存储在排气催化剂中的水的水平中的一个或更多个来估计该最佳转速。在一些更多示例中，当所估计的要被存储在催化剂中的水的水平达到阈值水平时，控制器可以停止水喷射。在此处，可以进一步基于排气催化剂起燃温度、排气催化剂的性质和发动机转速中的一个或更多个来估计该阈值水平。
停止水喷射可以包括停用水喷射系统的一个或更多个水喷射器。此外，即使在禁用水喷射器之后，控制器也可以继续维持燃料喷射器激活。因此，控制器可以基于发动机工况继续将燃料喷射到汽缸内。方法300结束。
以此方式，在发动机冷起动期间，燃料可以被喷射到汽缸内，同时将初始量的水喷射到发动机的进气歧管内，两者都可以被继续直至排气催化剂温度达到阈值温度。就此而言，可以基于发动机转速、排气催化剂温度和被存储在排气催化剂中的水的水平中的一个或更多个来调整被喷射到进气歧管内的水量。在冷起动期间将水喷射到进气装置内的技术效果是在排气催化剂内积聚水并将存储的水分子的动量转换为热。以此方式，在发动机冷起动期间，排气催化剂可以被迅速地加热到起燃温度。
现在转向图4，映射图400图示了在发动机冷起动和发动机热起动期间使用的水喷射策略。曲线402和404示出了不同组状况(例如，发动机冷起动和发动机暖起动)期间的起动信号。曲线406和408示出了发动机转速或rpm(每分钟转数)，而曲线410和412示出了相应状况期间的排气催化剂温度。曲线414和416示出了相应状况期间的水喷射信号。曲线418和420示出了水喷射量，而曲线422和424示出了相应状况期间的被存储在排气催化剂中的水。曲线426和428示出了相应状况期间的燃料喷射。曲线444和446示出了相应状况期间的爆震传感器输出。对于每个曲线，时间沿着x(水平)轴进行描绘，而每个相应参数的值沿着y(竖直)轴进行描绘。
在t0与t1之间，发动机被关闭。在t1处，接收到起动信号(曲线402)。然而，排气催化剂温度(曲线410)在阈值温度436以下。在一个示例中，该阈值温度可以是催化剂起燃温度或工作温度。控制器(诸如图1的控制器12)可以推断时间t1处的发动机起动是冷起动，并且因此激活水喷射系统(曲线414)。激活水喷射系统可以包括激活被耦接到发动机系统的一个或更多个水喷射器。
在t1与t2之间，发动机转速(曲线406)在阈值转速432以下。因此，控制器可以将较少初始量的水(曲线418)喷射到发动机系统的进气歧管内。将初始量的水喷射到进气装置内可以包括调整水喷射器的脉冲宽度信号以将期望量的水喷射到进气歧管内。在一个示例中，所喷射的初始水量可以被维持在恒定水平440。随着水被喷射到进气歧管内，水可以开始在排气催化剂中积聚(曲线422)。因此，在时间t1之前干燥的排气催化剂可以在时间t1与t2之间开始变湿。随着水开始被积聚在排气催化剂内，催化剂的容量可以被增加。此外，被存储在排气催化剂中的水分子的动量可以被转换为热能。因此，排气催化剂可以开始随着排气催化剂温度(曲线410)的增加如所看见的那样升温。
在时间t2处，发动机转速达到阈值转速432(例如，起动转动转速)。一旦发动机达到起动转动转速，控制器就可以开始增加被喷射到进气歧管内的水量(曲线418)。此外，控制器可以通过激活被耦接到发动机系统的一个或更多个燃料喷射器来开始燃料喷射(426)。因此，水可以被喷射到进气歧管内，同时将燃料喷射到发动机汽缸内。
在时间t2与t3之间，可以增加被喷射到进气歧管内的水量。在一个示例中，所喷射的水量(曲线418)可以与发动机转速(曲线406)的增加量成比例地增加。因此，控制器可以基于来自耦接到曲轴的传感器(例如，图1的霍尔效应传感器181)的PIP信号估计发动机转速。控制器可以与发动机转速的增加速率成比例地增加水喷射器的脉冲宽度。作为一个示例，曲线418的斜率可以类似于曲线406的斜率。
在另一示例中，可以与排气催化剂温度(曲线410)的增加量成比例地增加所喷射的水量(曲线418)。在此，曲线418的斜率可以类似于曲线410的斜率。如之前描述的，当水被喷射到进气歧管中时，与在排气催化剂内产生的增加量的热能耦合的排气催化剂的增加容量引起排气催化剂温度增加。随着排气催化剂温度(曲线410)增加，控制器可以例如根据曲线410的斜率来估计排气催化剂温度的增加速率。在另一示例中，控制器可以基于被喷射到进气装置内的水量、排气催化剂的热容和排气催化剂的容量中的一个或更多个来估计排气催化剂温度的增加速率。
在又一示例中，所喷射的水量(曲线418)可以与被存储在排气催化剂中的水量(曲线422)的增加速率成比例地被增加。控制器可以基于排气温度、排气催化剂温度、被喷射到进气装置内的水量和排气催化剂的热容中的一个或更多个来估计被存储在排气催化剂中的水的水平(曲线422)。如之前图示的，控制器可以基于HEGO所感知的稀释量、UEGO所感知的稀释量和UEGO所感知的由于VVs分解水所产生的O2量中的一个或更多个来估计被喷射到进气装置内的水量。控制器可以将曲线418的斜率调整为类似于曲线422的斜率。
以此方式，控制器可以能够在发动机冷起动期间将水喷射到进气歧管内以实现排气催化剂加热。随着在t2与t3之间增加喷射到进气歧管内的水量，燃料也被喷射到发动机汽缸内(曲线426)。控制器可以基于诸如发动机转速、发动机负荷、扭矩等的发动机工况来调整喷射的次数、燃料喷射的脉冲宽度和所喷射的燃料量。在具有直接喷射和进气道燃料喷射能力的发动机系统中，控制器可以额外地基于发动机工况来调整燃料直接喷射与进气道燃料喷射的比率和正时。
在时间t3处，排气催化剂温度(曲线410)达到阈值温度436。如在映射图400中所见，如果未在发动机的冷起动期间使用水喷射，则排气温度可以如曲线413示出的那样更逐渐地达到催化剂起燃温度。然而，通过将水喷射到进气歧管内，排气催化剂温度(曲线410)更快地达到起燃温度(比较曲线410和413)。
一旦排气催化剂达到阈值温度，它就可以能够有效地处理排气，并且由此减少排气排放物。因此，在时间t3处，水喷射(曲线414)可以被关闭。关闭水喷射可以包括停用耦接到发动机系统的一个或更多个水喷射器。在一些示例中，当被存储在排气催化剂中的水达到阈值水平442时，水喷射可以被关闭。就此而言，可以基于催化剂起燃温度(阈值436)和发动机转速(曲线406)中的一个或更多个来估计该阈值水平。在一些更多示例中，当发动机转速达到阈值转速430时，水喷射可以被关闭。因此，可以基于催化剂起燃温度(阈值436)和被存储在排气催化剂中的水的水平(曲线442)中的一个或更多个来估计阈值转速430。一旦水喷射被关闭，被存储在排气催化剂中的水的水平(曲线422)就逐渐降低，直至该水平变得接近零(例如催化剂是干的)。即使在时间t3处水喷射被关闭(曲线414)，在t3与t4之间也维持燃料喷射(曲线426)。
在时间t5与t9之间示出了另一次发动机起动。具体地，在时间t5与t6之间，发动机被关闭，并且在时间t6处接收到发动机起动信号(404)。控制器可以估计和/或测量排气催化剂温度(412)。由于排气催化剂温度处于或接近阈值温度436，控制器可以推断发动机起动不是冷起动而是热起动。因此，在时间t6处，控制器可以不激活水喷射系统的水喷射器。控制器可以监测发动机转速(408)，并且在时间t7处，当发动机转速达到阈值432(例如，起动转动转速)时，控制器可以激活燃料喷射器并且开始发动机燃料供给(曲线428)。因此，在热起动期间，控制器可以维持水喷射器被停用，并且激活燃料喷射器以基于发动机工况喷射燃料。
在时间t7与t8之间，水喷射器被维持停用，并且燃料喷射器被维持激活。然而，在时间t8处，爆震传感器输出(曲线446)可以增加，并且(例如，由于增加的负荷)朝向爆震阈值Knk_Thr移动。因此，控制器可以打开水喷射(416)用于爆震控制。在时间t8与t9之间，水喷射量(曲线420)可以被调整以便提供爆震缓解。
在时间t9处，爆震传感器输出(曲线446)移动远离爆震阈值Knk_Thr。因此，水喷射系统可以被关闭(曲线416)。
以此方式，通过在发动机冷起动期间喷射水，可以通过减少催化剂起燃时间来减少排气排放物。因此，可以使用现有的水喷射系统来减少冷起动排放物，而不增加制造成本和复杂性。在发动机冷起动期间将水喷射到进气歧管内的技术效果是被积聚在排气催化剂内的水在排气催化剂内产生热，并且由此更快速地将排气催化剂加热到起燃温度。
一种方法包括：在冷起动期间，基于排气催化剂的温度将水喷射到发动机的进气装置内。在所述方法的第一示例中，喷射水可以包括将水喷射到进气装置内且同时经由与发动机的汽缸和进气歧管中的一个或更多个耦接的燃料喷射器将燃料喷射到汽缸内，其中将水喷射到进气装置内包括经由与进气歧管和汽缸中的一个或更多个耦接的水喷射器来喷射水。所述方法的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括：响应于排气催化剂的温度低于阈值温度和发动机转速低于阈值转速中的一个或更多个，将初始量的水输送到进气装置内。所述方法的第三示例可选地包括第一和第二示例中的一个或更多个，并且进一步包括：响应于排气催化剂的温度上升至阈值温度之上和发动机转速上升至阈值转速之上中的一个或更多个，调整被喷射到进气装置内的水量。所述方法的第四示例可选地包括第一至第三示例中的一个或更多个，并且进一步包括：与发动机转速的第一增加速率成比例地增加被喷射到进气装置内的水量，直至发动机转速达到期望转速。所述方法的第五示例可选地包括第一至第四示例中的一个或更多个，并且进一步包括：与排气催化剂的温度的第二增加速率成比例地增加被喷射到进气装置内的水量，直至排气催化剂的温度达到期望温度。所述方法的第六示例可选地包括第一至第五示例中的一个或更多个，并且进一步包括：其中排气催化剂的期望温度是排气催化剂的起燃温度。所述方法的第七示例可选地包括第一至第六示例中的一个或更多个，并且进一步包括：响应于排气催化剂的温度达到起燃温度和发动机转速达到期望转速中的一个或更多个，停止将水喷射到进气装置内，同时继续将燃料喷射到发动机的汽缸内。
上面描述的系统和方法提供了一种方法，其包含：在发动机冷起动状况期间，将燃料喷射到发动机的汽缸内，同时将初始量的水喷射到发动机的进气歧管内，继续喷射初始量的水直至发动机转速达到阈值转速，并且此后基于被存储在排气催化剂内的水的水平来调整所喷射的水量。在所述方法的第一示例中，所述方法可以额外地或可替代地包括：其中所述调整包括与增加被存储在排气催化剂中的水的水平成比例地增加所喷射的水量，所述增加被继续直至被存储在排气催化剂中的水的水平达到阈值水平。所述方法的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括：其中所述调整进一步包括增加被喷射到进气歧管内的水量以将排气催化剂的温度增加到起燃温度。所述方法的第三示例可选地包括第一和第二示例中的一个或更多个，并且进一步包括：其中所述调整进一步包括当被存储在排气催化剂中的水的水平达到阈值水平和排气催化剂的温度达到起燃温度中的一个或更多个时停止将水喷射到进气歧管内。所述方法的第四示例可选地包括第一至第三示例中的一个或更多个，并且进一步包括：当已经停止将水喷射到进气歧管内时，继续将燃料喷射到发动机汽缸内。
上面描述的系统和方法提供了一种系统，其包含：发动机，其包括汽缸；水喷射系统，其包括被耦接到进气歧管的水喷射器；排气催化剂，其被耦接到排气通道；温度传感器，其被配置为测量排气催化剂的温度；转速传感器，其被配置为测量发动机转速；以及控制器，其包括用于以下操作的计算机可读指令：在发动机冷起动期间，当发动机转速在阈值转速以下时，激活水喷射器以将水雾喷射到进气歧管内；以及响应于发动机转速上升至阈值转速之上，基于排气催化剂的温度的增加速率增加被喷射到进气歧管内的水量。在所述系统的第一示例中，所述系统可以额外地或可替代地包括：其中所述控制器进一步包括用于以下操作的指令：响应于排气催化剂的温度达到工作温度而停用水喷射器以停止将水喷射到进气歧管内。所述系统的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括：其中所述控制器进一步包括用于以下操作的指令：与被存储在排气催化剂中的水的水平的增加成比例地增加被喷射到进气歧管内的水量。所述系统的第三示例可选地包括第一和第二示例中的一个或更多个，并且进一步包括：其中所述控制器进一步包括用于以下操作的指令：响应于被存储在排气催化剂中的水的水平达到阈值水平而停用水喷射器以停止将水喷射到进气歧管内。所述系统的第四示例可选地包括第一至第三示例中的一个或更多个，并且进一步包括：其中所述控制器进一步包括用于以下操作的指令：基于排气催化剂的容量和排气催化剂的热容来估计阈值水平。所述系统的第五示例可选地包括第一至第四示例中的一个或更多个，并且进一步包括被配置为将燃料喷射到汽缸内的燃料喷射器，并且其中所述控制器进一步包括用于以下操作的指令：激活水喷射器的同时，激活燃料喷射器。所述系统的第六示例可选地包括第一至第五示例中的一个或更多个，并且进一步包括：其中所述控制器进一步包括用于以下操作的指令：停用水喷射器的同时，维持燃料喷射器激活。
注意，本文中包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。在本文中所公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非临时性存储器中，并且可以由包括与各种传感器、致动器和其他发动机硬件相结合的控制器的控制系统执行。在本文中所描述的具体程序可以代表任意数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所描述的各种动作、操作和/或功能可以所示顺序、并行地被执行，或者在一些情况下被省略。同样，实现在本文中所描述的本发明的示例实施例的特征和优点不一定需要所述处理顺序，但是为了便于图示和说明而提供了所述处理顺序。取决于所使用的特定策略，所示出的动作、操作和/或功能中的一个或多个可以被重复执行。另外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示被编入发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器的代码，其中通过配合电子控制器执行包括各种发动机硬件部件的系统中的指令而使所描述的动作得以实现。
在另一表现方式中，上面描述的系统和方法提供了一种方法，其包含：在第一发动机起动期间，激活将水喷射到进气装置内的水喷射器和将燃料喷射到发动机汽缸内的燃料喷射器中的每一个，并且基于发动机转速、排气催化剂温度和被存储在排气催化剂中的水的水平中的一个或更多个来调整水喷射，以及在第二发动机起动期间，仅激活燃料喷射器以将燃料喷射到发动机的汽缸内而不激活水喷射器。在所述方法的第一示例中，所述方法可以额外地或可替代地包括：其中第一发动机起动是排气催化剂温度在阈值温度以下的冷起动，并且第二发动机起动是排气催化剂温度高于阈值温度的热起动。所述方法的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括：其中在第一发动机起动期间，水喷射器在发动机转速在阈值转速以下时被激活，并且燃料喷射器在发动机转速在阈值转速以下时不被激活。所述系统的第三示例可选地包括第一和第二示例中的一个或更多个，并且进一步包括：其中在第一发动机起动期间，一旦发动机转速达到阈值转速，燃料喷射器就被激活。
应认识到，在本文中所公开的配置和程序本质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变体是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括在本文中所公开的各种系统和构造和其他的特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
以下权利要求具体地指出某些被认为是新颖的和非显而易见的组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应当被理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可通过修改现有权利要求或通过在这个或关联申请中提出新的权利要求而得要求保护。这些权利要求，无论与原始权利要求范围相比更宽、更窄、相同或不相同，都被认为包括在本公开的主题内。