用于排气催化剂温度控制的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于改进发动机系统中的排气催化剂温度控制的系统和方法，所述发动机系统配置有用于对其他发动机汽缸提供外部EGR的单独汽缸。
【背景技术】
[0002]发动机可配置成带有排气再循环(EGR)系统，以将至少一些排气从发动机排气歧管转移至发动机进气歧管。通过提供期望的发动机稀释，这样的系统减少了发动机爆震、节流损失、汽缸内热损失以及氮氧化物(NOx)的排放。因此，改进了燃料经济性，尤其是在更高水平的发动机增压的情况下。发动机已配置成带有专门用于对其他发动机汽缸提供外部EGR的单独汽缸(或汽缸组)。其中，来自专用汽缸组的全部排气再循环至进气歧管。像这样的，这允许在大多数操作条件下对发动机汽缸提供大致固定量的EGR。通过调节专用EGR汽缸组的燃料供给(例如，以较浓水平运行)，EGR的成分可改变为包括诸如氢之类的多种种类，这提高了发动机的EGR容限以及产生了燃料经济效益。
[0003]带有专用EGR汽缸组的发动机系统可配置成带有分流气门，该分流气门允许来自专用EGR汽缸组的所有排气要么被引导返回至进气歧管要么被转移至排气催化剂。在Hayman等人的专利号为8，539，768的美国专利中示出了带有分流气门的这样的系统的实例。通过使来自专用EGR汽缸的排气转移至排气催化剂，可增加朝向催化剂的热流，诸如在发动机冷启动以及催化剂加热情况过程中。此外，在高负载下可降低EGR速率。
【发明内容】
[0004]然而，本文的发明人已确定这种方法的潜在问题。例如，分流气门可提供的选择是有限的。尤其地，控制器可被限制于将所有的排气引导至进气歧管(这会提高燃料经济性但会降低排气催化剂温度)或者将所有的排气引导至催化剂(这会提高催化剂温度但会降低燃料经济性)之间。因此，在用于催化剂升温的排气再定向过程中，EGR被暂时停用，SP使可能需要发动机稀释。像这样，这导致发动机性能和燃料经济性的下降。再例如，可能存在除了发动机冷启动过程之外需要催化剂温度控制的情况。例如，排气催化剂能够在延长的轻负载操作过程中冷却至低于其最优转化温度，因为在较轻负载下，预催化剂排气温度通常较低。可通过向燃烧室添加高水平的EGR而使得排气温度进一步冷却。像这样，如果排气催化剂温度在发动机操作过程中下降至低于阈值温度以下，则排放转换率降级，从而对发动机排气排放造成不利影响。
[0005]发明人已认识到这些问题并且已开发出至少部分地克服一些问题的用于排气催化剂温度控制的方法。一个实例方法包括使来自专用EGR汽缸的排气流动至排气催化剂通道(经由旁通通道)以及发动机进气口(经由EGR通道)中的每一者；以及通过旁通气门来调节穿过所述通道的相对流量，该调节响应于催化剂温度。通过这种方式，排气可从专用EGR汽缸同时地流动至发动机进气口和排气催化剂中的每一者，调节它们的相对比以提供期望的排气催化剂温度。
[0006]例如，将专用EGR汽缸连接至发动机进气口的EGR通道可包括连续地可变的旁通气门，其允许排气的一部分被调节以通过旁通通道到达排气歧管中的排气催化剂。这样，排气的其余部分可继续通过EGR通道再循环至发动机进气口。基于排气催化剂的温度，可调节旁通气门以改变穿过旁通通道的排气流与穿过EGR通道的排气流的比。例如，在催化剂温度低于阈值的情况期间，诸如在冷启动情况期间或者在轻负载的延长的操作之后，可调节旁通气门以增加穿过旁通通道的排气流而同时相应地减少通过EGR通道的排气流。此夕卜，可使专用EGR汽缸加浓以在排气催化剂处提供氢、0)2和富含碳氢化合物的排气流。可基于使得排气催化剂达到或高于阈值温度所需的热通量来调节加浓程度。例如，对于给定的穿过旁通通道的流率，当排气催化剂与阈值温度之间的差异增大时，专用EGR汽缸的燃料供应可变得更浓。同时，其余发动机汽缸的燃料供应可变稀，基于专用EGR汽缸的加浓程度来调节稀化程度，以将总体排气管排气空燃比维持在理想配比或附近。来自专用EGR汽缸的浓排气可然后与来自其余汽缸的稀排气结合，以在催化剂处产生显著的放热反应，从而进一步促进催化剂加热。当催化剂温度超过阈值时，可调节旁通气门以减少通过旁通的排气流而同时增加再循环至发动机进气口的排气流。
[0007]这样，可致动与专用EGR系统连接的旁通气门，以维持排气催化剂温度。通过持续将至少一些排气转移至排气催化剂而同时将排气的其余部分再循环至发动机进气口，使催化剂温度控制启用而无需停用EGR。通过基于通过旁通气门的流量来加浓专用EGR汽缸组，可促进催化剂加热。通过在排气催化剂处将来自专用EGR汽缸组的浓排气(其为富含碳氢化合物的)与来自其余发动机汽缸的稀排气(其为富氧的)结合，可产生显著的放热反应以使排气催化剂维持在活化温度以上。此外，通过使得放热反应能够直接在排气催化剂处发生，提高了热传递，并且降低了至其他发动机部件(诸如汽缸盖、涡轮机、排气管道装置等)的热损失。通过允许在不停用EGR输送的情况下控制催化剂温度，可提高排气排放而不会导致燃料经济性损失。
[0008]应当理解的是，提供以上内容以便以简化的形式引入一部分概念，这些概念将在详细的说明书中进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，其范围唯一地由跟随详细的说明书的权利要求限定。此外，所要求保护的主题并不局限于解决在上文或本公开任意部分记载的任何缺点的实施方式。
【附图说明】
[0009]图1为包括供应专用EGR的汽缸组的发动机系统的示意图。
[0010]图2为发动机燃烧室的示意图。
[0011 ] 图3示出了用于调节旁通气门以基于排气催化剂温度来改变从专用EGR汽缸到排气催化剂和发动机进气口中每一者的相对排气流量的实例方法。
[0012]图4示出了以响应于排气催化剂温度的方式进行的排气流从专用EGR汽缸通过旁通通道到排气催化剂以及通过EGR通道到发动机进气口的调节实例。
【具体实施方式】
[0013]本说明书涉及对利用高度稀释的汽缸混合物进行操作的发动机的排气催化剂温度控制，诸如图1至图2的发动机系统，其中来自专用汽缸组的排气被用于对发动机提供外部EGR。控制器可配置成执行控制程序，诸如图3的程序，以基于催化剂温度连续地改变从专用汽缸组转移到排气催化剂且同时绕过其余的发动机汽缸的排气相对于再循环至发动机进气口的排气的比例。这样，排气催化剂可被保持在操作温度以上而同时EGR被输送。参照图4示出了发动机操作过程中(包括发动机冷启动过程和之后)用于排气催化剂温度控制的调节实例。
[0014]图1示意性地示出了发动机系统100的实例的各方面，所述发动机系统100包括带有四个汽缸(I至4)的发动机10。如在本文中详细描述的，这四个汽缸布置成由专用EGR汽缸4组成的第一汽缸组18以及由非专用EGR汽缸I至3组成的第二汽缸组17。参照图2给出了发动机10的每个燃烧室的详细描述。发动机系统100可被连接在车辆中，所述车辆诸如为配置成用于道路行驶的载客车辆。
[0015]在所示实施例中，发动机10为连接至涡轮增压器13的增压发动机，该涡轮增压器13包括由涡轮机76驱动的压缩机74。具体地，新鲜空气通过空气清洁器33沿着进气通道42被引入到发动机10中并且流动至压缩机74。可通过调节进气节气门20至少部分地控制通过进气通道42进入进气系统的环境空气的流率。压缩机74可为任何合适的进气压缩机，诸如电机驱动或驱动轴驱动的机械增压器压缩机。然而，在发动机系统10中，压缩机为通过轴19机械连接至涡轮机76的涡轮增压器压缩机，通过使发动机排气膨胀来驱动涡轮机76。在一个实施例中，压缩机和涡轮机可被连接在双涡流涡轮增压器内。在另一实施例中，涡轮增压器可为可变截面涡轮增压器(VGT)，其中涡轮机截面作为发动机转速的函数主动地变化。在其他实施例中，发动机10可为不带有增压装置的自然吸气式发动机。
[0016]如在图1中所示，压缩机74通过增压空气冷却器78连接至进气节气门20。进气节气门20连接至发动机进气歧管25。从压缩机开始，压缩空气流动穿过增压空气冷却器和节气门到达进气歧管。增压空气冷却器可为例如空气-空气换热器或空气-水换热器。在图1所示实施例中，进气歧管内的充气的压力由歧管空气压力(MAP)传感器24检测。压缩机旁通气门(未示出)可被串联连接在压缩机74的入口与出口之间。压缩机旁通气门可为常闭气门，其配置成在选定的操作条件下打开，以释放过量的增压压力。例如，压缩机旁通气门可在降低发动机转速的情况期间打开以避免压缩机喘振。
[0017]进气歧管25通过一系列进气气门(参见图2)连接至一系列燃烧室30。燃烧室进一步通过一系列排气气门(参见图2)连接至排气歧管36。在所示实施例中，排气歧管36包括多个排气歧管区段，以使得来自不同燃烧室的废气能够被引导至发动机系统中的不同位置。特别地，来自第二、非专用EGR汽缸组17(汽缸I至3)的排气在被排放控制装置170的排气催化剂处理之前被引导穿过排气歧管36的涡轮机76。
[0018]燃烧室30可被供应一种或多种燃料，诸如汽油、酒精燃料混合物、柴油、生物柴油、压缩天然气等。燃料可通过喷射器66供应至燃烧室。燃料喷射器66可从燃料箱(未示出)抽取燃料。在所示实例中，燃料喷射器66配置成用于直接喷射，而在其他实施例中，燃料喷射器66可配置成进气道喷射或节气门气门体喷射。此外，每个燃烧室可包括具有不同配置的一个或多个燃料喷射器，以使每个汽缸能够通过直接喷射、进气道喷射、节气门气门体喷射或其组合来接收燃料。在燃烧室中，可通过火花点火和/或压缩点火来开始燃烧。
[0019]来自排气歧管36的排气被引导至涡轮机76以驱动该涡轮机。当期望涡轮机转矩降低时，一些排气可替代地被引导穿过废气门(未示出)，从而绕过涡轮机。来自涡轮机和废气门的组合流然后流动穿过排放控制装置170。通常，一个或多个排放控制装置170可包括配置成催化处理排气流的一个或多个排气后处理催化剂，诸如排气催化剂72。处理排气流可包括降低排气流中的一种或多种物质的量。例如，一个排气后处理催化剂可配置成当排气流稀时捕集来自排气流的NOx，并且当排气流浓时还原所捕集的NOx。在其他实例中，排气后处理催化剂可配