专利名称：用于减少柴油发动机排放的方法及柴油发动机的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于减少柴油发动机排放的方法及发动机。
背景技术：
由美国和欧洲法规机构实施的严格排放法规已逐渐降低了所允许的柴油发动机 排气的排放量。来自监管机构的最近提议已强制发动机制造商在延长的怠速工况期间将最 大NOx排放维持在30克/小时。当前已知的排放控制策略无法在不损害发动机部件的情况下实现此目标。例如， 当前在怠速时实施排气再循环(EGR)的方法将导致EGR冷却器积垢和发动机油泥和积炭。 其结果可能是需要更换部件甚至使整个发动机失效。在发动机怠速期间，也存在后处理系 统损坏的危险。冷却器排气温度和碳氢化合物浓度较高的环境可导致柴油机氧化催化剂 (DOC)阻塞，且DOC和柴油微粒过滤器(DPF) 二者均能在延长的怠速时段内收集微粒物、碳 氢化合物及水的组合。此收集可导致极大的背压，从而引起发动机损坏或后处理系统损坏， 而且，如果在系统中存在足量的碳氢化合物，则当排气温度升高到足够高的水平时，未燃烧 的燃料可能被点燃并导致后处理系统熔化或破裂，从而将其毁坏。柴油发动机内的燃烧温度也明显受到进气温度和空燃比的影响。在低热状态下， 由于不完全燃烧导致的碳氢化合物排放物以及润滑油通道或“蹿油(slobber) ”将具有增加 凝结的倾向，因为表面是冷的且碳氢化合物的分子量比通常热燃烧时的分子量更高。低热 状态通常与高空燃比、低环境温度和低燃料供给率相关，从而引起由于化学动力学导致的 低燃烧温度和低的“骨架”温度(核心金属温度)，这吸收了大部分热能且导致了燃烧温度 的进一步降低。虽然此情况不使发动机以机械方式受到应力，但这确实导致更不完全的燃 烧和更多的碳氢化合物排放。发动机的低热状态促使作为所有燃烧的副产物的水凝结。水 溶解了硫和氮的化合物，因此造成了酸性溶液。液体碳氢化合物和酸涂敷到含碳的碳烟层 可使EGR冷却器无效，这是由于传热效率降低(积垢)，且也可能发生阻塞而限制EGR气体 流动面积。虽然在某些情况下操作者可将其车辆连接到外部或辅助动力源而不是使其发动 机怠速，但这么做需要使车辆靠近外部或辅助动力源。这些方法本身能减少排放，但其实施 的主要目的是减少车辆的燃料消耗。希望提供一种用于在发动机以低负荷或怠速运行时减少发动机排放的技术。因为 在大多数柴油机应用中不存在“节气门”，所以怠速可考虑为当发动机在克服摩擦扭矩和来 自发动机和底盘系统的附件载荷所要求的负荷下运行时的情况。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于在柴油发动机低负荷运行期间控制排放 的方法，所述发动机包括至少一个活塞，所述至少一个活塞能在气缸内在上止点位置与下 止点位置之间移动；燃料喷射器，该燃料喷射器用于将燃料喷射到气缸内；以及可变几何涡轮机，来自发动机的排气适于从该可变几何涡轮机中流过。根据该方法，使发动机在低负 荷下运行，并且，当发动机在低负荷下运行时，控制该可变几何涡轮机的入口的开启尺寸， 使得NOx排放水平受到控制。根据本发明的另一个方面，柴油发动机包括至少一个活塞，所述至少一个活塞能 在气缸内在上止点位置与下止点位置之间移动；燃料喷射器，该燃料喷射器用于将燃料喷 射到气缸内；可变几何涡轮机，发动机排气适于从该可变几何涡轮机中流过；传感器，该传 感器用于测量发动机排气口处的NOx排放；以及控制器，该控制器布置为在发动机的低负 荷运行期间响应于NOx排放的测量值来控制可变几何涡轮机的入口的开启尺寸，使得NOx 排放水平受到控制。
通过结合附图阅读如下详细描述，将更好地理解本发明的特征和优点，在附图中， 相同的附图标记表示相同元件，其中图1是根据本发明的一个方面的发动机的示意图。
具体实施例方式在图1中可见根据本发明的一个方面的柴油发动机21，该柴油发动机21包括至少 一个活塞23，该至少一个活塞23可在气缸25内在上止点(TDC)位置与下止点(BDC)位置 之间移动。燃料喷射器27设置为将燃料喷射到气缸内，通常在TDC附近喷射，且温度和压 力的组合作用导致燃料燃烧且促使活塞向BDC位置移动。活塞23通常联接到曲轴(未示 出)，该曲轴在活塞往复运动时转动。可变几何涡轮机(VGT) 29设置在发动机21的排气口 31的下游，来自气缸25的排 气适于流经该可变几何涡轮机29。VGT 29通常是涡轮增压器装置的一部分，该涡轮增压器 装置包括布置在进气口 35上游的压缩机33，用于升高发动机进气压力。VGT 29具有常规 的VGT叶片(未示出)，用于改变该VGT的入口的开启尺寸。叶片的位置可由诸如ECU的控 制器37来控制，以改变VGT的入口的开启尺寸。传感器39可设置为测量发动机21的排气口处的NOx排放。传感器41可设置为 测量发动机21的排气口处的温度。发动机21也可包括EGR系统43，该EGR系统43具有设置在发动机的进气口 35与 排气口 31之间的EGR阀45。EGR系统43通常也包括EGR冷却器47。控制器37能够布置为在发动机21的低负荷运行期间响应于NOx排放的测量值来 控制VGT 29的入口的开启尺寸，使得NOx排放水平受到控制，这通常为了降低NOx水平。 “低负荷”在此定义为表示无加速踏板要求的应用。对于大多数柴油发动机，这些无加速踏 板要求的应用涉及曲轴在500rpm至2000rpm之间的转速下转动的发动机转速，而正常的发 动机怠速速度通常在650rpm至1200rpm的范围内。控制器37也可布置为打开EGR阀45，使得NOx排放水平受到控制，这通常为了降 低NOx水平。通常，该控制器将控制VGT 29的入口的开启尺寸以及EGR阀45的开度，以减 少NOx排放。在此，发动机21在低负荷下运行且VGT 29的入口的开启尺寸减小并且EGR 阀45打开有时将被称为低负荷闭环NOx控制模式，应当理解，该环不必实际闭合，且在此模式下的运行不限于控制NOx。在用于在柴油发动机21的低负荷运行期间控制排放的方法中，发动机在低负荷 下运行，利用发动机排气口处的NOx传感器39来测量NOx排放。控制器37响应于NOx排 放的测量值来控制VGT 29的入口的开启尺寸，使得NOx排放水平受到控制，这通常为了降 低NOx水平。通常，为减少NOx排放，VGT 29的入口的开启尺寸至少减小到接近闭合的涡 轮机喷嘴间隙(nozzle gap)，通常大约为最大涡轮机喷嘴间隙的0%至7. 5%。为减少NOx 排放，在减小VGT 29入口的开启尺寸的同时，控制器37通常也打开EGR阀45，通常打开到 该EGR阀的最大位置的大约25%至60%。通常，通过打开EGR阀45和减小VGT 29入口的开启尺寸而增加的排气流的再循 环将导致更高的碳氢化合物和微粒物排放。在常规设备中，可通过将燃料喷射正时提前和/ 或增大燃料喷射器27的喷嘴口处的燃料喷射压力来减少碳氢化合物和微粒物排放。将燃 料喷射正时提前和增大燃料喷射压力都倾向于具有如下效果即，允许更好的燃料雾化和 加压，使得燃烧更完全。然而，在常规设备中，碳氢化合物和微粒物排放的这种减少只能以 NOx剧烈增加为代价来实现。在本发明的一个方面，提供了大的EGR流量，使得在燃烧之前 气缸内的不反应气体的浓度比较高，这趋向于导致更低的燃烧温度。通过燃料喷射正时和/ 或压力与EGR流量的适当平衡，能控制NOx且能使产生的碳氢化合物和微粒物最少。在本 发明的一个方面，燃料由燃料喷射器27在活塞23的上止点之前至少5度时喷射。也可控制VGT 29的入口的开启尺寸和EGR阀45的开度，使得发动机排气的温度 升高。通过使发动机的排气温度升高，能够减少因碳氢化合物和水凝结在诸如EGR冷却器 47和气门系部件(未示出)等的部件上所导致的部件损坏的风险。另外，发动机排气的温 度能升高到VGT下游的柴油机氧化催化剂(DOC) 51的临界温度，使得诸如柴油微粒过滤器 53的排气后处理系统的部件能在低负荷或怠速速度下再生。相比之下，在现有的系统中，长 期的低负荷运行可能导致后处理部件损坏。选择性催化还原(SCR)系统应用也将具有针对 催化剂活性的目标热工作区，并且，通过本发明的一个方面而受到促进的热控制使得能在 较低负荷下进行NOx转化。也能控制VGT 29的入口的开启尺寸和EGR阀45的开度，使得发动机21中的温度 和压力趋向于增加。发动机21中的温度和压力增加趋向于减少与发动机内的机油“蹿油” 相关的问题，该“蹿油”即机油在活塞环周围经过并最终进入排气歧管和涡轮增压器中，这 可能导致发动机严重损坏。增大压力在减少“蹿油”方面尤其有用，因为它趋向于使活塞环 再平衡，从而促进气缸贴合并将机油保持在燃烧室之外，且因此保持在排气口之外。升高温 度有助于确保如下情况如果机油的确从活塞环旁边经过，则它不趋向于留在油池内而是 趋向于被燃烧掉。当控制VGT 29的入口的开启尺寸、EGR阀45的开度、燃料喷射正时和燃料喷射压 力中的一个或多个以使得发动机内的温度升高时，系统向发动机冷却剂的增强的排热可用 于使发动机变暖且维持车辆乘员舱内的温暖状态而用于加热目的。因此，当用在车辆内时， 发动机21可在较低的怠速速度和/或较低负荷下运行，以使发动机变暖或维持温暖状态， 从而趋向于节约燃料并控制(通常是减少)总排放。另外，降低的VGT 29的轮速和通过发 动机21的较低的质量流量趋向于使运行时噪声更小。对于许多NOx传感器39来说，由于水凝结和与低运行温度相关的传感器损坏的风险，在低负荷期间NOx传感器不能运行。当控制VGT29的入口的开启尺寸、EGR阀45的开 度、燃料喷射正时和燃料喷射压力中的一个或多个以使得发动机内的温度升高时，升高的 排气温度将允许NOx传感器39在大多数低负荷情况下活化。因此，NOx传感器39可用于 发动机21的闭环控制。通常，将NOx传感器39测量到的NOx浓度与控制器37内的表格进行比较，该表格 表示当与发动机质量流量组合时将产生希望的排放水平(例如30克/小时)时的目标NOx 浓度。如果Nox的排放增加到超过此范围，则可以打开EGR阀45以尝试控制排放，通常是 为了减少排放。VGT 29的入口的开启尺寸也能够减小(如果不是已处于零间隙的话)以控 制NOx，通常是减少NOx。此排放控制模式可用于保证当存在发动机之间的变化差异时满足 排放法规。闭环NOx控制也有助于减少碳氢化合物和微粒物排放。如果NOx达到被视作过低 的水平，则这意味着系统内的温度过低，这可能增加部件损坏的风险。为克服来自产生低 NOx的燃烧策略的碳氢化合物和微粒物排放，作为将燃料喷射正时提前或增加燃料喷射器 27处的燃料喷射压力的替代或补充，可关闭EGR阀45，并且如果需要的话，VGT29的入口的 开启尺寸将增大。可通过监测一个或多个底盘参数，能便于从低负荷闭环NOx控制模式平滑过渡到 较高负荷下的正常发动机运行。这能够用于避免发动机抖动或迟滞，且使得在离开低负荷 闭环NOx控制模式时VGT压力平衡可能让叶片保持关闭且致动器的强度可能不足以打开所 述叶片的任何风险最小。例如，可通过控制器37来监测来自底盘部件55的输出信号，该底 盘部件55例如是变速器传动装置、驻车制动器、节流阀、用于感测扭矩水平和扭矩变化率 的扭矩传感器、以及发动机转速传感器。在检测到这些部件的一个或多个中的改变后，它可 能表明迫切需要过渡到较高负荷状态，且可以从低负荷闭环NOx控制模式开始过渡。该过 渡的开始点可以延迟一段预定时间长度，以保证所检测到的输出信号不是暂时的。根据本发明的又一方面，在具有多个气缸25、25a等的发动机21中，在给定的发动 机转数期间处于燃烧运行的发动机气缸的总数可减少，从而趋向于减少发动机排放。以此 方式，发动机内的总质量流量可减小，且温度可降低，从而趋向于产生更少的NOx。预期此解 决方法在低负荷、高发动机转速期间尤其有用。根据本发明的又一方面，从压缩机33排出的空气可改变方向，例如利用控制器37 来操作位于压缩机下游的转向阀57。以此方式，经过发动机的空气流可减少，因此减少以克 /小时为单位的排放。另外，将压缩机33的空气改变方向可使温度升高。通过设置诸如阀 59的可变约束装置以增加排气背压，也能减少经过发动机21的空气流且能升高温度。根据本发明的又一方面，可实施多种燃料喷射情况，以提供更加改进的燃烧控制， 从而更好地控制热状态和排放水平。根据本发明的又一方面，可采用可变燃烧技术，其中控制器37能控制不同气缸 25、25a等内的燃料喷射器27、27a等，使得可在某些气缸内进行高NOx提前正时，而在其他 气缸内进行低NOx延后正时。换言之，能在不同气缸的活塞23、23a等处于不同位置时将燃 料喷射到气缸内。适当平衡的正时可减少一个气缸内的碳氢化合物或微粒物相对于其他气 缸的量，且允许经由EGR、通过发动机返回的空气是高NOx且低碳氢化合物和低微粒物的空 气，这可有利于部件而不直接影响排气尾管排放。
在本申请中，诸如“包括”等的术语的使用是开放性的，且意图与诸如“包含”的术 语具有相同的意义，且不排除存在其他结构、材料或作用。类似地，虽然例如“能够”或“可 以”等术语的使用意图是开放性的且表明该结构、材料或作用不是必须的，但不使用这样的 术语不意味着表明该结构、材料或作用是关键的。在结构、材料或作用被认为关键的程度 上，它们是相同的。虽然已根据优选实施例图示并描述了本发明，但应认识到，在不偏离如在权利要 求中阐述的本发明的情况下，可进行变化和修改。
权利要求
一种用于在柴油发动机低负荷运行期间控制排放的方法，所述发动机包括至少一个活塞，所述至少一个活塞能在气缸内在上止点位置与下止点位置之间移动；燃料喷射器，所述燃料喷射器用于将燃料喷射到所述气缸内；以及可变几何涡轮机，来自所述发动机的排气适于从所述可变几何涡轮机中流过，所述方法包括使所述发动机在低负荷下运行；以及当所述发动机在低负荷下运行时，控制所述可变几何涡轮机的入口的开启尺寸，使得NOx排放水平受到控制。
2.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，其中，在低负荷下时，由所述活塞驱动 的曲轴以500rpm至2000rpm的转速运动。
3.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，其中将所述可变几何涡轮机的入口的 开启尺寸至少减小到接近闭合的涡轮机喷嘴间隙。
4.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，其中将所述可变几何涡轮机的入口的 开启尺寸减小到最大涡轮机喷嘴间隙的0%至7. 5%。
5.根据权利要求4所述的用于控制排放的方法，所述发动机包括EGR系统，所述EGR系 统具有设置在所述发动机的进气口与排气口之间的EGR阀，所述方法包括打开所述EGR阀， 使得NOx排放水平受到控制。
6.根据权利要求5所述的用于控制排放的方法，包括将所述EGR阀打开到所述EGR阀 的最大位置的25%至60%。
7.根据权利要求6所述的用于控制排放的方法，包括在所述活塞的上止点之前喷射燃料。
8.根据权利要求7所述的用于控制排放的方法，包括增大所述气缸的燃料喷射喷嘴口 处的燃料喷射压力。
9.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，所述发动机包括EGR系统，所述EGR系 统具有设置在所述发动机的进气口与排气口之间的EGR阀，所述方法包括打开所述EGR阀， 使得NOx排放水平受到控制。
10.根据权利要求9所述的用于控制排放的方法，包括控制所述可变几何涡轮机的入 口的开启尺寸和所述EGR阀的开度，使得发动机排气的温度升高。
11.根据权利要求10所述的用于控制排放的方法，包括控制所述可变几何涡轮机的入 口的开启尺寸和所述EGR阀的开度，使得发动机排气的温度升高到所述可变几何涡轮机下 游的柴油机氧化催化剂的临界温度。
12.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，包括在所述活塞的上止点之前喷射 燃料。
13.根据权利要求12所述的用于控制排放的方法，包括在所述发动机的至少一个活塞 的上止点之前至少5度时喷射燃料。
14.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，包括增大所述气缸的燃料喷射喷嘴 口处的燃料喷射压力。
15.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，包括通过将燃料喷射从所述活塞的 上止点之前的位置提前来减少碳氢化合物和微粒物排放。
16.根据权利要求15所述的用于控制排放的方法，包括在所述活塞的上止点之前至少5度时喷射燃料。
17.根据权利要求15所述的用于控制排放的方法，包括通过增大所述气缸的燃料喷射 喷嘴口处的燃料喷射压力来减少碳氢化合物和微粒物排放。
18.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，包括通过增大所述气缸的燃料喷射 喷嘴口处的燃料喷射压力来减少碳氢化合物和微粒物排放。
19.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，包括监测至少一个底盘参数，并且 在检测到所述底盘参数的变化之后，开始向发动机的高负荷运行过渡，所述开始向发动机 的高负荷运行过渡的步骤包括调节所述可变几何涡轮机的入口的开启尺寸，以用于高负荷 运行。
20.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，其中所述发动机具有多个气缸，所述 方法包括运行所述发动机，使得在比所述多个气缸的总数少的若干个气缸内发生燃烧。
21.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，其中所述发动机包括位于发动机进 气口上游的压缩机，所述压缩机用于将空气排到所述发动机进气口中，所述方法包括引导 从所述压缩机排出的空气离开所述发动机进气口。
22.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，其中所述发动机包括多个气缸，所述 方法包括在不同气缸的活塞处于不同位置时将燃料喷射到所述气缸内。
23.根据权利要求1所述的用于控制排放的方法，包括测量所述发动机的排气口处的 NOx排放，且响应于NOx排放的测量值来控制所述可变几何涡轮机的入口的开启尺寸，使得 NOx排放水平受到控制。
24.一种柴油发动机，包括至少一个活塞，所述至少一个活塞能在气缸内在上止点位置与下止点位置之间移动；燃料喷射器，所述燃料喷射器用于将燃料喷射到所述气缸内；可变几何涡轮机，发动机排气适于从所述可变几何涡轮机中流过；传感器，所述传感器用于测量所述发动机排气口处的NOx排放；以及控制器，所述控制器布置为在所述发动机的低负荷运行期间响应于NOx排放的测量值 来控制所述可变几何涡轮机的入口的开启尺寸，使得NOx排放水平受到控制。
25.根据权利要求24所述的柴油发动机，包括EGR系统，所述EGR系统具有设置在所述 发动机的进气口与排气口之间的EGR阀，所述控制器布置为打开所述EGR阀，使得NOx排放 水平受到控制。
全文摘要
提供了一种用于在柴油发动机低负荷运行期间控制排放的方法。该发动机包括至少一个活塞，所述至少一个活塞能在气缸内在上止点位置与下止点位置之间移动；燃料喷射器，该燃料喷射器用于将燃料喷射到气缸内；以及可变几何涡轮机，来自发动机的排气适于从该可变几何涡轮机中流过。根据该方法，使发动机在低负荷下运行，测量发动机排气口处的NOx排放，且响应于NOx排放的测量值来控制可变几何涡轮机的入口的开启尺寸，使得NOx排放水平受到控制。
文档编号F02B41/10GK101990595SQ200880124353
公开日2011年3月23日 申请日期2008年1月8日 优先权日2008年1月8日
发明者约翰·C·吉布尔, 蒂莫西·祖德尔 申请人:马克卡车公司