专利名称：控制具有选择性催化还原转化器的直接喷射式气态燃料内燃发动机系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种控制具有选择性催化还原转化器的直接喷射式气态燃料内燃发动机系统以在发动机空转时减少NOx的排放的方法。
背景技术：
目前，大多数的长途运输重型车辆供给汽油燃料或柴油燃料。由于汽油燃料内燃发动机和柴油燃料内燃发动机两者都产生大量的例如氮氧化物(NOx)和颗料物质(PM)的污染物，因此发动机生产商已经开始寻找改进其发动机的最好的方法，以遵从相对于排气管排放物中的污染物的容许水平日益变得更为严苛的新的政府法规标准。
对于狄塞尔循环发动机而言，在减小排气管排放物中的污染物的水平方面显示出显著的改进的ー种方法涉及用燃烧时更为清洁的气态燃料——例如天然气、纯净的甲烷、こ烷、液化石油气、较轻的可燃性烃的衍生物、氢以及这些燃料的混合物——来代替柴油燃料的一部分或全部。气态燃料在这里大致限定为在大气压カ下和零摄氏度时为气态的燃料。而例如柴油的液体燃料在非常高的压カ下被喷射以使燃料雾化，气态燃料由于不需要使燃料雾化的额外能量而可以在较低压力下被喷射到发动机的燃烧室中。利用狄塞尔循环并且用气态燃料代替柴油燃料的优点是这种方法能够保持常规柴油发动机的高效率和高转矩的同时减小排气管排放物中的污染水平。然而，需要对常规柴油发动机进行ー些改造以允许气态燃料代替柴油燃料。在常规的柴油发动机中，由燃料与空气的混合物的机械压缩产生的热量自动点燃在活塞的压缩冲程的终点处或其附近的液态柴油燃料供给。其它液体燃料——例如ニ甲醚、生物柴油和煤油——在燃烧室内的由燃烧室内的供给物的压缩产生的温度和压カ下也会自动点燃。然而，在由燃烧室内的供给物的压缩产生的相同的温度和压カ条件下，例如天然气的气态燃料不会可靠地自动点燃。因此，为了在常规的压燃式发动机中以与柴油发动机相同的压缩比可靠地燃烧气态燃料，在燃烧室内需要点火器来辅助气态燃料的点燃，例如由电热塞、火花塞提供的热表面，或用于引入用作引燃燃料的将可靠地自动点燃的燃料的燃料喷射阀。引燃燃料可以是少量的柴油，借助柴油的自动点燃触发气态燃料的点燃。尽管气态燃料比常规液体燃料通常在燃烧时更为清洁，来自气态燃料发动机的排气管排放物仍能够通过将称为选择性催化还原(“SCR”)的处理应用于从发动机排出的气体而被进ー步改善以减小NOx的水平。在SCR转化器中，氨作为还原剂在SCR催化剂的上游被喷射到废气流中。氨作为还原剂来实现显著的NOx还原能力已经在固定式动カ应用中被证实并因此被使用在柴油发动机中。可以使用任何形式的氨，例如尿素、含水氨、气态氨或液态氨。使用SCR转化器，SCR催化剂有助于氨与NOx之间的反应以产生水和氮气。然而，申请人已经发现将SCR转化器与气态燃料发动机结合并不总能获得相同的NOx转化率。在ー些条件下，尤其是当发动机空转时，发现离开燃烧室的废气的温度显著低于通常在较高转速的发动机运转下所发现的温度。为保持高的NOx-化率，确定了在SCR转化器中的催化剂床(catalytic bed)的温度优选地高于预定温度,该预定温度会根据催化剂的组分而变化。通常，如果离开燃烧室的废气的温度被保持在200摄氏度以上，则能够获得可接受的NOx-化率。对于常规柴油发动机而言，存在许多已知的用于提高废气温度的方法，但气态燃料发动机具有特定的特性，其防碍了这些方法的简单的转移。例如，ー些方法导致了未燃烧燃料被引入到废气流中，以及气态燃料——例如主要由轻质烃类(特别是甲烷)组成的天然气——并不容易在后处理系统的柴油机氧化催化剂中氧化，尤其是在低温下，并且因此并不产生将被后处理系统使用的热量。因此，存在需要考虑开发成功的发动机系统的特别考虑，该发动机系统使用气态燃料和SCR转化器以减小排气管排放物中的NOx的水平。
发明内容
提供了一种用于内燃发动机的控制方法，该内燃机包括由气缸限定的燃烧室； 以及能够在气缸内往复运动的活塞，该活塞被连接到曲轴，当活塞往复运动时曲轴旋转；以及用于将气态燃料直接喷射到该燃烧室中的喷射器。从该燃烧室离开的废气被接收在选择性催化还原(SCR)转化器中，该选择性催化还原(SCR)转化器可操作为通过将NOx转化成氮和水来减小所述废气中的NOx的水平。该方法包括以下步骤检测指示该内燃发动机正在空转的至少ー个发动机參数；以及在发动机循环中，当确定了该内燃发动机正在空转时，对第一量的燃料的喷射进行定时以在该活塞接近上止点时开始喷射，并且将离开该燃烧室的废气的温度控制成高于预定温度，该预定温度由实现该选择性催化还原转化器的期望转化效率的工作温度范围限定，废气的温度通过以下方法被控制将该气态燃料的喷射的开始定时成在第一量的燃料喷射之后；以及通过增加喷射该气态燃料的时间的延迟来提高废气温度，同时限制该延迟以使离开该燃烧室的未燃燃料的浓度保持低于预定的浓度。指示该发动机正在空转的ー个參数可以是该发动机的转速。指示该发动机正在空转的另一个參数可以是总燃料供给量。而且，控制器能够从双轴映射表中读出这两个參数的值，以确定何时发动机正在空转。在本方法的一些实施方式中，燃料喷射器以按顺序引入到该燃烧室内的多个脉冲喷射该第一量的燃料。脉冲中的每ー个均可以具有相同的持续时间，或其可以具有不同的持续时间。如果控制器通过至少ー个发动机參数，例如发动机转速或总燃料供给量，确定了发动机已经从空转过渡到有负载，则控制器逐渐提前开始该第一量的燃料的喷射的时间以及开始该气态燃料的喷射的时间两者，直到每个喷射均在该活塞位于上止点之前时开始，其中每个该时间均基于发动机转速和相应的根据发动机负载所需要的总燃料能量的要求的燃料的量而被预先确定。如果第一量的燃料以多个脉冲被喷射到燃烧室中并且控制器确定了发动机已经从空转过渡到有负载，则控制器逐渐提前开始该多个脉冲中的每ー个的喷射的时间以及开始该气态燃料的喷射的时间两者，并且减少该多个脉冲之间的经过时间，直到该多个脉冲合并成单个的脉冲，并且直到开始该第一量的燃料的喷射和该气态燃料的喷射的时间被提前到在该活塞位于上止点之前发生，并且喷射时间基于发动机转速和相应的根据发动机负载所需要的总燃料能量的要求的燃料的量被预先确定。在优选实施方式中，当通过该发动机转速和总燃料供给量确定了该发动机正在空转时，该方法包括以下步骤对第一量的燃料以两个脉冲进行的喷射进行定时，以在该活塞接近上止点时开始第一脉冲的喷射，并且在该第一脉冲的该喷射结束之后开始第二脉冲的喷射。控制器将离开该燃烧室的废气的温度控制成高于预定温度，该预定温度由实现该选择性催化还原转化器的期望转化效率的工作温度范围限定，该控制通过以下方法实现将该气态燃料在该燃烧室中的直接喷射的开始定时成在喷射该两个脉冲的时间之后，以及通过增加喷射该气态燃料的时间的延迟来提高废气温度，同时限制该延迟以保持离开该燃烧室的未燃燃料的浓度低于预定的浓度。控制器将开始该第二脉冲的喷射的时间调整成接近开始该气态燃料的喷射的时间。第二脉冲可以具有与第一脉冲相同的持续时间或两者的持续时间可以不同。 当第一量的燃料以两个脉冲被喷射并且控制器通过该发动机转速和总燃料供给量确定了发动机已经从空转过渡到有负载时，逐渐提前开始两个脉冲中的每ー个的喷射的时间以及开始该气态燃料的喷射的时间两者，减少该第一脉冲的结束与该气态燃料喷射的开始之间的经过时间并减少该第二脉冲中喷射的燃料的量，直到将单个脉冲喷射到该燃烧室中，并且开始该单个脉冲的喷射和该气态燃料的喷射的时间在该活塞位于上止点之前，其中每个该时间均基于发动机转速和相应的根据发动机负载所需要的总燃料能量的要求的燃料的量而被预先确定。在优选实施方式中，例如对于通过柴油燃料点火的15升直接喷射式天然气内燃发动机而言，以曲柄转角旋转的角度测量的喷射气态燃料的时间的延迟可以介于上止点之后的14度与25度之间。在这种实施方式中，控制器能够在当该曲轴旋转的角度在开始天然气的喷射之前或之后I度内时的时刻，结束该第一量的燃料的喷射，使得柴油燃料的燃烧能够预热燃烧室，从而将热量传递至在柴油之后喷射到燃烧室中的天然气。第一量的燃料的喷射的开始可以在该曲轴被定位在上止点之前的2度的曲柄转角与上止点之后的5度的曲柄转角之间时开始。对许多发动机而言，对于选择性催化还原转化器的有效操作而言可接受的离开该燃烧室的未燃燃料的预定浓度为lOOOppm。在优选实施方式中，废气中的未燃燃料的浓度可以低于200ppm与300ppm之间。由于选择性催化还原转化器需要至少200摄氏度的温度以有效地进行操作，根据本方法的离开燃烧室的废气的预定温度为大致等于或高于200摄氏度。直接喷射到燃烧室中的气态燃料选自天然气、甲烷、丙烷、丁烷、氢以及它们的混合物构成的组。当喷射到燃烧室中的第一量的燃料是与该气态燃料相同的燃料时，该内燃发动机还包括设置在该燃烧室内的用于点燃该燃料的点火器，例如电热塞、火花塞或热表面。在其它实施方式中，喷射到燃烧室中的第一量的燃料是能够在燃烧室中自动点燃的燃料，例如选自柴油、ニ甲基こ醚、生物柴油和煤油的燃料构成的组。
图I为包括废气后处理子系统和废气再循环回路的直接喷射式气态燃料内燃发动机系统的不意图；图2为根据现有技术中已知的燃料喷射控制的常规方法的当发动机以空转、中速或较高速运转时，气态燃料内燃发动机的燃料喷射时间的示意图；图3为当发动机根据本方法以空转运转，从而废气温度升高并且保持在提高SCR转化器中的NOx-化率所需要的温度时的燃料喷射时间的示意图；图4为当前的燃料喷射控制策略被应用时的发动机测试循环的燃料喷射时间区域的图示，并且其还示出测试期间记录的SCR催化剂床的温度；以及图5为发动机的速度-燃料供给映射表的图示，该映射表示出能够应用当前的燃料喷射策略的发动机转速和总燃料供给量的范围。
具体实施例方式图I示出包括废气后处理子系统和废气再循环回路的直接喷射式气态燃料内燃发动机系统的示意图。这里的“直接喷射”用于指将燃料直接喷射到内燃发动机的燃烧室中，其为技术上与将燃料喷射到发动机的进气岐管中或喷射到发动机的进气阀的进气岐管侧的进气口中的发动机不同的方法。通过直接喷射式发动机，燃料能够在发动机循环中靠后地被喷射，从而避免与避免发动机爆燃(燃料的先期爆燃)相关联的燃料比和压缩比的限制。相反地，与具有相同排量的其它发动机相比，其通常允许直接喷射式发动机采用较高的压缩比，并且获得较高的效率和功率输出。公开的方法能够用于通过喷射器将气态燃料直接喷射到燃烧室中的发动机。气态燃料能够被点火装置点燃，点火装置可以是火花塞、电热塞、热表面、或能够在燃烧室内部自动点燃的引燃燃料。当通过引燃燃料辅助点燃气态燃料时，引燃燃料优选通过单独的喷射器被直接引入到燃烧室中。在一些实施方式中，气态燃料喷射器和引燃燃料喷射器集成为单个的组件，但具有用于气态燃料和引燃燃料的分离的通道使得两个喷射器能够独立地操作为在不同时间分别喷射每种燃料。图I中示出的示意图并未按比例绘制，将ー些部件示出为相对于其它部件较大以更好地说明其功能。所公开的直接喷射式内燃发动机具有至少ー个气缸、活塞和连接到活塞的曲轴，该活塞能够在气缸内以已知的方式往复运动，曲轴能够通过活塞在气缸内的往复运动进行旋转。在本公开中，參照上止点(TDC)之前或之后的曲柄转角角度来描述燃料喷射到燃烧室中，曲柄转角角度代表曲轴的位置相对于曲轴在活塞处于上止点(TDC)时的位置。当活塞已经到达压缩冲程的終点并且即将开始膨胀冲程吋，更具体地，当活塞最靠近于气缸盖吋，活塞位于TDC处。參照图1，内燃发动机系统100示出了直接喷射式气态燃料发动机的示例性实施方式，该直接喷射式气态燃料发动机使用例如柴油燃料的引燃燃料以辅助点燃喷射到燃烧室中的气态燃料。内燃发动机系统100总体上包括发动机110、柴油燃料输送子系统112、气态燃料输送子系统114和控制器116。发动机系统还包括空气进气管路118和废气管路120。沿方向122离开发动机的一些废气通过废气再循环回路124沿方向126并且通过阀128被引导到空气进气管路118中，在空气进气管路118中与流经空气进气管路118的进入空气混合。新鲜的进入空气与再循环的废气的混合物沿由箭头130示出的方向被输送至发动机110的进气ロ。离开发动机110的未进行再循环的废气沿由箭头132示出的方向流经涡轮增压器138，并且流动到连接于废气后处理子系统140的管路134，并且废气从废气后处理子系统140通过排气管被释放到大气中。涡轮增压器138优选具有本领域技术人员已知的可变的几何形状，但所公开的方法也能够应用于不具有涡轮增压器的发动机。废气后处理子系统140包括选择性催化还原(SCR)转化器142和尿素喷射系统144。废气后处理子系统140还可以包括微粒过滤器146 (被称为“DPF”)和柴油喷射器148。DPF146可以包括用于使废气中的碳氢化合物和一氧化碳氧化的柴油机氧化催化剂装置 149。控制器116可以结合到车辆控制器中或可以是与车辆控制器通信的独立的控制器。控制器116基于检测到的发动机运行状态来控制柴油燃料喷射输送子系统112、气态燃料输送子系统114和废气后处理子系统140。控制器116接收关于指示发动机运行状态的至少ー个发动机參数——例如发动机转速和总燃料量——的信息。基于存储在发动机的存储器中的发动机映射表，控制器116能够确定发动机何时在空转，如下面參照图4和图5进一步说明的。
图2示出当发动机以空转(I)、中速(2)或较高速(3)运转时，与图I中示出的内燃 发动机类似的直接喷射式气态燃料内燃发动机的燃料喷射时间的示意图。对喷射的开始进行定时的方法，从用于将柴油喷射到柴油燃料发动机中的已知的方法转变而来，除了代替只喷射柴油燃料，而初始脉冲的柴油引燃燃料被喷射，继之以较大脉冲的气态燃料之外。这里的“空转”用于指代当由发动机承担的负载仅仅是由摩擦产生的负载和寄生负载时发动机以低速运转的状态(对于压燃式发动机来说通常为700转/分左右，但空转转速可以根据发动机的设计而变化)。当发动机以空转(I)运转时，控制器116控制燃料输送子系统112和114以在上止点之前将一定量的柴油燃料210直接喷射到发动机的燃烧室中，并且在柴油燃料喷射之后不久且接近上止点时将一定量的气态燃料220直接喷射到燃烧室中。对喷射燃料的时间和燃料量进行优化，以在发动机未承担生产性负载且仅有的负载是由摩擦产生的负载和寄生负载时保持预定的发动机空转速度。在发动机的中速运转(2)期间，当与发动机以空转运转时相比发动机转速增大时，柴油燃料喷射230的时间与气态燃料喷射240的时间与空转时燃料喷射的时间相比在发动机循环中相对于上止点发生得更早。如图2的示例(3)中所示，当发动机转速进ー步增大至更高速度时，柴油燃料喷射250的时间与气态燃料喷射260的时间在发动机循环中相对于上止点发生得甚至更早。在上述现有技术的方法中，与柴油燃料发动机相似，在所有运转模式下柴油燃料都在上止点之前被喷射，并且气态燃料喷射的开始大致接近上止点时或在上止点之前发生。随着发动机转速的増大，柴油燃料喷射的开始和气态燃料喷射的开始在发动机循环中更早的发生。例如，对于使用柴油引燃点火的15升直接喷射式气态燃料发动机来说，当发动机以高速运转时，柴油燃料喷射的最早时间可以介于TDC之前的10度至20度的曲柄转角之间。在图2中示出的现有技术的方法中，柴油燃料在接近气态燃料喷射的开始时被喷射到燃烧室中，使得当柴油引燃燃料点燃时，其产生足够的用于加热燃烧室以及有效地点燃在引燃燃料之后被按顺序引入到燃烧室中的气态燃料的热量。当使用点火器时，例如，举例来说为电热塞或其它热表面、或火花塞，则不需要引燃燃料。然而，在一些实施方式中，如果点火器被用于点燃引燃量的气态燃料，该气态燃料进而点燃在相应的脉冲220、240和260中喷射的主要量的气态燃料，则可以使用相同的燃料供给策略。
在图3中示出当发动机以空转运转时控制燃料喷射的当前公开的改进的方法，图3示出了四个不同实施方式A至D的燃料喷射时间，所有四个实施方式都涉及当气态燃料直接喷射式内燃发动机空转时的燃料喷射策略。基于图3中示出的并且在下面更详细地描述的实施方式，本领域技术人员应当能够理解，本方法能够在使用例如柴油的引燃燃料以便辅助点火的气态燃料内燃发动机上实现，或在使用其它辅助点火装置——例如，举例来说为电热塞或其它热表面、或火花塞——的发动机上实现。在这种情况下，气态燃料脉冲可以在以下描述的喷射中代替柴油脉冲，同时仍然遵从图3的实施方式A至D中示出的喷射模式。在当前公开的方法的所有实施方式中，与遵从柴油燃料发动机所使用的常规方法的如图2中所示的现有技术的常规方法中实施的气态燃料喷射时间相比，气态燃料喷射在发动机循环中开始得较晚。通过延迟气态燃料的喷射，更多热量被传递至离开燃烧室的废气并且该热量被运载到SCR催化剂床中，从而在发动机空转时有助于将催化剂床保持在较高温度。在引燃燃料被用作辅助点火的手段的实施方式中，由于当空转时用于保持发动机转速的相对较低的能量需求，因此保持空转所需要的大多数能量由引燃燃料的燃烧来提供，而来自燃烧气态燃料的多数能量都转变为了热量。在当前公开的方法的实施方式A中， 将第一量的燃料310直接喷射到燃烧室中的时间被设定为当活塞接近上止点时开始，并且该燃料的燃烧主要帮助克服摩擦和寄生负载以保持发动机空转转速。第一量的燃料310的喷射可以在接近开始气态燃料喷射312的时间结束。气态燃料被直接喷射到燃烧室中，并且气态燃料喷射312在第一量的燃料310的喷射的时间之后且在上止点之后按顺序开始。通过这种方法，气态燃料的燃烧的时间被调整以将废气温度増加到至少200摄氏度，该温度将SCR转化器142内部的温度保持在提高NOx转化效率的工作范围内。也就是说，离开燃烧室的废气的温度通过增大开始气态燃料喷射312的喷射的时间的延迟而升高，但不同于常规的柴油发动机，对于气态燃料发动机来说，该延迟的长度被限制为使离开燃烧室的未燃燃料的浓度保持低于预定浓度——通常低于lOOOppm，在优选实施方式中，低于介于200ppm与300ppm之间的浓度。在优选实施方式中，第一量的燃料310的喷射在开始气态燃料喷射312的时间之前或之后的I度的曲柄转角内结束，使得柴油燃料能够有效地点燃气体。第一量的燃料的喷射可以在曲轴被定位在TDC之前的约2度的曲柄转角与TDC之后的约5度的曲柄转角之间时开始。当发动机空转并且柴油燃料被用作引燃燃料以点燃气态燃料时，柴油燃料作为第一量的燃料310被喷射，并且接近TDC时喷射的柴油燃料的燃烧完成大部分的克服摩擦和寄生负载以保持预定的发动机空转转速的工作，而柴油燃料的接近气态燃料喷射312的开始时喷射的部分的燃烧有助于确保气态燃料的点燃。在该方法中，任何在燃烧室内自动点燃的燃料都能够作为第一量的燃料310被喷射。这种燃料可以选自由ニ甲基こ醚、生物柴油和煤油构成的组。尽管本公开从始至终都将柴油燃料称作引燃燃料，但本领域技术人员应当能够理解到，作为第一量的燃料310喷射的柴油燃料既用于点燃气态燃料也用于如上所述的保持预定的发动机空转转速。当发动机使用例如电热塞或其它热表面、或火花塞的点火器而不是引燃燃料来确保气态燃料的点燃时，第一量的燃料310可以是气态燃料，并且接近上止点时喷射的气态燃料被点燃以做功并克服摩擦和任何的寄生负载，从而保持预定的发动机空转转速。在第一量的燃料310的靠后部分中喷射的气态燃料进行燃烧以帮助点燃气态燃料喷射312。仍然參照图3，在当前公开的方法的实施方式B中，第一量的燃料的喷射被分为两个脉冲，使得第一脉冲314在接近上止点时被喷射到燃烧室中，而第二燃料脉冲316在接近气态燃料喷射318的开始时被喷射到燃烧室中。在该实施方式中，第一脉冲314的喷射可以在TDC之前2度的曲柄转角与TDC之后5度的曲柄转角之间开始。气态燃料喷射318在通过试验测试确定的曲柄转角处在发动机循环中靠后地开始，以将废气的温度提高至SCR转化器的工作温度范围，大致高于200摄氏度。SCR转化器中的较高的温度通常与较高的转化效率相关联，并且在所有的实施方式中都相同的是，开始气态燃料喷射318的时间的更长的延迟导致离开燃烧室的废气的更高的温度，并且通过所公开的方法，只要延迟没有长到导致废气中的未燃燃料浓度超过了预定的水平，大致为lOOOppm，或在优选实施方式中为200ppm或300ppm,就能够实现高于200摄氏度的温度。
第一燃料脉冲314的燃烧用于克服摩擦以及满足寄生负载以保持预定的发动机空转转速，而接近气态燃料喷射318的开始时喷射的第二燃料脉冲316的燃烧用于点燃气态燃料喷射318。第二脉冲316的结束大致发生在燃料喷射318的开始之前或之后的I度的曲柄转角内，使得在脉冲316中喷射的燃料的点燃能够有效地加热燃烧室并有助于气态燃料的点燃。在当前公开的方法的替代性实施方式C和D中，第一量的燃料的喷射通过在接近TDC时将相应的第一脉冲320和330喷射到燃烧室中、继之在相应的最后的燃料脉冲324和336之前将如图3所示的一个或更多个相应的脉冲322、332和334按顺序喷射到燃烧室中而被分为多个脉冲，相应的最后的燃料脉冲324和336在相应的气态燃料喷射326和338之前不久被喷射到燃烧室中，使得相应的脉冲324和336的结束接近相应的气态燃料喷射326和338的开始。相应的最后的脉冲324和336的结束大致发生在相应的气态燃料喷射326和338的开始之前或之后I度的曲柄转角内，如图3所示。脉冲320、322和324以及相应的330、332、334和336可以分别具有相同的持续时间或可以在持续时间变化。每个脉冲的优选持续时间以及这些脉冲之间的间隔时间可以取决于发动机的尺寸、所使用的燃料的类型以及发动机的期望运行特性，但这些參数能够通过已知的校准方法根据经验来确定。一旦发动机被校准，校准的參数即可进入到查询表中或多维映射表中，然后将多维映射表存储在控制器116的存储器中，以用于控制以相同设计制造的所有的发动机的燃料喷射策略。在实施方式A中的第一喷射310和第二喷射312中喷射的燃料的量分别能够通过响应于从车辆控制器传送的发动机转速或任何存在的负载的控制器116进行控制。类似地，如在本方法的实施方式B、C或D中所描述的，当多个脉冲被喷射到燃烧室中时，在第一脉冲(例如，脉冲314、320或330)中喷射到燃烧室中的燃料的量以及气态燃料(例如在喷射318,326和338中喷射的)的量能够通过响应于直接传送到控制器116或通过车辆控制器间接传送的发动机转速或任何当前的发动机负载的控制器116进行控制。由于在空转期间发动机转速保持较低，700转/分左右，并且考虑到发动机仅需要克服相对于发动机的最大负载输出通常非常小的摩擦和寄生负载，发动机负载是可忽略的，因此发动机转速和负载的这种变化通常是极小的。
当如图I所示的包括SCR转化器的气态燃料内燃发动机系统根据图2中示出的现有技术中的方法以空转运转时，废气的温度没有足够高到将SCR催化剂床的温度保持在200摄氏度以上，这导致了 SCR转化器的降低了的转化效率。图3中示出的当前公开的方法与用于柴油内燃发动机和直接喷射式气态燃料内燃发动机在空转时的燃料喷射的常规方法的不同之处在于燃料喷射的开始在发动机循环中靠后地发生。更具体地，当活塞在气缸内在其膨胀冲程上时，第一量的燃料的喷射在接近上止点时开始，而气态燃料的喷射在上止点之后开始。第一量的燃料可以是例如柴油燃料的能够可靠地自动点燃的燃料，或如果发动机在燃烧室中配备有点火器以辅助气态燃料的点燃则第一量的燃料可以是气态燃料。例如，点火器可以是电热塞或其它热表面装置、或火花塞。与现有技术中的气态燃料发动机相比，通过延迟燃料的喷射，气态燃料的延迟的燃烧在活塞上做较少的功，而导致更多的热量被传递到废气流。废气中的热量中的一些被传递至后处理子系统中的SCR转化器，这有助于将SCR催化剂床的温度保持在获得更高效的NOx转化率的预定的温度以上；该预定的温度能够根据催化剂组合物而变化，但使用已知的催化剂组合物时，已经发现该预定的温 度大致在200摄氏度左右。
要重要指出的是，气态燃料发动机和不供给任何气态燃料的常规的柴油燃料发动机有明显的不同，这妨碍了将常规柴油燃料发动机使用的方法直接应用于气态燃料发动机。在常规的柴油发动机中，离开燃烧室到达后处理子系统的未燃柴油燃料，通过废气后处理子系统的氧化催化剂被氧化从而产生热量，这进ー步提高了废气的温度。因此，在离开燃烧室的废气中的过量未燃柴油燃料的存在并不产生对后处理子系统的任何不利影响，而通过升高后处理子系统中的温度甚至可以是有利的。这不同于气态燃料发动机，在气态燃料发动机中，主要包括例如甲烷的较轻烃类的未燃燃料——其尤其是在低温时不易通过后处理催化剂被氧化——在不产生任何热量以升高后处理子系统中的温度的情况下通过排气管被未燃烧地释放到大气中。因此，在气态燃料内燃发动机系统中，优选避免从燃烧室排放未燃燃料。当前公开的方法教导了延迟气态燃料的喷射以在膨胀冲程中靠后地开始，同时限制该延迟以在燃烧室内基本上燃烧所有的气态燃料。开始气态燃料喷射的时间可以通过已知的发动机校准方法根据经验确定，并且可以根据各种因素来确定，例如发动机尺寸和燃料类型。在供给天然气的Westport GX 15升发动机中使用这种校准方法，以生成试验数据，该试验数据示出了气态燃料喷射的优选时间发生在柴油引燃燃料的喷射之后且曲轴位于TDC之后14度与25度之间的曲柄转角吋。通过优选的空气控制策略，能够实现控制燃料喷射时间以将SCR催化剂床的温度保持在200摄氏度以上的当前公开的方法。再次參照图I中示出的实施方式，当控制器116控制阀128和涡轮增压器138以减小废气流动通过的截面时，会导致涡轮增压器效率降低的结果，这使得发动机的泵送功增大以保持所需要的功率。为产生更多的泵送功，供给到发动机的燃料量必须增加。因此，在燃烧室中燃烧的更多的燃料产生更多的热量，热量部分地传递到离开燃烧室的废气从而提高其温度，进而使热量传递到后处理子系统中的催化剂床。利用供给天然气的Westport GX 15升发动机来验证所公开的方法并对发动机的排放量与政府法规进行比较。图4示出由线410示出的发动机转速和由线420示出的转矩输出的曲线图。阴影区域示出发动机空转的时区。当前公开的方法在当发动机转速410和转矩输出420具有较低值时的区域430中应用。为显示当前公开的方法对SCR催化剂床温度的效果，将线440绘制在发动机转速和转矩曲线的下方。线440为当前公开的喷射策略在区域430中执行吋，在发动机测试期间与转矩和速度曲线相对应的SCR催化剂床温度的曲线。线440示出在测试开始后的较短时间内(25秒左右)，SCR床温度升高至200摄氏度以上的温度，并且在SCR床温度的该初始升高之后，温度在整个测试中——包括当发动机以空转运转时的随后的时间(区域430)期间——都被保持在200摄氏度以上。线450为当应用图2中示出的燃料喷射的常规方法吋，在相同条件下在同一发动机上执行的测试期间SCR催化剂床温度的曲线，其示出了 SCR催化剂床在持续的时间内保持在显著较低的温度，这导致了排气管排放物中显著较高的NOx的水平。图5示出Westport GX 15升直接喷射式气态燃料发动机的速度-燃料供给映射表，其中，满负载燃料供给曲线由附图标记510表示。该映射表还示出了区域520，该区域520表示映射表上的发动机被视为以“空转”运转并且能够使用当前公开的燃料喷射的方法 的区域。发动机被视为以“空转”运转的区域520的发动机转速和总燃料供给量的预定范围可以根据发动机尺寸和类型从一个发动机到另ー个变化。通常，当发动机转速在700转/分左右，并且总燃料供给的值在处于映射表上的刻度的最低端处的范围内时，大多数发动机都被认为以“空转”运转。当发动机空转时，发动机上的负载主要由摩擦和寄生负载引起。寄生负载的示例包括皮带传动的辅助设备，例如燃料泵、用于发动机冷却系统和液压系统的泵、用于产生电能的交流发电机、空调以及制冷単元。映射表上的另一区域为发动机有负载运转的区域540。对于卡车发动机(truckengine)而言，区域540表示当发动机做功以驱动卡车时的负载。在映射表上的区域540中，喷射到燃烧室中的燃料能够根据现有技术中已知的、并且在图2中的中范围转速(2)和较高转速(3)的示例中示出的常规的方法进行控制。这是因为在较高负载下，当更多的燃料被燃烧时，通过图2中的实施方式(2)和(3)中示出的燃料供给方法，离开燃烧室的废气的温度在200摄氏度以上，而无需延迟气态燃料的燃烧以升高废气温度。对于用来为车辆提供动カ的发动机而言，可以将如图5中示出的速度-燃料供给映射表作为一体存储到车辆控制器的存储器中。车辆控制器监控指示发动机状态的发动机转速和其它參数，例如总燃料供给量，并且将这些參数的值传送至将燃料喷射控制到燃烧室中的控制器116。当检测到的发动机转速和总燃料供给量在映射表上的区域520内时，控制器116根据本方法控制燃料喷射。当从发动机空转区域520过渡到负载区域540吋，更具体地，当发动机转速和总燃料供给量在区域530的边界内时，发动机以下面描述的过渡模式运转。如果在空转时，根据图3中示出的实施方式A控制燃料喷射，在过渡模式期间，本方法包括逐渐地提前开始第一量的燃料310的喷射的时间以及开始气态燃料312的喷射的时间，直到每个喷射在曲轴到达上止点之前的曲柄转角时开始，其基于根据常规方法特性的发动机转速被确定到发动机以有负载运转。该方法还包括在同一时间段中，在第一量的燃料310的喷射期间以及在气态燃料312的喷射期间控制喷射到所述燃烧室中的燃料的量，直到每个喷射中所喷射的燃料的量基于根据常规方法特性的发动机负载被控制到发动机以有负载运转。在经历预定的时间段后，能够完成从本方法到与图2中表示的示例(2)和(3)的策略类似的喷射控制策略的过渡。在其它实施方式中，只要要求的总燃料供给量和发动机转速在速度-燃料供给映射表上的区域530内，发动机即能够在过渡模式下运转。如果在空转时，根据图3中示出的实施方式B控制燃料喷射，并且控制器116确定了发动机已经从空转过渡到有负载，更具体地，当发动机开始在速度-燃料供给映射表上的区域530中运转时，在第二脉冲316中喷射的燃料的量以及第ー脉冲314的结束与燃料喷射318之间的间隔时间逐渐地减小，直到在第二脉冲316中喷射的燃料的量接近于零并且第一燃料脉冲314与燃料喷射318之间的间隔时间达到与根据有载荷时控制燃料喷射的常规方法确定的第一燃料喷射与第二燃料喷射之间的间隔时间相对应的值。在同一时间段中，控制器116逐渐提前第一脉冲314、第二脉冲316以及燃料喷射318的时间，以确保平顺地过渡到区域540。在经历预定的时间段后，能够完成从本方法到与图2中表示的示例(2)和(3)的策略类似的喷射控制策略的过渡。在其它实施方式中，只要要求的总燃料供给量和发动机转速在速度-燃料供给映射表上的区域530内，发动机即能够在过渡模式下运转。
类似地，如果在空转时，根据图3中示出的实施方式C或D控制燃料喷射，并且控制器116确定了发动机已经从空转过渡到有负载，更具体地，当发动机开始在速度-燃料供给映射表上的区域530中运转时，将开始喷射到燃烧室中的每个燃料脉冲——例如，脉冲320、322和324，以及相应的330、332、334和336——的喷射的时间、以及开始气态燃料326和相应的气态燃料338的喷射的时间逐渐提前到与根据有负载时控制燃料喷射的常规方法确定的燃料喷射时间相对应的在发动机循环中的较早的时间。在同一时间段中，控制器116控制燃料喷射器以逐渐減少脉冲的数量、以及在燃料脉冲322和324中和相应的燃料脉冲332、334和336中喷射的燃料的量，同时减小第一燃料脉冲320的结束与燃料喷射326的开始之间的间隔时间、以及相应的第一燃料脉冲330的结束与气态燃料喷射338之间的间隔时间，直到单个的第一脉冲先于并接近气态燃料喷射的开始被喷射到燃烧室中，并且在第一燃料喷射中和在气态燃料喷射中喷射的燃料的量具有与根据在有载荷时控制燃料喷射的常规方法确定的燃料的量相对应的值。在经历预定的时间段后，能够完成从本方法到与图2中表示的示例(2)和(3)的策略类似的喷射控制策略的过渡。在其它实施方式中，只要要求的总燃料供给量和发动机转速在速度-燃料供给映射表上的区域530内，发动机即能够在过渡模式下运转。如上所述，描述了在速度-燃料供给映射表上的该过渡区域530中，喷射控制策略从本方法改变到与图2中表示的示例(2)和(3)的策略类似的喷射控制策略。已经參照多个示例性实施方式对本发明进行了描述。然而，对本领域技术人员来说明显的是，在不脱离如权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以做出多种改变和改型。
权利要求
1. 一种控制内燃发动机的方法，所述内燃发动机包括由气缸限定的燃烧室；以及能够在所述气缸内往复运动的活塞，所述活塞被连接到曲轴，当所述活塞往复运动时所述曲轴旋转；以及用于将气态燃料直接喷射到所述燃烧室中的喷射器，其中，从所述燃烧室离开的废气被接收在选择性催化还原(SCR)转化器中，所述选择性催化还原(SCR)转化器可操作为通过将NOx转化成氮和水来减小所述废气中的NOx的水平，所述方法包括以下步骤 a.检测指示所述内燃发动机正在空转的至少一个发动机参数；以及 b.在发动机循环中，当确定了所述内燃发动机正在空转时 1.对第一量的燃料的喷射进行定时以在所述活塞接近上止点时开始喷射；以及 .通过步骤a)和b)，将离开所述燃烧室的废气的温度控制成高于预定温度，所述预定温度由实现所述选择性催化还原转化器的期望转化效率的工作温度范围限定 a)将所述气态燃料的喷射的开始定时成在喷射所述第一量的燃料的时间之后，以及 b)通过增加喷射所述气态燃料的时间的延迟来提高废气温度，同时限制所述延迟以使离开所述燃烧室的未燃燃料的浓度保持低于预定的浓度。
2.根据权利要求I所述的方法，还包括在按顺序引入到所述燃烧室内的多个脉冲中喷射所述第一量的燃料。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，指示所述发动机正在空转的一个参数是所述发动机的转速。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，指示所述发动机正在空转的一个参数是总燃料供给量。
5.根据权利要求I所述的方法，进一步包括当通过所述至少一个发动机参数确定了所述发动机已经从空转过渡到有负载时，逐渐提前开始所述第一量的燃料的喷射的时间以及开始所述气态燃料的喷射的时间两者，直到每个喷射均在所述活塞位于上止点之前时开始，其中每个所述时间均基于发动机转速和相应的根据发动机负载所需要的总燃料能量要求的燃料的量来预先确定。
6.根据权利要求2所述的方法，进一步包括当通过所述至少一个发动机参数确定了所述发动机已经从空转过渡到有负载时，逐渐提前开始所述多个脉冲中的每一个脉冲的喷射的时间以及开始所述气态燃料的喷射的时间两者，并且减少所述多个脉冲之间的经过时间，直到所述多个脉冲合并成单个的脉冲并且开始所述第一量的燃料的喷射和所述气态燃料的喷射的时间在所述活塞位于上止点之前，其中每个所述时间均基于发动机转速和相应的根据发动机负载所需要的总燃料能量要求的燃料的量来预先确定。
7.—种控制内燃发动机的方法，所述内燃发动机包括由气缸限定的燃烧室；以及能够在所述气缸内往复运动的活塞，所述活塞被连接到曲轴，当所述活塞往复运动时所述曲轴旋转；以及用于将气态燃料直接喷射到所述燃烧室中的喷射器，其中，从所述燃烧室离开的废气被接收在选择性催化还原(SCR)转化器中，所述选择性催化还原(SCR)转化器可操作为通过将NOx转化成氮和水来减小所述废气中的NOx的水平，所述方法包括以下步骤 a.检测所述发动机的转速和总燃料供给量； b.当通过所述发动机转速和总燃料供给量确定了所述发动机正在空转时 a.对在两个脉冲中直接喷射到所述燃烧室中的第一量的燃料的喷射进行定时，以在所述活塞接近上止点时开始第一脉冲的喷射，并且在所述第一脉冲的所述喷射结束之后开始第二脉冲的喷射， b.通过步骤i和ii将离开所述燃烧室的废气的温度控制成高于预定温度，所述预定温度由实现所述选择性催化还原转化器的期望转化效率的工作温度范围限定 I.将所述气态燃料在所述燃烧室中的直接喷射的开始定时成在喷射所述两个脉冲的时间之后，以及 ii.通过增加喷射所述气态燃料的时间的延迟来提高废气温度，同时限制所述延迟以使离开所述燃烧室的未燃燃料的浓度保持低于预定的浓度， 其中，开始所述第二脉冲的喷射的时间被调整成接近开始所述气态燃料的喷射的时间。
8.根据权利要求I或7中的任一项所述的方法，其中，以曲柄转角的角度测量的所述时间延迟介于上止点之后的14度与25度之间。
9.根据权利要求I或7中的任一项所述的方法，其中，离开所述燃烧室的未燃燃料的所述预定浓度小于或等于lOOOppm。
10.根据权利要求I或7中的任一项所述的方法，其中，离开所述燃烧室的所述废气的所述预定温度等于或高于200摄氏度。
11.根据权利要求I或7中的任一项所述的方法，进一步包括在当所述曲轴转角在开始所述气态燃料的所述喷射之前或之后I度内时的时刻，结束所述第一量的燃料的喷射。
12.根据权利要求I或7中的任一项所述的方法，进一步包括当所述曲轴被定位在上止点之前的2度的曲柄转角与上止点之后的5度的曲柄角之间时，开始所述第一量的燃料的所述喷射。
13.根据权利要求2或7中的任一项所述的方法，其中，所述脉冲中的每一个脉冲均具有相同的持续时间。
14.根据权利要求I或7中的任一项所述的方法，其中，所述气态燃料选自天然气、甲烷、丙烷、丁烷、氢以及它们的混合物构成的组。
15.根据权利要求I或7中的任一项所述的方法，其中，所述第一量的燃料是与所述气态燃料相同的燃料，并且所述内燃发动机进一步包括设置在所述燃烧室内的用于点燃所述燃料的点火器。
16.根据权利要求I或7中的任一项所述的方法，其中，所述第一量的燃料是能够在所述燃烧室中自动点燃的燃料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一量的燃料选自柴油燃料、二甲基乙醚、生物柴油和煤油构成的组。
18.根据权利要求7所述的方法，进一步包括当通过所述发动机转速和总燃料供给量确定了所述发动机已经从空转过渡到有负载时，逐渐提前开始两个脉冲中的每一个脉冲的喷射的时间以及开始所述气态燃料的喷射的时间两者，减少所述第一脉冲的结束与所述气态燃料喷射的开始之间的经过时间并减少所述第二脉冲中喷射的燃料的量，直到将单个的脉冲喷射到所述燃烧室中并且开始所述单个脉冲的喷射和所述气态燃料的喷射的时间在所述活塞位于上止点之前，其中每个所述时间均基于发动机转速和相应的根据发动机负载所需要的总燃料能量要求的燃料的量来预先确定。
全文摘要
公开的方法涉及控制直接喷射式气态燃料内燃发动机系统以改进可操作为减小NOX的水平的SCR转化器的转化效率。该方法包括检测何时所述内燃发动机正在空转，并且对第一量的燃料的喷射进行定时以在发动机的活塞接近上止点时开始喷射；以及将废气的温度控制成高于预定温度，该预定温度由实现所述选择性催化还原转化器的期望转化效率的工作作温度范围限定，所述控制通过以下方法实现a)对气态燃料的喷射进行定时以在喷射所述第一量的燃料的时间之后开始，以及b)通过增加喷射气态燃料的时间的延迟来提高废气温度，同时限制所述延迟以使离开所述燃烧室的未燃燃料的浓度保持低于预定的浓度。
文档编号F02D41/40GK102859152SQ201180020063
公开日2013年1月2日 申请日期2011年4月15日 优先权日2010年4月20日
发明者肖恩·D·理查森, 奥列弗·P·M·勒巴斯塔尔 申请人:西港能源有限公司