用于对置活塞二冲程发动机的排气管理策略的制作方法

用于对置活塞二冲程发动机的排气管理策略的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于具有EGR的对置活塞二冲程发动机的排气温度管理策略，其基于控制输送到汽缸的新鲜空气和外部EGR的质量与截留充气的质量（被输送的充气的密度乘以在孔口关闭时截留体积）的比率。
【专利说明】用于对置活塞二冲程发动机的排气管理策略

【技术领域】
[0001]本领域为内燃发动机。特别地，本领域涉及二冲程内燃发动机。更具体地，本领域覆盖用于对置活塞二冲程发动机的排气管理策略。

【背景技术】
[0002]如图1中所见，对置活塞发动机包括至少一个汽缸10，其具有在其中机加工或形成的镗孔12与纵向移置的排气口和进气口 14和16。燃料喷射器喷嘴17在汽缸的纵向中心处或接近该纵向中心被定位在喷射器口中或邻近该喷射器口，该喷射器口通向汽缸侧面。两个活塞20、22被布置在汽缸的镗孔12中，其中它们的端面20e、22e彼此相对。为方便，因为活塞20靠近排气口 14，所以活塞20称为“排气”活塞；并且排气口在其中形成的汽缸的末端称为“排气端”。相似地，因为活塞22靠近进气口 16，所以活塞22称为“进气”活塞，并且汽缸的对应末端称为“进气端”。
[0003]具有一个或更多个汽缸(诸如汽缸10)的对置活塞发动机的运转被良好理解。在这点上并参考图2，响应于在端面20e、22e之间发生的燃烧，对置活塞从各自的上止点(TDC)位置移走，在该位置处它们处于它们在汽缸中相对彼此最靠近的位置。当从TDC移动时，活塞保持它们的相关联的孔口关闭，直到它们接近各自的下止点(BDC)位置，在该位置中它们彼此分开最远。活塞可同相移动，使得排气口和进气口 14、16—致打开和关闭。可替换地，一个活塞可在相位上领先另一活塞，在此情况下进气和排气口具有不同的打开和关闭时间。
[0004]在许多对置活塞构造中，相位偏移被引入活塞移动。如图1所示，例如，排气活塞领先进气活塞，并且相位偏移导致活塞以一定顺序绕它们的BDC位置移动，在该顺序中当排气活塞20移动通过BDC时排气口 14打开，同时进气口 16仍关闭，使得燃烧气体开始流出排气口 14。当活塞继续彼此移开时，进气口 16打开同时排气口 14仍打开，并且压缩空气的充气(“增压空气”)被强制进入汽缸10，驱动排气离开排气口 14。在允许增压空气通过进气口进入时排气从汽缸通过排气口的位移被称为“扫气”。因为进入汽缸的增压空气在与排气的流出相同的方向(朝向排气口)上流动，所以扫气过程称为“直流扫气”。
[0005]当活塞移动通过它们的BDC位置并反向时，排气口 14由排气活塞20关闭并且扫气停止。进气口 16保持打开同时进气活塞22继续从BDC移开。当活塞继续朝向TDC移动时(图2)，进气口 16关闭并且汽缸中的增压空气在端面20e和22e之间被压缩。通常地，增压空气在其经过进气口 16时旋动以在孔口打开时促进扫气，并且在孔口关闭后将空气与喷射的燃料混合。燃料(其通常是柴油)由一个或更多个高压喷射器喷射入汽缸。参考图1为例，旋动的空气(或简单地，“旋涡”)30具有大体螺旋形运动，该运动在镗孔中形成围绕汽缸的纵轴线循环的涡流。如图2中最优所见，当活塞在汽缸镗孔中朝向它们各自的TDC位置前进时，在活塞的端面20e、22e之间，燃料40通过喷嘴17直接喷射入镗孔12中的旋动增压空气30。当活塞20和22接近它们各自的TDC位置时，增压空气和燃料的旋动混合物在端面20e和22e之间限定的燃烧室32中被压缩。当混合物达到点火温度时，燃料在燃烧室中点火，从而驱动活塞朝向它们各自的BDC位置分开。
[0006]活塞20、22的每次完整移动(TDC到BDC和BDC到TDC)是一个“冲程”。由于发动机的一个完整动力循环在活塞的两次完整移动中发生，因此发动机被称为“二冲程发动机”或“二冲程循环发动机”。
[0007]如图2中所示，燃料通过汽缸侧面被直接喷射(“直接侧面喷射”)入汽缸镗孔，并且燃料的移动与镗孔中增压空气的剩余旋动运动相互作用。当发动机运转水平提高并且燃烧的热上升时，增加量的氮氧化物(NOx)产生。然而，逐渐严格的排放要求表明需要显著程度的NOx减少。一种技术通过排气再循环(“EGR”)减少NOx排放。EGR已结合到火花点火的四冲程发动机构造和其中单个活塞在每个汽缸中运转的二冲程压缩点火发动机。用于对置活塞、二冲程发动机的EGR构造在受让人的美国专利申请13/068，679中教导，该专利申请提交于2011年5月16日，并在2011年12月I日作为US2011/0289916A1公开。
[0008]然而，尽管对置活塞二冲程循环发动机现在可配备EGR以减少NOx排放，但响应于变化的发动机工况(诸如冷起动、低负载和低环境温度)需要新的控制策略来管理尾管排放(排气)。
[0009]在这点上，柴油机可配备使排气受到转化HC、CO和NOx的催化过程的后处理系统。催化材料必须加热到“起燃”水平以便起作用。后处理系统也可包括从排气中过滤烟尘的柴油颗粒过滤器(DPF)。热能必须输送到过滤材料以便实现该过滤材料在其适当再生的温度水平。在两种情况下都从排气自身获得热。然而，当发动机初始地从环境无运转热状态开机(称为“冷起动”)时，排气不够热从而不能激活催化材料和/或使DPF再生。目前，在认证期间和在现实世界驾驶条件下大部分尾管排放刚好在起动发动机后、在催化剂和过滤材料达到运转温度前发生。在许多应用中，在柴油FTP-75测试上大于50 %的尾管排放在冷起动阶段中发生(Lambert, C.，2006.“Advanced CIDI Emiss1n Control SystemDevelopment (先进的CIDI排放控制系统发展)”，美国能源部报告，DE-FC26-01NT41103,2006年6月30日)。事实上，借助良好设计的后处理系统，可示出大于50%的尾管排放在测试的第一个200秒期间发生。因此，从初始发动机起动到当催化剂和过滤材料具有足够热以适当执行时的时间需要减少。
[0010]因此，希望在冷起动期间通过迅速升高排气温度以便实现后处理材料的早激活来运转对置活塞二冲程循环发动机。
[0011]柴油机冷起动的另一特性是燃烧不稳定性，其中当发动机加速到怠速速度时成功燃烧被完全或部分失火打断。因此，在一些方面中，希望用于在对置活塞二冲程发动机的冷起动期间提升排气温度的策略还提供燃烧稳定性。
[0012]S卩，希望在变化的工况下，在配备EGR的对置活塞二冲程发动机的排气中提供高排气温度，同时维持发动机的燃烧稳定性。


【发明内容】

[0013]实现这些目标的策略基于刚好在孔口关闭(PC)后管理汽缸中的气体温度，以便以使得显著的热能够被驱动进入排气系统同时维持燃烧稳定性的方式控制排气温度。
[0014]在一些方面中，当排气温度将要升高时，发动机以低修正的空气输送比运转，该运转在孔口闭合后在汽缸中产生增加的内部剩余物，这进而增加在汽缸中截留(保留)的空气充气的温度。较高的截留空气充气温度产生较高排气温度。
[0015]优选地，修正的空气输送比表示进入汽缸的规格化质量流率。在这点上，修正的空气输送比为I意味着通过进气口输送的空气的量等于在汽缸里面的质量的量。
[0016]升高的截留温度使得能够在冷起动、低负载运转和低环境温度期间使后处理催化剂更快起燃，使得催化温度足够高以便起燃，并使得排气温度足够高以在包括空载和轻载的变化的驾驶条件下再生柴油颗粒过滤器。
[0017]在低修正的空气输送比运转模式下，进气歧管压力维持在足够高以实现适于燃烧稳定性的空气燃料比的水平。

【专利附图】

【附图说明】
[0018]图1是现有技术对置活塞发动机的汽缸的侧剖局部示意图，并且适当标记为“现有技术”，该发动机具有接近各自的下止点中心位置的对置活塞。
[0019]图2是图1的汽缸的侧剖局部示意图，并且适当标记为“现有技术”，该汽缸具有接近各自的上止点中心位置的对置活塞，其中活塞的端面限定燃烧室。
[0020]图3是其中图解具有EGR的空气管理系统的各方面的对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图。
[0021]图4是图解在对置活塞二冲程循环发动机中用于EGR的优选构造的概念示意图。
[0022]图5是改变修正的空气输送比的图形表不。
[0023]图6A是表示用于基于控制变量值管理截留的空气充气温度的控制回路的流程图。
[0024]图6B是截留温度和排气温度之间的关系的图形表示。
[0025]图7A、图7B、图7C和图7D是图解用于在机械增压器再循环回路中冷却增压空气的可替换构造的概念示意图。
[0026]图8是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第一布置组合的高压EGR回路构造。
[0027]图9是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第二布置组合的高压EGR回路构造。
[0028]图10是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第三布置组合的高压EGR回路构造。
[0029]图11是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第四布置组合的高压EGR回路构造。
[0030]图12是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第五布置组合的高压EGR回路构造。
[0031]图13是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第六布置组合的高压EGR回路构造。
[0032]图14是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第七布置组合的低压EGR回路构造。
[0033]图15是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第八布置组合的低压EGR回路构造。
[0034]图16是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第九布置组合的低压EGR回路构造。
[0035]图17是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第十布置组合的低压EGR回路构造。
[0036]图18是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第十一布置组合的低压EGR回路构造。
[0037]图19、图20和图21是图解对置活塞二冲程循环发动机的概念示意图，该发动机具有与后处理组件的第十二、第十三和第十四布置组合的低压EGR回路构造。

【具体实施方式】
[0038]在本说明书中描述的构造在包括具有至少一个汽缸的对置活塞二冲程循环发动机的解释性背景下呈现，在该汽缸中布置端面相对的一对活塞。每个汽缸包括在其侧壁中形成或机加工的进气和排气口。该解释性背景旨在为以说明性示例的方式理解各种排气管理策略提供基础。
[0039]在图3中，对置活塞二冲程循环发动机49 (在下文中称为“对置活塞发动机”)具有至少一个汽缸50。例如，对置活塞发动机可具有一个汽缸、两个汽缸、三个汽缸或四个或更多个汽缸。每个汽缸50具有镗孔52和在其各自末端中形成或机加工的排气口和进气口54和56。排气口和进气口 54和56每个都包括一个或更多个圆周阵列的开口，其中邻近开口由实体桥分离。(在一些描述中，每个开口称为“孔口”;然而此类“孔口”的圆周阵列的构造不同于图3所示的孔口构造)。排气活塞和进气活塞60和62可滑动地布置在每个汽缸镗孔52中，其中它们的端面61和63彼此相对。排气活塞60被耦接到曲轴71，进气活塞被耦接到曲轴72。
[0040]当汽缸50的活塞60和62处于或接近它们的TDC位置时，燃烧室被限定在活塞的端面61和63之间的镗孔52中。燃料通过在通过汽缸50侧壁的开口中定位的至少一个燃料喷射器喷嘴100被直接喷射入燃烧室。
[0041]进一步参考图3，发动机49包括管理向发动机49提供的增压空气和由发动机49产生的排气的运送的空气管理系统51。代表性空气管理系统构造包括增压空气子系统和排气子系统。在空气管理系统51中，增压空气子系统包括接收进气空气并将其处理成增压空气的增压空气源、耦接到增压空气源的增压空气通道以及在增压空气通道中的至少一个空气冷却器，增压空气通过该增压空气通道被运送到发动机的至少一个进气口，该空气冷却器被耦接成增压空气输送到发动机的一个进气口或多个进气口之前接收并冷却增压空气(其可包括排气)。此类冷却器可包括空气到液体和/或空气到空气装置，或其他冷却装置。在下文中，此类冷却器表示为“增压空气冷却器(CAC) ”。增压空气子系统也包括将增压空气通道中的增压空气泵送到发动机的进气口的机械增压器。排气子系统包括将排气产物从发动机的排气口运送到排气管的排气通道。
[0042]按照图3，优选的增压空气子系统包括可由电动马达驱动或由耦接到曲轴的齿轮、链条或传送带设备驱动的机械增压器110。机械增压器110可以是单速或多速装置，或是完全可变速装置。在一些方面中，空气管理系统51包括具有在共用轴123上旋转的涡轮121和压缩机122的涡轮增压器120。涡轮121耦接到排气子系统并且压缩机122耦接到增压空气子系统。涡轮121可以是固定几何形状或可变几何形状的装置。涡轮增压器120从排气提取能量，该排气离开排气口 54并且从排气口 54直接流入排气通道124，或从排气歧管125流入排气通道124。在这点上，涡轮121由经过其的排气被旋转。这样旋转压缩机122，从而导致其通过压缩进气空气来生成增压空气。由压缩机122输出的增压空气流过导管126到增压空气冷却器127，增压空气从那里由机械增压器110泵送到进气口。由机械增压器110压缩的空气从机械增压器通过增压空气冷却器129输出到进气歧管130。进气口 56通过进气歧管130接收由机械增压器110泵送的增压空气。优选地但不必要地，在多汽缸对置活塞发动机中，进气歧管130由与所有汽缸50的进气口 56连通的进气室组成。
[0043]排气管理:空气管理构造使得能够通过将排气再循环通过对置活塞发动机的一个或更多个设有孔口的汽缸来控制NOx排放。再循环的排气与增压空气混合以降低峰值燃烧温度，这减少NOx排放。该过程被称为排气再循环(“EGR”)。按照图3中的阀控的再循环通道131，EGR构造可利用在汽缸外部的EGR通道中运送到新鲜进气空气的进入流中的排气。可替换地或另外地，当排气口和进气口关闭并且扫气停止时，EGR过程可利用在汽缸50中被截留(保留)的剩余排气。在外部EGR的情况下，排气被泵入空气的流入流。与EGR通道连通的压力源创造压差，该压差导致排气流过EGR通道进入增压空气子系统。在一些方面中，在从保证处于比其中排气馈送到增压空气的进气流中的点更高压力的来源获得将要再循环的排气时，虚拟泵存在。在其他方面中，主动泵(诸如机械增压器110)用来泵送将要再循环到增压空气的排气，机械增压器将该增压空气泵送到进气口。在这些方面中，使用机械增压器为在对置活塞发动机中控制EGR运转提供另外的变量。在一些方面中，再循环的排气经由可包括空气到液体和/或空气到空气装置的一个或更多个EGR冷却器冷却。在其他方面中，再循环的排气仅由一个或更多个增压空气冷却器或由与一个或更多个EGR冷却器组合的一个或更多个增压空气冷却器冷却。
[0044]EGR回路构造:图3中所见的对置活塞发动机49配备有将排气从排气子系统引导至增压空气子系统的EGR回路。特定EGR回路构造的示例(其不旨在限制)是在图4中所示的高压配置。在这点上，高压EGR回路将从在涡轮121上游的来源获得的排气循环到在压缩机122下游的混合点。在该EGR回路中，导管131和EGR阀138将来自排气歧管125的排气的一部分分流，从而与由压缩机122输出到导管126的增压空气混合。如果不需要排气/空气混合，则阀门138完全关闭并且没有排气的增压空气被输送到汽缸。当阀门138逐渐打开时，增加量的排气被混合到增压空气。该回路使排气受到两个冷却器127和129的冷却效果。如果应受较少冷却，则排气部分可被分流绕过冷却器127到机械增压器110的输入。该替代性方案使排气部分仅由增压空气冷却器129冷却。仅冷却排气的专用EGR冷却器可结合到导管131、与阀门138串联，或与阀门138的输出口和到机械增压器110的输入串联。
[0045]使用被保留排气的EGR:将排气与增压空气混合的另一模式通过在排气口和进气口关闭并且扫气停止之后在汽缸中截留(或保留)剩余量的排气被提供在直流扫气的对置活塞发动机49中。剩余排气可用来将燃烧的初始条件调整到有利于减少NOx排放的点。取决于涡轮机械的配置，在低和中发动机转速和负载下，单向流扫气的对置活塞发动机可展现不完整的扫气。由于在气缸里面的剩余排气是热的，因此产生的新空气充气的温度可充分升高；因此该方法良好适合于在部分发动机负载条件下减少NOx。进一步地，当燃烧发生时，增高的空气充气温度导致增加的排气温度，这对后处理催化剂的起燃和柴油颗粒过滤器材料的再生是有用的。
[0046]每个循环被馈送到汽缸的增压空气的量可用来变更在汽缸中留下的剩余排气的量。在这点上，在运转的任何给定循环中调整馈送到汽缸的增压空气的量可用来为下次燃烧发生“调谐/微调”在汽缸中保留的排气的量。在被保留的排气EGR的一个方面中(见于图4)，包括阀门139的再循环回路148与机械增压器110平行放置。阀门139被运转以控制由机械增压器110泵入汽缸的增压空气的量。设定被泵送的增压空气的量允许控制被扫气的排气的量，并因此允许控制扫气后在任何汽缸中保留的排气的量。在这点上，如果希望高进气歧管压力，则阀门139完全关闭并且增压空气以高速率被输送到发动机。当阀门139逐渐打开时，由机械增压器110泵送的增加量的增压空气返回(再循环)到机械增压器入口，这成比例地减少输送到发动机的增压空气的量。因此，增压空气/燃料比降低并且在任何汽缸中保留的排气的量增加。由被保留的排气EGR的该方面实现的益处是NOx减少，由机械增压器110在发动机上强加的泵送负载减少，以及由于在汽缸中截留的燃烧气体引起的温度增加。
[0047]由流动到涡轮121的排气经历的压力的增加(“背压”)也可用来变更在汽缸中留下的剩余排气的量。在这点上，在运转的任何给定循环中调整背压的量可用来为下次燃烧发生“调谐”剩余排气的量。因此，在被保留排气EGR的另一方面中(见于图4)，可变阀140与从排气歧管125输出的排气串联放置。阀门140的设定直接影响在阀门上游经历的背压，并因此影响扫气后在任何汽缸中保留的排气的量。在图4中，阀门140在尾管128上游与涡轮121的输出串联放置。在此情况下，从设定阀门导致的任何背压分布在发动机的所有汽缸上。在可替换方面中，等效阀(未见)可在到涡轮121的输入和排气歧管125之间串联放置。在另一可替换方面中，等效阀可与多个汽缸中的每个的排气歧管或排气口串联放置。
[0048]涡轮旁路构造:如见于相关的美国专利申请13/068,679的图4，该申请提交于2011年5月16日，并在2011年12月I日作为US2011/0289916A1公开，包括阀门144的旁路导管回路143可与涡轮121平行放置。阀门144可以被运转以控制从发动机流入涡轮121的排气的量。设定阀门144绕开涡轮121允许排气能量被倾卸到排气管128而不运转涡轮121和压缩机122。这将排气保持在较高温度水平，并可在部分发动机负载条件(诸如自冷起动)期间在发动机升温时提高后处理转化效率(对于催化装置和颗粒过滤器)。进一步地，设定阀门144在部分发动机负载条件下在发动机运转期间绕开涡轮121减少涡轮增压器运转，并允许更多排气被驱动经过机械增压器110(例如，经由阀门138)，同时还在较高温度下输送排气以提高后处理转化效率。用于改变从发动机流入涡轮121的排气的量的另一构造包括具有可变几何形状构造的涡轮，以在阀门144上游控制排气导管124中的压力。使用可变几何形状涡轮(VGT)代替固定几何形状涡轮不必省去对涡轮旁路阀(诸如阀门144)的需要。VGT仅具有受限的质量流范围，在该范围中VGT以可接受效率工作。在该范围外，涡轮旁路阀可用来控制质量流和发动机49的进气压力。
[0049]任选地，进气节流阀141和涡轮旁路阀可被包括在空气管理系统中，用于高精度控制再循环的排气与新鲜空气的比率。
[0050]排气配置和控制:图4中所示的EGR构造被组合在本文所描述和说明的对置活塞发动机的空气管理系统中，以便在孔口关闭后在汽缸中截留(保留)未冷却的排气，其中该排气与增压空气组合或混合，该增压空气包括在孔口关闭前被冷却并提供给汽缸的再循环的排气。被保留或再循环的排气的相对量是变化的以便精确控制EGR速率和温度。这使得能够以允许显著的热排入排气子系统的方式运转对置活塞发动机的空气管理系统。在这点上，修正的空气输送比Λ* = mdel/pdelVtr是被输送的空气的质量mdel(输送到汽缸的新鲜空气和外部EGR)除以截留的充气的质量PdelVtJ被输送的充气的密度乘以在孔口关闭时截留的体积)的比率。图5表示与热剩余充气(红色)的量比较的燃烧室中被冷却的新鲜充气(蓝色)的量。当修正的空气输送比提高时，在汽缸中截留的新鲜充气的百分比提高，并且来自先前循环的剩余充气的量减少。
[0051]按照图5，在低修正的空气输送比下运行发动机产生显著的内部剩余物，这进而增加充气的截留温度。在该运转模式中，需要充分高的进气歧管压力以在轻载运转、低环境温度运转和极冷起动期间实现适当的空气燃料比和良好的燃烧稳定性。另外，当低修正的输送比和高进气歧管压力与后喷射策略耦合时，温度可进一步提高。这为催化剂起燃和管理在排气中创造显著温度上升，从而为后处理执行产生良好的转化效率。该途径也支持后处理的使用中速率诊断需要，以及在包括空载和轻载的所有驾驶条件下再生柴油颗粒过滤器所需要的温度的使用中速率诊断需要。
[0052]为使该策略有效，希望控制修正的空气输送比并因此控制截留的充气的成分。修正的空气输送比主要是发动机扫气特性、进气歧管条件和排气背压的函数。进气歧管条件进而取决于机械增压器110的速度、再循环阀139的设定以及如由EGR阀138的设定所确定的输送到增压空气流的被冷却的外部EGR的速率。背压条件通过背压阀140的设定来控制；另外地或可替换地，背压可由可变喷嘴涡轮机构、由多级涡轮增压或由涡轮复合来控制。
[0053]在低负载运转和低环境温度期间，通过运行低修正的输送比，汽缸中截留的充气的温度可显著增加。这将导致增加的排气温度和改善的燃烧稳定性。维持低输送比也将减少泵送功，这将帮助BSFC/燃料经济性。
[0054]在极冷起动条件期间，低修正的输送比可用于发动机起动运转的最初几次循环，即使这在汽缸中不保持相同充气的全部，仍保持相同充气的大部分。这样将在甚至引入任何燃料以燃烧之前加热充气和燃烧室。这样将极大改善针对早期失火的起动和鲁棒性。
[0055]在空载或低负载下DPF再生期间,利用(leveraging)低输送比产生较高排气温度使得柴油氧化催化剂能够高于所需起燃温度以转化烃/碳氢化合物。烃将产生放热反应以产生燃烧在DPF中负载的烟尘所需的高温。
[0056]例如，以下范围已用于被鉴别条件:
[0057]
￥#Mm
冷起动0.4 ^ Λ*彡0.5
低负载运转0.48 ^ A* ^ 0.6~ 中、高负载运转 |0.5 ^ Λ*彡0.85~
全负载、低速运转~0.7 ^ Λ*彡1.0
[0058]按照图4，在修正的输送比的控制下运转具有排气子系统的对置活塞二冲程发动机的过程由ECU 149执行，该排气子系统包括EGR回路和被保留的排气构造。通过自动运转阀门138、139和140，并如果使用多速或可变速装置则自动运转机械增压器110，并且如果使用可变几何形状装置则自动运转涡轮增压器120，ECU响应于指定的发动机工况维持并改变修正的输送比。当然，阀门、节气门和用于EGR的关联元件的运转可包括电气的、气动的、机械的和液压的致动运转中的任一个或更多个。对于快速、精确的自动运转，优选的是阀门是具有连续可变设定的高速计算机控制的装置。每个阀门具有第一状态和第二状态，在该第一状态中该阀门打开(到由ECU 149控制的一些设定)以允许气体流过该阀门，并且在该第二状态中该阀门关闭以阻止气体流过该阀门。
[0059]优选地，包括修正的输送比例程的集成排气控制过程自动运转多功能EGR系统，该EGR系统结合EGR回路和被保留的排气构造，该EGR回路和被保留的排气构造在本文中基于涉及再循环的排气与再循环的排气和增压空气的混合物的一个或更多个参数描述并说明。参数值由传感器、计算和表格查询中的一个或更多个的组合确定，以便管理一个或更多个汽缸中EGR和混合物参数的个别参数与一个或多个比率的值。
[0060]排气管理:现在参考图4，涡轮增压器压缩机122和机械增压器110的组合需要提供足够空气以在低空气/燃料比下产生稳定燃烧。同时，升高的背压必须施加到排气子系统。高进气歧管升压压力和排气背压的结果将在低发动机△压力(压差)和在汽缸中截留的显著剩余气体的情况下产生适当的空气/燃料比水平，用于燃烧。
[0061]这些结果可由通过E⑶编程来实施的控制机械实现。控制机械的运转使得能够通过控制截留空气/燃料比(“截留λ ”)、截留燃烧分数(“截留BF”)和截留温度来执行排气管理策略。
[0062]ECU 149读取所有可用的发动机传感器。基于传感器值，确定当前发动机扭矩需求(负载)和RPM。该信息被馈送到希望的截留汽缸条件模块中。在该模块中，在孔口关闭时的希望的截留λ和在孔口关闭时的截留BF基于以发动机扭矩和RPM索引的查询表(图)确定，从而满足希望的性能、排放和温度目标。这些映射基于发动机测功器测试被预填充并且存储在E⑶149中。
[0063]做出对实际截留λ、实际截留BF和实际截留温度的估计。基于图6Α所示的例程，比较实际的和希望的截留条件。如果每个差的绝对值大于阈值，则例程相应地调整以在可接受限制内得到该差。通过控制机械增压器致动器输出来执行新鲜空气流或进气歧管压力的调整。例如，如果通过连续可变驱动来驱动机械增压器，那么例程改变驱动比。如果通过固定驱动比来驱动机械增压器，那么例程改变再循环阀139的设定。通过使用EGR阀138改变EGR流率使得能够控制截留BF，以将实际截留BF和希望BF之间的误差最小化。一旦截留λ和截留BF误差已被最小化，那么例程将实际截留温度与预定值比较。截留温度的该预定值基于发动机测功器测试来确定并且存储在ECU中。如果结果是实际截留温度显著不同于该预定温度，那么策略调整背压(例如，通过背压阀140)并环回以再循环希望的截留λ和希望的截留BF。例程然后重调整机械增压器输出和EGR阀位置。这在发动机从一个运转点(发动机负载和速度)转换到另一运转点(发动机负载和速度)时连续重复。
[0064]在常规工况和该升温工况之间的不同在图6B中图解，其示出在汽缸中时的充气的温度曲线。按照图6B，升温模式策略提供较低峰值温度，同时增加开始和结束温度。针对单汽缸测试发动机测量的在截留温度和排气温度之间的关系在图6C中示出。
[0065]可替换机械增压器再循环实施例:机械增压器110用来创造对置活塞发动机49两端的正压差，以便驱动增压空气流和EGR流。当按需要运转带有再循环阀139的机械增压器110以限制进气歧管和排气歧管之间压力比时，与流入机械增压器的入口的新鲜空气充气比较，增加来自机械增压器的出口的再循环流的温度。较高温度气体然后与入口增压空气流混合，并增加进入机械增压器的空气流的温度。在一些方面中，冷却该旁路流以便在某些希望条件下阻止机械增压器经历高于其硬件限制的温度。在这点上，再循环回路148具有构造，该构造具有在机械增压器110下游连接到增压空气通道的入口和在机械增压器110上游连接到增压空气通道的出口，并且再循环回路148具有在该入口和该出口之间的可变阀139。在入口和出口之间，与阀门139串联的空气冷却器将从机械增压器110的出口再循环到入口的增压空气冷却。例如，在图7A中，再循环回路148的输出被馈送到在冷却器127上游的增压空气流。在图7B中，到阀门139的输入从在冷却器129下游的增压空气流被馈送。在图7C中，到阀门139的输入从在冷却器129下游的增压空气流被馈送，并且再循环回路148的输出被馈送到在冷却器127上游的增压空气流中。在图7D中，针对阀门139的冷却器150在阀门139上游或下游放置在再循环回路148中。
[0066]EGR和后处理纟目合:图4的EGR构造包括高压EGR回路。可替换地，低压EGR回路可用于相同效果。在这点上，低压EGR回路将从在涡轮121下游的来源获得的排气循环到在压缩机122上游的混合点。另外，后处理组件的各种布置可与用于以上述方式运转的对置活塞二冲程发动机的高和低压EGR回路构造组合。后处理组件包括柴油氧化催化剂装置(DOC)、选择性催化还原装置(SCR)和柴油颗粒过滤器装置(DFR)。
[0067]图8示出包括高压EGR回路与在涡轮之前定位在排气流中的DOC和DPF的排气子系统构造。该构造允许较高排气温度经过DOC和DPF，这可改善DPF中的烟尘再生并改善DOC的起燃时间。在涡轮之前的较高压力也提高排气流的密度，并且在DOC和DPF的情况下将由后处理导致的背压最小化。
[0068]图9示出包括高压EGR回路与定位在涡轮上游的D0C、SCR和DPF的排气子系统构造。
[0069]图10相似于图9，除了 SCR安置在DOC和DPF后之外。
[0070]图11示出包括高压EGR回路与定位在EGR感测位置上游的DOC和DPF的排气子系统构造。因为在此情况下所有排气流经过D0C、DPF，并且取自下游的EGR没有烟尘、烃和CO (其被DOC和DPF移除)，所以这是与来自图8的系统不同的系统。这可为将不受烟尘和未燃烧的烃污染的空气充气子系统提供有利条件。
[0071]图12和图13示出与来自图11的构造相似的排气子系统构造，但其中两组后处理装置在EGR感测点之前以不同顺序定位。注意在图12的情况下，其中SCR定位在DPF之前，需要另外的DOC在SCR之前以控制烃和一氧化碳。
[0072]图14示出包括具有专用EGR冷却器的低压EGR回路的排气子系统构造。这允许可对一些应用更有利的涡轮增压器和机械增压器尺寸的不同选择。注意在压缩机入口上游添加用来为EGR提高驱动压力的背压阀。
[0073]图15示出与图14中的构造相似的排气子系统构造，但其中EGR阀安装在EGR冷却器下游。
[0074]图16示出包括具有专用EGR冷却器的低压EGR回路的排气子系统构造，其中DOC-DPF和SCR都定位在涡轮上游。
[0075]图17示出与图16相似的排气子系统构造，但其中SCR和DPF交换并且DOC在SCR之前被添加。
[0076]图18示出包括具有专用EGR冷却器和输入的低压EGR回路的排气子系统构造，该输入取自定位在涡轮之后的SCR之后。
[0077]图19、图20和图21示出包括具有专用EGR冷却器的低压EGR回路的排气子系统构造，其中后处理装置定位在涡轮之后。每个情况示出后处理放置与EGR感测点的不同组合。注意EGR回路总是在DPF下游采样。这被需要以保护压缩机叶轮免受烟尘影响。
[0078]尽管已参考具有两个曲轴的对置发动机描述排气管理策略，但应理解这些构造可应用于具有一个或更多个曲轴的对置活塞发动机。此外，这些策略的各种方面可应用于具有设有孔口的汽缸的对置活塞发动机，该汽缸相对布置和/或布置在一个或更多个曲轴的任一侧上。因此，给予这些构造的保护仅受附随权利要求限制。
【权利要求】
1.一种二冲程循环内燃发动机，其包括具有排气口和进气口的至少一个汽缸、向所述发动机的至少一个进气口提供增压空气的增压空气通道以及从所述发动机的至少一个排气口接收排气的排气通道，其中排气再循环回路，即EGR回路，具有耦接到所述排气通道的回路输入和耦接到所述增压空气通道的回路输出，机械增压器可运转以泵送所述增压空气通道中的增压空气，背压装置可运转以控制所述排气通道中的背压，并且控制机械可运转以在所述发动机的冷起动期间控制所述机械增压器、所述EGR回路和所述背压装置。
2.根据权利要求1所述的二冲程循环内燃发动机，其中所述增压空气通道包括至少一个增压空气冷却器，其中所述回路输出与所述至少一个增压空气冷却器串联耦接。
3.根据权利要求1所述的二冲程循环内燃发动机，其中所述EGR回路包括可变阀，并且所述控制机械可运转以响应于所述汽缸的截留温度控制所述阀的设定。
4.根据权利要求1所述的二冲程循环内燃发动机，其中所述机械增压器是单速机械增压器、多速机械增压器和可变速机械增压器中的一种，并且所述控制机械可运转以响应于所述汽缸的截留温度控制所述机械增压器的速度。
5.根据权利要求1所述的二冲程循环内燃发动机，其中所述背压装置包括可变阀，并且所述控制机械可运转以响应于所述汽缸的截留温度控制所述阀的设定。
6.根据权利要求1所述的二冲程循环内燃发动机，其中所述背压装置包括可变阀、可变喷嘴涡轮机构、多级涡轮机构和复合涡轮机构中的一种，并且所述控制机械可运转以响应于所述汽缸的截留温度控制所述背压装置的设定。
7.根据权利要求1所述的二冲程循环内燃发动机，进一步包括涡轮增压器和背压阀，所述涡轮增压器具有耦接到所述增压空气通道的增压空气输出和耦接到所述排气通道的涡轮输入，所述背压阀与所述涡轮输出串联，其中所述背压阀可设定到导致作用在所述排气通道上的背压的状态。
8.根据权利要求7所述的二冲程循环内燃发动机，其中所述涡轮增压器包括可变几何形状涡轮。
9.根据权利要求1所述的二冲程循环内燃发动机，进一步包括涡轮增压器和背压阀，所述涡轮增压器具有耦接到所述增压空气通道的增压空气输出、耦接到所述排气通道的涡轮输入、耦接到排气输出的涡轮输出，所述背压阀在所述涡轮输出和所述排气输出之间串联，其中所述背压阀可设定到导致作用在所述排气通道上的背压的状态。
10.根据权利要求9所述的二冲程循环内燃发动机，其中所述涡轮增压器包括可变几何形状涡轮。
11.根据权利要求1所述的二冲程循环内燃发动机，其中一对活塞以端面相对被布置在所述至少一个汽缸的镗孔中。
12.根据权利要求1所述的二冲程循环内燃发动机，进一步包括再循环回路，该再循环回路具有在所述机械增压器下游连接到所述增压空气通道的入口、在所述机械增压器上游连接到所述增压空气通道的出口以及在所述入口和所述出口之间的可变阀和与所述可变阀串联的空气冷却器。
13.根据权利要求1所述的二冲程循环内燃发动机，其中所述EGR回路是高压EGR回路和低压EGR回路中的一种。
14.一种运转具有一个或更多个设有孔口的汽缸的二冲程循环内燃发动机的方法，其中通过排气再循环回路，即EGR回路，提供的排气与进气空气混合以形成增压空气，所述增压空气被加压并提供到所述一个或更多个汽缸中的每一个的进气口，并且排气背压被施加到所述一个或更多个汽缸中的每一个的排气口。
15.根据权利要求14所述的运转对置活塞发动机的方法，进一步包括在冷起动发动机工况期间，在孔口闭合后将排气保留在所述一个或更多个汽缸中。
16.根据权利要求15所述的运转二冲程循环内燃发动机的方法，其中通过控制在所述排气口关闭之前作用在所述一个或更多个汽缸的排气口上的排气背压，排气被保留在所述一个或更多个汽缸中。
17.根据权利要求16所述的运转二冲程循环内燃发动机的方法，其中当所述排气背压受控制时，增压空气的压力增大。
18.根据权利要求14所述的运转二冲程循环内燃发动机的方法，其中通过控制在增压空气压力增大时在所述排气口关闭之前施加到所述一个或更多个汽缸的排气口的排气背压，排气被保留在所述一个或更多个汽缸中。
19.一种运转对置活塞二冲程循环发动机的方法，包括: 在所述发动机的至少一个设有孔口的汽缸中生成排气； 将排气从所述设有孔口的汽缸的排气口运送通过排气通道； 从所述排气通道再循环所述排气的一部分； 将再循环的排气与新鲜空气混合以形成增压空气； 将所述增压空气加压； 通过所述设有孔口的汽缸的进气口提供所述增压空气； 将背压施加到所述排气通道； 响应于所述进气口和所述排气口的闭合，在所述汽缸中截留增压空气和排气，使得空气输送比，即Λ*，具有在0.4彡Λ*彡1.0的范围内的值，其中A* = mdel/PdelVtr，mdel是通过所述进气口提供的加压的增压空气的总质量，该加压的增压空气即被输送的充气，并且P d6lVtr是进气口所输送的充气的密度乘以在所述排气口和所述进气口的闭合时所述汽缸的截留体积。
20.根据权利要求19所述的运转对置活塞二冲程循环发动机的方法，其中对于所述发动机的冷起动，0.4彡Λ*彡0.5。
【文档编号】F01B7/14GK104220717SQ201380019045
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年2月19日 优先权日:2012年2月21日
【发明者】C·J·卡莱普金, S·D·奈克, F·G·莱登 申请人:阿凯提兹动力公司