用于控制包括低压egr的发动机的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于控制包括低压EGR的发动机的系统和方法。公开了用于运转包括低压EGR通道和选择性还原催化器的发动机的方法和系统。在一个示例中，响应于低压EGR通道中的NOx质量流率而调整致动器。
【专利说明】用于控制包括低压EGR的发动机的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于控制包括低压EGR的发动机的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 涡轮增压发动机可以包括高压排气再循环（EGR)和低压EGR。可以通过使排气从 涡轮增压器涡轮上游位置处的排气系统到达涡轮增压器压缩机下游位置处的发动机进气 系统来为发动机提供高压EGR。可以使排气从涡轮增压器压缩机下游位置处的发动机排气 系统涡轮增压器涡轮上游位置处的发动机进气系统来为发动机提供低压EGR。低压EGR可 以具有比高压EGR更冷的益处，因此可以降低发动机充气温度。另一方面，通过使用高压 EGR，发动机控制系统可以响应于发动机负荷的变化而以比为发动机提供低压EGR时更快 的速率减小吸入汽缸的EGR质量分率。因此，使用高压EGR和低压EGR既会有优点也有缺 点。
【发明内容】
[0003] 发明人在此也已经认识到高压EGR和低压EGR可以由相同或不同部件组成。因此， 发动机排放可以依赖是否向发动机供应高压EGR或低压EGR而变化。发明人已经通过开发 一种用于使发动机运转的方法而解决了向发动机供应高压EGR和低压EGR之间的差别，该 方法包含：响应于发动机排气系统与发动机进气系统之间的低压EGR通道中的NOx质量流 率而调整致动器。
[0004] 通过响应于低压EGR通道中的NOx质量流率而调整致动器，有可能提供调整发动 机NOx排放至期望水平的技术效果。例如，如果正以低NOx质量流率向发动机供应EGR，则 可以调整发动机致动器，以增加发动机的NOx质量流率输出和发动机燃料经济性，使得发 动机的NOx质量流率输出保持在阈值NOx水平之下。可替代地，如果正以更高的NOx质量流 率向发动机供应EGR，则可以调整发动机致动器，以减小发动机的NOx质量流率输出。经由 EGR供应给发动机的NOx经过发动机，并且在燃烧期间其不能通过调整发动机运转来减少。 然而，可以相对于经由EGR供应给发动机的NOx相反地调整在空气-燃料混合物的燃烧期 间形成的N0x，以便可以提供期望的发动机NOx水平。因此，如果期望的发动机NOx质量流 率是恒定的，并且如果位于选择性催化还原（SCR)催化器下游的排气的NOx流率由于更高 的SCR效率而正在减小，那么由于燃烧而在发动机中形成的NOx会增加，而发动机的NOx质 量流率不会增加，因为经由EGR流入发动机的NOx正在减少。
[0005] 本说明可以提供若干优点。例如，该方法可以允许将发动机排放维持在期望的水 平，同时改善发动机燃料经济性。此外，该方法对改善用于车辆燃料经济性的尿素的互换是 有用的。另外，该方法对改善瞬时发动机排放是有用的。
[0006] 当单独或结合附图参照以下【具体实施方式】时，本发明的上述优点和其他优点以及 特征将是显而易见的。
[0007] 应当理解，提供以上概述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 护的主题的范围被紧随【具体实施方式】之后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。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1示出了发动机的示意图；
[0009] 图2示出了SCR催化器转化效率随SCR催化器入口气体温度变化的曲线图；
[0010] 图3是用于控制包括高压EGR和低压EGR的发动机的方法的示例流程图；以及
[0011] 图4是用于在低压和高压EGR循环之间调整EGR的方法的示例流程图。
【具体实施方式】
[0012] 本描述涉及改善包括高压EGR和低压EGR的发动机的运转。可以通过补偿由于后 处理工况导致的在低压EGR系统中的NOx水平的改变来改善发动机运转。图1示出了升压 的柴油发动机的一个示例，其中图3的方法可以调整发动机运转以补偿EGR气体中的NOx。 图2示出了选择性还原催化器的NOx转化效率，并且它提供了对SCR的NOx转化效率的范 围的了解。
[0013] 参照图1，内燃发动机10由电子发动机控制器12控制，其中发动机10包含多个汽 缸，在图1中示出了多个汽缸中的一个汽缸。发动机10包括燃烧室30和汽缸壁32,活塞 36被设置在其中，并且被耦接至曲轴40。燃烧室30被显示为经由各自的进气门52和排气 门54与进气歧管44和排气歧管48连通。每个进气和排气门可以通过进气凸轮51和排气 凸轮53运转。进气凸轮51的位置可以由进气凸轮传感器55确定。排气凸轮53的位置可 以由排气凸轮传感器57确定。
[0014] 示出了燃料喷射器66,其被设置为将燃料直接喷射到燃烧室30内，本领域技术人 员称之为直接喷射。燃料喷射器66与来自控制器12的信号FPW的脉冲宽度成比例地输送 燃料。燃料通过包括燃料箱（未示出）、燃料泵（未示出）、燃料泵控制阀（未示出）和燃 料轨道（未示出）的燃料系统输送至燃料喷射器66。此外，计量阀可以被布置在燃料轨道 中或被布置为靠近燃料轨道，用于闭环燃料控制。泵的计量阀还可以调节到燃料泵的燃料 流，由此减少泵送至高压燃料泵的燃料。
[0015] 进气歧管44被示为与可选电子节气门62连通，节气门62调整节流板64的位置 以控制来自进气增压室46的气流。压缩机162从空气进气口 42吸入空气以供应给增压室 46。排气使经由轴161耦接至压缩机162的涡轮164旋转。在一些示例中，可提供增压空气 冷却器。可以通过调整可变叶片控制装置72或压缩机旁路阀158的位置来调整压缩机速 度。可变叶片控制装置72调整可变几何涡轮叶片的位置。当涡轮叶片处于打开位置时，排 气能够经过涡轮164,供应使涡轮164旋转的更少能量。当涡轮叶片处于闭合位置时，排气 能够经过涡轮164并且将增强的力施加给涡轮164。压缩机旁路阀158允许在压缩机162 的出口处的压缩空气回到压缩机162的入口。以此方式，可以降低压缩机162的效率以便 影响压缩机162的流量，并降低进气歧管压力。
[0016] 当随着活塞36接近上止点压缩冲程经由压缩点火将燃料点燃时，燃烧室30中就 开始燃烧。在一些示例中，通用排气氧（UEG0)传感器126可以被耦接至排放装置70上游 的排气歧管48。在一个示例中，排放装置70是选择催化还原（SCR)催化器。可替代地，排 放装置70是稀NOx捕集器（LNT)。另外，在一些示例中，UEGO传感器126可以是具有NOx 和氧感测元件的NOx传感器。NOx传感器129输出与涡轮164上游的NOx浓度成比例的电 压。可替代地，传感器126可以被设置在涡轮164的下游且在排放装置70的上游。NOx传 感器127采样排放装置70下游的排气管NOx。
[0017] 可以在位置141-147处确定NOx浓度和NOx质量流率。位置141在高压EGR通道 71上游的发动机排气歧管48中。位置142在涡轮164的下游且在排放装置70的上游。位 置143在排放装置70的出口处且在低压EGR通道81的上游。位置145在低压EGR通道81 中。在排气流向排气管150的方向上，位置144在排放装置70下游且在EGR阀80下游的 位置处。位置146在高压EGR通道76中。
[0018] 在较低的发动机温度，电热塞68可以将电能转换为热能，以便升高燃烧室30中的 温度。依靠升高燃烧室30中的温度，经由压缩点火可以更容易地点燃汽缸的空气-燃料混 合物。
[0019] 如所提到的，在一个示例中，排放装置70能够包含SCR催化剂砖或LNT。在另一示 例中，能够使用各具有多个砖的多个排放控制装置。在一个示例中，排放装置70能够包括 氧化催化剂。在其他的示例中，排放装置可以包括紧随选择催化还原（SCR)之后的稀NOx 捕集器、和/或柴油微粒过滤器OPF)。可以经由尿素喷射器90在SCR催化器70的上游喷 射尿素。尿素喷射器90接收来自尿素箱91的尿素。水平传感器93感测存储在尿素箱91 中的尿素量。
[0020] 经由排气再循环（EGR)阀80可以为发动机提供低压EGR。EGR阀80是两通阀，其 关闭或允许排气从排放装置70的下游流向压缩机162上游的发动机进气系统中的位置。在 一些示例中，低压EGR通道可以在进气通道42与低压EGR阀80或排气管150中包括节气 门，以产生压力差。
[0021] 可以经由高压EGR阀75和高压EGR通道76向发动机提供高压EGR。当高压EGR 阀75打开时并且当排气歧管48中的压力大于进气歧管44中的压力时，高压EGR可以从排 气歧管48流向节气门62下游的位置。在一些示例中，高压EGR通道76和低压EGR通道81 可以包括EGR冷却器。
[0022] 在图1中示出了作为常规微型计算机的控制器12,其包括：微处理器单元 (CPU) 102、输入/输出端口（1/0) 104、只读存储器（ROM) 106、随机存储器（RAM) 108、保活存 储器（KAM)llO和常规数据总线。控制器12被示出以接收来自耦接至发动机10的传感器 的各种信号，除之前讨论的那些信号之外，还包括：来自耦接至冷却套筒114的温度传感器 112的发动机冷却液温度（ECT);耦接至加速器踏板130用于感测脚132调整的加速器位置 的位置传感器134 ;来自耦接至进气歧管44的压力传感器121的发动机歧管压力（MAP)的 测量值；来自压力传感器151的上游排气压力；来自压力传感器152的下游排气压力；来自 压力传感器122的升压压力；来自氧传感器126的排气氧浓度；来自感测曲轴40位置的霍 尔效应传感器118的发动机位置传感器；来自传感器120 (例如，热线式空气流量计）的进 入发动机的空气质量的测量值；以及来自传感器58的节气门位置的测量值。也可以感测大 气压力（传感器未示出）用于由控制器12处理。在本描述的优选方面中，发动机位置传感 器118在凸轮轴的每个旋转均产生预定数量的等间距的脉冲，根据其能够确定发动机转速 (RPM)〇
[0023] 在运转期间，发动机10内的每个汽缸通常经历四冲程循环：该循环包括：进气冲 程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。在进气冲程期间，一般是排气门54关闭并且进气门52 打开。经由进气歧管44将空气引入燃烧室30,并且活塞36移动至汽缸底部以便增加燃烧 室30内的体积。活塞36接近汽缸底部并且在其冲程结束（例如当燃烧室30处于其最大 体积时）的位置，本领域技术人员通常称之为下止点（BDC)。在压缩冲程期间，进气门52和 排气门54关闭。活塞36朝汽缸盖移动以便压缩燃烧室30内的空气。活塞36在其冲程结 束并且最接近汽缸盖（例如当燃烧室30处于其最小体积时）的点，本领域技术人员通常称 之为上止点（TDC)。在以下称为喷射的过程中，燃料被引入燃烧室。在一些示例中，在单个 汽缸循环期间可以多次将燃料喷射到汽缸。在以下称为点火的过程中，以压缩点火的方式 点燃所喷射的燃料，从而引起燃烧。在膨胀冲程期间，膨胀气体推动活塞36回到BDC。曲轴 40将活塞运动转换为旋转轴的转动扭矩。最后，在排气冲程期间，排气门54打开以便将燃 烧的空气-燃料混合物释放到排气歧管48,并且活塞回到TDC。
[0024] 注意，仅仅作为示例描述以上内容，并且进气和排气门打开和/或关闭正时可以 改变，诸如提供正或负气门重叠、进气门延迟关闭或各种其他示例。另外，在一些示例中，可 以使用两冲程循环而不是四冲程循环。
[0025]因此，图1的系统提供了一种发动机系统，该发动机系统包含：发动机，其包括涡 轮增压器的、高压EGR通道、低压EGR通道、空气进气口和排气歧管；排气系统，其被耦接至 排气歧管，并且包括选择性还原催化器；以及控制器，其包括存储在非临时性存储器中的可 执行指令，可执行指令响应于流过低压EGR通道的EGR质量的NOx浓度而调整致动器。该 发动机系统包括，低压EGR通道在进气通道与选择性还原催化器下游位置处的排气系统之 间提供流体连通。
[0026] 在一些示例中，该发动机系统包含，致动器是燃料喷射器，并且还包含附加的指 令，该指令用于：当低压EGR通道中的NOx浓度改变时维持期望的EGR流率，以及响应于低 压EGR通道中的NOx浓度而调整燃料喷射器的燃料喷射正时的开始。该发动机系统还包含 设置在选择性还原催化器下游的NOx传感器。该发动机系统包含，NOx传感器的输出表示 流过低压EGR通道的EGR质量的NOx浓度。该发动机系统包含，控制器还包括用于经由高 压EGR通道、发动机和低压EGR通道选择性地向发动机提供EGR的指令。
[0027] 现在参照图2,示出了SCR催化器转化效率随SCR催化器入口气体温度变化的曲线 图。曲线图200表示图1的排放装置70的NOx转化效率的示例。Y轴线表示NOx转化效率 (% )。X轴线表示SCR入口气体温度（°C)。
[0028]SCR效率曲线202示出了排放控制装置70在低于150°C的温度下具有低NOx转 化效率。例如，150°C时的NOx转化效率约为40%，并且对于更低的入口气体温度而言会更 低。可以观察到，在NOx转化效率迅速增加，并且在大约185°C时到达大约90%。另外，排 放控制装置70的NOx转化效率在超过185°C的温度下缓慢增加，并且接近100 %效率。靠 近390°C，NOx转化效率降回到大约90%。随着SCR入口温度继续增加，NOx转化效率继续 降低。
[0029] 因此，可以观察到，即使发动机输出的NOx恒定，低压EGR气体中的NOx浓度也会 发生变化，因为SCR效率会发生变化。另外，如关于图3的方法更详细地描述的，经由低压 EGR通道供应给发动机的NOx量会影响发动机输出的NOx(例如，在燃烧期间产生的NOx和 经由排气口再循环回到发动机的NOx)。因此，有利的是，当估计发动机在接收低压EGR时产 生的NOx量时考虑发动机输出的NOx浓度或NOx质量流率和SCR效率。
[0030] 现在参照图3,示出了用于使具有低和高压EGR通道的发动机运转的方法。在一个 示例中，图1的系统可以根据图3的方法运转。另外，图3的方法可以经由存储在非临时性 存储器中的可执行指令而被包含在图1的控制器12中。
[0031] 在302处，方法300确定SCR效率和SCR下游的排气的NOx浓度。SCR可以设置在 如图1所示的排气系统中。在一个示例中，可以通过从SCR上游的NOx浓度减去SCR下游 位置处的NOx浓度并将结果除以SCR上游位置处的NOx浓度来确定SCR效率。可替代地， 可以基于SCR温度、SCR老化、NH3存储和SCR的空间速度估计SCR效率。在SCR效率被确 定之后，方法300进入到304。
[0032] 在304处，方法300判断自发动机停止以后的时间（例如，发动机运行时间）是否 大于阈值时间，或SCR效率是否大于阈值SCR效率，或SCR下游的NOx浓度是否小于阈值 NOx浓度。如果自发动机停止以后的时间大于阈值时间量，或如果SCR效率大于阈值SCR效 率，或如果SCR下游的NOx浓度小于阈值NOx浓度，答案为"是"，并且方法300进入到308。 否则，答案为"否"，并且方法300进入到306。
[0033] 在306处，响应于工况，方法300使高压EGR循环运转。在一个示例中，响应于发 动机转速与负荷而使高压EGR循环运转。另外，可以响应于发动机温度而使高压EGR循环 运转。如果发动机转速与负荷到达使高压EGR循环运转的状况，则使高压EGR阀打开，并且 允许高压EGR从涡轮上游的排气系统中的位置流向发动机进气歧管。在高压EGR循环被选 择性地运转之后，方法300进入到退出。
[0034] 在308处，方法300判断低压EGR循环是否运转。当EGR正在经过低压EGR通道 到达发动机进气装置时，低压EGR循环正在运转。低压EGR循环可以包括发动机、低压EGR 通道、发动机进气装置和排气系统。如果低压EGR循环被运转，答案为"是"，并且方法300 进入到310。否则，答案为"否"，并且方法300进入到306。
[0035] 在310处，响应于工况，方法300激活低压和高压EGR循环，为不必使高压EGR循 环和低压EGR循环都运转。在一个示例中，通过允许高压EGR阀的打开来激活高压EGR循 环，并且它允许高压EGR从涡轮上游的排气系统中的位置流向发动机进气歧管。通过允许 低压EGR阀的打开来激活低压EGR循环，并且它允许低压EGR从涡轮下游的排气系统中的 位置流向压缩机上游的发动机进气系统。在响应于发动机和车辆工况而被激活之后，低压 和高压EGR系统可以被选择性地运转。在低压和高压EGR循环被激活之后，方法300进入 到 312。
[0036] 在312处，方法300估计图1所示的排气系统中的多个位置处的NOx浓度。另外， 方法300确定图1所示的排气系统中的所选位置处的总质量流率（mass-flow)、N0x浓度和 NOx质量流率。
[0037] 位置141处的NOx质量流率通过以下公式得出：
[0038]
【权利要求】
1. 一种用于运转发动机的方法，其包含： 响应于发动机排气系统与发动机进气系统之间的低压EGR通道中的NOx质量流率而调 整致动器。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述致动器是尿素喷射器，并且其进一步包含，当 所述NOx质量流率减小时，减小喷射至所述发动机排气系统的尿素量。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述致动器是燃料喷射器，并且其进一步包含，响 应于所述低压EGR通道中的NOx质量流率的减小提前燃料喷射正时的开始。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述致动器是EGR阀，并且其进一步包含，响应于 所述低压EGR通道中的NOx质量流率的减小而减小供应至所述发动机的EGR量。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述致动器是燃料泵，并且其进一步包含，响应于 所述低压EGR通道中的NOx质量流率的减小而减小燃料泵输出压力。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述致动器是涡轮增压器废气门或可变几何形状 涡轮增压器致动器，并且其进一步包含，响应于所述低压EGR通道中的NOx质量流率的减小 而减小升压压力。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中基于SCR催化器下游的NOx浓度和所述低压EGR 通道中的质量流率估计所述NOx质量流率。
8. -种用于运转发动机的方法，其包含： 响应于SCR催化器下游的排气通道位置中的NOx浓度而经由高压EGR通道和低压EGR 通道来改变输送至发动机的EGR量。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中响应于所述SCR催化器下游的所述排气通道位置 中的NOx浓度高于阈值NOx浓度而选择所述高压EGR通道，并且其中响应于所述SCR催化 器下游的所述排气通道位置中的所述NOx浓度小于所述阈值NOx浓度而选择所述低压EGR 通道。
10. 根据权利要求8所述的方法，其还包含，响应于所述低压EGR通道中的NOx质量流 率而调整致动器。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述致动器是尿素喷射器，并且其中仅所述高 压EGR通道或仅所述低压EGR通道提供输送至所述发动机的所述EGR量。
12. 根据权利要求10所述的方法，其中所述致动器是燃料喷射器，并且其中当所述低 压EGR通道中的NOx浓度减小时，提前所述燃料喷射器在汽缸循环期间的喷射正时的开始。
13. 根据权利要求8所述的方法，其还包含，响应于进入所述SCR催化器的排气的NOx 浓度而将一定量的尿素喷射至所述SCR催化器。
14. 根据权利要求8所述的方法，其还包含，响应于所述低压EGR通道中的NOx浓度而 调整EGR质量流率。
15. -种用于运转发动机的方法，其包含： 响应于高压EGR通道和低压EGR通道中的一个中的NOx质量流率而调整提供给发动机 的高压EGR量和低压EGR量。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中当所述低压EGR通道中的NOx浓度大于阈值NOx 浓度时，所述高压EGR通道中的EGR流率大于所述低压EGR通道中的EGR流率。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中当所述低压EGR通道中的NOx浓度小于阈值NOx 浓度时，所述高压EGR通道中的EGR流率小于所述低压EGR通道中的EGR流率。
18. 根据权利要求15所述的方法，其中所述高压EGR量和所述低压EGR量在所述发动 机中进行组合以提供期望的EGR量，并且其中所述高压EGR通道中的所述NOx质量流率基 于所述高压EGR通道中的NOx浓度，并且其中所述高压EGR通道中的所述NOx浓度基于当 所述SCR以小于阈值效率的效率运转时估计的SCR效率或已知的NOx浓度。
19. 根据权利要求15所述的方法，其中响应于所述低压EGR通道中的NOx浓度的增加 而增加所述高压EGR量。
20. 根据权利要求15所述的方法，其中响应于所述低压EGR通道中的NOx浓度的减小 而减小所述高压EGR量。
【文档编号】F02D45/00GK104234848SQ201410245972
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】E·M·库尔茨, W·阿拉舍 申请人:福特环球技术公司