專利名稱：發動機控制的方法和系統的制作方法
發動機控制的方法和系統
技術領域：
本發明大體涉及運轉內燃發動機的方法和系統。
背景技術：
在排氣系統催化轉化器起燃之前產生的發動機排出的冷起動排放可能在總廢氣排放中占較大比例。為了加快達到催化劑的起燃溫度，發動機系統可噴射空氣至排氣歧管以燃燒排氣中殘留的未燃燒燃料。額外地或可選擇地，可為噴射的空氣補充額外的燃料以大幅增加排氣溫度，并從而減少起燃時間。
美國專利2010/0263639提供了這種發動機系統的一個示例。其中，發動機冷起動期間，以氣門正重疊運轉發動機，同時至少部分地通過馬達驅動渦輪增壓器壓縮機。這樣，產生了穿過發動機汽缸進入發動機排氣歧管的直吹(blow-through)空氣流。隨直吹空氣噴射燃料。直吹空氣和燃料在排氣中發生放熱反應，并加熱排氣催化劑。然而，發明人在此已經認識到這類系統的潛在問題。如一個示例，該方法依賴于單次燃料噴射加熱發動機催化劑并獲取期望的排氣空燃比。由于隨后隨著直吹空氣流而調節引導至催化劑的熱量，因而該系統被限熱。如另外一個示例，該方法利用富化的汽缸燃料噴射和直吹空氣流結合以達到排氣混合物中的期望空燃比。然而，在某些發動機冷起動期間，可能期望稀化的汽缸燃料噴射(例如，為了減少排氣NOx排放)。這樣，該方法不能夠以稀化噴射加熱催化劑并提供化學計量排氣空燃比。
發明內容因此，在一個示例中，可通過一種運轉增壓發動機的方法至少部分地解決一些上述問題。一個示例實施例包括，在發動機冷起動期間，以進氣門和排氣門正重疊運轉發動機以驅動增壓的直吹空氣流通過發動機汽缸進入發動機排氣。該方法進一步包括，在氣門重疊期間噴射第一量的燃料，在氣門重疊以外噴射第二量的燃料，以及使增壓的空氣流和燃料在排氣中發生放熱反應。在一個示例中，車輛發動機可包括連接在發動機進氣和發動機排氣之間的渦輪增壓器。在發動機冷起動期間(例如達到催化劑起燃溫度之前)，可以進氣門和排氣門的正重疊運轉發動機，同時運轉渦輪增壓器以驅動增壓的直吹空氣流通過發動機汽缸進入排氣歧管。在氣門重疊期間，可將第一量的燃料和直吹空氣流一同噴射至汽缸。氣門重疊之外的期間可在相同汽缸內噴射并燃燒第二量的燃料。例如，可在氣門重疊之后但是仍然在相同燃燒循環的進氣沖程噴射第二量的燃料。可替代地，可在氣門重疊之外(例如之前)但是仍然在即將發生的燃燒循環的進氣沖程噴射第二量的燃料。在其它示例中，可將第一量和第二量噴射至不同的汽缸，基于汽缸的點火順序選擇汽缸。例如，汽缸的選擇可允許在不同的汽缸中基本上同時產生直吹混合物和汽缸燃燒混合物并隨后在發動機排氣中混合。這樣，可調節燃料噴射的總量(即，第一噴射量和第二噴射量之和)以提供最終期望的排氣混合物空燃比(例如化學計量附近)。可基于發動機工況(包括排氣催化劑溫度)調節燃料總量中第一噴射量相對于第二噴射量的分流比(split ratio)，以提供期望的氧化熱。例如，當排氣催化劑處于較低溫度時，可增加第一噴射量同時相應地減少第二噴射量。由此產生的富化直吹空氣-燃料混合物能夠和稀化汽缸燃燒混合物相混合以產生化學計量比的排氣混合物，其中的富化直吹空氣-燃料混合物增加傳遞至排氣催化劑的熱量而稀化汽缸燃燒減少冷起動排氣中的NOx排放。在一個替代的示例中，當排氣催化劑處于較高溫度時(但是仍然低于起燃溫度)，可減少第一噴射量，同時相應地增加第二噴射量。由此產生的稀化直吹空氣-燃料混合物能夠和富化的汽缸燃燒混合物混合以同樣產生化學計量比的排氣混合物，其中的稀化直吹空氣-燃料混合物減少傳遞至排氣催化劑的溫度而富化的汽缸燃燒用于維持發動機扭矩和排氣空燃比。這樣，通過噴射一些燃料同時引導增壓空氣穿過汽缸，燃料可在到達催化劑前與直吹空氣更徹底地混合。通過在隨后的進氣沖程期間燃燒發動機汽缸內的一些燃料，并混合汽缸燃燒的排氣和排氣歧管中直吹空氣-燃料混合物，由此產生的排氣混合物可用于加速達到催化劑起燃狀況。具體地，可促進直吹空氣-燃料混合物和汽缸燃燒產物(包括殘留的未燃燒的燃料，以及燃燒的燃料產物，例如短鏈碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO))的放熱反應以提升排氣催化劑處的溫度。通過改變兩次噴射中的燃料相對量，能改變引導至催化劑的氧化熱量同時維持排氣混合物處于化學計量。通過迅速增加催化劑的溫度，可減少催化劑的起燃時間并改善排放質量。根據本發明的一個實施例，第一發動機冷起動工況包括排氣催化劑溫度低于閾值，以及第二發動機冷起動工況包括排氣催化劑溫度高于閾值。
根據本發明的一個實施例，第一和第二發動機冷起動工況期間，直吹空氣-燃料混合物是排氣門正重疊期間渦輪增壓器運轉而產生的增壓直吹空氣-燃料混合物，同時在氣門正重疊期間噴射第一量的燃料。根據本發明的一個實施例，在第一和第二發動機冷起動工況期間，氣門正重疊期間之外但在氣門關閉之前通過噴射第二量的燃料而產生汽缸燃燒空氣-燃料混合物。根據本發明的一個實施例，在相同的汽缸中相同的燃燒循環中產生汽缸燃燒空氣-燃料混合物和增壓的直吹空氣-燃料混合物。根據本發明的一個實施例，第一和第二工況期間，將排氣歧管中的排氣混合物維持在基本上化學計量。根據本發明的一個實施例，維持包括基于從排氣空燃比傳感器接收的反饋而調節
第一和/或第二噴射量。根據本發明，提供一種發動機系統，包括增壓發動機；用于直接將燃料噴射至發動機汽缸中的直接噴射器；排氣催化劑；排氣氧傳感器；以及控制系統，其包括指令用于在氣門和排氣門正重疊期間噴射第一量的燃料并驅動增壓的空氣量穿過汽缸流至排氣歧管，以產生直吹混合物；在氣門重疊之后進氣門關閉之前噴射第二量的燃料以產生汽缸燃料混合物；以及使直吹混合物和汽缸燃燒混合物在排氣歧管中發生放熱反應。根據本發明的一個實施例，驅動第一量的增壓空氣穿過發動機，包括運轉連接在排氣歧管和發動機進氣之間的渦輪增壓器以產生正增壓。根據本發明的一個實施例，調節第一和第二噴射量的總和以維持排氣混合物空燃比接近化學計量，同時至少基于排氣催化劑溫度而調節第一噴射量相對于第二噴射量的比例。根據本發明的一個實施例，控制系統進一步包括指令用于基于來自排氣氧傳感器的空燃比反饋而調節第一和第二噴射量，所述調節包括第一工況期間，響應于反饋而調節第一噴射量而不是第二噴射量；第二工況期間，響應于反饋而調節第二噴射量而不是第一噴射量；第三工況期間，響應于反饋而調節第一和第二噴射量。應理解，上述概要提供用于以簡化形式引入一系列原理，其將在具體實施方式
中進一步進行描述。這并不意味著識別所要求保 護的主題的關鍵或實質特征，所要求保護的主題的范圍僅由權利要求書確定。此外，所要求保護的主題并不局限于解決上文或本說明書中任意部分所提到的確定的實施方式。
圖I顯示了包括發動機和相關的排氣后處理系統的車輛系統的示意圖；圖2顯示了發動機的局部視圖；圖3顯示了描述發動機進氣門與排氣門正重疊的圖示；圖4顯示了噴射確定程序的示意圖；圖5-6顯示了可執行用于利用直吹空氣-燃料混合物和汽缸燃燒混合物加速達到催化劑起燃溫度的程序的高級流程圖；圖7顯示了描述發動機不同汽缸內的發動機循環的圖示，其可用于選擇汽缸以產生直吹空氣-燃料混合物和汽缸燃燒混合物；圖8顯示了根據本發明的可用于加速催化劑加熱的示例直吹空氣-燃料混合物和汽缸燃燒混合物。
具體實施方式下面的描述涉及用于減少在連接至車輛發動機的排氣后處理系統中(如圖1-2所示)達到催化劑起燃溫度所需的時間量的系統和方法。在氣門正重疊期間(如圖3中所示)，通過提供穿過發動機汽缸的增壓充氣并隨著增壓的直吹空氣噴射一些燃料，可朝向排氣催化劑引導氧化熱。進一步地，通過在發動機汽缸中噴射和燃燒額外的燃料，并且在排氣歧管處使汽缸燃料的產物和直吹混合物相結合，可在排氣歧管處提供放熱反應以大幅增加催化劑溫度。發動機控制器可配置用于在發動機冷起動期間執行控制程序(例如圖5-6中描述的程序)以通過驅動增壓裝置(例如渦輪增壓器)產生新鮮的直吹空氣流穿過汽缸。控制器可進一步基于期望的氧化熱調節在氣門正重疊期間隨著直吹空氣噴射的燃料量以及氣門重疊期間之外噴入汽缸中的燃料量。示例示圖(例如圖4和7所顯示的)可用于確定何時噴射燃料以及將燃料噴入哪個汽缸。圖7顯示了能用于增加排氣催化劑溫度的示例直吹空氣-燃料混合物和汽缸燃燒混合物。通過增加排氣溫度以及加速達到催化劑起燃溫度，可顯著改善車輛冷起動排放的質量。圖I顯示了車輛系統6的示意描述。車輛系統6包括連接至排氣后處理系統22的發動機系統8。發動機系統8可包括具有多個汽缸30的增壓發動機10。發動機10包括發動機進氣系統23和發動機排氣系統25。發動機進氣系統23包括通過進氣通道42流體連接至發動機進氣歧管44的節氣門62。發動機排氣系統25包括最終通向將排氣導向大氣的排氣通道35的排氣歧管48。節氣門62可位于增壓裝置(例如渦輪增壓器50或機械增壓器)下游的進氣通道42中。渦輪增壓器50可包括設置在進氣通道42和進氣歧管44之間的壓縮機52。可通過設置在排氣歧管48和排氣通道35之間的排氣渦輪54驅動壓縮機52。壓縮機52可通過軸56連接至排氣渦輪54。這樣，一旦發動機運行足夠量的時間(例如閾值時間、閾值數的燃燒循環或者使排氣達到閾值溫度的時間量)，排氣歧管中產生的排氣可開始驅動排氣渦輪54。發動機排氣系統25可沿排氣通道35連接至排氣后處理系統22。排氣后處理系統22可包括一個或多個可安裝在排氣通道35中緊密耦合位置的排放控制裝置70。一個或多個排放控制裝置可包括三元催化劑、稀化NOx過濾器、SCR催化劑等。催化劑可使得排氣中產生的有毒燃燒副產物(例如NOx類物質、未燃燒的碳氫化合物、一氧化碳等)在排放到大氣之前被催化轉換為低毒產物。但是，排氣溫度在很大程度上影響催化劑的催化效率。例如，還原NOx類物質需要的溫度可能比氧化一氧化碳的溫度高。在較低溫度時也會出現不 需要的副反應(例如氨和N20類物質的產生)，這會不良影響排氣裝置的效率并且使廢氣排放的質量劣化。因此，可推遲排氣的催化處理直到催化劑達到起燃溫度。此外，為了改善排氣后處理的效率，可能期望加速達到催化劑的起燃溫度。如本說明書中參考圖5-6進一步的詳細描述，發動機控制器可配置用于在發動機冷起動期間在排氣歧管中產生直吹空氣-燃料混合物，以減少起燃時間。在進氣門和排氣門正重疊期間(如圖3所示)，可通過驅動一定量的增壓空氣(此處也稱為直吹的空氣流)和相關的燃料噴射穿過發動機汽缸進入排氣歧管而產生直吹空氣-燃料混合物。可通過在氣門重疊期間之外，但仍然是進氣沖程期間(例如氣門重疊期間之前或之后的進氣沖程)執行汽缸燃料噴射和汽缸燃燒由產生的汽缸燃燒混合物補充(例如在之后或之前)該混合物。混合直吹混合物可與汽缸燃燒混合物在排氣歧管中混合并發生放熱反應，以產生可輔助催化轉換器快速達到運轉溫度的加熱排氣混合物。排氣后處理系統22還可包括碳氫化合物保留裝置、顆粒物質保留裝置和其它合適的排氣后處理裝置(未顯示)。如在圖2的示例發動機中進一步詳細描述的，應理解可以在發動機中包含其他部件(例如各種閥門和傳感器)。車輛系統6可進一步包括控制系統14。控制系統14顯示為接收從多個傳感器16 (本說明書中描述其多個示例)接收信息并且向多個執行器81 (本說明書中描述了其多個不例)發送控制信號。如一個不例，傳感器16可包括排氣傳感器126 (位于排氣歧管48中)、溫度傳感器128和壓力傳感器129 (位于排放控制裝置70的下游)。如本說明書中更為詳細地描述的，其它的傳感器(例如壓力傳感器、溫度傳感器、空燃比傳感器、氧傳感器以及組分傳感器)可連接至車輛系統6的多個位置。如另一個示例，執行器可包括燃料噴射器(未顯示)、多種閥門以及節氣門62。控制系統14可包括控制器12。控制器可基于編程與其中的對應于一個或多個程序的指令或代碼從該多個傳感器接收輸入數據、處理數據以及響應于處理的輸入數據觸發執行器。本說明書中參考圖5-6描述示例控制程序。圖2描述了內燃發動機10的燃燒室或汽缸的示例實施例。通過設置有控制器12的控制系統以及車輛駕駛員130使用輸入裝置132的輸入可部分地控制發動機10。在這個示例中，輸入裝置132包括加速器踏板和用于產生比例踏板位置信號PP的踏板位置傳感器134。發動機10的汽缸(例如燃燒室)30可包括帶有位于其中的活塞138的燃燒室壁136。活塞138可和曲軸140相連以便活塞的往返運動轉化為曲軸的轉動運動。曲軸140可通過傳動系統和乘用車的至少一個驅動輪相連。進一步地，起動馬達可通過飛輪和曲軸140相連以能夠進行發動機10的起動運轉。汽缸30能通過一系列進氣通道142、144和146接收進氣。進氣通道146和發動機10的除汽缸30之外的其它汽缸連通。在一些實施例中，一個或多個進氣通道可包括增壓裝置，比如渦輪增壓器或機械增壓器。例如，圖2顯示了發動機10配置有渦輪增壓器，所述渦輪增壓器包含布置在進氣通道142和144之間的壓縮機52和沿排氣通道148布置的排氣渦輪54。壓縮機52可由排氣渦輪54通過軸56驅動，包括節流板164的節氣門62可沿發動機的進氣通道設置，用于改變提供給發動機汽缸的進氣的流速和/或壓力。例如，如圖2所示節氣門62可安放在壓縮機52的下游，或者可替代地安放在壓縮機52的上游。排氣通道148能接收來自發動機10除了汽缸30的其它汽缸的排氣。排氣傳感器128如圖所示和排放控制裝置70上游的排氣通道148相連。傳感器128可選自各種用于提供指示排氣空燃比指示的合適的傳感器，比如線性氧傳感器或者UEGO(通用或寬域排氣氧傳感器)，雙態氧傳感器或EGO (如圖所示)，HEGO (熱EGO)，NOx、HC或CO傳感器。排氣控 制裝置70可以是三元催化劑(TWC)、NOx捕集器、各種其它排放控制裝置，或它們的組合。發動機10的每個汽缸可包括一個或多個進氣門和一個或多個排氣門。例如，汽缸30如圖所示包括位于汽缸30上部區域的至少一個進氣提升閥150和至少一個排氣提升閥156。在一些實施例中，發動機10的每個汽缸(包括汽缸30)可包括位于汽缸上部區域的至少兩個進氣提升閥和至少兩個排氣閥。進氣門150可由控制器12經由驅動器152進行控制。類似地，排氣門156可由控制器12經由驅動器154控制。某些工況期間，控制器12可改變提供給驅動器152和154的信號以控制各自進氣門和排氣門的開啟和關閉。可通過各自的氣門位置傳感器(未顯不)確定進氣門150和排氣門156的位置。氣門驅動器可以是電動氣門驅動類型或者凸輪驅動類型或者這兩種驅動類型的組合。可同時控制進氣門正時和排氣門正時，或者為可能的可變進氣凸輪正時、可變排氣凸輪正時、雙獨立可變凸輪正時或固定的凸輪正時中的任意一種。每個凸輪驅動系統可包括一個或多個凸輪，并且可利用一個或多個凸輪輪廓線變換系統(CPS)、可變凸輪正時(VCT)、可變氣門正時(VVT)和/或可變氣門升程(VVL)系統中的一種或多種用于改變氣門運轉。例如，汽缸30可替代地包括通過電動氣門驅動進行控制的進氣門和通過包括CPS和/或VCT的凸輪驅動進行控制的排氣門。在其它實施例中，進氣和排氣門可通過共用氣門驅動器或驅動系統、或者可變氣門正時驅動器或驅動系統來控制。發動機可進一步包括凸輪位置傳感器，其數據可與曲軸位置傳感器合并以確定發動機位置和凸輪正時。汽缸30可具有壓縮比，其為當活塞138處于底部中央時的容積與活塞138處于頂部中央時的容積的比例。通常，壓縮比的范圍是9 I到10 I。但是，在一些使用了不同燃料的示例中，壓縮比可能會增加。在一些實施例中，發動機10的每個汽缸可包括用于發起燃燒的火花塞192。在選定運轉模式下，點火系統190可響應于來自控制器12的火花提前信號SA通過火花塞192給燃燒室30提供點火火花。但是，在一些實施例中，火花塞192可省略，比如當發動機10可通過自動點火或者通過燃料噴射(如可能在一些柴油發動機的情況下)發起燃燒。
在一些實施例中，發動機10的每個汽缸可配置有一個或多個燃料噴射器用于向其提供燃料。作為一個非限制性示例，汽缸30顯示為包括直接連接至汽缸30的燃料噴射器166。本說明書中，燃料噴射器166配置為用于直接將燃料噴射至發動機汽缸的直接燃料噴射器。燃料噴射器166可與通過電子驅動器168從控制器12接收FPW信號的脈沖寬度成比例地直接向其中噴射燃料。以這種方式，燃料噴射器166提供已知的稱為直接噴射(下文也稱為“DI”)將燃料噴入燃燒汽缸30。盡管圖2顯示了噴射器166作為側噴射器，它也可以位于活塞的上方，比如火花塞192的位置的附近。可替代地，噴射器可位于進氣門上方并與之靠近。燃料可從包括燃料箱、燃料泵和燃料導軌的高壓燃料系統172運送到燃料噴射器166。可替代地，燃料可通過單級燃料泵以較低的壓力運送。此外，雖然未顯示，燃料箱可具有給控制器12提供信號的壓力傳感器。應理解在可替代的實施例中，噴射器166可以是給汽缸30上游的進氣道提供燃料的進氣道噴射器。同樣應理解汽缸30可接收來自多個噴射器(例如多個進氣道噴射器、多個直接噴射器、或者這些噴射器的組合)的燃料。
如圖2所示，控制器12作為微電腦，包括微處理器單元106、輸入/輸出端口 108、用于可執行程序和校準值的電子存儲介質(在這個特別的實施例中顯示為只讀存儲芯片110)、隨機存取存儲器112、保活存儲器114和數據總線。控制器12可從和發動機10相連的傳感器接收各種信號，除上文討論過的信號之外，還包括來自質量空氣流量傳感器122的進氣質量空氣流量(MAF)、來自和冷卻套筒118相連的溫度傳感器116的發動機冷卻劑溫度(ECT)、來自和曲軸140相連的霍耳效應(Hall effect)傳感器120 (或其它類型，例如曲軸位置傳感器)的表面點火感測信號(PIP)、來自節氣門位置感應器的節氣門位置(TP)、來自傳感器124的歧管絕對壓力(MAP)。發動機轉速信號(RPM)可由控制器12根據PIP信號(或曲軸位置傳感器)得到。來自歧管壓力傳感器的歧管壓力信號MAP可用于提供進氣歧管里真空或壓力的指示。存儲介質只讀存儲器110可編程有電腦可讀數據，其代表了可由處理器106執行用于執行下文描述的方法和其它所期望的但沒有具體列舉的變型。如上所述，圖2僅僅顯示了多缸發動機的一個汽缸。同樣，每個汽缸可類似地包括各自的一組進氣/排氣門、燃料噴射器、火花塞等。圖3顯示了給定發動機汽缸的氣門正時和活塞位置相對于發動機位置的示圖300。在發動機冷起動期間，發動機控制器可配置用于運轉發動機增壓裝置(例如渦輪增壓器)以驅動增壓的直吹空氣流進入排氣歧管。可驅動直吹空氣流穿過發動機汽缸同時以進氣門和排氣門正重疊運轉發動機。此外，在正重疊期間可隨著直吹空氣流噴射第一量的燃料。噴射的燃料可與直吹空氣徹底混合以產生直吹空氣-燃料混合物，該混合物在排氣歧管中發生放熱反應以增加排氣催化劑溫度。發動機控制器可使用示圖(例如示圖300)以識別氣門正重疊期間。示圖300沿X軸以曲軸轉角角度(CAD)說明了發動機位置。曲線308描述了活塞位置(沿Y軸)，參考其距上止點(TDC)和/或下止點(BDC)的位置，并且進一步參考其在發動機循環的四沖程內(進氣、壓縮、做功和排氣)的位置。如正弦曲線308所指示的，活塞從TDC逐漸向下移動，在做功沖程結束時在BDC處降至最低點。然后活塞在排氣沖程結束時在TDC處回到頂部。然后活塞在進氣沖程期間再次朝向BDC向下移動，在壓縮沖程結束時在TDC處回到其初始頂部位置。
曲線302和304描述在發動機正常運轉期間的排氣門(虛線曲線302)的氣門正時和進氣門(實線曲線304)的氣門正時。如說明的，當活塞在做工沖程結束時降至最低點時，可打開排氣門。隨后可在當活塞完成排氣沖程時使排氣門靠攏，維持將其打開至少直到開始隨后的進氣沖程。以同樣的方式，可在開始進氣沖程時或開始進氣沖程之前打開進氣門，并且維持將其打開至少直到開始隨后的壓縮沖程。由于排氣門關閉和進氣門打開的正時差異，結束排氣沖程之前以及開始進氣沖程之后的一小段時間可同時打開進氣門和排氣門。氣門可能都打開的這段時間被稱為進氣門和排氣門的正重疊306 (或者簡單稱為氣門正重疊)，由曲線302和304交叉的陰影區域表示。在一個示例中，進氣門和排氣門正重疊306可以為發動機冷起動期間發動機設置的默認凸輪位置。在一個示例中，在氣門正重疊期間(即當處于圖中的區域306時)發動機控制器可噴射第一量的燃料以產生直吹的混合物，同時在相同的燃料循環中氣門重疊期間之后但是在進氣沖程結束之前(即，在區域305中但不與區域306重疊的區域)噴射第二量的燃、料以產生燃燒混合物。直吹混合物然后可以和汽缸燃燒混合物在排氣歧管中反應以加熱排氣催化劑。如在圖7詳細顯示，在替代的示例中，在氣門正重疊期間，控制器可在一個發動機汽缸中噴射第一量的燃料，而在氣門重疊期間之外但是在不同的燃燒循環(例如之前或之后的燃燒循環)的進氣沖程中在相同汽缸(或替代的汽缸)中噴射第二量的燃料，。現在轉到圖4，顯示了調節直吹混合物中隨著直吹空氣流噴射的燃料量以及汽缸燃燒混合物中的燃料量以加熱排氣催化劑的示例方法的示意描述400。期望的排氣混合物空燃比(AFR) 401和前饋(feed-forward)空氣總量402可輸入至第一控制器Kl以確定燃料噴射總量403。這樣，可基于發動機工況和設置而確定期望的排氣混合物空燃比401和燃料噴射總量403。例如，可能期望將排氣混合物空燃比基本維持在化學計量處。類似地，基于發動機氣門設置、凸輪設置、增壓設置等可確定前饋空氣總量402。第二控制器K2可配置用于基于前饋空氣總量402和期望的排氣混合物空燃比401而確定噴射406的分流比。也就是，第二控制器K2可確定總燃料噴射量中有多少作為第一噴射量隨直吹空氣流噴射進入汽缸以及多少作為第二噴射量噴射至汽缸中(例如相同的汽缸或不同的汽缸)用于和汽缸燃燒空氣流燃燒。第二控制器K2可基于來自切換器415的輸入而確定分流比405。切換器415交替地接收關于期望的汽缸燃燒空燃比420和期望的氧化熱的輸入。期望的氧化熱基于實際排氣催化劑溫度411與期望的排氣催化劑溫度410的偏差。基于發動機工況以及期望氧化熱相對于期望汽缸燃燒熱的比較，可調節切換器415的位置，并且相應地改變提供給第二控制器K2的輸入。這樣，為了改善廢氣排放，可能期望將排氣催化劑的溫度維持在起燃溫度或起燃溫度之上。因而例如發動機冷起動工況期間，當期望排氣催化劑溫度和實際排氣催化劑溫度存在較大差異時，切換器415可移動到使氧化熱相對于汽缸燃燒具有較大權重的位置。相反，發動機運轉期間當排氣催化劑已經變熱，切換器415可移動到使汽缸燃燒以及維持期望的汽缸燃燒空燃比相對于期望的氧化熱具有更大權重的位置。基于切換器415的位置和噴射總量403，可計算噴射的分流比405。這包括確定第一燃料噴射量406和第二燃料噴射量408。第一燃料噴射量406對應于正重疊期間隨增壓的直吹空氣流噴射至發動機汽缸中的燃料，而第二燃燒噴射量408對應于氣門重疊之外但是仍然在進氣沖程內(在相同的燃燒循環中或者不同的燃燒循環中)的期間噴射至發動機汽缸的燃料。所以，當期望較高的氧化熱時，可調節分流比以在第一噴射中噴射更多的燃料(同時第二噴射中相應地噴射更少的燃料)，從而增加引導至催化劑的熱量。相反，當希望維持期望的汽缸燃燒空燃比時，可調節分流比以在第二噴射中噴射更多的燃料(同時第一噴射中相應地噴射更少的燃料)，以減小引導至催化劑的熱量并增加汽缸燃燒。這樣，通過改變兩個噴射中燃料的相對量，可改變引導至催化劑的氧化熱量同時維持排氣混合物處于期望空燃比。現在轉到圖5，顯示了發動機冷起動期間用于執行補充直吹空氣和燃燒噴射操作同時以進氣門和排氣正重疊運轉圖I車輛系統中的發動機的示例程序500。程序使發動機進氣增壓裝置的壓縮機運轉并在排氣中產生直吹的空氣流，同時噴射一些燃料并混合燃料和直吹的空氣流以便在排氣歧管中產生直吹混合物。在混合直吹混合物和來自后續汽缸燃燒事件的燃燒排氣之后，可在排氣歧管中產生排氣混合物。這樣可促進排氣歧管中的放熱事件并迅速增加排氣溫度，從而減少催化劑的起燃時間。
在502中，確定發動機冷起動的工況。發動機的冷起動工況可包括排氣催化劑溫度低于閾值溫度(例如起燃溫度)，以及發動機處于發動機關閉狀態的時間高于閾值持續時間中的至少一者。如果不存在發動機冷起動的工況，可終止程序。在504處，可確定排氣溫度是否達到閾值溫度。這樣，閾值溫度可對應于高于其則排氣可驅動渦輪增壓器渦輪的排氣溫度。也就是，排氣溫度上升到閾值溫度前，從發動機冷起動開始的若干燃燒循環中渦輪不會運轉(在沒有輔助的情況下)并且可能不會產生增壓。確認之后，在506中可調節進氣門和/或排氣門正時以使得以進氣門和排氣門正重疊運轉發動機。在一個示例中，氣門正重疊可以是默認的凸輪位置以便于發動機冷起動時存在氣門正重疊。發動機控制器可配置為使用示圖(例如圖3中的示圖)，以識別對應于進氣門和排氣門正重疊期間的凸輪正時。同樣在506中，可調節渦輪增壓器的設置(例如可運轉渦輪增壓器的壓縮機)以產生進氣正增壓。在508處，可估算和/和測量發動機運轉工況。同樣，這些可包括但不限于發動機溫度、發動機冷卻劑溫度、排氣溫度、催化劑溫度、發動機轉速、歧管壓力、大氣壓力等。在一個示例中，可根據排氣溫度推斷催化劑溫度。在另一個示例中，可進一步將催化劑溫度和/或排氣溫度和閾值溫度(例如催化劑起燃溫度)比較，并且可確定溫度差異。在510處，基于估算的發動機運轉工況(包括期望的氧化熱和期望的汽缸燃燒空燃比(或汽缸熱量)的比較，以及期望的排氣空燃比)，可確定第一噴射量和第二噴射量。如在圖4和6中詳細描述的，這包括至少基于排氣催化劑溫度而調節第一噴射量相對于第二噴射量的分流比。例如，當排氣催化劑溫度和閾值溫度(例如起燃溫度)之間的差異增加時可相對于第二噴射量增加第一噴射量，同時維持總噴射量恒定。然而，可調節第一噴射量和第二噴射量的總和以維持排氣中的總體空-燃比處于期望空-燃比(例如大體處于化學計量)。在512中，氣門正重疊期間可隨直吹的空氣流而噴射第一量的燃料(即排氣沖程噴射)。這樣，可驅動增壓的直吹混合物穿過發動機汽缸流至發動機排氣。在514處，可確認氣門正重疊期間是否結束。如果是，那么在516處，在氣門重疊之后但是在進氣門關閉之前(即進氣沖程中)控制器可在第一噴射的相同燃燒循環中噴射第二量的燃料。在一個示例中，發動機控制器可使用圖3中的不圖以確認氣門正重疊之后進氣門未關閉時的凸輪正時。可在汽缸中燃燒第二噴射量以產生汽缸燃燒混合物。由于噴射，直吹混合物和汽缸燃燒混合物可在排氣歧管中接近排氣催化劑處發生放熱反應，從而加熱催化劑。在518處，可確認排氣催化劑的溫度是處于閾值溫度還是高于閾值溫度(例如起燃溫度Tlight^)。如果未達到起燃溫度(即催化劑沒有充分加熱)，那么在522中程序可返回至510以繼續調節第一噴 射量和第二噴射量之間的燃燒分配而提供期望的氧化熱。如果已經達到起燃溫度(即催化劑已經充分加熱)，那么在520中可中止第一直吹運轉同時基于期望的汽缸燃燒和排氣空燃比而調節第二燃料噴射。在一個示例中，中止第一直吹操作可包括僅僅中止第一燃料噴射同時基于發動機工況和期望的扭矩而調節渦輪增壓器的設置。現在轉到圖6，顯示了基于發動機工況而調節第一噴射量和第二噴射量的分配的示例程序600。圖6中的程序可作為圖5中的程序(具體在510處)的一部分而執行。在602中，可基于發動機工況確定期望的排氣混合物空燃比。同樣，這可對應于將汽缸燃燒產物釋放入排氣歧管中以及汽缸燃燒產物與直吹空氣-燃料混合物放熱反應之后產生的最終排氣混合物的空燃比。在604處，可接收基于進氣門和/或排氣門設置以及渦輪增壓器設置的前饋空氣總量。在606中，可基于前饋空氣總量和期望的排氣混合物空燃比而確定噴射總量。在608處，可基于發動機工況(至少包括催化劑溫度)而確定期望的氧化熱。例如，可比較實際催化劑溫度和期望的催化劑溫度(例如催化劑起燃溫度)，并且可基于上述兩者的差異而確定氧化熱。在610處，可基于發動機工況而確定期望的汽缸燃燒工況(包括期望的汽缸燃燒空燃比、期望的汽缸燃燒熱、期望的汽缸溫度等)。在612處，可確定用于產生直吹的空氣-燃料混合物的第一噴射量相對于第二噴射量的分流比(或者分配)。在614處，可基于分流比確定第一噴射量和第二噴射量。這樣，第一噴射量和第二噴射量之間的總噴射量分配確定了引導至排氣催化劑的熱量。由于氣門正重疊期間隨增壓的直吹空氣流(氣門正重疊期間渦輪增壓器產生的)而噴射第一量的燃料，作為第一噴射量噴射的那部分燃料很大程度上提供了排氣歧管中的熱量。相反，由于在氣門正重疊之后但仍然在進氣沖程中向汽缸噴射第二量燃料，作為第二噴射量噴射的那部分燃料很大程度上提供了汽缸燃燒。所以，通過增加第一噴射量中噴射的那部分燃料，能增加引導至排氣催化劑的氧化熱。在一個示例中，可基于排氣催化劑溫度而調節第一噴射量相對于第二噴射量的分流比，例如通過當排氣催化劑溫度低于閾值溫度(例如起燃溫度)時增加第一噴射量的比例。不考慮第一噴射量和第二噴射量之間的燃料分配，第一噴射量和第二噴射量的總和可維持恒定以便使排氣混合物維持期望空燃比。例如，可調節噴射量的總和以將排氣混合物基本上維持在化學計量或化學計量附近。在616處，可確定是否需要進一步調節空燃比(AFR)。在一個示例中，發動機可包括發動機排氣中的空燃比傳感器(例如排氣氧(EGO)傳感器)。來自空燃比傳感器的反饋可用于通過調節第一噴射量和/或第二噴射量來調節排氣中的總體空燃比。這樣，反饋可用于執行直吹的空氣-燃料混合物和/或汽缸燃燒空氣-燃料混合物的進一步調節，從而調節產生的發動機排氣混合物空燃比。在一個示例中，基于來自空燃比傳感器的反饋而作出的調節可使最終的排氣混合物空燃比在化學計量附近震蕩。如果不需要調節空燃比(AFR)，可終止程序。如果需要調節空燃比，那么在618中基于來自排氣氧傳感器(或者替代的排氣空燃比傳感器)的空燃比反饋而進一步調節第一噴射量和第二噴射量。空燃比調節可包括，例如第一工況期間響應于反饋而調節第一噴射量而不是第二噴射量。第一工況可包括發動機冷起動工況。同樣，在發動機冷起動期間，使排氣催化劑上升到起燃溫度以減少排放可能至關重要。所以，發動機冷起動期間通過響應于空燃比反饋而僅僅調節第一噴射量，可精確地給排氣催化劑提供期望的氧化熱。如另外一個示例，在第二工況期間可響應于反饋而調節第二噴射量而非第一噴射量。如又一個示例，在第三工況期間可響應于反饋而調節第一噴射量和第二噴射量兩者。這樣，通過響應于來自排氣氧傳感器的空燃比反饋而調節第一和/或第二噴射量，可達到期望的氧化熱和期望的汽缸燃燒，同時維持最終排氣混合物處于期望空燃比。應理解圖5-6中描述的程序說明了在和第一噴射量相同的燃燒循環的進氣沖程 中噴射第二量的燃料，這并不意味著限制。在替代的示例中，可在和第一噴射量不同的燃燒循環的進氣沖程中噴射第二噴射量。例如，不同的燃燒循環可以是緊靠第一噴射量燃燒循環之前的燃燒循環或者緊隨第一噴射量燃燒循環之后的燃燒循環。這樣，盡管描述的示例說明了將汽缸的直吹混合物和后續(例如緊接發生的)汽缸燃燒的產物混合，在替代的示例中，第二噴射可先于第一噴射，以便于將直吹的混合物和之前(例如之前緊接)的汽缸燃燒的產物混合。在這樣的情況下，可在緊靠執行第一噴射的氣門重疊期間之前的進氣沖程中在進氣門關閉之前執行第二噴射。第一噴射可先于第二噴射，反之亦然。還應理解盡管描述的程序顯示了將第一和第二噴射量噴射至相同的汽缸，這也并不意味著限制。在替代的示例中(詳細描述在圖7)，可在第一汽缸中噴射第一噴射量而在第二汽缸中噴射第二噴射量，基于點火順序選擇第一和第二汽缸。圖7顯示了發動機不同汽缸的發動機汽缸位置的示例示圖。在描述的示例中，直列式發動機的四個汽缸(汽缸1-4)顯示為對應的點火順序。基于發動機循環的任何時候各個汽缸活塞的位置，給定的汽缸可以處于進氣沖程(I)、壓縮沖程(C)、做功沖程(P)或者排氣沖程(E)。對于任何給定的汽缸，氣門正重疊期間對應于給定汽缸中接近排氣沖程末尾和進氣沖程開始的窄窗口(附圖中通過陰影框表示)。控制器可在第一汽缸氣門正重疊期間在第一汽缸中噴射第一量的燃料。然后控制器可選擇第二個不同的汽缸用于在第二汽缸的進氣沖程內但是在第二汽缸氣門正重疊期間之外噴射第二量的燃料。可基于汽缸的點火順序而選擇第一和第二汽缸。例如，選擇的汽缸可使直吹混合物和汽缸燃燒混合物基本上同時產生。在一個示例中，汽缸選擇包括第一汽缸和第二汽缸，其中第一汽缸的氣門正重疊期間和第二汽缸的排氣沖程(附圖中用對角線框描述)重疊。由于在汽缸的排氣沖程中排出汽缸燃燒混合物，通過在第一汽缸氣門重疊期間噴射第一量的燃料，并在排氣沖程和第一汽缸的氣門重疊期間重疊的第二汽缸的進氣沖程中噴射第二量的燃料，可改善排氣歧管中直吹混合物和汽缸燃燒混合物的混合以及其放熱反應。參考圖7的示圖，如一個非限制性示例，發動機控制器可在汽缸2中在氣門重疊期間噴射第一量，而在汽缸I中在之前燃燒循環的進氣沖程期間噴射第二量。如另一個示例，可在汽缸3中在氣門重疊期間發動機控制器噴射第一量，而在汽缸4中在之前燃燒循環的進氣沖程期間噴射第二量。同樣，也可能是其它組合。現在轉到圖8，描述了可用于加速催化劑加熱的示例直吹空氣-燃料混合物和汽缸燃燒混合物。具體地，顯示了直吹混合物中第一噴射量和汽缸燃燒混合物中第二噴射量之間燃料的示例分配。在所有的描述示例中，不同的分配用于改變傳遞給排氣催化劑的熱量，同時維持最終排氣混合物空燃比基本上處于化學計量。對于直吹混合物以及汽缸燃燒混合物中的每一者，可確定前饋空氣量(用陰影線框表示)。用于直吹混合物以及汽缸燃燒混合物的前饋空氣量可基于渦輪增壓器的增壓設置，以及進氣門和排氣門設置(例如氣門打開、氣門關閉、氣門打開的持續期間、氣門重疊的持續期間等)。在描述的示例中，直吹混合物包括的空氣量可比汽缸燃燒混合物中的空氣量大。示例I描述了直吹混合物和汽缸燃燒混合物之間燃料分配的第一示例(附圖中相 應的用空白框表示)。此處，第一噴射量調節為與直吹空氣量成比例，以產生基本上化學計量的直吹混合物。類似地，第二噴射量調節為與汽缸燃燒空氣量成比例，以產生基本上化學計量的汽缸燃燒混合物。這樣，在示例I中，在排氣歧管中可將化學計量的直吹空氣-燃燒混合物和化學計量的汽缸燃燒空氣-燃料混合物混合以在排氣催化劑處產生熱量，同時維持產生的排氣混合物處于化學計量。同樣，應理解說明書中的燃料量和空氣量成比例并非意為空燃比為I : I。更確切地，是指能產生化學計量混合物所需的比例(例如空燃比為14. 6 I)。但是在替代的示例中，空燃比可能基于每個混合物期望的空燃比而有所不同(例如比例為I : I)。示例II描述了另外一個示例燃料分配。在此，第一噴射量調節為比與直吹空氣量成比例的更大，以便于產生富化的直吹混合物。相應地減少第二噴射量以維持總噴射量恒定。從而，第二噴射量比與汽缸燃燒空氣量成比例的更小，以便于產生稀化的燃燒混合物。此外，在示例II中，在排氣歧管中可將富化的直吹空氣-燃料混合物和稀化的燃燒空氣-燃料混合物混合，以在排氣催化劑處產生更多的熱量(相對于示例I和III)同時維持產生的排氣混合物處于化學計量。排氣催化劑的溫度低于閾值和催化劑起燃溫度的第一發動機冷起動工況期間，可使用示例II的燃料分配。示例III描述了另外一種示例燃料分配。此處將第一噴射量調節為比與直吹空氣量成比例的更小，以便產生稀化的直吹混合物。相應地增加第二噴射量以維持總噴射量恒定。從而，第二噴射量比與汽缸燃燒空氣量成比例的更大，以便產生富化的汽缸燃燒混合物。此外，在示例III中，在排氣歧管中可將稀化的直吹空氣-燃料混合物和富化的汽缸燃燒空氣-燃料混合物混合以在排氣催化劑處產生較小的熱量(相對于示例I和II)。排氣催化劑溫度比閾值高但比起燃溫度低的第二發動機冷起動期間，可使用示例III的燃料分配。可替代地，當期望較富化的汽缸燃燒限制NOx排放和/或需要較高扭矩時，可使用示例III的燃料分配。示例IV描述了另外一個示例，其中替代在第一和第二噴射之間分配燃料，在一次噴射中噴射所有的燃料。具體地，氣門重疊期間將不添加燃料的增壓直吹空氣穿過發動機汽缸引導至發動機排氣。增壓的直吹空氣然后在排氣歧管中和富化的汽缸燃燒混合物發生放熱反應以在排氣催化劑處產生更多熱量，同時維持由此產生的排氣混合物處于化學計量。此處，汽缸燃燒可先于增壓的直吹空氣流(以使直吹空氣流的新鮮空氣和之前的汽缸燃燒事件的燃燒產物發生放熱反應)，或者汽缸燃燒可緊隨增壓的空氣流(以便直吹空氣流的新鮮空氣和緊隨的汽缸燃燒事件的燃燒產物發生放熱反應)。這樣，通過隨增壓的直吹空氣流給發動機汽缸噴射一些燃料，穿過汽缸并流至發動機排氣，在排氣中可產生良好混合的空氣-燃料混合物。通過在進氣沖程期間在發動機汽缸中噴射和燃燒一些燃料，可產生汽缸燃燒混合物。通過在排氣中混合直吹空氣-燃料混合物和汽缸燃燒產物，可產生增加排放控制裝置處熱量的燃燒反應并加速達到催化劑起燃溫度。通過改變隨直吹空氣流噴射在汽缸中的燃料和汽缸中燃燒的燃料的分配，能改變引導至催化劑的氧化熱量，同時將排氣混合物維持在期望空燃比。通過迅速增加催化劑溫度，可減少催化劑的起燃時間并改善排放質量。需注意本說明書中的示例控制和估算可用于各種系統配置。說明書中描述的具體程序可代表任意數量處理策略中的一個或多個，比如事件驅動、中斷驅動、多任務、多線程等。這樣，所描述的各個行為、操作和功能可以描述的順序、并行執行，或在某些情況下有所 省略。同樣，由于便于說明和描述，處理順序并非達到本文示例實例描述的功能和優點所必需的，而提供用于說明和描述的方便。可使用特定策略可反復執行一個或多個描述的行為、功能或操作。另外，描述的操作、功能和/或行為可圖形化代表編程在發動機控制系統中計算機可讀存儲介質中的代碼。應當理解本說明書公開的系統和方法實際是示例性的，并且那些具體的實施例或示例不應當認為是限制，因為可預期多種的變型。相應地，本公開包括所有在此公開的多種系統和方法(以及任何和所有的等同物)的新穎的和非顯而易見的組合。
權利要求
1.一種運轉增壓發動機的方法，包括 在發動機冷起動期間，以進氣門和排氣門正重疊驅動所述發動機來驅動增壓直吹空氣流穿過發動機汽缸進入發動機排氣； 在所述氣門重疊期間噴射第一量的燃料； 在所述氣門重疊期間之外噴射第二量的燃料；以及 使得所述直吹空氣流和燃料在所述排氣中發生放熱反應。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，在相同的發動機汽缸中噴射所述第一噴射量和第二噴射量。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，在第一發動機汽缸中噴射所述第一噴射量并且在第二發動機汽缸中噴射所述第二噴射量，基于汽缸的點火順序而選擇所述第一汽缸和第二汽缸。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，在與所述第一噴射量相同的燃燒循環的進氣沖程中噴射所述第二量的燃料。
5.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，在與所述第一噴射量不同的燃燒循環的進氣沖程中噴射所述第二噴射量。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述不同燃燒循環是緊靠所述第一噴射量的燃燒循環之前的燃燒循環或者緊隨所述第一噴射量的燃燒循環之后的燃燒循環。
7.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，調節所述第一噴射量和第二噴射量的總和以維持所述排氣中總體空燃比處于期望的空-燃比，并且其中至少基于排氣催化劑溫度而調節所述第一噴射量相對于第二噴射量的比例。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，基于來自排氣氧傳感器的空燃比反饋而進一步調節所述第一噴射量和第二噴射量。
9.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述發動機冷起動工況包括催化劑溫度低于閾值溫度，以及所述發動機處于發動機關閉工況的時間高于閾值持續時間中的至少一者。
10.一種運轉發動機的方法，包括 在第一發動機冷起動工況期間，在排氣歧管中混合富化的直吹空氣-燃料混合物和稀化的汽缸燃燒空氣-燃料混合物以便在排氣催化劑處產生更多熱量；并且 在第二發動機冷起動工況期間，在排氣歧管中混合稀化的直吹空氣-燃料混合物和富化的汽缸燃燒空氣-燃料混合物以便在排氣催化劑處產生較少的熱量。
全文摘要
本發明提供了用于在發動機冷起動工況期間加熱催化劑的方法和系統。一個示例實施例中使用氣門正重疊以驅動增壓直吹空氣流穿過發動機汽缸。氣門重疊期間隨直吹空氣流噴射燃料，并且氣門重疊期間之外也噴射燃料進入發動機汽缸。通過在排氣歧管中直吹空氣流和燃燒產物及噴射的燃料的放熱反應而加熱催化劑。
文檔編號F02D43/00GK102733977SQ20121008809
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優先權日2011年3月29日
發明者J·D·帕科, M·D·沙恩, P·M·蘭恩 申請人:福特環球技術公司