专利名称：采用电热催化剂的混合冷起动策略的制作方法
技术领域：
本发明涉及改进的排放控制，更具体地涉及用于起动混合动力策 略中的内燃发动才几的系统和方法。
背景技术：
这一部分的说明仅仅提供与本发明有关的背景技术而并不构成现 有技术。
混合动力车辆包括内燃发动机和电动机以向车辆提供驱动。混合 动力车辆包括串联混合和并联混合。在串联混合中，设置发动机使产 生车辆驱动动力的发动机运行。在并联混合中，电动机和发动机可以 单独或一起驱动车辆，发动机另外给用于电动机的电源(电池)充电。
混合动力车辆往往通过在车辆怠速或低速移动的同时仅利用电动 机来提高燃料效率并降低车辆排放。混合动力车辆可以比常规车辆承 载更小的发动机并且可以:故构造成在电动机的可再次充电电池的电量 下降到预定等级以下或者当混合动力车辆需要另外的功率输入时运行 发动机。需要另外的功率输入的通常情况包括对电动机和车辆的快速 加速和高负载要求。车辆的这种操作会导致发动机频繁起动和停车。
为了降低排放，发动机控制燃烧的燃料量。发动机控制系统控制 空气-燃料比达到最佳化学计量比。在最佳化学计量比上，所有燃料利 用空气中的所有氧气都得到燃烧。
最新的车辆装有三通催化转化器。"三通，，指的是催化转化器有
助于降低的三种排放——氧化碳、挥发性有机化合物(VOC)和NOx。 催化转化器利用两种不同的催化剂，还原催化剂和氧化催化剂。两种 催化剂包括涂敷金属催化剂通常为铂、铑和/或钯的陶瓷结构。催化转 化器使催化剂承受废气流，同时因催化剂材料的高成本而将所需催化 剂的量降至最少。
在催化转化器中采用两种主要类型的结构一蜂窝和瓷珠。还原催 化剂是催化转化器的第 一 阶段，通常采用钯和铑以有助于降低NOx排 放。当NOx分子接触催化剂时，催化剂将氮与分子分离，吸住氮并使Ox形式的氧自由。氮与同样由催化剂吸住的其它氮结合，形成N2。 例如
2NO=> N2+02或2N02 =>N2+202
氧化催化剂是催化转化器的第二阶段，通过使未燃烧的碳氢化合 物和一氧化碳在铂和钯催化剂上燃烧(氧化它们)来降低它们。氧化 催化剂利用在废气中的剩余氧与CO和碳氢化合物起反应。例如
2CO+02=>2C02
第三阶段是控制系统监控废气流并利用信息控制燃料喷射系统。 通常，氧传感器安装在发动机与催化转化器之间。氧传感器感测废气 中的氧。发动机控制系统通过调节空气-燃料比提高或降低废气中的含 氧量。发动机控制系统确保发动机接近最佳化学计量比运行并且在废 气中有足够的氧以使氧化催化剂可以点燃未燃烧的碳氬化合物和CO。
催化转化器仅在相当高的温度下工作。当发动机首次起动时，催 化转化器不能有效去除废气中的排放物，直至催化转化器达到被称为
点火温度的操作温度。"点火温度"是CO或HC的转化效率已经达到 50%的点。起动催化转化器需要被预热到点火温度或者进行冷起动的 发动机是在混合动力车辆上特有的重复动作，在常规操作过程中使发 动机反复起动、停车和重启。
发动机冷起动的一种常规方案是将催化转化器移动到靠近发动 机。更热的废气达到催化转化器并将发动机快速加热。该方法往往因 使催化转化器承受极高温度而降低了其寿命。通常，催化转化器位于 前排乘客座椅下方；足够远离发动机以保持温度下降到不会损害发动 机。
对催化转化器进行预加热或补充加热是减少催化转化器达到点火 温度所需时间的另 一常规方式。加热转化器最容易的方式是采用例如 可以在加热元件中发现的电阻加热器。这些"外部，，加热器布置在催 化转化器的上游，对进入转化器的过路废气进行补充加热。加热元件 可以包含催化材料。 一旦与加热元件联合的催化剂达到点火温度，发 动机废气将氧化同时通过加热元件催化剂。这样的氧化将另外的热量 释放到废气中，同时快速将催化转化器温度提高到点火温度。
在大多车辆上的12伏电力系统不能提供足够的热量足够快速地对 加热元件进行预加热。驾驶员在起动车辆之前必须等待几分钟，使加热元件得到预加热。没有预加热，流过加热元件的废气将冷却与加热 元件相联合的催化剂并增加达到点火温度所需的时间。
发明内容
操作发动机控制系统的方法包括产生发动机起动信号，确定是否 存在冷起动条件，根据冷起动条件激活电热催化剂，确定电热催化剂 温度以及根据发动机起动信号和电热催化剂温度选择性起动发动机。
此外，本发明涉及一种发动机控制系统，包括确定发动机条件的
冷起动确定模块。EHC控制模块选择性激活电热催化剂。EHC温度模 块确定电热催化剂温度。发动机致动模块可操作地根据冷起动确定和 电热催化剂温度选择性起动发动机。
从在此提出的描述中将会清楚地了解到其它应用领域。应该认识 到所述描述和具体实例仅仅是为了示例说明，而并不是要限制本发明 的范围。
在此描述的附图仅仅是示例性的，而绝不是要限制本发明的范围。
图1是包括多个催化转化器和电热催化剂的混合动力车辆发动机 控制系统的示意图2是根据本发明包括单个催化转化器和电热催化剂的混合动力 车辆发动才几控制系统的示意图3是图1和2所示的发动机控制模块单元的框图；以及
图4罢袅S報棍太劳印 步骤的流程图
具体实施例方式
以下描述实质上仅仅是示例性的，并不是要限制本发明公开的内 容、应用或用途。为了清楚的说明，在附图中采用相同的附图标记表 示相似的元件。在此采用的术语"模块"指的是专用集成电路(ASIC )、 电路、执行一个或多个软件或硬件程序的处理器(共用、专用或组) 和存储器、组合逻辑电路、和/或其它提供所需功能的适当部件。
现在参照图1,混合动力车辆10包括具有多个气缸14的内燃发动机12和电动机16。发动机12与向变速器20提供旋转动力的输出轴18 相连。发电机22由发动机12驱动并向可再充电电池24提供充电电流。 电动机16将来自电池24的动力转化为积4戒动力。该枳4成动力^皮施加 在变速器20的输入轴上。变速器20联合来自发动机12和电动机16 的动力以向驱动桥23提供动力。发动机12和电动机16可以同时或独 立提供驱动。
发动机12还与废气歧管26相连。废气歧管26将来自发动机12 的废气28引导多个多个催化转化器30-1, 30-2, 30-3 (总称为30)。 所述多个催化转化器30可以是三通催化转化器。催化转化器30-1 ，30-2 可以闭合安装在发动机12上以提高它们的加热点火效率。
催化转化器30-3与加热元件32例如向催化转化器30-3提供补充 加热的电热催化剂(EHC )32相联合。补充加热减少了催化转化器30-3 点火所需的时间。可以认识到，EHC32可以是独立组件或一体形成为 催化转化器30-3的一部分。催化转化器30-3可以由可再次充电电池24 提供动力。催化转化器30-3和EHC 32可以整体"附加"在现有的废 气系统结构上。
混合动力车辆IO可以是可拆卸式混合。"可拆卸(plug-in)"指 的是包括相对较大的可再次充电电池24从而延长电池24再次充电时 间的混合动力车辆。因此可以通过使发动才几12关闭更长时间而相应节 省燃料且降低排放。可拆卸式混合电池24还可以在行驶之余从外部再 次充电，从而无需运行发动才几12就可以对电池24提供充电。
发动机控制模块40与EHC 32、发动机12、电动机16、电池24 通信并接收来自多个传感器的输入。这些传感器可以包括发动机冷却 剂温度传感器42和环境温度传感器44、以及位于发动机12与催化转 化器30-l， 30-2之间的多个氧传感器46-1， 46-2(总称为46)。氧传 感器46感应废气中的含氧量以适当调节准确化学计量所需的空气-燃 料比。可以认识到，氧传感器46可以位于其它位置或^皮省去。例如， 其它氧传感器48-1, 48-2 (总称为48)提供有关催化转化器30-1, 30-2 的诊断信息并且可以位于多个催化转化器30-1, 30-2的下游。消声器 50位于催化转化器30-3的下游。
还向发动机控制才莫块40提供表示EHC 32温度的信号52。EHC 32 的温度可以通过传感器54直接测量或者发动机控制模块40可以估计EHC温度。可以向发动机控制模块40提供各种数据包括穿过EHC 32 的电流、向EHC32供给的电压、穿过EHC 32的废气28的体积流速 以及每个参数所经历的时间，以估计温度。
下文将更详尽地描述的是，在发动机12起动之前，发动机控制模 块40确定催化转化器30-3是否需要补充加热。如果发动机冷却剂温度 在预定温度以上，则不存在冷起动状况并且可以在不激活EHC 32的情 况下起动发动机12。如果发动机冷起动条件，则发动机控制模块40将 激活EHC 32并延迟起动发动才几12,直至EHC 32加热达到预定温度。 预定温度值可以被设定为使排放降低效率达到所需需要的温度，尽管 如此，可以采用其它设定点和/或百分比。该温度可以;故称为EHC点火 温度。
在起动发动机12之前，EHC 32可以在5-120秒内达到点火温度。 然而，由于一旦废气开始穿过EHC 32和催化转化器30-3则发生冷却， 因此EHC 32可能在发动机起动之后的一端时间周期内保持激活。更具 体地，EHC32保持激活，直至催化转化器30-3本身无需由EHC32提 供补充能量就可以保持在预定温度。
发动机控制才莫块40可以评估包括环境空气温度、发动机冷却剂温 度、废气流动以及向EHC 32提供的动力这些数据以估计EHC 32在发 动机起动之后应该得到激活的时间。发动机控制才莫块40可以考虑其它 信息，包括空气-燃料比和火花延迟数据以估计催化转化器30-3内催化 剂的温度。这种估计被用于在EHC 32去激活之后确定催化转化器30-3 的温度是否保持在预定温度以上。
在常规操作条件下，发动机控制模块40将保持发动机12关闭， 同时EHC 32加热达到目标温度。 一旦EHC 32达到温度，则发动机12 将起动并且继续向EHC32供给动力，直至发动机控制模块40在EHC
EHC 32可以得到去激活。
通过实施备选发动4几控制方法可以4吏EHC 32在发动才几起动之后 保持激活的时间周期降至最少。下文所述的方法不是必需的，而是可 以提供其它技术，用于减少EHC32激活时间。减少EHC32激活时间 的一种方法包括将空气-燃料比设定在化学计量比或更贫。发动机废气 产物在穿过EHC 32时与空气-燃料混合物中存在剩余氧气化合并氧化。这种放热反应向废气28中释放另外的热量并快速加热催化转化器 30-3。利用废气28氧化所产生的另外的热量增大到比由EHC 32单独 释放的热量的等级更高的等级。因而，EHC32因催化转化器30-3本身 的快速加热而在发动机起动之后立刻得到去激活。
减少EHC32激活时间的另一方法包括延迟点火时间。例如，点火 时间可以被设定为在上止点之后使废气2 8的温度提高。
在某些条件下，例如当电池24需要再次充电或者混合动力车辆10 需要最大功率时，发动机12可以在EHC 32激活之前起动。如果发动 机12起动同时催化转化器30-3处于目标操作温度以下，则EHC32可 以在发动机已经起动之后得到激活以减少催化剂30-3达到目标温度所 需的时间。以前描述的各种发动机操作策略还可以;波用于进一步减少 EHC 32激活所需的时间。
现在参照图2，混合动力车辆80部分示出，并包括单个催化转化 器30-3。与车辆10相比，去掉了多个闭合安装的催化转化器30-1，30-2。 催化转化器30-3可以包括EHC 32,或者EHC 32可以位于催化转化器 30-3的上游。氧传感器46位于废气歧管26与催化转化器30-3之间。 催化转化器30-3可以包括位于共用壳体内的上游催化剂62和下游催化 剂64。另一氧传感器66可以位于上游催化剂62与下游催化剂64之间 的催化转化器30-3内。氧传感器66可以由发动机控制模块40采用以 监控和调节EHC 32和催化转化器单元30-3的操作。
现在参照图3,进一步详细示出发动机控制才莫块40。发动机控制 模块40包括冷起动确定模块100、 EHC控制模块102、 EHC温度模块 104、发动才几致动才莫块106以及EHC优化4莫块108。冷起动确定才莫块 IOO确定是否存在冷起动条件。在一种实例中，冷起动确定模块100将 由来自温度传感器42的输出提供的测定的发动机冷却剂温度与预定限 值进行比较。如果发动机冷却剂温度低于限值，则存在冷起动条件。 冷起动确定模块100与EHC控制模块102连通。如果冷起动条件存在 并且其它车辆条件不能补偿EHC激活，则EHC控制才莫块102控制EHC 32的激活。EHC控制模块102与EHC温度模块104连通。EHC温度 模块104可以通过传感器例如温度传感器54接收表示EHC 32温度的 信号。
在备选方案中，EHC稳定模块104可以通过监控向EHC 32提供电流量值和电压量值的时间来估计EHC 32的温度。 一旦EHC温度模 块104确定已经达到预定温度，则与发动机致动才莫块106形成连通。 发动才几致动冲莫块106起动发动才几12。 EHC控制才莫块102可以在发动4/L 12起动之后继续激活EHC 32,直至确定催化转化器30-3保持足以满 足发动机排放标准的温度。EHC优化模块108可以延迟火花点燃时间 或改变空气-燃料比以使激活EHC 32所需的时间降至最少。
现在参照图4,流程图表示通过采用电热催化剂提高内燃发动机排 放的方法200。方法200可以作为存储在与计算机相联合的计算机存储 器中的计算机程序得到执行。计算机和计算机存储器可以包含在发动 机控制模块40中。
在步骤202,接收起动发动机指令。在步骤204,控制方法确定是 否存在冷起动条件。当发动机冷却剂温度低于限值T时，存在冷起动 条件并且控制方法继续执行到步骤206,在该步骤估计电池电量。然而， 如果发动机冷却剂温度高于或等于T，则在步骤208起动发动机12。 在步骤210发动才几12的纟喿作回到缺省，并且方法200在212结束。
在步骤206，发动机控制模块40确定电池24的电量是否已经下降 到预定量级以下。如杲电池24的电量低于预定量级，则在步骤214发 动^/Ll2起动。如果电池24的电量不低于预定量级，则在步骤215继续 执4亍4空制方法。
在步骤215， EHC32得到激活并且控制方法继续执行到步骤216。
在步骤216,控制方法确定EHC32的温度是否大于或等于预定温 度T1。在消耗至少50%废气产物的情况下，预定值T1可以与点火温 度相关联。同样可以采用其它温度值。如果为否，则EHC32继续得到 激活。如果为是，控制方法继续执行到步骤218。
在步骤218,起动发动机12。在发动机起动之后，控制方法继续 执行到步骤219。步骤219是备选的并涉及将EHC 32的激活时间降至 最少的发动机操作控制。特别地，步骤219可以延迟点火时间以提高 废气温度并减少EHC 32需要得到激活的时间量。另外，在步骤219 中，空气-燃料比可以被设定为化学计量比或比化学计量比更贫的值以 使由催化转化器30-3内发生的氧化和还原反应产生的能量输出最大。 时间延迟可以与空气-燃料比的修正相一致或相独立，反之亦然。
在步骤220， EHC 32继续得到激活。控制方法继续执行到步骤222，在该步骤中控制方法确定在EHC 32未得到激活的情况下催化转化器 30-3是否保持在所需温度以上。如杲需要另外的能量输入，EHC32继 续得到激活。如果系统包括足够能量来使催化转化器30-3保持在所需 的温度，则控制方法继续执行到步骤224,在该步骤中中断向EHC 32 提供动力。控制继续执行到步骤226,在该步骤中进入缺省发动机操作。 方法200在步骤228结束。
此外，以上论述仅仅公开和描述了本发明的示例性实施方式。本 领域技术人员从这些论述并从附图和权利要求中4艮容易认识到在不脱 离由以下权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下可以对本发明 做出多种变化、修改和变形。
权利要求
1.一种发动机控制系统，包括确定发动机条件的冷起动确定模块；选择性激活电热催化剂的EHC控制模块；确定所述电热催化剂温度的EHC温度模块；以及可操作地根据所述冷起动确定和所述电热催化剂温度选择性起动发动机的发动机致动模块。
2. 如权利要求1所述的发动机控制系统，其特征在于，当所述电 热催化剂温度处于预定温度以上时，所述发动机致动模块起动所述发 动机。
3. 如权利要求2所述的发动机控制系统，其特征在于，所述EHC温度模块估计所述电热催化剂温度。
4. 如权利要求3所述的发动机控制系统，其特征在于，根据向电 热催化剂供给电流和电压的时间执行所述温度估计。
5. 如权利要求4所述的发动机控制系统，其特征在于，所述EHC 控制模块继续激活所述电热催化剂，直至可以在不激活所述电热催化
6. 如权利i求5所述^发动机控制系统，其特征e在于，还包括EHC 优化模块，其设定上止点之后的点火时间以提高废气温度并使所述催 化转化器达到所述目标温度所需的时间降至最少。
7. 如权利要求5所述的发动机控制系统，其特征在于，还包括EHC 优化模块，其将空气-燃料比设定为化学计量比和比所述化学计量比更 贫中的一个。
8. 如权利要求1所述的发动机控制系统，其特征在于，当电池的 充电状态低于预定量值时，所述发动机致动模块在激活所述电热催化 剂之前起动所述发动才几。
9. 如权利要求1所述的发动机控制系统，其特征在于，所述EHC 温度模块直接测量所述电热催化剂温度。
10. —种操作混合动力车辆中的发动机控制系统的方法，该方法包括产生发动机起动信号； 确定是否存在冷起动条件；根据所述冷起动条件激活电热催化剂； 确定所述电热催化剂的温度；以及根据所述发动机起动信号和所述电热催化剂温度选择性起动发动机。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，激活所述电热催化 剂包括使电流流过加热元件以提高所述电热催化剂的温度。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括当所述电热 催化剂温度处于预定温度时起动所述发动机。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括 根据对位于所述电热催化剂下游的催化转化器温度的估计在所述发动机起动和所述点燃催化剂去激活之后继续激活所述加热元件。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，根据环境空气温度、 发动机流动、发动机冷却剂温度和火花点火时间中的至少一个执行对 催化转化器温度的所述估计。
15. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括设定上止点之后的点火时间以提高废气温度并使所述催化转化器 达到预定温度所需的时间降至最少。
16. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括 将空气-燃料比设定为化学计量比和比所述化学计量比更贫中的一个，使所述催化转化器达到预定温度所需的时间降至最少。
17. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，确定是否存在冷起 动条件的步骤包括确定发动机冷却剂温度是否小于限值。
18. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，还包括当电池充电状态小于预定量值时，在激活所述电热催化剂之前起 动所述发动机。
19. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，直接测量所述电热 催化剂的所述温度。
20. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，估计所述电热催化 剂的所述温度。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，根据向所述电热催 化剂供给电流和电压的时间执行对所述电热催化剂的所述温度估计。
全文摘要
本发明涉及采用电热催化剂的混合冷起动策略。提供一种操作发动机控制系统的方法包括产生发动机起动信号、确定是否存在冷起动条件、根据所述冷起动条件激活电热催化剂、确定所述电热催化剂的温度；以及根据发动机起动信号和电热催化剂温度选择性起动发动机。
文档编号B60K6/24GK101306685SQ200810099570
公开日2008年11月19日 申请日期2008年5月15日 优先权日2007年5月15日
发明者E·V·贡泽, F·阿门特, H·G·桑托索 申请人:通用汽车环球科技运作公司