柴油机后处理再生过程的发动机冷却和废气温度控制的制作方法

专利名称：柴油机后处理再生过程的发动机冷却和废气温度控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机，特别是改善不同环境条件下发动机性能和改善排气装置后处 理性能的柴油发动机系统、方法和策略，改善排气装置后处理性能包括改善柴油机颗粒过 滤器(DPF)的再生、改善NOxK附器的再生和通过选择性催化还原(SCR)改善NOx转化效率。 为了实现这些改进，本发明的系统、方法和策略包括通过此类调整控制冷却系统的运作，所 述冷却系统调节发动机进气歧管的温度和发动机排气歧管的温度。
背景技术：
关于减少氮氧化物(NOx)和颗粒物质(PM)的排放，柴油发动机工业正面临着更加 严格的立法要求。后处理装置诸如DPF和NOx吸附器和诸如SCR的工艺是减少PM和NOx排 放的有吸引力的解决方案。DPF技术的改进已经使DPF的颗粒捕获效率增加并使压力损失降低。然而，捕获在 一定量的烟炱后，即使改进的DPF也必需要再生以便恢复性能。DPF的再生可以通过各种装置和方法、以多种方式开始。基本上，通过将废气温度 提高至足够能引发并维持被捕获的烟炱发生燃烧的温度来启动DPF再生。被捕获的PM的 燃烧减小排气装置的背压(EBP)并恢复DPF的捕获效率。烟炱氧化的工艺通常被称为DPF再生。促进或强制DPF再生的已知的技术包括1)开发有效的燃料添加剂以便降低DPF 再生的点火温度；2)在DPF上游采用后喷射柴油机燃料以便增加废气温度；和3)使用辅助 加热源(诸如燃烧器或电热器)以便增加废气温度。这些已知技术的缺点包括附加的硬件成本(例如，添加后喷射装置)、可靠性和保 修费用。因此，为了实现更加废气温度控制的创新性系统和策略需要更有效的和高效的DPF 再生。对于NOx后处理，必须类似地提高废气温度以便1)使操作SCR的装置达到高的转 化效率和2)使装置诸如NOx吸附器再生并/或脱硫酸盐。因此，柴油发动机排气装置的热 操作对于达到符合合适的尾部排气管排放要求变得更加重要。发动机废气温度受到数种因素的影响，包括进气歧管温度，它本身直接受发动机 进气系统中离开增压空气冷却器(CAC)的增压空气的温度的影响；EGR气体温度；EGR比 率；空气/燃料(A/F)比率；缸内燃料喷射时间设定；和加燃料量(或制动马力燃油消耗率， 它受到发动机泵送损失和指示功率的影响)。一般地说，本发明涉及为启动并维持某些废气后处理装置诸如DPF和NOx吸附器 的再生、以及实现其它后处理装置诸如操作SCR的装置的高转化效率而做出的对系统、方 法和策略的改善，这些改善来自发明人认识到灵活控制增压空气温度在此类系统、方法和 策略中的重要性。通过一个流量控制系统实现所述灵活控制，所述系统以一定方式控制通过增压空 气冷却器(CAC)的发动机冷却剂的流量，使增压空气温度被升高至可实施某些后处理装置 的再生和达到其它后处理装置的高转化效率的水平。结合控制EBP阀和/或进气节流(IT)
5阀，灵活的CAC控制策略可将废气温度提高至适合实现这些目标的温度。涉及调节EGR比 率和燃料喷射时间设置的附加的NOx排放控制策略的使用还可以与灵活的CAC控制、EBP控 制和IT控制的使用相协调。本发明能使发动机生产商达到关于尾部排气管排放符合性和后 处理装置(例如DPF)再生的合适的要求，而不必使用DPF上游的后喷射系统或辅助加热源。增压空气温度的灵活控制是在涡轮增压柴油发动机几乎所有适用的发动机转速、 发动机载荷和环境条件下将废气温度提高至适合某些后处理装置再生并使其它装置达到 高转化效率的温度的重要手段。在低载荷和/或寒冷的环境温度下运行的柴油发动机产生的废气通常不会热到 能引发并维持DPF中捕获的烟炱的燃烧。为了将废气温度提高至适合在极端条件(例如刚 才所述的条件)下DPF的再生的温度，通过控制流经冷却剂冷却的增压空气冷却器(CAC) 的冷却剂流的速度和温度来灵活控制增压空气温度，是为了在此类条件下成功燃烧而大幅 度提高废气温度的整体控制策略的一个重要部分。在适当时，当然还可以采用辅助全面策略的其它补助手段，以便达到使DPF中捕 获的烟炱燃烧并同时减小气缸内氧气浓度(或空气与燃料比率)以便控制发动机废气中 NOx含量的废气温度。此类其它手段包括例如以不同的速度和载荷选择性地操作EBP阀和 /或IT阀以便选择性地限制增压空气和废气流量；调节EGR比率和温度；和延迟燃料喷射 时间安排。本发明提出7个目前优选的流量控制装置的实施方式，所述流量控制装置通过控 制流经CAC的发动机冷却剂流量来实现增压空气温度的灵活控制，以便使某些废气后处理 装置再生并使其它后处理装置达到高的转化效率。本发明还提出CAC和EBP控制策略，用于做到符合适用的尾部排气管排气要求和 后处理再生要求。本发明关于后处理装置再生的重要优点包括不再需要后处理装置上游的任意后 喷射装置或任意帮助再生的辅助加热源；因此避免了在发动机中包括此类装置或加热源的 附加的安装和保修费用；对基本的发动机模型采用最少量的附加硬件(即仅添加一个或两 个控制阀，假设EBP阀和IT阀是所述基本发动机预先存在的部件)。通过灵活控制CAC冷却剂流速和冷却剂温度，本发明还为改善的发动机性能和尾 部排气管排放控制提供效能_价格合算的解决方案。除了用于DPF再生以外，灵活控制 可以提供更快和更好的发动机预热特性；能不再需要用于汽车驾驶室加热的“浪费的内燃 机”；能提供一流的烃和白烟清除性能；能改善发动机瞬态响应；能在发动机启动操作、瞬态 操作和寒冷气候操作过程中提供更好的和更快的排放物符合性；能改善稳态、瞬态和发动 机预热过程中的汽车燃料燃烧效率；能改善寒冷气候中的燃料燃烧效率；能在寒冷环境操 作下减少燃料喷射时间安排提前和降低气缸压力峰值，使发动机气缸盖可靠性更佳；能通 过用CAC冷却剂泵浦功率代替冷却扇功率减小发动机辅助功率，特别在热环境中；通过增 加CAC中冷却剂流量来降低进气和排气歧管温度，能降低高海拔或热环境满负载下排气歧 管温度，使发动机歧管和/或涡轮耐用性更佳。

发明内容
本发明的一个普通的方面涉及内燃机，其包括用于在进气歧管中产生增压空气的进气系统、燃烧室(来自进气歧管的增压空气和燃料在其中燃烧)和用于将来自燃烧室的 废气运输通过废气处理装置的排气系统，所述废气处理装置时常需要通过升高废气温度来 再生。增压空气冷却器包括进气歧管上游的增压空气气流路径和与所述气流路径形成 热交换关系的液体发动机冷却剂的液流路径。作为控制系统的可执行策略的一个组成部分，所述控制系统通过控制发动机冷却 剂流经增压空气冷却器的液流路径，将废气温度提高至足以使废气处理装置再生的温度。本发明的另一个普通方面涉及调节内燃机的进气歧管内的增压空气温度的方法。所述方法包括在一定范围内控制流经增压空气冷却器的液流路径的液体发动机 冷却剂的温度，所述液体发动机冷却剂与进入进气歧管的增压空气形成热交换关系，这允 许通过液体发动机冷却剂选择性地加热和冷却所述增压空气。本发明的上述和其它特征和优点可以在以下本发明的目前优选的实施方式的公 开中看到，这些实施方式描绘了目前被认为实施本发明最佳的模式。本说明书包括附图，现 在简单地进行如下说明。附图简述图IA是之前提到的七个实施方式中的第一个的示意图。图IB是之前提到的七个实施方式中的第二个的示意图。图IC是之前提到的七个实施方式中的第三个的示意图。图ID是之前提到的七个实施方式中的第四个的示意图。图2是七个实施方式中的第五个的示意图。图3是七个实施方式中的第六个的示意图。图4是七个实施方式中的第七个的示意图。图5A-H是数种不同的发动机转速和数种不同的发动机载荷情况下，正常环境和 寒冷环境温度下灵活控制的冷却剂流速、废气温度(在涡轮出口处测量)和CAC出口温度 之间的某种关系的绘图。图6是说明空气与燃料比率对NOx和PM排放的影响的图。图7A是各种操作条件下，排气装置背压阀操作和涡轮出口排气限制之间某种关 系的绘图。图7B是各种操作条件下，排气装置背压阀操作和排气歧管背压之间某种关系的 绘图。图7C是各种操作条件下，排气装置背压阀操作和涡轮出口废气温度之间某种关 系的绘图。图7D是各种操作条件下，排气装置背压阀操作和制动马力燃油消耗率(BSFC)之 间某种关系的绘图。图7E是各种操作条件下，排气装置背压阀操作和空气/燃料(A/F)比率之间某种 关系的绘图。图7F是各种操作条件下，排气装置背压阀操作和EGR百分率之间某种关系的绘 图。图8和9是说明在不同环境条件、发动机转速和载荷条件下满足排放标准和内燃
7机后处理性能和/或再生要求的CAC冷却控制策略的各图。

图10A、10B、10C、10DU0E和IOF是说明用于使某些废气后处理装置再生和使其它 后处理装置达到高转化效率的各种CAC冷却和废气温度控制策略的各图。优选实施方式的具体描述可于不同的环境温度下在整个发动机转速_载荷范围内，根据具体的后处理装 置，灵活地控制涡轮增压的柴油发动机中的灵活控制的液体冷却增压空气冷却器(CAC)，以 便帮助获得适合使后处理装置再生并/或使它们达到高转化效率的废气温度。达到这些废 气温度的全面策略优选地包括灵活地控制CAC以及通过控制允许EBP阀限制废气流量的程 度来控制排气装置背压(EBP)。该全面策略可以在为NOx排放符合性而降低发动机空气/ 燃料(A/F)比率的同时实现DPF的再生。进气节流阀作为任选的装置，也可以用于NOx排 放控制。图1A-4显示了灵活控制系统的七种实施方式，它们的区别在于CAC冷却剂进料位 置、数量、阀的类型以及冷却剂泵的数量。每张图中随附的图例指示的各种工作流体的流动 方向由方向箭头指示。应该理解，本发明的原理可能适合于任意满足以下要求废气后处理 装置，即所述后处理装置的操作和性能取决于控制废气温度的能力。图IA显示一种柴油发动机50，其包括含有发动机气缸54的发动机组52，燃料喷 射系统的燃料喷射器56直接将柴油燃料射入所述发动机气缸54中。进气系统58将二级 涡轮增压器(具有或没有级间冷却器)的阶段60A、60B的压缩机产生的增压空气递送至气 缸54，在那里，增压空气被压缩至导致射入的燃料点燃并为发动机提供动力的温度。排气系 统62将来自气缸54的废气输运通过阶段60A、60B的涡轮以便运行涡轮增压器。虽然此处 显示的是二级涡轮增压器，但是，本发明的原理可以应用于基本上任何发动机涡轮增压器。排气系统62包括EBP阀64和后处理装置，所述后处理装置在图中显示为颗粒物 质(PM)和/或NOx后处理装置66(例如内燃机颗粒过滤器(DPF)、Ν0χΚ附器、SCR)，废气在 离开涡轮增压器后连续通过后处理装置。特别的后处理装置66可能时常需要再生，诸如， 当后处理装置是DPF时，需要烧掉被捕获的烟炱。进气系统58包括空气过滤器68，它在空气到达涡轮增压器之前过滤进入进气系 统的空气。在涡轮增压器提高过滤后的进风流的压力以产生增压空气后，所述增压空气被 冷却。在所示的实施方式中，冷却通过两个涡轮增压器压缩机阶段之间的级间冷却器70和 液体冷却增压空气冷却器(CAC) 72来进行。冷却器70和72实质上是液体-空气热交换器。 冷却器70对从低压阶段60A至高压阶段60B流动的空气进行冷却。CAC72对离开阶段60B 的增压空气进行冷却。进气系统58还包括CAC72之后的进气节流(IT)阀74，虽然本发明 最一般的构思不需要存在进气节流阀。通过EGR系统76 (它一般包括EGR阀)控制用于进入发动机50的进气歧管的增 压空气夹带的废气的再循环。发动机50是液体冷却的，因此包含冷却系统78，所述冷却系统包括一般由发动机 驱动的泵80。冷却系统78的一部分是常规的，因为它包含恒温阀82，恒温阀在冷启动时是 关闭的，但是当发动机被预热至操作温度时，恒温阀开启。当关闭时，恒温阀82防止冷却剂 被抽出发动机组52到达主散热器84并回到所述发动机组。一旦打开时，恒温阀82允许冷 却剂被抽出发动机组52到达主散热器84并回到所述发动机组。当EGR系统76需要对再循环的废气进行冷却时，冷却剂被抽吸通过EGR冷却器86。冷却系统78还包含CAC控制阀88和空气冷却低温散热器90。阀88具有与主散 热器84的出口流体联通的进口。这种联通不是直接的，而是通过泵80进行的。阀88还具 有通过旁路通道92与冷却器70、72的进口流体联通的第一出口。阀88还具有通过散热器 90与冷却器70、72的进口流体联通的第二出口。从阀88的出口至冷却器的这两条通道提 供了从阀至冷却器的两条平行的流动路径。阀88是三通阀，它可选择性地按四种状况来操作，第一种状况不允许流经所述两 个平行的流动路径中的一个但允许流经另一个，第二种状况不允许流经所述另一个流动路 径但允许流经所述一个流动路径，第三种状况将流分入这两个流动路径，第四种状况不允
许流经任意一条路径。当阀88没有阻断输入流时，冷却剂能从发动机驱动的冷却剂泵80的出口流经阀 88以便1)完全通过散热器90、2)完全通过旁路通道92、或3)在通过冷却器70、72之前分 入所述两个平行的流动路径中。通过这种方式，阀88通过控制多少百分率的输入流被通过 散热器90的通道冷却来控制流入冷却器70、72的冷却剂流的温度。旁路通道92直接从泵
80向冷却器70、72提供“更热”的冷却剂。返回的冷却剂从冷却器70、72流至泵80的入□。旁路通道92在某些发动机中可以是任选的。当所述旁路通道不存在时，阀88可 以用位于CAC热交换器70、72的上游或下游的更简单的双位阀来代替。此类实施方式显示 在图IB中。图IB显示一种发动机50，其组件与图IA的发动机50相同并以相同的方式布置， 而且用相同的引用号识别，但是，它缺乏旁路通道92并具有代替图IA中显示的三通阀88 的通断控制阀88A。控制阀88A可以具有任意合适的结构并可以是完全开放的或完全关闭 的或可以选择性地节流。虽然显示阀88A位于散热器90的上游，但是，它可以位于散热器 90的下游。在任一种情况下，阀88A控制经过散热器90的流。图IC显示一种发动机50，其组件与图IA的发动机50相同并以相同的方式布置， 而且用相同的引用号识别，但是，三通阀88的布置与图IA中不同。在图IC中，到达级间冷 却器70和CAC72的冷却剂流受阀88控制可处于以下状态1)完全地直接地来自发动机组 52，2)完全来自泵80，已被散热器90冷却，或3)包含来自发动机组52和散热器90 (按照 阀88的分配)的流。阀88还可以进行操作以切断流向冷却器70和CAC72的所有流。因 为阀88与发动机组直接连接，所以，当操作阀88以便允许直接来自发动机组的流时，稍微 “较热的”冷却剂流就可能被输送至级间冷却器70和CAC72。图ID显示发动机50，其具有与图IC中相同的组件并用相同的引用号标识，不同 之处在于，两个双位阀88A和96代替三通阀88如图所示地连接起来。然而，图ID的冷却 布置图可认为在功能上相当于图IC的冷却布置图。协调阀88A和96的操作可允许流到级 间冷却器72和CAC72的流1)完全地直接地来自发动机组52，此时，阀96打开而阀88A关 闭；2)完全来自泵80，由散热器90提供冷却，此时，阀88A打开而阀96关闭；3)分成来自 发动机组52的流和来自散热器90的流，此时，阀88A和96都打开；和4)被切断，此时，阀 88A和96都关闭。每一个阀可以或者是双位阀或者是可选择性节流的阀。图2的实施方式类似于图IC和ID的实施方式，可提供稍微“较热的”冷却剂流用于加热增压空气，因为到达阀88的进口的冷却剂直接抽自发动机出口(即恒温器进口)而 不是来自泵80。图2中，之前使用的相同的引用号用于指示相同的组件。图2中的阀88按 关于图IA所述的相同的方式操作。图3的实施方式可提供在一些情况下运行“较冷的”冷却剂流、在其它情况下运行 “较热的”冷却剂流的灵活性。图3中，之前使用的相同的引用号用于指示相同的组件。代 替图IA和2中的三通阀(如阀88)，图3的实施方式使泵80的出口直接与散热器90的进 口连通并使所述散热器出口通过控制阀94与热交换器70、72连通。通向冷却器70、72的 平行的流动路径允许直接从发动机出口(即恒温器进口附近)抽出冷却剂并由第二个阀96 控制该冷却剂流。“较冷的”冷却剂的流速由阀94控制，而“较热的”冷却剂的流速由阀96控制。当 阀94完全打开并且阀96完全关闭时，出现最冷的流通过冷却器70、72。当阀96完全打开 并且阀94完全关闭时，出现最热的流。同时打开两个阀使两种流混合以提供通过两个冷却 器的冷却剂流的其它温度。术语“较冷的”和“较热的”在本文中被理解为相对的描述词，简单地表示“较冷的” 冷却剂具有比“较热的”冷却剂更低的温度。短语“增压空气冷却器”中的名词“冷却器”也应该根据上下文理解。当增压空气 冷却器冷却空气时，它起到冷却的作用，但是当它加热空气时，它起到加热的作用。因此，虽 然增压空气冷却器被称为“冷却器”，但是，它实际上是能加热或冷却空气的热交换器。因 此，本文中所示和所述的增压空气冷却器不应该解释为仅履行冷却功能，在整个说明书中， 它将继续被称为增压空气冷却器，即使有时它可能履行加热功能。每一个阀94、96可以是双位阀或连续调节阀。返回流回到冷却剂泵的进口。阀94 可以置于冷却器70、72的上游或下游。图4的实施方式在几个方面都不同于图1A、1B、1C、1D、2和3的实施方式。首先， 它包含附加的和单独的非发动机驱动的变化流冷却剂泵98，虽然它包含如图3中的阀96， 但它在从泵98至冷却器70、72的进口的流动路径中不含阀，而是在从冷却器70、72至泵80 的返回流动路径中包含控制阀100。冷却器70、72的出口与泵98的进口直接流体联通。通过空气冷却低温散热器90的流完全由泵98控制，因为从该泵出口至该泵进口 的回路不含阀。当阀96和100都打开而泵98关闭时，从发动机出口(即恒温器进口附近) 抽出的“较热的”冷却剂流可流经热交换器70、72。该冷却剂流经冷却剂冷却的CAC。为了在高发动机载荷时满足NOx排放，希望获得低温CAC冷却剂，其温度稍微高于 环境空气温度。如果空气冷却低温散热器90中的冷却剂流来自发动机驱动的冷却剂泵出 口而不是发动机出口，那么，该低温散热器可以设计成更小的尺寸以节省硬件成本。图5A-5H是一组图，显示当CAC冷却剂流速减小时废气温度上升。每页上最顶部的 图，图5A、5C、5E和5G是在0° F环境下所做的线，而底部图是在77° F环境下所做的线。图5A和5B中的线在1900rpm发动机转速下、25%、50%、75%和满(100% )载荷 时所作。图5C和5D中的线在1800rpm发动机转速下、25%、50%、75%和满(100%)载荷 时所作。图5E和5F中的线在1500rpm发动机转速下、50%、75%和满(100%)载荷时所 作。图5G和5H中的线在1200rpm发动机转速下、50%、75%和满(100% )载荷时所作。这些线组显示的关联关系确定灵活的冷却剂控制可实现各种程度的冷却的能力。在寒冷的环境下，CAC冷却剂比正常环境更冷。在寒冷的环境下，CAC出口空气温度和废气 温度也低于正常环境温度时的值。在寒冷的环境中，在低发动机载荷时使用热CAC冷却剂能提高废气温度。为了在低发动机载荷下和寒冷环境中提高废气温度以便维持后处理再生和/或 性能，希望从发动机出口而不是发动机驱动的冷却剂泵出口抽吸“较热的”发动机冷却剂， 并使其通过旁路通道流至冷却器70、72。图IA和图2反映了高载荷NOx排放对“较冷的” CAC冷却剂的需要和用于柴油机 后处理再生的低载荷高废气温度对“较热的” CAC冷却剂的需要之间的折衷。图3通过使用阀(CAC控制阀和旁路阀)避免了这种折衷并从不同的位置添加两 股CAC冷却剂流。图1A、1B、1C、1D、2和3在CAC冷却回路中都仅使用一个发动机驱动的冷却剂泵， 发动机冷却回路也分享此泵。当发动机在操作温度下运行时，发动机驱动泵出口处的冷却 剂将是热的。为了在正常环境温度下向CAC72和级间冷却器70提供“较冷的”冷却剂温度， 在那六个实施方式中，散热器90必须相当大。图4的实施方式通过使用单独的非发动机驱 动的冷却剂泵98可获得非常冷的CAC冷却剂以便专门用于CAC冷却回路，不与热的发动机 冷却剂混合。图1A、2、3和4随着逐渐增加的硬件成本依次获得逐渐改善的发动机和后处理再 生性能。切断CAC冷却剂流或为到达CAC72的增压空气提供热的发动机冷却剂(在低载荷 时)导致更高的进气歧管温度，由此获得更高的废气温度。更高的进气歧管温度可导致更 高的NOx排放。调节发动机校准参数(诸如延迟燃料喷射时间安排、增加EGR比率、降低空 气与燃料比率)可用于避免这种可能性以便满足NOx排放标准。为了在低发动机载荷下进行DPF再生，除了如上所述使用热发动机冷却剂提高废 气温度以外，可在不同的转速和载荷下调节EBP阀以便降低空气与燃料比率，以便提高废 气温度或在转速_载荷范围内使该温度更加一致。对于涡轮增压发动机，空气与燃料比率 和废气温度对排气限制非常敏感。DPF中的发动机烟炱负载导致排气限制增强。关闭EBP 阀也能增加排气限制。如果需要再生，通过根据那一时刻DPF烟炱负载量调节EBP阀门开 度(opening)以便点燃烟炱，可以达到目标排气限制。图7A-7F显示在寒冷环境和不同发动机载荷下为DPF再生设计的EBP阀门开度或 实际上排气限制控制的控制策略。在满载荷时，EBP阀是完全打开的，当发动机载荷减小时， 逐渐关闭EBP阀门。当EBP阀关闭时，排气限制增强并且空气与燃料比率下降。这些图显 示，为了点燃DPF中的烟炱，在DPF再生开始时EBP的阀门开度。点燃或再生后，在任意发 动机转速和载荷下，再次将EBP阀门开度设置到完全打开。DPF再生的短时期内，发动机气 缸中的低空气与燃料比率(低氧气浓度)导致低NOx排放(图6)，但是这也导致更高的PM 排放。此类PM排放物可通过DPF再生或其它发动机校准措施除去。如果需要，进气节流阀 也可以用于降低空气与燃料比率以便帮助控制N0X。而且，当调节EBP阀时，可以调整发动 机校准参数(诸如燃料喷射时间安排、燃料喷射压力、EGR比率)以便控制NOj^P PM排放。 图7还显示，随着EBP阀的关闭，制动马力燃油消耗率(BSFC)的恶化在高发动机载荷时通 常较小，实际上，当空气与燃料比率降低时，低载荷下的BSFC下降。为了在寒冷的环境温度下达到希望的SCR效率，关闭EBP阀能提高废气温度以便有助于热操作策略。图10A-10F显示灵活的CAC冷却和针对后处理再生的废气温度控制的控制机制。在正常环境(例如77° F)下，当使用冷的CAC冷却剂(例如90° F)时，涡轮出 口废气温度足够高，能够点燃DPF(图10A)。通常不需要切断CAC冷却或关闭EBP阀，除非 在低发动机载荷下希望进一步提高废气温度(图10B)。在寒冷的环境(例如0° F)和中等至高载荷下，当使用冷的CAC冷却剂(例如 13° F)时，涡轮出口废气温度不够高，不能点燃DPF(图10C)。在中等至高载荷下，切断CAC 冷却以便提高废气温度(图10D)。在寒冷的环境(例如0° F)和低至中等载荷下，当使用 冷的CAC冷却剂(例如13° F)时，涡轮出口废气温度非常低。在低至中等载荷和寒冷的气 候下，使用热CAC冷却剂(例如194° F)以提高废气温度，以便点燃DPF。(图10E)热CAC 冷却剂还可以在发动机预热过程中使用。另一种替代的方法是在各转速和载荷下调节EBP 阀以便提高废气温度以点燃DPF或使废气温度在一定转速-载荷范围内更一致(图10F)。 NOx排放一般不是问题，因为，当EBP阀关闭时，空气与燃料比率较低。而且，可以调整其它 发动机校准参数(诸如燃料喷射时间安排、燃料喷射压力、EGR比率、进气节流)以便控制 NOx 禾口 PM0图8和9显示灵活的CAC冷却和废气温度的控制策略以便在不同的发动机转速、 载荷和环境条件下同时达到两种排放标准和DPF再生要求。虽然我们已经例举并说明了目前优选的本发明的实施方式，但是，应该意识到，本 发明的构思适用于落在以下权利要求书的范围内的所有实施方式。
权利要求
一种内燃机，其包括进气系统，用于在进气歧管中产生增压空气；燃烧室，其中，所述来自进气歧管的增压空气和燃料发生燃烧；排气系统，用于将废气从所述燃烧室输运通过废气处理装置，所述废气处理装置时常需要通过提高废气温度来进行再生；增压空气冷却器，其包括处于所述进气歧管上游的用于增压空气的空气流路径和与所述空气流路径具有热交换关系的用于液体发动机冷却剂的液流路径；控制系统，用于通过控制流经所述增压空气冷却器的液流路径的发动机冷却剂，将废气温度提高至足以使废气处理装置再生的温度，该手段作为控制系统可执行策略的组成部分。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述可执行策略通过对排气系统和流经 增压空气冷却器的液流路径的发动机冷却剂的联合控制，将废气温度提高至足以使废气处 理装置再生的温度。
3.如权利要求2所述的内燃机，还包括控制装置，用于选择性地限制通过废气处理装置上游的排气系统的流；其中，所述可执行策略通过所述控制装置和流经增压空气冷却器的液流路径的发动机 冷却剂的联合控制，将废气温度提高至足以使废气处理装置再生的温度。
4.如权利要求3所述的内燃机，还包括以下的至少一个EGR装置，用于使废气从排气系统再循环至进气系统；燃料喷射系 统，用于将燃料直接喷射到燃烧室中；进气系统中的进气节流阀，用于选择性地限制进入燃 烧室的增压空气；其中，所述可执行策略通过对流经增压空气冷却器的液流路径的发动机冷却剂，所述 控制装置，以及所述EGR系统、燃料喷射系统和进气节流阀中的至少一个的联合控制，将废 气温度提高至足以使废气处理装置再生的温度。
5.如权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述可执行策略根据环境温度的情况对 所述排气系统和流经增压空气冷却器的液流路径的发动机冷却剂进行联合控制。
6.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述进气系统包括二级涡轮增压器，其包 括级间热交换器，该二级涡轮增压器用于产生增压空气，并且，所述级间热交换器和增压空 气冷却器的液流路径按平行流关系布置。
7.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述控制系统包括平行的流动路径，这 些平行的流动路径各自与通过增压空气冷却器的所述液流路径流体联通；还包括至少一个 阀，用于选择性地分配物流通过所述平行流动路径；所述流动路径中的一条包含散热器，在 散热器处对在增压空气冷却器中被加热的冷却剂进行散热。
8.如权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述至少一个阀可进行选择性地操作，获 得以下几种状况第一种状况，不允许流经所述平行流动路径的第一条，但允许流经所述平 行流动路径的第二条；第二种状况，不允许流经所述平行流动路径的第二条，但允许流经所 述平行流动路径的第一条；第三种状况，将输入流分配在所述平行流动路径的第一条和第 二条中；第四种状况，阻止输入流进入所述平行流动路径。
9.如权利要求8所述的内燃机，还包括主散热器，当恒温器阀允许冷却剂泵抽送的发动机冷却剂从包括燃烧室的发动机组流出、经过主散热器、回到发动机组时，来自发动机的 废热可在主散热器处耗散；还包括三通阀，其具有与所述主散热器的出口流体连通的进口、 与所述第一平行流动路径流体连通的第一出口、和与第二平行流动路径流体连通的第二出
10.如权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述至少一个阀包括与所述第一平行流 动路径成串联流动关系的第一个阀和与所述第二平行流动路径成串联流动关系的第二个 阀，还包括主散热器，当恒温器阀允许由冷却剂泵抽动的发动机冷却剂从包括燃烧室的发 动机组流出、经过所述主散热器、到达主散热器的出口时，来自发动机的废热在所述主散热 器处耗散，所述第一个阀具有与所述泵的出口直接流体连通的进口和与所述第一平行流动 路径流体连通的出口，所述第二个阀具有与所述主散热器的出口流体连通的进口和与所述 第二平行流动路径流体连通的出口。
11.如权利要求1所述的内燃机，还包括主散热器，当恒温器阀允许由发动机驱动的冷 却剂泵抽动的发动机冷却剂从包括燃烧室的发动机组流出、经过所述主散热器、回到发动 机组时，来自发动机的废热可在所述主散热器处耗散；所述流动控制系统包含第一个阀，其 具有与所述泵的出口直接流体连通的进口和与增压空气冷却器的液流路径流体连通的出 口 ；冷却剂回路，其包括辅助散热器、非发动机驱动泵和增压空气冷却器的液流路径。
12.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述控制系统包含一个或多个控制装 置，用于控制通过增压空气冷却器的液流路径的发动机冷却剂的温度和流量，以便选择性 地对流经所述增压空气冷却器的增压空气进行加热和冷却。
13.如权利要求12所述的内燃机，其特征在于，所述控制系统包括平行的流动路径，每 一条流动路径与通过增压空气冷却器的所述液流路径流体联通；还包括至少一个阀，用于 选择性地分配物流通过所述平行流动路径；所述流动路径中的一条包括散热器，在散热器 处，对在增压空气冷却器中被加热的冷却剂进行散热。
14.调节内燃机进气歧管中增压空气温度的方法，所述方法包括在一定范围内控制流经增压空气冷却器的液流路径的液体发动机冷却剂的温度，所述 液体发动机冷却剂与进入进气歧管的增压空气形成热交换关系，这允许液体发动机冷却剂 对增压空气选择性地进行加热和冷却。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，通过选择性地分配来自发动机冷却系统 的不同部分的物流来控制流经所述液流路径的冷却剂流的温度。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，选择性地分配来自发动机冷却系统的不 同部分的物流的步骤包括选择性地操作至少一个可选择性操作的阀，所述阀的操作可以实 现以下几种状况第一种状况，不允许从发动机冷却系统的不同部分流经平行流动路径的 第一条，但允许流经所述平行流动路径的第二条；第二种状况，不允许流经所述平行流动路 径的第二条，但允许流经所述平行流动路径的第一条；第三种状况，将输入的物流分配在所 述平行流动路径的第一条和第二条中；第四种状况，阻止输入的物流进入所述平行流动路 径。
17.如权利要求14所述的方法，还包括进行以下联合控制控制经过发动机排气系统 的废气流的温度，以及控制经过增压空气冷却器的液流路径的冷却剂流的温度。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，控制经过发动机排气系统的废气流的温度以及联合控制经过增压空气冷却器的液流路径的冷却剂流的温度的操作包括联合控制 排气装置背压和通过增压空气冷却器的冷却剂流，以便产生足够高的废气温度而能使废气 流经的废气处理装置再生。
19.如权利要求18所述的方法，还包括控制以下系统中的至少一个EGR系统，用于使 废气从排气系统再循环至进气系统；燃料喷射系统，用于将燃料直接喷射到燃烧室中；进 气系统中的进气节流阀，用于选择性地限制进入燃烧室的增压空气；以及结合地控制排气 装置的背压和经过所述液流路径的冷却剂流。
20.如权利要求19所述的方法，还包括根据环境温度的情况联合控制所述排气装置背 压，经过所述液流路径的冷却剂流，以及所述EGR系统、所述燃料喷射系统和所述进气节流 阀中的至少一个。
全文摘要
用来调节内燃机(50)进气歧管中增压空气温度的系统、方法和策略，采用的手段是在一定范围内控制流经增压空气冷却器(72)的液流路径的液体发动机冷却剂的流速和温度，所述液体发动机冷却剂与进入进气歧管的增压空气形成热交换关系，这允许液体发动机冷却剂选择性地加热和冷却增压空气。本发明提供灵活的控制以及改进的发动机性能，所述控制用于控制废气温度以便使废气后处理装置(66)再生和/或恢复效率。
文档编号F01N3/02GK101932801SQ200780102272
公开日2010年12月29日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者G·拉普, J·亚格尔, J·托马斯, Q·信, S·张 申请人:万国引擎知识产权有限责任公司