用于控制内燃发动机的方法
【专利摘要】描述一种流体联接到排气后处理系统的直接燃料喷射内燃发动机，其包括多个流体联接的排气净化装置和排气传感器。控制发动机的方法包括响应于起动内燃发动机经由加热器控制器启用排气传感器的加热元件。排气供给流被监测以确定排气传感器的。仅在排气传感器的温度大于临界温度时允许实现排气净化装置中之一加热的发动机控制。
【专利说明】
用于控制内燃发动机的方法
技术领域
[0001] 本发明设及内燃发动机和用于其控制的方法和设备。
【背景技术】
[0002] 内燃发动机流体联接到排气后处理系统，其净化作为燃烧副产物产生的排出气 体。排气后处理系统可W包括氧化催化器、还原催化器、选择性催化还原催化器和颗粒过滤 器。
[0003] 内燃发动机还采用传感器W监测已进入的排气供给流，用于发动机控制和诊断的 目的。已知传感器包括基于谁的氧气传感器，宽范围lambda传感器，和例如NOx传感器运样 的成分传感器。运种传感器可W包括整合的电加热器，W加热感测元件，由此改善测量可重 复性。
[0004] 监测排气供给流的传感器会经历因未燃烧的碳氨化合物和颗粒物质的沉积作用 造成的污垢。运种污垢会在低溫运行状态下发生，例如刚好在发动机冷起动之后。运种污垢 还会在发动机运行条件执行期间发生，其包括在富空气/燃料情况下运转，W产生未燃烧的 碳氨化合物，其流动到氧化催化器中，用于在选择性催化还原催化器上游产生热量。颗粒物 质可W在内燃发动机中产生，所述内燃发动机运行在压缩点火式状态。
【发明内容】
[0005] 描述一种流体联接到排气后处理系统的直接燃料喷射内燃发动机，其包括多个流 体联接的排气净化装置和排气传感器。控制发动机的方法包括响应于起动内燃发动机经由 加热器控制器启用排气传感器的加热元件。排气供给流被监测W确定排气传感器的。仅在 排气传感器的溫度大于临界溫度时允许实现排气净化装置中之一加热的发动机控制。
[0006] 本发明提供一种用于控制直接燃料喷射内燃发动机的方法，所述内燃发动机流体 联接到排气后处理系统，所述排气后处理系统包括多个流体联接的排气净化装置和排气传 感器，方法包括：响应于起动内燃发动机:经由加热器控制器启用排气传感器的加热元件， 监测排气供给流，基于对排气供给流的监测确定排气传感器的溫度，且仅在排气传感器的 溫度大于临界溫度时允许发动机控制W实现排气净化装置中之一的加热。
[0007] 在所述的方法中，经由加热器控制器启用排气传感器的加热元件进一步包括：最 初经由加热器控制器W低功率水平启用排气传感器的加热元件;和随后在排气传感器的溫 度大于临界溫度时经由加热器控制器W增加的功率水平启用排气传感器的加热元件。
[000引在所述的方法中，允许发动机控制W实现排气净化装置中之一的加热包括，允许 发动机控制器执行燃烧后燃料喷射事件。
[0009] 在所述的方法中，仅在排气传感器的溫度大于临界溫度时允许发动机控制W实现 排气净化装置中之一的加热包括，仅在排气传感器的溫度大于与碳氨化合物汽化相关的临 界溫度时允许发动机控制W实现排气净化装置的加热。
[0010] 在所述的方法中，仅在排气传感器的溫度大于临界溫度时允许发动机控制W实现 排气净化装置中之一的加热包括，仅在排气传感器的溫度大于与碳氨化合物汽化和水冷凝 相关的临界溫度时允许发动机控制W实现排气净化装置的加热。
[0011] 在所述的方法中，排气传感器包括lambda传感器或NOx传感器。
[0012] 在所述的方法中，排气净化装置包括在选择性催化还原催化器上游的氧化催化 器，且其中排气传感器在氧化催化器下游。
[0013] 在所述的方法中，排气净化装置包括在选择性催化还原催化器上游的氧化催化 器，且其中排气传感器在氧化催化器上游。
[0014] 在所述的方法中，发动机起动事件包括点火开关点火起动事件。
[0015] 在所述的方法中，发动机起动事件包括自动起动事件。
[0016] 本发明提供一种用于控制直接燃料喷射内燃发动机的方法，所述内燃发动机流体 联接到在选择性催化还原催化器上游的氧化催化器，方法包括:起动内燃发动机;经由加热 器控制器启用排气传感器的加热元件，排气传感器布置为监测来自内燃发动机的排气供给 流;监测发动机的排气供给流的溫度和流动;基于对排气供给流的监测确定排气传感器的 溫度，且仅在排气传感器的溫度大于临界溫度时允许发动机控制W实现选择性催化还原的 加热。
[0017] 在所述的方法中，经由加热器控制器启用排气传感器的加热元件进一步包括：最 初经由加热器控制器W低功率水平启用排气传感器的加热元件;和随后在排气传感器的溫 度大于临界溫度时经由加热器控制器W增加的功率水平启用排气传感器的加热元件。
[0018] 在所述的方法中，允许发动机控制W实现选择性催化还原催化器的加热进一步包 括，允许发动机控制器执行燃烧后燃料喷射事件。
[0019] 在所述的方法中，仅在排气传感器的溫度大于临界溫度时允许发动机控制W实现 选择性催化还原催化器的加热包括，仅在排气传感器的溫度大于与碳氨化合物汽化相关的 临界溫度时允许发动机控制W实现选择性催化还原催化器的加热。
[0020] 在所述的方法中，仅在排气传感器的溫度大于临界溫度时允许发动机控制W实现 选择性催化还原催化器的加热包括，仅在排气传感器的溫度大于与碳氨化合物汽化和水冷 凝相关的临界溫度时允许发动机控制与实现选择性催化还原催化器的加热。
[0021 ] 在所述的方法中，排气传感器包括lambda传感器或NOx传感器。
[0022] 在所述的方法中，排气传感器在氧化催化器下游。
[0023] 在所述的方法中，排气传感器在氧化催化器上游。
[0024] 在所述的方法中，发动机起动事件包括钥匙开起动事件。
[0025] 在所述的方法中，发动机起动事件包括自动起动事件。
[0026] 在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理 解上述的本发明的特征和优点W及其他的特征和优点。
【附图说明】
[0027] 参考附图通过例子描述一个或多个实施例，其中：
[0028] 图1示意性地示出了根据本发明的内燃发动机，其包括排气后处理系统;和
[0029] 图2示意性地示出了根据本发明的采用参考图1所述的发动机实施例的传感器加 热器控制程序。
【具体实施方式】
[0030]现在参见附图，其中出于仅显示些示例性实施例的目的而不出于限制本发明的目 的显示了附图，图1示意性地示出了内燃发动机(发动机）1〇〇,其包括根据本发明的实施例 布置的排气后处理系统50。发动机100是多汽缸内燃发动机，其燃烧直接喷射的燃料、进入 空气和循环流动的排气的混合物，W产生机械功率。发动机100配置为通过压缩点火式燃 烧，如所示的，但是本文所述的原理可W用在其他发动机构造(其采用被加热的排气的传感 器，例如lambda或NOx传感器)并执行燃烧后燃料喷射，加热排气后处理系统的排气净化装 置。发动机100可W用在陆地车辆上，例如载客轿车、卡车、农业车辆或建设车辆，用在航海 交通工具上，或在静止设施中，例如联接到电功率发电机。
[0031 ]发动机100优选包括多汽缸发动机缸体7，用于将进入空气导通到发动机100的汽 缸中的进气歧管8,和用于引入排气W通过排气后处理系统50进行导通的排气歧管9。其他 未示出发动机部件和系统包括活塞、曲轴、发动机缸盖(一个或多个）、进气阀、排气阀、凸轮 轴(一个或多个)和可变凸轮相位器(若采用）。发动机100优选W重复执行的进气-压缩-燃 烧-排气冲程的四冲程燃烧循环运行。在一个实施例中，可变几何结构满轮增压器(VGT)包 括满轮机28,其流体联接到在排气后处理系统50上游的排气歧管9。发动机100包括多个直 接喷射燃料喷射器47，其布置为直接喷射燃料到各燃烧室中。在一个实施例中，喷射器47可 W是任何合适的直接喷射装置，且是螺线管促动的装置。燃料经由低压燃料累41、燃料过滤 器组件42、高压燃料累43、燃料计量阀44、燃料分配管45和压力调节阀46从燃料存储箱供应 到喷射器47。每一个发动机汽缸优选包括火花塞25。发动机100包括进入空气系统，其可W 包括进入空气过滤器48、空气质量流量传感器49、VGT的压缩机10、增压空气冷却器11、节流 阀13、用于监测增压压力和进入空气溫度的传感器12和可W使用的其他传感装置。发动机 100可W包括排气循环化GR)系统，其将从排气歧管9而来的排气流体导通到进气歧管8。在 一个实施例中，EGR系统可W包括EGR阀14、具有旁通阀15的EGR冷却器17、EGR出口溫度传感 器18、EGR冷却器入口溫度传感器31和真空开关16。进气歧管8还可W包括多个縱满阀 (swirl valves) 19,用于混合进入空气和循环流动的排气。其他发动机监测传感器可W包 括曲轴位置传感器20、凸轮轴位置传感器21、冷却剂溫度传感器22、油液面开关23、和油压 力开关24等等。一个或多个发动机监测传感器可W用合适的可执行模型代替。
[0032] 发动机控制器26监测各种传感装置且执行控制程序，W响应于操作者命令而命令 各种促动器控制发动机100的运行。操作者命令可W从各种操作者输入装置确定，例如包括 踏板组件27,所述踏板组件例如包括加速器踏板和制动踏板。与发动机运行相关的其他传 感装置可W包括(仅举例）气压表压力传感器、环境空气溫度传感器30、VGT位置传感器、排 气溫度传感器31、填充空气入口溫度传感器32和填充空气出口溫度传感器33等等。
[0033] 排气后处理系统50包括多个流体连接的排气净化装置，用于在排出到环境空气之 前净化发动机排气。排气净化装置可W是任何装置，其配置为氧化、还原、过滤或W其他方 式处理排气供给流的组成成分，包括但不限于碳氨化合物、一氧化碳氮氧化物(NOx)和颗粒 物质。运种排气净化装置可W包括氧化催化器53、颗粒过滤器54和选择性催化还原装置 (SCR)55,其可W被供应来自还原剂输送系统60的还原剂，所述还原剂输送系统包括定位在 排气供给流中且在其上游的喷射喷嘴62。在一个实施例中，SCR 55是基于尿素的装置，且被 喷射还原剂是尿素。在发动机100用在陆地车辆上时，氧化催化器53可W接近地联接到排气 歧管9且位于发动机舱中，且颗粒过滤器54接近地联接到氧化催化器53,而SCR 55在地面下 位置(underfloor location)中的下游。所示实施例包括W-种示例性的布置方式布置的 排气后处理系统50的元件。在一种替换布置方式中，颗粒过滤器54布置在氧化催化器53上 游。在一个实施例中，颗粒过滤器54和氧化催化器53可W布置在单个基体上和/或布置在单 个机械组件中。排气后处理系统50的元件的其他布置方式可W在本发明的范围内采用，运 种布置方式包括增加其他排气净化装置和/或省略一个或多个排气净化装置，运取决于具 体应用的需求。
[0034] 用于监测排气后处理系统50的排气净化装置的传感器优选包括排气传感器58、颗 粒物质传感器56、用于监测跨过颗粒过滤器54的压力降的变化压力传感器57、溫度传感器 59、和/或用于监测排气供给流的其他合适传感装置和模型。排气传感器58可W是发动机W 外的NOx传感器、宽范围lambda传感器或另一合适排气感测装置。运种传感器和模型可W布 置为监测或W其他方式确定与各个排气净化装置的性能相关的参数、监测与排气净化装置 的子组性能相关的参数、与总排气后处理系统50的性能相关的参数。排气传感器58优选布 置为监测氧化催化器53上游的排气供给流。替换地，或除此之外，排气传感器58可W布置为 监测氧化催化器53下游的排气供给流。
[0035] 排气传感器58可W制造为平面类型的氧化错双单元装置，其具有感测元件和整合 的电功率加热元件。加热器控制器65电连接到排气传感器58的加热元件，W控制对其供应 的电功率。加热器控制器65控制到加热元件的电功率，W将排气传感器58的感测元件的溫 度维持在预定溫度范围中。加热器控制器65采用任何合适电压控制程序来控制到加热元件 的电功率，例如包括脉宽调制控制程序。在初始发动机运行期间，加热器控制器65控制到加 热元件的电功率，其方式是限制对排气传感器58的热冲击(thermal shock)，所述热冲击可 能会因存在于排气供给流中的水或其他液体的冲击造成。运可W被称为运行中的冷凝水阶 段。
[0036] 发动机控制包括控制各种发动机运行参数，包括控制优先发动机控制状态，W通 过化学反应过程使各种排气组成成分最小化，所述化学反应过程例如包括氧化、还原、过滤 和选择性还原。其他发动机控制状态包括控制运行参数，W使发动机100升溫和传递热量或 W其他方式使后处理系统50的排气净化装置的各种装置及时地升溫，W便快速实现其运 行，由此使得冷启动排放物最小化。
[0037] 在一个实施例中，用于实现SCR 55快速升溫的过程可W包括将未燃烧碳氨化合物 排入排气供给流，W流动到氧化催化器53, W在其中氧化，W随排气供给流进入SCR 55而增 加排气供给流的溫度。可W使得未燃烧碳氨化合物进入排气供给流的一个发动机控制过程 包括燃烧后燃料喷射事件。燃烧后燃料喷射事件是燃烧事件之后在燃料喷入燃烧室时一部 分燃烧循环期间的任何燃料喷射事件，使得燃烧室中的未燃烧燃料可W进入排气供给流达 到后处理系统50。运可W包括通过启用燃料喷射器47在排气冲程期间在每一个燃烧冲程后 期喷射燃料。
[0038] 在排气传感器58位于氧化催化器53上游时液化的原燃料形式的未燃烧碳氨化合 物会冲击在排气传感器58上。进而，在氧化催化器53未实现点燃或放热状态时，液化原始燃 料形式的未燃烧碳氨化合物在排气传感器58位于氧化催化器53下游时会冲击在排气传感 器58上。运种未燃烧碳氨化合物会冷凝在排气传感器58的感测元件或外防护罩上并干扰其 准确地监测排气供给流的能力。碳氨化合物冷凝物会进一步凝固在排气传感器58的感测元 件上，使其无法执行监测排气供给流的目的功能。进而，会带入颗粒物质的水蒸汽会冷凝在 排气传感器58的感测元件或外防护罩上且也干扰其准确地监测排气供给流的能力。可确定 用于排气传感器58的最小临界溫度，最小临界溫度是足W防止燃料和/或水蒸汽的运种冷 凝的溫度。最小临界溫度设及燃料或水露点，其中露点设及蒸汽化液体形成液体状态且冷 凝在表面上时的溫度。
[0039] 术语控制器、控制模块、模块、控制部、控制单元、处理器和相似的术语是指专用集 成电路(一个或多个KASIC)、电子回路(一个或多个）、中央处理单元(一个或多个）（例如是 微处理器(一个或多个））和存储器和存储装置形式的相关的非瞬时存储器（只读、可编程只 读、随机存取、硬件驱动等）中的任何一个或组合。非瞬时存储器部件能存一个或多个软件 或固件程序或例行程序形式的储机器可读指令、组合的逻辑回路(一个或多个）、输入/输出 回路(一个或多个)和装置、信号调节和缓冲器电路、可被一个或多个处理器访问W提供所 述功能性的其他部件。输入/输出回路(一个或多个)和装置包括模拟/数字转换器和监测从 传感器而来的输入的相关装置，运种输入被W预设的采样频率或响应于触发事件监测。软 件、固件、程序、指令、控制程序、代码、算法和相似的术语是指任何控制器可执行的指令集， 包括校准和查找表。每一个控制器执行控制程序(一个或多个），W提供期望功能，包括监测 来自传感装置和其他联网控制器的输入和执行控制和诊断的程序，W控制促动器的操作。 程序可W W规律间隔执行，例如在正在进行的操作期间每一个100微秒或3.125、6.25、 12.5、25和100毫秒一次。替换地，程序可W响应于触发事件的发生而被执行。控制器之间的 通信W及控制器、促动器和/或传感器之间的通信可W使用直接有线链路、网络通信总线链 路、无线链路或任何其他合适的通信链路实现。通信包括交换任何合适形式的数据信号，例 如包括，经由传导介质传递电信号、经由空气传递电磁信号、经由光学波导传递光学信号 等。
[0040] 数据信号可W包括代表从传感器而来的输入的信号、代表促动器命令的信号、和 在控制器之间的通信信号。术语'模型'是指基于处理器或处理器可执行的代码和相关的校 准过程，其模拟装置或物理过程的物理存在。如在本文使用的，术语'动态'和'动态地'和有 关术语描述了实时执行且W监测或W其他方式确定参数状态为特点的步骤或过程和在程 序执行或程序执行的迭代之间有规律地或周期性地更新参数状态。在一个实施例中，运包 括如下。
[0041] 图2示意性地显示了采用在上文所述的发动机100实施例的传感器加热器控制程 序200。传感器加热器控制程序200优选在发动机运行期间通过发动机控制器26周期性地执 行为一个或多个指令集和附随的校准过程。传感器加热器控制程序200的目的是确保排气 传感器58被充分地加热，W最小化或优选完全地防止燃料蒸汽的冷凝和/或水蒸汽(其包括 带入的颗粒物质）在其上的冷凝或沉积。提供了表格1，其中数字标记的图框和相应功能如 下描述，与传感器加热器控制程序200对应。
[0042] 表格 1
[0043]
[0044] 传感器加热器控制程序200优选响应于发动机起动事件(202)执行，包括在发动机 100用于车辆或另一系统执行自动停止/自动起动事件时的冷发动机起动事件和发动机自 动起动事件。替换地，传感器加热器控制程序200可W仅在发动机起动事件期间执行和可W 不在自动起动事件期间执行。例如运可W在发动机系统上发生，其中加热器控制器65继续 提供电功率，W在发动机自动停止事件期间加热排气传感器58的元件。
[0045] 在起动发动机100时，加热器控制器65最初将去往排气传感器58的加热元件的电 功率控制在低电功率水平。在一个实施例中，通过控制电压水平来控制电功率水平，且由此 通过将电压控制为低压水平，例如额定12Vdc电系统中的2.3V，来控制低功率水平(204)。最 初将对排气传感器58的加热元件的电功率控制为低功率水平的一个目的是，降低通过液化 流体(例如水)在排气传感器58的加热元件上的冲击而造成热冲击损坏的可能性。发动机控 制还包括不实施任何燃烧后燃料喷射事件(206)。燃烧后燃料喷射事件是燃烧事件之后在 燃料喷入燃烧室时发动机燃烧循环期间的任何燃料喷射事件，使得燃烧室中的未燃烧燃料 会进入排气供给流并去往后处理系统50的流动。
[0046] 发动机运行被监测（208)，其包括监测各种传感装置的信号输出和监测对各种促 动器的命令，W响应于操作者命令(例如确定采用踏板组件27)来控制发动机100的运行。
[0047] 被监测的发动机运行用于估计排气供给流中的溫度，其设及冷凝物(210)，例如在 排气传感器58的一区域(水和/或燃料会冷凝和沉淀在所述区域上）上的溫度。在一些情况 下，运种沉积会导致污垢和/或堵塞和因而造成的排气传感器58测量能力的损失。在一个实 施例中，被监测的发动机运行用在能量模型中，所述能量模型基于排气流和排气溫度预测 被传递到排气传感器58的热能量的量。已知的是开发和实施合适能量模型，W基于排气流 和溫度来确定热传递。运种能量模型的实施可W根据应用确定，其具有在预生产测试期间 或其他合适情况下开发的流动特点和排气和传感器溫度模型。
[004引用于排气传感器58的最小临界溫度Texh可被确定，且其是最小化或防止燃料和/ 或水蒸汽冷凝的溫度，W防止物质在其上沉积。
[0049] 在估计的传感器溫度低于最小临界溫度(212)(0)时，通过对发动机运行的连续监 测而让初始运行继续，W估计设及冷凝物位置的排气供给流的溫度(208、210)。
[0050] 在估计的传感器溫度大于或等于最小临界溫度(212)(1)时，初始运行中断。加热 器控制部65将传感器加热器功率增加到其最大电压，例如在额定12Vdc系统中为7.5V (214)。允许燃烧后燃料供应(216)，且传感器程序200的运种迭代结束(218)。燃烧后燃料供 应可W是总发动机控制方案的一部分W动态控制发动机100的运行，W增加排气溫度，W增 加排气后处理系统50的一个或多个排气净化装置的溫度。
[0051] 传感器加热器控制程序200防止燃烧后燃料供应，直到排气传感器58实现最小溫 度临界值W降低传感器结垢。由此在峰值碳氨化合物排放期间被启用时排气传感器58的内 部加热可W有助于碳氨化合物汽化。由此，燃烧后燃料供应W在排气后处理系统50的排气 净化装置中之一中实现溫度增加与实现用于排气传感器58的露点释放关联(dew point re I ease)。该关联释放可W允许一些快速加热的测量继续进行，同时燃烧后燃料供应被延 迟直到传感器加热启用。
[0052] 附图中的详细的描述和显示是对本发明的支持和描述，而本发明的范围仅通过权 利要求限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述但是本领域技术人员可 得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。
【主权项】
1. 一种用于控制直接燃料喷射内燃发动机的方法，所述内燃发动机流体联接到排气后 处理系统，所述排气后处理系统包括多个流体联接的排气净化装置和排气传感器，方法包 括： 响应于起动内燃发动机： 经由加热器控制器启用排气传感器的加热元件， 监测排气供给流， 基于对排气供给流的监测确定排气传感器的温度，且 仅在排气传感器的温度大于临界温度时允许发动机控制以实现排气净化装置中之一 的加热。2. 如权利要求1所述的方法，其中经由加热器控制器启用排气传感器的加热元件进一 步包括： 最初经由加热器控制器以低功率水平启用排气传感器的加热元件;和随后 在排气传感器的温度大于临界温度时经由加热器控制器以增加的功率水平启用排气 传感器的加热元件。3. 如权利要求1所述的方法，其中允许发动机控制以实现排气净化装置中之一的加热 包括，允许发动机控制器执行燃烧后燃料喷射事件。4. 如权利要求1所述的方法，其中仅在排气传感器的温度大于临界温度时允许发动机 控制以实现排气净化装置中之一的加热包括，仅在排气传感器的温度大于与碳氢化合物汽 化相关的临界温度时允许发动机控制以实现排气净化装置的加热。5. 如权利要求1所述的方法，其中仅在排气传感器的温度大于临界温度时允许发动机 控制以实现排气净化装置中之一的加热包括，仅在排气传感器的温度大于与碳氢化合物汽 化和水冷凝相关的临界温度时允许发动机控制以实现排气净化装置的加热。6. 如权利要求1所述的方法，其中排气传感器包括lambda传感器或NOx传感器。7. 如权利要求1所述的方法，其中排气净化装置包括在选择性催化还原催化器上游的 氧化催化器，且其中排气传感器在氧化催化器下游。8. 如权利要求1所述的方法，其中排气净化装置包括在选择性催化还原催化器上游的 氧化催化器，且其中排气传感器在氧化催化器上游。9. 如权利要求1所述的方法，其中发动机起动事件包括点火开关点火起动事件。10. 如权利要求1所述的方法，其中发动机起动事件包括自动起动事件。
【文档编号】F02D41/02GK106014566SQ201610192976
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】C.E.马利特, J.L.迈耶, J.李, M.吉罗托
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司