技术领域
[0001] 本
发明涉及火花点火直接喷射
内燃机的控制。
背景技术
[0002] 该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成
现有技术。
[0003] 已知的
火花点火发动机通过将
燃料/空气混合物引入
燃烧室并使用点火源(例如
火花塞)来点火所述混合物而运行。火花点火发动机能以浓空气/燃料比、以化学计量比或接近化学计量比的空气/燃料比、以及以稀空气/燃料比操作。火花点火发动机以稀空气/燃料比操作，包括以分层充气模式操作，分层充气模式包括大致无节流地操作，燃料刚好在启动火花之前在压缩冲程期间直接喷射到每个燃烧室中。已知火花点火发动机从分层充气燃烧模式过渡至均质充气燃烧模式以实现稀NOX还原催化剂的再生。以均质充气燃烧模式操作火花点火发动机包括以化学计量比空气/燃料比操作，其中，发动机节气
门阀被控制为预定
位置，且燃料在压缩冲程和火花点火之前在
进气冲程期间直接喷射到每个燃烧室中。
[0004] 以稀于化学计量比操作的火花点火发动机的已知后处理系统可以包括稀NOX还原催化剂，稀NOX还原催化剂可以与其它排气后处理装置(包括三效催化转化器)结合使用。稀NOX还原催化剂在比包括发动机启动和高速高负载操作的发动机操作期间发生的排气供应流
温度范围更窄的温度范围内最有效地操作。稀NOX还原催化剂需要定期再生以
解吸和还原所
吸附的NOX成分。已知再生技术包括以化学计量比或浓于化学计量比的空气/燃料比操作火花点火发动机。
发明内容
[0005] 一种管理从火花点火直接燃料喷射内燃机到排气后处理系统的排气供应流的方法，所述排气后处理系统包括在第二转化器元件上游的第一转化器元件，所述第一转化器元件包括第一稀NOX还原催化剂，所述方法包括：确定所述第一稀NOX还原催化剂和所述第二转化器元件的温度。当第一稀NOX还原催化剂的温度小于第一
阈值时，发动机优选以均质充气燃烧模式操作，当第一稀NOX还原催化剂的温度在
许可操作温度范围内时，发动机优选以分层充气燃烧模式操作。发动机选择性地以分层充气燃烧模式操作且排气流被选择性地分流至第二转化器元件。发动机选择性地以均质充气燃烧模式操作以再生第一稀NOX还原催化剂。发动机选择性地以均质充气燃烧模式操作且排气流被选择性地分流至第二转化器元件。
附图说明
[0006] 现在将参考附图通过示例描述一个或更多的
实施例，在附图中：
[0007] 图1和2是根据本发明的发动机和排气后处理系统的示意图；和
具体实施方式
[0009] 现在参考附图，其中所示的内容仅仅是为了说明某些示例性实施方式，而非为了限制于此，图1示意性地示出了根据本发明的实施方式构造的内燃机10和附随控
制模块5。发动机10包括具有往复
活塞14的多缸火花点火直接喷射四冲程内燃机，活塞14可在
气缸15中滑动移动，气缸15限定可变容积燃烧室16。每个活塞14在活塞的顶部处包括凹部，燃料喷射到凹部中。每个活塞14连接到旋转
曲轴12，线性往复活塞行进通过旋转曲轴12转换成旋转运动。图1中示出了单个气缸15。发动机10选择性地以分层充气燃烧模式和均质充气燃烧模式操作。分层充气燃烧模式包括以稀于化学计量比的空气/燃料比(例如，从17∶1至60∶1范围内的空气/燃料比)和高稀释EGR
质量操作，单次喷射燃料包括在压缩冲程后期发生的单个燃料脉冲。高稀释EGR质量可以是大于气缸充气的40％的EGR质量。节气门阀34保持在宽开启节气门位置处或附近。均质充气燃烧模式包括以化学计量比或接近化学计量比的空气/燃料比和低稀释EGR质量(例如，小于气缸充气的5％)操作，单次喷射燃料优选包括在进气冲程发生的单个燃料脉冲。节气门阀34基于操作者
扭矩请求被控制。在轻至中等发动机负载下，发动机10以分层充气燃烧模式操作。在更重的发动机负载下，在发动机升温期间，在排气后处理系统50的元件不在优选温度窗内时以及在操作再生排气后处理系统50的元件时，发动机10以均质充气燃烧模式操作。
[0010] 发动机10包括空气进气系统30，空气进气系统30将进气空气引导和分配给每个燃烧室16。空气进气系统30由节气门阀34和发动机进气阀20之间的空气流通道构成，优选包括管道、进气
歧管31和进气通道29。空气进气系统30包括用于监测和控制从中通过的进气空气流量的装置。在该实施例中，控制进气空气流量的装置优选包括节气门阀34。监测进气空气流量的装置优选包括压
力传感器36，
压力传感器36适合于监测
进气歧管31中的歧管绝对压力和
大气压力。空气质量流量传感器32优选位于节气门阀34的上游以检测进气空气质量流量和进气空气温度。节气门阀34优选包括
电子控制装置，适合响应于来自于
控制模块5的控制
信号(ETC)控制至发动机10的进气空气流量。外部流动通道(未示出)将排气从
排气歧管40再循环到空气进气系统30，外部流动通道由排气再循环(下文称为EGR)
控制阀38控制。控制模块5通过控制EGR控制阀38的开度来控制至空气进气系统30的排气质量流量。
[0011] 发动机阀，包括进气阀20和排气阀18，控制进出每个燃烧室16的流量。从进气通道29进入燃烧室16的进气空气流量由一个或多个进气阀20控制。从燃烧室16经由排气通道39排出至排气歧管40的排气流量由一个或多个排气阀18控制。进气阀20和排气阀18的开启和关闭优选用双
凸轮轴(如图所示)控制，双
凸轮轴的旋转由曲轴12的旋转来关联和标引。进气阀20和排气阀18可由装置22和24控制。装置22优选包括可操作响应于来自于控制模块5的
控制信号(INTAKE)可变地控制每个气缸15的进气阀20的阀升程(VLC)和可变地
控制凸轮定相(VCP)的可控机构。装置24优选包括可操作响应于来自于控制模块5的控制信号(EXHAUST)可变地控制每个气缸15的排气阀18的阀升程(VLC)和可变地控制凸轮定相(VCP)的可控机构。装置22和24每个优选地包括可操作将阀升程的大小或开度控制为两个离散级(例如，用于低速、低负载操作的低升程阀开启位置(通常约4-6mm)和用于高速、高负载操作的高升程阀开启位置(通常约8-10mm))中的一个的可控两级阀升程机构。装置22和24还包括可变凸轮定相机构，以分别控制进气阀20和排气阀18的定相，即开启和关闭的相对定时(以曲轴
角度测量)。可变凸轮定相机构相对于曲轴12和活塞14的位置来切换阀开启时间。VCP系统具有优选在40°-90°的曲轴旋转的定相权限范围，因此允许控制模块5相对于曲轴12和活塞14的位置提前或延迟进气阀20和排气阀18中的一个的开启和关闭。定相权限的范围受到装置22和24的限定和限制。装置22和24使用由控制模块5控制的电动-液压、液压和电控力中的一种来致动。
[0012] 燃料喷射系统包括多个高压燃料喷射器28，燃料喷射器28将燃料直接喷射到燃烧室16中。燃料脉冲是响应于来自于控制模块5的控制信号(INJ PW)而喷射到燃烧室16中的燃料质量。来自于控制模块5的控制信号优选包括每个燃料脉冲开始相对于曲轴角的定时以及从喷射器28喷射预定燃料质量到气缸15中的脉冲宽度的持续时间，曲轴角限定活塞14在气缸15中的位置。燃料喷射器28从燃料分配系统(未示出)供给
增压燃料。对于每个燃烧循环，燃料能针对每个气缸15在单次喷射燃料期间喷射。对于每个燃烧循环，每个气缸15可以有多次燃料供应事件，如下文所述。
[0013] 燃料喷射器28包括高压螺线管控制的燃料喷射器。操作参数包括螺线管控制的燃料喷射器28可以被控制的最小操作脉冲宽度，因而建立针对燃料压力
水平所输送的最小燃料质量。替代地，燃料喷射器28可包括采用替代致动技术(例如，压电致动)的高压燃料喷射器。替代燃料喷射器28可控制输送用于燃料压力水平的最小燃料质量。
[0014] 火花
点火系统响应于来自于控制模块5的控制信号(IGN)提供
电能给火花塞26，以点火每个燃烧室16中的气缸充气。在每个发动机循环期间，控制信号IGN基于曲轴角被控制以实现优选火花点火定时，曲轴角限定活塞14在气缸15中的位置。
[0015] 各种传感装置监测发动机操作，包括适合于监测曲轴12的旋转速度的旋转速度传感器13和适合于监测排气空气/燃料比的宽范围空气/燃料比传感器42。发动机10可包括适合于在发动机10的持续操作期间实时监测缸内燃烧的燃烧传感器44。燃烧传感器44包括可操作监测燃烧参数状态的传感器装置，且示出为可操作监测缸内燃烧压力的气缸压力传感器。替代地，可以使用其它传感系统来监测可以被转换为燃烧定相的实时缸内燃烧参数，例如，离子传感点火系统和非侵入式压力传感器。
[0016] 排气后处理系统50被
流体地连接到排气歧管40且包括可操作
氧化、吸附、解吸、还原和燃烧排气供应流的成分的催化剂和/或捕获装置。如图2所示，排气后处理系统50包括优选一个或多个三效催化转化器(TWC)48，TWC 48紧密地联接到发动机10的排气歧管40。三效催化转化器48流体地联接到分流阀51。分流阀51控制至第一稀NOX还原催化剂(LNTA)52的排气供应流的流量且在由来自于控制模块5的控制信号致动时通过排气流通道将排气供应流分流绕过稀NOX还原催化剂52到达第二转化器元件(LNTB)53。稀NOX还原催化剂52优选位于
底板下。分流阀51经由排气
流管54将流分流绕过稀NOX还原催化剂52，排气流管54流体地连接在稀NOX还原催化剂52的下游和第二转化器元件53的上游。分流阀51优选是防漏的。然而，可以通过稀NOX还原催化剂52和第二转化器元件53来管理微小的内部
泄漏。
[0017] 温度传感器43监测稀NOX还原催化剂52上游的排气供应流的温度，温度传感器43的输出由控制模块5监测，用于确定排气供应流和稀NOX还原催化剂52的温度。第二传感器55监测进入第二转化器元件53的排气供应流，优选包括监测其温度和空气/燃料比。
第三传感器56监测第二转化器元件53下游的排气供应流，优选监测排气成分，例如NOX浓度和空气/燃料比，第三传感器56的输出由控制模块5监测以用于控制和诊断目的。
[0018] 稀NOX还原催化剂52优选包括吸附排气供应流中的
硝酸盐的装置，吸附量基于排气供应流的温度、流率和空气/燃料比以及已经在其上吸附的硝酸盐量。存在具有涂层的基底(未示出)，涂层含有催化活性材料。基底优选包括由具有一定蜂窝
密度(通常每平方英寸400至600个蜂窝)且壁厚3至7密
耳的堇青石形成的
单体元件。基底的蜂窝包括流动通道，排气流经所述流动通道以
接触涂层的催化活性材料，以实现硝酸盐的吸附和解吸、氧存储、以及排气供应流中的成分的氧化和还原。涂层优选含有
碱和/或碱土
金属化合物，例如Ba和K，可操作将NOX存储为在稀发动机操作期间产生的硝酸盐。涂层还可以包含催化活性材料(例如铂族金属，包括Pt、Pd和Rh)和添加剂(例如，Ce、Zr和La)。涂层在稀发动机操作期间吸附硝酸盐，且在产生浓排气供应流的发动机操作期间解吸和还原硝酸盐。稀NOX还原催化剂52可以被所吸附的硝酸盐饱和，从而降低其效率。稀NOX还原催化剂52可以通过在存在还原剂的情况下解吸所吸附的硝酸盐并与其反应以还原为氮气和其它惰性成分而再生。当排气供应流浓于化学计量比时，还原剂被生成且所吸附的硝酸盐变得不稳定并分解以释放所存储的硝酸盐。排气供应流中的还原剂包括在浓空气/燃比下产生的HC分子、氢分子和CO。所吸附的硝酸盐与催化活性材料部位处的过量还原剂反应并由还原剂还原。
[0019] 稀NOX还原催化剂52的
工作温度窗是从约250℃至约500℃。在低于250℃的温度时，NO-NO2氧化动力会过慢而不能有效地氧化排气供应流中的NO，在浓发动机操作下的NOX还原动力过慢而不能在持续的发动机操作期间及时地再生NOX存储部位。在大于500℃的温度时，硝酸盐变得不稳定，甚至在稀于化学计量比的发动机操作下也是如此，使得稀NOX还原催化剂52不能有效地存储NOX。第二转化器元件53可以包括三效催化转化器、
选择性催化还原装置、稀NOX还原催化剂、和颗粒
过滤器(包括催化颗粒过滤器)及其组合中的任何一种。
[0020] 在低和中等发动机速度和负载时，发动机10优选以分层充气燃烧模式无节流地操作，即节气门阀34处于大致宽开启位置。节气门阀34可以稍微关闭以在进气歧管31中产生
真空以实现通过EGR控制阀38的EGR气体流。第一燃料脉冲在每个发动机循环的压缩冲程期间喷射。在如上所述不利于分层充气燃烧模式的条件下并且为了实现满足操作者扭矩请求的发动机功率，发动机10以均质充气燃烧模式操作，节气门阀34被控制用于化学计量比操作。
[0021] 控制模块5优选地包括通用数字计算机，通用数字计算机大体包括
微处理器或中央处理单元、存储介质(包括非易失性
存储器、
随机存取存储器(RAM)，
非易失性存储器包括
只读存储器(ROM)和电可编程只读存储器(EPROM))、高速时钟、模数(D/A)和数模(A/D)
电路、输入/输出电路和装置(I/O)以及合适的信号调节和缓冲电路。控制模块5具有一组控制
算法，所述控制算法包括存储在非易失性存储器中并被执行以提供每个计算机的各自功能的常驻程序指令和标定值。所述算法可以在预定循环期间被执行使得每个算法在每个循环中至少被执行一次。算法由中央处理单元执行，且可操作监测来自前述传感装置的输入并且执行控制和诊断程序从而用预定标定值控制
致动器的操作。在持续进行的发动机和车辆操作期间，循环通常以规则间隔例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒被执行。替代性地，算法可响应于事件的发生而被执行。
[0022] 操作中，控制模块5监测来自于前述传感器的输入以确定发动机参数状态。控制模块5执行存储在其中的算法代码，以控制前述致动器来形成气缸充气，包括控制节气门位置、火花点火定时、燃料喷射质量和定时、控制再循环排气流量的EGR阀位置、和进气和/或排气阀定时和定相(在如此配备的发动机上)。在持续车辆操作期间，控制模块5可以操作打开和关闭发动机，且可以通过控制燃料和火花而操作选择性地停用一部分燃烧室。
[0023] 操作中，发动机10可以被命令操作使得发动机10具有浓于化学计量比的排气供应流，优选处于升高的温度，以产生用于再生稀NOX还原催化剂52和/或第二转化器元件53的还原剂。发动机操作包括以分层充气燃烧模式操作，其中，节气门阀34处于大致宽开启，且在压缩冲程期间第一燃料脉冲喷射到燃烧室16中，第一燃料脉冲被协调以刚好先于火花点火定时，从而实现其分层点火。在第一燃料脉冲期间喷射的燃料质量基于足以使发动机10操作满足操作者扭矩请求的量而确定。
[0024] 图3示出了用于操作发动机10和排气后处理系统50的控制方案。发动机10的操作可以基于操作条件和操作者需求被控制以产生排气供应流以实现多个目标。在启动发动机操作期间，发动机操作可以控制为均质充气燃烧模式，以实现发动机和排气后处理系统50(包括稀NOX还原催化剂52)的升温。通过使用分流阀51将排气供应流分流绕过稀NOX还原催化剂52，发动机操作可以控制为均质充气燃烧模式，以实现第二转化器元件53的升温。
[0025] 在低和中等发动机速度/负载操作下，发动机操作优选被控制为分层充气燃烧模式，其中，排气供应流流经稀NOX还原催化剂52和第二转化器元件53。发动机操作可以被控制为均质充气燃烧模式，优选以浓空气/燃料比，以再生稀NOX还原催化剂52。发动机操作可以被控制为均质充气燃烧模式，优选以浓空气/燃料比，其中排气供应流由分流阀51分流以再生第二转化器元件53。发动机操作可以被控制为分层充气燃烧模式，其中，排气供应流由分流阀51分流给第二转化器元件53以延长处于分层充气燃烧模式的发动机操作时间。在特定操作条件下，发动机操作可以被控制为分层充气燃烧模式，其中，排气供应流由分流阀51分流给第二转化器元件53，以最小化或防止将稀NOX还原催化剂52暴露于在高速高负载操作期间、在燃料切断事件期间可能发生的以及由于导致发生气缸不点火的发动机故障引起的升高排气供应流温度。
[0026] 操作发动机10和排气后处理系统50的控制方案基于排气供应流、稀NOX还原催化剂52和第二转化器元件53的温度。当发动机10启动时(310)，需要加热紧密联接的三效催化剂48和稀NOX还原催化剂52以用于有效操作，即，增加转化效率和硝酸盐吸附。发动机10在没有旁路流的情况下操作(312)，且发动机10处于催化剂加热模式(314)，所述催化剂加热模式可以包括借助于延迟火花点火定时的以化学计量比或接近化学计量比的均质充气燃烧模式操作，以产生热并将热从发动机10传递给排气后处理系统50。稀NOX还原催化剂52(LNTA)以及第二转化器元件53(LNTB)的温度经由传感器43和55监测。当稀NOX还原催化剂52的监测温度小于第一阈值T1时，发动机10以均质充气燃烧模式(均质充气模式)操作(316，318，320)。当稀NOX还原催化剂52的监测温度在第一阈值T1和第二阈值T2之间时，发动机10优选以分层充气燃烧模式(分层充气模式)操作(316，322)，只要满足以分层充气燃烧模式操作的标准即可。当稀NOX还原催化剂52的监测温度大于第二阈值T2时，发动机10优选以均质充气燃烧模式操作且排气流通过控制分流阀51的位置被分流远离稀NOX还原催化剂52至第二转化器元件53(旁路模式)(316，318，324，326，330，334)。第一阈值T1和第二阈值T2限定第一许可温度范围且优选基于稀NOX还原催化剂52的工作温度窗并且考虑其再生所需的排气供应流温度以及其它因素而确定。
[0027] 当稀NOX还原催化剂52的监测温度大于第二阈值T2且第二转化器元件53的温度在第二许可温度范围内(即，大于第三阈值T3且小于第四阈值T4)时，发动机10以分层充气燃烧模式(分层充气模式)操作，只要满足以分层充气燃烧模式操作的标准即可，排气流通过控制分流阀51的位置被分流远离稀NOX还原催化剂52至第二转化器元件53(旁路模式)(316，318，324，328，332)。第三阈值T3和第四阈值T4优选基于第二转化器元件53的工作温度窗并且考虑其再生所需的排气供应流温度以及其它因素而确定。
[0028] 当稀NOX还原催化剂52的监测温度大于第四阈值T4时，发动机10优选以均质充气燃烧模式操作且排气流通过控制分流阀51的位置被分流远离稀NOX还原催化剂52至第二转化器元件53(316，318，324，326，330，334)。
[0029] 控制模块5使用分流阀51控制至第二转化器元件53的排气供应流的流(例如，温度和空气/燃料比)。这可以包括在第二转化器元件53包括稀NOX还原催化剂时以浓于化学计量比操作发动机10以解吸和还原所存储的硝酸盐，且在第二转化器元件53包括颗粒过滤器时以增加的排气供应流温度操作，用于吹扫。增加的排气供应流温度可以通过包括均质充气操作和改变点火火花定时的发动机操作来实现，以增加发动机和排气温度。
[0030] 控制模块5也可以使用分流阀51控制至第二转化器元件53的排气供应流的流(例如，温度和空气/燃料比)，以管理第二转化器元件53，第二转化器元件53包括选择性催化还原装置作为其元件。这包括以浓空气/燃料比操作发动机10，其中，排气供应流流经稀NOX还原催化剂52。在以浓空气/燃料比的初始操作期间，稀NOX还原催化剂52再生。当稀NOX还原催化剂52再生时，流经其的随后排气转化为包括
氨或NH3的成分。氨流动到第二转化器元件53的选择性催化还原装置，氨在第二转化器元件53处被存储。控制模块可以以稀空气/燃料比操作发动机10并使用分流阀51将排气流分流给第二转化器元件53。
所存储的氨与第二转化器元件53的选择性催化还原装置上的稀排气供应流中的硝酸盐反应以还原为氮。控制模块5被标定以控制发动机5以各种操作模式和空气/燃料比操作的时间量。
[0031] 控制模块5可以使用分流阀51控制至第二转化器元件53的排气供应流的流(例如，温度和空气/燃料比)，以使第二转化器元件53
脱硫。这优选包括以浓空气/燃料比和升高的排气温度在均质充气燃烧模式操作发动机10。在一定温度下在一定时间段内排气流被分流给第二转化器元件53，以使第二转化器元件脱硫。脱硫可能需要超过600℃的温度。
[0032] 本发明已经描述某些优选实施例及其变型。在阅读和理解
说明书之后，可以想到其它的变型和变化。因而，本发明并不旨在限于用于实施本发明所构想的最佳模式公开的具体实施例，而本发明将包括落入所附
权利要求范围内的所有实施例。
