СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ВЫБРОСОВ NOx ДВИГАТЕЛЯ
METHOD TO REDUCE ENGINE NOx EMISSIONS

Описание
Это изобретение относится к способу уменьшения выбросов NOx из двигателя и, в частности, к способу уменьшения выбросов NOx из двигателя после запуска холодного двигателя.
Известно из, например, патента США 6,829,888, что электрическая машина может использоваться для способствования нагреву потока выхлопных газов из двигателя для того, чтобы способствовать зажиганию катализатора.
Использование рециркуляции выхлопных газов высокого давления (HPEGR) или рециркуляции выхлопных газов низкого давления (LPEGR) в самый ранний возможный момент во время ездового цикла транспортного средства содействует уменьшению выбросов NOx. Требование к ранней EGR увеличилось из-за необходимости удовлетворения требованиям по выбросам стандарта Евро-6.2 и реальным ездовым циклам. И рабочий диапазон двигателя в отношении скорости двигателя и нагрузки двигателя, и диапазон температуры, в которых требуется поток EGR, увеличиваются при необходимости удовлетворения этих новых требований.
Одна проблема, связанная с ранним использованием EGR, заключается в том, что оно может приводить к нестабильности горения, если температура газов, впускаемых в двигатель, является низкой, например, после холодного запуска.
Вторая проблема, связанная с ранним использованием LP EGR в случае двигателя, имеющего форсированный впуск с использованием компрессора, заключается в том, что оно может приводить к образованию конденсата перед компрессором. Образование такого конденсата может серьезно повреждать быстро вращающиеся лопатки компрессора.
Изобретатели осознали, что использование нагрева выхлопных газов, такого как предложенный в патенте США 6,829,888, может благоприятно использоваться для обеспечения более раннего использования рециркуляции выхлопных газов.
Задачей этого изобретения является обеспечение способа уменьшения выбросов NOx двигателя после холодного запуска путем содействия раннему использованию рециркуляции выхлопных газов, не вызывая значительную нестабильность горения или конденсат, приводящий к повреждению.
Согласно первому аспекту изобретения, обеспечен способ обеспечения более раннего использования рециркуляции выхлопных газов для уменьшения выбросов NOx из двигателя моторного транспортного средства после холодного запуска двигателя, причем способ содержит этапы, на которых используют аккумуляторную батарею моторного транспортного средства для приложения электрической нагрузки к электрической машине, приводимой в действие двигателем, используют электрическую машину в качестве генератора для заряда аккумуляторной батареи и для приложения нагрузки к двигателю для увеличения интенсивности, с которой увеличиваются температура двигателя и температура выхлопных газов, идентифицируют, является ли по меньшей мере одна из температуры двигателя и температуры выхлопных газов слишком низкой для эффективного использования рециркуляции выхлопных газов, и, если одна из температуры двигателя и температуры выхлопных газов является слишком низкой для эффективного использования рециркуляции выхлопных газов, предотвращают рециркуляцию выхлопных газов, и когда температура двигателя и температура выхлопных газов являются достаточно высокими для обеспечения эффективного использования рециркуляции выхлопных газов, активируют рециркуляцию выхлопных газов и прекращают использование электрической машины в качестве генератора.
Независимо от температуры двигателя и температуры выхлопных газов, использование электрической машины в качестве генератора могут прекращать, если нагрузка, прикладываемая к двигателю, увеличилась до уровня, когда двигатель прогревается достаточно быстро, что дополнительный нагрев не требуется.
Альтернативно, независимо от температуры двигателя и температуры выхлопных газов, использование электрической машины в качестве генератора могут прекращать, если состояние заряда аккумуляторной батареи, соединенной с электрической машиной, достигает максимального безопасного предела.
Электрическая машина может представлять собой интегрированный стартер-генератор, соединенный с возможностью передачи приводного усилия с двигателем.
Температура двигателя и температура выхлопных газов могут быть достаточно высокими для обеспечения эффективного использования рециркуляции выхлопных газов, когда использование рециркуляции выхлопных газов не будет вызывать нестабильность горения в двигателе.
Двигатель может представлять собой двигатель с форсированным впуском, имеющий компрессор, рециркуляция выхлопных газов может представлять собой рециркуляцию выхлопных газов низкого давления, которая возвращает выхлопные газы в положение перед компрессором, и температура двигателя и температура выхлопных газов могут быть достаточно высокими для обеспечения эффективного использования рециркуляции выхлопных газов, если использование рециркуляции выхлопных газов низкого давления не будет вызывать впуск конденсата в компрессор.
Согласно второму аспекту изобретения, обеспечено моторное транспортное средство, имеющее аккумуляторную батарею, двигатель, соединенный с возможностью передачи приводного усилия с электрической машиной, электронный контроллер и систему рециркуляции выхлопных газов для рециркуляции выхлопных газов со стороны выхлопа двигателя на сторону впуска двигателя, причем система рециркуляции выхлопных газов включает в себя клапан рециркуляции выхлопных газов для управления потоком рециркулируемых выхлопных газов, причем электронный контроллер выполнен с возможностью использования аккумуляторной батареи моторного транспортного средства для приложения электрической нагрузки к электрической машине, использования электрической машины в качестве генератора для заряда аккумуляторной батареи и с возможностью приложения нагрузки к двигателю для увеличения интенсивности, с которой увеличиваются температура двигателя и температура выхлопных газов, идентификации, является ли по меньшей мере одна из температуры двигателя и температуры выхлопных газов слишком низкой для эффективного использования рециркуляции выхлопных газов, и, если одна из температуры двигателя и температуры выхлопных газов является слишком низкой для эффективного использования рециркуляции выхлопных газов, электронный контроллер выполнен с возможностью предотвращения рециркуляции выхлопных газов путем закрытия клапана рециркуляции выхлопных газов, и когда температура двигателя и температура выхлопных газов являются достаточно высокими для обеспечения эффективного использования рециркуляции выхлопных газов, электронный контроллер выполнен с возможностью активации рециркуляции выхлопных газов путем открытия клапана рециркуляции выхлопных газов и с возможностью прекращения использования электрической машины в качестве генератора.
Независимо от температуры двигателя и температуры выхлопных газов, электронный контроллер может быть дополнительно выполнен с возможностью прекращения использования электрической машины в качестве генератора, если нагрузка, прикладываемая к двигателю, увеличилась до уровня, когда двигатель прогревается достаточно быстро, что дополнительный нагрев не требуется.
Независимо от температуры двигателя и температуры выхлопных газов, электронный контроллер может быть дополнительно выполнен с возможностью контроля состояния заряда аккумуляторной батареи, соединенной с электрической машиной, и может быть дополнительно выполнен с возможностью прекращения использования электрической машины в качестве генератора, если состояние заряда аккумуляторной батареи достигает максимального безопасного предела.
Электрическая машина может представлять собой интегрированный стартер-генератор.
Температура двигателя и температура выхлопных газов могут быть достаточно высокими для обеспечения эффективного использования рециркуляции выхлопных газов, когда использование рециркуляции выхлопных газов не будет вызывать нестабильность горения в двигателе.
Двигатель может представлять собой двигатель с форсированным впуском, имеющий компрессор для сжатия потока воздуха, поступающего в двигатель, система рециркуляции выхлопных газов может представлять собой систему рециркуляции выхлопных газов низкого давления, которая возвращает выхлопные газы во впускную систему для двигателя в положении перед компрессором, и температура двигателя и температура выхлопных газов могут быть достаточно высокими для обеспечения эффективного использования рециркуляции выхлопных газов, если использование рециркуляции выхлопных газов низкого давления не будет вызывать впуск конденсата в компрессор.
Компрессор может являться часть турбонагнетателя, имеющего турбину для приведения в действие компрессора, и выхлопные газы могут отбираться из выхлопной системы двигателя в положении после турбины турбонагнетателя.
Система выхлопных газов может представлять собой систему выхлопных газов высокого давления, двигатель может иметь турбонагнетатель, имеющий компрессор, приводимый в действие турбиной для увеличения потока воздуха через впускную систему двигателя, рециркулируемые выхлопные газы могут отбираться из выхлопной системы двигателя в положении перед турбиной турбонагнетателя и возвращаться во впускную систему двигателя после компрессора.
Изобретение далее будет описано путем примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение моторного транспортного средства согласно второму аспекту изобретения; и
Фиг. 2 представляет собой схему последовательности операций высокого уровня способа обеспечения более раннего использования рециркуляции выхлопных газов для уменьшения выбросов NOx из двигателя после холодного запуска двигателя в соответствии с первым аспектом изобретения.
Со ссылкой на Фиг. 1, показано моторное транспортное средство 5, имеющее двигатель с форсированным впуском в форме двигателя 10 с турбонагнетателем. Двигатель 10 имеет впускную систему, через которую атмосферный воздух течет к двигателю 10. Впускная система содержит несколько впускных трубопроводов, воздушный фильтр 12, компрессор 20с турбонагнетателя 20, дроссельный клапан 13, промежуточный охладитель 14 и впускной коллектор 15. Впускные трубопроводы используются для соединения вместе различных компонентов впускной системы, используемых для обеспечения потока воздуха к двигателю 10.
Воздух поступает во впускную систему через воздушный фильтр 12, сжимается компрессором 20с и течет через дроссельный клапан 13 к промежуточному охладителю 14 и далее к впускному коллектору 15 двигателя 10.
Топливо впрыскивается в двигатель 10 несколькими топливными инжекторами (не показаны), и продукты горения в форме выхлопных газов текут через выхлопной коллектор 11 к турбине 20t турбонагнетателя 20.
После прохождения через турбину 20t выхлопные газы текут через одно или более устройств 16 последующей обработки к выходной трубе 17 и из выходной трубы 17 в атмосферу.
Контур 30 HPEGR выполнен с возможностью отбора выхлопных газов из положения между выхлопным коллектором 11 и турбиной 20t и обеспечения потока отобранных выхлопных газов через охладитель 31 выхлопных газов к клапану 32 рециркуляции выхлопных газов высокого давления. Когда клапан 32 рециркуляции выхлопных газов высокого давления открыт, выхлопные газы высокого давления могут течь во впускной тракт перед впускным коллектором 15 и после промежуточного охладителя 14 и компрессора 20с.
Контур 40 LPEGR выполнен с возможностью отбора выхлопных газов из положения между турбиной 20t и устройствами 16 последующей обработки и обеспечения потока отобранных выхлопных газов через охладитель 41 выхлопных газов к клапану 42 рециркуляции выхлопных газов низкого давления. Когда клапан 42 рециркуляции выхлопных газов низкого давления открыт, выхлопные газы низкого давления могут течь во впускной тракт.
Будет принято во внимание, что если устройства 16 последующей обработки включают в себя уловитель частиц, то выхлопные газы для LPEGR будут предпочтительно отбираться после уловителя частиц, так как это будет уменьшать количество сажи, достигающей компрессор 20с, и поэтому уменьшать загрязнение лопаток компрессора 20с. Если отсутствует уловитель частиц, то, в качестве альтернативы, фильтр частиц может быть включен между охладителем 41 выхлопных газов и точкой отбора выхлопных газов.
Электрическая машина соединена с возможностью передачи приводного усилия с двигателем 10 и в случае этого примера имеет форму интегрированного стартер-генератора 18. Интегрированный стартер-генератор 18 в случае этого примера имеет ременный привод от коленчатого вала двигателя 10, но будет принято во внимание, что он может альтернативно иметь цепной привод или зубчатый привод.
Интегрированный стартер-генератор 18 может использоваться для генерации электричества или генерации крутящего момента в зависимости от режима, в котором он работает. Аккумуляторная батарея 19 соединена с интегрированным стартер-генератором 18 вместе со связанной электроникой управления, образованной в виде части центрального электронного контроллера 50. Когда интегрированный стартер-генератор 18 работает в качестве генератора, он заряжает аккумуляторную батарею 19, а когда интегрированный стартер-генератор 18 работает в качестве мотора, аккумуляторная батарея 19 обеспечивает электрическую энергию к интегрированному стартер-генератору 18. Электронный контроллер 50 контролирует состояние заряда (SOC) аккумуляторной батареи 19 и управляет интегрированным стартер-генератором 18 для обеспечения того, что состояние заряда аккумуляторной батареи остается в пределах безопасных верхнего и нижнего пределов.
Электронный контроллер 50 выполнен с возможностью управления работой интегрированного стартер-генератора 18, рабочим состоянием клапана 32 рециркуляции выхлопных газов высокого давления, рабочим состоянием клапана 42 рециркуляции выхлопных газов низкого давления и поворотным положением дроссельного клапана 13. Будет принято во внимание, что клапаны 32 и 42 рециркуляции выхлопных газов высокого и низкого давления будут иметь по меньшей мере полностью открытые и полностью закрытые рабочие состояния и в большинстве случаев частично открытые/закрытые рабочие состояния.
Электронный контроллер 50 также используется для управления обычной работой двигателя.
Электронный контроллер 50 принимает входные данные от нескольких датчиков, таких как, например, датчик массового потока воздуха (не показан), датчик скорости двигателя (не показан), датчик положения педали акселератора (не показан), датчик лямбды (не показан), три датчика 6a, 6b, 6c температуры выхлопных газов, датчик 7 температуры впуска и датчик 8 температуры головки блока цилиндров двигателя.
Соединения между электронным контроллером 50 и различными датчиками и компонентами, которыми он управляет, не показаны на Фиг. 1 для упрощения и улучшения понимания фигуры.
Будет принято во внимание, что электронный контроллер 50 может состоять из нескольких взаимно соединенных электронных контроллеров и не обязательно должен представлять собой один блок, который показан на Фиг. 1.
Работа электронного контроллера 50 в части, которая относится к этому изобретению, выглядит следующим образом.
Когда температура двигателя 10 воспринимается как находящаяся ниже обычной рабочей температуры после запуска двигателя, требуется нагрев для того, чтобы уменьшать временную задержку между запуском двигателя и временем, когда EGR может использоваться для содействия уменьшению выбросов NOx.
Необходимо учитывать два важных момента при принятии решения об эффективном использовании рециркуляции выхлопных газов. Во-первых, определение, когда горение, вероятно, будет нестабильным, и, во-вторых, определение, будут ли рециркулируемые выхлопные газы достаточно горячими для содействия стабильности горения.
Горение будет нестабильным, если температуры газов в цилиндрах являются низкими, что будет происходить, если температура двигателя является низкой. Температура двигателя может быть выведена с использованием выходных данных от датчика 8 температуры головки блока цилиндров (или датчика охлаждающей жидкости двигателя), которые обеспечивают указание, являются ли стенки цилиндров холодными, и с использованием датчика 7 температуры впуска, который обеспечивает указание, является ли температура впущенных газов низкой.
С использованием комбинации этих измерений может быть выполнен прогноз относительно того, будет ли вероятным нестабильное горение в результате использования EGR.
Дополнительный фактор, который следует учитывать, состоит в том, является ли температура выхлопных газов достаточно высокой для увеличения температуры впущенных газов, если EGR используется. Температура выхлопных газов может быть выведена из выходных данных от датчиков 6a, 6b и 6c выхлопных газов, которые обеспечивают оценку эффективной температуры выхлопных газов. Несмотря на то, что в случае этого примера используются три датчика, будет принято во внимание, что необходимо использовать только один датчик температуры выхлопных газов.
Будет принято во внимание, что существует обратная зависимость между стабильностью горения и обеднением смеси, которую также следует принимать во внимание при принятии решения об использовании EGR и количестве EGR для использования. Другими словами, добавление горячих рециркулируемых выхлопных газов будет увеличивать подвижность молекул топлива и воздуха и в связи с этим содействовать улучшению стабильности горения, но добавление инертного газа к смеси топлива/воздуха на впуске будет обеднять ее, и поэтому преимущество добавления горячих рециркулируемых выхлопных газов следует взвешивать относительно эффекта обеднения инертного газа.
Однако, во всех случаях предпочтительно ускорять процесс нагрева двигателя 10, и электронный контроллер 50 выполнен с возможностью эксплуатации интегрированного стартер-генератора 18 в качестве генератора для того, чтобы выполнять это.
Использование интегрированного стартер-генератора 18 в качестве генератора будет увеличивать нагрузку на двигатель 10, и это будет приводить к увеличенной потребности в крутящем моменте для двигателя 10, которая удовлетворяется посредством подачи большего количества топлива к двигателю 10. Дополнительное топливо увеличивает температуру двигателя и температуру выхлопных газов более быстро, чем было бы, если бы отношение воздух/топливо было оптимизировано для хорошей экономии топлива, как обычно происходит.
HP
Как упомянуто выше, электронный контроллер 50 выполнен с возможностью использования датчиков 6a, 6b и 6c температуры для восприятия температуры выхлопных газов, и когда воспринимаемая температура выхлопных газов находится выше предела (T) температуры, ниже которого, вероятно, будет вызываться нестабильность горения, если используется HPEGR, электронный контроллер 50 выполнен с возможностью открытия клапана 32 рециркуляции выхлопных газов высокого давления.
LP
Электронный контроллер 50 в случае этого примера дополнительно выполнен с возможностью, когда воспринимаемая температура выхлопных газов находится выше предела (T) температуры, ниже которого, вероятно, будет вызываться конденсат, если используется LPEGR, открытия клапана 42 рециркуляции выхлопных газов низкого давления.
Будет принято во внимание, что температура газов LPEGR будет ниже температуры газов HPEGR для одной и того же температуры выхлопных газов из-за разницы между трактом потока газов HPEGR со стороны выхлопа двигателя 10 на сторону впуска двигателя 10 и трактом потока газов LPEGR со стороны выхлопа двигателя 10 на сторону впуска двигателя 10.
В общем желательно использовать LPEGR вместо HPEGR при любой возможности, так как LPEGR обеспечивает потенциальное преимущество экономии топлива и лучше смешивается с атмосферным воздухом, в связи с этим HPEGR иногда прекращается, как только может использоваться LPEGR.
Электронный контроллер 50 дополнительно выполнен с возможностью остановки использования интегрированного стартер-генератора 18 в качестве генератора, когда присутствует по меньшей мере одно из нескольких условий:
LP
HP
a/ температура выхлопных газов, выходящих из двигателя 10, выше пределов (T) и (T) температуры низкого давления и высокого давления соответственно, и температура двигателя 10, которая воспринимается датчиком 8 головки блока цилиндров и датчиком 7 температуры впуска, превышает заранее заданные пределы температуры;
b/ нагрузка, прикладываемая к двигателю 10, увеличилась до уровня, когда двигатель 10 прогревается достаточно быстро, что дополнительный нагрев не требуется; и
c/ если состояние заряда аккумуляторной батареи 19 достигает верхнего безопасного предела заряда, указывающего на то, что в аккумуляторной батарее 19 по существу не осталось емкости для хранения дополнительной электрической энергии.
Будет принято во внимание, что изобретение не ограничено использованием с двигателем, имеющим рециркуляцию выхлопных газов и низкого, и высокого давления. Например, и без ограничения, изобретение может применяться с преимуществом к двигателю с или без форсированного впуска, имеющему только рециркуляцию выхлопных газов высокого давления, или двигателю, имеющему форсированный впуск и имеющему только рециркуляцию выхлопных газов низкого давления.
Со ссылкой на Фиг. 2, в форме схемы показан способ уменьшения выбросов NOx из двигателя, такого как двигатель 10, в соответствии с этим изобретением.
Способ начинается в блоке 110 с не работающим двигателем 10, другими словами, двигатель 10 выключен.
Способ переходит к блоку 115 для проверки, произошло ли событие включения зажигания. Событие включения зажигания представляет собой событие, которое будет изменять состояние двигателя 10 с выключенного на включенное. Другими словами, двигатель 10 после события включения зажигания будет работать. Несмотря на то, что в некоторых случаях событие включения зажигания представляет собой результат активации переключателя зажигания водителем транспортного средства, такого как транспортное средство 5, будет принято во внимание, что конкретный механизм, используемый для запуска двигателя 10, не является важным.
Если при проверке в блоке 115 событие включения зажигания не произошло, он будет возвращаться к блоку 110, и двигатель 10 остается в выключенном состоянии.
Однако, если при проверке в блоке 115 произошло событие включения зажигания, то двигатель 10 будут запускать, и способ переходит к блоку 120, где двигатель 10 теперь работает.
От блока 120 способ переходит к блоку 130 для проверки, находятся ли текущая температура двигателя, которую воспринимают с помощью датчика 7 температуры впуска и датчика 8 головки блока цилиндров, и текущая температура выхлопных газов, которую измеряют с помощью одного или более датчиков 6a, 6b, 6c выхлопных газов, ниже минимальных температур эффективного использования EGR.
Будет принято во внимание, что в случае температуры выхлопных газов может существовать один предел температуры или множество пределов температуры. Например, если двигатель 10 имеет, как показано на Фиг. 1, оба контура EGR и низкого давления, и высокого давления, то температура выхлопных газов, требуемая для предотвращения нестабильного горения, может отличаться от температуры, требуемой для предотвращения конденсата перед компрессором, таким как компрессор 20с.
Блок 130 в связи с этим состоит из испытаний для выяснения, находятся ли текущие измеряемые температуры выше или ниже заранее заданных пределов, и на основании результата этих испытаний способ переходит либо к блоку 140, либо к блоку 160.
Если одна или более из текущих измеряемых температур находится ниже заранее заданного предела для этого параметра, способ переходит к блоку 140, где обеспечивают, что предотвращают любой поток EGR посредством, например, закрытия или удержания закрытыми клапанов управления потоком EGR, таких как клапаны 32 и 42 HPEGR и LPEGR, показанные на Фиг. 1. Открытие клапанов 32 и 42 HPEGR и LPEGR в это время будет, вероятно, приводить к нестабильности горения и/или конденсату, впускаемому в компрессор 20с.
Способ далее переходит от блока 140 к блоку 150, где электрическую машину, такую как интегрированный стартер-генератор 18, эксплуатируют в качестве генератора для нагружения двигателя 10. Дополнительная нагрузка, прикладываемая интегрированным стартер-генератором 18, будет заставлять температуру двигателя и температуру выхлопных газов увеличиваться более быстро, чем будет обычно происходить.
От блока 150 способ возвращается к блоку 130 для повторной проверки измеряемых температур двигателя и выхлопных газов и будет циклировать по блокам 130, 140 и 150 до тех пор, пока измеряемые температуры двигателя и выхлопных газов не превысят заранее заданный предел температуры для этого соответственного параметра.
Если в блоке 130 все из измеряемых температур двигателя и выхлопных газов превышают их соответственный предел температуры, способ будет переходить к блоку 160.
В блоке 160, когда нагрев выхлопных газов с использованием интегрированного стартер-генератора 18 уже активен, то его деактивируют, и интегрированным стартер-генератором 18 далее обычно управляют для удовлетворения потребностей транспортного средства 5.
Однако, если нагрев выхлопных газов не активен при входе в блок 160, так как путь к блоку 160 проходит от блока 120 к блоку 130 и далее к блоку 160, интегрированным стартер-генератором 18 обычно управляют для удовлетворения потребностей транспортного средства 5.
Независимо от пути следования для достижения блока 160, от блока 160 способ переходит к блоку 170, где активируют EGR. Другими словами, обеспечивают поток рециркуляции выхлопных газов. Будет принято во внимание, что если двигатель 10 оснащен EGR низкого и высокого давления, то в блоке 170 могут обеспечивать LPEGR, могут обеспечивать HPEGR или обе в зависимости от предела температуры, который был достигнут.
От блока 170 способ переходит к блоку 180, где проверяют, произошло ли событие выключения зажигания, и, если оно произошло, способ возвращается к блоку 110 с выключенным двигателем 10, а если нет, способ возвращается к блоку 120 с работающим двигателем 10.
Будет принято во внимание, что как только двигатель 10 достаточно прогрелся, испытания в блоке 130 будут всегда приводить к переходу способа к блоку 160, и во время обычной горячей работы двигателя способ будет в связи с этим циклировать непрерывно по блокам 120, 130, 160, 170 и 180.
Будет принято во внимание, что в дополнение к испытаниям, описанным в блоке 130, могут быть дополнительные испытания, используемые для определения, следует ли прекращать использование интегрированного стартер-генератора 18, такие как, например, достигло ли состояние заряда аккумуляторной батареи 19 верхнего безопасного предела, или является ли потребность в крутящем моменте на двигателе 10 достаточно высокой, что дополнительный нагрев больше не требуется.
Специалистом в области техники будет принято во внимание, что, несмотря на то, что изобретение было описано путем примера со ссылкой на один или более вариантов выполнения, оно не ограничено раскрытыми вариантами выполнения, и что альтернативные варианты выполнения могут быть выполнены без отклонения от объема охраны изобретения, который определен приложенной формулой изобретения.