内燃机的换气系统、其部件以及操作和控制的方法 【技术领域】
本披露总体上涉及的领域包括内燃机换气系统、其部件以及对其进行操作和控制的方法。
背景技术
在多数国家，控制车辆排气排放是一种强制性要求。氮氧化物(NO
x)以及微粒物质是必须得到控制的发动机排气排放物的两种成分。
【发明内容】
本发明的一个实施方案包括一种方法，该方法包括获得代表由一台内燃机产生的NO
x的量值以及微粒物质的量值的信息；并且对由该内燃机产生的NO
x的量值以及微粒物质的量值进行调整，包括使用该信息控制经过一个EGR冷却器以及经过一个EGR冷却器旁通管线循环的内燃机排气的量值。
本发明的其他示例性实施方案将从下文中提供的详细说明变得清楚。应该理解，详细的说明和具体的实例虽然披露了本发明的示例性实施方案，但仅旨在用于说明的目的而并非旨在限定本发明的范围。
【附图说明】
从详细的说明以及这些附图中将会更加全面地理解本发明的示例性实施方案，在附图中：
图1示出了本发明的一个实施方案。
图2示出了本发明的另一个实施方案。
图3示出了本发明的另一个实施方案。
图4示出了本发明的另一个实施方案。
图5示出了本发明的另一个实施方案。
图6示出了本发明的另一个实施方案。
图7示出了本发明的另一个实施方案。
【具体实施方式】
这个或者这些实施方案的以下说明在本质上仅是示例性的而决非旨在限制本发明、其应用或用途。
本发明的一个实施方案可以包括以下这些系统、部件或者对它们进行操作或控制的方法中的一个或多个。图1是本发明的一个实施方案的示意图，它包括一种产品或一个系统10，该产品或系统包括一个内燃机换气系统。系统10可以包括一台内燃机12，该内燃机被构造和安排为燃烧一种燃料，如(但不限于)汽油燃料、柴油燃料、生物柴油燃料、或者在有氧化剂(例如空气)存在的情况下可燃的任何其他燃料。系统10可以进一步包括一个空气进气侧14，该空气进气侧可以包括一个空气进气歧管18，该空气进气歧管连接到内燃机上以将空气送入内燃机12的多个汽缸中。可以提供一个主空气进气管路20并且在一端22处连接到空气进气歧管18上(或者与其分离)，并且可以包括用于通过该主空气进气管路吸入空气的一个开口端24。可以使一个空气过滤器26位于或者接近空气进气管路20的开口端24。
系统10可以包括一个燃烧排气侧16，该燃烧排气侧可以包括连接到内燃机12上以从其排出燃烧气体的一个排气歧管28。排气侧16可以进一步包括一个主排气管路30，该主排气管路具有一个第一端32，该第一端连接到排气歧管28上(或者与其分离)并且具有用于将排气排放到大气中的一个开口端34。
这样一个系统10可以进一步包括一个第一排气再循环(EGR)组件40，该组件从燃烧排气侧16延伸到空气进气侧14。一个第一EGR阀门46可以被提供为与主排气管路30流体连通并且可以被构造和安排为控制从排气侧16到空气进气侧并且进入在一个高压EGR环路中的内燃机12内的排气流动。第一EGR组件40可以进一步包括一个主EGR管线42，该管线具有连接到主排气管路30上的一个第一端41以及连接到空气进气管路20上的一个第二端43。一个冷却器44可以被提供为与主EGR管线42流体连通，以冷却经其中流过的排气。任选地，系统10可以进一步包括一台涡轮增压器48，该涡轮增压器具有与主排气管路30流体连通的一台涡轮机50并且具有一台压缩机52，该压缩机可操作地连接成由涡轮机50驱动并且与主空气进气管路20流体连通以压缩流过其中的气体。在压缩机52的下游可以将一个空气增压的冷却器56提供在主空气进气管路20中。在压缩机52的下游并且在一个主EGR管线42与空气进气管路20的结合处的上游可以将一个节流阀58提供在主空气进气管路20中。
典型地在涡轮机50的下游(若存在的话)或者在第一EGR组件40的上游可以将多个排放物控制部件提供在主排气管路30中。例如，可以将一个微粒过滤器54提供在涡轮机50的下游。典型地将其他排放物控制部件(例如一个催化转换器36)提供在微粒过滤器54的上游。也可以将一个消声器38提供在涡轮机50的下游。还可以提供多个额外的排气处理装置，例如稀燃NO
x收集器。
任选地，可以提供一个第二EGR组件70用于低压排气再循环。如果希望的话，第二EGR组件70可以被构造为与第一EGR组件40(此后将更详细地对它进行说明)完全相同。第二EGR组件70可以包括一个第二EGR管线71，该管线具有连接到主排气管路30上的一个第一端72以及连接到主空气进气管路20上的一个第二端74。可以提供一个第二EGR阀门76与主EGR管路30处于流体连通或者可以提供在第二EGR管线70中。可以将一个第二冷却器78提供为与第二EGR管线71处于流体连通，以冷却流经过其的排气。一个主排气管路30还可以包括一个节流阀120，以控制经过开口端34排出的排气的量值并且迫使排气流过第二EGR管线71。
在本发明的一个实施方案中，第一EGR组件40可以包括一个旁通管线11，该旁通管线被构造和安排为允许排气绕过冷却器44。旁通管线11可以具有在冷却器44上游的一个位置处连接到EGR管线42上的一个第一端13以及在冷却器44下游并且在EGR阀门46、46’上游的一个位置处连接到主EGR管线42上的一个第二端15。可以提供一个第一控制阀门17来控制流过旁通管线11以及围绕冷却器44的排气的量值。在一个实施方案中，第一控制阀门17可以是一个三通阀，该三通阀被定位在旁通管线11与在冷却器44上游的位置处的主EGR管线42的接合处。第一控制阀门17可以由一个致动器A1移动。如果希望的话，可以提供一个位置传感器P1并且被操作性地连接到控制器系统86上，以提供关于阀门17的实际位置的反馈信息并且控制器系统86可以对其进行响应而给致动器A1发送一个信号以进一步调整该阀门的位置。
可以使用图1(连同图2至图7)所示的系统来平衡由燃料在发动机12中的燃烧所产生的NO
x以及微粒物质的量值。NO
x、微粒物质以及其他排放物成分的量值是可以通过多种传感器来测量，这些传感器例如是在催化转换器36的下游定位的一个NO
x或氧传感器E1、微粒过滤器54中的一个传感器E2，以直接地或间接地测量该过滤器中的微粒随时间的量值，或者在微粒过滤器54的下游定位的NO
x、微粒物质或氧传感器E3。可替代地，NO
x和微粒物质的量值可以使用多种装置从不同运行条件和参数来间接估算，这些装置例如是在主EGR组件40、空气进气管线20、空气进气歧管18、排气歧管28、主排气管路30或者第二EGR组件70中的不同位置处定位的温度传感器T1、T2、T3和/或T4。在不同的实施方案中，可以将这些温度传感器定位在多个管路中或者阀门17、46、46’、76之一当中。
如将会认识到，在一个替代实施方案中，可以将一个三通EGR阀门46’提供在主EGR管线42与空气进气管线20的接合处。可以将一个温度传感器T3提供在三通阀46’中。如果希望的话，第二EGR组件70还可以包括一个旁通管线11以及一个第一控制阀门17(未示出)。
现在参见图2，在本发明的另一个实施方案中，旁通管线11可以包括在冷却器44上游的一个位置处连接到主EGR管线42上的一个第一端13，并且一个第二端15可以在主EGR管线42与主空气进气管线20的连接下游的一个位置处直接连接到主空气进气管线20上。如图2所示，可以将一个温度传感器T1定位在旁通管线11中。可以将第一控制阀门17定位在旁通管线11中。
现在参见图3，在本发明的另一个实施方案中，旁通管线11可以包括在冷却器44上游的一个位置处连接到主EGR管线42上的一个第一端13并且可以包括在EGR阀门46下游的一个位置处连接到主EGR管线42上的一个第二端15。第一控制阀门17可以位于旁通管线11中。如图3所示，在一个实施方案中，一个温度传感器T2可以结合在EGR阀门46中。
现在参见图4，在本发明的另一个实施方案中，旁通管线11可以包括连接到主EGR管线42上的一个第一端13并且可以将一个三通阀门17提供在第一端13与主EGR管线42的接合处。旁通管线11的一个第二端15可以在冷却器44下游并且在EGR阀门46上游的一个位置处连接到主EGR管线42上。可替代地，在主EGR管线42与空气进气管线20连接之前，第二端15可以在EGR阀门46下游的一个位置处连接到主EGR管线42上。在又一个实施方案中，第二端15可以在主EGR管线42与主空气进气管线20的连接处下游的一个位置上直接连接到主空气进气管线20上。
现在参见图5，在本发明的另一个实施方案中，主EGR管线42的一部分与旁通管线11形成一个Y形的管路结构并且可以将一个第一控制阀门17提供在旁通管线11中。旁通管线11的第二端15是在EGR阀门46下游的一个位置处连接到主EGR管线42上。
如从图1至图7将会认识到，EGR阀门46还可以包括可操作地连接到控制器系统86上的一个位置传感器P2并且可以使用该传感器来提供用来移动EGR阀门46的致动器A2的反馈控制。类似地，替代三通EGR阀门46’可以包括一个致动器以及以类似方式的一个位置传感器。控制器系统86可以使用来自温度传感器T1、T2、T3和/或T4的信号来直接或间接地确定排气的温度以及空气进气与排气温度的组合的温度。还可以使用或者测量温度或者指示温度的其他传感器，例如NO
x传感器或者与微粒过滤器结合使用的压力传感器。这些传感器可以确定将表示排气温度的NO
x或者微粒物质的水平，反之亦然。可以使用这个信息来确定如何定位第一控制阀门17以实现所希望的用于控制排放物以及适当的发动机操作的温度。
再次参见图1和图4，控制器系统86可以提供一个致动器控制信号，以控制致动器A1以及第一控制阀门17来定位阀门17，从而将排气的多个部分传送到EGR冷却器44和EGR阀门46、46’。控制器系统86使用来自位置传感器P1的反馈来控制和监测第一控制阀门17的位置。该排气和进来的空气将流到空气进气歧管18并且进入发动机的这些汽缸中。控制器系统86也可以给致动器A2提供用来控制EGR阀门46(或者可替代地是46’)的一个控制信号，以控制该阀门的位置，以便将排气的一部分传送到空气进气歧管18。控制器系统86可以接收来自温度传感器T3或者T4(它指示与进来的空气结合的排气的温度)的一个反馈信号。控制器系统86可以从这些测量的温度以及排气与进来的空气的相对流动中推断排气的温度。
控制器系统86可以使用来自温度传感器T2、T3或T4的信号来将该排气温度与用于当前发动机操作条件的一个所希望的温度进行比较。如果来自温度传感器T2、T3或T4的信号是在一个所希望的信号的可接受的限度之内，则控制器系统86将不对第一控制阀门17的位置做任何改变。控制器系统86可以具有其他功能，例如，对其他部件(包括但不限于冷却器44、78、56)进行控制和/或监测。
如果来自温度传感器T2、T3或者T4的信号表明进入发动机的排气温度在一个所希望的温度以下，则该控制器系统将调整到达第一控制阀门17的致动器控制信号，以增加直接进到EGR阀门46的排气部分并且减少流过冷却器44的排气部分。直接进到EGR阀门46或者通过旁通管路11进到空气进气管路20的温度较高的排气的增加部分与通过冷却器44的温度较低的排气的减少部分的组合将导致进入空气进气歧管18的排气温度的总体性增加。温度传感器T2、T3或T4将感测温度的增加，并且当感测的排气的温度是在可接受的范围内的一个所希望的温度时，控制器系统86将使用来自位置传感器P1的致动器控制信号和反馈来维持第一控制阀门17的位置。
如果来自温度传感器T2、T3或T4的信号表明进入发动机的排气温度在所希望的温度以上，则控制器系统86将调整到达第一控制阀门17的致动器控制信号，以增加进到EGR冷却器44的排气部分并且减少流过旁通管路11以及直接地流到EGR阀门46或者空气进气管路20的排气部分。直接进到EGR阀门46或者空气进气管路20的温度较高的排气的减少的部分与通过冷却器44的温度较低的排气的增加的部分的组合将导致通过EGR阀门46并且进入空气进气歧管18的排气的总体上的降低。温度传感器T2、T3或T4将感测温度的降低。当感测的排气的温度是在可接受的范围内的一个所希望的温度时，控制器系统86将使用来自温度控制阀门17的一个致动器控制信号和反馈来维持阀门17的新位置，以此使传感器P1定位。
对再循环到空气进气歧管18的排气温度进行控制将有助于对NO
x和微粒物质的排放进行控制。一般而言，NO
x的形成将在较高的发动机燃烧温度下发生，并且微粒物质将在较低的燃烧温度下形成。
如将会理解的，可以用以上说明的方法来控制将流入空气进气歧管18中的排气与进入空气的组合温度。这是通过控制器系统86对位于空气进气歧管18的流动路径中的温度传感器T3或T4进行监测以及使用这个输入来确定第一控制阀门17的位置以达到排气以及进入空气进气歧管18中的气流的所希望的温度来实现的。排气与空气进气的组合温度的控制也可以通过监测排气歧管28、主排气管路30、主空气进气管路20、主EGR管线42、旁通管线11以及第二EGR管线71中的一个或多个中的排气或空气的温度来实现。
现在参见图2、图3和图5，将阀门17提供在旁通管线11中并且将旁通管线11的第二端15连接到EGR阀门46的下游的主EGR管线42上或者将该旁通管线连接到主EGR管线42与空气进气管线20的连接下游的一个位置处的空气进气管线20上。利用EGR阀门46来控制流过冷却器44的排气的量值并且利用阀门17来控制绕过冷却器44并直接流入空气进气歧管18中的排气的量值。直接流过旁通阀17以及旁通管线11的气体将具有高于流过EGR冷却器44的排气的温度。流入空气进气歧管18的排气的温度将是流过冷却器44的第一部分以及流过旁通管线11的第二部分的温度和质量流速的一个函数。阀门17和EGR阀门46是单独地受控制的。控制器系统86可以接收来自温度传感器T1、T2、T3和/或T4的输入，并且阀门17、46或46’响应于这些输入而受到控制。控制器系统86可以使用温度传感器反馈和所希望的温度来确定用于EGR阀门46、46’和阀门17的致动器控制信号。可以分别使用阀门17和46的位置传感器P1和P2来给控制器系统86提供反馈，这种反馈将表示这些阀门是否已经达到所希望的位置和相关的流动。控制器系统86可以调整该控制信号，以达到或者维持阀门17、46、46’的所希望的位置。可以使用对每个阀门的位置传感器的反馈来提供流过主EGR管线42和旁通管线11的排气的所希望的第一部分和第二部分。
本发明的一个替代实施方案包括一种控制排气温度的方法，其中T2传感器被结合在EGR阀门46中或者温度传感器T3被结合在三通EGR阀门46’中。可以使用控制器系统86来监测温度传感器T2或者T3，并且可以使用该温度传感器输入来确定第一控制阀门17的位置，以实现流过EGR阀门46、46’的排气的所希望的温度。
本发明的另一个实施方案包括一种用于控制排气温度和车辆排放物的方法，该方法使用其他输入或者多个输入的一种组合，例如(但不限于)可以包括NO
x传感器、氧传感器的排放物传感器E1、E2或E3，或者用来确定微粒物质的水平的一种传感器。控制器系统86可以监测来自传感器E1、E2和/或E3的输入，以确定车辆排放物的水平和类型并且确定为了控制它们所要求的希望的排气温度。控制器系统86可以提供用来控制第一阀门17的一个致动器控制信号，以实现所希望的温度并且降低一种排放物成分的所希望的排放水平或者平衡两个或更多排放物成分的相对排放水平。例如，可以利用该系统来平衡与微粒物质排放物的量值相比的NO
x排放物的量值，反之亦然。可以使用控制器系统86来监测来自传感器E1、E2和/或E3、或者与T1、T2、T3或者T4中的一个或多个组合的E1、E2或者E3中的一个或者多个的输入。当确定这些排放物是在排放物的可接受的范围之内时，或者两个或者更多的成分是处于相互之间的一个可接受的范围之内时，控制器系统86利用一个致动器控制信号来维持温度控制阀门17的位置并且可以使用来自阀门17的位置传感器P1的反馈。可以调整阀门17、46、46’以平衡NO
x相对于不同的发动机操作条件下的微粒物质的排放水平。
本发明的一个实施方案包括一种内燃机换气系统，该换气系统具有从排气侧延伸到空气进气侧的一个冷却的排气再循环管线以及从排气侧延伸到空气进气侧的一个未冷却的排气再循环管线。例如，如图6中所示，本发明的一个实施方案可以包括一个第一排气再循环管线42，该排气再循环管线具有与其相连通的、从主排气管路30延伸到主空气进气管路20的一个冷却器44，并且包括在其中的一个排气再循环阀门46以控制流经此的气体。可以提供一个分离的旁通管线11，该旁通管线从主排气管路30延伸到空气进气管路20。旁通EGR管线11可以包括在其中的一个第一控制阀17，以控制经过其的排气的流动。第一EGR管线42以及旁通管线11的位置可以如所希望的进行改变，使一个在另一个的上游或下游。
图7示出了本发明的另一个实施方案，其中提供了从主排气管路30延伸到主空气管路20的一个主EGR管线42，并且该主EGR管线可以包括与其处于流体连通的一个冷却器，以冷却流经其中的排气。可以提供从主排气管路30延伸到主空气进气管路20的一个分离的旁通管线11。流过第一EGR管线42以及旁通EGR管线11的气体的控制可以通过位于主排气管路30、第一EGR管线42以及旁通管线11的接合处的一个四通阀门46来实现。可以使用对于本领域普通的技术人员所知的任何四通阀门。本受让人的共同待审的申请，美国序号11/527,089披露了可以被修改为包括四个端口的一种多端口阀门，这四个端口包括用来从排气歧管28接收排气的一个进气端口、用来经过主排气管路30的开口端34排放气体的一个第一排气端口、用来经过第一EGR管线42排放气体的一个第二排气端口以及用来经过旁通管线11排放气体的一个第三排气端口。
本发明的另一个实施方案包括控制燃烧空气换气系统的一种方法，该换气系统包括具有一个主排气管路30的一个排气侧以及一个空气进气侧14，该空气进气侧包括一个主空气进气管路20以及从主排气管路30延伸到主空气进气管路20的一个第一EGR管线42，并且该第一EGR管线在其中具有一个冷却器44，以冷却流过其中的排气。可以提供一个旁通管线，该旁通管线被构造和安排为使排气在该第一EGR管线中围绕该冷却器流动。可以提供多个传感器，以给一个控制器系统提供输入，该输入包括一个代表或指示第一和第二成分的排放的信号或数据。该控制器系统对用于第一和第二成分中的每一个的感测的排放水平进行比较并且将每一个与一个预定的可接受的范围进行比较。如果这些成分中的一个是处于一个预定的可接受的范围之外或者接近其外部极限，且另一个成分是在用于这个成分的预定的可接受的范围之内，则该控制器选择性地启动阀门17、46或者46’中的一个或多个，以调整流过主EGR管线42以及通过冷却器44的气体的比例以及流过旁通管线11的排气的量值，从而使该第一和第二成分的排放量值在用于每种成分的预定的可接受的范围之内。例如，如果来自传感器E1、E3、T1、T2、T3或者T4的输入指示了NO
x排放是在一个预定的可接受的范围之外或者接近其外部极限，则可以致动阀门17以减少或者阻止流过旁通管线11的排气的量值并且使更多的EGR气体流过冷却器44，以降低进入内燃机的排气与充气的混合物的温度，以便由此减少由内燃机产生的NO
x的量值。类似地，如果来自传感器E1、E2、E3、T1、T2、T3或者T4的输入指示了微粒的量值是在一个预定的可接受的范围之外或者接近其外部极限，则控制器系统86可以使阀门46、46’减少或者阻止流过主EGR管线42以及通过冷却器和开放阀门17的排气的量值，以使得更多的排气流过旁通管线11，从而提高进入内燃机的排气与充气的混合物的温度，以减少由内燃机所产生的微粒的量值。
本发明的另一个实施方案包括一种方法，该方法包括获得代表排放物成分的信息，该信息包括由内燃机产生的NO
x的量值以及微粒物质的量值；并且将正在产生的NO
x的量值与一个第一预定的可接受的范围进行比较，并且将正在产生的微粒物质的量值与一个第二预定的可接受的范围进行比较；并且如果NO
x的量值以及微粒物质的量值中的一个是在相应的第一或第二预定的可接受的范围之外或者接近其外部极的信息，估算是否可以对流过一个第一EGR管线(带有与其处于流体连通的一个冷却器)的排气的量值或者流过围绕该冷却器的一个旁通管线的排气的量值进行调整以减少处于该预定的可接受的范围之外或者接近其外部极限的排放物成分的量值，而不会使另一种排放物成分处于一个第二预定的可接受的范围之外。这可以通过使用多个查找表格或者进行基于与在不同的发动机和换气系统操作条件下的发动机、阀门、温度(T1至T4)、排放物(E1至E3)有关的数据进行估算计算来实现。如果适当的话，可以改变经过该第一EGR管线(带有与其处于流体连通的冷却器)的排气的流速并且可以改变经过围绕该冷却器的旁通管线的流速的量值。
本发明的另一个实施方案包括一种方法，该方法包括获得代表由内燃机产生的NO
x的量值以及微粒物质的量值的信息；将获得的信息与用于NO
x的量值的一个第一预定的可接受的范围并且与用于微粒物质的量值的一个第二预定的可接受的范围进行比较，并且如果所产生的微粒物质的量值可以增加或者仍保持在该第二预定的可接受的范围之内，则通过增加流过一个第一主排气管线(其中具有用于减少流过此的排气的温度的一个冷却器)的排气的量值来减少所产生的NO
x的量值，并且减少流过环绕该冷却器的一个旁通管线的气体的量值。
本发明的实施方案的以上说明在本质上仅仅是示例性的，因此，不得将其变体认为是脱离本发明的精神和范围。