阅读说明：本技术 控制机动车辆的火花点火式内燃机的排放物的系统和方法 (System and method for controlling emissions of a spark-ignition internal combustion engine of a motor vehicle ) 是由 G.皮维蒂 F.贝多尼 E.穆素 于 2020-02-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于控制机动车辆的火花点火式内燃机的排放物的系统和方法。用于控制机动车辆的火花点火式内燃机的排放物的系统包括第一和第二废气处理装置(12、13)和用于在第一和第二废气处理装置(12、13)之间将二次空气供给到废气导管(11)中的二次空气供给系统(14；20)。二次空气供给系统(14；20)仅在发动机负载大于预定负载值时和/或在发动机转速大于预定速度值时才被激活。在这种条件下,发动机的空燃比被保持在低于化学计量值的值处,以便向发动机供给浓混合物。在一个示例中,电子控制器(E)被编程为基于作为发动机负载和发动机转速的值的函数的映射来控制二次空气供给系统的激活。该映射根据发动机的具体特性预先确定。(The present invention relates to a system and method for controlling emissions of a spark ignition internal combustion engine of a motor vehicle. A system for controlling emissions of a spark ignition internal combustion engine of a motor vehicle comprises first and second exhaust gas treatment devices (12, 13) and a secondary air supply system (14; 20) for supplying secondary air into an exhaust gas conduit (11) between the first and second exhaust gas treatment devices (12, 13). The secondary air supply system (14; 20) is activated only when the engine load is greater than a predetermined load value and/or when the engine speed is greater than a predetermined speed value. Under such conditions, the air-fuel ratio of the engine is maintained at a value lower than the stoichiometric value in order to supply a rich mixture to the engine. In one example, the electronic controller (E) is programmed to control activation of the secondary air supply system based on a map as a function of values of engine load and engine speed. The map is predetermined according to the specific characteristics of the engine.)

控制机动车辆的火花点火式内燃机的排放物的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于控制火花点火式内燃机的排放物的系统，该类型的系统包括：

- 用于内燃机的废气的导管，

- 第一废气处理装置和第二废气处理装置，第一废气处理装置介入废气导管中，第二废气处理装置参考废气的流动方向在第一废气处理装置的下游介入废气导管中，

- 用于在第一和第二废气处理装置之间将二次空气供给到废气导管中的系统，

- 用于控制发动机的空燃比的系统，以及

- 电子控制器，其被编程为控制二次空气供给系统和用于控制空燃比的系统。

通常，用于控制空燃比的系统包括用于调节所喷射的燃料量（通过调整与发动机气缸相关联的燃料喷射器的打开持续时间）的装置和用于调节被引入气缸中的空气量的装置。

背景技术

例如在文献US- A- 3943709中描述和示出了上述类型的系统。

二次空气供给系统是众所周知的，并且长期以来已一直用于火花点火式内燃机中，以便在发动机预热期间改进发动机行为并且还以便加速催化转化器的预热过程。二次空气供给系统还主要用于摩托车的发动机中，用于摩托车的发动机利用具有代替三元催化转化器的氧化催化转化器的处理系统，三元催化转化器在汽车应用中更为常见。

二次空气供给系统领域中最常规的解决方案旨在使燃烧稳定以及在发动机预热期间更快速地预热催化转化器。在这些更常规的解决方案中，发动机以浓空气/燃料混合物（即，燃料量大于对应于化学计量比的燃料量）操作。在发动机排气阀的下游和催化转化器的上游供给二次空气。因此，二次空气用于完成催化转化器上游和催化转化器内的氧化反应，并且由于在发动机以浓混合物操作时所产生的大量碳氧化物和未燃烧的碳氢化合物的存在而产生的放热反应，二次空气还用于提供催化转化器的更快预热。

在例如文献US-A-5388402、US-A-5410872、US-A-5412943、US-A-5456063、US-A-5666804、US-A-6978600、US-A-5519992中也公开了这种类型的解决方案。

如前所述，从文献US-A-3943709已知一种具有已经在本说明书开始时指定的特征的系统。这种已知的解决方案提出了具有两个催化转化器的系统。第一转化器被用作还原转化器，用于还原氮氧化物（NO_xs），而第二转化器是氧化转化器，用于氧化碳氢化合物（HCs）和一氧化碳（COs）。在这种已知的解决方案中，二次空气供给系统被配置成用于不仅在第一转化器和第二转化器之间引入二次空气，而且还在第一转化器的上游引入二次空气。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种用于控制火花点火式内燃机的排放物的系统和方法，该系统和方法能够在发动机的所有操作条件下获得非常降低的水平的有害排放物。

本发明的特别的目的是在高发动机负载和/或高发动机速度下也减少有害排放物，同时以超过化学计量水平的浓空气/燃料混合物操作发动机，以便保护发动机部件（由于汽油减少了进入空气的热量）。

本发明的另外的目的是提供一种上述类型的系统，该系统使得能够降低发动机部件、排气导管、涡轮增压器（如果有的话）和催化转化器的温度。

本发明的另外的目的是实现上述目标，同时由于设计具有更高压缩比的发动机的可能性而还降低在发动机所有操作条件下的燃料消耗，以便改进高发动机负载和高发动机速度下的燃烧。

本发明的另外的目的是提供一种上述类型的系统和方法，所述系统和方法还防止可能在发动机中产生反压力的颗粒积聚。

发明概述

考虑到实现一个或多个上述目标，本发明提供了一种用于控制机动车辆的火花点火式内燃机的排放物的系统，该系统包括：

- 用于内燃机的废气的导管，

- 第一废气处理装置和第二废气处理装置，第一废气处理装置介入废气导管中，第二废气处理装置参考废气的流动方向在第一废气处理装置的下游介入废气导管中，

- 用于在第一和第二废气处理装置之间将二次空气供给到废气导管中的系统，

- 用于控制发动机的空燃比的系统，

- 电子控制器，其被编程为控制二次空气供给系统和用于控制空燃比的系统，

所述系统的特征在于：

- 二次空气供给系统被配置成仅在第一和第二废气处理装置之间将二次空气供给到废气导管中，

- 第二废气处理装置被布置成离第一废气处理装置足够远，以便获得第二废气处理装置中的温度相对于第一废气处理装置中的温度低至少50℃，

- 电子控制器被编程为：在发动机的负载大于预定负载值时和/或在发动机转速大于预定速度值时，激活二次空气供给系统，

- 电子控制器被编程为：在发动机的负载低于所述预定负载值时和/或在发动机转速低于所述预定速度值时，将空燃比基本保持在化学计量值处，

- 电子控制器被编程为：在发动机的负载大于所述预定负载值时和/或在发动机转速大于所述预定速度值时，将空燃比保持在低于化学计量值的值（优选地不大于化学计量值的95%）处，以便将浓混合物供给到发动机，以及

- 电子控制器被编程为：使得在二次空气供给系统被激活时，基于布置在第二废气处理装置下游的λ（lambda）探测器发出的信号来控制二次空气的量，以便在第二废气处理装置中提供具有化学计量的空燃比或大于化学计量的空燃比的混合物。

在内燃机被压缩机（压缩机由废气致动的涡轮机驱动）增压的情况下，二次空气供给系统可包括例如电子控制阀，该电子控制阀介入导管中以用于将空气供给到压缩机下游的发动机，并且具有在第一和第二废气处理装置之间连接到废气导管的出口。替代地，二次空气供给系统可包括空气供给辅助管线和沿着该辅助管线布置的电驱动的泵。

优选地，当二次空气供给系统被激活时，上述电子控制器被编程为还基于第二废气处理装置中的废气温度的检测值或计算值来控制二次空气的供给。

在实际实施例中，电子控制器被编程为基于作为发动机负载和发动机转速的值的函数的映射来控制二次空气供给系统的激活，如将在下文中更详细地说明的。

第二废气处理装置可以是氧化（二元）催化转化器或三元催化转化器或用于汽油发动机的汽油颗粒过滤器（GPF），或者是与GPF相关联的三元催化转化器。第一废气处理装置优选为三元催化转化器。

同样优选地，第二废气处理装置设置成在地板面板下方布置在机动车辆的外部，而第一废气处理装置设置成在地板面板上方位于机动车辆的内部。

由于上述特征，根据本发明的系统能够实现几个重要的优点。首先，本发明能够在所有操作条件下（包括在高发动机负载和/或高发动机速度下的操作条件下）在高比功率的发动机中获得受控的和减少的有害排放物。发动机在这些条件下操作，同时保持排气系统处于相对降低的温度。本发明能够将有害排放物减少到与未来法规一致的值，并且避免在高负载和高速度下供给到发动机的混合物的轻微富集可能意味着排放物在这些条件下的相关改变。

总之，本发明在所有操作条件期间保持汽油发动机的有害排放物基本恒定。

另外的优点在于降低了发动机部件、排气导管、涡轮增压器（如果存在的话）和催化转化器的温度。当以中/低发动机负载和速度操作时，有害排放物也减少了。由于在高负载和高发动机速度下增加压缩比和改进燃烧的可能性，在所有操作条件下，发动机的性能得以保持且消耗得以改进。

在使用用于汽油发动机的汽油颗粒过滤器（GPF）（其提供4元功能）的情况下，不仅获得了使HC、CO和NOx排放物最小化的结果，而且还避免了颗粒过滤器中大量的颗粒可能积聚而足以增加发动机中的反压力，这种结果也有益于发动机性能和燃料消耗的减少。

电子控制器可以被编程为在发动机预热期间激活二次空气供给系统，还用于在低发动机负载下预热第二废气处理装置，或者用于使颗粒过滤器（GPF）再生（如果提供了颗粒过滤器的话）。

附图说明

从下面参照附图的描述，本发明的另外的特征和优点将变得显而易见，这些附图纯粹通过非限制性示例给出，其中：

图1示出了根据本发明的系统的第一实施例的示意图，

图2示出了本发明系统的第二实施例的示意图

图3、4是示出本发明的操作原理的示意图。

在图1、2中，共同的部分由相同的附图标记表示。

具体实施方式

在附图中，附图标记1大体表示用于控制使用汽油来操作的火花点火式内燃机的排放物的系统。附图标记2表示具有多个气缸（未示出）的发动机机体，进气歧管3和排气歧管4与这些气缸相关联。进气歧管3接收待通过进气导管5供到发动机的空气。在图1的示例中，在进气歧管3的上游存在依次介入进气导管5中的用于给发动机增压的压缩机6、用于冷却供给空气的装置8和节流阀9，压缩机6由发动机废气致动的涡轮7驱动。

存在与发动机气缸相关联的电磁致动的相应燃料喷射器，燃料喷射器由方框10表示。发动机2的排气歧管4将废气输送到排气导管11中，存在介入排气导管11中的用于驱动压缩机6的涡轮7、第一废气处理装置12和第二废气处理装置13。

发动机2还设置有用于将二次空气供给到发动机排气导管11中的二次空气供给系统。在图1的解决方案的情况下，二次空气供给系统包括电子控制的阀14，其通过管线14A连接到导管11。

参考图1，方框E示意性地表示电子控制器，该电子控制器被编程为借助于喷射器10控制燃料到发动机中的喷射并借助于阀14控制二次空气的供应。

附图没有示出形成燃料喷射控制系统的一部分的所有细节，尤其包括位于装置12上游和下游的λ探测器（装置12通常是催化转化器），附图也没有示出用于控制节流阀9的系统，其可以是任何已知的类型。

电子控制器E被编程为还基于布置在第二废气处理装置13下游的λ传感器16发出的信号且还基于用于感测第二废气处理装置13下游的废气温度的传感器17发出的信号来控制喷射器10和阀14。代替传感器17，电子控制器E可以被编程为将第二废气处理装置13下游的废气温度值计算为发动机的操作参数的函数。

图2与图1的不同之处在于，发动机不是增压发动机。在这种情况下，二次空气通过辅助管线18供给，辅助管线18从用于向发动机供给空气的主管线5导出。泵19被介入管线18中，泵19由电动马达20驱动，电动马达20的操作由电子控制器E控制。泵19也可以被机械地驱动，例如由发动机驱动。

无论实施例如何，重要的是第二废气处理装置13被布置成离第一废气处理装置12足够远，以便获得第二装置13中的废气温度相对于第一废气处理装置12中的温度低至少50℃。

在根据本发明的系统中，电子控制器E被编程为：仅在发动机负载大于预定负载值时和/或仅在发动机转速大于预定速度值时激活二次空气供给系统。

当二次空气的供给未被激活时，电子控制器E被编程为将空燃比基本保持在化学计量值处。相反，当二次空气的供给被激活时，电子控制器E被编程为将空燃比保持在低于化学计量值的值（例如不大于化学计量值的95%）处。

此外，当二次空气供给系统被激活时，电子控制器被编程为还基于由λ探测器16发出的信号而根据闭环策略来控制二次空气的量，以便在第二废气处理装置13中提供具有对应于化学计量值或大于化学计量值的空燃比的混合物。

如前所述，优选地，电子控制器E还考虑装置13中废气温度的检测值或计算值。

在一个实际实施例中，电子控制器被编程为基于作为发动机负载和发动机转速的值的函数的映射来控制二次空气供给系统的激活，诸如纯粹通过图3中的示例说明的。在该图中，线m下方的区域A是与发动机在没有二次空气的情况下操作相关的区域，其中发动机气缸中的空燃比基本上对应于化学计量值。线m和n之间的区域B是与发动机在有二次空气的情况下操作相关的区域，其中发动机气缸中的空燃比低于化学计量值（即，具有浓混合物）。图4示出了另一个示意图，该图示出了对于给定的发动机转速（在该具体情况下为5000rpm），所谓的λ值（空燃比/化学计量比）和作为发动机负载的函数的二次空气质量流量的变化的相对变化。

如图所示，在该示例的情况下，在低于最大负载的85%的范围内，该系统在没有二次空气的情况下操作。在较高的负载下，二次空气被激活，以使得气缸中的λ值同时降低。阈值因发动机而异。对于最新一代的涡轮增压发动机，最大负载的85%的可对应于15-27巴的BMEP（制动平均有效压力）。对于非增压发动机，负载的85%可对应于5-9巴的BMEP。然而，这些值与具体示例关联，并且可根据发动机的特性而有很大的变化。

通常，图3的映射的配置可根据发动机的特性而有很大的变化。

在优选实施例中，第二废气处理装置13或者是氧化催化器（也称为“二元”催化转化器），或者是三元催化器（也称为三价催化器），或者是用于汽油发动机（GPF）的汽油颗粒过滤器。第一废气处理装置12优选为三元型。

为了确保两个废气处理装置12、13之间有足够的距离，并且为了充分降低第二装置13上游的废气温度，可以设置的是：第二废气处理装置13在地板面板下方布置在机动车辆外部，而第一装置12在底板面板上方设置成位于机动车辆内部。

本发明由此达到了使火花点火式发动机的有害排放物在中/高发动机转速和中/高发动机负载下最小化以及同时减少NOx、CO和HC排放物的目的。特别地，除了中/高发动机转速和中/高发动机负载的条件之外，发动机在所有操作条件下都以化学计量的混合物操作。在这些条件下，发动机以稍浓的混合物操作，以同时实现更高的燃烧速度、对发动机性能具有有益影响的更好的燃烧正时、以及更低的氮氧化物产物。通过使用常规的催化转化器，相对于发动机以化学计量的混合物操作的条件，将获得高得多的HC和CO排放物。相反，如果发动机在化学计量条件下操作，则燃烧将会恶化，并且除此之外，温度、特别是催化转化器中的温度将由于会在催化转化器中反应的氧气的存在而升高，以至于大大提高其温度。因此，发动机的性能将会受排气系统、催化转化器和涡轮增压器的更高温度限制。为了避免这个缺点，所提出的解决方案利用二次空气系统和两个催化转化器。第二转化器定位成远离第一转化器，以使得能够降低废气的温度，并使得该转化可容许氧气存在下的有害排放物。特别地，如所指出的，第二催化转化器可以布置在机动车辆面板下方，特别是在具有前发动机的机动车辆中，并且通常远离第一催化转化器，其距离足以使得第二转化器的温度能够相对于第一转化器的温度降低至少50℃。二次空气以一定量在第一转化器的下游被引入，以便在第二转化器中提供具有对应于化学计量值或大于化学计量值的空燃比的混合物，以便获得由于缺乏氧气而未被第一催化转化器处理的有害排放物的高效氧化。通过使用该系统，在发动机的所有操作条件下，包括上述最关键的条件（中/高转速和中/高发动机负载）下，都获得了降低的有害排放物水平。如已经指出的，第二催化转化器可以是氧化催化转化器、三元催化转化器（TWC）或浸渍转化器（GPF），以便不仅处理微粒和颗粒排放物，而且还处理其他有害排放物（HC、CO、NOx）。如前文已经指出的，除了催化转化器12之前和之后的λ探测器之外，发动机控制系统还必须包括能够控制二次空气的量的传感器，以提供如上所述的空气/燃料比例。特别地，该系统必须在第二催化转化器之后包括至少一个线性λ探测器，以便能够调整混合比，在该系统中利用闭环策略来调整二次空气的质量流量。

用于控制二次空气的策略由发动机的电子控制器在中/高转速和负载下通过激活二次空气的引入、通过调整发动机混合比以及通过基于λ探测器的信号调整空气量来激活。基于发动机的空燃比和在第一催化转化器下游引入的二次空气的量，可以通过数学模型计算第二转化器上游的温度，以避免第二催化转化器过热，或替代地，可以提供对温度的直接测量。如果提供位于地板面板下方的具有四元功能的GPF，则必须监测GPF上游压力和下游压力之间的差。

电子控制器可以被编程为在发动机预热期间激活二次空气供给系统，还用于在低发动机负载下预热第二催化转化器，或者用于在提供颗粒过滤器的情况下使颗粒过滤器（GPF）再生。

根据本发明的系统还在增压发动机的具体情况下提供另外的优点。在发动机操作的一些领域中，特别是在低转速（例如高达3000 rpm）和高发动机负载下，需要高增压压力以及低空气流量。在这种条件下，可以激活二次空气供应系统，以增加压缩机的空气流量。以这种方式，获得了压缩机效率的增加，并且同时避免了压缩机自身的泵送效应的风险。以这种方式配置的系统在低转速下提供发动机最大扭矩的增加和/或选择更大尺寸的压缩机，其在高功率（高负载和高转速）下具有优势。当涡轮增压器连接到电动马达时，这种优势更加明显。在这种情况下，由于驱动压缩机的电动马达的存在，可以选择明显更大的压缩机，以便通过激活二次空气系统在低转速下获得非常高的最大扭矩。事实上，由于压缩机尺寸的增加，在高负载和高转速下，获得了涡轮增压器的更高效率，以及对发动机性能和燃料消耗的益处。

理所当然地，虽然本发明的原理保持相同，但是在不脱离本发明的范围的情况下，结构和实施例的细节可相对于已经纯粹通过示例描述和说明的内容有很大的变化。