專利名稱：采用電熱催化劑的混合冷起動策略的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及改進的排放控制，更具體地涉及用于起動混合動力策 略中的內(nèi)燃發(fā)動才幾的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
這一部分的說明僅僅提供與本發(fā)明有關的背景技術而并不構成現(xiàn) 有技術。
混合動力車輛包括內(nèi)燃發(fā)動機和電動機以向車輛提供驅動?；旌?動力車輛包括串聯(lián)混合和并聯(lián)混合。在串聯(lián)混合中，設置發(fā)動機使產(chǎn) 生車輛驅動動力的發(fā)動機運行。在并聯(lián)混合中，電動機和發(fā)動機可以 單獨或一起驅動車輛，發(fā)動機另外給用于電動機的電源(電池)充電。
混合動力車輛往往通過在車輛怠速或低速移動的同時僅利用電動 機來提高燃料效率并降低車輛排放?；旌蟿恿囕v可以比常規(guī)車輛承 載更小的發(fā)動機并且可以:故構造成在電動機的可再次充電電池的電量 下降到預定等級以下或者當混合動力車輛需要另外的功率輸入時運行 發(fā)動機。需要另外的功率輸入的通常情況包括對電動機和車輛的快速 加速和高負載要求。車輛的這種操作會導致發(fā)動機頻繁起動和停車。
為了降低排放，發(fā)動機控制燃燒的燃料量。發(fā)動機控制系統(tǒng)控制 空氣-燃料比達到最佳化學計量比。在最佳化學計量比上，所有燃料利 用空氣中的所有氧氣都得到燃燒。
最新的車輛裝有三通催化轉化器。"三通，，指的是催化轉化器有
助于降低的三種排放——氧化碳、揮發(fā)性有機化合物(VOC)和NOx。 催化轉化器利用兩種不同的催化劑，還原催化劑和氧化催化劑。兩種 催化劑包括涂敷金屬催化劑通常為鉑、銠和/或鈀的陶瓷結構。催化轉 化器使催化劑承受廢氣流，同時因催化劑材料的高成本而將所需催化 劑的量降至最少。
在催化轉化器中采用兩種主要類型的結構一蜂窩和瓷珠。還原催 化劑是催化轉化器的第 一 階段，通常采用鈀和銠以有助于降低NOx排 放。當NOx分子接觸催化劑時，催化劑將氮與分子分離，吸住氮并使Ox形式的氧自由。氮與同樣由催化劑吸住的其它氮結合，形成N2。 例如
2NO=> N2+02或2N02 =>N2+202
氧化催化劑是催化轉化器的第二階段，通過使未燃燒的碳氫化合 物和一氧化碳在鉑和鈀催化劑上燃燒(氧化它們)來降低它們。氧化 催化劑利用在廢氣中的剩余氧與CO和碳氫化合物起反應。例如
2CO+02=>2C02
第三階段是控制系統(tǒng)監(jiān)控廢氣流并利用信息控制燃料噴射系統(tǒng)。 通常，氧傳感器安裝在發(fā)動機與催化轉化器之間。氧傳感器感測廢氣 中的氧。發(fā)動機控制系統(tǒng)通過調節(jié)空氣-燃料比提高或降低廢氣中的含 氧量。發(fā)動機控制系統(tǒng)確保發(fā)動機接近最佳化學計量比運行并且在廢 氣中有足夠的氧以使氧化催化劑可以點燃未燃燒的碳氬化合物和CO。
催化轉化器僅在相當高的溫度下工作。當發(fā)動機首次起動時，催 化轉化器不能有效去除廢氣中的排放物，直至催化轉化器達到被稱為
點火溫度的操作溫度。"點火溫度"是CO或HC的轉化效率已經(jīng)達到 50%的點。起動催化轉化器需要被預熱到點火溫度或者進行冷起動的 發(fā)動機是在混合動力車輛上特有的重復動作，在常規(guī)操作過程中使發(fā) 動機反復起動、停車和重啟。
發(fā)動機冷起動的一種常規(guī)方案是將催化轉化器移動到靠近發(fā)動 機。更熱的廢氣達到催化轉化器并將發(fā)動機快速加熱。該方法往往因 使催化轉化器承受極高溫度而降低了其壽命。通常，催化轉化器位于 前排乘客座椅下方；足夠遠離發(fā)動機以保持溫度下降到不會損害發(fā)動 機。
對催化轉化器進行預加熱或補充加熱是減少催化轉化器達到點火 溫度所需時間的另 一常規(guī)方式。加熱轉化器最容易的方式是采用例如 可以在加熱元件中發(fā)現(xiàn)的電阻加熱器。這些"外部，，加熱器布置在催 化轉化器的上游，對進入轉化器的過路廢氣進行補充加熱。加熱元件 可以包含催化材料。 一旦與加熱元件聯(lián)合的催化劑達到點火溫度，發(fā) 動機廢氣將氧化同時通過加熱元件催化劑。這樣的氧化將另外的熱量 釋放到廢氣中，同時快速將催化轉化器溫度提高到點火溫度。
在大多車輛上的12伏電力系統(tǒng)不能提供足夠的熱量足夠快速地對 加熱元件進行預加熱。駕駛員在起動車輛之前必須等待幾分鐘，使加熱元件得到預加熱。沒有預加熱，流過加熱元件的廢氣將冷卻與加熱 元件相聯(lián)合的催化劑并增加達到點火溫度所需的時間。

發(fā)明內(nèi)容
操作發(fā)動機控制系統(tǒng)的方法包括產(chǎn)生發(fā)動機起動信號，確定是否 存在冷起動條件，根據(jù)冷起動條件激活電熱催化劑，確定電熱催化劑 溫度以及根據(jù)發(fā)動機起動信號和電熱催化劑溫度選擇性起動發(fā)動機。
此外，本發(fā)明涉及一種發(fā)動機控制系統(tǒng)，包括確定發(fā)動機條件的
冷起動確定模塊。EHC控制模塊選擇性激活電熱催化劑。EHC溫度模 塊確定電熱催化劑溫度。發(fā)動機致動模塊可操作地根據(jù)冷起動確定和 電熱催化劑溫度選擇性起動發(fā)動機。
從在此提出的描述中將會清楚地了解到其它應用領域。應該認識 到所述描述和具體實例僅僅是為了示例說明，而并不是要限制本發(fā)明 的范圍。


在此描述的附圖僅僅是示例性的，而絕不是要限制本發(fā)明的范圍。
圖1是包括多個催化轉化器和電熱催化劑的混合動力車輛發(fā)動機 控制系統(tǒng)的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明包括單個催化轉化器和電熱催化劑的混合動力 車輛發(fā)動才幾控制系統(tǒng)的示意圖3是圖1和2所示的發(fā)動機控制模塊單元的框圖；以及
圖4罷裊S報棍太勞印 步驟的流程圖
具體實施例方式
以下描述實質上僅僅是示例性的，并不是要限制本發(fā)明公開的內(nèi) 容、應用或用途。為了清楚的說明，在附圖中采用相同的附圖標記表 示相似的元件。在此采用的術語"模塊"指的是專用集成電路(ASIC )、 電路、執(zhí)行一個或多個軟件或硬件程序的處理器(共用、專用或組) 和存儲器、組合邏輯電路、和/或其它提供所需功能的適當部件。
現(xiàn)在參照圖1,混合動力車輛10包括具有多個氣缸14的內(nèi)燃發(fā)動機12和電動機16。發(fā)動機12與向變速器20提供旋轉動力的輸出軸18 相連。發(fā)電機22由發(fā)動機12驅動并向可再充電電池24提供充電電流。 電動機16將來自電池24的動力轉化為積4戒動力。該枳4成動力^皮施加 在變速器20的輸入軸上。變速器20聯(lián)合來自發(fā)動機12和電動機16 的動力以向驅動橋23提供動力。發(fā)動機12和電動機16可以同時或獨 立提供驅動。
發(fā)動機12還與廢氣歧管26相連。廢氣歧管26將來自發(fā)動機12 的廢氣28引導多個多個催化轉化器30-1, 30-2, 30-3 (總稱為30)。 所述多個催化轉化器30可以是三通催化轉化器。催化轉化器30-1 ，30-2 可以閉合安裝在發(fā)動機12上以提高它們的加熱點火效率。
催化轉化器30-3與加熱元件32例如向催化轉化器30-3提供補充 加熱的電熱催化劑(EHC )32相聯(lián)合。補充加熱減少了催化轉化器30-3 點火所需的時間?？梢哉J識到，EHC32可以是獨立組件或一體形成為 催化轉化器30-3的一部分。催化轉化器30-3可以由可再次充電電池24 提供動力。催化轉化器30-3和EHC 32可以整體"附加"在現(xiàn)有的廢 氣系統(tǒng)結構上。
混合動力車輛IO可以是可拆卸式混合。"可拆卸(plug-in)"指 的是包括相對較大的可再次充電電池24從而延長電池24再次充電時 間的混合動力車輛。因此可以通過使發(fā)動才幾12關閉更長時間而相應節(jié) 省燃料且降低排放?？刹鹦妒交旌想姵?4還可以在行駛之余從外部再 次充電，從而無需運行發(fā)動才幾12就可以對電池24提供充電。
發(fā)動機控制模塊40與EHC 32、發(fā)動機12、電動機16、電池24 通信并接收來自多個傳感器的輸入。這些傳感器可以包括發(fā)動機冷卻 劑溫度傳感器42和環(huán)境溫度傳感器44、以及位于發(fā)動機12與催化轉 化器30-l， 30-2之間的多個氧傳感器46-1， 46-2(總稱為46)。氧傳 感器46感應廢氣中的含氧量以適當調節(jié)準確化學計量所需的空氣-燃 料比。可以認識到，氧傳感器46可以位于其它位置或^皮省去。例如， 其它氧傳感器48-1, 48-2 (總稱為48)提供有關催化轉化器30-1, 30-2 的診斷信息并且可以位于多個催化轉化器30-1, 30-2的下游。消聲器 50位于催化轉化器30-3的下游。
還向發(fā)動機控制才莫塊40提供表示EHC 32溫度的信號52。EHC 32 的溫度可以通過傳感器54直接測量或者發(fā)動機控制模塊40可以估計EHC溫度。可以向發(fā)動機控制模塊40提供各種數(shù)據(jù)包括穿過EHC 32 的電流、向EHC32供給的電壓、穿過EHC 32的廢氣28的體積流速 以及每個參數(shù)所經(jīng)歷的時間，以估計溫度。
下文將更詳盡地描述的是，在發(fā)動機12起動之前，發(fā)動機控制模 塊40確定催化轉化器30-3是否需要補充加熱。如果發(fā)動機冷卻劑溫度 在預定溫度以上，則不存在冷起動狀況并且可以在不激活EHC 32的情 況下起動發(fā)動機12。如果發(fā)動機冷起動條件，則發(fā)動機控制模塊40將 激活EHC 32并延遲起動發(fā)動才幾12,直至EHC 32加熱達到預定溫度。 預定溫度值可以被設定為使排放降低效率達到所需需要的溫度，盡管 如此，可以采用其它設定點和/或百分比。該溫度可以;故稱為EHC點火 溫度。
在起動發(fā)動機12之前，EHC 32可以在5-120秒內(nèi)達到點火溫度。 然而，由于一旦廢氣開始穿過EHC 32和催化轉化器30-3則發(fā)生冷卻， 因此EHC 32可能在發(fā)動機起動之后的一端時間周期內(nèi)保持激活。更具 體地，EHC32保持激活，直至催化轉化器30-3本身無需由EHC32提 供補充能量就可以保持在預定溫度。
發(fā)動機控制才莫塊40可以評估包括環(huán)境空氣溫度、發(fā)動機冷卻劑溫 度、廢氣流動以及向EHC 32提供的動力這些數(shù)據(jù)以估計EHC 32在發(fā) 動機起動之后應該得到激活的時間。發(fā)動機控制才莫塊40可以考慮其它 信息，包括空氣-燃料比和火花延遲數(shù)據(jù)以估計催化轉化器30-3內(nèi)催化 劑的溫度。這種估計被用于在EHC 32去激活之后確定催化轉化器30-3 的溫度是否保持在預定溫度以上。
在常規(guī)操作條件下，發(fā)動機控制模塊40將保持發(fā)動機12關閉， 同時EHC 32加熱達到目標溫度。 一旦EHC 32達到溫度，則發(fā)動機12 將起動并且繼續(xù)向EHC32供給動力，直至發(fā)動機控制模塊40在EHC
EHC 32可以得到去激活。
通過實施備選發(fā)動4幾控制方法可以4吏EHC 32在發(fā)動才幾起動之后 保持激活的時間周期降至最少。下文所述的方法不是必需的，而是可 以提供其它技術，用于減少EHC32激活時間。減少EHC32激活時間 的一種方法包括將空氣-燃料比設定在化學計量比或更貧。發(fā)動機廢氣 產(chǎn)物在穿過EHC 32時與空氣-燃料混合物中存在剩余氧氣化合并氧化。這種放熱反應向廢氣28中釋放另外的熱量并快速加熱催化轉化器 30-3。利用廢氣28氧化所產(chǎn)生的另外的熱量增大到比由EHC 32單獨 釋放的熱量的等級更高的等級。因而，EHC32因催化轉化器30-3本身 的快速加熱而在發(fā)動機起動之后立刻得到去激活。
減少EHC32激活時間的另一方法包括延遲點火時間。例如，點火 時間可以被設定為在上止點之后使廢氣2 8的溫度提高。
在某些條件下，例如當電池24需要再次充電或者混合動力車輛10 需要最大功率時，發(fā)動機12可以在EHC 32激活之前起動。如果發(fā)動 機12起動同時催化轉化器30-3處于目標操作溫度以下，則EHC32可 以在發(fā)動機已經(jīng)起動之后得到激活以減少催化劑30-3達到目標溫度所 需的時間。以前描述的各種發(fā)動機操作策略還可以;波用于進一步減少 EHC 32激活所需的時間。
現(xiàn)在參照圖2，混合動力車輛80部分示出，并包括單個催化轉化 器30-3。與車輛10相比，去掉了多個閉合安裝的催化轉化器30-1，30-2。 催化轉化器30-3可以包括EHC 32,或者EHC 32可以位于催化轉化器 30-3的上游。氧傳感器46位于廢氣歧管26與催化轉化器30-3之間。 催化轉化器30-3可以包括位于共用殼體內(nèi)的上游催化劑62和下游催化 劑64。另一氧傳感器66可以位于上游催化劑62與下游催化劑64之間 的催化轉化器30-3內(nèi)。氧傳感器66可以由發(fā)動機控制模塊40采用以 監(jiān)控和調節(jié)EHC 32和催化轉化器單元30-3的操作。
現(xiàn)在參照圖3,進一步詳細示出發(fā)動機控制才莫塊40。發(fā)動機控制 模塊40包括冷起動確定模塊100、 EHC控制模塊102、 EHC溫度模塊 104、發(fā)動才幾致動才莫塊106以及EHC優(yōu)化4莫塊108。冷起動確定才莫塊 IOO確定是否存在冷起動條件。在一種實例中，冷起動確定模塊100將 由來自溫度傳感器42的輸出提供的測定的發(fā)動機冷卻劑溫度與預定限 值進行比較。如果發(fā)動機冷卻劑溫度低于限值，則存在冷起動條件。 冷起動確定模塊100與EHC控制模塊102連通。如果冷起動條件存在 并且其它車輛條件不能補償EHC激活，則EHC控制才莫塊102控制EHC 32的激活。EHC控制模塊102與EHC溫度模塊104連通。EHC溫度 模塊104可以通過傳感器例如溫度傳感器54接收表示EHC 32溫度的 信號。
在備選方案中，EHC穩(wěn)定模塊104可以通過監(jiān)控向EHC 32提供電流量值和電壓量值的時間來估計EHC 32的溫度。 一旦EHC溫度模 塊104確定已經(jīng)達到預定溫度，則與發(fā)動機致動才莫塊106形成連通。 發(fā)動才幾致動沖莫塊106起動發(fā)動才幾12。 EHC控制才莫塊102可以在發(fā)動4/L 12起動之后繼續(xù)激活EHC 32,直至確定催化轉化器30-3保持足以滿 足發(fā)動機排放標準的溫度。EHC優(yōu)化模塊108可以延遲火花點燃時間 或改變空氣-燃料比以使激活EHC 32所需的時間降至最少。
現(xiàn)在參照圖4,流程圖表示通過采用電熱催化劑提高內(nèi)燃發(fā)動機排 放的方法200。方法200可以作為存儲在與計算機相聯(lián)合的計算機存儲 器中的計算機程序得到執(zhí)行。計算機和計算機存儲器可以包含在發(fā)動 機控制模塊40中。
在步驟202,接收起動發(fā)動機指令。在步驟204,控制方法確定是 否存在冷起動條件。當發(fā)動機冷卻劑溫度低于限值T時，存在冷起動 條件并且控制方法繼續(xù)執(zhí)行到步驟206,在該步驟估計電池電量。然而， 如果發(fā)動機冷卻劑溫度高于或等于T，則在步驟208起動發(fā)動機12。 在步驟210發(fā)動才幾12的纟喿作回到缺省，并且方法200在212結束。
在步驟206，發(fā)動機控制模塊40確定電池24的電量是否已經(jīng)下降 到預定量級以下。如杲電池24的電量低于預定量級，則在步驟214發(fā) 動^/Ll2起動。如果電池24的電量不低于預定量級，則在步驟215繼續(xù) 執(zhí)4亍4空制方法。
在步驟215， EHC32得到激活并且控制方法繼續(xù)執(zhí)行到步驟216。
在步驟216,控制方法確定EHC32的溫度是否大于或等于預定溫 度T1。在消耗至少50%廢氣產(chǎn)物的情況下，預定值T1可以與點火溫 度相關聯(lián)。同樣可以采用其它溫度值。如果為否，則EHC32繼續(xù)得到 激活。如果為是，控制方法繼續(xù)執(zhí)行到步驟218。
在步驟218,起動發(fā)動機12。在發(fā)動機起動之后，控制方法繼續(xù) 執(zhí)行到步驟219。步驟219是備選的并涉及將EHC 32的激活時間降至 最少的發(fā)動機操作控制。特別地，步驟219可以延遲點火時間以提高 廢氣溫度并減少EHC 32需要得到激活的時間量。另外，在步驟219 中，空氣-燃料比可以被設定為化學計量比或比化學計量比更貧的值以 使由催化轉化器30-3內(nèi)發(fā)生的氧化和還原反應產(chǎn)生的能量輸出最大。 時間延遲可以與空氣-燃料比的修正相一致或相獨立，反之亦然。
在步驟220， EHC 32繼續(xù)得到激活?？刂品椒ɡ^續(xù)執(zhí)行到步驟222，在該步驟中控制方法確定在EHC 32未得到激活的情況下催化轉化器 30-3是否保持在所需溫度以上。如杲需要另外的能量輸入，EHC32繼 續(xù)得到激活。如果系統(tǒng)包括足夠能量來使催化轉化器30-3保持在所需 的溫度，則控制方法繼續(xù)執(zhí)行到步驟224,在該步驟中中斷向EHC 32 提供動力?？刂评^續(xù)執(zhí)行到步驟226,在該步驟中進入缺省發(fā)動機操作。 方法200在步驟228結束。
此外，以上論述僅僅公開和描述了本發(fā)明的示例性實施方式。本 領域技術人員從這些論述并從附圖和權利要求中4艮容易認識到在不脫 離由以下權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以對本發(fā)明 做出多種變化、修改和變形。
權利要求
1.一種發(fā)動機控制系統(tǒng)，包括確定發(fā)動機條件的冷起動確定模塊；選擇性激活電熱催化劑的EHC控制模塊；確定所述電熱催化劑溫度的EHC溫度模塊；以及可操作地根據(jù)所述冷起動確定和所述電熱催化劑溫度選擇性起動發(fā)動機的發(fā)動機致動模塊。
2. 如權利要求1所述的發(fā)動機控制系統(tǒng)，其特征在于，當所述電 熱催化劑溫度處于預定溫度以上時，所述發(fā)動機致動模塊起動所述發(fā) 動機。
3. 如權利要求2所述的發(fā)動機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述EHC溫度模塊估計所述電熱催化劑溫度。
4. 如權利要求3所述的發(fā)動機控制系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)向電 熱催化劑供給電流和電壓的時間執(zhí)行所述溫度估計。
5. 如權利要求4所述的發(fā)動機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述EHC 控制模塊繼續(xù)激活所述電熱催化劑，直至可以在不激活所述電熱催化
6. 如權利i求5所述^發(fā)動機控制系統(tǒng)，其特征e在于，還包括EHC 優(yōu)化模塊，其設定上止點之后的點火時間以提高廢氣溫度并使所述催 化轉化器達到所述目標溫度所需的時間降至最少。
7. 如權利要求5所述的發(fā)動機控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括EHC 優(yōu)化模塊，其將空氣-燃料比設定為化學計量比和比所述化學計量比更 貧中的一個。
8. 如權利要求1所述的發(fā)動機控制系統(tǒng)，其特征在于，當電池的 充電狀態(tài)低于預定量值時，所述發(fā)動機致動模塊在激活所述電熱催化 劑之前起動所述發(fā)動才幾。
9. 如權利要求1所述的發(fā)動機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述EHC 溫度模塊直接測量所述電熱催化劑溫度。
10. —種操作混合動力車輛中的發(fā)動機控制系統(tǒng)的方法，該方法包括產(chǎn)生發(fā)動機起動信號； 確定是否存在冷起動條件；根據(jù)所述冷起動條件激活電熱催化劑； 確定所述電熱催化劑的溫度；以及根據(jù)所述發(fā)動機起動信號和所述電熱催化劑溫度選擇性起動發(fā)動機。
11. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，激活所述電熱催化 劑包括使電流流過加熱元件以提高所述電熱催化劑的溫度。
12. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括當所述電熱 催化劑溫度處于預定溫度時起動所述發(fā)動機。
13. 如權利要求12所述的方法，其特征在于，還包括 根據(jù)對位于所述電熱催化劑下游的催化轉化器溫度的估計在所述發(fā)動機起動和所述點燃催化劑去激活之后繼續(xù)激活所述加熱元件。
14. 如權利要求13所述的方法，其特征在于，根據(jù)環(huán)境空氣溫度、 發(fā)動機流動、發(fā)動機冷卻劑溫度和火花點火時間中的至少一個執(zhí)行對 催化轉化器溫度的所述估計。
15. 如權利要求13所述的方法，其特征在于，還包括設定上止點之后的點火時間以提高廢氣溫度并使所述催化轉化器 達到預定溫度所需的時間降至最少。
16. 如權利要求13所述的方法，其特征在于，還包括 將空氣-燃料比設定為化學計量比和比所述化學計量比更貧中的一個，使所述催化轉化器達到預定溫度所需的時間降至最少。
17. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，確定是否存在冷起 動條件的步驟包括確定發(fā)動機冷卻劑溫度是否小于限值。
18. 如權利要求IO所述的方法，其特征在于，還包括當電池充電狀態(tài)小于預定量值時，在激活所述電熱催化劑之前起 動所述發(fā)動機。
19. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，直接測量所述電熱 催化劑的所述溫度。
20. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，估計所述電熱催化 劑的所述溫度。
21. 如權利要求20所述的方法，其特征在于，根據(jù)向所述電熱催 化劑供給電流和電壓的時間執(zhí)行對所述電熱催化劑的所述溫度估計。
全文摘要
本發(fā)明涉及采用電熱催化劑的混合冷起動策略。提供一種操作發(fā)動機控制系統(tǒng)的方法包括產(chǎn)生發(fā)動機起動信號、確定是否存在冷起動條件、根據(jù)所述冷起動條件激活電熱催化劑、確定所述電熱催化劑的溫度；以及根據(jù)發(fā)動機起動信號和電熱催化劑溫度選擇性起動發(fā)動機。
文檔編號B60K6/24GK101306685SQ200810099570
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月15日 優(yōu)先權日2007年5月15日
發(fā)明者E·V·貢澤, F·阿門特, H·G·桑托索 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司