СПОСОБ ДИАГОНАЛЬНОЙ ПРОДУВКИ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ВЫВЕДЕНИЯ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR DIAGONAL BLOWING OF ENGINE CYLINDERS FOR DISCHARGE OF EXHAUST GASES (EMBODIMENTS)

Область техники
Настоящее изобретение, в целом, относится к способам и системам для повышения выходного крутящего момента в двигателях внутреннего сгорания с наддувом за счет использования продувочного воздуха.
Уровень техники
Характеристики двигателя можно улучшить путем использования турбонагнетателя или механического нагнетателя. Турбонагнетатель или механический нагнетатель сжимает наружный воздух, чтобы увеличить плотность воздуха, поступающего в цилиндры двигателя. Количество воздуха, запертого в цилиндре такого двигателя, увеличивается, поскольку заряд в цилиндре может иметь большую плотность, чем заряд в цилиндре двигателя без турбонагнетателя. Благодаря этому в указанный цилиндр двигателя можно впрыскивать больше топлива по сравнению с двигателем без турбонагнетателя, что приводит к увеличению крутящего момента.
Однако, в конкретных условиях (например, при малых оборотах двигателя и при полностью открытой дроссельной заслонке) двигатели с наддувом могут быть сильно ограничены детонацией, что приводит к уменьшению выходного крутящего момента. Один из способов увеличения ограниченного детонацией крутящего момента на малых оборотах заключается в том, что предусматривают возможность изменения фаз газораспределения для впускного и/или выпускного клапанов. В частности, фазами газораспределения для впускных и выпускных клапанов двигателя с турбонагнетателем можно управлять так, чтобы обеспечить возможность увеличения выходной мощности двигателя, когда впускной и выпускной клапаны цилиндра одновременно открыты, и когда давление во впускном коллекторе двигателя выше давления в выпускном коллекторе. Сжатый воздух из впускного коллектора двигателя может вытеснять отработавшие газы из цилиндра в выпускной коллектор двигателя так, что свежий заряд цилиндра (то есть, воздух и топливо) может быть увеличен. Кроме того, путем замещения запертого в цилиндре отработавшего газа свежим воздухом можно уменьшить температуру заряда. В результате, может быть снижена тенденция к детонации.
Однако, авторами настоящего изобретения были выявлены проблемы, связанные с указанным способом. Например, в период перекрытия фаз клапанов, в связи с коротким путем движения потока между впускным и выпускным клапанами, воздух, подаваемый компрессором, может вытекать в выпускные отверстия, прежде чем отработавшие газы будут полностью удалены из цилиндра. Таким образом, для очистки камеры от отработавших газов может потребоваться увеличенное количество сжатого воздуха, что может ограничивать величину наддува, которая может быть обеспечена компрессором.
Кроме того, для поддержания стехиометрического воздушно-топливного отношения в отработавших газах, может потребоваться впрыск дополнительного количества топлива в цилиндр для компенсации дополнительного воздуха, присутствующего в отработавших газах. В результате, отработавшие газы могут содержать окись углерода и водород в высоких концентрациях, которые, смешиваясь, могут вступать в экзотермические реакции с избыточным кислородом дополнительного воздуха, и которые при окислении в каталитическом нейтрализаторе могут нагревать его выше заданных температур.
Раскрытие изобретения
Согласно одному из примеров, вышеуказанные проблемы могут быть по меньшей мере частично решены посредством способа управления двигателем, содержащим цилиндр с четырьмя клапанами, причем указанный способ включает в себя этап, на котором во время первого режима из впускного коллектора в выпускной коллектор через первый впускной клапан и расположенный на диагонали с ним первый выпускной клапан, управляемые с положительным перекрытием, пропускают поток продувочного воздуха, превышающий поток, проходящий через второй впускной клапан и расположенный на диагонали с ним второй выпускной клапан цилиндра, управляемые с отрицательным перекрытием, причем первый выпускной клапан и второй выпускной клапан имеют разные фазы газораспределения.
В качестве примера, при работе двигателя в первом режиме перекрытия клапанов сжатый воздух может быть направлен из впускного коллектора через первый впускной клапан, при этом горячие остаточные газы могут быть удалены через первый выпускной клапан. Первый впускной клапан и первый выпускной клапан могут быть расположены по диагонали на головке цилиндра. В результате, при продувке газ может протекать по более длинному диагональному пути.
В одном из вариантов способ дополнительно включает в себя этап, на котором поток продувочного воздуха пропускают через указанные первый впускной клапан, второй впускной клапан, первый выпускной клапан и второй выпускной клапан во втором режиме, при этом первыми впускным и выпускным клапанами, а также вторыми впускным и выпускным клапанами, управляют с положительным перекрытием.
В одном из вариантов способа в первом режиме период подъема первого впускного клапана превышает период подъема второго впускного клапана, причем период подъема первого выпускного клапана превышает период подъема второго выпускного клапана.
В одном из вариантов способа во втором режиме положительного перекрытия клапанов период подъема первого впускного клапана равен периоду подъема второго впускного клапана, причем период подъема первого выпускного клапана равен периоду подъема второго выпускного клапана.
В одном из вариантов способ дополнительно включает в себя этап, на котором в первом режиме не создают положительное перекрытие между указанным вторым впускным клапаном и указанным вторым выпускным клапаном, при этом обеспечивают положительное перекрытие между указанным первым впускным клапаном и указанным первым выпускным клапаном, которое превышает пороговое положительное перекрытие.
В одном из вариантов способа продувочный воздух пропускают в ответ на наличие одной или нескольких из следующих ситуаций: ситуации, когда увеличение нагрузки на двигатель при неизменных оборотах превышает пороговое увеличение нагрузки, ситуации, когда обнаруживают признаки детонации, ситуации, когда частота вращения двигателя ниже пороговой частоты вращения, а требуемый крутящий момент превышает пороговый требуемый крутящий момент.
В одном из вариантов способ дополнительно включает в себя этап, на котором регулируют воздушно-топливное отношение в цилиндре для поддержания стехиометрического воздушно-топливного отношения в отработавших газах в первом режиме и во втором режиме.
В одном из вариантов способа пропускание продувочного воздуха в первом режиме также происходит в ответ на то, что температура первого выпускного клапана ниже пороговой температуры.
В одном из вариантов способ дополнительно включает в себя этап, на котором продувочный воздух пропускают вокруг дефлектора в первом впускном клапане или в первом выпускном клапане или же в обоих указанных клапанах, причем указанный дефлектор перекрывает кратчайший путь между указанным первым впускным клапаном и указанным первым выпускным клапаном.
Согласно другому варианту осуществления способ управления двигателем, включает в себя этапы, на которых: при первом цикле сгорания, обеспечивают продувку цилиндра через первую группу диагональных клапанов с положительным перекрытием клапанов, превышающим пороговое перекрытие, и не обеспечивают продувку цилиндра через вторую группу диагональных клапанов без положительного перекрытия клапанов, причем выпускные клапаны указанных групп имеют разные фазы газораспределения; и при втором цикле сгорания, обеспечивают продувку цилиндра через все четыре клапана, при этом обеими группами клапанов управляют с положительным перекрытием клапанов, превышающим пороговое перекрытие.
В одном из вариантов способа указанный первый цикл сгорания включает в себя одну или несколько из следующих ситуаций: ситуацию, когда увеличение нагрузки на двигатель при неизменных оборотах превышает пороговое увеличение нагрузки, ситуацию, когда обнаруживают признаки детонации, ситуацию, когда частота вращения двигателя ниже пороговой частоты вращения, а требуемый крутящий момент превышает пороговый требуемый крутящий момент, и ситуацию, когда температура каждого клапана из первой группы диагональных клапанов ниже пороговой температуры, при этом указанный второй цикл сгорания включает в себя одну или несколько из следующих ситуаций: ситуацию, когда температура каталитического нейтрализатора ниже температуры его активации, ситуацию, когда увеличение нагрузки на двигатель при неизменных оборотах превышает пороговое увеличение нагрузки, ситуацию, когда обнаруживают признаки детонации, ситуацию, когда частота вращения двигателя ниже пороговой частоты вращения, а требуемый крутящий момент превышает пороговый требуемый крутящий момент, и ситуацию, когда температура одного или нескольких из четырех клапанов превышает пороговую температуру.
В одном из вариантов способа при первом цикле сгорания момент открытия первого выпускного клапана первой группы клапанов совпадает с моментом открытия второго выпускного клапана второй группы клапанов, при этом момент закрытия первого выпускного клапана первой группы клапанов запаздывает относительно момента закрытия второго выпускного клапана второй группы клапанов.
В одном из вариантов способа при первом цикле сгорания момент открытия первого впускного клапана первой группы диагональных клапанов опережает момент открытия второго впускного клапана второй группы диагональных клапанов, при этом момент закрытия первого впускного клапана первой группы диагональных клапанов совпадает с моментом закрытия второго впускного клапана второй группы диагональных клапанов.
В одном из вариантов способа при втором цикле сгорания момент открытия первого выпускного клапана совпадает с моментом открытия второго выпускного клапана, момент закрытия первого выпускного клапана совпадает с моментом закрытия второго выпускного клапана, момент открытия первого впускного клапана совпадает с моментом открытия второго впускного клапана, а момент закрытия первого впускного клапана совпадает с моментом закрытия второго впускного клапана.
В одном из вариантов способ дополнительно включает в себя этап, на котором продувочный воздух пропускают вокруг частичного дефлектора одного или нескольких из четырех клапанов при наличии второго цикла сгорания.
В одном из вариантов способ дополнительно включает в себя этап, на котором предусматривают частичный дефлектор для одного или нескольких клапанов из первой группы диагональных клапанов при наличии первого цикла сгорания.
В одном из вариантов способ дополнительно включает в себя этап, на котором при наличии второго цикла сгорания подают в цилиндр более богатую воздушно-топливную смесь, а при наличии первого цикла сгорания в цилиндр подают менее богатую воздушно-топливную смесь для поддержания общего стехиометрического воздушно-топливного отношения в отработавших газах.
Таким образом, благодаря направлению газов по более длинному пути, отработавшие газы из цилиндра могут быть удалены более эффективно, при этом большее количество свежего воздуха может быть заперто в цилиндре. В результате, увеличенный воздушный заряд в цилиндре может обеспечить более высокий крутящий момент. Увеличенный крутящий момент при малых оборотах двигателя может увеличить время работы на верхней передаче, что приводит к снижению расхода топлива. Кроме того, благодаря тому, что большее количество воздуха находится в цилиндре, можно уменьшить количество воздуха, которое попадает в выпускной коллектор. В результате, цилиндр может работать на менее богатой смеси. Уменьшенное количество воздуха в выпускном коллекторе и сгорание менее богатой смеси могут уменьшить количество топлива и воздуха, которые, смешиваясь, могут вступать в экзотермическую реакцию в выпускном коллекторе. В результате, можно исключить чрезмерное повышение температуры отработавших газов, и, соответственно, избежать чрезмерного повышения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Кроме того, в результате эффективного удаления отработавших газов можно снизить температуру в цилиндре. Соответственно, пониженная температура в цилиндре может уменьшить тенденцию к детонации, что позволяет двигателю работать с большим опережением зажигания, что, в свою очередь, также может способствовать снижению температуры отработавших газов.
Таким образом, за счет обеспечения диагональной продувки можно получить более высокий крутящий момент при малых оборотах двигателя, уменьшить расход топлива, исключить чрезмерное нагревание каталитического нейтрализатора отработавших газов и снизить вероятность возникновения детонации.
Вышеприведенные и другие преимущества, а также признаки настоящего изобретения, несомненно, станут очевидными из нижеследующего раздела «Осуществление изобретения», при его рассмотрении отдельно или в совокупности с прилагаемыми чертежами.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в упрощенной форме с некоторыми идеями, которые далее будут описаны подробно. Данное краткое описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных признаков заявленного объекта изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный объект изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего описании.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показан один цилиндр из примерной двигательной системы.
На фиг. 2 схематично показана примерная двигательная система с четырехцилиндровым двигателем, содержащим турбонагнетатель.
На фиг. 3А, 3В, 3С и 3D показан пример головки цилиндра с четырьмя клапанами, а также проиллюстрировано направление газового потока при четырехклапанной продувке, двухклапанной диагональной продувке, двухклапанной продувке с дефлектором и четырехклапанной продувке с дефлектором, соответственно.
На фиг. 4 показан пример блок-схемы, иллюстрирующей алгоритм определения типа продувки в зависимости от условий работы двигателя.
На фиг. 5 показан пример блок-схемы, иллюстрирующей алгоритм обеспечения двухклапанной диагональной продувки.
На фиг. 6 показан пример блок-схемы, иллюстрирующей алгоритм обеспечения четыреклапанной продувки.
На фиг. 7 показан пример графика, иллюстрирующего фазы газораспределения, высоту подъема клапанов и периоды срабатывания при двухклапанной диагональной продувке.
На фиг. 8 представлены графики, иллюстрирующие фазы газораспределения, высоту подъема клапанов и периоды срабатывания при четырехклапанной продувке.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к способам и системам, улучшающим продувку двигательной системы, содержащей турбонагнетатель, как показано на фиг. 1-2. Контроллер, предусмотренный в двигателе, может быть выполнен с возможностью исполнения управляющих алгоритмов, представленных, например, на фиг. 4-6, для определения типа продувки (двухклапанной диагональной продувки или четырехклапанной продувки), и управления двигателем в заданном режиме продувки. Режим двухклапанной диагональной продувки, как показано на фиг. 3В, может быть использован для увеличения длины пути газового потока из первого впускного клапана в первый выпускной клапан, что улучшает перемешивание газов для более эффективной очистки цилиндра и увеличивает объем воздушного заряда в цилиндре за счет уменьшения количества продувочного воздуха, втекающего в выпускной коллектор. Режим четырехклапанной продувки, как показано на фиг. 3А, может быть использован вместо режима двухклапанной продувки, когда температура одного или нескольких клапанов превышает температуру ухудшения характеристик, чтобы снизить ухудшение характеристик клапанов, используемых для продувки. В одном из примеров, режим четырехклапанной продувки может быть использован для ускорения нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов, соединенного с двигателем, показанным на фиг. 1-2. В некоторых примерах, может быть использован режим двухклапанной продувки с дефлектором, представленный на фиг. 3С. В других примерах, может быть использован режим четырехклапанной продувки с дефлекторами, представленный на фиг. 3D. Примеры графиков, иллюстрирующих фазы газораспределения, периоды срабатывания клапанов и высоту подъема клапанов во время режима двухклапанной продувки и режима четырехклапанной продувки, представлены, соответственно, на фиг. 7 и 8.
На фиг. 1 показана камера сгорания или цилиндр двигателя 10 внутреннего сгорания согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Двигатель 10 может принимать управляющие параметры от управляющей системы, содержащей контроллер 12, а также информацию, вводимую оператором 130 транспортного средства (автомобиля) через устройство 132 ввода. В данном примере, указанное устройство 132 ввода содержит педаль подачи топлива и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала положения педали ПП (РР, Pedal Position). Цилиндр (также именуемый «камерой сгорания») 14 двигателя 10 может содержать стенки 136 камеры сгорания и расположенный внутри поршень 138. Указанный поршень 138 может быть соединен с коленчатым валом 140 для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Указанный коленчатый вал 140 через трансмиссионную систему может быть соединен по меньшей мере с одним ведущим колесом пассажирского транспортного средства. Кроме того, через маховик с указанным коленчатым валом 140 может быть соединен мотор стартера, обеспечивающий запуск указанного двигателя 10.
Указанный цилиндр 14 способен принимать впускной воздух через множество каналов 142, 144 и 146 впуска воздуха. Канал 146 впуска воздуха выполнен с возможностью сообщения с другими цилиндрами двигателя 10, а не только с цилиндром 14. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, один или несколько впускных каналов могут содержать устройство нагнетания, например, турбонагнетатель или механический нагнетатель. Например, на фиг. 1 показан двигатель 10, оснащенный турбонагнетателем, содержащим компрессор 174, расположенный между впускными каналами 142 и 144, и выпускную турбину 176, расположенную вдоль выпускного канала 148. Указанный компрессор 174 может по меньшей мере частично получать мощность от указанной выпускной турбины 176 через вал 180, в случае если указанное устройство нагнетания выполнено в виде турбонагнетателя. Однако, в других вариантах осуществления настоящего изобретения, например, когда двигатель 10 оснащен механическим нагнетателем, указанная выпускная турбина 176 может быть опционально исключена из конструкции, и тогда компрессор 174 может получать мощность механическим путем от мотора или двигателя. Для изменения расхода и/или давления впускного воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, вдоль указанного впускного канала двигателя может быть предусмотрена дроссельная заслонка 20, содержащая дроссельную шайбу 164. Например, указанная дроссельная заслонка 20 может быть расположена ниже по потоку от компрессора 174, как показано на фиг. 1, или, альтернативно, она может быть расположена выше по потоку от компрессора 174.
Выпускной канал 148 может получать отработавшие газы от других цилиндров двигателя 10, а не только от цилиндра 14. На чертежах показано, что выше по потоку от устройства 178 снижения токсичности отработавших газов УСТОГ (ECD, emission control device) выпускной канал 148 соединен с датчиком 128 отработавших газов. Указанный датчик 128 может представлять собой любой подходящий датчик, обеспечивающий информацию о воздушно-топливном отношении в отработавших газах, например, линейный кислородный датчик или UEGO-датчик (универсальный или широкодиапазонный датчик содержания кислорода в отработавших газах), кислородный датчик с двумя состояниями EGO-датчик (не показан), HEGO-датчик (EGO-датчик с подогревом), датчик содержания NOx, НС или СО. Указанное устройство УСТОГ (ECD) 178 может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор ТКН (TWC, Three-Way Catalyst), уловитель NOx, различные другие устройства снижения токсичности отработавших газов или комбинацию указанных устройств.
Температура отработавших газов может быть измерена посредством одного или нескольких датчиков температуры (не показаны), расположенных в выпускном канале 148. В качестве альтернативного варианта, температура отработавших газов может быть найдена на основании параметров работы двигателя, таких как частота вращения двигателя, нагрузка, воздушно-топливное отношение ВТО (AFR, Air-Fuel Ratio), запаздывание зажигания и т.д. Кроме того, температуру отработавших газов можно вычислить на основании сигналов от одного или нескольких датчиков 128 отработавших газов. Следует понимать, что, в качестве альтернативы, температуру отработавших газов можно оценить, используя комбинацию вышеперечисленных способов измерения температуры.
Каждый цилиндр двигателя 10 может содержать один или несколько впускных клапанов и один или несколько выпускных клапанов. Например, в проиллюстрированном примере цилиндр 14 имеет по меньшей мере один тарельчатый впускной клапан 150 и по меньшей мере один тарельчатый выпускной клапан 156, расположенные в верхней части цилиндра 14. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый цилиндр двигателя 10, в том числе цилиндр 14, может содержать по меньшей мере два впускных тарельчатых клапана и по меньшей мере два выпускных тарельчатых клапана, расположенных в верхней части цилиндра.
Впускным клапаном 150 можно управлять посредством контроллера 12 путем приведения в действие кулачка через кулачковую приводную систему 151. Аналогичным образом указанным выпускным клапаном 156 можно управлять посредством контроллера 12 через кулачковую приводную систему 153. Каждая из указанных кулачковых приводных систем 151 и 153 может содержать один или несколько кулачков и может использовать одну или несколько из систем: систему переключения профилей кулачков ППК (CPS, Cam Profile Switching), систему переменной синхронизации кулачков ПСК (VCT, Variable Cam Timing), систему регулирования фаз газораспределения РФГ (VVT, Variable Valve Timing) и/или систему переменного газораспределения с регулированием высоты подъема клапанов ПГРВПК (VVL, Variable Valve Lift), которыми может управлять контроллер 12 для изменения работы клапанов. Положение впускного клапана 150 и выпускного клапана 156 можно определять посредством датчиков 155 и 157 положения, соответственно. В других вариантах осуществления настоящего изобретения, впускным клапаном и/или выпускным клапаном можно управлять путем приведения в действие электрического привода клапана. Например, в таком случае цилиндр 14 может содержать впускной клапан, управляемый приведением в действие электрического привода клапана, и выпускной клапан, управляемый приведением в действие кулачка с привлечением системы ППК (CPS) и/или ПСК (VCT). В других вариантах осуществления настоящего изобретения, впускным и выпускным клапанами можно управлять посредством общего клапанного исполнительного механизма или приводной системы, или исполнительного механизма или приводной системы переменного газораспределения.
Цилиндр 14 может иметь степень сжатия, которая представляет собой отношение объема цилиндра при нахождении поршня в нижней мертвой точке к объему цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке. Как правило, степень сжатия находится в диапазоне от 9:1 до 10:1. Однако, в некоторых примерах при использовании топлива разных видов, степень сжатия может быть увеличена. Это может происходить, например, при использовании топлива с более высоким октановым числом или топлива с более высокой латентной энтальпией парообразования. Степень сжатия может также повышаться при использовании прямого впрыска топлива в связи с его влиянием на детонацию в двигателе.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, каждый цилиндр двигателя 10 может содержать свечу 192 зажигания для инициирования процесса горения. В выбранных режимах работы система 190 зажигания обеспечивает искру зажигания в камере 14 сгорания посредством свечи 192 зажигания в ответ на получение от контроллера 12 сигнала опережения зажигания ОЗ (SA, Spark Advance). Однако, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения свечу 192 зажигания не используют, так что, например, двигатель 10 может инициировать горение топлива за счет самовоспламенения или при впрыске топлива, как это происходит в некоторых дизельных двигателях.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, каждый цилиндр двигателя 10 может содержать одну или несколько топливных форсунок для подачи в цилиндр топлива. В качестве неограничивающего примера, на фиг. 1 показано, что цилиндр 14 содержит одну топливную форсунку 166. На чертеже показано, что указанная топливная форсунка 166 напрямую соединена с цилиндром 14 для впрыска топлива непосредственно в указанный цилиндр пропорционально ширине импульса сигнала FPW (Fuel Pulse Width, ширина импульса впрыска топлива), полученного от контролера 12 через электронный привод 168. Таким образом, указанная топливная форсунка 166 обеспечивает впрыск, известный как прямой впрыск (здесь и далее называемый ПВ (DI)) топлива в цилиндр 14 для горения. Хотя на фиг. 1 указанная топливная форсунка 166 показана в виде боковой форсунки, ее можно также расположить над поршнем, например, рядом со свечой 192 зажигания. Из-за меньшей летучести некоторых видов спиртового топлива такое расположение может улучшить смешивание и горение при эксплуатации двигателя на спиртовом топливе. Альтернативно, для улучшения смешивания, топливную форсунку можно расположить выше впускного клапана и рядом с указанным впускным клапаном. Топливо может поступать к топливной форсунке 166 из топливной системы 8 высокого давления, содержащей топливные баки, топливные насосы и топливную рампу. Альтернативно, топливо можно подавать посредством одноступенчатого топливного насоса при низком давлении, при этом установка фаз распределения прямого впрыска топлива на такте сжатия может быть ограничена в большей степени, чем в случае использования топливной системы высокого давления. Кроме того, в топливном баке может быть предусмотрен не показанный на чертежах преобразователь давления, подающий сигнал в контроллер 12. Следует понимать, что в другом варианте осуществления настоящего изобретения указанная форсунка 166 может представлять собой форсунку распределенного впрыска, обеспечивающую подачу топлива во впускное отверстие выше по потоку от цилиндра 14.
Следует также понимать, что хотя в проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрен двигатель, которым управляют путем подачи топлива посредством одной форсунки прямого впрыска, в других вариантах осуществления настоящего изобретения двигателем можно управлять, используя две форсунки (например, форсунку прямого впрыска и форсунку распределенного впрыска), и изменяя относительное количество топлива, вводимого через каждую форсунку.
Топливо в цилиндр можно подавать посредством указанной форсунки в пределах одного рабочего цикла цилиндра. Кроме того, распределение и/или относительный объем топлива, подаваемого посредством указанной форсунки, может изменяться в зависимости от условий работы. Более того, на одно событие горения возможно выполнение нескольких впрысков подаваемого топлива за один рабочий цикл. Такой многократный впрыск топлива можно выполнять на такте сжатия, такте впуска, или при любом подходящем сочетании тактов. Кроме того, топливо в пределах рабочего цикла можно впрыскивать для регулирования воздушно-топливного отношения ВТО (AFR) при горении смеси. Например, топливо можно впрыскивать для обеспечения стехиометрического ВТО (AFR). При этом может быть предусмотрен датчик ВТО (AFR), обеспечивающий измерение ВТО (AFR) в цилиндре. В одном из примеров, указанный датчик ВТО (AFR) может представлять собой датчик отработавших газов, например, EGO-датчик 128. Указанный датчик способен определить ВТО (AFR) путем измерения количества остаточного кислорода (для бедных смесей) или несгоревших углеводородов (для богатых смесей) в отработавших газах. В данном случае, величина ВТО (AFR) может быть представлена в виде величины Lambda (λ), то есть, в виде отношения фактического ВТО (AFR) к стехиометрическому ВТО (AFR) для заданной смеси. Таким образом, λ=1,0 указывает на стехиометрическую смесь; смеси богаче стехиометрической будут иметь величину λ менее 1,0; а смеси беднее стехиометрической будут иметь величину λ более 1,0.
Как раскрыто выше, на фиг. 1 показан только один цилиндр многоцилиндрового двигателя. При этом каждый цилиндр может по аналогии содержать свой собственный набор впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку (или топливные форсунки), свечу зажигания и т.д.
В топливных баках топливной системы 8 может находиться топливо разного качества, например, с разным составом. К таким различиям можно отнести различное содержание спирта, различное октановое число, различная теплота испарения, различные смеси топлива и/или сочетание перечисленных параметров и т.д.
Двигатель 10 может дополнительно содержать датчик 90 детонации, соединенный с каждым цилиндром 14 для определения событий аномального горения топлива в цилиндрах. В других вариантах осуществления настоящего изобретения, один или несколько датчиков 90 детонации могут быть установлены в выбранных точках в двигательном блоке. Датчик детонации может представлять собой акселерометр, расположенный на блоке цилиндров, или ионизационный датчик, встроенный в свечу зажигания каждого цилиндра. Выходной сигнал датчика детонации может быть использован в комбинации с выходным сигналом датчика ускорения коленчатого вала для указание на наличие события аномального горения в цилиндре.
На фиг. 1 показано, что указанный контроллер 12 выполнен в виде микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 106, порты 108 ввода/вывода (I/O), электронную среду хранения исполняемых программ и калибровочных значений, в данном примере изображенную в виде микросхемы постоянного запоминающего устройства ПЗУ (ROM, Read-only Memory) 110, оперативное запоминающее устройство ОЗУ (RAM, Random Access Memory) 112, энергонезависимое запоминающее устройство ЭЗУ (КАМ, Keep Alive Memory) 114 и шину данных. Дополнительно к тем сигналам, о которых упоминалось выше, указанный контроллер 12 способен принимать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, причем к указанным сигналам можно отнести, в частности, результат измерения массового расхода воздуха МРВ (MAF, Mass Air Flow), полученный от датчика 122 массового расхода воздуха; результат измерения температуры хладагента двигателя ТХД (ЕСТ, Engine Coolant Temperature), полученный от датчика 116 температуры, соединенного с втулкой 118 охлаждения; сигнал подхвата профиля зажигания ППЗ (PIP, Profile Ignition Pick-up), полученный от датчика 120 на эффекте Холла (или датчика иного типа), соединенного с коленчатым валом 140; сигнал абсолютного давления в коллекторе АДК (MAP, Manifold Absolute Pressure), полученный отдатчика 124; результат измерения ВТО (AFR) в цилиндре, полученный от EGO-датчика 128, а также сигнал о наличии события аномального горения, полученный от датчика 90 детонации и датчика ускорения коленчатого вала. Сигнал частоты вращения двигателя в об/мин может быть сгенерирован указанным контроллером 12 из указанного сигнала ППЗ (PIP). Сигнал АДК (MAP), полученный от датчика давления в коллекторе, может быть использован для указания на разрежение или давление во впускном коллекторе.
Среда хранения информации в виде ПЗУ (ROM) 110 может быть запрограммирована машиночитаемыми данными, представляющими собой инструкции, исполняемые процессором 106 для осуществления способов, описанных ниже, а также других вариантов, которые предполагаются, но конкретно не перечисляются. На фиг. 4-6 проиллюстрированы примеры алгоритмов.
Следует понимать, что хотя данный пример раскрыт применительно к двигателю с наддувом, выполненному с возможностью продувки, процесс регулирования рабочих параметров двигателя, таких как величина обогащения топлива, пороговые величины продувки, температурные пороги, и т.д. может быть откалиброван в других вариантах осуществления настоящего изобретения, так чтобы он действовал оптимально для конкретного двигателя, силовой передачи и/или комплектации транспортного средства.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, в гибридном транспортном средстве двигатель может быть соединен с электрическим мотором/системой батареи. Гибридный автомобиль может иметь параллельную схему, последовательную схему или же вариацию или сочетание указанных схем. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, возможно использование других компоновок двигателя, например, дизельный двигатель.
В процессе работы каждый цилиндр двигателя 10, как правило, проходит четырехтактный цикл. При этом указанный цикл включает в себя такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. На такте впуска обычно выпускной клапан 156 закрывается, а впускной клапан 150 открывается. По впускному коллектору 146 в камеру 14 сгорания поступает воздух, при этом поршень 138 перемещается в нижнюю часть цилиндра для увеличения внутреннего объема камеры 14 сгорания. Положение, в котором указанный поршень 138 находится вблизи нижней части цилиндра в конце своего хода (то есть, когда объем камеры 14 сгорания максимален), специалисты в данной области техники, как правило, называют нижней мертвой точкой НМТ (BDC, Bottom Dead Center). На такте сжатия впускной клапан 150 и выпускной клапан 156 закрыты. Указанный поршень 138 перемещается к головке цилиндра для сжатия воздуха внутри камеры 14 сгорания. Положение, в котором указанный поршень 138 находится ближе всего к головке цилиндра (то есть, когда объем камеры 14 сгорания минимален), специалисты в данной области техники, как правило, называют верхней мертвой точкой ВМТ (TDC, Top Dead Center). В процессе, который здесь и далее называется впрыском, в камеру сгорания поступает топливо. В процессе, который здесь и далее называется зажиганием, впрыскиваемое топливо зажигается известными средствами, такими как свеча 192 зажигания, в результате чего происходит горение. На такте расширения расширяющиеся газы толкают поршень 138 обратно в НМТ (BDC). Коленчатый вал 140 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, на такте расширения открывается выпускной клапан 156, обеспечивая выход сгоревшей воздушно-топливной смеси в выпускной коллектор 48, при этом поршень возвращается в ВМТ (TDC). Следует отметить, что приведенное выше описание представлено только в качестве примера, при этом моменты открытия и/или закрытия впускного и выпускного клапанов могут менять, например, для обеспечения положительного или отрицательного перекрытия клапанов, позднего закрытия впускного клапана или для обеспечения другого результата.
На основании разности между моментом закрытия выпускного клапана и моментом открытия впускного клапана можно осуществить управление клапанами с отрицательным перекрытием, причем на короткий период времени после окончания такта выпуска и перед началом такта впуска оба клапана - впускной и выпускной - закрыты. Указанный период, во время которого оба клапана закрыты, называют отрицательным перекрытием (впускного-выпускного) клапанов. В одном из примеров, систему ПСК (VCT) можно отрегулировать так, чтобы отрицательному перекрытию впускного-выпускного клапанов соответствовало исходное положение распредвала двигателя при горении смеси в цилиндре.
В качестве альтернативы, клапанами можно управлять с положительным перекрытием, причем на короткий период времени перед окончанием такта выпуска и после начала такта впуска оба клапана - впускной и выпускной - открыты. Указанный период, во время которого оба клапана открыты, называют положительным перекрытием (впускного-выпускного) клапанов. Система ПСК (VCT) может быть отрегулирована так, чтобы величина положительного перекрытия клапанов при выбранных условиях работы двигателя с наддувом увеличивалась. В частности, положение распредвала впускной системы можно отрегулировать так, чтобы момент открытия впускного клапана был сдвинут в сторону опережения. В результате, впускной клапан может быть открыт раньше, перед окончанием такта выпуска, при этом период времени, в течение которого оба клапана открыты, может быть увеличен, что приводит к увеличению положительного перекрытия клапанов. В одном из примеров положительное перекрытие клапанов может быть увеличено за счет движения распредвала впускной системы и его перевода из положения с небольшим положительным перекрытием клапанов в положение с большим положительным перекрытием клапанов. В другом примере положительное перекрытие клапанов может быть увеличено за счет движения распредвала впускной системы и его перевода из положения с отрицательным перекрытием клапанов в положение с положительным перекрытием клапанов. В одном примере, система ПСК (VCT) может быть отрегулирована так, чтобы отрицательное перекрытие впускного-выпускного клапанов соответствовало исходному положению распредвала двигателя при холодном пуске двигателя.
Следует понимать, что, хотя вышеприведенный пример предполагает увеличение положительного перекрытия клапанов путем смещения момента открытия впускного клапана в сторону опережения, в других примерах положительное перекрытие клапанов может быть увеличено путем регулирования распредвала выпускной системы для смещения момента закрытия выпускного клапана в сторону запаздывания. Более того, каждый из распредвалов впускной и выпускной системы может быть отрегулирован так, чтобы изменить положительное перекрытие клапанов путем изменения фаз газораспределения как впускного, так и выпускного клапана.
В двигательной системе 10 в периоды быстрого увеличения нагрузки двигателя, например, непосредственно после запуска, при увеличении нагрузки на двигатель при неизменных оборотах или при выходе из режима торможения с выключением подачи топлива ТВПТ (DFSO, Deceleration Fuel Shut-Off) величина сжатия впускного воздуха компрессором может быть недостаточной. При наличии по меньшей мере некоторых из указанных условий величина давления наддува, которую можно получить от компрессора, может быть ограничена из-за того, что турбина не успевает раскрутиться до достаточно высокой скорости (например, из-за низкой температуры отработавших газов или давления). При этом, время, которое требуется турбине для раскрутки и приведения в действие компрессора, чтобы обеспечить требуемое количество сжатого впускного воздуха, называют «турбоямой». Во время турбоямы, величина создаваемого крутящего момента может не соответствовать требуемому крутящему моменту, что приводит к ухудшению характеристик двигателя.
Для ускорения раскрутки турбины и уменьшения турбоямы, при указанных условиях двигатель можно эксплуатировать в режиме продувки. При этом заданное количество сжатого впускного воздуха, далее также называемого продувочным воздухом, можно направлять из впускного коллектора в выпускной коллектор, при одновременном поддержании стехиометрического горения в цилиндре, для обеспечения дополнительного массового расхода для раскрутки турбины. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, впрыск топлива может быть отрегулирован (например, в сторону обогащения смеси) соразмерно количеству продувочного воздуха, чтобы обеспечить дополнительную энтальпию для раскрутки турбины. Продувочный воздух может быть подан в то время, как двигатель создает по меньшей мере заданный наддув, то есть, в то время как давление АДК (MAP) во впускном коллекторе больше, чем давление в выпускном коллекторе по меньшей мере на пороговую величину. В зависимости от условий работы двигателя, которые преимущественно имеют место, когда есть запрос на продувочный воздух, осуществляют регулирование величины перекрытия клапанов, так чтобы требуемое количество продувочного воздуха могло быть подано на турбину через цилиндры двигателя за счет положительного перекрытия клапанов.
Например, чтобы обеспечить продувку через цилиндры двигателя, система ПСК (VCT) может быть переведена из начального положения, при котором отсутствует какое-либо положительное перекрытие клапанов, в конечное положение с увеличенным положительным перекрытием клапанов. В одном из примеров, указанное конечное положение может представлять собой положение с полным перекрытием клапанов (или максимальным положительным перекрытием клапанов). Хотя раскрытые в настоящем описании способы предусматривают подачу продувочного воздуха всегда посредством положительного перекрытия клапанов, в других вариантах осуществления настоящего изобретения, подача продувочного воздуха посредством положительного перекрытия клапанов может быть обеспечена только, если изменение фаз газораспределения клапанов для создания положительного перекрытия не приводит к повышенному расходу топлива, не ухудшает стабильность горения и не снижает выходной крутящий момент.
Как будет рассмотрено ниже, при наличии первого условия для продувки, например, когда величина увеличения нагрузки на двигатель при неизменных оборотах превышает пороговую величину, при наличии признаков детонации, и при работе на малых оборотах и с высоким требуемым крутящим моментом, когда температура первого выпускного клапана меньше пороговой температуры ухудшения характеристик, двигатель может работать в режиме двухклапанной диагональной продувки, причем период положительного перекрытия между первым впускным и первым выпускным клапанами может быть больше, чем период положительного перекрытия между вторым впускным клапаном и вторым выпускным клапаном, так чтобы  доля сжатого впускного воздуха могла быть направлена через первый впускной клапан для удаления горячих остаточных газов через первый выпускной клапан. Первый впускной клапан может быть расположен по диагонали относительно первого выпускного клапана на головке цилиндра.
Таким образом, за счет направления продувочного воздуха через диагонально расположенные впускной и выпускной клапаны длина пути газового потока от впускного клапана к выпускному клапану может быть увеличена, что приводит к уменьшению утечки продувочного воздуха в выпускной коллектор. То есть, за счет увеличения длины пути газового потока может быть реализовано более эффективное удаление остаточных газов из цилиндра, при этом больший объем продувочного воздуха может быть захвачен свободным объемом цилиндра. В результате, выходной крутящий момент может быть увеличен (благодаря увеличению воздушного заряда цилиндра, вызванному увеличением количества захваченного воздуха). Благодаря увеличенной эффективности очистки, может быть снижена температура в цилиндре, что снижает тенденцию к детонации. Кроме того, благодаря тому, что меньше продувочного воздуха попадает в выпускной коллектор, в цилиндр можно подавать менее богатую смесь. Горение менее богатой смеси и уменьшение количества воздуха в выпускном коллекторе может привести к снижению температуры отработавших газов, и, соответственно, может быть уменьшено излишнее повышение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. В результате, может быть снижено ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, а также может быть увеличено количество используемого продувочного воздуха (которое в противном случае было бы ограничено чрезмерным нагреванием каталитического нейтрализатора).
Однако, при других условиях работы может оказаться целесообразным увеличение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, например, при холодном пуске двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше температуры его активации. При таких условиях может быть применен режим четырехклапанной продувки, при котором во всех четырех клапанах может быть установлено положительное перекрытие, чтобы направить сжатый воздух из впускного коллектора в выпускной коллектор, при этом в цилиндр можно подавать более богатую смесь (по сравнению с режимом двухклапанной продувки). Продукты сгорания богатой смеси могут в выпускном коллекторе смешиваться с продувочным воздухом, вступая в экзотермическую реакцию и увеличивая температуру отработавших газов. В результате, можно увеличить температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов и, тем самым, ускорить нагревание каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Кроме того, при других условиях, когда используют режим двухклапанной продувки, из-за того, что большая часть процесса продувки осуществляется через одну группу диагональных клапанов, температура клапанов, участвующих в двухклапанной продувке, может превысить пороговую температуру ухудшения характеристик, выше которой может произойти разрушение клапанов. Таким образом, когда температура одного или нескольких клапанов увеличивается выше указанного порога, контроллер может переключить двигатель на работу в режиме четырехклапанной продувки для уменьшения тепловой нагрузки на клапаны.
Далее, со ссылкой на фиг. 3-7 приведено подробное описание режима двухклапанной продувки и режима четырехклапанной продувки.
В некоторых примерах, на впускном клапане и/или выпускном клапане, которые используются для двухклапанной продувки, может быть предусмотрен дефлектор, предназначенный для блокировки кратчайшего пути от впускного клапана к выпускному клапану. Продувочные газы могут быть направлены выше и/или вокруг указанного дефлектора с тем, чтобы дополнительно увеличить длину пути потока (по сравнению с режимом двухклапанной продувки без дефлектора). Кроме того, дефлектор может улучшить перемешивание газов, что может уменьшить температуру внутри цилиндра, и, тем самым, ослабить тенденцию к детонации. Далее, со ссылкой на фиг. 3С приведено подробное описание двухклапанной продувки с дефлектором.
В других примерах, указанный дефлектор может быть предусмотрен на одном или нескольких клапанах, используемых для четырехклапанной продувки. Как раскрыто выше, продувочный воздух, направляемый вокруг дефлектора, может улучшить перемешивание и снизить температуру в цилиндре. Четырехклапанная продувка с дефлектором описана далее со ссылкой на фиг. 3D.
На фиг. 2 показана двигательная система 200 согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, причем указанная двигательная система содержит двигатель 10, имеющий контроллер 12, турбонагнетатель 290 и двигательный блок 206 с несколькими цилиндрами 14. Как показано на чертеже, указанная двигательная система 200 содержит впускной коллектор 146, выполненный с возможностью подачи впускного воздуха и/или топлива в цилиндры 14, и выпускной коллектор 148, выполненный с возможностью выпуска продуктов сгорания из цилиндров 14. Поток наружного воздуха поступает во впускную систему через впускной воздушный канал 142 и воздушный фильтр 210. Дроссельная заслонка 20, содержащая дроссельную шайбу 164, может быть установлена вдоль впускного канала двигателя для изменения расхода и/или давления впускного воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя. Соответственно, положение дроссельной заслонки может служить в качестве рабочего параметра двигателя для управления воздушным потоком, поступающим в двигатель. Например, дроссельная заслонка 20 может быть расположена ниже по потоку от компрессора 174, как показано на фиг. 2, или в качестве альтернативного варианта она может быть расположена выше по потоку от компрессора 174.
Турбонагнетатель 290 содержит компрессор 174, который может быть соединен с турбиной 176 посредством вала 180, который передает мощность на указанный компрессор. Турбина 176 и компрессор 174 турбонагнетателя 290, соединенные друг с другом, установлены с возможностью вращения со скоростью, которая может увеличиваться или уменьшаться при работе турбонагнетателя. Скорость турбонагнетателя может представлять собой рабочий параметр двигателя, предназначенный для управления наддувом цилиндров 14. Также на чертеж показано, что указанный компрессор 174 расположен в компрессорном канале 264. Параллельно указанному компрессорному каналу 264 предусмотрен перепускной канал 262 с перепускной заслонкой 282 компрессора. Таким образом, путем регулирования указанной перепускной заслонки 282 компрессора можно управлять количеством впускного воздуха, идущего в обход компрессора. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения указанная перепускная заслонка 282 компрессора может также функционировать в качестве противопомпажного клапана, обеспечивающего возможность пропуска воздуха вокруг компрессора, когда компрессор создает для впускного воздуха нежелательное ограничение, что может происходить при повышенных нагрузках двигателя.
Кроме того, на чертеже показано, что указанный компрессорный канал 264 и перепускной канал 262 компрессора вновь соединяются и переходят во впускной коллектор 146. Через впускной коллектор 146 воздух, сжимаемый компрессором 174, может поступать в один или несколько цилиндров 14. Турбонагнетатель 290 может быть выполнен с возможностью увеличения массы воздуха, поступающей по меньшей мере в один из указанных цилиндров 14. Таким образом, указанный турбонагнетатель 290 может управлять, по меньшей мере частично, величиной воздушного потока, поступающего в двигатель 200. Потоком воздуха, втекающим в цилиндры 14, и потоком отработавших газов, вытекающим из цилиндров 14, можно управлять посредством впускных клапанов 12, 14 и выпускных клапанов Е1, Е3, которые более подробно будут рассмотрены ниже.
На чертеже видно, что указанный выпускной коллектор 148 сообщается по текучей среде с турбинным каналом 272 через впускное отверстие 274 для отработавших газов, обеспечивая возможность поступления отработавших газов в турбину 176. Указанный турбинный канал 272 может представлять собой единственный канал, целиком образующий путь для отработавших газов, по которому отработавшие газы могут попадать из впускного отверстия к турбине 176. Турбинный канал 272 позволяет однократно смешанному отработавшему газу попасть в турбину 176 из выпускного коллектора 148. В других примерах, турбонагнетатель может содержать более одного турбинного канала на участке от впускного отверстия для отработавших газов до турбины (то есть, турбонагнетатель может представлять собой двухулиточный турбонагнетатель). В таких примерах может потребоваться дополнительное обогащение топливной смеси для управления температурой отработавших газов, а также могут потребоваться высококачественные материалы для компонентов и узлов турбонагнетателя (например, для фланца корпуса турбины). В примерах с одиночным турбинным каналом (как показано на фиг. 2) дополнительное обогащение топливной смеси и первосортные материалы могут и не требоваться. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения указанная турбина 176 может представлять собой турбину с изменяемой геометрией. Параллельно турбинному каналу предусмотрен перепускной канал 270 турбины с перепускным клапаном 286. Путем регулирования указанного перепускного клапана 286 можно управлять количеством отработавших газов, проходящих в обход турбины. Наконец, на чертеже показано, что указанный турбинный канал 272 и указанный перепускной канал 270 турбины соединяются вновь, образуя выпускной канал 276 перед выходом отработавших газов в окружающую среду.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, впускная и/или выпускная система может дополнительно содержать один или несколько датчиков, выполненных с возможностью измерения температуры и давления в различных местах системы. Например, датчик температуры наружного воздуха и датчик давления могут быть расположены вблизи входа во впускной канал 142. Аналогично, среди прочих мест датчики также могут быть расположены вдоль впускного канала до и/или после компрессора, и/или внутри впускного коллектора вблизи входа в камеры сгорания (цилиндры). Каждый из таких датчиков может быть выполнен с возможностью сообщения по сигнальным линиям с указанным контроллером 12. Таким способом можно поддерживать управление с обратной связью температурой и давлением впускного воздуха и отработавшего газа с использованием различных механизмов управления, которые рассматриваются в настоящем описании.
В зависимости от условий работы часть отработавших газов может быть направлена из выпускного коллектора 148, в область выше по потоку от турбины 176, вновь во впускной коллектор 146, в область ниже по потоку от компрессора 174, по каналу 251 рециркуляции отработавшего газа РОГ (EGR, Exhaust Gas Recirculation). С каналом РОГ (EGR) 251 могут быть соединены охладитель РОГ (EGR) 50 и клапан РОГ (EGR) 52. Таким образом, может быть реализована система рециркуляции отработавших газов высокого давления РОГ-ВД (HP-EGR, High-Pressure Exhaust Gas Recirculation). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, дополнительно к системе РОГ-ВД (HP-EGR) может также быть предусмотрена система рециркуляции отработавших газов низкого давления РОГ-НД (LP-EGR, Low-Pressure Exhaust Gas Recirculation), в которой часть отработавших газов направляют из выпускного коллектора 148, из области ниже по потоку от турбины 176, обратно во впускной коллектор 146, в область выше по потоку от компрессора 174, через канал РОГ-НД (LP-EGR) и соединенные с ним охладитель РОГ (EGR) и клапан РОГ (EGR) (не показаны).
На фиг. 2 показано, что указанный двигательный блок 206 содержит коленчатый вал 140 и цилиндры 14. Каждый из цилиндров 14 может содержать свечу зажигания и топливную форсунку для подачи топлива непосредственно в камеру сгорания, как было рассмотрено выше со ссылкой на фиг. 1. Однако, в других вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из цилиндров 14 может не содержать свечу зажигания и/или топливную форсунку прямого впрыска. Каждый из цилиндров 14 может обслуживаться одним или несколькими клапанами. В представленном примере каждый цилиндр 14 содержит впускные клапаны I2 и I4 и выпускные клапаны Е1 и Е3.
Впускные клапаны I2 и I4 можно приводить в действие и переводить между открытым положением, в котором обеспечена возможность поступления впускного воздуха в первый цилиндр из группы цилиндров 14, и закрытым положением, в котором по существу происходит блокировка поступления воздуха в первый цилиндр. Кроме того, впускные клапаны можно приводить в действие общим распредвалом (не показан) впускной системы, который входит в состав приводной системы (не показана) впускных клапанов. Выпускные клапаны Е1 и Е3 можно приводить в действие и переводить между открытым положением, в котором обеспечена возможность выхода отработавших газов из первого цилиндра в группе цилиндров 14, и закрытым положением, которое по существу запирает отработавший газ в первом цилиндре. Приводные системы (не показаны) впускных клапанов и выпускных клапанов могут дополнительно содержать толкатели, коромысла, кулачки и т.п. Такие элементы и устройства могут управлять приведением в действие впускных клапанов и выпускных клапанов путем преобразования вращательного движения распредвалов в поступательное движение клапанов. В других примерах, клапаны могут быть приведены в действие посредством дополнительных профилей кулачковых выступов на распредвалах, причем указанные профили кулачковые выступы могут для различных клапанов обеспечивать разную высоту подъема кулачка, разные периоды срабатывания кулачка и/или разную синхронизацию кулачков. Однако, если требуется, то могут быть использованы другие компоновки распредвала (распредвал верхнего расположения и/или толкающий привод). Кроме того, в некоторых примерах, каждый из цилиндров 14 может содержать более одного впускного клапана и/или выпускного клапана. В других примерах, выпускные клапаны и впускные клапаны можно приводить в действие посредством общего распредвала. Однако, в альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере один из впускных клапанов и/или выпускных клапанов может быть приведен в действие посредством своего собственного, независимого распредвала или иного устройства.
Двигатель 200 может содержать системы изменения фаз газораспределения, например, систему ППК (CPS) и систему ПСК (VCT). Система изменения фаз газораспределения может быть выполнена с возможностью открытия первого клапана на первый период времени в ходе первого режима работы. Первый режим работы может иметь место при нагрузке на двигателе ниже пороговой величины неполной нагрузки двигателя. Кроме того, система изменения фаз газораспределения может быть выполнена с возможностью открытия первого клапана на второй период времени, более короткий, чем указанный первый период, в ходе второго режима работы. Указанный второй режим работы может иметь место при нагрузке на двигателе выше пороговой величины нагрузки двигателя и при частоте вращения двигателя ниже пороговой частоты вращения (например, при частотах вращения двигателя от низкой до средней). В некоторых примерах, пороговая величина нагрузки двигателя второго режима работы может быть равна пороговой величине неполной нагрузки двигателя первого режима работы. В других примерах, пороговая величина нагрузки двигателя для второго режима работы не равна пороговой величине неполной нагрузки двигателя для первого режима работы.
Указанная система ППК (CPS) может быть выполнена с возможностью перевода распредвала впускной системы в продольном направлении, вынуждая, тем самым, впускные клапаны переключаться от работы с первыми кулачками на работу со вторыми кулачками. Кроме того, система ППК (CPS) может быть выполнена с возможностью перевода распредвала выпускной системы в продольном направлении, вынуждая, тем самым, выпускные клапаны переключаться от работы с первыми кулачками впускной системы на работу со вторыми кулачками впускной системы. Таким образом, система ППК (CPS) может переключаться от первого кулачка для открытия клапана на первый период времени на второй кулачок для открытия клапана на второй период времени.
Кроме того, система ППК (CPS) может быть выполнена с возможностью приведения в действие впускных клапанов посредством первых кулачков впускной системы, и приведения в действие выпускных клапанов посредством первых кулачков выпускной системы во время первого режима работы, который имеет место при нагрузке на двигателе ниже пороговой величины неполной нагрузки двигателя. Более того, указанная система ППК (CPS) может быть выполнена с возможностью приведения в действие впускных клапанов посредством вторых кулачков впускной системы, и приведения в действие выпускных клапанов посредством вторых кулачков выпускной системы во время второго режима работы, который имеет место при нагрузке на двигателе выше пороговой величины нагрузки двигателя и частотах вращения двигателя ниже пороговых частот вращения.
Систему ППК (CPS) можно также приводить в действие в ответ на параметры и условия работы двигателя. Например, временная разность воздушных потоков, например, между впускным коллектором 146 и цилиндрами 14 может привести к выбору конкретных оборотов или диапазона оборотов для системы ППК (CPS), для переключения распредвала между первыми кулачками и вторыми кулачками. Кроме того, система ППК (CPS) может привести в действие по меньшей мере один из выпускных клапанов, а также впускной клапан первого цилиндра и второй клапан второго цилиндра посредством кулачков на короткий период времени, чтобы отработавшие газы первого цилиндра не поступили во второй цилиндр.
Описанную выше компоновку кулачков можно использовать для обеспечения управления количеством воздуха, подаваемого в цилиндры 14 и выпускаемого из цилиндров 14. Однако, могут быть использованы другие компоновки кулачков, обеспечивающие возможность системе ППК (CPS) передавать управление клапанами между двумя и более кулачками. Например, для изменения управления клапанами между двумя или более кулачками могут быть использованы переключаемый толкатель или коромысло.
Двигатель 200 может дополнительно содержать систему ПСК (VCT) (не показана). Указанная система ПСК (VCT) может представлять собой двойную независимую систему переменной синхронизации распредвала для изменения фаз газораспределения для впускного клапана и выпускного клапана независимо друг от друга. Система ПСК (VCT) содержит фазирующее устройство распредвала впускной системы и фазирующее устройство распредвала выпускной системы для изменения фаз газораспределения клапанов. Система ПСК (VCT) может быть выполнена с возможностью сдвига фаз газораспределения в сторону опережения или запаздывания путем опережения или запаздывания синхронизации кулачков (параметр работы двигателя), и может управляться по сигнальным линиям посредством контроллера 12. Система ПСК (VCT) может быть выполнена с возможностью изменения моментов открытия и закрытия клапанов за счет изменения положения коленчатого вала относительно положения распредвала. Например, система ПСК (VCT) может быть выполнена с возможностью вращения распредвала впускной системы и/или распредвала выпускной системы независимо от коленчатого вала, чтобы вызвать сдвиг фазы газораспределения в сторону опережения или запаздывания. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, указанная система ПСК (VCT) может представлять собой кулачковое устройство с вращательным приводом, выполненное с возможностью быстрого изменения синхронизации кулачков. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, фазу газораспределения, например, момент закрытия впускного клапана и закрытия выпускного клапана можно изменять посредством устройства бесступенчатого регулирования высоты подъема клапанов - устройства БРВПК (CVVL, Continuous Variable Valve Lift).
Устройства управления клапанами/кулачками и вышеописанные системы могут быть приведены в действие гидравлически или электрически или же комбинацией указанных способов. Сигнальные линии могут передавать управляющие сигналы в систему ППК (CPS) и ПСК (VCT), и принимать результаты измерения синхронизации кулачков и/или выбора кулачков из системы ППК (CPS) и ПСК (VCT).
Как раскрыто выше, на фиг. 2 показан неограничивающий пример двигателя внутреннего сгорания и соединенных с ним впускной и выпускной систем. Следует понимать, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения двигатель может среди прочего содержать больше или меньше камер сгорания (цилиндров), управляющих клапанов, дросселей и устройств нагнетания. Двигатели, например, могут содержать цилиндры, скомпонованные в V-образной схеме. Кроме того, первый распредвал может управлять впускными клапанами первой группы или первого блока цилиндров, а второй распредвал может управлять впускными клапанами второй группы цилиндров. Таким образом, одна система ППК (CPS) и/или система ПСК (VCT) может быть использована для управления работой клапанов группы цилиндров, или же могут быть использованы отдельные системы ППК (CPS) и/или ПСК (VCT). Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, двигательная система 200 может содержать батарею и турбодрайвер, управляемый контроллером 12 для электрического привода компрессора 174. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения указанный турбонагнетатель 290 может представлять собой механический нагнетатель или иное устройство сжатия воздуха.
На фиг. 3А проиллюстрирован пример головки цилиндра с четырьмя клапанами, содержащего два впускных и два выпускных клапана, во время четырехклапанной продувки. Четырехклапанная продувка может быть получена путем положительного перекрытия между впускными и выпускными клапанами, при этом сжатый воздух направляется из первого впускного клапана (например, впускного клапана I2) и второго впускного клапана (например, впускного клапана I4) в цилиндр для удаления остаточного газа, который может выйти из цилиндра через первый выпускной клапан (например, выпускной клапан Е1) и второй выпускной клапан (например, выпускной клапан Е3). При этом, четырехклапанная продувка может быть предусмотрена при холодном пуске двигателя для ускорения нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже температуры его активации. В некоторых примерах, четырехклапанная продувка может быть предусмотрена, когда температура одного или нескольких впускных и/или выпускных клапанов выше пороговой температуры ухудшения характеристик, для уменьшения тепловой нагрузки на клапаны.
В рассматриваемом примере показано положение (открыт/закрыт) впускного/выпускного клапанов во время положительного перекрытия, когда двигателем управляют в режиме четырехклапанной продувки. Кроме того, направление течения газов показано стрелками. Впускной клапан I2, впускной клапан I4, выпускной клапан Е1 и выпускной клапан Е3 могут быть одновременно открыты (что показано незаштрихованными кружками) в период положительного перекрытия. В результате, сжатый впускной воздух может протекать от впускного клапана I2 к выпускному клапану Е1, и от впускного клапана I4 к выпускному клапану Е3, чтобы удалить остаточный газ из цилиндра. То есть, когда все четыре клапана открыты (как в режиме четырехклапанной продувки), газы (то есть, впускной воздух) могут проходить по короткому пути (например, от I2 к Е1 и от I4 к Е3, как показано стрелками). Из-за короткого пути течения часть сжатого впускного воздуха, которая продувается через цилиндр, может быть потеряна в выпускной системе.
В одном из примеров, сжатый воздух, который теряется в выпускной системе, может быть использован для ускорения нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов при холодном пуске двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше температуры активации, которая требуется для активации указанного каталитического нейтрализатора. Например, в режиме четырехклапанной продувки в цилиндр можно подавать богатую воздушно-топливную смесь, что приводит к горению богатой смеси. Продукты горения богатой смеси могут вступать в экзотермическую реакцию с кислородом воздуха, содержащегося в отработавших газах, в результате чего происходит высвобождение тепла в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов или вблизи указанного каталитического нейтрализатора, и температура каталитического нейтрализатора может увеличиться. Соответственно, активация каталитического нейтрализатора может быть ускорена.
В другом примере, двигатель может функционировать в режиме четырехклапанной продувки вместо двухклапанной продувки, когда температура одного или нескольких впускных и/или выпускных клапанов превышает пороговую температуру, выше которой может произойти ухудшение характеристик клапанов. Например, может быть целесообразным использовать четырехклапанную продувку вместо двухклапанной продувки (будет рассмотрена ниже со ссылкой на фиг. 3В, а также со ссылкой на фиг. 5 и 7) при холодном пуске двигателя, чтобы увеличить частоту вращения турбины до требуемой величины, когда температура одного или нескольких клапанов превышает пороговую температуру, для снижения тепловой нагрузки на клапаны. За счет использования режима четырехклапанной продувки, благодаря тому, что используются все четыре клапана, можно исключить чрезмерное нагревание клапанов.
Таким образом, двигателем можно управлять в режиме четырехклапанной продувки для ускорения нагревания каталитического нейтрализатора и/или для уменьшения повреждения впускных и/или выпускных клапанов от избыточного нагревания в период продувки.
На фиг. 3В проиллюстрирован пример головки цилиндра с четырьмя клапанами, содержащего два впускных и два выпускных клапана, во время процедуры двухклапанной диагональной продувки. При этом, двухклапанная диагональная продувка может быть предусмотрена для уменьшения количества свежего воздуха, достигающего выпускного отверстия во время продувки. Например, двухклапанная продувка может быть предусмотрена в условиях малых оборотов двигателя, когда требуемый крутящий момент превышает требуемый пороговый момент. За счет использования двухклапанной продувки может быть увеличена длина пути течения газов. В результате, может быть увеличено количество свежего воздуха, захватываемое цилиндром, а количество свежего воздуха, утекающего в выпускные отверстия, может быть уменьшено.
Во время двухклапанной диагональной продувки период положительного перекрытия, предусмотренный для первой пары впускного/выпускного клапанов, может быть больше первого порогового периода времени, в то время как период перекрытия для второй пары впускного/выпускного клапанов четырехклапанного цилиндра может быть меньше второго порогового периода времени. Указанный первый пороговый период может быть больше или равен указанному второму пороговому периоду. Другими словами, период перекрытия между впускным/выпускным клапанами первой пары клапанов больше периода перекрытия между впускным/выпускным клапанами второй пары клапанов.
Далее по тексту впускной клапан пары впускного/выпускного клапанов с большим периодом перекрытия (то есть, первой пары впускного/выпускного клапанов) называется «продувочным» впускным клапаном. Аналогично, выпускной клапан пары впускного/выпускного клапанов с большим периодом перекрытия называется продувочным выпускным клапаном. Кроме того, впускной клапан пары впускного/выпускного клапанов с более коротким периодом перекрытия (то есть, второй пары впускного/выпускного клапанов) называется «непродувочным» впускным клапаном. Аналогично, выпускной клапан пары впускного/выпускного клапанов с более коротким периодом перекрытия называется непродувочным выпускным клапаном.
В рассматриваемом примере показано положение (открыт/закрыт) впускного/выпускного клапанов во время двухклапанной диагональной продувки. Направление течения газов от впускного клапана I4 к выпускному клапану Е1 указано стрелками. При этом, расстояние от центра впускного клапана I4 до центра выпускного клапана Е1 может быть больше расстояния от центра впускного клапана I2 до центра выпускного клапана Е1, или больше расстояния от центра впускного клапана I4 до центра выпускного клапана Е3. Во время двухклапанной диагональной продувки впускной клапан I4 и выпускной клапан Е1 могут быть открыты, в то время как впускной клапан I2 и выпускной клапан Е3 могут быть закрыты. Свежий воздух может поступать в цилиндр через впускной клапан I4. Свежий воздух может двигаться от впускного клапана I4 к выпускному клапану Е1, удаляя из цилиндра остатки отработавших газов. Путь течения газов от впускного коллектора к выпускному коллектору через впускной и выпускной клапаны, расположенные по диагонали, больше, чем путь течения газов от впускного коллектора к выпускному коллектору через впускной и выпускной клапаны, расположенные в ряд или в колонну близко друг к другу. Таким образом, закрывая один впускной и один выпускной клапан, можно направить газовый поток по диагональному пути или криволинейному диагональному пути.
За счет течения продувочного воздуха по более длинному, диагональному пути количество свежего воздуха, удерживаемое в цилиндре, может быть увеличено, в результате чего, возможно увеличение воздушного заряда цилиндра. Соответственно, может быть увеличен выходной крутящий момент. Кроме того, благодаря более длинному, диагональному пути, может быть уменьшено количество продувочного воздуха, утекающего в выпускной коллектор. Более того, благодаря использованию двухклапанной продувки, очистка цилиндра от остаточных отработавших газов может быть выполнена более эффективно, что может снизить температуру в цилиндре и, как результат, может быть уменьшена тенденция к детонации. Например, в ходе диагональной продувки может быть уменьшено смешение газов (свежего воздуха и остаточных продуктов сгорания в цилиндре), что позволяет удалить из цилиндра большее количество остаточных газообразных продуктов горения (и, соответственно, меньшее количество смешанного газа, содержащего воздух и газообразные продукты сгорания).
В приведенном примере показано закрытое или открытое положение клапанов. Однако, следует понимать, что в конкретные моменты времени в ходе диагональной продувки все четыре клапана могут быть открыты, при этом высота подъема продувочных клапанов будет больше, чем высота подъема непродувочных клапанов. В результате, количество продувочного воздуха, проходящего через продувочные клапаны, может быть больше количества продувочного воздуха, проходящего через непродувочные клапаны. В некоторых примерах, величина перекрытия между непродувочными клапанами и высота подъема непродувочных клапанов могут быть очень небольшими, так что количество продувочного воздуха, проходящего через непродувочные клапаны, может быть пренебрежимо малым.
Подробности, касающиеся высоты подъема клапанов и периоды срабатывания клапанов при двухклапанной продувке, будут рассмотрены ниже со ссылкой на фиг. 7. Подробности, касающиеся высоты подъема клапанов и периоды срабатывания клапанов при четырехклапанной продувке, будут рассмотрены ниже со ссылкой на фиг. 8.
На фиг. 3С показан пример головки цилиндра с четырьмя клапанами, содержащего два впускных и два выпускных клапана, при работе двигателя в режиме двухклапанной продувки с дефлектором. Например, в одном или нескольких продувочных клапанах может быть предусмотрен дефлектор 304, причем указанный дефлектор проходит от участка внутренней стенки головки цилиндра около седла клапана (не показано) в камеру сгорания. Указанный дефлектор может блокировать часть отверстия продувочного клапана между седлом продувочного клапана и заслонкой продувочного клапана во время подъема клапана. Кроме того, указанный дефлектор может быть расположен так, чтобы блокировать кратчайший путь для потока между впускным продувочным клапаном и выпускным продувочным клапаном. В одном из примеров, высота дефлектора может быть меньше 100% полной высоты подъема клапана, который оснащен указанным дефлектором.
Когда высота подъема клапана равна высоте дефлектора или меньше ее, дефлектор может полностью блокировать часть отверстия впускного клапана между седлом клапана и заслонкой клапана. Например, при подъеме клапан на высоту дефлектора, впускной воздух или воздушно-топливная смесь из впускного коллектора могут быть блокированы дефлектором и могут не попадать в цилиндр через часть клапана, закрытую дефлектором. Однако, впускной воздух или воздушно-топливная смесь из впускного коллектора могут обтекать дефлектор. Когда высота подъема клапана больше высоты дефлектора, отверстие клапана может быть перекрыто на участке между седлом клапана и концом дефлектора, в то время как часть отверстия впускного клапана на участке между концом дефлектора и впускным клапаном может оставаться незаблокированной.
В данном примере продувочный впускной клапан I4 оснащен дефлектором. Однако, следует понимать, что дефлектором дополнительно или в качестве альтернативы может быть оснащен один или несколько продувочных впускных и/или выпускных клапанов.
При работе двигателя в режиме двухклапанной продувки с дефлектором впускной клапан I4 и выпускной клапан Е1 могут быть открыты, в то время как впускной клапан I2 и выпускной клапан Е3 могут быть закрыты. Свежий сжатый воздух может быть подан в цилиндр через впускной клапан I4. Свежий воздух может протекать от впускного клапана I4 к выпускному клапану Е1, удаляя любые остатки отработавших газов. Однако, кратчайший путь для потока может быть заблокирован дефлектором 304. Кроме того, чтобы повысить эффективность работы дефлектора, можно высоту подъема клапана сделать равной высоте дефлектора, и увеличить время пребывания клапанов с дефлекторами в открытом состоянии.
В одном из примеров, размеры продувочного впускного и/или выпускного клапанов могут быть изменены так, чтобы оптимизировать поток, обеспечивающий очистку цилиндра. Например, размер продувочного выпускного клапана может быть меньше по сравнению с размером продувочного впускного клапана, чтобы удерживать большее количество сжатого воздуха в цилиндре во время продувки. В другом примере, размер продувочного выпускного клапана может быть меньше размера непродувочного выпускного клапана, чтобы оптимизировать продувающий поток. В сущности, продувочный впускной клапан и непродувочный впускной клапан могут иметь одинаковый размер, чтобы способствовать перемешиванию потока надлежащим образом в НМТ (BDC).
На фиг. 3D проиллюстрирован пример головки цилиндра с четырьмя клапанами, содержащего два впускных и два выпускных клапана, при работе двигателя в режиме четырехклапанной продувки с дефлекторами. Как раскрыто выше, дефлектор 304 может быть предусмотрен в одном или нескольких продувочных клапанах для увеличения длины пути потока от впускного коллектора к выпускному коллектору. В примере, изображенном на фиг. 3D, все четыре клапана оснащены дефлектором. Однако, в режиме четырехклапанной продувки с дефлектором у любого одного или любых двух или трех клапанов могут быть дефлекторы. Как раскрыто выше, если высоту подъема клапана приравнять высоте дефлектора, то дефлектор может перекрывать часть отверстия клапана, эквивалентную высоте дефлектора. Кроме того, если высоту подъема клапана приравнять высоте дефлектора, то впускной воздух и/или смесь впускного воздуха с топливом могут быть отклонены и протекать вокруг дефлекторов, в результате чего может быть увеличена минимальная длина пути для газов.
Таким образом, за счет использования дефлекторов может быть увеличена минимальная длина пути для газов из впускного коллектора к выпускному коллектору.
На фиг. 4 представлен пример блок-схемы алгоритма 400 для определения типа продувки в зависимости от условий работы двигателя. Например, при первом условии может быть обеспечен режим четырехклапанной продувки. Первое условие может включать в себя ситуацию с холодным пуском двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже температуры его активации. Режим четырехклапанной продувки может быть предусмотрен для ускорения нагревания каталитического нейтрализатора путем обеспечения для отработавших газов дополнительной массы и энтальпии. При втором условии, отличном от указанного первого условия, может быть обеспечен режим двухклапанной диагональной продувки. Второе условие может включать в себя ситуацию с малыми оборотами двигателя и высокой нагрузкой. Режим двухклапанной продувки может быть использован для обеспечения большего крутящего момента за счет увеличения воздушного заряда цилиндра. Алгоритм, представленный на фиг. 4, может быть сохранен в виде исполняемых инструкций в энергонезависимом запоминающем устройстве контроллера 12, показанного на фиг. 1-2.
На этапе 410 алгоритма 400 оценивают и/или измеряют условия работы двигателя. К указанным условиям работы двигателя относятся частота вращения двигателя, выходной крутящий момент, температура отработавших газов, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов, частота вращения турбины, давление АДК (MAP) во впускном коллекторе, давление наддува, барометрическое давление БД (BP, Barometric Pressure), давление в выпускном коллекторе, положение педали, скорость транспортного средства и т.д.
Далее, на этапе 412, в зависимости от результатов оценки условий работы двигателя определяют, удовлетворены ли условия для продувки. В одном из примеров, условия для продувки могут быть удовлетворены в ответ на увеличение нагрузки на двигатель при неизменных оборотах.
В другом примере, условия для продувки могут быть удовлетворены в ответ на то, что во время увеличения нагрузки на двигатель при неизменных оборотах частота вращения турбины оказываются ниже пороговой величины. В данном случае, при увеличении нагрузки на двигатель при неизменных оборотах сжатый впускной воздух может быть использован для продувки и направлен из впускного коллектора в выпускной коллектор для раскрутки турбины и увеличения частоты вращения турбины и наддува двигателя.
В еще одном примере, условия для продувки могут быть удовлетворены, если требуемый крутящий момент превышает требуемый пороговый крутящий момент, и частота вращения двигателя оказываются ниже пороговой частоты вращения двигателя. В данном случае продувка может обеспечить дополнительный воздушный заряд в цилиндре, который требуется, чтобы увеличить крутящий момент до требуемого крутящего момента.
В другом примере, условия для продувки могут быть удовлетворены, если существуют признаки детонации. Например, наличие признаков детонации можно определить по показаниям датчика детонации. Высокие значения температуры в цилиндре и давления могут увеличивать вероятность возникновения детонации, которая может привести к ухудшению характеристик двигателя, и дорожных качеств автомобиля. Чтобы уменьшить температуру в цилиндре и давление, может быть предусмотрена продувка, которая может снизить температуру воздушного заряда путем уменьшения количества остаточных горячих газов в объеме мертвого пространства в цилиндре, и захвата дополнительного свежего воздуха в указанный объем мертвого пространства.
Подтверждение удовлетворения условий продувки может дополнительно предусматривать подтверждение того, что АДК (MAP) во впускном коллекторе выше давления в выпускном коллекторе. То есть, может быть подтвержден режим нагнетания воздуха. При этом, возможны ошибки при оценке значений АДК (MAP) во впускном коллекторе и давления в выпускном коллекторе. Например, измеренные значения АДК (MAP) во впускном коллекторе и давления в выпускном коллекторе могут составлять соответственно, 169 кПа (50 д.рт.ст.) и 163 кПа (48 д.рт.ст.), что позволяет реализовать режим нагнетания воздуха, и обеспечивает возможность направить продувочный воздух из впускного коллектора в выпускной коллектор. Однако, фактические значения АДК (MAP) во впускном коллекторе и давления в выпускном коллекторе могут оказаться равными, соответственно, 163 кПа (48 д.рт.ст.) и 169 кПа (50 д.рт.ст.). Это приведет к тому, что воздух и отработавший газ фактически станут двигаться в противоположном направлении, из выпускного коллектора во впускной коллектор.
Чтобы сократить такие ошибки, при сравнении АДК (MAP) и давления в выпускном коллекторе ВЫПАДК (EXHMAP, Exhaust manifold pressure) может быть предусмотрена зона нечувствительности. Например, чтобы подтвердить удовлетворение условий для продувки, можно подтвердить, что АДК (MAP) выше давления в выпускном коллекторе по меньшей мере на пороговую величину (например, АДК (MAP)>ВЫПАДК (EXHMAP)+X). Для сравнения, чтобы обеспечить возможность рециркуляции отработавших газов (которая представляет собой движение в обратном направлении из выпускного коллектора во впускной коллектор), можно подтвердить, что давление в выпускном коллекторе выше давления АДК (MAP) по меньшей мере на пороговую величину (например, ВЫПАДК (EXHMAP)>АДК (MAP)+Y). Благодаря введению зон нечувствительности при сравнении давлений во впускном и выпускном коллекторах, обеспечивается допуск на отклонение при измерении или оценке давлений во впускном и выпускном коллекторах.
После подтверждения удовлетворения условий для продувки алгоритм 400 переходит на этап 416. На этапе 416 проверяют, превышает ли температура каталитического нейтрализатора температуру его активации. Другими словами, алгоритм проверяет, достиг ли каталитический нейтрализатор температуры активации. Если на этапе 416 получают ответ «НЕТ», то алгоритм переходит на этап 426.
На этапе 426 алгоритма двигатель эксплуатируют в режиме четырехклапанной продувки. Работа в режиме четырехклапанной продувки включает в себя регулирование устройства переменной синхронизации кулачков для смещения положения распредвала, и, таким образом, изменения фаз газораспределения для впускного и/или выпускного клапана цилиндра (или цилиндров) двигателя от первого значения фазы газораспределения, соответствующего отсутствию положительного перекрытия клапанов (или меньшему положительному перекрытию клапанов), ко второму значению фазы газораспределения, соответствующему положительному перекрытию между впускным клапаном и выпускным клапаном (или большему положительному перекрытию клапанов). Затем, как только фаза газораспределения будет отрегулирована, впускной воздух можно будет передавать из впускного коллектора, из области ниже по потоку от компрессора в выпускной коллектор, в область выше по потоку от турбины за счет положительного перекрытия клапанов через один или несколько цилиндров двигателя. Дополнительно, во время направленного движения воздуха может быть отрегулировано количество впрыскиваемого топлива, исходя из количества воздуха, передаваемого за счет положительного перекрытия клапанов, для поддержания стехиометрического воздушно-топливного отношения в отработавших газах или воздушно-топливного отношения, примерно равного стехиометрическому. Например, во время направленного движения воздуха впрыск топлива в цилиндр может быть на время сдвинут в сторону обогащения, при этом степень обогащения воздушно-топливной смеси зависит от количества воздуха, передаваемого в виде продувочного воздуха через цилиндры с использованием положительного перекрытия клапанов. Чем большее количество топлива будет впрыскиваться, тем более богатая смесь будет гореть в цилиндрах. Образованные таким образом более «богатые» отработавшие газы могут в выпускном коллекторе вступать в экзотермическую реакцию с продувочным воздухом. В результате, может быть увеличена температура отработавших газов, и, соответственно, за счет более горячих отработавших газов может быть ускорено нагревание каталитического нейтрализатора.
Если на этапе 416 определяют, что температура каталитического нейтрализатора больше температуры активации или равна указанной температуре (то есть, если на этапе 416 получен ответ «ДА»), то алгоритм переходит на этап 420. На этапе 420 проверяют, превышает ли температура одного или нескольких выпускных клапанов пороговую температуру. В одном из примеров, контроллер выполнен с возможностью проверки, превышает ли температура одного или нескольких впускных клапанов и/или выпускных клапанов пороговую температуру. Если на этапе 420 получен ответ «НЕТ», то алгоритм переходит на этап 428.
На этапе 428 алгоритма обеспечивают режим двухклапанной диагональной продувки. Например, режим двухклапанной продувки может быть обеспечен путем регулирования фаз газораспределения для впускных и выпускных клапанов, так чтобы период положительного перекрытия между первым впускным клапаном (например, впускным клапаном I4 на фиг. 3В) и первым выпускным клапаном (например, выпускным клапаном Е1 на фиг. 3В) мог превышать период положительного перекрытия между вторым впускным клапаном (например, впускным клапаном I2 на фиг. 3В) и вторым выпускным клапаном (например, выпускным клапаном Е4 на фиг. 3В). Первый впускной и первый выпускной клапаны могут быть расположены диагонально на головке цилиндра, как показано на фиг. 3В. Другими словами, на большей части периода положительного перекрытия, только два клапана (один впускной и один выпускной), расположенные диагонально, могут быть использованы для продувки. В результате, длина пути газового потока от впускного клапана до выпускного клапана может быть увеличена. За счет увеличения длины пути газового потока может быть увеличено количество свежего воздуха, удерживаемого в цилиндре. Соответственно, температура в цилиндре может быть уменьшена, что может снизить детонацию. Кроме того, может быть исключено избыточное нагревание каталитического нейтрализатора, и при малых оборотах двигателя может быть обеспечен увеличенный крутящий момент. Подробности, касающиеся двухклапанной диагональной продувки, будут рассмотрены ниже со ссылкой на фиг. 5 и 7.
В одном из примеров, впускной клапан, используемый для двухклапанной продувки, может быть оснащен дефлектором для дополнительного увеличения длины пути газового потока во время продувки. В другом примере, выпускные клапаны, используемые для двухклапанной продувки, могут быть оснащены дефлектором для дополнительного увеличения длины пути газового потока во время продувки. В еще одном примере, как впускной клапан, так и выпускной клапан могут быть оснащены дефлектором для дополнительного увеличения длины пути газового потока во время продувки.
Если на этапе 420 получен ответ «ДА», то алгоритм переходит на этап 426. На этапе 426 алгоритма реализуют режим четырехклапанной продувки. То есть, если определяют, что температура одного или нескольких выпускных клапанов превышает пороговую температуру, то вместо режима двухклапанной продувки двигатель может функционировать в режиме четырехклапанной продувки для снижения тепловой нагрузки на клапаны, используемые для продувки.
Четырехклапанную продувку можно осуществить путем регулирования фаз газораспределения для впускных и выпускных клапанов, так чтобы все четыре клапана могли быть использованы для продувки. Во время четырехклапанной продувки газовый поток не может идти по диагональному пути; вместо этого газ протекает по более короткому пути между впускным клапаном и выпускным клапаном. В результате, сжатый воздух, используемый для удаления отработавших газов, может достигать выпускного коллектора. То есть, количество сжатого воздуха в выпускном коллекторе может превышать пороговую величину. Соответственно, когда двигатель работает с богатой смесью, избыточный воздух в выпускном коллекторе может вступать в реакцию с обогащенными газообразными продуктами сгорания, увеличивая температуру отработавших газов в выпускном коллекторе. В результате, может быть ускорено нагревание каталитического нейтрализатора. Кроме того, увеличенная масса и энтальпия отработавших газов может быть использована для разгона турбины, что приводит к уменьшению турбоямы.
Таким образом, четырехклапанная продувка может быть использована в условиях холодного пуска двигателя для ускорения нагревания каталитического нейтрализатора и уменьшения турбоямы. Кроме того, вместо двухклапанной диагональной продувки может быть использована четырехклапанная продувка, если температура одного или нескольких из впускного и/или выпускного клапанов превышает пороговую величину. При этом, двухклапанная продувка может увеличивать температуру одного или нескольких клапанов, используемых для такой продувки. Таким образом, чтобы предотвратить повреждение клапанов из-за чрезмерной температуры, можно использовать четырехклапанную продувку, когда температура одного или нескольких из впускных или выпускных клапанов превышает пороговую температуру для клапана.
На этапе 416, если температура каталитического нейтрализатора не превышает температуру его активации, то может быть реализована четырехклапанная продувка для ускорения нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов за счет увеличенной температуры отработавших газов. Например, как раскрыто ранее, при использовании четырехклапанной продувки, сжатый впускной воздух может втекать в выпускной коллектор в период перекрытия клапанов. Кроме того, в двигатель можно подавать богатую топливную смесь. Газы, образующиеся при горении богатой смеси, могут вступать в экзотермическую реакцию с воздухом, содержащимся в отработавших газах. В результате, температура отработавших газов может увеличиваться, в результате чего возможно ускорение нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Если на этапе 412 определяют, что условия для продувки не удовлетворены, то алгоритм 400 переходит на этап 414. На этапе 414 двигатель эксплуатируют без продувки. В одном из примеров, когда двигатель работает в режиме без продувки, положение распредвала регулируют так, чтобы не было никакого положительного перекрытия клапанов. Например, положение распредвала, которое не дает положительного перекрытия клапанов, может являться исходным положением распредвала. Однако, в другом примере, при работе в режиме без продувки может быть задано ненулевое положительное перекрытие клапанов, но перекрытие клапанов может быть уменьшено так, чтобы продувка была пренебрежимо малой.
Затем, на этапе 418 алгоритма 400 проверяют, удовлетворено ли первое условие. Первое условие может зависеть от одного или нескольких условий работы двигателя, и может включать в себя частоту вращения двигателя и нагрузку на двигателе. Если первое условие удовлетворено, то алгоритм может перейти на этап 424. На этапе 424 алгоритма предусматривают работу всех цилиндров двигателя с двумя клапанами (то есть, с одним впускным клапаном и одним выпускным клапаном). Если первое условие не удовлетворено, то алгоритм переходит на этап 422. На этапе 422 алгоритма предусматривают работу всех цилиндров двигателя с четырьмя клапанами (то есть, с двумя впускными клапанами и двумя выпускными клапанами),
В одном из примеров, если двигатель не эксплуатируют в режиме продувки (то есть, при работе двигателя никакой режим продувки не действует), то фаза распредвала может быть отрегулирована для работы двигателя в нормальном режиме. Например, нормальный режим может предусматривать регулирование фазы распредвала для обеспечения такого перекрытия впускного и выпускного клапанов, чтобы можно было получить требуемое количество остаточных газов внутри цилиндра, необходимое для снижения расхода топлива.
Таким образом, в зависимости от условий работы двигателя, двигатель можно эксплуатировать в режиме без продувки, в режиме двухклапанной диагональной продувки и в режиме четырехклапанной продувки.
На фиг. 5 представлена блок-схема алгоритма 500 для обеспечения двухклапанной диагональной продувки. Например, двухклапанная диагональная продувка может быть предусмотрена для увеличения длины пути газового потока от впускного клапана до выпускного клапана. Благодаря увеличению длины пути, количество свежего воздуха, которое может втекать в выпускной коллектор при удалении отработавших газов из цилиндра во время продувки, может быть уменьшено. Другими словами, количество свежего воздуха, захватываемое цилиндром, может быть увеличено. Благодаря увеличению количества свежего воздуха в цилиндре, может быть увеличен выходной крутящий момент, в частности, например, при малых оборотах двигателя.
На этапе 510 алгоритма 500 проверяют, удовлетворены ли условия для двухклапанной диагональной продувки. Как раскрыто выше со ссылкой на фиг. 4, условия для двухклапанной продувки могут включать в себя одну или несколько из следующих ситуаций: увеличение нагрузки на двигатель при неизменных оборотах; ситуацию, когда частота вращения турбины ниже пороговой частоты во время увеличения нагрузки на двигатель при неизменных оборотах; ситуацию, когда требуемый крутящий момент больше порогового требуемого крутящего момента, а частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения; и ситуацию, когда есть признаки детонации. Условия для двухклапанной продувки могут дополнительно включать в себя ситуацию, когда температура заслонки каждого из двух впускных и двух выпускных клапанов меньше пороговой температуры. Если на этапе 510 определяют, что условия для двухклапанной продувки не удовлетворены, то алгоритм 500 завершают. Если условия для двухклапанной продувки удовлетворены, то алгоритм 500 переходит на этап 512.
На этапе 512 алгоритма 500 определяют продувочные клапаны и непродувочные клапаны для каждого цилиндра. К продувочным клапанам относится продувочный впускной клапан (например, впускной клапан I4 на фиг. 3В) и продувочный выпускной клапан (например, выпускной клапан Е1 на фиг. 3В), которые вблизи ВМТ (TDC) могут перекрываться в течение периода, превышающего первый пороговый период, для обеспечения продувки. К непродувочным клапанам относится непродувочный впускной клапан (например, впускной клапан I2 на фиг. 3В) и непродувочный выпускной клапан (например, выпускной клапан Е3 на фиг. 3В), которые во время продувки перекрываются в течение периода, который меньше второго порогового периода. Указанный первый пороговый период может быть больше указанного второго порогового периода. Определение продувочных клапанов и непродувочных клапанов может зависеть, например, от температуры клапана. Кроме того, продувочный впускной клапан может быть расположен на диагонали с продувочным выпускным клапаном.
После определения продувочных и непродувочных клапанов алгоритм 500 переходит на этап 513. На этапе 513 алгоритма 500 двигатель эксплуатируют в режиме двухклапанной продувки. Работа двигателя в режиме двухклапанной продувки может предусматривать (на шаге 514) обеспечение подъема клапанов, так чтобы период подъема для продувочных клапанов превышал период подъема для непродувочных клапанов.
Далее, на этапе 516 регулируют фазы газораспределения клапанов, так чтобы период положительного перекрытия между продувочными клапанами превышал период положительного перекрытия между непродувочными клапанами. Например, момент закрытия продувочного выпускного клапана может быть задержан относительно момента закрытия непродувочного выпускного клапана, а момент открытия продувочного впускного клапана может быть задан с опережением относительно момента открытия непродувочного впускного клапана. Моменты открытия продувочного выпускного клапана и непродувочного выпускного клапана могут совпадать, при этом моменты закрытия продувочного впускного клапана и непродувочного впускного клапана могут также совпадать. Благодаря задержке момента закрытия выпускного клапана, и опережению момента открытия продувочного впускного клапана, продувочный выпускной клапан и продувочный впускной клапан могут быть одновременно открытыми в течение более продолжительного времени, чем непродувочные клапаны. То есть, продувочные клапаны можно эксплуатировать, обеспечивая больший период взаимного перекрытия по сравнению с непродувочными клапанами. Подробности подъема клапанов и фаз газораспределения клапанов, которые могут быть использованы при двухклапанной продувке, будут рассмотрены ниже со ссылкой на фиг. 7.
Затем, на этапе 518 алгоритма 500 определяют величину продувки цилиндра. В одном из примеров, величина продувки может зависеть от общего массового расхода через цилиндр и максимальной мощности, приходящейся на единицу рабочего объема цилиндра. Величина продувки для двигателя может быть определена на основании суммы величин продувки каждого цилиндра за один или более циклов двигателя.
После определения величины продувки алгоритм переходит на этап 520. На этапе 520 алгоритма регулируют работу двигателя в зависимости от величины продувки. Например, количество впрыскиваемого топлива может быть изменено пропорционально величине продувки, так чтобы получить общее стехиометрическое воздушно-топливное отношение в отработавших газах. Количество впрыскиваемого топлива может быть отрегулировано, например, путем изменения ширины импульса сигнала FPW. Кроме того, в зависимости от величины продувки, можно отрегулировать момент зажигания, поток РОГ (EGR) и поток принудительной вентиляции картера ПВК (PCV, Positive Crankcase Ventilation). Например, момент зажигания может быть сдвинут в сторону опережения, когда величина продувки увеличивается, при этом поток РОГ (EGR) может быть увеличен, когда величина продувки увеличивается из-за уменьшения внутренней РОГ (EGR), а поток ПВК (PCV) можно не менять.
В некоторых примерах, для получения требуемой величины продувки, можно отрегулировать один или несколько параметров работы двигателя. Например, чтобы получить требуемую величину продувки, можно отрегулировать положение дроссельной заслонки и положение перепускной заслонки. В одном из примеров, перепускная заслонка может быть закрыта, а дроссельная заслонка может быть открыта, чтобы увеличить величину продувки до требуемого уровня. В качестве альтернативного варианта, если величина продувки больше, чем требуется, то дроссельная заслонка может быть закрыта, а перепускная заслонка может быть открыта, чтобы уменьшить величину продувки. В некоторых других примерах, чтобы получить требуемую величину продувки, можно отрегулировать период положительного перекрытия клапанов. Например, когда величина продувки меньше требуемой, период положительного перекрытия клапанов может быть увеличен, а когда величина продувки больше требуемой, период положительного перекрытия клапанов может быть уменьшен. В других примерах, величину продувки можно уменьшать, открывая перепускной клапан компрессора. В качестве альтернативного варианта, величину продувки можно увеличивать путем введения в работу механического нагнетателя.
В сущности, при работе двигателя в режиме продувки (например, в режиме четырехклапанной продувки) может иметь место потеря свежего воздуха в выпускной системе из-за наличия короткого пути газового потока из впускного коллектора в выпускной коллектор. Таким образом, чтобы поддержать общее стехиометрическое воздушно-топливное отношение в отработавших газах, при сжигании топливной смеси может быть использовано воздушно-топливное отношение, смещенное в сторону обогащения. Однако, когда двигатель работает в режиме двухклапанной диагональной продувки, как раскрыто выше, потеря свежего воздуха в выпускной системе может быть сокращена, благодаря увеличенной длине пути газового потока из впускного коллектора в выпускной коллектор. В результате, для данной требуемой величины продувки в цилиндре, при работе в режиме двухклапанной диагональной продувки может быть использовано воздушно-топливное отношение, соответствующее менее богатой смеси, по сравнению с воздушно-топливным отношением в цилиндре, которое может быть использовано при работе в режиме четырехклапанной продувки. Другими словами, для заданной требуемой величины продувки в режиме двухклапанной продувки в цилиндре может быть использована менее богатая воздушно-топливная смесь, по сравнению с воздушно-топливной смесью, которая может быть использована в цилиндре при работе двигателя в режиме четырехклапанной продувки для той же требуемой величины продувки. Например, воздушно-топливное отношение в цилиндре в режиме двухклапанной продувки может соответствовать менее богатой смеси, чем в режиме четырехклапанной продувки, поскольку в режиме двухклапанной продувки может быть реализовано более эффективное удаление остаточного горячего отработавшего газа, при этом меньшее количество продувочного воздуха будет уходить в выпускной коллектор.
В одном из примеров, ВТО (AFR) в цилиндре можно отрегулировать так, чтобы поддержать общее стехиометрическое воздушно-топливное отношение или другое искомое отношение, в зависимости от режима перекрытия клапанов. Например, во время второго режима перекрытия в цилиндр двигателя можно подавать более богатую воздушно-топливную смесь, чем во время первого режима перекрытия, чтобы поддержать стехиометрическое воздушно-топливное отношение в отработавших газах, при этом второй режим перекрытия соответствует режиму четырехклапанной продувки, а первый режим перекрытия соответствует режиму двухклапанной продувки.
Кроме того, когда двигатель работает в режиме двухклапанной продувки, перемешиванием газового потока можно управлять более эффективно по сравнению с режимом четырехклапанной продувки. В результате, удаление остаточного горячего отработавшего газа можно выполнять более эффективно, снижая, тем самым, температуру в цилиндре и, соответственно, уменьшая детонацию.
Таким образом, благодаря направленному движению продувочного воздуха через диагонально расположенные впускной и выпускной клапаны, может быть увеличена длина пути газового потока от впускного клапана до выпускного клапана, что приводит к тому, что большее количество продувочного воздуха захватывается объемом мертвого пространства цилиндра. В результате, может быть увеличен выходной крутящий момент двигателя. Кроме того, может быть снижена температура в цилиндре, что уменьшит тенденцию к детонации. Кроме того, благодаря уменьшению количества продувочного воздуха в выпускном коллекторе, в цилиндр двигателя можно подавать менее богатую топливную смесь. Горение менее богатой смеси и уменьшение количества воздуха в выпускном коллекторе может привести к снижению температуры отработавших газов, и, соответственно, может быть исключено чрезмерное повышение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. В результате, может быть ослаблено ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, а величина продувки, которая может быть использована (которая в противном случае могла быть ограничена перегревом каталитического нейтрализатора), может быть увеличена.
На фиг. 6 представлена блок-схема алгоритма для управления двигателем в режиме четырехклапанной продувки. К примеру, четырехклапанная продувка может быть предусмотрена для нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов при холодном пуске двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора ниже температуры его активации. При четырехклапанной продувке двигатель может работать с положительным перекрытием клапанов, так чтобы сжатый продувочный воздух мог быть направлен в выпускной коллектор двигателя. Кроме того, в цилиндры двигателя можно подавать богатую воздушно-топливную смесь. Продувочный воздух может вступать в экзотермическую реакцию с богатой горючей смесью в выпускном коллекторе, вблизи каталитического нейтрализатора отработавших газов, и, тем самым, нагревать указанный каталитический нейтрализатор. В некоторых примерах, четырехклапанная продувка может быть предусмотрена вместо двухклапанной продувки, когда температура одного или нескольких клапанов цилиндра больше пороговой температуры, выше которой может произойти ухудшение характеристик клапанов.
На этапе 610 алгоритма 600 определяют, удовлетворены ли условия для четырехклапанной продувки. Как описано выше со ссылкой на фиг. 4, условия для осуществления продувки включают в себя одну или несколько из следующих ситуаций: увеличение нагрузки на двигатель при неизменных оборотах; ситуацию, когда частота вращения турбины ниже пороговой частоты во время увеличения нагрузки на двигатель при неизменных оборотах; ситуацию, когда требуемый крутящий момент больше порогового требуемого крутящего момента, а частота вращения двигателя меньше пороговой частоты; и ситуацию, когда есть признаки детонации. При этом, условия для осуществления четырехклапанной продувки также могут включать в себя ситуацию, когда температура одного или нескольких клапанов в цилиндре превышает пороговую температуру. Например, когда температура одного или нескольких клапанов в цилиндре превышает пороговую температуру, вместо двухклапанной продувки может быть использована четырехклапанная продувка, чтобы исключить повреждение клапанов из-за высоких температур. Если на этапе 610 определяют, что условия для четырехклапанной продувки не удовлетворены, то алгоритм 600 завершается. Если условия для четырехклапанной продувки удовлетворены, то алгоритм 600 переходит на этапе 611.
На этапе 611 все четыре клапана (два впускных и два выпускных) могут быть определены в качестве продувочных клапанов. Затем, на этапе 612 алгоритма 600 эксплуатируют двигатель в режиме четырехклапанной продувки. Например, работа двигателя в режиме четырехклапанной продувки может заключаться в том, что на этапе 614 алгоритма осуществляют подъем клапанов, так чтобы периоды подъема для двух впускных клапанов (например, I2 и I4 на фиг. 3А) и двух выпускных клапанов (например, Е1 и Е3 на фиг. 3А) были равны. Далее, на этапе 616 четырехклапанная продувка может предусматривать регулирование фаз газораспределения так, чтобы периоды положительного перекрытия клапанов для первой пары впускного/выпускного клапанов и положительного перекрытия для второй пары впускного/выпускного клапанов были одинаковыми. То есть, момент открытия и момент закрытия для первой пары впускного/выпускного клапанов и момент открытия и момент закрытия для второй пары впускного/выпускного клапанов могут совпадать. Подробности подъема клапанов и фаз газораспределения, которые могут быть использованы для четырехклапанной продувки, будут рассмотрены ниже, со ссылкой на фиг. 8.
Затем, на этапе 618 алгоритма определяют величину продувки цилиндра. Величина продувки может зависеть от общего массового расхода через цилиндр и максимальной мощности, приходящейся на единицу рабочего объема цилиндра. После определения величины продувки цилиндра алгоритм 600 переходит на этап 620. На этапе 620 алгоритма 600 регулируют работу двигателя в зависимости от величины продувки. Например, количество впрыскиваемого топлива может быть изменено пропорционально величине продувки так, чтобы получить общее стехиометрическое воздушно-топливное отношение в отработавших газах. Количество впрыскиваемого топлива может быть отрегулировано, например, путем изменения ширины импульса сигнала FPW.
Далее, как раскрыто выше в отношении двухклапанной продувки со ссылкой на фиг. 5, исходя из величины продувки, можно отрегулировать момент зажигания, поток РОГ (EGR) и поток ПВК (PCV). Например, момент зажигания может быть сдвинут в сторону опережения, когда величина продувки увеличивается; поток РОГ (EGR) может быть увеличен, когда величина продувки увеличивается (чтобы компенсировать снижение внутренней РОГ (EGR) во время продувки), при этом поток ПВК (PCV) можно не менять.
Следует отметить, что при заданных условиях работы двигателя (например, условиях, приводящих к заданной требуемой величине продувки) количество воздуха, захватываемое цилиндром, если двигатель работает в режиме двухклапанной продувки, может быть больше, чем количество воздуха, захватываемое цилиндром (а, соответственно, общий поток воздуха через цилиндр), если двигатель работает в режиме четырехклапанной продувки. В результате, при заданных условиях работы двигателя, момент зажигания для режима двухклапанной продувки может быть сдвинут в сторону опережения относительно момента зажигания для режима четырехклапанной продувки, а поток внешней РОГ (EGR) для режима двухклапанной продувки может быть увеличен относительно потока внешней РОГ (EGR) для режима четырехклапанной продувки.
Таким образом, четырехклапанная продувка может быть использована для ускорения нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов и/или уменьшения ухудшения характеристик клапанов.
На фиг. 7 представлены графики 700 изменения фаз газораспределения и величин подъема клапанов, приведенных для примерного продувочного впускного клапана, примерного непродувочного впускного клапана, примерного продувочного выпускного клапана, примерного непродувочного выпускного клапана во время действия условий для двухклапанной диагональной продувки, а также положения поршня относительно положения элементов двигателя для заданного цилиндра двигателя. При этом, контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью приведения в действие устройства нагнетания в двигателе, такого как турбонагнетатель, чтобы прогонять поток сжатого воздуха через цилиндры двигателя, одновременно заставляя двигатель работать с положительным перекрытием между впускными и выпускными клапанами. Контроллер двигателя может использовать графики, такие как графики 700, для определения периода положительного перекрытия.
Двухклапанная продувка может быть использована для обеспечения большего крутящего момента при малых оборотах двигателя, уменьшения вероятности возникновения детонации за счет снижения температур в цилиндрах и исключения чрезмерного нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов, которое может возникать при операциях продувки, например, при четырехклапанной продувке. Как раскрыто выше со ссылкой на фиг. 4 и 5, условия для двухклапанной продувки могут включать в себя одну или несколько из следующих ситуаций: увеличение нагрузки на двигатель при неизменных оборотах; ситуацию, когда частота вращения турбины ниже пороговой частоты вращения во время увеличения нагрузки на двигатель при неизменных оборотах; ситуацию, когда требуемый крутящий момент больше порогового требуемого крутящего момента, а частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения; и ситуацию, когда есть признаки детонации. Условия для двухклапанной продувки могут также включать в себя ситуацию, когда температура каждого из двух впускных и двух выпускных клапанов ниже пороговой температуры.
Графики 700 отображают положение элементов двигателя на оси X в градусах поворота коленчатого вала (CAD, Crank Angle Degrees). Кривая 702 иллюстрирует положение поршня (вдоль оси Y) по отношению к их расположению от ВМТ (TDC) и/или НМТ (BDC), а также относительно их расположения в пределах четырех тактов (впуска, сжатия, расширения и выпуска) цикла двигателя.
На такте впуска, в общем, выпускные клапаны закрыты, а впускные клапаны открыты. Воздух поступает в цилиндр через соответствующий впускной канал, при этом поршень цилиндра, согласно синусоидальной кривой 702, перемещается в нижнюю часть цилиндра для увеличения объема внутри цилиндра. На такте сжатия впускные клапаны и выпускные клапаны закрыты. Поршень движется в направлении головки цилиндра для сжатия воздуха в камере сгорания. На такте расширения расширяющиеся газы толкают поршень обратно в направлении НМТ (BDC). Коленчатый вал преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. На такте выпуска (в традиционной конструкции) выпускные клапаны открыты для высвобождения остаточных продуктов сгорания воздушно-топливной смеси в соответствующие выпускные каналы, а поршень возвращается в ВМТ (TDC).
Величины подъема клапанов и фаз газораспределения для продувочного выпускного клапана (например, выпускного клапана Е1 на фиг. 3В) и непродувочного выпускного клапана (например, выпускного клапана Е3 на фиг. 3В) представлены соответственно кривыми 706 и 704. Величины подъема клапанов и фаз газораспределения для продувочного впускного клапана (например, впускного клапана I4 на фиг. 3В) и непродувочного впускного клапана (например, впускного клапана I2 на фиг. 3В) представлены соответственно кривыми 708 и 710. В данном примере выпускные клапаны Е1 и Е3 могут открываться одновременно. Однако, момент закрытия продувочного выпускного клапана может быть задержан относительно момента закрытия непродувочного выпускного клапана. В результате, продувочный выпускной клапан Е1 может оставаться открытым на более длительный период времени, чем непродувочный выпускной клапан Е3. Кроме того, момент открытия продувочного впускного клапана I4 может опережать момент открытия непродувочного впускного клапана I2, в то время как продувочный впускной клапан I4 и непродувочный впускной клапан I2 могут закрыться одновременно. В результате, продувочный впускной клапан I4 может оставаться открытым на более длительный период времени, чем непродувочный впускной клапан I2. Как продувочный выпускной клапан Е1, так и продувочный впускной клапан I4 могут оставаться открытыми на время, равное периоду 712 положительного перекрытия.
В некоторых примерах период 712 перекрытия клапанов может быть более длительным, чем период перекрытия, представленный на фиг. 7, для обеспечения качественной очистки и надлежащего крутящего момента, когда давление во впускном коллекторе больше давления в выпускном коллекторе. В некоторых других примерах, период 712 перекрытия клапанов может быть более коротким, чем период перекрытия, представленный на фиг. 7, для уменьшения величины продувки.
В некоторых примерах фазу положительного перекрытия можно сдвигать в сторону опережения или запаздывания относительно фазы положительного перекрытия, рассмотренной в данном примере. К примеру, в представленном примере максимальное перекрытие клапанов происходит при 360° ВМТ (TDC). В одном из примеров, фазу периода положительного перекрытия можно сдвинуть в сторону опережения, так чтобы максимальное перекрытие клапанов происходило до достижения поршнем угла 360° ВМТ (TDC), в конце такта выпуска. В другом примере, фаза периода положительного перекрытия может быть задержана, так чтобы максимальное перекрытие клапанов происходило после достижения поршнем ВМТ (TDC), в конце такта выпуска.
Непродувочный выпускной клапан Е3 и непродувочный впускной клапан I2 могут оставаться открытыми на протяжении ограниченного времени во время периода 712 положительного перекрытия клапанов, так что продувка через непродувочные впускной и выпускной клапаны незначительна. Более того, во время положительного перекрытия клапанов, когда открыты непродувочные клапаны, величина подъема непродувочных клапанов может быть настолько малой, что продувка через непродувочные впускной и выпускной клапаны будет пренебрежимо мала. То есть, во время периода 712 положительного перекрытия большая часть сжатого впускного воздуха может быть направлена в цилиндр через продувочный впускной клапан, при этом большая часть остаточного отработавшего газа, которую вытесняет указанный сжатый впускной воздух, может выйти из цилиндра через продувочный выпускной клапан. Другими словами, только продувочный впускной клапан и продувочный выпускной клапан могут быть использованы для продувки. Кроме того, сжатый воздух, направляемый от продувочного впускного клапана к продувочному выпускному клапану, может проходить по диагональному пути, поскольку продувочный впускной клапан расположен на головке цилиндра диагонально с продувочным выпускным клапаном. Кроме того, газовый поток через непродувочные клапаны может быть пренебрежимо малым из-за малой высоты подъема клапанов и кратковременного открытия клапанов. В результате, длина пути газового потока из впускного коллектора в выпускной коллектор может быть увеличена при использовании двухклапанной диагональной продувки.
Таким образом, можно выполнить регулирование фаз газораспределения для обеспечения двухклапанной диагональной продувки.
На фиг. 8 представлены графики 800 изменения фаз газораспределения и величин подъема клапанов, приведенных для примерного продувочного впускного клапана, примерного непродувочного впускного клапана, примерного продувочного выпускного клапана, примерного непродувочного выпускного клапана во время действия условий для четырехклапанной продувки, а также положения поршня относительно положения элементов двигателя для заданного цилиндра двигателя. При этом, контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью приведения в действие устройства нагнетания в двигателе, такого как турбонагнетатель, чтобы прогонять поток сжатого воздуха через цилиндры двигателя, и для обеспечения функционирования двигателя положительным перекрытием между впускными и выпускными клапанами. Контроллер двигателя может использовать графики, такие как графики 800, для определения периода положительного перекрытия.
В сущности, двигатель можно эксплуатировать в режиме четырехклапанной продувки, чтобы обеспечить больший крутящий момент при малых оборотах двигателя, уменьшить вероятность возникновения детонации за счет снижения температуры в цилиндрах, ускорить нагревание каталитического нейтрализатора отработавших газов в условиях холодного пуска двигателя, и увеличить частоту вращения турбины до требуемой частоты вращения при холодном пуске двигателя. Как раскрыто выше со ссылкой на фиг. 4 и 6, условия для четырехклапанной продувки включают в себя одну или несколько из следующих ситуаций: увеличение нагрузки на двигатель при неизменных оборотах; ситуацию, когда частота вращения турбины ниже пороговой частоты вращения во время увеличения нагрузки на двигатель при неизменных оборотах; ситуацию, когда требуемый крутящий момент больше порогового требуемого крутящего момента, а частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения; и ситуацию, когда есть признаки детонации. Кроме того, условия для четырехклапанной продувки могут включать в себя ситуацию, когда температура одного или нескольких клапанов в головке цилиндра превышает пороговую температуру. Например, когда температура одного или нескольких клапанов в головке цилиндра превышает пороговую температуру, и когда требуется продувка, двигатель эксплуатируют в режиме четырехклапанной продувки вместо двухклапанной продувки, чтобы снизить ухудшение характеристик впускного и выпускного клапанов из-за чрезмерного нагревания.
Графики 800 отображают положение элементов двигателя на оси X в градусах поворота коленчатого вала (CAD). Кривая 802 иллюстрирует положение поршня (вдоль оси Y) по отношению к их расположению от ВМТ (TDC) и/или НМТ (BDC), а также относительно их расположения в пределах четырех тактов (впуска, сжатия, расширения и выпуска) цикла двигателя. Как показывает синусоидальная кривая 802, поршень постепенно перемещается вниз от ВМТ (TDC), заканчивая свое движение в нижней части цилиндра в НМТ (BDC) к концу рабочего такта. Затем поршень возвращается наверх, в ВМТ (BDC) к концу такта выпуска. Далее, поршень снова движется назад вниз в направлении НМТ (BDC) во время такта впуска, и возвращается в исходное верхнее положение в ВМТ (TDC) к концу такта сжатия.
Кривые 804 и 806 иллюстрируют фазы газораспределения для продувочных выпускных клапанов Е1 и Е3 соответственно (например, выпускных клапанов Е1 и Е3 на фиг. 3А), а кривые 808 и 810 иллюстрируют фазы газораспределения дляпродувочных впускных клапанов I4 и I2 соответственно (например, впускных клапанов I4 и I2 на фиг. 3А) во время работы двигателя в режиме четырехклапанной продувки. Как показано на фиг. 8, выпускные клапаны могут быть открыты непосредственно перед тем, как поршень достигнет НМТ (BDC) в конце рабочего такта. Выпускные клапаны закрываются, когда поршень завершает такт выпуска, и могут оставаться открытыми по меньшей мере до тех пор, пока не начнется следующий такт впуска. Аналогично, впускные клапаны открываются в момент начала или перед началом такта впуска, и остаются открытыми по меньшей мере до тех пор, пока не начнется следующий такт сжатия.
В результате разности моментов закрытия выпускных клапанов и открытия впускных клапанов, в течение короткого периода 812 времени перед окончанием такта выпуска и после начала такта впуска впускные и выпускные клапаны могут оставаться открытыми. То есть, может иметь место положительное перекрытие клапанов. В одном из примеров, данному состоянию положительного перекрытия клапанов может соответствовать исходное положение кулачкового распредвала двигателя во время холодного пуска двигателя.
Таким образом, фазы газораспределения, периоды срабатывания и высоты подъема клапанов могут быть отрегулированы для обеспечения четырехклапанной продувки.
Соответственно, при существовании условий для продувки, двигатель может функционировать в режиме двуклапанной продувки для увеличения длины пути газового потока, и, тем самым, увеличения количества воздуха, захватываемого цилиндром во время продувки. В результате, благодаря увеличению воздушного заряда цилиндра и уменьшению утечки воздуха в выпускной коллектор, можно увеличить крутящий момент, снизить температуру каталиимческого нейтрализатора отработавших газов, уменьшить тенденцию к детонации и снизить расход топлива. Однако, когда требуется ускорить нагревание каталитического нейтрализатора (например, при холодном пуске двигателя), может быть использована четырехклапанная продувка. Кроме того, четырехклапанная продувка может быть использована вместо двухклапанной продувки, когда температура одного или нескольких впускных и/или выпускных клапанов превышает пороговую температуру ухудшения характеристик, для снижения тепловой нагрузки на клапаны.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки можно использовать с различными компоновками двигательных систем и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять одну или любое количество стратегий обработки, например, стратегии, управляемые событиями, управляемые прерыванием, многозадачные, многопотоковые и т.д. Это подразумевает, что проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции можно выполнять в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. По аналогии, указанный порядок обработки не обязательно требуется для обеспечения признаков и преимуществ рассмотренных здесь вариантов осуществления настоящего изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемый действий, операций и/или или функций можно повторять в зависимости от конкретной используемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия могут в графическом виде представлять собой программный код, подлежащий занесению в энергозависимое запоминающее устройство машиночитаемого носителя информации в системе управления двигателем.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании схемы и/или алгоритмы по существу являются лишь примерами, при этом конкретные варианты осуществления настоящего изобретения не следует рассматривать в качестве ограничивающих, ибо возможно различные их модификаций. Например, вышеизложенный подход может быть применен к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Объект настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные сочетания и производные сочетания различных систем и схем, а также других признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, выделены конкретные сочетания компонентов и производных сочетаний компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на элемент или «первый» элемент или на эквивалентный элемент. Следует понимать, что такие пункты включают в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные сочетания и производные сочетания раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть включены в формулу изобретения путем изменения имеющихся пунктов формулы или путем представления новых пунктов формулы в настоящей заявке или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема исходной формулы изобретения, также считаются включенными в объект настоящего изобретения.