СИСТЕМА РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ С ФИКСИРОВАННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ
EXHAUST GAS RECYCLING SYSTEM WITH FIXED CONTENT

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к управлению системой рециркуляции выхлопных газов в автомобильном транспортном средстве.
Уровень техники
Системы рециркуляции выхлопных газов (EGR) отводят часть выхлопных газов назад на впуск для уменьшения температуры в камере сгорания и сокращения потерь на дросселирование, тем самым уменьшая вредные выхлопы транспортного средства и снижая потребление топлива. В двигателях с турбонаддувом система EGR может включать в себя контур низкого давления EGR (LP-EGR), контур высокого давления EGR, (HP-EGR) или оба указанных контура. Контур LP-EGR отводит выхлопные газы после того, как газы прошли через турбину турбонагетателя, и выполняет впрыск газов перед компрессором, а контур HP-EGR отводит выхлопные газы до турбины и выполняет нагнетание газов после их прохождения через впускной дроссель. Как правило, количество газов LP-EGR и/или HP-EGR, проходящих через систему EGR, измеряют и регулируют на основании скорости вращения и нагрузки двигателя во время работы двигателя для поддержания требуемой стабильности горения в двигателе, одновременно обеспечивая снижение количества вредных выхлопов и расхода топлива.
Однако было установлено, что вышеуказанный подход имеет недостатки. Контур LP-EGR имеет большую задержку передачи, поскольку выхлопные газы перед поступлением в камеру сгорания должны пройти через турбокомпрессор, всасывающий трубопровод воздуха под высоким давлением, охладитель наддувочного воздуха и впускной коллектор. В результате подача в цилиндры требуемого количества газов системы EGR может быть затруднена, особенно при переходных условиях работы. Это происходит потому, что к моменту, когда газы системы EGR дойдут до цилиндра, скорость вращения/нагрузка двигателя могут измениться, и может потребоваться другое соотношение газов системы EGR.
Раскрытие изобретения
Таким образом, в одном примере осуществления изобретения вышеуказанные проблемы могут быть, по крайней мере частично, решены с помощью способа управления потоком EGR, в двигателе с трубонаддувом. Способ включает в себя эксплуатацию системы рециркуляции выхлопных газов низкого давления (LP-EGR) при фиксированном процентном содержании свежего воздуха в EGR при нагрузке двигателя от средней до минимальной, даже при изменении нагрузки и, следовательно, воздушного потока или воздушного заряда.
Таким образом, в отличие от постоянного изменения соотношения газов системы LP-EGR и воздуха, контур LP-EGR может иметь фиксированное процентное соотношение свежего воздуха в EGR при всех значениях нагрузки и частоты вращения, включая минимальную нагрузку двигателя, соответствующую закрытому дросселю (например, в связи с отпусканием педали газа). В одном варианте осуществления изобретения постоянный процент LP-EGR может быть обеспечен в областях, в которых наиболее вероятно возникают проблемы при управлении переходным состоянием системы LP-EGR, например, при минимальной нагрузке, имеющей место при отпускании педали газа водителем.
Настоящее изобретение может обеспечить несколько преимуществ. Поскольку проблемы, связанные с управлением переходным состоянием, могут уменьшить области допустимых значений частоты вращения и нагрузки, в которых EGR может быть применена эффективно, то усовершенствование управления переходным состоянием может обеспечить применение EGR в большем диапазоне рабочих состояний, что сократит потери на дросселирование и снизит потребление топлива. Кроме того, EGR позволяет снизить максимальные температуры в цилиндрах, сокращая выработку NOx. Таким образом, расширение применения EGR в большем числе областей частоты вращения и нагрузки может уменьшить выхлопы двигателя до нейтрализатора. Кроме того, работа контура LP-EGR с фиксированным процентным соотношением свежего воздуха может увеличить срок службы элементов. Например, отсутствие необходимости включать и выключать систему LP-EGR при отпускании и нажатии педали газа сокращает количество тепловых циклов охладителя EGR, увеличивая срок его службы. При этом количество моментов закрытия клапана EGR может быть уменьшено, что увеличит срок службы клапана. Кроме того, смешивание в системе EGR может быть улучшено, поскольку перемещение постоянного количества газов в системе LP-EGR может обеспечить использование оптимальных размеров воздуховодов для газов системы EGR и свежего воздуха, что создаст равномерное распределение газов EGR в воздухе. Наконец, перекачка фиксированного количества газов системы LP-EGR может снизить требования к динамическим диапазонам клапана EGR и датчиков и упростить алгоритм управления дросселем системы EGR, снизив затраты и сложность системы.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое изложение сущности изобретения представлено для описания в упрощенной форме ряда выбранных концепций, дальнейшее изложение которых приводится ниже в подробном описании. Краткое раскрытие сущности изобретения не направлено на определение основных или существенных характеристик заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определяется формулой изобретения. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивается вариантами реализации изобретения, устраняющими какой-либо из недостатков, указанных выше или в любой части данного описания.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение системы двигателя с турбонаддувом и системой рециркуляции выхлопных газов.
Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение двигателя с двумя рядами цилиндров и системой рециркуляции выхлопных газов.
Фиг. 3 представляет собой логическую схему, изображающую возможный способ определения режима работы системы LP-EGR.
Фиг. 4 представляет собой логическую схему способа перехода системы LP-EGR в холостой режим работы в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 5 представляет собой логическую схему способа перехода системы LP-EGR в режим работы с фиксированным соотношением согласно изобретению.
Фиг. 6 представляет собой логическую схему способа перехода системы LP-EGR в режим работы с регулируемым соотношением по изобретению.
Фиг. 7 представляет собой пример диаграммы частоты вращения и нагрузки, иллюстрирующей режимы работы системы LP-EGR с регулируемым и фиксированным соотношениями.
Фиг. 8A и 8B представляют собой примеры диаграмм, отображающих различные рабочие параметры двигателя во время двух рабочих режимов системы LP-EGR в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
Данное изобретение относится к системе EGR, соединенной с двигателем с турбонаддувом в автомобильном транспортном средстве. В одном не ограничивающем варианте осуществления изобретения двигатель может представлять собой часть системы, показанной на Фиг. 1, при этом, наряду с другими элементами, двигатель включает в себя по крайней мере один цилиндр, систему управления, турбонагнетатель и систему рециркуляции выхлопных газов. Двигатель может иметь несколько рядов цилиндров, как показано на Фиг. 2. Управление системами, показанными на Фиг. 1 и 2, может быть реализовано с помощью способа, возможные варианты которого показаны на Фиг. 3-6. Различные режимы EGR могут быть определены диаграммами частоты вращения и нагрузки двигателя, например, диаграммой с Фиг. 7. Фиг. 8A и 8B, представляют собой различные рабочие параметры двигателя во время выполнения способов, показанных на Фиг. 3-6.
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение одного из цилиндров многоцилиндрового двигателя 10 внутреннего сгорания, который может входить в движительную систему автомобиля. Двигателем 10 можно управлять, по меньшей мере частично, с помощью системы управления, содержащей контроллер 12, а также с помощью входных сигналов, направляемых водителем 132 транспортного средства с помощью устройства 130 ввода данных. В данном примере устройство 130 ввода данных представляет собой педаль газа и датчик 134 положения педали, который генерирует пропорциональный сигнал положения педали PP. Камера сгорания 30 (цилиндр) двигателя 10 может иметь стенки 32 с расположенным в них поршнем 36. В некоторых вариантах выполнения поверхность поршня 36 внутри цилиндра 30 может иметь углубление в виде чаши. Поршень 36 может быть соединен с коленчатым валом 40 для преобразования возвратно-поступательных движений поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен с по меньшей мере одним ведущим колесом транспортного средства с помощью системы трансмиссии. Кроме того, для запуска двигателя 10 к коленчатому валу 40 может быть с помощью маховика подключен пусковой мотор.
В камеру 30 сгорания воздух поступает из впускного коллектора 44 через впускной канал 42, а газообразные продукты сгорания выводятся через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 выборочно сообщаются с камерой 30 сгорания через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах камеры 30 сгорания могут иметь по два или более впускных клапана и/или два или более выпускных клапана.
Впускной клапан 52 может управляться контроллером 12 через электрический привод 51 клапана (EVA). Аналогичным образом, выпускной клапан 54 может управляться контроллером 12 через EVA 53. В качестве альтернативы, привод клапана может быть электрогидравлическим или представлять собой любой другой приемлемый механизм для обеспечения срабатывания клапана. При некоторых условиях контроллер 12 может изменять сигналы, посылаемые приводам 51 и 53, для регулирования открывания и закрывания соответствующих впускных и выпускных клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может быть определено соответствующими датчиками 55 и 57 положения клапанов. В альтернативных вариантах выполнения один или несколько впускных и выпускных клапанов могут приводиться в действие одним или несколькими кулачками и использовать одну или несколько систем переключения профиля кулачка (CPS), изменяемой синхронизации кулачка (VCT), изменяемой фазы газораспределения (VVT) и/или изменяемого подъема клапана (VVL) для изменения работы клапана. Например, цилиндр 30 может в качестве альтернативы содержать впускной клапан, регулируемый через электрическое срабатывание клапана, и выпускной клапан, регулируемый через срабатывание кулачка, включая CPS и/или VCT.
Топливная форсунка 66 показана соединенной непосредственно с камерой 30 сгорания для подачи топлива непосредственно внутрь камеры пропорционально ширине импульса сигнала (FPW), полученного от контроллера 12 через электронный привод 68. Таким образом, топливная форсунка 66 обеспечивают так называемый непосредственный впрыск топлива в камеру 30 сгорания. Топливная форсунка может быть установлена на стенке или в верхней части камеры сгорания. Топливо подается к топливной форсунке 66 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу (не показаны).
Система 88 зажигания может подавать искру зажигания в камеру сгорания 30 через свечу 92 зажигания в соответствии с сигналом опережения зажигания SA от контроллера 12 в выбранных рабочих режимах. Несмотря на то, что показаны компоненты искрового зажигания, в некоторых вариантах осуществления изобретения камера сгорания 30 или одна или более камер сгорания двигателя 10 могут работать в режиме воспламенения от сжатия с искрой зажигания или без искры.
Впускной коллектор 42 может содержать дроссели 62 и 63, имеющие дроссельные заслонки 64 и 65, соответственно. В этом отдельном примере положение дроссельных заслонок 64 и 65 может регулироваться контроллером 12 с помощью сигналов, подаваемых на электродвигатель или исполнительный механизм, содержащийся в дросселях 62 и 63. Такую конфигурацию принято называть электронным управлением положения дроссельной заслонки (ETC). Таким образом, дроссели 62 и 63 могут использоваться для варьирования потока впускного воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания, между другими цилиндрами двигателя. Информация о положении дроссельных заслонок 64 и 65 может передаваться контроллеру 12 при помощи сигнала положения дросселя TP. Давление, температура и массовый расход воздуха могут быть измерены в различных точках по впускному каналу 42 и впускному коллектору 44. Например, впускной канал 42 может содержать датчик 120 расхода воздуха (MAF) для измерения чистого массового расхода воздуха через дроссельную заслонку 63. Полученные данные могут быть переданы в виде сигналов MAF контроллеру 12.
Двигатель 10 может также содержать компрессионное устройство, например, турбонагнетатель или компрессор наддува, содержащий, по меньшей мере, компрессор 162, размещенный вдоль впускного коллектора 44. Для турбонагнетателя: компрессор 162 может, по меньшей мере частично, приводиться в действие турбиной 164, расположенной в выпускного канала 48, например, через вал или другой соединительный механизм. Для компрессора наддува: компрессор 162 может, по меньшей мере частично, приводиться в действие двигателем и/или электромашиной, и может не иметь турбины. Таким образом, степень сжатия, которая обеспечивается для одного или более цилиндров двигателя с помощью турбонагнетателя или компрессора наддува, может регулироваться контроллером 12. Охладитель 154 наддувочного воздуха может быть установлен ниже по потоку от компрессора 162 и выше по потоку от впускного клапана 52. Охладитель 154 наддувочного воздуха может быть выполнен с возможностью охлаждать газы, которые были нагреты, например, при их сжатии в компрессоре 162. В одном варианте осуществления изобретения охладитель 154 наддувочного воздуха может быть расположен выше по потоку от дросселя 62. Давление, температура и массовый расход воздуха могут быть измерены ниже по потоку от компрессора 162, например, с помощью датчика 145 или 147. Результаты измерений могут быть переданы в контроллер 12 от датчиков 145 и 147 в виде сигналов 148 и 149 соответственно. Давление и температура могут быть измерены выше по потоку от компрессора 162, например, с помощью датчика 153, и переданы в контроллер 12 в виде сигнала 155.
Кроме того, согласно изобретению, система рециркуляции выхлопных газов (EGR) может направлять необходимое количество выхлопных газов из выпускного канала 48 во впускной коллектор 44. На Фиг. 1 показаны система HP-EGR и система LP-EGR, однако в другом варианте может быть установлена только система LP-EGR. Газы HP-EGR проходят через канал 140 системы HP-EGR из участка выше по потоку от турбины 164 до участка ниже по потоку от компрессора 162. Количество HP-EGR, поступающее во впускной коллектор 44, может быть изменено контроллером 12 с помощью клапана 142 системы HP-EGR. Газы системы LP-EGR проходят через канал 150 системы LP-EGR от места ниже по потоку от турбины 164 до места выше по потоку от компрессора 162. Количество газов системы LP-EGR, поступающее во впускной коллектор 44, может быть изменено контроллером 12 с помощью клапана 152 системы LP-EGR. Система HP-EGR может включать в себя охладитель 146 HP-EGR, а система LP-EGR может включать в себя охладитель 158 LP-EGR, например, для отвода тепла из газов системы EGR вместо охлаждающей жидкости двигателя.
2
При некоторых условиях система EGR может быть использована для регулировки температуры воздуха и топливной смеси внутри камеры сгорания 30. При некоторых условиях система EGR может быть использована для регулировки температуры топливовоздушной смеси в камере 30 сгорания. Таким образом, может быть необходимым измерять или оценивать массовый расход газов системы EGR. Датчики EGR могут быть установлены в каналах EGR и могут измерять одно или несколько из следующих значений: массовый расход, давление, температура, концентрация O и концентрация выхлопных газов. Например, датчик 144 системы LP-EGR может быть установлен в канале 140 системы LP-EGR.
В некоторых вариантах воплощения изобретения один или несколько датчиков могут быть расположены в канале 150 системы LP-EGR для измерения одного или нескольких из следующих значений: давление, температура и воздушно-топливное соотношение в выхлопных газах, рециркулирующих в канале системы LP-EGR. Выхлопные газы, направляемые через канал 150 системы LP-EGR, могут быть разбавлены свежим приточным воздухом в точке смешивания, расположенной в месте соединения канала 150 системы LP-EGR и впускного канала 42. В частности, путем регулировки клапана 152 системы LP-EGR совместно с первым дросселем 63 для впуска воздуха (расположенным во впускном канале впускной системы двигателя выше по потоку от компрессора) можно отрегулировать степень разбавления потока газов системы EGR.
Процент разбавления потока газов системы LP-EGR может быть получен в виде выходного сигнала датчика 145, установленного в потоке газа, всасываемого в двигатель. В частности, датчик 145 может быть расположен ниже по потоку от первого впускного дросселя 63, ниже по потоку от клапана 152 системы LP-EGR и выше по потоку от второго главного впускного дросселя 62 таким образом, чтобы разбавление газов системы LP-EGR в главном впускном дросселе или вблизи от нее могло быть точно определено. Датчик 145 может представлять собой, например, датчик концентрации кислорода, такой как датчик UEGO (универсальный датчик содержания кислорода или датчик содержания кислорода в выхлопных газах широкого диапазона).
Датчик 126 выхлопных газов показан подключенным к выпускному каналу 48 ниже по потоку от турбины 164. Датчиком 126 может быть любой подходящий датчик, пригодный для получения информации о топливно-воздушном коэффициенте выхлопных газов, например, линейный датчик кислорода или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода выхлопных газов), бистабильный датчик кислорода или EGO, датчик HEGO (подогреваемый EGO), датчик NOx, датчик углеводородов или датчик CO.
Устройства 71 и 72 снижения токсичности выхлопных газов показаны установленными вдоль выпускного канала 48 ниже по потоку от датчика 126 выхлопных газов. Устройства 71 и 72 могут представлять собой катализатор селективного восстановления (SCR), трехкомпонентный нейтрализатор (TWC), ловушку NOx, другие устройства снижения токсичности выхлопных газов или их комбинации. Например, устройство 71 может быть трехкомпонентным нейтрализатором (TWC), и устройство 72 может быть сажевым фильтром (PF). В некоторых вариантах выполнения PF 72 может быть расположен ниже по потоку от TWC 71 (как показано на Фиг. 1), при этом в других вариантах выполнения PF 72 может быть расположен выше по потоку от TWC 72 (не показано на Фиг. 1).
Контроллер 12 показан на Фиг. 1 как микрокомпьютер, содержащий: микропроцессорный блок 102 (CPU), порты 104 ввода/вывода (10), электронный носитель информации для извлекаемых программ и эталонных значений, показанных в данном частном случае как микросхема постоянного запоминающего устройства 106 (ROM), оперативную память 108 (RAM), оперативную энергонезависимую память 110 (KAM) и шину данных. Контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, для выполнения различных функций, необходимых для эксплуатации двигателя 10. В дополнение к ранее рассмотренным сигналам, сюда входят следующие: измерение массового расхода воздуха (MAF) с помощью датчика 120 расхода воздуха; температуры хладагента двигателя (ECT) от датчика температуры 112, подключенного к рукаву охлаждения 114; сигнал профиля зажигания (PIP) от датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), соединенного с коленвалом 40; положение дроссельной заслонки (TP) от датчика положения дроссельной заслонки (описанной выше); абсолютное давление во впускном коллекторе (MAP) от датчика 122. Сигнал частоты вращения двигателя (RPM, об/мин) может быть сгенерирован контроллером 12 из сигнала профиля зажигания (PIP). Сигнал давления в коллекторе (MAP) от датчика давления может быть использован для обеспечения индикации вакуума, или давления, во впускном коллекторе 44. Необходимо отметить, что могут быть использованы различные комбинации вышеуказанных датчиков, например, датчик MAF без датчика MAP, или наоборот. В стехиометрическом режиме датчик MAP может выдавать показания о крутящем моменте двигателя. Этот датчик вместе с детектированной частотой вращения двигателя может предоставить расчет заряда (включая воздушный заряд), всасываемого в цилиндр. В одном примере датчик 118, который также используется как датчик частоты вращения двигателя, может производить заданное количество равномерно распределенных импульсов при каждом обороте коленчатого вала.
Запоминающее устройство 106 RAM носителя данных может быть запрограммировано с помощью машиночитаемых данных, представляющих собой инструкции, исполняемые процессором 102 для выполнения способов, описанных ниже, а также их вариантов, которые предполагаются, но специально не перечислены.
Как было описано выше, на Фиг. 1 изображен только один цилиндр многоцилиндрового двигателя, но каждый цилиндр может аналогичным образом включать в себя собственный набор впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку, систему зажигания и т.д.
На Фиг. 2 представлена возможная система двигателя, включающая в себя несколько рядов цилиндров и систему рециркуляции выхлопных газов. В одном варианте осуществления изобретения двигатель 10 может включать в себя турбонагнетатель, содержащий компрессор 162 и турбину 164, дроссель 63, расположенный выше по потоку от компрессора 162, и систему низкого давления для рециркуляции выхлопных газов (LP-EGR). Система LP-EGR может направлять газы системы EGR из участка ниже по потоку от турбины 164 в участок выше по потоку от компрессора 162 и ниже по потоку от дросселя 63. Система двигателя может также включать в себя систему HP-EGR, которая направляет газы системы EGR из участка выше по потоку от турбины 164 в участок ниже по потоку от дросселя 62.
На Фиг. 2 показано, что воздух может поступать в двигатель 10 через воздушный фильтр 210. Воздушный фильтр 210 может быть предназначен для удаления твердых частиц из воздуха, чтобы очистить воздушную массу, поступающую в двигатель 10. Массовый расход чистого воздуха может быть измерен при прохождении воздушного потока через датчик 120 массового расхода воздуха и далее через впускной дроссель 63. Массовый расход чистого воздуха может быть измерен с помощью датчика 120 массового расхода воздуха, его значение передано в контроллер 12. В одном варианте осуществления изобретения чистая воздушная масса может быть разделена между различными рядами цилиндров двигателя 10 ниже по потоку от впускного дросселя 63 и выше по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя. Система EGR может нагнетать выхлопные газы выше по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя таким образом, что смесь чистого воздуха и выхлопных газов может быть сжата компрессором 162 турбонагнетателя. В одном варианте осуществления изобретения компрессор 162 турбонагнетателя может включать в себя первый компрессор 162а для первого ряда цилиндров и второй компрессор 162b для второго ряда цилиндров.
Сжатая смесь чистого воздуха и выхлопных газов ниже по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя может быть охлаждена охладителем 154 наддувочного воздуха (САС) выше по потоку от второго дросселя 62. В одном варианте осуществления изобретения содержание кислорода в воздушном потоке ниже по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя может быть измерено датчиком 145, расположенным выше по потоку от САС 154. В другом варианте осуществления изобретения содержание кислорода в воздушном потоке ниже по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя может быть измерено датчиком 147, расположенным ниже по потоку от САС 154. Показания датчиков 145 и/или 147 могут быть переданы в контроллер 12.
В одном варианте осуществления изобретения выхлопные газы под высоким давлением могут быть смешаны со сжатой смесью чистого воздуха и выхлопных газов ниже по потоку от впускного дросселя 62 и выше по потоку от впускного коллектора 44. Впускной коллектор 44 может направить смесь газов в один или несколько рядов цилиндров. После сгорания в цилиндрах выхлопные газы могут быть направлены в выпускной канал 48. В одном варианте осуществления изобретения выпускной канал 48 включает в себя выпускной коллектор для каждого ряда цилиндров, например, выпускной коллектор 48а для первого ряда цилиндров и выпускной коллектор 48b для второго ряда цилиндров.
По крайней мере, часть выхлопных газов может приводить в действие турбину 164 турбонагнетателя. В одном варианте осуществления изобретения турбина 164 может включать в себя первую турбину 164а для первого ряда цилиндров и вторую турбину 164b для второго ряда цилиндров. В одном варианте осуществления изобретения, по крайней мере часть выхлопных газов может быть направлена в систему HP-EGR. Например, система HP-EGR может включать в себя охладитель 146 системы HP-EGR и клапан 142 для подачи охлажденных выхлопных газов выше по потоку от впускного коллектора 44. В одном варианте осуществления изобретения система HP-EGR может включать в себя первый охладитель 146а системы HP-EGR и клапан 142а для первого ряда цилиндров и второй охладитель 146b системы HP-EGR и клапан 142b для второго ряда цилиндров.
Ниже по потоку от турбины 164, по крайней мере часть выхлопных газов может протекать через устройство 71 снижения токсичности выхлопных газов и глушитель 220. В одном варианте осуществления изобретения устройство 71 снижения токсичности выхлопных газов может включать в себя первый пусковой катализатор 71a для первого ряда цилиндров и второй пусковой катализатор 71b для второго ряда цилиндров. Глушитель 220 может быть предназначен для подавления выхлопных шумов двигателя 10.
По крайней мере часть выхлопных газов из участка ниже по потоку от турбины 164 может быть подана на участок выше по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя с помощью системы LP-EGR. Например, система LP-EGR может включать в себя охладитель 158 системы LP-EGR и клапан 152 для подачи охлажденных выхлопных газов выше по потоку от компрессора 162. В одном варианте осуществления изобретения система LP-EGR может включать в себя первый охладитель 158a системы LP-EGR и клапан 152a для первого ряда цилиндров и второй охладитель 158b системы LP-EGR и клапан 152b для второго ряда цилиндров.
Таким образом, двигатель 10 может включать в себя как систему LP-EGR, так и систему HP-EGR для подачи выхлопных газов обратно на впуск. В некоторых вариантах осуществления изобретения управление системой LP-EGR может включать в себя работу в различных режимах на основании рабочих параметров двигателя. Фиг. 3 представляет собой логическую схему, поясняющую способ 300 определения режима системы LP-EGR. Способ 300 может быть выполнен контроллером 12. На этапе 302 способ 300 предполагает определение условий работы двигателя. Условия работы двигателя, такие как скорость вращения двигателя, нагрузка двигателя, скорость транспортного средства, температура двигателя и т.д., могут быть измерены и/или оценены датчиками, включая датчик положения дросселя, датчик положения педали и т.д. Далее на этапе 304 способа 300 на основании рабочих параметров двигателя, определенных на этапе 302, проверяют, должна ли быть активирована EGR. EGR может быть отключена, например, если температура двигателя меньше порогового значения, или если двигатель работал на холостом ходу длительный период времени.
Если было установлено, что EGR не должна быть активирована, то способ 300 возвращается в начало. Если было определено, что EGR должна быть активирована, то способ 300 переходит на этап 306 для определения соотношения газов системы HP-EGR на основании частоты вращения и нагрузки двигателя. Количество газов HP-EGR, подаваемых на впуск, может быть основано на графике зависимости частоты вращения от нагрузки двигателя, сохраненном в памяти контроллера 12. Способ 300 переходит на этап 308 для определения режима работы системы LP-EGR на основании условий работы, определенных на этапе 302. В некоторых вариантах осуществления изобретения режимы работы системы LP-EGR могут быть определены таблицей зависимости частоты от нагрузки, сохраненной в памяти контроллера 12. На Фиг. 7 представлен один пример диаграммы частоты вращения и нагрузки двигателя, отображающий два рабочих режима системы LP-EGR, с фиксированным и регулируемым соотношениями. На этапе 310 определяют, находятся ли значения частоты вращения и нагрузки двигателя в пределах диапазона режима с фиксированным соотношением. В одном варианте осуществления изобретения диапазон режима с фиксированным соотношением включает в себя все нагрузки двигателя от средней до минимальной и/или частоты вращения двигателя, не превышающей пороговое значение, например, 3500 об/мин. В контексте данного описания минимальная нагрузка включает в себя наименьшую из возможных нагрузок, допустимую в текущих условиях работы, например, наименьшую нагрузку, которая поддерживает горение для текущей скорости вращения двигателя, температуры двигателя и т.д., и может соответствовать нагрузке двигателя при закрытом дросселе для текущей частоты вращения двигателя. При некоторых условиях минимальная нагрузка может быть меньше нагрузки при холостом режиме работы двигателя. Таким образом, минимальная нагрузка может иметь место при режиме работы, отличном от холостого хода, и может включать в себя наименьший возможный наддув воздуха во избежание пропуска зажигания.
Если было определено, что скорость и нагрузка двигателя находятся в диапазоне режима с фиксированным соотношением, то способ 300 переходит на этап 312 для перехода к работе системы LP-EGR в режиме с фиксированным соотношением или продолжения работы в этом режиме. Пример способа работы в режиме с фиксированным соотношением описан далее более подробно со ссылкой на Фиг. 4. Если двигатель не работает со скоростью вращения и нагрузкой в пределах диапазона режима с фиксированным соотношением, то способ 300 переходит на этап 314 для проверки, работает ли двигатель на холостых оборотах. Режим работы на холостых оборотах может включать в себя частоту вращения двигателя, нагрузку двигателя и скорость транспортного средства, которые меньше пороговых значений, а также положение педали тормоза, которое больше порогового значения, переход в режим парковки и т.д. Если было определено, что двигатель работает на холостых оборотах, то способ 300 переходит на этап 316 для перехода к работе в холостом режиме системы LP-EGR или продолжения такой работы. Пример способа работы в холостом режиме описан далее более подробно со ссылкой на Фиг. 5. Если двигатель работает на холостых оборотах, то способ 300 переходит на этап 318 для перехода к работе системы LP-EGR в режиме с регулируемым соотношением или продолжения работы в этом режиме. Режим работы LP-EGR с регулируемым соотношением может быть использован при скорости и нагрузке двигателя, находящихся вне диапазона режима с фиксированным соотношением, а в некоторых вариантах осуществления изобретения может включать в себя все значения нагрузки двигателя выше средней (например, нагрузки более 50%) и все значения частоты вращения двигателя, превышающие пороговое значение, например, 3500 об/мин. Пример способа работы в режиме с регулируемым соотношением описан далее более подробно со ссылкой на Фиг. 6.
Таким образом, способ 300 обеспечивает определение требуемого количества газов системы HP-EGR, которое должно быть подано на впуск, на основании частоты вращения и нагрузки двигателя, а также позволяет определить, в каком режиме должна работать система LP-EGR. Режим работы системы LP-EGR с фиксированным соотношением может оптимизировать подачу газов системы LP-EGR при проблемных переходных условиях путем поддержания фиксированного процентного содержания свежего воздуха в EGR, т.е. поддерживая фиксированное процентное содержание свежего воздуха в EGR в общем воздушном потоке, который включает в себя газы системы EGR и свежий воздух. Путем подачи фиксированного соотношения газов системы EGR может быть уменьшена возможная ошибка при подаче требуемого количества газов системы LP-EGR, вызванная задержкой передачи газов по системе LP-EGR.
В некоторых вариантах осуществления изобретения управление системой LP-EGR может быть реализовано независимо от системы HP-EGR. Таким образом, при определенных условиях работы соотношение газов HP-EGR может быть отрегулировано при изменении частоты вращения и/или нагрузки, причем процентное содержание LP-EGR остается фиксированным даже при изменении нагрузки. В других условиях, например, при переходе из режима с фиксированным соотношением в режим с регулируемым соотношением, соотношение газов в системе HP-EGR может быть отрегулировано в соответствии с переходом.
На Фиг. 4 представлен способ 400 работы системы LP-EGR в режиме с фиксированным соотношением. Способ 400 может быть выполнен контроллером 12, когда была установлена необходимость работы системы LP-EGR в режиме с фиксированным соотношением, как, например, на этапе 312 в способе 300. Способ 400 на этапе 402 предполагает проверку, открыт ли клапан системы LP-EGR, например, клапан 152. Если было определено, что клапан системы LP-EGR не открыт (например, если система EGR была предварительно отключена), то способ 400 переходит на этап 404 для активации режима работы системы LP-EGR с фиксированным соотношением. Включение режима работы системы LP-EGR с фиксированным соотношением включает в себя на этапе 406 наклон клапана системы LP-EGR в открытое положение и регулировку клапана таким образом, чтобы было обеспечено фиксированное соотношение газов системы EGR и свежего воздуха. Воздушный поток может быть измерен во впускном канале ниже по потоку от участка, в котором происходит смешивание газов системы LP-EGR и свежего воздуха, и выше по потоку от охладителя наддувочного воздуха, например, CAC 154. Процентное содержание свежего воздуха в EGR может быть определено с помощью датчика концентрации кислорода, например, датчика 145. Клапан системы LP-EGR может быть отрегулирован на подачу такого количества газов системы LP-EGR, чтобы процентное содержание свежего воздуха в EGR во впускном канале было фиксированным вне зависимости от изменений частоты и нагрузки двигателя во время работы двигателя в пределах диапазона режима с фиксированным соотношением. В некоторых вариантах осуществления изобретения фиксированное процентное содержание свежего воздуха в EGR может быть общим воздушным потоком, в котором 85% составляет свежий воздух, а 15% составляют газы системы EGR, при этом в других вариантах осуществления изобретения процент свежего воздуха может быть равен 90%. Может быть применено любое подходящее процентное содержание свежего воздуха, которое обеспечивает экономичное потребление топлива, малое количество выхлопов, стабильность горения и требуемый уровень выходной мощности.
Активация режима работы системы LP-EGR с фиксированным соотношением также включает в себя на этапе 408 регулировку дросселя. При открывании клапана системы LP-EGR дроссель может быть также отрегулирован таким образом, чтобы обеспечить подачу воздушного потока, поддерживающего крутящий момент.Например, если режим с фиксированным соотношением был активирован в связи с увеличением нагрузки двигателя, то дроссель может быть открыт для обеспечения требуемого количества воздушного потока для увеличения нагрузки. Кроме того, при увеличении количества газов системы LP-EGR за счет открывания клапана системы LP-EGR, дроссель может быть открыт с соответствующей скоростью для поддержания требуемого уровня крутящего момента двигателя. Кроме того, на этапе 410 может выполняться опережение момента зажигания в соответствии с увеличением EGR.
Если на этапе 402 было установлено, что клапан системы LP-EGR в данный момент открыт, то способ 400 переходит на этап 412 для проверки, работал ли двигатель до этого в режиме с регулируемым соотношением. Если двигатель не работал в режиме с регулируемым соотношением, то, следовательно, в данный момент двигатель работает в режиме с фиксированным соотношением, и способ 400 переходит на этап 414, где происходит регулировка клапана системы LP-EGR для поддержания фиксированного процентного соотношения между газами системы EGR и свежим воздухом. Клапан системы LP-EGR может быть отрегулирован в связи с колебаниями EGR, происходящими по причине изменения давления во впускном коллекторе, колебаний противодавления выхлопных газов и т.д.
Если на этапе 412 было установлено, что двигатель до этого работал в режиме с регулируемым соотношением, то способ 400 переходит на этап 416 для перехода системы LP-EGR из режима с регулируемым соотношением в режим с фиксированным соотношением. Переход в режим с фиксированным соотношением включает в себя на этапе 418 регулировку клапана системы LP-EGR для подачи фиксированного процентного соотношения газов системы EGR и свежего воздуха. В некоторых условиях работы режим с регулируемым соотношением может включать в себя подачу газов системы LP-EGR с соотношением меньшим, чем при режиме с фиксированным соотношением. Таким образом, переход в режим с фиксированным соотношением включает в себя регулировку клапана системы LP-EGR для увеличения соотношения газов системы LP-EGR, В других условиях работы режим с регулируемым соотношением может включать в себя подачу газов системы LP-EGR с соотношением большим, чем при режиме с фиксированным соотношением. В этом случае, переход в режим с фиксированным соотношением включает в себя регулировку клапана для уменьшения скорости соотношения газов системы LP-EGR. Переход также включает в себя регулировку дросселя на этапе 420 и регулировку моментов зажигания на этапе 422. В зависимости от количества газов системы LP-EGR, поданных до изменения режима, дроссель может быть открыт или закрыт.Например, если количество газов системы EGR увеличено, то дроссель может быть перемещен в более открытое положение; если количество газов системы EGR было уменьшено, то дроссель может быть перемещен в более закрытое положение. Аналогичным образом может быть выполнено опережение или запаздывание момента зажигания в соответствии с предшествующим процентным содержанием EGR.
На Фиг. 5 представлен способ 500 работы системы LP-EGR в холостом режиме. Способ 500 может быть выполнен контроллером 12 при необходимости работы в холостом режиме системы LP-EGR, например, как определено на этапе 316 в способе 300. Способ 500 на этапе 502 предполагает проверку, работал ли двигатель до этого в режиме LP-EGR с фиксированным или регулируемым соотношением. Если было определено, что двигатель не работал ранее ни в режиме с фиксированным соотношением, ни в режиме с регулируемым соотношением, то способ 500 переходит на этап 504 для поддержания работы двигателя при холостом режиме системы LP-EGR. В некоторых вариантах осуществления изобретения холостой режим системы LP-EGR включает в себя блокировку прохождения воздушного потока через систему LP-EGR, и, таким образом, клапан системы LP-EGR при холостом режиме будет закрыт.В других вариантах осуществления изобретения холостой режим системы LP-EGR включает в себя подачу уменьшенного процентного соотношения свежего воздуха в системе EGR относительно процентного соотношения EGR, поддерживаемого в режиме с фиксированным соотношением. Если было определено, что двигатель работал до этого либо в режиме с фиксированным соотношением, либо в режиме с регулируемым соотношением, то способ 500 переходит на этап 506 для перехода в холостой режим системы LP-EGR. Переход в холостой режим системы LP-EGR включает в себя на этапе 508 регулирование холостых оборотов. Регулирование холостых оборотов может представлять собой дополнительную систему для поддержания скорости вращения двигателя на холостых оборотах на основании дополнительной нагрузки двигателя. В некоторых вариантах осуществления изобретения регулирование холостых оборотов может включать в себя электрическое регулирование открытия дроссельной заслонки для получения требуемого воздушного потока, поддерживающего число оборотов холостого хода. В других вариантах осуществления изобретения воздушный поток, необходимый для работы на холостых оборотах, может быть обеспечен с помощью обхода дросселя. На этапе 508 регулирование холостых оборотов может быть запущено, если двигатель все еще работает в режиме с фиксированным соотношением или в режиме с регулируемым соотношением. После начала регулирования холостых оборотов клапан системы LP-EGR будет закрыт на этапе 510, дроссель будет отрегулирован на этапе 512, а на этапе 514 будет иметь место запаздывание момента зажигания.
На Фиг. 6 представлен способ 600 работы в режиме системы LP-EGR с регулируемым соотношением. Способ 600 может быть выполнен контроллером 12 при необходимости работы в режиме системы LP-EGR с регулируемым соотношением, например, как определено на этапе 318 в способе 300. Способ 600 на этапе 602 включает в себя проверку, открыт ли клапан системы LP-EGR, например, клапан 152. Если было установлено, что клапан системы LP-EGR не открыт (например, если EGR была предварительно деактивирована), то способ 600 переходит на этап 604 для включения режима работы системы LP-EGR с регулируемым соотношением. Включение режима работы системы LP-EGR с регулируемым соотношением на этапе 606 представляет собой наклон клапана системы LP-EGR в открытое положение и регулировку клапана таким образом, чтобы было обеспечено требуемое соотношение газов системы EGR и свежего воздуха. Клапан системы LP-EGR может быть отрегулирован на подачу такого количества газов системы LP-EGR, чтобы процентное соотношение свежего воздуха EGR во впускном канале будет изменено в зависимости от изменений частоты вращения и нагрузки двигателя.
Активация режима работы системы LP-EGR с регулируемым соотношением также включает в себя на этапе 608 регулировку дросселя. При открытии клапана системы LP-EGR дроссель может быть также открыт для обеспечения требуемого воздушного потока системы LP-EGR. Кроме того, на этапе 610 может иметь место опережение момента зажигания для обеспечения дополнительного времени для процесса горения в цилиндрах.
Если на этапе 602 было определено, что клапан системы LP-EGR в данный момент открыт, то способ 600 переходит на этап 612 для проверки, работал ли двигатель перед этим в режиме с фиксированным соотношением. Если двигатель не работал в режиме с фиксированным соотношением, то, следовательно, в данный момент двигатель работает в режиме с регулируемым соотношением, и способ 600 переходит на этап 614, где происходит регулировка клапана системы LP-EGR для подачи регулируемого процентного содержания свежего воздуха в EGR на основании частоты вращения и нагрузки двигателя. Если на этапе 612 было определено, что двигатель перед этим работал в режиме с фиксированным соотношением, то способ 600 переходит на этап 616 для перевода системы LP-EGR из режима с фиксированным соотношением в режим с регулируемым соотношением. Переход в режим с регулируемым соотношением на этапе 618 включает в себя регулировку клапана системы LP-EGR с целью подачи требуемого процентного соотношения свежего воздуха в EGR. В некоторых условиях режим с регулируемым соотношением может включать в себя подачу газов системы LP-EGR со скоростью меньшей, чем при режиме с фиксированным соотношением, и, таким образом, переход в режим с регулируемым соотношением может включать в себя регулировку клапана системы LP-EGR для уменьшения скорости подачи газов системы LP-EGR. В других условиях работы режим с регулируемым соотношением может включать в себя подачу газов системы LP-EGR в соотношении, превышающем соотношение в режиме с фиксированным соотношением, и, таким образом, переход в режим с регулируемым соотношением включает в себя регулировку клапана для увеличения соотношения газов системы LP-EGR. Переход также включает в себя регулировку дросселя на этапе 620 и регулировку моментов зажигания на этапе 622. В зависимости от требуемого количества газов системы LP-EGR, поданных до перехода в другой режим, дроссель может быть открыт или закрыт. Аналогичным образом может быть выполнено опережение или запаздывание момента зажигания в соответствии с предыдущим процентным содержанием газов системы EGR.
Следовательно, способы, изображенные на Фиг. 3-6, обеспечивают работу в трех режимах системы LP-EGR: режим с фиксированным соотношением, холостой режим и режим с регулируемым соотношением, а также возможность перехода между указанными рабочими режимами. При работе в этих трех режимах в зависимости от таких условий работы двигателя, как частота вращения и нагрузка двигателя, процентное содержание свежего воздуха в EGR может поддерживаться на требуемом уровне. В одном варианте осуществления изобретения система LP-EGR может работать в режиме с фиксированным соотношением, то есть при фиксированном процентном содержании свежего воздуха в EGR при нагрузке двигателя, по крайней мере, от средней до минимальной, даже при изменении нагрузки. В одном варианте осуществления изобретения система может работать в режиме с фиксированным соотношением в пределах всего диапазона нагрузок, от полной нагрузки, соответствующей полностью открытому положению дросселя, до минимальной нагрузки, соответствующей закрытому положению дросселя.
Работа в режиме с фиксированным соотношением может, в частности, свести к минимуму ошибки в соотношении в системе LP-EGR при проблемных переходных условиях, например, в случае резкого увеличения или уменьшения нагрузки. Такие временные изменения нагрузки, как привило, приводят к необходимости в регулировании соотношения в системе LP-EGR, чтобы обеспечить, например, стабильность горения и максимальную выходную мощность. Однако система LP-EGR в режиме с фиксированным соотношением продолжает подавать фиксированное процентное содержание свежего воздуха в EGR даже при минимальной нагрузке двигателя, например, нагрузке двигателя при закрытом дросселе. В некоторых вариантах могут быть отрегулированы различные параметры двигателя, чтобы сохранить фиксированное соотношение в системе LP-EGR и при этом избежать нестабильности горения. Для обеспечения приемлемой стабильности горения при низкой нагрузке могут быть выполнены дополнительные действия, включая зажигание искрой высокого напряжения, усиленный впуск и/или высокая степень сжатия. Например, в условиях низкой нагрузки и/или скорости вращения клапаны управления впуском могут быть отрегулированы так, чтобы увеличить скорость и завихрение воздуха, поступающего в камеры сгорания, увеличивая горение. При этом системы, выполняющие функции регулирования энергии искры зажигания, могут быть применены для увеличения энергии искры зажигания при низкой нагрузке с целью улучшения зажигания.
На Фиг. 8A и 8B представлены различные рабочие параметры двигателя во время двух режимов работы системы LP-EGR. На Фиг. 8A изображены примеры кривой 810 положения педали, кривой 820 положения дросселя, кривой 830 скорости транспортного средства, кривой 840 частоты вращения двигателя и кривой 850 нагрузки двигателя в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Каждая кривая отображает зависимость от времени (ось x) соответствующего рабочего параметра (ось y) от нуля в нижней части до максимума в верхней части. В начале кривых нагрузка двигателя, частота вращения двигателя и скорость транспортного средства находятся в диапазоне от минимального до среднего значения в условиях устойчивого состояния, при этом положение педали и положение дросселя остаются постоянными. В точке 802 водитель нажимает на педаль газа, в результате чего происходит перемещение дросселя в более открытое положение и увеличение нагрузки двигателя, частоты вращения двигателя и скорости транспортного средства. В точке 804 имеет место отпускание педали газа, в результате положение дросселя, скорость транспортного средства, нагрузка и частота вращения двигателя могут быть возращены к своим первоначальным положениям и значениям.
В точке 806 происходит еще одно отпускание педали газа, и скорость транспортного средства падает. При данной скорости дроссель может быть перемещен в практически полностью закрытое положение, при этом нагрузка двигателя будет минимальной. Скорость транспортного средства с течением времени падает до нуля в точке 808, а двигатель начинает работать на холостых оборотах, например, частота вращения и нагрузка двигателя не превышают пороговое значение, а скорость транспортного средства равна нулю.
На Фиг. 8B представлены примеры кривой 860 общего воздушного заряда, кривой 870 скорости потока системы LP-EGR и кривой 880 процентного содержания LP-EGR во время условий работы двигателя, описанных выше со ссылкой на Фиг. 8A. Общий воздушный заряд включает в себя весь воздух, проходящий через систему LP-EGR, и включает в себя как свежий воздух из впуска, так и выхлопные газы системы EGR. Расход системы LP-EGR представляет собой скорость массового потока LP-EGR через систему. Процентное содержание LP-EGR представляет собой относительное количество потока EGR, содержащего общий воздушный поток, то есть процентное содержание LP-EGR в общем воздушном заряде.
Воздушный заряд, расход LP-EGR и процентное содержание LP-EGR остаются постоянными до точки 802, в которой водитель нажимает на педаль газа. Несмотря на то, что нагрузка и скорость двигателя в точке 802 возросли (как описано со ссылкой на Фиг. 8A), они остаются на уровне в пределах диапазона режима с фиксированным соотношением, в результате чего процентное содержание EGR остается постоянным, благодаря тому, что двигатель работает в режиме с фиксированным соотношением. Аналогичным образом в точке 804 при отпускании педали газа общий воздушный заряд и расход EGR падают, а процентное содержание EGR остается фиксированным. В точке 806 при уменьшении нагрузки двигателя до минимального значения, соответствующего практически полностью закрытому положению дросселя, процентное содержание EGR все еще остается фиксированным, а воздушный заряд и расход EGR уменьшились. В точке 808 при начале работы транспортного средства в холостом режиме расход EGR прекращается, поскольку клапан системы LP-EGR закрыт, а процентное содержание EGR падает до нуля.
Как видно из Фиг. 8A и 8B, поддержание фиксированного процентного содержания свежего воздуха в EGR включает в себя согласованную регулировку клапана системы LP-EGR и дросселя с применением опережающего управления, а также включает в себя регулирование с использованием обратной связи для поддержания процентного содержания на основании содержания EGR, измеренного, например, датчиком концентрации кислорода на впуске. Сюда входит согласованное изменение как потока всасываемого воздуха, так и скорости потока EGR таким образом, чтобы процентное содержание EGR поддерживалось на постоянном уровне. Поскольку вероятны ошибки в управлении, поддержание постоянного процентного содержания может подразумевать определенные небольшие отклонения, например, на 1-2%. Во время работы в режиме с фиксированным соотношением при увеличении воздушного потока, например, при нажатии на педаль газа в точке 802, клапан системы LP-EGR устанавливают в положение для обеспечения соответствующего увеличения расхода выхлопных газов системы EGR для поддержания фиксированного процентного соотношения.
Можно отметить, что примеры управляющих и оценочных программ, приведенные в данном описании, могут быть использованы для различных конфигураций двигателей и/или систем транспортного средства. Конкретные программы, могут включать в себя один или более алгоритмов обработки из любого количества аналитических стратегий, таких как управление событиями, управление прерываниями, многозадачность, многопоточность и подобные. Таким образом, различные шаги, операции или функции могут быть выполнены в приведенной последовательности, параллельно, или в некоторых случаях могут быть исключены. Аналогичным образом, данный порядок обработки не обязательно должен соблюдаться для достижения целей, характеристик или преимуществ, описанных в данном документе, но предоставлен для простоты иллюстрирования и описания. Один или более из приведенных шагов или функций могут выполняться многократно, в зависимости от конкретного используемого алгоритма. Кроме того, описанные действия могут графически представлять программный код для записи на машиночитаемый носитель данных в системе управления двигателем.
Следует понимать, что конфигурации и последовательности операций, раскрытые в данном описании, являются примерами, и что эти конкретные варианты выполнения не следует рассматривать как ограничительные, поскольку возможны их различные варианты и модификации. Например, возможно использование описанной технологии для двигателей V6, I-4, I-6, V12, оппозитных двигателей с четырьмя цилиндрами, а также других типов двигателей. Кроме того, описанные выше технологии могут быть использованы вместе с различными конфигурациями систем. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации или подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные особенности, функции и/или свойства, раскрытые в настоящем документе.