СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ
ENGINE OPERATION METHOD AND ENGINE SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к способам и системам управления впрыском топлива в систему двигателя.
Уровень техники
Конструкция двигателей может включать в себя форсунки прямого впрыска топлива, которые подают топливо непосредственно в цилиндр сгорания (прямой впрыск), и/или форсунки впрыска топлива во впускные каналы (впрыск топлива во впускные каналы). Прямой впрыск позволяет достигнуть большей эффективности использования топлива и большей мощности, получаемой от двигателя, а также обеспечивает более эффективное охлаждение воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, за счет впрыскиваемого топлива.
Однако двигатели с прямым впрыском также производят больше выбросов твердых частиц (или сажи) по причине диффузного распространения пламени, когда смешивание топлива с воздухом перед горением может быть недостаточным. Поскольку прямой впрыск по своей природе является относительно поздним впрыском топлива, то времени для смешивания впрыскиваемого топлива с воздухом в цилиндре может быть недостаточно. Аналогичным образом впрыскиваемое топливо может быть подвергнуто меньшему завихрению при прохождении через клапаны. Следовательно, могут существовать области сильного горения, которые могут приводить к локальному образованию сажи, ухудшая характеристики выбросов.
Один подход к снижению количества выбросов твердых частиц, образованных вследствие использования прямого впрыска топлива, предложен Биднером (Bidner) и др. в патентной заявке США 2011/0162620. В указанном документе регулировку количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр, при прямом впрыске и при впрыске во впускные каналы, осуществляют на основании количества твердых частиц (ТЧ), образованных двигателем. Например, при увеличении количества сажи уменьшают количество впрыскиваемого топлива из форсунки прямого впрыска, одновременно увеличивая количество впрыскиваемого топлива из форсунки впрыска во впускные каналы.
Было обнаружено, что такой подход имеет ряд недостатков. В частности, во время выбранных режимов работы двигателя даже при сдвиге к более прямому впрыску выбросы твердых частиц не могут быть снижены до уровня, соответствующего обязательным стандартам по выбросам с низким содержанием ТЧ. Например, прямой впрыск может быть выполнен слишком поздно, и к моменту выполнения прямого впрыска выбросы ТЧ уже превышают стандарты по выбросам.
Раскрытие изобретения
Вышеуказанные проблемы могут быть, по крайней мере частично, решены с помощью предложенного способа эксплуатации двигателя. Способ предусматривает во время первого цикла сгорания с момента запуска двигателя выполнение впрыска во впускной канал части топлива при закрытом впускном клапане; и выполнение прямого впрыска оставшейся части топлива порциями в ходе первого процесса сгорания. Таким образом, могут быть суммированы преимущества впрыска, разделенного между впрыском во впускной канал и прямым впрыском, а также преимущества порционного прямого впрыска.
В одном примере во время запуска двигателя система управления двигателем может осуществить впрыск топлива в цилиндр, при первом процессе сгорания в цилиндре, в виде первого впрыска во впускной канал при закрытом впускном клапане (например, в такте выпуска), в виде второго прямого впрыска во время такта сжатия, и третьего прямого впрыска во время такта впуска. Такая последовательность может представлять собой первый профиль впрыска. Такой же профиль впрыска может быть продолжен во время раскручивания двигателя для определенного числа процессов сгорания на основании числа процессов в цилиндре (например, до числа процессов в цилиндре, равного 24). Путем впрыска части топлива во впускной канал и прямого впрыска оставшейся части топлива температура каталитического нейтрализатора выхлопных газов может быть быстро повышена до рабочей температуры, увеличив эффективность работы двигателя при холодных запусках. Кроме того, путем разделения прямого впрыска таким образом, что некоторое количество топлива при прямом впрыске будет подано во время такта сжатия, а оставшаяся часть топлива при прямом впрыске будет подана во время такта впуска, рабочая температура каталитического нейтрализатора может быть достигнута без увеличения содержания твердых частиц (ТЧ) в выбросах и без снижения стабильности сгорания в двигателе. При этом также происходит снижение потребления топлива. При выполнении заданного количества процессов сгорания в цилиндре может быть осуществлен переход ко второму профилю впрыска, предназначенному для регулирования числа оборотов двигателя на холостом ходу. Второй профиль впрыска может включать в себя, например, только впрыск топлива во впускной канал, только прямой впрыск топлива и/или соотношение разделения, отличное от соотношения разделения первого профиля впрыска, с большим процентным соотношением топлива, подаваемого прямым впрыском. В других вариантах профиль впрыска во время холодного запуска двигателя может варьироваться в зависимости от температуры двигателя при холодном запуске (например, в зависимости от того, имеет ли место нормальная температура двигателя при холодном запуске или очень низкая температура двигателя при холодном запуске).
Таким образом, путем использования профиля разделенного впрыска, включающего в себя разделение впрыска топлива на впрыск во впускной канал и несколько порций прямого впрыска, время активации каталитического нейтрализатора выхлопных газов может быть уменьшено, что приведет к снижению газовых выхлопов и выбросов твердых частиц. Вместе с тем, могут быть увеличены допуски на запаздывание зажигания без влияния на стабильность горения. По существу это позволяет оптимизировать впрыск топлива таким образом, чтобы суммировать преимущества разделения впрыска топлива между впрыском во впускной канал и прямым впрыском с преимуществами порционного прямого впрыска. Таким образом, рабочие характеристики двигателя улучшаются, вредность выхлопов снижается, и кроме того, уменьшается потребление топлива.
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
На Фиг.1 представлено схематическое изображение примера камеры сгорания.
На Фиг.2 представлена высокоуровневая блок-схема, иллюстрирующая процесс регулирования впрыска топлива во время запуска и раскрутки двигателя с целью уменьшения количества сажи в двигателе.
На Фиг.3-4 приведены примеры профилей впрыска топлива, используемых при различных режимах запуска и раскрутки двигателя.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание относится к системам и способам регулирования впрыска топлива в двигатель, такой показан на Фиг.1, во время запуска и раскрутки двигателя, которые обеспечивают уменьшение образования сажи в двигателе. Контроллер двигателя может выполнять управляющую процедуру, показанную на Фиг.2, для выполнения регулировки профиля впрыска топлива во время запуска и раскрутки двигателя, включая количество топлива, подаваемое в цилиндр впрыском во впускной канал, и количество топлива, подаваемое в цилиндр прямым впрыском, разделенное на несколько порций. Профиль может быть отрегулирован на основании как температуры каталитического нейтрализатора выхлопных газов, так и количества процессов в цилиндре таким образом, чтобы ускорить активацию каталитического нейтрализатора, снизить количество выбросов твердых частиц и избежать ухудшения стабильности горения. С помощью использования профиля впрыска топлива, начиная с профиля с относительно большим количеством топлива, впрыскиваемого во впускной канал во время запуска и раскрутки двигателя, и переходя затем к профилю впрыска топлива с относительно большим количеством прямого впрыска во время такта сжатия, характеристики двигателя при холодном запуске могут быть улучшены при одновременном снижении образования сажи в двигателе и потребления топлива двигателем. Примеры регулировки представлены на Фиг.3-4.
На Фиг.1 представлено схематическое изображение камеры сгорания или цилиндра двигателя 10. 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. Цилиндр (например, камера сгорания) 14 двигателя 10 может иметь стенки 136 с расположенным в них поршнем 138. Поршень может быть соединен с коленчатым валом 140 для преобразования возвратно-поступательных движений поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 140 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 140 может быть с помощью маховика подключен пусковой мотор.
В цилиндр 14 воздух поступает из впускных каналов 142, 144 и 146. Впускной канал 146 может сообщаться, помимо цилиндра 14, с другими цилиндрами двигателя 10. В некоторых вариантах один или более впускных каналов могут включать в себя такое устройство наддува, как турбокомпрессор или воздушный нагнетатель. Например, на Фиг.1 показан двигатель 10, снабженный турбокомпрессором, включающем компрессор 174, расположенный между впускными каналами 142 и 144 и газовой турбиной 176, расположенной вдоль впускного канала 148. Компрессор 174 может, по меньшей мере частично, приводиться в действие газовой турбиной 176 через вал 180, где устройство наддува представляет собой турбокомпрессор. Однако в других примерах, где двигатель 10 снабжен воздушным нагнетателем, газовую турбину 176 можно по выбору не использовать, где компрессор 174 может приводиться в действие механическим входящим сигналом от мотора или двигателя. Вдоль впускного канала двигателя может быть предусмотрен дроссель 162, содержащий дроссельную заслонку 164 и предназначенный для варьирования интенсивности подачи топлива и/или давления впускного воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя. Например, дроссель 162 может быть размещен ниже по потоку от компрессора 174, как показано на Фиг.1, или, альтернативно, он может быть установлен выше по потоку от компрессора 174.
Выхлопной канал 148 может получать выхлопные газы помимо цилиндра 14 от других цилиндров двигателя 10. Датчик 128 выхлопных газов показан соединенным с выхлопным каналом 148 выше по потоку от устройства 178 снижения токсичности выхлопа. Датчиком 128 может быть любой датчик, пригодный для обеспечения индикации соотношения воздух/топливо в выхлопных газах, например линейный кислородный датчик или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в выхлопных газах), бистабильный датчик кислорода или EGO (как изображено), HEGO (нагреваемый датчик кислорода), датчик NOx, HC или СО, например. Устройство 178 снижения токсичности выхлопа может представлять собой трехкомпонентный нейтрализатор (TWC), ловушку NOx, или различные другие устройства для снижения токсичности выхлопа или их комбинации.
Каждый цилиндр двигателя 10 может иметь один или несколько впускных клапанов и один или несколько выпускных клапанов. Например, цилиндр 14 показан на чертеже содержащим по меньшей мере один впускной тарельчатый клапан 150 и по меньшей мере один выпускной тарельчатый клапан 156, расположенные в верхней части цилиндра 14. В некоторых вариантах каждый цилиндр двигателя 10, включая цилиндр 14, может содержать также по меньшей мере два впускных тарельчатых клапана и по меньшей мере два выпускных тарельчатых клапана, расположенных в верхней части цилиндра.
Контроллер 12 может управлять впускным клапаном 150 с помощью исполнительного механизма 152. Аналогично, контроллер 12 может управлять выпускным клапаном 156 с помощью исполнительного механизма 154. При некоторых условиях контроллер 12 может менять сигналы, передаваемые исполнительным механизмам 152 и 154, для управления открыванием и закрыванием впускного и выпускного клапанов соответственно. Положение впускного клапана 150 и выпускного клапана 156 можно определить с помощью соответствующих датчиков положения клапанов (не показаны). Исполнительные механизмы клапанов могут быть исполнительными механизмами электрического типа или кулачкового типа, либо их комбинацией. Регулировка моментов открывания впускного и выпускного клапанов может осуществляться одновременно или с помощью любой из возможных систем изменения фазы газораспределения впускного и выпускного клапанов, системы двойной независимой синхронизации распределительных кулачковых валов, либо системы фиксированной фазы газораспределения. Каждая из кулачковых приводных систем может содержать один или несколько кулачков, а также использовать одну или более систем переключения профиля кулачков (CPS), систему управления фазами газораспределения (VCT) и/или систему регулируемой высоты подъема клапана (VVL), которыми может управлять контроллер 12 для изменения работы клапана. Например, цилиндр 14 может альтернативно содержать электронно регулируемый впускной клапан, и выпускной клапан, регулируемый при помощи кулачковой системы, имеющей системы CPS и/или VCT. В других вариантах впускной и выпускной клапаны могут регулироваться общим исполнительным механизмом клапанов или системой исполнительных механизмов, либо с помощью исполнительного механизма с регулируемой фазой газораспределения или системы на его основе.
Цилиндр 14 может характеризоваться коэффициентом сжатия, который представляет собой объемное соотношение, когда поршень 138 находится между нижней мертвой точкой и верхней мертвой точкой. Обычно коэффициент сжатия составляет от 9:1 до 10:1. Однако в некоторых примерах при использовании различных видов топлива коэффициент сжатия может быть увеличен. Такое может случиться, например, при применении высокооктанового топлива или топлива с более высокой потенциальной энтальпией парообразования. Коэффициент сжатия также может быть увеличен, если использован непосредственный впрыск, оказывающий влияние на детонацию двигателя.
В некоторых вариантах каждый цилиндр двигателя 10 может содержать свечу зажигания 192 для воспламенения горючей смеси. Система 190 зажигания может обеспечить искру зажигания в камере 14 сгорания посредством свечи зажигания 192 в ответ на сигнал опережения зажигания SA от контроллера 12 после выбора режимов работы. Однако в некоторых вариантах можно не использовать свечи зажигания 192, например, когда двигатель 10 может воспламенять смесь при помощи автоматического зажигания или впрыскивания топлива, например при использовании некоторых дизельных двигателей.
В некоторых вариантах каждый цилиндр 10 может быть снабжен одной или несколькими форсунками для обеспечения подачи в него топлива или других жидкостей. В качестве неограничивающего примера показанный цилиндр 14 содержит две топливные форсунки 166 и 170. Топливная форсунка 166 показана соединенной непосредственно с цилиндром 14 для непосредственного впрыскивания в него топлива пропорционально длительности импульса сигнала FPW-1, полученного от контроллера 12 через электронный привод 168. Таким образом, топливная форсунка 166 обеспечивает так называемое прямое впрыскивание (здесь и далее обозначено DI) топлива в камеру сгорания цилиндра 14. В то время как форсунка 166 показана на Фиг.1 как боковая форсунка, но она также может быть расположена над поршнем, например, рядом со свечой 192 зажигания. Такое положение может улучшить перемешивание и сгорание при работе двигателя на спиртосодержащем топливе за счет более низкой испаряемости некоторых видов спиртовых топлив. Альтернативно, форсунка может быть расположена сверху и рядом с впускным клапаном, для улучшения дальнейшего перемешивания. Топливо может доставляться к топливной форсунке 166 от топливной системы 172 высокого давления, включающей в себя топливные баки, насосы для подачи горючего, топливную рампу и привод 168. Альтернативно, топливо может быть доставлено с помощью одноступенчатого топливного насоса под низким давлением, в таком случае регулирование моментов прямого впрыска топлива может быть более ограниченным во время такта сжатия, нежели чем при использовании топливной системы с высоким давлением. Топливный бак также может иметь датчик давления (не показан), подающий сигнал контроллеру 12.
Форсунка 170 расположена во впускном канале 146, а не в цилиндре 14, и имеет конфигурацию, которая обеспечивает впрыск топлива во впускные каналы (PFI) выше по потоку от цилиндра 14. Форсунка 170 может осуществлять впрыск топлива пропорционально ширине импульса сигнала FPW-2, получаемого от контроллера 12 с помощью электронного привода 171. Топливо может поступать в форсунку 170 из топливной системы 172.
Топливо может поставляться цилиндру из обеих форсунок в процессе одного цикла цилиндра. Например, каждая форсунка может подавать часть от общего количества впрыскиваемого топлива, которое сгорает в цилиндре 14. Кроме того, распределение и/или относительное количество топлива, поступающего из каждой форсунки, могут быть различными при разных режимах работы, таких как нагрузка и/или детонация двигателя, как описано далее. Относительное распределение всего впрыскиваемого топлива по форсункам 166 и 170 может быть обозначено как первое соотношение впрыска. Например, впрыск большего количества топлива для одного процесса сгорания через форсунку 170 (подающую топливо во впускной канал) может относиться к большему первому соотношению, в то время как впрыск большего количества топлива для одного процесса сгорания через форсунку 166 (прямого впрыска) может относиться к меньшему первому соотношению. Следует заметить, что данные соотношения впрыска приведены только в качестве примера, и могут быть использованы и другие варианты. Кроме того, следует заметить, что топливо, впрыскиваемое во впускной канал, может поступать при открытом впускном клапане, закрытом впускном клапане (например, по существу до такта впуска, то есть во время такта выпуска), а также как при открытом, так и при закрытом впускном клапане.
Аналогичным образом, прямой впрыск топлива может быть выполнен, например, во время такта впуска и частично во время предшествующего такта выпуска, во время такта впуска и частично во время такта сжатия. Кроме того, прямой впрыск топлива может быть выполнен одной порцией или несколькими порциями. Например, несколько порций могут быть впрыснуты во время такта сжатия, во время такта впуска или как во время такта сжатия, так и во время такта впуска. При выполнении прямого впрыска несколькими порциями относительное распределение общего количества топлива, впрыскиваемого прямо в цилиндр, между (прямым) впрыском во время такта впуска и (прямым) впрыском во время такта сжатия может быть обозначено как второе соотношение впрыска. Например, прямой впрыск большего количества топлива для одного процесса сгорания во время такта впуска может относиться к большему второму соотношению, в то время как большее количество топлива для одного процесса сгорания во время такта сжатия может относиться к меньшему второму соотношению. Следует заметить, что данные соотношения впрыска приведены только в качестве примера, и могут быть использованы и другие варианты.
По существу, даже для единственного процесса сгорания впрыск топлива может быть выполнен в различные моменты времени во впускной канал или в виде прямого впрыска. Кроме того, для единственного процесса сгорания в течение одного цикла топливо может быть впрыснуто несколькими порциями. Несколько порций впрыска топлива могут иметь место во время такта сжатия, такта впуска или их соответствующей комбинации.
Как подробно изложено со ссылкой на Фиг.2-4, контроллер может регулировать профиль впрыска топлива во время первого процесса сгорания в цилиндре при запуске двигателя (в частности, при холодном запуске двигателя) таким образом, чтобы использовать суммарное преимущество как впрыска во впускной канал, так и прямого впрыска несколькими порциями для того, чтобы ускорить активацию каталитического нейтрализатора выхлопных газов без повышения содержания сажи, а также обеспечить преимущества экономии топлива. Первый профиль впрыска, применяемый при запуске двигателя, может иметь заранее заданные первое и второе соотношения впрыска, которые обеспечивают регулирование температуры каталитического нейтрализатора. Первый профиль впрыска может быть продолжен во время раскрутки двигателя до выполнения заданного количества процессов сгорания в цилиндре с момента первого процесса сгорания. Кроме того, впрыск топлива может перейти ко второму, отличному от первого, профилю впрыска, характеризующемуся первым и вторым соотношениями впрыска, которые обеспечивают регулирование числа оборотов двигателя на холостом ходу.
Как было упомянуто выше, на Фиг.1 изображен только один цилиндр многоцилиндрового двигателя. В связи с этим каждый цилиндр может аналогично иметь такой же набор впускных/выпускных клапанов, топливных форсунок, свечей зажигания и др.
Топливные форсунки 166 и 170 могут иметь различные характеристики, включая размеры. Например, отверстие для впрыска у одной форсунки может быть больше, чем у другой. К другим различиям можно отнести, без ограничения, различные углы подачи струи, различные рабочие температуры, различные направления, различную регулировку впрыска, различные характеристики струи, различные места установки и т.д. Кроме того, в зависимости от соотношения распределения впрыскиваемого топлива между форсунками 170 и 166, могут быть достигнуты различные эффекты.
Топливный бак в топливной системе 172 может содержать топливо различного качества, например, топливо различного состава. Эти отличия могут включать в себя различное содержание спирта, различный октан, различную скрытую теплоту испарения, различные топливные смеси и/или сочетания вышеуказанного. В одном примере виды топлива в различным содержанием спирта могут включать в себя бензин, этанол, метанол или спиртовые смеси, такие как E85 (в составе которой приблизительно 85% этанола и 15% бензина) или M85 (в составе которой приблизительно 85% метанола и 15% бензина). Другие спиртосодержащие виды топлива могут представлять собой смесь спирта и воды, смесь спирта, воды и бензина и т.д.
Контроллер 12 показан на Фиг.1 как микрокомпьютер, содержащий: микропроцессорный блок 106 (CPU), порты 108 ввода и вывода (I/O), электронный носитель данных для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в данном конкретном примере как микросхему постоянного запоминающего устройства ПО (ROM), оперативную память 112 (RAM), оперативную энергонезависимую память 114 (КАМ) и обычную шину данных. Контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, помимо описанных выше сигналов, также получает данные: о величине массового расхода поданного воздуха (MAF) от датчика 122 расхода воздуха, о температуре охлаждающей жидкости двигателя (ECT) от датчика 116 температуры, соединенного с каналом 118 охлаждения; о профиле зажигания (PIP) от датчика 120 на эффекте Холла (или другого типа), соединенного с коленчатым валом 140 и считывающего положение коленчатого вала 140; о положении дросселя (TP) от датчика положения дросселя; измерений давления во впускном коллекторе (MAP) от датчика 124. Сигнал оборотов двигателя (RPM) может быть получен контроллером 12 из сигнала PIP. Сигнал давления в коллекторе MAP от датчика давления в коллекторе может быть использован для обеспечения информации о вакууме или давлении во впускном коллекторе.
Запоминающее устройство 110 RAM носителя данных может быть запрограммировано с помощью машиночитаемых данных, представляющих собой инструкции, исполняемые процессорным блоком 106 для выполнения способов, описанных ниже, а также их вариантов. Пример процедуры, которая может быть выполнена контроллером, показан на Фиг.2.
На Фиг.2 показана примерная процедура 200 управления впрыском топлива в цилиндре двигателя, имеющего (первую) форсунку, осуществляющую впрыск во впускной канал, и (вторую) форсунку, осуществляющую прямой впрыск, на основании количества твердых частиц, образованных в двигателе.
На этапе 202 происходит оценка и/или измерение рабочих условий двигателя. Рабочие условия двигателя могут включать в себя, например, скорость вращения двигателя, нагрузку двигателя, воздушно-топливное соотношение (APR) в цилиндре, температуру двигателя (например, полученную из температуры охлаждающей жидкости двигателя), температуру выхлопа, температуру каталитического нейтрализатора (Teat), требуемый крутящий момент, наддув и т.д.
На этапе 204 может быть определено, имеет ли место холодный запуск двигателя. По существу холодный запуск двигателя может включать в себя первоначальный запуск двигателя из режима остановки. В одном примере воплощения изобретения режим холодного запуска двигателя может быть подтвержден, если температура двигателя не превышает пороговое значение, и температура каталитического нейтрализатора не превышает пороговое значение (то есть не превышает рабочую температуру). Если режим холодного запуска двигателя не подтвержден, то на этапе 206 может быть подтвержден режим горячего запуска двигателя. По существу горячий запуск двигателя может включать в себя повторный запуск двигателя, при котором двигатель может быть запущен повторно вскоре после предшествующего останова двигателя. В одном примере режим горячего запуска двигателя может быть подтвержден, если температура двигателя и/или температура каталитического нейтрализатора превышает пороговое значение.
При обнаружении режима холодного запуска двигателя процедура на этапе 210 включает в себя работу двигателя с первым профилем впрыска для ускорения активации каталитического нейтрализатора. Работа с первым профилем впрыска включает в себя, во время первого с момента запуска двигателя процесса сгорания, впрыск во впускной канал части топлива при закрытом впускном клапане и прямой впрыск оставшейся части топлива несколькими порциями. Впрыск оставшейся части топлива несколькими порциями может включать в себя прямой впрыск оставшейся части, например, в качестве впрыска во время такта впуска и впрыска во время такта сжатия. Например, как подробно описано со ссылкой на Фиг.3, часть топлива, впрыскиваемого напрямую, может быть подана в качестве первого впрыска во время такта впуска и второго впрыска во время такта сжатия. Количество впрыска может быть отрегулировано таким образом, чтобы значения количества впрыска во впускной канал, количества первого впрыска во время такта впуска и количества второго впрыска во время такта сжатия находились в пределах 15% друг от друга. В одном примере 30% от впрыска топлива может быть подано путем впрыска во впускной канал при закрытом впускном клапане (например, во время такта выпуска), еще 35% от впрыска топлива могут быть поданы путем прямого впрыска во время такта впуска, и оставшиеся 35% впрыска топлива поданы путем прямого впрыска во время такта сжатия.
Первое соотношение количества впрыска во впускной канал относительно общего количества прямого впрыска может быть отрегулировано на основании температуры каталитического нейтрализатора выхлопных газов. Например, по мере увеличения температуры каталитического нейтрализатора количество топлива, впрыскиваемого во впускной канал (первое соотношение), может повышаться. Первое соотношение может быть также основано на количестве процессов сгорания в цилиндре во время запуска двигателя. Второе соотношение количества первого впрыска во время такта впуска к количеству второго впрыска во время такта сжатия может быть отрегулировано на основании температуры каталитического нейтрализатора выхлопных газов и уровня образования сажи в двигателе. Второе соотношение может быть также основано на количестве процессов сгорания в цилиндре во время запуска двигателя. При этом, для нагрева двигателя и каталитического нейтрализатора может быть предпочтительно применено относительно большее количество прямого впрыска, что ускоряет активацию каталитического нейтрализатора и улучшает эффективность работы двигателя и каталитического нейтрализатора в режиме холодного запуска двигателя.
В дополнение к первому профилю впрыска может иметь место запаздывание моментов зажигания на основании температуры каталитического нейтрализатора выхлопных газов во время запуска двигателя. Например, с целью подачи дополнительного тепла в каталитический нейтрализатор выхлопных газов, моменты зажигания могут быть задержаны после точки максимального крутящего момента при торможении. Интервал примененного запаздывания зажигания может быть также основан как на первом, так и на втором соотношениях. Например, по мере увеличения первого или второго соотношения может иметь место опережение или запаздывание моментов зажигания для обеспечения стабильности сгорания. Для большинства двигателей, работающих при чрезвычайно позднем зажигании, второе соотношение увеличено до уровня, обеспечивающего наилучшее сгорание при минимальном содержании твердых частиц в выбросах.
На этапе 212 процедура включает в себя продолжение впрыска во впускной канал и порционного прямого впрыска во время раскрутки двигателя. В частности, впрыск топлива продолжен для определенного числа процессов горения, начиная с первого процесса сгорания, данное число основано на количестве процессов сгорания в цилиндре. По существу, запуск двигателя представляет собой большой неустановившийся процесс, и возможность управления каждым процессом обеспечивает более надежную работу двигателя и выхлопы с меньшим содержанием газов и твердых частиц. Кроме того, поскольку возможности камер сгорания двигателя могут быть разными, способность процедуры управлять каждым процессом позволяет реализовать стратегию, достаточно гибкую для работы с различными типами двигателей.
Во время запуска двигателя подачу топлива при первом процессе осуществляют, когда скорость вращения двигателя равна приблизительно 150-200 об./мин. Последующая подача топлива при каждом процессе имеет место при различной скорости вращения двигателя. В случае малотоксичных двигателей и силовых передач важно обеспечить универсальность подачи топлива при запуске двигателя, поскольку тип и установка моментов впрыска при оптимальном выхлопе/рабочих характеристиках могут быть разными для каждого процесса. Например, холодные запуски при предельно низких температурах могут вызвать трудности как у систем впрыска во впускные каналы, так и у систем прямого впрыска, обусловленные разными причинами. Системы впрыска во впускные каналы оставляют большое количество топлива в картере. Это разбавляет масло, в то время как двигатель не получает достаточного количества топлива для испарения в цилиндре, чтобы запустить двигатель. При предельно низких температурах высокое давление топлива при прямом впрыске обеспечивает образование достаточного количества паров топлива для сгорания, однако топливные насосы высокого давления объемного типа стремятся к поддержанию давления топлива с высоким потреблением топлива во время холодного запуска на низких скоростях прокрутки. Таким образом, при холодных запусках при предельно низких температурах во время первого цикла сгорания система впрыска во впускной канал может добавлять топливо таким образом, чтобы система прямого впрыска могла выполнять впрыск соответствующего количества топлива во время такта сжатия для обеспечения надежного запуска. По окончании цикла скорость вращения двигателя может быть достаточной, чтобы топливный насос прямого впрыска поддерживал давление, необходимое для испарения топлива и эффективного сгорания. В данной точке впрыск топлива через впускной канал может быть приостановлен до разогрева двигателя.
В другом пример может быть выполнена другая регулировка впрыска топлива во время повторного запуска двигателя при рабочей температуре (или горячего запуска). В данном случае для наиболее быстрого запуска может быть применен прямой впрыск топлива с целью создания первого оборота. Далее может быть добавлен впрыск топлива во впускные каналы. Результатом является более быстрый запуск двигателя при меньшем количестве твердых выбросов. В еще одном варианте во время горячего запуска при предельно высоких температурах может произойти испарение топлива в топливной рампе при впрыске во впускной канал при низком давлении, в то время как высокое давление при прямом впрыске поддерживает топливо в жидком состоянии. Таким образом, при предельно высоких рабочих температурах во время первого цикла может иметь место низкое первое соотношение таким образом, что для запуска двигателя использован преимущественно прямой впрыск. Затем первое соотношение может быть увеличено, что удалит пар из системы впрыска во впускной канал и охладит топливную рампу впускного канала по мере того, как в нее будет поступать более холодное топливо.
На этапе 218 может быть определено, превышает ли скорость вращения двигателя пороговое значение. В частности, может быть определено, была ли завершена прокрутка, и была ли достигнута скорость холостого хода двигателя. Если получают положительный ответ, то после завершения прокрутки двигателя процедура включает в себя переход впрыска топлива ко второму профилю впрыска, что обеспечивает управление скоростью холостого хода. Например, сюда может быть включен переход либо к впрыску топлива во впускной канал, либо к прямому впрыску топлива. В одном примере может быть выполнен переход к профилю впрыска только с впрыском во впускной канал для запуска двигателя при температуре двигателя, превышающей (первое) пороговое значение и не превышающей другое (например, не превышающей второе пороговое значение, которое больше первого порогового значения). В другом примере может быть выполнен переход к профилю впрыска только с прямым впрыском для запуска двигателя при температуре двигателя, не превышающей (первое) пороговое значение и превышающей другое (например, третье пороговое значение, которое является меньше первого порогового значения). В еще одном примере после прокрутки двигателя впрыск топлива переходит к впрыску части топлива во впускной канал до открывания впускного клапана и к прямому впрыску оставшейся части топлива во время такта впуска. В данном случае соотношение количества топлива, поданного путем прямого впрыска, к количеству топлива, поданного путем впрыска во впускной канал, может быть различным в зависимости от массового расхода топлива. По существу, если на этапе 218 не была достигнута пороговая скорость вращения двигателя, то на этапе 219 может быть сохранен профиль впрыска, использованный во время раскрутки двигателя.
Следует понимать, что, несмотря на то, что процедура, представленная на Фиг.2, иллюстрирует первый профиль впрыска, применяемый при всех холодных запусках двигателя, в других вариантах первый профиль впрыска может варьироваться во время холодных запусков двигателя на основании температуры двигателя во время холодного запуска. В частности, первое и второе соотношения впрыска первого профиля впрыска могут варьироваться на основании температуры двигателя во время холодного запуска (например, на основании того, что холодный запуск был нормальным холодным запуском или холодным запуском при предельно низких температурах). Например, при нормальных холодных запусках двигателя первый профиль впрыска может иметь первое и второе соотношения впрыска, смещенные в относительно равной степени, тогда как во время холодных запусков при очень низких температурах первый профиль впрыска может иметь первое и второе соотношения впрыска, смещенные в относительно большей степени в сторону прямого впрыска.
Возвращаясь к этапу 206, при обнаружении режима горячего запуска двигателя процедура на этапе 214 предполагает работу двигателя со вторым профилем впрыска для увеличения надежности при горячих запусках при предельно высоких температурах. Работа со вторым профилем впрыска включает в себя, во время первого с момента запуска двигателя процесса сгорания, впрыск через впускной канал (большей) части топлива при закрытом впускном клапане и прямой впрыск (меньшей) оставшейся части топлива несколькими порциями. Впрыск оставшейся части топлива несколькими порциями может включать в себя прямой впрыск оставшейся части в качестве впрыска во время такта впуска и/или впрыска во время такта сжатия. Например, как подробно изложено со ссылкой на Фиг.3, часть топлива, впрыскиваемая напрямую, может быть подана в качестве первого впрыска во время такта впуска и второго впрыска во время такта сжатия. Количество впрыска может быть отрегулировано таким образом, чтобы значения количества впрыска во впускной канал, количества первого впрыска во время такта впуска и количества второго впрыска во время такта сжатия находились в пределах 15% друг от друга. В одном примере 35% от впрыска топлива может быть подано путем впрыска во впускной канал при закрытом впускном клапане (например, во время такта выпуска), другие 35% от впрыска топлива могут быть поданы путем прямого впрыска во время такта впуска, а оставшиеся 30% впрыскиваемого топлива могут быть поданы путем прямого впрыска во время такта сжатия. В другом примере 50% от впрыскиваемого топлива может быть подано путем впрыска во впускной канал при закрытом впускном клапане, еще 50% - путем прямого впрыска во время такта впуска без подачи топлива прямым впрыском во время такта сжатия. В еще одном примере 70% от впрыскиваемого топлива может быть подано путем впрыска во впускной канал при закрытом впускном клапане, без прямого впрыска топлива на такте впуска, при этом оставшиеся 30% от впрыска топлива могут быть поданы путем прямого впрыска во время такта сжатия. В еще одном примере путем впрыска во впускной канал при закрытом впускном клапане топливо может не подаваться, при этом 70% от впрыска топлива могут быть поданы путем прямого впрыска во время такта впуска, а оставшиеся 30% от впрыска топлива могут быть поданы путем прямого впрыска во время такта сжатия. В еще одном примере количество топлива, впрыскиваемого во впускной канал, величина прямого впрыска во время такта впуска и величина прямого впрыска во время такта сжатия могут быть в диапазоне 0-100% друг от друга.
Первое соотношение количества топлива, впрыскиваемого через впускной канал, относительно общего количества прямого впрыска может быть отрегулировано на основании температуры охлаждающей жидкости двигателя или температуры головки цилиндра, измеренной или спрогнозированной во время горячего запуска. Например, по мере увеличения температуры может быть применено более высокое соотношение впрыска во впускной канал. Первое соотношение может быть также основано на количестве процессов сгорания в цилиндре. Второе соотношение количества первого впрыска во время такта впуска относительно количества второго впрыска во время такта сжатия может быть отрегулировано на основании температуры охлаждающей жидкости двигателя, или измеренной или спрогнозированной температуры головки цилиндра и количества сажи в двигателе. Второе соотношение может быть также основано на количестве процессов сгорания в цилиндре. При этом для быстрого запуска двигателя относительно большее количество топлива может быть предпочтительно подано путем прямого впрыска, тем самым повышая эффективность работы двигателя и снижая потребление топлива в режиме горячего запуска.
Для сравнения, если температура двигателя и/или каталитического нейтрализатора возросла и находится в пределах области пороговых значений температуры, то на этапе 212 контроллер может инициировать переход впрыска топлива в цилиндр двигателя от впрыска относительно большого количества топлива во впускной канал к прямому впрыску относительно большого количества топлива. Переход может быть отрегулирован на основании расстояния между значением температуры двигателя и/или каталитического нейтрализатора и пороговым значением температуры. Например, если значение температуры находится в пороговой области пороговых значений температуры, то скорость перехода может быть увеличена по мере увеличения расстояния между значением температуры и пороговыми значениями температуры. Такая регулировка может включать в себя постепенное отключение форсунки впрыска во впускной канал при постепенном задействовании форсунки прямого впрыска по мере того, как значение температуры приближается к пороговому значению. Таким образом, к моменту достижения температурой двигателя и/или каталитического нейтрализатора уровня порогового значения или превышения данного уровня, может быть выполнен переход впрыска топлива к прямому впрыску большего количества топлива и впрыску меньшего количества топлива во впускной канал. В данном случае с помощью более высокого соотношения прямого впрыска по мере увеличения нагрузки двигателя (и, следовательно, температуры двигателя) могут быть использованы преимущества прямого впрыска топлива, заключающиеся в охлаждении воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, и снижении потребления топлива.
В качестве примера, если температура двигателя и/или каталитического нейтрализатора превышает или находится в пределах пороговой области пороговых значений температуры, то контроллер может идентифицировать горячий запуск двигателя и, соответственно, инициировать переход впрыска топлива в цилиндр двигателя от впрыска относительно большого количества топлива во впускной канал к прямому впрыску относительно большого количества топлива. Переход может быть отрегулирован на основании расстояния между значением температуры двигателя и/или каталитического нейтрализатора и пороговым значением температуры. Например, если значение температуры находится в пороговой области пороговых значений, то скорость перехода может быть увеличена по мере увеличения расстояния между значением температуры и пороговыми значениями температуры. Такая регулировка может включать в себя постепенное отключение форсунки впрыска во впускной канал при постепенном задействовании форсунки прямого впрыска по мере того, как значение температуры приближается к пороговому значению. Таким образом, к моменту достижения температурой двигателя и/или каталитического нейтрализатора уровня порогового значения температуры или превышения данного уровня, может быть выполнен переход впрыска топлива к прямому впрыску большего количества топлива и впрыску меньшего количества топлива во впускной канал. В данном случае с помощью все более высокого соотношения прямого впрыска по мере увеличения температуры двигателя могут быть использованы преимущества прямого впрыска топлива, заключающиеся в охлаждении воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, и снижении потребления топлива.
Несмотря на то, что процедура, представленная на Фиг.2, не предусматривает выполнение регулировок момента зажигания во время работы со вторым профилем впрыска, в других вариантах в дополнение ко второму профилю впрыска может быть отрегулирован (например, задержан) момент зажигания на основании скорости вращения двигателя и процесса при горячем запуске двигателя. Например, при быстром увеличении скорости вращения двигателя при каждом процессе момент зажигания может быть дополнительно задержан от точки максимального крутящего момента при торможении. Интервал примененного запаздывания зажигания может быть также основан как на первом, так и на втором соотношениях. Например, по мере увеличения первого или второго соотношения может иметь место опережение момента зажигания, причем первое соотношение и запаздывание момента зажигания зависят от второго соотношения.
В одном примере регулировка момента зажигания может быть выборочно выполнена на основании профиля впрыска топлива для компенсации переходных состояний крутящего момента. Например, при снижении количества топлива, впрыскиваемого во впускной канал, и увеличении количества топлива при прямом впрыске момент зажигания может быть задержан на определенное время. В других вариантах дополнительно или в качестве варианта, регулировка может быть выполнена для одной или нескольких из следующих функций: наддув, рециркуляция отработавших газов (EGR), установка фаз газораспределения (VCT) и т.д. для компенсации переходных состояний крутящего момента.
На этапе 216 процедура предусматривает продолжение впрыска во впускной канал и порционного прямого впрыска во время раскрутки двигателя. В частности, впрыск топлива продолжают до достижения определенного количества процессов сгорания с момента первого процесса сгорания, и данное количество основано на количестве процессов в цилиндре. Как изложено выше, во время запуска двигателя подачу топлива при первом процессе осуществляют, когда скорость вращения двигателя равна приблизительно 150-200 об./мин., при этом последующая подача топлива при каждом процессе имеет место при различной скорости вращения двигателя. При холодных запусках при предельно низких температурах во время первого цикла сгорания система впрыска во впускной канал может добавлять топливо таким образом, чтобы можно было выполнить впрыск соответствующего количества топлива во время такта сжатия для обеспечения надежного запуска. По окончании цикла скорость вращения двигателя может быть достаточной, чтобы топливный насос прямого впрыска поддерживал давление, необходимое для испарения топлива и эффективного сгорания. В данной точке впрыск топлива во впускной канал может быть приостановлен до разогрева двигателя.
В одном примере во время раскрутки двигателя профиль впрыска топлива может быть отрегулирован на основании режимов работы двигателя, а также доступного количества топлива в топливном баке. В одном примере по мере возрастания скорости вращения двигателя, нагрузки двигателя и/или требуемого крутящего момента во время раскрутки двигателя количество топлива, впрыскиваемого форсункой прямого впрыска, может быть увеличено, в то время как количество топлива, впрыскиваемого форсункой во впускной канал, может быть уменьшено. В данном случае прямой впрыск топлива может увеличить эффективность использования топлива и мощность, снимаемую с двигателя. Кроме того, если впрыскиваемое топливо представляет собой спиртовое топливо, то с помощью прямого впрыска можно использовать преимущества спиртового топлива, позволяющие охладить воздух, подаваемый в цилиндры двигателя.
На этапе 218 после раскрутки двигателя процедура может предусматривать определение того, превышает ли скорость вращения двигателя пороговое значение (например, как указано выше, скорость холостого хода двигателя). Если это так, то процедура на этапе 220 включает в себя переход впрыска топлива ко второму профилю впрыска, что обеспечивает управление скоростью холостого хода, как было изложено выше. В противном случае, на этапе 219 первый профиль впрыска, использованный при прокрутке двигателя, может быть сохранен и далее применяться до тех пор, пока не будет достигнута скорость холостого хода двигателя.
В одном примере во время первого с момента запуска двигателя процесса сгорания контроллер может подать сигнал о впрыске части топлива во впускной канал при закрытом впускном клапане и прямом впрыске оставшейся части топлива несколькими порциями при первом процессе сгорания. В этом случае в одном примере впрыск оставшейся части топлива может быть выполнен в виде первого впрыска во время такта впуска и второго впрыска во время такта сжатия. Количество топлива, впрыскиваемого во впускной канал, количество первого впрыска во время такта впуска и количество второго впрыска во время такта сжатия могут быть отрегулированы так, чтобы находиться в пределах от 0 до 100% друг от друга. В другом варианте впрыск оставшейся части топлива может быть выполнен порциями во время такта впуска, порциями во время такта сжатия, или по крайней мере одного впрыска во время такта впуска и по крайней мере одного впрыска во время такта сжатия.
Первое соотношение количества впрыска во впускной канал и общего количества прямого впрыска (то есть сумма количества прямого впрыска за один или несколько тактов впуска, сумма количества прямого впрыска за один или несколько тактов сжатия или сумма количества прямого впрыска в виде одного впрыска во время такта впуска и одного впрыска во время такта сжатия) может быть отрегулировано на основании одного или нескольких значений температуры каталитического нейтрализатора выхлопных газов и температуры двигателя. Второе соотношение количества первого впрыска во время такта впуска относительно количества второго впрыска во время такта сжатия затем может быть отрегулировано на основании температуры каталитического нейтрализатора выхлопных газов, температуры двигателя и количества сажи в двигателе. Как первое, так и второе соотношение может быть также основано на количестве процессов сгорания с момента запуска двигателя.
Контроллер может также подавать команду на выполнение запаздывания момента зажигания на основании температуры каталитического нейтрализатора выхлопных газов и температуры двигателя во время запуска двигателя. В этом случае время запаздывания зажигания может быть также основано как на первом, так и на втором соотношениях. Контроллер может затем подать команду на продолжение выполнения впрыска во впускной канал и прямого впрыска несколькими порциями во время раскрутки двигателя, следующей за первым процессом сгорания. Впрыск может быть продолжен во время раскрутки в течение определенного числа процессов сгорания с момента первого процесса сгорания, при этом число процессов сгорания, в течение которых продолжают такой впрыск, основано на числе процессов в цилиндрах. После прокрутки может быть выполнен переход впрыска топлива к третьему соотношению впрыска во впускной канал к прямому впрыску, и четвертому соотношению впрыска во время такта впуска к впрыску во время такта сжатия. В данном случае третье соотношение может отличаться от первого соотношения (например, может быть больше или меньше), в то время как четвертое соотношение отличается от второго соотношения (например, может быть больше или меньше). В качестве варианта, после раскрутки может быть выполнен переход впрыска топлива к впрыску части топлива во впускной канал при закрытом впускном клапане и прямому впрыску оставшейся части топлива во время такта впуска или такта выпуска.
На Фиг.3 показан график 300 фаз газораспределения и положения поршня в зависимости от положения двигателя для данного цилиндра. Во время запуска двигателя при раскрутке контроллер двигателя может осуществлять регулировку профиля впрыска топлива, подаваемого в цилиндр. В частности, подача топлива может быть выполнена в виде первого профиля во время запуска двигателя, а затем может быть выполнен переход ко второму, отличному от первого, профилю, следующему за раскруткой двигателя. Отличающиеся профили впрыска двигателя могут включать в себя часть топлива, подаваемую в цилиндр в виде впрыска во впускной канал и оставшуюся часть топлива, подаваемую в цилиндр в виде прямого впрыска. Кроме того, часть топлива, поданная путем прямого впрыска, может представлять собой одиночный впрыск во время такта впуска, одиночный впрыск во время такта сжатия или сочетание вышеуказанного.
На схеме 300 показано положение двигателя по оси X в градусах угла поворота коленчатого вала (CAD). Кривая 308 обозначает положения поршня (по оси Y) относительно верхней мертвой точки (ВМТ) и/или нижней мертвой точки (НМТ), а также относительно четырех тактов (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) цикла двигателя. Как показано синусоидальной кривой 308, поршень постепенно перемещается вниз из верхней мертвой точки, достигая дна в нижней мертвой точке в момент окончания рабочего хода. Затем поршень возвращается в верхнее положение в верхней мертвой точке в момент окончания такта выпуска. После чего поршень снова перемещается вниз к нижней мертвой точке во время такта впуска и возвращается в первоначальное верхнее положение в верхней мертвой точке в момент окончания такта сжатия.
Кривые 302 и 304 обозначают фазы газораспределения для выпускного клапана (пунктирная линия 302) и впускного клапана (сплошная линия 304) во время нормальной работы двигателя. Как показано, выпускной клапан может быть открыт, когда поршень достигает дна в конце рабочего хода. Затем выпускной клапан может быть закрыт, когда поршень завершает такт выпуска, при этом он может быть оставлен открытым, по крайней мере, до начала последующего такта впуска. Аналогичным образом впускной клапан может быть открыт во время или до начала такта впуска и может быть оставлен открытым, по крайней мере, до начала последующего такта сжатия.
В результате разницы между моментами закрывания выпускного клапана и моментами открывания впускного клапана, в течение короткого периода времени до окончания такта выпуска и после начала такта впуска могут быть открыты как впускной, так и выпускной клапаны. Этот период времени, в течение которого оба клапана могут быть открыты, обозначают как положительное перекрытие 306 выпускного и впускного клапанов (или более кратко, положительное перекрытие клапанов), обозначенное заштрихованной областью в месте пересечения кривых 302 и 304. В одном примере положительное перекрытие 306 выпускного и впускного клапанов может представлять собой положение кулачков двигателя по умолчанию во время холодного запуска двигателя.
Третья часть (сверху) схемы 300 изображает пример профиля впрыска топлива, который может быть использован при запуске двигателя во время раскрутки двигателя для уменьшения количества выбросов твердых частиц во время запуска двигателя без ухудшения стабильности сгорания в двигателе. Как изложено в данном описании, регулировка профиля впрыска основана на количестве процессов сгорания с момента запуска двигателя с частью топлива, впрыскиваемого во впускные каналы (заштрихованный блок) и частью топлива, подаваемого путем прямого впрыска (блоки с диагональной штриховкой).
В показанном примере проиллюстрирован профиль впрыска топлива, использованный во время первого процесса сгорания в момент запуска двигателя. В данном случае запуск двигателя представляет собой холодный запуск двигателя. Контроллер двигателя обеспечивает подачу всего топлива в цилиндр в виде первого впрыска во впускной канал, обозначенного позицией 312 (заштрихованный блок), второго прямого впрыска, обозначенного позицией 314 (блок с диагональной штриховкой) и третьего прямого впрыска, обозначенного позицией 316 (блок с диагональной штриховкой). Первый впрыск 312 во впускные каналы может содержать первую часть топлива (P1), которая подана во впускные каналы при первом значении угла поворота коленчатого вала (CAD1). В частности, впрыск первой части топлива выполняют во впускной канал при закрытом впускном клапане (то есть во время такта выпуска). Затем подачу оставшейся части топлива выполняют несколькими порциями. В частности, прямой впрыск второй части топлива (D2) выполняют в виде первого впрыска во время цикла впуска при значении угла поворота коленчатого вала CAD2, а прямой впрыск третьей части топлива (D3) выполняют в виде второго впрыска во время такта сжатия при значении угла поворота коленчатого вала CAD3.
В дополнение к разделению количества топлива, впрыскиваемого в виде одиночного впрыска во впускной канал и нескольких порций прямого впрыска, может быть выполнена регулировка момента зажигания. Например, момент зажигания может быть ускорен по направлению к точке максимального крутящего момента при торможении только во время впрыска во впускной канал (как показано позицией 320), то есть при запуске двигателя при предельно низких температурах. В качестве другого примера может момент зажигания может быть задержан с дополнением прямого впрыска во время такта сжатия (как показано позицией 318).
В показанном примере профиль впрыска топлива включает в себя следующее соотношение: «топливо, впрыскиваемое во впускной канал: топливо, подаваемое в виде прямого впрыска во время такта впуска: топливо, подаваемое в виде прямого впрыска во время такта сжатия», которое составляет 30:35:35. В данном случае путем впрыска части топлива во впускной канал и прямого впрыска оставшейся части топлива температура каталитического нейтрализатора выхлопных газов может быть быстро увеличена до рабочей температуры, что улучшит рабочие характеристики двигателя при холодном запуске. Кроме того, путем разделения прямого впрыска на по крайней мере первый впрыск во время такта впуска и по крайней мере второй впрыск во время такта сжатия, рабочая температура нейтрализатора может быть достигнута без увеличения выбросов твердых частиц и снижения стабильности сгорания в двигателе. Это позволяет уменьшить вредность выхлопов при запуске двигателя, при этом снизив количество потребляемого топлива.
На Фиг.4 показана схема 400, отражающая примерные профили 401-404 впрыска топлива, которые могут быть использованы во время запуска двигателя, раскрутки двигателя и регулирования холостого хода двигателя. Как изложено в данном описании, профили впрыска могут быть отрегулированы на основании количества процессов сгорания с момента запуска двигателя, а также на основании того, является ли запуск двигателя холодным или горячим. По существу, каждый профиль впрыска обозначает момент впрыска относительно положения поршня в цилиндре. На основании положения поршня в цилиндре в любое время в цикле двигателя впрыск топлива в цилиндр может быть выполнен во время такта впуска (I), такта сжатия (C), рабочего хода (P) или такта выпуска (E). В профиле впрыска также указано, была ли выполнена подача топлива путем впрыска во впускной канал (заштрихованные блоки), одиночного впрыска или нескольких порций прямого впрыска (блоки с полосками) или путем всего вышеперечисленного. Кроме того, в профиле впрыска указано, были ли при этом проведены регулировки момента зажигания (например, применение запаздывания зажигания).
Первый пример профиля впрыска, который может быть использован при холодном запуске двигателя, обозначен позицией 401. В частности, первый профиль 401 впрыска отражает впрыск топлива в цилиндр во время первого процесса сгорания в цилиндре (event 1). Во время холодного запуска двигателя подача части топлива в цилиндр происходит в виде первого впрыска во впускной канал (заштрихованный блок) при закрытой впускном клапане (то есть во время такта выпуска предыдущего процесса сгорания в цилиндре), в то время как подача оставшейся части топлива происходит в виде первого прямого впрыска во время такта впуска и второго прямого впрыска во время такта сжатия (блок с диагональными полосками). Количество впрыска может быть отрегулировано таким образом, чтобы количество топлива, впрыскиваемого во впускной канал, количества первого впрыска во время такта впуска и количества второго впрыска во время такта сжатия находились в пределах 15% друг от друга. В одном примере 35% топлива может быть подано путем впрыска во впускной канал при закрытом впускном клапане (например, во время такта выпуска), еще 35% топлива может быть подано в виде прямого впрыска во время такта впуска, а оставшиеся 30% топлива подано в виде прямого впрыска во время такта сжатия.
В дополнение к разделению количества топлива, впрыскиваемого в качестве одиночного впрыска во впускной канал и порционного прямого впрыска, может быть выполнена регулировка момента зажигания. Например, в случае профиля 401 момент зажигания (сплошная полоса) может иметь место на 12 градусов раньше верхней мертвой точки во время впрыска во впускной канал.
Второй пример профиля впрыска, который может быть использован во время горячего запуска двигателя, показан позицией 402. В частности, второй профиль 402 впрыска отражает впрыск топлива в цилиндр во время первого процесса сгорания в цилиндре (event 1') при горячем запуске. Например, горячий запуск может представлять собой повторный запуск двигателя после остановки на холостом ходу. В другом варианте горячий запуск может представлять собой повторный запуск двигателя после остановки, когда двигатель не был выключен в течение достаточно долгого периода времени (и, следовательно, не был охлажден до температуры окружающей среды). Во время горячего запуска двигателя подача топлива в цилиндр в виде первого впрыска во впускной канал не осуществляется, при этом подачу всего количества топлива осуществляют в виде прямого впрыска во время такта сжатия (блок с полосками). Количество впрыска может быть отрегулировано таким образом, чтобы количество топлива, впрыскиваемого во впускной канал, количество первого впрыска во время такта впуска и количество второго впрыска во время такта сжатия были в пределах от 0 до 100%. В качестве сравнения во время запуска при нормальной температуре окружающей среды 40% топлива может быть подано путем впрыска во впускной канал, еще 35% топлива могут быть поданы путем прямого впрыска во время такта впуска, а оставшиеся 25% топлива поданы путем прямого впрыска во время такта сжатия.
В дополнение к одиночному впрыску во впускной канал во время горячего запуска двигателя может быть выполнена регулировка момента зажигания. Например, в случае профиля 402 момент зажигания (сплошная полоса) может быть установлен в верхней мертвой точке, вместо установки на 12 градусов раньше верхней мертвой точки для нормальных температур окружающей среды.
Третий пример профиля впрыска, который может быть использован во время раскрутки двигателя (горячий или холодный запуск), показан позицией 403. В частности, третий профиль 403 впрыска отражает впрыск топлива в цилиндр для n числа процессов сгорания в цилиндре с момента первого процесса (event 2-n). Во время раскрутки двигателя впрыск топлива переходит к профилю, в котором подачу большей части топлива выполняют в во впускной канал во время горячего повторного запуска, а прямой впрыск меньшей части топлива выполняют в такте впуска/сжатия. Количество впрыска может быть отрегулировано таким образом, чтобы количество топлива, впрыскиваемого во впускной канал, и количество прямого впрыска находились в пределах от 0 до 100% друг от друга. В одном примере во время раскрутки двигателя 70% топлива может быть подано путем впрыска во впускной канал, еще 30% топлива могут быть поданы в виде прямого впрыска во время такта сжатия.
В дополнение к разделению количества топлива, впрыскиваемого в виде одиночного впрыска во впускной канал и одиночного прямого впрыска, может быть выполнена регулировка момента зажигания. Например, в случае профиля 403 момент зажигания (сплошная полоса) может быть установлен на 8 градусов раньше верхней мертвой точки.
Четвертый пример профиля впрыска, который может быть использован после запуска и раскрутки двигателя и после достижения скорости холостого хода двигателя, показан на позицией 404. В частности, четвертый профиль 404 впрыска отражает впрыск топлива в цилиндр для определенного числа процессов сгорания в цилиндре, прошедших с момента завершения прокрутки двигателя (процессы с n-m). При регулировании холостого хода во время разогрева двигателя впрыск топлива переходит к профилю, в котором количество топлива, подаваемое в цилиндр путем впрыска во впускной канал, равно оставшейся части топлива, подаваемого путем прямого впрыска во время такта впуска. Кроме того, во время такта сжатия прямого впрыска топлива не происходит. Количество впрыска может быть отрегулировано таким образом, чтобы количество топлива, впрыскиваемого во впускной канал, и количество прямого впрыска находились в пределах от 0 до 100% друг от друга. В дополнение к разделению количества топлива, впрыскиваемого в виде одиночного впрыска во впускной канал и одиночного прямого впрыска, может быть выполнена регулировка момента зажигания. Например, в случае профиля 404 момент зажигания (сплошная полоса) может быть задержан на 40 градусов от максимального крутящего момента при торможении (МВТ) во время впрыска во впускной канал.
В одном примере во время запуска и раскрутки двигателя на основании количества процессов сгорания в цилиндре подача топлива может быть осуществлена в виде первого впрыска во впускной канал при закрытом впускном клапане, по крайней мере одного прямого впрыска во время такта впуска и по крайней мере одного прямого впрыска во время такта сжатия. Количество топлива, впрыскиваемого при первом впрыске во впускной канал, втором прямом впрыске и третьем прямом впрыске могут быть в пределах от 0 до 100% друг от друга. Впрыск может быть продолжен во время запуска и раскрутки двигателя вплоть до достижения порогового количества процессов в цилиндре. Затем после достижения порогового количества процессов сгорания в цилиндре может быть выполнен переход впрыска топлива к другому впрыску во впускной канал при закрытом впускном клапане и по крайней мере одному впрыску во время такта впуска и сжатия. В данном случае первое соотношение впрыска во впускной канал к прямому впрыску после достижения порогового количества процессов сгорания в цилиндре может отличаться (например, быть больше или меньше) от первого соотношения впрыска во впускной канал к прямому впрыску, имевшего место до достижения порогового количества процессов сгорания в цилиндре. Аналогичным образом, второе соотношение прямого впрыска во время такта впуска к прямому впрыску во время такта сжатия после достижения порогового числа процессов сгорания в цилиндре может отличаться (например, быть больше или меньше) от второго соотношения, имевшего место до достижения порогового числа процессов сгорания в цилиндре.
При достижении порогового количества процессов сгорания в цилиндре первое соотношение впрыска во впускной канал при закрытом впускном клапане к прямому впрыску во время либо такта сжатия, либо такта впуска может быть отрегулировано на основании температуры каталитического нейтрализатора выхлопных газов и температуры двигателя, при этом первое соотношение впрыска во впускной канал к прямому впрыску было увеличено по мере повышения температуры каталитического нейтрализатора выхлопных газов. Это значит, что после достижения порогового количества процессов сгорания в цилиндре по мере повышения температуры каталитического нейтрализатора выхлопных газов количественное соотношение впрыска во впускной канал в профиле впрыска может быть увеличено.
В качестве сравнения, до того, как достигнуто пороговое количество процессов сгорания в цилиндре, первое соотношение впрыска во впускной канал при закрытом впускном клапане относительно прямого впрыска может быть отрегулировано на основании оцененного содержания сажи в двигателе. При этом второе соотношение впрыска во время такта впуска относительно впрыска во время такта сжатия основано на оцененном содержании сажи в двигателе и первом соотношении. В некоторых вариантах, например, в случае, когда устройство снижения токсичности выхлопа включает в себя сажевый фильтр, соотношение может быть также отрегулировано на основании того, находится ли двигатель в режиме регенерации фильтра или режиме отсутствия регенерации. Например, во время регенерации фильтра первое и второе соотношения могут быть отрегулированы для обеспечения впрыска топлива во впускной канал. Кроме того, когда двигатель работает при установившихся температурах, первое и второе соотношения могут быть отрегулированы таким образом, чтобы обеспечивать первое и второе соотношения, которые позволяют использовать преимущества объемного КПД и уменьшить детонацию двигателя.
В другом варианте система двигателя может включать в себя двигатель, первую форсунку впрыска во впускной канал, соединенную с цилиндром двигателя, вторую форсунку прямого впрыска, соединенную с цилиндром двигателя, и систему управления с машиночитаемыми командами для управления двигателем и создания различных профилей впрыска топлива. Например, во время первого процесса сгорания в цилиндре и на основании количества процессов сгорания в цилиндре с момента первого процесса сгорания может быть выполнен переход впрыска топлива в цилиндр от первого профиля впрыска, включающего в себя первый впрыск во впускной канал при закрытом впускном клапане и второй прямой впрыск, включающий в себя по крайней мере один впрыск во время такта впуска, ко второму профилю впрыска, включающему в себя по крайней мере один прямой впрыск во время такта сжатия. В данном описании первый профиль впрыска и второй профиль впрыска могут быть основаны на температуре каталитического нейтрализатора, температуре двигателя и содержании сажи в двигателе, при этом часть топлива, подаваемая путем прямого впрыска во время такта сжатия, относительно такта впуска больше в первом профиле впрыска по сравнению со вторым профилем впрыска.
Таким образом, путем регулировки количества топлива, впрыскиваемого в двигатель форсункой прямого впрыска и форсункой впрыска во впускной канал, на основании количества процессов сгорания в цилиндре и температуры каталитического нейтрализатора, можно использовать преимущества прямого впрыска (эффективность использования топлива и высокую мощность, получаемую от двигателя) в дополнение к преимуществам впрыска во впускной канал (более быстрый нагрев каталитического нейтрализатора) без ухудшения качества выбросов. Сочетание одновременного использования систем впрыска топлива во впускной канал и прямого впрыска позволяет улучшить рабочие характеристики двигателя во время запуска при предельно высоких и низких температурах. Кроме того, при номинальных температурах окружающей среды сочетание одновременного использования систем впрыска топлива во впускной канал и прямого впрыска позволяет привести выбросы к оптимальным значениям, особенно выбросы твердых частиц, поскольку использование турбонаддува и прямого впрыска для двигателей с оптимальным расходом топлива может увеличить выбросы твердых частиц. Таким образом, путем одновременного применения систем впрыска топлива во впускные каналы и прямого впрыска, можно достигнуть нагрева каталитического нейтрализатора и двигателя, при этом обеспечив низкое содержание твердых частиц в выбросах двигателей и силовых передач, включая конфигурации двигателей с турбонаддувом.
Можно отметить, что описанные процедуры могут быть использованы для различных типов двигателей и/или транспортных средств. Конкретные процедуры, описанные выше, могут представлять собой один или несколько принципов обработки, такие как принцип событийного управления, управления прерываниями, многозадачный режим, многопоточный режим, и прочие. По существу, различные действия, операции или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно, или, в некоторых случаях, пропущены. Аналогично, порядок действий не является обязательным, чтобы достичь характеристик и эффекта описанных примерных вариантов выполнения, он представлен для объяснения иллюстраций и описания. Одно или более проиллюстрированных действий или функций может быть повторено в зависимости от конкретной используемой стратегии. Кроме того, описанные действия могут графически представлять код, программируемый в машиночитаемом носителе для выполнения управляющей системой двигателя.
Также следует понимать, что допускаются различные изменения и модификации изобретения без выхода за рамки его сущности. Например, описанная выше технология может применяться к двигателям V6, I4, I6, V12, оппозитным четырехцилиндровым и другим типам двигателей.