СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
OPERATING METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE (EMBODIMENTS) AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в которых используются рециркуляция отработавших газов и впускные турбины.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Некоторые двигатели внутреннего сгорания снабжены системой рециркуляции отработавших газов из выпускной системы двигателя в впускную систему двигателя; соответствующий процесс, известный под названием рециркуляция отработавших газов (РОГ), имеет целью, помимо прочего, снижение регламентированных выбросов. Так, например, двигатель внутреннего сгорания может содержать систему РОГ, которая осуществляет рециркуляцию отработавших газов из выпускного канала во впускной канал (например, во впускной коллектор). Рециркулированные отработавшие газы (РОГ) могут быть объединены со свежим впускным воздухом, всасываемым во впускной канал, что дает смесь свежего впускного воздуха и рециркулированных отработавших газов. Клапаном РОГ можно управлять для регулировки величины расхода рециркулированных отработавших газов и достижения желаемого разбавления впускного воздуха, в зависимости от условий эксплуатации двигателя. Конкретнее, расход отработавших газов, направленных через систему РОГ, может быть замерен и отрегулирован, в зависимости от различных условий эксплуатации (например, частоты вращения двигателя, нагрузки и т.д.) в процессе работы двигателя, для поддержания желаемой устойчивости горения в двигателе, при обеспечении преимуществ сокращения выбросов и снижения расхода топлива. Управление системой РОГ может также преследовать и другие цели, например, увеличение потока тепла к устройствам последующей обработки на стадии прогрева двигателя и катализатора.
Кроме того, некоторые двигатели внутреннего сгорания содержат такие устройства, как дроссельный турбогенератор, предназначенный для извлечения энергии из перепада давлений на впускном дросселе, которая в противном случае может быть потеряна. В некоторых примерах турбина может быть расположена во впускном канале и механически соединена с генератором, который может генерировать ток и питать аккумулятор двигателя. Такая зарядка аккумулятора может повысить топливную экономичность двигателя, в сравнении с зарядкой аккумулятора генератором, приводимым от двигателя.
Системы РОГ (например, благодаря охладителю РОГ) могут вызывать конденсацию во впускной системе двигателя. Такая конденсация может негативно влиять на горение топлива в двигателе.
В патенте США №8205602 предложен двигатель внутреннего сгорания, в котором используется РОГ. Для того чтобы ограничить конденсацию, создаваемую охладителем РОГ и вводимую во впускную систему двигателя, используют систему сбора конденсата. Конкретно, линия конденсации содержит вход, соединенный с впускной системой, и выход, соединенный со сборником конденсата. Линия выпуска конденсата соединена с выпускным отверстием сборника конденсата. Часть линии выпуска конденсата находится в контакте с выхлопной трубой двигателя так, что, в зависимости от работы клапана регулировки конденсации, расположенного внутри впускной системы, конденсат, образующийся во впускной системе, может быть выведен из нее.
Авторы настоящего изобретения выявили, что дроссельные турбины могут также вызывать конденсацию во впускной системе двигателя.
В патенте США №8763385 раскрыта система двигателя, содержащая дроссельный турбогенератор, содержащий турбину, приводящую вспомогательный генератор. Дроссельный обводной клапан может управляться для регулировки расхода воздуха через обводной канал дросселя, в котором размещена турбина, в свою очередь, управляющая степенью раскрутки вспомогательного генератора. Дроссельный обводной клапан может управляться в соответствии с различными условиями эксплуатации, включающими расход воздуха к двигателю и уровень заряда аккумулятора двигателя.
Авторы настоящего изобретения выявили проблемы обоих подходов. В первом подходе введение системы сбора конденсата увеличивает стоимость, сложность и габариты двигателя внутреннего сгорания. Во втором подходе дроссельный обводной клапан добавочного воздуха управляется без учета потенциала образования конденсата во впускной системе. В некоторых примерах выходная температура газов, вытекающих из турбины, может линейно падать с падением кпд турбины. Это может также приводить к конденсации во впускной системе, что может негативно влиять на горение топлива, как описано выше, и/или может приводить к образованию льда у корпуса дросселя, что потенциально способно нарушить работу дросселя.
Один подход, который, по меньшей мере частично, решает вышеуказанные проблемы, предусматривает способ эксплуатации дроссельной обводной турбины, содержащий шаг, на котором управляют температурой отходящего газа, вытекающего из турбины, направляя отходящий газ через теплообменник рециркуляции отработавших газов, расположенный в канале рециркуляции отработавших газов, при этом турбина соединена с впускным каналом.
В более конкретном примере температура отходящего газа управляется по одной или двум температурам: точке росы и точке замерзания, при которых во впускном канале возникают, соответственно, конденсация и обледенение.
Согласно другому аспекту этого примера, температура отходящего газа управляется регулировкой расхода отработавших газов через канал рециркуляции отработавших газов.
Согласно еще одному аспекту этого примера, температура смеси отходящего газа и впускного воздуха во впускном канале управляется регулировкой расхода отходящего газа.
Таким образом, конденсация и/или образование льда во впускном канале, по меньшей мере частично вызванные охлаждением на турбине в обводном канале дросселя, могут быть снижены или предотвращены. Следовательно, такими действиями достигается требуемый технический результат.
Вышеуказанные преимущества, а также другие преимущества и особенности настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания вариантов его осуществления при их рассмотрении независимо или совместно с сопроводительными чертежами.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание дано для представления в упрощенной форме отдельных идей, которые далее раскрываются в подробном описании. Вышеприведенное не имеет цели представить ключевые или существенные признаки заявляемого объекта, объем которого определяется только формулой изобретения, следующей за подробным описанием. Кроме того, заявляемый объект не ограничен вариантами осуществления, устраняющими какие-то недостатки, отмеченные выше или в какой-либо части данного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На ФИГ. 1 схематически показан пример цилиндра двигателя внутреннего сгорания, содержащего систему рециркуляции отработавших газов.
На ФИГ. 2 показаны особенности альтернативного варианта исполнения впускного канала и канала РОГ.
На: ФИГ. 3 представлена программа управления расходом РОГ.
На ФИГ. 4 представлена программа управления температурой смеси газов во впускном канале.
На ФИГ. 5 показаны графики различных эксплуатационных параметров двигателя для части взятого для примера ездового цикла.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как было объяснено выше, некоторые двигатели внутреннего сгорания снабжены системой рециркуляции отработавших газов (РОГ) для снижения, помимо прочего, выбросов и управления температурой горения. В некоторых примерах двигатель может содержать систему РОГ, которая осуществляет рециркуляцию отработавших газов из выпускного канала во впускной канал (например, во впускной коллектор). Соотношение количеств рециркулированных отработавших газов и свежего впускного воздуха, всасываемого во впускной канал, может регулироваться клапаном РОГ для достижения желаемого разбавления впускного воздуха, в зависимости от условий эксплуатации двигателя.
Некоторые двигатели внутреннего сгорания, альтернативно или в дополнение к используемым системам РОГ, содержат дроссельный турбогенератор для генерации энергии за счет перепада давлений на впускном дросселе. Так, например, турбина может быть расположена во впускном канале и механически соединена с генератором для генерации тока и питания аккумулятора двигателя.
Вызывать появление конденсата во впускной системе двигателя могут как системы РОГ (например, из-за высокого содержания воды в системе РОГ), так и дроссельные турбины. В некоторых примерах выходная температура газов, вытекающих из дроссельной турбины, может уменьшаться в линейной зависимости от кпд турбины. Достаточно низкие выходные температуры могут привести к конденсации во впускной системе, а также к образованию льда у корпуса дросселя, что может, соответственно, негативно влиять на горение топлива и потенциально нарушить работу дросселя. В некоторых подходах низких выходных температур можно избежать выключением генератора (например, обводом дроссельной турбины), но ценой ограничения генерируемой мощности. И наоборот, конденсацию, возникающую вследствие работы охладителя РОГ, можно ограничить удалением конденсата из впускной системы через систему сбора конденсата. Однако введение такой системы увеличивает стоимость, сложность и габариты двигателя.
Обеспечиваются различные системы и способы управления температурой отходящих газов из дроссельной обводной турбины. В одном из вариантов способ эксплуатации дроссельной обводной турбины включает шаг, на котором управляют температурой отходящего газа, вытекающего из турбины, направляя отходящий газ через теплообменник рециркуляции отработавших газов, расположенный в канале рециркуляции отработавших газов, при этом турбина соединена с впускным каналом. На ФИГ. 1 схематически показан пример цилиндра двигателя внутреннего сгорания, содержащего систему рециркуляции отработавших газов, на ФИГ. 2 показаны особенности альтернативного варианта исполнения впускного канала и канала РОГ, на ФИГ. 3 представлена программа управления расходом РОГ, на ФИГ. 4 представлена программа управления температурой смеси газов во впускном канале и на ФИГ. 5 показаны графики различных эксплуатационных параметров двигателя для части взятого для примера ездового цикла. Двигатель ФИГ. 1 также содержит контроллер, выполненный с возможностью реализации способов представленных на ФИГ. 3 и 4.
На ФИГ. 1 представлено схематическое изображение одного цилиндра многоцилиндрового двигателя 10, который может быть включен в тяговую систему автомобиля. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, системой управления, включающей контроллер 12, и вводимыми командами водителя 132 автомобиля через устройство 130 ввода. В данном примере устройство 130 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 положения педали для выдачи пропорционального сигнала положения педали (ПП). Камера сгорания (т.е. цилиндр) 30 двигателя 10 может содержать стенки 32 камеры сгорания, охватывающие поршень 36. В некоторых вариантах осуществления в поверхности поршня 36 внутри цилиндра 30 может быть углубление. Поршень 36 может быть соединен с коленчатым валом 40 так, что возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен по меньшей мере с одним ведущим колесом транспортного средства через промежуточную систему трансмиссии (не показана). Далее, с коленчатым валом 40 может быть через маховик соединен стартер (не показан) для запуска двигателя 10.
Камера сгорания 30 может получать впускной воздух, прошедший через впускной канал 42, из впускного коллектора 44, а газообразные продукты сгорания могут выходить через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 могут выборочно соединяться с камерой сгорания 30 через, соответственно, впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах осуществления камера сгорания 30 может содержать два или несколько впускных клапанов и/или два или несколько выпускных клапанов.
Впускной клапан 52 может управляться контроллером 12 через электрический клапанный привод (ЭКП) 51. Аналогично, выпускной клапан 54 может управляться контроллером 12 через ЭКП (EVA) 53. Альтернативно, регулируемый клапанный привод может быть электрическим, гидравлическим или приводом другого типа, позволяющего осуществить привод клапана. При некоторых условиях контроллер 12 может изменять сигналы, выдаваемые на приводы 51 и 53 для управления открытием и закрытием, соответственно, впускного и выпускного клапанов. Положения впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 могут определяться, соответственно, датчиками 55 и 57 положения клапана. В альтернативных вариантах осуществления один или несколько из впускных и выпускных клапанов могут приводиться одним или несколькими кулачками, и для изменения работы клапанов могут использоваться одна или несколько систем переключателей профиля кулачка (ППК), изменения фаз кулачкового распределения (ИФКР), изменения фаз газораспределения (ИФГ) и/или изменения высоты подъема клапанов (ИВПК). Так, например, цилиндр 30 может альтернативно содержать впускной клапан, управляемый электрическим клапанным приводом, и выпускной клапан, управляемый кулачковым приводом, включающим системы ППК и/или ИФКР. В некоторых примерах моменты открытия и закрытия выпускного клапана 54 могут варьироваться для регулировки вывода отработавших газов из цилиндра 30, например, для увеличения, относительно номинального уровня, количества отработавших газов, присутствующих в цилиндре, при всасывании в цилиндр впускного воздуха. Такой подход мы будем здесь называть «внутренней РОГ».
Топливный инжектор 66 показан соединенным непосредственно с камерой сгорания 30 для впрыска топлива непосредственно в цилиндр пропорционально длительности импульса впрыска топлива (ИВТ), впускного из контроллера 12 через электронный драйвер 68. Таким образом, топливный инжектор 66 обеспечивает так называемый «прямой впрыск» топлива в камеру сгорания 30. Топливный инжектор может быть установлен, например, в боковине или в вершине камеры сгорания. Топливо может подаваться к топливному инжектору 66 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливный распределитель.
Система 88 зажигания может обеспечивать искру зажигания в камере сгорания 30 с помощью свечи 92 зажигания по сигналу опережения зажигания (ОЗ) от контроллера 12 в выбранных режимах работы. Несмотря на то, что элементы искрового зажигания показаны, в некоторых вариантах осуществления камера сгорания 30 или одна или несколько других камер сгорания двигателя 10 могут работать в режиме воспламенения от сжатия, с искрой зажигания или без таковой.
Впускной канал 42 может содержать дроссель 63 с дроссельной заслонкой 65. В данном конкретном примере положение дроссельной заслонки 65 может изменяться контроллером 12 с помощью сигналов, выдаваемых на электродвигатель или привод, входящий в состав дросселя 63; такую систему обычно называют электронным управлением дросселем (ЭУД). Таким образом, дроссель 63 может управляться для изменения количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания 30, а также в прочие цилиндры двигателя. Положение дроссельной заслонки 65 может сообщаться в контроллер 12 с помощью сигналов положения дросселя (ПД). Впускной канал 42 может содержать датчик 120 массового расхода воздуха (МРВ) и датчик 122 давления воздуха в коллекторе (ДВК) для выдачи соответственных сигналов МРВ и ДВК на контроллер 12.
Далее, в раскрытых вариантах осуществления система рециркуляции отработавших газов (РОГ) может направить желаемую часть отработавших газов из выпускного канала 48 во впускной канал 42 через канал 150 РОГ. Количество рециркулированных отработавших газов (например, расход РОГ), подаваемых во впускной канал 42, может варьироваться контроллером 12 с помощью клапана 152 РОГ, который, как показано, расположен на входе канала 150 РОГ. В некоторых вариантах осуществления в выпускной системе может быть расположен дроссель для управления РОГ. Далее, датчик 144 РОГ может быть размещен внутри канала 150 РОГ и может замерять один или несколько параметров: давление, температуру и концентрацию отработавших газов. Альтернативно, РОГ может регулироваться по расчетному значению, в зависимости от сигналов датчиков МРВ (датчик расположен выше по потоку), ДВК (впускной коллектор), температуры воздуха в коллекторе (ТВК) (датчик не показан) и частоты вращения коленчатого вала. Далее, РОГ может регулироваться в зависимости от показаний датчика содержания кислорода в отработавших газах и/или датчика содержания кислорода во впускном канале (например, датчика, расположенного во впускном коллекторе). При определенных условиях система РОГ может быть использована для того, чтобы регулировать температуру воздуха и топливной смеси в камере сгорания. Система РОГ, показанная на ФИГ. 1, содержит также теплообменник 158 РОГ, выполненный с возможностью передачи тепла от газов РОГ подходящему носителю, например хладагенту двигателя. Как подробнее раскрыто ниже, теплообменник 158 РОГ может изменять температуру и других газов, в дополнение к изменению температуры газа РОГ. В зависимости от условий, теплообменник 158 РОГ может нагревать, охлаждать или одновременно нагревать и охлаждать газы, протекающие через него; в принципе, теплообменник РОГ можно называть «охладителем РОГ» и «нагревателем РОГ».
Хотя это не показано, двигатель 10 может также содержать устройство сжатия, например турбонагнетатель или нагнетатель, содержащий, по меньшей мере, компрессор, расположенный по ходу впускного коллектора 44. В случае турбонагнетателя компрессор может, по меньшей мере частично, приводиться от турбины (например, через вал), расположенной по ходу выпускного канала 48. В случае нагнетателя компрессор может, по меньшей мере частично, приводиться от двигателя и/или электрической машины и может не содержать турбины. Степень сжатия, обеспечиваемая для одного или нескольких цилиндров двигателя с помощью турбонагнетателя или нагнетателя, может варьироваться контроллером 12. В вариантах осуществления, в которых турбонагнетатель используется как устройство сжатия, обводной клапан турбонагнетателя может управлять, например, количеством отработавших газов, подаваемых на турбину.
В вариантах осуществления, в которых двигатель 10 содержит турбонагнетатель, двигатель может также содержать систему РОГ высокого давления (ВД), которая направляет отработавшие газы из точки выше по потоку относительно турбины турбонагнетателя в точку ниже по потоку относительно компрессора турбонагнетателя. Напротив, система РОГ низкого давления (НД) может направлять отработавшие газы из точки ниже по потоку относительно турбины турбонагнетателя в точку выше по потоку относительно компрессора турбонагнетателя. Система РОГ ВД может содержать собственный теплообменник РОГ для извлечения тепла из отработавших газов.
x
Датчик 126 отработавших газов показан соединенным с газоотводным каналом 48 выше по потоку относительно устройства 70 снижения токсичности отработавших газов. Датчик 126 может представлять собой любой подходящий датчик для индикации воздушно-топливного отношения в отработавших газах, например, линейный кислородный датчик, или универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах (УДКОГ), бистабильный кислородный датчик или датчик кислорода в отработавших газах (ДКОГ), нагреваемый ДКОГ (НДКОГ), датчики оксидов азота (NO), углеводородов (НС) или окиси углерода (СО).
Двигатель 10 также содержит обводной канал дросселя 160, отходящий от впускного канала 42. Как показано, вход обводного канала 160 соединен по потоку с впускным каналом 42 и расположен возле дросселя 63, который показан как перфорированный дроссель. В таком исполнении дроссель 63 управляет относительным количеством впускного воздуха во впускном канале 42, подаваемого во впускной коллектор 44 и в обводной канал дросселя 160, в зависимости от угла заслонки в режиме непрерывного регулирования. В полностью закрытом положении дроссель 63 может предотвратить подачу впускного воздуха в обводной канал 160. Однако возможны и другие исполнения, в которых используется неперфорированный дроссель; в этом случае дроссельный обводной клапан может быть расположен в обводном канале 160 для управления расходом воздуха через клапан. Для использования в качестве дроссельного обводного клапана подходят клапаны различных типов, например, двухпозиционный клапан, плунжерный клапан или золотник, задвижка, поворотная заслонка или другое подходящее устройство управления расходом. Однако возможны и альтернативные к показанному на ФИГ. 1 исполнения клапана. Как подробнее раскрыто ниже со ссылкой на ФИГ. 2, последовательный дроссель может быть расположен ниже по потоку относительно входа обводного канала дросселя 160 и выше по потоку относительно выхода канала 150 РОГ, при этом другой дроссель располагается ниже по потоку относительно выхода канала РОГ.
Ниже по потоку относительно дросселя 63 в обводном канале дросселя 160 расположена дроссельная обводная турбина 162, которая вращается, когда поток воздуха направляют через обводной канал дросселя. Турбина 162 механически соединена с генератором 164 так, что вращение турбины вызывает генерацию тока генератором. Этот ток может затем быть использован для питания аккумулятора (не показан), а тот может, в свою очередь, питать различные элементы электрической системы транспортного средства, в котором может быть расположен двигатель 10, содержащий, но не ограничительно, фары, насосы, вентиляторы, системы впрыска топлива, зажигания, кондиционирования воздуха и т.д. В некоторых вариантах осуществления генератор 164 может работать как вспомогательный генератор, питающий аккумулятор, который также получает ток от первичного генератора (не показан), механически приводимого от двигателя 10. Контроллер 12 может управлять выполнением зарядки аккумулятора от одного или от обоих генераторов, в зависимости от различных критериев, включая, но не ограничиваясь, уровень заряда аккумулятора (УЗА), ускорение или торможение транспортного средства, ухудшение параметров генератора и т.д.
Отходящие газы, вытекающие из турбины 162, попадают на выход обводного канала 160 дросселя, который соединен по потоку с каналом 150 РОГ. Выход обводного канала дросселя соединяется с каналом 150 РОГ ниже по потоку относительно клапана 152 РОГ и выше по потоку относительно теплообменника 158 РОГ. Отходящие газы турбины втекают в канал 150 РОГ выше по потоку относительно теплообменника 158 РОГ, поэтому их температура может регулироваться теплообменником РОГ. Как подробнее раскрыто ниже, теплообменник 158 РОГ может использоваться для управления температурой отходящих газов турбины 162, так что конденсация и/или образование льда во впускном канале 42 (например, около дросселя 63) снижаются или предотвращаются. Таким образом, в некоторых примерах отходящие газы турбины 162, чьи сравнительно низкие температуры могли бы в противном случае вызвать конденсацию и/или образование льда во впускном канале 42, могут быть нагреты теплообменником 158 РОГ для снижения или предотвращения такой конденсации и/или обледенения. В некоторые вариантах теплообменник 158 РОГ может одновременно нагревать отходящие газы турбины и охлаждать газы РОГ, выводя затем те из них, чьи температуры изменены. Так как в этом примере теплообменник 158 РОГ может одновременно выполнять нагрев и охлаждение, он может и в общем плане рассматриваться как теплообменник. Теплообменник 158 РОГ может регулировать температуру, используя хладагент двигателя или другие вещества, включая, но не ограничительно, окружающий воздух, хладагент для низких температур и т.д. Однако возможны и альтернативные исполнения обводного канала дросселя и канала РОГ. Так, например, в других вариантах осуществления могут быть обеспечены обводная линия и обводной клапан, чтобы можно было дозируемую часть газов РОГ пустить через канал 150 РОГ в обводной теплообменник 158 РОГ. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления у выхода канала 150 РОГ, ниже по потоку относительно теплообменника 158 РОГ, может быть расположен второй клапан РОГ.
Датчик 144 РОГ показан на ФИГ. 1 расположенным вблизи выхода канала 150 РОГ, что может облегчить замер температуры газов РОГ, которые могут содержать отходящие газы турбины 162. Однако датчик 144 РОГ может располагаться и в других местах, например выше по потоку относительно теплообменника 158 РОГ; в этом случае может быть замерена температура неохлажденных отработавших газов. В некоторых вариантах осуществления могут использоваться два датчика, замеряющие температуры, соответственно, неохлажденных и охлажденных отработавших газов.
Таким образом, клапан 152 РОГ может управляться для регулировки количества и/или расхода рециркулированных отработавших газов и достижения желаемого процента разбавления впускного воздуха, втекающего во впускной канал 42. Так, например, более высокий процент разбавления РОГ может соответствовать более высокому количеству рециркулированных отработавших газов по отношению к воздуху, в сравнении с более низким процентом разбавления РОГ. Контроллер 12 может отслеживать характеристики расхода отработавших газов через канал 150 РОГ и регулировать этот расход с помощью клапана 152 РОГ, в зависимости от частоты вращения двигателя и нагрузки в процессе работы двигателя для поддержания устойчивости горения, температуры горения и т.д. Контроллер 12 может учитывать другие факторы, могущие влиять на процент разбавления РОГ, например положение дросселя 63, положение обводного клапана компрессора (если таковой имеется), положение регулятора давления наддува (если таковой имеется) и т.д.
Как подробнее раскрыто ниже со ссылкой на ФИГ. 4, контроллер 12 может осуществлять совместное управление разнообразными элементами двигателя (например, дросселем 63, клапаном 152 РОГ и т.д.) для достижения нескольких желаемых аспектов, относящихся к расходам впускных и отработавших газов; так, например, указанные и другие возможные элементы могут регулироваться для достижения желаемого процента разбавления РОГ, расхода РОГ, температуры РОГ и температуры во впускном канале около дросселя 63 для снижения или предотвращения конденсации и/или обледенения вблизи дросселя.
x
Устройства 71 и 72 снижения токсичности отработавших газов показаны размещенными по ходу выпускного канала 48 ниже по потоку относительно датчика 126 отработавших газов. Устройства 71 и 72 могут представлять собой систему избирательного каталитического восстановления (ИКВ), трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН), ловушку NO, различные другие устройства снижения токсичности отработавших газов или их сочетания. Так, например, устройство 71 может быть ТКН, а устройство 72 может быть сажевым фильтром (СФ). В некоторых вариантах осуществления СФ 72 может быть расположен ниже по потоку относительно ТКН 71 (как показано на ФИГ. 1), тогда как в других вариантах осуществления СФ 72 может быть расположен выше по потоку относительно ТКН 72 (не показано на ФИГ. 1). Далее, в некоторых вариантах осуществления в процессе работы двигателя 10 устройства 71 и 72 снижения токсичности отработавших газов могут периодически восстанавливаться посредством эксплуатации по меньшей мере одного цилиндра двигателя в пределах определенного воздушно-топливного отношения.
Контроллер 12 показан на ФИГ. 1 в виде микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство (МПУ) 102, порты 104 ввода/вывода (ВВ./ВЫВ.), электронный носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в данном конкретном примере как микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 106, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 108, энергонезависимое запоминающее устройство (ЭЗУ) 110 и шину данных. Контроллер 12, в дополнение к сигналам, описанным выше, может получать различные сигналы от подсоединенных к двигателю 10 датчиков, в частности: замер МРВ от датчика 120 МРВ; сигнал температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112 температуры, соединенного с рубашкой 114 охлаждения; сигнал профиля зажигания (ПЗ) от датчика 118, работающего на эффекте Холла (или с датчика другого типа) и соединенного с коленчатым валом 40; замер положения дросселя (ПД) от датчика ПД; и замер абсолютного давления воздуха в коллекторе двигателя (ДВК) от датчика 122. Сигнал частоты вращения двигателя (ЧВД, об/мин) может генерироваться контроллером 12 по сигналу ПЗ. Сигнал ДВК от датчика давления в коллекторе может быть использован для индикации разряжения или давления во впускном коллекторе. Заметим, что могут быть использованы разнообразные комбинации вышеуказанных датчиков, например датчик МРВ без датчика ДВК или наоборот. В процессе стехиометрической работы датчик ДВК может указывать крутящий момент двигателя. Далее, этот датчик, вместе с замеренной частотой вращения двигателя, может дать оценку введенного в цилиндр заряда (включая воздух). В одном из примеров датчик 118, который также используется как датчик частоты вращения двигателя, может выдавать заранее заданный ряд равноотстоящих импульсов за каждый оборот коленчатого вала.
На носителе постоянного запоминающего устройства 106 могут быть записаны машиночитаемые данные, представляющие собой команды, исполняемые процессором 102 для осуществления способов, раскрытых ниже, а также других вариантов, которые предполагаются, но не указаны конкретно.
Как описано выше, на ФИГ. 1 показан только один цилиндр многоцилиндрового двигателя, и подобным же образом каждый цилиндр может содержать свой собственный набор впускных/выпускных клапанов, топливный инжектор, свечу зажигания и т.д.
На ФИГ. 2 показаны особенности альтернативного варианта исполнения впускного канала и канала РОГ. Так как цель состоит в том, чтобы проиллюстрировать различия варианта конструкции впускного канала и канала РОГ, показанной на ФИГ. 2, и конструкции впускного канала и канала РОГ, показанной на ФИГ. 1, аналогичные части пронумерованы аналогично. Конкретно, расположение и функционирование дросселя 63, показанного на ФИГ. 1, модифицированы в конструкции, показанной на ФИГ. 2. Как видно на ФИГ. 2, последовательный дроссель 202 расположен ниже по потоку относительно входа обводного канала дросселя 160 и выше по потоку относительно выхода канала 150 РОГ. Соответственно, последовательный дроссель 202 может влиять на давление рециркулированных отработавших газов и на перепад давлений на турбине 162. Далее, впускной дроссель 204 расположен во впускном коллекторе 44 ниже по потоку относительно выхода канала 150 РОГ и выше по потоку относительно цилиндра двигателя (не показано). Оба дросселя 202 и 204 могут быть отрегулированы контроллером 12 вышеописанным способом для достижения различных желаемых эксплуатационных параметров.
На ФИГ. 3 показана программа 300 управления расходом РОГ. Как описано ниже, расход РОГ может управляться в соответствии с программой 300 так, что температура смеси газов, втекающих во впускной канал (например, во впускной коллектор), выше некоторой пороговой температуры. Смесь газов, втекающих во впускной канал, может содержать впускной атмосферный воздух, всасываемый. во впускной канал (например, в конструкции атмосферного двигателя или, в других вариантах осуществления, в конструкции с наддувом), газы РОГ (например, охлажденный или неохлажденный газ РОГ, или и тот и другой) и отходящие газы расположенной во впускном канале турбины, идущие от нагнетательной стороны турбины во впускной канал через канал РОГ, в котором текут газы РОГ. В конструкции ФИГ. 1 программа 300 может быть использована для управления расходом РОГ через канал 150 РОГ с целью регулировки температуры втекающей во впускной канал 42 газовой смеси, которая может содержать впускной атмосферный воздух, газы РОГ, текущие в канале РОГ, и отходящие газы, вытекающие из турбины 162 в канал РОГ. В одном частном примере программа 300 может быть использована для снижения или предотвращения конденсации и/или обледенения во впускном канале -например, обледенения вблизи впускного дросселя (например, дросселя 63 по ФИГ. 1). В этом случае пороговая температура может быть выбрана по точке росы и/или точке замерзания, при которых вблизи впускного дросселя могут возникнуть, соответственно, конденсация и обледенение. В некоторых примерах пороговая температура может равняться одной из двух температур: точке росы или точке замерзания.
На шаге 302 программы 300 определяют максимальный расход через турбину. Этот максимальный расход может быть максимальным расходом через турбину, физически реализуемым в тех или иных текущих условиях эксплуатации. В принципе, определение максимального расхода через турбину может содержать оценку одного или нескольких условий эксплуатации, включая, но не ограничиваясь, температуру заряда воздуха (ТЗВ), влажность и ТХД.
На шаге 304 программы 300 последовательный дроссель может быть позиционирован для достижения желаемого расхода через турбину, в тех вариантах осуществления, в которых имеется последовательный дроссель, управляющий расходом через турбину. Этот последовательный дроссель может быть позиционирован, по меньшей мере частично, для регулировки его влияния на перепад давления на клапане РОГ, например, увеличенное открытие последовательного дросселя может увеличивать перепад давления на клапане РОГ. Позиционирование последовательного дросселя может также включать оценку одного или нескольких условий эксплуатации, включая, но не ограничительно, массу воздуха (MB) и желаемое отношение давлений (например, на входе и выходе последовательного дросселя).
На шаге 306 программы 300 определяют максимально допустимый расход РОГ, чтобы температура газовой смеси, втекающей во впускной канал, была выше пороговой температуры. Как описано выше, газовая смесь может содержать различные газовые компоненты, включая, но не ограничительно, впускной воздух, газы РОГ и отходящие газы турбины. Максимальный расход РОГ может определяться, по меньшей мере частично, с учетом влияния расхода РОГ на влажность, которая, в свою очередь, может влиять на конденсацию и/или на обледенение во впускном канале. К примеру, увеличение открытия клапана РОГ увеличивает влажность во впускном канале. Определение максимально допустимого расхода РОГ может также содержать оценку одного или нескольких условий эксплуатации, включая, но не ограничительно, ТХД, влажность, ТЗВ и т.д.
На шаге 308 программы 300 определяют, превышает ли максимально допустимый расход РОГ, определенный на шаге 306, желаемый расход РОГ. Желаемый расход РОГ может определяться на основе тех или иных соответствующих критериев, например, желаемой температуры цилиндра/горения, уровня выбросов и т.д. Если определено, что максимально допустимый расход РОГ не превышает желаемый расход РОГ (НЕТ), программа 300 завершается. Если определено, что максимально допустимый расход РОГ действительно превышает желаемый расход РОГ (ДА), программа 300 переходит к шагу 310.
На шаге 310 ограничивают расход РОГ (через канал РОГ). Расход РОГ ограничивают так, что фактический расход РОГ через канал РОГ не превышает максимально допустимый расход РОГ, и таким образом конденсация и/или обледенение во впускном канале ограничиваются или предотвращаются. Ограничение расхода РОГ может содержать, на шаге 312, уменьшение открытия клапана РОГ. Ограничение расхода РОГ может содержать, на шаге 314, уменьшение внутренней РОГ (например, регулировкой моментов открытия и закрытия впускного и/или выпускного клапанов).
На ФИГ. 4 показана программа 400 управления температурой смеси газов во впускном канале, содержащей впускной атмосферный воздух, всасываемый во впускной канал, (например, в конфигурации атмосферного двигателя или, в других вариантах осуществления, в конфигурации двигателя с наддувом), газы РОГ (например, охлажденный или неохлажденный газ РОГ, или и тот, и другой) и отходящие газы расположенной во впускном канале турбины, идущие от нагнетательной стороны турбины во впускной канал через канал РОГ. Программа 400 по фиг. 1 может быть использована для управления температурой всасываемой из канала 150 РОГ во впускной канал 42 смеси газов, содержащей охлажденный или неохлажденный газ РОГ, или и тот, и другой и отходящие газы, вытекающие из турбины 162 во впускной канал через канал РОГ. В одном частном примере программа 400 может быть использована для снижения или предотвращения конденсации и/или обледенения во впускном канале, например, обледенения вблизи впускного дросселя (например, дросселя 63 ФИГ. 1).
На шаге 402 программы 400 определяют одно или несколько условий эксплуатации двигателя. Например, может определяться точка росы и/или точка замерзания, одна или обе, во впускном канале, чтобы оценить, имеются ли условия для конденсации и/или обледенения во впускном канале. Условия эксплуатации двигателя могут также содержать температуру хладагента двигателя, окружающую температуру, влажность впускного воздуха, температуру газа РОГ и расход газа РОГ. Одно или несколько этих условий эксплуатации, в дополнение к другим, потенциально могут быть использованы, например, для определения точки росы и/или точки замерзания. Определение условий эксплуатации двигателя может также содержать оценку того, запускается ли двигатель из холодного состояния, или того, опустилась ли окружающая температура ниже пороговой.
На шаге 404 программы 400 определяют, соответствует ли температура смеси впускного воздуха и газов РОГ желаемой температуре. Желаемая температура может определяться на базе текущих замеров одной или нескольких величин: температуры хладагента двигателя, окружающей температуры, процента разбавления РОГ (например, отношения расхода РОГ к расходу впускного воздуха) и, в особенности, точки росы и/или точки замерзания, при которых во впускном канале вероятно возникновение конденсации и/или обледенения. Если определено, что смесь соответствует желаемой температуре (ДА), программа 400 завершается. Если же определено, что смесь не соответствует желаемой температуре (НЕТ), программа 400 переходит к шагу 406.
На шаге 406 программы 400 регулируют расход через обводной канал дросселя (например, обводной канал дросселя 160 по ФИГ. 1). Регулировка расхода через обводной канал дросселя может содержать, на шаге 408, регулировку положения дроссельной заслонки впускного дросселя, например, для исполнений, в которых впускной дроссель (например, впускной дроссель 63 по ФИГ. 1) регулирует как расход через впускной канал во впускной коллектор, так и расход через обводной канал дросселя. Альтернативно или дополнительно, регулировка расхода через обводной канал дросселя может содержать, на шаге 410, регулировку дроссельного обводного клапана, расположенного в обводном канале дросселя и управляемого для регулировки расхода через обводной канал дросселя. Таким образом, падение температуры из-за перепада давлений на турбине в обводном канале дросселя может быть компенсировано.
На шаге 412 программы 400 определяют, соответствует ли желаемой температуре температура смеси газов РОГ (например, охлажденного и/или неохлажденного газа РОГ) и отходящих газов турбины. Если определено, что температура смеси соответствует желаемой температуре смеси (ДА), программа 400 завершается. Желаемая температура смеси может определяться одним или несколькими описанными выше эксплуатационными параметрами и, в особенности, условиями, которые указывают на вероятность образования конденсата и/или обледенения во впускном канале. Если определено, что температура смеси ниже желаемой температуры смеси, клапан РОГ, который управляет расходом отработавших газов, текущих в канал РОГ, опционально может быть отрегулирован. В частности, открытие клапана РОГ опционально может быть увеличено на шаге 416, если температура смеси ниже желаемой температуры смеси. При этом во впускной канал могут быть введены дополнительные отработавшие газы для увеличения там температуры в целях снижения вероятности возникновения конденсации и/или обледенения во впускном канале, даже если обводной канал РОГ был, например, закрыт и/или расход через обводной канал дросселя был сведен к минимуму.
В некоторых вариантах, в которых температура хладагента в теплообменнике РОГ ниже пороговой температуры, сравнительно большее количество газа РОГ может быть использовано для нагрева отходящих газов турбины и поднятия их температуры выше температуры хладагента. Таким образом, достаточный нагрев отходящих газов турбины может быть достигнут даже в тех случаях, когда температура хладагента теплообменника РОГ сравнительно низка.
Однако если на шаге 412 определяют, что температура смеси выше желаемой температура смеси, открытие клапана РОГ опционально может быть уменьшено на шаге 420. При этом количество отработавших газов, текущих во впускной канал, может быть снижено для снижения там температуры.
Клапан РОГ также опционально может быть отрегулирован для достижения желаемого расхода РОГ на шаге 422. Желаемый расход РОГ может быть выбран в зависимости от одного или нескольких условий эксплуатации двигателя, описанных выше, с целью достижения желаемых устойчивости горения, температуры горения, уровня выбросов, топливной экономичности и т.д.
На шаге 424 программы 400 может быть отрегулирована внутренняя РОГ. Как описано выше, величина внутренней РОГ может быть отрегулирована изменением времени открытия и закрытия впускного и/или выпускного клапанов одного или нескольких цилиндров двигателя. Так, например, величина внутренней РОГ может быть увеличена опережением закрытия выпускного клапана; с другой стороны, величина внутренней РОГ может быть уменьшена задержкой закрытия выпускного клапана. Как и в случае так называемой «внешней РОГ», то есть РОГ, обеспечиваемой во впускной канал через канал РОГ, величина внутренней РОГ может быть увеличена, если температура смеси ниже желаемой температуры; с другой стороны, величина внутренней РОГ может быть уменьшена, если температура смеси выше желаемой температуры.
На шаге 426 программы 400 может быть отрегулирован впускной дроссель. Так, например, степень открытия впускного дросселя может быть уменьшена (например, сдвигом заслонки к полностью закрытому положению), если температура смеси ниже желаемой температуры. В некоторых примерах это может увеличить количество газов РОГ относительно впускного воздуха во впускном канале. Наоборот, степень открытия впускного дросселя может быть увеличена (например, сдвигом заслонки к полностью открытому положению), если температура смеси выше желаемой, что может уменьшить количество газов РОГ относительно впускного воздуха во впускном канале. По выполнении шага 426 программа 400 завершается.
Таким образом, как показано и описано, программа 400 может быть использована для достижения желаемой температуры смеси охлажденного газа РОГ и/или неохлажденного газа РОГ и впускного воздуха. Программа 400, в дополнение к регулировке температуры смеси, может быть использована с конкретной целью достижения желаемой температуры отходящих газов турбины в обводном канале дросселя. В некоторые вариантах теплообменник РОГ в канале РОГ может использоваться для того, чтобы одновременно охлаждать газы РОГ, всасываемые из выпускного канала, и нагревать отходящие газы турбины, в то же время снижая или предотвращая конденсацию и/или обледенение во впускном канале, в особенности, обледенение вблизи впускного дросселя, например. Следует понимать, что для достижения желаемых эксплуатационных параметров, описанных в настоящем документе, программа 400 может выполняться на основе итераций на всем протяжении работы двигателя. Кроме того, в программу 400 могут быть внесены различные модификации без отступления от объема настоящего изобретения. Так, например, порядок регулировки расхода обводного канала дросселя, регулировки обводного клапана РОГ, регулировки клапана РОГ, регулировки внутренней РОГ и регулировки впускного дросселя может быть изменен относительно порядка, показанного на ФИГ. 4. И кроме того, программа 400 может выполняться, по меньшей мере частично, одновременно с программой 300 или в сочетании с программой 300.
На ФИГ. 5 показаны графики 500 различных эксплуатационных параметров двигателя для части взятого для примера ездового цикла. Конкретно, показаны следующие эксплуатационные параметры двигателя: температура хладагента, текущего через двигатель (например, двигатель 10 по ФИГ. 1), изменяющаяся от сравнительно высокой температуры (отметка «ТЕПЛ» на ФИГ. 5) до окружающей температуры (отметка «ОКР» на ФИГ. 5), положение заслонки последовательного дросселя, управляющего расходом через впускную турбину, например турбину 162 по ФИГ. 1, изменяющееся от полностью открытого положения (отметка «ППО» на ФИГ. 5) до полностью закрытого положения (отметка «ППЗ» на ФИГ. 5), температура отходящих газов впускной турбины, изменяющаяся от окружающей температуры до сравнительно низкой температуры (отметка «ХОЛ» на ФИГ. 5), положение клапана РОГ, например клапана 152 РОГ по ФИГ. 1, изменяющееся от полностью открытого состояния до полностью закрытого состояния, и температура газовой смеси, втекающей во впускной канал из канала РОГ, изменяющаяся от температуры ТХД до окружающей температуры. Графики 500 могут проиллюстрировать то, как эти эксплуатационные параметры двигателя могут изменяться со временем, когда в процессе работы двигателя, содержащего, например, последовательный дроссель, используются одна из программ или обе программы 300 и 400.
При запуске представленного ездового цикла двигатель не работает. Затем двигатель запускается, как указано на шаге 502. До этого момента представленные эксплуатационные параметры двигателя остаются неизменными; ТХД остается на уровне окружающей температуры, сохраняется полностью открытое положение последовательного дросселя, температура отходящего газа турбины остается на уровне окружающей температуры, клапан РОГ остается в полностью закрытом положении и температура газовой смеси остается также на уровне окружающей температуры. После запуска двигателя на шаге 502 ТХД непрерывно увеличивается до момента, указанного на шаге 504, после которого ТХД остается примерно постоянной на весь остаток испытательного цикла. В промежутке между шагами 502 и 504 последовательный дроссель непрерывно закрывается, пока не достигает примерно постоянного положения заслонки, которая в значительной степени, однако не полностью, закрыта. Температура на выходе турбины демонстрирует аналогичное поведение в этот период времени, понижаясь от окружающей температуры до достижения примерно постоянной температуры, которая сравнительно низка и ниже окружающей температуры. С момента времени 502 до момента 504 клапан РОГ постепенно открывается от полностью закрытого положения к несколько более открытому положению, и в этот период времени температура газовой смеси также постепенно увеличивается от окружающей температуры до сравнительно более высокой температуры.
В некоторый момент времени, вскоре после момента 504, появляется указание на изменение положения последовательного дросселя, например, из-за неприемлемо низкой температуры газовой смеси для текущих условий эксплуатации. Соответственно, положение последовательного дросселя изменяется от положения, относительно близкого к полностью закрытому, до сравнительно более открытого положения, относительно близкого к полностью открытому положению. При этом последовательный дроссель мог быть открыт, например, для снижения перепада давления на турбине и последующего охлаждения. Наблюдается и соответствующее увеличение температуры отходящего газа турбины и температуры газовой смеси. Далее, состояние клапана РОГ сдвигается к полностью открытому положению для увеличения расхода РОГ и поднятия температуры газовой смеси.
В момент времени 506 положение последовательного дросселя и положение клапана РОГ еще раз изменяются, каждый из них сдвигают к положению почти полного закрытия (например, в пределах 5% открытия). Поводом к закрытию этих клапанов может стать, например, определение того, что желаемый расход РОГ превышает максимально допустимый расход РОГ для текущих эксплуатационных условий. Соответственно, расход РОГ и расход через канал обводного канала, в котором расположена турбина, ограничиваются. В результате температура на выходе турбины достигает сравнительно низкого уровня и остается на этом уровне; в то же время температура газовой смеси несколько снижается, но остается внутри сравнительно ограниченного промежуточного диапазона температур от ТХД до окружающей температуры.
Заметим, что примеры управления и программы оценки, включенные в настоящее описание, могут быть использованы с различными двигателями и/или вариантами систем транспортного средства. Способы управления и программы, раскрытые в настоящем описании, могут быть записаны как исполняемые команды в нестираемую память и могут быть осуществлены системой управления, включающей контроллер в сочетании с различными датчиками, исполнительными механизмами и другими элементами двигателя. Конкретные программы, раскрытые в настоящем изобретении, могут представлять собой одну или несколько из любого количества методик обработки, например, управляемую событием, управляемую прерыванием, многозадачную, многопоточную и т.д. По существу, различные проиллюстрированные действия, операции и/или функции могут выполняться в приведенной последовательности, параллельно - или, в некоторых случаях, опускаться. Аналогично, порядок обработки не обязательно должен обеспечивать особенности и преимущества приведенных для примера вариантов осуществления, раскрытых в настоящем описании, но дан для ясности иллюстрации и описания. Одно или несколько из проиллюстрированных действий, операций и/или функций могут выполняться повторно, в зависимости от конкретной используемой методики. Далее, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически представлять собой код, записываемый в нестираемой памяти на машиночитаемом носителе в системе управления двигателем, причем раскрытые действия осуществляются путем исполнения команд в системе, включающей различные элементы двигателя в сочетании с электронным контроллером.
Следует понимать, что варианты осуществления и программы, раскрытые в настоящем описании, имеют характер примеров и что эти конкретные варианты осуществления не должны толковаться в ограничивающем смысле, так как возможны многочисленные вариации. Так, например, вышеуказанная технология может быть применена к V-образным шестицилиндровым двигателям, I-образным четырехцилиндровым, I-образным шестицилиндровым, V-образным двенадцатицилиндровым, четырехцилиндровым с оппозитными цилиндрами и другим типам двигателей. Объект настоящего изобретения включает все новые и неочевидные комбинации, а также частичные комбинации различных систем и исполнений, равно как и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в настоящем изобретении.
В частности, в нижеследующей формуле изобретения указаны определенные комбинации и частичные комбинации, рассматриваемые как новые и неочевидные. Пункты формулы изобретения могут содержать указания на "некоторый" элемент, или "некоторый первый" элемент, или эквивалентные обозначения. Такие пункты формулы изобретения следует понимать как охватывающие осуществление одного или нескольких упомянутых элементов, не требуя и не исключая наличия двух или большего числа таких элементов. Другие комбинации и частичные комбинации раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены путем изменения представленной формулы изобретения или путем представления новой формулы изобретения в этой или родственной заявке. Такие формулы изобретения, будь то расширенные, суженные, идентичные или отличные по объему от первоначальной формулы изобретения, также рассматриваются как содержащиеся в объекте настоящего изобретения.