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

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам двигателей внутреннего сгорания, а именно к охладителям наддувочного воздуха для двигателей.
Уровень техники
Двигатели с нагнетателем или турбонагнетателем могут сжимать наружный воздух, поступающий в двигатель, для увеличения мощности двигателя. Поскольку сжатие воздуха может вызывать повышение его температуры, для охлаждения нагретого воздуха может быть использован охладитель наддувочного воздуха, за счет чего может быть увеличена плотность воздуха, а также потенциальная мощность двигателя. Однако при высокой влажности наружного воздуха на внутренних поверхностях охладителя наддувочного воздуха может образовываться конденсат (например, капли воды), температура которого ниже температуры конденсации сжатого воздуха. При переходных условиях, например, при резком ускорении автомобиля, эти капли воды могут вылететь из охладителя наддувочного воздуха и попасть в камеры сгорания двигателя, что может привести, например, к увеличению пропусков зажигания, потере крутящего момента, снижению частоты вращения двигателя, а также к неполному сгоранию.
Одним из способов контроля конденсации в охладителе наддувочного воздуха является способ, раскрытый в публикации патентной заявки США №2007/0251249. В этом документе описано использование датчика вибраций для создания вибраций поверхностей охладителя наддувочного воздуха и разбивания скопившегося конденсата на небольшие капли таким образом, чтобы обеспечить их удаление с поверхностей охладителя и сброс в двигатель в небольших количествах. Однако количество конденсата в охладителе наддувочного воздуха может изменяться в зависимости от эксплуатационных условий двигателя, а включения датчика вибраций может оказаться недостаточно для удаления больших количеств конденсата.
Раскрытие изобретения
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предложен способ эксплуатации двигателя, в котором охлаждают всасываемый в двигатель воздух с помощью охладителя наддувочного воздуха и регулируют вибрационное устройство охладителя наддувочного воздуха в зависимости от условий конденсации.
Таким образом, вибрационное устройство можно активировать на основании условий конденсации внутри охладителя наддувочного воздуха. Например, при большом (большем) количестве конденсата, скопившегося внутри охладителя наддувочного воздуха, можно увеличить интенсивность вибраций, создаваемых устройством. Более того, путем включения вибрационного устройства при образовании конденсата, можно уменьшить количество потребляемой устройством энергии, так как оно будет выключено при отсутствии накопления конденсата.
В некоторых примерах вибрационным устройством может управлять клапан охладителя наддувочного воздуха, расположенный на впуске охладителя наддувочного воздуха. Клапан охладителя наддувочного воздуха может выборочно регулировать поток всасываемого воздуха, проходящего через охладитель. Например, всасываемый воздух может проходить полностью через весь охладитель наддувочного воздуха, когда клапан охладителя наддувочного воздуха открыт, и через часть охладителя наддувочного воздуха, когда клапан закрыт. За счет направления всасываемого воздуха через часть охладителя можно увеличить скорость воздуха, что приведет к уменьшению накопления конденсата на поверхности охладителя наддувочного воздуха и/или попадания конденсата в поток всасываемого воздуха. В одном примере за счет комбинированного управления вибрационным устройством и клапаном охладителя наддувочного воздуха (например, путем регулировки вибрационного устройства и/или его интенсивности в зависимости от положения клапана, или наоборот) вибрационное устройство можно использовать для рассеивания скопившегося конденсата при малом количестве образовавшегося конденсата. При этом клапан охладителя наддувочного воздуха может быть закрыт для рассеивания конденсата и предотвращения его скопления при большом количестве образовавшегося конденсата. Более того, в других примерах вибрационное устройство можно использовать для рассеивания конденсата в условиях, когда клапан охладителя наддувочного воздуха не может быть закрыт, например, при высоких нагрузках, когда достигается максимальное охлаждение всасываемого воздуха.
Эти и другие преимущества и особенности настоящего изобретения станут очевидны из последующего подробного описания, рассматриваемого отдельно или вместе с прилагаемыми чертежами.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание предназначено для упрощенного изложения основных концепций, которые будут детально описаны далее. Не подразумевается идентификация ключевых или существенных признаков заявляемого объекта, объем которых определяется формулой изобретения, основанной на описании изобретения. Более того, заявленное изобретение не ограничено конкретными вариантами, которые решают некоторые из проблем, описанных выше или в какой-либо другой части данного описания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение примера двигателя, содержащего охладитель наддувочного воздуха.
Фиг.2А представляет собой схематическое изображение впускного участка охладителя наддувочного воздуха, содержащего клапан в открытом положении.
Фиг.2B представляет собой схематическое изображение впускного участка охладителя наддувочного воздуха, показанного на Фиг.2А, содержащего клапан в закрытом положении.
Фиг.3 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ контроля конденсата в охладителе наддувочного воздуха согласно одному из вариантов реализации изобретения.
Фиг.4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ активации вибрационного устройства согласно одному из вариантов реализации изобретения.
Осуществление изобретения
Образование конденсата в охладителе наддувочного воздуха может негативно повлиять на работу двигателя, поскольку попадание конденсата в цилиндры в процессе сгорания может привести к нестабильности горения и/или пропуску зажигания. Более того, образование конденсата может ухудшить состояние охладителя наддувочного воздуха, особенно в случае замерзания скопившегося конденсата при длительном простое двигателя. Для уменьшения количества скопившегося конденсата внутри или на поверхности охладителя наддувочного воздуха может быть установлено вибрационное устройство. Вибрационное устройство может быть включено таким образом, чтобы создавать, например, ультразвуковые волны, которые будут рассеивать капли конденсата, скопившиеся на поверхности охладителя наддувочного воздуха. Затем образовавшиеся небольшие капли могут быть собраны в конденсатную ловушку или выпущены в двигатель. Более того, расположенный на впуске охладителя наддувочного воздуха клапан может быть закрыт, чтобы выборочно направлять всасываемый воздух только через часть охладителя наддувочного воздуха, для увеличения скорости всасываемого воздуха относительно его скорости при прохождении через весь охладитель наддувочного воздуха. Клапан может быть открыт или закрыт в зависимости от параметра образования конденсата, который позволяет оценить вероятность дальнейшего образования конденсата внутри охладителя наддувочного воздуха. На Фиг.1 представлено схематическое изображение системы двигателя с охладителем наддувочного воздуха. На Фиг.2А изображен впускной клапан охладителя наддувочного воздуха в открытом положении, а на Фиг.2B - в закрытом положении. Система двигателя, изображенная на Фиг.1, также включает в себя контроллер, выполненный с возможностью выполнять процедуры, изображенные на Фиг.3 и 4.
На Фиг.1 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее пример двигателя 10, который может входить в движительную систему автомобиля. Двигатель 10 изображен с четырьмя цилиндрами 30, однако также может быть использовано и другое количество цилиндров. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, при помощи системы управления, содержащей контроллер 12, а также сигналов, вводимых водителем 132 автомобиля с помощью устройства 130 ввода. В данном примере устройство 130 ввода включает в себя педаль акселератора и датчик 134 положения педали для подачи пропорционального сигнала РР о положении педали. Каждая камера сгорания (например, цилиндр) 30 двигателя 10 может иметь стенки камеры сгорания с установленным в ней поршнем (не изображено). Поршни могут быть соединены с коленчатым валом 40 для того, чтобы возвратно-поступательное движение поршня было преобразовано во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен с по меньшей мере одним ведущим колесом автомобиля через трансмиссионную систему (не показана). Кроме того, для запуска двигателя 10 с коленчатым валом 40 через маховик может быть соединен стартерный мотор.
Камеры 30 сгорания могут получать воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и выпускать газы сгорания через выпускной коллектор 46 в выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной коллектор 46 могут селективно сообщаться с камерой 30 сгорания через соответствующие впускные и выпускные клапаны (не показаны). В некоторых вариантах воплощения камера 30 сгорания может иметь два или более впускных клапана и/или два или более выпускных клапана.
Топливные форсунки 50 показаны соединенными непосредственно с камерой 30 сгорания для прямого впрыска топлива пропорционально ширине импульса сигнала FPW от контроллера 12. Таким образом, топливная форсунка 50 обеспечивает так называемый прямой впрыск топлива в камеру 30 сгорания; однако следует принять во внимание, что также возможно использование впрыска во впускные каналы. Топливо может быть подано в топливную форсунку топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу.
Впускной канал 42 может содержать дроссель 21, имеющий дроссельную заслонку 22, для регулировки потока воздуха, поступающего во впускной коллектор. В данном конкретном примере расположение (TP) дроссельной заслонки 22 может регулироваться контроллером 12, чтобы обеспечить электронное управление положением дроссельной заслонки (ETC). Таким образом, дроссель 21 может использоваться для распределения всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания, между другими цилиндрами двигателя. В некоторых вариантах воплощения во впускном канале 42 могут присутствовать дополнительные дроссели, например, дроссель ниже по потоку от компрессора 60.
В описываемых вариантах воплощения система рециркуляции выхлопных газов (EGR) может направлять необходимое количество выхлопных газов из выпускного канала 48 во впускной канал 42 через канал 140 EGR. Количество EGR, передаваемое во впускной канал 42, может регулироваться контроллером 12 с помощью клапана 142 EGR. При некоторых условиях система EGR может быть использована для регулировки температуры воздуха и топливной смеси внутри камеры сгорания. На Фиг.1 показана система EGR высокого давления, где EGR направляются от участка выше по потоку турбины турбонагнетателя к участку ниже по потоку компрессора турбонагнетателя. В других вариантах воплощения двигатель может (дополнительно или альтернативно) иметь систему EGR низкого давления, где рециркулируемые выхлопные газы направляются от участка ниже по потоку турбины турбонагнетателя на участок выше по потоку компрессора турбонагнетателя. При наличии, система EGR может приводить к образованию конденсата из сжатого воздуха, особенно когда сжатый воздух охлаждается охладителем наддувочного воздуха, что будет описано более подробно далее.
Двигатель 10 может также содержать компрессионное устройство, например, турбонагнетатель или компрессор наддува, содержащий, по меньшей мере, компрессор 60, размещенный вдоль впускного коллектора 44. Для турбонагнетателя: компрессор 60 может, по меньшей мере частично, приводиться в действие турбиной 62, например, через вал или другой соединительный механизм. Турбина 62 может быть размещена вдоль выпускного канала 48. Для приведения в действие компрессора могут быть использованы различные устройства. Для компрессора наддува: компрессор 60 может, по меньшей мере частично, приводиться в действие двигателем и/или электромашиной, и может не иметь турбины. Таким образом, степень сжатия, которая обеспечивается для одного или более цилиндров двигателя с помощью турбонагнетателя или компрессора наддува, может регулироваться контроллером 12.
Выпускной канал 48 может иметь перепускную заслонку 26 для перенаправления выхлопного газа от турбины 62. Впускной канал 42 может дополнительно содержать рециркуляционный клапан 27 компрессора (CRV), предназначенный для перенаправления впускного воздуха в обход компрессора 60. Перепускная заслонка 26 и/или CRV 27 могут управляться контроллером 12 на открывание, например, когда требуется меньшее давление наддува.
Впускной канал 42 может также содержать охладитель 80 наддувочного воздуха (САС) (например, промежуточный охладитель или интеркулер) для снижения температуры нагнетаемых всасываемых газов. В некоторых вариантах воплощения охладитель 80 наддувочного воздуха может представлять собой теплообменник «воздух-воздух». В других вариантах воплощения охладитель 80 наддувочного воздуха может представлять собой теплообменник «воздух-жидкость». Охладитель 80 наддувочного воздуха включает в себя несколько охлаждающих трубок 204, проходя через которые охлаждается впускной воздух.
В примере на Фиг.1 показано, что с охладителем 80 наддувочного воздуха соединена конденсатная ловушка 90. Конденсатная ловушка может быть использована для сбора капель воды, которые накапливаются внутри охладителя наддувочного воздуха. Конденсатная ловушка 90 представляет собой емкость, расположенную в нижней точке охладителя 80 наддувочного воздуха так, что капли воды, проходящие через отверстие в ловушке, могут скапливаться и, при определенных условиях, временно храниться в данной емкости. Конденсатная ловушка 90 также имеет трубку 86, проходящую через отверстие в ловушке. На Фиг.1 показано, что первый конец трубки расположен в емкости, а второй конец выходит к воздушному потоку впускного канала. Первый конец может находиться рядом с дном емкости. Таким образом, при низком уровне (или небольшом количестве) конденсат может быть удален из емкости.
В то время как конденсатная ловушка 90 может собирать конденсат, который скапливается в нижней части охладителя 80 наддувочного воздуха, в некоторых условиях конденсат может быть перемещен в двигатель, минуя конденсатную ловушку 90. Например, конденсат может образовываться на поверхностях охлаждающих трубок 204, и при резком изменении эксплуатационных условий, например, при неожиданном увеличении нагрузки на двигатель, может произойти быстрый выброс конденсата из охладителя 80 наддувочного воздуха, который пройдет мимо конденсатной ловушки 90 прямо в двигатель в большом количестве. Во избежание попадания такого большого количества конденсата в двигатель, что может привести к пропуску зажигания, внутри или на поверхности охладителя 80 наддувочного воздуха можно установить вибрационное устройство 92. Вибрационное устройство 92 может генерировать ультразвуковые волны, создающие вибрации поверхности охладителя 80 наддувочного воздуха, нарушая поверхностное натяжение капель конденсата, скопившихся на стенках охлаждающих трубок 204 и/или в нижней части охладителя 80 наддувочного воздуха. При этом конденсат, скопившийся на охлаждающих трубках 204, может попасть на нижнюю поверхность охладителя 80 наддувочного воздуха, где он может быть захвачен конденсатной ловушкой 90. В зависимости от размера капель воды, которые образовались на поверхности охлаждающих трубок, а также от интенсивности вибраций, производимых вибрационным устройством 92, конденсат также может быть захвачен воздухом, проходящим через охладитель 80 наддувочного воздуха.
Вибрационное устройство 92 может быть расположено в подходящем месте, связанном с охладителем 80 наддувочного воздуха. Например, вибрационное устройство 92 можно расположить у нижней поверхности охладителя 80 наддувочного воздуха, как изображено на Фиг.1. В других примерах вибрационное устройство 92 может быть расположено внутри охлаждающей трубки на верхней поверхности охладителя 80 наддувочного воздуха, на наружной стенке охладителя 80 наддувочного воздуха и т.д. Более того, несмотря на то, что на фигуре показано только одно вибрационное устройство, следует понимать, что могут быть использованы два или более вибрационных устройств. Кроме того, вибрационное устройство 92 также может излучать волны с частотой, отличающейся от ультразвуковой частоты.
Вибрационное устройство 92 может генерировать ультразвуковые волны, реагируя на сигнал от контроллера 12. Контроллер 12 также может регулировать длительность и интенсивность вибраций, производимых вибрационным устройством 92. Например, значение частоты и/или амплитуды звуковых волн, производимых вибрационным устройством 92, может быть отрегулировано согласно направленному контроллером 12 сигналу.
Как будет подробно описано далее, охладитель 80 наддувочного воздуха может содержать клапан (как изображено на Фиг.2А и 2B и подробно описано далее) для выборочной регулировки скорости потока всасываемого воздуха, проходящего через охладитель 80 наддувочного воздуха при образовании в охладителе конденсата. Клапаном можно управлять таким образом, чтобы уменьшить скорость потока всасываемого воздуха, предотвращая накопление конденсата и/или захват накопившегося конденсата всасываемым воздухом. Как будет подробнее описано ниже, вибрационным устройством 92 и клапаном можно управлять таким образом, чтобы предотвратить выброс больших количеств конденсата в двигатель.
Контроллер 12 показан на Фиг.1 как микрокомпьютер, содержащий: микропроцессорный блок 102 (CPU), порты 104 ввода/вывода (IO), электронный носитель информации для извлекаемых программ и эталонных значений, показанных в данном частном случае как микросхема постоянного запоминающего устройства 106 (ROM), оперативную память 108 (RAM), оперативную энергонезависимую память 110 (КАМ) и шину данных. Контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, для выполнения различных функций, необходимых для эксплуатации двигателя 10. В дополнение к ранее рассмотренным сигналам, сюда входят следующие: измерение массового расхода воздуха (MAF) с помощью датчика 120 расхода воздуха; температуры хладагента двигателя (ЕСТ) от датчика температуры 112, схематично показанного в одном месте внутри двигателя 10; сигнал профиля зажигания (PIP) от датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), соединенного с коленвалом 40; положение дроссельной заслонки (TP) от датчика положения дроссельной заслонки (описанной выше); абсолютное давление во впускном коллекторе (MAP) от датчика 122. Сигнал частоты вращения двигателя (RPM, об/мин) может быть сгенерирован контроллером 12 из сигнала профиля зажигания (PIP). Сигнал давления в коллекторе (MAP) от датчика давления может быть использован для обеспечения индикации вакуума, или давления, во впускном коллекторе 44. Необходимо отметить, что могут быть использованы различные комбинации вышеуказанных датчиков, например, датчик MAF без датчика MAP, или наоборот. В стехиометрическом режиме датчик MAP может выдавать показания о крутящем моменте двигателя. Этот датчик вместе с детектированной частотой вращения двигателя может предоставить расчет заряда (включая воздушный заряд), всасываемого в цилиндр. В одном примере датчик 118, который также используется как датчик частоты вращения двигателя, может производить заданное количество равномерно распределенных импульсов при каждом обороте коленчатого вала 40.
Другие датчики, которые могут направлять сигналы контроллеру 12, включают в себя датчик 126 давления наддува. Дополнительно, ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха 80, могут присутствовать один или более датчиков 128 для определения кратковременных изменений содержания влаги во впускном воздухе. Датчики 128 могут включать в себя датчик влажности, датчик кислорода, расположенный на впуске (такой как датчик UEGO), или другие датчики, которые могут определять влажность. Также могут иметься другие датчики, не показанные на схеме, например, датчик для определения скорости воздушного потока на входе охладителя наддувочного воздуха, датчик температуры на выходе охладителя 80 наддувочного воздуха и другие датчики. В некоторых примерах микросхема постоянного запоминающего устройства 106 может быть запрограммирована с помощью машиночитаемых данных, представляющих инструкции, выполняемые микропроцессорным блоком 102 для осуществления различных процессов, описанных далее, а также возможных других отдельно не указанных вариантов.
Как было описано выше, на Фиг.1 изображен только один цилиндр многоцилиндрового двигателя, но каждый цилиндр может аналогичным образом включать в себя собственный набор впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку, систему зажигания и т.д.
На Фиг.2А и 2B изображена сторона впуска охладителя 80 наддувочного воздуха. Как показано на Фиг.2А и 2B, охладитель 80 наддувочного воздуха имеет рабочую зону 202 теплопередачи, предназначенную для передачи тепла из внутренней части охладителя 80 наддувочного воздуха во внешнюю часть охладителя 80 наддувочного воздуха. Охладитель 80 наддувочного воздуха содержит группу охлаждающих трубок 204, расположенных в зоне 202 теплопередачи охладителя 80 наддувочного воздуха. Группа охлаждающих трубок 204 сообщается с впускным бачком 206. Также изображено вибрационное устройство 92, расположенное внутри впускного бачка 206. Однако вибрационное устройство 92 может быть расположено и в другом подходящем месте, внутри или рядом с охладителем 80 наддувочного воздуха. Впускной бачок 206 выполнен с возможностью принимать впускной воздух через один или несколько впускных каналов 208, соединенных с расположенным выше по потоку участком впускного канала (не показано на Фиг.2А и 2B). Впускной воздух проходит через впускной бачок 206 в группу охлаждающих трубок 204. После прохождения через охлаждающие трубки 204, впускной воздух проходит через выпускной бачок (не показан), установленный на участке впускного канала, расположенном ниже по потоку. Охладитель 80 наддувочного воздуха может также содержать клапан 210 охладителя наддувочного воздуха для изменения рабочей зоны теплопередачи из первого объема 214 (показанного на Фиг.2А), занимающего сравнительно большую область, во второй объем 216 (показан на Фиг.2B), занимающий сравнительно малую область.
Впускной бачок 206 может содержать в себе разделитель 212, который делит впускной бачок 206 на первую и вторую части. Разделитель 212 может иметь одно или несколько отверстий. На Фиг.2А показан клапан 210 в открытом положении. Когда клапан 210 открыт, впускной воздух может проходить через одно или несколько отверстий разделителя 212 так, что впускной воздух проходит через первую и вторую части впускного бачка 206 и через первый объем 214 охладителя 80 наддувочного воздуха. По существу, первый объем 214 могут задавать все охлаждающие трубки 204. В одном примере охладитель 80 наддувочного воздуха может иметь 21 охлаждающую трубку, и первый объем 214 может также включать в себя 21 охлаждающую трубку.
На Фиг.2B показан клапан 210 в закрытом положении. При закрытом клапане 210 он блокирует одно или несколько отверстий разделителя 212. Таким образом, впускной воздух проходит только через первую часть впускного бачка 206 и через второй объем 216 охладителя 80 наддувочного воздуха. Второй объем 216 может задавать часть группы охлаждающих трубок 204. Второй объем 216 полностью находится в пределах первого объема 214. Другими словами, охлаждающие трубки, которые соответствуют второму объему 216, также охватывают часть первого объема 214. Таким образом, когда клапан 210 закрыт, впускной воздух проходит только через второй объем 216, а когда клапан 210 открыт, впускной воздух проходит через первый объем 214, который включает в себя второй объем 216. В одном примере охладитель 80 наддувочного воздуха может содержать 21 охлаждающую трубку, а второй объем 216 может содержать меньше чем 21 охлаждающую трубку. Второй объем 216 может охватывать меньше половины охлаждающих трубок, которые входят в первый объем 214, например, 9 охлаждающих трубок.
Клапан 210 может представлять собой пластинчатый или аналогичный ему клапан. Клапан 210 может содержать опорный элемент (например, разделитель 212), представляющий собой практически плоский неподвижный элемент, который имеет одно или несколько отверстий. Закрывающий элемент, например, заслонка или пластина, может переходить из первого положения, удаленного от опорного элемента и открывающего одно или несколько отверстий для прохода впускного воздуха в первый объем 214, во второе положение, где он примыкает к опорному элементу, таким образом закрывая одно или несколько отверстий, чтобы впускной воздух мог проходить только во второй объем 216.
Разделитель 212 может быть частью клапана 210. Например, разделитель 212 может представлять собой седло клапана. Разделитель 212 может быть также разделительной линией или уровнем, или чем-то подобным, функционально разделяя охладитель 80 наддувочного воздуха на две части. Некоторые варианты воплощения могут включать в себя два или несколько разделителей, разделяющих впускную область на три или несколько частей. В некоторых примерах одна или несколько описываемых конфигураций впускного бачка 206 могут быть использованы в качестве альтернативы или дополнения для выпускного бачка (не показан). По существу, все охлаждающие трубки 204 могут иметь взаимное гидравлическое сообщение с выпускным бачком. Следует понимать, что вместо этого все трубки могут быть гидравлически соединены на стороне впуска и разделяться на стороне выпуска на две или несколько групп трубок. В выпускном бачке может также быть расположен клапан, имеющий аналогичную конфигурацию, который может быть использован для того, чтобы управлять прохождением текучей среды через отверстие с аналогичной конфигурацией.
В различных вариантах воплощения для открывания и закрывания клапана 210 может быть предусмотрен привод (не показан). В качестве привода может быть использован одно или несколько следующих устройств: электронный исполнительный механизм, исполнительный механизм с вакуумным управлением, механический мембранный регулятор давления, электронный регулятор управления с широтно-импульсной модуляцией. Когда впускной воздух может проходить через все трубки охладителя наддувочного воздуха, т.е. когда клапан открыт, происходит понижение давления впускного воздуха, и на клапан с обеих сторон начинает давить поступающий впускной воздух. Таким образом, для того чтобы переводить клапан из открытого положения в закрытое, привод должен будет создать движущую силу только для открывания и закрывания клапана, при этом для удержания заслонки в открытом или закрытом положении сила не используется.
Таким образом, на Фиг.2А и 2B показан охладитель наддувочного воздуха, выполненный с возможностью выборочного направления впускного воздуха через первый (больший) объем или второй (меньший) объем путем регулирования клапана, установленного в охладителе наддувочного воздуха. В некоторых вариантах воплощения клапаном можно механически управлять на основании потока впускного воздуха, например, заслонку или диск клапана можно удерживать в закрытом положении с помощью пружины, натяжение которой должно соответствовать потоку воздуха таким образом, чтобы заслонка клапана открывалась при сильном потоке воздуха. Следовательно, при слабом потоке воздуха впускной воздух может быть направлен через второй объем охладителя наддувочного воздуха, что приведет к увеличению скорости потока впускного воздуха, проходящего через охладитель, и предотвращению накопления конденсата. В других вариантах воплощения клапаном можно управлять при помощи контроллера, например, контроллера 12, изображенного на Фиг.1, на основании различных рабочих условий. Например, клапан может быть открыт при малом образовании конденсата или закрыт при его большом количестве.
На Фиг.3 представлена блок-схема, описывающая способ 300 контроля образования конденсата в охладителе наддувочного воздуха. Способ 300 может быть выполнен контроллером (например, контроллером 12) согласно сохраненной в его памяти процедуре управления включением вибрационного устройства (например, устройства 92), расположенного внутри охладителя наддувочного воздуха, и положением впускного клапана охладителя наддувочного воздуха в зависимости от количества образующегося конденсата.
На этапе 302 способ 300 предусматривает определение рабочих условий двигателя. Определяемые рабочие условия двигателя могут включать в себя частоту вращения и нагрузку двигателя, температуру окружающей среды, MAP, MAP, количество EGR, влажность и другие параметры. На этапе 304 на основе рабочих параметров может быть определена величина образования конденсата. Значение образования конденсата может быть использовано в качестве показателя вероятности образования конденсата в охладителе наддувочного воздуха. В некоторых вариантах воплощения в качестве значения образования конденсата может быть использована скорость потока впускного воздуха, определенная, например, на основании сигнала MAF. В другом варианте воплощения в качестве значения образования конденсата может быть использована разность температуры конденсации впускного воздуха, определенной на основании влажности впускного воздуха и температуры окружающей среды, и температуры охладителя наддувочного воздуха. В других вариантах реализации изобретения значением образования конденсата может являться значение нагрузки на двигатель.
В вышеописанных вариантах реализации для определения значения образования конденсата рассчитывают вероятность образования конденсата на основании одного или двух простых факторов. Однако на образование конденсата внутри охладителя наддувочного воздуха могут влиять также многие другие факторы, например, скорость потока воздуха и температура конденсации впускного воздуха. Для того чтобы обнаружить признаки образования конденсата с высокой точностью, при определении значения образования конденсата можно на этапе 306 определять скорость образования конденсата на основании модели. Модель может включать в себя входные значения температуры окружающей среды, температуры на выходе охладителя наддувочного воздуха, массового расхода воздуха, потока EGR и влажности. Если определить уровень влажности нельзя (например, в двигателе не установлен датчик влажности), влажность может быть принята равной 100%. Как было описано выше, температура и влажность окружающей среды могут позволить определить показатели температуры конденсации впускного воздуха, на которые также может повлиять количество EGR во впускном воздухе (например, рециркулируемые выхлопные газы могут иметь влажность и температуру, отличные от показателей атмосферного воздуха). Разность температуры конденсации и температуры охладителя наддувочного воздуха на выходе указывает на то, будет ли образовываться конденсат внутри охладителя, а массовый расход воздуха может повлиять на то, какое количество конденсата будет накоплено внутри охладителя в действительности. Скорость образования конденсата может сама по себе представлять собой значение образования конденсата. В других вариантах воплощения скорость образования конденсата может быть использована для определения количества конденсата, накопившегося в течение заданного периода времени, а количество накопленного конденсата может быть значением образования конденсата.
Более простой механизм определения значения образования конденсата может включать в себя значение образования конденсата, которое будет преобразовано на этапе 308 в температуру на выходе охладителя наддувочного воздуха и нагрузку двигателя. Отношение давлений охладителя наддувочного воздуха может быть использовано в качестве показателя изменения значения точки росы, когда впускной воздух проходит через компрессор и охладитель наддувочного воздуха. Например, при увеличении давления в результате работы компрессора и охладителя наддувочного воздуха может увеличиться значение точки росы впускного воздуха и станет выше температуры на выпуске охладителя наддувочного воздуха, что приведет к образованию конденсата. Отношение давлений охладителя наддувочного воздуха может представлять собой разность давлений между внешним давлением впускного воздуха и давлением на выпуске охладителя наддувочного воздуха. В другом варианте значение образования конденсата может быть соотнесено с температурой на выпуске охладителя наддувочного воздуха и с нагрузкой двигателя. Нагрузка двигателя может представлять собой функцию расхода воздуха, крутящего момента, положения педали акселератора и положения дросселя, таким образом, можно получить показатели скорости потока воздуха через охладитель наддувочного воздуха. Например, умеренная нагрузка двигателя в сочетании со сравнительно низкой температурой на выходе охладителя наддувочного воздуха могут указывать на высокое значение образования конденсата из-за охлажденной поверхности охладителя наддувочного воздуха и на сравнительно низкую скорость потока впускного воздуха. Зависимость может включать в себя модификатор температуры окружающей среды.
На этапе 310 способ 300 предусматривает определение того, превышает ли значение образования конденсата первое пороговое значение. Пороговое значение образования конденсата может быть показателем вероятности образования конденсата на поверхностях охладителя наддувочного воздуха. Например, значения образования конденсата ниже первого порогового значения могут соответствовать низкой вероятности (или невозможности) накопления конденсата в охладителе наддувочного воздуха. Значения образования конденсата, превышающие первое пороговое значение, могут соответствовать средней или высокой вероятности образования конденсата в охладителе наддувочного воздуха.
Пороговое значение образования конденсата может быть установлено в зависимости от того, как было определено значение конденсата на этапе 304. Например, если значение образования конденсата представляет собой разность температуры конденсации впускного воздуха и температуры охладителя наддувочного воздуха, пороговое значение может быть равно нулю. Если в качестве значения образования конденсата взята скорость образования конденсата, то пороговое значение может представлять собой скорость образования конденсата, которая указывает на то, что образовалось определенное количество конденсата (или вероятно образуется), которое потенциально может вызвать нестабильность работы двигателя. Если значение образования конденсата определено на основании графика зависимости температуры от нагрузки, цифровое значение (например, 0-1) можно взять из графической зависимости и оно будет указывать на вероятность конденсации, его также можно сопоставить с пороговым значением.
В некоторых вариантах воплощения первым пороговым значением может быть пороговое значение, при превышении которого образуется конденсат, а ниже которого конденсат не образуется. Таким образом, образование конденсата может происходить при превышении порогового значения. Однако в других вариантах реализации первое пороговое значение может быть задано таким образом, что накопление малого количества конденсата будет допустимо.
Если значение образования конденсата не превышает первого порогового значения, способ 300 переходит на этап 312 для поддержания текущих рабочих параметров. Текущие рабочие параметры могут включать в себя поддержание текущей скорости потока впускного воздуха на этапе 314 (например, путем удерживания клапана охладителя наддувочного воздуха в открытом положении для направления впускного воздуха через первый (больший) объем охладителя наддувочного воздуха), а также отключение или удерживание вибрационного устройства в отключенном состоянии на этапе 316. Затем способ 300 возвращается к началу.
Если значение образования конденсата превышает первое пороговое значение, способ 300 переходит к этапу 318, чтобы определить, превышает ли значение образования второе пороговое значение. Второе пороговое значение может отличаться от первого порогового значения. Например, второе пороговое значение может быть более высоким или свидетельствовать о большем количестве или большей вероятности накопления конденсата в охладителе наддувочного воздуха. Например, второе пороговое значение может свидетельствовать о наличии такого большого количества конденсата, что конденсат не может быть рассеян только с помощью вибрационного устройства.
Если значение образования конденсата не превышает второе пороговое значение, способ 300 переходит к этапу 320, где включается вибрационное устройство для нарушения поверхностного натяжения конденсата и выпуска конденсата из охладителя наддувочного воздуха в конденсационную ловушку. Более подробно включение вибрационного устройства описано ниже со ссылкой на Фиг.4. На этапе 322 скорость потока всасываемого воздуха поддерживают путем удерживания клапана охладителя наддувочного воздуха в открытом положении, после чего способ 300 возвращается в начало.
Если на этапе 318 значение образования конденсата превышает второе пороговое значение, способ 300 переходит к этапу 324, чтобы определить, не ниже ли потребность двигателя в воздухе, чем пороговое значение. Когда значение образования конденсата превышает первое пороговое значение, клапан в охладителе наддувочного воздуха может быть закрыт для увеличения скорости потока впускного воздуха и для удаления и/или предотвращения накопления конденсата в охладителе наддувочного воздуха. Однако если клапан закрыт, то значение падения давления при прохождении воздуха через охладитель наддувочного воздуха возрастает, ограничивая поток воздуха, поступающий на впуск двигателя через охладитель наддувочного воздуха. Следовательно, клапан охладителя наддувочного воздуха может быть закрыт в зависимости от потребности двигателя в воздухе, например клапан остается в открытом положении, если потребность в воздухе высока - для предотвращения колебаний крутящего момента. Потребность двигателя в воздухе может быть определена на основании частоты вращения и нагрузки двигателя, давления в коллекторе и т.д. Пороговое значение потребности в воздухе может быть основано на количестве воздуха, которое охладитель наддувочного воздуха может пропустить при закрытом клапане.
Если потребность двигателя в воздухе не ниже порогового значения, способ 300 возвращается к этапу 320 для включения вибрационного устройства и поддержания текущей скорости потока на впуске. Если потребность в воздухе ниже порогового значения, способ 300 переходит к этапу 326 для увеличения скорости потока впускного воздуха, проходящего через охладитель наддувочного воздуха. Как было описано выше, увеличение скорости потока впускного воздуха может предотвратить накопление конденсата за счет удаления конденсата потоком воздуха. Увеличение скорости потока впускного воздуха включает в себя закрывание клапана на впуске охладителя наддувочного воздуха, чтобы на этапе 328 направить впускной воздух через второй (меньший) объем охладителя наддувочного воздуха. Когда клапан охладителя наддувочного воздуха закрыт, вибрационное устройство остается отключенным, т.к. повышенной скорости потока воздуха может быть достаточно для удаления конденсата. Однако в некоторых вариантах вибрационное устройство может быть включено, когда клапан закрыт, для рассеивания конденсата. Например, скорость потока впускного воздуха может быть недостаточно высокой, чтобы рассеять весь накопившийся конденсат даже с закрытым клапаном. Также в этих условиях для рассеивания накопившегося конденсата может быть включено вибрационное устройство. В некоторых вариантах, когда клапан охладителя наддувочного воздуха закрыт, вибрационное устройство может работать с мощностью, отличающейся от мощности, используемой при открытом клапане охладителя наддувочного воздуха. Если клапан закрыт, вибрационное устройство может работать с более низкой интенсивностью, чем при открытом клапане. В другом примере вибрационное устройство может работать с более высокой интенсивностью, когда клапан закрыт. Затем способ 300 возвращается в начало.
На Фиг.4 показан способ 400 для управления вибрационным устройством (например, вибрационным устройством 92 на Фиг.1). Способ 400 может выполняться контроллером двигателя (например, контроллер 12), согласно имеющимся в нем инструкциям, при поступлении запроса на включение вибрационного устройства. Например, при выполнении способа 300, если необходимо включить вибрационное устройство, выполняется процедура способа 400.
На этапе 402 способ 400 предусматривает включение вибрационного устройства. Как было описано выше, вибрационное устройство генерирует ультразвуковые волны, чтобы рассеять накопившийся конденсат в охладителе наддувочного воздуха. Интенсивность работы вибрационного устройства может регулироваться контроллером в зависимости от одного или нескольких рабочих параметров. Начальная интенсивность вибрационного устройства (например, начальная частота и амплитуда ультразвуковых волн) может быть установлена на этапе 404 в зависимости от количества накопившегося конденсата. Например, интенсивность вибрационного устройства может увеличиваться при увеличении количества конденсата. Выходное значение вибрационного устройства может представлять собой частоту и/или амплитуду создаваемых устройством звуковых волн, продолжительность работы вибрационного устройства, рабочий цикл вибрационного устройства и т.д. Однако в некоторых вариантах выходное значение вибрационного устройства может быть одинаковым независимо от количества конденсата.
На этапе 406 интенсивность выхода вибрационного устройства может регулироваться в зависимости от отклика датчика содержания кислорода на впуске (например, датчика 128). Датчик содержания кислорода на впуске может быть расположен ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха и может использоваться для определения количества воды во всасываемом воздухе. В зависимости от отклика датчика можно управлять вибрационным устройством таким образом, чтобы рассеивать конденсат до необходимого уровня. Например, конденсат может быть рассеян до такой степени, чтобы не допустить пропусков зажигания в двигателе или других проблем сгорания. Кроме того, на основе отклика датчика содержания кислорода может быть выявлено ухудшение состояния вибрационного устройства при включенном устройстве, если содержание воды во всасываемом воздухе ниже по потоку относительно охладителя наддувочного воздуха не увеличивается. В некоторых вариантах реализации датчик содержания кислорода на впуске может использоваться для оценки модели, которая определяет величину образования конденсата (как описано выше со ссылкой на Фиг.3). Например, количество конденсата, выпускаемого из охладителя наддувочного воздуха, может быть определено на основании отклика датчика содержания кислорода на впуске, и эта величина может соотноситься с определенному с помощью модели значению образованного конденсата.
На этапе 408 определяют, указывает ли сигнал датчика содержания кислорода на окончание процесса продувки конденсата из охладителя наддувочного воздуха, например, когда датчик определяет, что содержание воды во всасываемом воздухе возвратилось к уровню перед включением устройства. Если датчик продолжает выдавать показания, свидетельствующие о повышенном содержании воды во всасываемом воздухе, способ 400 переходит к этапу 406 для продолжения регулировки вибрационного устройства на основании отклика датчика. Если датчик показывает, что из охладителя наддувочного воздуха выпущен весь конденсат, способ 400 переходит к этапу 410, чтобы отключить вибрационное устройство, после чего способ 400 завершается.
Таким образом, описанные выше способы и система предназначены для охлаждения всасываемого воздуха через охладитель наддувочного воздуха. Вибрационное устройство охладителя наддувочного воздуха может быть включено в зависимости от условий образования конденсата. Условия образования конденсата могут быть показателем количества конденсата, который накопился или накопится в охладителе наддувочного воздуха. Условия образования конденсата могут включать в себя нагрузку двигателя, температуру и/или влажность всасываемого воздуха, температуру охладителя наддувочного воздуха, скорость рециркуляции отработавших газов и т.д. Например, скорость образования конденсата может быть вычислена в зависимости от массового расхода воздуха, температуры на выпуске охладителя наддувочного воздуха, количества рециркуляции отработавших газов и температуры окружающей среды. Скорость образования конденсата может быть использована для определения количества накопившегося конденсата в охладителе наддувочного воздуха.
Вибрационное устройство может быть включено, если количество накопившегося конденсата превышает первое пороговое значение. Выходная мощность вибрационного устройства может быть сопоставлена с количеством конденсата. Кроме того, выходная мощность вибрационного устройства может быть отрегулирована на основании отклика датчика содержания кислорода на впуске, расположенном ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха. Если количество накопившегося конденсата превышает второе пороговое значение, которое больше первого порогового значения, то клапан охладителя наддувочного воздуха, расположенный на впуске охладителя наддувочного воздуха, может быть закрыт, чтобы увеличить скорость прохождения впускного воздуха через охладитель наддувочного воздуха. Если клапан охладителя наддувочного воздуха закрыт, вибрационное устройство может оставаться включенным или может быть отключено.
В другом примере положение клапана охладителя наддувочного воздуха может быть отрегулировано на основании рабочего состояния вибрационного устройства. Например, можно закрывать клапан охладителя наддувочного воздуха, когда вибрационное устройство включено. Так как вибрационное устройство включают на основании количества конденсата, накопившегося в охладителе наддувочного воздуха, включение вибрационного устройства может быть показателем образования конденсата в охладителе, и клапан может быть закрыт для рассеивания конденсата. В следующем примере, если вибрационное устройство отключено во время накопления конденсата (например, при его повреждении), для рассеивания конденсата может быть закрыт клапан охладителя наддувочного воздуха, вместо использования вибрационного устройства.
В следующем примере включение вибрационного устройства и/или его интенсивность можно регулировать на основании положения клапана охладителя наддувочного воздуха. В других вариантах вибрационное устройство может быть отключено, когда клапан охладителя наддувочного воздуха находится в закрытом положении. Когда клапан закрыт, для рассеивания конденсата может быть достаточно повышения скорости впускного воздуха, и продолжение работы вибрационного устройства не требуется. Однако в других вариантах вибрационное устройство может быть включено, когда клапан охладителя наддувочного воздуха находится в закрытом положении. Клапан может быть закрыт в условиях повышенного количества конденсата в охладителе наддувочного воздуха, и, таким образом, вибрационное устройство может быть включено при закрытом клапане для рассеивания конденсата.
Вибрационное устройство может также быть включено в условиях повышенной нагрузки двигателя и/или при высокой скорости на впуске. В этих условиях клапан охладителя наддувочного воздуха может быть в открытом положении. При низкой или средней нагрузке двигателя и/или низкой скорости впускного воздуха клапан охладителя наддувочного воздуха может быть закрыт для повышения скорости прохождения впускного воздуха через охладитель наддувочного воздуха. Закрытый клапан охладителя наддувочного воздуха увеличивает скорость впускного воздуха, направляя его через малый объем охладителя наддувочного воздуха, а открытый клапан обеспечивает прохождение впускного воздуха через больший объем охладителя наддувочного воздуха. Больший объем может быть полным объемом охладителя наддувочного воздуха, а меньший объем может быть частью охладителя наддувочного воздуха в пределах большего объема.
Таким образом, в первом режиме работы впускной воздух может проходить через полный объем охладителя наддувочного воздуха, а конденсат в охладителе наддувочного воздуха может быть рассеян вибрационным устройством. Во втором режиме работы впускной воздух может проходить через часть охладителя наддувочного воздуха. Первый режим работы может характеризоваться значением конденсата в охладителе наддувочного воздуха ниже первого порогового значения, при высокой нагрузке двигателя и/или высокой скорости впускного воздуха. Второй режим может характеризоваться значением конденсата в охладителе наддувочного воздуха выше первого порогового значения, при низкой средней нагрузке двигателя и/или низкой скорости впускного воздуха. Клапан на впуске охладителя наддувочного воздуха может быть закрыт для направления впускного воздуха через часть объема охладителя наддувочного воздуха.
Вибрационное устройство может быть включено во время первого режима работы. Вибрационное устройство может быть активировано, когда оцененное значение накопившегося конденсата в охладителе наддувочного воздуха превышает второе пороговое значение. Второе пороговое значение может быть меньше первого порогового значения. Во время второго режима работы вибрационное устройство может быть отключено или включено. Если вибрационное устройство включается во время второго режима, оно может работать с интенсивностью, отличающейся от значения интенсивности для первого режима.
Изобретение также относится к системе двигателя, имеющего впускной канал, соединенный с впускным коллектором двигателя, и охладитель наддувочного воздуха, расположенный во впускном канале между компрессором и впускным коллектором. Охладитель наддувочного воздуха может иметь впускное отверстие с клапаном для выборочного направления впускного воздуха через часть или весь объем охладителя наддувочного воздуха, несколько охлаждающих трубок, выпускное отверстие и вибрационное устройство для рассеивания накопившегося конденсата. Система также включает в себя контроллер с инструкциями по включению вибрационного устройства, когда количество накопившегося в охладителе наддувочного воздуха конденсата превышает первое пороговое значение. Контроллер может также включать в себя инструкции закрывать клапан для направления впускного воздуха через часть объема охладителя наддувочного воздуха, когда количество конденсата превышает второе пороговое значение, которое больше первого порогового значения.
Контроллер может включать в себя инструкции включать вибрационное устройство, когда количество газов EGR превышает пороговое значение. Газы EGR имеют относительно высокую влажность, в частности, если речь идет о EGR низкого давления (LP-EGR). Таким образом, когда большое количество газов EGR присутствует во впускном воздухе выше по потоку от охладителя наддувочного воздуха, в охладителе наддувочного воздуха может образоваться конденсат, для рассеивания которого может быть включено вибрационное устройство. Контроллер также включает в себя инструкции включать вибрационное устройство, когда нагрузка двигателя меньше порогового значения. Условия пониженной нагрузки двигателя могут привести к повышению уровня конденсата, поскольку скорости потока впускного воздуха может быть недостаточно для захвата конденсата. Однако в условиях пониженной нагрузки, клапан охладителя наддувочного воздуха может быть закрыт, чтобы увеличить скорость впускного воздуха для предотвращения накопления конденсата. Когда клапан закрыт, вибрационное устройство может оставаться включенным или может быть отключено. В других вариантах контроллер может включать в себя инструкции активировать вибрационное устройство, когда нагрузка двигателя превышает пороговое значение. В условиях высокой нагрузки двигателя клапан охладителя наддувочного воздуха может оставаться открытым, даже если конденсат накапливается в охладителе наддувочного воздуха, чтобы обеспечить достаточное охлаждение впускного воздуха. Вибрационное устройство может быть включено для управления количеством конденсата в системе.
Специалистам в данной области понятно, что конфигурации и процедуры, описанные выше, являются по своей сути иллюстративными, и что допускаются различные изменения и модификации предложенной конструкции без выхода за рамки сущности полезной модели. Например, описанная выше технология может применяться к двигателям V-6, I-4, I-6, V-12 оппозитным 4-хцилиндровым и другим типам двигателей.