СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF ENGINE OPERATION (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и системе контроля выхлопных газов двигателей.
Уровень техники
Производители двигателей уменьшают рабочий объем двигателя и увеличивают подачу воздуха в двигатели для обеспечения нужного уровня мощности двигателя с уменьшенным расходом топлива. Например, турбированный четырехцилиндровый двигатель может выдавать мощность, которая практически эквивалентна мощности безнаддувного шестицилиндрового двигателя. Кроме того, при сокращении цилиндров двигателя с шести цилиндров до четырех цилиндров можно уменьшить трение и работу насоса в двигателе, тем самым снижая расход моторного топлива. В опубликованной заявке на патент США №2003/0000211 описана система двигателя, которая направляет выхлопные газы в турбокомпрессор через два отдельных выпускных коллектора. Предполагается, что такая система улучшает подачу выхлопных газов в турбокомпрессор.
Авторы настоящего изобретения обнаружили ряд недостатков в выпускном коллекторе, описанном в опубликованной заявке на патент США №2003/0000211. Например, для этой системы требуется два отдельных выпускных коллектора. Кроме того, при использовании двух выпускных коллекторов может быть осложнен контроль подачи в двигатель воздуха и топлива в нужной пропорции. Кроме того, для описанного турбокомпрессора требуются два входа для выхлопных газов.
Раскрытие изобретения
Авторы настоящего изобретения выявили вышеупомянутые недостатки и разработали режим работы двигателя, включающий: воспламенение воздушно-топливной смеси в каждом цилиндре двигателя; направление выхлопных газов каждого цилиндра через единственный выпускной коллектор; закрытие только одного выпускного клапана каждого цилиндра двигателя при первом рабочем режиме двигателя, при этом только один закрытый выпускной клапан каждого цилиндра остается закрытым в течение по крайней мере двух циклов двигателя; и открытие только одного выпускного клапана каждого цилиндра при втором рабочем режиме двигателя.
Посредством закрытия одного выпускного клапана каждого цилиндра двигателя выхлопные газы, получаемые при сгорании топлива в цилиндрах, можно направить в турбокомпрессор таким образом, чтобы повысить эффективность турбокомпрессора на более низких оборотах двигателя. В частности, когда первый выпускной клапан цилиндра закрыт на более низких оборотах двигателя, скорость выхлопных газов, высвободившихся из цилиндра через второй выпускной клапан, можно увеличить для передачи дополнительной энергии турбокомпрессору, расположенному в выхлопной системе после цилиндра. Кроме того, когда один из двух выпускных клапанов закрыт на более низких оборотах двигателя, можно уменьшить остатки выхлопных газов. Повышение эффективности турбокомпрессора и уменьшение остатков выхлопных газов в цилиндре позволяют придать двигателю дополнительный крутящий момент на низких оборотах двигателя.
Представленное здесь описание может обеспечить ряд преимуществ. Например, данный подход может повысить экономию топлива за счет увеличения крутящего момента двигателя на низких оборотах. Кроме того, этот подход можно реализовать с единственным выпускным коллектором и менее сложной системой контроля расхода топлива по сравнению с другими подходами. Более того, этот подход может обеспечить указанные выше преимущества при меньших затратах, чем в других подходах.
Перечисленные преимущества, а также другие преимущества и особенности настоящего изобретения легко увидеть из приведенного ниже подробного описания, рассматриваемого отдельно или одновременно с прилагаемыми чертежами.
Следует понимать, что изложенное выше краткое описание приведено в качестве концепции в упрощенной форме, которая более подробно описана в приведенном ниже подробном описании. Это описание не предназначено для выявления ключевых или существенных особенностей заявленного изобретения, объем которого определяется формулой изобретения, приведенной после подробного описания. Кроме того, заявленное изобретение не ограничивается вариантами исполнения, которые устраняют какие-либо недостатки, отмеченные выше или в какой-либо части данного документа.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение двигателя;
Фиг.2 представляет собой перспективное схематическое изображение головки блока цилиндров двигателя, включая интегрированный в нее выпускной коллектор;
На Фиг.3 показана средняя часть выпускного коллектора, изображенного на Фиг.2;
На Фиг.4 изображены имитированные/смоделированные сигналы, представляющие интерес в ходе рабочего цикла двигателя;
На Фиг.5 изображены дополнительные имитированные/смоделированные сигналы, представляющие интерес в ходе рабочего цикла двигателя и показанные на Фиг.4; и
На Фиг.6 показана блок-схема способа управления выпускными клапанами двигателя.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к способам управления выпускными клапанами двигателя. В одном из примеров изобретения выпускной коллектор двигателя интегрирован в головку блока цилиндров, как показано на Фиг.2-3. Двигатель может работать, как показано на Фиг.4-5, в соответствии со способом, показанным на Фиг.6, а способ, представленный на Фиг.6, может быть реализован с помощью контроллера, как показано на Фиг.1.
Рассмотрим Фиг.1. Двигатель 10 внутреннего сгорания, состоящий из нескольких цилиндров, один из которых показан на Фиг.1, управляется электронным контроллером 12 двигателя. Двигатель 10 включает камеру 30 сгорания и стенки 32 цилиндра с расположенным внутри него поршнем 36, который соединен с коленчатым валом 40. Камера 30 сгорания сообщается с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через соответствующий впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Каждый впускной и выпускной клапан может управляться впускным кулачком 51 и выпускным кулачком 53. В качестве альтернативного варианта, один или несколько впускных и выпускных клапанов могут управляться катушкой с якорем с электромеханическим приводом. Положение впускного кулачка 51 может определяться датчиком 55 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 53 может определяться датчиком 57 выпускного кулачка.
Топливная форсунка 66 расположена таким образом, чтобы впрыскивать топливо непосредственно в цилиндр 30, что известно специалистам в данной области как прямой впрыск топлива. В качестве альтернативного варианта, топливо может впрыскиваться во впускной канал, что известно специалистам в данной области как впрыск во впускной канал. Топливная форсунка 66 подает жидкое топливо пропорционально длительности импульса сигнала впрыска топлива (FPW), поступающего от контроллера 12. Подача топлива в топливную форсунку 66 осуществляется топливной системой (не изображена), состоящей из топливного бака, топливного насоса и топливной рампы (не изображена). На топливную форсунку 66 подается рабочий ток с привода 68, который реагирует на сигналы контроллера 12. Кроме того, впускной коллектор 44 сообщается с добавочным электронным дросселем 62, который регулирует положение дроссельной заслонки 64 для управления потоком воздуха от воздухозаборника 42 во впускной коллектор 44. Впускной коллектор 44 включает клапан 50 управления движением заряда для контроля движения заряда внутри цилиндра 30. В одном из примеров реализации изобретения может использоваться система прямого впрыска топлива низкого давления, в которой давление топлива может быть увеличено примерно до 20-30 бар. В качестве альтернативного варианта, может использоваться двухступенчатая топливная система высокого давления для создания более высокого давления топлива.
Двигатель 10 разделен на две части для осуществления смазки. Первый отдел включает путь потока воздуха через двигатель 10, а также включает впускной коллектор, впускные тракты внутри головки блока цилиндров, камеру сгорания и выпускные каналы, ведущие из цилиндра. Второй отдел включает картер двигателя, участок головки блока цилиндров, имеющий движущиеся части, за исключением камеры сгорания и масляные каналы. Моторное масло подается под давлением во второй отдел для смазки движущихся частей внутри двигателя, в то время как желательно не допускать попадания масла в первый отдел. Однако масло может присутствовать на границах между двумя отделами для смазки движущихся частей, например, на стенках цилиндров.
Безраспределительная система 88 зажигания подает искру зажигания в камеру 30 сгорания через свечу 92 зажигания в ответ на сигналы контроллера 12. Универсальный кислородный датчик (UEGO) 126 изображен присоединенным к выпускному коллектору 48, расположенному до каталитического нейтрализатора 70. В качестве альтернативного варианта, датчик UEGO 126 может быть заменен на кислородный датчик с двумя устойчивыми состояниями.
Нейтрализатор 70 может включать несколько ячеек катализатора, как продемонстрировано в одном из примеров. В другом примере может использоваться несколько устройств контроля выбросов, каждое из которых имеет несколько ячеек. В одном примере нейтрализатором 70 может быть трехкомпонентный каталитический нейтрализатор.
Контроллер 12 изображен на Фиг.1 в виде обычного микрокомпьютера, в состав которого входят: микропроцессорный блок 102, порты 104 ввода/вывода, постоянное запоминающее устройство 106, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимая память 110 и обычная шина данных. Контроллер 12 получает различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 10, в дополнение к тем сигналам, о которых уже говорилось ранее, в том числе: температура охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) поступает с датчика 112 температуры, связанного с рукавом системы 114 охлаждения; датчик 134 положения, привязанный к педали 130 акселератора, измеряет силу нажатия на педаль 132; абсолютное давление впускного коллектора (MAP) измеряется датчиком 122 давления, соединенного с впускным коллектором 44; датчик 118 положения двигателя на основе эффекта Холла измеряет положение коленчатого вала 40; измерение воздушной массы, поступающей в двигатель, с датчика 120 и измерение положения дроссельной заслонки с датчика 58. Также может измеряться атмосферное давление (датчик не изображен) для обработки контроллером 12. В предпочтительном варианте настоящего изобретения датчик 118 положения двигателя производит заданное количество импульсов с равными интервалами при каждом обороте коленчатого вала, из которых может быть определена частота вращения двигателя (обороты в минуту).
В некоторых вариантах осуществления изобретения двигатель может быть соединен с электродвигателем/батарейной установкой гибридного транспортного средства. Гибридное транспортное средство может иметь схему параллельного соединения, схему последовательного соединения или их вариации или комбинации. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изобретения могут использоваться другие компоновки двигателя, например дизельный двигатель.
Во время работы каждый цилиндр двигателя 10 обычно проходит четырехтактный цикл: цикл включает такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. В течение такта впуска выпускной клапан 54 обычно закрывается, а впускной клапан 52 открывается. Воздух подается в камеру 30 сгорания через впускной коллектор 44, и поршень 36 перемещается в нижнюю часть цилиндра для увеличения объема внутри камеры 30 сгорания. Положение, при котором поршень 36 находится в нижней части цилиндра в конце такта (например, когда камера 30 сгорания достигает максимального объема), известно специалистам в данной области как нижняя мертвая точка (НМТ). В течение такта сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 движется по направлению к головке цилиндров для сжатия воздуха внутри камеры 30 сгорания. Точка, в которой поршень 36 находится в конце такта ближе всего к головке блока цилиндров (например, когда камера сгорания 30 достигает минимального объема), известно специалистам в данной области как верхняя мертвая точка (ВМТ). Во время процесса, который далее в данном документе называется впрыском, топливо подается в камеру сгорания. Во время процесса, который далее в данном документе называется зажиганием, впрыскиваемое топливо воспламеняется с помощью известных способов зажигания, например, с помощью свеч 92 зажигания, в результате чего происходит сгорание. Во время такта расширения расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно к НМТ. Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время такта выпуска выпускной клапан 54 открывается для того, чтобы вытолкнуть отработанную воздушно-топливную смесь в выпускной коллектор 48, и поршень возвращается в ВМТ. Следует обратить внимание, что приведенное выше описание является лишь примером, и что регулирование открытия и (или) закрытия впускного и выпускного клапанов может варьироваться, например, для того чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрытие впускного клапана или в различных других примерах.
Рассмотрим теперь Фиг.2, на которой изображен перспективный вид головки блока цилиндров с интегрированным в нее выпускным коллектором. Головка 200 блока цилиндров включает кулачковую цапфу 202 для поддержки верхнего распределительного вала выпускных клапанов (не изображен). Головка 200 блока цилиндров также включает кулачковую цапфу 204 для поддержки верхнего распределительного вала впускных клапанов (не изображен). Нижняя часть 206 головки блока цилиндров сконструирована таким образом, чтобы она соединялась с блоком двигателя (не изображен), образуя таким образом камеры сгорания. Фланец 208 выпускного коллектора включает болтовые отверстия 210 для соединения турбокомпрессора (не изображен) с головкой 200 блока цилиндров. Выход 212 выпускного коллектора направляет выхлопные газы из трактов выпускного коллектора цилиндра (не изображены) в турбокомпрессор (не изображен).
Рассмотрим теперь Фиг.3, на которой показана средняя часть 300 выпускного коллектора, изображенного на Фиг.2. Средняя часть изображена для того, чтобы показать участки внутри выпускного коллектора, интегрированные в головку 200 блока цилиндров, изображенного на Фиг.2. Цилиндры двигателя расположены сбоку от средней части 300 около отметок 302, 304, 306 и 308.
Выпускной тракт 302 цилиндра номер один включает трубку 314 и трубку 316 для направления отработавших газов из цилиндра номер один в область выхлопного коллектора 310. Выпускной клапан номер один (не изображен) цилиндра номер один ограничивает поток между трубкой 314 и цилиндром номер один. Выпускной клапан номер два (не изображен) цилиндра номер один ограничивает поток между трубкой 316 и цилиндром номер один. Выпускной клапан номер два цилиндра номер один можно избирательно переводить в закрытое положение. В одном из примеров изобретения выпускной клапан номер два закрыт с помощью толкателя холостого хода. В других примерах изобретения выпускной клапан номер два может быть закрыт при помощи кулачка с регулируемым профилем. Площадь поперечного сечения выпускного тракта 302 цилиндра номер один увеличивается с линии 312 сечения до линии 318 сечения. Затем площадь поперечного сечения выпускного тракта 302 цилиндра номер один уменьшается с линии 318 сечения до линии 320 сечения. Таким образом, площадь поперечного сечения выпускного тракта 302 цилиндра номер один расширяется и сжимается до размеров площади коллектора 310.
Выпускной тракт 304 цилиндра номер два включает трубку 324 и трубку 326 для направления отработавших газов из цилиндра номер один в область выхлопного коллектора 310. Выпускной клапан номер один (не изображен) цилиндра номер один ограничивает поток между трубкой 324 и цилиндром номер два. Выпускной клапан номер два (не изображен) цилиндра номер два ограничивает поток между трубкой 326 и цилиндром номер два. Выпускной клапан номер один цилиндра номер два можно избирательно переводить в закрытое положение. В одном из примеров изобретения выпускной клапан номер один закрыт с помощью толкателя холостого хода. В других примерах изобретения выпускной клапан номер один может быть закрыт при помощи кулачка с регулируемым профилем. Площадь поперечного сечения выпускного тракта 304 цилиндра номер два уменьшается с линии 322 сечения до линии 328 сечения. Таким образом, площадь поперечного сечения выпускного тракта 304 цилиндра номер два сжимается до размеров площади коллектора 310.
Выпускной тракт 306 цилиндра номер три включает трубку 332 и трубку 334 для направления отработавших газов из цилиндра номер три в область выхлопного коллектора 310. Выпускной клапан номер один (не изображен) цилиндра номер один ограничивает поток между трубкой 332 и цилиндром номер три. Выпускной клапан номер два (не изображен) цилиндра номер три ограничивает поток между трубкой 334 и цилиндром номер три. Выпускной клапан номер два цилиндра номер три можно избирательно переводить в закрытое положение. В одном из примеров изобретения выпускной клапан номер два закрыт с помощью толкателя холостого хода. В других примерах изобретения выпускной клапан номер два может быть закрыт при помощи кулачка с регулируемым профилем. Площадь поперечного сечения выпускного тракта 306 цилиндра номер три уменьшается с линии 330 сечения до линии 336 сечения. Таким образом, площадь поперечного сечения выпускного тракта 306 цилиндра номер три сжимается до размеров площади коллектора 310.
Выпускной тракт 308 цилиндра номер четыре включает трубку 340 и трубку 342 для направления отработавших газов из цилиндра номер четыре в область выхлопного коллектора 310. Выпускной клапан номер один (не изображен) цилиндра номер четыре ограничивает поток между трубкой 340 и цилиндром номер один. Выпускной клапан номер два (не изображен) цилиндра номер четыре ограничивает поток между трубкой 342 и цилиндром номер четыре. Выпускной клапан номер один цилиндра номер четыре можно избирательно переводить в закрытое положение. В одном из примеров изобретения выпускной клапан номер один закрыт с помощью толкателя холостого хода. В других примерах изобретения выпускной клапан номер один может быть закрыт при помощи кулачка с регулируемым профилем. Площадь поперечного сечения выпускного тракта 308 цилиндра номер четыре увеличивается с линии 338 сечения до линии 344 сечения. Более того, площадь поперечного сечения выпускного тракта 308 цилиндра номер четыре уменьшается с линии 344 сечения прежде, чем он достигнет коллектора 310. Таким образом, площадь поперечного сечения выпускного тракта 342 цилиндра номер четыре расширяется и сжимается до размеров площади коллектора 310.
Таким образом, система, изображенная на Фиг.1-3, представляет собой систему двигателя, которая состоит из следующих элементов:
двигатель с единственным выпускным коллектором; устройство для закрытия выпускного клапана, причем устройство для закрытия выпускного клапана исключительно механически закрывает один выпускной клапан каждого цилиндра двигателя в течение по меньшей мере двух циклов двигателя; выпускной кулачок для управления по крайней мере одним выпускным клапаном каждого цилиндра двигателя, в то время как устройство для закрытия выпускного клапана исключительно механически закрывает один выпускной клапан каждого цилиндра двигателя. Система двигателя дополнительно включает кулачок впускного клапана, сконструированный для управления двумя впускными клапанами, в то время как устройство для закрытия выпускного клапана исключительно механически закрывает один выпускной клапан каждого цилиндра двигателя. Система двигателя дополнительно включает контроллер, содержащий команды для закрытия только одного выпускного клапана каждого цилиндра во время первого рабочего условия; контроллер дополнительно содержит команды для открытия только одного выпускного клапана каждого цилиндра во время второго условия работы двигателя. Система двигателя включает вариант, когда единственный выпускной коллектор интегрирован в головку блока цилиндров. Система двигателя включает вариант, когда устройство для закрытия выпускного клапана сконструировано для закрытия выпускного клапана в первом месте первого цилиндра, и когда устройство для закрытия выпускного клапана сконструировано для закрытия выпускного клапана во втором месте второго цилиндра, при этом второе место отличается от первого места. Система двигателя дополнительно включает турбокомпрессор, при этом турбокомпрессор соединен с головкой блока цилиндров. Система двигателя дополнительно включает контроллер, содержащий команды для регулирования подачи топлива в цилиндры двигателя во время перехода из состояния, в котором по крайней мере один выпускной клапан закрыт, к состоянию, в котором все выпускные клапаны двигателя открыты.
0
5
Обратимся теперь к Фиг.4-5, на которых изображены смоделированные сигналы, представляющие интерес и посылаемые в ходе рабочего цикла двигателя. На Фиг.4 изображено пять сигналов, представляющих интерес в ходе рабочего цикла двигателя. На Фиг.5 один из сигналов, изображенных на Фиг.4, повторяется для того, чтобы продемонстрировать взаимосвязь сигналов, показанных на Фиг.4 и 5. Вертикальными линиями Т-Т отмечены определенные моменты времени, представляющие интерес во время рабочего цикла.
На первом верхнем графике (Фиг.4) показана частота вращения двигателя в зависимости от времени. Отсчет времени начинается с левой стороны графика и увеличивается по направлению вправо. Частота вращения двигателя достигает минимального значения в нижней части графика и увеличивается к верхней части графика. Горизонтальная разметка 402 представляет частоту вращения двигателя при открытии выпускного клапана, а горизонтальная разметка 404 представляет частоту вращения двигателя при закрытии выпускного клапана.
На втором сверху графике (Фиг.4) показана температура двигателя в зависимости от времени. Отсчет времени начинается с левой стороны графика и увеличивается по направлению вправо. Температура двигателя достигает минимального значения в нижней части графика и увеличивается к верхней части графика. Горизонтальная разметка 406 представляет температуру при закрытии выпускного клапана температура (например, температуру двигателя, когда выпускные клапаны могут быть закрыты).
На третьем сверху графике (Фиг.4) показан сигнал о закрытии выпускного клапана в зависимости от времени. Отсчет времени начинается с левой стороны графика и увеличивается по направлению вправо. При низком сигнале о закрытии выпускного клапана сигнала выпускной клапан не закрывается. При высоком сигнале о закрытии выпускного клапана сигнала выпускной клапан закрывается.
На четвертом сверху графике (Фиг.4) показан угол опережения зажигания в зависимости от времени. Отсчет времени начинается с левой стороны графика и увеличивается по направлению вправо. Момент зажигания - более запаздывающий в нижней части графика. Таким образом, момент зажигания становится более ранним при движении по графику снизу вверх.
На пятом сверху графике (Фиг.4) показано переходное количество впрыскиваемого топлива в зависимости от времени. Отсчет времени начинается с левой стороны графика и увеличивается по направлению вправо. Количество впрыскиваемого топлива увеличивается на графике снизу вверх.
Первый график сверху на Фиг.5 повторяет первый график сверху на Фиг.4. В частности, на первом верхнем графике (Фиг.5) показана частота вращения двигателя в зависимости от времени.
На втором сверху графике (Фиг.5) показано положение впускной дроссельной заслонки двигателя в зависимости от времени. Отсчет времени начинается с левой стороны графика и увеличивается по направлению вправо. Положение впускной дроссельной заслонки двигателя находится в наиболее закрытом состоянии в нижней части графика, и степень открытия дроссельной заслонки увеличивается при движении вверх по графику.
0
0
0
0
0
В момент времени Т двигатель запускается и начинает увеличивать число оборотов, а затем переходит в режим холостого хода вскоре после запуска двигателя. Температура охлаждающей жидкости двигателя низкая в момент времени Т, что указывает на холодный запуск двигателя. Сигнал закрытия выпускного клапана имеет низкий уровень, что означает, что один выпускной клапан каждого цилиндра двигателя не закрыт в момент времени Т. В одном случае выпускной клапан может быть закрыт согласно описанию к Фиг.3. Зажигание двигателя первоначально происходит с опережением, а затем выставляется с опозданием во время работы двигателя на холостом ходу для увеличения температуры выхлопных газов с целью нагрева катализатора, расположенного в выхлопной системе, как показано на Фиг.1. Переходное количество топлива, впрыскиваемого в двигатель, в момент времени Т находится на одном и том же низком уровне. В других случаях переходное количество впрыскиваемого топлива может добавляться или уменьшаться во время запуска и при изменении нагрузки на двигатель. Дроссельная заслонка двигателя находится в одном и том же положении на низком уровне в момент Т.
1
1
В момент времени T частота оборотов двигателя превышает порог скорости, при котором один выпускной клапан каждого цилиндра может находиться только в открытом положении. Однако поскольку все выпускные клапаны открыты, на что указывает низкий сигнал о закрытии выпускного клапана, выпускные клапаны просто остаются открытыми. Все выпускные клапаны двигателя открыты в момент T, поскольку температура двигателя меньше порогового значения температуры двигателя, отмеченного горизонтальной линией 406. Угол опережения зажигания двигателя увеличивается в ответ на требование крутящего момента двигателя и частоту вращения двигателя.
2
2
В момент времени T температура двигателя превышает пороговое значение температуры, отмеченное горизонтальной линией 406, а частота вращения двигателя меньше частоты вращения двигателя при открытом выпускном клапане, отмеченной горизонтальной линией 402. В результате только один выпускной клапан каждого цилиндра закрыт.В одном случае закрываются выпускные клапаны, которые могут быть закрыты согласно описанию к Фиг.3. В частности, закрываются выпускной клапан номер два цилиндра номер один, выпускной клапан номер один цилиндра номер два, выпускной клапан номер два цилиндра номер три и выпускной клапан номер один цилиндра номер четыре. При закрытии в момент T одного выпускного клапана каждого цилиндра в цилиндре остается меньше остаточных выхлопных газов после закрытия выпускных клапанов. В результате может быть улучшен крутящий момент двигателя и производительность турбокомпрессора на более низких оборотах двигателя.
2
Переходное количество впрыскиваемого топлива вычитается из количества впрыскиваемого топлива в момент T, так чтобы можно было компенсировать изменение воздушного потока в цилиндре после закрытия одного выпускного клапана каждого цилиндра. Регулируя переходное количество впрыскиваемого топлива, можно поддерживать концентрацию кислорода в выхлопных газах двигателя практически на стехиометрическом уровне.
2
3
3
3
3
3
В период между моментом T и моментом Т частота вращения двигателя увеличивается до тех пор, пока не достигнет скорости открытия выпускного клапана в момент Т. Когда частота вращения двигателя достигнет скорости открытия выпускного клапана в момент Т, все выпускные клапаны двигателя вновь открываются. В частности, в момент Т открывается только один выпускной клапан каждого цилиндра. Повторное открытие выпускного клапана в момент Т позволяет двигателю поддерживать более высокие скорости потока выхлопных газов, и тем самым на высоких оборотах двигателя в цилиндры может поступать больше воздуха. Поэтому повторное открытие одного закрытого выпускного клапана каждого цилиндра увеличивает всасывающую способность двигателя на высоких оборотах двигателя, за счет чего увеличивается мощность двигателя.
3
3
Переходное количество впрыскиваемого топлива добавляется к количеству впрыскиваемого топлива так, чтобы концентрация кислорода в выхлопных газах оставалась практически стехиометрической. Кроме того, степень открытия дроссельной заслонки уменьшается в момент Тдля уменьшения наддувочного воздуха цилиндра таким образом, чтобы водитель не ощутил резкого изменения крутящего момента двигателя. Более того, опережение зажигания может выставляться с опозданием, как показано в момент Т, для сглаживания крутящего момента двигателя при увеличении расхода воздуха двигателя.
3
4
3
4
В период между моментом Т и моментом Т частота вращения двигателя остается выше скорости закрытия выпускного клапана двигателя, отмеченной горизонтальной линией 404. Следовательно, все выпускные клапаны двигателя находятся в активном состоянии с момента Т до момента Т.
4
4
В момент времени Т частота вращения двигателя опускается ниже скорости закрытия выпускного клапана двигателя, и закрывается только один выпускной клапан каждого цилиндра. Переходное количество впрыскиваемого топлива также понижается для того, чтобы уменьшить количество впрыска топлива в двигатель во время перехода к режиму работы при закрытых выпускных клапанах. Частота вращения двигателя снижается, и дроссельная заслонка двигателя практически закрыта в момент времени Т, указывая на то, что двигатель находится в состоянии замедления.
5
В момент времени Т частота вращения двигателя снова превышает значение скорости открытия выпускного клапана, и поэтому закрытые выпускные клапаны снова открываются. Сигнал о закрытии выпускного клапана понижается, указывая на открытие закрытых выпускных клапанов. Увеличение потока воздуха в цилиндре, созданное открытием закрытых выпускных клапанов, компенсируется добавлением переходного топлива и задержкой искры. Таким образом, крутящий момент двигателя может сглаживаться так, чтобы водитель транспортного средства ощущал монотонно возрастающий крутящий момент двигателя в ответ на увеличение крутящего момента водителем. В некоторых примерах скорость переключения передач выбирается для ограничения переходов между открытием выпускных клапанов и закрытием выпускных клапанов во время ускорения транспортного средства. Например, коробка передач может быть запрограммирована на переключение с первой передачи на вторую передачу на таких оборотах двигателя, чтобы частота вращения двигателя оставалась выше скорости закрытия выпускного клапана двигателя после переключения коробки передач на вторую передачу.
Обратимся теперь к Фиг.6, на которой показана блок-схема способа управления выпускными клапанами двигателя. На шаге 602 программа 600 определяет рабочие условия двигателя. К рабочим условиям двигателя относятся, помимо прочего, частота вращения двигателя, нужный крутящий момент двигателя, температура двигателя, положение дроссельной заслонки, промежуточная передача, опережение зажигания и концентрация кислорода в выхлопных газах. После определения рабочих условий двигателя программа 600 переходит к шагу 604.
На шаге 604 программа 600 выясняет, превышает ли температура двигателя пороговое значение температуры. Если да, то программа 600 переходит к шагу 606. В противном случае программа 600 переходит к выходу.
На шаге 606 программа 600 выясняет, является ли частота вращения двигателя ниже пороговой скорости. Если да, то программа 600 переходит к шагу 618. В противном случае программа 600 переходит к шагу 608.
На 608 программа 600 выясняет, превышает ли частота вращения двигателя значение пороговой скорости. Если да, то программа 600 переходит к шагу 610. В противном случае программа 600 переходит к выходу. Таким образом, программа 600 обеспечивает открытие и закрытие только одного выпускного клапана каждого цилиндра двигателя при различных оборотах двигателя.
В другом примере программа 600 может быть модифицирована так, чтобы она отрывала и закрывала только один выпускной клапан дополнительно в ответ на желаемую или фактическую нагрузку на двигатель. Например, один выпускной клапан каждого цилиндра можно закрывать, когда частота вращения двигателя меньше первого порога скорости и когда нагрузка на двигатель меньше первого порога нагрузки на двигатель. Если частота вращения двигателя остается ниже первого порога частоты вращения двигателя, но при этом нагрузка на двигатель превышает первый порог нагрузки на двигатель, то выпускные клапаны каждого цилиндра вновь открываются. С другой стороны, если нагрузка на двигатель меньше первого порога нагрузки на двигатель, но при этом частота вращения двигателя превышает порог частоты вращения двигателя, то только один выпускной клапан каждого цилиндра закрывается.
На шаге 610 программа 600 открывает только один закрытый выпускной клапан каждого цилиндра двигателя. В одном примере клапан открывается, направляя масло к толкателю холостого хода. В другом примере выпускной клапан открывается путем механической регулировки профиля рабочего выступа кулачка. Выпускные клапаны последовательно открываются в течение цикла двигателя (например, двух оборотов в случае четырехтактного двигателя). В одном случае выпускные клапаны открываются в соответствии с порядком зажигания двигателя (например, 1-3-4-2 для четырехцилиндрового двигателя). Конечно, выпускные клапаны можно открывать, начиная с любого цилиндра в порядке зажигания. Например, если существуют условия для открытия выпускных клапанов двигателя во время такта выпуска цилиндра номер четыре, то выпускной клапан цилиндра номер два может быть открыт после открытия выпускных клапанов цилиндров номер один, три и четыре.
В одном случае при открытии выпускных клапанов контроллер двигателя улавливает расход воздуха двигателя для того, чтобы определить, увеличивается ли расход воздуха двигателя. В других случаях работа выпускного клапана может определяться с помощью датчика положения, измеряющего положение механического привода. В других случаях для определения открытия отдельных выпускных клапанов цилиндра может измеряться впускное давление в коллекторе или выпускное давление в коллекторе.
На шаге 612 программа 600 регулирует положение дроссельной заслонки двигателя в ответ на повторное открытие закрытых выпускных клапанов. Степень открытия дроссельной заслонки двигателя уменьшается во время открытия выпускного клапана так, чтобы расход воздуха двигателя временно снижался так, чтобы изменение крутящего момента двигателя происходило плавно. В одном случае величина открытия дроссельной заслонки уменьшается в соответствии с величиной, которая эмпирически определена исходя из частоты вращения двигателя и нагрузки на двигатель. Например, если выпускные клапаны двигателя открываются при первой частоте вращения двигателя и первой нагрузке на двигатель, то степень открытия дроссельной заслонки уменьшается на первую величину во время открытия выпускного клапана. Если выпускные клапаны двигателя открываются при второй частоте вращения двигателя и второй нагрузке на двигатель, то степень открытия дроссельной заслонки уменьшается на вторую величину во время открытия выпускного клапана.
На шаге 614 угол опережения зажигания двигателя регулируется в ответ на открытие закрытых выпускных клапанов. В одном случае зажигание двигателя выполняется с опозданием в ответ на открытие выпускных клапанов. В частности, зажигание двигателя выполняется с опозданием в ответ на показатели частоты вращения двигателя и нагрузки на двигатель. Например, если выпускные клапаны двигателя открываются при первой частоте вращения двигателя и первой нагрузке на двигатель, то момент зажигания выполняется с опозданием на первую величину во время открытия выпускного клапана. Если выпускные клапаны двигателя открываются при второй частоте вращения двигателя и второй нагрузке на двигатель, то момент зажигания выполняется с опозданием на вторую величину во время открытия выпускного клапана. Регулируя момент зажигания крутящего момента двигателя, можно уменьшить возмущения во время открытия выпускного клапана.
На шаге 616 переходное количество впрыскиваемого топлива регулируется в ответ на открытие закрытых выпускных клапанов. В одном случае во время открытия выпускного клапана производится впрыск дополнительного количества топлива в цилиндры двигателя. Количество топлива, впрыскиваемое дополнительно в цилиндры двигателя, может быть определено эмпирически и отрегулировано в ответ на показатели частоты вращения двигателя и нагрузки на двигатель. Кроме того, продолжительность дополнительного впрыска топлива в цилиндры двигателя может быть эмпирически определена в ответ на показатели частоты вращения двигателя и нагрузки на двигатель. Если двигатель осуществляет впрыск топлива во впускные каналы, то может возникнуть необходимость в образовании наплыва топлива при открытии выпускных клапанов двигателя. Программа 600 завершает работу после того, как отрегулировано переходное количество впрыскиваемого топлива.
На шаге 618 программа 600 закрывает только один выпускной клапан в каждом цилиндре двигателя. В одном случае закрываются клапаны, изображенные на Фиг.3. В частности, закрывается выпускной клапан номер два цилиндров номер один и три, и закрывается выпускной клапан номер один цилиндров номер два и четыре. Таким образом, закрытые выпускные клапаны цилиндров номер один и два симметричны цилиндрам номер три и четыре относительно центра двигателя. В одном случае согласно порядку зажигания двигателя закрывается только один выпускной клапан каждого цилиндра. Например, выпускные клапаны четырехцилиндрового двигателя закрываются в порядке 1-3-4-2. Конечно, если частота вращения двигателя уменьшится ниже скорости закрытия выпускного клапана двигателя или нагрузки на двигатель во время такта выпуска цилиндра номер четыре, то первым закрывается выпускной клапан цилиндра номер два, затем цилиндра номер один, затем цилиндра номер три и, наконец, выпускной клапан цилиндра номер четыре. Выпускные клапаны двигателя закрываются в течение по меньшей мере двух циклов двигателя путем открытия и закрытия выпускных клапанов при различных оборотах двигателя.
В одном случае при закрытии выпускных клапанов контроллер двигателя улавливает расход воздуха двигателя для того, чтобы определить, уменьшается ли расход воздуха двигателя. Например, для определения того, изменяется ли воздушный поток отдельных цилиндров в ответ на закрытие выпускного клапана, можно отслеживать поток воздуха в цилиндре. Если никаких изменений воздушного потока в цилиндре не наблюдается, то можно сделать вывод, что выпускной клапан не был закрыт. В других случаях закрытие выпускного клапана может определяться с помощью датчика положения, измеряющего положение механического привода. В других случаях для определения закрытия отдельных выпускных клапанов цилиндра может измеряться впускное давление в коллекторе или выпускное давление в коллекторе. Например, если выпускной клапан не был закрыт, как предполагалось, то впускное давление в коллекторе может быть выше во время одного такта впуска по сравнению с тактами впуска других цилиндров, потому что в цилиндре может содержаться больше остатков выхлопных газов. Если выпускной клапан не закрыт, как предполагалось, то контроллер двигателя может указать на такое состояние.
На шаге 620 программа 600 регулирует положение дроссельной заслонки двигателя в ответ на закрытие открытых выпускных клапанов.
Степень открытия дроссельной заслонки двигателя увеличивается во время закрытия выпускного клапана так, чтобы расход воздуха двигателя временно увеличился так, чтобы изменение крутящего момента двигателя происходило плавно. В одном случае величина открытия дроссельной заслонки увеличивается в соответствии с величиной, которая эмпирически определена исходя из частоты вращения двигателя и нагрузки на двигатель. Например, если выпускные клапаны двигателя закрываются при первой частоте вращения двигателя и первой нагрузке на двигатель, то степень открытия дроссельной заслонки увеличивается на первую величину во время закрытия выпускного клапана. Если выпускные клапаны двигателя закрываются при второй частоте вращения двигателя и второй нагрузке на двигатель, то степень открытия дроссельной заслонки увеличивается на вторую величину во время закрытия выпускного клапана.
На шаге 622 угол опережения зажигания двигателя регулируется в ответ на закрытие открытых выпускных клапанов. В одном случае зажигание двигателя выполняется с опережением в ответ на закрытие выпускных клапанов. В частности, зажигание двигателя выполняется с опережением в ответ на показатели частоты вращения двигателя и нагрузки на двигатель. Например, если выпускные клапаны двигателя закрываются при первой частоте вращения двигателя и первой нагрузке на двигатель, то момент зажигания выполняется с опережением на первую величину во время закрытия выпускного клапана. Если выпускные клапаны двигателя закрываются при второй частоте вращения двигателя и второй нагрузке на двигатель, то момент зажигания выполняется с опережением на вторую величину во время закрытия выпускного клапана. Регулируя момент зажигания крутящего момента двигателя, можно уменьшить возмущения во время закрытия выпускного клапана.
На шаге 624 переходное количество впрыскиваемого топлива регулируется в ответ на закрытие открытых выпускных клапанов. В одном случае во время закрытия выпускного клапана производится впрыск меньшего количества топлива в цилиндры двигателя. Количество топлива, впрыскиваемое в цилиндры двигателя, может быть определено эмпирически и отрегулировано в ответ на показатели частоты вращения двигателя и нагрузки. Кроме того, продолжительность впрыска меньшего количества топлива в цилиндры двигателя может быть эмпирически определена в ответ на показатели частоты вращения двигателя и нагрузки на двигатель. Если двигатель осуществляет впрыск топлива во впускные каналы, то может возникнуть необходимость в уменьшении наплыва топлива при открытии выпускных клапанов двигателя. Программа 600 завершает работу после того, как отрегулировано переходное количество впрыскиваемого топлива.
На шаге 626 программа 600 оставляет все выпускные клапаны открытыми или открывает выпускные клапанов, которые закрыты. Когда двигатель работает в холодных условиях, моторное масло может течь не так хорошо, как теплое моторное масло. Поэтому в некоторых применениях выпускные клапаны могут оставаться по умолчанию в открытом состоянии до тех пор, пока масло не нагреется до такой температуры, которая положительно указывает на необходимость закрытия клапана. Программа 600 завершает работу после открытия выпускных клапанов на шаге 626.
Таким образом, способ, проиллюстрированный на Фиг.6, представляет собой способ работы двигателя, включающий: воспламенение воздушно-топливной смеси в каждом цилиндре двигателя; направление выхлопных газов каждого цилиндра через единственный выпускной коллектор; закрытие только одного выпускного клапана каждого цилиндра двигателя при первом рабочем режиме двигателя, при этом только один закрытый выпускной клапан каждого цилиндра остается закрытым в течение по меньшей мере двух циклов двигателя; и открытие только одного выпускного клапана каждого цилиндра при втором рабочем режиме двигателя. Способ работы двигателя включает способ, при котором двигатель является четырехцилиндровым двигателем и согласно которому выпускной клапан в первом месте первого цилиндра закрывается во время первого условия работы двигателя, а выпускной клапан во втором месте второго цилиндра закрывается во время второго условия работы двигателя, при этом первое место отличается от второго места. Способ работы двигателя включает способ, согласно которому выпускной клапан третьего цилиндра закрывается при первом рабочем режиме двигателя, при этом выпускной клапан третьего цилиндра находится в том же месте на третьем цилиндре, что и второй выпускной клапан на втором цилиндре, а выпускной клапан четвертого цилиндра закрывается при первом рабочем режиме двигателя, при этом выпускной клапан четвертого цилиндра находится в том же месте на четвертом цилиндре, что и первый выпускной клапан на первом цилиндре. Способ работы двигателя включает способ, согласно которому первый и четвертый цилиндры расположены на противоположных концах двигателя, а второй и третий цилиндры расположены между первым и четвертым цилиндрами. Способ работы двигателя включает способ, согласно которому первым условием работы двигателя является частота вращения двигателя, которая меньше первого порога частоты вращения двигателя, а вторым условием работы двигателя является второй порог частоты вращения двигателя, при этом второй порог частоты вращения двигателя превышает первый порог частоты вращения двигателя, и по меньшей мере один выпускной клапан каждого цилиндра остается открытым при закрытии только одного выпускного клапана каждого цилиндра. Способ работы двигателя дополнительно включает регулировку положения дроссельной заслонки при открытии только одного выпускного клапана каждого цилиндра во время второго условия работы двигателя и когда закрытие только одного выпускного клапана каждого цилиндра происходит дополнительно в ответ на приложение нагрузки на двигатель. Способ работы двигателя включает открытие выпускного клапана в первом месте первого цилиндра во время того же цикла двигателя, в который происходит открытие выпускного клапана во втором месте второго цилиндра.
Способ, проиллюстрированный на Фиг.6, также предусматривает способ улучшения работы двигателя, включающий: воспламенение воздушно-топливной смеси в каждом цилиндре двигателя; направление выхлопных газов каждого цилиндра через единственный выпускной коллектор, который интегрирован в головку блока цилиндров и который имеет внутреннюю пару выпускных трактов и внешнюю пару выпускных трактов, при этом внутренняя пара выпускных трактов имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем внешняя пара выпускных трактов; закрытие только одного выпускного клапана каждого цилиндра, когда частота вращения двигателя меньше первого порога частоты вращения двигателя и при этом по меньшей мере один выпускной клапан каждого цилиндра остается открытым, а только один закрытый выпускной клапан каждого цилиндра остается закрытым в течение по меньшей мере двух циклов двигателя; и открытие только одного выпускного клапана каждого цилиндра, когда частота вращения двигателя превышает второй порог частоты вращения двигателя, при этом второй порог частоты вращения двигателя превышает первый порог частоты вращения двигателя. Способ включает способ, при котором двигателем является четырехцилиндровый двигатель и согласно которому выпускной клапан в первом месте первого цилиндра закрывается при частоте вращения двигателя меньшей, чем первый порог частоты вращения двигателя, когда выпускной клапан во втором месте второго цилиндра закрывается при частоте вращения двигателя меньшей, чем первый порог частоты вращения двигателя, при этом первое место отличается от второго места. Способ включает способ, согласно которому выпускной клапан третьего цилиндра закрывается при частоте вращения двигателя меньшей, чем первый порог частоты вращения двигателя, когда выпускной клапан третьего цилиндра находится в том же месте на третьем цилиндре, что и выпускной клапан в первом месте первого цилиндра, и когда выпускной клапан четвертого цилиндра закрывается при частоте вращения двигателя меньшей, чем первый порог частоты вращения двигателя, а выпускной клапан четвертого цилиндра находится в том же месте на четвертом цилиндре, что и выпускной клапан на втором месте во втором цилиндре. Способ дополнительно включает задержку момента зажигания двигателя во время открытия только одного выпускного клапана каждого цилиндра. Способ дополнительно включает турбокомпрессор, соединенный с выходом из единственного выпускного коллектора. Способ дополнительно включает управление двумя впускными клапанами каждого цилиндра двигателя, когда закрывается только один выпускной клапан каждого цилиндра.
Специалисту в той области, к которой относится настоящее изобретение, будет понятно, что программа, изображенная на Фиг.6, может представлять собой одну или несколько из любого числа таких стратегий обработки данных, как стратегия, управляемая событиями, стратегия с управлением по прерываниям, многозадачность, многопоточность и т.п. Таким образом, показанные различные действия или функции могут выполняться в приведенной последовательности, параллельно или, в некоторых случаях, пропускаться. Аналогично, порядок обработки не является обязательным для достижения целей, свойств и преимуществ, приведенных в настоящем изобретении, а представлен для упрощения демонстрации и описания. Хотя здесь это не показано явно, но специалисту в данной области будет понятно, что один или несколько проиллюстрированных шагов или функции могут выполняться неоднократно, в зависимости от конкретной стратегии.
На этом описание завершается. При чтении данного описания специалисты в данной области могут представить себе множество изменений и модификаций без расхождения с духом и объемом данного описания. Например, одноцилиндровые двигатели, двигатели I2, I3, I4, I5, V6, V8, V10, V12 и V16, работающие на природном газе, бензине, дизельном топливе или альтернативном топливе, могут воспользоваться преимуществами настоящего изобретения.