СПОСОБЫ ДЛЯ СОКРАЩЕНИЯ ВЫБРОСОВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ И ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И СИСТЕМА ГИБРИДНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHODS FOR REDUCTION OF EMISSIONS OF EXHAUST GASES OF ENGINE AND SOLID PARTICLES AND SYSTEM OF HYBRID VEHICLE

Область техники, к которой относится изобретения
Настоящее изобретение относится к общей области способов и систем для сокращения выбросов отработавших газов при запуске холодного двигателя, а также выбросов твердых частиц.
Уровень техники
Выбросы, возникающие при запуске холодного двигателя после его отключения до включения средств снижения токсичности отработавших газов (например, каталитического конвертера), могут вносить значительный вклад в суммарное количество выбросов отработавших газов. В системах управления двигателями могут быть использованы различные решения для ускорения достижения температуры включения катализатора. Например, для выработки дополнительного тепла могут быть использованы дорогостоящие электрические нагреватели катализатора. В соответствии с другим возможным решением для ускорения нагрева катализатора могут быть использованы различные сочетания запаздывания зажигания, перекрытия клапанов и усиления впрыска топлива.
В соответствии с другим решением, представленным автором Shimoda в патентном документе США №7331170, предусматривают плазмогенератор, соединенный со средствами снижения токсичности отработавших газов и установленный ниже по потоку от окислительного катализатора и выше по потоку от дизельного сажевого фильтра. Плазмогенератор подает в поток отработавших газов электрический разряд для поддержания рабочей температуры сажевого фильтра в заданном рабочем диапазоне.
Однако авторы настоящего изобретения выявили потенциальный недостаток такой системы. Поскольку сами электроды плазмогенератора подвержены воздействию потока отработавших газов, происходит застревание и накопление на таких электродах сажи и твердых частиц. Это может приводить к утечкам тока
затрудняющим приложение напряжения между электродами плазмогенератора и препятствующим генерированию плазмы. Для решения данной проблемы Shimoda предлагает обеспечить периодический ввод топлива выше по потоку от окислительного катализатора. Тепло, выделяемое в результате на окислительном катализаторе, достаточно для выжигания сажи, скапливающейся на плазмогенераторе. Однако необходимость в дополнительном расходе топлива и периодической регенерации плазмогенератора приводит к снижению эффективности расхода топлива. Кроме того, хотя генерирование плазмы обеспечивает удовлетворение температурных требований фильтра, температурные требования других средств снижения токсичности, подключенных к выпускной системе, могут по-прежнему не быть удовлетворены. В результате содержание выбросов отработавших газов может по-прежнему не соответствовать нормативным требованиям. В соответствии с другим примером, при добавлении ионизированного воздуха выше по потоку двигатель может быть вынужден работать на богатой смеси для поддержания стехиометрического режима работы катализатора, что приводит к увеличению расхода топлива.
Раскрытие изобретения
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что для сокращения выбросов холодного запуска с большей эффективностью может быть применено преобразование углеводородов холодного запуска с использование потока ионизированного воздуха при холодных средствах снижения токсичности отработавших газов вместо ускорения запуска средств снижения токсичности отработавших газов во время холодного запуска или в дополнение к нему. Использование ионизированного воздуха может привести сокращению суммарных выбросов и может быть осуществлено в двигателя различных конфигураций, в том числе в двигателях, работающих на разных видах топлива (например, на бензине или на дизельном топливе), а также использующих разные типы впрыска топлива (например, распределенный или прямой впрыск), с минимальным изменением существующих органов управления холодным запуском двигателя. Кроме того, уменьшения содержания сажи в отработавших газах при помощи ионизированного воздуха обеспечивает возможность уменьшения потребности в фильтрах твердых частиц.
Так, в соответствии с одним из примеров осуществления изобретения для сокращения выбросов холодного запуска двигателя предлагается способ для двигателя, включающий в себя ввод ионизированного воздуха ниже по потоку от катализатора отработавших газов в зависимости от температуры катализатора. Таким образом, ионизированный воздух может быть использован для выжигания выбросов холодного запуска вплоть до запуска катализатора.
В соответствии с одним из примеров осуществления во время холодного запуска двигателя, в течение периода разогрева катализатора отработавших газов, может быть обеспечено окисление выбросов холодного запуска при помощи ионизированного воздуха по мере их образования. Ионизированный воздух могут подавать ниже по потоку от катализатора отработавших газов так, чтобы обеспечить возможность обработки ионизированным воздухом выбросов отработавших газов не обработанных катализатором. Например, ввод потока ионизированного воздуха может быть осуществлен так, чтобы пороговая часть воздушного потока, поступающего ниже по потоку от катализатора отработавших газов, представляла собой ионизированный воздух. Подача ионизированного воздуха может быть произведена одновременно с использованием запаздывания зажигания для ускорения разогрева катализатора, но с меньшим значением такого запаздывания. Кроме того, во время подачи ионизированного воздуха работа двигателя на богатой смеси может быть ограничена во избежание перегрева компонентов. Подача ионизированного воздуха может быть продолжена вплоть до запуска катализатора, после чего подача ионизированного воздуха может быть прекращена. Помимо регулирования расхода ионизированного воздуха в зависимости от температуры катализатора, также может быть предусмотрено регулирование расхода ионизированного воздуха в зависимости от содержания твердых частиц. Например, подачу ионизированного воздуха могут включать при резких нажатиях на педаль в предположении увеличения содержания сажи в отработавших газах.
Таким образом, может быть обеспечена возможность обработки выбросов холодного запуска по мере их образования без необходимости использования чрезмерного запаздывания зажигания или специализированных нагревателей катализатора. Это позволяет сократить содержание выбросов отработавших газов без необходимости использования в катализаторе благородных металлов. Таким образом, стоимость и сложность конструкции катализатора могут быть уменьшены. Уменьшение потребности в существенном запаздывании зажигания во время холодного запуска позволяет уменьшить эффекты ШВР, связанные с чрезмерным запаздыванием зажигания, например, шум во впускном канале при широко открытой дроссельной заслонке в условиях запаздывания зажигания, что повышает удобство эксплуатации транспортного средства. Ввод воздуха ниже по потоку от катализатора отработавших газов (например, окислительного катализатора или трехкомпонентного каталитического нейтрализатора) обеспечивает возможность разогрева катализатора в режиме, близком к стехиометрическому. Это позволяет обеспечить окисление остаточных углеводородов ионизированным воздухом без образования оксидов азота на катализаторе отработавших газов. Таким образом, ввод ионизированного воздуха ниже по потоку от катализатора отработавших газов позволяет получить преимущество сокращения выбросов при холодном запуске. Следует понимать, что в соответствии с альтернативными вариантами осуществления может быть предусмотрен ввод ионизированного воздуха выше по потоку от катализатора отработавших газов. В таких вариантах осуществления изобретения помимо преимуществ сокращения выбросов также могут быть получены преимущества нагревания катализатора. В частности, при воде ионизированного воздуха выше по потоку для поддержания трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в стехиометрическом режиме необходима работа двигателя на богатой смеси, обеспечивающей компенсацию эффекта ввода потока ионизированного воздуха. Хотя это может способствовать ускорению разогрева катализатора, такое решение может привести к увеличению расхода топлива.
Использование ионизированного воздуха в гибридных транспортных средствах также обеспечивает возможность задержки включения двигателя до достижения более низкой температуры катализатора. Кроме того, использование ионизированного воздуха для сокращения выбросов ТЧ в отработавших газах во время холодного запуска, а также в других условиях, в которых уровень содержания сажи в отработавших газах может быть повышен, обеспечивает возможность увеличения срока службы фильтра твердых частиц. В целом, может быть обеспечено увеличение экономии топлива при сокращении содержания выбросов отработавших газов.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен пример системы гибридного электромобиля.
На фиг. 2 представлен пример двигателя внутреннего сгорания, в конструкции которого предусмотрен источник ионизированного воздуха.
На фиг. 3 представлена блок-схема верхнего уровня способа сокращения выбросов при запуске холодного двигателя при помощи потока ионизированного воздуха.
Фиг. 4 иллюстрирует пример осуществления запуска холодного двигателя с использованием ионизированного воздуха в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются способы и системы для разрешения проблем выбросов при холодном запуске двигателя и выбросов твердых частиц из системы двигателя, установленной в транспортном средстве, например, системы по фиг. 1-2, с использованием ионизированного воздуха. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью выполнения процедуры управления, например, соответствующей примеру такой процедуры по фиг. 3, обеспечивающей подачу ионизированного воздуха в выпускную систему двигателя, ниже по потоку от окислительного катализатора отработавших газов и выше по потоку от фильтра твердых частиц выпускной системы, по меньшей мере в зависимости от температуры катализатора. Выбросы холодного запуска двигателя, не окисленные окислительным катализатором, окисляют ионизированным воздухом, что приводит к снижению содержания выбросов отработавших газов. Кроме того, при других условиях, в которых существует более высокий уровень выбросов твердых частиц (ТЧ) из двигателя, ионизированный воздух может быть использован для сокращения выбросов ТЧ, что снижает зависимость от работоспособности фильтра твердых частиц выпускной системы. Затем органические вещества, окисленные ионизированным воздухом, могут быть выведены через выхлопную трубу. Пример процедуры работы в условиях холодного запуска описан со ссылками на фиг. 4. Таким образом, может быть обеспечено лучшее соответствие нормативным требованиям по содержанию выбросов отработавших газов двигателя.
На фиг. 1 представлена гибридная приводная система 6 транспортного средства. В проиллюстрированном примере осуществления транспортное средство представляет собой гибридный электромобиль (ГЭМ), приводная энергия которого может поступать из двигательной системы 8 и/или из бортовых средств накопления энергии (не представлены). В альтернативных вариантах осуществления приводная система 6 может получать энергию только из двигательной системы 8. Двигательная система 8 содержит двигатель 10 внутреннего сгорания, содержащий несколько цилиндров 30. Топливо может поступать в каждый из цилиндров двигателя 10 из топливной системы (не представлена), содержащей один или несколько топливных баков, один или несколько топливных насосов и инжекторы 66.
Двигательная система 8 может содержать двигатель 10, содержащий несколько цилиндров 30. В соответствии с настоящим примером осуществления двигатель 10 представляет собой автомобильный двигатель с искровым зажиганием. Сгорание топлива в каждом из цилиндров приводит в движение поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал, как хорошо известно специалистам в данной области. Кроме того, двигатель 10 может содержать несколько клапанов двигателя, обеспечивающих управление впуском и выхлопом газов во всех цилиндрах двигателя.
Двигатель 10 содержит впускную систему 23 двигателя и выпускную систему 25 двигателя. Впускная система 23 двигателя содержит главную впускную воздушную дроссельную заслонку 62, соединенную для передачи текучих сред со впускным коллектором 44 двигателя через впускной канал 42. Воздух может поступать во впускной канал 42 из воздухозаборной системы, содержащей воздушный фильтр 33, сообщающийся со средой, окружающей транспортное средство. Положение главной дроссельной заслонки 62 может быть изменено контроллером 12 посредством сигнала, подаваемого на электромотор или привод, предусмотренный в составе главной дроссельной заслонки 62, в соответствии с конфигурацией так называемой электромеханической дроссельной заслонки. Таким образом, управление положением дроссельной заслонки может быть использовано для изменения уровня подачи воздуха во впускной коллектор.
В примере осуществления, представленном на фиг. 1, датчик 50 массового расхода воздуха (МРВ) подсоединен ко впускному каналу 42 для передачи контроллеру 12 сигналов, соответствующих величине массового расхода воздуха во впускном канале. В проиллюстрированном примере осуществления датчик 50 МРВ выдает сигнал, соответствующий массовому расходу воздуха во впускном канале 42, выше по потоку от фильтра 33. Однако следует понимать, что датчики МРВ могут быть подсоединены к другим точкам впускной системы или двигательной системы, а кроме того, во впускной системе или в двигательной системе может быть предусмотрено несколько датчиков МРВ.
К впускному коллектору 44 может быть подсоединен датчик 60, предназначенный для выработки сигнала, соответствующего давлению воздуха в коллекторе (ДВК) или разрежения в коллекторе (РК), передаваемого контроллеру 12. Датчик 60 может представлять собой, например, датчик давления или вакуумметрический датчик разрежения и может передавать контроллеру 12 значения отрицательного разрежения (например, давления). В соответствии с некоторыми из примеров осуществления в других точках двигательной системы могут быть подсоединены дополнительные датчики давления/разрежения, передающие контроллеру 12 сигналы, соответствующие значениям давления/разрежения в других частях двигательной системы. В их число могут входить, например, датчик, подсоединенный ко впускному каналу 42 выше по потоку от компрессора для подачи сигнала, соответствующего барометрическому давлению (БД), датчик впускного давления компрессора (ВДК), установленный выше по потоку от компрессора, и т.д.
В представленном примере осуществления двигательная система 8 не содержит средств наддува и работает на естественном всасывании. Однако в альтернативных вариантах осуществления, как показано на фиг. 2, двигательная система 8 может представлять собой двигательную систему с наддувом, содержащую средства наддува, осуществленные в виде компрессора. Такой компрессор может представлять собой, например, компрессор турбонаддува, причем компрессор соединен с выпускной турбиной посредством вала, который приводит его в движение. Кроме того, для приведения компрессора в движение может быть по меньшей мере частично использован электромотор или коленчатый вал двигателя. В соответствии с альтернативными вариантами осуществления средства наддува могут представлять собой компрессор нагнетательной системы, причем такой компрессор приводят в движение только при помощи электромотора. В случае наличия такого компрессора он выполнен с возможностью нагнетания впускного воздуха, поступающего по впускному каналу 42.
Выпускная система 25 двигателя содержит выпускной коллектор 48, выходящий в выпускной канал 35, который направляет отработавшие газы в атмосферу. Выпускная система 25 двигателя может содержать одно или несколько средств снижения токсичности отработавших газов, установленные с соединением встык. Одно или несколько средств снижения токсичности отработавших газов могут содержать, например, окислительный катализатор 70 и фильтр 72 твердых частиц (ТЧ). В представленном примере осуществления окислительный катализатор 70 установлен выше по потоку от фильтра 72 твердых частиц (ТЧ). В число других средств снижения токсичности отработавших газов, которые могут быть подсоединены у выпускной системе, могут входить трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, ловушка сухих оксидов азота, катализатор избирательного восстановления и т.д.
В случае запуска двигателя в условиях низкой температуры окружающей среды или после достаточно долгого нахождения в отключенном состоянии (например, во время движения транспортного средства с приводом от электромотора или нахождения транспортного средства в выключенном состоянии) температура катализатора отработавших газов (например, окислительного катализатора или каталитического конвертора) может быть ниже температуры его активации (также называемой температурой запуска). В связи с этим выбросы из двигателя в состоянии холодного запуска, возникшие до запуска каталитического конвертора отработавших газов, могут составлять значительную часть суммарных выбросов, содержащихся в отработавших газах. В системах управления двигателями могут быть использованы различные решения для ускорения достижения температуры включения катализатора с целью сокращения таких выбросов. Например, для выработки дополнительного тепла могут быть использованы дорогостоящие электрические нагреватели катализатора. В соответствии с другим возможным решением для ускорения нагрева катализатора могут быть использованы различные сочетания запаздывания зажигания, перекрытия клапанов и усиления впрыска топлива. Однако такие решения могут приводить к снижению топливной экономичности и к.п.д. транспортного средства. Авторы настоящего изобретения выяснили, что для решения проблемы выбросов при холодном запуске двигателя могут быть использованы средства, не приводящие к снижению топливной экономичности благодаря использованию ионизированного воздуха (также называемого ионным воздухом). Как описано ниже со ссылками на фиг. 3, ионизированный воздух может быть введен в выпускную систему двигателя ниже по потоку от катализатора отработавших газов так, чтобы выбросы, содержащиеся в отработавших газах (в том числе органические вещества и твердые частицы) и необработанные катализатором отработавших газов, могли быть окислены ионизированным воздухом. Окисление повышает качество выбросов, содержащихся в отработавших газах.
В дополнение к условиям холодного запуска, в других условиях работы двигателя, в которых ожидаемый (или оцениваемый) уровень содержания ТЧ в отработавших газах может быть высоким, например, в случае резкого нажатия оператором на педаль акселератора (например, для широкого открытия дроссельной заслонки), ввод ионизированного воздуха может обеспечить снижение содержания сажи в отработавших газах, что приводит к улучшению содержания выбросов отработавших газов и снижению зависимости от фильтрации сажи в установленном ниже по потоку выпускному фильтру ТЧ. В соответствии с одним из примеров осуществления потребность в выпускном фильтре ТЧ может быть устранена, что обеспечивает получение преимущества с точки зрения уменьшения числа компонентов. В соответствии с другими примерами осуществления, в которых предусмотрен фильтр ТЧ, ионизированный воздух также могут вводить в условиях, в которых в соответствии с уровнем накопления ТЧ на фильтре ТЧ необходима регенерация фильтра. Ввод ионизированного воздуха в таких условиях обеспечивает возможность регенерации фильтра ТЧ без необходимости работы двигателя на бедной смеси и при значительно более низких температурах отработавших газов, чем в иных случаях. Кроме того, это устраняет потребность в использовании условий отсечки топлива в режиме замедления (ОТРЗ) для завершения регенерации фильтра ТЧ.
В случае необходимости ионизированный воздух может быть введен в выпускную систему 25 двигателя ниже по потоку от окислительного катализатора 70 и выше по потоку от фильтра 72 ТЧ через канал 83 из системы 80 ионизации воздуха. Система 80 ионизации воздуха содержит электрический воздушный насос 81 и ионизатор 82. В частности, ввод ионизированного воздуха может быть обеспечен путем подачи свежего воздуха электрическим воздушным насосом 81 в канал 83 через воздушный фильтр 34. Выходная мощность воздушного насоса 81 может быть скорректирована в зависимости от ожидаемого напора воздуха, поступающего в катализатор 70 отработавших газов из воздухозаборника 23 двигателя, так, чтобы обеспечить возможность замены некоторой пороговой части (например, 15%) суммарного напора воздуха, поступающего ниже по потоку от катализатора, ионизированным воздухом, поступающим из воздушного насоса 81. В дополнение к управлению воздушным насосом 81 ионизатор 82 может быть использован для ионизации воздуха, подаваемого в канал 83 насосом 81. В соответствии с одним из примеров осуществления мощность ионизатора 82 может быть установлена так, чтобы некоторая пороговая (или заранее определенная) часть (например, 20%) воздушного потока, поступающего ниже по потоку от катализатора отработавших газов, была ионизирована. В соответствии с некоторыми из примеров осуществления при необходимости подачи ионизированного воздуха в выпускную систему контроллер 12 может координировать мощность ионизатора 82 и расход воздушного насоса 81 с уровнем открытия впускной дроссельной заслонки 62 так, чтобы обеспечить требуемое содержание (или напор) ионизированного воздуха и требуемый уровень ионизации.
2
2
-
-
Как известно, подача энергии в вещество приводит к изменению его агрегатного состояния, в частности, с твердого на жидкое и с жидкого на газообразное. В случае подачи в газ дополнительной энергии происходит его ионизация и переход в энергонасыщенное состояние плазмы. Плазма (или ионизированный воздух) может быть получена в результате нагревания газа (например, атмосферного воздуха) или воздействия на газ сильного электромагнитного поля, вырабатываемого генератором (например, лазерным или сверхвысокочастотным генератором). Это приводит к уменьшению или увеличению числа электронов, что вызывает образование положительно или отрицательно заряженных частиц, то есть ионов, сопровождающееся распадом молекулярных связей, если таковые присутствуют. Так, в ионизаторе 82 могут быть предусмотрены электростатически заряженные пластины, обеспечивающие образование положительно или отрицательно заряженных ионов газа (например, N или O), к которым органические вещества и твердые частицы прилипают под воздействием эффекта, сходного с электростатическим притяжением. В соответствии с одним из примеров осуществления ионизатор может формировать поток ионизированного воздуха при помощи источника электроэнергии с напряжением 20000 В. В состав ионизированного воздуха может входить, например, воздух, содержащийся в котором кислород электрически заряжен, причем он может быть заряжен отрицательно благодаря наличию одного или нескольких дополнительных электронов в каждой молекуле кислорода или положительно благодаря наличию в каждой молекуле менее нормального числа электронов. Следует понимать, что ионизированный воздух (также называемый в настоящем описании ионным воздухом или плазмой), вырабатываемый ионизатором 82, может быть отличен от озона (которой содержит трехатомные молекулы кислорода). Для производства электрически заряженных ионов воздуха или газа в ионизаторе (или плазменном генераторе или источнике ионизированного воздуха) могут быть использованы электрически заряженные поверхности или иглы. Такие ионы могут прикрепляться к твердым частицам, которые затем окисляют или осаждают на заряженной накопительной пластине при помощи электростатического притяжения. Ионизатор может содержать вентилятор или не содержать его. В соответствии с одним из примеров осуществления ионизатор может содержать источник плазмы, например, систему плазменной подготовки поверхностей «Openair» (товарный знак) производства компании Plasmatreat, расположенной по адресу 2541 Technology Drive, Elgin, IL 60124, США.
Двигатель 10 передает энергию на трансмиссию 46 через ведущий вал 18. В соответствии с одним из примеров осуществления трансмиссия 46 представляет собой трансмиссию с разделенным потоком мощности (или трансмиссию в блоке с коробкой передач), которая содержит планетарную передачу и один или несколько вращающихся зубчатых элементов. Трансмиссия 46 дополнительно содержит электрогенератор 58 и электромотор 56. Электрогенератор 58 и электромотор 56 могут быть объединены под названием электрических машин, причем каждый из них может работать в режиме двигателя или генератора. Крутящий момент, поступающий из трансмиссии 46, используют для приведения в движение ведущих колес 52 транспортного средства через зубчатые элементы передачи мощности (не представлены), ведомый вал 19 и блока дифференциала с колесными осями (не представлен).
Генератор 58 установлен в приводном соединении с электромотором 56 так, что как электрогенератор 58, так и электромотор 56 может быть приведен в действие с использованием электроэнергии, поступающей от накопителя электроэнергии, представленного в данном примере в виде аккумуляторной батареи 54. В соответствии с некоторыми из вариантов осуществления между батареей и электромотором могут быть подключены средства преобразования энергии, например, инвертор, для преобразования постоянного тока, поступающего от батареи, в переменный ток, используемый электромотором. Однако в соответствии с альтернативными вариантами осуществления такой инвертор может быть включен в состав электромотора.
Электромотор 56 может работать в режиме рекуперации, то есть в качестве генератора, для сбора энергии от электромотора и/или двигателя транспортного средства и преобразования собранной кинетической энергии в форму энергии, пригодную для сохранения в батарее 54. Кроме того, электромотор 56 может работать по мере необходимости в режиме двигателя или генератора для увеличения или поглощения крутящего момента, вырабатываемого двигателем, например, во время переключений двигателя 10 между различными режимами сгорания топлива (например, во время переключений между режимом искрового зажигания и режимом воспламенения от сжатия).
Могут быть предусмотрены разные режимы эксплуатации гибридной приводной системы 6, в том числе режим полной гибридной системы, в котором для приведения транспортного средства в движение используют только двигатель в сочетании с генератором, только электромотор или их комбинацию. В альтернативных вариантах также могут быть использованы режимы частичного или мягкого гибридного транспортного средства, в которых двигатель представляет собой основной источник крутящего момента, а электромотор используют для выборочного добавления крутящего момента в определенных условиях, например, в случае резкого нажатия на педаль.
Приводная система 6 может дополнительно содержать систему 14 управления. Как показано на схеме, система 14 управления принимает информацию от нескольких датчиков 16 (различные примеры которых описаны здесь и ниже со ссылками на фиг. 2) и передает сигналы управления нескольким приводам 81 (различные примеры которых описаны здесь и ниже со ссылками на фиг. 2). Например, в число датчиков 16 могут входить газоанализатор 126 отработавших газов, расположенный выше по потоку от средств снижения токсичности отработавших газов, датчик 128 температуры отработавших газов, датчик 129 давления отработавших газов, датчик 60 ДВК и датчик 50 МРВ. В различных токах приводной системы 6 также могут быть подсоединены и другие датчики, например, датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения и газоанализаторы. В соответствии с другим примером в число приводов могут входить топливный инжектор 66, дроссельная заслонка 62, воздушный насос 81 и ионизатор 82. Система 14 управления может содержать контроллер 12. Такой контроллер может принимать входящие данные, поступающие от различных датчиков, обрабатывать эти входящие данные и приводить приводы в действие в зависимости от обработанных входящих данных в соответствии с инструкциями или кодами, запрограммированными в нем в соответствии с одной или несколькими процедурами. Контроллер 12 принимает сигналы от различных датчиков по фиг. 1 (и фиг. 2) и использует различные приводы по фиг. 1 (и фиг. 2) для корректировки работы транспортного средства в зависимости от полученных сигналов и инструкций, сохраненных в памяти контроллера. Следует понимать, что корректировка работы транспортного средства может быть произведена контроллером в зависимости от действий, выполняемых контроллером, и/или действий, выполняемых различными приводами транспортного средства и двигателя совместно с контроллером. Пример процедуры управления описан ниже со ссылками на фиг. 3.
Фиг. 2 иллюстрирует пример осуществления камеры сгорания или цилиндра двигателя 10 (по фиг. 1). Двигатель 10 может получать параметры управления от системы управления, содержащей контроллер 12, и входящие сигналы от оператора 130 транспортного средства через средства 132 ввода. В соответствии с данным примером осуществления средства 132 ввода содержат педаль акселератора и датчик 134 положения педали, формирующий пропорциональный сигнал положения педали (ПП). Цилиндр (также называемый в настоящем описании «камерой сгорания») 30 двигателя 10 может содержать стенки 136 камеры сгорания, между которыми расположен поршень 138. Поршень 138 может быть соединен с коленчатым валом 140 для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 140 может быть соединен по меньшей мере с одним ведущим колесом пассажирского транспортного средства через систему трансмиссии. Кроме того, к коленчатому валу 140 может быть подсоединен через маховик электромотор стартера, обеспечивающий возможность запуска двигателя 10. Например, к коленчатому валу может быть подсоединен генератор 58 и/или электромотор 56 для подачи крутящего момента, необходимого для запуска двигателя.
Впускаемый воздух может поступать в цилиндр 30 через несколько впускных каналов 142, 144 и 146. Впускной воздушный канал 146 может сообщаться с другими цилиндрами двигателя 10 помимо цилиндра 30. В соответствии с некоторыми из вариантов осуществления один или несколько впускных каналов могут содержать средства наддува, например, систему турбонаддува или нагнетатель. Например, на фиг. 2 представлен двигатель 10, оборудованный системой турбонаддува, содержащей компрессор 174, установленный между впускными каналами 142 и 144, и выпускную турбину 176, установленную в выпускном канале 148. Если средства наддува выполнены в конфигурации системы турбонаддува, выпускная турбина 176 может по меньшей мере частично обеспечивать приведение в действие компрессора 174 посредством вала 180. Однако в других примерах осуществления, в которых двигатель 10 оборудован, например, нагнетателем, выпускная турбина 176 может не быть предусмотрена, причем приведение в действие компрессора 174 может быть обеспечено механической энергией, поступающей от электромотора или двигателя. Во впускном канале двигателя может быть предусмотрена дроссельная заслонка 62, содержащая дроссельную пластину 164, для регулирования расхода и/или давления впускаемого воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя. Дроссельная заслонка 62 может быть расположена, например, ниже по потоку от компрессора 174, как показано на фиг. 2, хотя в соответствии с альтернативными вариантами осуществления она может быть расположена и выше по потоку от компрессора 174.
Отработавшие газы могут поступать в выпускной канал 148 и из других цилиндров двигателя 10 помимо цилиндра 30. Выпускной газоанализатор 128 представлен на схеме подсоединенным к выпускному каналу 148 выше по потоку от средств 170 снижения токсичности отработавших газов. В качестве датчика 128 может быть использован один из соответствующих датчиков, обеспечивающих возможность получения информации о топливно-воздушном отношении отработавших газов, в том числе, например, линейный датчик содержания кислорода или универсальный датчик содержания кислорода в отработавших газах (УДКОГ), двухпозиционный датчик содержания кислорода (ДКОГ), представленный на чертеже, нагреваемый датчик содержания кислорода в отработавших газах (НДКОГ), датчик содержания оксидов азота (NOx), углеводородов (НС) или угарного газа (СО). Средства 170 снижения токсичности отработавших газов могут представлять собой окислительный катализатор (например, катализатор 70 по фиг. 1), трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН), уловитель NOx, а также различные другие средства 170 снижения токсичности отработавших газов или их сочетания. Например, средства 170 снижения токсичности отработавших газов могут содержать окислительный катализатор, установленный выше по потоку от топливного фильтра твердых частиц. В выпускном канале может быть установлен глушитель 178, расположенный ниже по потоку от средств 170 снижения токсичности отработавших газов. Как было указано выше со ссылками на фиг. 1, в определенных условиях в выпускной канал 148 могут подавать ионизированный воздух, произведенный системой 80 ионизации воздуха, который вводят ниже по потоку от средств 170 снижения токсичности отработавших газов и выше по потоку от глушителя 178. Это обеспечивает возможность лучшего взаимодействия ионизированного воздуха с выбросами холодного запуска двигателя и выбросами твердых частиц в глушителе, что способствует лучшему окислению выбросов отработавших газов ионизированным воздухом. Затем окисленные вещества могут быть выпущены в атмосферу через выхлопную трубу.
В соответствии с некоторыми из вариантов осуществления может быть предусмотрен канала рециркуляции отработавших газов для рециркуляции по меньшей мере некоторой части отработавших газов из выпускного канала во впускной канал. Регулирование расхода рецикулированных отработавших газов (РОГ) может быть обеспечено при помощи клапана РОГ, предусмотренного в канале РОГ. Канал РОГ может быть выполнен с возможностью обеспечения рециркуляции отработавших газов при низком давлении (РОГ НД), причем отработавшие газы отводят из выпускного канала ниже по потоку от турбины 176 и подают во впускной канал выше по потоку от компрессора 174. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления канал РОГ может быть выполнен с возможностью обеспечения рециркуляции отработавших газов при высоком давлении (РОГ ВД), причем отработавшие газы отводят из выпускного канала выше по потоку от турбины 176 и подают во впускной канал ниже по потоку от компрессора 174. Кроме того, двигатель может быть выполнен с возможностью обеспечения РОГ НД и РОГ ВД при помощи соответствующих каналов и клапанов.
Температура отработавших газов может быть определена при помощи одного или нескольких температурных датчиков (не представлены), установленных в выпускном канале 148. Например, измерение температуры отработавших газов может быть предусмотрено ниже по потоку от средств 170 снижения токсичности отработавших газов или глушителя 178 для оценки температуры отработавших газов. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления температура отработавших газов может быть вычислена по условиям работы двигателя, например, скорости, нагрузке, воздушно-топливному отношению (ВТО), задержке зажигания и т.д. Кроме того, вычисление температуры отработавших газов может быть произведено одним или несколькими выпускными газоанализаторами 128. Следует понимать, что в соответствии с альтернативными вариантами осуществления может быть предусмотрена оценка температуры отработавших газов с использованием любого сочетания вышеперечисленных методов определения температуры.
Каждый из цилиндров двигателя 10 может содержать один или несколько впускных клапанов и один или несколько выпускных клапанов. Например, проиллюстрированный цилиндр 30 содержит по меньшей мере один впускной подъемный клапан 150 и по меньшей мере один выпускной подъемный клапан 156, расположенные в верхней части цилиндра 30. В соответствии с некоторыми из вариантов осуществления каждый из цилиндров двигателя 10, в том числе и цилиндр 30, может содержать по меньшей мере два впускных подъемных клапана и по меньшей мере два выпускных подъемных клапана, расположенных в верхней части цилиндра.
Контроллер 12 может осуществлять управление впускным клапаном 150 при помощи кулачковой приводной системы 151. Аналогичным образом, контроллер 12 может осуществлять управление выпускным клапаном 156 при помощи кулачковой приводной системы 153. Каждая из кулачковых приводных систем 151 и 153 может содержать один или несколько кулачков и может использовать одну или несколько из систем переключения профиля кулачков (ППК), изменения фаз кулачкового распределения (ИФКР), изменения фаз газораспределения (ИФГ) и/или изменения высоты подъема клапанов (ИВПК), управление которыми контроллер 12 может использовать для регулирования работы клапанов.
Положения впускного клапана 150 и выпускного клапана 156 могут быть определены, соответственно, датчиками 155 и 157 положения клапанов. В соответствии с альтернативными вариантами осуществления для управления впускным и/или выпускным клапаном могут быть использованы электрические приводы клапанов. Например, в альтернативном варианте осуществления цилиндр 30 может содержать впускной клапан, управляемый при помощи электрического привода клапана, и выпускной клапан, управляемый при помощи кулачкового привода, содержащего системы ППК и ИФКР. В соответствии с другими вариантами осуществления для управления впускным и выпускным клапанами может быть предусмотрен единый клапанный привод или приводная система или же клапанный привод или приводная система с изменением фаз газораспределения.
Цилиндр 30 может иметь некоторую степень сжатия, равную отношению объемов при нахождении поршня 130 в нижней точке и в верхней точке. Обычно такая степень сжатия составляет от 9:1 до 10:1. Однако в соответствии с некоторыми из примеров осуществления, в которых используют другое топливо, степень сжатия может быть увеличена. Например, это может быть связано с использованием топлива с более высоким октановым числом или топлива с более высокой скрытой энтальпией парообразования. Степень сжатия также может быть увеличена в случае использования прямого впрыска топлива в связи с ее воздействием на детонацию топлива в двигателе.
В соответствии с некоторыми из вариантов осуществления каждый из цилиндров двигателя 10 может содержать свечу 192 зажигания для воспламенения топлива. В некоторых режимах работы система 190 зажигания может создавать в камере 30 сгорания искру зажигания при помощи свечи 192 зажигания при получении от контроллера 12 сигнала опережения зажигания (ОЗ). Однако в соответствии с некоторыми из вариантов осуществления свеча 192 зажигания может быть не предусмотрена, например, если двигатель 10 использует для воспламенения топлива самовоспламенение или воспламенение от сжатия, что возможно в некоторых дизельных двигателях.
В соответствии с некоторыми из вариантов осуществления в каждом из цилиндров двигателя 10 могут быть предусмотрены один или нескольких инжекторов для ввода в него текучей среды, подавляющей детонацию или преждевременное зажигание. В соответствии с некоторыми из вариантов осуществления такая текучая среда может представлять собой топливо, причем инжектор также называют топливным инжектором. В соответствии с примером, не накладывающим каких-либо ограничений, представленный на чертеже цилиндр 30 содержит один топливный инжектор 166. Представленный топливный инжектор 166 подсоединен непосредственно к цилиндру 30 для прямого впрыска в него в соответствии с шириной импульса впрыска топлива (ШИВТ), принимаемого от контроллера 12 через электронный драйвер 168. Таким образом, топливный инжектор 166 осуществляет так называемый прямой впрыск (также обозначаемый в настоящем описании аббревиатурой «ДВ») топлива в цилиндр 30 сгорания. Хотя на фиг. 2 инжектор 166 представлен в виде бокового инжектора, он также может быть расположен над поршнем, например, вблизи места расположения свечи 192 зажигания.. Такое положение может способствовать улучшению смешивания и сгорания при работе двигателя на топливе на спиртовой основе в связи с более низкой летучестью некоторых топлив на спиртовой основе. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления инжектор может быть расположен сверху и вблизи впускного клапана для улучшения смешивания.
Топливо может поступать в топливный инжектор 166 из топливной системы 8 высокого давления, содержащей топливные баки, топливные насосы и топливную рампу. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления топливо может поступать от одноступенчатого топливного насоса при более низком давлении, в случае чего время прямого впрыска топлива на такте сжатия может быть более ограничено, чем в случае использования топливной системы высокого давления. Кроме того, топливные баки могут содержать датчик давления (не представлен), передающий сигнал контроллеру 12. Следует понимать, что в соответствии с альтернативным вариантом осуществления топливный инжектор 166 может представлять собой инжектор распределенного впрыска, подающий топливо во впускной патрубок, расположенный выше по потоку от цилиндра 30.
Как было указано выше, на фиг. 2 представлен лишь один из цилиндров многоцилиндрового двигателя. Таким образом, каждый из цилиндров может аналогичным образом содержать свой собственный набора впускных и выпускных клапанов, один или несколько топливных инжекторов, свечу зажигания и т.д.
Топливные танки топливной системы 8 могут содержать топливо с разными характеристиками, например, разных составов. В число таких различий могут входить различия в содержании спирта, октановом числе, теплоте парообразования и составе топливной смеси и/или сочетания таких различий и т.д.
Контроллер 12, представленный на фиг. 2, представляет собой микрокомпьютер, содержащий микропроцессорное устройство (МПУ) 106, порты 108 ввода-вывода, электронный носитель данных для сохранения программ и калибровочных значений, представленный в данном примере в виде микросхемы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 110, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 112, энергонезависимое запоминающее устройство (ЭЗУ) 114 и шину передачи данных. Контроллер 12 может принимать различные сигналы от датчиков, подсоединенных к двигателю 10, помимо сигналов, уже описанных выше, в том числе результаты измерений индуцированного массового расхода воздуха (МРВ) от датчика 122 массового расхода воздуха; температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 116, подсоединенного к кожуху 118 охлаждения; сигнала профиля зажигания (ПЗ) от датчика 120 на эффекте Холла (или другого типа), подсоединенного к коленчатому валу 140; положения дроссельной заслонки (ПД) от датчика положения дроссельной заслонки; давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика 124; ВТО в цилиндрах от ДКОГ 128; а также сигнал аномального сгорания от датчика детонации. Контроллер 12 может вырабатывать сигнал частоты вращения двигателя (ЧВД) на основе сигнала ПЗ.
Постоянное запоминающее устройство 110 может быть запрограммировано с использованием машиночитаемых данных, представляющих инструкции, исполнимые процессором 106 для выполнения способов, описанных ниже, а также других вариантов их осуществления, предусмотренных, но конкретно не перечисленных.
Следует понимать, что на фиг. 1-2 представлен пример конфигурации системы транспортного средства с соответствующим взаимным расположением различных ее компонентов. Если некоторые элементы представлены расположенными в контакте или в непосредственном соединения между собой, их можно считать расположенными, соответственно, в контакте или в непосредственном соединения между собой, по меньшей мере в соответствии с одним из примеров осуществления. Аналогичным образом, элементы, представлены смежными или соприкасающимися, могут быть смежными или соприкасающимися, по меньшей мере в соответствии с одним из примеров осуществления. Например, компоненты двигателя, представленные смежными через общую грань, можно считать смежными через общую грань. В соответствии с другим примером элементы, представленные разделенными только пустым пространством, в котором не расположено никаких других компонентов, можно считать таковыми, по меньшей мере в соответствии с одним из примеров осуществления.
На фиг. 3 представлен пример осуществления способа 300 окисления выбросов отработавших газов при помощи ионизированного воздуха в некоторых условиях работы двигателя. Ввод ионизированного воздуха ниже по потоку от катализатора отработавших газов в зависимости от температуры катализатора, а также в зависимости от содержания ТЧ в отработавших газах, способствует сокращению выбросов холодного запуска двигателя и выбросов ТЧ.
На этапе 302 данного способа производят оценку и/или измерение условий работы двигателя. В число оцениваемых условий могут входить, например, частота вращения и нагрузка двигателя, требуемый оператором крутящий момент, положение педалей, давление наддува, температура двигателя, состояние окружающей среды (например, температура, давление и влажность окружающего воздуха), температура катализатора отработавших газов, время, прошедшее (или расстояние, пройденное) с момента последнего запуска двигателя, режим работы транспортного средства (например, работа транспортного средства от электромотора, двигателя или в комбинированном режиме) и т.д.
На этапе 304 может быть определено, ниже ли температура катализатора отработавших газов порогового значения, например, температуры запуска. При температуре ниже порогового значения катализатор отработавших газов может быть не полностью работоспособным, и эффективность преобразования выбросов отработавших газов перед их выпуском через выхлопную трубу может быть низкой. Таким образом, если температура катализатора отработавших газов недостаточно высока, в соответствии с настоящим способом предусматривают ввод ионизированного воздуха ниже по потоку от катализатора отработавших газов в зависимости от температуры катализатора.
В частности, на этапе 306 настоящего способа производят определение ожидаемого расхода воздуха, поступающего в двигатель, в соответствии с условиями работы. Например, масса воздуха, ожидаемая в катализаторе отработавших газов, может быть вычислен по выходным данным датчиков МРВ и/или ДВК. В соответствии с другим примером осуществления ожидаемый расход воздуха может быть установлен по справочной таблице, в которой сохранены данные зависимости расхода воздуха от массы воздуха и противодавления отработавших газов. На этапе 308 настоящего способа предусмотрено использование электрического воздушного насоса и ионизатора для замены пороговой части нагнетаемого воздуха, поступающего в катализатор, ионизированным воздухом от ионизатора. Например, напор насоса может быть отрегулирован так, чтобы обеспечить подачу пороговой части ионизированного воздуха. Величина пороговой части может быть определена в зависимости от соотношения температуры катализатора и пороговой температуры. Например, величина пороговой части может быть увеличена (путем увеличения выходной мощности насоса) по мере увеличения разницы между температурой катализатора и пороговой температурой. В соответствии с одним из примеров осуществления регулирование выходной мощности воздушного насоса обеспечивает возможность подачи в трубу ниже по потоку от катализатора воздуха из ионизатора, составляющего 15% суммарного массового расхода воздуха через цилиндры.
Помимо регулирования выходной мощности воздушного насоса для обеспечения ионизации порогового количества (или пороговой части) воздуха, подаваемого воздушным насосом, также может быть использовано регулирование выходной мощности (например, рабочей мощности) ионизатора. Например, рабочая мощность ионизатора может быть установлена такой, чтобы ионизированный воздух составлял 20% воздуха, подаваемого воздушным насосом. Количество вводимого ионизированного воздуха и/или скорость ввода ионизированного воздуха и/или длительность ввода ионизированного воздуха могут быть определены в зависимости от соотношения температуры катализатора и пороговой температуры.
На этапе 310 настоящего способа производят ввод ионизированного воздуха, выработанного при помощи воздушного насоса и ионизатора, в участок, расположенный ниже по потоку от катализатора отработавших газов в зависимости от температуры катализатора. Кроме того, окисления органических веществ может быть произведено с использованием ионизированного воздуха ниже по потоку от катализатора отработавших газов. В соответствии с одним из примеров осуществления органические вещества окисляют в смесительной камере (например, в глушителе), подсоединенной ниже по потоку от катализатора отработавших газов, после чего окисленные органические вещества выпускают из смесительной камеры в выхлопную трубу. Смешивание в глушителе обеспечивает возможность лучшего взаимодействия плазмы с органическими веществами. В данном контексте катализатор представляет собой окислительный катализатор отработавших газов, а ввод ионизированного воздуха в зависимости от температуры катализатора включает в себя начало ввода ионизированного воздуха при температуре катализатора ниже порогового значения, продолжение ввода ионизированного воздуха до достижения температурой катализатора порогового значения и прекращение ввода ионизированного воздуха после превышения температурой катализатора порогового значения. Как будет более подробно описано ниже, ввод ионизированного воздуха также может быть произведен в зависимости от предполагаемого содержания твердых частиц в отработавших газах.
На этапе 312 настоящего способа предусмотрено ограничение обогащения топливной смеси двигателя во время ввода ионизированного воздуха так, чтобы воздушно топливное отношение превышало пороговое значение. В соответствии с одним из примеров осуществления пороговое значение может быть больше или равно 0,90. В соответствии с другим примером осуществления обогащение топливной смеси двигателя может быть ограничено пороговым уровнем обогащения. Ограничение обогащения топливной смеси двигателя во время ввода в выпускную систему ионизированного воздуха позволяет предотвратить чрезмерное увеличение температуры отработавших газов. Это позволяет избежать повреждения компонентов выпускной системы, вызванного их перегревом.
В соответствии с некоторыми из примеров осуществления помимо регулирования степени сгорания в двигателя во время ввода ионизированного воздуха, воздушно-топливное отношение в катализаторе отработавших газов также может быть установлено на стехиометрическое или более богатое, чем стехиометрическое значение. Например, во время разогрева катализатора на холостом ходу воздушно-топливное отношение могут поддерживать на уровне, незначительно более бедном, чем стехиометрический, или на стехиометрическом уровне. Однако при обогащении в рабочем режиме воздушно-топливное отношение может быть установлено более богатым, чем стехиометрическое. Длительность и степень такого обогащения могут быть ограничены во время вода воздуха из ионизатора во избежание чрезмерно сильного выделения тепла при смешивании богатой воздушно-топливной смеси с ионизированным воздухом.
На этапе 314 настоящего способа определяют, выше ли температура отработавших газов (или температура катализатора отработавших газов) порогового значения, например, температуры запуска. Окисление органических веществ ионизированным воздухом приводит к выделению тепла. Если температура отработавших газов недостаточно высока, и катализатор отработавших газов все еще не запущен, то на этапе 316 настоящего способа продолжают подачу ионизированного воздуха в выпускную систему двигателя ниже по потоку от катализатора и продолжают окисление выбросов холодного запуска двигателя при помощи ионизированного воздуха. Если температура отработавших газов достаточно высока, и катализатор отработавших газов запущен, то на этапе 332 настоящего способа останавливают воздушный насос и отключают ионизатор, тем самым прекращая подачу ионизированного воздуха в выпускную систему.
Ввод ионизированного воздуха ниже по потоку обеспечивает возможность разогрева катализатора отработавших газов (например, окислительного катализатора или трехкомпонентного каталитического нейтрализатора) в условиях, близких к стехиометрическим, во время добавления дополнительного воздуха при более низких температурах для преобразования остаточных углеводородов в углекислый газ без формирования оксидов азота. Таким образом, ввод ионизированного воздуха ниже по потоку от катализатора отработавших газов обеспечивает возможность получения преимуществ, связанных с сокращением выбросов при холодном запуске двигателя. Следует понимать, что в соответствии с альтернативными примерами осуществления ионизированный воздух могут вводить выше по потоку от катализатора отработавших газов. Помимо преимуществ, связанных с сокращением выбросов, данный вариант осуществления также позволяет получить преимущества, связанные с нагревом. В частности, в случае ввода ионизированного воздуха выше по потоку для поддержания стехиометрического состояния трехкомпонентного каталитического нейтрализатора двигатель должен работать на богатой смеси, чтобы скомпенсировать эффект ввода потока ионизированного воздуха. Хотя это может способствовать ускорению нагревания катализатора, это также может привести к увеличению расхода топлива.
Если на этапе 304 устанавливают, что катализатор уже запущен, то способ переходит к этапу 317, на котором производят проверку необходимости работы двигателя на богатой смеси. В соответствии с одним из примеров осуществления временное использование богатой смеси может быть необходимо для защиты компонентов, например, если температура лопаток турбины (системы турбонаддува) или катализатора отработавших газов близка к пороговой температуре, что может привести к сокращению срока службы такого компонента. В случае необходимости работы двигателя на богатой смеси способ переходит к этапу 332 для отключения воздушного насоса и ионизатора, что приводит к прекращению подачи ионизированного воздуха в выпускную систему. Таким образом обеспечивают поддержание нижней по потоку части выпускной системы в пределах тех же пороговых условий, которые необходимы катализатору.
Если необходимость в работе двигателя на богатой смеси отсутствует, способ переходит к этапу 318, на котором предусмотрено вычисление ожидаемого содержания твердых частиц (ТЧ) в отработавших газах в соответствии с условиями работы двигателя. В соответствии с одним из примеров осуществления содержание ТЧ может быть определено по выходному сигналу сажевого датчика выпускной системы. В соответствии с другим примером осуществления содержание ТЧ может быть определено по требуемому оператором уровню крутящего момента и положению педали. Например, при высоком уровне требуемого оператором крутящего момента или при резком нажатии оператором на педаль содержание ТЧ в отработавших газах может возрастать.
На этапе 320 настоящего способа производят сравнение ожидаемого содержания ТЧ с пороговым значением. Если ожидаемое содержание ТЧ не превышает порогового значения, способ переходит к этапу 322, на котором может быть установлено, выполнены ли условия для регенерации фильтра ТЧ выпускной системы. Условия для регенерации фильтра ТЧ выпускной системы можно считать выполненными, если содержание ТЧ в фильтре ТЧ выпускной системы превышает пороговое значение.
Если ожидаемое содержание ТЧ превышает пороговое значение, или выполнены условия для регенерации фильтра ТЧ выпускной системы, способ переходит к этапу 324 для включения воздушного насоса и ионизатора. Как было описано выше, электрический воздушный насос и ионизатор могут быть использованы для замены пороговой части (например, 15%) воздуха, подаваемого в фильтр ТЧ, ионизированным воздухом, поступающим от ионизатора. Например, расход воздуха из насоса может быть отрегулирован так, чтобы обеспечить подачу пороговой части ионизированного воздуха. Величина пороговой части может быть определена в зависимости от соотношения содержания ТЧ (или содержания ТЧ в фильтре) и порогового содержания, причем пороговую часть увеличивают по мере увеличения разницы между этими значениями. Помимо регулирования выходной мощности воздушного насоса может быть использовано регулирование выходной мощности (например, рабочей мощности) ионизатора так, чтобы пороговое количество воздуха, подаваемого воздушным насосом, было ионизировано, например, чтобы 20% воздуха, подаваемого воздушным насосом, представляли собой ионизированный воздух. Одна или несколько из таких величин как количество вводимого ионизированного воздуха, скорость ввода ионизированного воздуха и длительность ввода ионизированного воздуха могут быть определены в зависимости от соотношения содержания ТЧ (или содержания ТЧ в фильтре) и порогового содержания.
На этапе 326 настоящего способа производят ввод ионизированного воздуха, полученного от воздушного насоса и ионизатора, в участок, расположенный ниже по потоку от катализатора отработавших газов и выше по потоку от фильтра ТЧ в зависимости от содержания ТЧ. Кроме того, окисление органических веществ при помощи ионизированного воздуха может происходить ниже по потоку от катализатора отработавших газов. Например, содержащиеся в отработавших газах ТЧ могут быть окислены при помощи ионизированного воздуха выше по потоку от фильтра ТЧ и ниже по потоку от катализатора отработавших газов. В соответствии с одним из примеров осуществления окисление органических веществ происходит в смесительной камере (например, в глушителе), подсоединенном ниже по потоку от катализатора отработавших газов и выше по потоку от фильтра ТЧ, после чего окисленные органические вещества выпускают из такой смесительной камеры в выхлопную трубу. В соответствии с настоящим решением ионизированный воздух вводят в зависимости от содержания ТЧ, причем ввод ионизированного воздуха начинают при превышении содержанием ТЧ порогового значения, продолжают вплоть до достижения содержанием ТЧ порогового значения и прекращают после падения содержания ТЧ ниже порогового значения.
Ввод ионизированного воздуха в зависимости от содержания ТЧ обеспечивает возможность получения нескольких преимуществ. В соответствии с одним из примеров осуществления лучшее прогнозирование условий образования высокого содержания ТЧ и ввод ионизированного воздуха в таких условиях обеспечивают возможность окисления ТЧ, содержащихся в отработавших газах, без необходимости накопления и последующего выжигания ТЧ. Таким образом обеспечивают снижение необходимости накопления ТЧ в фильтре. Другими словами, поток ионизированного воздуха может окислять ТЧ, содержащиеся в отработавших газах, по мере их образования. В соответствии с одним из примеров осуществления подача ионизированного воздуха в условиях высокого содержания ТЧ может устранить необходимость использования фильтра ТЧ в выпускной системе, что позволяет получить преимущества, связанные с уменьшением числа компонентов (например, снижение стоимости и повышение компактности). Кроме того, может быть устранена потребность в соответствующих датчиках температуры и давления, используемых для управления регенерацией фильтра. Даже при наличии фильтра ТЧ ввод ионизированного воздуха обеспечивает возможность уменьшения частоты регенерации фильтра ТЧ.
Кроме того, подача ионизированного воздуха в условиях заполнения фильтра ТЧ и необходимости его регенерации обеспечивает возможность регенерации фильтра при существенно более низких температурах отработавших газов, так как поток ионизированного воздуха окисляет сажу при значительно более низких температурах, чем известные методики регенерации фильтра. Кроме того, может быть устранена необходимость работы в условиях ОТРЗ для регенерации фильтра. Добавление ионизированного воздуха ниже по потоку от катализатора отработавших газов позволяет выгодно использовать катализатор отработавших газов (например, ТКН) для регулирования воздушно-топливного отношения газообразных выбросов. Поддержание ТКН в режиме, близком к стехиометрическому, минимизирует выбросы углеводородов (НС) и оксидов азота, что обеспечивает возможность значительного смешивания потока, выходящего из катализатора, с ионизированным воздухом для сокращения выбросов твердых частиц. Таким образом, содержание твердых частиц может быть уменьшено без увеличения выбросов оксидов азота, которое происходило бы в случае ввода воздушного потока до ТКН.
При вводе ионизированного воздуха обогащение топливной смеси двигателя может быть ограничено нижним порогом воздушно-топливного отношения. В соответствии с одним из примеров осуществления воздушно-топливное отношение может быть ограничено диапазоном, не меньшим 0,90. Ограничение обогащения топливной смеси двигателя в условиях ввода ионизированного воздуха в выпускную систему позволяет избежать чрезмерного повышения температуры отработавших газов. Это обеспечивает возможность предотвращения повреждения компонентов выпускной системы, вызванного перегревом.
На этапе 328 настоящего способа определяют, ниже ли содержание ТЧ порогового значения или была ли произведена регенерация фильтра. В случае отрицательного результата проверки («НЕТ») способ переходит к этапу 330, на котором подачу ионизированного воздуха в выпускную систему двигателя продолжают. В противном случае способ переходит к этапу 332, на котором воздушный насос и ионизатор могут быть выключены, что приводит к прекращению подачи ионизированного воздуха в выпускную систему.
Таким образом, ионизированный воздух может быть выгодно использован во время работы двигателя для ускорения нагревания выпускной системы, запуска катализатора и регулирования содержания ТЧ. Снижение потребности в существенном запаздывании зажигания при холодном запуске обеспечивает возможность снижения ШВР в результате уменьшения шума от широко открытой дроссельной заслонки, возникающего при значительном запаздывании зажигания. Кроме того, может быть уменьшено содержание благородных металлов в катализаторе отработавших газов, что снижает стоимость катализатора.
В соответствии с одним из примеров осуществления способ эксплуатации системы гибридного транспортного средства включает в себя: использование ионизатора для ввода ионизированного воздуха ниже по потоку от катализатора отработавших газов при температуре катализатора отработавших газов ниже порога запуска и/или содержании твердых частиц в отработавших газах выше порогового значения. Содержание твердых частиц в отработавших газах может представлять собой предполагаемое содержание твердых частиц в отработавших газах, оцененное сажевым датчиком, ожидаемое содержание твердых частиц в отработавших газах, вычисленное в соответствии с условиями работы двигателя, или содержание сажи в фильтре твердых частиц, подсоединенном ниже по потоку от катализатора отработавших газов. Способ может дополнительно включать в себя продолжение работы ионизатора до достижения или превышения температурой катализатора отработавших газов порога запуска или падения содержания твердых частиц в отработавших газах ниже порогового значения. Использование ионизатора включает в себя активацию ионизатора и регулирование выходной мощности электрического воздушного насоса, соединенного с ионизатором, для обеспечения добавления пороговой части ионизированного воздуха к воздушному потоку, поступающему ниже по потоку от катализатора отработавших газов.
Способ может дополнительно включать в себя ограничение воздушно-топливного отношения в камере сгорания двигателя значениями, большими или равными пороговому воздушно-топливному отношению, причем пороговое воздушно-топливное отношение определяют в зависимости от длительности ввода или количества ионизированного воздуха, вводимого ниже по потоку от катализатора. Кроме того, способ может включать в себя отключение ионизатора в случае получения запроса на обогащение топливной смеси двигателя для защиты компонентов двигателя. Способ может дополнительно включать в себя окисление содержащихся в отработавших газах органических веществ, в том числе содержащихся в отработавших газах твердых частиц, в смесительной камере, расположенной ниже по потоку от катализатора отработавших газов, и выпуск окисленных органических веществ и тепла из смесительной камеры в выхлопную трубу.
Следует понимать, что использование ионизированного воздуха для сокращения выбросов холодного запуска в гибридных электромобилях позволяет увеличить длительность периодов отключения двигателя, так как включение двигателя может быть произведено при более низких температурах катализатора. В соответствии с одним из примеров осуществления система гибридного транспортного средства содержит двигатель, содержащий впускную систему и выпускную систему, причем выпускная система содержит окислительный катализатор; электрический воздушный насос для подачи воздуха в ионизатор; ионизатор для преобразования воздуха в ионизированный воздух; электромотор; колеса транспортного средства, приводимые в движение двигателем и/или электромотором; и контроллер. Контроллер может быть запрограммирован сохраненными в долговременной памяти машиночитаемыми инструкциями для: прекращения приведения в движение транспортного средства с помощью электромотора и одновременной работы двигателя с запаздыванием зажигания для увеличения температуры катализатора до уровня, превышающего пороговое значение, во время первого холодного запуска двигателя в ездовом цикле. Затем, во время последующего второго холодного запуска двигателя в ездовом цикле, контроллер может продолжить приведение в движение транспортного средства от электромотора во время охлаждения катализатора до более низкой температуры. Затем, во время работы двигателя, контроллер может осуществлять подачу ионизированного воздуха в выпускную систему двигателя, ниже по потоку от катализатора отработавших газов, для снижения выбросов НС в выхлопную трубу, вплоть до превышения температурой катализатора отработавших газов порогового значения. Таким образом может быть обеспечено снижение выбросов до низкого уровня, недостижимого при использовании только запаздывания зажигания при холодном катализаторе.
Первый холодный запуск двигателя в ездовом цикле может произойти в случае начального падения температуры катализатора отработавших газов во время приведения в движение транспортного средства от электромотора, а второй холодный запуск двигателя в ездовом цикле может произойти в случае последующего падения температуры катализатора отработавших газов при работе транспортного средства от электромотора. Во время первого холодного запуска двигателя в ездовом цикле температура катализатора отработавших газов может падать до более низкого значения, чем во время второго холодного запуска двигателя в ездовом цикле. Кроме того, содержание твердых частиц в отработавших газах во время первого холодного запуска двигателя в ездовом цикле может быть выше, чем содержание твердых частиц в отработавших газах во время второго холодного запуска двигателя в ездовом цикле. Контроллер может содержать дополнительные инструкции для подачи ионизированного воздуха в выпускную систему двигателя при помощи ионизатора и регулирования выходной мощности электрического воздушного насоса в соответствии с разницей между температурой катализатора отработавших газов и пороговой температурой.
На фиг. 4 представлен график 400, иллюстрирующие один из примеров использования ионизированного воздуха в выпускной системе двигателя в зависимости от температуры катализатора и содержания твердых частиц. На графике 400 представлены кривая 402 температуры катализатора отработавших газов, кривая 404 содержания ТЧ в отработавших газах, кривая 406 расхода ионизированного воздуха, кривая 408 положения педали оператора, кривая 410 впрыска топлива в двигатель, кривая 412 воздушно-топливного отношения отработавших газов, кривая 414 скорости транспортного средства и кривая 416 запаздывания зажигания (относительно ОМЗ). В данном примере осуществления транспортное средство представляет собой гибридное транспортное средство, которое может быть приведено в движение двигателем, электромотором или их сочетанием.
До момента t1 транспортное средство работает в режиме электромобиля, в котором крутящий момент поступает на колеса только от электромотора. Сгорание в двигателе не происходит, и двигатель не производит и не передает на колеса крутящий момент. В момент t1 оператор может потребовать увеличения скорости транспортного средства путем резкого нажатия на педаль. Для обеспечения требуемого крутящего момента может быть запущен двигатель. Соответственно, для обеспечения возможности производства двигателем крутящего момента могут быть возобновлены подача топлива и зажигание. Однако в этом момент температура катализатора ниже температуры его запуска. Для уменьшения выбросов холодного запуска, возникающих при неработающем катализаторе, двигатель работает с некоторым запаздыванием зажигания. Кроме того, производят ввод ионизированного воздуха в выпускной канал ниже по потоку от катализатора отработавших газов. В данном примере осуществления ввод ионизированного воздуха производят с заранее определенным расходом, однако следует понимать, что в соответствии с альтернативными примерами осуществления расход ионизированного воздуха также может быть переменным. Использование некоторого запаздывания зажигания относительно ОМЗ обеспечивает возможность повышения температуры отработавших газов и, следовательно, температуры катализатора отработавших газов. Одновременный ввод ионизированного воздуха во время запуска катализатора обеспечивает возможность окисления ионизированным воздухом необработанных углеводородов, не преобразованных катализатором, что уменьшает содержание выбросов отработавших газов. Таким образом, если бы ввод ионизированного воздуха не был произведен во время холодного запуска, уровень выбросов ТЧ в отработавших газах мог быть значительно выше, как показывает штриховая кривая 401. Также следует понимать, что использование ввода ионизированного воздуха во время холодного запуска для уменьшения выбросов отработавших газов для нагревания катализатора может быть использовано меньшее запаздывание зажигания. В соответствии с одним из примеров осуществления между моментами t1 и t2 запаздывание зажигания относительно ОМЗ может иметь меньшую величину и/или меньшую длительность, чем запаздывание зажигания, проиллюстрированное кривой 416.
К моменту t2 катализатор может быть достаточно разогрет, и, следовательно, подача ионизированного воздуха может быть прекращена. Кроме того, момент зажигания может быть снова установлен на ОМЗ, и дальнейшее запаздывание зажигания для разогрева катализатора может не использоваться. Между моментами t2 и t3 транспортное средство может продолжать работу с получением по меньшей мере части крутящего момента от двигателя. В момент t3 оператор может снова резко нажать на педаль. Например, оператор может произвести кратковременное резкое нажатие на педаль для широкого открытия дроссельной заслонки. При таком нажатии на педаль содержание выбросов ТЧ в отработавших газах может возрасти. Для компенсации такого увеличения содержания ТЧ в момент t3 возобновляют подачу ионизированного воздуха в выпускную систему двигателя ниже по потоку от катализатора отработавших газов на время нажатием оператором на педаль и обработки сажи, содержащейся в отработавших газах. Ввод ионизированного воздуха в условиях повышения уровня содержания ТЧ в отработавших газах обеспечивает возможность окисления сажи по мере ее образования, что позволяет предотвратить увеличение содержания выбросов отработавших газов. В частности, подача ионизированного воздуха при повышении ожидаемых уровней содержания сажи обеспечивает возможность снижения выбросов ТЧ в отработавших газов до более низкого уровня, чем в других случаях. Например, в отсутствие подачи ионизированного воздуха содержание выбросов ТЧ в отработавших газов могло бы быть выше, как показывает штриховая кривая 403.
В момент t4 требуемый оператором уровень крутящего момента может упасть до уровня, на котором может быть использован только крутящий момент, получаемый от электромотора. Соответственно, двигатель может быть отключен, и для приведения транспортного средства в движение может быть использован только электромотор.
Между моментами t4 и t5, поскольку транспортное средство работает только на электромоторе, температура катализатора начинает падать. К моменту t5 температура катализатора может быть достаточно низкой для образования ТЧ в отработавших газах в случае запуска двигателя (обозначено штриховой кривой 405). Соответственно, в момент t5 в выпускную систему ниже по потоку от катализатора отработавших газов может быть подан ионизированный воздух для сокращения выбросов ТЧ в отработавших газах. К моменту t6 температура катализатора может упасть еще ниже, и может быть необходимо включение двигателя для разогрева катализатора. Соответственно, в момент t6 производят запуск двигателя с запаздыванием зажигания для ускорения разогрева катализатора. При этом включение двигателя может быть отложено до момента t6, то есть до более низкой температуры катализатора, чем возможно в других случаях. В частности, в отсутствие подачи ионизированного воздуха включение двигателя может быть необходимо в момент t5.
В соответствии с другим представлением в течение некоторого ездового цикла в случае первого падения температуры катализатора отработавших газов во время работы гибридного транспортного средства от электромотора контроллер может немедленно перейти в режим работы с включенным двигателем с запаздыванием зажигания и поддерживать работу двигателя по меньшей мере до превышения температурой катализатора отработавших газов порогового значения. В то же время, в случае второго, последующего падения температуры катализатора отработавших газов во время работы гибридного транспортного средства от электромотора контроллер может поддерживать работу электромотора с одновременным вводом ионизированного воздуха в выпускную систему двигателя ниже по потоку от катализатора отработавших газов до превышения температурой катализатора отработавших газов порогового значения.
Таким образом, может быть обеспечено сокращение выбросов твердых частиц в отработавших газах и выбросов холодного запуска двигателя без использования методов ускорения разогрева катализатора, связанных с повышенным расходом топлива. Технический эффект ввода ионизированного воздуха в выпускную систему двигателя ниже по потоку от катализатора отработавших газов состоит в обеспечении возможности окисления выбросов холодного запуска и ТЧ, содержащихся в отработавших газах, по мере их образования, что приводит к сокращению выбросов отработавших газов. Такое решение не только сокращает потребность в выпускных фильтрах твердых частиц, но и уменьшает стоимость и сложность управления регенерацией фильтров, а именно устраняет потребность в работе двигателя на бедной смеси, использовании дополнительных датчиков температуры и давления, а также необходимость произведения регенерации исключительно в условиях ОТРЗ. Кроме того, может быть облегчена компоновка системы. Нежелательные тепловые эффекты, связанные с чрезмерной активизацией фильтра, также могут быть ослаблены благодаря меньшим уровням накопления сажи. Кроме того, может быть уменьшена частота холодных запусков и, таким образом, может быть обеспечена возможность обработки выбросов по мере их образования без необходимости использования для ускорения разогрева катализатора методов, связанных с повышенным расходом топлива, например, чрезмерного запаздывания зажигания. Также может быть уменьшена необходимость использования в катализаторе отработавших газов благородных металлов, что снижает стоимость катализатора. Кроме того, добавление ионизированного воздуха ниже по потоку от катализатора отработавших газов обеспечивает возможность работы катализатора в режиме, близком к стехиометрическому, что позволяет сократить выбросы ТЧ без увеличения выбросов оксидов азота. В целом, может быть обеспечено увеличение экономии топлива при сокращении содержания выбросов отработавших газов.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, причем описанные действия могут выполняться путем исполнения инструкций в системе, содержащей различные аппаратные компоненты в сочетании с электронным контроллером.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.