СПОСОБ НАДДУВА ВПУСКНОГО КОЛЛЕКТОРА ДВИГАТЕЛЯ
ENGINE INTAKE MANIFOLD FORCED ASPIRATION

Область техники, к которой относится изобретение
Данная заявка относится к области автомобильной техники и, в частности, к рециркуляции отработавших газов (РОГ) в системах двигателей транспортных средств.
Уровень техники
Двигатель с наддувом характеризуются более высокими температурами сгорания и выхлопа по сравнению с двигателем без наддува с эквивалентной полезной мощностью. При таких температурах могут образовываться выбросы с более высоким содержанием оксида азота (NOX), а также происходит ускоренное старение материалов в двигателе и соответствующей системе выпуска отработавших газов. Рециркуляция отработавших газов (РОГ) является одним из способов борьбы с этими эффектами. Принцип работы системы РОГ заключается в снижении содержания кислорода в порции входящего воздуха посредством его разбавления отработавшими газами. Использование разбавленной смеси воздуха с отработавшими газами для поддержания сгорания в двигателе вместо обычного воздуха приводит к более низким температурам сгорания и температурам выпускных газов. Система РОГ также повышает экономию топлива в бензиновых двигателях посредством снижения потерь вследствие дросселирования и отвода тепла.
В системе двигателя с наддувом, оснащенной компрессором турбонагнетателя и турбиной, отработавшие газы могут быть рециркулированы через контур РОГ высокого давления (ВД) или через контур РОГ низкого давления (НД). В контуре РОГ ВД отработавшие газы отбираются выше по потоку от турбины и смешиваются с впускаемым воздухом ниже по потоку от компрессора. В контуре РОГ НД отработавшие газы отбираются ниже по потоку от турбины и смешиваются с впускаемым воздухом выше по потоку от компрессора. Принципы работы системы РОГ ВД и НД позволяют достичь оптимальной эффективности на различных участках регулировочной характеристики скорость-нагрузка двигателя. Например, для рабочего стехиометрического отношения воздуха к топливу в бензиновых двигателях с наддувом система РОГ ВД предпочтительна при низких нагрузках, при которых разряжение на впуске обеспечивает достаточный потенциал потока; система РОГ НД предпочтительна при более высоких нагрузках, при которых контур РОГ НД обеспечивает более высокий потенциал потока. Существуют различные другие компромиссные решения между двумя подходами как для бензиновых, так и для дизельных двигателей. Такая взаимодополняемость побудила конструкторов двигателей рассмотреть наличие резервируемых систем РОГ как с контуром РОГ ВД, так и с контуром РОГ НД.
Расходы системы РОГ, необходимые для поддержания выбросов NOX в допустимых пределах, являются довольно высокими, особенно в дизельных двигателях с наддувом. Это может привести к ряду проблем. Во-первых, высокий уровень разбавления впускаемого воздуха может привести к низкой стабильности сгорания при более низких нагрузках двигателя, вызывая выбросы с повышенным содержанием углеводорода (НС) и оксида углерода (СО). Во-вторых, при высоких расходах системы РОГ ВД значительно снижается массовый расход через компрессор, что приводит к предрасположенности компрессора к помпажу. Для решения первого вопроса, для повышения температуры воздуха в коллекторе (ТВК) к впускаемому воздуху может подмешиваться неохлажденный (т.н. байпассированный, обходной) поток отработавших газов системы рециркуляции ВД. Для решения второго вопроса может использоваться система РОГ НД. Система РОГ НД увеличивает поток через компрессор, предотвращая его помпаж, но охлаждая его посредством пропускания через охладитель наддувочного воздуха. В кратком изложении, для достижения высокой ТВК отработавшие газы могут направляться через неохлаждаемую систему РОГ ВД, но это может привести к помпажу. Во избежание помпажа отработавшие газы могут направляться через хорошо охлаждаемую систему РОГ НД, но это приведет к увеличению выбросов НС и СО. При этом дополнительное или альтернативное использование охлаждаемой системы РОГ ВД может вызвать дополнительные проблемы. Например, при снижении расхода РОГ ВД ниже надлежащего уровня может произойти избыточное загрязнение охладителя системы РОГ.
При более высоких нагрузках и скоростях двигателя по-прежнему возникают другие вопросы. Направление отработавших газов через контур РОГ НД приводит к общему увеличению расхода через компрессор, что может вызвать состояние заброса оборотов и снижению КПД компрессора. Данное состояние, при его избыточном проявлении, может привести к блокировке нагнетания компрессора. Направление отработавших газов через контур РОГ НД также приводит к повышению температуры газа на входе в компрессор, что, в свою очередь, приводит к повышению температуры на выходе из компрессора. С другой стороны, неохлажденные газы из системы РОГ ВД при высоких нагрузках могут привести к избыточной ТВК, снижая мощность двигателя и/или вызывая избыточный выходящий поток дыма из двигателя. Данные условия могут также привести к предрасположенности компрессора к помпажу.
Прочие разнообразные проблемы возникают во время переходных состояний. Система РОГ НД, улучшая КПД турбокомпрессора при более низких нагрузках на двигатель, требует более продолжительного времени на продувку из системы впуска воздуха. Это происходит по причине того, что объем продувки включает не только впускной коллектор, но все компоненты между впускным коллектором и впуском компрессора. Хотя система РОГ ВД и обеспечивает легкость ее продувки из впускного коллектора, она снижает массовый поток через турбину. Это приводит к снижению скорости потока через турбокомпрессор, а следовательно, к увеличению запаздывания. Таким образом, оба способа РОГ могут потенциально снизить способность двигателя реагировать на переходные состояния по нагрузке и скорости.
Дальнейшие проблемы возникают при нагревании катализатора - другое переходное состояние. Система РОГ НД, охлаждаемая надлежащим образом, не обеспечивает температуры отработавших газов, равные температурам системы РОГ ВД. Таким образом, в некоторых случаях при работе системы РОГ НД катализаторный дожиг может быть недопустимым образом замедлен. С другой стороны, неохлаждаемая система РОГ ВД обеспечивает более высокие температуры отработавших газов, но выдает в значительной степени сниженный массовый поток через систему выпуска отработавших газов. Это может привести к снижению тепловой энергии отработавших газов, а также к снижению коэффициента теплопередачи.
Раскрытие изобретения
Изобретатели в данном документе выявили эти проблемы и взаимосвязь между ними и разработали ряд подходов к их решению. Таким образом, одним из вариантов исполнения данного изобретения является способ наддува впускного коллектора двигателя. Данный способ состоит в регулировании расхода РОГ НД и расхода неохлаждаемой РОГ ВД в пределах первых ограничений для обеспечения целевого уровня разбавления во впускном коллекторе в установившемся состоянии. Далее способ включает регулирование расходов РОГ НД и неохлаждаемой РОГ ВД в пределах вторых ограничений, отличающихся от первых, для поддержания целевого уровня разбавления во впускном коллекторе во время переходных состояний. Данным образом возможно согласованное управление РОГ ВД и НД во время установившихся или переходных состояний. Посредством динамического изменения значений, охватывающих расходы РОГ ВД и НД, в зависимости от условий, возможно увеличение продолжительности срока службы двигателя, экономии топлива и улучшение контроля выбросов при обеспечении быстрой реакции на переходные состояния.
Подразумевается, что целью краткого описания, представленного выше, является предоставление в упрощенной форме отдельных концепций, описание которых приведено далее детально. Данное краткое описание не предназначено для определения ключевых или существенных характеристик заявленного объекта, область применения которого определена в формуле изобретения, следующей после подробного описания. Кроме того, заявленный объект не ограничен областями реализации, устраняющими какие-либо недостатки, указанные в данном документе.
Краткое описание чертежей
На ФИГ.1 и 2 схематично представлены особенности примера систем автомобильных двигателей в соответствии с вариантами исполнения данного изобретения.
На ФИГ.3 схематично представлены особенности примера системы охлаждения автомобиля в соответствии с вариантом исполнения данного изобретения.
На ФИГ.4-8 представлены примеры способов наддува впускного коллектора системы двигателя в соответствии с другими вариантами исполнения данного изобретения.
Осуществление изобретения
Сущность раскрытия данного изобретения представлена с использованием примеров с чертежами, иллюстрирующими варианты исполнения изобретения, перечисленными выше. Компоненты, этапы процесса и прочие элементы, которые могут быть по существу аналогичными в одном или более исполнении, указаны согласованно с описанием, содержащим минимум повторений. Однако необходимо отметить, что элементы, указанные согласованно, могут в определенной степени различаться. Кроме того, необходимо отметить, что рисунки, включенные в данное описание изобретения, являются схематичными и в целом выполнены не в масштабе. Различные масштабные линейки, отношения размеров и номера компонентов, показанные на рисунках, обычно преднамеренно искажены для обеспечения более легкого понимания определенных особенностей и взаимосвязей.
На ФИГ.1 схематично представлены особенности примера устройства двигателя 10 в одном из вариантов исполнения. В устройстве двигателя 10 воздушный фильтр 12 подсоединен ко входу в компрессор 14. Воздушный фильтр всасывает окружающий воздух и подает отфильтрованный, свежий воздух в компрессор. Компрессором может являться соответствующий компрессор впускного воздуха, например, компрессор наддува с приводом от двигателя или приводного вала. В варианте исполнения, изображенном на ФИГ.1, компрессор представляет собой компрессор турбонагнетателя, который механически соединен с турбиной 16, при этом турбина приводится в действие за счет расширяющихся выпускных газов двигателя, поступающих из выпускного коллектора 18. Клапан сброса давления 20 подсоединен через компрессор от выпускного отверстия к впускному таким образом, что некоторая часть или вся порция сжатого воздуха ниже по потоку от компрессора может быть сброшена выше по потоку от компрессора. Данная операция, например, может быть выполнена для предотвращения или ослабления помпажа компрессора. В одном из вариантов исполнения компрессор и турбина могут быть соединены, формируя двуспиральный турбонагнетатель. В другом исполнении компрессор и турбина могут быть соединены в пределах турбонагнетателя с изменяемой геометрией турбины (VGT), в котором геометрия турбины активно изменяется в зависимости от скорости двигателя. В других исполнениях клапан сброса давления компрессора может быть использован для сброса порции сжатого воздуха в другую часть системы двигателя.
В системе двигателя 10 выпуск компрессора 14 соединен с охладителем воздуха наддува 22А. В одном из вариантов исполнения охладителем воздуха наддува является газожидкостный теплообменник, выполненный с возможностью охлаждения наддуваемого сжатого воздуха до температуры, пригодной для приема впускным коллектором 24. В другом исполнении охладителем воздуха наддува может быть воздухо-воздушный теплообменник. Выпуск охладителя воздуха наддува соединен с впускным коллектором через впускной дроссельный клапан 26.
Впускной коллектор 24 и выпускной коллектор 18 подсоединены соответствующим образом к ряду камер сгорания 28 через ряд впускных клапанов 30 и выпускных клапанов 32. В одном из вариантов исполнения, все впускные и выпускные клапаны могут приводиться в действие при помощи электронных устройств. В другом исполнении, все впускные и выпускные клапаны могут быть снабжены кулачковым приводом. При использовании как электронного, так и кулачкового привода синхронизация открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов может при необходимости регулироваться с обеспечением требуемых характеристик по сгоранию и контролю выбросов. В частности, регулировка синхронизации клапанов может быть выполнена таким образом, что сгорание инициируется при наличии в одной или более камерах сгорания существенного количества отработавших газов от предыдущего сгорания. Такая отрегулированная синхронизация клапанов способна обеспечить возможность режима «Внутренней РОГ», пригодного для снижения пиковой температуры сгорания при выбранных рабочих условиях. В некоторых исполнениях отрегулированная синхронизация клапанов может быть использована в качестве дополнения к режимам «Внешней РОГ», описание которых приведено ниже.
На ФИГ.1 показана электронная система управления 34. В вариантах исполнения, в которых по меньшей мере один впускной или выпускной клапан сконфигурирован для открытия и закрытия в соответствии с регулируемой синхронизацией, управление регулируемой синхронизацией может осуществляться посредством электронной системы управления для регулировки количества отработавших газов в камере сгорания в момент зажигания. Для оценки рабочих условий в отношении различных функций управления системой двигателя электронная система управления может быть функционально связана со множеством датчиков, расположенных по всей системе двигателя: датчиками расхода, датчиками температуры, датчиками положения педали, датчиками давления и т.д.
В камерах сгорания 28 сгорание может быть произведено посредством искрового зажигания и/или воспламенения сжатием в любом варианте. Кроме того, в камеры сгорания могут подаваться различные виды топлива: бензин, спирты, дизельное топливо, биодизельное топливо, сжатый природный газ и т.д. Топливо может подаваться в камеры сгорания посредством прямого впрыска, впрыска во впускные каналы, центрального впрыска или их сочетания.
В системе двигателя 10 охладитель РОГ ВД 22В подсоединен ниже по потоку от выпускного коллектора 18 и выше по потоку от турбины 16. Охладитель РОГ ВД представляет собой газожидкостный теплообменник, конструкция которого позволяет охлаждать отработавшие газы до температур, пригодных для смешивания с порцией сжатого воздуха. Из охладителя РОГ ВД поток отработавших газов ВД направляется через дозирующий клапан 36 во впускной коллектор 24; дозирующий клапан регулирует поток рециркулированных отработавших газов через внешний канал РОГ ВД системы двигателя. В общем случае дозирующий клапан, регулирующий РОГ, может располагаться либо выше, либо ниже по потоку от охладителя РОГ. Кроме того, могут быть включены трубопровод и клапан байпасирования охладителя для обеспечения канала РОГ, не проходящего через охладитель. Такая конфигурация, описание которой приведено далее, может быть использована для направления в значительной степени не охлажденного потока РОГ ВД во впускной коллектор.
Система двигателя 10 также включает перепускной клапан 38, подсоединенный параллельно турбине 16 между ее впускным и выпускным отверстиями. Отработавшие газы из выпускного коллектора 18 направляются в турбину 16 для приведения ее в действие, как указано выше. При необходимости сниженного момента вращения турбины некоторое количество отработавших газов может быть направлено через перепускной клапан 38 для обхода турбины. Комбинированный поток из турбины и перепускного клапана далее проходит через устройства доочистки отработавших газов 40, 42 и 44. Характер, количество и расположение устройств доочистки отработавших газов могут варьироваться в различных вариантах исполнения данного описания изобретения. В общем случае, устройства доочистки отработавших газов могут включать по меньшей мере один катализатор доочистки отработавших газов, сконфигурированный для каталитической очистки потока отработавших газов для снижения количества одного или более веществ в потоке отработавших газов. Например, один катализатор доочистки отработавших газов может быть сконфигурирован для очистки потока отработавших газов от NOX в случае слабо насыщенного потока или снижения содержания улавливаемого NOX при более насыщенном потоке отработавших газов. В других примерах катализатор доочистки отработавших газов может быть сконфигурирован для диспропорционирования NOX или для селективного снижения содержания NOX при помощи восстановителя. В других примерах катализатор доочистки отработавших газов может быть сконфигурирован для окисления остаточных углеводородов и/или оксида углерода в потоке отработавших газов. Различные катализаторы доочистки отработавших газов с аналогичной функциональностью могут быть размещены в реактивных покрытиях или в иных местах в устройствах доочистки отработавших газов, раздельно или вместе. В одном из вариантов исполнения устройства доочистки отработавших газов могут включать регенерируемый сажевый фильтр, сконструированный для улавливания и окисления частиц сажи в потоке отработавших газов. В данном и других исполнениях устройство доочистки отработавших газов 40 может включать катализатор дожига и/или трехкомпонентный катализатор.
Далее по ФИГ.1, система двигателя 10 включает выпускной дроссельный клапан 46. Выпускной дроссельный клапан представляет собой регулируемый клапан, сконструированный для регулирования давления отработавших газов ниже по потоку от турбины 16. Данное средство управления может быть использовано для регулирования потока РОГ НД (см. ниже) или для других целей. Глушитель 48 подсоединен ниже по потоку от выпускного дросельного клапана. Весь поток очищенных отработавших газов или его часть из устройств доочистки отработавших газов могут быть сброшены в окружающую среду через глушитель. Тем не менее в зависимости от рабочих условий некоторое количество очищенных отработавших газов может быть отобрано через охладитель РОГ НД 22С. Охладитель РОГ НД представляет собой газожидкостный теплообменник, сконструированный для охлаждения отработавших газов до температур, пригодных для смешивания с впускаемым потоком воздуха. Из охладителя РОГ НД отработавшие газы НД направляются на вход компрессора 14. В представленном исполнении поток РОГ НД может частично регулироваться через выпускной дроссельный клапан 46. Частичное закрытие выпускного дроссельного клапана приводит к увеличению потенциала потока РОГ НД в системе двигателя 10.
В некоторых вариантах исполнения клапан сброса давления 20, впускной дроссельный клапан 26, дозирующий клапан 36, перепускной клапан 38 и выпускной дроссельный клапан 46 могут регулироваться электронным способом, с возможностью открытия и закрытия по команде электронной системы управления 34. Кроме того, один или более из данных клапанов могут быть постоянно регулируемыми. Электронная система управления может быть функционально связана с каждым клапаном и сконфигурирована для выдачи команды на их открытие, закрытие и/или регулировку в соответствии с необходимостью введения функций управления, описание которых приведено в данном документе.
Посредством надлежащего управления дозирующим клапаном 36 и выпускным дроссельным клапаном 46 и с помощью регулирования синхронизации выпускного и впускного клапанов (см. выше), электронная система управления 34 может обеспечивать подачу системой двигателя 10 всасываемого воздуха в камеры сгорания 28 при изменяющихся рабочих условиях. Это включает условия, при которых РОГ исключается из впускного воздуха или обеспечивается в качестве внутренней системы для каждой камеры сгорания (посредством, например, регулируемой синхронизации клапанов); условия, при которых РОГ отбирается из точки отвода выше по потоку от турбины 16 и подается в точку смешения ниже по потоку от компрессора 14 (внешняя система РОГ ВД); и условия, при которых газы в РОГ отбираются из точки отвода ниже по потоку от турбины и подаются в точку смешения выше по потоку от компрессора (внешняя система РОГ НД).
Подразумевается, что все особенности, указанные на ФИГ.1, не рассматриваются как ограничивающие. В частности, точки отвода и точки смешения для внешних систем РОГ ВД и НД могут различаться в вариантах исполнения, полностью согласующихся с данным описанием изобретения. Например, в то время как на ФИГ. 2 изображена внешняя РОГ НД, в которую газы отбираются ниже по потоку от устройства доочистки отработавших газов 40, газы во внешнюю РОГ НД в прочих исполнениях могут отбираться ниже по потоку от устройства доочистки отработавших газов 44 или выше по потоку от устройства доочистки отработавших газов 40. Хотя детальное описание точек смешения потоков РОГ ВД и НД в данном документе не представлено, они могут включать надлежащую конфигурацию смешения газа.
На ФИГ.2 схематически изображен пример, демонстрирующий особенности другой системы двигателя 50 в одном из вариантов исполнения. Аналогично системе двигателя 10 система двигателя 50 включает канал внешней системы РОГ ВД и канал внешней системы РОГ НД. Тем не менее в системе двигателя 50 дозирующий клапан 52 подсоединен ниже по потоку от охладителя 22С системы РОГ НД и используется для регулирования расхода системы РОГ НД. Соответственно, система двигателя 50 не включает выпускной дроссельный клапан. Подразумевается, что прочие варианты исполнения, полностью согласующиеся с данным описанием изобретения, могут включать как дозирующий клапан в канале системы РОГ НД, так и выпускной дроссельный клапан.
На ФИГ.3 схематически отображен пример, демонстрирующий особенности системы охлаждения 54 автомобиля. Система охлаждения включает насос для хладоносителя 56. Конфигурация насоса для хладоносителя должна выполняться для направления жидкостного хладоносителя двигателя, например, воды или низкозамерзающей охлаждающей жидкости на основе воды, через трубопроводы, соединяющие различные компоненты системы охлаждения. Система охлаждения также включает теплообменник 22. Например, теплообменники могут включать охладитель наддувочного воздуха 22А, охладитель системы РОГ ВД 22В, охладитель системы РОГ НД 22С, или фактически любой другой газожидкостный теплообменник системы автомобильного двигателя.
Теплообменник 22 включает внутренний трубопровод газа 58 для пропуска потока газа, например, потока воздуха или потока отработавших газов. Теплообменник также включает внутренний трубопровод хладоносителя 60 для пропуска жидкостного хладоносителя двигателя. Как показано на ФИГ.3, внутренний трубопровод хладоносителя теплообменника является частью закрытого контура хладоносителя. Закрытый контур хладоносителя включает радиатор 62 и прочие компоненты двигателя. В одном из вариантов исполнения закрытый контур хладоносителя может включать множество водяных рубашек системы двигателя, в которой устанавливается система охлаждения 54.
В теплообменнике 22 конфигурация внутренних трубопроводов газа и хладоносителя должна быть выполнена таким образом, чтобы увеличивать скорость теплообмена между газом и жидкостью, протекающими в них. С этой целью теплообменник может обеспечивать протяженную (например, извилистую) общую контактную поверхность между трубопроводами. Аналогично этому, конфигурация трубопровода хладоносителя радиатора 62 должна быть выполнена с возможностью увеличения теплообмена с окружающим воздухом. В данной конфигурации, представленной на ФИГ.3, вентилятор 64 расположен напротив радиатора и сконфигурирован для увеличения конвекции окружающего воздуха вокруг и внутри радиатора.
При некоторых условиях система охлаждения 54 может быть сконфигурирована для контролируемого ограничения скорости теплообмена в теплообменнике 22 и/или радиаторе 62. Подобный контроль может быть обеспечен через электронную систему управления 34 или любую другую электронную систему управления автомобиля, в котором установлена система охлаждения 54. В исполнении, изображенном на ФИГ.3, в состав теплообменника входит двухходовой байпасный клапан 66, который управляемо перенаправляет часть потока газа через внешний трубопровод газа 68. Теплообменник также включает двухходовой байпасный клапан 70, который управляемо перенаправляет часть потока хладоносителя через внешний трубопровод хладоносителя 72. Двухходовые байпасные клапаны могут, например, представлять собой дозирующие клапаны с электронным управлением. В изображенном варианте исполнения двухходовой байпасный клапан 70 обеспечивает два положения потока: первое положение, при котором хладоноситель направляется из радиатора через внутренний трубопровод хладоносителя 60 теплообменника 22 и второе положение, при котором хладоноситель из радиатора направляется через внешний трубопровод хладоносителя 72. Двухходовой байпасный клапан 66 также обеспечивает два положения потока: в случае первого положения поток газа направляется через внутренний трубопровод газа 58 теплообменника, а при втором положении поток газа проходит через внешний трубопровод газа 68.
Двухходовые байпасные клапаны могут приводиться в действие с помощью электронной системы управления 34. Электронная система управления может понизить скорость теплообмена, увеличив количество газа или хладоносителя, перенаправляемого по байпасным трубопроводам, и наоборот. Аналогичным образом насос для хладоносителя 56 и вентилятор 64 могут быть функционально связаны с электронной системой управления. Электронная система управления может быть сконфигурирована для изменения производительности работы насоса для хладоносителя и вентилятора для того, чтобы обеспечить требуемую скорость теплообмена между хладоносителем и окружающим воздухом.
В вариантах исполнения, предусмотренных в настоящем документе, электронная система управления 34 может быть сконфигурирована для изменения всех или некоторых скоростей теплообмена, указанных выше, в целях поддержания эффективности работы системы охлаждения 54 и системы двигателя, в которой установлена система охлаждения. Соответственно, система охлаждения 54 включает в себя датчик 74, функционально связанный с электронной системой управления. Для определения температуры неохлажденного потока газа электронная система управления запрашивает датчик. В зависимости от ответа датчика и других факторов электронная система управления может определить, нужно ли направлять поток газа через внутренний трубопровод газа 58 теплообменника или через внешний трубопровод газа 68.
Электронная система управления 34 может определить, нужно ли направлять поток газа через теплообменник или через байпасный трубопровод, учитывая при этом все другие условия. Когда теплообменником 22 является, например, охладитель РОГ ВД, направление потока отработавших газов через внутренний трубопровод газа теплообменника обеспечивает возможность режима охлажденной РОГ БД. С другой стороны, направление потока отработавших газов через байпасный трубопровод обеспечивает возможность режима неохлажденной (т.е. байпассированной) системы РОГ ВД. Эти режимы могут использоваться в различных условиях, как описано ниже. Далее, в системах охлаждения, предусмотренных в настоящем документе, двухходовым байпасным клапаном 66 может являться дозирующий клапан, сконфигурированный для отвода регулируемого количества потока РОГ ВД через внешний трубопровод газа 68 и направлять остальной поток РОГ ВД через внутренний трубопровод газа. Таким образом, можно достигать любого требуемого соотношения между охлажденной и неохлажденной РОГ.
Подразумевается, что на ФИГ.3 показана лишь часть одного примера системы охлаждения, и что могут быть использованы и другие, более сложные системы охлаждения. Хотя на ФИГ.3 в системе охлаждения 54 показан только один теплообменник, может использоваться и несколько теплообменников, например, охладители РОГ и охладители наддувочного воздуха. Каждый охладитель из множества охладителей, расположенных последовательно или параллельно, может пропускать один и тот же хладоноситель двигателя с жидкостным охлаждением. В других вариантах изобретения система охлаждения может состоять из нескольких несообщающихся контуров холодоносителя.
Описанные выше конфигурации обеспечивают возможность применения различных способов наддува впускного коллектора двигателя. Соответственно, далее будут описаны некоторые такие способы, продемонстрированные на примерах, со ссылкой на приведенное выше описание конфигураций. Однако следует иметь в виду, что описанные здесь способы, а также другие способы, которые полностью отвечают настоящему изобретению, могут также быть реализованы с помощью других конфигураций. Представленные здесь способы включают в себя различные варианты осуществления измерений и/или считываний показателей одного или нескольких датчиков, расположенных в системе двигателя. Способы также включают в себя различные вычисления, сравнения и принятия решений, которые могут выполняться электронной системой управления, функционально связанной с датчиками. Далее, способы включают различные действия, выполняемые аппаратными средствами, которым система электронного управления может избирательно посылать команды по результатам принятия решений.
На ФИГ.4 изображен пример способа 76 наддува впускного коллектора в системе двигателя в одном из вариантов исполнения. На шаге 78 прогнозируется скорость вращения двигателя и нагрузка на двигатель. Для этого электронная система управления может запросить данные у одного или нескольких датчиков системы двигателя, реагирующих на текущую скорость вращения двигателя и нагрузку на двигатель. В других вариантах изобретения могут измеряться соответствующие связанные показатели, например, массовый расход засасываемого воздуха, количество впрыска топлива и/или внутренний крутящий момент, а затем они могут использоваться для вычисления оптимальной скорости двигателя и полезной нагрузки на двигатель. Эти данные в сочетании с показателями, реагирующими на запрос водителя вызвать крутящий момент двигателя, например, положение педали, могут считываться и использоваться для прогнозирования скорости двигателя и нагрузки на двигатель.
На шаге 80 определяется, соответствует ли прогноз скорости двигателя и нагрузки на двигатель установившимся условиям рабочего состояния двигателя. Если скорость двигателя или нагрузка не соответствуют установившемуся состоянию двигателя, то процесс переходит на шаг 82, где выбираются ограничения на переходные скорости потока РОГ, в зависимости от прогноза скорости и нагрузки. В противном случае, способ переходит на шаг 84, где для управления РОГ используются ограничения на скорости потока РОГ установившегося состояния.
В установившемся состоянии ограничения на скорость потока РОГ могут определяться с учетом достижения нескольких целей, например, во избежание нежелательных рабочих условий, таких как, например, помпаж компрессора, блокировка и перегрев на впуске. При отсутствии таких состояний ограничения в установившемся режиме могут дополнительно служить для поддержания стабильности сгорания и эффективности работы компрессора, а также для контроля за выбросами. Так, в одном варианте исполнения ограничения на скорость потока РОГ для установившегося состояния устанавливаются следующим образом: нижний предел расхода РОГ НД соответствует минимальному значению, необходимому для предотвращения помпажа компрессора; верхний предел расхода РОГ НД соответствует максимальному значению, необходимому для предотвращения блокировки и перегрева компрессора; нижний предел расхода неохлаждаемой РОГ ВД соответствует минимальному значению, необходимому для обеспечения стабильности сгорания; верхний предел РОГ НД соответствует максимальному значению, необходимому для предотвращения перегрева на впуске и избыточной дымности выхлопа. В этом и других вариантах исполнения нижний предел расхода охлаждаемой РОГ ВД соответствует минимальному значению, необходимому для предотвращения чрезмерного засорения охладителя РОГ ВД. Определив таким образом ограничения в установившемся состоянии, расход РОГ НД и расход неохлаждаемой РОГ ВД могут регулироваться в пределах таких ограничений для поддержания целевого уровня разбавления, степени разбавления и/или доли отработавшего газа во впускном коллекторе, в соответствии с приведенным ниже более подробным описанием. Однако следует иметь в виду, что этот конкретный подход не следует рассматривать в качестве ограничительного примера; в другом примере исполнения верхний и/или нижний пределы расхода РОГ НД могут устанавливаться не только во избежание вредных воздействий, таких как блокировка или помпаж, но также с целью сохранения эффективности системы турбонаддува и/или двигателя. Так, верхний и нижний пределы расхода РОГ НД могут устанавливаться с целью поддержания запаса по регулированию для предотвращения неэффективной работы компрессора турбонагнетателя, для регулирования параметров компрессора таким образом, чтобы соотношение скорости и давления находилось в области максимальной эффективности. В другом варианте изобретения пределы могут устанавливаться для оптимизации общей эффективности системы двигателя (например, экономии топлива). В еще одном варианте пределы могут устанавливаться для оптимизации каких-либо аспектов, связанных с контролем выбросов, например, контроль выбросов NOX.
Способ 76 переходит к шагу 82, когда определено, что двигатель имеет переходное состояние по нагрузке или скорости, для которого описанные выше пределы расхода РОГ для установившегося состояния могут быть недостаточными или нецелесообразными. Данный способ предусматривает целый ряд различных переходных состояний. Как и в случае установления пределов расхода для установившегося состояния, каждый набор пределов расхода в переходном состоянии может включать нижний предел расхода РОГ НД, верхний предел расхода РОГ ВД, нижний предел расхода неохлаждаемой РОГ НД и верхний предел расхода неохлаждаемой РОГ ВД. Эти пределы могут отличаться друг от друга и от пределов для установившегося состояния, упомянутых выше.
Режим нажатия педали акселератора является одним из примеров переходного состояния. Во время нажатия педали верхние пределы расхода для охлажденной и неохлажденной систем РОГ ВД могут быть понижены по сравнению с теми же пределами для установившегося состояния. Понижение этих верхних пределов может способствовать более быстрому раскручиванию компрессора за счет ограничения потери давления отработавших газов в контуре РОГ ВД. Аналогичным образом нижние пределы расхода для охлажденной и неохлажденной систем РОГ ВД могут быть понижены по сравнению с теми же пределами для установившегося состояния. В короткие периоды нажатия педали двигатель может выдержать неидеальные условия, о которых говорилось выше, связанные с падением расхода РОГ ВД ниже нижнего предела расхода для установившегося состояния. Кроме того, поскольку точка смешения РОГ ВД расположена ближе к впускному коллектору, то изменения в потоке РОГ ВД быстрее приведут к изменениям в составе смеси во впускном коллекторе. Поэтому уменьшение потока РОГ ВД в переходном состоянии позволит двигателю быстрее достичь новой целевой скорости, которая, вероятно, будет ниже, при более высокой нагрузке.
Режим отпускания педали акселератора является другим примером переходного состояния. Во время отпускания педали нижний предел расхода РОГ НД может быть увеличен по сравнению с таким же пределом в установившемся состоянии. Увеличение этого предела может способствовать сохранению инерции турбокомпрессора, несмотря на снижение нагрузки на двигатель. Соответственно, когда нагрузка на двигатель вновь возрастает, компрессор будет уже раскручен до более высокой скорости, чем та, которой он мог бы достичь в пределах расхода для установившегося состояния. Таким образом, работа ниже нижнего предела расхода РОГ НД поддерживает инерцию турбины на таком уровне, который обеспечивает достаточно быстрое увеличение наддува. В другом варианте изобретения нижний предел расхода РОГ НД может быть увеличен до величины, при которой эффективно подавляются переходные пиковые выбросы NOX в газ, подаваемый в двигатель. В этих и других вариантах исполнения стабильность сгорания в системе двигателя может быть повышена (см. ниже) при повышении нижнего предела расхода РОГ НД во время отпускания педали.
Другим переходным состоянием является открытый дроссель на входе. При открытом дросселе на входе нижний предел расхода охлажденной РОГ ВД может быть увеличен по сравнению с таким же пределом в установившемся состоянии. Увеличение этого предела может увеличить расход охлажденной РОГ ВД по сравнению с РОГ НД в условиях временно высокой нагрузки на двигатель. Соответственно, когда нагрузка вновь снижается, и двигатель больше не может выдерживать высокий уровень разбавления впускаемого воздуха, разбавляющий газ РОГ будет вытягиваться более быстрыми темпами: меньшее его количество будет заполнять более длинный канал РОГ НД, а большее его количество будет заполнять более короткий канал РОГ ВД, по сравнению с условиями установившегося состояния. Таким образом, при работе выше нижнего предела неохлаждаемой РОГ ВД может быть обеспечена более ускоренная продувка впускного коллектора настолько, насколько это необходимо для выхода из переходного состояния при открытом дросселе на входе.
Еще одним переходным состоянием является разогрев катализатора (например, при холодном запуске). Во время разогрева катализатора нижние пределы расхода для неохлажденных систем РОГ ВД и РОГ НД могут быть увеличены по сравнению с теми же пределами для установившегося состояния. Увеличение этих пределов может способствовать быстрому нагреванию катализаторов в соответствии с моделью теплопередачи, в которой необходимо повысить уровень расхода обеих РОГ. Следует отметить, что неохлаждаемая система РОГ ВД обеспечивает более высокие температуры отработавших газов, в то время как РОГ НД позволяет увеличить поток выхлопных газов. Подходящая модель теплопередачи для нагревания катализатора может использовать оба эти эффекта с целью минимизации времени, необходимого для катализаторного дожига.
Далее на ФИГ.4 показано, что на шаге 86 выбранные переходные пределы расхода РОГ используются для управления РОГ. Соответственно, расход РОГ НД и расход неохлаждаемой РОГ ВД могут быть отрегулированы в рамках выбранных переходных пределов для поддержания целевого уровня разбавления во впускном коллекторе, как описано ниже. С шага 86 или 84 процедура выполнения способа возвращается к началу.
На ФИГ.5 изображен другой пример способа 88 наддува впускного коллектора в системе двигателя в одном из вариантов исполнения. Способ 88 может применяться в системе двигателя, в которой задействована система РОГ НД и неохлаждаемая система РОГ ВД. Другими словами, в системе двигателя может отсутствовать охладитель РОГ ВД.
На шаге 78 прогнозируется скорость двигателя и нагрузка на двигатель. На шаге 90 вычисляется один или несколько целевых уровней потока РОГ, а также верхний и нижний пределы расхода РОГ. В одном из вариантов вычисляемые целевые уровни РОГ включают в себя целевые значения FMAN. FMAN обратно пропорционален относительному количеству (например, парциальному давлению) кислорода во впускном коллекторе. Таким образом, FMAN изменяется так же, как и соотношение рециркулированных отработавших газов к свежему воздуху во впускном коллекторе, но при этом учитывает относительное количество кислорода в рециркулированных отработавших газах. Целевое значение FMAN может быть вычислено, если известно или измеренное относительное количество кислорода во впускном коллекторе, или расход РОГ и уровень кислорода в отработавших газах. Расход РОГ, в свою очередь, может быть определен из соотношения между скоростью и плотностью потока, с использованием скорости двигателя, массового расхода засасываемого воздуха и давления воздуха во впускном коллекторе. В способе 88 пределы расхода РОГ могут вычисляться на шаге 90 практически так же, как описано в контексте способа 76 выше.
Далее по ФИГ.5, на шаге 92 определяется, превысит ли система РОГ НД и неохлаждаемая система РОГ ВД на своих соответствующих нижних пределах расхода целевое значение FMAN, т.е. не будет ли РОГ при таких минимальных расходах подавать недостаточное количество кислорода во впускной коллектор. Если РОГ НД и неохлаждаемая система РОГ ВД на своих соответствующих нижних пределах расхода не превосходит целевого значения FMAN, то способ переходит на шаг 94. В противном случае, способ переходит на шаг 96. На шаге 96 расход РОГ НД устанавливается на уровне своего нижнего предела. На шаге 98 расход неохлаждаемой РОГ ВД устанавливается на таком уровне, чтобы, в сочетании с нижним пределом расхода РОГ НД, уровень разбавления во впускном коллекторе приближался к целевому значению FMAN. Затем на шаге 100 повышается стабильность сгорания в системе двигателя. В различных вариантах, предусмотренных в настоящем документе, стабильность сгорания может быть повышена, например, с помощью регулировки начального угла впрыска (SOI), за счет снижения общего потока РОГ, за счет увеличения пробного количества или добавления дополнительного пробного количества.
На шаге 94 определяется, обеспечивает ли РОГ НД и неохлаждаемая система РОГ ВД на своих соответствующих верхних пределах расхода достаточно потока РОГ для достижения целевого значения FMAN. Если нет, то способ переходит на шаг 102, где целевое значение FMAN переустанавливается на сумму верхних пределов. Эта мера принимается для защиты двигателя от нежелательного воздействия следующих факторов: блокировки нагнетания компрессора, перегрева двигателя, перегрева впускного коллектора и чрезмерного образования сажи. Однако если РОГ НД и неохлаждаемая РОГ ВД на своих соответствующих верхних пределах расхода обеспечивают достаточно потока для достижения целевого значения FMAN, то способ переходит на шаг 104. На шаге 104 вычисляется расход РОГ НД, при котором, в сочетании с расходом неохлаждаемой РОГ ВД на своем нижнем пределе, уровень разбавления во впускном коллекторе будет приближаться к целевому значению FMAN. На шаге 106 определяется, превышает ли вычисленный расход РОГ НД верхний предел расхода для РОГ НД. Если нет, то способ переходит на шаг 108, где расход неохлаждаемой РОГ ВД устанавливается на свой нижний предел, и на шаг 110, где расход РОГ НД устанавливается на вычисленное значение. Однако если вычисленное значение не превосходит верхнего предела расхода, то способ переходит на шаг 112, где расход РОГ НД устанавливается на свой верхний предел, и на шаг 114, где расход неохлаждаемой РОГ ВД устанавливается на такое значение, при котором, в сочетании с расходом РОГ НД на верхнем пределе, уровень разбавления во впускном коллекторе приближается к целевому значению FMAN. Таким образом, способ демонстрирует два конкретных случая, когда минимизируется расход неохлаждаемой РОГ ВД в зависимости от нижнего предела расхода, для достижения целевого уровня разбавления в сочетании с расходом РОГ НД с учетом верхнего предела расхода. С шагов 100, 102, 110 или 114 процедура способа возвращается к началу.
На ФИГ.6 изображен другой пример способа 116 наддува впускного коллектора в системе двигателя в одном варианте исполнения. Способ 116 может применяться в системе двигателя, в которой задействована система РОГ НД, неохлаждаемая система РОГ ВД и охлаждаемая система РОГ ВД. Другими словами, когда в системе двигателя имеется охладитель РОГ ВД, который можно полностью или частично байпассировать.
Способ 116 начинается так же, как и способ 88, описанный выше. Однако в способе 116, если на шаге 94 будет установлено, что РОГ НД и неохлаждаемая РОГ ВД на своих соответствующих верхних пределах расхода не обеспечивают целевого значения FMAN, то способ переходит на шаг 118, где включено охлаждение РОГ ВД. Охлаждение РОГ ВД может быть включено, например, путем закрытия байпасного клапана охладителя РОГ ВД. После этого способ переходит на шаг 120, где определяется, обеспечивает ли РОГ НД и охлаждаемая система РОГ ВД на своих верхних пределах расхода достижение целевого значения FMAN. Если нет, то способ переходит на шаг 122, где целевое значение FMAN уменьшается до значения, соответствующего сумме верхних пределов расхода во избежание, например, блокировки нагнетания компрессора, перегрева компрессора и чрезмерного образования сажи. Однако если РОГ НД и охлажденная РОГ ВД на своих верхних пределах расхода обеспечивают целевое значение FMAN, то способ переходит на шаг 124. На шаге 124 определяется, превышает ли целевое значение FMAN совокупный эффект от охлажденной РОГ ВД на своем нижнем пределе расхода и от РОГ НД на своем верхнем пределе расхода. Если да, то способ переходит на шаг 126, где расход охлаждаемой РОГ ВД устанавливается на свой нижний предел расхода, и на шаг 128, где расход РОГ НД устанавливается на такое значение, при котором, в сочетании с расходом охлаждаемой РОГ ВД на своем нижнем пределе, уровень разбавления во впускном коллекторе приближается к целевому значению FMAN. Однако если совокупный эффект от охлажденной РОГ ВД на своем нижнем пределе расхода и от РОГ НД на своем верхнем пределе расхода не превышает целевого значения FMAN, то способ переходит на шаг 130, где расход РОГ НД устанавливается на свой верхний предел. Затем способ переходит на шаг 132, где расход РОГ ВД устанавливается на такое значение, при котором, в сочетании с расходом РОГ НД на своем верхнем пределе, уровень разбавления во впускном коллекторе приближается к целевому значению FMAN. Таким образом, способ демонстрирует два конкретных случая, когда минимизируется расход охлаждаемой РОГ ВД в зависимости от нижнего предела расхода, для достижения целевого уровня разбавления, в сочетании с РОГ НД, с учетом верхнего предела расхода. С шагов 100, 122, 128 или 132 процедура способа 116 возвращается на начало.
На ФИГ.7 изображен другой пример способа 134 наддува впускного коллектора в системе двигателя в одном варианте исполнения. Способ 134 может применяться в системе двигателя, которая описана в контексте способа 88. Соответственно, способ 134 начинается таким же образом, как способ 88. Однако в способе 134 вычисление целевых значений РОГ на шаге 90 дополнительно включает в себя вычисление целевого расхода РОГ НД. В одном варианте исполнения целевой расход РОГ НД может рассчитываться на основе эффективности; это может быть, например, скорость потока, которая оптимизирует эффективность турбокомпрессора и/или эффективность системы двигателя.
Если на шаге 94 способа 134 будет установлено, что РОГ НД и неохлаждаемая РОГ ВД на своих соответствующих верхних пределах расхода обеспечивают целевое значение FMAN, то способ переходит на шаг 136. На шаге 136 определяется, будет ли общий расход РОГ (т.е. расход, соответствующий целевому значению FMAN) минус вычисленный целевой расход РОГ НД меньше нижнего предела расхода для неохлаждаемой РОГ ВД. Если да, то способ переходит на шаг 104 (см. выше). В противном случае, способ переходит на шаг 138. На шаге 138 определяется, превышает ли общий расход РОГ минус целевой расход РОГ НД верхний предел расхода для неохлаждаемой РОГ ВД. Если да, то способ переходит на шаг 140; в противном случае способ переходит на шаг 142. На шаге 140 расход неохлаждаемой РОГ ВД устанавливается на свой верхний предел расхода, а на шаге 144 расход РОГ НД устанавливается на такой уровень, при котором, в сочетании с расходом неохлаждаемой РОГ ВД на своем верхнем пределе расхода, уровень разбавления во впускном коллекторе приближается к целевому значению FMAN. На шаге 142 расход РОГ НД устанавливается на свое целевое значение, а на шаге 146 расход неохлаждаемой РОГ ВД устанавливается на такой уровень, при котором, в сочетании с расходом РОГ НД на своем целевом уровне, уровень разбавления во впускном коллекторе приближается к целевому значению FMAN. С шагов 102, 144 или 146 процедура способа возвращается к началу.
На ФИГ.8 изображен другой пример способа 148 наддува впускного коллектора в системе двигателя в одном из вариантов исполнения. Способ 148 может применяться в системе двигателя, которая описана выше в контексте способа 134.
Соответственно, способ 148 начинается таким же образом, как способ 134. Однако в способе 148, если на шаге 94 будет установлено, что РОГ НД и неохлаждаемая РОГ ВД на своих соответствующих верхних пределах расхода не обеспечивают целевого значения FMAN, то способ переходит на шаг 118, где происходит охлаждение РОГ ВД. Затем способ переходит на шаг 150, где определяется, будет ли общий расход РОГ (т.е. расход, соответствующий целевому значению FMAN) с вычетом целевого расхода РОГ НД меньше нижнего предела расхода для неохлаждаемой РОГ ВД. Если да, то способ переходит на шаг 126; в противном случае способ переходит на шаг 152. На шаге 126 расход охлаждаемой РОГ ВД устанавливается на свой нижний предел, а на 154 расход охлаждаемой РОГ ВД устанавливается на таком уровне, который, в сочетании с охлаждаемой РОГ ВД, установленной на свой нижний предел расхода, приводит к уровню разбавления во впускном коллекторе, приближающемуся к целевому значению FMAN. На шаге 152 расход РОГ НД устанавливается на свое целевой значение, а на шаге 128 расход РОГ НД устанавливается на таком уровне, при котором, в сочетании с указанными выше значениями расхода РОГ, установленными на указанные уровни, вынуждает уровень разбавления во впускном коллекторе приближаться к целевому значению FMAN. С шагов 100, 154 или 128 процедура способа возвращается к началу.
Следует иметь в виду, что программы управления и оценки, приведенные здесь, могут использоваться с различными конфигурациями системы. Эти программы могут представлять собой одну или несколько стратегий обработки: например, стратегия, управляемая событиями, стратегия с управлением по прерываниям, многозадачная, многопоточная стратегии и т.п. Таким образом, описанные этапы процесса (операции, функции и/или действия) могут представлять код, который записывается в запоминающее устройство, которое можно считывать с помощью электронной системы управления.
Следует иметь в виду, что некоторые из этапов процесса, описанные и/или проиллюстрированные в данном документе, в некоторых вариантах изобретения можно опустить, не выходя за рамки данного изобретения. Аналогичным образом указанная последовательность этапов процесса не всегда может быть необходимой для достижения требуемых результатов, а представлена для упрощения демонстрации и описания. Одно или несколько представленных здесь действий, функций или операций могут повторно выполняться, в зависимости от определенной используемой стратегии.
И наконец, должно быть понятно, что описанные здесь системы и способы по сути являются примерными, и что данные конкретные варианты или примеры осуществления изобретения не должны рассматриваться в ограничивающем смысле, так как возможно множество вариантов. Соответственно, настоящее раскрытие включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и способов, описанных здесь, а также любые их эквиваленты.