СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD FOR REDUCING VEHICLE EMISSIONS (VERSIONS) AND SYSTEM FOR REDUCTION OF VEHICLE EMISSIONS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к сгоранию в двигателе внутреннего сгорания.
Уровень техники
2
Многообразие выбросов, таких как оксиды азота (например, NO и NO), выделяется в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Для того чтобы снизить выбросы из моторных транспортных средств, выбросы регулируются посредством использования компонентов системы выпуска отработавших газов, таких как каталитический нейтрализатор отработавших газов. Дополнительно, различные датчики газа, в том числе датчики NOx, применяются для выявления выбросов в отработавших газах.
Минимизация выбросов на выходе двигателя включает в себя уравновешивание окисления и восстановления компонентов отработавших газов, таких как угарный газ (СО), сажа, несгоревшие углеводороды (НС) и NOx. Дизельные двигатели с воспламенением от сжатия работают при обедненных топливовоздушных соотношениях наиболее часто, а потому могут иметь высокие уровни выработки NOx по сравнению с бензиновыми двигателями. Для снижения выработки NOx, могут использоваться системы рециркуляции отработавших газов (EGR), чтобы отводить часть отработавших газов обратно на впуск, тем самым, снижая пиковые температуры и давления сгорания, с тем чтобы понижать NOx.
Однако, в этих условиях, может возрастать выработка сажи или других твердых частиц. Дополнительно, вследствие пониженной концентрации кислорода в заряде цилиндра, когда присутствует EGR, при определенных условиях, сгорание может становиться нестабильным, например, может возникать детонация и/или пропуски зажигания, которые могут портить двигатель и приводить к пониженной экономии топлива.
Раскрытие изобретения
Авторы осознали вышеприведенные проблемы и предложили способ для по меньшей мере частичного принятия мер в ответ на них.
Согласно одному аспекту предложен способ снижения выбросов транспортного средства, включающий при первом условии уменьшение количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра в ответ на уровни NOx на выходе двигателя, находящиеся ниже первого порогового значения, и увеличение количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра в ответ на уровни NOx на выходе двигателя, находящиеся выше второго порогового значения, причем первое пороговое значение является более низким, чем второе пороговое значение, при втором условии поддержание количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра, даже когда уровни NOx находятся ниже первого порогового значения.
Увеличение количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра предпочтительно включает регулирование клапана рециркулируемых отработавших газов для увеличения процентного содержания рециркулируемых отработавших газов в полном заряде цилиндра.
Первое условие предпочтительно включает в себя количество восстановителя в системе избирательного каталитического восстановления, находящееся выше первого уровня, и/или эффективность одного или более устройств снижения токсичности отработавших газов, находящуюся выше порогового значения эффективности, а второе условие предпочтительно включает в себя количество восстановителя, находящееся ниже первого уровня, и/или эффективность одного или более устройств снижения токсичности отработавших газов, находящуюся ниже порогового значения эффективности.
Уменьшение количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра предпочтительно дополнительно включает закрытие клапана рециркулируемых отработавших газов для уменьшения процентного содержания рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра.
Способ предпочтительно дополнительно включает открытие впускного дросселя одновременно с клапаном рециркулируемых отработавших газов.
Способ предпочтительно дополнительно включает регулирование процентного содержания рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра на основании числа оборотов и нагрузки двигателя.
Способ предпочтительно дополнительно включает регулирование дросселя и/или установки момента впрыска топлива в ответ на уровни NOx на выходе двигателя, находящиеся выше второго порогового значения.
Способ предпочтительно дополнительно включает регулирование установки момента впрыска в ответ на уровни NOx на выходе двигателя, находящиеся ниже первого порогового значения.
Согласно другому аспекту предложена система снижения выбросов транспортного средства, содержащая двигатель, включающий в себя по меньшей мере один цилиндр и выпускной канал, присоединенный к по меньшей мере одному устройству снижения токсичности отработавших газов, систему рециркуляции отработавших газов для отведения части отработавших газов из двигателя на впуск для воздуха двигателя, датчик NOx, расположенный в выпускном канале выше по потоку от по меньшей мере одного устройства снижения токсичности отработавших газов, и контроллер, включающий в себя команды для уменьшения количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра в ответ на уровни NOx в отработавших газах, находящиеся ниже первого порогового значения, при этом уровни NOx определяются датчиком NOx, увеличения количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра в ответ на уровни NOx в отработавших газах, находящиеся выше второго порогового значения, причем первое пороговое значение является более низким, чем второе пороговое значения, и не уменьшения количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра в ответ на уровни NOx в отработавших газах, находящиеся ниже первого порогового значения, когда количество восстановителя для впрыска является низким.
Система рециркуляции отработавших газов предпочтительно содержит систему рециркуляции отработавших газов высокого давления, управляемую клапаном рециркуляции отработавших газов высокого давления, и систему рециркуляции отработавших газов низкого давления, управляемую клапаном рециркуляции отработавших газов низкого давления.
Контроллер предпочтительно включает в себя команды для уменьшения количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра посредством регулирования клапана рециркуляции отработавших газов высокого давления или клапана рециркуляции отработавших газов низкого давления на основании уровней NOx в отработавших газах из двигателя.
Контроллер предпочтительно включает в себя команды для уменьшения количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра посредством регулирования клапана рециркуляции отработавших газов высокого давления в условиях низкой нагрузки, и уменьшения количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра посредством регулирования клапана рециркуляции отработавших газов низкого давления в условиях от средней до высокой нагрузки.
Контроллер предпочтительно включает в себя команды для увеличения количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра в ответ на уровни NOx в отработавших газах, находящиеся выше второго порогового значения, большего, чем первое пороговое значение.
Согласно еще одному аспекту предложен способ снижения выбросов транспортного средства, включающий при первом условии подачу рециркулируемых отработавших газов высокого давления в один или более цилиндров двигателя, при втором условии подачу рециркулируемых отработавших газов низкого давления в один или более цилиндров двигателя, и при первом и втором условиях уменьшение количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра в ответ на уровни NOx на выходе двигателя, находящиеся ниже первого порогового значения, увеличение количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра в ответ на уровни NOx на выходе двигателя, находящиеся выше второго порогового значения, более высокого, чем первое пороговое значение, и не уменьшение количества рециркулируемых отработавших газов полного заряда цилиндра в ответ на уровни NOx в отработавших газах, находящиеся ниже первого порогового значения, когда эффективность устройства снижения токсичности отработавших газов является низкой.
Первое условие предпочтительно включает от средней до высокой нагрузку двигателя.
Второе условие предпочтительно включает низкую нагрузку двигателя.
Способ предпочтительно дополнительно включает уменьшение внутренних рециркулируемых отработавших газов, когда уровни NOx находятся ниже первого порогового значения, посредством регулирования установки фаз распределения впускных и/или выпускных клапанов.
Способ предпочтительно дополнительно включает открытие впускного дросселя, когда уровни NOx находятся ниже первого порогового значения.
Способ предпочтительно дополнительно включает регулирование установки момента впрыска топлива, когда уровни NOx находятся ниже первого порогового значения.
Таким образом, уровни NOx на выходе двигателя могут использоваться в качестве обратной связи для управления стабильностью сгорания. В одном из примеров, если уровни NOx снижаются ниже порогового уровня, это может указывать состояние ухудшенного сгорания, например, обусловленное более высоким, чем оптимальное, процентным содержанием EGR заряда цилиндра. Для компенсации, процентное содержание EGR может уменьшаться посредством регулирования клапана EGR.
Настоящее изобретение может предлагать несколько преимуществ. В одном из вариантов осуществления, посредством выявления ухудшенного сгорания посредством обратной связи по NOx, могут выявляться условия, которые снижают экономию топлива и увеличивают выработку сажи, а выдаваемое количество EGR может регулироваться для компенсации. Таким образом, экономия топлива может улучшаться, а выбросы сажи могут сокращаться. Кроме того, уровни NOx могут поддерживаться в пределах требуемого окна, из условия чтобы, если уровни NOx слишком высоки, дополнительная EGR может выдаваться для снижения выбросов NOx.
Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки настоящего описания будут без труда очевидны из последующего подробного описания при прочтении в одиночку или в сочетании с прилагаемыми чертежами.
Следует понимать, что раскрытие изобретения, приведенное выше, предоставлено для ознакомления с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Оно не идентифицирует ключевые или существенные признаки заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет изобретения не ограничен осуществлениями, которые решают какие-нибудь недостатки, отмеченные выше или в любой части этого описания.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему варианта осуществления двигателя с турбонагнетателем и системой рециркуляции отработавших газов.
Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему варианта осуществления двигателя с двумя рядами цилиндров, двигатель включает в себя систему рециркуляции отработавших газов.
Фиг. 3А и 3В представляют собой блок-схему последовательности операций способа, иллюстрирующую способ для управления сгоранием согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Многообразие входных сигналов может использоваться при определении требуемого количества EGR, подаваемого в цилиндры, таких как число оборотов двигателя, нагрузка двигателя, топливовоздушное соотношение и т.д. В вариантах осуществления, раскрытых в материалах настоящей заявки, уровни NOx на выходе двигателя могут использоваться в качестве обратной связи для поддержания подачи EGR в пределах требуемого окна, чтобы уравновешивать снижение NOx выработкой НС и сажи. Фиг. 1 и 2 изображают примерные двигатели, включающие в себя систему EGR, датчик NOx и систему управления. Система управления может быть выполнена с возможностью выполнять одну или более программ управления, для того чтобы выдавать требуемое количество EGR, один из примеров которой проиллюстрирован на фиг. 3А и 3В.
Далее, со ссылкой на фиг. 1, показана принципиальная схема одного цилиндра многоцилиндрового двигателя 10, который может быть включен в силовую установку автомобиля, которая показана. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, системой управления, включающей в себя контроллер 12, и входными сигналами от водителя. 132 транспортного средства через устройство 130 ввода. В этом примере, устройство 130 ввода включает в себя педаль акселератора и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала РР положения педали. Камера 30 сгорания (то есть, цилиндр) двигателя 10 может включать в себя стенки 32 камеры сгорания с поршнем 36, расположенным в них. В некоторых вариантах осуществления, поверхность днища поршня 36 внутри камеры 30 сгорания может иметь чашечную выемку. Поршень 36 может быть присоединен к коленчатому валу 40, так чтобы возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть присоединен к по меньшей мере одному приводному колесу транспортного средства через промежуточную систему трансмиссии. Кроме того, электродвигатель стартера может быть присоединен к коленчатому валу 40 через маховик, чтобы обеспечивать возможность операции запуска двигателя 10.
Камера 30 сгорания может принимать всасываемый воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и может выпускать газообразные продукты сгорания отработавших газов через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 могут избирательно сообщаться с камерой 30 сгорания через соответственные впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания может включать в себя два или более впускных клапана и/или два или более выпускных клапана.
Впускной клапан 52 может открываться и закрываться согласно приливам впускного кулачка 51. Подобным образом, выпускной клапан 54 может открываться и закрываться согласно приливам выпускного кулачка 53. Фаза впускного кулачка 51 и выпускного кулачка 53 может меняться относительно коленчатого вала 40. В качестве альтернативы, исполнительный механизм регулируемого клапана может быть электрогидравлическим или любым другим возможным механизмом для предоставления возможности приведения в действие клапана. Во время некоторых условий, контроллер 12 может изменять сигналы, выдаваемые на исполнительные механизмы, присоединенные к впускному кулачку 51 и выпускному кулачку 53, для управления установкой момента открывания и закрывания соответственных впускных и выпускных клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может определяться датчиками 55 и 57 положения клапана, соответственно. В альтернативных вариантах осуществления, один или более из впускных и выпускных клапанов могут приводиться в действие одним или более электрических исполнительных механизмов и могут использовать одну или более из систем переключения профиля кулачков (CPS), регулируемых фаз кулачкового распределения (VCT), регулируемых фаз клапанного распределения (VVT) и/или регулируемого подъема клапанов (VVL) для изменения работы клапанов. Например, цилиндр 30, в качестве альтернативы, может включать в себя впускной клапан, управляемый посредством приведения в действие клапанного распределителя с электромагнитным управлением, и выпускной клапан, управляемый посредством приведения в действие кулачков, в том числе CPS и/или VCT.
Топливная форсунка 66 показана присоединенной непосредственно к камере 30 сгорания для впрыска топлива непосредственно в него пропорционально ширине импульса сигнала FPW, принятого из контроллера 12 через электронный формирователь 68. Таким образом, топливная форсунка 66 обеспечивает то, что известно в качестве непосредственного впрыска топлива в камеру 30 сгорания. Топливная форсунка, например, может быть установлена сбоку камеры сгорания или сверху камеры сгорания. Топливо может доставляться к топливной форсунке 66 топливной системой (не показана), включающей в себя топливный бак, топливный насос и направляющую - распределитель топлива.
Система 88 зажигания может выдавать искру зажигания в камеру 30 сгорания через свечу 92 зажигания в ответ на сигнал SA опережения зажигания из контроллера 12, при выбранных рабочих режимах. Хотя показаны компоненты искрового зажигания, в некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания или одна, или более других камер сгорания двигателя 10 могут приводиться в действие в режиме воспламенения от сжатия, с или без свечи зажигания.
Впускной канал 42 может включать в себя дроссели 62 и 63, имеющие дроссельные заслонки 64 и 65, соответственно. В этом конкретном примере, положения дроссельных заслонок 64 и 65 могут регулироваться контроллером 12 посредством сигналов, выдаваемых на электродвигатель или исполнительный механизм, присоединенный к заслонкам 62 и 63, конфигурацию, которая обычно указывается ссылкой как электронное регулирование дросселя (ETC). Таким образом, заслонки 62 и 63 могут задействоваться для варьирования всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания, между другими цилиндрами двигателя. Положения дроссельных заслонок 64 и 65 могут выдаваться в контроллер 12 сигналами TP положения дросселя. Давление, температура и массовый расход воздуха могут измеряться в различных точках вдоль впускного канала 42 и впускного коллектора 44. Например, впускной канал 42 может включать в себя датчик 120 массового расхода воздуха для измерения массового расхода чистого воздуха, поступающего через дроссель 63. Массовый расход чистого воздуха может сообщаться в контроллер 12 посредством сигнала MAF.
Двигатель 10 дополнительно может включать в себя компрессионное устройство, такое как турбонагнетатель или нагнетатель, включающий в себя по меньшей мере компрессор 162, расположенный выше по потоку от впускного коллектора 44. Что касается турбонагнетателя, компрессор 162 может по меньшей мере частично приводиться в действие турбиной 164 (например, через вал), расположенной на протяжении выпускного канала 48. Что касается нагнетателя, компрессор 162 может по меньшей мере частично приводиться в действие двигателем и/или электрической машиной и может не включать в себя турбину. Таким образом, величина компрессии, подаваемой в один или более цилиндров двигателя через турбонагнетатель или нагнетатель, может регулироваться контроллером 12. Охладитель 154 наддувочного воздуха может быть включен в состав ниже по потоку от компрессора 162 и выше по потоку от впускного клапана 52. Охладитель 154 наддувочного воздуха может быть выполнен с возможностью охлаждать газы, которые были нагреты сжатием, например, посредством компрессора 162. В одном из вариантов осуществления, охладитель 154 наддувочного воздуха может находиться выше по потоку от дросселя 62. Давление, температура и массовый расход воздуха могут измеряться ниже по потоку от компрессора 162, к примеру, датчиком 145 и 147. Измеренные результаты могут сообщаться в контроллер 12 с датчиков 145 и 147 посредством сигналов 148 и 149, соответственно. Давление и температура могут измеряться выше по потоку от компрессора 162, к примеру, датчиком 153, и сообщаться в контроллер 12 посредством сигнала 155.
Кроме того, в раскрытых вариантах осуществления, система EGR может направлять требуемую порцию отработавших газов из выпускного канала 48 во впускной коллектор 44. Фиг. 1 показывает систему HP-EGR и систему LP-EGR, но альтернативный вариант осуществления может включать в себя только систему LP-EGR. HP-EGR направляется через канал 140 HP-EGR, из выше по потоку от турбины 164 в ниже по потоку от компрессора 162. Количество HP-EGR, выдаваемого во впускной коллектор 44, может регулироваться контроллером 12 посредством клапана 142 HP-EGR. LP-EGR направляется через канал 150 LP-EGR из ниже по потоку от турбины 164 в выше по потоку от компрессора 162. Количество LP-EGR, выдаваемого во впускной коллектор 44, может регулироваться контроллером 12 посредством клапана 152 LP-EGR. Система HP-EGR может включать в себя охладитель 146 HP-EGR, а система LP-EGR может включать в себя охладитель 158 LP-EGR для выделения тепла из газов EGR, например, в охлаждающую жидкость двигателя.
2
В некоторых условиях, система EGR может использоваться для регулирования температуры смеси воздуха и топлива в пределах камеры 30 сгорания, например, для того чтобы управлять выработкой NOx. Таким образом, может быть желательным измерять или оценивать массовый расход EGR. Датчики EGR могут быть расположены в пределах каналов EGR и могут обеспечивать показания одного или более из массового расхода, давления, температуры, концентрации О и концентрации отработавших газов. Например, датчик 144 HP-EGR может быть расположен в канале 140 HP-EGR.
В некоторых вариантах осуществления, один или более датчиков могут быть расположены в канале 150 LP-EGR, чтобы выдавать показание одного или более из давления, температуры и топливовоздушного соотношения отработавших газов, подвергаемых рециркуляции по каналу LP-EGR. Отработавшие газы, подаваемые по каналу 150 LP-EGR, могут разбавляться свежим воздухом в точке смешивания, расположенной в месте соединения канала 150 LP-EGR и впускного канала 42. Более точно, посредством регулирования клапана 152 LP-EGR в координации с первым дросселем 63 воздухозаборника (расположенным в воздушном впускном канале впуска двигателя выше по потоку от компрессора) может регулироваться разбавление потока EGR.
Процентное разбавление потока LP-EGR может выводиться по выходному сигналу датчика 145 в потоке газа впуска двигателя. Более точно, датчик 145 может быть расположен ниже по потоку от первого впускного дросселя 63, ниже по потоку от клапана 152 LP-EGR и выше по потоку от второго основного впускного дросселя 62, из условия чтобы могло точно определяться разбавление LP-EGR на или вблизи основного впускного дросселя. Датчик 145, например, может быть датчиком кислорода, таким как датчик UEGO.
x
Датчик 126 отработавших газов показан присоединенным к выпускному каналу 48 ниже по потоку от турбины 164. Датчик 126 может быть любым подходящим датчиком для выдачи показания соотношения воздуха отработавших газов/топлива, таким как линейный датчик кислорода или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), двухрежимный датчик кислорода или EGO, HEGO (подогреваемый EGO), датчик содержания NO, НС или СО. В одном из вариантов осуществления, датчик отработавших газов может быть датчиком содержания NOx, выполненным с возможностью выдавать показание уровней NOx на выходе двигателя, например, уровней NOx в отработавших газах ниже по потоку от двигателя и выше по потоку от любых устройств снижения токсичности отработавших газов.
3
Устройства 71, 72 и 76 снижения токсичности отработавших газов показаны расположенными вдоль выпускного канала 48 ниже по потоку от датчика 126 отработавших газов. В изображенном варианте осуществления, устройство 71 может быть системой избирательного каталитического восстановления (SCR) наряду с тем, что устройства 72 и 76 могут быть дизельным окислительным нейтрализатором (DOC), дизельным сажевым фильтром (DPF), трехкомпонентным нейтрализатором (TWC), уловителем NOx, различными другими устройствами снижения токсичности отработавших газов или их комбинациями. Например, устройство 72 может быть DOC, а устройство 76 может быть DPF. В некоторых вариантах осуществления, DPF 76 может быть расположен ниже по потоку от SCR 71 и DOC 72 (как показано на фиг. 1) наряду с тем, что в других вариантах осуществления, DPF 76 может быть расположен выше по потоку от DOC 72. Альтернативные компоновки также возможны в некоторых вариантах осуществления, такие как DOC 72 и/или DPF 76, являющиеся расположенными выше по потоку от SCR 71. Если устройство 71 является системой SCR, бак 73 с восстановителем может присутствовать для хранения восстановителя, такого как карбамид или NH. Бак 73 может быть присоединен к форсунке 75 для впрыска восстановителя в поток отработавших газов устройства 71 или в устройство 71, для того чтобы восстанавливать NOx в устройстве 71. Кроме того, смеситель 74 может быть предусмотрен, чтобы обеспечивать надлежащее смешивание восстановителя в потоке отработавших газов. Карбамид может впрыскиваться пропорционально количеству NOx газа питания двигателя, поступающему в SCR. Дополнительный датчик 127 NOx может присутствовать ниже по потоку от устройств 71, 72 и 76, чтобы обеспечивать показание эффективности устройств, сравнивая показание NOx ниже по потоку от датчика 127 с показанием NOx выше по потоку с датчика 126.
Контроллер 12 показан на фиг. 1 в качестве микрокомпьютера, включающего в себя микропроцессорный блок 102, порты 104 ввода/вывода, электронный запоминающий носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в качестве микросхемы 106 постоянного запоминающего устройства в этом конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимую память 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать различные сигналы с датчиков, присоединенных к двигателю 10, в дополнение к тем сигналам, которые обсуждены ранее, в том числе: измерение вводимого массового расхода воздуха (MAF) с датчика 120 массового расхода воздуха; температуру охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) с датчика 112 температуры, присоединенного к патрубку 114 охлаждения; сигнал профильного считывания зажигания (PIP) с датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), присоединенного к коленчатому валу 40; положение дросселя (TP) с датчика положения дросселя; и сигнал абсолютного давления в коллекторе, MAP, с датчика 122. Сигнал числа оборотов двигателя, RPM, может формироваться контроллером 12 из сигнала PIP. Сигнал давления в коллекторе, MAP, с датчика давления в коллекторе может использоваться для выдачи указания разряжения или давления во впускном коллекторе. Отметим, что могут использоваться различные комбинации вышеприведенных датчиков, такие как датчик MAF без датчика MAP, или наоборот. Во время стехиометрической работы, датчик MAP может обеспечивать показание крутящего момента двигателя. Кроме того, этот датчик, наряду с выявленным числом оборотов двигателя, может обеспечивать оценку заряда (включая воздух), введенного в цилиндр. В одном из примеров, датчик 118, который также используется в качестве датчика числа оборотов двигателя, может вырабатывать предопределенное количество равноразнесенных импульсов каждый оборот коленчатого вала.
Постоянное запоминающее устройство 106 запоминающего носителя может быть запрограммировано машинно-читаемыми данными, представляющими команды, исполняемые процессором 102 для выполнения способов, описанных ниже, а также вариантов, которые предвосхищены, но специально не перечислены.
Как описано выше, фиг. 1 показывает только один цилиндр многоцилиндрового двигателя, и у которого каждый цилиндр может подобным образом включать в себя свой собственный набор впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку, свечу зажигания и т.д. На фиг. 2 проиллюстрирован пример системы двигателя, включающей в себя множество рядов цилиндров и систему рециркуляции отработавших газов. В одном из вариантов осуществления, двигатель 10 может содержать турбонагнетатель, включающий в себя компрессор 162 и турбину 164, дроссель 63 выше по потоку от компрессора 162 и систему рециркуляции отработавших газов низкого давления (LP-EGR). Система LP-EGR может направлять EGR из ниже по потоку от турбины 164 в выше по потоку от компрессора 162 и ниже по потоку от дросселя 63. Система двигателя дополнительно может содержать систему HP-EGR, которая направляет EGR из выше по потоку от турбины 164 в ниже по потоку от дросселя 62.
Со ссылкой на фиг. 2, воздух может поступать в двигатель 10 через воздушный фильтр 170. Воздушный фильтр 170 может быть выполнен с возможностью удалять твердые частицы из воздуха, таким образом, масса чистого воздуха может поступать в двигатель 10. Массовый расход чистого воздуха может измеряться по мере того, как он протекает мимо датчика 120 массового расхода воздуха, а затем через впускной дроссель 63. Массовый расход чистого воздуха, измеренный датчиком 120 массового расхода воздуха, может передаваться в контроллер 12. В одном из вариантов осуществления, масса чистого воздуха может разделяться между разными рядами цилиндров двигателя 10 ниже по потоку от впускного дросселя 63 и выше по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя. Система EGR может вводить отработавшие газы выше по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя, так чтобы смесь чистого воздуха и отработавших газов могла подвергаться сжатию компрессором 162 турбонагнетателя. В одном из вариантов осуществления, компрессор 162 турбонагнетателя может включать в себя первый компрессор 162а для первого ряда цилиндров и второй компрессор 162b для второго ряда цилиндров.
Сжатая смесь чистого воздуха и отработавшего газа ниже по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя может охлаждаться охладителем 154 наддувочного воздуха (САС) выше по потоку от второго дросселя 62. В одном из вариантов осуществления, содержание кислорода потока воздуха ниже по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя может измеряться датчиком 145 выше по потоку от САС 154. В альтернативном варианте осуществления, содержание кислорода потока воздуха ниже по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя может измеряться датчиком 147 ниже по потоку от САС 154. Измерения с датчиков 145 и 147 могут передаваться в контроллер 12.
В одном из вариантов осуществления, отработавшие газы высокого давления могут объединяться со сжатой смесью чистого воздуха и отработавшими газами ниже по потоку от дросселя 62 и выше по потоку от впускного коллектора 44. Смесь газов может направляться в один или более рядов цилиндров впускным коллектором 44. После сгорания в цилиндрах, отработавшие газы могут направляться через выпускной канал 48. В одном из вариантов осуществления, выпускной канал 48 включает в себя выпускной коллектор для каждого ряда цилиндров, такой как выпускной коллектор 48а для первого ряда цилиндров и выпускной коллектор 48b для второго ряда цилиндров.
По меньшей мере часть отработавших газов может приводить в движение турбину 164 турбонагнетателя. В одном из вариантов осуществления, турбина 164 может включать в себя первую турбину 164а для первого ряда цилиндров и вторую турбину 164b для второго ряда цилиндров. В одном из вариантов осуществления, по меньшей мере часть отработавших газов может направляться через систему HP-EGR. Например, система HP-EGR может включать в себя охладитель 146 и клапан 142 HP-EGR для направления охлажденных отработавших газов выше по потоку от впускного коллектора 44. В одном из вариантов осуществления, система HP-EGR может включать в себя первые охладитель 146а и клапан 142а HP-EGR для первого ряда цилиндров и вторые охладитель 146b и клапан 142b HP-EGR для второго ряда цилиндров.
Ниже по потоку от турбины 164, по меньшей мере часть отработавших газов может течь вниз по потоку через устройство 71 снижения токсичности отработавших газов и глушитель 172. В одном из вариантов осуществления, устройство 71 снижения токсичности отработавших газов может включать в себя первый каталитический нейтрализатор 71а розжига для первого ряда цилиндров и второй каталитический нейтрализатор 71b розжига для второго ряда цилиндров. Глушитель 172 может быть выполнен с возможностью гасить шум выхлопа от двигателя 10.
По меньшей мере часть отработавших газов из ниже по потоку от турбины 164 может направляться выше по потоку от компрессора 162 турбонагнетателя системой LP-EGR. Например, система LP-EGR может включать в себя охладитель 158 и клапан 152 LP-EGR для направления охлажденных отработавших газов выше по потоку от компрессора 162. В одном из вариантов осуществления, система LP-EGR может включать в себя первые охладитель 158а и клапан 152а LP-EGR для первого ряда цилиндров и вторые охладитель 158b и клапан 152b LP-EGR для второго ряда цилиндров.
Таким образом, системы, изображенные на фиг. 1 и 2, могут предусматривать обе системы, HP-EGR и LP-EGR. В определенных условиях, может быть полезным подавать EGR исключительно из системы HP-EGR наряду с тем, что в других условиях может быть полезным подавать EGR исключительно из системы LP-EGR. В некоторых вариантах осуществления, раскрытых в материалах настоящей заявки, работа систем HP-EGR и LP-EGR может управляться на основании уровней NOx на выходе двигателя для управления выработкой NOx, обеспечения стабильности сгорания и/или снижения выработки сажи и улучшения экономии топлива.
Фиг. 3А и 3В иллюстрируют способ для регулирования EGR в ответ на уровни NOx в потоке отработавших газов. Способ 200 может выполняться системой управления транспортного средства, такой как контроллер 12, в ответ на обратную связь с одного или более датчиков двигателя, таких как датчик содержания NOx. На 202, способ 200 содержит определение рабочих параметров двигателя. Рабочие параметры двигателя могут включать в себя число оборотов двигателя, нагрузку двигателя, MAP, температуру двигателя и уровни NOx на выходе двигателя, а также другие параметры. Рабочие параметры двигателя могут определяться из сигналов, принимаемых с многообразия датчиков, таких как датчики 112, 120, 126, и т.д. На 204, способ 200 содержит определение, указывают ли рабочие параметры двигателя, что присутствует только одна система EGR. Если условия эксплуатации двигателя указывают, что присутствуют многочисленные системы EGR, например, если присутствуют системы LP-EGR и HP-EGR, способ 200 переходит на 226, который будет пояснен ниже в отношении фиг. 3В.
Если параметры указывают, что присутствует только одна система EGR, способ 200 переходит на 206, чтобы выдавать EGR в цилиндры на основании числа оборотов и нагрузки двигателя. Система управления может включать в себя многомерную регулировочную характеристику, которая включает в себя предопределенное количество EGR, которое должно подаваться в цилиндры в каждой точке числа оборотов и нагрузки двигателя, и подаваемое количество EGR может быть основано на многомерной регулировочной характеристике. Кроме того, при определенных условиях, таких как во время холодного запуска двигателя или когда двигатель эксплуатируется при широко открытом дросселе, EGR выводится из работы.
На 208, требуемый NOx на выходе двигателя (пороговое значение 1, Т1) и предельное значение NOx (пороговое значение 2, Т2) определяются на основании рабочих параметров двигателя. Т1 и Т2 могут быть любыми пригодными количествами NOx, которые указывают на нестабильность сгорания (что касается Т1), и уровнем NOx, который слишком высок, чтобы в достаточной мере нейтрализоваться одним или более устройств нейтрализации отработавших газов на выпуске (что касается Т2). Уровни NOx между Т1 и Т2 содержат требуемое окно уровней NOx, где уровни NOx достаточно низки, чтобы соразмерно нейтрализовываться устройствами снижения токсичности отработавших газов, но не настолько низки, чтобы они указывали заряд цилиндра, который слишком беден или является испытывающим недостаток в кислороде, чтобы обеспечивать стабильное сгорание. В некоторых вариантах осуществления, Т1 и Т2 могут быть постоянными и не изменяться, независимо от условий эксплуатации, тогда как в других вариантах осуществления Т1 и/или Т2 могут меняться на основании условий эксплуатации двигателя, например, таких как число оборотов и нагрузка. В одном из неограничивающих примеров, Т1 может иметь значение 50 частей на миллион наряду с тем, что Т2 может иметь значение 200 частей на миллион.
На 210, определяется, являются ли уровни NOx на выходе двигателя меньшими, чем Т1. Если уровни NOx находятся ниже, чем Т1, это может указывать состояние нестабильного сгорания, при этом увеличивается выработка НС и сажи, а экономия топлива снижается. По существу, если определено, что уровни NOx находятся ниже, чем Т1, способ 200 переходит на 212 для повышения стабильности сгорания.
Повышение стабильности сгорания может включать в себя одно или более действий, выполняемых по-отдельности или в комбинации, для регулирования условий заряда цилиндра на более низкую выработку НС и сажи без большого увеличения NOx. Повышение стабильности сгорания может включать в себя регулирование клапана EGR для уменьшения подаваемой EGR на 214. Количество EGR, изначально подаваемой в цилиндры, может быть заданным процентным содержанием по массе полного заряда цилиндра (например, 25%), основанным на числе оборотов и нагрузке двигателя. Для снижения EGR, клапан EGR может регулироваться, из условия чтобы процентное содержание EGR полного заряда цилиндра уменьшалось, например, до 10%. Посредством снижения EGR, стабильность сгорания может повышаться, и могут повышаться температуры сгорания, увеличивая выработку NOx наряду со снижением выработки НС и сажи. Продолжая подавать некоторое количество EGR, выработка NOx может удерживаться в пределах требуемого окна. В некоторых вариантах осуществления, клапан EGR может быть полностью закрыт для отключения подачи EGR.
Однако, при некоторых условиях, подаваемое количество EGR может не регулироваться, даже если снижение количества EGR увеличило бы стабильность сгорания. В этих условиях, повышение NOx, вырабатываемого в результате уменьшения количества EGR, может быть нежелательным, и может обеспечивать в результате выбросы NOx, превышающие требуемую величину. Например, если транспортное средство включает в себя систему избирательного каталитического восстановления (SCR), оно может полагаться на введение восстановителя, такого как карбамид, в отработавшие газы, для того чтобы нейтрализовать NOx. Если количество карбамида, имеющегося в распоряжении для ввода, является низким, повышение NOx на выходе двигателя может обеспечивать в результате дополнительные NOx, которые не способна нейтрализовать система SCR. Подобным образом, если эффективность SCR или другого устройства снижения токсичности отработавших газов определена низкой, повышение NOx на выходе двигателя может обеспечивать в результате чрезмерные нежелательные количества выбросов NOx в атмосферу. Эффективность каталитического нейтрализатора или SCR может определяться посредством считывания NOx выше по потоку и ниже по потоку от каталитического нейтрализатора или SCR и определения коэффициента снижения NOx на каталитическом нейтрализаторе или SCR. Кроме того, в условиях, где ожидается высокая нагрузка, таких как во время холостого хода, где ожидается, что транспортное средство по существу неизбежно будет эксплуатироваться на более высокой нагрузке, может быть нежелательным снижать EGR. В описанных условиях, стабильность сгорания может обеспечиваться изменением других рабочих параметров двигателя, описанных ниже.
Повышение стабильности сгорания также может включать в себя регулирование установки фаз клапанного распределения для уменьшения внутренней EGR на 216. Установка фаз кулачкового распределения может регулироваться благодаря системе установки фаз кулачкового распределения (VCT), из условия чтобы внутренняя EGR (например, оставшаяся часть) снижалась. Например, установка фаз кулачкового распределения может регулироваться для уменьшения перекрытия клапанов, так чтобы была меньшая внутренняя EGR, а потому, уменьшенные остаточные газы в камере сгорания, для того чтобы поддерживать стабильность сгорания.
На 218, повышение стабильности сгорания может включать в себя регулирование дросселя. Посредством регулирования дросселя, требуемое количество свежего воздуха может допускаться в цилиндры для увеличения содержания кислорода заряда цилиндра. Как таковой, дроссель может открываться по мере того, как закрывается клапан EGR. Дополнительно, установка момента впрыска топлива может регулироваться на 220 для улучшения стабильности сгорания. Например, впрыск топлива может подвергаться опережению, чтобы обеспечивать дополнительное время для сгорания, что может улучшать сгорание и снижать выброс несгоревших углеводородов. В еще одном примере, впрыск топлива может разделяться, из условия чтобы он впрыскивался первый раз в начале в такте впуска и впрыскивался во второй раз в конце такта впуска. По существу, топливная смесь в камере сгорания может быть более однородной, давая в результате более стабильное сгорание.
Регулирования для рабочих параметров двигателя, для того чтобы повышать стабильность сгорания на 212, могут обеспечивать в результате повышение уровней NOx на выходе двигателя. Рабочие параметры, такие как количество EGR и установка момента впрыска, могут регулироваться для повышения NOx выше первого порогового значения Т1 наряду с сохранением их ниже предельного порогового значения Т2 NOx. Однако, в пределах окна между Т1 и Т2, степень, до которой повышаются уровни NOx, может модулироваться на основании одного или более параметров. Например, в некоторых вариантах осуществления, если количество карбамида, имеющегося в распоряжении для ввода в систему SCR, велико, или если эффективность системы SCR или других устройств снижения токсичности отработавших газов определена высокой, уровни NOx, повышенные регулированием количества EGR, установкой моментом впрыска, и т.д., могут повышаться на большую величину, чем когда доступность карбамида является более низкой, или когда эффективность каталитического нейтрализатора не настолько высока. При действии таким образом, NOx может повышаться до уровней, которые по-прежнему могут нейтрализоваться устройствами снижения токсичности отработавших газов, наряду с максимизацией уменьшения НС и сажи, обеспечиваемого пониженной EGR или отрегулированным моментом впрыска. После повышения стабильности сгорания способ 200 заканчивается.
Если на 210 определено, что NOx на выходе двигателя находится не ниже, чем Т1, способ 200 переходит на 222, чтобы определять, не является ли NOx на выходе двигателя большим, чем Т2. Если NOx на выходе двигателя не является большим, чем Т2, уровни NOx находятся в пределах требуемого окна, и способ 200, как таковой, переходит обратно на 206, чтобы продолжать выдавать EGR на основании числа оборотов и нагрузки. Если уровни NOx находятся выше Т2, выработка NOx является более высокой, чем требуется, и может обеспечивать в результате нежелательно высокие выбросы NOx и/или возлагать непомерную нагрузку на устройства снижения токсичности отработавших газов. Таким образом, на 224, способ 200 включает в себя регулирование клапана EGR для увеличения EGR, подаваемой в цилиндры. Посредством увеличения EGR, температуры сгорания могут понижаться и, как результат, снижаться выработка NOx. Регулирование клапана EGR может включать в себя открывание клапана EGR для допуска большего количества EGR в цилиндры. Дополнительно, другие рабочие параметры двигателя могут регулироваться для компенсации повышенной EGR, такой как регулирование дросселя, установки момента впрыска топлива и т.д. После регулирования клапана EGR способ 200 заканчивается.
Обращаясь к 204, если рабочие параметры двигателя указывают, что присутствует более чем одна система EGR, способ 200 переходит на 226 по фиг. 3В. На 226 определяется, задействована ли система HP-EGR. В вариантах осуществления, где присутствуют как система HP-EGR, так и система LP-EGR, в определенных условиях, может приводиться в действие система HP-EGR, тогда как в других условиях, может приводиться в действие система LP-EGR. Например, в условиях низкой нагрузки двигателя, только система HP-EGR может приводиться в действие, чтобы избежать отведения воздуха через систему LP-EGR. В условиях высокой нагрузки, может приводиться в действие система LP-EGR, так как может быть трудным обеспечивать достаточный поток через систему HP-EGR в условиях высокой нагрузки. Приводится ли в действие HP- EGR или LP-EGR, может зависеть от различных рабочих параметров, таких как число оборотов двигателя, нагрузка, абсолютное давление в коллекторе, переходный режим в противоположность режиму установившегося состояния, и т.д. Если ответом на 226 является да, способ 200 переходит на 228, чтобы подавать HP-EGR на основании числа оборотов и нагрузки. Если ответом на 226 является нет, способ 200 переходит на 230, чтобы подавать LP-EGR на основании числа оборотов и нагрузки. Подобно 206, описанному относительно фиг. 3А, количество EGR, подаваемой в цилиндры (любой из HP или LP), может быть основано на многомерной регулировочной характеристике числа оборотов и нагрузки, хранимой в памяти системы управления. После определения количества HP-EGR на 228 или количества LP-EGR на 230, способ 200 переходит на 232.
На 232 требуемое окно NOx на выходе двигателя, заданное посредством Т1 и Т2, определяется на основании рабочих параметров двигателя, как описано относительно 208. На 234, определяется, является ли NOx на выходе двигателя меньшим, чем Т1. Если да, способ 200 переходит на 236 для повышения стабильности сгорания. Подобно 212, повышение стабильности сгорания может включать в себя одно или более действий, таких как уменьшение общего количества EGR. Общее количество EGR может уменьшаться посредством регулирования клапана HP-EGR или LP-EGR в зависимости от того, является ли двигатель работающим с НР- или LP-EGR, на 238, для уменьшения подаваемого количества EGR.
Подобно увеличению стабильности сгорания, как описано для 212 по фиг. 3А, при некоторых условиях, подаваемое количество HP-EGR или LP-EGR может не регулироваться. Эти условия включают в себя являющееся низким количество карбамида, имеющегося в распоряжении для ввода, являющуюся низкой эффективность SCR или другого устройства снижения токсичности отработавших газов, и в условиях, где ожидается высокая нагрузка.
В дополнение к регулированию режима HP-EGR или LP-EGR, увеличение стабильности сгорания может включать в себя регулирование других рабочих параметров двигателя на 240, таких как дроссель и установка момента впрыска, как пояснено в отношении 212 по фиг. 3А. После повышения стабильности сгорания, способ 200 заканчивается.
Если на 234 определено, что NOx на выходе двигателя находится не ниже, чем Т1, способ 200 переходит на 242, чтобы определять, не является ли NOx на выходе двигателя большим, чем Т2. Если NOx на выходе двигателя не является большим, чем Т2, уровни NOx находятся в пределах требуемого окна, и способ 200, как таковой, переходит обратно на 226, чтобы продолжать выдавать HP-EGR или LP-EGR на основании числа оборотов и нагрузки. Если NOx на выходе двигателя является большим, чем Т2, на 244, способ 200 включает в себя регулирование клапана HP-EGR или LP-EGR для увеличения количества EGR, подаваемой в цилиндры. Посредством увеличения EGR, температуры сгорания могут понижаться и, как результат, снижаться выработка NOx. Регулирование клапанов EGR может включать в себя открывание клапанов EGR для допуска большего количества EGR в цилиндры. Дополнительно, другие рабочие параметры двигателя могут регулироваться для компенсации повышенной EGR, такой как регулирование дросселя, установки момента впрыска топлива, и т.д. Дополнительно, степень, до которой увеличивается количество HP-EGR или LP-EGR, может регулироваться на основании условий эксплуатации. Например, в некоторых вариантах осуществления, если количество карбамида, имеющегося в распоряжении для ввода в систему SCR, велико, или если эффективность системы SCR или других устройств снижения токсичности отработавших газов определена высокой, уровни NOx, повышенные регулированием количества HP- или LP-EGR, установкой моментом впрыска, и т.д., могут повышаться на большую величину, чем когда доступность карбамида является более низкой, или когда эффективность каталитического нейтрализатора не настолько высока. После регулирования клапана EGR способ 200 заканчивается.
Таким образом, способ 200 предусматривает регулирование одного или более рабочих параметров двигателя, таких как процентное содержание EGR полного заряда цилиндра, в ответ на обратную связь с датчика содержания NOx ниже по потоку от двигателя. При действии таким образом, уровни NOx могут сохраняться в пределах требуемого окна и, таким образом, гарантировать стабильность сгорания, пониженную выработку НС, сажи, СО и поддерживать требуемую экономию топлива. В некоторых вариантах осуществления, количество EGR, подаваемое в цилиндры, может регулироваться согласно обратной связи с датчика содержания NOx выше по потоку от устройства снижения токсичности отработавших газов, а также датчика ниже по потоку от устройства, таких как датчики 126 и 127. EGR может уменьшаться, если уровни NOx, определенные расположенным выше по потоку датчиком, находятся ниже порогового значения (Т1), и EGR может увеличиваться, если расположенный выше по потоку датчик указывает, что уровни NOx находятся выше порогового значения (Т2). Кроме того, эффективность устройства снижения токсичности отработавших газов может определяться отношением двух датчиков, и EGR может регулироваться согласно отношению. Например, если отношение ниже порогового значения (например, если разность между выходными сигналами датчиков мала), оно может указывать неэффективный каталитический нейтрализатор. По существу, если расположенный выше по потоку датчик указывает, что уровни NOx находятся ниже T1, EGR может не уменьшаться вследствие неэффективности каталитического нейтрализатора. Если эффективность каталитического нейтрализатора определена низкой на основании показаний расположенных выше по потоку и ниже по потоку датчиков, в некоторых вариантах осуществления, EGR может увеличиваться для снижения NOx до уровней, которые могут нейтрализовываться каталитическим нейтрализатором.
Следует понимать, что конфигурации и способы, раскрытые в материалах настоящей заявки, являются примерными по природе и что эти специфичные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Например, вышеприведенная технология может быть применена к типам двигателя V6, I-4, I-6, V-12, противоположно установленному 4-цилиндровому, и другим типам двигателя. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новейшие и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящей заявки.
Последующая формула изобретения подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных. Эти пункты формулы изобретения могут указывать ссылкой на элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Следует понимать, что такие пункты формулы изобретения включают в себя объединение одного или более таких элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены формулой изобретения посредством изменения настоящей формулы изобретения или представления новой формулы изобретения в этой или родственной заявке. Такая формула изобретения, более широкая, более узкая, равная или отличная по объему по отношению к исходной формуле изобретения, также рассматривается в качестве включенной в предмет изобретения настоящего изобретения.