СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ С ОХЛАЖДАЕМОЙ СИСТЕМОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ
METHOD OF OPERATION OF ENGINE WITH COOLED RECOVERY SYSTEM OF EXHAUST GASES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. В частности, изобретение относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания и к переходу двигателя от повышенной нагрузки к пониженной нагрузке.
Уровень техники
x
x
x
Система двигателя может содержать систему рециркуляции выхлопных газов (EGR), которая позволяет улучшить работу двигателя. Например, EGR может уменьшить выбросы двигателя (например, NO) и повысить эффективность двигателя с помощью уменьшения потерь двигателя на прокачивание. В некоторых примерах внешняя рециркуляция выхлопных газов EGR (то есть рециркуляция выхлопных газов, проходящая между выхлопной системой и системой впуска воздуха двигателя) может быть охлаждена для дополнительного снижения выбросов NO, а также для уменьшения вероятности детонации двигателя при повышенных нагрузках. Охлаждение газов EGR также уменьшает температуру наддува цилиндров, тем самым уменьшая образование NO и вероятность самовозгорания остаточных газов. Однако при пониженных нагрузках на двигатель охлаждение газов EGR может привести к уменьшению стабильности горения, а также к возможности пропуска зажигания, увеличению шума и вибрации двигателя. Таким образом, желательно охлаждать газы EGR на средних и повышенных нагрузках на двигатель и избегать охлаждения при пониженных нагрузках. Однако поскольку охлажденные газы EGR подаются во впускную систему двигателя, для очистки впускной системы двигателя от охлажденных газов EGR при переходе от повышенных нагрузок на двигатель к пониженным нагрузкам, может потребоваться много циклов работы двигателя. Следовательно, при изменении условий эксплуатации двигателя, то есть при уменьшении концентрации охлажденных газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, может увеличиться количество выбросов двигателя и ухудшиться стабильность горения.
Раскрытие изобретения
Авторы изобретения обнаружили недостатки эксплуатации двигателя с охлажденными газами EGR и разработали способ эксплуатации двигателя с охлаждаемой системойEGR, в котором: подают охлажденные газыERGв цилиндры двигателя и увеличивают концентрацию внутренних газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, в зависимости от концентрации охлажденных газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, при уменьшении нагрузки на двигатель.
С помощью увеличения концентрации внутренних газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, при уменьшении нагрузки на двигатель появляется возможность получения технического результата, заключающегося в воспламенении сжатием однородной смеси (HCCI) в цилиндрах двигателя для увеличения допустимых пределов для газов EGR в двигателе. Следовательно, вместо снижения рециркуляции внутренних газов EGR для уменьшения обеднения заряда цилиндра во время уменьшения крутящего момента двигателя, увеличенная рециркуляция внутренних газов EGR может способствовать переходу двигателя в режим HCCI, в котором охлажденные газы EGR более высокой концентрации могут быть поданы в двигатель и участвовать в стабильном горении.
x
Настоящее изобретение может предусматривать ряд преимуществ. Например, способ эксплуатации двигателя может уменьшить вероятность пропуска зажигания в двигателе при его работе с охлажденными газами EGR. Кроме того, данный способ может уменьшить выбросы NO при меньших нагрузках на двигатель. Также данный способ может повысить экономичность расхода топлива в двигателе.
Вышеуказанные и другие преимущества, а также отличительные признаки изобретения явно указаны в следующем подробном описании, которое может быть рассмотрено как отдельно, так и со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Следует понимать, что краткое описание приводится выше с целью представления в упрощенной форме отдельных принципов, которые далее изложены в подробном описании. Она не предназначена для определения ключевых или основных особенностей заявленного объекта, область применения которого определена формулой изобретения, приведенной после подробного описания. Кроме того, заявленный объект изобретения не ограничен вариантами, которые устраняют недостатки, указанные выше или упомянутые в любой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено схематическое изображение бензинового двигателя с прямым впрыском.
На фиг. 2 изображена последовательность операций двигателя для перехода от повышенной нагрузки на двигатель к пониженной нагрузке.
На фиг. 3 показана блок-схема способа перехода от повышенной нагрузки на двигатель к пониженной нагрузке.
Осуществление изобретения
Изобретение относится к переходу двигателя между режимами нагрузки. На фиг. 1 показан пример системы, обеспечивающей энергию для движения транспортного средства. Система содержит двигатель, который может работать при пониженных или повышенных нагрузках в зависимости от требуемого крутящего момента. Система содержит контроллер, содержащий неизменяемые инструкции для эксплуатации двигателя в режиме искрового зажигания или воспламенения сжатием однородной смеси (HCCI). На фиг. 2 показан пример последовательности эксплуатации двигателя при смене режима воспламенения в двигателе для уменьшения концентрации охлажденных внешних газов EGR в цилиндрах двигателя для улучшения стабильности горения. На фиг. 3 показана блок-схема перехода двигателя по фиг. 1 между режимом искрового зажигания и режимом воспламенения сжатием однородной смеси (HCCI).
На фиг. 1 показан пример системы бензинового двигателя с прямым впрыском, обозначенной с помощью позиции 10. В частности, двигатель 10 внутреннего сгорания состоит из нескольких цилиндров, один из которых изображен на фиг. 1. Двигатель 10 управляется с помощью электронного контроллера 12. Двигатель 10 состоит из камеры 14 сгорания и стенок 16 цилиндра с поршнем 18, который расположен внутри них и соединен с коленчатым валом 20. Камера 14 сгорания соединена с впускным коллектором 22 и выпускным коллектором 24 с помощью соответствующих впускного клапана 26 и выпускного клапана 28. Впускной клапан 26 может быть открыт и закрыт с помощью регулируемого привода 19 впускного клапана при различных положениях двигателя, изменяющихся в зависимости от положения коленчатого вала. Моменты открытия и закрытия впускного клапана 26 могут быть определены датчиком 17. Аналогичным образом выпускной клапан 28 может быть открыт и закрыт с помощью регулируемого привода 21 выпускного клапана при различных положениях двигателя, изменяющихся в зависимости от положения коленчатого вала. Моменты открытия и закрытия выпускного клапана 28 могут быть определены датчиком 23.
Впускной коллектор 22 гидравлически соединен с корпусом 30 дросселя. Дроссельная заслонка 32 открывается и закрывается, управляя потоком воздуха, поступающим во впускной коллектор 22. По варианту может быть использован дроссель с электронным управлением. В одном примере управление дросселем осуществляют для периодического или непрерывного поддержания определенного уровня вакуума во впускном коллекторе 22. Следует отметить, что в некоторых вариантах корпус 30 дросселя и дроссельная заслонка 32 могут находиться выше по потоку относительно компрессионного устройства 90.
Изображенные топливные форсунки 37 соединены непосредственно с камерой 14 сгорания для впрыска топлива в камеру пропорционально длительности импульса сигнала от контроллера 12. В форсунку 37 топливо подается посредством стандартной топливной системы (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу (не показаны). В двигателях с прямым впрыском, как показано на фиг. 1, используют топливную систему высокого давления, например аккумуляторную систему подачи топлива.
Для бензиновых двигателей запальная свеча 34 предоставляет источник воспламенения для содержимого камеры 14 сгорания. Энергия для создания искры обеспечивается с помощью системы зажигания 35. Контроллер 12 выполняет регулировку заряда на катушках зажигания, которые подают напряжение запальной свече 34. В дизельных двигателях можно исключить использование запальной свечи 34 и системы 35 зажигания.
В представленном примере контроллер 12 представляет собой стандартный микрокомпьютер и содержит блок 40 микропроцессора; порты ввода/вывода 42; электронное запоминающее устройство 44, которое может представлять собой электронное программируемое энергонезависимое запоминающее устройство в данном конкретном случае; оперативное запоминающее устройство 46 и шину данных.
Помимо прочих сигналов, контроллер 12 принимает различные сигналы от подключенных к двигателю 10 датчиков, включая, но не ограничиваясь следующим: сигнал измерения массового расхода воздуха (MAF) от датчика массового расхода 50, подключенного к воздушному фильтру (А на фиг. 1); сигнал температуры охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) от датчика температуры 52, подключенного к охлаждающей рубашке 54; сигнал абсолютного давления во впускном коллекторе (MAP) от датчика 56 давления в коллекторе, подключенного к впускному коллектору 22; сигнал положения дросселя (TP) от датчика положения дросселя 58, подключенного к дроссельной заслонке 32; сигнал профиля зажигания (PIP) от датчика Холла 60 (или датчика переменного магнитного сопротивления), подключенного к коленчатому валу 20 и определяющего скорость двигателя.
x
Двигатель 10 может содержать систему рециркуляции выхлопных газов (EGR) для уменьшения выброса NO и других выбросов. Например, двигатель 10 может содержать систему EGR высокого давления, в которой выхлопные газы поступают во впускной коллектор 22 по трубе 70 системы EGR высокого давления, соединенной с выпускным коллектором 24 на участке выше по потоку относительно турбины 90а компрессионного устройства 90, работающей на выхлопных газах, а также с впускным коллектором 22 на участке ниже по потоку относительно впускного компрессора 90b компрессионного устройства 90. Представленная система EGR высокого давления содержит устройство клапана 72 системы EGR высокого давления, расположенное в трубе 70 системы EGR высокого давления. Выхлопные газы проходят от выпускного коллектора 24 через клапан 72 системы EGR высокого давления во впускной коллектор 22. Охладитель (поз. 83 на фиг. 1) системы EGR высокого давления может быть расположен в трубе 70 системы EGR высокого давления для охлаждения газов EGR до их поступления во впускной коллектор. Охлаждение обычно осуществляют с помощью охлаждающей жидкости двигателя, но также может быть применен и воздухо-воздушный теплообменник.
Двигатель 10 может содержать систему EGR низкого давления. Представленная система EGR низкого давления содержит трубу 170 системы EGR низкого давления, соединенную с выхлопной трубой, которая расположена после турбины на участке выше по потоку относительно турбины 90а, работающей на выхлопных газах, а также с впускной трубой, расположенной перед компрессором на участке выше по потоку относительно впускного компрессора 90b. Клапан 172 системы EGR низкого давления расположен в трубе 170 системы EGR низкого давления. Выхлопные газы в контуре EGR низкого давления перед попаданием в трубу 170 системы EGR низкого давления сначала проходят от турбины 90а через каталитическое устройство 82 (например, трехкомпонентный нейтрализатор, который имеет реактивный слой, состоящий из платины, палладия и родия) и сажевый фильтр 80 или второй каталитический нейтрализатор. Каталитическое устройство 82 нейтрализует выхлопные газы двигателя, например, окисляя компоненты выхлопных газов. Охладитель 87 системы EGR низкого давления может быть расположен вдоль трубы 170 системы EGR низкого давления. По варианту система EGR низкого давления может начинаться на участке, расположенном ниже по потоку относительно турбины 90а и выше по потоку относительно устройств 82 и 80 доочистки выхлопных газов, особенно в бензиновых двигателях, если концентрации твердых частиц очень малы.
Устройство клапана 72 системы EGR высокого давления и клапана 172 системы EGR низкого давления содержат клапан (не показан) для регулировки переменного сечения трубы 70 системы EGR высокого давления и трубы 170 системы EGR низкого давления, которые регулируют поток газов EGR высокого и низкого давления соответственно.
Вакуумные регуляторы 74 и 174 соединены с клапаном 72 системы EGR высокого давления, клапаном 172 системы EGR низкого давления и клапаном подачи воздуха к сажевому фильтру соответственно. Вакуумные регуляторы 74 и 174 принимают управляющие сигналы от контроллера 12 для управления положением клапана 72 системы EGR высокого давления и клапана 172 системы EGR низкого давления. В предпочтительном варианте клапан 72 системы EGR высокого давления и клапан 172 системы EGR низкого давления являются клапанами с вакуумным приводом. Однако может быть применен любой клапан или клапаны управления потоком, например, клапан с приводом от электромагнита, клапан с приводом от электродвигателя постоянного тока или клапан с приводом от шагового двигателя.
Компрессионным устройством 90 может являться турбонагнетатель или любое другое аналогичное устройство. Представленное компрессионное устройство 90 оснащено турбиной 90а, которая соединена с выпускным коллектором 24, и компрессором 90b, соединенным с впускным коллектором 22 через промежуточный охладитель (поз. 85 на фиг. 1), который обычно представляет собой воздухо-воздушный теплообменник, но может иметь и водяное охлаждение. Турбина 90а обычно соединена с компрессором 90b через приводной вал 92 (возможна и последовательная конфигурация турбонагнетателя, конфигурация с одой регулируемой турбиной (VGT), двумя регулируемыми турбинами или любая другая конфигурация турбонагнетателей).
Концентрация кислорода в выхлопной системе может быть определена датчиками 178 и 176 кислорода. Также дополнительный датчик кислорода (не показан) может быть расположен между катализатором 82 и сажевым фильтром 80. Датчик 178 кислорода регистрирует концентрацию кислорода в двигателе, а датчик 176 кислорода регистрирует концентрацию кислорода в выхлопных газах ниже по потоку относительно катализатора и сажевого фильтра. Датчики кислорода могут быть любыми датчиками с линеаризованным выходным сигналом либо датчиками с сигналом высокого уровня в условиях, близких к стехиометрии.
Дополнительно изображены педаль 94 газа и нога 95 водителя. Датчик 96 положения педали (pps) измеряет угловое положение педали 94 газа, на которую нажимает нога водителя.
Следует понимать, что двигатель 10 представлен лишь в качестве примера и что описанные системы и способы могут быть выполнены или применены к любому другому подходящему двигателю с любыми подходящими компонентами или совокупностью компонентов.
Таким образом, система по фиг. 1 представляет систему двигателя, которая содержит следующие компоненты: двигатель с несколькими цилиндрами, а также каналами системы EGR высокого и (или) низкого давления, в которые входят охладители EGR; система газораспределения, механически соединенная с двигателем; контроллер с неизменяемыми инструкциями для увеличения концентрации внутренних газов EGR в цилиндрах двигателя, когда падение нагрузки на двигатель превышает некоторое пороговое значение, а также дополнительные инструкции для работы двигателя в режиме воспламенения сжатием однородной смеси (HCCI) после увеличения концентрации внутренних газов EGR в цилиндрах.
По вариантам система двигателя дополнительно содержит инструкции для входа в режим HCCI в зависимости от уменьшения нагрузки на двигатель ниже порогового уровня после того, как падение нагрузки превысит пороговое значение. Система двигателя также содержит дополнительные инструкции для увеличения времени перекрытия впускного и выпускного клапанов для увеличения концентрации внутренних газов EGR. Система двигателя также содержит дополнительные инструкции для увеличения концентрации внутренних газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, в зависимости от концентрации охлажденных газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, при уменьшении нагрузки на двигатель. Система двигателя также содержит дополнительные инструкции для уменьшения концентрации внутренних газов EGR в зависимости от уменьшения концентрации охлажденных газов EGR.
0
8
На фиг. 2 представлена последовательность эксплуатации двигателя согласно описанному способу. Последовательность по фиг. 2 может быть выполнена системой по фиг. 1 с помощью инструкций согласно способу по фиг. 3, хранящихся в энергонезависимой памяти. Вертикальные метки Т-Т представляют собой интересующие моменты времени в данной последовательности.
Первый сверху график на фиг. 2 представляет собой зависимость нагрузки на двигатель от времени. Ось Υ представляет собой нагрузку двигателя, которая увеличивается в направлении стрелки оси Υ. Ось X представляет собой время, которое на фиг. 2 увеличивается в направлении слева направо.
Второй сверху график на фиг. 2 представляет собой зависимость концентрации внешних охлажденных газов EGR в заряде цилиндра перед воспламенением в цилиндре от времени. Ось Υ представляет собой концентрацию внешних охлажденных газов EGR в заряде цилиндра перед воспламенением, которая увеличивается в направлении стрелки оси Υ. Ось X представляет собой время, которое на фиг. 2 увеличивается в направлении слева направо.
Третий сверху график на фиг. 2 представляет собой зависимость внутренних газов EGR в заряде цилиндра перед воспламенением в цилиндре от времени. Ось Υ представляет собой концентрацию внутренних газов EGR в заряде цилиндра перед воспламенением, которая увеличивается в направлении стрелки оси Υ. Ось X представляет собой время, которое на фиг. 2 увеличивается в направлении слева направо.
Четвертый сверху график на фиг. 2 представляет собой зависимость периода перекрытия впускного и выпускного клапанов от времени. Ось Υ представляет собой время перекрытия впускного и выпускного клапанов, которое увеличивается в направлении стрелки оси Υ. Ось X представляет собой время, которое на фиг. 2 увеличивается в направлении слева направо.
Пятый сверху график на фиг. 2 представляет собой зависимость режима воспламенения в двигателе от времени. Ось Υ представляет собой режим воспламенения в двигателе, при этом верхний уровень указывает на режим искрового зажигания (SI), а нижний уровень указывает на режим воспламенения сжатием однородной смеси (HCCI). Ось X представляет собой время, которое на фиг. 2 увеличивается в направлении слева направо.
0
В момент Т времени нагрузка на двигатель находится на среднем уровне, как и концентрация внешних охлажденных газов EGR в заряде цилиндра. Концентрация внешних охлажденных газов EGR в заряде цилиндра может поддерживаться с помощью системы низкого или высокого давления, как показано на фиг. 1. Концентрация внутренних газов EGR (например, выхлопных газов, попадающих в цилиндр или протекающих внутри двигателя от выпускного коллектора и (или) выхлопной системы в цилиндр) находится на среднем уровне, как и время перекрытия впускного и выпускного клапанов. Такие условия могут указывать на работу двигателя при частичной нагрузке (например, 0,4 от полной нагрузки) и при средней скорости (например, 2500 об/мин). Показано, что двигатель работает в режиме искрового зажигания, когда горение в цилиндре инициируется искрой, которую генерирует запальная свеча.
1
В момент Т времени нагрузка на двигатель сначала начинает медленно уменьшаться, а затем со временем увеличивается. Нагрузка на двигатель может уменьшиться в зависимости от, по меньшей мере, частичного ослабления нажатие на педаль газа водителем (например, при условии отпускания педали) или аналогичного устройства (не показано). Концентрация внешних охлажденных газов EGR в цилиндрах двигателя начинает уменьшаться в ответ на уменьшение нагрузки на двигатель. Концентрацию внешних охлажденных газов EGR можно уменьшить с помощью, по крайней мере, частичного закрытия клапана EGR. Концентрация внутренних газов EGR в заряде цилиндра перед воспламенением также сначала увеличится во время снижения нагрузки. Позже концентрация внутренних газов EGR в заряде цилиндра перед воспламенением продолжит увеличиваться, поскольку скорость изменения нагрузки превышает пороговое значение, концентрация внешних охлажденных газов EGR в цилиндрах двигателя превышает пороговое значение, а нагрузка на двигатель меньше порогового значения. Концентрацию внутренних газов EGR в заряде цилиндра перед воспламенением регулируют путем регулировки времени перекрытия впускного и выпускного клапанов. Изначально время перекрытия впускного и выпускного клапанов увеличивается и продолжает увеличиваться в дальнейшем для увеличения концентрации внутренних газов EGR в заряде цилиндра перед воспламенением. Концентрацию внутренних газов EGR увеличивают с помощью увеличения времени перекрытия впускного и выпускного клапанов в зависимости от увеличения скорости спада нагрузки на двигатель. Двигатель продолжает работать в режиме SI.
2
2
3
4
В момент Т времени нагрузка на двигатель меньше порогового значения, и режим горения в двигателе переходит с SI на HCCI в зависимости от достижения двигателем нагрузки, меньшей по сравнению с пороговым уровнем. Кроме того, время перекрытия впускного и выпускного клапанов увеличивается до уровня, при котором увеличивается температура наддува цилиндра перед воспламенением до температуры, которая поддерживает режим HCCI. Концентрация внешних охлажденных газов EGR продолжает уменьшаться, поскольку двигатель выкачивает содержимое впускного коллектора. Сразу же после момента Т времени нагрузка на двигатель стабилизируется, концентрация внешних охлажденных газов EGR стабилизируется, время перекрытия впускного и выпускного клапанов достигает увеличенного устойчивого уровня, при этом также стабилизируется концентрация внутренних газов EGR. В момент Т времени двигатель может вернуться в режим SI, а концентрация внутренних газов EGR возвращается на средний уровень для поддержки режима SI. Режим HCCI больше не требует поддержки высоких уровней концентрации внешних охлажденных газов EGR при пониженных нагрузках, поскольку двигатель переходит в холостой режим. По варианту двигатель может оставаться в режиме HCCI при пониженной нагрузке/переходе в холостой режим работы для дальнейшей экономии топлива до момента Т времени.
4
В момент Т времени концентрация внутренних газов EGR уменьшается в зависимости от увеличения нагрузки на двигатель. Увеличение нагрузки на двигатель может быть вызвано нажатием водителем на педаль газа или аналогичное устройство. Концентрация внешних охлажденных газов EGR также начинает увеличиваться, а время перекрытия впускного и выпускного клапанов уменьшается в зависимости от увеличения нагрузки на двигатель, что позволяет уменьшить концентрацию внутренних газов EGR.
5
6
В момент Т времени нагрузка на двигатель начинает медленно уменьшаться в ответ на ослабление водителем нажатия на педаль газа. Концентрация внешних охлажденных газов EGR в цилиндрах двигателя начинает уменьшаться в ответ на уменьшение нагрузки на двигатель. Концентрация внутренних газов EGR в заряде цилиндра перед воспламенением увеличивается, при этом нагрузка на двигатель уменьшается, и стабилизируется, когда нагрузка на двигатель стабилизируется на более низком значении в момент Т времени. Концентрация внутренних газов EGR увеличивается путем увеличения времени перекрытия впускного и выпускного клапанов в ответ на уменьшение нагрузки на двигатель. Во время представленного перехода от повышенной нагрузки на двигатель до пониженной нагрузки нагрузка изменяется со скоростью, меньшей по сравнению с пороговым уровнем скорости изменения. Таким образом, концентрация внешних охлажденных газов EGR может быть уменьшена с увеличением нагрузки на двигатель для того, чтобы уменьшить вероятность низкой стабильности горения.
6
6
7
В момент Т времени нагрузка на двигатель меньше порогового значения, и режим горения в двигателе переходит на режим SI, поскольку скорость изменения нагрузки меньше пороговой скорости изменения. Далее время перекрытия впускного и выпускного клапанов стабилизируется на требуемом значении вместе с концентрациями внутренних газов EGR и внешних охлажденных газов EGR. Между моментами Т и Т времени двигатель работает в холостом режиме, при этом концентрации внутренних газов EGR и внешних охлажденных газов EGR остаются на требуемом уровне. Двигатель также продолжает работать в режиме SI.
7
В момент Т времени концентрация внутренних газов EGR уменьшается в ответ на увеличение нагрузки на двигатель. Увеличение нагрузки на двигатель может быть вызвано нажатием водителем на педаль газа или аналогичное устройство. Концентрация внешних охлажденных газов EGR также начинает увеличиваться, а время перекрытия впускного и выпускного клапанов уменьшается в ответ на увеличение нагрузки на двигатель, что позволяет уменьшить концентрацию внутренних газов EGR. Двигатель продолжает работать в режиме SI, а нагрузка соответствует уровню нажатия на педаль водителем.
8
В момент Т времени нагрузка на двигатель начинает быстро уменьшаться в ответ на быстрое ослабление водителем нажатия на педаль газа. Концентрация внешних охлажденных газов EGR в цилиндрах двигателя начинает уменьшаться в ответ на уменьшение нагрузки на двигатель. Концентрация внутренних газов EGR в заряде цилиндра перед воспламенением увеличивается в ответ на скачок скорости изменения нагрузки на двигатель и концентрации внешних охлажденных газов EGR. Концентрация внутренних газов EGR увеличивается путем увеличения времени перекрытия впускного и выпускного клапанов в ответ на уменьшение нагрузки на двигатель и концентрации внешних охлажденных газов EGR. Во время представленного перехода от повышенной нагрузки на двигатель до пониженной нагрузки, нагрузка изменяется со скоростью, превышающей пороговый уровень скорости изменения. Таким образом, концентрация внешних охлажденных газов EGR не может быть уменьшена так быстро, как это требуется, поскольку нагрузка на двигатель уменьшается, когда двигатель работает в режиме SI.
9
В момент Т времени нагрузка на двигатель меньше порогового значения, и режим горения в двигателе переходит с режима SI на режим HCCI, поскольку скорость изменения нагрузки больше пороговой скорости изменения, а также нагрузка на двигатель меньше порогового значения. Далее время перекрытия впускного и выпускного клапанов стабилизируется на требуемом значении, которое обеспечивает требуемую концентрацию внутренних газов EGR для поддержки горения в режиме HCCI. Концентрация внешних охлажденных газов EGR уменьшается до требуемой концентрации. Сразу же после этого последовательность операций завершается.
На фиг. 3 представлен способ эксплуатации двигателя. Способ по фиг. 3 может быть сохранен как исполняемые инструкции в энергонезависимой памяти системы, представленной на фиг. 1. Способ по фиг. 3 может обеспечивать выполнение последовательности, которая представлена на фиг. 2.
На этапе 302 способа 300 определяют скорость двигателя и нагрузку на двигатель. По варианту скорость двигателя определяют путем получения и обработки выходного сигнала с датчика положения коленчатого вала. Нагрузка на двигатель может быть определена путем измерения давления во впускном коллекторе или путем обработки выходного сигнала с датчика положения педали газа. После определения скорости двигателя и нагрузки способ 300 переходит на этап 304.
На этапе 304 способа 300 выполняют охлаждение внешних газов EGR. По варианту газы EGR охлаждают с помощью охладителей в системах EGR низкого и (или) высокого давления, как показано на фиг. 1. После охлаждения внешних газов EGR способ 300 переходит на этап 306.
На этапе 306 способа 300 определяют, превышает ли скорость спада нагрузки на двигатель пороговую скорость спада. Уменьшение нагрузки на двигатель может быть вызвано ослаблением нажатия на педаль газа, запроса от контроллера или изменением условий работы транспортного средства. Пороговая скорость уменьшения нагрузки на двигатель может изменяться в зависимости от условий эксплуатации двигателя. Например, если спад нагрузки начинается в момент времени, когда нагрузка соответствует первому значению, пороговая скорость уменьшения нагрузки может соответствовать первой скорости спада нагрузки. Если спад нагрузки начинается в момент времени, когда нагрузка соответствует второму значению, пороговая скорость уменьшения нагрузки может соответствовать второй скорости спада нагрузки, при этом вторая скорость спада нагрузки меньше первой скорости спада нагрузки. Если в способе 300 будет определено, что спад нагрузки на двигатель превышает пороговую скорость уменьшения нагрузки, ответ будет положительным, после чего способ переходит на этап 310. В противном случае способ 300 получает отрицательный ответ и переходит на этап 330.
На этапе 330 способа 300 определяют моменты срабатывания впускного и выпускного клапанов посредством кулачкового механизма или другого устройства, положение клапана систем EGR низкого и (или) высокого давления, моменты зажигания, моменты и величина впрыска, а также положение дросселя для обеспечения требуемого крутящего момента двигателя. Требуемый крутящий момент двигателя может быть определен по нажатию водителем на педаль газа или аналогичное устройство. По варианту положение кулачков газораспределительного механизма, моменты зажигания, количество топлива, а также положения клапанов системы EGR определяют из таблиц и (или) функций, которые содержат определенные эмпирическим путем значения, основанные на скорости двигателя и нагрузке. Способ 300 определяет требуемые моменты зажигания, срабатывания кулачков (например, моменты открытия клапанов), величину и моменты впрыска топлива, положения клапанов системы EGR из таблиц и (или) функций и выходных данных, определенных эмпирическим путем, из таблиц. Способ 300 продолжается после отправления определенных эмпирическим путем значений приводам двигателя.
На этапе 310 способа 300 уменьшают концентрация внешних охлажденных газов EGR, поступающих в двигатель. Концентрация внешних охлажденных газов EGR, поступающих в цилиндры двигателя, также уменьшается, но может быть некая задержка из-за времени, требуемого на извлечение внешних охлажденных газов EGR и воздуха из впускного коллектора двигателя. Концентрацию внешних охлажденных газов EGR уменьшают посредством закрытия клапана EGR. Внешние охлажденные газы EGR могут проходить из канала системы EGR низкого или высокого давления. После уменьшения концентрации внешних охлажденных газов EGR, попадающих в двигатель, способ 300 переходит на этап 312.
На этапе 312 способа 300 увеличивается температура смеси воздуха, топлива и газов EGR перед воспламенением в цилиндрах двигателя путем увеличения концентрации внутренних газов EGR в цилиндрах двигателя. В частности, концентрация внутренних газов EGR в цилиндрах двигателя увеличивается до концентрации, при которой возможен режим HCCI при пониженных нагрузках на двигатель. По варианту концентрация внутренних газов EGR в цилиндрах увеличивается путем увеличения времени перекрытия впускного и выпускного клапанов. В другом примере концентрация внутренних газов EGR может быть увеличена посредством регулировки величины подъема и (или) момента срабатывания клапана.
В способе 300 также увеличивается концентрация внутренних газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, в зависимости от концентрации охлажденных газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, при уменьшении нагрузки на двигатель. По варианту концентрация внутренних газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, увеличивается до уровня, который основан на концентрации внешних охлажденных газов EGR во время уменьшения нагрузки на двигатель. Например, если концентрация охлажденных газов EGR в цилиндрах двигателя во время уменьшения нагрузки на двигатель составляет 20% от массы газа в цилиндре, то концентрация внутренних газов EGR в цилиндрах может быть уменьшена до 45% от массы газа в цилиндре. Также концентрация внутренних газов EGR может быть увеличена, как и концентрация внешних охлажденных газов EGR при увеличении спада нагрузки. Также концентрация внутренних газов EGR может быть уменьшена, как и концентрация внешних охлажденных газов EGR, при уменьшении спада нагрузки. После увеличения концентрации внутренних газов EGR в цилиндрах или после ее регулировки до уровня, достаточного для режима HCCI, способ 300 переходит на этап 314.
На этапе 314 способа 300 регулируют момент зажигания и воздушно-топливное соотношение для поддержки режима HCCI. По варианту воздушно-топливное соотношение устанавливают на обедненном уровне, а момент зажигания на позднее зажигание по сравнению с ситуацией, когда двигатель работает при той же скорости и нагрузке и не переходит в режим HCCI. После регулировки момента зажигания и воздушно-топливного соотношения способ 300 переходит на этап 316.
На этапе 316 способа 300 определяют, является ли нагрузка на двигатель меньшей по сравнению с пороговым значением и соответствуют ли условия работы режиму HCCI. Пороговая нагрузка на двигатель может изменяться в зависимости от условий эксплуатации двигателя. Например, пороговая нагрузка может быть увеличена или уменьшена в зависимости от температуры двигателя. Условия, соответствующие режиму HCCI, могут содержать, не ограничиваясь этим, пороговые значения воздушно-топливного соотношения, температуры двигателя, концентрации внутренних газов EGR, а также температуры смеси в цилиндре перед воспламенением. Если при способе 300 определяют, что нагрузка на двигатель меньше порогового значения и условия работы двигателя соответствуют режиму HCCI, то ответ будет положительным, после чего способ 300 перейдет на этап 318. В противном случае способ 300 получает отрицательный ответ и возвращается на этап 316.
На этапе 318 производится установка момента зажигания в режим позднего зажигания относительно ожидаемого зажигания в режиме HCCI. Двигатель продолжает создавать искру, пока не будет точно установлено, что горение в цилиндрах происходит в режиме HCCI. Момент зажигания может быть установлен с таким запаздыванием, чтобы зажигание могло инициироваться в режиме HCCI и поддерживаться в режиме SI, гарантируя воспламенение в цилиндрах двигателя. После регулировки момента зажигания способ 300 переходит на этап 320.
На этапе 320 способ 300 осуществляет попытку перевода работы двигателя в режим HCCI путем регулировки концентрации внутренних газов EGR и воздушно-топливного соотношения. В частности, концентрация внутренних газов EGR в цилиндрах при холостой работе двигателя может быть увеличенной по сравнению с концентрацией внутренних газов EGR при холостой работе двигателя в режиме SI. После регулировки концентрации внутренних газов EGR и воздушно-топливного соотношения способ 300 переходит на этап 322.
На этапе 322 способа 300 выполняют проверку, происходит ли горение в режиме HCCI. По варианту горение в режиме HCCI в цилиндрах подтверждается путем сравнения давления в цилиндре с сохраненным профилем цилиндра для режимов HCCI и SI. По другому варианту для подтверждения режима HCCI используют связь между ускорением и положением двигателя. Если в способе 300 определяют, что в цилиндрах горение происходит в режиме HCCI, то ответ будет положительным, после чего способ 300 перейдет на этап 324. В противном случае способ 300 получает отрицательный ответ и возвращается на этап 318.
На этапе 324 способ 300 перестает подавать искру в цилиндры. Подачу искры можно прервать путем отключения подачи тока на катушки зажигания. Способ 300 переходит на этап 326 после прекращения подачи искры. В других вариантах можно продолжить создавать искру для цилиндров с задержкой относительно ожидаемого воспламенения в режиме HCCI.
На этапе 326 способа 300 определяют, выпускаются ли охлажденные газы EGR из впускной системы двигателя или нет, а также увеличилась ли нагрузка или скорость двигателя относительно малой нагрузки/холостого хода. Наличие охлажденных газов EGR во впускной системе можно определить из модели переноса газов EGR. Изменение нагрузки на двигатель можно определить путем проверки давления и температуры во впускном коллекторе. Изменение нагрузки на двигатель можно определить с помощью данных от датчика скорости двигателя. Если способ 300 определяет, что охлажденные газы EGR вышли из впускной системы двигателя или что произошло изменение нагрузки или скорости двигателя относительно пониженной нагрузки или холостого режима, то ответ будет положительным, после чего способ 300 переходит на этап 328. В противном случае способ 300 получает отрицательный ответ и переходит на этап 324.
На этапе 328 способа 300 активируется свеча зажигания и начинается подача искры зажигания в цилиндры двигателя. Кроме того, способ 300 переводит двигатель из режима HCCI в режим SI путем уменьшения концентрации внутренних газов EGR в цилиндрах двигателя, уменьшая время перекрытия впускного и выпускного клапанов. Также воздушно-топливное соотношение может быть обогащено до стехиометрического. Способ 300 переходит на этап 330 после перехода двигателя из режима HCCI в режим SI.
Таким образом, на фиг. 3 представлен способ эксплуатации двигателя с охлаждаемой системой рециркуляции выхлопных газов EGR в котором: подают охлажденные газы EGR к цилиндрам двигателя; увеличивают концентрацию внутренних газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, в зависимости от концентрации охлажденных газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, при уменьшении нагрузки на двигатель. Способ предусматривает подачу охлажденных газов EGR через систему EGR низкого давления. Способ также предусматривает увеличение концентрации внутренних газов EGR путем увеличения времени перекрытия впускного и выпускного клапанов. Также способ предусматривает уменьшение концентрации охлажденных газов EGR в зависимости от уменьшения нагрузки на двигатель. Также способ предусматривает увеличение концентрации внутренних газов EGR при увеличении концентрации охлажденных газов EGR. Также способ предусматривает уменьшение концентрации внутренних газов EGR при уменьшении концентрации охлажденных газов EGR. Способ дополнительно предусматривает эксплуатацию двигателя в режиме воспламенения сжатием однородной смеси, если нагрузка на двигатель меньше пороговой нагрузки после увеличения концентрации внутренних газов EGR. Также способ дополнительно предусматривает эксплуатацию двигателя в режиме искрового зажигания до уменьшения нагрузки на двигатель.
В другом варианте способ предусматривает эксплуатацию двигателя с охлаждаемой системой рециркуляции выхлопных газов EGR, в котором: подают охлажденные газы EGR в цилиндры двигателя через систему EGR низкого давления; увеличивают концентрацию внутренних газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, в зависимости от концентрации охлажденных газов EGR, подаваемых в цилиндры, при ослаблении нажатия на педаль газа. Также в соответствии со способом ослабление нажатия на педаль газа приводит к уменьшению нагрузки на двигатель. Способ дополнительно предусматривает увеличение концентрации внутренних газов EGR путем увеличения времени перекрытия впускного и выпускного клапанов. Дополнительно способ предусматривает подачу охлажденных газов EGR к двигателю на участке выше по потоку относительно компрессора, расположенного вдоль канала впуска воздуха. Способ дополнительно предусматривает уменьшение концентрации охлажденных газов EGR, подаваемых в цилиндры двигателя, путем закрытия клапана EGR и увеличения времени перекрытия впускного и выпускного клапанов, когда скорость спада нагрузки превышает пороговое значение. Способ дополнительно предусматривает эксплуатацию двигателя в режиме воспламенения сжатием однородной смеси, если нагрузка на двигатель меньше пороговой нагрузки. Также способ предусматривает подачу охлажденных газов EGR из участка, расположенного ниже по потоку относительно турбины турбонагнетателя.
Следует понимать, что конфигурации и последовательности операций, раскрытые в данном описании, являются примерами, и что эти конкретные варианты выполнения не следует рассматривать как ограничительные, поскольку возможны их различные варианты и модификации. Например, возможно использование описанной технологии для двигателей V6, I-4, I-6, V12, оппозитных двигателей с четырьмя цилиндрами, а также других типов двигателей. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации или подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные особенности, функции и/или свойства, раскрытые в настоящем документе.
Все термины, применяемые в формуле изобретения, следует понимать в их наиболее широких разумных толкованиях и их обычных значениях, как это понимают специалисты в данной области техники, если иное явно не указано в описании изобретения. В частности, использование слов «какой-либо», «данный», «вышеуказанный» и т.д. надо понимать как один или несколько указанных элементов, если в формуле не указано иное.