УПРАВЛЕНИЕ ВЫПУСКОМ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И ПЕРЕПУСКНОЙ КЛАПАН ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
CONTROL EXHAUST OF EXHAUST GASES AND BYPASS VALVE OF EXHAUST GASES

Перекрестные ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент Соединенных Штатов Америки №62/104,565, «УПРАВЛЕНИЕ ВЫПУСКОМ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И ПЕРЕПУСКНОЙ КЛАПАН ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ», поданной 16 января 2015 года, содержание которой полностью включено в настоящую заявку для любых целей посредством ссылки.
Область техники
Раскрытое в настоящей заявке изобретение относится к турбокомпрессору двигателя. Уровень техники и раскрытие изобретения
Турбокомпрессоры с двойной улиткой могут использоваться в двигателях с турбонаддувом. Конструкция турбокомпрессора с двойной улиткой может предусматривать разделение входа в турбину на два отдельных канала, соединенных с трактами выпускного коллектора. Таким образом, отработавшие газы из цилиндров двигателя, чьи импульсы могут создавать помехи друг другу, будут гидравлически разобщены.
Например, в двигателе со схемой расположения цилиндров 14 и порядком работы цилиндров 1-3-4-2 с выпуском отработавших газов в тракты выпускного коллектора, тракты 1 и 4 выпускного коллектора могут быть соединены с первым входом двухзаходной турбины, а тракты 2 и 3 выпускного коллектора могут быть соединены со вторым входом указанной двухзаходной турбины, при этом второй вход отличается от первого и гидравлически разобщен с ним. Таким образом, разделение импульсов отработавших газов может в некоторых случаях привести к повышению эффективности подачи отработавших газов в турбину.
Однако, в некоторых режимах работы двигателя, разделение импульсов отработавших газов, как описано выше, может снизить эффективность их подачи в турбину. Например, в определенных режимах работы двигателя, например, на высоких оборотах или нагрузках, разделение импульсов отработавших газов может привести к росту противодавления и помпажа. Причина роста противодавления и помпажа может заключаться в том, что при двухзаходной конструкции корпуса турбины каналы между выпускным коллектором и турбиной являются более узкими и менее объемными, чем неразделенный канал в турбине с одинарной улиткой. Таким образом, отработавшие газы из цилиндров могут вызвать повышение давления в малообъемных каналах по сравнению с неразделенным каналом большего объема. Рост противодавления также может привести к увеличению количества горячих остаточных газов в цилиндре и снижению эффективной мощности двигателя.
Пример способа снижения противодавления и помпажа в турбокомпрессоре с двойной улиткой раскрыт Стайлсом (Styles) с соавторами в US 2014/0219849. Он включает установку сообщающего клапана между первым и вторым каналами улитки в системе турбокомпрессора с двойной улиткой. В одном варианте, сообщающий клапан может примыкать к перегородке, разделяющей первый канал улитки и второй канал улитки турбокомпрессора с двойной улиткой. В открытом положении, сообщающий клапан может увеличить гидравлическое сообщение между первым и вторым каналами улитки, а в закрытом положении уменьшить гидравлическое сообщение между первым и вторым каналами улитки. В некоторых вариантах, каждый из каналов улитки может содержать соответствующий регулятор давления наддува и соответствующий перепускной клапан для регулирования расхода отработавших газов через турбину.
Авторы настоящего изобретения выявили потенциальный недостаток варианта способа, предложенного Стайлсом с соавторами. Например, одновременная установка сообщающего клапана и одного или нескольких перепускных клапанов в системе турбокомпрессора и двигателя может ухудшить ее характеристики в части стоимости, веса и компоновки. Кроме того, может возникнуть дополнительная нагрузка на систему управления и контроля двигателя, если этой системе придется обеспечивать работу и регулирование двух или более клапанов в зависимости от режима работы двигателя.
Авторы настоящего изобретения определили подход, позволяющий устранить вышеуказанный недостаток хотя бы частично. В одном примере предложен способ, включающий изменение положения клапана, расположенного в канале, сообщающем первый и второй каналы улитки турбины, для увеличения подачи отработавших газов в турбину, когда ее скорость ниже пороговой и в первом режиме нагрузки, и изменение положения клапана для уменьшения расхода отработавших газов в турбину, когда ее скорость выше пороговой, и во втором режиме нагрузки. В этом примере клапан гидравлически сообщен с обводным каналом для пропуска отработавших газов в обход турбины. Таким образом, количество среды, передаваемой между первым и вторым каналом и в обводной канал, можно регулировать для обеспечения необходимого давления наддува в различных режимах работы двигателя.
Например, первый режим нагрузки может включать одно или несколько из следующих условий: давление наддува меньше необходимого, нагрузка двигателя выше пороговой, а потребность в крутящем моменте возрастает. В другом примере, второй режим нагрузки может включать одно или несколько из следующих условий: давление наддува больше необходимого, нагрузка двигателя ниже пороговой, а потребность в крутящем моменте снижается. Изменяя положение единственного клапана, то есть совмещенного сообщающего и перепускного клапана, для регулирования давления наддува в зависимости от различных параметров работы двигателя, также можно уменьшить противодавление и помпаж. Также можно снизить дополнительную нагрузку на систему управления и контроля двигателя, которая должна будет обеспечивать работу и регулирование одного клапана, а не отдельных сообщающего и перепускного клапанов.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание Фигур
На ФИГ. 1 схематически изображен вариант осуществления двигателя, содержащего турбокомпрессор с двойной улиткой и совмещенным сообщающим и перепускным клапаном.
На ФИГ. 2 схематически изображен второй вариант осуществления двигателя, содержащего турбокомпрессор с двойной улиткой и совмещенным сообщающим и перепускным клапаном.
На ФИГ. 3A-3D изображены виды в разрезе примера совмещенного сообщающего и перепускного клапана в четырех примерах положений или состояний.
На ФИГ. 4A-4D изображены виды в разрезе другого примера совмещенного сообщающего и перепускного клапана в четырех примерах положений или состояний.
На ФИГ. 5 изображен пример способа изменения положения совмещенного сообщающего и перепускного клапана.
На ФИГ. 6 изображен пример графика для изменения положения совмещенного сообщающего и перепускного клапана в зависимости от режима работы двигателя.
Осуществление изобретения
Ниже раскрыты системы и способы (варианты) регулирования гидравлического сообщения между первым и вторым каналами улитки в системе турбокомпрессора с двойной улиткой, содержащей совмещенный сообщающий и перепускной клапан, в системе двигателя, например системах двигателя на ФИГ. 1-2. Как показано на ФИГ. 3А-4D, в некоторых вариантах может быть установлен совмещенный, сдвоенный и (или) многофункциональный клапан, например, единый совмещенный сообщающий и перепускной клапан, для управления увеличением или уменьшением гидравлического сообщения между первым и вторым каналами улитки, а также регулирования расхода отработавших газов через турбину и обводной канал. Совмещенный сообщающий и перепускной клапан может представлять собой цилиндрический клапан, как показано на ФИГ. 3A-3D, или золотниковый клапан, как показано на ФИГ. 4A-4D, или их комбинацию. Открытие совмещенного сообщающего и перепускного клапана позволяет увеличить гидравлическое сообщение между первым и вторым каналами улитки, а закрытие совмещенного сообщающего и перепускного клапана может уменьшить гидравлическое сообщение между первым и вторым каналами улитки. Таким образом, интенсивность гидравлического сообщения и количество среды, передаваемое между первым и вторым каналами улитки, можно регулировать в зависимости от режима работы двигателя, как раскрыто ниже со ссылкой на ФИГ. 5. Примеры изменения положения клапана в зависимости от режима работы двигателя представлены на ФИГ. 6.
Обратимся к ФИГ. 1, на которой схематически изображен двигатель 10, который может входить в силовую установку транспортного средства. Двигатель 10 выполнен с возможностью как минимум частичного управления с помощью системы управления, содержащей контроллер 12, и управляющих воздействий водителя 14 через устройство 16 ввода. Контроллер 12 может представлять собой микрокомпьютер, содержащий микропроцессорное устройство, порты ввода/вывода, электронную среду хранения выполняемых программ и калибровочных значений, оперативное запоминающее устройство, энергонезависимое запоминающее устройство и шину данных. Как показано, контроллер 12 может принимать сигналы от различных датчиков (не показаны), которые могут включить входные сигналы от пользователя и (или) датчиков (например, сигналы положения промежуточных механизмов, сигнал положения педали газа, температуры в выпускной коллекторе, воздушно-топливного отношения, скорости транспортного средства, частоты вращения двигателя, массового расхода воздуха через двигатель, давления наддува, температуры окружающей среды, влажности окружающей среды, температуры всасываемого воздуха, сигналы датчиков системы охлаждения и т.п.). Контроллер также может направлять разнообразные управляющие сигналы различным исполнительным механизмам двигателя (не показаны) для регулирования работы двигателя в зависимости от сигналов, полученных от датчиков (не показаны). В данном варианте устройство 16 ввода содержит педаль акселератора и датчик 18 положения педали для формирования пропорционального сигнала положения педали ПП (РР). Двигатель 10 может входить в состав транспортного средства, например дорожного транспортного средства, помимо прочих видов транспортных средств. Хотя примеры осуществления двигателя 10 будут раскрыты применительно к транспортному средству, следует понимать, что могут быть использованы различные виды двигателей и силовых установок транспортных средств, включая пассажирские, грузовые и т.п.
Двигатель 10 может содержать несколько камер сгорания (то есть цилиндров). В примерах, изображенных на ФИГ. 1-2, двигатель 10 может содержать камеры 20, 22, 24 и 26 сгорания в рядной четырехцилиндровой конфигурации. При этом следует понимать, что, хотя на ФИГ. 1 показаны четыре цилиндра, двигатель 10 может содержать любое количество цилиндров. Например, двигатель 10 может содержать любое подходящее количество цилиндров: 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 или более с любой схемой расположения, например, V-6, I-6, V-12, с 4-мя оппозитными цилиндрами и т.п. Хотя это и не показано на ФИГ. 1-2, любая камера сгорания (т.е. цилиндр) двигателя 10 может содержать стенки камеры сгорания с расположенным внутри них поршнем. Поршни могут быть соединены с коленчатым валом для преобразования возвратно-поступательных движений цилиндров во вращение коленчатого вала. Коленчатый вал может быть соединен с как минимум одним ведущим колесом через промежуточную систему передачи, например. Кроме того, для обеспечения запуска двигателя 10, с коленчатым валом может быть соединен стартер через маховик.
Всасываемый воздух может поступать в любую из камер сгорания из впускного коллектора 28 через воздухозаборный канал 30. Впускной коллектор 28 может соединяться с камерами сгорания через впускные каналы. Например, на ФИГ. 1, впускной коллектор 28 показан соединенным с цилиндрами 20, 22, 24 и 26 через впускные каналы 32, 34, 36 и 38 соответственно. Через каждый впускной канал в соответствующий цилиндр может поступать воздух и (или) топливо для сгорания.
Отработавшие газы могут покидать любую из камер сгорания через соединенный с ней выпускной канал. Например, выпускные каналы 40, 42, 44 и 46 показаны на ФИГ. 1 соединенными с цилиндрами 20, 22, 24, 26 соответственно. Через каждый выпускной канал отработавшие газы из соответствующего цилиндра попадают в выпускной коллектор или выпускной патрубок.
Каждый впускной канал цилиндра может избирательно сообщаться с цилиндром через впускной клапан. Например, цилиндры 20, 22, 24 и 26 показаны на ФИГ. 1 с впускными клапанами 48, 50, 52 и 54 соответственно. Каждый выпускной канал цилиндра также может избирательно сообщаться с цилиндром через выпускной клапан. Например, цилиндры 20, 22, 24 и 26 показаны на ФИГ. 1 с выпускными клапанами 56, 58, 60 и 62 соответственно. В некоторых примерах любая камера сгорания может содержать два или более впускных клапана и два или более выпускных клапана.
Хотя это и не показано на ФИГ. 1-2, в некоторых примерах любой из впускных и выпускных клапанов может управляться кулачком впускного клапана или кулачком выпускного клапана соответственно. В другом варианте, один или несколько из впускных, и выпускных клапанов может приводиться в действие с помощью катушки электромеханического клапана и якоря в сборе (не показан). Положение кулачка впускного клапана может определять датчик кулачка впускного клапана (не показан).
Воздухозаборный канал 30 может содержать дроссель 64 с дроссельной заслонкой 66. В одном примере положение дроссельной заслонки 66 может изменять контроллер 12, направляя сигнал на электродвигатель или привод в составе дросселя 64. Данная конфигурация обычно называется «электронное управление дроссельной заслонкой» ЭУДЗ (ETC). Таким образом, дроссель 64 можно использовать для изменения расхода воздуха, подаваемого в камеры сгорания. Контроллер 12 может получать информацию о положении дроссельной заслонки 66 в виде сигнала положения дроссельной заслонки ПДЗ (TP) от датчика 68 положения дроссельной заслонки. Воздухозаборный канал 30 может содержать датчик 70 массового расхода воздуха и датчик 72 давления воздуха в коллекторе для направления сигналов МРВ (MAF) и ДВК (MAP) в контроллер 12. Датчики ДВК и МРВ не обязательно должны присутствовать одновременно, при этом может использоваться только один датчик.
На ФИГ. 1-2 топливные форсунки показаны сообщающимися непосредственно с камерами сгорания для непосредственного впрыска в них топлива пропорционально длительности импульса впрыска топлива ИВТ (FPW), полученного от контроллера 12, например, через электронный формирователь. Например, топливные форсунки 74, 76, 78 и 80 показаны на ФИГ. 1 сообщающимися с цилиндрами 20, 22, 24 и 26 соответственно. Таким образом, топливные форсунки обеспечивают то, что известно как «непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания». Каждая соответствующая топливная форсунка может быть установлена сбоку или сверху от каждой камеры сгорания. В других примерах, одна или несколько топливных форсунок могут быть установлены во впускном коллекторе 28 по схеме, обеспечивающей то, что известно как «впрыск топлива во впускные каналы» (например, впускные каналы 32, 34, 36 и 38) выше по потоку от камер сгорания. Хотя это и не показано на ФИГ. 1, топливные форсунки могут быть выполнены с возможностью подачи топлива, полученного от топливного насоса высокого давления (не показан) и топливной рампы (не показана). В другом варианте, топливо может подавать одноступенчатый топливный насос низкого давления, при этом момент непосредственного впрыска топлива может быть более ограниченным во время хода сжатия, чем при использовании топливной системы высокого давления. Топливный бак также может быть оборудован преобразователем давления, направляющим сигнал в контроллер 12. В некоторых примерах топливо может впрыскиваться непосредственно в каждую камеру сгорания. Это может обозначаться термином «непосредственный впрыск». В других примерах может использоваться предкамерный впрыск.
Камеры сгорания двигателя 10 могут работать в режиме воспламенения от сжатия, с искрой зажигания или без нее. В некоторых примерах, искровой разряд на свечи зажигания, соединенные с камерами сгорания, подает бесконтактная система зажигания (не показана) по сигналу контроллера 12. Например, свечи зажигания 82, 84, 86 и 88 показаны на ФИГ. 1 связанными с цилиндрами 20, 22, 24 и 26 соответственно.
Как сказано выше, воздухозаборный канал 30 может сообщаться с одним или несколькими цилиндрами двигателя 10. В некоторых вариантах, один или несколько воздухозаборных каналов могут содержать устройство наддува, например турбокомпрессор 90. Турбокомпрессор 90 может содержать турбину 92 и компрессор 94, установленные на общем валу 96. Вращение рабочих лопаток турбины 92 вокруг оси общего вала 96 происходит, когда часть потока отработавших газов из двигателя 10 попадает на рабочие лопатки турбины. Компрессор 94 может быть подключен к турбине 92 так, чтобы компрессор 94 мог приводиться в действие, когда лопатки турбины 92 приводятся во вращение. После начала работы, компрессор 94 может направлять сжатый свежий воздух во впускной коллектор 28, откуда он может направляться в двигатель 10. Скорость вращения турбины можно определить на основании одного или нескольких параметров работы двигателя. В некоторых примерах, скорость вращения турбины 92 может измерять датчик. Например, датчик 97 скорости вращения может быть установлен на общем валу 96. Сигнал значения скорости может направляться, например, в контроллер 12.
Турбина 92 может содержать как минимум один регулятор давления наддува для регулирования величины наддува, обеспечиваемого турбиной. В системах с двойной улиткой, для обоих каналов улитки может использоваться общий регулятор давления наддува для регулирования расхода отработавших газов через турбину 92. Например, на ФИГ. 1, первый канал 100 улитки и второй канал 102 улитки включают обводной канал 104. Расход отработавших газов через обводной канал 104 может регулировать клапан, например клапан 140, раскрытый ниже, для регулирования количества отработавших газов, идущих в обход турбины 92. В одном варианте осуществления, проходное сечение обводного канала 104 может быть расположено так, чтобы быть в равной степени открытым для каждого из каналов улитки, с тем, чтобы в определенных режимах расход отработавших газов из каждого канала улитки в обводной канал 104 был практически одинаковым.
Двигатель 10 может содержать систему 98 турбокомпрессора с двойной улиткой (или с двухзаходной улиткой, или двухимпульсного), в котором имеется как минимум два отдельных канала для входа отработавших газов в турбину 92 и прохождения через нее. Система турбокомпрессора с двойной улиткой может быть выполнена с возможностью разделения потоков отработавших газов из цилиндров, импульсы отработавших газов из которых могу создавать помехи друг для друга при подаче в турбину 92. Например, на ФИГ. 1 показан первый канал 100 и второй канал 102 улитки, при этом и первый, и второй канал улитки может использоваться для подачи отдельного потока отработавших газов в турбину 92. Форма поперечного сечения первого канала 100 улитки и второго канала 102 улитки может быть различной, включая круглую, квадратную, прямоугольную, D-образную и т.п.
Например, если четырехцилиндровый двигатель (например, двигатель 14, показанный на ФИГ. 1) имеет порядок зажигания цилиндров 1-3-4-2 (то есть, за цилиндром 20 следует цилиндр 24, за ним - цилиндр 26, а за ним - цилиндр 22), то когда в цилиндре 20 заканчивается рабочий такт, и открываются выпускные клапаны, выпускные клапаны цилиндра 22 все еще открыты. В одноканальном или неразделенном выпускном коллекторе импульс давления отработавших газов из цилиндра 20 может повлиять на возможность удаления отработавших газов из цилиндра 22. Однако, при использовании системы турбокомпрессора с двойной улиткой, в которой выпускные каналы 40 и 46 из цилиндров 20 и 26 присоединены к одному входу первого канала 100 улитки, а выпускные каналы 42 и 44 из цилиндров 22 и 24 присоединены ко второму каналу 102 улитки, импульсы отработавших газов или поток газа могут быть разделены, а энергия импульсов, приводящая в действие турбину, может быть увеличена.
Отработавшие газы, выходящие из турбины 92 и (или) регулятора давления наддува через обводной канал 104, могут проходить через устройство 112 снижения токсичности отработавших газов. В одном примере устройство 112 снижения токсичности снижения токсичности отработавших газов может содержать несколько блоков носителя каталитического нейтрализатора. В другом примере возможно использование нескольких устройств снижения токсичности снижения токсичности отработавших газов, с несколькими блоками носителя каталитического нейтрализатора каждый. В некоторых примерах, устройство 112 снижения токсичности снижения токсичности отработавших газов может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. В других примерах устройство 112 снижения токсичности снижения токсичности отработавших газов может содержать один или несколько из следующих катализаторов: дизельный катализатор окисления ДКО (DOC), катализатор избирательного восстановления КИ (SCR) и дизельный сажевый фильтр ДСФ (DPF). Прошедший через устройство 112 снижения токсичности снижения токсичности отработавших газов отработавший газ может быть направлен в выхлопную трубу 114 за глушителем.
Двигатель 10 может содержать систему 116 рециркуляции отработавших газов РОГ (EGR). По системе 116 РОГ часть отработавших газов из двигателя 10 может подаваться в воздухозаборный канал 30 двигателя. Система РОГ содержит тракт 118 РОГ, соединенный с выпускным трактом или каналом 122 ниже по потоку от турбины 92 и с воздухозаборным каналом 30. В некоторых примерах, тракт 118 РОГ может содержать клапан 120 РОГ, выполненный с возможностью регулировать расход рециркуляции отработавших газов. Показанная на ФИГ. 1 система 116 РОГ представляет собой низконапорную систему РОГ, направляющую отработавшие газы из зоны ниже по потоку от турбины 92 в зону перед компрессором 94. В некоторых примерах, охладитель РОГ (не показан) может быть установлен на тракт 118 РОГ для снижения температуры отработавших газов рециркуляции. В другом примере может использоваться высоконапорная система РОГ в дополнение к низконапорной системе РОГ или вместо нее. Высоконапорная система РОГ может направлять отработавшие газы либо из первого канала 100 улитки, либо из второго канала 102 улитки, либо из них обоих, из зоны перед турбиной 92, в воздухозаборный канал 30 за компрессором 34.
В некоторых режимах систему 116 РОГ можно использовать для регулирования температуры и (или) обеднения воздушно-топливной смеси в камерах сгорания, создавая, таким образом, способ управления моментом зажигания в некоторых режимах сжигания. Кроме того, в некоторых режимах часть газов сгорания можно удерживать или улавливать в камере сгорания путем изменения фаз газораспределения выпускных клапанов.
В некоторых примерах контроллер 12 может быть выполнен в виде микрокомпьютера, содержащего микропроцессорное устройство, порты ввода/вывода, электронную среду хранения исполняемых программ и калибровочных значений, оперативное запоминающее устройство, энергонезависимое запоминающее устройство и шину данных. Как показано на фигуре, контроллер 12 может принимать сигналы от различных датчиков (не показаны), которые могут включать входные сигналы от пользователя и (или) датчиков (например, сигналы положения промежуточных механизмов, сигнал положения педали газа, температуры в выпускном коллекторе, воздушно-топливного отношения, скорости транспортного средства, частоты вращения двигателя, массового расхода воздуха через двигатель, давления наддува, температуры окружающей среды, влажности окружающей среды, температуры всасываемого воздуха, сигналы датчиков системы охлаждения и т.п.). Контроллер также может направлять разнообразные управляющие сигналы различным исполнительным механизмам двигателя (не показаны) для регулирования работы двигателя в зависимости от сигналов, полученных от датчиков (не показаны). В данном варианте устройство 16 ввода содержит педаль акселератора и датчик 18 положения педали для формирования пропорционального сигнала положения педали ПП (РР). Кроме того, контроллер 12 показан на ФИГ. 1 получающим, в дополнение к рассмотренным выше сигналам, разнообразные сигналы от связанных с двигателем 10 датчиков, среди которых можно назвать: показание температуры хладагента двигателя ТХД (ЕСТ) от датчика 128 температуры; сигнал от датчика 130 положения двигателя, например, холловский датчик положения коленчатого вала. Также можно измерять барометрическое давление (датчик не показан) для обработки данных контроллером 12. В некоторых примерах датчик 130 положения двигателя генерирует заданное количество импульсов с равными промежутками при каждом обороте коленчатого вала, на основе которого можно определить частоту вращения ЧВР (RPM) двигателя. Также можно использовать различные датчики для определения давления наддува, создаваемого турбокомпрессором. Например, датчик 132 давления может быть установлен в воздухозаборном канале 30 ниже по потоку от компрессора 94 для определения давления наддува. Также, каждый из каналов улитки системы 98 с двойной улиткой может содержать несколько датчиков для контроля параметров работы системы с двойной улиткой. Например, первый канал 100 улитки может содержать датчик 134 отработавших газов, а второй канал 102 улитки может содержать датчик 136 отработавших газов. Датчики 134 и 136 отработавших газов могут представлять собой датчики любого типа, подходящего для получения показаний воздушно-топливного отношения в отработавших газах, например: линейный датчик кислорода или УДКОГ (UEGO) (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), двухрежимный датчик кислорода или ДКОГ (EGO), НДКОГ (HEGO) (нагреваемый ДКОГ), датчик оксидов азота, углеводородов или угарного газа. В некоторых случаях можно использовать единственный датчик, например, чтобы измерять воздушно-топливное отношение. Единственный датчик может использоваться вместо датчиков 134 и 136 и располагаться, например, за турбиной в выпускном тракте или канале 122.
Отработавшие газы могут поступать в каждый из каналов улитки из определенной группы цилиндров через определенные сегменты выпускного коллектора и через отдельные входы. Отработавшие газы, проходящие по первому каналу 100 улитки и отработавшие газы, проходящие по второму каналу 102 улитки, разделяет перегородка 138. Как указано выше, разделение потока отработавших газов (т.е. импульсов отработавших газов) в первом и втором каналах улитки может увеличить крутящий момент при низких оборотах двигателя и уменьшить время достижения необходимого крутящего момента. В результате, в некоторых режимах, например, при работе двигателя на высокой нагрузке, разделение импульсов отработавших газов может способствовать повышению эффективности подачи отработавших газов в турбину. Однако в некоторых режимах работы двигателя разделение импульсов отработавших газов указанным выше способом может привести к снижению эффективности подачи отработавших газов в турбину. Например, при высокой частоте вращения двигателя, разделение импульсов отработавших газов как раскрыто выше может привести к росту противодавления и помпажу, частично из-за того, что емкость каналов двойной улитки между выпускным клапаном и турбиной меньше, чем емкость неразделенного входного канала турбины с одинарной улиткой. Иными словами, тот же объем отработавших газов из цилиндра (цилиндров) может привести к большему росту давления в вышеуказанной конфигурации с двойной улиткой, поскольку емкость раздельных первого и второго каналов улитки может быть меньше по сравнению с конфигурацией без разделения каналов улитки. В результате, полезная мощность двигателя может уменьшиться.
Увеличение гидравлического сообщения и передачи среды между первым и вторым каналами улитки при определенных режимах работы двигателя, например, на высоких оборотах и (или) высокой нагрузке, может способствовать повышению КПД и полезной мощности двигателя. Так, проход 139 может гидравлически соединять первый канал 100 улитки и второй канал 102 улитки таким образом, чтобы некий объем отработавших газов из первого канала 100 улитки мог перетекать во второй канал 102 улитки и смешиваться с отработавшими газами во втором канале 102 улитки. Аналогичным образом, некий объем отработавших газов из второго канала 102 улитки может перетекать в первый канал 100 улитки и смешиваться с отработавшими газами в первом канале 100 улитки. Кроме того, в перегородке 138 прохода 139 может быть установлен клапан 140, обеспечивающий гидравлическое сообщение и передачу среды между первым и вторым каналами улитки в определенных режимах работы двигателя. В другом примере клапан 140 может располагаться в отверстии перегородки. Положение клапана может регулироваться одним или несколькими сигналами контроллера 12, направляемыми непрерывно для установки клапана в выбранные положения или диапазоны, раскрытые ниже.
В одном варианте осуществления клапан 140 может именоваться совмещенным сообщающим и перепускным клапаном 140 или просто клапаном 140. В тексте настоящей заявки под «клапаном» может пониматься затвор, способный перемещаться или изменять положение для регулирования расхода среды, а также подвижный затвор, который может быть размещен в различных компонентах, например, коробке или корпусе и т.п., или установлен в них. Как показано в примере осуществления на ФИГ. 1-2, клапан 140 может быть расположен таким образом, чтобы создать перемычку между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки. Соответственно, в одном примере при открытии клапана 140 может образоваться проход для увеличения гидравлического сообщения и передачи среды между первым и вторым каналами улитки турбины. Клапан 140 также может открываться для передачи дозированного количества среды как в первый, так и во второй канал улитки, ограничивая, таким образом, гидравлическое сообщение дозированным количеством среды. Таким образом, только часть объема отработавших газов может перетекать между первым и вторым каналами улитки. В другом примере клапан 140 можно открывать полностью для увеличения расхода отработавших газов и гидравлического сообщения между первым и вторым каналами улитки по сравнению с тем, когда клапан 140 открыт для пропуска дозированного количества среды.
Еще в одном примере, закрыв клапан 140 можно уменьшить гидравлическое сообщение и передачу среды между первым и вторым каналами улитки. В некоторых случаях, клапан может быть полностью закрыт, так что переток отработавших газов между первым и вторым каналами улитки практически отсутствует. Иначе говоря, практически весь поток отработавших газов в первом канале улитки и практически весь поток отработавших газов во втором канале улитки можно разделить и по отдельности направить в турбину, например турбину 92. Как показано на ФИГ. 1-2, варианты осуществления клапана 140, раскрытые в настоящем описании, могут использоваться в первом и (или) втором канале улитки в корпусе турбокомпрессора и (или) выпускных каналах (например, первый канал 100 улитки и (или) второй канал 102 улитки, ведущие к входу в турбокомпрессор).
Положение клапана можно регулировать в выбранном диапазоне. Например, клапан 140 можно устанавливать в четыре выбранных положения, как показано на ФИГ. 3A-4D. В этом примере первая группа выбранных положений может обеспечить гидравлическое сообщение и передачу среды между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки. Вторая группа выбранных положений может обеспечить гидравлическое сообщение и передачу среды как между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки, так и между ними и точкой 106 за турбиной 92.
Будучи установлен в то или иное положение, клапан 140 может регулировать частоту вращения турбины 92 и, в свою очередь, частоту вращения ротора компрессора 94. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления, один единственный элемент, такой как клапан 140, может обеспечить регулирование как расхода отработавших газов через обводной канал 104, так и гидравлическое сообщение и передачу среды между двумя и более каналами улитки в системе двигателя 10. Увеличение гидравлического сообщения и передачи среды может включать пропуск отработавших газов из первого канала 100 улитки и отработавших газов из второго канала 102 улитки для их смешивания и входа в противоположный или другой канал (каналы) улитки. В одном примере регулирование перепуска может включать пропуск как минимум части отработавших газов как из первого канала 100 улитки, так и из второго канала 102 улитки в обводной канал 104 в обход турбины 92. В других примерах регулирование перепуска может включать закрытие перепускного клапана, чтобы практически блокировать поток всех отработавших газов из первого и второго каналов (а также (или) дополнительных) каналов в обход турбины. Так как изменяя положение клапана 140 можно регулировать частоту вращения турбины, в некоторых примерах степень открытия клапана 140 (например: отмеренная или заданная степень, полное открытие или полное закрытие) в первый и второй каналы улитки, и (или) в обводной канал может зависеть от одного или нескольких из следующих параметров работы двигателя: частота вращения, нагрузка, желаемый или необходимый крутящий момент, и (или) увеличение или уменьшение крутящего момента.
Обратимся к ФИГ. 2, иллюстрирующей другой пример осуществления системы 98 турбокомпрессора с двойной улиткой. В соответствии с раскрытым здесь изобретением, также возможны и другие, конкретно не показанные, компоновки. Как и система, показанная на ФИГ. 1, система 98 турбокомпрессора с двойной улиткой может содержать первый канал 100 улитки и второй канал 102 улитки. В одном варианте второй канал 102 улитки может быть гидравлически разобщен с первым каналом 100 улитки перегородкой 138, при этом проход 139 может гидравлически соединять первый канал 100 улитки со вторым каналом 102 улитки так, что некий объем отработавших газов как в первом канале 100 улитки, так и во втором канале 102 улитки может смешиваться с неким объемом отработавших газов в противоположном канале улитки. В некоторых вариантах, регулируя положение клапана 140 в зависимости от параметров работы двигателя, можно менять режимы работы турбины и расширить динамический диапазон, в котором турбокомпрессор может создавать наддув. Вышеуказанные компоновки также позволяют улучшить характеристики в части веса, стоимости и (или) конструктивного сочетания элементов.
Как показано на ФИГ. 2, клапан 140 может быть встроен в головку цилиндров или совмещен с головкой 39 блока цилиндров двигателя 10, выполненного с возможностью использования системы 98 турбокомпрессора. В другом примере клапан 140 может быть встроен или совмещен с выпускным коллектором 41 двигателя 10, выполненного с возможностью использования системы 98 турбокомпрессора. В другом примере клапан 140 может быть встроен в головку 39 блока цилиндров, содержащую выпускной коллектор 41. В другом варианте, еще в одном примере клапан 140 может быть встроен в турбокомпрессор 90 двигателя 10, выполненного с возможностью использования системы 98 турбокомпрессора. Клапан 140 также может быть установлен в крепежную деталь (не показана), используемую специально для надежного крепления клапана 140. В некоторых вариантах, клапан 140 может содержать корпус клапана. Клапан 140 может содержать одну или несколько наружных поверхностей для рассеивания тепла с корпуса клапана в окружающую среду. Так можно снизить тепловой износ клапана.
На ФИГ. 3A-3D изображены виды в разрезе первого примера совмещенного сообщающего и перепускного клапана в четырех положениях или состояниях. Первый канал 100 улитки, в настоящем описании также именуемый «первый канал», может быть расположен на переднем плане, на заднем плане или над вторым каналом 102 улитки, в настоящем описании также именуемым «второй канал», если смотреть со стороны плоскости листа чертежа. В одном варианте, виды в разрезе могут быть показаны или восприниматься относительно центра канала улитки, например первого канала 100 улитки. Второй канал улитки, например, второй канал 102 улитки, в этом случае может быть расположен на переднем плане или за плоскостью видов в разрезе.
Как показано на ФИГ. 3A-3D, клапан 140 может представлять собой цилиндрический клапан 140. В данном варианте осуществления клапан 140 установлен с возможность вращения относительно оси 141 практически перпендикулярно направлению потока отработавших газов (то есть, как показано, направление вращения клапана может быть перпендикулярно плоскости листа чертежа), как в первом канале 100 улитки, так и во втором канале 102 улитки. В данном варианте клапан 140 также может содержать элемент 147 с возможностью вращения вокруг оси 141 практически перпендикулярно направлению потока отработавших газов как в первом, так и во втором канале улитки. В одном примере цилиндрический клапан 140 может располагаться, как минимум частично, в зоне, практически примыкающей к первому каналу 100 улитки и второму каналу 102 улитки, и иметь с ними общую зону сопряжения. Так клапан 140 может обеспечивать избирательное гидравлическое сопряжение и передачу среды между следующими каналами в различных комбинациях: первым каналом 100 улитки, вторым каналом 102 улитки и обводным каналом 104 в точку 106 (изображенную ранее на ФИГ. 1-2) ниже по потоку от турбины 92.
В одном варианте, клапан 140 выполнен с возможностью плавного регулирования и перемещения в пределах выбранных диапазонов, положений или состояний, как подробно раскрыто на ФИГ. 3A-3D и 4А-4В. Также можно регулировать расход отработавших газов через первый и (или) второй канал улитки в зависимости от параметров работы двигателя, например: частоты вращения и нагрузки, а также необходимого давления наддува и крутящего момента. Например, положение клапана 140 можно регулировать таким образом, чтобы давление наддува (т.е. давление на выходе компрессора) равнялось необходимому давлению наддува, но не превышало его. В одном примере, если фактическое давление наддува выше необходимого, положение клапана можно отрегулировать для увеличения расхода отработавших газов в обход турбины. Иначе говоря, поток отработавших газов можно направить в точку 106 ниже по потоку от турбины. В результате, можно снизить скорость вращения турбины и компрессора, и, следовательно, давление наддува. Напротив, если давление наддува ниже необходимого, положение клапана 140 можно отрегулировать для уменьшения расхода отработавших газов в обход турбины, путем открытия клапана в отмеренной степени в сторону обводного канала. В результате, можно увеличить скорость вращения турбины и компрессора, и, следовательно, давление наддува. В другом примере, если скорость вращения турбины превышает заданное пороговое значение, положение клапана можно отрегулировать для сокращения расхода отработавших газов в турбину для снижения риска повреждения турбокомпрессора.
На ФИГ. 3А показан пример первого положения клапана 140, в котором клапан 140 можно закрыть таким образом, чтобы практически все отработавшие газы в первом канале 100 улитки оставались в пределах первого канала 100 улитки и могли подаваться в турбину 92. Также, практически все отработавшие газы во втором канале 102 улитки могут оставаться в пределах второго канала 102 улитки и подаваться в турбину 92. Кроме того, первое положение клапана 140 обеспечивает сокращение или блокирование потока отработавших газов в обводной канал 104. Таким образом, установив клапан в первое положение можно увеличить расход отработавших газов в турбину, блокируя гидравлическое сообщение между первым и вторым каналами улитки, и из первого и второго каналов улитки в обводной канал. Итак, в первом положении клапана может быть полностью блокировано сообщение между первым и вторым каналами улитки и между ними и обводным каналом, в результате чего подавляющее большинство или практически весь поток отработавших газов в первом канале 100 улитки и во втором канале 102 улитки могут по отдельности подаваться в турбину 92. Также блокируется поток отработавших газов в обход турбины по обводному каналу 104. В одном примере клапан 140 может находиться в первом положении или в положении, по существу аналогичном первому, в режиме с одним или несколькими из следующих условий: скорость вращения турбины ниже пороговой, давление наддува ниже необходимого, нагрузка двигателя выше пороговой, потребность в крутящем моменте растет, и частота вращения двигателя ниже пороговой.
В данном случае, под пороговой скоростью вращения турбины может пониматься скорость, при достижении или превышении которой возможно механическое повреждение турбины. В другом примере под пороговой нагрузкой может пониматься нагрузка двигателя, при превышении которой может считаться, что двигатель работает в режиме высокой нагрузки, например, когда транспортное средство буксирует прицеп или преодолевает подъем. Еще в одном примере под пороговой частотой вращения двигателя может пониматься частота вращения, при достижении или превышении которой может возникнуть чрезмерное противодавление отработавших газов двигателя в системе турбокомпрессора с двойной улиткой. В других примерах под пороговой нагрузкой, пороговой скоростью вращения турбины и (или) пороговой частотой вращения двигателя могут пониматься другие параметры работы двигателя.
В другом примере, на ФИГ. 3В показано второе положение клапана 140, в котором клапан 140 может быть открыт в отмеренной степени как в первый, так и во второй каналы улитки, и полностью открыт в обводной канал. Так клапан 140 во втором положении может обеспечить частичный переток отработавших газов между первым и вторым каналами улитки, и полный переток отработавших газов из зоны сопряжения между первым и вторым каналами улитки в обводной канал. Иначе говоря, клапан 140 может быть открыт в отмеренной степени как в первый, так и во второй канал улитки, чтобы некое количество отработавших газов в зоне сопряжения между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки могло выходить из первого канала 100 улитки и второго канала 102 улитки соответственно, и идти в обход турбины 92 по обводному каналу 104. Кроме того, в этом примере, клапан 140 во втором положении может сокращать гидравлическое сообщение и передачу отработавших газов между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки, поскольку отмеренная степень открытия клапана 140 может быть ограничена.
В одном примере клапан 140 может находиться во втором положении или в положении, по существу аналогичном второму, в режиме с одним или несколькими из следующих условий: скорость вращения турбины выше пороговой, давление наддува выше необходимого, нагрузка двигателя ниже пороговой, потребность в крутящем моменте снижается, и частота вращения двигателя ниже пороговой. В другом примере отмеренная степень открытия клапана 140 может зависеть от частоты вращения двигателя, нагрузки двигателя и (или) потребности в крутящем моменте. Так, в одном примере, отмеренная степень открытия клапана 140 в первый и второй каналы улитки можно увеличивать по мере уменьшения нагрузки двигателя или потребности в крутящем моменте. В другом примере отмеренную степень открытия клапана 140 как в первый, так и во второй каналы улитки можно увеличивать по мере увеличения частоты вращения двигателя. Таким образом, клапан 140 во втором положении может обеспечить выход необходимого количества отработавших газов как из первого, так и из второго каналов улитки в обводной канал 104 и в обход турбины 92 при возникновении одного или нескольких определенных условий работы двигателя.
Обратимся к ФИГ. 3С, иллюстрирующей пример третьего положения клапана 140, в котором клапан 140 может быть практически открыт как в первый канал 100 улитки, так и во второй канал 102 улитки, и открыт с заданной степенью в обводной канал 104. Кроме того, когда клапан находится в третьем положении, может образоваться объемное пространство в зоне, находящейся между первым и вторым каналами улитки и примыкающей к ним. Так клапан в третьем положение может обеспечить «сброс» отработавших газов как из первого канала 100 улитки, так и из второго канала 102 улитки в указанное пространство, чей объем превышает объем пространства, как в первом, так и во втором канале улитки, когда клапан закрыт как в первый, так и во второй канал улитки, например в первом положении. Следовательно, клапан 140 в третьем положении может обеспечить значительное гидравлическое сообщение и переток отработавших газов между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки. Одновременно, часть отработавших газов может истекать через клапан 140, открытый с заданной степенью в обводной канал 104. В связи с этим, расход отработавших газов в турбину 92 может сократиться. В одном примере клапан 140 может находиться в третьем положении для пропуска части отработавших газов в обход турбины для ограничения давления наддува и (или) поддержания скорости вращения турбины ниже пороговой либо снижения скорости вращения турбины до значения ниже порогового.
В одном варианте заданная степень открытия клапана 140 может зависеть от таких параметров работы двигателя, как частота вращения, нагрузка и (или) потребность в крутящем моменте. Например, клапан 140 может быть установлен в третье положение, если скорость вращения турбины выше пороговой. В другом примере клапан может быть установлен в третье положение в режиме с одним или несколькими из следующих условий: давление наддува превышает необходимое, нагрузка двигателя ниже пороговой, потребность в крутящем моменте снижается, и скорость вращения двигателя выше пороговой. В еще одном примере, заданную степень открытия клапана 140 в обводной канал 104 можно увеличивать по мере снижения нагрузки двигателя или потребности в крутящем моменте. В некоторых случаях, заданную степень открытия клапана 140 в обводной канал 104 можно увеличивать по мере уменьшения частоты вращения двигателя. Таким образом, клапан 140 можно установить в третье положение для снижения давления наддува при возникновении определенных условий работы двигателя, что умерить противодавление в выпускной коллекторе.
ФИГ. 3D иллюстрирует пример четвертого положения клапана 140, в котором клапан 140 практически или полностью открыт как в первый канал 100 улитки, так и во второй канал 102 улитки. Кроме того, клапан 140 может быть закрыт в обводной канал 104, чтобы отработавшие газы не могли истекать ни из первого, ни из второго каналов улитки в обводной канал 104. Следовательно, клапан 140 в четвертом положении создает значительное гидравлическое сообщение и переток отработавших газов между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки.
Кроме того, как и в третьем положении, может образоваться пространство в зоне сопряжения между первым и вторым каналами улитки и (или) в примыкающей к каждому из них зоне, при этом, когда клапан находится в четвертом положении, он может обеспечивать «сброс» отработавших газов из первого канала 100 улитки и второго канала 102 улитки в указанное пространство, объем которого больше, чем объем каждого из каналов по отдельности, когда клапан закрыт как в первый, так и во второй канал улитки. Таким образом, клапан 140 в четвертом положении может обеспечить полное гидравлическое сообщение и переток отработавших газов между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки, чтобы весь поток отработавших газов проходил через турбину для повышения давления наддува. Следовательно, при нахождении клапана в четвертом положении можно снизить противодавление отработавших газов с одновременным увеличением подачи потока и энергии отработавших газов на турбину для более быстрого увеличения давления наддува.
В одном примере клапан 140 можно установить в четвертое положение или положение, по существу аналогичное четвертому, в режиме с наличием одного или нескольких из следующих условий: скорость вращения турбины ниже пороговой, давление наддува ниже необходимого, нагрузка двигателя выше пороговой, потребность в крутящем моменте растет, частота вращения двигателя выше пороговой. Иначе говоря, вышеуказанная конфигурация клапана может обеспечить достижение необходимого давления наддува с одновременным снижением противодавления в выпускной коллекторе в условиях работы двигателя на повышенных оборотах. Хотя это и не показано, также возможны дополнительные и (или) другие положения, или состояния, или диапазоны в соответствии с раскрытым в настоящей заявке изобретением.
Обратимся к ФИГ. 4A-4D, изображающим виды в разрезе второго примера совмещенного сообщающего и перепускного клапана в четырех примерах положений или состояний. В одном варианте, первый канал, или первый канал 100 улитки, может быть расположен на некотором расстоянии в непосредственной близости от второго канала, или второго канала 102 улитки, если смотреть с плоскости листа чертежа. В одном варианте, клапан 140 можно плавно регулировать или перемещать между выбранными положениями, диапазонами и (или) состояниями для регулирования расхода отработавших газов через первый и второй каналы улитки и в обводной канал в зависимости от режимов работы двигателя, необходимых значений давления наддува и крутящего момента. Как показано на ФИГ. 4A-4D, в одном варианте клапан 140 может содержать золотниковый клапан. В данном варианте осуществления клапан 140 может содержать подвижный элемент 143 с возможностью перемещения по оси 149 для избирательного создания гидравлического сообщения и передачи среды в различных комбинациях между первым каналом 100 улитки, вторым каналом 102 улитки и обводным каналом 104 в точку 106 (как раскрыто ранее на ФИГ. 1-2) ниже по потоку от турбины 92.
В одном варианте, вышеуказанные примеры положений, показанные на ФИГ. 4А-4D, могут быть по существу аналогичны примерам положений, показанным на ФИГ. 3А-3D, так что устанавливая клапан, например, клапан 140, в то или иное положение можно регулировать расход отработавших газов через один или несколько из следующих каналов: первый канал улитки, второй канал улитки и обводной канал.
Например, как показано на ФИГ. 4А, первое положение клапана 140 в золотниковом исполнении может быть по существу аналогично первому положению клапана 140 цилиндрического исполнения, раскрытого на ФИГ. 3А. Так, клапан 140 можно закрыть таким образом, чтобы практически все отработавшие газы в первом канале 100 улитки оставались в пределах первого канала 100 улитки и могли подаваться в турбину 92. Также, практически все отработавшие газы во втором канале 102 улитки могут оставаться в пределах второго канала 102 улитки и подаваться в турбину 92, как показано на ФИГ. 1-2. Кроме того, отработавшие газы не могут идти в обход турбины по обводному каналу 104. Как и клапан 140, раскрытый на ФИГ. 3А, клапан 140 золотникового исполнения может находиться в первом положении или в положении, по существу аналогичном первому, в режиме с одним или несколькими из следующих условий: скорость вращения турбины ниже пороговой, давление наддува ниже необходимого, нагрузка двигателя выше пороговой, потребность в крутящем моменте растет, и частота вращения двигателя ниже пороговой. Таким образом, установка клапана 140 в первое положение увеличивает расход отработавших газов в турбину, и, следовательно, давление наддува.
В другом примере на ФИГ. 4В показано второе положение клапана 140 золотникового исполнения, которое может быть по существу аналогично второму положению, раскрытому на ФИГ. 3В. В частности, клапан 140 золотникового исполнения может быть открыт в отмеренной степени как в первый, так и во второй каналы улитки, и полностью открыт в обводной канал 104. Так клапан 140 во втором положении может обеспечить частичный переток отработавших газов между первым и вторым каналами улитки, и полный переток отработавших газов из зоны сопряжения между первым и из вторым каналами улитки в обводной канал. Итак, часть потока отработавших газов в зоне сопряжения между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки может выйти из первого канала 100 улитки и второго канала 102 улитки соответственно и пройти в обход турбины 92 по обводному каналу 104. Таким образом, установка клапана 140 во второе положение может уменьшить расход отработавших газов в турбину и, следовательно, ограничить или снизить давление наддува.
В одном примере клапан 140 золотникового исполнения может находиться во втором положении или в положении, по существу аналогичном второму, в режиме с одним или несколькими из следующих условий: скорость вращения турбины выше пороговой, давление наддува выше необходимого, нагрузка двигателя ниже пороговой, потребность в крутящем моменте сокращается и (или) частота вращения двигателя ниже пороговой. Как и для клапана, представленного на ФИГ. 3В, отмеренная степень открытия клапана 140 золотникового исполнения может зависеть от частоты вращения двигателя, нагрузки двигателя и (или) потребности в крутящем моменте. Например, отмеренную степень открытия клапана 140 как в первый, так и во второй каналы улитки можно увеличивать по мере снижения нагрузки двигателя или потребности в крутящем моменте. В другом примере отмеренную степень открытия клапана 140 как в первый, так и во второй каналы улитки можно увеличивать по мере увеличения частоты вращения двигателя.
Обратимся к ФИГ. 4С, иллюстрирующей пример третьего положения клапана 140 золотникового исполнения, которое может быть по существу аналогично третьему положению, показанному на ФИГ. 3С. В одном примере, в третьем положении, клапан 140 может быть полностью открыт как в первый канал 100 улитки, так и во второй канал 102 улитки, и открыт с заданной степенью в обводной канал 104. В результате, клапан 140 в третьем положении может обеспечить значительное гидравлическое сообщение и переток отработавших газов между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки. Одновременно, часть отработавших газов может истекать через клапан с заданной степенью открытия в обводной канал 104. Следовательно, расход отработавших газов в турбину 92 может сократиться. Таким образом, установив клапан 140 в третье положение можно ограничить или снизить давление наддува.
В одном из примеров, клапан можно установить в третье положение в режиме с наличием одного или нескольких из следующих условий: скорость вращения турбины выше пороговой, давление наддува выше необходимого, нагрузка двигателя ниже пороговой, потребность в крутящем моменте снижается, и (или) частота вращения двигателя выше пороговой. Как и в третьем положении на ФИГ. 3С, заданная степень открытия клапана 140, как показано на ФИГ. 4С, может зависеть от таких параметров работы двигателя, как частота вращения, нагрузка и (или) потребность в крутящем моменте. В еще одном примере, заданную степень открытия клапана 140 в обводной канал 104 можно увеличивать по мере снижения нагрузки двигателя или потребности в крутящем моменте. В некоторых случаях, заданную степень открытия клапана 140 в обводной канал 104 можно увеличивать по мере уменьшения частоты вращения двигателя. Таким образом, клапан 140 можно перемещать в третье положение для снижения давления наддува при возникновении определенных условий работы двигателя, чтобы умерить противодавление в выпускной коллекторе при работе двигателя на высоких оборотах.
Обратимся к ФИГ. 4D, иллюстрирующей четвертое положение клапана 140 золотникового исполнения, которое может быть по существу аналогично четвертому положению, раскрытому на ФИГ. 3D. В одном примере клапан 140 практически или полностью открыт как в первый канал 100 улитки, так и во второй канал 102 улитки, и закрыт в обводной канал 104. Следовательно, клапан 140 в четвертом положении создает полное гидравлическое сообщение и переток отработавших газов между первым каналом 100 улитки и вторым каналом 102 улитки таким образом, что практически весь поток отработавших газов в каждом из каналов улитки проходит через турбину для увеличения давления наддува. Итак, установка клапана 140 в четвертое положение может увеличить поток отработавших газов в турбину, и, следовательно, давление наддува.
В одном примере клапан 140 можно установить в четвертое положение или положение, по существу аналогичное четвертому, в режиме с наличием одного или нескольких из следующих условий: скорость вращения турбины ниже пороговой, давление наддува ниже необходимого, нагрузка двигателя выше пороговой, потребность в крутящем моменте растет, и (или) частота вращения двигателя выше пороговой. Иначе говоря, в другом примере четвертое положение клапана может обеспечить достижение необходимого или целевого давления наддува с одновременным снижением противодавления в выпускном коллекторе при работе двигателя на повышенных оборотах. Хотя это и не показано, также возможны дополнительные и (или) другие положения, или состояния, или диапазоны в соответствии с раскрытым в настоящей заявке изобретением.
Таким образом, в одном варианте может быть предложена система турбокомпрессора с двойной улиткой, содержащая первый канал улитки, второй канал улитки, гидравлически отделенный от первого канала перегородкой, проход, расположенный в перегородке и гидравлически сообщающий первый канал улитки и второй канал улитки, и клапан, расположенный в этом проходе с возможностью установки в первую группу выбранных положений для создания гидравлического сообщения между первым и вторым каналами улитки и вторую группу выбранных положений для создания гидравлического сообщения между первым или вторым каналами улитки и точкой ниже по потоку от турбины, либо между обоими каналами улитки и этой точкой ниже по потоку от турбины.
В одном примере клапан можно плавно регулировать, устанавливая его в выбранные положения, включая: первое положение, в котором клапан может быть закрыт как в первый, так и во второй каналы улитки, а также закрыт в направлении точки ниже по потоку от турбины; второе положение, в котором клапан может быть открыт с отмеренной степенью как в первый, так и во второй каналы улитки, и открыт в направлении точки ниже по потоку от турбины; третье положение, в котором клапан может быть полностью открыт как в первый, так и во второй каналы улитки, и открыт с заданной степенью в направлении точки ниже по потоку от турбины; и четвертое положение, в котором клапан может быть полностью открыт как в первый, так и во второй каналы улитки, и закрыт в направлении точки ниже по потоку от турбины.
Также, в одном из примеров клапан может быть встроен в головку блока цилиндров. В другом примере клапан может быть включен в состав турбокомпрессора или выпускного коллектора двигателя, выполненного с возможностью использования данной системы турбокомпрессора. В одном варианте, клапан может содержать корпус клапана, при этом клапан содержит одну или несколько наружных поверхностей для отвода тепла с корпуса клапана. Клапан также может включать крепежный механизм, например, крепление (крепления), и (или) уплотнительное устройство для гидравлического соединения с двигателем.
ФИГ. 5 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример алгоритма 500 для регулирования одного или нескольких подвижных затворов, состояние которых можно регулировать или изменять, например, клапана 140, показанного на ФИГ. 1-4, устанавливая в различные положения для направления отработавших газов из первого входного канала улитки турбины (например, первого канала 100 улитки) и (или) из второго входного канала улитки турбины (например, второго канала 102 улитки) в турбину (например, турбину 92) и (или) в обводной канал (например, обводной канал 104). В частности, клапан можно устанавливать в то или иное положение в зависимости от наличия одного или нескольких определенных условий работы двигателя и (или) для обеспечения желательных или необходимых режимов работы двигателя. Например, клапан можно установить в то или иное положение в зависимости от частоты вращения или нагрузки двигателя, а также необходимого крутящего момента, затребованного водителем транспортного средства. Инструкции по выполнению алгоритма 500 могут храниться в памяти контроллера, например, контроллера 12 на ФИГ. 1-2.
На шаге 502 алгоритм включает оценку и (или) измерение параметров работы двигателя, например, частоты вращения, нагрузки, давления наддува, ДВК, требуемого давления наддува и т.п. На шаге 504 можно определить, не находится ли скорость вращения турбины, например, турбины 92, ниже заданного порогового значения. В одном примере под пороговым значением скорости вращения турбины может пониматься скорость вращения, при которой выработка турбины может ухудшить показатели работы двигателя и (или) повредить турбокомпрессор или другие компоненты двигателя. В другом примере скорость вращения турбины можно измерять с помощью датчика, например датчика 97 скорости вращения. В другом варианте, скорость вращения турбины можно рассчитать, исходя из одного или нескольких параметров работы двигателя. Таким образом, если скорость вращения турбины превышает заданное пороговое значение, положение клапана, например клапана 140, можно отрегулировать для снижения риска повреждения турбокомпрессора и (или) улучшения показателей работы двигателя. В другом варианте осуществления, вместо сопоставления скорости вращения турбины с пороговым значением, другой параметр (другие параметры) работы двигателя могут быть сопоставлены с соответствующими пороговыми значениями.
Если на шаге 504 будет установлено, что скорость вращения турбины ниже пороговой, алгоритм переходит к шагу 506, где проверяет, не превышает ли фактическое давление наддува целевое или необходимое давление наддува. В другом примере на шаге 506 можно, дополнительно к давлению наддува либо вместо него, установить, не находится ли нагрузка двигателя ниже пороговой, при этом под пороговой нагрузкой может пониматься нагрузка, при достижении или превышении которой может иметь место повышенная нагрузка на двигатель, например, когда транспортное средство преодолевает подъем или буксирует что-либо. Иначе говоря, под пороговой нагрузкой двигателя может пониматься режим, требующий повышенной нагрузки на двигатель (крутящий момент), причем повышенная нагрузка двигателя может зависеть от различных условий работы двигателя. В еще одном примере, на шаге 506 можно, дополнительно к нагрузке двигателя или вместо нее, установить, не снижается ли потребность в крутящем моменте. Если фактическое давление наддува ниже необходимого, нагрузка двигателя превышает пороговую и (или) потребность в крутящем моменте возрастает, алгоритм может изменить положение клапана для увеличения подачи отработавших газов в турбину на шаге 508. Иначе говоря, алгоритм может увеличить подачу отработавших газов в турбину для увеличения фактического давления наддува и (или) крутящего момента до необходимых значений давления наддува и (или) крутящего момента двигателя соответственно.
Изменение положения клапана для увеличения подачи отработавших газов в турбину может включать установку клапана либо в первое, либо в четвертое положение, как раскрыто выше со ссылками на ФИГ. 3А и 3D, и 4А и 4D. В качестве одного примера, регулирование клапана для увеличения подачи отработавших газов в турбину также может зависеть от результата определения частоты вращения двигателя на шаге 510. Алгоритм 500 может установить, не находится ли частота вращения двигателя ниже заданного порогового значения. В одном примере под пороговой частотой вращения двигателя может пониматься частота или диапазон частот, при которых может возникнуть повышенное противодавление в выпускном коллекторе. В других вариантах алгоритм может установить наличие одного или нескольких дополнительных или других параметров работы двигателя, например превышение заданных пороговых значений потребности в крутящем моменте или нагрузки двигателя. Например, на шаге 510 алгоритм может определить, не требуется ли повышение нагрузки (крутящего момента) двигателя, и (или) не превышает ли нагрузка двигателя пороговую одновременно с определением, до или после определения, не превышает ли частота вращения двигателя пороговую.
В одном варианте, если частота вращения двигателя ниже пороговой, алгоритм может перейти на шаг 512 и установить клапан в первое положение, как раскрыто выше для ФИГ. 3А и 4А. В другом примере клапан можно установить в положение по существу аналогичное первому положению так, чтобы направить в турбину практически весь объем отработавших газов в первом и втором каналах улитки. Также можно одновременно закрыть клапан в направлении любого другого канала (каналов) и обводного канала, например обводного канала 104. Таким образом, практически все отработавшие газы в первом и втором каналах улитки могут быть направлены для приведения турбины во вращение, чтобы повысить давление наддува до необходимого, когда частота вращения двигателя ниже пороговой (например, при низкой частоте вращения двигателя).
Однако если на шаге 510 будет установлено, что частота вращения двигателя (или иной рабочий параметр) превышает пороговое значение (или заданный пороговый уровень), алгоритм может установить клапан в четвертое положение, например, на шаге 514, как раскрыто выше со ссылкой на ФИГ. 3D и 4D. В другом примере клапан можно установить в положение, по существу аналогичное четвертому, так, чтобы клапан был полностью открыт как в первый, так и во второй каналы улитки, и закрыт в обводной канал. Иначе говоря, часть отработавших газов в первом канале 100 улитки может смешаться и объединиться с частью отработавших газов во втором канале 102 улитки.
При этом, никакое количество отработавших газов ни из первого канала 100 улитки, ни из второго канала 102 улитки не может попасть в обводной канал 104. Кроме того, может образоваться пространство между зонами, примыкающими к первому и второму каналам улитки, в которое, когда клапан находится в четвертом положении, можно «сбросить» часть отработавших газов, находящихся в первом канале 100 улитки и во втором канале 102 улитки, поскольку объем этого пространства больше (по сравнению с объемами отдельных каналов, когда клапан закрыт как в первый, так и во второй канал улитки). Таким образом, клапан в четвертом положении или в положении, по существу аналогичном четвертому, может направлять практически все отработавшие газы в первом и втором каналах улитки для вращения турбины. Итак, вышеуказанное четвертое положение клапана 140 может обеспечить повышение давления наддува до необходимого с одновременным снижением противодавления отработавших газов в выпускном коллекторе, когда частота вращения двигателя выше пороговой (например, при высокой частоте вращения двигателя).
Наоборот, если на шаге 504 будет установлено, что скорость вращения турбины выше пороговой, или на шаге 506 будет установлено, что давление наддува выше необходимого или целевого давления наддува, нагрузка двигателя ниже пороговой, и (или) потребность в крутящем моменте снижается, алгоритм может перейти к шагу 516, на котором клапан можно установить в такое положение, при котором уменьшится расход или объем подачи отработавших газов в турбину. Таким образом, в одном примере изменение положения клапана для уменьшения подачи отработавших газов в турбину может снизить риск повреждения турбокомпрессора, когда скорость вращения турбины превышает пороговую. В другом примере, регулируя положение клапана, можно уменьшить подачу отработавших газов в турбину, когда давление наддува превышает необходимое, нагрузка двигателя ниже пороговой, и (или) потребность в крутящем моменте снижается.
Изменение положения клапана для уменьшения подачи отработавших газов в турбину может включать установку клапана во второе или третье положение, как раскрыто выше со ссылками на ФИГ. 3В и 3С, и 4В и 4С. В качестве одного из примеров, изменение положения клапана для уменьшения подачи отработавших газов в турбину также может зависеть от частоты вращения двигателя, определяемой на шаге 518.
На шаге 518 алгоритм может установить, не превышает ли частота вращения двигателя второе пороговое значение. Так же, как и на шаге 510, под второй пороговой частотой вращения двигателя может пониматься частота или диапазон частот, при которых может возникнуть чрезмерное противодавление в выпускном коллекторе. Иначе говоря, вторая пороговая частота вращения двигателя на шаге 518 может быть той же, что и первая заданная пороговая частота на шаге 510. В другом варианте, алгоритм может, в дополнение к частоте вращения двигателя или вместо нее, установить, не превышает ли один или несколько параметров работы соответствующие заданные пороговые уровни, если это не было установлено на одном из предыдущих шагов. В качестве примера, алгоритм может установить, не превышают ли потребность в крутящем моменте и (или) нагрузка двигателя соответствующие заданные пороговые значения.
На шаге 518, если частота вращения двигателя ниже пороговой, алгоритм 500 может перейти к шагу 522, на котором клапан, например клапан 140, может быть установлен во второе положение или в положение, по существу аналогичное второму, как раскрыто выше со ссылкой на ФИГ. 3В и 4В. Во втором положении клапан может быть открыт с отмеренной степенью как в первый, так и во второй каналы улитки, и полностью открыт в обводной канал. Таким образом, установив клапан во второе положение, можно обеспечить частичный переток отработавших газов между первым и вторым каналами улитки и полный переток отработавших газов из зоны сопряжения между первым и вторым каналами улитки в обводной канал. Установив клапан во второе положение, можно поддерживать или снизить давление наддува в условиях низкой частоты вращения двигателя, низкой нагрузки двигателя и (или) низкого или снижающейся потребности в крутящем моменте.
Кроме того, можно регулировать отмеренную степень открытия клапана 140 в зависимости от различных условий работы двигателя. Например, отмеренную степень открытия можно уменьшать по мере роста потребности в крутящем моменте и (или) нагрузок двигателя. В другом примере отмеренную степень открытия клапана 140 можно увеличивать по мере увеличения частоты вращения двигателя.
Однако, если на шаге 518 будет установлено, что частота вращения двигателя (или иной параметр или параметры работы) превышает пороговую, на шаге 520 алгоритм может установить клапан в третье положение или в положение, по существу аналогичное третьему, как раскрыто выше для ФИГ. 3С и 4С. Так, клапан 140 может быть полностью открыт как в первый канал 100 улитки, так и во второй канал 102 улитки, и открыт с заданной степенью в обводной канал 104 для уменьшения подачи отработавших газов в турбину. Иначе говоря, может иметь место полномасштабная передача отработавших газов между первым и вторым каналами улитки и частичная передача отработавших газов из зоны между первым и вторым каналами улитки в обводной канал. Так вышеуказанная конфигурация клапана может обеспечить необходимое давление наддува, соответствующее постоянной или снижающейся потребности в крутящем моменте с одновременным снижением противодавления отработавших газов в выпускном коллекторе при высокой частоте вращения двигателя. Отмеренную степень открытия клапана 140 можно регулировать в зависимости от различных параметров работы двигателя. Например, отмеренную степень открытия можно снижать по мере роста потребности в крутящем моменте и (или) нагрузок двигателя.
Итак, в некоторых вариантах алгоритм 500 может блокировать практически весь поток отработавших газов в обход турбины (например, клапан устанавливают в первое положение, показанное на ФИГ. 3А и 4А, и (или) четвертое положение, показанное на ФИГ. 3D и 4D)), и (или) пропускать часть отработавших газов в обход турбины (например, клапан устанавливают во второе положение, показанное на ФИГ. 3В и 4В, и (или) третье положение, показанное на ФИГ. 3С и 4С)). Таким образом, регулируя положение совмещенного сообщающего и перепускного клапана, например клапана 140, контроллер 12 также может регулировать гидравлическое сообщение между первым каналом 100 улитки, вторым каналом 102 улитки и обводным каналом 104 в зависимости от различных параметров работы двигателя, например нагрузки двигателя, частоты вращения двигателя, необходимого давления наддува и (или) потребности в крутящем моменте. Следовательно, КПД турбины (и турбокомпрессора) и величину противодавления в выпускном коллекторе также можно регулировать для достижения необходимого уровня (уровней) наддува и крутящего момента двигателя. В других вариантах, регулируя положение клапана можно обеспечить КПД турбокомпрессора и противодавление в пределах заданного диапазона (диапазонов). Например, КПД можно определить, контролируя давление всасываемого воздуха, измеряемое, например, датчиком 132 давления. Дополнительно к другим датчикам двигателя и (или) датчикам, не раскрытым в настоящем описании, или вместо них, могут использоваться датчики, которые не могут применяться в двигателях общепринятых на текущий момент конструкций. Например, профиль импульсов отработавших газов можно измерять непосредственно и (или) определять на основании показаний одного или нескольких датчиков, либо на основании результатов других измерений, а также выводить или вычислять с помощью контроллера, например контроллера 12.
ФИГ. 6 содержит диаграмму 600, иллюстрирующую примеры установки клапана в то или другое положение в зависимости от параметров работы двигателя, включая один или несколько из следующих: нагрузка двигателя, частота вращения двигателя, требуемое давление наддува и скорость вращения турбины. В частности, на диаграмме 600 показана установка клапана в различные положения на графике 602, изменения нагрузки двигателя на графике 604, изменения частоты вращения двигателя на графике 606, изменения необходимого давления наддува на точечном графике 610, фактическое давление наддува на графике 608, изменения скорости вращения турбины на графике 612 и изменения объема подачи отработавших газов в турбину на графике 614. Клапан, изображенный на ФИГ. 6, может представлять собой совмещенный сообщающий и перепускной клапан, раскрытый выше со ссылками на ФИГ. 1-5. Например, клапан на ФИГ. 6 может быть одним из клапанов, изображенных на ФИГ. 3 и 4. Также положением клапана в этом примере может быть одним из следующих: первое положение (обозначенное "1"), второе положение (обозначенное "2"), третье положение (обозначенное "3") и четвертое положение (обозначенное "4"), раскрытые выше со ссылками на ФИГ. 3A-4D. Время нанесено по оси х, увеличиваясь слева направо по оси х. Пороговая нагрузка двигателя (например, Т1) представлена линией 624, пороговая частота вращения двигателя (например, Т2) показана линией 626, а пороговая скорость вращения турбины (например, Т3) представлена линией 622.
До наступления времени t1, двигатель выключен, так что сгорания не происходит. В момент t1 двигатель включают, и сгорание может начаться. Между временем t1 и временем t2 транспортное средство может двигаться по дороге с незначительным уклоном. Поэтому нагрузка двигателя постепенно растет, но остается ниже пороговой нагрузки двигателя Т1 (например, линия 624). Точно также, частота вращения двигателя монотонно возрастает, но пока остается ниже пороговой частоты вращения двигателя Т2 (например, линия 626). В ответ на возникновение вышеуказанных условий работы двигателя, клапан можно установить во второе положение (или в положение, по существу аналогичное второму положению) во время t1 и удерживать во втором положении между временем t1 и временем t2. Например, во втором положении, клапан может быть открыт в отмеренной степени как в первый, так и во второй каналы улитки турбины и полностью открыт в обводной канал. Так дозированное количество отработавших газов из каждого канала улитки попадает в обводной канал в обход турбины, в связи с чем снижается подача отработавших газов в турбину по сравнению с состоянием, когда клапан полностью закрыт в обводной канал. Поскольку нагрузка двигателя не превышает пороговую между временем t1 и временем t2, фактическое давление наддува (например, линия 610) может достичь необходимого (например, линия 608), так, что фактическое и необходимое давление наддува практически сравняются. Скорость вращения турбины остается ниже пороговой скорости вращения турбины Т3 (например, линия 622), так как определенное количество отработавших газов может идти в обход турбины по обводному каналу через клапан, открытый с отмеренной степенью.
Во время t2 транспортное средство может двигаться по дороге с более крутым уклоном. Поэтому нагрузка двигателя увеличивается, достигая и (или) превышая пороговую нагрузку двигателя Т1, при превышении которой водитель может дать команду на увеличение давления наддува во время t2. Частота вращения двигателя растет, но не достигает пороговой частоты вращения двигателя Т2 во время t2. Значит, клапан можно установить в первое положение, или в положение, по существу аналогичное первому, в котором клапан закрыт как в первый, так и во второй каналы улитки и в обводной канал. Таким образом, между временем t2 и временем t3, практически весь объем отработавших газов из первого и второго каналов улитки направляется в турбину и не может перепускаться через обводной канал. В связи с этим, в ответ на повышение нагрузки двигателя повышается необходимое давление наддува и фактическое давление наддува. В данном конкретном примере фактическое давление наддува может не соответствовать необходимому давлению наддува между временем t2 и временем t3.
Во время t3 частота вращения двигателя может достичь и (или) превысить пороговую частоту вращения двигателя Т2. Как раскрыто выше, под пороговой частотой вращения двигателя может пониматься частота, при достижении или превышении которой может возникнуть чрезмерное противодавление отработавших газов в системе турбокомпрессора с двойной улиткой. Транспортное средство может продолжать преодолевать подъем между временем t3 и временем t4, при этом и частота вращения, и нагрузка двигателя находятся выше соответствующих пороговых значений Т1 и Т2. Одновременно, скорость вращения турбины также может повышаться, но оставаться ниже порогового уровня Т3. В ответ на это, клапан можно установить в четвертое положение, или в положение, по существу аналогичное четвертому положению, в котором клапан открыт как в первый, так и во второй каналы улитки и закрыт в обводной канал. Таким образом, как раскрыто выше, практически весь объем отработавших газов из первого и второго каналов улитки направляется в турбину и не может перепускаться через обводной канал. Кроме того, может образоваться объемное пространство в зоне, примыкающей к зоне сопряжения первого канала улитки, второго канала улитки и обводного канала, так что некоторое количество отработавших газов может быть «сброшено» в указанное пространство. В результате, можно снизить противодавление и помпаж, одновременно увеличив подачу отработавших газов в турбину для увеличения фактического давления наддува до необходимого. Следовательно, ко времени t4 в турбину подается количество отработавших газов, позволяющее обеспечить фактическое давление наддува практически равное необходимому давлению наддува.
Во время t4 транспортное средство может не преодолевать подъем, а, наоборот, двигаться по дороге с небольшим уклоном. В других примерах транспортное средство может спускаться по склону. В вышеуказанных примерах нагрузка двигателя может опуститься ниже пороговой. Однако частота вращения двигателя все еще может превышать пороговую. Следовательно, необходимое давление наддува может снизиться в ответ на снижение нагрузки двигателя, и клапан можно установить в третье положение, или в положение, по существу аналогичное ему, во время t4. В третьем положении клапан полностью открыт как в первый, так и во второй каналы улитки и открыт с заданной степенью в обводной канал. В результате, некоторое количество отработавших газов может идти в обход турбины и через обводной канал в точку ниже по потоку от турбины. Как и в четвертом положении, в третьем положении также может образоваться объемное пространство в зоне, примыкающей к зоне сопряжения первого и второго каналов улитки и обводного канала. Итак, когда нагрузка двигателя или потребность в крутящем моменте остаются неизменными или снижаются, как показано, и частота вращения двигателя выше пороговой T2, клапан можно установить в третье положение для уменьшения противодавления и помпажа. Кроме того, скорость вращения турбины устойчиво снижается.
Во время t5 транспортное средство может продолжить спуск по склону или движение по дороге с незначительным уклоном, при этом частота вращения двигателя опускается ниже пороговой частоты вращения двигателя Т2. Нагрузка двигателя продолжает устойчиво снижаться, уменьшая необходимое давление наддува между временем t5 и временем t6. В этом примере между временем t5 и временем t6 необходимое давление наддува и фактическое давление наддува практически равны. Поскольку нагрузка двигателя и давление наддува не растут, клапан можно установить во второе положение для уменьшения подачи отработавших газов в турбину, при этом клапан открыт с отмеренной степенью как в первый, так и во второй каналы улитки и открыт в обводной канал. В результате, некоторое количество отработавших газов в первом и во втором каналах улитки может быть направлено в обход турбины в точку ниже по потоку от турбины по обводному каналу между временем t5 и временем t6. Так как подача отработавших газов в турбину снижается, скорость вращения турбины также снижается между временем t5 и временем t6.
Между временем t6 и t7 транспортное средство может вновь начать преодолевать подъем. В другом примере транспортное средство может буксировать прицеп. Как показано в этом примере, нагрузка двигателя растет, но еще не достигла пороговой между временем t6 and t7. Хотя фактическая нагрузка двигателя еще не достигла пороговой, клапан можно установить в первое положение, или в положение, по существу аналогичное первому, чтобы направить некоторое количество отработавших газов в турбину для удовлетворения растущей потребности в крутящем моменте и давлении наддува.
Во время t7 нагрузка двигателя достигает и (или) превышает пороговую нагрузку двигателя Т1, а необходимое или требуемое давление наддува увеличивается в связи с ростом нагрузки двигателя. Частота вращения двигателя между временем t6 и временем t7 также возрастает, но еще не достигла пороговой частоты вращения двигателя Т2 во время t7. В связи с тем, что нагрузка двигателя превышает пороговую, а частота вращения двигателя ниже пороговой, клапан можно установить или удерживать в первом положении, или в положении, по существу аналогичном первому, чтобы направить практически весь поток отработавших газов в первом и втором каналах улитки в турбину, увеличивая, таким образом, скорость ее вращения и фактическое давление наддува. Между временем t7 и временем т.8 необходимое давление наддува превышает фактическое. Однако фактическое давление наддува неуклонно растет, чтобы достигнуть необходимого значения во время t8.
Во время t8 частота вращения двигателя достигает и (или) превышает пороговую частоту вращения двигателя Т2, в то время как нагрузка двигателя продолжает превышать пороговую. В связи с этим, клапан можно установить в четвертое положение, или в положение, по существу аналогичное четвертому, чтобы направить практически весь поток отработавших газов в первом и втором каналах улитки в турбину для увеличения давления наддува и блокирования их истечения через обводной канал между временем t8 и t9. Кроме того, в зоне, примыкающей к зоне сопряжения первого канала улитки, второго канала улитки и обводного канала, может образоваться вышеупомянутое объемное пространство, в которое можно «сбрасывать» некое количество отработавших газов. В результате, можно уменьшить противодавление и помпаж с одновременным увеличением подачи отработавших газов в турбину для повышения фактического давления наддува до необходимого. Следовательно, увеличение подачи отработавших газов в турбину приводит к тому, что фактическое давление наддува практически сравнивается с необходимым давлением наддува. Кроме того, скорость вращения турбины продолжает расти, так как поток отработавших газов заставляет ее вращаться.
Во время t9 скорость вращения турбины возрастает, пока не достигнет и (или) не превысит пороговую. Как сказано выше, под пороговой скоростью вращения турбины может пониматься скорость, при достижении или превышении которой возможно механическое повреждение турбины. В ответ на превышение пороговой скорости вращения турбины, клапан можно установить в третье положение для снижения скорости ее вращения, несмотря на то, что нагрузка двигателя и (или) частота вращения двигателя превышают соответствующие пороговые значения Т1 и Т2. В третьем положении клапан полностью открыт как в первый, так и во второй каналы улитки и открыт с заданной степенью в обводной канал. В результате, некоторое количество отработавших газов может идти в обход турбины и через обводной канал в точку ниже по потоку от турбины между временем t9 и временем t10. Как раскрыто выше, в третьем положении также может образоваться объемное пространство в зоне, примыкающей к зоне сопряжения между первым и вторым каналами улитки и обводным каналом. Итак, когда скорость вращения турбины выше пороговой и частота вращения двигателя выше пороговой Т2, клапан можно установить в третье положение для снижения скорости вращения турбины с одновременным уменьшением противодавления и помпажа. Однако между временем t9 и временем t10 необходимое давление наддува больше, чем фактическое, из-за того, что некоторое количество отработавших газов не попадает в турбину.
Следовательно, скорость вращения турбины может упасть между временем t9 и временем t10, в результате чего она опустится ниже пороговой во время t10. Кроме того, во время t10 транспортное средство может начать движение по дороге с незначительным уклоном или без уклона, в связи с чем нагрузка двигателя упадет ниже пороговой нагрузки двигателя Т1, а необходимое давление наддува снизится. Однако частота вращения двигателя остается выше пороговой. В связи с тем, что нагрузка двигателя снижается, необходимое давление наддува уменьшилось, а частота вращения двигателя превышает пороговую, клапан можно удерживать в третьем положении или установить в него. В третьем положении клапан полностью открыт как в первый, так и во второй каналы улитки и открыт с заданной степенью в обводной канал. Поэтому некоторое количество отработавших газов может идти в обход турбины и через обводной канал в точку ниже по потоку от турбины между временем t10 и временем t11. Также, когда клапан находится в третьем положении, и частота вращения двигателя выше пороговой, можно уменьшить противодавление и помпаж.
Во время t11 транспортное средство может продолжить спуск со склона или движение по дороге с незначительным уклоном (например, по равнинной дороге), при этом частота вращения двигателя опускается ниже пороговой частоты Т2. Нагрузка двигателя продолжает устойчиво снижаться, в связи с чем снижается необходимое давление наддува между временем t11 и временем t12. Так как нагрузка двигателя, частота вращения двигателя и давление наддува снижаются, клапан можно установить во второе положение для уменьшения подачи отработавших газов, при этом во втором положении клапан открыт с отмеренной степенью как в первый, так и во второй каналы улитки и открыт в обводной канал. В результате, некоторое количество отработавших газов в первом и во втором каналах улитки могут быть направлены в обход турбины в точку ниже по потоку от турбины по обводному каналу. Так как подача отработавших газов в турбину снижается, скорость вращения турбины также снижается. Как раскрыто в этом примере, необходимое давление наддува и фактическое давление наддува практически равны между временем t11 и временем t12. Во время t12 цикл езды транспортного средства, включающий все варианты между временем t1 и временем t12, завершается.
Технический эффект регулирования клапана, расположенного в канале, соединяющем первый канал улитки, второй канал улитки и обводной канал, для регулирования подачи отработавших газов в турбину, заключается в оперативном и эффективном регулировании давления наддува в зависимости от параметров работы двигателя, например: частоты вращения двигателя, нагрузки двигателя и потребности в крутящем моменте, с одновременным снижением противодавления и помпажа. Кроме того, используя единственный совмещенный сообщающий и перепускной клапан в системе турбокомпрессора и двигателя, можно избежать ухудшения таких характеристик, как стоимость, вес и компоновка, которое имеет место при установке этих компонентов по отдельности. Также может быть уменьшена нагрузка на систему управления и контроля двигателя, которая должна будет регулировать положение только одного клапана в зависимости от параметров работы двигателя.
Итак, в одном варианте может быть предложен способ, включающий изменение положения клапана, расположенного в канале, соединяющем первый канал улитки и второй канал улитки турбины, для увеличения подачи отработавших газов в турбину, когда скорость вращения турбины ниже пороговой и в первом режиме нагрузки, и изменение положения клапана для уменьшения подачи отработавших газов в турбину, когда скорость вращения турбины выше пороговой частоты вращения двигателя. Кроме того, клапан может гидравлически сообщаться с обводным каналом, перепускающим отработавшие газы в обход турбины.
В одном примере первый режим нагрузки может включать одно или несколько из следующих условий: давление наддува ниже необходимого давления наддува, нагрузка двигателя выше пороговой нагрузки и потребность в крутящем моменте возрастает. В другом примере изменение положения клапана для увеличения подачи отработавших газов в турбину может включать установку клапана в первое положение и блокирование перетока отработавших газов между первым и вторым каналами улитки, а также из первого и второго каналов улитки в обводной канал, при этом первое положение включает полное закрытие клапана в первый канал улитки, второй канал улитки и обводной канал, когда частота вращения двигателя ниже пороговой частоты вращения двигателя. В еще одном примере изменение положения клапана для увеличения подачи отработавших газов в турбину может включать установку клапана в четвертое положение и переток отработавших газов между первым и вторым каналами улитки, но не из первого и второго каналов улитки в обводной канал, при этом четвертое положение включает полное открытие клапана в первый канал улитки и второй канал улитки и полное закрытие в обводной канал, когда частота вращения двигателя выше пороговой.
В другом варианте способ может также включать изменение положения клапана для уменьшения подачи отработавших газов в турбину, когда скорость вращения турбины ниже пороговой и во втором режиме нагрузки, при этом второй режим нагрузки включает одно или несколько из следующих условий: давление наддува выше необходимого давления наддува, нагрузка двигателя выше пороговой нагрузки и потребность в крутящем моменте снижается.
В одном примере изменение положения клапана для уменьшения подачи отработавших газов в турбину может включать установку клапана во второе положение и частичное сообщение с перетоком отработавших газов между первым и вторым каналами улитки и полное сообщение с перетоком отработавших газов из области сопряжения между первым и вторым каналами улитки и в обводной канал, при этом второе положение включает открытие клапана в отмеренной степени как в первый, так и во второй каналы улитки и полное открытие в обводной канал, когда частота вращения двигателя ниже пороговой частоты вращения двигателя. Кроме того, способ может увеличивать отмеренную степень открытия в первый и второй каналы улитки по мере увеличения частоты вращения двигателя.
В другом примере изменение положения клапана для уменьшения подачи отработавших газов в турбину может включать установку клапана в третье положение и полное сообщение с перетоком отработавших газов между первым и вторым каналами улитки, и частичное сообщение с перетоком отработавших газов из области сопряжения между первым и вторым каналами улитки и в выпускной канал, при этом третье положение включает полное открытие клапана в первый и второй каналы улитки и открытие с отмеренной степенью в обводной канал, когда частота вращения двигателя выше пороговой. Кроме того, способ может включать увеличение отмеренной степени открытия в обводной канал по мере уменьшения частоты вращения двигателя.
В некоторых вариантах клапан может представлять собой цилиндрический клапан с возможностью вращения вокруг первой оси перпендикулярно направлению потока отработавших газов через первый и второй каналы улитки. В других вариантах клапан может представлять собой золотниковый клапан с подвижным элементом с возможностью перемещения вдоль второй оси для избирательного создания гидравлического сообщения между первым каналом улитки, вторым каналом улитки и обводным каналом.
Кроме того, в одном варианте, может быть предложена система двигателя, содержащая первый канал для передачи среды из первой группы камер сгорания в турбину, второй канал для передачи среды из второй группы камер сгорания в турбину и отделенный от первого канала перегородкой, третий канал для передачи среды из первого канала и второго канала в место ниже по потоку от турбины, клапан, расположенный в перегородке, для избирательного пропуска среды из первого и второго каналов во второй и первый канал соответственно и для избирательного пропуска среды либо из первого канала, либо из второго канала, либо из обоих, в место ниже по потоку от турбины.
В одном примере клапан может быть встроен либо в головку блока цилиндров, либо в выпускной коллектор, либо в турбокомпрессор двигателя, выполненного с возможностью использования системы турбокомпрессора. В другом примере клапан может представлять собой цилиндрический клапан с возможностью вращения вокруг первой оси перпендикулярно направлению потока отработавших газов через первый канал улитки и второй канал улитки. В модифицированных вариантах клапан может представлять собой золотниковый клапан с подвижным элементом с возможностью перемещения по второй оси для избирательной передачи среды между первым каналом, вторым каналом и третьим каналом в различных комбинациях.
В еще одном варианте осуществления клапан может быть выполнен с возможностью плавного изменения положения в выбранных диапазонах по сигналу контроллера. Таким образом, клапан может быть закрыт как в первый, так и во второй каналы улитки и закрыт в направлении точки ниже по потоку от турбины, когда давление наддува ниже порогового давления, и частота вращения двигателя ниже пороговой. В другом примере клапан может быть открыт в отмеренной степени как в первый, так и во второй каналы улитки и открыт в направлении точки ниже по потоку от турбины, когда давление наддува выше порогового давления, и частота вращения двигателя ниже пороговой. В еще одном примере клапан может быть полностью открыт как в первый, так и во второй каналы улитки и открыт с заданной степенью в направлении точки ниже по потоку от турбины, когда давление наддува выше порогового давления и частота вращения двигателя выше пороговой. В другом варианте клапан может быть полностью открыт как в первый, так и во второй каналы улитки и закрыт в направлении точки ниже по потоку от турбины, когда давление наддува ниже порогового давления и частота вращения двигателя выше пороговой.
Также предложен способ для двигателя, включающий пропуск как минимум части отработавших газов из первого входного канала улитки турбины во второй входной канал улитки турбины и в турбину через один или несколько подвижных затворов в первом режиме; и выпуск как минимум части отработавших газов из первого и (или) входного канала улитки турбины в обход турбины в тракт отработавших газов через один или несколько подвижных затворов во втором режиме. Кроме того, в первом режиме способ включает изменение положения одного или нескольких подвижных затворов путем закрытия в первый и второй входные каналы улитки турбины и закрытия в обводной канал, когда частота вращения двигателя ниже пороговой. В другом варианте способ включает изменение положения одного или нескольких подвижных затворов путем полного открытия в первый и второй входные каналы улитки турбины и закрытия в обводной канал, когда частота вращения двигателя выше пороговой. В другом примере вышеуказанного способа второй режим может включать изменение положения одного или нескольких подвижных затворов путем открытия с отмеренной степенью в первый и второй входные каналы улитки турбины и полное открытие в обводной канал, когда частота вращения двигателя ниже пороговой. Наоборот, когда частота вращения двигателя выше пороговой, способ может включать изменение положения одного или нескольких подвижных затворов путем закрытия в первый и второй входные каналы улитки турбины и открытие с заданной степенью в обводной канал, когда частота вращения двигателя выше пороговой частоты.
Также, согласно заявляемому изобретению, один или несколько подвижных затворов могут представлять собой цилиндрический клапан и золотниковый клапан. Один или несколько подвижных затворов могут быть встроены либо в головку блока цилиндров, либо в турбокомпрессор, либо в выпускной коллектор двигателя, выполненного с возможностью использования системы турбокомпрессора.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и (или) транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти и выполняться системой управления, содержащей контроллер, совместно с различными датчиками, исполнительными механизмами и другими техническими средствами двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, где раскрытые действия выполняются путем исполнения инструкций, содержащихся в системе, включая их выполнение различными техническими средствами двигателя совместно с электронным контроллером.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.