СПОСОБ КООРДИНАЦИИ ПОДАЧИ ВТОРИЧНОГО ВОЗДУХА И ПРОДУВОЧНОГО ВОЗДУХА В ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF COORDINATING SUPPLY OF SECONDARY AIR AND BLOWDOWN AIR TO ENGINE (EMBODIMENTS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к способам и системам для уменьшения турбоямы и увеличения выходного крутящего момента при координации подачи вторичного воздуха и продувочного воздуха в двигателе внутреннего сгорания с наддувом.
Уровень техники
Двигатель внутреннего сгорания с наддувом может демонстрировать  топливную экономичность и более низкий уровень токсичных выбросов, чем двигатель аналогичной мощности с естественным забором воздуха. Однако, в условиях переходных режимов, мощность, топливная экономичность и показатели по снижению уровня токсичных выбросов могут страдать. К таким переходным режимам могут относиться быстрое увеличение или снижение нагрузки двигателя, частоты вращения двигателя или массового расхода воздуха. Например, когда нагрузка двигателя резко возрастает, компрессору турбонагнетателя может потребоваться увеличенный крутящий момент, чтобы подавать увеличенный воздушный поток. Такой крутящий момент может быть недоступен, если турбина, которая вращает компрессор, в полной мере не раскрутилась. В результате может иметь место нежелательное запаздывание мощности, прежде чем всасываемый воздушный поток вырастет до требуемого уровня.
Ранее было установлено, что систему двигателя с турбонаддувом можно адаптировать для подачи «продувочного» воздуха, при этом впускной наддувочный воздух прогоняют из впускного коллектора из области ниже по потоку от компрессора через цилиндр(-ры) двигателя и выводят в выпускной коллектор выше по потоку от турбины. Например, систему изменения фаз клапанного распределения (ИФКР) можно на время перестроить так, чтобы обеспечить значительное перекрытие клапанов. При положительном перекрытии клапанов наддувочный воздух вводится в цилиндры, проходит сквозь них в турбину, чтобы временно создать дополнительный поток воздушной массы и сообщить дополнительную внутреннюю энергию отработавшим газам. Эта дополнительная энергия, передаваемая турбине, позволяет турбине быстрее раскрутиться, и тем самым уменьшить провал тяги - «турбояму».
Однако, установлены и потенциальные проблемы, связанные с таким подходом. В качестве одного примера, чтобы обеспечить продувку, двигатель вынужден находиться в режиме принудительного нагнетания (т.е. работать с наддувом), иначе показатели турбонагнетателя могут быть снижены. Кроме того, при продувке работа с двигателем может производиться при высоких уровнях запаздывания зажигания, чтобы сообщить дополнительную энергию отработавшим газам для увеличения частоты вращения турбины и наддува. Однако, работа двигателя с высокими уровнями запаздывания искры может привести к тому, что воспламенение смеси будет происходить позднее, чем оптимальный момент времени, который требуется для немедленного изменения выходного крутящего момента.
Раскрытие изобретения
Таким образом, по меньшей мере некоторые из вышеупомянутых проблем могут быть решены посредством способа для двигателя с турбонаддувом, содержащего: подачу сжатого воздуха через дроссель в двигатель от компрессора, приводимого в движение турбиной, связанной с выпускным коллектором двигателя; и при увеличении открытия дросселя - уменьшение турбоямы путем подачи вторичного воздуха в турбину во время действия первого режима работы, а во. время действия второго режима работы - обеспечение продувки части сжатого воздуха через двигатель, без участия данного воздуха в горении, и подача указанного воздуха в турбину.
2
В качестве примера, в ответ на нажатие педали акселератора может быть использован вторичный воздушный насос для подачи вторичного воздуха в выпускной коллектор выше по потоку от турбины. Одновременно может быть обеспечено обогащение топливно-воздушной смеси, чтобы создать в отработавших газах высокий уровень концентрации окиси углерода (СО), водорода (Н) и углеводородов, которые в выпускном коллекторе могут вступать в реакцию с вторичным воздухом. В результате может быть увеличена масса и энтальпия отработавших газов, что может быть использовано для увеличения частоты вращения турбины до требуемого значения частоты вращения. Кроме того, благодаря увеличению частоты вращения турбины, может быть увеличено давление наддува. По достижении порогового давления наддува, при котором двигатель располагает наддувом достаточным для продувки, работу двигателя можно переключить на обеспечение продувки. То есть, подача вторичного воздуха может быть прекращена, а продувка может быть использована для подачи дополнительного воздуха в выпускной коллектор.
Согласно некоторым примерам, по достижении порогового давления наддува величину потока подаваемого вторичного воздуха можно уменьшать, и одновременно можно увеличивать величину потока продувочного воздуха до тех пор, пока величина потока подаваемого вторичного воздуха не уменьшится ниже пороговой величины, после чего с двигателем можно работать только в режиме продувки до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое значение частоты вращения турбины.
За счет подачи вторичного воздуха на ранней стадии нажатия педали акселератора может быть создан достаточный наддув, который может быть использован для продувки. В результате могут быть улучшены показатели работы турбонагнетателя. Кроме того, использование подачи вторичного воздуха на ранней стадии нажатия педали акселератора может дать возможность цилиндрам захватывать большую массу воздуха (поскольку дополнительный воздух в выпускном коллекторе для придания дополнительной энергии отработавшим газам обеспечивается вторичным воздушным насосом вместо турбонагнетателя). В результате может быть увеличен начальный выходной крутящий момент. Кроме того, за счет использования подачи вторичного воздуха на ранней стадии нажатия педали акселератора могут быть отрегулированы моменты срабатывания клапанов в целях увеличения начального выходного крутящего момента. И еще, за счет того, что после достижения достаточного наддува двигатель можно переключить на режим с дополнительной продувкой, или на режим только продувки, может быть сокращено время необходимое турбине для достижения требуемой частоты вращения, и тем самым уменьшена турбояма. Таким образом, при нажатии на педаль акселератора подача вторичного воздуха и продувка могут быть использованы координированно, чтобы ускорить раскрутку турбины и увеличить начальный выходной крутящий момент.
Следует понимать, что содержащиеся в данном разделе сведения приведены с целью ознакомления в упрощенной форме с некоторыми идеями, которые далее рассмотрены в описании подробно. Данный раздел не предназначен для формулирования ключевых или существенных признаков объекта изобретения, которые изложены в пунктах формулы изобретения. Более того, объект изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые решают проблемы недостатков, упомянутых в данном описании.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает схему двигательной системы.
Фиг. 2 схематически изображает один цилиндр двигательной системы по фиг. 1.
Фиг. 3 изображает высокоуровневую блок-схему алгоритма осуществления способа координации подачи вторичного воздуха и продувки при нажатии педали акселератора с целью уменьшения турбоямы.
Фиг. 4 изображает высокоуровневую блок-схему алгоритма осуществления способа подачи вторичного воздуха, который следует использовать совместно с алгоритмом фиг. 3.
Фиг. 5 изображает высокоуровневую блок-схему алгоритма осуществления способа обеспечения продувки, который следует использовать совместно с алгоритмом фиг. 3.
Фиг. 6 изображает высокоуровневую блок-схему алгоритма осуществления способа увеличения интенсивности продувки при одновременном уменьшении расхода подаваемого вторичного воздуха, который следует использовать совместно с алгоритмом фиг. 3.
Фиг. 7 изображает пример процессов регулирования подачи вторичного воздуха и продувки в целях уменьшения турбоямы в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Предлагаются способы и системы для уменьшения турбоямы в автомобильном двигателе таком, какой изображен в двигательной системе на фиг. 1-2. При нажатии на педаль акселератора подача вторичного воздуха и продувка двигателя могут быть скоординированы, так чтобы ускорить раскрутку турбины до требуемой частоты вращения и увеличить начальный выходной крутящий момент. Контроллер может быть выполнен с возможностью исполнения управляющих программ, таких, какие в качестве примеров показаны на фиг. 3-6, чтобы определить режим работы двигателя, который может быть реализован (например, подача вторичного воздуха и/или продувка) при нажатии на педаль акселератора, и отрегулировать работу двигателя, исходя из вида рабочего режима. Пример процессов регулирования при подаче вторичного воздуха и продувке рассмотрен на фиг. 7.
Фиг. 1 схематически изображает автомобильную систему 106. Автомобильная система 106 содержит двигательную систему 108, которая включает в себя двигатель 100, связанный с системой 122 снижения токсичности отработавших газов. Двигатель 100 содержит ряд цилиндров 14. Двигатель 100 также содержит впускную систему 123 и выпускную систему 125. Впускная система 123 может принимать свежий воздух из атмосферы через впускной канал 142. Воздух, поступающий во впускной канал 142 может быть очищен воздушным фильтром 191. Впускной канал 142 может содержать дроссель 164, расположенный ниже по потоку от впускного компрессора 152, и охладитель 184 наддувочного воздуха. Впускной дроссель 164 может быть выполнен с возможностью регулирования потока всасываемого газа (например, наддувочного воздуха), поступающего во впускной коллектор 144 двигателя. Выпускная система 125 содержит выпускной коллектор 148, ведущий к выпускному каналу 145, который выводит отработавший газ в атмосферу через выхлопную трубу 135.
Двигатель 100 может представлять собой двигатель с наддувом, который включает в себя устройство повышения давления, такое как турбонагнетатель 161. Турбонагнетатель 161 может иметь в своем составе впускной компрессор 152, расположенный по ходу впускного канала 142, и выпускную турбину 154, расположенную по ходу выпускного канала 145. Компрессор 152 может по меньшей мере частично приводиться в движение турбиной 154 через вал 156. Контроллер двигателя может изменять величину наддува, создаваемого турбонагнетателем. Параллельно турбине может быть устроен перепускной канал 163, контролируемый перепускной заслонкой 165, так чтобы часть отработавших газов или все отработавшие газы, проходящие через выпускной канал 145, можно было направлять в обход турбины 154. Путем регулирования положения перепускной заслонки можно изменять количество отработавшего газа, пропускаемого через турбину, и тем самым регулировать величину наддува, создаваемого во впускной системе двигателя.
Согласно вариантам осуществления, которые будут рассматриваться ниже, аналогичный перепускной канал, контролируемый клапаном (не показан) перепуска, может быть устроен параллельно впускному компрессору, так чтобы часть всасываемого воздуха или весь всасываемый воздух, сжимаемый компрессором 152, можно было перенаправлять во впускной канал 142 выше по потоку от компрессора 152. Путем регулирования положения клапана перепуска компрессора можно сбрасывать давление во впускной системе при определенных условиях, чтобы снижать нагрузку компрессора при его помпаже.
Охладитель 184 наддувочного воздуха (необязательное устройство) может быть установлен ниже по потоку от компрессора 152 во впускном канале, чтобы уменьшать температуру всасываемого воздуха, сжатого турбонагнетателем. В частности, дополнительный охладитель 184 может быть установлен выше по потоку от впускного дросселя 164, или же он может быть встроен во впускной коллектор 144.
Система 122 снижения токсичности отработавших газов, связанная с выпускным каналом 145, содержит устройство 170 снижения токсичности отработавших газов. Согласно одному примеру, устройство 170 снижения токсичности отработавших газов может включать в себя ряд блок-носителей катализатора. Согласно другому примеру, может быть использовано несколько устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое из которых содержит несколько блок-носителей катализатора. Согласно одному примеру, устройство 170 снижения токсичности отработавших газов может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Согласно другим примерам, устройство 170 может представлять собой окислительный нейтрализатор, уловитель оксидов азота (NOx) из продуктов горения обедненной смеси, устройство выборочного каталитического восстановления (ВКВ), сажевый фильтр или другое устройство дополнительной обработки отработавших газов. Хотя в конструкциях, рассматриваемых в настоящем изобретении, устройство 170 снижения токсичности отработавших газов расположено ниже по потоку от турбины 154, в других вариантах осуществления (в рамках идеи и объема настоящего изобретения) устройство 170 может быть расположено выше по потоку от турбины турбонагнетателя или в другом месте выпускного канала двигателя.
Автомобильная система 106 может дополнительно содержать систему рециркуляции отработавших газов (РОГ) низкого давления (РОГ-НД) (не показана). Система РОГ-НД может включать в себя канал РОГ-НД, связывающий выпускной канал 145 ниже по потоку от устройства 170 снижения токсичности отработавших газов с впускным каналом 142 выше по потоку от компрессора 152. В канале РОГ-НД могут быть установлены охладитель РОГ (не показан) и клапан РОГ-НД (не показан) в целях охлаждения отработавшего газа, проходящего через канал, и изменения количества и/или скорости отработавшего газа, участвующего в рециркуляции из выпускного канала во впускной канал в системе РОГ-НД.
Согласно некоторым примерам (как показано), автомобильная система 106 может также дополнительно содержать систему 171 рециркуляции отработавших газов высокого давления (РОГ-ВД). Система 171 РОГ-ВД содержит канал 173, который связывает выпускной канал 145 выше по потоку от турбины 154 с впускным воздушным каналом 142 ниже по потоку от компрессора 152, но выше по потоку от охладителя 184 наддувочного воздуха и впускного дросселя 164. Охладитель 172 РОГ, расположенный в канале 173 РОГ, охлаждает проходящий по каналу отработавший газ. Положением клапана 179 РОГ, расположенного в канале 173 РОГ на стороне охладителя 172 РОГ ближней к впускному каналу, может управлять контроллер 120, чтобы изменять количество и/или скорость отработавшего газа, передаваемого из выпускного канала во впускной канал посредством системы РОГ-ВД. Согласно некоторым вариантам осуществления, в канале 173 РОГ-ВД могут быть расположены один или более датчиков, чтобы обеспечивать индикацию одного или более из следующих параметров: давления, температуры, и воздушно-топливного отношения отработавшего газа, который циркулирует в канале РОГ-ВД.
Управление двигателем 100 может осуществляться по меньшей мере частично посредством управляющей системы 140, содержащей контроллер 120, а также командой оператора транспортного средства (водителя автомобиля) при помощи устройства ввода (не показано). Управляющая система 140 выполнена с возможностью приема информации от множества датчиков 160 (различные примеры которых будут рассмотрены ниже) и передачи управляющих сигналов множеству исполнительных органов 180. Согласно одному примеру, в число датчиков 160 могут входить: кислородный датчик 126 отработавшего газа, связанный с выпускным коллектором 148, датчик 121 давления воздуха в коллекторе (ДВК), связанный с впускным коллектором 144, датчик 117 температуры каталитического нейтрализатора отработавшего газа, датчик 119 давления отработавшего газа, расположенный перед устройством 170 снижения токсичности отработавших газов в выхлопной трубе 135, датчик 127 температуры отработавшего газа и датчик 129 давления отработавшего газа, расположенные ниже по потоку от устройства 170 снижения токсичности отработавших газов в выхлопной трубе 135. Ниже по потоку устройства 170 снижения токсичности отработавших газов в выпускном канале 145 могут также находиться различные датчики отработавшего газа, например, датчики твердых частиц (ТЧ), датчики оксидов азота (NOx), кислородные датчики, датчики аммиака, датчики углеводородов и т.п. С различными местами автомобильной системы 106 могут быть связаны и другие датчики, например, дополнительные датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения и состава. Согласно другому примеру, в число исполнительных органов 180 могут входить: топливная форсунка 166, клапан 159 РОГ и впускной дроссель 164. С различными местами автомобильной системы 106 могут быть связаны другие исполнительные органы, например, разнообразные дополнительные клапаны и дроссели. Контроллер 120 может принимать на вход данные от различных датчиков, обрабатывать входные данные и включать исполнительные органы в ответ на обработанные входные данные в соответствии с инструкцией или программным кодом, которые отвечают одной или более программам. Примеры управляющих программ будут описаны ниже согласно фиг. 3-6.
Как будет показано ниже согласно фиг. 3 и 4, контроллер 120 может быть выполнен с возможностью ввода потока вторичного воздуха в выпускной канал выше по потоку от турбины 154 с целью увеличения энергии отработавших газов при определенных условиях работы двигателя (например, в начальной стадии нажатия на педаль акселератора). Может быть предусмотрен воздушный насос 96 для ввода вторичного воздуха (например, из атмосферы) в выпускной коллектор 148 через нагнетательную линию 94, которая управляется посредством клапана 95. В сущности, воздушный насос 96, используемый для уменьшения турбоямы, который рассматривается в настоящем описании, может быть выполнен с возможностью обеспечения более высокого расхода по сравнению с воздушным насосом, который может быть использован для запуска двигателя из холодного состояния. Согласно одному примеру, воздушный насос 96 может подавать вторичный воздух в выпускной канал 135 в область ниже по потоку от турбины, но выше по потоку от каталитического нейтрализатора. Далее, как будет рассмотрено согласно фиг. 3 и 5, контроллер 120 может быть выполнен с возможностью регулирования системы ИФКР и установки фазы, которая обеспечивает большое положительное перекрытие клапанов в целях подачи продувочного воздуха в выпускной коллектор выше по потоку от турбины при определенных условиях работы двигателя (например, в более поздней стадии нажатия на педаль акселератора). Согласно некоторым примерам, как будет рассмотрено ниже согласно фиг. 3 и 6, при определенных условиях работы двигателя (например, на промежуточной стадии нажатия на педаль акселератора - между ранней стадией и поздней стадией) контроллер 120 может одновременно регулировать подачу вторичного воздуха и продувку двигателя. Таким образом, как будет рассмотрено ниже согласно фиг. 3-6, контроллер может быть выполнен с возможностью координации подачи вторичного воздуха и изменения фазы ИФКР для продувки в целях уменьшения турбоямы и увеличения начального выходного крутящего момента.
На фиг. 2 изображен пример конструкции камеры сгорания или цилиндра двигателя 100 внутреннего сгорания. Двигатель 100 может принимать управляющие параметры от управляющей системы, содержащей контроллер 120, а также команду от оператора 130 транспортного средства (автомобиля), подаваемую посредством устройства 132 ввода. В данном примере, устройство 132 ввода включает в себя педаль акселератора и датчик 134 положения педали (ПП) для формирования сигнала положения педали (ПП). Цилиндр 14 (в описании также именуется «камерой сгорания») двигателя 100 может содержать стенки 136 камеры сгорания и расположенный внутри поршень 138. Поршень 138 может быть связан с коленчатым валом 141 для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 141 может быть связан по меньшей мере с одним ведущим колесом пассажирского автомобиля посредством системы трансмиссии. Кроме того, через маховик с коленчатым валом 141 может быть связан стартер для осуществления операции запуска двигателя 100.
Цилиндр 14 может принимать всасываемый воздух через ряд впускных каналов 142, 144 и 146. Впускной канал 146 помимо цилиндра 14 может сообщаться с другими цилиндрами двигателя 100. Согласно некоторым вариантам осуществления, один или более впускных каналов могут содержать устройство повышения давления, такое как воздушный нагнетатель или турбонагнетатель. Например, на фиг. 1 изображен двигатель 100, выполненный с турбонагнетателем, содержащим компрессор 152, расположенный между впускными каналами 142 и 144, и турбину 154, приводимую в движение отработавшими газами, и расположенную по ходу выпускного канала 145. Компрессор 152 может по меньшей мере частично приводиться в действие посредством турбины 154 через вал 180, при этом устройство повышения давления представляет собой турбонагнетатель. Однако, согласно другим примерам, в которых двигатель 100 оснащен воздушным нагнетателем, турбина 154 может быть при желании из конструкции исключена, а компрессор 152 может приводиться в действие механической энергией от мотора или от двигателя внутреннего сгорания. Во впускном канале двигателя может быть предусмотрен дроссель 20, содержащий дроссельную заслонку 164, для изменения расхода и/или давления всасываемого воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя. Например, дроссель 20 может быть расположен ниже по потоку от компрессора 152, как показано на фиг. 2, или в ином варианте дроссель может быть размещен выше по потоку от компрессора 152.
Выпускной коллектор 148, помимо цилиндра 14, может принимать отработавший газ от других цилиндров двигателя 100. С выпускным коллектором 148 связан выпускной канал 145. Показано, что с выпускным каналом 145 выше по потоку от устройства 170 снижения токсичности отработавших газов связан датчик 128 отработавших газов. Датчик 128 может быть выбран из ряда различных подходящих датчиков для индикации воздушно-топливного отношения, например, таких как: линейный кислородный датчик или универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах (УДКОГ), кислородный датчик с двумя состояниями или датчик кислорода в отработавших газах (КОГ), нагреваемый датчик кислорода в отработавших газах (НДКОГ), датчик оксидов азота (NOx), углеводорода (НС) или оксида углерода (СО). Устройство 170 снижения токсичности отработавших газов может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН), уловитель NOx, различные другие устройства снижения токсичности отработавших газов, или комбинацию указанных устройств.
Температура отработавших газов может быть измерена посредством одного или более датчиков температуры (не показаны), расположенных в выпускном канале 145. В ином варианте, температура отработавших газов может быть найдена на основе параметров работы двигателя, таких как частота вращения двигателя, нагрузка, воздушно-топливное отношение (ВТО), запаздывание зажигания и т.п. Кроме того, температура отработавших газов может быть вычислена на основе сигналов одного или более датчиков 128 отработавших газов. Следует понимать, что в ином варианте оценка температуры отработавших газов может быть выполнена с использованием сочетания вышеперечисленных способов измерения температуры.
Каждый цилиндр двигателя 100 может содержать один или более впускных клапанов и один или более выпускных клапанов. Например, показано, что цилиндр 14 содержит по меньшей мере один впускной тарельчатый клапан 150 и по меньшей мере один выпускной тарельчатый клапан 156, расположенные в верхней части цилиндра 14. В некоторых конструкциях каждый цилиндр двигателя 100, включая цилиндр 14, может содержать по меньшей мере два впускных тарельчатых клапана и по меньшей мере два выпускных тарельчатых клапана, расположенных в верхней части цилиндра.
Управление впускным клапаном 150 может осуществлять контроллер 120 путем приведения в действие кулачка посредством системы 151 кулачкового привода. Аналогично управление выпускным клапаном 156 может осуществлять контроллер 12 посредством системы 153 кулачкового привода. Системы 151 и 153 кулачкового привода каждая может содержать один или более кулачков, при этом они могут реализовывать одну или более систем газораспределения: систему переключения профилей кулачков (ППК), систему изменения фаз кулачкового распределения (ИФКР), систему изменения фаз газораспределения (ИФГ) и/или систему изменения высоты подъема клапанов (ИВПК), которые могут приводиться в действие контроллером 120 с целью изменения работы клапанов. Положения впускного клапана 150 и выпускного клапана 156 можно определять соответственно датчиками положения 155 и 157. В иных вариантах управление впускным клапаном и/или выпускным клапаном может осуществляться посредством электропривода клапана. Например, в таком случае цилиндр 14 может содержать впускной клапан, управляемый электроприводом, и выпускной клапан, управляемый кулачковым приводом системы ППК и/или ИФКР. В других вариантах конструкций управление впускным и выпускным клапаном может осуществляться посредством обычного привода клапанов или системы привода, или же посредством привода переменного газораспределения или системы привода переменного газораспределения.
Цилиндр 14 может характеризоваться степенью сжатия, которая представляет собой отношение объема цилиндра, когда поршень 138 находится в нижней мертвой точке (НМТ), к объему цилиндра, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ). Традиционно степень сжатия находится в интервале от 9:1 до 10:1. Однако, согласно некоторым примерам, когда используются другие виды топлива, степень сжатия может быть увеличена. Это может происходить, например, когда используются сорта топлива с более высоким октановым числом или более высокой скрытой теплотой парообразования. Степень сжатия может также быть увеличена, если используется непосредственный впрыск топлива из-за его влияния на детонацию в двигателе.
Согласно некоторым вариантам осуществления, каждый цилиндр двигателя 100 может содержать свечу 192 зажигания для инициирования воспламенения горючей смеси. Система 190 зажигания может формировать в камере 14 сгорания искру зажигания посредством свечи 192 зажигания в ответ на сигнал опережения зажигания (ОЗ) от контроллера 120. Однако, в некоторых конструкциях свеча 192 зажигания может быть опущена, например, когда в двигателе 100 зажигание может быть инициировано путем самовоспламенения или путем впрыска топлива, как например, в случае некоторых дизельных двигателей.
Согласно некоторым вариантам осуществления, каждый цилиндр двигателя 100 может быть выполнен с одной или более топливными форсунками для подачи в цилиндр топлива. В качестве примера, который не носит ограничительного характера, на фиг. 2 показано, что цилиндр 14 содержит одну топливную форсунку 166. Показано, что топливная форсунка 166 непосредственно связана с цилиндром 14 для непосредственного впрыска топлива в цилиндр пропорционально длительности импульса впрыска топлива (ИВТ), получаемого от контролера 120 через электронный драйвер 168. Таким образом, топливная форсунка 166 осуществляет то, что называют непосредственным впрыском (НВ) топлива в цилиндр 14. Хотя на фиг. 2 топливная форсунка 166 изображена в виде боковой форсунки, она также может быть расположена и над поршнем, например, вблизи места, где расположена свеча 192 зажигания. Такое расположение может улучшить перемешивание смеси и горение, когда двигатель работает на спиртосодержащем топливе, вследствие более низкой летучести некоторых типов спиртосодержащего топлива. В ином варианте, чтобы улучшить перемешивание, форсунка может быть расположена сверху и вблизи впускного клапана. Подача топлива к топливной форсунке 166 может производиться от топливной системы 8 высокого давления, содержащей топливные баки, топливные насосы и топливную рампу. С другой стороны, топливо может подаваться одноступенчатым топливным насосом при низком давлении - в этом случае на момент непосредственного впрыска топлива на такте сжатия могут быть наложены более сильные ограничения, чем если бы использовалась топливная система высокого давления. Кроме того, хотя это и не показано, топливные баки могут содержать датчик давления, формирующий сигнал для контроллера 120. Следует понимать, что в ином варианте осуществления топливная форсунка 166 может представлять собой форсунку впрыска топлива во впускной канал, и может подавать топливо во впускной канал выше по потоку от цилиндра 14.
Следует также понимать, что хотя изображенный вариант осуществления представляет двигатель, который работает за счет подачи топлива посредством одной форсунки непосредственного впрыска, в других вариантах осуществления двигатель может работать с использованием двух форсунок (например, форсунки непосредственного впрыска и форсунки впрыска во впускной канал), и с вариацией относительного количества топлива, вводимого через каждую форсунку.
Топливо можно подавать посредством форсунки в цилиндр во время одного цикла цилиндра. Кроме того, распределение и/или относительное количество топлива, подаваемого из форсунки, может изменяться в зависимости от условий работы. Более того, для одного акта воспламенения могут выполняться несколько актов подачи топлива в пределах цикла. Такой многократный впрыск топлива может производиться во время такта сжатия, такта впуска, или при любом подходящем сочетании тактов. Также, впрыск топлива во время цикла может осуществляться с целью регулирования воздушно-топливного отношения (ВТО) при горении смеси. Например, впрыск топлива может быть таким, чтобы обеспечить стехиометрическое ВТО. В конструкцию может быть включен датчик ВТО, чтобы обеспечить измерение ВТО в цилиндре. Согласно одному примеру, датчиком ВТО может служить датчик отработавших газов, такой как датчик 128 КОГ. Путем измерения остаточного кислорода (для бедных смесей) или несгоревших углеводородов (для богатых смесей) в отработавшем газе, такой датчик может определять ВТО. В сущности, величина ВТО может быть представлена в виде величины лямбда (λ), т.е. в виде отношения фактического ВТО к стехиометрическому ВТО для данной смеси. Таким образом, λ=1,0 указывает на стехиометрическую смесь; смеси богаче стехиометрической будут иметь величину λ менее 1,0; а смеси беднее стехиометрической будут иметь величину λ более 1,0.
Как говорилось выше, на фиг. 2 изображен только один цилиндр многоцилиндрового двигателя. Как таковой, каждый цилиндр может аналогичным образом иметь в свое составе свой собственный набор впускных/выпускных клапанов, свою собственную топливную форсунку(-ки), искровую свечу и т.п.
Топливные баки в топливной системе 8 могут содержать виды топлива, обладающие различными свойствами, например, топливо различного состава. Указанные отличия могут состоять в различном содержании спирта, различном октановом числе, различной теплоте парообразования, различии компонентов, образующих топливно-воздушной смесь, и/или в сочетании отличий и т.п.
Двигатель 100 может дополнительно содержать датчик 90 детонации, связанный с каждым цилиндром 14 для определения аномального горения топлива в цилиндрах. Согласно другим вариантам осуществления изобретения, один или более датчиков 90 детонации могут быть связаны с определенными местами в двигательном блоке. Датчик детонации может представлять собой акселерометр, установленный на блок цилиндров, или ионизационный датчик, встроенный в искровую свечу каждого цилиндра. Выходной сигнал датчика детонации может быть использован в комбинации с выходным сигналом датчика ускорения коленчатого вала, чтобы формировать признак аномального горения в цилиндре.
Контроллер 120 изображен в виде микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 105 (МПУ), порты 107 ввода/вывода, электронную среду хранения исполняемых программ и калибровочных значений, представленную в данном примере постоянным запоминающим устройством 110 (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 112 (ОЗУ), энергонезависимое запоминающее устройство 114 (ЭЗУ) и шину данных. Контроллер 120 может принимать различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 100, дополнительно к тем сигналам, о которых говорилось выше, включая: сигнал массового расхода воздуха (МРВ) от датчика 111 массового расхода воздуха; сигнал температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 116, связанного с рубашкой 118 охлаждения; сигнал профиля зажигания (ПЗ) от датчика 115 на эффекте Холла (или датчика иного типа), связанного с коленчатым валом 141; сигнал положения дросселя (ПД) от датчика положения дросселя; сигнал абсолютного давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика 124; сигнал ВТО в цилиндре от датчика 128 КОГ и сигнал аномального горения от датчика 90 детонации и датчика ускорения коленчатого вала. Сигнал частоты вращения двигателя (ЧВД) может быть сформирован контроллером 120 из сигнала ПЗ. Сигнал ДВК от соответствующего датчика может быть использован для обеспечения индикации разрежения или давления во впускном коллекторе.
В постоянное запоминающее устройство 110 могут быть записаны считываемые компьютером данные, представляющие собой инструкции, которые может исполнять процессор 105 для осуществления описанных ниже способов, а также других вариантов, возможность существования которых предполагается, но которые конкретно не рассматриваются. Примеры алгоритмов представлены на фиг. 3-6.
Следует понимать, что хотя данный пример рассматривается в отношении двигателя с наддувом, обладающего возможностями продувки, процесс регулирования рабочих параметров двигателя, таких как величина обогащения топливно-воздушной смеси, порог продувки, порог температуры, и т.п. может быть откалиброван в других конструкциях, так чтобы он действовал оптимально для конкретного двигателя, силовой установки и/или комплекса транспортного средства.
Согласно некоторым примерам, в гибридном транспортном средстве (автомобиле) двигатель может быть связан с электрическим мотором / системой аккумуляторной батареи. Гибридный автомобиль может иметь параллельную схему, последовательную схему или же вариант или сочетание указанных схем. Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления, может быть использован двигатель другой конструкции, например, дизельный двигатель.
Во время работы в каждом цилиндре двигателя 100 обычно реализуется четырехтактный цикл. Цикл включает в себя такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. На такте впуска обычно выпускной клапан 156 закрывается, а впускной клапан 150 открывается. Воздух вводится в камеру 14 сгорания через впускной коллектор 146, а поршень 138 движется в направлении дна цилиндра, так чтобы объем камеры 14 сгорания увеличился. Положение, при котором поршень 138 в конце своего хода находится вблизи дна цилиндра (т.е. когда камера 14 сгорания имеет наибольший объем), специалисты называют нижней мертвой точкой (НМТ). На такте сжатия впускной клапан 150 и выпускной клапан 156 закрыты. Поршень 138 движется в сторону головки цилиндра, сжимая воздух, находящийся внутри камеры 14 сгорания. Точку, в которой поршень 138 в конце своего хода находится ближе всего к головке цилиндра (т.е., когда камера 14 сгорания имеет минимальный объем), специалисты обычно называют верхней мертвой точкой (ВМТ). В ходе процесса, который именуется впрыском, производится ввод топлива в камеру сгорания. Во время процесса, который именуется зажиганием, введенное топливо воспламеняют при помощи известных средств зажигания, таких как свеча 192 зажигания, что приводит к возгоранию топливно-воздушной смеси. На такте расширения расширяющиеся газы толкают поршень 138 обратно в НМТ. Коленчатый вал 140 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, на такте расширения выпускной клапан 156 открывается, чтобы высвободить продукты сгорания топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор 148, при этом поршень возвращается в ВМТ. Следует отметить, что вышеприведенное описание является лишь примером, и что моменты открытия и/или закрытия впускного и выпускного клапанов могут изменяться, так чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие фаз срабатывания клапанов (или «перекрытие клапанов»), позднее закрытие впускного клапана или различные другие варианты.
На основе разности между фазой закрытия выпускного клапана и фазой открытия впускного клапана можно осуществлять управление клапанами с отрицательным перекрытием, при котором на короткий промежуток времени после окончания такта выпуска и перед началом такта впуска оба клапана - впускной и выпускной - оказываются закрытыми. Это состояние, при котором оба клапана закрыты, называют отрицательным перекрытием клапанов (впускной-выпускной). Согласно одному примеру, система ИФКР может быть отрегулирована так, чтобы отрицательному перекрытию клапанов впускной-выпускной соответствовало исходное положение кулачкового распредвала двигателя при горении смеси в цилиндре.
С другой стороны, клапанами можно управлять с положительным перекрытием, при котором на короткий промежуток времени перед окончанием такта выпуска и после начала такта впуска оба клапана - впускной и выпускной - оказываются открытыми. Это состояние, при котором оба клапана открыты, называют положительным перекрытием клапанов (впускной-выпускной). Система ИФКР может быть отрегулирована так, чтобы величина положительного перекрытия клапанов при определенных условиях работы двигателя с наддувом увеличивалась. Точнее, положение впускного распредвала может быть отрегулировано так, чтобы фаза открытия впускного клапана сдвигалась в сторону опережения. Вследствие этого, впускной клапан может быть открыт раньше перед окончанием такта выпуска, и промежуток времени, в течение которого оба клапана открыты, может быть увеличен, что приводит к увеличению положительного перекрытия клапанов. В качестве одного примера, положительное перекрытие клапанов может быть увеличено путем перевода впускного распредвала из положения, при котором имеет место некоторое положительное перекрытие клапанов, в положение, которое дает большее положительное перекрытие клапанов. В качестве другого примера, положительное перекрытие клапанов может быть увеличено путем перевода впускного распредвала из положения отрицательного перекрытия клапанов в положение положительного перекрытия клапанов. Согласно одному примеру, система ИФКР может быть отрегулирована так, чтобы отрицательное перекрытие клапанов впускной-выпускной соответствовало исходному положению распредвала двигателя при запуске двигателя из холодного состояния.
Следует понимать, что, хотя вышеприведенный пример предполагает увеличение положительного перекрытия клапанов путем сдвига фазы открытия впускного клапана в сторону опережения, согласно другим примерам положительное перекрытие клапанов может быть увеличено путем регулирования выпускного распредвала и перевода его в сторону запаздывания закрытия выпускного клапана. И еще, каждый из распредвалов - впускной и выпускной - может быть отрегулирован так, чтобы изменять положительное перекрытие клапанов путем изменения фаз работы как впускного, так и выпускного клапана. Согласно другим примерам, вместо изменения фазы распредвалов может быть использовано переключение рабочих выступов кулачков или изменение величины подъема клапанов.
В системе двигателя 100 в периоды быстрого роста нагрузки двигателя, например, непосредственно после запуска, при нажатии на педаль акселератора или при выходе из режима торможения с отсечкой топлива (РТОТ) величина сжатия компрессором всасываемого воздуха может быть неадекватной. Во время действия по меньшей мере некоторых из указанных состояний величина давления наддува, которую можно получить от компрессора, может быть ограниченной из-за того, что турбина не успевает раскрутиться до достаточно высокой скорости (например, из-за низкой температуры отработавшего газа или давления). Как таковое, время, которое требуется турбине для раскрутки и приводу компрессора, чтобы обеспечить требуемое количество сжатого воздуха на всасывании, называют «турбоямой». Во время турбоямы величина создаваемого крутящего момента может не соответствовать требуемому крутящему моменту, что приводит к провалу тяги двигателя.
2
В сущности, при нажатии на педаль акселератора, когда частота вращения турбины ниже требуемого значения частоты вращения, и когда разность между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе меньше пороговой разности, с двигателем можно работать в режиме подачи вторичного воздуха. Подробности работы двигателя в режиме подачи вторичного воздуха будут рассмотрены ниже согласно фиг. 4. Например, вторичный воздух можно подавать в выпускной коллектор, используя вторичный воздушный насос. Количество подаваемого вторичного воздуха может быть основано на требуемом значении частоты вращения турбины. Одновременно с двигателем можно работать при богатом воздушно-топливном отношении в цилиндрах. В результате работы двигателя с богатой смесью могут быть созданы высокие уровни концентрации СО, Н и углеводородов в отработавшем газе, которые могут в выпускном коллекторе вступать с вторичным воздухом в экзотермические реакции, и тем самым энергия отработавшего газа может увеличиваться. Увеличенная энергия отработавших газов может быть использована для ускорения раскрутки турбины до требуемой частоты вращения, и тем самым для уменьшения турбоямы. Кроме того, при работе двигателя с подачей вторичного воздуха, фаза работы впускного клапана и фаза работы выпускного клапана могут быть отрегулированы так, чтобы увеличить начальный выходной крутящий момент. Таким образом, подачу вторичного воздуха можно использовать на ранней стадии нажатия на педаль акселератора, чтобы ускорять раскрутку турбины и увеличивать начальный выходной крутящий момент, пока не будет достигнуто давление наддува достаточное для продувки двигателя.
По достижении давления наддува, достаточного для продувки (т.е. когда разность между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе больше пороговой разности), с двигателем можно работать в комбинированном режиме с подачей вторичного воздуха и продувкой до тех пор, пока расход вторичного воздуха не станет ниже порогового расхода. Подробности работы двигателя в комбинированном режиме будут рассмотрены ниже согласно фиг. 6. Например, при работе двигателя в комбинированном режиме расход вторичного воздуха можно уменьшать, в то время как количество продувочного воздуха (интенсивность продувки) можно увеличивать. Одновременно двигатель можно заставить работать с богатой смесью, чтобы образовывались богатые отработавшие газы, которые могут вступать в выпускном коллекторе в экзотермические реакции с вторичным воздухом и продувочным воздухом, чтобы увеличивалась энергия отработавших газов. Согласно одному примеру, двигатель можно не переключать с режима подачи вторичного воздуха на комбинированный режим, пока не будет достигнуто пороговое давление наддува. Пороговое давление наддува, например, может зависеть по меньшей мере от требуемого крутящего момента.
Когда расход вторичного воздуха доходит до порога и становится ниже его, подача вторичного воздуха может быть остановлена, и с двигателем можно работать в режиме продувки. Подробности работы двигателя в режиме продувки будут рассмотрены ниже согласно фиг. 5. Например, в режиме продувки определенное количество сжатого всасываемого воздуха (также называемого продувочным воздухом) может быть направлено из впускного коллектора в выпускной коллектор при одновременном поддержании стехиометрических условий на катализаторе, чтобы создать дополнительный массовый расход для раскрутки турбины. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, может быть отрегулирован впрыск топлива (например, создано обогащение) соразмерно с указанным количеством продувочного воздуха, чтобы обеспечить дополнительную энтальпию для раскрутки турбины. Продувочный воздух можно подавать, когда в двигателе имеет место по меньшей мере некоторый наддув, т.е. когда ДВК выше давления в выпускном коллекторе по меньшей мере на пороговую величину. В зависимости от условий работы двигателя, которые преобладают в то время, когда есть потребность в продувочном воздухе, производится регулирование величины перекрытия клапанов, так чтобы можно было подать достаточное количество продувочного воздуха в турбину через цилиндры двигателя за счет положительного перекрытия клапанов.
Например, чтобы обеспечить продувку через цилиндры двигателя, система ИФКР может быть переведена из начального положения, при котором отсутствует какое-либо положительное перекрытие клапанов, в конечное положение, при котором имеет место увеличенное положительное перекрытие клапанов. Согласно одному примеру, конечное положение может представлять собой положение полного перекрытия клапанов (или максимального положительного перекрытия клапанов). Хотя представленные в настоящем описании способы рассматривают подачу продувочного воздуха всегда посредством положительного перекрытия клапанов, согласно другим вариантам осуществления, подача продувочного воздуха посредством положительного перекрытия клапанов может производиться только, если изменение фазы срабатывания клапана для создания положительного перекрытия не приводит к повышенному расходу топлива, не ухудшает стабильность горения и не снижает выходной крутящий момент.
Согласно одному примеру, двигатель можно переключать из режима подачи вторичного воздуха в режим продувки, минуя комбинированный режим работы. Например, максимальное количество вторичного воздуха, которое может быть подано вторичным воздушным насосом, может определяться наружным давлением. Поэтому, при больших альтитудах, где наружное давление ниже, максимальное количество вторичного воздуха, которое может быть подано вторичным воздушным насосом, может уменьшаться. В результате, когда давление отработавших газов увеличивается выше порогового давления, количество подаваемого вторичного воздуха может быть существенно ниже требуемого количества. Другими словами, давление отработавших газов может превышать возможности вторичного воздушного насоса. Вследствие этого, двигатель можно напрямую переключить из режима подачи вторичного воздуха в режим продувки. Однако, согласно некоторым примерам, двигатель может работать в комбинированном режиме, при этом разность между фактическим количеством вторичного воздуха и требуемым количеством вторичного воздуха обеспечивается за счет продувки.
Согласно другому примеру, двигатель можно переключать в режим продувки, когда условия неблагоприятны для процессов окисления в выпускном коллекторе. Например, когда температура отработавших газов ниже пороговой температуры, вторичный воздушный насос может быть остановлен, и двигатель может работать в режиме продувки.
Согласно некоторым примерам, чтобы увеличить процессы окисления в выпускном коллекторе, при работе двигателя в режиме подачи вторичного воздуха, вторичный воздух можно подавать в нагретом состоянии.
Таким образом, путем координации подачи вторичного воздуха и продувочного воздуха можно уменьшить турбояму и увеличить выходной крутящий момент. Подробности координации подачи вторичного воздуха и продувочного воздуха будут рассмотрены ниже согласно фиг. 3.
На фиг. 3 изображена блок-схема алгоритма 300 для определения режима работы двигателя, который реализуется в ответ на нажатие педали акселератора в целях уменьшения турбоямы. Например, на ранней стадии нажатия педали акселератора, когда частота вращения турбины ниже пороговой частоты вращения, и до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое давление наддува, может производиться подача вторичного воздуха в выпускной коллектор в целях увеличения энергии отработавших газов, которая может быть использована для раскрутки турбины. По достижении порогового давления наддува расход вторичного воздуха можно уменьшить, и одновременно может быть использована продувка. После уменьшения расхода вторичного воздуха ниже пороговой величины, подача вторичного воздуха может быть остановлена, и работа двигателя может быть переключена на режим продувки, при котором всасываемый наддувочный воздух может быть направлен в выпускной коллектор за счет положительного перекрытия клапанов. Алгоритм, представленный на фиг. 3, может быть записан в виде исполняемых инструкций в постоянном запоминающем устройстве контроллера 120, показанном на фиг. 1 и 2.
На шаге 302 алгоритма производят оценивание и/или измерение условий (параметров) работы двигателя. В число параметров работы двигателя могут, например, входить: частота вращения двигателя, нагрузка, наддув, ДВК, впускной воздушный поток, наружные условия, такие как наружное давление, температура, влажность, задаваемый водителем крутящий момент, температура отработавших газов, частота вращения турбины, давление наддува, положение педали, скорость автомобиля, требования к разбавлению всасываемого воздуха отработавшим газом в двигателе, частота вращения вторичного воздушного насоса, фактическое количество вторичного воздуха, расход вторичного воздуха, и т.п. Затем, на шаге 304 производится проверка, имеет ли место нажатие педали акселератора. Например, может быть определено, увеличился ли задаваемый крутящий момент более, чем на пороговую величину, и/или, имело ли место нажатие педали акселератора более, чем на пороговую величину. Если нажатия педали акселератора не обнаружено, то алгоритм может завершить работу. Если на шаге 304 получен ответ ДА (т.е., подтверждено нажатие педали акселератора), то алгоритм 300 переходит к шагу 306. На шаге 306 алгоритм производит проверку, меньше ли фактическая частота вращения турбины требуемой частоты вращения. Если на шаге 306 получен ответ НЕТ, то алгоритм завершает работу. Если на шаге 306 получен ответ ДА, то алгоритм переходит к шагу 308. То есть, если значение частоты вращения турбины меньше требуемого значения частоты вращения, то алгоритм переходит к шагу 308.
На шаге 308 алгоритм производит проверку, превышает ли разность между абсолютным давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе пороговую разность. То есть, производится проверка, может ли быть установлен режим принудительной прокачки. В сущности, режим принудительной прокачки может указывать на то, что условия работы двигателя пригодны для проведения операции продувки. Если на шаге 308 получен ответ НЕТ, то можно сделать вывод, что наддув недостаточен для проведения операции продувки, и алгоритм переходит к шагу 310. На шаге 310 алгоритм производит регулирование работы двигателя для обеспечения подачи вторичного воздуха. Например, по факту определения того, что двигатель не располагает наддувом, достаточным для продувки, с двигателем может быть начата работа в режиме подачи вторичного воздуха. Во время подачи вторичного воздуха может быть приведен в действие вторичный воздушный насос для подачи воздуха в выпускной коллектор, и одновременно с этим в цилиндрах двигателя может быть создано воздушно-топливное отношение, смещенное в сторону богатой смеси, чтобы инициировать экзотермические реакции между отработавшими газами - продуктами сгорания богатой смеси, и вторичным воздухом, подаваемым посредством вторичного воздушного насоса. В результате может быть увеличена масса и энтальпия отработавшего газа, что может быть использовано для увеличения частоты вращения турбины до требуемого значения частоты вращения. Кроме того, при работе двигателя в режиме подачи вторичного воздуха может быть произведено регулирование системы ИФКР так, чтобы увеличить начальный выходной крутящий момент. Подробности работы двигателя при подаче вторичного воздуха будут рассмотрены ниже согласно фиг. 4.
Согласно одному примеру, при обнаружении факта нажатия педали акселератора, когда фактическая частота вращения турбины меньше требуемого значения частоты вращения, в целях увеличения начального выходного крутящего момента с двигателем можно работать в режиме подачи вторичного воздуха до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение частоты вращения турбины независимо от разности между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе. По достижении пороговой частоты вращения турбины двигатель можно переключить на режим одновременной подачи вторичного воздуха и продувки, или на режим только одной продувки.
Возвращаясь к шагу 308, если на шаге 308 получен ответ ДА, то алгоритм переходит к шагу 312. То есть, если установлено, что условия работы двигателя пригодны для проведения операции продувки, то алгоритм переходит к шагу 312. На шаге 312 алгоритм производит проверку, включен ли вторичный воздушный насос. Если на шаге 312 получен ответ ДА, то алгоритм переходит к шагу 314. То есть, если установлено, что вторичный воздушный насос включен, когда двигатель располагает достаточным наддувом для проведения продувки, а частота вращения турбины меньше требуемого значения частоты вращения, то алгоритм переходит к шагу 314. На шаге 314 алгоритм производит проверку, превышает ли фактическое давление наддува пороговое давление наддува. В данном примере давлением наддува можно считать давление во впускном коллекторе относительно наружного давления. Пороговое давление наддува может определяться уровнем, при котором разность между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе больше пороговой разности давлений, и дополнительно может определяться одним или более из следующих параметров: задаваемым крутящим моментом, частотой вращения двигателя, температурой отработавших газов, температурой двигателя и т.п. Например, по факту определения того, что двигатель располагает наддувом достаточным для продувки, работу с двигателем можно продолжать только в режиме подачи вторичного воздуха до тех пор, пока давление наддува не вырастет выше порогового давления. Кроме того, когда задаваемый крутящий момент увеличивается, пороговое давление наддува может увеличиваться.
Соответственно, если на шаге 314 получен ответ НЕТ, алгоритм переходит к шагу 318. На шаге 318 после определения того, что фактическое давление наддува меньше порогового давления наддува, алгоритм может продолжить работу двигателя в режиме только подачи вторичного воздуха.
Если на шаге 314 получен ответ ДА, то алгоритм переходит к шагу 322. По факту определения того, что фактическое давление наддува больше порогового давления наддува, с двигателем можно работать в комбинированном режиме, при котором подачу вторичного воздуха и продувку можно производить одновременно, или в режиме продувки, при котором подача вторичного воздуха может быть прекращена, а обеспечиваться может только продувка. В сущности, выбор режима работы двигателя, который можно реализовать (когда фактическое давление наддува превышает пороговое давление наддува) может быть основан на фактическом расходе вторичного воздуха. Соответственно, на шаге 322 алгоритм производит проверку, меньше ли величина расхода вторичного воздуха порогового расхода.
Если на шаге 322 выясняется, что расход вторичного воздуха ниже порогового расхода, то алгоритм переходит к шагу 324. На шаге 324 алгоритма производят выключение вторичного воздушного насоса и обеспечивает вторичный воздух только за счет продувки. То есть, работа двигателя может быть переключена на режим продувки, если выясняется, что расход вторичного воздуха ниже порогового расхода. Интенсивность продувки может определяться требуемым значением частоты вращения турбины. Например, когда требуемое значение частоты вращения турбины увеличивается, интенсивность продувки может увеличиваться. Подробности работы двигателя с продувкой будут рассмотрены ниже согласно фиг. 5.
Если на шаге 322 выясняется, что расход вторичного воздуха не меньше порогового расхода, то алгоритм переходит к шагу 326. На шаге 326 алгоритма производят уменьшение расхода вторичного воздуха, одновременно увеличивая интенсивность продувки. Интенсивность продувки может определяться требуемым значением частоты вращения турбины и фактической расходом вторичного воздуха. Подробности работы с двигателем в режиме подачи вторичного воздуха и продувки будут рассмотрены ниже согласно фиг. 6.
Возвращаясь к шагу 312, если вторичный воздушный насос не включен, то алгоритм переходит к шагу 320. На шаге 320 алгоритм поддерживает работу двигателя с продувкой, чтобы подавать вторичный воздух в выпускной коллектор в целях уменьшения турбоямы. Интенсивность продувки может определяться требуемым значением частоты вращения турбины. Подробности работы двигателя в режиме продувки будут рассмотрены ниже согласно фиг. 5.
Согласно одному примеру, работу двигателя можно переключать из режима подачи вторичного воздуха в режим продувки, когда требуемая интенсивность подачи вторичного воздуха превышает возможности вторичного воздушного насоса. Например, можно осуществлять контроль фактической интенсивности подачи вторичного воздуха. Если разность между требуемой интенсивностью подачи вторичного воздуха и фактической интенсивностью подачи вторичного воздуха превышает пороговую разность, то может быть сделан вывод, что вторичный воздушный насос не обеспечивает подачу вторичного воздуха с требуемой интенсивностью. Например, количество вторичного воздуха, доставляемое вторичным воздушным насосом, может зависеть от наружного давления и давления отработавшего газа. При больших альтитудах, когда наружное давление уменьшается, количество вторичного воздуха, доставляемое вторичным воздушным насосом, может уменьшаться. Поэтому, вторичный воздушный насос может работать при повышенной частоте вращения, чтобы доставить требуемое количество вторичного воздуха. Однако компрессор может вскоре достичь максимальной частоты вращения, и далее не сможет подавать требуемое количество вторичного воздуха. Поэтому, когда разность между требуемой интенсивностью подачи вторичного воздуха и фактической интенсивностью подачи вторичного воздуха превышает пороговую разность, вторичный воздушный насос можно остановить, при этом дополнительный воздух для процессов окисления в выпускном коллекторе можно подавать за счет продувки. Например, когда наружное давление понижается, начать обеспечивать продувку можно раньше. Согласно одному примеру, остановка вторичного воздушного насоса может быть произведена раньше в ответ на факт уменьшения наружного давления ниже порогового наружного давления.
Согласно другому примеру, отключение вторичного воздушного насоса можно производить в зависимости от температуры в отверстии выпускного коллектора. Например, если температура в отверстии выпускного коллектора ниже пороговой температуры, то указанная температура может быть слишком низкой, чтобы поддерживать окислительные процессы на достаточном уровне для генерации тепла. Поэтому подача вторичного воздуха может быть остановлена, и двигатель может работать в режиме продувки.
Согласно еще одному примеру, вторичный воздушный насос можно выключать, когда скорость окисления в выпускном коллекторе перед турбиной ниже пороговой величины.
Таким образом, при нажатии педали акселератора работа двигателя может быть скоординирована, чтобы обеспечить подачу вторичного воздуха, прежде чем обеспечивать продувку, чтобы уменьшить турбояму и увеличить начальный выходной крутящий момент. За счет обеспечения подачи вторичного воздуха на ранней стадии нажатия педали акселератора может быть увеличен начальный выходной крутящий момент. Кроме того, благодаря использованию подачи вторичного воздуха перед продувкой, может быть обеспечен достаточный наддув для последующей операции продувки. В результате могут быть улучшены показатели работы двигателя.
Согласно одному примеру, способ для двигателя может содержать:
во время действия первого условия - подачу определенного количества вторичного воздуха выше по потоку от турбины посредством только вторичного воздушного насоса;
во время действия второго условия - подачу определенного количества вторичного воздуха посредством вторичного воздушного насоса и подачу определенного количества продувочного воздуха за счет положительного перекрытия клапанов; и
во время действия третьего условия - подачу только определенного количества продувочного воздуха за счет положительного перекрытия клапанов.
Указанное первое условие может включать в себя то, что фактическая частота вращения турбины меньше требуемого значения частоты вращения турбины, и разность между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе меньше пороговой разности давлений. Второе условие может включать в себя то, что фактическая частота вращения турбины меньше требуемого значения частоты вращения турбины, и разность между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе больше пороговой разности давлений, и давление наддува больше порогового давления наддува. Третье условие может включать в себя то, что фактическая частота вращения турбины меньше требуемого значения частоты вращения турбины, разность между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе больше пороговой разности давлений, давление наддува больше порогового давления наддува, а количество подаваемого вторичного воздуха меньше пороговой величины. Третье условие может дополнительно заключать в себе выключение вторичного воздушного насоса, чтобы остановить подачу вторичного воздуха. Кроме того, может производиться регулирование расхода вторичного воздуха в зависимости от количества кислорода для окислительных процессов, присутствующего выше по потоку от турбины. Согласно некоторым примерам, отключение вторичного воздушного насоса может производиться раньше при увеличении альтитуды.
Фиг. 4 изображает блок-схему алгоритма 400 осуществления способа для регулирования работы двигателя в целях подачи вторичного воздуха посредством вторичного воздушного насоса в выпускной коллектор выше по потоку от турбины, чтобы уменьшить интервал времени необходимый для увеличения частоты вращения турбины до требуемого значения частоты вращения во время переходных режимов работы, таких как нажатие педали акселератора. Точнее, вторичный воздушный насос может быть использован для подачи вторичного воздуха на ранней стадии нажатия педали акселератора, когда двигатель не располагает наддувом достаточным для выполнения операции продувки. Алгоритм фиг. 4 может быть сохранен в виде исполняемых инструкций в постоянном запоминающем устройстве контроллера 120, показанного на фиг. 1-2.
На шаге 402 алгоритма 400 выполняют определение и/или измерение условий (параметров) работы двигателя. Параметры работы двигателя могут включать в себя: температуру двигателя, частоту вращения двигателя, нагрузку двигателя, наружную температуру, барометрическое давление, температуру отработавшего газа, частоту вращения вторичного воздушного насоса, количество вторичного воздуха, положение педали акселератора, состояние заряда батареи и т.п. Затем на шаге 404 алгоритма определяют требуемую частоту вращения турбины. Например, требуемая частота вращения турбины может определяться задаваемым крутящим моментом и положением педали акселератора. После определения требуемой частоты вращения турбины алгоритм переходит к шагу 406. На шаге 406 алгоритм на основе требуемой частоты вращения турбины определяет требуемую величину потока вторичного воздуха. Например, по мере увеличения требуемой частоты вращения турбины требуемый расход вторичного воздуха может увеличиваться.
Затем на шаге 408 алгоритма осуществляют регулирование вторичного воздушного насоса в целях подачи требуемого количества вторичного воздуха. Например, частота вращения вторичного воздушного насоса может быть отрегулирована так, чтобы доставлять требуемое количество вторичного воздуха. После регулирования вторичного воздушного насоса, на шаге 410 алгоритма определяют фактическую величину расхода вторичного воздуха. Например, фактический расход вторичного воздуха может определяться частотой вращения вторичного воздушного насоса, наружным давлением и давлением отработавших газов.
Затем на шаге 412 алгоритма 400 осуществляют регулирование работы двигателя на основе данных фактического расхода вторичного воздуха. Например, на шаге 414 регулирование работы двигателя включает в себя изменение количества вспрыскиваемого топлива на основе данных фактического расхода вторичного воздуха. Согласно одному примеру, при увеличении расхода вторичного воздуха количество впрыскиваемого топлива может увеличиваться. Кроме того, количество впрыскиваемого топлива может быть отрегулировано так, чтобы двигатель в целом работал при стехиометрическом воздушно-топливном отношении. Соответственно, когда используется подача вторичного воздуха, с двигателем можно работать при воздушно-топливном отношении в цилиндрах, соответствующем богатой смеси. Далее, на шаге 416 регулирование работы двигателя может включать в себя регулирование системы ИФКР, так чтобы оптимизировать объемный к.п.д. двигателя (мощность на единицу рабочего объема). Например, моменты срабатывания впускных и/или выпускных клапанов могут быть изменены так, чтобы уменьшить положительное перекрытие клапанов и увеличить начальный выходной крутящий момент. И далее, на шаге 418 регулирование работы двигателя может включать в себя регулирование момента зажигания. Например, при работе двигателя в режиме подачи вторичного воздуха момент зажигания может быть задержан. Величина запаздывания зажигания может определяться одним или более из следующих факторов: требуемым выходным крутящим моментом и требуемой энергией отработавшего газа, подаваемого на турбину. Однако, величина запаздывания зажигания, обеспечиваемая во время подачи вторичного воздуха, может быть меньше величины запаздывания зажигания, обеспечиваемой во время продувки. Поскольку при подаче вторичного воздуха может быть использовано меньшее запаздывание зажигания, для текущего выходного крутящего момента горение смеси может происходить близко к оптимальному. В результате, когда используется подача вторичного воздуха, начальный выходной крутящий момент может быть увеличен.
Таким образом, подача вторичного воздуха может быть применена на ранней стадии нажатия педали акселератора, чтобы увеличить начальный выходной крутящий момент, создать достаточный наддув для работы продувки, и уменьшить турбояму.
Фиг. 5 изображает блок-схему алгоритма 500 осуществления способа подачи продувочного воздуха в целях уменьшения турбоямы. Алгоритм фиг. 5 может быть сохранен в виде исполняемых инструкций в постоянном запоминающем устройстве контроллера 120, показанного на фиг. 1-2. Например, в ответ на нажатие педали акселератора с двигателем 100 вначале можно работать в режиме подачи вторичного воздуха (как это рассматривалось согласно фиг. 4), чтобы создать наддув для осуществления продувки, ускорить раскрутку турбины до требуемой частоты вращения, и увеличить начальный выходной крутящий момент. Впоследствии работу двигателя можно переключить на обеспечение только продувки, когда расход вторичного воздуха уменьшится ниже пороговой величины. Согласно некоторым примерам, в ответ на нажатие педали акселератора продувку можно обеспечивать, когда разность между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе увеличивается выше пороговой разности. Согласно некоторым другим примерам, в ответ на нажатие педали акселератора продувку можно обеспечивать, когда давление наддува равно пороговому давлению наддува или превышает пороговое давление наддува. Перед достижением порогового давления наддува с двигателем можно работать в режиме подачи вторичного воздуха, как это рассматривалось согласно фиг. 4.
В сущности, во время продувки в двигателе можно задавать положительное перекрытие клапанов, так чтобы сжатый продувочный воздух мог быть направлен в выпускной коллектор двигателя. Кроме того, в цилиндрах двигателя можно задавать воздушно-топливное отношение, соответствующее богатой смеси. Продувочный воздух может в выпускном коллекторе вступать в экзотермические реакции с выходящим из двигателя отработавшим газом (полученным за счет горения богатой смеси), тем самым увеличивая массу и энтальпию отработавшего газа, чтобы увеличить частоту вращения турбины до требуемого значения частоты вращения.
На шаге 502 алгоритма 500 выполняют определение и/или измерение условий (параметров) работы двигателя. Параметры работы двигателя могут включать в себя: температуру двигателя, частоту вращения двигателя, требуемый выходной крутящий момент, температуру отработавшего газа, температуру каталитического нейтрализатора, частоту вращения турбины, давление во впускном коллекторе, давление наддува, барометрическое давление, давление в выпускном коллекторе, положение педали акселератора, скорость автомобиля и т.п. После определения условий работы двигателя на шаге 504 алгоритм определяет требуемую частоту вращения турбины. Например, требуемая частота вращения турбины могут определяться задаваемым крутящим моментом и положением педали акселератора.
Затем, на шаге 506, по меньшей мере на основе данных требуемой частоты вращения турбины, алгоритм производит определение требуемой интенсивности продувки. Например, интенсивность продувки может увеличиваться, когда возрастает требуемое значение частоты вращения турбины.
После определения требуемой интенсивности продувки, на шаге 508 алгоритма 500 производят регулирование работы двигателя на основе данных требуемой интенсивности продувки. Например, регулирование работы двигателя может включать в себя на шаге 510 регулирование момента срабатывания впускного клапана и момента срабатывания выпускного клапана, так чтобы обеспечить положительное перекрытие впускного клапана и выпускного клапана. Точнее закрытие выпускного клапана может быть задержано, а открытие впускного клапана может быть сделано с опережением, чтобы обеспечить положительное перекрытие клапанов для очистки цилиндров путем продувки. Кроме того, чтобы обеспечить требуемую продувку, может быть отрегулирована продолжительность положительного перекрытия, величина подъема впускного клапана и величина подъема выпускного клапана. Далее, регулирование работы двигателя может включать в себя на шаге 512 изменение количества впрыскиваемого топлива пропорционально интенсивности продувки, так чтобы получить в двигателе общее стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Количество впрыскиваемого топлива может быть, например, изменено путем изменения длительности импульса топливной форсунки. И еще, на шаге 514 может быть отрегулирован момент зажигания. Например, когда интенсивность продувки увеличивается, момент зажигания может быть смещен в сторону запаздывания.
Таким образом, продувочный воздух можно подавать на поздней стадии нажатия педали акселератора, после подачи вторичного воздуха, чтобы увеличить частоту вращения турбины до требуемого значения частоты вращения.
Фиг. 6 изображает блок-схему алгоритма 600 осуществления способа комбинированной подачи вторичного воздуха и продувочного воздуха, так чтобы вторичный воздух от вторичного воздушного насоса и сжатый воздух продувки могли присутствовать в выпускном коллекторе одновременно в целях уменьшения турбоямы. Алгоритм фиг. 6 может быть сохранен в виде исполняемых инструкций в постоянном запоминающем устройстве контроллера 120, показанного на фиг. 1-2. Например, при нажатии педали акселератора подачу вторичного воздуха можно производить до тех пор, пока фактическое давление наддува не достигнет порогового давления наддува, после чего с двигателем можно работать в режиме подачи вторичного воздуха и продувки, прежде чем переключиться на работу только с продувкой, чтобы уменьшить промежуток времени необходимый для увеличения фактической частоты вращения турбины до требуемого значения частоты вращения. Другими словами, на ранней стадии нажатия педали акселератора двигатель может работать только с подачей вторичного воздуха, на промежуточной стадии нажатия педали акселератора двигатель может работать с подачей вторичного воздуха и с продувкой, а на поздней стадии нажатия педали акселератора двигатель может работать только с продувкой.
В сущности, промежуточная стадия работы двигателя с подачей вторичного воздуха и с продувкой может быть реализована для перехода двигателя от работы только с подачей вторичного воздуха на работу только с продувкой. По мере прохождения промежуточной стадии количество подаваемого вторичного воздуха можно уменьшать, а количество продувочного воздуха (интенсивность продувки) можно увеличивать.
На шаге 602 алгоритма 600 выполняют определение и/или измерение условий (параметров) работы двигателя. Параметры работы двигателя могут включать в себя: температуру двигателя, частоту вращения двигателя, нагрузку двигателя, наружную температуру, барометрическое давление, температуру отработавшего газа, температуру каталитического нейтрализатора, частоту вращения вторичного воздушного насоса, количество вторичного воздуха, состояние заряда батареи, воздушно-топливное отношение по отработавшему газу и т.п.
Затем, на шаге 604 алгоритма определяют требуемую частоту вращения турбины. Например, требуемая частота вращения турбины может определяться задаваемым крутящим моментом и положением педали акселератора. После определения требуемой частоты вращения турбины алгоритм переходит к шагу 606. На шаге 606 алгоритм определяет фактическую величину потока вторичного воздуха. В сущности, перед работой с продувкой и подачей вторичного воздуха двигатель может работать только с подачей вторичного воздуха.
Затем, на шаге 607 алгоритма производят уменьшение расхода вторичного воздуха на определенную пороговую величину. Например, расход вторичного воздуха может быть уменьшен путем снижения частоты вращения вторичного воздушного насоса. Согласно одному примеру, указанная пороговая величина может иметь фиксированный уровень. Согласно другому примеру, указанная пороговая величина может увеличиваться с каждым циклом двигателя. После уменьшения расхода вторичного воздуха алгоритм 600 переходит к шагу 608. На шаге 608 алгоритм определяет требуемую интенсивность продувки по меньшей мере на основе требуемой частоты вращения турбины и уменьшенного расхода вторичного воздуха. Например, интенсивность продувки может возрастать, когда расход вторичного воздуха уменьшается.
2
Затем, на шаге 610 алгоритма 600 осуществляют регулирование работы двигателя, чтобы обеспечить продувку на основе данных требуемой интенсивности продувки. Регулирование работы двигателя для обеспечения продувки может включать в себя на шаге 612 изменение количества впрыскиваемого топлива на основе данных требуемой частоты вращения двигателя, уменьшенного расхода вторичного воздуха и требуемой интенсивности продувки. В сущности, когда подается вторичный воздух и продувочный воздух, двигатель можно питать богатой смесью, чтобы в выпускном коллекторе в отработавших газах обеспечить присутствие СО, Н и углеводородов. Эти компоненты - продукты сгорания богатой смеси могут вступать в экзотермическую реакцию с вторичным воздухом от вторичного воздушного насоса и с продувочным воздухом, чтобы сообщить дополнительную энергию отработавшим газам в целях ускорения раскрутки турбины до требуемого значения частоты вращения.
На шаге 614 регулирование работы двигателя может включать в себя регулирование момента срабатывания впускного клапана и момента срабатывания выпускного клапана для обеспечения положительного перекрытия. Например, закрытие выпускного клапана может быть задержано, а открытие впускного клапана может быть выполнено с опережением, чтобы создать положительное перекрытие клапанов. Кроме того, чтобы обеспечить требуемую продувку, может быть отрегулирована продолжительность положительного перекрытия, величина подъема впускного клапана, и величина подъема выпускного клапана.
На шаге 616 регулирование работы двигателя может включать в себя регулирование момента срабатывания системы ИФКР в зависимости от величины изменения подачи вторичного воздуха. Далее, на шаге 618 может быть отрегулирован момент зажигания. Например, момент зажигания может быть задержан, при этом величина задержки зажигания может увеличиваться, по мере того как увеличивается количество воздуха, требуемое для процессов окисления в выпускном коллекторе.
Таким образом, во время нажатия педали акселератора, в целях уменьшения турбоямы, после работы в режиме подачи вторичного воздуха и перед работой в режиме продувки, с двигателем можно работать в комбинированном режиме, включающем в себя подачу вторичного воздуха и продувку.
На фиг. 7 изображен пример процессов регулирования подачи вторичного воздуха и продувки при нажатии педали акселератора. Процессы, изображенные на фиг. 7, могут быть реализованы путем исполнения инструкций в системе фиг. 1 в соответствии с алгоритмами фиг. 3-6. Вертикальные маркеры в моменты t0-t3 представляют моменты времени, представляющие интерес при рассмотрении процессов. На всех графиках, которые будут рассмотрены ниже, ось X представляет время, причем на каждом графике время увеличивается слева направо.
Первый сверху график на фиг. 7 представляет зависимость положения педали (ПП) акселератора от времени. Ось Y представляет положение педали акселератора, причем нажатие на педаль акселератора увеличивается в направлении стрелки оси Y.
Второй сверху график на фиг. 7 представляет зависимость частоты вращения турбины от времени. Ось Y представляет частота вращения турбины, причем частота вращения увеличивается в направлении стрелки оси Y. Кривая 704 представляет требуемую частоту вращения турбины, кривая 706 представляет фактическую частоту вращения турбины, а горизонтальная линия 708 представляет пороговую частоту вращения турбины. В сущности, пороговая частота вращения могут представлять собой частоту вращения турбины, при которой может быть создан наддув, достаточный для продувки.
Третий сверху график на фиг. 7 представляет зависимость давления наддува от времени. Ось Y представляет давление наддува, причем давление наддува увеличивается в направлении стрелки оси Y. Кривая 710 представляет требуемое давление наддува, кривая 712 представляет фактическое давление наддува, а горизонтальная линия 714 представляет пороговое давление наддува В сущности, при пороговом давлении наддува разность между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе равна пороговой разности давлений или превышает пороговую разность давлений необходимую для формирования давления наддува для осуществления продувки.
Четвертый сверху график на фиг. 7 представляет зависимость расхода подаваемого вторичного воздуха от времени. Ось Y представляет расход вторичного воздуха, причем расход вторичного воздуха увеличивается в направлении стрелки оси Y.
Пятый сверху график на фиг. 7 представляет зависимость интенсивности продувки от времени. Ось Y представляет интенсивность продувки, причем интенсивность продувки возрастает в направлении стрелки оси Y.
Шестой сверху график на фиг. 7 представляет зависимость воздушно-топливного отношения в цилиндрах от времени. Ось Y представляет воздушно-топливное отношение, причем степень обогащения топливно-воздушной смеси увеличивается в направлении стрелки оси Y. Ось X представляет время, причем время увеличивается слева направо. Горизонтальная линия 722 представляет стехиометрическое воздушно-топливное отношение.
Как таковая, требуемая частота вращения турбины может определяться одним или более из следующих параметров: задаваемым крутящим моментом и положением педали акселератора; требуемое давление наддува может определяться одним или более из следующих параметров: задаваемым крутящим моментом и положением педали акселератора; а интенсивность продувки может определяться требуемой частотой вращения турбины, когда используется только продувка, и может определяться требуемой частотой вращения турбины и фактическим расходом подаваемого вторичного воздуха, когда используется продувка и подача вторичного воздуха.
На отрезке времени перед моментом t1 двигатель может работать с малой частотой вращения и при малой нагрузке. Разность между требуемой частотой вращения турбины и фактической частотой вращения турбины может не превышать уровня пороговой частоты вращения. Аналогично разность между требуемым наддувом и фактическим давлением наддува может не превышать уровня порогового давления. Согласно одному примеру, фактическая частота вращения турбины могут достигать требуемой частоты вращения турбины, а фактический наддув может достигать требуемого наддува. Поэтому, для увеличения частоты вращения турбины в целях достижения требуемого наддува подача дополнительного вторичного воздуха может и не требоваться. То есть двигатель может работать в нормальном режиме без продувки и без подачи вторичного воздуха. Кроме того, двигатель может работать при стехиометрическом воздушно-топливном отношении.
В момент t1 может быть обнаружено нажатие педали акселератора. Например, нажатие педали акселератора может быть обнаружено на основании одного или более следующих факторов: увеличения задаваемого крутящего момента выше порогового уровня задаваемого момента, и увеличения положения педали акселератора (нажатия педали) выше пороговой величины. Между моментами t1 и t2, в ответ на обнаружение нажатия педали акселератора может увеличиться требуемое давление наддува (кривая 710). Чтобы обеспечить требуемый наддув, могут увеличиться требуемая частота вращения турбины (кривая 704). Однако фактическая частота вращения турбины (кривая 706) могут быть меньше требуемой частоты вращения турбины (кривая 704). В результате, фактический наддув (кривая 712) может быть меньше требуемого наддува (кривая 710). Кроме того, разность между требуемой частотой вращения турбины и фактической частотой вращения турбины может быть больше пороговой разности частоты вращения, а разность между требуемым давлением наддува и фактическим давлением наддува может быть больше пороговой разности давлений наддува. То есть, двигатель может испытывать явление турбоямы.
Чтобы уменьшить турбояму, в момент t1 двигатель может начать работать в режиме подачи вторичного воздуха. То есть, чтобы сократить промежуток времени, необходимый для увеличения фактической частоты вращения турбины до уровня требуемой частоты вращения, и, следовательно, сократить промежуток времени, необходимый для увеличения фактического наддува до уровня требуемого наддува, с двигателем можно работать в режиме подачи вторичного воздуха. В сущности, на начальной стадии нажатия педали акселератора разность между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе может не превышать пороговой разности давлений в коллекторах (не показано). В результате двигатель может не располагать разностью давлений, достаточной для подачи продувочного воздуха в выпускной коллектор. Следовательно, вторичный воздушный насос (например, воздушный компрессор 96 на фиг. 1) может быть использован для подачи вторичного воздуха в выпускной коллектор выше по потоку от турбины. Подробности работы двигателя с подачей вторичного воздуха были рассмотрены ранее согласно фиг. 4. Расход вторичного воздуха, подаваемого в выпускной коллектор (кривая 716), может определяться требуемым значением частоты вращения турбины. Например, по мере увеличения требуемой частоты вращения турбины, расход подаваемого вторичного воздуха может увеличиваться. Согласно одному примеру, расход подаваемого вторичного воздуха может определяться требуемой энергией отработавших газов, которая необходима для увеличения частоты вращения турбины до уровня требуемой частоты вращения.
2
Кроме того, между моментами t1 и t2 воздушно-топливное отношение в цилиндрах двигателя может быть смещено в сторону обогащения. Степень обогащения можно задавать на основе расхода подаваемого вторичного воздуха. Согласно одному примеру, количество впрыскиваемого топлива может определяться расходом подаваемого вторичного воздуха. В сущности, когда питание цилиндра осуществляется богатой топливно-воздушной смесью, в отработавших газах двигателя могут создаваться высокие уровни содержания окиси углерода (СО), водорода (Н) и углеводородов, которые в выпускном коллекторе могут вступать в экзотермические реакции с подаваемым вторичным воздухом. В результате может быть увеличена масса и энтальпия отработавших газов. Увеличенная энергия отработавших газов может быть использована для сокращения промежутка времени, необходимого турбине для достижения требуемой частоты вращения. Другими словами, за счет использования подачи вторичного воздуха и обогащения топливно-воздушной смеси в цилиндрах в начальной стадии нажатия педали акселератора может быть уменьшена турбояма. Кроме того, за счет подачи вторичного воздуха может увеличиваться масса сжатого всасываемого воздуха, захватываемого в цилиндре, что приводит к увеличению начального выходного крутящего момента по сравнению с нормальной работой двигателя, когда подача вторичного воздуха не используется. И еще, могут быть отрегулированы моменты срабатывания клапанов для увеличения объемного к.п.д. в целях увеличения начального выходного крутящего момента во время нажатия педали акселератора.
В момент t2 фактическая частота вращения турбины (кривая 706) может достигнуть пороговой частоты вращения (уровень 708) и фактическое давление наддува может достигнуть порогового давления. Однако, фактическая частота вращения турбины может продолжать находиться ниже требуемой частоты вращения, и давление наддува может продолжать находиться ниже требуемого давления наддува. Кроме того, в момент t2 разность между давлением во впускном коллекторе и давлением в выпускном коллекторе может находиться на уровне пороговой разности давлений, при котором двигатель может располагать давлением наддува, достаточным для обеспечения продувки. Соответственно, работа двигателя может быть переключена с режима только подачи вторичного воздуха посредством вторичного воздушного насоса на комбинированный режим подачи вторичного воздуха и продувки. Согласно одному примеру, во время нажатия педали акселератора, когда фактическое давление наддува достигает порогового давления наддува, работа двигателя может быть переключена с использования вторичного воздушного насоса для подачи вторичного воздуха на обеспечение продувки за счет положительного перекрытия клапанов. Согласно другому примеру, во время нажатия педали акселератора, как показано в рассматриваемом примере, когда фактическое давление наддува достигает порогового давления наддува, работа двигателя может быть переключена с использования вторичного воздушного насоса для подачи вторичного воздуха на использование и вторичного воздуха, и продувки. Однако, согласно некоторым примерам, пороговая разность давлений, необходимая для продувки, может быть достигнута раньше, чем пороговое давление наддува. Соответственно, согласно одному примеру, по достижении пороговой разности давлений, необходимой для продувки, в двигателе можно продолжать использовать только вторичный воздушный насос для подачи вторичного воздуха до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое давление наддува, при котором работу двигателя можно переключить либо на комбинированный режим (использование вторичного воздушного насоса и продувки), либо на режим только продувки.
Между моментами t2 и t3 частота вращения турбины может увеличиться выше пороговой частоты вращения, и давление наддува может увеличиться выше порогового давления. В сущности, двигатель может располагать наддувом достаточным для продувки. Соответственно, с двигателем можно работать в режиме подачи вторичного воздуха и продувки. Например, величину потока подаваемого вторичного воздуха можно уменьшать, а интенсивность продувки - увеличивать на протяжении времени, пока расход подаваемого вторичного воздуха не опустится ниже пороговой величины. Как таковой, вторичный воздух можно подавать в выпускной коллектор выше по потоку от турбины посредством вторичного воздушного насоса. Продувка может быть обеспечена путем регулирования времени срабатывания клапанов, так чтобы у впускного и выпускного клапанов был промежуток времени положительного перекрытия. Подробности работы двигателя в комбинированном режиме, при котором одновременно обеспечивается подача вторичного воздуха и продувка, были рассмотрены ранее согласно фиг. 6. Кроме того, цилиндры двигателя можно питать богатой топливно-воздушной смесью. Количество впрыскиваемого топлива может определяться расходом подаваемого вторичного воздуха, интенсивностью продувки и требуемым значением частоты вращения турбины. Согласно одному примеру, количество впрыскиваемого топлива может определяться расходом подаваемого вторичного воздуха, интенсивностью продувки, требуемым значением частоты вращения турбины и/или требуемым крутящим моментом.
В момент t3 расход подаваемого вторичного воздуха может опуститься ниже пороговой величины. В результате работа двигателя может быть переключена с использования и подачи вспомогательного воздуха и продувки на использование только продувки до тех пор, пока не будут достигнуты требуемая частота вращения турбины.
В промежутке между моментами t3 и t4 работа двигателя может продолжаться только в режиме продувки. В сущности, во время продувки может быть обеспечено положительное перекрытие между впускным и выпускным клапанами, чтобы подавать сжатый воздух из впускного коллектора напрямую в выпускной коллектор. Кроме того, цилиндры двигателя можно питать богатой топливно-воздушной смесью. Несгоревшее топливо, присутствующее в отработавших газах, может вступать с продувочным воздухом в экзотермические реакции. Как следствие, может быть увеличена масса и энтальпия отработавших газов. В результате может быть ускорена раскрутка турбины до требуемой частоты вращения и уменьшена турбояма.
В момент t4 фактическая частота вращения турбины могут достичь требуемого значения частоты вращения, и давление наддува может достичь требуемого давления наддува. В результате могут быть выполнены требования по крутящему моменту. По достижении требуемой частоты вращения турбины и/или требуемого момента продувку можно остановить. То есть, по достижении указанных параметров работу двигателя можно переключить с режима обеспечения продувки на нормальный режим работы без подачи вторичного воздуха или продувки. Например, нормальный режим работы двигателя может включать в себя обеспечение нулевого положительного перекрытия или минимального перекрытия клапанов, так чтобы не подавать никакого продувочного воздуха (или продувка может быть пренебрежимо малой), и поддержание вторичного воздушного насоса в выключенном состоянии. Кроме того, при работе двигателя в нормальном режиме в цилиндрах двигателя можно поддерживать стехиометрическое воздушно-топливное отношение.
Таким образом, в ответ на нажатие педали акселератора, в целях увеличения начального крутящего момента и уменьшения турбоямы, на ранней стадии нажатия педали акселератора с двигателем можно работать в режиме только подачи вторичного воздуха, на промежуточной стадии нажатия педали акселератора - в режиме подачи вторичного воздуха и продувки, а на поздней стадии нажатия педали акселератора - в режиме только продувки.
Согласно одному примеру, способ может содержать:
подачу сжатого воздуха через дроссель в двигатель от компрессора, приводимого в движение турбиной, связанной с выпускным коллектором двигателя; и
во время нажатия педали акселератора и открытия дросселя - уменьшение турбоямы путем подачи вторичного воздуха в турбину во время действия первого режима работы, и
во время действия второго режима работы - обеспечение продувки через двигатель части сжатого воздуха, без его участия в горении, и его подачу в турбину.
Кроме того, во время нажатия педали акселератора с двигателем можно работать в третьем режиме, который включает в себя одновременную подачу вторичного воздуха в турбину и обеспечение продувки части сжатого воздуха через двигатель, без его участия в горении, и его подачу в турбину. Первый режим работы используют, когда разность между давлением воздуха ниже по потоку от дросселя и давлением в выпускном коллекторе меньше первого порогового уровня. Второй режим работы используют, когда разность между давлением воздуха ниже по потоку от дросселя и давлением в выпускном коллекторе превышает второй пороговый уровень. Кроме того, вторичный воздух подают от воздушного насоса, связанного с выпускным коллектором выше по потоку от турбины, а продувку обеспечивают во время такта выпуска из камеры сгорания двигателя путем открытия впускного клапана, связанного с камерой сгорания, перед закрытием выпускного клапана, связанного с камерой сгорания. И еще, первый режим работы продолжается до тех пор, пока давление наддува от компрессора не достигнет заранее заданной величины, и может включать в себя регулирование количества впрыскиваемого топлива в зависимости от количества подаваемого вторичного воздуха, при этом количество подаваемого вторичного воздуха определяется требуемым значением частоты вращения турбины. Во время действия второго режима регулирование количества впрыскиваемого топлива может зависеть от интенсивности обеспечиваемой продувки, а в третьем режиме регулирование количества впрыскиваемого топлива может зависеть от количества подаваемого вторичного воздуха и от интенсивности обеспечиваемой продувки.
Кроме того, первый режим может включать в себя установку первого момента зажигания, второй режим может включать в себя установку второго момента зажигания, а третий режим - установку третьего момента зажигания, при этом первый момент зажигания имеет меньшую задержку, чем третий момент зажигания, а третий момент зажигания имеет меньшую задержку, чем второй момент зажигания. Путем обеспечения того, что первый момент зажигания имеет меньшую задержку, чем третий момент зажигания, а третий момент зажигания имеет меньшую задержку, чем второй момент зажигания, моменты зажигания могут быть отрегулированы для увеличения выходного крутящего момента и одновременного увеличения энергии отработавших газов в целях уменьшения турбоямы.
Следует отметить, что включенные в описание примеры алгоритмов управления и измерения могут быть использованы с различными схемами двигателей и/или систем автомобиля. Рассмотренные выше конкретные алгоритмы могут представлять один или более способов обработки, которые инициируются событием, прерыванием, являются многозадачными, многопотоковыми, и т.п. Как таковые, различные действия, операции или функции можно выполнять в той последовательности, какая указана на схеме, но можно выполнять и параллельно или в некоторых случаях опускать. Аналогично, указанный порядок обработки не обязателен для реализации отличительных признаков и преимуществ рассмотренных вариантов осуществления, но приведен в целях упрощения описания. Одно или более из изображенных действий или функций могут быть выполнены повторно в зависимости от конкретной используемой стратегии. Кроме того, описанные действия, операции и/или функции могут графически представлять код, записываемый в постоянное запоминающее устройство считываемой среды хранения данных компьютера в системе управления двигателем.
Следует понимать, что рассмотренные в описании конструкции и/или алгоритмы по сути являются примерами, и приведенные конкретные варианты осуществления нельзя рассматривать как примеры, ограничивающие идею изобретения, ввиду возможности многочисленных модификаций. Например, вышеописанная технология может быть применена в двигателях со схемами V-6, I-4, I-6, V-12, двигателях с 4 оппозитными цилиндрами и в двигателях иных типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя весь объем новых и неочевидных комбинаций и сочетаний различных систем и конструкций, а также другие отличия, функции и/или свойства, раскрытые в настоящем описании.
Пункты нижеприведенной формулы изобретения конкретно указывают на определенные комбинации и подчиненные комбинации отличительных признаков, которые считаются новыми и неочевидными. Эти пункты могут относиться к элементу, как представителю данного класса элементов, или к «первому» элементу, или же к эквивалентному элементу. Следует понимать, что такие пункты содержат включение одного или более указанных элементов, не требуя при этом и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подчиненные комбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть включены в формулу изобретения путем изменения пунктов настоящей формулы или путем представления новых пунктов формулы изобретения в рамках данной или родственной заявки. Такие пункты формулы изобретения также считаются включенными в предмет настоящего изобретения независимо от того, являются они более широкими, более узкими, равными или отличающимися в отношении границ идеи изобретения, установленных исходной формулой изобретения.