СИСТЕМА И СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ С ТУРБОНАДДУВОМ
SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVING PERFORMANCE OF TURBOCHARGED ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу улучшения термической эффективности двигателя с турбонаддувом. Способ может быть особенно полезен для обеспечения рециркуляции выхлопных газов в двигателе с турбонаддувом.
Уровень техники
В попытке соответствовать строгим государственным стандартам по нормам выброса выхлопных газов, системы двигателя можно оборудовать системами рециркуляции выхлопных газов (EGR), в которых по меньшей мере часть выхлопных газов повторно запускается во впускную систему двигателя. Такие системы рециркуляции выхлопных газов снижают выброс выхлопных газов, при этом улучшая экономию топлива, особенно при более высоких уровнях наддува двигателя.
Один пример такой системы описан Дюре в патенте США №6135088. Согласно данному патенту первый впускной канал цилиндра двигателя выполнен для впуска в цилиндр рециркулированных выхлопных газов, в то время как второй впускной канал предназначен для впуска в цилиндр свежего воздуха, сжатого компрессором. В таком случае рециркулированные выхлопные газы низкого давления могут быть доставлены в цилиндр.
Однако было обнаружено, что такие системы рециркуляции выхлопных газов могут иметь потенциальные ограничения, что может снизить общую эффективность таких систем. Например, может быть сложно добиться рециркуляции EGR высокого давления (HP-EGR), даже если добавить турбину. В связи с этим может быть использован режим работы двигателя, при котором можно эффективно обеспечить EGR высокого давления вместо или в дополнение к EGR низкого давления (LP-EGR). Более того, так как EGR высокого давления и EGR низкого давления требуют разных способов управления, может возникнуть задержка при управлении одновременно двумя системами, особенно в переходных состояниях.
Раскрытие изобретения
Так, в одном примере некоторые из таких ограничений можно устранить, по меньшей мере частично, использованием способа эксплуатации цилиндра двигателя, в котором рециркулируют первое количество выхлопных газов при первом давлении из первого выпускного канала цилиндра в первый впускной канал цилиндра и рециркулируют второе количество выхлопных газов при втором, другом, давлении из второго (отличного от первого) выпускного канала цилиндра через второй (отличный от первого) впускной канал цилиндра. В этом случае одновременно можно обеспечить как EGR низкого давления, так и EGR высокого давления через разные каналы с независимым управлением. Далее EGR с разным давлением могут смешиваться и сгорать в цилиндре.
Например, EGR низкого давления могут быть отведены из первого выпускного канала через первый канал EGR и доставлены в цилиндр двигателя по первому впускному каналу, в то время как EGR высокого давления могут быть отведены из второго выпускного канала через второй канал EGR и доставлены в цилиндр двигателя по второму впускному каналу. EGR низкого давления могут быть доставлены в цилиндр двигателя самотеком (без наддува) при атмосферном или меньшем давлении через первый впускной клапан первого впускного канала в первый и более ранний момент времени синхронизации впускного клапана, например, в начале такта всасывания. В то же время EGR высокого давления могут быть доставлены с помощью давления компрессора через второй впускной клапан второго впускного канала во второй и более поздний момент времени синхронизации впускного клапана, например, в момент, когда такт всасывания уже начался. В частности, EGR высокого давления могут быть отведены от места ниже по потоку турбины, соединенному только со вторым выпускным каналом, к месту выше по потоку компрессора, соединенному только со вторым впускным каналом, причем второй впускной канал отделен от первого впускного канала. EGR высокого давления и EGR низкого давления могут быть доставлены в цилиндр двигателя раздельно, после чего они смешиваются и сгорают в цилиндре.
Момент открывания первого и второго впускных клапанов можно синхронизировать с моментом открывания первого и второго выпускных клапанов, соединенных с первым и вторым выпускными каналами соответственно. Например, выхлопные газы более высокого давления могут быть пропущены через турбину перед выходом в атмосферу или рециркулированы при более высоком давлении, в то время как выхлопные газы более низкого давления могут быть направлены в атмосферу без пропускания через турбину или рециркулирования при атмосферном или более низком давлении. В дополнение к разделению EGR высокого давления и EGR низкого давления, ступенчатая временная синхронизация открывания различных выпускных клапанов увеличивает тепло, полученное от выхлопных газов. Также за счет доставки EGR высокого давления к месту ниже по потоку компрессора и доставки EGR низкого давления через впускной канал без использования компрессора, можно успешно препятствовать попаданию рециркулированных выхлопных газов в компрессор, снижая образование в нем нагара и его засорение. Разделяя потоки рециркулированных выхлопных газов низкого и высокого давления, можно управлять ими независимо друг от друга, снижая задержки управления системой EGR во время переходных процессов. По этой причине преимущества рециркуляции выхлопных газов может быть использован с наддувом двигателя в большем диапазоне частот/режимов нагрузки двигателя.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание предназначено для упрощенного изложения основных концепций, которые будут детально описаны далее. Не подразумевается идентификация ключевых или существенных признаков заявляемого объекта, объем которых определяется формулой изобретения, основанной на описании изобретения. Более того, заявленное изобретение не ограничено конкретными воплощениями, которые решают некоторые из проблем, описанных выше, или какой-либо частью данного описания.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлено схематическое изображение двигателя, содержащего разделенные впускной и выпускной коллекторы и соответствующие системы рециркуляции выхлопных газов.
На Фиг.2 изображен пример варианта выполнения цилиндра двигателя, показанного на Фиг.1, соединенного с первым и вторым впускными каналами, а также с первым и вторым выпускным каналами.
На Фиг.3 представлен частичный вид двигателя.
На Фиг.4 показана высокоуровневая блок-схема, иллюстрирующая последовательность действий, которую можно реализовать для работы цилиндра двигателя на Фиг.2 согласно настоящему изобретению.
На Фиг.5 изображен пример синхронизации по времени работы впускного и выпускного клапанов цилиндра двигателя на Фиг.2.
На Фиг.6 представлены примеры воздушных смесей, которые могут быть доставлены в цилиндр на Фиг.2 через первый и второй впускные каналы при различных режимах работы.
На Фиг.7 изображена высокоуровневая блок-схема, иллюстрирующая последовательность действий, которую можно реализовать для согласования работы дроссельной заслонки с турбокомпрессором в случае увеличения нагрузки на двигатель.
На Фиг.8 показана система графиков, объясняющая пример установок дроссельной заслонки впускного воздуха и клапана EGR при увеличении нагрузки на двигатель.
На Фиг.9 показана высокоуровневая блок-схема, иллюстрирующая последовательность действий, которую можно реализовать для регулирования работы охладителя EGR на основании режима работы двигателя.
Осуществление изобретения
Следующее описание связано с системами и способами управления двигателем, как, например, системой двигателя на Фиг.1-3, путем обеспечения подачи воздушного заряда разного давления и/или различного состава (например, различные соотношения свежего воздуха к EGR) в цилиндр двигателя через определенные впускные каналы в различные моменты времени цикла двигателя. В частности, входной воздушный заряд при атмосферном или меньшем давлении может быть направлен в цилиндр отдельно от входного воздушного заряда при давлении компрессора. Аналогично, входной воздушный заряд, содержащий рециркулированные выхлопные газы, может быть подан в цилиндр отдельно от воздушного заряда, содержащего свежий воздух. Возможны и другие комбинации, как описано на Фиг.6. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью осуществлять последовательность управляющих действий, например, показанную на Фиг.4, для открывания первого впускного клапана цилиндра в более ранний момент времени, чем открывание второго впускного клапана (Фиг.5), тем самым обеспечивая подачу первого воздушного заряда первого состава и второго воздушного заряда второго состава в различные моменты цикла двигателя. Синхронизация впускных клапанов может быть согласована с соответствующей синхронизацией выпускных клапанов (Фиг.5). Положение одной или нескольких впускных дроссельных заслонок или клапанов EGR, соединенных с различными впускными каналами, может быть отрегулировано и согласовано для компенсации переходных процессов, как показано на Фиг.7, 8. Кроме того, различные клапаны EGR можно отрегулировать с возможностью подогрева или охлаждения воздушного заряда каждого впускного канала отдельными охладителями EGR, как показано на Фиг.9. В этом случае можно уменьшить количество работы сжатия турбокомпрессора, затрачиваемое на вытяжку EGR, тем самым увеличивая среднее давление впускных и/или выхлопных газов, подаваемых в турбокомпрессор и выходящих из него, улучшая эффективную мощность турбокомпрессора. Кроме того, отделяя основанный на EGR заряд воздуха от заряда воздуха наддува до их смешивания в цилиндре, можно снизить как задержку управления EGR, так и задержку управления наддувом. В целом, можно расширить преимущества как рециркуляции выхлопных газов, так и наддува, тем самым, улучшая рабочие характеристики двигателя и увеличивая экономию топлива.
На Фиг.1 приведено схематическое изображение примера системы 100 двигателя с турбонаддувом, в которую входит многоцилиндровый двигатель 10 внутреннего сгорания (ДВС) и турбокомпрессор 50. В качестве неограничивающего примера, система 100 двигателя может быть частью системы обеспечения движения пассажирского транспортного средства. Двигатель 10 может иметь несколько цилиндров 14. В приведенном примере двигатель 10 имеет три цилиндра в рядной конфигурации. Однако в других примерах двигатель 10 может иметь два или более цилиндров, как например 4, 5, 8, 10 или более цилиндров, имеющих различные конфигурации расположения, как например V-образная и др. Каждый цилиндр 14 может быть оснащен топливным инжектором 166. В приведенном примере топливный инжектор представляет собой форсунку прямого впрыска. Однако в других примерах, топливный инжектор 166 может быть выполнен в виде форсунки распределенного впрыска. Дополнительные характеристики одного цилиндра 14 рассмотрены ниже на Фиг.2, 3.
Каждый цилиндр 14 двигателя 10 выполнен с возможностью получать впускной воздушный заряд (включая свежий воздух и/или рециркулированные выхлопные газы) из первого впускного канала 42, а также из второго впускного канала 44. В связи с этим второй впускной канал 44 может быть отделен от первого впускного канала 42, но располагаться параллельно ему. Первый впускной канал 42 может иметь воздушную дроссельную заслонку 62, расположенную ниже по потоку воздушного фильтра 60. Положение дроссельной заслонки 62 может быть отрегулировано с помощью системы 15 управления через привод дроссельной заслонки (не показан), коммуникативно связанный с контроллером 12. Путем модулирования дроссельной заслонки 62 можно из атмосферы ввести объем свежего воздуха в двигатель 10 и доставить в цилиндры двигателя при атмосферном или более низком давлении через первый впускной канал 42. Первый впускной канал 42 может быть разделен на несколько подводящих каналов 43а-43с, расположенных ниже по потоку дроссельной заслонки 62. Каждый впускной канал 43а-43с может быть соединен с конкретным цилиндром двигателя и выполнен с возможностью доставки части входящего воздушного заряда впускного канала 42 в соответствующий цилиндр.
Второй впускной канал 44 может иметь воздушную дроссельную заслонку 64, расположенную ниже по потоку охладителя 56 наддувочного воздуха и компрессора 52 турбокомпрессора. При этом, компрессор 52 турбокомпрессора 50 может быть частью второго впускного канала 44 и соединен с ним, но не с первым впускным каналом 42. Положение дроссельной заслонки 64 может быть отрегулировано с помощью системы 15 управления через привод дроссельной заслонки (не показан), коммуникативно связанный с контроллером 12. Путем модулирования впускной дроссельной заслонки 64 во время работы компрессора 52 можно ввести объем свежего воздуха из атмосферы в двигатель 10 и доставить его в цилиндры двигателя с помощью давления компрессора (наддува) через второй впускной канал 44. Второй впускной канал 44 может быть разделен на несколько подводящих каналов 45а-45с, расположенных ниже по потоку дроссельной заслонки 64. Каждый подводящий канал 45а-45с может быть соединен с конкретным цилиндром двигателя и выполнен с возможностью доставки части входящего воздушного заряда впускного канала 44 в соответствующий цилиндр.
Выхлопные газы, выработанные в результате сгорания смеси в цилиндре, могут быть выведены из каждого цилиндра 14 через первый выпускной канал 46 и второй выпускной канал 48. Выпускной канал 46 может быть разделен на несколько отводящих каналов 47а-47с. В частности, каждый отводящий канал 47а-47с может быть соединен с конкретным цилиндром двигателя и выполнен с возможностью выведения части выхлопных газов из соответствующего цилиндра в выпускной канал 46. Выхлопные газы, проходящие через первый выпускной канал 46, могут быть очищены с помощью устройств дополнительной очистки выхлопных газов, таких как каталитические нейтрализаторы 70 и 72, перед их выбросом в атмосферу через выхлопную трубу 35.
Таким же образом, второй выпускной канал 48 может быть разделен на несколько отводящих каналов 49а-49с. Каждый отводящий канал может быть соединен с конкретным цилиндром двигателя и выполнен с возможностью вывода части выхлопных газов из соответствующего цилиндра в выпускной канал 48. Турбина 54 турбокомпрессора 50 может быть частью второго выпускного канала 48 и соединена с ним, но не с первым выпускным каналом 46. Таким образом, продукты горения, которые выводятся через выпускной канал 48, могут быть направлены через турбину 54 для передачи механической работы компрессору 52 через вал (не показан). В некоторых случаях турбина 54 может быть выполнена в виде турбины с изменяемой геометрией, при этом контроллер 12 может регулировать положение лопаток (или лопастей) рабочего колеса турбины для изменения уровня энергии, получаемой от потока выхлопных газов и передаваемой компрессору 52. В качестве альтернативы, газовая турбина 54 может быть выполнена в виде турбины с регулируемым соплом, при этом контроллер 12 может регулировать положение (сечение) сопла турбины для изменения уровня энергии, получаемой от потока выхлопных газов и передаваемой компрессору 52.
Выхлопные газы, проходящие через второй выпускной канал 48, могут быть очищены с помощью устройств дополнительной очистки выхлопных газов, например каталитического нейтрализатора 72, перед его выбросом в атмосферу через выхлопную трубу 35. В приведенном примере выхлопные газы из второго выпускного канала 48 смешиваются с выхлопными газами из первого выпускного канала 46, расположенного ниже по потоку турбины 54 и каталитического нейтрализатора 70, но выше по потоку каталитического нейтрализатора 72 таким образом, что смешанный поток выхлопных газов выходит в атмосферу через выхлопную трубу 35. Однако в других вариантах выпускные каналы 46 и 48 могут не соединяться и могут выпускать выхлопные газы через раздельные выхлопные трубы. Выпускные каналы 46 и 48 также могут содержать один или несколько датчиков выхлопных газов, как далее показано на Фиг.3.
Двигатель 10 может также иметь один или несколько каналов рециркуляции выхлопных газов (EGR) для рециркулирования по меньшей мере части выхлопных газов из первого и второго выпускных каналов 46 и 48 в первый и второй впускные каналы 42 и 44 соответственно. Например, первый выпускной канал 46 может быть соединен с первым впускным каналом 42 через первый канал 80 EGR, содержащий первый охладитель 82 EGR и первого клапана 84 EGR. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью открывать первый клапан 84 EGR для рециркулирования части выхлопных газов при атмосферном или более низком давлении в первый впускной канал 42. В этом случае выхлопные газы низкого давления (LP-EGR) могут быть перенаправлены от первого выпускного канала к первому впускному каналу.
Таким же образом, второй выпускной канал 48 может быть соединен со вторым впускным каналом 44 через второй канал 90 EGR, содержащий второй охладитель 92 EGR и второй клапан 94 EGR. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью открывать второй клапан 94 EGR для рециркулирования части выхлопных газов под давлением компрессора из места выше по потоку турбины 54 во второй впускной канал 44, ниже по потоку компрессора 52. В этом случае EGR высокого давления могут быть поданы в двигатель через второй впускной и второй выпускной каналы. Обеспечивая подачу EGR низкого давления через первый канал EGR, а EGR высокого давления через второй, отдельный, канал EGR, можно подводить оба потока одновременно, тем самым расширяя преимущества системы рециркуляции выхлопных газов.
Охладители 82 и 92 EGR могут быть выполнены с возможностью понижать температуру выхлопных газов, протекающих через соответствующие каналы EGR перед их рециркуляцией на впуск двигателя. В альтернативном варианте охладители 82 и 92 EGR могут быть расположены в месте соединения канала EGR и соответствующего впускного канала. В этом положении, как описывается со ссылкой на Фиг.9, при определенных условиях охладитель(и) EGR можно выгодно использовать для нагревания впускного воздушного заряда, доставляемого в цилиндр. А именно, охладитель EGR может быть использован для обеспечения нагретого воздушного заряда (например, нагретого свежего воздуха или смеси нагретых выхлопных газов со свежим воздухом) для цилиндра двигателя при некоторых условиях, при этом обеспечивая охлажденный воздушный заряд (например, охлажденные рециркулированные выхлопные газы) для цилиндра двигателя при других условиях. В одном случае при холодных условиях, подаваемый в цилиндр через второй впускной канал воздушный заряд может быть нагрет перед попаданием его в компрессор во избежание образования конденсата на компрессоре.
В других вариантах каналы EGR могут быть соединены. Этот соединительный канал может соединять второй канал 90 EGR в месте между клапаном 94 EGR и охладителем 92 EGR, с первым каналом 80 EGR в месте между клапаном 84 EGR и охладителем 82 EGR. Здесь, при некоторых условиях, выхлопные газы более высокого давления, выпущенные во второй выпускной канал через второй выпускной клапан, могут быть охлаждены в охладителе 92 EGR с передачей тепла хладагенту. Охлажденные выхлопные газы могут быть рециркулированы на впуск в двигатель через первый впускной канал низкого давления. В качестве альтернативы, охлажденные выхлопные газы могут быть выпущены в атмосферу через первый выпускной канал 46 и выхлопную трубу 35. В этом случае можно получить большее количество работы из выхлопных газов.
Система 100 двигателя также может содержать привод 96 клапана для регулирования работы клапана цилиндра 14. А именно, привод 96 клапана может быть отрегулирован для открывания первого впускного и/или выпускного клапана цилиндра 14 в первый момент времени, и открывания второго впускного и/или выпускного клапана цилиндра 14 во второй момент времени. В этом случае можно предоставить цилиндру двигателя первый заряд воздуха первого состава при атмосферном или более низком давлении в первый момент времени, а второй заряд воздуха второго состава под давлением компрессора во второй момент времени. В качестве неограничивающего примера, как показано на Фиг.2, 3, привод 96 клапана может быть выполнен в виде кулачкового привода. В таком случае впускной и/или выпускной клапаны каждого цилиндра 14 соединены с соответствующими кулачковыми механизмами. Контроллер может быть выполнен с возможностью установки фазы (или профиля кулачка) привода (или кулачкового привода) 96 клапана, чтобы в зависимости от условий эксплуатации двигателя открывать первый впускной клапан в первый момент времени для доставки первого воздушного заряда, и открывать второй воздушный клапан во второй момент времени для доставки второго воздушного заряда. Например, как показано на Фиг.5, регулировку моментов открывания впускного клапана можно сделать ступенчатой для передачи части впускного воздушного заряда через компрессор, при этом предоставляя другую часть впускного воздушного заряда без наддува.
Контроллер также может быть выполнен с возможностью установки фазы клапана для открывания первого выпускного клапана в первый момент времени, и открывания второго выпускного клапана во второй момент времени, чтобы выпустить выхлопные газы разных давлений при разных положениях цикла двигателя. Например, как показано на Фиг.5, регулировку моментов открывания выпускного клапана можно сделать ступенчатой для разделения моментов выпуска продувочных газов (например, расширение выхлопных газов в цилиндре до того, как поршень цилиндра достигает нижней мертвой точки в такте расширения) и моментов выпуска остаточных газов (например, газов, которые остаются в цилиндре после продувки). В одном случае путем согласования моментов открывания первого впускного и выпускного клапанов, а также второго впускного и выпускного клапанов, энергия выхлопа от продувочных газов, высвобожденных через турбину турбокомпрессора во втором выпускном канале, может быть передана компрессору турбокомпрессора во втором впускном канале, что дает преимущества турбонаддуву. В то же время остаточные газы могут быть перенаправлены от первого выпускного канала к первому впускному каналу, что приносит пользу системе рециркуляции выхлопных газов. В этом случае желаемое разбавление EGR можно обеспечить без дополнительных затрат энергии на перекачивание выхлопных газов из выпускного коллектора во впускной коллектор посредством охладителя EGR, даже при более высоких нагрузках.
Следует понимать, что хотя в системе 100 двигателя показана рециркуляция выхлопных газов при атмосферном или более низком давлении через первый впускной канал, в других вариантах, например, когда первый впускной канал объединен с системой восстановления паров топлива двигателя, первый впускной канал может быть использован для рециркуляции продуваемых паров, паров картера или паров топлива в цилиндр при атмосферном или более низком давлении.
Системой 100 двигателя можно управлять, по меньшей мере частично, посредством системы 15 управления, включающей контроллер 12, и входного сигнала водителя транспортного средства, полученного от входных устройств (как показано на Фиг.3). Показано, что система 15 управления получает информацию от совокупности датчиков 16 (различные примеры которых описаны далее) и направляет управляющие сигналы приводам 81. Например, датчики 16 могут быть датчиками давления впускаемого воздуха и температуры, датчиками давления во впускном коллекторе (MAP) и датчиками температуры воздуха во впускном коллекторе (MAT) в одном или в обоих впускных каналах. Другими датчиками могут быть датчик давления всасывания дроссельной заслонки (TIP) и/или датчик температуры всасываемого воздуха дроссельной заслонки (ТСТ), установленные ниже по потоку дроссельной заслонки в каждом впускном канале. В другом примере один или несколько каналов EGR могут содержать датчики давления, температуры и соотношения воздух/топливо, для определения характеристик потока EGR. Дополнительные датчики и приводы системы рассмотрены ниже со ссылкой на Фиг.3. В качестве другого примера, приводами 81 могут быть топливный инжектор 166, клапаны 84 и 94 EGR, привод клапана 96, а также дроссельные заслонки 62 и 64. Другие приводы, например, различные дополнительные клапаны и дроссельные заслонки, могут быть установлены в различных местах системы 100 двигателя. Контроллер 12 может принимать входные данные от различных датчиков, обрабатывать их и активировать приводы в ответ на результаты обработки данных на основе инструкций или программного кода, соответствующих одной или нескольким рассмотренным здесь последовательностям действий. Примеры последовательностей управляющих действий описаны со ссылкой на Фиг.4, 7 или 9.
На Фиг.2, 3 показан один цилиндр 14 двигателя 10 внутреннего сгорания. В связи с этим компоненты, представленные ранее на Фиг.1, отражены с теми же ссылочными номерами и не повторно описываются. На Фиг.2 показан первый вид 200 цилиндра 14. Здесь цилиндр 14 изображен с четырьмя отверстиями: два впускных отверстия 17 и 18 и два выпускных отверстия 19 и 20. Так, первое впускное отверстие 17 цилиндра 14 может получать первый воздушный заряд при атмосферном или более низком давлении через первый впускной клапан 30 из первого подводящего канала 43 а, соединенного с первым впускным каналом 42. Первый воздушный заряд может содержать свежий воздух, рециркулированные выхлопные газы низкого давления (LP-EGR) или смесь свежего воздуха с LP-EGR, вводимые в цилиндр при атмосферном или более низком давлении. Второе впускное отверстие 18 цилиндра 14 может получать второй воздушный заряд под давлением компрессора через второй впускной клапан 31 из второго подводящего канала 45а, соединенного со вторым впускным каналом 44. Второй воздушный заряд может содержать свежий воздух, рециркулированные выхлопные газы высокого давления (HP-EGR) или смесь свежего воздуха с HP-EGR, вводимые в цилиндр при повышенном давлении после сжатия компрессором 52.
Часть продуктов сгорания может быть выпущена из первого выпускного отверстия 19 цилиндра 14 через первый выпускной клапан 32 в первый отводящий канал 47а, соединенный с первым выпускным каналом 46. Другая часть продуктов сгорания может быть выпущена из второго выпускного отверстия 20 цилиндра 14 через второй выпускной клапан 33 во второй отводящий канал 49а, соединенный со вторым выпускным каналом 48. Выхлопные газы могут быть затем выведены в атмосферу через выхлопную трубу 35. Также первый и второй выпускные каналы может быть соединен ниже по потоку турбины и выше по потоку устройства 72 снижения токсичности выхлопных газов, позволяя выхлопным газам выходить в первый выпускной канал для обработки устройствами 70 и 72 до выведения, при этом позволяя выхлопным газам выходить во второй выпускной канал для обработки устройством 72 до выведения через выхлопную трубу. Дополнительно или по выбору, часть выхлопных газов может быть также рециркулирована из первого отводящего канала 47а в первый подводящий канал 43а через первый канал 80 EGR, и в то же время часть выхлопных газов может быть рециркулирована из второго отводящего канала 49а в первый подводящий канал 45а через второй канал 90 EGR. В других вариантах второй выпускной канал может быть использован для доставки выхлопных газов к первому или второму впускному каналу, а первый выпускной канал может быть использован для доставки выхлопных газов либо к первому, либо ко второму впускному каналу.
В рассмотренном примере первый впускной клапан 30 и второй впускной клапан 31 могут быть активированы соответствующими кулачковыми механизмами впускных клапанов (Фиг.3). Положение кулачков, а также момент открывания впускных клапанов, может быть определен с помощью привода 97 кулачков через кулачковый вал 101. Таким же образом, первый выпускной клапан 32 и второй выпускной клапан 33 могут быть активированы соответствующими кулачковыми механизмами выпускных клапанов (Фиг.3), при этом положение кулачков может быть определено приводом 98 кулачков через кулачковый вал 102. Однако в альтернативном варианте каждый впускной клапан, и каждый выпускной клапан могут иметь независимые клапанные приводы. Также первый впускной и выпускной клапаны может быть соединен с (общим) приводом, при этом второй впускной и выпускной клапаны могут быть подключены к разным приводам. Контроллер 12 может быть использован для регулирования фазы привода 97 впускного клапана в зависимости от условий эксплуатации двигателя для открывания первого впускного клапана 30 в первый момент времени и открывания второго впускного клапана 31 во второй момент времени. Например, первый момент времени можно установить относительно второго момента таким образом, чтобы предоставить цилиндру 14 первый впускной воздушный заряд, содержащий свежий воздух и/или выхлопные газы с более низким давлением и в более ранний момент времени цикла двигателя (например, в начальный момент такта всасывания). При этом цилиндру 14 предоставляют второй впускной воздушный заряд, содержащий свежий воздух и/или выхлопные газы с более высоким давлением в более поздний момент цикла двигателя (например в более поздний момент того же такта всасывания того же цикла двигателя).
Таким же образом, контроллер 12 может быть использован для регулирования фазы привода 98 выпускного клапана в зависимости от условий эксплуатации двигателя для открывания первого выпускного клапана 32 и второго выпускного клапана 33 в указанные моменты времени. В одном случае фаза привода 97 выпускного клапана может быть установлена относительно фазы привода 98, так чтобы открывание и/или закрывание впускных клапанов 30 и 31 было согласовано с открыванием и/или закрыванием соответствующих выпускных клапанов 32 и 33. Например, первый выпускной клапан может быть открыт для выборочного выпуска (или рециркулирования) остаточных выхлопных газов, при этом второй выпускной клапан может быть открыт для выборочного выпуска продувочных газов через турбину для раскрутки связанного с ней компрессора. Пример синхронизации по времени работы первого и второго впускного и выпускного клапанов приведен на Фиг.5.
На Фиг.3 показан альтернативный вид 300 двигателя 10 внутреннего сгорания. Двигатель 10 показан с камерой сгорания 14, трубопроводом 118 хладагента и стенками 136 камеры с расположенным в них поршнем 138, соединенным с коленчатым валом 140. Камера сгорания 14 30 показана сообщающейся с впускным каналом 146 и выпускным каналом 148 через впускной клапан 150 и выпускной клапан 156 соответственно. Как было рассмотрено ранее на Фиг.1, 2, каждый цилиндр 14 двигателя 10 может принимать впускной воздушный заряд через два подводящих канала, и может удалять продукты сгорания через два отводящих канала. На приведенном виде 300 впускной канал 146 и выпускной канал 148 соответствуют первому подводящему и первому отводящему каналам, ведущим к цилиндру/от цилиндра (как, например, каналы 43а и 47а на Фиг.2). При этом второй подводящий и второй отводящий каналы, ведущие к цилиндру/от цилиндра, не видны на данном чертеже. Как было рассмотрено ранее на Фиг.2, каждый цилиндр двигателя 10 может иметь два (или более) впускных клапана и два (или более) выпускных клапана, соединенных с подводящим и отводящим каналами соответственно. На приведенном виде 300 по меньшей мере один из впускных клапанов изображен как впускной трубчатый клапан 150 и по меньшей мере один из выпускных клапанов изображен как тарельчатый выпускной клапан 156, размещенный в верхней области цилиндра 14.
Впускным клапаном 150 и выпускным клапаном 156 можно управлять посредством контроллера 12, используя соответствующие системы кулачкового привода, имеющие один или несколько кулачков. В системе кулачкового привода для регулирования работы клапана может быть использована одна или более из систем переключения профилей кулачков (CPS), систем регулирования времени кулачка (VCT), регулируемых фаз газораспределения (VVT) и/или систем регулирования подъема клапана (VVL). В рассмотренном примере, каждым впускным клапаном 150 управляет впускной кулачок 151, а каждым выпускным клапаном 156 управляет выпускной кулачок 153. Положение впускного клапана 150 и выпускного клапана 156 может определяться датчиками 155 и 157 положения клапана, соответственно. В альтернативных вариантах управление впускным клапаном и/или выпускным клапаном может осуществляться при помощи электрической системы срабатывания клапана. Например, цилиндр 14, в качестве альтернативы, может содержать впускной клапан, регулируемый электрической системой срабатывания клапана, и выпускной клапан, регулируемый системой кулачкового привода, включая систему переключения профилей кулачков (CPS) и/или систему регулирования времени кулачка (VCT). В другом варианте осуществления изобретения впускной и выпускной клапаны могут регулироваться посредством общего привода клапанов или системы приводов, либо привода или системы с различными периодами срабатывания.
В одном случае впускной кулачок 151 имеет отдельные и разные контуры кулачка, что обеспечивает различные профили клапана (например, момент срабатывания клапана, подъем клапана, длительность и др.) для каждого из двух впускных клапанов камеры сгорания 14. Похожим образом, выпускной кулачок 153 имеет отдельные и другие контуры кулачка, что обеспечивает другие профили клапана (например, момент срабатывания клапана, подъем клапана, длительность и др.) для каждого из двух выпускных клапанов цилиндра 14. Альтернативно, выпускной кулачок 153 может иметь общий контур, или похожие контуры, что обеспечивает похожие профили для каждого из выпускных клапанов.
Например, первый профиль кулачка первого впускного клапана камеры сгорания 14 может иметь первое значение подъема и первое значение момента и длительности открывания. Второй профиль кулачка второго впускного клапана камеры сгорания 14 может иметь второе значение подъема и второе значение момента и длительности открывания. В одном случае первое значение подъема клапана может быть меньше второго, первый момент открывания клапана может быть более ранним, чем второй, и/или первое значение длительности открывания клапана может быть меньшим, чем второе. Более того, в некоторых случаях фазу первого и второго профилей кулачка можно индивидуально отрегулировать по отношению к фазе коленчатого вала двигателя. Таким образом, первый профиль впускного кулачка может быть выполнен с возможностью открывания впускного клапана возле верхней мертвой точки (ВМТ) такта всасывания камеры сгорания 14. Следовательно, первый впускной клапан может открываться возле ВМТ и закрываться возле нижней мертвой точки (НМТ) такта всасывания. С другой стороны второй профиль второго кулачка впускного клапана может открыть второй впускной клапан возле НМТ такта всасывания. Таким образом, регулирование момента срабатывания первого и второго впускных клапанов может отделить первый воздушный заряд, доставляемый посредством первого впускного канала, от второго воздушного заряда, полученного из второго впускного канала.
Таким же образом для различных выпускных клапанов могут быть использованы различные профили кулачка для того, чтобы отделить выхлопные газы, удаляемые при давлении цилиндра, от выхлопных газов, удаляемых при давлении выхлопа. Например, профиль первого кулачка выпускного клапана может открывать первый выпускной клапан после прохождения НМТ в такте расширения (рабочем такте). С другой стороны профиль второго кулачка выпускного клапана может быть выполнен с возможностью открывания второго выпускного клапана в НМТ такта расширения, следовательно, второй выпускной клапан может открываться и закрываться перед НМТ такта расширения. Также профиль второго кулачка можно регулировать в соответствии с частотой двигателя, чтобы настроить открывание и закрывание выпускного клапана для выборочного выпуска продувочного газа камеры сгорания. Таким образом, путем регулирования времени срабатывания первого и второго выпускных клапанов можно изолировать продувочные газы цилиндра от остаточных газов. Хотя в вышеизложенном примере время срабатывания первого выпускного клапана более позднее в цикле двигателя, чем время срабатывания второго выпускного клапана, следует понимать, что в другом примере время срабатывания первого выпускного клапана может быть более ранним в цикле двигателя, чем время срабатывания второго выпускного клапана. Например, в условиях переменной нагрузки, второй выпускной клапан может быть открыт после открывания первого выпускного клапана.
Пропускание части выхлопных газов (например, большего давления) через турбину и выпускной канал более высокого давления, когда оставшуюся часть выхлопных газов (например, низкого давления) пропускают через устройства каталитической нейтрализации и выпускной канал более низкого давления, тепло, полученное от выхлопных газов, может быть увеличено, тем самым улучшая эффективность работы турбины. Путем согласования времени срабатывания выпускных клапанов, а также впускных клапанов, часть остаточных выхлопных газов можно предоставить для обеспечения рециркуляции выхлопных газов, при этом другая часть раскручивает компрессор турбокомпрессора. Также в одном варианте двигатель может быть разделен на безнаддувную часть, работающую на низком давлении, и часть с наддувом, работающую на повышенном давлении, что обеспечивает различные синергетические преимущества системы рециркуляции выхлопных газов и наддува. Кроме того, данная конфигурация позволяет работать двигателю с меньшей турбиной и меньшим компрессором, при этом с меньшим провалом тяги на низких оборотах.
В других вариантах осуществления изобретения оба выпускных клапана могут быть открыты одновременно для обеспечения эффекта сбрасывающей заслонки (waste-gate, вестгейта). Таким же образом оба впускных клапана могут быть открыты одновременно для имитации свойства перепускного клапана компрессора. В связи с этим может быть использовано преимущество от разделенного впускного коллектора даже при отсутствии разделенного выпускного коллектора. Также можно получить преимущество даже в случае отсутствия каналов EGR. Например, можно добиться эффекта сбрасывающей заслонки и перепускного клапана компрессора и при одном или более каналах EGR, и при их отсутствии между разделенными каналами впуска и выпуска.
Датчик 128 выхлопных газов показан соединенным с выпускным каналом 148. Датчик 128 может быть расположен в выпускном канале выше по потоку одного или нескольких устройств для снижения токсичности выхлопных газов, например, устройств 70 и 72, изображенных на Фиг.1, 2. В качестве датчика 128 может использоваться любой подходящий сенсорный прибор для обеспечения индикации соотношения воздух/топливо в выхлопных газах, например линейный датчик содержания кислорода или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик содержания кислорода в выхлопных газах), бистабильный датчик содержания кислорода или EGO (как изображено), HEGO (нагретый EGO), датчик NOx, датчик НС или датчик СО. Устройства для снижения токсичности выхлопных газов, расположенные ниже по потоку, могут представлять собой один или нескольких тройных катализаторов (TWC), уловителей оксидов азота, различных других устройств снижения токсичности выхлопных газов или их комбинаций.
Температуру выхлопных газов можно оценить с помощью одного или нескольких датчиков температуры (не показаны), расположенных в выпускном канале 148. В ином случае температуру выхлопных газов можно определить на основании режима эксплуатации двигателя, например частоты, нагрузки, соотношения воздух/топливо (AFR), позднее зажигание и др.
Цилиндр 14 может иметь коэффициент сжатия, выражающийся соотношением объема, когда поршень 138 находится в НМТ, к объему, когда поршень 138 находится в ВМТ. Следовательно, коэффициент сжатия находится в диапазоне от 9/1 до 10/1. Однако в некоторых случаях при использовании различных видов топлива, коэффициент сжатия может быть увеличен. Это может случиться, например, когда используется высокооктановое топливо или топливо с более высокой латентной энтальпией парообразования. Также коэффициент сжатия может быть увеличен при использовании прямого впрыска из-за его влияния на работу двигателя с детонацией.
В некоторых вариантах осуществления изобретения каждый цилиндр двигателя 10 может содержать свечу 192 зажигания для инициации сгорания. Система 190 зажигания предоставляет камере сгорания 14 искру зажигания посредством свечи 192 зажигания в соответствии с сигналом SA раннего зажигания от контроллера 12, в выбранных режимах работы. Однако в некоторых вариантах осуществления изобретения свеча зажигания 192 может не использоваться, например, в случае, когда двигатель 10 может инициировать сгорание путем автоматического зажигания или впрыска топлива, что может иметь место в случае с некоторыми дизельными двигателями.
В некоторых вариантах осуществления изобретения каждый цилиндр двигателя 10 может быть выполнен с одним или несколькими топливными инжекторами для обеспечения цилиндра топливом. В качестве неограничивающего примера, цилиндр 14 показан имеющим один топливный инжектор 166. Топливный инжектор 166 показан соединенным непосредственно с цилиндром 14 для прямого впрыска в него топлива в соответствии с шириной импульса сигнала FPW, полученного от контроллера 12 через электронный драйвер 168. Таким образом, топливный инжектор 166 обеспечивает так называемый прямой впрыск (далее ПВ) топлива в камеру сгорания цилиндра 14. Несмотря на то, что на Фиг.3 инжектор 166 показан как боковой инжектор, его можно расположить над поршнем, например возле свечи зажигания 192. Такое положение может улучшить смешивание и воспламенение при работе двигателя на спиртовом топливе благодаря низкой летучести некоторых видов спиртового топлива. В другом примере, инжектор можно расположить сверху и возле впускного клапана для улучшения смешивания. В альтернативном варианте осуществления изобретения инжектор 166 может представлять собой форсунку распределенного впрыска, подающую топливо во впускной канал выше по потоку цилиндра 14.
Топливо может быть доставлено к топливному инжектору 166 из топливной системы 8 высокого давления, в которую входят топливные баки, топливные насосы и топливная направляющая-распределитель. В ином случае топливо может быть доставлено посредством одноступенчатого топливного насоса при низком давлении. В этом случае время прямого впрыска топлива может быть ограничено в ходе такта сжатия, чего не происходит при использовании топливной системы высокого давления. Также топливные баки (не показаны) могут иметь датчик давления, направляющий сигнал контроллеру 12. Топливные баки топливной системы 8 могут содержать в себе топливо различного качества, например, топливо различного состава. Данные различия могут заключаться в различном содержании спирта, различном октановом числе, различной температуре испарения, различной топливной смеси и/или комбинации перечисленных элементов. В некоторых вариантах осуществления изобретения топливная система 8 может быть соединена с системой восстановления паров топлива, в которую входят бачок пароулавливателя для хранения топливных суточных паров. Пары топлива можно выпустить из бачка в цилиндры двигателя в процессе работы двигателя при достижении условий очистки. Например, выдуваемые пары могут быть доставлены в цилиндр без наддува через первый впускной канал при атмосферном или более низком давлении.
Контроллер 12 показан на Фиг.3 как обычный микрокомпьютер, включающий: микропроцессор 106, порты ввода/вывода 108, электронный носитель информации для извлекаемых программ и эталонных значений, изображенных в данном частном случае как микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 110, оперативное запоминающее устройство 112, энергонезависимое запоминающее устройство 114 и обычную шину данных. ПЗУ 110 может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими собой инструкции, выполняемые процессором 106, для осуществления способов и программ, описанных ниже, а также других предполагаемых, но не перечисленных вариантов. Контроллер 12 может принимать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10. В дополнение к ранее рассмотренным сигналам, сюда входят следующие: измерение расхода воздуха (MAF) с помощью датчика 122 расхода воздуха; температуры хладагента двигателя (ЕСТ) от датчика температуры 116, установленного на трубопроводе 118 хладагента; сигнал профиля зажигания (PIP) от датчика 120 на эффекте Холла (или другого типа), соединенного с коленвалом 140; положение дроссельной заслонки (ТР) от датчика положения дроссельной заслонки; абсолютное давление во впускном коллекторе (MAP) от датчика 124; отношение воздух/топливо (AFR) от датчика 128 (EGO); и сигнал о ненормальном воспламенении от датчика детонации и датчика ускорения коленвала. Сигнал частоты двигателя (RMP, об/мин) может быть получен контроллером 12 из сигнала профиля зажигания (PIP). Сигнал давления в коллекторе (MAP) от датчика давления может быть использован для обеспечения индикации вакуума, или давления, во впускном коллекторе.
Основываясь на входных сигналах от одного или нескольких вышеупомянутых датчиков, контроллер 12 может производить регулирование одного или нескольких приводов, таких как топливный инжектор 166, дроссельная заслонка 162, свеча 199 зажигания, впускные/выпускные клапаны и кулачки, и др. Контроллер может принимать входные данные от различных датчиков, обрабатывать их и активировать приводы в ответ на результаты обработки данных на основании инструкций или программного кода, соответствующих одной или нескольким рассмотренным здесь программам. Пример программы управления приведен здесь со ссылкой на Фиг.4.
На Фиг.4 показан пример последовательности действий 400 для доставки первого воздушного заряда в цилиндр двигателя через первый впускной канал, при этом второй воздушный заряд доставляется в цилиндр двигателя через второй, параллельный ему отдельный впускной канал. Первый и второй воздушные заряды могут иметь разный состав (например, различные соотношения свежего воздуха и выхлопных газов), различные давления (например, один воздушный заряд с повышенным давлением наддува, другой заряд с пониженным давлением ниже атмосферного), различные температуры (например, один воздушный заряд, нагретый до более высокой температуры, другой воздушный заряд, охлажденный до более низкой температуры), и т.д. Также различные воздушные заряды могут быть доставлены в различные моменты времени для того, чтобы ступенчато распределить их доставку в процессе такта всасывания.
На этапе 402 можно произвести определение и/или измерение условий эксплуатации двигателя, которые могут включать в себя, например, температуру и давление окружающей среды, температуру двигателя, частоту вращения двигателя, частоту вращения коленвала, скорость трансмиссии, состояние заряда аккумулятора, доступное топливо, содержание спирта в топливе, температуру каталитического нейтрализатора, необходимый крутящий момент и др.
На этапе 404 на основании данных о режиме эксплуатации двигателя можно определить требуемый воздушный заряд. Процесс может заключаться в определении количества свежего воздуха для впуска, количества выхлопных газов и степени наддува. Также можно определить отношение свежего всасываемого воздуха, которое нужно доставить при атмосферном или более низком давлении, к свежему всасываемому воздуху, которое нужно доставить под давлением наддува (компрессора). Таким же образом, можно определить отношение выхлопных газов, поставляемое при высоком давлении, к выхлопным газам, поставляемым при низком давлении.
В одном примере, в случае большего значения требуемого крутящего момента, требуемый заряд воздуха может иметь большее количество свежего всасываемого воздуха и меньшее количество выхлопных газов. Также воздушный заряд может содержать большее количество наддувочного свежего воздуха и меньшее количество свежего воздуха при атмосферном или более низком давлении. В другом случае при средних и высоких нагрузках двигателя, когда двигатель находится в нагретом состоянии, требуемый заряд воздуха может иметь большее количество рециркулированных выхлопных газов и меньшее количество свежего всасываемого воздуха. Также воздушный заряд может содержать большее количество рециркулированных выхлопных газов низкого давления и меньшее количество рециркулированных выхлопных газов с высоким давлением.
Основываясь на значении требуемого воздушного заряда, далее программа может определить первый воздушный заряд, который нужно доставить в цилиндр двигателя по первому впускному каналу при первом, более низком, давлении (например, атмосферном или более низком давлении), а также второй воздушный заряд, который нужно доставить в цилиндр двигателя по второму впускному каналу при втором, более высоком, давлении (например, давлении наддува). В частности, первый и второй воздушные заряды могут быть смешаны в цилиндре для обеспечения требуемого общего воздушного заряда. Первый воздушный заряд, поставляемый по первому впускному каналу, может содержать свежий воздух, рециркулированные выхлопные газы низкого давления или их комбинацию, которые поставляются при атмосферном или более низком давлении. Таким же образом, второй воздушный заряд, поставляемый по второму впускному каналу, может содержать свежий воздух, EGR высокого давления или их комбинацию, которые поставляются при давлении наддува или компрессора. Различные комбинации первого и второго воздушного зарядов, которые можно доставить в цилиндр по первому и второму впускным каналам, далее рассматриваются здесь со ссылкой на Фиг.6.
На этапе 406 можно определить настройки для первого и второго клапанов выхлопных газов на основании требуемого воздушного заряда. Например, на основании требуемого воздушного заряда первый клапан EGR в первом канале EGR может быть открыт для рециркулирования первого количества выхлопных газов из первого выпускного канала в первый впускной канал. Здесь первое количество выхлопных газов может иметь первое, более низкое, давление (атмосферное или ниже), тем самым обеспечив EGR низкого давления. В другом примере, на основании требуемого воздушного заряда второй клапан EGR во втором, отдельном, канале EGR может быть открыт для рециркулирования второго количества выхлопных газов из второго выпускного канала во второй впускной канал. Как уже было отмечено, второй выпускной канал может быть расположен параллельно первому выпускному каналу, второй впускной канал может быть расположен параллельно первому впускному каналу, а второй канал выхлопных газов может быть расположен параллельно первому каналу выхлопных газов, даже несмотря на то, что все каналы можно отделить друг от друга. Здесь второе количество выхлопных газов может иметь второе и более высокое давление (наддува или компрессора), тем самым обеспечивая EGR высокого давления. Таким образом, второй клапан EGR может быть открыт для доставки второго количества выхлопных газов из места выше по потоку турбины турбокомпрессора, соединенной со вторым выпускным каналом, к месту ниже по потоку компрессора турбокомпрессора, соединенного со вторым впускным каналом.
На этапе 408 на основании требуемого воздушного заряда можно определить время срабатывания первого впускного клапана для доставки первого воздушного заряда цилиндру через первый впускной клапан, соединенный с первым впускным каналом, а также время срабатывания второго впускного клапана для доставки второго воздушного заряда в цилиндр через второй впускной клапан, соединенный со вторым впускным каналом. В одном примере, когда первый и второй впускные клапаны соединены с приводом впускного клапана, фазу привода можно отрегулировать на открывание первого впускного клапана в первый момент срабатывания первого впускного клапана, и открывание второго впускного клапана во второй момент срабатывания второго впускного клапана. Момент срабатывания первого впускного клапана можно отрегулировать относительно момента срабатывания второго впускного клапана, основываясь на условиях эксплуатации двигателя. Таким образом, первый момент срабатывания можно отрегулировать на более раннее срабатывание в цикле двигателя, чем второй. Например, как изображено на Фиг.5, момент срабатывания первого впускного клапана можно сделать более ранним в такте всасывания (то есть ближе к ВМТ такта), в то время как момент срабатывания второго впускного клапана в том же такте всасывания можно сделать более поздним (то есть дальше от ВМТ такта).
Кроме момента срабатывания первого и второго впускных клапанов, можно определить значение подъема клапана, а также длительность открывания для каждого впускного клапана. Соответствующим образом можно отрегулировать фазу привода впускного клапана. В одном случае первый впускной клапан может быть открыт на первое значение подъема клапана, при этом второй впускной клапан может быть открыт на второе значение подъема клапана. Например, как изображено на Фиг.5, первое значение подъема первого впускного клапана может быть меньше, чем второе значение подъема второго впускного клапана. В другом случае первый впускной клапан может быть открыт на первую величину длительности открывания клапана, при этом второй впускной клапан может быть открыт на вторую величину длительности открывания клапана. Например, как изображено на Фиг.5, первый впускной клапан может быть открыт на меньшее время, чем второй впускной клапан.
Таким же образом, можно определить время срабатывания первого выпускного клапана, соединенного с первым выпускным каналом, а также время срабатывания второго выпускного клапана, соединенного со вторым выпускным каналом. В одном случае, когда первый и второй выпускные клапаны соединены с приводом выпускного клапана, фазу привода можно отрегулировать на открывание первого выпускного клапана в первый момент срабатывания первого выпускного клапана, и открывание второго выпускного клапана во второй момент срабатывания второго выпускного клапана. Моменты срабатывания первого и второго впускных клапанов" можно выбрать, основываясь на условиях эксплуатации двигателя. В одном случае, как изображено на Фиг.5, первый и второй выпускные клапаны могут быть открыты в одно и то же время срабатывания выпускного клапана. В другом примере, моменты открывания можно разнести во времени.
Также можно отрегулировать фазу привода впускного и выпускного клапанов для того, чтобы согласовать время срабатывания выпускных и впускных клапанов. Таким образом, время срабатывания первого впускного клапана может основываться на времени срабатывания первого выпускного клапана (например, момент срабатывания первого впускного клапана может запаздывать на заданное значение по отношению ко времени срабатывания первого выпускного клапана), при этом время срабатывания второго впускного клапана может основываться на времени срабатывания второго выпускного клапана (например, момент срабатывания второго впускного клапана может запаздывать на заданное значение по отношению ко времени срабатывания второго выпускного клапана).
На этапе 410 на основании требуемого воздушного заряда и условий эксплуатации двигателя, можно определить настройки впускных воздушных дроссельных заслонок, соединенных с каждым впускным каналом. Также можно определить настройки топливного инжектора (например, время срабатывания, количество впрыскиваемого топлива, длительность открывания и др.), также как и настройки турбокомпрессора. Например, можно определить настройки компрессора турбокомпрессора, соединенного со вторым впускным каналом, основываясь на значении требуемого наддува (например, на значении нагнетаемого воздушного заряда).
На этапе 412 на основании определенных настроек клапана EGR могут быть открыты первый и второй клапаны выхлопных газов. Таким образом, алгоритм предусматривает открывание первого клапана EGR в первом канале для рециркулирования первого количества выхлопных газов с атмосферным или меньшим давлением из первого выпускного канала в первый впускной канал. Алгоритм также предусматривает открывание второго клапана EGR во втором канале для рециркулирования второго количества выхлопных газов с давлением компрессора (то есть давлением наддува) из второго выпускного канала, расположенного выше по потоку турбины турбокомпрессора, во второй впускной канал, расположенный ниже по потоку компрессора турбокомпрессора.
На этапе 414 осуществляют открывание первого впускного клапана первого впускного канала в момент срабатывания первого клапана для доставки первого (без наддува) воздушного заряда в цилиндр при атмосферном или меньшем давлении. На этапе 416 осуществляют открывание второго впускного клапана второго впускного канала в момент срабатывания второго клапана для доставки второго (нагнетаемого) воздушного заряда в цилиндр при давлении компрессора. В связи с этим, обеспечение второго нагнетаемого воздушного заряда заключается в задействовании компрессора турбокомпрессора, соединенного со вторым впускным каналом (и не соединенного с первым впускным каналом), согласно определенным настройкам наддува.
Как далее показано на Фиг.6, первый и второй воздушные заряды могут иметь различные комбинации свежего воздуха и рециркулированных выхлопных газов при различных давлениях. Например, первый воздушный заряд, доставляемый в цилиндр, может содержать первое количество свежего всасываемого воздуха и первое количество выхлопных газов (низкого давления) при атмосферном или более низком давлении, в то время как второй воздушный заряд, доставляемый в цилиндр, может содержать второе количество свежего всасываемого воздуха и второе количество рециркулированных выхлопных газов (высокого давления) при давлении наддува.
На этапе 418 осуществляют прямой впрыск топлива в цилиндр, и смешивание в нем первого воздушного заряда со вторым, а также с впрыскиваемым топливом. Далее может быть воспламенена смесь впрыскиваемого топлива с первым и вторым воздушными зарядами. В одном примере, где первый впускной воздушный заряд содержит только выхлопные газы, а второй впускной воздушный заряд содержит только свежий воздух, свежий воздух и выхлопные газы могут быть доставлены в цилиндр по раздельным впускным каналам. Затем заряды могут быть смешаны, как только они окажутся в цилиндре. Смешанные воздушные заряды затем могут быть смешаны с впрыскиваемым топливом и воспламенены в камере сгорания цилиндра. В одном примере, где первый впускной воздушный заряд содержит только EGR низкого давления, а второй впускной воздушный заряд содержит только EGR высокого давления, выхлопные газы с разным давлением могут быть доставлены в цилиндр по раздельным впускным каналам. Затем заряды могут быть смешаны, как только они окажутся в цилиндре. Подобным образом, в примере, в котором первый впускной воздушный заряд состоит из свежего воздуха с атмосферным или более низким давлением, а второй впускной воздушный заряд состоит из нагнетаемого свежего воздуха, свежий воздух с разным давлением может быть доставлен в цилиндр по раздельным впускным каналам. Затем заряды могут быть смешаны, как только они окажутся в цилиндре.
В еще одном примере, где первый и второй воздушные заряды содержат по меньшей мере некоторое количество свежего воздуха и некоторое количество выхлопных газов, первое количество выхлопных газов низкого давления может быть смешано с первым количеством свежего воздуха с атмосферным или более низким давлением в первом впускном канале для формирования первого воздушного заряда. При этом второе количество EGR высокого давления может быть смешано со вторым количеством нагнетаемого свежего воздуха с давлением компрессора во втором впускном канале для формирования второго воздушного заряда. Затем каждый воздушный заряд может быть отдельно доставлен в цилиндр двигателя и только после этого они могут быть смешаны, вместо того, чтобы смешивать их раньше во впускном канале. Смесь газовых зарядов далее можно смешать с инжектируемым топливом и воспламенить в камере сгорания цилиндра.
В этом случае различные воздушные заряды могут быть доставлены к цилиндру по отдельности, но смешаны непосредственно в нем, для обеспечения однородности воздушного заряда цилиндра. Позволяя обеспечивать однородность воздушного заряда в цилиндре, можно улучшить рабочие характеристики и преимущества двигателя и системы рециркуляции выхлопных газов. Путем регулирования первого момента срабатывания первого впускного клапана относительно второго момента срабатывания второго впускного клапана, а также момента срабатывания первого и второго выпускных клапанов, можно доставлять различные воздушные заряды в различное время, но смешивая их только в цилиндре для обеспечения однородности окончательного воздушного заряда цилиндра.
На Фиг.5 карта 500 изображает пример настройки моментов срабатывания впускного и выпускного клапанов по отношению к положению поршня, для цилиндра двигателя, выполненного таким образом, чтобы получать первый воздушный заряд из первого впускного канала через первый впускной клапан, второй воздушный заряд из второго, отдельного, впускного канала через второй, другой, впускной клапан, а также выпускать продукты сгорания в первый выпускной канал через первый выпускной клапан и во второй, другой, выпускной канал через второй выпускной клапан. Путем регулирования первого момента срабатывания первого впускного клапана относительно второго момента срабатывания второго впускного клапана, а также момента срабатывания первого и второго выпускных клапанов, можно доставлять различные воздушные заряды в различное время для обеспечения некоторой стратификации, но смешивая их только в цилиндре для обеспечения однородного окончательного воздушного заряда цилиндра.
Карта 500 иллюстрирует положение двигателя вдоль оси X, выраженное в углах поворота коленчатого вала (УПК). Кривая 502 показывает положения поршня (вдоль оси Y), со ссылкой на его положение между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ), а также со ссылкой на его положение в пределах четырех тактов (всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска) двигателя.
Во время работы, каждый цилиндр двигателя обычно проходит четырехтактный цикл, включающий в себя такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. Во время такта впуска, как правило, выпускные клапаны закрываются, а впускные клапаны открываются. Воздух подается в камеру сгорания через соответствующий впускной коллектор, и поршень перемещается по направлению к нижней части цилиндра для того, чтобы увеличить объем внутри камеры сгорания. Положение, при котором поршень находится рядом с нижней частью цилиндра и в конце своего такта (например, когда объем камеры сгорания максимален) обычно специалисты в данной области техники называют «нижней мертвой точкой» (НМТ). Во время такта сжатия впускные клапаны и выпускные клапаны закрыты. Поршень двигается по направлению к головке цилиндров, чтобы сжать воздух внутри камеры сгорания. Точка, в которой поршень находится в конце своего хода и наиболее близко к головке цилиндров (т.е. когда камера сгорания имеет наименьший объем) специалисты в данной области обычно называют «верхней мертвой точкой» (ВМТ). В процессе, здесь и далее обозначаемом «впрыскивание», топливо поступает в камеру сгорания. В процессе, здесь и далее обозначаемом «зажигание», впрыснутое топливо воспламеняют с помощью известных способов зажигания, таких как свеча зажигания, что приводит к сгоранию. Во время рабочего хода расширяющиеся газы толкают поршень обратно к НМТ. Коленчатый вал превращает движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время хода выпуска, выпускные клапаны открываются, чтобы выпустить воспламененную смесь воздуха и топлива в выпускной коллектор, а поршень возвращается к ВМТ.
Кривая 504 показывает момент срабатывания, подъем и длительность открывания первого впускного клапана (Вп_1), соединенного с первым впускным каналом цилиндра двигателя. При этом кривая 506 показывает момент срабатывания, подъем и длительность открывания второго впускного клапана (Вп_2), соединенного со вторым впускным каналом цилиндра двигателя. Кривые 508а и 508b показывают момент срабатывания, подъем и длительность открывания второго выпускного клапана (Вып_2), соединенного со вторым выпускным каналом цилиндра двигателя. При этом кривые 510а и 510b показывают момент срабатывания, подъем и длительность открывания первого выпускного клапана (Вып_1), соединенного с первым выпускным каналом цилиндра двигателя. Как уже было отмечено, первый и второй впускные каналы могут быть отделены друг от друга, но расположены параллельно. Подобным образом, первый и второй выпускные каналы могут быть отделены друг от друга, но расположены параллельно. Также первый впускной канал может быть соединен с первым выпускным каналом через первый канал EGR, тогда как второй впускной канал может быть соединен со вторым выпускным каналом через второй канал EGR.
В проиллюстрированном примере первый клапан открыт в первый момент времени (кривая 502), являющимся более ранним в цикле двигателя, чем второй (кривая 504), когда открывается второй впускной клапан. В частности, первый момент срабатывания для первого впускного клапана ближе к ВМТ такта всасывания, прямо перед УПК2 (например, в момент ВМТ или перед ним). По сравнению с этим, второй момент срабатывания для второго впускного клапана запаздывает от ВМТ такта всасывания, то есть после УПК2, но перед УПК3. В этом случае первый впускной клапан может быть открыт в момент начала такта всасывания или перед ним, и закрыт в любое время перед его окончанием, в то время как второй впускной клапан может быть открыт после начала такта всасывания и оставлен открытым до начала такта сжатия.
Кроме того, первый впускной клапан может быть открыт в первый момент срабатывания с первым, меньшим, значением подъема L1 клапана, при этом второй впускной клапан может быть открыт во второй момент срабатывания со вторым, большим значением подъема L2 клапана. Также первый впускной клапан может быть открыт в первый момент срабатывания на первое, меньшее, время D1 открывания клапана, а второй впускной клапан может быть открыт во второй момент срабатывания на второе и большее время D2 открывания клапана.
В одном примере, когда первый и второй впускные клапаны соединены с приводом впускного клапана, фазу привода можно отрегулировать на открывание первого впускного клапана в первый момент срабатывания первого впускного клапана, а открывание второго впускного клапана во второй момент срабатывания второго впускного клапана. Также можно отрегулировать фазу привода для открывания первого впускного клапана с первым значением подъема клапана на первое время открывания, и для открывания второго впускного клапана со вторым значением подъема клапана на второе время открывания. В то время как рассмотренный пример иллюстрирует различные моменты времени срабатывания, подъем и длительность открывания для различных впускных клапанов, следует понимать, что в альтернативных вариантах осуществления изобретения впускные клапаны могут иметь те же значения подъема клапана и/или длительности открывания, тогда как моменты открывания разнесены во времени.
Возвращаясь к выпускным клапанам, кривые 508а и 510а показывают первый пример настройки времени срабатывания выпускного клапана, в котором как первый, так и второй выпускные клапаны (Вып_1 и Вып_2) открываются в одно время, начиная по существу в НМТ такта выпуска, на значении УПК1 или около него, и заканчивая по существу в ВМТ такта выпуска, на значении УПК2 или около него. Таким образом, в первом примере первый и второй выпускные клапаны могут работать в процессе такта выпуска. Кроме того, в этом примере как первый, так и второй выпускной клапаны открываются с одинаковым подъемом L3 и одинаковой длительностью открывания D3. В приведенном примере, значение подъема клапана L3 меньше значения L2, но больше значения L1 для впускных клапанов. В одном случае значение подъема клапана L3 является средним значением для L1 и L2.
Кривые 508b и 510b показывают второй пример настройки момента срабатывания выпускных клапанов, в котором моменты срабатывания первого и второго выпускных клапанов разнесены во времени. Таким образом, второй выпускной клапан открывается ближе к (или в момент) НМТ рабочего такта (расширения) при значении УПК1 или непосредственно перед ним, в то время как время срабатывания первого выпускного клапана запаздывает от НМТ рабочего такта, после значения УПК1, но перед значением УПК2. В этом случае второй выпускной клапан может быть открыт в момент начала такта выпуска или перед ним, как только поршень коснется дна в конце рабочего такта, и может быть закрыт перед окончанием такта выпуска. С другой стороны, первый выпускной клапан может быть открыт после начала такта выпуска и оставлен открытым по меньшей мере до начала такта всасывания. В дополнение к этому, второй выпускной клапан может быть открыт со вторым, меньшим, значением подъема L4 клапана, при этом первый выпускной клапан может быть открыт с первым, большим, значением подъема L5 клапана. Также первый второй выпускной клапан может быть открыт на первое, меньшее, время открывания D4 клапана, при этом первый выпускной клапан может быть открыт на второе, большее, время открывания D2 открывания клапана. В показанном примере момент срабатывания первого выпускного клапана является более поздним в цикле двигателя, чем момент срабатывания второго выпускного клапана. Однако в альтернативном варианте осуществления изобретения, например, при условиях нагрузки, момент срабатывания первого выпускного клапана может быть более ранним в цикле двигателя, чем момент срабатывания второго выпускного клапана. В других примерах, оба выпускных клапана могут быть открыты одновременно создания эффекта сбрасывающей заслонки. Таким же образом, оба впускных клапана могут быть открыты одновременно для создания эффекта перепускного клапана компрессора.
В одном примере профиль кулачка второго выпускного клапана может быть отрегулирован для открывания и закрывания второго выпускного клапана в НМТ такта расширения и выборочного выпуска продувочных газов цилиндра во второй выпускной канал. С другой стороны, профиль кулачка первого выпускного клапана может быть отрегулирован для открывания клапана после прохождения НМТ такта расширения и выборочного выпуска остаточных газов из цилиндра в первый выпускной канал.
В одном примере, когда первый и второй выпускные клапаны соединены с приводом выпускного клапана, фаза привода может быть отрегулирована на открывание первого выпускного клапана в первый момент срабатывания первого выпускного клапана и на открывание второго выпускного клапана во второй момент (такой же или другой) срабатывания второго выпускного клапана. Также может быть отрегулирована фаза привода для открывания первого выпускного клапана с первым значением подъема клапана на первое время открывания, и для открывания второго впускного клапана со вторым (таким же или другим) значением подъема клапана на второе (такое же или другое) время открывания. Например, фаза привода впускного клапана может быть отрегулирована на основании фазы привода выпускного клапана, для согласования разнесенных во времени моментов срабатывания впускного клапана (как показано на кривых 504, 506) и выпускного клапана (как показано на кривых 508b, 510b). Кроме того, можно регулировать значение наложения между моментами срабатывания впускного и выпускного клапанов для регулирования количества EGR, попадающих в цилиндр. В других примерах, оба выпускных клапана могут быть открыты одновременно обеспечения эффекта сбрасывающей заслонки. Таким же образом, оба впускных клапана могут быть открыты одновременно для обеспечения эффекта перепускного клапана компрессора. Таким же образом, можно регулировать значение перекрытия клапанов между выпускными клапанами на основании требуемой регуляции давления наддува, а также можно регулировать значение перекрытия клапанов между впускными клапанами на основании требуемого перепуска компрессора.
В этом случае использование различных моментов времени открывания выпускного клапана может способствовать увеличению эффективности двигателя и уменьшению выбросов, путем разделения выхлопных газов, выпускаемых при большем давлении (например, расширение продувочных выхлопных газов в цилиндре перед моментом, когда поршень цилиндра достигает НМТ такта расширения), и выхлопных газов, выпускаемых при более низком давлении (например, остаточные выхлопные газы, которые остаются в цилиндре после продувки), и их направления по разным выпускным каналам. В особенности, энергия выхлопа можно передана от продувочных газов в один или два выпускных канала для раскрутки турбины турбокомпрессора (которая в свою очередь раскручивает компрессор турбокомпрессора) или для обеспечения EGR с более высоким давлением. В то же время остаточные газы могут быть направлены в другой из двух выпускных каналов для нагрева каталитического нейтрализатора, тем самым сокращая выбросы или обеспечивая EGR с меньшим давлением. В этом случае выхлопные газы могут быть использованы более эффективно, чем при простом направлении всех выхлопных газов в цилиндр через одно общее выпускное отверстие турбины турбокомпрессора. В связи с этим можно достичь нескольких преимуществ. Например, можно увеличить среднее давление выхлопных газов, поданных к турбокомпрессору, увеличивая тем самым его выходную мощность. Кроме того, можно увеличить экономию топлива и снизить выброс твердых частиц путем уменьшения времени разогрева двигателя. Также данным способом можно уменьшить выбросы двигателя, так как по меньшей мере часть выхлопных газов цилиндра направлена из цилиндра к каталитическому нейтрализатору.
Различные примеры воздушных зарядов, доставляемых в цилиндр по первому и второму впускным каналам, рассмотрены здесь со ссылкой на Фиг.6. Так, в таблице 600 приведен пример комбинаций первого воздушного заряда, доставляемого в цилиндр по первому впускному каналу через первый впускной клапан в первый, более ранний момент срабатывания впускного клапана, и второго воздушного заряда, доставляемого в цилиндр по второму впускному каналу через второй впускной клапан во второй, более поздний момент срабатывания впускного клапана. В связи с этим первый и второй воздушные заряды могут быть доставлены отдельно и затем смешаны (впервые) в цилиндре друг с другом и с впрыскиваемым напрямую топливом, перед зажиганием смеси.
В одном случае при первом условии (Условие_1), первый воздушный заряд, доставляемый по первому впускному каналу, может содержать свежий воздух при атмосферном или более низком давлении (без наддува). В то же время второй воздушный заряд может содержать наддувочный свежий воздух, доставляемый по второму впускному каналу под давлением компрессора. Здесь, за счет подачи в цилиндр двигателя свежего воздуха при атмосферном давлении и давлении наддува по разделенным впускным каналам, можно провести часть воздушного заряда с атмосферным давлением без затрат работы сжатия (турбокомпрессора), нагнетая лишь часть воздушного заряда, который требуется сжать. В этом случае можно добиться увеличения температурной эффективности.
В другом случае при втором условии (Условие_2), первый воздушный заряд, доставляемый по первому впускному каналу, может содержать по меньшей мере некоторое количество рециркулированных выхлопных газов при атмосферном или более низком давлении (без наддува). В этом случае EGR низкого давления могут быть рециркулированы из первого выпускного канала к первому впускному каналу. В то же время второй воздушный заряд может содержать наддувочный свежий воздух, доставляемый по второму впускному каналу под давлением компрессора.
Здесь, за счет обеспечения EGR низкого давления и нагнетаемого свежего воздуха по разделенным впускным каналам, можно держать EGR низкого давления в стороне от канала наддува. Это дает несколько преимуществ. Во-первых, работа сжатия турбокомпрессора не расходуется на доставку EGR. В результате улучшается эффективность сжатия турбокомпрессора. Во-вторых, при изолировании EGR низкого давления от компрессора турбокомпрессора снижается загрязнение турбокомпрессора. В-третьих, так как нагнетаемый свежий воздушный заряд не разбавляется EGR, достигается температурное преимущество в том, что не требуется охладитель воздушного заряда для снижения температуры впускного свежего воздуха. В-четвертых, путем отделения нагнетаемого воздушного заряда от воздушного заряда с EGR можно уменьшить задержки как системы управления наддувом, так и системы управления рециркуляцией выхлопных газов, обеспечивая синергические преимущества. И наконец, разделяя общий воздушный заряд на часть, доставляемую по впускному каналу естественного давления (то есть без наддува) и часть, доставляемую компрессором, снижается требуемая работа компрессора, предоставляя улучшение термодинамического КПД. В связи с этим может быть использован меньший турбокомпрессор (с меньшим компрессором и/или турбиной) без потери эффективности наддува, снижая при этом провал тяги турбины при низких оборотах.
В качестве другого примера, при третьем условии (Условие_3), первый воздушный заряд, доставляемый по первому впускному каналу, может содержать смесь свежего воздуха и выхлопных газов при атмосферном или более низком давлении (без наддува). Таким образом, первое количество EGR низкого давления может быть смешано с первым количеством свежего воздуха при атмосферном или более низком давлении, и доставлено к цилиндру через первый впускной канал. В то же время второй воздушный заряд может содержать наддувочный свежий воздух (при давлении компрессора). Здесь, как и в предыдущем случае (при условии_2), предоставляя по меньшей мере некоторое количество EGR через впускной канал, который отделен от впускного канала с компрессором, можно уменьшить загрязнение турбокомпрессора, задержки в управлении турбокомпрессором и системой рециркуляции выхлопных газов, улучшить эффективность турбокомпрессора, и увеличить преимущества наддува и системы рециркуляции в более широком диапазоне условий эксплуатации двигателя.
В еще одном примере, при четвертом условии (Условие_4), первый воздушный заряд, доставляемый по первому впускному каналу, может содержать по меньшей мере некоторое количество рециркулированных выхлопных газов при атмосферном или более низком давлении (без наддува). В то же время второй воздушный заряд может содержать по меньшей мере некоторое количество рециркулированных выхлопных газов под давлением компрессора. То есть EGR низкого давления могут быть доставлены по первому впускному каналу, а EGR высокого давления - по второму. Здесь, за счет обеспечения подачи EGR высокого и низкого давления к цилиндру по разным впускным каналам, можно расширить преимущества системы рециркуляции выхлопных газов в более широком диапазоне условий эксплуатации двигателя. Дополнительно, можно осуществлять независимый контроль EGR низкого и высокого давления.
В другом примере, при пятом условии (Условие_5), первый воздушный заряд, доставляемый по первому впускному каналу, может содержать свежий воздух при атмосферном или более низком давлении (без наддува). В то же время второй воздушный заряд может содержать по меньшей мере некоторое количество рециркулированных выхлопных газов под давлением компрессора. То есть EGR высокого давления могут быть рециркулированы из второго выпускного канала выше по потоку турбины турбокомпрессора во второй впускной канал ниже по потоку компрессора турбокомпрессора. Здесь, путем доставки свежего воздуха при атмосферном или более низком давлении и нагнетенных EGR через различные впускные каналы к цилиндру двигателя, можно уменьшить разбавление свежего воздуха EGR.
В качестве еще одного примера, при шестом условии (Условие_6), первый воздушный заряд, доставляемый по первому впускному каналу, может содержать смесь выхлопных газов и свежего воздуха при атмосферном или более низком давлении (без наддува). В то же время второй воздушный заряд может содержать по меньшей мере некоторое количество рециркулированных выхлопных газов под давлением компрессора. Таким образом, первое количество EGR низкого давления может быть смешано с первым количеством свежего воздуха при атмосферном или более низком давлении, и доставлено к цилиндру через первый впускной канал, при этом EGR высокого давления доставляется в цилиндр через второй впускной канал. Здесь, как и в предыдущем примере (при Условии_4), при доставке EGR высокого и низкого давления к цилиндру по разным впускным каналам, можно расширить преимущества системы рециркуляции выхлопных газов в более широком диапазоне условий эксплуатации двигателя (частота/нагрузка).
В следующем примере, при седьмом условии (Условие_7), первый воздушный заряд, доставляемый по первому впускному каналу, может содержать по меньшей мере некоторое количество рециркулированных выхлопных газов при атмосферном или более низком давлении (без наддува). В то же время второй воздушный заряд может содержать смесь EGR и свежего воздуха под давлением компрессора. Таким образом, второе количество EGR высокого давления может быть смешано со вторым количеством свежего воздуха при давлении компрессора, и доставлено к цилиндру через второй впускной канал, при этом EGR низкого давления доставляются в цилиндр через первый впускной канал. Здесь, как и в предыдущем примере (при Условии_4 и Условии_6), путем подачи EGR высокого и низкого давления к цилиндру по разным впускным каналам, можно расширить преимущества системы рециркуляции выхлопных газов в более широком диапазоне условий эксплуатации двигателя (частота/нагрузка).
В качестве еще одного примера, при восьмом условии (Условие_8), первый воздушный заряд, доставляемый по первому впускному каналу, может содержать смесь рециркулированных выхлопных газов и свежего воздуха при атмосферном или более низком давлении (без наддува). В то же время второй воздушный заряд может содержать смесь рециркулированных выхлопных газов и свежего воздуха под давлением компрессора. Таким образом, первое количество EGR низкого давления может быть смешано с первым количеством свежего воздуха при атмосферном или более низком давлении, и доставлено к цилиндру через первый впускной канал, при этом второе количество EGR высокого давления может быть смешано со вторым количеством свежего воздуха при давлении компрессора и доставлено в цилиндр через второй впускной канал. Здесь, за счет подачи к цилиндру первого воздушного заряда с низким давлением отдельно от второго воздушного заряда с высоким давлением через различные впускные каналы, EGR и наддув могут быть использованы в более широком диапазоне условий эксплуатации двигателя с лучшим управлением.
В другом примере, при девятом условии (Условие_9), первый воздушный заряд, доставляемый по первому впускному каналу, может содержать свежий воздух при атмосферном или более низком давлении (без наддува). В то же время второй воздушный заряд может содержать смесь рециркулированных выхлопных газов и по меньшей мере некоторую часть свежего воздуха под давлением компрессора. Таким образом, второе количество EGR высокого давления может быть смешано со вторым количеством свежего воздуха при давлении компрессора, и доставлено к цилиндру через второй впускной канал, при этом свежий воздух при атмосферном или меньшем давлении доставляется в цилиндр через первый впускной канал. Здесь, за счет подачи нагнетаемого воздушного заряда и воздушного заряда при атмосферном или меньшем давлении через различные впускные каналы, можно доставить воздушный заряд при атмосферном или меньшем давлении без приложения работы компрессора, расходуя работу компрессора турбокомпрессора лишь для нагнетания воздушного потока высокого давления.
На Фиг.7 показан пример последовательности действий 700 для уменьшения провала тяги на низких оборотах. Таким образом, программа представляет согласование работы дроссельной заслонки всасываемого воздуха первого впускного канала с работой турбокомпрессора во втором впускном канале при увеличении нагрузки на двигатель при неизменных оборотах для уменьшения провала тяги. Уменьшая провал тяги, можно увеличить эффективность турбокомпрессора и улучшить рабочие характеристики двигателя. На Фиг.8 изображен пример регулировки дроссельной заслонки EGR при увеличении нагрузки на двигатель, в соответствии с Фиг.7, по карте 800.
На этапе 702 действие программы заключается в подтверждении увеличения нагрузки на двигатель. В одном случае факт увеличения нагрузки может подтвердиться в ответ на нажатие водителем педали газа дальше порогового положения. В другом случае факт увеличения нагрузки может подтвердиться в ответ на затребованный водителем крутящий момент, превышающий пороговое значение.
В связи с этим, перед увеличением нагрузки, каждый цилиндр двигателя может получить количество рециркулированных выхлопных газов (особенно EGR высокого давления) через первый впускной канал, а также свежий воздух через второй канал, параллельный первому. Выхлопные газы могут быть рециркулированы при низком давлении из первого выпускного канала, соединенного с первым впускным каналом ниже по потоку первой впускной дроссельной заслонки через первый канал EGR, включая первый клапан системы рециркуляции выхлопных газов. В ответ на увеличение нагрузки, в блоке 704 действие программы заключается в увеличении количества всасываемого свежего воздуха, при уменьшении количества рециркулированных выхлопных газов, поставляемых в цилиндр через первый впускной канал. В частности, действие программы заключается в открывании (или увеличении открывания) первой впускной дроссельной заслонки в первом впускном канале для увеличения количества всасываемого свежего воздуха, передаваемого цилиндру через первый впускной канал, при закрывании (или уменьшении открывания) первого клапана EGR в первом канале EGR, установленном между первым впускным каналом и первым выпускным каналом для уменьшения количества выхлопных газов, рециркулированных через первый впускной канал.
При регулировании впускной дроссельной заслонки и клапана EGR в первом впускном канале, на этапе 706, действие программы далее заключается в эксплуатации компрессора турбокомпрессора, соединенного со вторым впускным каналом, для увеличения количества нагнетаемого свежего воздуха, доставляемого в цилиндр через второй впускной канал на время увеличения нагрузки. Таким образом, контроллер двигателя может запустить работу компрессора во время открывания (или увеличении открывания) второй впускной дроссельной заслонки, расположенной во втором впускном канале ниже по потоку компрессора, для увеличения количества нагнетаемого свежего воздуха, доставляемого в цилиндр. Контроллер может также закрыть (или уменьшить открывание) второй клапан EGR, находящийся во втором канале выхлопных газов между вторым впускным каналом и вторым выпускным каналом, для уменьшения количества EGR высокого давления, проходящих через второй впускной канал. В одном примере, первая впускная дроссельная заслонка может быть постепенно открыта, а первый клапан системы рециркуляции выхлопных газов может быть постепенно закрыт с параметрами на основании профиля частоты компрессора. Регулирование первой и второй впускных дроссельных заслонок и первого и второго клапанов EGR можно продолжать в течение некоторого промежутка времени, пока частота компрессора не достигнет порогового значения. В одном примере, пороговая частота может соответствовать частоте, за пределами которой снижается провал тяги, как например частота, при которой давление на выходе компрессора больше, чем атмосферное давление при данных условиях эксплуатации двигателя.
На этапе 708 может быть подтвержден факт достижения компрессором пороговой частоты. Альтернативно, может быть определено, прошло ли заранее заданное время, соответствующее времени достижения компрессором пороговой частоты (например, с использованием таймера). Если нет, то на этапе 710 программа осуществляет открывание первой впускной дроссельной заслонки и закрывание первого клапана EGR во время работы компрессора. По сравнению с этим, если частота компрессора достигла порогового значения или если прошло указанное время, то на этапе 712 действие программы заключается в уменьшении количества всасываемого свежего воздуха, при увеличении количества рециркулированных выхлопных газов, поставляемых в цилиндр через первый впускной канал. Таким образом, действие программы заключается в закрывании (или уменьшении открывания) первой впускной дроссельной заслонки в первом впускном канале для уменьшения количества всасываемого свежего воздуха, передаваемого цилиндру через первый впускной канал, при открывании (или увеличении открывания) первого клапана выхлопных газов в первом канале выхлопных газов, установленном между первым впускным каналом и первым выпускным каналом для увеличения количества рециркулированных выхлопных газов, проходящих через первый впускной канал. В одном случае первая впускная дроссельная заслонка может быть постепенно закрыта, а первый клапан EGR может быть постепенно открыт с параметрами, основанными на профиле частоты вращения двигателя.
В этом случае цилиндр может быть наполнен свежим воздухом через первый впускной канал при увеличении частоты компрессора во втором впускном канале, так чтобы компрессор к этому времени имел требуемую скорость наддува, и цилиндр можно было наполнить свежим воздухом. Другими словами, ко времени, когда компрессор имеет давление наддува, нагнетаемый свежий воздух может быть подведен в цилиндр через второй впускной канал, при этом дополнительное количество свежего воздуха поставляется цилиндру через первый впускной канал. Следовательно, снижается провал тяги, возникающий из-за ожидания компрессора выхода на нужную частоту перед осуществлением наддува свежего воздуха в цилиндр. Затем, когда компрессор достигнет нужной частоты, EGR могут быть введены через первый и второй впускные каналы (например, EGR низкого давления через первый впускной канал, а EGR высокого давления - через второй впускной канал) для получения преимуществ EGR в дополнение к преимуществам наддува. Уменьшая провал тяги, увеличивается эффективность турбокомпрессора и улучшаются рабочие характеристики двигателя. При получении преимущества от наддува и от системы рециркуляции выхлопных газов одновременно, можно добиться синергических улучшений рабочих характеристик двигателя.
Этапы, показанные на Фиг.7, далее рассматриваются в примере на Фиг.8. На карте 800 на графике 802 проиллюстрирован выходной крутящий момент двигателя в зависимости от длительности работы двигателя. Соответствующие изменения в частоте компрессора турбокомпрессора показаны графиком 804. Изменения положения первой впускной дроссельной заслонки и первого клапана EGR, соединенных с первым впускным каналом, показаны на графиках 810 и 812 соответственно. При этом изменения положения второй впускной дроссельной заслонки и второго клапана EGR, соединенных со вторым впускным каналом, показаны на графиках 806 и 808 соответственно. В связи с этим, только второй впускной канал может содержать компрессор турбокомпрессора. Изменения в составе первого воздушного заряда (Вп.Возд_1), доставляемого в цилиндр через первый впускной канал, что является следствием регулирования первого клапана EGR и дроссельной заслонки, показаны на графиках 818 и 820. При этом изменения в составе второго воздушного заряда (Вп.Возд_2), доставляемого в цилиндр через второй впускной канал, что является следствием регулирования второго клапана выхлопных газов и дроссельной заслонки, показаны на графиках 814 и 816. Изменения в общем воздушном заряде цилиндра показаны на графиках 822 и 824 соответственно. В каждом из графиков 814-824 сплошной линией показан компонент воздушного заряда относящийся к свежему воздуху, а пунктирной линией показан компонент, относящийся к EGR.
До момента времени t1 на основании режима работы двигателя требуется меньший крутящий момент. Здесь общий воздушный заряд цилиндра соответствует меньшему крутящему моменту, и, следовательно, он может содержать относительно большое количество EGR (пунктирная линия графика 824) и относительно малое количество свежего воздуха (сплошная линия графика 822). Используя EGR при режиме малой нагрузки, можно добиться экономии топлива и снижения выбросов. Общий воздушный заряд, доставленный в цилиндр до момента t1, может быть получен смешиванием первого впускного заряда из первого впускного канала со вторым впускным зарядом из второго впускного канала. Таким образом, первый впускной заряд может содержать большее количество рециркулированных выхлопных газов (график 820) при атмосферном или меньшем давлении (то есть EGR низкого давления) и меньшее количество свежего воздуха при атмосферном или меньшем давлении (график 818), полученное путем открывания первого клапана EGR (график 812) и второй впускной дроссельной заслонки (график 810) на соответствующие величины. Для сравнения, второй впускной воздушный заряд может содержать свежий воздух (сплошная линия графика 814), и практически не содержать EGR (пунктирная линия графика 816), что достигается за счет открывания второй дроссельной заслонки (график 806) и закрывании второго клапана EGR (график 808).
В момент времени t1, происходит увеличение нагрузки, что приводит к потребности в большем крутящем моменте. Например, больший крутящий момент может потребоваться в ответ на нажатие водителем педали газа, превышающее пороговый уровень. В ответ на увеличение нагрузки, компрессор (график 804) может предоставить нагнетаемый воздушный заряд, в то время как вторая впускная дроссельная заслонка (график 806) открыта (то есть полностью открыта) для передачи нагнетаемого воздуха в цилиндр. Однако нагнетаемый воздушный заряд может быть недоступен, пока компрессор не достигнет пороговой частоты, что приводит к провалу тяги. Для уменьшения провала тяги, в процессе набора оборотов компрессора во втором впускном канале, первый впускной воздушный заряд, доставляемый через первый впускной канал, может быть временно настроен на увеличение доли свежего воздуха, при этом уменьшая долю EGR (графики 808-820). Таким образом, можно закрыть первый клапан EGR (график 812) в то время, как первая впускная дроссельная заслонка (график 810) открыта полностью для увеличения количества естественно подаваемого в цилиндр свежего воздуха, при этом снижая количество подводимых EGR низкого давления.
В момент времени t2, когда компрессор достиг требуемого порогового значения частоты, нагнетаемый воздушный заряд может быть доставлен в цилиндр через второй впускной канал (график 814). В это время количество свежего воздуха, поставляемого через первый впускной канал, может быть уменьшено постепенным закрыванием первой впускной дроссельной заслонки (график 810), при этом количество EGR низкого давления может быть постепенно возвращено открыванием первого клапана EGR (график 812). В этом случае, когда компрессор набирает обороты в одном впускном канале, свежий воздух можно доставить в цилиндр через другой впускной канал для снижения концентрации уже имеющихся в цилиндре рециркулированных выхлопных газов. Следовательно, когда компрессор набрал обороты, можно нагнетать свежий воздух во втором впускном канале для увеличения крутящего момента. Также, когда компрессор набрал обороты, его можно использовать для нагнетания свежего воздуха через один впускной канал, в то время как EGR низкого давления доставляются в цилиндр двигателя параллельно через другой впускной канал. В этом случае можно уменьшить провал тяги благодаря преимуществам системы рециркуляции выхлопных газов наряду с преимуществом наддува.
Следует понимать, что в других вариантах осуществления изобретения провал тяги можно дополнительно или по необходимости снизить путем закрывания клапанов EGR, деактивации первого выпускного клапана и полного открывания второго выпускного клапана. Затем, при необходимости можно открыть один или несколько клапанов EGR для обеспечения их требуемого количества, как отражено на графиках 808 и 812.
На Фиг.9 показана примерная последовательность действий для регулирования работы охладителя EGR в зависимости от режима работы двигателя. В частности, программа позволяет использовать охладитель EGR, расположенный в месте соединения канала EGR и впускного канала (например, на соединении первого канала EGR и первого впускного канала) для охлаждения впускного воздушного заряда, поступающего в цилиндр (например, через первый впускной канал) при некоторых условиях, при этом можно задействовать охладитель EGR для нагрева впускного воздушного заряда при других условиях.
На этапе 902 можно определить и/или измерить условия эксплуатации двигателя. Эти условия могут включать в себя, например, температуру и давление окружающей среды, температуру двигателя, частоту двигателя, частоту коленвала, скорость трансмиссии, состояние заряда аккумулятора, доступное топливо, содержание спирта в топливе, температуру каталитического нейтрализатора, необходимый крутящий момент и др. На этапе 904 можно определить, требуется ли нагрев воздушного заряда. В одном примере может потребоваться нагрев впускного воздушного заряда, когда двигатель не ограничен детонацией. Например, если детонация не предполагается, можно нагреть воздушный заряд для уменьшения работы двигателя и увеличения экономии топлива.
Если нагрев требуется, то на этапе 906 проверяют условия нагрева. Таким образом, можно определить, все ли условия присутствуют, чтобы охладитель EGR мог использоваться в качестве нагревателя для нагрева воздушного заряда. Например, когда охладитель EGR представляет собой охладитель на жидком хладагенте, можно подтвердить, что температура охладителя выше, чем температура входящего воздуха. Также можно принять, что условия детонации не присутствуют (то есть детонация не происходит). Если все условия нагрева соблюдены, то на этапе 908 программа включает в себя закрывание первого клапана EGR, при этом открывая первую впускную дроссельную заслонку в первом впускном канале для нагрева охладителем EGR воздушного заряда, подводимого в цилиндр через первый впускной канал. В этом случае перед впуском в цилиндр можно нагреть воздушный заряд, проходящий через первый впускной канал, тем самым, уменьшая потери на прокачивание двигателя и улучшая его эффективность. Если хотя бы одно условие нагрева не выполнено, то контроллер определяет, что нельзя в данный момент использовать охладитель EGR для нагрева воздушного заряда, и программа может завершиться.
Если нагрев воздушного заряда не требуется на этапе 904, на этапе 910 определяют, требуется ли охлаждение воздушного заряда. В одном примере, для уменьшения температуры выхлопных газов, поставляемых в цилиндр, может быть использовано охлаждение. Охлажденные выхлопные газы могут уменьшить детонацию в цилиндре, что также обеспечивает экономию топлива и восстановление окислов азота (NOx). Если охлаждение не требуется, программа завершается. Если охлаждение требуется, то на этапе 912 могут быть подтверждены условия охлаждения. Также можно определить, все ли условия присутствуют для работы охладителя EGR для охлаждения воздушного заряда. Например, можно убедиться, что охлаждение не приведет к образованию конденсата на компрессоре. Если все условия охлаждения соблюдены, то на этапе 914 программа предусматривает открывание второго клапана EGR, при закрывании второй впускной дроссельной заслонки во втором впускном канале для охлаждения охладителем EGR воздушного заряда, подводимого в цилиндр через второй впускной канал. В дополнение или по выбору, программа может предусматривать открывание первого клапана EGR, при закрывании первой впускной дроссельной заслонки в первом впускном канале для охлаждения охладителем EGR воздушного заряда, подводимого в цилиндр через первый впускной канал. В этом случае воздушный заряд можно охладить перед впуском в цилиндр, а также можно добиться терморегуляции выхлопных газов. Если хотя бы одно условие охлаждения не выполнено, то контроллер определяет, что в данный момент нельзя использовать охладитель EGR для охлаждения воздушного заряда, и программа может завершиться.
В одном примере, нагревание впускного воздушного заряда может заключаться только в нагревании EGR, подводимых к цилиндру. Например, если охладитель EGR расположен внутри канала рециркуляции выхлопных газов (или канала EGR), как изображено на Фиг.1, 2, клапан EGR может быть открыт и охладитель EGR может работать в качестве нагревателя для нагревания EGR, и затем смешивать нагретые EGR с более холодным воздушным зарядом во впускном канале перед его доставкой в цилиндр. Альтернативно, если охладитель EGR расположен в месте соединения канала EGR и впускного канала, нагревание воздушного заряда может заключаться в нагревании свежего воздуха и/или EGR, поступающих в цилиндр. Например, клапан EGR может быть закрыт, а охладитель EGR может работать в качестве нагревателя для нагревания свежего воздуха перед его попаданием в цилиндр. Альтернативно, клапан EGR может быть открыт, а охладитель EGR может работать в качестве нагревателя для нагревания свежего воздуха и EGR, затем нагретые свежий воздух и EGR смешиваются во впускном канале перед доставкой в цилиндр.
В других примерах один из охладителей EGR может работать в качестве охладителя, в то время как другой охладитель EGR может работать в качестве нагревателя. Например, при первом условии, контроллер двигателя может использовать первый охладитель EGR в первом впускном канале для нагревания первого количества выхлопных газов перед рециркулированием выхлопных газов в первый впускной канал, и при втором условии, контроллер двигателя может использовать первый охладитель EGR в первом впускном канале для охлаждения первого количества выхлопных газов перед рециркулированием выхлопных газов в первый впускной канал. В то же время при первом условии, контроллер двигателя может использовать второй охладитель EGR во втором впускном канале для охлаждения второго количества выхлопных газов перед рециркулированием выхлопных газов во второй впускной канал, и при втором условии контроллер двигателя может использовать второй охладитель EGR во втором впускном канале для нагревания второго количества выхлопных газов перед рециркулированием выхлопных газов во второй впускной канал. Таким образом, второй охладитель EGR может быть использован в качестве нагревателя только тогда, когда компрессор не работает и не осуществляется наддув.
Кроме того, работу охладителей EGR можно согласовать с работой охладителя воздушного заряда, расположенного ниже по потоку компрессора (как например воздушный охладитель 56 на Фиг.1, 2). Например, первый охладитель EGR в первом впускном канале может быть использован в качестве нагревателя для предоставления нагретого воздушного заряда (состоящего из свежего воздуха и/или EGR низкого давления) цилиндру через первый впускной канал. В то же время компрессор во втором впускном канале может быть использован для обеспечения наддува воздушного заряда, в то время как охладитель воздушного заряда ниже по потоку компрессора осуществляет охлаждение нагнетаемого воздушного заряда. В этом случае естественным образом доставляемый нагретый воздух (при атмосферном или меньшем давлении) и охлажденный нагнетаемый воздух могут быть поданы в цилиндр одновременно. Далее нагретый и охлажденный воздушные заряды смешиваются и воспламеняются в цилиндре. Здесь, путем объединения и воспламенения нагретого и охлажденного воздушных зарядов, доставленных в цилиндр по отдельности, но одновременно, можно добиться постоянной температуры сжатия для разных нагрузок, что улучшает эффективность двигателя.
В этом случае разделенную систему впуска двигателя можно объединить с разделенной выпускной системой для доставки в цилиндр различных воздушных зарядов различных составов и с различным давлением в различные моменты времени. Также воздушный заряд с атмосферным или меньшим давлением может быть доставлен отдельно от нагнетаемого воздушного заряда для уменьшения требуемого количества работы сжатия. Снижая количество требуемой работы компрессора, можно добиться увеличения эффективности наддува двигателя, даже с использованием турбокомпрессора меньших размеров. В другом варианте осуществления изобретения, EGR можно доставить отдельно от нагнетаемого свежего воздуха. Не пропуская EGR через компрессор, можно уменьшить загрязнение компрессора, при этом снизив задержку в управлении EGR и турбонаддувом. В другом варианте осуществления изобретения, EGR высокого давления и EGR низкого давления можно доставить посредством различных каналов. При этом можно улучшить общий контроль EGR, позволяя использовать преимущества EGR в широком диапазоне условий эксплуатации двигателя. В дополнение, отрывая цилиндру второй канал подачи чистого воздуха, можно уменьшить переразбавление воздушного заряда EGR, особенно при смене режима подачи воздуха с большого воздушного заряда на малый. Можно улучшить общую эффективность EGR и наддува для улучшения рабочих характеристик двигателя.
Необходимо отметить, что рассмотренный пример программ управления и оценок может быть использован с различными конфигурациями системы. Указанные программы могут воспроизводить одну или несколько стратегий выполнения, например, управление по событиям, управление по прерываниям, многозадачность, многопоточность и другие. В связи с этим различные этапы или функции могут выполняться в представленной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях могут быть пропущены. Также порядок выполнения не обязательно должен быть таким, как он показан, он приведен для наглядного представления и описания процесса. Также специалисты в данной области могут увидеть, что некоторые этапы, способы или функции могут повторяться в зависимости от используемого варианта. Кроме того, описанные операции, функции и/или действия могут графически представлять код для программирования на машиночитаемом носителе информации в системе управления.
Также следует понимать, что описанные системы и способы являются только примерными, и что указанные варианты осуществления изобретения или примеры не носят ограничительного характера, так как возможны различные их модификации. Таким образом, настоящее изобретение заключает в себе новые и неочевидные комбинации различных описанных здесь систем и способов, а также всех их эквивалентов.