СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR ENGINE OPERATION

Уровень техники
Производители транспортных средств обнаружили, что при некоторых условиях необходимо автоматически запускать и выключать двигатель транспортного средства. Выключение двигателя может уменьшить расход топлива, особенно при остановке транспортного средства на длительный период времени, например при движении в транспортном потоке с частыми остановками. Однако при автоматическом выключении может окислиться катализатор, расположенный в выхлопной системе. Поскольку катализатор насыщается кислородом, в нем не может быть воды для образования водорода, который используется для контроля концентрации NOx при последующем запуске двигателя, тем самым ухудшая качество выбросов.
Раскрытие изобретения
Для преодоления указанных недостатков предлагается способ уменьшения токсичности выбросов при автоматическом повторном запуске двигателя. В одном варианте способ предусматривает при автоматическом выключении двигателя впрыск водосодержащей текучей среды на закрытый впускной клапан цилиндра, пока двигатель находится в бездействии, а при последующем запуске заполнение топливом цилиндра после выполнения в цилиндре по крайней мере одного такта всасывания и последующего такта выхлопа.
При подаче водосодержащей текучей среды на горячий закрытый впускной клапан вода может испариться и попасть в катализатор при следующем такте всасывания. Таким образом, всасываемый воздух в цилиндре может быть заменен парами воды, а несгоревший выхлоп, попадающий в катализатор до начала сгорания, может иметь низкое содержание кислорода, тем самым уменьшая степень насыщения катализатора кислородом. Кроме того, пары водосодержащей жидкости могут подать воду в катализатор для образования водорода. Таким образом можно контролировать выбросы при повторном автоматическом запуске двигателя.
Вышеуказанные и другие преимущества и характеристики изобретения станут очевидны из нижеприведенного подробного описания при рассмотрении по отдельности или в сочетании с прилагаемыми чертежами.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое изложение сущности изобретения представлено для описания в упрощенной форме ряда выбранных концепций, дальнейшее изложение которых приводится ниже в подробном описании. Краткое раскрытие сущности изобретения не направлено на определение основных или существенных характеристик заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определяется формулой изобретения. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивается вариантами реализации изобретения, устраняющими какой-либо из недостатков, указанных выше или в любой части данного описания.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 приведено схематическое изображение системы двигателя.
На Фиг.2 показано расположение компонентов системы транспортного средства.
На Фиг.3 представлена блок-схема процесса выполнения автоматического выключения и запуска двигателя.
На Фиг.4 показан пример сигналов, представляющих интерес при моделировании процесса запуска двигателя.
На Фиг.5 представлен другой пример сигналов, представляющих интерес при моделировании процесса запуска двигателя.
Осуществление изобретения
В процессе автоматического повторного запуска двигателя в выхлопной системе может произойти окисление катализатора и возникнуть недостаток воды. Такое состояние катализатора может уменьшить эффективность конверсии NOx при запуске двигателя. Для уменьшения концентрации кислорода в катализаторе и/или увеличения количества доступной воды при неработающем двигателе можно перед повторным запуском подавать водосодержащую текучую среду на закрытый впускной клапан, чтобы ее испарить. Затем при раскрутке двигателя испарившаяся вода может попасть в цилиндр и вместе с выхлопом - к катализатору. Испарившаяся жидкость может вытеснить объем воздуха в катализаторе, уменьшая попадание в катализатор кислорода. После прохождения испарившейся жидкости к катализатору может быть произведено сгорание топлива.
На Фиг.1 представлено схематическое изображение камеры сгорания цилиндра двигателя 10 внутреннего сгорания. Двигателем 10 можно управлять по меньшей мере частично с помощью системы управления, содержащей контроллер 12, а также с помощью входных сигналов, направляемых водителем 130 транспортного средства с помощью устройства 132 ввода данных. В данном примере устройство 132 ввода данных представляет собой педаль газа и датчик 134 положения педали, который генерирует пропорциональный сигнал положения педали PP. Цилиндр 14 (камера сгорания) двигателя 10 может иметь стенки 136 с расположенным в них поршнем 138. Поршень 138 может быть соединен с коленчатым валом 140 для преобразования возвратно-поступательных движений поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 140 может быть соединен с по меньшей мере одним ведущим колесом транспортного средства с помощью системы трансмиссии. Кроме того, для запуска двигателя 10 к коленчатому валу 140 может быть с помощью маховика подключен пусковой мотор.
В цилиндр 14 воздух поступает из впускных каналов 142, 144 и 146. Впускной канал 146 может сообщаться с другими цилиндрами двигателя 10, в дополнение к цилиндру 14. В некоторых вариантах один или более впускных каналов могут включать в себя такое устройство наддува, как турбокомпрессор или воздушный нагнетатель. Например, на Фиг.1 показан двигатель 10, снабженный турбокомпрессором, включая компрессор 174, расположенный между впускными каналами 142 и 144 и газовой турбиной 176, расположенной вдоль впускного канала 148. Компрессор 174 может по меньшей мере частично приводиться в действие газовой турбиной 176 через вал 180, где устройство наддува представляет собой турбокомпрессор. Однако в других примерах, где двигатель 10 снабжен воздушным нагнетателем, газовую турбину 176 можно по желанию не использовать, и компрессор 174 может приводиться в действие механическим входящим сигналом от мотора или двигателя. Вдоль впускного канала двигателя может быть предусмотрен дроссель 162, содержащий дроссельную заслонку 164, для варьирования интенсивности подачи топлива и/или давления впускного воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя. Например, дроссель 162 может быть размещен ниже по потоку компрессора 174, как показано на Фиг.1, или, альтернативно, он может быть установлен выше по потоку компрессора 174.
Выхлопной канал 148 может получать выхлопные газы от других цилиндров двигателя 10 в дополнение к цилиндру 14. Датчик 128 выхлопных газов показан соединенным с выхлопным каналом 148 выше по потоку устройства 178 контроля выбросов. Из прочих подходящих датчиков может быть выбран датчик 128 для обеспечения индикации выхлопных газов и соотношения воздух/топливо, например линейный кислородный датчик или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в выхлопных газах), бистабильный датчик кислорода или EGO (как изображено), HEGO (нагреваемый датчик кислорода), датчик NOx, НС или СО, например. Устройство 178 для контроля выбросов может представлять собой трехкомпонентный нейтрализатор (TWC), задерживающий фильтр для NOx, различные другие устройства для снижения токсичности выхлопа или их комбинации.
Каждый цилиндр двигателя 10 может включать в себя один или несколько впускных клапанов и один или несколько выпускных клапанов. Например, цилиндр 14 показан на чертеже содержащим по меньшей мере один впускной тарельчатый клапан 150 и по меньшей мере один выхлопной тарельчатый клапан 156, расположенный в верхней части цилиндра 14. В некоторых вариантах настоящего изобретения каждый цилиндр двигателя 10, включающий в себя цилиндр 14, может содержать также по меньшей мере два впускных тарельчатых клапана и по меньшей мере два выхлопных тарельчатых клапана, расположенных в верхней части цилиндра.
Контроллер 12 может управлять впускным клапаном 150 с помощью исполнительного механизма 152. Аналогично, контроллер 12 может управлять выпускным клапаном 156 с помощью исполнительного механизма 154. При некоторых условиях контроллер 12 может менять сигналы, передаваемые исполнительным механизмам 152 и 154, для управления открыванием и закрыванием впускного и выпускного клапанов соответственно. Положение впускного клапана 150 и выпускного клапана 156 можно определить с помощью соответствующих датчиков положения клапанов (не показаны). Исполнительные механизмы клапанов могут быть исполнительными механизмами электрического типа или кулачкового типа либо их комбинацией. Регулировка моментов открывания впускного и выпускного клапанов может осуществляться одновременно или с помощью любой из возможных систем изменения фазы газораспределения впускного и выпускного клапанов, системы двойной независимой синхронизации распределительных кулачковых валов либо системы фиксированной фазы газораспределения. Каждая из кулачковых приводных систем может содержать один или несколько кулачков, а также использовать одну или более систем переключения профиля кулачков (CPS), систему управления фазами газораспределения (VCT) и/или систему регулируемой высоты подъема клапана (VVL), которыми может управлять контроллер 12 для изменения работы клапана. Например, цилиндр 14 может альтернативно содержать электронно регулируемый впускной клапан и выпускной клапан, регулируемый при помощи кулачковой системы, имеющей системы CPS и/или VCT. В других вариантах впускной и выпускной клапаны могут регулироваться общим исполнительным механизмом клапанов или системой исполнительных механизмов либо с помощью исполнительного механизма с регулируемой фазой газораспределения или системы на его основе.
Цилиндр 14 может характеризоваться коэффициентом сжатия, который представляет собой объемное соотношение, когда поршень 138 находится между нижней мертвой точкой и верхней мертвой точкой. Обычно коэффициент сжатия составляет от 9:1 до 10:1. Однако в некоторых примерах при использовании различных видов топлива коэффициент сжатия может быть увеличен. Такое может случиться, например, при применении высокооктанового топлива или топлива с более высокой потенциальной энтальпией парообразования.
Коэффициент сжатия также может быть увеличен, если использован непосредственный впрыск, оказывающий влияние на детонацию двигателя.
В некоторых вариантах каждый цилиндр двигателя 10 может содержать свечу зажигания 192 для воспламенения горючей смеси. Система 190 зажигания может обеспечить искру зажигания в камере 14 сгорания посредством свечи зажигания 192 в ответ на сигнал опережения зажигания SA от контроллера 12 после выбора режимов работы. Однако в некоторых вариантах можно не использовать свечи зажигания 192, например, когда двигатель 10 может вызвать горение при помощи автоматического зажигания или впрыскивания топлива, например при использовании некоторых дизельных двигателей.
В некоторых вариантах каждый цилиндр 10 может быть снабжен одной или несколькими форсунками для обеспечения подачи в него топлива или других жидкостей. В качестве неограничивающего примера показанный цилиндр 14 содержит две топливные форсунки 166 и 170. Топливная форсунка 166 показана соединенной непосредственно с цилиндром 14 для непосредственного впрыскивания в него топлива пропорционально длительности импульса сигнала FPW-1, полученного от контроллера 12 через электронный привод 168. Таким образом, топливная форсунка 166 обеспечивает так называемое прямое впрыскивание (здесь и далее обозначено DI) топлива в камеру сгорания цилиндра 14. В то время как форсунка 166 показана на Фиг.1 как боковая форсунка, но она также может быть расположена над поршнем, например, рядом со свечой 192 зажигания. Такое положение может улучшить перемешивание и сгорание при работе двигателя на спиртосодержащем топливе за счет более низкой испаряемости некоторых видов спиртовых топлив. Альтернативно, форсунка может быть расположена сверху и рядом с впускным клапаном для улучшения дальнейшего перемешивания. Топливо может доставляться к топливной форсунке 166 от топливной системы-1 172 высокого давления, включающей в себя топливные баки, насосы для подачи горючего и топливную рампу. Альтернативно, топливо может быть доставлено с помощью одноступенчатого топливного насоса при низком давлении, в таком случае регулирование моментов прямого впрыска топлива может быть более ограниченным во время такта сжатия, нежели чем при использовании топливной системы с высоким давлением. Топливный бак также может иметь датчик давления (не показан), подающий сигнал контроллеру 12.
Форсунка 170 расположена во впускном канале 146, а не в цилиндре 14, и имеет конфигурацию, которая обеспечивает впрыск топлива или других жидкостей во впускные каналы (PFI) выше по потоку относительно цилиндра 14. Форсунка 170 может осуществлять впрыск воды, промывочной жидкости или топлива пропорционально ширине импульса сигнала FPW-2, получаемого от контроллера 12 с помощью электронного привода 171. Жидкость может поступать в форсунку 170 из топливной системы-2 173, в состав которой входят топливный бак, насос и топливная рампа. Можно отметить, что для обеих систем впрыска можно использовать один привод 168 или 171 либо несколько приводов. Например, можно использовать привод 168 для форсунки 166, а привод 171 - для форсунки 170, как изображено на чертеже.
Топливо может поставляться от обеих форсунок цилиндру в процессе одного цикла цилиндра. Например, каждая форсунка может подавать часть от общего количества впрыскиваемого топлива, которое сгорает в цилиндре 14. Однако, как будет подробно описано ниже, в некоторых вариантах форсунка 168 может подавать топливо в цилиндр для осуществления такта сгорания при каждом цикле двигателя, а форсунка 170 может подавать воду, промывочную жидкость или другую не содержащую топливо жидкость на закрытый впускной клапан перед выполнением автоматического запуска двигателя.
Как было сказано выше, на Фиг.1 изображен только один цилиндр многоцилиндрового двигателя. В связи с этим каждый цилиндр может аналогично иметь такой же набор впускных/выпускных клапанов, топливных форсунок, свечей зажигания и др.
Контроллер 12 показан на Фиг.1 как традиционный микрокомпьютер, содержащий микропроцессорный блок 106 (CPU), порты 108 ввода и вывода (I/O), электронный носитель данных для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный как постоянное запоминающее устройство 110 (ROM), и, в данном конкретном примере, оперативную память 112 (RAM), оперативную энергонезависимую память 114 (КАМ) и обычную шину данных. Контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, помимо описанных выше сигналов, также получает данные о величине массового расхода поданного воздуха (MAF) от датчика 122 расхода воздуха, о температуре охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) от датчика 116 температуры, соединенного с каналом 118 охлаждения; о профиле зажигания (PIP) от датчика 120 на эффекте Холла (или другого типа), соединенного с коленчатым валом 140 и считывающего положение коленчатого вала 140; о положении дросселя (ТР) от датчика положения дросселя; измерений давления во впускном коллекторе (MAP) от датчика 124. Сигнал оборотов двигателя (RPM) может быть получен контроллером 12 из сигнала PIP. Сигнал давления в коллекторе MAP от датчика давления в коллекторе может быть использован для обеспечения информации о вакууме или давлении во впускном коллекторе.
Запоминающее устройство 110 RAM носителя данных может быть запрограммировано с помощью машиночитаемых данных, представляющих собой инструкции, исполняемые процессорным блоком 106 для выполнения способов, описанных ниже, а также их вариантов.
В некоторых примерах двигатель может быть соединен с электромотором/батареей, как, например, в гибридных автомобилях. Автомобиль с гибридным приводом может иметь параллельную и последовательную конфигурации, а также их комбинации и вариации. Кроме того, в некоторых вариантах можно использовать другие конфигурации двигателя, например дизельный двигатель.
Во время работы каждый цилиндр в двигателе 10 обычно проходит 4 рабочих цикла: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Во время впуска обычно выпускной клапан 54 закрывается, а впускной клапан 52 открывается. Воздух поступает в камеру сгорания 14 через впускной коллектор 146, а поршень 138 двигается по направлению к дну цилиндра так, чтобы увеличить объем внутри камеры сгорания 14. Положение, в котором поршень 138 находится рядом с дном цилиндра и в конце своего хода (т.е. когда камера сгорания 14 имеет наибольший объем), обычно называется специалистами в данной области нижней мертвой точкой (НМТ). Во время хода сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 138 двигается по направлению к головке цилиндров, чтобы сжать воздух внутри камеры сгорания 14. Точка, в которой поршень 138 находится в конце своего хода и наиболее близко к головке цилиндров (т.е. когда камера сгорания имеет наименьший объем), обычно называется специалистами в данной области 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 192 зажигания, что приводит к сгоранию. Во время рабочего хода расширяющиеся газы толкают поршень 138 обратно к НМТ. Коленчатый вал 140 превращает движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время хода выпуска выпускной клапан 54 открывается, чтобы выпустить воспламененную смесь воздуха и топлива в выпускной коллектор 148, а поршень возвращается к ВМТ. Можно отметить, что вышеизложенное приведено только в качестве примера и распределение по времени открывания и/или закрывания впускного и выпускного клапанов может меняться так, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрывание впускного клапана или различные другие варианты.
В одном варианте осуществления изобретения датчик регистрации остановки/запуска имеет нулевую скорость и возможность двунаправленного действия. В некоторых примерах можно использовать двунаправленный датчик Холла, в других примерах на мишень можно установить магниты. Магниты можно установить на мишени и потенциально устранить так называемый «зазор на месте отсутствия зуба», если датчик способен регистрировать изменение амплитуды сигнала (например, при использовании более сильного и более слабого магнитов, расположенных в особых местах на шкиве). Также при использовании двунаправленного датчика Холла или эквивалентного датчика можно сохранить положение двигателя при выключении, но при повторном запуске можно использовать альтернативную стратегию для обеспечения вращения двигателя в прямом направлении.
Таким образом, система, показанная на Фиг.1, представляет собой систему двигателя, в которую входит двигатель с цилиндром и впускным клапаном; форсунка распределительного впрыска для впрыска жидкости в цилиндр; контроллер с машиночитаемыми инструкциями для впрыска водосодержащей жидкости из форсунки на впускной клапан во время автоматической остановки двигателя.
Контроллер может содержать инструкции для впрыска водосодержащей жидкости на впускной клапан, когда он находится в закрытом состоянии. Система может иметь форсунку прямого впрыска для впрыска топлива в цилиндр, а контроллер может содержать инструкции для впрыска топлива из форсунки прямого впрыска после впрыска водосодержащей жидкости форсункой распределительного впрыска и после выполнения в цилиндре последующего такта всасывания и такта выпуска. Контроллер может содержать инструкции для впрыска топлива из форсунки распределительного впрыска после выполнения им впрыска водосодержащей жидкости и после выполнения в цилиндре последующего такта всасывания и такта выпуска.
На Фиг.2 представлена схема расположения элементов приводного механизма 200 транспортного средства. Приводной механизм 200 может приводиться в действие двигателем 10. Запуск двигателя 10 может осуществляться системой запуска двигателя (не показана). Также двигатель 10 может производить или регулировать крутящий момент с помощью механизма 204 передачи крутящего момента, например топливной форсунки, дросселя и др.
Момент на выходе двигателя может быть передан гидротрансформатору 206 для привода автоматической трансмиссии 208. Также могут быть задействованы одна или несколько муфт сцепления, к которым относится муфта 210 переднего хода для движения транспортного средства. В одном примере гидротрансформатор можно рассматривать в качестве компонента трансмиссии. Кроме того, трансмиссия 208 может иметь несколько зубчатых муфт, которые можно задействовать для включения фиксированных передач трансмиссии с различным передаточным числом. С другой стороны, выходной момент гидротрансформатора можно контролировать с помощью блокировочной муфты 212. Например, когда блокировочная муфта 212 гидротрансформатора полностью выключена, гидротрансформатор 206 передает момент от двигателя к автоматической трансмиссии 208 за счет перекачки жидкости между турбиной и насосным колесом гидротрансформатора, тем самым обеспечивая мультипликацию крутящего момента. И, напротив, при полном включении блокировочной муфты 212 момент двигателя на выходе напрямую передается через муфту гидротрансформатора на ведущий вал (не показан) трансмиссии 208. В ином случае блокировочная муфта 212 может быть включена частично, тем самым обеспечивая возможность регулировки передаваемого трансмиссии крутящего момента. Контроллер может быть выполнен с возможностью регулировать передаваемый гидротрансформатором 206 крутящий момент путем регулировки блокировочной муфты в зависимости от различных условий эксплуатации двигателя либо на основании команды водителя.
Выходной крутящий момент от автоматической трансмиссии 208 может, в свою очередь, быть передан на колеса 216 для перемещения транспортного средства. В частности, автоматическая трансмиссия 208 может передавать входной движущий крутящий момент на ведущем валу (не показан) в зависимости от условий движения транспортного средства до передачи выходного движущего крутящего момента на колеса.
Сила торможения может быть приложена к колесам 216 с помощью включения колесных тормозов 218. В одном примере колесные тормоза 218 могут быть включены при нажатии водителем педали тормоза (не показана). Аналогичным образом, сила трения, действующая на колеса 216, может быть уменьшена за счет выключения колесных тормозов 218 при отпускании водителем педали тормоза. Тормоза транспортного средства могут применять силу трения к колесам 216 в качестве части процесса автоматической остановки двигателя.
С автоматической трансмиссией 208 может быть гидравлически соединен механический масляный насос 214, предназначенный для создания гидравлического давления, обеспечивающего включение различных муфт, например муфты 210 переднего хода и/или блокировочной муфты 212 преобразователя крутящего момента. Работа механического масляного насоса 214 может быть согласована с работой гидротрансформатора 206, и этот насос может, например, приводиться в движение за счет вращения двигателя или ведущего вала трансмиссии. Таким образом, гидравлическое давление, создаваемое механическим масляным насосом 214, может увеличиваться при увеличении скорости двигателя, а при уменьшении скорости двигателя понижаться. С автоматической трансмиссией также гидравлически соединен электрический масляный насос 220, который, однако, работает независимо от приводной силы двигателя 10 или трансмиссии 208. Он может быть использован для увеличения гидравлического давления механического масляного насоса 214. Электрический масляный насос 220 может быть приведен в движение с помощью электродвигателя (не показан), на который может поступать электрическая мощность, например, от аккумулятора (не показан).
Контроллер 12 может быть выполнен с возможностью принимать сигналы от двигателя 10, как более подробно показано на Фиг.1, и управлять соответствующим образом выходным крутящим моментом двигателя и/или работой гидротрансформатора, трансмиссии, муфт и/или тормозов. В одном примере выходным крутящим моментом можно управлять с помощью сочетания регулировки моментов зажигания, ширины импульса подачи топлива, моментов генерации импульсов подачи топлива и/или заряда воздуха путем управления моментами открытия дросселя и/или переключения клапана, подъема клапана и наддува для двигателей с наддувом или турбонаддувом. В дизельных двигателях контроллер 12 может управлять выходным крутящим моментом двигателя с помощью контроля комбинации ширины импульса подачи топлива, моментов подачи топлива и/или объема заряда воздуха. В любом случае, управление двигателем может осуществляться на основании принципа поочередной работы с каждым цилиндром (cylinder-by-cylinder) для управления выходным крутящим моментом двигателя.
При наличии условий для автоматической остановки контроллер 12 может инициировать выключение двигателя за счет прекращения подачи топлива или искры в двигателе. Для поддержания определенного уровня вращения трансмиссии контроллер может тормозить вращающиеся элементы трансмиссии 208 на корпус трансмиссии, а следовательно, на раму транспортного средства. Контроллер может задействовать одну или несколько муфт сцепления, например муфту 210 переднего хода, и заблокировать включенные муфты на корпусе трансмиссии и раме транспортного средства. Давление муфты сцепления может быть изменено (например, увеличено) для регулировки состояния зацепления муфты трансмиссии и создания необходимого крутящего момента трансмиссии. В одном примере при выключении двигателя гидравлическое давление для регулирования муфты сцепления может быть создано путем включения электрического масляного насоса 220, если достаточное давление не может быть предоставлено механическим масляным насосом 214.
Во время выключения двигателя также может производиться регулировка давления колесных тормозов на основании давления муфты сцепления, что будет способствовать включению трансмиссии при уменьшении передаваемого на колеса момента. Например, путем включения колесных тормозов при блокировке одной или нескольких муфт трансмиссии к трансмиссии, а впоследствии и к приводу на колеса могут быть приложены противодействующие силы, тем самым сохраняя в активном зацеплении передачи трансмиссии и потенциальную энергию вращения в системе шестерен трансмиссии, без вращения колес. В одном примере регулировка давления колесных тормозов может быть осуществлена для согласования их включения вместе с блокировкой включенной муфты трансмиссии при выключении двигателя. В связи с этим путем регулировки давления колесных тормозов и муфты можно отрегулировать величину крутящего момента, сохраняющуюся в трансмиссии при выключении двигателя.
Если условия для перезапуска двигателя выполнены и/или если водитель транспортного средства хочет запустить транспортное средство, контроллер 12 может перезапустить двигатель за счет возобновления процесса сгорания в цилиндрах двигателя. Для запуска транспортного средства трансмиссия 208 может быть разблокирована, а колесные тормоза 218 выключены для возврата крутящего момента ведущим колесам 216. Давление муфты трансмиссии может быть отрегулировано таким образом, чтобы разблокировать трансмиссию, при этом давление колесных тормозов может быть также изменено для координации выключения тормозов и разблокировки трансмиссии и запуска транспортного средства.
На Фиг.3 изображен способ 300 для осуществления автоматического запуска и остановки двигателя. Способ 300 может быть выполнен контроллером двигателя в соответствии с содержащимися в нем машиночитаемыми инструкциями. Способ 300 может уменьшить токсичность выхлопных газов в процессе автоматического повторного запуска двигателя путем впрыска водосодержащей жидкости, например воды или жидкости для стеклоомывателя, на горячий закрытый впускной клапан. Жидкость может испариться благодаря теплу впускного клапана и попасть в цилиндр двигателя. Таким образом, пары вытесняют воздух, который обычно всасывается в цилиндр, уменьшая концентрацию кислорода в катализаторе и доставляя воду для образования водорода.
На этапе 302 способ 300 предусматривает определение условий работы двигателя. Рабочие параметры двигателя, помимо прочего, могут включать в себя температуру двигателя, температуру окружающей среды, атмосферное давление (например, для индикации высоты), положение коленчатого вала двигателя, положение распределительного вала двигателя, давление тормозов транспортного средства, влажность, скорость двигателя и нагрузку.
На этапе 304 способ 300 предусматривает проверку выполнения условий автоматической остановки двигателя. Условиями для автоматической остановки двигателя могут являться, например, следующие условия: двигатель работает (т.е. запущен процесс горения топлива); превышение порогового уровня заряда аккумулятора (SOC), например значения в 30%; скорость транспортного средства лежит в требуемом диапазоне значений (например, не более 45 км/ч); температура хладагента двигателя находится в пределах порогового диапазона. Также может быть превышен пороговый уровень нажатия педали тормоза и/или положение педали газа может быть меньше порогового уровня, что указывает на намерение водителя остановить транспортного средства.
Дополнительно автоматическая остановка может зависеть от температуры одного или нескольких впускных клапанов двигателя. Для испарения водосодержащей жидкости впускной клапан, на который производится впрыск жидкости, должен иметь температуру, превышающую температуру испарения жидкости. Если температура впускного клапана меньше температуры испарения жидкости, то условия автоматической остановки двигателя не будут выполнены, а значит, и выключение двигателя произведено не будет. Температура впускных клапанов может быть определена с помощью тепловой модели, которая оценивает температуру впускного клапана на основании скорости, нагрузки двигателя и других параметров, например температуры двигателя и воздушного заряда.
Если условия для автоматической остановки двигателя не были выполнены, способ 300 возвращается на этап 302 для продолжения отслеживания условий эксплуатации двигателя. Если условия выполнения автоматической остановки двигателя были выполнены, способ 300 переходит на этап 306 для выключения двигателя. Двигатель может быть выключен, например, путем остановки впрыска топлива и подачи искры. На этапе 308 выполняется определение прогнозируемого количества воздуха в цилиндре для следующего такта всасывания. Воздух может представлять собой всасываемый воздух, который пройдет в цилиндр при следующем такте всасывания без сгорания топлива, выполняемом двигателем, например, в процессе зажигания для последующего запуска двигателя. Количество воздуха может представлять собой объемом воздушного заряда, определенный с помощью прогнозирования абсолютного давления в коллекторе (MAP) при закрытии впускного клапана следующего цикла двигателя.
На этапе 310 производится определение количества водосодержащей жидкости, которое эквивалентно объему воздуха, а на этапе 312 производится определение количества жидкости, которое впускной клапан может испарить. Количество жидкости, которое впускной клапан способен испарить, зависит от температуры клапана, как было сказано ранее. Например, можно определить потенциальное тепло, поглощаемое клапаном при испарении жидкости. Если начальная температура клапана не является достаточной для испарения жидкости, то будет испарена не вся жидкость. На основании начальной температуры клапана и свойств жидкости можно определить количество жидкости, которое можно испарить. Поскольку вышеуказанные расчеты основываются на работе одного цилиндра и впускного клапана, количество воздуха в цилиндре и температура впускного клапана могут быть рассчитаны для каждого цилиндра. В других вариантах количество воздуха и температуру клапана можно рассчитать только для того цилиндра, для которого будет осуществляться впрыск водосодержащей жидкости. Такой цилиндр можно определить на основании положения двигателя в отключенном состоянии, и цилиндр в требуемом положении (например, на такте выпуска) при последующем запуске будет выбран для впрыска водосодержащей жидкости.
На этапе 314 способ 300 предусматривает определение, был ли получен запрос на запуск двигателя. Запрос на повторный запуск двигателя может быть основан, например, на положении педали газа и/или тормоза путем считывания данных датчика положения педали для определения того, была ли педаль газа нажата и/или педаль тормоза отпущена. Также запрос на перезапуск может быть основан на оценке затребованного водителем крутящего момента, который должен превысить пороговый уровень. Если запрос на повторный запуск не был получен, то способ 300 возвращается к отслеживанию запроса на запуск. При получении запроса на повторный запуск способ 300 переходит на этап 316 для впрыска водосодержащей жидкости на закрытый впускной клапан. Впрыск жидкости может быть осуществлен форсункой распределительного впрыска, например форсункой 170 с Фиг.1.
На этапе 318 количество впрыскиваемой водосодержащей жидкости можно определить на основании потенциального тепла, которое клапан может поглотить, и объема воздуха, всасываемого в цилиндр, как было описано ранее. Например, количество впрыскиваемого топлива может быть равно количеству воздуха, которое должно быть всосано в цилиндр. Однако, если клапан недостаточно горячий для испарения всей жидкости, то можно осуществить впрыск меньшего количества жидкости. Впускной клапан, на который осуществляется впрыск жидкости, можно выбрать на основании положения двигателя. Например, можно выбрать впускной клапан цилиндра, который находится перед началом такта всасывания, как указано на этапе 320. Вводимая жидкость может поступать к катализатору при запуске двигателя, как указано на этапе 322. Таким образом, введенная жидкость испаряется при контакте с впускным клапаном. По запросу на перезапуск может начаться запуск двигателя, а при открывании впускного клапана в процессе последующего такта всасывания испаренная жидкость попадает в цилиндр, затем в выхлопной канал и катализатор.
На этапе 324 происходит сгорание топлива в цилиндре для запуска двигателя. При этом до выполнения такта всасывания и последующего такта выпуска, как указано на этапе 326, впрыск топлива в цилиндр, в который была введена жидкость, может не производиться. Таким образом, испаренная жидкость может пройти к катализатору без смешивания с выхлопными газами двигателя. Сгорание может быть произведено в другом цилиндре после всасывания испарившейся жидкости либо в том же цилиндре, в который была введена жидкость. Топливо может быть введено в двигатель с помощью форсунки прямого впрыска либо форсунки распределенного впрыска.
Таким образом, показанный на Фиг.3 способ предусматривает введение водосодержащей жидкости без топлива на горячий закрытый впускной клапан для замещения воздуха, который обычно попадает в цилиндр во время такта всасывания. При этом может быть введено такое количество жидкости, которое эквивалентно объему всасываемого в цилиндр воздуха, кроме случая, когда впускной клапан недостаточно горячий для полного испарения жидкости. Если клапан не способен испарить всю жидкость, то можно осуществить впрыск меньшего количества жидкости. Однако, если клапан слишком холодный для испарения достаточного для катализатора количества жидкости (например, для вытеснения требуемого количества кислорода из катализатора и/или обеспечения требуемого количества воды), то остановка двигателя не будет выполнена. В другом примере, если достаточное количество жидкости не может быть испарено, то для вытеснения необходимого количества воздуха в цилиндр может быть введено топливо. Топливо при этом может попасть в катализатор несгоревшим. В следующем примере, если клапан слишком холодный для испарения жидкости, то эта жидкость может быть введена раньше (например, до или во время выключения двигателя) так, чтобы при выключении двигателя катализатора достигла часть воздуха с низким содержанием кислорода. Это может уменьшить насыщение кислородом катализатора при последующем запуске.
Несмотря на то, что способ 300 описывает подачу водосодержащей жидкости на впускной клапан одного цилиндра, возможно осуществление впрыска в несколько цилиндров. Например, может быть полезным вытеснить кислород из двух цилиндров для перевода катализатора в состояние, достаточное для получения необходимых характеристик выбросов. В этом случае водосодержащая жидкость может быть введена на впускной клапан двух отдельных цилиндров. После того как оба цилиндра пропустят через себя испаренную жидкость к катализатору, можно будет запустить процесс сгорания в других цилиндрах.
Несмотря на то, что способ 300 описывает подачу жидкости в зависимости от полученного запроса на запуск двигателя непосредственно перед началом запуска, для введения жидкости может быть выбрано и другое время. Например, жидкость может быть введена при замедлении двигателя, за которым следует автоматическая остановка, либо во время простаивания двигателя перед получением запроса на запуск. В другом примере жидкость может быть введена после начала запуска двигателя, но до начала выполнения рабочего такта (сгорания топлива).
На Фиг.4 приведен пример схемы моделирования последовательности операций при запуске двигателя согласно способу на Фиг.3. Отсчет времени ведется слева направо. Изображенная последовательность (не рассматриваемая в качестве ограничения) относится к запуску четырехцилиндрового четырехтактного двигателя. В данном примере вертикальные отметки между положением цилиндра обозначают положение ВМТ или НМТ соответствующих тактов цилиндров (Цилиндры 1-4), и между каждой вертикальной отметкой предполагается оборот коленчатого вала на 180 градусов.
0
0
0
Первая область представляет собой положение цилиндра №1, в частности относится к такту цилиндра №1 при вращении коленчатого вала двигателя. До момента времени Т двигатель выключен и находится в состоянии покоя. В момент времени Т стартер начинает вращать коленчатый вал двигателя. Стартер может быть включен при возникновении запроса на автоматический запуск двигателя, как было описано выше. Такты цилиндров 1-4 отмечены относительно положения двигателя в состоянии покоя. Например, цилиндр №1 до момента времени Т находится в такте выпуска при выключенном двигателе.
0
Перед началом сгорания при автоматическом запуске водосодержащая жидкость может быть подана на закрытый впускной клапан одного из цилиндров двигателя. Водосодержащая жидкость испарится благодаря теплу впускного клапана и может попасть в цилиндр двигателя, после чего - в катализатор. Как показано на Фиг.4, жидкость подается на впускной клапан цилиндра №1 до момента времени Т, в соответствии с положением указателя 400. К моменту времени, когда цилиндр №1 готов начать такт всасывания, жидкость перед всасыванием в цилиндр могла испариться, но не рассеяться. Однако жидкость может быть введена и в другие подходящие цилиндры.
0
После момента времени Т двигатель вращается, и цилиндр №1 начинает такт всасывания, за которым следуют такты сжатия, расширения и выпуска. Затем цикл цилиндра №1 повторяется. Для четырехтактного двигателя цикл работы цилиндра может составлять 720°, как и интервал углов коленчатого вала для полного цикла двигателя. Однако пока не пройдет первый выпускной такт после ввода жидкости, топливо не попадает в цилиндр №1, чтобы позволить испарившейся жидкости попасть в катализатор. Таким образом, воздух проходит через цилиндр №1 при запуске двигателя и последующих рабочих тактах цилиндров, но при этом в цилиндре №1 до такта сжатия сгорания топлива не происходит.
1
Вторая область в верхней части схемы относится к положению и такту цилиндра №3. Как было сказано ранее, подача топлива в цилиндр №1 может быть отложена для попадания испарившейся жидкости в цилиндр и выхлопную систему для замещения воздуха в цилиндре. Таким образом, сгорание топлива может происходить в следующем цилиндре в порядке зажигания. Поскольку порядок зажигания конкретного двигателя 1-3-4-2, то первый раз с момента выключения двигателя сгорание топлива происходит в цилиндре №3. Звездочка на значке 402 указывает на первое событие сгорания топлива после выключения двигателя. Зажигание может быть инициировано свечой зажигания или от сжатия. В указанной последовательности клапаны цилиндра №3 открыты в такте всасывания для ввода воздуха в цилиндр. Топливо может быть введено в двигатель с помощью форсунки прямого впрыска либо форсунки распределенного впрыска. Во время такта сжатия производится сжатие и воспламенение топливно-воздушной смеси. Максимальное давление цилиндра может возникнуть в ВМТ такта сжатия или такта расширения. Таким образом, путем осуществления процесса горения в цилиндре двигатель запущен начиная с момента времени Т.
Следует отметить, что положение двигателя можно определить в момент остановки двигателя путем отслеживания его положения при прекращении подачи искры и топлива цилиндру. В одном варианте, когда двигатель практически остановлен, производится определение и сохранение в памяти его положения для вывода при следующем запуске. В другом варианте положение двигателя может быть определено при запуске после начала вращения путем регистрации положения распределительного вала и коленчатого вала.
Третья область схемы относится к положению и такту цилиндра №4. Звездочка 404 указывает на начало первого сгорания для цилиндра №4 после остановки двигателя и второго сгорания после остановки двигателя.
Четвертая область схемы относится к положению и такту цилиндра №2. Звездочка 406 указывает на начало сгорания для цилиндра №2 после остановки двигателя и третьего сгорания после остановки двигателя. После этого процесс сгорания топлива инициируется в цилиндре №1, как указано звездочкой 408.
Следует отметить, что цилиндр, в котором произойдет первое сгорание топливно-воздушной смеси, может меняться в зависимости от положения остановки двигателя и способа определения положения двигателя. В некоторых вариантах топливо может быть не предоставлено одному или нескольким цилиндрам двигателя, пока положение двигателя не будет установлено. В других вариантах топливо может быть предоставлено до или к моменту начала вращения двигателя, вне зависимости от положения его остановки. Положение остановки двигателя можно также использовать для определения того, в какой цилиндр или в какие цилиндры будет введена водосодержащая жидкость.
Например, количество цилиндров, в которые будет введена водосодержащая жидкость, может меняться в зависимости от положения двигателя. При этом в первом положении водосодержащая жидкость может быть введена в один цилиндр, а во втором положении жидкость может быть введена в два цилиндра. Положение двигателя может быть определено после его выключения, и на основании этого положения может быть выбран первый цилиндр для осуществления сгорания (выбранный цилиндр может быть первым цилиндром в порядке зажигания, в зависимости от выполнения такта всасывания с достаточным забором воздуха). В зависимости от выбранного цилиндра для ввода водосодержащей жидкости могут быть выбраны один или несколько разных цилиндров, если они пройдут такт всасывания до выполнения сгорания. Кроме того, количество цилиндров, в которые будет производиться впрыск жидкости, может меняться в зависимости от состояния катализатора. Например, если катализатор полностью насыщен кислородом, то впрыск жидкости может быть осуществлен в два цилиндра. Если же катализатор лишь частично насыщен кислородом, то впрыск жидкости можно производить лишь в один цилиндр.
0
1
На Фиг.5 приведен другой пример схемы моделирования последовательности операций запуска двигателя согласно способу с Фиг.3. Так же, как и на Фиг.4, время отложено по горизонтальной оси, а также показаны такты работы двигателя и моменты сгорания топлива в цилиндрах 1-4. На Фиг.5 изображен пример запуска двигателя, в котором впрыск водосодержащей жидкости производится в два цилиндра. Первый впрыск 500 в цилиндр №1 показан перед тактом всасывания. Этот впрыск может быть выполнен перед запуском двигателя, который начинается в момент времени Т. Второй впрыск 502 в цилиндр №3 показан во время запуска двигателя, когда цилиндр №3 находится в такте выпуска. Однако впрыск водосодержащей жидкости в каждый цилиндр может производиться практически одновременно, например, перед тактом всасывания цилиндра №1. Для того чтобы позволить обоим цилиндрам выпустить содержимое в катализатор до попадания в него продуктов сгорания, можно выполнить сгорание в цилиндре №4, как изображено звездочкой 504, при этом запуск двигателя будет произведен в момент времени T. На Фиг.5 цилиндр №4 может быть выбран в качестве первого цилиндра, в котором произойдет сгорание, на основании положения двигателя при выключении. Поскольку оба цилиндра №1 и №3 пройдут такт всасывания перед тактом сгорания, в каждый из них может быть введена водосодержащая жидкость. Однако если цилиндр №3 выбран в качестве первого в порядке зажигания, но требуется впрыск в несколько цилиндров, то процесс сгорания может быть отложен и произведен в цилиндре №4, чтобы предоставить время для впрыска в оба цилиндра №1 и №3.
В одном примере способ предусматривает введение водосодержащей жидкости в закрытый впускной клапан цилиндра при автоматическом выключении двигателя, пока двигатель находится в бездействии, а при последующем запуске подачу топлива в цилиндр после выполнения в цилиндре по меньшей мере одного такта всасывания и последующего такта выхлопа. Водосодержащая жидкость может быть испарена при контакте с поверхностью закрытого впускного клапана. Испарившаяся водосодержащая жидкость может пройти к выпуску перед началом процесса сгорания в цилиндре. Перед выполнением автоматической остановки двигателя можно определить температуру впускного клапана, и если температура меньше порогового значения, то автоматическая остановка произведена не будет.
Количество впрыскиваемой водосодержащей жидкости может зависеть от температуры впускного клапана и прогнозируемого объема воздуха, необходимого в такте всасывания при последующем запуске.
Подача водосодержащей жидкости на закрытый впускной клапан цилиндра при выключенном двигателе может также заключаться во введении водосодержащей жидкости в ответ на запрос запуска двигателя. Двигатель может быть повторно запущен путем осуществления впрыска топлива и инициации сгорания в другом (втором) цилиндре после введения водосодержащей жидкости. Другой (второй) цилиндр может быть выбран на основании положения двигателя при выключении и/или на основании концентрации кислорода в катализаторе.
В другом примере способ предусматривает остановку двигателя при определенных условиях; при возникновении последующего запроса на запуск двигателя вытеснение объема всасываемого в цилиндр воздуха испарившейся водосодержащей жидкостью и выпуск испарившейся водосодержащей жидкости в катализатор перед началом процесса сгорания в цилиндре.
Выбранные условия могут представлять собой превышение пороговой температуры впускного клапана цилиндра и выполнение условий для автоматической остановки двигателя. Условия для автоматической остановки двигателя могут быть основаны на одном или нескольких значениях скорости двигателя, нагрузки двигателя и положения педали тормоза. Вытеснение объема всасываемого в цилиндр воздуха испарившейся водосодержащей жидкостью может быть выполнено путем подачи водосодержащей жидкости на закрытый впускной клапан цилиндра. Количество впрыскиваемой водосодержащей жидкости можно определить на основании температуры впускного клапана и объема воздуха, всасываемого в цилиндр.
Определение необходимого количества водосодержащей жидкости на основании температуры впускного клапана и объема воздуха может включать в себя определение первого количества водосодержащей жидкости, которое эквивалентно объему воздуха, определение того, что температура впускного клапана достаточно высока для испарения первого количества водосодержащей жидкости, и если да, то выбор в качестве впрыскиваемого количества водосодержащей жидкости первого количества, если нет, то выбор второго меньшего количества для введения.
Впрыск топлива в цилиндр может быть отложен, пока испарившаяся водосодержащая жидкость не достигнет катализатора. Двигатель может быть повторно запущен путем впрыска топлива и начала сгорания в другом цилиндре после вытеснения объема воздуха. Последующий запрос на запуск может быть основан на положении педалей тормоза и газа.
Следует понимать, что описанные конфигурации и способы являются примерными по свое сути и точное их воспроизведение не рассматривается как единственно возможное, так как допускаются различные вариации. Например, описанная выше технология может применяться к двигателям V-6, I-4, I-6, V-12, оппозитному четырехцилиндровому и другим видам двигателя. Предметом настоящего изобретения являются все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций и другие особенности, функции и/или свойства, описанные выше.