САМОПОДДЕРЖИВАЮЩАЯСЯ СИСТЕМА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области автомобилестроения, в частности, к выхлопным системам с рециркуляцией отработавших газов.
Уровень техники
Для повышения эффективности использования топлива в двигателе и сокращения вредных выхлопов в атмосферу может быть использована рециркуляция отработавших газов (EGR). Для этого направляют отработавшие газы во впускной коллектор, где они смешиваются с окружающим воздухом перед подачей в камеру сгорания. В системах с турбонагнетателем отработавшие газы могут быть рециркулированы с использованием системы высокого давления (HP-EGR) или системы низкого давления (LP-EGR). В системах HP-EGR может быть предусмотрено выпускное отверстие выше по потоку от турбины и впускное отверстие ниже по потоку от компрессора. Системы HP-EGR обеспечивают постоянный поток газа, подаваемый во впускную систему благодаря большему перепаду давления между выпускной системой и впускным коллектором в условиях отсутствия наддува; однако в системе EGR или впускной системе может накапливаться сажа из выхлопа, либо там может конденсироваться несгоревшее топливо, снижая эффективность работы двигателя. Системы LP-EGR соединяют выпускное отверстие ниже по потоку от турбины с впускным отверстием выше по потоку от компрессора. Пример такой системы раскрыт, например, в публикации патентной заявки США №2007/024608 от 25.10.2007, которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога полезной модели.
Благодаря данному способу, отработавшие газы могут быть очищены с помощью системы улавливания частиц или другой системы снижения токсичности отработавших газов до рециркуляции отработавших газов во впускную систему, снижая тем самым содержание сажи и ее накопление в системе двигателя. Тем не менее, в системах LP-EGR отработавшие газы проходят значительное пространство в транспортном средстве до рециркуляции во впускную систему, что приводит к ряду проблем внутри системы EGR.
При некоторых условиях давление на впуске (MAP) ниже, чем давление в выпускной системе. Впускные компрессоры, турбины на отработавших газах и глушители выпускной системы могут увеличивать перепад давления между системами. Однако падение давления возрастает вместе с увеличением протяженности системы LP-EGR, и при протяженных системах LP-EGR поток газа EGR не может быть поддержан с помощью собственного перепада давления в рамках системы. В системах LP-EGR могут быть установлены обратные клапаны для создания достаточного перепада давления между впускной и выпускной системами. Однако повреждение дополнительного клапана может привести к выходу из строя всей системы LP-EGR. Кроме того, резонансные колебания в системе EGR и впускной системе, создаваемые таким обратным клапаном, могут привести к шумам, неприятным для водителя, а вибрации внутри системы EGR могут вызвать механические неисправности.
Увеличенная протяженность системы EGR также приводит к увеличению задержек обратной связи таким образом, что системы, управляющие рециркуляцией на основании текущей нагрузки двигателя, могут работать неточно. Кроме того, увеличенная протяженность трубы системы LP-EGR повышает затраты на производство и увеличивает массу транспортного средства, а также занимает ограниченное пространство ходовой части.
Таким образом, существует потребность в разработке системы LP-EGR с меньшей протяженностью трубопровода, и обеспечивающей достаточный перепад давления.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является обеспечение достаточного перепада давления между впускной и выпускной системами без клапана обратного давления.
Для этого предложена выхлопная система для двигателя, которая содержит впускную систему, выпускную систему, систему рециркуляции отработавших газов низкого давления (LP-EGR), соединяющую выпускную систему с впускной системой, и глушитель, расположенный во впускной системе ниже по потоку от впускного отверстия для отработавших газов системы LP-EGR и перед передними колесами, причем выпускная труба выпускной системы выполнена с поворотом под углом от 90° до 270°, расположенным между передними и задними колесами выше по потоку от впускного отверстия для отработавших газов системы LP-EGR.
Благодаря такому изменению направления выпускной трубы, отработавшие газы направлены назад к передней части транспортного средства, где расположена впускная система, что позволяет переместить турбину и трубу глушителя с задней части транспортного средства в переднюю часть транспортного средства ближе к компрессору.
При этом двигатель может быть расположен между передними и задними колесами, а также между поворотом выпускной трубы и передними колесами, а выпускное отверстие для отработавших газов системы LP-EGR может быть расположено позади от глушителя.
Выпускное отверстие трубы глушителя может быть расположено перед передними колесами и направлено вниз.
Выпускная труба может содержать каталитический нейтрализатор выше по потоку от поворота и перед ним.
Система дополнительно может содержать систему рециркуляции отработавших газов высокого давления.
В системе LP-EGR может быть предусмотрен один или несколько охладителей отработавших газов.
Система может дополнительно содержать турбонагнетатель, включающий в себя компрессор и турбину, причем труба системы LP-EGR соединена с выпускной трубой ниже по потоку от турбины, а с впускной трубой выше по потоку от компрессора, ниже по потоку от компрессора, или и выше, и ниже по потоку от компрессора.
В другом варианте предложено транспортное средство, которое содержит двигатель, соединенный с вышеописанной системой. Такое транспортное средство может дополнительно содержать турбонагнетатель, соединенный с двигателем.
Выпускная труба может сначала изгибаться по направлению к центральной оси транспортного средства ниже по потоку от турбины турбонагнетателя, затем изгибаться по направлению от центральной оси транспортного средства на угол более 120°, после чего снова изгибаться назад по направлению к центральной оси перед двигателем, проходя к передней части транспортного средства и глушителю.
Двигатель может иметь V-образную конфигурацию.
Транспортное средство также может содержать охладитель, установленный в трубе системы LP-EGR.
Предложенное расположение элементов выхлопной системы сокращает протяженность трубы для EGR, тем самым уменьшая падение давления до такой степени, которая позволяет глушителю создавать достаточное давление для поддержания рециркуляции. Выпускная система, расположенная в передней части транспортного средства, также уменьшает вес транспортного средства путем устранения чрезмерно длинной трубы для EGR и сокращает время отклика для рециркуляции для систем, которые измеряют рециркуляцию в ответ на рабочие условия или нагрузку. Кроме того, размещение трубы глушителя в передней части транспортного средства позволяет направить нагретые отработавшие газы к земле, которые передадут тепло льду или снегу на дороге до контакта колес с дорогой, тем самым повысив сцепление передних колес с дорогой и улучшив дорожные качества транспортного средства.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана схема предлагаемой системы LP-EGR.
На Фиг. 2 представлена нижняя часть транспортного средства с использованием предлагаемой системы LP-EGR. Рисунок выполнен в приблизительном масштабе, и на практике могут быть использованы другие относительные размеры.
На Фиг. 3 представлено увеличенное изображение отдельной области с Фиг. 2.
На Фиг. 4 представлена система LP-EGR с Фиг. 2.
На Фиг. 5 представлена возможная последовательность управляющих операций для эксплуатации системы LP-EGR.
Осуществление полезной модели
Далее более подробно описаны системы и способы для системы LP-EGR двигателя с турбонаддувом. LP-EGR, как правило, относится к системе EGR с выпускным отверстием для отработавших газов, расположенным в части впускной системы с отрицательным давлением, например, выше по потоку от компрессора, и впускным отверстием для отработавших газов, расположенным в части выпускной системы с положительным давлением, например, ниже по потоку от сажевого фильтра, каталитического нейтрализатора или другого устройства снижения токсичности отработавших газов, которое соединено с выпускной системой. Система HP-EGR, наоборот, как правило, относится к системе EGR с выпускным отверстием для отработавших газов, расположенным в части впускной системы с более высоким давлением, чем система LP-EGR, и впускное отверстие для отработавших газов расположено в части выпускной системы с более высоким давлением, чем система LP-EGR выше по потоку от турбины.
Системы LP-EGR, раскрытые в данном описании, могут включать в себя несколько устройств, установленных на трубопроводе рециркуляции. Система EGR может иметь один или несколько теплообменников в трубопроводе рециркуляции отработавших газов. Теплообменник может представлять собой охладитель EGR и может охлаждать газы EGR с помощью охлаждающей жидкости посредством теплопроводного разделителя. Охлаждение газов EGR может иметь место при определенных рабочих режимах двигателя и может способствовать поддержанию требуемой температуры газов. Охлаждение EGR также уменьшает объем отработавших газов и, тем самым, позволяет подавать большее количество топлива для заданного объема EGR. Охлаждение может быть также начато в зависимости от плотности топлива в отработавших газах, чтобы не превысить пороговое значение вредных выбросов для определенного рабочего режима.
В системе LP-EGR, раскрытой в данном описании, могут быть предусмотрены перепускные каналы, обеспечивающие обвод одного или нескольких охладителей EGR для достижения оптимальной рабочей температуры в двигателе или управления конденсацией во впускной системе. Для управления количеством газов EGR, подаваемых для рециркуляции во впускную систему, в системе EGR могут быть установлены один или несколько дросселей. Дроссели могут быть расположены в выпускном отверстии, во впускном отверстии или в каналах EGR. Газы EGR могут быть также дросселированы во впускной системе после рециркуляции и перед сгоранием. Дроссель может отмерять количество отработавших газов и подавать воздух для сгорания.
В системах с наддувом, которые не используют турбину или систему двойного наддува, которая включает в себя турбину и компрессор, приводимый от двигателя, впускное отверстие для отработавших газов системы LP-EGR может быть расположено ниже по потоку от устройства снижения токсичности отработавших газов, например, фильтра или каталитического нейтрализатора и/или турбины.
Система LP-EGR, раскрытая в данном описании, может быть применена совместно с системой HP-EGR или независимо от нее. Системы с функцией LP-EGR и функцией HP-EGR, могут отсоединять одну из двух систем от впускного отверстия при наличии определенной нагрузки или рабочего условия. В других вариантах реализации две системы могут работать совместно, и система управления может регулировать поток отработавших газов в каждой соответствующей системе на основании существующего рабочего режима.
Система LP-EGR, раскрытая в данном описании, может также включать в себя несколько выпускных отверстий для отработавших газов, которые могут независимо друг от друга иметь соответствующие клапаны и могут быть расположены на нескольких впускных отверстиях выше по потоку и/или ниже по потоку от впускного охладителя, дросселя или компрессора. Система LP-EGR также может иметь единственное выпускное отверстие для отработавших газов, которое соединено с несколькими трубами системы LP-EGR, которые могут быть расположены в нескольких точках выше по потоку и/или ниже по потоку от охладителя, дросселя или компрессора. В системе LP-EGR с ответвлениями ответвление может быть выполнено ниже по потоку от дросселя таким образом, чтобы отработавшие газы, проходящие по трубам, были отмерены с помощью одного исполнительного механизма, который также может быть независимо приводимым.
Фиг. 1 схематически изображает возможный двигатель с турбонаддувом, впускную систему и выпускную систему, снабженные системой LP-EGR. На Фиг. 2 показано примерное расположение элементов под кузовом, включая частично систему впуска, выпускную систему и систему LP-EGR с видом со стороны нижней части транспортного средства. Фиг. 3 представляет собой увеличенное изображение части выпускной трубы с Фиг. 2. На Фиг. 4 подробно показана система LP-EGR, представленная на Фиг. 2 и снятая с нижней части транспортного средства. На Фиг. 5 представлена возможная последовательность управляющих операций для эксплуатации системы LP-EGR, раскрытой в данном описании.
На Фиг. 1 изображена система, соответствующая четырехцилиндровому однорядному двигателю транспортного средства. Двигатель 106 имеет камеры 102 сгорания, предназначенные для приема заряда воздуха из впускного коллектора 130. В камерах сгорания воздух может быть смешан с топливом, поступающим из топливных форсунок 104 до момента воспламенения и сгорания с помощью искрового зажигания или воспламенения сжатием. Сгорание, происходящее в указанных камерах, может представлять собой частичное сгорание, при котором часть топлива в цилиндрах окисляется, а часть остается неокисленной и химически неизмененной, и, тем самым, может быть использована для последующих процессов сгорания. Отработавшие газы, выходящие из цилиндра в результате сгорания, представляют собой смесь окисленного топлива и неокисленного топлива.
Наддув двигателя 106 может быть выполнен с помощью системы турбонаддува, включающей в себя турбину 112, которая приводит в действие компрессор 118. Отработавшие газы могут быть преобразованы в кинетическую энергию, приводящую турбину 112, при этом давление данных отработавших газов падает при их прохождении через турбину 112. Турбина может быть соединена с одним или несколькими устройствами снижения токсичности отработавших газов, которые могут включать в себя сажевый фильтр, селективный каталитический нейтрализатор (SCR), трехкомпонентный нейтрализатор, ловушку для обедненного NOx или окислительный нейтрализатор. Выпускная труба 116, расположенная ниже по потоку от устройства 114 снижения токсичности отработавших газов, может иметь выпускное отверстие для отработавших газов системы LP-EGR выше по потоку от глушителя 132.
Глушитель 132 может быть использован для понижения амплитуды звукового давления, создаваемого двигателем, до выпуска из него отработавших газов в атмосферу, что выполняется с помощью выхлопных труб 110 глушителя. Снижение объема звукового давления может быть достигнуто путем применения деструктивной интерференции за счет изолированных каналов и камер в глушителе, настроенных на резонанс на деструктивных частотах. С помощью создания в выпускном канале препятствий для прохождения отработавших газов глушитель 132 может создавать противодавление в выпускной трубе 116 и соединенном с ней выпускном отверстии 134 для отработавших газов. Если противодавление является достаточно высоким, то отработавшие газы будут нагнетаться через выпускное отверстие 134 для отработавших газов в трубу 136 системы LP-EGR.
Следует заметить, что отрицательное направление оси x на Фиг. 1 указывает на заднюю часть транспортного средства, а положительное направление оси x указывает на переднюю часть транспортного средства. В некоторых системах EGR выпускная труба 116 продолжается в отрицательном направлении оси x устройства 114 снижения токсичности отработавших газов таким образом, что глушитель 132 расположен в отрицательном направлении оси x относительно устройства 114 снижения токсичности отработавших газов. Выхлопные трубы 110 выходят из глушителя 132 и выпускают газы в направлении к задней части транспортного средства. В данном примере расположения элементов выпускное отверстие для отработавших газов системы LP-EGR расположено в отрицательном направлении оси x по отношению к устройству 114 снижения токсичности отработавших газов таким образом, что оно находится между устройством 114 снижения токсичности отработавших газов и глушителем 132, что требует значительной длины трубы системы LP-EGR, проходящей в транспортном средстве. В данном примере расположения элементов труба системы LP-EGR повернута на 180 градусов таким образом, что она может быть соединена с впускной системой, расположенной в положительном направлении оси x по отношению к фильтру. Поток EGR от выпускной системы к впускной системе может быть сохранен, благодаря перепаду давления между выпускным отверстием и впускным отверстием. В обычных системах EGR перепад давления для поддержания потока EGR увеличивается по мере увеличения длины трубы для EGR, а также каких-либо изменений направления, и существенно возрастает в случае поворота потока отработавших газов на 180 градусов. В некоторых системах с помощью одних только глушителей нельзя создать достаточное противодавление для поддержания потока EGR, поэтому необходимо обеспечивать дополнительное противодавление. Дополнительное противодавление, как правило, может быть обеспечено с помощью установки клапана обратного давления.
Однако клапаны обратного давления привносят дополнительные затраты на производство и увеличивают вероятность возможных механических неисправностей. Кроме того, повышенное давление, создаваемое клапанами, создает дополнительное напряжение на трубе для EGR и клапане EGR, а также повышенное противодавление на двигатель и турбину в системах с турбонаддувом. Повышенное противодавление может вызвать снижение мощности двигателя и увеличить расход топлива, оно может также снизить эффективность работы турбины и, следовательно, работы турбонагнетателей.
В системе, раскрытой в данном описании, выпускная труба 116 резко меняет направление выше по потоку от выпускного отверстия 134 для отработавших газов и глушителя 132. Этот поворот выполнен с помощью изгиба выпускной трубы ниже по потоку от выпускного коллектора и выше по потоку от начала EGR. На Фиг. 1 такой поворот расположен ниже по потоку от устройства 114 снижения токсичности отработавших газов и турбины 112. В других вариантах реализации он может быть расположен выше или ниже по потоку как от турбины 112, так и от устройства 114 снижения токсичности отработавших газов, либо от обоих данных устройств.
На увеличенном изображении на Фиг. 3 показан угол поворота, обозначенный «тета» (θ) и область 212 поворота. Поворот может быть выполнен в области 212 поворота, которая находится на линии 230 (см. Фиг. 2) и может относиться к области выпускной трубы, расположенной наиболее близко к задним колесам 218 и/или наиболее удаленной от двигателя 106, впускного отверстия, трубы 206 системы LP-EGR, глушителя 132 и передних колес 216. Угол поворота может быть измерен от первой точки 232, в которой первая линия угла перпендикулярно пересекает диаметр выпускной трубы 116, и второй точки 234, в которой вторая линия перпендикулярно пересекает диаметр выпускной трубы. Угол θ может представлять собой угол между первой линией и второй линией, которые могут находиться в плоскости x-y. Плоскость x-y может быть параллельна нижней части 220 кузова и может быть обозначена «плоскость нижней части кузова»; она может быть также параллельна плоскости, образованной четырьмя точками контакта передних и задних колес с дорогой. Первая точка 232 может быть расположена выше по потоку в области 212 поворота, а вторая точка 234 может быть расположена ниже по потоку в области 212 поворота. Первая точка 232 может быть расположена ниже по потоку от устройства 114 снижения токсичности отработавших газов и двигателя 106. Вторая точка 234 может быть расположена ниже по потоку от первой точки 232 и выше по потоку от глушителя 132 и трубы 206 системы LP-EGR.
Угол θ может быть больше 90 градусов и меньше 270 градусов при измерении угла θ в плоскости первой и второй линий. Следует заметить, что в одном примере реализации поворот может составлять 180 градусов. За счет наличия поворота выпускной трубы под углом от 90 до 270 градусов выпускная труба может проходить от передней части транспортного средства к задней части транспортного средства, а после области 212 поворота изгибаться под углом таким образом, чтобы проходить в сторону передней части транспортного средства.
В одном примере путь прохождения выпускной трубы в плоскости x-y может иметь форму типа синусоиды с одним или несколькими изгибами, относительно положения по оси x. Труба глушителя выпускной трубы может быть расположена ближе к двигателю и/или передней части транспортного средства, чем к средней точке и/или области поворота выпускной трубы 116. Впускное отверстие может быть расположено ближе к двигателю и/или передней части транспортного средства, чем к задней части транспортного средства и/или точке поворота. Следовательно, поворот выпускной трубы позволяет расположить ее в непосредственной близости к впускному отверстию. Трубы системы LP-EGR соединяют участок впускной трубе с низким давлением с участком выпускной трубы с высоким давлением, за счет чего сокращается протяженность трубопровода системы LP-EGR и можно легче поддерживать перепад давления.
Другие варианты реализации могут не включать в себя турбонагнетатель. В таких вариантах впускное отверстие системы EGR может быть расположено в области низкого давления выпускной системы выше по потоку от изменения направления трубы.
Поворот может также быть использован в устройстве снижения токсичности отработавших газов или турбине таким образом, чтобы направление потока отработавших газов во впускном отверстии фильтра или турбины могло быть противоположным направлению потока отработавших газов в выпускном отверстии устройства снижения токсичности отработавших газов или турбины относительно плоскости x-y. Другими словами, изменение направления может быть частью геометрии турбины или фильтра, а соединительная труба может быть прямой или почти прямой.
Изменение направления потока позволяет расположить выпускное отверстие 134 для отработавших газов в положительном направлении оси x относительно турбины и/или фильтра таким образом, чтобы оно находилось в непосредственной близости от впускной системы, расположенной рядом с передней частью транспортного средства, и отработавшие газы были направлены в сторону передней части транспортного средства. Глушитель может быть размещен рядом с передней частью транспортного средства таким образом, чтобы отработавшие газы, которые не рециркулируют, могли выходить через трубы ПО глушителя, расположенные рядом с передней частью транспортного средства. Предложенный вариант конструкции также позволяет сократить протяженность трубы 136 системы LP-EGR и исключить или значительно уменьшить изменение направления потока в трубе системы EGR по сравнению с обычными способами. Уменьшенная длина трубы для EGR снижает потребность в противодавлении для поддержания потока отработавших газов через систему EGR таким образом, что можно не использовать клапан, а достаточное давление может быть обеспечено одним только глушителем.
Тем не менее, некоторые варианты могут все-таки предусматривать использование клапана обратного давления для достижения повышенного давления для увеличения потока. Кроме того, за счет увеличения длины выпускной системы и изменения направления потока, противодавление, передаваемое глушителем или дополнительным клапаном обратного давления в устройство снижения токсичности отработавших газов, турбину и двигатель, может быть уменьшено, чтобы сократить вероятность снижения мощности двигателя. Другими словами, увеличенное падение давления, которое может в противном случае помешать работе системы LP-EGR, может быть передано в выпускную систему и использовано для защиты турбины и системы двигателя от противодавления.
Труба 136 системы LP-EGR может быть соединена с охладителем 122 выпускной системы и может включать в себя перепускные каналы охладителя (не показаны), снабженные клапанами системы 140 управления, регулируемыми в зависимости от условий работы впускной системы или двигателя, которые могут включать в себя температуру и влажность. Клапан 124 системы LP-EGR может быть соединен с системой 140 управления для регулирования прохождения отработавших газов в системе LP-EGR, которое может быть выполнено в зависимости от содержания неокисленного топлива в отработавших газах, а также требуемой нагрузки двигателя. Прохождение отработавших газов через систему LP-EGR может быть также прекращено в соответствии с определенными условиями работы впускной системы, например температурой или давлением на впуске.
Количество неокисленного топлива, оставшееся в выпуске после одного процесса сгорания, может зависеть от нескольких факторов. Одним существенным фактором может быть увеличение требуемой нагрузки двигателя и, следовательно, количества воздуха, впрыскиваемого в камеры сгорания для воспламенения. Если требуемая нагрузка двигателя небольшая, то количество воздуха, поступающего в систему, может быть низким, что увеличит количество неокисленного топлива, оставшегося после сгорания. На количество несгоревшего топлива также может влиять температура двигателя, поскольку низкие температуры в двигателе приводят к низкой эффективности горения.
Для повышения эффективности сгорания в систему могут быть включены клапаны управления движением заряда. Данные факторы, а также другие условия работы, не указанные специально в данном описании, могут быть переданы в систему управления с помощью датчиков 160. Такие датчики могут измерять, например, содержание кислорода, влажность и температуру во впускной и/или выпускной системах. Датчики могут также измерять нагрузку двигателя, температуру двигателя или положение дросселя. Примером датчиков являются датчики 108 давления в коллекторе. Управление приводом клапана может быть выполнено системой 140 управления с помощью присоединенных исполнительных механизмов 144.
Отработавшие газы, проходящие через клапан 124, могут поступать во впускное отверстие 138 для отработавших газов, где происходит их смешивание с всасываемым атмосферным воздухом, который был сжат компрессором 118. В представленном варианте впускное отверстие 138 для отработавших газов втягивает отработавшие газы в выпускную систему выше по потоку от компрессора 118. В других вариантах реализации впускное отверстие может быть расположено ниже по потоку от компрессора 118. Кроме того, система LP-EGR может иметь ответвления в виде двух труб, одна из которых имеет впускное отверстие выше по потоку от компрессора 118, а другая имеет впускное отверстие ниже по потоку от компрессора 118. Каждое ответвление может содержать охладитель, либо может иметь ответвления ниже по потоку от охладителя, при этом поток через ответвления может быть также отрегулирован с помощью отдельных клапанов, либо ответвления могут отходить ниже по потоку от клапана системы LP-EGR.
Смешанные воздух окружающей среды и отработавшие газы могут затем проходить через охладитель 126 воздуха впускной системы. В других вариантах охладитель воздуха впускной системы может быть расположен выше по потоку от впускного отверстия для отработавших газов так, чтобы отработавшие газы не проходили через охладитель впускной системы.
Дроссель 128 может быть соединен с системой 140 управления и может быть приведен в действие в зависимости от требуемой нагрузки двигателя, позволяя большему количеству воздуха поступать во впускной коллектор при большей требуемой нагрузке и меньшему количеству воздуха при меньшей требуемой нагрузке. Дроссель может быть приведен в движение в зависимости от количества отработавших газов, рециркулирующих в системе двигателя. Дроссель может быть соединен с впускным коллектором 130 и может быть расположен выше по потоку от камер 102 сгорания двигателя.
Во время заполнения рабочей смесью в такте расширения камеры сгорания могут быть заполнены смесью из отработавших газов и воздуха окружающей среды, предназначенной для сгорания. Отработавшие газы и/или воздух окружающей среды, поступающие в камеры сгорания, могут быть впрыснуты вместе с дополнительным топливом до заполнения, они могут быть также впрыснуты или смешаны с топливом в камере сгорания.
Двигатель 106 и впускной коллектор 130 могут быть расположены в положительном направлении оси x турбины 112 и/или устройства 114 снижения токсичности отработавших газов. Впускное отверстие для подачи заряда воздуха из атмосферы может быть расположено в положительном направлении оси x по отношению к двигателю 106, турбине 112 и/или устройству 114 снижения токсичности отработавших газов. Впускное отверстие для отработавших газов и/или выпускное отверстие для отработавших газов системы LP-EGR могут быть расположены в положительном направлении оси x турбины 112 и/или устройства 114 снижения токсичности отработавших газов; либо они могут быть расположены в отрицательном направлении оси x по отношению к глушителю 132.
На Фиг. 2 показана нижняя часть 220 кузова транспортного средства с системой LP-EGR, изображенной на Фиг. 1. Нижняя часть 220 кузова транспортного средства включает в себя многоцилиндровый V-образный двигатель и, следовательно, может иметь выпускную систему и впускную систему для каждого ряда цилиндров. Первая сторона выпускной системы (в положительном направлении оси y) может зеркально отображать вторую сторону выпускной системы (в отрицательном направлении оси y), при этом ось зеркального отображения представляет собой ось, параллельную оси x и проходящую от центральной передней части транспортного средства к центральной задней части транспортного средства, как показано на фигуре. В других вариантах двигатель может иметь однорядную конфигурацию, в которой камеры сгорания линейно выровнены на одной оси. Однорядные двигатели могут иметь одну выпускную трубу и/или один канал EGR.
Двигатель 106 может быть соединен с выпускной трубой 116, а выпускная труба 116 может быть также соединена с устройством 114 снижения токсичности отработавших газов. Направление потока отработавших газов может иметь первоначальную составляющую по оси x к задней части транспортного средства. Приблизительно в середине транспортного средства выпускная труба может быть изогнута в области 212 поворота по направлению к внешней стороне транспортного средства (в сторону от оси зеркального отображения) до окончательного изменения направления потока таким образом, чтобы составляющая по оси x была направлена в сторону передней части транспортного средства. Средняя часть транспортного средства может быть образована между передними колесами 216 и задними колесами 218. Трубопровод для потока проходит далее в сторону передней части транспортного средства к переднему глушителю, расположенному рядом с передним бампером и параллельному ему. В данном варианте труба 206 системы LP-EGR может быть расположена выше по потоку от глушителя. Труба 206 может быть соединена с трубой 204 частичного впуска для рециркуляции отработавших газов во впускной системе.
Два передних колеса 216 могут иметь по одной точке контакта с дорогой, которые расположены на линии 226 передних колес. Колеса могут приводиться в движение с помощью поперечной рулевой тяги 224. Аналогичным образом два задних колеса 218 могут иметь по одной точке контакта с дорогой, которые расположены на линии 228 задних колес. Линия 226 передних колес и линия 228 задних колес могут быть параллельными и находиться на расстоянии ΔT друг от друга; они могут быть также параллельны оси y. Область 212 поворота выпускной трубы 116 может быть расположена между линией 226 передних колес и линией 228 задних колес на линии 230 точки поворота, параллельной линии 226 передних колес и линии 228 задних колес, причем каждая из этих линий может быть перпендикулярна оси зеркального отображения. Линия 230 точки поворота и линия 226 передних колес могут быть расположены друг от друга на расстоянии XF. Линия 230 точки поворота и линия 228 задних колес могут быть расположены друг от друга на расстоянии XR таким образом, что сумма XF и XR равна ΔT. В некоторых вариантах XF может быть равно XR таким образом, что область поворота будет удалена от линии 226 передних колес и линии 228 задних колес на одинаковое расстояние. Двигатель 106 может быть расположен между линией 226 передних колес и линией 230 точки поворота. Устройство 114 снижения токсичности отработавших газов, дополнительные реактивные глушители выпуска (не показаны) и/или поперечная рулевая тяга 224 могут быть также расположены между линией 226 передних колес и линией 230 точки поворота.
Расположение турбины, охладителя, сажевого фильтра или других устройств, которые могут быть соединены с выпускной системой, не приведено на Фиг. 2, они могут быть расположены в различных точках на пути прохождения трубы 208. В частности, турбина может быть расположена выше по потоку от фильтра, либо турбина и фильтр могут быть расположены выше по потоку от области 212 поворота. В другом варианте турбина может быть расположена выше по потоку от области 212 поворота, а фильтр может быть расположен ниже по потоку от области 212 поворота. Охладитель отработавших газов может быть расположен вдоль трубы 206 системы EGR и может также включать в себя перепускной канал охладителя. Выпускная система может также включать в себя клапан для того, чтобы отмерять поток в системе LP-EGR, и который может быть расположен в трубе 206 выше или ниже по потоку от охладителя, если он предусмотрен.
Отработавшие газы, не рециркулирующие через систему EGR, могут проходить через глушитель 214 прежде, чем они будут выпущены через трубы 110 глушителя. Труба 110 глушителя может быть расположена в передней части относительно передних колес транспортного средства; в качестве дополнения или альтернативы она может быть также расположена таким образом, чтобы выпускать газы в направлении вниз (по направлению к дороге). Расположение элементов, раскрытое в данном описании, может обеспечить взаимодействие отработавших газов с поверхностью дороги до контакта поверхности с колесами. Тепло от отработавших газов может быть передано льду или снегу на поверхности дороги и может растопить или способствовать подтапливанию льда или снега, улучшая сцепление и дорожные качества транспортного средства.
Компрессор и/или охладитель воздуха на впуске может быть расположен выше или ниже по потоку от впускной трубы 204. Кроме того, охладитель воздуха на впуске может быть расположен ниже по потоку от трубы 204 частичного впуска и компрессора, расположенного ниже по потоку от трубы 204 частичного впуска. Дроссель на впуске может быть расположен ниже или выше по потоку от трубы 204 частичного впуска. Другие варианты могут предусматривать несколько дросселей, при этом по крайней мере один дроссель расположен выше по потоку от впускного отверстия для отработавших газов, а по крайней мере один другой дроссель расположен ниже по потоку от впускного отверстия для отработавших газов таким образом, что первый дроссель регулирует количество свежего воздуха, подаваемого во впускную систему, а второй дроссель определяет количество смеси свежего воздуха и отработавших газов, поступающей во впускной коллектор.
Впускная и выпускная системы с Фиг. 2 более подробно показана на Фиг. 4. На Фиг. 4 направление потока отработавших газов обозначено стрелками. Как показано на рисунке, направление потока может быть фактическим направлением потока отработавших газов в заданном месте в канале системы EGR. Направление потока может быть представлено трехкоординатным вектором, хотя в данном описании показаны только составляющие направления потока по оси x и y, но также может быть предусмотрена и дополнительная составляющая направления потока по оси z, не указанная специально. Составляющие направления потока по оси x и y могут быть описаны в виде функций двухкоординатного угла ψ, который может быть измерен от вектора направления потока до ближайшей оси x (в пределах 90 градусов), как обозначено на рисунке.
Величина составляющей по оси x равна модулю косинуса ψ. Кроме того, составляющая по оси x является положительной, если она направлена к передней части транспортного средства, и отрицательной, если она направлена к задней части транспортного средства. Аналогичным образом величина составляющей по оси y равна модулю синуса ψ. Кроме того, составляющая по оси y является положительной, если она направлена к первой стороне транспортного средства, и отрицательной, если она направлена ко второй стороне транспортного средства. Первая сторона транспортного средства может быть левой стороной транспортного средства относительно водителя, находящегося в транспортном средстве. Вторая сторона транспортного средства может быть правой стороной транспортного средства относительно водителя, находящегося в транспортном средстве. Ось x может быть перпендикулярна оси y.
В данном варианте отработавшие газы, выходящие из двигателя 106, могут быть разделены в выпускном отверстии выпускного коллектора 100 на два потока с противоположными направлениями. С одной стороны выпускной системы направление первого потока может быть противоположно положительной составляющей по оси y, оно может также иметь нулевую или почти нулевую составляющую по оси x. Выше по потоку от устройства 114 снижения токсичности отработавших газов составляющая по оси x направления потока может стать отрицательной. Направление потока может иметь составляющую по оси y, равную нулю выше по потоку, ниже по потоку или внутри устройства 114 снижения токсичности отработавших газов таким образом, что обе составляющие по оси x и оси y направления потока являются отрицательными.
Направление потока может затем измениться и повернуть ниже по потоку от двигателя таким образом, что составляющая по оси x и составляющая по оси y направления потока будут направлены положительно. В некоторых вариантах одно или несколько устройств снижения токсичности отработавших газов может быть расположено ниже по потоку от этого поворота. Направление потока отработавших газов может затем сохранять положительную составляющую по оси x. Направление потока может быть полностью положительным в направлении по оси y или, как показано, может быть положительном до точки, где оно становится отрицательным, ниже по потоку от впускного отверстия глушителя 132 для отработавших газов. Трубопровод системы LP-EGR может иметь ответвление от выпускной трубы 116 в точке ниже по потоку от области 212 поворота и выше по потоку от глушителя 132. Трубопровод системы LP-EGR может иметь направление потока с положительными составляющими по оси x и y и может затем объединяться с впускным воздухом в трубе 136 системы LP-EGR на выпускном отверстии для отработавших газов.
В варианте конструкции, соответствующем V-образной конфигурации, выпускная система может иметь стороны, соответствующие двум рядам цилиндров. Первая сторона описана выше. Вторая сторона выпускной системы может быть расположена внутри второй стороны транспортного средства и может иметь составляющие направления потока, зеркально отображаемые относительно оси зеркального отображения, которая может быть параллельна вектору x и равноудалена от двух передних колес. Другими словами, в соответствии с данным вариантом реализации, на второй стороне может быть размещен дополнительный набор вышеупомянутых дополнительных устройств выпускной системы ниже по потоку от двигателя 106 и выше по потоку от глушителя 132. Направление потока выпускной системы и системы LP-EGR может, таким образом, иметь те же самые составляющие по оси x в отношении данных вышеупомянутых устройств, что и выпускная система в первой половине. Однако направление потока на второй стороне может иметь составляющие по оси y, которые являются противоположными составляющим по оси y направления потока первой стороны относительно вышеупомянутых устройств (с отрицательной на положительную и с положительной на отрицательную). Аналогичным образом вторая сторона выпускной системы может иметь ответвление, ведущее в трубопровод системы LP-EGR, который имеет направление потока с положительной составляющей по оси x и отрицательной составляющей по оси y.
В изображенном варианте реализации первая сторона выпускной системы может быть расположена на первом впускном отверстии глушителя 132, предназначенном для отработавших газов, а вторая сторона выпускной системы может быть расположена на втором впускном отверстии глушителя 132, предназначенном для отработавших газов. В других вариантах реализации первая сторона выпускной системы может быть объединена со второй стороной выпускной системы выше по потоку от выпускного отверстия глушителя 132, предназначенного для отработавших газов. Ниже по потоку от глушителя 132 отработавшие газы могут быть выпущены из системы через трубы 110 глушителя.
Изменение направления потока в области поворота выпускной системы в выпускной трубе может также обеспечить наличие выпускного отверстия для отработавших газов трубы системы LP-EGR рядом с передней частью транспортного средства таким образом, что отработавшие газы проходят малую часть от длины транспортного средства перед подачей во впускную систему. Кроме того, описанные варианты конструкции позволяют трубе системы LP-EGR быть линейной или почти линейной, что исключает или снижает падение давления в системе EGR.
Управление клапанами системы LP-EGR может быть выполнено с помощью системы управления в зависимости от рабочих условий и требуемой нагрузки двигателя. Уменьшенное расстояние от выпускного отверстия системы EGR для отработавших газов до впускного отверстия системы сокращает время, необходимое для рециркуляции, тем самым уменьшая задержку между активацией клапана и поступлением отработавших газов во впускную систему. Увеличенная быстрота реагирования системы повышает точность управления клапаном системы EGR.
В одном примере выпускная труба может быть расположена так, чтобы направлять отработавшие газы из выпускного отверстия турбины к задней части транспортного средства и центральной оси транспортного средства в плоскости x-y. Затем выпускная труба может направить поток отработавших газов от центральной оси обратно к передней части транспортного средства, при этом поток отработавших газов обойдет выпускную систему двигателя и турбину и достигнет глушителя.
На Фиг. 4 представлена возможная последовательность управляющих операций для клапана системы LP-EGR, которая позволяет обеспечить требуемое количество отработавших газов во впускной системе. Требуемое количество отработавших газов может представлять собой заданный процент разбавления газа в свежем воздухе для достижения требуемого крутящего момента для положения дросселя впускной системы.
На этапе 400 происходит оценка и/или измерение рабочих условий двигателя. Сюда могут входить, например, скорость двигателя, вращающий момент, запрашиваемый водителем, температура охлаждающей жидкости двигателя, температура нейтрализатора, установка фаз газораспределения, воздушное давление в коллекторе, барометрическое давление и/или температура воздуха в коллекторе. На этапе 402 может быть отрегулировано количество газов EGR во впускной системе для достижения крутящего момента двигателя и в соответствии с рабочими условиями двигателя. Регулировка может включать в себя определение требуемого процента разбавления в системе EGR в зависимости от скорости, нагрузки, температуры двигателя и других рабочих параметров двигателя. На этапе 404 может быть отрегулировано содержание неокисленного топлива в отработавших газах в соответствии с вышеуказанными условиями. На этапе 406 может быть отрегулирован поток в системе EGR для достижения требуемого разбавления воздуха в топливе.
На этапе 408 может быть отрегулировано положение воздушного дросселя впускной системы и клапана системы EGR в соответствии с потоком воздуха, содержанием неокисленного топлива и рабочими условиями двигателя, такими как температура воздуха, барометрическое давление, расчетная температура в системе EGR и давление в охладителе после EGR. На этапе 410 дроссель впускной системы и клапан системы EGR могут быть приведены в требуемые положения для обеспечения смешивания отработавших газов с впускным воздухом.
Следует заметить, что примерные процедуры управления и оценки, включенные в данное описание, могут быть применены для различных конфигураций двигателя и/или автомобильного транспортного средства. Кроме того, данная технология может быть применена на силовых агрегатах любого типа, включая, без ограничения перечисленным, силовые агрегаты, устанавливаемые в транспортном средстве с полностью электрическим двигателем, гибридным двигателем, гибридным двигателем с возможностью подзарядки от электрической сети, электрическим двигателем и двигателем на топливных элементах и дизельным двигателем. Конкретные описанные процедуры могут представлять собой один или несколько методов обработки, таких как управление по событиям, управление прерываниями, многозадачный, многопоточный и т.д. В этой связи, описанные различные действия, операции или функции могут быть выполнены в описанной последовательности, одновременно или, в некоторых случаях, опущены. Аналогичным образом, порядок обработки необязательно должен иметь все описанные характеристики, которые приводится для удобства изложения и описания. Одно или несколько из описанных действий или функций могут быть выполнены неоднократно в зависимости от конкретного используемого метода. Кроме того, описанные действия могут наглядно представлять собой код, который может быть запрограммирован в машиночитаемом носителе информации, расположенном в системе управления двигателем.
Следует понимать, что конфигурации и процедуры, изложенные в данном описании, имеют иллюстративный характер и что данные конкретные варианты реализации не следует рассматривать как ограничивающие, поскольку возможны их различные модификации. Например, вышеописанная технология может быть применена в двигателях V-6, I-4, I-6, V-12, оппозитных четырехцилиндровых двигателях и других типах двигателей.