СПОСОБЫ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ
METHODS FOR ENGINE (EMBODIMENTS) AND ENGINE SYSTEM

Область изобретения
Настоящее изобретение, в целом, относится к способам и системам для фильтра твердых частиц, установленного в выпуске двигателя.
Уровень техники
При сгорании в двигателе бензинового топлива могут образовываться твердые частицы (ТЧ) (такие как сажа и аэрозоли), которые могут быть выпущены в атмосферу. Для обеспечения соответствия нормам по выбросам, выпуск двигателя может содержать фильтры твердых частиц (ФТЧ) для отфильтровывания выпускаемых ТЧ перед выпуском отработавших газов в атмосферу. Для повышения качества выбросов, особенно в условиях холодного пуска двигателя, может быть использован ФТЧ повышенной эффективности, содержащий более мелкую сетку фильтрации.
Для поддержания эффективности фильтра твердых частиц выпускной системы, фильтру может требоваться периодическая регенерация. В одном из примеров подхода, раскрытого Нили (Neely) с соавт. в патенте США №9,027,333, дизельный фильтр твердых частиц (ДФТЧ) регенерируют в ответ на превышение порогового уровня сажи. Более конкретно, управление регенерацией осуществляется так, чтобы поддерживать небольшой уровень сажи в фильтре для обеспечения оптимальной эффективности преобразования углеводородов в таких условиях, как предстоящий холодный пуск. В других подходах в процессе регенерации может быть удалена вся сажа, накопленная на фильтре.
Однако авторы настоящего изобретения осознали потенциальные проблемы таких подходов. Например, поскольку фильтры имеют тенденцию быть наименее эффективными, когда они очищены от сажи или золы, обычно в системах двигателя применяются фильтры с повышенными фильтрационными характеристиками (например, более мелкими ячейками сетки). Когда фильтры чистые, отверстия в подложке могут быть полностью открытыми, следовательно, частицы могут более легко проходить через них, и вероятность столкновения и прилипания может быть снижена, что отрицательно сказывается на эффективности захвата сажи. Однако использование фильтров с более высокими фильтрационными характеристиками может привести к повышению сопротивления потоку отработавших газов, что может негативно отразиться на мощности двигателя и увеличить расход топлива. Кроме того, такие фильтры могут значительно увеличить издержки. Другая проблема в том, что оптимальный уровень остаточного уровня сажи на фильтре может варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. Например, остаточный уровень сажи, который соответствует оптимальному сокращению выбросов во время холодного запуска, может быть выше, чем остаточный уровень сажи, который является оптимальным в условиях холостого хода двигателя. Как следствие, уровень сажи, оставшийся на фильтре после регенерации во время холодного запуска двигателя, может привести к неэффективному сокращению выбросов отработавших газов в последующий холостой ход двигателя. Более того, уровень золы, накопленной на фильтре после события регенерации, а также распределение золы в фильтре, могут влиять как на работу фильтра, так и на сопротивление потоку отработавших газов. Например, даже если остаточный уровень сажи более низок, если есть значительное количество золы, оставшейся в фильтре от предыдущего события регенерации, общая загрузка фильтра может быть выше, чем оптимальный уровень сажи, требуемый для улучшения качества выбросов.
В одном из примеров, описанные выше недостатки могут быть устранены посредством способа, содержащего, в ответ на то, что фактический уровень сажи на фильтре твердых частиц отработавших газов ниже целевого уровня сажи, регулирование момента впрыска топлива и/или давления впрыска топлива для увеличения количества выпускаемой из двигателя сажи, до тех пор, пока фактический уровень сажи не достигнет целевого уровня сажи, при этом целевой уровень сажи изменяется в зависимости от температуры двигателя и нагрузки двигателя. Таким образом, для достижения более низкого сопротивления потоку могут быть использованы ФТЧ с более низкими фильтрационными характеристиками посредством активного поддержания остаточного уровня сажи на фильтре.
В качестве примера, с выпускной системой двигателя может быть соединен фильтр твердых частиц (ФТЧ) с пониженной фильтрационной характеристикой (например, с более крупной фильтрационной сеткой). Оптимальный остаточный уровень сажи (целевой уровень), поддержание которого должно осуществляться в ФТЧ, может быть определен контроллером двигателя на основании условий работы двигателя, содержащих температуру двигателя, скорость вращения двигателя, нагрузку двигателя, режим подачи топлива и т.д. Уровень сажи в ФТЧ может быть оценен на основании входных сигналов от одного или более датчиков давления, установленных до и/или после ФТЧ по ходу потока. Если определено, что уровень сажи на ФТЧ ниже, чем целевой уровень для текущих условий работы двигателя, может быть осуществлено регулирование одного или более исполнительных механизмов двигателя для активного накапливания сажи на ФТЧ. Например, для увеличения уровня сажи в потоке отработавших газов на основании соотношения фактического уровня сажи и целевого уровня сажи, момент впрыска топлива может быть смещен в сторону опережения и/или может быть снижено давление в топливной рампе. Кроме того, может быть принят во внимание уровень золы на ФТЧ, образовавшейся во время предыдущего события регенерации. Например, накопление сажи может быть увеличено до тех пор, пока определенный смешанный уровень сажи и золы в фильтре не достигнет целевого уровня. Если определено, что текущий уровень сажи на ФТЧ выше, чем целевой уровень для текущих условий работы двигателя, то ФТЧ может быть регенерирован для удаления избытка сажи. Степень регенерации может быть ограничена для снижения уровня сажи на фильтре до целевого уровня, но не ниже его. Кроме того, если степень регенерации выше, чем целевая степень регенерации, момент зажигания может быть смещен в сторону запаздывания для увеличения выработки сажи, таким образом, чтобы уровень сажи на фильтре установился на целевом уровне на момент завершения регенерации, и не снижался ниже целевого уровня.
Таким образом, за счет использования показателей уровней сажи и золы в фильтре как основы для увеличения эффективности захвата твердых частиц фильтра выпускной системы, достигается снижение зависимости от дорогостоящих фильтров, имеющих более мелкую сетку. За счет использования фильтров с более крупной сеткой, может быть снижено сопротивление потоку отработавших газов. Как следствие, снижение сопротивления потоку увеличивает мощность двигателя и топливную эффективность. Технический эффект поддержания остаточного уровня сажи (целевого уровня) в ФТЧ в том, что может быть улучшена эффективность работы ФТЧ. Эффективность системы снижения выбросов отработавших газов может быть оптимизирована во всех режимах работы двигателя, в том числе при холодных запусках, посредством активного регулирования упомянутого целевого уровня на основе текущих условий работы двигателя. В целом, посредством использования ФТЧ с более низкой фильтрационной характеристикой и поддержания остаточного уровня сажи на ФТЧ в системе бензинового двигателя может быть улучшена эффективность двигателя, качество выбросов и топливная экономичность. Кроме того, может быть обеспечено управление выпускаемой сажей и управление сопротивлением потоку отработавших газов с использованием менее дорогого фильтра.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен пример системы двигателя, содержащей фильтр твердых частиц (ФТЧ).
На Фиг. 2 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ, который может быть реализован для поддержания требуемого уровня сажи и золы на ФТЧ на основе текущих условий работы двигателя.
На Фиг. 3 представлен пример корректирования параметров работы двигателя для поддержания требуемого уровня сажи и золы, в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к системам и способам для поддержания целевого уровня сажи в фильтре твердых частиц (ФТЧ) на основе текущих условий работы двигателя в целях повышения качества выбросов. Как показано на Фиг. 1, в системе двигателя может быть использован фильтр твердых частиц с более низкой фильтрационной характеристикой. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью выполнения алгоритма управления, например, алгоритма, представленного на Фиг. 2, для регулирования одного или более параметров работы двигателя с целью поддержания требуемого уровня сажи и золы на ФТЧ, определенного контроллером. Пример такого регулирования для поддержания требуемого уровня сажи и золы показан на Фиг. 3.
На Фиг. 1 показан пример варианта осуществления камеры сгорания или цилиндра двигателя 10 внутреннего сгорания. Управление двигателем 10 может осуществляться, по меньшей мере, частично посредством системы управления, содержащей контроллер 12, и посредством входного сигнала от оператора 130 транспортного средства через устройство 132 ввода. В этом примере устройство 132 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала ПП положения педали. Цилиндр (т.е. камера сгорания) 30 двигателя 10 может содержать стенки 32 камеры сгорания с расположенным внутри поршнем 36. Поршень 36 может быть соединен с коленчатым валом 40 таким образом, что возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен, по меньшей мере, с одним ведущим колесом пассажирского транспортного средства посредством системы трансмиссии. Кроме того, с коленчатым валом 40 через маховик может быть соединен стартер для обеспечения возможности запуска двигателя 10.
Цилиндр 30 может получать впускной воздух через ряд впускных воздушных каналов 42, 44 и 46. Впускной воздушный канал 46 может сообщаться с другими цилиндрами двигателя 10 в дополнение к цилиндру 30. Впускной канал 42 может содержать дроссель 62 с дроссельной заслонкой 64. В этом конкретном примере, положение дроссельной заслонки 64 может быть изменено контроллером 12 посредством сигнала, подаваемого на электродвигатель или исполнительный механизм, предусмотренный в дросселе 62 в конфигурации, которая обычно называется электронным управлением дросселем (ЭУД). Таким образом, дроссель 62 может использоваться для изменения количества впускного воздуха, подаваемого в упомянутую камеру сгорания, а также другие цилиндры двигателя. Положение дроссельной заслонки 64 может быть передано контроллеру 12 посредством сигнала ПД положения дросселя. Впускной воздушный канал 42 может содержать датчик 125 температуры впускного воздуха (ТВВ) и датчик 128 барометрического давления (БД). Датчик ТВВ определяет температуру впускного воздуха, которая используется в работе двигателя, и передает соответствующий сигнал контроллеру 12. Аналогичным образом, датчик БД (BP) оценивает атмосферное давление, используемое для работы двигателя, и передает сигнал контроллеру 12. Впускной канал 42 может дополнительно содержать датчик 120 массового расхода воздуха и датчик 122 давления воздуха в коллекторе для передачи соответствующих сигналов МРВ и ДВК контроллеру 12.
Датчик 126 отработавших газов показан соединенным с выпускным каналом 48 перед устройством 70 снижения выбросов по ходу потока. Датчик 126 может быть любым подходящим датчиком для определения воздушно-топливного отношения в отработавших газах, таким как линейный широкополосный датчик кислорода или УДКОГ (универсальный или широкополосный датчик кислорода в отработавших газах), датчик кислорода с двумя устойчивыми состояниями ДКОГ, ПДКОГ (ДКОГ с подогревом), датчик оксидов азота, углеводородов или оксида углерода. Датчик кислорода может быть использован для оценки ВТО как впускных, так и отработавших газов. На основе оценки ВТО могут быть отрегулированы параметры работы двигателя, например, подача топлива.
Каждый цилиндр двигателя 10 может содержать один или более впускных клапанов и один или более выпускных клапанов. Например, цилиндр 30 показан содержащим, по меньшей мере, один впускной тарельчатый клапан 52 и, по меньшей мере, один выпускной тарельчатый клапан 54, расположенные в верхней части цилиндра 30. В некоторых вариантах осуществления, каждый цилиндр двигателя 10, в том числе цилиндр 30, может содержать, по меньшей мере, два впускных тарельчатых клапана и, по меньшей мере, два выпускных тарельчатых клапана, расположенных в верхней части цилиндра.
Управление впускным клапаном 52 может осуществлять контроллер 12 посредством исполнительного механизма 51. Аналогичным образом, управление выпускным клапаном 54 может осуществлять контроллер 12 посредством исполнительного механизма 53. При некоторых условиях, контроллер 12 может варьировать сигналы, подаваемые на исполнительные механизмы 51 и 53, для управления открытием и закрытием соответствующих впускных и выпускных клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может быть определено посредством соответствующих датчиков положения клапана (не показаны). Исполнительные механизмы клапанов могут иметь электрический привод клапанов или кулачковый привод, или их сочетания. Управление впускным и выпускным клапанами может осуществляться с использованием одного или более вариантов из изменения фаз кулачкового распределения на впуске, изменения фаз кулачкового распределения на выпуске, двойного независимого изменения фаз кулачкового распределения, или неизменного кулачкового распределения. Каждая система кулачкового привода может содержать один или более кулачков и может использовать одну или более систем из переключения профиля кулачков (ППК), изменения фаз кулачкового распределения (ИФКР), изменения фаз газораспределения (ИФГ) и/или системы изменения высоты подъема клапанов (ИВПК), управление которыми для регулирования работы клапанов может осуществляться контроллером 12. Например, в качестве альтернативы, цилиндр 30 может содержать впускной клапан, управляемый электрическим приводом, и выпускной клапан, управляемый кулачковым приводом, оснащенным системой ППК и/или ИФКР. В других вариантах осуществления управление впускным и выпускным клапанами может быть реализовано посредством общего механизма или системы привода клапанов, или посредством привода или системы с измененяемыми фазами газораспределения.
В некоторых вариантах осуществления каждый цилиндр двигателя 10 может содержать свечу 66 зажигания для инициирования сгорания. В некоторых режимах работы система зажигания может обеспечивать искру зажигания в камере 30 сгорания посредством свечи 66 зажигания в ответ на сигнал опережения зажигания СОЗ от контроллера 12. Однако, в некоторых вариантах, свеча 66 зажигания может быть исключена, в таких, где двигатель 10 может инициировать сгорание посредством самовоспламенения или впрыска топлива, как это может быть в случае некоторых дизельных двигателей.
В некоторых вариантах осуществления каждый цилиндр двигателя 10 может быть оснащен одним или более топливными инжекторами для подачи в него топлива. В качестве неограничивающего примера, цилиндр 30 может содержать два топливных инжектора. Топливный инжектор может быть непосредственно соединен с цилиндром 30 для прямого впрыска в него топлива в количестве, пропорциональном ширине сигнала FPW-1, получаемого от контроллера 12 через электронный драйвер. Таким образом, топливный инжектор осуществляет так называемый непосредственный впрыск топлива в камеру 30 сгорания. Хотя здесь предполагается, что указанный инжектор является боковым инжектором, он может также иметь верхнее расположение, над поршнем, например, рядом со свечой 66 зажигания. Такое расположение может обеспечивать улучшение смешивания и сгорания при работе двигателя на топливе со спиртовой основой из-за меньшей летучести некоторых спиртосодержащих видов топлива. В качестве альтернативы, для улучшения смешивания инжектор может иметь верхнее расположение рядом со впускным клапаном. Подача топлива в топливный инжектор может осуществляться из топливной системы высокого давления, содержащей топливный бак, топливные насосы, топливную рампу и драйвер. В качестве альтернативы, подача топлива может осуществляться посредством одноступенчатого топливного насоса под низким давлением, в этом случае регулирование времени непосредственного впрыска топлива может быть более ограниченным во время такта сжатия, по сравнению с использованием топливной системы высокого давления. Кроме того, хоть это и не показано, топливный бак может содержать датчик давления, передающий сигнал на контроллер 12.
Другой топливный инжектор может быть расположен не в цилиндре 30, а во впускном канале 46, в конфигурации, которая обеспечивает так называемый распределенный впрыск топлива во впускной порт перед цилиндром 30 по ходу потока. Топливный инжектор может осуществлять впрыск топлива в количестве, пропорциональном ширине сигнала FPW-2, получаемого от контроллера 12 через электронный драйвер. Топливо может быть подано в топливный инжектор посредством топливной системы.
Топливо может быть подано в цилиндр посредством обоих инжекторов за один такт цилиндра. Например, каждый цилиндр может подавать часть от общего впрыскиваемого топлива, сгорание которого осуществляется в цилиндре 30. Кроме того, распределение и/или относительное количество топлива, подаваемого каждым инжектором, может варьироваться в зависимости от условий эксплуатации, таких как нагрузка двигателя и/или склонность двигателя к детонации, как описано далее.
Топливные инжекторы могут иметь разные характеристики. В том числе к этому относятся различия в размере, например, у одного инжектора отверстие для впрыска может быть больше, чем у другого. К другим отличиям относятся, в том числе, различные углы распыления, различные рабочие температуры, различное нацеливание, различный момент впрыска, различные характеристики распыления, различное позиционирование, и так далее. Кроме того, в зависимости от коэффициента распределения впрыскиваемого топлива среди инжекторов, могут быть достигнуты различные эффекты.
Топливный бак в топливной системе может вмещать топливо с разными свойствами, такими как разные топливные составы. К этим отличиям могут относиться различные концентрации спирта, различные октановые числа, различные величины теплоты парообразования, различные топливные составы и/или их сочетания.
Устройство 70 снижения выбросов показано расположенным в выпускном канале 48 после датчика 126 отработавших газов по ходу потока. Упомянутым устройством 70 может быть трехкомпонентный каталитический нейтрализатор ТКН, ловушка оксидов азота, различные другие устройства снижения выбросов, или их сочетания. Фильтр твердых частиц (ФТЧ) 72 может быть соединен с выпускным каналом 48 после устройства 70 снижения выбросов по ходу потока. Первый датчик 76 давления может быть соединен с выпускным каналом перед ФТЧ 72 по ходу потока, и второй датчик 78 давления может быть соединен с выпускным каналом 48 после ФТЧ 72 по ходу потока. Кроме того, первый датчик 77 температуры может быть соединен с выпускным каналом перед ФТЧ 72 по ходу потока, и второй датчик 79 температуры может быть соединен с выпускным каналом 48 после ФТЧ 72 по ходу потока.
Упомянутый ФТЧ 72 может содержать внешнюю крышку, внутри которой размещена монолитная (ячеистая) структура. Монолитная структура может состоять из отдельных ячеек с чередующейся ориентацией, так что твердые частицы (сажа) в выпускном потоке может улавливаться некоторыми определенными ячейками (первый набор), которые действуют как впускные каналы, в то время как выпускной поток может проходить беспрепятственно через второй набор ячеек, которые действуют как выпускные каналы. Во время сгорания в цилиндрах двигателя может вырабатываться сажа, и при неполном событии сгорания уровень выработки сажи может увеличиваться. Уровень сажи на ФТЧ может быть снижен до требуемого уровня посредством регенерации ФТЧ, причем для сжигания накопленного уровня сажи может быть использована более высокая температура, обеспечиваемая электрической цепью. В процессе регенерации ФТЧ в результате сгорания сажи может образовываться пепел, который накапливается на ФТЧ.
Из-за плотной монолитной структуры ФТЧ в выпускной системе может быть создано сопротивление потоку, которое может отрицательно повлиять на характеристики двигателя и экономию топлива. Для снижения сопротивления потоку ФТЧ может быть выполнен с более низким фильтрационным параметром. Например, ФТЧ может иметь более низкие фильтрационные характеристики с меньшим количеством ячеек, образующих монолитную структуру. Кроме того, посредством использования ФТЧ с более низкими фильтрационными характеристиками может быть снижена стоимость компонентов. Для поддержания эффективности захвата сажи ФТЧ выше порогового значения эффективности захвата, чтобы качество выбросов не могло ухудшиться, на ФТЧ может быть необходимо поддерживать целевой уровень сажи. Целевое количество может быть выбрано на основе одного или более условий работы двигателя, например, на основе каждого из следующих условий, а именно, температуры двигателя, скорости вращения двигателя, нагрузки двигателя, и режима подачи топлива. Например, целевое количество может быть сохранено в запоминающем устройстве контроллера двигателя в справочной таблице в виде функции нагрузки двигателя, скорости вращения двигателя и температуры двигателя. Целевое количество может быть увеличено при снижении температуры двигателя, увеличении скорости вращения двигателя и при увеличении нагрузки двигателя. Кроме того, уровень золы на ФТЧ может быть оценен контроллером на основе параметров регенерации фильтра, и целевой уровень сажи может быть дополнительно основан на оценке уровня золы для поддержания общего уровня золы и сажи в ФТЧ вблизи порогового уровня. В одном из примеров, уровень золы может быть оценен на основе каждого из измеренного и/или оцененного количества сажи на ФТЧ во время регенерации фильтра, температуры отработавших газов и скорости прохождения потока отработавших газов через фильтр во время регенерации фильтра, а также продолжительности регенерации фильтра. В этом примере определенное количество золы отличается от определенного количества сажи.
Текущий уровень сажи на ФТЧ может быть оценен на основе входных сигналов от одного или более датчиков 76, 78 давления, и датчиков 77 и 79 температуры, соединенных с выпускным каналом перед ФТЧ по ходу потока и после него. Например, количество сажи в ФТЧ может быть определено в виде функции перепада давления и/или разности температур на входе и выходе ФТЧ, причем расчетное количество сажи увеличивается при увеличении перепада давления. Если определено, что уровень сажи на ФТЧ ниже, чем целевой уровень для текущих условий работы двигателя, может быть осуществлено регулирование одного или более исполнительных механизмов двигателя для активного увеличения выработки выпускаемой сажи и накапливания сажи на ФТЧ до достижения целевого уровня. В одном из примеров, регулирование одного или более исполнительных механизмов двигателя содержит регулирование момента впрыска топлива и/или давления в топливной рампе для активного повышения фактического уровня сажи до целевого уровня. Например, для обеспечения полного сгорания в цилиндрах, которое может приводить к образованию более высокого уровня сажи, может быть смещен в сторону опережения момент впрыска топлива и/или может быть снижено давление в топливной рампе. Степень смещения момента впрыска в сторону опережения и степень снижения давления в топливной рампе могут быть увеличены по мере увеличения разности между целевым уровнем сажи и фактическим уровнем сажи. Кроме того, в ответ на превышение фактическим уровнем сажи на ФТЧ целевого уровня сажи, может быть начата регенерация фильтра, и регенерация фильтра может быть прекращена, когда фактический уровень сажи снижен до целевого уровня сажи. Кроме того, если степень регенерации выше пороговой степени, момент зажигания может быть смещен в сторону запаздывания для увеличения выработки сажи, таким образом, чтобы уровень сажи на ФТЧ не снижался ниже целевого уровня после завершения регенерации. Подробное описание способа поддержания требуемого уровня сажи на ФТЧ раскрыто далее со ссылкой на Фиг. 2.
Контроллер 12 показан на Фиг. 1 в качестве микрокомпьютера, содержащего микропроцессорное устройство 102, порты 104 ввода/вывода, электронное запоминающее устройство для исполняемых программ и калибровочных значений, показанное в данном конкретном примере в виде микросхемы 108 постоянного запоминающего устройства, запоминающее устройство 106 с произвольным доступом, энергонезависимое запоминающее устройство 110, и шину данных. Контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, в том числе, в дополнение к вышеописанным сигналам, измеренный уровень сажи ФТЧ из выпускной системы от датчиков 76, 77, 78, и 79 давления и температуры, измеренный массовый расход всасываемого воздуха МРВ от датчика 120 массового расхода воздуха; температуру охлаждающей жидкости двигателя ТХД от датчика 112 температуры, соединенного с рукавом 114 охлаждения; сигнал (ПЗ) профиля зажигания от датчика 118 Холла (или датчика другого типа), соединенного с коленчатым валом 40; сигнал положения дросселя ПД от датчика положения дросселя; и сигнал абсолютного давления в коллекторе ДВК от датчика 122. Сигнал скорости вращения двигателя может быть выработан контроллером 12 из сигнала ПЗ. Сигнал ДВК давления воздуха в коллекторе от датчика 122 давления воздуха в коллекторе может быть использован для обеспечения индикации вакуума, или давления, во впускном коллекторе.
Контроллер 12 получает сигналы от различных датчиков, показанных на Фиг. 1, и задействует различные исполнительные механизмы, показанные на Фиг. 1, для регулирования работы двигателя на основе получаемых сигналов и команд, сохраненных в памяти контроллера 12. В одном из примеров, контроллер 12 может оценивать уровень сажи в ФТЧ на основе сигналов, получаемых от одного или более датчиков 76, 77, 78, и 79 температуры и давления в выпускном канале, и, исходя из разницы между оцененным уровнем сажи в ФТЧ и целевым уровнем сажи, контроллер может подавать сигнал на один или более исполнительных механизмов двигателя для поддержания уровня сажи в ФТЧ на целевом уровне. Например, если оцененный уровень сажи в ФТЧ ниже, чем целевой уровень, контроллер 12 может послать широтно-импульсный сигнал электронному драйверу, соединенному с топливным инжектором для смещения момента впрыска в сторону опережения. Если оцененный уровень сажи в ФТЧ выше целевого уровня, контроллер 12 может подавать сигнал переключателю электрической цепи, соединенной с ФТЧ, для замыкания электрической цепи и запуска процесса регенерации ФТЧ для снижения уровня сажи в ФТЧ до целевого уровня. Кроме того, в процессе регенерации контроллер 12 может подавать сигнал свече 66 зажигания для смещения момента зажигания в сторону запаздывания.
Таким образом, показанная на Фиг. 1 система представляет собой систему двигателя, содержащую: двигатель, содержащий цилиндр, выпускной канал, принимающий продукты сгорания из цилиндра, бензиновый фильтр твердых частиц ФТЧ, плотность фильтрационной сетки которого меньше пороговой, соединенный с выпускным каналом, один или более датчиков давления, соединенных с ФТЧ, один или более датчиков температуры, соединенных с ФТЧ, систему подачи топлива, включающую в себя топливную рампу, топливный бак, топливный насос и топливный инжектор для подачи топлива в цилиндр двигателя, и контроллер с сохраненными в долговременной памяти машиночитаемыми командами для: расчета фактического количества сажи в ФТЧ на основе входных данных от одного или более датчиков давления и датчиков температуры, и, при падении фактического количества сажи ниже целевого количества, увеличения количества выпускаемой двигателем сажи посредством смещения момента приведения в действие топливного инжектора в сторону опережения или уменьшения давления в топливной рампе до тех пор, пока фактическое количество сажи не достигнет целевого количества.
На Фиг. 2 показан пример способа 200, который может быть реализован для поддержания требуемого уровня сажи и золы в фильтре твердых частиц (ФТЧ) (таком как ФТЧ 72 на Фиг. 1) на основе условий работы двигателя. Команды по осуществлению способа 200 и остальных способов, раскрытых в настоящей заявке, могут быть выполнены посредством контроллера на основе команд, сохраненных в запоминающем устройстве контроллера, и в соответствии с сигналами, поступающими от датчиков системы двигателя, таких как датчики, описанные выше со ссылкой на Фиг. 1. Контроллер может приводить в действие исполнительные механизмы двигателя системы двигателя для регулирования работы двигателя в соответствии со способами, описанными ниже.
На этапе 202 алгоритм содержит оценку и/или измерение текущих условий работы двигателя. Оцениваемые условия могут содержать, например, запрашиваемый водителем крутящий момент, температуру двигателя, нагрузку двигателя, скорость вращения двигателя, положение дросселя, давление отработавших газов, воздушно-топливное отношение отработавших газов, и так далее.
На основе текущих условий работы двигателя, может быть выбран оптимальный уровень сажи, который может быть поддержан в ФТЧ с целью обеспечения более высокой производительности ФТЧ и качества выбросов. Посредством поддержания целевого уровня сажи в ФТЧ может быть увеличена эффективность захвата частиц сажи, вырабатываемых двигателем. Более конкретно, на этапе 204 целевой уровень сажи, требуемый в ФТЧ, может быть определен на основе текущих условий работы двигателя и режима подачи топлива. В одном из примеров алгоритм осуществляет определение целевого уровня сажи в ФТЧ, который может быть основан на одном или более из следующих условий, а именно на температуре двигателя, нагрузке двигателя и скорости вращения двигателя. Контроллер может определить целевой уровень сажи в ФТЧ, непосредственно принимая в расчет оцененную температуру двигателя, нагрузку двигателя, скорость вращения двигателя и текущий режим подачи топлива. Температура двигателя, нагрузка двигателя и скорость вращения двигателя могут быть непосредственно измерены посредством датчиков двигателя, таких как датчик температуры отработавших газов, датчик Холла и др., или определены на основе условий работы двигателя. Контроллер, в качестве альтернативы, может определять целевой уровень сажи в ФТЧ на основе расчета, использующего справочную таблицу, входными параметрами которой являются одно или более из температуры двигателя, нагрузки двигателя и скорости вращения двигателя, и выходным значением которой является соответствующий целевой уровень сажи в ФТЧ. В одном из примеров целевой уровень сажи устанавливают на первом целевом уровне сажи во время условий пуска двигателя, при которых температура двигателя ниже пороговой температуры, а скорость вращения двигателя ниже пороговой скорости, целевой уровень сажи устанавливают на втором целевом уровне сажи при условиях работы двигателя на холостом ходу, когда температура двигателя выше пороговой температуры, а скорость вращения двигателя ниже пороговой скорости, и целевой уровень сажи устанавливают на третий целевой уровень сажи, когда температура двигателя выше пороговой температуры, а скорость вращения двигателя выше пороговой скорости. Упомянутые первый, второй и третий целевые уровни сажи могут быть отличны друг от друга. В одном из примеров первый целевой уровень сажи может быть ниже второго целевого уровня сажи, и второй целевой уровень сажи может быть ниже третьего целевого уровня сажи. В другом примере второй целевой уровень сажи может быть ниже первого целевого уровня сажи и выше третьего целевого уровня сажи. Кроме того, на целевой уровень сажи могут оказывать влияние переменные, содержащие температуру средней пластины ФТЧ (измеренную и/или смоделированную), температуру подаваемого воздуха, режим подачи топлива (например, использование дробного впрыска, наличие непосредственного впрыска на тактах впуска и/или сжатия). Для каждой из упомянутых переменных может быть свой уникальный целевой уровень сажи и/или золы, который обеспечивает оптимальное сочетание выпускаемой двигателем сажи и эффективности фильтрации твердых частиц. Например, первый целевой уровень сажи может быть основан на режиме подачи топлива в условиях запуска двигателя, второй целевой уровень сажи может быть основан на режиме подачи топлива в условиях холостого хода, и третий целевой уровень сажи может быть основан на режиме подачи топлива, когда температура двигателя выше упомянутой пороговой температуры, а скорость вращения двигателя выше пороговой скорости вращения двигателя, причем режим подачи топлива содержит одно или более из следующего: соотношение между топливом, подаваемым распределенным впрыском, и топливом, подаваемым непосредственным впрыском; соотношение между топливом, подаваемым непосредственным впрыском в такт сжатия, и топливом, подаваемым непосредственным впрыском в такт впуска; и число непосредственных впрысков в такт сжатия за момент подачи топлива.
На этапе 206 текущий уровень сажи на ФТЧ может быть оценен на основе входных данных от одного или более датчиков температуры выпускного канала и датчиков давления (таких как датчики 76, 77, 78 и 79 на Фиг. 1), расположенных перед ФТЧ по ходу потока и после него. Например, может быть определен перепад давления и/или разность температур на входе и выходе из ФТЧ (на основе входных данных с датчиков давления и температуры), и количество сажи на ФТЧ может быть определено в виде функции перепада давления и/или разности температур. По мере возрастания количества сажи на ФТЧ может иметь место соответствующий рост разности давления и температуры на входе и выходе из ФТЧ.
На этапе 208 текущий (оцененный) уровень сажи на ФТЧ может быть сравнен с целевым уровнем сажи, и может быть определена разность между текущим уровнем сажи на ФТЧ и целевым уровнем сажи. На этапе 210 алгоритм содержит определение того, соответствует ли текущий уровень сажи на ФТЧ целевому уровню сажи. В качестве альтернативы, может быть определено, является ли разность между текущим уровнем сажи на ФТЧ и целевым уровнем сажи более низкой, чем пороговый уровень.
Если определено, что текущий уровень сажи на ФТЧ соответствует целевому уровню сажи, или что упомянутая разность ниже пороговой, может быть сделан вывод о том, что не требуется никаких изменений уровня сажи на ФТЧ для улучшения качества выбросов. Следовательно, на этапе 212 текущая работа двигателя может быть продолжена с текущими параметрами работы двигателя. К этому относится продолжение сбора выпускаемой сажи на ФТЧ при изменяющихся условиях работы двигателя, и запуск регенерации фильтра при превышении уровнем сажи на ФТЧ порогового уровня регенерации. В это время выпускаемая сажа вырабатывается в процессе работы двигателя, но выработка выпускаемой сажи активно не увеличивается.
Если определено, что уровень сажи на ФТЧ не соответствует целевому уровню сажи, или что упомянутая разность (между текущим уровнем сажи на ФТЧ и целевым уровнем сажи) выше пороговой, может быть сделан вывод о том, что функционирование ФТЧ может быть нарушено. На этапе 214 алгоритм может содержать определение того, превышает ли текущий уровень сажи на ФТЧ целевой уровень сажи. Если определено, что текущий уровень сажи на ФТЧ выше целевого уровня сажи, для снижения текущего количества сажи на ФТЧ может быть задействован один или более исполнительных механизмов двигателя, таких как переключатель электрической цепи, соединенной с ФТЧ. Кроме того, могут быть откорректированы множество параметров работы двигателя для увеличения температуры отработавших газов, что может быть использовано как источник нагрева для запуска процесса регенерации.
Для снижения уровня сажи на ФТЧ до целевого уровня на этапе 216 контроллер может запустить регенерацию. Для запуска регенерации ФТЧ контроллер может подавать сигнал для замыкания переключателя электрической цепи, соединенной с ФТЧ. Посредством замыкания цепи может быть обеспечена возможность протекания электрического тока по цепи и через ФТЧ. Электрический ток может увеличить температуру ФТЧ, что может способствовать сгоранию накопленной на ФТЧ сажи. По мере осуществления регенерации уровень сажи на ФТЧ может устойчиво снижаться, степень регенерации ФТЧ (интенсивность уменьшения уровня сажи) могут обуславливать продолжительность регенерации, температура ФТЧ (прямо пропорциональная электрическому току, протекающему через цепь), и подача кислорода в ФТЧ. В одном из примеров степень регенерации (степень уменьшения уровня сажи) может увеличиваться при одном или более условиях, таких как увеличение продолжительности регенерации, увеличение температуры ФТЧ (амплитуды электрического тока, походящего через электрическую цепь, и/или степени изменений параметров работы двигателя), и увеличение подачи кислорода в ФТЧ. Следовательно, для увеличения степени регенерации ФТЧ могут быть соответствующим образом увеличены один или более параметров, таких как продолжительность регенерации, температура ФТЧ и подача кислорода в ФТЧ. По мере сгорания сажи в ФТЧ может образовываться зола, которая может накапливаться на ФТЧ.
После запуска регенерации посредством переключателя, температура ФТЧ может вырасти выше требуемого уровня, что приводит к увеличению степени регенерации сажи. Если степень регенерации вырастает сверх требуемого уровня, может сгореть большее, чем ожидаемое, количество сажи, и уровень сажи в ФТЧ может соответственно упасть ниже целевого уровня. Следовательно, во время регенерации ФТЧ, на этапе 217, для поддержания уровня сажи на ФТЧ на целевом уровне (но не снижения его до более низкого уровня), степень выработки сажи (в двигателе) может быть рационально увеличена посредством смещения момента зажигания в сторону запаздывания. Для смещения момента зажигания в сторону запаздывания контроллер может подавать сигнал на исполнительный механизм, соединенный со свечой зажигания. В одном из примеров, степень регенерации ФТЧ может быть рассчитана на основе температуры ФТЧ и/или длительности регенерации, и, в ответ на превышение степени регенерации фильтра пороговой степени (с увеличением риска падения уровня сажи на ФТЧ ниже целевого уровня), момент зажигания может быть смещен в сторону запаздывания для увеличения выработки сажи двигателем, при продолжении регенерации фильтра. Величина осуществляемого смещения зажигания в сторону запаздывания может быть увеличена при превышении степенью регенерации фильтра пороговой степени.
На этапе 218 алгоритм содержит определение, достиг ли текущий уровень сажи на ФТЧ целевого уровня за счет процесса регенерации. Если определено, что уровень сажи на ФТЧ не достиг целевого значения и до сих пор выше целевого значения, на этапе 220 регенерация ФТЧ может быть продолжена. Если определено, что текущий уровень сажи на ФТЧ достиг целевого значения, на этапе 222 процесс регенерации ФТЧ может быть прерван. Для прерывания процесса регенерации контроллер может подавать сигнал переведения переключателя в открытое положение для приостановления прохождения электрического тока через ФТЧ.
На этапе 214, если определено, что уровень сажи на ФТЧ не превышает целевой уровень сажи или равен ему, на этапе 224 может быть сделан вывод о том, что текущий уровень сажи на ФТЧ ниже целевого уровня сажи. Для оптимальной эффективности ФТЧ, уровень сажи на ФТЧ может быть активно увеличен до целевого уровня. В связи с тем, что функционирование ФТЧ может дополнительно зависеть от уровня золы на ФТЧ, на этапе 226 может быть оценен уровень золы на ФТЧ на основе длительностей и температур регенерации, используемых для предыдущих (одного или более) событий регенерации ФТЧ, во время которых при сжигании сажи могла быть выработана зола. Длительность и температура события регенерации могут быть основаны на требуемой степени регенерации, то есть возможном количестве сожженной сажи, позволяющем снизить уровень сажи ФТЧ до целевого уровня. По мере увеличения длительности каждого из событий регенерации, и по мере роста температуры отработавших газов в процессе регенерации, количество сожженной сажи растет, и соответственно увеличивается количество золы, накопленной в ФТЧ. Кроме того, для определения количества сожженной сажи и количества золы, вырабатываемой во время каждого события регенерации, может быть принят во внимание уровень сажи ФТЧ до запуска события регенерации. Например, по мере увеличения количества сжигаемой в процессе регенерации сажи, на ФТЧ снижается количество сажи и увеличивается количество золы. Дополнительно или в качестве альтернативы, общее количество золы и сажи на в ФТЧ может быть оценено на основании входных сигналов от одного или более датчиков давления и температуры, соединенных с выпускным каналом до и/или после ФТЧ по ходу потока. Для оценки количества золы на ФТЧ может быть использована уникальная модель золы. После многократных регенераций в течение длительного периода времени, на ФТЧ может быть накоплено значительное количество золы, которое может оказывать существенное влияние на функционирование ФТЧ. Кроме того, осаждение значительного количества золы на ФТЧ может быть обусловлено естественным потреблением масла при различных условиях работы двигателя. Следовательно, посредством принятия в расчет количества золы, может быть улучшено управление сопротивлением потоку отработавших газов в двигателе.
На этапе 228 алгоритм содержит определение, превышает ли уровень золы на ФТЧ пороговый уровень золы. Если определено, что уровень золы на ФТЧ выше порогового уровня, может быть сделан вывод о том, что даже если уровень сажи на ФТЧ ниже целевого уровня, уровня золы, превышающего пороговый, может быть достаточно для обеспечения требуемой эффективности ФТЧ. При наличии уровня золы на ФТЧ, превышающего пороговый, активное вырабатывание сажи может не требоваться, так как это может вызвать нежелательное увеличение сопротивления потоку отработавших газов. Следовательно, в ответ на обнаружение уровня золы, превышающего пороговый, на этапе 230, текущая работа двигателя может быть продолжена без каких-либо изменений параметров работы двигателя.
Если определено, что текущий уровень золы на ФТЧ ниже целевого уровня, на этапе 232, уровень сажи на ФТЧ может быть активно увеличен посредством регулирования одного или более параметров работы двигателя для увеличения выработки выпускаемой сажи. В одном из примеров, на этапе 234 момент начала впрыска топлива может быть смещен в сторону опережения, что может привести к неполному сгоранию бензина и, как следствие, повышению выработки сажи. Контроллер может посылать соединенному с топливным инжектором электронному драйверу широтно-импульсный сигнал для смещения момента впрыска в сторону опережения. Смещение момента впрыска топлива в сторону опережения может содержать смещение в сторону опережения одного или более из следующих параметров, а именно момента начала впрыска топлива, момента окончания впрыска топлива и среднего значения момента впрыска топлива. Кроме того, на этапе 236 давление в топливной рампе может быть снижено для изменения режима подачи топлива, которое может привести к неполному сгоранию и повышенной выработке сажи. В одном из примеров, контроллер может посылать сигнал топливному насосу для изменения производительности насоса с целью снижения давления в топливной рампе. Степень смещения момента начала впрыска в сторону опережения и/или снижения уровня давления в топливной рампе могут быть основаны на разности между текущим уровнем сажи на ФТЧ и целевым уровнем сажи, и может постоянно регулироваться по мере изменения значения разности. В одном из примеров, степень смещения момента начала впрыска в сторону опережения и/или снижения уровня давления в топливной рампе могут быть увеличены при увеличении разности между фактическим уровнем сажи на ФТЧ и целевым уровнем сажи. Аналогично, степень смещения момента начала впрыска в сторону опережения и/или снижения уровня давления в топливной рампе могут быть снижены при уменьшении разности между фактическим уровнем сажи на ФТЧ и целевым уровнем сажи. Таким образом, регулирование одного или более параметров работы двигателя может осуществляться до тех пор, пока фактический уровень сажи на ФТЧ не достигнет целевого уровня сажи.
После того, как фактический уровень сажи на ФТЧ достигнет целевого уровня сажи, на этапе 238 общий уровень сажи и золы на ФТЧ может быть поддержан на целевом уровне сажи для обеспечения оптимальной производительности ФТЧ. Упомянутый целевой уровень может изменяться на основе условий работы двигателя, и для поддержания текущего уровня сажи на соответствующем целевом уровне может осуществляться активное регулирование выработки сажи и/или регенерации ФТЧ.
В других примерах, вместо отдельного измерения количества сажи и золы, для оптимального функционирования ФТЧ может осуществляться контроль и поддержание на пороговом уровне общего количества сажи и золы на ФТЧ. Уровень золы на ФТЧ может быть оценен на основе таких факторов, таких как длительности и температуры регенерации, используемых для предыдущих событий регенерации ФТЧ, а также уровни сажи на ФТЧ перед запуском событий регенерации. На основе упомянутых выше факторов может быть рассчитано количество сожженной сажи и количество выработанной золы. Количество сажи может быть оценено на основе перепада давления на фильтре твердых частиц. В ответ на снижение общего уровня золы и сажи на фильтре твердых частиц отработавших газов ниже порогового значения, выработка сажи двигателем может быть увеличена до тех пор, пока упомянутое общее количество не достигнет порогового количества, и, в ответ на превышение упомянутым общим количеством порогового количества, упомянутый фильтр может быть регенерирован при смещении момента зажигания в сторону запаздывания до тех пор, пока упомянутое общее количество не достигнет порогового количества. Момент зажигания может быть смещен в сторону запаздывания в процессе регенерации для увеличения выработки сажи двигателем, таким образом, что при увеличении степени регенерации сгорание сажи не превышает требуемый уровень, и выработка золы не достигает более высокого уровня. Следовательно, регенерация фильтра при смещении момента зажигания в сторону запаздывания содержит смещение момента зажигания в сторону запаздывания на величину, пропорциональную степени регенерации фильтра, при продолжающейся регенерации фильтра. Степень выработки сажи (посредством смещения момента зажигания в сторону запаздывания) и регенерация ФТЧ (вызывающая снижение уровня сажи и увеличение уровня золы) могут быть одновременно отрегулированы для поддержания общего целевого уровня сажи и золы на ФТЧ. Для заданных условий работы двигателя, целевой уровень общего количества сажи и золы может отличаться от упомянутого целевого уровня сажи.
На Фиг. 3 показан пример рабочего цикла 300, иллюстрирующего регулирование параметров работы двигателя для поддержания целевого уровня сажи на фильтре твердых частиц (ФТЧ). По горизонтали (ось х) обозначено время, а вертикальные линии t1-t9 обозначают значимые моменты функционирования ФТЧ.
Первый график, кривая 302, показывает изменение скорости вращения двигателя с течением времени. Пунктирной линией 303 показана пороговая скорость вращения двигателя, выше которой может изменяться целевой уровень сажи на ФТЧ. В одном из примеров, пунктирная линия 303 соответствует скорости вращения двигателя на холостом ходу. Второй график, кривая 304, показывает изменение температуры двигателя с течением времени, и пунктирной линией 305 показана пороговая температура, ниже уровня которой двигатель можно считать холодным, таким как в условиях холодного запуска. Как только температура двигателя превышает пороговое значение 305, двигатель может считаться достаточно теплым для активации каталитического нейтрализатора отработавших газов. Третий график, кривая 306, показывает текущий уровень сажи на ФТЧ, оцененный на основе данных одного или более датчиков давления и температуры, соединенных с выпускным каналом до и/или после ФТЧ по ходу потока. Пунктирной линией 307 показан целевой уровень сажи на ФТЧ, определенный на основе текущих условий работы двигателя, содержащих температуру двигателя и скорость вращения двигателя. Четвертый график, кривая 308, показывает уровень золы на ФТЧ. Зола вырабатывается на ФТЧ во процессе регенерации ФТЧ при сгорании сажи при высокой температуре. Пунктирная линия 309 показывает пороговый уровень золы, выше которого количество золы может оказывать влияние на целевой уровень сажи на ФТЧ. Пятый график, кривая 310, показывает регенерацию ФТЧ для снижения текущего уровня сажи на ФТЧ до целевого уровня сажи. Шестой график, кривая 312, показывает смещение момента впрыска топлива в сторону опережения для активного увеличения выработки сажи с целью увеличения текущего уровня сажи до целевого уровня сажи.
Перед моментом времени t1, остановленный двигатель запускают после периода бездействия, в течение которого транспортное средство было без движения. Из-за низкой температуры двигателя (ниже пороговой температуры 305) в момент запуска двигателя, двигатель может подвергаться холодному запуску. Во время холодного запуска двигателя подача топлива возобновляется и скорость вращения двигателя постепенно увеличивается. Двигатель работает при невысоких нагрузках. В условиях холодного запуска двигателя каталитический нейтрализатор отработавших газов не может достигнуть своей температуры активации, и в течение этого времени качество выбросов может быть улучшено посредством поддержания уровня сажи на ФТЧ на целевом уровне. Целевой уровень сажи на ФТЧ может быть определен на основе таких условий, как температура двигателя, скорость вращения двигателя и нагрузка двигателя. В условиях холодного запуска двигателя уровень сажи в отработавших газах может быть повышенным, и может быть определено, что текущий уровень сажи на ФТЧ значительно выше целевого уровня сажи.
Следовательно, для снижения текущего уровня сажи до целевого уровня сажи с целью улучшения качества выбросов, в момент времени t1 может быть запущена регенерация ФТЧ посредством регулирования множества параметров работы двигателя для повышения температуры отработавших газов и/или посредством приведения в действие переключателя электрической цепи, соединенной с ФТЧ. В одном из примеров, регулирование параметров работы двигателя содержит работу двигателя с топливным отношением, соответствующим более богатой смеси, чем стехиометрическая, для повышения температуры отработавших газов. В другом примере, двигатель некоторое время может работать со смещенным с сторону запаздывания моментом зажигания. Посредством замыкания переключателя может быть обеспечена возможность протекания электрического тока по цепи и через ФТЧ, что может привести к увеличению температуры ФТЧ, способствуя сгоранию сажи, накопленной на ФТЧ. По мере осуществления регенерации уровень сажи на ФТЧ может устойчиво снижаться. Продолжительность регенерации, температура (прямо пропорциональная электрическому току, проходящему через цепь) ФТЧ, и подача воздуха в ФТЧ могут быть основаны на разности между фактическим уровнем сажи на ФТЧ и целевым уровнем сажи, таким образом, что во время регенерации может быть сожжено оптимальное количество сажи. По мере сгорания сажи в ФТЧ может образовываться зола, что может приводить к увеличению уровня золы на ФТЧ. Фактический уровень золы на ФТЧ может быть рассчитан на основе, по меньшей мере, длительности приведения в действие переключателя. Между моментами времени t1 и t2 процесс регенерации может быть продолжен и, следовательно, можно наблюдать устойчивое снижение уровня в ФТЧ.
В момент времени t2 может наблюдаться превышение температурой двигателя пороговой температуры, и может быть определено, что каталитический нейтрализатор отработавших газов полностью функционален. Кроме того, в указанное время скорость вращения двигателя может быть ниже скорости вращения двигателя на холостом ходу. В ответ на увеличение температуры двигателя (при скорости вращения двигателя, более низкой, чем на холостом ходу), целевой уровень ФТЧ может быть снижен до уровня, подходящего для оптимальной работы системы снижения выбросов. Кроме того, в указанное время может наблюдаться соответствие текущего уровня сажи на ФТЧ целевому уровню сажи на ФТЧ. Следовательно, дальнейшая регенерация ФТЧ может не требоваться. Процесс регенерации может быть приостановлен посредством регулирования параметров работы двигателя (например, для возобновления стехиометрического сгорания или возобновления момента зажигания в ОМЗ (МВТ) или около него) и/или посредством размыкания переключателя электрической цепи, соединенной с ФТЧ для приостановления протекания электричества через ФТЧ.
Между моментами времени t2 и t3, может наблюдаться соответствие текущего уровня сажи на ФТЧ целевому уровню сажи, и, следовательно, никакие дальнейшие изменения текущего уровня сажи на ФТЧ не требуются. В момент времени t3 скорость вращения двигателя может превысить пороговую скорость, и, соответственно, целевой уровень сажи на ФТЧ может быть дополнительно увеличен для поддержания функциональности ФТЧ. Однако, между моментами времени t3 и t4 может наблюдаться, что текущий уровень ФТЧ значительно ниже, чем целевой уровень, что может негативно повлиять на работу ФТЧ.
Следовательно, в момент времени t4 для увеличения текущего уровня сажи на ФТЧ до целевого уровня может быть запущена активная выработка сажи. Для увеличения уровня сажи на ФТЧ, может быть увеличено образование сажи в отработавших газах двигателя посредством смещения момента впрыска топлива в сторону опережения, что может привести ко множеству событий неполного сгорания. Степень смещения момента впрыска в сторону опережения может быть основана на разности между текущим уровнем сажи на ФТЧ и целевым уровнем сажи, причем степень смещения момента впрыска в сторону опережения растет по мере роста значения разности.
Между моментами времени t4 и t5 текущий уровень сажи в ФТЧ может устойчиво расти из-за смещения момента впрыска топлива в сторону опережения, и обусловленного этим увеличения образования сажи. В момент времени t5 может быть сделан вывод о том, что текущий уровень сажи находится на целевом уровне сажи на ФТЧ, соответствующем текущим условиям работы двигателя. Следовательно, в упомянутый момент времени момент начала впрыска топлива больше не может быть смещенным с сторону опережения, и может быть восстановлен номинальный режим подачи топлива.
Кроме того, в момент времени t5, скорость вращения двигателя может снизиться (например, ниже скорости вращения на холостом ходу), и, соответственно, может быть снижено целевое значение ФТЧ. Между моментами времени t5 и t6 текущий уровень ФТЧ может быть выше целевого уровня, что может привести к снижению производительности системы выпуска. Следовательно, в момент времени t6 может быть начата регенерация ФТЧ посредством замыкания электрической цепи для обеспечения протекания электрического тока по цепи и через ФТЧ, что может увеличивать температуру ФТЧ. Между моментами времени t6 и t7 процесс регенерации может быть продолжен и, следовательно, можно наблюдать устойчивое снижение уровня сажи на ФТЧ.
В момент времени t6 разность между целевым уровнем сажи и текущим уровнем сажи на ФТЧ может быть меньше разности между целевым уровнем сажи и текущим уровнем сажи на ФТЧ в начале предыдущего события регенерации (в момент времени t1), следовательно, для достижения целевого уровня может требоваться сожжение меньшего количества сажи по сравнению с количеством сажи, сожженной во время предыдущего события регенерации. После запуска регенерации посредством приведения в действие переключателя, температура ФТЧ может вырасти выше требуемого уровня, приводя к увеличению степени регенерации, что может привести к удалению большего количества сажи, чем ожидалось. Для поддержания уровня сажи на ФТЧ на целевом уровне (но не снижения его до более низкого уровня), степень выработки сажи (в двигателе) может быть увеличена посредством смещения момента зажигания в сторону запаздывания. Другими словами, степень регенерации может быть ограничена посредством смещения момента зажигания в сторону запаздывания для увеличения выпускаемой двигателем сажи до тех пор, пока фактический уровень сажи не достигнет целевого уровня. Соответственно, в процессе предыдущего события регенерации ФТЧ (между моментами времени t1 и t2) выработка сажи посредством запаздывания зажигания могла не осуществляться, поскольку требовалось удалить с ФТЧ большее количество сажи (при более высокой разности между целевым уровнем сажи и текущим уровнем сажи на ФТЧ). Кроме того, в упомянутое время, по мере сгорания сажи в ФТЧ может образовываться зола, что может привести к увеличению уровня золы на ФТЧ.
В момент времени t7 может наблюдаться, что текущий уровень сажи на ФТЧ снизился по сравнению с целевым уровнем сажи и, соответственно, процесс регенерации может быть прерван. Кроме того, в указанное время может наблюдаться превышение уровнем золы на ФТЧ порогового уровня золы. Более высокий, чем пороговый, уровень золы на ФТЧ может оказывать существенное влияние на функционирование ФТЧ по улавливанию выпускаемой сажи.
Между моментами времени t7 и t8 двигатель может работать при более высокой, чем пороговая, скорости вращения двигателя, и, кроме того, может увеличиться целевой уровень сажи на ФТЧ. В упомянутые моменты времени текущий уровень сажи на ФТЧ может отличаться от целевого уровня сажи. Однако, из-за более высокого, чем пороговый, уровня золы на ФТЧ, ускоренное повышение уровня сажи посредством активного регулирования одного или более параметров работы двигателя может не требоваться. Общий уровень золы и сажи может быть достаточен для оптимального функционирования системы снижения выбросов.
В момент времени t8 двигатель может быть выключен и транспортное средство может не работать. Транспортное средство и двигатель могут продолжать быть обездвиженными существенное количество времени, между моментами времени t8 и t9. В момент времени t9 остановленный двигатель может быть запущен в условиях холодного запуска при более низкой, чем пороговая, температуре двигателя. Кроме того, скорость вращения двигателя может быть ниже пороговой скорости. На основе условий работы двигателя может быть определен целевой уровень сажи, и может наблюдаться, что благодаря предыдущей контролируемой регенерации, текущий уровень сажи на ФТЧ равен целевому уровню сажи. Следовательно, в этот момент дальнейшее корректирование уровней сажи и золы на БФТЧ (регенерация или активное вырабатывание сажи) могут не требоваться. Таким образом, посредством поддержания целевого уровня сажи в ФТЧ, даже в условиях холодного пуска, при котором каталитический нейтрализатор может быть не полностью функциональным, может быть поддержана на оптимальном уровне скорость улавливания частиц сажи ФТЧ.
Таким образом, за счет поддержания целевого уровня сажи на фильтре твердых частиц (ФТЧ) посредством активного регулирования вырабатывания сажи, и регенерации ФТЧ, система снижения выбросов может работать с более высокой точностью даже в таких условиях, как холодный запуск. Посредством определения целевого уровня сажи на основе текущих условий работы двигателя, может быть обеспечено поддержание производительности ФТЧ в различных условиях работы двигателя. Технический эффект использования фильтров с более низкой фильтрационной характеристикой с более крупной сеткой фильтрации в том, что может быть снижено сопротивление потоку выпускной системы, и, следовательно, могут быть увеличены выходная мощность двигателя и топливная эффективность. Кроме того, посредством использования ФТЧ с более крупной сеткой фильтрации, может быть снижена стоимость компонентов ФТЧ.
В одном из примеров способ для двигателя содержит, в ответ на то, что фактический уровень сажи на фильтре твердых частиц отработавших газов ниже целевого уровня сажи, регулирование момента впрыска топлива и/или давления впрыска топлива для увеличения количества выпускаемой из двигателя сажи, до тех пор, пока фактический уровень сажи не достигнет целевого уровня сажи, при этом целевой уровень сажи изменяется в зависимости от температуры двигателя и нагрузки двигателя. В предыдущем примере, дополнительно или в качестве альтернативы, целевой уровень сажи устанавливают на первом целевом уровне сажи во время условий запуска двигателя, при которых температура двигателя ниже пороговой температуры, а скорость вращения двигателя ниже пороговой скорости, целевой уровень сажи устанавливают на втором целевом уровне сажи при условиях работы двигателя на холостом ходу, когда температура двигателя выше пороговой температуры, а скорость вращения двигателя ниже пороговой скорости, и целевой уровень сажи устанавливают на третьем целевом уровне сажи, когда температура двигателя выше пороговой температуры, а скорость вращения двигателя выше пороговой скорости. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, первый целевой уровень сажи основан на режиме подачи топлива в условиях запуска двигателя, второй целевой уровень сажи основан на режиме подачи топлива в условиях холостого хода, и третий целевой уровень сажи основан на режиме подачи топлива, при котором температура двигателя выше упомянутой пороговой температуры, а скорость вращения двигателя выше пороговой скорости вращения двигателя, причем режим подачи топлива содержит одно или более из следующего: соотношение между топливом, подаваемым распределенным впрыском, и топливом, подаваемым непосредственным впрыском; соотношение между топливом, подаваемым непосредственным впрыском в такт сжатия, и топливом, подаваемым непосредственным впрыском в такт впуска; и число непосредственных впрысков в такт сжатия за одно событие подачи топлива. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, целевой уровень сажи изменяют для поддержания скорости улавливания сажи на фильтре выше пороговой скорости улавливания. Некоторые или все предыдущие примеры дополнительно содержат, дополнительно или в качестве альтернативы, оценку уровня золы на фильтре основе параметров регенерации фильтра, и дополнительно изменение целевого уровня сажи на основе оцененного уровня золы для поддержания общего уровня золы и сажи на фильтре на близко к пороговому значению количества. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, регулирование момента впрыска топлива и/или давления впрыска топлива содержит смещение момента впрыска топлива в сторону опережения и снижение давления в топливной рампе для активного повышения выработки сажи двигателем. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, смещение момента впрыска топлива в сторону опережения содержит смещение в сторону опережения одного или более из следующих условий, а именно момента начала впрыска топлива, момента окончания впрыска топлива и среднего значения момента впрыска топлива. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, степень смещения момента впрыска в сторону опережения, и степень снижения давления в топливной рампе увеличивают по мере увеличения разности между целевым уровнем сажи и фактическим уровнем сажи. Некоторые или все предыдущие примеры дополнительно содержат, дополнительно или в качестве альтернативы, в ответ на превышение фактическим уровнем сажи на фильтре твердых частиц отработавших газов целевого уровня сажи, запуск регенерации фильтра, и, в ответ на превышение степенью регенерации фильтра пороговой степени, смещение момента зажигания в сторону запаздывания для вырабатывания сажи двигателем, при продолжении регенерации фильтра. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, величину смещения зажигания в сторону запаздывания увеличивают при превышении степенью регенерации фильтра пороговой степени. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, в двигатель подают бензиновое топливо, причем упомянутый фильтр является фильтром твердых частиц для бензиновых двигателей.
Другой пример способа для двигателя содержит, в ответ на снижение общего уровня золы и сажи на фильтре твердых частиц отработавших газов ниже порогового значения, увеличение выработки сажи двигателем до тех пор, пока общее количество золы и сажи не достигнет порогового количества, и, в ответ на превышение общим количеством золы и сажи порогового количества, регенерацию фильтра при смещении момента зажигания в сторону запаздывания до тех пор, пока общее количество золы и сажи не достигнет порогового количества. В предыдущем примере, дополнительно или в качестве альтернативы, увеличение выработки сажи двигателем содержит смещение в сторону опережения момента начала впрыска топлива в цилиндр и/или снижение давление в топливной рампе для активного вырабатывания сажи в двигателе и увеличения количества сажи на фильтре твердых частиц отработавших газов. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, величину смещения момента зажигания в сторону опережения и величину снижения давления в топливной рампе увеличивают при снижении общего количества золы и сажи ниже порового количества. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, регенерация фильтра при смещении момента зажигания в сторону запаздывания содержит смещение момента зажигания в сторону запаздывания на величину, пропорциональную степени регенерации фильтра, при продолжении регенерации фильтра. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, количество золы оценивают на основе длительности регенерации фильтра, причем количество сажи оценивают на основе перепада давления на фильтре твердых частиц.
В другом примере, система двигателя содержит двигатель, содержащий цилиндр; выпускной канал, принимающий продукты сгорания из цилиндра; фильтр твердых частиц ФТЧ с более крупной, чем пороговая, фильтрационной сеткой, соединенный с выпускным каналом; один или более датчиков давления, соединенных с ФТЧ; один или более датчиков температуры, соединенных с ФТЧ; систему подачи топлива, содержащую топливную рампу, топливный бак, топливный насос и топливный инжектор для подачи топлива в цилиндр двигателя; и контроллер с сохраненными в долговременной памяти машиночитаемыми командами для: расчета фактического количества сажи в ФТЧ на основе входных данных от одного или более датчиков давления и датчиков температуры; и, при падении фактического количества сажи ниже целевого количества, увеличения количества выпускаемой двигателем сажи посредством смещения момента приведения в действие топливного инжектора в сторону опережения или уменьшения давления в топливной рампе до тех пор, пока фактическое количество сажи не достигнет целевого количества. В предыдущем примере, дополнительно или в качестве альтернативы, контроллер содержит дополнительные команды для: выбора целевого количества на основе каждого из показателей температуры двигателя, скорости вращения двигателя и нагрузки двигателя, причем целевое количество увеличивают при снижении температуры двигателя, увеличении скорости вращения двигателя и при увеличении нагрузки двигателя. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, контроллер содержит дополнительные команды для: расчета фактического количества золы на ФТЧ на основе длительности приведения в действие переключателя; и, после регенерации фильтра, поддержания общего фактического количества сажи и золы на целевом уровне посредством смещения в сторону опережения момента приведения в действие топливного инжектора. В некоторых или во всех предыдущих примерах, дополнительно или в качестве альтернативы, контроллер содержит дополнительные команды для: регенерации фильтра при превышении фактическим количеством сажи целевого количества для снижения количества сажи на фильтре, причем степени регенерации ограничивается посредством смещения момента зажигания в сторону запаздывания для увеличения выработки сажи двигателем до тех пор, пока фактическое количество сажи не достигнет целевого количества.
Необходимо отметить, что примеры приведенных здесь алгоритмов управления и оценки могут использоваться с различными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых команд в долговременной памяти, и могут исполняться системой управления, содержащей контроллеры в сочетании с различными датчиками, приводами и другими компонентами двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и тому подобные. Таким образом, различные описанные действия, процессы и/или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно, или, в некоторых случаях, могут быть опущены. Аналогично, такой порядок обработки не обязателен для достижения преимуществ и реализации признаков, раскрытых в настоящей заявке примеров осуществления, но приведен для простоты графического представления и описания. Одно или более описанных действий, процессов и/или функций могут быть выполнены повторно в зависимости от конкретной используемой стратегии. Более того, описанные действия, процессы и/или функции могут графически представлять код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, в которой описанные действия реализуются посредством исполнения команд в системе, причем раскрытые действия выполняются путем исполнения инструкций в системе, содержащей различные аппаратные компоненты двигателя в сочетании с электронным контроллером.
Следует понимать, что конфигурации и последовательности, раскрытые в данном документе, являются по своей сути примерами, и эти конкретные варианты осуществления не должны быть восприняты в ограничивающем значении, поскольку возможно множество модификаций. Например, вышеупомянутая технология может быть применена к V-образному шестицилиндровому, рядному четырехцилиндровому, рядному шестицилиндровому, V-образному двенадцатицилиндровому, оппозитному четырехцилиндровому и другим типам двигателей. Объем настоящего изобретения содержит все неизвестные и неочевидные сочетания и частичные сочетания различных систем, конфигураций, и других признаков, функций и/или свойств, раскрытых в данном документе.
В последующих пунктах формулы изобретения конкретно указаны определенные сочетания и частичные сочетания, которые следует считать новыми и неочевидными. Эти пункты формулы могут ссылаться на «элементы» или «первые элементы», или их эквиваленты. Такие пункты формулы следует считать содержащими возможность наличия одного или более таких элементов, но не требующими наличия и не исключающими возможность наличия двух или большего количества таких элементов. Другие сочетания или частичные сочетания раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены посредством внесения поправок в настоящие пункты формулы или через включение новых пунктов формулы в настоящую или связанную заявку. Такие пункты формулы, вне зависимости от того, шире, уже, эквивалентные или отличные от исходных пунктов формулы изобретения, также включены в объем настоящего изобретения.