УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПЕРЕМЕННОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ
DEVICE AND METHOD FOR CONTROL OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH VARIABLE COMPRESSION RATIO

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия, допускающему изменение степени механического сжатия, а более конкретно к устройству и к способу управления, которые управляют средством изменения степени сжатия таким образом, чтобы уменьшать количество выброса NOx.
Предшествующий уровень техники
[0002] В области техники двигателей внутреннего сгорания, к настоящему времени известны различные типы механизмов изменения степени сжатия. Например, широко известен механизм изменения степени сжатия, способный изменять степень механического сжатия посредством изменения относительной позиционной взаимосвязи между поршнем и цилиндром, и механизм изменения степени сжатия, выполненный с возможностью изменять объем камеры сгорания посредством вспомогательного поршня/цилиндра.
[0003] С другой стороны, патентный документ 1 раскрывает, что степень механического сжатия уменьшается посредством использования такого механизма изменения степени сжатия в течение предварительно определенного периода от возобновления подачи топлива, в случае если температура катализатора очистки выбросов отработавших газов снизилась ниже порогового значения в ходе отсечки топлива. Иными словами, накопленный объем кислорода в катализаторе увеличивается в ходе отсечки топлива. Если температура катализатора очистки выбросов отработавших газов чрезмерно понижается посредством этой отсечки топлива, накопленный кислород эффективно не восстанавливается после возобновления подачи топлива, так что действие восстановления NOx ослабляется в течение этого интервала. В способе согласно патентному документу 1, когда температура катализатора очистки выбросов отработавших газов понижается ниже порогового значения, степень механического сжатия понижается, чтобы быстро увеличивать температуру катализатора очистки выбросов отработавших газов. Затем кислород, накапливаемый в катализаторе, быстро потребляется, чтобы подавлять увеличение NOx после возобновления подачи топлива.
[0004] В патентном документе 1 степень механического сжатия уменьшается, чтобы увеличивать температуру катализатора, когда температура катализатора очистки выбросов отработавших газов становится меньше или равной пороговому значению. Тем не менее возможен случай, в котором накопленный объем кислорода в катализаторе очистки выбросов отработавших газов становится достаточно большим при том, что снижение температуры катализатора является небольшим, к примеру, случай, в котором длительность отсечки топлива является короткой, и случай, в котором длительность глушения двигателя на холостом ходу является короткой. В таком случае способ по патентному документу 1 не является эффективным. Следовательно, имеется запас для улучшения относительно уменьшения NOx, который выбрасывается из двигателя внутреннего сгорания.
Список библиографических ссылок
Патентные документы
[0005] Патентный документ 1. Публикация заявки на патент Японии номер 2009-250163
Сущность изобретения
[0006] Устройство управления для двигателя внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия согласно настоящему изобретению содержит средство изменения степени сжатия, способное изменять степень механического сжатия двигателя внутреннего сгорания; и средство получения накопленного объема кислорода, выполненное с возможностью вычислять накопленный объем кислорода в катализаторе очистки выбросов отработавших газов, обеспеченном в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, при этом степень механического сжатия изменяется согласно накопленному объему кислорода.
[0007] Например, посредством понижения степени механического сжатия и за счет этого понижения температуры сгорания, снижается формирование NOx, ассоциированного со сгоранием, так что количество NOx, который вытекает из камеры сгорания в катализатор очистки выбросов отработавших газов, становится небольшим. Соответственно, степень механического сжатия изменяется в ответ таким образом, чтобы (удовлетворять) фактической способности к очистке NOx для катализатора очистки выбросов отработавших газов, на которую влияет накопленный объем кислорода. Следовательно, может снижаться количество выброса NOx, который выбрасывается наружу.
[0008] Согласно этому изобретению, NOx, который формируется в камере сгорания, подавляется посредством изменения степени механического сжатия, когда накопленный объем кислорода в катализаторе очистки выбросов отработавших газов является большим, и его способность к очистке NOx является низкой. Следовательно, снижается количество выброса NOx, который выбрасывается наружу.
Краткое описание чертежей
[0009] Фиг. 1 является пояснительным видом конфигурации, иллюстрирующим вариант осуществления согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2 является блок-схемой, иллюстрирующей управление степенью сжатия в варианте осуществления.
Фиг. 3 является блок-схемой последовательности операций способа, иллюстрирующей управление степенью сжатия в варианте осуществления.
Фиг. 4 является временной диаграммой для пояснения операций в варианте осуществления.
Фиг. 5 является временной диаграммой, иллюстрирующей пример операций в случае, если температура охлаждающей воды повышается.
Фиг. 6 является временной диаграммой, иллюстрирующей пример операций в случае, если выполняются отсечка топлива и возобновление подачи топлива.
Подробное описание изобретения
[0010] Фиг. 1 является пояснительной схемой конфигурации, показывающей систему конфигурация двигателя 1 внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия, оснащенного устройством управления согласно настоящему изобретению.
[0011] Двигатель 1 внутреннего сгорания включает в себя общеизвестный механизм 2 изменения степени сжатия и актуатор 3 управления степенью сжатия. Механизм 2 изменения степени сжатия изменяет позицию верхней мертвой точки поршня в направлениях вверх и вниз, когда геометрия тяг многорычажного поршневого кривошипно-шатунного механизма изменяется. Например, актуатор 3 управления степенью сжатия сконструирован посредством электромотора и т.п. с возможностью изменять геометрию тяг, т.е. изменять степень механического сжатия.
[0012] В системе выпуска отработавших газов двигателя 1 внутреннего сгорания размещается катализатор 4 очистки выбросов отработавших газов. Катализатор 4 очистки выбросов отработавших газов, например, состоит из трехкомпонентного катализатора. Кроме того, предусмотрены различные виды датчиков, такие как датчик 5 нажатия педали акселератора, датчик 6 частоты вращения, расходомер 7 воздуха, датчик 8 температуры воды и датчик 9 состава смеси "воздух-топливо". В качестве режима работы двигателя 1 внутреннего сгорания датчик 5 нажатия педали акселератора считывает степень открытия (требуемую нагрузку tT) педали акселератора, нажимаемой водителем, и датчик 6 частоты вращения считывает частоту Ne вращения двигателя 1 внутреннего сгорания. Расходомер 7 воздуха измеряет объем Qa всасываемого воздуха во впускном канале. Датчик 8 температуры воды считывает температуру охлаждающей воды двигателя 1 внутреннего сгорания. Датчик 9 состава смеси "воздух-топливо" измеряет состав отработанной смеси "воздух-топливо" в местоположении выше катализатора 4 очистки выбросов отработавших газов в выпускном канале. Сигналы определения, считываемые посредством этих датчиков и т.п., вводятся в модуль 10 управления двигателем. Актуатор 3 управления степенью сжатия, предусмотренный для управления степенью механического сжатия, приводится в действие таким образом, что реализуется целевая степень сжатия на основе этих сигналов определения.
[0013] Фиг. 2 является блок-схемой управления, показывающей управление степенью сжатия, которое выполняется посредством модуля 10 управления двигателем. Секция 11 вычисления базовой целевой степени сжатия вычисляет базовое значение степени механического сжатия, т.е. вычисляет базовую целевую степень btCR сжатия на основе требуемой нагрузки tT, считываемой посредством датчика 5 нажатия педали акселератора, и частоты Ne вращения двигателя, считываемой посредством датчика 6 частоты вращения. Секция 12 вычисления накопленного объема кислорода вычисляет накопленный объем rOS кислорода из объема Qa всасываемого воздуха, считываемого посредством расходомера 7 воздуха, и состава смеси "воздух-топливо" (A/F), считываемого посредством датчика 9 состава смеси "воздух-топливо". Накопленный объем rOS кислорода является объемом кислорода, в данный момент уже абсорбированным и накопленным в катализаторе 4 очистки выбросов отработавших газов. Накопленный объем rOS кислорода может быть последовательно вычислен из объема Qa всасываемого воздуха и состава смеси "воздух-топливо" (A/F), поскольку накопленный объем кислорода увеличивается, когда бедный газ в качестве состава отработанной смеси "воздух-топливо" протекает через катализатор 4 очистки выбросов отработавших газов, тогда как накопленный объем кислорода уменьшается, когда богатый газ в качестве состава отработанной смеси "воздух-топливо" протекает через катализатор 4 очистки выбросов отработавших газов. Секция 13 коррекции целевой степени сжатия вычисляет целевую степень tCR сжатия после коррекции на основе базовой целевой степени btCR сжатия, накопленного объема rOS кислорода и температуры Tw охлаждающей воды, как упомянуто ниже. Актуатор 3 управления степенью сжатия приводится в действие согласно целевой степени tCR сжатия после коррекции.
[0014] Фиг. 3 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей последовательность операций обработки управления степенью сжатия в модуле 10 управления двигателем. На этапе S1 требуемая нагрузка tT, частота Ne вращения двигателя, объем Qa всасываемого воздуха, состав смеси "воздух-топливо" A/F и температура Tw охлаждающей воды, соответственно, считываются. На этапе S2 базовая целевая степень btCR сжатия вычисляется из предварительно сохраненной карты, на которой базовая целевая степень btCR сжатия в данный момент задана относительно требуемой нагрузки tT и частоты Ne вращения двигателя. На этапе S3 накопленный объем rOS кислорода в катализаторе 4 очистки выбросов отработавших газов в данный момент вычисляется из объема Qa всасываемого воздуха и состава смеси "воздух-топливо" A/F.
[0015] На следующем этапе S4 оценивается то, превышает или нет накопленный объем rOS кислорода предварительно определенное пороговое значение. Если накопленный объем rOS кислорода превышает предварительно определенное пороговое значение, программа переходит к этапу S5. Если накопленный объем rOS кислорода меньше или равен предварительно определенному пороговому значению, программа переходит к этапу S8. На этапе S5 оценивается то, находится или нет температура Tw охлаждающей воды, которая коррелирует с температурой катализатора 4 очистки выбросов отработавших газов, между первым пороговым значением на стороне высокой температуры и вторым пороговым значением на стороне низкой температуры. Если температура Tw охлаждающей воды находится (попадает между) первым пороговым значением и вторым пороговым значением, программа переходит к этапу S6. Если температура Tw охлаждающей воды выше или равна первому пороговому значению или если температура Tw охлаждающей воды ниже или равна второму пороговому значению, программа переходит к этапу S8.
[0016] На следующем этапе S6 значение коррекции целевой степени сжатия вычисляется на основе накопленного объема rOS кислорода. В одном примере значение коррекции целевой степени сжатия задается пропорционально разности, полученной посредством вычитания вышеуказанного порогового значения из накопленного объема rOS кислорода. Иными словами, значение коррекции целевой степени сжатия задается в качестве большего значения по мере того, как становится большим накопленный объем rOS кислорода за пределами порогового значения. Затем на этапе S7 целевая степень tCR сжатия после коррекции в завершение вычисляется из базовой целевой степени btCR сжатия и значения коррекции целевой степени сжатия. В одном примере целевая степень tCR сжатия после коррекции вычисляется посредством вычитания значения коррекции целевой степени сжатия из базовой целевой степени btCR сжатия.
[0017] С другой стороны, на этапе S8 при определении "Нет" на этапе S4 или этапе S5, значение коррекции целевой степени сжатия задается равным 0 (нулю). После этого программа переходит к этапу S7. Иными словами, в этом случае коррекция на основе накопленного объема rOS кислорода не выполняется, так что базовая целевая степень btCR сжатия в итоге используется в качестве целевой степени tCR сжатия после коррекции без изменений.
[0018] Далее поясняются операции управления степенью сжатия со ссылкой на временную диаграмму по Фиг. 4. В случае Фиг. 4 предполагается, что температура Tw охлаждающей воды поддерживается практически на постоянном уровне между первым пороговым значением на стороне высокой температуры и вторым пороговым значением на стороне низкой температуры. По существу, накопленный объем rOS кислорода в катализаторе 4 очистки выбросов отработавших газов остается в пределах надлежащего диапазона посредством управления накопленным объемом кислорода (т.е. посредством регулирования состава смеси "воздух-топливо") согласно другой непроиллюстрированной процедуре. Тем не менее, в случае Фиг. 4 накопленный объем rOS кислорода увеличивается относительно существенно по какой-либо причине.
[0019] Как показано на чертеже, накопленный объем rOS кислорода постепенно увеличивается и превышает предварительно определенное пороговое значение в момент t1 времени. Следовательно, в момент t1 времени начинается коррекция для уменьшения целевой степени tCR сжатия. До момента t2 времени целевая степень tCR сжатия уменьшается с увеличением накопленного объема rOS кислорода посредством целевого значения коррекции степени сжатия, которое является пропорциональным разности между накопленным объемом rOS кислорода и пороговым значением. В момент S2 времени состав смеси "воздух-топливо" обогащается посредством управления накопленным объемом кислорода согласно непроиллюстрированной процедуре. Следовательно, после этого, постепенно уменьшается накопленный объем rOS кислорода. В ответ на это уменьшение накопленного объема rOS кислорода значение коррекции целевой степени сжатия постепенно уменьшается, так что целевая степень tCR сжатия продолжает повышаться таким образом, что она приближается к базовой целевой степени btCR сжатия. В момент t3 времени значение коррекции целевой степени сжатия становится равным 0, поскольку накопленный объем rOS кислорода опускается ниже порогового значения. После момента t3 времени базовая целевая степень btCR сжатия равна целевой степени tCR сжатия. Следует отметить, что состав смеси "воздух-топливо" продолжает обогащаться до момента t4 времени.
[0020] Фиг. 5 является временной диаграммой для пояснения предела для коррекции степени сжатия на основе температуры Tw охлаждающей воды. Фиг. 5 показывает ситуацию, когда температура Tw охлаждающей воды постепенно повышается из состояния холодного двигателя. В случае Фиг. 5 накопленный объем rOS кислорода поддерживается выше порогового значения в течение проиллюстрированного периода роста температуры для упрощения пояснения. Тем не менее, фактически накопленный объем rOS кислорода уменьшается посредством регулирования состава смеси "воздух-топливо", выполняемого в качестве управления накопленным объемом кислорода, как показано на Фиг. 4.
[0021] В примере по Фиг. 5 температура Tw охлаждающей воды ниже второго порогового значения на стороне низкой температуры до момента t1 времени. Соответственно, даже если накопленный объем rOS кислорода превышает пороговое значение, запрещается выполнение коррекции для целевой степени tCR сжатия на основе накопленного объема rOS кислорода. В таком еще не прогретом состоянии, т.е. в состоянии, в котором температура катализатора 4 очистки выбросов отработавших газов является низкой, управление степенью сжатия для подъема температуры катализатора предпочтительно выполняется посредством другой непроиллюстрированной процедуры.
[0022] В диапазоне между моментом t1 времени и моментом t2 времени, температура Tw охлаждающей воды находится (попадает между) первым пороговым значением на стороне высокой температуры и вторым пороговым значением на стороне низкой температуры. Соответственно, выполняется коррекция целевой степени tCR сжатия на основе накопленного объема rOS кислорода. Иными словами, целевая степень tCR сжатия после коррекции становится меньше базовой целевой степени btCR сжатия.
[0023] В примере по Фиг. 5 температура Tw охлаждающей воды становится выше первого порогового значения на стороне высокой температуры в момент t2 времени. Следовательно, запрещается коррекция для целевой степени tCR сжатия, так что целевая степень tCR сжатия становится равной базовой целевой степени btCR сжатия. Таким образом, коррекция для уменьшения целевой степени tCR сжатия запрещается, когда температура Tw охлаждающей воды, которая альтернативно представляет температуру катализатора 4 очистки выбросов отработавших газов, является высокой. Следовательно, может подавляться ухудшение характеристик катализатора 4 очистки выбросов отработавших газов вследствие нагрева.
[0024] В вышеприведенном варианте осуществления температура Tw охлаждающей воды используется в качестве температурного параметра, который представляет температуру катализатора 4 очистки выбросов отработавших газов. Тем не менее, структура согласно настоящему изобретению не ограничена этим. Температура катализатора 4 очистки выбросов отработавших газов может непосредственно считываться посредством температурного датчика, либо может использоваться другой температурный параметр, к примеру, температура смазочного масла.
[0025] Далее, Фиг. 6 является временной диаграммой для пояснения операций в случае, если проводится отсечка топлива во время замедления и последующее возобновление подачи топлива. В случае Фиг. 6, хотя температура Tw охлаждающей воды не показана, температура Tw охлаждающей воды поддерживается на постоянном уровне между первым пороговым значением на стороне высокой температуры и вторым пороговым значением на стороне низкой температуры таким же образом, как на Фиг. 4. Кроме того, предполагается, что базовая целевая степень btCR сжатия согласно режиму работы также поддерживается на постоянном уровне.
[0026] До момента t1 времени выполняется регулирование с обратной связью состава смеси "воздух-топливо" для обеспечения накопленного объема rOS кислорода, близкого к предварительно определенному целевому значению. Следовательно, накопленный объем rOS кислорода многократно увеличивается и уменьшается около целевого значения с изменением состава смеси "воздух-топливо".
[0027] В момент t1 времени, выполняется отсечка топлива. Когда отсечка топлива выполняется, только воздух протекает в катализатор 4 очистки выбросов отработавших газов, так что накопленный объем rOS кислорода быстро увеличивается.
[0028] В момент t2 времени накопленный объем rOS кислорода достигает предварительно определенного порогового значения. Следовательно, начинается управление коррекцией в сторону уменьшения для целевой степени tCR сжатия. В примере этой временной диаграммы отсечка топлива начинается в состоянии, в котором накопленный объем rOS кислорода является относительно большим, т.е. относительно рядом с пороговым значением. (Иными словами, накопленный объем rOS кислорода в момент t1 времени является относительно большим). Следовательно, через небольшое время после того, как начинается отсечка топлива, накопленный объем rOS кислорода достигает порогового значения, так что начинается коррекция в сторону уменьшения для целевой степени tCR сжатия. Иными словами, даже если длительность отсечки топлива является короткой, управление коррекцией в сторону уменьшения для целевой степени tCR сжатия проводится, когда накопленный объем rOS кислорода достигает порогового значения, в отличие от вышеуказанного патентного документа 1. Следовательно, надежно не допускается ухудшение количества выброса NOx вследствие избытка накопленного объема rOS кислорода сразу после возобновления подачи топлива.
[0029] Кроме того, в отличие от вышеуказанного, в случае если отсечка топлива начинается, когда накопленный объем rOS кислорода является относительно небольшим, определенная продолжительность требуется для достижения порогового значения посредством накопленного объема rOS кислорода. Следовательно, если условие для отсечки топлива становится неудовлетворенным в течение этой определенной продолжительности, так что впрыск топлива возобновляется, коррекция в сторону уменьшения для целевой степени tCR сжатия не выполняется. Следовательно, исключается нежелательное уменьшение степени сжатия.
[0030] В диапазоне между моментом t2 времени и моментом t3 времени накопленный объем rOS кислорода постепенно увеличивается вследствие отсечки топлива. В ответ на постепенное увеличение накопленного объема rOS кислорода постепенно увеличивается значение коррекции целевой степени сжатия. Затем в момент t3 времени накопленный объем rOS кислорода достигает максимального объема накопления кислорода в катализаторе 4 очистки выбросов отработавших газов. Следовательно, после момента t3 времени, накопленный объем rOS кислорода поддерживается на постоянном уровне. Следовательно, также значение коррекции целевой степени сжатия поддерживается на постоянном уровне после момента t3 времени.
[0031] В момент t4 времени условие для отсечки топлива становится неудовлетворенным, так что впрыск топлива возобновляется (т.е. возобновление подачи топлива). Сразу после возобновления подачи топлива управление в режиме обогащенного топливом сгорания для обогащения состава смеси "воздух-топливо" выполняется посредством другой непроиллюстрированной процедуры, чтобы быстро возвращать накопленный объем rOS кислорода к предварительно определенному целевому значению. Как результат, накопленный объем rOS кислорода уменьшается с относительно большим градиентом. Это управление в режиме обогащенного топливом сгорания продолжает выполняться до тех пор, пока накопленный объем rOS кислорода не вернется и не попадет в пределы диапазона около предварительно определенного целевого значения (т.е. до момента t6 времени).
[0032] В момент t5 времени, который существует при выполнении управления в режиме обогащенного топливом сгорания, накопленный объем rOS кислорода становится равным или меньшим порогового значения. В диапазоне времени между моментом t4 времени (в котором начинается возобновление подачи топлива) и моментом t5 времени также значение коррекции целевой степени сжатия уменьшается с уменьшением накопленного объема rOS кислорода. В диапазоне времени между моментом t4 времени и моментом t5 времени накопленный объем rOS кислорода превышает пороговое значение, и, следовательно, способность к очистке NOx для катализатора 4 очистки выбросов отработавших газов является низкой. Тем не менее, коррекция в сторону уменьшения для целевой степени tCR сжатия выполняется, так что температура сгорания понижается, и за счет этого подавляется количество NOx, который выбрасывается из камеры сгорания двигателя 1 внутреннего сгорания. Соответственно, также уменьшается количество NOx, который высвобождается (выбрасывается) через катализатор 4 очистки выбросов отработавших газов наружу (за пределы). Следовательно, уровень выбросов NOx является предпочтительным. Следует отметить, что теоретически коррекция для уменьшения степени сжатия с тем, чтобы подавлять NOx, который формируется в камере сгорания, должна выполняться только в течение диапазона времени между моментом t4 времени и моментом t5 времени, в котором сгорание фактически выполняется в состоянии, в котором накопленный объем rOS кислорода превышает пороговое значение. Тем не менее, в этом примере коррекция для уменьшения степени сжатия начинается в момент t2 времени при выполнении отсечки топлива, поскольку управление степенью сжатия механизма 2 изменения степени сжатия сопровождается временной задержкой.
[0033] В момент t6 времени накопленный объем rOS кислорода возвращается и попадает в пределы диапазона около предварительно определенного целевого значения. В это время завершается управление в режиме обогащенного топливом сгорания, начатое сразу после возобновления подачи топлива. После этого повторно начинается регулирование с обратной связью состава смеси "воздух-топливо" на основе накопленного объема rOS кислорода.
[0034] В вышеприведенном варианте осуществления коррекция в сторону уменьшения для целевой степени tCR сжатия выполняется на основе накопленного объема rOS кислорода в катализаторе 4 очистки выбросов отработавших газов. Следовательно, например, коррекция в сторону уменьшения для степени сжатия выполняется, когда накопленный объем rOS кислорода является чрезмерным, даже если отсечка топлива проводится в течение короткого времени. Следовательно, может заведомо подавляться ухудшение NOx, которое вызывается сразу после возобновления подачи топлива. С другой стороны, в случае если накопленный объем rOS кислорода не становится чрезмерным, даже если отсечка топлива проводится в течение относительно длительного времени, (нежелательное) уменьшение степени сжатия не выполняется. Следовательно, например, может подавляться нагрев катализатора 4 очистки выбросов отработавших газов.
[0035] Настоящее изобретение не является применимым исключительно к двигателю внутреннего сгорания, оснащенному механизмом изменения степени сжатия, который использует многорычажный поршневой кривошипно-шатунный механизм, как упомянуто в вышеприведенном варианте осуществления, но также и может применяться к двигателям внутреннего сгорания, оснащенным другими типами механизмов изменения степени сжатия.