СИСТЕМА И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING TEMPERATURE OF EXHAUST GAS CATALYTIC CONVERTER

Область применения
Настоящее изобретение относится к системам и способам для улучшения регулирования температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов в системах двигателей, оснащенных одиночным цилиндром для обеспечения внешней рециркуляции отработавших газов (РОГ) к другим цилиндрам двигателя.
Уровень техники и раскрытие изобретения
Двигатели могут оснащаться системами рециркуляции отработавших газов (РОГ) для отведения по меньшей мере части отработавших газов из выпускного коллектора двигателя к впускному коллектору двигателя. Обеспечивая требуемое разжижение смеси в двигателе, такие системы уменьшают детонацию в двигателе, потери на дросселирование, тепловые потери в цилиндре, а также выбросы окислов азота (NOx). В результате улучшается топливная экономичность, особенно при высоких уровнях наддува двигателя. Двигатели также оснащаются одиночным специализированным цилиндром (или группой цилиндров) для обеспечения внешней РОГ для других цилиндров двигателя. В ходе этого процесса все отработавшие газы из специализированной группы цилиндров рециркулируют во впускной коллектор. Фактически это позволяет обеспечить по существу постоянную величину РОГ для цилиндров двигателя в большинстве условий эксплуатации. Регулируя подачу топлива к специализированной группе цилиндров РОГ (например, для работы на богатой смеси), состав РОГ можно изменять, включая в него такие вещества, как водород, который повышает допустимую величину РОГ для двигателя и обеспечивает преимущества с точки зрения топливной экономичности.
Системы двигателя со специализированными группами цилиндров РОГ могут быть оснащены перепускным клапаном, позволяющим либо направлять все отработавшие газы из специализированной группы цилиндров РОГ обратно во впускной коллектор, либо отводить их к каталитическому нейтрализатору отработавших газов. Пример такой системы с перепускным клапаном раскрыт в патенте США 8,539,768 на имя Hayman et al. Путем отвода отработавших газов от специализированного цилиндра РОГ к каталитическому нейтрализатору отработавших газов можно увеличить тепловой поток к каталитическому нейтрализатору, например, в условиях холодного пуска двигателя и прогрева каталитического нейтрализатора. Кроме того, можно уменьшить степень РОГ при небольших нагрузках.
Однако авторы настоящего изобретения выявили потенциальные проблемы при таком подходе. Например, перепускной клапан может обеспечивать ограниченное количество вариантов выбора. Конкретно, контроллер может быть ограничен двумя вариантами: направление всех отработавших газов к впускному коллектору, что улучшает топливную экономичность, но уменьшает температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов, или направление всех отработавших газов к каталитическому нейтрализатору, что повышает температуру каталитического нейтрализатора, но уменьшает топливную экономичность. Таким образом, при перенаправлении отработавших газов для прогрева каталитического нейтрализатора, РОГ временно блокируется, несмотря на то, что может требоваться разжижение смеси в двигателе. Фактически это приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик двигателя и снижению топливной экономичности. В качестве другого примера, могут возникать условия, отличные от холодного пуска двигателя, когда требуется регулирование температуры каталитического нейтрализатора. Например, каталитический нейтрализатор отработавших газов может охлаждаться ниже оптимальной температуры конверсии при продолжительной работе с небольшой нагрузкой, поскольку температуры отработавших газов до каталитического нейтрализатора, как правило, ниже при меньших нагрузках. Температура отработавших газов может дополнительно понижаться за счет подведения высоких уровней РОГ к камере сгорания. По существу, если температура каталитического нейтрализатора отработавших газов при работе двигателя падает ниже пороговой температуры, скорость конверсии отработавших газов снижается, негативно воздействуя на выбросы отработавших газов двигателя.
Авторы изобретения идентифицировали эти проблемы и разработали способ регулирования температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, который по меньшей мере частично устраняет некоторые из этих проблем. Один из примеров способа содержит протекание отработавших газов от специализированного цилиндра РОГ к каталитическому нейтрализатору по перепускному каналу и к впуску двигателя по каналу РОГ; и регулирование относительного потока по каналам с помощью перепускного клапана, при этом регулирование производят в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора. Таким образом, поток отработавших газов можно направлять от специализированного цилиндра РОГ к впуску двигателя и к каталитическому нейтрализатору одновременно, при этом их относительные соотношения дозируются для обеспечения требуемой температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов.
2
В качестве примера, канал РОГ, соединяющий специализированный цилиндр РОГ с впуском двигателя, может содержать бесступенчатый перепускной клапан, позволяющий дозировать часть отработавших газов, подводимую к каталитическому нейтрализатору отработавших газов в выпускном коллекторе по перепускному каналу. По существу, остальная часть отработавших газов может продолжать рециркуляцию к впуску двигателя по каналу РОГ. В зависимости от температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, перепускной клапан можно регулировать с целью изменения соотношения потока отработавших газов по перепускному каналу по сравнению с каналом РОГ. Например, при условиях, когда температура каталитического нейтрализатора ниже пороговой, например, при холодном пуске или после продолжительной работы с небольшой нагрузкой, перепускной клапан можно регулировать для увеличения потока отработавших газов по перепускному каналу, соответствующим образом уменьшая поток отработавших газов по каналу РОГ. Кроме того, состав смеси в специализированном цилиндре РОГ может быть обогащен для обеспечения потока отработавших газов, обогащенного водородом, CO и углеводородами, в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Степень обогащения смеси можно регулировать на основе удельного теплового потока, необходимого для приведения каталитического нейтрализатора отработавших газов к пороговой температуре или более высокому значению. Например, для заданной скорости потока по перепускному каналу, по мере возрастания разности между температурой каталитического нейтрализатора отработавших газов и пороговой температурой, в специализированный цилиндр РОГ может подаваться более богатая смесь. Одновременно в остальные цилиндры двигателя может подаваться более бедная смесь, при этом степень обеднения регулируют исходя из степени обогащения смеси в специализированном цилиндре РОГ для поддержания общего воздушно-топливного отношения (ВТО) в отработавших газах в выхлопной трубе равным или близким к стехиометрическому. Богатые отработавшие газы из специализированного цилиндра РОГ могут затем объединяться с бедными отработавшими газами из остальных цилиндров для возбуждения существенно экзотермической реакции в каталитическом нейтрализаторе, дополнительно способствуя нагреванию каталитического нейтрализатора. При превышении температурой каталитического нейтрализатора пороговой, перепускной клапан можно отрегулировать для уменьшения потока отработавших газов по перепускному каналу, увеличивая при этом поток отработавших газов, рециркулирующих к впуску двигателя.
Таким путем перепускной клапан, присоединенный к специализированной системе РОГ, можно привести в действие для поддержания температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. Непрерывное отведение по меньшей мере части отработавших газов к каталитическому нейтрализатору отработавших газов при рециркуляции остальной части отработавших газов к впуску двигателя обеспечивает возможность регулирования температуры каталитического нейтрализатора, не требуя блокирования РОГ. Путем обогащения смеси в специализированной группе цилиндров РОГ в зависимости от потока через перепускной клапан, можно способствовать нагреванию каталитического нейтрализатора. Путем объединения богатых отработавших газов (которые являются обогащенными углеводородами) из специализированной группы цилиндров РОГ с бедными отработавшими газами (которые являются обогащенными кислородом) из остальных цилиндров двигателя в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, можно возбуждать существенно экзотермическую реакцию для поддержания температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов выше температуры активации. Кроме того, благодаря созданию условий для протекания экзотермической реакции непосредственно в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов улучшается теплопередача и уменьшаются тепловые потери в других компонентах двигателя (таких как головка блока цилиндров, турбина, трубопроводы для отработавших газов и т.д.). Обеспечение возможности регулирования температуры каталитического нейтрализатора без блокирования РОГ позволяет улучшить выбросы отработавших газов, не вызывая потерь топливной экономичности.
Следует понимать, что приведенное выше раскрытие изобретения предназначено для того, чтобы в упрощенной форме представить подборку концепций, подробнее раскрытых ниже в описании осуществления изобретения. Оно не предназначено для выявления ключевых или существенных признаков заявленного предмета, объем которого однозначно определяется формулой изобретения, следующей за осуществлением изобретения. Кроме того, заявленный предмет не ограничивается вариантами осуществления изобретения, устраняющими отмеченные выше недостатки, или любой частью настоящего описания изобретения.
Краткое описание чертежей
На ФИГ. 1 показана структурная схема системы двигателя, содержащей группу специализированных цилиндров РОГ.
На ФИГ. 2 показано схематическое изображение камеры сгорания двигателя.
На ФИГ. 3 показан пример способа регулирования перепускного клапана для изменения относительного потока отработавших газов от специализированного цилиндра РОГ к каталитическому нейтрализатору отработавших газов и к впуску двигателя на основе температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов.
На ФИГ. 4 показан пример регулирования потока отработавших газов от специализированного цилиндра РОГ к каталитическому нейтрализатору по перепускному каналу и к впуску двигателя по каналу РОГ в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к регулированию температуры каталитического нейтрализатора в двигателе, работающем с сильно разжиженными смесями в цилиндрах, таком как системы двигателя на ФИГ. 1-2, при этом отработавшие газы из специализированной группы цилиндров используются для обеспечения внешней РОГ для двигателя. Контроллер может быть выполнен с возможностью выполнения управляющей программы, такой как программа на ФИГ. 3, для непрерывного изменения доли отработавших газов, отводимых от специализированной группы цилиндров к каталитическому нейтрализатору отработавших газов, с перепуском остальных цилиндров двигателя, относительно отработавших газов, рециркулирующих к впуску двигателя, в зависимости от температуры каталитического нейтрализатора. При этом каталитический нейтрализатор отработавших газов можно поддерживать на уровне, превышающем рабочую температуру, пока выполняется подача РОГ. Пример настройки для регулирования температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов при работе двигателя, в том числе во время и после холодного пуска двигателя, показан со ссылкой на ФИГ. 4.
На ФИГ. 1 схематически показаны особенности примера системы 100 двигателя, содержащей двигатель 10 с четырьмя цилиндрами (1-4). Как подробно показано на чертеже, четыре цилиндра скомпонованы в виде первой группы 18 цилиндров, состоящей из специализированного цилиндра 4 РОГ, и второй группы 17 цилиндров, состоящей из цилиндров 1-3, неспециализированных для РОГ. Подробное описание каждой камеры сгорания двигателя 10 приведено со ссылкой на ФИГ. 2. Система 100 двигателя может быть включена в автомобиль, такой как пассажирский автомобиль, предназначенный для передвижения по дорогам.
В показанном варианте осуществления двигатель 10 представляет собой двигатель с наддувом, подключенный к турбонагнетателю 13, содержащему компрессор 74, приводимый в действие турбиной 76. Конкретно, свежий воздух вводится по впускному каналу 42 в двигатель 10 через воздухоочиститель 33 и течет к компрессору 74. Скорость потока наружного воздуха, поступающего во впускную систему по впускному воздушному каналу 42, можно регулировать по меньшей мере частично, регулируя впускной дроссель 20. Компрессор 74 может представлять собой любой подходящий компрессор впускного воздуха, такой как наддувочный компрессор с приводом от электродвигателя или приводного вала. Однако в системе 10 двигателя компрессор представляет собой компрессор турбонагнетателя, механически присоединенный к турбине 76 с помощью вала 19, причем турбина 76 приводится в действие путем расширения отработавших газов двигателя. В одном из вариантов осуществления компрессор и турбина могут быть соединены внутри турбокомпрессора с двойной спиралью. В другом варианте осуществления турбонагнетатель может представлять собой турбонагнетатель с изменяемой геометрией (ТИГ), где геометрия турбины активно изменяется как функция частоты вращения двигателя. В дополнительных вариантах осуществления двигатель 10 может представлять собой двигатель без наддува, не имеющий устройства наддува.
Как показано на ФИГ. 1, компрессор 74 присоединен через охладитель 78 наддувочного воздуха к впускному дросселю 20. Впускной дроссель 20 присоединен к впускному коллектору 25 двигателя. От компрессора заряд сжатого воздуха протекает через охладитель наддувочного воздуха и дроссельную заслонку к впускному коллектору. Охладитель наддувочного воздуха может представлять собой воздухо-воздушный или воздухо-водяной теплообменник, например. В варианте осуществления, показанном на ФИГ. 1 давление заряда воздуха внутри впускного коллектора измеряется датчиком 24 давления во впускном коллекторе (ДВК). Перепускной клапан компрессора (не показан) может быть подключен последовательно между входом и выходом компрессора 74. Перепускной клапан компрессора может представлять собой нормально закрытый клапан, выполненный с возможностью открытия при выбранных условиях эксплуатации для сброса избыточного давления наддува. Например, перепускной клапан компрессора может открываться в условиях уменьшения скорости вращения двигателя для предотвращения помпажа компрессора.
Впускной коллектор 25 присоединен к группе камер 30 сгорания через группу впускных клапанов (см. ФИГ. 2). Камеры сгорания далее присоединены к выпускному коллектору 36 через группу выпускных клапанов (см. ФИГ. 2). В показанном варианте осуществления выпускной коллектор 36 содержит несколько секций выпускного коллектора, позволяющих направлять выходящий поток из различных камер сгорания к различным местам в системе двигателя. Конкретно, выходящий поток из второй, неспециализированной для РОГ группы 17 цилиндров (цилиндры 1-3) направляется через турбину 76 выпускного коллектора 36 перед обработкой каталитическим нейтрализатором отработавших газов устройства 170 снижения токсичности отработавших газов.
В камеры 30 сгорания могут подавать один или несколько видов топлива, таких как бензин, спирто-бензиновые топливные смеси, дизельное топливо, биодизельное топливо, сжатый природный газ и т.д. Топливо могут подавать в камеры сгорания с помощью форсунки 66. Топливная форсунка 66 может забирать топливо из топливного бака (не показан). В изображенном примере топливная форсунка 66 выполнена с возможностью прямого впрыска, хотя в других вариантах осуществления топливная форсунка 66 может быть выполнена с возможностью впрыска во впускные каналы или впрыска топлива в корпусе дроссельной заслонки. Кроме того, каждая камера сгорания может содержать одну или несколько топливных форсунок различных конфигураций, позволяющих каждому цилиндру получать топливо с помощью прямого впрыска, впрыска во впускные каналы, впрыска топлива в корпусе дроссельной заслонки или их комбинации. Сгорание в камерах может быть инициировано с помощью искрового зажигания и (или) воспламенения от сжатия.
Отработавшие газы из выпускного коллектора 36 направляются к турбине 76 для приведения турбины во вращение. Когда требуется пониженный крутящий момент турбины, часть отработавших газов может быть направлена вместо этого через регулятор давления наддува (не показан) в обход турбины. Объединенный поток от турбины и регулятора давления наддува проходит после этого через устройство 170 снижения токсичности отработавших газов. В целом, одно или несколько устройств 170 снижения токсичности отработавших газов могут содержать один или несколько каталитических нейтрализаторов дополнительной очистки отработавших газов, таких как каталитический нейтрализатор 72, выполненный с возможностью каталитической обработки потока отработавших газов. Обработка потока отработавших газов может включать в себя уменьшение количества одного или нескольких веществ в потоке отработавших газов. Например, один каталитический нейтрализатор дополнительной очистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью улавливания окислов азота (NOx) из потока отработавших газов при бедном потоке отработавших газов и восстановления уловленных окислов азота (NOx) при богатом потоке отработавших газов. В других примерах каталитический нейтрализатор дополнительной очистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью диспропорционирования NOx или избирательного восстановления NOx с помощью восстановительного вещества. В других примерах каталитический нейтрализатор дополнительной очистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью окисления остаточных углеводородов и (или) окиси углерода в потоке отработавших газов. Более того, по меньшей мере одна функция каталитического нейтрализатора отработавших газов может включать в себя окисление продуктов горения богатой смеси (например, НС, СО, Н2). Это позволяет улучшить прогрев каталитического нейтрализатора, как подробно изложено в раскрытых здесь способах. Различные каталитические нейтрализаторы дополнительной очистки отработавших газов, обладающие какими-либо из этих функциональных свойств, могут помещаться в слоях реактивной грунтовки или в других зонах ступеней дополнительной очистки отработавших газов, по отдельности или вместе. В некоторых вариантах осуществления ступени дополнительной очистки отработавших газов могут содержать регенерируемый сажевый фильтр, выполненный с возможностью улавливания и окисления частиц сажи в потоке отработавших газов. Все или часть очищенных отработавших газов из устройства 170 снижения токсичности отработавших газов могут выпускаться в атмосферу через выпускной трубопровод 35.
В некоторых примерах датчик 128 температуры отработавших газов может быть подключен к блоку носителя каталитического нейтрализатора. Например, датчик температуры может быть подключен выше по потоку от блока носителя или включен в блок носителя (как показано на чертеже). Как подробно изложено в настоящей заявке со ссылкой на ФИГ. 3, выход датчика температуры, подключенный к блоку носителя, может использоваться для оценки программой управления температурой каталитического нейтрализатора, представленной на ФИГ. 3. В альтернативных примерах температуру каталитического нейтрализатора можно моделировать исходя из условий эксплуатации двигателя.
Канал 50 РОГ выполнен с возможностью избирательного направления отработавших газов от первой, специализированной группы 18 цилиндров РОГ к впускному коллектору 25 в место, находящееся ниже по потоку от впускного дросселя 20. В альтернативных примерах отработавшие газы могут рециркулировать к впускному коллектору 25 в место, находящееся выше по потоку от компрессора 74. Часть отработавших газов, направляемая от специализированной группы 18 цилиндров РОГ (цилиндр 4) к впускному коллектору 25 по каналу 50 РОГ, подается через охладитель 54 РОГ. Канал 50 РОГ может содержать катализатор 70 конверсии водяного газа (КВГ) в отработавших газах. Таким образом, отработавшие газы могут обрабатываться катализатором 70 КВГ перед рециркуляцией к впуску. Катализатор 70 КВГ выполнен с возможностью образования газообразного водорода из богатых отработавших газов, принимаемых в канале 50 из цилиндра 4.
Перепускной канал 56 соединяет канал 50 РОГ в месте, находящемся ниже по потоку от катализатора 70 КВГ, с выпускным коллектором 36 в месте, находящемся выше по потоку от каталитического нейтрализатора 72 отработавших газов. В представленном примере перепускной канал присоединен к выпускному коллектору ниже по потоку от турбины 76. Однако в альтернативных примерах перепускной канал 56 может быть присоединен выше по потоку от турбины 76. В альтернативных примерах катализатор 70 КВГ может быть расположен в канале 50 РОГ после перепускного клапана 65.
Перепускной клапан 65 подключен в месте соединения канала 50 РОГ и перепускного канала 56. Перепускной клапан 65 может представлять собой дозирующий клапан для дозирования или изменения части отработавших газов, направляемой от специализированной группы 18 цилиндров к каталитическому нейтрализатору 72 по перепускному каналу, относительно отработавших газов, рециркулирующих к впуску по каналу РОГ. В одном из примеров перепускной клапан 65 представляет собой бесступенчатый клапан. В альтернативном примере перепускной клапан 65 может представлять собой дозирующий клапан любого другого типа. Иными словами, клапан 65 не является просто двухпозиционным исполнительным устройством. Путем регулирования положения бесступенчатого перепускного клапана 65 первую часть отработавших газов направляют от специализированной группы цилиндров РОГ к каталитическому нейтрализатору отработавших газов с перепуском остальных цилиндров двигателя, тогда как вторая, остальная часть отработавших газов рециркулирует к впуску двигателя. Иными словами, отработавшие газы направляют от первой группы 18 цилиндров к каждому из каталитических нейтрализаторов 72 отработавших газов (по перепускному каналу 56), и они рециркулируют к впуску двигателя 25 (по каналу 50 РОГ) одновременно. Как подробно изложено в настоящей заявке со ссылкой на ФИГ. 3, соотношение между первой и второй частями регулируют в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора во время холодного пуска двигателя, а также во время работы двигателя. Например, в условиях холодного пуска двигателя или прогрева каталитического нейтрализатора, в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора, меньшей оптимальной температуры, часть отработавших газов, отводимых к каталитическому нейтрализатору отработавших газов, может увеличиваться, тогда как часть отработавших газов, рециркулирующих к впуску, соответственно возрастает. Таким путем отработавшие газы из специализированного цилиндра РОГ могут быть направлены к каталитическому нейтрализатору отработавших газов, чтобы способствовать нагреванию каталитического нейтрализатора без блокирования РОГ и без ухудшения топливной экономичности двигателя.
Каждый из цилиндров 1-4 может обеспечивать внутреннюю РОГ, улавливая отработавшие газы, возникающие вследствие события сгорания в соответствующем цилиндре, и позволяя отработавшим газам оставаться в соответствующем цилиндре во время последующего события сгорания. Величину внутренней РОГ можно изменять путем регулирования моментов времени открытия и (или) закрытия впускного и (или) выпускного клапанов. Например, путем увеличения времени перекрытия впускного и выпускного клапанов дополнительные газы РОГ можно сохранять в цилиндре во время последующего события сгорания. Внешняя РОГ обеспечивается для цилиндров 1-4 исключительно с помощью потока отработавших газов из первой группы 18 цилиндров (здесь - цилиндр 4) и канала 50 РОГ. В другом примере внешняя РОГ может обеспечиваться только для цилиндров 1-3, но не для цилиндра 4. Внешняя РОГ не обеспечивается потоком отработавших газов из цилиндров 1-3. Таким образом, в этом примере цилиндр 4 является единственным источником внешней РОГ для двигателя 10, и поэтому в настоящей заявке называется также специализированным цилиндром РОГ (или специализированной группой цилиндров). Путем рециркуляции отработавших газов из одного цилиндра четырехцилиндрового двигателя к впускному коллектору двигателя обеспечивается приблизительно постоянный уровень РОГ (например, около 25%). Цилиндры 1-3 в настоящей заявке называются также неспециализированной для РОГ группой цилиндров. Хотя в данном примере показано, что специализированная группа цилиндров РОГ содержит единственный цилиндр, следует понимать, что в альтернативных конфигурациях двигателя специализированная группа цилиндров РОГ может содержать большее количество цилиндров двигателя.
Канал 50 РОГ может содержать охладитель 54 РОГ для охлаждения газов РОГ, подаваемых к впуску двигателя. Кроме того, канал 50 РОГ может содержать первый датчик 51 отработавших газов для оценки воздушно-топливного отношения в отработавших газах, рециркулирующих от первой группы цилиндров к оставшимся цилиндрам двигателя. Второй датчик 52 отработавших газов может быть расположен ниже по потоку от секций выпускного коллектора второй группы цилиндров для оценки воздушно-топливного отношения в отработавших газах во второй группе цилиндров. В состав системы двигателя, показанной на ФИГ. 1, могут быть включены и другие датчики отработавших газов. 1.
Концентрацию водорода во внешней РОГ от цилиндра 4 можно повысить путем обогащения топливно-воздушной смеси, сгорающей в цилиндре 4. Конкретно, количество газообразного водорода, образующегося в катализаторе 70 КВГ, можно увеличить путем увеличения степени обогащения отработавших газов, принимаемых в канале 50 из цилиндра 4. Таким образом, чтобы обеспечить обогащенные водородом отработавшие газы для цилиндров 1-4 двигателя, подачу топлива к первой группе 18 цилиндров можно регулировать таким образом, чтобы обогащать смесь в цилиндре 4. В одном из примеров концентрацию водорода во внешней РОГ от цилиндра 4 можно повысить в условиях, когда стабильность горения в двигателе меньше желаемой. Такое воздействие повышает концентрацию водорода во внешней РОГ и может улучшать стабильность горения в двигателе, особенно при пониженных частотах вращения и нагрузках двигателя (например, в режиме холостого хода). Кроме того, обогащенные водородом РОГ позволяют двигателю выдерживать более высокие уровни РОГ по сравнению с традиционной (с пониженной концентрацией водорода) РОГ, прежде чем придется столкнуться с каким-либо проблемами стабильности горения. Путем увеличения диапазона и величины использования РОГ улучшается топливная экономичность двигателя. При работе первой группы цилиндров на богатой смеси, вторая группа цилиндров может работать на бедной смеси для обеспечения по существу стехиометрического состава отработавших газов в выхлопной трубе.
Как подробно изложено также в настоящей заявке со ссылкой на ФИГ. 3, степень обогащения смеси в первой группе цилиндров можно также регулировать в зависимости от температуры каталитического нейтрализатора 72 отработавших газов, чтобы способствовать нагреванию каталитического нейтрализатора. Например, степень обогащения можно увеличить при падении температуры каталитического нейтрализатора ниже пороговой. Путем смешивания обогащенных отработавших газов из первой группы цилиндров с бедными отработавшими газами, принимаемыми в каталитическом нейтрализаторе 72 отработавших газов от остальных цилиндров двигателя, можно обеспечить экзотермическую реакцию непосредственно в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, улучшая нагревание каталитического нейтрализатора.
В некоторых вариантах осуществления цилиндры из второй группы 17 цилиндров могут быть выполнены с возможностью избирательной деактивации, при которой один или несколько цилиндров избирательно деактивируются в зависимости от нагрузки двигателя. Например, при низких нагрузках двигателя один или несколько цилиндров 1-3 могут быть деактивированы, в то время как требования к нагрузке двигателя и крутящему моменту удовлетворяются остальными цилиндрами, в которых происходит сгорание. Цилиндры могут избирательно деактивироваться с помощью использования избирательно деактивируемых топливных форсунок и (или) клапанов. За счет работы двигателя с одним или несколькими деактивированными цилиндрами 1-3 можно изменять общую степень РОГ двигателя. Например, в двигателе 14, имеющем 4 цилиндра в рядной конфигурации и один специализированный цилиндр РОГ, обеспечивается номинальная 25%-я степень РОГ к впуску двигателя. Однако если один из трех неспециализированных для РОГ цилиндров деактивирован, эффективную степень РОГ можно увеличить до 33%. Эта повышенная степень РОГ может применяться в зонах средней нагрузки диаграммы частота вращения-нагрузка двигателя, где повышенная степень РОГ дает выигрыш, а крутящий момент всех четырех цилиндров не требуется.
В другом примере в 6-цилиндровом двигателе один цилиндр может быть выполнен как специализированный цилиндр РОГ, обеспечивая номинальную степень РОГ, составляющую 16,7%. При этом, если бы один неспециализированный для РОГ цилиндр был деактивирован, степень РОГ стала бы равной номинальному значению 20%, а если бы два не неспециализированных для РОГ цилиндра были деактивированы, степень РОГ стала бы равной 25%, и если бы три не неспециализированных для РОГ цилиндра были деактивированы, степень РОГ стала бы равной 33%. Двигатель может работать в различных режимах, при этом в каждом режиме имеется различное число деактивированных не неспециализированных для РОГ цилиндров. Режим работы может быть выбран в соответствии с последовательно возрастающими степенями РОГ. В дополнение к этому последовательно возрастающие степени РОГ могут согласовываться с постепенно снижающимися требованиями к крутящему моменту двигателя, например, на диаграмме частота вращения-нагрузка двигателя, при этом требуется меньшее число цилиндров, и более высокие степени РОГ являются предпочтительными.
Кроме того, путем избирательной деактивации одного или нескольких цилиндров из неспециализированной для РОГ группы цилиндров исходя из требования к разжижению смеси в двигателе (или потребности в РОГ), пульсации на входе в турбину турбонагнетателя могут быть выровнены, так как цилиндр, зажигание которого происходит 180 градусах угла поворота коленчатого вала, в противофазе с специализированным цилиндром РОГ, может быть деактивирован. Это обеспечивает равномерные пульсации давления на входе в турбину с интервалом 180 градусов.
Система 100 двигателя может дополнительно содержать систему 14 управления. Система 14 управления может содержать контроллер 12, который может представлять собой любую электронную систему управления системой двигателя или автомобилем, в котором установлена система двигателя. Контроллер 12 может быть выполнен с возможностью принятия управляющих решений в зависимости, по меньшей мере частично, от входных данных от одного или нескольких датчиков 16 в системе двигателя, и может управлять исполнительными механизмами 81 на основе управляющих решений. Например, контроллер 12 может сохранять машиночитаемые команды в памяти, а управление исполнительными механизмами 81 может осуществляться путем исполнения этих команд. Примеры датчиков включают в себя датчик 24 ДВК, датчик 53 массового расхода воздуха (МРВ), датчики 128 и 129 температуры и давления отработавших газов и датчики 51, 52 содержания кислорода в отработавших газах. Примеры исполнительных механизмов включают в себя дроссель 20, топливную форсунку 66, перепускной клапан 65 специализированной группы цилиндров и т.д. Могут быть добавлены дополнительные датчики и исполнительные механизмы, как показано на ФИГ. 2. Постоянное запоминающее устройство носителя данных в контроллере 12 может быть запрограммировано с помощью машиночитаемых данных, представляющих команды, исполняемые процессором для осуществления раскрытых ниже способов, а также других вариантов, предполагаемых, но не перечисленных конкретно. Примеры способов и управляющих программ описаны в настоящей заявке со ссылкой на ФИГ. 3.
На ФИГ. 2 двигатель 10 внутреннего сгорания содержит несколько цилиндров, как показано на ФИГ. 1, один из которых изображен. Двигатель 10 содержит камеру 30 сгорания и стенки 132 цилиндра с поршнем 136, расположенным в нем и присоединенным к коленчатому валу 40. Маховик 97 и ведомая шестерня 99 присоединены к коленчатому валу 40. Стартер 96 содержит вал 98 с шестерней и ведущую шестерню 95. Вал 98 с шестерней может избирательно перемещать ведущую шестерню 95 для зацепления ведомой шестерни 99. Стартер 96 может монтироваться непосредственно на передней или на задней части двигателя. В некоторых примерах стартер 96 может избирательно сообщать крутящий момент коленчатому валу 40 через ремень или цепь. В одном из примеров стартер 96 находится в базовом состоянии, когда не сцеплен с коленчатым валом двигателя.
Камера 30 сгорания показана сообщающейся с впускным коллектором 144 и выпускным коллектором 148 через соответствующий впускной клапан 152 и выпускной клапан 154. Управление каждым впускным и выпускным клапаном может осуществляться независимо с помощью впускного кулачка 151 и выпускного кулачка 153. Механизм 85 регулировки зазора впускного клапана может вызывать опережение или запаздывание фазы срабатывания впускного клапана 152 относительно положения коленчатого вала 40. Кроме того, механизм 85 регулировки зазора впускного клапана может увеличивать или уменьшать величину подъема впускного клапана. Механизм 83 регулировки зазора выпускного клапана может вызывать опережение или запаздывание фазы срабатывания выпускного клапана 154 относительно положения коленчатого вала 40. Кроме того, механизм 83 регулировки зазора выпускного клапана может увеличивать или уменьшать величину подъема выпускного клапана. Положение впускного кулачка 151 может определяться с помощью датчика 155 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 153 может определяться с помощью датчика 157 выпускного кулачка. В случаях, когда камера 30 сгорания является частью специализированного цилиндра РОГ, моменты срабатывания и (или) величину подъема клапанов 152 и 154 регулируют независимо от других цилиндров двигателя таким образом, что заряд воздуха специализированного цилиндра РОГ может увеличиваться или уменьшаться относительно других цилиндров двигателя. Таким путем, внешняя РОГ, обеспечиваемая для цилиндров двигателя, может превышать двадцать пять процентов массы заряда цилиндра. Внешняя РОГ представляет собой отработавшие газы, выкачиваемые из выпускных клапанов цилиндра и возвращаемые в цилиндры через впускные клапаны цилиндра. Кроме того, величина внутренней РОГ цилиндров, отличных от цилиндра РОГ, может регулироваться независимо от специализированного цилиндра РОГ путем регулирования моментов срабатывания клапанов этих соответствующих цилиндров. Внутренняя РОГ представляет собой отработавшие газы, оставшиеся в цилиндре после события сгорания, и является частью смеси в цилиндре для последующего события сгорания.
Топливная форсунка 66 показана расположенной таким образом, чтобы напрямую впрыскивать топливо в цилиндр 30, что известно специалистам в данной области техники под названием прямого впрыска. Альтернативно, топливо можно впрыскивать во впускной канал, что известно специалистам в данной области техники под названием впрыска во впускные каналы. В некоторых примерах конфигураций двигателя один или несколько цилиндров двигателя могут принимать топливо из топливных форсунок как прямого впрыска, так и впрыска во впускные каналы.
В некоторых вариантах осуществления специализированный цилиндр РОГ может быть избирательно деактивирован путем перекрытия подачи воздуха, или дополнительно, путем перекрытия подачи топлива. Например, могут деактивировать впускные или выпускные клапаны специализированного цилиндра РОГ. Путем деактивирования впускных или выпускных клапанов можно увеличивать прокачку цилиндра, что может оказаться желательным при прогреве каталитического нейтрализатора. Максимальное увеличение прокачки специализированного цилиндра РОГ может также включать в себя регулирование фазировки кулачков, подъема клапанов, положения дросселя канала или устройства управления движением заряда. Альтернативно, все клапаны специализированного цилиндра РОГ могут быть деактивированы, когда желательно уменьшить РОГ без увеличения прокачки, например, при низких нагрузках двигателя, например, после прогрева каталитического нейтрализатора.
Впускной коллектор 144 показан сообщающимся с опциональным электронным дросселем 162, регулирующим положение дроссельной заслонки 164 для управления потоком воздуха от воздухозаборника 42 к впускному коллектору 144. В некоторых примерах дроссель 162 и дроссельная заслонка 164 могут располагаться между впускным клапаном 152 и впускным коллектором 144 таким образом, что дроссель 162 представляет собой дроссель канала. Задаваемый водителем крутящий момент может быть определен по положению педали 180 акселератора, измеряемому датчиком 184 педали акселератора. Напряжение или ток, указывающие на задаваемый водителем крутящий момент, представляет собой выходной сигнал датчика 184 педали акселератора, когда нога 182 водителя воздействует на педаль 180 акселератора.
Система зажигания 88 без распределителя обеспечивает искру зажигания для камеры 30 сгорания с помощью свечи 92 зажигания в ответ на сигнал от контроллера 12. Датчик 126 универсальный содержания кислорода в отработавших газах (УСКОГ) показан присоединенным к выпускному коллектору 148 выше по потоку от каталитического конвертера 170. Альтернативно, датчик 126 УСКОГ может быть заменен бистабильным датчиком кислорода в отработавших газах.
Конвертер 170 в одном из примеров может содержать несколько блоков-носителей каталитического нейтрализатора. В другом примере может использоваться несколько устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое с несколькими блоками-носителями. Конвертер 170 в одном из примеров может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор.
Контроллер 12 представлен на ФИГ. 2 в виде стандартного микрокомпьютера, содержащего микропроцессорное устройство 102 (МПУ), порты 104 ввода/вывода, постоянное запоминающее устройство 106 (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 108 (ОЗУ), энергонезависимое запоминающее устройство 110 (ЭЗУ) и традиционную шину данных. Контроллер 12 показан принимающим различные сигналы от датчиков, присоединенных к двигателю 10, в дополнение к ранее рассмотренным сигналам, включая температуру хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112 температуры, присоединенного к патрубку 113 охлаждения; измеренное значение давления во впускном коллекторе (ДВК) от датчика 122, подключенного к впускному коллектору 44; сигнал положения двигателя от датчика 115 на эффекте Холла, измеряющего положение коленчатого вала 40; измеренное значение массы воздуха, поступающего в двигатель, от датчика 119; и измеренное значение положения дросселя от датчика 158. Может также измеряться барометрическое давление (датчик не показан) для обработки контроллером 12. В предпочтительном аспекте настоящего изобретения датчик 115 положения двигателя формирует заданное число равномерно распределенных импульсов при каждом обороте коленчатого вала, по которым можно определить частоту вращения двигателя (ЧВД).
Во время работы каждый цилиндр внутри двигателя 10, как правило, выполняет четырехтактный цикл, содержащий такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. Во время такта впуска, как правило, выпускной клапан 154 закрывается, а впускной клапан 152 открывается. Воздух вводят в камеру 30 сгорания по впускному коллектору 144, и поршень 136 перемещается ко дну цилиндра, увеличивая объем внутри камеры 30 сгорания. Положение, при котором поршень 136 находится возле дна цилиндра и в конце своего такта (например, когда камера 30 сгорания достигает наибольшего объема), специалисты в данной области техники, как правило, называют, нижней мертвой точкой (НМТ). Во время такта сжатия впускной клапан 152 и выпускной клапан 154 закрываются. Поршень 136 перемещается к головке цилиндра, сжимая воздух внутри камеры 30 сгорания. Положение, при котором поршень 136 находится в конце своего такта ближе всего к головке цилиндра (например, когда камера 30 сгорания достигает наименьшего объема), специалисты в данной области техники, как правило, называют, верхней мертвой точкой (ВМТ).
В ходе процесса, называемого в дальнейшем впрыском, топливо вводят в камеру сгорания. В ходе процесса, называемого в дальнейшем зажиганием, впрыскиваемое топливо воспламеняют с помощью известного средства зажигания, такого как свеча 92 зажигания, что приводит к сгоранию. Во время такта расширения расширяющиеся газы толкают поршень 136 обратно к НМТ. Коленчатый вал 40 преобразует перемещение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время такта выпуска выпускной клапан 154 открывается для выпуска сгоревшей топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор 148, а поршень возвращается к ВМТ. Следует отметить, что вышеизложенное приведено просто в качестве примера, и что моменты открытия и (или) закрытия впускного или выпускного клапана могут различаться таким образом, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрытие впускного клапана или различные другие примеры.
Таким образом, компоненты, представленные на ФИГ. 1-2, обеспечивают систему двигателя, выполненную с возможностью регулирования положения бесступенчатого перепускного клапана для направления первой части отработавших газов из специализированного цилиндра РОГ с обогащенной смесью к каталитическому нейтрализатору отработавших газов, направляя при этом остальную часть обогащенных водородом отработавших газов к впускному коллектору, при этом соотношение между первой и второй частями регулируют в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Обратимся теперь к ФИГ. 3, на котором представлен пример способа 300 для регулирования перепускного клапана, дозирующего часть отработавших газов, подводимую от специализированной группы цилиндров РОГ к каталитическому нейтрализатору отработавших газов при рециркуляции остальной части отработавших газов к впуску двигателя. Таким путем, способ создает возможность для регулирования температуры каталитического нейтрализатора, обеспечивая также разжижение смеси в двигателе.
На шаге 302 программа содержит оценку и (или) измерение условий эксплуатации двигателя, таких как частота вращения двигателя, нагрузка, давление наддува, ДВК, поток впускного воздуха, внешние условия, такие как внешнее давление, температура, влажность, температура каталитического нейтрализатора и т.д.
На шаге 304 программа содержит определение разжижения смеси в двигателе, необходимого в зависимости от условий эксплуатации двигателя. Например, требование к разжижению смеси в двигателе может быть большим при низких нагрузках двигателя по сравнению с высокими нагрузками двигателя. На шаге 306 степень обогащения смеси в специализированной группе цилиндров РОГ могут регулировать в зависимости от предела стабильности горения в двигателе для обеспечения требуемого разжижения смеси в двигателе. Например, при низких нагрузках двигателя, когда выполнение разжижения смеси в двигателе может привести к нестабильности сгорания, степень обогащения смеси в специализированной группе цилиндров РОГ может быть увеличена для образования обогащенных водородом отработавших газов (с помощью каталитического нейтрализатора КВГ в канале РОГ), что улучшает предел стабильности горения в двигателе. Степень обогащения смеси можно увеличить для улучшения предела стабильности горения в двигателе при данной величине разжижения смеси в двигателе.
На шаге 308 программа содержит оценку и (или) измерение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. Конкретно, может оцениваться температура каталитического нейтрализатора отработавших газов в устройстве снижения токсичности отработавших газов, такого как каталитический нейтрализатор 72 отработавших газов на ФИГ. 1. Температура каталитического нейтрализатора отработавших газов может быть обусловлена одним или несколькими из таких факторов, как модель каталитического нейтрализатора, непосредственное измерение с помощью датчика температуры каталитического нейтрализатора (такого как датчик 128 температуры, включенного в блок носителя каталитического нейтрализатора), число событий в двигателе и продолжительность работы двигателя. В одном из примеров температура каталитического нейтрализатора может быть оценена датчиком температуры, подключенным к устройству снижения токсичности отработавших газов, таким как датчик 128 на ФИГ. 1. В другом примере температура каталитического нейтрализатора может моделироваться на основе измеряемой или оцениваемой температуры отработавших газов, времени при данном состоянии двигателя и выделения тепла в каталитическом нейтрализаторе.
Например, контроллер может оценивать или строить на графике температуру отработавших газов, выходящих из коллектора в установившемся режиме, на основе, прежде всего, частоты вращения двигателя и (или) нагрузки. Данная оценка температуры затем модифицируется в зависимости от применяемого запаздывания зажигания и воздушно-топливного отношения. Эту оценку можно дополнительно регулировать в зависимости от температуры хладагента. Затем измерение/оценку температуры задерживают, относя ее к точкам, расположенным ниже по потоку, и применяют постоянную времени, чтобы учесть тепловую инерцию в системе. Наконец, температуру каталитического нейтрализатора дополнительно модифицируют с помощью модели внутреннего нагревания, которая учитывает массовый расход отработавших газов и состав воздушно-топливное отношение.
На шаге 310 можно определить, находится ли оцениваемая температура каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже пороговой температуры. В одном из примеров пороговая температура может представлять собой температуру активации каталитического нейтрализатора, ниже которой нейтрализатор не активируется. Таким образом, может оказаться желательным поддерживать температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов на уровне пороговой температуры или выше нее для обеспечения оптимальной работы каталитического нейтрализатора и каталитической конверсии компонентов отработавших газов. В одном из примеров температура каталитического нейтрализатора может находиться ниже пороговой температуры в условиях холодного пуска двигателя. В другом примере температура каталитического нейтрализатора может находиться ниже пороговой температуры в условиях прогрева каталитического нейтрализатора. Далее, во время эксплуатации двигателя, если двигатель работает при низких нагрузках при увеличенной продолжительности работы, температура каталитического нейтрализатора может падать ниже оптимальной вследствие более низкой температуры отработавших газов двигателя при низких нагрузках двигателя. Как подробно изложено в настоящей заявке, контроллер может быть выполнен с возможностью обеспечения непрерывного протекания отработавших газов от специализированного цилиндра РОГ к каталитическому нейтрализатору по перепускному каналу и к впуску двигателя по каналу РОГ при регулировании относительного потока по каналам с помощью перепускного клапана (такого как бесступенчатый перепускной клапан на ФИГ. 1), причем регулирование производится в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора. При этом температура каталитического нейтрализатора может постоянно поддерживаться на уровне пороговой температуры или выше нее во время холодного пуска двигателя или во время работы двигателя без требования временного блокирования РОГ. Если температура каталитического нейтрализатора отработавших газов выше пороговой, может быть определено, что каталитический нейтрализатор отработавших газов достаточно горячий, и выполнение программы может закончиться. По существу, когда регулирования температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов не требуется, подачу топлива к группе цилиндров РОГ можно регулировать исходя только из требований к разжижению смеси в двигателе и стабильности горения.
Если температура каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже пороговой, на шаге 312 программа содержит определение теплового потока, требующегося в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов для достижения пороговой температуры. В одном из примеров это определение может основываться на разности между текущей температурой каталитического нейтрализатора отработавших газов и пороговой температурой. Эта разность может также зависеть от внешних условий, таких как внешняя температура. Например, по мере возрастания разности между температурой каталитического нейтрализатора отработавших газов и пороговой температурой, требующийся тепловой поток также может возрастать. В других примерах может также быть определен тепловой поток, требующийся для нагревания каталитического нейтрализатора в желательном временном интервале (например, в течение времени Т). Например, при холодном пуске двигателя может быть определен тепловой поток, требующийся для нагревания каталитического нейтрализатора за 15 секунд или меньший временной интервал.
На шаге 314 может быть определена скорость перепускного потока РОГ, необходимая для обеспечения определенного теплового потока при текущем воздушно-топливном отношнии в отработавших газах РОГ и текущем массовом расходе отработавших газов через двигатель. При этом контроллер может регулировать относительный поток по каналам с помощью перепускного клапана в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора для обеспечения требуемого теплового потока. Конкретно, контроллер может увеличить относительный поток по перепускному каналу, соответствующим образом уменьшая поток отработавших газов по каналу РОГ при падении температуры каталитического нейтрализатора ниже пороговой, чтобы обеспечить больший тепловой поток к каталитическому нейтрализатору отработавших газов. Затем, если температура каталитического нейтрализатора при движении потока отработавших газов из специализированного цилиндра РОГ к каталитическому нейтрализатору отработавших газов по перепускному каналу превышает пороговую, контроллер может уменьшить относительный поток по перепускному каналу, соответствующим образом увеличивая поток по каналу РОГ.
На шаге 316 можно определить, превышает ли требуемая скорость перепускного потока пороговую скорость. Пороговая скорость может быть основана на максимальной пропускной способности перепускного клапана. Например, вычисленная требуемая скорость перепускного потока может превышать максимальный доступный поток, когда клапан находится в полностью перепускном положении. Пороговая скорость может также быть основана на требуемой степени РОГ к двигателю для обеспечения улучшения топливной экономичности. Например, при 60%-м перепускном потоке каждый цилиндр 4-цилиндрового двигателя будет принимать 10%-ю РОГ. Это может быть минимальной величиной, обеспечивающей значительное улучшение топливной экономичности.
Если требуемая скорость перепускного потока не превышает пороговую скорость, на шаге 322 программа содержит регулирование перепускного клапана для обеспечения необходимой скорости потока по перепускному каналу. Если требуемая скорость перепускного потока превышает пороговую скорость, нагреванию каталитического нейтрализатора можно способствовать, используя богатые отработавшие газы из специализированной группы цилиндров РОГ. Конкретно, на шаге 318 можно определить, богаче ли состав топливно-воздушной смеси в специализированной группе цилиндров РОГ, чем пороговое значение. Пороговое значение может быть основано на стабильности горения или предельных значениях выброса твердых частиц в специализированной группе цилиндров РОГ. Если нет, на шаге 320 программа содержит обогащение смеси в специализированной группе цилиндров РОГ, чтобы обеспечить требуемый тепловой поток для нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов. Это обогащение может быть основано как на температуре каталитического нейтрализатора, так и на потоке по перепускному каналу. Например, степень обогащения при обогащении может возрастать по мере возрастания разности между температурой каталитического нейтрализатора и пороговым значением при данной скорости перепускного потока. В качестве другого примера, обогащение содержит, после увеличения скорости потока отработавших газов по перепускному каналу до пороговой скорости, поддержание состояния перепускного клапана при увеличении степени обогащения при обогащении по мере возрастания разности между температурой каталитического нейтрализатора и пороговым значением. Таким путем, обогащение смеси в специализированной группе цилиндров РОГ можно регулировать для обеспечения регулирования температуры каталитического нейтрализатора. Следует понимать, что обогащение можно также регулировать на основе требования к разжижению смеси в двигателе. Например, обогащение можно регулировать в соответствии с наибольшим из двух требований.
После регулирования обогащения программа возвращается к шагу 314, чтобы определить, требуются ли дальнейшие регулировки скорости потока через перепускной клапан. Таким путем, положение бесступенчатого перепускного клапана регулируют для направления первой части отработавших газов из специализированного цилиндра с обогащенной смесью к каталитическому нейтрализатору отработавших газов, направляя при этом остальную часть обогащенных водородом отработавших газов к впускному коллектору, при этом соотношение между первой и второй частью регулируют в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора отработавших газов для поддержания температуры нейтрализатора на уровне, равном или превышающем температуру активации.
После регулирования положения перепускного клапана для обеспечения требуемой скорости перепускного потока на шаге 322 программа переходит к шагу 324 для обеднения смеси в остальных цилиндрах двигателя (т.е. цилиндрах неспециализированной для РОГ группы цилиндров), причем это обеднение выполняется исходя из обогащения смеси в специализированном цилиндре РОГ и доли перепускного потока для поддержания стехиометрического воздушно-топливного отношения в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Например, по мере возрастания степени обогащения смеси при подаче топлива к специализированной группе цилиндров РОГ, степень обеднения при подаче топлива к остальным цилиндрам двигателя может быть увеличена. Также, степень обеднения при подаче топлива к остальным цилиндрам двигателя может быть увеличена по мере возрастания доли перепускного потока. Следует понимать, что если доля перепускного потока равна нулю, то есть весь (богатый) поток из специализированной группы цилиндров РОГ рециркулирует к впускному коллектору, обеднения смеси в остальных цилиндрах не требуется. Регулируя обеднение исходя из величины перепускного потока, принимаемого из специализированного цилиндра РОГ, а также степени обогащения потока, принимаемого из специализированного цилиндра РОГ, можно поддерживать общее воздушно-топливное отношение в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов равным или близким к стехиометрическому.
Кроме того, обогащенные углеводородами, СО и Н2 отработавшие газы из первой группы цилиндров с обогащенной смесью (принимаемые в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов посредством перепускного канала) можно объединять с богатыми кислородом обедненными отработавшими газами из второй группы цилиндров с обедненной смесью в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Такое смешивание обеспечивает существенную экзотермическую реакцию в каталитическом нейтрализаторе с блокированием РОГ. Это способствует нагреванию каталитического нейтрализатора при уменьшении потерь топлива и снижения производительности, связанных с блокированием РОГ при регулировании температуры каталитического нейтрализатора. Кроме того, температуру каталитического нейтрализатора поддерживают при минимальном использовании энергии топлива.
Таким путем, перепускной поток можно дозировать для быстрого увеличения температуры каталитического нейтрализатора во время холодного пуска двигателя, а также во время работы двигателя. После того, как лицевая сторона каталитического нейтрализатора становится активной, дозирование перепускного потока отработавших газов можно использовать для быстрого активирования значительной части блока носителя каталитического нейтрализатора (до первого трогания автомобиля с места). Это улучшает топливную экономичность, поскольку в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов происходит экзотермическая реакция и позволяет избежать полной передачи тепла к головке блока цилиндров, турбине, трубопроводам для отработавших газов и т.д. В целом, потребуется меньшая степень рециркуляции.
Следует понимать, что хотя программа на ФИГ. 3 предполагает регулирование топлива в специализированной группе цилиндров РОГ на основе моделируемого или измеряемого потока отработавших газов через перепускной клапан с целью поддержания температуры каталитического нейтрализатора, в других примерах можно также регулировать моменты зажигания. Например, моменты зажигания по меньшей мере специализированной группы цилиндров РОГ могут подвергаться запаздыванию на основе максимального тормозного момента (МТМ), при этом запаздывание зажигания возрастает по мере возрастания теплового потока, необходимого для повышения температуры каталитического нейтрализатора. В другом примере моменты зажигания могут подвергаться запаздыванию, если требуется дополнительный тепловой поток.
Следует также понимать, что во время работы двигателя, независимо от того, требуется ли регулирование температуры каталитического нейтрализатора, двигатель может работать с одним или несколькими деактивированными цилиндрами, неспециализированными для РОГ, при этом число деактивированных цилиндров определено на основе требования к разжижению смеси в двигателе и нагрузки двигателя. Например, при средне-низких нагрузках двигателя, когда для получения необходимого крутящего момента двигателя требуется меньшее число цилиндров, и когда повышенные степени РОГ обеспечивают дополнительные преимущества с точки зрения эксплуатационных характеристик двигателя, двигатель может работать в одном из нескольких режимов, где все большее число цилиндров деактивируют для обеспечения все более высокой эффективной степени РОГ. Например, при более низких требованиях к РОГ могут деактивировать меньшее (например, ни одного или один) число неспециализированных для РОГ цилиндров, тогда как при более высоких требованиях к РОГ могут деактивировать большее (например, два или три) число неспециализированных для РОГ цилиндров.
Таким путем смесь в специализированном цилиндре РОГ обогащают для образования обогащенных отработавших газов. Обогащенные отработавшие газы могут включать в себя отработавшие газы, обогащенные топливом, из специализированного цилиндра РОГ, когда перепускной поток не подают через катализатор КВГ. Кроме того, обогащенные отработавшие газы могут включать в себя отработавшие газы, обогащенные топливом и водородом, когда перепускной поток не подают через катализатор КВГ. По существу, прохождение через катализатор КВГ перепускного потока может быть необязательным. Катализатор КВГ преобразует H2O и СО в Н2 и CO2. Н2 или СО могут вступать в экзотермическую реакцию в катализаторе и нагревать его.
Кроме того, первую часть обогащенных отработавших газов отводят к каталитическому нейтрализатору отработавших газов с перепуском цилиндров двигателя. Одновременно вторая, остальная часть отработавших газов рециркулирует к впуску двигателя и, в некоторых случаях, проходит через катализатор КВГ для увеличения содержания водорода, причем соотношение между первой и второй частью регулируют в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора. Это соотношение регулируют в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора для поддержания температуры каталитического нейтрализатора на уровне пороговой температуры или выше нее. Регулирование может включать в себя увеличение первой части при уменьшении второй части, если температура каталитического нейтрализатора падает ниже пороговой, и увеличение второй части при уменьшении первой части, если температура каталитического нейтрализатора поднимается выше пороговой. Степень обогащения при обогащении регулируют на основе температуры каталитического нейтрализатора, причем степень обогащения возрастает, если температура каталитического нейтрализатора падает ниже пороговой. Степень обогащения регулируют также на основе первой части отработавших газов, причем степень обогащения возрастает, если первая часть превышает пороговый поток. Кроме того, способ содержит обеднение смеси в остальных цилиндрах двигателя исходя из обогащения специализированного цилиндра РОГ и доли перепускного потока для поддержания стехиометрического воздушно-топливного отношения в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Далее, способ содержит объединение первой части отработавших газов из специализированного цилиндра РОГ с отработавшими газами, принимаемыми из остальных цилиндров двигателя с обедненной смесью в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов для возбуждения экзотермической реакции.
Обратимся теперь к ФИГ. 4, на котором показан пример регулирования перепускного потока для регулирования температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. На диаграмме 400 представлена температура (Ткат) каталитического нейтрализатора отработавших газов на графике 402 и доля перепускного потока (т.е. часть потока отработавших газов из специализированного цилиндра РОГ, подаваемая по перепускному каналу) на графике 404. Воздушно-топливное отношение специализированной группы цилиндров РОГ показано на графике 406, тогда как воздушно-топливное отношение смеси неспециализированной для РОГ группы цилиндров показан на графике 408. Все графики представлены в зависимости от времени (вдоль оси х).
В момент времени t0 может быть подтвержден режим холодного пуска двигателя. При холодном пуске двигателя, между моментами времени t0 и t1, в ответ на значение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, более низкое, чем порог 403, положение перепускного клапана можно регулировать для увеличения части потока отработавших газов, направляемых от специализированного цилиндра РОГ к каталитическому нейтрализатору отработавших газов по перепускному каналу. Конкретно, положение перепускного клапана можно регулировать для увеличения доли перепускного потока до 100%. Часть потока отработавших газов, рециркулирующая от специализированного цилиндра РОГ к впуску двигателя по каналу РОГ, может соответствующим образом уменьшаться так, чтобы во время холодного пуска РОГ отсутствовала. Кроме того, и специализированный цилиндр РОГ, и остальные цилиндры двигателя во время холодного пуска могут работать при более бедном составе смеси по сравнению со стехиометрическим.
Температура каталитического нейтрализатора может достигать порога 403 в момент времени t1, а затем может продолжать увеличиваться за порогом 403 и (или) стабилизироваться при значении, превышающем порог 403. Таким образом, условия холодного пуска не могут больше иметь место. Соответственно, между моментами t1 и t2 времени, по мере того, как уменьшается потребность в дополнительном тепловом потоке для прогрева каталитического нейтрализатора, перепускной клапан можно отрегулировать для уменьшения доли перепускного потока до 0%. Также, между моментами t1 и t2, при поддержании низкой скорости перепускного потока, степень обогащения при работе специализированного цилиндра РОГ немного возрастает для обеспечения обогащенных топливом отработавших газов, поступающих к катализатору КВГ. Катализатор КВГ преобразует обогащенные топливом отработавшие газы в рециркулирующий поток, обогащенный водородом, что улучшает стабильность горения. Остальные цилиндры могут поддерживать в стехиометрическом режиме.
Между моментами t2 и t3 времени, в ответ на условия небольшой нагрузки двигателя, каталитический нейтрализатор отработавших газов может претерпевать некоторое охлаждение, оставаясь выше порога 403. Поскольку температура каталитического нейтрализатора остается выше порога 403 в интервале между моментами времени t2 и t3, положение перепускного клапана можно поддерживать таким, чтобы соответствовать доле потока 0% для максимального повышения топливной экономичности. Кроме того, вследствие изменения в условиях эксплуатации двигателя, смесь в специализированном цилиндре РОГ дополнительно обогащают для увеличения содержания водорода в рециркулирующем потоке и, таким образом, улучшается стабильность горения в условиях небольшой нагрузки двигателя.
Вскоре после момента t3 температура каталитического нейтрализатора может снова упасть ниже порога 403 вследствие охлаждения, претерпеваемого отработавшими газами в условиях небольших нагрузок двигателя. При этом температура каталитического нейтрализатора может привести к возникновению перепускного потока. Чтобы позволить температуре снова вырасти, положение перепускного клапана регулируют для увеличения перепускного потока при уменьшении рециркуляционного потока из специализированного цилиндра РОГ. В то же время, обогащение смеси в специализированном цилиндре РОГ поддерживают, чтобы способствовать регулированию температуры каталитического нейтрализатора. Конкретно, доля перепускного потока может постепенно возрастать, приближаясь к 100% для увеличения теплового потока через каталитический нейтрализатор отработавших газов. Также, в интервале времени между t3 и t4 поддерживают степень обогащения смеси в специализированном цилиндре РОГ, тогда как степень обеднения смеси в остальных цилиндрах двигателя регулируют на основе изменения доли перепускного потока. Конкретно, по мере возрастания доли перепускного потока, бедность смеси в остальных цилиндрах двигателя претерпевает быстрое линейное возрастание.
В одном из примеров, при фиксированной скорости вращения и нагрузке двигателя в интервале между моментами t2 и t4, перепускной клапан работает в режиме рециркуляции с возрастанием рециркуляционного потока в течение некоторого времени (между t2 и t3) перед переключением в режим перепуска отработавших газов с возрастанием перепускного потока (между t3 и t4).
В интервале между моментами t4 и t5 времени температура каталитического нейтрализатора может оставаться ниже порога 403. В примере, показанном на ФИГ. 4, доля перепускного потока достигает порогового значения в момент времени t4. Это может быть обусловлено достижением калиброванного предельного значения, когда более высокая доля перепускного потока не обеспечивает значительного преимущества с точки зрения топливной экономичности по сравнению с полным перепуском потока. В другом примере доля перепуска может достигать 100%, при этом дальнейшее увеличение доли перепуска невозможно. Поэтому в момент времени t4 смесь в специализированном цилиндре РОГ дополнительно обогащают, увеличивая содержание избыточного топлива в отработавших газах. Также, степень обеднения смеси в остальных цилиндрах двигателя соответствующим образом регулируют на основе доли перепускного потока, а также степени обогащения смеси в специализированном цилиндре РОГ для поддержания стехиометрического воздушно-топливного отношения в отработавших газах. Таким образом, смесь в остальных цилиндрах двигателя делают беднее после момента времени t4, чем перед t4. Избыточное топливо в богатых отработавших газах из перепускного потока может вступать в реакцию, используя избыточный воздух в бедных отработавших газах из остальных цилиндров двигателя с возбуждением экзотермической реакции в каталитическом нейтрализаторе, что способствует зажиганию каталитического нейтрализатора выше пороговой температуры 403.
В момент t5, в ответ на температуру достаточно горячего каталитического нейтрализатора отработавших газов, может произойти возвращение к более сильному рециркуляционному потоку и менее сильному перепускному потоку, и подачу топлива к специализированному цилиндру РОГ снова могут регулировать на основе требования к разжижению смеси в двигателе и предельных значений стабильности горения. При этом, в то время как температура каталитического нейтрализатора стабилизируется на более высоком значении, доля перепускного потока уменьшается (например, до 0%), при этом специализированный цилиндр РОГ возобновляет работу на слегка обогащенной смеси, а остальные цилиндры двигателя возобновляют работу в стехиометрическом режиме.
Таким образом, регулирование температуры каталитического нейтрализатора достигают путем дозирования потока через бесступенчатый перепускной клапан, подключенный ниже по потоку от специализированной группы цилиндров РОГ, не требуя блокирования РОГ. Следовательно, регулирование положения перепускного клапана может коррелировать с изменениями температуры каталитического нейтрализатора, а не только основываться на скорости вращения и нагрузке двигателя. Однако следует понимать, что в альтернативных примерах перепускной поток может возрастать до верхнего предела, когда рециркуляционный поток по существу отсутствует, и наоборот.
В одном из примеров система двигателя содержит двигатель, имеющий первую и вторую группы цилиндров; канал РОГ, избирательно направляющий отработавшие газы от первой группы цилиндров к впускному коллектору двигателя, при этом канал РОГ содержит катализатор конверсии водяного газа; перепускной канал, соединяющий канал РОГ выше или ниже по потоку от катализатора конверсии водяного газа с выпускным коллектором двигателя, выше по потоку от каталитического нейтрализатора отработавших газов; бесступенчатый перепускной клапан в месте соединения канала РОГ и перепускного канала для изменения доли отработавших газов из первой группы цилиндров, направляемых по перепускному каналу, относительно доли отработавших газов в канале РОГ; и датчик температуры, подключенный к каталитическому нейтрализатору отработавших газов. Система двигателя содержит также контроллер с машиночитаемыми командами для обогащения смеси в первой группе цилиндров при обеднении смеси во второй группе цилиндров; и непрерывного регулирования открытия перепускного клапана с целью изменения доли отработавших газов, направляемых из первой группы цилиндров к каталитическому нейтрализатору отработавших газов по перепускному каналу, относительно отработавших газов, рециркулирующих к впускному коллектору двигателя для поддержания температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов на уровне пороговой. Обогащение смеси в первой группе цилиндров осуществляют на основе разности между оцениваемой температурой каталитического нейтрализатора отработавших газов и пороговой температурой, при этом степень обогащения смеси возрастает по мере возрастания разности. Обеднение смеси во второй группе цилиндров осуществляют на основе обогащения смеси в первой группе цилиндров и доли перепускного потока, при этом степень обеднения смеси возрастает по мере возрастания степени обогащения для поддержания стехиометрического воздушно-топливного отношения в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Степень обеднения также возрастает по мере увеличения доли перепускного потока. Контроллер содержит дополнительные команды для уменьшения, в ответ на значение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, более высокое, чем порог, степени обогащения смеси первой группы цилиндров, при регулировании открытия перепускного клапана для уменьшения потока отработавших газов, направляемых по перепускному каналу к каталитическому нейтрализатору отработавших газов. Контроллер содержит дополнительные команды для объединения богатых отработавших газов из первой группы цилиндров с обогащенной смесью, принимаемых по перепускному каналу, с бедными отработавшими газами из второй группы цилиндров с обедненной смесью в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов.
В другом примере способ для двигателя содержит регулирование положения бесступенчатого перепускного клапана для направления первой части отработавших газов из специализированного цилиндра РОГ с обогащенной смесью к каталитическому нейтрализатору отработавших газов, направляя при этом остальную часть обогащенных водородом отработавших газов к впускному коллектору, при этом соотношение между первой и второй частью регулируют в соответствии с температурой каталитического нейтрализатора отработавших газов. Регулирование включает в себя увеличение первой части относительно второй части до тех пор, пока температура каталитического нейтрализатора не достигнет пороговой температуры или не превысит ее, и последующее уменьшение первой части относительно второй части. Способ содержит также одновременное направление отработавших газов из остальных цилиндров двигателя к каталитическому нейтрализатору отработавших газов, при этом смесь в остальных цилиндрах двигателя обедняют в зависимости от обогащения смеси в специализированном цилиндре РОГ. Степень обогащения в специализированном цилиндре РОГ с обогащенной смесью регулируют на основе отклонения температуры каталитического нейтрализатора от пороговой температуры, тогда как степень обеднения в остальных цилиндрах двигателя с обедненной смесью регулируют исходя из степени обогащения смеси для поддержания воздушно-топливного отношения в отработавших газах в выхлопной трубе равным или близким к стехиометрическому. Кроме того, моменты зажигания специализированного цилиндра РОГ могут регулировать на основе соотношения между первой и второй частями потока отработавших газов, при этом моменты зажигания подвергают запаздыванию относительно МТМ (МВТ) по мере возрастания первой части. Температура каталитического нейтрализатора отработавших газов может быть обусловлена одним или несколькими из таких факторов, как модель каталитического нейтрализатора, непосредственное измерение с помощью датчика температуры каталитического нейтрализатора, число событий в двигателе и продолжительность работы двигателя. При этом отведение первой части при рециркуляции второй части включает в себя регулирование положения бесступенчатого перепускного клапана, подключенного ниже по потоку от специализированного цилиндра РОГ, первое открытие перепускного клапана для соединения специализированного цилиндра РОГ с каталитическим нейтрализатором отработавших газов, и второе открытие перепускного клапана для соединения специализированного цилиндра РОГ с впуском двигателя. Регулирование выполняют во время холодного пуска двигателя и продолжают во время работы двигателя таким образом, что температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов можно поддерживать на достаточно высоком уровне на всем протяжении работы двигателя.
Таким образом, перепускной поток отработавших газов от специализированной группы цилиндров РОГ к каталитическому нейтрализатору отработавших газов, при перепуске цилиндров двигателя, можно дозировать на основе требования к нагреву каталитического нейтрализатора для поддержания температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов выше рабочей температуры. Обеспечивая возможность дозирования перепускного потока на основе температуры каталитического нейтрализатора, в то время как остальная часть отработавших газов рециркулирует к впуску двигателя, можно поддерживать температуру каталитического нейтрализатора без ущерба для осуществления РОГ. Конкретно, каталитический нейтрализатор можно нагревать во время холодного пуска двигателя или во время работы двигателя без требования блокирования РОГ. Путем одновременного регулирования подачи топлива и зажигания цилиндров на основе температуры каталитического нейтрализатора, можно обогатить состав топливно-воздушной смеси отработавших газов, дозируемых в направлении каталитического нейтрализатора из специализированного цилиндра РОГ, в то время как воздушно-топливное отношение отработавших газов, дозируемых в направлении каталитического нейтрализатора из неспециализированных цилиндров, можно обеднить таким образом, чтобы в каталитическом нейтрализаторе возбуждать экзотермическую реакцию при поддержании стехиометрического воздушно-топливного отношения отработавших газов в выхлопной трубе. В целом, выбросы отработавших газов можно улучшить путем точного регулирования температуры каталитического нейтрализатора без ухудшения топливной экономичности двигателя.
Следует отметить, что процедуры управления и оценки, включенные в настоящую заявку, могут применяться с различными конфигурациями двигателей и (или) автомобильного оборудования. Конкретные процедуры, описанные в настоящей заявке, могут представлять одну или несколько из различных стратегий обработки, таких как управляемые по событиям, управляемые по прерываниям, многозадачные, многопоточные и т.п. В связи с этим различные проиллюстрированные действия, операции или функции могут выполняться в изображенной последовательности, параллельно или, в некоторых случаях, быть пропущенными. Аналогичным образом, для достижения признаков и преимуществ раскрытых в настоящей заявке примеров осуществления необязательно требуется данный порядок обработки, представленный для простоты изображения и описания. В зависимости от конкретной применяемой стратегии одно или несколько из изображенных действий или функций могут выполняться неоднократно. Кроме того, описанные действия могут графически представлять код, программируемый на машиночитаемом носителе данных в системе управления двигателем.
Следует понимать, что конфигурации и процедуры, раскрытые в настоящей заявке, приведены в качестве примера, и что эти конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничивающем смысле, поскольку в них могут быть внесены многочисленные изменения. Например, описанная выше технология может применяться к двигателям V-6, I-4, I-6, V-12, двигателю с 4 противоположными цилиндрами и другим типам двигателей. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций и другие признаки, функции и (или) свойства, раскрытые в настоящей заявке.
В следующей формуле изобретения конкретно указаны определенные комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новых и неочевидных. Эта формула изобретения может ссылаться на «какой-либо» элемент или «первый» элемент или его эквивалент. Следует понимать, что пункты такой формулы изобретения включают в себя один или несколько таких элементов, не требуя и не исключая два или несколько таких элементов. Другие комбинации или подкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и (или) свойств могут быть заявлены путем изменения пунктов настоящей формулы изобретения или представления новых пунктов формулы изобретения в этой или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, более широкие, более узкие, равные или отличные по объему от первоначальных, рассматриваются в качестве включенных в предмет настоящего изобретения.