СПОСОБ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ПРОДУВКИ С ПОМОЩЬЮ РАЗДЕЛЕННОГО ВЫПУСКА
METHOD TO IMPROVE BLOWTHROUGH VIA SPLIT EXHAUST

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая заявка относится к разделенному выпуску в системе выпуска двигателя внутреннего сгорания с наддувом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Двигатели могут использоваться устройства наддува, такие как турбонагнетатели, для повышения удельной мощности двигателя. Однако, детонация в двигателе может происходить вследствие повышенных температур сгорания. Детонация в двигателе может подвергаться принятию ответных мер посредством осуществления запаздывания установки момента зажигания; однако, значительное запаздывание искрового зажигания может понижать экономию топлива и ограничивать максимальный крутящий момент. Детонация особенно проблематична в условиях с наддувом вследствие высоких температур заряда.
Один из способов для снижения температуры заряда, а потому, детонации, происходит с помощью продувки, при которой подвергнутый наддуву всасываемый воздух продувается через камеру сгорания на выпуск во время фазы положительного перекрытия клапанов.
Еще один способ для подавления детонации происходит посредством разбавления всасываемого воздуха охлажденной рециркуляцией отработавших газов (EGR). Примерный подход по управлению потоком отработавших газов для EGR показан Ротом (US 8495992), в котором разделенная система выпуска разделяет отработавшие газы, выходящие из камеры сгорания, во время фаз сброса и очистки. Отработавшие газы из фазы сброса распределяются в турбину в системе турбонагнетателя или в систему EGR, которая направляет охлажденные газы EGR во впускной коллектор или выше по потоку от компрессора в турбонагнетателе. Подобным образом, отработавшие газы из фазы очистки передаются в устройство снижения токсичности выбросов или в систему EGR, которая подает охлажденные газы во впускной коллектор или выше по потоку от компрессора. Установки фаз распределения впускных и выпускных клапанов управляются, чтобы регулировать количество отработавших газов, втекающих в турбонагнетатель и EGR, на основании условий эксплуатации двигателя.
Изобретатели в материалах настоящей заявки идентифицировали потенциальные проблемы, в том числе, проблемы с вышеприведенными подходами к принятию мер в ответ на пределы детонации. Например, дроссель EGR может быть размещен на впуске выше по потоку от компрессора, чтобы усиливать поток EGR при низком противодавлении, которое может делать турбонагнетатель более чувствительным к помпажу и повышать насосные потери. Кроме того, отдельный охладитель EGR может использоваться для охлаждения раскаленных отработавших газов до того, как они могут подаваться во впускной коллектор, таким образом, повышая затраты на систему и требуя компоновочного пространства. Кроме того еще, в примере, где технология продувки используется для снижения детонации, дополнительное топливо, впрыскиваемое, чтобы приводить отработавшие газы к стехиометрическому соотношению, может вызывать перегрев каталитического нейтрализатора и оказывать влияние на выбросы наряду с повышением расхода топлива. Дополнительным ограничением технологии продувки является ее ограниченное использование для низких чисел оборотов двигателя, когда давление на выходе компрессора находится выше, чем давление отработавших газов перед турбиной.
Изобретатели в материалах настоящей заявки осознали вышеприведенные проблемы и идентифицировали подходы для по меньшей мере частичного принятия мер в ответ на проблемы. В одном из примерных подходов, предусмотрен способ для двигателя с турбонаддувом и разделенной системой выпускного коллектора. Способ содержит осуществление потока отработавших газов через первый выпускной клапан в турбину турбонагнетателя, осуществление потока отработавших газов через второй выпускной клапан выше по потоку от устройства снижения токсичности выбросов и осуществление потока EGR низкого давления продувочного воздуха через третий клапан выше по потоку от турбокомпрессора на вход компрессора в пределах общего события сгорания цикла двигателя. Посредством использования надлежащих элементов управления установкой фаз клапанного распределения, комбинация технологий EGR и продувочного воздуха может использоваться для понижения температур сгорания и, таким образом, подавления детонации в двигателе.
Например, во время цикла сгорания одного цилиндра двигателя с турбонаддувом, первая порция сбросных отработавших газов может направляться в турбину через первый выпускной клапан, который может открываться до положения нижней мертвой точки (НМТ, BDC) поршня, чтобы предоставлять возможность выходить 75-80% подвергнутых сгоранию газов. Вторая порция отработавших газов может направляться в устройство снижения токсичности выбросов через второй выпускной клапан, который открывается на полпути в течение такта выпуска, чтобы отводить 10-15% оставшихся отработавших газов, называемых «очистной» порцией. Первый и второй выпускные клапаны могут закрываться до того, как поршень достигает положения верхней мертвой точки (ВМТ, TDC), позволяя порции (~5-10%) отработавших газов внутри цилиндра эвакуироваться через третий клапан, присоединенный к входу компрессора. Третий клапан, также известный как «входной клапан компрессора», может открываться к концу такта выпуска, например, до ВМТ, и закрываться значительно позже начала такта впуска, например, значительно позже ВМТ. Следовательно, входной клапан компрессора может открываться одновременно с тем, когда один или более впускных клапанов открываются, чтобы впускать свежий воздух в цилиндр. Таким образом, остаточные отработавшие газы внутри цилиндра к концу такта выпуска могут выдуваться наряду со свежей продувкой и переноситься на вход компрессора через входной клапан компрессора.
Таким образом, детонация может ослабляться посредством объединения продувки и EGR в одном протоке. Посредством предоставления свежему всасываемому воздуху возможности продувать любые остаточные раскаленные отработавшие газы в объеме мертвого пространства цилиндра, камера сгорания может охлаждаться. Смесь отработавших газов и продувочного воздуха, выходящая из камеры, может объединяться с дополнительным свежим воздухом в компрессоре, охлаждаться в охладителе наддувочного воздуха (CAC) и, в конечном счете, рециркулироваться в двигателе в качестве EGR, чтобы дополнительно уменьшать детонацию. Посредством использования CAC для охлаждения остаточных отработавших газов наряду со свежим сжатым воздухом, отдельный охладитель EGR может не требоваться. Кроме того, можно обходиться без дросселя EGR посредством присоединения входного клапана компрессора к компрессору, в силу чего, смесь отработавших газов и продувочного воздуха втягивается во вход низкого давления компрессора через цилиндр из впускного коллектора высокого давления. Поскольку продувочный воздух и остаточные отработавшие газы направляются на вход компрессора под более низким давлением, продувка может быть возможна в большем диапазоне чисел оборотов двигателя. Дополнительно, могут снижаться насосные потери на отработавших газах, встречаемые в традиционной конструкции, где все отработавшие газы текут на вход турбины высокого давления. Более того, поскольку продувочный воздух не направляется в устройство снижения токсичности выбросов, поддержание стехиометрического соотношения в отработавших газах впрыском добавочного топлива может не требоваться. В общем и целом, двигатель с турбонаддувом может эксплуатироваться с меньшим запаздыванием искрового зажигания от максимального крутящего момента.
Должно быть понятно, что сущность изобретения, приведенная выше, предоставлена для знакомства с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Она не предполагается для идентификации ключевых или существенных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые кладут конец каким-нибудь недостаткам, отмеченным выше или в любой части этого раскрытия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 графически представляет схематическое изображение системы двигателя с турбонаддувом и разделенным выпускным коллектором.
Фиг. 2 - местный вид двигателя.
Фиг. 3 изображает примерные установки фаз распределения впускных клапанов и выпускных клапанов для одного из цилиндров двигателя по фиг. 1.
Фиг. 4 - примерная блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая процедуру для активации входного клапана компрессора на основании различных условий эксплуатации двигателя.
Фиг. 5 изображает примерные операции клапана и результирующий поток отработавших газов через три канала одного цилиндра двигателя на фиг. 1 на основании различных условий двигателя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Последующее описание относится к системам и способам для борьбы с детонацией в двигателе, таком как система двигателя по фиг. 1-2, посредством выпуска отработавших газов цилиндра двигателя через три отдельных канала. Более точно, в пределах одного цикла сгорания, первая или сбросная порция отработавших газов может направляться в турбину турбонагнетателя через первый канал, вторая или очистная порция отработавших газов может направляться в устройство снижения токсичности выбросов через второй канал наряду с тем, что третья порция отработавших газов ближе к концу такта выпуска, смешанная с продувочным воздухом, может направляться на вход компрессора в турбонагнетателе через третий канал. Каждый цилиндр двигателя, таким образом, может содержать пять клапанов: два впускных клапана, два выпускных клапана и один входной клапан компрессора. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью выполнять процедуру управления, такую как процедура по фиг. 4, чтобы эксплуатировать входной клапан компрессора на основании многообразия условий эксплуатации двигателя, таких как показанные на фиг. 5. Установки фаз распределения входного клапана компрессора могут координироваться с установками фаз распределения выпускных клапанов, а также впускных клапанов, чтобы предоставлять возможность для EGR и продувки (фиг. 3).
В последующем описании, действующий или активированный клапан указывает, что он открывается и/или закрывается согласно определенным установкам фаз распределения во время цикла сгорания для данного набора условий. Подобным образом, деактивированный или недействующий клапан указывает, что клапан поддерживается закрытым, если не обусловлено иное.
Фиг. 1 показывает принципиальную схему многоцилиндрового двигателя 10 внутреннего сгорания, который может быть включен в силовую установку автомобиля. Двигатель 10 может включать в себя множество камер сгорания (то есть, цилиндров), которые могут быть покрыты сверху головкой блока цилиндров (не показана). В примере, показанном на фиг. 1, двигатель 10 включает в себя камеры 20, 22, 24 и 26 сгорания, скомпонованные в рядной 4-цилиндровой конфигурации. Однако, должно быть понятно, что, хотя фиг. 1 показывает четыре цилиндра, двигатель 10 может включать в себя любое количество цилиндров в любой конфигурации, например, V-6, I-6, V-12, оппозитная 4-цилиндровая, и т.д.
Каждая камера сгорания может принимать всасываемый воздух из впускного коллектора 27 через воздушный впускной канал 28. Впускной коллектор 27 может быть присоединен к камерам сгорания через впускные окна. Например, впускной коллектор 27 показан на фиг. 1 присоединенным к цилиндрам 20, 22, 24 и 26 через впускные окна 152, 154, 156 и 158 соответственно. Каждое впускное окно может подавать воздух и/или топливо в цилиндр, к которому оно присоединено, для сгорания. Каждое впускное окно цилиндра может избирательно сообщаться с цилиндром через один или более впускных клапанов. Цилиндры 20, 22, 24 и 26 показаны на фиг. 1 с двумя впускными клапанами каждый. Например, цилиндр 20 имеет два впускных клапана 32 и 34, цилиндр 22 имеет два впускных клапана 36 и 38, цилиндр 24 имеет два впускных клапана 40 и 42, а цилиндр 26 имеет два впускных клапана 44 и 46. В одном из примеров, впускной канал может быть сформирован из впускного коллектора 27, избирательно сообщающегося с каждым впускным клапаном. В других вариантах осуществления, впускной канал для одиночного цилиндра может быть разделен ближе к цилиндру на два смежных тракта со стенкой между ними, каждый разделенный тракт канала сообщается с одиночным впускным клапаном. В еще одном примере, каждый из двух впускных клапанов может управляться, чтобы открываться на определенных числах оборотов двигателя, а потому, может сообщаться через общее впускное окно с впускным коллектором.
Каждая камера сгорания может выпускать отработавшие газы через одно или более выпускных окон, присоединенных к ней. Цилиндры 20, 22, 24 и 26 показаны на фиг. 1, каждый присоединен к двум выпускным окнам для отдельного канализирования, соответственно, сбросной и очистной порций отработавших газов. Например, выпускные окна 33 и 35 присоединены к цилиндру 20, выпускные окна 39 и 41 присоединены к цилиндру 22, выпускные окна 45 и 47 присоединены к цилиндру 24, а выпускные окна 51 и 53 присоединены к цилиндру 26. Каждое выпускное окно может избирательно сообщаться с цилиндром, к которому оно присоединено, через выпускной клапан. Например, выпускные окна 33, 35, 39, 41, 45, 47, 51 и 53 сообщаются со своими соответственными цилиндрами через свои соответственные выпускные клапаны 122, 132, 124, 134, 126, 136, 128 и 138.
Это система с разделенным коллектором, выпускные окна 33, 39, 45 и 51 могут вести в выпускной коллектор 55 наряду с тем, что выпускные окна 35, 41, 47 и 53 могут объединяться в выпускной коллектор 57. Выпускные коллекторы в этой системе могут быть выполнены с возможностью выпускать продукты сгорания из цилиндров 20, 22, 24 и 26.
Двигатель 10 может включать в себя турбонагнетатель 190. Турбонагнетатель 190 может включать в себя турбину 92 в системе выпуска и компрессор 94 в системе впуска, присоединенные к общему валу 96. Перепускная заслонка 127 для отработавших газов может быть присоединена в параллель турбине 92. Более точно, перепускная заслонка 127 для отработавших газов может быть включена в перепускной канал 166, присоединенный между входом и выходом турбины в системе выпуска, чтобы управлять величиной наддува, выдаваемого турбиной.
Выпускные коллекторы могут быть сконструированы, чтобы отдельно канализировать сбросную и очистную порции отработавших газов. Выпускной коллектор 55 может канализировать сбросной импульс отработавших газов в турбину 92 турбонагнетателя 190 через трубку 160 наряду с тем, что выпускной коллектор 57 может канализировать очистную порцию отработавших газов через трубку 162 ниже по потоку от турбины 92 и выше по потоку от устройства 72 снижения токсичности выбросов. Например, выпускные клапаны 122, 124, 126 и 128 канализируют сбросную порцию отработавших газов через выпускной коллектор 55 и трубку 160 в турбину наряду с тем, что выпускные клапаны 132, 134, 136 и 138 канализируют очистную порцию отработавших газов через выпускной коллектор 57 с помощью трубки 162 в устройство 72 снижения токсичности выбросов.
Отработавшие газы, выходящие из турбины 92, также могут проходить через устройство 72 снижения токсичности выбросов. Устройство 72 снижения токсичности выбросов может включать в себя многочисленные брикеты каталитического нейтрализатора в одном из примеров. В еще одном примере, могут использоваться многочисленные устройства снижения токсичности выбросов, каждое с многочисленными брикетами. В некоторых примерах, устройство 72 снижения токсичности выбросов может быть каталитическим нейтрализатором трехкомпонентного типа. В других примерах, устройство 72 снижения токсичности выбросов может включать в себя один или множество из дизельного окислительного каталитического нейтрализатора (DOC) и каталитического нейтрализатора с избирательным каталитическим восстановлением (SCR). После прохождения через устройство 72 снижения токсичности выбросов, отработавшие газы могут направляться наружу в выхлопную трубу 58.
Каждый цилиндр двигателя 10 также может содержать пятый клапан, названный «входным клапаном компрессора», в дополнение к двум впускным и двум выпускным клапанам, как показано на фиг. 1. Этот пятый клапан также может называться третьим выпускным клапаном. Например, цилиндры 20, 22, 24 и 26 включают в себя входные клапаны 112, 114, 116 и 118 компрессора, соответственно, которые присоединены к своим соответственным окнам 31, 37, 43 и 49. Кроме того, каждое из окон, сообщающихся с входными клапанами компрессора, может объединяться в отдельный коллектор 59, который может быть присоединен с помощью трубки 164 к впуску 28 выше по потоку от компрессора 94 и ниже по потоку от воздушного фильтра 70. Например, входной клапан 112 компрессора может открываться в цилиндре 20 ближе к концу такта выпуска, чтобы предоставлять остаточным отработавшим газам возможность течь насквозь на вход компрессора 94. Кроме того, входной клапан 112 компрессора может оставаться открытым за положением верхней мертвой точки (ВМТ) поршня, чтобы перекрываться с впускными клапанами 32 и/или 34 цилиндра 20 для предоставления свежему воздуху возможности продувать камеру сгорания и выдувать любые оставшиеся отработавшие газы в компрессор 94. Клапан 125 может быть включен в трубку 164, чтобы управлять потоком EGR и продувочного воздуха на вход компрессора.
В одном из примеров, количество продувочного воздуха и EGR, подаваемых на вход компрессора, может регулироваться посредством изменения установки фаз распределения, подъема и/или длительности одного или более входных клапанов 112, 114, 116 и 118 компрессора. В еще одном примере, клапан 125 в трубке 164 может эксплуатироваться для управления количеством продувочного воздуха и EGR, подаваемых в компрессор 94, а входной клапан(ы) компрессора может приводиться в действие с постоянными установками фаз распределения, подъемом и длительностями.
Таким образом, подвергнутые сгоранию газы, выходящие из цилиндра, могут разделяться на три порции с помощью трех отдельных каналов, которые включают в себя два выпускных канала, сформированных разделенным выпускным коллектором, и одним каналом, присоединяющим входной клапан компрессора к выше по потоку от турбокомпрессора. Например, в одном цикле сгорания, первый выпускной клапан 122 цилиндра 20 может канализировать первую порцию отработавших газов, а именно, сбросную порцию, в турбину 92 через первый канал (трубку 160). Второй выпускной клапан 132 того же самого цилиндра (20) может направлять вторую порцию отработавших газов вслед за сбросной порцией в устройство 72 снижения токсичности выбросов через второй канал (трубку 162). Вторая порция отработавших газов, выходящая через второй выпускной клапан 132, в основном, может быть очистной порцией отработавших газов. Ближе к концу такта выпуска, оставшиеся отработавшие газы могут вычищаться из объема мертвого пространства того же самого цилиндра (20) свежим всасываемым воздухом от продувки и передаваться на вход турбокомпрессора 94 через входной клапан 112 компрессора и третий канал (трубку 164). Более точно, вторая порция отработавших газов в основном содержит отработавшие газы без какого бы то ни было содержания свежего воздуха наряду с тем, что входной клапан 112 компрессора и трубку 164 главным образом передают свежий продувочный воздух с меньшим содержанием отработавших газов.
Первый выпускной клапан может открываться раньше, чем второй выпускной клапан и входной клапан компрессора, чтобы захватывать продувочный импульс, и может закрываться с установкой момента, более ранней, чем у второго выпускного клапана и входного клапана компрессора. Второй выпускной клапан может открываться позже, чем первый выпускной клапан, но раньше, чем входной клапан компрессора, чтобы захватывать очистную порцию отработавших газов. Первый выпускной клапан может закрываться до того, как открывается входной клапан компрессора, но второй выпускной клапан может закрываться после того, как открывается входной клапан компрессора. Второй выпускной клапан может закрываться гораздо раньше, чем начинается такт впуска, и открываются впускные клапаны, тогда как входной клапан компрессора может закрываться значительно позже начала такта впуска. Впускные клапаны могут открываться прямо после того, как заканчивается такт выпуска в положении ВМТ поршня, и могут закрываться прямо после начала такта сжатия, например, в положении нижней мертвой точки (НМТ) поршня. Фактически, входной клапан компрессора может канализировать остаточные отработавшие газы ближе к концу такта впуска и, посредством перекрытия с одним или более впускных клапанов, также может канализировать продувку наряду с EGR.
Впускной канал 28 может включать в себя воздушный впускной дроссель 62 ниже по потоку от охладителя 90 наддувочного воздуха. Положение заслонки 62 может регулироваться системой 15 управления посредством исполнительного механизма заслонки (не показан), контактным образом присоединенного к контроллеру 12. Посредством модулирования воздушной впускной заслонки 62, наряду с управлением компрессором 94, некоторое количество свежего воздуха может вводиться из атмосферы в двигатель 10, охлаждаться охладителем 90 наддувочного воздуха и подаваться в цилиндры двигателя под давлением компрессора (или повышенным давлением) через впускной коллектор 27. Для ослабления помпажа компрессора, по меньшей мере часть заряда воздуха, сжатого компрессором 94, может подвергаться рециркуляции на вход компрессора. Канал 168 рециркуляции компрессора может быть предусмотрен для рециркуляции охлажденного сжатого воздуха с выхода компрессора ниже по потоку от охладителя 90 наддувочного воздуха на вход компрессора. Клапан 120 рециркуляции компрессора может быть предусмотрен для настройки величины охлажденного потока рециркуляции, рециркулированного на вход компрессор.
На фиг. 1, топливные форсунки показаны присоединенными непосредственно к камерам сгорания для впрыска топлива непосредственно в них пропорционально длительности импульса сигнала FPW, например, принятого из контроллера 12 через электронный формирователь. Каждый цилиндр показан связанным с двумя форсунками на цилиндр на каждом впускном клапане. Например, топливные форсунки 74 и 76 присоединены к цилиндру 20, 78 и 80 присоединены к цилиндру 22, 82 и 84 присоединены к цилиндру 24 наряду с тем, что топливные форсунки 86 и 88 присоединены к цилиндру 26, как показано на фиг. 1. Таким образом, топливные форсунки обеспечивают то, что известно в качестве непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания. Каждая соответственная топливная форсунка, например, может быть установлена сбоку соответственной камеры сгорания или сверху соответственной камеры сгорания. В некоторых примерах, одна или более топливных форсунок могут быть скомпонованы во впускном коллекторе 27 в конфигурации, которая обеспечивает то, что известно в качестве оконного впрыска топлива во впускные окна выше по потоку от соответственных камер сгорания. Хотя не показано на фиг. 1, топливо может подаваться в топливные форсунки топливной системой, включающей в себя топливный бак, топливный насос, топливную магистраль и направляющую-распределитель для топлива.
В некоторых примерах, система зажигания без распределителя (не показана) может выдавать искру зажигания на свечи зажигания, присоединенные к камерам сгорания, в ответ на контроллер 12. Например, свечи 50, 52, 54 и 56 зажигания показаны на фиг. 1 присоединенными к цилиндрам 20, 22, 24 и 26, соответственно.
Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, системой 15 управления, включающей в себя контроллер 12 и входными сигналами от водителя транспортного средства через устройство ввода (не показано). Система 15 управления показана принимающей информацию с множества датчиков 16 (различные примеры которых описаны в материалах настоящей заявки) и отправляющей сигналы управления на множество исполнительных механизмов 81. В качестве одного из примеров, датчики 16 могут включать в себя датчики давления и температуры на входе турбокомпрессора и датчики давления воздуха в коллекторе (MAP), расположенные в пределах впускного канала. Другие датчики могут включать в себя датчик давления на входе заслонки (TIP) для оценки давления на входе заслонки (TIP) и/или датчик температуры на входе заслонки для оценки температуры воздуха на заслонке (TCT), присоединенные ниже по потоку от дросселя во впускном канале. Дополнительные датчики и исполнительные механизмы системы конкретизированы со ссылкой на фиг. 2. В качестве еще одного примера, исполнительные механизмы 81 могут включать в себя топливные форсунки, клапаны 120, 125 и 127, и дроссель 62. Контроллер 12 может принимать входные данные с различных датчиков, обрабатывать входные данные и приводить в действие исполнительные механизмы в ответ на обработанные входные данные, на основании команды или кода, запрограммированных в нем, соответствующих одной или более процедур. Примерная процедура управления описана в материалах настоящей заявки на фиг. 4.
Со ссылкой на фиг. 2, она изображает местный вид 200 одиночного цилиндра двигателя 10 внутреннего сгорания. По существу, компоненты, введенные ранее на фиг. 1, представлены теми же самыми номерами ссылок и не вносятся на рассмотрение повторно.
Двигатель 10 изображен с камерой 230 (цилиндром) сгорания, патрубком 214 охлаждающей жидкости и стенками 232 цилиндра с поршнем 236, расположенным в них и присоединенным к коленчатому валу 240. Камера 230 сгорания показана сообщающейся с впускным каналом 146 и выпускным каналом 148 через соответственные впускной клапан 252 и выпускной клапан 256. Как описано ранее на фиг. 1, каждый цилиндр двигателя 10 может выпускать продукты сгорания по трем трубопроводам. На изображенном виде 200, выпускной канал 148 представляет первое выпускное окно, ведущее из цилиндра в турбину (такое как выпускное окно 33 по фиг. 1), наряду с тем, что второй выпускной трубопровод и трубопровод, ведущий на вход компрессора не видимы на этом виде.
Как также конкретизировано ранее на фиг. 1, каждый цилиндр двигателя 10 может включать в себя два (или более) впускных клапанов и два (или более) выпускных клапанов в дополнение к входному клапану компрессора. На изображенном виде 200, впускной канал 252 и выпускной канал 256 расположены в верхней области камеры 230 сгорания. Впускной клапан 252 и выпускной клапан 256 могут управляться контроллером 12 с использованием соответственных систем кулачкового исполнительного механизма, включающих в себя один или более кулачков. Системы кулачковых исполнительных механизмов могут использовать одну или более из систем переключения профиля кулачков (CPS), регулируемых фаз кулачкового газораспределения (VCT), регулируемых фаз клапанного газораспределения (VVT) и/или регулируемого подъема клапана (VVL) для изменения работы клапанов. В изображенном примере, каждый впускной клапан 252 управляется кулачком 251 для впускного клапана, а каждый выпускной клапан приводится в действие кулачком 253 для выпускного клапана. Положение впускного клапана 252 и выпускного клапана 256 может определяться датчиками 255 и 257 положения клапана, соответственно.
В альтернативных вариантах осуществления, впускной и/или выпускной клапан могут управляться посредством клапанного распределителя с электромагнитным управлением. Например, цилиндр 230, в качестве альтернативы, может включать в себя впускной клапан, управляемый посредством приведения в действие клапанного распределителя с электромагнитным управлением, и выпускной клапан, управляемый через кулачковый привод, включающий в себя системы CPS и/или VCT. В кроме того еще других вариантах осуществления, впускной и выпускной клапаны могут управляться системой золотникового привода или распределителя либо системой привода или распределителя с переменной установкой фаз клапанного распределения. Отметим, что входной клапан компрессора может управляться подобным образом.
В одном из примеров, кулачок 251 для впускного клапана включает в себя отдельные и разные рабочие выступы кулачка, которые обеспечивают разные профили клапана (например, установку фаз клапанного распределения, высоту подъема клапана, длительность, и т.д.) для каждого из двух впускных клапанов камеры 230 сгорания. Подобным образом, кулачок 253 для выпускного клапана может включать в себя отдельные и разные рабочие выступы кулачка, которые обеспечивают разные профили клапана (например, установку фаз клапанного распределения, высоту подъема клапана, длительность, и т.д.) для каждого из двух выпускных клапанов камеры 230 сгорания. Подобным образом, входной клапан компрессора (не показан на фиг. 2) может управляться распределительным валом, который включает в себя отдельные и разные рабочие выступы кулачка, которые обеспечивают многообразие профилей клапана. В еще одном примере, кулачок 251 для впускного клапана может включать в себя общий рабочий выступ или подобные рабочие выступы, которые обеспечивают по существу подобный профиль клапана для каждого из двух впускных клапанов.
В дополнение, разные профили кулачка для разных выпускных клапанов могут использоваться для отделения отработавших газов, выпускаемых при низком давлении в цилиндре, от отработавших газов, выпускаемых под давлением отработавших газов. Например, первый профиль кулачка для выпускного клапана может открывать из закрытого положения первый выпускной клапан прямо перед НМТ (нижней мертвой точкой) рабочего такта камеры 230 сгорания и закрывать тот же самый выпускной клапан значительно позже верхней мертвой точки (ВМТ), чтобы избирательно выпускать сбросные газы из камеры сгорания. Кроме того, второй профиль кулачка для выпускного клапана может быть расположен, чтобы открывать из закрытого состояния второй выпускной клапан приблизительно в средней точке такта выпуска и закрывать его раньше ВМТ, чтобы избирательно выпускать очистную порцию отработавших газов. Кроме того еще, профиль кулачка для входного клапана компрессора может быть установлен, чтобы открывать из закрытого положения входной клапан компрессора ближе к концу такта выпуска. Входной клапан компрессора может закрываться значительно позже ВМТ после начала такта впуска, давая возможность перекрытия между входным клапаном компрессора и одним или более из впускных клапанов, которые могут открываться во время такта впуска.
Входной клапан компрессора может активироваться или деактивироваться на основании давления воздуха во впускном коллекторе. Более точно, когда давление воздуха во впускном коллекторе находится выше, чем давление на входе компрессора, отработавшие газы внутри цилиндра могут втягиваться наряду с продувкой во вход компрессора с низким давлением, уменьшая насосные потери. Наоборот, когда давление воздуха в коллекторе находится ниже, чем давление на входе компрессора, например, в дросселированных условиях, срабатывание входного клапана компрессора может быть выведено из работы в течение всего цикла двигателя, чтобы предотвращать обратный поток воздуха из входа компрессора во впускной коллектор через цилиндр и входной клапан компрессора. В этом примере, отработавшие газы могут отводиться полностью в турбину и устройство снижения токсичности выбросов двумя выпускными клапанами без какой бы то ни было продувки.
Таким образом, установка фаз распределения первого выпускного клапана и второго выпускного клапана может изолировать сбросные газы цилиндра от очистной порции отработавших газов наряду с тем, что любые остаточные отработавшие газы в объеме мертвого пространства цилиндра могут вычищаться продувкой свежего всасываемого воздуха во время положительного перекрытия клапанов между впускным клапаном и входным клапаном компрессора. Посредством осуществления потока первой порции отработавших газов (например, отработавших газов более высокого давления) через турбину и выпускной канал высокого давления и осуществления потока второй порции отработавших газов (например, отработавших газов более низкого давления) через каталитические устройства и выпускной канал низкого давления наряду с тем, что третья порция отработавших газов низкого давления и продувочный воздух подвергаются циркуляции на вход компрессора, температуры сгорания могут понижаться наряду с улучшением эффективности работы турбины и крутящего момента двигателя.
Продолжая по фиг. 2, датчик 226 отработавших газов показан присоединенным к выпускному каналу 148. Датчик 226 может быть расположен в выпускном канале выше по потоку от одного или более устройств снижения токсичности отработавших газов, таких как устройство 72 по фиг. 1. Датчик 226 может быть выбран из числа различных пригодных датчиков для выдачи указания топливо/воздушного соотношения в отработавших газах, например, таких как линейный кислородный датчик или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик количества кислорода в отработавших газах), двухрежимный кислородный датчик или датчик EGO (который изображен), HEGO (подогреваемый EGO), NOx, HC, или CO. Расположенные ниже по потоку устройства 178 снижения токсичности отработавших газов могут включать в себя трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (TWC), уловитель NOx, различные другие устройства снижения токсичности отработавших газов или их комбинации.
Температура отработавших газов может оцениваться одним или более датчиков температуры (не показаны), расположенных в выпускном канале 48. В качестве альтернативы, температура отработавших газов может логически выводиться на основании условий эксплуатации двигателя, таких как число оборотов, нагрузка, топливо-воздушное соотношение (AFR), запаздывание искрового зажигания, и т.д.
Цилиндр 230 может иметь степень сжатия, которая является отношением объемов того, когда поршень 236 находится в нижней мертвой точке, к тому, когда в верхней мертвой точке. Традиционно, степень сжатия находится в диапазоне от 9:1 до 10:1. Однако, в некоторых примерах, где используется другое топливо, степень сжатия может быть увеличена. Это, например, может происходить, когда используется более высокооктановое топливо или топливо с более высоким скрытым теплосодержанием испарения. Степень сжатия также может быть повышена, если используется непосредственный впрыск, вследствие его воздействия на работу двигателя с детонацией.
В некоторых вариантах осуществления, каждый цилиндр двигателя 10 может включать в себя свечу 91 зажигания для инициирования сгорания. Система 288 зажигания может выдавать искру зажигания в камеру 230 сгорания через свечу 91 зажигания в ответ на сигнал SA опережения зажигания из контроллера 12, при выбранных рабочих режимах. Однако, в некоторых вариантах осуществления, свеча 91 зажигания может быть не включена в состав, таких как где двигатель 10 может инициировать сгорание самовоспламенением или впрыском топлива, как может иметь место у некоторых дизельных двигателей.
В некоторых вариантах осуществления, каждый цилиндр двигателя 10 может быть сконфигурирован одной или более топливных форсунок для подачи топлива в него. В качестве неограничивающего примера, показан цилиндр 230, включающий в себя одну топливную форсунку 66. Топливная форсунка 66 показана присоединенной непосредственно к камере 230 сгорания для впрыска топлива непосредственно в нее пропорционально длительности импульса сигнала FPW, принятого из контроллера 12 через электронный формирователь 268. Таким образом, топливная форсунка 66 обеспечивает то, что известно как непосредственный впрыск (в дальнейшем, также указываемый ссылкой как «DI») топлива в цилиндр 230 сгорания. Несмотря на то, что фиг. 2 показывает форсунку 66 в качестве боковой форсунки, она также может быть расположена выше поршня, к примеру, возле положения свечи 91 зажигания. Такое положение может улучшать смешивание и сгорание при работе двигателя на спиртосодержащем топливе вследствие низкой летучести некоторых спиртосодержащих видов топлива. В качестве альтернативы, форсунка может быть расположена выше и возле впускного клапана для улучшения смешивания. В альтернативном варианте осуществления, форсунка 66 может быть канальной форсункой, выдающей топливо во впускной канал выше по потоку от цилиндра 230.
Топливо может подаваться в топливную форсунку 66 из топливной системы 8 высокого давления, включающей в себя топливные баки, топливные насосы и направляющую-распределитель для топлива. В качестве альтернативы, топливо может подаваться однокаскадным топливным насосом на низком давлении, в каком случае, установка момента непосредственного впрыска топлива могут ограничиваться в большей степени во время такта сжатия, чем если используется топливная система высокого давления. Кроме того, несмотря на то, что не показано, топливные баки могут иметь преобразователь давления, выдающий сигнал в контроллер 12. Топливные баки в топливной системе 8 могут хранить топливо с разными качествами топлива, такими как разные составы топлива. Эти отличия могут включать в себя разное содержание спирта, разное октановое число, разную теплоту испарения, разные топливные смеси и/или их комбинации, и т.д. В некоторых вариантах осуществления, топливная система 8 может быть присоединена к системе 22 восстановления паров топлива, включающей в себя бачок для накопления дозаправочных и суточных паров топлива. Пары топлива могут выдуваться из бачка в цилиндры двигателя во время работы двигателя, когда удовлетворены условия продувки. Например, пары продувки могут естественным образом всасываться в цилиндр через первый впускной канал под или ниже барометрического давления.
Контроллер 12 показан на фиг. 2 в качестве микрокомпьютера, включающего в себя микропроцессорный блок 102, порты 104 ввода/вывода, электронный запоминающий носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в качестве постоянного запоминающего устройства 106 в этом конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 108, дежурную память 110 и шину данных. Постоянное запоминающее устройство 106 запоминающего носителя может быть запрограммировано машинно-читаемыми данными, представляющими команды, исполняемые микропроцессором 102 для выполнения способов и процедур, описанных ниже, а также вариантов, которые предвосхищены, но специально не перечислены. Контроллер 12 может принимать различные сигналы с датчиков, присоединенных к двигателю 10, в дополнение к тем сигналам, которые обсуждены ранее, в том числе, измерение массового расхода введенного воздуха (MAF) с датчика 48 массового расхода воздуха; температуру охлаждающей жидкости двигателя (ECT) с датчика 212 температуры, присоединенного к патрубку 214 для охлаждающей жидкости; сигнал профильного считывания зажигания (PIP) с датчика 220 Холла (или другого типа), присоединенного к коленчатому валу 240; положение заслонки (TP) с датчика положения дроссельной заслонки; сигнал абсолютного давления в коллекторе (MAP) с датчика 98, AFR в цилиндре с датчика 226 EGO и ненормальное сгорание с датчика детонации и датчика ускорения коленчатого вала. Сигнал числа оборотов двигателя, RPM, может формироваться контроллером 12 из сигнала PIP. Сигнал давления в коллекторе, MAP, с датчика давления в коллекторе может использоваться для выдачи указания разряжения или давления во впускном коллекторе.
На основании входных сигналов с одного или более из вышеупомянутых датчиков, контроллер 12 может настраивать один или более исполнительных механизмов, таких как топливная форсунка 66, заслонка 62, свеча 91 зажигания, входной клапан компрессора, впускные/выпускные клапаны и кулачки для впускных/выпускных клапанов, и т.д. Контроллер может принимать входные данные с различных датчиков, обрабатывать входные данные и приводить в действие исполнительные механизмы в ответ на обработанные входные данные, на основании команды или управляющей программы, запрограммированных в нем, соответствующих одной или более процедур. Примерная процедура управления будет описана позже со ссылкой на фиг. 4.
Далее, с обращением к фиг. 3, многомерная характеристика 300 изображает примерные установки фаз клапанного распределения относительно положения поршня для цилиндра двигателя, содержащего 5 клапанов: два впускных клапана, два выпускных клапана и один входной клапан компрессора, такие как описанные на фиг. 1-2. Пример по фиг. 3 начерчен по существу в масштабе, хотя и все до единой точки не помечены числовыми значениями. По существу, относительные различия в установках фаз распределения могут оцениваться согласно размерам на чертежах. Однако, если требуется, могут использоваться другие относительные установки фаз распределения.
Продолжая по фиг. 3, цилиндр выполнен с возможностью принимать впуск через два впускных клапана и выпускать первую сбросную порцию на вход турбины через первый выпускной клапан, выпускать вторую очистную порцию в устройство снижения токсичности выбросов через второй выпускной клапан и осуществлять поток комбинации отработавших газов низкого давления и свежего продувочного воздуха на вход турбокомпрессора через входной клапан компрессор. Посредством настройки установки фаз открывания и/или закрывания входного клапана компрессора с таковыми у двух выпускных и двух впускных клапанов, остаточные отработавшие газы в объеме мертвого пространства цилиндра могут вычищаться и рециркулироваться в качестве EGR наряду со свежим всасываемым продувочным воздухом.
Многомерная характеристика 300 двигателя иллюстрирует положение двигателя по оси x в градусах угла поворота коленчатого вала (CAD). Кривая 302 изображает положения поршня (вдоль оси y), со ссылкой на их расположения от верхней мертвой точки (ВМТ) и/или нижней мертвой точки (НМТ), и кроме того, со ссылкой на их расположение в пределах четырех тактов (впуска, сжатия, рабочего и выпуска) цикла двигателя.
Во время работы двигателя, каждый цилиндр типично подвергается четырехтактному циклу, включающему в себя такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. Во время такта впуска, обычно, выпускные клапаны закрыты, а впускные клапаны открыты. Воздух вовлекается в цилиндр через соответствующий впускной канал, и поршень цилиндра перемещается к дну цилиндра, с тем чтобы увеличивать объем внутри цилиндра. Положение, в котором поршень находится около дна цилиндра и в конце своего хода (например, когда камера сгорания находится при своем наибольшем объеме), типично указывается специалистами в данной области техники ссылкой в качестве нижней мертвой точки (НМТ). Во время такта сжатия, впускные клапаны и выпускные клапаны закрыты. Поршень перемещается по направлению к головке блока цилиндров, с тем чтобы сжимать воздух внутри камеры сгорания. Точка, в которой поршень находится в конце своего хода и самой близкой к головке блока цилиндров (например, когда камера сгорания находится при наименьшем своем объеме), типично указывается специалистами в данной области техники в качестве верхней мертвой точки (ВМТ). В процессе, в материалах настоящей заявки указываемом ссылкой как впрыск, топливо вводится в камеру сгорания. В процессе, в материалах настоящей заявки указываемом ссылкой как воспламенение, впрыснутое топливо воспламеняется известным средством воспламенения, таким как свеча зажигания, приводя к сгоранию. Во время такта расширения, расширяющиеся газы толкают поршень обратно к НМТ. Коленчатый вал преобразует это перемещение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Во время такта выпуска, в традиционной конструкции, выпускные клапаны открыты для выпускания остаточной подвергнутой сгоранию топливно-воздушной смеси в соответствующие выпускные каналы, и поршень возвращается в ВМТ. В этом описании, входной клапан компрессора может открываться ближе к концу такта выпуска, в то время как выпускные клапаны закрыты, чтобы выдувать остаточные отработавшие газы продувочным воздухом.
Кривая 304 изображает первую установку фаз распределения впускного клапана, высоту подъема и длительность для первого впускного клапана (Int_1), наряду с тем, что 306 изображает вторую установку фаз распределения впускного клапана, высоту подъема и длительность для второго впускного клапана (Int_2), присоединенного к впускному каналу цилиндра двигателя. Кривая 508 изображает примерную установку фаз распределения выпускных клапанов, высоты подъема и длительности для первого выпускного клапана (Exh_1), присоединенного к первому выпускному каналу цилиндра двигателя, наряду с тем, что кривые 310a и 310b изображают примерные установки фаз распределения выпускных клапанов, высот подъема и длительностей для второго выпускного клапана (Exh_2), присоединенного к второму выпускному клапану цилиндра двигателя. Как конкретизировано ранее, первый выпускной канал присоединяет первый выпускной клапан к входу турбины в турбонагнетателе, а второй выпускной канал присоединяет второй выпускной клапан к ниже по потоку от турбины и выше по потоку от устройства снижения токсичности выбросов. Кривая 312 изображает примерную установку фаз клапанного распределения, подъем и длительность для входного клапана компрессора (CIV), присоединенного к третьему каналу, который присоединяет CIV к входу турбокомпрессора. Первый и второй выпускные каналы, и третий канал для осуществления потока EGR и продувочного воздуха могут быть отдельными друг от друга.
В изображенном примере, первый и второй впускные клапаны полностью открываются из закрытого положения с общей установкой фаз (кривые 304 и 306), начиная существенно ближе к ВМТ такта впуска, прямо после CAD2 (например, на или прямо после ВМТ такта впуска), и закрываются прямо после того, как следующий такт сжатия начат после CAD3 (например, на или прямо после НМТ). Дополнительно, когда открыты полностью, два впускных клапана могут открываться с одной и той же величиной подъема L1 клапана на одинаковую длительность D1. В других примерах, два клапана могут приводиться в действие с разными установками фаз распределения посредством настройки фазирования, подъема или длительности на основании условий двигателя.
Далее, обратимся к выпускным клапанам, в которых установка фаз распределения первого и второго выпускных клапанов разнесена с таковой у входного клапана компрессора (CIV). Более точно, первый выпускной клапан открывается из закрытого положения с первой установкой фаз (кривая 308), которая находится раньше в цикле двигателя, чем установка фаз (кривые 310a, 310b), с которой второй выпускной клапан открывается из закрытого положения, и которая находится раньше, чем установка фаз (кривая 312), с которой CIV открывается из закрытого положения. Более точно, первая установка фаз распределения для первого выпускного клапана находится ближе к НМТ такта выпуска прямо перед CAD1 (например, на или прямо перед НМТ такта выпуска) наряду с тем, что установка фаз для открывания второго выпускного клапана и CIV подвергается запаздыванию от НМТ такта выпуска после CAD1, но до CAD2. Первый (кривая 308) и второй (кривая 310a) выпускные клапаны могут закрываться раньше конца такта выпуска наряду с тем, что CIV поддерживается открытым после ВМТ, когда начался такт впуска, для положительного перекрытия с впускными клапанами. CIV, например, может закрываться раньше средней точки такта впуска.
Для конкретизации, первый выпускной клапан может полностью открываться из закрытого состояния на или до начала такта выпуска (например, в пределах 10 градусов до НМТ), поддерживаться полностью открытым на протяжении первой части такта выпуска и может полностью закрываться до того, как такт выпуска заканчивается (например, в пределах 45 градусов до ВМТ), чтобы забирать сбросную порцию импульса отработавших газов. Второй выпускной клапан (кривая 310a) может полностью открываться из закрытого положения приблизительно в средней точке такта выпуска (например, между 60 и 90 градусами после НМТ), поддерживаться открытым на протяжении второй части такта выпуска и может полностью закрываться до того, как заканчивается такт выпуска (например, в пределах 20 градусов до ВМТ), чтобы выпускать очистную порцию отработавших газов. CIV может полностью открываться из закрытого состояния ближе к концу такта выпуска (например, в пределах 25 градусов раньше ВМТ), может поддерживаться полностью открытым по меньшей мере до тех пор, пока не начался следующий такт впуска, и может полностью закрываться значительно позже ВМТ такта выпуска (например, в пределах 30 градусов после ВМТ). Впускные клапаны могут полностью открываться из закрытого состояния прямо перед тем, как заканчивается такт выпуска (например, в пределах 10 градусов до ВМТ), поддерживаться открытым на протяжении такта впуска и может полностью закрываться на или прямо после начала такта сжатия (например, в пределах 10 градусов после НМТ). Поэтому, CIV и впускные клапаны, как показано на фиг. 3, могут иметь фазу положительного перекрытия (например, от в предела 10 градусов до ВМТ до 30 градусов после ВМТ), чтобы предоставлять возможность продувки с EGR. Этот цикл, в котором все пять клапанов являются действующими, может повторяться сам по себе на основании условий эксплуатации двигателя.
Кроме того, первый выпускной клапан может полностью закрываться и поддерживаться закрытым значительно раньше того, как полностью открывается CIV, наряду с тем, что второй выпускной клапан может полностью закрываться прямо после того, как открывается CIV. Кроме того, первый и второй выпускные клапаны могут перекрываться друг с другом, второй выпускной клапан и CIV могут минимально перекрываться друг с другом, но первый выпускной клапан может не перекрываться с CIV.
Как упомянуто раньше, CIV может быть действующим, когда MAP находится выше, чем давление на входе компрессора. Однако, когда MAP находится ниже, чем давление на входе компрессора, CIV может деактивироваться и поддерживаться закрытым до тех пор, пока MAP не находится выше, чем давление на входе компрессора. Более точно, CIV может закрываться, если открыт, или поддерживаться закрытым для предотвращения обратного потока воздуха из впуска двигателя через цилиндр во впускной коллектор. Здесь, установка фаз распределения первого выпускного клапана может быть такой же, как первая установка фаз, как изображено на кривой 308 по фиг. 3: с открыванием прямо перед НМТ, когда начинается такт выпуска и с закрыванием значительно раньше конца ВМТ такта выпуска. Однако, второй выпускной клапан может открываться приблизительно на полпути на протяжении такта выпуска (кривая 310b) до прямо после конца такта выпуска (например, через 10 градусов после ВМТ), чтобы опустошать цилиндр от его отработавших газов. Второй выпускной клапан может полностью закрываться на или прямо после того, как заканчивается такт выпуска, и положительное перекрытие клапанов может не происходить между вторым выпускным клапаном и впускными клапанами, чтобы избегать продувки.
По существу, установки фаз распределения второго выпускного клапана могут меняться на основании активации и деактивации CIV. Когда MAP находится выше, чем давление на входе компрессора, а CIV является действующим на протяжении цикла сгорания, второй выпускной клапан может открываться приблизительно на полпути по такту выпуска, а закрываться значительно раньше конца такта выпуска (кривая 310a). В одном из примеров, второй выпускной клапан может открываться приблизительно на 80 градусов позже НМТ, а закрываться в пределах 20 градусов до ВМТ. Когда MAP находится ниже, чем давление на входе компрессора, и CIV выведен из работы и поддерживается закрытым, второй выпускной клапан может открываться приблизительно на полпути на протяжении такта выпуска и полностью закрываться, когда заканчивается такт выпуска на или прямо после ВМТ (кривая 310b). Например, второй выпускной клапан может открываться приблизительно через 90 градусов после НМТ и может закрываться в пределах 10 градусов после ВМТ. В примере, показанном на фиг. 3 для второго выпускного клапана, кривые 310a и 310b могут иметь одинаковую длительность D3. В других примерах, длительности могут меняться наряду с фазированием второго выпускного клапана.
Дополнительно, первый выпускной клапан может открываться на первой установке фазы с первой величиной подъема L2 клапана наряду с тем, что второй выпускной клапан может открываться с второй величиной подъема L3 клапана (кривая 310a), и CIV может открываться с третьей величиной подъема L5 клапана. Кроме того еще, первый выпускной клапан может открываться на первой установке фазы на длительность D2 наряду с тем, что второй выпускной клапан может открываться на длительность D3, а CIV может открываться на длительность D5. Будет принято во внимание, что, в альтернативных вариантах осуществления, два выпускных клапана могут иметь одинаковую величину подъема и/или одинаковую длительность открывания наряду с открыванием с по-разному фазированными установками фаз распределения.
Таким образом, посредством использования разнесенных установок фаз клапанного распределения, коэффициент полезного действия и мощность двигателя могут повышаться посредством разделения отработавших газов, выпускаемых под более высоким давлением (например, расширяющихся сбросных отработавших газов в цилиндре), от остаточных отработавших газов под низким давлением (например, отработавших газов, которые остаются в цилиндре после сброса) по разным каналам. Посредством передачи остаточных отработавших газов низкого давления в качестве EGR наряду с продувочным воздухом на вход компрессора, температуры камеры сгорания могут понижаться, тем самым, уменьшая детонацию и запаздывание искрового зажигания от максимального крутящего момента. Кроме того, поскольку отработавшие газы в конце такта направляются ниже по потоку от турбины или выше по потоку от компрессора, оба которых находятся под более низкими давлениями, насосные потери на отработавших газах могут минимизироваться для улучшения коэффициента полезного действия двигателя.
Таким образом, отработавшие газы могут использоваться более эффективно, чем просто направление всех отработавших газов цилиндра через одиночное общее выпускное отверстие на турбину турбонагнетателя. По существу, могут достигаться несколько преимуществ. Например, среднее давление отработавших газов, подаваемое в турбонагнетатель, может повышаться посредством отделения и направления сбросного импульса на вход турбины, чтобы улучшать отдачу турбонагнетателя. Дополнительно, экономия топлива может улучшаться, так как продувочный воздух не направляется в каталитический нейтрализатор, будучи, взамен, направляемым на вход компрессора, а потому, избыточное топливо может не впрыскиваться в отработавшие газы для поддержания стехиометрического соотношения.
Далее, с обращением к фиг. 4, показана примерная процедура 400 для эксплуатации входного клапана компрессора (CIV) и двух выпускных клапанов согласно условиям двигателя. Более точно, процедура может определять разные положения клапанов на основании условий эксплуатации двигателя, в том числе, стабильности сгорания, предельных ограничений двигателя и переходных процессов среди других условий. Кроме того, клапаны эксплуатируются, как пояснено ниже, в продолжении одного или более циклов сгорания в течение длительности определенного состояния двигателя.
На 402, могут оцениваться и/или измеряться условия эксплуатации двигателя. Например, они могут включать в себя температуру и давление окружающей среды, температуру двигателя, число оборотов двигателя, частоту вращения коленчатого вала, состояние заряда аккумуляторной батареи, имеющееся в наличии топливо, температуру каталитического нейтрализатора, требуемый водителем крутящий момент, и т.д. На 404, на основании оцененных условий эксплуатации двигателя, могут определяться функционирование и режим работы всех клапанов. Например, в условиях установившегося состояния, CIV может эксплуатироваться во время цикла сгорания двигателя, чтобы давать возможность продувки, уменьшать насосные потери на отработавших газах и улучшать крутящий момент.
На 406, может определяться, присутствуют ли условия запуска двигателя. Запуск двигателя может включать в себя проворачивание коленчатого вала двигателя из состояния покоя с помощью электродвигателя, такого как стартерный электродвигатель. Если присутствуют условия запуска двигателя, на 408, CIV и первый выпускной клапан выводятся из работы и поддерживаются закрытыми, в то время как вся порция отработавших газов подается в устройство снижения токсичности выбросов через второй выпускной клапан. Для конкретизации, во время цикла сгорания в условиях запуска двигателя, второй выпускной клапан может быть полностью открыт прямо перед тем, как начинается такт выпуска, и может полностью закрываться в начале такта впуска. Во время холодного запуска, раскаленные отработавшие газы могут содействовать доведению устройства снижения токсичности выбросов до температуры розжига. Во время горячего запуска, начальные выбросы могут очищаться устройством снижения токсичности выбросов, которое достигло температуры розжига.
На 410, может определяться, ожидается ли нажатие педали акселератора. Для того чтобы ускорять раскручивание турбины системы выпуска в системе с турбонаддувом при подготовке к нажатию педали акселератора, первый выпускной клапан может активироваться в дополнение к второму выпускному клапану, чтобы направлять сбросную порцию отработавших газов в турбину. Более точно, первый выпускной клапан может открываться наравне с тем, когда начинается такт выпуска, а закрываться значительно раньше конца такта выпуск, чтобы нацеливать сбросной импульс на турбину. Второй выпускной клапан может открываться приблизительно на полпути на протяжении такта выпуска, а закрываться значительно раньше конца такта выпуска, чтобы канализировать очистную порцию отработавших газов в устройство снижения токсичности выбросов.
Если нажатие педали акселератора подтверждено, на 412, процедура может определять, является ли давление воздуха в коллекторе (MAP) более высоким, чем давление на входе турбокомпрессора. Если MAP подтверждено более высоким, CIV может вводиться в действие, на 414, чтобы открываться ближе к концу такта выпуска для предоставления EGR и продувочному воздуху возможности передаваться на вход компрессора.
Если MAP находится ниже, чем давление на входе компрессора, CIV может закрываться или поддерживаться закрытым и деактивироваться для предотвращения обратного потока воздуха. Например, в дросселированных условиях, всасываемому воздуху может требоваться течь из выше по потоку от компрессора во впускной коллектор через камеру сгорания. Для предотвращения этого обратного потока, CIV может быть выведен из работы и закрыт наряду с тем, что второй выпускной клапан может открываться приблизительно на полпути на протяжении такта выпуска и закрываться в или прямо после начала такта впуска.
На 418, может определяться, есть ли какое-нибудь указание детонации в двигателе. Если подтверждено наличие детонации в двигателе, на 420, процедура включает в себя приведение в действие CIV, чтобы давать возможность EGR и продувки, которые могут понижать температуры камеры сгорания. Более точно, CIV может открываться ближе к концу такта выпуска и закрываться значительно позже начала такта впуска. Как описано ранее, два выпускных клапана могут эксплуатироваться, чтобы направлять сбросную и очистную порции, соответственно, в турбину и устройство снижения токсичности выбросов. Детонация в двигателе может быть обусловлена событием аномального сгорания, происходящим в цилиндре после события искрового зажигания у цилиндра. Чтобы содействовать стабильности сгорания, дополнительное топливо может впрыскиваться в продувочный воздух для обогащения газов EGR. Посредством впрыска топлива для обогащения EGR, детонация в двигателе может подавляться без использования запаздывания искрового зажигания, тем самым, улучшая крутящий момент двигателя.
Затем, на 422, может определяться, удовлетворены ли условия перекрытия топлива при замедлении (DFSO) или отпускания педали акселератора. Событие DFSO может происходить в ответ на требование крутящего момента, находящееся ниже, чем пороговое значение, такое как во время отпускания педали акселератора. При нем, впрыск топлива в цилиндр может избирательно прекращаться. Если DFSO или отпускание педали акселератора подтверждены, то, на 424, CIV может деактивироваться и закрываться или поддерживаться закрытым, чтобы уменьшать количество остаточных газов, подаваемых на впуск двигателя во время замедления. Более точно, CIV закрывается и/или поддерживается зарытым во время всех циклов сгорания до тех пор, пока длится DFSO или отпускание педали акселератора. Кроме того, отработавшие газы могут канализироваться в качестве двух порций: одной более ранней сбросной порции через первый выпускной клапан и второй очистной порции через второй выпускной клапан. Регулировки двигателя могут настраиваться, чтобы доводить до максимума реакции крутящего момента двигателя после выхода из DFSO. Например, дроссель может позиционироваться, с тем чтобы предоставлять возможность для наилучшей переходной характеристики при нажатии педали акселератора.
Если никакие из условий двигателя, описанных выше, не присутствуют, на 426, клапаны могут приводиться в действие на основании условий установившегося состояния. В одном из примеров, во время условий установившегося состояния, если MAP находится выше, чем давление на входе компрессора, CIV может активироваться и открываться ближе к концу такта выпуска, а закрываться значительно позднее начала такта впуска, подобно этапу 414. В еще одном примере, если MAP находится ниже, чем давление на входе компрессора, CIV может деактивироваться и поддерживаться закрытым, как на этапе 416. Два выпускных клапана могут эксплуатироваться, как описано ранее: если CIV является действующим во время цикла сгорания, оба выпускных клапана закрываются значительно раньше конца такта выпуска. Если CIV является недействующим, сбросная порция отработавших газов продолжает подаваться в турбину через первый выпускной клапан наряду с тем, что второй выпускной клапан выпускает оставшиеся отработавшие газы в устройство снижения токсичности выбросов. В материалах настоящей заявки, продувка и EGR могут не канализироваться на вход компрессора. В еще одном другом примере, в условиях неустановившегося состояния, работа клапанов может модифицироваться и адаптироваться под существующие условия.
Различные примеры условий двигателя и результирующих настроек клапана далее конкретизированы со ссылкой на фиг. 5. Более точно, таблица 500 перечисляет примерные комбинации выпуска отработавших газов цилиндра по трем отдельным каналам, содержащим первый выпускной канал через первый выпускной клапан, ведущий на вход турбины в системе выпуска, второй канал через второй выпускной клапан, ведущий в устройство снижения токсичности выбросов, и третий канал из входного клапана компрессора выше по потоку от турбокомпрессора. По существу, три порции отработавших газов могут выбрасываться в отдельности и в разные моменты времени в пределах одного и того же цикла сгорания двигателя, как конкретизировано ранее со ссылкой на фиг. 3. Кроме того, во время всех условий, описанных ниже, впускные клапаны являются действующими, как описано со ссылкой на фиг. 3. Оба впускных клапана могут открываться полностью в начале такта впуска (например, на или прямо перед ВМТ такта выпуска) и полностью закрываться в конце такта впуска (например, на или прямо после НМТ такта впуска).
Во время состояния запуска двигателя, CIV и первый выпускной клапан могут деактивироваться и поддерживаться закрытыми наряду с тем, что второй выпускной клапан является действующим и открыт на протяжении всего такта выпуска (например, от прямо перед НМТ конца рабочего такта до прямо после ВМТ конца такта выпуска), тем самым, все отработавшие газы направляются в устройство снижения токсичности выбросов. Поэтому, в то время как двигатель запускается из состояния покоя или остановки, ни турбина, ни вход компрессора не принимают никаких порций отработавших газов. Кроме того, продувка может предотвращаться посредством минимизации положительного перекрытия клапанов между вторым выпускным клапаном и одним или более впускных клапанов для избегания переноса бедных отработавших газов в устройство снижения токсичности выбросов.
Во время нажатия педали акселератора, оба выпускных клапана могут активироваться и быть действующими. Сбросная порция отработавших газов может направляться в турбину посредством открывания первого выпускного клапана прямо перед НМТ конца рабочего такта и закрывания его перед концом такта выпуска. Вторая порция отработавших газов после сброса может подаваться в устройство снижения токсичности выбросов посредством открывания второго выпускного клапана приблизительно на полпути в течение такта выпуска. Оба выпускных клапана могут закрываться раньше ВМТ конца такта выпуска. Заключительная порция отработавших газов низкого давления (LP-EGR), объединенная со свежим продувочным воздухом, может передаваться на вход турбокомпрессора посредством приведения в действие CIV для открывания ближе к концу такта выпуска и посредством поддержания положительного перекрытия клапанов с одним или более впускных клапанов во время такта впуска. CIV может закрываться значительно позже начала такта впуска, например, значительно позже ВМТ. Таким образом, турбина в системе выпуска может раскручиваться для нажатия педали акселератора энергией, регенерированной из сбросного импульса отработавших газов наряду с тем, что детонация и другие нестабильности сгорания могут снижаться рециркуляцией LP-EGR и продувкой через вход компрессора. Работа CIV может зависеть от MAP. CIV может открываться во время цикла сгорания, исключительно когда давление воздуха в коллекторе является более высоким, чем давление на входе компрессора, чтобы давать возможность потока свежего всасываемого воздуха через цилиндр и CIV для переноса остаточных отработавших газов низкого давления на вход компрессора.
Когда двигатель является работающим в дросселированных условиях, давление воздуха в коллекторе может быть ниже, чем давление на входе компрессора. Поэтому, CIV может деактивироваться и поддерживаться закрытым во время цикла наряду с тем, что два выпускных клапана являются действующими, чтобы выпускать подвергнутые сгоранию газы из цилиндра. Сбросной импульс из отработавших газов может направляться в турбину турбонагнетателя наряду с тем, что очистная порция отработавших газов может передаваться в устройство снижения токсичности выбросов. Первый выпускной клапан может открываться прямо после того, как начинается такт выпуска, и может закрываться значительно позже того, как заканчивается такт выпуска. Второй выпускной клапан может открываться приблизительно на полпути на протяжении такта выпуска и закрываться на ВМТ или прямо после окончания такта выпуска за ВМТ.
Во время условий нестабильного сгорания, когда может присутствовать детонация в двигателе, CIV может активироваться и открываться ближе к концу такта выпуска, и может полностью закрываться значительно позже того, как инициирован такт выпуска, чтобы предоставлять возможность для EGR и продувки. Дополнительно, добавочное топливо может впрыскиваться в продувочный воздух, чтобы делать EGR богаче и улучшать стабильность сгорания. Таким образом, CIV может передавать смесь несгоревшего топлива, отработавшие газы низкого давления (в качестве LP-EGR) и продувочный воздух на вход компрессора для рециркуляции в цилиндр. Два выпускных клапана эксплуатируются подобно описанному для состояния нажатия педали акселератора и могут быть открыты в течение части такта выпуска, а закрываться значительно позже конца такта выпуска.
Во время состояния отпускания педали акселератора, по мере того, как двигатель выключается, CIV может деактивироваться и поддерживаться закрытым, чтобы предотвращать течение EGR через двигатель. Два выпускных клапана являются действующими, в силу чего, первая порция отработавших газов выпускается через первый выпускной клапан в турбину наряду с тем, что оставшаяся порция отработавших газов выпускается через второй выпускной клапан в устройство снижения токсичности выбросов. Первый выпускной клапан открывается на или прямо перед концом рабочего такта и закрывается значительно раньше конца такта выпуска. Второй выпускной клапан открывается на полпути на протяжении такта выпуска и закрывается прямо после того, как начинается такт впуска.
Таким образом, входной клапан компрессора может использоваться с разделенной системой выпуска для улучшения стабильности сгорания наряду с сохранением крутящего момента двигателя. Посредством осуществления потока смеси отработавших газов низкого давления и свежего продувочного воздуха через цилиндр, температуры сгорания могут понижаться, тем самым, ослабляя детонацию. Поскольку LP-EGR и продувочный воздух направляются на вход компрессора с низким давлением, а не на вход турбины с высоким давлением, насосные потери на отработавших газах снижаются, не требуется дроссель EGR для втягивания отработавших газов во вход компрессора, и продувка не ограничена низкими числами оборотов двигателя. Дополнительно, экономия топлива может улучшаться, поскольку продувочный воздух направляется в компрессор и не оказывает влияния на стехиометрическое соотношение отработавших газов, поступающих в устройство снижения токсичности выбросов. В общем и целом, крутящий момент двигателя усиливается посредством использования продувки и EGR для подавления детонации и уменьшения зависимости от использования запаздывания зажигания для борьбы с детонацией.
Несмотря на то, что вышеприведенные примеры могут включать в себя два выпускных клапана на каждый цилиндр и третий входной клапан компрессора для выпуска отработавших газов из цилиндра, другое представление может включать в себя системы с в точности одним выпускным клапаном и одним входным клапаном компрессора (CIV) на каждый цилиндр, по меньшей мере для некоторых цилиндров и, потенциально, для всех цилиндров. CIV может называться «вторым выпускным клапаном» в этом представлении. Эта конфигурация может использовать различные способы и компоненты, описанные выше в материалах настоящей заявки, с выпускным клапаном, присоединенным к входу турбины через первый канал, и CIV, присоединенным к входу компрессора через второй канал.
Со ссылкой на фиг. 1, цилиндр 20 может включать в себя первый выпускной клапан 122, присоединенный через коллектор 55 и трубку 160 к входу турбины 92 турбонагнетателя 190, и входной клапан 112 компрессора, присоединенный к входу компрессора 94 через коллектор 59 и трубку 164. Кроме того, цилиндр 20 может не включать в себя выпускной клапан 132. Таким образом, все отработавшие газы могут выпускаться из цилиндра 20 через выпускной клапан 122 и выходной клапан 112 компрессора, причем, большая порция газов выходит через выпускной клапан 122, и меньшая порция отработавших газов выходит через выходной клапан 112 компрессора. Отработавшие газы, покидающие цилиндр 20 через входной клапан 112 компрессора, могут объединяться со свежим продувочным воздухом из впускного коллектора 27.
Один из примерных способов работы может включать в себя эксплуатацию двигателя с турбонагнетателем в режиме работы с наддувом, с компрессором в системе впуска, сжимающим всасываемый воздух перед подачей его через впускные клапаны в цилиндр с непосредственным впрыском. Способ может включать в себя подачу первой порции отработавших газов из цилиндра на вход турбины турбонагнетателя за первый выпускной клапан, первый выпускной клапан имеет более раннюю установку фаз открывания и закрывания (относительно входного клапана компрессора) без положительного перекрывания клапанов с одним или более впускных клапанов. Дополнительно, способ включает в себя, одновременно в том же цикле сгорания, что и подача первой порции, подачу комбинации EGR и продувочного воздуха из цилиндра на вход компрессора турбонагнетателя за входной клапан компрессора цилиндра, имеющий более позднюю установку фаз открывания и закрывания (относительно первого выпускного клапана) и с положительным перекрытием клапанов с одним или более впускных клапанов.
Это примерное представление дополнительно может включать в себя активацию и открывание входного клапана компрессора, чтобы осуществлять поток отработавших газов только выше по потоку от компрессора в пределах цикла двигателя исключительно во время условий, где давление воздуха во впускном коллекторе находится выше, чем давление воздуха на входе компрессора. Кроме того, входной клапан компрессора может деактивироваться и поддерживаться закрытым на всем протяжении цикла двигателя, когда давление во впускном коллекторе находится ниже, чем давление на входе компрессора. В этом случае, все отработавшие газы могут выпускаться из цилиндра через первый выпускной канал.
Отметим, что примерные процедуры управления и оценки, включенные в материалы настоящей заявки, могут использоваться с различными конфигурациями систем двигателя и/или транспортного средства. Способы и процедуры управления, раскрытые в материалах настоящей заявки, могут храниться в качестве исполняемых команд в постоянной памяти. Специфичные процедуры, описанные в материалах настоящей заявки, могут представлять собой одну или более из любого количества стратегий обработки, таких как управляемая событиями, управляемая прерыванием, многозадачная, многопоточная, и тому подобная. По существу, проиллюстрированные различные действия, операции и/или функции могут выполняться в проиллюстрированной последовательности, параллельно, или в некоторых случаях пропускаться. Подобным образом, порядок обработки не обязательно требуется для достижения признаков и преимуществ примерных вариантов осуществления, описанных в материалах настоящей заявки, но приведен для облегчения иллюстрации и описания. Одно или более из проиллюстрированных действий, операций и/или функций могут выполняться неоднократно, в зависимости от конкретной используемой стратегии. Кроме того, описанные действия, операции и/или функции могут графически представлять управляющую программу, которая должна быть запрограммирована в постоянную память машинно-читаемого запоминающего носителя в системе управления двигателем.
Будет принято во внимание, что конфигурации и процедуры, раскрытые в материалах настоящей заявки, являются примерными по природе, и что эти специфичные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Например, вышеприведенная технология может быть применена к типам двигателя V6, I-4, I-6, V-12, оппозитному 4-цилиндровому и другим типам двигателя. Предмет настоящего раскрытия включает в себя все новейшие и не очевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящей заявки.
Последующая формула изобретения подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных. Эти пункты формулы изобретения могут указывать ссылкой на элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Должно быть понятно, что такие пункты формулы изобретения включают в себя объединение одного или более таких элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены формулой изобретения посредством изменения настоящей формулы изобретения или представления новой формулы изобретения в этой или родственной заявке. Такая формула изобретения, более широкая, более узкая, равная или отличная по объему по отношению к исходной формуле изобретения, также рассматривается в качестве включенной в предмет изобретения настоящего раскрытия.