СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ САЖЕВОГО ФИЛЬТРА
METHOD AND SYSTEM FOR RECOVERY OF PARTICULATE FILTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации двигателя с искровым зажиганием, содержащего сажевый фильтр, расположенный в выхлопной системе.
Уровень техники
Бензиновые двигатели с прямым впрыском могут обеспечивать увеличение коэффициента полезного действия двигателя. Прямое впрыскивание топлива в цилиндр может уменьшить температуру в цилиндре, в результате чего в цилиндр может быть втянуто больше воздуха и топлива. При этом при высоких частоте вращения и нагрузке двигателя воздушно-топливная смесь внутри цилиндра в момент зажигания может не полностью находиться в газовой фазе, так как в этих условиях для смешивания воздуха с топливом имеется меньше времени. Следовательно, часть впрыснутого топлива может быть не полностью окислена, из-за чего внутри цилиндра образуется углеродистая сажа. После выброса сажи из двигателя она может быть задержана в сажевом фильтре для последующего окисления; при этом инициирование регенерации в сажевом фильтре может быть связано с рядом сложностей. Единственный возможный способ инициирования регенерации (например, для уменьшения количества сажи в сажевом фильтре) сажевого фильтра предполагает обеспечение запаздывания зажигания в двигателе для увеличения температуры в выпускном канале цилиндра. Однако достижение температуры в выпускном канале, которая необходима для регенерации сажевого фильтра, может занять большее время.
Раскрытие изобретения
Для преодоления вышеуказанных недостатков был разработан способ эксплуатации двигателя, в котором обеспечивают подачу искры для сжигания воздушно-топливной смеси в двигателе; накапливают частицы, образовавшиеся при сжигании воздушно-топливной смеси, в сажевом фильтре; а когда нагрузка двигателя меньше порогового значения, а также при отпускании педали газа (при выпуске), обеспечивают регенерацию фильтра путем прекращения подачи искры в один или более цилиндров и подачи топлива в эти цилиндры.
За счет прекращения или приостановки подачи искры в один или более цилиндров, топливо может быть подано в цилиндры, чтобы пройти в выхлопную систему, где оно может быть окислено ближе к сажевому фильтру. В одном примере подача топлива в цилиндр, где отложена подача искры, может увеличить температуру трехкомпонентного нейтрализатора, расположенного выше по потоку сажевого фильтра, за счет чего тепло может быть передано от трехкомпонентного нейтрализатора к сажевому фильтру. Таким образом, восстановление сажевого фильтра может быть начато при условиях низкой нагрузки двигателя. Например, при замедлении автомобиля после выпуска (например, при отпускании педали газа или при уменьшении требуемого крутящего момента двигателя) подача искры в цилиндр может быть задержана, в то время как двигатель продолжает вращаться за счет крутящего момента, передаваемого колесами автомобиля. Топливо может быть вспрыснуто в цилиндры, когда подача искры в них задержана, а затем, вскоре после этого, топливо может быть выпущено в трехкомпонентный нейтрализатор выхлопной системы. Тепло от окисления приводит к нагреванию сажевого фильтра, и находящаяся в фильтре сажа может быть окислена.
Представленный способ имеет ряд преимуществ. В частности, он позволяет использовать топливо для более эффективной регенерации сажевого фильтра. Кроме того, может быть обеспечено улучшение химического состава выхлопных газов после регенерации сажевого фильтра за счет улучшения происходящих в нейтрализаторе химических процессов. Кроме того, способ позволяет обеспечить предоставить лучшие возможности для проведения регенерации сажевого фильтра.
Вышеуказанные преимущества и другие преимущества и характеристики изобретения станут очевидны из нижеприведенного подробного описания, при рассмотрении по отдельности или в сочетании с прилагаемыми чертежами.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое изложение сущности изобретения представлено для описания в упрощенной форме ряда выбранных концепций, дальнейшее изложение которых приводится ниже в подробном описании. Краткое раскрытие сущности изобретения не направлено на определение основных или существенных характеристик заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определяется формулой изобретения. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивается вариантами реализации изобретения, устраняющими какой-либо из недостатков, указанных выше или в любой части данного описания.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлено схематичное изображение двигателя;
На Фиг.2 представлен пример возможного использования двигателя и последовательность обработки выхлопных газов;
На Фиг.3 и 4 представлена блок-схема примера способа эксплуатации двигателя;
На Фиг.5 представлена схема примерного автомобиля, в котором эксплуатируется двигатель с Фиг.1.
Осуществление изобретения
Двигатель и выхлопная система, показанные на Фиг.1, могут быть использованы для выполнения последовательности операций, проиллюстрированной на Фиг.2 с помощью процедуры, показанной на Фиг.3 и 4. Представленный способ включает в себя режимы для регенерации сажевого фильтра при более высоких и более низких нагрузках двигателя. В одном примере сажевый фильтр может быть регенерирован во время движении автомобиля по инерции, или при замедлении от более высокой к более низкой скорости движения. Двигатель может эксплуатироваться в автомобиле, показанном на Фиг.5.
На Фиг.1 показана схема двигателя 10 внутреннего сгорания, содержащего несколько цилиндров, один из которых представлен на Фиг.1, и который управляется электронным контроллером 12 двигателя. Двигатель 10 содержит камеру 30 сгорания и стенки 32 цилиндра с поршнем 36, размещенным в них и соединенным с коленчатым валом 40. Камера 30 сгорания показана сообщающейся с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Каждый впускной и выпускной клапан может быть приведен в действие впускным кулачком 51 и выпускным кулачком 53. Положение впускного кулачка 51 может быть определено датчиком 55 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 53 может быть определено датчиком 57 выпускного кулачка.
Топливная форсунка 66 показана расположенной таким образом, чтобы впрыскивать топливо непосредственно в камеру сгорания 30, что известно специалистам в данной области как «прямой (непосредственный) впрыск». Альтернативно, топливо может впрыскиваться во впускные каналы, что известно специалистам как «впрыск во впускные каналы». Топливная форсунка 66 поставляет топливо пропорционально ширине импульса сигнала (FPW) от контроллера 12. Топливо подается к топливной форсунке 66 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу (не показаны).
Воздух подается во впускной коллектор 44 компрессором 162. Выхлопные газы вращают турбину 164, которая соединена с валом 161, тем самым приводя в действие компрессор 162. В некоторых примерах также предусмотрен перепускной канал, так что выхлопные газы могут при определенных условиях обходить турбину 164. Также в некоторых примерах может быть предусмотрен перепускной канал компрессора, для ограничения давления, создаваемого компрессором 162. Кроме того, впускной коллектор 44 показан соединенным с центральным дросселем 62, которая регулирует положение дроссельной заслонки 64 для регулирования потока воздуха, идущего от воздухозаборника 42 двигателя. Центральный дроссель 62 может иметь электропривод.
Бесконтактная система 88 зажигания обеспечивает искру зажигания в камере 30 сгорания с помощью свечи 92 зажигания под управлением контроллера 12. Универсальный кислородный датчик 126 (UEGO) показан соединенным с выхлопным коллектором 48 выше по потоку каталитического конвертера 70. Кроме того, бистабильный датчик содержания кислорода в отработавших газах может быть заменен универсальным кислородным датчиком 126 (UEGO).
Согласно одному из примеров, конвертер 70 может содержать ряд блоков катализаторов. В других примерах могут использоваться устройства для снижения токсичности выхлопа, каждое из которых содержит ряд блоков. Конвертер 70 может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором. Сажевый фильтр 71 расположен ниже по потоку нейтрализатора 70. Второй датчик 125 UEGO расположен ниже по потоку нейтрализатора 70, чтобы предоставлять данные о накопленном в нейтрализаторе 70 кислороде.
Контроллер 12 показан на Фиг.1 как традиционный микрокомпьютер, содержащий: микропроцессорный блок 102 (CPU), порты 104 ввода и вывода (I/O), постоянное запоминающее устройство 106 (ROM), оперативную память 108 (RAM), оперативную энергонезависимую память 110 (КАМ) и обычную шину данных. Контроллер 12 показан получающим различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10. Помимо описанных выше сигналов, контроллер также получает следующие данные: о температуре охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) от датчика 112 температуры, соединенного с каналом 114 охлаждения; от датчика положения 134, соединенного с педалью газа 130, для измерения силы нажатия ногой 132; измерения давления в коллекторе двигателя (MAP) от датчика давления 122, соединенного с впускным коллектором 44; о фазе двигателя с датчика 118 на эффекте Холла, считывающего положение коленчатого вала 40; показания датчика 120 воздушной массы, поступающей в двигатель (например, теплового измерителя воздушного потока); и показания положения дросселя от датчика 58. Также для обработки контроллером 12 может быть измерено барометрическое давление (датчик не показан). Контроллер 12 также селективно обеспечивает подачу тока на нагреватель 93 термостата. Согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения, датчик 118 на эффекте Холла производит заранее установленное количество равномерных импульсов в каждый цикл коленчатого вала, на основании которых может быть определена скорость вращения двигателя (RPM).
В некоторых примерах двигатель может быть соединен с электромотором/батареей, как например, в гибридных автомобилях. Автомобиль с гибридным приводом может иметь параллельную и последовательную конфигурации, а также их комбинации и вариации. Кроме того, в некоторых вариантах можно использовать другие конфигурации двигателя, например, дизельный двигатель.
Во время работы каждый цилиндр в двигателе 10 обычно проходит 4 рабочих цикла: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Во время впуска обычно выпускной клапан 54 закрывается, а впускной клапан 52 открывается. Воздух поступает в камеру сгорания 30 через впускной коллектор 44, а поршень 36 двигается по направлению к дну цилиндра так, чтобы увеличить объем внутри камеры сгорания 30. Положение, в котором поршень 36 находится рядом с дном цилиндра и в конце своего хода (т.е. когда камера сгорания 30 имеет наибольший объем) обычно называется специалистами в данной области нижней мертвой точкой (НМТ). Во время хода сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 двигается по направлению к головке цилиндров, чтобы сжать воздух внутри камеры сгорания 30. Точка, в которой поршень 36 находится в конце своего хода и наиболее близко к головке цилиндров (т.е. когда камера сгорания имеет наименьший объем) обычно называется специалистами в данной области верхней мертвой точкой (ВМТ). В процессе, здесь и далее обозначаемом «впрыскивание», топливо поступает в камеру сгорания. В процессе, здесь и далее обозначаемом «зажигание», впрыснутое топливо воспламеняют с помощью известных способов зажигания, таких как свеча 92 зажигания, что приводит к сгоранию. Во время рабочего хода расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно к НМТ. Коленчатый вал 40 превращает движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время хода выпуска, выпускной клапан 54 открывается, чтобы выпустить воспламененную смесь воздуха и топлива в выпускной коллектор 48, а поршень возвращается к ВМТ. Можно отметить, что вышеизложенное приведено только в качестве примера, и распределение по времени открывания и/или закрывания впускного и выпускного клапанов может меняться так, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрывание впускного клапана или различные другие варианты.
Таким образом, система на Фиг.1 включает в себя: двигатель, систему зажигания, подающую искру в двигатель; сажевый фильтр выхлопной системы двигателя; и контроллер, содержащий хранящиеся в постоянной памяти команды на запаздывание моментов зажигания в двигателе и увеличения меняющейся со временем амплитуды отношения компонентов воздушно-топливной смеси для регенерации сажевого фильтра в первом режиме, и команды на прекращение подачи искры для регенерации сажевого фильтра во втором режиме. Система также включает в себя дополнительные команды для дополнительного запаздывания моментов зажигания, когда состав воздушно-топливной смеси является обедненным в первом режиме.
В одном примере данная система также включает в себя трехкомпонентный нейтрализатор и дополнительные команды контроллера для регулирования количества кислорода, накапливаемого в трехкомпонентном нейтрализаторе, в зависимости от этапа проведения регенерации сажевого фильтра. Система также включает в себя дополнительные команды контроллера на подачу топлива в цилиндр во время хода выпуска при повышении запрашиваемой нагрузки двигателя во втором режиме. Система также включает в себя дополнительные команды контроллера на обеднение состава воздушно-топливной смеси двигателя в обедненном состоянии нейтрализатора при повышении запрашиваемой нагрузки двигателя во втором режиме. Система также предусматривает изменение меняющейся со временем амплитуды соотношения компонентов в воздушно-топливной смеси между обогащенным и обедненным состояниями.
На Фиг.2 показан пример предполагаемого использования двигателя и последовательность операций выхлопной системы. Данная последовательность может быть выполнена системой, показанной на Фиг.1, путем выполнения команд процедуры, представленной на Фиг.3 и 4. Вертикальные отметки показывают особые представляющие интерес моменты времени в данной последовательности операций.
3
4
3
4
Первый сверху график на Фиг.2 представляет собой график зависимости температуры сажевого фильтра от времени. По оси X отложено время, а по оси Y - температура сажевого фильтра. Время увеличивается слева направо, а температура сажевого фильтра увеличивается в направлении, указанном стрелкой на оси Y. Кривая 306 показывает изменение температуры сажевого фильтра в соответствии со способом с Фиг.3 и 4. Кривая 308 сигнала показывает изменение температуры сажевого фильтра в условиях выпуска без использования способа с Фиг.3 и 4. Разрыв линии времени между моментом Т и моментом Т обозначен как SS. Промежуток времени между моментом Т и моментом Т может быть измерен в минутах или часах. Линии времени, остальных графиков также включают в себя разрыв линии времени. Кроме того, линии времени, проходящие через все графики, выровнены по времени.
Второй сверху график на Фиг.2 представляет собой график зависимости запрашиваемой нагрузки двигателя от времени. По оси X отложено время, а по оси Y - нагрузка двигателя. Запрашиваемая нагрузка двигателя может быть определена по положению педали 130 газа, показанной на Фиг.1. Время увеличивается слева направо, а запрашиваемая нагрузка двигателя увеличивается в направлении, указанном стрелкой на оси Y. Запрашиваемая нагрузка двигателя может быть охарактеризована как крутящий момент двигателя или, в некоторых примерах, как количество воздуха, подаваемое в двигатель.
Третий сверху график на Фиг.2 представляет собой график зависимости положения дроссельной заслонки двигателя от времени. По оси X отложено время, а по оси Y - положение дроссельной заслонки двигателя. Время увеличивается слева направо, а положение дроссельной заслонки увеличивается в направлении, указанном стрелкой на оси Y, что представляет собой увеличение степени открытия дроссельной заслонки.
Четвертый сверху график на Фиг.2 представляет собой график зависимости количества твердых частиц, накопленных в сажевом фильтре, расположенном ниже по потоку двигателя (например, 71 Фиг.1), от времени. По оси X отложено время, а по оси Y - количество твердых частиц, накопленных в сажевом фильтре. Количество твердых частиц может быть определено с помощью значений давления выхлопа выше по потоку и ниже по потоку относительно сажевого фильтра, что известно из данной области техники. Время увеличивается слева направо, а количество накопленных твердых частиц увеличивается в направлении, указанном стрелкой на оси Y. Горизонтальная отметка 302 представляет собой пороговый уровень твердых частиц, при котором желательно проводить регенерацию сажевого фильтра.
Пятый сверху график на Фиг.2 представляет собой график зависимости воздушно-топливного коэффициента двигателя от времени. Воздушно-топливная смесь в цилиндре может быть сожжена или не сожжена в двигателе, в зависимости от типа двигателя и режима работы с отработавшими газами. По оси X отложено время, а по оси Y - воздушно-топливный коэффициент двигателя. Время увеличивается слева направо, а воздушно-топливный коэффициент двигателя изменяется в сторону более обедненной смеси в направлении, указанном стрелкой на оси Y. Стехиометрическое соотношение компонентов воздушно-топливной смеси двигателя показано горизонтальной пунктирной линией 304.
Шестой сверху график на Фиг.2 представляет собой график зависимости опережения зажигания в двигателе от времени. По оси X отложено время, а по оси Y - опережение зажигания в двигателе. Время увеличивается слева направо, а установка моментов зажигания в двигателе изменяется в сторону опережения в направлении, указанном стрелкой на оси Y.
Седьмой сверху график на Фиг.2 представляет собой график зависимости состояния трехкомпонентного нейтрализатора от времени. В одном примере состояние трехкомпонентного нейтрализатора определяется на основании показаний кислородного датчика, расположенного на пути движения потока выхлопных газов ниже по потоку трехкомпонентного нейтрализатора (например, 125 на Фиг.1). Состояние трехкомпонентного нейтрализатора указывает на обогащенное состояние (например, на меньшее количество кислорода, хранимого внутри нейтрализатора) по направлению, указанному стрелкой на оси Y. Состояние трехкомпонентного нейтрализатора указывает на обеднение (например, когда большее количество кислорода накоплено внутри нейтрализатора), когда линия проходит рядом с осью X. По оси X отложено время, а по оси Y - состояние трехкомпонентного нейтрализатора. Время увеличивается слева направо.
Восьмой сверху график на Фиг.2 представляет собой график зависимости флага состояния регенерации сажевого фильтра от времени. По оси X отложено время, а по оси Y - состояние регенерации сажевого фильтра. Время увеличивается слева направо. Когда линия находится рядом с осью X, сажевый фильтр не регенерируется, а когда линия находится на максимальном удалении от оси X, сажевый фильтр регенерируется.
0
В момент времени Т уровень нагрузки двигателя является относительно высоким. Температура сажевого фильтра находится на среднем уровне. Дроссельная заслонка также открыта на большую величину. Количество твердых частиц, накопленных в сажевом фильтре, меньше порогового уровня 302, при котором желательно проводить восстановление сажевого фильтра. Воздушно-топливный коэффициент двигателя показан колеблющимся с малой амплитудой вокруг стехиометрического соотношения компонентов. Опережение зажигания находится на среднем уровне (например, опережение на 25 градусов относительно верхней мертвой точки на ходе сжатия). Состояние трехкомпонентного нейтрализатора является слегка обогащенным, указывая на наличие доступного места для накопления кислорода. Флаг состояния регенерации сажевого фильтра находится на нижнем уровне, указывая на то, что регенерации сажевого фильтра не происходит.
1
0
В момент времени T нагрузка двигателя и величина открытия дроссельной заслонки по-прежнему находятся на относительно высоком уровне, и они увеличились с момента времени Т. Количество твердых частиц, накопленных в сажевом фильтре, увеличилось до уровня 302, при котором желательно проводить регенерацию сажевого фильтра. При этом регенерация откладывается на небольшое время до того момента, когда возникнут подходящие условия. Воздушно-топливный коэффициент двигателя характеризует обогащенную смесь для поддержания температуры трехкомпонентного нейтрализатора, соединенного с двигателем, ниже порогового значения. Опережение зажигания поддерживается на относительно высоком уровне. Состояние трехкомпонентного нейтрализатора начинает сдвигаться в сторону более обогащенного состояния по мере того, как кислород, хранимый в нейтрализаторе, поглощается при сжигании углеводородов. Флаг состояния восстановления сажевого фильтра находится на нижнем уровне, указывая на то, что регенерации сажевого фильтра не происходит.
2
1
В момент времени Т нагрузка двигателя уменьшилась, как и величина открытия дроссельной заслонки. В данном примере дроссельная заслонка закрыта, поскольку осуществляется выпуск, который облегчает регенерацию сажевого фильтра. Таким образом, происходит переход от более высокой нагрузки двигателя к более низкой нагрузке двигателя, например, выпуск или отпускание педали газа. В одном примере такой переход наблюдается при замедлении автомобиля с использованием или без использования тормозов. Количество твердых частиц, хранимых внутри сажевого фильтра, немного увеличилось с момента времени Т. Воздушно-топливный коэффициент двигателя вскоре после начала перехода изменился в сторону более обедненного состава воздушно-топливной смеси, для увеличения температуры в трехкомпонентном нейтрализаторе, тем самым способствуя окислению твердых частиц в сажевом фильтре. Флаг состояния регенерации сажевого фильтра также переходит с нижнего уровня на высший уровень, обозначая начало регенерации сажевого фильтра. Вскоре после этого подача зажигания в один или более цилиндров прекращается. Например, может быть прекращена подача зажигания во все шесть цилиндров шестицилиндрового двигателя. В качестве альтернативы, может быть прекращена подача зажигания в три цилиндра, или в любую другую подгруппу цилиндров двигателя. Таким образом, когда прекращена подача зажигания, сгорание в цилиндрах прекращается. Положение дроссельной заслонки также показано как открытое на небольшую величину в ответ на проведение регенерации сажевого фильтра. Открытие дроссельной заслонки позволяет топливу, которое не было сожжено, достигнуть трехкомпонентного нейтрализатора, где оно может быть окислено для увеличения температуры трехкомпонентного нейтрализатора и сажевого фильтра. Амплитуда колебания воздушно-топливного коэффициента двигателя увеличилась для подачи дополнительного количества топлива и воздуха в трехкомпонентный нейтрализатор. Циклическая скорость изменения воздушно-топливного коэффициента может быть достаточно низкой для изменения состояния трехкомпонентного нейтрализатора, как показано на шестом сверху графике Фиг.2. Другими словами, скорость изменения воздушно-топливного коэффициента может быть достаточно низкой, чтобы вызвать проникновение воздуха и/или углеводородов в трехкомпонентный нейтрализатор. В качестве альтернативы, скорость изменения воздушно-топливного коэффициента может быть достаточно высокой для увеличения температуры трехкомпонентного нейтрализатора, которая не вызывает указанного проникновения. Двигатель продолжает вращаться за счет крутящего момента, передаваемого колесами автомобиля, так как инерционная сила автомобиля передается двигателю, поэтому двигатель может продолжать вращаться даже несмотря на то, что подача зажигания в один или более цилиндров двигателя прекращена.
2
3
2
3
Между моментом времени Т и моментом времени Т нагрузка двигателя остается низкой и происходит регулирование положения дроссельной заслонки для обеспечения желаемой скорости окисления внутри нейтрализатора и сажевого фильтра. Регулирование положения дроссельной заслонки в ответ на запрос водителя не происходит, так запроса нет. Если скорость окисления сажевого фильтра превышает желаемую, то дроссельная заслонка закрывается. Если скорость окисления сажевого фильтра меньше желаемой, то дроссельная заслонка может быть открыта. Воздушно-топливный коэффициент двигателя изменяется между обедненным и обогащенным состояниями. В некоторых примерах при изменении скорости окисления внутри сажевого фильтра отключается подача топлива в цилиндры двигателя, где нет зажигания, за счет чего топливо может быть сэкономлено. Например, когда температура сажевого фильтра достигает порогового значения, подача топлива в цилиндры, в которых нет зажигания, прекращается. Температура сажевого фильтра увеличивается между моментом времени Т и моментом времени Т. Когда способ по изобретению не используется, температура сажевого фильтра понижается.
3
3
В момент времени Т нагрузка двигателя все еще находится на низком уровне, а количество твердых частиц, накопленное в сажевом фильтре, достигает уровня, когда желательно прекратить регенерацию сажевого фильтра. Следовательно, регенерация сажевого фильтра прекращается, что указано переходом флага регенерации с высшего на низший уровень. Температура сажевого фильтра начинает уменьшаться. Подача искры в цилиндры двигателя, где подача зажигания была отключена, также возобновляется в момент времени Т. Амплитуда колебания воздушно-топливного коэффициента также уменьшается для повышения эффективности работы трехкомпонентного нейтрализатора. Состояние трехкомпонентного нейтрализатора также возвращается обратно на уровень между обогащенным и обедненным состояниями.
3
4
Между моментом времени Т и моментом времени Т количество твердых частиц, накопленное в сажевом фильтре, увеличивается, так как происходит сгорание топлива внутри двигателя. Твердые частицы могут накапливаться быстрее, когда двигатель работает при более высоких оборотах и нагрузке. Количество твердых частиц, накопленное в сажевом фильтре, значительно увеличивается в интервале разрыва временной линии.
4
В момент времени Т количество твердых частиц, накопленное в сажевом фильтре, достигает уровня 302, когда желательно проводить регенерацию сажевого фильтра. Двигатель работает при более высокой нагрузке двигателя, а дроссельная заслонка открыта на относительно большую величину. Флаг регенерации сажевого фильтра установлен на высший уровень для указания на то, что происходит регенерация сажевого фильтра. Для увеличения температуры сажевого фильтра зажигание установлено на запаздывание. Зажигания дополнительно задерживают, когда двигатель работает на обедненной смеси, для уменьшения выбросов оксидов азота (NOx). Запаздывание зажигания может быть скомпенсировано увеличением воздушного потока, идущего через двигатель, с помощью увеличения степени открывания дроссельной заслонки или моментов открытия или закрывания клапанов. Амплитуда колебания воздушно-топливного коэффициента двигателя между обогащенной и обедненной смесью также увеличивается по сравнению с условиями, когда сажевый фильтр не проходит регенерацию. После начала регенерации сажевого фильтра количество твердых частиц начинает уменьшаться.
Таким образом, регенерация сажевого фильтра может происходить в разное время при разных условиях работы. Регенерация сажевого фильтра может происходить без подачи искры на один или более цилиндров, когда нагрузка двигателя является низкой, или при высоких нагрузках двигателя, когда зажигание установлено на запаздывание.
На Фиг.3 и 4 представлена процедура регенерации сажевого фильтра. Данный способ может быть сохранен в виде команд в постоянной памяти контроллера 12 (см. Фиг.1). Кроме того, способ может выполнять последовательность операций, представленную на Фиг.2.
На этапе 302 способ 300 предусматривает определение, находится автомобиль в работающем состоянии или нет. Автомобиль может быть расценен как находящийся в работающем состоянии, когда подана команда на приведение автомобиля в движение (например, путем поворота ключа зажигания или через удаленный сигнал). Если в способе 300 делается заключение о том, что автомобиль находится в работающем состоянии, то ответ будет «да», и способ 300 переходит на этап 304. В противном случае ответ будет «нет», и способ 300 завершается.
На этапе 304 способ 300 предусматривает подачу искрового зажигания к воздушно-топливной смеси двигателя, а твердые частицы, которые могли образоваться при сгорании и которые накапливаются в сажевом фильтре в выхлопной системе, соединенной с двигателем. Двигатель вращается с помощью крутящего момента, создаваемого при сгорании, обеспечиваемом искровым зажиганием воздушно-топливной смеси двигателя. Способ 300 переходит на этап 306 после подачи искрового зажигания в цилиндры двигателя.
На этапе 306 способ 300 предусматривает определение, превышает ли количество твердых частиц, накопленное в сажевом фильтре, пороговое значение. В одном примере количество твердых частиц, накопленное в сажевом фильтре, может быть оценено на основании падения давления в сажевом фильтре при заданной скорости движения потока через сажевый фильтр. Падение давления может быть определено с помощью датчиков давления, расположенных в выхлопной системе на участках выше по потоку и ниже по потоку сажевого фильтра. Чем больше величина падения давления, тем больше скопление твердых частиц внутри сажевого фильтра. Если количество твердых частиц, накопленное в сажевом фильтре, превышает пороговое значение, ответ будет «да», и способ 300 переходит на этап 308. В противном случае ответ будет «нет», способ 300 завершается.
На этапе 308 способ 300 предусматривает определение, имеется ли переход от более высокой нагрузки двигателя к более низкой нагрузке двигателя. В некоторых примерах способ 300 предусматривает просто определение, работает ли двигатель при более низкой нагрузке двигателя, и находится ли автомобиль в движении. Кроме того, способ 300 может предусматривать определение, происходит ли выпуск и изменяется ли нагрузка двигателя в сторону величины, превышающей пороговое значение, или в сторону величины, меньше порогового значения. Если это так, то ответ будет «да», способ 300 переходит на этап 310. В противном случае, ответ будет «нет», способ 300 переходит на этап 340.
Если количество твердых частиц, накопленное в сажевом фильтре, меньше порогового значения, и происходит переход к низкой нагрузке двигателя, топливо в цилиндры двигателя не подается, а подача зажигания отключается. Альтернативно, подача зажигания может быть продолжена в той степени, чтобы двигатель перешел в режим замедления отсечением подачи топлива, для экономии топлива при низкой нагрузке двигателя, когда крутящий момент для вращения двигателя обеспечивается колесами автомобиля.
На этапе 310 способ 300 предусматривает приостановление или прекращение подачи зажигания в один или более цилиндров двигателя, тогда как двигатель продолжает вращаться за счет крутящего момента, передаваемого от колес автомобиля. Колеса двигателя передают кинетическую энергию автомобиля двигателю для поддержания вращения двигателя. Таким образом, вращение колес становится источником энергии для вращения двигателя сразу же после обеспечения вращения двигателя за счет сгорания, поэтому вращение двигателя не прекращается. В некоторых примерах прекращается подача зажигания во все цилиндры двигателя. В других примерах подача зажигания приостанавливается для нескольких цилиндров двигателя. После того, как подача зажигания в выбранные цилиндры прекращена, способ 300 переходит на этап 312.
На этапе 312 способ 300 предусматривает регулирование воздушного потока двигателя посредством регулирования положения дроссельной заслонки и/или моментов открывания или закрывания клапанов. В одном примере, когда в трехкомпонентном нейтрализаторе, расположенном ниже по потоку двигателя, происходит экзотермическая реакция, дроссельная заслонка открыта на определенную величину. Данная величина открытия дроссельной заслонки может быть отрегулирована в соответствии с температурой трехкомпонентного нейтрализатора и/или температурой сажевого фильтра. Если температура нейтрализатора или сажевого фильтра ниже желаемой, то величина открытия дроссельной заслонки может быть увеличена на заданное значение, основанное на разности действительной температуры нейтрализатора или сажевого фильтра и их желаемой температуры. После того, как поток воздуха, проходящего через двигатель, отрегулирован, способ 300 переходит на этап 314.
На этапе 314 способ 300 предусматривает подачу топлива в те цилиндры, где подача зажигания была прекращена. При этом если температура трехкомпонентного нейтрализатора меньше порогового значения температуры (например, температуры, при которой будет происходить горение впрыснутого топлива), то топливо не впрыскивается в двигатель, когда подача зажигания прекращена. Кроме того, чтобы поддерживать вращение двигателя, подача топлива может быть осуществлена в цилиндры, где есть зажигание. В некоторых примерах сила инерции автомобиля при его замедлении позволяет двигателю продолжать вращаться, в то время как подачи зажигания в цилиндры двигателя не происходит. Топливо подается в цилиндры, в которые не подается зажигание, на основании желаемой температуры нейтрализатора и воздушного потока двигателя. После осуществления подачи топлива в цилиндры двигателя способ 300 переходит на этап 316.
Таким образом, при низкой нагрузке, в ответ на накопление определенного количества твердых частиц в нейтрализаторе, а также при выпуске, когда автомобиль продолжает движение по дороге, запускается регенерация сажевого фильтра путем прекращения подачи зажигания и впрыска топлива в цилиндры, в которые прекращена подача зажигания.
На этапе 316 способ 300 предусматривает сначала приведение воздушно-топливного коэффициента двигателя к обедненному состоянию для осуществления подачи кислорода для окисления углеводородов, которые могут быть накоплены внутри трехкомпонентного нейтрализатора. Для дополнительного облегчения регенерации сажевого фильтра способ 300 также предусматривает увеличение амплитуды колебания воздушно-топливного коэффициента вокруг стехиометрического значения. Воздушно-топливный коэффициент двигателя может включать в себя топливо и воздух, сжигаемые вместе с теми топливом и воздухом, которые не были сожжены до выхода из двигателя. После того, как отрегулирован воздушно-топливный коэффициент двигателя, способ 300 переходит на этап 318.
На этапе 318 способ 300 предусматривает определение, завершена ли регенерация сажевого фильтра. В одном примере регенерация сажевого фильтра может быть определена как завершенная, когда падение давления в сажевом фильтре при заданной скорости потока, идущего через сажевый фильтр, меньше порогового значения. Если так, то ответ будет «да», и способ 300 переходит на этап 320. В противном случае ответ будет «нет», и способ 300 возвращается на этап 308.
На этапе 320 способ 300 предусматривает возобновление подачи зажигания в те цилиндры двигателя, где подача зажигания была прекращена. В одном примере подача зажигания активируется путем пропускания электрического тока через катушку зажигания.
На этапе 322 способ 300 предусматривает определение, происходит ли увеличение нагрузки двигателя. В одном примере увеличение нагрузки двигателя может быть установлено по положению педали газа, используемой водителем автомобиля. В некоторых примерах заключение об увеличении нагрузки двигателя может быть сделано при увеличении нагрузки двигателя на величину, превышающую пороговое значение. Если установлено наличие увеличения нагрузки двигателя, то ответ будет «да», и способ 300 переходит на этап 324. В противном случае ответ будет «нет», и способ 300 переходит на этап 330.
На этапе 324 способ 300 предусматривает определение, находится ли трехкомпонентный нейтрализатор, расположенный ниже по потоку двигателя и выше по потоку сажевого фильтра, в обедненном состоянии. В одном примере заключение о том, что трехкомпонентный нейтрализатор находится в обедненном состоянии, может быть сделано на основании данных кислородного датчика, расположенного ниже по потоку трехкомпонентного нейтрализатора и указывающего на обедненное состояние. Если установлено, что трехкомпонентный нейтрализатор находится в обедненном состоянии, то ответ будет «да», и способ 300 переходит на этап 328. В противном случае ответ будет «нет», и способ 300 переходит на этап 326.
На этапе 328 способ 300 предусматривает впрыскивание дополнительного топлива в цилиндры двигателя, чтобы перевести трехкомпонентный нейтрализатор в состояние между обогащенным и обедненным. В одном примере топливо впрыскивают в ходе выпуска цилиндра, получающего топливо, так что данное топливо может быть передано в трехкомпонентный нейтрализатор как можно быстрее после обнаружения изменения нагрузки двигателя. Так как содержимое цилиндра выбрасывается в систему выпуска выхлопных газов в ходе выпуска, то впрыскивание топлива в цилиндр во время его хода выпуска может уменьшить время, необходимое для приведения трехкомпонентного нейтрализатора в состояние между обогащенным и обедненным состояниями. Таким образом, состояние трехкомпонентного нейтрализатора может быть отрегулировано таким образом, что оксиды азота могут быть лучше обработаны трехкомпонентным нейтрализатором при увеличении нагрузки двигателя. После того, как отрегулирована подача топлива в цилиндры двигателя, способ 300 завершается.
На этапе 326 способ 300 предусматривает уменьшение количества топлива, подаваемого в первый цилиндр, чтобы получить топливо после увеличения нагрузки двигателя. С помощью уменьшения количества топлива, подаваемого в цилиндры двигателя, можно изменить состояние трехкомпонентного нейтрализатора в сторону баланса между обогащенным и обедненным состояниями. В частности, поток кислорода, идущего через первый цилиндр, может быть больше, и кислород может накапливаться в трехкомпонентном нейтрализаторе. После того, как уменьшено количество топлива, впрыскиваемого в двигатель, способ 300 завершается.
На этапе 330 способ 300 предусматривает регулирование количества кислорода, накопленного внутри трехкомпонентного нейтрализатора и зависящего от наличия регенерации сажевого фильтра, с помощью сжигания в цилиндрах обогащенной и обедненной воздушно-топливных смесей в области стехиометрического соотношения компонентов. Например, после того, как регенерация сажевого фильтра завершена, воздушно-топливный коэффициент двигателя может быть отрегулирован в сторону обогащенного состояния относительно стехиометрии или в сторону обедненного состояния относительно стехиометрии, в результате чего кислород внутри трехкомпонентного нейтрализатора накапливается сбалансированно (например, используется 50% доступного кислорода, накопленного в трехкомпонентном нейтрализаторе). Состояние нейтрализатора может быть отрегулировано в тот период, когда нагрузка двигателя не увеличивается, требуя резкого изменения подачи топлива в двигатель. В одном примере, когда состояние трехкомпонентного нейтрализатора является обогащенным после регенерации, воздушно-топливный коэффициент может быть сдвинут в сторону обедненного состояния. Когда состояние трехкомпонентного нейтрализатора является обедненным после регенерации, воздушно-топливный коэффициент может быть сдвинут в сторону обогащенного состояния. Таким образом, после регенерации сажевого фильтра проводится регулирование состояния накопления кислорода в трехкомпонентном нейтрализаторе. После того, как отрегулировано количество кислорода, накопленное в трехкомпонентном нейтрализаторе, способ 300 завершается.
На этапе 340 способ 300 предусматривает установку более позднего момента зажигания относительного базового момента зажигания в выбранных цилиндрах, чтобы увеличить температуру в системе выпуска выхлопных газов. Повышение температуры выхлопных газов при более высоких нагрузках двигателя может облегчить окисление твердых частиц внутри сажевого фильтра, так как более высокий массовый расход при более высокой нагрузке двигателя может привести к повышению температуры ниже по потоку трехкомпонентного нейтрализатора. Количество воздуха, идущего через двигатель, при запаздывании зажигания может быть увеличено, в результате чего при запаздывании зажигания обеспечивается эквивалентный крутящий момент. После установки запаздывания зажигания способ 300 переходит на этап 342.
На этапе 342 способ 300 предусматривает увеличение амплитуды колебания воздушно-топливного коэффициента вокруг стехиометрического значения. В одном примере может быть увеличен полный размах колебаний воздушно-топливного коэффициента двигателя. После того, как отрегулирован воздушно-топливный коэффициент двигателя, способ 300 переходит на этап 344.
На этапе 344 способ 300 предусматривает обеспечение пропускание обедненных и обогащенных продуктов горения через трехкомпонентный нейтрализатор в течение пороговых промежутков времени. Например, если состояние смеси на выходе из трехкомпонентного нейтрализатора определено как обедненное, то это состояние поддерживается на протяжении заданного промежутка времени. Промежуток времени подачи обедненной смеси может быть отрегулирован путем уменьшения количества топлива, впрыскиваемого в цилиндры двигателя, в течение желаемого промежутка времени. Таким образом, может быть проконтролировано количество кислорода, подаваемого в сажевый фильтр при регенерации сажевого фильтра. После того, как отрегулированы условия подачи обогащенной смеси и обедненной смеси, способ 300 переходит на этап 346.
На этапе 346 способ 300 предусматривает установку дополнительного запаздывания подачи зажигания в цилиндры двигателя, когда цилиндры двигателя работают на обедненной смеси. В результате количество выбросов оксидов азота из цилиндров может быть уменьшено. Величина запаздывания подачи зажигания может быть пропорциональна степени обеднения воздушно-топливного коэффициента. Например, если двигатель работает на более бедной смеси, может быть установлено большее запаздывание подачи искры. После того, как установлено дополнительное запаздывание подачи искры при условиях обедненной смеси, способ 300 переходит на этап 348.
На этапе 348 способ 300 предусматривает увеличение воздушного потока двигателя, когда двигатель работает на обедненной смеси. Уменьшение крутящего момента, происходящее при работе цилиндров на обедненной смеси с запаздыванием подачи искры, может быть компенсировано увеличением воздушного потока двигателя путем открывания дроссельной заслонки двигателя. Таким образом, крутящий момент двигателя может быть более равномерным. После того, как отрегулирован воздушный поток двигателя, способ 300 переходит на этап 350.
На этапе 350 способ 300 предусматривает определение, завершена ли регенерация сажевого фильтра. Регенерация сажевого фильтра может быть оценена как завершенная, когда падение давления в сажевом фильтре при заданной скорости потока, идущего через сажевый фильтр, меньше желаемой величины. Если это так, то ответ будет «да», и способ 300 переходит на этап 352. В противном случае ответ будет «нет», и способ 300 возвращается на этап 340.
На этапе 352 способ 300 предусматривает возврат момента зажигания к основному моменту зажигания и уменьшение полного размаха колебаний воздушно-топливного коэффициента двигателя так, что прохождение обогащенной и обедненной смеси через нейтрализатор уменьшено. Полный размах колебаний воздушно-топливного коэффициента может быть уменьшен за счет обеспечения работы двигателя ближе к условиям стехиометрического соотношения. После того, как показатели подачи искры и топлива возвращены к исходным показателям работы, способ 300 завершается.
Таким образом, способ на Фиг.3 предусматривает следующие этапы: подачу зажигания для сжигания воздушно-топливной смеси в двигателе; накопление в сажевом фильтре твердых частиц, образуемых при сжигании воздушно-топливной смеси; и регенерацию сажевого фильтра, когда нагрузка двигателя меньше порогового значения и в состоянии выпуска, что может быть осуществлено путем прекращения подачи зажигания в один или более цилиндров и подачи топлива в эти цилиндры. Таким образом, сажевый фильтр может быть восстановлен за счет выработки тепла в трехкомпонентном нейтрализаторе, который расположен ближе к сажевому фильтру, чем двигатель.
Описанный способ эксплуатации двигателя предусматривает расположение сажевого фильтра ниже по потоку трехкомпонентного нейтрализатора и обеспечение вращения двигателя в условиях, когда подача зажигания прекращена, за счет крутящего момента от колес автомобиля. Способ также предусматривает во время регенерации сажевого фильтра регулирование количества воздуха, проходящего через двигатель. В некоторых примерах способ р предусматривает регулирование количества воздуха, проходящего через двигатель, путем регулирования моментов открывания дроссельной заслонки или моментов открывания или закрывания клапанов. Способ также предусматривает инициирование регенерации сажевого фильтра путем подачи обедненной воздушно-топливной смеси от двигателя к трехкомпонентному нейтрализатору, расположенному выше по потоку сажевого фильтра. В одном примере способ предусматривает прекращение сгорания в одном или более цилиндрах во время регенерации сажевого фильтра, при этом непосредственно перед началом регенерации и прекращением подачи зажигания вращение двигателя обеспечивается за счет сжигания топлива в его цилиндрах. Способ предусматривает сжигание топлива, вспрыскиваемого в один или более цилиндров, в трехкомпонентном нейтрализаторе, расположенном выше по потоку сажевого фильтра. Способ также предусматривает, что двигатель представляет собой двигатель с турбонаддувом и прямым впрыском, а количество топлива, подаваемого в один или более цилиндров, может быть изменено для подачи обогащенной или обедненной воздушно-топливной смеси в один или более цилиндров.
В другом примере способ на Фиг.3 и 4 предусматривает следующие этапы: подачу зажигания для сжигания воздушно-топливной смеси в двигателе; накопление в сажевом фильтре твердых частиц, образуемых при сжигании воздушно-топливной смеси; регенерацию сажевого фильтра, когда нагрузка двигателя меньше порогового значения, путем прекращения подачи зажигания в цилиндр, пока двигатель вращается за счет крутящего момента от колес автомобиля; и впрыскивание топлива в указанный цилиндр в ходе выпуска этого цилиндра в ответ на повышение нагрузки двигателя. Способ также предусматривает подачу топлива в указанный цилиндр, когда в него прекращена подача зажигания. Способ также предусматривает отсутствие подачи топлива в указанный цилиндр, когда в него прекращена подача зажигания, в ответ на нагрузку двигателя меньше порогового значения и количество твердых частиц, накопленное в сажевом фильтре, меньше порогового значения.
В некоторых примерах способ предусматривает отсутствие подачи топлива в указанный цилиндр, когда двигатель находится в режиме замедления при отсечении подачи топлива. Способ также предусматривает впрыскивание топлива во время хода выпуска данного цилиндра при обедненном состоянии нейтрализатора. Способ также предусматривает прекращение подачи топлива в указанный цилиндр, когда температура трехкомпонентного нейтрализатора меньше порогового значения.
На Фиг.5 представлен пример автомобиля, в котором может эксплуатироваться двигатель 10 с Фиг.1. Автомобиль 500 содержит двигатель 10, трансмиссию 502, дифференциал 504 и колеса 506. Когда крутящий момент двигателя является положительным, двигатель 10 передает крутящий момент для вращения колес 506 через зубчатые передачи (не показаны) в трансмиссии 502. Дифференциал 504 передает крутящий момент от трансмиссии 502 к колесам 506. Когда крутящий момент двигателя является отрицательным, колеса 506 могут передавать крутящий момент для вращения двигателя 10 через трансмиссию 502. Колеса 506 передают кинетическую энергию автомобиля двигателю 10. Таким образом, двигатель может продолжать вращаться, даже если прекращены подача зажигания и/или топлива, когда автомобиль находится в движении.
Как должно быть понятно специалистами в данной области техники, методика, описанная на Фиг.3 и 4, может представлять собой один или несколько принципов обработки, такие как принцип событийного управления, управления прерываниями, многозадачный режим, многопоточный режим, и прочие. По существу, различные действия, операции или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно, или, в некоторых случаях, пропущены. Аналогично, порядок действий не является обязательным, чтобы достичь характеристик и эффекта описанных примерных вариантов выполнения, он представлен для объяснения иллюстраций и описания. Одно или более проиллюстрированных действий или функций может быть повторено в зависимости от конкретной используемой стратегии.
Специалистам в данной области понятно, что допускаются различные изменения и модификации изобретения без выхода за рамки его сущности. Например, описанная выше технология может применяться к одноцилиндровым двигателям, двигателям I2, I3, I4, I5, V6, V8, V10, V12 и V16, а также двигателям, работающим на природном газе, газолине, дизельном топливе или альтернативном топливе.