СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ В ДВИГАТЕЛЕ
METHOD (EMBODIMENTS) AND EXHAUST GAS RECIRCULATION CONTROL SYSTEM IN ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее раскрытие относится к системам и способам улучшения управления рециркуляцией отработавших газов (РОГ) в системах двигателя, выполненных с группой цилиндров, выделенной для обеспечения внешней РОГ для других цилиндров двигателя.
Уровень техники/Раскрытие изобретения
Двигатели могут быть выполнены с системами рециркуляции отработавших газов (РОГ), предназначенными для отвода по меньшей мере части отработавших газов из выпускного коллектора двигателя в его впускной коллектор. Обеспечивая необходимое разбавление в двигателе, такие системы уменьшают детонацию двигателя, внутрицилиндровые теплопотери, потери дросселирования, а также выбросы оксидов азота (NOx). В результате улучшается топливная экономичность, особенно на более высоких уровнях наддува двигателя. Тем не менее, подача охлажденной РОГ ограничена способностью системы сгорания сохранять приемлемую стабильность и интенсивность горения при разбавлении посредством РОГ.
Двигатели также выполнялись с одиночным цилиндром (или группой цилиндров), предназначенным для обеспечения внешней РОГ остальным цилиндрам двигателя. При этом, к остальным цилиндрам отработавшие газы рециркулируют только от выделенной группы цилиндров. Тем самым создаются условия для того, чтобы в большинстве условий работы двигателя обеспечивать его цилиндры существенно неизменным объемом РОГ (например, процентной долей). Регулируя подачу топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров, можно изменять состав РОГ. В частности, выделенный цилиндр можно эксплуатировать при более богатом, чем стехиометрическое, воздушно-топливном отношении для того, чтобы производить более легкогорючие компоненты, такие как водород и окись углерода, которые, если их перенаправить на впуск двигателя, могут повысить допустимый предел РОГ. Это дает еще большие преимущества по топливной экономичности за счет снижения нестабильности горения и уменьшения продолжительности сжигания при одновременном повышении допустимых уровнях РОГ.
Один из примеров системы двигателя с наддувом, обладающей выделенным для РОГ цилиндром, показан Ginrich и др. в патенте С.Ш.А. 201202044844. Здесь отработавшие газы из выделенного для РОГ цилиндра смешивают с находящимся под давлением воздухом от компрессора в месте выше по потоку от охладителя воздуха наддува и выше по потоку от впускной дроссельной заслонки для того, чтобы в двигатель можно было подавать охлажденную РОГ.
Тем не менее, авторами настоящего изобретения были выявлены потенциальные недостатки такой конфигурации с выделенным для РОГ цилиндром. В частности, РОГ может находиться на неправильных уровнях в переходных состояниях между рабочими режимами. Например, при внезапном повышении запрошенного крутящего момента и при изменении положения дроссельной заслонки на более открытое с последующим падением запрошенного крутящего момента, вследствие специфического расположения места доставки РОГ могут возникать задержки заполнения коллектора, что приведет к тому, что в коллекторе будет оставаться больше чем надо рециркулированных отработавших газов. Продолжительная задержка в продувке остатков РОГ может привести к падению мощности двигателя с наддувом. В другом примере, при внезапном снижении запрошенного крутящего момента и при изменении положения дроссельной заслонки на более закрытое с последующим повышением запрошенного крутящего момента, вследствие специфического расположения места доставки РОГ и являющихся результатом этого задержек заполнения коллектора, рециркулированных отработавших газов может оставаться меньше чем нужно. Продолжительная задержка в продувке остатков РОГ может привести к ухудшению показателей двигателя. В обоих случаях могут возникать проблемы стабильности горения. Хотя в условиях, когда потребность в РОГ отсутствует, для полного или частичного отвода отработавших газов от выделенного для РОГ цилиндра в систему вывода отработавших газов могут использовать перепускные клапаны, их использование может быть нерентабельным в дополнение к проблемам снижения долговечности.
Авторы настоящего изобретения выявили эти и другие недостатки и по меньшей мер частично устранили их разработкой способа управления двигателем, позволяющего в зависимости от условий работы двигателя направлять отработавшие газы от выделенного для РОГ цилиндра в некоторое количество мест. Способ содержит: избирательное открытие нескольких выпускных клапанов выделенной для РОГ группы цилиндров для рециркулирования отработавших газов к остальным цилиндрам двигателя как в место до компрессора, так и в место после компрессора. Таким образом, при изменении условий работы двигателя можно легко варьировать место доставки и уровень РОГ.
В одном примере система двигателя может быть выполнена в конфигурации с одиночным выделенным для РОГ (ВРОГ) цилиндром для обеспечения внешней РОГ для всех цилиндров двигателя. Кроме того, двигатель может содержать охладитель воздуха наддува (ОВН), встроенный во впускной коллектор, что позволяет сделать более компактной систему двигателя с турбонаддувом. Выделенный для РОГ цилиндр может содержать некоторое количество выпускных клапанов, например, три выпускных клапана, и одиночный впускной клапан. Первый выпускной клапан может направлять отработавшие газы от ВРОГ цилиндра на впуск двигателя ниже по потоку от охладителя воздуха наддува и ниже по потоку от впускной дроссельной заслонки, тем самым позволяя рециркулировать РОГ в более дальнее по потоку место впускного коллектора. Второй выпускной клапан может направлять отработавшие газы от ВРОГ цилиндра на впуск двигателя выше по потоку от впускного компрессора, тем самым позволяя рециркулировать РОГ в более близкое по потоку место впускного коллектора. Так как двигатель содержит встроенный ОВН, то и горячая, и холодная РОГ доставляются в меньший объем коллектора, чем снижаются задержки в заполнении коллектора и ускоряется заполнение РОГ даже при резком изменении положения дроссельной заслонки. Третий выпускной клапан может отводить горячие отработавшие газы от ВРОГ цилиндра в обход цилиндров двигателя в выпускной коллектор, в место выше по потоку от каталитического нейтрализатора отработавших газов. То есть, через третий клапан РОГ вообще не подается в двигатель. Некоторое количество выпускных клапанов можно эксплуатировать с изменением фаз газораспределения, например путем применения механизма переключения профилей кулачков (ППК), чтобы в каждый конкретный момент времени избирательно активировать один или более выпускных клапанов. Например, механизм ППК можно использовать так, чтобы в зависимости от условий работы двигателя, выделенный для РОГ цилиндр работал в одном из некоторого количества режимов, каждый из которых задает то, когда и на какую продолжительность будет открываться каждый выпускной клапан на такте выпуска выделенной для РОГ группы цилиндров. Например, в условиях низкой нагрузки двигателя и/или низкого давления наддува, выделенный для РОГ цилиндр можно эксплуатировать в первом режиме, в котором на такте выпуска открывают только первый выпускной клапан, доставляя горячую РОГ на впуск двигателя в место после компрессора. Далее, в условиях высокой нагрузки двигателя и/или высокого давления наддува, выделенный для РОГ цилиндр можно эксплуатировать во втором режиме, в котором на такте выпуска открывают только второй выпускной клапан, доставляя охлажденную РОГ на впуск двигателя в место до компрессора. В отличие от этого, в условиях холодного пуска двигателя или прогрева каталитического нейтрализатора, или когда отсутствует потребность в разбавлении в двигателе, выделенный для РОГ цилиндр могут эксплуатировать в третьем режиме, в котором на такте выпуска открывают только третий выпускной клапан, доставляя горячие отработавшие газы в обход цилиндров двигателя к каталитическому нейтрализатору отработавших газов. В других возможных примерах можно регулировать временные установки каждого из выпускных клапанов, заставляя их работать с различной степенью перекрытия (например, только с частичным перекрытием).
Таким образом, в системе двигателя с наддувом при изменений условий его работы можно варьировать место доставки РОГ от выделенного для РОГ цилиндра. За счет того, что в зависимости от условий по нагрузке двигателя и наддуву имеется возможность избирательно доставлять РОГ в место до компрессора и/или в место после компрессора, можно ослабить проблемы стабильности горения и ошибки РОГ, возникающие в переходных состояниях при изменении положения дроссельной заслонки. Подачей РОГ при более высоких нагрузках двигателя и более высоких уровнях в место до компрессора улучшается межцилиндровый баланс РОГ при одновременном дополнительном охлаждении РОГ в охладителе воздуха наддува. Кроме того, снижается риск помпажа компрессора. За счет варьирования места доставки РОГ в зависимости от условий эксплуатации двигателя уменьшают расхождение между тем, где РОГ требуется при данных условиях и тем, куда РОГ доставляется фактически, чем снижают объем генерируемых ошибок РОГ и уменьшают время заполнения коллектора. Тем самым снижается вероятность того, что РОГ будет на неправильном уровне. Кроме всего прочего, такой подход позволяет одновременно подавать и охлажденную и неохлажденную РОГ при меньших уровнях с одновременной подачей некоторого потока отработавших газов в каталитический нейтрализатор для поддержания температуры активации. За счет регулировки открытия некоторого количества выпускных клапанов выделенной для РОГ группы цилиндров можно более эффективно использовать стадию свободного выпуска такта выпуска для улучшения подачи РОГ. Более того, отработавшие газы можно направить в место перед турбиной для улучшения работы турбонагнетателя. Аналогичным образом, можно отрегулировать открытие выпускного клапана для эффективного использования стадии продувки такта выпуска для получения более высокой концентрации несгоревших или частично сгоревших углеводородов для повышения допустимого предела РОГ в двигателе. За счет снижения ошибок РОГ в переходных состояниях улучшаются эксплуатационные качества двигателя с турбонаддувом, даже при высоких уровнях разбавления в двигателе.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут описаны подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
Более полно понять раскрытые здесь преимущества можно при прочтении текста примера осуществления, называемого здесь «Осуществление изобретения» отдельно или со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
На фиг. 1 схематически изображена система двигателя, содержащая выделенную для РОГ группу цилиндров.
На фиг. 2 схематически изображено некоторое количество выпускных клапанов выделенной для РОГ группы цилиндров в различных режимах работы.
На фиг. 3 схематически изображена камера сгорания двигателя.
На фиг. 4 приведен пример способа регулирования работы выпускного клапана выделенной для РОГ группы цилиндров с целью варьирования потока РОГ в зависимости от условий работы двигателя.
На фиг. 5 показан пример алгоритма перехода между различными режимами работы выделенной для РОГ группы цилиндров в ответ на изменение условий работы двигателя.
На фиг. 6 приведена таблица, в которой перечислены разнообразные режимы работы выделенной для РОГ группы цилиндров.
На фиг. 7 - фиг. 8 показаны примеры настройки выпускных клапанов выделенной для РОГ группы цилиндров в различных режимах работы.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к управлению РОГ в двигателе, работающем на сильно разбавленных смесях в цилиндрах, таком как системы двигателя, показанные на фиг. 1 - фиг. 3. Смеси в цилиндрах двигателя могут разбавляться рециркулированными отработавшими газами (РОГ), являющимися побочными продуктами сжигания топливно-воздушных смесей. Выделенный для РОГ цилиндр (или группа цилиндров) двигателя может быть выполнен с некоторым количеством выпускных клапанов, причем открытием каждого из выпускных клапанов управляют посредством механизма переключения профилей кулачков таким образом, чтобы в зависимости от условий работы двигателя можно было варьировать то, какие и сколько выпускных клапанов открывают в каждый конкретный момент времени, а также то, на какую продолжительность открывают выпускной клапан. Контроллер может быть выполнен с возможностью выполнения управляющего алгоритма, такого, как алгоритм, показанный на фиг. 4, чтобы в зависимости от запрошенной РОГ избирательно открывать некоторое количество выпускных клапанов, чтобы можно было варьировать место назначения и уровень РОГ. Например, контроллер может эксплуатировать выделенную для РОГ группу цилиндров в одном из нескольких режимов (фиг. 2 и фиг. 6), и при изменении условий работы переходить от одного к другому режиму из нескольких (фиг. 5) для варьирования места назначения РОГ между местом до компрессора, местом после компрессора и каталитическим нейтрализатором отработавших газов. Со ссылкой на фиг. 7 - фиг. 8 показаны примеры регулировок выпускных клапанов для управления рециркуляцией отработавших газов в системе двигателя с наддувом.
На фиг. 1 схематически изображены аспекты приведенной в качестве примера системы 100 двигателя, содержащей двигатель 10 с четырьмя цилиндрами (1-4). Как уточняется здесь, четыре цилиндра скомпонованы в первую группу 18 цилиндров, состоящую из выделенного для РОГ цилиндра 4, и во вторую группу 17 цилиндров, состоящую из не выделенных для РОГ цилиндров 1-3. Каждая камера сгорания двигателя 10 подробно рассматривается со ссылкой на фиг. 3. Система 100 двигателя может входить в состав и быть связанной с транспортным средством, например, пассажирским автомобилем, выполненным с возможностью передвижения по дорогам.
В иллюстрируемом осуществлении изобретения двигатель 10 является двигателем с наддувом, связанным с турбонагнетателем 13, включающим в себя компрессор 74, приводимый в действие турбиной 76. В частности, свежий воздух подается в двигатель 10 вдоль по впускному каналу 42 через воздухоочиститель 53 и протекает к компрессору 74. Расходом окружающего воздуха, попадающего во впускную систему через впускной воздушный канал 42, можно управлять, по меньшей мере частично, регулируя впускную дроссельную заслонку 20. Компрессор 74 может быть любым соответствующим своему предназначению компрессором впускного воздуха, таким как компрессор механического нагнетателя с моторным приводом или с приводом от приводного вала. В системе двигателя 10, однако, компрессор является компрессором турбонагнетателя, механически связанным с турбиной 76 посредством вала 19, причем турбина 76 приводится в движение расширяющимися отработавшими газами двигателя. В одном осуществлении компрессор и турбина могут входить в состав и быть связанными с турбонагнетателем с двойной улиткой. В другом осуществлении турбонагнетатель может быть турбонагнетателем с изменяемой геометрией (ТИГ), в котором геометрию турбины активным образом изменяют в зависимости от частоты вращения двигателя.
Как показано на фиг. 1, через охладитель 78 воздуха наддува (ОВН) компрессор 74 связан с впускной дроссельной заслонкой 20. ОВН 78 может быть встроен во впускной коллектор 25, чтобы можно было уменьшить габариты двигателя с наддувом. Например, система двигателя может быть изготовлена в первой конфигурации (Конфигурация А), в которой ОВН не является встроенным. Альтернативно система двигателя может быть изготовлена во второй конфигурации (конфигурация В), в которой ОВН является встроенным. Как уточняется со ссылкой на таблицу на фиг. 6, каждая конфигурация может эксплуатироваться в одном из трех рабочих режимов, в которых достигаются различные преимущества РОГ высокого давления (РОГ-ВД) и РОГ низкого давления (РОГ-НД).
Впускная дроссельная заслонка 20 связана с впускным коллектором 25 двигателя. От компрессора заряд сжатого воздуха течет через охладитель воздуха наддува и дроссельный клапан во впускной коллектор. Охладитель воздуха наддува может быть, например, воздухо-воздушным или воздушно-водяным теплообменником. В показанном на фиг. 1 осуществлении давление воздушного заряда внутри впускного коллектора измеряют датчиком 24 давления воздуха в коллекторе (ДВК).
Последовательно между впуском и выпуском компрессора 74 может быть установлен перепускной клапан (не показан) компрессора. Перепускной клапан компрессора может быть нормально закрытым клапаном, выполненным с возможностью открытия в выборочных условиях работы для стравливания излишков давления наддува. Например, перепускной клапан компрессора могут открывать в условиях снижения частоты вращения двигателя для предотвращения помпажа компрессора.
Впускной коллектор 25 связан с рядом камер 30 сгорания через ряд впускных клапанов (смотри фиг. 3). Камеры сгорания также связаны с выпускным коллектором 36 через ряд выпускных клапанов (смотри фиг. 3). Каждый цилиндр 30 может обслуживаться одним или несколькими клапанами (смотри фиг. 3). В настоящем примере каждый из цилиндров второй группы цилиндров (цилиндры 1-3) может содержать по меньшей мере один впускной клапан и по меньшей мере один выпускной клапан (не показан). В отличие от этого, цилиндры первой группы цилиндров (цилиндр 4) могут быть выполнены с одним впускным клапаном 62 и некоторым количеством выпускных клапанов. В показанном осуществлении первая группа цилиндров содержит каждый из первого, второго и третьего выпускных клапанов 64-66. В показанном осуществлении некоторое количество выпускных клапанов 64-66 выделенной для РОГ группы цилиндров симметричны по размеру. Тем не менее, в альтернативных осуществлениях некоторое количество выпускных клапанов выделенной для РОГ группы цилиндров могут быть несимметричными по размеру. Например, больший по размеру выпускной клапан может снабжать маршрут выпуска отработавших газов, в то время как меньшие по размеру выпускные клапаны могут снабжать маршруты рециркуляции в места до компрессора и после компрессора. В другом примере выпускные клапаны 64 и 65 могут иметь размеры, большие, чем у выпускного клапана 66, чтобы в места впускного коллектора до компрессора и после компрессора возвращалось больше отработавших газов, чем отводится в выпускную турбину или каталитический нейтрализатор.
В иллюстрируемом осуществлении выпускной коллектор 36 содержит некоторое количество секций выпускного коллектора, что позволяет вытекающие из разных камер сгорания потоки направлять в разные места системы двигателя. В частности, поток, вытекающий из второй группы 17 цилиндров (цилиндры 1-3), направляют через турбину 76 выпускного коллектора 36 перед тем, как обработать его каталитическим нейтрализатором отработавших газов устройства 170 снижения токсичности отработавших газов. В отличие от этого, отработавшие газы из первой группы 18 (цилиндр 4) цилиндров направляют обратно во впускной коллектор 25 через канал 54 РОГ и каталитический нейтрализатор 70 конверсии водяного газа (КВГ). Каталитический нейтрализатор 70 КВГ выполнен с возможностью выработки газообразного водорода из богатых отработавших газов, получаемых от цилиндра 4 в канале 54.
Каждый из цилиндров 1-4 может содержать внутреннюю РОГ, захватывая отработавшие газы события сжигания топливовоздушной смеси в соответствующем цилиндре и позволяя отработавшим газам оставаться в соответствующем цилиндре в течение последующего события сжигания. Величину внутренней РОГ можно регулировать путем регулирования моментов открытия и/или закрытия впускных и/или выпускных клапанов. Например, увеличивая перекрытие впускного и выпускного клапанов, можно оставить в цилиндре во время следующего события сжигания дополнительный объем РОГ. Внешняя РОГ цилиндрам 1-4 обеспечивается только потоком отработавших газов от первой группы 18 цилиндров (здесь цилиндра 4) и через канал 54 РОГ. В другом примере внешняя РОГ может быть обеспечена только цилиндрам 1-3, но не цилиндру 4. Внешняя РОГ не обеспечивается потоком отработавших газов из цилиндров 1-3. То есть, в настоящем примере, единственным источником внешней РОГ для двигателя 10 является цилиндр 4, который поэтому здесь также называется выделенным для РОГ цилиндром (ВРОГ цилиндром) (или выделенной для РОГ группой цилиндров (ВРОГ группой цилиндов)). Возвращая во впускной коллектор двигателя отработавшие газы от одного цилиндра четырехцилиндрового двигателя, можно обеспечить примерно постоянный (например, около 25%) уровень РОГ. Цилиндры 1-3 также называются здесь не выделенной для РОГ группой цилиндров (не-ВРОГ группой цилиндров).
Хотя в настоящем примере выделенная для РОГ группа цилиндров показана имеющей всего один цилиндр, следует понимать, что в альтернативных конфигурациях двигателя выделенная для РОГ группа цилиндров может иметь больше цилиндров.
Канал 54 РОГ может содержать охладитель 52 РОГ, предназначенный для охлаждения потока РОГ, подаваемого на впуск двигателя. В некоторых осуществлениях выделенный для РОГ цилиндр 4 с целью варьирования доли РОГ может быть оснащен системой переменного клапанного распределения на впускных и/или выпускных клапанах. Кроме того, канал 54 РОГ может содержать датчик 51 отработавших газов, предназначенный для оценки воздушно-топливного отношения отработавших газов, рециркулируемых от первой группы цилиндров к остальным цилиндрам двигателя. В качестве опции второй датчик (не показан) отработавших газов может быть размещен ниже по потоку от секций выпускного коллектора первой группы цилиндров для того, чтобы оценивать воздушно-топливное отношение отработавших газов первой группы цилиндров. Кроме этого, показанная на фиг. 1 система двигателя может также содержать и другие датчики отработавших газов.
Следует понимать, что в некоторых примерах встроенный охладитель 78 воздуха наддува может иметь размеры, позволяющие также выполнять функцию охлаждения РОГ. В таких вариантах осуществления надобность в охладителе РОГ отпадает.
Канал 54 РОГ может содержать первый тракт 57, создающий условия для доставки рециркулируемых отработавших газов в место после компрессора (ниже по потоку от дроссельной заслонки 20), и второй тракт 55, создающий условия для доставки рециркулируемых отработавших газов в место до компрессора (выше по потоку от компрессора 74, вблизи входа компрессора). Охладитель 52 РОГ может быть установлен в канале 54 РОГ, точнее, в тракте 55 РОГ, чтобы охлаждать рециркулируемые в место до компрессора отработавшие газы, при том, что рециркулируемые в место после компрессора отработавшие газы перед доставкой не охлаждают. В результате охлажденную РОГ низкого давления (НД) доставляют в место до компрессора от второго выпускного клапана, при том, что горячую, неохлажденную РОГ доставляют в место после компрессора от первого выпускного клапана. Альтернативно охладитель 54 РОГ можно переместить выше по потоку и/или выше по потоку относительно встроенного во впускной коллектор ОВН 78, что позволит доставлять охлажденную РОГ в место до компрессора или в место после компрессора. Опционально по меньшей мере часть отработавших газов от первой группы цилиндров может быть отведена в выпускной коллектор 36 через перепускной тракт 56. В рассматриваемом примере тракт отводит отработавшие газы в выпускной коллектор выше по потоку от турбины 76. Тем не менее, в альтернативных примерах отработавшие газы могут быть отведены в место ниже по потоку от турбины 76 и выше по потоку от каталитического нейтрализатора отработавших газов устройства 170 снижения токсичности отработавших газов. Как уточняется здесь, варьируя настройки работы выпускного клапана первой группы 18 цилиндров, можно рециркулировать отработавшие газы выделенной для РОГ группы цилиндров на впуск по трактам 55 и 57 и/или отводить к каталитическому нейтрализатору по тракту 56.
Концентрацию водорода внешней РОГ от цилиндра 4 можно увеличить, обогатив топливно-воздушную смесь, сжигаемую в цилиндре 4. При этом объем газообразного водорода, генерируемого каталитическим нейтрализатором 70 КВГ, можно увеличить, повысив степень обогащенности отработавших газов, получаемых в канале от цилиндра 4. То есть, для того, чтобы обеспечить обогащенные водородом отработавшие газы для цилиндров 1-4, подачу топлива во вторую группу 18 цилиндров можно отрегулировать так, чтобы обогатить сжигаемую в цилиндре 4 смесь. В одном примере концентрацию водорода внешней РОГ от цилиндра 4 можно повысить в условиях, когда стабильность горения в двигателе хуже, чем надо. Этим действием повышается концентрация водорода во внешней РОГ, и оно может улучшить стабильность горения в двигателе, особенно на малых частотах вращения двигателя и низких нагрузках двигателя (например, на холостом ходу). Дополнительно, обогащенная водородом РОГ позволяет двигателю справиться с гораздо большими уровнями РОГ по сравнению с обычной (то есть, с меньшей концентрацией водорода) РОГ, до того, как возникнут какие-либо проблемы стабильности горения. Расширение диапазона и объема применения РОГ улучшает топливную экономичность двигателя.
Система 100 двигателя также содержит один или более распределительных валов для приведения в движение впускных и выпускных клапанов камер сгорания. Например, впускной распределительный вал (не показан) может быть связан со впускным клапаном первой группы цилиндров и впускным клапаном каждого цилиндра второй группы цилиндров посредством отличающихся друг от друга выступов кулачков. Распределительный вал может приводиться в действие для управления соответствующими впускными клапанами посредством регулировки моментов срабатывания соответствующих выступов кулачков. Каждый впускной клапан является перемещаемым между открытым положением, открывающим доступ впускного воздуха в соответствующий цилиндр, и закрытым положением, существенно перекрывающим доступ впускного воздуха в цилиндр. Впускные распределительные валы могут входить в состав приводной системы впускного клапана.
Аналогичным образом, выпускной распределительный вал 68 может входить в состав приводной системы 69 выпускного клапана. Выпускной распределительный вал 68 может быть связан с выпускными клапанами 64-66 первой группы 18 цилиндров (в данном случае, цилиндра 4). Выпускной распределительный вал 68 может содержать выпускной кулачок 67, имеющий профиль рабочего выступа для варьирования моментов открытия и закрытия, а также продолжительности открытия выпускного клапана 64 на такте выпуска первой группы цилиндров. Аналогичным образом, могут содержаться выпускные кулачки с такими же или другими профилями выступов, связанные с выпускными клапанами 65 и 66. Каждый выпускной клапан 64-66 является перемещаемым между открытым положением, открывающим отработавшим газам выход из соответствующего цилиндра, и закрытым положением, при котором газы остаются существенно запертыми в цилиндре. В зависимости от профиля рабочего выступа каждого выпускного кулачка, соответствующий выпускной клапан может открываться в различные моменты времени и на различную продолжительность. Профиль рабочего выступа может влиять высоту подъема кулачка, продолжительность подъема и/или момент срабатывания кулачка. Контроллеру может быть выполнен с возможностью сменять режимы работы выпускных клапанов за счет продольного перемещения выпускного распределительного вала и перехода с одного профиля кулачка на другой. Несмотря на то, что выпускной распределительный вал 68 показан связанным с выпускными клапанами первой группы 18 цилиндров, аналогичный выпускной распределительный вал (не показан) может быть связан с каждым цилиндром второй группы 17 цилиндров, и этот общий выпускной распределительный вал может приводиться в действие для управления выпускными клапанами всех связанных с ним цилиндров.
Приводная система 69 выпускного клапана и приводная система (не показана) впускного клапана могут также содержать толкатели клапанов, штанги толкателей коромысла, и т.д. Такие устройства и элементы могут управлять приведением в движение впускных клапанов и выпускных клапанов, преобразуя вращательное движение кулачков в поступательное движение клапанов. Как было указано выше, клапаны также могут приводиться в движение дополнительными профилями выступов кулачков на распределительных валах, и при этом профили выступов кулачков для разных клапанов могут обеспечивать разную высоту подъема кулачка, продолжительность периода открытого положения клапана и/или моменты открытия и закрытия. Однако при необходимости могут быть использованы и другие компоновки (с верхним расположением и/или со штангами толкателей) распределительных валов. В других примерах каждый из выпускного клапана и впускного клапана одного или более цилиндров могут приводиться в движение общим распределительным валом. Тем не менее, в альтернативных осуществлениях, некоторые из впускных клапанов и/или выпускных клапанов могут приводиться в движение своим собственным независимым распределительным валом или другим устройством.
Система 100 двигателя также может содержать системы изменения фаз газораспределения (ИФГ), например, систему 80 ИФГ выпускных клапанов. Система 80 ИФГ может быть выполнена с возможностью в первом режиме работы открывать первый выпускной клапан 64 в первый момент времени и на первую продолжительность. Первый режим работы может задействоваться при более низкой нагрузке двигателя и/или при более низких давлениях наддува. Первый тракт 57 связывает первый выпускной клапан 64 первой группы цилиндров с впускным коллектором ниже по потоку от впускного компрессора 74 (в точке после компрессора). Второй тракт 55 связывает второй выпускной клапан 65 первой группы цилиндров с впускным коллектором выше по потоку от впускного компрессора 74 (в точке до компрессора). Третий тракт 56 связывает третий выпускной клапан 66 первой группы цилиндров с выпускным коллектором выше по потоку от каталитического нейтрализатора устройства 170 снижения токсичности отработавших газов. Как уточнено на фиг. 2 и фиг. 4, варьируя работу распределительного вала 68, можно варьировать открытие и закрытие выпускных клапанов 64-66, варьируя тем самым место назначения РОГ, а также уровень доставляемой РОГ.
Система ИФГ 80 может содержать фазовращатель 81, связанный с выпускным распределительным 68 валом для изменения временных установок выпускных клапанов. Аналогичным образом, система ИФГ 80 может содержать фазовращатель впускного распределительного вала для изменения временных установок впускных клапанов. Система ИФГ 80 может быть выполнена с возможностью изменения временных установок клапанов в сторону опережения или запаздывания путем изменения в сторону опережения или запаздывания временных установок распределительного вала и может управляться контроллером 12. Система ИФГ 80 может быть выполнена с возможностью изменения временных установок событий открытия и закрытия клапана за счет изменения взаимного расположения коленчатого вала и распределительного вала. Например, для изменения временных установок клапанов в сторону опережения или запаздывания, система 80 ИФГ может быть выполнена с возможностью поворота впускного распределительного вала 68 независимо от коленчатого вала. В некоторых вариантах осуществления система ИФГ 80 может быть устройством, срабатывающим от момента вращения кулачка, выполненным с возможностью быстрого варьирования фаз газораспределения. В некоторых осуществлениях такие временные установки клапанов, как закрытие впускного клапана (ЗВпК) и закрытие выпускного клапана (ЗВыпК) могут варьироваться устройством непрерывного изменения высоты подъема клапанов (НИВПК).
Вышеописанные системы и устройства управления клапанами/распределительным валом могут иметь гидравлический привод, электрический привод, или комбинацию этих приводов. В одном примере, положение распределительного вала может быть изменено регулировкой фазы газораспределения электрическим исполнительным устройством (например, фазовращателем с электрическим приводом) с точностью, превосходящей точность работы большинства фазовращателей с гидравлическим приводом. Снятые на исполнительном устройстве показания установок фаз газораспределения и/или выбора кулачка могут приниматься от системы 80 ИФГ по сигнальным линиям, и по этим же сигнальным линиям на эту систему могут подаваться сигналы управления.
Камеры 30 сгорания могут снабжаться одним или несколькими видами топлива, такими как бензин, спиртосодержащие топливные смеси, дизельное топливо, биодизельное топливо, сжатый природный газ и т.д. В камеры сгорания топливо может подаваться через топливную форсунку 166. Топливная форсунка 166 может забирать топливо из топливного бака. В иллюстрируемом примере топливная форсунка 166 выполнена с возможностью прямого впрыска, хотя в других примерах топливная форсунка 166 может быть выполнена для подачи топлива в цилиндры прямым впрыском, впрыском во впускные каналы, впрыском через корпус дроссельной заслонки или в комбинации вышеперечисленных вариантов впрыска. Кроме того, каждая камера сгорания может содержать одну или несколько топливных форсунок различных конфигураций, чтобы цилиндры могли получать топливо прямым впрыском, впрыском во впускные каналы, впрыском через корпус дроссельной заслонки или в комбинации вышеперечисленных вариантов впрыска. В камерах сгорания топливо может воспламеняться искровым и/или компрессионным зажиганием.
Отработавшие газы из выпускного коллектора 36 направляют в турбину 76 для приведения ее в движение. Когда требуется пониженный крутящий момент турбины, часть отработавших газов можно направить в обход турбины через регулятор (не показан) давления наддува. Совмещенный поток от турбины и регулятора давления наддува затем течет через устройство 170 снижения токсичности отработавших газов. Обычно одно или несколько устройств 170 снижения токсичности отработавших газов могут содержать один или несколько каталитических нейтрализаторов доочистки, выполненных с возможностью каталитической очистки потока отработавших газов, чтобы тем самым снизить содержание одного или нескольких веществ в потоке отработавших газов. Например, один каталитический нейтрализатор доочистки может быть выполнен с возможностью улавливания оксидов азота (NOx) из потока отработавших газов, когда эти газы обеднены, и восстановления уловленных NOx, когда отработавшие газы обогащены. В других примерах каталитический нейтрализатор доочистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью снижения пропорции NOx или избирательного восстановления NOx с помощью восстановительного вещества. В других имеющихся примерах каталитический нейтрализатор доочистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью окисления остаточных углеводородов и/или окиси углерода в потоке отработавших газов. Различные каталитические нейтрализаторы доочистки отработавших газов с любой из указанных выше функций могут быть расположены в покрытии «washcoat» или где-либо еще в ступенях доочистки, либо вместе, либо по отдельности. В некоторых осуществлениях ступени доочистки отработавших газов могут содержать регенерируемый сажевый фильтр, выполненный с возможностью улавливания и окисления частиц сажи из потока отработавших газов. Выходящие из устройства 170 снижения токсичности отработавших газов отработавшие газы полностью или частично могут быть выпущены в атмосферу через выхлопную трубу 35.
Система 100 двигателя также содержит систему 14 управления. Система 14 управления содержит контроллер 12, который может быть любой системой электронного управления системой двигателя или транспортного средства, в котором установлена система двигателя. Контроллер 12 может быть выполнен с возможностью выносить управляющие решения, основанные по меньшей мере частично на входящих сигналах, поступающих от одного или нескольких датчиков 16 в системе двигателя, и на основе вынесенных управляющих решений может управлять исполнительными устройствами 83. Например, контроллер 12 в запоминающем устройстве может хранить машиночитаемые инструкции, а управление исполнительными устройствами 83 может выполняться путем исполнения инструкций. Среди примеров датчиков можно назвать датчик 24 ДВК, датчик 49 массового расхода воздуха (МРВ) в коллекторе, датчики 128 и 129 температуры и давления отработавших газов соответственно, датчик 51 содержания кислорода в отработавших газах. Среди примеров исполнительных устройств можно назвать дроссельную заслонку 20, топливную форсунку 166, впускной клапан 62 и выпускные клапаны 64-66. Могут содержаться и другие датчики и исполнительные устройства, показанные на фиг. 2. - фиг. 3. Постоянное запоминающее устройство среды хранения в контроллере 12 может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими собой инструкции, исполняемые процессором для реализации способов, описанных ниже, а также других вариантов, которые предполагаются, но не перечисляются конкретно. Примеры способов и алгоритмов раскрываются в настоящем документе со ссылкой на фиг. 4.
На фиг. 2 подробно показано осуществление 200 направления потоков отработавших газов от выделенной для РОГ группы цилиндров в различные места в двигателе при различных условиях работы двигателя. При этом компоненты, впервые показанные на фиг. 1, имеют те же самые номера позиций. Хотя в иллюстрируемом осуществлении выделенный для РОГ цилиндр (цилиндр 4) показан физически отделенным от остальных цилиндров (цилиндры 1-3), это отделение следует понимать как функциональное. То есть, фактически цилиндры в блоке цилиндров могут быть располагаться смежно, как показано на фиг. 1. В альтернативных примерах, однако, выделенная для РОГ группа цилиндров может быть физически отделена от остальных цилиндров двигателя, например, располагаться в другом блоке цилиндров или в отдельном двигателе.
В осуществлении 200 показан двигатель 10, имеющий впускной коллектор 25 и выпускной коллектор 36, турбонагнетатель, содержащий впускной компрессор 74, приводимый в действие выпускной турбиной 76 через вал; а также охладитель 78 воздуха наддува, расположенный до дроссельной заслонки, как показано сплошными линиями, или в альтернативно варианте встроенный во впускной коллектор в положении после дроссельной заслонки, как показано пунктирными линиями. Первая выделенная для РОГ группа 18 цилиндров (здесь цилиндр 4) содержит впускной клапан 62 и каждый из первого выпускного клапана 64, второго выпускного клапана 65 и третьего выпускного клапана 66. Впускной клапан 62 всасывает впускной воздух из места выше по потоку от впускного компрессора в первую группу 18 цилиндров или в альтернативном варианте может засасывать воздух наддува из впускного коллектора 25.
Первый тракт 57 связывает первый выпускной клапан 64 первой группы цилиндров с впускным коллектором ниже по потоку от впускного компрессора. Первый тракт может быть включен в канал 54 РОГ. При этом РОГ также доставляется в место ниже по потоку от впускной дроссельной заслонки 20. Таким образом, выделенная для РОГ группа цилиндров выполнена с возможностью рециркулирования горячих РОГ на впуск двигателя в место до компрессора через первый выпускной клапан и первый тракт, когда ОВН не встроен во впускной коллектор, или же рециркулирования охлажденных РОГ на впуск двигателя в место после компрессора через первый выпускной клапан и первый тракт. В одном примере первый выпускной клапан может избирательно открываться в первом рабочем режиме при более низких нагрузке двигателя и давлении наддува для подачи горячих РОГ в двигатель по первому тракту. За счет доставки горячих РОГ (или охлажденных РОГ в конфигурации со встроенным ОВН) в двигатель ниже по потоку от компрессора в меньшем объеме, ускоряется заполнение РОГ и снижаются ошибки РОГ в переходных состояниях. Кроме того, горячие (или охлажденные) РОГ подаются ближе к тому месту, где они нужны. Альтернативно, охладитель 52 РОГ может быть включен в канал 57 и/или охладитель 78 может быть встроен во впускной коллектор 25, что позволит доставлять охлажденные РОГ в место после компрессора.
Второй тракт 55 связывает второй выпускной клапан 65 первой группы цилиндров с воздухозаборником выше по потоку от впускного компрессора. Второй тракт также может быть включен в канал 54 РОГ и может располагаться по меньшей мере частично смежно с первым трактом 57. При этом РОГ также доставляется в место выше по потоку от впускной дроссельной заслонки 20 Таким образом, выделенная для РОГ группа цилиндров выполнена с возможностью рециркулирования охлажденных РОГ на впуск двигателя в место до компрессора через второй выпускной клапан и второй тракт. РОГ может быть охлаждены через ОВН или в месте до дроссельной заслонки (когда ОВН не встроен), или в месте после дроссельной заслонки (когда ОВН встроен). В одном примере второй выпускной клапан может избирательно открываться во втором рабочем режиме при более высоких нагрузке двигателя и давлении наддува для подачи охлажденных РОГ низкого давления в двигатель по второму тракту. За счет доставки охлажденных РОГ в двигатель выше по потоку от компрессора увеличивается длина смешивания, что способствует более равномерному распределению РОГ по цилиндрам двигателя и предотвращению проблем с помпажем компрессора при работе с наддувом.
Третий тракт 56 связывает третий выпускной клапан 66 первой группы цилиндров с выпускным коллектором в месте выше по потоку от каталитического нейтрализатора 192 устройства снижения токсичности отработавших газов. Третий тракт может быть также включен в канал 54 РОГ, но может располагаться в стороне от первого и второго трактов 55 и 57 соответственно. В показанном на фиг. 2 осуществлении тракт 56 присоединен ниже по потоку от турбины 76, хотя в альтернативных примерах, таком как показан на фиг. 1, тракт 56 может быть присоединен выше по потоку от турбины 76. Таким образом, выделенная для РОГ группа цилиндров выполнена с возможностью отвода отработавших газов к каталитическому нейтрализатору для ускорения прогрева последнего и/или для того, чтобы существенное обеспечить отсутствие разбавления в двигателе. В одном примере третий выпускной клапан может избирательно открываться в третьем режиме работы при холодном запуске двигателя для того, чтобы отсутствовала подача в двигатель рециркулированных отработавших газов. Направление отработавших газов в место до турбины может улучшить работу двигателя под наддувом.
С каждым из первого, второго и третьего выпускных клапанов первой группы цилиндров может быть связан привод устройства переключения профиля кулачков. В систему двигателя может быть включен контроллер с машиночитаемыми инструкциями, который может быть выполнен с кодом для регулирования момента открытия каждого из первого, второго и третьего выпускных клапанов на такте выпуска первой группы цилиндров по одному или нескольким из следующих параметров: нагрузка двигателя, давление наддува и разбавление в двигателе. Например, регулирование может содержать, при более низких нагрузке двигателя и давлении наддува, открытие и закрытие первого выпускного клапана до закрытия второго и третьего выпускных клапанов на такте выпуска первой группы цилиндров. Регулирование может также содержать, при более высоких нагрузке двигателя и давлении наддува, открытие и закрытие второго выпускного клапана до закрытия первого и третьего клапанов. Кроме того, регулирование может содержать, при холодном запуске двигателя, открытие и закрытие третьего выпускного клапана до закрытия первого и второго выпускных клапанов. При этом контроллер может регулировать продолжительность открытия каждого из первого и второго выпускных клапанов по требуемому разбавлению в двигателе, и регулировать продолжительность открытия третьего выпускного клапана по температуре каталитического нейтрализатора, связанного с выпускным коллектором. Например, продолжительность открытия первого и второго выпускных клапанов может быть увеличена при увеличении потребности в разбавлении в двигателе, а продолжительность открытия третьего выпускного клапана увеличивают при падении температуры каталитического нейтрализатора ниже своего порогового значения.
Моменты открытия выпускных клапанов могут быть отрегулированы таким образом, чтобы перекрытия клапанов не происходило или чтобы происходило по меньшей мере частичное перекрытие клапанов. Регулируя момент открытия клапана, продолжительность открытия клапана, а также перекрытие выпускных клапанов по времени, при изменении условий работы двигателя, можно изменять уровень и место доставки РОГ. Это позволяет доставлять РОГ как в место до компрессора, так и в место после компрессора, при этом варьируя пропорцию доставки РОГ в разные места в зависимости по меньшей мере от нагрузки двигателя и давления наддува и соблюдая потребность в разбавлении в двигателя. Например, большую часть РОГ доставляют в место до компрессора в условиях высоких нагрузки двигателя и давления наддува. В другом примере большую часть РОГ могут доставлять в место после компрессора, а меньшую часть РОГ - в место до компрессора в условиях меньших нагрузки двигателя и давления наддува.
Далее со ссылкой на фиг. 3 описывается один цилиндр двигателя 10 внутреннего сгорания, содержащего некоторое количество цилиндров (как показано на фиг. 1 - фиг. 2). Двигатель 10 содержит камеру 30 сгорания, стенки 132 цилиндра и поршень 136, расположенный между ними и соединенный с коленчатым валом 40. С коленчатым валом 40 связаны маховик 197 и зубчатый венец 199. Стартер 196 содержит вал 198 ведущей шестерни и ведущую шестерню 195. Вал 198 ведущей шестерни может избирательно продвигать ведущую шестерню 195 для ее вхождения в зацепление с зубчатым венцом 199. Стартер 196 может быть напрямую смонтирован на передней или задней стороне двигателя. В некоторых примерах стартер 196 может избирательно подавать крутящий момент на коленчатый вал 40 через ремень или цепь. В одном примере исходным состоянием стартера является состояние, когда он расцеплен с коленчатым валом двигателя.
Камера 30 сгорания показана сообщающейся с впускным коллектором 144 и выпускным коллектором 148 через соответствующие впускной клапан 152 и выпускной клапан 154. Каждый впускной и выпускной клапан могут независимо друг от друга приводиться в движение впускным кулачком 151 и выпускным кулачком 153. Механизм 85 регулировки впускного клапана выставляет фазу впускного клапана 152 на опережение или запаздывание относительно положения коленчатого вала 40. Кроме того, механизм 85 регулировки впускного клапана может увеличивать или уменьшать величину подъема впускного клапана. Положение впускного кулачка 151 может быть определено датчиком 155 впускного клапана. Положение выпускного кулачка 153 может быть определено датчиком 157 выпускного клапана. В случаях, когда камера 30 сгорания входит в состав выделенного для РОГ цилиндра, временные установки и/или высота подъема клапанов 152 и 154 могут регулироваться независимо от других цилиндров так, что воздушный заряд выделенного для РОГ цилиндра можно уменьшать или увеличивать по сравнению с другими цилиндрами. При этом подаваемая в цилиндры двигателя внешняя РОГ может превышать двадцать пять процентов массы заряда в цилиндре. Внешняя РОГ представляет собой отработавшие газы, которые откачивают из выпускных клапанов цилиндра и возвращают в цилиндры через впускные клапаны цилиндра. Кроме того, величина внутренней РОГ цилиндров, кроме цилиндра, выделенного для РОГ, можно регулировать независимо от выделенного для РОГ цилиндра путем регулировки временных установок клапанного распределения этих соответствующих цилиндров. Внутренняя РОГ представляет собой отработавшие газы, остающиеся в цилиндре после события сжигания, и являющиеся частью смеси, остающейся в цилиндре для следующего события сжигания.
Топливная форсунка 166 показана в положении для впрыска топлива непосредственно в цилиндр 30, что специалистам известно как прямой впрыск. Альтернативно топливо могут впрыскивать во впускной канал, что специалистам известно как впрыск во впускные каналы. В некоторых примерах конфигурации двигателя один или более цилиндров могут получать топливо как от форсунки прямого впрыска, так и от форсунки впрыска во впускные каналы.
В одном примере топливная форсунка 166 может быть избирательно деактивируемой топливной форсункой. При этом цилиндр двигателя можно избирательно отключать, прекращая подачу топлива в этот цилиндр. В некоторых вариантах осуществления выделенный для РОГ цилиндр можно избирательно отключать, прекращая подачу не топлива, а воздуха или прекращая подачу и топлива, и воздуха. Например, можно деактивировать или впускной клапан, или выпускной клапан (клапаны) выделенного для РОГ цилиндра, но не оба сразу. Деактивируя или впускной, или выпускной клапан, можно увеличивать работу цилиндра по перекачке. Максимизация работы по перекачке выделенного для РОГ цилиндра может также содержать регулировку фаз газораспределения, высоты подъема клапана, положения дроссельной заслонки канала или устройства управления движением заряда и т.п.
Впускной коллектор 144 показан сообщающимся с опциональной электронной дроссельной заслонкой 162, которая регулирует положение дроссельной шайбы 164 с целью управления потоком воздуха от воздухозаборника 42 во впускной коллектор 144. В некоторых примерах дроссельная заслонка 162 и дроссельная шайба 164 могут быть расположены между впускным клапаном 152 и впускным коллектором 144 так, что дроссельная заслонка 162 будет дроссельной заслонкой канала. Запрошенный водителем крутящий момент может быть найден по положению педали 180 акселератора, которое измеряется датчиком 184 положения педали акселератора. Когда нога 182 водителя воздействует на педаль 180 акселератора, датчик 184 положения педали выдает сигнальное напряжение или сигнальный ток, содержащие информацию о запрошенном водителем крутящем моменте.
Система 88 зажигания без распределителя обеспечивает подачу искры свечой 92 зажигания в камеру 30 сгорания в ответ на команду контроллера 12. Универсальный датчик 126 содержания кислорода в отработавших газах (УСКОГ) показан связанным с выпускным коллектором 148 выше по потоку от каталитического нейтрализатора 170. Альтернативно вместо датчика 126 УСКОГ может применяться датчик содержания кислорода в отработавших газах с двумя состояниями.
В одном примере каталитический нейтрализатор 170 может содержать несколько блоков носителя. В другом варианте могут использоваться несколько устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое с несколькими блоками носителя. В одном варианте каталитический нейтрализатор 170 может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.
Контроллер 12 на фиг. 3 показан в виде обычного микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 102 (МПУ), порты 104 ввода/вывода, постоянное запоминающее устройство 106 (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 108 (ОЗУ), энергонезависимое запоминающее устройство 110 (ЭЗУ) и обычную шину данных. Контроллер 12 показан принимающим различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 10, дополнительно к тем сигналам, о которых говорилось выше, включая сигнал температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112, связанного с рубашкой 113 охлаждения; показания давления воздуха в коллекторе двигателя (ДВК) от датчика 122 давления, связанного с впускным коллектором 44; сигнал положения коленчатого вала двигателя от датчика 115 на эффекте Холла, связанного с коленчатым валом 40; показания массы воздуха, входящего в двигатель от датчика 219; измеренное датчиком 158 положение дроссельной заслонки. Для обработки контроллером 12 может также измеряться барометрическое давление (датчик не показан). В предпочтительном аспекте настоящего изобретения датчик 115 положения коленчатого вала двигателя подает заданное количество равноотстоящих импульсов на каждый оборот коленчатого вала, но которому рассчитывается частота вращения двигателя (ЧВД) в оборотах в минуту (об/мин).
В процессе работы каждый цилиндр двигателя 10 типично проходит четырехтактный цикл, содержащий: такт впуска, так сжатия, такт расширения и такт выпуска. На такте впуска обычно выпускной клапан 154 закрывается, а впускной клапан 152 открывается. По впускному коллектору 144 в камеру 30 сгорания поступает воздух, и поршень 136 перемещается в нижнюю часть цилиндра для увеличения внутреннего объема камеры 30 сгорания. Положение, в котором поршень 136 находится внизу цилиндра в конце своего хода (то есть когда объем камеры 30 сгорания максимален), специалистами в данной области техники характерно называется нижней мертвой точкой (НМТ). На такте сжатия впускной клапан 152 и выпускной клапан 154 закрыты. Поршень 136 перемещается к головке цилиндра, сжимая при этом воздух внутри камеры 30 сгорания. Положение, в котором поршень 136 находится в конце своего хода вверху цилиндра (то есть когда объем камеры 30 сгорания минимален), специалистами в данной области техники характерно называется верхней мертвой точкой (ВМТ).
В процессе, который здесь и далее называется впрыском, в камеру сгорания вводится топливо. В процессе, который здесь и далее называется зажиганием, впрыснутое топливо воспламеняется известными способами и средствами, такими как свеча 92 зажигания, в результате чего происходит сжигание топливовоздушной смеси. На такте расширения расширяющиеся газы толкают поршень 136 обратно в НМТ. Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в момент вращения вала. Наконец, на такте выпуска открывается выпускной клапан 154, открывая сожженной топливовоздушной смеси путь в выпускной коллектор 148, а поршень возвращается в ВМТ. Следует отметить, что описание выше по тексту приведено только в качестве примера, и что моменты открытия или закрытия клапанов могут изменяться, например, для положительного или отрицательного перекрытия клапанов, позднего закрытия впускного клапана или как в других разнообразных примерах.
Таким образом, показанные на фиг. 1 - фиг. 3 компоненты обеспечивают систему двигателя, выполненную с возможностью избирательного открытия некоторого количества выпускных клапанов выделенной для РОГ группы цилиндров для того, чтобы рециркулировать отработавшие газы к остальным цилиндрам двигателя в места до и после компрессора. Система также создает условия для того, чтобы направлять (например, одновременно) часть отработавших газов от выделенной для РОГ группы цилиндров к каталитическому нейтрализатору отработавших газов, обходя при этом остальные цилиндры двигателя.
На фиг. 6 показана таблица 600, в которой перечислены различные рабочие режимы выделенной для РОГ группы цилиндров. Для Конфигурации А перечислены различные рабочие режимы для двигателя без встроенного ОВН, а для Конфигурации В перечислены различные режимы работы двигателя, в котором имеется встроенный ОВН.
Для обеих конфигураций контроллер двигателя может эксплуатировать выделенную для РОГ группу цилиндров в первом режиме (Режим А), в котором для рециркулирования отработавших газов во впускной коллектор в место после компрессора первый выпускной клапан открыт, а каждый из второго и третьего клапанов закрыт. Это значит, что в двигатель горячие РОГ под высоким давлением могут быть доставлены в Конфигурации А, а охлажденные РОГ высокого давления могут быть доставлены в двигатель в Конфигурации В.
Контроллер также может эксплуатировать выделенную для РОГ группу цилиндров во втором режиме (Режим В), в котором для рециркулирования отработавших газов во впускной коллектор в место до компрессора второй выпускной клапан открыт, а каждый из первого и третьего выпускных клапанов закрыт. Это значит, что РОГ низкого давления, охлажденные посредством ОВН в место до дроссельной заслонки могут быть доставлены в Конфигурации А, а РОГ низкого давления, охлажденные посредством ОВН в место после дроссельной заслонки могут быть доставлены в Конфигурации В.
Контроллер может также эксплуатировать выделенную для РОГ группу цилиндров в третьем режиме (Режим С), в котором для отведения отработавших газов в выпускной коллектор в обход цилиндров двигателя третий выпускной клапан открыт, а каждый из первого и второго выпускных клапанов закрыт.
На фиг. 4 показан пример способа 400 для регулирования работы выпускного клапана выделенной для РОГ группы цилиндров многоцилиндрового двигателя в зависимости от условий работы двигателя для того, чтобы варьировать место доставки и долю потока РОГ в зависимости от вариаций потребности в РОГ. Способ позволяет рециркулировать отработавшие газы от выделенной для РОГ группы цилиндров как в место до компрессора, так и в место после компрессора. Кроме того, способ позволяет по меньшей мере некоторую часть отработавших газов отводить к каталитическому нейтрализатору в обход цилиндров двигателя.
На этапе 402 алгоритм содержит оценивание и/или измерение условий работы двигателя, таких как частота вращения двигателя, запрошенный крутящий момент, нагрузка двигателя, наддув, ДВК, расход впускного воздуха, условий окружающей среды, таких как атмосферное давление, температура и влажность окружающего воздуха, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов и т.п. На этапе 404 по условиям работы двигателя определяют требуемое разбавление в двигателе. В одном примере требуемое разбавление в двигателе может быть меньшим при более низких нагрузке двигателя и давлении наддува и большим при более высоких нагрузке двигателя и давлении наддува.
2
На этапе 405 может быть отрегулирована подача топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров по требуемому разбавлению в двигателе и по пределу стабильности горения при текущих условиях работы. Например, если предел стабильности горения двигателя более низкий, то допустимый предел РОГ в двигателе может быть пониженным. В таких условиях в выделенную для РОГ группу цилиндров может подаваться богатая топливно-воздушная смесь, чтобы выделенная для РОГ (ВРОГ) группа цилиндров работала при обогащенном относительно стехиометрического воздушно-топливном отношении. Каталитический нейтрализатор КВГ отработавших газов может использовать богатые углеводородами отработавшие газы от выделенной для РОГ группы цилиндров для производства большего количества легкогорючих компонентов, таких как СО и Н, которые, будучи перенаправленными в двигатель через впускной коллектор, могут повысить допустимый предел РОГ в двигателе за счет более стабильного и менее продолжительного горения. То есть, этим повышается допустимый уровень РОГ, что повышает преимущества использования РОГ для экономии топлива. В одном примере степень обогащения подаваемой в ВРОГ цилиндр топливно-воздушной смеси повышается при снижении предела стабильности горения двигателя, при данной потребности в разбавлении в двигателе.
На этапе 406 по потребности двигателя в разбавлении и по условиям работы двигателя определяют режим работы выделенной для РОГ группы цилиндров. Например, выбор режима может основываться или на нагрузке двигателя, или на давлении наддува, или на том и другом одновременно. Выбор режима может содержать определение того, позволит ли удовлетворить потребность в разбавлении в двигателе горячие РОГ или охлажденные РОГ низкого давления. Если потребуются оба указанных потока РОГ, то можно определить относительную пропорцию горячих РОГ и охлажденных РОГ низкого давления. При этом горячие РОГ содержат РОГ, рециркулированные из ВРОГ цилиндра на впуск двигателя в место после компрессора, ниже по потоку от впускной дроссельной заслонки и существенно непосредственно во впускной коллектор без прохождения через охладитель РОГ. Такая прямая доставка во впускной коллектор уменьшает время заполнения коллектора рециркулированными отработавшими газами. Охлажденная РОГ-НД содержит РОГ, рециркулированные из ВРОГ цилиндра на впуск двигателя в место до компрессора после охлаждения при прохождении через охладитель РОГ. Доставка охлажденных РОГ в место до компрессора уменьшает внутрицилиндровые потери тепла, ослабляет детонацию и снижает температуру отработавших газов, тем самым снижая требования по обогащенности. То, что подача осуществляется в место до компрессора, также улучшает межцилиндровый баланс РОГ и обеспечивает дополнительное охлаждение РОГ через ОВН, причем и то, и другое необходимо при более высоких уровнях РОГ и высоких нагрузках. Выбор режима может также содержать определение того, не отсутствует ли потребность в разбавлении в двигателе и/или не нужен ли подогрев каталитического нейтрализатора. Если требуется подогреть каталитический нейтрализатор, то также может быть определена интенсивность теплового потока, требуемого на каталитическом нейтрализаторе. При этом, в зависимости от того, какая интенсивность теплового потока требуется на каталитическом нейтрализаторе, можно определить то, какой объем горячих отработавших газов нужно отвести в обход цилиндров на каталитический нейтрализатор устройства снижения токсичности отработавших газов двигателя. В частности, при падении температуры каталитического нейтрализатора ниже своего порогового значения (например, температуры инициации каталитических реакций, ниже которой каталитический нейтрализатор отработавших газов не активируется), требуемая интенсивность теплового потока возрастает, и к каталитическому нейтрализатору потребуется отвести больший объем отработавших газов. Аналогичным образом, в условиях, когда требуется резкое снижение разбавления в двигателе, можно больший объем отработавших газов выделенной для РОГ группы цилиндров отвести от впускного коллектора, направив в выпускной коллектор. В зависимости от выбранного режима, контроллер может привести в действие устройство переключения профилей кулачков (ППК), содержащее рабочие выступы, связанные с каждым из некоторого количества выпускных клапанов ВРОГ группы цилиндров для того, чтобы изменить момент и продолжительность открытия каждого из некоторого количества выпускных клапанов.
На этапе 408 может быть определено, выбран ли первый режим. В одном примере контроллер может эксплуатировать выделенную для РОГ группу цилиндров в первом режиме в ответ на существование одного или обоих из следующих условий: более низкой нагрузки двигателя (например, ниже порогового значения нагрузки) и более низкого давления наддува (например, ниже порогового значения давления наддува). Если первый режим подтверждается, то на этапе 410 алгоритм содержит регулирование устройства ППК, связанного с выпускными клапанами ВРОГ группы цилиндров для избирательного открытия первого выпускного клапана и доставки от ВРОГ цилиндра горячей РОГ во впускной коллектор в место после компрессора. В частности, контроллер может эксплуатировать выделенную для РОГ группу цилиндров в первом режиме с открытым первым выпускным клапаном и закрытыми и вторым, и третьим клапанами для рециркулирования отработавших газов во впускной коллектор в место после компрессора ниже по потоку от впускной дроссельной заслонки.
В одном примере в первом режиме на такте выпуска выделенной для РОГ группы цилиндров первый выпускной клапан открывают и закрывают перед открытием (и/или закрытием) каждого из второго и третьего клапанов. Например, на такте выпуска могут открывать только первый выпускной клапан, оставляя закрытыми второй и третий выпускные клапаны. То есть, клапаны могут работать взаимоисключающе и без перекрытия. В альтернативном примере клапаны могут работать по меньшей мере с некоторым перекрытием так, что первый клапан открывают и закрывают до того, как открывать другие клапаны или до того, как закрывать другие клапаны. Например, первый клапан могут открывать и закрывать на более ранней стадии такта выпуска, а остальные клапаны - открывать и/или закрывать на более поздней стадии такта выпуска. Более раннее открытие выпускного клапана может повысить эффективность продувки такта выпуска для того, чтобы улучшить подачу потока РОГ или направления его в место перед турбиной для улучшения работы турбины. Более позднее открытие выпускного клапана может повысить эффективность продувки такта выпуска для получения более высокой концентрации несгоревших или частично сгоревших углеводородов для повышения допустимого предела РОГ в двигателе.
В дополнение к регулированию момента открытия первого выпускного клапана, можно также отрегулировать продолжительность открытия первого выпускного клапана, по меньшей мере по потребности в РОГ, увеличивая продолжительность открытия по мере увеличения потребности в РОГ. Продолжительность открытия можно увеличивать, увеличивая высоту подъема первого выпускного клапана, например, регулировками устройства ППК.
Если первый режим не подтверждается, то на этапе 412 можно определить, выбран ли второй режим. В одном примере контроллер может эксплуатировать выделенную для РОГ группу цилиндров во втором режиме в ответ на существование одного или обоих из следующих условий: более высокой нагрузки двигателя (например, выше порогового значения нагрузки) и более высокого давления наддува (например, выше порогового значения давления наддува). Если второй режим подтверждается, то на этапе 414 алгоритм содержит регулирование устройства ППК, связанного с выпускными клапанами ВРОГ группой цилиндров для избирательного открытия второго выпускного клапана и доставки охлажденной РОГ от ВРОГ цилиндра во впускной коллектор в место до компрессора. В частности, для рециркулирования отработавших газов во впускной коллектор в место до компрессора выше по потоку от впускной дроссельной заслонки, контроллер может эксплуатировать выделенную для РОГ группу цилиндров во втором режиме с открытым вторым выпускным клапаном и закрытыми и первым, и третьим клапанами.
В одном примере во втором режиме на такте выпуска выделенной для РОГ группы цилиндров второй выпускной клапан открывают и закрывают перед открытием (и/или закрытием) каждого из первого и третьего клапанов. Например, во втором режиме на такте выпуска могут открывать только второй выпускной клапан, оставляя закрытыми первый и третий выпускные клапаны. То есть, клапаны могут работать взаимоисключающе и без перекрытия. В альтернативном примере клапаны могут работать по меньшей мере с некоторым перекрытием так, что второй клапан открывают и закрывают до того, как открывать другие клапаны или до того, как закрывать другие клапаны. Например, второй клапан могут открывать и закрывать на более ранней стадии такта выпуска, а остальные клапаны - открывать и/или закрывать на более поздней стадии такта выпуска. Это позволит одновременно подавать и охлажденный и неохлажденный потоки РОГ с уменьшенной долей, а также подавать некоторый поток отработавших газов на каталитический нейтрализатор для поддержания температуры активации.
В дополнение к регулированию момента открытия второго выпускного клапана, можно также отрегулировать продолжительность открытия второго выпускного клапана, по меньшей мере по потребности в РОГ, увеличивая продолжительность открытия по мере увеличения потребности в РОГ. Продолжительность открытия можно увеличивать, увеличивая высоту подъема второго выпускного клапана, например, регулировками устройства ППК.
Осуществляя выбор между первым и вторым режимами, контроллер может избирательно открывать некоторое количество выпускных клапанов выделенной для РОГ группы цилиндров для того, чтобы рециркулировать отработавшие газы к цилиндрам двигателя и в место до компрессора, и в место после компрессора. Например, контроллер может отрегулировать момент открытия некоторого количества выпускных клапанов на такте выпуска ВРОГ группы цилиндров таким образом, чтобы рециркулирование отработавших газов в место до компрессора было взаимоисключающим с рециркулированием отработавших газов в место после компрессора. Альтернативно контроллер может отрегулировать момент открытия некоторого количества выпускных клапанов на такте выпуска ВРОГ группы цилиндров так, чтобы рециркулирование отработавших газов в место до компрессора по меньшей мере частично совпадало по времени с рециркулированием отработавших газов в место после компрессора.
Если второй режим не подтверждается, то на этапе 416 можно определить, был ли выбран третий режим. В одном примере контроллер может эксплуатировать ВРОГ группу цилиндров в третьем режиме в ответ на существование одного из следующих условий: холодный запуск двигателя, прогрев каталитического нейтрализатора, работа двигателя на холостом ходу (когда не требуется разбавления в двигателе). Если третий режим подтверждается, то на этапе 418 алгоритм содержит регулирование устройства ППК, связанного с выпускными клапанами ВРОГ группы цилиндров для избирательного открытия третьего выпускного клапана для того, чтобы направить отработавшие газы ВРОГ группы цилиндров на каталитический катализатор в обход остальных цилиндров. В частности, котроллер может эксплуатировать ВРОГ группу цилиндров в третьем режиме с открытым третьим выпускным клапаном и закрытыми как первым, так и вторым клапанами для отвода отработавших газов от впускного коллектора и направления их в выпускной коллектор выше по потоку от каталитического нейтрализатора и/или выше по потоку от выпускной турбины.
В одном примере в третьем режиме на такте выпуска выделенной для РОГ группы цилиндров третий выпускной клапан открывают и закрывают перед открытием (и/или закрытием) каждого из первого и второго клапанов. Например, в третьем режиме на такте выпуска могут открывать только третий выпускной клапан, оставляя закрытыми первый и второй выпускные клапаны. То есть, клапаны могут работать взаимоисключающе и без перекрытия. В альтернативном примере, клапаны могут работать по меньшей мере с некоторым перекрытием так, что третий клапан открывают и закрывают до того, как открывать другие клапаны или до того, как закрывать другие клапаны. Например, третий выпускной клапан могут открывать и закрывать на более ранней стадии такта выпуска, а остальные клапаны - открывать и/или закрывать на более поздней стадии такта выпуска. Будет предпочтительно, если в третьем режиме отработавшие газы будут направляться в место до турбины, чтобы энергия импульса свободно выпускаемых отработавших газов улучшала работу турбины, или если самые горячие отработавшие газы будут направляться в место после турбины для улучшения работы каталитического нейтрализатора.
В дополнение к регулированию момента открытия третьего выпускного клапана, можно также отрегулировать продолжительность открытия третьего выпускного клапана, по меньшей мере по температуре каталитического нейтрализатора, увеличивая продолжительность открытия при падении температуры каталитического нейтрализатора ниже порогового значения (например, температуры инициации каталитических реакций). Продолжительность открытия можно увеличивать, увеличивая высоту подъема третьего выпускного клапана, например, регулировками устройства ППК.
С каждого из этапов 410, 414 и 418 алгоритм переходит на этап 420 для того, чтобы определить, произошло ли изменения условий работы, требующего перехода в другой режим. Например, алгоритм может совершать переход из одного рабочего режима в другой в ответ на изменение одного или более из следующих параметров: нагрузки двигателя, давления наддува или потребности в РОГ. Если переходить в другой режим не требуется, то выполнение алгоритма завершается, и ВРОГ группа цилиндров остается работать в текущем режиме. В противном случае, на этапе 422 может быть обновлена потребность разбавления в двигателе по изменившимся условиям его работы. Затем может быть приведено в действие устройство ППК для перехода из одного режима в другой в зависимости от обновленной потребности разбавления в двигателе. В частности, как показано в алгоритме на фиг. 5, это может содержать, в качестве неограничивающих примеров, переход из первого режима во второй режим в ответ на увеличение нагрузки двигателя, переход из второго режима в первый режим в ответ на уменьшение нагрузки двигателя, а также переход из третьего режима в первый режим в ответ на достаточность прогрева каталитического нейтрализатора отработавших газов.
На фиг. 5 приведен пример алгоритма 500 для выбора рабочего режима и перехода между рабочими режимами выделенной для РОГ группы цилиндров в зависимости от условий работы двигателя.
На этапе 502, как и на этапе 402, могут быть оценены и/или измерены условия работы двигателя. На этапе 504 можно проверить существование условия холодного запуска двигателя. В одном примере существование условий холодного запуска двигателя может быть подтверждено, если температура каталитического нейтрализатора отработавших газов будет ниже своего порогового значения, например, ниже температуры инициации каталитических реакций. Если существование условия холодного запуска двигателя подтверждается, тогда на этапе 506 алгоритм содержит работу в третьем режиме, когда открывают третий выпускной клапан для того, чтобы отвести отработавшие газы в обход цилиндров двигателя в выпускной коллектор выше по потоку от каталитического нейтрализатора. Одновременно с этим на такте выпуска первый и второй выпускные клапаны могут оставаться закрытыми.
На этапе 508 можно определить, достаточно ли прогрет каталитический нейтрализатор, например, по тому, превышает ли его температура свое пороговое значение. При отрицательном результате проверки выделенную для РОГ группу цилиндров можно продолжать эксплуатировать в третьем режиме. При положительном результате этой проверки на этапе 510 можно перевести ВРОГ группу цилиндров в первый режим, в котором первый выпускной клапан открыт для рециркулирования горячих отработавших газов на впуск двигателя в место после компрессора. Одновременно с этим на такте выпуска второй и третий выпускные клапаны могут быть закрыты.
Если на этапе 504 не будет подтверждено существование условия холодного запуска двигателя, то на этапе 512 алгоритм будет содержать эксплуатацию ВРОГ группы цилиндров в первом режиме, в котором первый выпускной клапан открыт для рециркулирования горячих отработавших газов на впуск двигателя в место после компрессора. Одновременно с этим, на такте выпуска второй и третий выпускные клапаны могут быть закрыты. В одном примере первый режим может быть рабочим режимом ВРОГ группы цилиндров, используемым по умолчанию. Используемый в первом режиме выпускной клапан может иметь такой размер, чтобы обеспечивать подачу в цилиндры двигателя РОГ на уровне, меньшем, чем 25%, так как допустимый предел РОГ обычно ниже при меньшей нагрузке двигателя. Кроме того, если РОГ первого рабочего режима будет неохлажденными или умеренно охлажденными, это будет идеальным для условий более низкой нагрузки для того, чтобы улучшить стабильность горения и уменьшить потери на перекачивание.
С этапов 512 и 510 алгоритм переходит на этап 514 для проверки того, не произошло ли увеличение газа до более высоких нагрузок двигателя. При положительном результате проверки алгоритм будет содержать перевод ВРОГ группы цилиндров из первого режима во второй режим, в котором для рециркулирования охлажденных отработавших газов на впуск двигателя в место до компрессора открывают второй выпускной клапан. Одновременно с этим, на такте выпуска первый и третий выпускные клапаны могут оставаться закрытыми. При более высоких нагрузках двигателя охлаждение РОГ является критическим, и в конфигурации низкого давления РОГ охлаждают посредством охладителя РОГ с доохлаждением через ОВН. Кроме того, при более высоких частотах вращения двигателя и нагрузках двигателя остается меньше времени на примешивание РОГ, поэтому удлиненный путь, который проходит поток РОГ, обеспечивает равномерное межцилиндровое распределение, а также более плавную работу турбины с меньшим риском помпажа компрессора.
Если на этапе 514 не подтверждается увеличение газа до более высоких нагрузок, то с этапа 514, как и с этапа 516, алгоритм переходит на этап 518 для проверки того, не произошло ли сброса газа до условий холостого хода. Если сброс газа до условий холостого хода не подтверждается, то на этапе 520 алгоритм будет содержать переход обратно в первый режим после завершения события сброса газа. Если сброс газа до условий холостого хода подтверждается, то на этапе 522 алгоритм будет содержать переход в третий режим для доставки отработавших газов к каталитическому нейтрализатору в обход цилиндров двигателя.
Таким образом, отработавшие газы от ВРОГ группы цилиндров могут быть перенаправлены в основной поток отработавших газов для быстрой активации каталитического нейтрализатора и быстрого прогрева двигателя. Аналогичным образом, когда РОГ не требуется, включают в работу выпускной клапан, питающий главное окно потока отработавших газов. Этим повышается к.п.д. двигателя. Кроме того, в зависимости от ситуации, двигатель можно обеспечивать либо РОГ низкого давления, либо РОГ высокого давления.
Показанная на фиг. 7 схема 700 показывает набор примерных моментов срабатывания выпускных клапанов выделенного для РОГ цилиндра в различных режимах работы. На графике 700 графиком 702 показано положение поршня на разных тактах двигателя. На графиках 750-770 показаны примеры работы выпускного клапана в режимах 1-3 соответственно. При этом в каждом рабочем режиме один из некоторого количества выпускных клапанов на такте выпуска избирательно открывают, оставляя закрытыми все остальные выпускные клапаны на всем протяжении такта выпуска. Другими словами, выпускные клапаны эксплуатируют взаимоисключающе друг другу. На каждом графике профили работы впускного клапана показаны сплошными линиями (кривые 710, 720, 730), а профили работы открываемого выпускного клапана показаны отличающимися друг от друга штрихпунктирными линиями (кривые 704, 706, 708).
На графике 702 показано изменение (по оси у) положения поршня относительно ВМТ и/или НМТ в пределах четырех тактов (впуска, сжатия, расширения и выпуска) рабочего цикла двигателя. Как показывает синусоида 702, поршень из ВМТ постепенно движется вниз, достигая крайнего нижнего положения в НМТ к концу такта расширения. Затем поршень возвращается наверх в ВТМ к концу такта выпуска. Затем на такте впуска поршень снова движется вниз, в направлении НМТ, и возвращается в свое исходное верхнее положение в ВМТ к концу такта сжатия.
Кривыми 710, 720 и 730 на графиках 750, 760 и 770 соответственно показаны профили работы впускных клапанов (сплошная линия) в первом, втором и третьем режимах работы ВРОГ группы цилиндров. Как видно по графикам, в каждом режиме впускной клапан могут открывать в начале такта впуска или до него и оставлять открытым по меньшей мере до начала следующего такта сжатия. Кроме того, впускной клапан могут задействовать с подъемом его на различную высоту и продолжительность.
На графике 750 показаны моменты срабатывания выпускного клапана в первом рабочем режиме, в котором отработавшие газы отводят по первому тракту на впуск двигателя в место ниже по потоку от компрессора и ниже по потоку от впускной дроссельной заслонки. Видно, что в первом режиме на такте выпуска может открываться и закрываться только первый выпускной клапан (кривая 704), в то время как второй и третий клапаны остаются закрытыми на всем протяжении такта выпуска. При этом на каждом конкретном такте выпуска срабатывание первого клапана является взаимоисключающим со срабатываниями второго и третьего клапанов. В одном примере в течение действия этого режима двигатель работает главным образом с неохлаждаемой РОГ в конфигурации высокого давления.
На графике 760 показаны моменты срабатывания выпускного клапана во втором рабочем режиме, в котором отработавшие газы отводят по второму тракту на впуск двигателя в место выше по потоку от компрессора. Видно, что во втором режиме на такте выпуска может открываться и закрываться только второй выпускной клапан (кривая 706), в то время как первый и третий выпускные клапаны остаются закрытыми на всем протяжении такта выпуска. При этом на каждом конкретном такте выпуска срабатывание второго клапана является взаимоисключающим со срабатываниями первого и третьего клапанов. В одном примере этот режим могут использовать при более высоких нагрузках двигателя, когда требуются большие объемы охлажденной РОГ.
На графике 770 показаны профили работы выпускного клапана в третьем рабочем режиме, в котором отработавшие газы отводят в обход цилиндров двигателя по третьему тракту в выпускной коллектор двигателя в место выше по потоку от каталитического нейтрализатора отработавших газов. Видно, что в третьем режиме на такте выпуска может открываться и закрываться только третий выпускной клапан (кривая 708), в то время как первый и второй клапаны остаются закрытыми на всем протяжении такта выпуска. При этом на каждом конкретном такте выпуска срабатывание третьего клапана является взаимоисключающим со срабатываниями первого и второго клапанов. В одном примере третий режим задействуют при холодном запуске двигателя.
На каждом из графиков 750-770 закрытие выпускного клапана происходит сразу после прохождения поршнем ВМТ. Тем не менее, в альтернативных примерах закрытие клапана может происходить непосредственно в момент нахождения поршня в ВМТ.
Следует понимать, что, хотя в примере на фиг. 7 показано, что в каждый конкретный момент времени активен только один выпускной клапан, в альтернативных примерах в каждый конкретный момент времени могут быть активными два выпускных клапана или все выпускные клапаны.
Например, в первом режиме, в котором отработавшие газы отводят по первому тракту на впуск двигателя в место ниже по потоку от компрессора и ниже по потоку от впускной дроссельной заслонки, первый выпускной клапан могут открывать и закрывать первым, на более ранней стадии такта выпуска, сохраняя закрытое положение второго и третьего выпускных клапанов. В частности, первый выпускной клапан могут открывать непосредственно в момент достижения поршнем крайнего нижнего положения в конце такта расширения. Второй клапан могут открывать и закрывать следующим по порядку, после чего уже будет задействован третий клапан. В частности, третий клапан могут закрывать по завершении поршнем такта выпуска. При этом на каждом конкретном такте выпуска работа каждого клапана не перекрывается с работой какого-либо другого выпускного клапана. В альтернативных примерах выпускные клапаны могут работать по меньшей мере с частичным перекрытием. Варьируя высоту подъема клапана, изменяют продолжительность и степень открытия клапана, тем самым изменяя объем отработавших газов, подаваемых через каждый выпускной клапан. Например, высоту подъема первого выпускного клапана могут увеличивать относительно высоты подъема остальных выпускных клапанов, чтобы двигатель работал главным образом с неохлаждаемой РОГ высокого давления, которая при этом смешивалась бы с некоторым объемом охлажденной РОГ низкого давления, а также с подачей небольшого объема отработавших газов на каталитический катализатор для поддержания его температуры.
Во втором режиме, в котором отработавшие газы отводят по второму тракту на впуск двигателя в место выше по потоку от компрессора, второй выпускной клапан могут открывать и закрывать первым на более ранней стадии такта выпуска, сохраняя закрытое положение первого и третьего выпускных клапанов. В частности, второй выпускной клапан могут открывать непосредственно в момент достижения поршнем крайнего нижнего положения в конце такта расширения. Первый клапан могут открывать и закрывать следующим по порядку, после чего уже будет задействован третий клапан. В частности, третий клапан могут закрывать по завершении поршнем такта выпуска. При этом на конкретном такте выпуска работа каждого клапана не перекрывается с работой какого-либо другого выпускного клапана. В альтернативных примерах выпускные клапаны могут работать по меньшей мере с частичным перекрытием. Варьируя высоту подъема клапана, изменяют продолжительность и степень открытия клапана, тем самым изменяя объем отработавших газов, подаваемых через каждый выпускной клапан. Например, высоту подъема второго выпускного клапана могут увеличивать относительно высоты подъема остальных выпускных клапанов. При этом таковые сценарии могут также существовать при более высоких, нагрузках двигателя, когда требуются большие объемы охлажденной РОГ при одновременном сохранении некоторого объема неохлажденной РОГ высокого давления и подачей некоторого потока на каталитический катализатор для поддержания его температуры.
В третьем режиме, в котором отработавшие газы отводят в обход цилиндров двигателя по третьему тракту в выпускной коллектор двигателя в место выше по потоку от каталитического нейтрализатора отработавших газов, третий выпускной клапан могут открывать и закрывать первым на более ранней стадии такта выпуска, сохраняя закрытое положение первого и второго выпускных клапанов. В частности, третий выпускной клапан могут открывать непосредственно в момент достижения поршнем крайнего нижнего положения в конце такта расширения. Первый клапан могут открывать и закрывать следующим по порядку, после чего уже будет задействован второй выпускной клапан. В частности, второй клапан могут закрывать по завершении поршнем такта выпуска. При этом на каждом конкретном такте выпуска работа каждого клапана не перекрывается с работой какого-либо другого выпускного клапана. В альтернативных примерах выпускные клапаны могут работать по меньшей мере с частичным перекрытием. Варьируя высоту подъема клапана, изменяют продолжительность и степень открытия клапана, тем самым изменяя объем отработавших газов, подаваемых через каждый выпускной клапан. Например, высоту подъема третьего выпускного клапана могут увеличивать относительно высоты подъема остальных выпускных клапанов. Например, при холодном запуске двигателя, третий выпускной клапан могут задействовать с большей высотой подъема, но меньшей продолжительностью открытия для создания условий для более быстрого прогрева. В одном примере третий режим работы является наиболее вероятным режимом с открытием только одного выпускного клапана, так как обычно двигатель не будет работать на обогащенной смеси, как нужно в режимах РОГ, а также с направлением богатых отработавших газов в каталитический нейтрализатор отработавших газов.
На фиг. 8 проиллюстрирован пример работы двигателя с регулированием РОГ путем избирательного открытия одного из некоторого количества выпускных клапанов выделенного для РОГ цилиндра. В частности, на схеме 800 графиком 802 показана частота вращения двигателя, графиком 804 показано давление наддува, графиком 806 показана температура (Texh) отработавших газов, а графиком 808 показана потребность в РОГ. Графиком 810 показаны временные отрезки, на которых активен первый выпускной клапан (EV1) цилиндра ВРОГ, связывающий цилиндр с впускным коллектором в месте ниже по потоку от впускного компрессора. Графиком 812 показаны временные отрезки, на которых активен второй выпускной клапан (EV2), связывающий ВРОГ цилиндр с впускным коллектором выше по потоку от впускного компрессора. Графиком 814 показаны временные отрезки, на которых активен третий выпускной клапан (EV3), связывающий ВРОГ цилиндр с выпускным коллектором в обход цилиндров двигателя.
Следует понимать, что активность конкретного выпускного клапана не должна пониматься как то, что он будет открытым на определенную продолжительность. Активность выпускного клапана означает то, что данный выпускной клапан включен в работу и неоднократно перемещается между открытым и закрытыми положениями при каждом событии срабатывания цилиндра, что показано пунктирными линиями 811. Следует также понимать, что когда конкретный выпускной клапан активен, продолжительность и степень открытия могут варьироваться. В одном примере параметры клапана могут регулировать изменением высоты подъема клапана.
В момент t0 времени может быть инициирован перезапуск двигателя. Перезапуск двигателя может быть холодным пуском двигателя, при котором температура каталитического нейтрализатора отработавших газов будет ниже его температуры активации. При этом в течение этого времени разбавления в двигателе может не требоваться. То есть, в промежутке времени между моментами t0 и t1, когда двигатель перезапускают, и пока поднимаются температура отработавших газов и температура каталитического нейтрализатора, активируют третий выпускной клапан, оставляя неактивными первый и второй выпускные клапаны ВРОГ группы цилиндров. Следовательно, отработавшие газы от ВРОГ группы цилиндров направляют в обход цилиндров двигателя к каталитическому нейтрализатору отработавших газов.
В момент t1 времени температура отработавших газов может стать достаточно высокой, и температура каталитического нейтрализатора может быть выше его температуры активации. Кроме того, в момент t1 времени частота вращения двигателя и нагрузка двигателя могут находиться в области пониженных частоты-нагрузки. Например, частота вращения двигателя может быть равной или превышающей частоту холостого хода, а нагрузка двигателя может быть меньше пороговой нагрузки, так что давления наддува не будет требоваться. В течение существования таких условий низкой частоты-нагрузки, потребность в РОГ может быть более высокой. То есть, для обеспечения необходимого разбавления в двигателе, в момент t1 третий выпускной клапан могут деактивировать, активировав первый выпускной клапан. Кроме того, могут оставлять неактивным второй выпускной клапан. Первый выпускной клапан может оставаться активным до момента t2. Следовательно, отработавшие газы будут рециркулироваться от ВРОГ цилиндра в место после компрессора, чем будет обеспечена рециркуляция отработавших газов под высоким давлением.
В момент t2 из-за изменения запрошенного водителем крутящего момента частота вращения двигателя и нагрузка двигателя могут возрасти. Например, нагрузка двигателя может превысить свое пороговое значение. Кроме того, для удовлетворения запроса оператора может быть повышено давление наддува. В течение существования таких условий высоких частоты-нагрузки потребность в РОГ может быть ниже. При этом для обеспечения требуемого меньшего разбавления в двигателе, в момент t2 первый выпускной клапан могут деактивировать, активировав при этом второй выпускной клапан. Дополнительно могут оставить неактивным третий выпускной клапан. Активность второго клапана могут сохранять до момента t3. Следовательно, от ВРОГ группы цилиндров отработавшие газы будут рециркулировать в место до компрессора, обеспечивая тем самым рециркуляцию охлажденных отработавших газов под низким давлением.
В момент t3 условия работы двигателя могут измениться, и частота-нагрузка двигателя могут возвратиться в область меньших значений, где потребность в РОГ будет выше, а потребность в наддуве будет ниже. При этом в момент времени t3 второй выпускной клапан могут деактивировать, при этом снова активировав первый выпускной клапан. Дополнительно могут оставить неактивным третий выпускной клапан. Кроме того, двигатель снова сможет получать РОГ от ВРОГ цилиндра в месте после компрессора.
Следует понимать, что, несмотря на то, что на фиг. 8 в каждый конкретный момент времени активным показан только один выпускной клапан, в альтернативных примерах в каждый конкретный момент времени могут быть активными два выпускных клапана или все выпускные клапаны. Например, могут быть активированы первый и второй выпускные клапаны, так что будет иметься возможность варьировать относительные объемы РОГ, доставляемые в места до компрессора и после компрессора.
Таким образом, отработавшие газы от выделенной для РОГ группы цилиндров можно рециркулировать на впуск двигателя таким образом, чтобы обеспечивать как РОГ высокого давления, так и РОГ низкого давления. Кроме того, по необходимости, отработавшие газы можно рециркулировать так, чтобы обеспечивать как горячие РОГ, так и охлажденные РОГ. Активируя при наличии потребности в РОГ один или более выпускных клапанов, подающих отработавшие газы из ВРОГ цилиндра в канал РОГ, можно разрешить специфические проблемы, присущие низким и высоким нагрузкам двигателя с рециркуляцией отработавших газов. Активируя при отсутствии потребности в РОГ выпускной клапан, подающий отработавшие газы из ВРОГ цилиндра в выпускной канал в обход канала РОГ, можно способствовать падению разбавления в двигателе. Кроме того, отработавшие газы можно отводить в выпускной коллектор для того, чтобы ускорить раскручивание турбины и прогрев каталитического нейтрализатора отработавших газов в условиях низких температур. За счет доставки РОГ в различные места двигателя, оснащенного встроенным охладителем воздуха наддува, уменьшается объем заполнения коллектора, что позволяет по мере необходимости в переходных состояниях быстро достигать изменений уровня РОГ. За счет снижения ошибок РОГ в переходных состояниях улучшаются эксплуатационные характеристики двигателя с наддувом даже при высокой степени разбавления в двигателе.
Отметим, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в постоянном запоминающем устройстве. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Что подразумевает, что проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в запоминающем устройстве машиночитаемой компьютерной среды хранения в системе управления двигателем.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и алгоритмы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не несут ограничительной функции, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения содержит все новые и неочевидные сочетания и производные сочетания различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, внимание сосредоточено на определенных сочетаниях компонентов и производных сочетаниях компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты включают в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные сочетания и производные сочетания раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем поправки имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи исходной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.