СПОСОБ И СИСТЕМА ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ С НАДДУВОМ
METHOD AND SYSTEM OF OPERATING VEHICLE ENGINE AND SUPERCHARGED ENGINE SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам и системам для использования рециркулирующего потока компрессора для защиты от помпажа.
Уровень техники
Системы двигателей могут быть оборудованы устройствами наддува, такими как нагнетатели или турбонагнетатели, для нагнетания воздуха и повышения пиковой выходной мощности. Использование компрессора позволяет одновременно достичь увеличения мощности малолитражного двигателя внутреннего сгорания и снижения расхода топлива. Однако следует отметить, что компрессоры подвержены явлению помпажа. Например, при отпускании водителем педали газа происходит закрытие дросселя на входе двигателя, что приводит к снижению прямого потока воздуха, проходящего через компрессор, и может стать причиной помпажа компрессора. Помпаж может привести к проблемам, связанным с шумом, вибрацией и жесткостью (NVH), например, к нежелательному шуму, создаваемому впускной системой двигателя. Таким образом, в зависимости от потока воздуха и давления на входе компрессор может перейти в область слабого или сильного помпажа. Во время сильного помпажа воздух мгновенно проходит обратно через компрессор, вызывая резкие колебания давления. Во время слабого помпажа возникает относительно небольшая нестабильность работы компрессора.
Для устранения проблем, связанных с любым типом помпажа компрессора, системы двигателя могут содержать перепускной клапан компрессора, соединенный с компрессором для обеспечения резкого снижения давления наддува. Один пример такого перепускного клапана компрессора (так называемого рециркуляционного клапана компрессора) раскрыт в документе US 2012/0014812. В известном решении перепускной клапан компрессора представляет собой двухпозиционный клапан, который удерживают в закрытом положении в установившемся режиме работы и принудительно открывают в зависимости от обнаружения помпажа. При открытии клапана часть воздуха, выходящего из компрессора, поступает обратно на впускное отверстие компрессора. В других способах для решения проблем, связанных с помпажем, может быть использован всережимный клапан.
В настоящем описании указаны возможные проблемы, связанные с такими системами. Например, для снижения износа и расхода топлива клапан, раскрытый в вышеуказанном документе, удерживают в закрытом состоянии при отсутствии признаков помпажа. В частности, если клапан удерживают в открытом положении (например, для снижения вероятности возникновения помпажа до его фактического наступления), компрессор не сможет создать давление наддува, необходимое для создания требуемого крутящего момента двигателя. Увеличение работы турбины, необходимой для компенсации дополнительной работы компрессора, также приводит к снижению эффективности расхода топлива. Кроме того, энергия может быть использована для удержания клапана в открытом положении. Однако такой способ может привести к значительному увеличению расхода энергии. Это связано со снижением запаса до границы помпажа при установившемся режиме, когда клапан удерживают в закрытом положении, что приводит к частому помпажу и требует частого открытия клапана. Таким образом, это расходует энергию. Кроме того, если помпаж вызван отпусканием водителем педали газа вскоре после нажатия на нее, энергия также используется для приведения закрытого клапана в движение и увеличения давления наддува. Это приводит к увеличению времени реакции на изменение требуемого крутящего момента. В частности, в случае предотвращения помпажа за счет открытия клапана после отпускания водителем педали газа вскоре после нажатия на нее восстановление давления наддува и создание крутящего момента двигателя занимает больше времени, чем в случае, если бы клапан не был полностью открыт.
Кроме того, клапан, раскрытый в известном решении, не позволяет одинаково хорошо справляться с проблемами, связанными с сильным и слабым помпажем. Например, открытие перепускного клапана компрессора и последующее быстрое увеличение потока, проходящего через компрессор, может оказаться более эффективным при решении проблем, связанных с сильным помпажем, который возникает при переходных условиях, например, при отпускании педали газа, но не со слабым помпажем, который может возникнуть во время установившегося режима. В частности, сильное снижение давления на впуске, связанное с открытием клапана, может снизить производительность двигателя при слабом помпаже в случае подачи команды открытия клапана.
Раскрытие изобретения
С учетом указанных выше проблем было определено, что предпочтительным может быть удержание клапана в частично открытом положении и обеспечение рециркуляции, по крайней мере, части потока, проходящего через компрессор, при установившемся режиме до получения индикации помпажа, даже при необходимости потратить некоторое количество энергии для этого. Указанные выше проблемы могут быть решены с помощью способа эксплуатации двигателя с наддувом, имеющего рециркуляционный клапан компрессора, который может быть переключен между несколькими положениями, в том числе, по меньшей мере, полностью открытое положение, полностью закрытое положение и полуоткрытое положение. В соответствии со способом эксплуатируют двигатель без помпажа с клапаном, соединяющим выпускное отверстие компрессора с впускным отверстием компрессора в полуоткрытом положении; удерживают клапан в полуоткрытом положении при обнаружении слабого помпажа или при отсутствии помпажа и переключают клапан из полуоткрытого положения в полностью открытое положение при обнаружении сильного помпажа. Данный способ позволяет решить проблемы, связанные с сильным и слабым помпажем, а также снизить использование энергии и уменьшить время реакции на изменение требуемого крутящего момента.
Система двигателя с наддувом может содержать рециркуляционный клапан компрессора, расположенный в канале, соединяющем выпускное отверстие компрессора с впускным отверстием компрессора. Во время установившегося режима при включенном наддуве клапан может иметь исходное полуоткрытое положение. Клапан может пассивно удерживаться в полуоткрытом положении без использования внешнего исполнительного механизма, соединенного с клапаном, с помощью пары предварительно нагруженных и сжатых противодействующих пружин. Предварительно нагруженные пружины удерживают клапан в исходном полуоткрытом положении и обеспечивают прохождение номинального потока через компрессор. Таким образом, запас до границы сильного и слабого помпажа может быть увеличен, что позволяет снизить вероятность возникновения помпажа и, следовательно, уменьшить частоту приведения клапана в движение. Уменьшение частоты привода клапана в движение при повышенном запасе по помпажу в установившемся режиме позволяет снизить потребление энергии. Клапан может удерживаться в исходном полуоткрытом положении для снижения вероятности возникновения слабого помпажа. При обнаружении сильного помпажа (например, во время отпускания педали газа) внешний исполнительный механизм может быть приведен в действие для перемещения клапана из полуоткрытого положения в полностью открытое положение. Увеличение степени открытия клапана позволяет быстро увеличить поток, проходящий через компрессор, чтобы практически мгновенно решить проблемы, связанные с сильным помпажем. В сравнении, при обнаружении резкого увеличения требуемого крутящего момента (например, при увеличении нагрузки на двигатель) внешний исполнительный механизм может быть приведен в действие для перемещения клапана из полуоткрытого положения в полностью закрытое положение. В данном случае при резком увеличении мощности двигателя происходит закрытие клапана, позволяющее быстро увеличить давление наддува.
Таким образом, частичное открытие рециркуляционного клапана компрессора при установившемся режиме позволяет увеличить запас по помпажу и снизить вероятность возникновения помпажа. Также при возникновении помпажа (например, сильного помпажа) клапан может быть быстро переведен в полностью открытое положение, что позволит снизить время реакции на обнаружение сильного помпажа. Аналогичным образом клапан может быть быстро перемещен в полностью закрытое положение для увеличения давления наддува, что позволит уменьшить время реакции на изменение крутящего момента при переходных условиях и улучшить управляемость транспортного средства. Возможность работы с полуоткрытым клапаном увеличивает запас до границы сильного и слабого помпажа по сравнению с использованием традиционных двухпозиционных помпажных клапанов компрессора, которые имеют ограничения, связанные с регулировкой положения, без увеличения расхода энергии. Использование трехпозиционного клапана позволяет эффективнее решать проблемы, связанные с сильным и слабым помпажем. Кроме того, по сравнению с всережимными клапанами трехпозиционный клапан имеет меньшую стоимость и сложность. Также практически при любых условиях работы двигателя клапан потребляет гораздо меньше энергии. Например, клапан со сбалансированным давлением, представляющий собой корпус электронного дросселя, может быть всережимным, но при этом потреблять гораздо меньше энергии при установившемся режиме работы. В общем случае проблемы, связанные с помпажем, могут быть решены при помощи более простых клапанов.
Следует понимать, что приведенная выше сущность изобретения используется для того, чтобы познакомить в упрощенной форме с набором концепций, которые будут далее описаны в подробном описании, и не предназначена для определения ключевых или основных особенностей заявленного объекта, область применения которого однозначно определена формулой изобретения. Кроме того, заявленный объект изобретения не ограничен вариантами, которые устраняют недостатки, указанные выше или упомянутые в любой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показан пример пути прохождения воздуха через систему двигателя с наддувом, содержащую рециркуляционный клапан компрессора.
На Фиг. 2-3 показаны детальные варианты реализации рециркуляционного клапана компрессора по Фиг. 1.
На Фиг. 4 показан график рабочих характеристик компрессора, на котором показаны границы сильного и слабого помпажа.
На Фиг. 5 показана высокоуровневая блок-схема, показывающая способ, который может быть использован для регулировки положения рециркуляционного клапана компрессора по Фиг. 1-2 при обнаружении помпажа.
На фиг. 6 показан пример регулировки рециркуляционного клапана компрессора при переменных условиях работы двигателя в соответствии с изобретением.
На Фиг. 7-8 показаны варианты реализации рециркуляционного клапана компрессора по Фиг. 1.
Осуществление изобретения
Следующее описание относится к системам и способам решения проблем, связанных с помпажем компрессора в системе двигателя с наддувом, например, в системе по Фиг. 1, использующей трехпозиционный рециркуляционный клапан компрессора, например, клапан по Фиг. 2-3. Контроллер может быть выполнен с возможностью выполнения способа управления, например, способа по Фиг. 5, для изменения положения клапана в соответствии с условиями работы двигателя. Контроллер может удерживать клапан в исходном полуоткрытом положении во время установившегося режима работы двигателя, а также при обнаружении слабого помпажа. В зависимости от сильного помпажа клапан может быть перемещен в полностью открытое положение. Для сравнения: при временном увеличении требуемого крутящего момента клапан может быть перемещен в полностью закрытое положение. Контроллер может использовать график рабочих характеристик компрессора, например, график рабочих характеристик с Фиг. 4, для определения условий сильного и слабого помпажа. Пример регулировок клапана приведен со ссылкой на Фиг. 6. В данном случае могут быть эффективнее решены проблемы, связанные с помпажем, и увеличена производительность двигателя с наддувом.
На Фиг. 1 представлена система 100 двигателя для транспортного средства. Транспортное средство может представлять собой дорожное транспортное средство, имеющее ведущие колеса, контактирующие с дорожным покрытием. Система 100 двигателя содержит двигатель 10 с несколькими цилиндрами. На Фиг. 1 подробно изображены один такой цилиндр или камера сгорания. Различными компонентами двигателя 10 может управлять электронный контроллер 12 двигателя. Двигатель 10 содержит камеру 30 сгорания и стенки 32 цилиндра с поршнем 36, расположенным внутри них и соединенным с коленчатым валом 40. Камера 30 сгорания соединена с впускным коллектором 144 и выпускным коллектором 148 с помощью соответствующих впускного клапана 152 и выпускного клапана 154. Каждый впускной клапан и каждый выпускной клапан могут управляться с помощью впускного кулачка 51 и выпускного кулачка 53. Один или несколько впускных или выпускных клапанов могут управляться с помощью катушки и якоря клапана с электромеханическим управлением. Положение впускного кулачка 51 может быть определено с помощью датчика 55 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 53 может быть определено с помощью датчика 57 выпускного кулачка.
Топливная форсунка 66 расположена с возможностью выполнять впрыск топлива непосредственно в цилиндр 30, известный специалистам в данной области техники как прямой впрыск топлива. В качестве альтернативы топливо может впрыскиваться во впускной канал, известный специалистам в данной области техники как впрыск во впускные каналы. Топливная форсунка 66 подает жидкое топливо пропорционально длительности импульса сигнала FPW от контроллера 12. Топливо подают в топливную форсунку 66 с помощью топливной системы (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу. Привод 68 подает рабочий ток на топливную форсунку 66 в соответствии с командами от контроллера 12. Кроме того, впускной коллектор 144 соединен с дополнительным электронным дросселем 62, который регулирует положение дроссельной заслонки 64 для изменения потока воздуха в цилиндр 30 двигателя. Данный процесс может предусматривать регулировку потока воздуха турбонаддува из впускной камеры 146 создания наддува. В некоторых вариантах реализации дросселя 62 может не быть, при этом поток воздуха в двигатель может регулироваться с помощью одного дросселя 82 системы впуска воздуха (дроссель AIS), соединенного с впускным каналом 42 для воздуха и расположенного выше по потоку от камеры 146 создания наддува.
В некоторых вариантах реализации двигатель 10 выполнен с возможностью обеспечения рециркуляции выхлопных газов (EGR). При наличии такой системы рециркулирующие выхлопные газы проходят через канал 135 EGR и клапан 138 EGR в систему впуска воздуха в двигатель ниже по потоку от дросселя 82 системы впуска воздуха (AIS) из участка выхлопной системы, расположенного ниже по потоку от турбины 164. Рециркулирующие выхлопные газы могут выходить из выхлопной системы в систему впуска воздуха при наличии разности давлений, достаточной для возникновения потока. Разность давлений может быть создана за счет частичного закрытия дросселя 82 AIS. Дроссельная заслонка 84 регулирует давление на впускном отверстии компрессора 162. Система AIS может иметь электрическое управление, а ее положение может изменяться в зависимости от показаний дополнительного датчика 88 положения.
Компрессор 162 нагнетает воздух из впускного канала 42 для подведения во впускную камеру 146 создания наддува. Канал 42 для впуска воздуха может содержать воздушную камеру (не показана) с фильтром. Выхлопные газы вращают турбину 164, соединенную с компрессором 162 с помощью вала 161. Исполнительный механизм 72 перепускной заслонки с вакуумным управлением позволяет направить выхлопные газы по перепускному каналу турбины 164 для управления давлением наддува при изменяющихся рабочих условиях. Исполнительный механизм перепускной заслонки может иметь пневматический или электрический привод. Перепускная заслонка 72 может быть закрыта (или переведена в положение с меньшей степенью открытия) в зависимости от обнаружения повышенной величины запрашиваемого наддува, например, во время нажатия водителем на педаль газа. Закрытие перепускной заслонки позволяет увеличить давление выхлопных газов на участке выше по потоку от турбины, увеличивая скорость вращения и пиковую выходную мощность турбины. Это позволяет повысить давление наддува. Кроме того, перепускная заслонка может быть перемещена в сторону закрытого положения для поддержания необходимого давления наддува при частичном открытии рециркуляционного клапана компрессора. В другом примере перепускная заслонка 72 может быть открыта (или переведена в положение с большей степенью открытия) в зависимости от обнаружения пониженной величины запрашиваемого наддува, например, во время отпускания водителем педали газа. Открытие перепускной заслонки позволяет снизить давление выхлопных газов, снижая скорость и мощность турбины. Это позволяет снизить давление наддува.
В рециркуляционном канале 159 компрессора вокруг компрессора 162 может быть установлен рециркуляционный клапан 158 компрессора (CRV) таким образом, чтобы воздух мог проходить из выпускного отверстия компрессора во впускное отверстие компрессора, обеспечивая снижение давления, которое может возрастать по мере прохождения через компрессор 162. Охладитель 157 воздуха турбонаддува может быть расположен в канале 146, расположенном ниже по потоку от компрессора 162 для охлаждения воздуха турбонаддува, подаваемого во впускное отверстие двигателя. В представленном примере рециркуляционный канал 159 компрессора выполнен с возможностью рециркуляции охлажденного сжатого воздуха из участка ниже по потоку от охладителя 157 воздуха турбонаддува во впускное отверстие компрессора. В других примерах рециркуляционный канал 159 компрессора может быть выполнен с возможностью рециркуляции сжатого воздуха из участка, расположенного ниже по потоку от компрессора и выше по потоку от охладителя 157 воздуха турбонаддува, во впускное отверстие компрессора. Клапан 158 CRV может быть открыт или закрыт с помощью электрического сигнала от контроллера 12. Как было указано со ссылкой на Фиг. 2-3, клапан 158 CRV может представлять собой трехпозиционный клапан, имеющий исходное полуоткрытое положение, из которого он может быть перемещен в полностью открытое положение или полностью закрытое положение. Клапан может удерживаться в полуоткрытом положении при установившемся режиме работы двигателя с наддувом, а также во время работы при условиях слабого помпажа. Если удерживать клапан в частично открытом положении при таких условиях, то, по крайней мере, часть сжатого воздуха может рециркулировать из выпускного отверстия компрессора, расположенного выше или ниже по потоку относительно охладителя воздуха турбонаддува, во впускное отверстие компрессора, при этом часть давления наддува может быть стравлена, что позволит увеличить запас по помпажу.
Клапан может состоять из двух противодействующих пружин, которые будут пассивно удерживать клапан в полуоткрытом положении за счет сил сжатия пружин. Обе пружины могут иметь разные значения предварительной нагрузки и предварительного сжатия для достижения определенного коэффициента упругости каждой из них. Например, пара противодействующих пружин может содержать внутреннюю пружину, имеющую повышенную предварительную нагрузку и пониженный действительный коэффициент упругости, и внешнюю пружину, имеющую пониженную предварительную нагрузку и повышенный действительный коэффициент упругости. Пружины могут быть расположены таким образом, чтобы при частичном сжатии каждой из них путем предварительной нагрузки, сила сжатия, создаваемая пружинами, удерживала клапан в полуоткрытом положении. Внешний исполнительный механизм, например, электромагнитный клапан с электрическим управлением или мембрана/ поршень с пневматическим управлением, может быть приведен в движение контроллером таким образом, чтобы отрегулировать нагрузку и степень сжатия каждой пружины и обеспечить перевод клапана в полностью открытое или полностью закрытое положение. Другими словами, клапан пассивно удерживают в полуоткрытом положении при помощи пружин (без использования внешнего исполнительного механизма), а затем активно переводят в полностью открытое или полностью закрытое положение при помощи внешнего исполнительного механизма.
Следует понимать, что хотя в указанном варианте реализации клапан CRV содержит пару противодействующих пружин, которые содержат внутреннюю пружину, имеющую повышенную предварительную нагрузку и пониженный действительный коэффициент упругости, и внешнюю пружину, имеющую пониженную предварительную нагрузку и повышенный действительный коэффициент упругости, в других вариантах реализации значения коэффициента упругости и предварительной нагрузки внутренней и наружной пружин могут быть рассчитаны на удержание клапана в частично открытом положении при наличии давления газов для минимизации использования силы исполнительного механизма, необходимой для удержания клапана в полностью открытом или полностью закрытом положении.
Клапан может быть полностью открыт в зависимости от возникновения сильного помпажа, чтобы быстро снизить давление наддува и оптимизировать поток, создаваемый компрессором. Например, когда водитель отпускает педаль газа, дроссель 62 закрывается, уменьшая поток воздуха. В результате входной поток, проходящий через компрессор, уменьшается, что может привести к помпажу компрессора и ухудшению производительности турбонагнетателя. Полное открытие клапана 158 CRV в зависимости от сильного помпажа позволяет сместить рабочие характеристики компрессора от границы помпажа или из области помпажа. В частности, может быть уменьшена разность давлений внутри компрессора и увеличена скорость потока, проходящего через компрессор. Клапан может быть полностью закрыт в зависимости от временного увеличения требуемого крутящего момента для быстрого увеличения давления наддува и уменьшения времени реакции на изменение крутящего момента при переходных условиях. В частности, за счет закрытия клапана CRV при временном увеличении требуемого крутящего момента во впускной коллектор двигателя будет поступать воздух с более высоким уровнем наддува, что позволит увеличить крутящий момент двигателя и повысить мощность турбины. Это позволит более быстро повысить уровень наддува.
Контроллер двигателя может использовать график рабочих характеристик, например, график рабочих характеристик по Фиг. 4, для определения того, работает ли компрессор при условиях помпажа или условиях, близких к помпажу. В частности, на графике 400 рабочих характеристик по Фиг. 4 показано изменение отношения давлений в компрессоре (по оси Y) при разных значениях скорости потока, проходящего через компрессор (по оси X). График рабочих характеристик содержит контурные линии 405, соответствующие постоянной скорости компрессора. Линия 402 представляет собой линию области сильного помпажа (или границу сильного помпажа) при заданных условиях работы. Условия работы компрессора слева от границы 402 сильного помпажа приводят к работе в области 404 сильного помпажа (заштрихованная область). Соответственно, работа компрессора в области 404 сильного помпажа приводит к неприемлемым значениям NVH и возможному ухудшению производительности двигателя. Сильный помпаж может произойти при переходных условиях, когда требуемый поток воздуха через двигатель внезапно снижается, например, во время отпускания водителем педали газа водителем. В данных условиях обычно требуется быстро снизить давление на выпускном отверстии компрессора или быстро увеличить рециркулирующий поток, проходящий через компрессор, для поступления в двигатель уменьшенного потока. В данной области клапан CRV может быть переведен из полуоткрытого положения в полностью открытое положение для смещения условий работы от границы 402 сильного помпажа, в частности, в область, находящуюся справа от границы 402 помпажа.
Слабый помпаж может возникать в области 406 слабого помпажа на графике рабочих характеристик компрессора во время отпускания водителем педали газа (в установившемся режиме работы), когда для двигателя необходимо удерживать повышенное впускное давление. В данном случае предпочтительным является увеличение потока, проходящего через компрессор, без снижения давления наддува. Таким образом, удержание клапана в частично открытом положении позволит, по крайней мере, частично увеличить поток воздуха, проходящий через компрессор, не снижая давление наддува. Для сравнения: если используется двухпозиционный рециркуляционный клапан компрессора, то единственное, что можно сделать с клапаном, это полностью открыть его, после чего произойдет снижение давления наддува и крутящего момента двигателя. Поскольку это нежелательно, то либо двигатель начнет работать в области слабого помпажа, либо придется выполнить дополнительные действия для смещения условий работы от области слабого помпажа, например, для переключения передачи.
На Фиг. 1 бесконтактная система 90 зажигания подает искру зажигания в камеру 30 сгорания с помощью запальной свечи 92 в ответ на команду контроллера 12. Изображенный универсальный датчик 126 содержания кислорода (UEGO) в выхлопных газах соединен с выпускным коллектором 148 выше по потоку от каталитического нейтрализатора 70. Датчик 126 UEGO может быть заменен на бистабильный датчик содержания кислорода в выхлопных газах. Преобразователь 70 может содержать несколько каталитических блоков. В другом примере может быть использовано несколько устройств для снижения токсичности выхлопных газов, каждое из которых будет состоять из нескольких блоков. Каталитический преобразователь 70 может представлять собой трехкомпонентный нейтрализатор. Хотя в представленном примере показан датчик 126 UEGO, расположенный выше по потоку от турбины 164, следует понимать, что в альтернативных вариантах реализации датчик UEGO может быть расположен в выпускном коллекторе ниже по потоку от турбины 164 и выше по потоку от каталитического нейтрализатора 70.
Контроллер 12 по Фиг. 1 представляет собой микрокомпьютер, содержащий блок 102 микропроцессора, порты 104 ввода/вывода, постоянное запоминающее устройство 106, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимое запоминающее устройство 110 и стандартную шину данных. Помимо вышеописанных сигналов, контроллер 12 принимает различные сигналы от соединенных с двигателем 10 датчиков, в том числе: значение температуры охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) от датчика 112 температуры, соединенного с охлаждающим рукавом 114; положение педали газа, регулируемой ногой 132, от датчика 134 положения, соединенного с педалью газа 130; индикация возгорания отработавших газов (не показан) от датчика детонации; давление в коллекторе двигателя (MAP) от датчика 121 давления, соединенного с впускным коллектором 144; давление наддува от датчика 122 давления, подключенного к камере 146 создания наддува; положение двигателя от датчика 118 Холла, определяющего положение коленчатого вала 40; массовый расход воздуха, поступающего в двигатель, от датчика 120 (например, от термоанемометра); положение дросселя от датчика 58. Для измерения атмосферного давления может быть также использован датчик (не показан), позволяющий контроллеру 12 произвести дальнейшую обработку. В предпочтительном варианте реализации изобретения при каждом повороте коленчатого вала датчик 118 положения двигателя генерирует предварительно установленное количество импульсов через равные промежутки времени, с помощью которых можно определить частоту вращения двигателя (об./мин.).
В гибридных транспортных средствах двигатель может быть соединен с системой электродвигатель/аккумулятор. Гибридное транспортное средство может иметь параллельную конфигурацию, последовательную конфигурацию, иную конфигурацию или сочетание данных конфигураций. Могут быть использованы другие конфигурации двигателей, например, дизельный двигатель.
Во время работы каждый цилиндр в двигателе 10 обычно проходит четырехтактный цикл: цикл содержит такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. В общем случае во время такта впуска выпускной клапан 154 закрыт, а впускной клапан 152 открыт. Воздух поступает в камеру 30 сгорания через впускной коллектор 144, причем поршень 36 перемещается в нижнюю часть цилиндра таким образом, чтобы увеличить объем внутри камеры 30 сгорания. Положение, в котором поршень 36 находится в нижней части цилиндра в конце своего хода (например, при наибольшем объеме камеры 30 сгорания), как правило, известен специалистам в данной области техники как нижняя мертвая точка (BDC). При такте сжатия впускной клапан 152 и выпускной клапан 154 закрыты. Поршень 36 перемещается к головке цилиндра таким образом, чтобы сжать воздух внутри камеры 30 сгорания. Точка, в которой поршень 36 находится в конце своего такта и наиболее близок к головке цилиндра (например, при наименьшем объеме камеры 30 сгорания), как правило, известен специалистам в данной области техники как верхняя мертвая точка (TDC). Во время процесса, называемого впрыском, топливо поступает в камеру сгорания. Во время процесса, называемого зажиганием, впрыснутое топливо зажигают с помощью известного средства зажигания, например, свечи зажигания 92, что приводит к горению. При такте расширения расширяющиеся газы толкают поршень 36 назад в BDC. Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, при такте выпуска выпускной клапан 154 открывается для выпуска сгоревшей воздушно-топливной смеси в выпускной коллектор 148, поршень возвращается в TDC. Следует заметить, что все вышеописанное приведено исключительно для примера и что моменты открытия и (или) закрытия впускного и выпускного клапанов могут быть изменены для того, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапана, позднее закрытие впускного клапана или различные другие примеры.
На Фиг. 2 представлен иллюстративный вариант 200 выполнения рециркуляционного клапана (158) компрессора по Фиг. 1. На Фиг. 3 показан иллюстративный вариант 300 выполнения клапана в различных положениях.
Вариант 200 выполнения показывает клапан 158 CRV в исходном полуоткрытом состоянии. Клапан 158 может быть соединен с впускной камерой 146 создания наддува таким образом, чтобы в полуоткрытом состоянии часть охлажденного сжатого воздуха, поступающего из участка ниже по потоку от охладителя воздуха турбонаддува, могла поступать обратно в канал 159 для подачи во впускное отверстие компрессора.
Клапан 158 может содержать шток 206 клапана, головку 204 клапана и корпус 202 клапана. Головка 204 клапана может быть смещена, например, поднята или опущена, в отверстие 205 клапана при помощи штока 206 клапана для изменения потока 208 воздуха, проходящего через клапан. Шток 206 клапана может быть соединен с парой ступенчатых выступов, включая верхний выступ 214 и нижний выступ 216. Со штоком 206 клапана также может быть соединена подвижная стопорная шайба 218. В исходном положении подвижная стопорная шайба 218 может удерживаться непосредственно под верхним выступом 214. В исходном положении неподвижная стопорная шайба 220 может быть выровнена относительно верхнего выступа 214. Поднимая или опуская головку 204 клапана внутри отверстия 205 клапана, подвижная стопорная шайба 218 может смещаться относительно неподвижной стопорной шайбы 220 (в частности, при перемещении между исходным средним положением и закрытым положением. Соответственно, если клапан открыт на большую величину по сравнению с исходным положением, подвижная стопорная шайба не двигается).
Клапан также может содержать систему 203 пружин, состоящую из двух противодействующих пружин. Пара пружин выполнена с возможностью удержания клапана в полуоткрытом положении за счет действия сил сжатия. Пара противодействующих пружин может содержать внутреннюю пружину 212 и внешнюю пружину 210. Первая, внутренняя пружина может иметь первый действительный коэффициент упругости, отличный от второго действительного коэффициента упругости второй, внешней пружины. Первая, внутренняя пружина может иметь нелинейно изменяющийся действительный коэффициент упругости, а вторая, внешняя пружина может иметь линейно изменяющийся действительный коэффициент упругости. В другом примере вторая, внешняя пружина может иметь нелинейно изменяющийся действительный коэффициент упругости, а первая, внутренняя пружина может иметь линейно изменяющийся действительный коэффициент упругости. В качестве альтернативы обе пружины могут иметь линейно изменяющиеся или нелинейно изменяющиеся действительные коэффициенты упругости. В одном примере реализации коэффициент упругости первой, внутренней пружины может быть ниже коэффициента упругости второй пружины. В другом примере реализации коэффициент упругости первой, внутренней пружины может быть выше коэффициента упругости второй пружины. Кроме того, при одновременном сжатии пружины могут иметь действительные коэффициенты упругости пружины, изменяющиеся в зависимости от величины смещения головки 204 клапана в отверстии 205. Следует отметить, что внутренняя пружина дополнительно сжимается при перемещении штока клапана вверх от исходного положения, при этом внешнюю пружину не используют. Аналогичным образом внешняя пружина дополнительно сжимается при перемещении штока клапана вниз от исходного положения, при этом внутренняя пружина не используется.
Следует отметить, что пружины могут быть расположены по-другому, что позволит достичь аналогичного эффекта, например, пружины могут быть расположены сверху и снизу, а не снаружи и внутри. Также можно изменять назначение внутренней и внешней пружин таким образом, чтобы они действовали в обратных направлениях по сравнению с рассмотренным вариантом реализации. Каждый вариант реализации основан на том, что пружины действуют на клапан в противоположных направлениях, при этом каждая пружина предварительно сжата таким образом, чтобы создавать достаточное внешнее усилие, необходимое для перемещения клапана в одном из направлений.
Клапан 158 также может содержать внешний исполнительный механизм 222, приводимый в движение на основании сигналов, принимаемых от контроллера 12. При приведении в движение внешний исполнительный механизм 222 может вытягивать шток 206 клапана для перемещения головки 204 клапана из отверстия 205. Это позволяет увеличить зазор 207 и, следовательно, увеличить поток воздуха, проходящий через клапан. В качестве альтернативы внешний исполнительный механизм 222 может толкать головку 204 клапана в отверстие 205 для уменьшения зазора 207 и уменьшения потока воздуха, проходящего через клапан. Внешний исполнительный механизм 222 может представлять собой нажимно-вытяжной электромагнитный клапан с электрическим приводом от контроллера 12. Как будет описано ниже со ссылкой на Фиг. 3, на электромагнитный клапан может быть подан ток для вытягивания головки клапана таким образом, чтобы перевести клапан в полностью открытое положение, или ток для толкания головки клапана таким образом, чтобы перевести клапан в полностью закрытое положение. В другом примере реализации внешний исполнительный механизм 222 может представлять собой мембрану или поршень с пневматическим приводом от контроллера 12. В пневматическом варианте исполнения на мембрану может действовать регулируемое воздушное давление (или вакуум) с одной стороны и атмосферное давление с другой стороны. За счет изменения воздушного давления, действующего на мембрану, может происходить проталкивание или вытягивание исполнительного механизма, что позволит изменить положение головки 204 клапана в отверстии 205.
В полуоткрытом положении, как показано на Фиг. 2, внутренняя пружина 212 и внешняя пружина 210 находятся в частично сжатом состоянии. В частности, пружины могут быть предварительно нагружены. За счет того, что пружины удерживают в таком предварительно сжатом состоянии, головка 204 клапана остается в исходном положении (например, в показанном выровненном положении) относительно отверстия 205 клапана, что позволяет получить меньший зазор 207, через который может быть подана часть рециркулирующего потока 208 компрессора. В частности, зазор 207 может быть определен геометрической формой штока 206 клапана, выступов 214 и 216, подвижной шайбы 218 и неподвижной шайбы 220, а также головки 204 клапана и отверстия 205 клапана. Предварительная нагрузка пружин может быть отрегулирована таким образом, чтобы поддерживать зазор, обеспечивающий номинальный поток, на постоянном уровне. Номинальный поток может изменяться вместе с отношением давлений в клапане и может быть отрегулирован в зависимости от величины увеличения потока, необходимой для перехода в более предпочтительные области, на графике рабочих характеристик компрессора при большинстве условий работы двигателя. Например, увеличение зазора соответствует увеличению потока воздуха, проходящего через компрессор, что может быть предпочтительным с точки зрения предотвращения слабого помпажа. Однако в большинстве случаев увеличение зазора и потока воздуха приводит к тому, что для выполнения работы турбины требуется большая мощность. Доступная мощность турбины может быть ограничена условиями работы двигателя, соответственно, после полного закрытия перепускной заслонки недостаточная мощность турбины приведет в созданию пониженного давления наддува. При таких условиях для выполнения требований может быть установлен номинальный зазор.
Соответственно, сжатие внутренней пружины 212 зависит от регулировки штока клапана, влияющей на расстояние между нижним выступом 216 и подвижной стопорной шайбой 218, а сжатие внешней пружины 210 зависит от регулировки штока клапана, влияющей на расстояние между подвижной стопорной шайбы 218 и неподвижной стопорной шайбой 220.
Клапан может быть предназначен для пассивного открытия и стравливания избыточного давления из камеры 146 создания наддува. Установка предварительной нагрузки пружин и действительных коэффициентов упругости позволяет системе пружин клапана пассивно увеличить степень его открытия при повышенном давлении, действующем на нижнюю часть клапана.
Следует понимать, что установка или регулировка предварительной нагрузки и коэффициента упругости внутренней пружины 212 позволяет изменить величину открытия клапана в полуоткрытом состоянии (то есть положение головки 204 в отверстии 205 и, следовательно, величину зазора 207). Например, клапан может быть предназначен для пассивного увеличения степени открытия и размера зазора 207 в полуоткрытом состоянии при повышенном давлении, действующем на нижнюю часть клапана.
Как показано, в исходном полуоткрытом положении подвижная стопорная шайба 218 может контактировать непосредственно с неподвижной стопорной шайбой 220 таким образом, чтобы между шайбами не было зазора. В такой конфигурации внутреннюю пружину 212 удерживают в предварительно сжатом состоянии между нижним выступом 216 и подвижной стопорной шайбой 218, а внешнюю пружину 210 удерживают в предварительно сжатом состоянии между подвижной стопорной шайбой 218 и корпусом 202 клапана. Данная конфигурация также изображена в варианте 300 реализации по Фиг. 3.
В варианте 310 реализации по Фиг. 3 показан клапан в полностью закрытом положении. В данном состоянии исполнительный механизм 222 приводят в движение для создания направленной вниз силы (толкающего усилия), действующей на шток 206 и головку 204 клапана. Под действием направленной вниз силы верхний выступ 214 проталкивается вниз, смещаясь к подвижной стопорной шайбе 218 и толкая ее вниз. В результате смещения подвижной стопорной шайбы 218 происходит увеличение нагрузки и степени сжатия внешней пружины 210. В частности, увеличивается величина сжатия внешней пружины 210 между корпусом 202 клапана и подвижной стопорной шайбой 218. При этом величину сжатия внутренней пружины 212 поддерживают на начальном уровне за счет отсутствия изменений величины смещения подвижной стопорной шайбы 218 от нижнего выступа 216. Смещение шайбы 218 вниз увеличивает зазор 209 между подвижной стопорной шайбой 218 и неподвижной стопорной шайбой 220, причем направленная вниз сила толкает головку 204 клапана дальше в отверстие 205. В результате происходит уменьшение зазора 207, а клапан остается закрытым под действием давления воздуха. В этом состоянии поток воздуха через клапан полностью перекрыт.
В варианте 320 реализации по Фиг. 3 показан клапан в полностью открытом положении. В данном состоянии исполнительный механизм 222 приводят в движение для создания направленной вверх силы (тянущего усилия), действующей на шток 206 и головку 204 клапана. Под действием направленной вверх силы нижний выступ 216 вытягивается вверх в сторону подвижной стопорной шайбы 218. Хотя положение подвижной стопорной шайбы 218 от неподвижной стопорной шайбы 218 остается таким же, как и в исходном положении (в варианте 300), смещение нижнего выступа 216 в сторону подвижной стопорной шайбы 218 приводит к увеличению нагрузки и величины сжатия внутренней пружины 212. В частности, увеличивается величина сжатия внутренней пружины 212 между нижним выступом 216 и подвижной стопорной шайбой 218. Причем величину сжатия внешней пружины 210 поддерживают на начальном уровне за счет отсутствия изменений величины смещения подвижной стопорной шайбы 218 от корпуса 202 клапана. Смещение нижнего выступа 216 вверх изменяет силы сжатия пружин и приводит к появлению результирующей направленной вверх силы, вытягивающей головку 204 клапана из отверстия 205. В результате происходит увеличение зазора 207, а клапан остается открытым. В этом состоянии увеличивается поток 208, проходящий через клапан.
2
В одном примере реализации клапан может быть выполнен таким образом, чтобы в исходном полуоткрытом положении создавался номинальный поток, создающий давление наддува, не превышающее 100 кПа, но близкое к нему. Если площадь головки клапана равна 500 мм, то при давлении наддува 100 кПа сила, действующая на клапан, будет равна 50 Н. Для выполнения данного условия внутренняя пружина может быть предварительно нагружена до с помощью нагрузки 50 Н, при этом коэффициент упругости может быть установлен на относительно низком уровне, например, 3 Н/мм. При необходимости полного открытия клапана с помощью внешнего исполнительного механизма, например, для подъема клапана на 10 мм выше исходного положения исполнительный механизм должен будет приложить к клапану усилие, равное 80 Н (то есть усилие, эквивалентное предварительной нагрузке 50 Н + 3 Н/мм × 10 мм). Для ускорения открытия клапана (например, для практически мгновенного полного открытия клапана) может понадобиться (кратковременно) дополнительное усилие.
Внешняя пружина не должна быть очень прочной или жесткой, поскольку она предназначена для удержания клапана частично открытым в исходном полуоткрытом состоянии под действием минимальных сил, направленных на закрытие клапана. Таким образом, в предыдущем примере для создания давления наддува в пределах 100 кПа внешняя пружина может  иметь предварительную нагрузку 20 Н и коэффициент упругости 5 Н/мм. Если головку клапана перемещают на 2 мм от исходного положения в сторону закрытого положения, исполнительный механизм должен приложить к пружине усилие 30 Н для ее удержания в закрытом положении. Для того чтобы удержать клапан в закрытом положении под действием указанного давления, исполнительный механизм должен приложить дополнительное усилие. Для поддержания давления наддува на уровне 100 кПа исполнительный механизм должен приложить усилие 80 Н (то есть усилие, эквивалентное 50 Н для преодоления действия давления и 30 Н для преодоления действия пружины). Как и в случае открытия клапана под действием другой пружины, для ускорения закрытия клапана (например, для практически мгновенного полного закрытия клапана) может понадобиться (кратковременно) дополнительное усилие.
Таким образом, предварительно сжатое состояние системы пружин позволяет пассивно удерживать клапан частично открытым при номинальных условиях работы. За счет создания номинального потока в компрессоре увеличивают запас по помпажу. При последующем активном переводе клапана в полностью открытое или полностью закрытое положение для открытия клапана (для снижения помпажа) или закрытия клапана (для уменьшения колебаний и максимизации давления наддува и потока в двигатель) используют внешний привод. Увеличение запаса по помпажу, который уменьшает необходимость частого включения привода клапана, позволяет снизить потребление энергии.
Дополнительные варианты реализации рециркуляционного клапана компрессора (клапана 158 по Фиг. 1) показаны со ссылкой на Фиг. 7-8. В варианте 700 реализации по Фиг. 7 и варианте 800 реализации по Фиг. 8 показан клапан, находящийся в исходном полуоткрытом состоянии.
Вариант 700 реализации предусматривает аналогичную предварительно сжатую систему пружин по Фиг. 2, содержащую внутреннюю предварительно сжатую пружину и внешнюю предварительно сжатую пружину. Однако в варианте реализации по Фиг. 7 шайбы выровнены относительно ступенчатых выступов наоборот по сравнению с вариантом реализации по Фиг. 2. В варианте по Фиг. 7 в исходном положении подвижную стопорную шайбу 718 удерживают непосредственно над нижним выступом 216, а неподвижную стопорную шайбу 720 удерживают на одной линии с нижним выступом 216. В данном случае, когда исполнительный механизм 222 приводится в движение для создания направленной вниз силы (толкающего усилия), действующей на шток 206 клапана, направленная вниз сила толкает верхний выступ 214 вниз в сторону подвижной стопорной шайбы 718. В результате смещения верхнего выступа 214 в сторону подвижной стопорной шайбы 218 возрастает нагрузка и степень сжатия предварительно сжатой внутренней пружины 712. В частности, увеличивается величина сжатия внутренней пружины 712 между верхним выступом 214 и подвижной стопорной шайбой 718. При этом величину сжатия предварительно сжатой внешней пружины 210 поддерживают на изначальном уровне за счет отсутствия изменений величины смещения подвижной стопорной шайбы 218 от другого конца внешней пружины, прикрепленного к корпусу 202 клапана. Для сравнения: когда исполнительный механизм 222 приводится в движение для приложения направленной вверх силы (тянущего усилия), действующей на шток 206 клапана, направленная вверх сила вытягивает нижний выступ 216 вверх, перемещая вместе с ним подвижную стопорную шайбу 718 в сторону корпуса 202 клапана. Когда нижний выступ 216 перемещается вверх, смещение подвижной стопорной шайбы 718 в сторону корпуса клапана приводит к увеличению нагрузки и сжатия внешней пружины 210. В частности, увеличивается величина сжатия внешней пружины 710 между подвижной стопорной шайбой 718 и корпусом 202 клапана. При этом величина сжатия внутренней пружины 712 остается прежней.
Вариант 800 реализации по Фиг. 8 предусматривает верхнюю и нижнюю пружины 812 и 810 соответственно, предварительно сжатые в исходном полуоткрытом положении. Когда исполнительный механизм 222 приводится в движение для приложения направленной вниз силы (толкающего усилия), действующей на шток 206 клапана, данная направленная вниз сила толкает верхний выступ 214 вниз в сторону подвижной стопорной шайбы 818. В результате смещения верхнего выступа 214 в сторону подвижной стопорной шайбы 818 возрастает нагрузка и степень сжатия предварительно сжатой верхней пружины 812. При этом величину сжатия предварительно сжатой нижней пружины 210 поддерживают на изначальном уровне за счет отсутствия изменений величины смещения подвижной стопорной шайбы 828 относительно головки 204 клапана. Для сравнения: когда исполнительный механизм 222 приводится в движение для приложения направленной вверх силы (тянущего усилия), действующей на шток 206 клапана, направленная вверх сила вытягивает головку 204 клапана вверх в сторону подвижной стопорной шайбы 828, увеличивая нагрузку и сжатие нижней пружины 810. При этом величина сжатия верхней пружины 812 остается прежней, поскольку расстояние между верхним выступом 214 и подвижной шайбой 818 не изменяется.
На фиг. 5 приведен пример способа 500 работы рециркуляционного клапана компрессора по Фиг. 1-3. Контроллер может приводить в движение внешний исполнительный механизм, соединенный с клапаном, для перемещения клапана из исходного полуоткрытого положения в полностью открытое положение или полностью закрытое положение в зависимости от условий работы двигателя для выполнения соответствующей регулировки давления наддува.
На этапе 502 способа оценивают и/или измеряют параметры работы двигателя. К ним, например, можно отнести скорость двигателя, положение педали, требуемый крутящий момент, температуру двигателя, давление во впускном коллекторе, атмосферное давление и так далее.
На этапе 508 при установившемся режиме работы с наддувом рециркуляционный клапан компрессора, соединенный с компрессором (в канале, соединяющем участок ниже по потоку от компрессора, выше или ниже по потоку от охладителя воздуха турбонаддува и впускное отверстие компрессора), может удерживаться в исходном полуоткрытом положении. Таким образом, когда двигатель с наддувом работает без помпажа, клапан, соединяющий выпускное отверстие компрессора с впускным отверстием компрессора, удерживают в полуоткрытом положении. Как будет описано ниже со ссылкой на Фиг. 2-3 и 7-8, полуоткрытое положение может быть исходным положением клапана и обеспечивать прохождение номинального потока. Номинальный поток может быть заранее установлен, например, на основании расчетных условий работы двигателя. Клапан могут пассивно удерживать в полуоткрытом положении за счет геометрической формы компонентов в клапане и сил сжатия, создаваемых парой предварительно нагруженных противодействующих пружин клапана без использования внешнего исполнительного механизма клапана.
После этапа 508 способ переходит к этапам 510, 512 и 514 для определения условий эксплуатации двигателя, которые могут запустить регулировку положения клапана.
В частности, на этапе 514 способа определяют наличие временного увеличения крутящего момента, запрашиваемого водителем транспортного средства. Временное увеличение крутящего момента может быть запрошено водителем транспортного средства во время увеличения нагрузки на двигатель. В зависимости от временного увеличения крутящего момента, запрашиваемого водителем транспортного средства, на этапе 518 способ предусматривает перевод клапана из полуоткрытого положения в полностью закрытое положение. Перевод клапана из полуоткрытого положения в полностью закрытое положение предусматривает использование привода от внешнего исполнительного механизма для перемещения клапана в сторону закрытия. Как было указано выше, привод внешнего исполнительного механизма может предусматривать подачу тока на электромагнитный клапан или создание давления на мембрану или поршень. Если на этапе 514 увеличение нагрузки на двигатель не будет подтверждено, то способ перейдет на этап 512. Затем способ может быть повторно выполнен с заранее установленным интервалом. В одном примере реализации способ выполняют непрерывно, причем постоянно оценивают условия работы двигателя и соответствующе регулируют положение клапана CRV.
Для перевода клапана из полуоткрытого положения в полностью закрытое положение внешний исполнительный механизм перемещают в сторону закрытого положения для увеличения степени сжатия второй, внешней пружины, причем степень сжатия первой, внутренней пружины останется на прежнем уровне. Увеличение степени сжатия внешней пружины при помощи внешнего исполнительного механизма изменяет силы сжатия, действующие на клапан, и смещает головку клапана в сторону закрытия. В частности, исполнительный механизм взаимодействует со штоком клапана. Затем усилие, создаваемое исполнительным механизмом, становится больше усилия, создаваемого пружиной, в результате чего клапан начинает перемещаться в закрытое положение.
Если на этапе 514 увеличение нагрузки на двигатель не будет подтверждено, то способ перейдет на этап 512 для обнаружения сильного помпажа. В качестве альтернативы способ может перейти на этап 512 сразу после этапа 508. Сильный помпаж может быть подтвержден в случае обнаружения более серьезного помпажа (например, если помпаж превышает первое и второе пороговые значения). В другом примере реализации сильный помпаж может быть подтвержден в случае обнаружения работы двигателя с наддувом при условиях, когда запас до границы помпажа (например, границы 402 помпажа с фиг. 4) ниже порогового значения. Сюда может быть отнесена, например, работа двигателя с наддувом в области 404 сильного помпажа на графике 400 рабочих характеристик компрессора. Соответственно, сильный помпаж может возникать во время отпускания педали газа водителем при резком падении требуемого потока воздуха двигателя. В других примерах реализации таким признаком может быть наличие возможности сильного помпажа (условие возможного сильного помпажа) или его прогнозирование.
При обнаружении более серьезных условий помпажа способ переходит на этап 516, на котором переводят клапан из полуоткрытого положения в полностью открытое положение. Перевод клапана из полуоткрытого положения в полностью открытое положение предусматривает использование привода от внешнего исполнительного механизма для перемещения клапана в сторону открытия. Например, если внешний исполнительный механизм представляет собой электромагнитный клапан, привод внешнего исполнительного механизма содержит подачу тока на электромагнитный клапан. Когда внешний исполнительный механизм представляет собой устройство с пневматическим управлением, например, мембрану или поршень, на которое действует регулируемое давление воздуха с одной стороны и атмосферное давление с другой стороны, привод внешнего исполнительного механизма содержит создание давления на мембрану или поршень.
Во избежание помпажа из-за снижения скорости потока во время отпускания педали газа система управления может автоматически полностью открывать клапан еще до обнаружения признаков помпажа.
Как было сказано выше, клапан может содержать первую, внутреннюю пружину и вторую, внешнюю пружину, причем первая пружина предварительно сжата с первой нагрузкой, а вторая пружина предварительно сжата со второй, другой нагрузкой таким образом, чтобы клапан удерживался в полуоткрытом положении за счет сил сжатия предварительно сжатых пружин без использования внешнего исполнительного механизма. Для перевода клапана из полуоткрытого положения в полностью открытое положение внешний исполнительный механизм перемещают в сторону открытого положения для увеличения степени сжатия первой, внутренней пружины, при этом степень сжатия второй, внешней пружины останется на прежнем уровне. Увеличение степени сжатия внутренней пружины при помощи внешнего исполнительного механизма изменяет силы сжатия, действующие на клапан, и смещает головку клапана в сторону открытия. В частности, исполнительный механизм взаимодействует со штоком клапана. Затем усилие, создаваемое исполнительным механизмом, становится больше усилия, создаваемого пружиной, в результате чего клапан начинает перемещаться в открытое положение,
После этапа 516 и этапа 518 способ переходит к этапу 520, на котором клапан возвращают в исходное положение. Клапан могут удерживать в полностью открытом или полностью закрытом положении в течение заранее установленного времени, а затем возвращать в исходное полуоткрытое положение. В альтернативном примере реализации контроллер циклически переходит с этапа 514 на этап 512 до тех пор, пока не будет определено, что вероятность помпажа снизилась, и/или не будет создан требуемый крутящий момент, после чего клапан вернется в исходное положение.
В дополнительном примере, если увеличение нагрузки на двигатель и сильный помпаж не будут обнаружены, способ перейдет на этап 510, на котором может быть определено наличие признаков слабого помпажа. Слабый помпаж может быть подтвержден в зависимости от обнаружения менее серьезного помпажа (например, если помпаж выше первого порогового значения и ниже второго порогового значения, при этом второе пороговое значение выше первого порогового значения). Также слабый помпаж может быть подтвержден в случае обнаружения работы двигателя с наддувом при условиях, когда запас до границы помпажа (например, границы 402 помпажа с фиг. 4) выше порогового значения. Это может быть, например, работа двигателя с наддувом в области 406 слабого помпажа на графике 400 рабочих характеристик компрессора. Соответственно, слабый помпаж может возникать во время отпускания водителем педали газа или при установившемся режиме работы с наддувом, когда двигателю нужно поддерживать постоянное впускное давление наддува. В других примерах реализации таким признаком слабого помпажа может быть наличие возможности слабого помпажа (условие возможного слабого помпажа) или его прогнозирование.
При обнаружении признаков менее серьезного помпажа способ возвращается на этап 508, на котором переводят или удерживают клапан в полуоткрытом положении. В данном случае при удержании клапана в частично открытом положении при менее серьезных условиях помпажа или слабого помпажа через компрессор будет проходить, по крайней мере, часть рециркулирующего потока воздуха, что позволит увеличить поток, проходящий через компрессор, без падения давления наддува.
Таким образом, состояние клапана остается прежним и не изменяется при слабом помпаже. Однако следует понимать, что при других условиях, например, когда клапан полностью закрыт (например, увеличение нагрузки на двигатель), при обнаружении слабого помпажа клапан может быть переведен из полностью закрытого положения в полуоткрытое положение. Аналогичным образом при условиях, когда клапан полностью открыт (например, при решении проблем, связанных с сильным помпажем), при обнаружении слабого помпажа клапан может быть переведен из полностью открытого положения в полуоткрытое положение.
При установившемся режиме работы двигателя с наддувом контроллер может удерживать клапан, соединенный с перепускным каналом вокруг компрессора, в полуоткрытом положении. В зависимости от нажатия на педаль газа (например, увеличение нагрузки на двигатель) контроллер может перемещать клапан в полностью закрытое положение. Для сравнения: в зависимости от отпускания педали газа (например, отпускание педали газа водителем) контроллер может перемещать клапан в полностью открытое положение. Установившийся режим работы двигателя может содержать условия, при которых нет признаков помпажа или вероятности слабого помпажа, при этом отпускание педали газа может являться признаком сильного помпажа.
На фиг. 6 на графике 600 рабочих характеристик представлен пример регулировки клапана. На графике 600 давление наддува представлено в виде кривой 602, положение педали (РР) представлено в виде кривой 604, степень открытия дросселя для впуска воздуха представлена в виде кривой 606, запас по помпажу компрессора с предельными значениями сильного и слабого помпажа представлен в виде кривой 608, а регулировка положения рециркуляционного клапана компрессора (CRV) представлена в виде кривой 610.
До момента t1 времени двигатель может работать в установившемся режиме работы с наддувом. В данном случае для достижения требуемого крутящего момента, определяемого на основании положения педали (кривая 604), может быть создано повышенное давление наддува (кривая 602). Кроме того, для создания потока воздуха, необходимого для создания повышенного требуемого крутящего момента, можно открыть дроссель (кривая 606). При таких условиях двигатель может работать с клапаном CRV, находящимся в исходном полуоткрытом положении (кривая 610). За счет увеличения потока, проходящего по компрессору через клапан CRV, запас по помпажу (кривая 608) может удерживаться на уровне выше границ 607 и 609 помпажа, за пределами области сильного помпажа и слабого помпажа (в области без помпажа).
В момент t1 времени водитель может отпустить педаль, в результате чего будет обнаружено снижение нагрузки на двигатель. В зависимости от отпускания педали газа и соответствующем снижении потока воздуха и требуемого крутящего момента величина открытия дросселя может быть быстро уменьшена. Это может привести к резкому падению потока, проходящего через компрессор, при относительно высоком отношении давлений, в результате чего произойдет снижение запаса по помпажу. При отпускании педали газа и при обнаружении возможного сильного помпажа в момент t1 времени клапан CRV может быть переведен в полностью открытое положение. Полное открытие клапана позволит быстро стравить давление наддува из участка ниже по потоку относительно компрессора, уменьшив разность давлений в клапане и оптимизировав поток, проходящий через компрессор. Затем клапан может быть удержан в полностью открытом положении, по крайней мере, до момента t2 времени, когда степень сжатия компрессора выходит за пределы области слабого помпажа, после чего клапан может быть возвращен в исходное полуоткрытое положение. В альтернативных примерах реализации контроллер может открыть клапан в течение заранее установленного времени, а затем вернуть клапан в полуоткрытое положение по истечении заранее установленного времени.
Соответственно, если до момента t1 времени клапан CRV не находился в полуоткрытом состоянии (например, если клапан CRV удерживался в закрытом положении), при отпускании педали газа в момент t1 времени запас по помпажу может значительно уменьшиться, временно переводя компрессор в область сильного помпажа, расположенную ниже границы 609. Затем при обнаружении сильного помпажа, когда откроется клапан CRV, запас по помпажу можно будет снизить и перевести компрессор в область слабого помпажа. Кривой 612 (пунктирные линии) изображены описанные изменения запаса по помпажу компрессора при отсутствии рециркулирующего потока. Кроме того, если клапан CRV не был приведен в действие во время отпускания педали газа, могут возникнуть значительные колебания давления наддува с большей амплитудой, как показано на участке 613 (пунктирные линии) кривой 602.
Между моментами t2 и t3 времени двигатель может работать при среднем уровне наддува на основании среднего требуемого крутящего момента, запрашиваемого водителем. Для создания требуемого крутящего момента может быть увеличена степень открытия дросселя. Во время установившегося режима запас по помпажу может быть высоким, а компрессор может работать рядом с областью без помпажа. При таких условиях клапан удерживают в исходном частично открытом состоянии, что позволяет несколько снизить рециркулирующий поток, проходящий через компрессор, снижая вероятность слабого помпажа. Если клапан был закрыт в этот момент времени, запас по помпажу будет уменьшен, а компрессор будет работать в области слабого помпажа, как показано линией 612, что приведет к колебаниям давления наддува меньшей амплитуды (как показано на участке (пунктирные линии) кривой 602). Таким образом, между моментами t2 и t3 времени клапан удерживают в полуоткрытом состоянии.
В момент t3 времени водитель может нажать на педаль, в результате чего будет обнаружено увеличение нагрузки на двигатель. При увеличении нагрузки на двигатель и соответствующем увеличении требуемого потока воздуха, требуемого давления наддува и требуемого крутящего момента величина открытия дросселя может быть быстро увеличена. Также для уменьшения величины колебаний крутящего момента и обеспечения быстрого увеличения давления наддува в момент t3 времени клапан CRV может быть переведен в полностью закрытое положение. Закрытие клапана при увеличении степени открытия дросселя позволяет быстро увеличить давление наддува ниже по потоку относительно компрессора, в результате чего увеличивается давление наддува, создаваемое в двигателе для обеспечения требуемого крутящего момента. Затем клапан может удерживаться в полностью закрытом положении, по крайней мере, до достижения требуемого давления наддува, после чего клапан сможет вернуться в исходное полуоткрытое положение. Контроллер может закрыть клапан в течение заранее установленного времени, а затем вернуть клапан в полуоткрытое положение по истечении заранее установленного времени. Соответственно, закрытие клапана CRV позволит сократить время реакции наддува. В частности, если рециркуляционный клапан остался в исходном положении, то необходимое давление наддува может достигаться медленно (как показано на участке 603 (пунктирные линии) кривой 602), в результате чего возникнет турбояма. Кроме того, возврат клапана в полуоткрытое положение после достижения необходимого давления наддува позволит компрессору продолжить работу в области без помпажа. Для сравнения: при отсутствии рециркуляции через компрессор после нажатия на педаль газа условия работы могут сместиться в область слабого помпажа, как показано с помощью кривой 612 (пунктирные линии) после момента t4 времени.
Следует понимать, что в альтернативных примерах реализации сразу после отпускания педали газа в момент t1 времени может произойти увеличение нагрузки на двигатель. В этом случае контроллер может напрямую перевести клапан из полностью открытого положения в полностью закрытое положение.
Система транспортного средства содержит двигатель, ведущие колеса, обеспечивающие контакт транспортного средства с дорогой, педаль для передачи требуемого крутящего момента и компрессор для подачи воздуха наддува в двигатель. Система также может содержать рециркуляционный канал с клапаном, соединяющим выпускное отверстие компрессора с впускным отверстием компрессора, причем клапан содержит пару противодействующих пружин, соединенных с внешним исполнительным механизмом. Клапан может содержать предварительно сжатую первую, внутреннюю пружину с первой нагрузкой и предварительно сжатую вторую, внешнюю пружину со второй нагрузкой, при этом клапан соединен с внешним исполнительным механизмом. Контроллер с машиночитаемыми инструкциями может быть выполнен с возможностью работы компрессора с клапаном, удерживаемым в полуоткрытом положении без задействования внешнего исполнительного механизма, во время работы двигателя с наддувом при превышении порогового значения запаса по помпажу. В зависимости от того, что запас по помпажу ниже порогового значения, контроллер может снизить давление наддува путем привода внешнего исполнительного механизма для перевода клапана в полностью открытое положение. Также при увеличении нагрузки на двигатель контроллером может быть увеличено давление наддува путем привода внешнего исполнительного механизма для перевода клапана в полностью закрытое положение. Внешний исполнительный механизм может представлять собой нажимно-вытяжной электромагнитный клапан, в котором привод внешнего исполнительного механизма предусматривает подачу тока на электромагнитный клапан в первом направлении для перевода клапана в полностью закрытое положение и подачу тока на электромагнитный клапан во втором направлении для перевода клапана в полностью открытое положение. На внешний исполнительный механизм может быть подан электрический ток в первом направлении для перемещения штока клапана таким образом, чтобы усилие, создаваемое исполнительным механизмом, превысило усилие, создаваемое первой пружиной, и переместило клапан в закрытое положение (в результате увеличения первой нагрузки на первую пружину при постоянной второй нагрузке на вторую пружину для перевода клапана в полностью закрытое положение). Аналогичным образом на внешний исполнительный механизм может быть подан электрический ток во втором направлении для перемещения штока клапана таким образом, чтобы усилие, создаваемое исполнительным механизмом, превысило усилие, создаваемое второй пружиной, и переместило клапан в открытое положение (в результате увеличения второй нагрузки на вторую пружину при постоянной первой нагрузке на первую пружину для перевода клапана в полностью открытое положение). Внешний исполнительный механизм может представлять собой мембрану, при этом подача энергии на внешний исполнительный механизм предусматривает создание давления на мембрану в первом направлении для переключения клапана в полностью закрытое положение и создание давления на мембрану во втором направлении для переключения клапана в полностью открытое положение.
Таким образом, выше описан простой, выгодный и энергоэффективный клапан для решения проблем, связанных с помпажем. Используя рециркуляционный клапан компрессора, имеющий исходную частично открытую конфигурацию, скорость потока, проходящего через компрессор, увеличивается за счет рециркуляции части потока из участка ниже по потоку относительно компрессора в участок выше по потоку относительно компрессора во время установившегося режима, увеличивая запас до границы сильного помпажа. Кроме того, пассивное удерживание клапана в исходном положении без использования внешнего исполнительного механизма позволяет увеличить поток, проходящий через компрессор, при таком же давлении наддува без расхода энергии на удержание клапана в нужном положении. Рециркуляция, по крайней мере, части потока, когда клапан находится в исходном положении, позволяет снизить частоту возникновения помпажа. При использовании номинального объема рециркуляции компрессор позволяет работать в области без помпажа вместо области слабого помпажа. Снижение необходимости использования привода клапана позволяет снизить расход энергии. Кроме того, используя одно из трех положений клапана, можно решить проблемы, связанные с помпажем, при этом клапан будет иметь меньшую стоимость и сложность по сравнению с всережимным рециркуляционным клапаном.
Следует понимать, что конфигурации и способы, раскрытые в настоящем документе, являются иллюстративными и что конкретные варианты реализации не должны рассматриваться как ограничения, поскольку возможны различные изменения. Например, описанная выше технология может быть использована в двигателях V-6, I-4, I-6, V-12, оппозитных 4-цилиндровых двигателях и так далее. Предмет изобретения содержит все новые и неочевидные комбинации или подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные особенности, функции и/или свойства, раскрытые в настоящем документе.