СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ С СИСТЕМОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ
METHOD OF ENGINE OPERATION WITH EXHAUST GASES RECIRCULATION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателям, оборудованным системами рециркуляции выхлопных газов.
Уровень техники
Двигатели могут быть оборудованы системами рециркуляции выхлопных газов (EGR) для перенаправления, по меньшей мере, некоторого количества выхлопных газов из выпускного канала двигателя во впускной канал двигателя. С помощью управления работой системы EGR для получения необходимой величины разбавления смеси в двигателе могут быть снижены потери на прокачивание двигателя, частоту детонаций двигателя, а также выбросы NOx. Например, с помощью EGR в цилиндрах двигателя при частичном открытии дросселя можно увеличить степень открытия дросселя при прежнем уровне нагрузки на двигатель. За счет уменьшения величины дросселирования двигателя могут быть снижены потери на прокачивание, что увеличит эффективность использования топлива. Кроме того, за счет использования EGR в двигателе могут быть снижены температуры сгорания (особенно в системах, в которых газы EGR охлаждают до попадания в цилиндры). Снижение температур сгорания повышает устойчивость двигателя к детонациям, что позволяет увеличить тепловой КПД двигателя. Также использование EGR снижает температуру горения, за счет чего снижается количество NOx, образующихся во время сгорания.
В некоторых решениях газы, выходящие только из одного или нескольких цилиндров, могут рециркулировать таким образом, чтобы обеспечить рециркуляцию выхлопных газов во всех цилиндрах двигателя. Например, контур EGR может быть соединен с выпуском цилиндра, предназначенного для EGR, таким образом, чтобы выхлопные газы из данного цилиндра попадали во впускной коллектор двигателя для обеспечения EGR. Таким образом, может быть обеспечен практически непрерывный поток EGR на впуск двигателя.
В подобных решениях, в которых используют цилиндры, предназначенные для EGR, для создания EGR в двигателе, изобретатели обнаружили, что предпочтительной может быть подача богатой смеси в цилиндр, предназначенный для EGR, что позволит увеличить воспламеняемость смеси воздуха, топлива и газов EGR. Воспламеняемость может быть повышена за счет водорода в данном цилиндре во время работы на богатой смеси. Чрезмерное увеличение количества впрыскиваемого топлива в цилиндр, предназначенный для EGR, может привести к снижению степени полноты сгорания и(или) увеличению образующегося дыма во время работы двигателя. Например, образование дыма может быть вызвано ситуацией, когда величина обогащения смеси в цилиндре, предназначенного для EGR, становится выше уровня, необходимого для обеспечения оптимальной степени полноты сгорания, при этом дальнейшее увеличение величины обогащения может снизить воспламеняемость заряда. В связи с этим количество топлива, которое может быть подано в цилиндр, предназначенный для EGR, может быть ограничено.
Раскрытие изобретения
Таким образом, по варианту некоторые из описанных выше проблем могут быть, по крайней мере, частично решены за счет способа, в котором впрыскивают первое количество топлива в цилиндр, предназначенный для EGR, до сгорания, например, такого количества, которое позволяет достичь оптимальной степени полноты сгорания, и осуществляют прямой впрыск второго количества топлива в цилиндр, предназначенный для EGR, после сгорания и во время такта расширения и(или) выпуска. Первый и второй впрыски могут быть выполнены во время общего такта сгорания в цилиндрах и могут повторяться во время последующих циклов работы цилиндра, предназначенного для EGR.
Таким образом, при поддержании устойчивого сгорания и низкого образования нагара в поток EGR может быть добавлено дополнительное количество топлива. Кроме того, за счет испарения топлива в цилиндре, предназначенном для EGR, можно снизить потери на прокачивание при частичном открытии дросселя для остальных цилиндров в двигателе, и также можно уменьшить размеры топливных форсунок в остальных цилиндрах, что позволит снизить расходы и повысить эффективность использования топлива. Кроме того, данный способ может быть использован при условиях холодного пуска двигателя, когда цилиндр, предназначенный для EGR, работает на бедной смеси, то есть когда не нужно обеспечивать полную рециркуляцию выхлопных газов. Например, для облегчения испарения топлива можно сжечь некоторое количество топлива (с помощью впрыска послойной смеси во время такта сжатия цилиндра, предназначенного для EGR), что позволит нагреть воздух/цилиндр, после чего топливо можно будет подать на более поздней стадии цикла для улучшения испарения топлива. Таким образом, во время прогрева двигателя можно улучшить подготовку топлива, например, снижение образования дыма в системах прямого впрыска.
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. Область применения заявленного объекта 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 и 2 показан пример системы двигателя в соответствии с изобретением.
На фиг. 3 показан пример способа впрыска после сгорания в цилиндре, предназначенном для EGR, в соответствии с изобретением.
На фиг. 4 проиллюстрирован пример способа впрыска после сгорания в цилиндре, предназначенном для EGR, в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
Изобретение относится к увеличению содержания топлива в потоке рециркулирующих выхлопных газов (EGR) в двигатель, например в систему двигателя по фиг. 1. Как показано на фиг. 2, система двигателя может содержать специальный или донорный цилиндр, из которого выходит поток EGR. Например, выпуск цилиндра, предназначенного для EGR, может быть соединен с впуском двигателя для подачи выхлопных газов из цилиндра, предназначенного для EGR, во все цилиндры в двигателе. Как сказано выше, предпочтительным может быть увеличение величины обогащения в цилиндре, предназначенном для EGR, для увеличения воспламеняемости смеси в каждом цилиндре, который содержит EGR. Однако увеличение количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр, предназначенный для EGR, может привести к снижению степени полноты сгорания и увеличению образования дыма или нагара во время работы двигателя. Например, образование дыма может быть вызвано ситуацией, когда величина обогащения смеси в цилиндре, предназначенного для EGR, становится выше уровня, необходимого для обеспечения оптимальной степени полноты сгорания, при этом дальнейшее увеличение величины обогащения может снизить воспламеняемость заряда. В данном случае количество топлива, которое может быть подано в цилиндр, предназначенный для EGR, для сгорания, может быть ограничено. Как показано на фиг. 3 и 4, для того, чтобы преодолеть подобные ограничения, касающиеся соотношения «воздух/топливо» в цилиндре, предназначенном для EGR, после сгорания в цилиндре, например, во время такта расширения и(или) выпуска, в данный цилиндр может быть впрыснуто дополнительное количество топлива. Момент впрыска будет влиять на температуру и давление топлива, а также на происходящие химические реакции. На фиг. 1 представлен пример камеры сгорания или цилиндра двигателя 10 внутреннего сгорания. Двигатель 10 может принимать параметры управления от системы управления, содержащей контроллер 12 и входной сигнал, подаваемый водителем 130 транспортного средства через устройство 132 ввода. В этом примере устройство 132 ввода содержит педаль газа и датчик 134 положения педали для генерирования пропорционального сигнала PP положения педали. Цилиндр 14 (также называемый «камерой сгорания») двигателя 10 может содержать стенки 136 камеры сгорания с поршнем 138, расположенным в них. Поршень 138 может быть соединен с коленчатым валом 140 с возможностью обеспечить преобразование возвратно-поступательного движения данного поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 140 может быть соединен, по крайней мере, с одним ведущим колесом пассажирского транспортного средства через промежуточную систему трансмиссии. Кроме того, стартер может быть соединен с коленчатым валом 140 через маховик для запуска двигателя 10.
Впускной воздух может поступать в цилиндр 14 по нескольким впускным каналам 142, 144 и 146. Впускной канал 146 может соединяться с другими цилиндрами двигателя 10 помимо цилиндра 14. По варианту один или несколько впускных каналов могут содержать устройство наддува, например турбонагнетатель или нагнетатель. Например, на фиг. 1A показан двигатель 10, оснащенный турбонагнетателем, который содержит компрессор 174, расположенный между впускными каналами 142 и 144, и турбину 176, работающую на выхлопных газах, расположенную вдоль выпускного канала 148. Компрессор 174 может, по крайней мере, частично приводиться в движение турбиной 176, работающей на выхлопных газах, с помощью вала 180, при этом устройство наддува представляет собой турбонагнетатель. Однако в других вариантах двигатель 10 может быть оборудован, например, нагнетателем, и турбина 176, работающая на выхлопных газах, может отсутствовать, а компрессор 174 может приводиться в движение с помощью механического входного воздействия от мотора или двигателя. Дроссель 20, содержащий дроссельную заслонку 164, может быть установлен вдоль впускного канала двигателя для изменения расхода и(или) давления впускного воздуха, поступающего в цилиндры двигателя. Например, дроссель 20 может быть расположен ниже по потоку относительно компрессора 174, как показано на фиг. 1, или выше по потоку относительно компрессора 174. Охладитель воздуха турбонаддува, например охладитель 232 воздуха турбонаддува по фиг. 2, описанный ниже, может быть использован в канале 144 или 146 для снижения температуры и увеличения плотности воздуха, поступающего в цилиндр.
Выхлопные газы могут поступать в выпускные каналы 148 из других цилиндров двигателя 10 помимо цилиндра 14. Изображенный датчик 128 выхлопных газов соединен с выпускным каналом 148 выше по потоку относительно устройства 178 снижения токсичности выхлопных газов. Датчик 128 может представлять собой любой подходящий датчик, обеспечивающий индикацию воздушно-топливного соотношения выхлопных газов, например линейный датчик содержания кислорода или UEGO (универсальный датчик содержания кислорода или датчик содержания кислорода в выхлопных газах широкого диапазона), бистабильный датчик кислорода или EGO (как показано на фигурах), HEGO (EGO с нагревом), датчик NOx, НС или CO. Устройство 178 для снижения токсичности выхлопных газов может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (TWC), уловитель NOx, любые другие устройства для снижения токсичности выхлопных газов или комбинации данных устройств.
Температура выхлопных газов может быть измерена с помощью одного или нескольких датчиков температуры (не показаны), расположенных в выпускном канале 148. По варианту температура выхлопных газов может быть спрогнозирована на основе таких условий работы двигателя, как скорость, нагрузка, воздушно-топливное соотношение (AFR), задержка зажигания и так далее. Кроме того, температура выхлопных газов может быть рассчитана одним или несколькими датчиками 128 выхлопных газов. Следует понимать, что по варианту температура выхлопных газов может быть определена с помощью комбинации способов оценки температуры, описанных в настоящем документе.
Каждый цилиндр 10 может содержать один и несколько впускных клапанов и(или) один и несколько выпускных клапанов. Например, изображенный цилиндр 14 может иметь, по крайней мере, один впускной тарельчатый клапан 150 и, по крайней мере, один выпускной тарельчатый клапан 156, расположенные в верхней части цилиндра 14. По варианту каждый цилиндр двигателя 10, включая цилиндр 14, может иметь, по крайней мере, два впускных тарельчатых клапана и, по крайней мере, два выпускных тарельчатых клапана, расположенных в верхней части цилиндра.
Впускной клапан 150 может управляться с помощью контроллера 12 посредством кулачкового привода от системы 151 кулачкового привода. Аналогичным образом выпускной клапан 156 может управляться с помощью контроллера 12 посредством системы 153 кулачкового привода. Каждая система 151 и 153 кулачкового привода может содержать один или несколько кулачков и использовать одну или несколько из ниже перечисленных систем: переключение профилей работы кулачков (CPS), изменение фаз газораспределения (VCT), регулируемая установка фаз клапанного распределения (VVT) и(или) изменение высоты подъема клапанов (VVL), которыми управляет контроллер 12 с целью изменения режимов работы клапанов. Положения впускного клапана 150 и выпускного клапана 156 могут быть определены с помощью датчиков положения датчиков (не показаны) и(или) датчиков 155 и 157 положения распределительного вала соответственно. По варианту впускной клапан и(или) выпускной клапан могут иметь электрический привод клапанов. Например, цилиндр 14 может содержать впускной клапан, управляемый с помощью электрического клапанного привода, и выпускной клапан, управляемый с помощью кулачкового привода, включая CPS и(или) VCT. По варианту впускной и выпускной клапаны могут управляться с помощью общего исполнительного механизма или системы исполнительных механизмов клапана, исполнительного механизма или системы исполнительных механизмов для выполнения регулируемой установки фаз клапанного распределения.
Цилиндр 14 может обеспечивать величину сжатия, то есть соотношение между объемом цилиндра, в котором поршень 138 находится в нижней мертвой точке, и объемом цилиндра, в котором поршень 138 находится в верхней мертвой точке. Обычно величина сжатия составляет от 9:1 до 10:1. Однако по варианту при использовании разных типов топлива величина сжатия может быть увеличена. Это может произойти, например, при использовании высокооктанового топлива или топлива с более высокой скрытой теплотой парообразования. Также коэффициент сжатия может быть увеличен при использовании прямого впрыска за счет его влияния на детонацию двигателя. Кроме того, использование большого количества газов EGR позволит достичь повышенных коэффициентов сжатия.
По варианту каждый цилиндр двигателя 10 может содержать запальную свечу 192 для инициации процесса сгорания. При выбранных условиях работы система 190 зажигания может подавать искру зажигания в камеру 14 сгорания с помощью запальной свечи 192 в зависимости от сигнала SA опережения зажигания от контроллера 12. Однако в некоторых вариантах запальная свеча 192 может отсутствовать, например, когда двигатель 10 начинает процесс сгорания с помощью самовоспламенения или впрыска топлива, как, например, в случае с дизельными двигателями.
Изображенная топливная форсунка 166 соединена непосредственно с цилиндром 14 для прямого впрыска в нее топлива в соответствии с шириной импульса FPW, полученного от контроллера 12 через электронный привод 168. Таким образом, топливная форсунка 166 обеспечивает так называемый прямой впрыск (также называемый в настоящем документе «DI») топлива в цилиндр 14. Хотя на фиг. 1 форсунка 166 показана в виде боковой форсунки, она может быть расположена над поршнем, например, рядом с запальной свечой 192. Такое положение может улучшить смешивание и сгорание при работе двигателя на спиртовом топливе благодаря низкой летучести некоторых видов спиртового топлива. По варианту форсунка может быть расположена сверху рядом с впускным клапаном для улучшения смешивания. Топливо может быть подано в топливную форсунку 166 с помощью топливной системы 8 высокого давления, содержащей топливные баки, топливные насосы и топливную рампу. По варианту топливо может быть подано с помощью одноступенчатого топливного насоса при низком давлении. Кроме того, топливные баки могут иметь датчик давления, генерирующий сигнал для контроллера 12.
Следует понимать, что по варианту двигатель может работать за счет впрыска топлива через одну форсунку прямого впрыска; в других вариантах двигатель может работать с двумя форсунками (форсункой 166 прямого впрыска и форсункой впрыска во впускные каналы) и изменять относительное количество впрыскиваемого топлива из каждой форсунки.
Топливо может быть подано в цилиндр с помощью форсунки во время одного цикла цилиндра. Кроме того, распределение и(или) относительное количество топлива, поступающего из форсунки, могут быть изменены вместе с условиями работы, например с температурой в двигателе, температурой окружающей среды и так далее, как описано ниже. Кроме того, для одного этапа сгорания за один цикл работы двигателя может быть выполнено несколько впрысков. Несколько впрысков может быть выполнено во время такта впуска, сжатия, расширения, выпуска или любого их сочетания.
Как было описано выше, на фиг. 1 показан только один цилиндр многоцилиндрового двигателя. Таким образом, каждый цилиндр может дополнительно содержать собственный набор из впускных/выпускных клапанов, топливной форсунки (форсунок), запальной свечи и так далее.
Двигатель 10 может дополнительно содержать систему 194 EGR, состоящую из одного или нескольких каналов рециркуляции выхлопных газов для направления части выхлопных газов из выпуска двигателя на впуск двигателя. В этом случае на степень разбавления смеси в двигателе может повлиять рециркуляция некоторого количества выхлопных газов, в результате чего может быть увеличена производительность двигателя при снижении частоты детонации, пиковых значений температур сгорания и давлений в цилиндре, потерь на прокачивание и выбросов NOx. По этому варианту выхлопные газы могут рециркулировать из выпускного канала 148 во впускной канал 144 через канал 141 EGR. Количество газов EGR, поступающих во впускной канал 148, может быть изменено контроллером 12 с помощью клапана 143 EGR. Кроме того, в канале EGR может быть расположен датчик 145 EGR, который может обеспечивать индикацию одного или нескольких следующих значений: давление, температура и концентрация выхлопных газов. В канале 141 EGR может быть расположен охладитель EGR (не показан).
Следует понимать, что, хотя в варианте по фиг. 1 показана система высокого давления (HP-EGR), которая использует канал HP-EGR, расположенный между впуском двигателя ниже по потоку относительно компрессора турбонагнетателя и выпуском двигателя выше по потоку относительно турбины, в других вариантах двигателя она может быть сконфигурирована так же, как система EGR низкого давления (LP-EGR), которая использует канал HP-EGR, расположенный между впуском двигателя выше по потоку относительно компрессора турбонагнетателя и выпуском двигателя ниже по потоку относительно турбины. По варианту поток HP-EGR может возникать при таких условиях, как отсутствие наддува, создаваемого турбонагнетателем, а поток LP-EGR может возникать при таких условиях, как наличие наддува от турбонагнетателя и(или) превышение порогового значения температуры выхлопных газов. При наличии отдельных каналов HP-EGR и LP-EGR соответствующие потоки EGR могут быть отрегулированы с помощью соответствующих клапанов EGR.
Контроллер 12 по фиг. 1A-1B представляет собой микрокомпьютер, содержащий блок 106 микропроцессора, порты 108 ввода/вывода, электронный носитель для хранения исполняемых инструкций и калибровочных значений, представляющий собой постоянное запоминающее устройство ПО в данном примере, оперативное запоминающее устройство 112, энергонезависимое запоминающее устройство 114, и шину данных. Например, постоянное запоминающее устройство ПО, оперативное запоминающее устройство 112 или энергонезависимое запоминающее устройство 114 по отдельности или в сочетании друг с другом могут представлять собой машиночитаемый носитель, на котором хранятся инструкции, исполняемые процессором 106 для управления работой двигателя 10. Контроллер 12 может принимать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, которые содержат, в дополнение к ранее описанным сигналам, сигнал массового расхода воздуха (MAF) от датчика 122 массового расхода воздуха; сигналы профиля зажигания (PIP) от датчика 120 Холла (или другого типа), соединенного с коленчатым валом 140; положение дросселя (TP) от датчика положения дросселя; сигнал абсолютного давления в коллекторе (MAP) от датчика 124. Сигнал скорости вращения двигателя, RPM, может быть сгенерирован контроллером 12 на основе сигнала PIP. Сигнал MAP о давлении в коллекторе от датчика давления в коллекторе может быть использован для индикации вакуума или давления во впускном коллекторе. Также датчики могут представлять собой датчики уровня топлива и датчики содержания топлива, подключенные к топливному баку (бакам) топливной системы.
Кроме того, контроллер 12 может принимать сигналы, которые будут свидетельствовать о различных температурах, относящихся к двигателю 10. Например, на контроллер 12 от датчика 116 температур, подключенного к охлаждающей рубашке 118, может быть направлен сигнал температуры охлаждающей жидкости (ЕСТ). По варианту датчик 128 может обеспечивать индикацию температуры выхлопных газов для контроллера 12. Датчик 181 может обеспечивать индикацию температуры или вязкости масла для контроллера 12. Датчик 182 может обеспечивать индикацию температуры окружающей среды для контроллера 12. Один или несколько таких датчиков могут обеспечивать индикацию температуры двигателя, которая может быть использована контроллером 12 для управления работой двигателя.
На фиг. 2 показан другой пример системы 10 двигателя. Ссылочные позиции на фиг. 2, совпадающие со ссылочными позициями с фиг. 1, описаны выше. На фиг. 2 система двигателя содержит двигатель с блоком 216 цилиндров, состоящим из нескольких цилиндров, например из цилиндра 204, цилиндра 206, цилиндра 208 и цилиндра 210. Каждый цилиндр с фиг. 2 может соответствовать цилиндру 14 с фиг. 1, описанному выше. Каждый цилиндр содержит один или несколько впускных клапанов, например, впускные клапаны 212 в цилиндре 210 и впускные клапаны 218 в цилиндре 204, а также один или несколько выпускных клапанов, например, выпускные клапаны 214 в цилиндре 210 и выпускные клапаны 220 в цилиндре 204. Кроме того, каждый цилиндр может содержать запальную свечу, соединенную с ним таким образом, чтобы двигатель имел конфигурацию двигателя с искровым зажиганием. Например, цилиндр 210 содержит запальную свечу 228, цилиндр 208 содержит запальную свечу 226, цилиндр 206 содержит запальную свечу 224, а цилиндр 204 запальную свечу 222.
Система 10 двигателя с фиг. 2 содержит цилиндр 204, предназначенный для EGR, который используется для подачи EGR на впуск двигателя через трубопровод 141 EGR. Таким образом, трубопровод 141 EGR может быть соединен с выпуском цилиндра 204 и может быть не соединен с выпусками остальных цилиндров 206, 208 и 210. Кроме того, трубопровод 141 EGR может содержать датчик 236 выхлопных газов, который может представлять собой любой подходящий датчик, обеспечивающий индикацию воздушно-топливного соотношения выхлопных газов, например линейный датчик содержания кислорода или UEGO (универсальный датчик содержания кислорода или датчик содержания кислорода в выхлопных газах широкого диапазона), бистабильный датчик кислорода или EGO, HEGO (EGO с нагревом), датчик NOx, HC или CO.
Трубопровод 141 EGR может дополнительно содержать каталитический нейтрализатор 238, например каталитический нейтрализатор конверсии водяного газа, используемый для преобразования окиси углерода и воды, содержащихся в выхлопных газах, в двуокись углерода и водород для обеспечения сгорания в двигателе. Трубопровод 141 EGR соединяет выпуск цилиндра 204, предназначенного для EGR, с впускным каналом 144 в точке выше по потоку относительно дросселя 20. Как показано на фиг. 2, система EGR соединена с впускным коллектором, который подает выхлопные газы во все цилиндры двигателя, включая цилиндр, предназначенный для EGR. По варианту цилиндр, предназначенный для EGR, может иметь собственный дроссель и впускной коллектор, при этом в него могут не поступать газы EGR из его собственного выпускного канала. По этому варианту выхлопные газы могут поступать из цилиндра 204, предназначенного для EGR, во впуск 146 двигателя для перемещения во все остальные цилиндры, например, в цилиндры 206, 208 и 210. По вариантам в месте соединения, где трубопровод 141 EGR соединяется с впускным каналом 144, может быть расположен смеситель 230, что позволит облегчить смешивание газов EGR с впускным воздухом. Кроме того, на впуске двигателя между дросселем 20 и смесителем 230 может быть расположен промежуточный охладитель или охладитель 232 воздуха турбонаддува, что позволит облегчить охлаждение газов EGR до того, как они попадут во впускные каналы, соединенные с цилиндрами двигателя через впуск 146. Другие или остальные цилиндры 210, 208 и 206, которые не являются цилиндрами, предназначенными для EGR, и не создают газы EGR для двигателя, соединены через выпускной канал 148 с турбиной 176, работающих на выхлопных газах. По варианту двигатель может быть выполнен с возможностью изменения направления выхлопных газов с цилиндра 204 на канал 141 для обеспечения рециркуляции или на канал 148 без обеспечения рециркуляции. Например, клапан 243 может дополнительно быть соединен с выпуском цилиндра 204, предназначенного для EGR, в котором клапан 243 может быть приведен в движение для изменения направления выхлопных газов с цилиндра 204 на канал 141 через трубопровод 241 для обеспечения рециркуляции или на канал 148 через трубопровод 245 без обеспечения рециркуляции.
Топливо может быть впрыснуто в цилиндры различными способами, например, каждый цилиндр может содержать топливную форсунку, например форсунку 166 по фиг. 1, соединенную непосредственно с цилиндром для обеспечения прямого впрыска топлива в цилиндр. Однако в других вариантах в качестве дополнения или альтернативы прямому впрыску может быть использован впрыск топлива во впускные каналы. Цилиндр 204, предназначенный для EGR, имеет форсунку прямого впрыска, а в некоторых примерах он может также иметь форсунку 234 впрыска во впускные каналы. Однако в других вариантах форсунка 234 впрыска во впускные каналы может отсутствовать, в результате чего топливо направляется только прямо в цилиндр 204, предназначенный для EGR.
Во время работы некоторое количество топлива может быть впрыснуто в цилиндр 204, предназначенный для EGR, таким образом, чтобы цилиндр работал на обогащенной смеси, что позволит повысить воспламеняемость смеси воздуха, топлива и газов EGR, подаваемой в двигатель по трубопроводу 141 EGR. Например, некоторое количество топлива может быть впрыснуто в цилиндр, предназначенный для EGR, во время такта впуска поршня в цилиндре, причем один или несколько впускных клапанов 218 будут открыты до искрового зажигания и сгорания в цилиндре 204. Для дополнительного улучшения сгорания смеси воздуха, топлива и газов EGR, подаваемой в двигатель, предпочтительным может быть увеличение количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр, предназначенный для EGR. Однако, как было сказано выше, увеличение количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр, предназначенный для EGR, до сгорания, может привести к снижению степени полноты сгорания и увеличению образования дыма или нагара во время работы. Например, образование дыма может быть вызвано ситуацией, когда величина обогащения смеси в цилиндре, предназначенного для EGR, становится выше уровня, необходимого для обеспечения оптимальной степени полноты сгорания, при этом дальнейшее увеличение величины обогащения может снизить воспламеняемость заряда. В данном случае количество топлива, которое может быть подано в цилиндр, предназначенный для EGR, для сгорания, может быть ограничено. Как будет сказано ниже со ссылкой на фиг. 3 и 4, для того, чтобы преодолеть подобные ограничения, касающиеся соотношения «воздух/топливо» в цилиндре, предназначенном для EGR, после сгорания в цилиндре, например, во время такта расширения и(или) выпуска, в данный цилиндр может быть впрыснуто дополнительное количество топлива.
На фиг. 3 показан пример способа 300 впрыска после сгорания в цилиндр, предназначенный для EGR, например в цилиндр 204 с фиг. 2, для того, чтобы преодолеть ограничения, касающиеся воздушно-топливного соотношения в цилиндре, предназначенном для EGR, и облегчить испарение топлива при условиях холодного пуска. Как показано на фиг. 2, цилиндр, предназначенный для EGR, может быть соединен с впуском двигателя. Кроме того, двигатель может представлять собой двигатель с искровым зажиганием. Пример цикла 400 сгорания с фиг. 4 будет рассматриваться вместе с фиг. 3 для того, чтобы наглядно проиллюстрировать впрыск после сгорания в цилиндр, предназначенный для EGR, во время цикла 400 сгорания при различных условиях. С помощью графика 402 на фиг. 4 показана зависимость подъема впускного и выпускного клапанов от положения поршня в цилиндре по мере перемещения поршня между верхней мертвой точкой (TDC) и нижней мертвой точкой (BDC). С помощью графика 404 на фиг. 4 показана зависимость впрыска топлива в цилиндр, предназначенный для EGR, от положения поршня.
На этапе 304 способ 300 предусматривает определение наличия условий холодного пуска. Например, условия холодного пуска могут содержать условия работы двигателя, при которых температура двигателя ниже порогового значения температуры. Например, условия холодного пуска могут возникать после включения зажигания транспортного средства, когда двигатель запускается из неподвижного состояния. При таких условиях холодного запуска двигатель обычно запускают с задержкой зажигания для снижения эффективной работы, прилагаемой к поршню для получения необходимого количества тепла, образующегося в процессе сгорания. Большая часть тепла, образующегося на поздней стадии в конце такта расширения, переносится в выпускные каналы для обеспечения быстрого нагрева каталитического нейтрализатора, что способствует улучшению характеристик выбросов через выхлопную трубу. Поскольку выхлопные газы из цилиндра, предназначенного для EGR, рециркулируют во впуск двигателя, то данный цилиндр может работать на богатой смеси с помощью прямого впрыска топлива после сгорания. Топливо, впрыснутое после сгорания, мгновенно испарится в горячем газе, снимая проблемы с испарением топлива в условиях холодного запуска.
При условиях холодного пуска на этапе 304 способ 300 переходит на этап 306. На этапе 306 способ 300 предусматривает впрыск первого количества топлива до сгорания, в результате чего образуется до сгорания общее бедное воздушно-топливное соотношение, однако из-за расслоения данное значение рядом с запальными свечами может быть примерно равно стехиометрическому. Например, как показано в примере цикла 400 сгорания по фиг. 4, во время первого этапа 408 впрыска в цилиндр, предназначенный для EGR, до сгорания, например, во время такта впуска поршня в цилиндре по мере перемещения поршня из верхней мертвой точки (TDC1) в нижнюю мертвую точку (BDC1), может быть впрыснуто первое количество топлива, причем один или несколько впускных клапанов цилиндра являются, по крайней мере, частично открытыми, как показано линией 406 на фиг. 4. Первое количество топлива, впрыскиваемое во время первого этапа 408 впрыска до сгорания, может быть выбрано таким образом, чтобы воздушно-топливное соотношение было бедным по сравнению со стехиометрическим соотношением. Первое количество топлива, впрыскиваемое в цилиндр, предназначенный для EGR, до сгорания, может быть основано на различных условиях работы двигателя, например на температуре двигателя, скорости вращения двигателя, нагрузке на двигатель и т.д. Искровое зажигание в цилиндре, предназначенном для EGR, может быть выполнено с опережением по сравнению с другими цилиндрами таким образом, чтобы работа, выполняемая с помощью впрыска меньшего количества топлива в цилиндр, предназначенный для EGR, на более ранней стадии во время цикла работы двигателя, была равна работе, прилагаемой к поршню на более поздней стадии во время цикла при примерно стехиометрическом соотношении для смеси в других цилиндрах.
Для того чтобы улучшить испарение топлива при условиях холодного пуска во время прогрева двигателя, во время второго этапа 412 впрыска в цилиндр, предназначенный для EGR, после этапа 416 сгорания в цилиндре, предназначенном для EGR, например, после этапа 410 подачи искры на такте расширения, когда поршень в цилиндре движется из верхней мертвой точки (TDC2) в нижнюю мертвую точку (BDC2) в цилиндре во время или почти во время этапа 414 открытия одного или нескольких выпускных клапанов в цилиндре, может быть впрыснуто дополнительное, второе количество топлива. Данное второе количество топлива, впрыскиваемое во второй цилиндр, также может быть основано на различных условиях работы двигателя, например на температуре двигателя, скорости вращения двигателя и нагрузке на двигатель. Кроме того, данное второе количество топлива, впрыскиваемое в цилиндр, предназначенный для EGR, может быть основано на первом количестве топлива, впрыснутом до сгорания. Например, повышенное количество топлива может быть впрыснуто после сгорания в ответ на уменьшенное количество топлива, впрыснутого до сгорания.
Таким образом, на этапе 307 способ 300 предусматривает определение величин впрыскиваемого топлива. Например, количество топлива, впрыскиваемое до сгорания (первое количество, впрыскиваемое во время этапа 408 впрыска), и количество топлива, впрыскиваемое после сгорания (второе количество, впрыскиваемое во время этапа 412 впрыска), может быть определено на основании различных условий работы двигателя, в том числе температуры двигателя, нагрузки на двигатель, скорости вращения двигателя, воздушно-топливного соотношения в газах EGR, воздушно-топливного соотношения во впускном коллекторе и так далее. Условия работы двигателя, необходимые для определения количества впрыскиваемого топлива, также могут быть основаны на других параметрах, в том числе температуре двигателя/цилиндра, температуре окружающей среды, температуре выхлопных газов, степени разбавления смеси в двигателе, величины наддува и так далее.
После определения количества впрыскиваемого топлива до и после сгорания на этапе 308 способ 300 предусматривает впрыск топлива в цилиндр, предназначенный для EGR, до сгорания. Например, первое количество топлива, впрыскиваемое во время первого этапа 408 впрыска до сгорания, может быть впрыснуто до сгорания напрямую в цилиндр, предназначенный для EGR. Однако в других примерах, первое количество топлива, впрыскиваемое во время первого этапа 408 впрыска, может быть впрыснуто до сгорания, может быть впрыснуто в цилиндр, предназначенный для EGR, через форсунку для впрыска во впускные каналы. На этапе 310 способ 300 предусматривает прямой впрыск топлива в цилиндр, предназначенный для EGR, после сгорания и во время или почти во время этапа открытия выпускного клапана. Например, второе количество топлива, впрыскиваемое во время второго этапа 412 впрыска, может быть впрыснуто в цилиндр, предназначенный для EGR, после сгорания и во время или почти во время этапа 414 открытия выпускного клапана. Кроме того, между впрыском первого количества топлива во время первого этапа 408 впрыска и впрыском второго количества топлива во время второго этапа 412 впрыска топливо может практически не впрыскиваться. Другими словами, впрыск топлива между двумя этапами впрыска может не быть непрерывным.
На этапе 312 способ 300 предусматривает подачу выхлопных газов из цилиндра, предназначенного для EGR, во впускную систему двигателя. Например, выхлопные газы могут быть поданы из цилиндра 204, предназначенного для EGR, во впуск 146 двигателя для последующего направления во все цилиндры, например, в цилиндры 204, 206, 208 и 210, для выполнения сгорания в них. В некоторых примерах на этапе 314 способ 300 может предусматривать уменьшение количества топлива, впрыскиваемого в остальные цилиндры. Например, количество впрыскиваемого топлива в остальные цилиндры может быть отрегулировано в соответствии с повышенным количеством топлива в газах EGR для достижения целевого воздушно-топливного соотношения в остальных цилиндрах двигателя при условии сохранения стабильности сгорания. Например, количество топлива, впрыскиваемое в остальные цилиндры, например, цилиндры 206, 208 и 210, может быть снижено для компенсации повышенного количества топлива в газах EGR, образовавшегося во время второго этапа 412 впрыска. По варианту количество топлива, впрыскиваемое в остальные цилиндры, может быть равно нулю, если газы EGR содержат достаточное количество топлива. Аналогичным образом количество топлива, впрыскиваемое во время первого впрыска, например, во время первого этапа 408 впрыска с фиг. 4, представленного ниже, в цилиндр, предназначенный для EGR, может быть снижено для компенсации количества топлива в газах EGR.
Как было сказано выше, двигатель может иметь возможность изменения направления выхлопных газов из цилиндра 204 в канал 141 для обеспечения рециркуляции или в канал 148 без обеспечения рециркуляции. Например, клапан 243 может быть дополнительно соединен с выпуском цилиндра 204, предназначенного для EGR, в котором клапан 243 может быть приведен в движение для изменения направления выхлопных газов с цилиндра 204 на канал 141 через трубопровод 241 для обеспечения рециркуляции или на канал 148 через трубопровод 245 без обеспечения рециркуляции. Таким образом, по вариантам после прямого впрыска топлива в цилиндр, предназначенный для EGR, на этапе 310 подача газов EGR из цилиндра, предназначенного для EGR, во впуск может быть прервана, например, за счет переключения клапана 243 для изменения направления выхлопных газов с цилиндра 204 на канал 148 через трубопровод 245, чтобы прекратить рециркуляцию.
При отсутствии условий холодного запуска на этапе 304 способ 300 переходит на этап 316. Например, после прогрева двигателя и(или) в том случае, когда температура двигателя превышает пороговое значение, как было описано выше, способ 300 переходит на этап 316. На этапе 316 способ 300 предусматривает поддержание богатого воздушно-топливного соотношения в цилиндре, предназначенном для EGR. Например, количество топлива, впрыскиваемое в цилиндр, предназначенный для EGR, может быть увеличено таким образом, чтобы воздушно-топливное соотношение в цилиндре, предназначенном для EGR, было богатым, и чтобы во время работы двигателя воздушно-топливное соотношение было выше стехиометрического значения.
Например, как показано в примере цикла 400 сгорания по фиг. 4, во время первого этапа 408 впрыска в цилиндр, предназначенный для EGR, до сгорания, например, во время такта впуска поршня в цилиндре по мере перемещения поршня из верхней мертвой точки (TDC1) в нижнюю мертвую точку (BDC1), может быть впрыснуто третье количество топлива, при этом один или несколько впускных клапанов цилиндра являются, по крайней мере, частично открытыми, как показано линией 406 на фиг. 4. Третье количество топлива, впрыскиваемое во время первого этапа 408 впрыска, может быть больше первого количества топлива, впрыскиваемого до сгорания при условиях холодного пуска, как было описано выше. Данное третье количество топлива, впрыскиваемое до сгорания, может быть выбрано таким образом, чтобы воздушно-топливное соотношение в цилиндре было выше стехиометрического значения, и может быть основано на различных условиях работы двигателя, например, на температуре двигателя, скорости вращения двигателя, нагрузке на двигатель и так далее.
Для увеличения количества топлива, включая моноокись углерода и водород, в газах EGR и улучшения сгорания может быть впрыснуто дополнительное, четвертое количество топлива, во время второго этапа 412 впрыска в цилиндр, предназначенный для EGR, после этапа 416 сгорания в цилиндре, предназначенном для EGR, например, после этапа 410 подачи искры на такте расширения, когда поршень в цилиндре движется из верхней мертвой точки (TDC2) в нижнюю мертвую точку (BDC2) в цилиндре во время или почти во время этапа 414 открытия одного или нескольких выпускных клапанов в цилиндре. Данное четвертое количество топлива, впрыскиваемое во второй цилиндр, также может быть основано на различных условиях работы двигателя, например, на температуре двигателя, скорости вращения двигателя и нагрузке на двигатель. Кроме того, данное четвертое количество топлива, впрыскиваемое в отдельный цилиндр, может быть основано на третьем количестве топлива, впрыскиваемом до сгорания, таким образом, чтобы количество топлива в газах EGR, обеспечиваемое за счет цилиндра, предназначенного для EGR, поддерживало работу на богатой смеси. Например, повышенное количество топлива может быть впрыснуто после сгорания в зависимости от уменьшенного количества топлива, впрыснутого до сгорания.
Таким образом, на этапе 317 способ 300 предусматривает определение величин впрыскиваемого топлива. Например, количество топлива, впрыскиваемое до сгорания (третье количество, впрыскиваемое во время первого этапа 408 впрыска), и количество топлива, впрыскиваемое после сгорания (четвертое количество, впрыскиваемое во время этапа 412 впрыска), могут быть определены на основании различных условий работы двигателя, включая температуру двигателя, нагрузку на двигатель, скорость вращения двигателя, воздушно-топливное соотношение в газах EGR, воздушно-топливное соотношение во впускном коллекторе и так далее. Условия работы двигателя, необходимые для определения количества впрыскиваемого топлива, также могут быть основаны на других параметрах, включая температуру двигателя/цилиндра, температуру окружающей среды, температуру выхлопных газов, степень разбавления смеси в двигателе, величину наддува и так далее.
По варианту третье количество топлива, впрыскиваемое во время первого этапа 408 впрыска до сгорания, может быть увеличено, а четвертое дополнительное количество топлива, впрыскиваемое во время второго этапа 412 впрыска после сгорания, может быть отрегулировано на основании условий работы двигателя, в том числе скорости вращения двигателя и(или) нагрузки на двигатель. Например, третье количество топлива, впрыскиваемое до сгорания, может быть выбрано таким образом, чтобы воздушно-топливное соотношение в цилиндре, предназначенном для EGR, после впрыска третьего количества топлива было выше стехиометрического значения, и четвертое дополнительное количество топлива, впрыскиваемое после сгорания, могли быть отрегулированы на основании условий работы двигателя, в том числе скорости вращения двигателя и(или) нагрузки на двигатель. Однако при некоторых условиях работы третье количество топлива, впрыскиваемое до сгорания, может быть достаточным для достижения целевого воздушно-топливного соотношения, за счет чего впрыск дополнительного количества топлива после сгорания может не понадобиться.
По варианту третье количество топлива, впрыскиваемое до сгорания, может быть увеличено до предельного значения, например до предела, соответствующего воздушно-топливному соотношению 12:1 в цилиндре, предназначенном для EGR, а четвертое дополнительное количество топлива, впрыскиваемое после сгорания, может быть отрегулировано на основе условий работы двигателя, включая скорость вращения двигателя и(или) нагрузку на двигатель. По другому варианту третье количество топлива, впрыскиваемое до сгорания, может быть выбрано таким образом, чтобы воздушно-топливное соотношение в цилиндре, предназначенном для EGR, после впрыска третьего количества топлива было примерно равным стехиометрическому значению, а четвертое дополнительное количество топлива, впрыскиваемое после сгорания, могло быть отрегулировано на основании условий работы двигателя, включая скорость вращения двигателя и(или) нагрузку на двигатель.
После определения количества впрыскиваемого топлива до и после сгорания на этапе 318 способ 300 предусматривает впрыск топлива в цилиндр, предназначенный для EGR, до сгорания. Например, третье количество топлива может быть напрямую впрыснуто до сгорания в цилиндр, предназначенный для EGR, во время первого этапа 408 впрыска. На этапе 320 способ 300 предусматривает прямой впрыск топлива в цилиндр, предназначенный для EGR, после сгорания и во время или почти во время этапа открытия выпускного клапана. Например, четвертое количество топлива может быть впрыснуто в цилиндр, предназначенный для EGR, во время второго этапа 414 впрыска после сгорания и во время или почти во время открытия 412 выпускного клапана. Кроме того, между впрыском третьего количества топлива и впрыском четвертого количества топлива топливо может практически не впрыскиваться. Другими словами, впрыск топлива между двумя этапами 408 и 412 впрыска может не быть непрерывным. Моменты впрыска топлива во время второго этапа впрыска могут регулировать в зависимости от условий работы двигателя, например, от скорости, нагрузки, величины впрыска, фаз газораспределения выпускного клапана и так далее.
На этапе 312 способ 300 предусматривает подачу выхлопных газов из цилиндра, предназначенного для EGR, в остальные цилиндры двигателя. Например, выхлопные газы могут быть поданы из цилиндра 204, предназначенного для EGR, во впуск 146 двигателя для последующего направления во все цилиндры, например, в цилиндры 204, 206, 208 и 210, для выполнения сгорания в них. По вариантам на этапе 314 способ 300 может предусматривать уменьшение количества топлива, впрыскиваемого в остальные цилиндры. Например, количество впрыскиваемого топлива в остальные цилиндры может быть отрегулировано в соответствии с повышенным количеством топлива в газах EGR для достижения целевого воздушно-топливного соотношения в остальных цилиндрах двигателя при условии сохранения стабильности сгорания. Например, количество топлива, впрыскиваемое в остальные цилиндры, например, цилиндры 206, 208 и 210, может быть снижено для компенсации повышенного количества топлива в газах EGR, образовавшегося во время второго этапа 412 впрыска. Аналогичным образом количество топлива, впрыскиваемого во время первого этапа 408 впрыска в цилиндр, предназначенный для EGR, может быть снижено для компенсации количества топлива в газах EGR.
Следует отметить, что примеры процедур управления и оценки, приведенные в настоящем описании, могут быть использованы для различных двигателей и(или) конфигураций систем транспортных средств. Конкретные процедуры, приведенные в настоящем описании, могут представлять собой одну или более стратегий обработки, например, управление по событиям, управление по прерываниям, многозадачность, многопоточность и так далее. Также различные действия, операции или функции могут быть выполнены в указанной последовательности или параллельно, а некоторые из них могут быть опущены. Аналогичным образом порядок управления необязательно должен сохраняться для достижения отличительных признаков и преимуществ варианта реализации, описанного в данном документе, поскольку он был приведен для наглядности и упрощения описания. Одно или более представленных действий, операций и(или) функций может быть выполнено несколько раз в зависимости от конкретной используемой стратегии. Также описанные действия, операции и(или) функции могут графически представлять собой программный код на постоянном машиночитаемом носителе в системе управления двигателем.
Следует понимать, что конфигурации и последовательности операций, раскрытые в данном описании, являются примерами, и что эти конкретные варианты выполнения не следует рассматривать как ограничительные, поскольку возможны их различные варианты и модификации. Например, возможно использование описанной технологии для двигателей V6, I-4, I-6, V12, оппозитных двигателей с четырьмя цилиндрами, а также других типов двигателей. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации или подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные особенности, функции и/или свойства, раскрытые в настоящем документе.
Все термины, применяемые в формуле изобретения, следует понимать в их наиболее широких разумных толкованиях и их обычных значениях, как это понимают специалисты в данной области техники, если иное явно не указано в описании изобретения. В частности, использование слов «какой-либо», «данный», «вышеуказанный» и т.д. надо понимать как один или несколько указанных элементов, если в формуле не указано иное.