СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
CONTROL METHOD OF PROPULSION INSTALLATION OPERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам управления работой двигательной установки, включающей в себя четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.
Уровень техники
Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) широко известны. В исполнении с поршнем возвратно-поступательного хода они имеют по меньшей мере один цилиндр или несколько цилиндров. В каждом цилиндре поршень, соединенный с коленчатым валом, установлен с возможностью перемещения между положением верхней мертвой точки и положением нижней мертвой точки, таким образом образуя в цилиндре камеру сгорания переменного объема. Когда такой двигатель работает по четырехтактному циклу, четыре такта цикла обычно теоретически определяются как периоды времени между двумя непосредственно следующими друг за другом положениями мертвых точек поршня. Этими тактами являются такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода и такт выпуска. Такие двигатели также имеют по меньшей мере одно управляемое впускное отверстие и по меньшей мере одно управляемое выпускное отверстие для управления сообщением камеры сгорания соответственно с впускным трактом и выпускным трактом двигательной установки. Открытие и закрытие впускного и выпускного отверстий обычно выполняется соответствующими тюльпанообразными клапанами. Впускным отверстием управляют, обеспечивая основную фазу его открытия преимущественно во время такта впуска, а выпускным отверстием управляют, обеспечивая основную фазу его открытия преимущественно во время такта выпуска. Разумеется, широко известен тот факт, что эти основные фазы открытия впускного и выпускного отверстия могут начинаться до или после теоретического начала соответствующего такта и/или могут заканчиваться до или после теоретического конца соответствующего такта.
Также известно, что впускным отверстием или выпускным отверстием можно управлять с обеспечением вспомогательных фаз его открытия с целью изменения характеристик основного режима работы двигателя. Например, торможение двигателем можно усилить, открывая выпускное отверстие в конце такта сжатия. Также известно, что для осуществления так называемой внутренней рециркуляции отработавших газов во время такта выпуска используют кратковременное открытие впускного отверстия или, по крайней мере, раннее открытие впускного отверстия в конце такта выпуска.
Ранее было предложено множество путей оптимизации четырехтактных двигателей внутреннего сгорания для улучшения их рабочих характеристик с учетом зачастую теоретически противоречивых требований к ним и, в частности с учетом минимизации расхода топлива и выброса вредных веществ. Одной из областей, представляющих интерес для конструкторов двигательных установок, является управление температурным режимом двигателя. На самом деле, двигатель не может всегда работать при оптимальной для него температуре. Одним критическим аспектом в этом отношении является работа двигателя при запуске, пока он не прогрелся до оптимальной для него температуры. После пуска желательно, чтобы двигатель достиг этой оптимальной температуры как можно скорее. Еще один критический аспект возник позднее, с включением в состав двигательных установок различных систем нейтрализации отработавших газов, таких как трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры или системы селективного каталитического восстановления. Такие системы часто требуют, чтобы проходящие через них отработавшие газы находились в четко заданном температурном диапазоне либо для оптимальной работы этих систем, либо, как в случае сажевых фильтров, для их регенерации. В таких случаях важно иногда повышать температуру отработавших газов.
x
Еще одним путем оптимизации функционирования четырехтактного ДВС является рециркуляция отработавших газов (РОГ, англ. сокр. EGR). В зависимости от того, как и где проводится рециркуляция отработавших газов, можно получать различные результаты, но очень частой причиной использования рециркуляции отработавших газов, особенно в дизельных двигателях, является снижение температуры процесса горения для ограничения образования оксидов азота (NO).
В документе US 6347619 раскрыт способ рециркуляции отработавших газов в широком диапазоне рабочих режимов двигателя. Задачей системы, раскрытой в этом документе, является улавливание отработавших газов для рециркуляции при относительно высоком давлении. Раскрытая система обеспечивает рециркуляцию отработавших газов в дизельном двигателе с турбонаддувом за счет добавления отдельного коллектора рециркуляции отработавших газов и использования, на каждую камеру сгорания, вторичного выпускного клапана, направляющего поток отработавших газов из камеры сгорания в коллектор рециркуляции отработавших газов. Вторичный выпускной клапан открывается во время такта расширения, входящего в рабочий цикл двигателя, после завершения процесса горения, пока давление в камере сгорания еще превышает давление во впускном коллекторе. Таким образом, эта система требует использования дополнительного коллектора, дополнительного набора отверстий и дополнительной системы для управления дополнительными отверстиями, и поэтому она была бы довольно дорогостоящей.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка нового способа управления работой двигательной установки с четырехтактным ДВС, позволяющего при минимальных затратах улучшить управление температурным режимом двигателя и температурой отработавших газов.
Таким образом, в изобретении предлагается способ управления работой двигательной установки, включающей в себя четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, отличающийся тем, что указанный способ включает в себя программу управления впускным отверстием с обеспечением вспомогательной фазы его открытия во время такта рабочего хода.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведено схематическое изображение основных компонентов двигательной установки, работой которой можно управлять предлагаемым в изобретении способом.
На фиг.2 приведена схематическая диаграмма, иллюстрирующая управление впускным отверстием в характерном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа управления работой двигательной установки и соответствующий массовый расход через впускное отверстие.
На фиг.3 приведена схематическая диаграмма, иллюстрирующая отличие температуры в цилиндре, достигаемое применением предлагаемого в изобретении способа.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана двигательная установка 10, включающая в себя двигатель 12 внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением поршня(-ей). Двигатель 12 имеет по меньшей мере один цилиндр 14, а в рассматриваемом примере он в действительности имеет шесть цилиндров, расположенных в один ряд. В каждом цилиндре содержится поршень (на чертеже не показан), соединенный с вращающимся коленчатым валом (на чертеже не показан) двигателя посредством шатуна (на чертеже не показан), Будучи кинематически связанным с вращением коленчатого вала, поршень скользит внутри цилиндра 14 между положением верхней мертвой точки и положением нижней мертвой точки, таким образом образуя в цилиндре камеру сгорания переменного объема. Двигатель 12 работает по четырехтактному циклу. Четыре такта обычно теоретически определяются как периоды времени между двумя непосредственно следующими друг за другом положениями поршня в его мертвых точках. Этими тактами являются такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода (расширения) и такт выпуска.
Каждый цилиндр 14 имеет по меньшей мере одно впускное отверстие 16 и по меньшей мере одно выпускное отверстие 18. Как у многих современных двигателей, двигатель, изображенный на фиг.1, имеет по два впускных отверстия 16 и по два выпускных отверстия 18 на цилиндр 14. Каждым отверстием 16, 18 управляют таким образом, чтобы устанавливать или блокировать сообщение камеры сгорания с впускным трактом 20 или с выпускным трактом 22 двигательной установки 10. Обычно управление каждым отверстием осуществляется тюльпанообразным клапаном или любым иным подходящим устройством. Как поясняется ниже, двигатель оснащается средствами для управления фазами открытия отверстий в соответствии с рабочим циклом двигателя. К таким средствам управления может относиться кулачковый распределительный вал, управляющий тюльпанообразными клапанами механически; вместе с тем, в других вариантах осуществления изобретения указанные средства управления могут включать в себя бескулачковые средства привода, такие как электромагнитные или электрогидравлические исполнительные механизмы привода клапанов. В любом случае средства управления рассчитаны таким образом, чтобы управление впускным отверстием осуществлялось с обеспечением по меньшей мере основной фазы его открытия преимущественно во время такта впуска, а управление выпускным отверстием осуществлялось с обеспечением по меньшей мере основной фазы его открытия преимущественно во время такта выпуска.
В случае многоцилиндрового двигателя впускной тракт предпочтительно снабжен впускным коллектором 21, посредством которого он сообщается с каждым из впускных отверстий 16. Впускной коллектор 21 имеет предпочтительно по одному отдельному входному каналу на каждое отдельное впускное отверстие 16, или, по крайней мере предпочтительно, по одному отдельному входному каналу 25 на каждый цилиндр. Аналогичным образом, выпускной тракт предпочтительно снабжен выпускным коллектором 23, имеющим по одному отдельному выпускному каналу на каждое выпускное отверстие или, по крайней мере, на каждый цилиндр.
В рассматриваемом примере двигатель 12 представляет собой двигатель с турбонаддувом, имеющий турбокомпрессор 24, турбина 26 которого расположена в выпускном тракте 22, а компрессор 28 - во впускном тракте 20. Кроме того, двигательная установка может быть оснащена, как показано на фиг.1, системой рециркуляции отработавших газов, содержащей, например, трубопровод 30 рециркуляции отработавших газов, вход которого соединен с выпускным трактом 22 перед турбиной 26 по ходу потока, а выходы которого соединены с впускным трактом 20 за компрессором 28 по ходу потока и с клапаном 32 рециркуляции отработавших газов, управляющим потоком отработавших газов, способных циркулировать по трубопроводу 30 из выпускного тракта во впускной тракт. Система рециркуляции отработавших газов может включать в себя систему охлаждения для отбора теплоты из газов, циркулирующих по трубопроводу 30.
Двигатель 12 представляет собой, например, двигатель с воспламенением от сжатия, известный как дизельный двигатель, но изобретение применимо и к двигателю с искровым зажиганием. Кроме того, двигатель 12 может относиться к типу двигателей с прямым впрыском, где топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр. В таком случае через впускной тракт в цилиндры впускается только воздух, но изобретение также осуществимо в отношении двигателя с непрямым впрыском, где топливо впрыскивается, например, во впускной тракт или в предкамеру сгорания.
На фиг.2 показан график, на котором представлен процесс управления по меньшей мере одним впускным отверстием двигателя с использованием предлагаемого в изобретении способа. На фиг.2 показаны кривая VL, которая представляет управляющее воздействие на впускное отверстие, например подъем клапана, и кривая MFR, которая представляет массовый расход через впускное отверстие, причем оба параметра показаны изменяющимися в зависимости от угла поворота коленчатого вала, где угловому положению верхней мертвой точки поршня, с которого начинается такт рабочего хода, присвоено значение "0". Как видно на диаграмме, впускным отверстием управляют, обеспечивая основную фазу его открытия преимущественно во время такта впуска, который происходит между угловыми положениями коленчатого вала, составляющими 360° и 540°. В дизельном двигателе с прямым впрыском эта основная фаза открытия обеспечивает поступление в камеру сгорания из впускного тракта определенного количества смеси газов. Эта смесь газов в большинстве случаев в основном состоит из свежего воздуха, но, как это будет показано ниже, также может содержать рециркулируемые отработавшие газы. На графике видно, что во время основной фазы открытия впускного отверстия выгнутый вверх участок кривой, представляющей массовый расход газов, проходящих через впускное отверстие, находится в области положительных значений, что в действительности свидетельствует о движении потока газов из впускного тракта в камеру сгорания.
Предлагаемый в изобретении способ дополнительно включает в себя программу управления впускным отверстием с обеспечением вспомогательной фазы его открытия во время такта рабочего хода, который происходит между угловыми положениями коленчатого вала, составляющими 0° и 180°. Впускным отверстием предпочтительно управлять таким образом, чтобы вспомогательная фаза его открытия начиналась после конца процесса горения. Таким образом, при большинстве рабочих режимов двигателя, по меньшей мере для дизельного двигателя с прямым впрыском, вспомогательная фаза открытия впускного отверстия может начинаться при повороте коленчатого вала на угол от 30° до 70° после верхней мертвой точки, с которой начинается такт рабочего хода. В рассматриваемом примере вспомогательная фаза открытия впускного отверстия начинается при повороте коленчатого вала на угол приблизительно 50° после верхней мертвой точки, с которой начинается такт рабочего хода. Несмотря на то что вспомогательная фаза открытия впускного отверстия начинается после конца процесса горения, видно, что она начинается на такте рабочего хода довольно рано, до того как поршень пройдет вниз полпути в направлении своего положения нижней мертвой точки. В этот момент времени давление внутри цилиндра еще довольно высоко, составляя, как правило, более 10 бар, а в некоторых случаях превышая 50 бар, что гораздо больше давления во впускном тракте, даже в случае двигателя с турбонаддувом. Как следствие, открытие впускного отверстия приводит к поступлению газов из цилиндра во впускной тракт, о чем на фиг.2 свидетельствуют отрицательные значения массового расхода через впускное отверстие. Газами, выходящими из цилиндра через впускное отверстие, являются газы, образующиеся в результате предшествующего процесса горения и поэтому сопоставимые по своему составу с отработавшими газами, которые обычно выбрасываются из камеры сгорания в выпускной тракт во время такта выпуска.
Тем не менее, в этот момент времени, соответствующий началу вспомогательной фазы открытия впускного отверстия впускным клапаном, температура газов в камере сгорания все еще очень высока, особенно по сравнению с температурой отработавших газов, выбрасываемых в выпускной тракт на тактах выпуска. Одной причиной этого является то, что эти газы успели расшириться лишь в очень незначительной степени, поскольку поршень прошел всего лишь менее 20…40% своего рабочего хода в направлении нижней мертвой точки, и поэтому соответствующее падение температуры газов в этот момент весьма мало. Еще одна причина заключается в том, что за этот очень короткий период времени между концом горения и началом вспомогательной фазы открытия впускного отверстия газы успевают передать деталям цилиндра лишь очень малое количество теплоты.
В результате газы, выбрасываемые во впускной тракт, имеют очень высокую температуру. Температура таких газов может превышать температуру отработавших газов, выбрасываемых в конце такта выпуска, на значение до 150°С.
Разумеется, столь ранее открытие одного из отверстий цилиндра на такте рабочего хода отрицательно сказывается на количестве снимаемой с поршня работы, что неблагоприятно влияет на эффективную мощность двигателя и его к.п.д.
Поэтому вспомогательная фаза открытия впускного клапана должна быть короткой во времени. Длительность вспомогательной фазы открытия впускного отверстия предпочтительно соответствует повороту коленчатого вала на угловое расстояние в пределах от 15° до 50°. Иначе говоря, вспомогательная фаза открытия впускного отверстия предпочтительно заканчивается при повороте коленчатого вала на угол от 50° до 120° после верхней мертвой точки, с которой начинается такт рабочего хода. В рассматриваемом на фиг.2 примере длительность вспомогательной фазы открытия впускного отверстия соответствует повороту коленчатого вала на угловое расстояние приблизительно 30°, так что эта фаза заканчивается при повороте коленчатого вала на такте рабочего хода на угол приблизительно 80° после верхней мертвой точки. В любом случае конец вспомогательной фазы открытия впускного отверстия наступит перед концом такта рабочего хода, т.е. прежде чем поршень достигнет положения нижней мертвой точки. В рассматриваемом примере вспомогательная фаза открытия впускного отверстия полностью умещается в первую половину такта рабочего хода.
Также на фиг.2 видно, что степень открытия впускного отверстия во время вспомогательной фазы открытия впускного отверстия, представленная, например, подъемом клапана в случае тюльпанообразного клапана, может быть гораздо меньшей, чем степень открытия впускного отверстия во время основной фаза его открытия. Также, в случае двигателя с несколькими впускными отверстиями во время вспомогательной фазы открытия открываются не все отверстия данного цилиндра, а возможно, только одно из них, чтобы ограничить общую степень открытия впускных отверстий во время указанной вспомогательной фазы открытия впускного отверстия. Тем не менее, то отверстие, которое открывается для реализации вспомогательной фазы открытия, может открываться и для реализации основной фазы его открытия, так что оно не является отверстием, специально выделенным под указанную вспомогательную фазу открытия.
В результате этой вспомогательной фазы открытия определенное количество продуктов сгорания выбрасывается непосредственно во впускной тракт. В частности, в показанной на фиг.1 конфигурации двигательной установки продукты сгорания остаются во впускном коллекторе, в частности в канале или каналах, соответствующих впускному отверстию(-ям), управляемому(-ым) для реализации подобной вспомогательной фазы открытия. Эти продукты сгорания можно рассматривать как высокотемпературные газы прямой рециркуляции в противоположность отработавшим газам непрямой рециркуляции, обычно рециркулируемым по трубопроводу 30.
Следует упомянуть, что, хотя этот вариант и не показан на фиг.1, впускной коллектор может быть оснащен системой клапанов для изоляции входных каналов, соответствующих различным цилиндрам. Такая система клапанов может включать в себя по одному одноходовому обратному клапану на каждый канал, так что продукты сгорания, выброшенные из одного цилиндра во впускной тракт во время вспомогательной фазы открытия впускного отверстия, не смогут изменить направление своего движения дальше во впускном тракте за этими клапанами. Таким образом, продукты сгорания будут надежно удерживаться во входных каналах, соответствующих этому цилиндру.
В любом случае выброшенные во впускной тракт продукты сгорания, так называемые высокотемпературные газы прямой рециркуляции, большей частью повторно впускаются в цилиндр вместе со свежим воздухом в последующей основной фазе открытия впускного(-ых) отверстия(-ий). В результате газы, поступившие в цилиндр для следующего процесса горения, представляют собой смесь свежего воздуха и продуктов сгорания, ранее выброшенных во впускной тракт прямо через впускное отверстие во вспомогательной фазе его открытия. Температура такой смеси, разумеется, выше температуры свежего воздуха, обычно подводимого через впускной тракт. Естественно, достигаемое повышение температуры зависит от соотношения присутствующих в смеси свежего воздуха и продуктов сгорания. Это соотношение можно регулировать, изменяя длительность вспомогательной открытия впускного отверстия впускным клапаном и/или изменяя степень открытия впускного отверстия,
Понятно, что во время этой последующей основной фазы открытия впускного(-ых) отверстия(-ий) в цилиндр могут впускаться вместе со свежим воздухом и высокотемпературными газами прямой рециркуляции также отработавшие газы непрямой рециркуляции, рециркулируемые по трубопроводу 30 рециркуляции отработавших газов. Подобная возможность позволяет регулировать температуру смеси для данного отношения рециркулируемых газов к свежему воздуху.
На фиг.3 видно, что при выполнении в отношении цилиндра двигателя программы, предусматривающей вспомогательную фазу открытия впускного отверстия впускным клапаном, в течение определенного числа следующих подряд циклов цилиндра температура внутри цилиндра ожидается более высокой, чем температура во время обычного цикла. На фиг.3 показаны кривая VL, представляющая управляющее воздействие на впускное отверстие, кривая Tref, представляющая контрольную температуру внутри цилиндра без использования программы со вспомогательной фазой открытия впускного отверстия, и кривая Т, представляющая температуру в цилиндре при реализации такой программы, причем вышеупомянутые параметры показаны изменяющимися в зависимости от угла поворота коленчатого вала, где положению верхней мертвой точки поршня, с которой начинается такт рабочего хода, присвоено значение "0". Это повышение температуры газов внутри цилиндра неизбежно ведет к более интенсивной передаче тепла деталям цилиндра, а значит, к более высокому и быстрому увеличению температуры двигателя в целом. Также это ведет к повышению температуры отработавших газов, выбрасываемых в выпускной тракт во время такта выпуска. Моделирование на компьютере показало, что при реализации вспомогательной фазы открытия впускного отверстия отработавшие газы после выхода из цилиндра могут иметь температуру, увеличенную более чем на 100°С по сравнению с обычным решением, не предусматривающим вспомогательной фазы открытия впускного отверстия.
Безусловно, как уже было отмечено выше, осуществление предлагаемого в изобретении способа, предусматривающего вспомогательную фазу открытия впускного отверстия, несет в себе издержки в отношении к.п.д. двигателя, так что этот способ может быть целесообразным лишь в определенных ситуациях. В большинстве случаев осуществление предлагаемого в изобретении способа будет целесообразным только в случаях, когда в определенные отрезки времени желательно обеспечить в двигателе дополнительное тепловыделение, например при холодном пуске двигателя, при необходимости регенерации сажевого фильтра или для точного управления режимом работы системы нейтрализации отработавших газов. Поэтому изобретение предпочтительно использовать в сочетании с двигательной установкой, где средства управления впускными отверстиями способны управлять соответствующими впускными отверстиями с выполнением или без выполнения программы управления впускным отверстием, обеспечивающей вспомогательную фазу его открытия во время такта рабочего хода, в зависимости от текущего режима работы, или текущих условий работы, двигателя. Разумеется, если двигатель относится к типу бескулачковых, т.е. имеет бескулачковые средства привода клапанов, например электрические или электрогидравлические исполнительные механизмы привода клапанов с электронным управлением, специалисту несложно будет разработать подходящий электронный блок управления, способный управлять отверстиями с выполнением предусмотренной изобретением программы или без ее выполнения. Если двигатель оснащен клапанами с кулачковым приводом, то существует множество известных устройств, обеспечивающих реализацию по меньшей мере двух законов управления для управления одним и тем же клапаном. Такие устройства уже внедрены и предназначаются для избирательного приведения в действие выпускных клапанов согласно по меньшей мере двум законам управления, выбираемым в зависимости от того, желательно ли для повышения интенсивности торможения двигателем обеспечить одну или несколько дополнительных фаз открытия выпускного отверстия во время такта сжатия. Примеры таких устройств описаны в документах US 5193497 и US 5890469. Специалист сможет, опираясь на содержание этих документов, разработать соответствующую систему для управления впускными клапанами двигательной установки, управляемой в соответствии с настоящим изобретением.
Предлагаемый в изобретении способ выгоден при его осуществлении в связи с прогревом двигательной установки, особенно при холодном пуске. Способ также может осуществляться в связи с разогревом системы нейтрализации отработавших газов. Предпочтительным является его осуществление при низких нагрузках на двигатель.