СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ С ТУРБОНАДДУВОМ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR CONTROLLING TURBOCHARGED ENGINE (OPTIONS) AND ENGINE SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее раскрытие относится к системам и способам улучшения управления наддувом в системах двигателя, выполненных с одиночным цилиндром, выделенным для обеспечения внешней рециркуляции отработавших газов (РОГ) для остальных цилиндров двигателя.
Уровень техники/Раскрытие изобретения
Двигатели могут быть выполнены с системами РОГ, предназначенными для отвода по меньшей мере части отработавших газов из выпускного коллектора двигателя в его впускной коллектор. Обеспечивая необходимое разбавление в двигателе, такие системы уменьшают детонацию двигателя, потери на дросселирование, а также выбросы оксидов азота. Кроме того, повышается экономия топлива, особенно при высоких уровнях наддува в двигателе.
Также двигатели выполняли с одиночным цилиндром (или группой цилиндров), выделенным для обеспечения внешней РОГ для других цилиндров. Кроме того, двигатели внутреннего сгорания часто содержат узел турбонагнетателя. Узел турбонагнетателя использует поток отработавших газов для раскручивания турбины, которая приводит в действие компрессор, сжимающий воздух горения, подаваемый во впускной коллектор. Когда отработавшие газы из заданного количества цилиндров двигателя внутреннего сгорания отводят во впускной коллектор для осуществления РОГ, таким образом, пуская их в обход турбонагнетателя, расход отработавших газов, доступный для турбины турбонагнетателя, уменьшается, что снижает максимальную выходную мощность двигателя внутреннего сгорания. Кроме этого, двигатель может страдать от эффекта турбоямы.
Один пример системы с выделенным для РОГ цилиндром, в которой решается проблема наддува, продемонстрирован Hayman и др. в документе US 8,539,768. В этой системе узел турбонагнетателя включает в себя перепускной клапан, выборочно связывающий выделенную для РОГ группу цилиндров с турбиной, работающей на отработавших газах. В условиях, когда требуется более высокий наддув, перепускной клапан можно открыть, чтобы отработавшие газы из выделенных для РОГ цилиндров можно было использовать с отработавшими газами из остальных цилиндров двигателя для раскручивания турбины, работающей на отработавших газах. И, наоборот, в условиях, когда потребность в наддуве меньше, перепускной клапан можно закрыть, чтобы отработавшие газы из выделенных для РОГ цилиндров использовать исключительно для целей РОГ, а для раскручивания турбины, работающей на отработавших газах, использовать только те отработавшие газы, которые выходят из остальных цилиндров двигателя. В других системах двигателя, с турбоямой можно бороться использованием воздуха, который продувают через один или несколько цилиндров, работающих с перекрытием клапанов. Одновременно регулируя (например, обогащая) подачу топлива в цилиндры, работающие с перекрытием клапанов, можно увеличить объем и температуру заряда, подаваемого на турбину, ускорив раскручивание турбины.
Тем не менее, авторами настоящего изобретения были идентифицированы потенциальные недостатки вышеуказанных подходов. Например, в системах двигателя, работающих в режиме продувки, результирующий поток продувки через каталитический нейтрализатор отработавших газов может привести к падению эффективности каталитического нейтрализатора и возникновению проблем выбросов в окружающую среду. Другим примером может служить то, что в системах двигателя, работающих с перепускным клапаном, выборочно связывающим выделенную для РОГ группу цилиндров с турбиной, работающей на отработавших газах, использование РОГ ограничено условиями, когда потребность в наддуве невысока. Другими словами, высокая доступность РОГ и высокая доступность наддува могут быть взаимоисключающими, так как отработавшие газы из выделенной группы цилиндров можно направлять либо для целей РОГ, либо направлять их для целей раскручивания турбины. По существу РОГ может быть необходима при более высоких уровнях наддува двигателя для улучшения топливной экономичности и снижения выбросов оксидов азота.
В одном примере вышеуказанные проблемы можно по меньшей мере частично решить при помощи способа для двигателя, включающего в себя следующее: эксплуатация выделенной для РОГ группы цилиндров с богатым процессом сжигания в цилиндрах и с большим по сравнению с остальными цилиндрами объемом продувочного воздуха, при том что выделенная для РОГ группа цилиндров рециркулирует отработавшие газы на впуск двигателя посредством первой турбины, отличной от второй турбины, получающей отработавшие газы от остальных цилиндров двигателя. При этом можно достичь экзотермического эффекта на турбине ниже по потоку от выделенной для РОГ группы и ускорить развитие наддува.
Например, отработавшие газы из выделенной для РОГ (ВРОГ) группы цилиндров многоцилиндрового двигателя можно пропустить через каталитический нейтрализатор конверсии водяного газа (КВГ), а затем через первую, меньшую, турбину, работающую на отработавших газах, перед рециркуляцией отработавших газов во все цилиндры двигателя. В отличие от этого, отработавшие газы из остальных цилиндров двигателя, перед их выпуском через выхлопную трубу, пропускают через вторую,  турбину. Когда стабильность процесса сжигания в двигателе ограничена, подачу топлива в ВРОГ группу цилиндров можно обогатить так, чтобы каталитический нейтрализатор КВГ мог бы создавать обогащенные водородом отработавшие газы для рециркуляции в двигатель. Первая турбина может приводить в действие первый, меньший компрессор, размещенный выше по потоку от второго, большего компрессора, который приводит в действие вторая турбина.
В ответ на событие нажатия оператором педали, объем продувочного воздуха, доставляемого в группу ВРОГ цилиндров, может быть выборочно увеличен. В частности, можно привести в действие устройство изменения фаз газораспределения, например, быстродействующий электрический фазовращатель распределительного вала, чтобы отрегулировать установку фаз впускных и выпускных клапанов только цилиндров, входящих в ВРОГ группу цилиндров, чтобы достичь такой установки фаз клапанного распределения, которая обеспечивала бы увеличенное положительное перекрытие впускного клапана относительно выпускного клапана (например, полное перекрытие клапанов). В то же время, подачу топлива в ВРОГ группу цилиндров можно отрегулировать, исходя из объема продувочного воздуха так, чтобы обеспечить в целом богатый процесс сжигания. Альтернативно, можно добавить один или несколько дожигающих впрысков (например, на такте выпуска определенного события сжигания). Степень обогащенности можно отрегулировать, исходя из затребованного наддува относительно давления наддува (или частоты вращения турбины) в момент нажатия педали. За счет этого на первой турбине создается экзотермический эффект, ускоряющий раскручивание турбины. Раскручивая первую турбину, можно поднять наддув, обеспечиваемый первым и вторым компрессорами, уменьшая тем самым турбояму. Работу ВРОГ цилиндра с увеличенным объемом продувочного воздуха и повышенной обогащенностью процесса сжигания можно продолжать до тех пор, пока первая турбина не будет раскручена до достаточной частоты, или пока давление наддува не станет достаточно высоким. После этого объем продувочного воздуха можно уменьшить, а подачу топлива в ВРОГ группу цилиндров можно отрегулировать по условиям работы двигателя, включая затребованную РОГ и стабильность процесса сжигания.
Таким образом, обеспечивается конфигурация двигателя, при которой подачу продувочного воздуха в выделенную для РОГ группу цилиндров можно выборочно и кратковременно увеличивать. Используя одновременно с этим богатый впрыск топлива, можно создать экзотермический эффект на турбине ниже по потоку от ВРОГ группы цилиндров, ускоряя нарастание давления наддува. Так как отработавшие газы от ВРОГ группы цилиндров подают не на выпуск, а на впуск двигателя, продувочный воздух не ухудшает эффективности каталитического нейтрализатора отработавших газов, посредством чего предотвращаются проблемы увеличенных выбросов, которые иначе бы возникали при использовании продувочного воздуха. Используя энергию отработавших газов от выделенной для РОГ группы цилиндров для приведения в действие выделенной турбины, эту энергию можно эффективно захватывать для создания наддува, даже на более низких частотах вращения двигателя. Кроме того, для уменьшения турбоямы можно использовать меньшую турбину. Результатом использования меньшей крыльчатки турбины является снижение инерции, что позволяет быстрее достичь максимальной выходной мощности наддува.
Кроме того, снижение температуры отработавших газов, проходящих через турбонагнетатель, приводит к тому, что рециркулируемый поток РОГ имеет меньшую температуру, что является преимуществом для замедления сжигания и управления детонацией на цилиндрах, потребляющих РОГ. Используя при нажатии педали богатые отработавшие газы от выделенной для РОГ группы цилиндров для раскручивания меньшей турбины, и стехиометрические отработавшие газы от остальных цилиндров двигателя - для раскручивания большей турбины, можно уменьшить турбояму. Посредством рециркуляции богатых отработавших газов от выделенного для РОГ цилиндра к остальным цилиндрам двигателя после того, как поток отработавших газов пройдет за первую турбину, можно обеспечить двигателю РОГ даже при более высоких уровнях наддува без ухудшения стабильности процесса сжигания. В целом, можно быстро уменьшить турбояму без оказания влияния на выброс отработавших газов двигателем.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут описаны подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого единственным образом определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
Более полно понять раскрытые здесь преимущества можно при прочтении текста примера осуществления, называемого здесь «Осуществление изобретения» отдельно или со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг. 1 схематически изображена система двигателя с наддувом, включающая в себя выделенную в качестве источника РОГ группу цилиндров.
На фиг. 2 схематически изображена камера сгорания двигателя.
На фиг. 3 показан пример способа выборочного увеличения подачи продувочного воздуха выделенной для РОГ группе цилиндров с целью уменьшения турбоямы.
На фиг. 4 показаны применяемые в разных условиях работы двигателя профили воздуха и топлива для выделенной для РОГ группы цилиндров.
На фиг. 5 показан пример способа регулирования подачи топлива в цилиндры двигателя для обеспечения управления наддувом.
На фиг. 6 показан пример регулирования подачи топлива в выделенные для РОГ цилиндры и в не выделенные для РОГ цилиндры системы двигателя для управления наддувом.
Осуществление изобретения
Настоящее раскрытие относится к управлению наддувом двигателя, работающего с сильно разбавленными смесями в цилиндрах, например, в системах двигателя, показанных на фиг. 1 - фиг. 2. Смеси в цилиндрах двигателя могут разбавлять рециркулирующими отработавшими газами (РОГ), являющимися побочными продуктами сжигания топливовоздушных смесей. Контроллер может быть выполнен с возможностью выполнения алгоритма управления, такого как показанный на фиг. 3 алгоритм, для эксплуатации выделенной для РОГ группы цилиндров с богатым процессом сжигания топлива и увеличенным объемом продувочного воздуха в ответ на увеличение потребности в наддуве. На фиг. 4 показаны примеры топливовоздушных профилей, которые могут быть применены для выделенной для РОГ группы цилиндров. Контроллер также может выполнить алгоритм подобный показанному на фиг. 5, для регулирования целевого воздушно-топливного отношения процесса сжигания для выделенной для РОГ группы цилиндров в ответ на повышение потребности в наддуве, например, во время события нажатия педали, с целью ускорения раскручивания турбины. Таким образом, можно бороться с турбоямой, продолжая обеспечивать РОГ в условиях высокого наддува. Пример регулировки подачи топлива и воздушно-топливного отношения показан на фиг. 6.
На фиг. 1 схематически изображены аспекты взятой в качестве примера системы 100 двигателя, включающей в себя двигатель 10 с четырьмя цилиндрами (1-4). Как задумано здесь, четыре цилиндра скомпонованы в первую группу 17 цилиндров, содержащую не выделенные для РОГ цилиндры 1-3, и во вторую группу 18 цилиндров, содержащую выделенный для РОГ цилиндр 4. Каждая камера сгорания двигателя 10 подробно рассматривается со ссылкой на фиг. 2. Система 100 двигателя может входить в состав и быть связанной с транспортным средством, например, пассажирским автомобилем, выполненным с возможностью передвижения по дорогам.
В иллюстрируемом осуществлении изобретения, двигатель 10 является двигателем с наддувом, причем двигатель связан с первым, меньшим, турбонагнетателем 113 и вторым, большим, турбонагнетателем 13. В частности, первый турбонагнетатель 113 включает в себя первый, меньший, компрессор 174, приводимый в действие первой, меньшей, турбиной 176. В частности, свежий воздух подают в двигатель 10 по впускному каналу 142 через воздухоочиститель 63 и пропускают к компрессору 174. В некоторых осуществлениях расходом окружающего воздуха, поступающего во впускную систему через впускной воздушный канал 142, можно управлять, по меньшей мере, частично, регулируя дроссельную заслонку (не показана) системы воздухозабора, размещенную выше по потоку от компрессора 174. Компрессор 174 может быть любым подходящим компрессором впускного воздуха, таким как компрессор наддува с моторным приводом или с приводом от приводного вала. В системе двигателя 10, однако, компрессор является компрессором турбонагнетателя, механически связанным с турбиной 176 посредством вала 119, причем турбину 176 приводят в движение расширяющимися отработавшими газами двигателя, испускаемым исключительно выделенной для РОГ группой цилиндров (здесь цилиндром 4). Как задумано здесь, за счет регулирования воздушно-топливного отношения процесса сжигания в выделенной группе 18 цилиндров можно варьировать температуру и воздушно-топливное отношение отработавших газов, направляемых через первую турбину 176, в ответ на изменения потребности в наддуве, с целью уменьшения турбоямы.
Второй турбонагнетатель 13 включает в себя второй, больший, компрессор 74, приводимый в действие второй, большей, турбиной 76. В частности, свежий воздух подают в двигатель 10 по впускному каналу 42 через воздухоочиститель 53 и пропускают к компрессору 174. Расходом окружающего воздуха, поступающего во впускную систему через впускной воздушный канал 42, можно управлять, по меньшей мере, частично, регулируя впускную дроссельную заслонку 20. Кроме того, во впускном канале 42 выше по потоку от компрессора 74 может быть предусмотрена дополнительная дроссельная заслонка (не показана) впускной системы. Таким образом, впускные каналы 42 и 142 представляют собой параллельные ветви воздухозабора впускной системы двигателя. Компрессор 74 может быть любым подходящим компрессором впускного воздуха, таким как компрессор наддува с моторным приводом или с приводом от приводного вала. В системе 10 двигателя, однако, компрессор является компрессором турбонагнетателя, механически связанным с турбиной 76 посредством вала 19, причем турбину 76 приводят в движение расширяющимися отработавшими газами двигателя, испускаемым исключительно не выделенной для РОГ группой цилиндров (здесь, цилиндрами 1-3). В одном осуществлении компрессор и турбина могут входить в состав турбонагнетателя типа твинскролл. В другом осуществлении турбонагнетатель может быть турбонагнетателем с изменяемой геометрией (ТИГ), в котором геометрия турбины активным образом изменяется в зависимости от частоты вращения двигателя.
Как показано на фиг. 1, через охладитель 78 воздуха наддува компрессор 74 связан с впускной дроссельной заслонкой 20. Впускная дроссельная заслонка 20 связана с впускным коллектором 25 двигателя. От компрессора заряд сжатого воздуха течет через охладитель воздуха наддува и дроссельный клапан во впускной коллектор. Охладитель воздуха наддува может быть, например, воздухо-воздушным или воздушно-водяным теплообменником. В показанном на фиг. 1 осуществлении давление воздушного заряда внутри впускного коллектора измеряют датчиком 124 давления воздуха в коллекторе (ДВК). Расход воздушного заряда, получаемого во впускном коллекторе через впускной канал 42, может быть измерен датчиком 55 массового расхода воздуха (МРВ) в коллекторе. Последовательно между впуском и выпуском компрессора 74 может быть установлен перепускной клапан (не показан) компрессора. Перепускной клапан компрессора может быть нормально закрытым клапаном, выполненным с возможностью открытия в выборочных условиях работы для стравливания излишков давления наддува. Например, перепускной клапан компрессора могут открывать в условиях снижения частоты вращения двигателя для предотвращения помпажа компрессора.
Впускной коллектор 25 связан с рядом камер 30 сгорания через ряд впускных клапанов (см. фиг. 2). Камеры сгорания также связаны с выпускным коллектором 36 через ряд выпускных клапанов (см. фиг. 2). В иллюстрируемом примере выпускной коллектор 36 включает в себя множество секций выпускного коллектора, что позволяет вытекающие из разных камер сгорания потоки направлять в разные места системы двигателя. В частности, поток, вытекающий из первой группы 17 цилиндров (цилиндры 1-3), направляют через  турбину 76 выпускного коллектора 36, перед тем как обработать его каталитическим нейтрализатором отработавших газов устройства 170 снижения токсичности отработавших газов. В отличие от этого, отработавшие газы из второй группы 18 (цилиндр 4) цилиндров направляют через меньшую турбину 176, перед тем как направить его обратно во впускной коллектор 25 через канал 50 РОГ и каталитический нейтрализатор 70 отработавших газов. Альтернативно, по меньшей мере часть отработавших газов из второй группы цилиндров можно направить в выхлопную трубу 35, в месте выше по потоку от устройства 170 снижения токсичности отработавших газов, через отводной клапан 52. В других осуществлениях часть отработавших газов, отведенную через отводной клапан 52, могут направлять в выхлопную трубу 35 выше по потоку от турбины 76. При этом, регулируя положение и степень открытия отводного клапана 52 можно варьировать пропорцию частей отработавших газов, направляемых от цилиндра 4 в выпускной коллектор и во впускной коллектор соответственно. Например, в условиях холодного запуска двигателя отработавшие газы из цилиндра 4 можно перенаправлять в устройство 170 снижения токсичности отработавших газов для ускорения активирования каталитического нейтрализатора.
Каталитический нейтрализатор 70, находящийся в канале 50 РОГ, может отличаться от каталитического нейтрализатора 170, находящегося в выхлопной трубе 35. В частности, каталитический нейтрализатор 70, установленный ниже по потоку выделенной для РОГ группы цилиндров, может быть выполнен в виде каталитического нейтрализатора КВГ. Каталитический нейтрализатор 70 КВГ может быть выполнен с возможностью генерирования газообразного водорода из углеводородов отработавших газов, получаемых в канале 50 от цилиндра 4. В отличие от этого, каталитический нейтрализатор 170, установленный ниже по потоку от не выделенной для РОГ группы цилиндров, может быть выполнен с возможностью очистки отработавших газов перед их выпуском в атмосферу через выхлопную трубу.
Каждый из цилиндров 1-4 может включать в себя внутреннюю РОГ, захватывая отработавшие газы, образующиеся при сжигании в соответствующем цилиндре, и позволяя отработавшим газам оставаться в соответствующем цилиндре в течение последующего события сжигания. Объем внутренней РОГ можно регулировать путем регулирования моментов открытия и/или закрытия впускных и/или выпускных клапанов. Например, увеличивая перекрытие впускного и выпускного клапанов, можно оставить в цилиндре во время следующего события сжигания дополнительный объем РОГ. Внешняя РОГ цилиндрам 1-4 обеспечена только потоком отработавших газов от второй группы 18 цилиндров (здесь, цилиндра 4) и посредством канала 50 РОГ. В другом примере внешняя РОГ может быть обеспечена только цилиндрам 1-3, но не цилиндру 4. Внешняя РОГ не обеспечивается потоком отработавших газов из цилиндров 1-3. То есть, в настоящем примере, единственным источником внешней РОГ для двигателя 10 является только цилиндр 4, который поэтому здесь также называется выделенным для РОГ цилиндром (или выделенной группой цилиндров). Цилиндры 1-3 также называются здесь не выделенной для РОГ группой цилиндров. Хотя в настоящем примере выделенная для РОГ группа цилиндров показана имеющей одиночный цилиндр, следует понимать, что в альтернативных конфигурациях двигателя выделенная для РОГ группа цилиндров может иметь больше одного цилиндра.
Канал 50 РОГ может включать в себя охладитель 54 РОГ, предназначенный для охлаждения потока РОГ, подаваемого на впуск двигателя. Кроме того, канал 50 РОГ может включать в себя первый датчик 51 отработавших газов, предназначенный для оценки воздушно-топливного отношения отработавших газов, рециркулирующих от второй группы цилиндров к остальным цилиндрам двигателя. Второй датчик 126 отработавших газов может быть размещен ниже по потоку от секций выпускного коллектора первой группы цилиндров для того, чтобы оценивать воздушно-топливное отношение отработавших газов в первой группе цилиндров. Кроме этого, показанная на фиг. 1 система двигателя может также включать в себя и другие датчики отработавших газов.
Концентрацию водорода во внешней РОГ от цилиндра 4 можно регулировать, варьируя воздушно-топливное отношение процесса сжигания в цилиндре 4. Например, концентрацию водорода внешней РОГ от цилиндра 4 можно увеличить, обогатив топливовоздушную смесь, сжигаемую в цилиндре 4. При этом объем газообразного водорода, генерируемого в каталитическом нейтрализаторе 70 КВГ, можно увеличить, повысив степень обогащенности отработавших газов, получаемых в канале 50 от цилиндра 4. То есть, для того, чтобы обеспечить обогащенные водородом отработавшие газы для цилиндров 1-4, подачу топлива во вторую группу 18 цилиндров можно отрегулировать так, чтобы обогатить цилиндр 4. В одном примере концентрацию водорода внешней РОГ от цилиндра 4 можно повысить в условиях, когда стабильность процесса сжигания в двигателе хуже, чем надо. Этим действием повышается концентрация водорода во внешней РОГ, и оно может улучшить стабильность процесса сжигания в двигателе, особенно на малых частотах вращения двигателя и низких нагрузках двигателя (например, на холостом ходу). Дополнительно, обогащенная водородом РОГ позволяет двигателю справиться с гораздо большими уровнями РОГ по сравнению с обычной (то есть, с меньшей концентрацией водорода) РОГ, до того, как возникнут какие-либо проблемы стабильности процесса сжигания. Расширение диапазона и объема применения РОГ улучшает топливную экономичность двигателя. Другим примером может служить ситуация, когда концентрацию водорода внешней РОГ от цилиндра 4 можно снизить обеднением сжигаемой в цилиндре 4 топливовоздушной смеси. При этом объем газообразного водорода, генерируемого на каталитическом нейтрализаторе 70 КВГ, можно уменьшить, увеличив степень обедненности отработавших газов, получаемых в канале 50 от цилиндра 4. В одном примере концентрацию водорода внешней РОГ от цилиндра 4 можно снизить в условиях, когда требуется меньшее разбавление в двигателе.
Камеры 30 сгорания могут снабжать одним или несколькими видами топлива, такими как бензин, спиртосодержащие топливные смеси, дизельное топливо, биодизельное топливо, сжатый природный газ и т.д. Топливо могут доставлять в камеры сгорания посредством топливной форсунки 66. Топливная форсунка 66 может забирать топливо из топливного бака 26. В иллюстрируемом примере топливная форсунка 66 выполнена с возможностью прямого впрыска, хотя в других примерах топливная форсунка 66 может быть выполнена для подачи топлива в цилиндры впрыском во впускные каналы или впрыском через корпус дроссельной заслонки. Кроме того, каждая камера сгорания может включать в себя одну или несколько топливных форсунок различных конфигураций, чтобы цилиндры могли получать топливо прямым впрыском, впрыском во впускные каналы, впрыском через корпус дроссельной заслонки или в комбинации вышеперечисленных вариантов впрыска. В камерах сгорания топливо можно воспламенять искровым и/или компрессионным зажиганием.
Один или несколько клапанов могут обслуживать каждый из цилиндров 30. В настоящем примере каждый цилиндр 30 включает в себя соответствующий впускной клапан 62 и выпускной клапан 64. Система 100 двигателя также включает в себя один или несколько распределительных валов 68 для приведения в движение впускного клапана 62 и/или выпускного клапана 64. В иллюстрируемом примере впускной распределительный вал 68b связан с впускным клапаном 62 второй группы цилиндров и может приводиться в действие для приведения в движение впускного клапана 62 второй группы цилиндров (то есть, цилиндра 4). В отличие от этого, впускной распределительный вал 68а связан с впускным клапаном первой группы цилиндров и может приводиться в действие для приведения в действие впускного клапана 62 первой группы цилиндров (то есть, цилиндров 1 -3). В иллюстрируемом варианте осуществления впускные клапаны всех цилиндров первой группы цилиндров связаны с общим распределительным валом, так что впускной распределительный вал 68а можно приводить в действие для приведения в движение впускных клапанов всех связанных с ним цилиндров.
Каждый впускной клапан 62 является приводимым в движение для перемещения между открытым положением, при котором впускной воздух может поступать в соответствующий цилиндр, и закрытым положением, при котором впускной воздух существенно не может поступать в цилиндр. Впускные распределительные валы 68а и 68b может включать в себя система 69 привода впускных клапанов. Впускной распределительный вал 68а содержит впускные кулачки 67а, причем профиль выступов этих кулачков предназначен для открывания впускного клапана 62 первой группы цилиндров на заданную продолжительность впуска. Аналогичным образом, впускной распределительный вал 68b содержит впускной кулачок 67b, причем профиль выступа этого кулачка предназначен для открывания впускного клапана 62 второй группы цилиндров на заданную продолжительность впуска. Продолжительность впуска разных групп цилиндров может быть одинаковой или разной. В некоторых осуществлениях (не показаны), распределительные валы могут содержать дополнительные впускные кулачки с альтернативным профилем выступа, что позволяет открывать впускной клапан 62 на альтернативную продолжительность (что здесь называется системой переключения профилей кулачков). В зависимости от профиля выступа дополнительного кулачка, альтернативная продолжительность может быть больше или меньше заданной продолжительности впуска впускных кулачков 67а, 67b. Профиль выступа может влиять на высоту подъема кулачка, на продолжительность открытого состояния клапана и/или на фазы газораспределения. Контроллер может быть выполнен с возможностью переключения продолжительности впуска, продольно перемещая впускные распределительные валы 68а, 68b, тем самым переводя их с кулачков одного профиля на кулачки другого профиля.
Аналогичным образом, каждый выпускной клапан 64 может быть приведен в движение для перемещения между открытым положением, при котором отработавшие газы могут выходить из соответствующего цилиндра, и закрытым положением, при котором газы существенно удерживают внутри цилиндра. Следует понимать, что, несмотря на то, что только впускной клапан 62 показан имеющим кулачковый привод, выпускной клапан 64 могут также приводить в движение аналогичным выпускным распределительным валом (не показан). В некоторых осуществлениях, где выпускные клапаны множества цилиндров 30 связаны с общим распределительным валом, выпускной распределительный вал могут приводить в действие для приведения в движение выпускных клапанов всех связанных с ним цилиндров. Как и в случае с впускным распределительным валом 68, если в системе имеется выпускной распределительный вал, то он может содержать выпускной кулачок, имеющий профиль выступа, предназначенный для открывания выпускного клапана 64 на заданную продолжительность выпуска. В некоторых осуществлениях выпускной распределительный вал может также содержать дополнительные выпускные кулачки с альтернативным профилем выступа, что позволяет открывать выпускной клапан на альтернативную продолжительность. Профиль выступа может влиять на высоту подъема кулачка, на продолжительность открытого состояния клапана и/или на фазы газораспределения. Контроллер может быть выполнен с возможностью переключения продолжительности выпуска, продольно перемещая выпускной распределительный вал, тем самым переводя его с кулачков одного профиля на кулачки другого профиля.
Система 69 привода впускных клапанов и система (не показана) привода выпускных клапанов может также включать в себя штанги толкателей, коромысла и толкатели. Эти устройства и элементы могут управлять приведением в движение впускного клапана 62 и выпускного клапана 64, преобразуя вращательное движение кулачков в поступательное перемещение клапанов. Как было рассмотрено выше, клапаны также могут приводить в движение посредством дополнительных профилей выступов кулачков на распределительных валах, причем профили выступов кулачков разных клапанов могут обеспечивать разные высоты подъема кулачка, продолжительность открытого состояния клапана и/или фазы газораспределения. Однако при необходимости могут быть использованы и другие компоновки (с верхним расположением и/или со штангами толкателей). Кроме того, в некоторых осуществлениях каждый из цилиндров 30 может иметь более одного выпускного и/или впускного клапана. В других примерах, каждый из выпускного клапана 64 и впускного клапана 62 одного или нескольких цилиндров может быть приведен в движение общим распределительным валом. Кроме вышеуказанного, в некоторых примерах некоторые из впускных клапанов 62 и/или выпускных клапанов 64 могут приводить в движение их собственным независимым распределительным валом или другим устройством.
Система 100 двигателя может включать в себя системы переменной установки фаз клапанного распределения, например, системы 80 и 82 изменения фаз газораспределения (ИФГ). Каждая из систем переменной установки фаз клапанного распределения может быть выполнена с возможностью того, чтобы в первом режиме работы открывать первый клапан на первую продолжительность. Первый режим работы может наступить, когда нагрузка двигателя станет ниже пороговой частичной нагрузки двигателя. Кроме того, система переменной установки фаз клапанного распределения может быть выполнена с возможностью того, чтобы во втором режиме работы открывать первый клапан на вторую продолжительность, меньшую первой продолжительности. Второй режим работы может наступить, когда нагрузка двигателя станет выше пороговой частичной нагрузки двигателя, а частота вращения двигателя опустится ниже своего порогового значения (например, при низких и средних частотах вращения двигателя).
Система 80 ИФГ может быть системой регулирования фаз газораспределения двух независимых распределительных валов, изменяющей фазы газораспределения впускных клапанов и выпускных клапанов независимо друг от друга. Системы 80, 82 ИФГ включают в себя фазовращатели 81, 83 впускного распределительного вала, соответственно связанные с соответствующим впускным распределительным валом для изменения фаз установки клапанного распределения впускных клапанов. Аналогичным образом, системы ИФГ могут включать в себя выпускной фазовращатель распределительного вала, связанный с общим выпускным распределительным валом для изменения установки фаз клапанного распределения для выпускных клапанов. Системы 80, 82 ИФГ могут быть выполнены с возможностью опережения или задержки открытия и закрытия клапанов за счет изменения углового положения кулачков в сторону опережения или задержки под управлением контроллера 12. Системы 80, 82 ИФГ могут быть выполнены с возможностью изменения моментов событий открытия и закрытия клапанов за счет регулирования взаимного расположения коленчатого и распределительного валов. Например, система 80 ИФГ может быть выполнена с возможностью вращения впускного распределительного вала 68b независимо от коленчатого вала для того, чтобы изменить моменты открытия и закрытия клапанов в сторону опережения или запаздывания. В некоторых осуществлениях системы 80, 82 ИФГ могут быть устройством, приводимым в действие крутящим моментом кулачка, выполненным с возможностью быстрого изменения установок фаз газораспределения. В некоторых осуществлениях настройки клапанов, такие как закрытие впускного клапана и закрытие выпускного клапана можно изменять устройством непрерывного переменного газораспределения с регулированием подъема клапанов.
Вышеописанные системы и устройства управления положением клапанов/распределительного вала могут иметь гидравлический привод, электрический привод, или комбинацию этих приводов. В одном примере положение распределительного вала может быть изменено посредством регулировки фазы распределительного вала электрическим приводом (например, фазовращателем с электрическим приводом) с достоверностью, превышающей достоверность большинства фазовращателей распределительного вала с гидравлическим приводом. По сигнальным линиям могут направлять управляющие сигналы и получать измененные значения установки и/или выбора распределительного вала от систем 80, 82 ИФГ. Каждая группа цилиндров или цилиндр могут иметь свой собственный фазовращатель. В иллюстрируемом примере система 80 ИФГ, связанная со второй, выделенной для РОГ группой цилиндров, может иметь относительно быстрее срабатывающее устройство (например, электрический фазовращатель) вращения фаз распределительного вала, а система 82 ИФГ, связанная с первой, не выделенной для РОГ группой цилиндров, может иметь относительно медленнее срабатывающее устройство (например, гидравлический фазовращатель) вращения фаз распределительного вала. Как показано на фиг. 3, переменная скорость приведения в движение клапана позволяет системе двигателя кратковременно эксплуатировать выделенную для РОГ группу цилиндров с большим объемом продувочного воздуха. В других же примерах, группы цилиндров могут эксплуатировать через общую систему привода кулачка, но с отдельным фазовращателем для ВРОГ группы цилиндров, что позволит быстро переместить кулачок ВРОГ группы цилиндров для обеспечения моментов газораспределения продувки только для ВРОГ цилиндра, а затем переместить кулачок в положение нормального газораспределения для не выделенных для РОГ цилиндров.
В процессе работы двигателя поршень цилиндра постепенно опускается из верхней мертвой точки (ВМТ), достигая наинизшего положения в нижней мертвой точке (НМТ) в конце такта расширения. Затем поршень поднимается обратно в ВМТ в конце такта выпуска. Затем на такте впуска поршень снова опускается в НМТ, возвращаясь к своему изначальному верхнему положению в ВМТ в конце такта сжатия. В процессе сжигания в цилиндре выпускной клапан можно открывать непосредственно при наинизшем положении поршня в конце такта расширения. Затем выпускной клапан можно закрыть по завершении поршнем такта выпуска и оставить открытым по меньшей мере до начала следующего такта впуска. Аналогичным образом, впускной клапан можно открыть в момент начала такта впуска или до его начала, и оставить открытым по меньшей мере до начала следующего такта сжатия.
В зависимости от разности установок моментов закрытия выпускного клапана и открытия впускного клапана, клапаны могут работать с отрицательным перекрытием клапанов, при котором на короткое время после окончания такта выпуска и до начала такта впуска будут закрыты и впускной, и выпускной клапаны. Этот период, в течение которого закрыты оба клапана, называется отрицательным перекрытием (впускного относительно выпускного) клапанов. В одном примере систему ИФГ можно отрегулировать таким образом, чтобы установка фаз отрицательного перекрытия впускного клапана относительно выпускного клапана могла бы быть установкой распределительного вала двигателя по умолчанию при сжигании в цилиндре, например, при холодном запуске двигателя.
Альтернативно клапаны могут работать с положительным перекрытием клапанов, когда на короткий период перед завершением такта выпуска и после начала такта впуска могут оставаться открытыми и впускной, и выпускной клапаны. Этот период, в течение которого могут быть открыты оба клапана, называется положительным перекрытием (впускного относительно выпускного) клапанов. Как уточняется здесь, системы 80, 82 ИФГ в выборочных условиях работы двигателя могут быть отрегулированы для увеличения положительного перекрытия клапанов. В частности, угловое положение распределительного вала впускных клапанов можно отрегулировать так, чтобы момент открытия впускного клапана выставить на опережение. Следовательно, впускной клапан может быть открыт еще раньше до завершения такта выпуска, и продолжительность периода, в течение которого будут открыты оба клапана, может быть увеличена, что приведет к увеличению положительного перекрытия клапанов. В одном примере положительное перекрытие клапанов можно увеличить, переместив распределительный вал впускных клапанов из положения некоторого положительного перекрытия клапанов в положение с большим положительным перекрытием клапанов. В другом примере положительное перекрытие клапанов можно увеличить, переместив впускной распределительный вал из положения отрицательного перекрытия клапанов в положение положительного перекрытия клапанов. Кроме того, увеличение положительного перекрытия клапанов для выделенной для РОГ группы цилиндров может отличаться от увеличения, примененного к остальным цилиндрам двигателя.
Следует понимать, что хотя в вышеприведенных примерах предлагается увеличивать положительное перекрытие клапанов, выставляя опережающий момент открытия впускного клапана, в альтернативных примерах, положительное перекрытие клапанов можно увеличивать, выставляя выпускной распределительный вал на запаздывание закрытия выпускного клапана. Кроме этого, изменять положительное перекрытие клапанов можно регулировкой как впускных, так и выпускных распределительных валов, изменяя установки моментов открытия и закрытия как впускных, как и выпускных клапанов.
В системе 100 двигателя, в периоды быстро увеличивающейся нагрузки на двигатель, например, сразу же после трогания с места, при нажатии педали или при выходе из условий выключения подачи топлива при замедлении (ВПТЗ), создаваемого компрессорами давления впускного воздуха может быть недостаточно. В течение по меньшей мере некоторых из вышеуказанных условий, доступное давление наддува от компрессора может быть ограничено из-за того, что турбины не будут раскручены до достаточно высокой частоты вращения (например, из-за низкой температуры или давления отработавших газов). При этом время, которое требуется турбине, чтобы раскрутиться и привести в действие компрессор для создания нужного объема сжатого впускного воздуха, называется турбоямой. В период турбоямы, количество обеспечиваемого крутящего момента может не соответствовать требующемуся крутящему моменту, результатом чего будет ухудшение работы двигателя.
Чтобы ускорить раскручивание турбины и уменьшить турбояму, в этих условиях двигатель можно эксплуатировать в режиме продувки. В частности, как уточняется здесь со ссылкой на фиг. 3 - фиг. 4, выделенную для РОГ группу цилиндров могут эксплуатировать с большим по сравнению с остальными цилиндрами объемом продувочного воздуха. При этом объем впускного воздуха, называемый также продувочным воздухом, может быть направлен из впускного коллектора в выпускной коллектор при одновременной регулировке подачи топлива в цилиндр, с целью обеспечения дополнительного массового расхода для раскручивания турбины. Например, соразмерно объему продувочного воздуха можно увеличить впрыск топлива, чтобы обеспечить дополнительную энтальпию для раскручивания турбины. В зависимости от условий работы двигателя, преобладающих на момент запроса продувочного воздуха, выполняют регулировку степени перекрытия клапанов так, чтобы за счет положительного перекрытия клапанов, через выделенную для РОГ группу цилиндров можно было обеспечить турбине запрошенный объем продувочного воздуха.
Например, для обеспечения продувки через вторую (ВРОГ) группу цилиндров, систему 80 ИФГ можно перевести из первого или исходного положения уменьшенного положительного перекрытия клапанов (например, положения с отсутствием положительного перекрытия клапанов) во второе или конечное положение увеличенного положительного перекрытия клапанов. В одном примере конечное положение может быть положением полного перекрытия клапанов (или максимального положительного перекрытия клапанов). Хотя раскрываемые здесь способы предусматривают обеспечение продувочного воздуха всегда через положительное перекрытие клапанов, в альтернативных осуществлениях продувочный воздух можно обеспечивать посредством положительного перекрытия клапанов только в том случае, если установка фаз клапанного распределения не ухудшает топливной экономичности двигателя, стабильности процесса сжигания и выходного крутящего момента. Как было рассмотрено выше, в альтернативных примерах, вместо использования различных систем ИФГ для каждой группы цилиндров, каждая из выделенной для РОГ группы цилиндров и не выделенной для РОГ группы цилиндров могут работать с общей системой ИФГ, оснащенной различными фазовращателями для разных групп цилиндров. Это позволяет настраивать фазы газораспределения распределительного вала выделенной для РОГ группы цилиндров на продувку, при сохранении нормальной установки фаз клапанного распределения для остальных цилиндров.
Отработавшие газы из выделенного для РОГ цилиндра 4 направляют на турбину 176 для приведения в движение этой турбины, которая в свою очередь приводит в действие компрессор 176 и повышает давление наддува на впуске. Отработавшие газы из выделенного для РОГ цилиндра 4, после прохождения через турбину 176, смешивают с впускным воздухом, принятым через впускной канал 42 в месте выше по потоку от дроссельной заслонки 20, и возвращают во впускной коллектор 25 двигателя. Воздух, сжатый во впускном канале 142 меньшим компрессором 174, затем направляют во впускной канал 42, в месте выше по потоку от большего компрессора 74. После прохождения через компрессор 74, впускное давление наддува может быть повышено еще больше. Хотя в иллюстрируемом примере показана последовательная конфигурация первого и второго турбонагнетателей, следует понимать, что в других вариантах осуществления могут допускаться иные конфигурации, например, параллельная.
Как представлено на фиг. 5, ускорить раскручивание турбины и управление давлением наддува можно путем регулирования воздушно-топливного отношения отработавших газов, выпускаемых из выделенного для РОГ цилиндра. Например, при работе двигателя на холостом ходу, когда потребность в РОГ отсутствует, либо незначительна, выделенную для РОГ группу цилиндров можно эксплуатировать на обедненной относительно стехиометрического отношения смеси, чтобы рециркулируемый на вход двигателя поток РОГ имел повышенное содержание свежего воздуха. В процессе нажатия педали до высокого наддува, когда на более высоком уровне наддува требуется большее разбавление в двигателе, выделенную для РОГ группу цилиндров можно перевести на работу на обогащенной относительно стехиометрического отношения смеси, определяя степень обогащенности по увеличению необходимого давления наддува, а также по увеличению необходимого разбавления в двигателе. Альтернативно в выделенную для РОГ группу цилиндров можно подавать топливо в соответствии со стехиометрическим значением, предусматривая один или несколько дожигающих впрысков топлива (например, впрысков топлива на такте выпуска) для того, чтобы позволить развиться экзотермическому эффекту в находящейся ниже по потоку турбине. В альтернативном примере в условиях работы двигателя на холостом ходу, когда требуется РОГ, выделенную для РОГ группу цилиндров можно эксплуатировать на обогащенной относительно стехиометрического отношения смеси, чтобы на вход двигателя можно было рециркулировать отработавшие газы, обогащенные водородом. В процессе нажатия педали до высокого наддува, когда на более высоком уровне наддува нет необходимости в разбавлении в двигателе, выделенную для РОГ группу цилиндров можно перевести на работу на обедненной относительно стехиометрического отношения смеси, определяя степень обедненности по увеличению необходимого давления наддува, а также по уменьшению необходимого разбавления в двигателе.
Отработавшие газы из выпускного коллектора 36 направляют в турбину 76 для приведения ее в действие. Когда требуется пониженный крутящий момент турбины, часть отработавших газов можно направить через регулятор давления наддува (не показан) в обход турбины. Совмещенный поток от турбины и регулятора давления наддува затем течет через устройство 170 снижения токсичности отработавших газов. Обычно одно или несколько устройств 170 снижения токсичности отработавших газов могут включать в себя один или несколько каталитических нейтрализаторов доочистки, выполненных с возможностью каталитической очистки потока отработавших газов, чтобы тем самым снизить содержание одного или нескольких веществ в потоке отработавших газов. Например, один каталитический нейтрализатор доочистки может быть выполнен с возможностью улавливания оксидов азота из потока отработавших газов, когда эти газы обеднены, и восстановления уловленных оксидов азота, когда отработавшие газы обогащены. В других примерах каталитический нейтрализатор доочистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью снижения пропорции оксидов азота или выборочного восстановления оксидов азота с помощью восстановительного вещества. В других примерах каталитический нейтрализатор доочистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью окисления остаточных углеводородов и/или окиси углерода в потоке отработавших газов. Различные каталитические нейтрализаторы доочистки отработавших газов с какой-либо из указанных выше функций, могут быть расположены в покрытии из пористого оксида или где-либо еще в ступенях доочистки, либо вместе, либо по отдельности. В некоторых осуществлениях ступени доочистки отработавших газов могут включать в себя регенерируемый сажевый фильтр, выполненный с возможностью улавливания и окисления частиц сажи из потока отработавших газов. Выходящие из устройства 170 снижения токсичности отработавших газов отработавшие газы полностью или частично могут быть выпущены в атмосферу через выхлопную трубу 35.
Система 100 двигателя также включает в себя систему 14 управления. Система 14 управления включает в себя контроллер 12, который может быть любой системой электронного управления системой двигателя или транспортного средства, в котором установлена система двигателя. Контроллер 12 может быть выполнен с возможностью выносить управляющие решения, основанные по меньшей мере частично на входящих сигналах, поступающих от одного или нескольких датчиков 16 в системе двигателя, и на основе вынесенных управляющих решений может управлять исполнительными устройствами 81. Например, контроллер 12 в запоминающем устройстве может хранить машиночитаемые инструкции, а управление исполнительными устройствами 81 может выполняться путем исполнения инструкций. Среди примеров датчиков можно назвать датчик 124 ДВК, датчик 55 МРВ, датчики 128 и 129 температуры и давления отработавших газов, датчики 51, 126 содержания кислорода в отработавших газах. Среди примеров исполнительных устройств можно назвать дроссельную заслонку 20, топливную форсунку 66, отводной клапан 55 и т.п. Могут содержаться и другие датчики и исполнительные устройства, показанные на фиг. 2. Постоянное запоминающее устройство среды хранения может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими собой инструкции, исполняемые процессором для реализации способов, описанных ниже, а также других вариантов, которые предполагаются, но не перечисляются конкретно. Примеры способов и алгоритмов раскрываются в настоящем документе со ссылкой на фиг. 3.
Согласно иллюстрации на фиг. 2, двигатель 10 внутреннего сгорания содержит множество цилиндров, как показано на фиг. 1, один из которых описывается далее. Двигатель 10 включает в себя камеру 30 сгорания, стенки 132 цилиндра и поршень 136, расположенный внутри них и соединенный с коленчатым валом 40. С коленчатым валом 40 связаны маховик 97 и зубчатый венец 99. Стартер 96 включает в себя вал 98 ведущей шестерни и ведущую шестерню 95. Вал 98 ведущей шестерни может выборочно продвигать ведущую шестерню 95 для ее вхождения в зацепление с зубчатым венцом 99. Стартер 96 может быть напрямую установлен на переднюю сторону двигателя или на задней стороне двигателя. В некоторых примерах стартер 96 может выборочно подавать крутящий момент на коленчатый вал 40 через ремень или цепь. В одном примере стартер 96 находится в исходном состоянии, когда он не находится в зацеплении с коленчатым валом двигателя.
Камера 30 сгорания показана сообщающейся с впускным коллектором 144 и выпускным коллектором 148 через соответствующие впускной клапан 152 и выпускной клапан 154. Каждый впускной и выпускной клапан могут независимо друг от друга приводиться в движение впускным кулачком 151 и выпускным кулачком 153. Механизм 85 регулировки впускного клапана устанавливает фазу впускного клапана 152 на опережение или запаздывание относительно положения коленчатого вала 85. Кроме того, механизм 85 регулировки впускного клапана может увеличивать или уменьшать степень подъема впускного клапана. Механизм 83 регулировки выпускного клапана устанавливает фазу выпускного клапана 154 на опережение или запаздывание относительно положения коленчатого вала 85. Кроме того, механизм 83 регулировки выпускного клапана может увеличивать или уменьшать степень подъема выпускного клапана. Положение впускного кулачка 151 можно определять посредством датчика 155 впускного клапана. Положение выпускного кулачка 153 можно определять посредством датчика 157 выпускного клапана. В случаях, когда камера 30 сгорания входит в состав выделенного для РОГ цилиндра, фазы и/или высоту подъема клапанов 152 и 154 могут регулировать независимо от других цилиндров так, что воздушный заряд выделенного для РОГ цилиндра можно уменьшать или увеличивать по сравнению с другими цилиндрами. При этом внешняя РОГ, подаваемая в цилиндры двигателя, может превышать двадцать пять процентов массы заряда в цилиндре. Внешняя РОГ представляет собой отработавшие газы, которые откачивают из выпускных клапанов цилиндра и возвращают в цилиндры через впускные клапаны цилиндра. Кроме того, объем внутренней РОГ цилиндров, кроме цилиндра, выделенного для РОГ, можно регулировать независимо от выделенного для РОГ цилиндра путем регулировки фаз клапанного распределения этих соответствующих цилиндров. Внутренняя РОГ представляет собой отработавшие газы, остающиеся в цилиндре после события сжигания, и являющийся частью смеси, находящейся в цилиндре для следующего события сжигания.
Топливная форсунка 66 показана в положении для впрыска топлива непосредственно в цилиндр 30, что специалистам известно как прямой впрыск. Альтернативно топливо могут впрыскивать во впускной канал, что специалистам известно как впрыск во впускные каналы. В некоторых примерах конфигурации двигателя, один или несколько цилиндров двигателя могут получать топливо как из форсунок прямого впрыска, так и из форсунок впрыска во впускные каналы.
Впускной коллектор 144 показан сообщающимся с опциональной электронной дроссельной заслонкой 162, которая регулирует положение дроссельной шайбы 164 для управления потоком воздуха из воздухозаборника 42 во впускной коллектор 144. В некоторых примерах дроссельная заслонка 162 и дроссельная шайба 164 могут быть размещены между впускным клапаном 152 и впускным коллектором 144 так, что дроссельная заслонка является дроссельной заслонкой канала. Запрошенный водителем крутящий момент можно определить по положению педали 180 акселератора, измеряемому датчиком 184 положения педали акселератора. Когда стопа 182 водителя воздействует на педаль 180 акселератора, датчик 184 положения педали акселератора вырабатывает напряжение или ток, несущие в себе информацию о запрошенном водителем крутящем моменте.
Бесконтактная система 88 зажигания обеспечивает подачу искры в камеру 30 сгорания свечой 92 зажигания в ответ на команду контроллера 12. Универсальный датчик 126 содержания кислорода в отработавших газах (УКОГ) показан связанным с выпускным коллектором 148 выше по потоку от каталитического нейтрализатора 170. Альтернативно вместо датчика 126 УКОГ может применяться датчик содержания кислорода в отработавших газах с двумя состояниями.
В одном варианте каталитический нейтрализатор 170 может включать в себя несколько блоков носителя. В другом варианте могут использовать несколько устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое с несколькими блоками носителя. В одном варианте каталитический нейтрализатор 170 может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.
Контроллер 12 на фиг. 2 показан в виде обычного микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 102 (МПУ), порты 104 ввода/вывода (ВВОД/ВЫВОД), постоянное запоминающее устройство 106 (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 108 (ОЗУ), энергонезависимое запоминающее устройство 110 (ЭЗУ) и обычную шину данных. Контроллер 12 показан принимающим различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 10, дополнительно к тем сигналам, о которых говорилось выше, включая сигнал температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112, связанного с рубашкой 213 охлаждения; показания давления воздуха в коллекторе (ДВК) двигателя от датчика 122 давления, связанного с впускным коллектором 44; сигнал положения коленчатого вала двигателя от датчика 115 на эффекте Холла, связанного с коленчатым валом 40; показания массы воздуха, входящего в двигатель от датчика 219; измеренное датчиком 158 положение дроссельной заслонки. Для обработки контроллером 12 могут также измерять барометрическое давление (датчик не показан). В предпочтительном аспекте настоящего изобретения датчик 115 положения коленчатого вала двигателя подает заданное количество равноотстоящих импульсов на каждый оборот коленчатого вала, по которому рассчитывают частоту вращения двигателя (ЧВД).
В процессе работы каждый цилиндр двигателя 10 обычно проходит четырехтактный цикл, включающий: такт впуска, так сжатия, такт расширения и такт выпуска. На такте впуска обычно выпускной клапан 154 закрывается, а впускной клапан 152 открывается. В камеру 30 сгорания поступает воздух по впускному коллектору 144 и поршень 136 перемещается в нижнюю часть цилиндра для увеличения внутреннего объема камеры 30 сгорания. Положение, в котором поршень 136 находится внизу цилиндра в конце своего хода (то есть когда объем камеры 30 сгорания максимален), специалисты в данной области техники обычно называют нижней мертвой точкой (НМТ). На такте сжатия закрываются впускной клапан 152 и выпускной клапан 154. Поршень 136 перемещается к головке цилиндра, сжимая при этом воздух внутри камеры 30 сгорания. Положение, в котором поршень 136 находится в конце своего хода вверху цилиндра (то есть когда объем камеры 30 сгорания минимален), специалисты в данной области техники обычно называют верхней мертвой точкой (ВМТ).
В процессе, который здесь и далее называется впрыском, в камеру сгорания вводят топливо. В процессе, который здесь и далее называется зажиганием, впрыснутое топливо поджигают известными способами и средствами, такими как свеча 92 зажигания, в результате чего происходит сгорание. На такте расширения расширяющиеся газы толкают поршень 136 обратно в НМТ. Коленчатый вал 40 преобразует перемещение поршня в момент вращения вала. Наконец, на такте выпуска открывается выпускной клапан 154, выпуская сгоревшую топливовоздушную смесь в выпускной коллектор 148, а поршень возвращается в ВМТ. Следует отметить, что описание выше по тексту приведено только в качестве примера, и что моменты открытия или закрытия клапанов могут изменять, например, для положительного или отрицательного перекрытия клапанов, позднего закрытия впускного клапана или по-другому.
Таким образом, показанные на фиг. 1 - фиг. 2 компоненты обеспечивают систему двигателя, в которой выделенная для РОГ группа цилиндров может работать с большим по сравнению с остальными цилиндрами двигателя объемом продувочного воздуха и с богатым процессом сжигания, причем выделенная для РОГ группа цилиндров возвращает отработавшие газы на впуск двигателя через первую турбину, отличную от второй турбины, принимающей отработавшие газы от остальных цилиндров двигателя. Степень обогащенности богатого процесса сжигания в цилиндре можно регулировать по одному или нескольким из следующих параметров: потребность в наддуве при нажатии педали, стабильность процесса сжигания в цилиндре и необходимость в разбавлении в двигателе (или потребность в РОГ).
Система также позволяет регулировать воздушно-топливное отношение отработавших газов, возвращаемых на впуск двигателя от выделенной для РОГ группы цилиндров через первую турбину, в ответ на нажатие оператором педали, причем регулирование выполняют по потребности в наддуве при нажатии педали. Воздушно-топливное отношение выделенной для РОГ группы цилиндров также регулируют по потребности в РОГ при нажатии педали. Например, выделенную для РОГ группу цилиндров можно перевести из работы на обедненной относительно стехиометрического отношения топливовоздушной смеси на холостом ходу, на работу с обогащением смеси в ответ на событие нажатия педали с целью ускорения доставки наддува и доставки РОГ при повышенном наддуве. В другом примере выделенную для РОГ группу цилиндров можно перевести с работы на обогащенной относительно стехиометрического отношения топливовоздушной смеси на холостом ходу, на работу с обеднением в ответ на событие нажатия педали с целью ускорения доставки наддува и снижения разбавления в двигателе при повышенном наддуве.
На фиг. 3 показан пример способа 300 выборочной эксплуатации выделенной для РОГ группы цилиндров многоцилиндрового двигателя в режиме продувки, когда продувочный воздух обеспечивают положительным перекрытием клапанов. Одновременно, по объему продувочного воздуха регулируют подачу топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров с целью обеспечения локального экзотермического эффекта на турбине, связанной с выделенной для РОГ группой цилиндров ниже по потоку от выделенной для РОГ группы цилиндров. Таким образом, уменьшают турбояму.
На этапе 302, способ включает в себя оценивание и/или измерение условий работы двигателя. Эти условия могут включать в себя, например, частоту вращения двигателя и нагрузку двигателя, наддув двигателя, ДВК, расход впускного воздуха, условия окружающей среды, такие как давление, температура и влажность окружающего воздуха, запрос крутящего момента от оператора, температуру отработавших газов, частоту вращения турбины, давление во впускном коллекторе, давление наддува, положение педали, скорость движения транспортного средства, требование разбавления в двигателе и т.п.
На этапе 304 могут определять, произошло ли событие нажатия педали. Событие нажатия педали может быть подтверждено изменением положения педали оператором. При этом в ответ на событие нажатия педали может резко увеличиться потребность в наддуве. Если событие нажатия педали не подтверждено, то на этапе 320 могут определить объем продувочного воздуха и объем подаваемого в двигатель топлива по условиям работы двигателя, включая по меньшей мере потребность в РОГ и стабильность процесса сжигания. Например, на этапе 322 двигатель могут эксплуатировать в режиме без продувки без подачи какого-либо продувочного воздуха. В режиме без продувки можно отрегулировать положение распределительного вала выделенной для РОГ (ВРОГ) группы цилиндров и остальной не выделенной для РОГ группы цилиндров так, чтобы отсутствовало положительное перекрытие клапанов. В других примерах при работе в режиме без продувки может быть обеспечено ненулевое положительное перекрытие клапанов, и перекрытие клапанов может быть уменьшено настолько, чтобы продувка была пренебрежимо мала. Кроме того, по потребности в РОГ и стабильности процесса сжигания может быть отрегулирована подача топлива в двигатель. Например, при увеличении потребности в РОГ можно отрегулировать подачу топлива в ВРОГ группу цилиндров. Также, когда двигатель ограничен по стабильности процесса сжигания, топливовоздушную смесь ВРОГ группы цилиндров можно обогатить, чтобы создать обогащенные водородом отработавшие газы, которые будут возвращены от ВРОГ группы цилиндров на впуск двигателя. При этом обогащенная водородом РОГ улучшает предел стабильности процесса сжигания и толерантность двигателя к РОГ. То есть, при увеличении потребности в РОГ, можно повысить обогащенность подачи топлива в ВРОГ цилиндр, соответственно обеднив подачу топлива в остальные цилиндры двигателя, чтобы в выхлопную трубу доставлять результирующие стехиометрические отработавшие газы.
На этапе 306 алгоритм включает в себя, в ответ на нажатие оператором педали, эксплуатацию выделенной для РОГ группы цилиндров с увеличенным объемом продувочного воздуха и богатым процессом сжигания. Как показано на фиг. 1 - фиг. 2, выделенная для РОГ группа цилиндров выполнена с возможностью рециркуляции отработавших газов на впуск двигателя через первую турбину, отличную от второй турбины, принимающей отработавшие газы от остальных цилиндров двигателя. Эксплуатация ВРОГ группы цилиндров с большим объемом продувочного воздуха включает в себя эксплуатацию ВРОГ группы цилиндров с большим относительно остальных цилиндров двигателя объемом продувочного воздуха. Кроме того, она включает в себя эксплуатацию ВРОГ группы цилиндров с объемом продувочного воздуха, увеличенным относительно объема продувочного воздуха, с которым эта группа цилиндров работала до этого.
Эксплуатация включает в себя, на этапе 308, определение требуемого для ВРОГ группы цилиндров объема продувочного воздуха, исходя по меньшей мере из частоты вращения первой турбины. Например, по мере увеличения разности между текущей частотой вращения первой турбины и пороговым значением этой частоты вращения, для раскручивания первой турбины может требоваться все больший объем продувочного воздуха. Объем продувочного воздуха альтернативно можно определять по одному или нескольким следующим параметрам: давление наддува, скорость изменения наддува, массовый расход воздуха и частота вращения двигателя.
Эксплуатация с продувкой также включает в себя, на этапе 310, определение установки фаз клапанного распределения, требуемой для обеспечения нужного объема продувочного воздуха для ВРОГ группы цилиндров путем положительного перекрытия клапанов. То есть, эксплуатация выделенной для РОГ группы цилиндров с увеличенным объемом продувочного воздуха включает в себя эксплуатацию этой группы цилиндров с увеличенным перекрытием клапанов. Например, установка фаз клапанного распределения в данный момент времени может быть первой установкой фаз клапанного распределения, соответствующей отсутствию положительного перекрытия клапанов или меньшему положительному перекрытию клапанов. Контроллер может быть выполнен с возможностью определения второй установки фаз клапанного распределения, соответствующей большему положительному перекрытию клапанов (например, полному или максимальному положительному перекрытию клапанов). Кроме того, контроллер может определять корректировку изменяемых фаз газораспределения (ИФГ), соответствующую увеличенному положительному перекрытию клапанов, чтобы обеспечить подачу через цилиндры ранее найденного объема продувочного воздуха. Определенная корректировка ИФГ может включать в себя корректировку положения распределительного вала для впускного клапана и/или выпускного клапана.
Затем, на этапе 312, эксплуатация в режиме продувки включает в себя регулирование устройства изменения фаз газораспределения для сдвига положения распределительного вала, чтобы тем самым отрегулировать установку фаз клапанного распределения впускного и/или выпускного клапана цилиндра (цилиндров) двигателя с первой установки фаз клапанного распределения, соответствующей отсутствующему (или меньшему) положительному перекрытию клапанов на вторую установку фаз клапанного распределения, соответствующую положительному перекрытию впускного и выпускного клапанов (например, большему или полному положительному перекрытию клапанов). Затем, после того, как установка фаз клапанного распределения будет отрегулирована, впускной воздух может быть направлен из впускного коллектора, ниже по потоку от компрессора, к первой турбине, ниже по потоку от ВРОГ группы цилиндров, через цилиндр (цилиндры) ВРОГ группы цилиндров за счет существования положительного перекрытия клапанов.
Кроме того, когда происходит подача продувочного воздуха, можно отрегулировать объем впрыска топлива в ВРОГ группу цилиндров, исходя из объема продувочного воздуха, направляемого за счет положительного перекрытия клапанов, так, чтобы обогатить относительно стехиометрического отношения воздушно-топливное отношение процесса сжигания в цилиндре. Например, чтобы обеспечить богатый процесс сжигания в цилиндре, можно временно увеличить подачу топлива в цилиндры ВРОГ группы, причем степень обогащения богатого процесса сжигания основывается на потребности в наддуве при нажатии педали, стабильности процесса сжигания в цилиндре, или по тому и другому одновременно. Например, степень обогащенности богатого процесса сжигания в цилиндре можно увеличивать по мере увеличения потребности в наддуве. Кроме того, степень обогащенности богатого процесса сжигания в цилиндре может быть выше при существовании потребности в наддуве и нестабильности процесса сжигания в цилиндре, и может быть ниже при существовании потребности в наддуве и стабильности процесса сжигания в цилиндре. За счет увеличения степени обогащения по мере увеличения стабильности процесса сжигания в цилиндре, в двигатель можно осуществлять рециркуляцию отработавших газов, обогащенных водородом, что улучшит толерантность к РОГ и снизит нестабильность процесса сжигания. Кроме того, за счет богатого процесса сжигания в цилиндре в комбинации с продувкой воздуха создают экзотермический эффект на первой турбине ниже по потоку от ВРОГ группы цилиндров. Это увеличивает температуру и давление отработавших газов на первой турбине, ускоряя раскручивание турбины и уменьшая турбояму. Примеры сочетаний объемов продувочного воздуха и топлива приведены на фиг. 4
Следует понимать, что одновременно по воздушно-топливному отношению получаемой РОГ можно отрегулировать подачу топлива в остальные цилиндры с целью сохранения в выхлопной трубе в целом стехиометрических отработавших газов.
В других имеющихся примерах, вместо обогащения процесса сжигания в ВРОГ цилиндре, можно подавать в цилиндр топливо на стехиометрическом уровне, а в зависимости от объема доставляемого продувочного воздуха выполнять один или несколько дожигающих впрысков. Результатом дожигающих впрысков является богатый процесс сжигания на турбине ниже по потоку от ВРОГ цилиндра, уменьшающий турбояму.
На этапе 313 алгоритм включает в себя направление потока отработавших газов из ВРОГ группы цилиндров через первую турбину, перед рециркуляцией отработавших газов во все цилиндры двигателя. Как показано на фиг. 1, первая турбина является первой, меньшей турбиной, связанной с первым, меньшим впускным компрессором, а вторая турбина является второй, большей, турбиной, связанной со вторым, большим, впускным компрессором, причем первый компрессор размещен во впуске двигателя выше по потоку от первого компрессора. То есть, за счет ускорения раскручивания первой турбины, первый компрессор эксплуатируют для обеспечения по меньшей мере части запрошенного давления наддува. Кроме того, улучшается возможная раскрутка второй турбины, за счет чего уменьшают турбояму.
Эксплуатацию с увеличенным объемом продувочного воздуха и богатым процессом сжигания в цилиндрах продолжают, пока не будет создан достаточный наддув. Например, на этапе 314, могут определять, не существует ли одно из следующего: частота вращения первой турбины выше своего порогового значения; давление наддува выше своего порогового значения. Если достаточное давление наддува еще не было развито, на этапе 324 алгоритм включает в себя продолжение эксплуатации выделенной для РОГ группы цилиндров с продувкой воздуха и богатым процессом сжигания в цилиндрах. Плюс к тому, алгоритм включает в себя поддержание рециркуляции отработавших газов из выделенной для РОГ группы цилиндров к остальным цилиндра двигателя при нажатии педали, причем перед рециркуляцией отработавших газов через первую турбину к каждому из остальных цилиндров двигателя, отработавшие газы из выделенной для РОГ группы цилиндров доставляют в каталитический нейтрализатор конверсии водяного газа, размещенный ниже по потоку от выделенной для РОГ группы цилиндров.
Если турбина раскручена достаточно, и давление наддува развилось, на этапе 316 алгоритм включает в себе регулирование положения распределительного вала с целью уменьшения объема продувочного воздуха, подаваемого в ВРОГ группу цилиндров. В частности, после того, как частота вращения турбины станет выше порогового значения, объем продувочного воздуха через выделенную для РОГ группу цилиндров уменьшают, а подачу топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров регулируют, исходя по меньшей мере из потребности в РОГ и стабильности процесса сжигания в остальных цилиндрах двигателя. Например, выделенную для РОГ группу цилиндров можно эксплуатировать со степенью обогащенности, устанавливаемой в зависимости от потребности в РОГ, при этом увеличивая впрыск топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров по мере увеличения потребности двигателя в РОГ, или по мере того, как двигатель начинает испытывать ограничения по стабильности процесса сжигания. Степень обогащенности, используемая в ВРОГ группе цилиндров в ходе раскручивания турбины (при использовании продувочного воздуха) может отличаться от степени обогащенности, используемой в ВРОГ группе цилиндров при доставке РОГ в присутствии нестабильности процесса сжигания. Примеры богатых топливовоздушных смесей показаны на фиг. 4.
На фиг. 4 в виде схемы 400 показаны примеры профилей 401-404 процесса сжигания для ВРОГ цилиндра. Каждый профиль сжигания показывает объем воздуха, доставляемого в ВРОГ цилиндр, включая воздух, получаемый при нормальной работе клапана, а также дополнительный продувочный воздух (когда его используют). Кроме того, каждый профиль процесса сжигания показывает объем подаваемого в ВРОГ цилиндр топлива.
Первый профиль 401 сжигания используют в течение первого условия (условие 1) работы, когда имеется потребность в РОГ, но стабильность процесса сжигания не ограничена. Кроме того, отсутствует потребность в дополнительном наддуве. В таких условиях воздух (часть столбика со сплошной заливкой) подают в ВРОГ цилиндр в процессе нормальной работы клапана (например, на такте впуска) без подачи дополнительного продувочного воздуха. То есть, продувочный воздух не нужен, так как не требуется дополнительного раскручивания турбины. Кроме того, так как стабильность процесса сжигания в цилиндре не ограничена, отсутствует необходимость в обогащенной водородом РОГ. То есть ВРОГ цилиндр эксплуатируют с тем объемом топлива, который создает такую пропорцию с воздухом, которая нужна для обеспечения стехиометрических отработавших газов, которые рециркулируют в двигатель.
Следует понимать, что, несмотря на то, что воздух и топливо показаны пропорциональными, это не подразумевает, что воздушно-топливное отношение составляет 1:1. Скорее это подразумевает некоторое соотношение, необходимое для создания стехиометрической смеси (например, отношение воздуха к топливу в пропорции 14,6:1). Тем не менее, в альтернативных примерах воздушно-топливное отношение может быть другим (например, 1:1), в зависимости от того, в каком соотношении должны находиться составляющие каждой смеси.
Второй профиль 402 процесса сжигания используют в течение второго условия (условие 2) работы, когда потребность в РОГ существует, но стабильность процесса сжигания ограничена. Здесь, как и при условии 1, отсутствует потребность в дополнительном наддуве. В таких условиях, воздух (часть столбика со сплошной заливкой) подают в ВРОГ цилиндр в процессе нормальной работы клапана (например, на такте впуска) без подачи дополнительного продувочного воздуха. То есть, продувочный воздух не нужен, так как не требуется дополнительного раскручивания турбины. Однако в силу ограничения стабильности процесса сжигания в цилиндре, присутствует необходимость в обогащенной водородом РОГ. При этом, ВРОГ цилиндр эксплуатируют с большим отношением топлива к воздуху для обеспечения богатых отработавших газов, рециркулируемых в двигатель через каталитический нейтрализатор КВГ, причем обогащение отработавших газов водородом происходит до рециркуляции. Степень обогащенности впрыска топлива регулируют по потребности в РОГ, причем степень обогащенности увеличивается при увеличении потребности в РОГ.
Третий профиль 403 процесса сжигания используют в течение третьего условия (условие 3) работы, когда имеется потребность в РОГ, но стабильность процесса сжигания не ограничена. Кроме того, отсутствует потребность в дополнительном наддуве. В таких условиях, воздух (часть столбика со сплошной заливкой) подают в ВРОГ цилиндр в процессе нормальной работы клапана (например, на такте впуска) при подаче объема дополнительного продувочного воздуха (часть столбика с сеточной штриховкой). То есть, так как требуется дополнительное раскручивание турбины, требуется продувочный воздух. Объем продувочного воздуха, обеспечиваемого за счет положительного перекрытия клапанов, зависит от потребности в наддуве, причем объем продувочного воздуха увеличивают по мере увеличения потребности в наддуве. Для того, чтобы можно было сгенерировать экзотермический эффект на турбине, установленной ниже по потоку от ВРОГ цилиндра, по объему продувочного воздуха регулируют подачу топлива в ВРОГ цилиндр, чтобы обеспечить богатый процесс сжигания. Обогащенность процесса сжигания регулируют по потребности наддува, только если стабильность процесса сжигания в двигателе не ограничена, и если не требуется обогащенной водородом РОГ. В одном примере степень обогащенности богатого процесса сжигания, используемого для раскручивания турбины, как показано профилем 403, может быть выше степени обогащенности богатого процесса сжигания, используемого для обогащения РОГ водородом, как показано профилем 402.
Четвертый профиль 404 процесса сжигания используют в течение четвертого условия (условие 4) работы, когда имеется запрос на РОГ, и стабильность процесса сжигания ограничена. Кроме того, имеется потребность в дополнительном наддуве. В таких условиях, воздух (часть столбика со сплошной заливкой) подают в ВРОГ цилиндр в процессе нормальной работы клапана (например, на такте впуска) при подаче объема дополнительного продувочного воздуха (часть столбика с сеточной штриховкой). То есть, так как требуется дополнительное раскручивание турбины, требуется продувочный воздух. Объем продувочного воздуха, обеспечиваемого за счет положительного перекрытия клапанов, зависит от наддува, требуемого для уменьшения турбоямы, причем объем продувочного воздуха увеличивают по мере увеличения потребности в наддуве. Для того, чтобы можно было сгенерировать экзотермический эффект на турбине, установленной ниже по потоку ВРОГ, по объему продувочного воздуха регулируют подачу топлива в ВРОГ цилиндр, чтобы обеспечить богатый процесс сжигания. Обогащенность процесса сжигания регулируют по потребности наддува. Кроме того, степень обогащенности также регулируют в силу того, что стабильность процесса сжигания в двигателе ограничена и необходима обогащенная водородом РОГ. В частности, степень обогащенности богатого процесса сжигания регулируют для того, чтобы обеспечить обогащение, достаточное для создания обогащенных водородом отработавших газов, и для того, чтобы обеспечить достаточно высокий экзотермический эффект на турбине, позволяющий уменьшить турбояму. В одном примере, степень обогащенности богатого процесса сжигания, используемого для раскручивания турбины и подачи РОГ, как показано профилем 404, может быть выше степени обогащенности богатого процесса сжигания, используемого либо для раскручивания турбины (как показано профилем 403), либо для обогащения РОГ водородом (как показано профилем 402).
В одном примере система двигателя содержит двигатель, имеющий впускной канал и выпускной канал, первую и вторую группу цилиндров, получающие воздушный заряд из впускного канала, первый, срабатывающий быстрее, фазовращатель распределительного вала, связанный с клапанами цилиндров первой группы цилиндров, второй, срабатывающий медленнее, фазовращатель распределительного вала, связанный с клапанами цилиндров второй группы цилиндров, и канал РОГ, выполненный с возможностью рециркуляции во впускной канал отработавших газов только первой группы цилиндров. Система двигателя также включает в себя первую, меньшую, турбину, размещенную в канале РОГ, и приводящую в действие первый компрессор во впускном канале, и вторую, , турбину, размещенную в выпускном канале ниже по потоку от второй группы цилиндров и приводящую в действие второй компрессор, размещенный во впускном канале ниже по потоку от первого компрессора. Система двигателя может также включать в себя контроллер с машиночитаемыми инструкциями для выполнения следующего: в условиях холостого хода эксплуатацию первой группы цилиндров с первым, меньшим объемом продувочного воздуха и с первой степенью богатого процесса сжигания, которую определяют по потребностью двигателя в РОГ; и в ответ на событие нажатия педали, перевод первого фазовращателя на эксплуатацию первой группы цилиндров со вторым, большим, объемом продувочного воздуха, и со второй, более высокой, степенью богатого процесса сжигания, которую определяют по потребности в наддуве в момент события нажатия педали. Контроллер также содержит дополнительные инструкции для того, чтобы продолжать эксплуатировать первую группу цилиндров со вторым, , объемом продувочного воздуха, и со второй, более высокой, степенью богатого процесса сжигания столь продолжительно, сколько потребуется для достижения давления наддува свыше порогового значения. Кроме того, эксплуатируя первую группу цилиндров с первым или вторым объемом продувочного воздуха, контроллер может эксплуатировать вторую группу цилиндров с третьим объемом продувочного воздуха, меньшим и первого, и второго объема продувочного воздуха.
На фиг. 5 показан пример способа 500 регулирования по потребности наддува работы выделенной для РОГ группы цилиндров и остальных цилиндров многоцилиндрового двигателя. Способ позволяет уменьшать турбояму без ущерба для РОГ.
На этапе 502 алгоритм включает в себя оценивание и/или измерение условий работы двигателя, таких как частота вращения двигателя и нагрузка двигателя, наддув, ДВК, расход впускного воздуха, условия окружающей среды, такие как давление, температура и влажность окружающего воздуха и т.п. На этапе 504 по условиям работы двигателя можно определить требуемый объем рециркуляции отработавших газов (РОГ). В частности, по условиям работы двигателя можно определить необходимое разбавление в двигателе, а по необходимому разбавлению в двигателе можно определить расход РОГ. Например, более высокое разбавление в двигателе может быть запрошено при более низких частотах вращения коленчатого вала и нагрузках, а более низкое разбавление в двигателе может быть запрошено при более высокой частоте вращения двигателя и нагрузках двигателя. При этом, РОГ может быть обеспечен посредством рециркуляции отработавших газов только от выделенной для РОГ группы цилиндров (например, только от цилиндра 4 двигателя 10, показанного на фиг. 1 - фиг. 2) ко всем цилиндрам (всем цилиндрам с 1 по 4) двигателя.
На этапе 506 по запрошенному разбавлению в двигателе может быть определено целевое воздушно-топливное отношение для работы выделенного (выделенных) для РОГ цилиндра (цилиндров). Например, если запрос РОГ будет ниже своего порогового значения, выделенную для РОГ группу цилиндров можно эксплуатировать на обедненной относительно стехиометрического отношения смеси. В другом примере, если запрос РОГ выше своего порогового значения, выделенную для РОГ группу цилиндров можно эксплуатировать на обогащенной относительно стехиометрического отношения смеси. На этапе 508, для того, чтобы обеспечить целевое воздушно-топливное отношение в выделенной для РОГ группе цилиндров, можно отрегулировать подачу топлива в эту группу. В одном примере, когда исходя из потребности в меньшем разбавлении в двигателе требуется обеднение смеси в выделенной для РОГ группе цилиндров, это обеднение может включать в себя подачу топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров на уровне ниже стехиометрии, причем степень обедненности регулируют для обеспечения запрошенного объема рециркуляции отработавших газов к остальным цилиндрам двигателя. В другом примере, когда исходя из потребности в большем разбавлении в двигателе требуется обогащение смеси в выделенной для РОГ группе цилиндров, это обогащение может включать в себя подачу топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров (но не в остальные цилиндры двигателя) на уровне выше стехиометрии, причем степень обогащенности регулируют для обеспечения запрошенного объема РОГ к остальным цилиндрам двигателя. Как рассматривается со ссылкой на фиг. 1 - фиг. 2, отработавшие газы от выделенной для РОГ группы цилиндров, перед их рециркуляцией к остальным цилиндрам двигателя, доставляют на каталитический нейтрализатор конверсии водяного газа, установленный ниже по потоку от выделенной для РОГ группы цилиндров. Каталитический нейтрализатор конверсии водяного газа использует углеводороды отработавших газов выделенной для РОГ группы цилиндров для создания дополнительного водорода. Обогащенный водородом отработавшие газы затем рециркулируют на впуск двигателя. Таким образом, концентрация водорода отработавших газов, полученных на каталитическом нейтрализаторе конверсии водяного газа от выделенной для РОГ группы цилиндров, ниже концентрации водорода в отработавших газах, рециркулируемых в каждый из остальных цилиндров от каталитического нейтрализатора конверсии водяного пара. За счет рециркуляции в двигатель обогащенной водородом РОГ можно обеспечить большее разбавление в двигателе еще до появления проблем стабильности процесса сжигания. По мере увеличения разбавления в двигателе целевое воздушно-топливное отношение выделенной для РОГ группы цилиндров можно еще больше обогатить, чтобы богатые отработавшие газы из цилиндров могли быть использованы каталитическим нейтрализатором КВГ для генерирования обогащенной водородом РОГ. Это объясняется тем, что при существовании таких условий могут возникать проблемы со стабильностью процесса сжигания.
На этапе 510 алгоритм включает в себя рециркуляцию отработавших газов от выделенной для РОГ группы цилиндров к каждому из остальных цилиндров двигателя и цилиндров выделенной для РОГ группы цилиндров. В частности, отработавшие газы рециркулируют через первую турбину только от выделенной для РОГ группы цилиндров во впускной коллектор двигателя, выше по потоку от впускного канала всех цилиндров двигателя. При этом первая турбина может быть первой, меньшей турбиной, выполненной с возможностью выборочного приема отработавших газов только от выделенной для РОГ группы цилиндров (а не от остальных цилиндров двигателя). Первая, меньшая, турбина может быть связана с первым, меньшим, впускным компрессором. То есть, поток отработавших газов от выделенной группы цилиндров может раскручивать первую турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие первый компрессор. После того, как они пройдут через первую турбину, отработавшие газы могут быть рециркулированы к остальным цилиндрам двигателя.
По существу первая турбина может быть отличной от второй турбины, принимающей отработавшие газы от остальных цилиндров двигателя. На этапе 512 алгоритм включает в себя подачу потока отработавших газов от остальных цилиндров двигателя через вторую турбину перед тем, как выпустить отработавшие газы в атмосферу через выхлопную трубу. Вторая турбина может быть второй, большей, турбиной (большей, чем первая турбина), выполненной с возможностью выборочно принимать отработавшие газы только от не выделенной для РОГ группы цилиндров (и не принимать отработавшие газы от выделенной для РОГ группы цилиндров). Вторая, , турбина может быть связана со вторым, большим, впускным компрессором. В одном примере конфигурации, показанной на фиг. 1, где первая и вторая турбины скомпонованы последовательно, во впуске двигателя первый (меньший) впускной компрессор размещен выше по потоку от второго (большего) впускного компрессора. Таким образом, поток отработавших газов от не выделенной для РОГ группы цилиндров может раскручивать вторую турбину, которая после этого приводит в действие второй компрессор. Второй компрессор сжимает впускной воздух, сжатый первым компрессором. В альтернативных конфигурациях турбины могут быть скомпонованы параллельно.
На этапе 514 может быть определено, существует ли временное повышение потребности в наддуве. Например, можно определить, произошло ли событие нажатия оператором педали. Событие нажатия оператором педали может быть подтверждено, если педаль акселератора нажата оператором для указания на потребность большего наддува и выходной мощности двигателя. Если событие нажатия оператором педали не подтверждено, то на этапе 516 алгоритм включает в себя продолжение подачи топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров так, как было определено. Кроме того, для того, чтобы поддержать стехиометрическое отношение общего отработавших газов двигателя, по подаче топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров можно отрегулировать подачу топлива и в остальные цилиндры двигателя.
Если событие нажатия оператором педали подтверждено, то на этапе 518 алгоритм включает в себя в ответ на нажатие оператором педали регулирование воздушно-топливного отношения отработавших газов, рециркулируемых через первую турбину из выделенной для РОГ группы цилиндров на впуск двигателя. В частности, воздушно-топливное отношение регулируют по потребности наддува при нажатии педали, включая разницу между давлением наддува в момент нажатия педали и запрошенным давлением наддува. Воздушно-топливное отношение регулируют также по потребности РОГ при нажатии педали. Например, воздушно-топливное отношение также регулируют по разбавлению в двигателе, требуемому для повышенного уровня наддува.
В одном примере регулирование включает в себя, в ответ на нажатие педали, переход от эксплуатации выделенной для РОГ группы цилиндров на обедненной относительно стехиометрического отношения смеси (на холостом ходу двигателя) на эксплуатацию выделенной для РОГ группы цилиндров на обогащенной относительно стехиометрического отношения смеси. При этом потребность наддува при нажатии педали может быть выше порогового наддува, а потребность в РОГ при нажатии педали может быть выше порогового разбавления. Обогащение могут определять по количеству теплоты, требуемой для раскручивания по меньшей мере первой турбины, причем степень обогащенности богатой рабочей смеси увеличивается по мере увеличения потребности в наддуве при нажатии педали. Степень обогащенности богатой рабочей смеси может быть также увеличена по мере увеличения потребности в РОГ при нажатии педали. Кроме этого, контроллер может определять первую степень обогащенности, требуемую для раскручивания турбины до увеличенного наддува, и вторую степень обогащенности, требуемую для обеспечения определенного разбавления в двигателе. Затем путем интерполяции между первым и вторым значениями контроллер может найти степень обогащенности, подлежащую применению.
В другом примере регулирование включает в себя, в ответ на нажатие педали, переход от эксплуатации выделенной для РОГ группы цилиндров на обогащенной относительно стехиометрического отношения смеси (на холостом ходу двигателя) на эксплуатацию выделенной для РОГ группы цилиндров на обедненной относительно стехиометрического отношения смеси. При этом потребность в наддуве при нажатии педали может быть выше порогового наддува, а потребность в РОГ при нажатии педали может быть ниже порогового разбавления. Степень обедненности бедной эксплуатации может быть увеличена по мере увеличения потребности в наддуве при нажатии педали. Степень обедненности бедной эксплуатации может быть также увеличена по мере уменьшения потребности в РОГ при нажатии педали. Кроме всего этого, контроллер может определять первую степень обедненности, необходимую для раскручивания турбины до увеличенного наддува, и вторую степень обедненности, необходимую для обеспечения определенного разбавления в двигателе. Затем путем интерполяции между первым и вторым значениями контроллер может найти степень обедненности, подлежащую применению.
После того, как будет найдено исправленное целевое воздушно-топливное отношение выделенной для РОГ группы цилиндров, алгоритм возвращается на этап 508, чтобы соответственно отрегулировать подачу топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров. Кроме того, чтобы поддержать воздушно-топливное отношение суммарных отработавших газов двигателя на уровне стехиометрии или вблизи него, по подаче топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров можно отрегулировать подачу топлива в остальные цилиндры двигателя. После этого отработавшие газы от выделенной для РОГ группы цилиндров можно использовать для раскручивания первой турбины и ускорения развития давления наддува. Тем самым уменьшается турбояма.
Изображенная на фиг. 6 схема 600 иллюстрирует пример регулирования подачи топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров и в не выделенную для РОГ группу цилиндров с целью управления наддувом. На схеме 600 подача топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров показана на графике 602, положение педали оператора показано на графике 604, частота вращения турбины показана на графике 606, давление наддува показано на графике 608, расход РОГ показан на графике 610, частота вращения двигателя показана на графике 612, а воздушно-топливное отношение в выхлопной трубе показано на графике 614. Все графики представляют собой зависимость вышеуказанных параметров от времени (отложенному по оси х).
До момента t1 времени, двигатель может находиться на холостом ходу с низкой частотой вращения. В течение существования этих условий, частота вращения турбины может быть низкой, так как может быть низкой потребность в наддуве и давление наддува. Например, двигатель может работать вообще без наддува. Кроме того, может быть низкой потребность в разбавлении в двигателе. При этом выделенный для РОГ цилиндр могут эксплуатировать на обедненной относительно стехиометрического отношения топливо-воздушной смеси, а степень обедненности регулировать по изменяющемуся (но остающемуся ниже порогового уровня) разбавлению в двигателе. При этом, чтобы поддержать воздушно-топливное отношение суммарных отработавших газов двигателя вблизи уровня стехиометрии, по бедной рабочей смеси выделенного для РОГ цилиндра можно отрегулировать подачу топлива в остальные цилиндры двигателя.
В момент t1 времени может произойти событие нажатия педали. По событию нажатия педали находят увеличение требуемого давления наддува. Кроме того, в зависимости от условий работы двигателя, при повышенном уровне наддува требуется увеличение РОГ. Таким образом, в ответ на событие нажатия педали рабочую смесь выделенного для РОГ цилиндра обогащают, регулируя степень обогащенности по требуемому увеличению давления наддува и требуемому увеличению разбавления в двигателе. При уменьшении потребности в давлении наддува или в РОГ, степень обогащенности могут понижать. Переходя на использование богатых отработавших газов, ускоряют раскручивание турбины. По существу, в отсутствии изменения воздушно-топливного отношения, раскручивание турбины могло бы происходить медленнее, что показано пунктирной линией 605.
В промежутке времени между моментами t1 и t2, возобновляют условия холостого хода двигателя с более высоким разбавлением в двигателе за счет работы на богатой смеси выделенного для РОГ цилиндра. В момент t2 может случиться еще одно событие нажатия педали. Событие нажатия педали в момент t2 может быть меньшим, чем событие нажатия педали в момент t1. По событию нажатия педали в момент t2, определяют, что требуется меньшее увеличение давления наддува. Кроме того, в зависимости от условий работы двигателя, при повышенном уровне наддува требуется меньше РОГ. Таким образом, в ответ на событие нажатие педали рабочую смесь выделенного для РОГ цилиндра обедняют, регулируя степень обедненности по требуемому увеличению давления наддува и требуемому уменьшению разбавления в двигателе. При уменьшении потребности в наддуве или увеличении потребности в РОГ, степень обедненности могут понижать. Переходя на использование бедных отработавших газов, ускоряют раскручивание турбины. По существу, в отсутствии изменения воздушно-топливного отношения, раскручивание турбины могло бы происходить медленнее, что показано пунктирной линией 607.
Таким образом, отработавшие газы выборочно рециркулируют из одиночного цилиндра двигателя во все цилиндры двигателя и в течение существования первого условия одиночный цилиндр эксплуатируют на обедненной относительно стехиометрического отношения топливовоздушной смеси на холостом ходу двигателя, а в ответ на нажатие оператором педали, обогащают рабочую смесь одиночного цилиндра. В течение существования второго, другого условия, одиночный цилиндр эксплуатируют на обогащенной относительно стехиометрического отношения смеси на холостом ходу двигателя, а в ответ на нажатие оператором педали, обедняют рабочую смесь одиночного цилиндра. При этом нажатие педали при существовании первого условия больше нажатия педали при существовании второго условия. Другим примером может служить то, что потребность в наддуве при нажатии педали при существовании первого условия превышает потребность в наддуве при нажатии педали при существовании второго условия. Кроме того, потребность в разбавлении в двигателе при работе двигателя с наддувом выше при первом условии и ниже при втором условии. По существу, в течение существования как первого, так и второго условий, выборочная рециркуляция отработавших газов от одиночного цилиндра во все цилиндры двигателя включает в себя рециркуляцию отработавших газов из группы с одиночным цилиндром на впуск двигателя через первую, меньшую, турбину, в то время как поток отработавших газов от остальных цилиндров двигателя пропускают через вторую, , турбину, при том, что первая турбина связана с первым компрессором, размещенным выше по потоку от второго компрессора, связанного со второй турбиной.
В другом примере система двигателя содержит двигатель, имеющий впускной канал и выпускной канал; первую и вторую группы цилиндров, принимающие воздушный заряд из впускного канала; канал РОГ, выполненный с возможностью рециркуляции во впускной канал отработавших газов только первой группы цилиндров; первую, меньшую, турбину, размещенную в канале РОГ и приводящую в действие первый компрессор во впускном канале; и вторую, , турбину, размещенную в выпускном канале ниже по потоку от второй группы цилиндров и приводящую в действие второй компрессор, размещенный во впускном канале ниже по потоку от первого компрессора. Система двигателя также содержит контроллер с машиночитаемыми инструкциями для следующего: в условиях холостого хода двигателя эксплуатации первой группы цилиндров на обедненной относительно стехиометрического отношения топливовоздушной смеси при эксплуатации второй группы цилиндров на уровне стехиометрии или вблизи него; а в ответ на событие нажатия педали, когда на высоких уровнях наддува требуется разбавление в двигателе, перехода на эксплуатацию первой группы цилиндров на обогащенной относительно стехиометрического отношения топливовоздушной смеси столь продолжительно, сколько потребуется для того, чтобы давление наддува выросло выше порогового значения. Степень обогащенности для эксплуатации первой группы цилиндров на обогащенной относительно стехиометрического отношения топливовоздушной смеси определяют по разности между давлением наддува при событии нажатия педали и пороговым значением, а также по запрошенному разбавлению в двигателе. Степень обогащенности увеличивают при увеличении указанной разности и увеличении запрошенного разбавления в двигателе. В одном примере первая группа цилиндров имеет меньшее количество цилиндров, чем вторая группа цилиндров.
В другом примере способ управления двигателям включает в себя следующее: в ответ на нажатие оператором педали, регулирование воздушно-топливного отношения отработавших газов, рециркулируемых на впуск двигателя от выделенной для РОГ группы цилиндров через первую турбину, отличную от второй турбины, принимающей отработавшие газы от остальных цилиндров двигателя. Регулировка может быть определена потребностью в наддуве при нажатии педали. Регулировка также может быть определена потребностью в РОГ при нажатии педали. Таким образом, одновременно могут обеспечивать повышенные расходы ERG и повышенные уровни наддува двигателя, улучшающие топливную экономичность.
Например, в условиях холостого хода двигателя, выделенный для РОГ цилиндр многоцилиндрового двигателя могут эксплуатировать на обедненной относительно стехиометрического отношения топливовоздушной смеси. Отработавшие газы из цилиндра могут пропускать через каталитический нейтрализатор КВГ, установленный ниже по потоку от цилиндра с целью создания водорода из углеводородов отработавших газов. Обогащенные водородом отработавшие газы от выделенного для РОГ цилиндра затем рециркулируют через канал РОГ ко всем цилиндрам двигателя для улучшения стабильности процесса сжигания. В ответ на нажатие оператором педали, топливовоздушную смесь выделенного для РОГ цилиндра могут обогатить. По существу, поток отработавших газов от выделенного для РОГ цилиндра могут направить через первую, меньшую, турбину перед рециркуляцией указанных отработавших газов к остальным цилиндрам. За счет обогащения топливовоздушной смеси выделенного для РОГ цилиндра в ответ на нажатие оператором педали, можно ускорить раскручивание первой турбины и уменьшить турбояму. Например, обогащение топливовоздушной смеси выделенного для РОГ цилиндра можно отрегулировать по разности между давлением наддува в момент нажатия педали и желаемым давлением наддува. Затем отработавшие газы из остальных цилиндров направляют на вторую,  турбину. Первая турбина может быть связана с первым, меньшим, компрессором, установленным выше по потоку от второго, большего, компрессора, связанного со второй турбиной. Таким образом, используя богатые отработавшие газы для раскручивания первой турбины можно увеличить наддув, обеспечиваемый первым и вторым компрессорами, уменьшив тем самым турбояму.
Кроме того, поток обогащенного отработавших газов из выделенного для РОГ цилиндра после прохождения через первую турбину можно пропустить через каталитический нейтрализатор КВГ для увеличения обогащения водородом отработавших газов, рециркулирующих к остальным цилиндрам двигателя. Повышенное содержание водорода в отработавших газах позволяет рециркулировать к остальным цилиндрам двигателя больший объем РОГ до того, как возникнут проблемы со стабильностью процесса сжигания. По существу, это позволяет обеспечивать РОГ при работе двигателя с наддувом.
Таким образом, энергию отработавших газов выделенного для РОГ цилиндра можно использовать для приведения в действие крыльчатки выделенной турбины и уменьшить турбояму в системе двигателя с наддувом. За счет захвата энергии отработавших газов из выделенного для РОГ цилиндра можно достичь раскручивания турбины с использованием меньшей турбины. Кроме того, можно бороться с турбоямой даже на низких частотах вращения двигателя. Кроме того, так как отработавшие газы перед рециркуляцией протекают от входа до выхода турбины, достигают снижения температуры отработавших газов. В результате рециркуляция на впуск двигателя более холодной РОГ позволяет вести процесс сжигания более медленно, одновременно контролируя детонацию в потребляющих РОГ цилиндрах. Это улучшает стабильность процесса сжигания в двигателе. Обогащая топливовоздушную смесь выделенного для РОГ цилиндра в ответ на нажатие педали при одновременном обеспечении выделенному для РОГ цилиндру продувочного воздуха, можно использовать богатый процесс сжигания для ускорения раскручивания турбины без ухудшения работы каталитического нейтрализатора отработавших газов, наряду с этим достигая более высоких уровней разбавления в двигателе при более высоком уровне наддува. Таким образом, преимущества РОГ могут быть использованы на более широком диапазоне условий работы.
Отметим, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в энергонезависимом запоминающем устройстве. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Что подразумевает, что проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в энергонезависимом запоминающем устройстве машиночитаемой компьютерной среды хранения в системе управления двигателем.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и алгоритмы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не несут ограничительной функции, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные сочетания и производные сочетания различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, внимание сосредоточено на определенных сочетаниях компонентов и производных сочетаниях компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты включают в себя один или более указанных элементов, не требуя, и не исключая двух или более таких элементов. Иные сочетания и производные сочетания раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем поправки имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи исходной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.