СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ
METHOD AND SYSTEM FOR MOTOR CONTROL

Область техники
Настоящее изобретение относится, в основном, к способам и системам управления степенью сжатия двигателя в системе двигателя с регулируемым рабочим объемом цилиндров.
Уровень техники и краткое изложение
Двигатели могут быть выполнены с возможностью работы с различным количеством включенных и отключенных цилиндров для увеличения экономии топлива, при необходимости поддержания общего соотношения смеси воздуха и топлива в выхлопных газах с точки зрения стехиометрии. В этом случае часть цилиндров двигателя может быть отключена при некоторых условиях, определяемых такими параметрами, как окно частоты вращения/нагрузки, а также различными другими рабочими условиями, в том числе, скоростью автомобиля. Система управления двигателем может отключить выбранную группу цилиндров, такую как блок цилиндров, при помощи набора выключателей клапанов цилиндров, что изменяет работу впускных и выпускных клапанов цилиндров, и при помощи управления набором выборочно отключаемых топливных инжекторов, что влияет на подачу топлива в цилиндры. При уменьшении насосных потерь двигателя увеличивается коэффициент полезного действия (КПД) двигателя.
Один пример подхода к выбору цилиндров для отключения показан Спрингером и др. в патенте США 20130276755. Здесь цилиндры сгруппированы по степени сжатия. Как известно специалистам в данной области, «степень сжатия» двигателя внутреннего сгорания определяют как отношение объема цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке НМТ (BDC), к объему цилиндра, когда поршень находится в верхней мертвой точке ВМТ (TDC). В целом, в двигателях внутреннего сгорания, более высокая степень сжатия позволяет получить более высокий термический КПД и увеличить экономию топлива. Согласно Спрингеру, в зависимости от заданной нагрузки двигателя, для отключения выбирают один или несколько цилиндров из группы цилиндров, имеющих некоторую степень сжатия. В частности, цилиндр, имеющий высокую степень сжатия, могут отключить при другой нагрузке, по сравнению с цилиндром, имеющим меньшую степень сжатия. Например, при работе на неполной нагрузке, группу цилиндров, имеющих меньшую степень сжатия, могут отключить, в то время как группа цилиндров, имеющих более высокую степень сжатия, будет продолжать работать.
Однако авторы настоящего изобретения нашли возможные недостатки в такой системе. Например, из-за группировки степени сжатия может быть ограничен диапазон значений степени сжатия при работе на неполной нагрузке. Например, в случае небольших изменений нагрузки, группу цилиндров с более высокой степенью сжатия могут отключить, а группу цилиндров с меньшей степенью сжатия могут повторно включить. Работа двигателя с уменьшенной степенью сжатия может привести к увеличению расхода топлива, по сравнению с преимуществом экономии топлива при работе двигателя с выборочным отключением цилиндров. Кроме того, даже при работе с неполной нагрузкой, из-за ограничений, связанных с детонацией, может потребоваться выборочно включить группу цилиндров, имеющих меньшую степень сжатия. Поэтому, из-за того, что значения степени сжатия ограничены доступностью высокооктанового топлива, существует необходимость предотвращать детонацию при сгорании топлива на средних и высоких нагрузках двигателя.
Авторы настоящего изобретения выяснили, что по крайней мере некоторые из этих недостатков могут быть устранены при помощи двигателей, имеющих выборочно отключаемые цилиндры, и дополнительно содержащие различные механизмы для изменения степени сжатия, такие как поршни с возможностью изменения величины хода. В этом случае, путем координации и синхронизации выборочного отключения цилиндров с изменением степени сжатия работающих цилиндров, можно улучшить контроль детонации и экономию потребляемого двигателем топлива. Например, объединенные выгоды достигаются при использовании способа для двигателя, содержащего: выборочное отключение одного или нескольких цилиндров в зависимости от нагрузки двигателя; и регулирование величины хода поршня для изменения степени сжатия работающих цилиндров двигателя, чтобы сохранять момент зажигания двигателя на уровне, создающем условия максимального крутящего момента, когда один или несколько цилиндров отключены.
Например, при уменьшении нагрузки двигателя, последним могут управлять в режиме изменяемого хода поршней, с одним или несколькими выборочно отключенными цилиндрами (например, при помощи индивидуальных механизмов отключения клапанов цилиндров). В этом случае каждый цилиндр двигателя может содержать поршень, соединенный с механизмом изменения хода поршня, перемещающим поршень ближе к головке цилиндра или дальше от нее, изменяя размер камеры сгорания. Изменяя величину хода поршня, могут изменять коэффициент статического сжатия двигателя (то есть, отношение объема цилиндра, когда поршень находится в НМТ, к объему цилиндра, когда поршень находится в ВМТ). После отключения части цилиндров, ход поршней оставшихся работающих цилиндров могут изменять таким образом, что работающие цилиндры могут функционировать с первой, максимально возможной степенью сжатия, при сохранении момента зажигания, позволяющего достичь максимального крутящего момента (например, в режиме оптимального момента зажигания ОМЗ (МВТ)). Когда нагрузка двигателя увеличивается и/или работу двигателя ограничивает возможность детонации, ход поршня могут изменить для уменьшения степени сжатия при сохранении момента зажигания, обеспечивающего максимальный крутящий момент. Когда степень сжатия достигает второго, минимально возможного значения степени сжатия, дополнительно обнаруженную детонацию могут устранять путем использования запаздывания зажигания относительно ОМЗ, пока эффективность использования топлива в условиях запаздывания зажигания не станет равна (или больше) экономии топлива, полученной от уменьшения насосных потерь для отключенных цилиндров. Кроме того, детонацию могут устранить путем повторного включения одного или нескольких отключенных цилиндров, продолжения работы включенных цилиндров с первой степенью сжатия и возвращения значения момента зажигания к уровню ОМЗ.
Таким образом, выборочное отключение цилиндров могут использовать для уменьшения насосных потерь двигателя, изменяя в то же время степень сжатия за счет изменения хода цилиндров, чтобы уменьшить термические потери двигателя, обеспечивая объединенные выгоды. Технический эффект от синхронизации и координации времени отключения цилиндров и изменения хода цилиндров заключается в возможности значительного увеличения экономии топлива. В частности, при помощи регулирования хода поршня на основе регулирования степени сжатия в режиме реального времени для устранения детонации в то время, когда один или несколько цилиндров отключены, момент зажигания могут сохранять на уровне, создающем условия максимального крутящего момента на более длительный период работы двигателя. Обеспечить экономию топлива и улучшить производительность двигателя могут также за счет задержки использования запаздывания зажигания и уменьшения значения запаздывания зажигания, необходимого для устранения детонации.
Приведенное выше обсуждение дано авторами настоящего изобретения, поскольку эти сведения не считаются общеизвестными. Таким образом, следует понимать, что вышеприведенное краткое изложение предоставлено для ознакомления в упрощенной форме с выбором концепций, которые далее раскрываются в подробном описании. Краткое изложение не предназначено для идентификации ключевых или основных отличительных признаков предмета настоящего изобретения, определяемого исключительно по формуле изобретения, которая следует за подробным описанием. Кроме того, заявленное существо изобретения не ограничивается реализациями, устраняющими какие-либо указанные выше недостатки или присутствующие в какой-либо части настоящего раскрытия.
Краткое описание иллюстраций
На фиг. 1 показан пример конструкции двигателя, выполненного с индивидуальными механизмами отключения цилиндров.
На фиг. 2 показана часть схемы двигателя.
На фиг. 3 показана высокоуровневая блок-схема алгоритма для координации изменения рабочего объема двигателя (при помощи выборочного отключения цилиндров) и изменения степени сжатия двигателя (при помощи регулирования хода поршня внутри цилиндров) для уменьшения детонации и увеличения экономии топлива.
На фиг. 4 показан пример устранения детонации, основанный на взаимодействии эффектов от изменения рабочего объема двигателя и изменения степени сжатия двигателя.
Подробное описание
Следующее раскрытие относится к системам и способам увеличения экономии топлива в двигателях, выполненных с индивидуальными механизмами отключения клапанов цилиндров и поршнями с возможностью изменения величины хода внутри камер сгорания. Как показано для системы двигателя на фиг. 1-2, выборочное отключение цилиндров позволяет изменять рабочий объем двигателя, а изменение хода поршня позволяет изменять степень сжатия для каждого цилиндра. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью выполнять алгоритм управления, такой, как показан на фиг. 3, для изменения количества работающих цилиндров двигателя в зависимости от нагрузки двигателя, и постоянного изменения степени сжатия работающих цилиндров для уменьшения детонации и задержки использования запаздывания зажигания. Контроллер может координировать уменьшение детонации за счет изменения степени сжатия с изменением режима отключения цилиндров и изменениями момента зажигания, как показано на примере управления на фиг. 4.
На фиг. 1 показан пример двигателя 10, имеющего первый блок 15а цилиндров и второй блок 15а цилиндров. В приведенном примере двигатель 10 является двигателем типа V8 с первым и вторым блоками цилиндров, каждый из которых имеет по четыре цилиндра. Двигатель 10 содержит впускной коллектор 16 с дросселем 20 и выпускной коллектор 18, соединенный с системой 30 снижения токсичности выхлопа. Система 30 снижения токсичности выхлопа содержит один или несколько каталитических нейтрализаторов и датчиков воздушно-топливного отношения, таких как показанные на фиг. 2. В качестве не ограничивающего примера, двигатель 10 может быть частью силовой установки для пассажирского автомобиля.
Система двигателя 10 может иметь цилиндры 14 с выборочно отключаемыми впускными клапанами 50 и выборочно отключаемыми выпускными клапанами 56. Например, впускные клапаны 50 и выпускные клапаны 56 выполнены с возможностью управления посредством кулачкового привода (как указано на фиг. 2) при помощи индивидуальных кулачковых приводов клапана цилиндра. Каждый блок цилиндров может содержать один кулачковый вал для управления впускными и выпускными клапанами. В другом примере каждый блок цилиндров может содержать один кулачковый вал для управления впускными клапанами и дополнительный кулачковый вал для управления выпускной клапанами. В других примерах клапаны могут быть выполнены с возможностью управления от электропривода клапанов ЭПК (EVA) посредством индивидуальных электрических приводов клапана цилиндра. В то время как раскрытый пример показывает, что каждый цилиндр имеет один впускной клапан и один выпускной клапан, в других примерах каждый цилиндр может иметь несколько выборочно отключаемых впускных клапанов и/или несколько выборочно отключаемых выпускных клапанов.
Во время действия некоторых условий, например, когда от двигателя не требуется обеспечивать полный крутящий момент (то есть, когда нагрузка двигателя меньше порогового значения нагрузки или когда требуемый водителем крутящий момент меньше порогового значения требуемого крутящего момента), один или несколько цилиндров двигателя 10 могут назначить для выборочного отключения (также называемого здесь как «индивидуальное отключение цилиндров»). Это может представлять собой выборочное отключение одного или нескольких цилиндров только на первом блоке 15а цилиндров, или только на втором блоке 15b, или одного или нескольких цилиндров на первом и втором блоках цилиндров. Количество и конкретный выбор цилиндров для отключения на каждом блоке цилиндров может быть как симметричным, так и асимметричным.
Во время отключения выбранные цилиндры могут отключить посредством закрытия индивидуальных механизмов клапана цилиндра, таких как механизмы впускных клапанов, механизмы выпускных клапанов или используя комбинацию этих механизмов. Клапаны цилиндра могут выборочно отключить при помощи толкателей с гидроприводом (например, толкателей, соединенных со штоками толкателей клапанов), при помощи отключающего следящего механизма, в котором следящая часть хода кулачка выполнена с возможностью отсоединиться от приводной следящей части клапана, или при помощи механизмов электрического привода клапана цилиндра, соединенных с каждым цилиндром. Кроме того, поток топлива и процесс зажигания могут остановить для отключаемых цилиндров, например, при помощи отключаемых топливных инжекторов цилиндров.
Когда выбранные цилиндры отключены, в оставшихся включенных или работающих цилиндрах продолжается процесс сгорания с включенными и работающими топливными инжекторами и механизмами клапанов цилиндров. Для обеспечения требований к крутящему моменту двигатель обеспечивает такой же крутящий момент при помощи работающих цилиндров. Это требует более высоких давлений во впускном коллекторе, что приводит к уменьшению насосных потерь и возрастанию КПД двигателя. Кроме того, меньшая эффективная поверхность (только для работающих цилиндров), на которую воздействует процесс сгорания, позволяет уменьшить тепловые потери двигателя, что увеличивает тепловой КПД двигателя.
Двигатель 10 может использовать несколько видов веществ, которые могут быть поданы при помощи топливной системы 8. Двигателем 10 может управлять, по крайней мере частично, система управления, содержащая контроллер 12. Контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков 82, соединенных с двигателем 10 (и раскрытых на фиг. 2), и может отправлять сигналы управления различным приводам 81, соединенным с двигателем и/или автомобилем (как раскрыто на фиг. 2). Набор датчиков может содержать, например, датчики для измерения температуры, давления и воздушно-топливного отношения. Кроме того, контроллер 12 может получать сигнал обнаружения детонации в цилиндрах от одного или нескольких датчиков детонации, расположенных на блоке двигателя. При использовании датчиков детонации последние могут быть распределены по блоку двигателя симметрично или асимметрично. Кроме того, один или несколько датчиков детонации могут содержать акселерометры, датчики ионизации или измерительные преобразователи внутрицилиндрового давления.
На фиг. 2 показан пример конструкции камеры сгорания или цилиндра двигателя 10 внутреннего сгорания, такого как двигатель 10 на фиг. 1. Двигатель 10 может получать параметры управления от системы управления, включая контроллер 12 и входные сигналы от водителя автомобиля 130 через устройство 132 ввода. В этом примере устройство 132 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 педали акселератора для генерации сигнала ПП (РР), пропорционального положению педали акселератора. Цилиндр (здесь также «камера сгорания») 14 двигателя 10 может содержать стенки 136 камеры сгорания с помещенным в них поршнем 138. Поршень 138 может быть соединен с коленчатым валом 140 с возможностью преобразования возвратно-поступательных движений поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 140 может быть соединен по крайней мере с одним ведущим колесом пассажирского автомобиля через систему трансмиссии. Кроме того, мотор стартера может быть соединен с коленчатым валом 140 при помощи маховика для обеспечения возможности запуска двигателя 10.
В частности, поршень 138 может быть соединен с коленчатым валом 140 при помощи механизма изменения хода поршня, где механизм используют для перемещения поршня ближе к головке цилиндра или дальше от нее, изменяя размер камеры 14 сгорания. Например, коленчатый вал 140 может быть выполнен как эксцентриковый вал. В другом примере, эксцентрик может быть соединен с поршневым пальцем или может находиться вблизи него, причем эксцентрик может изменять ход поршня внутри камеры сгорания. Движением эксцентрика могут управлять при помощи гидравлических каналов в поршневом штоке. Следует принять во внимание, что также могут быть использованы другие механизмы, позволяющие механически изменять ход поршня внутри камеры сгорания. Изменяя ход поршня, могут изменить коэффициент статического сжатия двигателя (определяемый на основе различия между объемами цилиндра при нахождении поршня в ВМТ и НМТ). Как указано здесь, во время работы двигателя с частичным отключением цилиндров, изменения хода поршня и следующие из этого изменения степени сжатия двигателя могут быть преимущественно использованы для устранения детонации, что позволяет продлить работу двигателя при обеспечении момента зажигания, соответствующего максимальному крутящему моменту (например, ОМЗ). Например, уменьшение степени сжатия может заключаться в уменьшении хода поршня в камере сгорания путем увеличения расстояния между верхней частью поршня и головкой цилиндра.
Цилиндр 14 может получать всасываемый воздух через набор впускных воздушных патрубков 142, 144 и 146. Впускной воздушный патрубок 146 может быть связан с другими цилиндрами двигателя 10, а не только с цилиндром 14. В некоторых конструкциях один или несколько впускных патрубков могут содержать устройство наддува, такое как турбонагнетатель или турбокомпрессор. Например, на фиг. 1 показан двигатель 10, выполненный с турбонагнетателем, содержащим компрессор 174, установленный между впускными патрубками 142 и 144 и турбиной 176, приводимой в движение отработавшими газами и установленной в выпускном патрубке 148. Компрессор 174 может, по крайней мере частично, приводиться в движение турбиной 176, работающей на отработавших газах, при помощи вала 180, причем такое устройство наддува является турбонагнетателем. Однако в других примерах, где двигатель 10 снабжен турбокомпрессором, турбина 176, приводимая в движение отработавшими газами, может отсутствовать, а компрессор 174 может приводиться в движение механическим способом с приводом от мотора или двигателя автомобиля. Дроссель 20, содержащий дроссельную заслонку 164, может быть установлен во впускном патрубке двигателя для изменения величины воздушного потока и/или давления всасываемого воздуха, подаваемого к цилиндрам двигателя. Например, дроссель 20 может быть установлен ниже по потоку относительно компрессора 174, как показано на фиг. 1, или, в качестве альтернативы, может быть установлен выше по потоку относительно компрессора 174.
Выпускной патрубок 148 может принимать отработавшие газы не только от цилиндра 14, но и от других цилиндров двигателя 10. Показано, что датчик 128 отработавших газов соединен с выпускным патрубком 148 выше по потоку относительно устройства 178 снижения токсичности выхлопа. В качестве датчика 128 могут использовать различные подходящие для этой цели датчики, позволяющие определить воздушно-топливное отношение в отработавших газах, например, линейный датчик кислорода или универсальный датчик кислорода в отработавших газах УДКОГ (UEGO), бистабильный датчик кислорода в отработавших газах или датчик кислорода в отработавших газах ДКОГ (EGO) (как показано на схеме), нагреваемый датчик кислорода в отработавших газах НДКОГ (HEGO), датчик NOx, НС или СО. Устройство 178 снижения токсичности выхлопа может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором ТКН (TWC), уловителем NOx или каким-либо другим устройством снижения токсичности отработавших газов, а также комбинацией упомянутых устройств.
Температуру отработавших газов могут оценивать при помощи одного или нескольких датчиков температуры (не показанных на схеме), установленных в выпускном патрубке 148. В качестве альтернативы, температуру отработавших газов могут предсказывать на основе условий работы двигателя, таких как скорость, нагрузка, воздушно-топливное отношение ВТО (AFR), величина запаздывания зажигания и т.д. Кроме того, температуру отработавших газов могут вычислить, используя один или несколько датчиков 128 отработавших газов. Можно отметить, что температуру отработавших газов могут, в качестве альтернативы, оценить на основе комбинации перечисленных здесь способов оценки температуры.
Каждый цилиндр двигателя 10 может содержать один или несколько впускных клапанов и один или несколько выпускных клапанов. Например, показано, что цилиндр 14 содержит по крайней мере один впускной тарельчатый клапан 150 и по крайней мере один выпускной тарельчатый клапан 156, расположенные в верхней части цилиндра 14. В некоторых конструкциях, каждый цилиндр двигателя 10, в том числе, цилиндр 14, может содержать по крайней мере два впускных тарельчатых клапана и по крайней мере два выпускных тарельчатых клапана, расположенных в верхней части цилиндра.
Контроллер 12 может управлять впускным клапаном 150 при помощи кулачкового привода посредством системы 151 кулачкового привода. Подобным образом контроллер 12 может управлять выпускным клапаном 156 посредством системы 153 кулачкового привода. Каждая из систем 151 и 153 кулачкового привода может содержать один или несколько кулачков и может использовать одну или несколько из следующих систем: переключения профиля кулачков ППК (CPS), изменения фаз кулачкового распределения ИФКР (VCT), изменения фаз газораспределения ИФГ (WT) и/или изменения высоты подъема клапанов ИВПК (WL), которыми может управлять контроллер 12 для изменения работы клапанов. Положение впускного клапана 150 и выпускного клапана 156 могут определить при помощи позиционных датчиков 155 и 157 соответственно. В альтернативных конструкциях впускным и/или выпускным клапаном могут управлять при помощи электропривода клапанов. Например, цилиндр 14 может, в качестве альтернативы, содержать впускной клапан, управляемый при помощи электропривода клапанов, и выпускной клапан, управляемый при помощи кулачкового привода, содержащего системы ППК и/или ИФКР. В других конструкциях впускным и выпускным клапанами могут управлять при помощи общего привода клапанов или системы приводов, а также с помощью привода изменения фаз газораспределения или системы приводов.
Цилиндр 14 может иметь степень сжатия, которая представляет собой отношение объемов камеры сгорания для положений поршня 138 в НМТ и ВМТ. Соответственно, значение степени сжатия может находиться в диапазоне от 9:1 до 10:1. Однако в некоторых примерах, где используются другие виды топлива, степень сжатия могут увеличить. Это могут применять, например, при использовании топлива с более высоким октановым числом или топлива с более высокой удельной теплотой парообразования. Степень сжатия могут также увеличить при использовании прямого впрыска, благодаря его влиянию на детонацию в двигателе.
В некоторых конструкциях каждый цилиндр двигателя 10 может содержать свечу 192 зажигания для запуска процесса сгорания. Система 190 зажигания может обеспечить искру зажигания для камеры сгорания 14 при помощи свечи 192 зажигания при получении сигнала 03 (SA) опережения зажигания от контроллера 12, для выбранных режимов работы. Однако в некоторых конструкциях свеча 192 зажигания может отсутствовать, если двигатель 10 может использовать процесс сгорания с самовоспламенением или воспламенением при помощи впрыска топлива, как может быть реализовано в некоторых дизельных двигателях.
В некоторых конструкциях каждый цилиндр двигателя 10 может быть выполнен с одним или несколькими топливными инжекторами для подачи топлива. В качестве не ограничивающего примера, показан цилиндр 14 с одним топливным инжектором 166. Топливный инжектор 166 показан соединенным непосредственно с цилиндром 14, что обеспечивает впрыск топлива непосредственно в цилиндр, пропорционально ширине импульса впрыска ШИВ (FPW), получаемого от контроллера 12 через электронный драйвер 168. В этом случае топливный инжектор 166 обеспечивает процесс, известный как прямой впрыск (обозначенный здесь также как ПВ (DI)) топлива в цилиндр 14 для сгорания. Несмотря на то, что на фиг. 2 показан топливный инжектор 166 как боковой инжектор, его могут поместить над поршнем, например, рядом со свечой 192 зажигания. Такое положение может улучшить смешивание и сгорание при эксплуатации двигателя с топливом на спиртовой основе, из-за более низкой испаряемости некоторых видов топлива на спиртовой основе. В качестве альтернативы, топливный инжектор могут поместить над впускным клапаном или рядом с ним для улучшения смешивания. Топливо могут подавать к топливному инжектору 166 от топливной системы 8 высокого давления, содержащей топливные баки, топливные насосы и топливную рампу. В качестве альтернативы, топливо могут подавать одноступенчатым насосом с низким давлением, и в этом случае синхронизация для прямого впрыска топлива может быть более ограничена во время такта сжатия, по сравнению с системой впрыска под высоким давлением. Кроме того, хотя это и не показано на схеме, топливные баки могут иметь измерительный преобразователь давления, подающий сигнал в контроллер 12. Следует принять во внимание, что в альтернативной конструкции топливный инжектор 166 может быть инжектором распределенного впрыска, подающим топливо во впускной канал выше по потоку от цилиндра 14.
Следует также принять во внимание, что, несмотря на то, что раскрытая конструкция иллюстрирует двигатель, работающий посредством впрыска топлива с использованием одного инжектора прямого впрыска, в альтернативных конструкциях двигатель может работать с двумя инжекторами (например, инжектором прямого впрыска и инжектором распределенного впрыска) и изменением относительных количеств топлива для впрыска через каждый инжектор.
Топливо могут подать при помощи инжектора в цилиндр в течение одного цикла цилиндра. Кроме того, распределение и/или относительное количество топлива, подаваемого от инжектора, могут изменять в зависимости от условий работы. Также, для одного события сгорания за один цикл могут выполнить несколько впрысков топлива, причем их могут выполнить во время такта сжатия, такта впуска или их подходящей комбинации. Также, топливо могут впрыснуть в течение цикла для изменения воздушно-топливного отношения (ВТО) сгорания. Например, топливо могут впрыснуть для обеспечения стехиометрического ВТО. Для оценки внутрицилиндрового ВТО могут использовать датчик ВТО. Например, датчик ВТО может быть датчиком отработавших газов, таким как датчик 128 ДКОГ. Измеряя подобным датчиком количество остаточного кислорода (для бедных смесей) или несгоревших углеводородов (для богатых смесей) в отработавших газах, можно определить ВТО. По существу, ВТО может представлять собой значение лямбда (А), то есть, отношение действительного ВТО к стехиометрическому ВТО для данной смеси. Таким образом, значение лямбда 1,0 указывает на стехиометрическую смесь, причем более богатые смеси, по сравнению со стехиометрическими, могут иметь значение лямбда меньше 1,0, а более бедные смеси, по сравнению со стехиометрическими, могут иметь значение лямбда больше 1.
Как было показано выше, фиг. 2 изображает только один цилиндр многоцилиндрового двигателя. Таким образом, каждый цилиндр может аналогично содержать собственный набор впускных и выпускных клапанов, топливный инжектор (или инжекторы), свечу зажигания и т.д.
Топливные баки в топливной системе 8 могут содержать топливо различного качества, такое как различные топливные смеси. Эти различия могут заключаться в различном содержании спирта, различных октановых числах, различной теплоте парообразования, различных топливных присадках и/или комбинации этих характеристик.
Двигатель 10 может также содержать датчик 90 детонации, соединенный с каждым цилиндром 14 для определения отклонений в процессе сгорания топлива. В альтернативных конструкциях один или несколько датчиков 90 детонации могут быть установлены в выбранных местах блока двигателя. Датчик детонации может быть акселерометром на блоке цилиндров или датчиком ионизации, скомпонованным со свечей зажигания в каждом цилиндре. Выходной сигнал датчика детонации могут анализировать совместно с выходным сигналом датчика ускорения коленчатого вала для обнаружения отклонений в процессе сгорания топлива в цилиндре. Например, на основе выходного сигнала датчика 90 детонации в одном или нескольких заданных интервалах (например, интервалы по углу наклона кулисы) могут идентифицировать или различить ненормальное сгорание вследствие одной или нескольких детонаций или преждевременного зажигания. Кроме того, отклонения в сгорании могут соответствующим образом устранить. Например, детонацию могут устранить, уменьшив степень сжатия при сохранении момента зажигания, пока не будет достигнута пороговая степень сжатия, и, после этого, дополнительную детонацию могут устранить при помощи запаздывания зажигания при сохранении или увеличении степени сжатия.
На фиг. 2 контроллер 12 показан как микрокомпьютер, содержащий микропроцессорное устройство 106, порты 108 ввода/вывода, электронный носитель данных для выполняемых программ и калибровочных значений, показанный в этом конкретном примере в виде микросхемы 110 постоянного запоминающего устройства, оперативное запоминающее устройство 112, энергонезависимое запоминающее устройство 114 и шину данных. Контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, присоединенных к двигателю 10, и, кроме тех сигналов, которые были приведены выше, может получать данные измерения поступающего массового расхода воздуха МРВ (MAF) от датчика 122 массового расхода воздуха; температуры хладагента двигателя ТХД (ЕСТ) от датчика 116 температуры, присоединенного к охлаждающей рубашке 118; сигнал профиля зажигания СПЗ (PIP) от датчика 120 Холла (или другого типа), соединенного с коленчатым валом 140; положение дросселя ПД (TP) от датчика положения дросселя; сигнал абсолютного давления в коллекторе АДК (MAP) от датчика 124, значение ВТО цилиндра от датчика 128 ДКОГ и сигнал об отклонениях в процессе сгорания от датчика 90 детонации и датчика ускорения коленчатого вала. Сигнал частоты вращения двигателя МВД (RPM) может быть сгенерирован контроллером 12 по сигналу СПЗ. Сигнал давления в коллекторе АДК от датчика давления в коллекторе могут использовать для определения разрежения или избыточного давления во впускном коллекторе. Контроллер 12 получает сигналы от различных датчиков, показанных на фиг. 1-2, и использует различные приводы, показанные на фиг. 1-2, для регулировки работы двигателя на основе полученных сигналов и хранящихся в памяти контроллера команд. Например, изменение степени сжатия двигателя может содержать процесс управления приводом, присоединенным к механизму изменения хода поршня, для перемещения поршня ближе к головке цилиндра или дальше от нее, чтобы изменить объем камеры сгорания.
В постоянное запоминающее устройство 110 могут записать машиночитаемые данные, представляющие собой команды, выполняемые процессором 106 для осуществления раскрытых здесь способов, а также другие данные, которые подразумеваются, но здесь не перечислены.
На фиг. 3 показан пример раскрываемого здесь алгоритма 300 для изменения режима отключения цилиндров и степени сжатия работающих цилиндров в двигателе, выполненном с механизмами индивидуального отключения цилиндров и изменения хода поршня внутри камер сгорания. Настоящий способ позволяет изменять ход поршней таким образом, чтобы изменять (например, увеличивать или уменьшать) степень сжатия работающих цилиндров двигателя, что позволяет увеличивать продолжительность периода, когда момент зажигания двигателя могут сохранять для условий максимального крутящего момента, в то время как один или несколько цилиндров отключены. Координация процесса управления двигателем с отключаемыми цилиндрами ДОЦ (VDE) с процессом управления изменением степени сжатия ИСС (VCR) позволяет получить объединенные выгоды. Команды для осуществления способа 300 могут быть выполнены контроллером на основе команд, записанных в память контроллера и в соответствии с сигналами, получаемыми от датчиков системы двигателя, таких как датчики, раскрытые для фиг. 1-2. Контроллер может использовать приводы двигателя из системы двигателя для управления работой двигателя в соответствии с раскрытыми ниже способами.
На шаге 302 алгоритм содержит оценку и/или измерение условий работы двигателя, которые могут содержать, например, частоту вращения двигателя, нагрузку двигателя, требуемый водителем крутящий момент (например, сигнал от датчика положения педали), значение потока в системе рециркуляции отработавших газов РОГ (EGR), октановое число топлива, содержание спирта в топливе, температуру, давление и влажность окружающего воздуха, уровень наддува, абсолютное давление в коллекторе АДК (MAP), массовый расход воздуха в коллекторе МРВ (MAF), барометрическое давление БД (BP), температуру двигателя, температуру катализатора, температуру всасываемого воздуха, ограничения на детонацию и т.д.
На шаге 304, на основе оценки условий работы, могут определить, имеются ли подходящие условия для отключения цилиндров. Например, условия для отключения цилиндров могут считать подходящими, если требуемый водителем крутящий момент меньше порогового значения крутящего момента или если нагрузка двигателя меньше порогового значения нагрузки. Кроме того, отключение цилиндров может быть выбрано в случае, если температура хладагента двигателя выше порогового значения температуры, чтобы предупредить возможные проблемы, связанные с охлаждением цилиндров. Если условия для отключения цилиндров не считаются подходящими, на шаге 306 алгоритм продолжает управлять двигателем со всеми включенными цилиндрами (то есть, без режима ДОЦ), и алгоритм завершается.
Если условия для отключения цилиндров считаются подходящими, на шаге 308 алгоритм выполняет выборочное отключение одного или нескольких цилиндров. Например, выборочное отключение одного или нескольких цилиндров может содержать использование механизмов индивидуального отключения клапанов цилиндров для одного или нескольких цилиндров, выбранных для отключения. В другом примере, выборочное отключение содержит отключение подачи топлива и искры к выбранным цилиндрам при сохранении работоспособности клапанов. Выборочное отключение может также содержать процесс выбора цилиндров для отключения. Например, для отключения могут выбрать группу цилиндров, такую как один или несколько цилиндров в блоке цилиндров (например, V-образного двигателя). Выборочное отключение одного или нескольких цилиндров позволяет перевести двигатель в режим работы ДОЦ, с меньшим рабочим объемом и более высоким КПД, обусловленным уменьшением насосных потерь.
На шаге 310 способ содержит управление оставшимися включенными цилиндрами с первой, большей, степенью сжатия (например, с максимально возможной степенью сжатия) при сохранении момента зажигания работающих цилиндров для условий максимального крутящего момента (например, используют ОМЗ) и при поддержании одного или нескольких цилиндров в отключенном состоянии. Здесь, первая степень сжатия является верхним пороговоым значением степени сжатия. В частности, могут изменить ход поршней работающих цилиндров, при помощи механизма изменения хода поршня, для управления включенными цилиндрами при максимально возможной степени сжатия, что позволяет сохранять момент зажигания для условий максимального крутящего момента. Например, первая степень сжатия, используемая для работы двигателя с частично отключенными цигиндрами, может быть меньше степени сжатия, используемой при всех включенных цилиндрах. То есть, при отключении цилиндров степень сжатия оставшихся включенными цилиндров могут уменьшить до значения первой степени сжатия. Работа с частичным отключением цилиндров, увеличение степени сжатия работающих цилиндров и сохранение момента зажигания на уровне ОМЗ позволяют уменьшить насосные и термические потери двигателя, что оптимизирует экономию топлива. Как было указано здесь, степень сжатия представляет собой коэффициент статического сжатия.
В некоторых примерах первая, максимально возможная, степень сжатия в работающих цилиндрах при отключении части цилиндров может быть выше степени сжатия, используемой, когда все цилиндры включены. То есть, при отключении цилиндров степень сжатия оставшихся включенных цилиндров может быть увеличена до значения первой степени сжатия. Пример условий, когда это может происходить, предполагает, что двигатель не разогрет до рабочей температуры, а шум, вибрации и жесткость ШВЖ (NVH) соответствуют режиму частичного отключения цилиндров или когда вход в режим ДОЦ (VDE) не завершен или не возможен.
На шаге 312 при использовании работающих цилиндров с моментом зажигания на уровне ОМЗ и при первой, большей, степени сжатия, могут определить, обнаружена ли детонация. Обнаружение детонации может включать в себя использование одного или нескольких из следующего: указание обратной связи об обнаружении детонации на основе выходного сигнала датчика детонации (например, если выходной сигнал датчика детонации больше порогового значения детонации), сигнала ионизации, сигнала давления и оценки ожидаемой детонации (например, на основе частоты вращения двигателя, нагрузки двигателя, октанового числа топлива, истории детонаций в двигателе и т.д.).
Если обнаружение детонации не происходит, на шаге 316 могут определить, возрастает ли нагрузка двигателя. По существу, вероятность детонации может возрастать при возрастании нагрузки двигателя. На шаге 318 способ содержит, в случае возрастания нагрузки двигателя, уменьшение степени сжатия работающих цилиндров при сохранении частичного отключения цилиндров. Например, степень сжатия работающих цилиндров могут постепенно уменьшать от первой степени сжатия ко второй, меньшей, степени сжатия, при сохранении момента зажигания на уровне ОМЗ и при поддержании в отключенном состоянии одного или нескольких цилиндров. Таким образом, степень сжатия работающих цилиндров могут постепенно уменьшать при помощи изменения хода поршня, поскольку нагрузка на двигатель в работающих цилиндрах увеличивается. Уменьшая степень сжатия в работающих цилиндрах, когда степень сжатия уменьшают при увеличении нагрузки двигателя, могут предотвратить детонацию, а величину запаздывания зажигания могут уменьшить. Увеличение продолжительности работы двигателя без использования запаздывания зажигания позволяет увеличить экономию топлива.
При обнаружении детонации, на шаге 314 способ, подобным образом, содержит, при сохранении момента зажигания для максимального крутящего момента и при поддержании в отключенном состоянии одного или нескольких цилиндров, уменьшение степени сжатия, поскольку обнаруженная детонация увеличивается (или продолжается). Таким образом, степень сжатия работающих цилиндров могут постепенно уменьшать путем изменения хода поршня, таким образом, что степень сжатия постепенно уменьшается от верхнего порогового значения (первая степень сжатия) до нижнего порогового значения (вторая степень сжатия), поскольку обнаруженная детонация возрастает. Устранив детонацию в работающих цилиндрах при помощи уменьшения степени сжатия, необходимое для устранения детонации запаздывание зажигания уменьшают. Увеличение продолжительности работы двигателя без использования запаздывания зажигания позволяет увеличить экономию топлива.
Учитывая, что раскрытый выше алгоритм основан на изменении степени сжатия при обнаружении детонации, следует принять во внимание, что в других примерах, степень сжатия могут дополнительно изменить (например, увеличить или уменьшить) в зависимости от частоты вращения двигателя, на которой произошло обнаружение детонации (то есть, без использования цепи упреждающего управления).
Например, уменьшение степени сжатия (такое как на шагах 314 и 318) содержит включение механизма изменения хода поршня на основе сигналов, поступающих от контроллера, для увеличения расстояния между верхней частью поршня и головкой цилиндра. Подобно этому, увеличение степени сжатия (такое как на шаге 310) содержит включение механизма изменения хода поршня на основе сигналов, поступающих от контроллера, для уменьшения расстояния между верхней частью поршня работающих цилиндров и головкой цилиндров. Например, регулирование хода поршня для изменения степени сжатия содержит увеличение или уменьшение хода поршня внутри камеры сгорания работающего цилиндра при помощи эллиптического вращения коленчатого вала и/или эксцентриков, соединенных с поршневыми пальцами.
Следует принять во внимание, что при изменении степени сжатия (например, увеличении или уменьшении), момент впрыска топлива и моменты срабатывания клапанов работающих цилиндров могут сохранять на прежних значениях. Кроме того, в конструкциях, где выбранные цилиндры отключают при помощи отключения топливных инжекторов с сохранением работы клапанов, моменты синхр срабатывания онизации клапанов отключенных цилиндров могут сохранять на прежнем уровне, во время изменения степени сжатия работающих цилиндров.
Таким образом, степень сжатия работающих цилиндров могут постепенно уменьшать при обнаружении детонации и/или при возрастании нагрузки двигателя, при сохранении оставшихся цилиндров отключенными и при сохранении момента зажигания на уровне ОМЗ, пока не будет достигнуто нижнее пороговое значение степени сжатия. На шаге 320 могут определить, продолжается ли обнаружение детонации, несмотря на то, что степень сжатия уменьшили до нижнего порогового значения степени сжатия (такого как вторая степень сжатия). Если нет, то на шаге 324 могут продолжать работу двигателя с частично отключенными цилиндрами и низкой степенью сжатия. В противном случае, на шаге 322, при дальнейшем обнаружении детонации после достижения второго (меньшего) значения степени сжатия, настоящий способ содержит использование запаздывания зажигания по сравнению с моментом зажигания для максимального крутящего момента (такое как запаздывание зажигания относительно ОМЗ) при сохранении степени сжатия работающих цилиндров на уровне второй степень сжатия.
На шаге 326 могут определить больше ли величина потребления топлива при работе в условиях запаздывания зажигания пороговой величины потребления топлива. В качестве альтернативы, могут определить, ограничивается ли момент зажигания предельным моментом зажигания (то есть, запаздывание приводит к зажиганию после предельного момента зажигания ПМЗ (BDL)). В частности, определяют, остается ли прежним потребление топлива при работе с запаздыванием зажигания, или оно больше, чем потребление топлива в режиме экономии, при работе с частичным отключением цилиндров (и моментом зажигания на уровне ОМЗ). Если нет, то на шаге 328 настоящий способ содержит сохранение работы двигателя с частичным отключением цилиндров и работу действующих цилиндров с запаздыванием зажигания и низкой степенью сжатия. Если величина потребления топлива больше порогового значения количества, это может означать, что увеличение расхода топлива при работе с запаздыванием зажигания относительно ОМЗ для устранения детонации больше экономии топлива при работе с одним или несколькими отключенными цилиндрами. Соответственно, на шаге 330 настоящий способ содержит возврат в работу по крайней мере одного отключенного цилиндра. Например, двигатель может продолжать работу без режима ДОЦ посредством повторного включения отключенной группы цилиндров. В качестве альтернативы, один цилиндр могут включить повторно для уменьшения доли отключенных цилиндров. Кроме того, на шаге 332 способ содержит возобновление момента зажигания для режима максимального крутящего момента в работающих цилиндрах при одновременном повышении степени сжатия работающих цилиндров до верхнего порогового значения. Например, работающие цилиндры могут функционировать с первой степенью сжатия при соответствии момента зажигания уровню ОМЗ.
В другом примере, вместо сравнения потребления топлива с пороговым значением, определяют, может ли быть начато возврат в работу цилиндров, если момент зажигания ограничен предельным моментом зажигания (то есть, выходит ли запаздывание зажигания за предел момента зажигания) после того, как достигнута вторая степень сжатия. В частности, если требуемый момент зажигания достигает предельного момента зажигания по крайней мере один отключенный цилиндр могут включить повторно, а действующие цилиндры двигателя могут работать на верхнем пороговом значении степени сжатия (с первой степенью сжатия) при возвращении момента зажигания к уровню, обеспечивающему условия максимального крутящего момента.
Таким образом, один или несколько цилиндров могут постепенно включать повторно, когда изменения степени сжатия и момента зажигания не достаточны для устранения детонации, до тех пор, пока все цилиндры двигателя не окажутся включенными. После этого двигатель может продолжать работу со всеми работающими цилиндрами и степенью сжатия, соответствующей верхнему пороговому значению.
На фиг. 4 показан пример координации регулировок ИСС и регулировок режима ДОЦ. Диаграмма 400 изображает выходной сигнал датчика детонации на графике 402, режим отключения цилиндра на графике 404, нагрузку двигателя на графике 406, степень сжатия цилиндра на графике 408, момент зажигания на графике 410 и требуемый крутящий момент на графике 414. Для всех графиков время показано на горизонтальной оси.
До момента времени t1 двигатель могут эксплуатировать со всеми работающими цилиндрами, вследствие возросшего требуемого крутящего момента. Кроме того, цилиндры двигателя могут работать с низкой нагрузкой. Кроме того, цилиндры могут работать со степенью сжатия на уровне верхнего порогового значения («высокая степень сжатия»). В данном примере двигатель работает с высокой нагрузкой с моментом зажигания, близким к ОМЗ. Однако в других примерах, например, в примере, показанном при помощи пунктирной линии 411, когда происходит работа при высокой нагрузке двигателя, момент зажигания двигателя может быть ограничен предельным моментом зажигания, например, момент зажигания могут задержать относительно ОМЗ до уровня или в направлении порогового значения 412 запаздывания зажигания.
Как известно, нагрузка двигателя соответствует нормализованному значению количества воздуха наддува. То есть, нагрузку двигателя определяют как количество воздуха наддува в цилиндре, разделенное на теоретически максимальное количество воздуха наддува при стандартных значениях температуры и давления. Таким образом, нагрузка близка к объемному КПД. Как правило, двигатели с обычным наддувом имеют нагрузку, меньшую 1,0. Двигатели с турбонаддувом могут иметь нагрузки до ~ 2,0 (или больше, для использования в гонках). Например, условия нагрузки на горизонтальной дороге при эксплуатации автомобиля с обычным наддувом могут составлять 1500 об/мин и 0,35 нагрузки при работе с опережением зажигания на уровне ОМЗ, а крутящий момент может составлять 45 фунт-сила-фут. Когда момент зажигания задерживают относительно значения ОМЗ, крутящий момент уменьшается. Однако, для того чтобы сохранить требуемое значение крутящего момента, могут открыть дроссель для увеличения количества воздуха наддува и, следовательно, нагрузки. Таким образом, при том же самом выходном крутящем моменте нагрузка двигателя может увеличиться до 0,38. По сути, это не может обеспечить такую же эффективность, как условия ОМЗ, поскольку необходимо подавать больше воздуха при том же крутящем моменте, и для того чтобы заданное воздушно-топливное отношение оставалось стехиометрическим (14,7), необходимо подавать больше топлива для обеспечения такого же крутящего момента.
В момент времени t1, при уменьшении требуемого крутящего момента двигателя и уменьшении нагрузки двигателя, например, при отпускании водителем педали акселератора, один или несколько цилиндров могут выборочно отключить. В данном случае контроллер может определить, что работа с частичным отключением цилиндров более эффективна. В данном примере, половину цилиндров двигателя отключают, таким образом, степень частичного отключения равна 50% (0,5). Кроме того, момент зажигания работающих цилиндров оставляют на уровне ОМЗ. В результате, поскольку нагрузка двигателя определяется отношением количества воздуха наддува к максимальному количеству воздуха наддува при стандартных температуре и давлении, при постоянном крутящем моменте, при переходе в режим ДОЦ с 50% отключенных цилиндров, общая масса воздуха, по существу, остается такой же (немного меньше), однако средняя нагрузка цилиндра в среднем увеличивается в два раза, поскольку теперь только половина цилиндров двигателя получает то же самое количество воздуха. Это увеличение средней нагрузки цилиндра уменьшает насосные потери двигателя.
Кроме того, степень сжатия работающих цилиндров увеличивают до максимально возможного порогового значения, что позволяет сохранять момент зажигания на уровне ОМЗ. В данном примере возможна максимальная степень сжатия для работающих цилиндров, что позволяет сохранять ОМЗ в диапазоне между верхним («высокая степень сжатия») и нижним («низкая степень сжатия») пороговыми значениями степени сжатия. То есть, в момент времени t1, при отключении цилиндров, степень сжатия уменьшают от значения используемой степени сжатия (перед моментом времени t1), когда работают все цилиндры, до первой степени 409 сжатия («высокая степень сжатия»).
Между моментами времени t2 и t3, когда увеличивают значение требуемого крутящего момента, множественные признаки детонации могут быть обнаружены на основе выходных сигналов датчика детонации в том случае, когда значение выходного сигнала датчика превышает пороговое значение детонации ПЗД (Knk_Thr). Соответственно, для устранения детонации постепенно уменьшают степень сжатия работающих цилиндров - от первой степени 409 сжатия до нижнего порогового значения, например, изменяя положение поршней в работающих цилиндрах относительно головок цилиндров. В то же время половину цилиндров двигателя оставляют включенными, а момент зажигания для них сохраняют на уровне ОМЗ. По существу, если степень сжатия не была уменьшена, контроллеру двигателя может потребоваться использовать запаздывание момента зажигания относительно ОМЗ для устранения детонации, что приводит к повышению расхода топлива. В качестве альтернативы, контроллеру может потребоваться включить один или несколько отключенных цилиндров для уменьшения средней нагрузки на каждый цилиндр, что снижает выгоды экономии топлива при работе в режиме ДОЦ.
Непосредственно перед моментом времени t3 степень сжатия работающих цилиндров может находиться на нижнем пороговом значении («низкая степень сжатия»), и двигатель может продолжать работать с частичным отключением цилиндров, низкой степенью сжатия и моментом зажигания на уровне ОМЗ. Между моментами времени t3 и t4 множественные признаки детонации могут быть снова получены на основе выходных сигналов датчика детонации в том случае, когда значение выходного сигнала датчика превышает пороговое значение детонации ПЗД. Соответственно, для устранения дополнительно обнаруженной детонации, когда степень сжатия работающих цилиндров сохраняют на уровне нижнего порогового значения, а двигатель продолжает работать с частичным отключением цилиндров, для момента зажигания работающих цилиндров постепенно вводят запаздывание относительно ОМЗ. Поскольку момент зажигания запаздывает относительно ОМЗ, нагрузка двигателя увеличивается для поддержания того же крутящего момента. Это требует подачи большего количества воздуха и топлива, поскольку момент зажигания с запаздыванием не обеспечивает прежней эффективности.
В момент времени t4 момент зажигания имеет запаздывание на уровне или за пределами порогового значения 412 запаздывания зажигания. В этот момент превышение расхода топлива в результате работы с запаздыванием момента зажигания превышает величину экономии топлива в результате работы с частичным отключением цилиндров. Соответственно, в момент времени t4 по крайней мере один из отключенных цилиндров могут включить повторно. В данном примере включают только один из отключенных цилиндров. Кроме того, изменяют значение хода поршней оставшихся включенными цилиндров, чтобы работающие цилиндры имели степень сжатия, увеличенную до первой степени 409 сжатия при возвращении момента зажигания к уровню ОМЗ. Однако следует принять во внимание, что в других примерах, при повторном включении одного отключенного цилиндра, оставшиеся работающими цилиндры могут функционировать, имея степень сжатия выше первой степени 409 сжатия, например, на уровне верхнего порогового значения («высокая степень сжатия») или между значениями первой степени 409 сжатия и верхнего порогового значения.
Между моментами времени t5 и t6 нагрузку двигателя могут постепенно увеличивать из-за медленно возрастающего требуемого крутящего момента. В течение этого времени, в ответ на возрастание нагрузки двигателя (и возрастание вероятности детонации), степень сжатия работающих цилиндров постепенно уменьшают от первой степени 409 сжатия до нижнего порогового значения («низкая степень сжатия»), при поддержании остальных цилиндров отключенными. По существу, если степень сжатия не была уменьшена, контроллеру двигателя может потребоваться использовать запаздывание момента зажигания относительно ОМЗ для устранения детонации, вызываемой увеличением нагрузки двигателя, что приводит к повышению расхода топлива. В качестве альтернативы, контроллеру может потребоваться включить один или несколько отключенных цилиндров для уменьшения средней нагрузки на каждый цилиндр, что снижает выгоды экономии топлива при работе в режиме ДОЦ.
В момент времени t6 степень сжатия работающих цилиндров может находиться на уровне нижнего порогового значения, а двигатель может продолжать работать с частичным отключением цилиндров и с моментом зажигания на уровне ОМЗ. Между моментами времени t6 и t7 нагрузка двигателя может дополнительно возрастать, и могут быть обнаружены множественные признаки детонации на основе выходных сигналов датчика детонации в том случае, когда значение выходного сигнала датчика превышает пороговое значение детонации ПЗД. Соответственно, для устранения обнаруженной детонации, возникающей из-за увеличения нагрузки двигателя, при сохранении степени сжатия работающих цилиндров на уровне нижнего порогового значения и при работе с частичным отключением цилиндров, для момента зажигания работающих цилиндров постепенно вводят запаздывание относительно ОМЗ.
В момент времени t7 запаздывание момента зажигания может оказаться на уровне или за пределами порогового значения 412 запаздывания зажигания. В этот момент превышение расхода топлива в результате работы с запаздыванием момента зажигания превышает величину экономии топлива в результате работы с частичным отключением цилиндров. Соответственно, в момент времени t7 повторно включают один или несколько из оставшихся отключенными цилиндров. В данном примере включают все отключенные цилиндры. Однако следует принять во внимание, что в других примерах контроллер может многократно выполнять шаги алгоритма между моментами времени t4 и t7 в качестве реакции на увеличение нагрузки двигателя и/или требуемого крутящего момента (и/или шаги алгоритма между моментами времени t1 и t4 в качестве реакции на детонацию) до тех пор, пока все цилиндры не окажутся включенными. В частности, контроллер может вначале повторно включить один отключенный цилиндр, вернуть значение степени сжатия работающих цилиндров к верхнему пороговому значению, вернуть момент зажигания работающих цилиндров на уровень ОМЗ, а затем включить другие отключенные цилиндры только после того, как степень сжатия достигнет нижнего порогового значения, а запаздывание момента зажигания будет соответствовать значению предельного момента зажигания.
Таким образом, работу двигателя в режиме ДОЦ, при значении момента зажигания, соответствующего максимальному крутящему моменту, могут продолжать при помощи координации выборочного отключения цилиндров с изменением хода поршней на основе изменений степени сжатия цилиндров.
Один пример настоящего способа для двигателя содержит: выборочное отключение одного или нескольких цилиндров в зависимости от нагрузки двигателя или требуемого крутящего момента; и регулирование величины хода поршня для изменения степени сжатия работающих цилиндров двигателя, чтобы сохранять момент зажигания двигателя для условий максимального крутящего момента, при поддержании в отключенном состоянии одного или нескольких цилиндров. В предыдущем примере регулирование содержит, во время сохранения момента зажигания для условий максимального крутящего момента, изменение хода поршней для уменьшения степени сжатия от верхнего порогового значения степени сжатия в случае обнаружения возрастания детонации. В каких-либо или всех предыдущих примерах настоящий способ может дополнительно или факультативно содержать уменьшение степени сжатия при сохранении момента зажигания для условий максимального крутящего момента при обнаружении детонации до тех пор, пока не будет достигнуто нижнее пороговое значение степени сжатия, и, в качестве реакции на дополнительное обнаружение детонации, использовать запаздывание момента зажигания при поддержании степени сжатия на уровне нижнего порогового значения. В каких-либо или всех предыдущих примерах настоящий способ может дополнительно или факультативно содержать смещение момента зажигания в сторону запаздывания в качестве реакции на дополнительное обнаружение детонации до тех пор, пока величина потребления топлива не превысит пороговую величину потребления топлива, и последующие возврат в работу отключенного цилиндра, возобновление момента зажигания для условий максимального крутящего момента в работающих цилиндрах и увеличение степени сжатия работающих цилиндров до верхнего порогового значения степени сжатия. В каких-либо или всех предыдущих примерах процесс управления может дополнительно или факультативно содержать смещение момента зажигания в сторону запаздывания в качестве реакции на дополнительное обнаружение детонации до тех пор, пока момент зажигания не достигнет порогового значения момента зажигания, и последующие возврат в работу отключенного цилиндра, возобновление момента зажигания для условий максимального крутящего момента в работающих цилиндрах и увеличение степени сжатия работающих цилиндров (например, до верхнего порогового значения степени сжатия или ближе к нему). В каких-либо или всех предыдущих примерах настоящий способ может дополнительно или факультативно содержать уменьшение степени сжатия при сохранении момента зажигания для условий максимального крутящего момента в качестве реакции на увеличение нагрузки двигателя до тех пор, пока не будет достигнуто нижнее пороговое значение степени сжатия, и, в качестве реакции на дополнительное обнаружение детонации, смещение момента зажигания в сторону запаздывания при поддержании степени сжатия на уровне нижнего порогового значения. В каких-либо или всех предыдущих примерах настоящий способ может дополнительно или факультативно содержать смещение момента зажигания в сторону запаздывания в качестве реакции на дополнительное увеличение нагрузки двигателя до тех пор, пока величина потребления топлива не превысит пороговую величину потребления топлива, и последующие возврат в работу отключенного цилиндра, возобновление момента зажигания для условий максимального крутящего момента в работающих цилиндрах и увеличение степени сжатия работающих цилиндров (например, до верхнего порогового значения степени сжатия или ближе к нему). В каких-либо или всех предыдущих примерах изменение хода поршней для изменения степени сжатия может дополнительно или факультативно содержать уменьшение степени сжатия при помощи уменьшения хода поршня внутри камеры сгорания работающего цилиндра посредством эллиптического вращения коленчатого вала или эксцентрика, соединенного с поршневым пальцем. В каких-либо или всех предыдущих примерах настоящий способ может дополнительно или факультативно содержать сохранение момента впрыска топлива и моментов срабатывания клапанов при изменении степени сжатия. В каких-либо или всех предыдущих примерах степень сжатия дополнительно или факультативно представляет собой коэффициент статического сжатия, и степень сжатия дополнительно или факультативно изменяют в зависимости от частоты вращения двигателя, на которой произошло обнаружение детонации. В каких-либо или всех предыдущих примерах выборочное отключение одного или нескольких цилиндров дополнительно или факультативно содержит выборочное отключение индивидуальных механизмов клапанов цилиндров для одного или нескольких цилиндров двигателя.
Другой пример способа для двигателя содержит: во время работы с частичным отключением цилиндров функционирование включенных цилиндров с первой, большей степенью сжатия и моментом зажигания на уровне ОМЗ; в качестве реакции на обнаружение детонации, при сохранении частичного отключения цилиндров, сначала уменьшение степени сжатия работающих цилиндров при помощи регулирования хода поршня внутри камер сгорания до тех пор, пока не будет достигнута вторая, меньшая степень сжатия, и последующее смещение момента зажигания в сторону запаздывания при сохранении второй, меньшей, степени сжатия. Предыдущий пример может дополнительно или факультативно содержать смещение момента зажигания в сторону запаздывания относительно ОМЗ до тех пор, пока потребление топлива с запаздыванием зажигания не достигнет порогового значения количества, и, в качестве реакции на дополнительное обнаружение детонации, повторное возврат в работу отключенного цилиндра и увеличение степени сжатия работающих цилиндров в направлении первой, большей, степени сжатия. В каких-либо или всех предыдущих примерах, дополнительно или факультативно, работу с частичным отключением цилиндров осуществляют в качестве реакции на уменьшение нагрузки двигателя ниже порогового значения нагрузки, причем настоящий способ дополнительно содержит, в качестве реакции на возрастание нагрузки двигателя, уменьшение степени сжатия работающих цилиндров до тех пор, пока не будет достигнута вторая степень сжатия, и последующее, в качестве реакции на дополнительное увеличение нагрузки двигателя, повторное возврат в работу отключенного цилиндра двигателя. В каких-либо или всех предыдущих примерах, дополнительно или факультативно, обнаружение детонации включает в себя использование одного или нескольких из следующего: указание обратной связи об обнаружении детонации на основе выходного сигнала датчика детонации, сигнал датчика ионизации, сигнал давления и оценка ожидаемой детонации.
Другой пример системы двигателя содержит: двигатель, содержащий набор цилиндров; механизм изменения хода поршня, соединенный с поршнем каждого цилиндра в наборе; свечу зажигания; датчик положения педали для получения от водителя значения требуемого крутящего момента; датчик детонации, соединенный с блоком двигателя; механизмы с электрическим приводом клапанов цилиндров, соединенные с каждым цилиндром в наборе; выборочно отключаемый топливный инжектор, соединенный с каждым цилиндром в наборе; и контроллер двигателя. Контроллер двигателя может быть выполнен с машиночитаемыми командами, сохраненными в долговременной памяти для выполнения следующих действий: в качестве реакции на уменьшение крутящего момента, требуемого водителем, выборочное отключение по крайней мере одного цилиндра из набора цилиндров; регулирование, при помощи механизма регулирования хода поршня, положения поршней в каждом из оставшихся включенными цилиндров для обеспечения работы включенных цилиндров с первой, большей, степенью сжатия; и сохранение момента зажигания работающих цилиндров на уровне ОМЗ во время поддержания в отключенном состоянии по крайней мере одного цилиндра из набора цилиндров. В предыдущем примере, дополнительно или факультативно, контроллер может содержать дополнительные команды для выполнения следующих действий: в качестве реакции на выходной сигнал датчика детонации, превышающий пороговое значение сигнала, уменьшение степени сжатия при сохранении момента зажигания работающих цилиндров на уровне ОМЗ во время поддержания в отключенном состоянии по крайней мере одного цилиндра из набора цилиндров. В каких-либо или всех предыдущих примерах, дополнительно или факультативно, контроллер может содержать дополнительные команды для выполнения следующих действий: в качестве реакции на выходной сигнал датчика детонации, превышающий пороговое значение сигнала, после уменьшения степени сжатия до второй, меньшей степени сжатия, смещение момента зажигания в сторону запаздывания работающих цилиндров до тех пор, пока не будет достигнут предельный момент зажигания. В каких-либо или всех предыдущих примерах, дополнительно или факультативно, контроллер может содержать дополнительные команды для выполнения следующих действий: в качестве реакции на сигнал датчика детонации, превышающий пороговое значение, после того как момент зажигания достиг предельного момента зажигания, возврат в работу по крайней мере одного выборочно отключенного цилиндра из набора цилиндров; увеличение степени сжатия работающих цилиндров до первой, большей, степени сжатия; и возвращение момента зажигания работающих цилиндров к уровню ОМЗ. В каких-либо или всех предыдущих примерах, дополнительно или факультативно, уменьшение степени сжатия содержит увеличение расстояния между верхней частью поршней работающих цилиндров и головкой цилиндров, причем увеличение степени сжатия содержит уменьшение расстояния между верхней частью поршней работающих цилиндров и головкой цилиндров.
В дополнительных реализациях способ для двигателя может содержать: в качестве реакции на уменьшение нагрузки двигателя ниже порогового значения, отключение одного или нескольких цилиндров двигателя и эксплуатацию цилиндров с первой степенью сжатия и заданным моментом зажигания; уменьшение степени сжатия работающих цилиндров для сохранения заданного момента зажигания, когда момент зажигания достигнет предельного момента зажигания; и, в качестве реакции на уменьшение степени сжатия до порогового значения степени сжатия и превышение порогового значения количества впрыскиваемого топлива, включение одного или нескольких отключенных цилиндров и увеличение степени сжатия до первой степени сжатия. В предыдущем примере, дополнительно или факультативно, в качестве реакции на уменьшенную нагрузку двигателя, настоящий способ может дополнительно содержать отключение одного или нескольких цилиндров двигателя и эксплуатацию работающих цилиндров с первой степенью сжатия и заданным моментом зажигания; и уменьшение степени сжатия работающих цилиндров для сохранения заданного момента зажигания, когда момент зажигания достигнет предельного момента зажигания. Кроме того, в качестве реакции на уменьшение степени сжатия до порогового значения степени сжатия и превышение порогового значения количества впрыскиваемого топлива, настоящий способ может дополнительно содержать включение одного или нескольких отключенных цилиндров и увеличение степени сжатия работающих цилиндров до первой степени сжатия.
Таким образом, управление двигателем с выборочным отключением цилиндров могут координировать с изменением величины хода поршней для изменения степени сжатия цилиндров, чтобы увеличить время работы двигателя с моментом зажигания, соответствующим максимальному крутящему моменту. Устранение детонации в работающих цилиндрах при помощи изменения положения поршней с целью уменьшить степень сжатия работающих цилиндров, в то время как часть цилиндров отключена, позволяет уменьшить термические и насосные потери двигателя. Кроме того, детонацию могут устранить без необходимости увеличения запаздывания момента зажигания. Увеличение времени работы двигателя в режиме ДОЦ позволяет увеличить выгоды от отключения цилиндров. Уменьшение необходимости использования запаздывания зажигания для устранения детонации позволяет повысить экономию топлива. В целом, выгоды от изменения рабочего объема двигателя и степени сжатия цилиндров можно объединить, чтобы улучшить производительность двигателя и повысить экономию топлива.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут быть использованы с разнообразными конфигурациями систем двигателя и/или автомобиля. Способы и алгоритмы управления, раскрытые в настоящей заявке, могут быть сохранены как исполняемые инструкции в долговременной памяти и могут быть выполнены системой управления, содержащей контроллер в сочетании с различными датчиками, приводами и другими средствами двигателя. Конкретные алгоритмы, раскрытые в настоящей заявке, могут представлять собой одну или более стратегий обработки, таких как управляемые по событиям, управляемые по прерываниям, многозадачные, многопоточные и т.п.
Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно или в некоторых случаях могут быть пропущены. Аналогично, указанный порядок обработки не обязателен для достижения отличительных признаков и преимуществ раскрываемых в настоящей заявке вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или более из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут быть выполнены повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Более того, раскрытые действия, операции и/или функции могут представлять в графическом виде код, который должен быть запрограммирован в долговременную память машиночитаемой среды хранения данных в управляющей системе двигателя, при этом раскрытые действия могут быть выполнены посредством исполнения инструкций в системе, содержащей различные компоненты обеспечения двигателя совместно с электронным контроллером.
Следует понимать, что конфигурации и алгоритмы, раскрытые в настоящей заявке, носят иллюстративный характер, и что эти конкретные варианты осуществления изобретения не следует рассматривать в качестве ограничения, так как возможны многочисленные модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена в двигателях с конфигурацией цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные признаки, функции и/или свойства, раскрытые в настоящей заявке.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы изобретения ссылка может быть сделана на «некоторый» элемент или «первый» элемент или эквивалент такого элемента. Следует понимать, что такие пункты формулы изобретения могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов формулы изобретения или путем представления новых пунктов формулы изобретения в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются ли они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.