СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРОМ ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОТКРЫТИЯ ВЫПУСКНОГО КЛАПАНА В ДВИГАТЕЛЕ С РАЗВЕТВЛЕННОЙ ВЫХЛОПНОЙ СИСТЕМОЙ
METHOD (EMBODIMENTS) AND CONTROL SYSTEM OF TURBINE GENERATOR BY CHANGING PHASES OF GAS DISTRIBUTION AND DURATION OF OPENING OF EXHAUST VALVE IN ENGINE WITH BRANCHED EXHAUST SYSTEM

Область техники
Настоящее описание в целом относится к способам и системам управления двигателем, включающим в себя разветвленную систему выпускного коллектора для регулировки частоты вращения турбогенератора, соединенного с разветвленной системой выпускного коллектора, путем изменения фаз газораспределения и продолжительности открытия выпускного клапана.
Уровень техники/Раскрытие изобретения
В системах двигателей с разветвленной системой выпускного коллектора сначала может быть открыт сбросный выпускной клапан цилиндра для подачи массового расхода отработавших газов из первоначальной части такта выпуска в турбину турбогенератора или генератор с приводом от турбины, причем продувочный клапан может быть открыт позже для подачи массового расхода отработавших газов от более поздней части такта выпуска напрямую в каталитический нейтрализатор отработавших газов, в обход турбины. Таким образом, путем направления отработавших газов в обход турбины во время более поздней части такта выпуска можно уменьшать нагнетающую способность, связанную с высоким противодавлением турбины.
Пример такой системы двигателя с разветвленной выхлопной системой проиллюстрирован Робелем в патенте US 8.091.357. В нем выхлопная система включает в себя турбокомпаундное устройство, расположенное в первом выпускном патрубке, и устройство очистки отработавших газов, расположенное во втором выпускном патрубке. Турбокомпаундное устройство получает отработавшие газы через первый выпускной клапан, и устройство очистки отработавших газов получает отработавшие газы через второй выпускной клапан. Стратегия изменения фаз газораспределения для управления первым выпускным клапаном и вторым выпускным клапаном основана на датчике давления, используемом для слежения за противодавлением отработавших газов.
Однако авторы изобретения распознали возможные проблемы с такой системой. Например, Робель не предлагает каких-либо способов для управления частотой вращения турбины и/или производительностью турбокомпаундного устройства. Например, во время работы двигателя частота вращения турбины может увеличиваться выше порогового значения, которая при оставлении без дальнейшего контроля может привести к недостаточно оптимальной или небезопасной работе системы.
Таким образом, в примере некоторые из этих проблем могут быть, по меньшей мере, частично рассмотрены в способе для двигателя, содержащем: в ответ на частоту вращения турбины, превышающую первое пороговое значение частоты вращения турбины, запаздывание времени открытия первого выпускного клапана цилиндра, подающего отработавшие газы в турбину турбогенератора. Таким образом, путем регулировки фаз газораспределения с использованием выпускного клапана можно уменьшать величину массового расхода отработавших газов, поступающих в турбину.
Например, система двигателя с разветвленной выхлопной системой может включать в себя первый выпускной клапан (далее - «сбросный клапан») для подачи первой части энергии отработавших газов (далее - «сбросная энергия») в турбину турбогенератора, расположенного в первом выпускном канале. Система двигателя дополнительно может включать в себя второй выпускной клапан (далее - «продувочный клапан») для подачи более поздней части энергии отработавших газов (далее - «продувочная энергия») в каталитический нейтрализатор отработавших газов, расположенный во втором, отличном выпускном канале. Каталитический нейтрализатор может быть установлен ниже по потоку от турбогенератора, чтобы газы на выходе из турбогенератора проходили через каталитический нейтрализатор. При рабочих условиях двигателя, когда частота вращения турбины турбогенератора выше порогового значения частоты вращения, или когда производительность генератора выше порогового значения производительности, контроллер двигателя может уменьшать величину отработавших газов (т.е. сбросных газов), подаваемых в турбину, путем запаздывания времени открытия сбросного клапана; и/или путем опережения времени открытия продувочного клапана и времени закрытия продувочного клапана. В некоторых примерах продолжительность открытия продувочного клапана может быть увеличена путем опережения времени открытия продувочного клапана с незначительным опережением или без опережения времени закрытия продувочного клапана. Дополнительно, степень запаздывания и степень опережения для продувочного клапана и сбросного клапана можно регулировать на основе одного или более значений частоты вращения турбины, разности между требуемой частотой вращения турбины и действительной частотой вращения турбины, разности между требуемой производительностью генератора и действительной производительностью генератора и условия «частота вращения / нагрузка двигателя».
В некоторых других примерах в дополнение к регулировке фаз газораспределения и продолжительности открытия продувочного клапана и сбросного клапана, можно регулировать степень открытия перепускной заслонки для изменения величины отработавших газов, идущих в обход турбины.
Таким образом, путем изменения фазировки и продолжительности открытия сбросного клапана и выпускных клапанов на основе частоты вращения турбины и/или производительности генератора для уменьшения величины энергии отработавших газов, подаваемой в турбину турбогенератора, можно уменьшать количество случаев возникновения превышения допустимой частоты вращения турбины и чрезмерной производительности генератора, которые могут снижать эффективность и/или надежность системы двигателя.
Следует понимать, что вышеуказанное краткое описание приведено лишь для упрощенного представления концепций, которые далее раскрывают более подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определяют формулой изобретения, приведенной после подробного раскрытия. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
ФИГ. 1 иллюстрирует схему системы двигателя без наддува с разветвленной системой коллектора и турбогенератором
ФИГ. 2 иллюстрирует схему камеры сгорания системы двигателя ФИГ. 1.
ФИГ. 3 иллюстрирует высокоуровневую схему, иллюстрирующую примерный алгоритм для уменьшения энергии, подаваемой в турбину турбогенератора, для управления производительностью турбогенератора и/или частотой вращения турбогенератора.
ФИГ. 4 иллюстрирует высокоуровневую схему, иллюстрирующую примерный алгоритм для определения требуемой частоты вращения турбогенератора, используемую вместе с ФИГ. 3.
ФИГ. 5 иллюстрирует высокоуровневую схему, иллюстрирующую примерный алгоритм для регулировки фазировки клапана и продолжительности открытия сбросного выпускного клапана и продувочного выпускного клапана в каждом цилиндре двигателя для уменьшения энергии, подаваемой в турбину турбогенератора, используемую вместе с ФИГ. 3.
ФИГ. 6 иллюстрирует пример нормальных фаз газораспределения и продолжительностей открытия впускного клапана и выпускного клапана в соответствии с настоящим раскрытием.
ФИГ. 7 иллюстрирует пример регулируемых фаз газораспределения и продолжительностей открытия впускного клапана и выпускного клапана для уменьшения энергии, подаваемой в турбину, в соответствии с настоящим раскрытием.
ФИГ. 8 иллюстрирует карту, на которой изображен пример регулировки фаз газораспределения и продолжительностей открытия сбросного выпускного клапана и продувочного выпускного клапана на основе частоты вращения турбины и/или производительности генератора.
Раскрытие изобретения
Следующее раскрытие относят к системам и способам для уменьшения энергии отработавших газов, подаваемой в турбину, приводящую в действие турбогенератор, в системе двигателя с разветвленной выхлопной системой, такой как система 10 двигателя на ФИГ. 1-2, для предотвращения возникновение условий превышения допустимой частоты вращения турбины и/или для уменьшения производительности турбогенератора. В частности, система двигателя с разветвленной выхлопной системой может включать в себя первый выпускной клапан (далее - «сбросный клапан») для подачи сбросной части отработавших газов из цилиндра двигателя в турбогенератор, расположенный в первом выпускном канале, через первый выпускной коллектор, и второй выпускной клапан (далее -«продувочный клапан») для подачи продувочной части отработавших газов из цилиндра двигателя в каталитический нейтрализатор через второй выпускной коллектор и второй канал. В ответ на частоту вращения турбины, превышающую пороговое значение частоты вращения, и/или производительность турбогенератора, превышающую пороговое значение производительности, контроллер двигателя, включенный в систему двигателя, может быть выполнен с возможностью осуществления алгоритма управления, такого как алгоритм, показанный на ФИГ. 3, для регулировки фаз газораспределения и/или продолжительности открытия сбросного клапана и/или продувочного клапана для уменьшения величины энергии отработавших газов, подаваемой в турбину. Примерный алгоритм для определения требуемой частоты вращения генератора для определения порогового значения частоты вращения турбины, при превышении которого можно уменьшить количество энергии отработавших газов, подаваемое в турбину, проиллюстрирован на ФИГ. 4. Изменение фаз газораспределения и продолжительности открытия сбросного клапана и продувочного клапана можно определить в соответствии с примерным алгоритмом, как показано на ФИГ. 5. Пример изменения фаз газораспределения и продолжительности открытия, включая изменение фаз газораспределения и продолжительности открытие сбросного клапана и продувочного клапана во время нормальной работы двигателя (т.е. когда частота вращения турбины меньше порогового значения частоты вращения, и производительность генератора меньше порогового значения производительности), проиллюстрирован на ФИГ. 6. Пример изменения фаз газораспределения и продолжительности открытия, включая изменение фаз газораспределения и открытие сбросного клапана и продувочного клапана во время работы двигателя в ответ на частоту вращения турбины, превышающую пороговое значение частоты вращения, и/или производительность генератора меньше порогового значения производительности, проиллюстрирован на ФИГ. 7. Пример регулировки фаз газораспределения и продолжительности открытия сбросного клапана и продувочного клапана в ответ на частоту вращения турбины и/или производительность генератора проиллюстрирован на ФИГ. 8.
Путем использования систем и способов, раскрываемых в настоящем документе, возможно достижение технического результата благодаря уменьшению энергии отработавших газов, подаваемой в турбину турбогенератора, путем регулировки фаз газораспределения и продолжительности открытия сбросного клапана и/или продувочного клапана в системе двигателя с разветвленной выхлопной системой (например, система 10 двигателя на ФИГ. 1).
ФИГ. 1 иллюстрирует схему двигателя 10 внутреннего сгорания без наддува с несколькими цилиндрами, который может быть использован как часть движительной системы автомобиля. Двигатель 10 может включать в себя множество камер сгорания (т.е. цилиндров) 20. На изображенном примере двигатель 10 включает в себя четыре цилиндра рядной конфигурации. Однако в других примерах двигатель 10 может включать в себя один или более цилиндров, например, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 или более цилиндров в других конфигурациях, таких как V-6, I-6, V-12, 4 оппозитных цилиндра и т.д.
Каждый цилиндр 20 двигателя 10 может быть выполнен с возможностью получения впускного воздуха из впускного коллектора 27 через впускной воздушный канал 28. Впускной канал 28 может включать в себя дроссель 62 впуска воздуха ниже по потоку от воздушного фильтра 60. Положение дросселя 62 регулируют с помощью системы 15 управления через привод дросселя (не показан), соединенного с возможностью связи с контроллером 12. Изменяя положение дросселя 62, количество свежего воздуха можно забирать из атмосферы в двигатель 10 и подавать в цилиндры двигателя при барометрическом давлении или давлении ниже барометрического (или атмосферном) через впускной канал 28. Впускной коллектор 27 можно выполнять с возможностью соединения с камерами сгорания через впускные порты (не показаны). Каждый впускной порт способен подавать воздух и/или топливо в цилиндр, с которым он соединен, для сжигания. Каждый впускной порт цилиндра выполнен с возможностью избирательного сообщения с цилиндром через один или более впускных клапанов. На изображенном примере каждый цилиндр 20 показан с двумя впускными клапанами I1 и I2. Например, впускной канал может быть сформирован из впускного коллектора 27, с возможностью избирательного сообщения с каждым впускным клапаном. В других вариантах осуществления впускной канал для отдельного цилиндра может быть разветвлен рядом с цилиндром на две соседних линии со стенкой между ними, каждая ветвь выполнена с возможностью сообщения с отдельным впускным клапаном. В другом примере управление каждым из двух впускных клапанов может осуществляться так, чтобы их открывали при конкретной частоте вращения двигателя и, следовательно, каждый из них имеет возможность сообщения через общий впускной порт с впускным коллектором.
Каждая камера сгорания может выпускать газы, образующиеся в результате сгорания, через два выпускных порта, соединенных с ней. На изображенном примере каждый цилиндр 20 соединен с первым выпускным портом 31 через первый выпускной клапан Е1, и со вторым выпускным портом 33 через второй выпускной клапан Е2. Каждый выпускной порт каждого цилиндра может вести к разным выпускным коллекторам для подачи первой первоначальной части отработавших газов (далее - «сбросная часть») и второй, более поздней части отработавших газов (далее - «продувочная часть») по отдельности. Например, каждый из первых выпускных портов 31 от каждого цилиндра 20 можно объединить в первый выпускной коллектор 59. Таким же способом каждый из вторых выпускных портов 33 от каждого цилиндра 20 можно объединить во второй выпускной коллектор 57. Таким образом, каждая камера сгорания 20 может выпускать сбросную часть отработавших газов, образующихся в результате сгорания, в первый выпускной коллектор 59 через первый выпускной клапан Е1, и выпускать продувочную часть отработавших газов, образующихся в результате сгорания, во второй выпускной коллектор 57 через второй выпускной клапан Е2. Такую выхлопную систему, включающую в себя два выпускных коллектора, один коллектор для сбросной части отработавших газов и другой коллектор для продувочной части отработавших газов, в настоящем документе называют «разветвленной выхлопной системой».
Двигатель 10 может включать в себя генератор 190, приводимый в действие турбиной, расположенный в первом выпускном канале 55, соединенном с первым выпускным коллектором 59. Генератор 190, приводимый в действие турбиной, может включать в себя турбину 92, работающую на отработавших газах, и генератор 94 на общем вале. Дополнительно, перепускная заслонка 127 может быть включена в байпас 166, присоединенный между впуском и выпуском турбины, работающей на отработавших газах, для управления величиной отработавших газов, подаваемых в турбину. В некоторых примерах перепускную заслонку не включают в конструкцию. В таких системах без перепускной заслонки величиной отработавших газов, подаваемых в турбину, можно управлять, главным образом, путем изменения фазировки и/или продолжительности открытия сбросных клапанов и/или продувочных клапанов в одном или более цилиндрах.
В соответствии с вышеуказанным, выпускные коллекторы могут быть разработаны с возможностью разветвленного направления сбросной части и продувочной части отработавших газов. Выпускной коллектор 59 может направлять сбросный импульс отработавших газов в турбину 92 турбогенератора 190 через первый выпускной канал 55, при этом выпускной коллектор 57 может направлять продувочную часть отработавших газов через второй выпускной канал 162 к точке ниже по потоку от турбины 92 и выше по потоку от устройства 72 контроля выбросов. Например, выпускные клапаны Е1 направляют сбросную часть отработавших газов через выпускной коллектор 59 и первый выпускной канал 55 в турбину, при этом выпускные клапаны Е2 направляют продувочную часть отработавших газов через выпускной коллектор 57 через второй выпускной канал 162 в устройство 72 контроля выбросов. Таким образом, первый выпускной клапан может открываться раньше второго выпускного клапана, и может закрываться раньше второго выпускного клапана.
Отработавшие газы, выходящие из турбины 92, могут также проходить через устройство 72 контроля выбросов. Например, устройство 72 контроля выбросов может включать в себя множество каталитических «блоков». В другом примере используют несколько устройств контроля выбросов, каждое с множеством каталитических «блоков». В некоторых примерах устройством 72 контроля выбросов может быть трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. В других примерах устройство 72 контроля выбросов может включать в себя дизельные окислительные каталитические нейтрализаторы (ДОКН) и каталитические нейтрализаторы с избирательным каталитическим восстановлением (КНИКВ). После прохождения через устройство 72 контроля выбросов отработавшие газы могут быть направлены в выхлопную трубу 58.
Таким образом, газы, образуемые в результате сгорания, выходящие из цилиндра, могут быть разделены на две части с помощью отдельных выпускных каналов, образуемых разветвленной системой коллектора. Например, в одном цикле сгорания первый выпускной клапан Е1 цилиндра 20 может направлять первую часть отработавших газов, а именно сбросную часть, в турбину 92 через первый выпускной канал 55, и второй выпускной клапан Е3 того же самого цилиндра (20) может направлять вторую часть отработавших газов вслед за сбросной частью в устройство 72 контроля выбросов через второй канал 162. Вторая часть отработавших газов, выходящая через второй выпускной клапан Е2, может, главным образом, быть продувочной частью отработавших газов.
На ФИГ. 1, например, форсунки показаны в прямом соединении с камерами сгорания для прямого впрыска топлива в камеры сгорания пропорционально длительности импульса впрыска топлива (ИВТ), полученного от контроллера 12, через электронный драйвер. Каждый цилиндр 20 показан в соединении с двумя форсунками 74 и 76 на цилиндр у каждого впускного клапана. Таким образом, топливные форсунки обеспечивают так называемый прямой впрыск топлива в камеру сгорания. Каждая соответствующая топливная форсунка может быть установлена с боковой стороны соответствующей камеры сгорания или, например, с верхней стороны камеры сгорания. В некоторых примерах одна или более топливных форсунок могут быть установлены во впускном коллекторе 27 в конфигурации, обеспечивающей так называемый впрыск топлива во впускные каналы выше по потоку от соответствующих камер сгорания. Несмотря на то, что не показано на ФИГ. 1, топливо может подаваться на топливные форсунки с помощью топливной системы, включающей в себя топливный бак, топливный насос, топливную линию и топливную рампу.
В некоторых примерах бесконтактная система зажигания (не показана) может обеспечивать возникновение искры зажигания на свечах зажигания (не показаны), соединенных с камерами 20 сгорания, в ответ на сигнал контроллера 12.
Двигателем 10 можно управлять, по меньшей мере, частично с помощью управляющей системы 15, включающей в себя контроллер 12, и с помощью входных данных от водителя автомобиля через устройство ввода (не показано). Управляющая система 15 показана с возможностью получения информации от множества датчиков 16 (различные примеры которых раскрывают в настоящем документе) и направления управляющих сигналов на множество приводов 81. Например, датчики 16 могут включать в себя датчик давления и датчик температуры на впуске турбокомпрессора, датчики давления воздуха в коллекторе (ДВК). Другие датчики могут включать в себя датчик давления на впуске дросселя (ДДВД) для определения давления на впуске дросселя (ДВД) и/или датчик температуры воздуха на впуске дросселя (ДТВВД) для определения температуры воздуха на впуске дросселя (ТВВД), присоединенный ниже по потоку от дросселя во впускном канале. Дополнительные системные датчики и приводы рассматривают ниже со ссылкой на ФИГ. 2. В другом примере приводы 81 могут включать в себя топливные форсунки и дроссель 62. Контроллер 12 может получать входные данные от различных датчиков, обрабатывать входные данные и задействовать приводы в ответ на обработанные входные данные на основе инструкций или кода, запрограммированного в нем, в соответствии с одним или более алгоритмами. Примерные алгоритмы управления раскрываются в настоящем документе в соответствии с ФИГ. 3-5.
На ФИГ. 2 изображен частичный вид 200 одного цилиндра двигателя 10 внутреннего сгорания. Компоненты, до этого упоминаемые на ФИГ. 1, представлены с такими же справочными номерами, и их не упоминают повторно.
Двигатель 10 изображен с камерой 20 сгорания (цилиндр), рубашкой 214 охлаждения и стенками 232 цилиндра с поршнем 236, расположенным внутри него и соединенным с коленчатым валом 240. Камера 20 сгорания показана с возможностью сообщения с впускным каналом 146 и выпускным каналом 148 через соответствующий впускной клапан 252 и выпускной клапан 256. В соответствии с предыдущим раскрытием со ссылкой на ФИГ. 1 каждый цилиндр двигателя 10 способен выпускать отработавшие продукты сгорания через два тракта. На изображенном виде 200 выпускной канал 148 представляет собой первый выпускной порт, ведущий из цилиндра в турбину (как выпускной порт 31 на ФИГ. 1), при этом второй выхлопной тракт, ведущий в каталитический нейтрализатор отработавших газов, не показан на этом виде.
В соответствии с вышеуказанным описанием на ФИГ. 1 каждый цилиндр двигателя 10 может включать в себя два (или более) впускных клапана и два (или более) выпускных клапана. На изображенном виде 200 впускной клапан 252 и выпускной клапан 256 расположены в верхней области камеры 20 сгорания. Впускным клапаном 252 и выпускным клапаном 256 можно управлять с помощью контроллера 12, используя соответствующие системы кулачковых приводов, включающие в себя один или более кулачков. В системах кулачковых приводов можно использовать одно или более переключений профиля кулачков (ППК), изменение фаз кулачкового распределения (ИФКР), изменение фаз газораспределения (ИФГ) и/или изменение высоты подъема клапанов (ИВПК). На изображенном примере каждым впускным клапаном 252 управляет впускной кулачок 251, и каждым выпускным клапаном 256 управляет выпускной кулачок 253. Положение впускного клапана 252 и выпускного клапана 256 можно определять с помощью датчиков 255 и 257 положения клапана соответственно.
В других вариантах осуществления для управления впускным и/или выпускным клапаном можно использовать электропривод клапанов. Например, цилиндр 20 в других случаях может включать в себя впускной клапан, управляемый с помощью электропривода клапанов, и выпускной клапан, управляемый с помощью электропривода клапанов, включая системы ППК и/или ИФКР. В других вариантах осуществления впускным и выпускным клапаном можно управлять с помощью общего клапанного привода или приводной системы, или с помощью привода системы изменения фаз газораспределения или приводной системы.
В другом примере впускной кулачок 251 включает в себя отдельные и отличные рабочие части, которые обеспечивают различные клапанные профили (например, изменение фаз газораспределения, высота подъема клапанов, продолжительность открытия и т.д.) для каждого из двух впускных клапанов камеры 20 сгорания. Аналогичным образом выпускной кулачок 253 может включать в себя отдельные и отличные рабочие части, которые обеспечивают различные клапанные профили (например, изменение фаз газораспределения, высота подъема клапанов, продолжительность открытия и т.д.) для каждого из двух выпускных клапанов камеры 20 сгорания. В другом примере впускной кулачок 251 может включать в себя общую рабочую часть или сходные рабочие части, которые обеспечивают по существу сходный клапанный профиль для каждого из двух впускных клапанов.
Кроме того, различные профили кулачков для различных выпускных клапанов можно использовать для отделения отработавших газов, выпускаемых при низком давлении в цилиндре, от отработавших газов, выпускаемых при высоком давлении в цилиндре. Например, первый профиль выпускного кулачка может открыть из закрытого положения первый выпускной клапан прямо перед достижением НМТ (нижняя мертвая точка) рабочего хода камеры 20 сгорания и закрыть тот же самый выпускной клапан задолго до достижения ВМТ (верхняя мертвая точка) для избирательного выпуска сбросных газов из камеры сгорания. Дополнительно, второй профиль выпускного кулачка может быть расположен для открытия из закрытого положения второго выпускного клапана приблизительно в средней точке такта выпуска и закрыть его перед достижением ВМТ для избирательного выпуска продувочной части отработавших газов.
Далее по ФИГ. 2, датчик 226 отработавших газов показан в соединении с выпускным каналом 148. Датчик 226 может быть установлен в выпускном канале выше по потоку от одного или более устройств контроля выбросов, например, устройства 72, показанного на ФИГ. 1. Датчик 226 может быть выбран среди различных подходящих датчиков, обеспечивающих показания воздушно-топливного отношения в отработавшем газе, например, линейный датчик кислорода или УДКОГ (универсальный датчик кислорода в отработавших газах), датчик кислорода с двумя состояниями или ДКОГ (датчик кислорода в отработавших газах) (в соответствии с изображением), НДКОГ (нагреваемый датчик кислорода в отработавших газах), датчик NOx, НС или СО. Устройства контроля выбросов, расположенные ниже по потоку, могут включать в себя один или более из трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов (ТККН), азотные ловушки, различные другие устройства контроля выбросов или их сочетания.
Температуру отработавших газов можно определить с помощью одного или более датчиков температуры (не показаны), расположенных в выпускном канале 148. В других случаях температуру отработавших газов можно определять на основе рабочих условий двигателя, таких как частота вращения, нагрузка, воздушно-топливное отношение (ВТО), запаздывание зажигания и т.д.
Цилиндр 20 может обладать степенью сжатия, т.е. соотношением объемов, когда поршень 236 находится в нижней точке и верхней точке. Традиционно степень сжатия находится в диапазоне от 9:1 до 10:1. Однако в некоторых примерах, при использовании различных видов топлива, степень сжатия может быть увеличена. Это может происходить, например, при использовании видов топлива с более высоким октановым числом или с более высокой скрытой энтальпией парообразования. Степень сжатия также можно увеличить, если применяют прямой впрыск из-за ее воздействия на детонацию.
В некоторых вариантах осуществления каждый цилиндр двигателя 10 может включать в себя свечу 91 зажигания для инициирования сгорания. Система 288 зажигания может обеспечивать искру зажигания для камеры 20 сгорания через свечу 91 зажигания в ответ на сигнал опережения зажигания (ОЗ) для свечи от контроллера 12, в соответствии с выбранным рабочим режимом. Однако в некоторых вариантах осуществления свеча 91 зажигания может отсутствовать, например, когда в двигателе 10 сгорание инициируют путем самовозгорания или впрыском топлива, как, например, в некоторых дизельных двигателях.
В некоторых вариантах каждый цилиндр двигателя 10 может быть выполнен с одной или более топливными форсунками для впрыска топлива. В качестве неограничивающего примера цилиндр 20 показан с одной топливной форсункой 66. Топливная форсунка 66 показана в прямом соединении с камерой 20 сгорания для прямого впрыска топлива пропорционально длительности импульса впрыска топлива (ИВТ), полученного от контроллера 12, через электронный драйвер 268. Таким образом, топливная форсунка 66 обеспечивает то, что известно как прямой впрыск (ПВ) топлива в цилиндр 20 сгорания. На ФИГ. 2 показана топливная форсунка 66 в виде боковой топливной форсунки, однако она также может быть установлена над поршнем, например, рядом со свечой 91 зажигания. Такое положение может улучшать смешивание и сгорание, когда двигатель работает на спиртовом топливе, благодаря более низкой летучести некоторых спиртовых видов топлива. В других случаях топливная форсунка может быть установлена над выпускным клапаном и рядом с впускным клапаном для улучшения смешивания. В другом варианте осуществления в качестве топливной форсунки 66 может использоваться инжектор распределительного впрыска, подающий топливо во впускной порт выше по потоку от цилиндра 20.
Топливо может подаваться в топливную форсунку 66 из топливной системы 8 высокого давления, включающей в себя топливные баки, топливные насосы и топливную рампу. В других случаях топливо может подаваться с помощью одноступенчатого топливного насоса при низком давлении, в таком случае время прямого впрыска топлива может оказаться более ограниченным в такте сжатия по сравнению с использованием топливной системы высокого давления. Дополнительно, хотя и не показано на фигуре, топливные баки могут иметь датчик давления, направляющий сигнал в контроллер 12. Топливные баки в топливной системе 8 могут содержать топливо, обладающее различными качествами, например, различные составы топлива. Эти различия могут включать в себя различные содержания спирта, разные октановые числа, разную скрытую теплоту парообразования, разные топливные смеси и/или их сочетания и т.д. В некоторых вариантах осуществления топливная система 8 может быть соединена с системой рекуперации топливных паров, включающей в себя канистру для хранения топливных паров для дозаправки и суточных топливных паров. Топливные пары могут подаваться из канистры в цилиндры двигателя во время работы двигателя, когда выполняются условия, подходящие для такой продувки. Например, продувочные пары могут подаваться в цилиндр без наддува через первый впускной канал или под давлением ниже барометрического.
Контроллер 12 показан на ФИГ. 2 в качестве микрокомпьютера, включающего в себя микропроцессорное устройство 102, порты 104 ввода-вывода, электронный носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в качестве постоянного запоминающего устройства 106 в данном конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимое запоминающее устройство 110 и шину данных. Постоянное запоминающее устройство 106 электронного носителя может быть запрограммировано с помощью машиночитаемых данных, представляющих собой инструкции, исполняемые микропроцессором 102, для осуществления способов и алгоритмов, раскрываемых далее, а также других вариантов, предусмотренных, но не указанных в конкретном виде. Контроллер 12 выполнен с возможностью получения различных сигналов от датчиков, соединенных с двигателем 10, в дополнение к вышеуказанным сигналам, таких как данные массового расхода воздуха (МРВ) от датчика 48 массового расхода воздуха; данные температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 212 температуры, соединенного с рубашкой 214 охлаждения; сигнал профиля зажигания (СПЗ) от датчика 220 на эффекте Холла, соединенного с коленчатым валом 240; и положение дроссельной заслонки (ПДЗ) от датчика положения дроссельной заслонки; сигнал давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика 98; воздушно-топливное отношение (ВТО) от датчика 226 кислорода (ДКОГ); и ненормальное сгорание от датчика детонации и датчика ускорения коленчатого вала. Контроллер 12 может создавать сигнал частоты вращения двигателя (ЧВД) из сигнала профиля зажигания (СПЗ). Сигнал давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика давления в коллекторе может использоваться для предоставления указания на вакуум или давление во впускном коллекторе.
На основе входных данных от одного или более вышеуказанных датчиков контроллер 12 может регулировать один или более приводов, такие как топливная форсунка 66, дроссель 62, свеча 91 зажигания, впускные / выпускные клапаны и кулачки и т.д. Контроллер может получать входные данные от различных датчиков, обрабатывать входные данные и задействовать приводы в ответ на обработанные входные данные на основе инструкций или кода, запрограммированного в нем, в соответствии с одним или более алгоритмами. Примерные алгоритмы управления раскрываются далее в соответствии с ФИГ. 3-5.
Например, система может содержать: цилиндр двигателя; первый выпускной клапан для подачи первоначальной части отработавших газов из цилиндра в турбину турбогенератора через первый выпускной канал; второй выпускной клапан для подачи более поздней части отработавших газов из цилиндра в каталитический нейтрализатор через второй выпускной канал отдельно от первого выпускного канала; и контроллер с машиночитаемыми инструкциями для: запаздывания времени открытия первого выпускного клапана относительно первого, нормального времени открытия выпускного клапана в ответ на частоту вращения турбогенератора, превышающую пороговое значение частоты вращения турбогенератора; и опережения по времени открытия второго выпускного клапана относительно второго, нормального времени открытия выпускного клапана.
Дополнительно, в ответ на разность между действительной производительностью турбогенератора и требуемой производительностью турбогенератора меньше порогового значения разности, работу двигателя с первым, нормальным временем открытия выпускного клапана и вторым, нормальным временем открытия выпускного клапана; причем первое время открытия выпускного клапана устанавливают с опережением относительно второго времени открытия выпускного клапана.
Дополнительно, величину запаздывания открытия первого выпускного клапана и величину опережения открытия второго выпускного клапана может быть увеличена по мере увеличения частоты вращения турбогенератора.
Что касается ФИГ. 3, то предложен способ 300 для регулировки сбросных отработавших газов, подаваемых в турбину турбогенератора (например, турбогенератор 190 на ФИГ. 1), включенный в разветвленную выхлопную систему. Например, для предотвращения возникновения условий превышения допустимой частоты вращения турбины и/или уменьшения производительности генератора, величину сбросных газов, подаваемых в турбину, можно уменьшать. Способ в соответствии с ФИГ. 3 может быть сохранен в качестве исполняемых инструкций в долговременной памяти контроллера 12, как показано на ФИГ. 1-2.
На шаге 302 способ 300 включает в себя определение и/или измерение рабочих условий. Рабочие условия могут включать в себя, без ограничения, степень заряженности аккумуляторной батареи, потребность в электроэнергии или электрическую нагрузку, частоту вращения турбины, частоту вращения генератора, производительность генератора, частоту вращения двигателя, нагрузку двигателя, положение акселератора, положение дроссельной заслонки, положение педали тормоза, скорость хода автомобиля, температуру двигателя, массовый расход отработавших газов, температуру отработавших газов, окружающую температуру и нагрузку. Таким образом, производительностью генератора может быть одно или более выходное напряжение генератора, выходной ток генератора и выходная мощность генератора.
На шаге 304 способ 300 может включать в себя определение требуемой частоты вращения генератора на основе определенных рабочих условий для получения требуемой производительности генератора. В подробностях определение требуемой частоты вращения генератора рассматривают далее со ссылкой на ФИГ. 4. Далее, на шаге 306, способ может включать в себя определение порогового значения частоты вращения турбины на основе требуемой частоты вращения генератора при текущей определенной частоте вращения двигателя и условий нагрузки. Например, пороговым значением частоты вращения турбины может быть такая частота вращения турбины, превышая которую производительность турбины может уменьшиться ниже порогового значения производительности. В других случаях пороговым значением частоты вращения может быть частота вращения турбины, превышая которую надежность и долговечность турбины и/или генератора падает при текущей температуре отработавших газов и окружающей температуре.
При определении требуемого порогового значения частоты вращения на шаге 308 способ 300 может включать в себя определение, превышает ли действительная частота вращения турбины пороговое значение частоты вращения. Если на шаге 308 ответ ДА, то способ может перейти к шагу 312. На шаге 312 способ может включать в себя регулировку фаз газораспределения и/или продолжительности открытия первого выпускного клапана (т.е. сбросного клапана), второго выпускного клапана (т.е. продувочного клапана) и/или перепускной заслонки для уменьшения частоты вращения турбины и/или производительности генератора. Производительность генератора может включать в себя одно или более выходное напряжение генератора, выходной ток генератора или выходную мощность генератора. Например, можно регулировать первое изменение фаз газораспределения с использованием выпускного клапана для первого выпускного клапана, соединенного с первым выпускным каналом, и второе изменение фаз газораспределения с использованием выпускного клапана для второго выпускного клапана, соединенного со вторым выпускным каналом. Первое изменение фаз газораспределения с использованием выпускного клапана может включать в себя первое время открытия выпускного клапана и первое время закрытия выпускного клапана, и второе изменение фаз газораспределения с использованием выпускного клапана может включать в себя второе время открытия выпускного клапана и второе время закрытия выпускного клапана. Таким образом, фазы газораспределения могут регулироваться на основе рабочих условий двигателя. Например, когда первый выпускной клапан и второй выпускной клапан соединяют с приводом выпускного клапана, фазировку распределительного вала выпускных клапанов можно регулировать для открытия первого выпускного клапана с использованием первого изменения фаз газораспределения с использованием выпускного клапана и второго изменения фаз газораспределения с использованием выпускного клапана с использованием второго изменения фаз газораспределения. Первое изменение фаз газораспределения с использованием выпускного клапана можно регулировать относительно второго изменения фаз газораспределения с использованием выпускного клапана на основе рабочих условий двигателя.
В частности, во время нормальной работы двигателя первое изменение фаз газораспределения с использованием выпускного клапана можно регулировать с опережением в цикле двигателя по сравнению со вторым изменением фаз газораспределения с использованием выпускного клапана. Например, как далее проиллюстрировано на ФИГ. 6, первое изменение фаз газораспределения с использованием выпускного клапана может быть более ранним (т.е. значительно до 180 градусов за ВМТ), при этом второе изменение фаз газораспределения с использованием выпускного клапана может быть более поздним (т.е. ближе к 180 градусам за ВМТ). Однако, когда частоту вращения турбины увеличивают до уровня выше порогового значения частоты вращения и/или когда производительность генератора превышает пороговое значение производительности, изменение фаз газораспределения и/или продолжительностей открытия первого выпускного клапана и второго выпускного клапана можно регулировать для снижения потока сбросных отработавших газов, поступающих в турбину. В частности, например, для того чтобы уменьшить поток сбросных газов в турбину, изменение фаз газораспределения первого выпускного клапана можно выбрать с запаздыванием, а изменение фаз газораспределения второго выпускного клапана можно выбрать с опережением. В другом примере продолжительность открытия второго выпускного клапана можно увеличить для увеличения величины отработавших газов, проходящих в обход турбины. Следовательно, можно снижать расход сбросных газов, подаваемых в турбину.
В некоторых примерах во время нормальной работы регулировка фаз газораспределения второго выпускного клапана может включать в себя открытие второго выпускного клапана между 170 и 210 градусами за верхней мертвой точкой и закрытие второго выпускного клапана между 350 и 390 градусами за верхней мертвой точкой.
В дополнение к первому и второму изменению фаз газораспределения с использованием выпускного клапана и открытию выпускного клапана можно определять высоту подъема клапана для каждого выпускного клапана. Соответственно, можно регулировать фазировку распределительного вала.
Например, первый выпускной клапан можно открывать с первой величиной высоты подъема клапана, при этом второй выпускной клапан можно открывать с использованием второй, отличной величиной высоты подъема клапана. Например, как проиллюстрировано на ФИГ. 6-7, первая величина высоты подъема клапана для первого выпускного клапана может быть меньше второй величины высоты подъема клапана для второго выпускного клапана. В другом примере первый выпускной клапан может быть открыт и оставлен открытым в течение первой продолжительности, при этом второй выпускной клапан можно открывать и оставлять открытым в течение второй, отличной продолжительности. Например, как проиллюстрировано на ФИГ. 6-7, первый выпускной клапан может быть открыт и оставлен открытым в течение более короткой продолжительности по сравнению со вторым выпускным клапаном.
В некоторых примерах в дополнение к регулировке первого и второго изменения фаз газораспределения с использованием выпускного клапана, продолжительности открытия и высоты подъема, можно регулировать перепускную заслонку (например, перепускную заслонку 127 на ФИГ. 1). Например, величину открытия перепускной заслонки можно увеличивать для увеличения величины отработавших газов, направляемых в обход турбины.
Возвращаясь к шагу 308, если определяют, что действительная частота вращения турбины меньше порогового значения частоты вращения турбины, то способ может перейти к шагу 310. На шаге 310 способ может включать в себя определение, превышает ли производительность генератора пороговое значение. Если на шаге 310 ответ ДА, то способ может перейти к шагу 312 для регулировки фаз газораспределения, продолжительности открытия и/или высоты подъема первого выпускного клапана и/или второго выпускного клапана для уменьшения частоты вращения турбины, в соответствии с вышеуказанными описаниями. Путем уменьшения частоты вращения турбины можно уменьшать производительность турбогенератора. Далее в деталях рассматривают изменение первых и вторых фаз газораспределения, продолжительности открытия и высоты подъема выпускного клапана для уменьшения частоты вращения турбины и, следовательно, производительности генератора, со ссылкой на ФИГ. 7.
Если на шаге 310 ответ НЕТ (т.е. если производительность генератора меньше порогового значения) способ может перейти к шагу 318.
На шаге 318 способ может включать в себя работу двигателя с нормальными фазами газораспределения. Т.е., если определяют, что частота вращения турбины ниже порогового значения, производительность генератора ниже порогового значения, и разность между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора меньше порогового значения разности, двигатель может работать в нормальном режиме, причем нормальный режим работы двигателя может включать в себя сначала открытие сбросного клапана для подачи первоначальной части энергии отработавших газов в турбину через сбросный клапана, и затем последующее открытие продувочного клапана для подачи более поздней части энергии отработавших газов в каталитический нейтрализатор. Дополнительно, во время нормальной работы двигателя перепускная заслонка может быть закрыта. Нормальный режим работы двигателя далее рассматривают в деталях со ссылкой на ФИГ. 6.
Таким образом, в ответ на частоту вращения турбины, превышающую пороговое значение частоты вращения, или производительность генератора, превышающую пороговое значение, фазы газораспределения, продолжительность открытия и/или высоту подъема первого и/или второго выпускного клапана можно регулировать для уменьшения величины энергии сбросных отработавших газов, подаваемой в турбину, для предотвращения превышения допустимой частоты вращения турбины и/или для уменьшения производительности турбогенератора.
В некоторых примерах фазы газораспределения, продолжительность открытия и/или высоту подъема первого и/или второго выпускного клапана, и/или положение перепускной заслонки можно регулировать в ответ на разность между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора, превышающую пороговое значение разности.
Например, способ для двигателя с разветвленной выхлопной системой может содержать: в ответ на частоту вращения турбины, превышающую первое пороговое значение частоты вращения турбины, запаздывание времени открытия первого выпускного клапана цилиндра, подающего отработавшие газы в турбину турбогенератора. Способ дополнительно может содержать опережение времени открытия второго выпускного клапана цилиндра, подающего отработавшие газы в каталитический нейтрализатор, направляя отработавшие газы в обход турбины. Дополнительно, продолжительность открытия второго выпускного клапана может быть увеличена в ответ на частоту вращения турбины, превышающую первое пороговое значение частоты вращения. Дополнительно, величина открытия перепускной заслонки может быть увеличена в ответ на частоту вращения турбины, превышающую первое пороговое значение частоты вращения, причем первое пороговое значение частоты вращения основано на требуемой частоте вращения генератора. Требуемая частота вращения генератора может основываться на степени заряженности аккумуляторной батареи, потребности в электроэнергии или электрической нагрузке, частоте вращения двигателя, нагрузке двигателя, величине массового расхода отработавших газов, поступающих в турбину через первый выпускной клапан.
Способ дополнительно может включать в себя запаздывание времени открытия первого выпускного клапана; и опережение времени открытия второго выпускного клапана в ответ на производительность генератора, превышающую пороговое значение. Дополнительно, в ответ на разность между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора меньше первого порогового значения разности, первый выпускной клапан может функционировать в соответствии с первым, нормальным временем открытия и первым, нормальным открытием для выпускного клапана; и второй выпускной клапан может функционировать в соответствии со второй, нормальной продолжительностью открытия для выпускного клапана и второй, нормальной продолжительностью открытия для выпускного клапана, причем первое, нормальное открытие выпускного клапана по времени происходит с опережением относительно второго, нормального времени открытия выпускного клапана.
ФИГ. 4 иллюстрирует пример способа 400 для определения требуемой частоты вращения генератора турбогенераторной системы (например, турбогенератора 190 на ФИГ. 1), расположенного в первом выпускном коллекторе (например, первом выпускном коллекторе 59 на ФИГ. 1) системы двигателя с разветвленной системой коллектора (например, система 10 двигателя на ФИГ. 1). Требуемой частотой вращения генератора может быть частота вращения генератора, при которой турбогенератор может работать с учетом текущих рабочих условий двигателя для получения требуемой производительности. Способ в соответствии с ФИГ. 4 можно использовать вместе со способом на ФИГ. 3. Например, способ 400 можно осуществлять на шаге 304 способа 300. Способ в соответствии с ФИГ. 4 можно сохранять в качестве исполняемых инструкций в долговременной памяти контроллера 12, как показано на ФИГ. 1-2.
На шаге 404 алгоритм может включать в себя определение рабочих условий, включающих в себя степень заряженности аккумуляторной батареи, потребность в электроэнергии или электрическую нагрузку, окружающую температуру, частоту вращения двигателя, нагрузку двигателя и массовый расход отработавших газов, поступающих в турбину. Массовым расходом отработавших газов, подаваемых в турбину, может быть величина массового расхода отработавших газов, подаваемых в турбину турбогенератора через первый выпускной клапан и первый выпускной канал. В соответствии с вышеуказанным первая часть отработавших газов может подаваться в турбину через первый выпускной клапан и первый выпускной канал во время первой части такта выпуска.
При определении рабочих условий способ может включать в себя, на шаге 406, определение требуемой частоты вращения генератора на основе текущей частоты вращения двигателя / условий нагрузки, и дополнительно на основе массового расхода отработавших газов, подаваемых в турбину. При низкой степени заряженности аккумуляторной батареи или при высокой электрической нагрузке требуемую частоту вращения генератора можно выбирать для максимизации производительности генератора, в противном случае требуемую частоту вращения генератора можно выбирать для соответствия производительности генератора текущей электрической нагрузке. Например, требуемую частоту вращения генератора можно определять из справочной таблицы, содержащей значения требуемой частоты вращения генератора для различных значений частоты вращения двигателя, условий нагрузки и уровней электрической производительности. Например, для каждого из множества значений частоты вращения двигателя и условий нагрузки требуемую частоту вращения генератора можно определять, по меньшей мере, на основе частоты вращения двигателя и условий нагрузки, массового расхода отработавших газов, подаваемых в турбину, и требуемой электрической производительности. Дополнительно, требуемая частота вращения генератора может основываться на производительности турбины и производительности генератора для каждого из множества значений частоты вращения двигателя и условий нагрузки. Можно создавать Справочную таблицу, включая требуемую частоту вращения для каждого условия частоты вращения / нагрузки, и справочную таблицу можно использовать для определения требуемой частоты вращения генератора во время работы двигателя. Требуемую частоту вращения генератора также можно урезать, исходя из надежности турбины и/или генератора, в зависимости от температуры отработавших газов и/или окружающей температуры. Пороговое значение частоты вращения турбины можно определять на основе рабочих условий.
Таким образом, путем установки требуемой частоты вращения генератора на основе электрических условий, частоты вращения двигателя / нагрузки двигателя и расхода отработавших газов, подаваемых в турбину, электрическую производительность турбогенератора можно регулировать для повышения эффективности, производительности и надежности.
ФИГ. 5 иллюстрирует способ 500 для изменения фаз газораспределения и/или продолжительности открытия первого выпускного клапана (далее - "сбросный выпускной клапан" или "сбросный клапан") и второго выпускного клапана (далее - "продувочный выпускной клапана" или "продувочный клапан") для уменьшения энергии отработавших газов, подаваемой в турбину турбогенератора, для предотвращения условий превышения допустимой частоты вращения турбины и/или уменьшения производительности генератора. В частности, ФИГ. 5 иллюстрирует способ 500 для регулировки фаз газораспределения и/или продолжительности открытия сбросного клапана и/или продувочного клапана, когда частоту вращения турбины увеличивают свыше порогового значения частоты вращения и/или когда производительность генератора увеличивают свыше порогового значения производительности. Способ в соответствии с ФИГ. 5 можно использовать вместе со способом на ФИГ. 3. Например, способ 500 можно осуществлять на шаге 312 способа 300. Способ в соответствии с ФИГ. 5 можно сохранять в качестве исполняемых инструкций в долговременной памяти контроллера 12, как показано на ФИГ. 1-2.
На шаге 502 способ 500 может включать в себя определение и/или расчет рабочих условий. Рабочие условия могут включать в себя, без ограничения, степень заряженности аккумуляторной батареи, потребность в электроэнергии или электрическую нагрузку, окружающую температуру, частоту вращения турбины, частоту вращения генератора, производительность генератора, частоту вращения двигателя, положение акселератора, положение дроссельной заслонки, положение педали тормоза, скорость хода автомобиля, температуру двигателя, массовый расход отработавших газов и нагрузку двигателя. Далее, на шаге 504, способ может включать в себя определение частоты вращения турбины, требуемой производительности генератора и действительной производительности генератора на основе рабочих условий. Требуемая производительность генератора может основываться на рабочих условиях, используя способ, схожий с приведенным выше способом для шага 406 на ФИГ. 6.
Далее, на шаге 506, способ может включать в себя определение, превышает ли частота вращения турбины второе пороговое значение частоты вращения. Если ответ ДА, то алгоритм может перейти к шагу 510. На шаге 510 способ может включать в себя регулировку фаз газораспределения и/или продолжительности открытия сбросного клапана и/или продувочного клапана на основе частоты вращения турбины для уменьшения энергии отработавших газов, подаваемой в турбину. Например, когда частота вращения турбины превышает второе пороговое значение, фазы газораспределения сбросного клапана можно устанавливать с первой степенью запаздывания относительно нормальных фаз газораспределения сбросного клапана, и/или фазы газораспределения продувочного клапана можно устанавливать с опережением второй степени относительно нормальных фаз газораспределения продувочного клапана. Дополнительно, продолжительность открытия продувочного клапана можно регулировать, задавая вторую продолжительность открытия продувочного клапана, превышающую нормальную продолжительность открытия продувочного клапана, чтобы большее количество отработавших газов проходило в каталитический нейтрализатор в обход турбины. Дополнительно, перепускную заслонку можно открывать с первой величиной открытия перепускной заслонки, чтобы отвести отработавшие газы от турбины.
Нормальные фазы газораспределения сбросного клапана, нормальные фазы газораспределения продувочного клапана и нормальную продолжительность открытия продувочного клапана можно использовать во время нормальных рабочих условий двигателя (т.е., когда частота вращения турбины меньше первого порогового значения, и/или когда производительность генератора меньше порогового значения производительности. Например, во время нормальной работы двигателя (как показано далее на ФИГ. 6), фазы газораспределения сбросного клапана можно устанавливать с опережением в такте выпуска (т.е. перед 180 градусами за ВМТ), при этом фазы газораспределения продувочного клапана можно устанавливать с запаздыванием в том же самом такте выпуска (т.е. ближе к 180 градусам за ВМТ).
Например, продолжительность открытия продувочного клапана можно увеличивать путем опережения времени открытия продувочного клапана. В другом примере продолжительность открытия продувочного клапана можно варьировать в зависимости от частоты вращения двигателя. Например, при увеличении частоты вращения двигателя продолжительность открытия продувочного клапана можно увеличивать. Таким образом, путем увеличения продолжительности открытия продувочного клапана с увеличением частоты вращения двигателя можно уменьшать насосные потери.
Например, первую степень запаздывания сбросного клапана, вторую степень запаздывания продувочного клапана, вторую продолжительность открытия продувочного клапана и первую величину открытия перепускной заслонки можно регулировать на основе частоты вращения турбины. Например, при увеличении частоты вращения турбины степень запаздывания сбросного клапана, степень опережения продувочного клапана, продолжительность открытия продувочного клапана и первую величину открытия перепускной заслонки можно увеличивать. Таким образом, сбросный клапан, продувочный клапан и перепускную заслонку можно регулировать на основе частоты вращения турбины для уменьшения величины отработавших газов, проходящих через турбину, когда частоту вращения турбины увеличивают свыше второго порогового значения.
Возвращаясь к шагу 506, если частота вращения турбины не превышает второе пороговое значение, способ может перейти к шагу 508. На шаге 508 способ может включать в себя определение, превышает ли разность между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора пороговое значение разности. Если на шаге 508 ответ ДА, то способ может перейти к шагу 512.
На шаге 512, при подтверждении того, что частота вращения турбины меньше второго порогового значения частоты вращения, а разность превышает пороговое значение разности, способ может включать в себя регулировку фазировки и продолжительности открытия сбросного клапана и/или продувочного клапана на основе разности между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора. Например, когда разность превышает пороговое значение разности, фазы газораспределения сбросного клапана можно устанавливать с третьей степенью запаздывания относительно нормальных фаз газораспределения сбросного клапана, и/или фазы газораспределения продувочного клапана можно устанавливать с четвертой степенью опережения относительно нормальных фаз газораспределения продувочного клапана. Например, третья степень запаздывания может быть меньше первой степени запаздывания (первую степень запаздывания использовали на шаге 510, когда частота вращения турбины превышала второе пороговое значение) и четвертая степень опережения может быть меньше второй степени опережения (вторую степень опережения использовали на шаге 510). Дополнительно, продолжительность открытия продувочного клапана можно увеличивать до третьей продолжительности открытия продувочного клапана. Например, третья продолжительность открытия продувочного клапана может быть меньше второй продолжительности открытия продувочного клапана, используемой на шаге 510, и больше первой продолжительность открытия продувочного клапана, используемой во время нормальной работы клапанов (т.е., когда частота вращения турбины меньше первого порогового значения, и/или когда производительность генератора меньше первого порогового значения производительности). Дополнительно, на шаге 512 может быть закрыта перепускная заслонка. Однако в некоторых примерах, перепускную заслонку можно открывать на вторую величину открытия перепускной заслонки, причем вторая величина открытия перепускной заслонки может быть меньше первой величины открытия перепускной заслонки.
Например, третью степень запаздывания сбросного клапана, четвертую степень опережения продувочного клапана и третью продолжительность открытия продувочного клапана можно регулировать на основе разности между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора. Например, при увеличении разности между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора третью степень запаздывания сбросного клапана, четвертую степень опережения продувочного клапана и третью продолжительность открытия продувочного клапана можно увеличивать.
Возвращаясь к шагу 508, если на шаге 508 ответ НЕТ, т.е, если разность между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора меньше порогового значения разности, то способ может перейти к шагу 514. На шаге 514 способ может включать в себя регулировку фаз газораспределения и продолжительности открытия сбросного клапана и продувочного клапана на основе нормальной работы, в зависимости от частоты вращения двигателя и условий нагрузки. Например, регулировка фаз газораспределения и продолжительности открытия сбросного клапана и продувочного клапана может основываться на массовом расходе воздуха, подаваемого в двигатель, в дополнение к частоте вращения двигателя и условиям нагрузки. Сбросный клапан можно регулировать, перемещая его в положение опережения, а продувочный клапан - в положение запаздывания, для продувочного клапана можно устанавливать короткую продолжительность открытия, причем с незначительными изменениями этих регулировок в зависимости от частоты вращения двигателя и нагрузки. Нормальный режим работы далее рассматривают в деталях со ссылкой на ФИГ. 6.
Таким образом, путем регулировки фаз газораспределения и продолжительности открытия сбросного выпускного клапана и/или продувочного выпускного клапана и/или перепускной заслонки, величину энергии отработавших газов, подаваемой в турбину, можно уменьшать для предотвращения возникновения условий превышения допустимой частоты вращения турбины и/или для уменьшения производительности генератора.
Например, способ для двигателя с разветвленной выхлопной системой, включающей в себя турбину в первом выпускном канале, выполненную с возможностью соединения с генератором, и каталитический нейтрализатор отработавших газов во втором выпускном канале может содержать: поток отработавших газов, подаваемых в турбину через первый выпускной клапан из цилиндра двигателя в первый выпускной канал; поток отработавших газов, подаваемых в каталитический нейтрализатор через второй выпускной клапан из цилиндра двигателя во второй выпускной канал; и опережение времени открытия второго выпускного клапана на вторую величину и увеличение продолжительности открытия второго выпускного клапана на первую продолжительность во время первого условия. Дополнительно, первое время открытия выпускного клапана можно устанавливать с запаздыванием на первую величину, и перепускную заслонку можно открывать на первую величину открытия перепускной заслонки во время первого условия. Первое условие может включать в себя частоту вращения турбины, превышающую первое пороговое значение частоты вращения и второе пороговое значение частоты вращения.
Дополнительно, первое время открытия выпускного клапана можно устанавливать с запаздыванием на третью величину, второе время открытия выпускного клапана можно устанавливать с опережением на четвертую величину, продолжительность открытия второго выпускного клапана можно увеличивать на вторую продолжительность, и перепускную заслонку можно закрывать для уменьшения потока отработавших газов, направляемых в турбину во время второго условия. Второе условие может включать в себя частоту вращения турбины, значение которой меньше второго порогового значения частоты вращения и больше первого порогового значения частоты вращения, и разность между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора больше второго порогового значения разности.
Дополнительно, первое время открытия выпускного клапана можно устанавливать с запаздыванием на пятую величину, второе время открытия выпускного клапана можно устанавливать с опережением на шестую величину, продолжительность открытия второго выпускного клапана можно увеличивать на третью продолжительность, и перепускную заслонку можно закрывать для уменьшения потока отработавших газов, направляемых в турбину во время третьего условия. Третье условие может включать в себя частоту вращения турбины, значение которой меньше второго порогового значения, и разность между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора меньше второго порогового значения и больше первого порогового значения разности.
Таким образом, первая величина может быть больше третьей величины; третья величина может быть больше пятой величины; первая продолжительность открытия может быть больше второй продолжительности открытия; и вторая продолжительность открытия может быть больше третьей продолжительности открытия.
Дополнительно, увеличение продолжительности открытия второго выпускного клапана может включать в себя опережение времени открытия второго выпускного клапана относительно нормального времени открытия второго выпускного клапана, без изменения времени закрытия второго выпускного клапана относительного нормального времени закрытия второго выпускного клапана, причем нормальное время открытия второго выпускного клапана может включать в себя открытие второго выпускного клапана между 170 и 210 градусами за верхней мертвой точкой и закрытие второго выпускного клапана между 350 и 390 градусами за верхней мертвой точкой.
Дополнительно, первая величина отработавших газов, направляемых в обход турбины во время первого условия, может быть больше второй величины отработавших газов, направляемых в обход турбины во время второго условия; и вторая величина отработавших газов во время второго условия может быть больше третьей величины отработавших газов третьего условия.
В некоторых примерах в ответ на частоту вращения турбины, превышающую пороговое значение, и/или производительность генератора, превышающую пороговое значение, фазы газораспределения первого выпускного клапана (т.е. сбросного клапана), фазы газораспределения второго выпускного клапана (т.е. продувочного клапана), продолжительность открытия второго выпускного клапана (т.е. продолжительность открытия продувочного клапана) и открытие перепускной заслонки можно регулировать одновременно.
В некоторых примерах в ответ на частоту вращения турбины, превышающую пороговое значение, и/или производительность генератора, превышающую пороговое значение, можно регулировать только один параметр из следующих: фазы газораспределения первого выпускного клапана, фазы газораспределения второго выпускного клапана, продолжительность открытия второго выпускного клапана и открытие перепускной заслонки.
В других примерах в ответ на частоту вращения турбины, превышающую пороговое значение, и/или производительность генератора, превышающую пороговое значение, можно одновременно регулировать один или более, но не все параметры из следующих: фазы газораспределения первого выпускного клапана, фазы газораспределения второго выпускного клапана, продолжительность открытия второго выпускного клапана и открытие перепускной заслонки.
Что касается ФИГ. 6, на карте 600 изображен пример фаз газораспределения впускного клапана и фаз газораспределения выпускного клапана относительно положения поршня для системы двигателя, включающей в себя первый выпускной канал и второй, отличный выпускной канал. Таким образом, фазы газораспределения, изображенные на ФИГ. 6, могут быть нормальными фазами газораспределения, которые могут использоваться во время нормальных условий работы двигателя, которые могут включать в себя частоту вращения турбины, значение которой не превышает пороговое значение частоты вращения, и производительность генератора, значение которой не превышает пороговое значение производительности. Например, во время нормальной работы двигателя первая величина отработавших газов может подаваться в турбину турбогенератора, включенную в первый выпускной канал, через первый выпускной клапан (далее - «сбросный выпускной клапан»), и вторую величину отработавших газов можно подавать в каталитический нейтрализатор, включенный во второй выпускной канал, через второй выпускной клапан (далее - «продувочный выпускной клапан»).
На карте 600 иллюстрируют положение поршня вдоль оси X в градусах угла коленчатого вала. Кривая 602 изображает положения поршня (по оси Y) со ссылкой на их местоположения от верхней мертвой точки (ВМТ), перед верхней мертвой точкой (ПВМТ) и за верхней мертвой точкой (ЗВМТ), и далее со ссылкой на их местоположения в рамках четырех тактов (впуск, сжатие, сгорание и выпуск) цикла двигателя.
Во время работы двигателя каждый цилиндр, как правило, проходит через четыре такта цикла, включая такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. Во время такта впуска обычно выпускные клапаны закрывают и впускные клапаны открывают. Воздух подают в цилиндр через соответствующий впускной канал, и поршень цилиндра перемещают в нижнюю часть цилиндра, чтобы увеличить объем в цилиндре. Положение, в котором поршень находится рядом с дном цилиндра и в конце такта (например, когда камера сгорания имеет наибольший объем), специалисты в данной области техники обычно называют нижней мертвой точкой (НМТ). В данном случае НМТ такта впуска указывают как 180 градусов перед верхней мертвой точкой (180 ПВМТ). Во время такта сжатия впускные клапаны и выпускные клапаны закрывают. Поршень перемещают в сторону головки цилиндра для сжатия воздуха в камере сгорания. Точку, в которой поршень находится в конце такта и наиболее близко к головке цилиндра (например, когда камера сгорания имеет наименьший объем), специалисты в данной области техники обычно называют верхней мертвой точкой (ВМТ). В данном случае ВМТ такта сжатия указывают как 0 градусов ВМТ (0 ВМТ). В процессе, называемом в данном случае впрыском, топливо подают в камеру сгорания. В процессе, называемом в данном случае зажиганием, впрыснутое топливо зажигают с помощью известных средств зажигания, таких как свеча зажигания, что приводит к сгоранию. Во время такта расширения расширяющиеся газы толкают поршень обратно к НМТ. В данном случае НМТ такта расширения указывают как 180 градусов ПВМТ (180 ПВМТ). Коленчатый вал преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Во время такта выпуска выпускные клапаны открывают для выпуска остатка сгоревшей воздушно-топливной смеси в соответствующий выпускной канал, и поршень возвращают в ВМТ.
Кривая 604 изображает первые фазы газораспределения впускного клапана, подъем и продолжительность открытия первого впускного клапана (Впускной Клапан_1), соединенного с впускным каналом цилиндра двигателя, а кривая 606 изображает вторые фазы газораспределения впускного клапана, подъем и продолжительность открытия второго впускного клапана (Впускной Клапан_2), соединенного с впускным каналом цилиндра двигателя. Кривая 608 изображает первые фазы газораспределения выпускного клапана, высоту подъема и продолжительность открытия первого выпускного клапана (сбросный клапан), соединенного с первым выпускным каналом цилиндра двигателя, а кривая 610 изображает вторые фазы выпускного клапана, высоту подъема и продолжительность открытия второго выпускного клапана (продувочный клапан), соединенного со вторым выпускным каналом цилиндра двигателя. В соответствии с вышеуказанным, первый и второй выпускные каналы могут быть отделены друг от друга, но компоноваться параллельно друг к другу.
В изображенном примере первый впускной клапан (Впускной Клапан_1) и второй впускной клапан (Впускной Клапан_2) могут открываться с использованием общих фаз газораспределения впускных клапанов, начиная ровно или немного до 360 градусов ПВМТ, и заканчивая ровно или немного после 180 градусов ПВМТ. Кроме того, в этом примере первый и второй впускной клапан открывают с одинаковой величиной высоты подъема и с одинаковой продолжительностью открытия. В других примерах время открытия впускных клапанов может не совпадать, при этом продолжительность открытия и высота подъема впускных клапанов могут оставаться одинаковыми.
Возвращаясь к выпускным клапанам, первый выпускной клапан открывают с использованием первого времени открытия выпускного клапана, которое является более ранним временем в цикле двигателя по сравнению со вторым временем открытия выпускного клапана, при котором открывают второй выпускной клапан. Другими словами, первое время открытия выпускного клапана можно устанавливать с опережением относительно второго времени открытия второго выпускного клапана. В частности, второй выпускной клапан можно открывать задолго до 180 градусов ЗВМТ, при этом время открытия первого выпускного клапана можно устанавливать с опережением относительного второго времени открытия выпускного клапана. Таким образом, первый выпускной клапан можно открывать до начала такта выпуска, когда поршень перемещают в направлении НМТ около окончания рабочего такта, и можно закрывать до окончания такта выпуска. Для сравнения, второй выпускной клапан можно открывать после открытия первого выпускного клапана (например, около начала такта выпуска) и может оставаться открытым до окончания такта выпуска или до начала последующего такта впуска. Дополнительно, первый выпускной клапан можно открывать с первой, меньшей величиной высоты подъема клапана, при этом второй выпускной клапан можно открывать со второй, большей величиной высоты подъема клапана. Изображенный пример иллюстрирует различные фазы газораспределения, высоту подъема и продолжительность открытия для различных выпускных клапанов, но при этом следует понимать, что в других вариантах осуществления выпускные клапаны могут иметь такую же величину высоты подъема и/или продолжительность открытия, но с использованием других фаз газораспределения.
Путем открытия первого выпускного клапана до открытия второго выпускного клапана большую часть сбросной энергии можно направлять в турбину, соединенную с турбогенератором. Дополнительно, путем открытия второго выпускного клапана избыток энергии отработавших газов может направляться в каталитический нейтрализатор отработавших газов, тем самым уменьшая противодавление между впуском турбины и выпускным портом, которое может привести к уменьшению нагнетающей способности во время такта выпуска.
Например, когда первый выпускной клапан и второй выпускной клапан соединены с приводом выпускного клапана, клапанную фазу привода можно регулировать для открытия первого выпускного клапана с использованием первых фаз газораспределения, при этом открывая второй выпускной клапан с использованием вторых фаз газораспределения. Клапанную фазу привода также можно регулировать для того чтобы позволить открыть первый выпускной клапан с первой величиной высоты подъема клапана для первой продолжительности открытия, при этом открывая второй выпускной клапан со второй, отличной величиной высоты подъема для второй продолжительности открытия.
В другом примере, профиль кулачка первого выпускного клапана можно регулировать для открытия и закрытия первого выпускного клапана для избирательного отвода сбросных газов цилиндра в первый выпускной канал. С другой стороны, профиль кулачка второго выпускного клапана можно регулировать для открытия второго выпускного клапана для избирательного отвода остаточных газов цилиндра во второй выпускной канал.
Таким образом, используя различные фазы газораспределения выпускного клапана, эффективность двигателя можно увеличивать, при этом уменьшая количество выбросов, создаваемых двигателем, путем отделения отработавших газов, выбрасываемых под высоким давлением (например, расширяющиеся сбросные отработавшие газы в цилиндре перед тем как поршень цилиндра достигает нижней мертвой точки рабочего такта) от отработавших газов, выбрасываемых под низким давлением (например, остаточные отработавшие газы, остающиеся в цилиндре после сброса) в различных выпускных каналах. В частности, энергию отработавших газов можно передавать от сбросных газов в один из двух выпускных каналов для задействования турбогенератора. По существу, в то же самое время остаточные газы могут быть направлены в другой выпускной канал из двух выпускных каналов для подогрева каталитического нейтрализатора, тем самым уменьшая количество выбросов, создаваемых двигателем. Таким образом, отработавшие газы можно использовать более эффективно, чем просто направление всего потока отработавших газов цилиндра через один общий выпускной порт. Благодаря этому возможно достижение различных преимуществ. Например, среднее давление отработавших газов, подаваемых в турбину, можно увеличивать для увеличения производительности турбогенератора. Дополнительно, возможно достижение большей экономии топлива и уменьшение выбросов твердых частиц с отработавшими газами путем уменьшения продолжительности разогрева двигателя. Дополнительно, способ можно применять для снижения количества выбросов, поскольку, по меньшей мере, часть отработавших газов цилиндра напрямую подают из цилиндра в каталитический нейтрализатор.
Что касается ФИГ. 7, на карте 700 изображены примерные фазы газораспределения впускного клапана и выпускного клапана относительно положения поршня, для системы двигателя, включающей в себя первый выпускной канал и второй, отличный выпускной канал для уменьшения количества энергии отработавших газов, подаваемой в турбину турбогенератора, расположенную в первом выпускном канале, через сбросный клапан путем отвода отработавших газов в каталитический нейтрализатор отработавших газов, включенный во второй выпускной канал, через продувочный выпускной клапан.
На карте 700 иллюстрируют положение поршня вдоль оси X в градусах угла коленчатого вала. Кривая 702 изображает положения поршня (по оси Y) со ссылкой на их местоположения от верхней мертвой точки (ВМТ) и далее со ссылкой на их местоположения в четырех тактах (впуск, сжатие, сгорание и выпуск) цикла двигателя.
Кривая 704 изображает первые фазы газораспределения впускного клапана, высоту подъема и продолжительность открытия первого впускного клапана (Впускной Клапан_1), соединенного с впускным каналом цилиндра двигателя, а кривая 706 изображает вторые фазы газораспределения впускного клапана, высоту подъема и продолжительность открытия второго впускного клапана (Впускной Клапан_2), соединенного с впускным каналом цилиндра двигателя.
Кривая 708 изображает первые фазы газораспределения сбросного клапана, высоту подъема и продолжительность открытия первого сбросного клапана, соединенного с первым выпускным каналом цилиндра двигателя, а кривая 716 изображает вторые фазы газораспределения продувочного клапана, высоту подъема и продолжительность открытия продувочного клапана, соединенного со вторым выпускным каналом цилиндра двигателя, во время нормальной работы двигателя, когда частота вращения турбины турбогенератора меньше порогового значения частоты вращения и производительность турбогенератора меньше порогового значения производительности.
Кривая 710 изображает третьи фазы газораспределения сбросного клапана, высоту подъема и продолжительность открытия первого сбросного клапана, а кривые 712 и 714 изображают четвертые фазы газораспределения продувочного клапана, высоту подъема и продолжительность открытия, и пятые фазы газораспределения продувочного клапана, высоту подъема и продолжительность открытия соответственно для продувочного клапана.
Например, во время первого условия сбросный клапан может работать с использованием третьих фаз газораспределения сбросного клапана, высоты подъема и продолжительности открытия, при этом продувочный клапан может работать с использованием четвертых фаз газораспределения сбросного клапана, высоты подъема и продолжительности открытия. Первое условие может включать в себя частоту вращения турбины, превышающую пороговое значение частоты вращения и/или производительность генератора, превышающую пороговое значение производительности. Первое условие дополнительно может включать в себя первую величину отработавших газов, которые необходимо направить в обход турбины для уменьшения частоты вращения турбины до требуемой частоты вращения и/или для уменьшения производительности генератора до требуемого уровня производительности.
В другом примере во время второго условия сбросный клапан может работать с использованием третьих фаз газораспределения сбросного клапана, высоты подъема и продолжительности открытия, при этом продувочный клапан может работать с использованием пятых фаз газораспределения продувочного клапана, высоты подъема и продолжительности открытия. Второе условие может включать в себя частоту вращения турбины, превышающую пороговое значение частоты вращения и/или производительность генератора, превышающую пороговое значение производительности. Второе условие дополнительно может включать в себя вторую величину отработавших газов, которые необходимо направить в обход турбины для уменьшения частоты вращения турбины до требуемой частоты вращения и/или для уменьшения производительности генератора до требуемого уровня производительности. Вторая величина отработавших газов, которые необходимо подать в обход турбины, может превышать первую величину отработавших газов, которые необходимо подать в обход турбины.
В изображенном примере первый впускной клапан (Впускной Клапан_1) и второй впускной клапан (Впускной Клапан_2) могут открываться с использованием общих фаз газораспределения впускных клапанов, начиная ровно или немного до 360 градусов ПВМТ, и заканчивая ровно или немного после 180 градусов ПВМТ. Кроме того, в этом примере первый и второй впускной клапан открывают с одинаковой величиной высоты подъема и с одинаковой продолжительностью открытия. В других примерах время открытия впускных клапанов может не совпадать, при этом продолжительность открытия и высота подъема впускных клапанов могут оставаться одинаковыми.
Возвращаясь к выпускным клапана, во время нормального рабочего режима двигателя, как показано на ФИГ. 6, сбросный клапан открывают с использованием первого времени открытия сбросного клапана, которое является более ранним временем в цикле двигателя по сравнению со вторым временем открытия продувочного клапана, при котором открывают продувочный клапан. Другими словами, первое время открытия сбросного клапана можно устанавливать с опережением относительно второго времени открытия продувочного клапана. В частности, продувочный клапан можно открывать около 180 градусов ЗВМТ, при этом время открытия сбросного клапана можно устанавливать с опережением относительно времени открытия продувочного клапана. Путем открытия сбросного клапана до открытия продувочного клапана большая часть сбросной энергии может быть направлена в турбину, соединенную с турбогенератором. Дополнительно, путем открытия продувочного клапана избыток энергии отработавших газов может быть направлен в каталитический нейтрализатор отработавших газов, тем самым уменьшая противодавление между впуском турбины и выпускным портом, которое может привести к уменьшению нагнетающей способности и улучшению смесеобразования.
Например, во время рабочих условий двигателя, когда частота вращения турбины превышает пороговое значение частоты вращения и/или когда производительность генератора превышает пороговое значение производительности, сбросный клапан может работать с использованием третьих фаз (710) газораспределения сбросного клапана и продолжительности d3 открытия, при этом продувочный клапан может работать с использованием четвертых фаз (712) газораспределения продувочного клапана и продолжительности d4 открытия, причем третьи фазы (710) газораспределения сбросного клапана являются запаздывающими относительно первых (нормальных) фаз (708) газораспределения сбросного клапана, и четвертые фазы (712) газораспределения продувочного клапана являются опережающими относительно вторых (нормальных) фаз газораспределения продувочного клапана (716). Дополнительно, продолжительность d3 открытия сбросного клапана может быть более коротким, чем продолжительность d4 открытия продувочного клапана.
Например, во время рабочих условий двигателя, когда частота вращения турбины превышает пороговое значение частоты вращения и/или когда производительность генератора превышает пороговое значение производительности, сбросный клапан может работать с использованием третьих фаз (710) газораспределения сбросного клапана и продолжительность d3 открытия, при этом продувочный клапан может работать с использованием пятых фаз (714) газораспределения продувочного клапана и продолжительности d5 открытия, причем третьи фазы (710) газораспределения сбросного клапана являются запаздывающими относительно первых (нормальных) фаз (708) газораспределения сбросного клапана, и пятое время открытия (714) продувочного клапана является опережающим относительно второго (нормального) времени открытия продувочного клапана (716). Дополнительно, продолжительность d3 открытия сбросного клапана может быть более короткой, чем продолжительность d5 открытия продувочного клапана, и пятая продолжительность d5 открытия продувочного клапана может быть более длинной, чем вторая (нормальная) продолжительность d2 открытия продувочного клапана. Путем увеличения продолжительности открытия продувочного клапана увеличенную величину отработавших газов может подаваться во второй канал через продувочный клапан. Следовательно, может уменьшаться величина отработавших газов, подаваемых в турбину. В результате возможно снижение частоты вращения турбины и производительности генератора.
Например, когда сбросный и продувочный клапан соединены с приводом выпускного клапана, клапанную фазу привода можно регулировать для открытия сбросного клапана с использованием первых или третьих фаз газораспределения, при этом открывая продувочный клапан с использованием вторых, четвертых или пятых фаз газораспределения. Клапанную фазу привода также можно регулировать для того чтобы позволить открыть сбросный клапан с первой величиной высоты подъема для первой продолжительности d1 открытия или третьей продолжительности d3 открытия, при этом открывая продувочный клапан со второй, отличной величиной высоты подъема для второй продолжительности d2 открытия, четвертой продолжительности d4 открытия или пятой продолжительности d5 открытия.
В другом примере профиль кулачка сбросного клапана можно регулировать для открытия и закрытия сбросного клапана для избирательного отвода сбросных газов цилиндра в первый выпускной канал. С другой стороны, профиль кулачка продувочного клапана можно регулировать для открытия продувочного клапана для избирательного отвода остаточных газов цилиндра во второй выпускной канал.
Таким образом, фазы газораспределения и продолжительность открытия сбросного и продувочного клапанов можно регулировать для уменьшения величины энергии отработавших газов, подаваемой в турбогенератор.
В некоторых примерах фазы газораспределения и/или продолжительность открытия продувочного клапана можно регулировать, при этом сбросный клапан можно деактивировать для уменьшения частоты вращения турбины и/или производительности генератора. Другими словами, деактивацию сбросного клапана можно использовать в сочетании с регулировкой фаз газораспределения и/или продолжительности открытия продувочного клапана для уменьшения частоты вращения турбины и/или производительности генератора.
Что касается ФИГ. 8, на ней изображена карта 800 с примерной работой сбросного выпускного клапана (например, клапан Е1 на ФИГ. 1) и продувочного выпускного клапана (например, клапан Е2 на ФИГ. 1) для регулировки массового расхода газов, направляемых в турбину турбогенератора (например, турбогенератор 190 на ФИГ. 1), включенного в выхлопную систему системы двигателя с разветвленной выхлопной системой, такой как система 10 двигателя на ФИГ. 1. Последовательность на ФИГ. 8 может быть осуществлена путем исполнения инструкций в системе на ФИГ. 1-2 в соответствии со способами на ФИГ. 3, 4 и 5. Вертикальные маркеры времени t1-t4 представляют собой актуальные моменты времени во время выполнения последовательности. На всех вышеуказанных схемах ось X представляет собой ось времени, на которой время увеличивается в направлении слева направо на каждой схеме.
На первой схеме сверху на ФИГ. 8 изображена зависимость частоты вращения турбины от времени. Ось Y представляет собой частоту вращения турбины, частота вращения турбины увеличивается в направлении стрелки оси Y. Кривая 803 представляет собой действительную частоту вращения турбины, горизонтальная лини 802 представляет собой первое пороговое значение частоты вращения турбины, а горизонтальная линия 804 представляет собой второе пороговое значение частоты вращения турбины. Таким образом, второе пороговое значение частоты вращения может превышать первое пороговое значение частоты вращения.
На второй схеме сверху на ФИГ. 8 изображена зависимость производительности генератора от времени. Ось Y представляет собой производительность генератора, производительность генератора увеличивается в направлении стрелки оси Y. Кривая 806 представляет собой действительную производительность генератора, а кривая 808 представляет собой требуемую производительность генератора.
На третьей схеме сверху на ФИГ. 8 изображена разность между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора, разность увеличивается в направлении стрелки оси Y. Кривая 810 представляет собой разность, а горизонтальная линия 812 представляет собой пороговое значение разности.
На четвертой схеме сверху на ФИГ. 8 изображена зависимость массового расхода отработавших газов, проходящих через турбину, от времени. Ось Y представляет собой расход отработавших газов, проходящих через турбину; расход отработавших газов, проходящих через турбину, увеличивается в направлении стрелки оси Y. Кривая 816 представляет собой поток, проходящий через турбину. Например, отработавшие газы могут подаваться из цилиндра двигателя в турбину через сбросный клапан, первый выпускной коллектор (например, первый выпускной коллектор 59 на ФИГ. 1) и первый выпускной канал (например, первый выпускной канал 55 на ФИГ. 1).
На пятой схеме сверху на ФИГ. 8 изображен массовый расход отработавших газов, проходящих через каталитический нейтрализатор отработавших газов (например, каталитический нейтрализатор 72 на ФИГ. 1) в зависимости от времени. Ось Y представляет собой расход отработавших газов, проходящих через каталитический нейтрализатор; расход отработавших газов, проходящих через каталитический нейтрализатор, увеличивается в направлении стрелки оси Y. Кривая 818 представляет собой массовый расход отработавших газов, проходящих через каталитический нейтрализатор. Например, отработавшие газы могут подаваться из цилиндра двигателя в каталитический нейтрализатор через продувочный клапан, второй выпускной коллектор (например, второй выпускной коллектор 57 на ФИГ. 1) и второй выпускной канал (например, второй выпускной канал 162 на ФИГ. 1).
На шестой схеме сверху на ФИГ. 8 изображена зависимость изменения фаз газораспределения с использованием сбросного клапана от времени. Ось Y представляет собой изменение фаз газораспределения с использованием сбросного клапана, степень запаздывания уменьшается в направлении стрелки оси Y. Кривая 820 представляет собой изменение фаз газораспределения с использованием сбросного клапана, горизонтальная линия 819 представляет собой нормальные фазы газораспределения сбросного клапана, которые могут использоваться при нормальных условиях (т.е. когда частота вращения турбины меньше первого порогового значения и/или когда производительность генератора меньше порогового значения).
На седьмой схеме сверху на ФИГ. 8 изображено изменение фаз газораспределения с использованием продувочного клапана в зависимости от времени. Ось Y представляет собой изменение фаз газораспределения с использованием продувочного клапана, степень запаздывания уменьшается в направлении стрелки оси Y. Кривая 822 представляет собой изменение фаз газораспределения с использованием продувочного клапана, горизонтальная линия 821 представляет собой нормальные фазы газораспределения с использованием продувочного клапана, которые могут использоваться при нормальных условиях (т.е. когда частота вращения турбины меньше первого порогового значения и/или когда производительность генератора меньше порогового значения).
На восьмой схема сверху на ФИГ. 8 изображена продолжительность открытия сбросного клапана в зависимости от времени. Ось Y представляет собой продолжительность открытия сбросного клапана, продолжительность открытия увеличивается в направлении стрелки оси Y. Кривая 824 представляет собой продолжительность открытия сбросного клапана.
На девятой схеме сверху на ФИГ. 8 изображена продолжительность открытия продувочного клапана в зависимости от времени. Ось Y представляет собой продолжительность открытия продувочного клапана, продолжительность открытия увеличивается в направлении стрелки оси Y. Кривая 826 представляет собой продолжительность открытия сбросного клапана.
На десятой схеме сверху на ФИГ. 8 изображено открытие перепускной заслонки в зависимости от времени. Ось Y представляет собой величину открытия перепускной заслонки, величина открытия перепускной заслонки увеличивается в направлении стрелки оси Y. Кривая 828 представляет собой открытие перепускной заслонки.
Таким образом, пороговая частота вращения турбины может основываться на требуемой частоте вращения генератора для получения требуемой производительности генератора; и требуемая частота вращения генератора может основываться на массовом расходе отработавших газов, подаваемых в турбину через сбросный выпускной клапана и первый выпускной канал, с генератором, приводимым в действие турбиной, расположенной в первом выпускной канале. Требуемая частота вращения генератора дополнительно может основываться на текущих рабочих условиях, как указано выше на ФИГ. 4.
Во время до t1 турбина турбогенератора может работать с частотой вращения (803) турбины ниже первого порогового значения частоты (802) вращения. Расход газов, проходящих через турбину, через сбросный клапан (816) может увеличиваться (в результате, например, увеличения частоты вращения двигателя и нагрузки). Следовательно, частота вращения турбины может увеличиваться, но оставаться ниже первого порогового значения частоты вращения. Дополнительно, производительность (806) генератора может увеличиваться. Однако разность между требуемой производительностью генератора и действительной производительностью (810) генератора может оставаться ниже порогового значения (812). Поэтому уменьшение частоты вращения турбины для уменьшения частоты вращения генератора и производительности генератора может не потребоваться. В результате двигатель может работать в нормальном режиме со сбросным клапаном, работающим с нормальными фазами (820) газораспределения и продолжительностью (824) открытия сбросного клапана, и продувочным клапаном, работающим с нормальными фазами (822) газораспределения и продолжительность (826) открытия. Работу двигателя в нормальном режиме в подробностях рассматривают на ФИГ. 6. Дополнительно, может быть закрыта перепускная заслонка (828).
В момент времени непосредственно перед t1, t1 и между t1 и t2 частота (803) вращения турбины может увеличиться до уровня выше первого порогового значения частоты вращения, и разность между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью (810) генератора может увеличиться до уровня выше порогового значения. Следовательно, для того чтобы предотвратить возникновение условий превышения допустимой частоты вращения турбины и для уменьшения электрической производительности генератора можно использовать изменение фаз газораспределения с использованием сбросного клапана с запаздыванием (820) относительно нормальных фаз газораспределения, для продувочного клапана можно использовать изменение фаз газораспределения с опережением (822) относительно нормальных фаз газораспределения, продолжительность открытия продувочного клапана можно увеличивать (826), и можно открыть перепускную заслонку. Дополнительно, частота вращения турбины может превышать второе пороговое значение. Поэтому степень запаздывания фаз газораспределения с использованием сбросного клапана и степень опережения фаз газораспределения с использованием продувочного клапана может основываться на частоте вращения турбины. Например, по мере увеличения частоты вращения турбины степень запаздывания сбросного клапана и степень опережения продувочного клапана могут увеличиться. Дополнительно, по мере увеличения частоты вращения турбины, продолжительность открытия продувочного клапана может увеличиваться.
В момент времени t2 и в период между t2 и t3, в результате запаздывания фаз газораспределения с использованием сбросного клапана, опережения фаз газораспределения с использованием продувочного клапана, открытия перепускной заслонки и увеличения продолжительности открытия продувочного клапана, массовый расход отработавших газов, проходящих через турбину, может уменьшаться (816), а массовый расход отработавших газов, направляемых в каталитический нейтрализатор, может увеличиваться (818). Следовательно, частоту вращения турбины может уменьшаться до уровня ниже второго порогового значения частоты вращения. Однако частота вращения турбины может оставаться на уровне выше первого порогового значения частоты вращения. Поэтому, для того чтобы дополнительно уменьшить частоту вращения турбины, можно использовать запаздывание фаз газораспределения с использованием сбросного клапана, опережение фаз газораспределения с использованием продувочного клапана и увеличение продолжительности открытия продувочного клапана. В связи с тем, что частота вращения турбины ниже второго порогового значения, степень запаздывания сбросного клапана и степень опережения продувочного клапана в t2, t3 и между t2 и t3 может основываться на разности между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора. Например, по мере увеличения разности, степень запаздывания сбросного клапана, степень опережения продувочного клапана и продолжительность открытия продувочного клапана могут увеличиваться. Однако степень запаздывания сбросного клапана и степень опережения продувочного клапана в t2, t3, и между t2 и t3 может быть меньше степени запаздывания сбросного клапана и степени опережения продувочного клапана в t1 и между t1 и t2. Дополнительно, продолжительность открытия продувочного клапана в t2, t3 и между t2 и t3 может быть короче, чем продолжительность открытия продувочного клапана в t1 и между t1 и t2. Дополнительно, в примере, изображенном в настоящем документе, может быть закрыта перепускная заслонка. Однако в некоторых примерах перепускная заслонка может быть открыта, причем величина открытия перепускной заслонки основывается на разности между действительной и требуемой производительностью генератора.
Далее, между временем t3 и t4, в результате регулировки фазировки и продолжительности открытия сбросного клапана и продувочного клапана, частота вращения турбины может уменьшаться до уровня ниже первого порогового значения. В связи с уменьшением частоты вращения турбины также может уменьшаться производительность генератора. Однако разность между действительной производительностью генератора и требуемой производительностью генератора может оставаться на уровне выше порогового значения. Следовательно, в связи с тем, что разность между действительной и требуемой производительностью генератора находится на уровне выше порогового значения, частоту вращения турбины и производительность генератора можно дополнительно уменьшать путем регулировки фаз газораспределения и продолжительности открытия сбросного клапана и продувочного клапана на основе разности. Например, по мере уменьшения разности, степень запаздывания сбросного клапана, степень опережения продувочного клапана и продолжительность открытия продувочного клапана может уменьшатся.
Затем, во время t4 и далее частота (803) вращения турбины может оказаться ниже первого порогового значения частоты вращения, и разность между действительной и требуемой производительностью генератора может оказаться ниже порогового значения разности. Следовательно, двигатель может возобновить работу в нормальном режиме. Таким образом, нормальная работа двигателя может основываться на текущей частоте вращения двигателя и условиях нагрузки и, дополнительно, на массовом расходе воздуха, подаваемого в двигатель. Например, нормальная работа может включать в себя работу сбросного клапана с использованием первых, нормальных фаз газораспределения с использованием сбросного клапана и работу продувочного клапана с использованием вторых, нормальных фаз газораспределения с использованием продувочного клапана. Таким образом, первые, нормальные фазы газораспределения с использованием сбросного клапана могут оказаться опережающими относительно вторых, нормальных фаз газораспределения с использованием продувочного клапана для направления большей части энергии отработавших газов в турбину. Дополнительно, путем более позднего открытия продувочного клапана во время такта выпуска возможно уменьшение высокого противодавления между выпускными портами и впуском турбины. Следовательно, возможно уменьшение насосных потерь. Фазы газораспределения для нормальной работы двигателя детально рассматривают на ФИГ. 6.
Таким образом, путем изменения фаз газораспределения и продолжительности открытия сбросного клапана и продувочного клапана, и путем регулировки перепускной заслонки во время условий, когда частота вращения турбины превышает пороговое значение частоты вращения, и/или когда производительность генератора превышает требуемое значение производительности, величину энергии сбросных отработавших газов, направляемой в турбину, можно уменьшать, при этом величину энергии продувочных отработавших газов, подаваемых в выпускной коллектор, можно увеличивать.
Следует отметить, что наряду с тем, что вышеуказанные примеры иллюстрируют одновременную регулировку изменения фаз газораспределения с использованием сбросного клапана, изменения фаз газораспределения с использованием продувочного клапана, продолжительность открытия продувочного клапана и открытие перепускной заслонки для уменьшения частоты вращения турбины и/или производительности генератора, в некоторых примерах можно регулировать только один из параметров, таких как фазы газораспределения с использованием сбросного клапана, продолжительность открытия сбросного клапана, фазы газораспределения с использованием продувочного клапана, продолжительность открытия продувочного клапана или открытие перепускной заслонки. В некоторых примерах можно регулировать более одного параметра из указанных выше.
Следует отметить, 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 долговременной памяти. 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. Таким образом, 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 более 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 долговременной памяти машиночитаемого носителя данных 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 должны рассматриваться в ограничительном смысле, 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 комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты 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 или свойств могут быть включены в формулу путем изменения 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 первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.