СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ
ENGINE OPERATION METHOD AND ENGINE SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания и способу его эксплуатации.
Уровень техники
Каталитические нейтрализаторы, устанавливаемые в выпускной системе двигателя, преобразуют выбросы вырабатываемых в процессе горения загрязняющих веществ в вещества, которые могут быть выпущены в атмосферу. Зачастую такие каталитические нейтрализаторы наиболее эффективно преобразуют выбросы загрязняющих веществ при повышенных температурах выхлопных газов, при этом во время запуска холодного двигателя и прогрева, когда температура каталитического нейтрализатора ниже рабочей, выбросы загрязняющих веществ могут пройти через каталитический нейтрализатор. Один из путей для быстрого прогрева каталитического нейтрализатора предполагает повышение температуры выхлопных газов, проходящих через каталитический нейтрализатор.
Пример технологии повышения температуры выхлопных газов описан в публикации патентной заявки США №2010/0005784. В этом документе описан клапан противодавления, установленный в выпускной системе двигателя, который закрывают для повышения температуры выхлопных газов, чтобы выполнить десульфинирование каталитического нейтрализатора.
Однако авторы изобретения выявили некоторые проблемы, связанные с указанной технологией. Повышение противодавления выхлопных газов путем закрывания клапана противодавления может увеличить разбавление заряда цилиндра отработавшими газами, что при некоторых режимах работы приводит к неустойчивому сгоранию. Кроме того, разбавленный заряд цилиндра может ограничить возможность запаздывания зажигания, ограничивая, таким образом, повышение температуры выхлопных газов.
Раскрытие изобретения
Соответственно, для по меньшей мере частичного решения указанных проблем, был разработан способ эксплуатации двигателя, в котором в зависимости от температуры соответствующего компонента закрывают клапан противодавления, и при закрытом клапане противодавления управляют впускным и/или выпускным клапанами таким образом, чтобы уменьшить внутреннюю рециркуляцию отработавших газов.
Таким образом, при определенной температуре соответствующего компонента (то есть, при температуре каталитического нейтрализатора ниже порогового значения) температура выхлопных газов может быть увеличена с помощью регулирования прохождения выхлопных газов через клапан противодавления. Кроме того, фазы газораспределения впускного и/или выпускного клапана могут быть отрегулированы таким образом, чтобы уменьшить захват остаточных выхлопных газов в цилиндрах, уменьшая таким образом внутреннюю рециркуляцию отработавших газов (то есть, разбавление заряда цилиндра), и повысить стабильность горения. В некоторых примерах может быть также уменьшена внешняя рециркуляция отработавших газов, чтобы еще более снизить разбавление заряда цилиндра. Закрывание клапана противодавления может также быть ограничено только рабочими режимами, характеризующимися высокой стабильностью сгорания, такими как низкая влажность и низкая высота над уровнем моря, во избежание неустойчивости сгорания.
Предложенное изобретение может иметь несколько преимуществ. Например, быстрый прогрев каталитического нейтрализатора может быть достигнут без ущерба для стабильности горения, следовательно, это позволит избежать ухудшения состава выбросов и возможных пропусков зажигания. При быстром нагревании каталитического нейтрализатора могут быть уменьшены выбросы загрязняющих веществ в ходе запуска холодного двигателя. Кроме того, путем поддержания относительно низкого разбавления заряда, даже при закрытом клапане может быть выполнена задержка зажигания в целях повышения температуры выхлопных газов.
Вышеуказанные и другие преимущества, а также характеристики данного изобретения наглядно представлены в приведенном ниже описании, отдельно или со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое изложение сущности изобретения представлено для описания в упрощенной форме ряда выбранных концепций, дальнейшее изложение которых приводится ниже в подробном описании. Краткое раскрытие сущности изобретения не направлено на определение основных или существенных характеристик заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определяется формулой изобретения. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивается вариантами реализации изобретения, устраняющими какой-либо из недостатков, указанных выше или в любой части данного раскрытия изобретения.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлено схематическое изображение двигателя.
На Фиг.2 приведен пример системы изменяемого газораспределения.
На Фиг.3 представлена блок-схема, иллюстрирующая пример способа регулировки клапана противодавления.
На Фиг.4 представлена блок-схема, иллюстрирующая пример способа диагностики состояния системы противодавления.
На Фиг.5 приведена диаграмма, отражающая пример установки фаз газораспределения для ряда рабочих режимов.
На Фиг.6 приведена диаграмма, демонстрирующая примеры рабочих параметров в ходе регулировки клапана противодавления.
Осуществление изобретения
При запуске холодного двигателя, содержащиеся в выхлопных газах загрязняющие вещества могут попасть в атмосферу раньше, чем каталитический нейтрализатор, установленный в выпускной системе двигателя, достигнет рабочей температуры. Один из способов быстрого нагрева каталитического нейтрализатора предусматривает закрывание клапана противодавления для регулирования выпуска газов, за счет чего увеличивается температура выхлопных газов, проходящих через каталитический нейтрализатор. Однако такая регулировка выпуска газов может разбавить заряд цилиндра продуктами горения, приводя к уменьшению стабильности горения и ограничивая возможную величину запаздывания зажигания. Чтобы снизить степень разбавления заряда цилиндра, закрывание клапана противодавления может быть ограничено такими рабочими условиями, которые характеризуются высокой стабильностью сгорания, такими как низкая влажность, малая высота над уровнем моря, топливо с высоким показателем летучих веществ и т.д. Кроме того, может быть ограничено перекрытие впускного и выпускного клапанов, чтобы уменьшить внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов, а внешняя рециркуляция выхлопных газов может быть деактивирована, ограничивая, таким образом, эффективную рециркуляцию выхлопных газов. Если необходимо, величина задержки зажигания может быть уменьшена для дополнительного поддержания стабильности сгорания.
При открытом или закрытом клапане противодавления можно отслеживать различные рабочие параметры, чтобы быть уверенным, что система противодавления выхлопа не повреждена. Например, путем поддержания постоянной скорости двигателя можно отслеживать изменение давления во впускном коллекторе или положения дроссельной заслонки при открытом или закрытом клапане противодавления, и, если давление или положение дроссельной заслонки остается без изменений, можно идентифицировать наличие повреждения.
На Фиг.1 и 2 приведены схемы двигателя с клапаном противодавления, системой изменяемого газораспределения и контроллером, выполненным с возможностью выполнения способов, показанных на Фиг.3 и 4. На Фиг.5 и 6 наглядно показан пример этапов работы газораспределительного механизма и рабочих параметров двигателя в ходе реализации описанных выше способов.
Фиг.1 представляет собой схему, показывающую один из цилиндров многоцилиндрового двигателя 10 внутреннего сгорания. Двигателем 10 можно управлять, по меньшей мере частично, с помощью системы управления, содержащей контроллер 12, а также с помощью входных сигналов, направляемых водителем 132 транспортного средства с помощью устройства 130 ввода данных. В данном примере устройство 130 ввода данных представляет собой педаль газа и датчик 134 положения педали, который генерирует пропорциональный сигнал положения педали PP.
Цилиндр 30 (камера сгорания) двигателя 10 может иметь стенки 32 с расположенным в них поршнем 36. Поршень 36 может быть соединен с коленчатым валом 40 для преобразования возвратно-поступательных движений поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен с по меньшей мере одним ведущим колесом транспортного средства с помощью системы трансмиссии. Кроме того, для запуска двигателя 10 к коленчатому валу 40 может быть с помощью маховика подключен пусковой мотор.
В камеру 30 сгорания воздух поступает из впускного коллектора 44 через впускной канал 42, а газообразные продукты сгорания выводятся через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 выборочно сообщаются с камерой 30 сгорания через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах камеры 30 сгорания могут иметь по два или более впускных клапана и/или два или более выпускных клапана.
В данном примере впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 могут приводиться в действие системами 51 и 53 кулачкового привода. Системы 51 и 53 кулачкового привода каждая может содержать один или более кулачков и может использовать одну или несколько систем, выбранных из системы переключения профиля кулачка (CPS), изменяемой синхронизации кулачка (VCT), изменяемой фазы газораспределения (WT) и/или изменяемого подъема клапана (VVL), которые могут управляться контроллером 12 для изменения работы клапана. В одном примере, клапаны могут быть активированы при закрывании клапана 150 противодавления и согласованно с таким закрыванием. В одном примере, клапаны могут быть активированы в тот же момент, или в течение порогового периода времени после того, как был закрыт клапан противодавления. Дополнительные параметры в отношении регулировки работы клапанов будут описаны далее со ссылкой на Фиг.2. Положение впускного кулачка 51 и выпускного кулачка 53 может быть определено позиционными датчиками 55 и 57 соответственно. В других вариантах осуществления изобретения управление впускным клапаном 52 и/или выпускным клапаном 54 может осуществляться электрическим клапанным приводом. Например, цилиндр 30 может иметь впускной клапан, управление которым осуществляется с помощью электрического клапанного привода, и выпускной клапан, управление которым осуществляется кулачковым приводом, системы CPS и/или VCT.
Топливная форсунка 66 показана соединенной непосредственно с камерой 30 сгорания для подачи топлива непосредственно внутрь цилиндра пропорционально ширине импульса сигнала (FPW), полученного от контроллера 12 через электронный привод 68. Таким образом, топливная форсунка 66 обеспечивают так называемый непосредственный впрыск топлива в камеру 30 сгорания. Топливная форсунка может быть установлена на стенке или в верхней части камеры сгорания. Топливо подается к топливной форсунке 66 с помощью топливной системы (не показана), которая включает в себя топливный бак, топливный насос и топливную рампу. В некоторых вариантах реализации камера 30 сгорания может альтернативно или дополнительно содержать топливную форсунку, установленную во впускном канале 42, в конфигурации, которая обеспечивает так называемый впрыск топлива во впускной канал, находящийся перед камерой 30 сгорания.
Впускной канал 42 может содержать дроссель 62, имеющий дроссельную заслонку 64. В этом отдельном примере положение дроссельной заслонки 64 может регулироваться контроллером 12 с помощью сигнала, подаваемого на электродвигатель или исполнительный механизм, содержащийся в дросселе 62. Такую конфигурацию принято называть электронным управлением положением дроссельной заслонки (ETC). Таким образом, дроссель 62 может использоваться для варьирования потока впускного воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания, между другими цилиндрами двигателя. Впускной канал 42 может содержать датчик 120 расхода воздуха (MAF) и датчик 122 давления воздуха в коллекторе (MAP) для передачи соответствующих сигналов MAF и MAP контроллеру 12.
Система 88 зажигания может подавать искру зажигания в камеру сгорания 30 через свечу 92 зажигания в соответствии с сигналом опережения зажигания SA от контроллера 12 в выбранных рабочих режимах. Несмотря на то, что показаны компоненты искрового зажигания, в некоторых вариантах осуществления изобретения камера сгорания 30 или одна или более камер сгорания двигателя 10 могут работать в режиме воспламенения от сжатия с искрой зажигания или без искры.
Датчик 126 выхлопных газов показан подключенным к выпускному каналу 48 выше по потоку от каталитического нейтрализатора 70. Датчиком 126 может быть любой подходящий датчик, пригодный для получения информации о топливно-воздушном коэффициенте выхлопных газов, например линейный датчик кислорода или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода выхлопных газов), бистабильный датчик кислорода или EGO, датчик HEGO (подогреваемый EGO), датчик NOx, НС или CO. Выхлопная система может включать в себя пусковые каталитические нейтрализаторы и концевые каталитические нейтрализаторы, а также выпускной коллектор и датчики контроля состава топливовоздушной смеси выше и/или ниже по потоку. В одном из примеров каталитический нейтрализатор 70 может включать в себя несколько каталитических блоков. В другом примере может быть использовано несколько устройств контроля выбросов, каждый из которых имеет несколько блоков. В одном примере, каталитический нейтрализатор 70 может представлять собой трехкомпонентный нейтрализатор (TWC). В другом примере, каталитический нейтрализатор 70 может представлять собой ловушку NOx, катализатор селективного восстановления (SCR) сажевый фильтр или другое устройство обработки выхлопных газов. Клапан 150 противодавления расположен в выхлопном канале ниже по потоку от каталитического нейтрализатора 70 (или же он может быть расположен выше по потоку от каталитического нейтрализатора 70). Клапан 150 противодавления может находиться в полностью открытом положении в ходе большинства режимов работы двигателя, но может быть выполнен с возможностью закрываться, чтобы при некоторых режимах работы выхлопные газы нагревались. В некоторых вариантах реализации клапан 150 противодавления может иметь два порога ограничения, полностью открытое положение или полностью закрытое положение. В других вариантах клапан 150 противодавления может быть отрегулирован между несколькими порогами ограничения. Положение клапана 150 противодавления может регулироваться контроллером 12. В данном контексте закрытый клапан противодавления может быть соотнесен с полностью закрытым положением клапана противодавления, либо с полузакрытым положением, при котором выхлопные газы могут обтекать клапан, но давление и/или скорость потока выхлопных газов, тем не менее, изменены.
Кроме того, в описанных вариантах реализации, система рециркуляции выхлопных газов (EGR) может направлять желаемое количество выхлопных газов из выпускного канала 48 во впускной канал 42 через канал 140 рециркуляции выхлопных газов. Количество рециркулированных выхлопных газов, поступающих во впускной канал 42, может регулироваться контроллером 12 с помощью клапана 142 EGR. Кроме того, в канале рециркуляции выхлопных газов может быть расположен датчик 144 EGR, который может предоставлять сведения об одном или нескольких параметрах, например давлении, температуре, скорости потока и концентрации выхлопных газов. Охладитель 146 EGR может быть расположен в канале 140 EGR для охлаждения рециркулируемых выхлопных газов до достижения ими впускного канала 42. При некоторых режимах работы система рециркуляции выхлопных газов может быть использована для регулирования температуры топливовоздушной смеси в камере сгорания. Кроме того, при некоторых условиях часть газов, выделяющихся при горении, может быть удержана в камере сгорания с помощью регулирования фаз газораспределения, в частности, управления механизмом измененяемого газораспределения.
Контроллер 12 показан на Фиг.1 как микрокомпьютер, содержащий микропроцессорный блок 102 (CPU), порты ввода/вывода 104 (I/O), электронный носитель данных для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный как постоянное запоминающее устройство 106 (ROM), оперативное запоминающее устройство 108 (RAM), энергонезависимое запоминающее устройство 110 (КАМ) и шину данных. В дополнение к сигналам, рассмотренным ранее, контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, подключенных к двигателю 10, включая: измерение массового расхода воздуха, поступающего в двигатель (MAF) от датчика 120, температуру охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) от датчика температуры 112, подключенного к рукаву охлаждения 114; профильный выходной сигнал зажигания (PIP) от датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), подключенного к коленчатому валу 40; измерение положения дроссельной заслонки (TP) от датчика положения дросселя; и сигнал об абсолютном давлении во впускном коллекторе двигателя (MAP) от датчика давления 122. Память ROM 106 может быть запрограммирована с помощью машиночитаемых данных, представляющих собой инструкции, выполняемые процессором 102 для выполнения описанных ниже способов и их модификаций.
Как указано выше, на Фиг.1 показан только один цилиндр многоцилиндрового двигателя. Каждый цилиндр может подобным образом иметь свой набор впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку, свечу зажигания и т.д.
На Фиг.2 показан пример двигателя 200, включающего в себя контроллер 202, систему 232 синхронизации работы клапанов (Variable Cam Timing, VCT) и блок 206 двигателя с несколькими цилиндрами 210. Двигатель 200 может представлять собой разновидность двигателя 10, описанного на Фиг.1. Двигатель 200 имеет впускной коллектор 266, предназначенный для подачи всасываемого воздуха и/или топлива к цилиндрам 210a-d, и выпускной коллектор 268, предназначенный для выброса продуктов сгорания из цилиндров 210. Поток окружающего воздуха может поступать во впускную систему через впускной воздушный канал 260, в котором можно, по крайней мере частично, контролировать расход и/или давление впускного воздуха с помощью основного дросселя (не показан).
Блок 206 двигателя включает в себя несколько цилиндров 210a-d (в данном случае четыре). В представленном примере все цилиндры расположены в один ряд. В других вариантах реализации цилиндры могут быть распределены в несколько рядов. Например, цилиндры 210а-b могут быть расположены в первом ряду, а цилиндры 210c-d могут быть расположены во втором ряду. Каждый из цилиндров 210a-d может иметь свечу зажигания и топливную форсунку для подачи топлива напрямую к камере сгорания, как показано на Фиг.1. Кроме того, каждый из цилиндров 210a-d может обслуживаться одним или несколькими клапанами. В данном примере каждый цилиндр 210a-d имеет соответствующий впускной клапан 212 и выпускной клапан 222. Как описано ниже, двигатель 200 также включает в себя один или несколько распределительных валов 238, 240, каждый из которых может приводить в действие впускные и/или выпускные клапаны нескольких цилиндров, соединенные с общим распределительным валом.
Каждый впускной клапан 212 может находиться в открытом положении, которое позволяет всасываемому воздуху проникать в соответствующий цилиндр, и закрытом положении, блокирующем поступление всасываемого воздуха в цилиндр. На Фиг.2 также показано, что впускные клапаны 212 цилиндров 210a-d может приводить в действие общий распределительный вал 238 впускных клапанов. Распределительный вал 238 впускных клапанов может быть включен в исполнительную систему 214 впускных клапанов. Распределительный вал 238 впускных клапанов имеет выступы 216 впускных кулачков, которые имеют подъемный профиль для открывания впускных клапанов 212 для осуществления впуска заданной продолжительности. В некоторых вариантах (не показаны), распределительный вал может иметь дополнительные выступы впускного кулачка с другим подъемным профилем, который позволяет задать другой подъем или другое время срабатывания для открывания впускных клапанов 212 (что обозначено в настоящем описании как система переключения профилей кулачков). В зависимости от подъемного профиля дополнительного выступа кулачка, другое время срабатывания может быть большим или меньшим, чем заданное время впуска выступа 216 впускного кулачка. Подъемный профиль может влиять на высоту подъема кулачка, время, в течение которого клапан находится в открытом положении, время открывания и/или время закрывания. Контроллер может изменять продолжительность работы впускного клапана с помощью продольного перемещения распределительного вала 238 впускных клапанов и переключения между профилями кулачка.
Таким же образом, каждый выпускной клапан 222 может иметь открытое положение, которое позволяет отработавшим газам выходить из соответствующего цилиндра, и закрытое положение, позволяющее удерживать газы в цилиндре. На Фиг.2 также показано, что выпускные клапаны 222 цилиндров 210a-d может приводить в действие общий распределительный вал 240 выпускных клапанов. Распределительный вал 240 выпускных клапанов может быть включен в исполнительную систему 224 выпускных клапанов. Распределительный вал 240 выпускных клапанов имеет выступы 226 выпускных кулачков, которые имеют подъемный профиль для открывания выпускных клапанов 222 для осуществления выпуска заданной продолжительности. В некоторых вариантах (не показаны), распределительный вал имеет дополнительные выступы выпускных кулачков с другим подъемным профилем, который позволяет выпускным клапанам 222 находиться в открытом положении, позволяет задать другой подъем или другую продолжительность открывания выпускных клапанов. В зависимости от подъемного профиля дополнительного выступа кулачка, другое время срабатывания может быть большим или меньшим, чем заданное время выпуска выступа 226 выпускного кулачка. Подъемный профиль может влиять на высоту подъема кулачка, время, в течение которого клапан находится в открытом положении, время открывания и/или время закрывания. Контроллер может изменять продолжительность работы впускного клапана с помощью продольного перемещения распределительного вала 240 выпускных клапанов и переключения между профилями кулачка.
Следует понимать, что описанный пример показывает общий распределительный вал 238 впускных клапанов, соединенный с впускными клапанами каждого цилиндра 210a-d, и общий распределительный вал 240 выпускных клапанов, соединенный с выпускными клапанами каждого цилиндра 201a-d. В других вариантах реализации распределительные валы могут быть соединены с подгруппами цилиндров, а самих распределительных валов впускных клапанов и распределительных валов выпускных клапанов может быть несколько. Например, первый распределительный вал впускных клапанов может быть соединен с впускными клапанами первой подгруппы цилиндров (то есть, с цилиндрами 210а-b), в то время как второй распределительный вал впускных клапанов может быть соединен с впускными клапанами второй подгруппы цилиндров (то есть, с цилиндрами 210c-d). Аналогичным образом, первый распределительный вал выпускных клапанов может быть соединен с выпускными клапанами первой подгруппы цилиндров (то есть, с цилиндрами 210а-b), в то время как второй распределительный вал выпускных клапанов может быть соединен с выпускными клапанами второй подгруппы цилиндров (то есть, с цилиндрами 210c-d). Кроме того, с каждым распределительным валом могут быть соединены один или несколько впускных клапанов и выпускных клапанов. Подгруппа цилиндров, соединяемая с распределительным валом, может быть основана по их положению в блоке 206 цилиндров, порядку зажигания, конфигурации двигателя и т.д.
Исполнительная система 214 впускных клапанов и исполнительная система 224 выпускных клапанов могут также включать в себя штоки толкателя клапана, коромысла, толкатели клапана и т.д. Эти приборы и устройства могут контролировать приведение в действие впускных клапанов 212 и выпускных клапанов 222 преобразованием вращательного движения кулачков в возвратно-поступательное движение клапанов. Как было указано выше, клапаны могут также быть приведены в действие с помощью дополнительных профилей выступов кулачков на распределительных валах, где профили выступов кулачков между разными клапанами могут обеспечить разную высоту подъема кулачка, продолжительность срабатывания кулачка и/или синхронизацию кулачка. Однако при необходимости могут быть использованы другие схемы расположения распределительного вала (расположение на верхней части и/или толкателе). Кроме того, в некоторых примерах каждый цилиндр 210a-d может иметь более одного выпускного клапана и/или впускного клапана. В других примерах каждый выпускной клапан 222 и впускной клапан 212 одного или нескольких цилиндров может приводиться в действие одним распределительным валом. В некоторых примерах некоторые из впускных клапанов 212 и/или выпускных клапанов 222 могут приводиться в действие собственным независимым распределительным валом или другим устройством.
Двигатель 200 может включать в себя различные системы изменения фаз газораспределения, например систему 232 VCT. Система 232 VCT может представлять собой систему регулирования фаз газораспределения двумя независимо управляемыми распределительными валами (Ti-VCT - Twin Independent Variable Camshaft Timing System) для изменения фаз газораспределения впускных клапанов и выпускных клапанов независимо друг от друга. Система 232 VCT включает в себя фазорегулятор 234 распределительного вала впускных клапанов, соединенный с общим распределительным валом 238 впускных клапанов для изменения фаз газораспределения впускных клапанов и фазорегулятор 236 распределительного вала выпускных клапанов, соединенный с общим распределительным валом 240 выпускных клапанов для изменения фаз газораспределения впускных клапанов. Система 232 VCT может быть настроена на опережение или задержку фаз газораспределения опережением или задержкой такта кулачка и может управляться контроллером 202 через сигнальные линии. Система 232 VCT может изменять моменты открывания и закрывания клапанов путем регулировки взаимного положения коленчатого вала и распределительного вала. Например, система 232 VCT может вращать распределительный вал 238 впускных клапанов и/или распределительный вал 240 выпускных клапанов независимо от коленчатого вала, чтобы произвести опережение или задержку фаз газораспределения. В некоторых вариантах реализации система 232 VCT может представлять собой устройство, приводимое в действие крутящим моментом распределительного вала, и выполненное с возможностью быстро регулировать такт кулачка. В некоторых вариантах реализации фазы газораспределения, например, закрывание впускного клапана (IVC) и закрывание выпускного клапана (EVC) могут быть изменены устройством бесступенчатого регулирования высоты подъема клапанов (CVVL).
В ходе первого рабочего режима система изменения фаз газораспределения может открывать первый клапан с первой синхронизацией. Первый рабочий режим может иметь место, когда температура соответствующих компонентов двигателя выше порогового значения (например, температура каталитического нейтрализатора). В ходе второго рабочего режима система изменения фаз газораспределения может открывать первый клапан со второй синхронизацией, которая выполняется раньше первой. Второй рабочий режим может иметь место, когда температура соответствующего компонента двигателя ниже порогового значения. Альтернативно или дополнительно в ходе первого рабочего режима система изменения фаз газораспределения может открывать первый клапан на первый период времени, а в ходе второго рабочего режима открывать второй клапан на второй, более короткий период времени. В одном из примеров первый клапан может представлять собой выпускной клапан, и система изменения фаз газораспределения может переключать фазы газораспределения выпускного клапана таким образом, чтобы уменьшить положительное перекрытие между выпускным клапаном и впускным клапаном. Дополнительно или вместо регулирования фаз газораспределения выпускного клапана система изменения фаз газораспределения может переключать моменты открывания и/или закрывания впускного клапана.
Устройства и системы управления клапана/кулачка, описанные выше, могут иметь гидравлический, или электрический, или комбинированный привод. В одном из примеров положение распределительного вала может быть изменено с помощью системы непрерывного изменения фаз газораспределения с электрическим приводом (то есть, фазорегулятор кулачков с электрическим приводом) с точностью более высокой, чем у большинства фазорегуляторов кулачков с гидравлическим приводом. Сигнальные линии могут направлять контрольные сигналы и получать информацию о такте и/или переключении кулачка от системы 232 VCT.
В рассмотренном примере, поскольку впускные клапаны всех цилиндров 210a-d приводятся в действие общим распределительным валом впускных клапанов, изменение положения распределительного вала 238 впускных клапанов будет влиять на положение впускных клапанов и такт всех цилиндров. Аналогичным образом, поскольку выпускные клапаны всех цилиндров 210a-d приводятся в действие общим распределительным валом выпускных клапанов, изменение положения распределительного вала 240 выпускных клапанов будет влиять на положение выпускных клапанов и такт всех цилиндров. Например, изменение положения распределительного вала впускных и/или выпускных клапанов, которое вызывает опережение фаз газораспределения (впускных или выпускных клапанов) первого цилиндра 210а, будет также вызывать опережение фаз газораспределения (впускных или выпускных клапанов) остальных цилиндров 210b-d. Однако регулировка фаз газораспределения может быть осуществлена на одном или нескольких цилиндрах независимо от регулировки фаз газораспределения на остальных цилиндрах.
Как описано выше, на Фиг.2 показан ограничивающий пример двигателя внутреннего сгорания и соответствующие впускная и выпускная системы. Предполагается, что в некоторых вариантах двигатель может иметь больше или меньше цилиндров сгорания, регулирующих клапанов, дросселей, и в том числе компрессионных устройств. Возможные примеры двигателя могут иметь V-образную конфигурацию цилиндров. Кроме того, первый общий коленчатый вал может управлять клапанами первого набора цилиндров в первом ряду, а второй коленчатый вал может управлять клапанами второго набора цилиндров во втором ряду. То есть для управления работой клапанов группы цилиндров может использоваться общий коленчатый вал системы синхронизации распределительного вала (то есть, системы VCT).
Таким образом, на Фиг.2 показана система изменения фаз газораспределения, которая может быть использована для регулирования открывания впускного клапана, закрывания впускного клапана, открывания выпускного клапана, закрывания выпускного клапана одного или нескольких цилиндров двигателя. Как подробно описано ниже, фазы газораспределения могут регулироваться до, во время или после открывания или закрывания клапана противодавления, чтобы регулировать величину ослабления подпитки цилиндра. В одном из примеров изменение фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов может устанавливаться на основании скорости и нагрузки двигателя в целях оптимизации КПД воздухозаборного устройства и внутренней EGR (которая может уменьшить выбросы двигателя, такие как NOx). Реагируя на закрывание клапана противодавления, фазы газораспределения могут быть отрегулированы таким образом, чтобы уменьшить внутреннюю EGR в целях обеспечения стабильности горения.
В некоторых вариантах воплощения системы двигателя, описанные выше со ссылкой на Фиг.1 и 2, предусматривают наличие двигателя с системой синхронизации распределительного вала; каталитического нейтрализатора, расположенного в выхлопной системе двигателя; клапана противодавления, расположенного ниже по потоку от каталитического нейтрализатора; контроллера, содержащего команды на закрывание клапана противодавления, когда температура каталитического нейтрализатора опускается ниже порогового значения, и на регулирование системы синхронизации распределительного вала таким образом, чтобы уменьшить перекрытие впускного и выпускного клапанов при закрывании клапана противодавления.
Контроллер может также содержать команды на выполнение опережения момента зажигания при закрывании клапана противодавления. Система может включать в себя систему EGR для направления выхлопных газов на впуск двигателя, а контроллер может содержать команды на закрывание клапана EGR системы EGR, когда клапан противодавления закрыт. Контроллер может также содержать команды на открывание клапана противодавления, если температура каталитического нейтрализатора поднимается выше порогового значения. В одном из примеров контроллер может содержать команды на регулирование системы синхронизации распределительного вала для уменьшения положительного перекрытия между впускным клапаном и выпускным клапаном. В другом примере контроллер может содержать команды на регулирование системы синхронизации распределительного вала для уменьшения отрицательного перекрытия между впускным клапаном и выпускным клапаном.
В других вариантах реализации система включает в себя двигатель с системой синхронизации распределительного вала; каталитическим нейтрализатором, расположенным в выхлопной системе двигателя; клапаном противодавления, расположенным ниже по потоку от каталитического нейтрализатора; контроллером, содержащим команды на закрывание клапана противодавления, когда температура каталитического нейтрализатора опускается ниже порогового значения, и команды на регулирование системы синхронизации распределительного вала при закрывании клапана противодавления таким образом, чтобы уменьшить перекрытие впускного и выпускного клапанов, а также выдать уведомление об ухудшении работы клапана противодавления на основании ускорения коленчатого вала.
Контроллер может содержать команды выдавать уведомление об ухудшении состояния, если ускорение коленчатого вала не изменяется при закрывании клапана противодавления. Контроллер может также содержать команды на опережение момента зажигания при закрывании клапана противодавления. Система может также включать в себя систему EGR для направления выхлопных газов на впуск двигателя, а контроллер может содержать команды на закрывание клапана EGR системы EGR, когда температура каталитического нейтрализатора опускается ниже порогового значения. Контроллер может также содержать команды на открывание клапана противодавления, если температура каталитического нейтрализатора поднимается выше порогового значения. Контроллер может также содержать команды на выведение уведомления об ухудшении состояния работы клапана противодавления, если нагрузка коленчатого вала не изменяется при открывании клапана противодавления.
На Фиг.3 представлен способ 300 управления клапаном противодавления. Способ 300 может быть реализован контроллером, в частности контроллером 12 или контроллером 202, в соответствии с записанными в нем командами. Способ 300 может регулировать положение клапана противодавления, в частности клапана 150, в условиях эксплуатации двигателя, которые могут быть определены на основании обратной связи от различных датчиков двигателя.
На этапе 302 способ 300 предусматривает определение, опустилось ли значение температуры соответствующего компонента ниже порогового значения. Температурой компонента может быть температура каталитического нейтрализатора 70, размещенного в выхлопной системе двигателя. Другими температурами, которые можно оценивать, являются температура самого двигателя или другого устройства уменьшения токсичности отработавших газов. Пороговым значением температуры может быть температура запуска каталитического нейтрализатора, температура прогрева двигателя до рабочего состояния или температура, при которой возможен старт-стопный режим двигателя, или другая соответствующая температура. В некоторых примерах может быть определено, что компонент работает при температуре ниже пороговой, на основании контроля фактической температуры компонента или выхлопного газа. Однако в других примерах может быть установлено, что деталь работает при температуре ниже пороговой, на основании рабочего режима двигателя. Например, в ходе запуска холодного двигателя можно предположить, что каталитический нейтрализатор работает при температуре ниже пусковой. Таким образом, если двигатель только что запущен или подготовлен к запуску, и температура двигателя находится на уровне температуры окружающей среды, может быть установлено, что двигатель работает с холодным запуском и, следовательно, при низкой температуре каталитического нейтрализатора. В другом примере устройство очистки выхлопных газов, в частности сажевый фильтр, может проходить регенерацию, при которой температура фильтра повышается для сжигания скопившихся частиц. Таким образом, если определено, что компонент должен быть регенерирован, то может быть определено, что компонент имеет температуру ниже пороговой для выполнения регенерации.
Если температура компонента не ниже порогового значения, нагревание выхлопных газов не индицируется, и способ 300 переходит к этапу 304, чтобы удерживать клапан противодавления (EBV) в полностью открытом положении (которое может быть определено как положение, задаваемое по умолчанию для EBV при запуске двигателя). На этапе 306 можно поддерживать текущую установку момента зажигания и величину EGR. Текущая установка моментов зажигания и величина EGR могут быть основаны на рабочем режиме, в частности на скорости и нагрузке двигателя. На этапе 308 используют параметры установки фаз газораспределения впускного и выпускного клапанов, оптимизированные для внутренней EGR и крутящего момента, или других параметров. Фазы газораспределения могут быть также установлены на основании скорости и нагрузки двигателя или других условий эксплуатации. В таком случае способ 300 возвращается к началу.
Возвращаясь к этапу 302, если определено, что деталь работает при температуре ниже пороговой, способ 300 переходит к этапу 310, чтобы определить, выше ли барометрическое давление порогового значения. Пороговым значением барометрического давления может быть давление, ниже которого двигатель не может достичь желаемой скорости и/или крутящего момента при закрытом клапане противодавления и запаздывании зажигания. Например, двигатель не может выйти на высокие холостые обороты с трансмиссией на передаче и несколькими включенными устройствами, если закрыт клапан EBV, и производится задержка зажигания в целях нагревания каталитического нейтрализатора. Барометрическое давление может быть измерено датчиком давления, который определяет величину давления воздуха, поступающего во впускную систему двигателя. В других вариантах реализации барометрическое давление может быть сопоставлено с высотой над уровнем моря, на которой работает двигатель: чем меньше высота, тем выше барометрическое давление. В некоторых вариантах реализации барометрическое давление может быть сопоставлено с отношением угла открывания дроссельной заслонки к воздушному потоку или основано на показаниях датчика абсолютного давления в коллекторе (MAP), в некоторых условиях, когда перепад давления в дросселе невелик. При относительно низком барометрическом давлении величина массового расхода воздуха может быть достаточно низкой для того, чтобы существенно ограничить работу двигателя, особенно при закрытом клапане противодавления и задержке зажигания. Когда двигатель работает в условиях низкого барометрического давления при закрытом клапане противодавления, могут быть выявлены неудовлетворительные характеристики работы двигателя, двигатель может заглохнуть, могут возникнуть и другие проблемы. Таким образом, если определено, что барометрическое давление не превышает порогового значения, способ 300 переходит к этапу 304 для поддержания клапана противодавления в открытом положении во избежание появления неудовлетворительных характеристик работы двигателя, заглохания двигателя.
Если определено, что барометрическое давление превышает пороговое значение, способ 300 переходит к этапу 312, чтобы определить, соответствуют ли уровни других показателей сгорания необходимым значениям. Дополнительные показатели сгорания могут включать в себя показатели, влияющие на стабильность горения, в том числе влажность всасываемого воздуха, качество топлива, впрыскиваемого в двигатель (то есть, испаряемость топлива), температуру окружающей среды, температуру(ы) деталей, уровень адаптивности контроллера к соотношению компонентов топливовоздушной смеси, и т.д. Если дополнительные показатели сгорания не соответствуют необходимым значениям, то способ 300 переходит обратно к этапу 304, для поддержания клапана противодавления в открытом положении. Однако если дополнительные показатели сгорания достигли соответствующих уровней (то есть, если определено, что двигатель может обеспечить устойчивое горение при закрытом клапане противодавления), способ 300 переходит к этапу 314, чтобы определить, позволяет ли текущая частота вращения двигателя и требуемый крутящий момент закрыть клапан противодавления. Закрывание клапана EBV уменьшает поток поступающего в цилиндр воздуха. Если двигатель работает с высокой частотой и/или, например, при большой нагрузке, закрывание клапана может ограничить частоту вращения двигателя или крутящий момент, производимый двигателем. Следовательно, если при закрытом клапане EBV не могут быть обеспечены текущая частота вращения двигателя и требуемый крутящий момент, способ 300 переходит обратно к этапу 304, чтобы поддерживать клапан EBV в открытом положении.
Если текущая частота вращения двигателя и требуемый крутящий момент могут быть обеспечены с закрытым клапаном, способ 300 переходит к этапу 316, чтобы определить, работает ли двигатель с минимальной внутренней и внешней EGR. Минимальная внешняя EGR может задаваться клапаном EGR, полностью закрывающим систему EGR; минимальная внутренняя EGR может включать в себя такую установку фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов, которая приводит к удержанию минимально возможного количества остаточных продуктов выхлопа в цилиндрах (то есть, минимальное эффективное перекрытие клапанов). Если двигатель работает не с минимальной EGR, способ 300 переходит к этапу 318 для закрывания клапана EGR, чтобы отключить EGR и/или отрегулировать фазы газораспределения для уменьшения перекрытия клапанов.
Фазы газораспределения могут быть отрегулированы путем регулировки системы изменения фаз газораспределения, как изложено выше со ссылкой на Фиг.2. В данном примере регулировка фаз газораспределения показана на Фиг.5, на которой приведена диаграмма 500 фаз газораспределения и положения поршня по отношению к положению двигателя для заданного цилиндра двигателя при различных режимах эксплуатации двигателя. При стандартной работе прогретого двигателя двигатель может эксплуатироваться с фазами газораспределения, оптимизированными для текущих условий эксплуатации (в частности, частоте вращения двигателя и нагрузке). При этом режиме работы впускные и выпускные клапаны могут открываться и закрываться в точно определенные моменты в целях обеспечения перекрытия клапанов. Такое перекрытие клапанов может повышать количество выхлопных газов, остающихся в цилиндрах в ходе сгорания (относится к внутренней EGR), повышая коэффициент полезного действия и снижая количество выбросов при некоторых режимах работы. Однако при втором режиме работы, в частности, когда каталитический нейтрализатор имеет температуру ниже пусковой, величина внутренней EGR может быть уменьшена в целях поддержания стабильности горения и для обеспечения возможности оставить клапан противодавления закрытым, а также для выполнения запаздывания зажигания для нагревания каталитического нейтрализатора. Таким образом, если двигатель при первом режиме работает с перекрытием клапанов, при переходе ко второму режиму работы величина перекрытия клапанов может быть уменьшена или сведена к нулю, чтобы уменьшить количество остаточных продуктов выхлопа, разбавляющих заряд цилиндра.
На диаграмме 500 по оси x приведено положение двигателя в градусах угла поворота коленчатого вала (CAD). Кривая 508 показывает положение поршней (по оси y), по отношению к верхней мертвой точке (ВМТ) и/или нижней мертвой точке (НМТ), и далее по отношению к их положению в ходе четырех тактов (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) цикла двигателя. Как показано практически синусоидальной кривой 508, поршень постепенно движется сверху вниз от ВМТ, доходя до дна в НМТ в конце рабочего хода. Затем поршень возвращается наверх к ВМТ в конце такта выпуска. После этого поршень снова движется вниз, к НМТ, в ходе такта впуска, возвращаясь к первоначальному положению вверх к ВМТ в конце такта сжатия.
Кривые 502 и 504 отражают фазы газораспределения для выпускного клапана (пунктирная линия 502) и впускного клапана (сплошная линия 504) в первом примере нормальной работы двигателя при частичной нагрузке. Как показано, выпускной клапан может быть открыт к тому времени, когда поршень доходит до дна в конце рабочего хода. Выпускной клапан может, следовательно, быть закрыт, пока поршень осуществляет такт выпуска, оставаясь открытым, по меньшей мере, пока не начнется следующий такт впуска. Аналогичным образом, впускной клапан может быть открыт в момент начала или перед началом такта впуска и может оставаться открытым, по меньшей мере, пока не начнется следующий такт сжатия.
В результате разницы во времени между закрыванием выпускного клапана и открыванием впускного клапана, оба впускной и выпускной клапаны могут быть открыты в течение короткого времени, перед окончанием такта выпуска и после начала такта впуска. Этот период, в течение которого оба клапана открыты, называется положительным перекрытием 506 впускного и выпускного клапана (или просто перекрытие клапанов), который изображен в виде заштрихованного участка на пересечении кривых 502 и 504. В одном из примеров перекрытие 506 клапанов может быть установленным по умолчанию положением распределительного вала двигателя.
Во втором примере нормальной работы двигателя фазы газораспределения впускного и выпускного клапана могут быть установлены таким образом, чтобы образовался период отрицательного перекрытия клапанов, при котором проходит некоторое время между моментом, когда выпускной клапан полностью закрыт, и моментом, когда впускной клапан начинает открываться. Это отрицательное перекрытие клапанов может воздействовать на удерживание остаточных отработавших газов в цилиндре (так как выпускной клапан закрывается до того, как поршень достигает ВМТ). Кроме того, задержкой открывания впускного клапана до момента после начала движения поршня вниз от ВМТ, может быть создано отрицательное давление, а следовательно, когда впускной клапан откроется, впускной воздух будет втягиваться в цилиндр на более высокой скорости.
Кривые 510 и 512 отражают установки фаз газораспределения для выпускного клапана (пунктирная линия 510) и впускного клапана (сплошная линия 512) во втором примере нормальной работы двигателя. Как показано, выпускной клапан может быть открыт до того, как поршень дойдет до дна в конце рабочего хода. Затем выпускной клапан может закрыться до того, как поршень пройдет такт выпуска, закрываясь до начала следующего такта впуска. Аналогичным образом, впускной клапан может быть открыт в момент начала такта впуска или после него, и может оставаться открытым, по крайней мере, пока не начнется следующий такт сжатия.
В результате разницы по времени между закрыванием выпускного клапана и открыванием впускного клапана, оба впускной и выпускной клапаны могут быть закрыты в течение короткого времени, перед окончанием такта выпуска и после начала такта впуска. Этот период, в течение которого оба клапана закрыты, называется отрицательным перекрытием 514 впускного и выпускного клапана (или просто отрицательное перекрытие клапанов), который изображен в виде участка между кривыми 510 и 512.
В примере работы двигателя в ходе прогрева каталитического нейтрализатора, фазы газораспределения, установленные при нормальной работе двигателя с частичной загрузкой, могут быть отрегулированы таким образом, чтобы поддерживать стабильность сгорания и/или обеспечить возможность запаздывания зажигания с закрытым клапаном противодавления. Для нагрева каталитического нейтрализатора клапан противодавления ниже по потоку от каталитического нейтрализатора может быть закрыт. Однако закрывание клапана противодавления повышает количество выхлопных газов, задерживаемых в цилиндрах, следовательно, потенциально ухудшает сгорание. Чтобы обеспечить устойчивое сгорание при закрывании клапана противодавления, количество выхлопных газов в цилиндрах во время горения может быть уменьшено путем уменьшения внешней EGR (то есть, закрыванием клапана EGR) и внутренней EGR. Чтобы уменьшить внутреннюю EGR, можно отрегулировать фазы газораспределения впускного и/или выпускного клапана.
Кривые 516 и 518 показывают фазы газораспределения для выпускного клапана (пунктирная линия 516) и впускного клапана (сплошная линия 518) при работе двигателя с холодным каталитическим нейтрализатором. Как показано, выпускной клапан может быть открыт до того, как поршень дойдет до дна в конце такта рабочего хода. Затем выпускной клапан может закрываться, когда поршень проходит такт выпуска, закрываясь во время перехода к следующему такту впуска. Таким образом, выпускной клапан, показанный кривой 516, может открываться до выпускного клапана, показанного кривой 502, но после выпускного клапана, показанного кривой 510. Аналогичным образом, впускной клапан может открываться во время или после начала такта впуска, и может оставаться открытым, по крайней мере, пока не начнется следующий такт сжатия.
В результате регулировки моментов закрывания выпускного клапана и открывания впускного клапана, выпускной клапан закрывается, когда впускной клапан открывается. При этом разбавление заряда цилиндра в результате работы с положительным или отрицательным перекрытием клапанов может быть уменьшено до того, как открывают клапан противодавления.
Таким образом, как показано на Фиг.5, если двигатель изначально работает с положительным перекрытием клапанов и переходами к меньшему перекрытию клапанов или к отсутствию перекрытия, то когда клапан противодавления закрыт, выпускные клапаны могут быть отрегулированы на более раннее открывание и закрывание, а впускные клапаны могут быть отрегулированы на более позднее открывание и закрывание. Однако в других вариантах реализации могут быть отрегулированы только фазы выпускного клапана или только фазы впускного клапана. Кроме того, в другом варианте реализации, вместо регулировки фаз и открывания, и закрывания соответствующего клапана, может быть отрегулирована длительность открывания клапана. Например, при переходе к отсутствию перекрытия клапанов или к меньшему перекрытию клапанов, выпускной клапан может быть открыт в тот же момент, но может оставаться открытым в течение более короткого промежутка времени, то есть закрываться раньше. Кроме того, когда клапан противодавления закрыт, величина перекрытия клапанов может быть уменьшена, но перекрытие полностью не исключено, или же, в некоторых вариантах реализации, величина перекрытия клапанов может быть увеличена.
Возвращаясь к Фиг.3, после закрывания клапана EGR и/или регулировки фаз газораспределения на этапе 318, способ 300 переходит к этапу 320 когда закрывают клапан EBV. Кроме того, если на этапе 316 было заранее определено, что двигатель уже работает с минимальной внутренней и внешней EGR, способ 300 также переходит к этапу 320 для закрывания клапана EBV, так как двигатель работает при условиях устойчивого сгорания. Закрывание клапана EBV повышает давление выхлопных газов. Повышенное давление выхлопных газов становится причиной потери энергии, которая происходит в результате продувки при открывании выпускного клапана, вместо того, чтобы быть направленным на клапан противодавления (который расположен ниже по потоку от каталитического нейтрализатора). Это, в свою очередь, повышает энергии (то есть, теплоту) выхлопных газов, проходящих через каталитический нейтрализатор, таким образом, нагревая каталитический нейтрализатор. Кроме того, закрытый клапан EBV и более высокое давление выхлопных газов становятся причиной повышения плотности выхлопных газов, которая может улучшить передачу тепла от горячих выхлопных газов к относительно холодному каталитическому нейтрализатору, следовательно, также нагревая каталитический нейтрализатор. На этапе 322, установка фаз газораспределения использована для поддержания уменьшенной внутренней EGR. Использованная здесь установка фаз газораспределения может быть такой же, как на этапе 318, или отличной от нее, которая максимально уменьшает внутреннюю EGR. Эти фазы газораспределения могут быть отличными от установки фаз газораспределения, используемой при открытом клапане противодавления.
На этапе 324 при необходимости может быть отрегулирована установка момента зажигания. Для дальнейшего нагревания выхлопных газов после закрывания клапана противодавления, можно произвести задержку момента зажигания. Таким образом, если условия горения достаточно устойчивы, может быть произведена задержка момента зажигания от момента зажигания, установленного до закрывания клапана противодавления, например, задержка от МВТ (минимальное опережение зажигания для обеспечения максимального крутящего момента). Однако если, например, задержка момента зажигания будет отрицательно влиять на стабильность сгорания, момент зажигания может поддерживаться на текущей установке, или может быть произведено опережение момента зажигания. Кроме того, если требуется более высокий крутящий момент и/или число оборотов в минуту, можно произвести опережение момента зажигания для повышения крутящего момента и/или числа оборотов в минуту.
На этапе 326 определяют, остается ли температура компонента ниже порогового значения. Если да, то способ 300 возвращается к этапу 320 для удерживания клапана противодавления в закрытом положении и регулировки некоторых параметров режима работы для поддержания стабильности горения. Если значение температуры компонента уже не ниже порогового уровня, способ 300 переходит к этапу 328 для открывания клапана противодавления и настройки EGR, фаз газораспределения и зажигания на исходные значения или значения, основанные на текущей скорости и нагрузке. Способ 300 в таком случае возвращается к началу.
Таким образом, в одном из вариантов воплощения способ 300, представленный на Фиг.3, предполагает при первом условии эксплуатацию двигателя с первым, повышенным значением задержки зажигания и открытым клапаном противодавления, а при втором условии эксплуатацию двигателя со вторым, пониженным значением задержки зажигания и закрытым клапаном противодавления.
Первое условие может включать в себя температуру каталитического нейтрализатора выше порогового значения, а второе условие может включать в себя температуру каталитического нейтрализатора ниже порогового значения. Второе условие может также включать в себя условия устойчивого сгорания. Дополнительно или в качестве альтернативы, первое условие может включать в себя работу при барометрическом давлении ниже порогового значения, а второе условие может включать в себя работу при барометрическом давлении выше порогового значения.
Кроме того, способ может предполагать при первом условии эксплуатацию двигателя с первым значением перекрытия впускного и выпускного клапанов, а при втором условии - со вторым значением перекрытия впускного и выпускного клапанов. Второе значение перекрытия впускного и выпускного клапанов может включать в себя отсутствие перекрытия впускного и выпускного клапанов. Способ также может включать в себя при первом условии регулировку клапана EGR для получения требуемого значения EGR, на основании скорости и нагрузки двигателя, и закрывание клапана EGR при втором условии.
На Фиг.4 представлен способ 400 диагностики клапана противодавления. Способ 400 может быть реализован контроллером 12, который определяет возможное ухудшение работы системы противодавления выхлопа, в частности наличие утечек или повреждения клапана противодавления 150 или его привода. Способ 400 может быть реализован вместе со способом 300, представленным на Фиг.3, с целью диагностики системы противодавления выхлопа во время открывания или закрывания клапана противодавления. Таким образом, осуществляется контроль различных условий эксплуатации для определения возможного ухудшения работы системы противодавления при закрытом клапане противодавления, например, с помощью регулировки синхронизации клапана, внешней EGR, момента зажигания и т.п. можно поддерживать стабильность горения, как это описано выше.
Способ 400 на этапе 402 предусматривает определение, прошло ли пороговое время с момента последней диагностики клапана противодавления. Пороговым значением времени может быть, например, интервал в 20 запусков двигателя, или фактическое время работы двигателя, например 10 часов. Если пороговое время с момента последней диагностики не прошло, то способ 400 переходит к этапу 404 для поддержания текущих эксплуатационных параметров, и способ 400 возвращается к началу.
Если пороговое время с момента последней диагностики прошло, то способ 400 переходит к этапу 406 для определения возможности изменения положения клапана противодавления. Клапан противодавления может быть закрыт, когда температура каталитического нейтрализатора будет ниже порогового значения, как это описано выше со ссылкой на Фиг.3, и снова открыт, как только температура каталитического нейтрализатора достигнет рабочего значения. Во время закрывания или открывания клапана различные эксплуатационные параметры двигателя в результате движения клапана могут колебаться. Например, по мере закрывания клапана может уменьшиться массовый поток воздуха в двигатель. Таким образом, колебание параметров двигателя во время движения клапана противодавления можно контролировать для диагностики состояния системы противодавления выхлопа. Кроме того, в процессе движения клапана также можно регулировать дополнительные эксплуатационные параметры двигателя, такие как внутренняя и внешняя EGR и момент зажигания, поддерживая тем самым стабильность горения, как это описано со ссылкой на Фиг.3. Движение клапана противодавления может быть обнаружено по сигналу, поступающему на клапан противодавления от контроллера, или на основании текущих условий эксплуатации (например, температура каталитического нейтрализатора ниже порогового значения).
Если положение клапана противодавления должно измениться, то способ 400 переходит к этапу 410, как подробнее описано ниже. Если изменения положения клапана противодавления не ожидается, то способ 400 переходит к этапу 408 для подготовки клапана противодавления к открыванию или закрыванию, если существуют благоприятные для этого условия. К благоприятным условиям относятся стабильные условия горения, описанные ниже со ссылкой на Фиг.3, в частности низкая влажность, низкая эффективная EGR и т.д. Подготовка клапана противодавления к открыванию или закрыванию может включать в себя изменение эксплуатационных параметров двигателя с целью обеспечения стабильности горения во время движения клапана. Например, можно отрегулировать синхронизацию впускного и/или выпускного клапана, сократить объем рециркуляции выхлопных газов на впуске и отрегулировать момент зажигания. При этом если условия являются неблагоприятными для движения клапана, выполнение способа 400 может быть приостановлено до тех пор, пока клапан не начнет двигаться, реагируя на условия эксплуатации, или пока условия горения не станут благоприятными для преднамеренного смещения клапана перед выполнением способа.
После подготовки клапана противодавления к изменению положения на этапе 408 или, если установлено, что положение клапана противодавления должно измениться на этапе 406, способ 400 переходит к этапу 410, где определяют, работает ли двигатель в данный момент на холостых оборотах. Если двигатель работает на холостых оборотах, способ 400 переходит к этапу 412 для диагностики состояния системы противодавления выхлопа, пока положение клапана противодавления изменяется во время работы двигателя на холостом ходу. Диагностика состояния системы противодавления при работе двигателя на холостом ходу предполагает контроль одного или нескольких рабочих параметров двигателя. Например, на этапе 414 при изменении положения клапана противодавления можно поддерживать постоянное число оборотов на холостом ходу и контролировать изменение MAP или положения дроссельной заслонки. Если во время открывания или закрывания клапана противодавления скорость двигателя остается постоянной, давление впускного коллектора изменится, чтобы компенсировать изменение противодавления выхлопа, в результате чего можно наблюдать колебания MAP (например, по мере закрывания клапана противодавления значение MAP может расти). Далее, для поддержания постоянного числа оборотов на холостом ходу во время движения клапана противодавления, положение дроссельной заслонки изменится, чтобы скорректировать MAP и компенсировать изменение противодавления выхлопа в результате изменения положения клапана противодавления. Например, по мере закрывания клапана противодавления массовый расход воздуха может сначала расти, и дроссельная заслонка может открыться, чтобы впустить в двигатель больше воздуха для поддержания скорости его вращения. Таким образом, если изменения MAP или положения дроссельной заслонки не наблюдается, выдается уведомление об ухудшении работы системы противодавления.
Для целей настоящего описания выражения «постоянный(ая)», «поддерживать» («поддержание») и «не меняется» могут относиться к периоду работы, во время которого изменение контролируемого рабочего параметра не меняется больше, чем на пороговую величину. Например, при поддержании постоянного числа оборотов на холостом ходу частота вращения двигателя может отклоняться от средней величины менее чем на пороговую величину, например на 5%. Более того, рабочий параметр может оставаться постоянным в течение определенного периода времени, например, пока клапан противодавления меняет свое положение в результате его движения, например в течение 2 секунд. Аналогичным образом может быть установлено, что контролируемый рабочий параметр не меняется в результате изменения положения клапана противодавления, если в течение заданного периода, например, при изменении положения клапана противодавления и в течение двух секунд после изменения его положения, контролируемый рабочий параметр не отклоняется от своей средней величины более чем на пороговую величину, например на 5%.
Другой пример рабочего параметра, который может изменяться во время изменения положения клапана противодавления - работа двигателя на холостом ходу, в соответствии с этапом 416. Если значение MAP или положение дроссельной заслонки во время движения клапана противодавления остается неизменным, скорость холостого хода будет меняться по мере изменения расхода всасываемого в двигатель воздуха. Таким образом, если значение MAP или положение дроссельной заслонки во время движения клапана противодавления на холостом ходу остается неизменным, и если скорость холостого хода не меняется, выдается уведомление о повреждении системы противодавления. Еще один пример рабочего параметра, который может изменяться во время изменения положения клапана противодавления - ускорение вращения коленчатого вала, в соответствии с этапом 418. Например, по мере движения клапана противодавления может колебаться крутящий момент: по мере закрывания клапана крутящий момент может уменьшаться, по крайней мере сначала, из-за сокращения массового расхода воздуха. Изменения крутящего момента могут быть определены по изменению ускорения вращения коленчатого вала (определенного, например, по показаниям датчика 118). Дополнительно или в качестве альтернативы, по изменению ускорения вращения коленчатого вала можно определять детонацию, пропуски зажигания или другие сбои системы сжигания топлива, и, как объясняется выше, изменение положения клапана противодавления может привести к нестабильности горения. Таким образом, если по мере движения клапана противодавления ускорение вращения коленчатого вала не меняется, может выдаваться уведомление о повреждении системы противодавления.
После проверки одного или нескольких рабочих параметров во время движения клапана противодавления при работе двигателя на холостом ходу способ 400 переходит к этапу 428, что более подробно описывается ниже. Возвращаясь к этапу 410, если система определяет, что двигатель работает не на холостом ходу, способ 400 переходит к этапу 420 для диагностики EBV во время его соответствующего движения. Аналогично диагностике EBV при работе двигателя на холостом ходу, диагностика EBV при работе двигателя на не холостом ходу может включать в себя проверку одного или нескольких рабочих параметров двигателя, в том числе MAP или положение дроссельной заслонки, в соответствии с этапом 422. При работе двигателя на не холостом ходу (например, когда транспортное средство, в котором установлен двигатель, движется), MAF может оставаться постоянным по мере изменения положения клапана противодавления. Для поддержания MAF во время движения клапана противодавления изменяют положение дроссельной заслонки и/или значение MAP. Таким образом, по мере открывания или закрывания клапана EBV при постоянном MAF, если MAP или положение дроссельной заслонки остается неизменным, может выдаваться уведомление о повреждении системы противодавления. В другом примере, соответствующем этапу 424, если во время движения клапана противодавления MAP или положение дроссельной заслонки остается неизменным, можно контролировать изменение топливного коэффициента двигателя. Таким образом, если по мере открывания или закрывания клапана EBV при постоянном MAP или постоянном положении дроссельной заслонки топливный коэффициент двигателя не меняется при работе двигателя на не холостом ходу, может быть выдано уведомление о повреждении системы противодавления. Контроль MAP или положения дроссельной заслонки при постоянном MAF, в соответствии с этапом 422, и контроль топливного коэффициента двигателя при постоянном MAP или постоянном положении дроссельной заслонки можно также осуществлять на не холостом ходу. Наконец, на этапе 426 ускорение вращения коленчатого вала можно контролировать на не холостом ходу аналогично контролю ускорения вращения коленчатого вала на этапе 418.
После диагностики системы противодавления выхлопа на не холостом ходу на этапе 420, и после диагностики системы противодавления выхлопа на холостом ходу на этапе 412, способ 400 переходит к этапу 428, чтобы определить, происходит ли индикация ухудшения работы системы противодавления, по результатам контроля, проведенного на этапах 420 или 412. Если происходит индикация повреждения системы, способ 400 переходит к этапу 430 для регулировки рабочих параметров двигателя и/или выполнения действия по умолчанию. Если система противодавления выхлопа повреждена, то дополнительные рабочие параметры, регулируемые при закрывании клапана противодавления, могут оставаться на тех же уровнях, на которых они были до начала движения клапана EBV, когда температура компонента была ниже порогового значения, так как клапан противодавления не закроется, если системы противодавления повреждена. Далее, если клапан противодавления нельзя закрыть из-за повреждения системы, то каталитический нейтрализатор может быть разогрет путем регулировки других параметров вместо регулировки положения клапана противодавления. Действия, выполняемые по умолчанию при повреждении системы противодавления выхлопа, могут включать в себя уведомление оператора транспортного средства (например, путем световой индикации о неисправности) и/или установки диагностического кода. Затем способ 400 возвращается к началу. При этом если на этапе 428 индикации повреждения системы не происходит, на этапе 432 поддерживают текущие рабочие параметры, и способ 400 возвращается к началу. Поддержание текущих рабочих параметров может включать в себя возврат клапана противодавления из заданного ему положения, если он был намеренно перемещен для выполнения диагностики, и возврат всех отрегулированных рабочих параметров к уровням до диагностики.
Таким образом, способ 400, представленный на Фиг.4, позволяет осуществлять диагностику состояния системы противодавления выхлопа во время движения клапана противодавления в зависимости от ряда рабочих параметров двигателя, которые могут колебаться в процессе движения клапана. Диагностика может быть выполнена каждый раз при открывании или закрывании клапана противодавления или после прохождения порогового времени. При этом, если прошло пороговое время, а изменения положения клапана противодавления не предполагается, для проведения диагностики клапан может быть перемещен намеренно. Когда клапан противодавления находится в закрытом положении, для должного нагревания каталитического нейтрализатора или для проведения диагностики клапана могут быть соответствующим образом отрегулированы рабочие параметры, такие как синхронизация клапана и положение клапана EGR, для поддержания стабильности горения во время закрывания клапана. Кроме того, в некоторых вариантах реализации повреждение системы противодавления выхлопа может быть диагностировано по показаниям датчика давления, расположенного выше по потоку от клапана противодавления. Если датчик давления установлен выше по потоку от клапана противодавления, то во время закрывания клапана индикация повреждения системы может происходить, когда измеренное датчиком давление выхлопа не возрастает. В некоторых примерах может быть предусмотрен специальный датчик давления выхлопа с целью проведения диагностики клапана противодавления. В других примерах может быть использован имеющийся датчик давления, такой как датчик давления в системе EGR.
В одном из вариантов реализации описанные способы и системы обеспечивают способ эксплуатации двигателя, в котором закрывают клапан противодавления при определенной температуре соответствующего компонента; регулируют работу впускного и/или выпускного клапана при закрывании клапана противодавления для уменьшения внутренней рециркуляции отработавших газов цилиндра (EGR); и при этом выдают уведомление о повреждении работы клапана противодавления, если заданный рабочий параметр двигателя остается неизменным при закрывании клапана противодавления. Указанный рабочий параметр двигателя может оставаться неизменным, если в течение определенного периода работы он не изменяется более чем на пороговую величину. В одном примере пороговая величина может составлять 5%. В другом примере пороговая величина может составлять 2%, а в еще одном примере - 10%. Определенный период работы может представлять собой период времени, в течение которого клапан противодавления находится в закрытом состоянии, и/или какой-либо период времени после прекращения движения клапана, например две секунды или пять секунд. Возможны и другие пороговые величины изменения и продолжительности заданных периодов работы.
Температура компонента может включать в себя температуру устройства дополнительной очистки выхлопных газов, расположенного выше по потоку от клапана противодавления. При этом закрывание клапана противодавления может быть выполнено, когда температура устройства дополнительной очистки выхлопных газов ниже порогового значения.
Индикация о повреждении системы противодавления также может быть выполнена, если во время закрывания клапана противодавления давление впускного коллектора или положение дроссельной заслонки остается неизменным. Двигатель может работать на холостых оборотах, и индикация повреждения системы противодавления может быть выполнена, когда число оборотов холостого хода остается неизменным при поддержании постоянного давления в коллекторе или положения дроссельной заслонки во время закрывания клапана противодавления.
Индикация повреждения системы противодавления также может быть выполнена, если коэффициент топлива остается неизменным при поддержании постоянного давления в коллекторе или положения дроссельной заслонки во время закрывания клапана противодавления. В качестве заданного эксплуатационного параметра может быть использовано ускорение вращения коленчатого вала. Регулировку работы впускного и/или выпускного клапанов можно выполнять путем уменьшения перекрытия клапанов, а также с помощью опережения момента зажигания при закрывании клапана противодавления.
В другом варианте реализации представлен способ эксплуатации двигателя, в котором при первом условии двигатель эксплуатируют с первым, большим значением задержки зажигания и открытым клапаном противодавления, а при втором условии двигатель эксплуатируют со вторым, меньшим значением задержки зажигания и закрытым клапаном противодавления, причем при закрывании клапана противодавления выполняют индикацию повреждения системы противодавления на основании изменения давления в коллекторе.
Первое условие может включать в себя работу при барометрическом давлении ниже первого порогового значения, а второе условие может включать в себя работу при барометрическом давлении выше первого порогового значения и температуру каталитического нейтрализатора ниже второго порогового значения. Индикация повреждения системы противодавления на основании изменения давления в коллекторе может также включать в себя поддержание постоянного массового расхода воздуха и индикацию повреждения, если давление в коллекторе не меняется.
Второе условие может включать в себя работу на холостом ходу, а индикация повреждения системы противодавления на основании изменения давления в коллекторе может также включать в себя поддержание постоянной скорости холостого хода и индикацию повреждения, если давление в коллекторе не меняется
Способ также может предусматривать эксплуатацию двигателя при первом условии с первой величиной перекрытия впускного и выпускного клапанов, а при втором условии - со второй величиной перекрытия впускного и выпускного клапанов. Вторая величина перекрытия впускного и выпускного клапанов может включать в себя отсутствие перекрытия впускного и выпускного клапанов. Способ далее может включать в себя при первом условии регулировку клапана EGR для получения требуемого значения EGR на основании скорости и нагрузки двигателя, а при втором условии - закрывание клапана EGR.
На Фиг.6 представлена схема 600, на которой показаны примеры рабочих параметров двигателя во время закрывания клапана противодавления в соответствии с одним из вариантов реализации. Время отложено на горизонтальной оси, а каждый соответствующий рабочий параметр отложен на вертикальной оси. Кривая 602 отображает температуру каталитического нейтрализатора, кривая 604 отображает положение клапана противодавления, кривая 606 соответствует моменту зажигания, кривая 608 отображает скорость эффективной рециркуляции выхлопных газов (EGR), а кривая 610 отображает крутящий момент.
1
1
2
Кривая 602 показывает изменение температуры каталитического нейтрализатора. До T температура каталитического нейтрализатора ниже предельного рабочего значения. После T клапан противодавления закрывается, как показано кривой 604. В результате температура каталитического нейтрализатора начинает расти. Как только температура каталитического нейтрализатора достигает рабочего значения, в момент времени Т, клапан противодавления открывается.
1
2
При закрывании клапана противодавления можно регулировать момент зажигания и скорость эффективной рециркуляции выхлопных газов. Например, как показывает кривая 606, когда температура каталитического нейтрализатора ниже рабочей, может быть произведена задержка момента зажигания от МВТ (минимальное опережение зажигания для обеспечения максимального крутящего момента) с целью выделения избыточного тепла для прогрева каталитического нейтрализатора. При этом, для уменьшения нестабильности горения, которая может возникать в результате закрывания клапана противодавления, может быть произведено небольшое опережение момента зажигания после T. Как только клапан противодавления открывается в момент времени Т, момент зажигания можно установить на оптимальный для данных условий, например на МВТ. Далее, перед закрыванием клапана противодавления можно уменьшить скорость эффективной рециркуляции выхлопных газов, как показано кривой 608, и во время закрывания клапана противодавления поддерживать ее на минимальном уровне. Скорость эффективной рециркуляции выхлопных газов включает в себя внешнюю рециркуляцию выхлопных газов от выпуска к впуску и внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов, удерживаемых в цилиндрах благодаря синхронизации впускного и выпускного клапанов.
1
Наконец, по мере закрывания клапана может колебаться крутящий момент, по крайней мере, в начале. Как показано на кривой 610, после закрывания клапана противодавления в момент времени T крутящий момент сначала падает. Однако для компенсации уменьшения расхода всасываемого в двигатель воздуха можно отрегулировать другие параметры, например положение дроссельной заслонки. Таким образом, после первого уменьшения крутящий момент может вернуться к первоначальному значению. Однако, как показано на кривой 612, если клапан противодавления поврежден, и он не закрывается, крутящий момент может оставаться постоянным.
Следует понимать, что описанные выше конфигурации и программы являются примерными по своей сути, и точное их воспроизведение не рассматривается как единственно возможное, так как допускаются различные модификации. Например, описанная выше технология может применяться к двигателям V-6, I-4, I-6, V-12, оппозитному четырехцилиндровому и другим типам двигателя. Предметом настоящего изобретения являются все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций и другие особенности, функции и/или свойства, описанные выше.