Способ и система для работы каталитического нейтрализатора отработавших газов двигателя
METHOD AND SYSTEM FOR OPERATION OF ENGINE EXHAUST GAS CATALYTIC CONVERTER

Область техники
Настоящее изобретение относится в основном к способам и системам для управления температурой каталитического нейтрализатора отработавших газов посредством впрыска воды во впуск двигателя во время запуска двигателя.
Уровень техники и раскрытие изобретения
2
2
2
Системы управления выбросами вредных веществ из двигателя могут содержать один или несколько каталитических нейтрализаторов отработавших газов, например, трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, каталитические нейтрализаторы для улавливания оксидов азота (OA), каталитические нейтрализаторы запуска и устройства выборочной каталитической нейтрализации (ВКН). При температуре активации катализатора (например, при рабочей температуре) каталитический нейтрализатор отработавших газов может окислять или снижать количество веществ, входящих в состав отработавших газов, что позволяет преобразовать токсичные газы и загрязнители, содержащиеся в отработавших газах, в менее токсичные загрязнители или в инертные вещества, которые затем выбрасываются в атмосферу. Например, при работе в диапазоне между 400°С и 600°С, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор может преобразовывать вступающие в реакцию оксиды азота (OA), монооксид углерода (СО) и несожженные углеводороды (УВ) в инертные вещества, например, в двухатомный азот (N), углекислый газ (СO) и воду (НO). Однако во время холодного запуска двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже температуры активации (например, если температура трехкомпонентного каталитического нейтрализатора падает ниже 400°С), каталитический нейтрализатор отработавших газов может быть неспособен эффективно обрабатывать реагирующие вещества, входящие в состав отработавших газов, и, в результате, могут увеличиться выбросы вредных веществ во время холодного запуска, и токсичные вещества, входящие в состав отработавших газов, могут быть непосредственно выпущены в атмосферу.
Один подход для уменьшения выбросов вредных веществ во время холодного запуска состоит в уменьшении времени, которое требуется каталитическому нейтрализатору отработавших газов для достижения температур активации. Таким образом, для ускорения достижения температуры активация катализатора системы двигателя могут содержать насосы нагревателя и/или нагреватели каталитического нейтрализатора, обеспечивающие предварительный нагрев основных каталитических нейтрализаторов отработавших газов. Один пример такой системы двигателя предложен Паризе в патентном документе США №5968456. В этом случае, во время холодного запуска транспортного средства в качестве теплового насоса используется термоэлектрический генератор для нагревания подложки каталитического нейтрализатора отработавших газов, что позволяет уменьшить время, необходимое для активации катализатора. Таким образом, каталитический нейтрализатор отработавших газов более быстро достигает рабочей температуры, что позволяет уменьшить количество выбросов вредных веществ во время запуска транспортного средства.
Однако авторы настоящего изобретения обнаружили возможные проблемы в такой системе. Согласно одному примеру, использование термоэлектрического генератора для единственной задачи по нагреву каталитического нейтрализатора отработавших газов во время холодного запуска транспортного средства может увеличить производственные затраты. В дополнение, такие системы могут увеличить требования по компоновке системы двигателя и усложнить систему двигателя. В некоторых случаях эти дополнительные нагреватели могут увеличить противодавление отработавших газов. Увеличенное противодавление отработавших газов может привести к увеличенной насосной работе, уменьшению давления наддува во впускном коллекторе, а также может привести к эффектам продувки и сгорания в цилиндрах и к дополнительным проблемам в работе турбонагнетателя.
В одном примере раскрытые выше проблемы могут быть решены посредством способа, содержащего: во время холодного запуска впрыск воды во впуск двигателя в зависимости от температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. Таким образом, могут использоваться уже существующие в системах двигателя системы впрыска воды, предназначенные для охлаждения заряда воздуха во впускном коллекторе, уменьшения детонации, управления температурой отработавших газов и разбавления впускной текучей среды двигателя. Авторы настоящего изобретения выяснили, что существует возможность использования существующей системы впрыска воды для впрыска воды во впускной коллектор во время холодного запуска для увеличения концентрации воды в отработавших газах. За счет увеличения количества воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, вода может быть накоплена внутри пористого материала каталитического нейтрализатора отработавших газов. Таким образом, вода внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов может использоваться для выработки тепла внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов. Таким образом, периоды времени, необходимые для активации катализатора, могут быть уменьшены, и технические условия по соблюдению количества выбросов вредных веществ можно выполнить без каких-либо дополнительных затрат.
Согласно одному примеру, небольшие количества воды (например, в виде легкого тумана) могут быть впрыснуты во впускной коллектор, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше пороговой температуры. Когда частота вращения двигателя увеличивается и достигает пороговой частоты вращения (например, частоты вращения во время проворачивания коленчатого вала), во впускной коллектор могут впрыснуть большее количество воды, и, в результате, концентрация воды в отработавших газах может начать увеличиваться. В этом случае в отработавших газах могут начать аккумулироваться молекулы воды, которые могут накапливаться в пористом материале каталитического нейтрализатора отработавших газов. Количество движения молекул воды, накопленных в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, может начать увеличиваться. Технический эффект от накопления воды в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов заключается в том, что количество движения молекул воды, накопленных внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, может быть преобразовано в тепловую энергию внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов. В результате, каталитический нейтрализатор отработавших газов может начать нагреваться. Кроме того, вода, накопленная в пористом материале каталитического нейтрализатора отработавших газов, может обеспечить дополнительную теплоемкость для аккумулирования тепла отработавших газов. Увеличенное количество движения и увеличенная теплоемкость могут совместно обеспечить быстрое нагревание каталитического нейтрализатора отработавших газов. Таким образом, может быть уменьшено фактическое время, требуемое для того, чтобы каталитический нейтрализатор отработавших газов мог достичь температур активации (или время активации катализатора). За счет уменьшения времени активации катализатора можно уменьшить количество выбросов вредных веществ в отработавших газах во время холодного запуска. В целом, преимущества впрыска воды могут быть распространены на более широкий диапазон условий работы двигателя, что позволяет улучшить эффективность двигателя.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое раскрытие изобретения служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно в разделе «Осуществление изобретения». Это раскрытие не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного объекта изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный объект изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана схема системы двигателя, выполненная с возможностью впрыска воды.
На фиг. 2 показана блок-схема алгоритма примера способа использования системы впрыска воды из системы двигателя для управления одним или более из следующего: детонация, требуемое разбавление текучей среды и температура отработавших газов.
На фиг. 3 показана блок-схема алгоритма примера способа впрыска воды во впуск системы двигателя во время холодного запуска двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже, чем пороговая температура, согласно настоящему изобретению.
На фиг. 4 показан предсказывающий пример регулирования впрыска воды, используемого во время холодного запуска двигателя для уменьшения времени активации катализатора, согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
Нижеследующее раскрытие относится к системам и способам использования системы впрыска воды, соединенной с двигателем транспортного средства, как раскрыто со ссылкой на систему транспортного средства, показанную на фиг. 1, во время холодного запуска двигателя, для нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов до температуры активации. Контроллер может выполнять управляющую программу, например, программу, показанную на фиг. 2 в качестве примера, для включения системы впрыска воды во время нормальной работы двигателя, что позволяет управлять детонацией, разбавлением текучей среды для двигателя и температурой отработавших газов. Кроме того, во время холодного запуска двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше пороговой температуры, контроллер может выполнять управляющую программу, например, программу, показанную на фиг. 3 в качестве примера, для впрыска воды с использованием системы впрыска воды, для нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов. В данном случае контроллер может регулировать количество воды, впрыснутой во впуск, на основе одного или более из следующего: частота вращения двигателя, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов и уровень воды, накопленной в пористых материалах каталитического нейтрализатора отработавших газов, как показано на фиг. 4. Таким образом, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов может быть быстро увеличена до температуры активации катализатора во время холодного запуска двигателя, что позволяет уменьшить количество выбросов вредных веществ во время холодного запуска.
На фиг. 1 показан пример варианта осуществления системы 100 двигателя, выполненной с системой 60 впрыска воды. Система 100 двигателя присоединена к автомобильному транспортному средству 102, показанному схематично. Система 100 двигателя содержит двигатель 10, изображенный в настоящем документе в качестве двигателя с наддувом, соединенного с турбонагнетателем 13, содержащим компрессор 14, приводимый в движение турбиной 116. В частности, атмосферный воздух может проходить по впускному патрубку 142 в двигатель 10 через воздухоочиститель 31 и проходить к компрессору 14. Компрессор может представлять собой подходящий компрессор впускного воздуха, например, нагнетатель с приводом от электромотора или приводного вала. В системе 100 двигателя компрессор показан как компрессор турбонагнетателя, механически соединенный с турбиной 116 посредством вала 19, причем турбина 116 выполнена с возможностью вращения за счет расширяющихся отработавших газов двигателя. В одном варианте осуществления компрессор и турбина могут быть соединены внутри турбонагнетателя с двойной улиткой. В другом варианте осуществления турбонагнетатель может представлять собой турбонагнетатель с изменяемой геометрией (ТИГ), в котором геометрия турбины может изменяться активным образом как функция частоты вращения двигателя и других рабочих параметров.
Как показано на фиг. 1, компрессор 14 соединен через охладитель 118 воздуха турбонаддува (ОВТ) с клапаном 20 дросселя (например, впускного дросселя). Например, ОВТ может представлять собой, теплообменник типа «воздух-воздух» или теплообменник типа «воздух-охлаждающая жидкость». Клапан 20 дросселя соединен с впускным коллектором 122 двигателя. От компрессора 14 заряд горячего сжатого воздуха поступает во впускное отверстие ОВТ 118, охлаждается при прохождении через ОВТ и затем выходит из ОВТ и двигается через клапан 20 дросселя во впускной коллектор 122. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, давление заряда воздуха внутри впускного коллектора может быть измерено датчиком 124 абсолютного давления в коллекторе (АДК), а давление наддува может быть измерено датчиком 24 давления наддува. Перепускной клапан компрессора (не показанный на схеме) может быть соединен последовательно между впускным отверстием и выпускным отверстием компрессора 14. Перепускной клапан компрессора может представлять собой нормально закрытый клапан, выполненный с возможностью открытия при выбранных рабочих условиях для уменьшения избыточного давления наддува. Например, перепускной клапан компрессора может быть открыт в качестве реакции на помпаж компрессора.
Впускной коллектор 122 соединен с набором камер 180 сгорания или с цилиндрами посредством набора впускных клапанов (не показанных на схеме) и впускных трактов 185 (например, впускных каналов). Как показано на фиг. 1, впускной коллектор 122 расположен выше по потоку от всех камер 180 сгорания двигателя 10. Во впускном коллекторе могут быть расположены дополнительные датчики, например, датчик 33 температуры заряда в коллекторе (ТЗК) и датчик 25 температуры заряда воздуха (ТЗВ) для определения температуры впускного воздуха в различных местах впускного патрубка. Температура воздуха может быть в дальнейшем использована совместно с температурой охлаждающей жидкости двигателя для вычисления, например, количества подаваемого в двигатель топлива.
Каждая камера сгорания может дополнительно содержать датчик 183 детонации для обнаружения и различения ненормальных событий сгорания, таких как детонация и преждевременное воспламенение. В альтернативных вариантах осуществления один или несколько датчиков 183 детонации могут быть установлены в различных местах блока двигателя.
Камеры сгорания дополнительно соединены с выпускным коллектором 136 посредством набора выпускных клапанов (не показанных на схеме). Камеры 180 сгорания закрыты головкой 182 блока цилиндров и соединены с топливными инжекторами 179 (хотя на фиг. 1 показан только один топливный инжектор, каждая камера сгорания содержит соединенный с ней топливный инжектор). Топливо могут подавать в топливный инжектор 179 посредством топливной системы (не показанной на схеме), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу. Топливный инжектор 179 может быть выполнен как инжектор непосредственного впрыска, для впрыска топлива непосредственно в камеру 180 сгорания, или как инжектор впрыска во впускной канал, для впрыска топлива во впускной канал выше по потоку от впускного клапана камеры 180 сгорания.
В раскрытом варианте осуществления показан единственный выпускной коллектор 136. Однако в других вариантах осуществления выпускной коллектор может содержать множество секций выпускного коллектора. Варианты осуществления, имеющие множество секций выпускного коллектора, могут обеспечить направление вытекающих газов из различных камер сгорания в различные области в системе двигателя. Показано, что универсальный датчик 126 кислорода в отработавших газах (УДКОГ) соединен с выпускным коллектором 136 выше по потоку от турбины 116. В качестве альтернативы вместо датчика 126 УДКОГ может быть использован бистабильный датчик кислорода в отработавших газах.
Как показано на фиг. 1, отработавшие газы от одной или нескольких секций выпускного коллектора направляют к турбине 116 для приведения ее в движение. Когда требуется уменьшенный крутящий момент турбины, часть отработавших газов могут направить вместо этого через перепускную заслонку (не показанную на схеме) с обходом турбины. Затем объединенные потоки отработавших газов из турбины и перепускной заслонки имеют возможность прохождения через устройство 170 снижения токсичности отработавших газов. В зависимости от условий работы, часть отработавших газов могут направить вместо этого в патрубок 151 рециркуляции отработавших газов (РОГ) через охладитель 50 РОГ и клапан 152 РОГ, к впускному отверстию компрессора 14. Таким образом, компрессор выполнен с возможностью получения отработавших газов, отводимых ниже по потоку от турбины 116. Клапан 152 РОГ могут открыть для направления управляемого количества охлажденных отработавших газов к впускному отверстию компрессора для управления процессом сгорания и для управления выбросами вредных веществ. Таким образом, система 100 двигателя адаптирована для использования внешней системы РОГ низкого давления (НД). Вращение компрессора, в дополнение к относительно длинному пути прохождения РОГ НД в системе 100 двигателя, обеспечивает превосходную гомогенизацию отработавших газов во впускном заряде воздуха. Кроме того, расположение мест отведения РОГ и смешивания газов обеспечивает эффективное охлаждение отработавших газов, что позволяет увеличить массу газов, доступных для РОГ, и улучшить производительность. В других вариантах осуществления система РОГ может представлять собой систему РОГ высокого давления с патрубком 151 РОГ, соединяющим область выше по потоку от турбины 116 и область ниже по потоку от компрессора 14. В некоторых вариантах осуществления датчик 33 ТЗК может быть установлен для определения температуры заряда в коллекторе, причем заряд может содержать воздух и отработавшие газы, циркулирующие через патрубок 151 РОГ.
Впускной коллектор 122 может дополнительно содержать датчик 34 кислорода во впускных газах. Например, этот датчик кислорода может представлять собой УДКОГ. Датчик кислорода во впускных газах может быть выполнен с возможностью обеспечения оценки содержания кислорода в атмосферном воздухе, подаваемом во впускной коллектор. В дополнение, когда происходит РОГ, изменение концентрации кислорода на этом датчике можно использовать для вычисления количества РОГ и использовать для точного управления потоком РОГ. В изображенном примере датчик 34 кислорода расположен ниже по потоку от дросселя 20 и ниже по потоку от охладителя 118 воздуха турбонаддува. Однако в альтернативных вариантах осуществления датчик кислорода может быть расположен выше по потоку от дросселя. Датчик 34 кислорода во впускных газах может быть использован для оценки концентрации кислорода во впускных газах и вычисления количества газов от РОГ, протекающих через двигатель, на основе изменения концентрации кислорода во впускных газах при открытии клапана 152 РОГ. Аналогичным образом, датчик 34 кислорода во впускных газах может быть использован для оценки концентрации кислорода во впускных газах и вычисления степени разбавления газов, поступающих в двигатель, или для оценки изменения влажности впускных газов на основе изменения концентрации кислорода во впускных газах после впрыска воды во впускной коллектор.
В камеру 180 сгорания также поступает вода и/или водяной пар через систему 60 впрыска воды. Вода из системы 60 впрыска воды может быть введена во впускной патрубок двигателя или непосредственно в камеры 180 сгорания через один или несколько водяных инжекторов 45-48. Согласно одному примеру, воду могут впрыскивать во впускной коллектор 122, выше по потоку от дросселя 20, через водяной инжектор 45. В другом примере воду могут впрыскивать во впускной коллектор 122 ниже по потоку от дросселя в одном или нескольких местах, через водяной инжектор 46. В другом примере воду могут впрыскивать в один или несколько впускных трактов 185 (например, во впускные каналы) через водяной инжектор 48 (что в настоящем документе также упоминается как «впрыск воды в канал») и/или непосредственно в камеру 180 сгорания через водяной инжектор 47 (что в настоящем документе также упоминается как «непосредственный впрыск воды»).
Хотя на фиг. 1 показан только один конкретный инжектор 47 и один конкретный инжектор 48, каждая камера 180 сгорания и впускной тракт 185 может содержать собственный инжектор. В альтернативных вариантах осуществления система впрыска воды может содержать водяные инжекторы, расположенные в одном или нескольких из этих мест. Например, в одном варианте осуществления двигатель может содержать только водяной инжектор 46. В другом варианте осуществления двигатель может содержать и водяной инжектор 46, и водяные инжекторы 48 (по одному на каждый впускной тракт), а также водяные инжекторы 47 (по одному на каждую камеру сгорания). Различные параметры впрыска воды (например, количество впрыска воды, момент впрыска, уровень пульсации и т.д.) могут быть выбраны для каждого водяного инжектора на основе условий работы двигателя (например, на основе детонации, требования по разбавлению текучей среды, управления температурой отработавших газов, и температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов) как раскрыто со ссылкой на фиг. 2 и 3.
Система 60 впрыска воды содержит бак 63 (или резервуар) для хранения воды, водяной насос 62, собирающую систему 72 и патрубок 69 для пополнения воды. Вода, хранимая в водяном баке 63, может быть подана к водяным инжекторам 45-48 через водяной патрубок 61 и трубопроводы 161 или линии. В вариантах осуществления, содержащих несколько инжекторов, водяной патрубок 61 может содержать клапан 162 (например, распределительный клапан, многоходовой клапан, пропорциональный клапан и т.д.) для направления воды к различным водяным инжекторам через соответствующие трубопроводы. В качестве альтернативы каждый трубопровод 161 (или линия воды) может содержать соответствующие клапаны внутри водяных инжекторов 45-48 для регулирования потока воды через эти инжекторы. В дополнение к водному подкачивающему насосу 62, возможно использование одного или нескольких дополнительных насосов в трубопроводах 161 для создания давления воды, направляемой к инжекторам, например, в трубопроводе, соединенном с водяным инжектором 47 непосредственного впрыска воды.
Бак 63 для хранения воды может содержать датчик 65 уровня воды и датчик 67 температуры воды, которые могут передавать информацию о состоянии воды в контроллер 12. Например, в условиях мороза датчик 67 температуры воды может определить, замерзла ли вода в баке 63 или вода доступна для впрыска. В некоторых вариантах осуществления патрубок охлаждающей жидкости двигателя (не показанный на схеме) может иметь тепловой контакт с баком 63 для хранения воды, что позволяет растопить замороженную воду. Уровень воды, хранимой в водяном баке 63, можно определить посредством датчика 65 уровня воды, и эта информация может быть передана водителю и/или может быть использована для регулирования работы двигателя. Например, может быть использована шкала количества воды или индикатор на приборной панели транспортного средства (не показано на схеме) для указания уровня воды. Если уровень воды в водяном баке 63 выше, чем пороговый уровень, можно сделать вывод, что имеется достаточно воды для впрыска, и, соответственно, контроллер может разрешать впрыск воды. В противном случае, если уровень воды в водяном баке 63 ниже, чем пороговый уровень, можно сделать вывод, что недостаточно воды для впрыска, и, соответственно, контроллер может отключить впрыск воды.
В изображенном варианте осуществления бак 63 для хранения воды может быть вручную заново наполнен через патрубок 69 для пополнения воды и/или заново наполнен автоматически собирающей системой 72 через патрубок 76 заполнения водяного бака. Собирающая система 72 может быть соединена с одним или несколькими компонентами 74 транспортного средства таким образом, чтобы бак для хранения воды мог быть заново наполнен на борту транспортного средства, с использованием конденсата, собранного из различных мест двигателя или систем транспортного средства. В одном примере собирающая система 72 может быть соединена с системой РОГ и/или с выпускной системой, что позволяет собирать воду, сконденсированную из отработавших газов, проходящих через эту систему. В другом примере собирающая система 72 может быть соединена с системой кондиционирования воздуха (не показанной на схеме) для сбора воды, сконденсированной из воздуха, проходящего через испаритель. В другом примере собирающая система 72 может быть соединена с внешней поверхностью транспортного средства для сбора дождевой воды или атмосферного конденсата. Патрубок 69 для пополнения воды вручную может быть соединен по текучей среде с фильтром 68, выполненным с возможностью удаления части примесей, содержащихся в воде. Слив 92 содержит сливной клапан 91, который может быть использован для слива воды из бака 63 для хранения воды в какое-либо место вне транспортного средства (например, на дорогу), например, когда будет определено, что качество воды ниже порогового качества, и вода не подходит для впрыска в двигатель (например, вследствие высокой проводимости, высокого содержания твердых частиц). Например, качество воды может быть оценено на основе показаний датчика, установленного в системе 60 впрыска воды в водяном патрубке 61. Например, качество воды может быть оценено на основе показаний датчика проводимости, емкостного датчика, оптического датчика, датчика мутности, датчика плотности или датчика какого-либо другого типа для оценки качества воды.
Как раскрыто ранее, отработавшие газы из турбины 116 и перепускной заслонки (не показанной на фиг. 1) могут проходить через устройство 170 снижения токсичности отработавших газов. В целом, одно или несколько устройств 170 снижения токсичности отработавших газов могут содержать один или несколько каталитических нейтрализаторов отработавших газов, выполненных с возможностью каталитической обработки потока отработавших газов, и, тем самым, уменьшения количества одного или нескольких веществ в потоке отработавших газов.
Все отработавшие газы или их часть после обработки в устройстве 170 снижения токсичности отработавших газов, могут быть выпущены в атмосферу через выпускной трубопровод 35. Устройство 170 снижения токсичности отработавших газов может представлять собой дизельный фильтр твердых частиц (ДФТЧ), трехрежимный каталитический нейтрализатор (ТКН), уловитель оксидов азота (OA), каталитический нейтрализатор OA, различные другие устройства снижения токсичности отработавших газов или их комбинацию. Например, устройство 170 может представлять собой систему выборочного каталитического восстановления (ВКВ), выполненную с возможностью уменьшения количества выбросов OA посредством введения восстановителя, например, мочевины, в поток отработавших газов. Устройство 170 снижения токсичности отработавших газов может также быть названо «каталитический нейтрализатор отработавших газов» и может дополнительно содержать датчик 171 температуры, который могут использовать для определения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Во время холодного запуска двигателя температура каталитического нейтрализатора отработавших газов (которая может быть определена, например, датчиком 171 температуры) может быть меньше пороговой температуры. В одном примере пороговая температура может представлять собой температуру активации катализатора. Пороговая температура может также упоминаться как «требуемая температура». Как раскрыто ранее, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже температуры активации, каталитический нейтрализатор отработавших газов не может эффективно обрабатывать компоненты отработавших газов. В результате, необработанные отработавшие газы могут быть выпущены в атмосферу. Авторы настоящего изобретения выяснили, что существует возможность быстрого увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов до температур активации посредством включения системы 60 впрыска воды для впрыска воды во впускной коллектор 122.
Например, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже, чем температура активации, один или несколько водяных инжекторов 45-48 могут включить для впрыска воды во впуск. Первоначально, количество введенной воды может быть небольшим (например, в виде легкого тумана), чтобы в двигатель не попало слишком много воды. После увеличения частоты вращения двигателя могут увеличить количество воды, впрыскиваемой через водяные инжекторы.
Эффект от увеличения количества воды для впрыска во впуск имеет два аспекта. Во-первых, увеличение количества впрыскиваемой воды может увеличить концентрацию воды в отработавших газах и может привести к накоплению воды внутри пористого материала каталитического нейтрализатора отработавших газов. Таким образом, каталитический нейтрализатор отработавших газов может содержать ядро, выполненное из керамического монолита, и подложку, имеющую пористую, подобную сотам, структуру, причем вода может накапливаться в пористой сотовидной структуре. Поскольку вода накапливается внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, количество движения молекул воды внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов может быть преобразовано в тепловую энергию. В результате, каталитический нейтрализатор отработавших газов может быть быстро нагрет.Математические уравнения, показанные ниже, объясняют, как количество движения молекул воды может быть преобразовано в тепловую энергию.
Например, полная энергия водяного пара, поступающего в двигатель, состоит из кинетической энергии и внутренней энергии и может быть выражена математически как показано ниже в уравнении (1):
где кинетическая энергия молекул воды внутри отработавших газов образуется за счет энергии поступательного движения системы. Кроме того, внутренняя энергия молекул воды внутри отработавших газов образуется за счет всего движения отдельных молекул, что приводит к образованию энергии поступательного движения, вращательной энергии и колебательной энергии.
Вода имеет трехатомные молекулы, способные выполнять все три типа движения (поступательное, вращательное и колебательное) в качестве средства хранения внутренней энергии. Энергия поступательного движения системы (например, энергия всей системы, , состоящей из молекул воды, двигающихся вместе) может быть математически выражена уравнением (2), как показано ниже:
сксм
где m - общая масса воды (m=M*n, где М - молекулярный вес воды, n - количество молей воды), и v - среднеквадратичное значение скорости молекул. Полная энергия пара впрыскиваемой воды может быть передана каталитическому нейтрализатору, поскольку вода абсорбируется внутри каталитического нейтрализатора. Столкновение и поглощение молекул воды приводит к ускоренному нагреву каталитического нейтрализатора. Таким образом, полная энергия водяного пара может быть преобразована в тепловую энергию, которая может быть передана выпускному каталитическому нейтрализатору.
Внутренняя энергия поступательного движения представляет собой энергию движения отдельных молекул внутри системы и может быть выражена математически посредством уравнения (3) как показано ниже:
где m - масса молекулы, v - скорость молекулы, k - постоянная Больцмана и Т - температура в градусах Кельвина. Можно отметить, что система может иметь внутреннюю энергию поступательного движения, но может не иметь какой-либо энергии поступательного движения системы, например, газа, если газ не движется. Поскольку газ имеет температуру выше 0 К, он имеет внутреннюю энергию поступательного движения, которая зависит от температуры и может быть выражена посредством уравнения (3).
Внутренняя вращательная энергия представляет собой энергию вращения конкретной молекулы. Многоатомные молекулы могут вращаться вокруг осей х, у или z или вокруг некоторой комбинации этих трех осей. Моменты инерции, соответствующей этим осям, могут быть обозначены следующим образом: Ix, Iy, Iz или Ia, Ib, Iс. Таким образом, общее уравнение момента инерции может быть выражено как уравнение (4), показанное ниже:
2
i
i
где сумма учитывает количество атомов в молекуле (например, молекула воды НO имеет 3 атома, поэтому i равно 3), масса атома i - m и расстояние от оси вращения - r.Общее уравнение для вращательной энергии показано как уравнение (5) ниже:
где ω - угловая частота вращения.
Колебательная (внутренняя) энергия представляет собой энергию вибрации атомов в молекуле. Многоатомные молекулы могут вибрировать шестью различными способами симметричное валентное колебание, асимметричное валентное колебание, деформационное колебание, раскачивание, веерное колебание и скручивание. В первом приближении молекулярные колебания могут быть выражены посредством простых гармонических осцилляторов со связанной колебательной энергией, как проиллюстрировано ниже в уравнении (6):
где V - вибрационное квантовое число, h - постоянная Планка и ν - частота колебаний.
Таким образом, количество движения молекул воды внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов может быть преобразовано в тепловую энергию. В дополнение, вода, которая добавлена к каталитическому нейтрализатору отработавших газов, может увеличить емкость каталитического нейтрализатора отработавших газов, что, в свою очередь, позволяет каталитическому нейтрализатору отработавших газов хранить увеличенное количество тепла отработавших газов. Таким образом, вода обладает высокой теплоемкостью и представляет собой удобный материал для поглощения тепла. Это частично объясняет использование воды в качестве охлаждающей жидкости во многих системах управления теплом. Вода, накопленная внутри каталитического нейтрализатора, может действовать как проводник тепла, проходящего мимо в отработавших газах, что позволяет обеспечить улучшенную скорость передачи тепла каталитическому нейтрализатору и позволяет каталитическому нейтрализатору лучше аккумулировать тепло отработавших газов. Следует учитывать, что вода имеет высокую теплоемкость. Таким образом, способность молекул поглощать тепловую энергию называют теплоемкостью. Высокая теплоемкость воды обусловлена водородными связями, образующимися между молекулами воды. Когда тепло поглощено, водородные связи разрываются, и молекулы воды могут свободно перемещаться. Когда температура воды уменьшается, водородные связи образуются вновь и освобождают значительное количество энергии. Вода имеет самую высокую удельную теплоемкость среди всех жидкостей. Удельная теплоемкость определяется как количество тепла, которое один грамм вещества должен поглотить или потерять для изменения его температуры на один градус Цельсия. Для воды это количество составляет одну калорию или 4184 джоуля.
Такие два эффекта, как увеличение тепловой энергии и увеличение теплоемкости для накопления тепла, вместе позволяют уменьшить время достижения каталитическим нейтрализатором отработавших газов температуры активации, как показано на фиг. 3. Таким образом, количество воды, впрыснутой во впуск, могут регулировать на основе одного или более из следующего: частота вращения двигателя, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов и водная вместимость каталитического нейтрализатора отработавших газов, как показано на фиг. 4 и раскрыто ниже.
На фиг. 1 также показана управляющая система 28. Управляющая система 28 может обмениваться информацией с различными компонентами системы 100 двигателя для выполнения управляющих программ и действий, раскрытых в настоящем документе. Управляющая система 28 может содержать электронный цифровой контроллер 12. Контроллер 12 может представлять собой микрокомпьютер, содержащий микропроцессорное устройство, порты ввода/вывода, электронный носитель информации для исполняемых программ и калибровочных значений, оперативное запоминающее устройство, энергонезависимое запоминающее устройство и шину данных. Контроллер 12 может получать входные сигналы от множества датчиков 30, таких как различные датчики, показанные на фиг. 1, для получения исходной информации, содержащей состояние включенной передачи трансмиссии, положение педали акселератора, требование по торможению, скорость транспортного средства, частоту вращения двигателя, значение массового расхода воздуха через двигатель, давление наддува, внешние условия (температура, давление, влажность) и т.д. В число других датчиков может входить датчик УДКОГ (расположенный выше по потоку и/или ниже по потоку от каталитического нейтрализатора), нагреваемый датчик кислорода в отработавших газах (НДКОГ), датчики ОВТ 118, например, для измерения температуры воздуха на впускном отверстии ОВТ, датчик 25 температуры воздушного заряда (ТВЗ), датчик 80 давления отработавших газов, датчик 82 температуры, датчик 171 температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, датчик 124 давления, датчик температуры воздуха на выпускном отверстии ОВТ, сигнал профиля зажигания (ПЗ) от датчика 181 на эффекте Холла (или от датчика другого типа), соединенного с коленчатым валом, датчик 33 температуры заряда воздуха в коллекторе (ТЗВК), впускной кислородный датчик 34 (ВКД), датчик 183 детонации для определения воспламенения остаточных газов и/или распределения воды для разных цилиндров, датчики влажности, а также другие датчики. Контроллер 12 может получать сигналы от различных датчиков, показанных на фиг. 1, и может использовать различные приводы, показанные на фиг. 1, для регулирования работы двигателя на основе полученных сигналов и инструкций, сохраненных в памяти контроллера.
Например, контроллер может включить систему впрыска воды на основе условий работы двигателя. Например, контроллер 12 может включить водяные инжекторы 45-48 во время запуска двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше пороговой температуры (например, температуры активации). Контроллер 12 может дополнительно управлять количеством воды, подаваемой через водяные инжекторы во время запуска двигателя. Таким образом, впрыск воды в двигатель могут осуществлять посредством регулирования длительностей импульсов для инжекторов 45-48, для изменения количества воды для впрыска, при одновременном регулировании моментов впрыска воды и количества импульсов впрыска.
В другом примере контроллер 12 может регулировать количество воды для впрыска во впуск через водяные инжекторы 45-48 на основе частоты вращения двигателя во время холодного запуска двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше пороговой температуры. Например, контроллер 12 может определить частоту вращения двигателя на основе сигнала ПЗ от датчика 181 на эффекте Холла. Во время холодного запуска двигателя, когда частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения, контроллер может впрыскивать меньшее количество воды (например, в виде легкого тумана) во впуск через водяные инжекторы 45-48. Когда частота вращения двигателя увеличивается и достигает пороговой частоты вращения, контроллер может увеличить количество воды, впрыскиваемой во впуск. В одном примере контроллер может регулировать количество воды для впрыска на основе темпа увеличения частоты вращения двигателя.
В других примерах контроллер 12 может регулировать количество воды для впрыска во впуск через водяные инжекторы 45-48 на основе количества воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Например, контроллер 12 может оценить количество воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, на основе температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов (например, на основе показаний датчика 171 температуры) и количества воды, впрыснутой во впуск (например, суммарное количество воды, впрыснутой из каждого водяного инжектора 45-48). В некоторых примерах контроллер 12 может оценить количество воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, на основе показаний датчика влажности, соединенного с каталитическим нейтрализатором отработавших газов. В данном случае контроллер 12 может увеличить количество воды для впрыска во впуск пропорционально увеличению значения оцененного уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов.
Еще в некоторых примерах контроллер 12 может отключить водяные инжекторы, когда каталитический нейтрализатор отработавших газов достигает температуры активации. На основе показаний датчика 171 температуры, контроллер может определить, достиг ли каталитический нейтрализатор отработавших газов температуры активации (например, температур 400°С-600°С). Как только температура активации достигнута, контроллер может отключить один или несколько водяных инжекторов 45-48 и может поддерживать инжекторы в отключенном состоянии. В любое время во время цикла двигателя, контроллер может повторно включить водяные инжекторы для управления детонацией, разбавлением текучей среды и управления температурой отработавших газов как показано на фиг. 2.
В некоторых примерах носитель информации может быть запрограммирован посредством машиночитаемых данных, представляющих собой инструкции, выполняемые процессором для осуществления раскрытых ниже способов (например, способов, показанных на фиг. 2 и 3), а также других вариантов, подразумеваемых, но не перечисленных явным образом.
Таким образом, система, показанная на фиг. 1, соответствует системе транспортного средства, содержащей: двигатель с цилиндром, систему впрыска воды, содержащую водяной инжектор, соединенный с впускным коллектором, каталитический нейтрализатор отработавших газов, соединенный с выпускным патрубком, датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, датчик, выполненный с возможностью измерения частоты вращения двигателя, и контроллер, содержащий машиночитаемые инструкции для следующего: во время запуска двигателя включение водяного инжектора для впрыска водяного тумана во впускной коллектор, когда частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения, и в качестве реакции на увеличение частоты вращения двигателя выше пороговой частоты вращения, увеличение количества воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, на основе темпа увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов.
На фиг. 2 показан пример способа 200 регулирования впрыска воды из системы впрыска воды во впуск системы двигателя в качестве реакции на различные условия работы двигателя. Система впрыска воды может представлять собой один неограничивающий пример системы 60 впрыска воды, показанной на фиг. 1, и система двигателя может представлять собой один неограничивающий пример системы 100 двигателя, показанной на фиг. 1. В частности, способ 200 содержит систему впрыска воды с выборочным включением для управления производительностью двигателя.
Инструкции для выполнения способа 200 и других раскрытых в настоящем документе способов могут быть выполнены контроллером на основе инструкций, сохраненных в памяти контроллера, и совместно с сигналами, полученными от датчиков системы двигателя, например, от датчиков, раскрытых выше со ссылкой на фиг. 1. Контроллер может использовать исполнительные механизмы двигателя в системе двигателя для регулирования работы двигателя в соответствии с раскрытыми ниже способами.
Способ 200 начинается на шаге 202 с оценки и/или измерения условий работы двигателя. Оцененные условия работы двигателя могут содержать давление во впускном коллекторе (ДВК), воздушно-топливное отношение (ВТО), момент зажигания, количество впрыскиваемого топлива или момент впрыска, значение потока при рециркуляции отработавших газов (РОГ), массовый расход воздуха (МРВ), температуру заряда в коллекторе (ТЗК), частоту вращения двигателя, температуру охлаждающей жидкости, температуру в цилиндре, температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов, количество воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, и/или нагрузку двигателя и т.д.
На шаге 202 могут определить, происходит ли запуск двигателя из состояния останова. В одном примере, запуск двигателя может быть подтвержден в качестве реакции на событие включения зажигания посредством ключа или на альтернативное событие в транспортном средстве. В другом примере двигатели выполнены со стартстопной кнопкой, и запуск двигателя может быть подтвержден в качестве реакции на нажатие водителем кнопки «Пуск».
Запуск двигателя не может быть подтвержден, если двигатель уже превысил частоту вращения при запуске двигателя или уже работает, и номинальная работа двигателя продолжается. Если запуск двигателя подтвержден (например, ответ «ДА» на шаге 204), то способ 200 переходит к шагу 206, на котором впрыск воды регулируют на основе температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, как показано на фиг. 3. В некоторых примерах способ 200 может завершить свою работу, и контроллер может продолжить выполнение способа, раскрытого ниже и показанного на фиг. 3.
На фиг. 2 показано, что, если на шаге 204 запуск двигателя не подтвержден (например, ответ «НЕТ» на шаге 204), то есть, двигатель уже работает, способ 200 переходит к шагу 208, на котором могут определить, требуется ли впрыск воды. Как правило, когда двигатель работает, впрыск воды может потребоваться для выполнения задач управления, например, для управления детонацией, управления температурой отработавших газов и для выполнения требования по разбавлению текучей среды для двигателя.
В первом примере впрыск воды может потребоваться, когда показания датчика детонации (например, датчика 183 детонации, изображенного на фиг. 1) смещаются в сторону пороговой детонации. Например, когда показания датчика детонации смещаются ближе к пороговой детонации, включение системы впрыска воды может увеличить охлаждение наддувочного воздуха и предотвратить появление условий детонации. Во втором примере впрыск воды может быть затребован в результате увеличения температур отработавших газов, поскольку охлаждение впускного заряда посредством воды обеспечивает управление температурой отработавших газов. Например, впрыск воды может потребоваться в качестве реакции на увеличение температуры отработавших газов выше пороговой температуры. В данном случае пороговая температура может представлять собой температуру, выше которой может произойти ухудшение компонентов двигателя, расположенных ниже по потоку от цилиндров двигателя. В третьем примере впрыск воды может потребоваться для выполнения требования по разбавлению текучей среды для двигателя. Таким образом, впрыск воды может быть использован для увеличения разбавления текучей среды для двигателя, что позволяет уменьшить насосные потери, обеспечить увеличенное охлаждение наддувочного воздуха, что, в свою очередь, позволяет уменьшить детонацию в двигателе и увеличить КПД двигателя.
В некоторых примерах впрыск воды может потребоваться в качестве реакции на увеличение температуры коллектора с превышением пороговой температуры. Кроме того, впрыск воды может потребоваться, когда частота вращения двигателя достигает пороговой частоты вращения или нагрузка двигателя достигает пороговой нагрузки. В дополнение, воду могут впрыскивать, когда вычисленное октановое число используемого топлива меньше порогового октанового числа.
Если впрыск воды не требовался (например, ответ «НЕТ» на шаге 208), то на шаге 210 продолжают обеспечивать работу двигателя без впрыска воды. Однако, если впрыск воды требовался (например, ответ «ДА» на шаге 208), то способ переходит к шагу 212, на котором включают систему впрыска воды. Включение системы впрыска воды содержит включение (например, посредством отправки электрического сигнала) одного или нескольких водяных инжекторов (например, водяных инжекторов 45-48, показанных на фиг. 1) системы впрыска воды.
Затем, на шаге 214 способ 200 содержит регулирование количества воды, впрыскиваемой на основе условий работы двигателя. Контроллер может регулировать количество впрыскиваемой воды и продолжительность впрыска воды на основе обратной связи от множества датчиков, которые могут предоставлять информацию о различных параметрах работы двигателя. Эти параметры могут содержать частоту вращения двигателя и нагрузку двигателя, момент зажигания, внешние условия (например, температуру и влажность окружающей среды), температуру отработавших газов, количество впрыскиваемого топлива и/или историю детонации (на основе показаний датчиков детонации, присоединенных к цилиндрам или рядом с цилиндрами двигателя).
В некоторых примерах вариантов осуществления, перед впрыском воды в систему двигателя, контроллер может проверить наличие воды для впрыска. Таким образом, доступность воды может быть определена на основе показаний множества датчиков, например, датчика уровня воды и/или датчика температуры воды (например, датчика уровня воды 65 и датчика 67 температуры воды, которые показаны на фиг. 1) расположенных в баке для воды в системе впрыска воды в двигателе. Если вода не доступна для впрыска, контроллер может регулировать параметры работы двигателя без впрыска воды.
Затем, на шаге 216 способ 200 содержит отключение или прекращение работы системы впрыска воды после завершения задачи управления. Например, впрыск воды могут прекратить, когда показания датчика детонации смещаются в сторону от пороговой детонации. В другом примере впрыск воды могут прекратить в качестве реакции на уменьшение температур отработавших газов ниже пороговой температуры. В другом примере впрыск воды могут прекратить, когда выполнено требование по разбавлению текучей среды для двигателя.
В других примерах впрыск воды могут прекратить в качестве реакции на одно или более из следующего: температура в коллекторе меньше пороговой температуры, частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения и нагрузка двигателя небольшая (например, когда нагрузка меньше пороговой нагрузки). Затем способ 200 заканчивает свою работу.
Как показано на фиг. 2, контроллер может регулировать впрыск воды для обеспечения одного или более из следующего: управление детонацией, требование разбавления текучей среды и управление температурой отработавших газов. Следует учитывать, что впрыск воды, раскрытый к настоящему моменту, выполняют в то время, когда двигатель уже работает или вращается. Существует возможность управления системой впрыска воды во время запуска двигателя, для сокращения времени активации катализатора, как раскрыто ниже со ссылкой на фиг. 3.
Каталитические нейтрализаторы отработавших газов двигателя (например, устройство 170 снижения токсичности отработавших газов, показанное на фиг. 1) используются в системах двигателя для окисления компонентов отработавших газов и для уменьшения количества таких компонентов. Каталитические нейтрализаторы отработавших газов, как известно, очень эффективны, когда нагреты до температуры активации или до рабочей температуры (например, в диапазоне от 400°С до 600°С). Однако во время холодного пуска двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже температуры активации, каталитический нейтрализатор неэффективен или неэффективен при окислении большого количества углеводородов в отработавших газах. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что сухой каталитический нейтрализатор отработавших газов (например, при холодном запуске) требует больше времени для нагревания от температуры окружающей среды до температуры активации, чем влажный каталитический нейтрализатор. Это вызвано тем, что вода во влажном каталитическом нейтрализаторе в состоянии поглотить больше тепла с большей скоростью, чем сухой каталитический нейтрализатор. Таким образом, во время холодного запуска, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже температуры активации, впрыскивают воду во впуск для того, чтобы сделать каталитический нейтрализатор влажным и обеспечить быстрое нагревание каталитического нейтрализатора, как показано ниже на фиг. 3.
На фиг. 3 показан пример способа 300 впрыска воды во впуск в системе двигателя во время запуска двигателя. В частности, способ 300 содержит впрыск воды во время запуска двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше пороговой температуры. В одном примере способ, показанный на фиг. 3, может быть выполнен как часть способа, показанного на фиг. 2, например, на шаге 206. В другом примере способ, показанный на фиг. 3, может быть выполнен независимо от способа, показанного на фиг. 2, во время запуска двигателя, когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше пороговой температуры.
Способ 300 начинается на шаге 302, на котором способ содержит оценку и/или измерение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, Тс.В данном случае, могут оценить температуру устройства снижения токсичности отработавших газов или каталитического нейтрализатора отработавших газов, (например, устройства 170 снижения токсичности отработавших газов, показанного на фиг. 1). Температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов могут оценить на основе одного или более из следующего: модель каталитического нейтрализатора, количество событий двигателя и продолжительность работы двигателя. В одном примере температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов могут непосредственно измерить посредством датчика температуры каталитического нейтрализатора (например, посредством датчика 171 температуры, присоединенного к устройству 170 снижения токсичности отработавших газов). В втором примере контроллер может оценить температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов на основе одного или более из следующего: температура каталитического нейтрализатора отработавших газов во время последней остановки двигателя, текущая температура окружающей среды, исторические данные о погоде и прошедший интервал времени, начиная с последней остановки двигателя.
В одном примере контроллер может извлечь из памяти контроллера значение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов во время последней остановки двигателя. Таким образом, во время остановки двигателя, контроллер может оценить температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов, например, на основе показаний датчика температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов и дополнительно сохранить в памяти значение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. Во время последующего запуска двигателя (без каких-либо промежуточных запусков двигателя), контроллер может извлечь из памяти значение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, полученное во время последней остановки двигателя. Контроллер может дополнительно определить текущую температуру окружающей среды, например, на основе показаний датчика температуры окружающей среды. Кроме того, контроллер может выполнить поиск среднего значения температуры, используя исторические данные о погоде. Кроме того, контроллер может определить продолжительность периода выключения двигателя (например, на основе времени между сигналами запуска двигателя). Используя температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов, полученную во время последней остановки двигателя, в качестве начального значения, контроллер может определить температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов во время текущего запуска двигателя, с использованием текущей температуры окружающей среды, данных о погоде и прошедшего интервала времени, начиная с последнего выключения двигателя. Контроллер может в качестве альтернативы определить температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов во время текущего запуска двигателя на основе вычислений с помощью справочной таблицы, используя для поиска в таблице такие данные, как температура каталитического нейтрализатора отработавших газов во время последнего выключения двигателя, текущая температура окружающей среды, данные о погоде и интервал времени, прошедший с момента последнего выключения двигателя.
В другом примере контроллер может выполнить логическое определение (например, относительно текущей температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов) на основе логических правил, представляющих собой функцию таких параметров, как, например, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов во время последнего выключения двигателя, текущая температура окружающей среды, данные о погоде и интервал времени, прошедший с момента последнего выключения двигателя.
В примерах вариантов осуществления, где способ 300 выполняется независимо от способа 200 во время запуска двигателя, в дополнение к температуре каталитического нейтрализатора отработавших газов, способ 300 может содержать оценку и/или измерение дополнительных параметров работы двигателя, как показано на шаге 202 способа 200. В кратком изложении, на шаге 302 способ 300 может содержать оценку и/или измерение условий работы двигателя, например, таких как давление в коллекторе (ДВК), воздушно-топливное отношение (ВТО), момент зажигания, количество впрыскиваемого топлива или момент впрыска топлива, уровень рециркуляции отработавших газов (РОГ), массовый расход воздуха (МРВ), температура заряда в коллекторе (ТЗК), частота вращения двигателя, температура охлаждающей жидкости, температура в цилиндре, количество воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов и/или нагрузка двигателя и т.д.
Затем, на шаге 304, могут определить, меньше ли оцененная или измеренная температура Тс каталитического нейтрализатора отработавших газов, чем пороговая температура. В некоторых примерах, во время запуска двигателя, когда температура Тс каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше пороговой температуры, контроллер (например, контроллер 12, показанный на фиг. 1) может определить, что запуск двигателя представляет собой холодный запуск. В одном примере пороговая температура может представлять собой температуру активации катализатора, ниже которой каталитический нейтрализатор отработавших газов не активируется. Таким образом может потребоваться нагревание каталитического нейтрализатора отработавших газов до пороговой температуры для обеспечения оптимальной работы каталитического нейтрализатора и каталитического преобразования компонентов отработавших газов. Как раскрыто в настоящем документе, контроллер может обеспечивать впрыск воды во впуск двигателя и регулировать количество воды, впрыскиваемой через один или несколько водяных инжекторов, на основе одного или более из следующего: частота вращения двигателя, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов и количество воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов. При этом, во время холодного запуска двигателя, температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов могут быстро увеличить до пороговой температуры, как раскрыто ниже.
Если температура Тс каталитического нейтрализатора отработавших газов выше, чем пороговая температура (например, ответ «НЕТ» на шаге 304), то есть запуск двигателя представляет собой горячий запуск, то способ 300 переходит к шагу 306, на котором двигатель запускают в нормальном режиме запуска двигателя. Таким образом, нормальный режим запуска двигателя может содержать включение топливных инжекторов и регулирование подачи топлива на основе заранее заданных параметров работы двигателя. В одном примере контроллер может включить топливные инжекторы и начать подачу топлива на основе таких параметров, как, например, частота вращения двигателя, нагрузка двигателя, требование по крутящему моменту и т.д. Следует отметить, что контроллер может не включить водяные инжекторы во время запуска прогретого двигателя, когда температура Тс каталитического нейтрализатора отработавших газов выше пороговой температуры. Затем способ 300 заканчивает свою работу.
Однако если температура Тс каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже, чем пороговая температура (например, ответ «ДА» на шаге 304), то есть, запуск двигателя представляет собой холодный запуск, то способ 300 переходит к шагу 308, на котором впрыскивают воду во впускной коллектор, в зависимости от частоты вращения двигателя. До запуска двигателя каталитический нейтрализатор отработавших газов может быть сухим (например, количество воды, накопленной внутри пористого материала каталитического нейтрализатора отработавших газов, равно нулю или близко к нулю). Однако, когда впрыскивают воду во впускной коллектор, может увеличиться концентрация воды в отработавших газах, и в результате, молекулы воды, находящиеся в отработавших газах, могут начать накапливаться внутри пористого материала каталитического нейтрализатора отработавших газов. Таким образом, каталитический нейтрализатор отработавших газов может стать влажным (например, уровень воды, накопленной в пористом материале каталитического нейтрализатора отработавших газов, может увеличиться выше нуля). Технический эффект от увлажнения каталитического нейтрализатора отработавших газов во время холодного запуска двигателя состоит в том, что может быть увеличена емкость каталитического нейтрализатора отработавших газов. Увеличенная емкость может привести к увеличенной возможности накопления тепла отработавших газов. Кроме того, количество движения молекул воды, накопленных внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, может быть преобразовано в тепловую энергию. Совместно, увеличенная емкость и возможность преобразования количества движения в тепло обеспечивают возможность нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов. Таким образом, за счет впрыска воды во впускной коллектор во время холодного запуска двигателя, можно быстро прогреть каталитический нейтрализатор отработавших газов.
Впрыск воды во впускной коллектор может содержать включение (например, включение посредством сигнала, отправленного из контроллера) одного или нескольких водяных инжекторов (например, водяных инжекторов 45-48, показанных на фиг. 1) системы впрыска воды (например, системы 60 впрыска воды, показанной на фиг. 1). В дополнение, контроллер может определить управляющий сигнал (например, длительность импульса) для направления на привод водяного инжектора в зависимости от частоты вращения двигателя. Контроллер может определить частоту вращения двигателя на основе сигнала ПЗ от датчика (например, от датчика 181 на эффекте Холла, показанного на фиг. 1), соединенного с коленчатым валом. Контроллер может определить длительность импульса, непосредственно учитывая такие параметры, как определенная ранее частота вращения двигателя, и, например, может увеличивать длительность импульса, если увеличивается частота вращения двигателя. Контроллер может в качестве альтернативы определить длительность импульса на основе вычислений с помощью справочной таблицы, в которой для поиска данных могут быть использованы значения частоты вращения двигателя, и в качестве выходных данных могут быть получены значения длительности импульса.
Впрыск воды во впускной коллектор может содержать впрыск начального количества воды во впускной коллектор, когда частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения на шаге 310. В одном примере пороговая частота вращения может представлять собой частоту вращения во время проворачивания двигателя. Во время запуска двигателя, когда частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения, контроллер может впрыскивать во впускной коллектор через водяные инжекторы меньшее количество воды (например, в виде легкого тумана). За счет впрыска воды в виде легкого тумана, когда частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения, можно предотвратить избыточное попадание воды в двигатель.
Затем на шаге 312 способ 300 содержит определение, больше ли частота вращения двигателя, чем пороговая частота вращения. Если частота вращения двигателя меньше, чем пороговая частота вращения (например, ответ «НЕТ» на шаге 312), то способ 300 переходит к шагу 316, на котором контроллер может продолжать впрыск начального количества воды (например, в виде легкого тумана) во впускной коллектор, и способ возвращается к шагу 312.
Однако если частота вращения двигателя больше, чем пороговая частота вращения (например, ответ «ДА» на шаге 312), то способ 300 переходит к шагу 318, на котором контроллер регулирует количество воды, впрыскиваемой во впускной коллектор. В некоторых примерах контроллер может начать подачу топлива в двигатель, как только двигатель достигнет частоты прокручивания коленчатого вала. Таким образом, контроллер может регулировать количество впрыскиваемого топлива в зависимости от условий работы двигателя, например, в зависимости от нагрузки двигателя, частоты вращения двигателя, требования по крутящему моменту и т.д.
При продолжении впрыска топлива контроллер может регулировать количество воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, учитывая частоту вращения двигателя. Например, контроллер может увеличить количество впрыскиваемой воды на основе темпа увеличения частоты вращения двигателя на шаге 320. Например, когда частота вращения двигателя увеличивается, контроллер может оценить темп увеличения частоты вращения двигателя за некоторый период. На основе оцененного темпа увеличения частоты вращения двигателя контроллер может увеличить количество воды. В данном случае, количество воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, может быть увеличено пропорционально темпу увеличения частоты вращения двигателя. Таким образом, во время холодного запуска двигателя способ может содержать включение водяного инжектора для впрыска воды в виде тумана во впускной коллектор, когда частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения, и в качестве реакции на увеличение частоты вращения двигателя выше пороговой частоты вращения, способ может содержать увеличение количества воды, впрыскиваемой во впускной коллектор на основе темпа увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Дополнительно или в качестве альтернативы, регулирование количества воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, может содержать увеличение количества впрыскиваемой воды на основе темпа увеличения температуры Тс каталитического нейтрализатора отработавших газов на шаге 322. Как раскрыто выше, когда воду впрыскивают во впускной коллектор, увеличенная емкость каталитического нейтрализатора отработавших газов в совокупности с увеличенным количеством тепловой энергии, образующейся внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, приводит к увеличению температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. Когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов увеличивается, контроллер может оценить темп увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. В одном примере контроллер может оценить темп увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов на основе одного или более из следующего: количество воды, впрыснутой во впускной коллектор, теплоемкость каталитического нейтрализатора отработавших газов и емкость каталитического нейтрализатора отработавших газов. После оценки темпа увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, контроллер может увеличить количество воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, пропорционально темпу увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Дополнительно или в качестве альтернативы, контроллер может регулировать количество воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, на основе уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, на шаге 324. Контроллер может оценить уровень воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, на основе одного или более из следующего: температура отработавших газов, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов, количество воды, впрыснутой во впуск, показания датчика влажности и теплоемкость каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Для оценки накопления воды внутри каталитического нейтрализатора могут использоваться дополнительные параметры, например, значение разбавления от НДКОГ и значение разбавления от УДКОГ, как раскрыто ниже.
2
2
В одном примере контроллер может оценить количество воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, посредством вычитания значения разбавления водой, полученного от НДКОГ, из количества воды, впрыснутой во впуск. Если никакая вода не поглощена каталитическим нейтрализатором, то показания НДКОГ относительно количества кислорода Oукажут, что вся вода участвует в разбавлении отработавших газов. Однако, если, например, каталитический нейтрализатор поглощает всю воду, то показания НДКОГ относительно количества кислорода O укажут, что отсутствует какое-либо разбавление отработавших газов водой, когда воду впрыскивают во впуск.
2
В другом примере контроллер может оценить количество воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, на основе данных по разбавлению от УДКОГ и НДКОГ. Например, контроллер может оценить количество воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора, как разность между количеством разбавления, на основе данных УДКОГ до каталитического нейтрализатора и количеством разбавления водой на основе данных НДКОГ после каталитического нейтрализатора. Таким образом, если никакая вода не поглощается каталитическим нейтрализатором, показания НДКОГ будут указывать на такое же количество разбавления водой, что и показания УДКОГ. Если каталитический нейтрализатор поглотит всю воду, то показания УДКОГ относительно количества кислорода O будут указывать на разбавление водой, но показания НДКОГ будут указывать на меньшее количество разбавления водой, так как каталитический нейтрализатор поглотил воду.
2
2
В другом примере количество воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, могут оценить на основе показаний УДКОГ по разбавлению водой после каталитического нейтрализатора, вместо НДКОГ. Например, количество воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора, могут оценить посредством вычитания количества разбавления водой, на основе показаний УДКОГ, из количества воды, впрыснутой во впуск. Например, если никакая вода не поглощается каталитическим нейтрализатором, то показания УДКОГ относительно количества кислорода O будут указывать, что вся эта вода участвует в разбавлении отработавших газов. Однако, если каталитический нейтрализатор поглощает всю воду, то показания УДКОГ относительно количества кислорода O укажут, что отсутствует какое-либо разбавление отработавших газов водой, после впрыска воды во впуск.
2
В других примерах количество воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, могут оценить на основе разбавления, измеренного УДКОГ. Например, количество воды, поглощенной каталитическим нейтрализатором, могут оценить посредством вычитания количества разбавления водой, измеренного УДКОГ после каталитического нейтрализатора, из количества разбавления водой, измеренного УДКОГ до каталитического нейтрализатора. Например, если никакая вода не поглощается каталитическим нейтрализатором, то показания УДКОГ после каталитического нейтрализатора укажут на то же количество разбавления водой, что и показания УДКОГ до каталитического нейтрализатора. Если каталитический нейтрализатор поглотит всю воду, то показания УДКОГ до каталитического нейтрализатора, выполненные для определения количества O, укажут на наличие разбавления водой, но показания УДКОГ после каталитического нейтрализатора укажут на меньшее количество разбавления водой, так как каталитический нейтрализатор поглотил воду.
2
2
2
2
В других примерах количество воды, поглощенной каталитическим нейтрализатором, могут определить на основе одного или нескольких измерений, выполненных посредством УДКОГ и УДКОГ в режиме переменного напряжения (РПН). Например, количество воды, поглощенной каталитическим нейтрализатором, могут определить посредством вычитания измеренного вклада O, полученного за счет диссоциации НO, измеренного УДКОГ после каталитического нейтрализатора, из измеренного вклада O, полученного за счет диссоциации НO, измеренного УДКОГ до каталитического нейтрализатора. Таким образом, РПН может использоваться для оценки количества воды в отработавших газах до и после каталитического нейтрализатора.
В одном примере контроллер может регулировать количество впрыска воды на основе количества воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов. Например, контроллер может определить управляющий сигнал для направления на привод водяного инжектора, например, длительность импульса сигнала, определяемого на основе определения количества воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов. Количество воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, может быть основано на влажности, измеренной или определенной на основе одного или более из следующего: температура отработавших газов (определенная, например, посредством датчика температуры, соединенного с выпускным патрубком), температура каталитического нейтрализатора отработавших газов (определенная, например, посредством датчика температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов), количество воды, впрыснутой во впускной коллектор (определенное, например, на основе уровня воды в баке для воды), влажность (определенная на основе показаний датчика влажности, соединенного с выпускным коллектором) и теплоемкость каталитического нейтрализатора отработавших газов. Контроллер может определить длительность импульса посредством определения с непосредственным учетом определенного уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе, например, контроллер может увеличить длительность импульса, если увеличивается уровень воды. Контроллер может в качестве альтернативы определить длительность импульса на основе вычислений с помощью справочной таблицы, в которой для поиска данных могут быть использованы значения уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, и в качестве выходных данных могут быть получены значения длительности импульса.
В другом примере контроллер может выполнить логическое определение (например, относительно положения привода водяных инжекторов) на основе логических правил, которые представляют собой функцию уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Затем контроллер может сгенерировать управляющий сигнал, который может быть отправлен на привод водяных инжекторов.
В одном примере количество воды, которая должна быть подана через инжекторы впрыска во впускной канал и инжекторы непосредственного впрыска, могут определить опытным путем и сохранить в заранее сформированных справочных таблицах или функциях. Например, одна таблица может соответствовать определению количеств впрыска во впускные каналы, и еще одна таблица может соответствовать определению количеств для непосредственного впрыска. Эти две таблицы могут быть преобразованы для условий работы двигателя, например, для уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, помимо других условий работы двигателя.
Например, когда воду впрыскивают во впуск, количество воды, накопленной внутри пористого материала, увеличивается. Контроллер может оценить уровень количества воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, и соответственно может увеличить количество воды, впрыскиваемой во впуск. В данном случае, количество воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, могут увеличить пропорционально темпу увеличения уровня воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов.
впр
Как раскрыто выше, количество воды, впрыскиваемой во впуск, регулируют на основе одного или более из следующего: частота вращения двигателя, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов и уровень воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов. Математически, количество впрыскиваемой воды, W, может быть представлено уравнением (7) как показано ниже:
накопл
накопл
где F1 - функция, w - частота вращения двигателя, dw/dt - скорость изменения частоты вращения двигателя, Тс - температура каталитического нейтрализатора отработавших газов, dTc/dt - скорость изменения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, W - уровень или количество воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, и dW/dt - скорость изменения уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Таким образом, за счет регулирования количества воды, впрыскиваемой на основе одного или более из следующего: температура каталитического нейтрализатора отработавших газов, частота вращения двигателя и уровень воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора, можно быстро увеличить температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов. Следует учитывать, что контроллер выполняет регулирование впрыска воды, продолжая подавать топливо в систему двигателя.
Затем, на шаге 326 способ 300 содержит определение, достигла ли температура Тс каталитического нейтрализатора отработавших газов пороговой температуры. Пороговая температура может представлять собой температуру активации каталитического нейтрализатора отработавших газов. Если температура каталитического нейтрализатора отработавших газов не достигла пороговой температуры (например, ответ «НЕТ» на шаге 326), то способ 300 переходит к шагу 328, на котором контроллер может продолжить увеличивать количество воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, как раскрыто на шаге 318 способа 300. Таким образом, могут продолжить впрыск воды во впускной коллектор до тех пор, пока температура каталитического нейтрализатора отработавших газов не достигнет пороговой температуры, и, таким образом, способ 300 возвращается к шагу 326.
Однако если температура каталитического нейтрализатора отработавших газов достигла пороговой температуры (например, ответ «ДА» на шаге 326), то способ 300 переходит к шагу 330, на котором контроллер прекращает впрыск воды. В некоторых примерах контроллер может прекратить впрыск воды, когда частота вращения двигателя достигает оптимальной частоты вращения. Оптимальную частоту вращения могут оценить на основе температуры активации каталитического нейтрализатора отработавших газов и/или уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Еще в некоторых примерах контроллер может прекратить впрыск воды, когда оцененное количество воды для накопления в каталитическом нейтрализаторе достигает пороговый уровень. В данном случае пороговый уровень может быть дополнительно оценен на основе одного или более из следующего: температура активации каталитического нейтрализатора отработавших газов, свойство каталитического нейтрализатора отработавших газов и частота вращения двигателя.
Прекращение впрыска воды может включать в себя отключение одного или нескольких водяных инжекторов системы впрыска воды. Кроме того, контроллер может продолжать работу топливных инжекторов даже после отключения водяных инжекторов. Таким образом, контроллер может продолжать впрыск топлива в цилиндр на основе условий работы двигателя. Затем способ 300 заканчивает свою работу.
Таким образом, во время холодного запуска двигателя, топливо могут впрыскивать в цилиндр при одновременном впрыске начального количества воды во впускной коллектор двигателя, причем оба этих процесса могут продолжать до тех пор, пока температура каталитического нейтрализатора отработавших газов не достигнет пороговой температуры. Таким образом, количество воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, могут регулировать на основе одного или более из следующего: частота вращения двигателя, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов и уровень воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Технический эффект от впрыска воды во впуск во время холодного запуска заключается в накоплении воды внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов и в преобразовании количества движения накопленных молекул воды в тепло. Таким образом, каталитический нейтрализатор отработавших газов можно быстро нагреть до температуры активации во время холодного запуска двигателя.
На фиг. 4 показана диаграмма 400, которая иллюстрирует алгоритмы впрыска воды, используемые во время холодного запуска двигателя и горячего запуска двигателя. Графики 402 и 404 показывают сигналы запуска во время различных наборов условий (например, холодный запуск двигателя и запуск прогретого двигателя). Графики 406 и 408 показывают частоту вращения двигателя, в то время как графики 410 и 412 показывают температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов во время соответствующих условий. Графики 414 и 416 показывают сигнал впрыска воды во время соответствующих условий. Графики 418 и 420 показывают количества впрыскиваемой воды, а графики 422 и 424 показывают количество воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов во время соответствующих условий. Графики 426 и 428 показывают впрыски топлива во время соответствующих условий. Графики 444 и 446 показывают сигнал датчика детонации во время соответствующих условий. Для каждого графика время отложено вдоль оси X (горизонтальная ось), в то время как значения для каждого соответствующего параметра отложены вдоль оси Y (вертикальная ось).
Между моментами времени t0 и t1 двигатель остается выключенным. В момент времени t1 получен сигнал запуска (график 402). Однако температура каталитического нейтрализатора отработавших газов (график 410) меньше пороговой температуры 436. В одном примере пороговая температура может представлять собой температуру активации или рабочую температуру каталитического нейтрализатора. Контроллер (например, контроллер 12, показанный на фиг. 1) может определить, что в момент времени t1 запуск двигателя представляет собой холодный запуск, и, соответственно, может включить систему впрыска воды (график 414). Включение системы впрыска воды может содержать включение одного или нескольких водяных инжекторов, соединенных с системой двигателя.
Между моментами времени t1 и t2 частота вращения двигателя (график 406) меньше пороговой частоты вращения 432. Следовательно, контроллер может впрыскивать во впускной коллектор системы двигателя меньшее начальное количество воды (график 418). Впрыск начального количества воды во впуск может содержать регулирование длительности импульса сигнала, подаваемого на водяные инжекторы для впрыска требуемого количества воды во впускной коллектор. В одном примере начальное количество воды для впрыска могут поддерживать на постоянном уровне 440. Поскольку воду впрыскивают во впускной коллектор, вода может начать накапливаться в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов (график 422). В результате, каталитический нейтрализатор отработавших газов, который был сухим до момента времени t1, может начать увлажняться между моментами времени t1 и t2. Поскольку вода начинает накапливаться внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, емкость каталитического нейтрализатора может быть увеличена. Кроме того, количество движения молекул воды, накопленных в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, может быть преобразовано в тепловую энергию. В результате, каталитический нейтрализатор отработавших газов может начать нагреваться, что показано как увеличение температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов (график 410).
В момент времени t2 частота вращения двигателя достигает пороговой частоты вращения 432 (например, частоты проворачивания коленчатого вала). Как только двигатель достигает частоты проворачивания коленчатого вала, контроллер может начать увеличивать количество воды (график 418), впрыскиваемой во впускной коллектор. В дополнение, контроллер может начать впрыск топлива (426) посредством включения одного или нескольких топливных инжекторов, соединенных с системой двигателя. Таким образом, вода может быть впрыснута во впускной коллектор одновременно с впрыском топлива в цилиндры двигателя.
Между моментами времени t2 и t3 могут увеличить количество воды, впрыскиваемой во впускной коллектор. В одном примере количество впрыскиваемой воды (график 418) могут увеличить пропорционально увеличению частоты вращения двигателя (график 406). Таким образом, контроллер может оценить частоту вращения двигателя на основе сигнала ПЗ от датчика (например, от датчика 181 на эффекте Холла, показанного на фиг. 1), соединенного с коленчатым валом. Контроллер может увеличить длительность импульса для водяного инжектора, пропорционально темпу увеличения частоты вращения двигателя. Например, наклон графика 418 может быть близок к наклону графика 406.
В другом примере количество впрыскиваемой воды (график 418) могут увеличить пропорционально увеличению температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов (график 410). В данном случае наклон графика 418 может быть близок к наклону графика 410. Как раскрыто ранее, когда впрыскивают воду во впускной коллектор, увеличенная емкость каталитического нейтрализатора отработавших газов в совокупности с увеличенным количеством тепловой энергии, выделившейся внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, приводит к увеличению температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. Когда температура каталитического нейтрализатора отработавших газов (график 410) увеличивается, контроллер может оценить темп увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, например, по наклону графика 410. В другом примере контроллер может оценить темп увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, на основе одного или более из следующего: количество воды, впрыснутой во впускной коллектор, теплоемкость каталитического нейтрализатора отработавших газов и емкость каталитического нейтрализатора отработавших газов.
2
В другом примере количество впрыскиваемой воды (график 418) могут увеличить пропорционально темпу увеличения количества воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов (график 422). Контроллер может оценить уровень воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов (график 422), на основе одного или более из следующего: температура отработавших газов, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов, количество воды, впрыснутой во впуск, и теплоемкость каталитического нейтрализатора отработавших газов. Как раскрыто выше, контроллер может оценить количество воды, впрыснутой во впуск, на основе одного или более из следующего: количество разбавления водой, измеренное посредством НДКОГ, количество разбавления водой, измеренное посредством УДКОГ и количество O, измеренное посредством УДКОГ при диссоциации воды в результате РПН. Контроллер может регулировать наклон графика 418 для того, чтобы этот наклон был близок к наклону графика 422.
Таким образом, контроллер может осуществлять впрыск воды во впускной коллектор во время холодного запуска двигателя для обеспечения нагревания каталитического нейтрализатора отработавших газов. При увеличении количества воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, между моментами времени t2 и t3, в цилиндр двигателя также впрыскивают топливо (график 426). Контроллер может регулировать количество впрысков, длительность импульса впрыска топлива и количество топлива для впрыска, на основе условий работы двигателя, например, на основе частоты вращения двигателя, нагрузки двигателя, крутящего момента и т.д. В системах двигателя, выполненных с возможностью непосредственного впрыска и с возможностью впрыска топлива во впускные каналы, контроллер может дополнительно регулировать отношение количеств впрыска и моменты непосредственного впрыска топлива и впрыска топлива во впускные каналы, на основе условий работы двигателя.
В момент времени t3 температура каталитического нейтрализатора отработавших газов (график 410) достигает пороговой температуры 436. Как видно из диаграммы 400, если во время холодного запуска двигателя не используют впрыск воды, то температура отработавших газов может достигнуть температур активации более постепенно, как показано на графике 413. Однако за счет впрыска воды во впускной коллектор, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов (график 410) достигает температуры активации быстрее (сравните графики 410 и 413).
Как только каталитический нейтрализатор отработавших газов достигает пороговой температуры, он получает возможность эффективно обрабатывать отработавшие газы и, таким образом, уменьшать выбросы вредных веществ в отработавших газах. В результате, в момент времени t3 впрыск воды (график 414) может быть отключен. Это отключение впрыска воды может содержать отключение одного или нескольких водяных инжекторов, соединенных с системой двигателя. В некоторых примерах впрыск воды могут отключить, когда количество воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, достигает порогового уровня 442. Этот пороговый уровень могут оценить на основе температуры активации (пороговое значение 436) и/или частоты вращения двигателя (график 406). Еще в некоторых примерах впрыск воды могут отключить, когда частота вращения двигателя достигает пороговой частоты вращения 430. Пороговую частоту вращения 430 могут оценить на основе температуры активации (пороговое значение 436) и/или уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов (график 442). Как только впрыск воды отключен, уровень воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов (график 422), постепенно уменьшается до тех пор, пока это количество не станет близким к нулю (например, каталитический нейтрализатор стал сухим). Даже при том, что впрыск воды отключен (график 414) в момент времени t3, продолжают осуществлять впрыск топлива (график 426) между моментами времени t3 и t4.
Другой запуск двигателя показан между моментами времени t5 и t9. В частности, между моментами времени t5 и t6 двигатель выключен, и сигнал (404) запуска двигателя получен в момент времени t6. Контроллер может оценить и/или измерить температуру каталитического нейтрализатора отработавших газов (412). Поскольку температура каталитического нейтрализатора отработавших газов равна пороговой температуре 436 или близка к этому значению, контроллер может определить, что запуск двигателя не представляет собой холодный запуск, но представляет собой горячий запуск. Соответственно, контроллер может не включить водяные инжекторы системы впрыска воды в момент времени t6. Контроллер может наблюдать частоту вращения двигателя (408) и в момент времени t7, когда частота вращения двигателя достигает пороговой частоты вращения 432 (например, частоты проворачивания коленчатого вала), контроллер может включить топливные инжекторы и начать подачу топлива в двигатель (график 428). Таким образом, во время горячего запуска контроллер может поддерживать водяные инжекторы в отключенном состоянии и может включить топливные инжекторы для впрыска топлива на основе условий работы двигателя.
Между моментами времени t7 и t8 водяные инжекторы поддерживают в отключенном состоянии, а топливные инжекторы поддерживают во включенном состоянии. Однако в момент времени t8 показания датчика детонации (график 446) могут увеличиться и сместиться в направлении «Порога детонации» (например, вследствие увеличения нагрузки). Следовательно, контроллер может включить впрыск воды (416) для управления детонацией. Между моментами времени t8 и t9 могут регулировать количество впрыскиваемой воды (график 420) для уменьшения детонации.
В момент времени t9 показания датчика детонации (график 446) смещаются в сторону от «Порога детонации». Следовательно, систему впрыска воды могут отключить (график 416).
Таким образом, за счет впрыска воды во время холодного запуска двигателя можно уменьшить количество вредных веществ в отработавших газах за счет уменьшения времени, которое требуется для активации. Таким образом, выбросы вредных веществ во время холодного запуска двигателя могут быть уменьшены при использовании существующих систем впрыска воды, что не требует увеличения производственных затрат и сложности конструкции. Технический эффект от впрыска воды во впускной коллектор во время холодного запуска двигателя заключается в том, что вода, накопленная внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов, вырабатывает тепло внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов и, таким образом, обеспечивает более быстрый прогрев каталитического нейтрализатора отработавших газов до температур активации.
Способ содержит шаги, на которых, во время холодного запуска двигателя, впрыскивают воду во впуск двигателя в зависимости от температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. В первом примере способа впрыск воды может включать в себя впрыск воды во впуск при выполняемом в то же время впрыске топлива в цилиндр двигателя через топливный инжектор, соединенный с цилиндром и/или с впускным коллектором, причем впрыск воды во впуск включает в себя впрыск воды через водяной инжектор, соединенный с впускным коллектором и/или с цилиндром. Второй пример способа опционально содержит первый пример и отличается тем, что выполняют подачу начального количества воды во впуск, если температура каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше пороговой температуры и/или частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения. Третий пример способа опционально содержит первый и/или второй пример, и отличается тем, что регулируют количество воды для впрыска во впуск, если температура каталитического нейтрализатора отработавших газов увеличивается выше пороговой температуры и/или частота вращения двигателя увеличивается выше пороговой частоты вращения. Четвертый пример способа опционально содержит один или несколько примеров, с первого по третий, и отличается тем, что увеличивают количество воды для впрыска во впуск пропорционально первому темпу увеличения частоты вращения двигателя до тех пор, пока частота вращения двигателя не достигнет требуемой частоты вращения. Пятый пример способа опционально содержит один или несколько примеров, с первого по четвертый, и отличается тем, что увеличивают количество воды для впрыска во впуск пропорционально второму темпу увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов до тех пор, пока температура каталитического нейтрализатора отработавших газов не достигнет требуемой температуры. Шестой пример способа опционально содержит один или несколько примеров, с первого по пятый, и отличается тем, что требуемая температура каталитического нейтрализатора отработавших газов представляет собой температуру активации каталитического нейтрализатора отработавших газов. Седьмой пример способа опционально содержит один или несколько примеров, с первого по шестой, и отличается тем, что прекращают впрыск воды во впускной коллектор и продолжают впрыск топлива в цилиндр двигателя, если температура каталитического нейтрализатора отработавших газов достигает температуры активации и/или частота вращения двигателя достигает требуемой частоты вращения.
Системы и способы, раскрытые выше, обеспечивают способ, содержащий шаги, на которых: во время холодного запуска двигателя, впрыскивают топливо в цилиндр двигателя и в то же время впрыскивают начальное количество воды во впускной коллектор двигателя, продолжают впрыск начального количества воды до тех пор, пока частота вращения двигателя не достигнет пороговой частоты вращения, и после этого регулируют количество воды для впрыска на основе уровня воды, накопленной внутри каталитического нейтрализатора отработавших газов. В первом примере способа способ может дополнительно или в качестве альтернативы отличаться тем, что регулирование включает в себя увеличение количества воды для впрыска, для пропорционального увеличения уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, причем продолжают увеличивать количество воды для впрыска до тех пор, пока уровень воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, не достигнет порогового уровня. Второй пример способа опционально содержит первый пример и отличается тем, что регулирование дополнительно включает в себя увеличение количества воды, впрыскиваемой во впускной коллектор, для увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов до температуры активации. Третий пример способа опционально содержит первый и/или второй примеры и отличается тем, что регулирование дополнительно включает в себя прекращение впрыска воды во впускной коллектор, когда уровень воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, достигает порогового уровня и/или температура каталитического нейтрализатора отработавших газов достигает температуры активации. Четвертый пример способа опционально содержит один или несколько примеров, с первого по третий, и отличается тем, что продолжают впрыск топлива в цилиндр двигателя, когда прекращают впрыск воды во впускной коллектор.
Системы и способы, раскрытые выше, обеспечивают систему, содержащую: двигатель с цилиндром, систему впрыска воды, содержащую водяной инжектор, соединенный с впускным коллектором, каталитический нейтрализатор отработавших газов, соединенный с выпускным патрубком, датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов, датчик частоты вращения, выполненный с возможностью измерения частоты вращения двигателя, и контроллер, содержащий машиночитаемые инструкции для следующего: во время холодного запуска двигателя включение водяного инжектора для впрыска воды в виде тумана во впускной коллектор, когда частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения, и, когда частота вращения двигателя начинает превышать пороговую частоту вращения, увеличение количества воды для впрыска во впускной коллектор на основе темпа увеличения температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов. В первом примере системы система может дополнительно или в качестве альтернативы отличаться тем, что контроллер содержит дополнительные команды для следующего: отключение водяного инжектора для прекращения впрыска воды во впускной коллектор, если температура каталитического нейтрализатора отработавших газов достигает рабочей температуры. Второй пример системы опционально содержит первый пример и отличается тем, что контроллер содержит дополнительные команды для следующего: увеличение количества воды для впрыска во впускной коллектор пропорционально увеличению уровня воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Третий пример системы опционально содержит первый и/или второй примеры и отличается тем, что контроллер содержит дополнительные команды для следующего: отключение водяного инжектора для прекращения впрыска воды во впускной коллектор, если уровень воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, достигает порогового уровня. Четвертый пример системы опционально содержит один или несколько примеров, с первого по третий, и отличается тем, что контроллер содержит дополнительные команды для следующего: оценка порогового уровня на основе емкости каталитического нейтрализатора отработавших газов и теплоемкости каталитического нейтрализатора отработавших газов. Пятый пример системы опционально содержит один или несколько примеров, с первого по четвертый, и отличается тем, что топливный инжектор выполнен с возможностью впрыска топлива в цилиндр, и причем контроллер содержит дополнительные команды для следующего: включение топливного инжектора при включении водяного инжектора. Шестой пример системы опционально содержит один или несколько примеров, с первого по пятый, и отличается тем, что контроллер содержит дополнительные команды для следующего: поддержание топливного инжектора во включенном состоянии при отключении водяного инжектора.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры управляющих программ и программ оценки могут быть использованы с разнообразными конфигурациями систем двигателя и/или транспортного средства. Способы управления и управляющие программы, раскрытые в настоящей заявке, могут быть сохранены как исполняемые инструкции в долговременной памяти и выполнены управляющей системой, состоящей из контроллера в сочетании с различными датчиками, приводами и другими средствами двигателя. Конкретные программы, раскрытые в настоящей заявке, могут представлять собой одну или более стратегий обработки, таких как управляемые по событиям, управляемые по прерываниям, многозадачные, многопоточные и т.п. Кроме того, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно или в некоторых случаях могут быть пропущены. Аналогичным образом, указанный порядок обработки не обязателен для достижения отличительных признаков и преимуществ, раскрываемых в настоящей заявке вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или более из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут быть выполнены повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Более того, раскрытые действия, операции и/или функции могут представлять в графическом виде код, который должен быть запрограммирован в долговременную память машиночитаемой среды хранения данных в управляющей системе двигателя, при этом раскрытые действия могут быть выполнены посредством исполнения инструкций в системе, содержащей различные компоненты обеспечения двигателя совместно с электронным контроллером.
В другом представлении, системы и способы, раскрытые выше, обеспечивают способ, содержащий шаги, на которых: во время первого запуска двигателя, включают водяной инжектор для впрыска воды во впускной коллектор и топливный инжектор для впрыска топлива в цилиндр двигателя и регулируют впрыск воды на основе одного или более из следующего: частота вращения двигателя, температура каталитического нейтрализатора отработавших газов и уровень воды, накопленной в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов, и во время второго запуска двигателя включают только топливный инжектор для впрыска топлива в цилиндр двигателя и не включают водяной инжектор. В первом примере способа, способ может, дополнительно или в качестве альтернативы, отличаться тем, что первый запуск двигателя представляет собой холодный запуск, при котором температура каталитического нейтрализатора отработавших газов меньше пороговой температуры, и второй запуск двигателя представляет собой горячий запуск, при котором температура каталитического нейтрализатора отработавших газов больше пороговой температуры. Второй пример способа опционально содержит первый пример и отличается тем, что во время первого запуска двигателя включают водяной инжектор, когда частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения, и не включают топливный инжектор, когда частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения. Третий пример системы опционально содержит первый и/или второй примеры и отличается тем, что во время первого запуска двигателя топливный инжектор может быть включен, когда частота вращения двигателя достигла пороговой частоты вращения.
Следует понимать, что конфигурации и алгоритмы, раскрытые в настоящей заявке, носят иллюстративный характер, и что эти конкретные варианты осуществления изобретения не следует рассматривать в качестве ограничения, так как возможны многочисленные модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена в двигателях с конфигурацией цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные признаки, функции и/или свойства, раскрытые в настоящей заявке.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В 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 наличие 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 первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в объект настоящего изобретения.