ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И СПОСОБ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ (ВАРИАНТЫ)
VEHICLE EXHAUST SYSTEM AND EXHAUST GASES HEAT RECOVERY METHOD (EMBODIMENTS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к выхлопной системе и к способам эффективной рекуперации тепла выхлопных газов в процессе работы транспортного средства.
Известный уровень техники и краткое изложение сущности изобретения
В системах двигателя используют ряд способов нагрева охлаждающей жидкости в процессе работы. Так, например, на фиг. 1А-С схематически иллюстрируется ранее применявшаяся типовая выхлопная система. В соответствии с одним из примеров, показанным на фиг. 1А, выхлопная система включает в себя охлаждаемое устройство рециркуляции выхлопных газов (РОГ), используемое для того, чтобы тепло выхлопных газов передавалось охлаждающей жидкости. Однако такое охлаждаемое РОГ страдает тем недостатком, что рекуперация тепла выхлопных газов может происходить только в том случае, если выхлопные газы циркулируют через РОГ, что ограничивает количество рекуперируемого тепла выхлопных газов, обеспечиваемое системой. Другой недостаток состоит в том, что те выхлопные газы, тепло которых рекуперируется, составляют лишь часть общего потока выхлопных газов, которая может быть равна всего лишь 25%, а в ряде случаев и меньше, от общего потока выхлопных газов. На фиг. 1В и 1С демонстрируются другие примеры, где использован отдельный узел из теплообменника и клапана для рекуперации тепла выхлопных газов, иногда в сочетании с охладителем РОГ. Однако, хотя здесь и возможно увеличение количество рекуперируемого тепла выхлопных газов по сравнению с конструкцией по фиг. 1А (например, благодаря более полной рекуперации тепла выхлопных газов и независимости от потока через РОГ), но указанный отдельный теплообменник может оказаться слишком громоздким для того, чтобы его можно было без труда поместить в транспортное средство. Кроме того, теплообменники бывают тяжелыми и/или дорогостоящими, из-за чего возрастает и стоимость всего транспортного средства. Укажем также, что при установке теплообменника для рекуперации тепла выхлопных газов отдельно от охладителя РОГ может дополнительно потребоваться установка вдали от двигателя дополнительного устройства, что приведет к снижению температуры поступающих в устройство выхлопных газов в процессе прогрева вследствие поглощения тепла тепловой массой компонентов, расположенных ранее по ходу потока. Еще один недостаток такой системы состоит в уменьшении наличного количества рекуперируемого тепла в процессе прогрева двигателя. Еще один пример (он на чертежах не иллюстрируется) касается использования охлажденной выхлопной трубы для извлечения тепла из выхлопных газов. Однако такое решение страдает тем недостатком, что тепловая масса выхлопной трубы довольно велика, что приводит к замедлению нагрева охлаждающей жидкости. Другой недостаток состоит в том, что и поток выхлопных газов, и поток охлаждающей жидкости через выхлопную трубу нельзя прервать (в частности, по той причине, что прерывание потока охлаждающей жидкости может привести к ее вскипанию). Таким образом, оказывается возможной передача тепла выхлопа к охлаждающей жидкости двигателя в некоторых неблагоприятных обстоятельствах, когда предпочтительно этого не допускать, как, например, при высоких температурах и в при работе в условиях высоких нагрузок.
Осознав проблемы, возникающие при использовании таких решений, изобретатели предложили описываемые здесь систему и способы нагрева охлаждающей жидкости двигателя посредством передачи тепла от потока выхлопных газов к охлаждающей жидкости двигателя через теплообменник, расположенный в магистрали рекуперации тепла выхлопных газов, которая соединена с охладителем РОГ, в зависимости от положения клапана РОГ. Так, в частности, рассматривается типовой охладитель РОГ, используемый в сочетании с устройством для рекуперации тепла выхлопа и обеспечивающий передачу выхлопными газами тепла к охлаждающей жидкости двигателя через разветвляющийся канал охладителя РОГ. Говоря иначе, выхлопная система согласно изобретению обеспечивает возможность направления выхлопных газов в РОГ и/или в теплообменник для выхлопных газов в ответ на активацию клапана РОГ. Кроме того, в этой системе предусмотрена возможность дифференцированной активации потока выхлопных газов с целью их направления и в РОГ, и в теплообменник для выхлопных газов, что позволяет осуществлять дифференцированное управление потоками выхлопных газов в них и, следовательно, регулирование количества тепла, передаваемого охлаждающей жидкости двигателя в процессе работы. В результате достигается технический эффект, заключающийся в том, что рекуперация тепла выхлопных газов становится возможной вне зависимости от потока через магистраль РОГ с одновременной возможностью увеличения количества рекуперируемого тепла выхлопных газов. Одно из преимуществ состоит в том, что на рекуперацию тепла может быть отведено до 100% циркулирующих выхлопных газов на основе управления дифференциальным потоком через ветвь рекуперации тепла выхлопных газов (РТВГ) устройства для рекуперации тепла выхлопных газов. Еще одно преимущество в том, что рекуперацию тепла можно прерывать в эксплуатационных условиях, когда она может оказаться вредной, - например, при необходимости максимального охлаждения. При использовании такой системы возможен эффективный, и в частности, максимально быстрый нагрев охлаждающей жидкости двигателя в процессе работы. Кроме того, благодаря использованию предлагаемой здесь выхлопной системы на транспортном средстве достигается снижение габаритов, веса и стоимости.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
Упоминаемые здесь преимущества будут лучше поняты при рассмотрении одного из примеров осуществления в рамках нижеследующего детального описания, которое может рассматриваться как само по себе, так и со ссылками на чертежи, где:
фиг. 1А-С иллюстрируют ранее применявшиеся типовые выхлопные системы;
фиг. 2 иллюстрирует типовую систему гибридного транспортного средства согласно настоящему изобретению;
фиг. 3 иллюстрирует типовой охладитель РОГ, соединенный с магистралью рекуперации тепла выхлопных газов в соответствии с первой типовой конфигурацией выхода РТВГ, соединенным с выхлопным каналом перед каталитическим нейтрализатором;
фиг. 4 иллюстрирует вторую типовую конфигурацию с уменьшенной клапанной системой;
фиг. 5 иллюстрирует третью типовую конфигурацию с выходом РТВГ, соединенным с выпускным каналом за каталитическим нейтрализатором; фиг. 6 иллюстрирует четвертую типовую конфигурацию, в соответствии с которой вход охладителя РОГ соединяется с РТВГ в некоторой дальней точке магистрали РТВГ;
фиг. 7 и 8 представляют собой типовые функциональные схемы, относящиеся к коммутации рабочих режимов выхлопа посредством регулирования канала циркуляции выхлопных газов;
фиг. 9 представляет собой типовую функциональную схему, относящуюся к быстрому повышению температуры воздуха в кабине посредством управления потоком выхлопных газов в магистраль РТВГ в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 10 иллюстрирует типовой рабочий цикл транспортного средства при холодном пуске двигателя для целей иллюстрации способов согласно изобретению.
Осуществление изобретения
При холодном пуске транспортного средства пассажирам может потребоваться надлежащий обогрев кабины, нужный для комфортного вождения. Поскольку воздух кабины нагревается охлаждающей жидкостью двигателя, которую подают в радиатор отопителя, генерируемое двигателем тепло может в ряде случаев послужить основным источником теплоты для салона. Таким образом, для достижения некоторой пороговой температуры, при превышении которой можно выключить двигатель в процессе работы транспортного средства, например, для снижения расхода топлива в гибридном транспортном средстве, управление двигателем может осуществляться до тех пор, пока охлаждающей жидкости двигателя не будет передано достаточное количество тепла. По этой причине на фиг. 2 демонстрируется типовое гибридное транспортное средство. Далее, на фиг. 3-6, иллюстрируются типовые выхлопные системы с охладителем РОГ, который соединен с магистралью рекуперации тепла выхлопных газов согласно настоящему изобретению. На фиг. 7 и 8 иллюстрируются способы изменения рабочего режима транспортного средства посредством регулирования канала циркуляции потока выхлопных газов на основе состояний клапана. На фиг. 9 иллюстрируется способ использования типового рабочего цикла, обеспечивающего быстрый нагрев воздуха кабины посредством управления потоком выхлопных газов в магистраль РТВГ. На фиг. 10 иллюстрируется типовой рабочий цикл при холодном пуске для целей более детальной иллюстрации регулировок клапана и потоков выхлопных газов.
На фиг. 2 представлена блок-схема одного из цилиндров многоцилиндрового двигателя 10, который может являться составной частью автомобильной силовой установки. Управление двигателем 10 может осуществляться, по меньшей мере, частично специальной системой управления, содержащей контроллер 12, и входным сигналом от водителя 132 транспортного средства через устройство ввода 130. В этом примере устройство ввода 130 включает в себя педаль газа и датчик 134 положения педали для генерации пропорционального сигнала положения педали (ПП). Камера сгорания 30 (например, цилиндр) двигателя 10 может иметь стенки 32 камеры сгорания с помещенным внутри поршнем 36. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, на стороне поршня 36, находящейся внутри цилиндра 30, может быть выполнено специальное углубление. Поршень 36 может соединяться с коленчатым валом 40, благодаря чему возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может соединяться, по меньшей мере, с одним приводным колесом транспортного средства посредством промежуточной трансмиссии. Кроме того, предусмотрен стартер, выполненный с возможностью соединения с коленчатым валом 40 посредством маховика, благодаря чему обеспечивается запуск двигателя 10.
В камеру сгорания 30 может поступать воздух, всасываемый из впускного канала 44 по впускному каналу 42, а из нее могут выходить выхлопные газы по выпускному каналу 48. Впускной канал 44 и выпускной канал 48 могут выборочно сообщаться с камерой сгорания 30 через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, камера сгорания 30 может включать в себя два или более впускных клапанов и/или два или более выпускных клапанов.
В рассматриваемом примере управление впускным клапаном 52 и выпускным клапаном 54 может осуществляться кулачковым приводом посредством соответствующих кулачковых исполнительных механизмов 51 и 53. В состав каждого из кулачковых исполнительных механизмов 51 и 53 может входить один или больше кулачков и может использоваться одна или больше систем переключения профиля кулачков (ППК), изменения фаз кулачкового распределения (ИФКР), изменения фаз газораспределения (ИФГ) и/или изменения высоты подъема клапанов (ИВПК), которые могут управляться контроллером 12 с целью изменения функционирования клапана. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может определяться, соответственно, датчиками положения 55 и 57. В соответствии с другими вариантами, работой впускного клапана 52 и/или выпускного клапана 54 может управлять электрический исполнительный механизм клапана. Так, например, цилиндр 30 может в соответствии с альтернативным вариантом включать в себя впускной клапан, управляемый электрический исполнительным механизмом клапана, и выпускной клапан, управляемый кулачковым исполнительным механизмом, снабженным системами ППК и/или ИФКР.
Имеется топливная форсунка 66, присоединенная непосредственно к камере сгорания 30 для впрыска топлива непосредственно в нее в соответствии с шириной импульса впрыска топлива (ИВТ), поступающего от контроллера 12 через электронный драйвер 68. Таким образом, топливная форсунка 66 обеспечивает то, что называют непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания 30. Топливная форсунка может быть установлена, например, на одной из сторон камеры сгорания или сверху на этой камере сгорания. Топливо может подаваться в топливную форсунку 66 топливной системой (не показана), включающей в себя топливный бак, топливный насос и направляющую-распределитель топлива.
Система зажигания 88 может создавать искру зажигания для камеры сгорания 30 с помощью свечи зажигания 92 в ответ на сигнал опережения зажигания (03) от контроллера 12 при выбранных режимах работы. Хотя здесь показаны компоненты искрового зажигания, при использовании некоторых вариантов осуществления камера сгорания 30 или одна или более других камер сгорания двигателя 10 могут работать в режиме воспламенения от сжатия как с искрой зажигания, так и без нее. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, может использоваться система двухискрового зажигания, включающая в себя по две свечи зажигания на каждый цилиндр (не показана).
Впускной канал 42 может содержать дроссели 62 и 63, имеющие дроссельные заслонки, соответственно, 64 и 65. В рассматриваемом конкретном примере положения дроссельных заслонок 64 и 65 могут изменяться контроллером 12 с помощью сигналов, подаваемых на электродвигатель или исполнительный механизм, предусматриваемый вместе с дросселями 62 и 63, - такую структуру называют обычно электронным управлением дросселем (ЭУД). Таким образом, управление работой дросселей 62 и 63 может осуществляться таким образом, чтобы изменять поток всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания 30 и в другие цилиндры двигателя. Информация о положении дроссельных заслонок 64 и 65 может передаваться на контроллер 12 в виде сигналов положения дросселя (ПД). Впускной канал 42 может включать в себя датчик 120 массового расхода воздуха (МРВ) и датчик 122 давления воздуха коллектора (ДВК) для передачи соответствующих сигналов МРВ и ДВК на контроллер 12. Что касается выпускного канала 44, то в его состав может входить датчик 45 управления движения заряда для регулирования интенсивности движения заряда в камере сгорания 30.
2
В соответствии с описываемыми здесь вариантами осуществления, имеется система рециркуляции выхлопных газов (РОГ), которая может направлять нужную часть выхлопных газов из выпускного канала 48 во впускной канал 44 по каналу 140 РОГ высокого давления (РОГ ВД). Хотя здесь описывается система с использованием РОГ ВД, при выборе некоторых других вариантов можно предусмотреть в порядке дополнения или альтернативного решения канал РОГ низкого давления (РОГ НД). При использовании вариантов с двигателем без турбонаддува может быть также применена безнаддувная система РОГ. Объем рециркулируемых выхлопных газов, подаваемых во впускной канал 44, может изменяться контроллером 12 посредством клапана 142 РОГ ВД. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, в выхлопную систему может быть введен дроссель для облегчения активации РОГ. Кроме того, в канал РОГ может быть помещен датчик 144 РОГ, который будет обеспечивать индикацию одного или более из следующих параметров: давления, температуры, концентрации выхлопных газов. В соответствии с другим вариантом, управление РОГ может осуществляться с использованием некоторого расчетного значения, основанного на сигналах от датчика МРВ (на входе), ДВК (на впускном коллекторе), температуры воздуха в коллекторе (ТВГ) и датчика оборотов коленчатого вала. Далее, управление РОГ может осуществляться на основе показаний датчика содержания O в выхлопных газах и/или датчика всасываемого кислорода (на впускном коллекторе). В некоторых условиях систему РОГ можно использовать для регулировки температуры воздуха и топливной смеси в камере сгорания. На фиг. 1 представлена система РОГ высокого давления, в которой поток РОГ направляется из зоны перед турбиной турбонагнетателя в зону за компрессором или турбонагнетателем. На той же фиг. 1 видно, что система РОГ ВД может включать в себя охладитель 146 РОГ ВД для передачи тепла газов РОГ, например, охлаждающей жидкости двигателя.
В соответствии с настоящим изобретением, канал 140 РОГ ВД объединен с магистралью 141 рекуперации тепла выхлопных газов (РТВГ). Для упрощения выхлопной системы согласно изобретению в ее состав может быть включен разветвленный канал, обеспечивающий возможность передачи тепла выхлопных газов к охлаждающей жидкости без рециркуляции выхлопных газов обратно на впуск двигателя. В качестве одного из примеров можно указать, что в выхлопную систему может быть добавлена магистраль РТВГ с ее включением параллельно основному потоку выхлопных газов, что дает возможность плотной укладки в моторном отсеке. Кроме того, может быть предусмотрено еще одно ответвление от выхлопной трубы к впускному коллектору, куда можно поместить воздушно-жидкостный теплообменник для передачи тепла из потока выхлопных газов к охлаждающей жидкости двигателя. Предусматривают также клапаны, благодаря которым система в состоянии выполнять разнообразные функции, как это будет описано ниже. Объем тепла, рекуперируемого с помощью РТВГ, может изменяться контроллером 12 посредством клапана 143 РТВГ.
Двигатель 10 может быть также снабжен компрессорным устройством типа турбонагнетателя или наддувочного устройства, включает в себя, по меньшей мере, один компрессор 162, располагающегося при использовании некоторых вариантов осуществления вдоль впускного канала 44. В случае с турбонагнетателем компрессор 162 может приводиться в действие, по меньшей мере частично, турбиной 164 (например, через специальный вал). Если же используется наддувочное устройство, то привод компрессора 162 может осуществляться, по меньшей мере частично, двигателем и/или электрической машиной, при этом турбину в компрессоре можно не использовать. Степень сжатия, обеспечиваемая в один или более цилиндров двигателя посредством турбонагнетателя или наддувочного устройства, может изменяться контроллером 12.
x
Показанный здесь датчик 126 выхлопных газов соединен с выпускным каналом 48 перед системой 71 понижения токсичности выхлопа и за турбиной 164. В качестве этого датчика 126 можно использовать любой подходящий датчик, обеспечивающий индикацию соотношения компонентов топливной смеси в выхлопных газах, например, типа линейного датчика содержания кислорода или УСКВГ (универсальный или широкодиапазонный датчик содержания кислорода в выхлопных газах); двухрежимного датчика содержания кислорода или датчика СКВГ (содержания кислорода в выхлопных газах); НСКВГ (нагреваемого СКВГ); датчиков содержания оксидов азота (NO), НС или СО.
x
Показанное здесь устройство 71 для понижения токсичности выхлопа располагается вдоль выпускного канала 48 за датчиком 126 выхлопных газов. В числе таких устройств 71 для понижения токсичности выхлопа можно использовать систему селективного каталитического восстановления (СКВ), трехкомпонентный нейтрализатор (ТКН), уловитель NO, иные устройства для понижения токсичности выхлопа или их различные комбинации. Так, например, устройство 71 может представлять собой ТКН, а устройство 72 - сажевый фильтр (СФ). Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, в процессе работы двигателя 10 устройство 71 для понижения токсичности выхлопа можно периодически переустанавливать путем включения, по меньшей мере, одного цилиндра двигателя в режиме с конкретным соотношением компонентов топливо-воздушной смеси. При использовании ряда вариантов осуществления в двигателе 10 может быть использовано то или другое из устройств 71 и 72.
Показанный на фиг. 1 контроллер 12 представляет собой микрокомпьютер, содержащий центральный процессор 102 (ЦП), порты 104 ввода/вывода, электронный носитель информации для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в рассматриваемом примере как микросхема 106 постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 108 (ОЗУ), энергонезависимую память 110 (ЭП) и шину данных. На контроллер 12 могут поступать различные сигналы с датчиков, соединенных с двигателем 10, помимо ранее перечислявшихся сигналов, в том числе результаты МРВ измерения массового расхода всасываемого воздуха с датчика 120 массового расхода воздуха; температура охлаждающей жидкости двигателя (ТОЖД) с датчика 112 температуры, соединенного с патрубком 114 охлаждения; выходной сигнал профиля зажигания (ПЗ) с датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), соединенного с коленчатому валу 40; положение TP дросселя с датчика положения дросселя; и сигнал ДВК абсолютного давления в коллекторе с датчика 122. Сигнал числа оборотов двигателя (ЧОД) может формироваться контроллером 12 из сигнала ПЗ. Сигнал ДВК давления в коллекторе от датчика давления в коллекторе может использоваться для предоставления показаний вакуума или давления во впускном коллекторе. Следует отметить, что могут использоваться различные сочетания вышеуказанных датчиков, например, датчик МРВ без датчика ДВК или наоборот. В процессе стехиометрической работы датчик ДВК может выдавать показания крутящего момента двигателя. Кроме того, этот датчик, наряду с выявленным числом оборотов двигателя, может предоставлять оценку вводимой в цилиндр загрузки (включая воздух). В соответствии с одним из примеров, датчик 118, который используется также как датчик оборотов двигателя, может с каждым поворотом коленчатого вала генерировать предварительно заданное количество равноотстоящих импульсов.
Постоянное запоминающее устройство 106 носителя информации может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими собой команды, выполняемые процессором 102, для реализации описываемых ниже способов, а также и других предполагаемых вариантов, которые отдельно не указываются.
Как описано выше, на фиг. 2 иллюстрируется только один цилиндр многоцилиндрового двигателя, причем все цилиндры могут включать в себя одинаковые собственную группу впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку, свечу зажигания и пр.
Обратимся теперь к рассмотрению выхлопной системы, выполняемой с комбинированными устройствами РОГ и РТВГ. Такие типовые системы согласно изобретению представлены на фиг. 3-6.
В соответствии с одним из примеров, выхлопная система транспортного средства может содержать охладитель РОГ, магистраль рекуперации тепла выхлопных газов, соединенную с охладителем РОГ, клапан РОГ, смонтированный за охладителем РОГ и служащий для регулирования потока выхлопных газов на впуск двигателя, и клапан, расположенный в магистрали рекуперации тепла выхлопных газов, для регулирования расхода циркулирующего в ней потока выхлопных газов, причем этим расходом потока выхлопных газов определяется количество тепла, передаваемого охлаждающей жидкости двигателя. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, система включает в себя магистраль рекуперации тепла выхлопных газов, соединенную с охладителем РОГ посредством ответвления, расположенного за охладителем РОГ, при этом магистраль рекуперации тепла выхлопных газов дополнительно соединена с выпускным каналом, каковое соединение с выпускным каналом имеет место перед каталитическим нейтрализатором выхлопных газов. Однако место присоединения к выпускному каналу может также располагаться и за каталитический нейтрализатором выхлопных газов, как будет детальнее разъяснено ниже. В целях усиления потока выхлопных газов через устройство РОГ и/или РТВГ можно дополнительно предусмотреть в выхлопной системе дроссель выхлопных газов, помещаемый в выпускном канале перед местом соединения магистрали рекуперации тепла выхлопных газов с выпускным каналом перед каталитическим нейтрализатором. В соответствии с другими вариантами осуществления, в качестве клапана, монтируемого в магистрали рекуперации тепла выхлопных газов, можно использовать пассивный одноходовой клапан, открывающийся при превышении некоторого порогового значения потока выхлопных газов. При использовании еще одного варианта осуществления можно предусмотреть входной клапан в охладителе РОГ выше по потоку от охладителя РОГ. В соответствии со следующими вариантами, магистраль рекуперации тепла выхлопных газов может быть соединена с охладителем РОГ по другой схеме. Так, например, эта магистраль рекуперации тепла выхлопных газов может присоединяться к охладителю РОГ не на стороне выпуска, а на стороне впуска. Таким образом, клапаны, находящиеся в магистрали рекуперации тепла выхлопных газов, могут оказываться перед охладителем РОГ. Для уменьшения габаритов в моторном отсеке и для более эффективного размещения системы можно сконструировать выхлопную систему таким образом, чтобы магистраль рекуперации тепла выхлопных газов находилась возле впускного коллектора, параллельно выпускному каналу.
На фиг. 3 показана первая типовая конфигурация 300, в соответствии с которой охладитель РОГ 140 соединен с магистралью РТВГ 141, а выход РТВГ соединен с выпускным каналом перед каталитическим нейтрализатором, например, устройством 71. Для большей простоты двигатель 10 обозначен здесь схематически в виде четырехцилиндрового двигателя с однорядным расположением цилиндров. Однако возможны и иные варианты, с другими схемами расположения. В частности, описанная выше технология может быть распространена на такие двигатели, как V-6, I-4, I-6, V-12, оппозитный четырехцилиндровый и другие типы двигателя. Воздух, всасываемый из впускных каналов 44 (например, один из которых промаркирован), направляется во впускной коллектор 304 и далее - в цилиндры 30, где и происходит сгорание. После сгорания выхлопные газы направляются в выпускные каналы 48 (например, один из которых промаркирован), где отдельные потоки выхлопных газов от каждого цилиндра объединяются, как здесь показано, например, в выхлопную трубу 348. После этого выхлопные газы могут быть направлены по различным траекториям в зависимости от конкретных принятых способов. Как видно на фиг. 3, в выпускном канале 348, помимо клапана РОГ 142 и клапана РТВГ 143, используемых для регулирования одного или более потоков выхлопных газов в процессе работы, смонтирован дроссель 366 выхлопных газов.
При активации клапанов появляется возможность перенаправления выхлопных газов по различным показанным здесь каналам. В ряде случаев перенаправление всех выхлопных газов, ни одного из них либо их части может осуществляться, исходя из установленных условий работы двигателя. Иначе говоря, поток выхлопных газов может быть распределен либо по отдельности по каждой из траекторий, либо по группам из двух или большего количества таких траекторий. Так, например, при наличии первого набора некоторых условий управление транспортным средством может осуществляться в первом рабочем режиме, когда выхлопные газы будут выпускаться непосредственно через выпускной коллектор 348. В этом случае описание гибридного транспортного средства ведется на основе разных рабочих режимов с перенаправлением потоков выхлопных газов через выхлопную систему еще до их выхода и транспортного средства по выхлопной трубе. В соответствии с другим вариантом, при наличии второго набора условий, управление транспортным средством может осуществляться во втором рабочем режиме, когда передача тепла к охлаждающей жидкости двигателя будет осуществляться посредством направления выхлопных газов в РТВГ 141. Подобным же образом, при наличии третьего набора условий, отличного от предыдущих, управление транспортным средством может осуществляться в третьем рабочем режиме, когда выхлопные газы будут перенаправляться в двигатель 10 посредством направления потока выхлопных газов во впускной коллектор 304. Для большей простоты при описании работы в этих трех режимах (в частности, с первого по третий) мы будем рассматривать, по существу, регулирование всех потоков выхлопных газов по указанным траекториям. Однако при наличии еще одного набора условий, обозначаемого здесь как четвертый, управление транспортным средством может осуществляться в четвертом рабочем режиме, когда имеет место распределение выхлопных газов по двум или большему количеству траекторий (например, 50% потока будут направляться непосредственно на выхлоп, а остальные 50% - в РТВГ), исходя из условий работы двигателя. Описание способов ведется применительно к регулировкам, осуществляемым с целью обогрева кабины после холодного пуска двигателя. Однако этими вариантами возможные решения не ограничиваются, так что возможны и другие типовые ситуации и рабочие сценарии. Так, например, возможен также нагрев охлаждающей жидкости двигателя с целью повышения эксплуатационного кпд двигателя путем снижения вязкости масла.
Как уже говорилось выше, при холодном пуске транспортного средства желательно нагреть охлаждающую жидкость как можно быстрее, с тем чтобы можно было выключить двигатель этого транспортного средства с целью уменьшения расхода топлива в процессе работы. Нагрев охлаждающей жидкости двигателя дает возможность обогреть кабину, поскольку нагретая охлаждающая жидкость подается в радиатор отопителя с целью нагрева воздуха в кабине. Создаваемое двигателем тепло служит основным источником теплоты для обогрева салона транспортного средства. Поэтому двигатель может продолжать работать до тех пор, пока не будет достигнута достаточно высокая температура охлаждающей жидкости, исходя из требуемого значения температуры в кабине, заданного водителем.
После, по меньшей мере, частичного открытия клапана РОГ 142 включается функция рециркуляции выхлопных газов с охлаждением. При этом клапан РТВГ 143 обеспечивает предотвращение поступления не охлажденных выхлопных газов из выпускного канала во впускной коллектор. Когда клапан РОГ 142 открыт, а дроссель 366 выхлопных газов частично закрыт, выполнение функции РОГ интенсифицируется благодаря повышению давления во входе ответвления РОГ, вследствие чего усиливается поток рекуперируемых выхлопных газов, поступающий во впускной коллектор. Когда же клапан РОГ 142 закрыт, а клапан РТВГ 143 частично открыт, включается функция РТВГ. Дроссель 366 выхлопных газов можно закрыть, что позволит отрегулировать перепад давления между входом и выходом совмещенной системы РОГ/РТВГ. Благодаря наличию перепада давления на дросселе 366 выхлопных газов становится возможной циркуляция выхлопных газов по каналу РОГ 140 и магистрали РТВГ 141, где происходит передача тепла к охлаждающей жидкости двигателя посредством теплообменника. Если в качестве клапана РТВГ 143 используется клапан активного типа, то расход воздуха в магистрали РТВГ 141 можно регулировать с помощью клапана РТВГ. Однако в случае, когда клапан РТВГ 143 представляет собой пассивный клапан, расход потока выхлопных газов может регулироваться с использованием, как минимум, одного из следующих компонентов: дросселя 366 выхлопных газов и клапана РОГ 142. Когда клапан РОГ 142, по меньшей мере, частично открыт и клапан РТВГ 143 тоже, по меньшей мере, частично открыт, включаются обе функции - и рекуперации тепла выхлопных газов, и РОГ с охлаждением. Можно использовать степень открытия каждого клапана для регулирования потока и, тем самым, распределения газов и во впускной коллектор 304, и в магистраль 142 рекуперации тепла выхлопных газов (РТВГ). В случаях, когда потоки выхлопных газов распределяются одновременно по обоим этим направлениям, можно приводит в действие дроссель 366 выхлопных газов для регулирования расхода в обеих магистралях. Как было сказано ранее, увеличение степени закрытия дросселя 366 выхлопных газов может вести к увеличению перепада давлений между входом и выходом системы РОГ/РТВГ, что позволяет увеличить расход газов по совмещенным магистралям РОГ/РТВГ.
Конструкции согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения могут быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить выполнение сходных функций, но с разными или более компактными схемами размещения трубопроводов и/или клапанов. Так, например, при использовании одной из схем клапан РТВГ 143 может представлять собой пассивный одноходовой клапан (например, обратный). При такой конфигурации давление, создаваемое дросселем 366 выхлопных газов, вызывает открытие обратного клапана при некотором заданном пороговом значении. Таким образом, при использовании рекуперации тепла выхлопных газов дроссель 366 выхлопных газов может приводиться в действие до достижения частично или полностью закрытого положения, благодаря чему создается сила, приводящая к открытию пассивного одноходового клапана, например, клапана РТВГ 143. И наоборот, когда необходимо использовать РОГ с охлаждением (как отдельно, так и в сочетании с рекуперацией тепла выхлопных газов), обратный клапан может предотвращать рециркуляцию не охлажденных выхлопных газов обратно во впускной коллектор по магистрали РТВГ 141.
На фиг. 4 иллюстрируется вторая типовая конфигурация 400 с уменьшенной клапанной системой. Здесь в качестве клапана 443 РТВГ использована комбинация дроссельной заслонки выхлопных газов и выходного клапана. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, этот клапан РТВГ 443 может иметь форму либо откидной дверцы, либо дроссельной заслонки. Таким образом, когда клапан РТВГ 443 закрыт, предотвращается рециркуляция не охлажденных выхлопных газов во впускной коллектор по магистрали РТВГ 141. Однако в тех случаях, когда клапан РТВГ 43 открыт, поток выхлопных газов может одновременно и дросселироваться в выпускном коллекторе 348 (например, в главной выхлопной трубе), и продолжать циркулировать через устройство РТВГ к выходу выхлопного трубопровода. В результате этого при открытии клапана РТВГ 443 происходит падение давления, создающее поток выхлопных газов через теплообменник с одновременной возможностью для выпуска выхлопных газов непосредственно по выхлопной трубе. При использовании некоторых вариантов осуществления в канале РОГ 140, перед охладителем РОГ ВД 146, может быть смонтирован специальный передний входной клапан для дополнительной регулировки потока выхлопных газов через охладитель РОГ.
На фиг. 5 иллюстрируется третья типовая конфигурация 500 с выходом РТВГ, который соединен с выпускным каналом за первым каталитическим нейтрализатором (например, устройством 71). Как видно на схеме, выход ответвления перемещен в положение за каталитическим нейтрализатором. Когда клапан РТВГ 143 открыт, на каталитическом нейтрализаторе возникает падение давления, создающее поток выхлопных газов по магистрали РТВГ 141. При такой конфигурации системы создание объема потока выхлопных газов через ответвление магистрали РТВГ 141 может также порождать каталитическую активность нейтрализатора, благодаря которой в транспортном средстве будет обеспечиваться достаточная катализация выхлопных газов перед их выпуском в атмосферу вдобавок к нагреву охлаждающей жидкости двигателя теплом выхлопа, передаваемым этой жидкости посредством теплообменника.
На фиг. 6 иллюстрируется четвертая типовая конфигурация 600, в соответствии с которой вход охладителя РОГ соединяется с РТВГ в некоторой дальней точке магистрали РТВГ. При такой схеме клапан РТВГ 143, располагающийся за магистралью РТВГ 141, может и перекрывать поток выхлопных газов, и одновременно стимулировать циркуляцию потока по магистрали рекуперации выхлопных газов. Когда клапан РТВГ 143 открыт, а клапан РОГ 142 закрыт, становится возможной передача тепла выхлопных газов к охлаждающей жидкости двигателя. В другой ситуации, когда клапан РОГ 142 открыт, в магистрали РОГ 140 может иметь место циркуляция выхлопных газов в направлении, показанном стрелками. Подобно тому, как было описано выше, можно предусмотреть циркуляцию выхлопных газов по разным траекториям, показанным стрелками, регулируя имеющиеся в выхлопной системе клапаны. Таким образом, хотя здесь приведена и несколько иная схема, все равно совмещение в выхлопной системе функций РОГ и РТВГ дает возможность передавать тепло выхлопных газов к охлаждающей жидкости в разных условиях - например, в режиме холодного пуска. Как здесь показано, теплообменник (например, охладитель 146 РОГ ВД) можно в ряде случаев, в соответствии с другим вариантом, рассчитать таким образом, чтобы производилось одновременное извлечение тепла канала РОГ 140 и магистрали РТВГ 141.
Обратимся теперь к рассмотрению способов. На фиг. 7 и 8 представлены типовые функциональные схемы коммутации рабочих режимов выхлопа посредством регулирования канала циркуляции выхлопных газов согласно настоящему изобретению.
На фиг. 7 приведена типовая функциональная схема 700 для коммутации рабочих режимов выхлопной системы посредством регулирования канала циркуляции выхлопных газов благодаря регулировкам одного или большего количества клапанов. Как уже говорилось выше, рабочие режимы описываются применительно к потокам выхлопных газов, циркулирующим по каждой траектории (например, по выпускному каналу, магистрали РОГ или магистрали РТВГ), и, для большей простоты, по совмещенным разным траекториям (например, по двум или более магистралям). Показанные на фиг. 7 рабочие регулировки описываются на примере первой типовой конфигурации 30 по фиг. 3.
На этапе 702 способ 700 включает в себя определение рабочих режимов двигателя. Так, например, возможно определение температуры двигателя и/или температуры охлаждающей жидкости с целью выяснить, передается ли тепло к этой охлаждающей жидкости в процессе работы двигателя. В качестве примере мы берем здесь холодный пуск двигателя, в ходе которого тепло выхлопных газов передается к охлаждающей жидкости из выхлопа этого двигателя. Достоинство описываемых выхлопной системы и методов работы состоит в том, что интенсивность нагрева охлаждающей жидкости (и, следовательно, обогрева кабины транспортного средства) можно регулировать на основе количества теплоты, передаваемой охлаждающей жидкости в процессе работы, поскольку значительное количество тепла может высвобождаться из двигателя транспортного средства по выхлопной трубе. При перенаправлении потока выхлопных газов в магистраль их рециркуляции, соединенную с магистралью рекуперации их тепла, достигается то преимущество, что в процессе работы обеспечивается возможность передачи, по меньшей мере, части тепла от двигателя к охлаждающей жидкости. Описываемые здесь способы дают, в частности, возможность рекуперации тепла из выхлопа вне зависимости от состояния РОГ - включено или выключено. Другими словами, рекуперация тепла выхлопных газов не ограничивается потоком РОГ, так как до 100% потока выхлопных газов могут быть направлены в теплообменник или в магистраль рекуперации тепла выхлопных газов с целью такой рекуперации (например, посредством закрытия клапана РОГ 142 и дросселя 366 выхлопных газов, а также открытия клапана РТВГ 143).
Как здесь показано, на этапе 704 благодаря способу 700 можно, исходя из рабочих режимов двигателя, определить, предстоит ли работа двигателя в 1-ом режиме выхлопа. Если указан 1-ый режим выхлопа основывающийся, например, на первом наборе условий, то можно произвести одну или более регулировок клапанов для выпуска выхлопных газов непосредственно по выпускному коллектору или каналу, как показано в рамке с этапом 706. Так, можно закрыть клапан РОГ 142 и клапан РТВГ 143 (например, с переводом в закрытое положение), что приведет к выпуску выхлопных газов непосредственно по выхлопной трубе (или по выпускному каналу).
В соответствии с другим вариантом, если контроллер (например, контроллер 12) определит, что, в соответствии с действующими условиями, транспортное средство должно функционировать в другом рабочем режиме, то в рамках способа 700 переходят к этапу 710, на котором принимается решение о необходимости работы во 2-м режиме выхлопа, когда выхлопные газы будут направляться по магистрали рекуперации их тепла с передачей этого тепла к охлаждающей жидкости. Если предстоит работа транспортного средства во 2-м режиме выхлопа, например, по причине выявления наличия второго набора условий, отличного от первого, то можно выполнить одну или более регулировок клапанов для выпуска выхлопных газов по магистрали РТВГ 141 с целью передачи тепла к охлаждающей жидкости, как показано в рамке 712. В качестве одного из примеров можно указать, что клапан РОГ 142 и дроссель 336 выхлопных газов могут быть закрыты, тогда как клапан РТВГ 143 следует открыть для регулирования траектории циркуляции потока выхлопных газов по магистрали РТВГ 141.
Если работа выхлопной системы во 2-ом режиме выхлопа (рамка 710) не предвидится, то в рамках способа 700 переходят к этапу 720, на котором принимается решение, предусматривающее рециркуляцию выхлопных газов. Если транспортному средству предстоит работать в 3-ем режиме выхлопа, например, по причине выявления третьего набора условий, отличного от первого или второго, то можно выполнить одну или более регулировок клапанов с целью направления, по меньшей мере, части выхлопных газов по магистрали РОГ и обратно на впуск двигателя, например, для снижения эмиссии посредством рециркуляции потока обратно в двигатель (см. рамку 722). В соответствии с одним из примеров выполнения, можно открыть клапан РОГ 142 и привести в действие дроссель 366 выхлопных газов, исходя из режима двигателя, а клапан РТВГ 143 закрыть. Благодаря этим регулировкам клапанов удается направить поток выхлопных газов по магистрали РОГ 140 и в сторону впуска двигателя, например, во впускной коллектор 304. В ряде случаев более интенсивного потока РОГ можно добиться, прибегнув к дросселированию выпускного клапана. Так, например, выпускной клапан может быть дросселирован, в то время как разрежение на впуске должно быть уменьшено, чтобы увеличить расход потока выхлопных газов через охладитель РОГ.
Четвертый режим выхлопа, указанный в ромбе 730, относится к направлению потока выхлопных газов не только в выпускной канал, но ив обе магистрали - РОГ и РТВГ. Говоря иначе, выхлопные газы направляются по каналам выхлопа, задаваемым на основе рабочих режимов двигателя и нужной интенсивности нагрева охлаждающей жидкости. Благодаря этому становится возможной регулировка одного или большего количества клапанов или их приведение в положение, обеспечивающее распределение потока выхлопных газов по разным магистралям в зависимости от выявленных условий.
Хотя выше было дано описание потоков выхлопных газов на основе просто включенного/выключенного состояния клапанов в 1-ом, 2-ом и 3-ем рабочих режимах, в выхлопной системе, установленной на самом транспортном средстве, выхлопные газы могут распределяться по совмещенным траекториям практически при любых условиях. Таким образом, реализация различных заданных режимов выхлопа и управление ими могут осуществляться на основе условий нагрева охлаждающей жидкости и циркуляции выхлопных газов, ожидаемых в ходе испытательного цикла двигателя. Так, например, в условиях высоких температур (например, при превышении температурой двигателя некоторого порогового значения) можно предусмотреть выпуск тепла двигателя из транспортного средства по выхлопной труб, а не передачу тепла к охлаждающей жидкости через теплообменник, например, радиатор. В другой ситуации, в условиях низких температур, тепло двигателя может передаваться охлаждающей жидкости для использования на борту транспортного средства, тогда как часть выхлопных газов будет выходить по выпускному каналу.
Рассмотренные способы можно реализовать в устройстве, содержащем охладитель РОГ, соединенный с магистралью рекуперации тепла выхлопных газов. Как было сказано выше, эти способы могут включать в себя приведение в действие клапана РОГ за охладителем РОГ с целью регулирования потока выхлопных газов на впуск двигателя и потока выхлопных газов в магистраль рекуперации тепла выхлопных газов, а также регулирование количества тепла, передаваемого из потока выхлопных газов, направляемого в магистраль рекуперации тепла выхлопных газов, через теплообменник к охлаждающей жидкости двигателя. В соответствии с изобретением, управление теплопередачей может предусматривать открытие клапана РОГ для увеличения потока выхлопных газов на впуск двигателя с одновременным уменьшением потока выхлопных газов в магистраль рекуперации их тепла, при этом закрытие клапана РОГ приводит к увеличению потока выхлопных газов в магистраль рекуперации тепла выхлопных газов с одновременным уменьшением потока выхлопных газов на впуск двигателя. Однако благодаря добавлению дросселя выхлопных газов возможно дополнительное управление потоком выхлопных газов в охладитель РОГ посредством приведения в действие указанного дросселя.
Один из примеров дан на фиг. 8, где иллюстрируется способ 800 коммутации рабочих режимов выхлопной системы путем регулирования траекторий циркуляции выхлопных газов на основе рабочих режимов двигателя. На этапе 810 контроллер (например, контроллер 12) определяет включенное/выключенное состояние двигателя. Если двигатель включен и работает, то в рамках способа приступают к действиям в блоке 812 принятия решений, где контроллер 12 дополнительно определяет, необходим ли нагрев охлаждающей жидкости, например, в силу того, что температура этой жидкости упала ниже некоторого порога. В противном случае, если двигатель выключен, а транспортное средство работает, то контроллер 12 может быть запрограммирован на то, чтобы обеспечивать транспортное средство энергией с помощью другого источника -например, электродвигателя.
На этапе 820 контроллер определяет дополнительно, нужны ли нагрев охлаждающей жидкости и направление, по меньшей мере, части выхлопных газов обратно в двигатель, как показано в рамках 830 и 840, что сводится к созданию описанного выше четвертого рабочего режима.
Так, например, если предстоит нагрев охлаждающей жидкости (см. ответ «Да» в блоке 820 принятия решений) и контроллер 12 определяет, что направление выхлопных газов в двигатель не требуется (см. ответ «Нет» в блоке 830 принятия решений), то можно произвести регулировки клапанов на выполнение выхлопа во втором режиме посредством направления выхлопных газов по магистрали рекуперации тепла выхлопных газов с целью передачи тепла к охлаждающей жидкости, как показано в рамке 834. В некоторых случаях второй режим выхлопа может предусматривать выпуск выхлопных газов как по магистрали рекуперации тепла выхлопных газов, так и непосредственно по выпускному каналу с передачей при этом тепла к охлаждающей жидкости. Однако бывает и так, что до 100% выхлопных газов могут быть направлены по магистрали рекуперации тепла выхлопных газов с целью увеличения количества тепла, передаваемого охлаждающей жидкости в процессе работы. Кроме того, если предстоит нагрев охлаждающей жидкости (см. ответ «Да» в блоке 820 принятия решений) и контроллер 12 определяет, что, по меньшей мере, часть выхлопных газов должна быть рециркулирована в двигатель на основе условий его работы (см. ответ «Да» в блоке 830 принятия решений), то можно произвести регулировки клапанов уже описанным выше способом, чтобы отрегулировать работу транспортного средства на четвертый режим выхлопа, при этом часть выхлопных газов будет направляться обратно на впуск двигателя и, кроме того, выхлопные газы будут также направлены по магистрали рекуперации тепла выхлопных газов и по выпускному каналу, как показано в рамке 832. В результате этого распределение выхлопных газов может быть отрегулировано путем изменения потока воздуха через различные выхлопные магистрали в процессе работы транспортного средств с целью регулирования количества тепла, передаваемого охлаждающей жидкости, и, соответственно, интенсивности нагрева охлаждающей жидкости.
В других ситуациях, когда нагрева охлаждающей жидкости не требуется (см. ответ «Нет» в блоке 820 принятия решений) и контроллер 12 определяет, что направлять выхлопные газы в двигатель не нужно (см. ответ «Нет» в блоке 840 принятия решений), то можно произвести регулировки клапанов на выполнение выхлопа в первом режиме посредством выпуска выхлопных газов непосредственно через выпускной канал, как показано в рамке 844. Однако, если нагрев охлаждающей жидкости производиться не должен (см. ответ «Нет» в блоке 820 принятия решений) и контроллер 12 определяет, что, по меньшей мере, часть выхлопных газов должны быть направлена в двигатель на основе условий его работы (см. ответ «Да» в блоке 840 принятия решений), то можно произвести регулировки клапанов на выполнение выхлопа в третьем режиме посредством рециркуляции выхлопных газов обратно на впуск двигателя, как показано в рамке 842. В частности, по меньшей мере, часть выхлопных газов может быть рециркулирована в двигатель, при этом оставшиеся выхлопные газы буду выпущены непосредственно по выпускному каналу.
На фиг. 9 показана типовая функциональная схема для быстрого повышения температуры воздуха в кабине посредством управления потоком выхлопных газов в магистраль РТВГ в соответствии с настоящим изобретением. Как описывается ниже, предлагаемые способы обеспечивают эффективную и быструю рекуперацию тепла от двигателя в процессе работы. Для большей простоты описание этих способов ведется применительно к обогреву кабины после холодного пуска двигателя. Однако можно предусмотреть и иные примеры применения в рамках объема правовой охраны изобретения.
Таким образом, в качестве способа 900 может рассматриваться способ нагрева охлаждающей жидкости двигателя в процессе прогрева двигателя, содержащий этап передачи тепла от потока выхлопных газов к охлаждающей жидкости двигателя через теплообменник, расположенный в магистрали рекуперации тепла выхлопных газов, в зависимости от положения клапана РОГ. В соответствии с одним из вариантов, положение клапана РОГ может бесступенчато регулироваться и, следовательно, использоваться для определения расхода потока выхлопных газов в магистраль рекуперации тепла выхлопных газов, и тогда этот расход потока выхлопных газов будет использоваться для регулирования количества тепла, передаваемого охлаждающей жидкости двигателя, исходя из условий работы этого последнего. Таким образом, когда клапан РОГ открыт, расход потока РОГ в двигатель тоже может увеличиваться, причем увеличение расхода потока в двигатель приводит к уменьшению расхода в магистраль рекуперации тепла выхлопных газов. Однако когда предусмотрен клапан РТВГ, который соединяется с магистралью рекуперации тепла выхлопных газов с целью регулирования расхода по ней, возможна независимая или синхронная регулировка клапанов РОГ и РТВГ для регулирования расхода потока выхлопных газов в магистраль рекуперации тепла выхлопных газов с целью регулирования количества тепла передаваемого охлаждающей жидкости. Количество тепла, передаваемого охлаждающей жидкости, увеличивают с целью повышения интенсивности обогрева кабины транспортного средства. Кроме того, если предусмотрен отдельный клапан РТВГ, расход потока в магистраль рекуперации тепла выхлопных газов может иметь место независимо от работы РОГ, когда клапан РОГ закрыт.Если в выпускном канале установлен дроссель выхлопных газов, то возможно еще большее повышение расхода, как минимум, в одном из двух направлений - в двигатель и в магистраль рекуперации тепла выхлопных газов, как детальнее было описано выше. Учитывая, что описание способа ведется применительно к холодному пуску в гибридном транспортном средстве, способы могут дополнительно включать в себя этап выключения двигателя в ответ на превышение температурой воздуха в кабине некоторого порога, причем температура воздуха в кабине повышается с увеличением количества тепла, передаваемого охлаждающей жидкости.
На этапе 902 в рамках способа 900 определяют, произошел ли в транспортном средстве холодный пуск двигателя. Так, например, двигатель, который не работал в течение небольшого периода времени, может остыть до температуры ниже некоторого порога. Если выяснено, что имел место холодный пуск, то а рамках способа 900 переходят к этапу 910, на котором определяют, необходим ли обогрев кабины. Однако если условия работы двигателя таковы, что холодный пуск двигателя не нужен, но в рамках способа 900 переходит к выполнению этапа 904, производя регулировки клапанов, направленные на выпуск тепла непосредственно через выпускной коллектор или канал. Так, например, как было описано применительно к способу 700 (фиг. 7), можно закрыть оба клапана - РОГ и РТВГ - с целью обеспечения работы выхлопной системы в 1-ом режиме выхлопа, при этом выпуск выхлопных газов будет осуществляться непосредственно по выпускному каналу.
Вернемся к рассмотрению этапа 910. Если нужен обогрев кабины транспортного средства, то в рамках способа 900 переходят к этапу 912, передавая тепло к охлаждающей жидкости, с тем чтобы поддать в кабину еще большее количество тепла. Так например, можно открыть клапан РТВГ для повышения расхода потока в магистраль РТВГ. В соответствии с одним из вариантов, практически весь расход потока (например, 100% во 2-ом режиме выхлопа) может быть направлен по магистрали РТВГ с целью передачи тепла к охлаждающей жидкости. Однако при использовании другого варианта по магистрали РТВГ направляют только часть потока выхлопных газов, тогда как остальной поток направляют по выхлопной труб и/или магистрали РОГ в двигатель. Кроме того, в ряде случаев объем выхлопных газов, направляемых по магистрали РТВГ, может быть определен на основе количества передаваемого тепла и, следовательно, желательной интенсивности обогрева кабины транспортного средства. При таком подходе количество тепла, передаваемое к охлаждающей жидкости, можно отрегулировать таким образом, чтобы достичь оптимальной интенсивности обогрева кабины, что даст возможность быстрого прогрева окружающего воздуха. В другой ситуации, если обогрев кабины не нужен, например, по той причине, что контроллер 12 выявил, что температура окружающего воздуха превышает заданную обогревателем уставку, или водитель транспортного средства вручную отрегулировал команду на управление обогревателем, то в рамках способа 900 переходят к этапу 904, осуществляя рециркуляцию выхлопных газов в объеме, основанном на условиях работы двигателя.
Вернемся к рассмотрению этапа 912. При включении устройства рекуперации тепла выхлопных газов в рамках способа 900 переходят к этапу 920, на котором определяют интенсивность нагрева. При этом может быть предусмотрен некоторый температурный порог для температуры в кабине транспортного средства. Далее, если температура в кабине превышает этот порог, способ 900 может предусматривать выполнение рабочих регулировок на основе температуры, превышающей указанный порог, с целью выключения двигателя с одновременной подачей энергии на транспортное средство от какого-либо другого источника. Так, например, в состав транспортного средства может быть включен, в дополнение к его двигателю, специальный электродвигатель, получающий питание от соответствующего источника электропитания. Таким образом, энергия, вырабатываемая транспортным средством, может обеспечиваться электродвигателем, что позволяет сократить объемы используемого топлива и, соответственно, снизить вредную эмиссию. Если температура в кабине падает ниже температурного порога, система может продолжить выработку расхода потока по магистрали РТВГ, если управление скоростью теплопередачи осуществляется одновременно с обогревом кабины транспортного средства. Затем, сразу по завершении обогрева кабины, на этапе 922 двигатель может быть выключен, и тогда транспортное средство будет получать энергию от другого источника, смонтированного на борту транспортного средства. Таким образом, способ 900 дополнительно включает в себя этап выключения двигателя в ответ на одно или оба из следующих событий -превышение температурой воздуха в кабине некоторого температурного порога, причем регулирование температуры воздуха в кабине производится в соответствии с количеством тепла, передаваемого охлаждающей жидкости, и/или подачу команды на управление обогревателем. Так, например, водитель транспортного средства может вручную отрегулировать команду на управление обогревателем, нажав соответствующую кнопку, позволяющую уменьшить количество тепла для обогрева кабины транспортного средства.
На фиг. 10 иллюстрируется типовой рабочий цикл при холодном пуске двигателя гибридного транспортного средства для целей иллюстрации описанных выше способов. В верхней части фиг. 10 приведена кривая 1010 типовой нагрузки на двигатель, а ниже - различные направления потоков выхлопных газов (1020, 1030 и 1040), указываемые для типовой конфигурации с уменьшенной клапанной системой по фиг. 4. Показаны также положения клапанов РОГ и РТВГ (соответственно, 1050 и 1060). По оси абсцисс отложено время, продолжительность которого нарастает слева направо.
0
0
1
Момент Т соответствует началу работы транспортного средства в режиме холодного пуска. Затем происходит увеличение нагрузки 1010 на транспортное средство по мере его движения. В течение времени от Т до T поток выхлопных газов направляется по магистрали РТВГ с передачей тепла двигателя к его охлаждающей жидкости. По сути дела, непосредственный выхлоп 1020, то есть выпуск потока выхлопных газов непосредственно через выхлопную трубу, поддерживается на минимальном уровне. В ряде случаев этому минимальному уровню соответствует, по существу, нулевой выхлоп. Как здесь показано, поток РТВГ 130 возрастает пропорционально нагрузке на двигатель, когда тепло от потока выхлопных газов рекуперируется в процессе работы через теплообменник, например, охладитель РОГ 146. Потоком РОГ 1040 можно управлять, исходя из условий работы двигателя. Однако условия работы двигателя могут обуславливать отсутствие потока РОГ во время его холодного пуска. По этой причине поток РОГ показан здесь для простоты как постоянная величина (например, на минимальном уровне). Благодаря уменьшенному расходу потока через магистраль РОГ удается долбиться увеличения расхода через магистраль РТВГ. В процессе работы регулировки клапанов РОГ и РТВГ могут быть выполнены таким образом, чтобы происходила более интенсивная рекуперация тепла, несмотря на то, что двигатель работает при более низких температурах. С учетом только что описанных потоков выхлопных газов, клапан 150 может быть отрегулирован на закрытое положение, а клапан РТВГ 1060 - на открытое, что позволит получить заданный охлажденный поток выхлопных газов. В соответствии с показанной на фиг. 4 конфигурацией с уменьшенной клапанной системой, клапан РТВГ 443 представляет собой сочетание дроссельной заслонки для выхлопных газов с выходным клапаном. Таким образом, когда клапан РТВГ 443 открыт, одновременно происходит дросселирование потока выхлопных газов в выпускном коллекторе 348 (например, для уменьшения расхода в главной выпускной трубе) и создается возможность циркуляции потока через устройство РТВГ к выходу выхлопной ветви трубопровода.
1
2
В период времени от T до Т происходит увеличение нагрузки на двигатель до значения, при котором эмиссия от двигателя превышает некоторый порог (здесь не указан). Реакцией на это является то, что часть потока выхлопных газов направляется по магистрали РОГ, с тем чтобы осуществить рециркуляцию этих газов, а также в магистраль РТВГ для передачи тепла двигателя к его охлаждающей жидкости. Для непосредственного выхлопа 1020 никаких регулировок не предусмотрено, он поддерживается на минимальном уровне. Происходит уменьшение потока РТВГ 1030, т.к. некоторая часть потока выхлопных газов перенаправляется в РОГ в процессе работы. Таким образом, поток РОГ 1040 претерпевает пропорциональное увеличение, в то время как поток РТВГ 1030 сокращается. В ряде случаев весь поток может по-прежнему отражать нагрузку 1010. В результате благодаря предлагаемой выхлопной системе становятся одновременно возможными оптимизация теплопередачи и уменьшение эмиссии с помощью РОГ. Основываясь на показанных здесь потоках выхлопных газов, можно отрегулировать клапан РОГ на открытое положение и далее активировать его в процессе работы, исходя из некоторого набора значений нужной эмиссии, которые могут быть измерены предусмотренным в выхлопной системе датчиком. Клапан РТВГ 1060 тоже можно отрегулировать на основе нагрузки на двигатель и приводить его в действие в зависимости от потока РОГ и выявленных условий.
2
3
В период времени от Т до Т происходит работа двигателя с высокой нагрузкой, вследствие чего создается значительная эмиссия. Так, выходящий из двигателя выхлоп может по-прежнему превышать пороговое значение (не показано). Эмиссия двигателя может зависеть от его температуры. Так, при более продолжительной работе двигателя может происходить и повышение его температуры, что сказывается на мощности выхлопа в процессе работы. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, возможна оценка и/или расчет эмиссии транспортного средства, например, с использованием специальной модели, для определения выхлопа транспортного средства, ожидаемого при данном наборе рабочих условий. Хотя на протяжении рабочего цикла возможен подъем температуры в кабине, контроллер 12 в состоянии контролировать эту температуру в то время, когда она падает ниже порогового значения, как было описано при рассмотрении фиг. 9. В условиях повышения нагрузки на двигатель поток выхлопных газов может быть, по меньшей мере, частично направлен по магистрали РОГ с целью рециркуляции выхлопных газов с предотвращением в то же время потока выхлопных газов через магистраль РТВГ. Для непосредственного выхлопа 1020 никаких регулировок не предусмотрено, он поддерживается на минимальном уровне. Поток РТВГ 1030 уменьшают до минимального уровня, т.к. часть потока выхлопных газов перенаправляется в процессе работы в РОГ с целью снижения эмиссии посредством увеличения интенсивности рециркуляции. При этом происходит увеличение потока РОГ до максимального уровня на основе рабочих условий двигателя, тогда как поток РТВГ 1030 снижается до минимального уровня. В качестве одного из примеров укажем, что расход потока по магистрали РОГ может быть увеличен до максимального уровня, составляющего порядка 25% от расхода на входе. В результате этого в выхлопной системе обеспечивается РОГ с охлаждением благодаря регулировке выпускного клапана. Основываясь на показанных здесь потоках выхлопных газов, можно привести клапан РОГ 1050 в открытое положение, а клапан РТВГ 1060 отрегулировать на закрытое положение.
3
4
В период времени от Т до Т происходит уменьшение нагрузки на двигатель и, следовательно, уменьшение количества выделяющихся при выхлопе продуктов сгорания. С учетом этого можно произвести регулировки с целью направления части потока выхлопных газов по магистрали РТВГ опять же для передачи тепла к охлаждающей жидкости двигателя, в то время как поток выхлопных газов через РОГ будет выключен (например, потому, что эмиссия снизилась, упав ниже некоторого порога). Для непосредственного выхлопа 1020 никаких регулировок не предусмотрено, он поддерживается на минимальном уровне. Поток РТВГ 1030 увеличивают, исходя из нагрузки на двигатель, тогда как поток РОГ 1040 уменьшают. В результате в выхлопной системе продолжается теплопередача к охлаждающей жидкости с целью обогрева кабины транспортного средства. Основываясь на показанных здесь потоках выхлопных газов, можно привести клапан РОГ 1050 в закрытое положение, а клапан РТВГ 1060 - в открытое и отрегулировать его в соответствии с нагрузкой на двигатель.
4
5
В период времени от Т до Т происходит колебание нагрузки на двигатель в зависимости от условий движения. В течение этого периода часть потока выхлопных газов может выходить по выпускной трубе. Таким образом, выполняются регулировки клапана РТВГ с целью изменения расхода потока выхлопных газов, и в то же время производится регулирование расхода тепла, передаваемого охлаждающей жидкости. С учетом этого, можно уменьшить часть потока выхлопных газов по магистрали РТВГ, тогда как поток выхлопных газов через выхлопную трубу увеличивается. Для потока РОГ 1040 никаких регулировок не предусмотрено, он поддерживается на минимальном уровне. В выхлопной системе продолжается теплопередача к охлаждающей жидкости с целью обогрева кабины транспортного средства, но с меньшей интенсивностью. Однако, учитывая, что интенсивность теплопередачи может в ряде случаев зависеть от температуры двигателя, поток выхлопных газов по выпускному каналу может увеличиваться, тогда как поток выхлопных газов по магистрали рекуперации тепла выхлопных газов уменьшают с целью обогрева кабины транспортного средства. Так, например, можно произвести рабочие регулировки, направленные на увеличение расхода потока выхлопных газов в каталитический нейтрализатор, исходя из рабочих условий двигателя. Что касается клапана РОГ 1050, то его можно удерживать в закрытом положении, тогда как клапан РТВГ 1060 будет находиться в открытом положении.
5
В момент Т температура кабины превышает пороговое значение, двигатель выключен и получает энергию от другого источника типа электродвигателя (не показан). В результате нагрузка на двигатель может быть отключена или снижена до минимального уровня. После этого циркуляция потоков выхлопных газов также может быть предотвращена, поскольку сгорание в двигателе уже не происходит. Клапан РОГ 1050 удерживается в закрытом положении, а клапан РТВГ 1060 регулируется на закрытое положение. Однако в ряде случаев клапаны можно просто удерживать в соответствующих положениях, когда происходит отключение двигателя вследствие прекращения выхлопа из двигателя. Далее, когда произошло повторное включение двигателя, можно произвести одну или более регулировок с целью распределения потока выхлопных газов в выхлопной системе с использованием ранее рассмотренного способа.
Итак, предложен теплообменник для выхлопных газов, обладающий меньшей массой и высоким кпд. Кроме того, появляется возможность управления работой универсального выхлопного устройства в разных режимах с направлением выхлопных газов в процессе работы по разным траекториям. В соответствии с одним из частных примеров, используется выхлопная система с совмещенными РОГ и РТВГ для быстрого нагрева охлаждающей жидкости двигателя в условиях низких температур. Так, например, может потребоваться направление выхлопных газов в теплообменник с одновременным предотвращением избыточной тепловой нагрузки на радиатор. Кроме того, благодаря предлагаемой системе достигается уменьшение габаритов, веса и стоимости при ее практическом применении на транспортном средстве описанными выше способами.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.