ПОДОГРЕВ ТОПЛИВА ПРИ ХОЛОДНОМ ЗАПУСКЕ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к системам для снижения выброса твердых частиц из бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива.
Уровень техники
Установлено, что твердые частицы выбрасываются из бензиновых двигателей с непосредственным впрыском на протяжении первых 500 секунд Федеральной методики испытаний, т.е., когда двигатель еще не прогрелся. Твердые частицы предположительно образуются топливом, непосредственно контактирующим с поверхностями камеры сгорания и, в частности, днищами поршней (особенно, если они имеют масляное охлаждение), поскольку они нагреваются медленнее, чем стенки цилиндра и головка блока цилиндров.
Раскрытие полезной модели
Поскольку предварительно нагревать поверхности камеры сгорания перед запуском двигателя - это сложно и требует расхода энергии, в соответствии с одним вариантом осуществления предложенного двигателя топливо нагревается так, что легче испаряется при введении в камеру сгорания, и при этом ко времени, когда струя топлива проходит достаточно далеко от форсунки, чтобы столкнуться с поверхностями камеры сгорания, имеется мало или вообще нет топлива в жидком виде.
Предлагается бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива, имеющий направляющую-распределитель для топлива, топливные форсунки, сообщающиеся с направляющей-распределителем для топлива и подающие топливо в цилиндры двигателя. Кроме того, двигатель имеет контур охлаждающей жидкости двигателя, содержащий водяной насос, предназначенный для циркуляции охлаждающей жидкости через водяную рубашку в двигателе. Из контура охлаждающей жидкости в направляющую-распределитель для топлива предусмотрен патрубок. В одном варианте осуществления часть водяной рубашки, которая рядом к выпускным окнам и каналам, ведущим из цилиндров, сообщается с патрубком водяной рубашки, ведущим в направляющую-распределитель для топлива. Поскольку при холодном запуске двигателя охлаждающая жидкость в водяной рубашке вблизи выпуска нагревается быстрее, направляющая-распределитель для топлива при холодном запуске будет быстро нагреваться. Охлаждающая жидкость двигателя обычно представляет собой смесь воды, этиленгликоля и добавок. Термины «охлаждающая жидкость» и «вода», используемые в настоящем описании, относятся к любой подходящей жидкой смеси, используемой в контуре охлаждения.
В некоторых вариантах осуществления в направляющей-распределителе для топлива расположен электрический нагревательный элемент, предназначенный помочь в нагревании топлива помимо подогрева от охлаждающей жидкости. В одном варианте осуществления в патрубке контура охлаждающей жидкости, ведущем в водяную рубашку, предусмотрен термостат для предотвращения потока охлаждающей жидкости в направляющую-распределитель для топлива, когда охлаждающая жидкость еще не достигла достаточно высокой температуры. То есть, случая, когда охлаждающая жидкость подается в направляющую-распределитель для топлива, охлаждая топливо, подогретое электрическим нагревательным элементом, необходимо избежать. В одном варианте осуществления термостат представляет собой механический термостат, закрывающийся при температуре ниже заданной температуры и открывающийся при температуре выше заданной температуры.
В вариантах осуществления с электрическим нагревательным элементом, связанным с направляющей-распределителем для топлива, к электрическому нагревательному элементу подключен электронный блок управления. Электронный блок управления вызывает включение электрического нагревательного элемента при получении указания о предстоящем запуске двигателя. Кроме того, электронный блок управления подключен к датчику температуры в контакте с охлаждающей жидкостью двигателя, и электронный блок управления вызывает отключение нагревательного элемента, когда температура охлаждающей жидкости двигателя превышает пороговую температуру. В некоторых альтернативных вариантах осуществления термостат имеет электрическое управление, и при этом поток из водяной рубашки вблизи выпускных каналов в направляющую-распределитель для топлива может течь, исходя из температур, рассчитанных или измеренных, в направляющей-распределителе для топлива и охлаждающей жидкости двигателя.
Указанием о предстоящем запуске двигателя является одно из следующего: ключ, вставленный в замок зажигания, открывание дверцы автомобиля, открывание замка дверцы автомобиля, открывание и закрывание дверцы автомобиля, нажатие тормозной педали, нахождение брелка с ключом на заданном расстоянии от автомобиля, или команда водителя на проворачивание коленчатого вала двигателя. Кроме того, включение электрического нагревательного элемента может основываться на том, что температура охлаждающей жидкости двигателя ниже пороговой температуры.
В некоторых вариантах осуществления топливные форсунки содержат электрические нагреватели, электронно соединенные с электронным блоком управления, и электронный блок управления включает эти электрические нагреватели при получении указания о предстоящем запуске двигателя.
В одном варианте осуществления бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива содержит направляющую-распределитель для топлива и контур охлаждающей жидкости двигателя. Контур охлаждающей жидкости двигателя имеет главный водяной насос, предназначенный для циркуляции охлаждающей жидкости; водяную рубашку в двигателе в головке блока цилиндров с частью рядом с выпускным каналом; и патрубок направляющей-распределителя для топлива, подключенный практически сразу же за частью водяной рубашки рядом с выпускным каналом, причем патрубок направляющей-распределителя для топлива физически контактирует с направляющей-распределителем для топлива. Кроме того, двигатель имеет датчик температуры, подключенный к двигателю и к электронному блоку управления (ЭБУ), электронно подключенному к главному водяному насосу и датчику температуры. ЭБУ отключает главный водяной насос, когда сигнал от датчика температуры указывает, что температура охлаждающей жидкости двигателя в двигателе ниже пороговой температуры. В некоторых вариантах осуществления двигатель имеет также вспомогательный насос, подключенный к контуру охлаждающей жидкости двигателя и электронно подключенный к ЭБУ. ЭБУ дает команду вспомогательному насосу на циркуляцию потока в контуре охлаждающей жидкости на основании того, что температура охлаждающей жидкости двигателя в двигателе выше пороговой температуры, и главный водяной насос отключен. Выпускным каналом является одно из следующего: выпускное окно сразу же за цилиндром двигателя, отдельный выпускной канал, проводящий отработавшие газы из выпускного окна, и объединенный выпускной канал, к которому подключены отдельные выпускные каналы.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива содержит: топливные форсунки, соединенные с цилиндрами двигателя, направляющую-распределитель для топлива, подающую топливо в топливные форсунки, электрические нагревательные элементы, расположенные в топливных форсунках, и контур охлаждающей жидкости двигателя, содержащий водяной насос для циркуляции охлаждающей жидкости двигателя через водяную рубашку в двигателе. Из контура охлаждающей жидкости в направляющую-распределитель для топлива предусмотрен патрубок. В патрубке контура охлаждающей жидкости, подключенном к направляющей-распределителю для топлива, расположен термостат. Термостат представляет собой механический термостат, закрывающийся при температуре ниже заданной температуры и открывающийся при температуре выше заданной температуры.
К электрическим нагревательным элементам подключен электронный блок управления. Электронный блок управления вызывает включение электрических нагревательных элементов при получении указания о предстоящем запуске двигателя. Электронный блок управления подключен к датчику температуры в контакте с охлаждающей жидкостью двигателя, и электронный блок управления вызывает отключение нагревательного элемента, когда температура охлаждающей жидкости двигателя превышает пороговую температуру. Электронный блок управления подключен к датчику температуры в контакте с охлаждающей жидкостью двигателя, и включение электрического нагревательного элемента основывается также на том, что температура охлаждающей жидкости двигателя ниже пороговой температуры.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 приведена схема автомобиля;
На Фиг.2 приведено схематическое представление части бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива; и
На Фиг.3 и 4 приведены блок-схемы алгоритмов нагревания топлива.
Осуществление полезной модели
Как будет понятно специалистам в данной области техники, различные отличительные признаки, проиллюстрированные и описанные со ссылками на любую одну из фигур, могут объединяться с отличительными признаками, проиллюстрированными на одной или нескольких других фигурах, чтобы получить альтернативные варианты осуществления, явно не проиллюстрированные и не описанные. Объединения отличительных признаков дают репрезентативные варианты осуществления для типичных применений. Однако для конкретных применений или реализации могут потребоваться различные объединения или изменения отличительных признаков, которые согласуются с идеями настоящего изобретения.
На Фиг.1 показана схема автомобиля 10 в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Двигатель 12 является бензиновым двигателем с непосредственным впрыском топлива, в котором топливные форсунки 16 распыляют топливо непосредственно в камеру сгорания. Альтернативно, двигатель представляет собой бензиновый двигатель или дизель с впрыском во впускной канал. Топливо под давлением подается по топливопроводу 18 в направляющую-распределитель 14 для топлива, которая затем подает топливо в форсунки 16 для доставки в камеры сгорания двигателя 12. Двигатель 12 имеет контур охлаждающей жидкости, сообщающийся с водяными рубашками внутри двигателя 12. Контур охлаждающей жидкости имеет радиатор 20, предназначенный для передачи энергии от охлаждающей жидкости в воздух, и главный водяной насос 22, который может приводиться непосредственно двигателем 12, предназначенный для циркуляции охлаждающей жидкости в контуре охлаждающей жидкости. Альтернативно, между насосом 22 и двигателем 12 может предусматриваться муфта (не показана), и при этом, например, во время холодного запуска двигателя, когда охлаждение не требуется, насос 22 может отключаться. В еще одном альтернативном варианте осуществления насос 22 может иметь электрический привод, чтобы обеспечить управление насосом 22 полностью независимо от работы двигателя 12.
Из контура охлаждающей жидкости предусмотрен патрубок 24 для подачи охлаждающей жидкости в трубку 28 рядом с направляющей-распределителем 14 для топлива. В различных вариантах осуществления трубка 28 может: контактировать с направляющей-распределителем 14 для топлива в линейном контакте, предусматриваться внутри направляющей-распределителя 14 для топлива, наматываться на направляющую-распределитель 14 для топлива, выполняться цельной с направляющей-распределителем 14 для топлива и т.д. Трубка 28 и направляющая-распределитель 14 для топлива образует жидкостно-жидкостный теплообменник любым подходящим образом. Патрубок 24 может содержать термостат 26, который закрыт, когда температура в термостате 26 ниже заданной уставки температуры, и открыт, когда температура превышает уставку температуры. Термостат 26 может представлять собой восковый термостат для двигателя с температурой открытия, определяемой используемым воском. Альтернативно, термостат 26 может представлять собой восковый термостат для двигателя с электрическим нагревателем для обеспечения минимального контроля над температурой, при которой термостат 26 открыт. На Фиг.1 патрубок 24 показан выходящим из охлаждающей рубашки двигателя 12 и, в частности, выходящим из места вблизи выпускных каналов. Некоторые двигатели имеют объединенный выпускной коллектор, при этом выпускной коллектор отлит как одно целое с головкой блока цилиндров; такое конструктивное исполнение обеспечивает устройство проходов для охлаждающей жидкости в части выпускного коллектора головки блока цилиндров. Альтернативно, охлаждающая жидкость может подаваться в отдельный выпускной коллектор при обеспечении проходов для охлаждающей жидкости между головкой и выпускным коллектором через фланец, посредством которого они соединены.
В некоторых автомобилях используется такая стратегия частых остановок, что двигатель 12 может глушиться на время продолжительного простоя, например, у красного сигнала светофора. Однако при этом на время глушения для обеспечения комфорта пассажирам в салоне автомобиля включается вспомогательный водяной насос 56 с электрическим приводом для создания потока через воздушно-жидкостный теплообменник (58), обычно называемый сердцевиной подогревателя. В автомобилях, оборудованным таким образом, охлаждающая жидкость, выходящая из трубки 28, рядом с направляющей-распределителем 14 для топлива. При холодном запуске главный водяной насос 22 может отключаться, чтобы дать время, в течение которого охлаждающая жидкость в двигателе 12 может нагреваться. После того как это случится, может включаться вспомогательный насос 56 для создания слабого потока охлаждающей жидкости через двигатель 12, чтобы охлаждающая жидкость в головке блока цилиндров возле выпускных каналов подавалась непосредственно в трубку 28, находящуюся рядом с направляющей-распределителем 14 для топлива.
На борту автомобиля 10 предусмотрен электронный блок управления (ЭБУ) 30. ЭБУ 30 может представлять собой одиночный блок или несколько блоков, обеспечивающих распределенные вычисления. ЭБУ 30 подключен к различным датчикам и исполнительным механизмам. Их неисчерпывающий перечень включает: датчик 32 охлаждающей жидкости двигателя, один или несколько электрических нагревательных элементов (не показаны) в направляющей-распределителе 14 для топлива и электрические нагревательные элементы (не показаны) в топливных форсунках 16. В одном варианте осуществления электрические нагревательные элементы предусмотрены в обоих местах: в топливных форсунках 16 ив направляющей-распределителе 14 для топлива. Альтернативно, электрические нагревательные элементы предусмотрены лишь в одном из этих двух мест.
ЭБУ 30 подключен к другим датчикам и исполнительным механизмам 60. В их число могут входить без ограничения датчики температуры (для измерения окружающей температуры, температуры охлаждающей жидкости двигателя, температуры масла и т.д.), датчики давления, датчики влажности, бесконтактные датчики и датчики угла поворота коленчатого вала, а также исполнительные механизмы для управления вспомогательным водяным насосом 56, положением дроссельной заслонки, положением клапана рециркуляции отработавших газов; для установки момента зажигания, открытия форсунки, для управления положениями других клапанов, нагревателями, для установки фаз клапанного распределения и т.д. ЭБУ 30 может содержать несколько процессоров, но на Фиг.1 для удобства показан как одиночный блок.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, представленном в описании, электрические нагревательные элементы включаются непосредственно перед запуском двигателя. Необходимо иметь некоторое время опережения, чтобы дать достаточное время на нагрев топлива, которое вскоре будет впрыснуто в двигатель. Указание о том, что двигатель 12 вскоре будет запущен, можно вывести или определить по различным действиям водителя автомобиля. В одном варианте осуществления заключение о том, что двигатель 12 вскоре будет запущен, делается по открытию дверцы 42 автомобиля 10, в частности дверцы водителя. Когда дверца 42 закрыта штырьковый выключатель 44 или иной подходящий выключатель прижат. По сигналу выключателя 44 можно определить состояние дверцы 42. В другом варианте осуществления заключение о том, что двигатель 12 вскоре будет запущен, делается по состоянию замка 46 дверцы. В этом варианте осуществления открытие замка 46 дверцы рассматривается как указание того, что вскоре поступит команда на работу двигателя 12. В еще одном варианте осуществления указателем предстоящего запуска двигателя служит близость к автомобилю 10 брелка с ключами 48. В еще одном варианте осуществления нажатие тормозной педали 50 воспринимается и используется как указание предстоящей работы двигателя. Во многих транспортных средствах запуск двигателя прогнозируется по нажатию тормозной педали. В еще одном варианте осуществления для определения готовящегося запуска двигателя используется состояние замка зажигания 52. Замок зажигания 52 может управляться ключом. Альтернативно, замок зажигания 52 может представлять собой выключатель, работающий от нажимной кнопки, который может действовать только в том случае, если в автомобиле имеется соответствующая радиочастотная идентификация. Необходимо иметь некоторое время опережения для электрического нагревания топлива в форсунках и/или в направляющей-распределителе для топлива. Тем не менее, указания относительно запуска двигателя, такие, как открытие дверцы или близость от автомобиля брелка с ключами, хотя и обеспечивают больше времени опережения по сравнению с другими вариантами, не являются несомненными указаниями предстоящего запуска автомобиля. Если подогрев топлива основывается на этих указателях, топливо в направляющей-распределителе для топлива или форсунках может нагреваться несколько раз, а двигатель так и не будет после этого запускаться. Нажатие тормозной педали служит более определенным указанием скорого запуска двигателя. Однако оно дает меньше времени опережения, чем другие указатели. Понятно, что есть компромисс между различными указателями, и выбор подходящего указателя может зависеть от конкретного применения.
На Фиг.2 приведено схематическое представление одиночного цилиндра 68 бензинового двигателя 70 с непосредственным впрыском топлива. Двигатель 70 содержит блок 69 цилиндров и головку 71 блока цилиндров. Поршень 72 совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 68. Свежий воздух подается через воздухозаборник 74 двигателя. Поток свежего воздуха в цилиндр 68 регулируется впускным клапаном 76. Отработавшие газы вытесняются в выпускной трубопровод 78 двигателя и регулируются выпускным клапаном 80. Двигатель 70 имеет охлаждающую рубашку, предусмотренную как в блоке цилиндров, так и в головке блока цилиндров. На Фиг.2 первая часть 82 охлаждающей рубашки, находящаяся рядом с выпускным окном 77 и выпускным каналом 78 двигателя, легко нагревается отработавшими газами, проходящими через выпускное окно 77 и по выпускному каналу 78. Часть охлаждающей рубашки 82 сообщается практически непосредственно с трубкой 84, находящейся рядом с направляющей-распределителем для топлива 86. Охлаждающая рубашка содержит другие части рядом с впуском (не показаны) и часть 83 в блоке цилиндров 69.
В варианте осуществления, показном на Фиг.2, впускной коллектор выполнен как одно целое с головкой блока цилиндров, поэтому как отдельный элемент не показан. В выпускном коллекторе один или несколько выпускных каналов на цилиндр перед тем, как выйти из выпускного коллектора, могут объединяться в один канал. Такое объединение выпускных каналов происходит в головке блока цилиндров с объединенным выпускным коллектором. В настоящем описании выпускной канал относится к любому выпускному окну непосредственно за камерой сгорания, отдельным выпускным каналам, ведущим от выпускных окон, и объединенным выпускным каналам, в которые объединяются отдельные выпускные каналы.
В вариантах осуществления с электрическим нагревательным элементом в линии 90 охлаждающей жидкости, направляющей охлаждающую жидкость из двигателя 70 в направляющую-распределитель 86 для топлива, может предусматриваться термостат 88. В этом варианте осуществления может потребоваться, чтобы термостат предотвращал поток охлаждающей жидкости очень скоро после холодного запуска, когда охлаждающая жидкость даже рядом с выпускным каналом достаточно холодна, что скорее будет отбирать энергию у электрически нагреваемой направляющей-распределителя для топлива, чем привносить требуемую энергию.
Фиг.3 представляет собой блок-схему одного алгоритма предлагаемого способа. Алгоритм начинают на стадии 100. На стадии 102 определяют, получено ли указание относительно предстоящей работы двигателя. Как описано выше, указание может основываться на любой одной или нескольких альтернативах. Или же указание может основываться на объединении нескольких указателей. Если определяют, что предстоит запуск двигателя, в управлении переходят на стадию 104, где температуру топлива сравнивают с пороговой температурой. Температура топлива может основываться на датчике температуры в топливной системе рядом с направляющей-распределителем для топлива/топливными форсунками.
Альтернативно, температура топлива может основываться на других датчиках температуры, таких как датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя и датчик температуры окружающего воздуха, и модели теплопередачи. Если температура топлива выше пороговой температуры, это служит указанием того, что двигатель и/или топливо еще теплые от предыдущей работы, и, таким образом, дополнительный подогрев топлива не показан. Управление в этом случае переходит в 106, где работой двигателя управляют в соответствии с обычной стратегией двигателя. Если определяют или заключают, что температура топлива ниже пороговой температуры, в управлении переходят на стадию 108, на которой включают электрические нагревательные элементы. В управлении переходят на стадию блока решений 110, на которой температуру охлаждающей жидкости двигателя сравнивают с пороговой температурой. Если охлаждающая жидкость двигателя достаточна теплая, электрические нагревательные элементы могут выключить, а подогрев топлива обеспечивают охлаждающей жидкостью двигателя, подаваемой в жидкостно-жидкостный теплообменник рядом с направляющей-распределителем для топлива (топливо является одной жидкостью, а охлаждающая жидкость двигателя другой жидкостью). Когда температура превышает пороговую температуру, электрические нагревательные элементы на стадии 112 выключают. В управлении переходят на стадию 106 для нормальной работы.
Как описывалось выше, в зависимости от указателя, используемого для установления запуска двигателя, могут быть ложные указания запуска двигателя. В соответствии с одним альтернативным вариантом осуществления, подогрев топлива электрическими нагревательными элементами отключается, если спустя заданное время после получения указания о предстоящем запуске двигателя этот запуск не состоялся.
В некоторых вариантах осуществления для циркуляции охлаждающей жидкости предусмотрены главный и вспомогательный водяные насосы, оба из которых могут выключаться. На Фиг.4 показан алгоритм управления насосами, который начинают на стадии 150. В блоке 152 решений определяют, является ли температура охлаждающей жидкости в двигателе выше первого порога. Температуру охлаждающей жидкости в двигателе могут определять на основании объединения сигналов от датчиков температуры и моделей теплопередачи. Если температура выше порога, в управлении переходят в блок 154, в котором главный насос включают, а вспомогательный насос выключают. В случае отрицательного результата в блоке 152 в управлении переходят в блок решений, чтобы определить, является ли температура охлаждающей жидкости в двигателе выше второго порога. Если нет, выключают оба насоса. В случае положительного результата в блоке 156 в управлении переходят в блок 160, в котором главный насос выключают, а вспомогательный насос включают. Из блоков 154, 158 и 160 в управлении переходят в блок 152 решений. В некоторых ситуациях, особенно в транспортном средстве с частыми остановками, за время длительной стоянки температура в двигателе может упасть, так что непрерывный контроль может оказаться целесообразным.
Несмотря на то, что выше подробно описан лучший вариант осуществления изобретения, специалистам будут очевидными различные альтернативные конструкции и варианты осуществления в пределах объема последующей формулы изобретения. Если один или несколько вариантов осуществления описаны как обеспечивающие преимущества или являющиеся предпочтительными по сравнению с другими вариантами осуществления и/или известными техническими решениями в отношении одной или нескольких требуемых характеристик, специалисту будет ясно, что среди различных отличительных признаков могут иметь место компромиссы для достижения требуемых атрибутов системы, которые могут зависеть от конкретного случая применения или реализации. Эти атрибуты включают без ограничения: себестоимость, прочность, долговечность, издержки в течение жизненного цикла, товарность, внешний вид, упаковка, размер, удобство обслуживания, вес, технологичность, легкость сборки и т.д. Варианты осуществления, описанные как менее предпочтительные, чем другие варианты осуществления в отношении одной или нескольких характеристик, не выпадают из объема заявляемого изобретения.