СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КЛАПАНОМ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ПРИ РАБОТЕ ДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА ОБЕДНЕННОЙ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ В ФОРСИРОВАННОМ РЕЖИМЕ
METHOD (VERSIONS) AND SYSTEM FOR CONTROLLING EXHAUST GAS RECIRCULATION VALVE DURING LEAN OPERATION IN BOOSTED ENGINE SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к управлению клапаном рециркуляции отработавших газов при работе двигательной системы на обедненной топливной смеси в форсированном режиме.
Уровень техники
Системы двигателей могут быть оснащены системами рециркуляции отработавших газов (РОГ), через которые, по меньшей мере, часть отработавших газов возвращают обратно на впуск двигателя. Для оценки объема РОГ, доставляемого в двигатель, с системой двигателя могут быть связанны разнообразные датчики. К этим датчикам, например, могут относиться различные датчики температуры, давления, кислорода и влажности, связанные с впускным коллектором двигателя и/или выхлопным коллектором двигателя.
При этом уровни РОГ могут регулироваться в зависимости от разнообразных условий, например, от воздушно-топливного отношения топливной смеси и уровня выброса отработавших газов. Один из примеров такой регулировки раскрыт Schilling и др. в документе US 2013/0104544. В этом примере при работе на обедненной топливной смеси повышают объем рециркуляции РОГ с целью улучшения качества выброса отработавших газов по NOx.
Однако авторы настоящего изобретения идентифицировали потенциальные проблемы такого подхода. Например, в результате неправильной оценки РОГ может ухудшаться управление двигателем. В частности, при работе двигателя на бедной или очень бедной смеси, в отработавших газах, а, следовательно, и в РОГ, могут находиться значительные объемы свежего воздуха. Если подачу РОГ оценивают по показаниям датчика перепада давления на клапане РОГ, или на нерегулируемом мерном отверстии системы РОГ (или MAF датчика РОГ), то датчик может некорректно принять поток свежего воздуха за остатки отработавших газов, и тогда оценка РОГ может быть завышена. В результате, действия исполнительных устройств установки момента зажигания, положения дроссельной заслонки и других исполнительных устройств, инициированные на основе этой оценки РОГ, могут быть неправильно рассчитаны, что приведет к потенциальным проблемам управления зажиганием и крутящим моментом. В другом примере, в системах двигателя, где РОГ оценивают по впускному датчику кислорода, наличие свежего воздуха может приводить к ошибке измерения РОГ, которая может быть неправильно интерпретирована как пониженное разбавление в двигателе, и тогда оценка РОГ может быть занижена. Кроме некорректного управления двигателем, это также может приводить к проблемам встроенной диагностики, так как монитор РОГ заметит расхождение между ожидаемым потоком через клапан РОГ, и потоком РОГ, измеренным впускным датчиком кислорода. В прочих системах, таких как MAF, свежий воздух, проходящий через систему РОГ, может остаться неучтенным, что приведет к ошибкам расчета воздушного заряда, что чревато ошибками подачи топлива и создания крутящего момента.
Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что во время работы на обедненной смеси, когда в отработавших газах имеется существенный объем свежего воздуха, может быть более эффективным вообще не подавать РОГ, чем подавать неправильный объем РОГ. Другими словами, положительное влияние РОГ на выброс отработавших газов и на топливный к.п.д. может не перевесить отрицательных результатов - повышения расхода топлива и ухудшения рабочих характеристик, которые могут явиться результатом неправильной оценки РОГ и ее подачи. Таким образом, в одном примере некоторые из вышеуказанных проблем могут быть, по меньшей мере, частично решены способом, предусматривающим: при работе с воздушно-топливным отношением, настроенным беднее стехиометрического, закрытие клапана рециркуляции отработавших газов в ответ на то, что воздушно-топливная смесь отработавших газов становится беднее порогового значения.
В качестве примера, при работе двигателя на обедненной топливной смеси, исходя из скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки двигателя может быть задан определенный порог. Порог может быть задан, исходя из максимально допустимой ошибки по объему РОГ. Допустимая ошибка РОГ может быть использована для расчета приемлемой степени обеднения. В ответ на то, что воздушно-топливное отношение отработавших газов станет беднее порогового значения, подачу РОГ можно отключить, закрыв клапан рециркуляции отработавших газов. Здесь, рециркуляция отработавших газов может быть рециркуляцией отработавших газов низкого давления, а клапан рециркуляции отработавших газов может быть клапаном рециркуляции отработавших газов, связанным с системой рециркуляции отработавших газов низкого давления. Клапан может удерживаться в закрытом положении, по меньшей мере, до тех пор, пока работающий двигатель не вернется на более богатую, чем порог обеднения, смесь, то есть когда возобновится работа двигателя при стехиометрическом отношении. После этого, рециркуляцию отработавших газов можно включить.
Так, можно снизить проблематичность неправильной оценки РОГ и неправильной диагностики системы РОГ монитором РОГ. То есть, это не только снижает проблемы сжигания топлива, связанные с неправильным управлением моментом зажигания и крутящим моментом, но также снижает расходы, связанные с ложными показаниями мониторов РОГ. Устранением условий, которые могут вызвать ложные показания измерений РОГ, удастся улучшить дорожные качества транспортного средства и экономию топлива.
Следует понимать, что вышеуказанные обобщенные сведения предназначены для представления в упрощенном виде набора концепций, которые далее раскрываются в подробном описании. Не имеется намерения идентифицировать ключевые или основополагающие отличительные особенности заявленного предмета изобретения, объем которого уникальным образом определен в формуле изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не огранивается осуществлениями, устраняющими любой из недостатков, упомянутый выше или в любой части настоящего описания.
Раскрытие изобретения
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается способ управления двигателем, согласно которому: при работе двигателя с воздушно-топливным отношением, настроенным беднее стехиометрического, в ответ на обеднение воздушно-топливного отношения отработавших газов ниже порогового значения закрывают клапан рециркуляции отработавших газов, причем указанное пороговое значение увеличивают при увеличении скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки двигателя.
В одном из вариантов способа воздушно-топливное отношение отработавших газов измеряют датчиком кислорода отработавших газов.
В одном из вариантов способа воздушно-топливное отношение, настроенное беднее стехиометрического, является отношением воздуха для горения и топлива в топливной смеси, сгорающей в цилиндре двигателя после ее поджигания искровым зажиганием.
В одном из вариантов способа закрытие клапана рециркуляции отработавших газов включает в себя полную герметизацию клапана рециркуляции отработавших газов относительно своего седла.
В одном из вариантов способа клапан рециркуляции отработавших газов связан с каналом рециркуляции отработавших газов низкого давления, и при этом закрытие клапана рециркуляции отработавших газов включает в себя отключение рециркуляции отработавших газов низкого давления.
В одном из вариантов способа двигатель форсируют и снабжают топливом посредством прямого впрыска, и двигатель дополнительно содержит выхлопной коллектор, содержащий трехкомпонентный катализатор.
В одном из вариантов способа воздушно-топливное отношение отработавших газов оценивают датчиком кислорода отработавших газов, размещенным выше по потоку от трехкомпонентного катализатора.
В одном из вариантов способа пороговое значение зависит от скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки двигателя.
В одном из вариантов способ дополнительно содержит этап, на котором после закрытия клапана рециркуляции отработавших газов, для увеличения внутренней рециркуляции отработавших газов регулируют фазы клапанного газораспределения.
В одном из вариантов способа регулирование фаз клапанного газораспределения включает в себя одно или более из следующего: установка опережения открытия впускного клапана или установка запаздывания закрытия выпускного клапана для увеличения перекрытия клапанов.
В одном из вариантов способ дополнительно содержит этап, на котором при нахождении воздушно-топливного отношения на пороговом значении или ниже него открывают клапан рециркуляции отработавших газов.
В одном из вариантов способ дополнительно содержит этап, на котором в ответ на то, что воздушно-топливное отношение становится беднее порогового значения, останавливают монитор рециркуляции отработавших газов.
В соответствии с изобретением также предложен способ управления двигателем, согласно которому: при выполнении рециркуляции отработавших газов низкого давления и в ответ на обеднение воздушно-топливного отношения отработавших газов ниже порогового значения, основанного на скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки двигателя, отключают рециркуляцию отработавших газов, и при отключении рециркуляции отработавших газов останавливают счетчик монитора рециркуляции отработавших газов.
В одном из вариантов способа расход выполняемой рециркуляции отработавших газов оценивают впускным датчиком кислорода, а содержание кислорода в отработавших газах измеряют датчиком кислорода отработавших газов.
В одном из вариантов способа пороговое значение в зависимости от скорости вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя включает в себя: оценку верхнего предела ошибки рециркуляции отработавших газов, допустимого при данной скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузке двигателя; оценку верхнего предела ошибки воздуха на основании верхнего предела ошибки рециркуляции отработавших газов; и расчет порогового значения на основании верхнего предела ошибки воздуха.
В одном из вариантов способ дополнительно содержит этап, на котором при выполнении рециркуляции отработавших газов низкого давления, в ответ на индикацию ошибки рециркуляции отработавших газов происходит приращение счетчика монитора рециркуляции отработавших газов.
В соответствии с изобретением также предложена система двигателя, содержащая: двигатель с впуском и выпуском; систему рециркуляции отработавших газов, содержащую канал для рециркуляции остатков выхлопа с выпуска на впуск через клапан рециркуляции отработавших газов; монитор рециркуляции отработавших газов, содержащий счетчик; впускной датчик кислорода, соединенный с впуском, выше по потоку от впускной дроссельной заслонки и ниже по потоку от выхода канала рециркуляции отработавших газов, причем впускной датчик кислорода выполнен с возможностью оценки одного или более из следующего: воздушно-топливного отношения топливной смеси и рециркуляции отработавших газов; выпускной датчик кислорода, соединенный с выпуском, выше по потоку от устройства снижения токсичности отработавших газов, причем выпускной датчик кислорода выполнен с возможностью оценки воздушно-топливного отношения отработавших газов, и контроллер со считываемыми компьютером инструкциями для: выполнения рециркуляции отработавших газов в зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки двигателя; в ответ на индикацию системной ошибки рециркуляции отработавших газов, при выполнении рециркуляции отработавших газов, приращения счетчика; и в ответ на подъем воздушно-топливного отношения отработавших газов выше порога обеднения: закрытия клапана рециркуляции отработавших газов; и остановки счетчика.
В одном из вариантов системы закрытие клапана рециркуляции отработавших газов включает в себя полное закрытие клапана рециркуляции отработавших газов вне зависимости от разницы между значением рециркуляции отработавших газов, оцененным впускным датчиком кислорода, и целевым рециркуляции отработавших газов, основанным на скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки двигателя.
В одном из вариантов системы контроллер дополнительно содержит инструкции, согласно которым: после закрытия клапана рециркуляции отработавших газов, регулируют фазы клапанного газораспределения цилиндра двигателя с целью увеличения внутренней рециркуляции отработавших газов, причем указанное регулирование фаз клапанного газораспределения цилиндра включает в себя одно или более из следующего: установка опережения открытия впускного клапана или установка запаздывания закрытия выпускного клапана для увеличения перекрытия клапанов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематически показан пример системы двигателя, содержащей впускной датчик влажности.
На фиг. 2 показана блок-схема алгоритма высокого уровня для отключения РОГ в ответ на обеднение воздушно-топливной смеси ниже порогового значения.
На фиг. 3 показан пример отключения РОГ в выбранных условиях работы на обедненной топливной смеси.
Осуществление изобретения
Предложены способы и системы для отключения РОГ в течение выбранных условий работы двигательной системы на обедненной смеси, например, системы, показанной на фиг. 1. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью исполнения управляющего алгоритма, такого как показан на фиг. 2, для отключения РОГ при определении того, что топливная смесь обедняется ниже порогового значения, причем пороговое значение регулируют в зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузке двигателя. Пример регулировки показан со ссылкой на фиг. 3. Таким образом, снижают вероятность неправильной диагностики и неправильного расчета РОГ.
На фиг. 1 схематически изображен пример системы 100 двигателя с турбонаддувом включающей в себя многоцилиндровый двигатель 10 внутреннего сгорания и два параллельно работающих турбонагнетателя 120 и 130. В качестве одного неограничивающего примера, система 100 двигателя может входить в состав двигательной системы пассажирского транспортного средства. Система 100 двигателя может получать впускной воздух через впускной канал 140. Впускной канал 140 может содержать воздушный фильтр 156 и дроссельную заслонку 230 РОГ. Система 100 двигателя может быть разделенной системой, в которой ниже по потоку от дроссельной заслонки 230 РОГ впускной канал 140 разветвляется на два параллельных впускных канала, каждый из которых содержит компрессор турбонагнетателя. В частности, по меньшей мере, часть впускного воздуха направляют в компрессор 122 турбонагнетателя 120 по первому параллельному впускному каналу 142, а по меньшей мере другую часть впускного воздуха направляют в компрессор 132 турбонагнетателя 130 по второму параллельному впускному каналу 144 впускного канала 140.
Первую часть от общего впускного воздуха, сжимаемую компрессором 122, можно подать во впускной коллектор 160 по первому ответвленному параллельному впускному каналу 146. При этом впускные каналы 142 и 146 формируют первую параллельную ветвь воздухозаборной системы двигателя. Аналогичным образом, вторую часть от общего впускного воздуха двигателя можно сжать компрессором 132, направив затем во впускной коллектор 160 по второму ответвленному параллельному впускному каналу 148. Таким образом, впускные каналы 144 и 148 сформируют вторую параллельную ветвь воздухозаборной системы двигателя. Как показано на фиг. 1, впускной воздух из впускных каналов 146 и 148 может быть рекомбинирован через общий впускной канал 149 до достижения впускного коллектора 160, откуда впускной воздух может быть подан в двигатель.
Первая дроссельная заслонка 230 РОГ может быть размещена в воздухозаборе двигателя выше по потоку от первого и второго параллельных впускных каналов 142 и 144, в то время как вторая дроссельная задвижка 158 РОГ может быть размещена в воздухозаборе двигателя ниже по потоку от первого и второго параллельных впускных каналов 142 и 144, и ниже по потоку от первого и второго параллельных ответвленных впускных каналов 146 и 148, например, в общем впускном канале 149.
В некоторых примерах впускной коллектор 160 может содержать датчик 182 давления во впускном коллекторе для оценки давления в коллекторе (ДК) и/или датчик 183 температуры во впускном коллекторе для оценки температуры воздуха в коллекторе (ТВК), причем каждый из датчиков обменивается информацией с контроллером 12. Впускной канал 149 может включать в себя охладитель 154 наддувочного воздуха (ОНВ) и/или дроссельную заслонку (например, такую как вторая дроссельная заслонка 158). Положение дроссельной заслонки 158 может регулироваться системой управления посредством исполнительного устройства (не показано) дроссельной заслонки, коммуникативно связанного с контроллером 12. Может иметься противопомпажный клапан 152, выполняющий задачу избирательной рециркуляции потока через ступени компрессора турбонагнетателей 120 и 130 через рециркуляционный канал 150. В качестве одного из примеров, противопомпажный клапан 152 может открываться, чтобы пропускать поток через рециркуляционный канал 150 тогда, когда давление впускного воздуха выше по потоку от компрессоров достигнет порогового значения.
Воздушный канал 149 может также содержать впускной датчик 172 газа кислорода. В одном примере, датчик кислорода представляет собой датчик UEGO. В настоящей разработке такой впускной датчик газа кислорода может быть выполнен с возможностью выдачи оценки содержания кислорода свежего воздуха, принимаемого во впускном коллекторе. Кроме того, при выполнении РОГ, изменение концентрации кислорода на датчике может быть использовано для определения объема РОГ и для точного управления потоком при выполнении РОГ. В изображенном примере, датчик 172 кислорода размещен выше по потоку от дроссельной заслонки 158 и ниже по потоку от охладителя 154 наддувочного воздуха. Однако, в альтернативных вариантах осуществления, датчик кислорода может быть размещен выше по потоку от охладителя наддувочного воздуха. Рядом с датчиком кислорода можно разместить датчик 174 давления для оценки впускного давления, при котором принимают выходной сигнал датчика кислорода. Так как выходной сигнал датчика кислорода зависит от впускного давления, требуется получить эталонные показания датчика кислорода при эталонном впускном давлении. В одном варианте осуществления, за эталонное впускное давление принято давление на входе дроссельной заслонки (ДВДЗ), и тогда в качестве датчика 174 используют датчик ДВДЗ. В альтернативных примерах эталонным впускным давлением является давление в коллекторе, измеряемое датчиком 182 давления в коллекторе.
Двигатель 10 может содержать множество цилиндров 14. В изображенном примере двигатель 10 содержит шесть цилиндров в V-образной конфигурации. В частности, шесть цилиндров скомпонованы в два ряда 13 и 15 по три цилиндра в каждом. В альтернативных примерах, двигатель 10 может содержать два и более цилиндров, например, 3, 4, 5, 8, 10 или более цилиндров. Эти разнообразные цилиндры могут быть разделены на равные количества и скомпонованы в иных конфигурациях, например, V-образной, однорядной, прямоугольной и т.д. Каждый из цилиндров может быть выполнен с топливной форсункой 166. В показанном примере топливная форсунка 166 является топливной форсункой прямого впрыска. Тем не менее, в другом примере, топливная форсунка 166 может быть форсункой впрыска во впускные каналы.
Впускной воздух, подаваемый в каждый цилиндр 14 (здесь также называемый камерой 14 сгорания), через общий впускной канал 149, может быть использован для сжигания топлива, а продукты сгорания после этого могут выводиться через параллельные выпускные каналы, специфичные для каждого ряда. В показанном примере, первый ряд 13 двигателя 10 может выводить продукты сгорания через первый параллельный выпускной канал 17, а второй ряд 15 цилиндров может выводить продукты сгорания через второй параллельный выпускной канал 19. Каждый из первого и второго параллельных выпускных каналов 17 и 19 также может содержать турбину турбонагнетателя. В частности, продукты сгорания, выпускаемые через выпускной канал 17, могут быть направлены через выпускную турбину 124 турбонагнетателя 120, которая, в свою очередь, может обеспечить механическую работу для компрессора 122 через вал 126 для сжатия впускного воздуха. Альтернативно, некоторая часть отработавших газов, текущих через выпускной канала 17, может быть пущена в обход турбины 124 через перепускной канал 123 турбины под управлением регулятора 128 давления наддува. Аналогичным образом, продукты сгорания, выводимые через выпускной канал 19, могут направляться через выпускную турбину 134 турбонагнетателя 130, которая, в свою очередь может обеспечить механическую работу для компрессора 132 через вал 136 для обеспечения сжатия впускного воздуха, проходящего через вторую ветвь воздухозаборной системы двигателя. Альтернативно, некоторая часть отработавших газов, протекающих через выпускной канал 19, может быть пущена в обход турбины 134 через перепускной канал 133 турбины под управлением регулятора 138 давления наддува.
В некоторых примерах, выпускные турбины 123 и 134 могут быть выполнены в виде турбин с изменяемой геометрией, причем контроллер 12 может регулировать положение рабочего колеса (или лопастей) турбины для изменения уровня энергии, получаемой от потока отработавших газов и передаваемой своему компрессору. В альтернативном варианте, выпускные турбины 124 и 134 могут быть выполнены в виде турбин с изменяемой геометрией сопла, при этом контроллер 12 сможет регулировать положение сопла турбины для того, чтобы изменять уровень энергии, получаемой от потока отработавших газов и передаваемой своему компрессору. К примеру, система управления может быть выполнена с возможностью независимого изменения пространственного положения лопатки или сопла выпускных турбин 124 и 134 посредством соответствующих исполнительных устройств.
Отработавшие газы в первом параллельном выпускном канале 17 могут направляться в атмосферу через ответвленный параллельный выпускной канал 170, в то время как отработавшие газы во втором параллельном выпускной канале 19 могут направляться в атмосферу через ответвленный параллельный выпускной канал 180. Выпускные каналы 170 и 180 могут содержать одно или несколько устройств доочистки отработавших газов, например, катализатор отработавших газов, а также один или несколько датчиков отработавших газов.
Двигатель 10 также может содержать один или более каналов рециркуляции отработавших газов (каналов РОГ), или контуров, для рециркуляции, по меньшей мере, части отработавшего газа из выхлопного коллектора во впускной коллектор. Эти контуры могут выключать в себя контуры высокого давления РОГ для обеспечения РОГ высокого давления и контуры низкого давления РОГ для обеспечения РОГ низкого давления. В одном примере, РОГ высокого давления может быть обеспечена в отсутствии форсирования, обеспечиваемого турбонагнетателями 120, 130, в то время как РОГ низкого давления может быть обеспечена в присутствии форсирования турбонагнетателем и/или когда температура отработавших газов превышает пороговое значение. В некоторых других примерах, системы РОГ высокого давления и РОГ низкого давления могут быть обеспечены одновременно.
В рассматриваемом примере, двигатель 10 может содержать контур 202 РОГ низкого давления для рециркуляции, по меньшей мере, некоторой части отработавших газов из первого ответвленного параллельного выпускного канала 170, ниже по потоку от турбины 124, в первый параллельный впускной канал 142 выше по потоку от компрессора 122. В некоторых вариантах осуществления изобретения может быть аналогичным образом обеспечен второй контур (не показан) РОГ низкого давления для рециркуляции, по меньшей мере, части отработавших газов из второго ответвленного параллельного выпускного канала 180 ниже по потоку от турбины 134, во второй параллельный впускной канал 144 выше по потоку от компрессора 132. Контур 202 РОГ низкого давления может содержать клапан 204 РОГ низкого давления для управления потоком РОГ (то есть объемом рециркулируемых отработавших газов) по контурам, а также охладитель 206 РОГ для снижения температуры отработавшего газа, протекающего через контур РОГ перед его рециркуляцией в воздухозабор двигателя. В определенных условиях, охладитель 206 РОГ могут также использовать для подогрева отработавшего газа, проходящего по контуру 202 РОГ низкого давления перед тем, как отработавший газ попадет в компрессор, с тем, чтобы избавиться от водяных капель, вредящих компрессорам.
В некоторых примерах, с системой РОГ низкого давления может быть связан монитор 205 РОГ, конкретно на клапане 204 РОГ низкого давления. В одном примере монитор 205 РОГ может измерять перепад давления на клапане РОГ низкого давления для вычисления расхода РОГ. Монитор затем может диагностировать систему РОГ низкого давления по расхождениям между расходом РОГ, ожидаемым по перепаду давления, и оцененным расходом РОГ, например, полученным по показаниям впускного датчика 172 кислорода. Монитор РОГ может быть связан с контроллером 12 и может включать в себя счетчик. Показания счетчика монитора РОГ могут приращиваться в ответ на ошибку системы РОГ. При превышении показаниями счетчика порогового значения, может генерироваться диагностический код. В альтернативном варианте, монитор РОГ может включать в себя считывание перепада давления на мерном отверстии, отдельно от клапана рециркуляции отработавших газов, или расходомер на базе проволочного или пленочного термоанемометра.
Двигатель 10 также может содержать первый контур 208 РОГ высокого давления для рециркуляции, по меньшей мере, части отработавших газов из первого параллельного выпускного канала 17, выше по потоку от турбины 124, в первый ответвленный параллельный впускной канал 146, ниже по потоку от компрессора 122. Аналогичным образом, двигатель может содержать второй контур (не показан) РОГ высокого давления для рециркуляции по меньшей мере части отработавших газов из второго параллельного выпускного канала 18, выше по потоку от турбины 134, во второй ответвленный параллельный впускной канал 148, ниже по потоку от компрессора 132. Поток РОГ через контуры 208 РОГ высокого давления могут регулировать посредством клапана 210 РОГ высокого давления. Таким образом, РОГ высокого давления может вводиться ниже по потоку от дроссельной задвижки 150 двигателя для улучшения потоковых характеристик в некоторых рабочих условиях.
PCV порт 102 может быть выполнен с возможностью подачи газов вентиляции картера (картерных газов) во впускной коллектор двигателя по второму параллельному впускному каналу 144. В некоторых вариантах осуществления, потоком воздуха PCV через PCV порт 102 (например, расходом PCV), могут управлять с помощью специального клапана PCV порта. Аналогичным образом, продувочный порт 104 может быть выполнен с возможностью подачи продувочных газов из бака топливной системы к впускному коллектору двигателя по каналу 144. В некоторых вариантах осуществления, потоком продувочного воздуха через продувочный порт 104 могут управлять посредством специального клапана продувочного порта.
Датчик 232 влажности и датчик 234 давления могут содержаться только в одном из параллельных впускных каналов (здесь, показанные в первом параллельном впускном воздушном канале 142, но не показанные во втором параллельном впускном канале 144), ниже по потоку от дроссельной заслонки 230 РОГ. В частности, датчик влажности и датчик давления могут устанавливаться во впускной канал, не получающий PCV или продувочный воздух. Датчик 232 влажности может быть выполнен с возможностью оценивания относительной влажности воздуха на впуске. В одном варианте осуществления, датчик 232 влажности является датчиком UEGO, выполненным с возможностью оценки относительной влажности впускаемого воздуха по выходному сигналу датчика при одном или нескольких значениях напряжения. Так как продувочный воздух и PCV воздух могут искажать показания датчика влажности, продувочный порт и PCV порт размещают в другом впускном канале, чем датчик влажности. В альтернативном варианте они могут быть размещены ниже по потоку от датчика влажности. Датчик 234 давления может быть выполнен с возможностью оценки давления впускаемого воздуха. В некоторых вариантах осуществления, в том же самом параллельном впускном канале может содержаться датчик температуры, который располагают ниже по потоку или выше по потоку от дроссельной заслонки 230 РОГ.
накачки
накачки
Таким образом, впускной датчик 172 кислорода может быть использован для оценки концентрации кислорода на впуске и вычислении объема потока РОГ через двигатель в зависимости от изменения концентрации кислорода на впуске при открытии клапана 204 РОГ. В частности, изменение выходного сигнала датчика при открытии клапана РОГ сравнивают с эталонным значением, при котором датчик работает без РОГ (нулевой уровень). Исходя из изменения (например, уменьшения) содержания кислорода со времени работы без РОГ, можно рассчитать объем потока РОГ, в настоящее время подаваемого в двигатель. Например, при подаче на датчик эталонного напряжения (Vs), датчик выдает ток накачки (I). Изменение в концентрации кислорода может быть пропорционально изменению в токе накачки (ΔI), который теперь выдает датчик в присутствии РОГ по сравнению с выходным сигналом датчика в отсутствии РОГ (нулевой уровень). Исходя из отклонения оцененного потока РОГ от ожидаемого (или целевого) потока РОГ, можно далее выполнять управление РОГ.
В одном примере, оценка впускного датчика кислорода на нулевом уровне может быть выполнена в условиях холостого хода, когда флуктуации давления на впуске минимальны, и когда в двигатель не подают ни PCV воздуха, ни продувочного воздуха. Кроме того, адаптация на холостом ходу может выполняться периодически, например, каждый раз, когда режим холостого хода случается после запуска двигателя, для того, чтобы компенсировать эффект старения датчика и изменения расстояния между деталями на выходе датчика.
Оценку нулевого уровня впускного датчика кислорода альтернативно можно выполнять в условиях без подачи топлива в двигатель, например, в условиях прекращения подачи топлива при замедлении. При выполнении адаптации в условиях прекращения подачи топлива при замедлении, вдобавок к пониженному влиянию шума, что например, достигается в режиме адаптации холостого хода, можно снизить неустойчивость показаний датчика в результате протечек через клапан рециркуляции отработавших газов.
На фиг. 1, где показано, что положение впускных и выпускных клапанов каждого цилиндра 14 может регулироваться посредством гидравлических толкателей клапанов, связанных со штоками клапанов, или посредством механизма переключения профилей кулачков, в котором используются рабочие выступы кулачков. В частности, система 25 привода кулачков впускных клапанов может включать в себя один или несколько кулачков и для впускных и/или выпускных клапанов может использовать систему изменения фаз газораспределения или систему переменного газораспределения с регулированием высоты подъема клапанов. Аналогичным образом, выпускные клапаны могут управляться системами привода кулачков или электрическим исполнительным устройством клапана.
Системой 100 двигателя может управлять, по меньшей мере, частично система управления 15, содержащая контроллер 12, и оператор транспортного средства, подающий входной сигнал через устройство ввода (не показано). Система управления 15 показана получающей информацию от множества датчиков 16 (различные примеры которых были приведены здесь), и подающей сигналы управления на множество исполнительных устройств 81. В качестве одного примера, датчики 16 могут включать в себя датчик 232 влажности, датчик 234 давления воздуха на впуске, датчик 182 давления в коллекторе, датчик 183 температуры воздуха в коллекторе, датчик 174 давления на входе дроссельной заслонки, монитор 205 РОГ, а также датчик 172 кислорода во впускном воздухе. В некоторых примерах, общий впускной канал 149 может также содержать датчик температуры на входе дроссельной заслонки для оценки температуры дроссельной заслонки (ТДЗ). В других примерах, один или несколько каналов РОГ, для определения характеристик потока РОГ могут включать в себя датчик давления, датчик температуры, а также пленочные или проволочные термоанемометрические расходомеры. В другом примере, исполнительные устройства 81 могут включать в себя топливную форсунку 166, клапан 166 РОГ высокого давления, клапан 204 РОГ низкого давления, дроссельные заслонки 158 и 230, а также регуляторы 128, 138 давления наддува. Другие исполнительные устройства, например, разнообразные дополнительные клапаны и заслонки, могут быть связаны с системой 100 двигателя в различных местах. Контроллер 12 может получать входные данные от разнообразных датчиков, обрабатывать входные данные и приводить в действие исполнительные устройства в ответ на результаты обработки входных данных, выполняемой на основе инструкций или запрограммированному в нем коду одного или нескольких алгоритмов. Пример алгоритма управления описывается здесь со ссылкой на фиг. 2.
На фиг. 2 изображен пример алгоритма 200 для отключения РОГ на время работы двигателя на обедненной топливной смеси в выбранных условиях. Способ помогает решить проблемы неправильной диагностики системы РОГ, а также снизить ошибочность оценки РОГ.
На этапе 252, алгоритм включает в себя оценку и/или измерение условий работы двигателя. К ним, например, могут относиться: скорость вращения коленчатого вала двигателя, нагрузка двигателя, барометрическое давление, запрос на крутящий момент от водителя, температура двигателя, уровни NOx, воздушно-топливное отношение и тому подобное. На этапе 254, исходя из оцененных условий работы, может быть определена целевая характеристика РОГ. Это может включать в себя, например, определение расхода РОГ, объема, температуры и т.д. Кроме того, это может включать в себя определение объема РОГ высокого давления, объема РОГ низкого давления и их отношения. Соответственно, для обеспечения целевой РОГ положение клапана рециркуляции отработавших газов может быть изменено соответствующим образом.
В одном примере, РОГ может выполняться, когда двигатель работает при воздушно-топливном отношении, настроенным беднее стехиометрического. Работа двигателя на обедненной смеси может быть результатом создания в двигателе условий «скорость вращения коленчатого вала двигателя-нагрузка», призванных снизить насосные потери или в условиях прекращения подачи топлива при замедлении. К появлению дополнительного воздуха в отработавших газах могут привести и другие обстоятельства, например, продувка. Таким образом, двигатель может работать в форсированном режиме и топливо в него может подаваться прямым впрыском. Настройка воздушно-топливного отношения беднее стехиометрического может быть для топливной смеси воздуха горения и топлива, сгорающей в цилиндре после поджигания ее свечным зажиганием, что приводит к избытку воздуха в отработавших газах и, следовательно, в РОГ.
На этапе 258, исходя из показаний датчика UEGO отработавших газов может быть определено пороговое значение обеднения. Пороговое значение обеднения может отражать верхний предел работы на обедненной смеси. Свыше порогового значения обеднения могут появляться ошибки оценки и диагностики РОГ. В частности, если двигатель работает при воздушно-топливном отношении отработавших газов, которое беднее порога обеднения, то избыточный кислород, присутствующий в выхлопе, может приводить к ложным показаниям измерений РОГ и ошибкам системы РОГ. Например, если в выхлопе содержится некоторый объем свежего воздуха, РОГ также внесет свежий воздух с выхлопной стороны. В системах двигателей, где монитор РОГ измеряет или контролирует поток РОГ, измеряя перепад давления на клапане или нерегулируемом мерном отверстии или MAF датчике РОГ, дополнительный свежий воздух может быть воспринят как РОГ. На основе этой информации, распределение зажигания, открытие дроссельной заслонки и действия других исполнительных устройств могут быть спланированы неправильно, что приведет к проблемам управления сжиганием топливной смеси и/или крутящим моментом. В системах двигателя, где концентрацию РОГ измеряют впускным датчиком кислорода, свежий воздух может приводить к ошибке измерения РОГ. Ошибка может иметь результатом то, что уровень выхода датчика кислорода может быть расценен как падение разбавления, то есть как условие малого потока РОГ. Это, в свою очередь, может привести к проблемам диагностики из-за расхождения между ожидаемым расходом через клапан рециркуляции отработавших газов, и расходом РОГ, измеренным впускным датчиком кислорода. В MAF системах, проходящий через систему РОГ свежий воздух может не учитываться, что приведет к ошибкам расчета заряда воздуха. Это, в свою очередь, может привести к ошибкам в подаче топлива и создании крутящего момента.
Для снижения этих ошибок, как представлено ниже, РОГ можно отключить в условиях, когда работа двигателя превысит порог обеднения. Другими словами, в условиях, когда концентрация кислорода в отработавших газах превышает, или ожидается, что превысит калибруемый порог обеднения, РОГ можно отключить. При этом порог обеднения можно определить максимально допустимой ошибкой измерения РОГ и/или требованием диагностического обнаружения потока РОГ. В одном примере, расходомерный монитор может завысить разбавление и привести к изменению момента зажигания или угла дроссельной заслонки, что снижает топливную эффективность, ухудшает устойчивость горения или повышает выбросы. В другом примере, разница между показаниями расходомерного монитора и измерением разбавления РОГ может превысить порог, и будет неправильно расценена как отказ датчика или другой отказ системы РОГ. В одном примере, регулирование или калибрование порога (по скорости вращения коленчатого вала двигателя/нагрузке двигателя) включает в себя оценку верхнего предела ошибки РОГ, которую можно допустить при текущей скорости вращения коленчатого вала двигателя/нагрузке двигателя, оценку верхнего предела ошибки воздуха по верхнему пределу ошибки РОГ, и расчет порога по верхнему пределу ошибки воздуха. Следовательно, порог может быть увеличен при увеличении скорости вращения коленчатого вала двигателя/нагрузки двигателя.
На этапе 260, алгоритм включает в себя оценку воздушно-топливного отношения отработавших газов. Например, воздушно-топливное отношение отработавшего газа (или горения) может быть оценено выпускным датчиком кислорода. Как было рассмотрено выше, впускной датчик кислорода может быть выполнен с возможностью оценивания потока РОГ к двигателю на основании изменения концентрации кислорода. Выпускной датчик кислорода размещают выше по потоку от устройства снижения токсичности отработавших газов выхлопного коллектора (например, трехкомпонентный катализатор отработавших газов).
На этапе 262 можно определить, беднее ли оцененная воздушно-топливная смесь порога обеднения. Если не беднее, тогда для получения целевого РОГ на этапе 264 может быть выполнено регулирование клапаном рециркуляции отработавших газов. Здесь, открывание/закрывание клапана рециркуляции отработавших газов регулируется по разницам между оцененным РОГ и целевым РОГ. Это включает в себя расширение просвета клапана рециркуляции отработавших газов для увеличения подачи РОГ в случае, если оцененный расход РОГ ниже целевого расхода РОГ, и сужение просвета клапана рециркуляции отработавших газов для снижения подачи РОГ в случае, если оцененный расход РОГ выше целевого расхода РОГ. Кроме управления РОГ, на основе РОГ может быть реализовано управление моментом зажигания и крутящим моментом.
Для сравнения, в ответ на то, то воздушно-топливное отношение отработавших газов беднее порога обеднения, при работе двигателя с воздушно-топливным отношением беднее стехиометрического, на этапе 266 алгоритм предусматривает закрытие клапана рециркуляции отработавших газов. Закрытие клапана рециркуляции отработавших газов включает в себя полное закрытие клапана рециркуляции отработавших газов и герметизацию клапана рециркуляции отработавших газов относительно своего седла. При этом клапан рециркуляции отработавших газов может быть связан с каналом РОГ низкого давления так, что закрытием клапана рециркуляции отработавших газов, система РОГ низкого давления может быть отключена. Закрытие клапана рециркуляции отработавших газов также включает в себя полное закрытие клапана рециркуляции отработавших газов независимо от разницы между оцененным РОГ (например, впускным датчиком кислорода) и целевым РОГ (например, заданным исходя из скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки двигателя).
Затем, на этапе 270, алгоритм включает в себя регулирование фаз газораспределения с целью увеличения внутренней РОГ, например, для компенсирования падения внешней РОГ. Регулировка фаз газораспределения включает в себя регулирование газораспределения одного или более из следующего: впускных клапанов, выпускных клапанов, и величину перекрытия клапанов. Например, регулирование может включать в себя установку опережения открытия впускных клапанов и/или установку запаздывания закрытия выпускных клапанов для увеличения перекрытия клапанов, замену внешней РОГ внутренней РОГ или изменение положения распределительного вала с целью улучшения экономичности по топливу и/или выбросов.
На этапе 272, управление зажиганием и крутящим моментом двигателя могут быть отрегулированы для учета повышенных уровней внутренней РОГ и прекращения внешней РОГ. Например, зажигание может быть выставлено на запаздывание, если отрегулированное положение распределительного вала повлечет за собой меньшее общее остаточное разбавление. Можно отрегулировать дроссельную заслонку для обеспечения запрошенного крутящего момента при отрегулированном положении распределительного вала с этапа 270. В некоторых примерах, РОГ может принудительно оставаться закрытой до тех пор, пока воздушно-топливное отношение отработавших газов будет находиться снаружи порога обеднения. Например, клапан рециркуляции отработавших газов могут открыть тогда, когда воздушно-топливное отношение окажется на уровне порога или ниже него. В одном из примеров клапан рециркуляции отработавших газов может быть открыт в ответ на работу двигателя в стехиометрическом режиме.
В одном примере, способ управления двигателем содержит выполнение РОГ низкого давления; и предусматривает отключение РОГ в случае, если воздушно-топливное отношение отработавших газов становится беднее порогового значения, определенного по скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузке двигателя. В этом случае, и расход потока РОГ, и воздушно-топливное отношение отработавших газов оценивают по показаниям впускного и выпускного датчиков кислорода, соответственно. Способ также содержит, при выполнении РОГ низкого давления, приращение счетчика монитора РОГ в ответ на индикацию ошибки РОГ, а при отключении РОГ, сброс или приостановку счетчика монитора РОГ.
В другом примере, система двигателя содержит двигатель с впускной и выпускной системами; систему РОГ, содержащую канал РОГ для рециркуляции остатков отработавших газов из выпускной системы во впускную систему через клапан рециркуляции отработавших газов; а также монитор РОГ, содержащий счетчик. Система двигателя также содержит впускной датчик кислорода, связанный со впуском, выше по потоку от впускной дроссельной заслонки и ниже по потоку от выпуска канала РОГ, причем данный датчик выполнен с возможностью оценивания РОГ. Контроллер двигателя может быть выполнен с читаемыми компьютером инструкциями для: выполнения РОГ, исходя из скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки двигателя, приращения счетчика в ответ на индикацию ошибки системы РОГ. Затем, в ответ на подъем воздушно-топливного отношения отработавших газов выше порога обеднения, контроллер может закрыть клапан рециркуляции отработавших газов. В данном случае, закрытие клапана рециркуляции отработавших газов включает в себя полное закрытие клапана рециркуляции отработавших газов независимо от разности между значением РОГ, оцененным по показаниям впускного датчика кислорода, и целевым значением РОГ, полученным на основе скорости вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки двигателя.
Следует понимать, что хотя алгоритм с фиг. 2 показывает отключение РОГ в условиях, когда двигатель работает на обедненной смеси, РОГ может быть аналогичным образом отключена в других условиях, когда в отработавшем газе находится слишком много свежего воздуха, например, когда отключаются топливные форсунки, и концентрация кислорода в отработавших газах выше калиброванного порога. Это может включать в себя, например, условия прекращения подачи топлива при замедлении, а также условия прекращения подачи топлива в отдельный цилиндр.
На фиг. 3 проиллюстрирован пример отключения РОГ при выбранных условиях работы двигателя на обедненной топливной смеси. Иллюстрация 300 показывает изменение воздушно-топливного отношения (ВТО) отработавших газов на графике 302, изменение выходного сигнала впускного датчика кислорода на графике 304, оценку РОГ (по выходному сигналу впускного датчика кислорода) на графике 306, фактическую РОГ на графике 308, флаг включения РОГ на графике 310, счетчик монитора РОГ на графике 312.
До момента времени t1, двигатель мог работать примерно или точно при стехиометрическом составе топливной смеси (график 302). В промежутке между моментами времени t0 и t1, по выходному сигналу впускного датчика кислорода могли оценить РОГ, подаваемую в двигатель. Например, по падению концентрации кислорода (посередине между моментами времени t0 и t1) могли сделать вывод об увеличении разбавления в двигателе в результате доставки несгоревших веществ, и соответствующим образом увеличить оценку РОГ (сравни графики 304 и 306). Здесь, оценочная РОГ может корректно отражать фактическую РОГ (график 308).
Также между моментами времени t0 и t1 монитор РОГ может контролировать систему РОГ. В частности, монитор РОГ может отслеживать изменения в положении клапана рециркуляции отработавших газов и соответствующие изменения в объеме доставляемой РОГ (например, по объему РОГ, перепаду давления на клапане рециркуляции отработавших газов и т.д.) и может осуществлять индикацию каких-либо ошибок путем приращения счетчика. В настоящем примере, в промежутке между моментами времени t0 и t1, могла произойти единственная ошибка РОГ, идентифицированная монитором РОГ, в результате чего счетчик был соответственно приращен. Однако, за счет того, что показания счетчика были ниже порога 311, кода неисправности РОГ могло быть и не сгенерировано.
В момент времени t1 мог поступить запрос на работу двигателя на обедненной топливной смеси, в результате чего воздушно-топливное отношение двигателя могло быть обеднено. В промежутке между моментами времени t1 и t2 рабочее воздушно-топливное отношение двигателя могло быть беднее стехиометрического с постепенным обеднением воздушно-топливной смеси. В настоящем примере, в промежутке между моментами времени t1 и t2, могла произойти единственная ошибка РОГ, идентифицированная монитором РОГ, в результате чего счетчик был соответственно приращен. Однако, за счет того, что показания счетчика были ниже порога 311, кода неисправности РОГ могло быть и не сгенерировано.
В момент времени t2, воздушно-топливное отношение топливной смеси или отработавших газов могло достичь порога 303 обеднения. При этом если двигатель работает при воздушно-топливном отношении, более бедном, чем порог обеднения 303, это может привести к ошибкам в оценке и доставке РОГ. В частности, из-за обеднения, в отработавших газах и, следовательно, в РОГ, может находиться значительный объем свежего воздуха. В результате этого, впускной датчик кислорода может показывать постепенно повышающуюся концентрацию кислорода и, следовательно, инициировать постепенное обогащение топливной смеси. В результате, значение РОГ, оцененное по выходному сигналу впускного датчика кислорода, может быть ниже значения фактически доставляемой РОГ. Управление доставкой РОГ на основе неверной оценки РОГ может привести к неправильному управлению зажиганием и крутящим моментом, ухудшая эксплуатационные характеристики двигателя. Кроме того, монитор РОГ может неправильно диагностировать ошибки системы РОГ более часто, и приращивать счетчик тоже чаще.
Для того, чтобы избежать этих проблем, РОГ можно отключить в момент времени t2 в ответ на то, что воздушно-топливное отношение отработавших газов стало беднее порога 303. Например, можно закрыть клапан рециркуляции отработавших газов. В рассматриваемом здесь примере РОГ - это РОГ низкого давления, а клапан рециркуляции отработавших газов - это клапан рециркуляции отработавших газов, связанный с каналом РОГ низкого давления. В результате отключения РОГ прекращается неправильное оценивание РОГ. Контроллер также может установить флаг 310 для указания на то, что РОГ была отключена из-за присутствия слишком большого объема свежего воздуха в отработавших газах. В ответ на установление флага может быть выполнена регулировка управления зажиганием и крутящим моментом. Кроме того, счетчик может быть приостановлен так, чтобы он показывал одну и ту же величину до и после момента времени t2.
Вышеуказанным смягчаются проблемы, связанные с неправильным оцениванием РОГ. В частности, улучшается управление зажиганием и крутящим моментом, что улучшает дорожные качества и топливную экономичность двигателя. Кроме того, можно уменьшить проблемы, связанные с ошибками диагностики системы РОГ монитором РОГ. В частности, можно избежать ложной установки флага неисправности на исправной РОГ. То есть, таким образом снижаются расходы, связанные с ложными показаниями мониторов РОГ. Эксплуатационные качества транспортного средства улучшаются, если отключить РОГ в условиях, когда возможны ложные показания результатов измерения РОГ.
Отметим, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Способы и алгоритмы управления, раскрытые в настоящей заявке, могут храниться в энергонезависимом запоминающем устройстве в виде исполняемых инструкций. Раскрытые в настоящей заявке определенные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Что подразумевает, что 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 представлять программный код, подлежащий занесению в энергонезависимое запоминающее устройство машиночитаемого носителя информации в системе управления двигателем.
Следует понимать, что раскрытые в описании схемы и алгоритмы, по сути, являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не несут ограничительной функции, ибо возможны различные их модификации. Например, вышеизложенный подход может быть применен к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-3, 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 сочетания и производные сочетания различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, внимание сосредоточено на определенных сочетаниях компонентов и производных сочетаниях компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты включают один или более указанных элементов, не требуя, и не исключая двух или более таких элементов. Иные сочетания и производные сочетания раскрытых отличительных признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть включены в формулу путем поправки 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 исходной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения