СИСТЕМА И СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕРВАЛОВ МЕЖДУ ВСПЫШКАМИ В ЦИЛИНДРАХ ДВИГАТЕЛЯ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ (ВАРИАНТЫ)
SYSTEM AND METHOD OF CHANGING INTERVALS BETWEEN FLASHES IN ENGINE CYLINDERS WITH RECIRCULATION OF EXHAUST GASES (EMBODIMENTS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее раскрытие в целом относится к системам и способам более равномерного распределения импульсов отработавших газов к турбине турбонагнетателя в системах двигателя, выполненных с группой цилиндров, выделенной для обеспечения внешней рециркуляции отработавших газов (РОГ) для других цилиндров двигателя.
Уровень техники/Раскрытие изобретения
Двигатели могут быть выполнены с системами рециркуляции отработавших газов (РОГ), предназначенными для отвода по меньшей мере части отработавших газов из выпускного коллектора двигателя в его впускной коллектор. Обеспечивая необходимое разбавление в двигателе, такие системы уменьшают детонацию двигателя, потери дросселирования, внутрицилиндровые теплопотери, а также выбросы оксидов азота (NOx). В результате улучшается топливная экономичность, особенно на более высоких уровнях наддува двигателя. Двигатели также выполнялись с одиночным цилиндром (или группой цилиндров), выделенным для обеспечения внешней РОГ остальным цилиндрам двигателя. При этом отработавшие газы от выделенной для РОГ группы цилиндров полностью рециркулируется во впускной коллектор. Тем самым создаются условия для того, чтобы в большинстве условий работы двигателя обеспечивать его цилиндры существенно неизменным объемом РОГ. Регулируя подачу топлива в выделенную для РОГ группу цилиндров (например, заставляя ее работать на обогащенной топливовоздушной смеси), можно изменять состав (РОГ), чтобы они включали в себя такие вещества, как водород, улучшающий допустимый уровень РОГ в двигателе, что даст преимущества по экономии топлива.
Для синхронизации вспышек в одном или более выделенных для РОГ цилиндрах со вспышками в не выделенных для РОГ цилиндрах могут использоваться разнообразные подходы. В одном примере вспышки в не выделенных для РОГ цилиндрах могут быть неравномерно распределены по времени из-за вспышек рабочей смеси в выделенном для РОГ цилиндре (цилиндрах).
Например, в патентной публикации С.Ш.А. No. 2012/0216530 показаны вспышки в выделенном для РОГ цилиндре между последовательными вспышками в трех не выделенных для РОГ цилиндрах. Дополнительно, вспышки во всех цилиндрах, включая цилиндры, выделенные для РОГ, происходят через одинаковое число градусов угла поворота коленчатого вала после вспышки в предшествующем цилиндре. Однако авторами настоящего изобретения были выявлены недостатки такого подхода. Например, вспышки в не выделенных для РОГ цилиндрах и в выделенных для РОГ цилиндрах с обычным интервалом между вспышками приводит к тому, что к турбине импульсы отработавших газов доставляются неравномерно. Кроме того, в процессе вспышки в выделенном для РОГ цилиндре может существовать период, когда поток отработавших газов к турбине будет отсутствовать совсем. Неравномерная подача продувочных импульсов отработавших газов к турбине может привести к ухудшению рабочих характеристик двигателя и/или к событиям помпажа компрессора. Вдобавок, в некоторых примерах перекрытие выпускных клапанов между двумя или более цилиндрами, направляющими отработавшие газы к турбине, может привести к столкновению продувочных импульсов отработавших газов на турбине, что приведет к повышению внутрицилиндровых давлений и снижению к.п.д. двигателя.
В одном примере вышеописанные проблемы могут быть решены способом, предусматривающим эксплуатацию первого множества выпускных клапанов первой группы цилиндров, так чтобы отсутствовало перекрытие открытия выпускных клапанов, и эксплуатацию одного или более вторых выпускных клапанов выделенного для РОГ цилиндра, направляющего отработавшие газы во впускной коллектор таким образом, чтобы перекрывать открытие одного или более вторых выпускных клапанов с открытием выпускных клапанов двух цилиндров первой группы цилиндров. При этом может быть уменьшены столкновения продувочных отработавших газов внутри первой группы цилиндров, а импульсы отработавших газов, подаваемые к турбине, могут быть распределены по времени равномернее.
Например, первая группа цилиндров может быть группой не выделенных для РОГ цилиндров и может направлять отработавшие газы через первое множество выпускных клапанов к турбине, в то время как выделенный для РОГ цилиндр является единственным цилиндром, направляющим отработавшие газы во впускной коллектор. Эксплуатируя не выделенные для РОГ цилиндры так, чтобы отсутствовало перекрытие выпускных клапанов, изменяя интервал между вспышками в данных цилиндрах, можно не открывать в это же время выпускные клапаны других цилиндров первой группы цилиндров. Кроме того, создавая перекрытие открытия выпускного клапана выделенного для РОГ цилиндра с событиями открытия двух выпускных клапанов не выделенных для РОГ цилиндров, можно продолжать подачу отработавших газов к турбине, даже при открытом выпускном клапане выделенного для РОГ цилиндра. Таким образом, подаваемые к турбине импульсы отработавших газов могут быть более равномерно распределены по времени без периодов, когда поток отработавших газов к турбине будет отсутствовать. Дополнительно, отработавшие газы, выходящие из выпускных клапанов не выделенных для РОГ цилиндров не смогут сталкиваться с отработавшими газами, выходящими из других выпускных клапанов не выделенных для РОГ цилиндров, чем будет повышаться к.п.д. двигателя.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут описаны 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
На фиг. 1 схематически изображена система двигателя, включающая в себя выделенную для РОГ группу цилиндров.
На фиг. 2 схематически изображена камера сгорания двигателя.
На фиг. 3 - фиг. 4 показаны схемы интервалов между вспышками в цилиндрах четырехцилиндрового двигателя, включающего в себя выделенный для РОГ цилиндр.
На фиг. 5 проиллюстрирован коленчатый вал в соответствии с настоящим раскрытием.
На фиг. 6 показана схема установок моментов зажигания в соответствии с настоящим раскрытием.
На фиг. 7 показана блок-схема способа вспышек в цилиндрах с указанными временными установками.
Осуществление изобретения
Настоящее раскрытие относится к системам и способам эксплуатации выпускных клапанов двигателя с целью более равномерной подачи на турбину импульсов отработавших газов. В одном примере двигатель, подобный показанному на фиг. 1 и фиг. 2, может содержать один или более выделенных для рециркуляции отработавших газов (РОГ) цилиндров, направляющих отработавшие газы на впуск двигателя или впускной коллектор двигателя. Двигатель также может содержать некоторое количество не выделенных для РОГ цилиндров, направляющих отработавшие газы исключительно к турбине, а не во впускной коллектор. В некоторых примерах, как показано на фиг. 3, двигатель может иметь интервал между вспышками, который приводит к неравномерной подаче импульсов отработавших газов (в том числе, и к отсутствию импульсов отработавших газов) на турбину, что ухудшает рабочие характеристики двигателя и/или повышает число событий помпажа компрессора. Дополнительно, между не выделенными для РОГ цилиндрами может происходить перекрытие выпускных клапанов, что будет приводить к столкновению продувочных импульсов. Столкновение продувочных импульсов может повлиять перекачивание на такте выпуска, и на давление отработавших газов при перекрытии, что в свою очередь повлияет на остаточную фракцию в перекрывающихся цилиндрах. При этом, как показано на фиг. 4, интервал между вспышками и перекрытие выпускных клапанов цилиндра двигателя можно отрегулировать так, чтобы уменьшить столкновения продувочных импульсов и более равномерно подавать импульсы отработавших газов к турбине. В одном примере показанные на фиг. 4 интервалы между вспышками и уменьшенное перекрытие выпускных клапанов, могут быть обеспечены конструкцией коленчатого вала такой, какая изображена на фиг. 5. На фиг. 6 показаны установка моментов зажигания и порядок вспышек в цилиндрах, обеспечиваемые показанным на фиг. 5 коленчатым валом. Дополнительно, на фиг. 7 проиллюстрирован способ эксплуатации выпускных клапанов и вспышек в цилиндрах двигателя так, как показано на фиг. 4.
На фиг. 1 схематически изображены аспекты приведенной в качестве примера системы 100 двигателя, включающей в себя двигатель 10 с четырьмя цилиндрами (1-4). Как уточняется здесь, четыре цилиндра скомпонованы в первую группу 17 цилиндров, состоящую из не выделенных для РОГ цилиндров 1-3, и во вторую группу 18 цилиндров, состоящую из выделенного для РОГ цилиндра 4. Каждая камера сгорания двигателя 10 подробно рассматривается со ссылкой на фиг. 2. Система 100 двигателя может входить в состав и быть связанной с транспортным средством, например, пассажирским автомобилем, выполненным с возможностью передвижения по дорогам.
В иллюстрируемом осуществлении изобретения двигатель 10 является двигателем с наддувом, связанным с турбонагнетателем 13, включающим в себя компрессор 74, приводимый в действие турбиной 76. В частности, свежий воздух подается в двигатель 10 вдоль по впускному каналу 42 через воздухоочиститель 53 и протекает к компрессору 74. Расходом окружающего воздуха, попадающего во впускную систему через впускной воздушный канал 42, можно управлять, по меньшей мере частично, регулируя впускную дроссельную заслонку 20. Компрессор 74 может быть любым соответствующим своему предназначению впускным воздушным компрессором, таким как компрессор механического нагнетателя с моторным приводом или с приводом от приводного вала. В системе двигателя 10, однако, компрессор является компрессором турбонагнетателя, механически связанным с турбиной 76 посредством вала 19, причем турбина 76 приводится в движение расширяющимися отработавшими газами двигателя. В одном осуществлении компрессор и турбина могут входить в состав и быть связанными с турбонагнетателем с двойной улиткой. В другом осуществлении турбонагнетатель может быть турбонагнетателем с изменяемой геометрией (ТИГ), в котором геометрию турбины активным образом изменяют в зависимости от частоты вращения двигателя.
Как показано на фиг. 1, через охладитель воздуха наддува (ОВН) компрессор 74 связан с впускной дроссельной заслонкой 20. Впускная дроссельная заслонка 20 связана с впускным коллектором 25 двигателя. От компрессора, заряд сжатого воздуха течет через охладитель воздуха наддува и дроссельный клапан во впускной коллектор. Охладитель воздуха наддува может быть, например, воздухо-воздушным или воздушно-водяным теплообменником. В показанном на фиг. 1 осуществлении, давление воздушного заряда внутри впускного коллектора измеряют датчиком 24 давления воздуха в коллекторе (ДВК). Последовательно между входом и выходом компрессора 74 может быть установлен перепускной клапан (не показан) компрессора 74. Перепускной клапан компрессора может быть нормально закрытым клапаном, выполненным с возможностью открытия в выборочных условиях работы для стравливания излишков давления наддува. Например, перепускной клапан компрессора могут открывать в условиях снижения частоты вращения двигателя для предотвращения помпажа компрессора.
Впускной коллектор 25 связан с рядом камер 30 сгорания через ряд впускных клапанов 62. Камеры сгорания также связаны с выпускным коллектором 36 через ряд выпускных клапанов 64. В частности, каждый цилиндр 30 может обслуживаться одним или несколькими клапанами. В настоящем примере каждый цилиндр 30 включает в себя соответствующий впускной клапан 62 и выпускной клапан 64. Система 100 двигателя также включает в себя один или более распределительных валов 68 для приведения в движение впускного клапана 62 и/или выпускного клапана 64. В иллюстрируемом примере впускной распределительный вал 68 связан с впускным клапаном 62 и может приводиться в действие для приведения в движение впускного клапана 62. В некоторых осуществлениях, где впускные клапаны некоторого количества цилиндров 30 связаны с общим распределительным валом, впускной распределительный вал 68 может приводиться в действие для приведения в движение впускных клапанов всех связанных с ним цилиндров.
Впускной клапан 62 является приводимым в движение для перемещения между открытым положением, при котором впускной воздух может поступать в соответствующий цилиндр, и закрытым положением, при котором впускной воздух существенно не пропускается в цилиндр. Распределительный вал 68 может включать в себя систему 69 привода впускных клапанов. Впускной распределительный вал 68 содержит впускной кулачок 67, причем профиль выступа этого кулачка предназначен для открытия впускного клапана 62 на заданную продолжительность впуска. В некоторых осуществлениях (не показаны), распределительный вал может содержать дополнительные впускные кулачки с альтернативным профилем выступа, что позволяет открывать впускной клапан 62 на альтернативную продолжительность (что здесь называется системой переключения профилей кулачков). В зависимости от профиля выступа дополнительного кулачка, альтернативная продолжительность может быть больше или меньше заданной продолжительности впуска впускного кулачка 67. Профиль выступа может влиять на высоту подъема кулачка, на продолжительность открытого состояния клапана и/или на фазы газораспределения. Контроллер может обладать способностью переключения продолжительности открытия впускного клапана, продольно перемещая впускной распределительный вал 68, тем самым переключая его с кулачка одного профиля на кулачок другого профиля.
Аналогичным образом, каждый выпускной клапан 64 может приводиться в движение для перемещения между открытым положением, при котором отработавшие газы могут выходить из соответствующего цилиндра, и закрытым положением, при котором газы существенно удерживаются внутри цилиндра. Следует понимать, что, несмотря на то, что только впускной клапан 62 показан имеющим кулачковый привод, выпускной клапан 64 может также приводиться в движение аналогичным выпускным распределительным валом (не показан). В некоторых осуществлениях, в которых выпускные клапаны некоторого количества цилиндров 30 связаны с общим распределительным валом, выпускной распределительный вал может приводиться в действие для приведения в движение выпускных клапанов всех связанных с ним цилиндров. Как и в случае с впускным распределительным валом 68, если в системе имеется выпускной распределительный вал, то он может содержать выпускной кулачок, имеющий профиль выступа, предназначенный для открытия выпускного клапана 64 на заданную продолжительность выпуска. В некоторых осуществлениях выпускной распределительный вал может также содержать дополнительные выпускные кулачки с альтернативным профилем выступа, что позволяет открывать выпускной клапан на альтернативную продолжительность. Профиль выступа может влиять на высоту подъема кулачка, на продолжительность открытого состояния клапана и/или на фазы газораспределения. Контроллер может обладать способностью переключения продолжительности выпуска, продольно перемещая выпускной распределительный вал, тем самым переводя его с кулачков одного профиля на кулачки другого профиля.
Следует понимать, что впускной и/или выпускной распределительные валы могут быть связаны с подмножествами цилиндров, и что может быть по несколько впускных и/или выпускных распределительных валов. Например, первый впускной распределительный вал может быть связан с впускными клапанами первого подмножества цилиндров, в то время как второй впускной распределительный вал может быть связан с впускными клапанами второго подмножества цилиндров. Аналогичным образом, первый выпускной распределительный вал может быть связан с выпускными клапанами первого подмножества цилиндров, в то время как второй выпускной распределительный вал может быть связан с выпускными клапанами второго подмножества цилиндров. Кроме всего прочего, с каждым распределительным валом могут быть связаны один или более впускных клапанов и выпускных клапанов. Цилиндры для распределения по подмножествам, связанным с распределительным валом, могут выбираться по их положению в блоке цилиндров, по порядку между вспышками, исходя из конфигурации двигателя и т.п.
Приводная система 69 впускного клапана и приводная система (не показана) выпускного клапана могут также включать в себя толкатели клапанов, штанги толкателей коромысла, и т.д. Такие устройства и элементы могут управлять приведением в движение впускного клапана 62 и выпускного клапана 64, преобразуя вращательное движение кулачков в поступательное движение клапанов. Как было указано выше, клапаны также могут приводиться в движение дополнительными профилями выступов кулачков на распределительных валах, и при этом профили выступов кулачков для разных клапанов могут обеспечивать разную высоту подъема кулачка, продолжительность периода открытого положения клапана и/или моменты открытия и закрытия. Однако при необходимости могут быть использованы и альтернативные компоновки (с верхним расположением и/или со штангами толкателей) распределительных валов. Кроме того, в некоторых примерах, каждый из цилиндров 30 может иметь более одного впускного и/или выпускного клапана. В других примерах каждый из выпускного клапана 64 и впускного клапана 62 одного или более цилиндров могут приводиться в движение общим распределительным валом. Тем не менее, в альтернативных осуществлениях некоторые из впускных клапанов 62 и/или выпускных клапанов 64 могут приводиться в движение своим собственным независимым распределительным валом или другим устройством.
Система 100 двигателя также может включать в себя системы изменения фаз газораспределения (ИФГ), например, систему изменения фаз кулачкового распределения 80 (ИФКР). Система изменения фаз газораспределения может быть выполнена с возможностью в первом режиме работы открывать первый клапан на первую продолжительность. Первый режим работы может задействоваться, когда нагрузка двигателя ниже пороговой частичной нагрузки двигателя. Также система изменения фаз газораспределения может быть выполнена с возможностью во втором режиме работы открывать первый клапан на вторую продолжительность, короче первой продолжительности. Второй режим работы может задействоваться, когда нагрузка двигателя превышает пороговую нагрузку двигателя и когда частота вращения двигателя меньше пороговой частоты вращения (например, при низких и средних частотах вращения двигателя).
В иллюстрируемом осуществлении выпускной коллектор 36 включает в себя некоторое количество секций выпускного коллектора, что позволяет вытекающие из разных камер сгорания потоки направлять в разные места системы двигателя. В частности, поток, вытекающий из первой группы 17 цилиндров (цилиндры 1-3), направляют через турбину 76 выпускного коллектора 36 перед тем как обработать его каталитическим нейтрализатором отработавших газов устройства 170 снижения токсичности отработавших газов. В отличие от этого, отработавшие газы из второй группы 18 (цилиндр 4) цилиндров направляют обратно во впускной коллектор 25 через канал 50 и каталитический нейтрализатор 70 отработавших газов. Альтернативно, по меньшей мере часть отработавших газов от второй группы цилиндров направляют на турбину 76 выпускного коллектора 36 через клапан 65 по каналу 56. Регулируя клапан 65, можно варьировать отношение отработавших газов, направляемых от цилиндра 4 в выпускной коллектор, к отработавшим газам, направляемым во впускной коллектор соответственно. В некоторых примерах клапан 65 и канал 56 могут быть исключены из конструкции. В некоторых других примерах отработавшие газы от цилиндра 4 могут направлять либо во впускной, либо в выпускной коллектор, избирательно открывая один из 2 выпускных клапанов, каждый из которых направляет газы в другой выпускной коллектор.
Каталитический нейтрализатор 70 отработавших газов выполнен в виде каталитического нейтрализатора конверсии водяного газа (КВГ). Каталитический нейтрализатор 70 КВГ выполнен с возможностью выработки газообразного водорода из богатых отработавших газов, получаемых от цилиндра 4 в канале 50. В альтернативных осуществлениях каталитический нейтрализатор 70 отработавших газов может быть исключен из канала 50.
Каждый из цилиндров 1-4 может включать в себя внутреннюю РОГ, захватывая отработавшие газы события сжигания топливовоздушной смеси в соответствующем цилиндре и позволяя отработавшим газам оставаться в соответствующем цилиндре в течение последующего события сжигания. Объем внутренней РОГ можно регулировать путем регулирования моментов открытия и/или закрытия впускных и/или выпускных клапанов. Например, увеличивая перекрытие впускного и выпускного клапанов, можно оставить в цилиндре во время следующего события сжигания дополнительный объем РОГ. Внешняя РОГ цилиндрам 1-4 обеспечивается только потоком отработавших газов от второй группы 18 цилиндров (здесь - цилиндра 4) и через канал 50 РОГ. В другом примере внешняя РОГ может быть обеспечена только цилиндрам 1-3, но не цилиндру 4. Внешняя РОГ не обеспечивается потоком отработавших газов из цилиндров 1-3. То есть, в настоящем примере единственным источником внешней РОГ для двигателя 10 является цилиндр 4, который поэтому здесь также называется выделенным для РОГ цилиндром (ВРОГ цилиндром) (или выделенной для РОГ группой цилиндров (ВРОГ группой цилиндров)). Возвращая во впускной коллектор двигателя отработавшие газы от одного цилиндра четырехцилиндрового двигателя, можно обеспечить примерно постоянную (например, около 25%) долю РОГ. Цилиндры 1-3 также называются здесь не выделенной для РОГ группой цилиндров (не-ВРОГ группой цилиндров). Хотя в настоящем примере выделенная для РОГ группа цилиндров показана имеющей всего один цилиндр, следует понимать, что в альтернативных конфигурациях двигателя выделенная для РОГ группа цилиндров может иметь больше цилиндров (например, более одного цилиндра двигателя).
Канал 50 РОГ может включать в себя охладитель 54 РОГ, предназначенный для охлаждения потока РОГ, подаваемого на впуск двигателя. Кроме того, канал 50 РОГ может включать в себя первый датчик 51 отработавших газов, предназначенный для оценки воздушно-топливного отношения отработавших газов, рециркулирующих от второй группы цилиндров к остальным цилиндрам двигателя. Второй датчик 52 отработавших газов может быть размещен ниже по потоку от секций выпускного коллектора первой группы цилиндров для того, чтобы оценивать воздушно-топливное отношение отработавших газов первой группы цилиндров. Кроме этого, показанная на фиг. 1 система двигателя может также включать в себя и другие датчики отработавших газов. Концентрацию водорода во внешней РОГ от цилиндра 4 можно увеличить, обогатив топливовоздушную смесь, сжигаемую в цилиндре 4. В частности, объем газообразного водорода, генерируемого каталитическим нейтрализатором 70 КВГ, можно увеличить, повысив степень обогащенности отработавших газов, получаемых в канале 50 от цилиндра 4. То есть, для того, чтобы обеспечить обогащенные водородом отработавшие газы для цилиндров 1-4, подачу топлива во вторую группу 18 цилиндров можно отрегулировать так, чтобы обогатить (например, уменьшив воздушно-топливное отношение) сжигаемую в цилиндре 4 рабочую смесь. В одном примере концентрацию водорода внешней РОГ от цилиндра 4 можно повысить в условиях, когда стабильность горения в двигателе хуже, чем надо. Этим действием повышается концентрация водорода во внешней РОГ, и оно может улучшить стабильность горения в двигателе, особенно на малых частотах вращения двигателя и низких нагрузках двигателя (например, на холостом ходу). Плюс к тому, обогащенная водородом РОГ позволяет двигателю справляться с гораздо большими уровнями РОГ по сравнению с обычной (то есть, с меньшей концентрацией водорода) РОГ, до того, как возникнут какие-либо проблемы стабильности горения. Расширение диапазона и объема применения РОГ улучшает топливную экономичность двигателя.
Камеры 30 сгорания могут снабжаться одним или несколькими видами топлива, такими как бензин, спиртосодержащие топливные смеси, дизельное топливо, биодизельное топливо, сжатый природный газ и т.д. В камеры сгорания топливо может подаваться через топливную форсунку 66. Топливная форсунка 66 может забирать топливо из топливного бака 26. В иллюстрируемом примере топливная форсунка 66 выполнена с возможностью прямого впрыска, хотя в других примерах топливная форсунка 66 может быть выполнена для подачи топлива в цилиндры прямым впрыском, впрыском во впускные каналы, впрыском через корпус дроссельной заслонки или в комбинации вышеперечисленных вариантов впрыска. Кроме того, каждая камера сгорания может включать в себя одну или несколько топливных форсунок различных конфигураций, чтобы цилиндры могли получать топливо прямым впрыском, впрыском во впускные каналы, впрыском через корпус дроссельной заслонки или в комбинации вышеперечисленных вариантов впрыска. В камерах сгорания топливо может воспламеняться искровым и/или компрессионным зажиганием.
Отработавшие газы из выпускного коллектора 36 направляют в турбину 76 для приведения ее в движение. Когда требуется пониженный крутящий момент турбины, часть отработавших газов можно направить в обход турбины через регулятор давления наддува (не показан). Совмещенный поток от турбины и регулятора давления наддува затем течет через устройство 170 снижения токсичности отработавших газов. Обычно одно или несколько устройств 170 снижения токсичности отработавших газов могут включать в себя один или несколько каталитических нейтрализаторов доочистки, выполненных с возможностью каталитической очистки потока отработавших газов, чтобы тем самым снизить содержание одного или нескольких веществ в потоке отработавших газов. Например, один каталитический нейтрализатор доочистки может быть выполнен с возможностью улавливания NOx из потока отработавших газов, когда эти газы обеднены, и восстановления уловленного NOx, когда отработавшие газы обогащены. В других примерах каталитический нейтрализатор доочистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью снижения пропорции NOx или избирательного восстановления NOx с помощью восстановительного вещества. В других имеющихся примерах, каталитический нейтрализатор доочистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью окисления остаточных углеводородов и/или окиси углерода в потоке отработавших газов. Различные каталитические нейтрализаторы доочистки отработавших газов с любой из указанных выше функций могут быть расположены в покрытии «washcoat» или где-либо еще в ступенях доочистки, либо вместе, либо по отдельности. В некоторых осуществлениях ступени доочистки отработавших газов могут включать в себя регенерируемый сажевый фильтр, выполненный с возможностью улавливания и окисления частиц сажи из потока отработавших газов. Выходящие из устройства 170 снижения токсичности отработавших газов отработавшие газы полностью или частично могут быть выпущены в атмосферу через выхлопную трубу 35.
Система 100 двигателя также включает в себя систему 14 управления. Система 14 управления включает в себя контроллер 12, который может быть любой системой электронного управления системой двигателя или транспортного средства, в котором установлена система двигателя. Контроллер 12 может быть выполнен с возможностью выносить управляющие решения, основанные по меньшей мере частично на входящих сигналах, поступающих от одного или нескольких датчиков 16 в системе двигателя, и на основе вынесенных управляющих решений может управлять исполнительными устройствами 81. Например, контроллер 12 в запоминающем устройстве может хранить машиночитаемые инструкции, а управление исполнительными устройствами 81 может выполняться путем исполнения инструкций. Среди примеров датчиков можно назвать датчик 24 ДВК, датчик 55 массового расхода воздуха (МРВ), датчики 128 и 129 температуры и давления отработавших газов соответственно, датчики 51, 52 содержания кислорода в отработавших газах, а также датчик (не показан) давления вентиляции картера. Среди примеров исполнительных устройств можно назвать дроссельную заслонку 20, топливную форсунку 66, клапан 65 выделенной группы цилиндров и т.п.. Могут содержаться и другие датчики и исполнительные устройства, показанные на фиг. 2.
Постоянное запоминающее устройство в контроллере 12 может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими собой инструкции, исполняемые процессором для реализации способов, описанных ниже, а также других вариантов, которые предполагаются, но не перечисляются конкретно. Примеры способов и алгоритмов раскрываются в настоящем документе со ссылкой на фиг. 3 и фиг. 4.
Далее со ссылкой на фиг. 2 описывается один цилиндр двигателя 10 внутреннего сгорания, содержащего некоторое количество цилиндров (как показано на фиг. 1). Двигатель 10 включает в себя камеру 30 сгорания, стенки 132 цилиндра и поршень 136, расположенный между ними и соединенный с коленчатым валом 40. С коленчатым валом 40 связаны маховик 97 и зубчатый венец 99. Стартер 96 включает в себя вал 98 ведущей шестерни и ведущую шестерню 95. Вал 98 ведущей шестерни может избирательно продвигать ведущую шестерню 95 для ее вхождения в зацепление с зубчатым венцом 99. Стартер 96 может быть напрямую смонтирован на передней или задней стороне двигателя. В некоторых примерах стартер 96 может избирательно подавать крутящий момент на коленчатый вал 40 через ремень или цепь. В одном примере исходным состоянием стартера является состояние, когда он расцеплен с коленчатым валом двигателя.
Камера 30 сгорания показана сообщающейся с впускным коллектором 144 и выпускным коллектором 148 через соответствующие впускной клапан 62 и выпускной клапан 64. Каждый впускной и выпускной клапан могут независимо друг от друга приводиться в движение впускным кулачком 151 (таким как впускной кулачок 67, показанный на фиг. 1) и выпускным кулачком 153. Механизм 85 регулировки впускного клапана выставляет фазу впускного клапана 62 на опережение или запаздывание относительно положения коленчатого вала 40. Кроме того, механизм 85 регулировки впускного клапана может увеличивать или уменьшать степень подъема впускного клапана. Положение впускного кулачка 151 может находиться датчиком 155 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 153 может находиться датчиком 157 выпускного кулачка. В случаях, когда камера 30 сгорания входит в состав выделенного для РОГ цилиндра, временные установки и/или высота подъема клапанов 62 и 64 могут регулироваться независимо от других цилиндров так, что воздушный заряд выделенного для РОГ цилиндра можно уменьшать или увеличивать по сравнению с другими цилиндрами. При этом подаваемая в цилиндры двигателя внешняя РОГ может превышать двадцать пять процентов массы заряда в цилиндре, или может быть меньше этого значения. Внешней РОГ являются отработавшие газы, которые откачивают из выпускных клапанов цилиндра и возвращают в цилиндры через впускные клапаны цилиндра. Кроме того, объем внутренней РОГ цилиндров, кроме цилиндра, выделенного для РОГ, можно регулировать независимо от выделенного для РОГ цилиндра путем регулировки фаз газораспределения этих соответствующих цилиндров. Внутренней РОГ являются отработавшие газы, остающийся в цилиндре после события сжигания, и являющийся частью смеси, остающейся в цилиндре для следующего события сжигания.
Топливная форсунка 66 показана в положении для впрыска топлива непосредственно в цилиндр 30, что специалистам известно как прямой впрыск. Альтернативно, топливо могут впрыскивать во впускной канал, что специалистам известно как впрыск во впускные каналы. В некоторых примерах конфигурации двигателя один или более количество цилиндров могут получать топливо как от форсунки прямого впрыска, так и от форсунки впрыска во впускные каналы.
В одном примере топливная форсунка 66 может быть избирательно деактивируемой топливной форсункой. То есть, цилиндр двигателя можно избирательно отключить, прекратив подачу в него топлива. В случае выделенного для РОГ цилиндра (цилиндр 4 на фиг. 1), снабжающую топливом РОГ цилиндр форсунку можно деактивировать в течение существования определенных условий, когда потребность в РОГ низка, для того, чтобы резко сбросить подачу внешней РОГ от выделенного для РОГ цилиндра. К таким условиям могут относиться, например, условия, когда нагрузка двигателя низкая (например, ниже пороговой нагрузки), в процессе холодного запуска двигателя или в условиях прогревания каталитического нейтрализатора. Однако при падении РОГ могут происходить скачки крутящего момента. В частности, отключение выделенного для РОГ цилиндра приводит к немедленному падению крутящего момента двигателя. Затем, после того, как РОГ будет существенно прочищена из впускного коллектора, оставшиеся цилиндры получат больший объем свежего воздуха, что приведет к выбросу крутящего момента.
В некоторых осуществлениях выделенный для РОГ цилиндр можно избирательно отключить, прекратив подачу в него не только топлива, но и воздуха. Например, можно деактивировать или впускные, или выпускные клапаны выделенного для РОГ цилиндра. За счет деактивирования либо впускных, либо выпускных клапанов можно увеличить работу цилиндра по перекачиванию, что может быть желательным в процессе прогрева каталитического нейтрализатора. Максимизация работы выделенного для РОГ цилиндра по перекачиванию может также включать в себя регулирование фаз кулачков, подъема клапанов, положения дроссельной заслонки впускного канала или устройства управления движением заряда и т.д.
Альтернативно, все клапаны выделенного для РОГ цилиндра можно деактивировать, когда нужно уменьшить РОГ без увеличения работы по перекачиванию, например, при низких нагрузках двигателя после того, как будет прогрет каталитический нейтрализатор.
Впускной коллектор 144 показан сообщающимся с опциональной электронной дроссельной заслонкой 162, которая регулирует положение дроссельной шайбы 164 с целью управления потоком воздуха от воздухозаборника 42 во впускной коллектор 144. В некоторых примерах дроссельная заслонка 162 и дроссельная шайба 164 могут быть расположены между впускным клапаном 62 и впускным коллектором 144 так, что дроссельная заслонка 162 будет дроссельной заслонкой канала. Запрошенный водителем крутящий момент может быть найден по положению педали 180 акселератора, которое измеряется датчиком 184 положения педали акселератора. Когда нога 182 водителя воздействует на педаль 180 акселератора, датчик 184 положения педали выдает сигнальное напряжение или сигнальный ток, содержащие информацию о запрошенном водителем крутящем моменте.
Система 88 зажигания без распределителя обеспечивает подачу искры свечой 92 зажигания в камеру 30 сгорания в ответ на команду контроллера 12. Универсальный датчик 126 кислорода в отработавших газах (УДКОГ) показан связанным с выпускным коллектором 148 выше по потоку от устройства 170 снижения токсичности отработавших газов, которое может включать в себя каталитический нейтрализатор. Альтернативно, вместо датчика 126 УДКОГ может применяться датчик кислорода в отработавших газах с двумя состояниями.
В одном примере устройство 170 снижения токсичности отработавших газов может включать в себя несколько блоков носителя. В другом варианте могут использоваться несколько устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое с несколькими блоками носителя. В одном варианте устройство 170 снижения токсичности отработавших газов может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.
Контроллер 12 на фиг. 2 показан в виде обычного микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 102 (МПУ), порты 104 ввода/вывода, постоянное запоминающее устройство 106 (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 108 (ОЗУ), энергонезависимое запоминающее устройство 110 (ЭЗУ) и обычную шину данных. Контроллер 12 показан принимающим различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 10, дополнительно к тем сигналам, о которых говорилось выше, включая сигнал температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112, связанного с рубашкой 113 охлаждения; показания давления воздуха в коллекторе (ДВК) двигателя от датчика 122 давления, связанного с впускным коллектором 144; сигнал положения коленчатого вала двигателя от датчика 115 на эффекте Холла, связанного с коленчатым валом 40; показания входящей в двигатель массы воздуха от датчика 119; измеренное датчиком 158 положение дроссельной заслонки (ПД). Для обработки контроллером 12 может также измеряться барометрическое давление (датчик не показан). В предпочтительном аспекте настоящего изобретения датчик 115 положения коленчатого вала двигателя подает заданное количество равноотстоящих импульсов на каждый оборот коленчатого вала, по которому рассчитывается частота вращения двигателя (ЧВД) в оборотах в минуту (об/мин).
В процессе работы каждый цилиндр двигателя 10 типично проходит четырехтактный цикл, включающий в себя: такт впуска, так сжатия, такт расширения и такт выпуска. На такте впуска обычно выпускной клапан 64 закрывается, а впускной клапан 62 открывается. По впускному коллектору 144 в камеру 30 сгорания поступает воздух, и поршень 136 перемещается в нижнюю часть цилиндра для увеличения внутреннего объема камеры 30 сгорания. Положение, в котором поршень 136 находится внизу цилиндра в конце своего хода (то есть когда объем камеры 30 сгорания максимален), специалистами в данной области техники характерно называется нижней мертвой точкой (НМТ). На такте сжатия впускной клапан 62 и выпускной клапан 64 закрыты. Поршень 136 перемещается к головке цилиндра, сжимая при этом воздух внутри камеры 30 сгорания. Положение, в котором поршень 136 находится в конце своего хода вверху цилиндра (то есть когда объем камеры 30 сгорания минимален), специалистами в данной области техники характерно называется верхней мертвой точкой (ВМТ).
В процессе, который здесь и далее называется впрыском, в камеру сгорания вводится топливо. В процессе, который здесь и далее называется зажиганием, впрыснутое топливо воспламеняется известными способами и средствами, такими как свеча 92 зажигания, в результате чего происходит вспышка топливовоздушной смеси. На такте расширения расширяющиеся газы толкают поршень 136 обратно в НМТ. Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в момент вращения вала. Наконец, на такте выпуска открывается выпускной клапан 64, открывая сожженной топливовоздушной смеси путь в выпускной коллектор 148, а поршень возвращается в ВМТ. Следует отметить, что описание выше по тексту приведено только в качестве примера, и что моменты открытия или закрытия клапанов могут изменяться, например, для положительного или отрицательного перекрытия клапанов, позднего закрытия впускного клапана или как в других разнообразных примерах.
Как было указано выше, системы двигателей, имеющие выделенные для РОГ системы, могут содержать первую группу цилиндров с одним или более выделенных для РОГ цилиндров, направляющих отработавшие газы к впускному коллектору (например, на впуск всех цилиндров двигателя). Вторая группа цилиндров может содержать один или более не выделенных для РОГ цилиндров, и в отличие от первой группы цилиндров направлять отработавшие газы в выпускной канал и, в конце концов, в атмосферу. При этом внешняя РОГ может обеспечиваться только первой группой цилиндров, содержащей выделенные для РОГ цилиндры. Один или более выделенных для РОГ цилиндров могут обеспечивать относительно постоянную долю РОГ в двигателе. Это может давать преимущество для уменьшения детонации и повышения стабильности горения при более высоких долях РОГ.
Тем не менее, в некоторых системах двигателей, содержащих один или более выделенных для РОГ цилиндров, подача на турбину продувочных импульсов отработавших газов может происходить через неравные интервалы. Кроме того, в системах двигателя только с одним выделенным для РОГ цилиндром, во впускной коллектор вводится только один импульс РОГ, результатом чего становится неравномерное смешивание. Например, в четырехцилиндровом двигателе с одним выделенным для РОГ цилиндром и тремя не выделенными для РОГ цилиндрами, за один раз во впускной коллектор может быть подана примерно постоянная доля РОГ, составляющая 25%. В такой конфигурации два из не выделенных для РОГ цилиндров могут испытывать столкновение импульсов с периодичностью 180°, в то время как один из не выделенных для РОГ цилиндров не будет испытывать столкновения импульсов. Описанные выше особенности могут привести к помпажу компрессора и проблемам в управлении воздушно-топливным отношением и подачей искры.
На фиг. 3 показана схема интервалов между вспышками в четырехцилиндровом двигателе, содержащем один выделенный для РОГ цилиндр. В частности на схеме 300 на оси у указаны номера цилиндров, а по оси х отложены градусы угла поворота коленчатого вала. Цилиндры 2-4 являются не выделенными для РОГ цилиндрами, направляющими отработавшие газы на турбину, а цилиндр 1 является выделенным для РОГ цилиндром, направляющим отработавшие газы не на турбину, а во впускной коллектор. Как было указано выше, цилиндр 1 может быть единственным цилиндром в двигателе, который осуществляет рециркуляцию отработавших газов во впускной коллектор. Сплошными линиями показаны интервалы открытия выпускных клапанов каждого цилиндра, а пунктирными линиями показаны интервалы открытия впускных клапанов каждого цилиндра. В показанном на схеме 300 примере вспышки в цилиндрах происходят в следующем порядке: 1-3-4-2. Хотя возможен и иной порядок вспышек в цилиндрах. Например, вспышки в цилиндрах могут происходить в последовательности 1-2-4-3.
Как видно по фиг. 3, интервал между вспышками в цилиндрах двигателя составляет 180 градусов угла поворота коленчатого вала. Как было обсуждено выше, это приводит к неравномерной подаче продувочных импульсов отработавших газов в турбину. Например, как показано линией 302, выпускной клапан цилиндра 4 открывается непосредственно перед достижением валом угла 180 градусов. Затем, перед достижением 360 градусов угла поворота коленчатого вала, что показано линией 304, открывается выпускной клапан цилиндра 2. Непосредственно перед 540 градусами угла поворота коленчатого вала открывается выпускной клапан выделенного для РОГ цилиндра. Так как вспышка в выделенном для РОГ цилиндре 1 происходит в интервале между вспышками в цилиндрах 2 и 3, то выпускной клапан третьего, не выделенного для РОГ цилиндра 3, не отрывается до достижения валом угла 720 градусов, что показано линией 306. В результате, между закрытием выпускного клапана цилиндра 2 и открытием выпускного клапана цилиндра 3 имеется интервал 308, в течение которого поток отработавших газов к турбине отсутствует.
Кроме того, как показано линией 302, выпускной клапан цилиндра 4 открывается до закрытия выпускного клапана цилиндра 3. В результате, на угловом интервале в 180° в процессе перекрытия выпускных клапанов цилиндров 3 и 4 происходит столкновение продувочных импульсов отработавших газов. Например, продувочный импульс отработавших газов из цилиндра 4 проникает через выпускной коллектор и может изменить внутрицилиндровое давление в цилиндре 3. Аналогичным образом открытый выпускной клапан цилиндра 3 также может повлиять на внутрицилиндровое давление цилиндра 4. Такое столкновение продувочных импульсов отработавших газов может повлиять на работу по перекачиванию на такте выпуска и на давление отработавших газов в процессе перекрытия, что в свою очередь влияет на остаточную фракцию в перекрывающихся цилиндрах.
Аналогичным образом, столкновение импульсов происходит, когда открывается выпускной клапан цилиндра 2, а выпускной клапан цилиндра 4 еще остается открытым, что показано линией 312. Как показано на фиг. 3, перекрытие клапанов и результирующее столкновение продувочных импульсов отработавших газов происходит для 180° угла поворота коленчатого вала. Тем не менее, в альтернативных примерах, перекрытие клапанов может быть меньшим или большим 180° угла поворота коленчатого вала. Как видно по фиг. 3, столкновения импульсов не происходит в конце открытия выпускного клапана цилиндра 2, так как отработавшие газы из цилиндра 1 текут во впускной коллектор, а не к турбине.
События открытия выпускного клапана и перекрытие выпускных клапанов цилиндров двигателя можно отрегулировать для создания более равномерных интервалов между продувочными импульсами отработавших газов на турбине. Например, на фиг. 4 показана схема вспышек в цилиндрах двигателя для четырехцилиндрового двигателя, содержащего один выделенный для РОГ цилиндр (как показано на фиг. 3). Однако на схеме 400 показан интервал между вспышками, при котором вспышки в не выделенных для РОГ цилиндрах (цилиндры 2-4) отделены друг от друга 240 градусами угла поворота коленчатого вала. Вспышка в выделенном для РОГ цилиндре (цилиндр 1) тогда происходит на 120 градусах угла поворота коленчатого вала между вспышками в двух не выделенных для РОГ цилиндрах (например, в цилиндрах 4 и 3).
В частности, на схеме 400 на оси у указаны номера цилиндров, а по оси х отложены градусы угла поворота коленчатого вала. Цилиндры 2-4 являются не выделенными для РОГ цилиндрами, направляющими отработавшие газы на турбину, а цилиндр 1 является выделенным для РОГ цилиндром, направляющим отработавшие газы не на турбину, а во впускной коллектор. В этом примере, цилиндр 1 является единственным цилиндром в двигателе, который осуществляет рециркуляцию отработавших газов во впускной коллектор. Сплошными линиями показаны интервалы открытия выпускных клапанов каждого цилиндра, а пунктирными линиями показаны интервалы открытия впускных клапанов каждого цилиндра. В показанном на схеме 400 примере вспышки в цилиндрах происходят в следующем порядке: 1-3-2-4. Хотя возможны и другие последовательности вспышек в цилиндрах (например, 1-4-2-3, 1-2-3-4, 1-3-4-2, 1-2-4-3 и 1-4-3-2) с аналогичным перекрытием открытия выпускных клапанов как будет описано подробно далее по тексту. Например, во всех случаях вспышка в цилиндре 1 происходит через 120 градусов после вспышки в предшествующем цилиндре и за 120 градусов до вспышки в последующем цилиндра.
Как показано на фиг. 4, выпускной клапан цилиндра 3 открывается в момент, обозначенный линией 402. Выпускной клапан цилиндра 3 остается открытым примерно 240 градусов угла поворота коленчатого вала, после чего закрывается в момент времени, обозначенный линией 404. Либо одновременно, либо непосредственно после закрытия выпускного клапана цилиндра 3 открывается выпускной клапан цилиндра 2. Выпускной клапан цилиндра 2 закрывается в момент времени, обозначенный линией 406, что есть примерно через 240 градусов оборота коленчатого вала после открытия. Затем выпускной клапан цилиндра 4 открывается либо одновременно с закрытием выпускного клапана цилиндра 2, либо после этого. Примерно через 240° угла поворота коленчатого вала закрывается выпускной клапан цилиндра 4. То есть, события открытия выпускных клапанов цилиндров 2-4 (не выделенных для РОГ цилиндров, направляющих отработавшие газы к турбине) не перекрываются. Другими словами, ни одни из двух выпускных клапанов не выделенных для РОГ цилиндров не являются открытыми одновременно. В результате происходит незначительное или нулевое столкновение продувочных импульсов отработавших газов, чем снижается работа цилиндров по перекачиванию на такте выпуска. Кроме того, остаточная масса, захваченная в не выделенных для РОГ цилиндрах (например, в цилиндрах 2-4) может быть одинаковой. В дополнение к вышесказанному, импульсы отработавших газов от цилиндров 2-4 расположены с равными интервалами по всему рабочему циклу (например, 720° угла поворота коленчатого вала). В результате, импульсы отработавших газов к турбине подаются непрерывно и равномерно по всему рабочему циклу двигателя. Это позволяет использовать удлиненный профиль выпускного кулачка без применения корпуса турбины с двойной улиткой, что может улучшить топливную экономичность и уменьшить помпаж компрессора.
Как видно на фиг. 4, выпускной клапан цилиндра 1 (цилиндра, выделенного для РОГ) открывается, когда открыт выпускной клапан цилиндра 4, и в последующем закрывается, когда открыт выпускной клапан цилиндра 3. Точнее, выпускной клапан цилиндра 1 открывается примерно через 120° угла поворота коленчатого вала после открытия выпускного клапана цилиндра 4. Затем выпускной клапан цилиндра 1 закрывается через 120° угла поворота коленчатого вала после открытия выпускного клапана цилиндра 3. Другими словами, выпускной клапан не выделенного для РОГ цилиндра 4 закрывается, когда открыт выпускной клапан выделенного для РОГ цилиндра 1, а выпускной клапан не выделенного для РОГ цилиндра 3 открывается, когда открыт выпускной клапан выделенного для РОГ цилиндра 1. Таким образом, открытие выпускного клапана выделенного для РОГ цилиндра перекрывается с открытием выпускных клапанов обоих не выделенных для РОГ цилиндров 4 и 3. Даже несмотря на то, что происходит перекрытие выпускных клапанов между цилиндром 4 и цилиндром 1, а также между цилиндрами 3 и 1, столкновения продувочных импульсов отработавших газов не происходит, так как отработавшие газы от цилиндра 1 направляют во впускной коллектор, но ее в турбину.
Таким образом, способ эксплуатации двигателя может включать в себя эксплуатацию первого множества выпускных клапанов первой группы цилиндров, направляющих отработавшие газы на турбину для того, чтобы избежать перекрытия открытия выпускных клапанов (например, относительно выпускных клапанов других цилиндров первой группы цилиндров) и эксплуатацию выпускного клапана выделенного для РОГ цилиндра с направлением отработавших газов во впускной коллектор, так, чтобы открытие второго выпускного клапана перекрывалось бы с открытием выпускных клапанов двух цилиндров первой группы цилиндров. В одном примере эксплуатация выпускного клапана выделенного для РОГ цилиндра включает в себя открытие выпускного клапана выделенного для РОГ цилиндра до закрытия первого выпускного клапана первой группы цилиндров и закрытие выпускного клапана выделенного для РОГ цилиндра после открытия второго выпускного клапана второго множества выпускных клапанов. Кроме того, эксплуатация первого множества выпускных клапанов включает в себя открытие каждого выпускного клапана первого множества выпускных клапанов на продолжительность, обеспечивающую равномерную подачу импульсов отработавших газов в течение полного рабочего цикла двигателя. Способ также может включать в себя вспышку в каждом цилиндре из первой группы цилиндров с интервалом в 240 градусов угла поворота коленчатого вала относительно друг друга, и вспышку в выделенном для РОГ цилиндре за 120 градусов угла поворота коленчатого вала до вспышки в первом цилиндре первой группы цилиндров и через 120 градусов угла поворота коленчатого вала после вспышки во втором цилиндре первой группы цилиндров.
В одном примере первая группа цилиндров содержит только три не выделенных для РОГ цилиндра, направляющих отработавшие газы не во впускной коллектор, а к турбине. Способ также включает в себя вспышку в первом цилиндре первой группы цилиндров через 120 градусов угла поворота коленчатого вала после вспышки в выделенном для РОГ цилиндре, вспышку во втором цилиндре из первой группы цилиндров через 240 градусов угла поворота коленчатого вала после вспышки в первом цилиндре из первой группы цилиндров, вспышку в третьем цилиндре из первой группы цилиндров через 240 градусов угла поворота коленчатого вала после вспышки во втором цилиндре, и вспышку в выделенном для РОГ цилиндре через 120 градусов угла поворота коленчатого вала после вспышки в третьем цилиндре. Дополнительно, поршни первой группы цилиндров и поршень выделенного для РОГ цилиндра связаны с соответствующими шатунными шейками на рядном коленчатом валу. В одном примере выделенный для РОГ цилиндр является единственным цилиндром, направляющим отработавшие газы во впускной коллектор. Кроме того, каждый цилиндр первой группы цилиндров является не выделенным для РОГ цилиндром и направляет отработавшие газы через один выпускной клапан первого множества выпускных клапанов к турбине, причем турбина расположена ниже по потоку от выпускного коллектора.
Конструкция коленчатого вала и распределительного вала (валов) двигателя может быть адаптирована для обеспечения интервалов между вспышками и временных установок выпускных клапанов, описанных выше со ссылкой на фиг. 4. Например, конструкция коленчатого или распределительного вала, а также установка фаз газораспределения могут быть адаптированы для того, чтобы уменьшить перекрытие выпускных клапанов между не выделенными для РОГ цилиндрами и более равномерно распределить по рабочему циклу двигателя подачу импульсов отработавших газов к турбине.
Соответственно, на фиг. 5 показан приведенный в качестве примера коленчатый вал 500, который можно использовать для эксплуатации двигателя 10 в режиме без перекрытия выпускных клапанов не выделенных для РОГ цилиндров. Точнее, коленчатый вал 500 может обеспечивать вспышки в цилиндрах и временные установки выпускных клапанов, как описано со ссылкой на фиг. 4. На фиг. 5 коленчатый вал показан в аксонометрической проекции. Коленчатый вал 500 может быть коленчатым валом, показанным на фиг. 2. Показанный на фиг. 5 коленчатый вал может быть применен в двигателе 10, таком, как показан на фиг. 1 и фиг. 2, имеющем рядную конфигурацию, при которой цилиндры выровнены в один ряд. С коленчатым валом 500 может быть связано некоторое количество поршней 136, как показано на чертеже. Кроме того, так как двигатель 10 является рядным четырехцилиндровым двигателем, то на фиг. 5 изображены четыре поршня, расположенные в один ряд вдоль по длине коленчатого вала 500.
Коленчатый вал 500 имеет передний конец 530 с торцом 534 коленчатого вала для монтажа на нем шкивов и/или установки гармонического демпфера (не показан), предназначенного для гашения крутильных колебаний. Коленчатый вал 500 также имеет задний конец 510 с фланцем 514, выполненным с возможностью крепления к нему маховика (не показан). При этом генерируемая в результате сжигания рабочей смеси энергия может быть передана от поршней коленчатому валу и маховику, которые передают эту энергию трансмиссии, тем самым обеспечивая транспортному средству движущую силу.
Коленчатый вал 500 также может содержать некоторое количество шатунных шеек, коренных шеек, перемычек (также называемых щеками) и противовесов 520. В показанном примере коленчатый вал 500 включает в себя переднюю коренную шейку 532 и заднюю коренную шейку 516. Кроме этих двух коренных шеек на двух оконечностях коленчатого вала, коленчатый вал 500 также включает в себя три коренные шейки 526, расположенные между передней коренной шейкой 532 и задней коренной шейкой 516. Таким образом, коленчатый вал 500 имеет пять коренных шеек, каждая из которых выровнена на центральной оси 550 вращения. Коренные шейки 516, 532 и 526 несут на себе подшипники, выполненные с возможностью создания условий для вращения коленчатого вала 500, обеспечивая при этом опору для него. В альтернативных осуществлениях у коленчатого вала может быть больше или меньше пяти коренных шеек.
Коленчатый вал 500 также включает в себя первую шатунную шейку 548, вторую шатунную шейку 546, третью шатунную шейку 544 и четвертую шатунную шейку 542 (расположенные от переднего конца 530 до заднего конца 510). То есть, в совокупности, у коленчатого вала имеются четыре шатунные шейки. Тем не менее, предполагались коленчатые валы, имеющие иное количество шатунных шеек. Каждая из шатунных шеек 542, 544, 546 и 548 может быть механически связана с соответствующими шатунами 512, а через них - с соответствующими поршнями 136. Следует понимать, что в процессе работы двигателя коленчатый вал 500 вращается вокруг центральной оси 550 вращения. Щеки 518 коленчатого вала могут обеспечивать опору шатунным шейкам 542, 544, 546 и 548. Щеки 518 коленчатого вала могут также связывать каждую из шатунных шеек с коренными шейками 516, 532 и 526.
Вторая шатунная шейка 546 и первая шатунная шейка 548 показаны в одинаковом радиальном расположении относительно центральной оси 550 вращения. Следовательно, первая шатунная шейка 548 выровнена со второй шатунной шейкой 546. Кроме того, вторая шатунная шейка 546, третья шатунная шейка 544 и четвертая шатунная шейка 542 разделены друг от друга угловым расстоянием в 120 градусов относительно центральной оси 550 вращения. Другими словами, как показано на фиг. 5 для коленчатого вала 500, четвертая шатунная шейка 542 показана поворачивающейся в сторону от смотрящего (в плоскость чертежа), третья шатунная шейка 544 движется в сторону смотрящего (из плоскости чертежа), а вторая шатунная шейка 546 и первая шатунная шейка 548 стоят на одной линии на плоскости чертежа.
На врезке 560 схематически изображен коленчатый вал 500 с показанными положениями четырех шатунных шеек относительно друг друга и относительно центральной оси 550 вращения. На врезке 570 схематически изображен вид сбоку коленчатого вала 500, с указанием положений шатунных шеек относительно центральной оси коленчатого вала 500 и центральной оси 550 вращения. Как показано на врезке 560, четвертая шатунная шейка 542 и третья шатунная шейка 544 расположены в противоположных направлениях относительно и вокруг центральной оси 550 вращения. Другими словами, четвертая шатунная шейка 542 и третья шатунная шейка 544 наклонены относительно друг друга вокруг центральной оси 550 вращения. Аналогичным образом, третья шатунная шейка 544 и вторая шатунная шейка 546 наклонены относительно друг друга вокруг центральной оси 550 вращения. Как также показано на врезке 570, вторая шатунная шейка 546, третья шатунная шейка 544 и четвертая шатунная шейка 543 разнесены друг от друга на угловое расстояние 120 градусов вокруг центральной оси (например, оси вращения) коленчатого вала 500. Кроме того, первая шатунная шейка 548 и вторая шатунная шейка 546 выровнены друг с другом и параллельны друг другу относительно центральной оси 550 вращения. Как показано на врезке 570, первая шатунная шейка 548 и вторая шатунная шейка 546 расположены вертикально над центральной осью 550 вращения (например, на нуле градусов), в то время как третья шатунная шейка 544 расположена на угловом расстоянии в 120 градусов в направлении против часовой стрелки от первой шатунной шейки 548 и второй шатунной шейки 546. Четвертая шатунная шейка 543 расположена на угловом расстоянии в 120 градусов в направлении по часовой стрелке от первой шатунной шейки 548 и второй шатунной шейки 546.
Следует понимать, что, несмотря на то, что первая шатунная шейка 548 показана выровненной со второй шатунной шейкой 546, и каждый из двух поршней, связанных с первой шатунной шейкой 548 и второй шатунной шейкой 546, на фиг. 5 показан в положении ВМТ, два соответствующих поршня могут находиться в конце различных тактов. Например, поршень, связанный с первой шатунной шейкой 548, может находиться в конце такта сжатия, в то время как поршень, связанный со второй шатунной шейкой 546, может находиться в конце такта выпуска. То есть, связанный с первой шатунной шейкой 548 поршень может находиться на угловом расстоянии 360 градусов угла поворота коленчатого вала от поршня, связанного со второй шатунной шейкой 546.
Показанная на фиг. 5 компоновка шатунных шеек поддерживает порядок вспышек в цилиндрах в последовательности 1-3-2-4 без отключенных цилиндров. При этом, порядок вспышек в цилиндрах 1-3-2-4 включает в себя вспышку в первом цилиндре с поршнем, связанным с первой шатунной шейкой 548, после чего происходит вспышка в третьем цилиндре с поршнем, связанным с третьей шатунной шейкой 544, после чего происходит вспышка во втором цилиндре с поршнем, связанным со второй шатунной шейкой 546, после чего происходит вспышка в четвертом цилиндре с поршнем, связанным с четвертой шатунной шейкой 542. В примере двигателя 10 с коленчатым валом 500, события вспышек в цилиндрах в последовательности 1-3-2-4 могут происходить со следующими неодинаковыми интервалами: 120° - 240° - 240° - 120°. Так как первая шатунная шейка 548 выровнена со второй шатунной шейкой 546 и такты их поршней происходят с интервалом 360° угла поворота коленчатого вала, то события вспышек в первом и втором цилиндрах также происходят с интервалом 360° относительно друг друга. События вспышек в цилиндрах двигателя будут рассмотрены подробнее со ссылкой на фиг. 6.
Таким образом, показанные на фиг. 1-2 и фиг. 5 компоненты обеспечивают систему двигателя, содержащую: коленчатый вал с четырьмя шатунными шейками, три не выделенных для РОГ цилиндра, направляющих отработавшие газы к турбине через первое множество выпускных клапанов; одиночный выделенный для РОГ цилиндр, направляющий отработавшие газы во впускной коллектор через второй выпускной клапан; и контроллер, выполненный с машиночитаемыми инструкциями для управления открытием первого множества выпускных клапанов без перекрытия их открытий, и открытием второго выпускного клапана с перекрытием его открытия с открытием двух клапанов первого множества выпускных клапанов. В трех не выделенных для РОГ цилиндрах вспышки происходят с интервалом в 240 градусов угла поворота коленчатого вала относительно друг друга, а вспышка в одиночном выделенном для РОГ цилиндре происходит с интервалом в 120 градусов угла поворота коленчатого вала между вспышками в двух из трех не выделенных для РОГ цилиндров. В другом примере в трех не выделенных для РОГ цилиндрах вспышки происходят с интервалом примерно в 240 градусов угла поворота коленчатого вала относительно друг друга, а вспышка в одиночном выделенном для РОГ цилиндре происходит с интервалом примерно в 120 градусов угла поворота коленчатого вала между вспышками в двух из трех не выделенных для РОГ цилиндров (то есть в диапазоне 120 градусов). Кроме того, коленчатый вал содержит вторую шатунную шейку, третью шатунную шайку и четвертую шатунную шейку, расположенные на угловом расстоянии друг от друга в 120 градусов относительно центральной оси коленчатого вала. Также коленчатый вал содержит первую шатунную шейку, выровненную со второй шатунной шейкой.
На фиг. 6 изображен пример схемы вспышек в цилиндрах для порядка вспышек в цилиндрах, отписанного выше со ссылкой на фиг. 4. В одном примере показанный на фиг. 5 коленчатый вал 500 может обеспечивать порядок вспышек в цилиндрах, показанный на фиг. 6. Например, вспышки в цилиндрах двигателя 10 могут быть неравноинтервальными, что обуславливается конструкцией коленчатого вала 500. Как показано в иллюстрируемом примере, вспышка в цилиндре 1 может происходить во временном промежутке между вспышками в цилиндрах 3 и 4. В одном примере вспышка в цилиндре 1 может происходить примерно через 120 градусов угла поворота коленчатого вала (УПКВ) после вспышки в цилиндре 4. В одном примере вспышка в цилиндре 1 может происходить точно через 120 градусов УПКВ после вспышки в цилиндре 4. В другом примере вспышка в цилиндре 1 может происходить через 115 градусов УПКВ после вспышки в цилиндре 4. Еще в одном возможном примере, вспышка в цилиндре 1 может происходить примерно за 120 градусов УПКВ до вспышки в цилиндре 3. Например, вспышка в цилиндре 1 может происходить в диапазоне от 115 до 120 градусов УПКВ до вспышки в цилиндре 3. Кроме того, в цилиндрах 2, 3 и 4 события сжигания рабочей смеси могут продолжать происходить с интервалом в 240 градусов УПКВ относительно друг друга, а событие сжигания рабочей смеси в цилиндре 1 может происходить примерно посередине временного промежутка между событиями сжигания рабочей смеси в цилиндре 4 и цилиндре 3. Поэтому, порядок вспышек в цилиндрах в двигателе может быть таким: 3-2-4-1 (или 1-3-2-4) так как последовательность вспышек в цилиндрах цилиндров повторяется циклически. Как показано на фиг. 604, вспышка в цилиндре 3 может происходить примерно через 120 градусов угла поворота коленчатого вала после вспышки в цилиндре 1, вспышка в цилиндре 2 может происходить примерно через 240 градусов угла поворота коленчатого вала после вспышки в цилиндре 3, вспышка в цилиндре 4 может происходить примерно через 240 градусов угла поворота коленчатого вала после вспышки в цилиндре 2, а вспышка в цилиндре 1 может происходить снова примерно через 120 градусов угла поворота коленчатого вала после вспышки в цилиндре 4.
На фиг. 7 показан способ 700 для обеспечения вспышек в цилиндрах двигателя с заданными временными установками. В частности, способ 700 может включать в себя эксплуатацию одного или более цилиндров рядного двигателя, например, рядного двигателя, показанного на фиг. 1 - фиг. 2. Кроме того, способ 700 может включать в себя регулирование момента зажигания и открытия выпускного клапана цилиндра с тем, чтобы получить временные установки вспышек и открытия/закрытия выпускного клапана, как показано на фиг. 6 и фиг. 4. Например, способ 700 может включать в себя регулировку фаз распределительного вала для того, чтобы иметь требующиеся временные установки вспышек и выпускного клапана. В другом примере конструкцию распределительного вала могут адаптировать для обеспечения интервалов между вспышками, описанных в нижеизложенном способе. В еще одном примере, коленчатый вал, например, такой как коленчатый вал, показанный на фиг. 5, могут адаптировать для обеспечения интервалов между вспышками, описанных в нижеизложенном способе 700.
Способ 700 начинается этапом 701, на котором обеспечивают вспышку в выделенном для РОГ цилиндре (например, в цилиндре 1), а затем открывают выпускной клапан выделенного для РОГ цилиндра. На этапе 702 способ включает в себя обеспечение вспышки в первом не выделенном для РОГ цилиндре с последующим открытием выпускного клапана первого не выделенного для РОГ цилиндра через 120 градусов угла поворота коленчатого вала после выделенного для РОГ цилиндра. В одном примере первым не выделенным для РОГ цилиндром может быть цилиндр 3, показанный на фиг. 4 и фиг. 6. На этапе 704 способ включает в себя обеспечение вспышки во втором не выделенном для РОГ цилиндре (например, цилиндре 2) с последующим открытием выпускного клапана второго не выделенного для РОГ цилиндра через 240 градусов угла поворота коленчатого вала после первого не выделенного для РОГ цилиндра. Точнее, выпускной клапан второго не выделенного для РОГ цилиндра может быть открыт через 240° угла поворота коленчатого вала после открытия выпускного клапана первого не выделенного для РОГ цилиндра. Выпускной клапан первого не выделенного для РОГ цилиндра может быть закрыт либо до того, как закроется выпускной клапан второго не выделенного для РОГ цилиндра, либо одновременно с его закрытием. Тем не менее, может не иметься какого-либо перекрытия между выпускными клапанами первого не выделенного для РОГ цилиндра и второго не выделенного для РОГ цилиндра. На этапе 706 способ включает в себя обеспечение вспышки в третьем не выделенном для РОГ цилиндре (например, в цилиндре 4) с последующим открытием выпускного клапана третьего не выделенного для РОГ цилиндра через 240 градусов угла поворота коленчатого вала после второго не выделенного для РОГ цилиндра. На этапе 708 способ снова включает в себя обеспечение вспышки в выделенном для РОГ цилиндре с последующим открытием выпускного клапана выделенного для РОГ цилиндра через 120 градусов угла поворота коленчатого вала после третьего не выделенного для РОГ цилиндра. Затем способ возвращается на этап 702. В альтернативных примерах, так как вспышки в цилиндрах повторяются циклически, способ 700 может начинаться с любого из этапов 702-710.
Таким образом, способ эксплуатации двигателя включает в себя эксплуатацию трех выпускных клапанов трех соответствующих не выделенных для РОГ цилиндров без перекрытия выпускных клапанов друг с другом и открытие четвертого выпускного клапана выделенного для РОГ цилиндра, который является единственным цилиндром, направляющим отработавшие газы во впускной коллектор, во время открытия первого из трех выпускных клапанов с последующим закрытием четвертого выпускного клапана во время открытия второго из трех выпускных клапанов. Открытие четвертого выпускного клапана выделенного для РОГ цилиндра включает в себя открытие четвертого выпускного клапана через 120 градусов угла поворота коленчатого вала (например, приблизительно через 120 градусов угла поворота коленчатого вала) после открытия первого из трех выпускных клапанов и закрытие четвертого выпускного клапана через 120 градусов угла поворота коленчатого вала (например, приблизительно через 120 градусов угла поворота коленчатого вала) после открытия второго из трех выпускных клапанов. Способ также включает в себя открытие второго из трех выпускных клапанов через 240 градусов угла поворота коленчатого вала (например, приблизительно через 240 градусов угла поворота коленчатого вала) после открытия первого из трех выпускных клапанов. В одном примере эксплуатация трех выпускных клапанов трех соответствующих не выделенных для РОГ цилиндров без перекрытия выпускных клапанов включает в себя открытие каждого из трех выпускных клапанов на одну и ту же продолжительность на протяжении полного рабочего цикла двигателя, причем полный рабочий цикл двигателя включает в себя открытие выпускных клапанов всех не выделенных для РОГ цилиндров и выделенного для РОГ цилиндра. Открытие каждого из трех выпускных клапанов на одну и ту же продолжительность включает в себя подачу на турбину импульсов отработавших газов одинаковой длины на каждое событие открытия выпускного клапана, причем каждый импульс отработавших газов подается в последовательном порядке на протяжении полного рабочего цикла двигателя. В одном примере эксплуатация трех выпускных клапанов трех соответствующих не выделенных для РОГ цилиндров без перекрытия выпускных клапанов включает в себя полное закрытие одного из трех выпускных клапанов перед открытием другого из этих трех клапанов. В другом примере эксплуатация трех выпускных клапанов трех соответствующих не выделенных для РОГ цилиндров без перекрытия выпускных клапанов включает в себя одновременное закрытие одного из трех выпускных клапанов и открытие другого выпускного клапана из этих трех выпускных клапанов.
Можно отметить, что выпускной клапан, находящийся на участке открытия или участке закрытия профиля рабочего выступа кулачка, может оставаться немного открытым, но может считаться существенно закрытым в понимании «закрытости» в контексте настоящего изобретения. Например, с момента начала открытия выпускного клапана до завершения закрытия выпускного клапана коленчатый вал может повернуться более чем на 240 градусов, хотя клапан не может быть существенно открытым на протяжении более 240 градусов.
Дополнительно, следует отметить, что каждый цилиндр двигателя может содержать один или более выпускных клапанов. В одном примере каждый цилиндр может иметь только один выпускной клапан. То есть, выпускные клапаны не выделенных для РОГ цилиндров могут эксплуатироваться так, чтобы перекрытия между выпускными клапанами не существовало. Другими словами, ни один из выпускных клапанов не выделенных для РОГ цилиндров не будет открыт одновременно с каким-либо другим выпускным клапаном не выделенных для РОГ цилиндров. Кроме того, одиночный выпускной клапан выделенного для РОГ цилиндра может эксплуатироваться таким образом, чтобы открытие одиночного выпускного клапана выделенного для РОГ цилиндра совпадало бы с открытием выпускных клапанов двух из не выделенных для РОГ цилиндров.
В другом примере каждый цилиндр двигателя может содержать более одного выпускного клапана. Например, каждый из цилиндров с 1 по 4 может содержать по два выпускных клапана, что в сумме даст 8 выпускных клапанов. В таком случае, ни одно из событий открытия любого из выпускных клапанов одного из не выделенных для РОГ цилиндров не должно перекрываться с событием открытия любого из выпускных клапанов другого не выделенного для РОГ клапана. Другими словами все выпускные клапаны не выделенных для РОГ цилиндров могут эксплуатироваться так, чтобы не имелось перекрытия открытия выпускного клапана с выпускными клапанами других не выделенных для РОГ цилиндров. Например, открытия выпускных клапанов одного и того же не выделенного для РОГ цилиндра могут перекрываться друг с другом; однако открытие любого выпускного клапана одного не выделенного для РОГ цилиндра не может перекрываться с открытием любых других выпускных клапанов других не выделенных для РОГ цилиндров. Таким образом, только выпускные клапаны одного и того же не выделенного для РОГ цилиндра могут быть открыты в одно и то же время относительно других выпускных клапанов других не выделенных для РОГ цилиндров.
Таким образом, выпускные клапаны двигателя, содержащего по меньшей мере один выделенный для РОГ цилиндр, направляющий отработавшие газы во впускной коллектор, могут эксплуатироваться так, чтобы уменьшить перекрытие выпускных клапанов между не выделенными для РОГ цилиндрами, направляющими отработавшие газы к турбине. Кроме того, открытие выпускного клапана по меньшей мере одного выделенного для РОГ цилиндра может быть отрегулировано так, чтобы перекрываться с событиями открытия выпускных клапанов некоторых из не выделенных для РОГ цилиндров. При этом достигается технический результат эксплуатации выпускных клапанов с более равномерной подачей импульсов отработавших газов к турбине и меньшим столкновением продувочных импульсов отработавших газов на турбине. Результатом этого может стать снижение числа событий помпажа компрессора и повышение к.п.д. двигателя.
Отметим, 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 энергонезависимом запоминающем устройстве. 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. 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 изображать код, программируемый в запоминающем устройстве машиночитаемой компьютерной среды хранения в системе управления двигателем.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и алгоритмы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не несут ограничительной функции, 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 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 в себя 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 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.