СПОСОБ И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ИНТЕРВАЛА РАБОЧИХ ТЕМПЕРАТУР В СИСТЕМЕ ДООЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
ICE METHOD AND SYSTEM FOR MAINTENANCE OF OPERATING TEMPERATURE RANGE IN USED GAS AFTERPURIFICATION SYSTEM

Настоящее изобретение относится к способу и системе двигателя внутреннего сгорания для подержания интервала рабочих температур в системе доочистки отработавших газов (EATS) при нахождении двигателя внутреннего сгорания в режиме холостого хода или прокручивания, при этом двигатель внутреннего сгорания соединен с системой доочистки отработавших газов и имеет сторону впуска газа, сторону выпуска отработавших газов, которая соединена с системой доочистки отработавших газов каналом для отработавших газов и со стороной впуска газа соединительным каналом, обеспечивающим рециркуляцию отработавших газов на сторону впуска газа в двигатель внутреннего сгорания, и по меньшей мере один клапан, регулирующий рециркуляцию отработавших газов. Настоящее изобретение дополнительно относится к компьютерному программному продукту, относящемуся к упомянутому способу.
Настоящее изобретение дополнительно относится к комплекту для модернизации и способу модернизации транспортного средства (далее - автомобиля), оснащенного двигателем внутреннего сгорания без возможностей рециркуляции отработавших газов (EGR - от англ. exhaust gas recirculation), а именно, так называемым "двигателем без EGR" и системой регулирования температуры в системе доочистки отработавших газов, соединенной со стороной выпуска отработавших газов из двигателя без EGR, а также к компьютерному программному продукту, относящемуся к упомянутому способу.
При существующих и будущих уровнях выбросов у автомобильных двигателей внутреннего сгорания, в особенности, дизельных двигателей для работы в тяжелых условиях растет роль доочистки отработавших газов в целях снижения как уровня выбросов, так и общего расхода топлива. Различные способы, применяемые для соблюдения этих нормативов содержания токсичных веществ в газообразных выбросах, также влияют на общие характеристики управляемости и надежность автомобилей.
В одном из известных способов применяется так называемая система доочистки отработавших газов, обычно в виде катализатора или сажевого фильтра. Эти каталитические системы доочистки действуют в соответствующем интервале температур, например, 250°C-450°C, который легко поддерживается в нормальных условиях движения автомобиля.
Тем не менее, в некоторых условиях работы двигателя внутреннего сгорания действительная температура отработавших газов является слишком низкой для поддержания указанного интервала температур. Далее эти условия работы именуются в описании и формуле изобретения "режимами холостого хода или прокручивания двигателя" и подробнее описаны в следующих абзацах.
Термином "режим холостого хода двигателя" описываются все режимы работы двигателя, когда двигатель действует на холостых оборотах. Холостыми оборотами является частота, с которой вращается двигатель, когда он отсоединен от цепи привода, а акселератор выключен. Обычно частота вращения измеряется числом оборотов в минуту (об/мин) коленчатого вала двигателя. На холостых оборотах двигатель генерирует достаточную мощность для приемлемо плавного хода и приведения в действие вспомогательного оборудования (водяного насоса, генератора переменного тока и другого вспомогательного оборудования, если оно имеется, такого как рулевой привод с усилителем), но обычно недостаточную для выполнения работы в тяжелом режиме, такой как приведение автомобиля в движение. Для грузовых и легковых автомобилей холостые обороты обычно составляют от 600 об/мин до 1000 об/мин. Даже при выключенном акселераторе в двигатель внутреннего сгорания впрыскивается некоторое количество топлива для поддержания его работы.
Если от двигателя приводится в действие большое число вспомогательного оборудования, в частности, система кондиционирования воздуха, холостые обороты должны быть повышены, чтобы обеспечить генерирование двигателем достаточной мощности для плавного хода и приведения в действие вспомогательного оборудования. Соответственно, большинство двигателей оснащены функцией автоматической регулировки карбюратора или системы впрыска топлива для повышения холостых оборотов, когда требуется больше мощности.
Термин "прокручивание двигателя" означает режим работы двигателя, в котором частота вращения двигателя превышает определенную частоту вращения (об/мин), но в двигатель не впрыскивается топливо. Одним из примеров прокручивания двигателя является случай движения вследствие неполного сцепления, т.е. когда автомобиль, которому в нормальных условиях сообщает движение двигатель, спускается по склону. В этом режиме акселератор также выключен, но двигатель остается соединенным с цепью привода и продолжает работать от движущей силы главного вала коробки.
Во время описанного холостого хода или прокручивания двигатель в принципе нагнетает в систему выпуска свежий воздух при температуре окружающей среды, что приводит к невыгодному нерегулируемому (и нежелательному) "воздушному охлаждению" системы доочистки отработавших газов.
В свою очередь, это означает, что температура в системе каталитической доочистки отработавших газов быстро падает до уровня ниже 250°C, что делает невозможной дальнейшую эффективную доочистку отработавших газов. Соответственно, с целью повышения температуры отработавших газов и поддержания температуры в системы доочистки отработавших газов предлагалось вводить углеводороды (т.е. топливо) в окислительный нейтрализатор, находящийся в потоке отработавших газов. Для этого необходимо повышать среднюю температуру окислительного нейтрализатора во время нормального движения. Это означает, что углеводороды должны впрыскиваться в окислительный нейтрализатор, когда его температура превышает 250°C, чтобы компенсировать периоды нахождения двигателя в режиме холостого хода или прокручивания. Соответственно, этот способ вызывает увеличение расхода топлива и, следовательно, повышение затрат на топливо.
Кроме того, если температура потока отработавших газов является слишком низкой, для поддержания температуры в системе доочистки отработавших газов требуется больше углеводородов (т.е. топлива). Соответственно, более жесткие требования к снижению токсичности отработавших газов часто приводят к снижению кпд двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, важно создать способы, обеспечивающие эффективный контроль выброса отработавших газов без отрицательного влияния на кпд двигателя и общий расход топлива автомобилем.
Одной из дополнительных возможностей для снижения токсичности отработавших газов двигателя внутреннего сгорания помимо систем доочистки отработавших газов, в частности, содержания окиси азота в отработавших газах является рециркуляция отработавших газов (EGR). Тем самым рециркулируется часть всего потока отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания, оснащенные таким системами EGR, также называются "двигателями с EGR". Рециркулируемая часть потока отработавших газов охлаждается до подачи на сторону впуска газа в двигатель с EGR, где она смешивается с поступающим воздухом до того, как смесь подается в цилиндры двигателя с EGR. Охлаждение рециркулируемых отработавших газов является обязательным условием для двигателей с EGR, поскольку рециркуляция горячих отработавших газов приводила бы к повышению температуры газа на стороне сторону впуска газа в двигатель с EGR до такого уровня, что это могло бы вызывать повреждение двигателя с EGR. Кроме того, для обеспечения эффективного снижения выброса окислов азота требуется рециркуляция отработавших газов в количествах 15-30% общей массы потока через двигатель с EGR.
В заявке WO 2007/032714 предложено применение рециркулируемого потока отработавших газов в двигателе с EGR, т.е. в системе двигателя внутреннего сгорания, оснащенной системой EGR для поддержания температуры в системе доочистки отработавших газов. Поскольку, как описано выше, сложности с поддержанием температуры возникают главным образом в режиме холостого хода или прокручивания двигателей внутреннего сгорания, предложено сначала определять, что ни тормозная система, ни механизм управления дроссельной заслонкой автомобиля не приведены в действие, и что автомобиль движется со скоростью, превышающей заданную предельную скорость. При обнаружении таких условий затем в известной системе с помощью клапана EGR, расположенного в канале EGR, регулируется поток отработавших газов через канал EGR, чтобы уменьшить основной поток отработавших газов в систему доочистки отработавших газов до уровня преимущественно менее 50% основного потока отработавших газов, поступающего в систему доочистки отработавших газов при закрытом клапане EGR в канале EGR. За счет значительного уменьшения потока отработавших газов через систему доочистки отработавших газов во время прокручивания двигателя предотвращаются потери тепла в системе доочистки отработавших газов.
Недостатком описанного способа является его неприменимость в "нормальных" двигателях внутреннего сгорания, не оснащенных средствами рециркуляции отработавших газов, т.е. в так называемых двигателях без EGR. Эти двигатели широко применяются в автомобилях с более низкими уровнями выбросов, чем установлены, например, стандартом EURO 5. Дополнительным недостатком является то, что системы EGR содержат множество элементов, например, клапанов, датчиков, охладитель отработавших газов и т.д., которые управляют работой двигателя с EGR и регулируют количество рециркулируемых отработавших газов. Эти системы управления являются довольно сложными по своей конструкции и в работе даже без такого дополнительного механизма управления, описанного в WO 2007/032714. При реализации такого дополнительного механизма управления повышается вероятность нарушения нормальной работы всей системы двигателя с EGR, а также общая стоимость системы.
Соответственно, в основу настоящего изобретения положена задача создания простых и рентабельных способа и системы регулирования температуры для применения в двигателе без EGR, обеспечивающих возможность поддержания интервала рабочих температур в системе доочистки отработавших газов без увеличения расхода топлива и снижения кпд двигателя.
Решение этой задачи поддержания интервала рабочих температур в системе доочистки отработавших газов достигается за счет заявляемых в независимых пунктах формулы способа и системы двигателя внутреннего сгорания, а также комплекта и способа модернизации автомобилей, оснащенных двигателем без EGR и соответствующего компьютерного программного продукта. Предпочтительные варианты осуществления и дополнительные усовершенствования заявленного изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.
Идея настоящего изобретения состоит в соединении стороны выпуска отработавших газов из двигателя без EGR со стороной впуска газа в двигатель посредством соединительного канала для рециркуляции отработавших газов со стороны выпуска отработавших газов из двигателя на сторону впуска газа в двигатель только в режимах холостого хода или прокручивания двигателя, и в регулировании рециркуляции отработавших газов только в зависимости от температуры газа на стороне впуска газа в двигатель и/или отработавших газов в режимах холостого хода или прокручивания двигателя. Преимущество этого решения состоит в том, что двигатель внутреннего сгорания нагнетает в систему доочистки отработавших газов не только свежий воздух при температуре окружающей среды, но также смесь воздуха и рециркулируемых горячих отработавших газов. Следовательно, значительно ослабляется эффект нежелательного принудительного охлаждения вследствие присутствия свежего воздуха в смеси отработавших газов, поступающих в систему доочистки отработавших газов, и в системе доочистки отработавших газов поддерживается интервал рабочих температур в периоды, когда двигатель внутреннего сгорания находится в режиме холостого хода или прокручивания.
В отличие от конструкции и работы известных двигателей с EGR в настоящем изобретении соединительный канал обеспечивает рециркуляцию отработавших газов только в режимах холостого хода или прокручивания двигателя. Разумеется, что конструкция предложенной в изобретении системы двигателя внутреннего сгорания могла бы позволять рециркулировать некоторое количество отработавших газов даже при "нормальных" режимах работы двигателя, т.е. режимах работы двигателя помимо холостого хода или прокручивания, но рециркуляция такого рода в недостаточной степени регулируется, чтобы квалифицироваться как снижение токсичности отработавших газов посредством двигателя с EGR.
Рециркуляция отработавших газов двигателя без EGR в настоящем изобретении прекращается, в частности, перекрывается соединительный канал, и отработавшие газы больше невозможно рециркулировать, как только приводится в действие акселератор автомобиля (например, педаль газа). Это означает, что в отличие от двигателей с EGR в настоящем изобретении не предусмотрено снижение выброса окислов азота за счет EGR, которое может происходить лишь случайно. Кроме того, в настоящем изобретении невозможно усложненное охлаждение и регулирование количества рециркулируемых отработавших газов, что необходимо для реакций снижения выброса окислов азота, протекающих в двигателях с EGR при нормальных режимах работы двигателя.
Снижение выброса окислов азота может происходить только при относительно низких температурах. Чем выше температура сгорания, тем больше количество окислов азота. За счет рециркуляции отработавших газов уменьшается количеств кислорода, что в свою очередь снижает температуру сгорания. Тем не менее, при рециркуляции неохлажденных отработавших газов (как в настоящем изобретении) температура в двигателе повышается, что противоречит желательному процессу снижения выброса окислов азота, применяемому в двигателях с EGR. Следовательно, этого следует избегать в известных двигателях с EGR. Кроме того, в настоящем изобретении отработавшие газы рециркулируются только в режимах холостого хода или прокручивания двигателя, а не при "нормальных" режимах работы двигателя, режимах помимо холостого хода или прокручивания двигателя, в результате чего снижение выброса окислов азота недостижимо.
Как упоминалось выше, рециркуляция отработавших газов в настоящем изобретении осуществляется только в режимах холостого хода или прокручивания двигателя. В свою очередь, это означает, что не требуется ни охладитель в соединительном канале, ни усложненное регулирование рециркуляции отработавших газов. Следовательно, рециркулируемые отработавшие газы не охлаждаются, как необходимо в случае двигателе с EGR, а просто рециркулируются "как есть". В одном из простейших вариантов осуществления изобретения соединительный канал может быть оснащен простым двухпозиционным клапаном, который открывает соединительный канал в режимах холостого хода или прокручивания двигателя и закрывает его во всех остальных режимах работы двигателя. Во избежание повреждения двигателя внутреннего сгорания из-за слишком высоких температур измеряется температура газа на стороне впуска газа в двигатель и/или отработавших газов и, если измеренная температура газа превышает заданную пороговую температуру, соединительный канал закрывается, даже если двигатель продолжает работать в режиме холостого хода или прокручивания.
В одном из дополнительных предпочтительных вариантов осуществления канал для отработавших газов дополнительно оснащен клапаном регулировки давления, который по меньшей мере частично закрывается, если двигатель находится в режиме холостого хода или прокручивания. В этом варианте осуществления клапан регулировки давления выполняет по меньшей мере две функции:
i. уменьшает общее количество отработавших газов, поступающих в систему доочистки отработавших газов, и тем самым уменьшает приток "охлаждающих" отработавших газов в систему доочистки отработавших газов, и
ii. повышает давление до клапана регулировки давления путем по меньшей мере его частичного закрытия, чтобы стимулировать рециркуляцию отработавших газов, и предпочтительно определяет количество отработавших газов, которое предположительно должно рециркулироваться на сторону впуска газа в двигатель внутреннего сгорания.
В одном из дополнительных предпочтительных вариантов осуществления для измерения температуры газа применяется датчик температуры, который может размещаться, например, на стороне впуска газа в двигатель для измерения температуры газа во впускном коллекторе двигателя и регулирования рециркуляции отработавших газов.
Как указано выше, поддержание интервала рабочих температур в системе доочистки в режимах холостого хода или прокручивания двигателя достигается посредством двух основных идей или их сочетания согласно одному из дополнительных усовершенствований:
i. при рециркуляции неохлажденных отработавших газов повышается рабочая температура двигателя и тем самым общая температура отработавших газов, в результате чего ослабляется эффект нежелательного воздушного охлаждения системы доочистки отработавших газов в режимах холостого хода или прокручивания двигателя,
ii. за счет по меньшей мере частично закрытого клапана регулировки давления в канале для отработавших газов уменьшается количество отработавших газов, протекающих через систему доочистки в режимах холостого хода или прокручивания двигателя, и может регулироваться количество рециркулируемых отработавших газов, поступающих в двигатель, что в свою очередь ослабляет эффект нежелательного воздушного охлаждения системы доочистки отработавших газов в режимах холостого хода или прокручивания двигателя.
В отличие от известных двигателей с EGR способ и система согласно изобретению также могут применяться для модернизации существующих двигателей без EGR, поскольку они не влияют на "нормальную" работу двигателя. Это может делаться просто путем соединения канала для отработавших газов и впускного канала на стороне впуска газа в двигатель внутреннего сгорания соединительным каналом и размещения в соединительном канале клапана рециркуляции газа, предпочтительно в виде двухпозиционного клапана, а также предпочтительно размещения в канале для отработавших газов клапана регулировки давления. Автомобили, которые оснащены двигателями без EGR и могут быть модернизированы посредством системы согласно изобретению, обычно уже имеют датчик температуры и контроллер для регулирования клапанов в зависимости от температуры газа и режима работы двигателя, которые могут непосредственно использоваться в способе и системе согласно изобретению.
Следует отметить, что поскольку неохлажденные отработавшие газы подаются на сторону впуска газа в двигатель, также повышается температура газа на стороне впуска двигателя и, следовательно, температура внутри двигателя внутреннего сгорания. Во избежание повреждения двигателя подача неохлажденных отработавших газов регулируется в зависимости от измеренной температуры газа на стороне впуска двигателя внутреннего сгорания и/или отработавших газов. Как только температура газа на стороне впуска газа в двигатель и/или отработавших газов превышает определенную заданную максимальную температуру, подача отработавших газов прекращается или по меньшей мере уменьшается до тех пор, пока измеренная температура газа на стороне впуска газа в двигатель и/или отработавших газов снова не станет ниже заданной максимальной температуры. Это уменьшение или прекращение потока рециркулируемых отработавших газов может достигаться (i) за счет того, что клапан регулировки давления открыт полностью или по меньшей мере в большей степени, чем до того, как температура газа на стороне впуска газа в двигатель и/или отработавших газов достигает максимальной температуры, и/или (ii) за счет того, что клапан рециркуляции газа по меньшей мере частично или полностью закрыт в течение определенных периодов или промежутков времени, даже если двигатель продолжает работать в режиме холостого хода или прокручивания. В свою очередь, это означает, что в таких особых ситуациях, в которых вследствие температуры горячих рециркулируемых отработавших газов фактическая температура двигателя повышается и постепенно приближается к допустимой максимальной температуре двигателя или даже начинает превышать ее, в EATS будет направляться больше отработавших газов или в крайнем случае все отработавшие газы, что в свою очередь может приводить к временному охлаждению EATS до более низких температур, в худшем случае даже до температуры ниже интервала ее рабочих температур. Тем не менее, поскольку температура двигателя внутреннего сгорания является относительно высокой по сравнению с интервалом рабочих температур EATS, даже в этих особых ситуациях предполагается, что отработавшие газы двигателя будут также оставаться достаточно горячими. Следовательно, даже в ситуациях, когда рециркуляция отработавших газов должна быть временно прекращена или уменьшена в режимах холостого хода или прокручивания двигателя, весьма маловероятно чрезмерное охлаждение EATS. Как только температура двигателя внутреннего сгорания снова достигает заданного интервала его рабочих температур, и при условии, что двигатель продолжает работать в режиме холостого хода или прокручивания, процессе рециркуляции отработавших газов возобновляется.
Как упоминалось выше, поток рециркулируемых отработавших газов регулируется путем соответствующего управления по меньшей мере одним клапаном, предпочтительно клапана рециркуляции газа и клапана регулировки давления в зависимости от измеренной температуры. Клапан рециркуляции газа предпочтительно может оставаться открытым в режимах холостого хода или прокручивания двигателя, а количество рециркулируемых отработавших газов и тем самым температура газа на стороне впуска газа в двигатель и/или отработавших газов может регулироваться за счет степени открытия или закрытия клапана регулировки давления. Регулирование клапана или потока с обратной связью этого типа часто называется "регулированием по замкнутому циклу".
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения клапаном рециркуляции газа является простой двухпозиционный клапан, который находится в открытом или закрытом положениях. Преимущество состоит в том, что простой двухпозиционный клапан удобен в обращении, является недорогим и надежным в эксплуатации. Тем самым снижается вероятность нарушения нормальной работы системы. Кроме того, поскольку не требуется регулировать количество отработавших газов, рециркулируемых в двигатель, как в нормальных системах EGR, достаточно закрытого в нормальном положении простого двухпозиционного клапана.
Тем не менее, само собой разумеется, что вместо простого двухпозиционного клапана также может использоваться регулируемый клапан с плавным регулированием между полностью закрытым положением и полностью открытым положением.
В одном из дополнительных предпочтительных вариантов осуществления заданная максимальная температура во впускном коллекторе на стороне впуска газа в двигатель составляет приблизительно от 100°C до 150°C, в частности, приблизительно от 110°C до 130°C, предпочтительно приблизительно 120°C. Тем самым предотвращается повреждение двигателя внутреннего сгорания.
В одном из дополнительных предпочтительных вариантов осуществления клапан регулировки давления в канале для отработавших газов приспособлен для уменьшения потока газа в систему доочистки отработавших газов примерно на 20%-70%, предпочтительно примерно на 30%-60%, наиболее предпочтительно примерно на 40%-50%. За счет этого уменьшения общего потока газа через систему доочистки ослабляется эффект "воздушного охлаждения" системы доочистки.
Степень уменьшения потока газа в систему доочистки отработавших газов предпочтительно зависит от частоты вращения двигателя и измеренной температуры газа во впускном коллекторе на стороне впуска газа в двигатель и/или отработавших газов. В целом, задачей является максимальное увеличение потока отработавших газов, рециркулируемых в двигатель, без превышения максимальной температуры приблизительно 120°C на стороне впуска. Затем, поток в систему доочистки отработавших газов сводится к минимуму, а температура отработавших газов доводится до максимума. С этой целью применяется описанное выше "регулирование по замкнутому циклу", предпочтительно в виде программного обеспечения с целью регулирования количества рециркулируемых отработавших газов посредством клапана регулировки давления таким образом, чтобы газ на стороне впуска газа в двигатель внутреннего сгорания достигал, допустимой максимальной температуры, но не превышал ее (в данном случае, например, приблизительно 120°C).
Клапан рециркуляции газа предпочтительно закрывается, как только приводится в действие акселератор автомобиля (например, педаль газа), и открывается, как только педаль газа отпускается. Регулирование клапана рециркуляции газа в зависимости от приведения в действие акселератора является простым и эффективным механизмом регулирования, рассчитанным на работу двигателя как в холостом режиме, так и в режиме прокручивания. Для обеспечения работы двигателя на низких холостых оборотах, например, около 600 об/мин и без потребности в акселераторе помимо рециркулируемых отработавших газов в двигатель предпочтительно впрыскивается топливо.
Согласно одной из дополнительных особенностей настоящего изобретения автомобили, оснащенные двигателями без EGR, могут быть легко модернизированы посредством предложенной в изобретении системы поддержания температуры в системе доочистки отработавших газов. Соответственно, может использоваться уже существующая система доочистки отработавших газов или модернизированная система доочистки отработавших газов. С целью модернизации двигателя без EGR может использоваться комплект для модернизации, который может содержать систему поддержания интервала рабочих температур в системе доочистки отработавших газов, в которую входит по меньшей мере соединительный канал рециркуляции отработавших газов, который может быть соединен со стороной выпуска отработавших газов из двигателя внутреннего сгорания (например, с каналом для отработавших газов на стороне выпуска отработавших газов из двигателя) и со стороной впуска газа в двигатель (например, с впускным каналом на стороне впуска газа в двигатель), при этом в соединительном канале размещается клапан рециркуляции газа и контроллер для регулирования клапана, как описано выше. Кроме того, контроллер также может быть реализован в виде компьютерной программы, выполняемой в бортовом компьютере автомобиля.
Помимо этого, клапан регулировки давления может размещаться на стороне выпуска отработавших газов из двигателя (например, в канале для отработавших газов на стороне выпуска отработавших газов из двигателя). Кроме того, может использоваться контроллер, приспособленный открывать клапан рециркуляции газа и по меньшей мере частично закрывать клапан регулировки давления таким образом, чтобы поддерживать температуру газа на стороне впуска двигателя и/или отработавших газов в заданном интервале температур при работе двигателя в режиме холостого хода или прокручивания.
Если автомобиль не оснащен датчиком температуры, комплект для модернизации также может содержать датчик температуры для измерения температуры газа на стороне впуска газа в двигатель и/или отработавших газов.
В одном из дополнительных вариантов осуществления изобретения контроллером комплекта для модернизации может являться уже существующий центральный процессор (ЦП) или электронный блок управления (БУ) автомобиля, в частности, бортовой компьютер, программируемый на регулирование клапанов описанным выше способом. ЦП является частью компьютерной системы для выполнения команд компьютерной программы. В частности, применительно к автомобильной электронике термин ЦП используется как родовой термин для обозначения любой встроенной системы, которая управляет одной или несколькими электрическими системами или подсистемами автомобиля.
Согласно одной из дополнительных особенностей изобретения предложен компьютерный программный продукт, содержащий программный код для реализации в компьютере, предпочтительно в бортовом компьютере автомобиля, приспособленном к выполнению шагов описанного способа. Компьютерный программный продукт предпочтительно может являться частью комплект для модернизации.
Дополнительные преимущества и предпочтительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в прилагаемой формуле изобретения, описании и на чертежах.
Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи рассмотрены предпочтительные варианты осуществления системы согласно изобретению. Описанные чертежи являются упрощенным представлением принципов изобретения и не имеют целью ограничить объем формулы изобретения.
На чертежах:
на фиг. 1 показано схематическое представление первого предпочтительного варианта осуществления системы согласно изобретению,
на фиг. 2 - схематическое представление второго предпочтительного варианта осуществления системы согласно изобретению, и
на фиг. 3 - диаграмма, иллюстрирующая температуру в системе доочистки отработавших газов на протяжении цикла тестирования уровней выбросов с применением и без применения способа согласно изобретению.
Одинаковые или сходным образом функционирующие элементы далее обозначены одинаковыми ссылочными номерами.
Ссылочные номера
100 система двигателя внутреннего сгорания
1 двигатель внутреннего сгорания
2 блок цилиндров
4 поршневой цилиндр
5 сторона впуска газа в блок 2 цилиндров
6 впускной коллектор
7 сторона выпуска отработавших газов из блока 2 цилиндров
8 выпускной коллектор
10 турбина
12 канал для отработавших газов
14 система доочистки отработавших газов
16 компрессор
17 охладитель наддувочного воздуха
18 впускной канал
20 соединительный канал
22 клапан рециркуляции газа
4 клапан регулировки давления
6 датчик температуры
30 диаграмма зависимости температуры и времени при использовании способа согласно изобретению
32 диаграмма зависимости температуры и времени без использования способа согласно изобретению
На схематическом представлении на фиг.1 показана система 100 двигателя внутреннего сгорания, которая используется в автомобиле (не показанном), например, грузовом автомобиле или автобусе или любом другом автомобиле, оснащенном двигателем внутреннего сгорания. Система 100 двигателя содержит двигатель 1 внутреннего сгорания с блоком 2 цилиндров, например, из шести поршневых цилиндров 4. Кроме того, двигатель 1 внутреннего сгорания имеет сторону 5 впуска газа с впускным коллектором 6 и сторону 7 выпуска отработавших газов с выпускным коллектором 8. Отработавшие газы подводятся к турбине 10 и затем через канал 12 для отработавших газов поступают в систему 14 доочистки отработавших газов.
Системой 14 доочистки отработавших газов может являться, например, сажевый фильтр или катализатор, такой как, например, блок SCR (избирательного каталитического восстановления). Блок SCR является средством преобразования окисей азота посредством катализатора в азот и воду. Оптимальные для этих реакций температуры обычно находятся в интервале приблизительно от 250°C приблизительно до 450°C. Эта оптимальная рабочая температура может легко поддерживаться при нормальных (приводных) режимах работы двигателя.
Тем не менее, в режимах холостого хода или прокручивания двигателя 1 внутреннего сгорания температура отработавших газов падает. Это объясняется тем, что воздух, подаваемый компрессором 16 и охлаждаемый охладителем 17 наддувочного воздуха, который охлаждает воздух после его сжатия в компрессоре 16, поступает во впускной коллектор 6 блока 2 цилиндров через впускной канал 18, даже если сгорание значительно уменьшается (как в режиме работы двигателя на холостом ходу) или вообще не происходит (как при прокручивании двигателя). В свою очередь, это означает, что двигатель 1 просто нагнетает свежий и холодный воздух в канал 12 для отработавших газов и далее в систему 14 доочистки отработавших газов. Этот холодный воздух вызывает быстрое охлаждение системы 14 доочистки отработавших газов до температуры ниже ее оптимальной рабочей температуры, что в свою очередь приводит к плохой очистке отработавших газов или ее отсутствию и несоблюдению требуемых уровней выброса.
В предпочтительном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 1, предусмотрен соединительный канал 20, который соединяет канал 12 для отработавших газов и впускной канал 18. В этом варианте осуществления соединительный канал 20 ответвляется от канала 12 для отработавших газов после турбины 10.
Тем не менее, соединительный канал 20 также может ответвляться от выпускного коллектора 8 до турбины 10, как во втором предпочтительном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 2. Оба варианта осуществления, проиллюстрированных на фиг. 1 и 2, действуют одинаково независимо от того, где ответвляется соединительный канал 20.
Следует отметить, что в системах 100 двигателя внутреннего сгорания, показанных на фиг. 1 и 2, может отсутствовать турбина 10.
Как дополнительно показано на фиг. 1 и 2, в соединительном канале 20 размещается клапан 22 рециркуляции газа, которым предпочтительно является закрытый в нормальном положении простой двухпозиционный клапан. Кроме того, в канале 12 для отработавших газов размещается открытый в нормальном положении клапан 24 регулировки давления, приспособленный для уменьшения общего потока отработавших газов в систему 14 доочистки отработавших газов и стимуляции рециркуляции отработавших газов через соединительный канал 20.
Уменьшение общего потока отработавших газов через клапан 24 регулировки давления обеспечивает двойной эффект. Во-первых, уменьшается количество охлаждающего воздуха, протекающего через систему доочистки отработавших газов. Во-вторых, уменьшение скорости потока приводит к повышению давления до клапана 24 регулировки давления, что свою очередь выгодно с точки зрения стимулирования рециркуляции отработавших газов через соединительный канал 20 во впускной канал 18.
Система согласно предпочтительным вариантам осуществления, проиллюстрированным на фиг. 1 и 2, действует следующим образом: как только выключается акселератор автомобиля (например, отпускается педаль газа), и/или прекращается впрыск топливо в блок 2 цилиндров, клапан 22 рециркуляции газа открывается, а клапан 24 регулировки давления по меньшей мере частично закрывается, в результате чего часть потока отработавших газов протекает через соединительный канал 20 во впускной канал 18. В отличие от известных систем двигателей с EGR двигатель без EGR согласно изобретению не имеет охладителя отработавших газов в соединительном канале 20, и во впускной канал 18 подаются горячие отработавшие газы.
За счет подачи горячих или неохлажденных отработавших газов во впускной канал 18 и, соответственно, также в блок 2 цилиндров поток воздуха через блок 2 цилиндров в режимах холостого хода или прокручивания двигателя нагревается, что в свою очередь ослабляет эффект охлаждения системы 14 доочистки отработавших газов.
Кроме того, как описано выше, в основном за счет (по меньшей мере) частично закрытого клапана 24 регулировки давления уменьшается или даже (временно) прекращается общий поток массы отработавших газов в систему 4 доочистки отработавших газов, что также ослабляет эффект воздушного охлаждения системы 14 доочистки отработавших газов в режимах холостого хода или прокручивания двигателя.
Во избежание повреждения блока 2 цилиндров слишком горячими отработавшими газами во впускном коллекторе 6 блока 2 цилиндров размещается датчик 26 температуры. Датчик 26 температуры также влияет па регулирование клапана 24 регулировки давления, в результате чего клапан 24 регулировки давления открывается больше, если температура во впускном коллекторе превышает заданный интервал температур. В этом случае увеличивается часть потока отработавших газов, поступающего в систему 14 доочистки отработавших газов, а рециркулируется меньшее количество горячих отработавших газов. Эта максимальная температура двигателя 1 обычно находится в интервале преимущественно от 100°C преимущественно до 150°C, в частности, преимущественно от 110°C преимущественно до 130°C, предпочтительно составляет около 120°C.
Как только система регулирования температуры обнаруживает, что температура газа во впускном коллекторе 6 превышает заданную максимальную температуру, количество рециркулируемых отработавших газов уменьшается, или рециркуляция отработавших газов (временно) полностью прекращается. Это может достигаться путем увеличения степени открытия клапана 24 регулировки давления или путем полного открытия клапана 24 регулировки давления. В качестве альтернативы, рециркуляция отработавших газов также может быть прекращена путем закрытия клапана 22 рециркуляции газа, в результате чего через блок 2 цилиндров будет протекать только свежий воздух (подаваемый компрессором 16). Как только температура во впускном коллекторе 6 снова снижается и становится ниже заданной максимальной температуры, клапаны 22, 24 могут возвращаться в свои, например, предыдущие положения при рециркуляции отработавших газов, разумеется, при условии, что двигатель 1 продолжает работать в режиме холостого хода или прокручивания. В случаях, когда клапан 24 регулировки давления не предусмотрен, для регулировки рециркуляции отработавших газов должен использоваться только клапан 22.
Как уже упоминалось при рассмотрении различий между настоящим изобретением и обычными двигателями с EGR, в способе и системе согласно изобретению не предусмотрено измерение или регулирование потока массы отработавших газов во впускной канал 18. В свою очередь, это означает, что система согласно изобретению неприменима для регулируемого снижения выброса окислов азота, как это требуется или обеспечивается в обычных двигателях с EGR. Кроме того, рециркуляция отработавших газов происходит только в режиме холостого хода или прокручивания двигателя, в результате чего в других режимах работы двигателя помимо холостого хода или прокручивание двигателя не происходит снижение токсичности отработавших газов.
В отличие от описанной в WO 2007/032714 известной системы поддержания температуры, в которой температура в системе доочистки отработавших газов поддерживается за счет значительного уменьшения потока отработавших газов через систему доочистки отработавших газов, в системе согласно изобретению температура в системе доочистки отработавших газов регулируется путем подачи в нее теплых отработавших газов (только) в режиме холостого хода или прокручивания двигателя. Поскольку двигатели с EGR содержат охладитель отработавших газов, необходимый для снижения выбросов окислов азота у двигателя с EGR, рециркулируемые отработавшие газы двигателя с EGR не могут использоваться для обеспечения нагретых отработавших газов в режиме холостого хода или прокручивания двигателя.
Одним из преимуществ системы и способа согласно изобретению является то, что существующие двигатели без EGR могут быть легко оснащены системой согласно изобретению или модернизированы посредством системы согласно изобретению. Для этого на существующем канале 12 для отработавших газов двигателя 1 в качестве ответвления устанавливается соединительный канал 20, чтобы соединить существующий канал 12 для отработавших газов с существующим впускным каналом 18. Это может быть сделано, например, путем сварки. Кроме того, в соединительном канале 20, предпочтительно вблизи выхода во впускной канал 18 размещается простой двухпозиционный клапан 22, а в канале для отработавших газов 12 после ответвления от соединительного канала 20 размещается клапан 24 регулировки давления.
Само собой разумеется, что вместо двух отдельных клапанов 22, 24 может использоваться один клапан, выполняющий функции как клапана 22 рециркуляции газа, так и клапана 24 регулировки давления.
Оба клапана 22, 24 могут регулироваться контроллером, предпочтительно центральным процессором (ЦП) или электронным блоком управления (БУ), которым уже оснащен автомобиль, в зависимости от показаний температуры (предпочтительно измеряемых уже существующим датчиком 26 температуры) и впрыска топлива. Если такой датчик 26 температуры отсутствует, он может быть установлен. Контроллером может являться, например, бортовая компьютерная система, с которой соединены клапаны.
Поскольку клапаны регулируются контроллером, способ согласно изобретению предпочтительно хранится в виде программного кода в компьютерном программном продукте. Этот компьютерный программный продукт также может являться частью комплекта для модернизации.
Следует отметить, что за счет весьма небольшого числа компонентов и простоты работы система согласно изобретению является более надежной в эксплуатации, чем (весьма сложные) двигатели с EGR, при этом вероятность отказа системы согласно изобретению значительно ниже, а надежность двигателя значительно выше, чем соответствующие показатели типичного двигателя с EGR. Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов осуществления, в котором клапаном 22 рециркуляции газа является закрытый в нормальном положении клапан, и/или клапаном 24 регулировки давления является открытый в нормальном положении клапан, двигатель 1 и система 14 доочистки отработавших газов продолжают работать, даже при отказе средств регулирования клапанов 22, 24. Это затрагивает двигатель 1 лишь постольку, поскольку больше не происходит рециркуляция отработавших газов в режиме холостого хода или прокручивания двигателя автомобиля.
За счет применения способа и системы согласно изобретению при использовании двигателей без EGR также могут выгодно достигаться уровни выбросов согласно стандарту EURO 6. Это может быть продемонстрировано, например, путем проведения стандартных циклов тестирования выбросов, таких как всемирная гармонизированная процедура тестирования уровней выброса, предусматривающая два теста: всемирный гармонизированный тест в переходном цикле (WHTC, от английского - World Harmonized Transient Cycle), проводимый в условиях холодного и горячего запуска, и всемирный гармонизированный тест в стационарном цикле (WHSC, от английского - World Harmonized Steady-State Cycle). Тест WHTC представляет собой тест в переходном состоянии длительностью 1800 секунд на протяжении нескольких отрезков прокручивания двигателя. Оба цикла хорошо известны и описаны, например, в инструкции Генеральной дирекции Европейской комиссии по предпринимательству "Heavy duty engine validation of world harmonized duty cycle", которая может быть загружена из Интернета по адресу http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/automotive/files/projects/report_whdc_en.pdf.
На фиг. 3 проиллюстрированы результаты измерений температуры отработавших газов при проведении теста WHTC в условиях горячего запуска. Сравниваются результаты двух измерений: способом согласно изобретению и стандартным способом. Диаграмма 30 на фиг. 3 иллюстрирует тест WHTC способом согласно изобретению, а диаграмма 32 иллюстрирует тест WHTC при работе двигателя в стандартном режиме, т.е. без использования способа согласно изобретению. По оси x отложено время (в секундах), а по оси y отложена температура отработавших газов до системы доочистки отработавших газов (в данном случае системы SCR) (в градусах Цельсия).
Как показано на фиг. 3, различия в температуре отработавших газов до блока SCR при измерениях обоими способами составляют приблизительно от 10°C приблизительно до 50°C, при этом показания температуры при измерениях стандартным способом (диаграмма 32) всегда являются более низкими, чем показания температуры при измерениях способом согласно изобретению (диаграмма 30) (или в лучшем случае такими же). Этого различия в температуре достаточно, чтобы поддерживать рабочую температуру в блоке SCR способом согласно изобретению, в результате чего могут достигаться уровни выбросов согласно стандарту EURO 6 без дополнительного впрыска топлива даже при использовании двигателей без EGR стандартов EURO 4 и EURO 5.
Как описано выше, способ и система согласно изобретению обеспечивают простую, рентабельную и надежную возможность создания двигателя без EGR со свойствами согласно стандарту EURO 6. Это также означает, что надежные, хорошо известные и испытанные двигатели без EGR можно легко адаптировать к требованиям стандарта EURO 6. Кроме того, обеспечивается возможность простой модернизации автомобилей стандартов EURO 4 и EURO 5.