СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК F02B37/10 F02B37/18 F02D23/00 F01N3/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам двигателя с наддувом, содержащим турбонагнетатель.

Уровень техники

В двигателе автомобиля может быть желательным уменьшение вредных выбросов во время запуска, чтобы можно было снизить среднее значение вредных выбросов двигателя на ездовой цикл. Одним из способов уменьшения количества выбросов двигателя во время запуска является работа двигателя на богатой смеси и подача воздуха в выхлопную систему, соединенную с двигателем. При этом в выхлопной системе происходит окисление компонентов выхлопных газов двигателя. В частности, окисление углеводородов в выхлопных газах может происходить при соединении с воздухом и попадании в выхлопную систему. Окисляющиеся углеводороды высвобождают тепло, которое может быть направлено в устройства доочистки выхлопных газов в выхлопной системе. За счет теплопередачи уменьшается время, необходимое для достижения рабочей температуры устройства доочистки выхлопных газов. Следовательно, устройство доочистки выхлопных газов может начать преобразовывать выхлопные компоненты в необходимые соединения ближе к запуску двигателя, таким образом уменьшая количество вредных выбросов двигателя. Однако системы с нагнетанием воздуха в выхлопную систему двигателя повышают стоимость системы и менее надежны, чем системы без нагнетания воздуха в выхлоп двигателя.

Раскрытие изобретения

Для преодоления вышеуказанных ограничений был разработан способ эксплуатации двигателя, в котором для увеличения времени прохождения выхлопных газов двигателя через выхлопной коллектор осуществляют вращение соединенного с двигателем турбонагнетателя, в первом направлении, а для повышения выходного крутящего момента двигателя осуществляют вращение турбонагнетателя во втором направлении, отличающемся от первого направления.

За счет вращения турбонагнетателя в разных направлениях можно снизить количество выхлопных газов и увеличить полезную мощность двигателя. Например, после запуска двигателя, турбонагнетатель может вращаться в первом направлении, противоположном направлению движения выхлопных газов двигателя, создаваемому в турбонагнетателе, чтобы выхлопные газы задерживались в выпускном коллекторе двигателя на большее время. Чем больше будет время их задержки, тем более полным будет окисление выхлопных газов в выпускном коллекторе, что позволит уменьшить вредные выбросы двигателя. Кроме того, вращение турбонагнетателя в первом направлении, противоположном направлению вращения турбонагнетателя под действием выхлопных газов, выходящих из цилиндров двигателя, может увеличить противодавление выхлопных газов, что может в некоторых условиях также уменьшить вредные выбросы двигателя. Таким образом, турбонагнетатель может вращаться во втором направлении, чтобы увеличить давление воздуха, поступающего в двигатель, в результате чего увеличится полезная мощность двигателя.

Предложенный способ имеет ряд преимуществ. В частности, он позволяет снизить вредные выбросы во время холодного запуска двигателя. Кроме того, данный подход позволяет уменьшить потребление топлива за счет уменьшения времени активации катализатора, чтобы сократить период времени, когда двигатель работает с меньшей эффективностью. Также данный способ обеспечивает более надежный способ снижения вредных выбросов по сравнению с системами, где используется подача вторичного воздуха в выхлопную систему.

Указанные выше преимущества, а также прочие преимущества и характеристики настоящего изобретения будут очевидны при ознакомлении с приведенным далее подробным описанием, отдельно или со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Следует понимать, что вышеприведенное краткое изложение сущности изобретения представлено для описания в упрощенной форме ряда выбранных концепций, дальнейшее изложение которых приводится ниже в подробном описании. Краткое раскрытие сущности изобретения не направлено на определение основных или существенных характеристик заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определяется формулой изобретения. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивается вариантами реализации изобретения, устраняющими какой-либо из недостатков, указанных выше или в любой части данного раскрытия.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показано схематическое изображение системы двигателя;

На Фиг.2 и 3 показаны примеры устройств для изменения направления вращения турбонагнетателя;

На Фиг.4 и 5 показаны примеры условий, когда турбина турбонагнетателя вращается в направлении, противоположном направлению вращения турбины при выпуске выхлопных газов из цилиндров двигателя;

На Фиг.6 и 7 представлены данные о последовательности процессов, полученные при моделировании холодного запуска двигателя;;

На Фиг.8 показан пример способа эксплуатации турбонагнетателя.

Осуществление изобретения

Данное описание относится к работе турбонагнетателя. В одном примере турбина турбонагнетателя вращается в направлении, которое определено потоком выхлопных газов из цилиндров двигателя. В другом примере турбина турбонагнетателя вращается в направлении, противоположном направлению вращения турбины под действием выхлопных газов двигателя. Данный подход может позволить уменьшить вредные выбросы двигателя за счет более полного окисления выхлопных газов в выпускном коллекторе. Один из примеров системы показан на Фиг.1. Двигатель и турбонагнетатель могут работать, используя последовательность, приведенную на Фиг.6 и 7, с помощью способа, показанного на Фиг.8. Примеры турбонагнетателей показаны на Фиг.2 и 3. На Фиг.4 и 5 показан поток выхлопных газов рядом с турбонагнетателем согласно способу на Фиг.8. Последовательности запуска двигателя по способу на Фиг.8 показаны на Фиг.6 и 7.

На Фиг.1 показана схема двигателя 10 внутреннего сгорания, содержащего несколько цилиндров, один из которых представлен на Фиг.1, и который управляется электронным контроллером 12 двигателя. Двигатель 10 содержит камеру 30 сгорания и стенки 32 цилиндра с поршнем 36, размещенным в них и соединенным с коленчатым валом 40. Камера 30 сгорания показана сообщающейся с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Каждый впускной и выпускной клапан может быть приведен в действие впускным кулачком 51 и выпускным кулачком 53. Положение впускного кулачка 51 может быть определено датчиком 55 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 53 может быть определено датчиком 57 выпускного кулачка.

Топливная форсунка 66 показана расположенной таким образом, чтобы впрыскивать топливо непосредственно в камеру сгорания 30, что известно специалистам в данной области как «прямой впрыск». Альтернативно, топливо может впрыскиваться во впускные каналы, что известно специалистам как «впрыск во впускные каналы». Топливная форсунка 66 поставляет топливо пропорционально ширине импульса сигнала (FPW) от контроллера 12. Топливо подается к топливной форсунке 66 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу (не показаны).

Воздух подается во впускной коллектор 44 компрессором 162. Выхлопные газы вращают турбину 164, которая соединена с валом 161, тем самым приводя в действие компрессор 162. В некоторых примерах также предусмотрен перепускной канал 77, так что выхлопные газы могут при определенных условиях обходить турбину 164. Также в некоторых примерах может быть предусмотрен перепускной канал 86 компрессора, для ограничения давления, создаваемого компрессором 162. Поток, проходящий через канал 86, регулируется с помощью клапана 85. В этом примере первое магнитное поле создается обмоткой или постоянными магнитами 170, соединенными с валом 161, а обмотка 171 создает второе магнитное поле, когда ток подается с помощью контроллера 12. Оба магнитных поля могут вращать или останавливать вал 161 и управлять направлением вращения компрессора 162 и турбины 164. Также впускной коллектор 44 соединен с центральным дросселем 62, который регулирует положение дроссельной заслонки 64 для управления потоком воздуха, выходящим из воздухозаборника 42 двигателя. Центральный дроссель 62 может работать от электропривода.

Бесконтактная система 88 зажигания обеспечивает искру зажигания в камере 30 сгорания с помощью свечи 92 зажигания под управлением контроллера 12. В других примерах могут быть использованы двигатели с воспламенением от сжатия, например, дизельные двигатели, в которых отсутствует система зажигания. Универсальный кислородный датчик 126 (UEGO) показан соединенным с выхлопным коллектором 48 выше по потоку каталитического конвертера 70. Кроме того, бистабильный датчик содержания кислорода в отработавших газах может быть заменен универсальным кислородным датчиком 126 (UEGO).

Согласно одному из примеров, конвертер 70 может содержать ряд блоков катализаторов. В других примерах могут использоваться устройства для снижения токсичности выхлопа, каждое из которых содержит ряд блоков. Конвертер 70 может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

Контроллер 12 показан на Фиг.1 как традиционный микрокомпьютер, содержащий: микропроцессорный блок 102 (CPU), порты 104 ввода и вывода (I/O), постоянное запоминающее устройство 106 (ROM), оперативную память 108 (RAM), оперативную энергонезависимую память 110 (KAM) и обычную шину данных. Контроллер 12 показан получающим различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10. Помимо описанных выше сигналов, контроллер также получает следующие данные: о температуре охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) от датчика 112 температуры, соединенного с каналом 114 охлаждения; от датчика положения 134, соединенного с педалью газа 130, для измерения силы нажатия ногой 132; измерения давления в коллекторе двигателя (MAP) от датчика давления 122, соединенного с впускным коллектором 44; о фазе двигателя с датчика 118 на эффекте Холла, считывающего положение коленчатого вала 40; показания датчика 120 воздушной массы, поступающей в двигатель (например, теплового измерителя воздушного потока); и показания положения дросселя от датчика 58. Также для обработки контроллером 12 может быть измерено барометрическое давление (датчик не показан). Согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения, датчик 118 на эффекте Холла производит заранее установленное количество равномерных импульсов в каждый цикл коленчатого вала, на основании которых может быть определена скорость вращения двигателя (RPM).

В некоторых примерах двигатель может быть соединен с электромотором/батареей, как например в гибридных автомобилях. Автомобиль с гибридным приводом может иметь параллельную и последовательную конфигурации, а также их комбинации и вариации. Кроме того, в некоторых вариантах можно использовать другие конфигурации двигателя, например, дизельный двигатель.

Во время работы каждый цилиндр в двигателе 10 обычно проходит 4 рабочих цикла: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Во время впуска обычно выпускной клапан 54 закрывается, а впускной клапан 52 открывается. Воздух поступает в камеру сгорания 30 через впускной коллектор 44, а поршень 36 двигается по направлению к дну цилиндра так, чтобы увеличить объем внутри камеры сгорания 30. Положение, в котором поршень 36 находится рядом с дном цилиндра и в конце своего хода (т.е. когда камера сгорания 30 имеет наибольший объем) обычно называется специалистами в данной области нижней мертвой точкой (НМТ). Во время хода сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 двигается по направлению к головке цилиндров, чтобы сжать воздух внутри камеры сгорания 30. Точка, в которой поршень 36 находится в конце своего хода и наиболее близко к головке цилиндров (т.е. когда камера сгорания имеет наименьший объем) обычно называется специалистами в данной области верхней мертвой точкой (ВМТ). В процессе, здесь и далее обозначаемом «впрыскивание», топливо поступает в камеру сгорания. В процессе, здесь и далее обозначаемом «зажигание», впрыснутое топливо воспламеняют с помощью известных способов зажигания, таких как свеча 92 зажигания, что приводит к сгоранию. Во время рабочего хода расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно к НМТ. Коленчатый вал 40 превращает движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время хода выпуска, выпускной клапан 54 открывается, чтобы выпустить воспламененную смесь воздуха и топлива в выпускной коллектор 48, а поршень возвращается к ВМТ. Можно отметить, что вышеизложенное приведено только в качестве примера, и распределение по времени открывания и/или закрывания впускного и выпускного клапанов может меняться так, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрывание впускного клапана или различные другие варианты.

На Фиг.2 показано поперечное сечение первого устройства для изменения направления вращения турбонагнетателя. Турбина 164 механически соединена с валом 161. Компрессор 162 также механически соединен с валом 161. Вал 161 установлен на подшипниках 210.

Во время работы двигателя выхлопные газы воздействуют на турбину 164, заставляя ее вращаться в первом направлении, таким образом вращая вал 161 и компрессор 162. Однако в выбранном режиме работы двигателя (например, на холостом ходу после запуска двигателя), ток может проходить через обмотку 171 с помощью контроллера 12, создавая первое магнитное поле. Второе магнитное поле, создаваемое обмоткой, или постоянными магнитами 170, притягивается и/или отталкивается от первого магнитного поля для вращения или удержания неподвижного вала 161. Подача тока в обмотку 171 позволяет магнитному полю вращать вал 161 в направлении, противоположном направлению вращения вала 161, когда выхлопной газ создает силу, действующую на турбину 164.

На Фиг.3 показано поперечное сечение альтернативного устройства 300 для изменения направления вращения турбонагнетателя. Компоненты устройства 300, аналогичные компонентам устройства на Фиг.2, обозначены теми же номерами и работают так же, как указано в описании к Фиг.2.

Устройство 300 включает в себя устройство 340 управления гидравлическим потоком (например, клапан) и гидравлический насос 342. Гидравлический насос соединен с валом 161 и включают в себя лопатки 343. Вал 161 может вращаться при открывании клапана 340, что позволяет гидравлической текучей среде, например, маслу, поступать в гидравлический насос 342. Открывание клапана 340 позволяет маслу заставить лопатки 343 вращать вал 161 в направлении, противоположном направлению вращения вала 161, когда выхлопной газ создает силу, действующую на турбину 164. В одном примере гидравлический насос 342 может быть гидравлическим образом приведен в действие в одном направлении, обеспечивая обратное вращение турбины.

На Фиг.4 показан пример потока газа рядом с турбонагнетателем, когда турбина вращается в направлении, противоположном направлению вращения турбины под воздействием выхлопных газов. В данном примере перепускной клапан 75 находится в открытом состоянии, что позволяет выхлопным газам проходить через обводной канал 77. Выхлопные газы выходят из цилиндров двигателя в направлении, указанном стрелкой 402. Выхлопные газы двигателя смешиваются с выхлопными газами, выходящими их участка, расположенного ниже по потоку (например, в направлении потока выхлопных газов из цилиндров двигателя) относительно турбины 164, как указано стрелкой 408. Турбина 164 подает выхлопные газы на участок, находящийся выше по потоку относительно турбины 164, в направлении стрелки 406 при вращении в обратном направлении с помощью электромеханического или гидравлического привода (например, устройства, показанные на Фиг.2 и 3). Как показано на рисунке, смешанный поток выхлопных газов движется в направлении стрелки 404 через перепускной клапан 75 по каналу 77, когда перепускной клапан 75 открыт. Выхлопные газы выходят из перепускного клапана 75 и попадают в окружающую среду, как указано стрелкой 410, либо возвращаются обратно в направлении, указанном стрелкой 412. В этом примере, направления вращения турбины вперед и назад обозначены стрелкой.

Таким образом, при вращении в обратном направлении с помощью гидравлической или электрической движущей силы выхлопные газы проходят через турбину 164 и возвращаются на участок выше по потоку относительно турбины 164. При вращении турбины 164 в обратном направлении время задержки выхлопных газов на участке выше по потоку относительно турбины 164 увеличивается, а, значит, происходит более полное окисление выхлопных газов. Такая модель потока выхлопных газов может быть создана сразу после запуска двигателя, чтобы окисление выхлопных газов в выхлопной системе было более полным.

На Фиг.5 показан пример условий потока газа рядом с турбонагнетателем, когда турбина вращается в направлении, противоположном направлению вращения турбины под воздействием выхлопных газов. В данном примере перепускной клапан 75 находится в закрытом состоянии, предотвращая прохождение выхлопных газов через обводной канал 77. Выхлопные газы из цилиндров двигателя проходят в направлении, указанном стрелкой 502. Выхлопные газы двигателя смешиваются с выхлопными газами, выходящими из участка ниже по потоку (например, в направлении потока выхлопных газов из цилиндров двигателя) относительно турбины 164, как указано стрелкой 508. Турбина 164 подает выхлопные газы в участок выше по потоку относительно турбины 164 при вращении в обратном направлении с помощью электромеханического или гидравлического привода (например, устройства, показанные на Фиг.2 и 3). Когда перепускной клапан 75 находится в закрытом состоянии, то через обводной канал 77 выхлопные газы практически не проходят. Небольшое количество выхлопных газов может проходить через турбину 164 к участку ниже по потоку относительно турбины 164, как указано стрелкой 512. В некоторых примерах перепускной клапан 75 может находиться в закрытом состоянии только в течение короткого периода времени, поэтому определенное количество выхлопных газов может быть удалено из цилиндров двигателя, чтобы двигатель продолжал работать.

Таким образом, при вращении в обратном направлении с помощью гидравлической или электрической движущей силы, выхлопные газы и/или воздух могут проходить через турбину 164 и обратно на участок выше по потоку относительно турбины 164. При вращении турбины 164 в обратном направлении время задержки выхлопных газов на участке выше по потоку относительно турбины 164 растет, поэтому возможно более полное окисление выхлопных газов. Такая модель потока выхлопных газов может быть создана сразу после запуска двигателя (например, когда частота вращения двигателя находится между частотой прокручивания и частотой вращения на холостом ходу).

На Фиг.6 показаны результаты моделирования последовательности процессов холодного запуска двигателя. Последовательность, показанная на Фиг.6 может быть реализована с помощью системы, показанной на Фиг.1-3, при выполнении команд, хранящихся в постоянной памяти, согласно способу на Фиг.8.

Первый график на Фиг.6 представляет собой график зависимости скорости вращения двигателя от времени. На оси Y указаны значения скорости вращения двигателя, а на оси X - значения времени. Значения времени увеличиваются в направлении слева направо. Значения скорости вращения двигателя увеличиваются по направлению оси Y.

Второй график на Фиг.6 представляет собой график зависимости температуры устройства доочистки выхлопных газов (например, температуры каталитического нейтрализатора) от времени. На оси Y указаны значения температуры устройства доочистки выхлопных газов, а на оси X - значения времени. Значения времени увеличиваются в направлении слева направо. Значения температуры устройства доочистки выхлопных газов увеличиваются по направлению оси Y. Горизонтальная линия 602 показывает пороговую температуру устройства доочистки выхлопных газов. Например, устройство доочистки выхлопных газов работает с расчетным уровнем эффективности, если температура устройства доочистки выхлопных газов превышает пороговое значение 602. Если пороговая температура устройства доочистки выхлопных газов не превышает порогового значения 602, устройство доочистки выхлопных газов работает с эффективностью ниже расчетного уровня. Линия 603 показывает температуру устройства доочистки выхлопных газов, когда двигатель работает по методу на Фиг.8. Линия 604 показывает температуру устройства доочистки выхлопных газов, если двигатель не работает по способу на Фиг.8.

Третий график на Фиг.6 представляет собой график зависимости необходимого крутящего момента двигателя от времени. На оси Y указаны значения необходимого крутящего момента двигателя, а на оси X - значения времени. Значения времени увеличиваются в направлении слева направо. Значения необходимого крутящего момента двигателя увеличиваются по направлению оси Y.

Четвертый график на Фиг.6 представляет собой график зависимости направления вращения турбины в зависимости от времени. На оси Y указано направление вращения турбины, а на оси X - значения времени. Значения времени увеличиваются в направлении слева направо. Турбина вращается в обратном направлении, если значение выше линии 610, и в прямом направлении, если значение ниже линии 610. Прямое направление турбины - это направление, когда турбина вращается под действием выхлопных газов, а не от электрического или гидравлического привода.

Пятый график на Фиг.6 представляет собой график зависимости положения перепускного клапана турбонагнетателя от времени. На оси Y указано положение перепускного клапана, а на оси X - значения времени. Значения времени увеличиваются в направлении слева направо. Степень открытия перепускного клапана увеличивается по направлению оси Y.

При значении времени T₀, двигатель остановлен, а температура устройства доочистки выхлопных газов находится на нижнем уровне. Значение запрашиваемого крутящего момента двигателя также является низким, и турбина не вращается. Кроме того, перепускной клапан турбонагнетателя находится в закрытом положении.

На отрезке T₀-T₁ происходит запуск двигателя согласно запросу на запуск, о чем свидетельствует увеличение частоты вращения двигателя. Температура устройства доочистки выхлопных газов остается низкой, но при этом начинает увеличиваться. Значение запрашиваемого крутящего момента двигателя остается на низком уровне, турбина не вращается. Однако в некоторых примерах турбонагнетатель начинает вращаться в обратном направлении при запросе на запуск двигателя. Перепускной клапан турбонагнетателя остается в закрытом положении. В некоторых примерах, перепускной клапан турбонагнетателя может быть открыт в ответ на запрос запуска двигателя.

В момент T₁ турбина начинает вращаться в обратном направлении. В частности, турбина вращается в направлении, противоположном направлению вращения турбины под действием выхлопных газов, выходящих из цилиндров двигателя. В одном примере турбина вращается в обратном направлении при истечении периода времени после последнего останова двигателя и в зависимости от температуры устройства доочистки выхлопных газов. В качестве альтернативы турбина может вращаться назад, когда двигатель набрал необходимую частоту вращения за время после запуска. Температура устройства доочистки выхлопных газов начинает увеличиваться, углеводороды окисляются в выпускном коллекторе, так как изменение направления вращения турбонагнетателя увеличивает время пребывания выхлопных газов в выпускном коллекторе двигателя. Также перепускной клапан остается в закрытом положении, хотя, как было упомянуто ранее, перепускной клапан может быть при необходимости открыт заранее. Значение необходимого крутящего момента двигателя остается на низком уровне. Поток выхлопных газов турбины в момент T₁ показан на Фиг.5.

В момент T₂ на перепускной клапан отправляется команда на открывание, а выхлопные газы обтекают турбину, как показано на Фиг.4. Перепускной клапан может быть открыт в зависимости от уровня противодавления выхлопных газов или периода времени, прошедшего с момента последнего останова двигателя. Температура устройства доочистки выхлопных газов продолжает увеличиваться, а крутящий момент двигателя остается на относительно низком уровне.

В момент Т₃ необходимый крутящий момент двигателя увеличивается, а перепускной клапан закрывается при увеличении запрашиваемого крутящего момента. Команду на увеличение крутящего момента двигателя может подать или водитель, или контроллер. Кроме того, в результате увеличения запрашиваемого крутящего момента двигателя, сила, приложенная к валу турбонагнетателя с помощью электрического или гидравлического устройства, прекращает действие. Также перепускной клапан закрывается в результате запроса на крутящий момент двигателя. Таким образом, выхлопные газы двигателя меняют вращение турбины с обратного направления на прямое направление. После изменения направления вращения турбины турбонагнетатель начинает подавать сжатый воздух в двигатель. Перед изменением направления вращения турбины компрессор также вращается в обратном направлении и не подает сжатый воздух в двигатель. В некоторых примерах обводной клапан компрессора может быть открыт для подачи воздуха в двигатель, когда компрессор вращается в обратном направлении.

В момент T₄ запрашиваемый крутящий момент двигателя уменьшается до минимального значения по команде от водителя или от контроллера. Частота вращения двигателя начинает уменьшаться, а перепускной клапан частично закрывается в ответ на понижение запрашиваемого крутящего момента двигателя. Температура устройства доочистки выхлопных газов в момент T₄ не превышает пороговый уровень 602, но она продолжает увеличиваться, и в конечном итоге становится выше порогового уровня 602. После увеличения запрашиваемого крутящего момента двигателя турбина продолжает вращаться вперед.

Таким образом, турбина может вращаться назад, а затем вперед, в зависимости от значения запрашиваемого крутящего момента двигателя. Вращение турбонагнетателя вперед позволяет компрессору турбонагнетателя подавать сжатый воздух в двигатель согласно значению запрашиваемого крутящего момента двигателя.

На Фиг.7 показана еще одна смоделированная последовательность процессов холодного запуска двигателя. Последовательность на Фиг.7 может быть реализована с помощью системы, показанной на Фиг.1-3 при выполнении команд, хранящихся в постоянной памяти, согласно способу на Фиг.8. Графики, представленные на Фиг.7, имеют сигналы, аналогичные сигналам, описанным в отношении Фиг.6. Следовательно, для краткости график и описания сигналов пропускаются, рассматриваются лишь различия между графиками. Линия 703 представляет собой температуру устройства доочистки выхлопных газов для данной последовательности по способу на Фиг.8. Линия 704 представляет собой температуру устройства доочистки выхлопных газов, когда способ на Фиг.8 не применяется.

В момент T₀ двигатель остановлен, а температура устройства доочистки выхлопных газов находится на низком уровне. Запрашиваемый крутящий момент двигателя также низкий, турбина не вращается. Перепускной клапан турбонагнетателя находится в закрытом положении.

Между моментом T₀ и T₁ происходит запуск двигателя согласно запросу на запуск, о чем свидетельствует увеличение частоты вращения двигателя. Температура устройства доочистки выхлопных газов остается низкой, но начинает увеличиваться. Значение запрашиваемого крутящего момента двигателя остается на низком уровне, турбина не вращается. Однако в некоторых примерах при запросе на запуск двигателя турбонагнетатель может начать вращаться в обратном направлении. Перепускной клапан турбонагнетателя остается в закрытом положении. Однако в некоторых примерах при запросе на запуск двигателя перепускной клапан турбонагнетателя может быть открыт.

В момент Т₁ турбина турбонагнетателя вращается в обратном направлении с помощью электрического или гидравлического привода, действующего на вал турбонагнетателя. В одном примере привод работает согласно описанию на Фиг.2 или 3. Перепускной клапан изначально закрыт, а запрашиваемый крутящий момент двигателя находится на низком уровне. Температура устройства доочистки выхлопных газов начинает увеличиваться, углеводороды окисляются в выпускном коллекторе, поскольку изменение направления вращения турбонагнетателя увеличивают время пребывания выхлопных газов в выпускном коллекторе двигателя. Турбина турбонагнетателя может вращаться в обратном направлении после завершения периода времени с момента останова двигателя, и в зависимости от температуры устройства доочистки выхлопных газов.

В момент Т₂ устройство доочистки выхлопных газов достигает пороговой температуры 602. При температуре выше уровня 602 устройство доочистки выхлопных газов преобразует компоненты выхлопных газов в CO₂ и H₂O с необходимой эффективностью. При достижении порогового значения температуры устройства доочистки выхлопных газов, направление вращения турбины и компрессора изменяется с обратного на прямое. В частности, подача энергии для вращения турбины в обратном направлении прекращается, а перепускной клапан закрывается, при этом объем выхлопных газов, действующих на турбину, увеличивается, изменяя направление вращения турбины. Запрашиваемый крутящий момент двигателя остается на низком уровне.

Таким образом, когда запрашиваемый крутящий момент двигателя в данном примере находится на низком уровне, а температура устройства доочистки выхлопных газов достигает порогового значения 602 перед увеличением запрашиваемого крутящего момента двигателя, вращение турбины меняет направление в зависимости от температуры устройства доочистки выхлопных газов.

На Фиг.8 показан способ работы турбонагнетателя. Способ на Фиг.8 может храниться в виде команд, записанных в постоянной памяти контроллера 12 в системе, показанной на Фиг.1. На Фиг.8 показана последовательность операций, описанных на Фиг.6 и 7.

На этапе 802 способ 800 предполагает определение рабочих условий. Рабочие условия могут включать в себя следующие неограничивающие параметры: частоту вращения двигателя, температуру устройства доочистки выхлопных газов, нагрузку двигателя, запрашиваемый крутящий момент двигателя, температуру двигателя, давление впускного коллектора и противодавление на выхлопе. После определения рабочих условий способ 800 переходит на этап 804.

На этапе 804 способ 800 предполагает проверку истечения заданной продолжительности времени или выполнения условий после запуска двигателя. В одном примере заданная продолжительность - это период времени или количество циклов сгорания с момента последнего останова двигателя. В других примерах заданное условие - это запрос на запуск двигателя. Если заданное время истекло или было выполнено условие после запроса запуска двигателя, ответ на этапе 804 - «да», способ 800 переходит к этапу 806. В противном случае способ 800 переходит к этапу 804.

На этапе 806 способ 800 предполагает определение, превышает ли температура устройства доочистки выхлопных газов (например, каталитический нейтрализатор или сажевый фильтр) пороговое значение. Пороговое значение температуры может быть разным для разных режимов работы двигателя. Например, пороговая температура может иметь одно значение для запуска двигателя при первой температуре. Пороговая температура может иметь второй значение для запуска двигателя при второй температуре, причем вторая температура больше первой температуры. Если температура устройства доочистки выхлопных газов больше порогового значения, ответ на этапе 806 - «да», то способ 800 переходит к этапу 830. В противном случае способ 800 переходит к этапу 810.

На этапе 830 способ 800 предусматривает прекращение подачи энергии для вращения турбины в обратном направлении (например, направление, противоположное направлению выходящих из двигателя выхлопных газов, приводящее турбину в действие), выхлопные газы вращают турбину в прямом направлении. Кроме того, если турбина вращается в обратном направлении с перепускным клапаном турбонагнетателя в открытом положении, то на перепускной клапан отправляется команда на закрывание в зависимости от температуры устройства доочистки выхлопных газов, запрашиваемого крутящего момента двигателя или периода времени с момента последнего останова двигателя. Закрывание перепускного клапана позволяет турбине менять направление быстрее, чем при открытом перепускном клапане. После начала вращения турбины в прямом направлении сжатый воздух подается в двигатель с помощью компрессора.

На этапе 810 способ 800 предполагает определение, насколько запрашиваемый крутящий момент двигателя превышает пороговое значение. В одном примере, значение запрашиваемого крутящего момента двигателя может быть задано путем нажатия на педаль акселератора, как показано на Фиг.1. В других примерах значение запрашиваемого крутящего момента двигателя может быть задано контроллером, например, контроллером гибридной трансмиссии. Если в способе 800 было определено, что запрашиваемый крутящий момент двигателя превышает пороговое значение, ответ на этапе 810 - «да», то способ 800 переходит к этапу 830. В противном случае способ 800 переходит к этапу 812.

На этапе 812 способ 800 предусматривает вращение турбины турбонагнетателя и компрессора в обратном направлении. В одном примере обратное направление - это направление, противоположное направлению вращения турбины, когда выхлопные газы действуют на лопатки турбины. Турбина может вращаться в обратном направлении с помощью электрического или гидравлического привода, как показано на Фиг.2 и 3. После того, как турбина начинает вращаться в обратном направлении, способ 800 переходит к этапу 814.

На этапе 814 способ 800 предусматривает определение, находится ли абсолютное давление впускного коллектора двигателя (MAP) на необходимом уровне. Так как вращение компрессора в обратном направлении может ограничить подачу воздуха во впускной коллектор, необходимо проверить MAP для того, чтобы убедиться в том, что необходимое количество воздуха поступает в двигатель. Если MAP не соответствует необходимому уровню, ответ будет «нет», и способ 800 переходит к этапу 822. В противном случае, ответ будет «да», способ 800 переходит к этапу 816.

На этапе 822 способ 800 предусматривает определение, соответствует ли степень открывания дросселя пороговому значению (например, более 40% от доступной степени открывания дросселя). Если значение открывания не соответствует пороговому значению, ответ будет «нет», и способ 800 переходит к этапу 824. Если степень открывания дросселя соответствует пороговому значению, ответ будет «да», и способ 800 переходит к этапу 826.

На этапе 824 для обеспечения необходимого MAP регулируется степень открывания дросселя. Если давление MAP ниже необходимого значения, степень открывания дросселя увеличивается. Если давление MAP выше необходимого значения, степень открывания дросселя уменьшается. В одном примере увеличение или уменьшение степени открывания дросселя может зависеть от разности между необходимым значением давления MAP и фактическим или измеренным давлением MAP. После установки значения открытия дросселя способ 800 переходит к этапу 814.

На этапе 826 способ 800 предусматривает открывание обводного клапана компрессора, чтобы повысить давление MAP. Если обводной клапан компрессора - двухпозиционный, то обводной клапан компрессора переходит из закрытого положения в открытое. Если обводной клапан компрессора регулируется между более чем двумя состояниями, степень открывания обводного клапана компрессора может быть увеличена на заданное значение. После установки положения обводного клапана компрессора способ 800 переходит к этапу 824.

На этапе 816 способ 800 предусматривает определение, превышает ли противодавление выхлопных газов заданное заранее значение. Также в некоторых примерах в способе 800 предусматривает определение, истекло ли заданное время с момента останова двигателя. Если ответ на одно или оба условия будет положительным, способ 800 переходит к этапу 818. Если ответ будет «нет», способ 800 переходит к этапу 804.

На этапе 818 способ 800 предусматривает открывание перепускного клапана турбонагнетателя, чтобы выхлопные газы обтекали турбину. Перепускной клапан может открываться с помощью электрического или пневматического привода. После открывания перепускного клапана способ 800 переходит к этапу 820.

На этапе 820 способ 800 предусматривает повторное пропускание выхлопных газов из участка ниже по потоку относительно турбины (например, в направлении потока выхлопных газов от двигателя в окружающую среду) или от перепускного клапана к впускному отверстию турбины при обратном вращении турбины. В некоторых примерах скорость обратного вращения турбины может быть изменена в зависимости от режима работы двигателя. Например, турбина может вращаться в обратном направлении на более высокой скорости при повышении частоты вращения двигателя. В качестве альтернативы скорость вращения турбины может быть уменьшена при снижении частоты вращения двигателя. После начала рециркуляции выхлопных газов способ 800 переходит к этапу 804.

Таким образом, направление вращения турбонагнетателя может быть отрегулировано таким образом, чтобы выхлопные газы могли повторно проходить вокруг турбонагнетателя для улучшения окисления выхлопных газов. Также обратное вращение турбины может быть остановлено при возникновении запроса на крутящий момент двигателя, истечении времени после останова двигателя и при отпределенной температуре устройства доочистки выхлопных газов.

Таким образом, способ на Фиг.8 представляет собой способ эксплуатации двигателя, в котором осуществляют вращение соединенного с двигателем турбонагнетателя в первом направлении, чтобы увеличить время нахождения выхлопных газов двигателя в выпускном коллекторе; осуществляют вращение турбонагнетателя во втором направлении, чтобы повысить выходной крутящий момент двигателя. Способ также предусматривает вращение турбонагнетателя в первом направлении в ответ на температуру или время, прошедшее с момента последней остановки двигателя. Способ также предусматривает использование значения температуры устройства доочистки выхлопных газов или температуры двигателя.

В другом примере способ предусматривает вращение турбонагнетателя, работающего от гидравлического привода, в первом направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов, и вращение турбонагнетателя, работающего без гидравлического привода, во втором направлении, совпадающем с направлением потока выхлопных газов. Таким образом, гидравлический насос, вращающий турбину, может работать от гидравлического привода в первом направлении. Перепускной клапан турбонагнетателя открывается при вращении турбонагнетателя в первом направлении. Обводной клапан компрессора турбонагнетателя открывается при вращении турбонагнетателя в первом направлении. Кроме того, турбонагнетатель вращается от электрического привода в первом направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов.

В другом примере способ с Фиг.8 предусматривает рециркуляцию выхлопных газов двигателя, проходящих через перепускной клапан в направлении, противоположном потоку выхлопных газов двигателя при вращении турбины турбонагнетателя в направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов двигателя, приводящих в действие турбину турбонагнетателя. Способ также предусматривает прекращение вращения турбины турбонагнетателя в направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов двигателя, приводящих в действие турбину турбонагнетателя, при увеличении запрашиваемого крутящего момента двигателя. Способ также предусматривает подачу в двигатель сжатого воздуха с помощью турбонагнетателя, в ответ на запрос увеличения запрашиваемого крутящего момента двигателя. Способ также предусматривает закрывание перепускного клапана при возникновении запроса на увеличение запрашиваемого крутящего момента.

В другом примере способ предусматривает прекращение вращения турбонагнетателя в направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов двигателя, приводящих в действие турбину турбонагнетателя, в зависимости от значения температуры. Температурой является температура двигателя или температура устройства для доочистки выхлопных газов. Способ также предполагает начало рециркуляции по истечении определенного времени после последней остановки двигателя.

В другом примере способ на Фиг.8 предусматривает обеспечение вращения турбонагнетателя, соединенного с двигателем, в первом направлении, для сжатия воздуха, поступающего во впускной коллектор; обеспечения вращения турбонагнетателя во втором направлении для подачи выхлопных газов из перепускного клапана выше по потоку относительно устройства доочистки выхлопных газов к точке выше по потоку относительно перепускного клапана. В одном примере, во время вращения турбонагнетателя во втором направлении перепускной клапан открывается. Способ также предусматривает регулирование положения дросселя для достижения необходимого давления MAP во впускном коллекторе двигателя. В некоторых примерах способ предусматривает регулирование положения обводного клапана компрессора при достижении необходимого давления MAP. Способ также предусматривает открывание перепускного клапана при завершении заданной продолжительности времени после запуска двигателя. В одном примере, место выше по потоку относительно перепускного клапана является впускным отверстием турбины.

Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, описанные со ссылкой на Фиг.8 процедуры могут представлять собой один или несколько принципов обработки, такие как принцип событийного управления, управления прерываниями, многозадачный режим, многопоточный режим, и прочие. По существу, различные действия, операции или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно, или, в некоторых случаях, пропущены. Аналогично, порядок действий не является обязательным, чтобы достичь характеристик и эффекта описанных примерных вариантов выполнения, он представлен для объяснения иллюстраций и описания. Одно или более проиллюстрированных действий или функций может быть повторено в зависимости от конкретной используемой стратегии.

Специалистам в данной области понятно, что допускаются различные изменения и модификации изобретения без выхода за рамки его сущности. Например, описанная выше технология может применяться к двигателям I2, I3, I4, I5, V6, V8, V10, V12 и V16, а также двигателям, работающим на природном газе, газолине, дизельном топливе или альтернативном топливе.

Изобретение может быть использовано в двигателях с наддувом, содержащих турбонагнетатели. Способ эксплуатации двигателя (10) с турбонагнетателем (164, 161, 162) заключается в том, что осуществляют вращение турбонагнетателя в первом направлении для увеличения времени нахождения выхлопных газов двигателя в выпускном (48) коллекторе. Осуществляют вращение турбонагнетателя во втором направлении, отличном от первого направления, для увеличения крутящего момента на выходе двигателя (10) с помощью увеличения потока воздуха, подаваемого к двигателю. Раскрыты варианты способа эксплуатации двигателя. Технический результат заключается в снижении вредных выбросов двигателя. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ эксплуатации двигателя с турбонагнетателем, в котором осуществляют вращение турбонагнетателя в первом направлении для увеличения времени нахождения выхлопных газов двигателя в выпускном коллекторе; и осуществляют вращение турбонагнетателя во втором направлении, отличном от первого направления, для увеличения крутящего момента на выходе двигателя с помощью увеличения потока воздуха, подаваемого к двигателю.

2. Способ по п. 1, в котором обеспечивают работу турбонагнетателя в первом направлении в зависимости от температуры или при истечении заданного промежутка времени, прошедшего с момента последней остановки двигателя.

3. Способ по п. 2, в котором в качестве температуры используют температуру устройства доочистки выхлопных газов или температуру двигателя.

4. Способ по п. 1, в котором с помощью гидравлического привода обеспечивают работу турбонагнетателя в первом направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов, а без использования гидравлического привода обеспечивают работу турбонагнетателя во втором направлении, совпадающем с направлением потока выхлопных газов.

5. Способ по п. 1, в котором при вращении турбонагнетателя в первом направлении открывают перепускной клапан турбонагнетателя.

6. Способ по п. 1, в котором при вращении турбонагнетателя в первом направлении открывают обводной клапан компрессора турбонагнетателя.

7. Способ по п. 1, в котором с помощью электрического привода обеспечивают работу турбонагнетателя в первом направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов.

8. Способ эксплуатации двигателя с турбонагнетателем, в котором осуществляют рециркуляцию выхлопных газов двигателя, которые проходят через перепускной клапан турбонагнетателя, обходя турбину турбонагнетателя в направлении, противоположном потоку выхлопных газов двигателя, с помощью обеспечения вращения турбины турбонагнетателя в направлении, противоположном потоку выхлопных газов двигателя, который приводит в действие турбину турбонагнетателя.

9. Способ по п. 8, в котором также прекращают вращение турбины турбонагнетателя в направлении, противоположном потоку выхлопных газов двигателя, который приводит в действие турбину турбонагнетателя, когда увеличивается запрашиваемый крутящий момент двигателя.

10. Способ по п. 9, в котором при увеличении запрашиваемого крутящего момента двигателя, в двигатель с помощью турбонагнетателя подают сжатый воздух.

11. Способ по п. 10, также включающий в себя закрытие перепускного клапана в ответ на увеличение необходимого крутящего момента двигателя.

12. Способ по п. 8, в котором прекращают вращение турбонагнетателя в направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов двигателя, который приводит в действие турбину турбонагнетателя, в зависимости от значения температуры.

13. Способ по п. 12, в котором температурой является температура двигателя или температура устройства доочистки выхлопных газов.

14. Способ по п. 8, в котором рециркуляцию начинают по истечении определенного времени, прошедшего с момента последней остановки двигателя.

15. Способ работы двигателя с турбонагнетателем, в котором осуществляют вращение турбонагнетателя в первом направлении для сжатия воздуха, поступающего во впускной коллектор; осуществляют вращение турбонагнетателя во втором направлении для выпуска выхлопных газов из участка ниже по потоку относительно перепускного клапана турбонагнетателя, в обход турбины турбонагнетателя, и выше по потоку относительно устройства доочистки выхлопных газов на участок выше по потоку относительно перепускного клапана.

16. Способ по п. 15, в котором при вращении турбонагнетателя во втором направлении открывают перепускной клапан.

17. Способ по п. 16, в котором для достижения необходимого давления впускного коллектора двигателя (MAP) во впускном коллекторе регулируют положение дросселя.

18. Способ по п. 17, в котором при достижении необходимого давления впускного коллектора двигателя (MAP) регулируют положение обводного клапана компрессора.

19. Способ по п. 18, в котором по истечении определенного времени после запуска двигателя открывают перепускной клапан.

20. Способ по п. 15, в котором участком выше по потоку относительно перепускного клапана является впускное отверстие турбины.