СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДЛЯ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ОБЕДНЕННОГО СГОРАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F01N3/20 F01N3/30 F02D41/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к системе выпуска двигателя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Бензиновые двигатели типично управляются, чтобы работать по существу около стехиометрического топливно-воздушного соотношения, для того чтобы балансировать экономию топлива с нейтрализацией выбросов в устройствах снижения токсичности выхлопных газов с выхлопными газами. Однако бензиновые двигатели, управляемые для эксплуатации с относительно обедненным сгоранием, могут испытывать значительные преимущества экономии топлива по сравнению со стехиометрическим сгоранием. Например, топливно-воздушные соотношения между от 20:1 до 28:1 могут обеспечивать оптимальный баланс между экономией топлива, стабильностью сгорания и выбросами, хотя обедненная работа производит повышенные выбросы NOx по сравнению со стехиометрической работой. Избыточные NOx могут нейтрализовываться посредством предоставления системы избирательного каталитического восстановления (SCR) в системе выпуска.

Однако изобретатели в материалах настоящего описания выявили потенциальные проблемы у вышеприведенного подхода. Например, системы SCR могут испытывать максимальную эффективность нейтрализации NOx, когда концентрация кислорода выхлопных газов превышает нижнее предельное значение, такое как 8%. Во время обедненной работы, например, с топливно-воздушным соотношением 25:1, концентрация кислорода может быть ниже, чем 8%, а отсюда, эффективность нейтрализации NOx может ухудшаться.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, в одном из примеров, некоторые из вышеприведенных проблем могут быть по меньшей мере частично преодолены способом управления двигателем, включающим в себя этапы, на которых:

эксплуатируют двигатель с обедненным сгоранием; и

в ответ на концентрацию кислорода выхлопных газов двигателя ниже порогового значения впрыскивают воздух в выпускной канал двигателя между трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором и устройством избирательного каталитического восстановления (SCR), и

в ответ на концентрацию кислорода выхлопных газов двигателя выше порогового значения блокируют впрыск воздуха в выпускной канал двигателя.

В одном из вариантов предложен способ, в котором воздух впрыскивают в выпускной канал двигателя через канал рециркуляции выхлопных газов (EGR).

В одном из вариантов предложен способ, в котором эксплуатация двигателя с обедненным сгоранием включает в себя этап, на котором эксплуатируют двигатель с топливно-воздушным соотношением между 20:1 и 30:1, при этом пороговым значением является 8%.

В одном из вариантов предложен способ, в котором двигатель является бензиновым двигателем.

В одном из вариантов предложен способ, в котором количество впрыскиваемого воздуха дополнительно регулируют для поддержания температуры устройства SCR в пределах диапазона пороговых значений.

В одном из вариантов предложен способ, в котором впрыскивание воздуха в выпускной канал двигателя дополнительно включает в себя этап, на котором направляют наддувочный всасываемый воздух непосредственно в выпускной канал.

В одном из дополнительных аспектов предложена система для бензинового двигателя обедненного сгорания, содержащая:

систему выпуска, содержащую расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор и расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор SCR;

систему впрыскивания воздуха, присоединенную к выпускному каналу между каталитическим нейтрализатором и каталитическим нейтрализатором SCR; и

контроллер, включающий в себя команды для:

во время первого условия, эксплуатации двигателя с обедненным сгоранием и регулирования количества впрыскиваемого воздуха на основании концентрации кислорода выхлопных газов выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR и температуры каталитического нейтрализатора SCR, и во время второго условия, эксплуатации двигателя со стехиометрическим сгоранием и регулирования количества впрыскиваемого воздуха на основании концентрации кислорода выхлопных газов выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR и температуры каталитического нейтрализатора SCR.

В одном из вариантов предложена система, в которой первое условие содержит нагрузку двигателя 50% или ниже.

В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер содержит дополнительные команды для впрыскивания первого количества воздуха, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов в пределах первого диапазона.

В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер содержит дополнительные команды для регулирования первого количества воздуха, чтобы поддерживать температуру каталитического нейтрализатора SCR в пределах второго диапазона.

В одном из вариантов предложена система, в которой второе условие содержит нагрузку двигателя более 50% и температуру двигателя выше порогового значения.

В одном из вариантов предложена система, в которой система впрыскивания воздуха присоединяет выпускной канал непосредственно к участку впускного канала ниже по потоку от компрессора турбонагнетателя и выше по потоку от дросселя, при этом контроллер содержит команды для регулирования клапана системы впрыскивания воздуха, чтобы подавать сжатый всасываемый воздух в качестве впрыскиваемого воздуха.

В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер содержит команды для, если концентрация кислорода выхлопных газов превышает первое пороговое значение или если температура каталитического нейтрализатора SCR превышает второе пороговое значение, блокировки системы впрыскивания воздуха от впрыскивания воздуха.

В одном из вариантов предложена система, в которой каталитический нейтрализатор является двухкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

В одном из еще дополнительных аспектов предложен способ управления двигателем, включающий в себя этапы, на которых:

в ответ на уровень накопления восстановителя восстановительного каталитического нейтрализатора выше порогового значения регулируют количество вторичного воздуха, впрыскиваемого через клапан в выпускной канал выше по потоку от восстановительного каталитического нейтрализатора, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов в первом диапазоне; а

в ответ на уровень накопления восстановителя на или ниже порогового значения регулируют количество вторичного воздуха, впрыскиваемого через клапан в выпускной канал, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов во втором, более низком диапазоне.

В одном из вариантов предложен способ, дополнительно включающий в себя этап, на котором в ответ на уровень накопления восстановителя ниже порогового значения эксплуатируют двигатель с обогащенным сгоранием.

В одном из вариантов предложен способ, дополнительно включающий в себя этапы, на которых:

в ответ на уровень накопления восстановителя выше порогового значения и работу двигателя под нагрузкой 50% или ниже эксплуатируют двигатель с обедненным сгоранием; а

в ответ на уровень накопления восстановителя выше порогового значения и работу двигателя под нагрузкой выше 50% эксплуатируют двигатель со стехиометрическим сгоранием.

В одном из вариантов предложен способ, в котором второй, более низкий диапазон концентрации кислорода выхлопных газов основан на температуре восстановительного каталитического нейтрализатора и уровне накопления восстановителя.

В одном из вариантов предложен способ, в котором восстановительный каталитический нейтрализатор является каталитическим нейтрализатором избирательного каталитического восстановления.

Таким образом, концентрация кислорода выхлопных газов может регулироваться посредством ввода вторичного воздуха в выпускной канал между расположенным выше по потоку устройством снижения токсичности выхлопных газов и устройством SCR. Вторичный воздух может вводиться на основании управления с обратной связью, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов на требуемой величине и/или поддерживать температуру устройства SCR в пределах диапазона пороговых значений.

Устройство SCR выполнено с возможностью преобразования NOx с использованием впрыскиваемого восстановителя, такого как аммиак. Посредством включения в состав системы SCR и впрыскивания вторичного воздуха, когда концентрация кислорода низка, может обеспечиваться эффективное преобразование NOx во время обедненного сгорания с балансировкой преимуществ экономии топлива от обедненного сгорания с контролем выбросов.

Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки настоящего описания будут без труда очевидны из последующего подробного описания, когда воспринимаются по отдельности или в связи с прилагаемыми чертежами.

Следует понимать, что раскрытие изобретения, приведенное выше, предоставлено для ознакомления с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Не предполагается идентифицировать ключевые или существенные признаки заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые исключают какие-либо недостатки, отмеченные выше или в любой части этого описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает схематичное изображение системы транспортного средства, содержащей двигатель и связанную систему последующей очистки выхлопных газов.

Фиг. 2 показывает последовательность операций способа, иллюстрирующую способ управления топливно-воздушным соотношением выхлопных газов согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 показывает блок-схему последовательности операций способа, иллюстрирующую способ впрыскивания воздуха в выпускной канал согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 4 показывает блок-схему последовательности операций способа, иллюстрирующую способ управления вводом воздуха во время обедненного сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 5 показывает блок-схему последовательности операций способа, иллюстрирующую способ управления вводом воздуха во время стехиометрического сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 6 показывает блок-схему последовательности операций способа, иллюстрирующую способ управления вводом воздуха во время формирования аммиака согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 7 показывает блок-схему последовательности операций способа, иллюстрирующую способ управления вводом воздуха во время охлаждения каталитического нейтрализатора согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 8 и 9 показывают примерные диаграммы рабочих параметров двигателя во время впрыска топлива согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система впрыскивания воздуха может быть предусмотрена в системе выпуска, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов выше по потоку от системы SCR выше определенного уровня во время обедненных отклонений от режима. Оптимальная нейтрализация NOx посредством системы SCR может происходить при концентрации кислорода выхлопных газов в пределах определенного диапазона, такого как 8-10%. В бензиновых двигателях, выполненных с возможностью работы с обедненным сгоранием (например, топливно-воздушных соотношениях около 25:1), концентрации кислорода часто находятся ниже, чем 8%. Для увеличения концентрации кислорода во время обедненной работы, не подрывая экономию топлива или нейтрализацию составляющих выхлопных газов в расположенном выше по потоку каталитическом нейтрализаторе, воздух может впрыскиваться выше по потоку от системы SCR. Величина и установка момента впрыскивания воздуха могут регулироваться с помощью обратной связи с датчика кислорода в выпускном канале и/или посредством температуры каталитического нейтрализатора SCR.

Воздух может быть сжатым всасываемым воздухом, который направляется в выпускной канал непосредственно или через канал EGR. Сжатый всасываемый воздух, когда направляется через канал EGR, может направляться в канал EGR выше по потоку от охладителя EGR, чтобы обеспечивать дополнительное содействие рекуперации охладителя EGR. Таким образом, впрыскиваемый воздух может улучшать выбросы посредством выдачи обедненных выхлопных газов в расположенное ниже по потоку устройство снижения токсичности выхлопных газов наряду с повышением производительности охладителя EGR. Фиг. 1 изображает двигатель, включающий в себя систему впрыскивания воздуха, расположенные выше по потоку и ниже по потоку устройства снижения токсичности выхлопных газов, и контролер, выполненный с возможностью исполнения способов по фиг. 2-7.

Фиг. 1 показывает схематичное изображение системы 6 транспортного средства. Система 6 транспортного средства включает в себя систему 8 двигателя, присоединенную к системе 22 последующей очистки выхлопных газов. Система 8 двигателя может включать в себя двигатель 10, имеющий множество цилиндров 30. Двигатель 10 включает в себя впуск 23 двигателя и выпуск 25 двигателя. Впуск 23 двигателя включает в себя дроссель 62, связанный по флюиду с впускным коллектором 44 двигателя через впускной канал 42. Выпуск 25 двигателя включает в себя выпускной коллектор 48, в конечном счете ведущий в выпускной канал 35, который направляет выхлопные газы в атмосферу. Дроссель 62 может быть расположен во впускном канале 42 ниже по потоку от устройства наддува, такого как турбонагнетатель 50 или нагнетатель.

Турбонагнетатель 50 может включать в себя компрессор 52, скомпонованный между впускным каналом 42 и впускным коллектором 44. Компрессор 52 может быть по меньшей мере частично механизирован турбиной 54 с приводом от выпускной системы двигателя, скомпонованной между выпускным коллектором 48 и выпускным каналом 35. Компрессор 52 может быть присоединен к турбине 54 с приводом от выпускной системы двигателя через вал 56. Компрессор 52 также может быть по меньшей мере частично механизирован электрическим двигателем 58. В изображенном примере, электрический двигатель 58 показан присоединенным к валу 56. Однако другие пригодные конфигурации электрического двигателя также могут быть возможны. В одном из примеров, электрический двигатель 58 может приводиться в действие накопленной электрической энергией из аккумуляторной батареи системы (не показана), когда состояние заряда аккумуляторной батареи находится выше порогового значения заряда. Посредством использования электрического двигателя 58 для приведения в действие турбонагнетателя 50, например при запуске двигателя, электрический наддув (электронаддув) может обеспечиваться для заряда всасываемого воздуха. Таким образом, электрический двигатель может обеспечивать моторную поддержку для приведения в действие устройства наддува. По существу, как только двигатель работает в течение достаточного времени (например, порогового времени), выхлопные газы, вырабатываемые в выпускном коллекторе, могут начинать приводить в движение турбину 54 с приводом от выпускной системы двигателя. Следовательно, моторная поддержка электрического двигателя может уменьшаться. То есть, во время работы турбонагнетателя моторная поддержка, предусмотренная электрическим двигателем 58, может регулироваться, реагируя на работу турбины с приводом от выпускной системы двигателя.

Топливная система 18 может включать в себя топливный бак 20, присоединенный к системе 21 топливного насоса. Система 21 топливного насоса может включать в себя один или более насосов для повышения давления топлива, подаваемого на форсунки двигателя 10, такие как показанная примерная форсунка 66. Несмотря на то, что показана одиночная форсунка 66, дополнительные форсунки предусмотрены для каждого цилиндра. Следует принимать во внимание, что топливная система 18 может быть безвозвратной топливной системой, возвратной топливной системой или различными другими типами топливной системы.

Несмотря на то, что не показано на фиг. 1, каждый цилиндр 30 может включать в себя один или более впускных клапанов и один или более выпускных клапанов для управления наддувочным воздухом и выпускания выхлопных газов, соответственно. Установка момента открывания и закрывания впускных и выпускных клапанов может быть постоянной или установки момента открывания и/или закрывания впускных и выпускных клапанов могут меняться, с тем чтобы обеспечивать положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрывание впускного клапана или различные другие примеры.

Выпуск 25 двигателя может быть присоединен к системе 22 последующей очистки выхлопных газов вдоль выпускного канала 35. Система 22 последующей очистки выхлопных газов может включать в себя одно или более устройств снижения токсичности выхлопных газов, таких как устройства 70, 72 снижения токсичности выхлопных газов, которые могут быть установлены в близко присоединенном положении в выпускном канале 35. Устройства снижения токсичности выхлопных газов могут включать в себя трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, устройство нейтрализации обедненных NOx или сажевый фильтр, каталитический нейтрализатор SCR и/или их комбинацию.

В одном из примерных вариантов осуществления устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, а устройство 72 снижения токсичности выхлопных газов, расположенное ниже по потоку от устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов, может быть LNT. В еще одном примере, устройство 72 снижения токсичности выхлопных. газов может быть системой SCR или другим расположенным под днищем кузова каталитическим нейтрализатором. Например, устройство 72 снижения токсичности выхлопных газов может быть каталитическим нейтрализатором SCR, выполненным с возможностью восстанавления разновидности NOx в азот при реакции с восстановителем, таким как аммиак или мочевина. Форсунка 74 для восстановителя может впрыскивать восстановитель 76 в выпускной канал 35.

Каталитические нейтрализаторы могут давать токсичным побочным продуктам сгорания, формируемым в выхлопных газах, таким как разновидности NOx, несгоревшие углеводороды, угарный газ и т.д., возможность каталитически преобразовываться в менее токсичные продукты перед выбросом в атмосферу. Однако каталитическая эффективность каталитического нейтрализатора может в значительной степени находиться под влиянием температуры и содержания кислорода выхлопных газов. Например, восстановление разновидностей NOx может использовать более высокие температуры, чем окисление угарного газа. Нежелательные побочные реакции также могут происходить при более низких температурах, такие как выработка аммиака и разновидностей N₂O, которые оказывают неблагоприятное влияние на эффективность очистки выхлопных газов и ухудшают качество выбросов выхлопных газов. Для улучшения эффективности последующей очистки выхлопных газов наряду с защитой компонентов системы выпуска от высоких температур выхлопных газов может быть желательно повышать содержание кислорода выхлопных газов ниже по потоку от первого устройства снижения токсичности выхлопных газов (например, устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов).

Как дополнительно конкретизировано в материалах настоящего описания со ссылкой на фиг. 2-7, контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью впрыскивания потока вторичного воздуха в систему последующей очистки выхлопных газов устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов, чтобы повышать нейтрализацию определенных выбросов во время различных условий эксплуатации. Как изображено на фиг. 1, вторичный воздух может происходить из одного или более многочисленных источников. Например, вторичный воздух может включать в себя сжатый всасываемый воздух, который направляется в выпускной канал из впускного канала между компрессором 52 и дросселем 62. Магистраль 90 впрыскивания направляет сжатый всасываемый воздух непосредственно в выпускной канал 35, ниже по потоку от устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов и выше по потоку от устройства 72 снижения токсичности выхлопных газов. Сжатый всасываемый воздух, впрыскиваемый в выхлопные газы через магистраль 90 впрыскивания, может регулироваться посредством клапана 91, который может управляться контроллером двигателя.

В качестве альтернативы или дополнительно воздух может впрыскиваться в выпускной канал через канал рециркуляции выхлопных газов (EGR). Магистраль 92 впрыскивания воздуха направляет сжатый воздух выше по потоку от дросселя в выпускной канал 35 через канал 80 EGR. Канал 80 EGR выполнен с возможностью перенаправления части выхлопных газов обратно на впуск, для того чтобы снижать температуру сгорания, а отсюда выбросы NOx. Канал 80 EGR включает в себя охладитель 82 EGR, который выполнен с возможностью охлаждения EGR до достижения впуска. Кроме того, канал 80 EGR включает в себя клапан 84 EGR, который может регулироваться контроллером 12, для того чтобы регулировать поток EGR на впуск. Как показано на фиг. 1, канал 80 EGR является каналом EGR низкого давления (LP-EGR), так как EGR, которая направляется через канал 80 EGR, является EGR низкого давления, отбираемой ниже по потоку от турбины 54. Магистраль 92 впрыскивания воздуха присоединена к каналу 80 EGR между клапаном 84 EGR и охладителем 82 EGR и управляется посредством клапана 93. Когда впрыскивание сжатого всасываемого воздуха в выпускной канал показано, клапан 93 открывается, а клапан 84 EGR закрывается. Сжатый всасываемый воздух затем направляется через магистраль 92 впрыскивания воздуха в канал 80 EGR, где он проходит через охладитель 82 EGR до достижения выпускного канала 35, ниже по потоку от устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, воздушный насос 96 может присутствовать для впрыскивания наружного воздуха (например, из атмосферы) в выпускной канал 35 через магистраль 94 впрыскивания, которая управляется через клапан 95.

Система 22 последующей очистки выхлопных газов также может включать в себя устройства удерживания углеводородов, устройства удерживания твердых частиц и другие пригодные устройства последующей очистки выхлопных газов (не показаны). Следует принимать во внимание, что другие компоненты могут быть включены в двигатель, такие как многообразие клапанов и датчиков.

Система 6 транспортного средства дополнительно может включать в себя систему 14 управления. Система 14 управления показана принимающей информацию с множества датчиков 16 (различные примеры которых описаны в материалах настоящего описания) и отправляющей сигналы управления на множество исполнительных механизмов 81 (различные примеры которых описаны в материалах настоящего описания). В качестве одного из примеров, датчик 16 может включать в себя датчик 126 выхлопных газов (расположенный в выпускном коллекторе 48), расположенные выше по потоку датчики 128, 130 кислорода (датчик 128 кислорода может быть расположен выше по потоку от устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов наряду с тем, что датчик 130 кислорода может быть расположен выше по потоку от устройства 72 снижения токсичности выхлопных газов и ниже по потоку от устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов), расположенный ниже по потоку датчик 132 кислорода (расположенный ниже по потоку от устройства 72 снижения токсичности выхлопных газов) и датчик 134 температуры.

Другие датчики, такие как датчики давления, температуры, топливо/воздушного соотношения и состава, могут быть присоединены к различным местоположениям в системе 6 транспортного средства, как подробнее обсуждено в материалах настоящего описания. В качестве еще одного примера, исполнительные механизмы могут включать в себя топливные форсунки (такие как топливная форсунка 66), многообразие клапанов, таких как клапаны 91, 93, 95, насос 96 и дроссель 62. Система 14 управления может включать в себя контроллер 12. Контроллер может принимать входные данные с различных датчиков, обрабатывать входные данные и приводить в действие исполнительные механизмы в ответ на обработанные входные данные, на основании команды или управляющей программы, запрограммированных в нем, соответствующих одной или более процедур. Примерная процедура управления описана в материалах настоящего описания со ссылкой на фиг. 2-7.

Фиг. 2 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая способ 200 управления топливно-воздушным соотношением выхлопных газов. Способ 200 может выполняться контроллером двигателя, таким как контроллер 12, в ответ на сигналы с одного или более датчиков и согласно командам, хранимым в памяти контроллера. Способ 200 может выполняться в двигателе, включающем в себя систему выпуска с по меньшей мере двумя устройствами снижения токсичности выхлопных газов, расположенным выше по потоку устройством снижения токсичности выхлопных газов и расположенным ниже устройством снижения токсичности выхлопных газов. В качестве используемых в материалах настоящего описания, «расположенный выше по потоку» и «расположенный ниже по потоку» относятся к направлению потока выхлопных газов из двигателя и в атмосферу, например расположенное выше по потоку устройство снижения токсичности выхлопных газов находится ближе к двигателю и принимает выхлопные газы на выходе двигателя до достижения выхлопными газами расположенного ниже по потоку устройства снижения токсичности выхлопных газов. В варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг. 2, расположенное выше по потоку устройство снижения токсичности выхлопных газов является трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором (TWC), а расположенное ниже по потоку устройство снижения токсичности выхлопных газов является уловителем обедненных NOx (LNT); однако, другие устройства снижения токсичности выхлопных газов в других компоновках находятся в объеме этого раскрытия.

На 202, способ содержит определение рабочих параметров двигателя. Рабочие параметры двигателя могут включать в себя число оборотов двигателя, нагрузку двигателя, величину и установку момента впрыска топлива, топливно-воздушное соотношение выхлопных газов, положение дросселя, положение клапана EGR, температуру выхлопных газов и т.д. Кроме того, определение топливно-воздушного соотношения выхлопных газов может учитывать топливно-воздушное соотношение выхлопных газов в многочисленных местоположениях, такое как топливно-воздушное соотношение на выходе двигателя, топливно-воздушное соотношение на входах одного или более устройств снижения токсичности выхлопных газов и топливно-воздушное соотношение на выходе одного или более устройств снижения токсичности выхлопных газов.

На 204, топливно-воздушное соотношение выхлопных газов регулируется, чтобы поддерживать TWC (например, устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов по фиг. 1) на или ниже пороговой температуры. Например, двигатель может эксплуатироваться с требуемым топливно-воздушным соотношением, установленным для максимальных преимуществ экономии топлива, крутящего момента и/или выбросов. Однако во время некоторых условий, таких как условия высокой нагрузки, требуемое топливно-воздушное соотношение может приводить к температурам выхлопных газов на входе TWC, превышающим пороговую температуру. Пороговая температура может быть максимальной температурой, выше которой может происходить ухудшение характеристик компонента системы выпуска, такой как 950°C. В других вариантах осуществления, пороговая температура может находиться ниже максимальной температуры, для того чтобы избегать достижения TWC максимальной температуры. Если температура выхлопных газов на входе TWC превышает пороговое значение или если фактическая температура устройства превышает пороговое значение, топливно-воздушное соотношение сгорания может регулироваться (а отсюда, топливно-воздушное соотношение выхлопных газов выше по потоку от TWC), чтобы поддерживать температуру выхлопных газов на требуемой температуре. Например, двигатель может эксплуатироваться с обогащенным сгоранием для снижения температур выхлопных газов.

На 206, определяется, работает ли двигатель с топливно-воздушным соотношением выхлопных газов на выходе двигателя ниже порогового значения. Пороговое значение может быть топливно-воздушным соотношением выхлопных газов, ниже которого вырабатываются избыточные НС и СО, таким как стехиометрия. Если двигатель работает с топливно-воздушным соотношением выше стехиометрии, иначе известным как обогащенное сгорание, избыточные НС и/или СО могут выбрасываться в выхлопные газы, которые могут проходить не нейтрализованными в TWC и LNT при текущем топливно-воздушном соотношении. По существу, если ответом на 206 является да, способ 200 переходит на 208, чтобы впрыскивать воздух ниже по потоку от TWC, для того чтобы давать дополнительный кислород в выхлопных газах выше по потоку от LNT. При действии таким образом, топливно-воздушное соотношение расположенных ниже по потоку выхлопных газов (например, выхлопных газов ниже по потоку от TWC) поддерживается на более низком (например, более обедненном) топливно-воздушном соотношении, чем выхлопные газы, поступающие в TWC.

Добавочный кислород из впрыскиваемого воздуха имеется в распоряжении для реакции с НС в выхлопных газах, и избыточные НС и СО могут окисляться в LNT. Реакция с кислородом в выхлопных газах может поднимать температуру выхлопных газов в LNT. Однако, вследствие добавочного расстояния, которое выхлопные газы проходят для достижения LNT (относительно расстояния, которое выхлопные газы проходят, чтобы достигнуть TWC), выхлопные газы остывают перед достижением LNT, из условия чтобы экзотермы, высвобождаемые в результате добавочного кислорода, впрыскиваемого в выхлопные газы, не поднимали температуру LNT выше максимальной температуры. Однако количество воздуха, впрыскиваемого ниже по потоку от TWC может регулироваться на 210 на основании температуры LNT, чтобы избежать повышения температуры LNT выше максимальной температуры. В качестве альтернативы или дополнительно, количество впрыскиваемого воздуха может регулироваться на основании топливно-воздушного соотношения ниже по потоку от LNT. Например, топливно-воздушное соотношение ниже по потоку от LNT может поддерживаться на стехиометрии. После регулирования впрыскивания воздуха ниже по потоку от TWC способ 200 осуществляет выход.

Примерные диаграммы, изображающие рабочие параметры двигателя во время обогащенного отклонения от режима с впрыскиванием воздуха выше по потоку от LNT и ниже по потоку от TWC, изображены на фиг. 8. Температура TWC изображена на 810, топливно-воздушное соотношение выше по потоку (например, выше по потоку от TWC и/или LNT) изображено на 820, величина впрыскивания воздуха изображена на 830, а топливно-воздушное соотношение ниже по потоку (ниже по потоку от LNT) изображено на 840. Для каждой диаграммы, время графически нанесено на оси x, а каждый соответственный параметр графически нанесен по оси y. Что касается диаграмм 820 и 840, изображающих топливно-воздушное соотношение, стехиометрическое топливно-воздушное соотношение указано меткой 1. В момент t₁ времени температура каталитического нейтрализатора TWC достигает пороговой температуры, которая в этом варианте осуществления является меньшей, чем максимальная температура, выдерживаемая TWC. Для предохранения TWC от достижения максимальной температуры, двигатель эксплуатируется на богатой смеси, показанной уменьшением топливно-воздушного соотношения выше по потоку. В ответ, активизируется впрыскивание воздуха. Так как величина впрыскивания воздуха регулируется с помощью обратной связи с расположенного ниже по потоку датчика кислорода, топливно-воздушное соотношение ниже по потоку остается по существу стехиометрическим. В момент t₂ времени обогащенное отклонение от режима заканчивается, впрыскивание воздуха выводится из работы и оба топливно-воздушных соотношения, ниже по потоку и выше по потоку, находятся на стехиометрии.

Возвращаясь на 206 по фиг. 2, если двигатель не работает с обогащенным сгоранием, способ 200 переходит на 212, чтобы определять, работает ли двигатель в условиях высокой нагрузки со стехиометрическим сгоранием. В этих условиях относительно высокая пространственная скорость выхлопных газов может нарушать нейтрализацию NOx в TWC. Для того чтобы обеспечивать накопление избыточных NOx в LNT, способ 200 переходит на 214, чтобы впрыскивать воздух ниже по потоку от TWC, если двигатель работает с высокой нагрузкой и стехиометрическим сгоранием. На 216, величина впрыскивания воздуха может регулироваться на основании температуры LNT и/или топливно-воздушного соотношения ниже по потоку. Например, воздух может впрыскиваться, из условия чтобы температура LNT поддерживалась ниже порогового значения накопления, такого как 450°C, и/или из условия чтобы топливно-воздушное соотношение ниже по потоку поддерживалось обедненным по стехиометрии. После регулирования впрыскивания воздуха ниже по потоку от TWC способ 200 осуществляет выход.

Фиг. 8 также показывает впрыскивание воздуха во время условий высокой нагрузки и стехиометрического сгорания. В момент t₃ времени нагрузка двигателя возрастает, например, вследствие события резкого нажатия педали акселератора водителем. Однако, в отличие от момента t₁ времени, температура каталитического нейтрализатора TWC (показанная на 810) остается ниже порогового значения для инициирования обогащенного сгорания. Но, вследствие условий высокой нагрузки, стехиометрического сгорания (например, топливно-воздушное соотношение выше по потоку, показанное на 820, остается около стехиометрии), впрыскивание воздуха вводится в действие в момент t₃ времени (показанный на 830), чтобы создавать обедненную среду в LNT для накопления NOx, которые могут просачиваться за TWC. В результате впрыскивания воздуха топливно-воздушное соотношение ниже по потоку (изображенное на 840) возрастает до момента t₄ времени, когда нагрузка падает, и впрыскивание воздуха выводится из работы.

Возвращаясь к фиг. 2, если на 212 определено, что двигатель не работает на высокой нагрузке со стехиометрическим сгоранием, способ 200 переходит на 218, чтобы определять, ожидается ли выход из обедненного состояния. Выход из обедненного состояния может быть переходом с обедненного сгорания на стехиометрическое или обогащенное сгорание и может определяться на основании топливно-воздушного соотношения, указываемого командой из контроллера, согласно рабочим параметрам двигателя, таким как число оборотов, нагрузка, и т.д., и/или согласно топливно-воздушному соотношению выхлопных газов. Если ожидается выход из обедненного состояния, воздух может впрыскиваться ниже по потоку от TWC на 220. Вслед за выходом из обедненного состояния, NOx, накопленные в LNT, могут высвобождаться вследствие нехватки кислорода в выхлопных газах. Для предотвращения этого воздух впрыскивается выше по потоку от LNT, так что выхлопные газы будут обедненными, и NOx, захваченные в LNT, будут оставаться в LNT до тех пор, пока не показана очистка. Впрыскивание воздуха может регулироваться на 222, чтобы поддерживать обедненное топливно-воздушное соотношение в LNT для поддержания накопления NOx. После регулирования впрыскивания воздуха способ 200 осуществляет выход.

Если, на 218, определено, что выход из обедненного состояния не ожидается, способ 200 переходит на 224, чтобы продолжать регулирование с обратной связью топливно-воздушного соотношения на основании входного сигнала датчика с одного или более датчиков выхлопных газов, для того чтобы поддерживать требуемое топливно-воздушное соотношение выхлопных газов и температуру TWC, не впрыскивая воздух ниже по потоку от TWC. Так как воздух не впрыскивается ниже по потоку от TWC, регулирование с обратной связью топливно-воздушного соотношения может включать в себя обратную связь с одного или более датчиков выхлопных газов ниже по потоку от TWC. В противоположность, во время работы, при которой воздух впрыскивается ниже по потоку от TWC, концентрация кислорода выхлопных газов, которая определяется расположенными ниже по потоку датчиками выхлопных газов, может не включаться в регулирование с обратной связь или может регулироваться, чтобы учитывать дополнительный кислород, присутствующий в выхлопных газах. Способ 200 затем осуществляет выход.

Таким образом, способ 200 по фиг. 2 предусматривает повышение топливно-воздушного соотношения выхлопных газов ниже по потоку от TWC и ниже по потоку от LNT, для того чтобы поддерживать снижение токсичности выбросов наряду с сохранением температуры TWC ниже максимальной температуры. Поддержание TWC ниже максимальной температуры может включать в себя подачу команды двигателю работать на обогащенной смеси, для того чтобы охлаждать выхлопные газы. В некоторых вариантах осуществления, если двигатель работает с положительным перекрытием клапанов, при котором выпускной клапан открыт в течение некоторой длительности, в то время как открывается впускной клапан, установка фаз клапанного распределения может регулироваться, чтобы избегать перекрытия клапанов во время обогащенной работы. Положительное перекрытие клапанов может приводить к достаточным уровням кислорода в выпускном коллекторе для порождения реакций с обогащенными выхлопными газами, нагревающих выхлопные газы и, таким образом, может прерываться во время обогащенной работы.

Фиг. 3 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая способ 300 впрыскивания воздуха ниже по потоку от расположенного выше по потоку устройства снижения токсичности выхлопных газов, такого как устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов по фиг. 1. Способ 300 может выполняться контроллером 12, если впрыскивание воздуха показано во время выполнения способа 200, обсужденного со ссылкой на фиг. 2.

Способ 300, на 302, содержит определение, показано ли впрыскивание воздуха. Впрыскивание воздуха может быть показано, для того чтобы выдавать более бедное топливно-воздушное соотношение ниже по потоку от расположенного выше по потоку устройства снижения токсичности выхлопных газов, чем выдается из двигателя. Впрыскивание воздуха может быть показано на основании условий, обсужденных со ссылкой на фиг. 2, например, на 208, 214 или 220, либо на основании другого пригодного параметра. Например, как описано со ссылкой на фиг. 1 и конкретизировано в материалах настоящего описания, воздух может выдаваться в выпускной канал через канал EGR, в том числе, охладитель EGR. Если эффективность охладителя низка, впрыскивание воздуха может быть показано для отслаивания сажи или других инородных веществ, которые могли быть накоплены в охладителе.

Если впрыскивание не показано, способ 300 осуществляет возврат, чтобы сохранять контроль касательно показания впрыскивания воздуха. Если впрыскивание воздуха показано, способ 300 переходит на 304, чтобы направлять сжатый всасываемый воздух в выпускной канал ниже по потоку от расположенного выше по потоку устройства снижения токсичности выхлопных газов. Направление сжатого всасываемого воздуха может включать в себя открывание клапана в магистрали впрыскивания, присоединенной к выпускному каналу, или открывание клапана в магистрали впрыскивания, присоединенной к каналу EGR, на 306. Как пояснено со ссылкой на фиг. 1, воздух, впрыскиваемый в выпускной канал, может отбираться из впускного канала, ниже по потоку от компрессора и выше по потоку от дросселя. Всасываемый воздух ниже по потоку от компрессора будет сжиматься, например, под давлением, большим, чем атмосферное. Открывание клапана в магистрали впрыскивания предоставляет воздуху возможность поступать в выпускной канал в отсутствие предоставления насоса или другого устройства для повышения давления воздуха. Воздух из магистрали впрыскивания может направляться непосредственно в выпускной канал или может направляться через канал LP-EGR. Однако в некоторых вариантах осуществления, воздух может впрыскиваться в выпускной канал с использованием воздушного насоса. Такой накачанный воздух может не происходить из впуска, но, взамен, например, может быть атмосферным воздухом.

Направление сжатого всасываемого воздуха в выпускной канал также может включать в себя, на 308, закрывание клапана EGR (если магистраль впрыскивания присоединена к каналу EGR). Посредством закрывания клапана EGR поток EGR из выпуска на впуск будет предотвращаться и сжатый воздух, взамен, может проходить через канал EGR в выпускной канал.

На 310, один или более рабочих параметров могут регулироваться для компенсации пониженного давления всасываемого воздуха ниже по потоку от компрессора и/или для компенсации потерянного потока EGR. Например, отведение сжатого всасываемого воздуха может понижать давление всасываемого воздуха выше по потоку от дросселя; как результат, положение дросселя может регулироваться, чтобы выдавать требуемый массовый расход воздуха в двигатель. Кроме того, турбонагнетатель может управляться, чтобы повышать давление наддува, выдаваемое на впуск. Регулятор давления наддува турбины может регулироваться, чтобы повышать давление наддува или может регулироваться перепускной клапан компрессора.

Если сжатый всасываемый воздух направляется через канал EGR до достижения выпускного канала, если поток EGR требуется, для того чтобы понижать температуру сгорания или снижать насосные потери двигателя, один или более параметров могут регулироваться для компенсации потери потока EGR. Например, если двигатель включает в себя систему HP-EGR, поток через систему HP-EGR может увеличиваться. В еще одном примере, установка момента впрыска топлива может регулироваться, чтобы понижать температуру сгорания, или может разделяться впрыск топлива, что также действует для снижения температуры сгорания. По регулированию рабочих параметров двигателя способ 300 осуществляет выход.

Способы 200 и 300, описанные выше, предусматривают впрыскивание воздуха в выпускной канал в ответ на одно или более условий, таких как обогащенное сгорание, для того чтобы поддерживать выхлопные газы ниже по потоку от TWC на более бедном топливно-воздушном соотношении, чем выхлопные газы выше по потоку от TWC. Способ 200 управляет впрыскиванием воздуха на основании обратной связи с датчика кислорода и/или температуры LNT, расположенного ниже по потоку от TWC. Однако в системах двигателя, где LNT заменен восстановительным каталитическим нейтрализатором, таким как система SCR, воздух может впрыскиваться выше по потоку от системы SCR и ниже по потоку от TWC, чтобы гарантировать эффективную нейтрализацию NOx во время работы двигателя с более низкими, чем требуется, концентрациями кислорода выхлопных газов.

Обращаясь к фиг. 4, проиллюстрирован способ 400 управления впрыскиванием воздуха выше по потоку от каталитического нейтрализатора. Способ 400 может выполняться контроллером 12. В некоторых вариантах осуществления способ 400 может выполняться в бензиновом двигателе, выполненном с возможностью работы с обедненным сгоранием. Как пояснено ранее, обедненное сгорание, которое может включать в себя топливно-воздушные соотношения около 20:1 или большие, порождает более высокие количества NOx, чем стехиометрическое сгорание. Чтобы обеспечивать нейтрализацию повышенных разновидностей NOx, бензиновые двигатели обедненного сгорания могут включать в себя восстановительный каталитический нейтрализатор, такой как система SCR, в системе выпуска. Однако, в отличие от дизельных двигателей, которые могут работать с существенно более высокими топливно-воздушными соотношениями, бензиновые двигатели обедненного сгорания могут вырабатывать выхлопные газы с уместной концентрацией кислорода, чтобы гарантировать эффективную нейтрализацию NOx. Таким образом, способ 400 обеспечивает механизм для повышения концентрации кислорода выше по потоку от восстановительного каталитического нейтрализатора в бензиновом двигателе обедненного сгорания.

На 402, определяются рабочие параметры двигателя. Рабочие параметры двигателя могут включать в себя число оборотов, нагрузку, топливно-воздушное соотношение двигателя, концентрацию кислорода выхлопных газов, температуру двигателя и температуру SCR. Дополнительные рабочие параметры, которые могут определяться, включают в себя массовый расход воздуха выхлопных газов, уровни NOx выхлопных газов, уровни впрыскиваемого восстановителя выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR и другие параметры. На 404, определяется, работает ли двигатель в обедненном режиме работы. Обедненная работа может включать в себя топливно-воздушные соотношения, большие, чем стехиометрия, и может включать в себя топливно-воздушные соотношения между 20:1 и 28:1 или другие топливно-воздушные соотношения. Обедненная работа может определяться на основании измеренного топливно-воздушного соотношения выхлопных газов, командных величин впрыска топлива и/или рабочих параметров, таких как нагрузка. Например, двигатель может эксплуатироваться с обедненным сгоранием во время от низких до средних нагрузок двигателя (например, нагрузок 50% или менее), а затем работать со стехиометрическим сгоранием на более высоких нагрузках.

Если двигатель не работает с обедненным сгоранием, он вероятно работает с по существу стехиометрическим сгоранием, и способ 400 переходит на 406, чтобы инициировать процедуру стехиометрического сгорания, которая будет подробно пояснена ниже со ссылкой на фиг. 5. Если определено, что двигатель работает с обедненным сгоранием, способ 400 переходит на 408, чтобы определять, находится ли количество накопления аммиака (NH₃) в каталитическом нейтрализаторе SCR выше порогового значения. Каталитический нейтрализатор SCR может накапливать NH₃, для того чтобы нейтрализовать разновидности NOx, которые поступают в каталитический нейтрализатор SCR. Накопленный аммиак может окисляться кислородом в выхлопных газах; таким образом, для того чтобы поддерживать базовый уровень накопленного аммиака, достаточный для нейтрализации NOx, количество накопленного аммиака должно превышать нижнее предельное пороговое значение для компенсации повышенного окисления аммиака в ответ на впрыскиваемый воздух. Количество накопленного NH₃ может определяться посредством оценки накопления, которая является функцией концентрации NOx выше по потоку потребления NH₃ (например, определенного посредством сравнения уровней NOx выше по потоку с уровнями NOx ниже по потоку), температуры SCR и формирования NH₃ (например, определяемого температурой SCR, концентрацией кислорода и уровнями впрыскиваемого NH₃). Нижнее предельное пороговое значение для накопления NH₃ может быть функцией температуры SCR.

Если определено, что величина накопления NH₃ не превышает нижнего предельного порогового значения, способ 400 переходит на 410, чтобы инициировать процедуру формирования аммиака, которая будет пояснена со ссылкой на фиг. 6. Если величина накопления NH₃ превышает пороговое значение, способ 400 переходит на 412, чтобы определять, является ли измеренная концентрация кислорода выхлопных газов меньшей, чем требуется. Концентрация кислорода выхлопных газов может определяться датчиком, расположенным выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR, такого как датчик 130 по фиг. 1. Требуемая концентрация кислорода может определяться на основании температуры SCR, выпускного пространства и массы NOx выхлопных газов. Таким образом, требуемая концентрация кислорода является количеством кислорода в выхлопных газах, которая будет приводить к почти полной нейтрализации NOx в каталитическом нейтрализаторе SCR. В одном из примеров требуемая концентрация кислорода может находиться в диапазоне от 8-10% и/или может находиться в диапазоне от топливно-воздушного соотношения 25:1 до топливно-воздушного соотношения 30:1.

Если концентрация кислорода выхлопных газов не является меньшей, чем требуемая концентрация, достаточное количество кислорода присутствует для нейтрализации NOx в SCR и способ 400 осуществляет возврат, чтобы продолжать контролировать условия, которые показывают, что должен впрыскиваться воздух. Если концентрация кислорода является меньшей, чем требуется, способ 400 переходит на 414, чтобы направлять вторичный воздух в выпускной канал выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR. В одном из примеров, воздух может направляться ниже по потоку от расположенного выше по потоку устройства снижения токсичности выхлопных газов, например, которое может быть двухкомпонентным или трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором. Однако, в других примерах, воздух может направляться выше по потоку от двухкомпонентного или трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. Как пояснено со ссылкой на фиг. 1 и 3, вторичный воздух может быть всасываемым воздухом, направляемым из ниже по потоку от компрессора турбонагнетателя непосредственно в выпускной канал, или может быть сжатым всасываемым воздухом, направляемым через канал EGR. В других вариантах осуществления, вторичный воздух может впрыскиваться посредством воздушного насоса. Направление вторичного воздуха в выпускной канал включает в себя поддержание концентрации кислорода выхлопных газов в диапазоне пороговых значений на 414. Вторичный воздух может вводиться в выхлопные газы в количестве, которое поддерживает выхлопные газы ниже верхнего предельного порогового значения (например, 10%), выше которого окисление аммиака может достигать нежелательных уровней, уже на или выше требуемого количества кислорода. Поддержание кислорода в пределах диапазона пороговых значений может достигаться посредством регулирования с обратной связью по датчику кислорода в выпускном канале.

На 418, определяется, является ли температура SCR большей, чем требуется. SCR может достигать оптимальной нейтрализации NOx в пределах температурного окна, например 200-450°C. Если температура SCR находится за пределами этого окна, количество вторичного воздуха, направляемого в выхлопные газы, может увеличиваться или уменьшаться. Например, если температура SCR является большей, чем требуется, способ 400 может переходить на 420, чтобы повышать вторичный воздух у выхлопных газов, для того чтобы охлаждать каталитический нейтрализатор SCR. Однако, чтобы гарантировать, что окисление аммиака не происходит, количество вторичного воздуха, направляемого в выхлопные газы, ограничивается на 422, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов ниже предела порогового значения. Если температура SCR не является большей, чем требуется, если, возможно, количество введенного воздуха может уменьшаться, или способ 400 может возвращаться на 414, чтобы продолжать ввод воздуха на основании обратной связи с датчика кислорода. По введению вторичного воздуха и регулированию количества воздуха на основании обратной связи с датчика кислорода и датчика температуры SCR способ 400 осуществляет возврат.

Таким образом, способ 400 предусматривает впрыскивание вторичного воздуха в выпускной канал выше по потоку от устройства SCR. Воздух может вводиться, когда кислород выхлопных газов находится на более низкой концентрации, чем требуется для оптимальной нейтрализации NOx в каталитическом нейтрализаторе SCR, такой как во время работы с топливно-воздушными соотношениями двигателя большими чем 20:1, еще более низкой, чем типичные топливно-воздушные соотношения дизельного двигателя. Посредством предоставления системы SCR на выпуске, ввода вторичного воздуха, когда показано, и приведения в действие на топливно-воздушных соотношениях около 20:1 или 25:1, эффективная нейтрализация NOx может происходить в системе SCR, ослабляя необходимость в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе выше по потоку от системы SCR. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления трехкомпонентный каталитический нейтрализатор может быть заменен двухкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

Примерные диаграммы, изображающие рабочие параметры двигателя во время обедненного сгорания с впрыскиванием воздуха выше по потоку от SCR и ниже по потоку от TWC, изображены на фиг. 9. Нагрузка двигателя изображена на 910, топливно-воздушное соотношение выше по потоку (например, топливно-воздушное соотношение на выходе двигателя) изображено на 920, количество впрыскивания воздуха изображено на 930 и температура SCR изображена на 940. Для каждой диаграммы, время графически нанесено на оси х, а каждый соответственный параметр графически нанесен по оси y. Что касается диаграммы 920, стехиометрическое топливно-воздушное соотношение указано меткой 1. До момента t₁ времени двигатель работает с обедненным сгоранием, в то время как нагрузка относительно низка. В момент t₁ времени топливно-воздушное соотношение выше по потоку падает и, как результат, меньшее количество кислорода имеется в распоряжении для нейтрализации NOx в SCR. Таким образом, впрыскивание воздуха вводится в действие, чтобы вводить вторичный воздух в выпускной канал выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR. Впрыскивание воздуха начинается, чтобы охлаждать SCR, и величина впрыскивания воздуха может повышаться, для того чтобы охлаждать каталитический нейтрализатор SCR до требуемой температуры. В момент t₂ времени топливно-воздушное соотношение возрастает и, таким образом, впрыскивание воздуха выводится из работы.

Способ 400 предусматривает ввод вторичного воздуха во время обедненного сгорания. Однако во время некоторых случаев работы со стехиометрическим сгоранием, таких как события разгона, высокие расходы выхлопных газов могут предоставлять некоторому количеству NOx возможность просачиваться за TWC. Чтобы обеспечивать оптимальную нейтрализацию NOx во время этих событий, способ 500 по фиг. 5 может выполняться, как пояснено ниже. Оба способа 400 и 500 полагаются на достаточные уровни накопления NH₃ в каталитическом нейтрализаторе SCR, которые должны присутствовать, для того чтобы избегать окисления всего имеющегося в распоряжении NH₃, приводящего к просачиванию NOx из каталитического нейтрализатора SCR. Если определено, что уровни накопления NH₃ слишком низки, способ 600 по фиг. 6 может выполняться для формирования NH₃ наряду с обеспечением нейтрализации NOx газовой фазой. Дополнительно, если определено, что температура каталитического нейтрализатора SCR слишком высока для накопления NH₃, способ 700 по фиг. 7 может выполняться для охлаждения каталитического нейтрализатора SCR с использованием ввода вторичного воздуха.

Далее, с обращением к фиг. 5, проиллюстрирован способ 500 управления вводом вторичного воздуха во время стехиометрического сгорания. Способ 500 может выполняться контроллером 12 в ответ на указание, что двигатель работает со стехиометрическим сгоранием. На 502, способ 500 включает в себя определение, являются ли уровни накопления NH₃ большими, чем пороговое значение, подобно 408 способа 400, описанного выше. Если уровни не находятся выше порогового значения, способ 500 переходит на 504, чтобы инициировать процедуру формирования аммиака, описанную ниже со ссылкой на фиг. 6. Если уровни накопления являются большими, чем пороговое значение, способ 500 переходит на 506, чтобы определять, превышает ли температура двигателя первое пороговое значение температуры, Т1. Первое пороговое значение температуры может быть стандартной рабочей температурой или температурой розжига одного или более каталитических нейтрализаторов выхлопных газов на выпуске. Если двигатель не находится выше порогового значения Т1, способ 500 осуществляет возврат до момента времени, когда двигатель достиг температуры розжига. Так как ввод вторичного воздуха может охлаждать каталитический нейтрализатор SCR, может не быть полезным направлять вторичный воздух в выхлопные газы, когда температура двигателя низка. Несмотря на то, что температура двигателя оценивается на 506, следует понимать, что другие температуры транспортного средства могут оцениваться, чтобы определять, должен ли вводиться воздух, такие как температура каталитического нейтрализатора SCR.

Если температура двигателя находится выше порогового значения Т1, способ 500 переходит на 508, чтобы определять, находится ли температура двигателя ниже второго порогового значения температуры, Т2. Второе пороговое значение температуры может быть температурой, выше которой каталитический нейтрализатор SCR не способен накапливать аммиак и, таким образом, впрыскивание вторичного воздуха может не улучшать эффективность нейтрализации NOx. Если двигатель находится выше второго порогового значения температуры, способ 500 переходит на 510 для инициирования процедуры охлаждения каталитического нейтрализатора, поясненной ниже со ссылкой на фиг. 7. Если температура двигателя находится ниже порогового значения, способ 500 переходит на 512, чтобы определять, является ли измеренная концентрация кислорода выхлопных газов меньшей, чем требуется. Если нет, способ 500 осуществляет возврат. Если да, способ 500 переходит на 514, чтобы направлять вторичный воздух в выпускной канал, причем количество вводимого воздуха регулируется для поддержания кислорода в диапазоне пороговых значений на 516 (например, на основании обратной связи с датчика кислорода) и регулируется на основании температуры каталитического нейтрализатора на 518. Способ 500 затем возвращается в прежнее состояние.

Фиг. 9 также изображает впрыскивание воздуха во время стехиометрического сгорания. Например, в момент t₃ времени двигатель работает со стехиометрическим топливно-воздушным соотношением (показанным на диаграмме 920) вследствие относительно высокой нагрузки двигателя (показанной на диаграмме 910). Впрыскивание воздуха может активизироваться в момент t₃ времени (показанный на диаграмме 930), если концентрация кислорода является меньшей, чем требуется, или если двигатель подвергается событию разгона, для того чтобы нейтрализовать NOx, которые могут просачиваться за расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор.

Фиг. 6 иллюстрирует способ 600 формирования аммиака. Способ 600 может выполняться контроллером 12 в ответ на показание, что уровни накопления аммиака в каталитическом нейтрализаторе SCR находятся ниже порогового значения, к примеру, на 410 и 504 способ 400 и 500, соответственно. Способ 600 включает в себя, на 602, определение, находится ли температура каталитического нейтрализатора SCR ниже второго порогового значения температуры, Т2, подобно пороговому значению Т2 температуры, описанному выше со ссылкой на фиг. 5. Температура каталитического нейтрализатора SCR может определяться датчиком температуры, расположенным в или возле каталитического нейтрализатора, или может оцениваться на основании температуры двигателя. Если температура каталитического нейтрализатора находится ниже порогового значения Т2, способ 600 переходит на 604, чтобы инициировать процедуру охлаждения каталитического нейтрализатора, поясненную ниже. Если температура каталитического нейтрализатора находится ниже порогового значения, способ 600 переходит на 606, чтобы определять, находится ли измеренная концентрация кислорода ниже требуемой концентрации. Требуемая концентрация кислорода перед предоставлением возможности режима формирования аммиака может быть иной, чем требуемая концентрация кислорода для нейтрализации NOx во время обедненного или стехиометрического сгорания. Например, максимальная концентрация кислорода во время формирования аммиака может быть меньшей, чем во время обедненного или стехиометрического сгорания. Нейтрализация NOx в SCR, когда накопление NH₃ является низким, происходит скорее с помощью газовой фазы NH₃, нежели накопленного NH₃, и, таким образом, более низкие уровни кислорода могут присутствовать для избежания окисления газовой фазы NH₃. Кроме того, в зависимости от состава и температуры выхлопных газов, нейтрализация NOx может быть более эффективной с использованием в качестве восстановителя скорее топлива, нежели аммиака; таким образом, количество кислорода для нейтрализации NOx и формирования NH₃ может меняться на основании того, является ли SCR действующим в качестве HC-SCR или NH₃-SCR.

Если измеренная концентрация кислорода не является меньшей, чем требуется, способ 600 осуществляет возврат. Если она является меньшей, чем требуется, способ 600 переходит на 608, чтобы направлять вторичный воздух в выпускной канал. Количество направляемого воздуха может балансироваться, чтобы давать требуемый кислород для нейтрализации NOx и формирования аммиака на 610 наряду с поддержанием каталитического нейтрализатора SCR на требуемой температуре для накопления NH₃ на 612. Дополнительно, на 614, двигатель может эксплуатироваться с обогащенным сгоранием во время режима формирования аммиака. Способ 600 затем осуществляет возврат.

Фиг. 7 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая способ 700 охлаждения каталитического нейтрализатора с использованием ввода вторичного воздуха. Способ 700 может выполняться контроллером 12 в ответ на указание, что каталитический нейтрализатор SCR находится выше температуры накопления NH₃, к примеру, на 510 и 604 способов 500 и 600, соответственно. Способ 700 включает в себя, на 702, определение, возможна ли нейтрализация NOx с помощью топлива или NH₃ в качестве восстановителя (например, HC-SCR или NH₃-SCR). Это может быть основано на оценках нейтрализации, определенных для НС и NH₃, которые, в свою очередь, могут быть основаны на температуре SCR числе оборотов и нагрузке двигателя. Если нейтрализация NOx возможна, способ 700 переходит на 704, чтобы направлять вторичный воздух в выхлопные газы для нейтрализации NOx газовой фазой. Количество вводимого воздуха может регулироваться для поддержания каталитического нейтрализатора на требуемой температуре на 706, для того чтобы охлаждать каталитический нейтрализатор до температурного диапазона, пригодного для формирования/накопления NH₃.

На 708, способ 700 включает в себя определение, является ли концентрация кислорода выхлопных газов большей, чем максимальное значение накопления. Если концентрация кислорода в выхлопных газах не является большей, чем максимальное значение накопления, воздух может вводиться в выпускной канал, чтобы содействовать накоплению NH₃, и, таким образом, способ 700 переходит на 710, чтобы инициировать процедуру формирования аммиака по фиг. 6. Если концентрация кислорода выхлопных газов является большей, чем максимальное значение накопления, способ 700 осуществляет возврат, чтобы продолжать направлять вторичный воздух для охлаждения каталитического нейтрализатора.

Возвращаясь на 702, если нейтрализация NOx не является возможной на 702, вследствие температуры SCR и состава выхлопных газов, способ 700 переходит на 712, чтобы определять, находится ли температура SCR выше предельного значения температуры нейтрализации газовой фазой. Если нет, способ 700 осуществляет возврат. Если да, способ 700 переходит на 714, чтобы направлять вторичный воздух в выхлопные газы, для того чтобы устранять нарастание твердых частиц из каталитического нейтрализатора SCR. Способ 700 переходит на 708, чтобы определять, находится ли концентрация кислорода выше максимального значения накопления, как пояснено выше.

Таким образом, способы по фиг. 4-7 могут предусматривать впрыскивание вторичного воздуха выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR, чтобы обеспечивать требуемые уровни кислорода для различных функций, таких как нейтрализация NOx, накопление NH₃ и/или содействие регенерации каталитического нейтрализатора. В одном из вариантов осуществления, способ содержит эксплуатацию двигателя с обедненным сгоранием, а когда концентрация кислорода выхлопных газов находится ниже порогового значения, впрыскивание воздуха в выпускной канал между первым устройством снижения токсичности выхлопных газов и вторым устройством снижения токсичности выхлопных газов. Первое устройство снижения токсичности выхлопных газов может быть двухкомпонентным или трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, а второе устройство снижения токсичности выхлопных газов может быть системой SCR. Эксплуатация с обедненным сгоранием дополнительно может включать в себя эксплуатацию с топливно-воздушными соотношениями между 20:1 и 30:1 или другими обедненными топливно-воздушными соотношениями.

В некоторых вариантах осуществления двигатель может эксплуатироваться с обедненным сгоранием во время первого условия, а во время второго условия эксплуатироваться со стехиометрическим сгоранием. При обоих, первом и втором, условиях, количество впрыскиваемого воздуха может регулироваться на основании концентрации кислорода выхлопных газов выше по потоку от системы SCR и температуры системы SCR. Первое условие может включать в себя от низкой до средней нагрузку двигателя, а второе условие может включать в себя от средней до высокой нагрузку двигателя. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, регулирование количества впрыскиваемого воздуха может включать в себя блокировку системы впрыскивания воздуха от впрыскивания воздуха, если концентрация кислорода выхлопных газов превышает первое пороговое значение или если температура системы SCR превышает второе пороговое значение.

В еще одном варианте осуществления способ для двигателя содержит, когда уровень накопления восстановителя восстановительного каталитического нейтрализатора находится выше порогового значения, регулирование количества вторичного воздуха, впрыскиваемого в выпускной канал выше по потоку от восстановительного каталитического нейтрализатора, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов в первом диапазоне, а когда уровень накопления восстановителя находится ниже порогового значения, регулирование количества вторичного воздуха, впрыскиваемого в выпускной канал, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов во втором, более низком диапазоне. Второй, более низкий диапазон концентрации кислорода выхлопных газов может быть основан на температуре восстановительного каталитического нейтрализатора и уровне накопления восстановителя.

Следует принимать во внимание, что конфигурации и способы, раскрытые в материалах настоящего описания, являются примерными по природе и что эти специфичные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Например, вышеприведенная технология может быть применена к типам двигателя V6, I-4, I-6, V-12, оппозитному 4-цилиндровому и другим типам двигателя. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новейшие и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящего описания.

Последующая формула изобретения подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных. Эти пункты формулы изобретения могут указывать ссылкой на элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Следует понимать, что такие пункты формулы изобретения включают в себя объединение одного или более таких элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены формулой изобретения посредством изменения настоящей формулы изобретения или представления новой формулы изобретения в этой или родственной заявке. Такая формула изобретения, более широкая, более узкая, равная или отличная по объему по отношению к исходной формуле изобретения, также рассматривается в качестве включенной в предмет изобретения настоящего раскрытия.

Изобретение относится к многозвенному поршневому кривошипно-шатунному механизму для двигателя внутреннего сгорания. Предложены варианты осуществления для регулирования концентрации кислорода в выхлопных газах. В одном из примеров способ управления двигателем включает в себя этапы, на которых эксплуатируют двигатель с обедненным сгоранием; и в ответ на концентрацию кислорода выхлопных газов двигателя ниже порогового значения впрыскивают воздух в выпускной канал двигателя между трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором и устройством избирательного каталитического восстановления (SCR), и в ответ на концентрацию кислорода выхлопных газов двигателя выше порогового значения блокируют впрыск воздуха в выпускной канал двигателя. Таким образом, избыточные выбросы могут нейтрализовываться во время эксплуатации с обедненным сгоранием. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ управления двигателем, включающий в себя этапы, на которых:

эксплуатируют двигатель с обедненным сгоранием; и

в ответ на концентрацию кислорода выхлопных газов двигателя ниже порогового значения, впрыскивают воздух в выпускной канал двигателя между трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором и устройством избирательного каталитического восстановления (SCR), и

в ответ на концентрацию кислорода выхлопных газов двигателя выше порогового значения, блокируют впрыск воздуха в выпускной канал двигателя.

2. Способ по п. 1, в котором воздух впрыскивают в выпускной канал двигателя через канал рециркуляции выхлопных газов (EGR).

3. Способ по п. 1, в котором эксплуатация двигателя с обедненным сгоранием включает в себя этап, на котором эксплуатируют двигатель с топливно-воздушным соотношением между 20:1 и 30:1, при этом пороговым значением является 8%.

4. Способ по п. 1, в котором двигатель является бензиновым двигателем.

5. Способ по п. 1, в котором количество впрыскиваемого воздуха дополнительно регулируют для поддержания температуры устройства SCR в пределах диапазона пороговых значений.

6. Способ по п. 1, в котором впрыскивание воздуха в выпускной канал двигателя дополнительно включает в себя этап, на котором направляют наддувочный всасываемый воздух непосредственно в выпускной канал.

7. Система для бензинового двигателя обедненного сгорания, содержащая:

систему выпуска, содержащую расположенный выше по потоку каталитический нейтрализатор и расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор SCR;

систему впрыскивания воздуха, присоединенную к выпускному каналу между каталитическим нейтрализатором и каталитическим нейтрализатором SCR; и

контроллер, включающий в себя команды для:

во время первого условия, эксплуатации двигателя с обедненным сгоранием и регулирования количества впрыскиваемого воздуха на основании концентрации кислорода выхлопных газов выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR и температуры каталитического нейтрализатора SCR, и во время второго условия, эксплуатации двигателя со стехиометрическим сгоранием и регулирования количества впрыскиваемого воздуха на основании концентрации кислорода выхлопных газов выше по потоку от каталитического нейтрализатора SCR и температуры каталитического нейтрализатора SCR.

8. Система двигателя по п. 7, в которой первое условие содержит нагрузку двигателя 50% или ниже.

9. Система двигателя по п. 7, в которой контроллер содержит дополнительные команды для впрыскивания первого количества воздуха, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов в пределах первого диапазона.

10. Система двигателя по п. 9, в которой контроллер содержит дополнительные команды для регулирования первого количества воздуха, чтобы поддерживать температуру каталитического нейтрализатора SCR в пределах второго диапазона.

11. Система двигателя по п. 7, в которой второе условие содержит нагрузку двигателя более 50% и температуру двигателя выше порогового значения.

12. Система двигателя по п. 7, в которой система впрыскивания воздуха присоединяет выпускной канал непосредственно к участку впускного канала ниже по потоку от компрессора турбонагнетателя и выше по потоку от дросселя, при этом контроллер содержит команды для регулирования клапана системы впрыскивания воздуха, чтобы подавать сжатый всасываемый воздух в качестве впрыскиваемого воздуха.

13. Система двигателя по п. 7, в которой контроллер содержит команды для, если концентрация кислорода выхлопных газов превышает первое пороговое значение или если температура каталитического нейтрализатора SCR превышает второе пороговое значение, блокировки системы впрыскивания воздуха от впрыскивания воздуха.

14. Система двигателя по п. 7, в которой каталитический нейтрализатор является двухкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

15. Способ управления двигателем, включающий в себя этапы, на которых:

в ответ на уровень накопления восстановителя восстановительного каталитического нейтрализатора выше порогового значения регулируют количество вторичного воздуха, впрыскиваемого через клапан в выпускной канал выше по потоку от восстановительного каталитического нейтрализатора, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов в первом диапазоне; а

в ответ на уровень накопления восстановителя на или ниже порогового значения регулируют количество вторичного воздуха, впрыскиваемого через клапан в выпускной канал, чтобы поддерживать концентрацию кислорода выхлопных газов во втором, более низком диапазоне.

16. Способ по п. 15, дополнительно включающий в себя этап, на котором в ответ на уровень накопления восстановителя ниже порогового значения эксплуатируют двигатель с обогащенным сгоранием.

17. Способ по п. 15, дополнительно включающий в себя этапы, на которых:

в ответ на уровень накопления восстановителя выше порогового значения и работу двигателя под нагрузкой 50% или ниже эксплуатируют двигатель с обедненным сгоранием; а

в ответ на уровень накопления восстановителя выше порогового значения и работу двигателя под нагрузкой выше 50% эксплуатируют двигатель со стехиометрическим сгоранием.

18. Способ по п. 15, в котором второй, более низкий диапазон концентрации кислорода выхлопных газов основан на температуре восстановительного каталитического нейтрализатора и уровне накопления восстановителя.

19. Способ по п. 15, в котором восстановительный каталитический нейтрализатор является каталитическим нейтрализатором избирательного каталитического восстановления.