СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК F02B37/12 F02D23/00 F02D41/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам двигателя с наддувом, содержащим турбонагнетатель.

Уровень техники

Двигатели с турбонаддувом обеспечивают более высокую производительность по сравнению с двигателями без наддува. Однако количество выбросов, выделяемых при холодном запуске двигателя с турбонаддувом, может оказаться больше ожидаемого значения, поскольку турбина турбонагнетателя отбирает тепловую энергию выхлопных газов раньше, чем они достигают устройства доочистки выхлопных газов. Следовательно, в устройство доочистки выхлопных газов поступают выхлопные газы с меньшей энергией, требуется больше времени на нагрев устройства доочистки выхлопных газов до рабочей температуры. Одним из способов увеличить количество тепловой энергии, поступающей в устройство доочистки выхлопных газов, является задержка зажигания двигателя и повышение массового расхода воздуха двигателя. Тем не менее, даже в этом случае устройство доочистки выхлопных газов может не достигнуть рабочей температуры достаточно быстро, что не позволит соблюсти жесткие нормы по выбросам для транспортных средств. Более того, задержка зажигания двигателя и повышение массового расхода воздуха двигателя увеличивают расход топлива и поэтому являются нежелательными.

Раскрытие изобретения

Для преодоления вышеуказанных ограничений была разработана система, включающая в себя: двигатель; турбонагнетатель, подключенный к двигателю и содержащий устройство для увеличения и уменьшения ротационного сопротивления турбонагнетателя. Система также содержит контроллер с записанными на нем непереходными командами, которые позволяют с помощью указанного устройства регулировать ротационное сопротивление турбонагнетателя, когда температура устройства доочистки выхлопных газов ниже порогового значения.

Увеличивая ротационное сопротивление турбины турбонагнетателя, можно уменьшить время, необходимое для достижения устройством доочистки выхлопных газов рабочей температуры. В частности, увеличение ротационного сопротивления турбины турбонагнетателя может ограничить вращение турбонагнетателя таким образом, что выхлопные газы будут контактировать с меньшей площадью поверхности внутри турбонагнетателя. В результате турбонагнетателю будет передано меньше энергии выхлопных газов, а значит, больше энергии поступит к каталитическому нейтрализатору, расположенному ниже по потоку относительно турбонагнетателя. Дополнительная энергия выхлопных газов, подводимая к каталитическому нейтрализатору, может способствовать уменьшению количества вредных выбросов. Таким образом, количество выбросов двигателя может быть уменьшено без необходимости задержки зажигания двигателя и увеличения расхода воздуха.

Предложенная система имеет ряд преимуществ. Например, данный подход позволяет уменьшить количество вредных выбросов двигателя при холодном старте. Кроме того, данный подход позволяет снизить расход топлива за счет уменьшения времени простоя каталитического нейтрализатора, что приводит к уменьшению времени неэффективной работы двигателя. Также данный подход обеспечивает более высокую стабильность сгорания при запуске двигателя, что уменьшает длительность работы двигателя на холостом ходу.

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 представлено схематическое изображение системы двигателя;

На Фиг. 2-5 представлены примеры устройств, предназначенных для повышения ротационного сопротивления турбонагнетателя;

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

На Фиг. 7 представлен пример способа эксплуатации двигателя.

Осуществление изобретения

Данное описание относится к запуску двигателя с турбонаддувом. В данном примере двигатель с турбонаддувом может быть запущен с передачей дополнительной энергии выхлопных газов устройству доочистки выхлопных газов. Данный подход позволяет экономить топливо и обеспечить стабильность сгорания во время работы двигателя на холостом ходу. Пример подобной системы показан на Фиг. 1. Для выполнения работы в соответствии с последовательностью, представленной на Фиг. 6, двигатель и двигательная система должны работать в соответствии с процедурой, показанной на Фиг. 7. Процедура предусматривает повышение ротационного сопротивления турбины турбонагнетателя во время запуска двигателя, чтобы меньшее количество энергии выхлопных газов передавалось турбонагнетателю. На Фиг. 2-5 представлены примеры устройств, предназначенных для повышения ротационного сопротивления турбонагнетателя.

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. Поток через перепускной канал 77 регулируется посредством перепускного клапана 75. 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 данном примере ротор 170 установлен на валу 161 для повышения ротационного сопротивления вала 161, турбины 164 и компрессора 162. Тормозная скоба 171 турбонагнетателя выборочно передает тормозное усилие ротору 170. Кроме того, впускной коллектор 44 показан соединенным с центральным дросселем 62, который регулирует положение дроссельной заслонки 64 для регулирования потока воздуха, идущего от воздухозаборника 42 двигателя. Центральный дроссель 62 может иметь электропривод.

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 (КАМ) 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 первое устройство для повышения ротационного сопротивления турбонагнетателя в поперечном сечении. Турбина 164 показана механически соединенной с валом 161. Компрессор 162 также показан механически соединенным с валом 161. Ротор 170 также показан механически соединенным с валом 161. Тормозная скоба 171 охватывает ротор 170. Контроллер 12 управляет тормозной скобой 171. Вал 161 установлен на подшипниках 210.

Во время работы двигателя выхлопные газы воздействуют на турбину 164, вызывая ее вращение, если не применена тормозная скоба (например, она не производит сжимающего усилия), или если к ротору 170 приложено лишь небольшое усилие. Ротационное сопротивление вала 161, турбины 164 и компрессора 162 можно повысить, применив тормозную скобу 171, тем самым обеспечив приложение тормозного усилия к ротору 170. Тормозная скоба 171 может быть приведена в действие электрическим или гидравлическим приводом. Ротационное сопротивление вала 161, турбины 164 и компрессора 162 уменьшается при приложении к ротору 170 тормозного усилия с помощью тормозной скобы 171. В данном примере ротационное сопротивление вала 161, турбины 164 и компрессора 162 возрастает, когда температура выхлопных газов после прохождения устройств доочистки выхлопных газов ниже порогового значения.

На Фиг. 3 представлен другой вариант устройства 300 для повышения ротационного сопротивления турбонагнетателя, в поперечном сечении. Компоненты устройства 300, аналогичные компонентам устройства на Фиг. 2, обозначены теми же позициями и работают так же, как указано в описании к Фиг. 2.

Устройство 300 включает в себя первичную обмотку 320 и постоянные магниты или вторичную обмотку 322. Контроллер 12 выборочно подает ток на обмотку 320 для создания магнитного поля, которое может повышать и понижать ротационное сопротивление турбины 164, вала 161 и компрессора 162. Магнитное поле, созданное подачей тока на обмотку 320, взаимодействует с магнитным полем вала 161, созданным постоянными магнитами или обмоткой 322. В случае если электрическое устройство 322 представляет собой обмотку, на нее можно подавать ток для создания магнитного поля, которое будет взаимодействовать с полем, созданным обмоткой 320. Два магнитных поля увеличивают ротационное сопротивление вала 161, турбины 164 и компрессора 162. Снижение тока в обмотке 320 понижает ротационное сопротивление вала 161.

На Фиг. 4 изображено поперечное сечение другого устройства 400 для повышения ротационного сопротивления турбонагнетателя. Компоненты устройства 400, аналогичные компонентам устройства на Фиг. 2, обозначены теми же позициями и работают так же, как указано в описании к Фиг. 2.

Устройство 400 включает в себя электропривод (т.е. соленоид) или гидравлический привод (т.е. поршень) 430, который периодически вводит и выводит штифт 431 в отверстие 432 на валу 161. Например, при запросе на запуск двигателя, когда температура выхлопных газов ниже порогового значения, штифт 431 входит в вал 161. Если штифт 431 выровнен с отверстием 432, он входит в вал для ограничения вращения вала 161, турбины 164 и компрессора 162. Если штифт 431 изначально не выровнен с отверстием 432, выхлопные газы, воздействуя на турбину 164, вращают вал 161, пока штифт 431 не поравняется с отверстием 432 и не войдет в него. Таким образом, устройство 400 обеспечивает альтернативный способ повышения ротационного сопротивления вала 161.

На Фиг. 5 показано поперечное сечение альтернативного устройства 400 для повышения ротационного сопротивления турбонагнетателя. Компоненты устройства 500, аналогичные компонентам устройства на Фиг. 2, обозначены теми же позициями и работают так же, как указано в описании к Фиг. 2.

Устройство 500 включает в себя гидравлический регулятор 540 потока (например, клапан) и гидравлический насос 542. Гидравлический насос интегрирован с валом 161 и имеет лопасти 543. Ротационное сопротивление вала 161 можно регулировать за счет управления потоком жидкости в гидравлическом насосе 542 с помощью гидравлического регулятора 540 потока. В данном примере ротационное сопротивление гидравлического насоса 542 увеличивается, когда температура двигателя или температура выхлопных газов после устройства доочистки выхлопных газов ниже порогового значения.

Таким образом, варианты выполнения системы, представленные на Фиг. 1-5, предусматривают наличие следующих компонентов: двигатель; турбонагнетатель, соединенный с двигателем, причем турбонагнетатель содержит устройство для управления ротационным сопротивлением турбонагнетателя; а также контроллер с записанными на нем командами по управлению ротационным сопротивлением турбонагнетателя с помощью устройства, реагирующего на температуру устройства доочистки выхлопных газов. Регулирование ротационного сопротивления турбонагнетателя на основании данных о температуре устройства доочистки выхлопных газов позволяет снизить количество выхлопных газов и расход топлива.

Система, представленная на Фиг. 1-5, предусматривает регулирование ротационного сопротивления турбонагнетателя на основании данных о том, что температура устройства доочистки выхлопных газов ниже порогового значения. В качестве устройства для управления ротационным сопротивлением может быть использовано устройство с гидравлическим приводом, устройство с электрическим приводом или механическое тормозное устройство. Механическое тормозное устройство может содержать ротор, механически соединенный с валом турбонагнетателя. Электропривод может обеспечиваться электромашиной, которая является генератором переменного тока.

В другом примере система, представленная на Фиг. 1-5, предусматривает наличие следующих компонентов: двигатель; турбонагнетатель, соединенный с двигателем, причем турбонагнетатель содержит устройство для управления ротационным сопротивлением турбонагнетателя; контроллер с записанными на нем командами по управлению ротационным сопротивлением турбонагнетателя с помощью устройства, реагирующего на температуру устройства доочистки выхлопных газов, а также контроллер с записанными на нем командами по управлению сопротивлением вращению турбонагнетателя с помощью устройства, реагирующего на изменения крутящего момента двигателя. Таким образом, за счет регулирования ротационного сопротивления турбонагнетателя можно повысить количество поступающей на устройство доочистки выхлопных газов энергии или повысить выходной крутящий момент двигателя.

Система, представленная на Фиг. 1-5, предусматривает регулирование ротационного сопротивления турбонагнетателя при уменьшении потока воздуха двигателя ниже порогового значения. В качестве устройства для управления ротационным сопротивлением может быть использовано устройство, механически соединенное с валом турбонагнетателя. Система также содержит перепускной клапан турбонагнетателя и дополнительные команды на открывание перепускного клапана при снижении расхода воздуха ниже порогового значения. В некоторых примерах двигательная система также включает в себя дополнительные команды по регулированию ротационного сопротивления турбонагнетателя при наличии барометрического давления. В качестве устройства для управления ротационным сопротивлением также могут быть использованы дисковый тормоз или гидравлический насос. Система также предусматривает дополнительные команды на повышение ротационного сопротивления турбонагнетателя после заранее установленного количества циклов сгорания с момента остановки двигателя.

На Фиг. 6 представлены данные о последовательности процессов в двигателе, полученные при моделировании холодного запуска. Данные, представленные на Фиг. 6, могут быть получены при реализации способа, представленного на Фиг. 7, системой, представленной на Фиг. 1. Вертикальными линиями Т₀-Т₄ представлены характерные значения времени.

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

Второй график на Фиг. 6 представляет собой график зависимости температуры катализатора от времени. На оси Y указаны значения температуры катализатора, возрастающие по направлению оси Y. На оси X указаны значения времени, возрастающие в направлении слева направо. Горизонтальной линией 602 показана пороговая температура устройства доочистки выхлопных газов. Ротационное сопротивление турбонагнетателя увеличивается при понижении температуры устройства доочистки выхлопных газов ниже порогового значения. Ротационное сопротивление турбонагнетателя уменьшается при повышении температуры устройства доочистки выхлопных газов выше порогового значения. Линией 603 показана температура катализатора при повышении ротационного сопротивления турбонагнетателя. Линией 604 показана температура катализатора в аналогичных условиях, но при более низких значениях ротационного сопротивления турбонагнетателя.

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

Четвертый график на Фиг. 6 представляет собой график зависимости ротационного сопротивления турбонагнетателя (т.е. сопротивления вращательному движению) от времени. На оси Y указаны значения ротационного сопротивления турбонагнетателя, возрастающие по направлению оси Y. На оси X указаны значения времени, возрастающие в направлении слева направо. Пунктирная линия 608 показывает повышение ротационного сопротивления турбонагнетателя при другой регулировке моментов зажигания.

В точке Т₀ двигатель не работает, температура катализатора - низкая, необходимый крутящий момент равен нулю, ротационное сопротивление турбонагнетателя - высокое. Ротационное сопротивление турбонагнетателя возрастает при остановке или запуске двигателя.

На отрезке Т₀-T₁ происходит запуск двигателя, о чем свидетельствует повышение скорости вращения двигателя. Также происходит повышение температуры катализатора, а запрос на крутящий момент низкий. Поскольку ротационное сопротивление турбонагнетателя возрастает, а вращение турбины ограничено, выхлопные газы меньше контактируют с лопастями турбонагнетателя, чем при низких значениях ротационного сопротивления турбонагнетателя. Так можно добиться сохранения большего количества энергии выхлопных газов, поступающих в область ниже по потоку относительно устройства доочистки выхлопных газов.

Пунктирной линией 608 показано увеличенное ротационное сопротивление турбонагнетателя после запуска двигателя. В некоторых примерах ротационное сопротивление турбины увеличено после заранее заданного периода времени или заранее заданного количества циклов сгорания с момента остановки двигателя, в результате чего противодавление выхлопных газов не может увеличиться достаточно быстро для нарушения стабильности сгорания. Таким образом, в некоторых примерах турбина может продолжать вращаться в течение небольшого промежутка времени после достижения двигателем частоты оборотов холостого хода.

В момент времени T₁ запрос на крутящий момент растет, когда температура катализатора ниже порогового значения 602. В некоторых случаях предпочтительным является обеспечение необходимого крутящего момента, даже когда температура катализатора ниже необходимой температуры, так как автомобиль, где установлен двигатель, ускоряется желаемым образом. При повышении необходимого крутящего момента ротационное сопротивление турбонагнетателя понижается. В некоторых примерах ротационного сопротивления турбонагнетателя не происходит, пока необходимый крутящий момент не превысит пороговых значений. Скорость вращения двигателя растет по мере повышения выходного крутящего момента двигателя, рост температуры катализатора продолжается,

В момент времени Т₂ запрос на крутящий момент понижается. Ротационное сопротивление турбонагнетателя возрастает по мере понижения необходимого крутящего момента. Повышение ротационного сопротивления турбонагнетателя также уменьшает длительность контакта выхлопных газов с лопастями турбины, поэтому к катализатору поступает большее количество энергии выхлопных газов.

На отрезке Т₂-Т₃ температура катализатора продолжает повышаться, крутящий момент двигателя также увеличивается после периода нахождения на низком уровне. Ротационное сопротивление турбонагнетателя постепенно понижается. Однако в некоторых примерах ротационное сопротивление турбонагнетателя может оставаться на неизменно высоком уровне до тех пор, пока температура катализатора не достигнет порогового значения, или пока необходимый крутящий момент двигателя не превысит порогового значения.

В момент времени Т₄ ротационное сопротивление турбонагнетателя понижается при достижении температурой катализатора пороговых значений. По запросу водителя автомобиля увеличивается запрашиваемый крутящий момент и скорость вращения двигателя.

Таким образом, с использованием описанной методики можно улучшить производительность катализатора или устройства доочистки выхлопных газов. Как говорилось выше, производительность двигателя можно поддерживать на определенном уровне за счет выборочного уменьшения ротационного сопротивления турбонагнетателя.

На Фиг. 7 представлен способ оптимизации запуска двигателя с турбонаддувом. Способ, представленный на Фиг. 7, может быть реализован с помощью системы, изображенной на Фиг. 1, посредством выполнения команд, хранящихся в долговременной памяти контроллера 12.

На этапе 702 способ 700 предполагает определение рабочих условий. Рабочие условия могут включать в себя следующие не ограничивающие параметры: скорость вращения двигателя, нагрузку на двигатель, температуру катализатора, температуру двигателя, запрашиваемый крутящий момент двигателя и ротационное сопротивление турбонагнетателя. После определения рабочих условий происходит переход на этап 703.

На этапе 703 способ 700 предполагает определение, прошло ли с момента запуска двигателя установленное время. В некоторых примерах установленное время - это промежуток времени, в течение которого двигатель не работает. В других примерах установленное время определяется количеством циклов сгорания с момента остановки двигателя. В некоторых случаях установленное время может равняться нулю. Если способ 700 установит, что заданное время с момента запуска двигателя прошло, ответ на этапе 703 - «да», то происходит переход к этапу 704. В противном случае происходит переход к этапу 720.

На этапе 704 способ 700 предполагает определение, превышает ли температура двигателя и/или устройства доочистки выхлопных газов (т.е. катализатора или сажевого фильтра) пороговое значение. В данном примере температуру катализатора сравнивают с его рабочей температурой (т.е. температурой, при которой катализатор работает с неким заданным КПД). Если согласно способу 700 установлено, что температура двигателя и/или устройства доочистки выхлопных газов превышает пороговое значение, ответ на этапе 704 - «да», то происходит переход к этапу 720. В противном случае происходит переход к этапу 706.

На этапе 720 способ 700 предполагает уменьшение ротационного сопротивления турбонагнетателя до уровня, достаточного для повышения КПД турбонагнетателя. Уменьшить ротационное сопротивление турбонагнетателя можно с помощью приведения в действие тормозного устройства, уменьшения подаваемого на контур тока или управления гидравлическим приводом. Ротационное сопротивление устройств, изображенных на Фиг. 2-5, можно понизить, как описано выше. После снижения ротационного сопротивления турбонагнетателя до требуемого уровня способ 700 завершается.

На этапе 706 способ 700 предполагает определение, превышает ли необходимый крутящий момент двигателя пороговое значение. При подтверждении превышения происходит переход к этапу 718. В противном случае происходит переход к этапу 708.

На этапе 718 способ 700 предполагает регулирование ротационного сопротивления в соответствии с запрашиваемым крутящим моментом. В данном примере ротационное сопротивление турбонагнетателя уменьшается пропорционально увеличению запрашиваемого крутящего момента. Например, крутящий момент, приложенный на тормозной скобе, зажимающей ротор, соединенный с валом турбонагнетателя, уменьшается в ответ на повышение крутящего момента двигателя. В других примерах ротационное сопротивление турбонагнетателя уменьшается при превышении порогового значения крутящего момента двигателя. После уменьшения ротационного сопротивления турбонагнетателя способ 700 переходит к этапу 708.

Этап 720 способа 700 предполагает регулирование ротационного сопротивления турбонагнетателя в соответствии с барометрическим давлением. В данном примере ротационное сопротивление турбонагнетателя снижается по мере увеличения барометрического давления таким образом, что в условиях запуска на больших высотах компрессор турбонагнетателя после запуска может подавать некоторое количество сжатого воздуха в двигатель. Методику регулирования ротационного сопротивления турбонагнетателя можно определить эмпирически и записать на соответствующие носители информации. После уменьшения ротационного сопротивления турбонагнетателя в соответствии с барометрическим давлением способ 700 переходит к этапу 710.

На этапе 710 способ 700 предполагает регулирование ротационного сопротивления турбонагнетателя в соответствии с температурой двигателя и/или устройства доочисгки выхлопных газов. В данном примере ротационное сопротивление турбонагнетателя снижается по мере повышения температуры двигателя и/или устройства доочистки выхлопных газов. Степень понижения ротационного сопротивления в соответствии с температурой двигателя и/или устройства доочистки выхлопных газов можно определить эмпирически и записать на определенные носители информации. Например, по мере понижения температуры двигателя и/или устройства доочистки выхлопных газов ротационное сопротивление турбонагнетателя возрастает. В данном примере ротационное сопротивление турбонагнетателя возрастает до такой степени, что скорость вращения турбины турбонагнетателя становится практически равной нулю (т.е. меньше 2 оборотов в минуту). В другом примере ротационное сопротивление турбонагнетателя возрастает до такой степени, что скорость вращения турбины турбонагнетателя становится меньше порогового значения, например 100 оборотов в минуту. После регулирования ротационного сопротивления турбонагнетателя способа 700 переходит к этапу 712.

На этапе 712 способ 700 предполагает определение, не превышает ли воздушный поток желаемого значения и не превышает ли противодавление выхлопных газов желаемого значения при текущем ротационном сопротивлении турбонагнетателя. Если расход воздуха меньше желаемого значения или противодавление выхлопных газов больше желаемого значения, ответ на вопрос на этапе 712 - «да», то способ 700 переходит к этапу 714. В противном случае способ 700 переходит к этапу 704.

На этапе 714 способ 700 предполагает открывание перепускного клапана турбонагнетателя для увеличения потока выхлопных газов и, соответственно, для повышения расхода воздуха и снижения противодавления выхлопных газов. Перепускной клапан может приводиться в действие с помощью вакуума или электрического привода. В данном примере степень открытия перепускного клапана увеличивается пропорционально необходимому понижению противодавления выхлопных газов или пропорционально необходимому увеличению расхода воздуха. После открывания перепускного клапана способ 700 переходит к этапу 716.

На этапе 716 способ 700 предполагает увеличение расхода воздуха за счет открывания обводного клапана компрессора. Т.к. повышение ротационного сопротивления турбонагнетателя ограничивает вращение компрессора, дополнительный подвод воздуха к двигателю осуществляется с помощью компрессорного обводного клапана. Для увеличения расхода воздуха обводной клапан компрессора полностью или частично открывается. После открывания обводного клапана компрессора способ 700 возвращается к этапу 704.

Таким образом, ротационное сопротивление турбонагнетателя можно повысить до уровня, превышающего номинальное значение, за счет сопротивления подшипников и инерции турбонагнетателя. Повышение ротационного сопротивления турбонагнетателя снижает время активации устройства доочистки выхлопных газов и, следовательно, снижает расход топлива.

Таким образом, способ, представленный на Фиг. 7, представляет собой способ управления двигателем, включающий в себя: регулирование ротационного сопротивления турбонагнетателя таким образом, что скорость вращения турбины становится практически равной нулю в зависимости от температуры выхлопных газов после устройства их доочистки при подаче выхлопных газов двигателем в турбонагнетатель. Таким образом, дополнительная энергия выхлопных газов подается на устройство доочистки выхлопных газов, поэтому во время прогревания устройства доочистки двигатель работает более эффективно. Способ управления двигателем также предусматривает регулирование ротационного сопротивления турбонагнетателя в зависимости от барометрического давления.

В другом примере способ управления двигателем подразумевает регулирование ротационного сопротивления турбонагнетателя в зависимости от запрашиваемого крутящего момента двигателя. Способ контроля двигателя также подразумевает открывание перепускного клапана, когда расход воздуха при сопротивлении вращению турбонагнетателя превышает пороговое значение. Способ управления двигателем также подразумевает повышение ротационного сопротивления турбонагнетателя за счет повышения ротационного сопротивления вала турбонагнетателя. Способ управления двигателем также подразумевает повышение ротационного сопротивления турбонагнетателя, когда температура устройства доочистки выхлопных газов не превышает порогового значения.

Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, описанные со ссылкой на Фиг. 7 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 внутреннего сгорания с наддувом, содержащих турбонагнетатель. Система двигателя включает в себя двигатель, турбонагнетатель (161), (162), (164) и контроллер (12). Турбонагнетатель (161), (162), (164) соединен с двигателем. Турбонагнетатель (161), (162), (164) включает в себя устройство (170), (171) для увеличения и снижения ротационного сопротивления турбонагнетателя, выполненное в виде электрической машины. Контроллер (12) содержит команды, сохраненные в некратковременном запоминающем устройстве, для регулирования ротационного сопротивления турбонагнетателя (161), (162), (164) посредством запоминающего устройства в зависимости от температуры устройства доочистки выхлопных газов. Контроллер (12) содержит дополнительные команды для уменьшения ротационного сопротивления турбонагнетателя (161), (162), (164) посредством запоминающего устройства в ответ на снижение барометрического давления. Контроллер (12) содержит дополнительные команды для открытия перепускного клапана в ответ на то, что расход воздуха двигателя ниже, чем требуемый расход воздуха двигателя, когда температура устройства доочистки выхлопных газов ниже порогового значения. Ротационное сопротивление турбонагнетателя (161), (162), (164) регулируется посредством запоминающего устройства. Контроллер (12) содержит дополнительные команды для уменьшения ротационного сопротивления турбонагнетателя (161), (162), (164) посредством запоминающего устройства в ответ на то, что температура устройства доочистки выхлопных газов выше порогового значения. Раскрыты вариант выполнения системы двигателя и способ управления двигателем. Технический результат заключается в уменьшении времени, необходимого для достижения устройством доочистки выхлопных газов рабочей температуры. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система двигателя, включающая в себя:

двигатель;

турбонагнетатель, соединенный с двигателем, причем турбонагнетатель включает в себя устройство для увеличения и снижения ротационного сопротивления турбонагнетателя, причем упомянутое устройство является электрической машиной; и

контроллер, содержащий команды, сохраненные в некратковременном запоминающем устройстве, для регулирования ротационного сопротивления турбонагнетателя посредством упомянутого устройства в зависимости от температуры устройства доочистки выхлопных газов, дополнительные команды для уменьшения ротационного сопротивления турбонагнетателя посредством упомянутого устройства в ответ на снижение барометрического давления, дополнительные команды для открытия перепускного клапана в ответ на то, что расход воздуха двигателя ниже, чем требуемый расход воздуха двигателя, когда температура устройства доочистки выхлопных газов ниже порогового значения, а ротационное сопротивление турбонагнетателя регулируется посредством упомянутого устройства, и дополнительные команды для уменьшения ротационного сопротивления турбонагнетателя посредством упомянутого устройства в ответ на то, что температура устройства доочистки выхлопных газов выше порогового значения.

2. Система двигателя по п. 1, дополнительно содержащая дополнительные команды для пропорционального уменьшения ротационного сопротивления турбонагнетателя в ответ на увеличение запрашиваемого крутящего момента двигателя.

3. Система двигателя по п. 1, дополнительно содержащая дополнительные команды для открытия перепускного клапана в ответ на то, что расход воздуха двигателя ниже, чем требуемый расход воздуха двигателя, запрашиваемый крутящий момент двигателя ниже порогового значения, а температура устройства доочистки выхлопных газов ниже порогового значения.

4. Система двигателя по п. 1, в которой электрическая машина включает в себя обмотки и дополнительно содержащая дополнительные команды, чтобы не увеличивать ротационное сопротивление турбонагнетателя посредством упомянутого устройства в зависимости от запрашиваемого крутящего момента до тех пор, пока запрашиваемый крутящий момент не выше порогового значения.

5. Система двигателя, включающая в себя:

двигатель;

турбонагнетатель, соединенный с двигателем, причем турбонагнетатель включает в себя устройство для увеличения и снижения ротационного сопротивления турбонагнетателя, причем упомянутое устройство находится в механической связи с валом турбонагнетателя, который механически связывает турбину и компрессор, причем турбонагнетатель также включает в себя перепускной клапан турбонагнетателя; и

контроллер, содержащий команды, сохраненные в некратковременном запоминающем устройстве, для регулирования ротационного сопротивления турбонагнетателя посредством упомянутого устройства в зависимости от температуры устройства доочистки выхлопных газов, причем контроллер содержит дополнительные некратковременные команды для пропорционального регулирования ротационного сопротивления турбонагнетателя посредством упомянутого устройства в зависимости от запрашиваемого крутящего момента двигателя, дополнительные команды для увеличения ротационного сопротивления турбонагнетателя после предварительно определенного количества циклов сгорания с момента остановки двигателя и дополнительные некратковременные команды для открытия перепускного клапана в ответ на то, что расход воздуха двигателя ниже требуемого уровня, и дополнительные команды, чтобы не регулировать ротационное сопротивление турбонагнетателя посредством упомянутого устройства в зависимости от запрашиваемого крутящего момента двигателя до тех пор, пока запрашиваемый крутящий момент двигателя не превышает пороговое значение.

6. Система двигателя по п. 5, в которой упомянутое устройство содержит соленоид и штифт, причем упомянутое устройство находится в механической связи с отверстием в вале турбонагнетателя, и дополнительно содержащая дополнительные команды для открытия перепускного клапана дополнительно в ответ на то, что противодавление выхлопных газов больше требуемого давления.

7. Система двигателя по п. 5, дополнительно содержащая дополнительные некратковременные команды для снижения ротационного сопротивления турбонагнетателя в ответ на снижение барометрического давления.

8. Система двигателя по п. 5, в которой упомянутое устройство представляет собой дисковый тормоз и при этом регулирование ротационного сопротивления турбонагнетателя включает в себя снижение ротационного сопротивления турбонагнетателя в ответ на увеличение запрашиваемого крутящего момента двигателя.

9. Система двигателя по п. 6, в которой упомянутое устройство представляет собой гидравлический насос и дополнительно содержащая дополнительные команды для снижения ротационного сопротивления турбонагнетателя до предварительно определенного количества циклов сгорания с момента остановки двигателя.

10. Способ управления двигателем, содержащий этапы, на которых:

снижают ротационное сопротивление турбины турбонагнетателя посредством устройства до предварительно определенного количества циклов сгорания с момента остановки двигателя;

увеличивают ротационное сопротивление турбины турбонагнетателя посредством устройства таким образом, что скорость вращения турбонагнетателя становится практически равной нулю, в зависимости от температуры устройства доочистки выхлопных газов двигателя в то время, как двигатель подает выхлопные газы в турбонагнетатель;

пропорционально уменьшают ротационное сопротивление турбины турбонагнетателя посредством устройства в ответ на увеличение запрашиваемого крутящего момента двигателя; и

не регулируют ротационное сопротивление турбины турбонагнетателя в зависимости от запрашиваемого крутящего момента двигателя, пока запрашиваемый крутящий момент двигателя не превышает пороговое значение.

11. Способ управления двигателем по п. 10, дополнительно включающий в себя снижение ротационного сопротивления турбины турбонагнетателя в ответ на снижение барометрического давления.

12. Способ управления двигателем по п. 10, дополнительно включающий в себя открытие перепускного клапана в зависимости от расхода воздуха двигателя в то время, как ротационное сопротивление турбины турбонагнетателя больше порогового уровня.

13. Способ управления двигателем по п. 10, в котором увеличение ротационного сопротивления турбины турбонагнетателя включает в себя вставку штифта в отверстие в вале турбонагнетателя.

14. Способ управления двигателем по п. 10, в котором ротационное сопротивление турбины турбонагнетателя увеличивают в ответ на то, что температура устройства доочистки выхлопных газов двигателя меньше пороговой температуры.