СПОСОБ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ С ТУРБОНАДДУВОМ, СПОСОБ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ И СИСТЕМА Российский патент 2018 года по МПК F01N3/20 F02D23/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к системе ввода вторичного воздуха для двигателя внутреннего сгорания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Устройства снижения токсичности выхлопных газов, такие как каталитические нейтрализаторы, добиваются более высокого снижения выбросов после достижения заданной рабочей температуры. Таким образом, для снижения выбросов транспортного средства, возможны различные способы повышения температуры устройства снижения токсичности выхлопных газов как можно быстрее.

В одном из подходов для повышения температуры устройства снижения токсичности выхлопных газов осуществляют работу двигателя при богатом топливно-воздушном соотношении и вторичный воздух непосредственно вводят в выхлопные газы выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов. Такая система раскрыта в патенте США под № 5136842. В этой системе избыточное топливо из двигателя выбрасывается в выпуск, где оно реагирует с вторичным воздухом выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов. Прореагировавшее топливо увеличивает температуру выхлопных газов, таким образом, нагревая устройство снижения токсичности выхлопных газов. Однако, чтобы вводить вторичный воздух в выхлопные газы, насос вторичного воздуха используется для увеличения давления вторичного воздуха выше давления выхлопных газов. Использование такого насоса может ухудшать эффективность использования топлива и требует дополнительного компоновочного пространства, таким образом уменьшая коэффициент полезного действия двигателя.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретатели в материалах настоящего описания выявили проблемы с вышеприведенным подходом и предложили способ для по меньшей мере частичного принятия мер в ответ на них. В одном из вариантов осуществления предложен способ для двигателя с турбонаддувом, включающий в себя этапы, на которых:

при холодном запуске двигателя

согласованно регулируют клапан вторичного воздуха, расположенный в трубопроводе вторичного воздуха, соединяющем выпуск компрессора с каналом регулятора давления наддува через турбину, и клапан регулятора давления наддува, расположенный в канале регулятора давления наддува, независимо от требуемого давления наддува, для подачи наддувочного воздуха из места ниже по потоку от выпуска компрессора в канал регулятора давления наддува, причем клапан вторичного воздуха расположен в трубопроводе вторичного воздуха выше по потоку от места соединения трубопровода вторичного воздуха с каналом регулятора наддува; и

осуществляют экзотермическую реакцию восстановителя, полученного из цилиндра двигателя при сгорании на богатом топливно-воздушном соотношении, с наддувочным воздухом выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов, и

в отсутствие условий холодного запуска двигателя, регулируют клапан регулятора давления наддува на основании требуемого давления наддува и поддерживают клапан вторичного воздуха в закрытом положении.

В одном из вариантов предложен способ, дополнительно включающий в себя этап, на котором направляют тепло, вырабатываемое из экзотермической реакции, в устройство снижения токсичности выхлопных газов для разогрева устройства, при этом холодный запуск двигателя включает температуру двигателя при температуре окружающей среды при запуске двигателя.

В одном из вариантов предложен способ, дополнительно включающий в себя этап, на котором, непосредственно после события запуска двигателя, открывают клапан регулятора давления наддува при закрытом клапане вторичного воздуха.

В одном из вариантов предложен способ, в котором согласованное регулирование клапана вторичного воздуха и клапана регулятора давления наддува дополнительно включает в себя этап, на котором, как только давление на впуске дросселя превысит давление на выпуске турбины, переводят клапан регулятора давления наддува в закрытое положение при открывании клапана вторичного воздуха.

В одном из вариантов предложен способ, в котором клапан регулятора давления наддува закрывают на величину, основанную на давлении на впуске дросселя и топливно-воздушном соотношении выхлопных газов.

В одном из дополнительных аспектов предложен способ для двигателя, включающий в себя этапы, на которых:

при первом режиме открывают клапан вторичного воздуха для подачи наддувочного воздуха в канал регулятора давления наддува, присоединенный через турбину, и регулируют клапан регулятора давления наддува, расположенный в канале регулятора давления наддува для подачи требуемого количества выхлопных газов в канал регулятора давления наддува; и

при втором режиме закрывают клапан вторичного воздуха и регулируют клапан регулятора давления наддува на основании требуемого давления наддува, причем клапан вторичного воздуха расположен в трубопроводе вторичного воздуха, соединяющем выпуск компрессора к каналу регулятора давления наддува, и выше по потоку от места соединения трубопровода вторичного воздуха с каналом регулятора давления наддува.

В одном из вариантов предложен способ, в котором первый режим включает в себя то, что устройство снижения токсичности выхлопных газов ниже по потоку от турбины находится ниже пороговой температуры, при этом второй режим включает в себя то, что устройство снижения токсичности выхлопных газов находится выше пороговой температуры.

В одном из вариантов предложен способ, в котором первый режим включает в себя событие восстановление, которому подвержено устройство снижения токсичности выхлопных газов ниже по потоку от турбины, при этом второй режим включает в себя состояние без восстановления, в котором находится устройство снижения токсичности выхлопных газов.

В одном из вариантов предложен способ, в котором требуемое количество выхлопных газов основано на топливно-воздушном соотношении выхлопных газов.

В одном из вариантов предложен способ, в котором требуемое количество выхлопных газов основано на давлении на впуске дросселя.

В одном из вариантов предложен способ, дополнительно включающий в себя этапы, на которых, при первом режиме осуществляют работу двигателя при сгорании на богатом топливно-воздушном соотношении, а при втором режиме, осуществляют работу двигателя при, по существу, стехиометрическом топливно-воздушном соотношении.

В одном из еще дополнительных аспектов предложена система, содержащая:

двигатель;

турбонагнетатель, содержащий компрессор выше по потоку от двигателя и турбину ниже по потоку от двигателя;

канал регулятора давления наддува, присоединенный через турбину и содержащий клапан регулятора давления наддува, расположенный в нем;

трубопровод вторичного воздуха, присоединяющий впускной канал ниже по потоку от компрессора к каналу регулятора давления наддува и содержащий клапан вторичного воздуха, расположенный в нем, причем клапан вторичного воздуха расположен в трубопроводе вторичного воздуха, выше от места соединения трубопровода вторичного воздуха с каналом регулятора давления наддува, и

контроллер, содержащий команды для согласованного регулирования клапана вторичного воздуха и клапана регулятора давления наддува независимо от требуемого давления наддува в условиях холодного запуска двигателя, и команды для регулирования клапана давления наддува на основании требуемого давления наддува и поддержания клапана вторичного воздуха в закрытом положении в отсутствие условий холодного запуска двигателя.

В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер содержит дополнительные команды для открывания клапана вторичного воздуха при условиях холодного запуска двигателя для подачи наддувочного воздуха в канал регулятора давления наддува.

В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер содержит дополнительные команды для регулирования клапана регулятора давления наддува на величину, основанную на давлении на впуске дросселя и топливно-воздушном соотношении выхлопных газов, при условиях холодного запуска двигателя.

В одном из вариантов предложена система, в которой, при условиях холодного запуска двигателя, подаваемый наддувочный воздух экзотермически реагирует с восстановителем в выхлопных газах выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов для разогрева устройства снижения токсичности выхлопных газов.

Таким образом, наддувочный воздух ниже по потоку от компрессора может направляться в выхлопные газы выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов без использования отдельного насоса. Посредством использования перепада давлений между давлением на впуске дросселя ниже по потоку от компрессора и давлением на выпуске турбины вблизи, где вторичный воздух вводят в клапан регулятора давления наддува, наддувочный воздух может проводиться в выхлопные газы без отдельного механизма повышения давления. Кроме того, в некоторых примерах, клапан регулятора давления наддува, который регулирует количество выхлопных газов, обходящих турбину через канал регулятора давления наддува, может использоваться для управления скоростью реакции между выхлопными газами и введенным наддувочным воздухом.

Настоящее изобретение может предложить несколько преимуществ. Например, полагаясь скорее на наддувочный воздух, нежели на воздух, сжатый компрессором, можно обойтись без отдельного воздушного насоса, таким образом, улучшая коэффициент полезного действия двигателя. Дополнительно, посредством ввода наддувочного воздуха в канал регулятора давления наддува, реакция между восстановителями в выхлопных газах и наддувочным воздухом может управляться клапаном регулятора давления наддува, таким образом, гарантируя, что турбина, устройство снижения токсичности выхлопных газов или другие компоненты системы выпуска не подвергаются высоким температурам, которые могут вызывать ухудшение работы компонентов.

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, представлено 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 двигателя.

Фиг.2 показывает блок-схему последовательности операций способа, иллюстрирующую способ разогрева устройства снижения токсичности выхлопных газов посредством введения наддувочного воздуха.

Фиг.3 - схема, иллюстрирующая различные рабочие параметры двигателя во время выполнения способа по фиг.2.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для быстрого разогрева устройства снижения токсичности выхлопных газов, такого как каталитический нейтрализатор, транспортные средства могут содержать систему ввода вторичного воздуха, также указываемую ссылкой как система (PETA) канализированного впуска воздуха в выпускной коллектор, для ввода богатого кислородом вторичного воздуха в выхлопные газы выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов. Избыточный кислород во вторичном воздухе будет реагировать с восстановителями, такими как несгоревшее топливо, в выхлопных газах, чтобы порождать экзотермическую реакцию, которая будет разогревать устройство снижения токсичности выхлопных газов. Чтобы эффективно вводить вторичный воздух в выхлопные газы, наддувочный воздух выше по потоку от компрессора может направляться в выхлопные газы, через канал регулятора давления наддува, присоединенный через турбину, или через выпускной канал. В некоторых примерах, управление реакцией может обеспечиваться регулированием клапана регулятора давления наддува в канале регулятора давления наддува. Фиг.1 - примерный двигатель, содержащий систему ввода вторичного воздуха и контроллер, выполненный с возможностью выполнять способ по фиг.2. Примерные рабочие параметры двигателя при холодном запуске двигателя, в котором устройство снижения токсичности выхлопных газов разогревается посредством вторичного воздуха, проиллюстрированы на фиг.3.

Фиг.1 - схематичное изображение, показывающее один цилиндр многоцилиндрового двигателя 10, который может содержаться в силовой установке автомобиля. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, системой управления, содержащей контроллер 12, и входными сигналами от водителя 132 транспортного средства через устройство 130 ввода. В этом примере, устройство 130 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала PP положения педали. Камера 30 (то есть цилиндр) сгорания двигателя 10 может содержать стенки 32 камеры сгорания с поршнем 36, расположенными в них. Поршень 36 может быть присоединен к коленчатому валу 40, так чтобы возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть присоединен к по меньшей мере одному ведущему колесу транспортного средства через промежуточную систему трансмиссии. Кроме того, стартерный электродвигатель может быть присоединен к коленчатому валу 40 через маховик, чтобы давать возможность операции запуска двигателя 10.

Камера 30 сгорания может принимать всасываемый воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и может выпускать газообразные продукты сгорания выхлопных газов через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 могут избирательно сообщаться с камерой 30 сгорания через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания может содержать два или более впускных клапанов и/или два или более выпускных клапанов.

В этом примере, впускной клапан 52 и выпускные клапаны 54 могут управляться посредством приведения в действие кулачков через соответствующие системы 51 и 53 кулачкового привода. Каждая из систем 51 и 53 кулачкового привода может содержать один или более кулачков и может использовать одну или более из систем переключения профиля кулачков (CPS), регулируемой установки фаз кулачкового распределения (VCT), регулируемой установки фаз клапанного распределения (VVT) и/или регулируемого подъема клапана (VVL), которые могут управляться контроллером 12 для изменения работы клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может определяться датчиками 55 и 57 положения соответственно. В альтернативных вариантах осуществления, впускной клапан 52 и/или выпускной клапан 54 могут управляться посредством возбуждения клапанного распределителя с электромагнитным управлением. Например, цилиндр 30, в качестве альтернативы, может содержать впускной клапан, управляемый посредством возбуждения клапанного распределителя с электромагнитным управлением, и выпускной клапан, управляемый через кулачковый привод, содержащий системы CPS и/или VCT.

Топливная форсунка 66 показана расположенной во впускном коллекторе 44 в конфигурации, которая предусматривает то, что известно как впрыск топлива во впускное отверстие выше по потоку от камеры 30 сгорания. Топливная форсунка 66 может впрыскивать топливо пропорционально длительности импульса сигнала FPW, принятого из контроллера 12 через электронный формирователь 68. Топливо может подаваться в топливную форсунку 66 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и направляющую-распределитель для топлива. В некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания, в качестве альтернативы или дополнительно, может содержать топливную форсунку, присоединенную непосредственно к камере 30 сгорания, для впрыска топлива прямо в нее некоторым образом, известным как непосредственный впрыск.

Впускной канал 42 может содержать дроссель 62, имеющий дроссельную заслонку 64. В этом конкретном примере, положение дроссельной заслонки 64 может регулироваться контроллером 12 посредством сигналов, выдаваемых на электродвигатель или исполнительный механизм, содержащийся с дросселем 62 в конфигурации, которая обычно указывается ссылкой как электронный регулятор дросселя (ETC). Таким образом, дроссель 62 может приводиться в действие для изменения всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания, среди других цилиндров двигателя. Положение дроссельной заслонки 64 может быть обеспечено в контроллер 12 сигналом TP положения дросселя. Впускной канал 42 может содержать датчик 120 массового расхода воздуха и датчик 122 давления воздуха в коллекторе для обеспечения соответствующих сигналов MAF и MAP в контроллер 12.

Система 88 зажигания может подавать искру зажигания в камеру 30 сгорания через свечу 92 зажигания в ответ на сигнал SA опережения зажигания из контроллера 12, при выбранных рабочих режимах. Хотя показаны компоненты искрового зажигания, в некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания или одна или более других камер сгорания двигателя 10 могут приводиться в действие в режиме воспламенения от сжатия, с или без свечи зажигания.

Датчик 126 выхлопных газов показан присоединенным к выпускному каналу 48 выше по потоку от устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов. Датчик 126 может быть любым подходящим датчиком для обеспечения показания топливно-воздушного соотношения в выхлопных газах, таким как линейный датчик кислорода или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в выхлопных газах), двухрежимный датчик кислорода или EGO, HEGO (подогреваемый EGO), датчик содержания NO_x, HC, или CO. Устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов показано расположенным вдоль выпускного канала 48 ниже по потоку от датчика 126 выхлопных газов. Устройство 70 может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором (TWC), уловителем NO_x, различными другими устройствами снижения токсичности выхлопных газов или их комбинациями. В некоторых вариантах осуществления, при работе двигателя 10, устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов может периодически включаться повторно посредством приведения в действие по меньшей мере одного цилиндра двигателя в пределах конкретного топливно-воздушного соотношения.

Двигатель 10 дополнительно может содержать компрессионное устройство, такое как турбонагнетатель или нагнетатель, содержащий по меньшей мере компрессор 162, расположенный вдоль впускного канала 42. Что касается турбонагнетателя, компрессор 162 может по меньшей мере частично приводиться в действие турбиной 164 (например, через вал), расположенной на протяжении выпускного канала 48. Воздушный поток через турбину 164 может регулироваться посредством клапана 168 регулятора давления наддува, расположенного в канале 166 регулятора давления наддува, присоединенном через турбину. Когда клапан 168 регулятора давления наддува открыт, выхлопные газы могут обходить турбину 164 и, взамен, проходить через канал 166 регулятора давления наддува перед впуском в выпускной канал 48 ниже по потоку от турбины 164. Таким образом, может регулироваться скорость вращения турбины и, следовательно, давление наддува. Положение клапана 168 регулятора давления наддува может регулироваться сигналом, отправляемым из контроллера 12. Что касается нагнетателя, компрессор 162 может по меньшей мере частично приводиться в действие двигателем и/или электрической машиной и может не содержать турбину. Таким образом, величина компрессии (например, наддува), обеспечиваемой в одном или более цилиндрах двигателя через турбонагнетатель или нагнетатель, может изменяться контроллером 12. Кроме того, датчик 123 может быть расположен во впускном коллекторе 44 для выдачи сигнала BOOST (НАДДУВ) в контроллер 12.

Двигатель 10 может содержать систему ввода вторичного воздуха для ввода вторичного воздуха в систему выпуска. Трубопровод 170 вторичного воздуха может присоединять впускной канал 42 ниже по потоку от компрессора 162 к системе выпуска. В первом варианте осуществления, трубопровод 170 вторичного воздуха может быть присоединен на своем расположенном ниже по потоку конце к каналу 166 регулятора давления наддува ниже по потоку от клапана 168 регулятора давления наддува. Таким образом, наддувочный воздух от места ниже по потоку от компрессора 162 может направляться в канал 166 регулятора давления наддува через трубопровод 170 вторичного воздуха. Выпуск трубопровода 170 вторичного воздуха может быть присоединен к впуску канала 166 регулятора давления наддува в окне 172. Клапан 174 вторичного воздуха, управляемый контроллером 12, в трубопроводе 170 вторичного воздуха может регулировать количество наддувочного воздуха, направляемого в канал 166 регулятора давления наддува. Количество выхлопных газов, введенных в канал 166 регулятора давления наддува, может регулироваться клапаном 168 регулятора давления наддува. При действии таким образом, несгоревшие углеводороды или другие восстановители в выхлопных газах могут экзотермически реагировать с кислородом во введенном вторичном воздухе, выделяя тепло для повышения температуры расположенного ниже по потоку устройства снижения токсичности выхлопных газов (например, устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов). Дополнительно, посредством направления наддувочного воздуха в канал регулятора давления наддува, может сберегаться компоновочное пространство в двигателе. Например, посредством расположения впуска трубопровода вторичного воздуха поблизости от расположенной ниже по потоку стороны компрессора, кратчайший путь в систему выпуска дает в результате выпуск трубопровода вторичного воздуха, находящийся поблизости от канала регулятора давления наддува. Кроме того, посредством управления количеством наддувочного воздуха и количеством выхлопных газов, направляемых в канал 166 регулятора давления наддува, через клапан 174 вторичного воздуха и клапан 168 регулятора давления наддува, соответственно, экзотермическая реакция может регулироваться, чтобы поддерживать требуемую температуру и/или скорость реакции.

Во втором варианте осуществления, изображенном на фиг.1 пунктирными линиями, трубопровод 170 вторичного воздуха может быть присоединен на своем расположенном ниже по потоку конце к выпускному каналу 48 ниже по потоку от турбины 164. В этом варианте осуществления, количество вторичного или наддувочного воздуха, введенного в выхлопные газы, также может регулироваться посредством клапана 174 вторичного воздуха. Так как давление выхлопных газов на выпуске турбины типично находится ниже, чем давление всасываемого воздуха ниже по потоку от компрессора, вторичный воздух может приводиться в выпускной канал без дополнительного механизма повышения давления, подается ли вторичный воздух непосредственно в выпускной канал ниже по потоку от турбины, или направляется ли он в канал регулятора давления наддува. Однако, в некоторых условиях, таких как немедленно после запуска двигателя, давление выхлопных газов на выпуске турбины может быть более высоким, чем давление ниже по потоку от компрессора. Для предохранения выхлопных газов от прохождения во впускной канал во время этих условий, запорный клапан 176 может присутствовать в трубопроводе 170 вторичного воздуха.

Контроллер 12 показан на фиг.1 в качестве микрокомпьютера, содержащего микропроцессорный блок 102, порты 104 ввода/вывода, электронный запоминающий носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в качестве микросхемы 106 постоянного запоминающего устройства в этом конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимую память 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать различные сигналы с датчиков, присоединенных к двигателю 10, в дополнение к тем сигналам, которые обсуждены ранее, в том числе измерение вводимого массового расхода воздуха (MAF) с датчика 120 массового расхода воздуха; температуру хладагента двигателя (ECT) с датчика 112 температуры, присоединенного к патрубку 114 охлаждения; сигнал профильного считывания зажигания (PIP) с датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), присоединенного к коленчатому валу 40; положение дросселя (TP) с датчика положения дросселя; и сигнал абсолютного давления в коллекторе, MAP, с датчика 122. Сигнал скорости вращения двигателя, RPM, может формироваться контроллером 12 из сигнала PIP. Сигнал давления в коллекторе, MAP, с датчика давления в коллекторе может использоваться для выдачи указания разряжения или давления во впускном коллекторе. Отметим, что могут использоваться различные комбинации вышеприведенных датчиков, такие как датчик MAF без датчика MAP или наоборот. При стехиометрической работе датчик MAP может давать показание крутящего момента двигателя. Кроме того, этот датчик, наряду с выявленной скоростью вращения двигателя, может давать оценку заряда (включая воздух), введенного в цилиндр. В одном из примеров, датчик 118, который также используется в качестве датчика скорости вращения двигателя, может вырабатывать заданное количество равноразнесенных импульсов каждый оборот коленчатого вала.

Постоянное запоминающее устройство 106 запоминающего носителя может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими команды, исполняемые процессором 102 для выполнения способов, описанных ниже, а также вариантов, которые предвосхищены, но специально не перечислены.

Как описано выше, фиг.1 показывает только один цилиндр многоцилиндрового двигателя и у которого каждый цилиндр может подобным образом содержать свой собственный набор впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку, свечу зажигания, и т.д.

С обращением к фиг.2, представлен способ 200 разогрева устройства снижения токсичности выхлопных газов. Способ 200 может выполняться контроллером 12 согласно командам, хранимым в нем, чтобы разогревать устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов посредством экзотермической реакции, запущенной в канале 166 регулятора давления наддува. Способ 200 включает в себя этап 202, на котором определяют рабочие параметры двигателя. Определенные рабочие параметры двигателя могут включать в себя скорость вращения двигателя, нагрузку двигателя, температуру двигателя, температуру выхлопных газов, время после запуска двигателя и т.д. На этапе 204 определяют, на основании рабочих параметров двигателя, обнаружен ли холодный запуск двигателя. Холодный запуск двигателя может быть запуском двигателя и периодом работы вслед за запуском двигателя, в котором двигатель относительно холодный, с температурой окружающей среды при запуске двигателя. При холодном запуске двигателя устройство снижения токсичности выхлопных газов может находиться ниже рабочей температуры, такой как ниже его температуры розжига, и таким образом выбросы в выхлопных газах, такие как несгоревшие углеводороды, NOx и CO, могут ускользать мимо устройства в атмосферу. Устройство может продолжать работать ниже оптимальной отдачи до тех пор, пока двигатель не достигает рабочей температуры, что, в зависимости от температуры окружающей среды, может занимать в пределах от нескольких секунд до минуты или дольше. Чтобы быстро разогревать устройство снижения токсичности выхлопных газов при холодном запуске двигателя, экзотермическая реакция может инициироваться посредством ввода богатого кислородом всасываемого воздуха в выхлопные газы выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов, где несгоревшие углеводороды и другие восстановители реагируют с кислородом, чтобы вырабатывать тепло.

Таким образом, если на этапе 204 определено, что двигатель не является работающим в условиях холодного запуска, способ 200 переходит на этап 206, на котором поддерживают клапан вторичного воздуха закрытым, в то время как не указывают на разогрев устройства снижения токсичности выхлопных газов. На этапе 208 клапан регулятора давления наддува регулируют для обеспечения требуемого давления наддува, и на этапе 210 наддувочный всасываемый воздух направляют только на впуск двигателя. На этапе 212 осуществляют работу двигателя при стехиометрическом топливно-воздушном соотношении или другом требуемом топливно-воздушном соотношении на основании рабочих параметров двигателя и выявленного содержания кислорода в выхлопных газах, а затем способ 200 заканчивается.

Однако если определено, что двигатель является работающим в условиях холодного запуска, способ 200 переходит к прогреву устройства снижения токсичности выхлопных газов посредством ввода наддувочного воздуха в выхлопные газы. Для ввода наддувочного воздуха и поддержания управляемой экзотермической реакции, которая не вызывает высоких температур, которые могут ухудшать работу компонентов системы выпуска, клапан регулятора давления наддува может регулироваться согласованно с клапаном вторичного воздуха, независимо от требуемого давления наддува. Это происходит в противоположность условиям не холодного запуска, описанным выше, в которых клапан регулятора давления наддува регулируют на основании требуемого давления наддува. Таким образом, на этапе 214 клапан регулятора давления наддува открывают или поддерживают в открытом положении немедленно после запуска двигателя. Открывание клапана регулятора давления наддува может обводить выхлопные газы вокруг турбины, таким образом, предотвращая дополнительное охлаждение выхлопных газов, которое может происходить вследствие прохождения турбины. Однако открытый регулятор давления наддува также может вызывать уменьшение величины давления наддува, задерживая ввод наддувочного воздуха в выхлопные газы. Таким образом, в некоторых условиях, клапан регулятора давления наддува может открываться вслед за холодным запуском наряду с тем, что, в других условиях, регулятор давления наддува может закрываться вслед за холодным запуском.

Клапан вторичного воздуха может иметь положение по умолчанию полностью закрытого положения, чтобы избежать отведения всасываемого воздуха от впускного коллектора в условиях, в которых не указан разогрев устройства снижения токсичности выхлопных газов. Таким образом, непосредственно после запуска двигателя, клапан вторичного воздуха находится в закрытом положении. Так как температура выхлопных газов непосредственно после запуска двигателя может быть слишком холодной для инициирования экзотермической реакции, клапан вторичного воздуха может поддерживаться закрытым в течение некоторой длительности непосредственно после холодного запуска. Кроме того, немедленно после запуска двигателя, достаточного давления наддува может не быть в распоряжении для приведения в движение вторичного наддувочного воздуха в канале регулятора давления наддува. Однако, как указано на этапе 216, клапан вторичного воздуха может открываться через пороговое время после запуска двигателя. Пороговое время может быть заданным промежутком времени, через который нарастают достаточная температура выхлопных газов и давление наддува. В других вариантах осуществления, пороговое время может быть основано на условиях работы, таких как перепад давлений между давлением на впуске дросселя и давлением на выпуске турбины. В этом случае, пороговое время может быть моментом времени, когда давление на впуске дросселя превышает давление на выпуске турбины.

На этапе 217 впускной дроссель регулируют для поддержания крутящего момента по мере того, как открывается клапан вторичного воздуха. Когда клапан вторичного воздуха открыт, часть наддувочного всасываемого воздуха отводится в канал регулятора давления наддува. Как результат, меньшее количество наддувочного воздуха, чем требуется, выдается в двигатель для запрошенного крутящего момента. Для сохранения крутящего момента дроссель может открываться. На этапе 218 клапан регулятора давления наддува переводят в закрытое положение по мере того, как открывается клапан вторичного воздуха. Однако если регулятор давления наддува изначально был закрыт, на этапе 218, клапан регулятора давления наддува может переводиться в открытое состояние по мере того, как открывается клапан вторичного воздуха. Клапан регулятора давления наддува может устанавливаться в положение, которое выдает требуемое количество выхлопных газов в канал регулятора давления наддува. Таким образом, как указано на этапе 220, положение клапана регулятора давления наддува может быть основано на различных параметрах требуемой экзотермической реакции. Например, положение клапана регулятора давления наддува, а отсюда количество выхлопных газов, впускаемых в канал регулятора давления наддува, может быть основано на давлении на впуске дросселя и положении клапана вторичного воздуха (например, сколько вторичного воздуха достигает канала регулятора давления наддува), топливно-воздушного соотношения выхлопных газов (например, сколько восстановителя имеется в распоряжении в выхлопных газах, чтобы подвергаться реакции), разности между текущей и требуемой температурой устройства снижения токсичности выхлопных газов, и т.д.

На этапе 222 осуществляют работу двигателя при богатом топливно-воздушном соотношении. Для подачи дополнительного восстановителя в выхлопные газы для осуществления реакции в канале регулятора давления наддува добавочное топливо может впрыскиваться в цилиндры. На этапе 224 наддувочный воздух ниже по потоку от компрессора направляют как на впуск двигателя, так и, в качестве вторичного воздуха, в канал регулятора давления наддува. Наддувочный воздух может направляться в канал регулятора давления наддува через трубопровод вторичного воздуха. На этапе 226 восстановитель в выхлопных газах подвергают экзотермической реакции с вторичным воздухом, чтобы разогревать устройство снижения токсичности выхлопных газов.

На этапе 228 определяют, находится ли устройство снижения токсичности выхлопных газов на температуре розжига или другой заданной рабочей температуре. Температура устройства снижения токсичности выхлопных газов может определяться на основании условий работы, таких как температура и массовый расход выхлопных газов, или она может определяться на основании обратной связи с датчика температуры в устройстве. Если устройство еще не достигло рабочей температуры, способ 200 возвращается к началу цикла на этапе 224, на котором продолжают направлять наддувочный воздух в канал регулятора давления наддува для поддержания экзотермической реакции. Если устройство достигло рабочей температуры, способ 200 переходит на этап 206, на котором закрывают клапан вторичного воздуха и, как пояснено раньше, регулируют клапан регулятора давления наддува на основании требуемого давления наддува и осуществляют работу двигателя при стехиометрическом топливно-воздушном соотношении или другом требуемом топливно-воздушном соотношении, и способ 200 затем завершается.

Несмотря на то, что по способу 200, приведенному выше, подают вторичный воздух в канал регулятора давления наддува при условиях холодного запуска двигателя, возможны другие варианты. Например, как пояснено выше со ссылкой на фиг.1, трубопровод вторичного воздуха может подавать наддувочный воздух в выпускной канал ниже по потоку от турбины вместо канала регулятора давления наддува. В этой конфигурации, управление клапаном регулятора давления наддува (если таковой присутствует) может продолжать основываться на требуемом давлении наддува вместо того, чтобы управлять экзотермической реакцией. Открывание клапана вторичного воздуха по-прежнему задерживается до того, как давление на впуске дросселя превысит давление на выпуске турбины. В еще одном примере, вторичный воздух может подаваться в канал регулятора давления наддува (или выпускной канал) при событии восстановления расположенного ниже по потоку устройства снижения токсичности выхлопных газов. Устройства снижения токсичности выхлопных газов, такие как сажевые фильтры, могут восстанавливаться, когда нагрузка выбросов выхлопных газов (например, сажи) в устройстве достигает несущей способности. Восстановление может включать в себя этап, на котором повышают температуру устройства для выжигания наросшего вещества. По инициации события восстановления, клапан вторичного воздуха может открываться, а клапан регулятора наддувочного воздуха может управляться для подачи требуемого количества выхлопных газов в канал регулятора давления наддува для запуска реакции между выхлопными газами и вторичным воздухом для разогрева устройства снижения токсичности выхлопных газов. Кроме того, во время восстановления, топливно-воздушное соотношение двигателя может подвергаться обогащению.

Фиг.3 - схема 300, показывающая примерные рабочие параметры при холодном запуске двигателя. Рабочие параметры, изображенные на схеме 300, включают в себя температуру устройства снижения токсичности выхлопных газов (проиллюстрированную кривой 302), положение клапана вторичного воздуха (SAV) (проиллюстрированное кривой 304), положение клапана регулятора давления наддува (WG) (проиллюстрированное кривой 306) и топливно-воздушное соотношение (проиллюстрированное кривой 308). Что касается каждого изображенного рабочего параметра, время проиллюстрировано на горизонтальной оси, а значения каждого соответственного рабочего параметра изображены на вертикальной оси. Временная длительность, изображенная на схеме 300, начинается при запуске двигателя и заканчивается в момент времени после того, как двигатель и устройство снижения токсичности выхлопных газов достигли рабочей температуры.

Устройство снижения токсичности выхлопных газов, проиллюстрированное кривой 302, начинает работу с относительно низкой температуры, так как двигатель и компоненты системы выпуска находятся при температуре окружающей среды при запуске двигателя. После момента T₁ времени температура устройства начинает возрастать, частично вследствие разогрева выхлопных газов по мере того, как прогревается двигатель, а частично вследствие экзотермической реакции, происходящей в канале регулятора давления наддува, как пояснено ниже. После момента T₂ времени, устройство достигло своей рабочей температуры.

Положение клапана вторичного воздуха, изображенное кривой 304, находится в своем закрытом по умолчанию положении до момента T₁ времени. Однако в момент T₁ времени клапан вторичного воздуха открывается и остается открытым до тех пор, пока устройство не достигает рабочей температуры в момент T₂ времени. Клапан вторичного воздуха может открываться после того, как проходит пороговое время после запуска двигателя, такое как три секунды, или он может открываться, как только давление на впуске дросселя превышает давление на выпуске турбины или как только температура выхлопных газов достигает пороговой температуры.

Положение клапана регулятора давления наддува, изображенное кривой 306, может находиться в полностью открытом положении немедленно после запуска двигателя, чтобы уменьшать избыточное охлаждение выхлопных газов, являющееся результатом прохождения выхлопных газов через турбину. В момент T₁ времени, когда клапан вторичного воздуха открывается, клапан регулятора давления наддува переходит в закрытое положение. Однако клапан регулятора давления наддува остается частично открытым между моментами T₁ и T₂ времени, чтобы впускать некоторое количество выхлопных газов в канал регулятора давления наддува для осуществления реакции с вторичным воздухом. После момента T₂ времени клапан регулятора давления наддува управляется для обеспечения требуемого давления наддува всасываемого воздуха во впускной системе.

Для выработки дополнительных восстановителей в выхлопных газах, топливно-воздушное соотношение в двигателе, изображенное кривой 308, может подвергаться обогащению после момента T₁ времени. Перед моментом T₁ времени и после момента T₂ времени топливно-воздушное соотношение может поддерживаться вблизи стехиометрического. Однако перед моментом T₁ времени и после момента T₂ времени топливно-воздушное соотношение может подвергаться переходу в подходящее соотношение для данных условий работы.

Таким образом, система и способ, представленные в материалах настоящего описания, предусматривают разогрев устройства снижения токсичности выхлопных газов посредством ввода наддувочного всасываемого воздуха в систему выпуска выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов Наддувочный воздух реагирует с одним или более восстановителями в выхлопных газах (такими как несгоревшие углеводороды), чтобы вырабатывать тепло. Наддувочный воздух может вводиться в систему выпуска при холодном запуске двигателя, при котором двигатель является работающим на температуре окружающей среды при запуске. Наддувочный воздух может вводиться, когда температура устройства снижения токсичности выхлопных газов находится ниже порогового значения, такого как температура розжига или пороговая температура восстановления. Наддувочный воздух может направляться в канал регулятора давления наддува турбины, таким образом, предоставляя возможность, чтобы реакция между выхлопными газами и наддувочным воздухом регулировалась посредством согласованного регулирования клапана регулятора давления наддува и клапана вторичного воздуха. В других примерах, наддувочный воздух может направляться в выпускной канал ниже по потоку от турбины. Посредством ввода наддувочного воздуха в канале регулятора давления наддува или выпускном канале ниже по потоку от турбины перепад давлений между впуском трубопровода вторичного воздуха (например, ниже по потоку от компрессора) и выпуском трубопровода вторичного воздуха (например, ниже по потоку от турбины) может вызывать ввод воздуха вместо отдельного воздушного компрессора. Таким образом, компоновочное пространство двигателя может уменьшаться, а экономия топлива может улучшаться.

Следует принимать во внимание, что конфигурации и способы, раскрытые в материалах настоящего описания, являются примерными по сути 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 изобретения.

Настоящее изобретение относится к системе ввода вторичного воздуха для двигателя внутреннего сгорания. Предусмотрены варианты осуществления для разогрева устройства снижения токсичности выхлопных газов. В одном из примеров способ для двигателя с турбонаддувом включает в себя этапы, на которых, при холодном запуске двигателя, доставляют наддувочный воздух от места ниже по потоку от компрессора в канал регулятора давления наддува, присоединенный через турбину, и осуществляют экзотермическую реакцию восстановителя с наддувочным воздухом выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов. Таким образом, наддувочный воздух может использоваться для инициирования экзотермической реакции, чтобы разогревать устройство. Техническим результатом является улучшение КПД. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ для двигателя с турбонаддувом, включающий в себя этапы, на которых:

при холодном запуске двигателя

согласованно регулируют клапан вторичного воздуха, расположенный в трубопроводе вторичного воздуха, соединяющем выпуск компрессора с каналом регулятора давления наддува через турбину, и клапан регулятора давления наддува, расположенный в канале регулятора давления наддува, независимо от требуемого давления наддува, для подачи наддувочного воздуха из места ниже по потоку от выпуска компрессора в канал регулятора давления наддува, причем клапан вторичного воздуха расположен в трубопроводе вторичного воздуха выше по потоку от места соединения трубопровода вторичного воздуха с каналом регулятора наддува; и

осуществляют экзотермическую реакцию восстановителя, полученного из цилиндра двигателя при сгорании на богатом топливно-воздушном соотношении, с наддувочным воздухом выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов, и

в отсутствие условий холодного запуска двигателя регулируют клапан регулятора давления наддува на основании требуемого давления наддува и поддерживают клапан вторичного воздуха в закрытом положении.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя этап, на котором направляют тепло, вырабатываемое из экзотермической реакции, в устройство снижения токсичности выхлопных газов для разогрева устройства, при этом холодный запуск двигателя включает температуру двигателя при температуре окружающей среды при запуске двигателя.

3. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя этап, на котором, непосредственно после события запуска двигателя, открывают клапан регулятора давления наддува при закрытом клапане вторичного воздуха.

4. Способ по п.3, в котором согласованное регулирование клапана вторичного воздуха и клапана регулятора давления наддува дополнительно включает в себя этап, на котором, как только давление на впуске дросселя превысит давление на выпуске турбины, переводят клапан регулятора давления наддува в закрытое положение при открывании клапана вторичного воздуха.

5. Способ по п.4, в котором клапан регулятора давления наддува закрывают на величину, основанную на давлении на впуске дросселя и топливно-воздушном соотношении выхлопных газов.

6. Способ для двигателя, включающий в себя этапы, на которых:

при первом режиме открывают клапан вторичного воздуха для подачи наддувочного воздуха в канал регулятора давления наддува, присоединенный через турбину, и регулируют клапан регулятора давления наддува, расположенный в канале регулятора давления наддува для подачи требуемого количества выхлопных газов в канал регулятора давления наддува; и

при втором режиме закрывают клапан вторичного воздуха и регулируют клапан регулятора давления наддува на основании требуемого давления наддува, причем клапан вторичного воздуха расположен в трубопроводе вторичного воздуха, соединяющем выпуск компрессора к каналу регулятора давления наддува, и выше по потоку от места соединения трубопровода вторичного воздуха с каналом регулятора давления наддува.

7. Способ по п.6, в котором первый режим включает в себя то, что устройство снижения токсичности выхлопных газов ниже по потоку от турбины находится ниже пороговой температуры, при этом второй режим включает в себя то, что устройство снижения токсичности выхлопных газов находится выше пороговой температуры.

8. Способ по п.6, в котором первый режим включает в себя событие восстановления, которому подвержено устройство снижения токсичности выхлопных газов ниже по потоку от турбины, при этом второй режим включает в себя состояние без восстановления, в котором находится устройство снижения токсичности выхлопных газов.

9. Способ по п.7, в котором требуемое количество выхлопных газов основано на топливно-воздушном соотношении выхлопных газов.

10. Способ по п.7, в котором требуемое количество выхлопных газов основано на давлении на впуске дросселя.

11. Способ по п.6, дополнительно включающий в себя этапы, на которых при первом режиме осуществляют работу двигателя при сгорании на богатом топливно-воздушном соотношении, а при втором режиме осуществляют работу двигателя при, по существу, стехиометрическом топливно-воздушном соотношении.

12. Система, содержащая:

двигатель;

турбонагнетатель, содержащий компрессор выше по потоку от двигателя и турбину ниже по потоку от двигателя;

канал регулятора давления наддува, присоединенный через турбину и содержащий клапан регулятора давления наддува, расположенный в нем;

трубопровод вторичного воздуха, присоединяющий впускной канал ниже по потоку от компрессора к каналу регулятора давления наддува и содержащий клапан вторичного воздуха, расположенный в нем, причем клапан вторичного воздуха расположен в трубопроводе вторичного воздуха, выше от места соединения трубопровода вторичного воздуха с каналом регулятора давления наддува, и

контроллер, содержащий команды для согласованного регулирования клапана вторичного воздуха и клапана регулятора давления наддува независимо от требуемого давления наддува в условиях холодного запуска двигателя, и команды для регулирования клапана давления наддува на основании требуемого давления наддува и поддержания клапана вторичного воздуха в закрытом положении в отсутствие условий холодного запуска двигателя.

13. Система по п.12, в которой контроллер содержит дополнительные команды для открывания клапана вторичного воздуха при условиях холодного запуска двигателя для подачи наддувочного воздуха в канал регулятора давления наддува.

14. Система по п.12, в которой контроллер содержит дополнительные команды для регулирования клапана регулятора давления наддува на величину, основанную на давлении на впуске дросселя и топливно-воздушном соотношении выхлопных газов, при условиях холодного запуска двигателя.

15. Система по п.13, в которой, при условиях холодного запуска двигателя, подаваемый наддувочный воздух экзотермически реагирует с восстановителем в выхлопных газах выше по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов для разогрева устройства снижения токсичности выхлопных газов.