ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2019 года по МПК F01N3/32 F01N11/00 F01N13/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее раскрытие в целом относится к разработке и использованию выпускной системы двигателя для снижения выбросов из двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники/Раскрытие изобретения

При сгорании в двигателе дизельного топлива или бензина топливо может образовывать твердые частицы (ТЧ) (такие как сажа и аэрозоли), которые могут быть выпущены в атмосферу. Для соответствия требованиям по выбросам сажевые фильтры, такие как дизельные сажевые фильтры (ДСФ) и бензиновые сажевые фильтры (БСФ) могут быть установлены в магистрали потока отработавших газов двигателя для фильтрации ТЧ отработавших газов перед их выпуском из выпускной системы. Сажевые фильтры, которые засоряются ТЧ, могут быть регенерированы без демонтажа во время событий отсечки топлива при замедлении (ОТЗ) путем подачи избыточного кислорода в фильтр и повышения температуры фильтра до окисления ТЧ. В одном примере подхода, показанном Биднером (Bidner) и соавт. в документе US 8,424,295, раскрыто повышение количества избыточного кислорода, подаваемого на сажевый фильтр, во время режима останова двигателя и регенерация сажевого фильтра во время по меньшей мере части периода останова двигателя.

Однако, авторы настоящего изобретения выявили потенциальные проблемы, связанные с вышеуказанным подходом. Поток кислорода в фильтр во время ОТЗ или других событий останова двигателя может чрезмерно увеличивать температуру фильтра, приводя к преждевременной деградации фильтра. Более того, применение стратегий по ограничению продолжительности ОТЗ с целью снижения избыточных повышений температуры сажевого фильтра отработавших газов и предотвращения преждевременной деградации фильтра может уменьшить топливную экономичность, а также может ухудшить дорожные качества транспортного средства. Кроме того, во время кратковременных периодов включения двигателя (в частности, во время перемещений транспортного средства на короткие расстояния), температура сажевого фильтра может не достичь достаточно высокой температуры для регенерации.

Авторы настоящего изобретения выявили подход для по меньшей мере частичного решения вышеуказанных проблем. Согласно одному примеру, способ для двигателя внутреннего сгорания может включать в себя шаги, на которых во время режима холодного запуска двигателя, при котором температура двигателя ниже пороговой температуры двигателя, направляют отработавшие газы двигателя к сажевому фильтру отработавших газов; и во время режима прогретого двигателя направляют отработавшие газы двигателя в обход сажевого фильтра отработавших газов, причем в режиме прогретого двигателя температура двигателя больше или равна пороговой температуре двигателя, а в двигателе происходит сгорание топлива.

Согласно другому примеру, способ может содержать шаги, на которых в ответ на то, что температура двигателя выше пороговой температуры двигателя, направляют отработавшие газы в обход сажевого фильтра отработавших газов во время сгорания топлива в двигателе, и нагревают сажевый фильтр отработавших газов, когда температура сажевого фильтра отработавших газов падает ниже пороговой температуры фильтра; и в ответ на то, что температура двигателя ниже пороговой температуры двигателя, направляют направляют отработавшие газы к сажевому фильтру отработавших газов и прекращают нагрев сажевого фильтра отработавших газов.

Согласно еще одному примеру, двигательная система может содержать: двигатель; сажевый фильтр отработавших газов, расположенный в выпускном обходном канале ниже по потоку от двигателя; выпускной обводной клапан, расположенный выше по потоку от выпускного обходного канала; и контроллер, содержащий исполнимые инструкции для, во время первого режима, в котором температура двигателя ниже пороговой температуры двигателя, регулирования положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя в выпускной обходной канал и сажевый фильтр отработавших газов; и во время второго режима, регулирования положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя в обход выпускного обходного канала, причем во втором режиме температура двигателя больше или равна пороговой температуре двигателя, а в двигателе происходит сгорание топлива.

Таким путем, может быть достигнут технический эффект, состоящий в том, что сажевый фильтр отработавших газов может быть надежно регенерирован во время событий останова двигателя, таких как ОТЗ, без преждевременной деградации. Кроме того, путем избегания каких-либо ограничений событий останова двигателя, поддерживаются дорожные качества транспортного средства и топливная экономичность. Также, путем отклонения потока отработавших газов к сажевому фильтру отработавших газов во время режима холодного запуска двигателя и обхода сажевого фильтра отработавших газов во время режима сгорания в прогретом двигателе, может быть снижен размер сажевого фильтра отработавших газов, что снижает расходы на производство и повышает надежность при поддержании нужного уровня выбросов ТЧ транспортного средства. Также, путем нагрева сажевого фильтра отработавших газов во время режима прогретого двигателя и во время сгорания топлива в двигателе, сажевый фильтр отработавших газов может быть предварительно нагрет до достаточно высокой температуры для регенерации фильтра.

Следует понимать, что вышеприведенное краткое раскрытие изобретения служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно в разделе «Осуществление изобретения». Это раскрытие не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан пример двигательной системы, содержащей сажевый фильтр отработавших газов, расположенный ниже по потоку от устройства снижения токсичности отработавших газов.

На фиг. 2 показан график совокупного образования твердых частиц, полученный путем тестирования транспортного средства с помощью Нового Европейского Ездового Цикла НЕЕЦ (NEDC).

На фиг. 3 и 4 показаны примеры выпускных систем двигательной системы по фиг. 1, включающих выпускной отводной клапан и сажевый фильтр отработавших газов.

На фиг. 5 показана блок-схема примера способа работы двигательной системы, включающей выпускной отводной клапан и сажевый фильтр отработавших газов.

На фиг. 6 показан пример временной шкалы, иллюстрирующей работу двигательной системы, включающей выпускной отводной клапан и сажевый фильтр отработавших газов.

Осуществление изобретения

Нижеследующее раскрытие относится к системам и способам для снижения выбросов твердых частиц из двигательной системы, содержащей выпускной отводной клапан и сажевый фильтр отработавших газов. На фиг. 1 показана двигательная система транспортного средства, включающая сажевый фильтр отработавших газов, может быть выполнена с возможностью работы на топливе, таком как дизельное топливо или бензин. Сажевый фильтр отработавших газов может включать в себя дизельный сажевый фильтр (ДСФ), бензиновый сажевый фильтр (БСФ) и т.п. для фильтрации твердых частиц (ТЧ) в выпуске двигателя. Сажевый фильтр отработавших газов может улавливать ТЧ во время движения транспортного средства, как проиллюстрировано графиком на фиг. 2. Как показано на фиг. 3-4, отработавшие газы могут быть направлены к сажевому фильтру отработавших газов, расположенному в обходном выпускном канале через выпускной отводной клапан в основном выпускном канале. На фиг. 5 показан способ работы двигательной системы, содержащей выпускной отводной клапан для направления отработавших газов к сажевому фильтру отработавших газов. На фиг. 6 проиллюстрирован пример временной шкалы работы двигательной системы посредством способа по фиг. 5. Таким путем, выбросы транспортного средства могут быть снижены при поддержании топливной экономичности, дорожных качеств транспортного средства и надежности двигательной системы.

На фиг. 1 показано схематическое изображение одного цилиндра многоцилиндрового двигателя 10 в двигательной системе 100, который может быть включен в состав движительной системы транспортного средства. Двигатель 10 может управляться по меньшей мере частично с помощью системы управления, содержащей контроллер 12 и с помощью входного воздействия от водителя 132 транспортного средства посредством устройства 130 ввода. В данном примере устройство 130 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 положения педали для генерации пропорционального сигнала положению педали. Камера 30 сгорания двигателя 10 включает в себя цилиндр, образованный стенками 32 цилиндра с поршнем 36, расположенным внутри них. Поршень 36 может быть соединен с коленчатым валом 40, так что возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен по меньшей мере с одним ведущим колесом транспортного средства через промежуточную систему трансмиссии. Также стартер может быть соединен с коленчатым валом 40 через маховик для возможности начала работы двигателя 10.

Камера 30 сгорания может принимать впускной воздух от впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и может выпускать газы горения через выпускной канал (в частности, выпускную трубу) 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 (в частности, выпускной основной канал) могут выборочно сообщаться с камерой 30 сгорания через, соответственно, впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Согласно некоторым примерам, камера 30 сгорания может содержать два или более впускных клапана и/или два или более выпускных клапана.

В данном примере впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 могут управляться кулачковым приводом посредством соответствующих систем 51 и 53 кулачкового привода. Системы 51 и 53 кулачкового привода могут каждая содержать один или более кулачков и могут использовать одну или более из следующих систем: переключения профиля кулачка (ППК), изменения фаз кулачкового распределения (ИФКР), изменения фаз газораспределения (ИФГ) и/или изменения высоты подъема клапана (ИВПК), которые могут работать под управлением контроллера 12 для изменения работы клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 могут определять посредством датчиков 55 и 57 положения, соответственно. В альтернативных примерах впускной клапан 52 и/или выпускной клапан 54 могут управляться посредством электропривода клапана. Например, цилиндр 30 может альтернативно содержать впускной клапан, управляемый посредством электропривода клапана, и выпускной клапан, управляемый посредством кулачкового привода, содержащего системы ППК и/или ИФКР.

Показано, что топливный инжектор 69 непосредственно соединен с камерой 30 сгорания для впрыска топлива непосредственно в нее пропорционально длительности импульса сигнала, полученного от контроллера 12. Таким образом, топливный инжектор 69 обеспечивает так называемый непосредственный впрыск топлива в камеру 30 сгорания. Топливный инжектор может быть установлен, например, в боковине камеры сгорания (как показано) или в верхней части камеры сгорания. Топливо может быть доставлено в топливный инжектор 69 посредством топливной системы (не показана), содержащей топливный бак, один или более топливных насосов и топливную рампу. В некоторых примерах камера 30 сгорания может альтернативно или дополнительно включать в себя топливный инжектор, расположенный во впускном коллекторе 44 в конфигурации, которая обеспечивает так называемый распределенный впрыск топлива во впускное окно выше по потоку от камеры 30 сгорания. Расходы впрыска топлива могут быть оценены и/или измерены посредством расходов от топливного насоса в топливные инжекторы. Топливо может представлять собой бензин, дизельное топливо, спиртовые смеси, биодизельное топливо и их комбинации.

Искра подается в камеру 30 сгорания через свечу 66 зажигания. Система зажигания может дополнительно содержать катушку зажигания (не показана) для увеличения напряжения, подаваемого на свечу 66 зажигания. В других примерах, таких как дизельный двигатель, свеча 66 зажигания может отсутствовать.

Впускной канал 42 может содержать дроссель 62, содержащий дроссельную заслонку 64. В данном конкретном примере положение дроссельной заслонки 64 может изменяться контроллером 12 посредством сигнала, подаваемого на электромотор или исполнительный механизм, включенный в состав дросселя 62, при этом данная конфигурация обычно называется электронным управлением дросселем (ЭУД). Таким образом, дросселем 62 могут управлять для изменения количества впускного воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания, а также в другие цилиндры двигателя. Положение дроссельной заслонки 64 может подаваться в контроллер 12 посредством сигнала положения дросселя. Впускной канал 42 может включать в себя датчик 120 массового расхода воздуха и датчик 122 давления воздуха в коллекторе для измерения количества воздуха, поступающего в двигатель.

Показано, что датчик 126 отработавших газов соединен с выпускным каналом 48 выше по потоку от системы 140 рециркуляции отработавших газов и устройства 70 снижения токсичности отработавших газов, в соответствии с направлением потока отработавших газов. Датчик 126 может представлять собой любой подходящий датчик для выдачи показания воздушно-топливного отношения отработавших газов, такой как линейный датчик кислорода или УДКОГ (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), датчик кислорода с двумя состояниями или датчик кислорода в отработавших газах (ДКОГ), НДКОГ (нагреваемый ДКОГ), датчик оксидов азота (OA), углеводорода (НС) или окиси углерода (СО). Согласно одному примеру, датчик 126 отработавших газов, расположенный выше по потоку, является УДКОГ, выполненным с возможностью обеспечения выходного сигнала, такого как сигнал напряжения, пропорционального количеству кислорода, присутствующего в отработавших газах. Контроллер 12 преобразует выходной сигнал датчика кислорода в воздушно-топливное отношение отработавших газов с помощью передаточной функции датчика кислорода.

Система 140 рециркуляции отработавших газов (РОГ) может направлять требуемую часть отработавших газов из выпускного канала 48 во впускной коллектор 44 через канал 152 РОГ. Количество газов РОГ, подаваемых во впускной коллектор, может изменять контроллер 12 посредством клапана 144 РОГ. При некоторых условиях система 140 РОГ может быть использована для регулирования температуры топливно-воздушной смеси внутри камеры сгорания, тем самым обеспечивая способ управления моментом зажигания во время некоторых режимов сгорания.

Показано, что устройство 70 снижения токсичности отработавших газов расположено по ходу выпускного канала 48 ниже по потоку от датчика 126 отработавших газов. Устройство 70 снижения токсичности отработавших газов может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором (ТКН), уловителем оксидов азота (OA), различными другими устройствами снижения токсичности отработавших газов или их сочетаниями. Согласно некоторым примерам, во время работы двигателя 10 устройство 70 снижения токсичности отработавших газов может периодически восстанавливаться посредством работы по меньшей мере одного цилиндра двигателя при конкретном воздушно-топливном отношении.

Показано, что сажевый фильтр 72 расположен по ходу выпускного обходного канала 82 вне выпускного канала 48 ниже по потоку от устройства 70 снижения токсичности отработавших газов. Как показано на фиг. 1, выпускной отводной клапан 80 может быть расположен в основном выпускном канале 48 на входном соединении выпускного обходного канала 82. По существу, выпускной отводной клапан 80 может быть расположен с возможностью отводить отработавшие газы из основного выпускного канала 48 в выпускной обходной канал 82 и в сажевый фильтр 72 отработавших газов, или в обход выпускного обходного канала 82 и сажевого фильтра 72 отработавших газов. Контроллер 12 может управлять срабатыванием выпускного отводного клапана 80. Хотя это не показано на фиг. 1, обратный клапан может быть расположен ниже по потоку от сажевого фильтра 72 отработавших газов внутри выпускного обходного канала 82 для препятствования прохождения потока отработавших газов ниже по потоку от сажевого фильтра 72 отработавших газов в основном выпускном канале 48 обратно в выпускной обходной канал 82. Датчик 76 температуры сажевого фильтра также может быть расположен на или поблизости от сажевого фильтра 72 отработавших газов для оценки температуры сажевого фильтра. Кроме того, нагреватель 78 сажевого фильтра может быть термически соединен с сажевым фильтром 72 отработавших газов. Нагреватель сажевого фильтра может управляться контроллером 12 для предварительного нагрева сажевого фильтра 72 перед регенерацией сажевого фильтра.

Отработавшие газы, обрабатываемые устройством 70 снижения токсичности отработавших газов и сажевым фильтром 72, выпускаются в атмосферу через выхлопную трубу 86. Сажевый фильтр 72 может представлять собой дизельный сажевый фильтр, бензиновый сажевый фильтр и т.п. Подложка сажевого фильтра 72 может быть выполнена из керамики, кремния, металла, бумаги или их комбинации. Во время работы двигателя 10 сажевый фильтр 72 может улавливать твердые частицы (ТЧ) из отработавших газов, такие как зола и сажа (в частности, от несгоревших углеводородов) с целью снижения выбросов транспортного средства. Сажа может засорять поверхности сажевого фильтра, создавая тем самым противодавление отработавших газов. Противодавление отработавших газов может негативно влиять на характеристики работы двигателя. Как только сажевый фильтр 72 становится полностью засоренным сажей (в частности, сажевая нагрузка на сажевый фильтр превышает пороговое значение сажевой нагрузки), противодавление может стать слишком высоким для правильного выпуска отработавших газов. Работа, выполняемая для удаления отработавших газов из двигателя 10, увеличивается для преодоления противодавления, описываемого выше. С целью предотвращения высокого противодавления, двигатель 10 может периодически регенерировать фильтр пассивно или активно.

Падение давления на фильтре может измеряться одним или более датчиков 74 давления, размещенных на или поблизости от сажевого фильтра 72. Согласно одному примеру, один или более датчиков давления могут быть расположены непосредственно выше по потоку и непосредственно ниже по потоку от сажевого фильтра 72 внутри выпускного обходного канала 82. В других примерах один или более датчиков давления могут быть расположены в других местах внутри основного выпускного канала 48 или выпускного обходного канала 82. Согласно одному примеру, сажевый фильтр может регенерироваться в ответ на то, что падение давления на сажевом фильтре 72 превышает пороговое падение давления на фильтре.

Пассивная регенерация может иметь место, когда сажевая нагрузка превышает пороговую нагрузку, вызывая рост температуры отработавших газов. При превышении температурой отработавших газов пороговой температуры (в частности, 450°С), сажа на сажевом фильтре может сгорать. Таким образом, пассивная регенерация происходит без изменения работы двигателя. Наоборот, активная регенерация имеет место, когда контроллер 12 посылает сигнал на внесение изменений в работу двигателя с целью увеличения температуры отработавших газов (в частности, поздний впрыск, вторичный впрыск, дросселирование, рециркуляция отработавших газов, запаздывание зажигания и/или уменьшение воздушно-топливного отношения) независимо от нагрузки двигателя. Например, контроллер может посылать сигналы на топливный инжектор для снижения длительности импульса впрыска топлива и обеднения воздушно-топливного отношения сгорания (относительно стехиометрического). Согласно другому примеру, контроллер может посылать сигналы на электромеханический исполнительный механизм, соединенный с впускным дросселем для перемещения дроссельного клапана к более открытому положению, тем самым увеличивая поток воздуха в двигатель. В других примерах могут регулировать фазы газораспределения (в частности, посредством регулировок работы кулачков) для увеличения положительного перекрытия клапанов. Кроме того, контроллер может отрегулировать положение выпускного отводного клапана для направления отработавших газов в выпускной обходной канал 82 и сажевый фильтр 72 отработавших газов во время отсечки соплива при замедлении (ОТЗ) или других событиях останова двигателя для активной регенерации сажевого фильтра 72 отработавших газов. Кроме того, контроллер 12 может предварительно нагревать сажевый фильтр 72 отработавших газов до пороговой температуры сажевого фильтра с помощью нагревателя 78 сажевого фильтра отработавших газов, термически соединенного с сажевым фильтром отработавших газов перед регенерацией. Когда сажевый фильтр отработавших газов засорен, контроллер может посылать сообщение водителю транспортного средства, указывающее на необходимость проведения регенерации сажевого фильтра отработавших газов. Как раскрывалось выше, активная регенерация может включать в себя запаздывание момента зажигания в двигателе для увеличения воздушного потока в двигатель и последующего увеличения температуры сажевого фильтра отработавших газов.

По мере сгорания сажи при пассивной или активной регенерации, температура сажевого фильтра увеличивается до более высокой температуры (в частности, 1400°С). Продолжительная работа двигателя при увеличенной температуре регенерации может ускорить деградацию сажевого фильтра 72. Деградация может включать в себя развитие протечки сажевого фильтра 72 (в частности, трещину) и/или образование отверстия, что может привести к утечкам сажи из фильтра и ее протекания далее вниз по потоку в выпускной канал 48, что увеличивает выбросы транспортного средства. По существу, это может вызвать несоответствие требованиям по выбросам.

Другие факторов, способствующие деградации сажевого фильтра, включают в себя вибрации транспортного средства и зола смазочного масла. Выбрации транспортного средства могут привести к деградации хрупких компонентов внутри сажевого фильтра 72 из-за растяжения компонентов (в частности, снижения устойчивости) вследствие подвергания сажевого фильтра 72 воздействию высоких температур. Зола смазочного масла может содержать оксиды металлов, которые могут вступать в реакцию с сажевым фильтром 72 и образовывать ступени (в частности, когда одни участки сажевого фильтра деградируют, в то время как другие участки остаются исправными), что в конечном счете приводит к деградации по меньшей мере части сажевого фильтра.

Контроллер 12 показан на фиг. 1 как микрокомпьютер, содержащий микропроцессорное устройство (МПУ) 102, порты 104 ввода/вывода, электронный носитель данных для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в данном конкретном примере в виде чипа 106 постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 108, энергонезависимую память (ЭНП) 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 12, в дополнении к тем сигналам, которые рассматривались ранее, включая измерение массового расхода впускного воздуха (МРВ) от датчика 120 массового расхода воздуха; температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112 температуры, соединенного с рубашкой 114 охлаждения; сигнал положения двигателя от датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), измеряющего положение коленчатого вала 40; положения дросселя от датчика 65 положения дросселя; и сигнал абсолютного давления в коллекторе (АДК) отдатчика 122. Сигнал частоты вращения двигателя может быть сгенерирован контроллером 12 на основе показаний датчика 118 положения коленчатого вала. Сигнал давления в коллекторе также обеспечивает показание показания вакуума или давления во впускного коллекторе 44. Следует заметить, что могут быть использованы различные комбинации вышеперечисленных датчиков, например, датчик МРВ без датчика АДК или наоборот. Во время работы двигателя крутящий момент двигателя может быть определен на основе выходного сигнала датчика 122 АДК и частоты вращения двигателя. Кроме того, этот датчик совместно с замеренной частотой вращения двигателя может являться основой для оценки заряда (включая воздух), вводимого в цилиндр. В одном примере датчик 118 положения коленчатого вала, который также используется как датчик частоты вращения двигателя, может выдавать заданное число равноотстоящих импульсов на каждый оборот коленчатого вала.

Постоянное запоминающее устройство 106 носителя данных может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими долговременные инструкции, исполняемые процессором 102, для осуществления способов, раскрытых ниже, а также иных вариантов, которые предполагаются, но конкретно не перечисляются.

Контроллер 12 получает сигналы от различных датчиков по фиг. 1 и использует различные исполнительные механизмы по фиг. 1 для регулирования работы двигателя на основе полученных сигналов и инструкций, сохраненных в памяти контроллера 12. Как раскрывалось выше, контроллер может использовать исполнительные механизмы, такие как нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов и выпускной отводной клапан 80, на основе полученных сигналов от одного или более датчиков 74 давления, датчиков 76 температуры и других датчиков двигательной системы. Например, контроллер может также приводить в действие нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов и выпускной отводной клапан на основе сигналов, полученных от датчика температуры двигателя (такого как датчик 112 ТХД), и один или более топливных насосов, например, расход потока топливного насоса или расход потока впрыска топлива.

На фиг. 2 проиллюстрирован примерный график 200, показывающий совокупное образование ТЧ от сгорания в двигателе, полученный на основе теста Нового Европейского Ездового Цикла НЕЕЦ (NEDC). На графике 200 показано, что основная доля общего образования ТЧ имеет место во время периода холодного запуска, показанного перед пунктирной граничной линией 220. Во время периода холодного запуска, когда температура двигателя низкая (в частности, холодный двигатель), качество сгорания в двигателе может быть низким или недостаточным, приводя к повышенному уровню ТЧ. По существу, отвод отработавших газов в сажевый фильтр отработавших газов для улавливания ТЧ, образованных во время режима холодного запуска, может значительно снизить выбросы ТЧ от двигателя.

На фиг. 3 проиллюстрирован пример выпускной системы 300 двигателя двигательной системы 100, показанной на фиг. 1. Отработавшие газы из двигателя текут из основного выпускного канала 48 через устройство 70 снижения токсичности отработавших газов (УСТ) в выпускной канал 348 непосредственно выше по потоку от выпускного обходного канала 82. Как показано на фиг. 3, контроллер 12 может регулировать положение выпускного отводного клапана 80 для отвода отработавших газов из выпускного канала 348 в выпускной обходной канал 82, в котором они могут быть отфильтрованы сажевым фильтром 72 отработавших газов. Альтернативно, контроллер 12 может перемещать выпускной отводной клапан 80 в направлении стрелки 380 так, чтобы отработавшие газы в выпускном канале 348 текли в обход сажевого фильтра 72 отработавших газов и продолжали проходить по выпускному каналу 348 в выхлопную трубу. Как раскрывалось выше, обратный клапан может быть расположен на участке выпускного обходного канала 382 ниже по потоку от сажевого фильтра 72 отработавших газов для предотвращения обратного потока отработавших газов из выпускного канала 348 в выпускной обходной канал 382. В некоторых примерах выпускной обходной канал 82 (в том числе 382) может быть меньше, чем основной выпускной канал 48, в соответствии с чем площадь поперечного сечения или диаметр выпускного обходного канала 82 меньше, чем площадь поперечного сечения или диаметр основного выпускного канала 48. Контроллер 12 может также приводить в действие нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов, который термически соединен с сажевым фильтром 72 отработавших газов, для повышения температуры сажевого фильтра отработавших газов выше пороговой температуры фильтра перед регенерацией сажевого фильтра 72 отработавших газов. Нагреватель сажевого фильтра отработавших газов может включать в себя спиральный нагревательный элемент с электрическим приводом, который полностью или частично обмотан вокруг внешней поверхности корпуса сажевого фильтра 72 отработавших газов, или нагреватели других типов.

Во время режима холодного запуска выпускной отводной клапан 80 может быть расположен с возможностью отводить отработавшие газы из основного выпускного канала 48 в выпускной обходной канал 82 и в сажевый фильтр 72 отработавших газов. Таким путем, существенная часть твердых частиц, образуемая от сгорания топлива в двигателе, может быть отфильтрована сажевым фильтром 72 отработавших газов, тем самым поддерживая или снижая выбросы ТЧ. Режим холодного запуска может включать в себя состояние двигателя ВКЛ и температуру двигателя, такую как ТХД, измеряемую датчиком 112 температуры, ниже пороговой температуры двигателя. Пороговая температура двигателя может соответствовать температуре, выше которой количество ТЧ, образуемых за счет сгорания топлива в двигателе, значительно снижается или приближается к нулю. Согласно другим примерам, температура двигателя может соответствовать температуре моторного масла, температуре блока двигателя, температуре отработавших газов двигателя и т.п. Кроме того, режим холодного запуска может альтернативно содержать множество таких температур двигателя, меньших множеству соответствующих пороговых температур двигателя. Дополнительно, режим холодного запуска может включать в себя продолжительность после переключения состояния двигателя с ВЫКЛ на ВКЛ, когда температура двигателя ниже пороговой температуры двигателя, превышающую пороговую продолжительность.

Во время режима прогретого двигателя, при котором температура двигателя, такая как ТХД, измеряемая датчиком 112 температуры, выше пороговой температуры двигателя, выпускной отводной клапан 80 может быть расположен, как показано стрелкой 380 так, чтобы отработавшие газы текли в обход сажевого фильтра 72 отработавших газов в режиме сгорания в двигателе. Температура двигателя может включать в себя температуру головки цилиндров (ТГЦ), а пороговая температура двигателя может включать в себя пороговую ТГЦ. В других примерах режим прогретого двигателя (или отклонение от режима холодного запуска) может определяться при прохождении продолжительности включенного состояния двигателя с момента запуска двигателя, большей пороговой продолжительности. Режим прогретого двигателя может также определяться с помощью прогнозной модели температуры поршня посредством бортового контроллера. В других примерах режим прогретого двигателя может определяться переходом от первого режима впрыска топлива ко второму режиму впрыска топлива при работе двигателя в режиме разделенного впрыска топлива. В иных примерах режим прогретого двигателя может определяться режимом нагрева каталитического нейтрализатора устройства снижения токсичности отработавших газов (УСТ). Например, во время режима холодного запуска каталитический нейтрализатор УСТ может быть быстро нагрет с целью снижения выбросов двигателя. Наоборот, во время режима прогретого двигателя быстрый нагрев каталитического нейтрализатора УСТ может быть отключен. Таким образом, режим прогретого двигателя может быть обозначен отключенным режимом нагрева каталитического нейтрализатора УСТ. Режим сгорания в двигателе может определяться расходом впрыска топлива в двигатель, превышающим пороговый расход впрыска топлива. Как раскрывалось выше, расход впрыска топлива может быть оценен или определен на основе расхода одного или более топливных насосов в топливной системе двигателя. Альтернативно, режим сгорания в двигателе может определяться подачей искры в камеру 30 сгорания через свечу 66 зажигания, в то время как расход впрыска топлива превышает пороговый расход впрыска топлива. Согласно одному примеру, подача искры в камеру 30 сгорания может быть обозначена подачей энергии в систему зажигания, содержащую катушку зажигания (не показана) для увеличения напряжения, подаваемого на свечу 66 зажигания. Таким образом, режим сгорания в двигателе может быть обозначен, если напряжение, подаваемое на свечу 66 зажигания выше порогового напряжения, а расход впрыска топлива выше порогового расхода впрыска топлива. Согласно другому примеру, сгорание в двигателе может быть обнаружено за счет превышения ускорением коленчатого вала порогового ускорения коленчатого вала. Ускорение коленчатого вала может быть измерено датчиком положения коленчатого вала (ПКВ), таким как датчик 118 на эффекте Холла, а пороговое ускорение коленчатого вала может соответствовать ускорению коленчатого вала, выше которого обозначается сгорания в двигателе.

Когда имеет место сгорание топлива в режиме прогретого двигателя, количество ТЧ, образуемых двигателем, может быть очень низким по сравнению с количеством ТЧ, образуемых в режиме холодного запуска. Соответственно, в ответ на то, что температура двигателя повысилась выше пороговой температуры двигателя, и в ответ на индикацию режима сгорания топлива, выпускной отводной клапан может быть переведен в положение для направления отработавших газов в обход сажевого фильтра 72 отработавших газов при поддержании выбросов ТЧ. Соответственно, отработавшие газы от сгорания (в частности, отработавшие газы, получающиеся от сгорания топлива в двигателе) могут быть направлены только в выпускной обходной канал и сажевый фильтр 72 отработавших газов в режиме холодного запуска. В режиме прогретого двигателя, когда температура двигателя выше пороговой температуры двигателя, выпускной отводной клапан может быть переведен в положение для направления отработавших газов от сгорания в обход сажевого фильтра 72 отработавших газов, расположенного в выпускном обходном канале 82. Соответственно, во время событий сгорания в двигателе вне режима холодного запуска, отработавшие газы двигателя (отработавшие газы от сгорания) могут быть направлены в обход сажевого фильтра 72 отработавших газов. Кроме того, в некоторых примерах выпускная система двигателя может дополнительно содержать второй сажевый фильтр отработавших газов, расположенный в месте расположения УСТ 70, для улавливания вторичных ТЧ, образуемых при сгорании топлива в режиме прогретого двигателя.

Хотя выпускной отводной клапан 80 может быть переведен в положение для направления отработавших газов в обход сажевого фильтра 72 отработавших газов, контроллер 12 может включать нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов для нагрева сажевого фильтра 72 отработавших газов во время режима прогретого двигателя и режима сгорания топлива. Нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов может содержать нагреватель с электрическим приводом или приводом иного типа, соединенный с сажевым фильтром 72 отработавших газов. В примере выпускной системы 400 по фиг. 4 нагрев сажевого фильтра 72 отработавших газов может содержать расположение сажевого фильтра 72 отработавших газов в непосредственной близости от УСТ 70 так, чтобы сажевый фильтр 72 отработавших газов был термически соединен с УСТ 70 через теплопроводящую поверхность 472. Нагрев сажевого фильтра 72 отработавших газов во время режимов прогретого двигателя и сгорания топлива может позволить предварительный нагрев сажевого фильтра 72 отработавших газов до пороговой температуры фильтра перед регенерацией. Предварительный нагрев сажевого фильтра 72 отработавших газов до пороговой температуры фильтра может способствовать быстрой регенерации сажевого фильтра 72 отработавших газов при его засорении, например, когда давление на сажевом фильтре отработавших газов выше порогового падения давления на фильтре. Согласно одному примеру, пороговая температура фильтра может быть приблизительно равна 500°С (в частности, выше температуры в 450°С, при которой происходит сгорание сажи). Например, когда температура сажевого фильтра отработавших газов выше пороговой температуры фильтра, направление кислорода отработавших газов на сажевый фильтр отработавших газов может привести к окислению и сгоранию частиц сажи, содержащихся в нем, тем самым обеспечивая регенерацию сажевого фильтра отработавших газов. Если температура сажевого фильтра отработавших газов ниже пороговой температуры фильтра, тепловой энергии, содержащейся в сажевом фильтре отработавших газов, может быть недостаточно для полной или частичной регенерации сажевого фильтра 71 отработавших газов, когда кислород отработавших газов направляют на фильтр. В ответ на то, что температура сажевого фильтра отработавших газов увеличилась выше пороговой температуры фильтра, контроллер 12 может выключить нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов. Соответственно, во время событий сгорания в двигателе вне режима холодного запуска, отработавшие газы двигателя (отработавшие газы от сгорания) могут быть направлены в обход сажевого фильтра 72 отработавших газов, а сажевый фильтр 72 отработавших газов может быть выборочно электрически нагрет посредством нагревателя 78 сажевого фильтра отработавших газов. Кроме того, когда температура сажевого фильтра отработавших газов поднимается выше пороговой температуры фильтра, несгоревшие отработавшие газы (отработавшие газы двигателя в режиме останова двигателя, например, в режиме ОТЗ), могут быть направлены в выпускной обходной канал 82 для регенерации сажевого фильтра 72 отработавших газов.

Контроллер 12 может инициировать регенерацию сажевого фильтра 72 отработавших газов во время режима прогретого двигателя и вне режима сгорания топлива. Режим прогретого двигателя вне режима сгорания топлива может иметь место, когда двигатель отключен после включения на некоторый период. Например, двигатель может быть отключен во время событий ОТЗ или, в случае гибридного транспортного средства, при работе только от электричества (в частности, когда гибридное транспортное средство приводят в движение электрическим мотором, но не двигателем). Кроме того, контроллер 12 может инициировать регенерацию сажевого фильтра отработавших газов во время режима прогретого двигателя вне режима сгорания топлива, когда температура сажевого фильтра отработавших газов выше пороговой температуры фильтра. Кроме того, контроллер 12 может инициировать регенерацию сажевого фильтра отработавших газов во время режима прогретого двигателя вне режима сгорания топлива, когда температура сажевого фильтра отработавших газов выше пороговой температуры фильтра и когда падение давления на сажевом фильтре отработавших газов выше порогового падения давления на фильтре. Инициирование регенерации сажевого фильтра отработавших газов может содержать регулирование положения выпускного отводного клапана 80 для направления отработавших газов в выпускной обходной канал 82 и сажевый фильтр 72 отработавших газов. Во время режима прогретого двигателя вне режима сгорания топлива (в частности, в режиме отключенного двигателя, в режиме ОТЗ), топливо в двигателе не сгорает, а отработавшие газы могут по большей части содержать воздух, в том числе кислород. Как раскрывалось выше, когда температура сажевого фильтра отработавших газов выше пороговой температуры фильтра, прохождение кислорода отработавших газов через фильтр может привести к окислению и сгоранию ТЧ сажи, содержащихся в нем, тем самым обеспечивая регенерацию сажевого фильтра отработавших газов.

Во время регенерации фильтра падение давления на сажевом фильтре 72 отработавших газов может снизится, т.к. ТЧ сажи, содержащиеся в нем, окисляются и сгорают. Как раскрывалось выше, регенерация фильтра может быть инициирована по меньшей мере частично в ответ на режим работы двигателя, включая то, что падение давления на сажевом фильтре отработавших газов превышает пороговое падение давления. Соответственно, в ответ на то, что падение давления на сажевом фильтре отработавших газов упало ниже порогового падения давления, регенерация фильтра может быть остановлена контроллером 12. Прекращение регенерации фильтра может включать в себя регулирование положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов в обход сажевого фильтра отработавших газов. Как раскрывалось выше, регенерация фильтра имеет место во время режима прогретого двигателя в отсутствие сгорания топлива в двигателе. Следовательно, направление отработавших газов в обход сажевого фильтра отработавших газов и их прохождение через выпускной канал 48, УСТ 70 и выпускной канал 348 в выхлопную трубу может не существенно повысить выбросы ТЧ. Кроме того, если температура двигателя снизится ниже пороговой температуры двигателя после прекращения регенерации фильтра, в ответ на это контроллер 12 может поменять положение выпускного отводного клапана 80 для направления отработавших газов через выпускной обходной канал 82 и сажевый фильтр 72 отработавших газов, тем самым снижая выбросы ТЧ.

Как раскрывалось выше, расположение сажевого фильтра 72 отработавших газов в выпускном обходном канале 82 позволяет его использовать для выборочной фильтрации ТЧ в отработавших газах в режиме холодного запуска. По существу, размеры сажевого фильтра 72 отработавших газов могут быть меньше размеров традиционных сажевых фильтров отработавших газов. Стандартные сажевые фильтры отработавших газов, такие как ДСФ и БСФ, располагаемые в основном выпускном канале, фильтруют все отработавшие газы из двигателя. Стандартные сажевые фильтры отработавших газов подвержены воздействию частиц других типов, помимо ТЧ сажи, включая крупные инертные частицы, такие как ржавчина, фрагменты каталитического нейтрализатора, расположенного выше по потоку, металлические частицы и т.п. Эти крупные инертные частицы могут не окисляться или не сгорать во время регенерации фильтра и, таким образом, постоянно накапливаются и приводят к деградации сажевых фильтров. Путем расположения сажевого фильтра 72 отработавших газов в обходном выпускном канале и путем выборочного направления отработавших газов в сажевый фильтр 72 отработавших газов во время режима холодного запуска для регенерации фильтра, как раскрывалось выше, количество крупных инертных частиц, достигающих сажевого фильтра 72 отработавших газов, может быть существенно снижено. Соответственно, размеры сажевого фильтра отработавших газов могут быть меньше, а частота и эффективность регенераций фильтра могут быть выше, тем самым снижаются затраты на производство и эксплуатацию транспортного средства и увеличивается надежность транспортного средства.

Мощность нагревателя 78 сажевого фильтра отработавших газов может быть существенно ниже, чем мощность традиционного электрического нагревателя, используемого для электрического нагрева традиционных устройств снижения токсичности отработавших газов, таких как ТКН для восстановления углеводородов. Например, в то время как традиционные нагреватели обычно потребляют более 2,2 кВт мощности, нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов может потреблять намного меньше мощности, например, 75 Вт. Нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов может быть предназначен для нагрева сажевого фильтра 78 отработавших газов и, таким образом, может быть меньше в размерах и может потреблять меньше мощности, чем традиционные нагреватели УСТ, которые могут быть использованы для нагрева блоков каталитического нейтрализатора, объединенных с другими дополнительными устройствами УСТ, такими как сажевые фильтры, корпусы и т.д. Кроме того, как раскрывалось выше, сажевый фильтр 72 отработавших газов расположен в выпускном обходном канале 82 и его размеры могут быть существенно меньше размеров традиционных сажевых фильтров, располагаемых в основном выпускном канале 48 (площадь поперечного сечения которого больше, чем у выпускного обходного канала 82). Кроме того, нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов может быть меньше традиционных нагревателей УСТ, потому что сажевый фильтр 72 отработавших газов расположен в выпускном обходном канале 82 и может быть обойден во время режима работы двигателя, при котором количество ТЧ небольшое; другими словами, нагрузка фильтра и, следовательно, частота регенераций сажевого фильтра отработавших газов могут быть ниже. Согласно одному примеру, сажевый фильтр отработавших газов может содержать миниатюрный сажевый фильтр, а приблизительные размеры сажевого фильтра 72 отработавших газов могут быть следующими: диаметр < 30 мм, длина < 205 мм, площадь поперечного сечения < 1 квадратный дюйм, и объем керамики < 50000 мм³. Кроме того, масса керамического материала, содержащегося в фильтре может быть < 65 г. Размер сажевого фильтра отработавших газов может изменяться в соответствии с рабочим объемом двигателя, выходным количеством сажи и максимальным пороговым значением сажевой нагрузки. Также, сажевый фильтр 72 отработавших газов может содержать термоизолированный фильтр, причем потери тепловой энергии от сажевого фильтра 72 отработавших газов понижены, и потребляемая мощность для нагрева сажевого фильтра 72 отработавших газов также понижена. Термоизоляция сажевого фильтра 72 отработавших газов может включать в себя термоизоляцию внешних поверхностей сажевого фильтра 72 отработавших газов с помощью изолирующего негорючего материала.

На фиг. 4 проиллюстрирован другой пример конфигурации выпускной системы 400 двигательной системы 100. Выпускная система 400 может работать как часть двигательной системы 100 аналогично выпускной системе 300, как раскрывалось выше со ссылкой на фиг. 3. Однако, в выпускной системе 400 выпускной обходной канал 82 и сажевый фильтр 72 отработавших газов расположены так, что сажевый фильтр 72 отработавших газов термически соединен с УСТ 70 через по меньшей мере одну общую теплопроводящую поверхность 472. Таким путем, тепловая энергия от УСТ 70 может быть проведена или передана через теплопроводящую поверхность 472 для нагрева сажевого фильтра 72 отработавших газов, тем самым еще больше снижая величину выходной мощности нагрева от нагревателя 78 сажевого фильтра отработавших газов для повышения температуры сажевого фильтра 72 отработавших газов до пороговой температуры фильтра перед регенерацией фильтра. УСТ 70 может быть нагрето по меньшей мере частично от горячих отработавших газов двигателя, проходящих через него. Кроме того, нагреватель УСТ может эксплуатироваться и управляться контроллером 12 для нагрева УСТ 70. В случае, когда выпускной обходной канал 82 и сажевый фильтр 72 отработавших газов расположены так, что сажевый фильтр 72 отработавших газов термически соединен с УСТ 70 через по меньшей мере одну общую теплопроводящую поверхность 472, все внешние поверхности сажевого фильтра 72 отработавших газов могут быть термически изолированы, за исключением общей теплопроводящей поверхности 472.

Расположение сажевого фильтра 72 отработавших газов ниже по потоку от УСТ 70 (включая каталитический нейтрализатор, такой как ТКН, каталитический нейтрализатор восстановления OA и т.п.) может также использоваться для увеличения противодавления в основном выпускном канале 48 с целью увеличения температур УСТ во время режима холодного запуска, несмотря на то, что уровни ТЧ в выпуске могут быть ниже во время режима холодного запуска. Таким путем, потребляемая мощность для нагрева каталитического нейтрализатора может быть снижена, а предварительный нагрев каталитического нейтрализатора может проходить быстрее, что увеличивает топливную экономичность и снижает выбросы отработавших газов.

Таким образом, двигательная система может содержать: двигатель; сажевый фильтр отработавших газов, расположенный в выпускном обходном канале ниже по потоку от двигателя; выпускной обводной клапан, расположенный в выпускном основном канале выше по потоку от выпускного обходного канала; и контроллер, содержащий исполнимые инструкции для, во время первого режима, в котором температура двигателя ниже пороговой температуры двигателя, регулирования положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя из выпускного основного канала в выпускной обходной канал и сажевый фильтр отработавших газов; и во время второго режима, регулирования положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя в обход выпускного обходного канала, причем во втором режиме температура двигателя больше или равна пороговой температуре двигателя, а в двигателе происходит сгорание топлива. Дополнительно или альтернативно, двигательная система может также содержать нагреватель сажевого фильтра отработавших газов, причем исполнимые инструкции дополнительно содержат нагрев сажевого фильтра отработавших газов до температуры регенерации с помощью нагревателя сажевого фильтра отработавших газов во время второго режима. Дополнительно или альтернативно, нагреватель сажевого фильтра отработавших газов содержит электрический нагревательный элемент, термически соединенный с сажевым фильтром отработавших газов. Дополнительно или альтернативно, нагреватель сажевого фильтра отработавших газов может содержать устройство снижения токсичности отработавших газов, расположенное выше по потоку от сажевого фильтра отработавших газов и термически соединенное с сажевым фильтром отработавших газов, и нагрев сажевого фильтра отработавших газов может содержать передачу тепловой энергии от устройства снижения токсичности отработавших газов сажевому фильтру отработавших газов во время второго режима. Дополнительно или альтернативно, исполнимые инструкции могут также содержать регулировку положения выпускного отводного клапана во время третьего режима для направления отработавших газов двигателя в выпускной обходной канал и сажевый фильтр отработавших газов, причем в третьем режиме расход впрыска топлива ниже порогового расхода, и температура двигателя выше пороговой температуры двигателя. Дополнительно или альтернативно, в третьем режиме температура сажевого фильтра отработавших газов может быть выше температуры регенерации. Дополнительно или альтернативно, в третьем режиме падение давления на сажевом фильтре отработавших газов может быть выше порогового падения давления. Дополнительно или альтернативно, исполнимые инструкции могут также содержать, во время третьего режима, в ответ на то, что падение давления на сажевом фильтре отработавших газов ниже порогового падения давления, регулировку положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя в обход выпускного обходного канала. Дополнительно или альтернативно, исполнимые инструкции могут также содержать, во время третьего режима, в ответ на то, что температура сажевого фильтра отработавших газов температуры регенерации, регулировку положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя в обход выпускного обходного канала. Дополнительно или альтернативно, площадь поперечного сечения выпускного обходного канала меньше площади поперечного сечения выпускного основного канала.

На фиг. 5 проиллюстрирована блок-схема примера способа 500 работы двигательной системы, содержащей выпускной отводной клапан и сажевый фильтр отработавших газов, расположенный в выпускном обходном канале и термически соединенный с нагревателем сажевого фильтра отработавших газов. Способ 500 может быть исполнен согласно исполнимым инструкциям, хранящимся в контроллере транспортного средства, таком как контроллер 12. Способ 500 начинается на шаге 502, где оценивают и/или измеряют режим работы двигательной системы, например скорость транспортного средства (Vs), частоту вращения двигателя (ЧВД), температуру хладагента двигателя (ТХД), расход впрыска топлива (Q_inj), и т.п., с помощью контроллера.

На шаге 510 контроллер может определять то, соблюден ли режим холодного запуска двигателя. Режим холодного запуска двигателя может включать в себя то, что температура двигателя, T_engine, ниже пороговой температуры двигателя, T_engine,TH. Как раскрывалось выше, T_engine может представлять собой ТХД, температуру моторного масла, температуру блока двигателя, температуру отработавших газов двигателя или иную температуру, служащую показателем рабочей температуры двигателя, или их комбинацию. T_engine,TH может представлять температуру, ниже которой сгорание топлива в двигателе является неполным или качество такого сгорания низкое настолько, что существенно большое количество ТЧ выбрасывается в выпускную систему двигателя. Напротив, когда T_engine > T_engine,TH, сгорание топлива в двигателе более полное или его качество настолько высокое, что существенно низкое количество ТЧ выбрасывается в выпускную систему двигателя.

Если соблюден режим холодного запуска, то способ 500 переходит на шаг 514, на котором контроллер может отрегулировать положение выпускного отводного клапана 80 для отвода отработавших газов в сажевый фильтр 72 отработавших газов через выпускной обходной канал 82. Путем направления отработавших газов в сажевый фильтр 72 отработавших газов ТЧ, образуемые за счет сгорания топлива во время режима холодного запуска, могут быть отфильтрованы от отработавших газов, и выбросы ТЧ могут быть снижены. На шаге 518 контроллер 12 может отключить нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов для остановки нагрева сажевого фильтра 72 отработавших газов. После 518 способ 500 заканчивается.

Вернемся на шаг 510, если режим холодного запуска не соблюден, то способ 500 переходит на шаг 520, на котором контроллер 12 может определять то, работает ли двигатель вне режима сгорания топлива. Как раскрывалось выше, двигатель может работать вне режима сгорания топлива, если расход впрыска топлива, Q_,inj, ниже порогового расхода впрыска топлива, Q_inj,TH. Расход впрыска топлива может быть оценен или измерен на основе расхода одного или более топливных насосов в топливной системе двигателя. Альтернативно, двигатель может работать вне режима сгорания топлива, если напряжение, подаваемое на свечу зажигания цилиндра двигателя, ниже порогового напряжения, в то время как расход впрыска топлива, направляемого в данный цилиндр двигателя, выше порогового расхода впрыска топлива. Пороговое напряжение может соответствовать напряжению, ниже которого не образуется искра на свече зажигания цилиндра двигателя. Согласно одному примеру, Q_inj,TH может быть равен нулю. Согласно другому примеру, режим сгорания в двигателе может быть обнаружен за счет превышения ускорением коленчатого вала порогового ускорения коленчатого вала. Ускорение коленчатого вала может быть измерено датчиком положения коленчатого вала (ПКВ), таким как датчик 118 положения на эффекте Холла. Таким образом, если ускорение коленчатого вала ниже порогового ускорения коленчатого вала, могут определить, что двигатель работает вне режима сгорания в двигателе. Если двигатель работает вне режима сгорания топлива, например, когда двигатель отключается во время событий останова двигателя, таких как ОТЗ, может быть благоприятная возможность для регенерации сажевого фильтра отработавших газов, т.к. отработавшие газы содержат главным образом воздух или кислород. В некоторых примерах сажевый фильтр отработавших газов могут регенерировать во время режима работы двигателя на обедненной топливо-воздушной смеси. В другие примеры работы двигателя вне режима сгорания топлива входят продолжительное раскручивание коленчатого вала двигателя и останов двигателя.

Если двигатель работает вне режима сгорания топлива на шаге 520, способ 500 переходит на шаг 522, на котором контроллер 12 может определять то, выше ли температура сажевого фильтра отработавших газов, T_PF пороговой температуры фильтра, T_PF,TH. Как раскрывалось ранее, T_PF,TH может соответствовать температуре фильтра, выше которой прохождение кислорода отработавших газов через сажевый фильтр отработавших газов может вызвать сгорание ТЧ сажи, содержащихся в нем, тем самым регенерируя фильтр. Согласно одному примеру, T_PF,TH может быть выше 450°С, или T_PF,TH может быть равной 500°С. Когда T_PF > T_PF,TH, сажевый фильтр отработавших газов может быть предварительно нагрет и готов к регенерации фильтра, и контроллер 12 может отключить нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов на шаге 524 для остановки нагрева сажевого фильтра 72 отработавших газов. Затем, способ 500 переходит на шаг 526, где контроллер 12 может определять то, выше ли падение давления на сажевом фильтре отработавших газов, ΔP_PF, порогового падения давления на сажевом фильтре отработавших газов, ΔP_PF,TH. Δ_PF,TH может соответствовать падению давления, выше которого сажевый фильтр отработавших газов может содержать существенный уровень ТЧ, так что ΔP_PF может препятствовать правильному выводу отработавших газов и снижать операбельность двигателя. Если ΔP_PF > ΔP_PF,TH, способ 500 переходит на шаг 528, где контроллер 12 может отрегулировать положение выпускного отводного клапана для направления отработавших газов в выпускной обходной канал 82 для инициирования регенерации сажевого фильтра 72 отработавших газов. После 528 способ 500 заканчивается.

Вернемся на шаг 520 в том случае, когда двигатель работает в режиме сгорания топлива, способ 500 переходит на шаг 530, на котором контроллер 12 может определять то, соблюдается ли неравенство T_PF < T_PF,TH. Если T_PF < T_PF,TH на шаге 530 или на шаге 522, способ 500 переходит на шаг 534, на котором контроллер 12 включает нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов для начала нагрева сажевого фильтра отработавших газов. Таким путем, сажевый фильтр 72 отработавших газов может быть предварительно нагрет во время режима сгорания в двигателе, когда двигатель прогрет, а образование ТЧ низкое. По существу, сажевый фильтр 72 отработавших газов может быть подготовлен (в частности, предварительно нагрет) для регенерации, даже во время коротких периодов работы двигателя. Затем способ 500 переходит от шага 534 или от шага 526, если ΔP_PF < ΔP_PF,TH на шаг 536, на котором контроллер 12 может отрегулировать положение выпускного отводного клапана 80 для отвода отработавших газов в обход сажевого фильтра 72 отработавших газов. Во время режима сгорания топлива и режима прогретого двигателя образование ТЧ в двигателе снижено, и отработавшие газы могут обходить сажевый фильтр отработавших газов, в то время как фильтр нагревают для регенерации. Кроме того, вне режима сгорания топлива, когда ΔP_PF < ΔP_PF,TH, сажевый фильтр отработавших газов находится в регенерированном состоянии, а отработавшие газы могут быть направлены в обход сажевого фильтра отработавших газов.

Вернемся на шаг 530 в случае, когда T_PF > T_PF,TH, способ 500 переходит на шаг 538, на котором контроллер 12 выключает нагреватель сажевого фильтра отработавших газов для остановки нагрева сажевого фильтра 72 отработавших газов. Когда T_PF > T_PF,TH, сажевый фильтр 72 отработавших газов предварительно нагрет и готов к регенерации; дальнейший нагрев сажевого фильтра 72 отработавших газов может излишне уменьшить топливную экономичность. После 538 способ 500 переходит на шаг 536, на котором регулируют положение выпускного отводного клапана для направления отработавших газов в обход сажевого фильтра отработавших газов. После 536 способ 500 заканчивается.

Таким образом, способ для двигателя может включать в себя шаги, на которых: во время режима холодного запуска, при котором температура двигателя ниже пороговой температуры двигателя, направляют отработавшие газы двигателя к сажевому фильтру отработавших газов; и во время режима прогретого двигателя направляют отработавшие газы двигателя в обход сажевого фильтра отработавших газов, причем в режиме прогретого двигателя температура двигателя больше или равна пороговой температуре двигателя, а в двигателе происходит сгорание топлива. Дополнительно или альтернативно способ может также содержать шаг, на котором направляют сгоревшие отработавшие газы к сажевому фильтру отработавших газов только во время режима холодного запуска. Дополнительно или альтернативно способ может также содержать шаг, на котором нагревают сажевый фильтр отработавших газов во время режима прогретого двигателя. Дополнительно или альтернативно способ может также содержать шаг, на котором останавливают нагрев сажевого фильтра отработавших газов во время режима холодного запуска. Дополнительно или альтернативно способ может также содержать шаг, на котором направляют отработавшие газы двигателя в сажевый фильтр отработавших газов во время режима регенерации, причем в режиме регенерации температура двигателя больше или равна пороговой температуре двигателя, а расход впрыска топлива ниже порогового расхода впрыска. Дополнительно или альтернативно способ может также содержать шаг, на котором направляют отработавшие газы двигателя в обход сажевого фильтра отработавших газов во время режима регенерации в ответ на то, что падение давления на сажевом фильтре отработавших газов ниже порогового падения давления. Дополнительно или альтернативно способ может также содержать шаг, на котором останавливают нагрев сажевого фильтра отработавших газов во время режима регенерации. Дополнительно или альтернативно способ может также содержать шаг, на котором останавливают нагрев сажевого фильтра отработавших газов в ответ на то, что температура сажевого фильтра отработавших газов выше пороговой температуры фильтра. Дополнительно или альтернативно способ может также содержать термическую изоляцию сажевого фильтра отработавших газов.

Таким образом, способ может содержать шаги, на которых: в ответ на то, что температура двигателя выше пороговой температуры двигателя, направляют отработавшие газы в обход сажевого фильтра отработавших газов во время сгорания топлива в двигателе, и нагревают сажевый фильтр отработавших газов, когда температура сажевого фильтра отработавших газов падает ниже пороговой температуры фильтра; и в ответ на то, что температура двигателя ниже пороговой температуры двигателя, направляют направляют отработавшие газы к сажевому фильтру отработавших газов и прекращают нагрев сажевого фильтра отработавших газов. Дополнительно или альтернативно способ может также содержать шаг, на котором в ответ на то, что температура двигателя выше пороговой температуры двигателя, направляют отработавшие газы к сажевому фильтру отработавших газов во время отсечки топлива при замедлении (ОТЗ). Дополнительно или альтернативно способ может также содержать шаг, на котором в ответ на то, что температура двигателя выше пороговой температуры двигателя, а падение давления на сажевом фильтре отработавших газов ниже порогового падения давления, направляют отработавшие газы в обход сажевого фильтра отработавших газов во время ОТЗ. Дополнительно или альтернативно способ может также содержать шаг, на котором в ответ на то, что температура сажевого фильтра отработавших газов возрастает выше пороговой температуры фильтра из-за нагрева, направляют несгоревшие отработавшие газы для регенерации сажевого фильтра отработавших газов.

На фиг. 6 проиллюстрирована временная шкала 600, показывающая работу двигательной системы, содержащей выпускной отводной клапан 80 и сажевый фильтр 72 отработавших газов, и нагреватель 78 сажевого фильтра отработавших газов, расположенный в выпускном обходном канале 82. Временная шкала 600 включает в себя кривые для статуса 604 двигателя, температуры двигателя, T_engine 610, расхода впрыска топлива, Q_inj 620, температуры сажевого фильтра отработавших газов, T_PF 630, падения давления на сажевом фильтре отработавших газов, ΔP_PF 640, положения 650 выпускного отводного клапана, статуса 660 нагревателя сажевого фильтра отработавших газов и статуса 670 регенерации сажевого фильтра отработавших газов. Также на временной шкале 600 показаны температура двигателя, T_engine,ТН 612, пороговый расход впрыска топлива, Q_inj,TH 622, пороговая температура фильтра, T_PF,TH 632, пороговое падение давления на фильтре, ΔP_PF,TH 642.

Когда время < времени t1, двигатель выключен (ВЫКЛ), T_engine низкая (в частности, меньше, чем T_engine,TH), Q_inj низкий (меньше, чем Q_inj,TH), T_PF < Т_РН,ТН, выпускной отводной клапан находится в положении для обхода сажевого фильтра отработавших газов, нагреватель сажевого фильтра отработавших газов выключен (ВЫКЛ), и статус регенерации сажевого фильтра отработавших газов - ВЫКЛ. ΔP_PF находится на умеренном уровне, большем ΔP_PF,ТН. возможно вследствие ранней работы транспортного средства, когда сажевый фильтр отработавших газов был частично засорен ТЧ из-за работы двигателя при холодном запуске. В момент времени t1 двигатель включен, Q_inj возрастает выше Q_inj,TH, а температура двигателя начинает возрастать, указывая на сгорание топлива в двигателе. В ответ на включенное состояние двигателя и то, что T_engine < T_engine,ТН (в частности, режим холодного запуска), контроллер 12 регулирует положение выпускного отводного клапана для отвода отработавших газов в сажевый фильтр отработавших газов так, чтобы ТЧ, образуемые в холодном двигателе, могли быть отфильтрованы от отработавших газов в выпускном канале, а выбросы ТЧ могли быть снижены. Поэтому, после момента времени t1 ΔP_PF начинает увеличиваться по мере накопления ТЧ в сажевом фильтре отработавших газов. По мере роста T_engine, интенсивность образования ТЧ вследствие сгорания топлива может снизится, однако интенсивность роста ΔP_PF может повысится в ответ на увеличенные уровни ТЧ, содержащихся в сажевом фильтре отработавших газов.

В момент времени t2 T_engine повышается выше T_engine,ТН, указывая на режим прогретого двигателя. В ответ, контроллер 12 может отрегулировать положение выпускного отводного клапана для направления отработавших газов в обход сажевого фильтра отработавших газов, т.к. интенсивность образования ТЧ из-за сгорания в двигателе во время режима прогретого двигателя может быть очень низкой по сравнению с режимом холодного запуска двигателя, при котором T_engine < T_engine,TH. Таким образом, в момент времени t2 ΔP_PF прекращает увеличение, т.к. нет дальнейшей фильтрации ТЧ в отработавших газах сажевым фильтром 72 отработавших газов. В ответ на то, что T_engine > T_engine,ТН и в ответ на то, что Q_inj > Q_inj,TH (режим прогретого двигателя и режим сгорания топлива), контроллер 12 включает нагреватель сажевого фильтра отработавших газов для предварительного нагрева сажевого фильтра отработавших газов для подготовки фильтра к регенерации. Как показано в момент времени t2, T_PF начинает увеличиваться в соответствии с тем, что статус 660 нагревателя переключается на ВКЛ.

В момент времени t3 Q_inj падает ниже Q_inj,TH, указывая на ОТЗ или другое событие останова двигателя вне режима сгорания топлива в двигателе. Так как T_PF < T_PF,TH между моментом времени t3 и моментом времени t4, температура сажевого фильтра отработавших газов не достаточно высока для регенерации фильтра, и контроллер 12 поддерживает положение выпускного отводного клапана так, чтобы отработавшие газы обходили сажевый фильтр отработавших газов, и статус регенерации сажевого фильтра (СФ) остается ВЫКЛ. В момент времени t4 T_PF возрастает выше T_PF,TH, указывая на то, что сажевый фильтр отработавших газов предварительно нагрет и готов к регенерации фильтра. В ответ на увеличение T_PF выше T_PF,TH, контроллер выключает нагреватель сажевого фильтра отработавших газов, как показано изменением статуса нагревателя на ВЫКЛ в момент времени t4. Так как Q_inj выше Q_inj,ТН в момент времени t4, двигатель работает в режиме сгорания топлива, и контроллер 12 поддерживает положение выпускного отводного клапана для обхода сажевого фильтра отработавших газов.

В момент времени t5 Q_inj еще раз падает ниже Q_inj,TH, указывая на ОТЗ или событие останова двигателя вне режима сгорания топлива в двигателе. В ответ на событие ОТЗ и в ответ на то, что T_PF > T_PF,TH и т.к. ΔP_PF > ΔP_PF,TH (что указывает на то, что фильтр содержит существенный уровень ТЧ и может быть регенерирован), контроллер 12 может отрегулировать положение выпускного отводного клапана для направления отработавших газов из основного выпускного канала в выпускной обходной канал 82 через сажевый фильтр 72 отработавших газов. Т.к. двигатель работает вне режима сгорания топлива в момент времени t5, отработавшие газы могут главным образом состоять из воздуха или кислорода. Прохождение кислорода отработавших газов через предварительно нагретый сажевый фильтр отработавших газов может привести к окислению и сгоранию ТЧ сажи, содержащихся в нем, тем самым обеспечивая регенерацию сажевого фильтра отработавших газов.

Между моментом времени t5 и моментом времени t6 T_PF > T_PF,TH, ΔP_PF > ΔP_PF,TH, и Q_inj повышается выше Q_inj,TH и падает ниже Q_inj,ТН несколько раз, обозначая периоды работы двигателя со сгоранием топлива и без сгорания топлива (в частности, ОТЗ). Соответственно, между моментами времени t5 и t6, в соответствии с тем, когда Q_inj повышается выше Q_inj,TH, контроллер 12 регулирует положение выпускного отводного клапана для направления отработавших газов в обход сажевого фильтра отработавших газов, и статус регенерации СФ - ВЫКЛ. Наоборот, между моментами времени t5 и t6, в соответствии с тем, когда Q_inj падает ниже Q_inj,TH, контроллер 12 регулирует положение выпускного отводного клапана для направления отработавших газов через сажевый фильтр отработавших газов, и статус регенерации СФ - ВКЛ. Когда статус регенерации СФ переключается на ВКЛ, ΔP_PF падает; когда статус регенерации СФ переключается на ВЫКЛ, ΔP_PF остается относительно неизменной, т.к. отработавшие газы обходят сажевый фильтр отработавших газов.

В момент времени t6 ΔP_PF падает ниже ΔP_PF,TH, что указывает на то, что регенерация фильтра завершена (в частности, ТЧ, содержащиеся в сажевом фильтре отработавших газов, были окислены и сожжены до некоторой степени, и за счет этого падение давления на фильтре из-за ТЧ, содержащихся в нем, теперь не оказывают влияния на поток отработавших газов). В ответ на это, контроллер 12 регулирует положение выпускного отводного клапана для направления отработавших газов в обход сажевого фильтра отработавших газов, и статус регенерации СФ переключается на ВЫКЛ. Кроме того, после t6 статус регенерации СФ остается ВЫКЛ, и выпускной отводной клапан остается в положении для направления отработавших газов в обход сажевого фильтра отработавших газов, даже когда Q_inj падает ниже Q_inj,TH (в то время как T_PF > T_PF,_TH и T_engine > T_engine,ТН), т.к. ΔР_РН < ΔP_PF,_TH.

Таким путем, сажевый фильтр отработавших газов может быть надежно регенерирован во время событий останова двигателя, таких как ОТЗ, при этом снижается преждевременная деградация фильтра. Кроме того, путем избегания каких-либо ограничений событий останова двигателя, могут поддерживаться дорожные качества транспортного средства и топливная экономичность. Также, путем отклонения потока отработавших газов к сажевому фильтру отработавших газов во время режима холодного запуска двигателя и обхода сажевого фильтра отработавших газов во время режима сгорания в прогретом двигателе, может быть снижен размер сажевого фильтра отработавших газов, что снижает расходы на производство и повышает надежность при поддержании нужного уровня выбросов ТЧ транспортного средства.

Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или автомобилей. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполнимых инструкций в долговременной памяти и могут осуществляться системой управления, содержащей контроллер в сочетании с различными датчиками, исполнительными механизмами и другим аппаратным оснащением двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрываемые действия, операции и/или функции могут графически представлять код, запрограммированный в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, при этом раскрываемые действия выполняют путем исполнения инструкций в системе, содержащей разнообразные аппаратные компоненты двигателя в сочетании с электронным контроллером.

Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.

В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигательная система (100) содержит двигатель (10), сажевый фильтр (72) отработавших газов, расположенный в выпускном обходном канале (82) ниже по потоку от двигателя (10), выпускной отводной клапан (80) и контроллер (12). Выпускной отводной клапан (80) расположен в выпускном основном канале (48) выше по потоку от выпускного обходного канала (82). Контроллер (12) содержит инструкции для первого, второго и третьего режимов. Во время первого режима, в котором температура двигателя ниже пороговой температуры двигателя, происходит регулирование положения выпускного отводного клапана (80) для направления отработавших газов двигателя из выпускного основного канала (48) к выпускному обходному каналу (82). Во время второго режима происходит регулирование положения выпускного отводного клапана (80) для направления отработавших газов двигателя в обход выпускного обходного канала (82). Во втором режиме температура двигателя больше или равна пороговой температуре двигателя, а в двигателе происходит сгорание топлива. Во время третьего режима происходит регулирование положения выпускного отводного клапана (80) для направления отработавших газов двигателя в выпускной обходной канал (82) и сажевый фильтр (72) отработавших газов. В третьем режиме ускорение коленчатого вала (40) ниже порогового ускорения коленчатого вала, а температура двигателя выше пороговой температуры двигателя. Технический результат заключается в обеспечении надежного восстановления сажевого фильтра во время остановки двигателя. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двигательная система, содержащая:

двигатель;

сажевый фильтр отработавших газов, расположенный в выпускном обходном канале ниже по потоку от двигателя;

выпускной отводной клапан, расположенный в выпускном основном канале выше по потоку от выпускного обходного канала; и

контроллер, содержащий исполнимые инструкции для

во время первого режима, в котором температура двигателя ниже пороговой температуры двигателя, регулирования положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя из выпускного основного канала к выпускному обходному каналу;

во время второго режима, регулирования положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя в обход выпускного обходного канала, причем во втором режиме температура двигателя больше или равна пороговой температуре двигателя, а в двигателе происходит сгорание топлива; и

во время третьего режима, регулирования положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя в выпускной обходной канал и сажевый фильтр отработавших газов, причем в третьем режиме ускорение коленчатого вала ниже порогового ускорения коленчатого вала, а температура двигателя выше пороговой температуры двигателя.

2. Двигательная система по п. 1, дополнительно содержащая нагреватель сажевого фильтра отработавших газов, причем исполнимые инструкции дополнительно содержат нагрев сажевого фильтра отработавших газов до температуры регенерации с помощью нагревателя сажевого фильтра отработавших газов во время второго режима.

3. Двигательная система по п. 2, в которой нагреватель сажевого фильтра отработавших газов содержит электрический нагревательный элемент, термически соединенный с сажевым фильтром отработавших газов.

4. Двигательная система по п. 3, в которой

нагреватель сажевого фильтра отработавших газов содержит устройство снижения токсичности отработавших газов, расположенное выше по потоку от сажевого фильтра отработавших газов и термически соединенное с сажевым фильтром отработавших газов, и

нагрев сажевого фильтра отработавших газов содержит передачу тепловой энергии от устройства снижения токсичности отработавших газов сажевому фильтру отработавших газов во время второго режима, причем регенерация сажевого фильтра отработавших газов происходит без прохождения через него отработавших газов двигателя.

5. Двигательная система по п. 1, в которой в третьем режиме дополнительно температура сажевого фильтра отработавших газов выше температуры регенерации и падение давления на сажевом фильтре отработавших газов выше порогового падения давления.

6. Двигательная система по п. 5, в которой исполнимые инструкции дополнительно содержат, во время третьего режима, в ответ на то, что падение давления на сажевом фильтре отработавших газов ниже порогового падения давления, регулировку положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя в обход выпускного обходного канала.

7. Двигательная система по п. 6, в которой исполнимые инструкции дополнительно содержат, во время третьего режима, в ответ на то, что температура сажевого фильтра отработавших газов ниже температуры регенерации, регулировку положения выпускного отводного клапана для направления отработавших газов двигателя в обход выпускного обходного канала.

8. Двигательная система по п. 1, в которой площадь поперечного сечения выпускного обходного канала меньше площади поперечного сечения выпускного основного канала.